JP5846437B2 - Method for producing silicon ingot - Google Patents

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Description

本発明は、凝固の最終部付近での品質が低下しない、太陽電池用のシリコンインゴットの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a silicon ingot for a solar cell, in which the quality in the vicinity of the final part of solidification does not deteriorate.

エネルギー問題や環境問題の解決に向けて、太陽光発電に対する期待が高まっている。その基本素子である太陽電池には、シリコンが主原料として用いられている。シリコンは、枯渇する恐れのない安全な材料であり、太陽光発電を地球規模に拡大させるための材料として適している。太陽電池用のウェハは、単結晶シリコンや多結晶シリコンからなるシリコンインゴットをマルチワイヤーソーなどにより切断して得ることができる。中でも多結晶シリコンからなるシリコンインゴットは、大容量のルツボ内でシリコン融液の一方向凝固によって製造できるため、単結晶シリコンよりも製造コストが低く、実用技術として主流となっている。   Expectations for solar power generation are increasing to solve energy and environmental problems. Silicon is used as a main raw material for the solar cell which is the basic element. Silicon is a safe material that is not likely to be depleted, and is suitable as a material for expanding solar power generation on a global scale. The solar cell wafer can be obtained by cutting a silicon ingot made of single crystal silicon or polycrystalline silicon with a multi-wire saw or the like. Among them, a silicon ingot made of polycrystalline silicon can be manufactured by unidirectional solidification of a silicon melt in a large-capacity crucible, and therefore, the manufacturing cost is lower than that of single crystal silicon and has become the mainstream as a practical technique.

しかし、多結晶シリコンは、通常は、ランダムな結晶方位を持つ多くの結晶粒からなり、結晶粒界や転位などの結晶欠陥が存在する。ランダムな結晶方位を持つ結晶粒は、ルツボ底部における不均一核形成によって生じる。また、ランダムな相対方位関係を持つ結晶粒間の結晶粒界は、転位の発生源となることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。これらの結晶欠陥は、光によってシリコン中に生成される電子や正孔などのキャリアの再結合中心となるため、多結晶シリコン太陽電池のエネルギー変換効率は、単結晶シリコン太陽電池のエネルギー変換効率よりも低い。   However, polycrystalline silicon usually consists of many crystal grains having random crystal orientations, and crystal defects such as crystal grain boundaries and dislocations exist. Crystal grains having random crystal orientation are generated by heterogeneous nucleation at the bottom of the crucible. In addition, it is known that a crystal grain boundary between crystal grains having a random relative orientation relationship becomes a generation source of dislocations (for example, see Non-Patent Document 1). Since these crystal defects are recombination centers of carriers such as electrons and holes generated in silicon by light, the energy conversion efficiency of polycrystalline silicon solar cells is higher than that of single crystal silicon solar cells. Is also low.

そのため、大容量のインゴットの製造が可能であるという利点を生かしながら、結晶欠陥密度が低く、結晶粒の方位や結晶粒界が制御された高品質なシリコンインゴットの製造方法の研究開発が行われている。結晶粒方位を揃える公知技術として、シリコン融液を入れたルツボ底面に、単結晶シリコンの種結晶を配置し、成長方位の揃った単結晶ライクなシリコンインゴットを製造する方法がある(例えば、特許文献1参照)。   Therefore, research and development of high-quality silicon ingots with low crystal defect density and controlled crystal grain orientation and grain boundaries while taking advantage of the ability to manufacture large-capacity ingots has been conducted. ing. As a known technique for aligning the crystal grain orientation, there is a method of manufacturing a single crystal-like silicon ingot having a uniform growth orientation by arranging a seed crystal of single crystal silicon on the bottom of a crucible containing a silicon melt (for example, a patent) Reference 1).

