DE102013203113B4

DE102013203113B4 - GIEßVORRICHTUNG UND GIEßVERFAHREN

Info

Publication number: DE102013203113B4
Application number: DE102013203113.0A
Authority: DE
Inventors: Nobuyasu Nita; Yoshinobu Nakada
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2024-01-11
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: JP2013209280A; TW201400649A; TWI600810B; CN103498195B; JP6064596B2; DE102013203113A1; CN106191997A; CN106191997B; CN103498195A

Abstract

Gießvorrichtung (10), umfassend:einen Tiegel (20), der eine Siliziumschmelze (3) speichert und eine Öffnung auf der Oberseite aufweist;eine Heizvorrichtung (33, 43) zur Erhitzung des Tiegels (20); undeine Inertgaszufuhrvorrichtung (42), die einem oberen Teil eines Innenraums im Tiegel (20) ein Inertgas zuführen kann, wobei sich die Inertgaszufuhrvorrichtung bis zum oberen Teil des Innenraums im Tiegel (20) erstreckt und einen Gasstromdurchtritt aufweist,wobei der Gasstromdurchtritt umfasst: ein oberhalb des Tiegels (20) bereitgestelltes, sich vertikal erstreckendes Gaszufuhrrohr (42), und einen Deckel bei einem unteren vorderen Endteil des Gaszufuhrrohrs (42) zum Blockieren des Gasstroms, undwobei mindestens ein Gasausstoßloch (42A, 42B, 42C, 42D) in einer Seitenfläche des vorderen Endabschnitts ausgebildet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung und ein Gießverfahren zur Herstellung eines Gussblocks, der aus einem Halbleiter oder einem Metall, wie etwa polykristallinem Silizium oder dergleichen, besteht.
STAND DER TECHNIK
Ein Siliziumgussblock wird in einer vorbestimmten Dicke in Scheiben geschnitten und gewürfelt, um Siliziumwafer herzustellen.
Diese Siliziumwafer werden zum Beispiel für die Materialien der Basis der Solarzelle verwendet. Bei den Solarzellen werden die Kenndaten des Wafers, wie etwa die Umwandlungsrate oder dergleichen, erheblich durch die Natur des Siliziumgussblocks beeinflusst.
Insbesondere ist es notwendig, den Verunreinigungsgehalt zu reduzieren, um die Umwandlungsrate zu verbessern, da die Umwandlungsrate bedeutend verschlechtert wird, wenn der Siliziumgussblock eine große Menge Verunreinigungen enthält.
Da das Silizium ein Metall ist, das sich bei seiner Erstarrung ausdehnt, und da es vermieden werden muss, die Siliziumschmelze in dem Gussblock zu lassen, wird das Silizium zum Beispiel unidirektional nach oben hin vom Bodenabschnitt des Tiegels aus erstarrt. Des Weiteren kann durch die Durchführung der unidirektionalen Erstarrung ein Gussblock gewonnen werden, der weniger Verunreinigungen aufweist, da die in der Siliziumschmelze enthaltenen Verunreinigungen bei der Phasenumwandlung während der Erstarrung aufgrund des Gleichgewichtsverteilungskoeffizienten in die Flüssigphase verteilt wird, und die Verunreinigungen im Tiegel werden aus der Feststoffphase (Gussblock) in die Flüssigphase (Siliziumschmelze) abgegeben.
In der unten angegebenen Patentdokumenten 1 und 2 wird eine Technik offenbart, bei der die Oxidation des Siliziums durch die Zufuhr von Argongas in einen Tiegel mittels einer Inertgaszufuhrvorrichtung unterdrückt wird. Auch werden aus der Siliziumschmelze gebildete oxidierte Siliziumgase entfernt werden, indem Argongas in den Tiegel zugeführt wird, was die Reaktionen zwischen den oxidierten Siliziumgasen und Kohlenstoff im Tiegel verhindert. CO-Gas wird gebildet, wenn oxidierte Siliziumgase und Kohlenstoff miteinander zur Reaktion gebracht werden. Wenn CO-Gas in die Siliziumschmelze eingemischt wird, erhöht sich der Kohlenstoffgehalt in dem Siliziumgussblock, was die Qualität des Produktes verschlechtert. Auch wird die Erhöhung des Sauerstoffgehalts, die dadurch auftritt, dass oxidiertes Silizium in die Siliziumschmelze eingemischt wird, durch die Zufuhr von Argongas in den Tiegel unterdrückt.
[Dokument des verwandten Standes der Technik]
[Patentliteratur]

• PTL 1: Japanische Offenlegungsschrift, erste Veröffentlichung Nr. 2004-058075 A
• PTL 2: Japanische Offenlegungsschrift, erste Veröffentlichung Nr. 2010-534179 A
• PTL 3: JP 2008-127268 A
• PTL 4: JP 2005-271078 A
• PTL 5: JP 2006-272400 A
• PTL 6: US 2012/0 020 865 A1

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
[Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
Bei den oben beschriebenen herkömmlichen Gießverfahren gibt es die unten ausgeführten Probleme.
Argongas wird rechtwinklig zu dem Badspiegel der Schmelze eingeblasen, und es wird der auftreffende Strahl gebildet. Dies resultiert in einem Abfall der Schmelztemperatur an der Stelle, auf die das Argongas geblasen wird und in der Umgebung der Stelle, was eine Erstarrung an den Stellen auslöst. Dies macht es unmöglich, die vorgesehene unidirektionale Erstarrung durchzuführen, und der Bereich mit geringer Lebensdauer wird im oberen Teil des Siliziumgussblocks vergrößert.
Auch können Kristalle nicht auf ideale Weise gezüchtet werden, da die Erstarrung in dem Teil des Badspiegels der Schmelze im Tiegel wie oben beschrieben ausgelöst wird, was die Erstarrungsgrenzfläche unregelmäßig macht.
Auch strömt das Argongas aufgrund der Bildung des auftreffenden Strahls aus Argongas unregelmäßig in den Tiegel. Dies bedingt den ungenügenden Ausschluss der Verunreinigungen im Tiegel, wie etwa oxidiertes Siliziumgas und dergleichen.
Ferner wird die Erosion des Tiegels durch das Reißen auf dem Badspiegel der Schmelze aufgrund des auftreffenden Strahls beschleunigt. Dieses verursacht die Kontamination durch von der Innenwand des Tiegels stammenden Verunreinigung und die Bildung von Anhaftungen.
Die Bildung von Anhaftung bedeutet, dass ein Gas, eine Verunreinigung oder dergleichen, die aus der Schmelze erzeugt wurden, mit der Innenwand des Tiegels reagieren und Feststoffe im Meniskus der Badspiegels der Schmelze im Tiegel an der Innenwand des Tiegels anhaften. Wenn die Anhaftungsbildung auftritt, muss der anhaftende Teil aus dem Gussblock entfernt werden, und die Ausbeute des Gussblocks wird reduziert.
Die vorliegende Erfindung wurde unter den oben erwähnten Umständen gemacht. Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gießvorrichtung und ein Gießverfahren bereitzustellen, die die Durchführung eines idealen unidirektionalen Erstarrungsverfahrens ermöglichen. Bei dem idealen unidirektionalen Erstarrungsverfahren wird der Bereich mit geringer Lebensdauer und der Verunreinigungsgehalt im Gussblock reduziert. Auch kann das Problem der Anhaftung des Tiegels unterdrückt werden. Auch wird die Erstarrungsgrenzfläche in einer flachen Form gehalten.
