(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン原料を溶融した溶湯を収容する鋳型と、シリコン原料を加熱して溶湯を生成する加熱手段と、格子部と該格子部の間で上下に貫通された貫通部分とを有し、前記鋳型が前記格子部の上に載置され冷却時に前記貫通部分から下方への熱輻射によって前記鋳型の冷却が可能なチルプレートと、を備え、
前記加熱手段は、前記チルプレートの下方に配置された複数のヒータを有し、平面視した際に、前記鋳型の中央部側に配設される前記ヒータの本数が前記鋳型の周辺部側に配設される前記ヒータの本数に比べて少なくなるように設定されてなることを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させ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）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、言い換えると、結晶粒径を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。
【０００３】
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、例えば、アルゴンガス雰囲気中において、図４に示すように、ほぼ直方体状に形成された鋳型５１にシリコン原料Ｓを収容し、鋳型５１から離間した上部ヒータ５２および下部ヒータ５３によってこのシリコン原料Ｓを溶融させて溶湯５４とし、次いで下部ヒータ５３による加熱を解き、鋳型５１を冷却板５５によってその底面側から抜熱して凝固させることにより生成される。このとき生成されるインゴットは、冷却板５５や各ヒータ５２、５３を調節して溶湯５４内に鋳型５１の底部から上部方向へ正の温度勾配を付与して、溶湯５４を底部から徐々に冷却・凝固させることにより、結晶を上方へと成長させていく。この方法によれば、太陽電池用ウェハとして十分な数ミリ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。
【０００４】
このとき、一方向凝固性の良好なインゴットを生成するため、鋳型５１の全ての抜熱は底面側から行われ、側壁面５１ａ側からは抜熱されないのが理想的である。そのため、鋳型５１の側壁面５１ａ外側には、冷却板５５上に断熱材５６が周設されている。
また、一度に生成されるインゴットは１００ｋｇ程度以上のものとされていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の一方向凝固法を採用する従来の結晶シリコン製造装置５０においては、一度に冷却するべき溶湯５４が１００ｋｇ程度以上であるため、この冷却時間を短縮したいという要求が存在していた。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、多結晶シリコン製造における製造時間、特に、溶湯の冷却時間の短縮を図るという目的を達成しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の結晶シリコン製造装置においては、シリコン原料を溶融した溶湯を収容する鋳型と、シリコン原料を加熱して溶湯を生成する加熱手段と、格子部と該格子部の間で上下に貫通された貫通部分とを有し、前記鋳型が前記格子部に載置され冷却時に前記貫通部分から下方への熱輻射によって前記鋳型の冷却が可能なチルプレートと、を備え、前記加熱手段は、前記チルプレートの下方に配置された複数のヒータを有し、平面視した際に、前記鋳型の中央部側に配設される前記ヒータの本数が前記鋳型の周辺部側に配設される前記ヒータの本数に比べて少なくなるように設定されてなることにより上記課題を解決した。
【０００８】
本発明の結晶シリコン製造装置においては、前記鋳型が格子状のチルプレートに載置されているため、この格子部によって鋳型を支持できるとともに、冷却時に、鋳型からチルプレートに熱が伝導して冷却されるだけでなく、チルプレートの貫通部分から、熱輻射によって直接冷却することが可能となるため、チルプレートへの熱伝導のみによって冷却をおこなう場合に比べて冷却時間を短縮することが可能となる。
さらに、格子部８ａにより鋳型の底部位置における表面積を増大することができるため、より放熱効率を向上して、冷却時間のより一層の短縮を図ることができる。
【０００９】
また、上記の構成であると、加熱時においても、チルプレートの下側に位置する加熱手段からの熱が、先ず、チルプレートを加熱し、その後、昇温したチルプレートからの熱伝導によって鋳型内部のシリコン原料を加熱する場合に比べて、鋳型にチルプレートから熱が伝導して加熱されるだけでなく、チルプレートの貫通部分から、熱輻射によって直接加熱することが可能となるため、チルプレートからの熱伝導のみによって加熱をおこなう場合に比べて加熱時間を短縮することが可能となる。
【００１０】
