JP2013177266A - るつぼ及び鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造するシリコンインゴット中の不純物濃度、特にシリコンインゴットの中央部分の不純物濃度を低減する。
【解決手段】シリコンインゴットを製造するためのるつぼ２０である。底部２２及び底部の外周部から起立する側壁部２３を備えるとともに、上方が開口されたるつぼ本体２１と、
るつぼ本体の開口を覆う蓋２５を備える。蓋の中央に不活性ガス導入用のガス供給管４２を挿通させるための孔２６が形成され、蓋の内側が、蓋の外側に向かうに従い漸次下がる傾斜面２５Ａにより構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多結晶シリコンインゴットを製造するためのるつぼ及び鋳造装置に関する。

シリコンインゴットは、所定の厚さにスライスされ、かつ、所定形状に切り出されることにより、シリコンウェハとされる。
シリコンウェハは、例えば太陽電池用基板の素材として利用される。ここで、太陽電池においては、変換効率等の性能が、太陽電池用基板の素材となるシリコンインゴットの特性に大きく影響される。
特に、シリコンインゴットでは、内部に含有される不純物量が多いと太陽電池の変換効率が大幅に低下することから、変換効率を上げるためには不純物量を低減する必要がある。

ここで、シリコンは、凝固時に膨張する金属であるため、シリコン融液が鋳塊の内部に残存しないように、例えばるつぼの底部から上方に向けて一方向凝固されて鋳造される。また、一方向凝固することにより、シリコン融液内の不純物が凝固の相変化に伴い液相側に平衡偏析係数に基づいて分配され、るつぼ内の不純物が固相（鋳塊）から液相（シリコン融液）に排出されるため、不純物の少ないシリコンインゴットを得ることが可能となる。

下記の特許文献１、２には、るつぼ本体の上方の開口を平板状の蓋によって覆った構造のるつぼが開示されている。このるつぼによれば、るつぼ内に向けてアルゴンガスを供給する構成とされており、このアルゴンガスによってシリコン融液から発生する酸化シリコンガス等を除去することにより、酸化シリコンガスと炉内のカーボンとの反応を防止している。これにより、ＣＯガスの発生が抑えられ、シリコンインゴット中へのカーボンの混入が抑制されることになる。また、酸化シリコンガスがシリコン融液中に混入して酸素量が増加することを抑制している。

特開２００４−０５８０７５号公報 特開２０１０−５３４１７９号公報

上記従来の技術にあっては、以下の課題があった。
すなわち、特許文献１、２に記載された技術では、るつぼ本体の開口を覆う蓋の構造が単なる平板状となっており、シリコン融液から発生するシリコンガスや酸化シリコンガスが蓋の内面で液化して液滴となり、この液滴がるつぼ本体のシリコン融液に向けて落下する現象が生じる。ここで、蓋の内面でシリコンガスや酸化シリコンガスが液化して液滴となるときあるいは液滴となった後に、るつぼ内にあるシリコンや酸化シリコン以外の他の成分が液滴内に混入するおそれが多分にあり、これに起因して製品となるシリコンインゴットの純度が低下するという課題があった。

本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであって、製造するシリコンインゴット中の不純物濃度、特にシリコンインゴットの中央部分の不純物濃度を低減することができるるつぼ及び鋳造装置を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明に係るるつぼは、シリコンインゴットを製造するためのるつぼであって、底部及び前記底部の外周部から起立する側壁部を備えるとともに、上方が開口されたるつぼ本体と、該るつぼ本体の前記開口を覆う蓋とを備え、前記蓋の内側が、当該蓋の外側に向かうに従い漸次下がる傾斜面により構成されていることを特徴としている。
また、本発明に係る鋳造装置は、前記るつぼの上方及び下方にそれぞれ当該るつぼを加熱するためのヒータが配置されていることを特徴としている。

本発明のるつぼでは、蓋の内側が外側に向かうに従い漸次下がる傾斜面により構成されているから、たとえ、シリコン融液から発生するシリコンガスや酸化シリコンガスが蓋の内側で液化して液滴となったとしても、これら液滴は蓋の内側の傾斜面に沿って蓋の外側に向けて流れる。このため、蓋の内側で液化した液滴がるつぼの中央部分あるいはその近傍で落下するのを防止でき、ひいては落下する液滴を介して、シリコン融液の中央部分に不純物が混入するのを防止できる。この結果、製造するシリコンインゴットの中央部分での不純物濃度を低減することができる。