[Mittel zum Lösen der Probleme]
Um die Probleme zu lösen weist eine Gießvorrichtung, welche ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, den unten erklärten Aufbau auf. Die Gießvorrichtung umfasst: einen Tiegel, der eine Schmelze speichert und eine Öffnung auf der Oberseite des Tiegels aufweist; eine Heizvorrichtung, die den Tiegel erhitzt; und eine Inertgaszufuhrvorrichtung, die dem oberen Teil eines Innenraums im Tiegel ein Inertgas zuführt, wobei sich die Inertgaszufuhrvorrichtung bis zum oberen Teil des Innenraums im Tiegel erstreckt und einen Gasstromdurchtritt aufweist, der zumindest ein Gasausstoßloch an einem distalen Endabschnitt der Inertgaszufuhrvorrichtung aufweist, und das Gasausstoßloch ist auf eine solche Weise vorgesehen, dass eine Strömung des aus dem Gasausstoßloch ausgestoßenen Inertgases parallel zu dem Badspiegel der Schmelze im Tiegel wird oder die Strömung des Inertgases in einem vorbestimmten Winkel zum Badspiegel der Schmelze in dem Tiegel geneigt wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gießverfahren, das eine Gießvorrichtung verwendet, die aufweist: einen Tiegel, der eine Schmelze speichert und eine Öffnung auf der Oberseite des Tiegels aufweist, eine Heizvorrichtung, die den Tiegel erhitzt; und eine Inertgaszufuhrvorrichtung, die dem oberen Teil eines Innenraums im Tiegel ein Inertgas zuführt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Gasstromdurchtritts mit einem Gasausstoßloch an einem distalen Endabschnitt der Inertgaszufuhrvorrichtung, die sich bis zu einem oberen Teil des Innenraums im Tiegel erstreckt; und Zuführen eines Inertgases aus dem Gasausstoßloch auf eine solche Weise, dass eine Strömung des aus dem Gasausstoßloch ausgestoßenen Inertgases parallel zu dem Badspiegel der Schmelze im Tiegel wird, oder die Strömung des Inertgases in einem vorbestimmten Winkel zum Badspiegel der Schmelze in dem Tiegel geneigt wird.
Bei der Gießvorrichtung und dem Gießverfahren, wie sie oben beschrieben werden, wird das Inertgas so aus dem Gasausstoßloch am distalen Endabschnitt der Inertgaszufuhrvorrichtung zugeführt, dass eine Strömung des aus dem Gasausstoßloch ausgestoßenen Inertgases parallel zu dem Badspiegel der Schmelze im Tiegel wird, oder die Strömung des Inertgases in einem vorbestimmten Winkel zum Badspiegel der Schmelze in dem Tiegel geneigt wird. Somit strömt das Inertgas nahezu gleichförmig entlang des Badspiegels der Schmelze, ohne den auftreffenden Strahl zu bilden, der lokal auf den Badspiegel der Schmelze im Tiegel bläst.
Im Ergebnis wird die Bildung einer Stelle mit einer verringerten Temperatur auf dem Badspiegel der Schmelze reduziert, und es wird ermöglicht, die ideale unidirektionale Erstarrung vom Bodenabschnitt des Tiegels her durchzuführen, bei der die Erstarrungsgrenzfläche in einer flachen Form gehalten wird. Somit wird der Bereich mit einer geringen Lebensdauer verringert, und die Kontamination des Gussblocks durch Verunreinigungen wird ebenfalls verringert.
Auch wird die Strömung des Inertgases im Tiegel gleichmäßig, da die Strömung des aus dem Gasausstoßloch ausgestoßenen Inertgases parallel zu dem Badspiegel der Schmelze im Tiegel wird, oder sie in einem vorbestimmten Winkel zum Badspiegel der Schmelze in dem Tiegel geneigt wird. Im Ergebnis kann die Effizienz der Entfernung des Gases, das die Kontamination durch Verunreinigungen, wie etwa oxidierte Siliziumgase, bewirkt, verbessert werden. Somit kann an dieser Stelle die Kontamination durch Verunreinigungen unterdrückt werden.
Die Erosion des Tiegels durch den Badspiegel der Schmelze kann unterdrückt werden, da der Badspiegel der Schmelze im Tiegel flach wird. Daher können die Kontamination durch von der Innenfläche des Tiegels in den Gussblock entweichende Verunreinigungen und das Problem der Anhaftungen unterdrückt werden.
Bei der Gießvorrichtung, welche ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, kann der Gasstromdurchtritt ein Gaszufuhrrohr aufweisen, von dem ein distales Ende im oberen Teil des Innenraums im Tiegel platziert ist, und das Gasausstoßloch kann in einer Seitenfläche des distalen Endabschnitts des Gaszufuhrrohrs ausgebildet sein.
Bei diesem Aufbau wird die Strömung des aus dem Gasausstoßloch ausgestoßenen Inertgases parallel zu dem Badspiegel der Schmelze im Tiegel, oder die Strömung des Inertgases wird in einem vorbestimmten Winkel zum Badspiegel der Schmelze in dem Tiegel geneigt, indem ein Gasausstoßloch in der Seitenfläche des distalen Endabschnitts des Gaszufuhrrohrs ausgebildet wird. Mit anderen Worten kann der Gasstromdurchtritt für die beabsichtigte Inertgasströmung durch den simplen Aufbau gebildet werden, bei dem eine Öffnung in der Seitenfläche des distalen Endabschnitts des Gaszufuhrrohrs gebildet ist.
Bei der Gießvorrichtung, welche ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, ist es bevorzugt, dass der Gasstromdurchtritt ein Hauptgaszufuhrrohr, von dem ein distales Ende im oberen Teil des Innenraums im Tiegel platziert ist, und eine Mehrzahl von abgezweigten Gaszufuhrrohren aufweist, die vom distalen Ende des Hauptgaszufuhrrohrs abgezweigt sind, wobei die Mehrzahl von abgezweigten Gaszufuhrrohren parallel zu dem Badspiegel der Schmelze im Tiegel vorgesehen ist, und das Gasausstoßloch in einem distalen Ende der Mehrzahl von abgezweigten Gaszufuhrrohren vorgesehen ist.
Bei diesem Aufbau kann die ideale Inertgasströmung, bei der die Strömung parallel zu dem Badspiegel der Schmelze im Tiegel wird, so ausgebildet werden, wie entsprechend benötigt, indem die Anzahl, der Durchmesser und die radialen Erstreckungsrichtungen der abgezweigten Gaszufuhrrohre eingestellt werden.
Bei der Gießvorrichtung, welche ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, ist es bevorzugt, dass der Gasstromdurchtritt ein Hauptgaszufuhrrohr, von dem ein distales Ende im oberen Teil des Innenraums im Tiegel platziert ist, und eine Mehrzahl von abgezweigten Gaszufuhrrohren aufweist, die von einem distalen Ende des Hauptgaszufuhrrohrs abgezweigt sind, wobei die Mehrzahl von abgezweigten Gaszufuhrrohren derart vorgesehen ist, dass die Mehrzahl von abgezweigten Gaszufuhrrohren in einem vorbestimmten Winkel zum Badspiegel der Schmelze in dem Tiegel geneigt ist, und das Gasausstoßloch in einem distalen Ende der Mehrzahl von abgezweigten Gaszufuhrrohren vorgesehen ist.
Bei diesem Aufbau kann die ideale Inertgasströmung, bei der die Strömung in einem vorbestimmten Winkel zum Badspiegel der Schmelze in dem Tiegel geneigt ist, so ausgebildet werden, wie entsprechend benötigt, indem die Anzahl, der Durchmesser und die radialen Erstreckungsrichtungen der abgezweigten Gaszufuhrrohre eingestellt werden.
[Wirkungen der Erfindung]
Nach der vorliegenden Erfindung kann der Gussblock durch ein ideales unidirektionales Erstarrungsverfahren hergestellt werden, bei dem der Bereich mit einer geringen Lebensdauer und der Verunreinigungsgehalt reduziert werden kann, das Problem der Anhaftungen unterdrückt wird, und die Erstarrungsgrenzfläche flach wird.
Die vorliegende Erfindung wurde unter den oben erwähnten Umständen gemacht. Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gießvorrichtung und ein Gießverfahren bereitzustellen, die die Reduktion des Bereichs mit geringer Lebensdauer und den Verunreinigungsgehalt in dem Gussblock ermöglichen. Auch kann das Problem der Anhaftung des Tiegels bei der Gießvorrichtung und dem Gießverfahren unterdrückt werden. Auch kann bei der Gießvorrichtung und dem Gießverfahren der Gussblock durch das ideale unidirektionale Erstarrungsverfahren hergestellt werden, bei dem die Erstarrungsgrenzfläche flach gehalten wird.
