JP2015214473A - Method for manufacturing ingot of polycrystal silicon - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing without using a seed crystal an ingot of polycrystal silicon suitable for producing a solar battery element capable of improving conversion efficiency.SOLUTION: A method for manufacturing an ingot of polycrystal silicon includes a step for preparing a mold 3 having a release layer 32 on each of an inner side wall 3e and an inner bottom wall 3d, a step for disposing a buffer silicon 4 which is not a seed crystal on the inner bottom wall 3d of the mold 3, a step for pouring silicon melt 2 into the mold 3 so that the melt collides with the buffer silicon 4 to supply a predetermined amount of the silicon melt 2 to the mold 3, and a step for subjecting the silicon melt 2 to unidirectional solidification from the inner bottom wall 3d of the mold 3 upward to obtain an ingot of polycrystal silicon.

Description

本発明は、多結晶シリコンのインゴットの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a polycrystalline silicon ingot.

結晶シリコン系太陽電池に用いられる多結晶シリコンの基板は、例えば、多結晶シリコンのインゴットを、ワイヤソー装置等を用いて所望の厚さに薄切りすることによって作製される。このインゴットはキャスト法等によって作製される。キャスト法では、例えば、底面および側面を有する鋳型に供給されたシリコン融液を、鋳型の底面から上方に向けて一方向凝固させることによって、多結晶シリコンのインゴットが作製される。   A polycrystalline silicon substrate used for a crystalline silicon solar cell is manufactured by, for example, slicing a polycrystalline silicon ingot to a desired thickness using a wire saw device or the like. This ingot is produced by a casting method or the like. In the casting method, for example, a silicon melt supplied to a mold having a bottom surface and a side surface is solidified unidirectionally upward from the bottom surface of the mold to produce a polycrystalline silicon ingot.

鋳型へのシリコン融液の供給手段には、鋳型とは別の坩堝内で溶融させたシリコン融液を、坩堝から鋳型内に注いで供給する方式(以下、注湯方式という)が知られている(例えば、下記の特許文献1を参照)。この注湯方式では、原料の溶融と凝固とをそれぞれ別々の坩堝と鋳型とで行う。このため、シリコン原料の溶融中に融液と鋳型とが接することがないので、融液中に含まれる鋳型起因の不純物量を低く抑えることができる。また、鋳型の準備とシリコン原料の溶融とを並行して行うことができるので、インゴットの製造タクトを短縮できる。また、坩堝および鋳型をそれぞれ適した構成にすることで、インゴット等の生産性および太陽電池の特性向上を図ることができる。   As a means for supplying the silicon melt to the mold, there is known a system (hereinafter referred to as a pouring method) in which a silicon melt melted in a crucible separate from the mold is poured into the mold from the crucible. (For example, refer to Patent Document 1 below). In this pouring method, the raw material is melted and solidified in separate crucibles and molds. For this reason, since the melt and the mold do not come into contact with each other during the melting of the silicon raw material, the amount of impurities caused by the mold contained in the melt can be kept low. In addition, since the preparation of the mold and the melting of the silicon raw material can be performed in parallel, the manufacturing tact of the ingot can be shortened. In addition, by making the crucible and the mold suitable, it is possible to improve the productivity of the ingot and the characteristics of the solar cell.

ところが、注湯方式によるキャスト法では、インゴット中に結晶欠陥が生じることがある。この結晶欠陥の発生は、シリコン融液を内壁に離型材層を設けた鋳型内に注いだ際に、シリコン融液が離型材層に衝突する衝撃で離型材層の一部が剥がれることが原因と考えられる。インゴット中に生じた結晶欠陥は、太陽電池の変換効率など素子特性の低下の原因となりうる。   However, in the casting method by the pouring method, crystal defects may occur in the ingot. The occurrence of this crystal defect is due to the fact that when the silicon melt is poured into a mold having a release material layer on the inner wall, a part of the release material layer is peeled off by the impact of the silicon melt colliding with the release material layer. it is conceivable that. Crystal defects generated in the ingot can cause deterioration of device characteristics such as conversion efficiency of solar cells.

結晶欠陥の少ないインゴットを作製する方法として、鋳型の底部に配置された種結晶を起点としてシリコン融液を結晶化させる方法(以下、シードキャスト法という)が提案されている(例えば、下記の特許文献2、3を参照)。   As a method of producing an ingot with few crystal defects, a method of crystallizing a silicon melt from a seed crystal arranged at the bottom of a mold (hereinafter referred to as seed casting method) has been proposed (for example, the following patents) References 2 and 3).

特開2001−19591号公報JP 2001-19591 A 特表2010−534179号公報JP 2010-534179 gazette 特開2007−63049号公報JP 2007-63049 A

しかしながら、シードキャスト法には次に示す(1)〜(2)などの課題がある。
(1)高品質で大面積の種結晶を準備する必要がある。
(2)種結晶の表面全体を溶融させた状態で、鋳型の底面までは溶融していない種結晶を核として結晶を成長させるので、種結晶を残しつつ結晶を成長させるためのシリコン融液および鋳型の温度制御が困難である。
However, the seed casting method has the following problems (1) to (2).
(1) It is necessary to prepare a seed crystal having a high quality and a large area.
(2) Since the crystal is grown with the seed crystal not melted up to the bottom surface of the mold in the state where the entire surface of the seed crystal is melted, the silicon melt for growing the crystal while leaving the seed crystal and It is difficult to control the temperature of the mold.

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、種結晶を使用せずに、変換効率を向上し得る太陽電池の作製に適した、多結晶シリコンのインゴットを提供できることを1つの目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to provide a polycrystalline silicon ingot suitable for the production of a solar cell capable of improving the conversion efficiency without using a seed crystal. Objective.

本発明に係る多結晶シリコンのインゴットの製造方法は、側部内壁および底部内壁のそれぞれに離型材層を有する鋳型を準備する工程と、該鋳型の前記底部内壁の上に非種結晶の緩衝シリコンを配置する工程と、前記鋳型内にシリコン融液が前記緩衝シリコンに衝突するように注いで、前記鋳型内に前記シリコン融液の所定量を供給する工程と、前記シリコン融液を前記鋳型の前記底部から上方へ向って一方向凝固させて、多結晶シリコンインゴットを得る工程と、を有する。   The method for producing a polycrystalline silicon ingot according to the present invention comprises a step of preparing a mold having a release material layer on each of a side inner wall and a bottom inner wall, and non-seed buffer silicon on the bottom inner wall of the mold. Placing a silicon melt into the mold so that the silicon melt collides with the buffer silicon, supplying a predetermined amount of the silicon melt into the mold, and adding the silicon melt to the mold. And unidirectionally solidifying upward from the bottom to obtain a polycrystalline silicon ingot.

上記の製造方法によれば、種結晶を使用しなくても、変換効率を向上し得る太陽電池の作製に適した、転位などの結晶欠陥が少ない多結晶シリコンのインゴットを簡便に提供することができる。   According to the above manufacturing method, it is possible to simply provide a polycrystalline silicon ingot with few crystal defects such as dislocations, which is suitable for the production of a solar cell that can improve the conversion efficiency without using a seed crystal. it can.

