JP2006272400A - 鋳造装置および半導体インゴット - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造中に半導体融液とＣＯガスの反応を極力防止して、不純物濃度が低く高品質の半導体インゴットを鋳造するのに適した鋳造装置を提供する。
【解決手段】内部に半導体材料又は融液を保持する容器体と、該容器体上方に配置された不活性ガス供給排気機構と、を有してなる鋳造装置において、前記不活性ガス給排気機構は、ガス供給孔及び該ガス供給孔の上方に形成されたガス排気孔とからなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、不純物濃度が低い半導体インゴットを鋳造するのに用いられる不活性ガス処理構造を有する鋳造装置、およびこれを用いて形成された半導体インゴットに関する。

太陽電池はクリーンな石油代替エネルギー源として小規模な家庭用から大規模な発電システムまでの広い分野でその実用化が期待されている。これらは使用原料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類され、現在市場に流通しているものの多くは結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池は、さらに単結晶型と多結晶型に分類されている。単結晶シリコン太陽電池は基板の品質がよいために変換効率の高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが高いという短所を有する。これに対して多結晶シリコン太陽電池は従来から市場に流通してきたが、近年、環境問題への関心が高まる中でその需要は増加し、より低コストで高い変換効率が求められている。

このような要求に対処するため、シリコン中の不純物元素の低減化が重要である。特に太陽電池等に用いられる多結晶シリコンインゴットを製造する場合、高融点のシリコン材料を石英製の坩堝内で加熱溶融したり、石英製の鋳型内で凝固したりするときに、石英の構成元素である酸素が融液中に溶解し、得られる結晶の酸素濃度が高まりＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥）が発生しやすくなる。また、シリコン融液とシリコン鋳造装置内の断熱材などから発生する炭酸（ＣＯ）ガスが反応し、シリコン融液中に炭素（Ｃ）が混入することもある。このようにしてインゴット中に含有した多量の炭素は、インゴット内の酸素析出を増速したり、またデバイスプロセス中の欠陥発生にも繋がってしまい製品特性に悪影響を及ぼしたりする。

このような不純物を低減するための方法の一つとして、不活性ガスをシリコン融液表面に吹き付けてシリコン融液から発生するＳｉＯガスをシリコン融液表面から除去し、また逆に炉内のＣＯガスがシリコン融液中に進入するのを抑制する方法が知られている。

例えば、特許文献１では、図６に示す鋳造装置を用いた方法が提案されている。図６に示すように、このシリコン鋳造装置は、シリコン融液２０６を収容し上部に開口部を有する鋳型２０１と、鋳型２０１の上方に配置された上部加熱手段２０２aと、鋳型２０１の下方に配置された下部加熱手段２０２ｂと、不活性ガスをシリコン融液２０６に向かって供給するガス供給管２０５と、シリコン融液２０６の浴面と上部加熱手段２０２ａとの間に配された蓋２０７とを備えている。これらは、真空容器（不図示）の炉壁に配置された断熱材２０４によって囲まれている。また、これらの部材は不図示のチャンバによって外気と遮断されている。さらに、蓋２０７を鋳型２０１に対して相対的に移動させて鋳型２０１上部の開口量を制御する蓋移動機構（不図示）を備えている。次いで、下部加熱手段２０２ｂによる加熱を切り冷却手段２０３により鋳型２０１内のシリコン融液２０６を冷却すれば、底部から上方へ形成された正の温度勾配に沿って、シリコン融液２０６が一方向凝固したシリコンインゴットが得られる。

このように、該シリコン鋳造装置は、シリコン融液２０６の表面を蓋２０７で覆うことにより、炉内のＣＯガスとシリコン融液との反応を抑制するとともに、また、蓋２０７と鋳型２０１との開口量を調整することにより、シリコン融液から発生するＳｉＯガスを効率よく排気する機構を有している。

また、特許文献２では、図７に示すシリコン鋳造装置を用いた方法が提案されている。図７に示すように、このシリコン鋳造装置は、真空容器（不図示）内にシリコン融液２０６を収容した複数の鋳型２０１と、鋳型２０１の周囲にこの鋳型２０１よりも高さの低い断熱材２０４と、不活性ガスをシリコン融液２０６に向かって供給するガス供給管２０５とを備えている。また、複数の鋳型２０１と断熱材２０８とによって樋状通路２０９が形成され、この樋状通路２０９の延長上には流通孔２０８が設けられている。また、樋状通路２０９同士の交差位置に、不活性ガスを吐出させるガス吐出管２１０が配置されている。

