JP3885558B2

JP3885558B2 - 結晶シリコン製造装置

Info

Publication number: JP3885558B2
Application number: JP2001341218A
Authority: JP
Inventors: 浩司続橋
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2021-11-06
Also published as: JP2003137526A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン融液を冷却して一方向に徐々に凝固する結晶シリコン製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶シリコン太陽電池は、今日最も多く製造されている太陽電池である。
多結晶シリコン太陽電池の発電素子（ソーラー・セル）では、多結晶シリコンの品質がその性能を大きく左右する。そのため、多結晶シリコンの製造には、これまで様々な改良がなされてきたが、今日、多結晶シリコンの製造における最大の課題は、結晶中の不純物元素の低減及び結晶性の向上である。
【０００３】
多結晶シリコンの製造工程は、大きく分けて、金属シリコンから高純度シリコンを製造するプロセスとその高純度シリコンの融液を一方向凝固法により固化するプロセスの２段階に分けられるが、従来、不純物元素を低減するために、前者のプロセスにおいて、金属シリコンを塩酸と反応させてトリクロロ・シランとしてガス化し、そのガスを精留し、水素ガスと反応させながら、ガスから析出させた高純度シリコンを製造している。
【０００４】
また、不純物元素を低減するために、一方向凝固時に、シリコン融液を攪拌しながら行うことも有効である。このようにシリコン融液を攪拌することで、シリコン融液中のＯ等の不純物がガスとして排出されることとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにシリコン融液から不純物ガスが排出されても、この不純物ガスをシリコン融液の表面近傍から速やかに排出しなければ、再び不純物ガスがシリコン融液中に取り込まれてしまうこととなる。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、不純物濃度が低く、結晶性が高い高品質の多結晶シリコンを安価で容易に製造できる結晶シリコン製造装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、以下の構成を採用した。
鋳型に収容したシリコン融液に該鋳型の内側底面から上方に正の温度勾配を付与して、前記鋳型の内側底面から上方に前記シリコン融液を結晶化する結晶シリコン製造装置において、前記鋳型内から発生する気体を搬送する搬送気流を前記鋳型の外方で発生させる気流発生装置を有し、前記鋳型が複数設けられ、該鋳型間には前記鋳型の上端よりも高さの低い樋状通路が形成され、前記気流発生装置は、前記樋状通路内で前記搬送気流を発生させることを特徴とする。
【０００８】
このように構成される結晶シリコン製造装置においては、鋳型内から発生する気体を搬送する搬送気流を前記鋳型の外方で発生させる気流発生装置が設けられているので、鋳型内から発生した気体、すなわち不純物ガスを含む気体のうち、鋳型外に流出した気体が搬送気流によって搬送されて、鋳型内への逆流が防止される。さらに、このように鋳型の外方で搬送気流を生じさせることで、ベンチュリー効果によって鋳型内の気体が鋳型外に吸い出されて速やかに鋳型外に排出される。また、鋳型間に形成される樋状通路に沿って搬送気流が流れるので、搬送気流が乱れにくくなり、搬送気流の鋳型内への逆流を生じにくくすることができる。
【００１０】
また、気流発生装置が、不活性ガスを吐出して前記搬送気流を形成するガス吐出管を有していてもよい。
この場合には、ガス吐出管から吐出される不活性ガスによって搬送気流が形成されるので、装置構成を簡単なものとすることができる。