図1は本発明の一実施形態に係る製造方法に用いるインゴット製造装置の主要部を説明する断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the main part of an ingot manufacturing apparatus used in a manufacturing method according to an embodiment of the present invention. 図2は本発明の一実施形態に係る製造方法に用いる鋳型内の様子を説明する図であり、図2(a)は鋳型内に複数の塊状の緩衝シリコンを配置している様子を示す断面図、図2(b)は鋳型内に複数枚の板状の緩衝シリコンを配置している様子を示す断面図である。FIG. 2 is a view for explaining a state in a mold used in a manufacturing method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 (a) is a cross section showing a state in which a plurality of massive buffer silicons are arranged in the mold. FIG. 2 and FIG. 2B are cross-sectional views showing a state in which a plurality of plate-shaped buffer silicons are arranged in a mold. 図3は本発明の一実施形態に係る製造方法に用いる鋳型内の様子を説明する図であり、図3(a)は鋳型内に複数の塊状の緩衝シリコンを配置している様子を示す断面図、図3(b)は鋳型内に上下に互いに平均粒径が異なる複数の塊状の緩衝シリコンを配置している様子を示す断面図である。FIG. 3 is a view for explaining a state in the mold used in the manufacturing method according to one embodiment of the present invention, and FIG. 3A is a cross section showing a state in which a plurality of massive buffer silicons are arranged in the mold. FIG. 3B is a cross-sectional view showing a state in which a plurality of massive buffer silicons having different average particle diameters are arranged in the upper and lower sides in the mold. 図4は本発明の一実施形態に係る製造方法に用いる鋳型内の様子を説明する図であり、図4(a)は鋳型内に複数の塊状の緩衝シリコンを配置している様子を示す断面図、図4(b)は鋳型内に円盤状の緩衝シリコンを配置している様子を示す断面図である。FIG. 4 is a view for explaining a state in the mold used in the manufacturing method according to the embodiment of the present invention, and FIG. 4A is a cross section showing a state in which a plurality of massive buffer silicons are arranged in the mold. FIG. 4 and FIG. 4B are cross-sectional views showing a state in which disc-shaped buffer silicon is disposed in the mold. 図5(a)〜(c)は、それぞれ本発明の一実施形態に係る製造方法の工程を示す断面図である。5A to 5C are cross-sectional views showing the steps of the manufacturing method according to the embodiment of the present invention. 図6(a)〜(c)は、それぞれ本発明の一実施形態に係る製造方法の工程を示す断面図である。6 (a) to 6 (c) are cross-sectional views showing the steps of the manufacturing method according to the embodiment of the present invention. 図7は測定位置とエッチピットの密度との関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the measurement position and the etch pit density.

以下、本発明の多結晶シリコンのインゴットの製造方法に係る実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面はいずれも模式的に示されたものであり、各図における構成部材の大きさおよび位置関係等は適宜変更し得る。また、以下の説明で単に「インゴット」とは「多結晶シリコンのインゴット」を意味するものとする。   Embodiments of a method for producing a polycrystalline silicon ingot according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, all the drawings are schematically shown, and the size and positional relationship of constituent members in each drawing can be appropriately changed. Further, in the following description, “ingot” simply means “ingot of polycrystalline silicon”.

<インゴット製造装置>
図1にインゴット製造装置Sの主要部を示す。図1に示すように、インゴット製造装置Sの構成要素である坩堝1は、例えば固体の原料シリコンを溶融してシリコン融液2とするためのものであり、その内側にシリコン融液2が入る。また、坩堝1の外側周囲には例えばヒーターなど不図示の加熱手段等が配置されている。この加熱手段によって、例えば、坩堝1内に設けられた固体の原料シリコンを融点以上に加熱して溶融する。
<Ingot production equipment>
The main part of the ingot manufacturing apparatus S is shown in FIG. As shown in FIG. 1, a crucible 1 that is a constituent element of an ingot manufacturing apparatus S is for melting, for example, solid raw material silicon into a silicon melt 2, and the silicon melt 2 enters inside thereof. . Further, a heating means (not shown) such as a heater is disposed around the outside of the crucible 1. By this heating means, for example, solid raw material silicon provided in the crucible 1 is heated to a melting point or higher and melted.

坩堝1と同様に、インゴット製造装置Sの構成要素である鋳型3は、本体31および離型材層32を有している。また、鋳型3は、坩堝1からシリコン融液2が注がれる開口部3aを上部に有している。また、鋳型3は、注がれたシリコン融液2を保持するための側
部3bおよび底部3cを有している。また、鋳型3の本体31は、組み立ておよび解体が可能な複数の側板31aおよび底板31bから構成されているとよい。
Similar to the crucible 1, the mold 3 that is a component of the ingot manufacturing apparatus S has a main body 31 and a release material layer 32. Moreover, the casting_mold | template 3 has the opening part 3a into which the silicon melt 2 can be poured from the crucible 1 in the upper part. Moreover, the casting_mold | template 3 has the side part 3b and the bottom part 3c for hold | maintaining the poured silicon melt 2. FIG. Moreover, the main body 31 of the casting_mold | template 3 is good to be comprised from the some side plate 31a and the bottom plate 31b which can be assembled and disassembled.

鋳型3の側部3bおよび底部3cのそれぞれの内壁(側部内壁3eおよび底部内壁3d)には、凝固したインゴットが鋳型3の本体31に直接固着しないように、離型材層32が配設されている。つまり、鋳型3の本体31の内側表面に離型材層32が例えば塗布されている。なお、鋳型3の外側周囲には、鋳型3内に所望の温度勾配を形成するために、不図示の加熱手段、断熱部材および冷却機構等が配置されている。   A release material layer 32 is disposed on each inner wall (side inner wall 3e and bottom inner wall 3d) of the side 3b and the bottom 3c of the mold 3 so that the solidified ingot does not directly adhere to the main body 31 of the mold 3. ing. That is, the release material layer 32 is applied to the inner surface of the main body 31 of the mold 3, for example. In addition, in order to form a desired temperature gradient in the mold 3, a heating means (not shown), a heat insulating member, a cooling mechanism, and the like are arranged around the outside of the mold 3.

鋳型3内には、離型材層32の上に緩衝シリコン4が配置されている。ここで、緩衝シリコン4が配置される鋳型3の底部3cの部位5は、緩衝シリコン4が配置されない部位よりも、離型材層32が部分的または全体的に厚く設けられていてもよい。これにより、緩衝シリコン4が離型材層32によって保持されやすくなるので、緩衝シリコン4は容易には位置がずれない。   In the mold 3, the buffer silicon 4 is disposed on the release material layer 32. Here, the part 5 of the bottom 3c of the mold 3 where the buffer silicon 4 is disposed may be provided with a parting material layer 32 that is partially or entirely thicker than the part where the buffer silicon 4 is not disposed. Thereby, since the buffer silicon 4 is easily held by the release material layer 32, the buffer silicon 4 is not easily displaced.

緩衝シリコン4は非種結晶である。つまり、緩衝シリコン4は鋳型3内のシリコン融液2を冷却して結晶成長させる際に、緩衝シリコンを核とした結晶成長が行われない非種結晶である。緩衝シリコン4は、多結晶または単結晶のシリコンでよいが、種結晶のように高品質の単結晶でなくともよく、種結晶のように大面積のものを準備する必要がない。また、緩衝シリコン4は、それを核として結晶を成長させないので、種結晶を用いるシードキャスト法と比べて、シリコン融液2および鋳型3に対する精度の高い温度制御が不要である。このため、ヒーターなどの加熱手段またはインゴット製造装置Sが簡略化できる。また、緩衝シリコン4は、種結晶のように予備加熱が不要であるので、鋳型およびインゴット製造装置Sへの熱負荷が少ない。このため、インゴット中への異物および不純物の混入が抑えられるとともに、鋳型の耐久性(寿命)も向上する。   The buffer silicon 4 is a non-seed crystal. That is, the buffer silicon 4 is a non-seed crystal in which crystal growth with the buffer silicon as a nucleus is not performed when the silicon melt 2 in the mold 3 is cooled and crystal is grown. The buffer silicon 4 may be polycrystalline or single crystal silicon, but may not be a high-quality single crystal like a seed crystal, and it is not necessary to prepare a large area like a seed crystal. Further, since the buffer silicon 4 does not grow a crystal using it as a nucleus, it is not necessary to control the temperature of the silicon melt 2 and the mold 3 with high accuracy as compared with the seed casting method using a seed crystal. For this reason, heating means, such as a heater, or the ingot manufacturing apparatus S can be simplified. Moreover, since the buffer silicon 4 does not require preheating like the seed crystal, the thermal load on the mold and the ingot manufacturing apparatus S is small. For this reason, mixing of foreign matters and impurities into the ingot is suppressed, and the durability (life) of the mold is also improved.