なお、本発明のるつぼでは、製造するシリコンインゴットの外周部分となる近傍に、蓋の内側からの液滴が落下することで、その部分の純度が低下するおそれはあるが、シリコンインゴットの外周部分は、例えば太陽電池用基板の素材として用いるとき、もともと切除する部分であるため、シリコンインゴットを利用する際に問題になる可能性は低い。

本発明のるつぼにおいて、前記蓋の中央に不活性ガス導入用のガス供給管を挿通させるための孔が形成され、前記蓋の内側の傾斜面は、前記孔から当該蓋の外側に向かうに従い漸次下がるように形成されていることが好ましい。
蓋の内側の天井部分に液滴が生じる場合、孔近傍ではガスの流れが不均一となり易く、また蓋の孔近傍部分の温度変化も大となるため、この孔部分あるいはその近傍から液滴が落下するおそれが多分にある。しかしながら、上記した構成であると、孔近傍が最も高くそこから蓋の外側に向かうに従い漸次下がるように傾斜面が形成されているため、孔近傍での液滴の落下を防止することができる。

本発明のるつぼにおいて、前記蓋は、前記るつぼ本体の前記側壁部よりも外方へ張り出すように形成されており、前記蓋の内側の傾斜面は、当該蓋の外縁まで延びて形成されていることが好ましい。
蓋の内側の傾斜面が、蓋の外縁まで、つまりるつぼ本体の側壁部よりも外方へ至るまで延びて形成されているので、蓋の内側の天井部分に液滴が生じる場合、この液滴は、傾斜面に沿って蓋の外縁まで移動する。したがって、落下する液滴を介して、るつぼ内のシリコン融液に不純物が混入するのを防止できる。この結果、製造するシリコンインゴットの中央部分に限らず、全域にわたって不純物濃度を低減することができる。

本発明のるつぼにおいて、前記蓋の内側の傾斜面は、円錐面状に形成されていてもよい。
この場合、蓋の内側の傾斜面は、中央部分が最も高く外側に向かうに従い漸次周方向に均等に下がるので、るつぼ内の上部空間は中央部分から外側に向けて一様になっており、このため、るつぼ内に供給するアルゴンガス等の不活性ガスの流れが良好となる。

本発明のるつぼにおいて、前記蓋の内側の傾斜面は、角錐面状に形成されていてもよい。
この場合、前記蓋の内側の傾斜面は、平坦面の組み合わせによって形成されるので、蓋の製造が容易になる。

本発明のるつぼにおいて、前記蓋の内側の傾斜面は、るつぼの中央で所定の開き角をもって交差する互いに対をなす２つの傾斜面部を有するように形成されていてもよい。
この場合、蓋の内側の傾斜面を２つの傾斜面部で構成できるので、蓋の製造がより容易になる。

本発明のるつぼにおいて、前記蓋の内側の傾斜面は、当該蓋の中央の頂点から外縁に向けて延びる稜線及び谷線が周方向に交互に配設され、それら稜線と谷線を結ぶ傾斜面部を有して形成されていてもよい。
この場合、蓋の内面の傾斜面部に生じる液滴は、最初谷線部分に集まり、そこからこの谷線部分に沿って蓋の外縁まで移動する。このように液滴の移動経路が明確になるので、蓋の設計が容易になる。

本発明によれば、製造するシリコンインゴット中の不純物濃度、特にシリコンインゴットの中央部分の不純物濃度を低減することができる。

本発明の鋳造装置の実施形態の概略断面説明図である。 図１に示す鋳造装置に用いられる本発明に係るるつぼの蓋の斜視図である。 本発明に係るるつぼの変形例を示す蓋の斜視図である。 本発明に係るるつぼの他の変形例を示す蓋の斜視図である。 本発明に係るるつぼの他の変形例を示す蓋の斜視図である。 本発明に係るるつぼと蓋なしのるつぼ及び従来の蓋を有するるつぼを用いて、シリコンインゴットを製造したときの炭素濃度の比較を示す表である。

