JP6064596B2 - 鋳造装置及び鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多結晶シリコンインゴット等を製造するための鋳造装置及び鋳造方法に関する。

シリコンインゴットは、所定の厚さにスライスされ、かつ、所定形状に切り出されることにより、シリコンウェハとされる。
シリコンウェハは、例えば太陽電池用基板の素材として利用される。ここで、太陽電池においては、変換効率等の性能が、太陽電池用基板の素材となるシリコンインゴットの特性に大きく影響される。
特に、シリコンインゴットでは、内部に含有される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ことから、変換効率を上げるためには不純物量を低減する必要がある。

ここで、シリコンは、凝固時に膨張する金属であるため、シリコン融液が鋳塊の内部に残存しないように、例えば坩堝の底部から上方に向けて一方向凝固されて鋳造される。また、一方向凝固することにより、シリコン融液内の不純物が凝固の相変化に伴い液相側に平衡偏析係数に基づいて分配され、坩堝内の不純物が固相（鋳塊）から液相（シリコン融液）に排出されるため、不純物の少ないシリコンインゴットを得ることが可能となる。

下記の特許文献１、２には、不活性ガス供給手段を用いて坩堝内に向けてアルゴンガスを供給することで、シリコンの酸化を抑制する技術が開示されている。また、このように坩堝内に供給するアルゴンガスによって、シリコン融液から発生する酸化シリコンガス等を除去し、これにより、酸化シリコンガスと坩堝内のカーボンとが反応するのを防止することもできる。酸化シリコンガスがカーボンと反応すると、ＣＯガスが生成され、この生成されたＣＯガスがシリコン融液内に混入すると、シリコンインゴット中のカーボン量が増加してしまい、製品特性に悪影響を及ぼす。また、坩堝内に供給するアルゴンガスによって、酸化シリコンガスがシリコン融液中に混入して酸素量が増加することも抑制している。

特開２００４−０５８０７５号公報 特開２０１０−５３４１７９号公報

上記従来の鋳造技術にあっては、以下の課題があった。
すなわち、アルゴンガスが溶湯面に対し垂直方向に向けて吹き付けられて衝突噴流を形成するため、アルゴンガスの吹き付け位置及びその近傍で溶湯温度が降下してしまい、そこから凝固が開始する。この結果、前述した所望の一方向凝固が行なえなくなるとともに、特に、シリコンインゴットの上部で低ライフタイム領域が増えてしまう。

また、上記のように、坩堝内の溶湯面の一部で凝固が開始するため、凝固界面が平滑でなくなり、理想的な結晶成長が行なえない。
また、上記のようにアルゴンガスが衝突噴流を形成するため、坩堝内のアルゴンガスの流れが均一ではなくなり、坩堝内での酸化シリコンガス等の不純物の排斥を十分に行うことができない。
さらに、衝突噴流によって溶湯面が波打つため坩堝の侵食が促進されてしまい、坩堝の内面から生じる不純物の混入や鋳付きの問題が生じていた。

本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであって、低ライフタイム領域及び不純物の混入量をそれぞれ少なくすることができ、坩堝の鋳付きの問題が生じにくく、さらに凝固界面が平滑となる理想的な一方向凝固によってインゴットを製造することができる鋳造装置及び鋳造方法を提供することを目的とする。

このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明に係る鋳造装置は、溶湯を収容し上部に開口部を有する坩堝と、該坩堝を加熱するヒータと、前記坩堝内の上部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、を備えた鋳造装置であって、前記坩堝の上部には、挿入孔を備えた蓋部が配設されており、前記不活性ガス供給手段は、前記蓋部の前記挿入孔を通って前記坩堝内の上部にまで延びて先端部にガス吐出口が設けられたガス流路を備え、前記ガス吐出口は、そこから吐出される不活性ガスの流れが前記坩堝内の溶湯面に平行となるように、または前記坩堝内の溶湯面に対し所定の角度を有して傾斜するように設けられており、前記不活性ガスの流れが放射状に拡がりながら前記溶湯面上を通過するように構成されていることを特徴としている。

また、本発明の鋳造方法は、溶湯を収容し上部に開口部を有する坩堝と、該坩堝を加熱するヒータと、前記坩堝内の上部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、を備える鋳造装置を用いた鋳造方法であって、前記坩堝の上部に、挿入孔を備えた蓋部を配設し、前記不活性ガス供給手段は、前記蓋部の前記挿入孔を通って前記坩堝内の上部にまで延びて先端部にガス吐出口が設けられたガス流路を備え、前記ガス吐出口からは、流れが前記坩堝内の溶湯面に平行となるようにまたは前記坩堝内の溶湯面に対し所定の角度を有して傾斜するように、かつ、放射状に拡がりながら前記溶湯面上を通過するように、不活性ガスを供給することを特徴としている。