しかし、この方法は、ルツボ底面全てを1つの単結晶で覆わないかぎり、ルツボ底部の不均一核形成によるランダムな方位を持った結晶粒の生成を抑制することができない。そのような大型の単結晶を製造する技術はないため、上面方位の揃った複数の単結晶を配置することが考えられる。しかし、その相対的な方位を原子レベルで完全に揃えることは不可能であり、転位の発生源となる小角粒界の形成を防ぐことはできない。   However, this method cannot suppress the generation of crystal grains having random orientations due to heterogeneous nucleation at the bottom of the crucible unless the entire bottom surface of the crucible is covered with one single crystal. Since there is no technique for manufacturing such a large single crystal, it is conceivable to arrange a plurality of single crystals having the same top surface orientation. However, it is impossible to perfectly align the relative orientations at the atomic level, and it is impossible to prevent the formation of small-angle grain boundaries that are the source of dislocations.

また、結晶成長の初期過程で、デンドライト結晶をルツボの底部に発現させ、そのデンドライト結晶の上面に、一方向成長させることにより、結晶粒方位の揃ったシリコン多結晶インゴットを製造する方法がある(例えば、特許文献2参照)。しかし、この方法では、ルツボの底部全体をデンドライト結晶のみで覆いつくすことは困難であり、隣接するデンドライト結晶間における不均一核形成を防ぐことができない。   In addition, there is a method of manufacturing a silicon polycrystal ingot having a uniform crystal grain orientation by expressing a dendrite crystal at the bottom of a crucible in the initial stage of crystal growth and growing it in one direction on the upper surface of the dendrite crystal ( For example, see Patent Document 2). However, with this method, it is difficult to cover the entire bottom of the crucible with only dendrite crystals, and it is impossible to prevent heterogeneous nucleation between adjacent dendrite crystals.

結晶成長の初期過程に形成される多結晶組織を、複数のデンドライト結晶のみで形成することは、界面エネルギーが大きく核形成頻度の小さい融液表面を核形成サイトとすることにより可能であることが知られている(例えば、非特許文献2参照)。また、融液表面から成長を行うことで、種結晶を利用して組織制御を行うことも可能であり、さらに成長過程でインゴットを融液に浮遊させることで、結晶欠陥密度を低減できること知られている(例えば、特許文献3参照)。しかし、ルツボの内部で融液を上部から下部に向かって全て固めると、凝固の最終過程における閉じた空間内での膨張により、インゴットとルツボが強く接触し、インゴット下部近傍への応力印加による結晶欠陥の発生や、ルツボの破損による融液の漏洩が生じる。   It is possible to form the polycrystalline structure formed in the initial process of crystal growth with only a plurality of dendrite crystals by using the melt surface with a large interface energy and a low nucleation frequency as a nucleation site. It is known (see, for example, Non-Patent Document 2). In addition, it is also possible to control the structure using seed crystals by growing from the melt surface, and it is known that the crystal defect density can be reduced by floating the ingot in the melt during the growth process. (For example, refer to Patent Document 3). However, if the melt is completely solidified from the top to the bottom inside the crucible, the ingot and the crucible come into strong contact with each other due to expansion in the closed space in the final solidification process, and crystals are generated by applying stress near the bottom of the ingot. The occurrence of defects or leakage of the melt due to the crucible breakage.

I. Takahashi, N. Usami, K. Kutsukake, G. Stokkan, K. Morishita, andK. Nakajima, “Generation mechanism of dislocations during directionalsolidification of multicrystalline silicon using artificially designed seed”, J.Cryst. Growth, 2010年, 312, p.897-901I. Takahashi, N. Usami, K. Kutsukake, G. Stokkan, K. Morishita, and K. Nakajima, “Generation mechanism of dislocations during directional solidification of multicrystalline silicon using artificially designed seed”, J. Cryst. Growth, 2010, 312 , p.897-901 N. Usami, I. Takahashi, K. Kutsukake, K. Fujiwara, and K. Nakajima, “Implementationof faceted dendrite growth on floating cast method to realize high-qualitymulticrystalline Si ingot for solar cells”, J. Appl. Phys., 2011年, 109, p.083527N. Usami, I. Takahashi, K. Kutsukake, K. Fujiwara, and K. Nakajima, “Implementation of faceted dendrite growth on floating cast method to realize high-quality multicrystalline Si ingot for solar cells”, J. Appl. Phys., 2011 Year, 109, p.083527

特開平10−194718号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-194718 特許第4203603号公報Japanese Patent No. 4203603 特許第4528995号公報Japanese Patent No. 4528995