Auch ist die vorliegende Erfindung effektiv bei der Herstellung von anderen Siliziumkomponenten (Halbleiterherstellungskomponenten, Zielmaterial zum Bilden eines Flüssigkristallfilms, und Durchwärmplatten eines Wärmebehandlungsofens). Als solches können die Fremdkörper und Verunreinigungen im Gussblock verringert werden, und die Verringerung der Ausbeute aufgrund von Anhaftungen kann verhindert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein erklärendes Diagramm, das eine schematische Querschnittsansicht der Gießvorrichtung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2A ist eine Seitenansicht des Gaszufuhrrohrs, mit dem die in 1 gezeigte Gießvorrichtung versehen ist.
2B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 2A.
3A ist eine Seitenansicht des Gaszufuhrrohrs eines modifizierten Beispiels.
3B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III in 3A.
4A ist eine Seitenansicht des Gaszufuhrrohrs eines weiteren modifizierten Beispiels.
4B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV in 4A.
5A ist eine Seitenansicht des Gaszufuhrrohrs eines weiteren modifizierten Beispiels.
5B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie Va-Va in 5A.
5C ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie Vb-Vb in 5A.
6A ist eine Seitenansicht des Gasstromdurchtritts der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung.
6B ist eine Draufsicht des Gasstromdurchtritts der Gießvorrichtung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7A ist eine Seitenansicht eines modifizierten Beispiels des Gasstromdurchtritts der Gießvorrichtung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7B ist eine Draufsicht des modifizierten Beispiels des Gasstromdurchtritts der Gießvorrichtung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8A ist eine Seitenansicht eines weiteren modifizierten Beispiels des Gasstromdurchtritts der Gießvorrichtung.
8B ist eine Draufsicht des weiteren modifizierten Beispiels des Gasstromdurchtritts der Gießvorrichtung.
9 ist eine Seitenansicht des Gasstromdurchtritts der Gießvorrichtung einer dritten Ausführungsform, die nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist.
10 ist eine Seitenansicht eines modifizierten Beispiels des Gasstromdurchtritts der Gießvorrichtung der nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckten dritten Ausführungsform.
11 ist eine Seitenansicht eines weiteren modifizierten Beispiels des Gasstromdurchtritts der Gießvorrichtung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist ein Graph, der den Umwandlungswirkungsgrad der Solarzellen zeigt, die aus dem Siliziumgussblock gefertigt wurden, der mit der Gießvorrichtung hergestellt wurde, welche ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist.
13 ist ein Graph, der den Umwandlungswirkungsgrad der Solarzellen zeigt, die aus dem Siliziumgussblock gefertigt wurden, der mit einer herkömmlichen Gießvorrichtung hergestellt wurde.
14 zeigt die Lebensdauer des Siliziumgussblocks, der mit der Gießvorrichtung hergestellt wurde, welche ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist.
15 zeigt die Lebensdauer des Siliziumgussblocks, der mit einer herkömmlichen Gießvorrichtung hergestellt wurde.

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Die Gießvorrichtung und das Gießverfahren, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, werden unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erklärt.
Bei den folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Beispiele beschrieben, bei denen Silizium gegossen wird. Jedoch ist die Art des zu gießenden Objektes nicht auf das Silizium in der vorliegenden Erfindung beschränkt, und verschiedene Metalle und Halbleiter können gegossen werden. Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Titan, Titanlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Nickel, Nickellegierungen und dergleichen können als Metalle gegossen werden. Saphir, Galliumarsenid, Galliumnitrid und dergleichen können als Halbleiter gegossen werden.
[Erste Ausführungsform]
Die 1 bis 5 zeigen die Gießvorrichtung, die die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 1 ist ein erklärendes Diagramm, das eine schematische Querschnittsansicht der Gießvorrichtung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Gießvorrichtung 10 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und umfasst: eine Kammer 11, die ihren Innenraum luftdicht abschließt; einen Tiegel 20, der die Siliziumschmelze 3 speichert; eine Schreckplatte 31, auf der der Tiegel 20 platziert ist; eine untere Heizvorrichtung 33, die unter der Schreckplatte 31 vorgesehen ist; eine obere Heizvorrichtung, die über dem Tiegel 20 vorgesehen ist; einen Deckelabschnitt 50, der am oberen Ende des Tiegels 20 vorgesehen ist; und ein Gaszufuhrrohr 42, das ein Inertgas (beispielsweise Argongas) in den Raum zwischen dem Tiegel 20 und dem Deckelabschnitt 50 einleitet. An der Außenumfangsseite des Tiegels 20 ist eine Isolierwand 12 vorgesehen. Auch ist eine Isolierdecke 13 über der Heizvorrichtung 43 vorgesehen. Auch ist ein Isolierboden 14 unter der unteren Heizvorrichtung 33 vorgesehen. Mit anderen Worden sind bei der Gießvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform der Tiegel 20, die obere Heizvorrichtung 43, die untere Heizvorrichtung 33 und dergleichen durch Isoliermaterialien (die Isolierwand 12, die Isolierdecke 13 und der Isolierboden 14) eingeschlossen. Auch ist der Isolierboden 14 mit einem Abgasloch 15 versehen.
Die obere Heizvorrichtung 43 und die untere Heizvorrichtung 33 sind mit den Elektrodenstäben 44 bzw. 34 verbunden.
Der mit der oberen Heizvorrichtung 43 verbundene Elektrodenstab 44 durchdringt die Isolierdecke 13 und erstreckt sich in die Nähe des oberen Teils eines Innenraums im Tiegel 20. Der mit der unteren Heizvorrichtung 33 verbundene Elektrodenstab 33 durchdringt den Isolierboden 14 und erstreckt sich in die Nähe des Bodenteils im Tiegel 20.
Die Schreckplatte 31, auf der der Tiegel 20 platziert ist, ist an dem oberen Ende des Tragteils 32 vorgesehen, das die untere Heizvorrichtung 33 durchdringt. Diese Schreckplatte 31 weist eine hohle Struktur auf, und Argongas wird dem Innenraum der Schreckplatte 31 über einen Zufuhrkanal (nicht in den Zeichnungen gezeigt) zugeführt, der im Tragteil 32 vorgesehen ist.
Der Tiegel 20 weist in einer horizontalen Querschnittsansicht eine rechteckige Form auf, und weist in der vorliegenden Ausführungsform eine quadratische Form auf. Der Tiegel 20 ist aus Quarz hergestellt. Er umfasst die mit der Schreckplatte 31 in Kontakt stehende Bodenfläche 21, und den Seitenwandabschnitt 22, der von der Bodenfläche 21 hochsteht. Der Seitenwandabschnitt 22 weist in einer horizontalen Querschnittsansicht eine ringförmigrechteckige Form auf.
Der Deckelabschnitt 50 umfasst: das Sitzteil 51, das auf dem oberen Ende des Seitenwandabschnitts 22 des Tiegels 20 platziert ist, das Randleistenteil 52, das von der äußeren Kante des Seitenwandabschnitts 22 des Tiegels 20 nach außen hervorspringt das Durchtrittsloch 53, in dem das Gaszufuhrrohr 42 durchtritt; und eine Öffnung, die in der Richtung der Dicke durchgeht, um das Gas aus dem Tiegel 20 abzuführen (nicht in den Zeichnungen gezeigt).
Alternativ kann der Deckelabschnitt 50 mit einem Zwischenraum zu dem Seitenwandabschnitt 22 des Tiegels 20 versehen werden, anstatt den Deckelabschnitt 50 mit der Öffnung zu versehen, um das Gas abzuführen, wobei man den Zwischenraum zum Abführen des Gases in dem Tiegel 20 benutzt.
Es wird bevorzugt, dass der Deckelabschnitt 50 aus auf Kohlenstoff basierenden Materialien gefertigt ist. Jedoch ist er in der vorliegenden Ausführungsform aus Siliziumcarbid gefertigt.
