JP4077712B2 - シリコンの鋳造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンの鋳造方法に関し、例えば太陽電池用半導体基板等の作製に用いられるシリコンの鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶シリコン太陽電池などに用いられるシリコンウエハーは、シリコンを一方向凝固させて多結晶シリコン鋳塊を作り、これを２００〜５００μｍ程度の厚みにスライスすることにより製造されている。
【０００３】
このシリコン鋳塊を作製するためのシリコン鋳造装置を図２に示す。
図２において、６は断熱壁、７は融解用ルツボ、８は保持用ルツボ、９は原料シリコン、１０はルツボ側部の融解用加熱装置、１１はルツボ上部の融解用加熱装置、１２はシリコン融液を出湯するための出湯口、１３はシリコン鋳塊、１４は鋳型加熱装置、１５は鋳型、１６は冷却板である。
【０００４】
鋳造装置の上部に原料シリコンを融解するための融解用ルツボ７が配置され、その外側に保持用ルツボ８が設けられる。融解用ルツボ７の内部には、原料シリコン９が入れられる。融解用ルツボ７と保持用ルツボ８の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口１２が設けられている。融解用ルツボ７、保持用ルツボ８の側部と上部には融解用加熱装置１０、１１が配置されている。シリコン鋳造装置の下部には鋳型１５が配置され、その下には冷却板１６が設けられている。鋳型１５の上部と側部には上記融解用ルツボ７から出湯されたシリコン融液の凝固を制御するための鋳型加熱装置１４が配置される。
【０００５】
融解用ルツボ７は耐熱性能とシリコン融液中に不純物が拡散しないこと等を考慮して例えば高純度の石英が用いられる。保持用ルツボ８は、石英等でできた融解用ルツボ７がシリコンの融解温度近傍の高温で軟化してその形状を保てないため、融解用ルツボ７を保持するためのものであり、その材質はグラファイト等が用いられる。融解用加熱装置１０、１１と鋳型加熱装置１４は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルが用いられる。鋳型１５は材質がグラファイトや炭素繊維強化炭素材料などからなり、その内側に窒化珪素などを主成分とする離型材を塗布して用いられる。冷却板１６はシリコン融液を冷却、凝固するためのものである。なお、融解用ルツボ７や鋳型１５等はすべて真空容器（図示せず）内に配置される。
【０００６】
このようなシリコン鋳造装置において、原料シリコン９を３０ｋｇから３００ｋｇ程度、融解用ルツボ７の内部に入れて融解用加熱装置１０、１１により融解する。融解用ルツボ７内部ですべて融けたシリコンは出湯口１２から出湯され、鋳型１５の内部に注がれる。この注湯が終わったら融解用加熱装置１０、１１を切って冷却板１６で鋳型１５の底部を冷却しながら鋳型加熱装置１４の出力を調整して一方向凝固させる。
【０００７】
上述のような鋳造方法では、例えば数ｃｍから１０ｃｍ程度の径の大きい原料シリコンのみを使用した場合、シリコン原料同士の間に隙間が生じ、融解用ルツボ７の上部で融解してルツボ底部に流れてきたシリコン融液が出湯口１２から漏れ出すということが発生していた。
【０００８】
この漏れ出したシリコン融液は、冷えた鋳型１５内に滴下して急速に凝固する。この急速に凝固したものは内部に気泡を多く含むとともに転位が大量に発生した非常に品質の悪いものとなる。特にシリコンが大量に漏れ出した場合、上述の急速凝固したものが本出湯時にも再融解することなく鋳塊内部に残って基板品質を大きく低下させるという問題があった。
【０００９】
この対策として、従来は図３に示すように、ルツボ１７の底部に出湯口２３を有するノズル２０を設け、さらにこのノズル２０内の原料２４を加熱するための第２の加熱手段２２を設けていた。なお、図３において、１７は融解用ルツボ、１８は保持用ルツボ、１９は原料融液、２０はルツボ底部に設けられたノズル、２１はルツボの形状を保持するためのグラファイトサセプターである。
【００１０】
