JP5371701B2 - Polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus and polycrystalline silicon ingot manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、坩堝内に収容したシリコン原料を溶解してシリコン融液を生成し、このシリコン融液を坩堝内で凝固させることによって、多結晶シリコンのインゴットを製出する多結晶シリコンインゴットの製造装置及び多結晶シリコンインゴットの製造方法に関するものである。 The present invention provides a polycrystalline silicon ingot for producing a polycrystalline silicon ingot by melting a silicon raw material contained in a crucible to produce a silicon melt, and solidifying the silicon melt in the crucible. The present invention relates to an apparatus and a method for manufacturing a polycrystalline silicon ingot.
近年、環境負荷の少ない発電方式として太陽電池モジュールを利用したものが注目され、様々な分野で広く使用されている。このような太陽電池モジュールは、pn接合されたシリコンの半導体の板材からなるセルを複数備え、これらのセルが太陽電池用インターコネクタおよびバスバーによって電気的に接続された構成とされている。
最近では、太陽電池モジュールの普及に伴い、半導体の素材となるシリコン材の需要が高まっており、シリコン原料が不足する状況にある。
In recent years, as a power generation method with a small environmental load, a solar cell module is attracting attention and is widely used in various fields. Such a solar cell module includes a plurality of cells made of pn-bonded silicon semiconductor plates, and these cells are electrically connected by a solar cell interconnector and a bus bar.
Recently, with the widespread use of solar cell modules, the demand for silicon materials as semiconductor materials is increasing, and there is a shortage of silicon raw materials.
ところで、前述の太陽電池モジュールを構成する半導体の素材として、坩堝内で一方向凝固させた多結晶シリコンインゴットが広く使用されている。
このような多結晶シリコンインゴットを製出するための製造装置としては、例えば、特許文献1,2に示すように、チャンバの内部空間に、石英ガラスなどで構成された有底筒状の坩堝と、坩堝が載置される冷却板と、坩堝の上方に位置する上部ヒータと、坩堝の下方に位置する下部ヒータと、が配設されたものが提案されている。
By the way, a polycrystalline silicon ingot that has been unidirectionally solidified in a crucible is widely used as a semiconductor material constituting the solar cell module described above.
As a manufacturing apparatus for producing such a polycrystalline silicon ingot, for example, as shown in Patent Documents 1 and 2, a bottomed cylindrical crucible made of quartz glass or the like is provided in the internal space of the chamber. A cooling plate on which a crucible is placed, an upper heater located above the crucible, and a lower heater located below the crucible have been proposed.
この多結晶シリコンインゴットの製造装置においては、坩堝内に塊状のシリコン原料を装入し、チャンバ内を例えばアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気とし、上部ヒータと下部ヒータにより上方と下方とから坩堝を加熱して坩堝内のシリコン原料を溶融させる。
そして、坩堝内のシリコン原料を完全に溶融させた段階で、冷却板により坩堝の底面部側からシリコン融液を冷却するとともに上部ヒータによって坩堝の上部を加熱しておく。すると、シリコン融液は、坩堝の底面部から上方に向けて高温となる温度勾配に沿って、一方向に結晶を成長させながら凝固することになる。このとき、シリコン融液中の不純物が固相側から液相側へと排出されることになり、純度が高く結晶性に優れた多結晶シリコンインゴットが製造される。
In this polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus, a bulk silicon raw material is charged into a crucible, the inside of the chamber is set to an inert gas atmosphere such as argon gas, and the crucible is inserted from above and below by an upper heater and a lower heater. The silicon raw material in the crucible is melted by heating.
Then, when the silicon raw material in the crucible is completely melted, the silicon melt is cooled from the bottom surface side of the crucible by the cooling plate and the upper part of the crucible is heated by the upper heater. Then, the silicon melt is solidified while growing crystals in one direction along a temperature gradient that increases from the bottom surface of the crucible upward. At this time, impurities in the silicon melt are discharged from the solid phase side to the liquid phase side, and a polycrystalline silicon ingot having high purity and excellent crystallinity is manufactured.
ところで、特許文献1、2に開示されているような従来の多結晶シリコンインゴットの製造装置においては、冷却板の下側にカーボンヒータ等からなる下部ヒータが配設されている。また、坩堝はカーボン等からなる補強部材によって保持されており、冷却板の上に補強部材及び坩堝が載置されている。そして、下部ヒータを発熱させることで、その熱を冷却板に伝達させ、さらに、この冷却板から補強部材及び坩堝へと熱を伝達させ、シリコン原料を加熱していた。このように、冷却板、補強部材及び坩堝を介して下部ヒータの熱を伝達させていることから、シリコン原料の溶解に多くの時間を要していた。このため、効率良く多結晶シリコンインゴットを製出できないといった問題があった。さらに、シリコン原料の溶解に要する電力量が増大し、多結晶シリコンインゴットの製造コストが大幅に増大してしまうといった問題があった。 By the way, in the conventional polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus as disclosed in Patent Documents 1 and 2, a lower heater made of a carbon heater or the like is disposed below the cooling plate. The crucible is held by a reinforcing member made of carbon or the like, and the reinforcing member and the crucible are placed on the cooling plate. Then, by generating heat in the lower heater, the heat is transmitted to the cooling plate, and further, heat is transmitted from the cooling plate to the reinforcing member and the crucible to heat the silicon raw material. Thus, since the heat of the lower heater is transmitted through the cooling plate, the reinforcing member, and the crucible, it takes a long time to dissolve the silicon raw material. For this reason, there was a problem that a polycrystalline silicon ingot could not be produced efficiently. Furthermore, there is a problem that the amount of electric power required for melting the silicon raw material is increased, and the manufacturing cost of the polycrystalline silicon ingot is greatly increased.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、坩堝内に装入された塊状のシリコン原料を効率良く溶解することができ、多結晶シリコンインゴットの生産効率を大幅に向上させることが可能な多結晶シリコンインゴットの製造装置及び多結晶シリコンインゴットの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and can efficiently dissolve a bulk silicon raw material charged in a crucible, and greatly improve the production efficiency of a polycrystalline silicon ingot. An object of the present invention is to provide a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus and a polycrystalline silicon ingot manufacturing method capable of performing the above.