この構成の鋳造装置または鋳造方法においては、ガス流路の先端部のガス吐出口から、流れが坩堝内の溶湯面に平行となるようにまたは坩堝内の溶湯面に対し所定の角度を有して傾斜するように、不活性ガスを供給する。したがって、不活性ガスは、坩堝内の溶湯面に局所的に吹き付ける衝突噴流を形成することなく、溶湯面に沿ってほぼ均一に流れる。
この結果、坩堝内の溶湯面には温度降下を起こすような箇所が生じにくく、凝固界面が平滑となる坩堝の底部からの理想的な一方向凝固が行なえる。このため、低ライフタイム領域が少なくなり、不純物のインゴットへの混入も少なくなる。

また、ガス吐出口からは、流れが坩堝内の溶湯面に平行となるように、または坩堝内の溶湯面に対し所定の角度を有して傾斜するように不活性ガスが供給されるから、坩堝内の不活性ガスの流れがスムースとなり、酸化シリコンガス等の不純物の混入の原因となるガスの除去効率が向上する。したがって、この点においても、不純物の混入を少なくできる。
さらに、坩堝内の溶湯面が平滑となるため、溶湯面による坩堝の侵食が抑制され、坩堝の内面からの漏れ出る不純物のインゴットへの混入や、鋳付きの問題も生じにくくなる。

本発明の鋳造装置において、前記ガス流路は前記坩堝内の上部に向けて配置されたガス供給管を有し、前記ガス供給管の先端部側面に前記ガス吐出口が形成されていることが好ましい。

この場合、ガス供給管の先端部側面にガス吐出口を形成することによって、不活性ガスの流れが、坩堝内の溶湯面に平行となるように、または坩堝内の溶湯面に対し所定の角度を有して傾斜するように形成できる。つまり、ガス供給管の先端部側面に単に開口を形成するといった簡単な構成により、所望の不活性ガス流が得られるガス流路を形成することができる。

本発明の鋳造装置において、前記ガス流路は前記坩堝内の上部に向けて配置されたガス供給主管と、該ガス供給主管の先端から枝分かれした複数のガス供給枝管を備え、前記ガス供給枝管が前記坩堝内の溶湯面に平行に配置され、前記ガス供給枝管の先端に前記ガス吐出口が設けられていることが好ましい。
この場合、ガス供給枝管の本数や径並びに延在方向を適宜設定することよって、坩堝内において溶湯面に平行となる理想的な不活性ガス流を任意に形成することができる。

本発明の鋳造装置において、前記ガス流路は前記坩堝内の上部に向けて配置されたガス供給主管と、該ガス供給主管の先端から枝分かれした複数のガス供給枝管を備え、前記ガス供給枝管が溶湯面に対して前記所定の角度を有するように傾斜して配置され、前記ガス供給枝管の先端に前記ガス吐出口が設けられていることが好ましい。
この場合、ガス供給枝管の本数や径並びに延在方向を適宜設定することよって、坩堝内において溶湯面に所定角度を有して傾斜する理想的な不活性ガス流の流れを任意に形成することができる。

本発明によれば、低ライフタイム領域及び不純物量をそれぞれ少なくでき、坩堝の鋳付きの問題が生じにくく、さらに凝固界面が平滑となる理想的な一方向凝固によってインゴットを製造することができる。
また、本発明は、各種シリコンパーツ部材（半導体製造装置用部材、液晶成膜用ターゲット材、熱処理炉の均熱板）を製造する場合にも有効であり、インゴット中の異物、不純物の低減とるつぼとインゴットの鋳付きによる歩留まりの低下を防止することができる。

本発明の鋳造装置の第１実施形態の概略断面説明図である。 図１に示す鋳造装置に備えられたガス供給管を示し、（ａ）は側面図（ｂ）は（ａ）のII―II線に沿う断面図である。 ガス供給管の変形例を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のIII―III線に沿う断面図である。 ガス供給管の他の変形例を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のIV―IV線に沿う断面図である。 ガス供給管の他の変形例を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のVａ―Vａ線に沿う断面図、（ｃ）は（ａ）のVｂ―Vｂ線に沿う断面図である。 本発明の鋳造装置の第２実施形態の要部を示すものであり、（ａ）はガス流路の側面図、（ｂ）はガス流路の上面図である。 ガス流路の変形例を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。 ガス流路の他の変形例を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。 本発明の鋳造装置の第３実施形態の要部を示すガス流路の側面図である。 ガス流路の変形例を示す側面図である。 ガス流路の他の変形例を示す側面図である。 本発明の鋳造装置によって製造されたシリコンインゴットから作られた太陽電池の変換効率を示す図である。 従来の鋳造装置によって製造されたシリコンインゴットから作られた太陽電池の変換効率を示す図である。 本発明の鋳造装置によって製造されたシリコンインゴットのライフタイムを示す図である。 従来の鋳造装置によって製造されたシリコンインゴットのライフタイムを示す図である。

