WO2006088037A1 - シリコン鋳造装置およびシリコン基板の製造方法 - Google Patents

シリコン鋳造装置およびシリコン基板の製造方法 Download PDF

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WO2006088037A1
WO2006088037A1 PCT/JP2006/302604 JP2006302604W WO2006088037A1 WO 2006088037 A1 WO2006088037 A1 WO 2006088037A1 JP 2006302604 W JP2006302604 W JP 2006302604W WO 2006088037 A1 WO2006088037 A1 WO 2006088037A1
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silicon
heating
cooling
forging
heating means
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PCT/JP2006/302604
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kyojiro Kaneko
Original Assignee
Sumco Solar Corporation
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon

Definitions

  • the present invention applies an electromagnetic forging technique using a conductive copper crucible (hereinafter referred to as a “cooling crucible”) that is divided in the circumferential direction and cooled by water, and is used in a silicon solar cell substrate.
  • the present invention relates to a silicon forging apparatus for manufacturing a crystal ingot and a method for manufacturing a silicon substrate using the same.
  • a cooling crucible made of high-conductivity copper is arranged in a crucible shape so as to melt and hold a metal material.
  • the induction coil is arranged so as to surround the cooling crucible.
  • the electromagnetic forging method has been conventionally applied to the forging of silicon.
  • the inner shape of the cooling crucible is based on the lower end position of the induction coil.
  • the shape of the lower part is given to eliminate contamination due to contact wear of the silicon to be fabricated and failure of the electrical system due to electrical contact.
  • Japanese Patent No. 2657240 discloses a silicon forging apparatus in which a heating means is installed below a cooling crucible along a pulling path of solidified silicon.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an overall configuration for producing a polycrystalline silicon ingot by electromagnetic forging.
  • the chamber 1 is a water-cooled closed container with a double wall structure so as to protect the heat generation power inside, and is connected to the raw material charging device 10 partitioned by the sealing means 2 at the top, and at the bottom. It has a drawer port 3 for extracting the ingot.
  • the chamber 11 is provided with an inert gas inlet 4 on the upper side wall and a vacuum suction port 5 on the lower side wall.
  • a cooling crucible 6, an induction coil 7, and a heating furnace 8 are provided in the center of the chamber 11 as electromagnetic forging means.
  • the cooling crucible 6 is a copper water-cooled cylinder, and is divided into a plurality of parts in the circumferential direction, leaving the upper part.
  • the induction coil 7 is concentrically provided on the outer peripheral side of the cooling crucible 6 and is connected to a power source by a coaxial cable not shown.
  • the heating furnace 8 is concentrically connected below the cooling crucible 6 and heats the solidified ingot 12 pulled down from the cooling crucible 6 to give a predetermined temperature gradient in the axial direction thereof.
  • a raw material charging device 10 is provided below the sealing means 2 provided in the chamber 1, and the granular and lump silicon material 9 charged in the raw material charging device 10 is contained in the cooling crucible 6. It is supplied to silicon 11!
  • An auxiliary heater 13 made of graphite is provided directly above the cooling crucible 6 so as to be able to be raised and lowered, and is inserted into the cooling crucible 6 in a lowered state.
  • a drawing device 14 that pulls downward while supporting the silicon ingot 12. Further, an ingot cutting means (not shown) is provided below the outlet port 3 and outside the chamber 11, and the silicon ingot 12 drawn out of the chamber 1 is appropriately cut to a predetermined length. Is done.
  • the shape of the molten silicon at the solid-liquid interface is It is desirable to make it as flat as possible.
  • the shape of the solid-liquid interface is affected by the cooling conditions of the solidifying silicon ingot, so that the heat transfer in the system in which solidification progresses and the solid exists, and the liquid and solid It is determined by the heating and cooling conditions experienced through those surfaces.
  • the heating means installed for gradually cooling the silicon ingot is provided with means for suppressing heat transfer along the pulling direction of the silicon ingot. Not. For this reason, there is heat transfer from the upper heating means connected to the lower part of the water-cooled crucible to the lower heating means.
  • the heat retaining effect of the solidified silicon ingot can be enhanced by the heating means installed to gradually cool the silicon ingot, but when the forging speed is increased, In the upper heating means, there is no means to suppress the heat transfer downward due to the heat generated by receiving the surface force of the solidified silicon. Therefore, heat transfer is performed to the heating means adjacent to the lower part, and the lower heating means It becomes hot.
  • the temperature gradient set for cooling the solidified silicon ingot disappears, and the shape at the solid-liquid interface of the molten silicon becomes a semi-spherical shape or a conical shape protruding excessively downward.
  • the center of the silicon melt portion becomes deeper.
  • the center of the silicon melt portion becomes deeper when the forging speed is increased, and the forging state becomes unstable. Therefore, the silicon ingot after solidification has large residual strain and residual stress. Become. Furthermore, if the depth of the center part of the silicon melt part increases in this way In the extreme case, the shape of the solid-liquid interface is lost, and in extreme cases, the solidified side of the ingot is locally destroyed below the bottom of the crucible so that molten silicon is discharged (hot water leakage). May occur.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • the present invention reduces residual strain and residual stress existing in the silicon ingot and increases production.
  • An object of the present invention is to provide a silicon fabrication apparatus capable of producing a silicon ingot with good performance, and a method for producing a silicon substrate having excellent photoelectric conversion efficiency for solar cells.
  • an electromagnetic cooling crucible in which at least a part of the axial direction is divided into a plurality of parts in the circumferential direction and an induction coil surrounding the cooling crucible are provided, and an electromagnetic In the silicon manufacturing apparatus for lowering and solidifying the molten silicon by induction, heating means and cooling means for the solidified silicon are alternately arranged below the cooling crucible and concentrically. Yes.
  • the heating means is composed of a multi-stage heating furnace, and the heating furnace is composed of a refractory, or the cooling means is composed of multiple stages and has a cooling pipe structure that distributes cooling water. It is desirable to be.
  • an electromagnetic cooling crucible in which at least a part in the axial direction is divided into a plurality of parts in the circumferential direction and an induction coil surrounding the cooling crucible are provided.
  • the heating means is composed of a multi-stage heat shield furnace, and the heat shield furnace is configured by arranging a shielding plate that shields heat transfer, or the heat insulation means is a refractory. It is desirable to be configured and / or to be configured by a space that forms a gap between heating means and to be arranged in multiple stages.
  • a silicon substrate for a solar cell is obtained by cutting out from the silicon ingot. It is characterized by
  • the silicon forging apparatus of the present invention when silicon is produced by electromagnetic induction, a temperature gradient along the pulling direction of the silicon ring can be effectively applied, so that the shape of the molten silicon at the solid-liquid interface is stabilized. It is possible to forge silicon ingots with reduced residual strain and residual stress, and at the same time increase the forging speed and improve the productivity per forging device. become.
  • a silicon substrate for a solar cell excellent in photoelectric conversion efficiency can be obtained by cutting out from the silicon ingot with reduced residual strain and residual stress.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an overall configuration for producing a polycrystalline silicon ingot by electromagnetic forging.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a configuration of a partial cross section of a main part (such as a cooling crucible and a ripening means) of the silicon forging apparatus employed in the first embodiment.
  • a main part such as a cooling crucible and a ripening means
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a configuration of a partial cross section of a main part (such as a cooling crucible and a heating unit) of the silicon forging apparatus employed in the second embodiment.
  • a main part such as a cooling crucible and a heating unit
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a configuration of a partial cross section of a main part (such as a cooling crucible and a heating unit) of the silicon forging apparatus employed in the third embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating the configuration of a partial cross section of the main part (cooling crucible and heating means) of the silicon forging apparatus employed in the comparative example.
  • FIG. 6 is a diagram showing the temperature distribution in the heating means of the silicon forging apparatus used in Examples 1 to 3 and the comparative example.
  • the silicon forging apparatus of the present invention since molten silicon is forged by electromagnetic induction, at least a part in the axial direction is divided into a plurality of parts in the circumferential direction in a chamber that is a sealed container whose internal pressure can be controlled. It is assumed that an electrically conductive cooling crucible is installed, an induction coil is provided so as to surround the cooling crucible, and silicon melted by electromagnetic induction is pulled down and solidified.
  • a heating means and cooling means for the solidified silicon are provided below and in the same core below the cooling crucible containing silicon melted by electromagnetic induction. It is characterized by being arranged alternately.
  • the shape at the solid-liquid interface of the molten silicon can be made stable and flat, a silicon ingot with reduced residual strain and residual stress can be produced, and the solidification rate of the ingot can be increased.
  • a heating means for the solidified silicon below the cooling crucible containing the silicon melted by electromagnetic induction and the same core is characterized by alternately arranging heat insulation means for shielding the heat transfer.
  • the heat insulating means is provided between the upper heating means and the lower heating means. Therefore, heat transfer from the upper heating means to the lower heating means is suppressed, and the set temperature of the lower heating means does not rise abnormally.
  • the heating means in the silicon forging apparatus of the present invention may be any one of a heating furnace composed of a refractory and a heat shielding furnace provided with a heat shielding plate, as shown in the examples described later. .
  • the heat shield furnace is excellent in response to temperature changes, so it is better than a heating furnace made of refractory.
  • each heating means to independently control the output, and as a heating element, a commonly used method such as a resistance heating method or a high-frequency heating method is adopted. Can do.
  • a resistance heating method As the material for the heating element, it is desirable to use a resistance heater made of graphite from the viewpoint of heat resistance and cost.
  • cooling means in the silicon forging apparatus of the present invention a cooling pipe system in which heat transfer from the upper heating means to the lower heating means is suppressed and water or gas is circulated as a refrigerant in the pipe is used.
  • a cooling pipe system in which heat transfer from the upper heating means to the lower heating means is suppressed and water or gas is circulated as a refrigerant in the pipe is used.
  • it is more convenient, but is not limited to this, and it is commonly used as another cooling means.
  • the heat insulating means in the silicon forging apparatus of the present invention is a metal (stainless, molybdenum, etc.) that is excellent in heat resistance as long as it exhibits a function of suppressing heat transfer from the upper heating means to the lower heating means. It is desirable to cover the surface with a refractory material of silica or alumina that it is desirable to construct. Furthermore, the silicon forging apparatus of the present invention may be configured by a space that forms a gap between heating means as a heat insulating means.
  • the number of installed heating means, cooling means, and heat insulating means (number of stages) in the silicon forging apparatus of the present invention is appropriately selected according to the size of the apparatus to be used and the size of the target silicon ingot. .