前述の課題を解決するために、本発明の多結晶シリコンインゴットの製造装置は、坩堝内に装入されたシリコン原料を溶解してシリコン融液を生成し、このシリコン融液を凝固させて多結晶シリコンのインゴットを製出する多結晶シリコンインゴットの製造装置であって、有底筒状をなす坩堝と、前記坩堝の上方側に配置された上部加熱部と、前記坩堝の下方側に配置された下部加熱部と、を備え、前記下部加熱部は、前記坩堝が載置される台座と誘導加熱コイルとを有し、前記誘導加熱コイルによって前記台座に電流を発生させ、前記台座を自己発熱させる構成とされていることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus of the present invention generates a silicon melt by melting a silicon raw material charged in a crucible and coagulates the silicon melt to obtain a multi-material. An apparatus for producing a polycrystalline silicon ingot for producing an ingot of crystalline silicon, comprising a crucible having a bottomed cylindrical shape, an upper heating unit disposed above the crucible, and a lower side of the crucible A lower heating unit, and the lower heating unit includes a pedestal on which the crucible is placed and an induction heating coil. The induction heating coil generates an electric current in the pedestal, and the pedestal self-heats. It is the structure made to let it be a feature.
この構成の多結晶シリコンインゴットの製造装置によれば、坩堝の下方側に配置された下部加熱部が、坩堝が載置される台座と誘導加熱コイルとを有し、誘導加熱コイルによって台座に電流を発生させ、台座を自己発熱させる構成としていることから、自己発熱する台座から坩堝の底面に熱を効率良く伝達することができ、坩堝内のシリコン原料の溶解を促進することができる。また、シリコン原料が溶解してシリコン融液が生成した場合、シリコン融液自体を自己発熱させることも可能となる。
よって、シリコン原料の溶解時間を短縮することができ、多結晶シリコンインゴットの生産効率の向上を図ることができる。また、シリコン原料の溶解に掛かる時間及び所要電力量を抑えることができ、多結晶シリコンインゴットの製造コストを大幅に削減することが可能となる。
According to the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus having this configuration, the lower heating unit disposed on the lower side of the crucible has a pedestal on which the crucible is placed and an induction heating coil, and an electric current is supplied to the pedestal by the induction heating coil. Therefore, heat can be efficiently transferred from the pedestal that self-heats to the bottom surface of the crucible, and the melting of the silicon raw material in the crucible can be promoted. In addition, when the silicon raw material is dissolved and a silicon melt is generated, the silicon melt itself can be self-heated.
Therefore, the melting time of the silicon raw material can be shortened, and the production efficiency of the polycrystalline silicon ingot can be improved. In addition, it is possible to reduce the time required for melting the silicon raw material and the amount of electric power required, and it is possible to greatly reduce the manufacturing cost of the polycrystalline silicon ingot.
ここで、前記誘導加熱コイルは、その外形が平板状をなし、前記台座の下側に配設されていることが好ましい。
この場合、誘導加熱コイルに通電することにより、前記台座の表面全体に渦電流を発生させることができ、台座を確実に、かつ、効率的に自己発熱させることが可能となる。
Here, it is preferable that the induction heating coil has a flat outer shape and is disposed below the pedestal.
In this case, by energizing the induction heating coil, an eddy current can be generated on the entire surface of the pedestal, and the pedestal can be surely and efficiently self-heated.
また、前記誘導加熱コイルと前記台座との間には、挿抜可能な断熱シートが介装されていることが好ましい。
誘導加熱コイルに通電して台座を自己発熱させている場合には、前記誘導加熱コイルと前記台座との間に断熱シートを介装させることによって、誘導加熱コイルを台座の熱から保護することができる。
また、坩堝内において凝固させた多結晶シリコンインゴットは、高温の状態で取り出すことができないため、チャンバ内において冷却する必要がある。ここで、多結晶シリコンインゴットを冷却する際に、断熱シートを取り出すことにより、誘導加熱コイル内を流通する冷却媒体(冷却水等)によって坩堝底面の冷却を促進することができる。よって、多結晶シリコンインゴットを冷却する時間を短縮でき、次の多結晶シリコンインゴットの製造を早期に実施することができる。よって、多結晶シリコンインゴットの生産効率のさらなる向上を図ることができる。さらに、坩堝内のシリコン融液を凝固させる場合にも、誘導加熱コイル内を流通する冷却媒体(冷却水等)によって坩堝底面の冷却を促進し、シリコン融液の凝固時間の短縮を図ることができる。
Moreover, it is preferable that the heat insulation sheet which can be inserted or extracted is interposed between the said induction heating coil and the said base.