このような構成により、ガス供給管２０５から供給された不活性ガスにより、シリコン融液２０６から発生したＳｉＯガスが樋状通路２０９内に排出され、さらに、ガス吐出管２１０より吐出された搬送気流により、樋状通路２０９内に排出されたガスが、流通孔２０８に向かってスムーズに流れ、炉外に効率よく排気できるような機構を有している。
特開２００４−５８０７５号公報 特開２００３−１３７５２６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された方法によれば、シリコン融液２０６と上部加熱手段２０２ａの間に蓋２０７を設置するので、上部加熱手段２０２ａからの加熱が効率よく行われないという問題がある。したがって、シリコン融液２０６を底部から上部にかけて冷却固化する際に、上部加熱手段２０２ａによるシリコン融液の温度制御が困難となり、均質で健全なシリコンインゴットが得られ難くなる。また、蓋２０７とシリコン融液２０６の間の空間に導入した不活性ガスは、蓋２０７と鋳型２０１の隙間２０１ａから排気されるが、排気されたガスが再び炉内に拡散し、炉壁の断熱材にＳｉＯ粉として付着して、断熱材の劣化を促進させることが懸念される。

また、特許文献２に記載された方法によれば、シリコン融液２０６から発生したＳｉＯガスは、ガス供給管２０５から供給された不活性ガスにより樋状通路２０９内に排出され、さらに、ガス吐出管２１０より吐出された搬送気流により、流通孔２０８に向かって炉外にスムーズに排気される構造を有するが、このような構造にするためには、少なくとも４個以上の鋳型を配置させなければならず、鋳造炉の大型化が必要となり製造コストアップに繋がってしまう。

また、一般的なシリコン鋳造装置としては、特許文献１や特許文献２に記載されたような、鋳型内に保持したシリコン材料を加熱手段で加熱してシリコン融液とする鋳型内溶融型と、坩堝内に保持したシリコン材料を加熱して、このシリコン材料を溶融してシリコン融液となし、鋳型に注湯する注湯型がある。ここで、注湯型の場合、上述のようにガス吐出管が鋳型直上に配置されていると、一般的に坩堝は鋳型の上部に設置されているため、坩堝から鋳型内に注湯したシリコン融液がガス吐出管に接触して、不純物が混入する原因となったり、ガス吐出管を劣化させたりする可能性があるのでガス吐出管を移動可能な構造にする必要があり、このような注湯型のシリコン鋳造装置への適用は困難である。

上記課題に鑑み、本発明の目的は、鋳型内において多結晶シリコンを鋳造するときに、シリコン融液と炉内で発生するＣＯガスの反応を極力防止することで、不純物濃度が低く、結晶性が高い高品質の多結晶シリコンを安価で容易に製造できるシリコン製造装置を提供し、高品質の多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコン基板を得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明の鋳造装置は、内部に半導体材料又は融液を保持する容器体と、該容器体上方に配置された不活性ガス供給排気機構と、を有してなる鋳造装置において、前記不活性ガス給排気機構は、ガス供給孔及び該ガス供給孔の上方に形成されたガス排気孔とからなることを特徴とする鋳造装置。

また、前記ガス供給孔は、前記半導体融液の表面の略中央部を向いて形成されていることを特徴とする。

さらに、前記ガス排気孔は、略上方向であることを特徴とする。

本発明の鋳造装置は内部に半導体材料又は融液を保持する容器体と、該容器体上方に配置された不活性ガス供給排気機構と、を有してなる鋳造装置において、前記不活性ガス給排気機構は、ガス供給孔及び該ガス供給孔に前記容器体を介して対向配置されたガス排気孔とからなることを特徴とする。

また、前記不活性ガス給排気機構の内周輪郭が、前記容器体の内周輪郭と略同形である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の鋳造装置。