  • the method for producing a silicon substrate of the present invention is characterized in that after a polycrystalline silicon ingot is grown by the above-described silicon forging apparatus, it is cut out from the silicon ingot to obtain a silicon substrate for a solar cell. By cutting out from the silicon ingot with reduced residual strain and residual stress, a solar cell silicon substrate having excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained.
  • a multi-wire saw or multi-blade saw that is conventionally used as a means for cutting a silicon substrate for a solar cell from a silicon ingot can be used.
  • the thickness of the silicon substrate is preferably about 100-450 ⁇ m from the viewpoint of substrate strength and photoelectric conversion efficiency!
  • At least a part of the axial direction is circumferential in the chamber 11 that constitutes a sealed container whose internal pressure can be controlled.
  • a conductive cooling crucible 6 divided into a plurality of parts is installed, an induction coil 7 is provided so as to surround the cooling crucible 6, and a forging device for pulling down and solidifying molten silicon by electromagnetic induction is provided. Then, silicon electromagnetic fabrication was performed according to the following Examples 1 to 3 and Comparative Example.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a configuration of a partial cross section of a main part (such as a cooling crucible and a heating unit) of the silicon forging apparatus employed in the first embodiment.
  • the cooling crucible 6 and the induction coil 7 surrounding the cooling crucible 6 are installed, and the direct force of the cooling crucible 6 is 1 to 8 stages of heating means 15 and 1 to 8 stages along the pulling direction of the solidified silicon 12.
  • the cooling means 17 were alternately installed.
  • FIG. 2 detailed illustrations such as taking in and out cooling water from the cooling crucible and cooling means, connecting the induction power source and the induction coil, attaching the heating means and cooling means, attaching the heating element and electrical connection are omitted. did. The same applies to FIGS. 3 to 5 described later.
  • the cross-sectional shape of the silicon ingot 12 can be a circle, a square, or a rectangle.
  • a square is common.
  • the cross-sectional shape was a square, and the length of one side was 16 cm. That is, the inner dimension of the cross section perpendicular to the pulling direction of the cooling crucible 6 was 16 cm at the position where the solidification of the molten silicon 11 started.
  • a heating furnace having a height of 16 cm was installed as the first heating means 15 immediately below the cooling crucible 6.
  • the heating furnace was framed using stainless steel, and the furnace body was composed of a silica-alumina refractory.
  • a heating element 16 made of graphite with a height of 9 cm and a thickness of 0.7 cm as the heat source it is placed at the center of the heating furnace height and facing the side of the solidified ingot 12 did.
  • the upper and lower sides of the heating element 16 are covered with a 1.5 cm thick silica-alumina refractory.
  • the inner dimension of the first heating furnace is 19 cm, and the four sides of the silicon ingot 12 are Enclosed 5cm apart.
  • the heating element 16 is configured to have a maximum output of 3 kW when energized and to generate heat of 12 kW with a total output of the four sides.
  • the cooling means 17 is a rectangular cylinder having a height of 4 cm, an inner dimension of 19 cm, and an outer dimension of 29 cm using a copper plate having a thickness of 0.2 cm so as to surround the silicon ingot 12. This cooling means 17 is connected to the cooling water supply pipe at the cooling water inlet / outlet and circulates the cooling water.
  • the second stage heating means 15 is composed of a heating furnace having the same structural force as the first stage heating means 15. Further, a second-stage cooling means 17 is disposed adjacent to the second-stage heating means.
  • the second-stage cooling means 17 was fabricated with a rectangular tube-shaped cooling pipe structure having the same structural force as the first-stage cooling means 17.
  • the heating means 15 and the cooling means 17 on and after the second stage are configured in the same manner as described above, and the heating means 15 and the cooling means 17 are alternately arranged so that each has a total of eight stages.
  • the maximum output is 1 kW
  • the maximum heating value of the heating furnace per stage is 4 kW in total for the four sides of the silicon ingot 12.
  • Example 1 the silicon forging apparatus having the above-described apparatus configuration force was used. First, a graphite pedestal having a side of a cross section of 16 cm perpendicular to the pulling direction was formed, and the upper surface thereof was an induction coil. A downward force was also inserted into the cooling crucible 6 so as to be the same as the lower end position of 7. A silicon mass of 6. Okg was charged on the pedestal.
  • a graphite auxiliary heater 13 having a square cross section, 14cm on one side, and 5cm in height is inserted 2cm above the charged silicon lump. did. After reducing the pressure inside the chamber 11 to 0.1 Torr with a vacuum pump, argon gas was introduced to atmospheric pressure, and an alternating current with a frequency of 20 kHz was applied to the induction coil 7 to an output of 250 kW.
  • the auxiliary heater 1 inserted above the silicon lump 1 3 heats up due to induction heat generation and turns red, and the charged silicon mass is heated by the radiant heat of the auxiliary heater 13. After that, when the temperature of the charged silicon mass reached about 600 ° C, the electrical resistance value of the silicon mass, which is a semiconductor, decreased, the induced current in the silicon mass increased, and self-heating started.
  • the auxiliary heater 13 made of graphite was also pulled up by pulling the cooling crucible 6 force upward.
  • the silicon mass that has started self-heating is further heated, completely melted, and becomes molten silicon 11.
  • the molten silicon 11 in the cooling crucible 6 is accommodated in a non-contact state with the cooling crucible 6 because the side surface facing the inner wall of the cooling crucible 6 is separated by receiving electromagnetic force.
  • the melting of silicon is started by the above procedure, and the heating of the first to eighth heating furnaces installed below the cooling crucible 6 is also started.
  • the cooling water is circulated through the cooling means 17.
  • the temperature settings for the 1st to 8th heating furnaces are set to 1250 ° C for the 1st heating furnace and 120 ° C lower for the heating furnaces below each 1st stage than for the heating furnaces above the 1st stage.
  • the lowermost 8th heating furnace was set at 410 ° C.
  • the temperature of each heating furnace was measured by a thermocouple placed at the midpoint between the side surface of the silicon ingot 12 and the heating element 16 at the center position in the height direction of each heating furnace.
  • the granular silicon is continuously charged into the cooling crucible 6 from the raw material supply device 10 located above.
  • the forging was started by lowering the graphite pedestal holding the molten silicon 11, and the forging was stopped when the total length of the silicon ingot 12 reached 200 cm.
  • the forging rate was 2. Omm per minute.
  • the power requirements for temperature control of each furnace were about 10kW for the first stage furnace, about 7kW for the second stage furnace, and the third stage.
  • the following heating furnaces consumed 1-3 kW.
  • the power requirements of each heating furnace decreased. In other words, it was stable at about 4 kW for the first stage furnace, about 3 kW for the second stage furnace, and 1 to 2 kW for the third stage and below.
  • 5 liters of cooling water was circulated through the cooling means 17 in the first to eighth stages, but the difference between the inlet temperature and the outlet temperature of the cooling water was 2 ° C in the first cooling means 17. In the other cooling stage 17, the temperature was 1 ° C or less.
  • a polycrystalline silicon substrate was cut out.
  • the polycrystalline silicon substrate had a square shape with a side of 12.5 cm and a thickness of 0.35 mm.
  • 100 silicon substrates were evenly extracted from the entire length of the silicon ingot fabricated according to Example 1 to produce a substrate for a solar cell.
  • solar cells were manufactured from each silicon substrate using hydrogen nose passivation technology. The average value of photoelectric conversion efficiency of the solar cell manufactured in Example 1 was 14.8%.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a configuration of a partial cross section of a main part (such as a cooling crucible and a heating unit) of the silicon forging apparatus employed in the second embodiment.
  • a main part such as a cooling crucible and a heating unit
  • Example 2 the cooling crucible 6 and the induction coil 7 surrounding the cooling crucible 6 were installed, and the heating means 15 and the heat insulating means 18 were alternately installed directly below the cooling crucible 6 along the pulling direction of the solidified silicon 12.
  • Example 2 the cross-sectional shape of the silicon ingot 12 was a square, and the length of one side thereof was 22 cm.
  • a first-stage heat insulating means 18 made of an alumina material having a thickness of 2 cm was installed between the cooling crucible 6 and the first-stage heating means 15.
  • a heat shield furnace having a height of 18 cm was arranged, and a plurality of metal heat shield plates 19 were arranged.
  • a graphite heating element 16 having a height of 15 cm and a thickness of 0.7 cm is used as a heat source, and is set between the side surface of the silicon ingot 12 and the heat shield plate 19.
  • the heat shielding plate 19 used for the heating means 15 in the first stage is a metal plate having a thickness of 1.5 mm, and a total of ten metal plates are arranged at intervals of 1 cm.
  • the innermost metal plate adjacent to the heating element 16 was made of molybdenum, and the other metal plates were made of stainless steel.
  • the heating element 16 of the heating means in the first stage has a maximum heat generation amount of 20 kW due to energization.
  • the second-stage heat insulation means 18 is the same size using the same material as the first-stage heat insulation means 18 and has a thickness of 2
  • the inner dimension surrounding the silicon ingot 12 was 25 cm, and the width was 17 cm.
  • the width of the heat insulating means 18 was the same as that of the heat shielding furnace adjacent to the top and bottom.
  • Example 2 in the configuration of the silicon forging apparatus described above, the maximum heat generation amount in the second-stage heat shielding furnace was 10 kW, and the maximum heat generation amount in the third-stage and subsequent heat-shielding furnaces was 5 kW. .
  • the number of heat shield plates 19 to be arranged is 10 in the 1st to 3rd stage heat shield furnace, 7 in the 4th to 6th stage heat shield furnace, and 4 in the 7th to 8th stage heat shield furnace. It was.
  • silicon was forged using the silicon forging apparatus having the above-described apparatus configuration.
  • the procedure for melting the initially loaded silicon mass was the same as in Example 1, with the size of the graphite pedestal holding the molten silicon 11 being 22 cm on a side and charging the cooling crucible 6 to the initial stage. 11 kg of silicon mass to be charged was charged. Further, a graphite auxiliary heater 13 having a square cross-sectional shape and a side of 20 cm was placed on the top surface of the charged silicon lump.
  • the temperature of the heat shield furnace is set to 1260 ° C in the first heating furnace, and 110 ° C lower than the heating furnace in the upper stage in each lower heating furnace. In the lower 8th heating furnace, the temperature was 490 ° C. As in the case of Example 1, the temperature measurement in each heat shielding furnace was performed with a thermocouple disposed at the midpoint between the side surface of the silicon ingot 12 and the heating element 16.
