JPWO2011048931A1

JPWO2011048931A1 - シリコン又はシリコン合金溶解炉

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Publication number: JPWO2011048931A1
Application number: JP2011537191A
Authority: JP
Inventors: 高村　博; 博高村; 里安成田
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2030-10-04
Also published as: WO2011048931A1; CN102712480A; EP2492242A4; KR101391021B1; EP2492242A1; KR20120068920A; CN102712480B; JP5453446B2

Abstract

【要約書】シリコン又はシリコンを基とする合金原料を溶解する方法およびそのための炉であって、通電して発熱する発熱体により前記原料を加熱し、酸素分圧が１〜１０００Ｐａの不活性雰囲気で溶解することを特徴とするシリコン又はシリコンを基とする合金溶解方法およびそのための炉。従来使用されていたヒーターの材質を変更すると共に、高真空とすることを要しない炉中でシリコン又はシリコンを基とする合金を溶解する方法とそのための溶解炉を提供し、必要に応じてヒーター、断熱材などの材質を変えることで不純物の混入を防止する。これによって、単結晶又は多結晶のシリコン又はシリコンを基とする合金を、低コストで製造することを課題とする。

Description

本発明は、シリコン又はシリコン合金原料を低コストで溶解することができるシリコン又はシリコン合金溶解方法及び溶解炉に関する。

シリコンは半導体用の基板や太陽電池用材料で使用されるため近年需要が急増している。半導体用向け基板（ウエハ）としては単結晶シリコンが使用され、元になる単結晶インゴットはチョクラルスキー法（Ｃｚ法）やフローティングゾーン法（ＦＺ法）により作製されている。
一方、太陽電池向けのＳｉは、半導体と同様に単結晶が用いられるケースと多結晶のシリコンが用いられるケースがある。エネルギー変換効率においては、単結晶シリコンの方が優れるが、製造コストにおいては溶解、鋳造して作製できる多結晶シリコンの方が低コストで抑えられるメリットがあり、用途に応じて使い分けされている。
これらの結晶系シリコンは、近年、様々な系の太陽電池が開発されているが最主流であり、今後も需要の急拡大が期待される。一方、全世界で太陽電池を普及させるには、さらなる低コスト化の要求が益々厳しくなってきている。

多結晶シリコンインゴットの製造においては、原料となるポリシリコン（金属Ｓｉ）を溶解して凝固させるだけなので、結晶方位を揃え無欠陥で作製する単結晶に比べ、容易と思われるかもしれない。しかし現状は、半導体用途よりスペックが厳しくないと言われる太陽電池向けにおいても、インゴット内に引け巣や空隙等の鋳造欠陥が入らないこと、また不純物が多いと変換効率に悪影響が出るために厳密に制御する必要があり、そのようなシリコンインゴットを製造する装置としては非常に高価なものとなっている。

一つの装置でのＳｉインゴットの処理速度や製造能力は現在の多結晶溶解炉は単結晶育成装置に比べ格段に優れるが、さらなる生産拡大のために設備投資を行う場合は、単結晶育成装置と同等、もしくは大型化する分それ以上の金額が必要となり、償却費の負担等を考慮すると、結晶系シリコンの低コスト化に行き詰った状態になっている。
次に、多結晶シリコン溶解装置が非常に高価になる要因としては、金属Ｓｉ原料の溶解前および溶解時に現状は高真空の処理が行なわれることに起因している。原料および坩堝等を含めた周辺材料に付着した水分や不純物を除去するためにまずは高真空で初期排気を行なうのが常識となっている。この高真空にするという処理には、耐圧容器(タンク)やポンプが必ず必要になる。耐圧タンクは肉厚に設計する必要があり、大型化するほど材料費を始め、リークが生じないように完全な溶接を行なわないといけない箇所も増え、コストアップとなる。

また、ポンプの方もロータリー、メカニカルブースター、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ等を、高真空を得るために複数組み合わせて使用する必要があり、コストアップとなる。さらには、Ｓｉ溶解時等の高温処理に備え炉体を冷却するために、炉体側面や蓋部に冷却機能を設けている。冷却機能はタンク内部に水路を加工する場合もあれば、ジャケットタイプで炉の表面に取り付けるタイプ等があるが、現状のＳｉ溶解炉ではほとんどの炉がこの機能があり、冷却水のユーティリティの確保も含め負担となっている。
また、インゴットに引け巣や空隙が生じないようにするためには、坩堝の回転や昇降、天井ヒーターの取り付け、ヒーター位置の昇降等、様々な工夫がなされている。炉内内部を高真空に到達できるように気密性を確保しつつ、これらの機能を設けることも設備費用が高額になる要因となっていた。

