(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、この鋳型が載置されるチルプレートと、前記鋳型の上方位置に配置され、シリコン原料を加熱して前記溶湯を生成する上加熱部と、を備え、
前記チルプレートは、導電性を有し通電されることにより加熱時に発熱するとともに冷却時には冷却をおこなう構成とされており、前記チャンバの外部に、前記チルプレートに通電するための電源を備えていることを特徴とする結晶シリコン製造装置。
【請求項２】
前記チルプレート上には、前記鋳型を内部に収容する収容体が設けられ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。
【請求項３】
前記チルプレートがカーボンからなることを特徴とする請求項１または２記載の結晶シリコン製造装置。
【請求項４】
前記収容体がカーボンからなることを特徴とする請求項２または３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、例えば図３に示すように、ほぼ直方体状に形成された鋳型５１内に収容されたシリコン原料Ｓを、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上にカーボンからなる断熱材５６が周設されている。また、この断熱材５６は、鋳型５１から溶湯５４が漏れた場合に、漏れた溶湯５４を吸収して他の部分に影響を及ぼさないために設けられている。
【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、シリコン原料を加熱溶解する際に、ヒータ５２，５３からの輻射熱により、鋳型５１内のシリコン原料Ｓの温度を上昇していたが、シリコン原料Ｓを完全に溶解するまでに長時間かかるため、この加熱時間を短縮したいという要求が存在していた。
また、鋳型５１から溶湯５４が漏れた際、漏れだした溶湯５４の量が多い場合には、断熱材５６によって完全に吸収することができない可能性があり、この場合、上記の装置５０下部に溶湯５４が流れ出してしまい、シリコン製造装置５０の下側部分が影響を受けてしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、以下の目的を達成しようとするものである。
▲１▼ 加熱時間の短縮を図ること。
▲２▼ 漏れだした溶湯による影響の低減を図ること。
【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、この鋳型が載置されるチルプレートと、前記鋳型の上方位置に配置され、シリコン原料を加熱して前記溶湯を生成する上加熱部と、を備え、前記チルプレートは、導電性を有し通電されることにより加熱時に発熱するとともに冷却時には冷却をおこなう構成とされており、前記チャンバの外部に、前記チルプレートに通電するための電源を備えていることにより上記課題を解決した。
本発明において、前記チルプレート上には、前記鋳型を内部に収容する収容体が設けられることが望ましい。
また、本発明において、前記収容体がカーボンからなる手段、または、前記チルとプレートがカーボンからなる手段を採用することもできる。
【０００８】
本発明の結晶シリコン製造装置においては、冷却時には鋳型の冷却をおこなうチルプレートが導電性を有するとともに、チルプレートに通電することにより、加熱時にこのチルプレートが発熱し、この熱により、チルプレート上に載置された鋳型を加熱する。このため、鋳型内のシリコン原料を溶解するのにヒータからの輻射熱のみにより加熱する従来の技術とは異なり、発熱しているチルプレートから、このチルプレートに接触している鋳型に対して直接熱を伝導させることが可能となる。この結果、鋳型内のシリコン原料を溶解するのに必要な加熱時間を短縮することができる。
この際、従来の技術のように、輻射により鋳型を加熱するヒータを併用することも可能である。
【０００９】
本発明において、前記チルプレート上に前記鋳型を内部に収容し少なくとも該鋳型の側壁部の周囲を囲むように前記溶湯の液面よりも高い位置まである側壁部を有する収容体が設けられることにより、溶湯が鋳型から漏れだした場合でも、漏れた溶湯を鋳型の側壁部と収容体の側壁部との間に溜めることができる。これにより溶湯が収容体から外部に漏れ出すことを防止して、鋳型よりも下方に位置する結晶シリコン製造装置各部に溶湯が影響を及ぼすことを防止できる。
ここで、前記収容体は底部と側壁部とを有する桶状とすることができ、また、前記チルプレートと一体とすることも可能である。
【００１０】
また、本発明において、前記チルプレートがカーボンからなる手段を採用することにより、通電した場合に鋳型を加熱するために必要な発熱が可能な導電性と抵抗値とを得ることが可能となるとともに、発熱したチルプレートからの熱を鋳型に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができる。また、前記収容体がカーボンからなる手段を採用することにより、発熱したチルプレートからの熱を鋳型に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができるとともに、溶湯をその内部に溜めることが可能となる。