When the induction heating coil is energized and the pedestal self-heats, the induction heating coil can be protected from the heat of the pedestal by interposing a heat insulating sheet between the induction heating coil and the pedestal. it can.
Further, since the polycrystalline silicon ingot solidified in the crucible cannot be taken out in a high temperature state, it needs to be cooled in the chamber. Here, when the polycrystalline silicon ingot is cooled, cooling of the bottom surface of the crucible can be promoted by a cooling medium (cooling water or the like) flowing through the induction heating coil by taking out the heat insulating sheet. Therefore, the time for cooling the polycrystalline silicon ingot can be shortened, and the next polycrystalline silicon ingot can be manufactured at an early stage. Therefore, the production efficiency of the polycrystalline silicon ingot can be further improved. Further, when the silicon melt in the crucible is solidified, cooling of the bottom of the crucible is promoted by a cooling medium (cooling water or the like) flowing through the induction heating coil, so that the solidification time of the silicon melt can be shortened. it can.
さらに、前記誘導加熱コイルを前記坩堝の底面に対して近接離反させるコイル昇降部が設けられていることが好ましい。
この場合、シリコン原料を溶解する際には、誘導加熱コイルを坩堝の底面から離間しておくことで、自己発熱する台座と誘導加熱コイルとの間に空間が確保され、台座の熱による誘導加熱コイルの損傷を防止することができる。なお、誘導加熱コイルを台座から離間させた場合であっても、台座に渦電流を発生させ、台座を自己発熱させることができる。一方、シリコン融液を凝固させる場合には、誘導加熱コイルを坩堝の底面に近接させておくことで、誘導加熱コイルの内部を流通する冷却媒体(冷却水等)によって坩堝の冷却を効率良く行うことができる。これにより、シリコン融液の凝固時間を短縮することが可能となる。
Furthermore, it is preferable that a coil elevating part for moving the induction heating coil close to and away from the bottom surface of the crucible is provided.
In this case, when melting the silicon raw material, the induction heating coil is separated from the bottom surface of the crucible, so that a space is secured between the pedestal that self-heats and the induction heating coil, and induction heating is performed by the heat of the pedestal. Coil damage can be prevented. Even when the induction heating coil is separated from the pedestal, eddy current can be generated in the pedestal and the pedestal can be self-heated. On the other hand, when the silicon melt is solidified, the crucible is efficiently cooled by a cooling medium (cooling water or the like) flowing through the induction heating coil by keeping the induction heating coil close to the bottom surface of the crucible. be able to. Thereby, it is possible to shorten the solidification time of the silicon melt.
また、前記誘導加熱コイルは、前記坩堝の底面の中央部分を加熱する中央部加熱領域と、前記坩堝の底面の周縁部分を加熱する周縁部加熱領域と、を有し、前記中央部加熱領域及び前記周縁部加熱領域に対して、それぞれ選択して通電することが可能な構成とされていることが好ましい。
この場合、坩堝の底面の中央部分と周縁部分とで加熱状況を調整することが可能となる。例えば、シリコン融液を凝固させる場合において、坩堝の周縁部分のみを加熱することにより、坩堝の底面の中央部分から放熱され、上方に向けて凝固が進行していくことになり、結晶性の高い多結晶シリコンインゴットを製出することが可能となる。
The induction heating coil includes a central heating region that heats a central portion of the bottom surface of the crucible, and a peripheral heating region that heats a peripheral portion of the bottom surface of the crucible, and the central heating region and It is preferable that the peripheral edge heating region can be selected and energized.
In this case, it becomes possible to adjust a heating condition with the center part and peripheral part of the bottom face of a crucible. For example, when solidifying a silicon melt, by heating only the peripheral part of the crucible, heat is radiated from the central part of the bottom surface of the crucible, and solidification proceeds upward, so that the crystallinity is high. A polycrystalline silicon ingot can be produced.
本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法は、坩堝内に装入されたシリコン原料を溶解してシリコン融液を生成し、このシリコン融液を凝固させて多結晶シリコンのインゴットを製出する多結晶シリコンインゴットの製造方法であって、前記坩堝内にシリコン原料を装入するシリコン原料装入工程と、前記坩堝の上方側に配置された上部加熱部と、前記坩堝の下方側に配置されるとともに前記坩堝が載置される台座と誘導加熱コイルとを有する下部加熱部と、によって、前記坩堝内のシリコン原料を溶解してシリコン融液を生成する加熱溶融工程と、前記上部加熱部で上方を保温しつつ前記坩堝の底面側から冷却し、前記シリコン融液を前記坩堝内で一方向凝固させる凝固工程と、前記坩堝内の多結晶シリコンインゴットを冷却する冷却工程と、を有し、前記加熱溶融工程では、前記誘導加熱コイルによって前記台座に電流を発生させ、前記台座を自己発熱させ、前記坩堝を加熱する構成とされていることを特徴としている。 The method for producing a polycrystalline silicon ingot according to the present invention comprises a method of producing a silicon melt by melting a silicon raw material charged in a crucible, and solidifying the silicon melt to produce a polycrystalline silicon ingot. A method for producing a crystalline silicon ingot, wherein a silicon raw material charging step of charging a silicon raw material into the crucible, an upper heating unit disposed above the crucible, and a lower side of the crucible And a lower heating unit having a pedestal on which the crucible is placed and an induction heating coil, and a heating and melting step for generating a silicon melt by melting the silicon raw material in the crucible, and an upper portion in the upper heating unit Cooling from the bottom side of the crucible while keeping the temperature of the crucible, solidification step of unidirectionally solidifying the silicon melt in the crucible, and cooling to cool the polycrystalline silicon ingot in the crucible Has a degree, and the in heating and melting step, the induced by heating coil to generate a current to the base, the base is self-heating, it is characterized in that it is configured for heating the crucible.
