JP5951826B2 - シリコンを結晶化させる装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は概して、シリコンの結晶化に関するものであり、特に太陽電池に使用されるシリコンの結晶化に関するものである。

特許文献１には、太陽電池に用いるシリコンを結晶化させる方法及び当該シリコンを結晶化させるための炉が開示されている。当該炉は、シリコンを収容する坩堝又は複数の坩堝と、坩堝を加熱する加熱装置と、熱を坩堝から放散させる熱放散装置と、交流電流が供給されて交流電磁界を坩堝に印加する電磁装置を備える撹拌装置とを備える。

国際公開番号ＷＯ２００７／１４８９８８

シリコンの結晶化過程で溶融するシリコンの撹拌は、シリコンを一方向に成長させながら大量の不純物を除去するために最も重要である。先行技術による装置は、最適な撹拌を行なって太陽電池に使用することができる最高純度のシリコンを得る構成を開示しているとは考えられない。

本発明の目的は、上述の問題を解決する結晶化装置及び結晶化方法のそれぞれを提供することにある。

本発明の特定の目的は、一方向凝固前面を保持しながら結晶化シリコンの純度を高めることができるこのような装置及び方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、撹拌を結晶化過程で動的に制御することができるような装置及び方法を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、簡単であり、確実であり、高信頼性であり、かつコストが安く付くような装置及び方法を提供することにある。

種々の目的の中でもとりわけこれらの目的は、本発明に従って添付の特許請求項に記載の装置及び方法により達成される。

本発明の第１の態様によれば、１つの装置が提供され該装置はシリコンを収容する坩堝と前記坩堝に収容される前記シリコンを溶融させ、続いて前記溶融シリコンを凝固させるように設けられている加熱／熱放散機構と、前記坩堝内の前記溶融シリコンを、前記溶融シリコンの凝固過程で撹拌するように設けられている電磁撹拌装置とを備える。制御機構は、前記加熱／熱放散機構を制御して、前記溶融シリコンを指定凝固速度で凝固させ、前記電磁撹拌装置を制御して、前記溶融シリコンを前記溶融シリコンの前記指定凝固速度に応じて撹拌することにより、前記溶融シリコンの速度と前記凝固速度との比が第１の閾値を上回るようになるように設けられている。前記第１の閾値は、原材料シリコンの組成、及び／又は結晶化シリコンの目的用途によって異なるが、１０，１００，１０００，又は１００００とすることができる。更に、前記制御機構は、前記溶融シリコンの速度を制御して第２の閾値を下回るようになるように設けることができる。

１つの実施形態では前記制御機構は、前記電磁撹拌装置を制御して前記坩堝内の前記溶融シリコンを２つの段階において撹拌することにより、前記溶融シリコンの第１速度がこれらの段階のうちの第１段階で得られ、前記溶融シリコンの第２速度がこれらの段階のうちの第２段階で得られるようになり、前記溶融シリコンの前記第１速度が前記溶融シリコンの前記第２速度よりも大きくなるように設けられている。制御される上記凝固は、第２段階において行なわれる。前記第１段階において前記制御機構は、前記加熱／熱放散機構を制御して前記坩堝に収容される前記シリコンの溶融状態を保持することにより、不純物が前記溶融シリコン内に拡散することができるように設けられている。別の構成として、前記制御機構は前記第１段階において前記加熱／熱放散機構を制御して前記溶融シリコンを凝固させ、前記溶融シリコンの一部分を切り取り、続いて残りの凝固シリコンを再溶融させるように設けられている。

本発明の別の実施形態では、前記電磁撹拌装置は該装置による撹拌の方向を変えることができ、前記制御機構は前記電磁撹拌装置を制御して、前記坩堝内の前記溶融シリコンの前記撹拌の方向を前記溶融シリコンの凝固過程で変えるように設けられている。

本発明の第２の態様によれば１つの方法が提供され、該方法によればシリコンを坩堝に配置する。前記坩堝内の前記シリコンを溶融させ、続いて前記溶融シリコンを前記坩堝内の前記溶融シリコンを、電磁撹拌装置で撹拌しながら凝固させる。前記溶融シリコンを指定凝固速度で凝固させ、前記電磁撹拌装置による前記撹拌を凝固させる前記工程に応じて制御して、前記溶融シリコンの速度と前記凝固速度との比が第１の閾値を上回るようにする。前記電磁撹拌装置による前記坩堝内の前記溶融シリコンの前記撹拌は、２つの段階において行なうことができ、前記撹拌を第１段階でより強くし少なくとも前記第２段階では、溶融シリコンを凝固させる。

