JP2013129578A

JP2013129578A - シリコン製造装置、シリコン精製方法および多結晶シリコンインゴット製造方法

Info

Publication number: JP2013129578A
Application number: JP2011281647A
Authority: JP
Inventors: Teruaki Higo; 輝明肥後; Takashi Okita; 隆大北; Yoshihiko Nagata; 佳彦永田; Yuji Yamazaki; 勇治山崎; Kimihiko Kajimoto; 公彦梶本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-07-04

Abstract

【課題】断熱材の寿命を長くすることができるシリコン製造装置、シリコン精製方法および多結晶シリコンインゴット製造方法を提供する。
【解決手段】坩堝の外側に設けられた抵抗加熱ヒータと断熱材との間に複数に分割された保護部材を備えたシリコン製造装置、シリコン精製方法および多結晶シリコンインゴット製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン製造装置、シリコン精製方法および多結晶シリコンインゴット製造方法に関する。

近年環境問題から石油などの代替として自然エネルギーの利用が注目されている。なかでも、太陽電池を用いた太陽光発電は、大きな発電設備を必要とせず、稼働時に騒音などが出ないこともあり、日本や欧州などで特に積極的に導入されてきている。

太陽電池の中ではカドミウムテルルなどの化合物半導体からなるものが登場してきたものの、物質自体の安定性やこれまでの実績などから、結晶シリコンを基板として用いた太陽電池が大きなシェアを占めている。特に、多結晶シリコン基板は、光電変換効率は単結晶に及ばないものの、その生産性の高さからもたらされるコストメリットにより、結晶シリコン太陽電池において主流となっている。

多結晶シリコン基板は、多結晶シリコンインゴットからブロックを切り出し、それをウエハ形状に加工することにより得られるが、多結晶シリコンインゴットの製造法としてキャスト法が代表的に用いられる。

キャスト法は、Ａｒなどの不活性ガスを充填したチャンバ内で、坩堝中の溶融シリコンを加熱して保持しつつ、下方からの冷却により凝固潜熱を奪うことで、一方向に結晶成長させる方法である。

キャスト法に用いられるチャンバは、通常、水冷された金属を用いるが、チャンバの内部に用いられる部材は、シリコン融点（１４１２℃）を超える高温環境下における耐熱性およびシリコンを汚染しないことを考慮して選定されている。そして、事実上ほとんどの場合、断熱材にはカーボン成型体が用いられる。

たとえば特許文献１には、外鋳型の内部の上方に配置された高純度高密度黒鉛製の抵抗加熱ヒータと、外鋳型の外側に設けられたカーボン成型体からなる断熱材とを備えた多結晶シリコン鋳片製造装置が開示されている。

また、多結晶シリコンインゴットの原料となる高純度シリコン原料の製造における状況を以下に述べる。

シリコンを高純度化させる方法として、珪石を還元して得られる純度９８％以上の金属シリコンをシラン（ＳｉＨ₄）またはトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ₃）などのガスに変換し、そのガスをベルジャー炉内で水素還元するという方法がある。このようにして得られたポリシリコンを単結晶成長させることで、ＬＳＩ等の電子デバイス用のシリコンウエハを製造することができる。

電子デバイス用材料に用いられるシリコンには、純度１１Ｎという非常に高い純度が要求される。そのため、金属シリコンをシランなどのガスに変換する設備への投資およびベルジャー炉の設備投資が膨大となっても、金属シリコンをシランなどのガスに変換してベルジャー炉内で水素還元するという方法を採用せざるを得ない。

しかしながら、太陽電池用材料としてのシリコンには、６Ｎ程度の純度が要求される。よって、金属シリコンをシランなどのガスに変換してベルジャー炉内で水素還元するという方法により得られたシリコンでは、太陽電池用材料としての品質を十分に満たすが、コストが非常に高くなる。

以上のことから、太陽電池用材料としてのシリコンの安価な製造技術の確立が強く求められており、凝固偏析等を利用した冶金学的手法により前述した純度９８％程度の金属シリコンを精製する方法が近年注目されている。

