JP2002308616A

JP2002308616A - 多結晶シリコンの製造方法

Info

Publication number: JP2002308616A
Application number: JP2001108633A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Baba; 裕幸馬場; Kazuaki Hara; 一晃原; Kazuhiro Hanazawa; 和浩花澤; Shoichi Hiwasa; 章一日和佐
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】鋳型の底部からの抜熱によって鋳型内の溶融
シリコンを一方向凝固させる際、その凝固速度を適切に
制御する手法について提案する。【解決手段】ヒータによる加熱処理を行う上部室と、
冷却板による冷却処理を行う下部室とを、断熱材による
隔壁で仕切るとともに、該隔壁の一部を開口して設けた
上部室と下部室との連通口内に鋳型の置台を昇降可能に
配置した装置において、該置台上にシリコンを装入した
鋳型を載置し、上部室内の温度をシリコンの融点以上と
してシリコンを溶解した後、置台を下降して置台の側壁
を、冷却板によって冷却された下部室内に露出し、置台
の側壁からの抜熱によって鋳型底部を冷却し、溶融シリ
コンを鋳型底部から上方へ一方向凝固させるに当り、置
台の下降量を調節して溶融シリコンの凝固速度を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】この発明は、太陽電池などに
用いられる多結晶シリコンの製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】主に太陽電池に用いられる多結晶シリコ
ンは、鋳型内で溶解したシリコンを鋳型の底部から徐々
に冷却して、鋳型底部から上方に一方向凝固する方法に
よって製造されるのが一般的である。

【０００３】例えば、特開昭63−166711号公報には、底
部が開口した炉の下方に昇降可能に水冷チルプレートを
設け、炉内に配置した鋳型内にシリコンを装入して溶解
するとともに、水冷チルプレートを鋳型の底面まで上昇
させて、鋳型と水冷チルプレートとの接触を保持したま
ま両者を下降させて鋳型を炉外に移動し、ここでシリコ
ンの一方向凝固を行うことが、記載されている。

【０００４】ここで、太陽電池の変換効率を高めるに
は、大きな結晶粒径を有する多結晶シリコンを提供する
ことが有効であるため、その製造においては、鋳型底部
からの抜熱量の調整によって、特に凝固速度を適切に制
御することが望まれる。しかしながら、上記公報に記載
の技術は、主に鋳塊の凝固速度を速めるところに特徴が
あるから、抜熱量の調整によって凝固速度を微妙に制御
することが難しい。とりわけ、上記公報に記載の技術で
は、鋳型を下降した際に、発熱体のない炉内壁と鋳型側
壁とが向き合うため、ここで鋳型側壁からも抜熱が生じ
て熱バランスが崩れるため、凝固速度の制御は極めて難
しくなる。そのため、鋳型底部近傍に微細組織が多量に
生成するのを回避することが困難であった。

【０００５】なお、鋳型からの抜熱量の調整として、水
冷チルプレートの材質を選択したり、鋳型と水冷チルプ
レートとの間に両者間の熱伝導を変化させるための断熱
材などの介在物を配置する、等の手段が考えられる。し
かし、前者は所期する凝固速度毎に材質を変更する必要
があるから極めて不経済であり、一方後者は鋳型の荷重
変動や複数回の使用に伴って、鋳型と水冷チルプレート
との間の熱伝導率が容易に変動するため、凝固速度を制
御することは難しい。

【０００６】また、特開平10−130088号公報には、イン
ゴット周囲の数カ所に熱電対を設置して凝固速度を制御
することが提案されているが、１ヒート毎に熱電対をセ
ットするという煩雑な作業が必要であり、さらに凝固時
の抜熱量は微少であるため、熱電対先端の接触状態や位
置によって測定誤差が大きくなる不利があり、熱電対の
損耗が激しいことも問題になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明は、
上記した諸問題を解消し、鋳型の底部からの抜熱によっ
て鋳型内の溶融シリコンを一方向凝固させる際、その凝
固速度を適切に制御する手法について、提案することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、この発明の要
旨構成は、次のとおりである。 (1) ヒータによる加熱処理を行う上部室と、冷却板によ
る冷却処理を行う下部室とを、断熱材による隔壁で仕切
るとともに、該隔壁の一部を開口して設けた上部室と下
部室との連通口内に鋳型の置台を昇降可能に配置した装
置において、該置台上にシリコンを装入した鋳型を載置
し、上部室内の温度をシリコンの融点以上としてシリコ
ンを溶解した後、置台を下降して置台の側壁を、冷却板
によって冷却された下部室内に露出し、置台の側壁から
の抜熱によって鋳型底部を冷却し、溶融シリコンを鋳型
底部から上方へ一方向凝固させるに当り、置台の下降量
を調節して溶融シリコンの凝固速度を制御することを特
徴とする多結晶シリコンの製造方法。

