JP2012035320A - シリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造されたシリコンインゴットから切り出されたウェーハにおいて、局所的に金属不純物により汚染された異常部が発生するのを抑え、金属不純物による汚染を低減できるシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法を提供する。
【解決手段】電磁鋳造法により多結晶シリコンを連続的に鋳造する際に用いられ、導電性を有し、シリコン原料を溶解させて連続鋳造する無底の冷却ルツボ７と、冷却ルツボ７を固定する天板１０と、冷却ルツボ７の外側を囲繞し、冷却ルツボ７の内側に装入されたシリコン原料を電磁誘導により加熱する誘導コイル８とをチャンバー１内に備えたシリコンインゴットの連続鋳造装置において、冷却ルツボ７の上面に冷却ルツボの内側と外側を仕切る仕切り部材１７を設けることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池用基板の素材であるシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法に関し、さらに詳しくは、鋳造されたシリコンインゴットから切り出されたウェーハにおいて、局所的に金属不純物により汚染された異常部が発生するのを抑え、金属不純物による汚染を低減できるシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法に関する。

近年、ＣＯ₂排出による地球温暖化問題やエネルギー資源の枯渇問題が深刻化しており、それらの問題の対応策の一つとして、無尽蔵に降りそそぐ太陽光エネルギーを活用する太陽光発電が注目されている。太陽光発電は、太陽電池を使用して太陽光エネルギーを直接電力に変換する発電方式であり、太陽電池の基板には、多結晶のシリコンウェーハを用いるのが主流である。

太陽電池用の多結晶シリコンウェーハは、一方向性凝固のシリコンインゴットを素材とし、このインゴットをスライスして製造される。このため、太陽電池の普及を図るには、シリコンウェーハの品質を確保するとともに、コストを低減する必要があり、その前段階で、高品質のシリコンインゴットを安価に製造することが要求される。この要求に対応できる方法として、例えば、特許文献１に開示されるように、電磁誘導を利用した連続鋳造方法であるＥＭＣ法（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃａｓｔｉｎｇ法、電磁鋳造法）が実用化されている。

図３は、従来のＥＭＣ法に用いられる連続鋳造装置（以下、単に「ＥＭＣ炉」ともいう。）の構成を示す模式図である。同図に示すように、ＥＭＣ炉はチャンバー１を備える。チャンバー１は、内部を外気から隔離し鋳造に適した不活性ガス雰囲気に維持する二重壁構造の水冷容器である。チャンバー１の上壁には、開閉可能なシャッター２を介し、図示しない原料供給装置が連結されている。チャンバー１は、上部の側壁に不活性ガス導入口５が設けられ、下部の側壁に排気口６が設けられている。

チャンバー１内には、無底の冷却ルツボ７、誘導コイル８およびアフターヒーター９が配置されている。無底の冷却ルツボ７は角筒状であり、融解容器としてのみならず、鋳型としても機能し、熱伝導性および電気伝導性に優れた金属（例えば、銅）からなる。この冷却ルツボ７は、上部を残して周方向で複数の短冊状の素片に分割され、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。このような冷却ルツボ７は、通常、天板１０に固定され、天板１０はチャンバー１の上壁に取付けられた支持棒１６に固定される。天板１０はステンレス鋼といった金属からなり、その内部には冷却ルツボ７に給排される冷却水が流通する。

誘導コイル８は、冷却ルツボ７の外側を囲繞するように、冷却ルツボ７と同芯に周設され、図示しない電源装置に接続されている。アフターヒーター９は、冷却ルツボ７と同芯に、冷却ルツボ７の下方に連設され、冷却ルツボ７から引き下げられるシリコンインゴット３を加熱して、その軸方向に適切な温度勾配を与えつつ、長時間かけて室温まで冷却する。

また、チャンバー１内には、原料供給装置に連結されたシャッター２の下方に原料導入管１１が取り付けられている。シャッター２の開閉に伴って、粒状や塊状のシリコン原料１２が原料供給装置から原料導入管１１内に供給され、冷却ルツボ７の内側に装入される。

