JP6401051B2 - 多結晶シリコンインゴットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば太陽電池用基板の製造に適した多結晶シリコンインゴットの製造方法に関する。

例えば、結晶系シリコン太陽電池には、単結晶型と多結晶型とがある。単結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質が良いために高効率化が容易であるという長所を有する。これに対して、多結晶型のシリコン太陽電池は低コストで製造できるという長所がある。従って高品質な多結晶シリコン基板（以下、シリコン基板ともいう）を作製することによって、低コストで高効率な太陽電池が作製できる。

シリコン基板は、多結晶シリコンインゴット（以下、インゴットともいう）から作製される。このインゴットは、一般的にキャスト法（鋳造法）によって、離型材を塗布した鋳型内のシリコン融液を冷却し凝固させることによって製造される（例えば、下記の特許文献１を参照）。そして、インゴットの端部を除去し、所望の大きさ、形状に切断してブリックを作製し、さらにブリックを所望の厚みにスライスしてシリコン基板を得る。

ここで、インゴットの側部を、内部と比べて結晶粒径の小さい結晶とすることで、鋳造時にインゴットと接触している離型材、鋳型などから浸入する不純物の浸入を効果的に抑えることができる（例えば、下記の特許文献２を参照）。

特開平１１−１８７１１号公報 特開２００７−１５９０５号公報

鋳造時にインゴットの側部に結晶粒径の小さい層（以下、第１凝固層という）を形成するには、シリコン融液および鋳型の温度を制御して、鋳造初期にインゴットの側部を凝固させる必要がある。ところが、その際にシリコン融液の表面も凝固しやすい。シリコンは水と同様に、固体よりも液体の方が密度が大きい。このため、シリコン融液の表面で凝固した層（以下、第２凝固層という）は、氷のように融液表面に浮かぶ。

キャスト法によるインゴットの製造では、シリコン融液を鋳型の底部から上部へ向かう方向に一方向凝固させて、結晶粒界の方向を規定するとともに、偏析係数の小さな物質を最終凝固領域に集積させることが重要である。

従って、第２凝固層が形成されると一方向凝固が妨げられて、高品質なインゴットが得られにくい。

逆に第２凝固層が形成されないような製造条件では第１凝固層も形成されにくく、高品質なインゴットが得られにくい。

本発明は、上記課題を解決して、品質に優れた多結晶シリコンインゴットを容易に得るための製造方法を提供することを目的の１つとする。

本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法は、底部および側部を有する鋳型を準備する鋳型準備工程と、シリコンからなる固体原料を加熱して溶融させたシリコン融液を前記鋳型内に設ける融液準備工程と、前記シリコン融液および前記鋳型の温度を制御して、前記シリコン融液と前記鋳型の前記側部との間に第１凝固層を、前記シリコン融液の液面部位に第２凝固層を、それぞれ形成する凝固層形成工程と、前記第１凝固層の少なくとも前記鋳型の前記底部から前記シリコン融液の半分以上の高さまでの範囲の凝固状態を維持しつつ、前記第２凝固層を前記鋳型の上方に位置させた鋳型上部加熱手段で加熱して溶融させる再溶融工程と、前記シリコン融液を下方から上方へ冷却して、前記シリコン融液を凝固させる凝固工程と、を有する。

上記の多結晶シリコンインゴットの製造方法によれば、離型材、鋳型などからの不純物の浸入を効果的に抑えることができる。これにより、シリコン融液および鋳型の温度を適切に制御できることから高品質な多結晶シリコンインゴットの製造が容易となる。

本発明に係る多結晶シリコンインゴットの鋳造方法に用いられる鋳造装置の一例の縦断面図である。 凝固層形成工程の様子を示す断面図である。 多結晶シリコンインゴットの略中央部を切断した断面を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態の例を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面はいずれも模式図であり、構成を簡略化して示している。また、各図における各種構造の形状、大きさおよび位置関係などは適宜変更し得る。