以下に、本発明の実施形態である鋳造装置、製造方法について、添付した図面を参照にして説明する。

〈第１実施形態〉
図１〜図５は本発明に係る鋳造装置の第１実施形態を示す。図１は第１実施形態の概略断面説明図である。本実施形態である鋳造装置１０は、内部を気密状態に保持するチャンバ１１と、シリコン融液３が貯留される坩堝２０と、この坩堝２０が載置されるチルプレート３１と、このチルプレート３１の下方に位置する下部ヒータ３３と、坩堝２０の上方に位置する上部ヒータ４３と、坩堝２０の上端に載置された蓋部５０と、坩堝２０と蓋部５０との間の空間に不活性ガス（例えばアルゴンガス）を導入するガス供給管４２と、を備えている。
また、坩堝２０の外周側には、断熱壁１２が配設されており、上部ヒータ４３の上方に断熱天井１３が配設され、下部ヒータ３３の下方に断熱床１４が配設されている。すなわち、本実施形態である鋳造装置１０は、坩堝２０、上部ヒータ４３、下部ヒータ３３等を囲繞するように、断熱材（断熱壁１２、断熱天井１３、断熱床１４）が配設されている。また、断熱床１４には排気孔１５が設けられている。

上部ヒータ４３及び下部ヒータ３３は、それぞれ電極棒４４，３４に接続されている。
上部ヒータ４３に接続される電極棒４４は、断熱天井１３を貫通して坩堝２０の上部近傍まで延びている。下部ヒータ３３に接続される電極棒３４は、断熱床１４を貫通して坩堝２０の底部近傍まで延びている。
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）を介して内部にアルゴンガスが供給される構成とされている。

坩堝２０は、水平断面形状が角形（矩形状）とされており、本実施形態では、水平断面形状が正方形をなしている。この坩堝２０は石英で構成されており、チルプレート３１に接触する底面２１と、この底面２１から上方に向けて立設された側壁部２２とを備える。この側壁部２２は、水平断面が矩形環状をなしている。

蓋部５０は、坩堝２０の側壁部２２の上端面に載置される載置部５１と、坩堝２０の側壁部２２の外縁から外側に突出した庇部５２と、前述のガス供給管４２が挿入される挿入孔５３と、厚さ方向に貫通して坩堝２０内のガスを排出する図示せぬ開口部とを備えている。
なお、蓋部５０にガス排出用の開口部を形成する代わりに、蓋部５０自体を、坩堝２０の側壁部２２から隙間をあけて配置し、この隙間を坩堝２０内のガス排出用に利用してもよい。
この蓋部５０は炭素系材料で構成されるのが好ましいが、本実施形態では炭化ケイ素で構成されている。

前記ガス供給管４２は、例えばモリブデンまたはカーボン製のものであり、基端側（図１において上端側）には図示せぬガス供給部に接続されている。ガス供給管４２は、鉛直方向に延在するように配置されていて、チャンバ１１の天井部を貫通しさらに蓋５０の前記挿入孔５３を通って、その先端が坩堝内の上部、つまり、坩堝２０内に貯留されるシリコン融液３の液面近傍（例えば、液面から１０〜７０ｍｍの範囲）まで延びるように配置されている。そして、ガス供給管４２の先端からは、前記ガス供給部から導入される不活性ガスが、シリコン融液３の上方空間に向けて供給される。

すなわち、ガス供給管４２及びガス供給管４２の基端側に接続されたガス供給部は坩堝２０内の上部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段を構成し、ガス供給管４２はガス供給部から坩堝内の上部にまで延びるガス流路を構成している。

図２は、ガス供給管４２の詳細を示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のII―II線に沿う断面図である。これらの図に示すように、ガス供給管４２の先端部側面にはガス吐出口４２Ａが複数形成されている。ガス吐出口４２Ａは、ガス供給管４２の軸線Ｌに直交する方向へ延在するように形成されている。すなわち、ガス吐出口４２Ａは、ガス供給管４２の先端部の管側壁に開口が、該ガス供給管４２の軸線Ｌに直交する方向に貫通されることにより形成されている。
また、ガス吐出口４２Ａは、図２（ａ）に示すように開口の正面からみて円形状をなすように形成され、また周方向に等間隔をあけて合計６個形成されている。なお、ガス供給管４２の先端は図示せぬ蓋によって閉塞されている。