緩衝シリコン4は、シリコン融液2が鋳型3内に供給されるときに、シリコン融液2が鋳型3に最初に衝突する際の衝撃を和らげる。そして、緩衝シリコン4は、落下したシリコン融液2の最初の液滴2aが離型材層32に直に衝突しないようにしている。このように、シリコン融液2が最初に衝突する部位が緩衝シリコン4の表面4aとなるようにしている。緩衝シリコン4はシリコン融液2による鋳型3への衝撃を和らげるだけでよく、緩衝シリコン4の全体、または一部を鋳型3と接する下方部まで溶融させてもよい。これにより、緩衝シリコン4は種結晶を用いる場合に比べて少量で薄くすることができる。   The buffer silicon 4 softens the impact when the silicon melt 2 first collides with the mold 3 when the silicon melt 2 is supplied into the mold 3. The buffer silicon 4 prevents the first droplet 2 a of the dropped silicon melt 2 from directly colliding with the release material layer 32. In this way, the part where the silicon melt 2 first collides becomes the surface 4 a of the buffer silicon 4. The buffer silicon 4 only needs to relieve the impact of the silicon melt 2 on the mold 3, and the entire buffer silicon 4 or a part thereof may be melted to a lower part in contact with the mold 3. Thereby, the buffer silicon 4 can be made thin with a small amount as compared with the case where the seed crystal is used.

緩衝シリコン4は図1に示すように例えば1枚の板状体とする。また、この緩衝シリコン4は、図2(a)、図3(a)、図3(b)および図4(a)に示すように複数の例えば塊状体としてもよい。ここで、複数の塊状体は、多数の不規則な塊の集合物を含むものでもよいし、多数のほぼ一定サイズの粒径を有する球状体の集合物を含むものでもよい。また、緩衝シリコン4は、例えば平均粒径が3〜40mm程度の粒状であってもよいし、これよりも細かな粉末状であってもよい。   The buffer silicon 4 is, for example, a single plate as shown in FIG. In addition, the buffer silicon 4 may be a plurality of, for example, a lump as shown in FIGS. 2 (a), 3 (a), 3 (b), and 4 (a). Here, the plurality of lumps may include a collection of a large number of irregular lumps, or may include a collection of a large number of spherical bodies having a substantially constant particle size. The buffer silicon 4 may be in the form of particles having an average particle diameter of about 3 to 40 mm, for example, or may be in a finer powder form.

また、緩衝シリコン4は、図2(b)に示すように、複数枚の板状体を例えば横に並べたものでもよい。なお、図2(b)において、4bは複数の板状体の境目を示す。また、緩衝シリコン4は、図4(b)に示すように、鋳型3の内壁に接しない1枚の例えば円盤状の板状体であってもよい。   Moreover, the buffer silicon | silicone 4 may arrange | position the several plate-shaped body side by side, for example, as shown in FIG.2 (b). In FIG. 2 (b), 4b indicates the boundaries between a plurality of plate-like bodies. Further, as shown in FIG. 4B, the buffer silicon 4 may be a single plate-like plate-like body that does not contact the inner wall of the mold 3.

シリコン融液2を鋳型3内へ所定量供給するには、例えば図1に示すように、坩堝1を傾けることによって、坩堝1内のシリコン融液2が鋳型3内へ供給される。このように、本実施形態では原料の溶融と凝固をそれぞれ別々の坩堝1と鋳型3とで行うようにしている。このため、鋳型3の準備とシリコン原料の溶融とを並行して行うことができて、イン
ゴットの製造タクトを短縮することができる。また、坩堝1および鋳型3のそれぞれの機能に適した構成にすることができるので、太陽電池の生産性および特性の向上を図ることができる。
In order to supply a predetermined amount of the silicon melt 2 into the mold 3, for example, as shown in FIG. 1, the silicon melt 2 in the crucible 1 is supplied into the mold 3 by tilting the crucible 1. As described above, in this embodiment, the raw material is melted and solidified by the separate crucible 1 and the mold 3, respectively. For this reason, the preparation of the mold 3 and the melting of the silicon raw material can be performed in parallel, and the manufacturing tact of the ingot can be shortened. Moreover, since it can be set as the structure suitable for each function of the crucible 1 and the casting_mold | template 3, the productivity and characteristic of a solar cell can be improved.

坩堝1および鋳型3は、いずれもシリコンの融点以上の温度において、溶融、変形および分解等を起こしにくく、シリコンとの反応が生じにくい材料から構成される。さらに、この材料は、インゴットから製造される太陽電池の特性を低下させるような不純物を極力低減したものを用いる。例えば、坩堝1および鋳型3の材料として、石英またはカーボン等を用いることができる。また、離型材層32の材質としては、例えば、酸化珪素、窒化珪素もしくは炭化珪素等の材料、またはこれら材料の複数種類の混合物が用いられる。   Both the crucible 1 and the mold 3 are made of a material that hardly melts, deforms, decomposes or the like and does not easily react with silicon at a temperature equal to or higher than the melting point of silicon. Furthermore, this material uses what reduced the impurity which reduces the characteristic of the solar cell manufactured from an ingot as much as possible. For example, quartz or carbon can be used as the material for the crucible 1 and the mold 3. Moreover, as a material of the release material layer 32, for example, a material such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon carbide, or a mixture of a plurality of types of these materials is used.

<インゴットの製造方法>
インゴットの製造は少なくとも下記の工程1〜4を含む。主な参照図面は図5および図6である。
<Ingot production method>
The production of the ingot includes at least the following steps 1 to 4. The main reference drawings are FIG. 5 and FIG.

工程1は鋳型3を準備する工程である。工程1では、側部3bおよび底部3cのそれぞれの内壁(側部内壁3eおよび底部内壁3d)に離型材層32を有する鋳型3を準備する。   Step 1 is a step of preparing the mold 3. In step 1, a mold 3 having a release material layer 32 on each inner wall (side inner wall 3e and bottom inner wall 3d) of the side portion 3b and the bottom portion 3c is prepared.

工程2は緩衝シリコン4を配置する工程である。工程2では、鋳型3内の底部内壁3dの上に非種結晶の緩衝シリコン4を配置する。   Step 2 is a step of disposing buffer silicon 4. In step 2, non-seed buffer silicon 4 is disposed on the bottom inner wall 3 d in the mold 3.

工程3はシリコン融液2の所定量を供給する工程である。工程3では、鋳型3内にシリコン融液が緩衝シリコン4に衝突するように注いで、鋳型3内にシリコン融液2の所定量を供給する。なお、工程3では、シリコン融液2が緩衝シリコン4に衝突した部位から下方に位置する鋳型3の底部内壁3dに至る領域を溶融させてもよい。   Step 3 is a step of supplying a predetermined amount of the silicon melt 2. In step 3, the silicon melt is poured into the mold 3 so as to collide with the buffer silicon 4, and a predetermined amount of the silicon melt 2 is supplied into the mold 3. In step 3, the region from the portion where the silicon melt 2 collides with the buffer silicon 4 to the bottom inner wall 3d of the mold 3 located below may be melted.

工程4はシリコン融液2を一方向凝固させる工程である。工程4では、鋳型3の底部3cを冷却して、鋳型3内のシリコン融液2を鋳型3の底部3cから上方へ向って一方向凝固させて、インゴット6を得る。   Step 4 is a step of solidifying the silicon melt 2 in one direction. In step 4, the bottom 3c of the mold 3 is cooled, and the silicon melt 2 in the mold 3 is solidified in one direction upward from the bottom 3c of the mold 3 to obtain the ingot 6.

