JPS62278173A - 多結晶シリコンインゴツトの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） 本発明は、多結晶シリコンインゴットの製造方法に関す
るものである。

（従来の技術） 最近、低価格太陽電池の開発が盛んであるが、その１つ
として、高価な単結晶シリコン基板の代わりに、多結晶
シリコン基据の開発がなされている。多結晶シリコン基
板は鋳造法によって製造されたインゴットをスライスす
ることによって作られる。このような鋳造法によれば、
鋳型を用いてシリコン融液を冷却固化させるので、単結
晶を得る場合に用いられている引上げ法に比較して、結
晶成長速度が大きく、また鋳型の形状どうりの任意の形
状のインゴットが得られ、しかも操作が容易である等の
利点が有り、低価格のインゴットを製造することができ
る。

しかし、シリコン融液は、黒鉛２石英などからなる鋳型
材料と反応して、冷却固化すると強く固着する。このた
め、鋳型とシリコン結晶の熱膨張係数の差により冷却固
化したシリコンに歪が生じ、生成されるシリコン多結晶
インゴットにクランクが入るという欠点があった。

この問題を解決するために従来種々の方法が開発されて
いる。これらの方法の１つとして粉末離型剤法が知られ
ている。この方法は鋳型の内面に窒化シリコン粉末離型
剤が塗布された鋳型内で冷却面化させる方法である（特
公昭５９−３３５３３）。前記粉末離型剤を用いること
により、冷却時における多結晶シリコンと鋳型との熱膨
張係数の差によって生じる歪を緩和し、鋳型との固着が
原因となって生じるクラックの発生を防ぐことができる
。

しかし、この離型剤法は粉末を均一な厚さに塗布するこ
とは難しく、厚さの薄い部分においては鋳型とシリコン
インゴットが固着することがあり、鋳型よりインゴット
を取り出すことができなくなる。さらにシリコン融液は
凝固時に約９％と大きく体積膨張するため、粉末離型剤
ではその膨張による歪を完全に吸収することはできず、
仮りにクランクのないインゴットが作製されたとしても
、鋳型からのインゴットの取り出しは非常に難しい。

そのため、鋳型から多結晶インゴットを取り出す方法が
種々提案され、鋳型の上部をわずかに広くし、かつ底部
の一部が脱着できる様にして、固化した多結晶シリコン
インゴットを鋳型から取り出す場合、鋳型底部の一部を
上に押し上げて、インゴットを鋳型より抜き出す方法（
特公昭５９−５３２０９）、また、鋳型をあらかじめ縦
割に２分割以上になるようにして、これを組み立て、こ
の中でシリコン融液を冷却固化する方法（特開昭５７−
１３４２３５）が知られている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、前記特公昭５９−５３２０９の方法によれば、
シリコン融液の固化時に発生する体積膨張により鋳型と
シリコンインゴットとの間に歪が生じた場合には、イン
ゴットを容易に取り出すことはできない。特に石英を鋳
型材とした時には、石英の軟化によるわずかな歪によっ
て、インゴットの取り出しは不可能となる。また鋳型上
部を大きく広げインゴットを取り出しやすくすることは
、太陽電池基板を切り出す際の歩留を低下させ、低価格
の材料の製造方法としては不適である。また鋳型を分割
する方法（特開昭５７−１３４２３５）は、分割された
鋳型のずれを防ぐために、鋳型に合わせた黒鉛ルツボ内
に入れて固定しなければならないため、木質的には、鋳
型を分割した効果があられれないという問題点が残って
いた。なぜならば、固定用の黒鉛ルツボが鋳型より充分
大きい場合には、鋳型の分割片が正しい接合箇所からず
れてしまうし、また、上記のずれを防ぐに充分なほど固
定用黒鉛ルツボが小さければ、インゴットが冷却固化し
た後にインゴットの体積膨張のため鋳型を前記固定用黒
鉛ルツボから取り出すことが困難となる。鋳型として石
英を使った場合には、常に石英鋳型は変形し、一層鋳型
を黒鉛ルツボから取り出すことが困難となり、従って、
インゴットを取り出すためには鋳型を壊さなければなら
ないという欠点があった。

（問題を解決するための手段） 本発明は上記した欠点をなくし、鋳型と多結晶シリコン
インゴットを容易に分離できる多結晶シリコンの製造方
法を提供することを目的とするものであり、特許請求の
範囲記載の方法を提供することにより、前記目的を達成
することができる。

次に本発明の詳細な説明する。

本発明によれば、シリコン融液を冷却固化するために底
板と、それに垂直な周側壁が少なくとも２つ以上に分割
された側壁とを組み立てた鋳型を用いる。第１図は本発
明方法を実施する際に用いる組み立てられた鋳型の１つ
の態様を示す斜視図であり、底板１上に４つに分割され
た側壁板２゜３，４および５が垂直にかつ互に係合して
周側壁を形成している。ここで、側壁板２，３．４およ
び５は、厚みを薄＜シすぎると各側壁が各々係合した状
態で直立することが難しいために、側壁２゜３．４およ
び５の厚みは直立させるに十分な厚みとすることが好ま
しく、また、側壁２，３．４および５の各係合部分に窒
化シリコン粉末のスラリーを塗布することによって各側
壁２，３．４および５を直立した状態に保持させること
もできる。