参考までに、従来の抵抗加熱炉における溶解法を、炉を真上からみた断面図をもって説明する。図３は、真空炉の一例であり、シリコン溶解ルツボ１１の周囲に円筒形の耐熱性の隔壁１２を設け、その周囲にカーボン製のヒーター１３を配置したものである。この隔壁１２は、炉温より高温になり蒸気圧の高いヒーター１３から溶解するシリコンへカーボンによる汚染を防止し、溶解ルツボを均質に加熱するためのものである。
ヒーター１３の外周には、耐熱性の耐圧容器１４を配置する。これは通常、一般構造用圧延鋼（ＳＳ）やステンレス（ＳＵＳ）等を使用する。耐圧容器１４の高熱による損壊を防止し、外部への熱放射を抑制するために、耐圧容器１４の周囲又は表層付近の内部に、水冷ジャッケット又は水冷チャネル等の冷却装置１５を取り付ける。耐圧容器１４に真空ポンプ１６を結合し、配管１７から不活性ガスを導入すると同時に、耐圧容器１４内を排気する。

図４は、同様に従来の真空容器の他の例である。この場合、ヒーター１３にモリブデンやタングステンを使用した例であり、この場合は溶解するシリコンへのカーボンの汚染がないので、図３に示す隔壁１２を設ける必要がない。その分、構造が図３よりも簡単化されている。しかし、この場合、カーボンの汚染が特に問題でなければ、ヒーター１３の材料としてカーボンを使用することもある。
真空容器を使用する場合の真空度は、ポンプの種類にもよるが、ロータリーポンプを使用した場合には、酸素分圧を０．１４Ｐａ程度に、メカニカルブースターポンプを使用する場合には、酸素分圧を０．０３Ｐａ程度に、さらに油拡散ポンプを使用する場合には、酸素分圧を０．００００２Ｐａ程度にすることが可能であるが、いずれにしてもそのための高価な真空ポンプを使用しなければならないので、設備費及び維持管理費が高額にならざるを得ないという問題がある。

図５は、従来の高温用大気炉の例である。この場合、シリコンの溶解には使用されないが、被熱処理ルツボ１１の周囲に、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ_２）や炭化珪素（ＳｉＣ）のヒーター１３を使用するケースが多い。
また、炉の外壁には、セラミックファイバーボード等の断熱材が一般に使用される。セラミックファイバーボードは、非常に低熱伝導度で断熱効果が高いので、十分な肉厚をとって水冷機能が付与する必要がない時もある。炉の構造は、図３及び図４よりも構造が非常に簡単になっており、低コストが図りやすい。
しかし、当然ながら、大気に曝されているので、溶解品の酸化は抑制できない。一般には、溶解品の酸化を気にする必要がない材料又は既に酸化している材料の溶解に使用される。この場合の酸素濃度は２１％、酸素分圧は約２１,０００Ｐａに達する。

図６は、多目的な溶解炉であり、図５の大気炉を耐圧タンクで囲んだような構造になる。溶解する材料に応じて、炉内を真空ポンプ１６で吸引して真空雰囲気、ガス導入口（配管）１７から窒素やアルゴンをフローした不活性雰囲気、または水素や一酸化炭素をフローして還元雰囲気、さらには大気や酸素をフローした酸化雰囲気等の多目的な条件で使用できる。
しかし、ガス置換を行なうためには、まずは真空排気をする常識があるため、外槽には高強度の耐圧タンクが用いられる。また内部の隔壁１２はガス置換を容易にし、コンパクトなサイズにするために、図５よりに肉薄に設計される。そのため、耐圧タンクには、水冷機能が設けられており、その分炉内の構造や周囲の構造が複雑になり、高コストとなっていた。

従って、従来の抵抗加熱炉におけるシリコン溶解は、図３、図４、図６のタイプになるが、Ｓｉの酸化を防ぐために、真空ポンプで大気中の酸素は排気され、その酸素分圧はロータリーポンプで０．１４Ｐａ程度に、通常はメカニカルブースターポンプや油拡散ポンプを併用して、０．０３Ｐａ〜０．００００２Ｐａ程度まで低くした状態で、溶解が行なわれていた。一方、図５の炉では、大気のため酸素は約２１,０００Ｐａと非常に高く、とてもシリコンの溶解が行なわれるような条件ではなかった。

