JP2008156166A - シリコンインゴットの鋳造方法および切断方法 - Google Patents

シリコンインゴットの鋳造方法および切断方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2008156166A
JP2008156166A JP2006347348A JP2006347348A JP2008156166A JP 2008156166 A JP2008156166 A JP 2008156166A JP 2006347348 A JP2006347348 A JP 2006347348A JP 2006347348 A JP2006347348 A JP 2006347348A JP 2008156166 A JP2008156166 A JP 2008156166A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon
ingot
method
silicon ingot
cutting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006347348A
Other languages
English (en)
Inventor
Kenichi Sasaya
Mitsuo Yoshihara
光夫 吉原
賢一 笹谷
Original Assignee
Sumco Solar Corp
Sumcoソーラー株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumco Solar Corp, Sumcoソーラー株式会社 filed Critical Sumco Solar Corp
Priority to JP2006347348A priority Critical patent/JP2008156166A/ja
Publication of JP2008156166A publication Critical patent/JP2008156166A/ja
Application status is Pending legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/12Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ
    • B22D11/126Accessories for subsequent treating or working cast stock in situ for cutting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/01Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths without moulds, e.g. on molten surfaces
    • B22D11/015Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths without moulds, e.g. on molten surfaces using magnetic field for conformation, i.e. the metal is not in contact with a mould
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL-GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/001Continuous growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL-GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL-GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/06Silicon
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S117/00Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
    • Y10S117/917Magnetic

Abstract

【課題】シリコンインゴットの生産効率および歩留を向上させることができ、かつ変換効率の高い太陽電池を得ることが可能となるシリコンインゴットの切断方法を提供する。
【解決手段】電磁誘導による連続鋳造法を用いて鋳造されたシリコンインゴットから、その後に切断される出発素材であり、かつその断面形状が正方形であるシリコンブロックを切り出す際に、前記シリコンインゴットの断面形状を矩形とし、そのシリコンインゴットから前記シリコンブロックを同一寸法で6個以上切り出す。これにより、生産効率を大幅に向上させることが可能になるとともに、シリコンブロック1個当たりのエッジの切除量が減少するので、歩留を向上させることができる。さらに、インゴット内における粒径の大きい柱状晶の比率を増加させることが可能となることから、シリコンブロックを基板として用いた太陽電池の変換効率を高めることができる。
【選択図】図6

Description

本発明は、シリコンインゴットの鋳造方法および切断方法に関し、さらに詳しくは、シリコンインゴットの生産効率および歩留を向上させるとともに、シリコンインゴットから切り出されるシリコンブロックを基板として用いる太陽電池の変換効率を高めることができるシリコンインゴットの鋳造方法および切断方法に関する。

現在製造されている太陽電池の大半は、シリコン結晶が基板材に用いられている。シリコン結晶は単結晶と多結晶に区分されるが、一般に基板として単結晶を用いた方が、入射した光エネルギーを電気エネルギーにする際の変換効率の高い太陽電池を得ることができる。

単結晶シリコンは、高品質な無転位の結晶が要求されることから、溶融シリコンから単結晶を引き上げ育成するチョクラルスキー法により製造される。しかし、チョクラルスキー法で育成される単結晶シリコンは、後述する多結晶シリコンに比べ製造コストが上昇するという欠点があるため、太陽電池の基板として単結晶シリコンを用いる場合には、太陽電池の製造コストが高くなるという問題が生じる。

一方、多結晶シリコンは、溶融シリコンを鋳型で凝固させる鋳造法(以下、「キャスト法」ともいう)、または電磁誘導による連続鋳造法(以下、「電磁鋳造法」ともいう)で製造されるのが一般的であり、チョクラルスキー法で製造される単結晶シリコン基板よりも低コストで基板材料を製造することができる。

キャスト法による多結晶シリコンの鋳造では、るつぼ内で原料である高純度シリコンを加熱溶解し、ドープ材である微量のボロン等を均一添加したのち、そのままるつぼの中で凝固させるか、または鋳型に流し込んで凝固させる。通常、太陽電池に用いられる基板を切り出すシリコンブロックは正方形であることから、溶解後にそのまま溶湯を凝固させる場合には正方形の石英るつぼが用いられ、また、溶湯を鋳型に流し込む場合には正方形の黒鉛製の鋳型が用いられる。

このキャスト法に一方向性凝固法を適用することにより、結晶粒の大きい多結晶シリコンを得ることが可能となるが、キャスト法は溶融シリコンを鋳型で凝固させる造塊法であることから種々の問題がある。例えば、溶融したシリコンと容器壁とが接触することによって不純物汚染が生じることや、インゴットと鋳型との融着を防止するために用いられる離型剤が溶融したシリコンに混入することがある。

また、キャスト法では、上述のとおり、石英るつぼや黒鉛製の鋳型といった高純度材料を使用するとともに、これらの交換を行う必要があることから、製造コストが上昇する。さらに、キャスト法は造塊法であり、連続した鋳造が困難であることから、生産効率の低下を招くという問題がある。

