JPH0468276B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、鋳型内に満たされた溶融シリコンを
鋳型の底部から積極的に奪熱することによつて、
鋳型底から上向きに一方向凝固させる多結晶シリ
コン鋳塊の製造法に関する。

〔従来の技術〕

このような製造法は主に太陽電池用シリコン鋳
塊の製造に用いられており、従来技術としては、
るつぼを断熱チヤンバー内に配置し、断熱チヤン
バー下方壁面を除去することにより、るつぼ底面
より熱を排除する方法が特開昭60−103017号公報
により知られている。しかしながら、この鋳造法
には下記の如き問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第１に、鋳塊の冷却速度が遅く、鋳塊の単位時
間当りの生産量が少ない。

すなわち、断熱チヤンバーの下方壁面を除去す
る方法が採用されているために、鋳型底面からの
奪熱は鋳型底面からの輻射しか期待できない。一
般に輻射による熱量は、伝導によつて伝わる熱量
に比べ1/10程度あるいはそれより小さく、鋳塊を
十分な速度で冷却することは不可能となる。その
結果、18Kgのシリコン鋳塊を製造するのに４時間
の長い凝固時間を必要としていた。

第２に、鋳塊の凝固速度を一定に制御すること
が困難なために、鋳塊の品質にむらを生じる。

すなわち、除去する下方壁面の大きさが一定で
あるために、鋳型底面から輻射される熱量は、鋳
塊の凝固が進行するにつれて低下する鋳型底面絶
対温度の更に４乗に比例して小さくなる。この結
果、鋳塊の凝固面移動速度は鋳塊の下部では速
く、凝固が進行するにつれ鋳塊の上部では次第に
遅くなる。そして、鋳塊全体を一定な凝固速度で
固化させることの困難なことが、凝固中の熱履歴
に品質が敏感に左右される半導体材料の製造法で
は大きな問題となる。

本発明の目的は、これらの問題点を解決して、
高品質でしかも品質の一定した多結晶シリコン鋳
塊を生産性よく製造できる方法を提供することに
ある。

また、多結晶シリコン鋳塊を製造する場合、生
産能率から考えると、底面に対して高さの大きい
鋳塊をつくることが望まれる。しかし、このよう
な鋳塊は、前述したように、鋳塊下部と鋳塊上部
の凝固速度のちがい、およびそれによつて生じる
鋳塊各部の熱履歴のちがいによつて、半導体物性
が敏感に変化することから、品質確保が難しい。

本発明の今一つの目的は、底面に対して高さの
大きい鋳塊を品質よく製造できる方法を提供する
ことにある。具体的には、底面が正方形としてそ
の一辺に対する高さの比が２／３以上の塊状シリ
コンの製造を可能とすることである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、多結晶シリコン鋳塊の製造に水冷チ
ルプレートを導入したものである。

水冷チルプレートを利用して一方向凝固鋳塊を
製造する方法としては、ニツケル基超耐熱合金
（Alloy444）についての例が、「金属」1986年３
月号P.11〜16により公知である。

この方法は、第３図に示されるように、底面が
開放された鋳型１２を水冷チルプレートとしての
水冷銅板１３上にのせ、鋳型加熱炉１４内を注湯
金属の融点以上の温度に加熱保持した状態で溶湯
を鋳込み、その後、鋳型１２を水冷銅板１３とと
もに加熱炉１４から下方へ引き出すことによて溶
湯に一方向凝固を与えるものである。他への適用
性としては、水冷銅板１３上に直接溶湯を鋳込み
凝固が急激であるため、組織形成が容易で安定な
材料に対してしか適用できず、材料形状も図示の
ように底面積に対して高さの大きいものに限定さ
れる。

しかるに、多結晶シリコンの場合はデリケート
な温度制御が必要で、一方向に良好な凝固組織を
生長させることは、ニツケル基合金の場合と比べ
て非常に難しい。

すなわち、シリコンは結晶構造が原子間の共有
結合からなり、ニツケル等の金属結合に比べて原
子間配向に選択性が強いため、大粒径の結晶を安
定して成長させるには金属に比べてより大きな温
度勾配を与えて、かつ温度勾配の大きさの変動を
はるかに小さくする必要がある。

その上、単位重量当りの材料原価が高く不良部
分が生じたからといつてこれを簡単に切除するこ
とはできないので、凝固方向の全長で良好な組織
が求められる。

このようなことから、製品形状は底面が正方形
として、その一辺に対する高さの比が１程度まで
のものに限られる。

したがつて、第３図に示した水冷チルプレート
法では多結晶シリコンを歩留りよく鋳造すること
は不可能である。

本発明は鋭意工夫により、多結晶シリコンの鋳
造に対して水冷チルプレート法の適用を可能なら
しめ、これによつて前述の従来方法（特開昭60−
103017号公報）における問題点を全て解決したも
のである。