なお側壁板２，３．４および５をそれぞれ両側部におい
て隣接する側壁板と係合させる態様には第２図ｆａｎ、
　ｆｂ）、　（ｅ）に平面図として示すような態様があ
る。第３図は側壁板が２つに分割された態様を示す鋳型
の平面図であり、Ｌ字型の２個の側壁仮により周側壁が
形成されている。

本発明の第２発明によれば、第４図に示すように底板と
側壁板とから徂み立てられた鋳型６を金属製、セラミッ
ク製の何れか少なくとも１種よりなる容器７内にセント
し、前記容器７の内壁と鋳型６の外側壁との隙間に耐熱
性の弾性材料８を介装する。

前記鋳型の材質として石英、黒鉛、窒化シリコンの何れ
か１種を用いることができ、これらの材料はシリコン融
液と反応とすることが少ないからである。

なお、本発明によれば、鋳型の内周面に窒化シリコン粉
末を塗布することによりシリコン融液と鋳型との反応を
さらに少なくすることができる。

本発明において弾性材料としては炭素繊維、シリカ繊維
、炭化珪素繊維、アルミナ繊維を有利に使用することが
でき、これらの繊維をフェルト状。

マット状もしくは球塊状にして前記容器と鋳型との隙間
に挿入詰め込む。

なお前記セラミック製容器としてはアルミナ。

黒鉛、陶器などから作られる容器を用いることができる
。また金属製容器としては、鋼板、ステンレス板製の容
器を用いることができる。またこれらの容器の内壁に耐
熱性の保温材を内張すしたものを用いることは有利であ
る。

本発明によれば鋳型内でシリコン融液を冷却固化させる
が、前記シリコン融液は前記鋳型内シリコン原料を装入
して溶解させてなるシリコン融液あるいは鋳型以外の溶
解炉においてシリコン粉末を溶解させたシリコン融液を
前記鋳型内に注入した後、同鋳型内で冷却固化させて、
多結晶シリコンを得ることができる。

以上本発明によれば、シリコン融液が固化する際の膨張
による歪は鋳型側壁が鋳型底板と分割されているために
、側壁のわずかな移動によって吸収される。まｈ本発明
の第２の発明によれば、鋳型を固定する弾性材により鋳
型がずれたり、シリコン融液が鋳型の外に流れでること
も防止される。

また鋳型の一部が固化したシリコンインゴットと固着し
たとしても、鋳型側壁の移動により熱膨張係数の差によ
って生じる歪の発生を防止することができる。従って、
得られる多結晶シリコンインゴットにはクラックや結晶
欠陥がほとんど発生しない。またこの多結晶シリコンイ
ンゴットを鋳型から取り出す場合には、鋳型の底板と側
壁が分割されているため、インゴットが完全に固化した
のち、側壁を上方に抜きとることにより、インゴットを
簡単に取り出すことができる。

本発明によれば、鋳型は全く損傷することがなく、再使
用することが可能である。また鋳型は底板と複数の側壁
とを組み合せたものであるため、構成する部品の形状は
極めて単純なものになり、鋳型を安価に作製できるうえ
に、鋳型の底板と側壁を異なる材質で構成することがで
き、冷却のコントロール条件を制御しやすい利点がある
。

次に本発明を実施例について説明する。

実施例１ ７ｃｍｘ７ｃｍの角形で厚さ１ｃ＋ｎの底板のうえに、
Ｌ字形をした厚さ１ｃｍの側壁２枚を垂直に立て、内容
積が５ｃｍＸ　５ｃｍＸ　５ｃｍとなる黒鉛製鋳型を組
み立てた。鋳型内面に窒化シリコン粉末を塗布し、高純
度シリコン原料８００ｇを入れ、その鋳型を１５００℃
に加熱した。シリコン原料が完全に融解した後、黒鉛鋳
型の底より徐々に固化させ、多結晶シリコンインゴット
を得た。内壁に窒化シリコン粉末を塗布しているため黒
鉛とシリコンインゴットとの固着はなく、鋳型からシリ
コン融液が流れでたり、鋳型がずれることはなかった。

多結晶シリコンインゴットはクランクが全く入らない完
全なものが得られた。

鋳型には損傷はなく、そのまま組み立てれば再使用でき
た。このような方法で製造された多結晶シリコンインゴ
ットは、底部より成長した柱状晶よりなり、その比抵抗
は、３０Ω−ｃｍ〜５０Ω−ｃｍであった。

実施例２ １１ｃｍ　Ｘ　１１ｃｍの角形で厚さ１ｃｍの黒鉛板よ
りなる底板のうえに厚さ０．５　ｃｍの石英板よりなる
側壁を立て、内容積が１０ｃｍ　Ｘ　１０ｃｍ　Ｘ　１
０ｃｍとなる鋳型を組み立てた。この鋳型をステンレス
スチールの角型容器の内に入れ、容器と鋳型の間にカー
ボン繊維からなるフェルト状の弾性材を介装した。鋳型
内壁に窒化シリコン粉末を塗布した後、別途石英ルツボ
で溶解した約２Ｋｇのシリコン融液を鋳型に流し込んだ
。シリコン融液は、鋳型内で、底より徐々に固化され、
多結晶シリコンインゴットを得た。

