(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内の断熱材によって囲まれる空間内に鋳型が設置され、該鋳型の下部には冷却板が設けられ、前記鋳型内に収容した融液に該鋳型の内側底面から上方に正の温度勾配を付与して、前記鋳型の内側底面から上方に前記融液を結晶化する結晶製造装置において、
前記断熱材によって囲まれる空間内の雰囲気を取り出して冷却して前記冷却板に向けて供給する冷却装置と、
前記融液の温度を直接または間接的に検出する温度測定装置と、
該温度測定装置の測定値に基づいて前記冷却装置の動作を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置は、前記融液が結晶化してなるインゴットの温度が冷却の際に生じる熱応力による割れが生じない温度以下まで低下したことを条件として、前記冷却装置を作動させることを特徴とする結晶製造装置。
【請求項２】
チャンバー内の断熱材によって囲まれる空間内に鋳型を設置し、該鋳型の下部に冷却板を設け、前記断熱材によって囲まれる空間内の雰囲気を取り出して冷却して前記冷却板に向けて吐出する冷却装置を設け、
前記鋳型内に収容した融液を自然放熱によって冷却して前記鋳型の内側底面から上方に結晶化するとともに、前記融液が結晶化してなるインゴットの温度が冷却の際に生じる熱応力による割れが生じない温度以下まで低下したことを条件として、前記冷却装置を作動させて前記インゴットを冷却することを特徴とする結晶製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン等の融液を冷却して一方向に徐々に凝固する結晶製造装置に関する。
【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、多結晶シリコンの品質がその性能を大きく左右する。そのため、多結晶シリコンの製造には、これまで様々な改良がなされてきたが、今日、多結晶シリコンの製造における最大の課題は、結晶中の不純物元素の低減及び結晶性の向上である。
【０００３】
多結晶シリコンの製造工程は、大きく分けて、金属シリコンから高純度シリコンを製造するプロセスとその高純度シリコンの融液を一方向凝固法により固化するプロセスの２段階に分けられるが、従来、不純物元素を低減するために、前者のプロセスにおいて、金属シリコンを塩酸と反応させてトリクロロ・シランとしてガス化し、そのガスを精留し、水素ガスと反応させながら、ガスから析出させた高純度シリコンを製造している。
そして、この高純度シリコンを鋳型内で溶融させてシリコン融液とし、このシリコン融液を一方向凝固法によって冷却、固化させてシリコンのインゴットを得る。ここで、一方向凝固の際におけるシリコン融液の冷却は、自然放熱によって行っている。
また、不純物元素を低減するために、一方向凝固時に、シリコン融液を攪拌しながら行うことも有効である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えばシリコン融液の凝固温度は１４１２°Ｃであり、シリコン融液の凝固が完了した時点では、シリコン融液から得られたインゴットはまだかなりの高温である。このため、シリコン融液を凝固させてインゴットとしたのちも、インゴットがさらに冷却されて結晶製造装置から取り出すことができる温度（例えば１００°Ｃ程度）になるまで待つ必要があった。
結晶製造装置内には、ヒーターによって高純度シリコンを加熱してシリコン融液にする際に加熱が効果的に行われるよう、シリコン融液が収容される鋳型を囲むようにして断熱材が設けられているので、インゴットの熱が外部に放出されにくい。またインゴットの温度が８００°Ｃ以下に低下すると、放射による放熱の効率が著しく低下するので、インゴットが自然放熱によって十分に冷却されるまでにはかなりの時間がかかっていた。
