JP2003267717A - シリコンインゴットの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光電変換効率の優れた太陽電池用多結晶シリ
コンインゴットを製造する。 【解決手段】 シリコンを溶融するための鋳型４の上部
と側部にこの鋳型を加熱する加熱装置３を設け、この鋳
型４の底部にこの鋳型４を載置して昇降する冷却装置５
を設け、この鋳型４の下部に鋳型４が下降したときに載
置される台座９とこの台座９を加熱する加熱装置１０を
設けて、鋳型４内で融解したシリコン６を所定の速度で
凝固させる工程中に、凝固させる速度を一旦低下させた
後、元の速度に戻して凝固させる

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコンインゴット
の製造方法と製造装置に関し、特に太陽電池用基板など
に好適に使用することができるシリコンインゴットの製
造方法と製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のシリコンの鋳造方法を図５に示
す。図５において、１１はグラファイトなどからなる断
熱材、１２は加熱装置、１３はグラファイトなどからな
る鋳型、１４は冷却板、１５は溶融シリコンである。こ
のシリコン鋳造装置では、石英るつぼ（不図示）内で溶
解した溶融シリコンを内壁面に窒化珪素、炭化珪素など
を主成分とする離型材を塗布した鋳型１３の中に注ぎ込
み、その溶融シリコン１５の液面が固まらない程度に加
熱装置１２で加熱しながら、鋳型１３の下部に冷却板１
４を接触させて下部から上部へと凝固させてシリコンイ
ンゴットを製造していた。

【０００３】凝固したシリコンの鋳塊は、鋳型１３を破
壊することにより鋳型１３から取り出したり、もしくは
組立型鋳型の場合は、鋳型１３を分解して取り出してい
た。

【０００４】このようなシリコンインゴットは通常０．
４ｍｍ／ｍｉｎ以上の比較的大きな凝固速度で凝固され
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のシリコンの鋳造
方法では、凝固速度が比較的大きくて０．４ｍｍ／ｍｉ
ｎ以上であった。この方法はシリコンインゴットを比較
的短時間で生産することができるために低コストな製造
方法であったが、インゴットの結晶性にはまだ改善の余
地があった。

【０００６】本発明は、このような事情を鑑みてなされ
たものであり、１インゴット当たりの生産時間に対して
比較的短い時間だけ凝固速度を大幅に低下させることに
より、従来の高い生産性を損なわずに結晶性の優れたシ
リコンインゴットを製造する方法と製造装置を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係るシリコンインゴットの製造方法で
は、鋳型内で融解したシリコンを所定の速度で凝固させ
るシリコンインゴットの製造方法において、前記融解し
たシリコンを凝固させる工程中に、凝固させる速度を一
旦低下させた後、元の速度に戻して凝固させることを特
徴とする。

【０００８】上記シリコンインゴットの製造方法では、
前記凝固させる速度を一旦低下させることを複数回行な
ってもよい。

【０００９】また、上記シリコンインゴットの製造方法
では、前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設け、こ
の加熱装置の発熱量を増加少させて前記凝固させる速度
を一旦低下させるとともに、この加熱装置の発熱量を減
少させて前記元の速度に戻して凝固させてもよい。

【００１０】また、上記シリコンインゴットの製造方法
では、前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設けると
ともに、前記鋳型を載置する昇降装置を設け、この昇降
装置で前記鋳型を上昇させて前記凝固させる速度を一旦
低下させた後、この昇降装置で前記鋳型を下降させて前
記凝固させる速度を元の速度に戻して凝固させてもよ
い。

【００１１】また、上記シリコンインゴットの製造方法
では、前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設けると
ともに、前記鋳型の底部に冷却装置を設け、この冷却装
置を前記鋳型底部から離して前記凝固させる速度を一旦
低下させるとともに、この冷却装置を前記鋳型底部に当
接させて前記元の速度に戻して凝固させてもよい。