また、ガス吐出管の設置位置やガスの吐出方向を設定することで、搬送気流の流れる向きを適切な向きに決定することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
〔第一の実施の形態〕
以下、本発明にかかる結晶シリコン製造装置の一実施形態について、図を参照して説明する。ここで、図１は本発明の第一の実施の形態にかかる結晶シリコン製造装置の構成を示す縦断面図、図２及び図３は図１に示す結晶シリコン製造装置の要部を示す図であって、図２は拡大図、図３は平面図である。
結晶シリコン製造装置１は、図示せぬチャンバー内に設置された複数の鋳型２と、鋳型２の上方に配置された上ヒーター３ａと、鋳型２の下部に配置される冷却板４と、冷却板４の下部に配置された下ヒーター３ｂと、鋳型２、上ヒーター３ａ、下ヒーター３ｂ、及び冷却板４とを囲む保温材５と、鋳型２内のシリコン融液Ｈを攪拌してシリコン融液Ｈ中の不純物をガスとして排出させる攪拌装置６とを有している。
さらに、結晶シリコン製造装置１には、保温材５によって囲まれる空間内の鋳型２の外方で、鋳型２内から発生する気体を搬送する搬送気流を発生させる気流発生装置７が設けられている。
【００１２】
前記複数の鋳型２は、整列させて配置されており、これら鋳型２のそれぞれの周囲は、鋳型２よりも高さの低い断熱材８によって囲まれている。これにより、隣接する鋳型２間には、これら鋳型２の側壁と断熱材８の上面とによって構成される樋状通路９が形成されている。本実施の形態では、断熱材８は平面視で格子状に配置されており、樋状通路９も平面視で格子状をなしている。なお、断熱材８は、少なくとも鋳型２内のシリコン融液Ｈの液面よりも高い位置まで設けられている。
【００１３】
保温材５には、内部と外部とを接続する流通孔５ａが形成されており、結晶シリコン製造装置１には、流通孔５ａを通じて保温材５に囲まれた空間内の気体を排気する排気装置（図示せず）が設けられている。本実施の形態では、流通孔５ａは、保温材５に向けて延びる樋状通路９の延長線上に設けている。
攪拌装置６は、保温材５の外部から挿入されて先端を鋳型２内に向けて鋳型２の上方に配置されたガス供給ランス１１と、ガス供給ランス１１内にＡｒガス等の不活性ガスを供給するガス供給装置１２とを有している。ガス供給ランス１１は、先端を、鋳型２内に形成されるシリコン融液Ｈの表面から離間させて設けられており、シリコン融液Ｈ及びそのスプラッシュとも接触することのないように図られている。なお、攪拌装置６は、上記の構成に限らず、他の任意の構成とすることができる。
【００１４】
気流発生装置７は、保温材５の外部から挿入されて先端を鋳型２間の断熱材８の上面に向けられるガス吐出管１６を有している。このガス吐出管１６には、前記ガス供給装置１２が接続されて、ガス供給装置１２から不活性ガスが供給されるようになっている。本実施の形態では、搬送気流が保温材５の流通孔５ａに向けてスムーズに流れるように、ガス吐出管１６は、保温材５に向けて延びる樋状通路９に対向して配置されており、また吐出する不活性ガスがより多くの樋状通路９に沿って流れて搬送気流を形成するよう、樋状通路９同士の交差位置に対向させて設けられている。ここで、ガス吐出管１６は、複数箇所に設置してもよい。また、ガス吐出管１６は、必ずしも先端を断熱材８の上面に対向させて設ける必要はなく、搬送気流がよりスムーズに流れるよう適宜位置に適宜向きに配置されるものである。例えば、ガス吐出管１６の開口を断熱材８の上面に沿った方向に向けて、樋状通路９に沿って不活性ガスが吐出されるようにしてもよい。
【００１５】
このように構成される結晶シリコン製造装置１を用いた結晶シリコンの製造方法について以下に説明する。
まず、鋳型２内に原料の固体シリコンを収容する。そして、雰囲気ガスとしてＡｒガス等の不活性ガスを図示しないチャンバー上部からチャンバー内に流入させ、鋳型２内の固体シリコンを上ヒーター３ａ、下ヒーター３ｂにより加熱して溶融させてシリコン融液Ｈとする。
【００１６】
