(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内に、溶湯を収容する鋳型と、該鋳型を包囲する包囲炉と、鋳型内に収容したシリコン原料を加熱して溶湯を生成する加熱手段と、包囲炉に貫通した複数の貫通穴を有する結晶シリコン製造装置において、前記包囲炉外部の前記チャンバ内の空間を隔壁を設けることにより分離し、分離した前記空間に一つの前記貫通穴のみがそれぞれ連通するように設定することを特徴とする結晶シリコン製造装置。
【請求項２】
前記隔壁が包囲炉側に配設されてなることを特徴とする請求項１記載の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３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、各ヒータ５２、５３や断熱材５６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】
上記の結晶シリコン製造装置５０は、チャンバ内に設けられた包囲炉５７の内部に鋳型５１を設置しているが、この包囲炉５７には、ヒータ５２の配線，観察用のビューポート，温度センサ，を通すための複数の貫通穴５８，５８が貫通して設けられている。
【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、シリコンの加熱溶融時、かなりの高温（１０００℃以上）となっているので、そのシリコンと、炉内の主要構成部品であるカーボン材とが不活性ガスを介して高温反応し、ＳｉＣガスが発生する。このＳｉＣガスは、シリコン融液が急冷されると、成長してＳｉＣ結晶となり、炉内外に付着するという問題があった。また、これ以外にも、包囲炉５７内外に付着する付着物を清掃しなければならなかった。
ここで、包囲炉５７とその外部のチャンバ内部とが複数の貫通穴５８，５８によって連通している場合には、図３に矢印で示すように、上記のガスが包囲炉５７内部から貫通穴５８を通じて包囲炉５７外部へと進入し、また別の貫通穴５８から包囲炉５７内部へと戻ることで、上記のガスが行き来して、包囲炉５７外部に付着物が発生すると考えられる。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、包囲炉外のチャンバ内部への付着物の低減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、チャンバ内に、溶湯を収容する鋳型と、該鋳型を包囲する包囲炉と、鋳型内に収容したシリコン原料を加熱して溶湯を生成する加熱手段と、包囲炉に貫通した複数の貫通穴を有する結晶シリコン製造装置において、前記包囲炉外部の前記チャンバ内の空間を隔壁を設けることにより分離し、分離した前記空間に一つの前記貫通穴のみがそれぞれ連通するように設定することにより上記課題を解決した。また、本発明においては、前記隔壁が包囲炉側に配設されてなる手段を採用することができる。
【０００８】
本発明の結晶シリコン製造装置においては、前記包囲炉外部のチャンバ内の空間を隔壁を設けることにより分離し、分離した前記空間に一つの前記貫通穴のみがそれぞれ連通するように設定するため、この隔壁によって各貫通穴どうしが連通することがないため、包囲炉内部から包囲炉外部のチャンバ内に、付着物を生成する可能性のあるガスが進入することを低減することができる。また、分離するとは、必ずしも密閉を意味するものではなく、少なくとも付着物を生成するガスが貫通穴から進入しない程度に包囲炉外部のチャンバ内を分割することを意味するものである。
【０００９】
また、本発明においては、前記隔壁が包囲炉側に配設されてなることにより、加熱時においても、上述のように包囲炉外部のチャンバ内の空間を分離した状態を保ちつつ、熱による変形等の影響を低減することが可能になる。
【００１０】
【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の隔壁付近を示す拡大正断面図（ａ）および平面図（ｂ）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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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２０が配管されている。流入ノズル２０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、昇降機構２０ａ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。
【００１４】
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。
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。この収容体５は設けないことも可能である。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
包囲炉６の天板部には複数の貫通穴２３，２４，２５が設けられ、これらは、図１，図２に示すように、貫通穴２３が観察用のビューポート、貫通穴２４が温度センサー用ポート、貫通穴２５が上，下加熱部７ａ，７ｂの配線類を通すポートである。
これら包囲炉６に貫通した複数の貫通穴２３，２４，２５に対して、包囲炉６外部のチャンバ２内を各貫通穴２３，２４，２５に対応して分離するよう隔壁３０が設けられている。これら隔壁３０は包囲炉６に配設されて、包囲炉６外部のチャンバ２内を各貫通穴２３，２４，２５に対応して分離して各貫通穴２３，２４，２５どうしがそれぞれ連通しないように配設されている。
なお、図において、隔壁３０先端とチャンバ２内側とは離間しているが、これは包囲炉６内部のガスが貫通穴２３，２４，２５から進入しない程度の間隔とされており、また、隔壁３０の先端がチャンバ２の内側に接続されて、各部分を完全に分離することも可能である。
【００１９】
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、下加熱部７ｂ、上加熱部７ａ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。
【００２０】
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。
【００２１】
本実施形態では、包囲炉６外部のチャンバ２内に隔壁３０を設けて各貫通穴２３，２４，２５どうしが連通していないため、加熱時および冷却時において、包囲炉６内部のガスがこれらの貫通穴２３，２４，２５に進入することを防止でき、これにより、包囲炉６外部のチャンバ２内に付着物を生成するガスが進入することを防止できる。そのため、包囲炉６外部のチャンバ２内に付着物が付着することを大幅に低減することができる。その結果、包囲炉６外部の清掃をおこなう必要がない。
【００２２】
なお、貫通穴は上記の構成以外にも考慮することができ、この場合にも、各貫通穴に対応して隔壁３０を設けることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の結晶シリコン製造装置によれば、前記包囲炉外部のチャンバ内の空間を隔壁を設けることにより分離し、分離した前記空間に一つの前記貫通穴のみがそれぞれ連通するように設定するため、この隔壁によって各貫通穴どうしが連通することが防止でき、包囲炉内部から包囲炉外部のチャンバ内に、付着物を生成する可能性のあるガスが進入することを低減することができる。その結果、包囲炉外部のチャンバ内に付着物が付着することを大幅に低減することができ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隔壁付近を示す拡大正断面図（ａ）および平面図（ｂ）である。
【図３】   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
６…包囲炉
８…チルプレート
２３，２４，２５…貫通穴
３０…隔壁
【図１】
0004258974.tif 000002
【図２】
0004258974.tif 000003
【図３】
0004258974.tif 000004