なお、前記容器体は、その内部で半導体融液を凝固・成長させるための鋳型であるか、または、半導体融液を鋳型内に供給するための坩堝であることを特徴とする。

本発明の半導体インゴットは本発明の鋳造装置を用いて形成される。

本発明の鋳造装置は、内部に半導体材料又は融液を保持する容器体と、該容器体上方に配置された不活性ガス供給排気機構と、を有してなる鋳造装置において、前記不活性ガス給排気機構は、ガス供給孔及び該ガス供給孔の上方に形成されたガス排気孔とからなる、または、ガス供給孔及び該ガス供給孔に前記容器体を介して対向配置されたガス排気孔とからなる構成を有している。このような構成を有する本発明の鋳造装置は、半導体融液と加熱手段の狭い空間の中に、ガス導入機構とガス排出機構を設けているので、シリコン融液から発生したガスが、シリコン融液表面上で滞留することなく効率よく炉外に排出できるようになる。すなわち、シリコン融液から発生したＳｉＯガスは、炉内雰囲気へ拡散することなく、排気孔から炉外へスムーズに排出され、不純物であるＯを除去する効果を高めることができる。

また、炉内の断熱材などから発生したＣＯガスは、シリコン融液表面に到達するまでに、その大部分が、不活性ガス供給排気機構の設けられた排気孔から排気されるとともに、また、供給孔から供給された不活性ガスが半導体融液の表面を覆うので、半導体融液とＣＯガスの反応も防止することができる。

また、本発明のシリコン鋳造装置に係る不活性ガス供給排気機構は、特許文献１（図３）に記載されたシリコン鋳造装置のように、加熱手段と半導体材料または融液との間を固体物質で覆うような構造ではないので、加熱手段から半導体原料または融液への加熱効率が高められ、溶融工程における時間の超過を防止し、シリコン材料の溶融やシリコン融液の一方向凝固の制御を容易にすることができる。

また、本発明のシリコン鋳造装置に係る不活性ガス供給排気機構は、鋳型の内面輪郭線よりも外側に存在するように配置しているので、ヒートサイクルの熱劣化などによる破損、割れを生じたとしても、不活性ガス供給排気機構の破片などが容器体内に保持された半導体融液内に落下して、不純物の原因となったりすることを防止できる。

そして、本発明の半導体インゴットは、本発明の鋳造装置より得られた半導体融液を一方向凝固させてなる。したがって、半導体融液は、含有炭素濃度や酸素濃度が小さいので、不純物が少ない高品質の半導体インゴットを得ることができる。このような高品質の半導体インゴットを用いて形成した太陽電池素子は、良好な特性を有する。

以下、図面を参照しながら本発明に係るシリコン鋳造装置の実施形態について説明する。

図１に、本発明の鋳造装置の実施形態に係る概略断面図を示す。１０１は鋳型、１０２は鋳型加熱手段、１０３は冷却手段、１０４は鋳型断熱材、１０５は不活性ガス供給排気機構、１０５ａは供給孔、１０５ｂは排気孔、１０６はシリコン材料（半導体材料）またはシリコン材料を溶融して得られたシリコン融液（半導体融液）、１０７はガス供給装置、１０８はガス排出装置である。

シリコン材料１０６またはシリコン融液１０６を内部に保持し、上方に開口した鋳型１０１が配置され、その外側には鋳型１０１の側壁からの熱の流出を防止するために鋳型断熱材１０４が設けられている。さらに、鋳型１０１の下部には、冷却手段１０３が設けられ、鋳型１０１の上方には、冷却手段１０３との間で下方から上方へ向けてシリコン融液１０６に対して正の温度勾配を付与して、その凝固を制御するための鋳型加熱手段１０２が配置される。ここでは容器体として鋳型１０１を用いた場合について説明する。

鋳型１０１は、黒鉛、石英などからなり、一体成型鋳型や、分割可能な分割鋳型などで構成される。また、鋳型１０１の内面には離型材層（不図示）を設けることが望ましい。鋳型１０１の内部のシリコン融液１０６を凝固した後に、鋳型１０１の内壁とシリコンインゴットとが融着することを抑制することができる。離型材層の材質としては、例えば、窒化珪素、炭化珪素、酸化珪素などによって形成することができる。