上述したように、ルツボ内のシリコン融液を上部から下部に向かい結晶成長させると、融液表面で種結晶を利用したり、あるいはデンドライト結晶のみで融液表面を覆ったりすることで、結晶組織の制御が可能であるという利点があるが、ルツボ内で融液を全て凝固させるとインゴット下部の結晶品質が低下し、インゴットの歩留まりが低下してしまうという課題があった。   As described above, when the silicon melt in the crucible is grown from the top to the bottom, the crystal structure can be obtained by using seed crystals on the melt surface or covering the melt surface only with dendrite crystals. However, if the melt is completely solidified in the crucible, there is a problem that the crystal quality at the lower part of the ingot is lowered and the yield of the ingot is lowered.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、シリコン融液を上部から下部に向かい結晶成長させる方法において、凝固の最終過程におけるインゴットへの応力印加を抑制し、結晶方位が制御され、かつ結晶品質の優れた歩留まりの高い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している。   The present invention has been made paying attention to such problems, and in the method of crystal growth from the top to the bottom of the silicon melt, the application of stress to the ingot in the final process of solidification is suppressed, and the crystal orientation is controlled. Another object of the present invention is to provide a method for producing a silicon ingot having excellent crystal quality and high yield.

本発明によれば、円筒または四角筒から成る筒体を、底板上またはルツボ内に静置し、
前記筒体内にシリコン原料を充填し、前記筒体をシリコンの融点以上に加熱して、前記筒体内にシリコン融液を形成し、しかる後に、前記筒体の全体を冷却して、前記シリコン融液の上部から下部に向かい前記シリコン融液を凝固させることを特徴とするシリコンインゴットの製造方法が得られる。
According to the present invention, a cylinder composed of a cylinder or a square cylinder is allowed to stand on the bottom plate or in the crucible,
The cylindrical body is filled with a silicon raw material, the cylindrical body is heated to a melting point of silicon or more to form a silicon melt in the cylindrical body, and then the entire cylindrical body is cooled to obtain the silicon melt. A silicon ingot manufacturing method is characterized in that the silicon melt is solidified from the top to the bottom of the liquid.

また、本発明によれば、前記シリコン融液の凝固の最終過程で、前記筒体の最下部の隙間から前記シリコン融液がわずかに浸み出す事を特徴とするシリコンインゴットの製造方法が得られる。   Further, according to the present invention, there is obtained a method for producing a silicon ingot, wherein the silicon melt slightly oozes out from the lowermost gap of the cylindrical body in the final process of solidifying the silicon melt. It is done.

また、本発明によれば、前記シリコン原料の上部に種結晶を配置し、前記シリコン融液に前記種結晶が浮遊した状態から、前記シリコン融液の上部から下部に向かい前記シリコン融液を凝固させることを特徴とするシリコンインゴットの製造方法が得られる。   Further, according to the present invention, a seed crystal is arranged on the upper part of the silicon raw material, and the silicon melt is solidified from the upper part to the lower part of the silicon melt from a state where the seed crystal is suspended in the silicon melt. Thus, a method for producing a silicon ingot can be obtained.

さらに、本発明によれば、前記筒体、前記底板、前記ルツボの材質が、石英またはグラファイトであることを特徴とするシリコンインゴットの製造方法が得られる。   Furthermore, according to the present invention, there is obtained a method for producing a silicon ingot, wherein the cylindrical body, the bottom plate, and the crucible are made of quartz or graphite.