この際多結晶シリコンインゴットと鋳型との固着はなく
、凝固時の歪は弾性材に吸収され全くクランクのない、
多結晶シリコンインゴットが得られた。

次いで弾性材を抜き出した後、４枚の側壁を外側に開い
て簡単にインゴットを取り出すことができた。鋳型の損
傷は全熱なかった。製造された多結晶シリコンインゴッ
トの比抵抗は２０〜３０Ω−Ｃｍであり、また、このイ
ンゴットから０．４５０ｍｍの厚さで切り出されたウェ
ハのライフタイムは約１０μｓｅｃであった。

実施例３ ２７ｃｍ　Ｘ　２７ｃｍの角型で厚さ２．５ｃｍの黒鉛
板よりなる底板のうえに、厚さ２．５ｃｍの黒鉛板より
なる側壁を立て、内容積が２２ｃｍ　Ｘ　２２ｃｍ　Ｘ
　２０ｃｍとなる鋳型を組み立てた。この鋳型を、ステ
ンレススチールに酸化物の断熱材を内張すした角型容器
の内に入れ、容器と鋳型の間にカーボン繊維からなるフ
ェルト状の弾性材を介装した。鋳型内壁に窒化シリコン
粉末を塗布し、約１７Ｋｇの高純度シリコンに約０．４
ｇの０．０１Ω−ｃｍ　Ｐ型シリコン（Ｂドープ）を加
え、また内壁に窒化シリコンを塗布した黒鉛ルツボ内で
１５００℃に加熱し完全にシリコン融液とした後、この
シリコン融液を前記鋳型に流し込んだ。

シリコン融液は、鋳型内で底より徐々に固化され、多結
晶シリコンインゴットを得た。多結晶シリコンと鋳型と
の固着がごく１部でみられたが、凝固時の膨張による歪
や、冷却時の熱膨張係数の差によって生じる歪は、側壁
の移動によって吸収され、多結晶シリコンインゴットは
クラックの入らない完全なものであった。

次に弾性材を抜き出した後、４枚の側壁を外側に開いて
、節単にインゴットを取り出すことができた。このよう
な方法で製造された多結晶シリコンインゴットの比抵抗
は、約３Ω−ｃｍであり、またこのインゴットから１０
ｃｍ　ｘ　１０ｃ＋ｎ角型で０．４５０ｍｍの厚さで切
り出されたウェハのライフタイムは約５μｓｅｃであっ
た。

（発明の効果） 本発明によれば、底板と少なくとも２つ以上に分割され
た側壁とからなる組み立て鋳型を用いることによって、
クラックの入らない完全な多結晶シリコンインゴットを
容易に製造でき、さらに多結晶シリコンインゴットを鋳
型から非常に簡単に取り出すことができる。この結果、
鋳型の製造コストは小さくなり、また再使用も可能とな
るため、低価格の太陽電池用シリコン基板の製造が可能
となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する際に用いる組み立てられ
た鋳型の１つの態様を示す斜視図。 第２図（ａｌ、　（ｂ）、　（ｅ）はそれぞれ本発明方
法による分割された側壁板を係合させた態様を示す平面
図。 第３図は２つに分割された側壁板を係合させた態様を示
す平面図。 第４図は本発明による鋳型を容器内にセントした態様を
示す平面図である。 １・・・底板、　　　２，３，４．５・・・側壁板。 ６・・・鋳型、　　７・・・容器、　　８・・・弾性材
。 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シリコン融液を鋳型内で冷却固化させる多結晶シリ
   コンインゴットの製造方法において、底板と周側壁が２
   個以上よりなる側壁とが組み立てられてなる鋳型内でシ
   リコン融液を冷却固化させることを特徴とする多結晶シ
   リコンインゴットの製造方法。 ２、前記鋳型は石英、黒鉛、窒化シリコンのなかから選
   ばれる何れか１種よりなることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の方法。 ３、シリコン融液を鋳型内で冷却固化させる多結晶シリ
   コンインゴットの製造方法において；金属製、セラミッ
   ク製の何れか少なくとも１つよりなる容器内にセットさ
   れた底板と周側壁が２個以上よりなる側壁が組み立てら
   れてなる鋳型であって前記容器の内壁と鋳型の外側壁と
   の隙間に耐熱性の弾性材料が介装されている前記鋳型内
   で、シリコン融液を冷却固化させることを特徴とする多
   結晶シリコンインゴットの製造方法。 ４、前記鋳型は石英、黒鉛、窒化シリコンのなかから選
   ばれる何れか１種よりなることを特徴とする特許請求の
   範囲第３項記載の方法。 ５、前記弾性材料は炭素繊維、シリカ繊維、炭化珪素繊
   維、アルミナ繊維のなかから選ばれる何れか少なくとも
   １種である特許請求の範囲第３項記載の方法。