JPH0476926B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） シリコン多結晶を太陽電池基板用材料のために
鋳造法によつて製造することが工業的な規模で実
用化されるようになつた。

太陽電池に用いるシリコン多結晶基板は、多結
晶と云えども各結晶粒径がある大きさ以上になる
必要があり、また結晶粒界および結晶粒内の不純
物、結晶欠陥、介在物等も太陽電池物性を向上す
るために制御されなければならない。本発明はこ
のような用途に適するシリコン多結晶の造塊方法
に関する。

（従来技術） 造塊法には従来、金属シリコンを鋳型（この場
合正確にはるつぼと表現すべきであるが、この場
合も含めて鋳型と称する）中で溶解してそのまゝ
同一鋳型内で凝固させる方法と、溶解専用のるつ
ぼの中で溶解したシリコンを別の凝固専用の鋳型
に鋳込んで凝固させる方法とがある。

上記何れの方法にも、シリコンが凝固して冷却
過程で発生するシリコンインゴツト中の熱応力を
緩和するために、鋳型内壁に離型剤を塗布する方
法が使われる。この離型剤は鋳型内壁とシリコン
インゴツトの融着を防止し、融着時に生じる鋳型
材とシリコンの熱膨張率の差に起因する応力を発
生させない役割を担つている。

窒化けい素、炭化けい素、あるいは酸化けい素
が離型剤として用いられるが、塗布された離型剤
はシリコン溶湯との接触によつて剥離したり、あ
るいは溶湯シリコンに溶解する。そうしてこれら
離型剤はシリコンインゴツトの凝固時に離型剤の
形のまゝ、あるいは溶解したものが過飽和の状態
から析出して結晶粒内や結晶粒界に出現して分布
するようになる。結晶粒内あるいは結晶粒界のこ
れら介在物はシリコンの物性を低下させる許りで
なく、析出集合した場合にはインゴツト中に鋳巣
をつくつたり、またインゴツトの熱割れの原因に
なる。このため凝固時の結晶組織と析出物の制御
はシリコンインゴツト造塊方法のもつとも重要な
技術的要素となつている。

凝固時の結晶組織と析出物の制御に関して、結
晶育成時に回転する方法が、一般的に半導体単結
晶引上げ技術では従来から利用されている。

この単結晶引上げでは、るつぼを回転させると
ともに同時に結晶化したシリコンをるつぼの回転
方向とは逆方向に回転させる。すなわち、るつぼ
を回転させることによつてシリコンを溶湯に回転
運動を与え、一方このシリコン溶湯の回転運動と
は逆方向にシリコン結晶を回転させることによつ
て、シリコン溶湯とシリコン結晶の回転に関する
相対運動を強化している。この単結晶引上げのと
きの溶湯と結晶の相対的な運動は、液相と固相の
界面での熱および物質の移動を制御する一つの方
法を示すものである。

しかしこの場合は、成長する結晶がるつぼとは
独立に回転可能な状態にあるから、るつぼと結晶
間の相対運動を自由に行い得るが、溶解した金属
を保持している鋳型内でそのまゝ金属を凝固させ
る場合は、鋳型を連続して一様に回転しても凝固
した金属と溶解している金属は同一回転するため
に回転方向の相対運動を生じることは不可能であ
る。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明者らは従つて、一つの鋳型内で一つの回
転軸による溶融金属と凝固金属の相対運動を永続
的かつ効果的に生じさせて凝固時の結晶組織と析
出物の制御を行い、不純物や結晶欠陥のないシリ
コン多結晶鋳塊を得ることを本発明の目的とする
ものである。

（問題点を解決するための手段） 一様回転あるいは静止状態にある鋳型に急速に
回転速度の変化を与えた場合、速度変化を与えら
れた初期の時間では鋳型内壁から成長した固相金
属は鋳型と同一運動して鋳型回転数と同一回転数
で回転運動を開始するが、溶解している金属は慣
性のため、鋳型が回転を始めても静止あるいは鋳
型の以前の一定回転数の回転運動を続けようとし
て、溶解金属は鋳型と同一の回転運動をすること
はない。