金属シリコン中に存在する金属不純物元素として、比較的多く含まれるものには、鉄、アルミニウムおよびチタンなどがある。金属シリコン中不純物含有量の代表的な値として、鉄は１００〜５０００ｐｐｍｗ、アルミニウムは１００〜２０００ｐｐｍｗ、チタンは１〜１０ｐｐｍｗである。鉄、アルミニウムおよびチタンなどの不純物はシリコン中の偏析係数（平衡分配係数）が小さいことが知られている。たとえば、シリコン中の鉄の偏析係数値は６．４×１０^-6であり、シリコン中のアルミニウムの偏析係数値は２．８×１０^-3であり、シリコン中のチタンの偏析係数値は７．３７×１０^-6であることが報告されている。そのため、凝固偏析を利用して、鉄、アルミニウムおよびチタンなどの不純物の除去が可能である。つまり、シリコン融液が凝固する際、偏析係数の小さな不純物（鉄、アルミニウムおよびチタン）がシリコン融液中に分配されて固体中にほとんど取り込まれないため、析出したシリコンにおいて上記不純物の濃度が低下する。一方向凝固法に代表される凝固偏析を利用した精製を２回または３回行うことで、鉄、アルミニウムおよびチタンなどの不純物の濃度を太陽電池用材料として要求される不純物濃度である０．１ｐｐｍｗ以下とすることが可能である。

凝固偏析による不純物除去の方法については、様々な方法が提案されている。たとえば特許文献２には、不活性ガス雰囲気中で凝固温度を超えた状態で保持された溶融ケイ素中に回転冷却体を浸漬し、回転冷却体中に冷却流体を送り込みながら回転させて、回転冷却体の外周面に高純度ケイ素を晶出させる方法が記載されている。

なお、特許文献２には明示されていないが、加熱のためのヒータとして抵抗加熱ヒータを用いる場合には、耐熱性および純度の要求を満たすため、断熱材にはカーボン成型体が用いられている。

特開２００７−２１０８６０号公報特公平７−５３５６９号公報

キャスト法の装置や凝固偏析の装置においては、原料そのものに含まれる、若しくは坩堝などから混入した酸素により、シリコン融液表面からＳｉＯガスが発生する。このＳｉＯガスが拡散し、炉内のカーボン成型体からなる断熱材と接触すると、以下の反応式（ｉ）の反応によりＣＯガスが発生するとともに、カーボン成型体のカーボンが珪化して、ＳｉＣへと変質する。
ＳｉＯ＋２Ｃ→ＳｉＣ＋ＣＯ …（ｉ）
カーボン成型体からなる断熱材は、上記の反応式（ｉ）により、ＳｉＣ化して容易に剥落する状態となり、断熱材としての機能が保たれなくなる。すなわち、断熱材の断熱効果が小さくなり、溶融シリコンを保持するために必要なヒータへの供給電力が増加し、チャンバへの熱負荷が大きくなる。

また、断熱材から剥落したＳｉＣが溶融シリコン内に混入した場合には、多結晶シリコンインゴットや回転冷却体の外周面に晶出させた高純度ケイ素内にＳｉＣが取り込まれる可能性が高く、多結晶シリコンインゴットや晶出させた高純度ケイ素の製品としての品質を低下させる。また、断熱材から剥落したＳｉＣが取り込まれた多結晶シリコンインゴットはウエハ形状に加工する際に加工装置を損傷させることがある。また、ＳｉＣが取り込まれた多結晶シリコンインゴットから得られたウエハを用いて太陽電池を作製した場合には、電流漏れによる性能不良を起こすことがある。

また、ＳｉＣ化がある程度進んだ断熱材は、ＳｉＣの剥落を起こす前に定期的に交換される。しかしながら、高価な断熱材を頻繁に交換する必要があるため、製品である多結晶シリコンインゴットや晶出させた高純度ケイ素の製造コストの上昇の要因として問題となっていた。

さらに、断熱材の交換作業により装置が稼働できない時間が増えるため、多結晶シリコンインゴットや晶出させた高純度ケイ素の生産性が低下するという問題もあった。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、断熱材の寿命を長くすることができるシリコン製造装置、シリコン精製方法および多結晶シリコンインゴット製造方法を提供することにある。