これらの問題を解決する方法として、溶融シリコンがるつぼや鋳型にほとんど接触することなく、シリコン結晶を鋳造することのできる電磁鋳造法が開発されている。

電磁鋳造法では、高周波誘導コイルの内側に、周方向に相互に電気的に絶縁され、かつ内部が水冷された、電気伝導性と熱伝導性のよい物質を短冊状に並べた装置を用いる。コイルの断面形状およびるつぼを構成する短冊状の物体で囲まれた部分の断面形状は、円筒状および角筒状のいずれもが適用可能である。

溶解容器として構成された冷却銅るつぼに原料シリコンを装入し、高周波誘導コイルに交流電流を通じると、冷却銅るつぼを構成する短冊状の各素片は互いに電気的に分割されていることから、各素片内で電流がループを作り、冷却るつぼの内壁側の電流が冷却るつぼ内に磁界を形成することにより、るつぼ内のシリコンを加熱溶解することができる。るつぼ内のシリコンは、冷却るつぼ内壁の電流がつくる磁界と溶融シリコン表皮の電流の相互作用によって、溶融シリコン表面の内側法線方向の力(ピンチ力)を受けることにより、るつぼと非接触の状態で溶解される。

この電磁鋳造法では、凝固に対し溶解に用いた水冷銅るつぼを利用する。具体的には、るつぼ内のシリコンを溶解させながら、溶融シリコンとインゴットを下部で保持する支持台を下方へ移動させると、高周波誘導コイルの下端から遠ざかるにつれて誘導磁界が小さくなることから、発熱量およびピンチ力が減衰し、水冷銅るつぼからの冷却にて、溶融シリコンの外周部から凝固が進行する。支持台の下方への移動に合わせて、るつぼの上方から原料を連続的に投入して溶解および凝固を継続することにより、シリコンの溶融液はるつぼ壁と接することなく、水冷銅るつぼ下部から凝固させながらシリコン多結晶を連続して鋳造することができる。

上述のとおり、電磁鋳造法では、溶融シリコンがるつぼにほとんど接触することがないという利点や、るつぼに高純度材料を使用する必要がないという利点、また、冷却面積が広く鋳造速度を速くすることが可能である利点があることから、多結晶シリコンを基板として用いる太陽電池の品質を高めるとともに、製造コストを低減するため、従来から、種々の検討が行われている。

例えば、特許文献1には、上述の冷却るつぼを用いた電磁鋳造法において、密閉容器内を大気圧よりわずかに加圧した不活性雰囲気とし、連続的に鋳造されたインゴットを、密閉容器の下部に実質的に非接触なシールを設けて連続的に引き抜き、密閉容器から外れた部位で機械的に切断する装置構成が提案されている。これにより、従来は電磁鋳造炉の容量に制限され、間欠的にしか鋳造できなかったシリコンインゴットを連続して鋳造することが可能となった。

また、連続鋳造工程のみならず、鋳造されたインゴットからシリコンブロックを製造する工程においても、太陽電池の品質の向上および製造コストの低減を図るため、種々の検討が行われている。

図1は、電磁鋳造法を用いて鋳造されたインゴットの縦断面の結晶模様を模式的に示す図である。図1に示すように、インゴットの縦断面の結晶模様は、インゴットの側面から結晶粒径の微細なチル層1が側面に対して垂直に成長し、中心部に向かうにつれて、上部の熱源方向へむけて柱状晶2a、2bが成長、肥大化する。

大きな結晶粒径を成長させた柱状晶2a、2bが存在するインゴット内部の半導体特性は良好であるが、チル層1は粒径が小さく、結晶欠陥が多いことから半導体特性は良好とはいえない。このため、チル層1を取り除くためインゴット側面から一定厚さの部分(以下、「エッジ」ともいう)を切除する必要がある。このエッジの切除は、通常、インゴットからシリコンブロックを切り出す際に行われる。

図2は、従来のシリコンインゴットからシリコンブロックを切り出す方法を模式的に説明する図であり、同図(a)はシリコンブロックの切り出し方向を示す概念図であり、同図(b)はシリコンインゴットの断面図である。図2(a)に示すように、従来のシリコンブロックの製造方法では、太陽電池基板が正方形であることから、断面形状が正方形で鋳造されたインゴット4から正方形断面のシリコンブロック5を鋳造方向に4個切り出す方法を採用している。

また、図2(b)に示すように、インゴット4は側面のチル層を形成するエッジ6が切除された後に、切断代7に沿って4個のシリコンブロック5に切り分けられる。このように、エッジ6を切除することにより、結晶粒径が大きく、結晶欠陥の少ない半導体特性の良好なシリコンブロックを得ることができる。

上述のとおり、従来の電磁鋳造法を用いたシリコンインゴットの切断方法では、歩留低下を防止するため、太陽電池基板が正方形であることを考慮した合理的な切り出し方法が採用されている。