まず、融解用ルツボ１７内のシリコン原料を融かし、その後第２の加熱手段２２によりノズル２０内のシリコン原料２４を融かすことにより、融解用ルツボ１７の上部で融解してルツボ底部に流れてきたシリコン融液が出湯口２３から漏れ出すことを防いでいた。
【００１１】
さらに、別の方法では原料シリコンの中から適当な大きさと形状の物を選んで融解用ルツボ１７内の出湯口１２の上において出湯口１２に原料シリコンで栓をするようにしていた。
【００１２】
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１１−４３３１８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のようなルツボ１７の底部にノズル２０を具備した鋳造装置においては、溶融ルツボ１７とノズル２０を一体化したものにする必要があり、このため溶融ルツボ１７が非常に高額になり、かつ鋳造装置も第２の加熱手段２２を設ける必要があり複雑で高額なものになってコストの上昇を招いていた。
【００１５】
また、融解用ルツボ１７内のシリコン原料をまず融かし、その後ノズル２０内の原料を加熱して融かすため、鋳造時間が長くなるという問題もあった。
【００１６】
また、原料シリコンの中から適当な大きさと形状の物を選んで融解用ルツボ１７内の出湯口１２の上の置いて出湯口１２に原料シリコンで栓をする方法では、完全な栓をすることが難しく、どうしても融解用ルツボ７と原料シリコンの栓との間に隙間ができ、シリコン融液が出湯口１２から漏れる。また、融解用ルツボ７の上部で最初に融解してルツボ底部に流れてきたシリコン融液が原料シリコンの栓を融かしてしまい、シリコン融液が出湯口１２から漏れるということもあった。
【００１７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、構造が簡単でかつ本出湯前のシリコン融液の漏れ出しをなくして基板品質が低下することのないシリコンの鋳造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明のシリコンの鋳造方法では、シリコン原料をルツボ内で融解して底部に設けた開口部から出湯して下部に配置された鋳型で凝固させるシリコンの鋳造方法において、前記ルツボの底部側に平均粒径の小さいシリコン原料を入れるとともに、前記ルツボの上部側に平均粒径の大きいシリコン原料を入れて融解することを特徴とする。
【００１９】
上記シリコンの鋳造方法では、前記平均粒径の小さいシリコン原料の平均粒径が８５０μｍ未満で総量の５〜５０重量％であり、前記平均粒径の大きいシリコン原料の平均粒径が８５０μｍ以上で総量の９５〜５０重量％であることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき説明する。
本発明に係る鋳造装置の全体構成は図２に示す鋳造装置と同じである。すなわち、鋳造装置の上部に原料シリコンを融解するための融解用ルツボ７が配置し、その外側に保持用ルツボ８が設ける。融解用ルツボ７の内部に原料シリコン９を入れる。融解用ルツボ７と保持用ルツボ８の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口１２を設ける。融解用ルツボ７と保持用ルツボ８の側部と上部には融解用加熱装置１０、１１を設ける。シリコン鋳造装置の下部には鋳型１５を配置し、その下には冷却板１６を設ける。鋳型１５の上部と側部には上記融解用ルツボ７から出湯されたシリコン融液の凝固を制御するための鋳型加熱装置１４を配置する。
【００２１】
図１は、本発明に係る原料シリコンの配置を示したシリコン融解用ルツボの断面図である。図１において、１は融解ルツボ、２は平均粒径の大きいシリコン原料、３は平均粒径の小さいシリコン原料、４は栓の働きをする原料シリコン、５は出湯口である。
【００２２】
融解ルツボ１は、石英製で直径５００〜７００ｍｍ、高さ３００〜５００ｍｍである。この融解ルツボ１の底部の中央には直径５〜１０ｍｍ程度の出湯口５が設けられる。
【００２３】
このような融解ルツボ１を上述の図２のようなシリコン鋳造装置にセットし、原料シリコンを入れていく。この融解ルツボ１内に原料シリコンを入れるに際して、まず出湯口５を塞ぐのに適当な大きさと形状の原料シリコンで出湯口５を塞ぐ。これは融解前に他の原料シリコンが出湯口５から落下するのを防ぐためである。