  • the power requirement for temperature control of each heat shield furnace is about 18kW for the first stage heat shield furnace, about 10kW for the second stage heat shield furnace, and three stages. In subsequent heat shield furnaces, 1-5kW was consumed. However, over time, the silicon ingot 12 is 1 ⁇ If it becomes longer than the entire length of the heat shield furnace up to the 8th stage, the power requirement of each heat shield furnace decreases, about 7kW for the 1st stage heat shield furnace, about 4kW for the 2nd stage heat shield furnace, In the heat shield furnace below the third stage, it became stable at l ⁇ 2kW.
  • the obtained silicon ingot 12 was cut with a wire saw to cut out a polycrystalline silicon substrate for manufacturing a solar cell substrate.
  • a polycrystalline silicon substrate having a side of 10 cm and a thickness of 0.35 mm was cut out.
  • the silicon ingot produced in Example 2 was also pulled out of 100 silicon substrates with the same total length force to produce a solar cell substrate.
  • Example 2 As in the case of Example 1, in the solar cell manufacturing process, solar cells were manufactured using respective silicon substrates using hydrogen passivation technology. The average value of the photoelectric conversion efficiency of the solar cell manufactured in Example 2 was 14.8%.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a configuration of a partial cross section of a main part (such as a cooling crucible and a heating unit) of the silicon forging apparatus employed in the third embodiment.
  • a main part such as a cooling crucible and a heating unit
  • the cooling crucible 6 and the induction coil 7 surrounding the cooling crucible 6 are installed, and the heating means 15, the heat insulating means 18, and the space as the heat insulating means are arranged directly below the cooling crucible 6 along the pulling direction of the solidified silicon 12. 20 were installed alternately.
  • Example 3 the cross-sectional shape of the silicon ingot 12 was a square, and the length of one side thereof was 22 cm.
  • a first-stage heat insulating means 18 made of an alumina material having a thickness of 2 cm was installed between the cooling crucible 6 and the first-stage heating means 15.
  • a heat shield furnace having a height of 18 cm was arranged, and a plurality of metal heat shield plates 19 were arranged.
  • a graphite heating element 16 with a height of 15 cm and a thickness of 0.7 cm was used as a heat source, and was placed between the heat shield plate 19 and the other heat shield plate 19 installed so as to face the side of the silicon ingot 12. installed.
  • the heat shielding plate 19 used for the first heating means 15 is a metal plate having a thickness of 1.5 mm, and is arranged with a total of 10 metal plates arranged at intervals of 1 cm, and silicon. One metal plate was installed between the ingot 12 and the heating element 16. As a result, a total of 11 heat shield plates 19 were used. Metal plate installed between silicon ingot 12 and heating element 16 and heat generation The inner metal plate close to the body 16 was made of molybdenum, and the other metal plates were made of stainless steel. In addition, the heating element 16 of the heating means in the first stage has a maximum calorific value of 20 kW when energized.
  • a space 20 was provided as a second stage heat insulation means.
  • the space 20 as the second-stage heat insulation means is configured such that the first-stage heating means 15 and the second-stage heating means 15 are separated by 1.5 cm.
  • the heating means 15 and the space 20 as the heat insulation means are alternately installed along the pulling direction, so that the heat shielding furnace of 1 to 8 stages, the heat insulation means of the first stage 18 And a space 20 was installed as a means of heat insulation with 1 to 7 steps.
  • Example 3 in the configuration of the silicon forging apparatus described above, the maximum heat generation amount in the second-stage heat shielding furnace was 10 kW, and the maximum heat generation amount in the third-stage and subsequent heat-shielding furnaces was 5 kW. .
  • the number of heat shield plates 19 to be arranged is 11 in the 1st to 3rd stage heat shield furnace, 8 in the 4th to 6th stage heat shield furnace, and 5 in the 7th to 8th stage heat shield furnace. It was.
  • silicon was forged using the silicon forging apparatus having the above-described apparatus configuration.
  • the procedure for melting the initially loaded silicon mass was the same as in Example 1, with the size of the graphite pedestal holding the molten silicon 11 being 22 cm on a side and charging the cooling crucible 6 to the initial stage. 11 kg of silicon mass to be charged was charged. Further, a graphite auxiliary heater 13 having a square cross-sectional shape and a side of 20 cm was placed on the top surface of the charged silicon lump.
  • the temperature setting of the heat shield furnace is the same as in the case of Example 2.
  • the heating furnace at the first stage is set to 1260 ° C, and the heating furnace at the lower stage of each stage is sequentially set to the heating furnace at the upper stage of the first stage.
  • the temperature was set to 110 ° C lower, and it was set to 490 ° C for the 8th lowest heating furnace.
  • the temperature measurement in each heat shielding furnace was performed with a thermocouple disposed at the midpoint between the side surface of the silicon ingot 4 and the heating element 16.
  • the power requirement for temperature control of each heat shield furnace was about 20 kW for the first stage heat shield furnace, about 12 kW for the second stage heat shield furnace, and three stages. In subsequent heat shield furnaces, 1-5kW was consumed. However, as time passes, the silicon ingot 12 becomes longer than the entire length of the heat shield furnace up to the first to eighth stages, the power requirement of each heat shield furnace decreases, and the first stage heat shield furnace has about The 8kW, 2nd stage heat shield furnace was stable at about 5kW, and the 3rd and lower stage heat shield furnaces were l ⁇ 2kW.
  • the obtained silicon ingot 12 was cut with a wire saw to cut out a polycrystalline silicon substrate for manufacturing a solar cell substrate.
  • a polycrystalline silicon substrate having a side of 10 cm and a thickness of 0.35 mm was cut out.
  • 100 silicon substrates were extracted evenly with respect to the full length force of the silicon ingot manufactured according to Example 3 to manufacture a substrate for a solar cell.
  • Example 2 As in the case of Example 1, in the solar cell manufacturing process, solar cells were manufactured using respective silicon substrates using hydrogen passivation technology. The average value of the photoelectric conversion efficiency of the solar cell manufactured in Example 2 was 14.8%.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating the configuration of a partial cross section of the main part (cooling crucible and heating means) of the silicon forging apparatus employed in the comparative example.
  • a cooling crucible 6 and an induction coil 7 surrounding the cooling crucible 6 were installed, and an eight-stage heating means 15 was arranged immediately below the cooling crucible 6 along the pulling direction of the solidified silicon 12.
  • the cross-sectional shape of the silicon ingot 12 is square, the length of one side thereof is 16 cm, and the heating means 15 immediately below the cooling crucible 6 is provided with eight heating furnaces adjacent to each other in a height of 20 cm. .
  • the Karo heat furnace was framed using stainless steel, and the furnace body was composed of silica / alumina refractories.
  • a heating element 16 made of graphite with a height of 14 cm and a thickness of 0.7 cm as a heat source it was placed at the center of the heating furnace height and facing the side of the solidified ingot 12
  • the upper and lower sides of the heating element 16 are covered with a 1.5 cm thick silica-alumina refractory.
  • the inner dimension of the first heating furnace is 19 cm, and the four sides of the silicon ingot 12 are 1 Enclosed 5cm apart.
  • the heating element 16 is configured to have a maximum output of 3 kW when energized and to generate heat of 12 kW with a total output of the four sides. However, in the third to eighth heating furnaces of all the heating furnaces, the maximum heating value of the heating element 16 was 1 kW, and the maximum heating value per heating furnace was 4 kW.
  • a graphite auxiliary heater 13 having a square cross-sectional shape, a side of 14 cm, and a height of 5 cm is inserted 2 cm above the charged silicon lump, and the inside of the chamber 11 is decompressed, and then argon gas is supplied. It was sent to atmospheric pressure, and an alternating current with a frequency of 20 kHz was applied to the induction coil 2 up to an output of 250 kW.
  • the silicon lump starts self-heating, and at the same time, the auxiliary heater 13 is pulled upward, and the silicon lump that has started self-heating is further heated to completely melt and melt.
  • the silicon was stored in the cooling crucible 6 in a non-contact state.
  • the heating of the 1st to 8th stage heating furnaces installed below the cooling crucible 6 was also started.
  • the temperature in the first heating furnace is 1250 ° C.
  • the temperature in the 8th heating furnace was set to 410 ° C.
  • the set temperature in the 2nd to 7th stage heating furnaces was changed over time so as not to exceed the set temperature of the heating furnace installed above.
  • the temperature of the heating furnace was measured with a thermocouple arranged at the midpoint between the side surface of the silicon ingot 12 and the heating element 16 at the center position in the height direction.
  • the forging speed was 1.3 mm per minute.
  • Silicon fabrication was started in the same procedure as in Example 1, and the fabrication was stopped when the total length of the silicon ingot 12 reached 200 cm.
  • the electric power requirements at the initial stage when the forging started were about 10 kW in the first stage furnace, about 2 kW in the second stage furnace, and 1 kW in the third to eighth stage furnaces. But time As the silicon ingot 12 that was forged over time became longer than the entire length of the 1st to 8th stage furnaces, the power requirements for each furnace decreased significantly.
  • the obtained silicon ingot 12 was cut with a wire saw to cut out a polycrystalline silicon substrate for manufacturing a solar cell substrate.
  • the polycrystalline silicon substrate was cut out of a square polycrystalline silicon substrate having a side of 12.5 cm and a thickness of 0.35 mm.
  • the silicon ingot fabricated according to the comparative example was pulled out of 100 silicon substrates evenly in total length, and a solar cell substrate was manufactured.
  • each silicon substrate-powered solar cell was manufactured using hydrogen passivation technology.
  • the average value of the photoelectric conversion efficiency of the solar cell manufactured in the comparative example was 14.2%.
  • FIG. 6 is a diagram showing the temperature distribution in the heating means of the silicon forging apparatus used in Examples 1 to 3 and the comparative example.
  • the temperature measurement in the heating means was performed by a thermocouple placed at the center position in the height direction of the heating means (heating furnace or heat shield furnace) and at an intermediate position between the side surface of the solidified silicon and the heating element.
  • the temperature distribution shown in Fig. 6 is based on the temperature measurement results at the time when the fabricated silicon ingot was pulled down beyond the entire distance to the first stage furnace power to the eighth stage furnace. In the figure, directly under the cooling crucible The pull-down distance (cm) is also shown.
  • Example 1 using the silicon forging apparatus defined in the present invention, the temperature distribution in the 1st to 8th stage heating furnace is linear along the pulling direction of the solidified silicon. It is shown that the desired temperature control was performed. This shows that a silicon ingot with reduced residual strain and residual stress can be produced.
