(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内にシリコン融液を収容するルツボと、前記ルツボを載置してルツボ内のシリコン融液を冷却する冷却板と、前記ルツボおよび冷却板を包囲する複数の断熱部材で形成された包囲部とを備え、前記チャンバー内に不活性ガスを流入するためのガス流入口を具備した結晶シリコン製造装置において、前記複数の断熱部材のうちの前記冷却板の下方に配置する断熱部材は移動することが可能な可動断熱部材であり、該可動断熱部材を移動して、前記包囲部の一部に開口を形成する断熱部材移動装置を備えるとともに、前記開口が形成されていないときは前記包囲部外に配置する冷却部材と、該冷却部材を前記開口が形成されたときに該開口から挿入して前記冷却板に接近させる冷却部材移動装置とを備えたことを特徴とする結晶シリコン製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の結晶シリコン製造装置において、前記冷却板の周縁に配置して、該冷却板とともに前記包囲部内を前記ルツボを含む包囲部内上部と前記ルツボを含まない包囲部内下部とに仕切る仕切部材を備えたことを特徴とする結晶シリコン製造装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の結晶シリコン製造装置において、前記冷却板が、前記チャンバー外から冷媒を導入する冷媒供給管に連結された冷媒供給口と、前記チャンバー外へ冷媒を排出する冷媒排出管に連結された冷媒排出口と、前記冷却板内部に冷媒を収容可能な中空部とを備えたこと特徴とする結晶シリコン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン融液を冷却して一方向に徐々に凝固する結晶シリコン製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶シリコン太陽電池は、今日最も多く製造されている太陽電池である。
多結晶シリコン太陽電池の発電素子（ソーラー・セル）では、多結晶シリコン基板の品質がその性能を大きく左右する。そのため、その品質を向上させるべく、その製造において様々な改良がなされてきた。
【０００３】
太陽電池の最も重要な性能は、エネルギー変換効率である。このエネルギー変換効率は、基板が有する結晶粒界および結晶粒内の結晶の配向性に大きく左右される。これらは、ソーラー・セル内のキャリアの寿命の短縮や移動度の低下の原因となって、エネルギー変換効率を低下させるためである。そのため、エネルギー変換効率を向上させるためには、多結晶シリコンの製造において、その結晶粒界をできるだけ少なくすること、言い換えると、結晶粒径ができるだけ大きな結晶粒に成長させること、そして、その結晶粒内の配向性を向上させることが重要である。
【０００４】
多結晶シリコンを製造する方法で代表的なものに、一方向凝固法がある。この方法では、ルツボに収容した原料の固体シリコンをヒーターにより加熱して、シリコン融液とし、次いで、ルツボを載置した冷却板に冷媒として、通常、不活性ガスまたは水を流して、シリコン融液内にルツボの底部から上部方向への正の温度勾配を付与し、シリコン融液を底部から徐々に冷却・凝固して、結晶を上方へと成長させていく。この方法によれば、太陽電池用ウェーハとして十分な数ｍｍ以上の結晶粒径を有する多結晶シリコンインゴットが得られることが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の一方向凝固法において、シリコン融液を冷却するのに長時間かかるという問題があった。また、シリコンインゴットの製造において、シリコン融液の冷却の際には、安定で一様な温度勾配をシリコン融液に付与することが常に課題となっている。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、シリコン融液の冷却時間が短縮され、シリコン融液の冷却の際に安定で一様な温度勾配をシリコン融液に付与することができる結晶シリコン製造装置を提供する事を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、以下の構成を採用した。