一方、シリコンの用途は、半導体用シリコンウエハや結晶系シリコン太陽電池の基板以外に、スパッタリングターゲットの使用も存在する。スパッタリングターゲットと使用されるシリコンの用途は、自動車用の窓ガラスの反射防止膜や、太陽電池用では太陽エネルギー変換効率のキーとなる光吸収層や、保護層が挙げられる。ここで窓ガラスの反射防止膜や太陽電池用の保護層に使用されるシリコンターゲットでは、半導体用のウエハや太陽電池で使用される多結晶シリコンのような高特性は必ずしも必要でない。
しかし、このようなターゲット分野での需要はまだ少量であるため、これまでのところ高価な単結晶や太陽電池で使用される多結晶シリコンが使用されてきた。

溶解工程における不純物増加を極力抑えることができれば、そのシリコンを十分に活用できる可能性がある。この用途においても、将来大きく成長することが期待されており、低コストで大量の多結晶シリコンが供給する必要がある。
ちなみに、スパッタリング法は薄膜を形成手段として使用されているが、これには２極直流スパッタリング法、高周波スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法など、いくつかのスパッタリング法があり、それぞれ固有のスパッタリングの性質を利用して各種電子部品の薄膜が形成されている。

このスパッタリング法は、陽極となる基板と陰極となるターゲットとを対向させ、不活性ガス雰囲気下でこれらの基板とターゲットの間に高電圧を印加して電場を発生させるものであり、この時電離した電子と不活性ガスが衝突してプラズマが形成され、このプラズマ中の陽イオンがターゲット表面に衝突してターゲット構成原子を叩きだし、この飛び出した原子が対向する基板表面に付着して膜が形成されるという原理を用いたものである。

このようなスパッタリングターゲットに、溶解シリコンターゲットが提案されているが、近年このターゲットは大型化する傾向にあり、成膜効率を高めるために、厚さが大きくかつ大型の矩形又は円盤状のターゲットが要求されている。
いずれにしても、原料となるシリコン（Ｓｉ）又はシリコン基合金を溶解する必要がある。シリコンは酸化し易い元素であり、酸素は結晶中に取り込まれると転移結晶となり、デバイス不良や変換効率の低下を招くと考えられている。
そのため従来は高真空炉中で大気成分を完全に排除した後、そのまま気密性の高い状態で不活性雰囲気に置換若しくは真空状態のまま溶解し、これを同真空炉の中で凝固させるという手法が採られていた。

このように、シリコン又はシリコンを基とする合金の溶解設備には、気密性を有する耐圧容器（炉）が必要であり、また炉中には加熱装置、冷却装置、汚染を発生しない高耐熱性及び高強度の材料からなる保持又は搬送のための各種機器、前記高圧容器に結合した高機能真空ポンプが必要であるため、溶解炉の製造コストが著しく、増産時の設備投資が高くなるという問題があった。このコストは、シリコンターゲットが大型化するにつれて、さらに大きくなるのである。

従来技術を見ると、特許文献１に、鋳型の内側底面から上方に温度勾配を付与して結晶シリコンを製造する際に、結晶化の際にシリコン融液表面に上方から不活性ガスを吹き付けて、表面にキャビティが形成される程度に揺動させる技術が記載されている。
また、特許文献２には、上記特許文献１と同様に、鋳型の内側底面から上方に温度勾配を付与して結晶シリコンを製造する際に、内管と外管からなるガス供給ランスを配置し、この２重管の間にシリコン融液の表面を覆う不活性ガスを供給すると共に、結晶化の際にシリコン融液表面に上方から不活性ガスを吹き付けて、表面にキャビティが形成される程度に揺動させる技術が記載されている。