このことは、シリコンだけでなく、他の原料を一方向凝固させる際にも同様である。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、一方向凝固法により融液を凝固させて得られるインゴットを速やかに取り出すことができる結晶製造装置及び結晶製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【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。
本発明にかかる結晶製造装置は、チャンバー内の断熱材によって囲まれる空間内に鋳型が設置され、該鋳型の下部には冷却板が設けられ、前記鋳型内に収容した融液に該鋳型の内側底面から上方に正の温度勾配を付与して、前記鋳型の内側底面から上方に前記融液を結晶化する結晶製造装置において、前記断熱材によって囲まれる空間内の雰囲気を取り出して冷却して前記冷却板に向けて供給する冷却装置と、前記融液の温度を直接または間接的に検出する温度測定装置と、該温度測定装置の測定値に基づいて前記冷却装置の動作を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記融液が結晶化してなるインゴットの温度が冷却の際に生じる熱応力による割れが生じない温度以下まで低下したことを条件として、前記冷却装置を作動させることを特徴としている。
【０００７】
このように構成される結晶製造装置においては、鋳型内の融液の熱は、自身の放射によって放熱されるとともに、鋳型の下方に設けられる冷却板に伝えられて、冷却板からの放射によっても周囲に放出される。
そして、融液が凝固してインゴットとなったのちは、チャンバー内に設けられる断熱材によって囲まれる空間内の雰囲気が取り出されて、冷却装置によって冷やされてから冷却板に向けて供給される。冷却板は、放射による放熱に加えて、この冷却された雰囲気と接触することによっても冷却されることとなり、冷却板を介して鋳型内のインゴットの熱が効率よく奪われることとなる。
ここで、インゴットの温度が約８００°Ｃ以下となると、放射による放熱に比べて伝導による放熱の効率が著しく高くなるので、特にインゴットの温度がこの温度以下となったのちは、従来の自然放熱のみの場合に比べて、より効果的に冷却が行われる。
さらに、断熱材によって囲まれる空間内の雰囲気は、断熱材、インゴット及び冷却板から熱を受けていて、この雰囲気は冷却装置によって取り出されて、冷却された雰囲気と入れ替えられるので、断熱材、インゴット及び冷却板の熱をより効果的に奪ってインゴットの冷却効率を高めることができる。
【０００８】
ここで、インゴットを単に急冷するだけでは、内部に生じる熱応力によってインゴットに割れが生じてしまう恐れがある。
そこで、上記結晶製造装置において、前記融液の温度を直接または間接的に検出する温度測定装置と、該温度測定装置の測定値に基づいて前記冷却装置の動作を制御する制御装置とを設けて、前記制御装置を、前記融液が結晶化してなるインゴットの温度が冷却の際に生じる熱応力による割れが生じない温度以下まで低下したことを条件として、前記冷却装置を作動させる構成としており、これにより、急冷による割れを生じさせずにインゴットの冷却を行うことができる。
【０００９】
本発明にかかる結晶製造方法は、チャンバー内の断熱材によって囲まれる空間内に鋳型を設置し、該鋳型の下部に冷却板を設け、前記断熱材によって囲まれる空間内の雰囲気を取り出して冷却して前記冷却板に向けて吐出する冷却装置を設け、前記鋳型内に収容した融液を自然放熱によって冷却して前記鋳型の内側底面から上方に結晶化するとともに、前記融液が結晶化してなるインゴットの温度が冷却の際に生じる熱応力による割れが生じない温度以下まで低下したことを条件として、前記冷却装置を作動させて前記インゴットを冷却することを特徴としている。
【００１０】
この結晶製造方法においては、鋳型内の融液の熱は、自身の放射によって放熱されるとともに、鋳型の下方に設けられる冷却板に伝えられて、冷却板からの放射によって周囲に放出される。