チャンバー１の底壁には、アフターヒーター９の下方に、インゴット３を抜き出すための引出し口４が設けられ、この引出し口４はガスでシールされている。インゴット３は、引出し口４を貫通して下降する支持台１５によって支えられながら引き下げられる。

冷却ルツボ７の真上には、プラズマトーチ１４が昇降可能に設けられている。プラズマトーチ１４は、図示しないプラズマ電源装置の一方の極に接続され、他方の極は、インゴット３側に接続されている。このプラズマトーチ１４を、下降させ冷却ルツボ７内に挿入される。

このようなＥＭＣ炉を用いたＥＭＣ法では、無底の冷却ルツボ７の内側にシリコン原料１２を装入し、誘導コイル８に交流電流を印加するとともに、下降させたプラズマトーチ１４に通電を行う。このとき、冷却ルツボ７を構成する短冊状の各素片が互いに電気的に分割されていることから、誘導コイル８による電磁誘導に伴って各素片内で渦電流が発生し、冷却ルツボ７の内壁の渦電流が冷却ルツボ７内に磁界を発生させる。これにより、冷却ルツボ７内のシリコン原料１２は電磁誘導加熱されて融解し、溶融シリコン１３が形成される。また、プラズマトーチ１４とシリコン原料１２、さらには溶融シリコン１３との間にプラズマアークが発生し、そのジュール熱によっても、シリコン原料１２が加熱されて融解し、電磁誘導加熱の負担を軽減して効率良く溶融シリコン１３が形成される。

溶融シリコン１３は、冷却ルツボ７の内壁の渦電流に伴って生じる磁界と、溶融シリコン１３の表面に発生する電流との相互作用により、溶融シリコン１３の表面の内側法線方向に力（ピンチ力）を受けるため、冷却ルツボ７と非接触の状態に保持される。無底の冷却ルツボ７内でシリコン原料１２を融解させながら、溶融シリコン１３を支える支持台１５を徐々に下降させると、誘導コイル８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少し、さらに冷却ルツボ７からの冷却により、溶融シリコン１３は外周から凝固が進行する。そして、支持台１５の下降に伴ってシリコン原料１２を連続的に装入し、融解および凝固を継続することにより、溶融シリコン１３が一方向に凝固し、インゴット３を連続して鋳造することができる。

このようなＥＭＣ法によれば、溶融シリコン１３と無底の冷却ルツボ７との接触が軽減されるため、その接触に伴う冷却ルツボ７からの不純物の汚染が防止され、高品質のインゴット３を得ることができる。しかも、連続鋳造であることから、安価に一方向凝固されたインゴット３を製造することが可能になる。

国際公開ＷＯ０２／０５３４９６号パンフレット

従来のＥＭＣ炉を用いたＥＭＣ法によるシリコンインゴットの連続鋳造方法では、鋳造されたシリコンインゴットから切り出されたウェーハについて、ＦｅやＮｉ、Ｃｒ、Ｚｎといった金属不純物による汚染を評価するライフタイム評価を実施すると、局所的に金属不純物に汚染された部分が存在する。

後述する図６は、従来のシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法により鋳造されたインゴットから切り出されたウェーハについて、ライフタイムの評価により得られたライフタイムマップを示す図である。同図に示すライフタイムマップは、後述する実施例の比較例により得られたウェーハのものであり、ウェーハ外周４０ａを二点鎖線で示し、凡例に示すように白色と黒色の濃淡によりライフタイム値の分布を表す。同図に示すライフタイムマップでは、ウェーハ外周４０ａのうちの１辺で低ライフタイム領域が確認されるとともに、３箇所の局所的にライフタイム値が低下している異常部が確認される。

このような局所的にライフタイム値が低下している異常部が発生すると、切り出されたウェーハを太陽電池に用いた際、光電変換効率を悪化させる。したがって、ライフタイムの異常部の発生を低減し、すなわち、鋳造されるインゴットの金属不純物による汚染を低減し、太陽電池に用いた際に光電変換効率を向上させることが望まれる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、鋳造されたシリコンインゴットから切り出されたウェーハにおいて、局所的に金属不純物により汚染された異常部が発生するのを抑え、金属不純物による汚染を低減できるシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法を提供することを目的としている。

