JP2014521577A - 大きな粒子径を有する多結晶材料を製造するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

任意選択でるつぼ枠内に収められた、るつぼ支持ブロック上のるつぼを備え、るつぼの底、使用している場合はるつぼ枠の底板、及び／又はるつぼ支持ブロックにおいて、少なくとも１種類の冷却剤を内部で循環させるように構成された少なくとも１つの空隙を備える結晶成長装置を開示する。また、開示された結晶成長装置を用いて結晶材料を調製し、全体的に大きな粒子径を有する結晶材料を結果的に生じる方法を開示する。
【選択図】図１

Description

関連出願
本出願は、２０１１年５月２日に出願された米国特許出願第１３／０９８，９８９号の利益を主張し、その開示内容全体を参照により明示的に本明細書に組み込むものである。

本発明は、大きな結晶粒子径を有する結晶材料を製造する装置及び方法に関する。

方向性凝固システム（ＤＳＳ）や熱交換器法（ＨＥＭ）炉などの結晶成長装置あるいは結晶成長炉では、シリコンなどの原料物質をるつぼ内で溶解して制御しながら再凝固し、インゴットを製造する。融解した原料から凝固したインゴットの製造は、特定可能ないくつかのステップで長時間かけて行われる。例えば、ＤＳＳ法によりシリコンインゴットを製造するには、黒鉛るつぼ枠に収まっていることが多いるつぼに固体のシリコン原料を入れ、ＤＳＳ炉の高温帯に設置する。次いで原料を加熱して液状の原料溶融体を生成し、シリコンの融点である１４１２℃をはるかに上回る温度に炉を数時間保ち、確実に完全に溶解する。一旦完全に溶解したら、溶融体に配向性をもたせて凝固し、シリコンインゴットを生成するために、多くの場合、高温帯で温度勾配をもたせながら溶解した原料の熱を除去する。溶融体の凝固方法を制御することによって、出発原料物質よりも高い純度を有するインゴットを得ることができ、半導体産業や太陽電池産業などの高性能が求められるさまざまな用途で使用することができる。

シリコン原料の典型的な方向性凝固においては、生成する凝固したシリコンインゴットは一般に多結晶質で、その結晶粒子径は小さくさまざまで、配向も不規則である。例えば通常、ＤＳＳ法により製造した多結晶シリコンインゴットでは結晶粒子は不規則に配向し、そのサイズは５００ｍｍ^２以下であり、まれに１０００ｍｍ^２よりも大きな結晶粒子が観察される。不規則に配向したこれらの小さな粒界は、光で励起された電子及び正孔の再結合中心としてふるまうことが知られており、こうした欠陥により、多結晶シリコンで製造した太陽電池の効率が低下することが明らかになっている。

それに比べて、十分大きな結晶粒子又は単結晶構造をもつよう製造したシリコンインゴットでは、太陽電池の効率が向上することが分かっている。しかし、このような材料を調製する方法は概して遅くて難しく、費用がかかる。例えば、ＤＳＳ法あるいはＨＥＭ法のいずれかを用いて単結晶シリコンインゴットを製造するためには、単結晶シリコンの固体の種をシリコン原料と共にるつぼの底に置き、原料が完全に溶解した後もその種が保たれていれば、単結晶種の結晶配向に応じて溶融体が結晶化する。しかし、このような方法で種が溶解しないようにするのはたいてい難しく時間がかかり、ＨＥＭ炉の場合は追加の装置や制御が必要である。さらに、生成するシリコンインゴットでは概して、最終のシリコンインゴットまでの単結晶材料の収率はごく並である。収率が低いと使用できる材料を大幅に失うことになり、加工のコストと所望の最終製品の価格が上がる。

したがって、より高い総合効率を有する電池を提供するために、多結晶シリコンのように粒子径が大きく、それに応じて粒界が少ない結晶材料を経済的に、管理された状態のもとで製造する結晶成長装置及び方法が業界において必要とされている。