ここで、工程3において、緩衝シリコン4を全て溶融してもよい。また、工程2において、緩衝シリコン4の外周部が鋳型3の側部内壁3eに接しないように緩衝シリコン4を配置してもよい。また、工程2において、緩衝シリコン4を鋳型3の底部内壁3dに固定してもよい。また、工程2において、緩衝シリコン4は複数の塊状体または1以上の板状体の緩衝シリコンを含むようにしてもよい。また、工程2において、緩衝シリコン4を平面視して輪郭が円形状になるように配置してもよい。また、工程2において、緩衝シリコン4は多数の塊状体を含み、平均粒径が異なる複数種類の塊状体を配置するようにしてもよい。また、工程2において、緩衝シリコン4は多数の塊状体を含み、上部よりも下部に平均粒径が小さい塊状体を配置するようにしてもよい。さらに、工程2において、緩衝シリコン4は複数の板状体を組み合わせたものを含むようにしてもよい。   Here, in step 3, all of the buffer silicon 4 may be melted. Further, in step 2, the buffer silicon 4 may be arranged so that the outer peripheral portion of the buffer silicon 4 does not contact the side inner wall 3e of the mold 3. In step 2, the buffer silicon 4 may be fixed to the bottom inner wall 3 d of the mold 3. Further, in step 2, the buffer silicon 4 may include a plurality of lump bodies or one or more plate-like buffer silicon bodies. Further, in step 2, the buffer silicon 4 may be arranged so as to have a circular shape in plan view. Further, in step 2, the buffer silicon 4 may include a plurality of lumps, and a plurality of types of lumps having different average particle diameters may be disposed. Further, in step 2, the buffer silicon 4 may include a large number of lumps, and the lumps having a smaller average particle diameter may be disposed below the upper part. Further, in step 2, the buffer silicon 4 may include a combination of a plurality of plate-like bodies.

さらに、工程2において、緩衝シリコン4は一部が厚い突出部を有するものを配置して、工程3において、シリコン融液2が最初に接触する部位は、緩衝シリコン4の突出部であるようにしてもよい。   Further, in step 2, the buffer silicon 4 is arranged so that a part of the buffer silicon 4 has a thick protrusion, and in step 3, the first contact portion of the silicon melt 2 is the protrusion of the buffer silicon 4. May be.

次に、図5(a)〜(c)および図6(a)〜(c)にしたがって、本実施形態の工程フローの例を具体的に説明する。   Next, according to FIGS. 5A to 5C and FIGS. 6A to 6C, an example of the process flow of this embodiment will be specifically described.

図5(a)に示すように、鋳型3の内側表面に離型材層32を設ける。離型材層32の
形成は、まずスラリーを作製した後に、このスラリーを鋳型3内に塗布して、その後、塗布したスラリーを乾燥させることによってなされる。これにより、側部内壁3eおよび底部内壁3dに離型材層32を有する鋳型3にすることができる(工程1)。スラリーは、例えば、窒化珪素等のセラミック粒子をポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールまたはメチルセルロースなどの有機バインダーと溶剤とから構成される溶液中に混合・攪拌して作製する。
As shown in FIG. 5A, a release material layer 32 is provided on the inner surface of the mold 3. The release material layer 32 is formed by first preparing a slurry, applying the slurry into the mold 3, and then drying the applied slurry. Thereby, it can be set as the casting_mold | template 3 which has the mold release material layer 32 in the side part inner wall 3e and the bottom part inner wall 3d (process 1). The slurry is prepared by, for example, mixing and stirring ceramic particles such as silicon nitride in a solution composed of an organic binder such as polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, or methyl cellulose and a solvent.

また、図5(a)に示すように、鋳型3内の底部3cに緩衝シリコン4を配置する(工程2)。このとき、緩衝シリコン4は離型材層32の形成後に離型材層32の上に配置してもよいが、後述するように、離型材層32となるスラリーを鋳型3内に塗布した後、緩衝シリコン4を配置し、その後にスラリーを乾燥させてもよい。また、緩衝シリコン4の一表面に離型材層32となるスラリーを塗布し、塗布面を下にして鋳型3の底部に配置して乾燥させてもよい。   Further, as shown in FIG. 5A, the buffer silicon 4 is disposed on the bottom 3c in the mold 3 (step 2). At this time, the buffer silicon 4 may be disposed on the release material layer 32 after the release material layer 32 is formed. However, as will be described later, after the slurry that becomes the release material layer 32 is applied in the mold 3, Silicon 4 may be placed, after which the slurry may be dried. Alternatively, a slurry that becomes the release material layer 32 may be applied to one surface of the buffer silicon 4, placed on the bottom of the mold 3 with the application surface down, and dried.

次に、図5(b)〜図6(a)に示すように、緩衝シリコン4へシリコン融液2を注いで、緩衝シリコン4を溶融させながら鋳型3内にシリコン融液2の所定量を供給する。なお、図中の2bはシリコン融液2の流れを示しており、坩堝1からシリコン融液2が連続的に注入されている様子を示している。   Next, as shown in FIGS. 5 (b) to 6 (a), the silicon melt 2 is poured into the buffer silicon 4, and a predetermined amount of the silicon melt 2 is poured into the mold 3 while melting the buffer silicon 4. Supply. In addition, 2b in the figure has shown the flow of the silicon melt 2, and has shown a mode that the silicon melt 2 is continuously inject | poured from the crucible 1. FIG.

坩堝1で形成したシリコン融液2を鋳型3内に配置した緩衝シリコン4に目掛けて所定量を注ぐことによって、緩衝シリコン4が溶融する。このとき、少なくとも緩衝シリコン4では、シリコン融液2が最初に接触した部位から、その直下に位置している、鋳型3内の底部内壁3d側の部位までの領域を溶融させて、鋳型3内にシリコン融液2の所定量を供給する(工程3)。   A predetermined amount of silicon melt 2 formed in the crucible 1 is applied to the buffer silicon 4 disposed in the mold 3 to melt the buffer silicon 4. At this time, at least in the buffer silicon 4, the region from the portion where the silicon melt 2 first contacts to the portion located immediately below the portion on the bottom inner wall 3 d side in the mold 3 is melted, and the inside of the mold 3 is melted. A predetermined amount of the silicon melt 2 is supplied to (step 3).

ここで、注ぐ際のシリコン融液2の温度は、例えば、シリコンの融点よりも10〜100℃程度高くしておくことが好ましい。なお、坩堝1から鋳型3へのシリコン融液2の注入は、図1に示すように、坩堝1を傾けることで坩堝1の上部に位置している開口部から行ってもよいし、坩堝1の底部に予め供給口を設けて、この供給口からシリコン融液2の注入を行ってもよい。また、図1に示すように、シリコン融液2の最初の注入は断続的に行ってもよいし、図5(b)に示すように連続的に行ってもよい。ただし、衝撃を小さくするためにシリコン融液2の注入初期は断続的に行うのが望ましい。この際、鋳型3内の底部3cおよび緩衝シリコン4を覆うのに充分な量のシリコン融液2が断続的に供給されて以降は、連続的に供給されるのが製造の効率上望ましい。   Here, the temperature of the silicon melt 2 at the time of pouring is preferably about 10 to 100 ° C. higher than the melting point of silicon, for example. In addition, as shown in FIG. 1, the injection | pouring of the silicon melt 2 from the crucible 1 to the casting_mold | template 3 may be performed from the opening part located in the upper part of the crucible 1 by inclining the crucible 1, or the crucible 1 A supply port may be provided in advance at the bottom, and the silicon melt 2 may be injected from the supply port. Further, as shown in FIG. 1, the initial injection of the silicon melt 2 may be performed intermittently or may be performed continuously as shown in FIG. However, it is desirable to intermittently perform the initial injection of the silicon melt 2 in order to reduce the impact. At this time, it is desirable from the viewpoint of manufacturing efficiency that the silicon melt 2 in an amount sufficient to cover the bottom 3c and the buffer silicon 4 in the mold 3 is intermittently supplied and then continuously supplied.