【００１２】また、上記シリコンインゴットの製造方法
では、前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設けると
ともに、前記冷却装置が下降した際に前記鋳型が載置さ
れる台座とこの台座を加熱するための加熱装置を設け、
この台座に載置して凝固させる速度を一旦低下させても
よい。

【００１３】また、請求項７に係るシリコンインゴット
の製造装置では、シリコンを溶融するための鋳型の上部
と側部にこの鋳型を加熱する加熱装置を設け、この鋳型
の底部にこの鋳型を載置して昇降する冷却装置を設け、
この鋳型の下部に鋳型が下降したときに載置される台座
とこの台座を加熱する加熱装置を設けてなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、各請求項に係る発明の実施
形態を添付図面に基づき詳細に説明する。図１および図
２は、請求項７に係るシリコンインゴットの製造装置を
示す図である。シリコンを溶融するための鋳型４の上部
と側部にこの鋳型４を加熱する加熱装置３を設け、この
鋳型４の底部にこの鋳型４を載置して昇降する冷却装置
５を設け、この鋳型４の下部に鋳型４が下降したときに
載置される台座９とこの台座９を加熱する加熱装置１０
を設けてなり、全体を密閉容器１内に収容したものであ
る。なお、加熱装置３と密閉容器１の間には加熱装置３
が発する熱から密閉容器１を守るために断熱材２が設け
られている。

【００１５】シリコン融液６の入った鋳型４を冷却装置
５上に載置し、この冷却装置５によって鋳型４の底部か
ら抜熱すると同時に、鋳型４の上部および側部に配置し
た加熱装置３によって加熱を行い、鋳型４の底部から上
方に向かって一方向に柱状多結晶シリコン８を成長させ
る。

【００１６】次に、請求項１に係るシリコンインゴット
の製造方法を説明する。鋳型４内で融解したシリコン６
を所定の速度で凝固させる工程中に、凝固させる速度を
一旦低下させた後、元の速度に戻して凝固させる。な
お、「速度」とは、鋳型４内におけるシリコン６の固液
界面の進行速度である。

【００１７】鋳型４内で融解したシリコン６を一方向に
凝固させる際に、従来の大きな凝固速度である０．４ｍ
ｍ／ｍｉｎ以上の速度でシリコンを凝固させている途中
で、凝固に必要な加熱量の１．５倍以上に加熱できる上
部および側部に配置した加熱装置３を用いて発熱量を
１．５倍に増加させる。これによりシリコンの固液界面
付近の温度勾配が小さくなって凝固速度が急激に低下す
る。この小さい凝固速度のまま１インゴット当たりの生
産時間に対して比較的短時間保持することで結晶性に優
れた層を新たに形成する。

【００１８】その後、直ちに加熱装置３からの発熱量を
減少させることで凝固速度は急速に回復して前述の加熱
操作前の水準に戻るが、その後に成長する結晶は小さい
凝固速度で形成された層の優れた結晶性を引き継ぎなが
ら結晶粒を大きくする。そのため、しばらくの間は比較
的大きな凝固速度にもかかわらず優れた結晶性をもつ結
晶層が得られる。

【００１９】小さい凝固速度で保持する時間は１インゴ
ット当たりの生産時間に対して短く、また凝固速度も急
速に回復するため、本発明の方法を用いても生産性はほ
とんど悪化しない。したがって、生産性を損なわずに結
晶性の優れたシリコンインゴットを製造できる。

【００２０】上記操作のうち小さい凝固速度を保持する
時間が１０分間未満では、優れた結晶性を持つ層を十分
な厚さに成長することができない。また、１インゴット
当たりの生産時間に対して長時間保持すると生産性が悪
くなり、コストの上昇をもたらす。したがって、保持時
間は１０分間以上で１インゴットあたりの生産時間に対
して比較的短時間にすることが望ましい。