本発明は、断熱材に囲まれた高温帯と、高温帯内のるつぼ支持ブロック上に、任意選択でるつぼ枠内に収められたるつぼとを備える結晶成長装置に関する。少なくとも１つの空隙が、るつぼの底、任意選択のるつぼ枠の底、及び／又は、るつぼ支持ブロックにおいて設けられている。１つの実施形態では、このるつぼは、るつぼ支持ブロックの熱が伝達され、好ましくは、るつぼ支持ブロックと熱的に接触している底板を有するるつぼ枠に収められており、また、るつぼは、るつぼ枠の底板の熱が伝達され、好ましくは、るつぼ枠の底板と熱的に接触している。るつぼ支持ブロック、るつぼ枠の底板、又は、るつぼ支持ブロックとるつぼ枠の底板の両方には、少なくとも１つの空隙を備え、その空隙内で少なくとも１種類の冷却剤が循環するようになっている。別の実施形態では、このるつぼは、るつぼ支持ブロックの上にあり、また、るつぼ支持ブロックの熱が伝達される底、好ましくは、るつぼ支持ブロックと熱的に接触している底を有している。るつぼ支持ブロック、るつぼの底、又はるつぼ支持ブロックとるつぼの底の両方には、少なくとも１種類の冷却剤が循環するように少なくとも１つの空隙を備えている。この実施形態において、るつぼは、好ましくは炭化ケイ素、窒化ケイ素、あるいはシリカと炭化ケイ素との、又は窒化ケイ素との複合材でできている。

本発明はさらに、任意選択でるつぼ枠に収められている、固体の原料が入ったるつぼを、結晶成長装置の高温帯内のるつぼ支持ブロックの上に置くステップと、るつぼ内の固体の原料を加熱して液状の原料溶融体を生成するステップと、少なくとも１種類の冷却剤が、るつぼの底、任意選択のるつぼ枠の底、及び／又は、るつぼ支持ブロックの内部の少なくとも１つの空隙を循環するステップとを備える結晶材料を製造する方法に関する。１つの実施形態では、この方法は、ｉ）るつぼ枠に収められているるつぼを高温帯内のるつぼ支持ブロック上に置き、るつぼ枠は、るつぼ支持ブロック及び固体の原料が入ったるつぼの熱が伝達され、好ましくは、るつぼ支持ブロック及び固体の原料が入ったるつぼと熱的に接触している底板を有し、また、るつぼ枠の底板の熱が伝達され、好ましくは、るつぼ枠の底板と熱的に接触している底を有するステップと、ｉｉ）るつぼ内の固体の原料を加熱して液状の原料溶融体を生成するステップと、ｉｉｉ）少なくとも１種類の冷却剤が、るつぼ支持ブロック、るつぼ枠の底板、又は、るつぼ支持ブロックとるつぼ枠の底板の両方の内部の少なくとも１つの空隙を循環するステップと、ｉｖ）高温帯から熱を除去して結晶材料を生成するステップとを備える。別の実施形態では、この方法は、ｉ）るつぼを高温帯内のるつぼ支持ブロック上に置き、るつぼには固体の原料が入っており、るつぼ支持ブロックの熱が伝達される底、好ましくは、るつぼ支持ブロックと熱的に接触している底を有するステップと、ｉｉ）るつぼ内の固体の原料を加熱して液状の原料溶融体を生成するステップと、ｉｉｉ）少なくとも１種類の冷却剤が、るつぼ、るつぼ支持ブロック、又は、るつぼとるつぼ支持ブロックの両方、及び、るつぼ枠の底板の内部の少なくとも１つの空隙を循環するステップと、ｉｖ）高温帯から熱を除去して結晶材料を生成するステップとを備える。

上記の概要及び下記の詳細な説明の両方は、例示及び説明でしかなく、特許請求の範囲に記載されている本発明をさらに説明することを意図するものであると理解されるべきである。

本発明の結晶成長装置の実施形態の断面図である。 本発明の結晶成長装置の実施形態の別の特徴を示す、図１の挿入Ｂの拡大図である。 本発明の結晶成長装置の実施形態の別の特徴を示す、図１の挿入Ｂの拡大図である。 本発明の結晶成長装置の実施形態の別の特徴を示す、図１の挿入Ｂにおける拡大図である。 本発明の結晶成長装置の種々の実施形態に用いられる空隙の図である。 本発明の結晶成長装置の種々の実施形態に用いられる空隙の図である。 本発明の結晶成長装置の種々の実施形態に用いられる空隙の図である。 本発明の結晶成長装置の種々の実施形態に用いられる空隙の図である。 本発明の結晶成長装置の種々の実施形態に用いられる空隙の図である。 本発明の方法の実施形態を用いて調製した結晶材料の断面の一部である。 比較方法を用いて調製した結晶材料の断面の一部である。 図９及び図１０の結晶材料について測定した粒子面積の分布を示すグラフである。