本発明によりクリーンな凝固前面が得られ、不純物がシリコン溶融表面に再混入するのが防止される。同時に一方向凝固前面が得られる。

本発明の更に別の特徴及び本発明の更に別の利点は、以下に与えられる本発明の好適な実施形態に関する以下の詳細な説明及び添付の図１〜４から明らかになり、これらの図は例示としてのみ与えられるのであり本発明を限定するものではない。

図１は、本発明の１つの実施形態によるシリコン結晶化装置を側部断面立面図として模式的に示している。 図２は、本発明の別の実施形態によるシリコン結晶化装置を側部立面図として模式的に示している。 図３は、本発明の別の実施形態によるシリコン結晶化装置を側部立面図として模式的に示している。 図４は、本発明の別の実施形態によるシリコン結晶化装置を側部立面図として模式的に示している。

図１には、太陽電池級シリコンを結晶化させて多結晶シリコンにする装置を示している。当該装置は太陽電池級シリコン（低純度シリコン）を収容する坩堝１１を備える。坩堝１１は、結晶化過程でハウジング及び上蓋を備える真空炉（図示せず）内に配置され、上蓋を取り外すことにより投入及び取り出しが可能になる。シール部を設けて炉の気密性を確保する。更に、流体入口及び出口を設けて炉内の不活性雰囲気を保持し、適宜結晶化過程における熱放散を容易にする。

原材料を坩堝に、結晶化プロセスが始まる前に収容する。図１には、固体結晶シリコン層１２ａと、固体結晶シリコン層１２ａの上方の溶融シリコン層１２ｂとが図示されている。

当該装置は更に、加熱装置１３，１５と、冷却装置又は熱放散装置１４と、適切な温度及び温度勾配を坩堝内で結晶化プロセス中に実現する断熱装置１６とを備える。加熱装置１３，１５を更に設けて原材料を溶融させる。

加熱装置１３，１５は、坩堝の上方及び下方に配置される２つの装置として図示されているが、本発明は加熱装置を１つしか持たない装置、及び２つよりも多くの加熱装置を有する装置、及び／又は加熱装置が異なる態様に配置される構成の装置に適用することができる。

加熱装置１３，１５は、例えば直流電流又は単相又は三相交流電流が供給される電気加熱素子を利用することができる。加熱装置１３，１５は従来の加熱素子とするか、又は誘導加熱素子とするか、或いはこれらの加熱素子の両方の組み合わせとすることができる。

冷却装置又は熱放散装置１４は、坩堝１１の直下に配置され、かつ熱を坩堝１１から放散して、当該坩堝内の原材料シリコンを凝固させるように配置される。冷却装置又は熱放散装置１４は、国際公開番号ＷＯ２００６／０８２０８５に開示されているように、冷却ガスを循環させる装置として実現することができるか、又は冷却液を循環させることにより実現することができる。別の構成として、冷却装置又は熱放散装置１４は、熱を坩堝１１の下側部分から離れるように導く熱伝導装置である。更に別の構成として、冷却装置又は熱放散装置１４は熱を坩堝１１の下側部分から離れるように対流させる可動部品を有する装置である。

断熱装置１６は、原材料シリコンを溶融させるために必要な熱を小さくするために、かつ温度領域に対する正確かつ高精度な制御を可能にするために設けられている。１つの実施形態では、断熱装置１６は可動であるか、又はこれらの断熱装置の断熱特性を変化させることができることにより、凝固プロセス中の坩堝１１からの熱の放散を容易にする。

加熱装置１３，１５、冷却装置又は熱放散装置１４、及び任意の断熱装置１６は、以下の説明では加熱／熱放散機構と表記される。

更に、本発明による装置は坩堝内の溶融シリコン１２ｂを溶融シリコンの凝固過程で撹拌することにより、ドーピング原子の分布に影響を与えるだけでなく、不純物が結晶化によって凝固シリコンインゴット中に侵入するのを防止するために設けられている電磁撹拌装置１７を備える。最大量の不純物がインゴットの上部に収集され、インゴットをスライスして、太陽電池に使用されることになるシリコンウェハにする前に除去される。

電磁撹拌装置１７は、交流電流が供給されて交流電磁界を坩堝１１内の溶融シリコン１２ｂに印加する１つ、又は幾つかの電磁装置を備える。電磁装置は、例えば交流電流が供給されると十分大きな交流電磁界を発生させるために適するコイル又は他のタイプの導電レールを備えることができる。