そして、融液が凝固してインゴットとなり、さらにその温度が冷却の際に生じる熱応力による割れが生じない温度以下まで低下したことを条件として、冷却装置が作動させられる。冷却装置は、チャンバー内に設けられる断熱材によって囲まれる空間内の雰囲気を取り出して冷却したのちに冷却板に向けて供給するので、冷却板は、放射による放熱に加えて、この冷却された雰囲気と接触することによっても冷却される。これによって冷却板を介して鋳型内のインゴットの熱が効率よく奪われることとなり、インゴットに熱応力による割れを生じさせずにインゴットを急冷することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる結晶製造装置の一実施形態について、図を参照して説明する。ここで、図１は、本実施形態にかかる結晶製造装置の構成を示す縦断面図、図２は図１に示す結晶製造装置の動作の流れを示すフローチャートである。
本実施形態にかかる結晶製造装置１は、シリコン融液の一方向凝固に用いられるものであって、チャンバー２内にシリコン融液３を収容する鋳型４と、鋳型４が載置されるとともに前記シリコン融液３を冷却する際に鋳型４の底部とともにその冷却を媒介する高熱伝導性の冷却板５と、鋳型４および冷却板５を包囲する複数の断熱材で形成された包囲部６とを有している。
ここで、図１では、鋳型４として大型の鋳型を一台設けた例を示しているが、これに限らず、小型の鋳型を複数台設けてもよい。
冷却板５は、万が一鋳型４から溶湯が漏れたときに備えてその周縁から上方へと側壁部５ａが立設された桶形状をなしている。
【００１２】
包囲部６内には、包囲部６内で鋳型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８ａ，８ｂと、複数の断熱材の一部である可動断熱材６ａを移動する断熱材移動装置（図示せず）と、可動断熱材６ａが移動して形成される開口９の真下に冷却フィン１０と、チャンバー２の壁部２ａに二重構造をなして冷却水が循環する冷却ジャケット部２ｂとを備えている。
ガス流入口８ａは、チャンバー２の上部からチャンバー２内に略垂直に差し込まれるガス供給管によって構成されており、その先端は、鋳型４内のシリコン融液３の表面に対向させて設けられているとともに、上下に移動可能とされている。
【００１３】
さらに、包囲部６によって囲まれる空間内の雰囲気を排気する排気装置Ｖと、包囲部６によって囲まれる空間内の雰囲気を取り出して冷却して冷却板５に向けて供給する冷却装置１１と、シリコン融液３の温度を直接または間接的に検出する温度測定装置１２と、温度測定装置１２の測定値に基づいて冷却装置１１を含む結晶製造装置１を構成する各部の動作を制御する制御装置１３とが設けられている。
【００１４】
排気装置Ｖは、チャンバー２内の雰囲気の置換等に用いられるものであって、例えば真空ポンプ等が用いられる。排気装置Ｖは、包囲部６内からチャンバー２外まで設けられる管路Ｐ１を介して包囲部６内の空間と接続されており、この管路Ｐ１には、制御装置１３によって開閉を制御されるダンパーＤ１が設けられている。
【００１５】
冷却装置１１は、包囲部６内からチャンバー２外を経由してチャンバー２内の包囲部６の下方まで設けられる管路Ｐ２と、この管路Ｐ２を介して包囲部６内の空間と接続される吸気ポンプ１１ａと、管路Ｐ２上の吸気ポンプ１１ａの後段に設けられて管路Ｐ２内を流通する気体を冷却する熱交換器１１ｂとを有している。また、この管路Ｐ２において、吸気ポンプ１１ａとチャンバー２との間にはダンパーＤ２が設けられ、熱交換器１１ｂとチャンバー２との間にはダンパーＤ３が設けられている。これらダンパーＤ２、Ｄ３は、制御装置１３によってその開閉を制御されるものである。
【００１６】
温度測定装置１２は、例えばシリコン融液３の温度を非接触で検出する構成のほか、シリコン融液３の周囲の雰囲気温度や鋳型４の温度を測定することで間接的にシリコン融液３の温度を検出する構成とすることができる。
【００１７】
上記構成の結晶製造装置１を用いて、結晶シリコンを製造する過程について図２のフローチャートを用いて説明する。
ここで、本実施の形態では、以下に述べる結晶製造装置１の各部の動作は、制御装置１３によって制御されている。