Das Gaszufuhrrohr 42 ist aus Molybdän oder Kohlenstoff hergestellt. Der Basisendabschnitt des Gaszufuhrrohrs 42 (oberes Ende in 1) ist mit einem Gaszufuhrabschnitt versehen (nicht in den Zeichnungen gezeigt). Das Gaszufuhrrohr 42 ist so angeordnet, dass es sich in der Vertikalrichtung erstreckt. Es durchdringt den Deckenabschnitt der Kammer 11 und das Durchtrittsloch 53 des Deckelabschnitts 50. Das distale Ende des Gaszufuhrrohrs 42 erstreckt sich bis zum oberen Teil des Innenraums im Tiegel 20. Mit anderen Worten erstreckt sich das distale Ende des Gaszufuhrrohrs 42 bis in die Nähe des Badspiegels der Siliziumschmelze 3 (zum Beispiel 10 mm bis 70 mm vom Badspiegel), die im Tiegel 20 gespeichert ist. Ein Inertgas, das von dem Gaszufuhrabschnitt eingeleitet wird, wird dem oberen Raum der Siliziumschmelze 3 vom distalen Ende des Gaszufuhrrohrs 42 zugeführt.
Somit enthält die Inertgaszufuhrvorrichtung, die das Inertgas dem oberen Teil des Innenraums im Tiegel 20 zuführt, das Gaszufuhrrohr 42 und den Gaszufuhrabschnitt, der mit dem Basisendabschnitt des Gaszufuhrrohrs 42 verbunden ist. Das Gaszufuhrrohr 42 stellt den Gasstromdurchtritt dar, der sich von dem Gaszufuhrabschnitt bis zum oberen Teil des Innenraums im Tiegel erstreckt.
2A ist eine Seitenansicht des Gaszufuhrrohrs, mit dem die in 1 gezeigte Gießvorrichtung versehen ist. 2B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in 2A. Wie in den Zeichnungen gezeigt, sind mehrere Gasausstoßlöcher 42A in der Seitenfläche des distalen Endabschnitts des Gaszufuhrrohrs 42 vorgesehen. Jedes der Gasausstoßlöcher 42A ist in einer solchen Weise ausgebildet, das sich das Loch in der zu der Achslinie L des Gaszufuhrrohrs 42 rechtwinkligen Richtung erstreckt. Mit anderen Worten wird das Gasausstoßloch 42A durch die Öffnung in der Seitenfläche im distalen Endabschnitt des Gaszufuhrrohrs 42 ausgebildet, um in der zu der Achslinie L des Gaszufuhrrohrs 42 rechtwinkligen Richtung durchzutreten.
Das Gasausstoßloch 42A weist eine kreisförmige Form auf, von der Vorderseite der Öffnung her gesehen, wie in 2A gezeigt. Ferner sind sechs der Gasausstoßlöcher 42 in der Umfangsrichtung in gleichen Intervallen ausgebildet. Das distale Ende des Gaszufuhrrohrs 42 wird durch eine nicht angezeigte Kappe verschlossen.
Modifizierte Beispiele des Gaszufuhrrohrs 42 sind in den 3A bis 5C gezeigt. Das im distalen Ende des Gaszufuhrrohrs 42 ausgebildete Gasausstoßloch kann irgendeines der modifizierten Beispiele sein, die in den 3A bis 5C gezeigt werden, anstatt eines, das in den 2A und B gezeigt wird.
Das in den 3A und B gezeigte Gasausstoßloch 42B weist eine quadratische Form auf, wenn das Loch von der Vorderseite der Öffnung her betrachtet wird. Das in den 4A und B gezeigte Gasausstoßloch 42B weist eine horizontal lang gezogene rechteckige Form auf, wenn das Loch von der Vorderseite der Öffnung her betrachtet wird. Die in den 5A, 5B und 5C gezeigten Gasausstoßlöcher 42D sind auf drei verschiedenen vertikalen Niveaus angeordnet, wobei jedes Niveau Gasausstoßlöcher 42D umfasst. Die Formen auf jedem Niveau können eine kreisförmige Form, eine quadratische Form und eine horizontal lang gezogene rechteckige Form haben. Ferner kann das Ausstoßloch 42D eine ovale Form haben, wenn das Loch von der Vorderseite der Öffnung her betrachtet wird (nicht in den Zeichnungen gezeigt).
Als Nächstes wird das Siliziumgussblockherstellungsverfahren, das die oben beschriebene Gießvorrichtung 10 verwendet, unten beschrieben. Zunächst werden Siliziumrohmaterialien in den Tiegel 20 eingebracht. Hier werden „die Brocken“, die gewonnen werden können, indem man das hochreine, in einer Klumpenform vorliegende Silizium 11 N (Reinheit: 99,999999999 Prozent) zerkleinert, als die Siliziumrohmaterialien verwendet. Der Durchmesser der Siliziumrohmaterialien in Klumpenform ist beispielsweise 30 mm bis 100 mm.
Dann werden die in den Tiegel 20 eingebrachten Siliziumrohmaterialien erhitzt, indem die oberen und untere Heizvorrichtung eingeschaltet wird, um die Siliziumschmelze 3 zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Badspiegel der Siliziumschmelze 3 im Tiegel 20 niedriger eingestellt, als das obere Ende des Wandseitenteils 22 des Tiegels 20.
Dann wird die Siliziumschmelze 3 im Tiegel 20 erstarrt. Um dies zu erreichen, wird zunächst die untere Heizvorrichtung 33 abgeschaltet, und Argongas wird dem Innenraum der Schreckplatte 31 durch den Zufuhrkanal zugeführt. Aufgrund dessen wird der Bodenteil des Tiegels 20 abgekühlt. Hier wird ein noch oben verlaufender Temperaturgradient von der Bodenfläche 21 des Tiegels 20 aus erzeugt, indem die obere Heizvorrichtung 43 eingeschaltet gelassen wird. Aufgrund des Temperaturgradienten wird die Siliziumschmelze 3 unidirektional aufwärts erstarrt. Dann wird die Erstarrung der Siliziumschmelze 3 im Tiegel 20 weitergeführt, indem allmählich die Leistung der oberen Heizvorrichtung 43 verringert wird, um einen Siliziumgussblock herzustellen.
Dem Raum zwischen dem Tiegel 20 und dem Deckelabschnitt 50 wird Argongas bei dem Erstarrungsprozesses als ein Inertgas durch das Gaszufuhrrohr 42 und das Durchtrittsloch 53 zugeführt. Zum Beispiel wird Argongas von dem Gasausstoßloch 42A im distalen Endabschnitt des Gaszufuhrrohrs 42 zugeführt, das durch das Durchtrittsloch 53 in der planen Mitte des Deckelabschnitts 50 hindurch tritt. Das Argongas bewegt sich auf der Siliziumschmelze 3 im Tiegel 20 durch, wobei es sich radial verteilt, damit der Strom des Argongases parallel zum Badspiegel der Siliziumschmelze 3 ist, da die mehreren Gasausstoßlöcher 42A auf eine solche Weise ausgebildet sind, dass sie sich in der zu der Achslinie L des Gaszufuhrrohrs 42 rechtwinkligen Richtung erstrecken. Dann wird das Argongas aus der Öffnung des Deckelabschnitts 50 oder durch den Zwischenraum zwischen dem Deckelabschnitt 50 und dem Seitenwandabschnitt 22 zur Außenseite des Tiegels 20 abgeführt. Dann wird das Argongas auf die Außenseite der Kammer 11 durch das Abgasloch 15 abgeführt, mit dem der Isolierboden 14 versehen ist.
Die Herstellung des Siliziumgussblocks mittels des unidirektionalen Erstarrungsverfahrens ist durchgeführt. Der bei dem Verfahren hergestellte Siliziumgussblock kann für den Siliziumwafer verwendet werden, der für die Basis der Solarzellen und Materialien für andere Siliziumkomponenten genutzt wird.