本発明は、結晶成長装置及び結晶材料を製造する方法に関する。

本発明の結晶成長装置は、炉、特に高温炉であり、通常約１０００℃よりも高い温度でシリコンなどの固体の原料を加熱して溶融し、続いて、生成する溶解した原料物質の再凝固を促進して多結晶シリコンインゴットなどの結晶材料を生成することができる。例えば結晶成長装置は、方向性凝固システム（ＤＳＳ）結晶成長炉でもよい。好ましくは、固体の原料に単結晶シリコンの種は含まれないが、単結晶、又は実質的に単結晶の結晶材料が望まれる場合は使用してもよい。

本発明の結晶成長装置は、外部の炉室又は炉殻、及び炉殻内に内部の高温帯を備える。炉殻は、水などの冷却液を循環させる冷却水路を構成する外壁及び内壁を備えるステンレス鋼炉殻を含め、高温結晶化炉に用いられる、当分野におけるいかなる既知のものでよい。結晶成長装置の高温帯は、熱を供給して制御し、原料物質を溶融して再凝固することができる、炉殻内の内部領域である。高温帯は、断熱材で囲まれて構成され、この断熱材は、熱伝導率が低く、高温の結晶成長炉内の温度及び条件に耐えることができる、当分野におけるいかなる既知の材料でよい。例えば高温帯は、グラファイトの断熱材で囲まれていてもよい。高温帯の形状及び寸法は、固定式あるいは可動式のいずれでもよい複数の断熱パネルで構成してもよい。例えば高温帯は、上面及び側面の断熱パネルが高温帯内部に設置したるつぼに対して上下に動くようにして、上面、側面、及び底面の断熱パネルで形成することができる。

高温帯はさらに、任意選択でるつぼ枠内に収められたるつぼをるつぼ支持ブロック上に備え、さらに少なくとも１つの空隙を、るつぼの底、任意選択のるつぼ枠の底、及び／又は、るつぼ支持ブロックにおいて備えており、これは以下に詳しく説明する。るつぼは種々の耐熱材料、例えば、石英（シリカ）、グラファイト、炭化ケイ素、窒化ケイ素、シリカとシリコン炭素との、又は窒化ケイ素との複合材、熱分解窒化ホウ素、アルミナ、又はジルコニアで作ることができ、任意選択で窒化ケイ素などで被覆してインゴットが凝固後に割れないようにしてもよい。また、るつぼは少なくとも１つの側面及び底を有するさまざまな形状をしていてもよく、例えば、円筒形、立方体又は直方体（正方形の断面を有する）、あるいは先細の形状を含む。原料がシリコンのとき、好ましくは、るつぼはシリカで作り、立方体又は直方体の形状にする。

るつぼは、任意選択でるつぼ枠内に収めることができて、これによりるつぼの側面及び底面を支持し、剛性をもたせることができ、特に加熱されたときに損傷したり、割れたり、あるいは柔らかくなったりしやすい材料で作ったるつぼに対して特に好ましい。例えば、るつぼ枠は、シリカ製るつぼには好ましいが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、あるいはシリカと炭化ケイ素との、又は窒化ケイ素との複合材でできているるつぼには不必要であり得る。るつぼ枠は、グラファイトなどの種々の耐熱材料で作ることができて、通常少なくとも１つの側板及び底板を備え、任意選択でさらに蓋を備える。例えば、立方体又は直方体の形状のるつぼに対しては、るつぼ枠も好ましくは立方体又は直方体の形状で、４つの側壁及び底板を有し、任意選択で蓋を備える。

るつぼ、及び任意選択のるつぼ枠は、高温帯内のるつぼ支持ブロック上に備えられ、したがって、好ましくは熱的に直接接触して熱が一方から他方へ伝わるように互いに熱伝達する。るつぼ支持ブロックは、るつぼを結晶成長装置の中心の位置に設置するために、複数の台座の上に上げることができる。るつぼ支持ブロックは、グラファイトなどのいかなる耐熱材料でも作ることができて、るつぼ枠を使用している場合は、それと類似の材料が好ましい。