この構成の多結晶シリコンインゴットの製造方法によれば、坩堝の下方側に配置された下部加熱部が、前記坩堝が載置される台座と誘導加熱コイルとを有しており、加熱溶融工程では、前記誘導加熱コイルによって前記台座に電流を発生させ、前記台座を自己発熱させ、前記坩堝を加熱する構成とされているので、自己発熱する台座から坩堝の底面に効率良く熱を伝達することができ、坩堝内のシリコン原料の溶解を促進することができる。また、シリコン原料が溶解してシリコン融液が生成した場合、シリコン融液自体を自己発熱させることも可能となる。 According to the method for manufacturing a polycrystalline silicon ingot having this configuration, the lower heating unit disposed on the lower side of the crucible has a pedestal on which the crucible is placed and an induction heating coil. In the heating and melting step, Since the induction heating coil generates current in the pedestal, self-heats the pedestal, and heats the crucible, heat can be efficiently transferred from the pedestal that self-heats to the bottom of the crucible. It is possible to promote the dissolution of the silicon raw material in the crucible. In addition, when the silicon raw material is dissolved and a silicon melt is generated, the silicon melt itself can be self-heated.
ここで、前記冷却工程では、前記誘導加熱コイル内部に流動されている冷却媒体によって前記台座を冷却する構成とすることが好ましい。
誘導加熱コイルの内部には、誘導加熱コイル自体を熱から保護するために冷却媒体(冷却水等)が流通されている。そこで、冷却工程において、この冷却媒体を利用して、坩堝内の多結晶シリコンインゴットを効率的に冷却することが可能となる。これにより、多結晶シリコンインゴットの冷却時間を大幅短縮することができ、多結晶シリコンインゴットの生産効率の向上を図ることができる。
Here, in the cooling step, the pedestal is preferably cooled by a cooling medium flowing in the induction heating coil.
In the induction heating coil, a cooling medium (cooling water or the like) is circulated in order to protect the induction heating coil itself from heat. Therefore, in the cooling step, it becomes possible to efficiently cool the polycrystalline silicon ingot in the crucible using this cooling medium. Thereby, the cooling time of the polycrystalline silicon ingot can be greatly shortened, and the production efficiency of the polycrystalline silicon ingot can be improved.
また、前記誘導加熱コイルは、前記坩堝の底面の中央部分を加熱する中央部加熱領域と、前記坩堝の底面の周縁部分を加熱する周縁部加熱領域と、を有し、前記凝固工程において、前記周縁部加熱領域のみに通電することにより、前記坩堝の周縁からの抜熱を防止することが好ましい。
この場合、前記凝固工程において、前記周縁部加熱領域のみに通電することにより、前記坩堝の周縁からの抜熱を防止することから、坩堝の底面側から結晶を成長させることができ、結晶性の高い多結晶シリコンインゴットを製出することが可能となる。
The induction heating coil includes a central heating region for heating a central portion of the bottom surface of the crucible and a peripheral heating region for heating a peripheral portion of the bottom surface of the crucible. It is preferable to prevent heat removal from the periphery of the crucible by energizing only the periphery heating region.
In this case, in the solidification step, by supplying current only to the peripheral edge heating region, heat removal from the peripheral edge of the crucible is prevented, so that a crystal can be grown from the bottom surface side of the crucible. It becomes possible to produce a high polycrystalline silicon ingot.
本発明によれば、坩堝内に装入された塊状のシリコン原料を効率良く溶解することができ、多結晶シリコンインゴットの生産効率を大幅に向上させることが可能な多結晶シリコンインゴットの製造装置及び多結晶シリコンインゴットの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, an apparatus for producing a polycrystalline silicon ingot that can efficiently dissolve a bulk silicon raw material charged in a crucible and can greatly improve the production efficiency of a polycrystalline silicon ingot, and A method for producing a polycrystalline silicon ingot can be provided.