ここで、チルプレートの格子部は、鋳型を支持可能な強度を有し、かつ、チルプレートを透過して熱輻射が可能な形状に上下方向に貫通する貫通部分を有するように構成されていればどのような形状でもよい。
【００１１】
【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一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態における結晶シリコン製造装置の一実施形態を示す正断面図であり、図２は図１のチルプレート付近を示す拡大正断面図であり、図３は図１のチルプレートを示す平面図であり、図において符号１は、結晶シリコン製造装置である。
【００１２】
結晶シリコン製造装置１は、図１に示すように、チャンバ２内に、シリコン融液３を収容するルツボ（鋳型）４と、そのルツボ４を収容する収容体５と、ルツボ４の収容された収容体５を載置する格子状のチルプレート８と、ルツボ４、収容体５、およびチルプレート８を包囲する包囲炉６と、包囲炉６内でルツボ４の上方位置および、下方位置に配置され、固体シリコン（シリコン原料）３ａを加熱してシリコン融液（溶湯）３を生成する上加熱部７ａ，下加熱手段７ｂとを有する構成とされている。
【００１３】
チャンバ２を構成する壁の内部には中空部２ａが形成され、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２およびその内部の冷却を効率的に行えるようになっている。
【００１４】
包囲炉６は、複数の断熱材により天板部と底板部とそれらの周囲を囲む側板部とを有して形成され、例えば正面から見て図１に示す如き円筒状で、かつ側面から見て四角の形状をなしている。また、包囲炉６の下部には支持部６４が相対向して設けられ、この支持部６４上にチルプレート８を介し収容体５を支持している。
包囲炉６の天板部には、この天板部を貫通して流入ノズルが配管されている。流入ノズルは不活性ガスであるアルゴンガスを包囲炉６内に流入させるものであり、チャンバ２の外部に設置された昇降機構の駆動により、シリコン融液３に対する距離を変更できるようになっている。
【００１５】
上加熱部７ａは、ルツボ４の長さ方向に沿って複数配設されたヒータで構成されている。また、下加熱部７ｂは、チルプレート８より下方位置にあって、かつ包囲炉６の支持部６４の間に配設されている。これら上加熱部７ａおよび下加熱部７ｂは加熱手段を形成している。また、下加熱部７ｂ，７ｂは、図１，図２に示すように、平面視した際に、ルツボ４の中央部側に配設されるヒータの本数が、ルツボ４の周辺部側に比べて少なくなるように配置されている。
【００１６】
チルプレート８は、図１ないし図３に示すように、平面視して矩形の格子状とされ、格子部８ａ，８ａの間には上下に貫通された貫通部分８ｂ，８ｂを有するよう構成されている。
チルプレート８上にはこのチルプレート８と密着する状態に収容体５が載置されている。このカーボンからなる収容体５は、側壁部５ａと底部５ｂとを有する桶状とされ、その内部に、ルツボ４が収容されている。この側壁部５ａは、ルツボ４の側壁部の周囲を囲むように設けられ、その上端が、少なくともシリコン融液３の液面よりも高い位置まであるよう設定されている。底部５ｂはチルプレート８の格子部８ａとルツボ４の底部と密着されている。この収容体５は設置せずに直接ルツボ４をチルプレート８上に載置することも可能である。
【００１７】
そして、包囲炉６のチルプレート８の下方位置に吸熱板１３が設けられている。吸熱板１３は、シリコン融液３の冷却時に包囲炉６内の輻射熱を吸熱するためのものであって、チャンバ２の下部においてチルプレート８と対向する位置に取付けられ、カーボンで形成されている。包囲炉６には載置台５の下方位置に下開口が形成され、その下開口には開閉可能なシャッターが設けられる。このシャッターは、固体シリコン３ａの加熱時、下開口を閉じた状態にしておき、シリコン融液３の冷却時、シャッターを開くようにしている。
【００１８】
また、吸熱板１３は、チャンバ２内を流通する冷却水用の冷却水路１４を形成している。即ち、吸熱板１３はチャンバ２の底面と適宜の空間をもって配置されており、冷却水路１４は、チャンバ２内の中空部２ａ及びチャンバ２の底面と吸熱板１３との間の空間によりチャンバ２内全体を包囲するように形成されている。
なお、チャンバ２の底部にはチャンバ２及び吸熱板１３を貫通する冷却ノズル２１が設けられている。冷却ノズル２１は、シリコン融液３の冷却時、アルゴンガスをチルプレート８に向けて吹き付けるように包囲炉６内に下方から流入する。
【００１９】
さらに、包囲炉６の側板部の上部には、上開口が設けられ、この上開口を開閉する上部開閉機構をも有している。この上部開閉機構は、開閉扉と、この開閉扉に連結されたアクチュエータとを具備している。そして、固体シリコン３ａの加熱時には、開閉扉が上開口を閉じた状態にしておき、シリコン融液３の冷却時、アクチュエータの駆動により、開閉扉を開くようにしている。またさらに、包囲炉６およびチャンバ２の上部には排気ポート２２が配管されている。この排気ポート２２は、シリコン融液３の冷却時、下方の冷却ノズル２１等から包囲炉６内にアルゴンガスが流入したとき、そのガスを排気するためのものである。なお、包囲炉６には、観察用のビューポート、温度センサー、加熱手段７ａ，７ｂの配線類を通すポート等が設けられる。