また、高温帯は複数の発熱体などの少なくとも１つの加熱設備を備え、るつぼに入れた固体の原料を溶かす熱を供給することができる。例えば高温帯には、るつぼ上方の高温帯の上部領域に水平に位置する上部発熱体、及び上部発熱体の下方に、高温帯及びるつぼの側面に沿って垂直に位置する少なくとも１つの側面発熱体を備えることができる。高温帯内の温度は、種々の発熱体に供給する電力を調整することで制御することができる。

前述のとおり高温帯にはさらに、るつぼの底、任意選択のるつぼ枠の底、るつぼ支持ブロック、又はこれらのあらゆる組み合わせにおいて少なくとも１つの空隙を備える。空隙は、その内部に少なくとも１種類の冷却剤を含み、循環するよう構成されている。冷却剤は、空隙を流れ、るつぼ内で生成した液状の原料溶融体を含むるつぼの下から熱を除去することができる任意の物質である。冷却剤は、アルゴン若しくはヘリウムなどの気体又は混合気体でもよく、あるいは水などの液体又は混合液でもよい。本発明の１つの実施形態では、結晶成長装置には、高温帯内のるつぼ支持ブロック上のるつぼ枠に収められているるつぼを備える。るつぼ枠には、るつぼ支持ブロックと熱的に接触している底板があり、るつぼには、るつぼ枠の底板と熱的に接触している底がある。るつぼ支持ブロック、るつぼ枠の底板、又は、るつぼ支持ブロックとるつぼ枠の底板の両方には、内部の冷却剤を循環するように構成された少なくとも１つの空隙を備える。本発明の別の実施形態では、結晶成長装置には、高温帯内のるつぼ支持ブロック上にるつぼを備え、るつぼは、るつぼ支持ブロックと熱的に接触している底を有し、るつぼ支持ブロック、るつぼの底、又は、るつぼ支持ブロックとるつぼの底の両方には、内部の冷却剤を循環するように構成された少なくとも１つの空隙を備える。両方の実施形態において、空隙には好ましくは冷却剤の入口及び出口が別々にあり、これによって冷却剤は空隙に入り、空隙内を循環して、るつぼ内の液状の原料溶融体を下から冷却し、空隙を出ることができる。気体の冷却剤については、冷却剤を結晶成長装置、特に高温帯内に放出することができる。

空隙は、さまざまな形状をしていてもよく、当分野におけるいかなる既知の方法を用いて備えることができて、例えば、るつぼの底、任意選択のるつぼ枠、及び／又は、るつぼ支持ブロックにおいて穴をあけたり、又はその一部を切り取って、あるいは所定の位置に空隙を有するこれらの構成品を前もって形成したりする方法が含まれる。また、空隙を構成品の１つに形成し、適切な形状にした挿入物を空隙内に設けて、所望の最終形状を作り出すこともできる。好ましくは、空隙は中心対称の断面形状をしており、空隙の中心に対して垂直な回転対称軸を有する。例えば空隙は、るつぼの底と平行な方向の断面形状が正方形、長方形、楕円形、又は円形でもよい。また空隙は、入口から出口へ一定、又は変化する厚さを有し、るつぼの底と平行な方向にらせん状の経路を形成してもよい。加えて空隙は、るつぼの底と垂直な方向の断面形状が凹形、又は凸形でもよい。