特開平2−51493号公報

電磁鋳造法がキャスト法よりも優れている点は、前述した溶融シリコンがるつぼに接触しないこと、るつぼに高純度材料を使用する必要がないこと、およびその生産効率が高いことが挙げられる。しかし、電磁鋳造法では、太陽電池の製造コストをより一層低下させることを目的として、シリコンインゴットの生産効率および歩留のさらなる向上が望まれている。

シリコンインゴットの生産効率を飛躍的に向上させるには、水冷銅るつぼの冷却能を向上させ、凝固促進により鋳造速度を上げること等が考えられる。しかし、冷却能向上による凝固促進は、鋳造されるインゴットに大きな温度勾配が生じることによる応力の蓄積、およびそれにともなう割れの発生が懸念される。

また、インゴットの断面積を相似的に増加させることにより、単位時間当たりの鋳造量を増加させて、生産効率の向上を図る方法も考えられる。しかしながら、この方法を用いた場合には、インゴットの中心部から側面までの距離が増加することから、溶融されたシリコンが完全凝固するまでに時間を要するので、固液界面の深さが増大する。

図3は、電磁鋳造法を用いるとともに、インゴットの中心部から側面までの距離を増加させて鋳造されたインゴットの縦断面の結晶成長模様を模式的に示す図である。図3に示すように、インゴットの中心部から側面までの距離を増加させることにより、固液界面が深くなった場合には、溶解コイルからの熱供給が不足することから、中心近傍に結晶粒径の小さい等軸晶3が生成する。この等軸晶3の生成領域は、結晶粒界を多数有するので、半導体特性が良好とはいえない。このため、品質の低下を回避するには、固液界面が深くならないように、鋳造速度を低下させることが必要となる。

一方、歩留を向上させるためには、エッジの切除量を減少させることが考えられるが、エッジの切除量は歩留と品質とのバランスを考慮して決定されるものであり、歩留のみを考慮して切除量を減少させた場合には、太陽電池の品質の低下は避けることができない。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、シリコンインゴットの生産効率および歩留を向上させるとともに、変換効率の高い太陽電池を得ることができるシリコンインゴットの鋳造方法および切断方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、前記の課題を解決するために、電磁鋳造法によるインゴットの鋳造からシリコンブロックの切り出しに至る全ての工程を見直し、種々の検討を行った。その結果、単位長さで鋳造されるインゴットの重量を増やすために、鋳造されるインゴットの断面積が増加された場合にも、従来の断面積における鋳造速度とほぼ同等の鋳造速度で電磁鋳造を行うことが可能であることを知得した。

また、インゴットの断面積を増加させるとともに、正方形断面のインゴットからシリコンブロックを4個切り出していた従来法よりも、縦方向または横方向の切り出し数を増やすことによって、シリコンブロック1個当たりのエッジの切除量を減少させることができることにも着目した。

さらに、鋳造されるインゴットの断面積を増加させるとともに、その断面形状を矩形とすることにより、長辺方向における側面からの凝固の影響が低減され、インゴット内における粒径の大きい柱状晶の比率を増加させることが可能であることを知得した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、下記(1)のシリコンインゴットの鋳造方法、並びに下記(2)および(3)のシリコンインゴットの切断方法を要旨としている。
(1)電磁誘導による連続鋳造法を用いて、その後に切断される出発素材であり、かつその断面形状が正方形であるシリコンブロックが切り出されるシリコンインゴットを鋳造する方法であって、前記シリコンインゴットの断面形状を矩形とすることを特徴とする生産効率に優れるシリコンインゴットの鋳造方法。
(2)電磁誘導による連続鋳造法を用いて鋳造されたシリコンインゴットから、その後に切断される出発素材であり、かつその断面形状が正方形であるシリコンブロックを切り出す方法であって、前記シリコンインゴットの断面形状を矩形とし、そのシリコンインゴットから前記シリコンブロックを同一寸法で6個以上、かつ矩形の短辺を2分割して切り出すことを特徴とするシリコンインゴットの切断方法。
(3)上記(2)に記載のシリコンインゴットの切断方法では、切り出された前記シリコンブロックを切断して太陽電池用基板に用いることにより、太陽電池の変換効率を高めることができるので望ましい。

本発明において「シリコンブロック」とは、その後に切断される出発素材として、シリコンインゴットから切り出される正方形断面を有する直方体ブロック形状のシリコン塊を意味する。このシリコンブロックの正方形断面の寸法は、製品となる太陽電池基板のニーズにより決定されるものであり、近年、大型化の傾向にあり、最近では一辺が150〜160mmが一般的である。これをシリコンブロックの正方形断面に対して平行に厚さ200μm程度でスライスすることにより、太陽電池に用いられる基板を得ることができる。