本発明者らは、種々の試験を行い、鋭意検討を重ねた結果、ＥＭＣ炉を用いてＥＭＣ法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際に発生して堆積する粒子が、局所的に金属不純物により汚染された異常部を発生させる要因であると推測した。

図４は、従来の連続鋳造装置を用いたＥＭＣ法によるシリコンインゴットの連続鋳造する際に粒子が堆積する様子を示す模式図であり、同図（ａ）は連続鋳造を開始した直後の状態、同図（ｂ）は粒子が堆積し始めた状態、同図（ｃ）は多量の粒子が堆積した状態、同図（ｄ）は堆積した粒子が冷却ルツボ内に崩れ落ちる状態をそれぞれ示す。同図では、図示しないチャンバー内に配置された冷却ルツボ７と、誘導コイル８と、プラズマトーチ１４と、天板１０と、支持棒１６と、溶融シリコン１３と、インゴット３とを示す。

同図（ａ）に示すように、連続鋳造を開始した直後は天板１０の上面および冷却ルツボ７の上面に粒子は存在しない。連続鋳造を開始すると、冷却ルツボに装入されたシリコン原料を誘導コイルおよびプラズマトーチにより溶解する際、シリコン原料の一部が蒸発してベーパーとなる。このベーパーは、チャンバー内を雰囲気流れに流されて冷却され、シリコン粒子となりチャンバー内を浮遊する。このチャンバー内を浮遊するシリコン粒子の一部は、同図（ｂ）に示すように、天板１０の上面および冷却ルツボ７の上面に落下する。

ここで、チャンバー内を浮遊するシリコン粒子は、シリコン原料から発生することから、高純度のシリコンからなる。しかし、シリコン粒子の一部は、チャンバー内を浮遊する際にステンレス鋼からなる天板といった炉内部品または炉内部品が放出する金属不純物と接触して汚染され、天板１０の上面および冷却ルツボ７の上面に落下する。

また、シリコン原料に含まれる微少な粒子径の原料は、その一部が冷却ルツボに装入される際に熱対流や不活性ガスの導入および排出により発生する炉内の雰囲気流れに流され、チャンバー内を浮遊する。この微少なシリコン原料の粒子も、チャンバー内を浮遊して金属不純物に汚染され、天板１０の上面および冷却ルツボ７の上面に落下する場合がある。

さらに、インゴットを連続鋳造する際は炉内が高温となるため、炉内部品から金属不純物が放出され、粒子となってチャンバー内を浮遊し、天板１０の上面および冷却ルツボ７の上面に落下する場合がある。

このように蒸発したシリコン原料から発生するシリコン粒子や、微少なシリコン原料の粒子、金属不純物の粒子といったチャンバー内を浮遊する粒子を、以下では「金属不純物含有粒子」と総称する。

チャンバー内を浮遊する金属不純物含有粒子は、同図（ｃ）に示すように、インゴットの引き下げに伴って天板１０の上面および冷却ルツボ７の上面に堆積する。さらにインゴットを引き下げると、同図（ｄ）に示すように、天板１０の上面および冷却ルツボ７の上面に堆積した金属不純物含有粒子が冷却ルツボの内側に迫り出し、その一部が冷却ルツボの内側に崩れ落ちる。

本発明者らは、金属不純物含有粒子が天板の上面および冷却ルツボの上面に堆積して冷却ルツボ内に崩れ落ちることにより、シリコン原料とともに溶解および凝固し、鋳造されるインゴットを金属不純物で汚染した結果、鋳造されたインゴットから切り出されたウェーハにおいて、局所的に金属不純物により汚染された（ライフタイム値が低下した）異常部を形成すると考えた。