請求項１に記載の結晶シリコン製造装置は、チャンバー内にシリコン融液を収容するルツボと、前記ルツボを載置してルツボ内のシリコン融液を冷却する冷却板と、前記ルツボおよび冷却板を包囲する複数の断熱部材で形成された包囲部とを備え、前記チャンバー内に不活性ガスを流入するためのガス流入口を具備した結晶シリコン製造装置において、前記複数の断熱部材のうちの前記冷却板の下方に配置する断熱部材は移動することが可能な可動断熱部材であり、該可動断熱部材を移動して、前記包囲部の一部に開口を形成する断熱部材移動装置を備えるとともに、前記開口が形成されていないときは前記包囲部外に配置する冷却部材と、該冷却部材を前記開口が形成されたときに該開口から挿入して前記冷却板に接近させる冷却部材移動装置とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
この結晶シリコン製造装置においては、断熱部材移動装置によって可動断熱部材を移動させて包囲部の一部に開口を形成することができる。そして、チャンバーと包囲部との間の空間に充填された不活性ガスが、開口を通って冷却板の下方に流入する。この不活性ガスは、冷却板を介してシリコン融液を冷却する。従って、シリコン融液の冷却速度が向上する。さらには、可動断熱部材の移動量を調整して開口の大きさを調節することにより、シリコン融液の冷却速度を制御することができる。また、ガス供給口からの不活性ガスの流入量を調整することによっても、冷却速度の制御が可能である。
さらに、冷却部材を開口から挿入して冷却板に近接させるので、冷却部材により包囲部内からの熱輻射を受けて包囲部内を冷却するとともに、その開口から流入した不活性ガスが冷却部材により冷却され、その冷却された不活性ガスが冷却板に接気するので、冷却板を介してシリコン融液を冷却することができる。従って、シリコン融液の冷却速度が向上する。
【０００９】
請求項２に記載の結晶シリコン製造装置は、請求項１に記載の結晶シリコン製造装置において、前記冷却板の周縁に配置して、該冷却板とともに前記包囲部内を前記ルツボを含む包囲部内上部と前記ルツボを含まない包囲部内下部とに仕切る仕切部材を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この結晶シリコン製造装置においては、仕切部材によって包囲部内下部内の不活性ガスがルツボを有する包囲部内上部に回り込まないので、シリコン融液に付与された一方向の温度勾配を包囲部内下部に流入された不活性ガスが乱すことが防止される。
【００１１】
請求項３に記載の結晶シリコン製造装置は、請求項１または請求項２に記載の結晶シリコン製造装置において、前記冷却板が、前記チャンバー外から冷媒を導入する冷媒供給管に連結された冷媒供給口と、前記チャンバー外へ冷媒を排出する冷媒排出管に連結された冷媒排出口と、前記冷却板内部に冷媒を収容可能な中空部とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
この結晶シリコン製造装置においては、開口から流入した不活性ガスによる冷却に加えて、冷却版に流された冷媒がシリコン融液の熱を運び出すので、シリコン融液の冷却速度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る結晶シリコン製造装置の第一の実施形態を図１から図４を参照して説明する。
結晶シリコン製造装置１は、チャンバー２内にシリコン融液３を収容するルツボ４と、そのルツボ４が載置されるとともにチャンバー２外から冷媒が流入されてルツボ４内のシリコン融液３を冷却する冷却板５と、ルツボ４および冷却板５を包囲する複数の断熱部材で形成された包囲部６と、ルツボ４の周囲を囲むルツボ断熱部材１２と、包囲部６内でルツボ４の上方に配置された上部ヒーター７ａと、下方に配置された下部ヒーター７ｂと、チャンバー２内に不活性ガスを流入するためのガス流入口８と、複数の断熱部材の一部である可動断熱部材６ａを移動する断熱部材移動装置９と、冷却板５の周縁に配置して包囲部６内を冷却板５の上側の包囲部内上部１０ａと下側の包囲部内下部１０ｂとに仕切る断熱材料の仕切部材１１と、チャンバー２の壁部２ａには二重構造をなして冷却水を循環させる壁中空部２ｂとを備えている。
