JP4003271B2 - シリコンの一方向凝固装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンの一方向凝固装置に係わり、詳しくは、太陽電池用に粗精製されたシリコンを鋳造し、一方向凝固させることで金属不純物元素を除去すると共に、インゴットに形成させるための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
太陽電池に使用するシリコン基板は、所要の半導体特性を発揮するには、多くの不純物元素をppmオーダまで低減させる必要がある。そのため、本出願人は、金属シリコン(純度、99.3重量%)を出発原料として、それからボロン、炭素を酸化精錬で、燐を揮発精錬で除去する技術を研究開発している。しかし、そのように粗精製されたシリコンでも、まだ金属不純物元素のチタニウム、鉄、アルミニウム、カルシウムが太陽電池用としての仕様を満足しない量含まれている。そこで、これら元素が固液分配係数の小さいことに着眼し、所謂一方向凝固法を用いて除去精製すると共に、シリコンのインゴットを形成するようにしている。
【0003】
ところで、一方向凝固を行わせるには、鋳型に注入したシリコン溶湯を底部から上方に向けて一定速度(理想的には、凝固界面が一面となって進行することが望ましい)で凝固させることが必要である。そのため、従来は、溶湯の上方より黒鉛ヒータ等で加熱すると共に、鋳型の底面に水冷された銅板をあてて冷却するようにしていた。
【0004】
この方法を用いると、凝固の開始当初は、底部での抜熱が良く、シリコン溶湯の下方から比較的速い凝固速度で安定して界面が進行するが、凝固が進んで行くと、溶融状態にあるシリコンの下部からの抜熱が悪くなって、凝固速度はしだいに遅くなって行く。凝固速度がこのように変動すると、凝固部分から溶融シリコンへの不純物元素の移動が不安定になり、高さ方向で均一な品質を有するインゴットが得難くなる。そのため、この凝固速度を一定に制御することは、太陽電池用シリコンの製造にとって重要なことであった。
【0005】
また、従来は、鋳型底部からの抜熱速度を十分に制御できなかったために、上部ヒータの出力を調整して、すなわち、凝固初期にはヒータの出力を強め、凝固末期にはヒータの出力を弱める制御を行っていた。しかし、底部からの抜熱の方が凝固速度に対し支配的であり、上部の加熱と底部の冷却を十分にバランスさせての制御は難しかった。さらに、ヒータの出力を高い方で制御する頻度が多いために、電力原単位が高くなるといった傾向があった。
【0006】
そこで、特開昭62−260710号公報は、鋳型底面と水冷銅板との間に、一種類の断熱材を介在させる技術を提案し、該断熱材の厚みを変更することで、冷却速度を調整する旨言及している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭62−260710号公報には、断熱材の具体的な変更方法、つまり、どのように制御するのかが記載されていない。該公報に記載された凝固装置の図を参照すれば、該装置は、鋳造室内への鋳型交換の便は図られているが、断熱材の交換が簡単、しかも短時間に可能なものにはなっていない。これでは、上方の加熱、底部の冷却をバランス良く制御することはできない。
【0008】
本発明は、かかる事情に鑑み、従来よりも凝固速度を一定に維持可能なシリコンの一方向凝固装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究し、シリコンの凝固進行中に、鋳型底面と水冷銅板との間に挟む断熱材の熱伝導率を変更することを着想し、この着想を本発明に具現化した。
すなわち、本発明は、鋳造室内に設けた支持台上に配置される鋳型と、該鋳型に鋳造されるシリコン溶湯を注ぐ給湯手段と、鋳型内溶湯の上方を加熱する加熱手段と、鋳型の底部を冷却する水冷銅板と、該水冷銅板−鋳型底部間に配置する断熱材とを備えたシリコンの一方向凝固装置において、前記鋳造室の上方に前記給湯手段及び加熱手段を、該鋳造室の中心から同一半径位置にそれぞれ離隔して設けると共に、前記中心を軸として互いに独立に回動する上下に重なった2枚の円盤を備え、その上方の円盤を鋳型の支持台とし、下方の円盤を断熱材の支持台としたことを特徴とするシリコンの一方向凝固装置である。