また、「生産効率に優れる」とは、従来の電磁鋳造法と比較して、単位時間当たりの鋳造量を増加させることが可能であることを意味する。

本発明のシリコンインゴットの鋳造方法によれば、インゴットの製造に際し、従来のインゴットの鋳造方法と比較して、同等の鋳造速度を保持しつつ、断面積が増加されたインゴットを製造することから、生産効率を大幅に向上させることが可能となる。

また、本発明のシリコンインゴットの切断方法によれば、インゴットの断面積を増加させるとともに、切り出されるシリコンブロックの個数を増加させることにより、シリコンブロック1個当たりのエッジの切除量が減少するので、歩留を向上させることができる。

さらに、鋳造するインゴットの断面形状を矩形とし、かつ、断面積を増加させることにより、インゴット内における粒径の大きい柱状晶の比率を増加させることができることから、切り出されたシリコンブロックを基板として用いた太陽電池の変換効率を高めることが可能となる。

図4は、本発明に用いるシリコンインゴットを鋳造する電磁鋳造炉の一例を模式的に示す図であり、図5は、本発明に用いる断面形状が矩形である冷却るつぼの一例を模式的に示す斜視図である。チャンバー8は、内部の発熱から保護されるように二重壁構造の水冷容器になっており、上部に遮断手段9によって仕切られた原料装入装置と連結され、底部にインゴットを抜き出すための引出し口10を有している。チャンバー8には上部側壁に不活性ガス導入口11および下部側壁に真空吸引口12が設けられている。

チャンバー8の中央部には電磁鋳造手段としての冷却るつぼ13、誘導コイル14およびアフターヒーター15が設けられている。冷却るつぼ13は銅製の水冷角筒体で、部分的な縦方向のスリット23により周方向に複数分割されている。誘導コイル14は、冷却るつぼ13のスリット23を設けた位置の外周側に同芯に周設され、図示されていない同軸ケーブルにて電源に接続される。アフターヒーター15は、冷却るつぼ13の下方に同芯に連設され、冷却るつぼ13から引き下げられるインゴット4を加熱して、その軸方向に所定の温度勾配を与える。

チャンバー8内に設けられた遮蔽手段9の下方には原料導入管16が設けられ、原料導入管16内に装入された粒状、塊状のシリコン材料17が冷却るつぼ13内の溶融シリコン18に供給されるようになっている。冷却るつぼ13の真上にはグラファイト等からなる補助ヒーター19が昇降可能に設けられ、下降した状態で冷却るつぼ内に装入されるようになっている。

アフターヒーター15の下方には、ガスシール部20が設けられるとともに、インゴット4を支えながら下方へ引き出す引き抜き装置21が設けられている。ガスシール部20の下方でチャンバー8の外部には、機械的な切断手段としてのダイヤモンド切断機22が設けられ、これはシリコンインゴット4の引き抜き速度に同期して下降できるようになっており、前記引出し口10よりチャンバー8外に引き出されてくるインゴット4をその移動に追随しながら切断する。このような動作を繰り返すことにより、所望のシリコンインゴットが半連続的に鋳造される。

本発明のシリコンインゴットの鋳造方法は、正方形断面のインゴットを鋳造する従来の鋳造方法に対し、インゴットの断面形状を矩形とすることを特徴としている。本発明によれば、矩形の短辺を従来の正方形断面の一辺と同じ長さとすることができるので、界面深さの増加を伴うことなくシリコンインゴットを鋳造でき、かつ、矩形の長辺を延長することにより断面積の増加を図ることから、生産効率を向上させることが可能となる。

図6は、本発明の鋳造方法により鋳造されたシリコンインゴットからシリコンブロックを切り出す方法を模式的に説明する図であり、同図(a)寸法の異なる2種類のシリコンブロックを切り出す方法を説明する図であり、同図(b)同一寸法のシリコンブロックを6個切り出す方法を説明する図である。従来の正方形断面のインゴットでは、縦2分割、横2分割として同一寸法のシリコンブロックが4個切り出されるのに対し、本発明の鋳造方法により鋳造されたシリコンインゴットからは、図6(a)に示すように、矩形の長辺方向への増加部分24からもシリコンブロックの切り出しが可能となる。

しかし、シリコンブロックの切断回数、および得られたシリコンブロックから基板を切り出す工程を考慮すると、同一寸法のシリコンブロックの方が、寸法の異なる2種類のシリコンブロックに比べて、工業生産的に設備投資を低く抑えることが可能である。このため、シリコンインゴットの長辺の長さは、図6(b)に示すように、同一のシリコンブロックが6個以上切り出せる寸法が望ましい。

さらに、本発明者らは、インゴットの生産効率のみならず、その歩留の向上を図るため、インゴットの切断方法と歩留との関係について検討を行った。具体的には、インゴットからのシリコンブロックの切り出し数が4個、6個および8個の場合を想定し、それぞれエッジの切除幅を0mmから20mmまで変化させて、各切除幅に対する歩留を調査した。なお、シリコンブロックに切り分けるときの切断幅は、ブレード切断を想定して5mmとした。