本発明は、坩堝と、坩堝の外側に設けられた抵抗加熱ヒータと、抵抗加熱ヒータの外側に設けられた断熱材と、抵抗加熱ヒータと断熱材との間に複数に分割された保護部材と、を備えた、シリコン製造装置である。

ここで、本発明のシリコン製造装置において、保護部材は、略平行な２つの略平面を持つ平板を複数組み合わせたものであることが好ましい。

また、本発明のシリコン製造装置において、保護部材は、黒鉛または炭素繊維強化炭素材からなることが好ましい。

また、本発明のシリコン製造装置において、保護部材は、ボルトおよびナットを用いて断熱材に固定されていることが好ましい。

また、本発明のシリコン製造装置において、ボルトおよびナットは、それぞれ、黒鉛または炭素繊維強化炭素材からなることが好ましい。

また、本発明のシリコン製造装置において、少なくとも坩堝の上方に断熱材が配置されており、断熱材の下面の少なくとも一部上に保護部材が設けられていることが好ましい。

また、本発明は、上記のいずれかのシリコン製造装置を用いたシリコン精製方法である。

さらに、本発明は、上記のいずれかのシリコン製造装置を用いた多結晶シリコンインゴット製造方法である。

本発明によれば、断熱材の寿命を長くすることができるシリコン製造装置、シリコン精製方法および多結晶シリコンインゴット製造方法を提供することができる。

実施の形態１のシリコン精製装置の模式的な構成図である。実施の形態１のシリコン精製装置の他の構成のＡ−Ｂに沿った模式的な断面図である。実施の形態２の多結晶シリコンインゴット製造装置の模式的な構成図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

＜実施の形態１＞
図１に、本発明のシリコン製造装置の一例である実施の形態１のシリコン精製装置の模式的な構成図を示す。図１に示すように、実施の形態１のシリコン精製装置は、上部に開口部６を有するチャンバ２と、チャンバ２の内部に設けられた、坩堝３と、坩堝３の外側に設けられた抵抗加熱ヒータ７と、抵抗加熱ヒータ７の外側に設けられた保護部材９と、保護部材９の外側に設けられた断熱材８と、を備えている。

ここで、坩堝３は坩堝台５上に配置されており、坩堝３の内部には精製するための溶融シリコン４が保持されている。また、抵抗加熱ヒータ７は、坩堝３の外側を取り囲むように設けられている。

また、断熱材８は、チャンバ２の上部の内壁の内側に設けられた上部断熱材８１と、チャンバ２の側壁の内側に設けられた側部断熱材８２と、チャンバ２の下部の内壁の内側に設けられた下部断熱材８３と、を備えている。なお、上部断熱材８１、側部断熱材８２および下部断熱材８３は、それぞれ、カーボン成型体から構成されている。

上部断熱材８１は、チャンバ２の上部の内壁の下方に、抵抗加熱ヒータ７の上方を覆い、かつ開口部６を取り囲むようにして設けられている。

下部断熱材８３は、チャンバ２の下部の内壁の上方に、抵抗加熱ヒータ７の下方を覆い、かつ坩堝台５を取り囲むようにして設けられている。

側部断熱材８２は、抵抗加熱ヒータ７の外周を取り囲むように設けられている。また、側部断熱材８２は、側部断熱材８２の一端が上部断熱材８１と接し、側部断熱材８２の他端が下部断熱材８３と接するようにして配置されている。

また、保護部材９は、上部断熱材８１の内壁面に接するようにして設けられた上部保護部材９１と、側部断熱材８２の内壁面に接するようにして設けられた側部保護部材９２と、下部断熱材８３の内壁面に接するようにして設けられた下部保護部材９３と、を備えている。

ここで、保護部材９は、坩堝３の内部に保持された溶融シリコン４の表面から発生するＳｉＯガスが断熱材８に到達するのを抑制するために、抵抗加熱ヒータ７と断熱材８との間に設けられている。