【００２４】
次に、平均粒径の小さいシリコン原料約１０ｋｇを融解ルツボ１の底部に入れる。次に、平均粒径の大きいシリコン原料約６０ｋｇを平均粒径の小さいシリコン原料の上になるように入れる。
【００２５】
この状態でシリコン鋳造装置内部を１から２０ＫＰａ程度に減圧する。
【００２６】
その後、融解用加熱装置１０、１１により１５００℃近傍まで加熱して原料シリコンを融解する。まず上部の加熱装置１１でルツボ１の上部から融解していく。すなわち、融解ルツボ１の上部側に入れた平均粒径の大きなシリコン原料が融け始め、融液は原料シリコンの隙間を通って下がってくるが、平均粒径の小さいシリコン原料のところで止まる。
【００２７】
すなわち、平均粒径の大きいシリコン原料が全て融け、その後除々に平均粒径の小さいものが溶け出し、最後に栓用の原料シリコンが融けたときに、融解したシリコンは出湯口５から出湯されて鋳型の内部に注がれる。この注湯が終わったら融解用加熱装置１０、１１を切って冷却板１６で鋳型１５の底部を冷却しながら鋳型加熱装置１４の出力を調整して一方向凝固させる。
【００２８】
本発明者らは実験を重ねた結果、融解ルツボ１の底部側に入れる平均粒径の小さいシリコン原料の平均粒径が８５０μｍを越すと出湯前に出湯口５から出てしまうことを見出した。
【００２９】
さらに、この平均粒径８５０μｍ未満の原料シリコンの量は、融解ルツボ１に入れるシリコン原料総量の５重量％以上３０重量％以下であることが望ましいことがわかった。５重量％未満であればシリコン融液が出湯する前に出湯口５から出てしまい、また５０重量％を越すと不純物が多くなってでき上がった基板の品質が悪くなるためである。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るシリコンの鋳造方法によれば、ルツボの底部側に平均粒径の小さいシリコン原料を入れるとともに、前記ルツボの上部側に平均粒径の大きいシリコン原料を入れて融解することから、単純な構造の鋳造炉となり、かつ融解したシリコンの本出湯前の漏れ出しを防ぐことができ、でき上がったシリコンウエハーの品質を安定なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシリコンの鋳造方法を示す図である。
【図２】シリコン鋳塊を作製するためのシリコン鋳造装置の構造の例である。
【図３】従来のシリコンの鋳造方法を示す図である。
【符号の説明】
１・・・融解用ルツボ、２・・・平均粒径の大きいシリコン原料、３・・・平均粒径の小さいシリコン原料、４・・・栓の働きをする原料シリコン、５・・・出湯口
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンの鋳造方法に関し、例えば太陽電池用半導体基板等の作製に用いられるシリコンの鋳造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶シリコン太陽電池などに用いられるシリコンウエハーは、シリコンを一方向凝固させて多結晶シリコン鋳塊を作り、これを２００〜５００μｍ程度の厚みにスライスすることにより製造されている。
【０００３】
このシリコン鋳塊を作製するためのシリコン鋳造装置を図２に示す。
図２において、６は断熱壁、７は融解用ルツボ、８は保持用ルツボ、９は原料シリコン、１０はルツボ側部の融解用加熱装置、１１はルツボ上部の融解用加熱装置、１２はシリコン融液を出湯するための出湯口、１３はシリコン鋳塊、１４は鋳型加熱装置、１５は鋳型、１６は冷却板である。
【０００４】
鋳造装置の上部に原料シリコンを融解するための融解用ルツボ７が配置され、その外側に保持用ルツボ８が設けられる。融解用ルツボ７の内部には、原料シリコン９が入れられる。融解用ルツボ７と保持用ルツボ８の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口１２が設けられている。融解用ルツボ７、保持用ルツボ８の側部と上部には融解用加熱装置１０、１１が配置されている。シリコン鋳造装置の下部には鋳型１５が配置され、その下には冷却板１６が設けられている。鋳型１５の上部と側部には上記融解用ルツボ７から出湯されたシリコン融液の凝固を制御するための鋳型加熱装置１４が配置される。