さらに、特許文献３には、シリコン融液表面に上方から不活性ガスを吹き付けて、表面にキャビティが形成する際に、ガス供給管の先端の位置調節することが記載されている。これらの特許文献１〜３の技術に共通していることは、表面に不活性ガスを供給し、結果として融液表面を不活性ガスでシールドする構成を必須とし、酸素の存在は全く認めていないにも関わらず、酸素分圧や炉体の構造については一切触れていないことである。
鋳型の内側底面から上方に温度勾配を付与して結晶シリコンを製造する際に、結晶化の際にシリコン融液表面に上方から不活性ガスを吹き付けて、表面にキャビティが形成される程度に揺動させる技術自体が構造を複雑化させると共に、不活性ガスによるシールドが必須不可欠であることが、さらにコストの上昇を招くと考えられる。

特許文献１：特開２００１−１０８１０号公報
特許文献２：特開２００３−１３７５２５号公報
特許文献３：特開２００５−２７１０７８号公報

本願発明は、一時も高真空としない条件でシリコン又はシリコンを基とする合金を原料中の不純物をほとんど増加させることなく溶解できる低コストの炉を提供し、従来非常に高価だった溶解炉の投資を圧倒的に安く調達できるようにし、これによって、シリコン又はシリコンを基とする合金を、低コストで製造することを課題とする

上記の課題を解決するために、本発明者らは、耐圧容器を必要としない溶解装置（炉）とすること、高真空装置（ポンプ）を必要としないこと、炉体の冷却機能を持たせないこと、加熱用具（ヒーター）が汚染の原因とならない材質であること、高度の耐熱性や高強度材料を必要としないこと等を、総合的に勘案して、上記の課題を解決する装置を提供するものであり、次の発明を提供するものである。

１）シリコン又はシリコンを基とする合金原料を溶解方法であって、原料の溶解から凝固までの工程を、酸素分圧が１０〜１０００Ｐａの不活性雰囲気で処理することを特徴とするシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解方法。
２）前記酸素分圧を１０〜３００Ｐａで処理することを特徴とする１）記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解方法。
３）アルゴンガスを溶解炉内に導入し、不活性雰囲気とすることを特徴とする１）又は２）記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解方法。
４）アルゴンガスを溶解炉内に、標準状態換算で５Ｌ／分以上の流量で導入し、排出することを特徴とする１）〜３）のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解方法。

本発明は、また次の発明を提供する。
５）シリコン又はシリコンを基とする合金原料を溶解する炉であって、通電して発熱する発熱体を有し、該発熱体による原料の溶解から凝固までの工程を、酸素分圧が１０〜１０００Ｐａの不活性雰囲気で処理する構造の炉を備えていることを特徴とするシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
６）発熱体が、ＭｏＳｉ_２を主成分とするヒーターであり、シリコン又はシリコンを基とする合金を溶解するための坩堝を囲う断熱材に、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２系のセラミックファイバーで構成されるボード又はスリーブを用いることを特徴とする５）記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
７）溶解炉が、シリコン又はシリコンを基とする合金を溶解する坩堝及び該坩堝を取り囲む発熱体を備えた第一の筐体と、第一の筐体を取り囲み、外気を遮断する気密構造をもつ第二の筐体とからなることを特徴とする５）又は６）に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。

本発明は、また次の発明を提供する。
８）炉内温度を１５００°Ｃに保持した時に、第一筐体の表面温度が２５０°Ｃ以下になるように設計された断熱材で構成されることを特徴とする５）〜７）のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
９）第一筐体と第二筐体は５０ｍｍ以上のクリアランスを有するように設計し、第二筐体には冷却機能を設けないことを特徴とする５）〜８）のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
１０）前記坩堝が発熱体に対して位置を変える機能を有することを特徴とする５）〜９）のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
１１）坩堝と発熱体の位置を変える昇降機能を有するモーター等の装置を第一筐体と第二筐体の間に設置することを特徴とする５）〜１０）のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。

本発明は、また次の発明を提供する。
１２）前記溶解炉の第一筐体が上下２部屋に分割した構造を有し、上の部屋が発熱体を備えた加熱室、下の部屋が発熱体のない冷却室であることを特徴とする５）〜１１）のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
１３）アルゴンガスを、溶解炉の第一の筐体と第二の筐体のそれぞれに、標準状態換算で５Ｌ／分以上の流量で導入し、排出することを特徴とする５）〜１２）のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
１４）坩堝の材質をシリカとすることを特徴とする５）〜１３）のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。