このように鋳型に回転速度の変化を与えた初期
には凝固した金属と溶解している金属は回転速度
が異なるために、相対的な回転運動を得ることに
なる。

しかし鋳型回転数をそのまゝ一様に継続すれ
ば、溶解している金属は相対的に運動している鋳
型および凝固した金属から運動量を伝達されて、
鋳型および凝固した金属の回転数とやがて同一に
なり、凝固した金属と溶解している金属との相対
運動は消滅してしまう。

よつて本発明者らは鋳型に回転運動を間歇的に
与えることによつて、凝固した金属と溶解してい
る金属が継続的に相対運動を継続し得ることに着
目し、実地試験研究を重ねた結果、このような間
歇的な鋳型の回転が、凝固した結晶組織の制御の
ために非常に有効であることを見出した。

本発明は上記知見に基づくものであつて溶融シ
リコンを鋳型中で凝固せしめるときに、鋳型に間
歇的に回転を与えることを要旨とし、後記する処
より明らかな如く、鋳型の回転数は５〜20rpm、
回転の間歇周期は20〜100secとすることにより良
好な効果を得ることができる。

（作用） 液体を保持している容器を静止させているとき
には、液体に外部から力が加わらなければ液体も
静止して容器と液体には何等相対的な運動は生じ
ない。このよう溶融金属を保持している鋳型が静
止しているときは溶融金属と鋳型には何等相対的
な運動は生じない。

しかし第１図に示したように、鋳型および鋳型
中の溶融金属が静止状態にあるときに、鋳型に回
転運動が与えられると、鋳型は瞬時に与えられた
回転数で回転を開始するが、溶融金属は慣性によ
つて静止状態を続けようとする。しかし溶融金属
は回転している鋳型から次第に粘性によつて回転
運動の力を受て時間が経過すれば遂には鋳型と同
一の回転運動をするに至る。この鋳型の回転開始
から鋳型と溶融金属が同一回転をするまでの間が
相対運動を生じている時間である。そうして両者
が同一回転で運動してからは相対運動は零にな
る。

この両者が同一回転運転をしている状態で、今
度は鋳型の回転を停止すれば、鋳型は瞬時に停止
するが溶融金属は逆に慣性によつて回転運動を続
けようとして、鋳型と溶融金属の相対運動が生じ
る。しかし回転している溶融金属はやがては粘性
によつて回転運動を停止する。

このような鋳型回転の始動と停止を繰り返して
連続的に行つた間歇回転の場合を図示したのが第
２図である。第２図イは、鋳型回転とシリコン溶
湯の運動の様子を示したものであり、第２図ロに
は、鋳型とシリコン溶湯の相対運動の大きさを示
した。

すなわち、鋳型とシリコン溶湯の相対運動の大
きさは鋸歯状であり、鋳型回転数と間歇周期によ
つて決まる。

（実施例） 次に実施例に基づいて本発明を説明する。

直径12インチ、高さ11.5インチの石英鋳型中に
40Kgのシリコンを溶解した。石英鋳型の内壁には
離型剤として窒化けい素を塗布した。

シリコンが溶解後、中に温度勾配を設定して
鋳型を間歇的に回転させながら均熱部から低温側
に鋳型を降下させて結晶粒径の大きな一方向凝固
シリコンインゴツトを製造した場合を従来法の鋳
型を回転しない場合と比較すると次の如くであつ
た。

まず、鋳型に回転を与えない場合は第３図に示
すように、鋳型降下速度が0.2mm／minでは析出
物がインゴツト内部に現われない部分の割合が80
％程度で、比較的に清浄なインゴツトがつくられ
ている。しかし、鋳型降下速度を大きくするに従
つて、0.5mm／minでは40％程度、1.0mm／minで
は30％程度、1.5mm／minでは25％程度に減少し
た。