以下に、本発明の実施の形態について添付した図面を参照して説明する。
まず、図1及び図2を用いて、本発明の第一の実施形態である多結晶シリコンインゴット製造装置及び多結晶シリコンインゴットの製造方法について説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
First, a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus and a polycrystalline silicon ingot manufacturing method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態である多結晶シリコンインゴットの製造装置10は、内部空間を気密状態で保持可能なチャンバ11を備えており、このチャンバ11の内部空間に、有底筒状をなす坩堝20と、この坩堝20の上方に位置するカーボンヒータ14と、坩堝12の下方に位置する下部加熱部30と、坩堝20の外周を覆う断熱部材18と、が配設されている。
The polycrystalline silicon
ここで、チャンバ11には、その内部空間に例えばアルゴンガスなどの不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段(図示なし)、及び、チャンバ11の壁部に冷却水を供給してこれを循環させる冷却材供給手段(図示なし)などが別途設けられている。
坩堝20は、石英ガラスで構成されており、底面部20Aと、この底面部20Aから立設された側壁部20Bと、を備えている。この坩堝20は、補強プレート21Aと補強壁21Bとを備えた補強部材21によって補強されている。
Here, the
The
そして、下部加熱部30は、坩堝20の底面部20A側に配設された台座31と、この台座31の下方側に配設された高周波加熱コイル32と、を備えている。
台座31は、例えばカーボンまたはシリコンカーバイド等で構成されており、略平板状をなすプレート部31Aと、このプレート部31Aの周縁部から立設した側筒部31Bを備えており、万が一、シリコン融液が坩堝20から漏れ出した場合であっても、シリコン融液が高周波加熱コイル32へと達することがないように構成されている。
なお、この台座31、坩堝20及び補強部材21は、図示しない坩堝支持部材によって支持されている。
また、プレート部31Aと高周波加熱コイル32との間には、断熱シート38が挿抜可能に配設されている。なお、断熱シート38は、高周波加熱コイル32に通電しても渦電流が発生しない材質、例えばガラスウール等で構成されている。
The
The
The
Further, a
高周波加熱コイル32は、図2に示すように、銅管を渦巻き状に配設して形成されており、全体として平板状をなしている。この銅管の内部には、冷却媒体(冷却水)が流通される構成とされている。そして、本実施形態では、高周波加熱コイル32が中央領域32Aと周縁領域32Bの2つの領域に区画されている。電源33の一方の電極が周縁領域32Bの外周端部分に接続されており、電源33の他方の電極が切替部34に接続されている。切替部34は、一方の接点34Aと、他方の接点34Bと、これら一方の接点34A又は他方の接点34Bのいずれかを選択するスイッチ部34Cと、を備えており、一方の接点34Aが中央領域32Aの内周端部分に接続され、切替部34の他方の接点34Bが周縁領域32Bの内周端部分に接続されている。
As shown in FIG. 2, the high-
以下に、この多結晶シリコンインゴット製造装置10を用いた多結晶シリコンインゴットの製造方法について説明する。
Below, the manufacturing method of the polycrystalline silicon ingot using this polycrystalline silicon
(シリコン原料装入工程)
まず、坩堝20内に塊状のシリコン原料を装入する。ここで、シリコン原料としては、11N(純度99.999999999)の高純度シリコンを砕いて得られた「チャンク」と呼ばれる塊状のものが使用される。この塊状のシリコン原料の粒径は、例えば、30mmから100mmとされている。
(Silicon raw material charging process)
First, a massive silicon raw material is charged into the
(加熱溶融工程)
シリコン原料が装入された坩堝20を、台座31上に載置された補強部材21の中に収容する。このとき、台座31と高周波加熱コイル32との間には、断熱シート38が装入されている。
この状態で、高周波加熱コイル32に冷却水を流通させるとともに通電を行う。このとき、切替部34のスイッチ部34Cは一方の接点34A側に接続されており、高周波加熱コイル32の中央領域32Aの内周端と周縁領域32Bの外周端とが電源を介して接続されることになり、高周波加熱コイル32の全体、すなわち中央領域32A及び周縁領域32Bに通電されることになる。
(Heating and melting process)
The
In this state, the coolant is passed through the high-
すると、断熱シート38を介して配設された台座31の表面に渦電流が発生し、ジュール熱によって台座31自体が自己発熱することになる。
また、坩堝20の上方に配置されたカーボンヒータ14に通電して発熱させる。
このカーボンヒータ14からの熱と、自己発熱した台座31からの熱によって、坩堝20内のシリコン原料を溶解し、シリコン融液を生成する。
Then, an eddy current is generated on the surface of the
Further, the
The silicon raw material in the
(凝固工程)
次いで、高周波加熱コイル32の切替部34のスイッチ部34Cを他方の接点34B側に変更する。すると、高周波加熱コイル32の周縁領域32Bの内周端と周縁領域32Bの外周端とが電源を介して接続されることになり、高周波加熱コイル32のうち周縁領域32Bのみで通電されることになる。また、坩堝の上方に配設されたカーボンヒータ14は、通電したままとしておく。このとき、断熱シート38を抜き出しておいてもよい。
(Coagulation process)
Next, the
すると、坩堝20の上部はカーボンヒータ14からの熱で温度が維持されることになる。また、坩堝20の下部は、高周波加熱コイル32の中央領域32Aが通電されておらず、かつ、高周波加熱コイル32の内部に冷却水が流通されていることから、熱が底面部20A側から放散されることになる。これにより、坩堝20内部においては、底面部20A側から上方に向かうにしたがい温度が高くなるように温度勾配が設けられることになり、坩堝20内のシリコン融液は、坩堝20の底面部20A側から上方に向けて一方向凝固されることになる。
なお、高周波加熱コイル32の周縁領域32Bのみに通電を行っていることから、坩堝20の底面部20Aの周縁部及び側壁部20Bが加熱されることになる。これにより、側壁部20B等からの熱の放散が抑制される。
Then, the temperature of the upper part of the
In addition, since electricity is supplied only to the
(冷却工程)
次に、カーボンヒータ14を停止し、坩堝20内の多結晶シリコンインゴットを冷却する。このとき、高周波加熱コイル32の通電を停止するとともに冷却水の流通を続行しておく。これにより、高周波加熱コイル32の内部を流通する冷却水によって、坩堝20内の多結晶シリコンインゴットの冷却を促進する。
このようにして、一方向凝固された多結晶シリコンインゴットが製出される。
(Cooling process)
Next, the
In this way, a unidirectionally solidified polycrystalline silicon ingot is produced.