【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図であり、図１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。
チルプレート８は、カーボンからなり、電源９に接続されており、通電されることにより発熱する。これら上加熱部７ａおよびチルプレート８、電源９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とルツボ４の底部と密着されている。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、上加熱部７ａの配線類を通すポート等が設けられる。
【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、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。
次いで、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、その状態で電源９を作動してチルプレート８に通電して、このチルプレート８を発熱させ、この熱を図２に矢印で示すように、接触している収容体５を介してルツボ４に直接伝導させて、固体シリコン３ａを溶融する。このとき、同時に上加熱部７ａを作動させて包囲炉６内を昇温させる。
溶融温度に達した時点でルツボ４内の固体シリコン３ａが溶融することにより、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チルプレート８への通電を停止し、シャッターを開くと、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、ヒータによる輻射熱のみではなく、通電することにより発熱体となっているチルプレート８から収容体５を介して直接ルツボ４を加熱することにより、固体シリコン３ａの加熱効率が高まり、加熱時間を確実に短縮化させることができる。これにより、結晶シリコンの製造コストを削減することができるとともに、結晶シリコン製造装置のランニングコストを削減することが可能となる。
【００２２】
このとき、チルプレート８がカーボンからなることにより、通電した場合にルツボ４を加熱するために必要な発熱が可能な導電性と抵抗値とを得ることが可能となるとともに、発熱したチルプレート８からの熱を鋳型に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができる。
【００２３】
また、ルツボ４が収容体５内部に収容されており、この収容体５が、少なくともルツボ４の側壁部の周囲を囲むようにシリコン融液３の液面よりも高い位置まである側壁部５ａを有することにより、たとえ、ルツボ４からシリコン融液３が漏れだしたとしても、収容体５の外側にシリコン融液が漏れることが防止できるため、包囲炉６の下部構造に影響を及ぼすことが防止できる。また、前記収容体５がカーボンからなることにより、発熱したチルプレート８からの熱をルツボ４に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができるとともに、１４８０℃程度のシリコン融液３をその内部に溜めることが可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の結晶シリコン製造装置によれば、以下の効果を奏する。
（１） 鋳型が載置されるとともに導電性を有するチルプレートに通電することによって発熱させたチルプレートから、このチルプレートに接触している鋳型に対して直接熱を伝導させることが可能となり、この結果、鋳型内のシリコン原料を融解するのに必要な加熱時間を短縮し、結晶シリコン製造装置のランニングコストを削減することができる。
（２） 前記チルプレート上に前記鋳型を内部に収容し少なくとも該鋳型の側壁部の周囲を囲むように前記溶湯の液面よりも高い位置まである側壁部を有する収容体が設けられることにより、溶湯が鋳型から漏れだした場合でも、漏れた溶湯を鋳型の側壁部と収容体の側壁部との間に溜めることができる。これにより溶湯が収容体から外部に漏れ出すことを防止して、鋳型よりも下方に位置する結晶シリコン製造装置各部に溶湯が影響を及ぼすことを防止できる。
（３） 前記チルプレートがカーボンからなる手段を採用することにより、通電した場合に鋳型を加熱するために必要な発熱が可能な導電性と抵抗値とを得ることが可能となるとともに、発熱したチルプレートからの熱を鋳型に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができる。
（４） 前記収容体がカーボンからなる手段を採用することにより、発熱したチルプレートからの熱を鋳型に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができるとともに、溶湯をその内部に溜めることが可能となる。
【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断面図である。
【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
５ａ…側壁部
６…包囲炉
８…チルプレート
９…電源
【図１】
0004273664.tif 000002
【図２】
0004273664.tif 000003
【図３】
0004273664.tif 000004