上記の構成を有する実施の形態１のシリコン精製装置においては、たとえば、坩堝３の上部の開口部６から、坩堝３の内部に抵抗加熱ヒータ７によって融液の状態で保持された溶融シリコン４中に回転冷却体を挿入して、溶融シリコン４中で回転冷却体を回転させながら、回転冷却体の内部に冷媒を流すことによって回転冷却体の外表面を冷却する。これにより、溶融シリコン４が偏析現象により精製されて、回転冷却体の外表面に溶融シリコン４よりも高純度のシリコンを晶出させることができる。

回転冷却体の外表面に晶出した高純度のシリコンは、坩堝３の上部の開口部６から、回転冷却体を引き上げることによって装置の外部に取り出され、その後、回転冷却体から切り離されて回収される。

従来においては、抵抗加熱ヒータ７と、カーボン成型体からなる断熱材８との間に保護部材９が設けられていなかったことから、上記のシリコンの精製中に、坩堝３の内部に保持された溶融シリコン４の表面からＳｉＯガスが発生して拡散し、容易にカーボン成型体からなる断熱材８に到達して、上記の反応式（ｉ）にしたがって、断熱材８と反応していた。

ＳｉＯガスと、カーボン成型体からなる断熱材８との反応速度は、ＳｉＯガス分圧、ＣＯガス分圧および断熱材８の温度等の条件により異なるが、断熱材８の温度については、断熱材８の温度が１４００℃以上である場合には、カーボン成型体からなる断熱材８の劣化に影響を及ぼすことが多い。

特に、抵抗加熱ヒータ７で坩堝３の内部の溶融シリコン４を加熱して保持する際に、抵抗加熱ヒータ７自体の温度はシリコンの融点以上の温度となり、抵抗加熱ヒータ７の周囲に配置されている断熱材８も高温となるため、ＳｉＯガスとの反応による断熱材８の劣化も激しくなる。

本発明者は、ＳｉＯガスによるカーボン成型体からなる断熱材８の反応による劣化を抑制するためには、断熱材８とＳｉＯガスとの接触を絶つこと、あるいは断熱材８の温度を下げることが有効であると推察して鋭意検討を重ねた。そして、本発明者は、たとえば図１に示すように、抵抗加熱ヒータ７とカーボン成型体からなる断熱材８との間に、断熱材８へのＳｉＯガスの到達を抑制する複数に分割された保護部材９（上部保護部材９１、側部保護部材９２および下部保護部材９３に分割）を設けることによって、上記の推察から導かれる対策を具現化して、本発明を完成するに至った。

すなわち、実施の形態１のシリコン精製装置においては、抵抗加熱ヒータ７とカーボン成型体からなる断熱材８との間に断熱材８へのＳｉＯガスの到達を抑制するための保護部材９が設けられているため、坩堝３の内部に保持された溶融シリコン４の表面から発生するＳｉＯガスが、断熱材８の坩堝３側の表面に接触するのを抑制することができる。また、この構成とすることによって、抵抗加熱ヒータ７、坩堝３および溶融シリコン４からの熱輻射を保護部材９によって遮ることができるため、上記のシリコン精製中における断熱材８の温度を低くすることができる。

したがって、実施の形態１のシリコン精製装置においては、保護部材９の設置によって、断熱材８の寿命を長くすることができる。

なお、実施の形態１のシリコン精製装置においては、回転冷却体の外表面に晶出した高純度シリコンを引き上げる途中で、回転冷却体からシリコン塊が溶融シリコン４内に落下して、溶融シリコン４が坩堝３の外に飛散する場合がある。しかしながら、この場合でも保護部材９によって、飛散した溶融シリコン４が断熱材８に接触するのを防ぐことができるため、溶融シリコン４との接触による断熱材８の劣化を抑制することができる。

また、実施の形態１のシリコン精製装置においては、断熱材８が劣化してその一部が剥離した場合でも、断熱材８の剥離した部分が、坩堝３側に落下あるいは飛散するのを遮ることができるため、断熱材８の溶融シリコン４への混入を抑制することができる。