以下に、本発明の実施形態である鋳造装置及びるつぼについて、添付した図面を参照にして説明する。

図１は本発明に係る鋳造装置の実施形態を示す。本実施形態である鋳造装置１０は、内部を気密状態に保持するチャンバ１１と、シリコン融液３が貯留されるるつぼ本体２１及び蓋２５からなるるつぼ２０と、このるつぼ２０が載置されるチルプレート３１と、このチルプレート３１の下方に位置する下部ヒータ３３と、るつぼ２０の上方に位置する上部ヒータ４３と、るつぼ本体２１と蓋２５との間の空間に不活性ガス（例えばアルゴンガス）を導入するガス供給管４２と、を備えている。

また、るつぼ２０の外周側には、断熱壁１２が配設されており、上部ヒータ４３の上方に断熱天井１３が配設され、下部ヒータ３３の下方に断熱床１４が配設されている。すなわち、本実施形態である鋳造装置１０は、るつぼ２０、上部ヒータ４３、下部ヒータ３３等を囲繞するように、断熱材（断熱壁１２、断熱天井１３、断熱床１４）が配設されている。また、断熱床１４には排気孔１５が設けられている。

上部ヒータ４３及び下部ヒータ３３は、それぞれ電極棒４４，３４に接続されている。上部ヒータ４３に接続される電極棒４４は、断熱天井１３を貫通してるつぼ２０の上部近傍まで延びている。下部ヒータ３３に接続される電極棒３４は、断熱床１４を貫通してるつぼ２０の底部近傍まで延びている。
るつぼ２０が載置されるチルプレート３１は、下部ヒータ３３に挿通された支持部３２の上端に設置されている。このチルプレート３１は、中空構造とされており、支持部３２の内部に設けられた供給路（図示なし）を介して内部にアルゴンガスが供給される構成とされている。

前記ガス供給管４２は、例えばモリブデンまたはカーボン製のものであり、基端側（図１において上端側）には図示せぬガス供給部に接続されている。ガス供給管４２は、鉛直方向に延在するように配置されていて、チャンバ１１の天井部を貫通しさらに蓋２５の孔２６を通って、その先端がるつぼ内の上部、つまり、るつぼ２０内に貯留されるシリコン融液３の液面近傍まで延びるように配置されている。そして、ガス供給管４２の先端からは、前記ガス供給部から導入される不活性ガスが、シリコン融液３の上方空間に向けて供給される。

るつぼ本体２１は、水平断面形状が角形とされており、本実施形態では、水平断面形状が正方形をなしている。このるつぼ本体２１は石英で構成されており、チルプレート３１に接触する底部２２と、この底部２２の外周部から上方に向けて起立する側壁部２３とを備える。底部２２の上方は開口されている。また、側壁部２３は水平断面が矩形環状とされている。

蓋２５は、るつぼ本体２１の上方に、側壁部２３の上端部から隙間をあけて配設される。るつぼ本体２１と側壁部２３の上端部と間の隙間は、るつぼ本体２１内のガス排出用に利用される。また、蓋２５は、るつぼ本体２１の側壁部２３の外縁よりも外方へ張り出すように形成されている。また、蓋２５の中央には前述のガス供給管４２を挿通させるために孔２６が形成されている。
なお、蓋２５は、図示しないステーによってるつぼ本体２１の上方所定箇所に支持されている。

図２はるつぼ２０の蓋２５の詳細を示す斜視図である。この図に示すように、この実施形態では、蓋２５は、中央の孔２６が形成された部分を除けば、全体が円錐面状に形成されている。これにより、蓋２５の内側には、孔２６から蓋２５の外側に向かうに従い漸次下がる湾曲傾斜面２５Ａが形成されている。

蓋２５の内側の湾曲傾斜面２５Ａは、水平面に対して所定角度θａを有するように設定される。所定角度θａは、湾曲傾斜面２５Ａにるつぼ内２０のガスが液化して液滴となったときでも、これら液滴が下方に落下することなく、当該湾曲傾斜面２５Ａに沿って外方へ流れるような角度、例えば１０°〜４５°に設定されている。
この蓋２５は炭素系材料で構成されるのが好ましいが、本実施形態では炭化ケイ素で構成されている。