  • Example 2 and 3 of the silicon forging apparatus defined in the present invention and using a heat shield furnace as a heating means the temperature distribution in the first to eighth stages of the heat shield furnace is that of Example 1. Compared to the above, the temperature falls further linearly, indicating that more desirable temperature control was performed. This is due to the high response speed to temperature changes in the heat shield furnace because heat is transferred by propagation of radiant heat. Therefore, the responsiveness of the heat shield furnace is in contrast to the refractory heating furnace that uses a large heat transfer resistance specific to the refractory, which has a slow response speed to temperature changes. Further, in Examples 2 and 3, the temperature control in the 1st to 8th stages of the heat shield furnace is achieved by the response to the temperature change of the heat shield furnace and the shielding effect by the heat insulating means provided between the heat shield furnaces. It becomes easy.
  • the temperature of each heating furnace tends to be high in the heating furnace in the region where the reduction of the solidified silicon proceeds.
  • the temperature of the middle heating furnace tends to be high.
  • the heating means and the cooling means are alternately arranged along the pulling direction of the solidified silicon, or the heating means and the heat insulating means are alternately arranged.
  • a silicon ingot with reduced residual strain and residual stress can be produced.
  • the residual strain and residual stress are reduced.
  • a solar cell silicon substrate having excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained.
  • it can be widely applied to the production of polycrystalline silicon ingots for solar cells.

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Abstract

　電磁誘導によるシリコンの鋳造に際し、凝固シリコンの引き下げ方向に沿って加熱手段と冷却手段とを交互に配置し、または加熱手段と断熱手段とを交互に配置することにより、加熱手段の温度制御が容易となり、凝固するシリコンインゴットに温度勾配を有効に付与することができるので、溶融シリコンの固液界面における形状を安定して保持することが可能であり、残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットを鋳造することができる。さらに、鋳造速度を高めて鋳造装置当たりの生産性を向上させることができる。また、上記残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットから切り出すことにより、光電変換効率に優れる太陽電池用シリコン基板を得ることができる。これにより、太陽電池用の多結晶シリコンインゴットの製造に広く適用することができる。

Description

明 細 書
シリコン铸造装置およびシリコン基板の製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、周方向に分割されるとともに水冷された導電性の銅坩堝 (以下、「冷却 坩堝」という）を用いた電磁铸造技術を適用し、シリコン太陽電池基板に使用される多 結晶インゴットを製造するシリコン铸造装置およびこれを用いたシリコン基板の製造 方法に関するものである。
背景技術
[0002] 電磁誘導を用いた連続铸造 (以下、「電磁铸造」という）による铸造装置では、電気 伝導度の高!ヽ銅からなる冷却坩堝が金属材料を溶解保持するようにるつぼ形状に 配置され、誘導コイルが冷却坩堝を取り囲むように配置されて構成されている。この 誘導コイルに中高周波の交流電流を印加すると、これに誘導される交流磁場により、 冷却坩堝に保持される金属材料中に電流が誘発され、溶解加熱されるとともに、溶 融金属を半径方向の内側に押す力が発生する。このようにして、溶融金属には冷却 坩堝から離間する作用とともに、攪拌作用が働くことになる。
[0003] したがって、電磁铸造では、溶解された物質と冷却坩堝との間で接触がなぐシリコ ンの铸造に利用した場合に、シリコンの不純物汚染を防止することができる。また、溶 解された物質と冷却坩堝との間で接触がないことから、坩堝の長寿命化が図れるとと もに、溶解された物質を固化するための铸型を必要としないことから、設備コストを著 しく低下することができる。また、結晶学上も冷却坩堝の底部および側壁から結晶化 が進行するので、方向性凝固が容易である。このため、電磁铸造で製造される多結 晶シリコンインゴットは、ゥエーハに切り出されて、シリコン太陽電池の基板材として広 く使用されている。
[0004] このため、電磁铸造法は従来からシリコンの铸造に対して適用されており、例えば、 特公平 2— 58022号公報では、冷却坩堝の内側形状について、誘導コイルの下端 位置を基準にしてそれよりも下方においては下広がりの形状を付与することによって 、铸造されるシリコンの接触磨耗による汚染と電気的接触による電気系統の障害を除 く装置が、また、特許第 2657240号公報では、凝固シリコンの引き下げ路に沿って 冷却坩堝の下方に加熱手段を設置するシリコン铸造装置が開示されている。
[0005] 図 1は、電磁铸造による多結晶シリコンインゴットを铸造する全体構成を説明する図 である。チャンバ一 1は、内部の発熱力 保護されるように二重壁構造で水冷式の密 閉容器になっており、上部に密閉手段 2によって仕切られた原料装入装置 10と連結 され、底部にインゴットを抜き出すための引出し口 3を有している。チャンバ一 1には 上部側壁に不活性ガス導入口 4および下部側壁に真空吸引口 5が設けられている。
[0006] チャンバ一 1の中央部には電磁铸造手段としての冷却坩堝 6、誘導コイル 7および 加熱炉 8が設けられている。冷却坩堝 6は銅製の水冷筒体で、上部を残して周方向 に複数分割されている。誘導コイル 7は、冷却坩堝 6の外周側に同芯に周設され、図 示されていない同軸ケーブルにて電源に接続される。加熱炉 8は、冷却坩堝 6の下 方に同芯に連設され、冷却坩堝 6から引き下げられる凝固インゴット 12を加熱して、 その軸方向に所定の温度勾配を与える。
[0007] チャンバ一 1内に設けられた密閉手段 2の下方には原料装入装置 10が設けられ、 原料装入装置 10内に装入された粒状、塊状のシリコン材料 9が冷却坩堝 6内の溶融 シリコン 11に供給されるようになって!/ヽる。冷却坩堝 6の直上には黒鉛製の補助ヒー ター 13が昇降可能に設けられ、下降した状態で冷却坩堝 6内に挿入されるようにな つている。
[0008] チャンバ一 1の底部に設けられた引出し口 3の下方には、シリコンインゴット 12を支 えながら下方へ引き出す引き抜き装置 14が設けられている。さらに、引出し口 3の下 方でチャンバ一 1の外部には、インゴットの切断手段（図示せず）が設けられ、チャン バー 1外に引き出されてくるシリコンインゴット 12は所定の長さに適宜切断される。
[0009] 通常、多結晶シリコンインゴットの電磁铸造において、シリコン太陽電池の基板材と して優れた性能を発揮させるには、溶融シリコンが凝固する際に液体と固体とを分離 する固液界面における断面形状を安定して制御することが重要になる。前記図 1に 示すように、溶融したシリコンが下方に移動しながら铸造される過程において、凝固 するシリコンインゴットの冷却過程が固液界面の形状に影響を及ぼすことから、固液 界面の形状が铸造状態を示し、多結晶シリコンインゴット中の残留歪や残留応力を 決定することになる。
[0010] シリコン太陽電池用基板では、残留歪や残留応力が可能なかぎり存在しないことが 望ましいことから、太陽電池用の多結晶シリコンインゴットの電磁铸造では、溶融シリ コンの固液界面における形状は可能なかぎり平坦にすることが望ましい。また、前述 の通り、固液界面の形状は、凝固するシリコンインゴットの冷却条件の影響を受けるこ とから、凝固が進行する液体および固体が存在する系における熱の移動、並びに液 体および固体がそれらの表面を通して受ける加熱および冷却の諸条件によって決定 される。
[0011] ところが、前記図 1に示すように、従来の電磁铸造によるシリコン铸造装置において は、シリコンインゴットの冷却を促進させることによって凝固および凝固速度を制御す ることについて配慮がなされておらず、専ら、铸造される凝固シリコンの保温が意図さ れ、凝固シリコン表面に対する加熱手段 (加熱炉）のみが用いられていた。このため、 溶融シリコンの固液界面における形状を安定して、平坦に制御するのが困難になる。
[0012] 具体的には、従来の電磁铸造によるシリコン铸造装置では、シリコンインゴットを徐 冷するために設置した加熱手段には、シリコンインゴットの引き下げ方向に沿う熱伝 達を抑止する手段が設けられていない。このため、水冷坩堝の下部に連設される上 方の加熱手段から、下方に位置する加熱手段への熱伝達が存在することになる。
[0013] したがって、従来のシリコン铸造装置では、シリコンインゴットを徐冷するために設置 された加熱手段により、凝固したシリコンインゴットの保温効果を高めることができるが 、铸造速度を速くした場合には、上方の加熱手段では凝固シリコンの表面力 の受 熱により高温になる力 下方への熱伝達を抑止する手段がないため、下方に隣接す る加熱手段に熱伝達が行われ、下方の加熱手段が高温になる。