Gemäß der Gießvorrichtung 10, wie sie in der vorliegenden Ausführungsform aufgebaut ist, wird das Argongas aus den Gasausstoßlöchern 42A bis 42D in der Seitenfläche des Gaszufuhrrohrs 42 auf eine solche Weise zugeführt, die Strömung des Argongases parallel zu dem Badspiegel der Siliziumschmelze 3 im Tiegel 20 wird. Somit strömt das Argongas parallel zum Badspiegel der Siliziumschmelze 3, und nahezu gleichförmig, ohne den auftreffenden Strahl zu bilden, der lokal auf den Badspiegel der Siliziumschmelze 3 im Tiegel bläst.
Im Ergebnis kann die Einleitung der Erstarrung an einer Stelle auf dem Badspiegel der Siliziumschmelze 3 im Tiegel 20 nach dem lokalen Temperaturabfall, wie er im Abschnitt über den Stand der Technik beschrieben wurde, vermieden werden. Somit kann das ideale unidirektionale Erstarrungsverfahren, bei dem die Erstarrungsgrenzfläche flach wird, vom Bodenteil des Tiegels in einer Richtung nach oben durchgeführt werden. Als Ergebnis können der Bereich mit einer geringen Lebensdauer und der Verunreinigungsgehalt verringert werden.
Auch wird die Strömung des Argongases gleichmäßig, da das Argongas auf eine solche Weise zugeführt wird, dass die Strömung des Argongases parallel zu dem Badspiegel der Siliziumschmelze 3 wird, wenn das Argongas aus den Gasausstoßlöchern im Tiegel zugeführt wird. Dies bewirkt eine verbesserte Effizienz der Entfernung der Gase, die in der Kontamination durch Verunreinigungen, wie etwa oxidierte Siliziumgase, resultieren. Daher kann eine CO-Gasbildung aufgrund der Reaktion zwischen den oxidierten Siliziumgasen und Kohlenstoff im Tiegel verhindert werden, und die Kontamination durch CO-Gas und die Verunreinigungen (Kohlenstoff) in der Siliziumschmelze 3 können ebenfalls verhindert werden.
Ferner wird der Badspiegel der Siliziumschmelze 3 flach, da das Argongas parallel zum Badspiegel der Siliziumschmelze und nahezu gleichförmig strömt, ohne den auftreffenden Strahl zu bilden, der lokal auf den Badspiegel der Siliziumschmelze 3 im Tiegel bläst, wie oben beschrieben. Somit kann die Erosion des Tiegels durch den Badspiegel der Schmelze unterdrückt werden. Auch können die Kontamination durch von der Innenfläche des Tiegels in den Gussblock entweichende Verunreinigungen und das Problem der Anhaftungen unterdrückt werden.
Wie oben ausgeführt kann nach der vorliegenden Ausführungsform ein Siliziumgussblock von hoher Qualität mit einem geringen Verunreinigungsgehalt und einheitlicher Kristallwachstumsrichtung hergestellt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Gasausstoßlöcher 42A bis 42D in einer solchen Weise ausgebildet, das sich die Löcher in der zu der Achslinie L des Gaszufuhrrohrs 42 rechtwinkligen Richtung erstrecken. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht besonders auf diesen speziellen Aufbau beschränkt, und sie können in einem vorbestimmten Winkel (beispielsweise 90° bis 45°) zu der Achslinie L des Gaszufuhrrohrs 42 geneigt ausgebildet sein.
[Zweite Ausführungsform]
Die 6A bis 8B zeigen die Gießvorrichtung, die die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. 6A ist eine Seitenansicht des Gasstromdurchtritts der zweiten Ausführungsform der Gießvorrichtung der vorliegenden Erfindung. 6B ist eine Draufsicht des Gasstromdurchtritts der Gießvorrichtung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform bei dem Gasstromdurchtritt, und andere Komponenten sind die gleichen. Somit werden die Erklärungen für die gemeinsamen Komponenten weggelassen.
Der Gasstromdurchtritt 60 der zweiten Ausführungsform umfasst das Hauptgaszufuhrrohr 61, bei dem der Basisendabschnitt des Hauptgaszufuhrrohrs 61 mit dem Gaszufuhrabschnitt verbunden ist und das distale Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 61 auf den oberen Teil des Innenraums im Tiegel gerichtet ist, und die abgezweigten Gaszufuhrrohre 62, die von dem distalen Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 61 abgezweigt sind.
Das Hauptgaszufuhrrohr 61 ist so vorgesehen, dass es sich in der Vertikalrichtung erstreckt. Es durchdringt den Deckenabschnitt der Kammer 11 und das Durchtrittsloch 53 des Deckelabschnitts 50, die in 1 gezeigt sind. Das distale Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 61 erstreckt sich bis zum oberen Teil des Innenraums im Tiegel 20. Mit anderen Worten erstreckt sich das distale Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 61 bis in die Nähe des Badspiegels der Siliziumschmelze 3, die im Tiegel 20 gespeichert ist.
Vier abgezweigte Gaszufuhrrohre 62 sind rechtwinklig zu dem Hauptgaszufuhrrohr 61 alle 90° in der Umfangsrichtung mit dem Hauptgaszufuhrrohr 61 verbunden. Die Öffnungen, die in dem distalen Ende der abgezweigten Gaszufuhrrohre 62 gebildet sind, sind die Gasausstoßlöcher 62A. Das Inertgas, wie etwa Argongas, wird parallel zu dem Badspiegel der Siliziumschmelze 3 entlang der Achslinie der abgezweigten Gaszufuhrrohre 62 aus den Gasausstoßlöchern 62A zugeführt.
Das Hauptgaszufuhrrohr 61 und die abgezweigten Gaszufuhrrohre 62 weisen kreisförmige Querschnittsformen auf. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht besonders auf diesen speziellen Aufbau beschränkt. So kann deren Querschnittsform in einer ovalen Form oder einer quadratischen Form sein. Obwohl die abgezweigten Gaszufuhrrohre 62 mit einem geringeren Durchmesser als das Hauptgaszufuhrrohr 61 in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, ist die vorliegende Erfindung nicht besonders auf den Aufbau beschränkt. Somit können abgezweigte Gaszufuhrrohre 62 verwendet werden, die denselben Durchmesser wie das Hauptgaszufuhrrohr 61 aufweisen.
Die 7A bis 8B zeigen modifizierte Beispiele des Gasstromdurchtritts 60. Diese in den 7A bis 8B gezeigten Gasstromdurchtritte können anstelle des in 6 gezeigten Gasstromdurchtritts 60 verwendet werden. Bei dem in den 7A und 7B gezeigten modifizierten Beispiel sind acht abgezweigte Gaszufuhrrohre 66 rechtwinklig zu dem Hauptgaszufuhrrohr 65 alle 45° in der Umfangsrichtung mit dem Hauptgaszufuhrrohr 65 verbunden. Die Öffnungen, die in dem distalen Ende der abgezweigten Gaszufuhrrohre 66 gebildet sind, sind die Gasausstoßlöcher 66A.
Das Inertgas wird parallel zu dem Badspiegel der Siliziumschmelze 3 entlang der Achslinie der abgezweigten Gaszufuhrrohre 66 aus den Gasausstoßlöchern 66A zugeführt.
In dem in den 8A und 8B gezeigten modifizierten Beispiel ist eine hohlscheibenförmige Kammer 68 mit dem distalen Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 67 verbunden. In der Seitenwand der hohlscheibenförmigen Kammer 68 sind Öffnungen in der Umfangsrichtung mit einem konstanten Intervall ausgebildet. Diese Öffnungen sind die Gasausstoßlöcher 68A.
Ein Inertgas wird aus den Gasausstoßlöchern 68A rechtwinklig zu dem Hauptgaszufuhrrohr 67 zugeführt. Mit anderen Worten wird das Inertgas parallel zu dem Badspiegel in der Siliziumschmelze zugeführt.