【０００５】
融解用ルツボ７は耐熱性能とシリコン融液中に不純物が拡散しないこと等を考慮して例えば高純度の石英が用いられる。保持用ルツボ８は、石英等でできた融解用ルツボ７がシリコンの融解温度近傍の高温で軟化してその形状を保てないため、融解用ルツボ７を保持するためのものであり、その材質はグラファイト等が用いられる。融解用加熱装置１０、１１と鋳型加熱装置１４は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルが用いられる。鋳型１５は材質がグラファイトや炭素繊維強化炭素材料などからなり、その内側に窒化珪素などを主成分とする離型材を塗布して用いられる。冷却板１６はシリコン融液を冷却、凝固するためのものである。なお、融解用ルツボ７や鋳型１５等はすべて真空容器（図示せず）内に配置される。
【０００６】
このようなシリコン鋳造装置において、原料シリコン９を３０ｋｇから３００ｋｇ程度、融解用ルツボ７の内部に入れて融解用加熱装置１０、１１により融解する。融解用ルツボ７内部ですべて融けたシリコンは出湯口１２から出湯され、鋳型１５の内部に注がれる。この注湯が終わったら融解用加熱装置１０、１１を切って冷却板１６で鋳型１５の底部を冷却しながら鋳型加熱装置１４の出力を調整して一方向凝固させる。
【０００７】
上述のような鋳造方法では、例えば数ｃｍから１０ｃｍ程度の径の大きい原料シリコンのみを使用した場合、シリコン原料同士の間に隙間が生じ、融解用ルツボ７の上部で融解してルツボ底部に流れてきたシリコン融液が出湯口１２から漏れ出すということが発生していた。
【０００８】
この漏れ出したシリコン融液は、冷えた鋳型１５内に滴下して急速に凝固する。この急速に凝固したものは内部に気泡を多く含むとともに転位が大量に発生した非常に品質の悪いものとなる。特にシリコンが大量に漏れ出した場合、上述の急速凝固したものが本出湯時にも再融解することなく鋳塊内部に残って基板品質を大きく低下させるという問題があった。
【０００９】
この対策として、従来は図３に示すように、ルツボ１７の底部に出湯口２３を有するノズル２０を設け、さらにこのノズル２０内の原料２４を加熱するための第２の加熱手段２２を設けていた。なお、図３において、１７は融解用ルツボ、１８は保持用ルツボ、１９は原料融液、２０はルツボ底部に設けられたノズル、２１はルツボの形状を保持するためのグラファイトサセプターである。
【００１０】
まず、融解用ルツボ１７内のシリコン原料を融かし、その後第２の加熱手段２２によりノズル２０内のシリコン原料２４を融かすことにより、融解用ルツボ１７の上部で融解してルツボ底部に流れてきたシリコン融液が出湯口２３から漏れ出すことを防いでいた。
【００１１】
さらに、別の方法では原料シリコンの中から適当な大きさと形状の物を選んで融解用ルツボ１７内の出湯口１２の上において出湯口１２に原料シリコンで栓をするようにしていた。
【００１２】
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１１−４３３１８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のようなルツボ１７の底部にノズル２０を具備した鋳造装置においては、溶融ルツボ１７とノズル２０を一体化したものにする必要があり、このため溶融ルツボ１７が非常に高額になり、かつ鋳造装置も第２の加熱手段２２を設ける必要があり複雑で高額なものになってコストの上昇を招いていた。
【００１５】
また、融解用ルツボ１７内のシリコン原料をまず融かし、その後ノズル２０内の原料を加熱して融かすため、鋳造時間が長くなるという問題もあった。
【００１６】
また、原料シリコンの中から適当な大きさと形状の物を選んで融解用ルツボ１７内の出湯口１２の上の置いて出湯口１２に原料シリコンで栓をする方法では、完全な栓をすることが難しく、どうしても融解用ルツボ７と原料シリコンの栓との間に隙間ができ、シリコン融液が出湯口１２から漏れる。また、融解用ルツボ７の上部で最初に融解してルツボ底部に流れてきたシリコン融液が原料シリコンの栓を融かしてしまい、シリコン融液が出湯口１２から漏れるということもあった。