このため、凝固したシリコンインゴットを冷却するために設定した温度勾配が消失し 、溶融シリコンの固液界面における形状が過度に下方向に突出した半円球形状、ま たは円錐形状となり、未凝固のシリコン融液部の中心部が深くなる。
[0014] このシリコン融液部の中心部は、铸造速度を大きくすると著しく深くなり、铸造状態 が不安定になることから、凝固後のシリコンインゴットには大きな残留歪と残留応力が 存在することになる。さらに、このようにシリコン融液部の中心部の深さが増大すれば 、固液界面における形状の安定性が失われ、極端な場合には、溶融シリコンが坩堝 底部を外れた下方において、インゴットの凝固側面を局所的に破壊し、溶融シリコン の吐出 (湯漏れ)を発生することがある。
[0015] このような理由から、従来の電磁铸造によるシリコン铸造装置においては、铸造され たシリコンインゴットの残留歪および残留応力を減少させることに限界があり、電磁铸 造によるシリコンインゴットから得られた太陽電池用シリコン基板の光電変換効率は 十分なものとは言えなかった。また、電磁铸造の際に铸造速度を高めることにも制限 があり、铸造装置当たりの生産性にも限界があった。
発明の開示
[0016] 本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、電磁誘導によるシリ コンの铸造に際し、シリコンインゴットの内部に存在する残留歪および残留応力を減 少させるとともに、高い生産性でシリコンインゴットを製造することのできるシリコン铸造 装置、および太陽電池用として光電変換効率に優れるシリコン基板の製造方法を提 供することを目的としている。
[0017] 本発明のシリコン铸造装置における、第 1の構成は、軸方向の少なくとも一部が周 方向で複数に分割された導電性の冷却坩堝と、この冷却坩堝を取り囲む誘導コイル を設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引き下げて凝固させるシリコンの铸 造装置において、前記冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、前記凝固シリコンに対する 加熱手段と冷却手段とを交互に配置したことを特徴としている。
第 1の構成では、加熱手段が複数段の加熱炉からなり、当該加熱炉が耐火物で構 成されること、または冷却手段が複数段で構成され、冷却水を流通させる冷却管構 造であることが望ましい。
[0018] 本発明のシリコン铸造装置における、第 2の構成は、軸方向の少なくとも一部が周 方向で複数に分割された導電性の冷却坩堝と、この冷却坩堝を取り囲む誘導コイル を設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引き下げて凝固させるシリコンの铸 造装置において、前記冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、前記凝固シリコンに対する 加熱手段とこの加熱手段力 の伝熱を遮蔽する断熱手段とを交互に配置したことを 特徴としている。 第 2の構成では、加熱手段が複数段の熱遮蔽炉からなり、当該熱遮蔽炉が伝熱を 遮蔽する遮蔽板を配置して構成されて!/ヽること、または断熱手段が耐火物で構成さ れ、または/および加熱手段の間隙を形成する空間で構成され、複数段に配置され ることが望ましい。
[0019] 本発明の製造方法は、上記第 1、 2の構成からなるシリコン铸造装置を用レヽて多結 晶シリコンインゴットを育成した後、当該シリコンインゴットから切り出して太陽電池用 シリコン基板を得ることを特徴としてレ、る。
[0020] 本発明のシリコン铸造装置によれば、電磁誘導によるシリコンの錄造に際し、シリコ ンィンゴッ卜の引き下げ方向に沿う温度勾配を有効に付与できるので、溶融シリコン の固液界面における形状を安定して平坦に保持することが可能であり、残留歪およ ぴ残留応力を減少させたシリコンインゴットを錄造することができ、同時に铸造速度を 高めて铸造装置当たりの生産性を向上させることが可能になる。
また、本発明のシリコン基板の製造方法によれば、上記残留歪および残留応力を 減少させたシリコンインゴットから切り出すことにより、光電変換効率に優れる太陽電 池用シリコン基板を得ることができる。
図面の簡単な説明
[0021] 図 1は、電磁铸造による多結晶シリコンインゴットを铸造する全体構成を説明する図 である。
図 2は、実施例 1で採用したシリコン铸造装置の要部 (冷却坩堝および加熟手段等 )の部分断面の構成を模式的に説明する図である。
図 3は、実施例 2で採用したシリコン錄造装置の要部（冷却坩堝および加熱手段等 )の部分断面の構成を模式的に説明する図である。
図 4は、実施例 3で採用したシリコン铸造装置の要部 (冷却坩堝および加熱手段等 )の部分断面の構成を模式的に説明する図である。
図 5は、比較例で採用したシリコン铸造装置の要部 (冷却坩堝および加熱手段)の 部分断面の構成を模式的に説明する図である。
図 6は、実施例 1〜3および比較例で用いたシリコン铸造装置の加熱手段における 温度分布を示す図である。
差替え甩紙（¾iU26》 発明を実施するための最良の形態
[0022] 本発明のシリコン铸造装置では、電磁誘導による溶融シリコンの铸造を行うため、 内圧が制御可能な密閉容器となるチャンバ一内に、軸方向の少なくとも一部が周方 向で複数に分割された導電性の冷却坩堝を設置し、この冷却坩堝の周囲を取り囲む ように誘導コイルを設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させ る構成を前提としている。
[0023] 本発明のシリコン铸造装置における第 1の形態では、電磁誘導により溶融したシリコ ンを収容する冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、凝固させたシリコンに対する加熱手 段と冷却手段とを交互に配置したことを特徴とする。
[0024] このように、加熱手段と冷却手段を交互に配置することにより、シリコンインゴットの 引き下げ方向に沿って保温作用と抜熱作用を交互に発揮させることができる。これと 同時に、上方の加熱手段と下方の加熱手段との間に冷却手段を挟むことにより、上 方の加熱手段から下方の加熱手段への熱伝達が抑止され、下方の加熱手段の設定 温度が異常に上昇することがない。
これにより、適切な温度制御が可能であり、凝固インゴットを冷却するために最適な 温度勾配を付与することができる。このため、溶融シリコンの固液界面における形状 を安定して平坦にでき、残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットを铸 造することができるとともに、インゴットの凝固速度を速めることができる。
[0025] 本発明のシリコン铸造装置における第 2の形態では、電磁誘導により溶融したシリコ ンを収容する冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、凝固させたシリコンに対する加熱手 段とこの加熱手段力 の伝熱を遮蔽する断熱手段とを交互に配置したことを特徴とす る。
[0026] このように、凝固シリコンに対する加熱手段とこの加熱手段からの伝熱を遮蔽する 断熱手段とを交互に配置することにより、上方の加熱手段と下方の加熱手段との間 に断熱手段を設けることになり、上方の加熱手段から下方の加熱手段への熱伝達が 抑止され、下方の加熱手段の設定温度が異常に上昇することがない。
このため、断熱手段によって隔離された各加熱手段において温度制御が可能にな り、シリコンインゴットの引き下げ方向に沿って温度勾配を有効に付与できる。これに より、溶融シリコンの固液界面における形状を安定的に平坦ィ匕でき、残留歪および残 留応力を減少させたシリコンインゴットを铸造することができるとともに、インゴットの凝 固速度を速めることができる。
[0027] 本発明のシリコン铸造装置における加熱手段としては、後述する実施例に示すよう に、耐火物で構成される加熱炉、または熱遮蔽板を配置する熱遮蔽炉のいずれであ つてもよい。温度制御に関しては、熱遮蔽炉が温度変化に対する応答性に優れるこ とから、耐火物で構成される加熱炉に比べ良好である。
[0028] 本発明のシリコン铸造装置では、それぞれの加熱手段が独立に出力制御できるよ うにすることが望ましぐ発熱体としては抵抗加熱方式および高周波加熱方式など慣 用される手法を採用することができる。発熱体の適用材質としては、耐熱性およびコ ストの点からは、黒鉛製の抵抗加熱ヒータを採用するのが望ましい。
[0029] 本発明のシリコン铸造装置における冷却手段としては、上方の加熱手段から下方 の加熱手段への熱伝達が抑止され配管内に冷媒として水またはガスを流通させた冷 却管方式を用いることがより簡便であるが、何らこれに限定されるものではなぐその 他の冷却手段として慣用されて 、る手段であればょ 、。
[0030] 本発明のシリコン铸造装置における断熱手段は、上方の加熱手段から下方の加熱 手段への熱伝達を抑止する機能を発揮すればよぐ耐熱性に優れる金属 (ステンレ ス、モリブデン等)で構成することが望ましぐシリカやアルミナ質の耐火物で表面を 覆うことが望ましい。さらに、本発明のシリコン铸造装置では、断熱手段として加熱手 段の間隙を形成する空間で構成してもよい。
[0031] 本発明のシリコン铸造装置における加熱手段、冷却手段、および断熱手段の設置 数 (段数）は、使用する装置の大きさおよび目的とするシリコンインゴットの大きさに応 じて適宜選定される。
[0032] 本発明のシリコン基板の製造方法では、上記のシリコン铸造装置によって多結晶シ リコンインゴットを育成した後、当該シリコンインゴットから切り出して太陽電池用シリコ ン基板を得ることを特徴として ヽる。上記残留歪および残留応力を減少させたシリコ ンインゴットから切り出すことにより、光電変換効率に優れる太陽電池用シリコン基板 を得ることができる。 [0033] 本発明の製造方法において、シリコンインゴットから太陽電池用シリコン基板を切り 出す手段として、慣用されて 、るマルチ ·ワイヤ ·ソーゃマルチ ·ブレード ·ソーを活用 することができる。シリコン基板の厚みは基板の強度および光電変換効率の観点から 100-450 μ m程度とするのが望まし!/ヽ。
実施例
[0034] 本発明のシリコン铸造装置による効果を確認するため、前記図 1に示すように、内 圧が制御可能な密閉容器を構成するチャンバ一 1内に、軸方向の少なくとも一部が 周方向で複数に分割された導電性の冷却坩堝 6を設置し、この冷却坩堝 6の周囲を 取り囲むように誘導コイル 7を設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引き下 げて凝固させる铸造装置を用いて、次の実施例 1〜3および比較例によるシリコン電 磁铸造を行った。
[0035] (実施例 1)
図 2は、実施例 1で採用したシリコン铸造装置の要部 (冷却坩堝および加熱手段等 )の部分断面の構成を模式的に説明する図である。実施例 1では、冷却坩堝 6とこれ を取り囲む誘導コイル 7を設置して、冷却坩堝 6の直下力も凝固シリコン 12の引き下 げ方向に沿つて 1〜8段の加熱手段 15と 1〜8段の冷却手段 17とを交互に設置した 。図 2において、冷却坩堝や冷却手段での冷却水の取り入れ '取り出し、誘導電源と 誘導コイルの連結、加熱手段や冷却手段の取り付け、発熱体の取り付けと電気的連 結等の詳細な図示は省略した。後述する図 3〜5においても同様とする。