電磁撹拌装置１７と溶融したシリコンとの間に位置する全ての材料又は部品は、オーステナイト鋼、セラミック、又はポリマーのような非磁性材料により形成されて、電磁撹拌装置１７からの磁界に対する耐磁性能を向上させないようにする必要がある。

加熱／熱放散機構及び電磁撹拌装置１７は適切な給電機構に接続される。

制御機構１８は加熱／熱放散機構に、電磁撹拌装置１７に作動可能に接続されて、加熱／熱放散機構及び電磁撹拌装置１７に対する制御を結晶化プロセス中に行なう。制御機構１８は、１つ以上のマイクロコンピュータとして適切に設けられ、これらのマイクロコンピュータには本装置の構造、原材料シリコンの組成、及び指定凝固速度及び撹拌速度に関する適切なソフトウェア及び入力データが供給される。図１では、凝固速度ｖ_ｓｏｌは垂直矢印で指示され、溶融シリコン１２ｂの速度ｖ_ｍｅｌとして表現される撹拌速度は、水平矢印で指示される。通常、凝固は下方及び上方から行なわれる。撹拌力は、通常水平方向に加えられる。溶融シリコン１２ｂの速度ｖ_ｍｅｌは、溶融シリコンの最大速度、溶融シリコンの平均速度、溶融シリコンの一部分の最大速度、又は溶融シリコンの一部分の平均速度として表わすことができる。当該一部分は、結晶化シリコン１２ａの凝固前面に位置する部分とするか、又は当該凝固前面の上方に位置し、かつ当該凝固前面の近傍に位置する部分とすることができる。

溶融シリコン１２ｂの速度ｖ_ｍｅｌは、当該速度が溶融シリコンの所定の高さに応じて電磁撹拌装置１７に流す電流に比例するので容易に制御することができ、凝固速度は当該凝固速度が凝固前面に供給される熱と凝固前面から放出される熱との差に比例するので、容易に制御することができる。

１つの実施形態によれば、制御機構１８は加熱／熱放散機構を制御して原材料シリコンを溶融させ、続いて溶融シリコンを指定凝固速度ｖ_ｓｏｌで凝固させ、更に電磁撹拌装置１７を制御して、溶融シリコン１２ｂを溶融シリコンの凝固速度ｖ_ｓｏｌに応じて撹拌して、溶融シリコン１２ｂの速度ｖ_ｍｅｌと凝固速度ｖ_ｓｏｌとの比が第１の閾値ＴＶ１を上回るように設けられている、すなわち次の関係：
ｖ_ｍｅｌ／ｖ_ｓｏｌ＞ＴＶ１
が成り立つように設けられている。

第１の閾値ＴＶ１は、原材料シリコンの組成、及び／又は結晶化シリコンの目的用途によって異なるが、１０，１００，１０００，又は１００００とすることができる。撹拌を上の表現式による凝固速度に関連付けて行なうことにより、クリーンな一方向凝固前面を実現することができる。

任意であるが、比ｖ_ｍｅｌ／ｖ_ｓｏｌは第２の閾値ＴＶ２を下回るようにする必要がある、すなわち次の関係：
ｖ_ｍｅｌ／ｖ_ｓｏｌ＜ＴＶ２
が成り立つようにする必要がある。

第２の閾値ＴＶ２は、原材料シリコンの組成、及び／又は結晶化シリコンの目的用途によって異なるが、１０００００，５００００，又は３００００とすることができる。

制御機構１８は、溶融シリコンの速度を第３の閾値ＴＶ３、すなわち最大速度を下回るように設けられていることが好ましい。この速度は、１ｃｍ／ｓ〜３０ｃｍ／ｓの範囲であることが好ましい。

撹拌の速さを最大許容値（凝固速度に関連付けられる、又は関連付けられない）以下に保持することにより、一方向凝固前面を実現することができる。

別の実施形態では、制御機構１８を設けて電磁撹拌装置１７を制御することにより、溶融シリコン１２ｂを坩堝１１内で２つの段階において撹拌させて、溶融シリコンの第１速度ｖ_１がこれらの段階のうちの第１段階で得られ、溶融シリコンの第２速度ｖ_２がこれらの段階のうちの第２段階で得られるようにし、溶融シリコンの第１速度は溶融シリコンの第２速度よりも速い、すなわち次の関係：
ｖ_１＞ｖ_２
が成り立つ。