本発明は、溶解炉の内部をアルゴン等の不活性ガス雰囲気とするが、相応の酸素分圧の存在を許容するものである。したがって、高機能の真空装置（ポンプ）を必要としない。この結果、耐圧容器を必要としない溶解装置（炉）とすることが可能であり、装置の製造コスト及び運転コストを著しく低減できる優れた効果を有する。また、溶解炉中には、特別な冷却装置を必要としないため、冷却水のユーティリティが不要になるというメリットもある。

加熱用具（ヒーター）は、ＭｏＳｉ_２から作製されたヒーターであるため、坩堝周辺に配置することによる直接輻射加熱が可能であり、効果的に熱を伝えることができる。発熱した熱の大部分は第一筐体で封じ込めるので、装置をコンパクトにできる利点がある。また、ＭｏＳｉ_２から作製されたヒーター２は高純度ＭｏＳｉ_２を使用することができ、ヒーターに含まれる不純物から発生する汚染が少なく、シリコン又はシリコンを基とする合金の不純物増加を抑制する効果がある。さらに、高純度ＭｏＳｉ_２のヒーターは耐酸化性に富む物質なので、酸素分圧が１０〜１０００Ｐａにおいて材質的にも長寿命であるという利点がある。

一方、従来のＳｉ溶解で一般に使用されているカーボンヒーターでは、１０〜１０００Ｐａの雰囲気においては容易に酸化が進むため短寿命となる。
また、融解シリコンから出たＳｉＯガスや残留酸素は炉内のカーボンヒーターと反応してＣＯやＣＯ_２が発生する。これは融解シリコン溶け込み結晶中に取り込まれて炭素濃度を高めるという短所があった。

本発明は、このような欠点を克服することが可能であり、さらに第一筐体で十分に温度降下させているうえ、真空に置換する初期排気を行なわないので、第二筐体の材質は高度の耐熱性や高強度の材料を必要としないという長所を持つものである。
酸素分圧１０００Ｐａ以下の機密性が確保されるならば、例えばＳＵＳやアルミニウムの薄板や箔、もしくはアクリルやビニールのような密度が１．５ｇ／ｃｍ^３未満で、軽量且つ安価なものを第二筐体の材料に選定して良いという、非常にコスト競争力のある製造技術を提供できる効果がある。
以上、従来に比較して著しいコスト低減の優れた効果を有する。

本願発明の溶解炉の概要を示す中心部の水平断面図である。本願発明の溶解炉の概要を示す縦断面図である。従来の抵抗加熱炉の例であり、該溶解炉を真上からみた断面図である。従来の真空溶解炉の他の例であり、該溶解炉を真上からみた断面図である。従来の高温用大気炉の例であり、該溶解炉を真上からみた断面図である。従来の多目的な溶解炉の例であり、該溶解炉を真上からみた断面図である。

本発明のシリコン又はシリコンを基とする合金溶解炉は、通電して発熱する発熱体により前記原料を加熱するものである。図１に、本願発明の溶解炉の概要を示す中心部の水平断面図を示す。上記の通り発熱体は、具体的にはＭｏＳｉ_２から作製されたヒーター２を使用する。一般には、高純度ＭｏＳｉ_２から作製されたヒーター２を使用する。
この場合、ヒーター２の発熱量をコントロールすることができ、また１４００〜１８００°Ｃ程度の高温加熱が可能であり、また急速加熱もできるという優れた利点を持つ。そして、この高純度ＭｏＳｉ_２から作製されたヒーター２を用いる場合には、ヒーター２から揮発する不純物の発生が少ないために、シリコン又はシリコンを基とする合金をほとんど汚染させることなく溶解してインゴットを作製できるという優れた効果を有する。

本発明においては、溶解炉の酸素分圧を１０〜１０００Ｐａの不活性雰囲気で溶解するものであるが、この程度の酸素量では、ＭｏＳｉ_２から作製されたヒーター２が損傷を受けることがない。むしろ若干の酸素の存在は、ＭｏＳｉ_２から作製されたヒーター２の劣化を抑制する作用を行う。
一般に使用されているカーボンやタングステン等の高融点金属のヒーターに比べ、高純度ＭｏＳｉ_２から作製されたヒーター２は高価である。しかしながら、カーボンや高融点金属のヒーターは、すぐ酸化するため短寿命であり、ヒーターの破壊は汚染を誘発すること、さらに交換等のメインテナンスを考慮すると、高純度ＭｏＳｉ_２から作製されたヒーターは、最終的にはコスト低減となるメリットが存在する。