[0036] 本発明のシリコン铸造装置では、シリコンインゴット 12の断面形状は円形、正方形、 または長方形にすることができる力 太陽電池用のシリコンインゴットでは正方形が一 般的であることから、実施例 1では、その断面形状を正方形とし、その一辺の長さを 1 6cmとした。すなわち、冷却坩堝 6の引き下げ方向に直交する断面の内側寸法を、 溶融シリコン 11の凝固が開始する位置において 16cmとした。
[0037] 冷却坩堝 6の直下に 1段目の加熱手段 15として、高さが 16cmの加熱炉を設置した 。加熱炉はステンレス鋼材を用いて骨組みし、その炉体はシリカ'アルミナ質の耐火 物で構成した。発熱源として高さ 9cmおよび厚さ 0. 7cmの黒鉛製の発熱体 16を用 い、加熱炉高さの中心位置であって、凝固インゴット 12の側面と対面するように設置 した。
[0038] この発熱体 16の上方および下方は厚さが 1. 5cmのシリカ ·アルミナ質の耐火物で 覆い、 1段目の加熱炉では内側寸法を 19cmとし、シリコンインゴット 12の 4側面を 1. 5cmの離間を保って取り囲んだ。この発熱体 16は通電によって最高出力を 3kWとし 、 4側面の合計出力で 12kWの発熱が可能になるように構成した。
[0039] 上記 1段目の加熱手段 15の下方には、 1段目の冷却手段 17を設置した。冷却手 段 17は厚さ 0. 2cmの銅板を用いて、高さ 4cm、内側寸法 19cm、外側寸法 29cmの 角筒状として、シリコンインゴット 12を取り囲むように構成した。この冷却手段 17は冷 却水出入口で冷却水供給パイプと連結されており、冷却水を循環する。
[0040] 上記 1段目の冷却手段 17の下方には、 2段目の加熱手段 15を隣接して設置した。
2段目の加熱手段 15としては、 1段目の加熱手段 15と同一の構造力 なる加熱炉で 構成した。さらに、 2段目の加熱手段の下方には 2段目の冷却手段 17を隣接して設 置した。 2段目の冷却手段 17は 1段目の冷却手段 17と同一の構造力もなる角筒状の 冷却管構造で作製した。
[0041] 2段目の加熱手段 15および冷却手段 17以降は、上記と同様の構成で、加熱手段 15と冷却手段 17をそれぞれが合計で 8段になるように交互に設置した。しかし、 4段 目の加熱手段 15以降の発熱体 16では、最大出力を lkWとし、 1段当たりの加熱炉 の最大発熱量をシリコンインゴット 12の 4側面の合計で 4kWとした。
[0042] 実施例 1では、上述の装置構成力 なるシリコン铸造装置を用い、最初に、引き下 げ方向に直交する断面形状の一辺が 16cmの黒鉛製の台座を、その上面が誘導コ ィル 7の下端位置と同一になるように冷却坩堝 6に下方力も挿入し、この台座の上に 6. Okgのシリコン塊を装入した。
[0043] 次いで、前記図 1に示すように、装入したシリコン塊から 2cm上方に、断面形状が正 方形で、その一辺が 14cm、高さが 5cmの黒鉛製の補助ヒーター 13を上方力も挿入 した。チャンバ一 1内を真空ポンプによって 0. lTorrまで減圧した後、アルゴンガス を大気圧まで送入し、周波数 20kHzの交流電流を誘導コイル 7に出力 250kWまで 印加した。
[0044] 誘導コイル 7への通電を開始すると、シリコン塊の上方に挿入された補助ヒーター 1 3が誘導発熱して昇温して赤色になり、次に装入されたシリコン塊が補助ヒーター 13 の輻射熱によって昇温される。その後、装入されたシリコン塊の温度が約 600°Cにな ると、半導体であるシリコン塊の電気抵抗値が低下し、シリコン塊中の誘導電流が増 カロして自己発熱を開始した。
[0045] シリコン塊が自己発熱を開始すると同時に、黒鉛製の補助ヒーター 13を冷却坩堝 6 力も上方に引き上げて抜き出した。自己発熱を開始したシリコン塊はさらに昇温して、 完全に溶解し溶融シリコン 11となる。冷却坩堝 6内の溶融シリコン 11は、冷却坩堝 6 の内面壁と対面する側面は電磁気力を受けて離間することから、冷却坩堝 6とは非 接触の状態で収容される。
[0046] 一方、上記の手順でシリコンの溶解を開始するとともに、冷却坩堝 6の下方に設置 した 1〜8段目の加熱炉の昇温も開始し、同時に冷却手段 17に冷却水を循環させた 。 1〜8段目の加熱炉の温度設定は、 1段目の加熱炉では 1250°C、各 1段下方の加 熱炉では 1段上方の加熱炉よりも順次 120°C低く設定して、最も下方の 8段目の加熱 炉では 410°Cに設定した。各加熱炉の温度測定は、各加熱炉における高さ方向の 中心位置で、シリコンインゴット 12の側面と発熱体 16の間の中間点に配置した熱電 対で測定した。
[0047] 装入したシリコン塊が完全に溶解し、溶融シリコン 11として安定的に保持された後、 上方に位置する原料供給装置 10から粒状のシリコンを冷却坩堝 6に連続的に装入し ながら、溶融シリコン 11を保持している黒鉛製の台座を下降させて铸造を開始し、シ リコンインゴット 12の全長が 200cmになった時点で铸造を停止した。実施例 1では、 铸造速度を毎分 2. Ommとした。
[0048] シリコン铸造を開始した初期の段階では、各加熱炉の温度制御のための電力所要 量は、 1段目の加熱炉では約 10kW、 2段目の加熱炉では約 7kW、 3段目以下の加 熱炉では 1〜 3kWを消費した。
[0049] ところが、铸造時間が経過して、引き下げられたシリコンインゴット 12が 1〜8段目の 加熱炉全体の長さよりも長くなると、各加熱炉の電力所要量は減少した。すなわち、 1 段目の加熱炉では約 4kW、 2段目の加熱炉では約 3kW、 3段目以下の加熱炉では l〜2kWになって安定した。 また、 1〜8段目の冷却手段 17には毎分 5リットルの冷却水を循環させたが、冷却 水の入口温度と出口温度の差は、 1段目の冷却手段 17では 2°C、他の段の冷却手 段 17では 1°C以下であった。
[0050] 得られたシリコンインゴット 12をワイヤソ一で切断して、太陽電池用基板を製作する ため、多結晶シリコン基板を切り出した。多結晶シリコン基板は一辺が 12. 5cmの正 方形で、厚さは 0. 35mmとした。実施例 1によって铸造されたシリコンインゴットの全 長から均等に 100枚のシリコン基板を抜き取り、太陽電池用の基板を製作した。 太陽電池の製作工程では水素ノ ッシベーシヨン技術を用いて、それぞれのシリコン 基板から太陽電池を製作した。実施例 1で製作された太陽電池の光電変換効率の 平均値は、 14. 8%であった。
[0051] (実施例 2)
図 3は、実施例 2で採用したシリコン铸造装置の要部 (冷却坩堝および加熱手段等 )の部分断面の構成を模式的に説明する図である。実施例 2では、冷却坩堝 6とこれ を取り囲む誘導コイル 7を設置して、冷却坩堝 6の直下に凝固シリコン 12の引き下げ 方向に沿って加熱手段 15と断熱手段 18を交互に設置した。
[0052] 実施例 2では、シリコンインゴット 12の断面形状を正方形で、その一辺の長さを 22c mとした。冷却坩堝 6の直下で、冷却坩堝 6と 1段目の加熱手段 15との間に厚さ 2cm のアルミナ質の材料で作製した 1段目の断熱手段 18を設置した。 1段目の断熱手段 18に隣接する 1段目の加熱手段 15として、高さが 18cmの熱遮蔽炉を配置し、複数 の金属製の熱遮蔽板 19を配して構成した。発熱源として 15cmの高さと 0. 7cmの厚 さを持つ黒鉛製の発熱体 16を用い、シリコンインゴット 12の側面と熱遮蔽板 19の間 に設! ^し 7こ。
[0053] 1段目の加熱手段 15に用いられる熱遮蔽板 19は、厚さ 1. 5mmの金属板であり、 それぞれ 1 cm間隔に配し合計で 10枚の金属板を設置した。発熱体 16に近接する 最も内側の金属板はモリブデン製として、他の金属板はステンレス鋼製とした。また、 1段目の加熱手段の発熱体 16は、通電による最大発熱量 20kWとした。
[0054] 上記 1段目の加熱手段 15の下方には、 2段目の断熱手段 18を設置した。 2段目の 断熱手段 18は、 1段目の断熱手段 18と同一の材料を用いて同じ大きさとし、厚さが 2 cmであり、シリコンインゴット 12を取り囲む内側寸法を 25cmとし、幅を 17cmとした。 断熱手段 18の幅は、上下に隣接する熱遮蔽炉と同一寸法とした。 2段目の断熱手段 18以降は、同様に加熱手段 15と断熱手段 18を引き下げ方向に沿って交互に設置 して、合計で 8段の熱遮蔽炉と 9段の断熱手段 18を設置した。
[0055] 実施例 2では、上述のシリコン铸造装置の構成において、 2段目の熱遮蔽炉におけ る最大発熱量を 10kWとし、 3段目以降の熱遮蔽炉における最大発熱量を 5kWとし た。また、配置する熱遮蔽板 19は、 1〜3段目の熱遮蔽炉で 10枚とし、 4〜6段目の 熱遮蔽炉で 7枚とし、 7〜8段目の熱遮蔽炉で 4枚とした。
[0056] 次に、上述の装置構成からなるシリコン铸造装置を用い、シリコンの铸造を実施した 。初期装入したシリコン塊の溶解手順は、実施例 1の場合と同様に、溶融シリコン 11 を保持する黒鉛製の台座の寸法を一辺が 22cmとし、冷却坩堝 6に装入して、台座 に初期装入するシリコン塊を 11kg装入した。さらに、装入したシリコン塊の上面に、 断面形状が正方形で、その一辺が 20cmの黒鉛製の補助ヒーター 13を装入した。
[0057] さらに、チャンバ一 1内をアルゴンガスで置換した後、周波数 20kHzの交流電流を 誘導コイル 7に出力 350kWまで通電した。実施例 1の場合と同様に、シリコンの溶解 が開始するのにともない、冷却坩堝 6の下方に加熱手段 15として設置された、 1〜8 段目の熱遮蔽炉の昇温を開始した。
[0058] 熱遮蔽炉の温度設定は、 1段目の加熱炉では 1260°Cとし、各 1段下方の加熱炉で は 1段上方の加熱炉よりも順次 110°C低く設定して、最も下方の 8段目の加熱炉では 490°Cとした。各熱遮蔽炉での温度測定は、実施例 1の場合と同様に、シリコンイン ゴット 12の側面と発熱体 16の間の中間点に配置した熱電対で測定した。
[0059] 装入したシリコンが溶解し、溶融シリコン 11として安定的に保持された後、原料シリ コンを装入しながら、溶融シリコン 11を保持する黒鉛製の台座を下降させてシリコン 铸造を開始し、シリコンインゴット 12の全長が 200cmになった時点で铸造を停止した 。実施例 2における铸造速度は、毎分 2. Ommとした。
[0060] 铸造を開始した初期の段階では、各熱遮蔽炉の温度制御のための電力所要量は 1段目の熱遮蔽炉では約 18kW、 2段目の熱遮蔽炉では約 10kW、 3段目以降の熱 遮蔽炉では l〜5kWを消費した。しかし、時間が経過してシリコンインゴット 12が 1〜 8段目までの熱遮蔽炉全体の長さよりも長くなると、各熱遮蔽炉の電力所要量は減少 し、 1段目の熱遮蔽炉では約 7kW、 2段目の熱遮蔽炉では約 4kW、 3段目以下の熱 遮蔽炉では l〜2kWになって安定した。
[0061] 得られたシリコンインゴット 12をワイヤーソ一で切断して、太陽電池用基板を製作す るための多結晶シリコン基板を切り出した。多結晶シリコン基板の大きさは一辺が 10c mで厚さ 0. 35mmの正方形の多結晶シリコン基板を切り出した。実施例 2によって铸 造されたシリコンインゴットの全長力も均等に 100枚のシリコン基板を抜き取り、太陽 電池用の基板を製作した。