図３、図４、図５はそれぞれガス供給管４２の変形例を示している。ガス供給管４２の先端に形成されるガス吐出口としては、図２に示すものの他、これら図３、図４、図５に示すものであっても良い。
図３に示すものは、ガス吐出口４２Ｂが開口の正面からみて正方形状に形成され、図４に示すものは、ガス吐出口４２Ｃが開口の正面からみて横長の長方形状に形成されている。また、図５に示すものは、ガス吐出口４２Ｄが上下３段形成され、それぞれの段には、ガス吐出口４２Ｄが複数形成されている。各段に形成されるガス吐出口４２Ｄの具体的形状は、開口の正面からみて円形状であっても、方形状であっても、あるいは横長の長方形状であってもよく、さらに図示はしていないが、開口の正面からみて楕円形状であってもよい。

次に、上述の鋳造装置１０を用いたシリコンインゴットの製造方法について説明する。
まず、坩堝２０内に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。

次に、坩堝２０内に装入されたシリコン原料を、上部ヒータ４３及び下部ヒータ３３に通電することによって加熱し、シリコン融液３を生成する。このとき、坩堝２０内のシリコン融液３の湯面は、坩堝２０の側壁部２２の上端より低い位置に設定されることになる。

次に、坩堝２０内のシリコン融液３を凝固させる。それにはまず、下部ヒータ３３への通電を停止し、チルプレート３１の内部に供給路を介してアルゴンガスを供給する。これにより、坩堝２０の底部を冷却する。このとき、上部ヒータ４３の通電を継続したままとすることにより、坩堝２０内には底面２１から上方に向けて温度勾配が発生し、この温度勾配により、シリコン融液３が上方に向けて一方向凝固することになる。さらに、上部ヒータ４３への通電を徐々に減少させることにより、坩堝２０内のシリコン融液３が上方に向けて凝固し、シリコンインゴットが生成されることになる。

そして、この凝固工程においては、ガス供給管４２及び挿入孔５３を介して、坩堝２０と蓋部５０との間の空間に不活性ガスとして例えばアルゴンガスが供給される。蓋部５０の平面中心の挿入孔５３に挿入されるガス供給管４２の先端部の例えばガス吐出口４２Ａから供給されたアルゴンガスは、ガス吐出口４２Ａがガス供給管４２の軸線Ｌに直交する方向へ延在するように複数形成されているため、シリコン融液３の液面に平行となるようにかつ放射状に拡がりながら坩堝２０内のシリコン融液３上を通過して、蓋部５０の開口部、あるいは蓋部５０と側壁部２２との間の隙間から坩堝２０の外部へと排出され、そこからさらに断熱床１４に設けられた排気孔１５を通じてチャンバ１１の外側へと排気される。

このようにして、一方向凝固法によりシリコンインゴットが製造される。このシリコンインゴットは、例えば太陽電池用基板として使用されるシリコンウェハやその他のシリコンパーツの素材となる。

以上のような構成とされた本実施形態であるシリコンインゴットの鋳造装置１０によれば、ガス供給管４２の先端部側面のガス吐出口４２Ａ〜４２Ｄからアルゴンガスが、その流れを坩堝２０内のシリコン融液３の液面に平行となるように供給される。したがって、アルゴンガスは、坩堝内のシリコン融液３の液面に局所的に吹き付ける衝突噴流を形成することなく、シリコン融液の液面に沿って平行にかつほぼ均一に流れることとなる。

この結果、従来技術で説明したような、坩堝２０内のシリコン融液３の液面の一部で温度降下を起こしそこから凝固が開始されるといった事態を回避することができる。このため、凝固界面が平滑となる坩堝の底部から上方に向けての理想的な一方向凝固が行なえる。このため、低ライフタイム領域が少なくなり、不純物混入も少なくなる。

また、坩堝内においてアルゴンガスはガス吐出口から供給される時点で、シリコン融液３の液面に平行となるように供給されるので、アルゴンガスの流れがスムースとなり、酸化シリコンガス等の不純物混入の原因となるガスの除去効率が向上する。このため、酸化シリコンガスと坩堝内のカーボンとが反応してＣＯガスが生成されるのを防止することができ、ＣＯガスがシリコン融液３内に混入することに伴い不純物（カーボン）が混入するのを防止できる。

さらに、前述したようにアルゴンガスは、坩堝内のシリコン融液３の液面に局所的に吹き付ける衝突噴流を形成することなく、シリコン融液の液面に沿って平行にかつほぼ均一に流れるため、坩堝内のシリコン融液３の液面が平滑となることから、溶湯面による坩堝の侵食が抑制され、坩堝の内面からの漏れ出る不純物のシリコンインゴットへの混入や、鋳付きの問題も生じにくくなる。