まず、鋳型４内に原料シリコンを収容してチャンバー２の包囲部６内に搬入する（ステップＳ１）。次に、チャンバー２を閉じて、ダンパーＤ１を開放して、排気装置Ｖによってチャンバー２内を真空引きする（ステップＳ２）。このとき、包囲部６内の雰囲気を排気することで包囲部６の内外で差圧が生じるとこの差圧によって包囲部６が破損する恐れがあるので、ダンパーＤ２、Ｄ３も開放して管路Ｐ２を開放し、包囲部６の内部と外部との間での雰囲気の流通を許容する。
【００１８】
次に、ダンパーＤ１〜Ｄ３を閉じて排気装置Ｖによる排気を停止させた状態で、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８ａ，８ｂからチャンバー２内に流入させて、チャンバー２内の雰囲気を不活性ガスに置換する（ステップＳ３）。
そして、チャンバー２内に不活性ガスを流入させることで包囲部６の内圧が大気圧近傍（本実施の形態では９０ｋＰａ）となった時点で、鋳型４内の原料シリコンを上部ヒーター７ａ、下部ヒーター７ｂにより加熱溶融してシリコン融液３とする（ステップＳ４）。このとき、チャンバー２の冷却ジャケット２ｂ内への冷却水の循環を行うとともに、ダンパーＤ１を開いて排気装置Ｖによって緩やかに包囲部６内の雰囲気の排気を行う。このときの雰囲気の流れを、図１に二点鎖線の矢印で示す。
ここで、鋳型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えるとともに、高温の両ヒーターおよび鋳型４からチャンバー２の壁部２ａが守られる。
【００１９】
また、この間、ガス流入口８ａからは、鋳型４内に形成されるシリコン融液３の表面に向けて不活性ガスが吹き付けられる。この不活性ガスは、シリコン融液３の表面に吹き付けられてキャビティを形成する流れを形成する（この不活性ガスの流れを、図１に二点鎖線の矢印で示す）。そして、シリコン融液３の表面にはキャビティが形成されることでシリコン融液３が攪拌されるとともにシリコン融液３の表面に常に新生面が形成されることとなる。そのため、シリコン融液３内部で発生するＳｉＯガスの周囲雰囲気への排出が促進され、シリコン融液３内の不純物であるＯ（酸素）を効果的に除去することができる。
そして、不活性ガスは、キャビティの形成に寄与したのちは、シリコン融液３の表面に沿って流れて速やかに鋳型４外に排出されることとなり、不純物であるＯを含むシール用ガスの鋳型２内での滞留が防止される。さらに、この不活性ガスは、キャビティの形成に寄与したのちはシリコン融液３の表面を覆う流れを形成するので、シリコン融液３へのＣＯガス等の不純物ガスの周囲雰囲気からの混入を防止することができる。
【００２０】
ここで、シリコン融液３の攪拌をより効果的に行うために、ガス流入口８ａの先端をシリコン融液３内に浸漬し、シリコン融液３内で不活性ガスを吐出させてもよい（この操作はバブリングと呼ばれる）。
【００２１】
その後、下部ヒーター７ｂをＯＦＦにし、可動断熱材６ａの移動を行い、シリコン融液３の冷却が開始される（ステップＳ５）。図示しない断熱材移動装置により可動断熱材６ａを平行に移動させることで、包囲部６の一部に開口９が形成される。これにより、冷却板５から輻射された熱が、この開口９を通じて効率的に冷却フィンに吸収されることによって冷却板５が冷却され、シリコン融液３がその冷却板５を介して鋳型４の底から上方へ正の温度勾配を付与され、それに沿って一方向に凝固結晶化されていく。
そして、前記のように不活性ガスによって攪拌された状態でシリコン融液３の凝固が進行するので、凝固完了後の結晶シリコンのインゴットは、Ｃ（炭素）やＯ（酸素）の不純物濃度が低くなる。さらに、このようにシリコン融液３中の不純物が少ないので、結晶性がよい高品質の結晶シリコンを製造することができる。
【００２２】
ここで、このとき必要に応じて冷却フィン１０を移動させ、冷却板に接近させてもよい。これにより、シリコン融液３の冷却速度を増加させることができる。また、可動断熱材６ａの移動量を調整して開口９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。