本発明法の特徴とするところは、第１図および
第２図に示されるように、底部が開放した炉１の
下方に昇降可能に水冷チルプレート６を配し、炉
１内に支持された有底の鋳型４に対して水冷チル
プレート６を、炉１内雰囲気に実質的に影響を与
えない位置まで降下させた状態で、鋳型４内を溶
解シリコン２で満たすとともに、炉１内をシリコ
ン溶解温度以上の熱的安定状態に保持し、この状
態から水冷チルプレート６を上昇させて鋳型４の
底面５に接解させた後、水冷チルプレート６を鋳
型４の底面５に接解させたまま降下させて鋳型４
を炉１底部より炉１外に引き出し、鋳型４内の溶
解シリコン２に上向きの一方向凝固を生じさせる
点にある。

このような一方向凝固は、外気から遮断された
容器内で不活性ガス雰囲気下において行われても
よい。

〔作用〕

本発明法によれば、鋳塊の凝固速度を非常に速
くすることが可能で、鋳塊の単位時間当りの生産
重量を多くすることができる。

すなわち、鋳塊の冷却速度は鋳型底面５から流
出する単位時間当りの熱量の大きさによつて決ま
るので、鋳型４の底面５に直接に水冷チルプレー
ト６を接触させれば、単なる輻射による熱の流出
に比較して、流出熱量は大きくなり、冷却速度も
これに比例する。

この場合、鋳型４の底面５と水冷チルプレート
６との接触面積を大きくすることが、鋳塊の冷却
速度を速くするためにさらに有効である。

また、鋳型４の広い範囲の底面５を水冷チルプ
レート６と接触させた場合、鋳塊の太陽電池とし
ての品質を向上するためにも有効である。

鋳型底面５を広い範囲で冷却すれば結晶の成長
が鋳型底面５の全面から垂直方向に向かい、多結
晶太陽電池基板では、凝固後の鋳塊を結晶成長方
向に対して垂直に切り出せば、切り出された基板
は結晶粒界をもつとも少なく含む結晶配向を与え
る。結晶粒界は結晶の乱れた部分であり、太陽電
池作製時のＰ−ｎ接合部の不整を作る原因になり
易い。

本発明法では又、凝固開始前に水冷チルプレー
ト６が鋳型底から十分に離れた場所に置かれてい
るので、鋳型４の底部を不要に冷やすことがな
く、これによつて凝固開始前の溶解シリコンを一
様温度の溶解状態にすることができる。このよう
に凝固開始前の鋳型４内の温度が水冷チルプレー
ト６を設置しても高温状態に保てる機能が、鋳塊
を凝固させてからの鋳塊品質の均質化と大きな冷
却速度を達成できる要素になつている。

さらに本発明法によれば、炉１内温度制御と鋳
型４降下速度制御との組合せで鋳塊の凝固速度が
調整されるので、この凝固速度を制御することが
可能かつ容易となり、こうすることによつて鋳塊
の品質を高精度に制御できる。

〔実施例〕

先ず、本発明法の実施に適した装置の説明を第
１図および第２図により行う。第１図は鋳型４の
底面５に水冷チルプレート６を接触させる前の段
階、第２図は接触後、鋳型４とともに水冷チルプ
レート６を降下させている段階を示している。

炉１は均熱炉であつて、図示していない支持手
段に支持固定され、内側に加熱体３を備え、底部
が開放した構造となつている。

炉１底部の開放部には筒状の延長部１０が備わ
り、その内側に筒状の断熱体７が昇降可能に配設
され、更にその内側で水冷チルプレート６が昇降
するようになつている。

断熱体７は、鋳型４の支持体である一方、水冷
チルプレート６が上昇する前の段階において鋳型
４の底面５と水冷チルプレート６との間の空間に
炉１内の熱が吸収されるのをその上縁部７′によ
り効果的に防止する。更に、水冷チルプレート６
が上昇した後の凝固進行段階にあつては、炉１内
下部の温度降下を防止し、未凝固の溶解シリコン
２の温度降下を防ぐ。これらは溶解シリコン２の
凝固速度制御精度を高める上で効果的に働き、品
質向上に寄与する。また、水冷チルプレート６の
初期停止位置を高くすることができ、そのストロ
ークを短縮することが可能となる。