本発明に係るシリコンインゴットの製造方法では、シリコンインゴット下部の結晶品質の低下を解決するために、通常のルツボの内側に、底面のない円筒を配置した二重構造や、底板の上に円筒や四角筒を静置した構造とする。シリコン原料は、内側の円筒内部や四角筒の内部に充填する。さらに、組織制御のための種結晶をシリコン原料の上部に配置することもできる。この筒体をシリコンの融点以上の温度にすることで、シリコン原料の全てを、筒体内部で融解させることができる。また、鉛直方向において上部ほど温度が低い温度分布内に配置することで、上部に配置した種結晶の一部を固体の状態としたまま、下部に配置したシリコン原料の全てを融解させることができる。その後、鉛直方向において上部ほど温度が低い温度分布を維持した状態で温度を低下させて、シリコンインゴットを成長させると、凝固の最終過程における体積膨張により、筒体とルツボまたは底板との間に隙間が生じ、残留融液が外側のルツボ等に漏洩する。このため、インゴットと外側ルツボ等との強い接触が抑制され、インゴット下部においても結晶の品質が低下することはない。また、円筒、四角筒、底板、ルツボの材質としては、その融点がシリコンの融点以上で、シリコンとの反応が少ないものが良く、具体的には、石英やグラファイトが好ましい。   In the method for producing a silicon ingot according to the present invention, in order to solve the lowering of the crystal quality at the bottom of the silicon ingot, a double structure in which a cylinder without a bottom surface is arranged inside a normal crucible, or a cylinder or The structure is such that a square tube is left stationary. The silicon raw material is filled in the inner cylinder or the square cylinder. Further, a seed crystal for controlling the structure can be disposed on the silicon raw material. By setting the cylinder to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon, all of the silicon raw material can be melted inside the cylinder. In addition, by arranging in a temperature distribution where the temperature is lower in the vertical direction in the vertical direction, all of the silicon raw material arranged in the lower part can be melted while keeping a part of the seed crystal arranged in the upper part in a solid state. . After that, when the silicon ingot is grown by lowering the temperature in a state where the temperature distribution is lower at the upper part in the vertical direction, the gap between the cylinder and the crucible or the bottom plate is caused by volume expansion in the final process of solidification. And the residual melt leaks to the outer crucible or the like. For this reason, strong contact between the ingot and the outer crucible or the like is suppressed, and the quality of the crystal does not deteriorate even at the lower part of the ingot. Further, as the material of the cylinder, the square cylinder, the bottom plate, and the crucible, those having a melting point equal to or higher than that of silicon and having little reaction with silicon are preferable. Specifically, quartz and graphite are preferable.

本発明によれば、シリコン融液を上部から下部に向かい結晶成長させる方法において、凝固の最終過程におけるインゴットへの応力印加を抑制し、結晶方位が制御され、かつ結晶品質の優れた歩留まりの高い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, in a method of growing a silicon melt from the upper part to the lower part, the stress application to the ingot in the final process of solidification is suppressed, the crystal orientation is controlled, and the crystal quality is excellent and the yield is high. A method for producing a silicon ingot can be provided.

本発明の実施の形態のシリコンインゴットの製造方法の基本概念を示す模式縦断面図である。It is a model longitudinal cross-sectional view which shows the basic concept of the manufacturing method of the silicon ingot of embodiment of this invention. (a)従来方法(従来法)、(b)本発明の実施の形態のシリコンインゴットの製造方法(本発明)で成長したインゴットの外観形状を示す側面図である。(A) It is a side view which shows the external shape of the ingot grown by the manufacturing method (this invention) of the conventional method (conventional method) and (b) silicon ingot of embodiment of this invention. (a)従来方法(従来法)、(b)本発明の実施の形態のシリコンインゴットの製造方法(本発明)で成長したインゴットの底部近傍を水平方向に切断したウェハの、表面状態を示す平面図である。(A) Conventional method (conventional method), (b) Plane showing the surface state of a wafer obtained by cutting the vicinity of the bottom of the ingot horizontally grown by the method for manufacturing a silicon ingot according to the embodiment of the present invention (the present invention) FIG. (a)従来方法(従来法)、(b)本発明の実施の形態のシリコンインゴットの製造方法(本発明)で成長したインゴットから切り出したウェハを用いて太陽電池を作製した場合の、電流電圧曲線を示すグラフである。(A) Current voltage when a solar cell is produced using a wafer cut out from an ingot grown by a conventional method (conventional method), (b) method for producing a silicon ingot according to an embodiment of the present invention (the present invention) It is a graph which shows a curve. 本発明の実施の形態のシリコンインゴットの製造方法で使用可能な(a)円筒、(b)四角筒を示す斜視図である。It is a perspective view which shows (a) cylinder and (b) square cylinder which can be used with the manufacturing method of the silicon ingot of embodiment of this invention.