このように、本実施形態によれば、不純物量が少なく、結晶の成長方向が安定した高品質なシリコンインゴットを製造することができる。

なお、上記実施形態では、ガス吐出口４２Ａ〜４２Ｄを、ガス供給管４２の軸線Ｌに直交する方向へ延在するように形成しているが、これに限られることなく、ガス供給管４２の軸線Ｌに対し所定の角度（例えば９０°〜４５°）を有するよう傾斜して形成してもよい。

〈第２実施形態〉
図６〜図８は本発明に係る鋳造装置の第２実施形態を示す。図６は、本発明の鋳造装置の第２実施形態の要部を示すものであり、（ａ）はガス流路の側面図、（ｂ）はガス流路の上面図である。
第２実施形態が前記第１実施形態と異なるところは、ガス流路のみであり、他の構成は第１実施形態と共通する。ここでは共通部分の説明は省略する。

第２実施形態のガス流路６０は、基端側をガス供給部に接続されるとともに先端を坩堝の上部空間に向けて配置されたガス供給主管６１と、ガス供給主管６１の先端から枝分かれした複数のガス供給枝管６２とを備える。
ガス供給主管６１は、鉛直方向に延在するように配置されていて、図１に示すチャンバ１１の天井部を貫通しさらに蓋部５０の挿入孔を通って、その先端が坩堝２０内の上部、つまり、坩堝２０内に貯留されるシリコン融液３の液面近傍まで延びるように配置される。

ガス供給枝管６２は、ガス供給主管６１に直交するようにかつ周方向へ９０°置きに合計４本接続され、それぞれの先端が開口されてガス吐出口６２Ａとされている。そして、ガス吐出口６２Ａからは、アルゴンガス等の不活性ガスがガス供給枝管６２の軸線上に沿って、シリコン融液３の液面と平行に供給される。
ガス供給主管６１及びガス供給枝管６２は、断面形状が円形状とされているが、これに限られることなく、断面楕円状としても、あるいは断面正方形状としてもよい。また、ガス供給枝管６２はガス供給主管６１より小径のものを用いているが、これに限られることなく、ガス供給主管６１と同じ径のものを用いても良い。

図７、図８はそれぞれガス流路６０の変形例を示している。ガス流路６０としては、図６に示すものの他、これら図７、図８に示す構成であっても良い。
図７に示すものは、ガス供給主管６５の先端に複数のガス供給枝管６６が接続され、それらガス供給枝管６６は、ガス供給主管６５に直交するようにかつ周方向４５°置きに合計８本接続されている。ガス供給枝管６６の先端は開口されてガス吐出口６６Ａとされている。
そして、ガス吐出口６６Ａからは、不活性ガスがガス供給枝管６６の軸線上に沿ってシリコン融液の液面と平行となるように供給される。

図８に示すものは、ガス供給主管６７の先端に、中空円板状のチャンバ６８が接続されている。チャンバ６８の側壁には周方向等間隔置きに開口が形成され、この開口がガス吐出口６８Ａとされている。
そして、ガス吐出口６８Ａからは、不活性ガスがガス供給主管６７に直交するように、つまり、シリコン融液の液面と平行となるように供給される。

この第２実施形態のものにおいても、ガス供給枝管６２、６６またはチャンバ６８に設けられたガス吐出口６２Ａ、６６Ａ、６８Ａから不活性ガス例えばアルゴンガスが、その流れを坩堝内のシリコン融液の液面に平行となるように供給される。したがって、アルゴンガスは、坩堝内のシリコン融液３の液面に局所的に吹き付ける衝突噴流を形成することなく、シリコン融液の液面に沿って平行にかつほぼ均一に流れることとなり、前述した第一実施形態と同様な効果を奏する。

〈第３実施形態〉
図９、図１０は本発明に係る鋳造装置の第３実施形態を示す。図９は、本発明の鋳造装置の第３実施形態の要部を示す斜視図である。
この実施形態でも、第２実施形態と同様、特徴部分であるガス流路以外の構成は前記第１実施形態と共通しており、それらの説明は省略する。

第３実施形態のガス流路７０は、基端側をガス供給部に接続されるとともに先端を坩堝の上部空間に向けて配置されたガス供給主管７１と、ガス供給主管７１の先端から枝分かれした複数のガス供給枝管７２とを備える。
ガス供給主管７１は、鉛直方向に延在するように配置されていて、図１に示すチャンバ１１の天井部を貫通しさらに蓋部５０の挿入孔５３を通って、その先端が坩堝２０内の上部、つまり、坩堝２０内に貯留されるシリコン融液３の液面近傍まで延びるように配置される。