本発明者らは、さらに種々の試験を行い、鋭意検討を重ねた結果、ＥＭＣ法に用いる連続鋳造装置において、冷却ルツボの上面に冷却ルツボの内側と外側を仕切る仕切り部材を設けることにより、天板の上面および冷却ルツボの上面に堆積した金属不純物含有粒子が冷却ルツボ内に崩れ落ちるのを低減でき、鋳造されたシリコンインゴットから切り出されたウェーハにおいて、局所的に金属不純物により汚染された異常部が発生するのを抑えられることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであり、下記（１）〜（３）のシリコンインゴットの連続鋳造装置、下記（４）のシリコンインゴットの連続鋳造方法を要旨としている。

（１）電磁鋳造法により多結晶シリコンを連続的に鋳造する際に用いられ、導電性を有し、シリコン原料を溶解させて連続鋳造する無底の冷却ルツボと、前記冷却ルツボを固定する天板と、前記冷却ルツボの外側を囲繞し、前記冷却ルツボの内側に装入されたシリコン原料を電磁誘導により加熱する誘導コイルとをチャンバー内に備えたシリコンインゴットの連続鋳造装置において、
前記冷却ルツボの上面に冷却ルツボの内側と外側を仕切る仕切り部材を設けることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造装置。

（２）前記仕切り部材の上面を内側から外側に向かって低くなるように傾斜させ、前記仕切り部材の内側の面を前記冷却ルツボの内側の面と段差なく連続させる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連続鋳造装置。

（３）前記仕切り部材がシリコン、ＳｉＣ、石英、アルミナまたはカーボンからな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連続鋳造装置。

（４）請求項１〜３のいずれかに記載の連続鋳造装置を用い、電磁鋳造法により多結晶シリコンを連続的に鋳造することを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。

本発明のシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法は、金属不純物含有粒子が天板の上面に堆積し、崩れ落ちて冷却ルツボ内に混入するのを低減することができる。このため、鋳造されたインゴットから切り出されたウェーハおいて、局所的なライフタイムの低下の発生を抑え、金属不純物による汚染を低減できる。

本発明の一実施形態であるシリコンインゴットの連続鋳造装置を説明する模式図である。 本発明の一実施形態に用いる仕切り部材を説明する模式図であり、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の矢印Ａ−Ａにおける断面図である。 従来のＥＭＣ法に用いられる連続鋳造装置の構成を示す模式図である。 従来の連続鋳造装置を用いたＥＭＣ法によるシリコンインゴットの連続鋳造する際に粒子が堆積する様子を示す模式図であり、同図（ａ）は連続鋳造を開始した直後の状態、同図（ｂ）は粒子が堆積し始めた状態、同図（ｃ）は多量の粒子が堆積した状態、同図（ｄ）は堆積した粒子が冷却ルツボ内に崩れ落ちる状態をそれぞれ示す。 シリコンインゴットを分割する位置を示す模式図である。 従来のシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法により得られたウェーハのライフタイムマップの一例を示す図である。 本発明のシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法により得られたウェーハのライフタイムマップの一例を示す図である。

以下に、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法の実施形態を図面に基づいて説明する。

〔第１実施形態の連続鋳造装置〕
図１は、本発明の一実施形態であるシリコンインゴットの連続鋳造装置を説明する模式図である。同図に示す本発明における電磁鋳造装置は、前記図３に示す連続鋳造装置の構成を基本とし、それと同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。同図に示す連続鋳造装置は、前記図３に記す連続鋳造装置に、仕切り部材１７を加えたものである。

図２は、本発明の一実施形態に用いる仕切り部材を説明する模式図であり、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の矢印Ａ−Ａにおける断面図である。同図は、前記図１に示す連続鋳造装置における冷却ルツボ７、誘導コイル８、天板１０および仕切り部材１７を示す。

本実施形態のシリコンインゴットの連続鋳造装置は、電磁鋳造法により多結晶シリコンを連続的に鋳造する際に用いられ、導電性を有し、シリコン原料を溶解させて連続鋳造する無底の冷却ルツボ７と、冷却ルツボを固定する天板１０と、冷却ルツボの外側を囲繞し、冷却ルツボの内側に装入されたシリコン原料を電磁誘導により加熱する誘導コイルとをチャンバー１内に備えたシリコンインゴットの連続鋳造装置において、冷却ルツボ７の上面に冷却ルツボの内側と外側を仕切る仕切り部材１７を設けることを特徴とする。