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態のシリコンインゴットの製造方法の基本概念を示す模式図である。本発明の実施の形態のシリコンインゴットの製造方法では、図1(a)に示すように、アルゴンフローの溶解装置内で、内底面に離型剤を塗布した内径150mmのルツボ1内に、内面に離型剤を塗布した内径100mmの円筒2を配置し、円筒2内に、シリコン原料を500g充填した。溶解装置のヒータは、上中下の3ゾーンから構成されるが、まず、全てのヒータ温度を1490℃に設定することで、シリコン原料の温度を1450℃まで上昇させシリコン原料を完全に融解させてシリコン融液3aを得た。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic concept of a method for manufacturing a silicon ingot according to an embodiment of the present invention. In the method for producing a silicon ingot according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1A, an inner surface is placed in a crucible 1 having an inner diameter of 150 mm in which a release agent is applied to the inner bottom surface in an argon flow melting apparatus. A cylinder 2 having an inner diameter of 100 mm coated with a release agent was placed, and 500 g of silicon raw material was filled in the cylinder 2. The heater of the melting device is composed of three zones, upper, middle and lower. First, by setting all heater temperatures to 1490 ° C, the temperature of the silicon raw material is raised to 1450 ° C and the silicon raw material is completely melted. Thus, a silicon melt 3a was obtained.

次に、図1(b)に示すように、上部ヒータを1400℃まで低下させることで、温度勾配を融液上部が低くなるように設定し、その後、全体の温度を1分間に1度の割合で低下させることにより、シリコン結晶3bを上部から下部に向かって成長させた。シリコン融液3aの凝固の最終過程では、体積膨張により、図1(c)に示すように、円筒2とルツボ1との間に隙間4が生じ、残留融液3cが外側のルツボ1に漏洩し、固化した。比較のため、従来方法として、離型剤を塗布した内径150mmのルツボ内に、離型剤を塗布した内径100mmのルツボを配置した場合についても、同じ温度履歴でシリコンインゴットを成長させた。   Next, as shown in FIG. 1 (b), the temperature gradient is set so that the upper part of the melt is lowered by lowering the upper heater to 1400 ° C., and then the entire temperature is set once per minute. By lowering at a rate, the silicon crystal 3b was grown from the upper part to the lower part. In the final process of solidifying the silicon melt 3a, a gap 4 is generated between the cylinder 2 and the crucible 1 due to volume expansion, and the residual melt 3c leaks to the outer crucible 1 as shown in FIG. And solidified. For comparison, as a conventional method, a silicon ingot was grown with the same temperature history even when a crucible with an inner diameter of 100 mm coated with a release agent was placed in a crucible with an inner diameter of 150 mm coated with a release agent.

図2に、本発明の実施の形態のシリコンインゴットの製造方法(本発明)および従来方法(従来法)で成長したインゴットの外観形状をそれぞれ示す。図2に示すように、従来法では、インゴットの底部が大きく変形し、下部に約1cmほどの高さの突起が生じている様子がわかる。これは、凝固の最終過程で、閉じた空間内でシリコン融液が凝固膨張することで、ルツボ底部を変形させるほどの大きな応力が発生したことを示している。一方、本発明によれば、インゴット底部の突起は、1mm以下であり、ほぼ平坦に保たれていることがわかる。   In FIG. 2, the external shape of the ingot grown by the manufacturing method (this invention) and the conventional method (conventional method) of the silicon ingot of embodiment of this invention is each shown. As shown in FIG. 2, it can be seen that in the conventional method, the bottom portion of the ingot is greatly deformed and a protrusion having a height of about 1 cm is formed in the lower portion. This indicates that in the final process of solidification, the silicon melt was solidified and expanded in a closed space, so that a large stress was generated to deform the crucible bottom. On the other hand, according to the present invention, it can be seen that the protrusion on the bottom of the ingot is 1 mm or less and is kept almost flat.

