JPS5913219Y2 - 多結晶シリコンインゴットの鋳造用鋳型 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は多結晶シリコンインゴットの鋳造用鋳型に関す
るものである。

最近、太陽電池による太陽光発電がエネルギー源として
見直され、低価格太陽電池の開発が盛んである。

高い充電変換効率を得るためには欠陥の少ないもので、
できるだけ完全な単結晶シリコンを用いなければならな
い。

このため太陽電池の価格は高いものとなり、地上での使
用は現在まで限られたものである。

そこで単結晶シリコンに代る低価格太陽電池用材料とし
て多結晶シリコンの開発が始められるようになった。

多結晶シリコンは鋳造法によって作ることが行なわれて
いる。

このような鋳造法は単品シリコンを作る場合のチョクラ
ルスキー法と比較して、結晶成長速度が大きいこと、任
意の形状のインゴットが得られること、熟練を必要とせ
ず操作が容易なこと等から低価格化の可能性が大きいと
されている。

例えば黒鉛のブロックを鋳型として用いて、多結晶シリ
コンインゴットを形威し１０ ｃｍ Ｘ １０ ｃｍの
多結晶板を切り出し１０％以上の光電変換効率を有する
太陽電池セルを得ている報告がある。

（１２ｔｈ ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ５
ｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＲｅｃｏ
ｒｄ ｐ８６１９７６）。

鋳型として黒鉛を用いているためシリコン融液と鋳型と
が濡れないように工夫することが重要である。

この点については鋳型の温度をシリコンの融点よりかな
り低くすることで濡れの問題を解決しようとしている（
特開昭５１１０１４６６）。

しかしながらこの方法は低温度で急速固化させるために
多結晶粒径が大きくならないことにある。

一般に多結晶粒径が大きいものほど太陽電池とした場合
に高い充電変換効率が得られる。

そこで鋳型として石英ルツボを用い石英ルツボ中でシリ
コンを溶融し、しかる後石英ルツボの底から適当な速度
で結晶を成長させることにより多結晶粒径を大きくする
ことが試みられた。

しかしこの従来の方法である石英ルツボを用いた多結晶
シリコンインゴット形成法においては、石英ルツボとシ
リコン融液とは激しく反応し、冷却固化させるとシリコ
ンインゴットと石英ルツボは強く固着する。

このため冷却時に石英とシリコン結晶の熱膨張係数の相
異によりストレスが生じ石英ルツボが割れ、それと同時
に多結晶シリコンインゴットにクラックが入り、こまか
く割れてしまう。

このためにひび割れのない完全な多結晶シリコンインゴ
ットを得ることができなかった。

上記問題を解決するためにグレーデッドクルジプル（Ｇ
ｒａｄｅｄ Ｃｒｕｃｉｂｌｅ）という特殊な石英ルツ
ボを用いる方法が開発された。

グレーデッドクルジプルは石英ルツボの内面の密度を大
きくシ、外側の密度を粗にした構造であって、冷却時に
石英ルツボのみがこまかく割れるようになっている。

このために多結晶シリコンインゴットにクラックが入る
ことはない。

この方法でほとんど単結晶に近い大きな結晶粒径のイン
ゴットが得られる（１３ ｔｈＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉ
ｃ ５ｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
Ｒｅｃｏｒｄｐ１３７１９７８）。

この方法の欠点はグレーデッドクルジプルという高価な
特殊石英ルツボが１回の使用でこまかく割れてしまうこ
とである。

これが低価格化をさまたげる主な要因になっている。

上記欠点を解決する方法として本願発明者らは粉末離型
剤法を提案した（特開昭５６−１２９３７７）。

粉末離型剤は、冷却時における多結晶シリコンと鋳型と
の熱膨張係数の相異によって生ずるストレスを緩和し、
鋳型との固着が原因で生ずる多結晶シリコンインゴット
のクラック発生を防ぎ、また多結晶シリコンインゴット
を鋳型から容易に分離して取り出すことを可能にする。

この粉末離型剤を用いた多結晶シリコンインゴット形成
にあたっては鋳型に石英を用い、その鋳型をカーボンサ
セプタの中に入れて加熱する。

この方法においては石英鋳型は抜けこう配Ｏ°のチョク
ラルスキ引上げ法などで通常よく用いられるものである
。

このような従来の形状の石英鋳型を用いた場合には、シ
リコン融液の重みは鋳型下部に加わり、温度もシリコン
の融点１４２０℃以上で、石英の軟化点１２００℃程度
より高く、このため石英ルツボは塑性変形して、鋳型の
下部がふくらむ。