＜多結晶シリコンインゴットの製造装置＞
本実施形態のインゴットの製造装置（以下、鋳造装置という）について説明する。インゴットはキャスト法によって形成できる。キャスト法には、固体原料を同一の鋳型内で溶融させて凝固させる鋳型内溶解方式と、鋳型とは別の容器である坩堝を予め用意して、この坩堝内で溶融させた融液を鋳型に注いで凝固させる注湯方式とがある。注湯方式の場合は、鋳型内溶解方式に比べて、鋳型の温度等の制御と、融液の温度等の制御とを別々に行えることによって、簡便な装置を用いて鋳型および融液の制御を容易に行えるので好適である。以下、主に注湯方式の鋳造装置の例を説明する。

図１に示すように、鋳造装置Ｓは坩堝１および鋳型５を備えている。坩堝１は溶融坩堝１ａおよび保持坩堝１ｂを有している。また、溶融坩堝１ａの上部に注湯口２が設けられている。溶融坩堝１ａ内に投入されたシリコンからなる固体原料を加熱して溶融させて、シリコン融液４を作製する。このシリコン融液４は溶融坩堝１ａの注湯口２から鋳型５内に注湯される。そして、鋳型５内に注湯されたシリコン融液４を冷却・凝固させて、図３に示すようなインゴット１１を作製する。

以下に鋳造装置Ｓの具体的な構成について説明する。鋳造装置Ｓにはシリコンからなる固体原料を溶融するための溶解坩堝１ａが配置されている。溶融坩堝１ａは安定な材料からなる。ここで、安定な材料とは、固体原料の融解温度以上の温度においても、融解、蒸発、軟化、変形、分解などが生じにくいものであり、製造されるインゴットの特性に悪影響を与える物質が発生しない材料であればよい。溶融坩堝１ａとして、例えば高純度の石英などが用いられる。ただし、この場合は溶融坩堝１ａが高温になると軟化して、形を保てないので、グラファイトなどからなる保持坩堝１ｂで溶融坩堝１ａが保持される。また、溶融坩堝１ａおよび保持坩堝１ｂの寸法は、一度の鋳造で溶融する原料シリコンを内包
できる寸法とする。また、固体原料の溶融量は、例えば１〜２５０ｋｇ程度とする。

溶融坩堝１ａおよび保持坩堝１ｂの周囲には加熱手段３が配置されている。加熱手段３によって、溶融坩堝１ａ内の固体原料を加熱溶融して、シリコン融液４とする。加熱手段３としては、例えば、抵抗加熱式のヒーターまたは誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。

溶融坩堝１ａの上部には、シリコン融液４を注湯させやすいように注湯口２が設けられている。注湯口２の位置は特に限定されない。ただし、図１に示すように溶融坩堝１ａの上部に設けられた場合、固体原料を溶融し、完全にシリコン融液４となった後に溶融坩堝１ａを傾けることによって、注湯口２から鋳型５内にシリコン融液４を注湯すればよい。

溶融坩堝１ａおよび保持坩堝１ｂの下部に配置される鋳型５は、底部５ａ、側部５ｂ、および上方に向かって開口した開口部５ｃを有する。鋳型５は注がれるシリコン融液４を開口部５ｃから受けるとともに、その内部においてこのシリコン融液４を保持しつつ、底部５ａから上方へ向けて一方向凝固させる役割を有する。

鋳型５は、例えば黒鉛、炭素繊維強化炭素材料、石英またはセラミックス（シリカ、アルミナまたは窒化珪素等）などを用いることができる。また、鋳型５は１つの部材で構成されていてもよいし、１つの底部と複数の側部とを組み合わせた、分割および組み立てが可能な分割鋳型などで構成されてもよい。

また、鋳型５の内壁表面には、鋳型５と鋳型５内で固化したインゴットとが融着し、インゴットが破損しないように、離型材６が塗布されている。離型材６は以下のようにして鋳型５の内壁表面に設ける。まず、窒化珪素、炭化珪素もしくは酸化珪素などの粉末、またはそれら２種以上の混合粉末を、適当なバインダーと、溶剤（例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）と水）とに混合してスラリーにする。そして、このスラリーを鋳型５の内壁表面に塗布またはスプレーなどの手段でコーティングする。例えば、０．４〜０．６μｍ程度の平均粒径を有する窒化シリコンの粉体を濃度が５〜１５質量％程度のＰＶＡ水溶液に混合してスラリー状として、これを鋳型５の内表面にコーティングする。その状態で鋳型５を自然乾燥またはホットプレートに載せて乾燥させて脱脂処理する。その後、鋳型５内に融液４を注湯、あるいは、鋳型５内に固体原料を投入して加熱溶融する。離型材６は、平均粒径などが異なる複数種類の粉体を混合したものであってもよい。