さらに空隙は、るつぼの底、任意選択のるつぼ枠の底、及び／又は、るつぼ支持ブロックにおいて設けることができる。例えば空隙は、これらの構成品内の水平面の中央に配置することができ、好ましくは、るつぼの中心の下方に設ける。加えて、るつぼ、るつぼ枠、又は、るつぼ支持ブロックはそれぞれ、１つ以上の空隙を備えてもよい。例えば、正方形の形状のるつぼ支持ブロックには、中央に１つの空隙を備えてもよく、あるいは各隅の空隙と共に、中央に空隙を備えてもよい。また空隙は、構成品の垂直方向の中央にあってもよく、あるいは上面又は底の表面いずれかにあってもよく、こうして構成品の上方又は下方にある構成品と接触させることができる。好ましくは空隙は、できるだけるつぼ内の原料に近くなるように構成品内に備える。例えば空隙は、るつぼの底と熱的に接触しているるつぼ支持ブロックの表面、又は任意選択のるつぼ枠の底板に沿わせることができる。また、２つの隣接する構成品は、合わさることで冷却剤を循環させるためのより大きな空隙を形成する空隙をそれぞれ備えてもよい。例えば、るつぼ支持ブロックの上面に浅い円形の空隙を備え、るつぼ枠の底板の底の表面にも浅い円形の空隙を備えて、それらが合わさって冷却剤を循環させるためのより大きな円筒形の空隙を形成してもよい。その他の組み合わせは、当業者によって認識されるであろう。

空隙の厚さは、その空隙を備える構成品の厚さ、及び使用される材料の種類によって変わり得る。通常、るつぼの底、又はるつぼ枠の底に備えられる空隙は、それぞれが概して相対的に薄く、るつぼ支持ブロック内に備えられる、概してより厚く、より強固な空隙よりも薄く、直径が小さくなるであろう。また、グラファイト又は炭化ケイ素などの材料で作られた構成品は、より広く、より大きな空隙に耐えることができる。例えば、るつぼの底に空隙があり、るつぼがシリカで作られている本発明の実施形態においては、るつぼが割れてこぼれないように空隙は相対的に小さく、薄くなるであろう。炭化ケイ素のるつぼにおいては、空隙の厚さは相対的により大きくてもよい。また、グラファイトで作られたるつぼ枠の底板内に配置された空隙を使用している場合、その空隙は、るつぼ内の原料の重量に耐えられる適切なサイズと直径である必要があり、これは、６５０ｋｇを超えるような大きな荷重がかかるときに特に重要である。るつぼ支持ブロック内に備えられる空隙は、通常大きく、グラファイトで作られるが、るつぼ支持ブロックの完全性を損なうことなく、大きく、厚くすることができる。特定の材料で作られている特定のるつぼ、硬化性の枠、及び、るつぼ支持ブロックにおける所望の空隙サイズは、必要以上の実験をすることなく当業者によって容易に決めることができるであろう。

図１は、本発明における結晶成長装置の実施形態の断面図である。しかし、これらは本発明を本質的に例示するだけのものであって、限定するものではなく、例として提示したにすぎないことは当業者にとって自明である。多くの変形例や他の実施形態が通常の技術力を有する当業者が理解する範囲において存在し、本発明の範囲内に含まれると考えられる。さらに、特定の構成が例示であって、実際の構成は特定のシステムによることを当業者なら理解するであろう。また、示された特定の要素の均等物を通常の実験内で当業者は認識し、識別することができるであろう。

図１に示す結晶成長装置１０は、炉殻１１、及び炉殻１１内に断熱材１３によって囲まれて構成される高温帯１２を備える。るつぼ枠１５内の、原料１６が入ったるつぼ１４は、台座１８の上に上げられたるつぼ支持ブロック１７上の高温帯１２に備えられる。高温帯１２にはさらに、上部ヒーター１９ａ及び２つの側面ヒーター１９ｂを備える加熱設備を含む。断熱材かご１３は、矢印Ａで示すように上下に動き、これが結晶成長装置１０の高温帯から熱を除去する主要な手段であり、こうして高温帯１２及びその中に含まれる構成品を外殻１１にさらし、この外殻は、水などの冷媒を用いて冷却される。

結晶成長装置１０の高温帯１２はさらに、図１で強調表示している区画Ｂの拡大図である図２、図３、及び図４にそれぞれ示すとおり、るつぼ支持ブロック１７内、るつぼ枠１５の底板１５ａ内、又はるつぼ１４の底１４ｂ内に空隙２０、３０、及び４０を備える。これらの図それぞれに示すとおり、るつぼの底１４ｂは、るつぼ枠の底板１５ｂと熱的に接触しており、るつぼ枠の底板はさらに、るつぼ支持ブロック１７と熱的に接触しており、空隙２０、３０、及び４０は、るつぼ１４の中心Ｃ、及びその中に入っている原料１６の下に位置している。空隙２０、３０、及び４０はさらに、冷却剤入口２１、３１、及び４１、並びに冷却剤出口２２、３２、及び４２をそれぞれ含み、これらは交換可能に使用することができる。