【００２１】また、小さい凝固速度に保持する際の「凝
固速度」が速すぎると、優れた結晶が形成されない。し
たがって、「凝固速度」は従来の凝固速度０．４ｍｍ／
ｍｉｎ．の１／２である０．２ｍｍ／ｍｉｎ以下にする
ことが望ましい。しかし、凝固速度が遅すぎると、優れ
た結晶性を持つ層が十分に成長するために長時間必要と
なるため、凝固速度は０．０１ｍｍ／ｍｉｎ以上にする
ことが望ましい。

【００２２】また、上記加熱方法は、上部および側部に
配置した加熱装置３を使用する方法に限るものではな
く、必要な「凝固速度」が実現できればどのような加熱
方法であってもよい。例えば、鋳型４の底部を支持しな
がら昇降動作が可能な水冷金属板から成る冷却装置５と
鋳型４を保持する台座９を設け、鋳型４の下部に接触さ
せた冷却装置５を鋳型４から十分に離れた位置まで下降
させて鋳型４の下部からの抜熱量を低下させて「凝固速
度」を低下させるような方法であってもよい。これを利
用して「凝固速度」を低下させて１０分間以上保持す
る。

【００２３】その後、直ちに冷却装置５を再び鋳型４の
下部に接触させることで「凝固速度」を元の水準に戻
す。この方法を用いれば、上述した加熱装置３の発熱量
を増加させた場合と同様の効果が得られるため、生産性
を損なわずに結晶性の優れたシリコンインゴットを製造
できる。この冷却装置５の移動に要する電力量は、加熱
装置３の発熱量増加に伴う電力量の増加に比べて格段に
小さいため、製造コストをさらに低減できる。

【００２４】また、鋳型４の下部に設けた加熱装置１０
によって鋳型４を保持する台座９を加熱することで、冷
却装置５を鋳型４から遠ざける距離が短くても加熱装置
３の発熱量を増加させた場合と同様の効果を得ることが
できる。この方法を用いれば、冷却装置５の下降ストロ
ークを小さくできるため装置を小型化することができ
る。

【００２５】また、鋳型４の上部および側部に配置した
加熱装置３の発熱量を増加させる方法や、鋳型４の下部
に設けた冷却装置５を鋳型４から十分に離れた位置まで
下降させる方法や、さらに鋳型４を保持する台座９を鋳
型４の下部に配置した加熱装置により加熱する方法を組
み合わせる方法であっても、凝固させる速度を１インゴ
ットの生産時間に対して比較的短い期間、望ましくは１
０分間以上だけ速度を低下させ、その後、元の水準に凝
固させる速度を戻せば、それぞれの操作を単独で行った
場合と同様の効果が得られるため、生産性を損なわずに
結晶性の優れたシリコンインゴットを製造できる。

【００２６】また、これ以外の方法、例えば凝固中に断
熱構造を変えることで加熱する方法や冷却水量を変える
ような加熱方法であっても、必要な「凝固速度」が実現
可能であれば同様の効果が得られる。

【００２７】また、「凝固速度」が回復してからしばら
くの間は、小さい「凝固速度」で形成された層の優れた
結晶性を引き継いで成長するが、ある程度結晶が成長す
るとその効果が薄れるため、その効果はインゴットの一
部分に留まる。したがって、インゴットが垂直方向に比
較的長い場合は、間隔をおいて凝固速度を低下させる操
作を繰り返してインゴット全体の結晶性を向上させるこ
とが望ましい。

【００２８】

【実施例】鋳型４の上部および側部の加熱装置３の発熱
量を増減させる方法では、図１の状態でシリコン融液６
を０．４ｍｍ／ｍｉｎ以上の「速度」で凝固させている
途中に加熱装置３の発熱量を増加させると、「凝固速
度」は０．０１〜０．２ｍｍ／ｍｉｎの範囲に低下す
る。この「凝固速度」を１０〜６０分間保持すると結晶
性の優れた固体層７が十分な厚さまで成長する。その
後、加熱装置３の発熱量を減少させると「凝固速度」は
急激に加速して一連の操作前の水準に回復する。しか
し、その後に成長する結晶は結晶性の優れた固体層７の
上に成長して優れた結晶性を引き継ぎながら結晶粒を大
きくするため、比較的速い結晶成長速度にもかかわらず
良質な結晶の成長がしばらくの間持続する。