図１および図２に示すように、角筒状の冷却ルツボ７と同芯に、角筒状であって、冷却ルツボの内側（シリコン原料が装入される側）と外側（誘導コイル８が配置される側）を仕切る仕切り部材１７を、冷却ルツボ７の上面に設ける。これにより、天板の上面に堆積した金属不純物含有粒子を仕切り部材１７で受け止めることができ、金属不純物含有粒子は冷却ルツボの内側に崩れ落ちることなく、天板の上面に堆積する。このため、本実施形態の連続鋳造装置は、金属不純物含有粒子が崩れ落ちて冷却ルツボ内に混入するのを低減できる。

天板１０の上面に堆積する金属不純物含有の量は、鋳造されるインゴットの質量や炉内を清掃することなく鋳造するインゴットの本数、装入されるシリコン原料の粒子径等によって大きく変動する。このため、本実施形態の連続鋳造装置では、金属不純物含有粒子が堆積する高さに応じて、仕切り部材の高さｈを適宜調整する。

仕切り部材の上面を水平面とすると、仕切り部材の上面に金属不純物含有粒子が堆積し、堆積した粒子が冷却ルツボの内側に崩れ落ちるおそれがある。また、シリコン原料が装入されて鋳造が行われる仕切り部材の内側または冷却ルツボの内側に段差があると、その段差に金属不純物含有粒子が堆積し、堆積した粒子が崩れ落ちて溶融シリコンに混入するおそれがある。

したがって、本実施形態の連続鋳造装置は、仕切り部材の上面を内側から外側に向かって低くなるように傾斜させ、仕切り部材の内側の面を無底冷却ルツボの内側の面と段差なく連続させるのが好ましい。仕切り部材１７の上面を内側から外側に向かって低くなるように傾斜させることにより、仕切り部材の上面に落下した金属不純物含有粒子は、傾斜に沿って流れ落ちて天板１０の上面に堆積するので、堆積した粒子が冷却ルツボ内に混入するのをさらに低減できる。

仕切り部材の上面を傾斜させる角度、すなわち、仕切り部材の上面と内側の面がなす角度αは、２０°〜４５°にするのが好ましい。仕切り部材の上面と内側の面がなす角度が２０°未満であると、角部が鋭角となりすぎて加工および取り扱いが困難となる。一方、仕切り部材の上面と内側の面がなす角度が４５°を超えると、ＥＭＣ法によりインゴットを連続鋳造する際に上面に金属不純物含有粒子が堆積し易くなり、堆積したシリコン粒子が冷却ルツボの内側に崩れ落ちるおそれがある。

冷却ルツボの上面に設けられる仕切り部材は、ＥＭＣ法によりインゴットを連続鋳造する際に冷却ルツボの熱が伝導して高温となることから、高温でも一定の強度を有することが求められる。また、仕切り部材は、チャンバー内に配置されることから、インゴットを汚染するＦｅやＮｉ、Ｃｒ、Ｚｎといった金属不純物を含まないことが求められる。このため、本実施形態の連続鋳造装置は、仕切り部材の素材として、シリコン、ＳｉＣ、石英、アルミナまたはカーボンを用いるのが好ましい。

本実施形態の連続鋳造装置では、ＥＭＣ法によりインゴットを連続鋳造する際に高温となった仕切り部材１７が溶解して破損すると、破損品が冷却ルツボ内に混入して品質に影響を与えたり、破損程度が大きいと冷却ルツボ７やヒータを破損したりし保守作業が困難となるので、仕切り部材１７は内部に冷却水を流通させて温度を調整するのが好ましい。これにより、仕切り部材が溶損するのを防止できる。

このように本実施形態の連続鋳造装置は、冷却ルツボの上面に冷却ルツボの内側と外側を仕切る仕切り部材を設け、天板の上面に堆積した金属不純物含有粒子を仕切り部材で受け止めることにより、金属不純物含有粒子が崩れ落ちて冷却ルツボ内に混入するのを低減できる。