図５、図６、図６ａ、図７、及び図８はそれぞれ、本発明の結晶成長装置に使用できる空隙の具体例を示す。特に図５は、１つの冷却剤気体入口５１、及び３つの冷却剤気体出口５２と共に、らせん状空隙５０を有するるつぼ枠５５の底板の略図である。見て分かるとおり、らせん状空隙５０は、るつぼ枠底板の上面にあるので、その上に配置されたるつぼの底と熱的に直接接触することになる。図６は、上面の水平方向中央に配置された円形開口６３を形成する円筒形空隙６０を有するるつぼ支持ブロック６７の略図であり、その上に配置されたるつぼ枠の底板、又は、るつぼの底のいずれかと熱的に直接接触することになる。図６ａは、このるつぼ支持ブロックの別の図で、対角線に沿った断面である。空隙６０には、４つの冷却剤出口６２と共に、１つの冷却剤入口６１を有する（３つが図６中に見えており、２つが図６ａ中に見えている）。図７及び図８は、凸形及び凹形の空隙挿入物それぞれの断面図であり、そのいずれかを、冷却剤入口（６１と、７１又は８１）及び冷却剤出口（６２と、７２又は８２）を合わせて所望の凹形又は凸形の空隙形状を作るように、図６ａ中の空隙と同様の円筒形の空隙内に配置することができる。

本発明の結晶成長装置は、シリコンなどの固体の原料から、多結晶シリコンインゴットなどの結晶材料を調製するための方法に用いることができる。したがって本発明はさらに、結晶材料を調製する方法に関する。この方法は、任意選択でるつぼ枠内に収められた、固体の原料が入っているるつぼを結晶成長装置の高温帯内のるつぼ支持ブロック上に置くステップと、るつぼ内の固体の原料を加熱して液状の原料溶融体を生成するステップとを備える。好ましくは、るつぼには少なくとも１種類の固体の原料が入っており、単結晶種は含まない。一旦固体の原料が完全に溶解した後、この方法はさらに、るつぼの底、るつぼ枠の底板、及び／又は、るつぼ支持ブロックの内部の少なくとも１つの空隙に少なくとも１種類の冷却剤を循環させるステップと、高温帯から熱を除去して結晶材料を生成するステップとを備える。冷却剤の循環は、熱を除去し始める前でも、熱の除去と同時でもよい。るつぼ、任意選択のるつぼ枠、るつぼ支持ブロック、及び空隙は、上述したいずれでもよい。この方法の１つの実施形態では、るつぼ枠に収められているるつぼをるつぼ支持ブロック上に置き、そのるつぼ枠には、るつぼ支持ブロックと熱的に接触している底板があり、そのるつぼには、固体の原料が入っており、るつぼ枠の底板と熱的に接触している底がある。るつぼ内の固体の原料を加熱し、完全に溶融して液状の原料溶融体を生成した後、少なくとも１種類の冷却剤を、るつぼ支持ブロック、るつぼ枠の底板、又は、るつぼ支持ブロックとるつぼ枠の底板の両方に設けられた少なくとも１つの空隙内に循環させ、熱を高温帯から除去する。この方法の別の実施形態では、るつぼをるつぼ支持ブロック上に置き、そのるつぼには、固体の原料が入っており、るつぼ支持ブロックと熱的に接触している底があり、固体の原料をるつぼ内で加熱して完全に溶解し、液状の原料溶融体を生成する。少なくとも１種類の冷却剤を、るつぼ、るつぼ支持ブロック、又は、るつぼとるつぼ支持ブロックの両方に設けられた少なくとも１つの空隙に循環させ、熱を高温帯から除去して結晶材料を生成する。