【０００９】(2) 上記(1) において、溶融シリコンの凝
固速度を２mm／min 以下に制御することを特徴とする多
結晶シリコンの製造方法。

【００１０】(3) 上記(1) または(2) において、上部室
内の温度を1450〜1550℃の範囲としてシリコンを溶解
し、その後上部室内の温度を1420〜1440℃に調整、維持
して溶融シリコンを一方向凝固させることを特徴とする
多結晶シリコンの製造方法。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の方法について、
図面を参照して詳細に説明する。まず、この発明の方法
に用いる多結晶シリコンの製造装置を、図１に示す。該
製造装置は、断熱材で区画された上下２室構造を有し、
その上部室１と下部室２とを断熱材による隔壁３で仕切
って成る。

【００１２】上部室１は、その内壁面に沿って設置され
るヒータ４をそなえる。例えば、図示例の上部室１は直
方体状であるから、その底面となる隔壁３を除く５つの
内壁面をそれぞれヒータ４で覆って成る。これらヒータ
４によって、室内を所望の温度雰囲気に加熱、保持し
て、後述するシリコンの溶解をはかる。

【００１３】また、上部室１の底面を構成する隔壁３
は、その一部、図示例でほぼ中央部を、例えば矩形状に
開口して設けた、上部室１と下部室２との連通口５を有
する。この連通口５には、連通口５と平面形状がほぼ同
等でかつ隔壁３よりも厚みのある置台６を配置し、置台
６は装置外から下部室２内に延びる、モーターや油圧シ
リンダーを駆動源とする昇降機７によって、昇降可能に
支持されている。そして、置台６に鋳型８を載せて鋳型
８を上部室１内に配置し、鋳型８内に装入したシリコン
９の溶解を行う。なお、置台６は、熱伝導率の高い、カ
ーボン、SiC またはCrなどの材料から形成することが好
ましい。さらに、図示例のように、置台６と昇降機７と
の間に断熱材10を配置すれば、置台６が上部室１側まで
上昇している場合に、上部室１と下部室２との間の断熱
を強化することができる。

【００１４】一方、下部室２には、上記した置台６の昇
降経路を囲む位置に冷却板11を設置し、該昇降経路の冷
却を可能とする。ここで、図示例の場合は、置台６が矩
形であるから、その昇降経路を囲む冷却板11は、直方体
の側面を構成するように４面にわたって設ければよい。
従って、鋳型８や置台６が円筒状であれば、冷却板11を
円筒状に設けることが好ましい。なお、冷却板11として
は、例えば内部に冷却水の配管を敷設して冷却水12を循
環供給する構造が有利に適合する。

【００１５】以上の構造の製造装置において、まず図１
に示すように、置台６上にシリコン９を装入した鋳型８
を載置し、上部室１内の温度をシリコンの融点（約1410
℃）よりも高い温度、好ましくは十分に高い1450〜1550
℃の範囲に制御してシリコン９を溶解する。

【００１６】次いで、上部室１内の温度を、好ましくは
1420〜1440℃に調整しつつ、もしくは調整してから、図
２に示すように、置台６を下降して置台６の側壁６ａを
下部室１内に露出し、上部室１内の温度を、好ましくは
1420〜1440℃に保持したまま、該側壁６ａからの抜熱
（図中白抜き矢印で示す）によって鋳型８底部を冷却
し、溶融シリコンを鋳型８底部から上方へ向かって一方
向凝固させる。