鋳型断熱材１０４は、鋳型１０１の側壁からの抜熱を抑制するものであり、耐熱性、断熱性などを考慮して主成分としてカーボンを含む材質、例えばグラファイトフェルトなどが用いられる。冷却手段１０３としては、例えばステンレス（ＳＵＳ）などの金属板を用いることができ、内部に水などの冷媒を循環させるなどして、鋳型１０１の内部のシリコン融液１０６から効果的に抜熱できるように構成されている。また、鋳型加熱手段１０２は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどが用いられる。

不活性ガス供給排気機構１０５の材質は、ＳｉＯガスに不活性な材料で、シリコンの融点付近の温度域に耐える材質であれば特に限定されない。例えば、シリカや炭化珪素などで形成される。

本発明の鋳造装置は、内部に半導体材料又は融液を保持する容器体と、該容器体上方に配置された不活性ガス供給排気機構１０５と、を有してなる鋳造装置において、不活性ガス給排気機構１０５は、ガス供給孔１０５ａ及び該ガス供給孔の上方に形成されたガス排気孔１０５ｂとからなる。また、供給孔１０５ａは、炉外に設置されたガス供給装置１０７と接続され、排気孔１０５ｂは、炉外に設置されたガス排気装置１０８と接続されている。

このように、鋳型１０１（容器体）の上面周囲に保持されたシリコン材料１０６またはシリコン融液１０６に対して不活性ガスを吹き付けるための供給孔１０５ａと、その供給シリコン融液からの発生ガス等を排気するための排気孔１０５ｂの両方を有した不活性ガス供給排気機構１０５を設置することにより、容器体内のシリコン融液の表面を覆うように不活性ガスの流れを形成することが容易となる。供給孔１０５ａから吹き付けられた不活性ガスによって、シリコン融液１０６から発生したＳｉＯガスを融液表面から排出し、炉内にＳｉＯガスを滞留させることなく、不活性ガスの流れに乗って排気孔１０５ｂから、炉外に効率よく排気することができる。また、炉内の断熱材等から発生したＣＯガスにおいても、同様に不活性ガスの流れによってシリコン融液に到達できずに排気孔１０５ｂから排気される。

次に本発明のシリコン鋳造装置に係る不活性ガス供給排気機構の供給孔と排気孔の配置および形状について図２を用いて説明する。図２―（ａ）は、本発明のシリコン鋳造装置の不活性ガス供給排気機構１０５付近を拡大した図であり、図２−（ｂ）は図２−（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図、図２−（ｃ）は図２−（ｂ）のＢ−Ｂ方向から見た不活性ガス供給排気機構１０５の縦断面図である。

不活性ガス供給排気機構１０５は、例えば図２に示すように、その下部側面に供給孔１０５ａを、その上部に排気孔１０５ｂを備えているとともに、鋳型加熱手段１０２と、鋳型１０１との間に配置される。このような構造にすることにより、シリコン融液と鋳型加熱手段の狭い空間の中でシリコン融液から発生したＳｉＯガスが、シリコン融液表面上で滞留することなく、ガス流れＦを形成して効率よく炉外に排出できるようになる。また、鋳型の上面周囲に設置した不活性ガス供給排気機構１０５の上部に排気孔１０５ｂを設けるので、炉内の断熱材などから発生したＣＯガスＦ’が鋳型内のシリコン融液表面に到達できず、また、不活性ガスによるガス流れＦにより排気孔１０５ｂから炉外に排気されるようになる。

また、上記では容器体として鋳型１０１を用いた場合において説明したが、その他にシリコン材料の溶融部を設けた鋳造装置において、容器体として溶融坩堝を用いた場合について説明する。図３は、本発明に係る鋳造装置の溶融部を示す断面図であり、１０５は不活性ガス供給排気機構、１０５ａは供給孔、１０５ｂは排気孔、１０６はシリコン材料またはシリコン材料を溶融して得られたシリコン融液、１０７：ガス供給装置、１０８：ガス排出装置、１０９は坩堝、１０９ａは溶融坩堝、１０９ｂは保持坩堝、１１０は加熱手段、１１０ａは上部加熱手段、１１０ｂは下部加熱手段、１１１は坩堝に設けられた注湯口である。

溶融坩堝１０９ａは、投入されたシリコン材料１０６を内部に保持し、加熱溶融してシリコン融液を形成し、得られたシリコン融液１０６を鋳型１０１に注湯するものである。なお、鋳型１０１に注湯されたシリコン融液を冷却・凝固した多結晶のシリコンインゴットは、例えば、太陽電池用多結晶シリコン基板材料などに用いられる。

