JP5740111B2 - 多結晶シリコンインゴット製造装置、多結晶シリコンインゴットの製造方法及び多結晶シリコンインゴット - Google Patents
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Description
特に、多結晶シリコンに含有される酸素量や不純物量が多いと、太陽電池の変換効率が大幅に低下するため、太陽電池用基板となる多結晶シリコン中の酸素量や不純物量を低減する必要がある。
詳述すると、坩堝内でシリコン融液を上方に向けて一方向凝固させた場合、固相から液相に向けて不純物が排出されることから、固相部分の不純物量が低くなり、凝固終了部分である頂部において不純物量が非常に高くなるのである。
特許文献2に記載された鋳造装置は、坩堝の上方に上部ヒータが配設され、坩堝の下方に下部ヒータが配設されたものである。上部ヒータ及び下部ヒータによって加熱することにより、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。その後、下部ヒータを停止し、坩堝の底部側から熱を放散することにより、坩堝内のシリコン融液を坩堝の底面から上方に向けて一方向凝固させる。
従来の多結晶シリコンインゴットについて、所定の高さ位置(凝固方向位置)における矩形断面内の酸素濃度を測定した結果を図6に示す。この図6によれば、高さ位置10mm、50mmの断面において、周縁部の一辺の中央部分(図6の測定点3)の酸素濃度が局所的に高くなっていることが確認される。
しかしながら、このように多結晶シリコンインゴットを大型化した場合には、上述のように坩堝の底面側に位置する部分で酸素濃度が局所的に高い部分が発生しやすくなる傾向にあるため、多結晶シリコンインゴットの底部側を大きく切断除去することになり、多結晶シリコンウェハを効率良く生産することができなかった。
このことから、断面における温度分布を改善することにより、局所的な酸素濃度の増加を抑制可能であるとの知見を得た。
そこで、本発明に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においては、前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱する補助ヒータを備えていることから、この補助ヒータによって坩堝内の温度分布を改善することが可能となり、局部的な酸素濃度の増加を抑制することができる。よって、多結晶シリコンインゴットの底部側を大きく切断除去する必要がなくなり、多結晶シリコンウェハを効率良く生産することが可能となる。
通常、坩堝の周囲には断熱材が配設されていることから、断面コーナ部では断熱材による保温効果によって温度低下が阻害されるが、側壁部の各一辺の中央領域では断熱材による保温効果が少なくなり、局部的に温度低下するものと考えられる。よって、前記補助ヒータを、前記側壁部の各一辺の中央領域(前記側壁部のうち前記一辺の全長Lに対して、0.3×L≦l≦0.7×Lの範囲内の領域)を加熱する構成とすることによって、確実に坩堝内の温度分布を改善することが可能となり、局部的な酸素濃度の増加を抑制することができる。
坩堝内において、凝固が上方に向けて進行すると、底面側からの熱の放散の割合が大きくなり側壁部からの熱の放散の影響が少なくなる。よって、坩堝の底面側部分においてのみ温度分布を改善すればよいことになる。そこで、補助ヒータを、前記坩堝の側壁部に対向して配設し、その高さを坩堝の全高さHPに対して、0.1×HP≦h≦0.3×HPの範囲内に設定することにより、温度分布を改善する必要がある部分のみを加熱することが可能となる。
前記凝固工程のうち前記坩堝の底面から高さXまでの初期領域(坩堝内の前記シリコン融液の湯面高さHMに対してX≦0.3×HMの範囲内)においては、坩堝の側壁部からの熱の放散の割合が比較的大きいため、局所的な温度低下が発生するおそれがある。そこで、本発明では、この初期領域において、補助ヒータを用いて坩堝の側壁部を加熱する構成としているので、坩堝内の温度分布を確実に改善することが可能となる。
坩堝20が載置されるチルプレート31は、下部ヒータ33に挿通された支持部32の上端に設置されている。このチルプレート31は、中空構造とされており、支持部32の内部に設けられた供給路(図示なし)を介して内部にArガスが供給される構成とされている。
支持軸42には、内部にガス供給路(図示なし)が設けられており、支持軸42の先端(図1において下端)に設けられた開口孔から坩堝20内のシリコン融液3に向けてAr等の不活性ガスが供給されるように構成されている。
この支持軸42及び蓋部41は、上下動可能に構成されており、坩堝20内のシリコン融液3の湯面との距離が調整可能とされている。
この補助ヒータ50は、輻射式ヒータとされており、坩堝20の側壁部22のうち補助ヒータ50が対向配置された部分を局所的に加熱する構成とされている。なお、補助ヒータ50の出力は、下部ヒータ33の出力の10〜50%程度と、比較的低く設定されている。
ここで、この多結晶シリコンインゴット1の底部側部分Z1は酸素濃度が高く、多結晶シリコンインゴット1の頂部側部分Z2は不純物濃度が高いことから、これら底部側部分Z1及び頂部側部分Z2は切断除去され、製品部Z3のみが多結晶シリコンウェハとして製品化されることになる。