【００２９】鋳型４の下部に設けた冷却装置５を近づけ
たり離したりする方法では、図１の状態でシリコン融液
６を凝固させている途中で、図２のように鋳型４を台座
９で保持し冷却装置５を鋳型４から十分に引き離して
「凝固速度」を低下させる。一定時間保持した後再び図
１の状態に戻す。

【００３０】鋳型４の下部に設けた冷却装置５を離すと
ともに加熱された台座９上に載置する方法を用いて実際
にシリコンインゴットを製造して太陽電池を作成した。
約０．５ｍｍ／ｍｉｎの「速度」で凝固させている途中
で一度だけ冷却装置５を離すとともに加熱された台座９
上に載置する方法を用いて「凝固速度」を１５分間だけ
０．０１〜０．２ｍｍ／ｍｉｎの範囲に低下させた。

【００３１】図３は、この方法で製造したシリコンイン
ゴットとこの方法を一度も行わない従来の方法で製造し
たシリコンインゴットの垂直方向の位置と、垂直方向を
７分割した断面の粒界長（各結晶粒の粒界全てを加算し
た長さ）変化量の関係を示す図である。多結晶の結晶粒
界は太陽電池としての特性を落とす領域であり、粒界長
が短い方が基板の品質が高いが、本発明の操作実施以降
に凝固したインゴット上部付近の粒界長が従来のインゴ
ットと比較して減少していることがわかる。

【００３２】図４は、このシリコンインゴットから採取
したシリコンウエハを用いて作製した太陽電池の光電変
換効率をシリコンインゴットの垂直方向の相対位置に対
してプロットしたものである。図４には本発明の操作を
一度も行わない従来の方法で製造したインゴットの値も
合わせて示した。上記操作を実施した以降に凝固したイ
ンゴット上部付近の光電変換効率が従来のインゴットに
比べて明らかに向上していることが分かる。

【００３３】また、このとき本発明の方法を用いたイン
ゴットの生産時間は従来の方法を用いて製造したものに
比べて約５分間長くなったが、それぞれのインゴットの
生産時間に比べて短い時間であり、生産性に影響を与え
るものではなかった。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明の鋳造方法によれ
ば、凝固させる途中で凝固させる速度を一旦低下させる
ことで、結晶性の優れた固体層を形成することができ
る。その後、比較的短期間だけその凝固速度を保持する
ことで、元の水準に凝固させる速度に戻しても結晶性の
優れた固体層を引き継ぐことができる。この結晶性の優
れた固体層により、多結晶シリコン太陽電池の光電変換
効率を向上させることができる。また、この操作は１イ
ンゴットの生産時間に対して比較的短期間ですむため、
生産性を損なわずに製造することができる。

【００３５】また、本発明に係る鋳造装置によれば、シ
リコンを溶融するための鋳型の上部と側部にこの鋳型を
加熱する加熱装置を設け、この鋳型の底部にこの鋳型を
載置して昇降する冷却装置を設け、この鋳型の下部に鋳
型が下降したときに載置される台座とこの台座を加熱す
る加熱装置を設けたことから、融解シリコンを一定の速
度で凝固させる工程中、鋳型の上部および側部に配置し
た加熱装置の発熱量を増加させる方法、鋳型下部に接触
させた冷却装置を鋳型から十分に離れた位置まで下降さ
せる方法、鋳型下部に配置した加熱装置で鋳型を保持す
る台座を加熱する方法、およびこれらの操作を組み合わ
せた方法が可能となり、凝固させる速度を１インゴット
の生産時間に対して比較的短い期間だけ所定速度に低下
させ、その後直ちに加熱装置の発熱量を減少させること
で元の水準に凝固させる速度を戻す操作を行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシリコンインゴットの製造装置を示す
図である。