保護部材９は、たとえば図１に示す上部保護部材９１、側部保護部材９２および下部保護部材９３のように保護部材９を複数に分割することによって、保護部材９のコストを低減することができ、また保護部材９の設置時の作業性を向上することができる。また、上部保護部材９１、側部保護部材９２および下部保護部材９３のそれぞれのサイズが大きい場合には、これらをそれぞれさらに分割することによって、保護部材９のさらなるコスト低減および保護部材９の設置時のさらなる作業性の向上を図ることができる。

なお、本明細書において、「分割」には、１つの部材を複数に切り分ける場合だけでなく、別々に作製した複数の部材を組み合わせた場合も含まれる。

さらに、側部断熱材８２がたとえば円筒形である場合には、側部断熱材８２の内壁面に沿うような曲面を有する一体型の側部保護部材９２を用いてもよいが、たとえば図２の模式的な断面図に示すように、略並行な２つの略平面を持つ平板を複数組み合わせた構造の側部保護部材９２とすることが好ましい。この場合には、側部保護部材９２のさらなるコスト低減を図ることができる。

なお、本明細書において、「略並行」には、完全に平行である場合だけでなく、完全に平行ではないが実質的に平行である場合も含まれる。また、本明細書において、「略平面」には、完全に平面である場合だけでなく、完全に平行ではないが実質的に平面である場合も含まれる。

保護部材９は、断熱材８へのＳｉＯガスの到達を抑制することができるものであれば特に限定されないが、黒鉛または炭素繊維強化炭素材からなることが好ましい。この場合には、保護部材９の耐熱性および断熱性が優れるとともに、溶融シリコン４の汚染を抑制することができる。すなわち、保護部材９の材質に黒鉛または炭素繊維強化炭素材を用いた場合には、溶融シリコン４の表面から発生するＳｉＯガスによる保護部材９の劣化は当然発生するが、カーボン成型体からなる断熱材８に比較すると低価格である。そのため、保護部材９を頻繁に交換することがあっても、高価な断熱材９の交換頻度が抑えられるために、十分に低コスト化を図ることができる。また、黒鉛または炭素繊維強化炭素材は、ＳｉＯガスとの反応により劣化した場合でも、その表面からの剥落の頻度は、カーボン成型体からなる断熱材９に比べて少ないため、溶融シリコン４に混入するおそれは小さくなる。

なお、本明細書において、「カーボン成型体」は、炭素繊維を基材に、樹脂を含浸させて成型し、炭化処理を施した材料を意味する。カーボン成型体は、一般的に、かさ密度が０．５ｇ／ｃｍ³程度以下であり、断熱材などに用いられる。カーボン成型体を用いた製品としては、たとえば、大阪ガスケミカル株式会社より市販されているドナカーボ成形断熱材がある。

また、本明細書において、「炭素繊維強化炭素材」は、炭素繊維で補強された炭素複合材料を意味する。炭素繊維強化炭素材は、一般的に、かさ密度が１ｇ／ｃｍ³程度以上であり、耐熱構造材などに用いられる。炭素繊維強化炭素材を用いた製品としては、たとえば、日本カーボン株式会社より市販されているＣ／Ｃコンポジットがある。

また、保護部材９は、ボルトおよびナットを用いて、断熱材８に固定することが好ましい。この場合には、保護部材９の断熱材８への固定作業を簡便にすることができる。また、保護部材９としてたとえば厚さ数ｍｍ程度の薄い炭素繊維強化炭素材を用いた場合には熱歪みにより保護部材９が変形するが、１つの保護部材９に対して複数箇所をボルトおよびナットで固定することによって、保護部材９の変形の程度を小さくすることができ、保護部材９の変形による隙間の発生を抑制することができる。

また、保護部材９の固定に用いられるボルトおよびナットは、それぞれ、黒鉛または炭素繊維強化炭素材からなることが好ましい。この場合には、ボルトおよびナットの耐熱性および断熱性が優れるとともに、溶融シリコン４の汚染を抑制することができる。また、カーボン成型体からなる断熱材８の熱膨張が小さいため、ボルトに熱膨張の大きい材質を使用すると、温度変化した際に保護部材９の固定が緩んでしまう。そのため、特にボルトについては、熱膨張が小さい材質を使用することが望ましく、炭素繊維強化炭素材を使用することで、温度変化した際に、保護部材９の固定が緩む程度を小さく抑えることができる。