実施例 1の場合と同様に、太陽電池の製作工程では水素パッシベーシヨン技術を 用いて、それぞれのシリコン基板カゝら太陽電池を製作した。実施例 2で製作された太 陽電池の光電変換効率の平均値は、 14. 8%であった。
[0062] (実施例 3)
図 4は、実施例 3で採用したシリコン铸造装置の要部 (冷却坩堝および加熱手段等 )の部分断面の構成を模式的に説明する図である。実施例 3では、冷却坩堝 6とこれ を取り囲む誘導コイル 7を設置して、冷却坩堝 6の直下に凝固シリコン 12の引き下げ 方向に沿って、加熱手段 15、並びに断熱手段 18および断熱手段としての空間 20を 交互に設置した。
[0063] 実施例 3では、シリコンインゴット 12の断面形状は正方形で、その一辺の長さは 22c mとした。冷却坩堝 6直下で、冷却坩堝 6と 1段目の加熱手段 15との間に厚さ 2cmの アルミナ質の材料で作製した 1段目の断熱手段 18を設置した。 1段目の断熱手段 18 に隣接する 1段目の加熱手段 15として、高さが 18cmの熱遮蔽炉を配置し、複数の 金属製の熱遮蔽板 19を配して構成した。発熱源として 15cmの高さと 0. 7cmの厚さ を持つ黒鉛製の発熱体 16を用い、シリコンインゴット 12の側面と対向するように設置 した熱遮蔽版 19とその他の熱遮蔽板 19の間に設置した。
[0064] 1段目の加熱手段 15に用いられる熱遮蔽板 19は、厚さ 1. 5mmの金属板であり、 それぞれ 1 cm間隔に配し合計で 10枚の金属板を設置し、さらにシリコンインゴット 12 と発熱体 16の間に 1枚の金属板を設置した。その結果、熱遮蔽板 19は合計で 11枚 が用 ヽられた。シリコンインゴット 12と発熱体 16の間に設置された金属板および発熱 体 16に近接し最も内側の金属板はモリブデン製とし、他の金属板はステンレス鋼製 とした。また、 1段目の加熱手段の発熱体 16は、通電による最大発熱量 20kWとした
[0065] 1段目の加熱手段 15の下方には、 2段目の断熱手段としての空間 20を設けた。具 体的には、 2段目の断熱手段としての空間 20は、 1段目の加熱手段 15と 2段目の加 熱手段 15とが 1. 5cm離間するように構成した。 2段目の加熱手段 15以降は、同様 に加熱手段 15と断熱手段としての空間 20とを引き下げ方向に沿って交互に設置し て、 1〜8段の熱遮蔽炉、 1段の断熱手段 18および 1〜7段の断熱手段としての空間 20を設置した。
[0066] 実施例 3では、上述のシリコン铸造装置の構成において、 2段目の熱遮蔽炉におけ る最大発熱量を 10kWとし、 3段目以降の熱遮蔽炉における最大発熱量を 5kWとし た。また、配置する熱遮蔽板 19は、 1〜3段目の熱遮蔽炉で 11枚とし、 4〜6段目の 熱遮蔽炉で 8枚とし、 7〜8段目の熱遮蔽炉で 5枚とした。
[0067] 次に、上述の装置構成からなるシリコン铸造装置を用い、シリコンの铸造を実施した 。初期装入したシリコン塊の溶解手順は、実施例 1の場合と同様に、溶融シリコン 11 を保持する黒鉛製の台座の寸法を一辺が 22cmとし、冷却坩堝 6に装入して、台座 に初期装入するシリコン塊を 11kg装入した。さらに、装入したシリコン塊の上面に、 断面形状が正方形で、その一辺が 20cmの黒鉛製の補助ヒーター 13を装入した。
[0068] さらに、チャンバ一 1内をアルゴンガスで置換した後、周波数 20kHzの交流電流を 誘導コイル 2に出力 350kWまで通電した。実施例 1の場合と同様に、シリコンの溶解 が開始するのにともない、冷却坩堝 6の下方に加熱手段 15として設置された、 1〜8 段目の熱遮蔽炉の昇温を開始した。
[0069] 熱遮蔽炉の温度設定は、実施例 2の場合と同様であり、 1段目の加熱炉では 1260 °Cとし、各 1段下方の加熱炉では 1段上方の加熱炉よりも順次 110°C低く設定して、 最も下方の 8段目の加熱炉では 490°Cとした。各熱遮蔽炉での温度測定は、実施例 1の場合と同様に、シリコンインゴット 4の側面と発熱体 16の間の中間点に配置した熱 電対で測定した。
[0070] 装入したシリコンが溶解し、溶融シリコン 11として安定的に保持された後、原料シリ コンを装入しながら、溶融シリコン 11を保持する黒鉛製の台座を下降させてシリコン 铸造を開始し、シリコンインゴット 12の全長が 200cmになった時点で铸造を停止した 。実施例 3における铸造速度は毎分 1. 7mmとした。
[0071] 铸造を開始した初期の段階では、各熱遮蔽炉の温度制御のための電力所要量は 1段目の熱遮蔽炉では約 20kW、 2段目の熱遮蔽炉では約 12kW、 3段目以降の熱 遮蔽炉では l〜5kWを消費した。しかし、時間が経過してシリコンインゴット 12が 1〜 8段目までの熱遮蔽炉全体の長さよりも長くなると、各熱遮蔽炉の電力所要量は減少 し、 1段目の熱遮蔽炉では約 8kW、 2段目の熱遮蔽炉では約 5kW、 3段目以下の熱 遮蔽炉では l〜2kWになって安定した。
[0072] 得られたシリコンインゴット 12をワイヤーソ一で切断して、太陽電池用基板を製作す るための多結晶シリコン基板を切り出した。多結晶シリコン基板の大きさは一辺が 10c mで厚さ 0. 35mmの正方形の多結晶シリコン基板を切り出した。実施例 3によって铸 造されたシリコンインゴットの全長力も均等に 100枚のシリコン基板を抜き取り、太陽 電池用の基板を製作した。
実施例 1の場合と同様に、太陽電池の製作工程では水素パッシベーシヨン技術を 用いて、それぞれのシリコン基板カゝら太陽電池を製作した。実施例 2で製作された太 陽電池の光電変換効率の平均値は、 14. 8%であった。
[0073] (比較例）
図 5は、比較例で採用したシリコン铸造装置の要部 (冷却坩堝および加熱手段)の 部分断面の構成を模式的に説明する図である。比較例では、冷却坩堝 6とこれを取り 囲む誘導コイル 7を設置して、冷却坩堝 6の直下に凝固シリコン 12の引き下げ方向 に沿って 8段の加熱手段 15を配置した。
[0074] シリコンインゴット 12の断面形状は正方形で、その一辺の長さは 16cmとし、冷却坩 堝 6直下の加熱手段 15は、高さが 20cmの加熱炉を 8段で隣接させて配設した。カロ 熱炉はステンレス鋼材を用いて骨組みし、その炉体はシリカ ·アルミナ質の耐火物で 構成した。発熱源として高さ 14cmおよび厚さ 0. 7cmの黒鉛製の発熱体 16を用い、 加熱炉高さの中心位置であって、凝固インゴット 12の側面と対面するように設置した [0075] この発熱体 16の上方および下方は厚さが 1. 5cmのシリカ ·アルミナ質の耐火物で 覆い、 1段目の加熱炉では内側寸法を 19cmとし、シリコンインゴット 12の 4側面を 1. 5cmの離間を保って取り囲んだ。この発熱体 16は通電によって最高出力を 3kWとし 、 4側面の合計出力で 12kWの発熱が可能になるように構成した。しかし、全加熱炉 のうち 3〜8段目の加熱炉では、発熱体 16の最高発熱量は lkWとし、加熱炉当たり の最高発熱量を 4kWとした。
[0076] 比較例では、上述の装置構成力 なる図 5に示すシリコン铸造装置を用いて、シリ コンの铸造を実施した。初期装入したシリコン塊の溶解手順は、実施例 1の場合と同 様とし、黒鉛製の台座を冷却坩堝 6に挿入し、この台座の上に 6. Okgのシリコン塊を 装入した。
[0077] 装入したシリコン塊から 2cm上方に、断面形状が正方形で、その一辺が 14cm、高 さが 5cmの黒鉛製の補助ヒーター 13を挿入し、チャンバ一 1内を減圧した後にアル ゴンガスを大気圧まで送入し、周波数 20kHzの交流電流を誘導コイル 2に出力 250 kWまで印加した。
[0078] 補助ヒーター 13を誘導発熱させた後、シリコン塊が自己発熱を開始すると同時に、 補助ヒーター 13を上方に引き抜き、自己発熱を開始したシリコン塊はさらに昇温させ て完全に溶解し、溶融シリコンとして冷却坩堝 6に非接触の状態で収容した。
[0079] 一方、シリコンの溶解にともない、冷却坩堝 6の下方に設置した 1〜8段目の加熱炉 の昇温も開始した。前記図 5に示す装置構成では、引き下げ方向に沿う温度勾配を 各加熱炉間で直線的に降下させることが困難であるために、 1段目の加熱炉での温 度を 1250°C、さらに 8段目の加熱炉での温度を 410°Cに設定した。そして、 2〜7段 目の加熱炉での設定温度は、上方に設置した加熱炉の設定温度を超えないように 経時的に変更した。また、加熱炉の温度測定は、高さ方向の中心位置でシリコンイン ゴット 12の側面と発熱体 16の間の中間点に配置した熱電対で測定した。
[0080] 比較例では、铸造速度を毎分 1. 3mmとした。実施例 1と同様な手順で、シリコン铸 造を開始し、シリコンインゴット 12の全長が 200cmになった時点で铸造を停止した。 铸造を開始した初期の段階での電力所要量は、 1段目の加熱炉では約 10kW、 2段 目の加熱炉では約 2kW、 3〜8段目の加熱炉では lkWを消費した。しかし、時間が 経過して铸造されたシリコンインゴット 12が 1〜8段目の加熱炉全体の長さよりも長く なると、各加熱炉の電力所要量は大幅に減少した。
すなわち、 1段目の加熱炉では約 4kWであり、 2段目〜 6段目までの 5つの加熱炉 ではまったく電力消費はなぐ 7段目の加熱炉では約 lkW、 8段目の加熱炉では約 2 kWが消費された。
[0081] 得られたシリコンインゴット 12をワイヤーソ一で切断して、太陽電池用基板を製作す るための多結晶シリコン基板を切り出した。多結晶シリコン基板の大きさは一辺が 12 . 5cmで厚さ 0. 35mmの正方形の多結晶シリコン基板を切り出した。比較例によつ て铸造されたシリコンインゴットの全長力も均等に 100枚のシリコン基板を抜き取り、 太陽電池用の基板を製作した。
実施例 1の場合と同様に、太陽電池の製作工程では水素パッシベーシヨン技術を 用いて、それぞれのシリコン基板力 太陽電池を製作した。比較例で製作された太 陽電池の光電変換効率の平均値は、 14. 2%であった。
[0082] (铸造速度および光電変換効率の比較）
上述の実施例の結果から明らかなように、本発明で規定するシリコン铸造装置を用 いた実施例 1〜3では、比較的速い铸造速度を確保できるとともに（毎分 1. 7〜2. 0 mm)、得られたシリコンインゴットから作製された太陽電池の光電変換効率はいずれ も優れた値であった (いずれも 14. 8%)。
[0083] これに対し、 1〜8段目の加熱炉を配置するシリコン铸造装置を用いた比較例では 、それほど速い铸造速度を確保することができず (毎分 1. 3mm)、得られたシリコン インゴットから作製された太陽電池の光電変換効率も劣った値であった（14. 2%)。
[0084] (加熱手段での温度制御の比較）
図 6は、実施例 1〜 3および比較例で用 、たシリコン铸造装置の加熱手段における 温度分布を示す図である。加熱手段における温度測定は、加熱手段 (加熱炉、また は熱遮蔽炉)の高さ方向の中心位置であり、凝固シリコンの側面と発熱体との中間位 置に配置した熱電対によって測定した。図 6に示す温度分布は、铸造されたシリコン インゴットが 1段目の加熱炉力 8段目の加熱炉に至る全体の距離を超えて引き下げ られた時点における温度測定結果に基づいて示す。図中では、冷却坩堝の直下か らの引き下げ距離 (cm)も併せて示している。