つぎに、鋳型に回転を与えない場合として抵抗
炉の加熱電源の形式のちがい、すなわち、単相抵
抗炉のあるいは３相抵抗炉のちがいによるインゴ
ツト品質への影響は次の如くであつた。一般に、
３相抵抗炉を使用すると、単相抵抗炉に比べて、
発熱体を通過する電流による誘導力が鋳型内の溶
融シリコンの撹拌により大きく作用している。し
かし、単相抵抗炉を使用しても前記した３相抵抗
炉の結果とほぼ同一な結果が得られ、単相と３相
の発熱方式のちがいによるシリコン溶湯の撹拌の
差ではインゴツト内の偏析等の改善が行われない
ことが判明した。

このように鋳型を間歇回転なしで降下して一方
向凝固させたときは、降下速度を大きくするに従
つて介在物の析出が多くなり、清浄なインゴツト
が得られない結果になつている。

これに対して、鋳型に間歇回転を与えた場合は
第３図に示すように、右回転（時計回り）、左回
転（反時計回り）とも、インゴツト内の介在物の
析出しない部分の割合が90％程度を示し、鋳型間
歇回転が介在物析出防止に有効であることを示し
ている。

次に鋳型回転数の効果を示すと第４図の如くで
ある。

インゴツト内で介在物の析出しない部分の割合
は回転数が大きくなるに従つて高くなり、回転な
しの場合の30％程度から、回転数3rpmでは40％
程度、5rpmでは70％程度、10rpmでは90％程度
と順次高くなつている。しかし回転数15rpm、
20rpmでは90％程度と10rpmと同一レベルを示し
た。このように、鋳型間歇回転の回転数では
5rpm以上でよく効果が現われる。

鋳型回転周期と介在物析出防止の関係は第５図
に示す如くである。回転周期の及ぼす介在物析出
防止効果は20secから100secの範囲でほぼ同一水
準を保つており、この周期の範囲で大きな差異は
ない。

（発明の効果） 以上に述べた如く本発明方法はインゴツト中の
介在物析出防止のために有効な方法であることが
判明した。

なお前述の実施例は12インチ鋳型の実例を述べ
たものであるが、本発明者は他の実施例として、
６インチ、10インチ、および17インチの鋳型につ
いても同様な効果を得ており、鋳型の大きさに
かゝわらず実効が得られている。

最後に、本発明方法で製造したシリコンインゴ
ツトの電気的な特性について述べる。

鋳型内面の底面が210mm×210mm、テーパーが３
度、深さが250mmの万光体の黒鉛鋳型に25Kgのシ
リコンを溶解して、鋳型降下速度1.0mm／min、
回転数10rpm、回転周期60secで本発明方法を実
施して得たインゴツトと、従来法の鋳型回転なし
の方法を実施して得たインゴツトを比較したのが
第６図である。

同図より明らかなように、本発明方法によるイ
ンゴツトはライフタイムにおいて従来法に較べて
高い値を示し、なおかつインゴツト全体が均質で
あることが立証された。このように本発明方法は
インゴツトの高品質化に極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋳型に回転を与えた場合と停止した場
合のシリコン溶湯の動きを示す図。第２図イは鋳
型に間歇的に回転を与えた場合の鋳型とシリコン
溶湯の動きを示す図、同ロは同じくその場合の鋳
型とシリコン溶湯の相対運動の大きさを示す図。
第３図は鋳型降下速度における析出物発生と鋳型
回転の効果を示す図。第４図は鋳型回転数の及ぼ
す析出物発生防止の効果を示す。第５図は鋳型回
転周期と析出物発生防止の関係を示す図。第６図
はシリコンインゴツトライフタイム分布に及ぼす
本発明法と従来法の効果の比較図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融シリコンを鋳型中で凝固せしめるとき
   に、鋳型に間歇的に回転を与えることを特徴とす
   るシリコン多結晶の造塊方法。 ２ 鋳型の回転数を５〜20rpm、回転の間歇周期
   を20〜100secの範囲にすることを特徴とする特許
   請求の範囲１に記載のシリコン多結晶の造塊方
   法。 ３ その内面に離型剤を塗布した鋳型中で溶融シ
   リコンを凝固せしめることを特徴とする特許請求
   の範囲１または２に記載のシリコン多結晶の造塊
   方法。