断熱体７を設けない場合、このストロークを長
くとり、かつ断熱体７に代る鋳型２の支持体を設
けることが必要である。

断熱体７としては、熱伝導率を小さくした、グ
ラフアイト質整形体等が好ましい。

なお、水冷チルプレート６、断熱体７のいずれ
のストロークも、炉１内に鋳型４を出し入れする
際の阻げにならないように設定されることは言う
までもない。

第１図および第２図の装置を使用した本発明法
の手順を温度制御を中心にして以下に説明する。

炉１内の温度はシリコンの溶解温度（1415℃）
以上が必要であるが、高すぎると熱経済性を悪化
させるので通常は1500℃以下とするのがよく、こ
こでは後記する理由により1450℃を目標とした。

手順としては先ず、水冷チルプレート６、断熱
体７ともに炉１外に降下させ、断熱体７の上に鋳
型４を載せた後、断熱体７を上昇させて鋳型４を
炉１内に装入する。

次に、炉１内に均等間隔で配置された複数個の
発熱体３によつて1450℃の均一な温度に加熱保持
される。このとき、水冷チルプレート６は炉１内
に熱影響を実質的に与えない位置まで降下させて
おく必要がある。

鋳型４は内面に耐火性の粉末層８を塗布形成
し、内部に溶解シリコン２を収容している。鋳型
４内の溶解シリコン２は溶解した状態で鋳型４に
注入されたか、あるいは塊状の固体シリコンが装
入されたのであれば、これを溶解して1450℃の均
一温度にしたものである。

このとき、鋳型底の中心を通る垂直方向に温度
測定用の複数本の熱電対を鋳型４の底面５から溶
解シリコン２の表面まで等間隔に熱電対保護管を
用いて設置して、溶解シリコン２の温度を鋳型底
から垂直方向に測定した結果は、鋳型底面５で
1415℃を示しているほかは、1450℃を指示してい
た。

このことから、炉１内温度を1450℃未満に設定
した場合には、鋳型４の底部５で1415℃未満にな
り、この温度はシリコンの溶解温度（1415℃）よ
りも低いために、鋳型底のシリコンの一部がすで
に固化する。よつて、今回の炉１内目標温度は
1450℃にした。こうすれば鋳型４内のシリコンを
全部溶解することが可能である。

そして、炉１内が1450℃で熱的な定常状態に達
したとき、水冷チルプレート６を下方から上昇さ
せて鋳型底面５と接触させる。接触後、直ちに鋳
型底面５の温度が下降して溶解シリコン２が鋳型
底から凝固を開始し、鋳型底から薄いシリコンの
固化層が生成する。

ただし、この状態を変化させなければ、固化層
の進行速度は急激に小さくなる。これは炉１内が
1450に保持されて溶解したシリコンの温度が高い
ために溶解シリコン２のもつ潜熱が大きく、固化
層を通して鋳型底面５から流出する熱量が大きな
凝固速度を保つためには不十分であるためであ
る。

よつて、さらに鋳塊を上向きに固化させ結晶成
長させるために、炉１内温度を低下させ、かつ鋳
型底面５と水冷チルプレート６を接触させたまま
断熱体７も降下させ、高温の炉１から鋳型４を炉
外に引き出して鋳型４の下部をさらに冷却させる
ことが必要となる。この一連の凝固過程では、つ
ぎのような冷却条件を与えることによつて、凝固
速度を一定にすることができる。

すなわち、炉１内の温度を1450℃から1415℃ま
で直線的に凝固終了の時間までに下降させ、同時
に、水冷チルプレート６および断熱体７の下降速
度、すなわち鋳型４の炉１からの引出し速度とし
て、凝固終了時の鋳塊の表面の高さが炉１の炉床
面の高さと同一になる一定の速度を与えるのであ
る。

このような操作によつては鋳塊は一定の凝固速
度で固化し、これは先述した鋳型底の中心を通る
垂直方向に設置した複数本の熱電対の温度測定に
よつて確認することができる。

以上のような手順によつて、単位時間当りの生
産重量が多く、かつ均質な鋳塊を作ることができ
る。

次に、本発明法を以上の手順により実際に実施
した結果を述べる。

高純度の炭素およびフエルト状の炭素材によつ
て内張りした炉１の中には、４つの側面の上中下
の三段および上面に板状の炭素質の発熱体３を配
置した。鋳型４は高純度炭素材から出来ており、
幅が内寸で33cm、高さが27cmの寸法をもち、側面
および底面の厚さはそれぞれ４cmであつた。