図7は、矩形断面のシリコンインゴットからの同一寸法のシリコンブロックの切り出し数を変化させた場合における、エッジ切除幅と歩留との関係を示す図である。図7から、エッジの切除幅が3mm以上であれば、インゴットの矩形断面からのシリコンブロックの切り出し数が多いほど歩留が向上することが確認できた。すなわち、インゴットの断面積を増加させるとともに、切り出されるシリコンブロックの個数を増加させることにより、インゴットの生産効率および歩留を向上させることが可能となる。

さらに、本発明によるインゴットの内質の向上効果について説明する。前述のとおり、凝固速度が速いインゴットの側面では、粒径が小さく、結晶欠陥が多いチル層が成長し、凝固速度の遅い内部では粒径の大きな柱状晶が成長する。すなわち、側面からの離隔が大きい部分ほど粒径の大きな柱状晶が成長し、内部の半導体特性は良好となる。このため、本発明では、インゴットの断面形状を矩形とし、かつ、断面積を増加させることにより、側面からの離隔が大きい部分の割合を増加させ、側面からの凝固の影響を低減させる構成としている。

図8は、矩形断面のシリコンインゴットからの同一寸法のシリコンブロックの切り出し方法を模式的に示す図であり、同図(a)はシリコンブロックを6個切り出す断面図であり、同図(b)はシリコンブロックを8個切り出す断面図である。

図8(a)に示す6個切り出しの場合には、短辺方向については側面からの離隔は従来の4個切り出しのシリコンブロックと同じであるが、長辺方向については、側面からの離隔の増加にともない、側面からの凝固の影響が低減されたシリコンブロック5a(図の破線部)が2個得られる。すなわち、6個切り出しの場合は、従来の製造方法と比較して、粒径の大きい結晶の比率が増加することから、太陽電池としての変換効率が高いシリコンブロックを製造することができる。

また、図8(b)に示す8個切り出しの場合には、短辺方向については側面からの離隔は従来の4個切り出しのシリコンブロックと同じであるが、長辺方向については、側面からの離隔の増加にともない、側面からの凝固の影響が低減されたシリコンブロック5a(図の破線部)が4個得られる。すなわち、本発明では、6個切り出しよりも、8個切り出しの方が、粒径の大きい結晶の割合が高く、太陽電池としての変換効率が高いシリコンブロックを製造することができる。

これと同様に、矩形断面の長辺を更に延長することにより、10個切り出し、または12個切り出しを実施した場合にも、歩留および変換効率の高いシリコンブロックの製造が可能となる。しかし、シリコンインゴットの断面積が過度に増加すると、近年のシリコン基板の一般的な断面寸法である150〜160mmに対応するシリコンインゴットの製造においては、溶解コイルおよび冷却るつぼの肥大化や、その後の工程への物流におけるシリコンインゴットの重量増加に対応するために大幅な設備改造が必要となる。このことから、シリコンブロックの切り出し数は、8個切り出しまでが望ましい。

本発明の効果を確認するため、シリコンブロックを製造し、生産効率、歩留および太陽電池としての変換効率を評価した。

シリコンブロックの素材となるインゴットは、断面寸法が345mm×345mmの正方形断面のインゴットと、断面寸法が345mm×450mm、345mm×506mmおよび345mm×667mmの矩形断面のインゴットの4種類とした。鋳造には、前記図4に示した電磁鋳造炉を使用し、全長1mのインゴットを鋳造した。

得られた4種類のインゴットから断面寸法が156mm×156mmのシリコンブロックを切り出した。いずれのインゴットもシリコンブロック間の切断代の幅を5mm、エッジの切除幅を14mmとした。

本発明例の試験番号T2は断面寸法が345mm×450mmのインゴットから長さ317mmのシリコンブロックを4個と、長さ100mmのシリコンブロックを6個切り出し、試験番号T3は断面寸法が345mm×506mmのインゴットから長さ317mmのシリコンブロックを6個切り出し、また試験番号T4は断面寸法が345mm×667mmのインゴットから長さ317mmのシリコンブロックを8個切り出した。比較例の試験番号T1は断面寸法が345mm×345mmの正方形断面のインゴットから長さ317mmのシリコンブロックを4個切り出した。

得られた各シリコンブロックの正方形断面から厚さ2〜3mmの板を切り出し、その正方形板の4つのコーナーから1辺15mmの正方形の試験片を採取して、厚さ300〜400μmまで表面研磨することにより、試験用の基板を製作した。その後、表面を鏡面研磨して、ケミカルエッチング後リン拡散によりn層を形成させ、反射防止膜、電極の焼き付け等をおこなって太陽電池素子を作製した。