【００１７】この一方向凝固過程では、特に凝固速度を
適切に制御することが重要である。すなわち、溶融シリ
コンを一方向凝固させる際の凝固速度が速すぎると、一
方向凝固組織が微細になる。太陽電池用多結晶シリコン
では、結晶組織が微細になると、太陽電池特性が著しく
劣化するのが一般的であり、とりわけ径が５mm以下の微
細な結晶組織は有害である。かような有害な微細組織の
発生を回避するには、適切な凝固速度の下に一方向凝固
を進める必要があり、そのためには凝固速度を容易に制
御する手法を確立することが肝要である。

【００１８】ここに、上記した製造方法、つまり鋳型８
を載置した置台６を下降して置台６の側壁６ａからの抜
熱によって溶融シリコンを一方向凝固させる方法におい
ては、溶融シリコンの凝固速度を、置台６の下降量の調
節によって容易に制御することが可能である。以下に、
この発明に従う溶融シリコンの凝固速度の制御手法につ
いて詳述する。

【００１９】さて、溶融シリコンの凝固速度Ｖ_siは、次
式（Ａ）にて表される。Ｖ_si＝Ｑ_si／（Ｓ_si×ρ_si×Ｅ_si）----（Ａ）ただし、Ｑ_si：シリコンからの抜熱量Ｓ_si：シリコン断面積 ρ_si：シリコン密度Ｅ_si：凝固潜熱上式（Ａ）において、シリコン断面積Ｓ_siは鋳型の寸法
により決まる定数、シリコン密度ρ_si及び凝固潜熱Ｅ_si
はシリコン固有の定数であるから、凝固速度Ｖ _siはシリ
コンからの抜熱量Ｑ_siに依存することになる。

【００２０】そして、シリコンからの抜熱量Ｑ_siは、次
式（Ｂ）にて表される。Ｑ_si＝（Ｑ_w −Ｑ_wo）−（Ｐ−Ｐ₀ ）−Ｑ_c −Ｑ_p ----（Ｂ）ただし、Ｑ_w ：置台下降後のシリコン凝固時の冷却板の
抜熱量Ｑ_wo：シリコン溶解後かつ置台下降前の冷却板の抜熱量Ｐ：置台下降後のシリコン凝固時におけるヒータ出力Ｐ₀ ：シリコン溶解後かつ置台下降前におけるヒータ出
力Ｑ_c ：置台のエンタルピー変化量Ｑ_p ：上部室から置台を通過して下部室に侵入する熱量

【００２１】上式（Ｂ）において、置台のエンタルピー
変化量Ｑ_c 及び上部室から置台を通過して下部室に侵入
する熱量Ｑ_p は操業毎に決まる定数であり、またシリコ
ン溶解後かつ置台下降前の冷却板の抜熱量Ｑ_wo、置台下
降後のシリコン凝固時におけるヒータ出力Ｐ及びシリコ
ン溶解後かつ置台下降前におけるヒータ出力Ｐ₀ は操業
毎の設定値として変動させないことが、操業の簡素化や
安定化に有利であるから、シリコンからの抜熱量Ｑ_siは
主に置台下降後のシリコン凝固時の冷却板の抜熱量Ｑ_w
に依存することになる。

【００２２】さらに、この抜熱量Ｑ_w は、Ｑ_woが一定で
あることを前提にした場合、置台６の側壁６ａの放熱面
積、つまり置台６の下降量に依存することになる。従っ
て、置台６の下降量を変化させれば、溶融シリコンの凝
固速度Ｖ_siは変化するため、溶融シリコンの凝固速度Ｖ
_siの制御は、置台６の下降量の調節によって達成される
のである。そして、この制御は、多結晶シリコンの製造
における、上記した他の様々の条件を考慮することな
く、溶融シリコンの凝固速度と置台６の下降量との間で
一義的に定められるため、シリコンの凝固速度の制御を
極めて簡素な手順で行うことができる。

【００２３】以上述べたところに従って、置台６の下降
量の調節によってシリコンの凝固速度は容易に制御され
るが、その際、凝固速度を２mm／min 以下に規制するこ
とが好ましい。なぜなら、シリコンの凝固速度が２mm／
min をこえると、一方向凝固組織が、上述した径が５mm
以下の微細組織となるからである。この径が５mm以下の
微細組織が一旦生じると、通常の大粒径組織となるまで
に、鋳型底部から数10mmの高さ範囲にまで微細組織が生
成し、この範囲は不良部分として切除せざるを得なくな
る。なお、凝固速度があまりに遅いと生産性が阻害され
るため、好ましくは0.05mm／min 以上とする。