【００１６】
断熱部材移動装置９は、図２に示されたように、可動断熱部材６ａを支持する支持棒１５と、この支持棒１５が固定された支持台１６と、この支持台１６を支持する支持柱１７と、この支持柱１７が固定されるエンドプレート１８と、このエンドプレート１８に固定されたモーター１９を備える。
モーター１９はピニオン１９ａを有し、支持台１６の備えるラック１６ａと噛み合っている。
【００１７】
冷却板５は、図３および図６に示されたように、冷媒供給口５ａと冷媒排出口５ｂと前記冷却板内部に冷媒を収容可能な中空部５ｃとを備え、該中空部５ｃには厚さ方向に平行に複数の支柱５ｄが設けられている。また、冷媒供給口５ａにはチャンバー２外部から冷媒を供給する冷媒供給管５ｅがつながれている。
【００１８】
上記構成の結晶シリコン製造装置を用いて、結晶シリコンを製造する場合には、まず、ルツボ４内に原料のチップ状の固体シリコン３ａを収容する。次に、雰囲気ガスとして不活性ガス、通常アルゴンガスをチャンバー２上部のガス流入口８からチャンバー２内に流入する。そして、ルツボ４内の固体シリコン３ａを上部ヒーター７ａ、下部ヒーター７ｂにより加熱溶融してシリコン融液３とした後、両ヒーターをＯＦＦにする。
【００１９】
その後、チャンバー２の壁中空部２ｂ内に冷却水の循環、断熱部材移動装置９による可動断熱部材６ａの移動、冷却板５への冷媒供給管５ｅを通して不活性ガス、通常アルゴンガスの流入が行われ、シリコン融液３の冷却が開始される。こうして、シリコン融液３は、冷却板５と接するルツボ４の底から冷却される。シリコン融液３は、ルツボ４の底から上方へ付与された正の温度勾配に沿って、一方向に凝固結晶化されていく。
【００２０】
次に、上記構成の結晶シリコン製造装置の作用および効果について説明する。上記結晶シリコン製造装置１では、ルツボ４および上部ヒーター７ａ、下部ヒーター７ｂを囲む断熱材料からなる包囲部６を備えられているので、両ヒーターによる加熱を効率的に行れるとともに、高温の両ヒーターおよびルツボ４からチャンバー２の壁部２ａを守られる。
【００２１】
また、チャンバー２の壁部２ａに壁中空部２ｂが備えられているので、そこに冷却水を流すことによって、固体シリコン３ａの溶融後のチャンバー２およびその内部の冷却が効率的に行われる。すなわち、壁部２ａが冷却水により直接冷却されるともに、チャンバー２内のアルゴンガスが冷却され、冷却された壁部２ａおよび包囲部に比較して低温のアルゴンガスによって内部が冷却される。
【００２２】
断熱部材移動装置は、ピニオン１６ａとラック１９ａとによりモーター１９により、支持台１６を昇降することにより、その支持台１６に固定された支持棒１５を介して可動断熱部材６ａを昇降する。チャンバー２に固定されたスペースカラー２０は、可動断熱部材６ａを上昇させたときの支持台１６のストッパーであり、セットカラー１６ａは下降のときのストッパーである。
この結晶シリコン製造装置１は、断熱部材移動装置９が備えられているので、可動断熱部材６ａを移動させて包囲部６の一部に開口１３を形成することができ、壁部２ａと包囲部６との間の包囲部外空間１４に充填されていた前記低温のアルゴンガスが、その開口１３を通って包囲部内下部１０ｂに流入される。この低温のアルゴンガスは、冷却板５に接して冷却するので、冷却板５によるシリコン融液３の冷却速度が向上する。
【００２３】
尚、可動断熱部材６ａの移動量を調整して開口１３の大きさを調節することにより、シリコン融液３の冷却速度をコントロールすることができる。
また、アルゴンガスの流入量を調整することによっても、冷却速度のコントロールが可能である。
【００２４】
また、仕切部材１１によって、包囲部内下部１０ｂ内のアルゴンガスがルツボ４を有する包囲部内上部１０ａに回り込まない構成にされているので、低温のアルゴンガスがシリコン融液３内に付与された一方向の温度勾配を乱すことが防止される。
【００２５】
さらに、冷却板５が中空部５ｃに支柱５ｄを備えられているので、熱伝導率が高く、加熱および冷却効率が向上している。
【００２６】
次に、第二の実施形態について、図５を参照して説明する。
上述の第一の実施形態と同等な部材に対しては、同符号を付してその説明を省略する。