このようにして、図6(a)に示すように、鋳型3の内側にシリコン融液2の所定量が供給される。   In this way, a predetermined amount of the silicon melt 2 is supplied to the inside of the mold 3 as shown in FIG.

次に、図6(b)に示すように、鋳型3の底部3cを後述する冷却機構を用いて冷却する。この冷却時の鋳型3内の温度制御によって、シリコン融液2を鋳型3の底部3cから上方へ向って一方向凝固させてインゴット6を形成していく(工程4)。そして、図6(c)に示すように、全てのシリコン融液2が凝固したインゴット6を得る。シリコン融液2を一方向凝固させるためには、例えば次のような構成とする。鋳型3の上方および側方には、ヒーター等の加熱手段またはフェルト状炭素繊維等の断熱部材を配置する。また、鋳型3の下方には、例えば、金属などの良熱伝導性材料のプレートの内部に水などの冷媒を循環させた冷却機構を配置する。このようにして、鋳型3中のシリコン融液2と固化したインゴット6との間に上下方向の温度勾配を形成して、シリコン融液2を鋳型3の底部から上方へ向って容易に一方向凝固させることができる。   Next, as shown in FIG. 6B, the bottom 3c of the mold 3 is cooled using a cooling mechanism described later. By controlling the temperature in the mold 3 during cooling, the silicon melt 2 is solidified in one direction upward from the bottom 3c of the mold 3 to form the ingot 6 (step 4). Then, as shown in FIG. 6C, an ingot 6 in which all the silicon melt 2 is solidified is obtained. In order to solidify the silicon melt 2 in one direction, for example, the following configuration is adopted. A heating means such as a heater or a heat insulating member such as felt-like carbon fiber is disposed above and to the side of the mold 3. In addition, below the mold 3, for example, a cooling mechanism in which a coolant such as water is circulated inside a plate of a good heat conductive material such as metal is disposed. In this way, a temperature gradient in the vertical direction is formed between the silicon melt 2 in the mold 3 and the solidified ingot 6 so that the silicon melt 2 can be easily moved in one direction upward from the bottom of the mold 3. It can be solidified.

以上のように、本実施形態では、非種結晶の緩衝シリコン4を鋳型3内に配置すること
によって、シリコン融液2の最初の注入による離型材層32への衝撃が軽減される。また、鋳型3内に供給されたシリコン融液2によって緩衝シリコン4がスムーズに溶融される。これらによって、インゴット6中の結晶欠陥が低減されるので、種結晶を使用しなくても、変換効率の高い太陽電池素子の作製に適した高品質のシリコン基板を得ることができる。
As described above, in the present embodiment, by placing the non-seed buffer silicon 4 in the mold 3, the impact on the release material layer 32 due to the first injection of the silicon melt 2 is reduced. Further, the buffer silicon 4 is smoothly melted by the silicon melt 2 supplied into the mold 3. As a result, crystal defects in the ingot 6 are reduced, so that a high-quality silicon substrate suitable for manufacturing a solar cell element with high conversion efficiency can be obtained without using a seed crystal.

<緩衝シリコンの形態>
以下に、緩衝シリコン4の形態についてさらに詳細に説明する。
<Type of buffer silicon>
Below, the form of the buffer silicon | silicone 4 is demonstrated in detail.

緩衝シリコン4として1枚以上の板状シリコンを用いれば、インゴットを切断加工した際の端材、または、不要となったシリコン基板を用いることができる。また、緩衝シリコン4を離型材層32に固定しやすいのでよい。   If one or more plate-like silicons are used as the buffer silicon 4, it is possible to use an end material when the ingot is cut or a silicon substrate that is no longer needed. Further, the buffer silicon 4 may be easily fixed to the release material layer 32.

一方、緩衝シリコン4として複数の塊状シリコンを用いれば、坩堝1に投入する原料シリコンの一部を緩衝シリコン4として使用することができる。また、このため、複数の塊状であれば、板状体と比べて体積あたりの表面積が大きいので、緩衝シリコン4の全体をより短時間でより均一に溶融させることができるので望ましい。   On the other hand, if a plurality of bulk silicon is used as the buffer silicon 4, a part of the raw material silicon put into the crucible 1 can be used as the buffer silicon 4. For this reason, a plurality of lumps are desirable because the surface area per volume is larger than that of the plate-like body, so that the entire buffer silicon 4 can be melted more uniformly in a shorter time.

また、緩衝シリコン4は全領域にわたって、シリコン融液2の注入の際に溶けてしまうのが望ましい。なぜなら、緩衝シリコン4の一部領域のみ溶けて貫通した貫通領域が形成されると、その貫通領域と溶けずに残った領域との境界が、インゴット6の切断加工時にクラックの起点になりうるからである。特に、緩衝シリコン4が配置された鋳型3内を上から見た(平面視した)際の緩衝シリコン4の形状が略円形であれば、矩形などの他の形状の場合と比べて緩衝シリコン4の配置領域の端部の溶け残りが生じにくいのでよい。   Further, it is desirable that the buffer silicon 4 is melted when the silicon melt 2 is injected over the entire region. This is because if a penetration region is formed by melting only a partial region of the buffer silicon 4, the boundary between the penetration region and the remaining region can be the starting point of a crack when the ingot 6 is cut. It is. In particular, if the shape of the buffer silicon 4 when viewed from above (plan view) inside the mold 3 in which the buffer silicon 4 is arranged is substantially circular, the buffer silicon 4 is compared with other shapes such as a rectangle. It is sufficient that the undissolved residue at the end of the arrangement region is less likely to occur.

一方、緩衝シリコン4はその高さが均一になるように配置されてもよいし、図3(a)または図4(a)に示すように、シリコン融液2を最初に衝突させる部位を含む領域だけが高くなるように配置されてもよい。特に、シリコン融液2が鋳型3内に供給されるときに、集中して衝突する箇所が厚い錐状体などの突出部を有するものであれば、離型材層32のダメージを低減することができて、結晶欠陥が生じにくくなるのでよい。このような緩衝シリコン4の最大厚みは5mm〜50mm程度であればよい。   On the other hand, the buffer silicon 4 may be arranged so that the height thereof is uniform, and includes a portion where the silicon melt 2 first collides as shown in FIG. 3A or 4A. You may arrange | position so that only an area | region may become high. In particular, when the silicon melt 2 is supplied into the mold 3, damage to the release material layer 32 can be reduced if the concentrated and colliding portions have protrusions such as thick cones. It is possible that crystal defects are less likely to occur. The maximum thickness of the buffer silicon 4 may be about 5 mm to 50 mm.

また、緩衝シリコン4は、鋳型3内部に塗布された離型材層32を乾燥させることで鋳型3に固定されていてもよい。これにより、シリコン融液2を供給したときの衝撃によって緩衝シリコン4がずれて、シリコン融液2による離型材層32のダメージが増加することを低減できる。また、緩衝シリコン4の一表面に離型材層32となるスラリーを塗布し、塗布面を下にして鋳型3の底部に配置して乾燥させると、固定強度が大きくなるのでよい。   The buffer silicon 4 may be fixed to the mold 3 by drying the release material layer 32 applied to the inside of the mold 3. Thereby, it is possible to reduce an increase in the damage of the release material layer 32 due to the silicon melt 2 due to the buffer silicon 4 being displaced due to the impact when the silicon melt 2 is supplied. In addition, if a slurry to be the release material layer 32 is applied to one surface of the buffer silicon 4 and placed on the bottom of the mold 3 with the application surface down and dried, the fixing strength may be increased.