以上のような構成とされた本実施形態である多結晶シリコンインゴットの製造装置10及び製造方法によれば、高周波加熱コイル32によって台座31を自己発熱させ、この台座31の熱を、効率的に坩堝20の底面部20Aに伝達させることができ、坩堝内のシリコン原料の溶解を促進することができる。また、シリコン原料が溶解してシリコン融液が生成した場合、シリコン融液自体を自己発熱させることが可能となる。これにより、シリコン原料の溶解時間を大幅に短縮することができ、多結晶シリコンインゴットの生産効率の向上を図ることができる。また、シリコン原料の溶解に掛かる時間及び所要電力量を抑えることができ、多結晶シリコンインゴットの製造コストを大幅に削減することが可能となる。
According to the polycrystalline silicon
また、冷却工程において、高周波加熱コイル32内部に流動されている冷却水によって台座31を冷却する構成としていることから、坩堝20内の多結晶シリコンインゴットを効率的に冷却することが可能となる。
特に、本実施形態では、高周波加熱コイル32と台座31との間に、挿抜可能な断熱シート38が介装されているので、冷却工程において、断熱シート38を取り出すことによって、高周波加熱コイル32内を流通する冷却水によって坩堝20の底面部20Aからの熱放散を促進することができ、多結晶シリコンインゴットの冷却時間をさらに短縮することができる。また、凝固工程においても、底面部20Aからの熱の放散が促進されることで、凝固時間の短縮も図ることができる。
このように、シリコン原料の溶解時間及び多結晶シリコンインゴットの冷却時間を短縮することができ、多結晶シリコンインゴットの生産効率のさらなる向上を図ることができる。また、高周波加熱コイル32に通電して台座31を自己発熱させている場合には、断熱シート38を介装させることによって、台座31の熱から高周波加熱コイル32を保護することができる。これにより、高周波加熱コイル32の寿命延長を図ることができる。
Further, since the
In particular, in the present embodiment, since a
Thus, the melting time of the silicon raw material and the cooling time of the polycrystalline silicon ingot can be shortened, and the production efficiency of the polycrystalline silicon ingot can be further improved. In addition, when the
さらに、高周波加熱コイル32が、中央領域32Aと周縁領域32Bの2つの領域に区画されており、周縁領域32Bの外周端部分が電源33の一方の電極に接続され、電源33の他方の電極に切替部34が接続されており、切替部34の一方の接点34Aが中央領域32Aの内周端部分に接続され、切替部34の他方の接点34Bが周縁領域32Bの内周端部分に接続されているので、中央領域32A及び周縁領域32B、若しくは、周縁領域32Bのみ、を選択して通電することができる。
Further, the high
よって、凝固工程において、周縁領域32Bのみに通電して坩堝20の底面部20Aの周縁部のみを加熱することにより、坩堝20の底面部20Aの中央部分から熱を放散させるとともに周縁部分からの熱の放散を抑制することが可能となり、坩堝20内のシリコン融液を底面部20A側から上方に向けて凝固させることができ、結晶性の高い多結晶シリコンインゴットを製出することが可能となる。
Therefore, in the solidification process, only the
また、本実施形態では、高周波加熱コイル32が、銅管を渦巻き状に配置して、外形が平板状をなすように構成されているので、高周波加熱コイル32に通電することにより、台座31の表面全体に渦電流を発生させることができ、台座31を確実に、かつ、効率的に自己発熱させることが可能となる。また、この多結晶シリコンインゴットの製造装置10の小型化を図ることができる。
Further, in the present embodiment, the high
次に、図3及び図4を用いて、本発明の第2の実施形態である多結晶シリコンインゴットの製造装置及び製造方法について説明する。 Next, a polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus and manufacturing method according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態である多結晶シリコンインゴット製造装置110は、内部空間を気密状態で保持可能なチャンバ111を備えており、このチャンバ111の内部空間に、有底筒状をなす坩堝120と、この坩堝120の上方に位置するカーボンヒータ114と、坩堝120の下方に位置する下部加熱部130と、坩堝120の外周を覆う断熱部材118と、が配設されている。
The polycrystalline silicon
坩堝120は、石英ガラスで構成されており、底面部120Aと、この底面部120Aから立設された側壁部120Bと、を備えている。この坩堝120は、補強プレート121Aと補強壁121Bとを備えた補強部材121によって補強されている。
The
下部加熱部130は、坩堝120が載置される台座131と、この台座131の下方側に配設された高周波加熱コイル132と、を備えている。
台座131は、例えばカーボンまたはシリコンカーバイド等で構成されており、略平板状をなすプレート部131Aと、このプレート部131Aの周縁部から立設した側筒部131Bとを備えており、万が一、シリコン融液が坩堝120から漏れ出した場合であっても、シリコン融液が高周波加熱コイル132へと達することがないように構成されているのである。
なお、この台座131、坩堝120及び補強部材121は、図示しない坩堝支持部材によって支持されている。
The
The
The
また、プレート部131Aと高周波加熱コイル132との間には、断熱シート138が挿抜可能に配設されている。なお、断熱シート138は、高周波加熱コイル132に通電した場合であっても、渦電流が発生しない材質、例えばガラスウール等で構成されている。なお、本実施形態では、台座131のプレート部131Aの厚さが、例えば70〜100mmと比較的厚く形成されている。
A
高周波加熱コイル132は、銅管を渦巻き状に配設して形成されており、全体として平板状をなしている。この銅管の内部には、冷却媒体(冷却水)が流通される構成とされている。