例えば、多結晶シリコンインゴットの大きさ等は、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。
さらに、補助ヒータを、側壁部がなす矩形環状の一辺の中央領域に対向するように配設したもので説明したが、これに限定されることはなく、一辺の全体に対向するように(すなわち、側壁部を囲繞するように)補助ヒータを配設してもよい。
従来例として、補助ヒータを用いずに、上部ヒータと下部ヒータのみを使用して一方向凝固を実施した。なお、凝固速度を5mm/hとした。
本発明例として、凝固の初期領域においては、補助ヒータを用いて坩堝の側壁部を加熱して一方向凝固を実施した。なお、凝固速度を5mm/hとした。
また、底面から高さ150mm位置、250mm位置、290mm位置では、水平断面のいずれの位置でも酸素濃度が5×1017atm/cm3以下となっている。
これに対して、本発明例では、底面から高さ50mm位置において、水平断面のいずれの位置でも酸素濃度が5×1017atm/cm3以下となっている。
一方、補助ヒータを用いた本発明例では、局所的に温度が低い部分が存在せず、水平断面における温度分布が均一化されているのが確認される。
3 シリコン融液
10 多結晶シリコンインゴット製造装置
20 坩堝
21 底面
22 側壁部
33 下部ヒータ
43 上部ヒータ
50 補助ヒータ
Claims (5)
- 断面矩形状をなす坩堝と、この坩堝の上方に配設された上部ヒータと、前記坩堝の下方に配設された下部ヒータと、を有し、前記坩堝内に貯留されたシリコン融液を、その底面から上方に向けて一方向凝固させる多結晶シリコンインゴット製造装置であって、
前記坩堝の外周側に断熱壁が配設され、
前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部の一部を加熱する補助ヒータを備えており、
前記補助ヒータは、前記側壁部がなす矩形環状の各一辺の中央領域を加熱する構成とされており、この中央領域の前記底面に沿った方向の長さlは、前記側壁部のうち前記一辺の全長Lに対して、0.3×L≦l≦0.7×Lの範囲内に設定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製造装置。 - 前記補助ヒータは、前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部に対向して配設されており、その高さhは、前記坩堝の全高さHPに対して、0.1×HP≦h≦0.3×HPの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項1に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
- 請求項1又は請求項2に記載された多結晶シリコンインゴット製造装置を用いた多結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
前記坩堝内に装入されたシリコン原料を溶融して前記シリコン融液を生成する溶解工程と、
前記下部ヒータを停止して、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液に上下方向に温度差を設けて、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液を前記坩堝の底面側から上方に向けて一方向凝固させる凝固工程と、を備えており、
前記凝固工程においては、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱す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。 - 前記凝固工程のうち前記坩堝の底面から高さXまでの初期領域において、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁を加熱する構成とされており、
前記初期領域の高さXは、前記坩堝内の前記シリコン融液の湯面高さHMに対して、X≦0.3×HMの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項3に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。 - 請求項3または請求項4に記載された多結晶シリコンインゴットの製造方法によって製造された多結晶シリコンインゴットであって、
凝固方向に直交する断面が矩形面状をなし、この矩形面の一辺の長さが550mm以上とされており、
前記坩堝の底面に接触していた底部から高さ50mmの部分の断面において、前記矩形面の一辺の中央部分における酸素濃度が5×1017atm/cm3以下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。
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