太陽電池素子の性能は、JASCO社の試験装置(YQ−250BX)を用い、AM1.5のソーラーシミュレータ(100mW/cm2)を光源として測定した。前記正方形板の4つのコーナーから得られた変換効率の平均値を正方形板の変換効率とし、さらにその変換効率をシリコンブロックから得られた全ての正方形板で荷重平均した値を用いて、各実施例における変換効率を評価した。

シリコンインゴットの生産効率および歩留、並びに太陽電池としての変換効率の測定結果を表1に示す。

表1に示すように、本発明例のシリコンインゴットは、生産効率、歩留および太陽電池としての変換効率のいずれもが、比較例のシリコンインゴットを上回る結果となった。特に生産効率は、比較例のシリコンインゴットに比べ大幅に向上することが確認された。

本発明のシリコンインゴットの鋳造方法によれば、インゴットの製造に際し、従来のインゴットの鋳造方法と比較して、同等の鋳造速度を保持しつつ、断面積が増加されたインゴットを製造することから、生産効率を大幅に向上させることが可能となる。

また、本発明のシリコンインゴットの切断方法によれば、インゴットの断面積を増加させるとともに、切り出されるシリコンブロックの個数を増加させることにより、シリコンブロック1個当たりのエッジの切除量が減少するので、歩留を向上させることができる。

さらに、鋳造するインゴットの断面形状を矩形とし、かつ、断面積を増加させることにより、インゴット内における粒径の大きい柱状晶の比率を増加させることができることから、切り出されたシリコンブロックを基板として用いた太陽電池の変換効率を高めることが可能となる。これらにより、低製造コストかつ高品質な太陽電池の生産を可能とするシリコンインゴットの鋳造方法および切断方法として広く適用できる。

電磁鋳造法を用いて鋳造されたインゴットの縦断面の結晶模様を模式的に示す図である。 従来のシリコンインゴットからシリコンブロックを切り出す方法を模式的に説明する図であり、同図(a)はシリコンブロックの切り出し方向を示す概念図であり、同図(b)はシリコンインゴットの断面図である。 電磁鋳造法を用いるとともに、インゴットの中心部から側面までの距離を増加させて鋳造されたインゴットの縦断面の結晶成長模様を模式的に示す図である。 本発明に用いるシリコンインゴットを鋳造する電磁鋳造炉の一例を模式的に示す図である。 本発明に用いる断面形状が矩形である冷却るつぼの一例を模式的に示す斜視図である。 本発明の鋳造方法により鋳造されたシリコンインゴットからシリコンブロックを切り出す方法を模式的に説明する図であり、同図(a)寸法の異なる2種類のシリコンブロックを切り出す方法を説明する図であり、同図(b)同一寸法のシリコンブロックを6個切り出す方法を説明する図である。 矩形断面のシリコンインゴットからの同一寸法のシリコンブロックの切り出し数を変化させた場合における、エッジ切除幅と歩留との関係を示す図である。 矩形断面のシリコンインゴットからの同一寸法のシリコンブロックの切り出し方法を模式的に示す図であり、同図(a)はシリコンブロックを6個切り出す断面図であり、同図(b)はシリコンブロックを8個切り出す断面図である。

符号の説明

1.チル層 2a、2b.柱状晶
3.等軸晶 4.シリコンインゴット
5、5a.シリコンブロック 6.エッジ
7.切断代 8.チャンバー
9.遮断手段 10.引出し口
11.不活性ガス導入口 12.真空吸引口
13.冷却るつぼ 14.誘導コイル
15.アフターヒーター 16.原料導入管
17.シリコン材料 18.溶融シリコン
19.補助ヒーター 20.ガスシール部
21.引き抜き装置 22.ダイヤモンド切断機
23.スリット 24.増加部分

Claims (3)

  1. 電磁誘導による連続鋳造法を用いて、その後に切断される出発素材であり、かつその断面形状が正方形であるシリコンブロックが切り出されるシリコンインゴットを鋳造する方法であって、
    前記シリコンインゴットの断面形状を矩形とすることを特徴とする生産効率に優れるシリコンインゴットの鋳造方法。
  2. 電磁誘導による連続鋳造法を用いて鋳造されたシリコンインゴットから、その後に切断される出発素材であり、かつその断面形状が正方形であるシリコンブロックを切り出す方法であって、
    前記シリコンインゴットの断面形状を矩形とし、そのシリコンインゴットから前記シリコンブロックを同一寸法で6個以上、かつ矩形の短辺を2分割して切り出すことを特徴とするシリコンインゴットの切断方法。
  3. 切り出された前記シリコンブロックを切断して太陽電池用基板に用いることを特徴とする請求項2に記載のシリコンインゴットの切断方法。
JP2006347348A 2006-12-25 2006-12-25 シリコンインゴットの鋳造方法および切断方法 Pending JP2008156166A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006347348A JP2008156166A (ja) 2006-12-25 2006-12-25 シリコンインゴットの鋳造方法および切断方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006347348A JP2008156166A (ja) 2006-12-25 2006-12-25 シリコンインゴットの鋳造方法および切断方法
US12/003,343 US7749324B2 (en) 2006-12-25 2007-12-21 Casting method of silicon ingot and cutting method of the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008156166A true JP2008156166A (ja) 2008-07-10