第２段階では、制御機構は、加熱／熱放散機構を制御して、溶融シリコンの指定凝固速度が得られるようにし、電磁撹拌装置１７を制御して、溶融シリコンの速度が凝固速度に応じて得られて、溶融シリコンの速度と凝固速度との比が第１及び第２の閾値を含む上の表現式の全ての式を満たすように設けられていることが好ましい。

第２段階では制御機構１８が、溶融シリコンの速度を制御して第３の閾値ＴＶ３を下回るように設けられていることが好ましい。

第２段階における代表的な作動データとして：溶融シリコンの速度は０．０５ｍ／ｓであり、凝固速度ｖ_ｓｏｌは１０ｍｍ／ｈである。これにより、比ｖ_ｍｅｌ／ｖ_ｓｏｌは１８０００となる。

第１段階では、制御機構１８は、加熱／熱放散機構を制御して、坩堝に収容されるシリコンの溶融状態を保持して、不純物が溶融シリコン内に拡散することができるように設けられている。酸素、炭素、酸化物、及び炭化物のような溶融物内の含有物は、溶融物の内部から溶融物表面に拡散させることができる。

別の構成として、制御機構１８は、第１段階において、加熱／熱放散機構を制御して溶融シリコンを凝固させ、溶融シリコンの上部を切り取り、続いて、残りの凝固シリコンを再溶融させるように設けられている。これにより、二重鋳込みプロセスが達成される。第１凝固では（第１段階では）、シリコンの結晶品質及び一方向成長は重要ではないので撹拌を速くし、場合によっては更に、より速い凝固速度を使用することができる。

別の実施形態では、制御機構１８は、電磁撹拌装置１７を制御して、溶融シリコンの速度を変化させ、加熱／熱放散機構を制御して、好ましくは、凝固速度を保持しながら、当該機構による加熱及び熱放散を溶融シリコンの変化後の速度に応じて変化させる。好ましくは、当該速度は、凝固前面に供給され、凝固前面から放出される熱を、凝固前面に供給される熱と凝固前面から放出される熱との差を略不変に保った状態で小さくしながら速くする。これにより、凝固前面における更に均一な温度が、撹拌を速くした状態で得られる。

更に別の実施形態では、制御機構１８は、電磁撹拌装置１７を制御して、溶融シリコンの変化後の速度、好ましくは上昇速度が得られるようにし、加熱／熱放散機構を制御して、当該機構による加熱及び熱放散を、溶融シリコンの変化後の速度に応じて変更して、溶融シリコンの速度と指定凝固速度との比が略不変に保たれるように設けられている。

撹拌を、結晶化プロセスの後ろの方の凝固過程で速くすると、溶融シリコン中のドーピング原子の濃度が高くなるのが防止されるので有利である。撹拌を結晶化プロセスの最初の段階において遅くすると、凝固シリコン（インゴット）の下側部分におけるドーピング原子の量が増える。

図２〜４は、本発明の別の実施形態によるシリコン結晶化装置を側部立面図で模式的に示している。これらの装置の各々は、複数の坩堝１１と、シリコンを坩堝１１内で溶融させ、凝固させる加熱／熱放散機構とを備える。これらの坩堝１１、及びこれらの加熱／熱放散機構は、真空炉（図示せず）内に収容される。

図２の実施形態は電磁撹拌装置２１を備え、この電磁撹拌装置２１がこれらの坩堝１１に沿って、かつ互いの坩堝に対して双方向矢印２２の方向に水平に移動することができるので、電磁撹拌装置２１は坩堝１１内の溶融シリコンを次から次に、溶融シリコンの凝固過程で撹拌することができる。電磁撹拌装置２１は、真空炉の天井に取り付けられるレールに沿って、電動モータによって移動することができる。

図３の実施形態は電磁撹拌装置３１を備え、この電磁撹拌装置３１は、坩堝１１の数に形状及びサイズを適合させて、電磁撹拌装置３１が、これらの坩堝１１の全てに収容される溶融シリコンを、溶融シリコンの凝固過程で同時に撹拌することができるようにしている。

図４の実施形態は、電源４２と、複数の電磁撹拌ユニット４１とを備え、これらの電磁撹拌ユニット４１の数は、坩堝１１の数に一致する。これらの電磁撹拌ユニット４１の各々は、共通電源４２により給電され、これらの坩堝１１の中の該当する１つの坩堝１１内の溶融シリコンを、溶融シリコンの凝固過程で撹拌するように適合させる。通常、これらの電磁撹拌ユニット４１の各々は、単一のコントローラにより制御される。