本発明の方法及び装置においては、るつぼの底、るつぼ枠の底板、及び／又は、るつぼ支持ブロックの内部の空隙を冷却剤が循環するが、この方法及び装置によって製造された結晶材料では、るつぼの下で冷却剤を循環させるために用いる空隙がない同様の方法及び装置を用いて製造された結晶材料と比べて、結晶の粒子径が著しく大きいことが分かっている。１つの例として、本発明の方法及び装置を用いて多結晶シリコンインゴットを調製し、比較例として、空隙又は循環する冷却剤を備えていない比較の方法を用いて多結晶シリコンインゴットを調製した。インゴットはワイヤソーで切断し、粒界は光学スキャナーを用いて、露出した断面の部分で確認した。得られた画像を図９（本発明の方法及び装置を用いて製造した多結晶シリコン）及び図１０（比較の方法及び装置を用いて製造した多結晶シリコン）に示す。画像解析ソフトウェアを用いて粒子径を定量化し、分布を計算した。統計的な粒子径の分布を以下の表１及び図１１のグラフで示す。

データが示すとおり、本発明の方法により製造された多結晶シリコンインゴットの６６．８％の平均粒子径が５００ｍｍ^２より大きい一方、比較の多結晶シリコンインゴットでは３３％のみが同じ範囲の粒子径であった。したがって、著しく大きな粒子径を有する多結晶シリコンが、本発明の方法及び装置によって製造される。加えて、本発明の方法で製造された多結晶シリコンの結晶粒子は、シリコンインゴットの下から上まで実質的に柱状で、インゴットの上半分も下半分も粒子径が大きいことが明らかになっている。さらに、結果として生じる結晶粒子の配向は再現することが観察された。すなわち、同じ構成品に備えられた同じ空隙と共に同じ方法を用いると、同様の粒子径及び配向を有する結晶材料が製造された。結果として生じる結晶材料は、全体的に大きな粒子径を有するが、より優れた電気的及び構造的特性を備え、それによって太陽電池の性能が総合的に改善し、ウエハをより薄く切断できるようになると予想される。

上記の本発明の好ましい実施形態は、説明及び記載の目的のために示したものである。本発明の内容を網羅するものではなく、開示されている形態に厳密に本発明を限定することも意図していない。変形例及び変更例は上記教示に鑑み可能であり、あるいは本発明の実施によっても習得可能である。検討している特定の利用にふさわしく、種々の実施形態において種々の変形例を用いて本発明を当業者が利用できるよう、本発明の原理及び実際の応用を説明するために、実施形態を選択し、説明した。本発明の範囲は、ここに添付する特許請求の範囲及びその均等物により規定するものである。

Claims (30)