一方シリコン融液と接していない石英ルツボ上部はふく
らまない。

したがって固化した多結晶シリコンインゴットの直径は
石英ルツボ上部の直径より大きくなり石英ルツボをこわ
さずにはシリコンインゴットを取り出すことが出来なか
った。

グレーテ゛ツドクルシブルのような高価なルツボはない
が、やはり鋳型は１回かぎりの使いすてであり、低価格
化を防たげていた。

本考案の目的は従来のかかる欠点をなくした多結晶シリ
コン鋳造用鋳型を提供することにある。

本考案によれば、粉末離型剤を塗布した石英製ルツボと
該石英製ルツボを所存するカーボンサセプタの側面に開
口部に向って拡がるように３°以上５°以下の傾斜角を
付けたことを特徴とする多結晶シリコンインゴット鋳造
用鋳型が得られる。

本考案を用いて多結晶シリコンインゴットを鋳造するに
は、内面に針状の窒化シリコン粉末離型剤を塗布した石
英製鋳型の中にシリコン原料を入れ、カーボンサセプタ
ーを加熱して鋳型内のシリコンを融解しこれを冷却固化
することによって多結晶シリコンインゴットを形成する
。

シリコンの融解により石英ルツボが変形しても、多結晶
シリコンインゴットを石英ルツボを割らずに石英ルツボ
から取り出すことができるのは、抜きこう配が３°以上
あることおよび石英ルツボとカーボンサセプターの抜き
こう配が同じであることが必要であると判明した。

またインゴットからの太陽電池用ウェハ切断加工損失を
なるだけ少くするためには、抜きこう配は５°以下であ
ることが望ましいと判明した。

次に本考案の実施例について図面を用いて説明する。

図のように針状の窒化シリコン粉末離型剤３を塗布した
石英鋳型２（直径５Ｑｍｍ深さ５Ｑ ｍｍ）の中にシリ
コン原料を３００ ｇ入れ、これをカーボンサセプタ１
内に設置し加熱融解する。

窒化シリコン粉末は直径１〜２μｍで長さ数μｍの鋭い
針状粉である。

その塗布方法は、適当な溶媒により粉末をスラリー状と
し、このスラリーを鋳型内面にハケ等により塗布し、つ
いで溶媒を乾燥除去する方法を用いた。

石英鋳型およびカーボンサセプタの抜けこう配（α°）
は３°とした。

鋳型内で完全に融液となったシリコンを、鋳型の底より
冷却固化させると、約１時間後に全部固化して多結晶シ
リコンインゴットとなった。

窒化シリコン粉末を石英鋳型に塗布しているためシリコ
ン融液と石英とは直接触れることがなく、そのため鋳型
とシリコンとが固着することはない。

石英鋳型内のシリコン融液の圧力は、鋳型の下部に加わ
るが、鋳型側面が３°の抜けこう配をもっており、さら
に同−抜けこう配のカーボンサセプターに支けられてい
るため、変形後の石英鋳型の抜けこう配は１°以下にな
ることがない。

したがって冷却固化後、鋳型を逆さにすることによって
簡単に多結晶シリコンインゴットを取り出すことができ
る。

石英鋳型およびカーボンサセプター自体にも何ら損傷は
生しない。

わずかに変型した石英鋳型に少し修復加工をほどこし抜
けこう配を３゜以上とすることで何回も再使用すること
が可能となった。

得られたシリコンインゴットの上部および下部の直径の
差異は小さく、同一形状の太陽電池用ウェハとするため
の切断加工損失を小さくすることかできた。

以上説明したように多結晶シリコンインゴットを鋳造法
で形成する際、本考案を用いて、粉末離型剤を塗布した
石英鋳型とカーボンサセプターに同一の抜けこう配を設
けることによって、多結晶シリコンインゴットを容易に
取り出すことが可能になった。

その結果得られた多結晶シリコンインゴットの結晶性に
は何ら問題はなく、クラックのない多結晶粒径の大きい
欠陥の少ないシコンインゴットが得られ、太陽電池セル
とした場合にも、単結晶シリコンセル並みの、光電変換
効率１２％以上のセルが得られた。

石英鋳型も少くとも５〜６回以上の再使用が可能となり
、またウェハー切断加工損失も小さくできたことで、太
陽電池の大幅な低価格化がはかれた。

【図面の簡単な説明】

図は本考案の実施例を示す図で、同図において、１・・
・・・・カーボンサセプター、２・・・・・・石英鋳型
、３・・・・・・粉末離型剤、α・・・・・・抜けこう
配。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 窒化シリコン粉末離型剤を塗布した石英製ルツボと、該
   石英製ルツボを収容するカーボンサセプターの側面に開
   口部に向って拡がる３°以上５°以下の傾斜を付けたこ
   とを特徴とする多結晶シリコンインゴットの鋳造用鋳型
   。