溶融坩堝１０９ａは通常、高純度の石英などが用いられるが、シリコン材料の溶融温度以上の温度において、融解、蒸発、軟化、変形、分解などを生じにくく、かつ太陽電池特性を落とさない純度であれば特に限定されない。また、溶融坩堝１０９ａは高温になると軟化して、形を保てなくなるために、グラファイトなどからなる保持坩堝１０９ｂで保持される。また、溶融坩堝１０９ａ、保持坩堝１０９ｂの寸法は、一度に溶融する溶融量に応じたシリコン材料を内包できる寸法とする必要がある。シリコン材料の溶融量は、およそ１ｋｇから２５０ｋｇの範囲である。

坩堝１０９（１０９ａ、１０９ｂ）の周囲には内部に保持したシリコン材料を加熱溶融させるための加熱手段１１０が配設されている。具体的には、坩堝１０９（１０９ａ、１０９ｂ）の上部には上部加熱手段１１０ａ、側部には側部加熱手段１１０ｂが設けられている。この加熱手段１１０（１１０ａ、１１０ｂ）は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどからなる。

溶融坩堝１０９ａの上縁部にはシリコン融液を注湯させる注湯口１１１が設けられており、シリコン材料を溶融し、完全に融液となった後に坩堝を傾けて溶融坩堝１０９ａの上縁部にある注湯口１１１から鋳型１０１の内部にシリコン融液が注湯される。

なお、これらの鋳造装置は、真空容器（不図示）内に配置し、還元雰囲気下で行うようにすることが、不純物の混入や酸化を防ぐ点で望ましい。

そして、本発明の鋳造装置は、この坩堝１０９に保持されたシリコン材料１０６ａに対して不活性ガスを吹き付けるための供給孔１０５ａと、溶融したシリコン材料１０６ａからの発生ガス等を排気するための排気孔１０５ｂを有した不活性ガス供給排気機構１０５を設けている。また、供給孔１０５ａは、炉外に設置されたガス供給装置１０７と接続され、排気孔１０５ｂは、炉外に設置されたガス排気装置１０８と接続されている。

図４に示すように不活性ガス供給排気機構１０５は、その下部側面に供給孔１０５ａを、その上部に排気孔１０５ｂを備えているとともに、上部加熱手段１１０ａと、坩堝１０９との間に配置される。このような構造にすることにより、溶融したシリコン融液と加熱手段の狭い空間の中でシリコン融液から発生したＳｉＯガスが、シリコン融液表面上で滞留することなく、ガス流れＦを形成して効率よく炉外に排出できるようになる。また、坩堝１０９の上面周囲に設置した不活性ガス供給排気機構１０５の上部に排気孔１０５ｂを設けるので、炉内の保持坩堝１０９ｂや断熱材などから発生したＣＯガスＦ’が、不活性ガスによるガス流れＦによりシリコン融液表面に到達できず、排気孔１０５ｂから炉外に排気されるようになる。

このような不活性ガス供給排気機構１０５を鋳型や坩堝等の容器体の上部に設けることによって、シリコン融液から発生したガスが、シリコン融液表面上で滞留することなく効率よく炉外に排出できるようになり、また、また、不活性ガス供給排気機構１０５を、容器体と加熱手段１０２間に配置するので、供給された不活性ガスによりシリコン融液と加熱手段との空間の圧力が高くなり、炉外からのガスもシリコン融液表面に到達できず、排気孔１０５ｂから炉外に排気されるようになる。よって、シリコン融液中の不純物の除去または混入を防ぐことができる。

また、供給孔の向きが容器体に保持したシリコン融液の表面の略中央部に吹き付ける方向にしたほうが好ましい。容器体の周囲に設けられた供給孔から供給された不活性ガスがシリコン融液の表面を覆い、上部に向かってガス流れＦが形成されるので、炉内のＣＯガスがシリコン融液に混入するのを抑制することができる。また、不活性ガス供給排気機構１０５の上部からシリコン融液表面内にＣＯガスＦ’が侵入することを防止することもできる。このようにして、シリコンインゴット中の不純物であるＣを除去する効果を高めることができる。