また、たとえば図１に示すように、坩堝３の上方に配置された上部断熱材８１の下面の少なくとも一部上に上部保護部材９１が設けられていることが好ましい。坩堝３の内部に保持された溶融シリコン４から発生するＳｉＯガスは、坩堝３の上方に拡散する傾向にあるため、坩堝３の上方に配置された上部断熱材８１が劣化しやすい。しかしながら、坩堝３の上方に配置された上部断熱材８１の下面の少なくとも一部上に上部保護部材９１を配置することによって、坩堝３の上方に拡散してきたＳｉＯガスによる上部断熱材８１の劣化を効果的に抑制することができるため、断熱材８の寿命をさらに長くすることができる。

＜実施の形態２＞
図３に、本発明のシリコン製造装置の他の一例である実施の形態２の多結晶シリコンインゴット製造装置の模式的な構成図を示す。実施の形態２の多結晶シリコンインゴット製造装置は、坩堝３の上方に配置された上部断熱材８１の下面の少なくとも一部上に上部保護部材９１が配置されていることを特徴としている。

図３に示す構成を有する実施の形態２の多結晶シリコンインゴット製造装置においては、坩堝３の内部に保持された溶融シリコン４を坩堝３の下部から冷却して一方向に凝固させることにより、多結晶シリコンインゴットを形成することができる。

そして、実施の形態２の多結晶シリコンインゴット製造装置においては、坩堝３の上方に配置された上部断熱材８１の下面の少なくとも一部上に上部保護部材９１が配置されていることから、溶融シリコン４の表面から発生するＳｉＯガスが、上部断熱材８１の下面に接触するのを抑制することができる。

また、抵抗加熱ヒータ７、坩堝３および溶融シリコン４からの熱輻射を上部保護部材９１によって遮ることができるため、多結晶シリコンインゴットの形成中における上部断熱材８１の温度を低くすることができる。

したがって、実施の形態２の多結晶シリコンインゴット製造装置においても、上部保護部材９１の設置によって、上部断熱材８１の寿命を長くすることができる。

また、実施の形態２の多結晶シリコンインゴット製造装置においては、上部断熱材８１が劣化してその一部が剥離した場合でも、上部断熱材８１の剥離した部分が、坩堝３側に落下するのを遮ることができるため、上部断熱材８１の溶融シリコン４への混入を抑制することができる。

また、実施の形態２の多結晶シリコンインゴット製造装置においても、実施の形態１のシリコン精製装置のように、側部断熱材８２および下部断熱材８３に、それぞれ、側部保護部材９２および下部保護部材９３を設けてもよいことは言うまでもない。この場合にも本発明の効果を得ることができる。

実施の形態２における上記以外の説明は、実施の形態１と同様であるため、その説明については省略する。

＜実施例１＞
実施例１においては、図１および図２に記載の構造を有するシリコン精製装置を用いてシリコンの精製を行なった。図１および図２に示すように、上部に開口部６を有する水冷ＳＵＳ製のチャンバ２の内壁面に、上部断熱材８１、側部断熱材８２および下部断熱材８３から構成されている断熱材８（厚さ１００ｍｍ）を設置し、断熱材８の内側に黒鉛製の抵抗加熱ヒーター７を設置した。また、抵抗加熱ヒーター７の内側に黒鉛製の坩堝３を設置し、坩堝３の内部に約４００ｋｇの溶融シリコン４を保持した。なお、上部断熱材８１、側部断熱材８２および下部断熱材８３は、それぞれ、カーボン成型体からなるものが用いられた。

さらに、断熱材８の上部断熱材８１、側部断熱材８２および下部断熱材８３の内壁面にそれぞれ、上部保護部材９１、側部保護部材９２および下部保護部材９３をボルトおよびナットを用いて固定した。なお、上部保護部材９１、側部保護部材９２および下部保護部材９３としては、それぞれ、炭素繊維強化炭素材からなり、図２に示すように略平行な２つの略平面を持つ平板状に分割されたものを複数組み合わせたものを用いた。また、ボルトおよびナットも、それぞれ、炭素繊維強化炭素材からなるものを用いた。