ここで、この結晶製造装置１では、冷却フィン１０は、冷却ジャケット２ｂにより冷却されているチャンバー２の壁部２ａに設けたことで冷却されているが、外部から水を流して水冷する構成にしてもよい。
また、本発明の結晶製造装置においても、冷却板５に冷媒を流す構成にすることが可能なのは言うまでもない。
【００２３】
このようにしてシリコン融液３の冷却を行って凝固させて、インゴットを得る（ステップＳ６）。
シリコン融液３が凝固したかどうかは、制御装置１３によって上部ヒーター７ａの出力を監視することで検出することができる。シリコン融液３が凝固していない状態では、シリコン融液３からの放射によって上部ヒーター７ａが加熱されるため、ヒーター７ａの温度を維持するために必要な出力が少なくてすむ。そして、シリコン融液３が凝固すると、凝固前に比べて放射によって上部ヒーター７ａが受ける熱量が少なくなるため、温度を維持するためにヒーター７ａの出力が増加することとなる。すなわち、シリコン融液３が凝固することで上部ヒーター７ａの出力が増加するので、これを検知することでシリコン融液３の凝固を検出することができる。
【００２４】
シリコン融液３が凝固した直後では、インゴットの温度は約１４００°Ｃ程度と高温であるので、１００°Ｃ程度に冷却されるまで結晶製造装置１から取り出すことができない。
シリコン融液３が凝固した時点で冷却装置１１による強制冷却を行ってもよいが、インゴットの温度が約８００°Ｃ以上であれば、放射による放熱の効率が高いため、自然放熱による冷却を継続してもよい。
ここで、インゴットの温度がこのように高い状態で急冷すると、インゴットに生じる熱応力によってインゴットに割れが生じてしまう恐れがあるので、インゴットが冷却の際に生じる熱応力による割れが生じない温度Ｔ以下となるまで自然放熱による冷却を継続させるか、冷却装置１１による冷却を行う場合にも、インゴットに生じる熱応力がインゴットに割れを生じさせない範囲となるようにその冷却速度を調整する。
【００２５】
本実施の形態では、インゴットの冷却は、温度測定装置１２によって、インゴットの温度が冷却の際に生じる熱応力による割れが生じない温度Ｔ以下（シリコンインゴットの場合Ｔ＝５００°Ｃ）となるまでは自然放熱による冷却を継続させ（ステップＳ７）、この温度以下に低下したことを確認したのちに（ステップＳ８）、冷却装置１１を動作させて強制冷却を行う（ステップＳ９）。
【００２６】
インゴットの強制冷却は、次のようにして行われる。
まず、ダンパーＤ２、Ｄ３を開いて、吸気ポンプ１１ａを動作させて包囲部６内の雰囲気を管路Ｐ２を通じてチャンバー２外に取り出し、この雰囲気を、熱交換器１１ｂによって冷却して、チャンバー２の下部において包囲部６との間に送り込む。この冷却された雰囲気は、包囲部６の下部に形成された開口９を通じて冷却板５の下面に供給され、冷却板５の冷却に供される。このときの雰囲気の流れを、図１に実線の矢印で示す。
そして、冷却板５の冷却に供された雰囲気は、再び冷却装置１１によって包囲部６内から取り出されて、冷却されたのちに再び冷却板５の冷却に供される。
【００２７】
ここで、インゴットの温度が約８００°Ｃ以下となると、放射による放熱に比べて伝導による放熱の効率が著しく高くなるので、特にインゴットの温度がこの温度以下となったのちは、従来の自然放熱のみの場合に比べて、より効果的に冷却を行うことができる。
そして、インゴットの温度が１００°Ｃ以下になった時点で、チャンバー２を開いてインゴットの取り出しを行う。
【００２８】
このように構成される結晶製造装置１によれば、シリコン融液３が凝固してインゴットとなったのちは、チャンバー２内の包囲部６内の雰囲気が取り出されて冷却されたのちに冷却板５に向けて供給されて、この雰囲気による冷却板５の冷却が行われるので、冷却板５によるインゴットの冷却をより効果的に行うことができる。