Ein Inertgas, wie etwa Argongas, wird aus den abgezweigten Gaszufuhrrohren 62, 66 oder den Gasausstoßlöchern 62A, 66A, 68A, mit denen die hohlscheibenförmige Kammer 68 versehen ist, in einer solchen Weise zugeführt, dass der Strom des Inertgases auch in der zweiten Ausführungsform parallel zu dem Badspiegel der Siliziumschmelze 3 im Tiegel wird. Somit strömt das Argongas parallel zum Badspiegel der Siliziumschmelze 3, und nahezu gleichförmig, ohne den auftreffenden Strahl zu bilden, der lokal auf den Badspiegel der Siliziumschmelze 3 im Tiegel bläst, was denselben technischen Effekt ergibt, wie in der ersten Ausführungsform.
[Dritte Ausführungsform]
Die 9 bis 10 zeigen die Gießvorrichtung einer dritten Ausführungsform, die nicht von der vorliegenden Erfindung abgedeckt ist. 9 ist eine Seitenansicht des Gasstromdurchtritts der Gießvorrichtung der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in der zweiten Ausführungsform sind alle Komponenten die gleichen wie in der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme des Gasstromdurchtritts. Somit werden die Erklärungen für die gemeinsamen Komponenten weggelassen.
Der Gasstromdurchtritt 70 der dritten Ausführungsform umfasst das Hauptgaszufuhrrohr 71, bei dem der Basisendabschnitt des Hauptgaszufuhrrohrs 71 mit dem Gaszufuhrabschnitt verbunden ist und das distale Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 71 auf den oberen Teil des Innenraums im Tiegel gerichtet ist, und die abgezweigten Gaszufuhrrohre 72, die von dem distalen Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 71 abgezweigt sind.
Das Hauptgaszufuhrrohr 71 ist so angeordnet, dass es sich in der Vertikalrichtung erstreckt. Es durchdringt den Deckenabschnitt der Kammer 11 und das Durchtrittsloch 53 des Deckelabschnitts 50, die in 1 gezeigt sind. Das distale Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 71 erstreckt sich bis zum oberen Teil des Innenraums im Tiegel 20. Mit anderen Worten erstreckt sich das distale Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 71 bis in die Nähe des Badspiegels der Siliziumschmelze 3, die im Tiegel 20 gespeichert ist.
Vier abgezweigte Gaszufuhrrohre 72 sind alle 90° in der Umfangsrichtung mit dem distalen Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 71 verbunden und in einem vorbestimmten Winkel θa (beispielsweise 0° < θa < 45°, bevorzugt 0° < θa <35°, und bevorzugter 0° < θa < 25°) nach unten und außen relativ zu der Oberfläche geneigt, die rechtwinklig zu der Achslinie L des Hauptgaszufuhrrohrs 71 ist (mit anderen Worten, die horizontale Oberfläche H). Die Öffnungen, die in dem distalen Ende der abgezweigten Gaszufuhrrohre 72 gebildet sind, sind die Gasausstoßlöcher 72A. Das Inertgas wird unter dem vorbestimmten Winkel nach unten und außen geneigt zu dem Badspiegel der Siliziumschmelze 3 entlang der Achslinie der abgezweigten Gaszufuhrrohre 72 zugeführt.
Der vorbestimmte Winkel θa kann angemessen basierend auf der Entfernung von dem Gasausstoßloch 72 bis zum Badspiegel der Siliziumschmelze 3, dem Volumen des Innenraums im Tiegel oberhalb des Badspiegels der Schmelze und dergleichen eingestellt werden.
Das Hauptgaszufuhrrohr 71 und die abgezweigten Gaszufuhrrohre 72 weisen kreisförmige Querschnittsformen auf. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht besonders auf diesen speziellen Aufbau beschränkt. So kann deren Querschnittsform in einer ovalen Form oder einer quadratischen Form sein. Obwohl die abgezweigten Gaszufuhrrohre 72 mit einem geringeren Durchmesser als das Hauptgaszufuhrrohr 71 in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, ist die vorliegende Erfindung nicht besonders auf den Aufbau beschränkt. Somit können abgezweigte Gaszufuhrrohre 72 verwendet werden, die denselben Durchmesser wie das Hauptgaszufuhrrohr 71 aufweisen.
10 zeigt ein modifiziertes Beispiel des Gasstromdurchtritts 70. Der in 10 gezeigte Gasstromdurchtritt kann anstelle des in 9 gezeigten Gasstromdurchtritts 70 verwendet werden.
Vier abgezweigte Gaszufuhrrohre 74 sind alle 90° in der Umfangsrichtung mit dem distalen Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 73 verbunden und in einem vorbestimmten Winkel θa (beispielsweise 0° < θa < 45°, bevorzugt 0° < θa < 35°, und bevorzugter 0° < θa < 25°) nach oben und außen relativ zu der Oberfläche geneigt, die rechtwinklig zu der Achslinie L des Hauptgaszufuhrrohrs 73 ist (mit anderen Worten, die horizontale Oberfläche H). Die Öffnungen, die in dem distalen Ende der abgezweigten Gaszufuhrrohre 74 gebildet sind, sind die Gasausstoßlöcher 74A. Das Inertgas wird unter dem vorbestimmten Winkel nach oben und außen geneigt zu dem Badspiegel der Siliziumschmelze 3 entlang der Achslinie der abgezweigten Gaszufuhrrohre 74 zugeführt.
Ein Inertgas, wie etwa Argongas, wird aus den Gasausstoßlöchern 72A, 74A, mit denen die abgezweigten Gaszufuhrrohren 72, 74 versehen sind, in einer solchen Weise zugeführt, dass der Strom des Inertgases in einem vorbestimmten Winkel diagonal nach oben oder unten zu dem Badspiegel der Siliziumschmelze im Tiegel geneigt ist. Somit strömt das Argongas parallel zum Badspiegel der Siliziumschmelze 3, und nahezu gleichförmig, ohne den auftreffenden Strahl zu bilden, der lokal auf den Badspiegel der Siliziumschmelze 3 im Tiegel bläst, was denselben technischen Effekt ergibt, wie in der ersten Ausführungsform.
[Vierte Ausführungsform]
11 ist eine Seitenansicht der vierten Ausführungsform der Gießvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform, wie in der zweiten Ausführungsform, sind alle Komponenten die gleichen wie in der ersten Ausführungsform, mit Ausnahme des Gasstromdurchtritts. Somit werden die Erklärungen für die gemeinsamen Komponenten weggelassen.
Der in 11 gezeigte Aufbau ist beinahe derselbe wie der Aufbau des Gasstromdurchtritts 60 der in den 6A und 6B gezeigten zweiten Ausführungsform.
Der Gasstromdurchtritt 80 der vierten Ausführungsform umfasst das Hauptgaszufuhrrohr 81, bei dem der Basisendabschnitt des Hauptgaszufuhrrohrs 81 mit dem Gaszufuhrabschnitt verbunden ist und das distale Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 81 auf den oberen Teil des Innenraums im Tiegel gerichtet ist, und die abgezweigten Gaszufuhrrohre 82, die von dem distalen Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 81 abgezweigt sind.
Vier abgezweigte Gaszufuhrrohre 82 sind rechtwinklig zu dem Hauptgaszufuhrrohr 81 alle 90° in der Umfangsrichtung mit dem Hauptgaszufuhrrohr 81 verbunden. Die Öffnungen, die in dem distalen Ende der abgezweigten Gaszufuhrrohre 82 gebildet sind, sind die Gasausstoßlöcher 82A.
Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Gasausstoßlöcher 81A an der Mitte des unteren Endes des Hauptgaszufuhrrohrs 81 vorgesehen sind, zusätzlich zu den Gasausstoßlöchern 82A, die im distalen Ende der abgezweigten Gaszufuhrrohre 82 vorgesehen sind.
Die Menge an Inertgas, wie etwa Argongas, die aus dem Gasausstoßloch 81A zugeführt wird, welches an der Mitte des unteren Endes des Hauptgaszufuhrrohrs 81 vorgesehen ist, wird sehr klein gehalten. Zum Beispiel wird die Menge an Argongas, die aus dem Gasausstoßloch 81A zugeführt wird, auf 1/5 bis 1/10 bezogen auf die Gesamtmenge an Argongas, die aus anderen Gasausstoßlöchern zugeführt wird, eingestellt.