シリコンの結晶化方法が本発明の更に別の実施形態に従って提供される。当該方法によれば、シリコンを第１工程において、坩堝に収容する。当該坩堝に収容されるシリコンを第２工程において、溶融させる。続いて、溶融シリコンを第３工程において、坩堝内の溶融シリコンを電磁撹拌装置で撹拌しながら凝固させる。第３工程では、溶融シリコンの凝固は指定凝固速度に制御され、電磁撹拌装置による撹拌は、凝固速度に応じて制御されて、溶融シリコンの速度と凝固速度との比が第１の閾値を上回るようになる。この制御は、制御装置により自動的に行なうか、半自動又は手動で行なうことができる。本発明のこの実施形態は、本発明のこれらの実施形態の他のいずれかの実施形態に応じて変更することができる。

代表的な先行技術によるシリコン結晶化装置の問題は、シリコンの凝固が凝固前面に沿って不均一になって、結晶化シリコンから作製される太陽電池の性能が低下してしまうことである。

上の問題を解決するために、かつシリコンの一方向成長を促進するために、図１に示す装置と同じであり、かつ制御機構１８が、電磁撹拌装置１７を新規な方法で制御するように設けられている構成のシリコン結晶化装置が提供される。溶融シリコンの凝固過程では、制御機構１８は、電磁撹拌装置１６を制御して、当該装置による撹拌の方向を、好ましくは繰り返し変えるか、又は継続的に変えるように構成される。

１つの実施形態では、電磁撹拌装置１７による撹拌の方向を、好ましくは電磁撹拌装置１７に流す電流を反転させることにより反転させる。

別の実施形態では、電磁撹拌装置１７は、電気回路と、電気回路に流す電流値を制御機構１８によって制御しながら順次変化させることにより、坩堝内の溶融シリコンの撹拌の方向を、溶融シリコンの凝固過程で順次変化させるように設けられている旋回装置とを備える。

撹拌方向を、溶融シリコンの凝固過程で変化させることにより、更に均一な温度プロファイルが凝固前面で得られ、これにより、シリコンの一方向成長を促進することができる。

Claims (8)

1. シリコン結晶化装置であって、
   シリコンを収容する坩堝（１１）と、
   前記坩堝に収容される前記シリコンを溶融させ、続いて、前記溶融シリコンを凝固させる加熱／熱放散機構（１３〜１５）と、
   前記坩堝内の前記溶融シリコンを、前記溶融シリコンの凝固過程で撹拌する電磁撹拌装置（１７）とを備え、
   前記電磁撹拌装置は、該撹拌装置による前記坩堝内の前記溶融シリコンの撹拌の方向を、前記溶融シリコンの凝固過程で変えることを特徴とする装置。
2. 前記電磁撹拌装置が、該撹拌装置による前記坩堝内の前記溶融シリコンの撹拌の方向を、前記溶融シリコンの凝固過程で、前記電磁撹拌装置に流す電流を反転させることにより反転させる、請求項１に記載の装置。
3. 前記電磁撹拌装置が、電気回路と、前記電気回路に流す電流値を順次変化させることにより前記坩堝内の前記溶融シリコンの撹拌の方向を、前記溶融シリコンの凝固過程で順次変化させる旋回装置とを備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記電磁撹拌装置が、該撹拌装置による前記坩堝内の前記溶融シリコンの撹拌の方向を、前記溶融シリコンの凝固過程で繰り返し変える、又は継続的に変える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. シリコン結晶化方法であって、
   シリコンを坩堝（１１）に配置する工程と、
   前記坩堝に収容される前記シリコンを溶融させ、続いて前記溶融シリコンを凝固させる工程と、
   前記坩堝内の前記溶融シリコンを、前記溶融シリコンの凝固過程で、電磁撹拌装置（１７）で撹拌する工程とを含み、
   前記電磁撹拌装置による前記撹拌の方向を、前記坩堝内の前記溶融シリコンの撹拌過程で変える工程を含むことを特徴とする方法。
6. 前記電磁撹拌装置による前記撹拌の方向を、前記坩堝内の前記溶融シリコンの撹拌過程で反転させる請求項５に記載の方法。
7. 前記電磁撹拌装置による前記撹拌の方向を、前記坩堝内の前記溶融シリコンの撹拌過程で順次変化させる請求項５に記載の方法。
8. 前記電磁撹拌装置による前記撹拌の方向を、前記坩堝内の前記溶融シリコンの撹拌過程で繰り返し変える、又は継続的に変える、請求項５に記載の方法。

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