そして、本実施形態では、高周波加熱コイル132は、コイル支持部材135によって支持されている。このコイル支持部材135は、昇降機能を有しており、坩堝120の底面部120Aに対して、高周波加熱コイル132を近接離反させることが可能な構成とされている。
The high-
In the present embodiment, the high
以下に、この多結晶シリコンインゴット製造装置110を用いた多結晶シリコンインゴットの製造方法について説明する。
Below, the manufacturing method of the polycrystalline silicon ingot using this polycrystalline silicon
(シリコン原料装入工程)
まず、坩堝120内に塊状のシリコン原料を装入する。ここで、シリコン原料としては、11N(純度99.999999999)の高純度シリコンを砕いて得られた「チャンク」と呼ばれる塊状のものが使用される。この塊状のシリコン原料の粒径は、例えば、30mmから100mmとされている。
(Silicon raw material charging process)
First, a massive silicon raw material is charged into the
(加熱溶融工程)
シリコン原料が装入された坩堝120を、台座131上に載置された補強部材121の中に収容する。このとき、台座131と高周波加熱コイル132との間には、断熱シート138が装入されている。
この状態で、高周波加熱コイル132に冷却水を流通させるとともに通電を行う。すると、断熱シート138を介して配設された台座131の表面に渦電流が発生し、ジュール熱によって台座131自体が自己発熱することになる。
また、坩堝120の上方に配置されたカーボンヒータ114に通電して発熱させる。
このカーボンヒータ114からの熱と、自己発熱した台座131からの熱によって、坩堝120内のシリコン原料を溶解し、シリコン融液を生成する。
(Heating and melting process)
The
In this state, the coolant is passed through the high-
Further, the
The silicon raw material in the
(凝固工程)
次いで、高周波加熱コイル132への通電を停止する。また、高周波加熱コイル132内部では冷却水を流通させたままとする。そして、断熱シート138を抜き出すとともに、コイル支持部材135を上昇させて高周波加熱コイル132を台座131の下面に接触させる。
また、坩堝の上方に配設されたカーボンヒータ114は、通電したままとしておく。
(Coagulation process)
Next, energization of the high-
The
すると、坩堝120の上部はカーボンヒータ114からの熱で温度が維持されることになる。また、冷却水が流通されている高周波加熱コイル132が台座131に接触されていることから、坩堝120の底面部120Aが冷却されることになる。これにより、坩堝120内部においては、底面部120A側から上方に向かうにしたがい温度が高くなるように温度勾配が設けられることになり、坩堝120内のシリコン融液は、坩堝120の底面部120A側から上方に向けて一方向凝固されることになる。
Then, the temperature of the upper part of the
(冷却工程)
次に、カーボンヒータ114を停止し、坩堝120内の多結晶シリコンインゴットを冷却する。このとき、高周波加熱コイル132の通電を停止するとともに冷却水の流通を続行しておく。これにより、高周波加熱コイル132の内部を流通する冷却水によって、坩堝120内の多結晶シリコンインゴットの冷却を促進する。
このようにして、一方向凝固された多結晶シリコンインゴットが製出される。
(Cooling process)
Next, the
In this way, a unidirectionally solidified polycrystalline silicon ingot is produced.
以上のような構成とされた本実施形態である多結晶シリコンインゴットの製造装置及び製造方法によれば、高周波加熱コイル132がコイル支持部材135によって支持されており、坩堝120の底面部120Aに対して高周波加熱コイル132を近接離反させることが可能な構成とされているので、冷却工程において、冷却水が流通された高周波加熱コイル132を坩堝120の底面部120Aに近接させるように、本実施形態では、台座131に高周波加熱コイル132が接触するように構成することで、坩堝120の冷却を効率良く行うことができる。これにより、坩堝120内の多結晶シリコンインゴットの冷却時間を大幅に短縮することができる。また、凝固工程においても、坩堝120の底面部120Aからの熱の放散を促進することによって、凝固時間の短縮も図ることができる。
According to the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus and manufacturing method of the present embodiment configured as described above, the high-
また、本実施形態では、台座131のプレート部131Aの厚さが、例えば70〜100mmと比較的厚く形成されているので、加熱溶融工程において、プレート部131Aによって熱が面方向に広がり、坩堝120の底面部120Aを均一に、かつ、効率的に加熱することができる。
In the present embodiment, since the thickness of the
以上、本発明の実施形態である多結晶シリコンインゴットの製造装置及び多結晶シリコンインゴットの製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、11Nの高純度シリコンであって、粒径30mmから100mmの塊状のシリコン原料を用いたもので説明したが、これに限定されることはなく、粒径、純度等は適宜選択することが好ましい。
As described above, the polycrystalline silicon ingot manufacturing apparatus and the polycrystalline silicon ingot manufacturing method according to the embodiment of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to this and does not depart from the technical idea of the present invention. The range can be changed as appropriate.