図3に、図2に示すインゴットの底部近傍を水平方向に切断したウェハの、表面の結晶粒の状態を示す。図3に示すように、従来法では、インゴットの底部で結晶粒が微細化しており、数mm程度の粒径の結晶粒が多数存在することがわかる。一方、本発明によれば、インゴットの底部においても、結晶粒径が数cmを超える大粒径の結晶が得られていることがわかる。   FIG. 3 shows the state of crystal grains on the surface of a wafer obtained by cutting the vicinity of the bottom of the ingot shown in FIG. 2 in the horizontal direction. As shown in FIG. 3, it can be seen that in the conventional method, the crystal grains are refined at the bottom of the ingot, and there are many crystal grains having a grain size of about several mm. On the other hand, according to the present invention, it can be seen that crystals having a large grain size exceeding a few centimeters are obtained even at the bottom of the ingot.

図4に、図2に示すインゴットから切り出したウェハを用いて太陽電池を作製した場合の、電流電圧曲線を示す。太陽電池は、それぞれのインゴットに対し5個作製し、その特性を全て示している。図4に示すように、従来法では、結晶欠陥に起因して曲線因子が低下し、曲線因子の値は0.56−0.74と大きなばらつきを示していることがわかる。一方、本発明では、曲線因子の値は、0.68−0.74であり、より均質な特性が得られていることがわかる。   FIG. 4 shows a current-voltage curve when a solar cell is produced using a wafer cut out from the ingot shown in FIG. Five solar cells are produced for each ingot and all the characteristics are shown. As shown in FIG. 4, in the conventional method, the curve factor is reduced due to crystal defects, and the value of the curve factor shows a large variation of 0.56-0.74. On the other hand, in the present invention, the value of the fill factor is 0.68-0.74, which indicates that more uniform characteristics are obtained.

図5に、本発明で使用可能な円筒および四角筒を示す。上述の実施例では、図5(a)に示すような円筒を使用したが、円筒に限らず、図5(b)に示すような四角筒を使用することもできる。   FIG. 5 shows a cylinder and a square cylinder that can be used in the present invention. In the above-described embodiment, a cylinder as shown in FIG. 5A is used. However, the present invention is not limited to a cylinder, and a square cylinder as shown in FIG. 5B can also be used.

1 ルツボ
2 円筒
3a シリコン融液
3b シリコン結晶
3c 残留融液
4 隙間
1 crucible 2 cylinder 3a silicon melt 3b silicon crystal 3c residual melt 4 gap

Claims (4)

円筒または四角筒から成る筒体を、底板上またはルツボ内に静置し、
前記筒体内にシリコン原料を充填し、
前記筒体をシリコンの融点以上に加熱して、前記筒体内にシリコン融液を形成し、
しかる後に、前記筒体の全体を冷却して、前記シリコン融液の上部から下部に向かい前記シリコン融液を凝固させることを
特徴とするシリコンインゴットの製造方法。
Place a cylinder consisting of a cylinder or a square cylinder on the bottom plate or in a crucible,
Filling the cylinder with a silicon raw material,
Heating the cylinder above the melting point of silicon to form a silicon melt in the cylinder;
Thereafter, the entire cylindrical body is cooled to solidify the silicon melt from the upper part to the lower part of the silicon melt.
前記シリコン融液の凝固の最終過程で、前記筒体の最下部の隙間から前記シリコン融液がわずかに浸み出す事を特徴とする請求項1記載のシリコンインゴットの製造方法。   2. The method for producing a silicon ingot according to claim 1, wherein the silicon melt slightly oozes out from a gap at a lowermost portion of the cylindrical body in a final process of solidifying the silicon melt. 前記シリコン原料の上部に種結晶を配置し、前記シリコン融液に前記種結晶が浮遊した状態から、前記シリコン融液の上部から下部に向かい前記シリコン融液を凝固させることを特徴とする請求項1または2記載のシリコンインゴットの製造方法。   The seed crystal is disposed on the upper part of the silicon raw material, and the silicon melt is solidified from the upper part to the lower part of the silicon melt from a state where the seed crystal is suspended in the silicon melt. 3. A method for producing a silicon ingot according to 1 or 2. 前記筒体、前記底板、前記ルツボの材質が、石英またはグラファイトであることを特徴とする請求項1、2または3記載のシリコンインゴットの製造方法。
4. The method for manufacturing a silicon ingot according to claim 1, wherein the cylindrical body, the bottom plate, and the crucible are made of quartz or graphite.
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