ガス供給枝管７２は、ガス供給主管７１の先端に、同ガス供給主管７１の軸線Ｌに直交する面、つまり水平面Ｈに対して所定角度θａ（例えば０°＜θａ＜４５°、好ましくは０°＜θａ＜３５°、より好ましくは０°＜θａ＜２５°）となるように斜め下方に傾斜して、かつ周方向へ９０°置きに合計４本接続されている。ガス供給枝管７２の先端が開口されてガス吐出口７２Ａとされている。そして、ガス吐出口７２Ａからは、不活性ガスがガス供給枝管７２の軸線上に沿って、シリコン融液３の液面に対し所定の角度を有するように斜め下方に傾斜して供給される。
なお、所定角度θａは、ガス吐出口７２Ａからシリコン融液の液面との距離や、坩堝上部の空間容量等によって適宜設定される。
ガス供給主管７１及びガス供給枝管７２は、断面形状が円形状とされているが、これに限られることなく、断面楕円状としても、あるいは断面正方形状としてもよい。また、ガス供給枝管７２はガス供給主管７１より小径のものを用いているが、これに限られることなく、ガス供給主管７１と同じ径のものを用いても良い。

図１０はガス流路７０の変形例を示している。ガス流路７０としては、図９に示すものの他、これら図１０に示す構成であっても良い。
図１０に示すものは、ガス供給枝管７４が、ガス供給主管７３の先端に、同ガス供給主管７３の軸線Ｌに直交する面、つまり水平面Ｈに対して所定角度θｂ（例えば０°＜θｂ＜４５°、好ましくは０°＜θａ＜３５°、より好ましくは０°＜θａ＜２５°）となるように斜め上方に傾斜して、かつ周方向へ９０°置きに合計４本接続されている。ガス供給枝管７４の先端が開口されてガス吐出口７４Ａとされている。そして、ガス吐出口７４Ａからは、不活性ガスがガス供給枝管７４の軸線上に沿って、シリコン融液の液面に対し所定の角度を有するように斜め上方へ傾斜して供給される。

この第３実施形態のものにおいても、ガス供給枝管７２、７４に設けられたガス吐出口７２Ａ、７４Ａからアルゴンガスが、その流れを坩堝内のシリコン融液の液面に対し所定角度を有するように斜め下方または斜め上方に傾斜して供給される。したがって、アルゴンガスは、坩堝内のシリコン融液３の液面に局所的に吹き付ける衝突噴流を形成することなく、シリコン融液の液面に沿ってほぼ平行にかつ均一に流れることとなり、前述した第１実施形態と同様な効果を奏する。

〈第４実施形態〉
図１１は本発明に係る鋳造装置の第４実施形態を示す側面図である。
この実施形態でも、第２実施形態と同様、特徴部分であるガス流路以外の構成は前記第１実施形態と共通しており、それらの説明は省略する。

図１１に示すものは、図６（ａ）、（ｂ）で示す第２実施形態のガス流路６０とほぼ同様な構成である。
すなわち、このガス流路８０は、基端側をガス供給部に接続されるとともに先端を坩堝の上部空間に向けて配置されたガス供給主管８１と、ガス供給主管８１の先端から枝分かれした複数のガス供給枝管８２とを備える。
ガス供給枝管８２は、ガス供給主管８１に直交するようにかつ周方向へ９０°置きに合計４本接続され、それぞれの先端が開口されてガス吐出口８２Ａとされている。

この第４実施形態が第２実施形態と異なるところは、ガス供給枝管８２の先端にガス吐出口８２Ａが設けられる他に、ガス供給主管８１の下端中央にもガス吐出口８１Ａが設けられている点である。

このガス供給主管８１の下端中央に設けられたガス吐出口８１Ａから供給される不活性ガス量例えばアルゴンガス量は極少量であり、例えば、他のガス吐出口８２Ａから供給されるアルゴンガスの総量に対して例えば１／５〜１／１０程度である。

すなわち、この第４実施形態では、主に、ガス供給枝管８２の先端のガス吐出口８２Ａから供給されるアルゴンガスによって、坩堝内で生じる酸化シリコンガス等の不要なガスを除去し、補助的に、ガス吐出口８１Ａから供給されるアルゴンガスによって、ガス供給主管８１の直下に位置するシリコン融液近傍の不要なガスを除去している。

この第４実施形態のものにおいても、主に、ガス供給枝管８２に設けられたガス吐出口８２Ａからアルゴンガスが、その流れを坩堝内のシリコン融液の液面に対し平行となるように供給されるため、アルゴンガスは、坩堝内のシリコン融液３の液面に局所的に吹き付ける衝突噴流を形成することなく、シリコン融液の液面に沿ってほぼ平行にかつ均一に流れることとなり、前述した実施形態と同様な効果を奏する。