次に、上述の鋳造装置１０を用いたシリコンインゴットの製造方法について説明する。

まず、るつぼ２０内に、シリコン原料を装入する。ここで、シリコン原料としては、１１Ｎ（純度９９．９９９９９９９９９）の高純度シリコンを砕いて得られた「チャンク」と呼ばれる塊状のものが使用される。この塊状のシリコン原料の粒径は、例えば、３０ｍｍから１００ｍｍとされている。

次に、るつぼ２０内に装入されたシリコン原料を、上部ヒータ４３及び下部ヒータ３３に通電することによって加熱し、シリコン融液３を生成する。このとき、るつぼ２０内のシリコン融液３の湯面は、るつぼ２０の側壁部２３の上端より低い位置に設定されることになる。

次に、るつぼ２０内のシリコン融液３を凝固させる。それにはまず、下部ヒータ３３への通電を停止し、チルプレート３１の内部に供給路を介してアルゴンガスを供給する。これにより、るつぼ２０の底部を冷却する。このとき、上部ヒータ４３の通電を継続したままとすることにより、るつぼ２０内には底部２２から上方に向けて温度勾配が発生し、この温度勾配により、シリコン融液３が上方に向けて一方向凝固することになる。さらに、上部ヒータ４３への通電を徐々に減少させることにより、るつぼ２０内のシリコン融液３が上方に向けて凝固し、シリコンインゴットが生成されることになる。

そして、この凝固工程においては、ガス供給管４２及び孔２６を介して、るつぼ本体２１と蓋２５との間の空間に不活性ガスとして例えばアルゴンガスが供給される。蓋２５の平面中心の孔２６に挿通されるガス供給管４２の先端部から供給されたアルゴンガスは、放射状に拡がりながらるつぼ２０内のシリコン融液３上を通過して、蓋２５と側壁部２３との間の隙間からるつぼ２０の外部へと排出され、そこからさらに断熱床１４に設けられた排気孔１５を通じてチャンバ１１の外側へと排気される。

このようにして、一方向凝固法によりシリコンインゴットが製造される。このシリコンインゴットは、例えば太陽電池用基板として使用されるシリコンウエハやその他のシリコンパーツの素材となる。

以上のように本実施形態であるるつぼ２０によれば、蓋２５の内側が外側に向かうに従い漸次下がる湾曲傾斜面２５Ａにより構成されているから、たとえ、シリコン融液から発生するシリコンガスや酸化シリコンガスが蓋２５の内側で液化して液滴となったとしても、これら液滴は蓋２５の内側の湾曲傾斜面２５Ａに沿って蓋２５の径方向外方へ向けて流れる。
このため、蓋２５の内側で液化した液滴がるつぼ２０の中央部分あるいはその近傍で落下するのを防止でき、ひいては落下する液滴を介して、るつぼ内のシリコン融液の中央部分に不純物が混入するのを防止できる。
この結果、製造するシリコンインゴットの中央部分での不純物濃度を低減することができる。

上記るつぼ２０では、蓋２５の中央に不活性ガス導入用のガス供給管４２を挿通させるための孔２６が形成されており、蓋２５の内側の天井部分に液滴が生じる場合、孔２６近傍ではガスの流れが不均一となり易く、また、蓋２５の孔近傍部分の温度変化も大となるため、この孔２６部分あるいはその近傍から液滴が落下するおそれが多分にある。

しかしながら、本実施形態のるつぼ２０では、蓋２５の内側の湾曲傾斜面２５Ａが、孔２６から当該蓋２５の外側に向かうに従い漸次下がるように形成されており、蓋２５の孔２６近傍が最も高いため、蓋の孔２６近傍での液滴が落下するのを防止できる。

