JPS63166711A - 多結晶シリコン鋳塊の製造法 - 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】 〔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って、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【７ては、るつぼを断熱
チャンバー内に配置し、断熱チャ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６（１−１０３０１７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、断熱チャ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
、伝導によっ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
それによって生じる鋳塊各部の熱履歴のちがいによって
、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、ニッケル基超耐熱合金（Ａ１）ｏｙ４４
４）についての例が、「金属」１９８６年３月号Ｐ、１
）〜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、ニッ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、ニッケル等合債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
たからといっ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−辺に対する高さの比が１程度までのものに限られ
る。

したがって、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
って前述の従来方法（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ｌ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ｌ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ｌ底部より炉ｌ
外に引き出し、鋳型４内の溶解シリコン２に上向きの一
方向凝固を生しさせる点にある。

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って決まるので、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っとも少なく
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、これによって凝固開
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っている。

さらに本発明法によれば、炉ｌ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、
こうすることによっ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ｌは均熱炉であって、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
となっている。

炉ｌ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っている
。

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ｌ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っ
ては、炉ｌ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、グラファイ
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ｌ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ｌ内に装入する。

次に、炉ｌ内に均等間隔で配置された複数個の発熱体３
によって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、１４
５０℃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
って、今回の炉ｌ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、同化層の進行速
度は急激に小さくなる。これは炉ｌ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。

よって、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ｌ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ｌ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、っぎのような冷却条件を与えることよって、
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って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って確認することがで
きる。

以上のような手順によって、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ェルト状の炭素材によって内張す
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３３ｃ＋ｎ、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４ｃａ＋であった。

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ｌΩ・国のドープを含む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２５０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３
０ｃｍあり、厚さが８ｃｍ材質がグラファイト質整形体
の断熱体７の下方、鋳型底面５からの距離４０１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１４
５０℃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ｌ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の高さが同一になった時、
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ったことが解
った。

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°Ｃの
割合で１４１５℃まで下降させ、鋳型４も毎分１．３鶴
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１．３Ｒ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から垂直になっており、
結晶粒径も１〜５日と大きく、平均で２ｆｉ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ＩＱｃｎＸＩＱｃｍ、厚さ４００＃ｍ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って直接に水
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って、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って凝固速
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．
３鶴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 (3)

【特許請求の範囲】
1. （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. （２）溶解シリコン（２）の一方向凝固が不活性ガス雰
   囲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. （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。