以上、本発明の実施形態である鋳造装置、鋳造方法について説明したが、これ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。
例えば、前記各実施形態では、不活性ガスを供給するガス流路が１本の場合を例に挙げて説明したが、これに限られることなく、ガス流路は複数本あってもよい。
また、第１〜４実施形態に示した形態の異なるガス流路を、それぞれ適宜組み合わせて全体として一つのガス流路を構成することも可能である。
また、坩堝内に供給する不活性ガスは、勿論アルゴンガスに限定されることなく、他の不活性ガスであってもよい。
また、本鋳造装置及び鋳造方法は、シリコン以外の材料を鋳造する場合に適用可能である。

本発明の効果を確認すべく実験を行った。第１実施形態の図２に示すガス流路を備える鋳造装置を用いて、６８０ｍｍ角×高さ２５０ｍｍの四角形柱状のシリコンインゴットを製造した。なお、凝固速度を５ｍｍ／ｈとした。また、ガス供給管によるＡｒガスの供給量を５０ｌ／ｍｉｎとした。

また、背景技術で説明した、溶湯面に対して垂直方向に向けてアルゴンガスを吹き付ける不活性ガス供給手段を備える鋳造装置を用いる他は、上述と同じ条件でシリコンインゴットを製造した。これを比較例１とした。

また、得られたシリコンインゴットを水平方向にスライスすることにより、シリコンウェハを製造し、次の手順で太陽電池を構成した。
まず、シリコンインゴットを製造する際に、アクセプタとしてＢ（ホウ素）を添加して、抵抗値１〜２Ω・ｃｍ程度のＰ型シリコンウェハを製造した。このＰ型シリコンウェハにＰ（リン）のドーパントを用いて、８５０℃×３０分の熱処理を実施し、Ｐ型シリコン層の上にＮ型シリコン層を形成した。
次に、反射率を低下させるために、シリコンウェハの表面にエッチングした。エッチングには、ＫＯＨ水溶液を用いた。

エッチング後のシリコンウェハの両面に、Ａｇペースト（ｄｕｐｏｎｔ社製ソーラメット）をスクリーン印刷によって塗布し、焼成した。塗布厚さを３０μｍとし、７５０℃×１分の条件で焼成した。このとき、シリコンウェハの裏面にＡｌペースト（ｄｕｐｏｎｔ社製ソーラメット）を塗布・拡散させて電極付近にＰ＋層（Ａｌ−ＢＳＦ）を形成した。
ここで、Ａｌペーストの塗布厚さは２０μｍとした。
また、シリコンウェハの表面に反射防止膜としてＳｉＮｘを、プラズマ化学気相法（ＣＶＤ）を用いて形成した。株式会社島津製作所製の太陽電池反射防止膜製造用装置（ＳＬＰＣ）を用い、厚さを１００ｎｍとした。

この試験用の太陽電池を用いて、ソーラーシミュレータによって変換効率を評価した。
本実施例１では、株式会社三永電機製作所製のＸＥＳ−１５５Ｓ１を用いて、１０００Ｗ／ｍ２、ＡＭ１．５、２５℃、の条件で実施した。
評価結果を図１２、図１３に示す。
図１２が本発明に係る実施例１の結果、図１３が比較例１の結果である。

本実施例１のものは、０ｍｍ〜２００ｍｍの高さ位置にかかわらず、ほぼ１６％を超える一定の変換効率が得られ、平均の変換効率は１６．５％であった。
一方、比較例１のものは、０ｍｍ〜２００ｍｍの高さ位置では実施例１のものに比べ、変換効率が低く、かつばらつきも大であった。また、平均の変換効率は１５．９％であった。

また、前述の実施例１、比較例１について、インゴットの中央部の断面に沿ってキャリアのライフタイムの測定を行なった。測定はセミラボ社製のライフタイム測定装置 ＷＴ−２０００を用いて行なった。
測定結果を図１４、図１５に示す。
図１４が本発明に係る実施例１の結果、図１５が比較例１の結果である。
本実施例１のものでは、ライフタイムの短い領域Ｓ（例えば２μｓ以下の領域）が、上端からせいぜい５ｍｍ程度まであった。これに対し、比較例１のものでは、中央部に上端から２５ｍｍ程度に至る箇所にまで、ライフタイムの短い領域Ｓが計測された。上端のライフタイムが短い領域Ｓは、アルゴンガスの吹き付けによって溶湯温度が降下してしまい、そこから凝固が開始されたため生じたものと推測される。
以上のことから、本発明によれば、低ライフタイム領域及び不純物量がともに少なく、かつ、結晶の成長方向が安定したシリコンインゴットを製造することができることが確認された。