〔第２実施形態の連続鋳造装置〕
次に、本発明の第２実施形態の連続鋳造装置について説明する。本実施形態は、電磁鋳造法により多結晶シリコンを連続的に鋳造する際に用いられ、導電性を有し、シリコン原料を溶解させて連続鋳造する無底の冷却ルツボと、冷却ルツボを固定する天板と、冷却ルツボの外側を囲繞し、冷却ルツボの内側に装入されたシリコン原料を電磁誘導により加熱する誘導コイルとをチャンバー内に備えたシリコンインゴットの連続鋳造装置において、冷却ルツボの上端を天板の上面より上方に位置させることを特徴とする。

冷却ルツボの上端を天板の上面より上方に位置させ、天板の上面に堆積した金属不純物含有粒子を冷却ルツボで受け止めることにより、シリコン粒子は冷却ルツボの内側に崩れ落ちることなく、天板の上面に堆積する。したがって、本実施形態の連続鋳造装置は、金属不純物含有粒子が崩れ落ちて冷却ルツボ内に混入するのを低減できる。

〔第３実施形態の連続鋳造装置〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態は、電磁鋳造法により多結晶シリコンを連続的に鋳造する際に用いられ、導電性を有し、シリコン原料を溶解させて連続鋳造する無底の冷却ルツボと、冷却ルツボを固定する天板と、冷却ルツボの外側を囲繞し、冷却ルツボの内側に装入されたシリコン原料を電磁誘導により加熱する誘導コイルとをチャンバー内に備えたシリコンインゴットの連続鋳造装置において、天板を冷却ルツボから遠ざかるのに伴い低くなるように傾斜させさせることを特徴とする。

天板を冷却ルツボから遠ざかるのに伴い低くなるように傾斜させ、すなわち、天板の上面および下面を四角錐台の側面状とする。これにより、天板の上面に落下した金属不純物含有粒子の多くは、堆積することなく天板１０の傾斜に沿って落下する。また、シリコン粒子が天板の上面に到着して堆積した場合でも、天板１０の傾斜に沿って崩れ落ちる。このため、本実施形態の連続鋳造装置は、金属不純物含有粒子が崩れ落ちて冷却ルツボ内に混入するのを低減できる。

〔第４実施形態の連続鋳造装置〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態は、電磁鋳造法により多結晶シリコンを連続的に鋳造する際に用いられ、導電性を有し、シリコン原料を溶解させて連続鋳造する無底の冷却ルツボと、冷却ルツボの外側を囲繞し、冷却ルツボの内側に装入されたシリコン原料を電磁誘導により加熱する誘導コイルとをチャンバー内に備えたシリコンインゴットの連続鋳造装置において、複数の棒状の固定部材に冷却ルツボを固定することを特徴とする。

本実施形態の連続鋳造装置は、天板に代えて複数の棒状の固定部材を用いて冷却ルツボを固定する。複数の棒状の固定部材は、固定部材上に堆積する金属不純物含有粒子の量が、天板の上面に比して顕著に少なくなることから、金属不純物含有粒子が崩れ落ちて冷却ルツボ内に混入するのを低減できる。この際、固定部材として丸棒状のものを用いるのが好ましい。これにより、固定部材上に到着した金属不純物含有粒子の多くは周方向に沿って落下し、堆積した場合でも周方向に沿って崩れ落ちることから、金属不純物含有粒子が崩れ落ちて冷却ルツボ内に混入するのをさらに低減できるからである。

〔本発明の連続鋳造方法〕
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、前述の本発明の連続鋳造装置を用い、電磁鋳造法により多結晶シリコンを連続的に鋳造することを特徴とする。このため、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、チャンバー内を浮遊して堆積した金属不純物含有粒子が冷却ルツボ内に混入するのを低減できることから、シリコン原料とともに金属不純物含有粒子が溶解、凝固して鋳造されるインゴットが金属不純物で汚染されるのを低減できる。その結果、鋳造されたインゴットから切り出されたウェーハにおいて、局所的なライフタイムの異常部が発生するのを抑え、金属不純物による汚染を低減することができる。