For example, 11N high-purity silicon has been described using a bulk silicon raw material having a particle size of 30 to 100 mm, but the present invention is not limited to this, and the particle size, purity, and the like can be appropriately selected. preferable.
また、チャンバ、カーボンヒータ、断熱部材等の形状や構造は、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更することができる。
さらに、高周波加熱コイル(誘導加熱コイル)を渦巻き状に形成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の形状に配設してもよい。
また、高周波加熱コイル(誘導加熱コイル)を、台座の下側に配置したもので説明したが、この台座を誘導加熱できれば、高周波加熱コイル(誘導加熱コイル)の配置に制限はない。
Further, the shapes and structures of the chamber, the carbon heater, the heat insulating member, etc. are not limited to this embodiment, and can be appropriately changed in design.
Furthermore, although it demonstrated as what formed the high frequency heating coil (induction heating coil) in the shape of a spiral, it is not limited to this, You may arrange | position in another shape.
Moreover, although the high frequency heating coil (induction heating coil) has been described as being disposed on the lower side of the pedestal, the arrangement of the high frequency heating coil (induction heating coil) is not limited as long as this pedestal can be induction heated.
10、110 多結晶シリコンインゴット製造装置
14、114 カーボンヒータ(上部加熱部)
20、120 坩堝
20A、120A 底面部
30、130 下部加熱部
31、131 台座
32、132 高周波加熱コイル(誘導加熱コイル)
10, 110 Polycrystalline silicon
20, 120
Claims (8)
有底筒状をなす坩堝と、前記坩堝の上方側に配置された上部加熱部と、前記坩堝の下方側に配置された下部加熱部と、を備え、
前記下部加熱部は、前記坩堝が載置される台座と、誘導加熱コイルと、を有し、前記誘導加熱コイルによって前記台座に電流を発生させ、前記台座を自己発熱させる構成とされていることを特徴とする多結晶シリコンインゴットの製造装置 A polycrystalline silicon ingot producing apparatus for producing a silicon melt by melting a silicon raw material charged in a crucible and solidifying the silicon melt to produce a polycrystalline silicon ingot,
A crucible having a bottomed cylindrical shape, an upper heating part arranged on the upper side of the crucible, and a lower heating part arranged on the lower side of the crucible,
The lower heating unit includes a pedestal on which the crucible is placed and an induction heating coil, and is configured to generate current in the pedestal by the induction heating coil and cause the pedestal to self-heat. For producing polycrystalline silicon ingot
前記中央部加熱領域及び前記周縁部加熱領域に対して、通電をそれぞれ選択して行うことが可能な構成とされていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の多結晶シリコンインゴットの製造装置。 The induction heating coil has a central heating region for heating the central portion of the bottom surface of the crucible and a peripheral heating region for heating the peripheral portion of the bottom surface of the crucible,
5. The structure according to claim 1, wherein energization can be selectively performed on the central heating area and the peripheral heating area. 6. Polycrystalline silicon ingot manufacturing equipment.
前記坩堝内にシリコン原料を装入するシリコン原料装入工程と、
前記坩堝の上方側に配置された上部加熱部と、前記坩堝の下方側に配置されるとともに前記坩堝が載置される台座と誘導加熱コイルとを有する下部加熱部と、によって、前記坩堝内のシリコン原料を溶解してシリコン融液を生成する加熱溶融工程と、
前記上部加熱部で上方を保温しつつ前記坩堝の底面側から冷却し、前記シリコン融液を前記坩堝内で一方向凝固させる凝固工程と、前記坩堝内の多結晶シリコンインゴットを冷却する冷却工程と、を有し、
前記加熱溶融工程では、前記誘導加熱コイルによって前記台座に電流を発生させ、前記台座を自己発熱させ、前記坩堝を加熱する構成とされていることを特徴とする多結晶シリコンインゴットの製造方法。 A method for producing a polycrystalline silicon ingot in which a silicon raw material charged in a crucible is dissolved to produce a silicon melt, and the silicon melt is solidified to produce a polycrystalline silicon ingot.
A silicon raw material charging step of charging the silicon raw material into the crucible;
An upper heating unit disposed on the upper side of the crucible, a lower heating unit disposed on the lower side of the crucible and having a pedestal on which the crucible is placed and an induction heating coil. A heating and melting step in which a silicon raw material is dissolved to produce a silicon melt;
A solidification step of cooling from the bottom side of the crucible while maintaining the upper part in the upper heating section, and solidifying the silicon melt in one direction in the crucible; and a cooling step of cooling the polycrystalline silicon ingot in the crucible. Have
In the heating and melting step, a current is generated in the pedestal by the induction heating coil, the pedestal is self-heated, and the crucible is heated.
前記凝固工程において、前記する周縁部加熱領域のみに通電することにより、前記坩堝の周縁からの抜熱を防止することを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。 The induction heating coil has a central heating region for heating the central portion of the bottom surface of the crucible and a peripheral heating region for heating the peripheral portion of the bottom surface of the crucible,
8. The manufacture of a polycrystalline silicon ingot according to claim 6, wherein heat removal from the periphery of the crucible is prevented by energizing only the peripheral edge heating region in the solidification step. Method.
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