次に、攪拌装置６によってシリコン融液Ｈを攪拌する。この攪拌装置６は、ガス供給装置１２から供給される不活性ガスを、ガス供給ランス１１によって鋳型２内のシリコン融液Ｈの表面に向けて吐出する。ここで、ガス供給ランス１１から吐出される不活性ガスの流れを図２に矢印で示す。このようにシリコン融液Ｈの表面に吹き付けられる不活性ガスの圧力によってシリコン融液Ｈの表面にキャビティＣが形成され、これによってシリコン融液Ｈが攪拌されるとともにシリコン融液の表面に常に新生面が形成される。そのため、シリコン融液１３内部で発生するＳｉＯガスの周囲雰囲気への排出が促進され、シリコン融液１３内の不純物であるＯが効果的に除去される。
【００１７】
この不活性ガスは、キャビティＣの形成に寄与した後は、ガス供給ランス１１を中心としてシリコン融液Ｈの表面を鋳型２の側壁に向けて放射状に流れて、順次鋳型２外に流出する。そして、この不活性ガスの流れによりシリコン融液１３の表面が覆われることとなり、ＣＯガス等の不純物ガスの周囲雰囲気からの混入が防止される。ここで、ガス供給ランス１１は、先端を鋳型２内に形成されるシリコン融液１３の表面から離間させて設けられていてシリコン融液Ｈに接触していないので、ガス供給ランス１１から不純物がシリコン融液Ｈ内に混入することがない。
【００１８】
これと前後して、気流発生装置７により、チャンバー内の鋳型２の外方で鋳型２内から発生する気体を搬送する搬送気流を発生させる。
気流発生装置７のガス吐出管１６から吐出される不活性ガスは、各鋳型２間に設けられる断熱材８の上面に吹き付けられて、各鋳型２間に形成される樋状通路９に沿って流れる搬送気流を形成する。ここで、本実施の形態では、ガス吐出管１６は樋状通路９同士の交差位置に対向して設けられているので、ひとつのガス吐出管１６によって複数の樋状通路９に沿って搬送気流が発生させられる。また、ガス吐出管１６は、保温材５の流通孔５ａに向けて延びる樋状通路９に対向させて設けられているので、流通孔５ａに向けて流れる搬送気流が形成されることとなる。
【００１９】
このように樋状通路９に沿って搬送気流を発生させることで、鋳型２内から流出した不純物ガスを含む不活性ガスが樋状通路９に沿って搬送されるとともに、ベンチュリー効果によって鋳型２内の不純物ガスを含む不活性ガスも鋳型２外に吸い出されて搬送気流によって搬送される。
そして、この不純物ガスを含む搬送気流は、排気装置によって保温材５の流通孔５ａを通じて保温材５外に排出されるとともに、チャンバー内からも排出されて、再び鋳型２外に戻らないようになっている。
【００２０】
ついで、下ヒーター３ｂによる加熱を停止し、冷却板４により鋳型２の底部からシリコン融液Ｈの冷却を開始させる。鋳型２内のシリコン融液Ｈは、底部から上方へ形成された正の温度勾配に沿って、一方向に結晶化していく。
【００２１】
上記のように、気流発生装置７によって鋳型２内から発生する気体を搬送する搬送気流を鋳型２の外方で発生させることで、鋳型２内から発生した気体、すなわち不純物ガスを含む不活性ガスのうち、鋳型２外に流出した不活性ガスが搬送気流によって搬送されて、鋳型２内への逆流が防止され、またベンチュリー効果によって鋳型２内の不純物ガスを含む不活性ガスも鋳型２外に吸い出されて速やかに鋳型２外に排出されることとなり、鋳型２内での不純物ガスを含む不活性ガスの滞留が生じにくくなる。
【００２２】
また、鋳型２が複数設けられており、鋳型２間には鋳型２よりも高さの低い断熱材８が設置され、気流発生装置７が、複数の鋳型と断熱材とによって形成される樋状通路９内で気流を発生させるので、この樋状通路９によって搬送気流が導かれることとなって搬送気流が乱れにくくなり、搬送気流の鋳型２内への逆流を生じにくくすることができる。
【００２３】
そして、このようにシリコン融液Ｈから発生した不純物を含む気体がシリコン融液Ｈに再度取り込まれにくい状態でシリコン融液１３の凝固が進行するので、凝固完了後の結晶シリコンのインゴットは、ＣやＯの不純物濃度が低くなる。さらに、この場合は、不純物が少ないので、結晶性がよい高品質の結晶シリコンを製造することができる。