【0010】
また、本発明は、前記下方の円盤を複数領域に分け、各領域に熱伝導率の異なる断熱板を配置することを特徴とするシリコンの一方向凝固装置である。
さらに、本発明は、前記複数領域にある断熱板を、凝固中の前記水冷銅板からの温度情報に応じて鋳型底面にそれぞれ移動自在とする下方円盤の回動手段を備えたことを特徴とするシリコンの一方向凝固装置である。
【0011】
加えて、本発明は、前記断熱板の厚み及び物性を変更自在としたり、あるいは前記加熱手段を黒鉛ヒータとしたことを特徴とするシリコンの一方向凝固装置である。
さらに加えて、本発明は、前記給湯手段を、スライディング・ゲートを有する耐火物製漏斗としたことを特徴とするシリコンの一方向凝固装置でもある。
【0012】
本発明によれば、凝固初期では底面からの抜熱が多すぎるために、熱伝導率の低い断熱材を配置し、凝固が進んで、シリコンの溶融部と鋳型底部との間にシリコン凝固部ができると、この凝固部が伝熱律速になり、シリコン溶融部からの抜熱が悪くなるので、適宜凝固の進行に合わせて熱伝導率の高い断熱材に取り替えれるようになる。その結果、凝固速度は、その期間中ほぼ一定に維持できるようになり、品質に優れたシリコンのインゴットが得られるようになる。なお、凝固部の高さによっては、直接鋳型底面と水冷銅板とを接触させた方が良い場合もあり、その場合には、前記下方の円盤から予め断熱板を取り外しておくことで対処できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
まず、シリコン溶湯を本発明に係る一方向凝固装置へ受入れる時の状況を図1に示す。鋳造室15の雰囲気をアルゴンで置換してから、給湯手段のスライディング・ゲート1を開き、耐火物製の漏斗2を介してシリコン溶湯4が鋳型3中に注入される。注入が終了したら、前記スライディング・ゲート1を閉じて、鋳造室15内の雰囲気を再度アルゴンで置換する。引き続き、該鋳型3を支持している上方の円盤5(通称、ターン・テーブルという)を後述の回動手段7で回転し、鋳型3を凝固作業位置に移動させる。鋳型3が凝固作業位置に到達したら、図2に示すように、鋳型3の上方に加熱手段10及びフード11をセットする。その後、断熱板9を支持している下方の円盤6を、前記同様に、後述の回動手段8で回転させ、予め定めてある種類の断熱板9を鋳型3の下方に配置する。最後に、鋳型3の底部を冷却する水冷銅板12を上昇させて、該断熱板9の下方にセットし、凝固作業が開始される。
【0014】
ここで、前記上方の円盤5は、図3(a)に示すように、鋳型3を載せる位置に貫通孔16が設けてあり、冷却による抜熱の便を図ってある。また、下方の円盤6は、図3(b)に示すように、複数の領域(ここでは、4つ)に区分され、各領域に貫通孔16を設け、異なった種類の断熱板9が嵌め込まれている。勿論、凝固中に断熱板9が不要の時もあるので、断熱板9を嵌めてない貫通孔16があっても良い。さらに、これら上方及び下方の円盤5、6は、それぞれ分離しており、円盤の軸を中心にして可逆的に回転、あるいは上下に昇降できるように、回動手段7、8が設けてある。この回動手段7、8としては、ギア、モータ、シリンダー等を組み合わせた公知のものが利用できる。
【0015】
次に、鋳型3内に注入されたシリコン溶湯4の凝固速度の制御を説明する。
凝固開始当初は、予め定めた凝固速度になるような前記加熱手段10の出力、断熱板9と水冷銅板12に流す冷却水量で凝固を進行させる。その後は、凝固がある程度進み、鋳型3の壁に設けた温度計(図示せず)の情報で凝固速度の異常を確認したら、前記凝固速度を維持するように、その都度、断熱板9の種類を変更する。つまり、水冷銅板12を降下させると共に、下方の円盤6を回転させ、適切な断熱板9を鋳型3底部に配置し、再び水冷銅板12を上昇してから凝固を継続させるのである。通常、高さ25cmの鋳型3では、凝固に約4時間を要するが、この操作を数回繰り返すことにより、水冷銅板12からの抜熱量が適切に制御でき、ほぼ一定の凝固速度が得られるようになる。
【0016】
【実施例】