また、図２、４に示されるように、排気孔１０５ｂの向きを上方向に向けて設けたほうが好ましい。このように排気孔１０５ｂの開口部を上方向に向けることによって、不活性ガス供給排気機構１０５の上部からシリコン融液表面内にＣＯガスＦ’が侵入することを効率よく防止できる。さらに、不活性ガスの流量を大きくしなくても、シリコン融液と加熱手段との空間の圧力を高くすることができ、シリコンインゴット中の不純物であるＣを除去する効果を高めることができる。

次に、不活性ガス供給排気機構１０５の他の実施形態を説明する。図５に示すように、不活性ガスの供給孔１０５ａを配置した対向側に、不活性ガスの排気孔１０５ｂを配置するような構造であっても構わない。対向する位置に供給孔１０５ａと排気孔１０５ｂを設けることで、容器体内のシリコン融液の表面を覆うように不活性ガスのガス流れＦを形成することが容易となる。供給孔１０５ａから吹き付けられた不活性ガスによって、シリコン融液１０６から発生したＳｉＯガスを融液表面から排出し、炉内にＳｉＯガスを滞留させることなく、不活性ガスの流れに乗って排気孔１０５ｂから、炉外に効率よく排気することができる。また、炉内の断熱材等から発生したＣＯガスにおいても、同様に不活性ガスの流れによってシリコン融液に到達できずに排気孔１０５ｂから排気される。

また、不活性ガス供給排気機構１０５は、その内周輪郭が、鋳型１０１、坩堝１０９等の容器体の内周輪郭と略同形であることが好ましい。例えば、容器体断面形状が四角形であれば、不活性ガス供給排気機構の断面形状もその相似形にし、容器体断面形状が円形であれば、不活性ガス供給排気機構の断面形状も円形にする。このように容器体と不活性ガス供給排気機構１０５の間に隙間がないようにするので、この隙間からＳｉＯガスが再び炉内に拡散し、炉壁の断熱材にＳｉＯ粉として付着するようなことは無くなる。

また、不活性ガス供給排気機構１０５は、容器体の内面輪郭線よりも外側に存在するように設置する。設置方法としては、鋳型１０１の場合、不活性ガス供給排気機構１０５を鋳型断熱材１０４の上面に置載する、または鋳型１０１や坩堝１０９等の容器体の上部に不活性ガス供給機構を固定する治具などによって固定すればよい。このような配置をとることにより、ヒートサイクルの熱劣化などによる破損、割れを生じたとしても、不活性ガス供給排気機構の破片などが鋳型内に保持されたシリコン融液内に落下して、不純物の原因となったりすることを防止できる。

また、不活性ガス供給排気機構１０５は、その内部が空洞であり、特許文献１（図３）に記載されたシリコン鋳造装置のように、鋳型加熱手段とシリコン融液との間を固体物質で覆うような構造ではないので、加熱手段からシリコン材料またはシリコン融液への加熱効率が高められ、溶融工程における時間の超過を防止し、シリコン材料の溶融やシリコン融液の一方向凝固の制御を容易にすることができる。

ガス供給装置１０７および、ガス排気装置１０８は、シリコン鋳造装置の炉体（不図示）の外側に設置する。ガス供給装置１０７は不活性ガス供給排気機構１０５の供給孔１０５ａに接続し、また、ガス排気装置１０８は不活性ガス供給排気機構１０５の排気孔１０５ｂに接続する。最も単純な構成としては、不活性ガスが充填されたボンベにレギュレータ（圧力調節器）とガス流量計を接続して、所定圧力、流量として、ガス流量計に接続された不活性ガス供給排気機構１０５の供給孔１０５ａへと不活性ガスを導くようにすればよい。その他、マスフローコントローラーによって、ガス流量をより細かく制御するようにしてもよい。

次に、この本発明の実施形態に係る鋳造装置を用いたシリコンインゴット（半導体インゴット）の製造方法について図１、３を用いて説明する。

まず、図３に示される坩堝１０９に入れられたシリコン材料１０６を加熱手段１１０によって加熱溶融し、坩堝１０９内で得られたシリコン融液を鋳型１０１内に注湯させる。しかる後、冷却手段１０３によって鋳型１０１の底部から徐々に降温し、鋳型加熱手段１０２によって鋳型１０１の上部をシリコンの融点近傍の温度で制御しながら、シリコン融液１０６を鋳型の底部から上部に向けて一方向凝固させる。最後に鋳型１０１から本発明のシリコンインゴットを取り出すことにより完成する。