【００２０】
上記構成の結晶シリコン製造装置１を用いて、結晶シリコンを製造する場合には、まず、原料のチップ状の固体シリコン３ａをルツボ４内に収容する。
次いで、シャッターおよび上部の開閉扉を閉じて包囲炉６内に流入ポート２０からアルゴンガスを流入し、所定圧のガス雰囲気に保ち、その状態で上加熱部７ａ，下加熱部７ｂを作動して包囲炉６内を昇温させる。
すると、貫通部分８ｂを通過した下加熱部７ｂからの輻射熱とチルプレート８からの熱伝導によりルツボ４が加熱され、同時に上加熱部７ａから加熱されることによりルツボ４内の固体シリコン３ａが溶融する。溶融温度に達した時点でシリコン融液３が生成される。シリコンの溶解温度は１４８０℃である。
【００２１】
そして、シリコン融液３が生成されると、上加熱部７ａを作動状態のままとして下加熱部７ｂの作動を停止し、シャッターを開くと、ルツボ４からチルプレート８に熱が伝導して冷却されるとともに、チルプレート８の貫通部分８ｂから、図２に矢印で示すように、熱輻射によって吸熱板１３に直接吸熱される。
同時に、包囲炉６内の熱が下開口から吸熱板１３に吸熱される。これらにより、包囲炉６内はシリコンの溶融温度から１０００℃程度まで降下する。そうして包囲炉６内の下部が１０００℃以下に降下すると、ルツボ４内のシリコン融液３が凝固し始める。このシリコン融液３が凝固し始めて、上加熱部７ａの作動も停止することにより、ルツボ４内のシリコン融液３が下部から上部にかけて徐々に凝固する。
このように、ルツボ４の底部から上部方向へ正の温度勾配を付与するとともに、シリコン融液３を冷却することにより、シリコンが凝固して結晶化されることとなる。
【００２２】
本実施形態では、チルプレート８の格子部８ａの間の貫通部分８ｂから、図２に矢印で示すように、熱輻射によって吸熱板１３に直接吸熱することにより、例えば貫通部分のないチルプレートへの熱伝導のみによって冷却をおこなう場合に比べて冷却時間を１時間程度短縮することが可能となる。
また、加熱時においても、チルプレート８の下側に位置する下加熱部７ｂからの加熱に際して、ルツボ４にチルプレート８の格子部８ａから熱が伝導して加熱するだけでなく、チルプレート８の貫通部分８ｂから、下加熱部７ｂの熱輻射によって加熱することが可能となるため、貫通部分のないチルプレートからの熱伝導のみによってルツボ４内部の固体シリコン３ａを加熱する場合に比べて、加熱時間を短縮することが可能となる。
【００２３】
このとき、チルプレート８の下方に位置する下加熱部７ｂにおいて、平面視してルツボ４中央部側の本数がルツボ４の周辺部側に比べて少なくなるように配置されていることにより、チルプレート８の貫通部分８ｂから輻射される熱を効率よく吸熱板１３に吸熱させることが可能なため、熱輻射の効率を上げて、冷却時間を更に短縮することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の結晶シリコン製造装置によれば、前記鋳型が格子状のチルプレートに載置されることで、格子部によって鋳型を支持できるとともに、冷却時に、鋳型からチルプレートに熱が伝導して冷却されるだけでなく、チルプレートの貫通部分から、熱輻射によって直接冷却することが可能となるため、貫通部分のないチルプレートへの熱伝導のみによって冷却をおこなう場合に比べて冷却時間を短縮することが可能となり、同時に、加熱時においても、鋳型へのチルプレートからの熱伝導により加熱するだけでなく、チルプレートの貫通部分から、熱輻射によって直接加熱することが可能となるため、チルプレートの下側に位置する加熱手段からの熱が、まず貫通部分のないチルプレートを加熱した後、チルプレートからの熱伝導によって鋳型内部のシリコン原料を加熱する場合に比べて、加熱時間を短縮することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】   本発明に係る結晶シリコン製造装置の一実施形態を示す正断面図である。
【図２】   図１の結晶シリコン製造装置のチルプレート付近を示す拡大正断面図である。
【図３】   図１の結晶シリコン製造装置のチルプレートを示す平面図である。
【図４】   従来の結晶シリコン製造装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１…結晶シリコン製造装置
２…チャンバ
３…シリコン融液（溶湯）
３ａ…固体シリコン（シリコン原料）
４…ルツボ（鋳型）
５…収容体
５ａ…側壁部
６…包囲炉
８…チルプレート
８ａ…格子部
８ｂ…貫通部分
【図１】
0004258973.tif 000002
【図２】
0004258973.tif 000003
【図３】
0004258973.tif 000004
【図４】
0004258973.tif 000005