溶解炉は、アルゴンガスにより不活性雰囲気とする。一般に、シリコン又はシリコンを基とする合金は酸化する特性があるうえ高純度の要求が高いため、少なくとも初期は０．００００２〜０．１Ｐａ程度の高真空に置換し、また溶解中は真空又は不活性雰囲気で酸素分圧は０．０１〜０．１Ｐａ程度で処理しなければならないという既成概念があった。しかし、酸素分圧が従来に比べて３〜４桁高い１０〜１０００Ｐａの不活性雰囲気で溶解を行なったところ、融解シリコンの極表面が酸化する程度で、それ以上の酸化が進行しないということが分かった。また、融解時に酸化した部分は表面に移動するため、内部のシリコンインゴットの酸素増加は非常に少なかった。

この事実の認識は重要である。従来は気が付いていなかったのであるが、この点が本願発明を達成することが可能となった基本と言えるものである。
本発明の溶解炉は、シリコン又はシリコンを基とする合金を溶解する坩堝１及び該坩堝を取り囲む発熱体２を備えた第一の筐体３と、第一の筐体を取り囲み、外気を遮断する気密構造をもつ第二の筐体４とから構成することができる。二重構造の筐体は、外気を遮断する機能も持つ。
そもそも、溶解炉自体が、従来のような耐圧製の容器から作製する必要はないので、この筐体はそれ程の強度を有していないのであるが、二重構造とすることが、外気の巻き込みを低減し、第一筐体３の酸素分圧を低いレベルで安定し維持する効果を、大きく向上させることができる。

二重構造の筐体とした場合には、通常、第一の筐体３の外壁温度が既に２５０°Ｃ以下となるので、冷却装置は不要となる。したがって、第二の筐体４は主として密閉し、酸素分圧を低く保つ役割を果たす材料を用いて作製することが可能である。
また、前記アルゴンガスを溶解炉の第一の筐体３と第二の筐体４のそれぞれに、配管５を介して、標準状態換算で５Ｌ／分以上の流量で導入し、排出することができる。
より好ましくは、アルゴン流量を個別に調整して第一筐体３、第二筐体４、第二筐体４の外側（大気）の順に陽圧にすれば、エアの巻き込みが少なく炉内の酸素分圧を低く維持できるため、得られるインゴットの含有酸素量を減らせる効果がある。

第一の筐体と第二の筐体にガスを導入する配管は、炉体のサイズに合わせて複数箇所に設置しても良い。表１に溶解坩堝周辺の酸素濃度測定結果を示す。二重構造の筐体にして、第一の筐体と第二の筐体にそれぞれアルゴンガス（Ａｒ）を導入した場合の酸素濃度の変化は、０時間では酸素濃度が大気中と同じ２１．０％（酸素分圧約２１０００Ｐａ）、１０分で２．８％（酸素分圧２８４０Ｐａ）、３０分で０．２％（酸素分圧２０３Ｐａ）と目的の酸素分圧に下げることができ、また６０分で０．１％（酸素分圧１０１Ｐａ）、以下１８０分でも同様に０．１％でコントロールすることができた。

一方、図５で示す大気炉で、アルゴンガスを５Ｌ／分で導入した場合の酸素濃度は、３０分では１６．１％（酸素分圧１６３１０Ｐａ）と下がる速度が遅く、また１８０分経過後も１２．３％（酸素分圧１２４６０Ｐａ）で頭打ちとなった。従来の炉では炉内に不活性ガスを導入してもエアの巻き込みが生じ、１０００Ｐａ以下には到底制御できなかった。

さらに、本発明の溶解炉は、前記坩堝１が発熱体２に対して位置を変える機能を持たせることが可能である。本例の縦断面図を第２図に示す。例えば、前記溶解炉を上下２部屋に分割した構造とし、上の部屋が発熱体を備えた加熱室６、下の部屋が発熱体のない冷却室７とすることにより、坩堝の位置を移動させるだけという単純な機能で溶解と冷却を行うことが可能である。この場合、第一の筐体３は上下に配置する。るつぼ１、配管５、ヒーター２、第二筐体４は、図１と同様である。上下に昇降できる機能（図２における昇降装置８を設けることで、一方向凝固が可能となり、引け巣や空隙が残量しないインゴットが作製可能となる。