Dies bedeutet, dass die nicht benötigten Gase, wie etwa die im Tiegel gebildeten oxidierten Siliziumgase, durch das Argongas entfernt werden, das hauptsächlich aus den Gasausstoßlöchern 82A im distalen Ende des Hauptgaszufuhrrohrs 82 zugeführt wird, und nicht benötigte Gase in der Nähe der Siliziumschmelze direkt unter dem Hauptgaszufuhrrohr 81 werden durch das Argongas entfernt, das in der vierten Ausführungsform ergänzend aus dem Gasausstoßloch 81A zugeführt wird.
Da das Argongas derart aus den Gasausstoßlöchern 82A zugeführt wird, mit denen das Hauptgaszufuhrrohr 82 versehen ist, dass der Strom des Gases parallel zu dem Badspiegel der Siliziumschmelze im Tiegel wird, strömt das Argongas parallel zum Badspiegel der Siliziumschmelze und nahezu gleichförmig, ohne den auftreffenden Strahl zu bilden, der lokal auf den Badspiegel der Siliziumschmelze 3 im Tiegel bläst, wobei in dieser vierten Ausführungsform derselbe technische Effekt erreicht wird, wie auch in den oben beschriebenen Ausführungsformen.
Die Gießvorrichtung und das Gießverfahren, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind, werden oben erklärt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht besonders auf die Erklärungen beschränkt und kann in Ihren Anordnungen geeignet verändert werden. Zum Beispiel wird in den obigen Ausführungsformen nur ein Gasstromdurchtritt vorgesehen, der das Inertgas zuführt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht diesen Aufbau beschränkt, und es können mehrere Gasstromdurchtritte vorgesehen sein.
Ferner kann der Gasstromdurchtritt durch eine Kombination der verschiedenen Arten der in den ersten bis vierten Ausführungsformen beschriebenen Gasstromdurchtritten aufgebaut sein.
Ferner ist das in dem Tiegel zugeführte Inertgas nicht auf das Argongas beschränkt, und andere Inertgase können verwendet werden.
Des Weiteren können die Gießvorrichtung und das Gießverfahren für andere Materialien als Siliziummaterialien verwendet werden. Zum Beispiel können sie auf das Gießen von Metallen wie etwa Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Titan, Titanlegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Nickel, Nickellegierungen und dergleichen angewandt werden. Ferner können sie auf das Gießen von Halbleitern, wie etwa Saphir, Galliumarsenid, Galliumnitrid und dergleichen verwendet werden.
[Beispiel 1]
Es wurden Experimente durchgeführt, um die technische Wirkung der vorliegenden Erfindung zu bestätigen. Ein Siliziumgussblock mit der Form eines viereckigen Prismas mit einem Quadrat von 680 mm und einer Höhe von 250 mm wurde mittels der Gießvorrichtung hergestellt, die den Gasstromdurchtritt nach der ersten in 2 gezeigten Ausführungsform aufweist. Die Erstarrungsrate wurde auf 5 mm/Stunde eingestellt, Die Ar-Gaszufuhrrate aus dem Gaszufuhrrohr wurde auf 50 L/min eingestellt.
Ein weiterer Siliziumgussblock wurde unter beinahe denselben Bedingungen hergestellt, wie der oben erwähnte Siliziumgussblock, außer, dass die Gießvorrichtung verwendet wurde, die die Inertgaszufuhrvorrichtung aufweist, welche im Abschnitt „Stand der Technik“ erläutert wurde, bei der Argongas auf den Badspiegel der Siliziumschmelze in rechtwinkliger Richtung ausgestoßen wurde. Dies wurde als Vergleichsbeispiel 1 bezeichnet.
Es wurden Siliziumwafer erzeugt, indem die gewonnenen Siliziumgussblöcke horizontal geschnitten wurden. Dann wurden Solarzellen wie unten beschrieben aufgebaut.
Zunächst wurden Siliziumwafer vom P-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 1 bis 2 Ω · cm hergestellt, indem B (Bor) als ein Akzeptor während der Herstellung der Siliziumgussblöcke hinzugefügt wurde. Indem dann P (Phosphor) Dotierstoff an den Siliziumwafern vom P-Typ verwendet wurde, wurden Siliziumschichten vom N-Typ auf den Siliziumschichten vom P-Typ ausgebildet, indem sie bei 850° für 30 Minuten wärmebehandelt wurden.
Dann wurden die Oberflächen der Siliziumwafer geätzt, um die Reflexionsrate zu reduzieren. Zum Ätzen wurde eine KOH-Lösung verwendet.
Dann wurde die Ag-Paste (SOLAMET®, hergestellt von DuPont) durch Siebdruck auf beide Seiten der geätzten Siliziumwafer aufgebracht. Nach der Aufbringung wurden die Siliziumwafer gebrannt. Die Aufbringungsdicke betrug 30 µm, und das Brennen wurde bei 750° über 1 Minute durchgeführt. Während des Brennens wurde eine P+-Schicht (AI-BSF) in der Nähe der Elektrode gebildet, indem die Al-Paste (SOLAMET ®, hergestellt von DuPont) auf die Rückseite des Siliziumwafers aufgebracht und diffundieren gelassen wurde.
Hierbei betrug die Aufbringungsdicke der Al-Paste 20 µm. Ferner wurde SiNx auf der Oberfläche des Siliziumwafers als ein Antireflexionsfilm mittels des plasma-chemischen Bedampfungsverfahrens (plasma chemical vapor deposition, CVD) gebildet. Für die plasmachemische Bedampfung wurde das Antireflexionsfilmbeschichtungssystem für Solarzellen (SLPC) verwendet, das durch die SHIMADZU CORPORATION hergestellt wird. Die Aufbringungsdicke des Antireflexionsfilms betrug 100 nm.
Dann wurde die Umwandlungsrate dieser Testsolarzellen mittels eines Sonnensimulators ausgewertet.
Im Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung wurde die Auswertung mittels des von der San-Ei Electric Corporation hergestellten Modells XES-155S1 unter Bedingungen von 1000 W/m², AM 1,5 und 25°C durchgeführt.
Die Auswertungsresultate werden in den 12 und 13 gezeigt. 12 zeigt das Resultat des Beispiels 1 der vorliegenden Erfindung. 13 zeigt das Resultat des Vergleichsbeispiels 1.
Im Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung übertraf die Umwandlungsrate konsistent 16%, sogar in einer Höhe von 0 mm bis 200 mm. Die durchschnittliche Umwandlungsrate betrug 16,5%.
Andererseits war die Umwandlungsrate im Vergleichsbeispiel 1 in der Höhe von 0 mm bis 200 mm geringer als die des Beispiels 1 der vorliegenden Erfindung. Ferner variierte die Umwandlungsrate in der Höhe 0 mm bis 200 mm beträchtlich. Die durchschnittliche Umwandlungsrate betrug 15,9%.
Die Lebensdauern der Träger wurden ebenfalls entlang des Querschnitts in der Mitte der Gussblöcke im Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung und im Vergleichsbeispiel 1 gemessen. Das durch die Semilab Corporation hergestellte Lebensdauermessgerät WT-2000 wurde für die Lebensdauermessung verwendet.
Die Messergebnisse werden in den 14 und 15 gezeigt. 14 zeigt das Resultat des Beispiels 1 der vorliegenden Erfindung. 15 zeigt das Resultat des Vergleichsbeispiels 1.
Im Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung lag der Bereich S mit kurzer Lebensdauer (Bereich mit einer Lebensdauer von z. B. 2 µs oder weniger) vom oberen Rand bis zu einer Tiefe von ungefähr 5 mm vor. Im Gegensatz dazu wurde bei dem Vergleichsbeispiel 1 der Bereich S mit kurzer Lebensdauer vom oberen Rand bis zu einer Tiefe von ungefähr 25 mm im mittleren Abschnitt erfasst. Es wurde angenommen, dass der dicke Bereich S mit kurzer Lebensdauer im mittleren Abschnitt im Vergleichsbeispiel 1 durch ein ungewolltes Auslösen der Erstarrung an dieser Stelle gebildet wurde, aufgrund eines Temperaturabfalls der Schmelze, indem Argongas darauf ausgestoßen wurde.