【００１７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、構造が簡単でかつ本出湯前のシリコン融液の漏れ出しをなくして基板品質が低下することのないシリコンの鋳造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明のシリコンの鋳造方法では、シリコン原料をルツボ内で融解して底部に設けた開口部から出湯して下部に配置された鋳型で凝固させるシリコンの鋳造方法において、前記ルツボの底部側に平均粒径の小さいシリコン原料を入れるとともに、前記ルツボの上部側に平均粒径の大きいシリコン原料を入れて融解することを特徴とする。
【００１９】
上記シリコンの鋳造方法では、前記平均粒径の小さいシリコン原料の平均粒径が８５０μｍ未満で総量の５〜５０重量％であり、前記平均粒径の大きいシリコン原料の平均粒径が８５０μｍ以上で総量の９５〜５０重量％であることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき説明する。
本発明に係る鋳造装置の全体構成は図２に示す鋳造装置と同じである。すなわち、鋳造装置の上部に原料シリコンを融解するための融解用ルツボ７が配置し、その外側に保持用ルツボ８が設ける。融解用ルツボ７の内部に原料シリコン９を入れる。融解用ルツボ７と保持用ルツボ８の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口１２を設ける。融解用ルツボ７と保持用ルツボ８の側部と上部には融解用加熱装置１０、１１を設ける。シリコン鋳造装置の下部には鋳型１５を配置し、その下には冷却板１６を設ける。鋳型１５の上部と側部には上記融解用ルツボ７から出湯されたシリコン融液の凝固を制御するための鋳型加熱装置１４を配置する。
【００２１】
図１は、本発明に係る原料シリコンの配置を示したシリコン融解用ルツボの断面図である。図１において、１は融解ルツボ、２は平均粒径の大きいシリコン原料、３は平均粒径の小さいシリコン原料、４は栓の働きをする原料シリコン、５は出湯口である。
【００２２】
融解ルツボ１は、石英製で直径５００〜７００ｍｍ、高さ３００〜５００ｍｍである。この融解ルツボ１の底部の中央には直径５〜１０ｍｍ程度の出湯口５が設けられる。
【００２３】
このような融解ルツボ１を上述の図２のようなシリコン鋳造装置にセットし、原料シリコンを入れていく。この融解ルツボ１内に原料シリコンを入れるに際して、まず出湯口５を塞ぐのに適当な大きさと形状の原料シリコンで出湯口５を塞ぐ。これは融解前に他の原料シリコンが出湯口５から落下するのを防ぐためである。
【００２４】
次に、平均粒径の小さいシリコン原料約１０ｋｇを融解ルツボ１の底部に入れる。次に、平均粒径の大きいシリコン原料約６０ｋｇを平均粒径の小さいシリコン原料の上になるように入れる。
【００２５】
この状態でシリコン鋳造装置内部を１から２０ＫＰａ程度に減圧する。
【００２６】
その後、融解用加熱装置１０、１１により１５００℃近傍まで加熱して原料シリコンを融解する。まず上部の加熱装置１１でルツボ１の上部から融解していく。すなわち、融解ルツボ１の上部側に入れた平均粒径の大きなシリコン原料が融け始め、融液は原料シリコンの隙間を通って下がってくるが、平均粒径の小さいシリコン原料のところで止まる。
【００２７】
すなわち、平均粒径の大きいシリコン原料が全て融け、その後除々に平均粒径の小さいものが溶け出し、最後に栓用の原料シリコンが融けたときに、融解したシリコンは出湯口５から出湯されて鋳型の内部に注がれる。この注湯が終わったら融解用加熱装置１０、１１を切って冷却板１６で鋳型１５の底部を冷却しながら鋳型加熱装置１４の出力を調整して一方向凝固させる。
【００２８】
本発明者らは実験を重ねた結果、融解ルツボ１の底部側に入れる平均粒径の小さいシリコン原料の平均粒径が８５０μｍを越すと出湯前に出湯口５から出てしまうことを見出した。
【００２９】