鋳型５の周りには、鋳型５の側部５ｂからの抜熱を抑制するために、断熱材（不図示）を設けてもよい。断熱材は耐熱性および断熱性などを考慮した材質のものが用いられる。断熱材としては、例えばグラファイトフェルトなど、主成分をカーボンとする材質が使用できる。

また、鋳型５の下方には鋳型５を固定するための鋳型台１０を設け、さらにその下方に冷却板を有する冷却手段８を設置する。そして、鋳型５を固定した鋳型台１０の下部に冷却手段８を接触または接近させることによって、鋳型５の底部５ａから鋳型台１０を通して抜熱し、シリコン融液４を下方から上方へ冷却する。つまり、鋳型５の底部５ａから上方へ向かう方向にシリコン融液４を一方向凝固させる。冷却手段８は、例えばステンレスなどの熱伝導性のよい材質を用いることができ、冷却板の内部に水などの冷媒を循環させるなどの構造を有しているとよい。鋳型台１０の材質としては、使用温度域で形状に大きな変形が無く、製造するインゴットの特性に悪影響を与える物質の発生が無い安定な材料であればよい。鋳型台１０には、例えばセラミックス、石英、金属または黒鉛（グラファイト）などが使用できる。

鋳型５の上方には、カーボンヒーターなどから成る鋳型上部加熱手段９を配置している。これにより、鋳型５およびシリコン融液４を加熱して適切な温度に制御することで、図２に示す第１凝固層１１ａおよび第２凝固層１１ｂを形成するとともに、シリコン融液４が下方から上方に向かって凝固するための温度勾配を形成することができる。

なお、これらの鋳造装置Ｓを構成する部材は、真空容器（不図示）内に配置し、不活性ガスなどの雰囲気下で行うようにすれば、不純物の混入、構成部材およびシリコン融液４の酸化などが生じにくくすることができるので望ましい。

＜多結晶シリコンインゴットの製造方法＞
次に、本実施形態のインゴットの製造方法について説明する。主な参照図面は図１および図２である。まず、製造方法の基本工程について説明する。本実施形態の製造方法は、鋳型準備工程、融液準備工程、凝固層形成工程、再溶融工程および凝固工程を有する。鋳型準備工程では、底部５ａおよび側部５ｂを有する鋳型５を準備する。融液準備工程では、シリコンからなる固体原料を加熱して溶融させたシリコン融液４を鋳型５内に設ける。凝固層形成工程では、シリコン融液４および鋳型５の温度を制御して、シリコン融液４と鋳型５の側部５ｂとの間に第１凝固層１１ａを、シリコン融液４の液面部位に第２凝固層１１ｂをそれぞれ形成する。再溶融工程では、第１凝固層１１ａの少なくとも鋳型５の底部５ａからシリコン融液４の半分以上の高さまでの範囲の凝固状態を維持しつつ、第２凝固層１１ｂを加熱して溶融させる。凝固工程では、シリコン融液４をその下方から上方へ冷却して、シリコン融液４を凝固させる。以下、各工程について詳述する。

[鋳型準備工程]
底部５ａおよび側部５ｂを有する鋳型５を準備する。鋳型５の底部５ａおよび側部５ｂの内壁は前述のように離型材６によってコーティングされている。

[融液準備工程］
溶融坩堝１ａ内に所定量のシリコンからなる固体原料を投入する。そして、固体原料を加熱手段３によって加熱し溶融させてシリコン融液４を作製する。同時に鋳型上部加熱手段９によって鋳型５を予め所定温度（予熱温度）に加熱しておく。鋳型５を予熱することによって、シリコン融液４を鋳型に注いだ時に、鋳型５の内壁面に被覆された離型材６がシリコン融液４との温度差により剥離損傷しにくくできる。これにより、シリコン融液４に剥離物が取り込まれにくくすることができるとともに、注ぎこまれたシリコン融液４が鋳型５内で急速に凝固しないようにできる。なお、鋳型５の予熱温度は、５００℃〜１４００℃であり、さらに好ましくは９００℃〜１０５０℃である。