ここで、ガス吐出管１６から吐出される不活性ガスの流量が５０Ｌ／ｍｉｎよりも少ないと、搬送気流の勢いが弱すぎて搬送気流による不純物を含む不活性ガスの搬送能力が低くなってしまう。一方、不活性ガスの流量が１５０Ｌ/ｍｉｎよりも多いと、搬送気流の勢いが強すぎて、搬送気流に乱れが生じたり、鋳型２内に流れ込んでしまうなど、不純物を含む不活性ガスの搬送能力が低くなってしまう。このため、ガス吐出管１６から吐出される不活性ガスの流量は、５０Ｌ／ｍｉｎ以上１５０Ｌ/ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
【００２４】
〔第二の実施の形態〕
以下、本発明にかかる結晶シリコン製造装置の第二の実施形態について図を参照して説明する。ここで、図４は、本実施形態にかかる結晶シリコン製造装置の要部の構成を示す縦断面図、図５は図４に示す結晶シリコン製造装置の要部の構成を示す平面図である。
本実施形態にかかる結晶シリコン製造装置２１は、第一の実施の形態で示した結晶シリコン製造装置１において、気流発生装置７のガス吐出管１６の代わりに、先端に半径外方に向く複数のノズル２６ａが設けられたガス吐出管２６を用いるものである。
本実施の形態では、ノズル２６ａはガス吐出管２６の軸直交断面視において十字をなすように計４本形成されており、鋳型２間に形成される樋状通路９同士の交差位置に設けられて、各ノズル２６ａをそれぞれ樋状通路９に沿った方向に向けて設けられている。
【００２５】
このように構成される結晶シリコン製造装置２１によれば、ガス吐出管２６は、先端に設けられるノズル２６ａから、各樋状通路９に沿って不活性ガスを吐出するので、不活性ガスが樋状通路９に沿って流れて安定した搬送気流を形成することとなる。
これにより、鋳型２から流出または吸い出された不純物ガスを含む不活性ガスの鋳型２内への逆流がより生じにくくなってシリコン融液に再び不純物ガスが取り込まれにくくなるので、得られるシリコンインゴットの不純物濃度をより一層低減することができる。
【００２６】
【実施例】
本発明にかかる結晶シリコン製造装置の性能を調べるため、上記第一の実施の形態で示した結晶シリコン製造装置１により実際に結晶シリコンのインゴットを製造した。
ここで、鋳型２は石英製で平面視の寸法が約５５．０×５５．０ｃｍ、高さが３０．０ｃｍのものを使用し、原料の固体シリコンには半導体用シリコン単結晶の端材を使用した。
また、断熱材８は、厚み１０．０ｃｍ、高さ２０．０ｃｍとした。すなわち、鋳型２の側壁と断熱材８の上面とによって形成される樋状通路９の深さは１０．０ｃｍ、幅は１０．０ｃｍとなる。そして、ガス吐出管１６は、断熱材８の上面から５．０ｃｍ上方に離間させて設けている。
また、ガス吐出管１６から吐出される不活性ガス（ガス供給装置７が供給する不活性ガス）はＡｒガスとし、その流量を１００Ｌ／ｍｉｎとした。
【００２７】
そして、チャンバー内の雰囲気ガスとしてＡｒガスを用い、ヒーターを１ｈで１５００°Ｃまで昇温し、その後約１．５ｈ後に原料の融解を完了した。
ここで、ガス供給ランス１１から吐出される不活性ガスの流量ｆ、ガス供給ランス１１の内半径ｒ、およびガス供給ランス１１のシリコン融液Ｈ表面からの距離とは、次式の関係にある。
３≦ｆ／（ｒＨ）≦６０
（ただし、ｆ［Ｌ／ｍｉｎ］：吹き付ける不活性ガスの流量
ｒ［ｃｍ］：内管の内半径
Ｈ［ｃｍ］：内管の先端のシリコン融液表面からの距離）
ここで、ｆ／（ｒＨ）＜３であると、不活性ガスの流量が少なすぎて、シリコン融Ｈの攪拌及び新生面の形成が不十分となるので、シリコン融液Ｈからの不純物の排出が不十分となり、得られるインゴットの不純物濃度が高くなってしまう。一方、６０＜ｆ／（ｒＨ）であると、キャビティ形成用ガスの流量が多すぎて、シリコン融液Ｈのスプラッシュが生じる上、シリコン融液Ｈの固液界面が乱されるので、得られるインゴットの結晶性が乱れ、インゴットから得られるセルの特性が低下してしまう。
ここでは、ガス供給ランス１１のシリコン融液Ｈの表面からの距離Ｈは、５．０ｃｍとし、不活性ガスの流量ｆ＝４０Ｌ／ｍｉｎとした。