【００２４】なお、上部室１内の温度は、シリコンの溶
解工程とその後の凝固工程とで変化させることが基本に
なるが、上述したように、上部室１内の温度を1450〜15
50℃の範囲に調整してシリコンを溶解し、次いで上部室
１内の温度を1420〜1440℃に調整しつつ、もしくは調整
してから置台６を下降して一方向凝固させることが有利
である。

【００２５】ここに、上部室１内の温度を種々に変化し
た条件下でシリコンの溶解を行って、その後一定の条件
にて一方向凝固させて製造した、多結晶シリコンの結晶
組織について、有害な５mm以下の微細組織が占める領
域、ここでは鋳型底部からの高さに関して調査した。そ
の調査結果を表１に示すように、シリコン溶解時の上部
室１内温度を1450℃以上にすることによって、有害な微
細組織の生成を僅かな範囲に止めることができる。これ
は、シリコン溶解時の上部室１内温度が1450℃未満で
は、鋳型底部の冷却を開始した直後から凝固が始まり、
この初期の凝固速度の制御が難しくなるからである。

【００２６】

【表１】

【００２７】一方、シリコン溶解時の上部室１内温度が
1550℃をこえると、まず鋳型内壁に剥離剤として窒化珪
素を塗布する場合に、この窒化珪素が炭化珪素となって
シリコンとの濡れ性が良好になる結果、剥離剤としての
機能が消失する、おそれがある。また、鋳型に石英を使
用した場合は、その変形が許容範囲をこえる、おそれが
あり、さらに省エネルギーの観点からも好ましくない。
なお、上部室１内の温度を上記の範囲に制御するには、
例えばヒータ４の近傍に差し込み配置した熱電対あるい
は放射温度計を利用して雰囲気温度を測定し、その測定
結果に基づいてヒータ４の出力調整を行えばよい。以下
の温度調整も同様である。

【００２８】上記に従ってシリコン９を溶解したなら
ば、次いで上部室１内の温度を1420〜1440℃に調整して
から、図２に示すように、置台６を下降して置台６の側
壁６ａを下部室１内に露出し、上部室１内の温度を1420
〜1440℃に保持したまま、該側壁６ａからの抜熱（図中
白抜き矢印で示す）によって鋳型８底部を冷却し、溶融
シリコンを鋳型８底部から上方へ向かって一方向凝固さ
せる。すなわち、シリコンの溶解が終了したならば、上
部室１内の温度を1420〜1440℃の温度域まで下げる必要
がある。

【００２９】ここに、上部室１内の温度を1450〜1550℃
の範囲にした条件下でシリコンの溶解を行って、その後
上部室１内の温度を種々に変化した条件下で一方向凝固
させて製造した、多結晶シリコンの結晶組織について、
有害な５mm以下の微細組織が占める領域、ここでは鋳型
底部からの高さに関して調査した。その結果を表２に示
すように、シリコン溶解後の上部室１内温度を1420℃以
上にすることによって、有害な微細組織の生成を僅かな
範囲に止めることができる。これは、シリコン溶解後の
上部室１内温度が1420℃未満では、溶融シリコンの鋳型
高さ方向の温度勾配が小さくなりすぎて、一方向凝固が
難しくなるからである。

【００３０】

【表２】

【００３１】一方、シリコン溶解後の上部室１内温度が
1440℃をこえると、鋳型側壁からの入熱が大きくなって
側壁側のシリコンの凝固が遅滞し、凝固界面が平滑でな
く鋳型中央で膨らむ凸型になる結果、インゴット端部で
の最終凝固が不均一となり、この部分でのシリコンの凝
固膨張により残留応力が生じ、切断後または鋳型からの
取り出し直後にクラックが発生する。