そして、坩堝１ａの注湯口２から鋳型５内にシリコン融液４を注湯する。この注湯時のシリコン融液４の温度（注湯温度）は１４３０℃〜１５８０℃程度である。

[凝固層形成工程]
注湯されたシリコン融液４は、シリコンの融点よりも低い温度である鋳型５の内壁表面と接触したときに、熱が奪われて凝固し、鋳型５の内壁表面に沿って凝固する。

このとき前記融液準備工程において、予熱温度と注湯温度とを適切に制御する。これにより、鋳型５の側部５ｂの凝固層（第１凝固層１１ａ）はシリコン融液４の上端まで急速に凝固するとともに、シリコン融液４の表面も融点以下に冷却されて、液面部位に第２凝固層１１ｂが形成される。この時の様子を図２に示す。固体シリコンは上述のように液体シリコンよりも密度が小さいために、第２凝固層１１ｂは融液表面に浮かぶ。この時に形成される第１凝固層１１ａの結晶粒径は１０ｍｍ以下の微細な結晶粒となる。

凝固開始時のシリコン融液４および鋳型５の温度（注湯温度および予熱温度）が上記温度よりも低い場合でも、第１凝固層１１ａが形成されてシリコン融液４内に不純物の浸入を抑制することができる。ただし、凝固初期、すなわちインゴット１１の底部に結晶欠陥の多い領域が形成されて、高品質なインゴット１１を得ることが難しい。

一方、注湯温度および予熱温度が上記温度よりも高い場合は、所望の第１凝固層１１ａおよび第２凝固層１１ｂが形成されず、高品質なインゴット１１を得ることが難しい。

つまり、本実施形態の凝固層形成工程における注湯温度および予熱温度を適切に制御することによって、高品質なインゴット１１を得ることができる。

[再溶融工程]
第１凝固層１１ａの少なくとも鋳型５の底部５ａからシリコン融液４の半分以上の高さまでの範囲の凝固状態を維持しつつ、シリコン融液４の表面に形成された第２凝固層１１ｂを鋳型上部加熱手段９で加熱することで再溶融させる。これにより、鋳型５内のシリコン融液４の表面温度をシリコンの融点よりも数℃から数十℃高い温度まで制御よく加熱できるとともに、第１凝固層１１ａの再溶融を低減することができる。

[凝固工程]
鋳型５内のシリコン融液４を下方から上方へ向かう方向に冷却し一方向凝固させて、インゴット１１を形成する。このとき、鋳型５の下方に配された冷却板を有する冷却手段８、鋳型５を上方から加熱する鋳型加熱手段９などによって、鋳型５に対して下方から上方に向かって温度が低下する所定の温度勾配を付与しながら行う。

このように作製されたインゴット１１は、図３に示すように、側面に平均粒径が１０ｍｍ以下の第１凝固層１１ａが形成されている。第１凝固層１１ａはシリコン融液４と、鋳型５または離型材６との接触を低減して、シリコン融液４に鋳型５または離型材６起因の不純物が混入することを低減できる。同時に、結晶粒界に不純物をトラップすることによって、インゴット１１と接触している鋳型５または離型材６から不純物の浸入を抑えることができる。また、結晶粒界によってインゴット１１の側部からの転位の浸入を抑制することも期待できる。

また、本実施形態ではシリコン融液４の液面に第２凝固層１１ｂを形成してから再溶融させることで、シリコン融液４の温度を好適に制御できる。このため、一旦形成された第１凝固層１１ａが再溶融しないようにして、インゴット１１の高さの５０％以上の高さに形成することができる。また、凝固開始時のシリコン融液４の温度を再現よく一定の温度範囲に収めることができるので、高品質なインゴット１１を容易に製造することができる。