Family

ID=39657519

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006347348A Pending JP2008156166A (ja) 2006-12-25 2006-12-25 シリコンインゴットの鋳造方法および切断方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US7749324B2 (ja)
JP (1) JP2008156166A (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102094233A (zh) * 2010-12-28 2011-06-15 哈尔滨工业大学 一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置
WO2011104799A1 (ja) * 2010-02-25 2011-09-01 株式会社Sumco シリコンインゴットの連続鋳造方法
WO2012011160A1 (ja) * 2010-07-21 2012-01-26 株式会社Sumco シリコンインゴットの電磁鋳造装置
JP2012533516A (ja) * 2009-07-20 2012-12-27 ピラー エルティーディー. 誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造するための装置

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008156166A (ja) * 2006-12-25 2008-07-10 Sumco Solar Corp シリコンインゴットの鋳造方法および切断方法
KR101063250B1 (ko) * 2008-10-16 2011-09-07 한국에너지기술연구원 실리콘 전자기 유도 용융용 흑연 도가니 및 이를 이용한 실리콘 용융 정련 장치
US8729435B2 (en) * 2008-12-01 2014-05-20 Inductotherm Corp. Purification of silicon by electric induction melting and directional partial cooling of the melt
US20110247364A1 (en) * 2008-12-15 2011-10-13 Sergii Beringov Process for producing multicrystalline silicon ingots by the induction method and apparatus for carrying out the same
US9039835B2 (en) * 2009-07-20 2015-05-26 Solin Development B.V. Apparatus for producing multicrystalline silicon ingots by induction method
US7888158B1 (en) * 2009-07-21 2011-02-15 Sears Jr James B System and method for making a photovoltaic unit
DE102010029741B4 (de) * 2010-06-07 2013-02-28 Solarworld Innovations Gmbh Verfahren zum Herstellen von Silizium-Wafern, Silizium Wafer und Verwendung eines Silizium-Wafer als Silizium-Solarzelle
JP2012036056A (ja) * 2010-08-11 2012-02-23 Sumco Corp シリコンの電磁鋳造装置
CN102021645B (zh) * 2010-12-28 2012-07-04 哈尔滨工业大学 一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备方法
JP2012166979A (ja) * 2011-02-14 2012-09-06 Sumco Corp 多結晶シリコンの電磁鋳造方法および電磁鋳造装置
JP6016818B2 (ja) * 2011-03-14 2016-10-26 コンサーク コーポレイションConsarc Corporation 鋳塊の電磁鋳造用の底部開放型の導電性冷却式るつぼ
MY166030A (en) * 2011-04-20 2018-05-21 Gtat Ip Holding Llc Side feed system for czochralski growth of silicon ingots
DE102012005069A1 (de) 2012-03-15 2013-09-19 Etec Gmbh "Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von solartauglichen Siliziumblöcken"
CN102658362B (zh) * 2012-05-30 2014-04-23 哈尔滨工业大学 一种超高温Nb-Si基合金的水冷铜坩埚定向凝固方法
CN108555258A (zh) * 2018-05-25 2018-09-21 吴建春 一种气雾制钢方法及装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07126004A (ja) * 1993-10-27 1995-05-16 Sharp Corp シリコン半導体の製造方法
JP2001010900A (ja) * 1999-06-21 2001-01-16 Sumitomo Sitix Of Amagasaki Inc シリコン鋳塊切断方法
WO2006088037A1 (ja) * 2005-02-17 2006-08-24 Sumco Solar Corporation シリコン鋳造装置およびシリコン基板の製造方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL234451A (ja) * 1957-12-27
US3135585A (en) * 1960-03-01 1964-06-02 Gen Electric Method of growing dislocation-free semiconductor crystals
DE3427465A1 (de) * 1984-07-25 1986-01-30 Heliotronic Gmbh Verfahren und vorrichtung zur taktweisen herstellung von siliciumformkoerpern
DE68913237T2 (de) * 1988-07-05 1994-09-29 Osaka Titanium Siliciumgiessvorrichtung.
JP2660225B2 (ja) 1988-08-11 1997-10-08 住友シチックス株式会社 シリコン鋳造装置
US5268063A (en) * 1990-04-27 1993-12-07 Sumitomo Sitix Co., Ltd. Method of manufacturing single-crystal silicon
DE19607098C2 (de) * 1996-02-24 1999-06-17 Ald Vacuum Techn Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze aus Silizium zu einem Block in einem bodenlosen metallischen Kaltwandtiegel
JP3520957B2 (ja) * 1997-06-23 2004-04-19 シャープ株式会社 多結晶半導体インゴットの製造方法および装置
JP2000264775A (ja) * 1999-03-23 2000-09-26 Sumitomo Sitix Amagasaki:Kk 電磁誘導鋳造装置
US6994835B2 (en) * 2000-12-28 2006-02-07 Sumitomo Mitsubishi Silicon Corporation Silicon continuous casting method