緩衝シリコン4の周縁部は鋳型3の側部内壁3eと接していてもよい。緩衝シリコン4の周縁部が鋳型の側部内壁3eと接することによって、鋳型3の底部3cの広い領域にわたって離型材層32を保護できる。また、シリコン融液2が注がれる位置に緩衝シリコン4が設けられていれば、緩衝シリコン4の周縁部は鋳型3の側部内壁3eから離れていてもよい。緩衝シリコン4の周縁部が鋳型3の側部内壁3eから離れていることによって、緩衝シリコン4を配置する量(領域)を低減できる。   The peripheral edge of the buffer silicon 4 may be in contact with the side inner wall 3 e of the mold 3. Since the peripheral edge of the buffer silicon 4 is in contact with the side inner wall 3e of the mold, the release material layer 32 can be protected over a wide area of the bottom 3c of the mold 3. Further, if the buffer silicon 4 is provided at a position where the silicon melt 2 is poured, the peripheral edge of the buffer silicon 4 may be separated from the side inner wall 3 e of the mold 3. Since the peripheral edge portion of the buffer silicon 4 is separated from the side inner wall 3e of the mold 3, the amount (region) in which the buffer silicon 4 is disposed can be reduced.

緩衝シリコン4の形状が粒状である場合には、形状が板状である場合と比べて、インゴット6の底面における応力発生箇所が分散する。その結果、インゴット6中の応力およびこの応力によって発生する欠陥を小さくする。また、緩衝シリコン4として平均粒径が1mm〜40mm程度の粒を使用すれば、注湯されたシリコン融液2が離型材32に直接接触しないように(注湯領域を平面視して離型材層32が見えないように)適度な高さに鋳型3内に充填して配置することが容易となる。   When the shape of the buffer silicon 4 is granular, the stress generation locations on the bottom surface of the ingot 6 are dispersed as compared with the case where the shape is a plate shape. As a result, the stress in the ingot 6 and defects generated by this stress are reduced. Further, if grains having an average particle size of about 1 mm to 40 mm are used as the buffer silicon 4, the poured silicon melt 2 is not directly in contact with the mold release material 32 (the mold release material in plan view of the pouring region). It becomes easy to fill and arrange in the mold 3 at an appropriate height (so that the layer 32 is not visible).

緩衝シリコン4を配置する際、平均粒径の異なる複数の粒状(または粉末状)の緩衝シリコン4を積層するか、または平均粒径が異なる複数種類の粒状および粉末状の集合物同士を混在させて配置してもよい。その際、図3(b)に示すように、上部に平均粒径の大きい緩衝シリコン41を、下部に平均粒径の小さい緩衝シリコン42を配置するとよい。つまり、緩衝シリコン4は複数の塊状体を含み、上部よりも下部に平均粒径が小さい塊状体を配置するとよい。なぜなら、注がれるシリコン融液2から離型材層32を保護しつつ、緩衝シリコン4の全体をより均等に溶融しやすいからである。また、緩衝シリコン4が総じて粒径が大きい場合には、緩衝シリコン4同士の間に隙間が形成されて離型材層32がシリコン融液2によるダメージを受けやすい。また、緩衝シリコン4が総じて粒径が小さい場合には、シリコン融液2の注湯時の衝撃で塊状緩衝シリコン4が動いて離型材層32がダメージを受けやすい。一方、図3(b)または図4(a)に示すように、平均粒径の異なる複数種類の緩衝シリコン41,42を混合して配置することによって、緩衝シリコン4が隙間無く配置されて、個々の緩衝シリコン4が動きにくくなるのでよい。また、平均粒径(またはサイズ)の異なる複数種類の緩衝シリコン41,42同士を混合して配置することで、緩衝シリコン4同士の間の熱伝導が良好になって溶融されやすくなるのでよい。   When the buffer silicon 4 is arranged, a plurality of granular (or powdered) buffer silicon 4 having different average particle diameters are laminated, or a plurality of types of granular and powdery aggregates having different average particle diameters are mixed together. May be arranged. At this time, as shown in FIG. 3B, buffer silicon 41 having a large average particle diameter may be disposed in the upper portion, and buffer silicon 42 having a small average particle diameter may be disposed in the lower portion. That is, the buffer silicon 4 may include a plurality of lumps, and the lumps having a smaller average particle diameter may be disposed below the upper part. This is because the entire buffer silicon 4 is easily melted more uniformly while protecting the release material layer 32 from the poured silicon melt 2. When the buffer silicon 4 has a large particle size as a whole, a gap is formed between the buffer silicon 4 and the release material layer 32 is easily damaged by the silicon melt 2. Further, when the buffer silicon 4 has a small particle size as a whole, the bulk buffer silicon 4 is moved by an impact during pouring of the silicon melt 2 and the release material layer 32 is easily damaged. On the other hand, as shown in FIG. 3 (b) or FIG. 4 (a), by arranging a plurality of types of buffer silicon 41 and 42 having different average particle diameters, the buffer silicon 4 is disposed without a gap, Each buffer silicon 4 may be difficult to move. Further, by arranging a plurality of types of buffer silicon 41 and 42 having different average particle diameters (or sizes) in a mixed manner, the heat conduction between the buffer silicons 4 may be improved and easily melted.

また、シリコン融液2を鋳型3内に供給する際、供給開始直後は融液供給量を少なくして、シリコン融液2が鋳型3の底面を覆うのに充分な量を供給した後は、融液供給量を多くすると、離型材層32の保護と注湯時間の短縮とが両立できるのでよい。   Further, when supplying the silicon melt 2 into the mold 3, the melt supply amount is decreased immediately after the start of supply, and after the silicon melt 2 supplies a sufficient amount to cover the bottom surface of the mold 3, If the melt supply amount is increased, both the protection of the release material layer 32 and the shortening of the pouring time can be achieved.

緩衝シリコン4はシリコン融液2によって完全に溶解されることが望ましい。なお、緩衝シリコン4がシリコン融液2の注湯時に完全に溶解されない領域があっても、その領域が緩衝シリコン4を核として成長していない(インゴット6の成長開始部位と緩衝シリコン4とが結晶的に断絶している)領域であれば、上述した本実施形態の作用効果を奏することができる。   It is desirable that the buffer silicon 4 is completely dissolved by the silicon melt 2. Even if there is a region where the buffer silicon 4 is not completely dissolved when the silicon melt 2 is poured, the region does not grow with the buffer silicon 4 as a nucleus (the growth start site of the ingot 6 and the buffer silicon 4 are If it is an area | region which has cut | disconnected in crystal | crystallization, there can exist the effect of this embodiment mentioned above.

なお、緩衝シリコン4がシリコン融液2が凝固後に残存する場合には、得られたインゴット6は、底面部に融け残った緩衝シリコン4上に形成された第1結晶と、鋳型3の内壁底面に直接形成された第2結晶とが存在している場合がある。このようなインゴット6によれば、上記実施形態の作用効果に加え、第1結晶と第2結晶とで凝固時の鋳型3の底部からの冷却速度の違いを設けることができる。これにより、鋳型3内の温度分布制御がしやすく、高品質なインゴット6を得やすいといった効果を期待することができる。   When the buffer silicon 4 remains after the silicon melt 2 is solidified, the obtained ingot 6 includes the first crystal formed on the buffer silicon 4 remaining unmelted on the bottom surface and the bottom surface of the inner wall of the mold 3. In some cases, a second crystal formed directly on the substrate exists. According to such an ingot 6, in addition to the operational effects of the above embodiment, a difference in cooling rate from the bottom of the mold 3 during solidification can be provided between the first crystal and the second crystal. Thereby, it is possible to expect the effect that the temperature distribution in the mold 3 can be easily controlled and the high-quality ingot 6 can be easily obtained.