インゴット１１の作製後は、インゴット１１をさらに冷却して断熱材を設けた場合はこれを取り外す。そして、最後に鋳型５からインゴット１１を取り出す。

＜多結晶シリコンインゴット＞
本実施形態で作製したインゴット１１は、鋳型５の各部に対応する部位を有する。つまり、図３に示すように、インゴット１１は、鋳型５の底部５ａおよび側部５ｂに対応する部位を有する。インゴット１１は、特に鋳型５の側部５ｂに対応する部位であって、底部から半分以上の高さｈの範囲に、平均粒径が１０ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下の第１凝固層１１ａを有する。

第１凝固層１１ａは、インゴット１１の内部と比べて結晶粒径が小さく、ライフタイム
の平均値も内部と比較して２μｓｅｃ以下と小さい。上述したように、第１凝固層１１ａの存在によって、インゴット１１と接触している鋳型５および離型材６などからの不純物の浸入を効果的に抑えることができる。この結果、本実施形態に係るインゴットは、従来と比較して内部の不純物濃度が少ないインゴット１１とすることができる。

本実施形態では、ライフタイムは例えばμＰＣＤ法（マイクロ波光導電率減衰法）などで測定されるライフタイム（τ）である。上記ライフタイムは、インゴット１１の断面におけるライフタイムは、インゴットまたはブリックの略中心を通るように切断した縦断面において、ＳＥＭＩＬＡＢ社製ＷＴ−２０００を用いて測定した。このとき、波長が１０６４ｎｍの光源を照射して測定し、同一位置で８回測定した平均値を測定値とした。また、インゴット１１の側面におけるライフタイムは、鋳造後のインゴット１１の側面に付着している離型材６などを除去し、その後、側面に存在する凹凸を機械的研磨により平坦にした後、同様の方法で測定した。

また、平均粒径については、測定対象となる任意の位置において、任意の２点を結ぶ線を横切る粒界の数と上記２点間の距離（測定距離）とを測定した。そして、測定された粒界の数で測定距離を割った値を平均粒径とした。例えば３０ｍｍ離した２点の間に、結晶粒界が１０本観察された場合、平均粒径は３ｍｍとなる。インゴットの各高さ位置における平均粒径は、図３に示されるように、インゴット１１を縦に切断した際、インゴット１１の底部からの各高さ位置（例えばインゴット１１の底部から５０％の高さの位置）における水平方向に位置する２点の間を横切る粒界の数を２点間の距離で割って平均粒径を求めた。

インゴット１１の第１凝固層１１ａの厚みは、５０ｍｍ以下であることが好ましい。第１凝固層１１ａは、数原子層でも存在していれば不純物の浸入を抑制することができる。第１初期凝固層１１ａは多結晶シリコンインゴット１１を切断してブリックを製造する際に除去してもよい。 除去する厚みが薄い方が生産性およびコストの点から好ましいので
、第１凝固層の厚みは５０ｍｍ以下であるとよい。

凝固工程において、シリコン融液４の外側に第１凝固層１１ａを有することにより、シリコン融液４が鋳型５および離型材６などに接触する時間を短縮できる。これにより、鋳型５および離型材６などからシリコン融液４に混入する不純物を低減できる。特に鋳型５または離型材６が窒素、炭素などを含む場合、インゴット１１の凝固時に窒化シリコン、炭化シリコンなどの析出物が生成し、さらに析出物を起点として転位が生成することがある。このような転位は凝固の進行とともにインゴット１１の上方へ引き継がれるとともに増殖し、転位密集部を形成することがある。

本実施形態では、シリコン融液４の外側に、鋳型５の底部５ａからシリコン融液４の半分以上の高さ（図２のｈの範囲）までの範囲に第１凝固層１１ａを残存させている。これにより、鋳型５および離型材６などに由来する不純物を低減できるのでインゴット１１中の不純物、析出物、転位などの欠陥を低減して高品質なインゴット１１が得られる。