[0085] 図 6に示す結果から、本発明で規定するシリコン铸造装置を用いた実施例 1では、 1〜8段目の加熱炉における温度分布は、凝固シリコンの引き下げ方向に沿って直 線的に降下しており、望ましい温度制御が行われたことが示されている。これにより、 残留歪および残留応力を減少させたシリコンインゴットを铸造することができることが 分かる。
[0086] さらに、本発明で規定するシリコン铸造装置であって、加熱手段として熱遮蔽炉を 用いた実施例 2、 3では、 1〜8段目の熱遮蔽炉における温度分布は、実施例 1に比 ベ、さらに直線的に降下しており、より望ましい温度制御が行われたことが分かる。 これは、熱遮蔽炉では輻射熱の伝播によって熱移動するために温度変化に対する 応答速度が速いことに起因している。したがって、熱遮蔽炉の応答性は、耐火物固 有の大きな熱伝達抵抗を利用する耐火物による加熱炉が温度変化に対し応答速度 が緩慢であることと好対照となる。さらに、実施例 2、 3では、熱遮蔽炉の温度変化に 対する応答性と、各熱遮蔽炉間に設けられた断熱手段による遮断効果によって、 1 〜8段目の熱遮蔽炉における温度制御が容易になる。
[0087] 一方、 1〜8段の加熱炉を配置するシリコン铸造装置を用いた比較例では、各加熱 炉の温度は凝固シリコンの引き下げが進行する領域の加熱炉で高くなり易ぐまた、 引き下げ方向に設置された加熱炉のうちで、中間部の加熱炉の温度が高くなり易い 傾向がある。これらが要因となり、望ましい温度制御は得られな力つた。
産業上の利用の可能性
[0088] 本発明のシリコン铸造装置によれば、電磁誘導によるシリコンの铸造に際し、凝固 シリコンの引き下げ方向に沿って加熱手段と冷却手段とを交互に配置し、または加熱 手段と断熱手段とを交互に配置することにより、加熱手段の温度制御が容易となり、 凝固するシリコンインゴットに温度勾配を有効に付与することができるので、溶融シリ コンの固液界面における形状を安定して保持することが可能であり、残留歪および残 留応力を減少させたシリコンインゴットを铸造することができる。さらに、铸造速度を高 めて铸造装置当たりの生産性を向上させることができる。
また、本発明のシリコン基板の製造方法によれば、上記残留歪および残留応力を 減少させたシリコンインゴットから切り出すことにより、光電変換効率に優れる太陽電 池用シリコン基板を得ることができる。これにより、太陽電池用の多結晶シリコンインゴ ットの製造に広く適用することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 軸方向の少なくとも一部が周方向で複数に分割された導電性の冷却坩堝と、この 冷却坩堝を取り囲む誘導コイルを設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引 き下げて凝固させるシリコンの铸造装置において、
前記冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、前記凝固シリコンに対する加熱手段と冷却 手段とを交互に配置したことを特徴とするシリコン铸造装置。
[2] 前記加熱手段が複数段の加熱炉からなり、当該加熱炉が耐火物で構成されている ことを特徴とする請求項 1に記載のシリコン铸造装置。
[3] 前記冷却手段が複数段で構成され、冷却水を流通させる冷却管構造であることを 特徴とする請求項 1または 2に記載のシリコン铸造装置。
[4] 軸方向の少なくとも一部が周方向で複数に分割された導電性の冷却坩堝と、この 冷却坩堝を取り囲む誘導コイルを設け、電磁誘導により溶融したシリコンを下方に引 き下げて凝固させるシリコンの铸造装置において、
前記冷却坩堝の下方で、かつ同芯に、前記凝固シリコンに対する加熱手段とこの 加熱手段力 の伝熱を遮蔽する断熱手段とを交互に配置したことを特徴とするシリコ ン铸造装置。
[5] 前記加熱手段が複数段の熱遮蔽炉からなり、当該熱遮蔽炉が伝熱を遮蔽する熱 遮蔽板を配置して構成されていることを特徴とする請求項 4に記載のシリコン铸造装 置。
[6] 前記断熱手段が耐火物で構成され、前記冷却坩堝の下方で複数段に配置される ことを特徴とする請求項 4または 5に記載のシリコン铸造装置。
[7] 前記断熱手段が耐火物で構成され、または Zおよび前記加熱手段の間隙を形成 する空間で構成され、前記冷却坩堝の下方で複数段に配置されることを特徴とする 請求項 4または 5に記載のシリコン铸造装置。
[8] 前記請求項 1〜7のいずれかに記載のシリコン铸造装置を用いて多結晶シリコンィ ンゴットを育成した後、当該シリコンインゴットから切り出して太陽電池用シリコン基板 を得ることを特徴とするシリコン基板の製造方法。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008156166A (ja) * 2006-12-25 2008-07-10 Sumco Solar Corp シリコンインゴットの鋳造方法および切断方法
EP1947221A3 (en) * 2007-01-16 2010-04-07 Sumco Solar Corporation Casting method for polycrystalline silicon
WO2012020463A1 (ja) * 2010-08-11 2012-02-16 株式会社Sumco シリコンの電磁鋳造装置
WO2012023165A1 (ja) * 2010-08-16 2012-02-23 株式会社Sumco シリコンの電磁鋳造装置
JP2013503100A (ja) * 2009-08-25 2013-01-31 ピラー エルティーディー． 誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する方法
US10766777B2 (en) 2009-11-20 2020-09-08 Consarc Corporation Method for electromagnetic casting of silicon in a conductive crucible using a highest- and lowest-disposed induction coil

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6453732A (en) * 1987-08-25 1989-03-01 Osaka Titanium Method for casting silicon
JPH11314911A (ja) * 1998-05-07 1999-11-16 Sumitomo Sitix Amagasaki:Kk 多結晶シリコンインゴットの製造方法
JP3309141B2 (ja) * 1991-12-18 2002-07-29 ノヴァ・サイエンス株式会社 電子ビーム溶解による結晶シリコンインゴットの鋳造方法および装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2609655B1 (fr) * 1987-01-15 1989-03-24 Cezus Co Europ Zirconium Dispositif de fusion et coulee continue de metaux, son procede de mise en oeuvre et son utilisation
JP2657240B2 (ja) * 1988-04-15 1997-09-24 住友シチックス株式会社 シリコン鋳造装置
JPH08119786A (ja) * 1994-10-24 1996-05-14 Mitsubishi Materials Corp 単結晶引上装置
JPH09286700A (ja) * 1995-03-16 1997-11-04 Kobe Steel Ltd 単結晶の製造方法および単結晶製造装置並びにそれに用いる原料収納容器
JPH09309716A (ja) * 1996-03-19 1997-12-02 Kawasaki Steel Corp シリコンの精製方法
JPH1143396A (ja) * 1997-07-23 1999-02-16 Nippon Steel Corp シリコン単結晶およびその製造方法ならびに製造装置
JP4003271B2 (ja) * 1998-01-12 2007-11-07 Ｊｆｅスチール株式会社 シリコンの一方向凝固装置
JP3646570B2 (ja) * 1999-07-01 2005-05-11 三菱住友シリコン株式会社 シリコン連続鋳造方法
JP2003165791A (ja) * 2001-11-29 2003-06-10 Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp シリコン単結晶製造方法及び装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6453732A (en) * 1987-08-25 1989-03-01 Osaka Titanium Method for casting silicon
JP3309141B2 (ja) * 1991-12-18 2002-07-29 ノヴァ・サイエンス株式会社 電子ビーム溶解による結晶シリコンインゴットの鋳造方法および装置
JPH11314911A (ja) * 1998-05-07 1999-11-16 Sumitomo Sitix Amagasaki:Kk 多結晶シリコンインゴットの製造方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008156166A (ja) * 2006-12-25 2008-07-10 Sumco Solar Corp シリコンインゴットの鋳造方法および切断方法
EP1947221A3 (en) * 2007-01-16 2010-04-07 Sumco Solar Corporation Casting method for polycrystalline silicon
JP2013503100A (ja) * 2009-08-25 2013-01-31 ピラー エルティーディー． 誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する方法
US10766777B2 (en) 2009-11-20 2020-09-08 Consarc Corporation Method for electromagnetic casting of silicon in a conductive crucible using a highest- and lowest-disposed induction coil
WO2012020463A1 (ja) * 2010-08-11 2012-02-16 株式会社Sumco シリコンの電磁鋳造装置
WO2012023165A1 (ja) * 2010-08-16 2012-02-23 株式会社Sumco シリコンの電磁鋳造装置

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Publication number Publication date
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JPWO2006088037A1 (ja) 2008-07-03

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