加えて、本実施形態のるつぼでは、蓋２５がるつぼ本体２１の側壁部２３よりも外方へ張り出すように形成されており、また、蓋２５の内側の湾曲傾斜面２５Ａは当該蓋２５の外縁まで延びて形成されている。つまり、蓋の内側の湾曲傾斜面２５Ａがるつぼ本体２１の側壁部２３よりも外方へ至るまで延びて形成されているので、蓋２５の内側の天井部分に液滴が生じる場合、これらの液滴は、傾斜面に沿って蓋２５の外縁、つまり、るつぼ本体２１の外側まで移動する。したがって、落下する液滴を介して、るつぼ本体２１内のリコン融液に不純物が混入するのを防止できる。
この結果、製造するシリコンインゴットの中央部分に限らず全域にわたって不純物濃度を低減することができる。

以上、本発明の実施形態であるるつぼ及び鋳造装置について説明したが、これに限定されることはなく、適宜設計変更することができる。

図３は、本実施形態のるつぼの蓋の変形例である。この図に示すように、この実施形態の蓋６０は、中央に孔６１が形成され、蓋６０の内側に孔６１から蓋６０の外側に向かうに従い漸次下がる傾斜面６０Ａが形成されている点は、前記図２で示した実施形態と同様である。この実施形態の蓋６０は、全体形状が角錐面状に形成されている。したがって、蓋の内面の傾斜面６０Ａも、蓋６０の形状に合わせて角錐面状に形成されている。
このような構造の蓋６０を有していても、前記実施形態と同様に、製造するシリコンインゴット中の不純物濃度、特にシリコンインゴットの中央部分の不純物濃度を低減することができるという効果を奏する。

図４は、本実施形態のるつぼの蓋の他の変形例である。この図に示すように、この実施形態の蓋７０は、中央に孔７１が形成され、蓋７０の内側に孔７１から蓋６０の外側に向かうに従い漸次下がる傾斜面７０Ａが形成されている点は、前記図２で示した実施形態と同様である。この実施形態の蓋７０は切妻屋根と同じ構造になっている。したがって、蓋７０の内面の傾斜面７０Ａは、るつぼの中央で所定の開き角θｂをもって交差する互いに対をなす２つの傾斜面部７０Ａａ、７０Ａｂを有して形成されている。
このような構造の蓋７０を有していても、前記実施形態と同様に、製造するシリコンインゴット中の不純物濃度、特にシリコンインゴットの中央部分の不純物濃度を低減することができるという効果を奏する。

図５は、本実施形態のるつぼの蓋の他の変形例である。この図に示すように、この実施形態の蓋８０は、中央に孔８１が形成され、蓋８０の内側に孔８１から蓋８０の外側に向かうに従い漸次下がる傾斜面８０Ａが形成されている点は、前記図２で示した実施形態と同様である。この実施形態の蓋８０は、当該蓋８０の中央の頂点から外縁に向けて延びる稜線８２及び谷線８３が周方向に交互に配設され、それら稜線８２と谷線８３を結ぶ傾斜面部８４を有して形成されている。したがって、蓋８０の内面の傾斜面８０Ａも蓋に合致した同様の構成になっている。
なお、稜線８２及び谷線８３も、中央の孔８１から蓋８０の外側に向かうに従い漸次下がるように形成されている。
このような構造の蓋８０を有していても、前記実施形態と同様に、製造するシリコンインゴット中の不純物濃度、特にシリコンインゴットの中央部分の不純物濃度を低減することができるという効果を奏する。

また、前記実施形態では、るつぼ２０が角形のものを例に挙げて説明したが、これに限られることなく、例えば水平断面が円状のるつぼにも本発明は適用可能である。
また、前記実施形態では、蓋がるつぼ本体２１の側壁部２３よりも外方へ張り出すように形成されているが、これに限られることなく、蓋が側壁部２３の上端までしか延びていない形態のものにも本発明は適用可能である。

また、前記実施形態では、蓋と側壁部との間に隙間を形成し、この隙間をるつぼ本体２１内のガス排出用に利用しているが、これに限られることなく、蓋の外周部近傍に厚さ方向に貫通する開口部を設け、この開口部をるつぼ本体２１内のガス排出用に利用する形態のものにも本発明は適用可能である。