US7113535B2 (en) * 2004-05-21 2006-09-26 Ajax Tocco Magnethermic Corporation Induction furnace for melting granular materials
US7110430B2 (en) * 2004-05-21 2006-09-19 Ajax Tocco Magnethermic Corporation Induction furnace for melting semi-conductor materials
US7141114B2 (en) * 2004-06-30 2006-11-28 Rec Silicon Inc Process for producing a crystalline silicon ingot
JP5079508B2 (ja) * 2005-05-11 2012-11-21 三菱電機株式会社 シリコンウェハの製造方法
JP2007051026A (ja) * 2005-08-18 2007-03-01 Sumco Solar Corp シリコン多結晶の鋳造方法
KR101400068B1 (ko) * 2006-01-20 2014-05-28 에이엠지 아이디얼캐스트 솔라 코포레이션 광전 변환 소자용 기하학적 다결정 캐스트 실리콘 및 기하학적 다결정 캐스트 실리콘 바디들을 제조하는 방법 및장치
JP2008156166A (ja) * 2006-12-25 2008-07-10 Sumco Solar Corp シリコンインゴットの鋳造方法および切断方法
JP5141020B2 (ja) * 2007-01-16 2013-02-13 株式会社Sumco 多結晶シリコンの鋳造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07126004A (ja) * 1993-10-27 1995-05-16 Sharp Corp シリコン半導体の製造方法
JP2001010900A (ja) * 1999-06-21 2001-01-16 Sumitomo Sitix Of Amagasaki Inc シリコン鋳塊切断方法
WO2006088037A1 (ja) * 2005-02-17 2006-08-24 Sumco Solar Corporation シリコン鋳造装置およびシリコン基板の製造方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012533516A (ja) * 2009-07-20 2012-12-27 ピラー エルティーディー. 誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造するための装置
WO2011104799A1 (ja) * 2010-02-25 2011-09-01 株式会社Sumco シリコンインゴットの連続鋳造方法
WO2012011160A1 (ja) * 2010-07-21 2012-01-26 株式会社Sumco シリコンインゴットの電磁鋳造装置
CN102094233A (zh) * 2010-12-28 2011-06-15 哈尔滨工业大学 一种具有定向凝固组织多晶硅锭的制备装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20080179037A1 (en) 2008-07-31
US7749324B2 (en) 2010-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2008279411B2 (en) Methods for manufacturing cast silicon from seed crystals
TWI379020B (en) Methods and apparatuses for manufacturing monocrystalline cast silicon and monocrystaline cast silicon bodies for photovoltaics
EP2028292B1 (de) Verfahren zur Herstellung von monokristallinen Metall- oder Halbmetallkörpern
CN101370970B (zh) 制造单晶铸硅的方法和装置以及用于光电领域的单晶铸硅实体
US20110259262A1 (en) Systems and methods for growing monocrystalline silicon ingots by directional solidification
US20100197070A1 (en) Methods and Apparatuses for Manufacturing Cast Silicon From Seed Crystals
DE69932760T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Siliciumstabes mit einer Struktur hergestellt durch gerichtete Erstarrung
EP0349904A2 (en) Apparatus for casting silicon
CN101076618A (zh) 用于单晶硅连续生长的系统
CN102268724A (zh) 多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池
JP2003128411A (ja) 板状シリコン、板状シリコンの製造方法および太陽電池
ES2680648T3 (es) Procedimientos de fabricación de cuerpos semiconductores delgados a partir de material fundido
JP5596788B2 (ja) サファイア単結晶成長方法とその装置
JP3852147B2 (ja) 太陽電池用多結晶シリコン・インゴットの製造方法
Wang et al. Grain control using spot cooling in multi-crystalline silicon crystal growth
JPH09278590A (ja) ボトムレス式の晶出室でシリコンから成る溶融液を一方向性凝固させてインゴットを形成するための方法および装置
EP1613795B1 (fr) CREUSET POUR UN DISPOSITIF DE FABRICATION D’UN BLOC DE MATERIAU CRISTALLIN ET PROCEDE DE FABRICATION
Ciszek Techniques for the crystal growth of silicon ingots and ribbons
JP2001220289A (ja) 高品質シリコン単結晶の製造装置
JP4203603B2 (ja) 半導体バルク多結晶の作製方法
JP2007051026A (ja) シリコン多結晶の鋳造方法
Ciszek et al. Directionally solidified solar-grade silicon using carbon crucibles
CN101160420B (zh) 硅单晶的制造方法和硅晶片
JPH107493A (ja) シリコン半導体基板および太陽電池用基板の製造方法
JP3646570B2 (ja) シリコン連続鋳造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20091126

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20091225

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110707

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20120322

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120814

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20130122