以下に、上記実施形態をより具体化した実施例について説明する。図1および図2に示すインゴット製造装置Sを用いて、図5および図6に示す製造方法によってインゴットを作製した。   Hereinafter, examples in which the above embodiment is more concretely described. An ingot was manufactured by the manufacturing method shown in FIGS. 5 and 6 using the ingot manufacturing apparatus S shown in FIGS.

まず、石英製の坩堝1と、CCM(炭素繊維強化炭素複合材料)製の鋳型3とを用意した。さらに、粒状および板状の緩衝シリコン4を用意した。   First, a crucible 1 made of quartz and a mold 3 made of CCM (carbon fiber reinforced carbon composite material) were prepared. Furthermore, granular and plate-like buffer silicon 4 was prepared.

鋳型3内に設けた離型材層32は、次のようにして形成した。まず、平均粒径0.8μmの粒状の窒化珪素と、平均粒径30μmの粒状の酸化珪素とを混合して、ポリビニルアルコール水溶液で攪拌混合してスラリー状とした。次に、このスラリーを鋳型3の本体31の内側表面に塗布して、さらに乾燥させて、鋳型3の内側表面に約2mmの厚さの離型材層32を形成した。   The release material layer 32 provided in the mold 3 was formed as follows. First, granular silicon nitride having an average particle diameter of 0.8 μm and granular silicon oxide having an average particle diameter of 30 μm were mixed, and stirred and mixed with an aqueous polyvinyl alcohol solution to form a slurry. Next, this slurry was applied to the inner surface of the main body 31 of the mold 3 and further dried to form a release material layer 32 having a thickness of about 2 mm on the inner surface of the mold 3.

その後、緩衝シリコン4を鋳型3内に、離型材層32を介して鋳型3の底部3cの内側表面3d上に配置した。ここで、緩衝シリコン4として、実施例1では、粒径が約1〜15mmの粒状シリコンを鋳型3の底面全体にわたって約15mmの高さに配置した。また、実施例2では平面形状が1辺約150mmの正方形であり、高さが約15mmの1枚の板状の多結晶シリコンからなる緩衝シリコン4を鋳型3の底面の中央部に配置した。   Thereafter, the buffer silicon 4 was disposed in the mold 3 on the inner surface 3d of the bottom 3c of the mold 3 with the release material layer 32 interposed therebetween. Here, as the buffer silicon 4, in Example 1, granular silicon having a particle size of about 1 to 15 mm was disposed at a height of about 15 mm over the entire bottom surface of the mold 3. Further, in Example 2, the buffer silicon 4 made of a single plate-like polycrystalline silicon having a planar shape of a square having a side of about 150 mm and a height of about 15 mm was arranged at the center of the bottom surface of the mold 3.

また、坩堝1内に約100kgの原料シリコン塊を投入し、坩堝1の外側周囲に配置した加熱手段によって、坩堝1内のシリコンを加熱して溶融した。   Further, about 100 kg of raw material silicon lump was put into the crucible 1, and the silicon in the crucible 1 was heated and melted by the heating means arranged around the outside of the crucible 1.

その後、約1450℃のシリコン融液2を坩堝1から鋳型3内(実施例1と2では緩衝シリコン4上)に注入した。そして、鋳型3の下方に設けた冷却機構を用いて鋳型3を底部3cから上方に温度勾配を形成して、シリコン融液2を冷却しながらインゴット6を作製した。   Thereafter, a silicon melt 2 at about 1450 ° C. was poured from the crucible 1 into the mold 3 (on the buffer silicon 4 in Examples 1 and 2). Then, using the cooling mechanism provided below the mold 3, a temperature gradient was formed upward from the bottom 3 c of the mold 3 to produce the ingot 6 while cooling the silicon melt 2.

一方、比較例としては、緩衝シリコン4を使用せずに、他の条件は実施例1,2と同一条件でインゴット6を作製した。   On the other hand, as a comparative example, the ingot 6 was produced under the same conditions as in Examples 1 and 2 without using the buffer silicon 4.

次に、得られたインゴットの端面等を切断して得られたブロックをその底面に対してほぼ水平にスライスして、厚さ約200μm、156mm×156mmの平面が矩形状のシリコン基板を作製した。比較例を含め、いずれのインゴットにおいても、切断加工時に底面を起点にしたクラックは発生しなかった。   Next, the block obtained by cutting the end face and the like of the obtained ingot was sliced almost horizontally with respect to the bottom surface thereof, and a silicon substrate having a thickness of about 200 μm and a plane of 156 mm × 156 mm was rectangular. . In any ingot including the comparative example, cracks starting from the bottom surface did not occur during the cutting process.

得られたシリコン基板の表面をエッチングしてエッチピットを形成して、そのエッチピットの密度(以下、EPDという)を測定した。EPDの測定方法は以下の通りである。   The surface of the obtained silicon substrate was etched to form etch pits, and the density of the etch pits (hereinafter referred to as EPD) was measured. The EPD measurement method is as follows.

まず、シリコン基板の表面に対して、鏡面仕上げ用のミラーエッチングと、結晶欠陥を顕在化するための選択エッチングとを施した。このミラーエッチングでは、シリコン基板に対して、フッ硝酸溶液への180秒間の浸漬および水洗、フッ酸水溶液への30秒間の浸漬、水洗および乾燥を順に施した。ここで、フッ硝酸溶液は、70質量%硝酸と50質量%フッ酸とが7:2の割合で混合することで作製した。フッ酸水溶液は、純水と50質量%フッ酸とが20:1の割合で混合して作製した。また、選択エッチングでは、シリコン基板に対して、JIS規格H0609に準拠して、選択エッチング液(70質量%硝酸と99質量%酢酸と50質量%フッ酸と純水とが、1:12.7:3:3.7の割合で混合した溶液)への5分間の浸漬、水洗および乾燥を順に施した。   First, mirror etching for mirror finishing and selective etching for revealing crystal defects were performed on the surface of the silicon substrate. In this mirror etching, the silicon substrate was sequentially immersed in a hydrofluoric acid solution for 180 seconds and washed with water, then immersed in a hydrofluoric acid aqueous solution for 30 seconds, washed with water, and dried. Here, the hydrofluoric acid solution was prepared by mixing 70 mass% nitric acid and 50 mass% hydrofluoric acid in a ratio of 7: 2. The hydrofluoric acid aqueous solution was prepared by mixing pure water and 50% by mass hydrofluoric acid at a ratio of 20: 1. In the selective etching, a selective etching solution (70% by mass nitric acid, 99% by mass acetic acid, 50% by mass hydrofluoric acid, and pure water is 1: 12.7 with respect to the silicon substrate in accordance with JIS standard H0609. : 3: 3.7 mixed solution) for 5 minutes, followed by water washing and drying.

その後、シリコン基板のエッチング面を撮影してEPDの測定を行った。EPDの測定は各シリコン基板について、シリコン基板のXY方向において略等間隔の3×3=9箇所における矩形状の領域(一辺が250μm)を、光学顕微鏡を用いて観察して、エッチピットの数を計測した。そして、このエッチピットの数を観察領域の面積で除すことでEPDを算出した。また、シリコン基板がいずれも多結晶であることは、目視および光学顕微鏡の観察によって、多数の結晶粒界が見られたことから明らかである。   Thereafter, the etched surface of the silicon substrate was photographed to measure EPD. EPD measurement is performed on each silicon substrate by observing a rectangular region (each side is 250 μm) at 3 × 3 = 9 positions at approximately equal intervals in the XY direction of the silicon substrate by using an optical microscope. Was measured. Then, the EPD was calculated by dividing the number of etch pits by the area of the observation region. In addition, it is clear from the fact that a large number of crystal grain boundaries were observed by visual observation and observation with an optical microscope that the silicon substrates are all polycrystalline.