この条件下で製造されたインゴット内の不純物濃度（酸素濃度）は、５．０×１０¹⁷ａｔｏｍ／ｃｃであった。
【００２８】
さらに、比較のために、第一の実施の形態に示す結晶シリコン製造装置１において、気流発生装置７を設けていないこと以外は同様の構成とした結晶シリコン製造装置を用いて、上記と同じ条件で結晶シリコンのインゴットを製造した。
このとき得られたインゴット内の不純物濃度（酸素濃度）は、２．０×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｃと、本発明にかかる結晶シリコン製造装置１によって製造されるシリコンインゴットよりも不純物濃度が約４倍高かった。
このことから、本発明にかかる結晶シリコン製造装置によれば、気流発生装置７によって鋳型２外で搬送気流を発生させることで、鋳型２から流出した不純物ガスを含む不活性ガスの逆流が防止され、さらに鋳型２内にある不純物ガスを含む不活性ガスもベンチュリー効果によって鋳型２外に吸い出されて鋳型２内での滞留が生じにくくなるので、シリコン融液Ｈから発生した不純物ガスがシリコン融液Ｈに再度取り込まれにくくなることがわかる。
【００２９】
【発明の効果】
上記のように、本発明にかかる結晶シリコン製造装置によれば、鋳型内から発生する気体を搬送する搬送気流を前記鋳型の外方で発生させる気流発生装置が設けられているので、鋳型から発生した不純物を含む気体が鋳型外に搬送されて逆流が防止され、さらに鋳型内にある気体もベンチュリー効果によって鋳型外に吸い出されて鋳型内での気体の滞留が生じにくくなるので、シリコン融液から発生した不純物を含む気体がシリコン融液に再度取り込まれにくくなる。
これにより、不純物濃度が低く、結晶性が高い高品質の多結晶シリコンを安価で容易に製造することができる。
【００３０】
また、鋳型を複数設け、これら鋳型間には前記鋳型の上端よりも高さの低い樋状通路を形成し、前記気流発生装置が、前記樋状通路内で前記搬送気流を発生させる構成とすることで、鋳型間に形成される樋状通路に沿って搬送気流が流れるので、搬送気流が乱れにくくなり、搬送気流の鋳型内への逆流をさらに生じにくくすることができる。
【００３１】
また、気流発生装置を、鋳型の外方で不活性ガスを吐出するガス吐出管を有する構成とすれば、ガス吐出管から吐出される不活性ガスによって搬送気流が形成されるので、装置構成を簡単なものとすることができる。
また、ガス吐出管の設置位置やガスの吐出方向を設定することにより、任意の位置から任意の向きに向けて流れる搬送気流を形成することができ、不純物を含むガスの排出に適した向きの搬送気流の形成が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態にかかる結晶シリコン製造装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す結晶シリコン製造装置の要部拡大図である。
【図３】図１に示す結晶シリコン製造装置の要部を示す平面図である。
【図４】本発明の第二の実施の形態にかかる結晶シリコン製造装置の要部の構成を示す縦断面図である。
【図５】図４に示す結晶シリコン製造装置の要部の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１結晶シリコン製造装置２鋳型
７気流発生装置８断熱材
１６ガス吐出管Ｈシリコン融液

Claims

鋳型に収容したシリコン融液に該鋳型の内側底面から上方に正の温度勾配を付与して、前記鋳型の内側底面から上方に前記シリコン融液を結晶化する結晶シリコン製造装置において、
前記鋳型内から発生する気体を搬送する搬送気流を前記鋳型の外方で発生させる気流発生装置を有し、
前記鋳型が複数設けられ、
該鋳型間には前記鋳型の上端よりも高さの低い樋状通路が形成され、
前記気流発生装置は、前記樋状通路内で前記搬送気流を発生させることを特徴とする結晶シリコン製造装置。
前記気流発生装置が、不活性ガスを吐出して前記搬送気流を形成するガス吐出管を有していることを特徴とする請求項１記載の結晶シリコン製造装置。