上記の構成を有するシリコン精製装置の坩堝３の上方の開口部６から黒鉛製の回転冷却体を坩堝３の内部に保持された溶融シリコン４中に浸漬させ、回転冷却体の内部に冷媒を流しながら、回転冷却体を回転させることによって、回転冷却体の外表面に約１５ｋｇの高純度シリコンを晶出させた。そして、溶融シリコン４から回転冷却体ごと引き上げ、シリコン精製装置の外部に取り出した。

上記の回転冷却体の溶融シリコン４中への浸漬、冷却・回転による高純度シリコンの晶出および回転冷却体の引き上げを１２回繰り返した。その結果、坩堝３の内部の溶融シリコン４は約２２０ｋｇまで減少したため、坩堝３の内部に原料シリコンを約１８０ｋｇ追加投入して溶融させた。これにより、再び坩堝３の内部の溶融シリコン４の量を約４００ｋｇとして、回転冷却体の溶融シリコン４中への浸漬、冷却・回転による高純度シリコンの晶出および回転冷却体の引き上げを繰り返した。

上記を繰り返すことで、坩堝３の内部の溶融シリコン４中の不純物が濃縮していき、偏析効果による精製を行っても製品として満足しない不純物濃度の精製シリコンしか得られない状態となる。その時点で、坩堝３の内部の高濃度に不純物を含む溶融シリコン４を坩堝３ごと交換することとし、抵抗加熱ヒータ７による坩堝３の加熱を停止して、坩堝３の冷却後に開炉（チャンバ２の開放）した。実施例１では、約１ヵ月で開炉することとなった。

開炉時に、断熱材８の劣化状況を調査した。珪化進行による断熱材８の交換判断基準を以下のように定めて運用することとした。すなわち、断熱材８の表面に面積１ｃｍ²の金属棒の先端面を押しつけ、５Ｎの力を加える。そして、新品の断熱材８であれば破損することなく受け止められるが、珪化した断熱材８であれば金属棒との接触面から容易に崩壊し、金属棒が刺さり込むことになる。この刺さり込み深さが２０ｍｍを超えた場合に断熱材８の寿命とした。

実施例１においては、初回の開炉時の調査では、断熱材８は寿命に至っていないと判断することができた。

＜比較例１＞
比較例１では、保護部材９（上部保護部材９１、側部保護部材９２および下部保護部材９３）を設置しないこと以外はすべて実施例１と同様にしてシリコンの精製を行ない、断熱材８の寿命判断を行なった。また、実施例１と同様にして、１ヶ月毎の開炉時に断熱材８の寿命判断についても行なった。

＜実施例１と比較例１の寿命判断の結果＞
表１に、実施例１と比較例１のそれぞれについて、１ヶ月毎の開炉時に断熱材８の寿命判断を行なった結果を示す。表１に示すように、実施例１では断熱材８の寿命が１２ヵ月であったのに対し、比較例１では断熱材８の寿命が４ヵ月であり、実施例１においては、断熱材８の寿命が長くなることが確認された。

＜実施例２＞
実施例２においては、図３に記載の構造を有する多結晶シリコンインゴット製造装置を用いて多結晶シリコンインゴットを製造した。図示しない黒鉛製サセプタで囲った方形シリカ（酸化シリコン）製の坩堝３の内部に原料シリコン４５０ｋｇを充填し、チャンバ２の内部に設置した。抵抗加熱ヒータ７、断熱材８（上部断熱材８１、側部断熱材８２および下部断熱材８３）および上部保護部材９１は、それぞれ、実施例１と同様のものを用いた。

チャンバ２の内部に原料シリコンを充填した坩堝３を設置した後、チャンバ２の蓋を閉め、チャンバ２の内部をアルゴンガスで置換し、抵抗加熱ヒータ７で原料シリコンを加熱して昇温させて溶融した。坩堝３の内面には、シリコンとの融着防止のため窒化珪素層が形成されているが、坩堝３からの酸素が拡散により溶融シリコン４内へと供給されており、原料シリコン表面の自然酸化膜からの酸素も溶融シリコン４に混入し、溶融シリコン４の表面からはＳｉＯガスガが放出される状況であった。