なお、本発明の効果を確認すべく別の実験を行った。

第１実施形態の図４に示すガス流路を備える鋳造装置を用いて、６８０ｍｍ角×高さ２５０ｍｍの四角形柱状のシリコンインゴットを製造した。なお、凝固速度を５ｍｍ／ｈとした。また、ガス供給管によるＡｒガスの供給量を５０１／ｍｉｎとした。

第４実施形態の図１１に示すガス流路を備える鋳造装置を用いて、６８０ｍｍ角×高さ２５０ｍｍの四角形柱状のシリコンインゴットを製造した。なお、凝固速度を５ｍｍ／ｈとした。また、ガス供給管によるＡｒガスの供給量を５０１／ｍｉｎとした。

実施例１〜３及び比較例１で得られたシリコンインゴットを水平方向にスライスすることによりシリコンウェハを製造し、フーリエ変換赤外線分光法（ＦＩ−ＩＲ）により、シリコンウェハ中の酸素濃度及び炭素濃度を測定した。（日本分光株式会社製ＦＴ／ＩＲ−４０００、ＪＥＩＤＡ−６１−２０００）
測定結果を表１に示す。

上記表１から明らかなように、実施例１〜３のシリコンウェハは、酸素濃度は０．０８以下、炭素濃度は０．１２以下であった。
一方、比較例１のシリコンウェハは、酸素濃度及び炭素濃度ともに本実施例１〜３のシリコンウェハに比べ、不純物濃度が高い。

以上のことから、本発明によれば、低ライフタイム領域及び不純物量がともに少なく、かつ、結晶の成長方向が安定したシリコンインゴットを製造することができるので、例えば、太陽電池向けあるいはシリコンパーツ向け等のいずれの目的にも好適に使用することができる。

３ シリコン融液
１０ 鋳造装置
２０ 坩堝
２２ 側壁部
３３ 下部ヒータ
４３ 上部ヒータ
４２ ガス供給管（不活性ガス供給手段、ガス流路）
４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ ガス吐出口
５０ 蓋部
６０、７０ ガス流路
６１、６５、６７、７１、７３ ８１ ガス供給主管
６２、６６、６８、７２、７４ ８２ ガス供給枝管
６２Ａ、６６Ａ、６８Ａ、７２Ａ、７４Ａ 、８２Ａガス吐出口

Claims (5)

1. 溶湯を収容し上部に開口部を有する坩堝と、該坩堝を加熱するヒータと、前記坩堝内の上部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、を備えた鋳造装置であって、
   前記坩堝の上部には、挿入孔を備えた蓋部が配設されており、
   前記不活性ガス供給手段は、前記蓋部の前記挿入孔を通って前記坩堝内の上部にまで延びて先端部にガス吐出口が設けられたガス流路を備え、
   前記ガス吐出口は、そこから吐出される不活性ガスの流れが前記坩堝内の溶湯面に平行となるように、または前記坩堝内の溶湯面に対し所定の角度を有して傾斜するように設けられており、前記不活性ガスの流れが放射状に拡がりながら前記溶湯面上を通過するように構成されていることを特徴とする鋳造装置。
2. 前記ガス流路は前記坩堝内の上部に向けて配置されたガス供給管を有し、
   前記ガス供給管の先端部側面に前記ガス吐出口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
3. 前記ガス流路は前記坩堝内の上部に向けて配置されたガス供給主管と、該ガス供給主管の先端から枝分かれした複数のガス供給枝管を備え、
   前記ガス供給枝管が前記坩堝内の溶湯面に平行に配置され、
   前記ガス供給枝管の先端に前記ガス吐出口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
4. 前記ガス流路は前記坩堝内の上部に向けて配置されたガス供給主管と、該ガス供給主管の先端から枝分かれした複数のガス供給枝管を備え、
   前記ガス供給枝管が溶湯面に対して前記所定の角度を有するように傾斜して配置され、
   前記ガス供給枝管の先端に前記ガス吐出口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の鋳造装置。
5. 溶湯を収容し上部に開口部を有する坩堝と、該坩堝を加熱するヒータと、前記坩堝内の上部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、を備える鋳造装置を用いた鋳造方法であって、
   前記坩堝の上部に、挿入孔を備えた蓋部を配設し、
   前記不活性ガス供給手段は、前記蓋部の前記挿入孔を通って前記坩堝内の上部にまで延びて先端部にガス吐出口が設けられたガス流路を備え、
   前記ガス吐出口からは、流れが前記坩堝内の溶湯面に平行となるようにまたは前記坩堝内の溶湯面に対し所定の角度を有して傾斜するように、かつ、放射状に拡がりながら前記溶湯面上を通過するように、不活性ガスを供給することを特徴とする鋳造方法。

Images