図３において、第１凝固層１１ａの形成領域の高さは、上述したように、シリコン融液４および鋳型５の温度などの製造条件を制御することによって変化させることができる。ただし、第１凝固層１１ａの高さが９０％以上の時は、シリコン融液４または鋳型５の温度が適温よりも低いことが考えられる。この場合、凝固初期にインゴット１１の底部に結晶欠陥の多い領域が形成されて、高品質なインゴット１１を得ることが難しい。

上記のようにインゴット１１が適切な高さの第１凝固層１１ａを有することで高品質なインゴット１１が作製できる。

インゴット１１は、バンドソーなどで所定の形状と大きさのブリックに切断され、その後ワイヤーソーなどで所定の厚みにスライスする。これにより、ブリックからシリコン基板とすることができる。このシリコン基板は、上述の効果に加え、インゴット１１の内部の不純物および異物が低減される。このため、切断・スライス加工において、不純物、異物を起因としたマイクロクラックおよび基板割れの発生、ワイヤー断線などのスライス不良を低減することができる。

このようなシリコン基板を使用して作成した太陽電池素子は、従来のシリコン基板よりも不純物濃度および転位密度が低減したシリコン基板を使用できる。このため、光の入射により発生した電子および正孔（光生成キャリア）の再結合が低減され、発電効率のよい太陽電池素子を提供できる。

上述したように、第１凝固層１１ａは一般的な凝固方法で得られるインゴット１１の内部の結晶と比べて平均粒径が１０ｍｍ以下と小さく、ライフタイムが２μｓｅｃ以下とも小さい。さらに、第１凝固層１１ａはインゴット１１の内部の結晶よりも先に凝固するため、結晶に含まれる不純物の密度が異なる。例えば、ドーパントしてホウ素、リンなどの偏析係数が１よりも小さい元素を添加すると、第１凝固層１１ａのドーパント濃度は、内部の結晶よりも小さく電気抵抗が大きくなる。

なお、本実施形態のインゴット１１の製造方法は、上述の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。例えば、鋳造方法は、注湯方式でもよいし、鋳型内溶解方式でも構わない。シリコン融液４および鋳型５の温度制御手段として、それらに吹き付ける不活性ガスの流量を制御してもよい。また、鋳型５の底部に、インゴット中のシリコン結晶の結晶方位または結晶粒形状もしくは結晶粒径を規定するための種結晶または粒状物を載置してもよい。

１ ：坩堝
１ａ ：溶融坩堝
１ｂ ：保持坩堝
２ ：注湯口
３ ：加熱手段
４ ：シリコン融液
５ ：鋳型
６ ：離型材
８ ：冷却手段
９ ：鋳型上部加熱手段
１０ ：鋳型台
１１ ：シリコンインゴット
１１ａ：第１凝固層
１１ｂ：第２凝固層

Claims (4)

1. 底部および側部を有する鋳型を準備する鋳型準備工程と、
   シリコンからなる固体原料を加熱して溶融させたシリコン融液を前記鋳型内に設ける融液準備工程と、
   前記シリコン融液および前記鋳型の温度を制御して、前記シリコン融液と前記鋳型の前記側部との間に第１凝固層を、前記シリコン融液の液面部位に第２凝固層を、それぞれ形成する凝固層形成工程と、
   前記第１凝固層の少なくとも前記鋳型の前記底部から前記シリコン融液の半分以上の高さまでの範囲の凝固状態を維持しつつ、前記第２凝固層を前記鋳型の上方に位置させた鋳型上部加熱手段で加熱して溶融させる再溶融工程と、
   前記シリコン融液を下方から上方へ冷却して、前記シリコン融液を凝固させる凝固工程と、
   を有する多結晶シリコンインゴットの製造方法。
2. 前記鋳型準備工程において、前記鋳型は少なくとも前記側部の内壁に離型材層を設けたものを用いる、請求項１に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。
3. 前記融液準備工程において、予め用意した坩堝に前記固体原料を入れて、前記固体原料を前記坩堝内で溶融させたシリコン融液を、前記鋳型内に前記坩堝から注入する、請求項１または請求項２に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。
4. 前記再溶融工程において、前記第１凝固層は少なくとも前記鋳型の前記底部から前記シリコン融液の９０％の高さまでの範囲を凝固状態に残す、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。

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