坩堝１の材質には通常シリカを使用するのが好ましい。この場合は本溶解炉ではカーボン系の材料が一切使用されていないことになり、シリコンインゴット中の炭素濃度は従来の溶解炉よりも低減できる効果がある。
シリコン溶解した場合の、溶解前の原料の酸素含有量及び炭素含有量と、酸素分圧を変化させてシリコンを溶解した場合の、シリコンインゴットの酸素含有量及び炭素含有量の変化を表２に示す。この表２に示すように、酸素含有量は酸素分圧によってインゴットの酸素の増加を抑制することが可能である。一方、炭素含有量は、原料時の炭素含有量と溶解後に変化がないことが分かる。

本願発明は、上記の通り、或る程度の気密性を保持できれば良いので、耐熱性や高強度が要求されない安価な材料を選択できるという、圧倒的に低コストの溶解設備を構成することができるというメリットを有する。
そして、本願発明は大型化が容易である。従来の大型化においては、炉内を高真空にした場合の圧力に耐えるために、さらに厚肉に設計する必要があり高コストであり、また誘導加熱の場合はコイルとなるヒーターを大型化するにも高コストとなっていた。本発明は、設備投資額をケタ違いに下げられる効果がある。

次に、本発明の二重構造の筐体とした場合の具体例について説明する。
溶解炉の炉体を、一重（筐体）構造とした場合、アルゴンガスのフローで長時間置換しても、炉体内部全体を置換することになるため、炉体周辺の残存酸素を巻き込む虞が多分にあった。この結果、酸素分圧は１０００Ｐａ以下とすることが難しいという問題があった。この場合は、Ｓｉ中の酸素量は８００ｐｐｍを超え、Ｓｉ中の酸素低減という目標を得ることが難しかった。

これを改善するため、溶解炉の炉体を２重構造とした。インナー槽（第一の筐体３）、アウター槽（第二の筐体４）に、それぞれ配管５を介してアルゴンを流すことにより、坩堝１周辺の酸素分圧は大幅に低減した。第一の筐体と第二の筐体はそれぞれ外気を遮断する気密構造をもつものであるが、大気の巻き込みがない状態を維持できれば良く、アルゴンを導入しているので、真空容器ほどの気密性を有する必要がないことは容易に理解できるであろう。

従来技術のように耐圧容器内を真空ポンプで真空にしてからアルゴンに置換するわけではないので、本願発明での酸素分圧は１０Ｐａが下限であった。
酸素分圧３００〜７００Ｐａでシリコンを溶解した場合、インゴット中の酸素は１４０ｐｐｍ、また酸素分圧１０〜３００Ｐａでシリコンを溶解した場合は７０ｐｐｍとなった。このように、シリコン中の酸素低減効果が確認できた。

また、炉内温度を１５００°Ｃに保持した時に、第一筐体の表面温度が２５０°Ｃ以下になるように設計された断熱材で構成する。また、第一筐体と第二筐体は５０ｍｍ以上のクリアランスを確保できるように設計するものである。このような二重構造は、結果として第二筐体には冷却機能を設ける必要がなくなることも、当業者ならば容易に理解できるであろう。

このようなシリコンインゴットはスパッタリングターゲットとしてのスペックを十分に満たす。さらに酸素分圧が常に低圧になるように制御すれば、結晶系シリコン太陽電池用としても適用できる見込みがある。また、シリカ（ＳｉＯ_２）質坩堝を用いることにより、炭素不純物の増加は全く認められなかった。

本発明は、溶解炉の内部をアルゴン等の不活性ガス雰囲気とし、相応の酸素分圧の存在を許容するものであり、高機能の真空装置（ポンプ）を必要としない。この結果、耐圧容器を必要としない溶解装置（炉）とすることが可能であり、装置の製造コスト及び運転コストを著しく低減できる優れた効果を有する。
また、溶解炉中には、特別な冷却装置を必要としないというメリットもある。また、加熱用具（ヒーター）は、ＭｏＳｉ_２から作製されたヒーターであるため、坩堝周辺に配置することによる直接加熱が可能であり、炉全体を加熱する必要がないという利点がある。また、ＭｏＳｉ_２から作製されたヒーターは高純度ＭｏＳｉ_２を使用することができ、ヒーターから揮発する不純物の発生が少ないために、シリコン又はシリコンを基とする合金をほとんど汚染させることなく溶解してインゴットを作製できるという効果がある。