さらに、この平均粒径８５０μｍ未満の原料シリコンの量は、融解ルツボ１に入れるシリコン原料総量の５重量％以上３０重量％以下であることが望ましいことがわかった。５重量％未満であればシリコン融液が出湯する前に出湯口５から出てしまい、また５０重量％を越すと不純物が多くなってでき上がった基板の品質が悪くなるためである。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るシリコンの鋳造方法によれば、ルツボの底部側に平均粒径の小さいシリコン原料を入れるとともに、前記ルツボの上部側に平均粒径の大きいシリコン原料を入れて融解することから、単純な構造の鋳造炉となり、かつ融解したシリコンの本出湯前の漏れ出しを防ぐことができ、でき上がったシリコンウエハーの品質を安定なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシリコンの鋳造方法を示す図である。
【図２】シリコン鋳塊を作製するためのシリコン鋳造装置の構造の例である。
【図３】従来のシリコンの鋳造方法を示す図である。
【符号の説明】
１・・・融解用ルツボ、２・・・平均粒径の大きいシリコン原料、３・・・平均粒径の小さいシリコン原料、４・・・栓の働きをする原料シリコン、５・・・出湯口
Claims (2)
- シリコン原料をルツボ内で融解して底部に設けた開口部から出湯して下部に配置された鋳型で凝固させるシリコンの鋳造方法において、前記ルツボの底部側に平均粒径の小さいシリコン原料を入れるとともに、前記ルツボの上部側に平均粒径の大きいシリコン原料を入れて融解することを特徴とするシリコンの鋳造方法。
- 前記平均粒径の小さいシリコン原料の平均粒径が８５０μｍ未満で総量の５〜５０重量％であり、前記平均粒径の大きいシリコン原料の平均粒径が８５０μｍ以上で総量の９５〜５０重量％であることを特徴とする請求項１記載のシリコンの鋳造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002314973A JP4077712B2 (ja) | 2002-10-29 | 2002-10-29 | シリコンの鋳造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002314973A JP4077712B2 (ja) | 2002-10-29 | 2002-10-29 | シリコンの鋳造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004149342A JP2004149342A (ja) | 2004-05-27 |
| JP4077712B2 true JP4077712B2 (ja) | 2008-04-23 |
Family
ID=32459142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002314973A Expired - Fee Related JP4077712B2 (ja) | 2002-10-29 | 2002-10-29 | シリコンの鋳造方法 |
Country Status (1)
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|---|---|---|---|---|
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| WO2007010622A1 (ja) * | 2005-07-22 | 2007-01-25 | Kyocera Corporation | 多結晶シリコン基板及びその製造方法、並びに光電変換素子及び光電変換モジュール |
| JP2012020891A (ja) * | 2010-07-13 | 2012-02-02 | Sumco Corp | 多結晶シリコンの鋳造方法 |
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2002
- 2002-10-29 JP JP2002314973A patent/JP4077712B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JP2004149342A (ja) | 2004-05-27 |
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