EPDの測定結果を図7に示す。ここで、図7の横軸の「測定位置」とは、固化率(インゴット6の底部が0%、頂部が100%である)を示す。縦軸のEPDは各基板のEPD(9箇所の測定値の平均値)を、比較例の側定位置15%におけるEPDを1として規格化した数値を示す。   The EPD measurement results are shown in FIG. Here, the “measurement position” on the horizontal axis in FIG. 7 indicates the solidification rate (the bottom of the ingot 6 is 0% and the top is 100%). The EPD on the vertical axis indicates the numerical value obtained by normalizing the EPD (average value of nine measured values) of each substrate with the EPD at the side fixed position 15% of the comparative example being 1.

図7から明らかなように、実施例1および実施例2では、比較例と比べてEPDが小さくなっており、インゴット6中の転位などの結晶欠陥が低減していることがわかった。さ
らに、各インゴットの固化率15%、35%および50%のそれぞれの位置から得られたシリコン基板を用いて、太陽電池素子を作製したところ、実施例1および実施例2では、いずれの位置でも比較例と比べて太陽電池素子の変換効率が高くなった。
As is clear from FIG. 7, in Example 1 and Example 2, EPD was smaller than that in the comparative example, and it was found that crystal defects such as dislocations in the ingot 6 were reduced. Furthermore, when the solar cell element was produced using the silicon substrate obtained from the respective positions of the solidification rates of 15%, 35% and 50% of each ingot, in Example 1 and Example 2, in any position The conversion efficiency of the solar cell element was higher than that of the comparative example.

以上により、本実施例によって、種結晶を使用しなくても、変換効率を向上し得る太陽電池素子の作製に適したシリコン基板が得られるインゴットが作製できたことを確認した。   From the above, it was confirmed that an ingot was obtained by this example, from which a silicon substrate suitable for the production of a solar cell element capable of improving the conversion efficiency was obtained without using a seed crystal.

1:坩堝
2:シリコン融液
3:鋳型
3a:開口部
3b:側部
3c:底部
3d:底部内壁
3e:側部内壁
31:本体
32:離型材層
4:緩衝シリコン
6:インゴット
S:インゴット製造装置
1: Crucible 2: Silicon melt 3: Mold 3a: Opening 3b: Side 3c: Bottom 3d: Bottom inner wall 3e: Side inner wall 31: Main body 32: Release material layer 4: Buffer silicon 6: Ingot S: Ingot manufacture apparatus

Claims (11)

側部内壁および底部内壁のそれぞれに離型材層を有する鋳型を準備する工程と、
該鋳型の前記底部内壁の上に非種結晶の緩衝シリコンを配置する工程と、
前記鋳型内にシリコン融液が前記緩衝シリコンに衝突するように注いで、前記鋳型内に前記シリコン融液の所定量を供給する工程と、
前記シリコン融液を前記鋳型の前記底部内壁から上方へ向って一方向凝固させて、多結晶シリコンのインゴットを得る工程と、
を有する多結晶シリコンのインゴットの製造方法。
Preparing a mold having a release material layer on each of the side inner wall and the bottom inner wall;
Disposing non-seed buffer silicon on the bottom inner wall of the mold;
Pouring the silicon melt into the mold so as to collide with the buffer silicon, and supplying a predetermined amount of the silicon melt into the mold;
Solidifying the silicon melt upward from the bottom inner wall of the mold to obtain a polycrystalline silicon ingot;
A method for producing an ingot of polycrystalline silicon having:
前記シリコン融液の所定量を供給する工程において、前記シリコン融液が前記緩衝シリコンに衝突した部位から下方に位置する前記鋳型の前記底部内壁に至る領域を溶融させる請求項1に記載の多結晶シリコンのインゴットの製造方法。   2. The polycrystal according to claim 1, wherein in the step of supplying a predetermined amount of the silicon melt, a region from the portion where the silicon melt collides with the buffer silicon to the bottom inner wall of the mold located below is melted. Silicon ingot manufacturing method. 前記シリコン融液の所定量を供給する工程において、前記緩衝シリコンを全て溶融する請求項1または2に記載の多結晶シリコンのインゴットの製造方法。   The method for producing an ingot of polycrystalline silicon according to claim 1 or 2, wherein in the step of supplying a predetermined amount of the silicon melt, all of the buffer silicon is melted. 緩衝シリコンを配置する工程において、前記緩衝シリコンの外周部が前記鋳型の前記側部内壁に接しないように前記緩衝シリコンを配置する請求項1乃至3のいずれかに記載の多結晶シリコンのインゴットの製造方法。   4. The polycrystalline silicon ingot according to claim 1, wherein in the step of disposing buffer silicon, the buffer silicon is disposed such that an outer peripheral portion of the buffer silicon does not contact the inner wall of the side of the mold. Production method. 前記緩衝シリコンを配置する工程において、前記緩衝シリコンを前記鋳型の前記底部内壁に固定する請求項1乃至4のいずれかに記載の多結晶シリコンのインゴットの製造方法。   5. The method for producing a polycrystalline silicon ingot according to claim 1, wherein, in the step of arranging the buffer silicon, the buffer silicon is fixed to the inner wall of the bottom of the mold. 前記緩衝シリコンを配置する工程において、前記緩衝シリコンは一部が厚い突出部を有するものを配置して、
前記シリコン融液の所定量を供給する工程において、前記シリコン融液が最初に接触する部位は、前記緩衝シリコンの前記突出部である請求項1乃至5のいずれかに記載の多結晶シリコンのインゴットの製造方法。
In the step of disposing the buffer silicon, the buffer silicon has a part with a thick protrusion,
6. The polycrystalline silicon ingot according to claim 1, wherein in the step of supplying a predetermined amount of the silicon melt, a portion where the silicon melt first contacts is the protruding portion of the buffer silicon. Manufacturing method.
前記緩衝シリコンを配置する工程において、前記緩衝シリコンは複数の塊状体または1以上の板状体の緩衝シリコンを含む請求項1乃至6のいずれかに記載の多結晶シリコンのインゴットの製造方法。   The method for producing a polycrystalline silicon ingot according to any one of claims 1 to 6, wherein in the step of arranging the buffer silicon, the buffer silicon includes a plurality of lump bodies or one or more plate-shaped buffer silicon. 前記緩衝シリコンを配置する工程において、前記緩衝シリコンは平面視して輪郭が円形状になるように配置する請求項7に記載の多結晶シリコンのインゴットの製造方法。   8. The method of manufacturing a polycrystalline silicon ingot according to claim 7, wherein, in the step of arranging the buffer silicon, the buffer silicon is arranged so as to have a circular shape in plan view. 前記緩衝シリコンを配置する工程において、前記緩衝シリコンは多数の塊状体を含み、平均粒径が異なる複数種類の塊状体を配置する請求項7または8に記載の多結晶シリコンのインゴットの製造方法。   The method for producing an ingot of polycrystalline silicon according to claim 7 or 8, wherein, in the step of arranging the buffer silicon, the buffer silicon includes a large number of aggregates, and a plurality of types of aggregates having different average particle diameters are disposed. 前記緩衝シリコンを配置する工程において、前記緩衝シリコンは多数の塊状体を含み、上部よりも下部に平均粒径が小さい塊状体を配置する請求項7乃至9のいずれかに記載の多結晶シリコンのインゴットの製造方法。   The polycrystalline silicon according to any one of claims 7 to 9, wherein in the step of disposing the buffer silicon, the buffer silicon includes a large number of lumps, and the lumps having a smaller average particle diameter are disposed below the upper part. Ingot manufacturing method. 前記緩衝シリコンを配置する工程において、前記緩衝シリコンは複数の板状体を組み合わせたものを含む請求項7乃至10のいずれかに記載の多結晶シリコンのインゴットの製造方法。   The method for producing a polycrystalline silicon ingot according to claim 7, wherein in the step of arranging the buffer silicon, the buffer silicon includes a combination of a plurality of plate-like bodies.
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