図1〜3に示した本発明に係る一方向凝固装置を用い、太陽電池用に粗精製された50kgのシリコン溶湯を黒鉛製の鋳型3に鋳造し、インゴットを製造した。また、凝固の効果を比較するため、凝固中に断熱板9の種類を変更しない鋳造をも行った。鋳型3のサイズは、高さ250mm,幅300mm,長さ300mmのものである。使用した断熱板9は、材質が黒鉛で同じであるが、熱伝導率及び厚みが表1に示すようなものを使用した。ここで、表1のNo.1,2,3及び4は、下方の円盤6の前記した領域を示している。
【0017】
凝固速度の制御状況を、図4に示す。図4より、断熱板9の交換で凝固速度が制御できていることが明らかである。また、使用したシリコン溶湯4及び得られたインゴットの不純物濃度を、表2に示す。表2より、本発明に係る一方向凝固装置で鋳造したインゴットは、太陽電池用シリコンとしての仕様を満足していることも明らかである。
【0018】
【表1】
【0019】
【表2】
【0020】
なお、上記凝固速度の制御では、加熱手段10の黒鉛ヒータの出力は、同じ断熱材9を使っている間、凝固速度が一定になるように調整するが、その調整範囲は、従来の断熱材種類を交換できない装置の場合と比較して狭くて良く、使用電力量が従来より低下できる。また、図1〜2では、鋳型3の上方に配置する加熱手段10を黒鉛ヒータとした。しかし、鋳造室雰囲気をアルゴン・ガスではなく、真空とする場合には、電子銃を利用しても良い。
【0021】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、太陽電池用シリコンを凝固させる過程において、均一な凝固速度を得ることができ、シリコン・インゴットの品質の向上と、均一化が達成される。また、抜熱量が低下するので、加熱手段の出力も下げることが可能となり、凝固に要する電力原単位を従来よりも低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るシリコンの一方向凝固装置を示す縦断面図である。
【図2】図1の別の状況を示す図である。
【図3】図1の装置の平面状態を示し、(a)は、A矢視図、(b)はB矢視図である。
【図4】凝固速度の制御状況を示す図である。
【符号の説明】
1 シリコン給湯手段のスライディング・ゲート
2 シリコン給湯手段の漏斗
3 鋳型
4 シリコンの溶湯(溶湯)
5 上方の円盤
6 下方の円盤
7 上方円盤の回動手段
8 下方円盤の回動手段
9 断熱板
10 加熱手段(黒鉛ヒータ)
11 鋳型のカバー
12 水冷銅板
13 冷却水の給排水ホース
14 冷却板の駆動装置
15 鋳造室
16 貫通孔
Claims (6)
- 鋳造室内に設けた支持台上に配置される鋳型と、該鋳型に鋳造されるシリコン溶湯を注ぐ給湯手段と、鋳型内溶湯の上方を加熱する加熱手段と、鋳型の底部を冷却する水冷銅板と、該水冷銅板−鋳型底部間に配置する断熱材とを備えたシリコンの一方向凝固装置において、
前記鋳造室の上方に前記給湯手段及び加熱手段を、該鋳造室の中心から同一半径位置にそれぞれ離隔して設けると共に、前記中心を軸として互いに独立に回動する上下に重なった2枚の円盤を備え、その上方の円盤を鋳型の支持台とし、下方の円盤を断熱材の支持台としたことを特徴とするシリコンの一方向凝固装置。 - 前記下方の円盤を複数領域に分け、各領域に熱伝導率の異なる断熱板を配置することを特徴とする請求項1記載のシリコンの一方向凝固装置。
- 前記複数領域にある断熱板を、凝固中の前記水冷銅板からの温度情報に応じて鋳型底面にそれぞれ移動自在とする下方円盤の回動手段を備えたことを特徴とする請求項1又は2記載のシリコンの一方向凝固装置。
- 前記断熱板の厚み及び物性を変更自在としたことを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載のシリコンの一方向凝固装置。
- 前記加熱手段を黒鉛ヒータとしたことを特徴とする請求項1〜4いずれかに記載のシリコンの一方向凝固装置。
- 前記給湯手段を、スライディング・ゲートを有する耐火物製漏斗としたことを特徴とする請求項1〜5いずれかに記載のシリコンの一方向凝固装置。
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