本発明のシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法の効果を確認するため、下記の試験を行った。

［試験条件］
本発明例では、前記図１および図２に示す連続鋳造装置を用い、冷却ルツボの上面に冷却ルツボの内側と外側を仕切る仕切り部材を設けた状態で、ＥＭＣ法により引き下げ長さが７０００ｍｍからなるシリコンインゴットを連続鋳造した。この際、仕切り部材の上面と内側の面がなす角度αが３０°となるように仕切り部材の上面を内側から外側に向かって低くなるように傾斜させるとともに、仕切り部材の内側の面を冷却ルツボの内側の面を段差なく連続させた。また、仕切り部材の素材としてシリコンを用いた。

比較例では、前記図３に示す連続鋳造装置を用い、仕切り部材を設けることなく、ＥＭＣ法によりシリコンインゴットを連続鋳造した。本発明例および比較例ともに鋳造されたインゴットを切断して鋳肌面を除去した後、インゴットを切断して分割した。

図５は、シリコンインゴットを分割する位置を示す模式図である。同図に示すように、シリコンインゴット３は引き下げ軸に平行な面において縦２個、横３個に分割し、引き下げ軸方向を長手方向とする６個の分割インゴット３１とした。本発明例および比較例ともに斜線を付した位置の分割インゴット３１からウェーハを切り出し、６０枚のサンプルを採取した。

本発明例および比較例ともに採取したウェーハを研磨した後、フッ硝酸で表面ダメージ層をエッチングし、その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）で表面酸化膜を除去した。さらに、ウェーハ表面をヨウ素によりケミカルパシベーションした後、μ−ＰＣＤ法によりウェーハ表面のライフタイム値を測定して金属不純物による汚染を調査した。

ライフタイムの評価は、平均ライフタイム値を算出するとともに、局所的にライフタイム値が低下している異常部の有無を判定して行った。ここで、平均ライフタイム値は、測定されたバルクライフタイム値を、ウェーハ全面で平均したものである。

異常部の有無の判定は、ライフタイムの評価で得られたライフタイムマップを観察して行った。後述する図６は、比較例により得られたウェーハのライフタイムマップの一例を示す図であり、白色と黒色の濃淡によりライフタイム値の分布を示す。図６に示すようなライフタイムマップにおいて、白色を除き、灰色または黒色で表される部分をライフタイムが低下している部分とした。

局所的にライフタイム値が低下している異常部の有無を判定する際は、ウェーハ外周の一辺に存在する低ライフタイム領域を除き、直径２０ｍｍ以上のライフタイム値が低下している部分が存在する場合を異常部有りとし、直径２０ｍｍ以上のライフタイム値が低下している部分が存在しない場合を異常部無しとした。

ここで、ウェーハ外周の一辺に存在する低ライフタイム領域は、金属不純物含有粒子が冷却ルツボ内に混入して形成されるものではなく、鋳造されたインゴットを常温まで冷却する過程でインゴットの外周から汚染されて形成される。このため、同一の分割インゴットから切り出されたウェーハには、通常、全て同様の低ライフタイムサイクル領域が存在する。本実施例では、本発明の連続鋳造装置および連続鋳造方法により、金属不純物含有粒子が冷却ルツボ内に混入するのを低減する効果を検証するため、局所的にライフタイム値が低下している異常部の有無を判定する際は、ウェーハ外周の一辺に存在する低ライフタイム領域を除いた。

表１に、採取したウェーハにおけるライフタイム異常部の発生率および平均ライフタイム値を示す。表１に示す異常部発生率は、採取したウェーハに占める異常部有りと確認されたウェーハの割合を百分率で表したものである。また、表１に示す平均ライフタイム値は、採取したウェーハの平均ライフタイム値を平均したものを、比較例のライフタイム値を基準（１．０）として相対値で表したものである。