本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果を示す。本実施形態で説明した鋳造装置において、蓋の形状を変更して、６８０ｍｍ角×高さ２５０ｍｍの四角形柱状のシリコンインゴットを製造した。なお、凝固速度を５ｍｍ／ｈとした。また、ガス供給管によるアルゴンガスの供給量を５０ｌ／ｍｉｎとした。

まず、蓋を有しないるつぼを用意し、このるつぼを用いて製造したシリコンインゴットから作る資料を比較例１とした。また、従来の単なる平板上の蓋を有するるつぼを用意し、このるつぼを用いて製造したシリコンインゴットから作る資料を比較例２とした。図２に示す蓋を有するるつぼを用いて製造したシリコンインゴットから作る資料を本発明１とした。図３に示す蓋を有するるつぼを用いて製造したシリコンインゴットから作る資料を本発明２とした。図４に示す蓋を有するるつぼを用いて製造したシリコンインゴットから作る資料を本発明３とした。図５に示す蓋を有するるつぼを用いて製造したシリコンインゴットから作る資料を本発明４とした。

製造した各シリコンインゴットについて、底部から５０ｍｍの位置の水平断面において、同一となる所定箇所から５０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍの測定サンプルを採取し、フーリエ変換赤外線分光法（ＦＩ−ＩＲ）により、シリコン中の炭素濃度を測定した。
なお、本実施例においては、日本分光株式会社製ＦＴ／ＩＲ−４０００を用いて、ＪＥＩＤＡ−６１−２０００に規定される条件で測定を行った。

評価結果を図６に示す。

比較例１では、供給したアルゴンガスを用いたるつぼ内のガス置換がスムーズに行えず、炭素濃度が比較的高い値を示した。
また、比較例２では、蓋を有しているため、るつぼ内においてアルゴンガスによる置換がスムーズに行えるものの、蓋からの液滴の落下を防止することができず、酸素濃度は、比較例１の値より低いものの、所望する値まで低減できていない。

これに対して、本発明例１−４においては、炭素濃度を十分低い値にすることができた。
以上のことから、本発明例によれば、不純物量が少なシリコンインゴットを製造することができることが確認された。

３ シリコン融液
１０ 鋳造装置
２０ るつぼ
２１ るつぼ本体
２２ 底部
２３ 側壁部
２５、６０，７０，８０ 蓋
２５Ａ 蓋の内側の湾曲傾斜面（傾斜面）
２６、６１，７１，８１ 孔
３３ 下部ヒータ
４３ 上部ヒータ
６０Ａ、７０Ａ、８０Ａ 蓋の内側の傾斜面
７０Ａａ、７０Ａｂ 傾斜面部
８２ 稜線
８３ 谷線

Claims (8)

1. シリコンインゴットを製造するためのるつぼであって、
   底部及び前記底部の外周部から起立する側壁部を備えるとともに、上方が開口されたるつぼ本体と、
   該るつぼ本体の前記開口を覆う蓋とを備え、
   前記蓋の内側が、当該蓋の外側に向かうに従い漸次下がる傾斜面により構成されていることを特徴とするるつぼ。
2. 前記蓋の中央に不活性ガス導入用のガス供給管を挿通させるための孔が形成され、
   前記蓋の内側の傾斜面は、前記孔から当該蓋の外側に向かうに従い漸次下がるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のるつぼ。
3. 前記蓋は、前記るつぼ本体の前記側壁部よりも外方へ張り出すように形成されており、
   前記蓋の内側の傾斜面は、当該蓋の外縁まで延びて形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のるつぼ。
4. 前記蓋の内側の傾斜面は、円錐面状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のるつぼ。
5. 前記蓋の内側の傾斜面は、角錐面状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のるつぼ。
6. 前記蓋の内側の傾斜面は、るつぼの中央で所定の開き角をもって交差する互いに対をなす２つの傾斜面部を有して形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のるつぼ。
7. 前記蓋の内側の傾斜面は、当該蓋の中央の頂点から外縁に向けて延びる稜線及び谷線が周方向に交互に配設され、それら稜線と谷線を結ぶ傾斜面部を有して形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のるつぼ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のるつぼの上方及び下方にはそれぞれ当該るつぼを加熱するためのヒータが配置されていることを特徴とする鋳造装置。

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