Somit wurde bestätigt, dass ein Siliziumgussblock, der einen kleineren Bereich geringer Lebensdauer und geringeren Verunreinigungsgehalt aufweist, und der eine einheitliche Orientierung des Kristallwachstums aufweist, in der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann.
Es wurde ein weiteres Experiment durchgeführt, um die technische Wirkung der vorliegenden Erfindung zu weiter bestätigen.
[Beispiel 2]
Ein Siliziumgussblock mit der Form eines viereckigen Prismas mit einem Quadrat von 680 mm und einer Höhe von 250 mm wurde mittels der Gießvorrichtung hergestellt, die den Gasstromdurchtritt nach der ersten in 4 gezeigten Ausführungsform aufweist. Die Erstarrungsrate wurde auf 5 mm/Stunde eingestellt. Die Ar-Gaszufuhrrate aus dem Gaszufuhrrohr wurde auf 50 L/min eingestellt.
[Beispiel 3]
Ein Siliziumgussblock mit der Form eines viereckigen Prismas mit einem Quadrat von 680 mm und einer Höhe von 250 mm wurde mittels der Gießvorrichtung hergestellt, die den Gasstromdurchtritt nach der vierten in 11 gezeigten Ausführungsform aufweist. Die Erstarrungsrate wurde auf 5 mm/Stunde eingestellt. Die Ar-Gaszufuhrrate aus dem Gaszufuhrrohr wurde auf 50 L/min eingestellt.
Es wurden Siliziumwafer hergestellt, indem die in den Beispielen 1 bis 3 der vorliegenden Erfindung und im Vergleichsbeispiel 1 gewonnenen Siliziumgussblöcke horizontal geschnitten wurden. Dann wurden die Sauerstoffkonzentrationen und Kohlenstoffkonzentrationen durch eine Infrarotspektrometrie mit Fourier-Transformation (Fourier transformation infrared spectrometry, FT-IR) unter Verwendung des von der JASCO Corporation hergestellten Modells FT/IR-4000 basierend auf dem in JEIDA-61-2000 definierten Protokoll gemessen.

Die Messergebnisse werden in der TABELLE 1 gezeigt. [TABELLE 1]

	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3	Vergleichsbeispiel 1
Sauerstoffkonzentration im oberen Teil des Gussblocks × 10 18 Atome/cc	0,07	< 0,01	0,08	0,27
Kohlenstoffkonzentration im oberen Teil des Gussblocks × 10 18 Atome/cc	0,06	0,12	0,11	0,16

Wie in der TABELLE 1 deutlich gezeigt, betrugen in den Beispiele 1 bis 3 der vorliegenden Erfindung die Sauerstoffkonzentrationen 0,08 × 1018 Atome/cc oder weniger, und die Kohlenstoffkonzentrationen betrugen 0,12 × 1018 Atome/cc oder weniger.
Im Gegensatz dazu enthielt der Siliziumwafer des Vergleichsbeispiels 1 einen hohen Verunreinigungsgehalt, wobei er höhere Konzentrationen von Sauerstoff und Kohlenstoff im Vergleich mit den Beispielen 1 bis 3 der vorliegenden Erfindung aufwies.
Wie oben ausgeführt kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Siliziumgussblock, der einen kleineren Bereich geringer Lebensdauer und geringeren Verunreinigungsgehalt aufweist, und der eine einheitliche Orientierung des Kristallwachstums aufweist, in der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Somit können diese Gussblöcke geeignet zur Herstellung der Solarzellen und anderer Siliziumkomponenten verwendet werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die Reduktion der Produktionsausbeute von Siliziumgussblöcken für Solarzellen und andere Siliziumkomponenten kann verhindert werden.
Bezugszeichenliste

3: Siliziumschmelze
10: Gießvorrichtung
20: Tiegel
22: Seitenwandabschnitt
33: Untere Heizvorrichtung
43: Obere Heizvorrichtung
42: Gaszufuhrrohr (Inertgaszufuhrvorrichtung, Gasstromdurchtritt)
42A, 42B, 42C, 42D: Gasausstoßloch
50: Deckelabschnitt
60, 70: Gasstromdurchtritt
61, 65, 67, 71, 73, 81: Hauptgaszufuhrrohr
62, 66, 68, 72, 74, 82: Abgezweigtes Gaszufuhrrohr
62A, 66A, 68A, 72A, 74A, 82A: Gasausstoßloch

Claims

Gießvorrichtung (10), umfassend: einen Tiegel (20), der eine Siliziumschmelze (3) speichert und eine Öffnung auf der Oberseite aufweist; eine Heizvorrichtung (33, 43) zur Erhitzung des Tiegels (20); und eine Inertgaszufuhrvorrichtung (42), die einem oberen Teil eines Innenraums im Tiegel (20) ein Inertgas zuführen kann, wobei sich die Inertgaszufuhrvorrichtung bis zum oberen Teil des Innenraums im Tiegel (20) erstreckt und einen Gasstromdurchtritt aufweist, wobei der Gasstromdurchtritt umfasst: ein oberhalb des Tiegels (20) bereitgestelltes, sich vertikal erstreckendes Gaszufuhrrohr (42), und einen Deckel bei einem unteren vorderen Endteil des Gaszufuhrrohrs (42) zum Blockieren des Gasstroms, und wobei mindestens ein Gasausstoßloch (42A, 42B, 42C, 42D) in einer Seitenfläche des vorderen Endabschnitts ausgebildet ist.
Gießvorrichtung (10), umfassend: einen Tiegel (20), der eine Siliziumschmelze (3) speichert und eine Öffnung auf der Oberseite aufweist; eine Heizvorrichtung (33, 43) zur Erhitzung des Tiegels (20); und eine Inertgaszufuhrvorrichtung (42), die einem oberen Teil eines Innenraums im Tiegel (20) ein Inertgas zuführen kann, wobei sich die Inertgaszufuhrvorrichtung vertikal bis zum oberen Teil des Innenraums im Tiegel (20) erstreckt und einen Gasstromdurchtritt aufweist, der Gasstromdurchtritt ein oben in dem Tiegel (20) bereitgestelltes Hauptgaszufuhrrohr (61, 65, 67, 71, 73, 81), einen Deckel bei einem vorderen Ende des Hauptgaszufuhrrohres (61, 65, 67, 71, 73, 81) zum Blockieren des Gasstroms, und eine Mehrzahl von abgezweigten Gaszufuhrrohren (62, 66, 82) umfasst, die von dem vorderen Ende des Hauptgaszufuhrrohrs (61, 65, 67, 71, 73, 81) abgezweigt sind, wobei die Mehrzahl von abgezweigten Gaszufuhrrohren (62, 66, 82) parallel zu dem Badspiegel der Siliziumschmelze (3) im Tiegel (20) vorgesehen ist, und ein Gasausstoßloch (62A, 66A, 82A) in einem vorderen Ende von jedem der Mehrzahl von abgezweigten Gaszufuhrrohren (62, 66, 82) vorgesehen ist.
Gießverfahren, das eine Gießvorrichtung (10) verwendet, die aufweist: einen Tiegel (20), der eine Siliziumschmelze (3) speichert und eine Öffnung auf der Oberseite aufweist, eine Heizvorrichtung (33, 43) zur Erhitzung des Tiegels (20); und eine Inertgaszufuhrvorrichtung, die einem oberen Teil eines Innenraums im Tiegel (20) ein Inertgas zuführen kann, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Gasstromdurchtritts, der sich bis zu einem oberen Teil des Innenraums im Tiegel (20) erstreckt, wobei der Gasstromdurchtritt einen Deckel bei einem unteren vorderen Endes eines sich vertikal erstreckenden Gaszufuhrrohrs (42) zum Blockieren des Gasstroms und mindestens ein Gasausstoßloch (42A, 42B, 42C, 42D) umfasst, das in einer Seitenfläche des vorderen Endes ausgebildet ist.