1. 断熱材に囲まれた高温帯と、
   前記高温帯内のるつぼ支持ブロック上のるつぼ枠であって、前記るつぼ支持ブロックと熱的に接触している底板を有するるつぼ枠と、
   前記るつぼ枠の底板と熱的に接触している底を有する前記るつぼ枠内のるつぼであって、前記るつぼ支持ブロック、前記るつぼ枠の底板、又は前記るつぼ支持ブロックと前記るつぼ枠の底板の両方が、少なくとも１種類の冷却剤を内部に循環させるように構成された少なくとも１つの空隙を備えるるつぼと
   を備える、結晶成長装置。
2. 前記るつぼ支持ブロックが、少なくとも１種類の冷却剤を内部に循環させるように構成された少なくとも１つの空隙を備える、請求項１に記載の結晶成長装置。
3. 前記空隙が前記るつぼ枠の底板と接触している、請求項２に記載の結晶成長装置。
4. 前記るつぼ枠の底板が、少なくとも１種類の冷却剤を内部に循環させるように構成された少なくとも１つの空隙を備える、請求項１に記載の結晶成長装置。
5. 前記空隙が、前記るつぼの底と接触している、請求項４に記載の結晶成長装置。
6. 前記空隙が、前記るつぼ支持ブロックと接触している、請求項４に記載の結晶成長装置。
7. 前記るつぼの底が、前記るつぼ枠の底板と接触している少なくとも１つの空隙を備え、前記空隙が、少なくとも１種類の冷却剤を内部に循環させるように構成された、請求項１に記載の結晶成長装置。
8. 前記空隙が、前記冷却剤を循環させるための入口及び出口を別々に備える、請求項１に記載の結晶成長装置。
9. 前記出口が、前記冷却剤を前記高温帯内に放出するように構成された、請求項８に記載の結晶成長装置。
10. 前記冷却剤が気体である、請求項１に記載の結晶成長装置。
11. 前記気体の冷却剤がアルゴン又はヘリウムである、請求項１０に記載の結晶成長装置。
12. 前記空隙が、前記るつぼの底に対して中央に配置されている、請求項１に記載の結晶成長装置。
13. 前記空隙が、前記るつぼの底と平行な方向に円形の断面形状を有する、請求項１に記載の結晶成長装置。
14. 前記空隙が、前記るつぼの底と平行な方向にらせん状の断面形状を形成している、請求項１に記載の結晶成長装置。
15. 前記らせんが、変化する経路厚さを有する、請求項１４に記載の結晶成長装置。
16. 前記らせんが、一定の経路厚さを有する、請求項１４に記載の結晶成長装置。
17. 前記空隙が、前記底及び前記るつぼと垂直な方向に凹形の断面形状を有する、請求項１に記載の結晶成長装置。
18. 前記空隙が、前記るつぼの底と垂直な方向に凸形の断面形状を有する、請求項１に記載の結晶成長装置。
19. 前記るつぼが、少なくとも１種類の固体の原料を含み、単結晶種を含まない、請求項１に記載の結晶成長装置。
20. 前記るつぼがシリコンを含む、請求項１に記載の結晶成長装置。
21. 前記断熱材が、前記るつぼに対して上下に動く、請求項１に記載の結晶成長装置。
22. 前記高温帯がさらに、少なくとも１つの発熱体を備える、請求項１に記載の結晶成長装置。
23. 前記高温帯が、前記るつぼ上方の上部発熱体と、前記るつぼを囲む少なくとも１つの側面発熱体とを備える、請求項２２に記載の結晶成長装置。
24. 断熱材に囲まれた高温帯と、
    前記高温帯内のるつぼ支持ブロック上のるつぼであって、前記るつぼ支持ブロックと熱的に接触している底を有するるつぼとを備え、
    前記るつぼ支持ブロック、前記るつぼの底、又は前記るつぼ支持ブロックと前記るつぼの底の両方が、少なくとも１種類の冷却剤を循環させるように構成された少なくとも１つの空隙を備える、結晶成長装置。
25. 前記るつぼが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、あるいはシリカと炭化ケイ素との、又は窒化ケイ素との複合材である、請求項２４に記載の結晶成長装置。
26. 結晶材料を製造する方法であって、
    ｉ）結晶成長装置の高温帯内のるつぼ支持ブロック上のるつぼ枠に含まれるるつぼを設置するステップであって、前記るつぼ枠が、前記るつぼ支持ブロックと熱的に接触している底板を有し、前記るつぼが、固体の原料を含み、前記るつぼ枠の底板と熱的に接触している底を有しているステップと、
    ｉｉ）前記るつぼ内の前記固体の原料を加熱して、液状の原料溶融体を生成するステップと、
    ｉｉｉ）前記るつぼ支持ブロック、前記るつぼ枠の底板、又は前記るつぼ支持ブロックと前記るつぼ枠の底板の両方の内部の少なくとも１つの空隙に少なくとも１種類の冷却剤を循環させるステップと、
    ｉｖ）前記高温帯から熱を除去して、前記結晶材料を生成するステップと
    を備える、方法。
27. 前記結晶材料が、複数の結晶粒子を有する多結晶シリコンである、請求項２６に記載の方法。
28. 前記多結晶シリコンの結晶粒子が柱状である、請求項２７に記載の方法。
29. 前記るつぼが、少なくとも１種類の固体の原料を含み、単結晶種を含まない、請求項２６に記載の方法。
30. 結晶材料を製造する方法であって、
    ｉ）結晶成長装置の高温帯内のるつぼ支持ブロック上にるつぼを設置するステップであって、前記るつぼが、固体の原料を含み、前記るつぼ支持ブロックと熱的に接触している底を有しているステップと、
    ｉｉ）前記るつぼ内の前記固体の原料を加熱して、液状の原料溶融体を生成するステップと、
    ｉｉｉ）前記るつぼ、前記るつぼ支持ブロック、又は前記るつぼと前記るつぼ支持ブロックの両方の内部の少なくとも１つの空隙に少なくとも１種類の冷却剤を循環させるステップと、
    ｉｖ）前記高温帯から熱を除去して、前記結晶材料を生成するステップと
    を備える、方法。

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