ここで、インゴットの中央部は、外周部よりも放熱が進行しにくいので、冷却装置１１によって冷却された雰囲気を冷却板５の中央に集中的に供給する構成とすることで、高温部の冷却を促進して、全体としての冷却効率を向上させることができる。また、鋳型４を複数設置している場合にも、同様に冷却板５において各鋳型４の中央に位置する部分に冷却された雰囲気が供給される構成とすることで、全体としての冷却効率を向上させることができる。
さらに、包囲部６内の雰囲気は、包囲部６、インゴット及び冷却板５から熱を受けており、この雰囲気が冷却装置１１によって包囲部６内から取り出されるので、包囲部６、インゴット及び冷却板５の熱をより効果的に奪ってインゴットの冷却効率を高めることができる。
これにより、シリコン融液３を凝固させて得られるインゴットを、従来の自然放熱による冷却よりもより早く冷却して、速やかにチャンバー２内から取り出すことができる。
そして、このようにインゴットの製造にかかる時間が短縮されることで、インゴットの製造コストを低減することができる。
さらに、インゴットの温度が冷却の際に生じる熱応力による割れが生じない温度以下まで低下してから冷却装置１１による冷却を行うので、急冷による割れを生じさせずにインゴットの冷却を行うことができる。
【００２９】
ここで、上記実施の形態では、結晶製造装置をシリコンの結晶インゴットの製造に用いた例を示したが、これに限られることなく、シリコン以外の他の原料の結晶インゴットの製造に用いてもよい。この場合には、融液の凝固温度及び融液を凝固させて得られるインゴットが冷却の際に生じる熱応力による割れが生じない温度Ｔは、原料によって変わることとなる。
【００３０】
【発明の効果】
上記のように、本発明にかかる結晶製造装置及び結晶製造方法によれば、融液が凝固してインゴットとなったのちは、チャンバー内に設けられる断熱材によって囲まれる空間内の雰囲気が取り出されて冷却装置によって冷やされてから冷却板に向けて供給される。これにより、冷却板は、放射による放熱に加えて、この冷却された雰囲気と接触することによっても冷却されることとなり、冷却板を介して鋳型内のインゴットの熱が効率よく奪われることとなる。
さらに、断熱材によって囲まれる空間内の雰囲気は、断熱材、インゴット及び冷却板から熱を受けており、この雰囲気が冷却装置によって前記空間内から取り出されるので、断熱材、インゴット及び冷却板の熱をより効果的に奪ってインゴットの冷却効率を高めることができる。
これにより、融液を凝固させて得られるインゴットを、従来の自然放熱による冷却よりもより早く冷却して、速やかに結晶製造装置から取り出すことができる。
そして、このようにインゴットの製造にかかる時間が短縮されることで、インゴットの製造コストを低減することができる。
【００３１】
ここで、上記結晶製造装置において、前記融液の温度を直接または間接的に検出する温度測定装置と、該温度測定装置の測定値に基づいて前記冷却装置の動作を制御する制御装置とを設けて、前記制御装置を、前記融液が結晶化してなるインゴットの温度が冷却の際に生じる熱応力による割れが生じない温度以下まで低下したことを条件として、前記冷却装置を作動させる構成とすることで、急冷による割れを生じさせずにインゴットの冷却を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態にかかる結晶製造装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】  図１に示す結晶製造装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  結晶製造装置                ２  チャンバー
３  融液                        ４  鋳型
５  冷却板                      ６  包囲部（断熱材）
１１  冷却装置                  １２  温度測定装置
１３  制御装置
【図１】
0003846285.tif 000002
【図２】
0003846285.tif 000003