この鋳型４の内面には窒化硅素の粉末からなる
コーテング層８を塗布してＰ型1Ω・cmのドープ
を含む60Kgの溶解シリコン２を満たした。

また鋳型底の中心を通る垂直線上には高純度石
英管を熱電対用保護管として10本の白金−白金・
ロジウムの熱量対を鋳型底を起点として25mm間隔
で設置した。

鋳型４の底面５と接触する水冷チルプレート６
は幅が30cmあり、厚さが８cm材質がグラフアイト
質整形体の断熱体７の下方、鋳型底面５からの距
離40cmの場所を初期停止位置とした。

炉１内を1450℃に設定したときの熱的な定常状
態下では溶解シリコン２の各場所の温度は、鋳型
４の底面５で1415℃を指示したが、他の熱電対の
場所では1450℃を示した。

この熱的な定常状態に達した後に、断熱体７を
降下させて鋳型４の底面５の高さが炉１の炉床面
９と同一の高さになるまで速やかに移動させた。
鋳型底面５の高さと炉床面９の高さが同一になつ
た時、水冷チルプレート６を下方から速やかに上
昇させて鋳型底面５と接触させた。接触すると直
ちに溶解シリコン２中の鋳型４の底に設置した熱
電対の温度指示は下降を始め、鋳型底面５からシ
リコンの凝固が始まつたことが解つた。

また、水冷チルプレート６と鋳型底面５が接触
すると同時に、炉１内の温度を1450℃から毎分
0.2℃の割合で1415℃まで下降させ、鋳型４も毎
分1.3mmの割合で下降させて炉１から引き出した。

このようにして鋳塊の凝固を進行させた結果、
鋳型底の中心を通る垂直方向に等間隔で設置した
熱電対の温度指示は毎分1.3mmの速度で凝固が進
行していることを示し、60Kgの鋳塊が３時間で凝
固終了した。

凝固終了後の鋳塊を常温まで冷却して切り出し
たところ、結晶の成長方向は鋳型底面５から垂直
になつており、結晶粒径も１〜５mmと大きく、平
均で２mmに達した。この粒径は太陽電池用の多結
晶基板として十分な大きさであり、鋳塊の各部分
から結晶成長方向に対して垂直に切り出した幅10
cm×10cm、厚さ400μｍの基板を太陽電池に供し
たところ、各部分の基板とも光電変換効率で13％
を超えた。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明法によ
れば多結晶シリコン鋳塊の製造において、大きな
重量の鋳塊を製造する場合にも鋳型の底面を広い
面積に渡つて直接に水冷チルプレートを接触させ
ることにより、効果的に冷却して大きな生産速度
を得ることができる。更に、水冷チルプレートを
予め降下させておくことによつて、凝固開始前の
炉内の温度降下を防止する一方、凝固開始後は炉
内温度制御と鋳型を炉外に引き出すことによつて
凝固速度が効果的に制御され、製品の品質が大巾
に高められる。

本発明法の実施の結果では、60Kgのシリコン鋳
塊を鋳型底面から完全に垂直方向に結晶成長さ
せ、毎分1.3mmの凝固速度を保持しながら３時間
で凝固終了させることができた。この鋳塊から得
られた基板においても、鋳塊各部分で太陽電池の
光電変換効率が13％を超えており、本発明法が生
産性を高め、かつ均質、高品質な鋳塊を製造する
のに有効であることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の実施例で用いた
鋳塊製造装置を示した縦断面図で、第１図は凝固
開始前の段階、第２図は凝固過程を示す。第３図
は一方向凝固法の従来例を示す模式断面図であ
る。 １……炉、２……溶解シリコン、３……発熱
体、４……鋳型、５……鋳型４の底面、６……水
冷チルプレート、７……断熱体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 底部が開放した炉１の下方に昇降可能に水冷
   チルプレート６を配し、炉１内に支持された有底
   の鋳型４に対して水冷チルプレート６を、炉１内
   雰囲気に実質的に影響を与えない位置まで降下さ
   せた状態で、鋳型４内を溶解シリコン２で満たす
   とともに、炉１内をシリコン溶解温度以上の熱的
   安定状態に保持し、この状態から水冷チルプレー
   ト６を上昇させて鋳型４の底面５に接触させた
   後、水冷チルプレート６を鋳型４の底面５に接触
   させたまま降下させて、鋳型４を炉１底部より炉
   １外に引き出し、鋳型４内の溶解シリコン２に上
   向きの一方向凝固を生じさせることを特徴とする
   多結晶シリコン鋳塊の製造法。 ２ 溶解シリコン２の一方向凝固が不活性ガス雰
   囲気中で行われることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の多結晶シリコン鋳塊の製造法。 ３ 水冷チルプレート６を降下させて鋳型４を炉
   １外に引き出す際に炉１内温度が制御されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
   に記載の多結晶シリコン鋳塊の製造法。