【００３２】さらに、シリコンの溶解完了から上部室１
内の温度を1420〜1440℃の温度域まで下げるに当り、上
部室１内での温度降下速度を20℃／ｈ以下に制限するこ
とが好ましい。ここに、上部室１内の温度を1450〜1550
℃の範囲にした条件下でシリコンの溶解を行って、その
後上部室１内の温度を1420〜1440℃の範囲まで種々の温
度降下速度で下げてから一方向凝固させて製造した、多
結晶シリコンの結晶組織について、有害な５mm以下の微
細組織が占める領域、ここでは鋳型底部からの高さに関
して調査した。その結果を表３に示すように、温度降下
速度を20℃／ｈ以下にすることによって、有害な微細組
織の生成をより狭い範囲に止めることができる。

【００３３】

【表３】

【００３４】かくして上部室１内の温度を1420〜1440℃
の範囲に調整したのち、置台６を下降して置台６の側壁
６ａを下部室１内に露出し、該側壁６ａからの抜熱によ
って鋳型８底部を冷却することが重要である。すなわ
ち、側壁６ａの露出面積の調整により、初期凝固の制御
を容易に行えるため、有害な微細組織の生成を抑制する
ことができる。

【００３５】なお、上記の実施形態では、上部室に１つ
の鋳型を配置して多結晶シリコンを製造する例を示した
が、複数の鋳型を上部室内に配置し、各鋳型毎に連通口
を介して昇降する置台を組み合わせて、上記した一方向
凝固を行うことも可能である。

【００３６】

【実施例】図１及び図２に示したところに従って、設定
凝固速度を0.1 〜2.1mm/min の範囲で変更し、前述の
（Ａ）,(Ｂ) 式に従い、鋳型の下降量を調節、制御しな
がらシリコンインゴットの作製を試みた。このとき、凝
固速度は鋳型上方より石英棒を溶融シリコン中に装入
し、凝固層厚の経時変化を測定することにより求めた。
これらの製造における凝固速度を測定するとともに、得
られた多結晶シリコンについて、太陽電池特性を劣化さ
せる５mm以下の微細組織の生成領域を調査した。その結
果を、表４に併記するように、この発明に従う制御方法
により凝固速度が制御され、良質な多結晶シリコンが得
られることがわかる。

【００３７】

【表４】

【００３８】

【発明の効果】この発明によれば、鋳型の底部からの抜
熱によって鋳型内の溶融シリコンを一方向凝固させる際
に、その凝固速度の適切な制御が簡便な手法によって実
現されるから、とりわけ太陽電池として供する場合に問
題となる、微細結晶組織の生成を最小限に抑制して優れ
た品質の多結晶シリコンを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明で用いる多結晶シリコンの製造装置
を示す図である。

【図２】多結晶シリコンの製造装置の動作を示す図で
ある。

【符号の説明】

１上部室２下部室３隔壁４ヒータ５連通口６置台７昇降機８鋳型９シリコン 10 断熱材 11 冷却板 12 冷却水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者花澤和浩岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者日和佐章一岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地なし）川崎製鉄株式会社水島製鉄所内Ｆターム(参考） 4G072 AA01 BB12 GG01 GG03 HH01 MM38 NN01 RR12 5F051 AA03 CB05 CB30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヒータによる加熱処理を行う上部室と、
冷却板による冷却処理を行う下部室とを、断熱材による
隔壁で仕切るとともに、該隔壁の一部を開口して設けた
上部室と下部室との連通口内に鋳型の置台を昇降可能に
配置した装置において、該置台上にシリコンを装入した
鋳型を載置し、上部室内の温度をシリコンの融点以上と
してシリコンを溶解した後、置台を下降して置台の側壁
を、冷却板によって冷却された下部室内に露出し、置台
の側壁からの抜熱によって鋳型底部を冷却し、溶融シリ
コンを鋳型底部から上方へ一方向凝固させるに当り、置
台の下降量を調節して溶融シリコンの凝固速度を制御す
ることを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
【請求項２】請求項１において、溶融シリコンの凝固
速度を２mm／min 以下に制御することを特徴とする多結
晶シリコンの製造方法。
【請求項３】請求項１または２において、上部室内の
温度を1450〜1550℃の範囲としてシリコンを溶解し、そ
の後上部室内の温度を1420〜1440℃に調整、維持して溶
融シリコンを一方向凝固させることを特徴とする多結晶
シリコンの製造方法。