［試験結果］
図６は、従来のシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法により得られたウェーハのライフタイムマップの一例を示す図である。同図ではウェーハ外周４０ａを二点鎖線で示す。また、同図では、凡例に示すように白色と黒色の濃淡によりライフタイム値の分布を表し、白色部はライフタイムが最も高く、黒色が濃くなるとともにライフタイム値が低下し、黒色部はライフタイムが最も低いことを示す。同図に示す従来法により得られたウェーハのライフタイムマップの一例では、低ライフタイム領域を除いて、３箇所のライフタイム値が低下している異常部が確認された。

図７は、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法により得られたウェーハのライフタイムマップの一例を示す図である。同図では、前記図６と同様に、ウェーハ外周４０ａを二点鎖線で示し、凡例に示すように白色と黒色の濃淡によりライフタイム値の分布を表す。同図に示す本発明例により得られたウェーハのライフタイムマップの一例では、低ライフタイム領域を除くと、ライフタイム値が低下している異常部は確認されなかった。

表１に示す結果から、ライフタイム異常部の発生率は、比較例が９０％であったのに対し、本発明例が５％であった。また、平均ライフタイム値は、比較例を１．０とすると、本発明例は１．４であった。したがって、冷却ルツボの上面に角筒状の仕切り部材を設け、金属不純物含有粒子が天板の上面に堆積し、崩れ落ちて冷却ルツボ内に混入するのを低減することにより、鋳造されたインゴットから切り出されたウェーハにおいて、局所的にライフタイム値が低下した異常部の発生を低減でき、ライフタイム値を向上できることが確認された。

これらから、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造装置およびそれを用いた連続鋳造方法は、天板の上面に堆積した金属不純物含有粒子が冷却ルツボ内に混入するのを低減することにより、鋳造されたインゴットから切り出されたウェーハにおいて、局所的なライフタイムの低下の発生を抑え、金属不純物による汚染を低減できることが明らかになった。

本発明のシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法は、金属不純物含有粒子が天板の上面に堆積し、崩れ落ちて冷却ルツボ内に混入するのを低減することができる。このため、鋳造されたインゴットから切り出されたウェーハおいて、局所的なライフタイムの低下の発生を抑え、金属不純物による汚染を低減できる。

したがって、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造装置および連続鋳造方法を、太陽電池用ウェーハの製造に適用すれば、太陽電池の品質向上に大きく寄与することができる。

１：チャンバー、 ２：シャッター、 ３：シリコンインゴット、 ４：引出し口、
５：不活性ガス導入口、 ６：排気口、 ７：無底冷却ルツボ、 ８：誘導コイル、
９：アフターヒーター、 １０：天板、 １１：原料導入管、 １２：シリコン原料、
１３：溶融シリコン、 １４：プラズマトーチ、 １５：支持台、 １６：支持棒、
１７：仕切り部材、 １８：シリコン粒子（金属不純物含有粒子）、
３１：分割インゴット、 ４０：ウェーハ、 ４０ａ：ウェーハ外周、
α：仕切り部材の上面と内側の面がなす角度、 ｈ：仕切り部材の高さ

Claims (4)

1. 電磁鋳造法により多結晶シリコンを連続的に鋳造する際に用いられ、導電性を有し、シリコン原料を溶解させて連続鋳造する無底の冷却ルツボと、前記冷却ルツボを固定する天板と、前記冷却ルツボの外側を囲繞し、前記冷却ルツボの内側に装入されたシリコン原料を電磁誘導により加熱する誘導コイルとをチャンバー内に備えたシリコンインゴットの連続鋳造装置において、
   前記冷却ルツボの上面に冷却ルツボの内側と外側を仕切る仕切り部材を設けることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造装置。
2. 前記仕切り部材の上面を内側から外側に向かって低くなるように傾斜させ、前記仕切り部材の内側の面を前記冷却ルツボの内側の面と段差なく連続させる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連続鋳造装置。
3. 前記仕切り部材がシリコン、ＳｉＣ、石英、アルミナまたはカーボンからな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連続鋳造装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の連続鋳造装置を用い、電磁鋳造法により多結晶シリコンを連続的に鋳造することを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。

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