さらに、ＭｏＳｉ_２をヒーターは耐酸化性に富む物質なので、材質的にも長寿命であるという利点がある。さらに、坩堝の周囲に配置したＭｏＳｉ_２から作製されたヒーターによる加熱方法で伝熱効率が良く、また第一筐体で十分に温度降下させているうえ、真空に置換する初期排気を行なわないので第二筐体の材質は高度の耐熱性や高強度の材料機器を必要としないという、コスト低減効果がある。
したがって、大型化するシリコン又はシリコンを基とする合金材料を、著しく低コストで製造できるので、産業上極めて有用である。

【００１４】
ット中の炭素濃度は従来の溶解炉よりも低減できる効果がある。
シリコン溶解した場合の、溶解前の原料の酸素含有量及び炭素含有量と、酸素分圧を変化させてシリコンを溶解した場合の、シリコンインゴットの酸素含有量及び炭素含有量の変化を表２に示す。この表２に示すように、酸素含有量は酸素分圧によってインゴットの酸素の増加を抑制することが可能である。一方、炭素含有量は、原料時の炭素含有量と溶解後に変化がないことが分かる。
［００４０］
［表２］
［００４１］
本願発明は、上記の通り、或る程度の気密性を保持できれば良いので、耐熱性や高強度が要求されない安価な材料を選択できるという、圧倒的に低コストの溶解設備を構成することができるというメリットを有する。
そして、本願発明は大型化が容易である。従来の大型化においては、炉内を高真空にした場合の圧力に耐えるために、さらに厚肉に設計する必要があり高コストであり、また誘導加熱の場合はコイルとなるヒーターを大型化するにも高コストとなっていた。本発明は、設備投資額をケタ違いに下げられる効果がある。
［００４２］
次に、本発明の二重構造の筐体とした場合の具体例について説明する。

Claims

シリコン又はシリコンを基とする合金原料を溶解方法であって、原料の溶解から凝固までの工程を、酸素分圧が１０〜１０００Ｐａの不活性雰囲気で処理することを特徴とするシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解方法。
前記酸素分圧を１０〜３００Ｐａで処理することを特徴とする請求項１記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解方法。
アルゴンガスを溶解炉内に導入し、不活性雰囲気とすることを特徴とする請求項１又は２記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解方法。
アルゴンガスを溶解炉内に、標準状態換算で５Ｌ／分以上の流量で導入し、排出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解方法。
シリコン又はシリコンを基とする合金原料を溶解する炉であって、通電して発熱する発熱体を有し、該発熱体による原料の溶解から凝固までの工程を、酸素分圧が１０〜１０００Ｐａの不活性雰囲気で処理する構造の炉を備えていることを特徴とするシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
発熱体が、ＭｏＳｉ_２を主成分とするヒーターであり、シリコン又はシリコンを基とする合金を溶解するための坩堝を囲う断熱材に、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２系のセラミックファイバーで構成されるボード又はスリーブを用いることを特徴とする請求項５記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
溶解炉が、シリコン又はシリコンを基とする合金を溶解する坩堝及び該坩堝を取り囲む発熱体を備えた第一の筐体と、第一の筐体を取り囲み、外気を遮断する気密構造をもつ第二の筐体とからなることを特徴とする請求項５又は６に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
炉内温度を１５００°Ｃに保持した時に、第一筐体の表面温度が２５０°Ｃ以下になるように設計された断熱材で構成されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
第一筐体と第二筐体は５０ｍｍ以上のクリアランスを有するように設計し、第二筐体には冷却機能を設けないことを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
前記坩堝が発熱体に対して位置を変える機能を有することを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
坩堝と発熱体の位置を変える昇降機能を有するモーター等の装置を第一筐体と第二筐体の間に設置することを特徴とする請求項５〜１０のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
前記溶解炉の第一筐体が上下２部屋に分割した構造を有し、上の部屋が発熱体を備えた加熱室、下の部屋が発熱体のない冷却室であることを特徴とする請求項５〜１１のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
アルゴンガスを、溶解炉の第一の筐体と第二の筐体のそれぞれに、標準状態換算で５Ｌ／分以上の流量で導入し、排出することを特徴とする請求項５〜１２のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。
坩堝の材質をシリカとすることを特徴とする請求項５〜１３のいずれか一項に記載のシリコン又はシリコンを基とする合金の溶解炉。