原料シリコンの溶融を完了させた後、抵抗加熱ヒータ７の出力を制御し、坩堝３の内部の溶融シリコン４が融点近傍で保持されるように調整した。その後、坩堝３の底部の温度を徐々に下げることにより、坩堝３の底部から溶融シリコン４を一方向に凝固させることにより、多結晶シリコンインゴットを形成した。溶融シリコン４を完全に凝固させた後、アニール工程を経て、チャンバ２の内部を冷却し、チャンバ２の蓋を開けて多結晶シリコンインゴットを取り出した。

実施例２においても、実施例１と同様にして上部断熱材８１の劣化を調査し、上部断熱材８１の寿命判断（以下、「寿命判断１」という）を行なった。また、上記のようにして製造した多結晶シリコンインゴットからブロックを切り出し、ブロックの表面に目視確認される異物を除去するためにブロックから切除する部分の割合が１％を超える場合を上部断熱材８１の寿命とする判断（以下、「寿命判断２」という）も加えて行なった。

実施例２においては、初回の開炉時には寿命判断１では上部断熱材８１の劣化がほとんど確認されず、上部断熱材８１は寿命には至っていないと判断できた。また、初回に製造した多結晶シリコンインゴットから切り出したブロックでは、目視で確認できる異物はなく、寿命判断２でも上部断熱材８１は寿命に至っていないと判断できた。

その後、再び新たな原料シリコンを充填した坩堝３をチャンバ２の内部に設置し、上記と同様にして多結晶シリコンインゴットの製造を繰り返した。

＜比較例２＞
比較例２では、上部保護部材９１を設置しないこと以外はすべて実施例２と同様にして多結晶シリコンインゴットの製造を行ない、上部断熱材８１の寿命判断１および寿命判断２を行なった。

＜実施例２および比較例２の寿命判断の結果＞
表２に、実施例２と比較例２のそれぞれについて、上部断熱材８１の寿命判断１および寿命判断２を行なった結果を示す。表２に示すように、実施例２においては、比較例２と比較して、寿命判断１および寿命判断２のいずれにおいても、上部断熱材８１の寿命が長くなっていることが確認された。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、シリコン製造装置に利用することができ、シリコン精製装置および多結晶シリコンインゴット製造装置などにも好適に利用することができる。本発明に係るシリコン製造装置を用いて精製されたシリコンおよび製造された多結晶シリコンインゴットを用いることによって、コストパフォーマンスの高い太陽電池を製造することが可能となる。

２チャンバ、３坩堝、４溶融シリコン、５坩堝台、６開口部、７抵抗加熱ヒータ、８断熱材、９保護部材、８１上部断熱材、８２側部断熱材、８３下部断熱材、９１上部保護部材、９２側部保護部材、９３下部保護部材。

Claims

坩堝と、
前記坩堝の外側に設けられた抵抗加熱ヒータと、
前記抵抗加熱ヒータの外側に設けられた断熱材と、
前記抵抗加熱ヒータと前記断熱材との間に複数に分割された保護部材と、を備えた、シリコン製造装置。
前記保護部材は、略平行な２つの略平面を持つ平板を複数組み合わせたものである、請求項１に記載のシリコン製造装置。
前記保護部材が、黒鉛または炭素繊維強化炭素材からなる、請求項１または２に記載のシリコン製造装置。
前記保護部材は、ボルトおよびナットを用いて、前記断熱材に固定されている、請求項１から３のいずれかに記載のシリコン製造装置。
前記ボルトおよびナットが、それぞれ、黒鉛または炭素繊維強化炭素材からなる、請求項４に記載のシリコン製造装置。
少なくとも前記坩堝の上方に前記断熱材が配置されており、
前記断熱材の下面の少なくとも一部上に前記保護部材が設けられている、請求項１から５のいずれかに記載のシリコン製造装置。
請求項１から６のいずれかに記載のシリコン製造装置を用いた、シリコン精製方法。
請求項１から６のいずれかに記載のシリコン製造装置を用いた、多結晶シリコンインゴット製造方法。