【図２】図１の装置において冷却装置を鋳型から離した
状態を示す図である。

【図３】本発明の方法を用いて製造したシリコンインゴ
ットと従来の方法を用いて製造したシリコンインゴット
の垂直方向の位置と、垂直方向を７分割した断面の粒界
長（各結晶粒の粒界全てを加算した長さ）の変化量の関
係を示す図である。

【図４】本発明の方法を用いて製造したシリコンインゴ
ットと従来の方法を用いて製造したシリコンインゴット
の垂直方向の位置と品質の関係を示す図である。

【図５】従来のシリコン鋳造装置を示す図である。

【符号の説明】

１．密閉容器 ２．断熱材 ３．加熱装置 ４．鋳型
５．冷却装置 ６．シリコン融液 ７．結晶性の優れた
固体層 ８．柱状多結晶シリコン ９．台座 １０．下
部加熱装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山谷 宗義 滋賀県八日市市蛇溝町長谷野1166番地の６ 京セラ株式会社滋賀八日市工場内 Ｆターム(参考） 4G072 AA01 BB01 BB12 GG01 GG03 GG04 GG05 HH01 MM38 RR12 UU02

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋳型内で融解したシリコンを所定の速度
   で凝固させるシリコンインゴットの製造方法において、
   前記融解したシリコンを凝固させる工程中に、凝固させ
   る速度を一旦低下させた後、元の速度に戻して凝固させ
   ることを特徴とするシリコンインゴットの製造方法。
2. 【請求項２】 前記凝固させる速度を一旦低下させるこ
   とを複数回行なうことを特徴とする請求項１に記載のシ
   リコンインゴットの製造方法。
3. 【請求項３】 前記鋳型の上部および側部に加熱装置を
   設け、この加熱装置の発熱量を増加させて前記凝固させ
   る速度を一旦低下させるとともに、この加熱装置の発熱
   量を減少させて前記元の速度に戻して凝固させることを
   特徴とする請求項１または２に記載のシリコンインゴッ
   トの製造方法。
4. 【請求項４】 前記鋳型の上部および側部に加熱装置を
   設けるとともに、前記鋳型を載置する昇降装置を設け、
   この昇降装置で前記鋳型を上昇させて前記凝固させる速
   度を一旦低下させた後、この昇降装置で前記鋳型を下降
   させて前記凝固させる速度を元の速度に戻して凝固させ
   ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載
   のシリコンインゴットの製造方法。
5. 【請求項５】 前記鋳型の上部および側部に加熱装置を
   設けるとともに、前記鋳型の底部に冷却装置を設け、こ
   の冷却装置を前記鋳型底部から離して前記凝固させる速
   度を一旦低下させるとともに、この冷却装置を前記鋳型
   底部に当接させて前記元の速度に戻して凝固させること
   を特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のシリ
   コンインゴットの製造方法。
6. 【請求項６】 前記鋳型の上部および側部に加熱装置を
   設けるとともに、前記冷却装置が下降した際に前記鋳型
   が載置される台座とこの台座を加熱するための加熱装置
   を設け、この台座に載置して凝固させる速度を一旦低下
   させることを特徴とする請求項５に記載のシリコンイン
   ゴットの製造方法。
7. 【請求項７】 シリコンを溶融するための鋳型の上部と
   側部にこの鋳型を加熱する加熱装置を設け、この鋳型の
   底部にこの鋳型を載置して昇降する冷却装置を設け、こ
   の鋳型の下部に鋳型が下降したときに載置される台座と
   この台座を加熱する加熱装置を設けてなるシリコンイン
   ゴットの製造装置。