そして、シリコン材料を溶融する際、また、シリコン融液を一方向凝固させる際に、炉体（不図示）の外側に設置されたガス供給装置１０７より供給された不活性ガスは、不活性ガス供給排気機構１０５の下部に形成された供給孔１０５ａから、シリコン融液１０６ｂの表面の概ね中央部を狙って吹き出される。不活性ガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒなどの不活性ガスを好適に用いることができるが、コスト面の点からＡｒを用いることが望ましい。

このようにシリコン融液表面に流入した不活性ガスは、不活性ガス供給排気機構１０５に配置され、炉体（不図示）の外側に設置されたガス排気装置１０８に接続された排気孔１０５ｂに向かってガス流れＦを形成するので、シリコン融液から発生するＳｉＯガスを炉外に効率よく排出することができる。このようにして、シリコンインゴット中の不純物であるＯを除去する効果を高めることができる。また、炉壁の断熱材にＳｉＯ粉として付着して、断熱材の劣化を促進させるといった問題を抑制することもできる。

また、不活性ガス供給排気機構１０５を、容器体と加熱手段１０２間に配置するので、供給された不活性ガスによりシリコン融液と加熱手段との空間の圧力が高くなり、また、供給孔から供給された不活性ガスがシリコン融液の表面を覆い、上部に向かってガス流れＦが形成されるので、炉内のＣＯガスがシリコン融液に混入するのを抑制することができる。また、不活性ガス供給排気機構１０５の上部からシリコン融液表面内にＣＯガスＦ’が侵入することを防止することもできる。このようにして、シリコンインゴット中の不純物であるＣを除去する効果を高めることができる。

このように本発明の構成によって、一方向凝固によって形成されたシリコンインゴットは、ＣやＯの不純物濃度が低くなり、均一で良好な特性を有するようになる。

なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、不活性ガスの供給孔と、不活性ガスの排気孔の両方を備えた前記不活性ガス供給排気機構であるという本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。

例えば、不活性ガス供給排気機構における不活性ガスの供給孔と排気孔の配置は、シリコン融液表面にガス流れを形成できる配置であれば上述の説明以外の構成であっても構わない。例えば、図５に示すように、不活性ガスの供給孔１０５ａを配置した対向側に、不活性ガスの排気孔１０５ｂを配置するような構造の場合においても、一部の排気孔の向きを略上方向に向けてもよく、ガス流れＦを乱さない程度の吸気量にして向きを略上方向にすることで、容器体の外周部にあるＣＯガス等がシリコン融液に侵入するのを抑制できる。

さらに、溶融坩堝１０９ａから鋳型１０１にシリコン融液を注湯する場合において、上記方法以外によって注湯しても構わない。例えば、溶融坩堝の底部に注湯口を設けて、底部からシリコン融液を下部に設置した鋳型内に注湯してもよい。この場合、シリコン材料が完全に溶融する前に注湯口から溶融前のシリコン材料や一部溶融したシリコン融液が漏れないように、注湯口付近に機械的な栓や注湯口を塞ぐようなシリコン材料を設置するなど、注湯を制御することのできる兆等制御手段が設けられる。

以下、本発明の実施例について説明する。

図２に示す本発明の実施形態に係るシリコン鋳造装置を用いて以下に示す条件でシリコンの鋳造を行い、本発明に係る多結晶シリコン基板を作製した。

高純度石英製の坩堝内で加熱溶融して得たシリコン融液１０６を鋳型１０１内に１００ｋｇ注湯した。その後、本発明に係る不活性ガス供給排気機構１０５の供給孔１０５ａから不活性ガスであるＡｒをシリコン融液１０６の表面に吹き付け、流入した不活性ガスを排気孔１０５ｂから排気しながら、鋳型１０１の底部から上部にかけてシリコン融液１０６の一方向凝固を行い、多結晶シリコンインゴットを得た。この多結晶シリコンインゴットの端部を除去した後、スライスして本発明に係る多結晶シリコン基板（実施例）を得た。