図５に示す第二の実施形態では、第一の実施形態の結晶シリコン製造装置１において、開口１３から挿入して冷却板５に接触させる冷却部材２１と、この冷却部材２１を移動する冷却部材移動装置（図示しない）とを備えていることが特徴である。
ルツボ４の周囲や冷却板５の下方には、温度計２８、２８、・・・により温度がモニターされる。
【００２７】
可動断熱部材は、複数の断熱部材２６、２７からなる。
また、冷却部材２１は、先端に冷却部２１ａを備え、その冷却部２１ａの中空部２１ｂにチャンバー外部から冷却水を流入するための流入管２１ｃが接続されている。
【００２８】
上記構成の結晶シリコン製造装置では、可動断熱部材２６、２７がその端部２６ａ、２７ａを支点として図中矢印Ａのように回転して、開口１３を形成する。次に、冷却部材移動装置により、冷却部材２１がその開口１３から挿入され、冷却板５に接触される。次いで、冷却部２１ａへ冷却水を流す。
【００２９】
従って、冷却板５は、第一の実施形態と同様に、包囲部外空間１４から開口１３を通って包囲部内下部１０ｂに流入される低温のアルゴンガスにより冷却されるとともに、冷却部材２１によっても冷却されるので、シリコン融液３の冷却速度がさらに向上する。
【００３０】
冷却部材２１の冷却部２１ａに、図６に示すように、フィン２９を設けると、冷却効果がさらに高められる。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る結晶シリコン製造装置によれば、以下のような効果を奏する。
【００３２】
請求項１に記載の結晶シリコン製造装置によれば、断熱部材移動装置によって可動断熱部材を移動させて包囲部の一部に開口を形成することができる。そして、チャンバーと包囲部との間の空間に充填された不活性ガスが、開口を通って冷却板の下方に流入する。この不活性ガスは、冷却板を介してシリコン融液を冷却する。従って、シリコン融液の冷却速度が向上するという効果が得られる。さらには、可動断熱部材の移動量を調整して開口の大きさを調節することにより、シリコン融液の冷却速度を制御することができるという効果が得られる。
また、冷却部材により包囲部内からの熱輻射を受けて包囲部内を冷却するとともに、開口から流入した不活性ガスが冷却部材により冷却され、その冷却された不活性ガスが冷却板に接気するので、冷却板を介してシリコン融液を冷却することができ、シリコン融液の冷却速度が向上するという効果が得られる。
【００３３】
請求項２に記載の結晶シリコン製造装置によれば、仕切部材によって包囲部内下部内の不活性ガスがルツボを有する包囲部内上部に回り込まないので、シリコン融液に付与された一方向の温度勾配を包囲部内下部に流入された不活性ガスが乱すことが防止されるという効果が得られる。
【００３４】
請求項３に記載の結晶シリコン製造装置によれば、開口から流入した不活性ガスによる冷却に加えて、冷却版に流された冷媒がシリコン融液の熱を運び出すので、シリコン融液の冷却速度が向上するという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第一の実施形態である結晶シリコン製造装置の概略構成図である。
【図２】  図１の結晶シリコン製造装置の断熱部材移動装置の概略構成図である。
【図３】  図１の結晶シリコン製造装置の冷却板の内部構造を示す図である。
【図４】  図３の冷却板の支柱の位置を示す図である。
【図５】  本発明の第二の実施形態である結晶シリコン製造装置の概略構成図である。
【図６】  図５における冷却部材の他の実施形態である。
【符号の説明】
１  結晶シリコン製造装置
２  チャンバー
２ａ  壁部
２ｂ  壁中空部
３  シリコン融液
４  ルツボ
５  冷却板
６  包囲部
６ａ  可動断熱部材
８  ガス流入口
９  断熱部材移動装置
１０ａ  包囲部内上部
１０ｂ  包囲部内下部
１１  仕切部材
１３  開口
２１  冷却部材
２６  可動断熱部材
２９  フィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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