比較として、図６に示す従来の方法を用いて、同サイズの多結晶シリコン基板を得た（従来例）。

以上の方法によって得られた多結晶シリコン基板を用いて、一般的なバルク型太陽電池素子を作製し、その特性として太陽電池素子の変換効率を評価した。その結果、実施例においては変換効率１６．１％、従来例では、１５．５％であった。このように、実施例の本発明に係る多結晶シリコン基板を用いて形成した太陽電池素子は、従来例のものよりも良好な特性が得られたが、これは、本発明のシリコン鋳造方法を用いて形成されたシリコン融液は、含有炭素濃度や酸素濃度が小さく、均一性に富んでいるため、これを一方向凝固させて得られる多結晶シリコンインゴット及び多結晶シリコン基板も不純物が少なく均一で高品質となったものと推測される。以上のように実施例により本発明の効果を確認することができた。

本発明の鋳造装置の実施形態に係る概略断面図である。 本発明の鋳造装置の他の実施形態に係る図であり、（ａ）は、鋳型、鋳型加熱手段、不活性ガス供給排気機構の各部材の配置状態を示す概略構成図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）のＢ−Ｂ方向から見た断面図である。 本発明の鋳造装置の他の実施形態に係る概略断面図である。 本発明の鋳造装置の他の実施形態に係る図であり、（ａ）は、坩堝、加熱手段、不活性ガス供給排気機構の各部材の配置状態を示す概略構成図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）のＢ−Ｂ方向から見た断面図である。 本発明の鋳造装置の他の実施形態に係る図であり、（ａ）は、鋳型、鋳型加熱手段、不活性ガス供給排気機構の各部材の配置状態を示す概略構成図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）のＢ−Ｂ方向から見た断面図である。 従来技術の鋳造装置の概略断面図である。 従来技術鋳造装置の概略断面図である。

符号の説明

１０１ ：鋳型
１０２ ：鋳型加熱手段
１０３ ：冷却手段
１０４ ：鋳型断熱材
１０５ ：不活性ガス供給排気機構
１０５ａ：供給孔
１０５ｂ：排気孔
１０６ａ：半導体材料（シリコン材料）
１０６ｂ：半導体融液（シリコン融液）
１０７ ：ガス供給装置
１０８ ：ガス排出装置
１０９ ：坩堝
１０９ａ：溶融坩堝
１０９ｂ：保持坩堝
１１０ ：加熱手段
１１０ａ：上部加熱手段
１１０ｂ：側部加熱手段
１１１ ：注湯口
２０１ ：鋳型
２０２ ：加熱手段
２０２ａ：上部加熱手段
２０２ｂ：下部加熱手段
２０３ ：冷却手段
２０４ ：断熱材
２０５ ：ガス供給管
２０６ ：シリコン融液
２０７ ：蓋
２０８ ：流通孔
２０９ ：樋状通路
２１０ ：ガス吐出管
Ｆ ：ガス流れ
Ｆ’：ＣＯガス

Claims (8)

1. 内部に半導体材料又は融液を保持する容器体と、該容器体上方に配置された不活性ガス供給排気機構と、を有してなる鋳造装置において、
   前記不活性ガス給排気機構は、ガス供給孔及び該ガス供給孔の上方に形成されたガス排気孔とからなることを特徴とする鋳造装置。
2. 前記ガス供給孔は、前記半導体融液の表面の略中央部を向いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
3. 前記ガス排気孔は、略上方向であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の鋳造装置。
4. 内部に半導体材料又は融液を保持する容器体と、該容器体上方に配置された不活性ガス供給排気機構と、を有してなる鋳造装置において、
   前記不活性ガス給排気機構は、ガス供給孔及び該ガス供給孔に前記容器体を介して対向配置されたガス排気孔とからなることを特徴とする鋳造装置。
5. 前記不活性ガス給排気機構の内周輪郭が、前記容器体の内周輪郭と略同形である請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の鋳造装置。
6. 前記容器体は、その内部で半導体融液を凝固・成長させるための鋳型であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の鋳造装置。
7. 前記容器体は、半導体融液を鋳型内に供給するための坩堝であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の鋳造装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の鋳造装置を用いて形成された半導体インゴット。

Images