WO2012011159A1 - シリコンインゴットの連続鋳造方法 - Google Patents

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silicon ingot
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宣正 内藤
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    • C30B11/001—Continuous growth
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    • 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 relates to a continuous casting method of a silicon ingot that is a material of a substrate for a solar cell.
  • Photovoltaic power generation is a power generation method in which solar energy is directly converted into electric power using a solar cell, and a polycrystalline silicon wafer is mainly used as a substrate of the solar cell.
  • a polycrystalline silicon wafer for solar cells is manufactured by slicing a unidirectionally solidified silicon ingot. For this reason, in order to promote the spread of solar cells, it is necessary to secure the quality of the silicon wafer and reduce the cost, and it is required to manufacture a high-quality silicon ingot at a low cost in the previous stage. As a method that can meet this requirement, an electromagnetic casting method that is a continuous casting method using electromagnetic induction has been put into practical use.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the configuration of a conventional electromagnetic casting apparatus used in the electromagnetic casting method.
  • the electromagnetic casting apparatus includes a chamber 1.
  • the chamber 1 is a water-cooled container having a double wall structure in which the inside is isolated from the outside air and maintained in an inert gas atmosphere suitable for casting.
  • a raw material supply device (not shown) is connected to the upper wall of the chamber 1 via an openable / closable shutter 2.
  • the chamber 1 is provided with an inert gas inlet 5 on the upper wall and an exhaust port 6 on the bottom wall.
  • a bottomless cooling crucible 7, an induction coil 8, a first after heater 9a and a second after heater 9b are arranged.
  • the cooling crucible 7 functions not only as a melting vessel but also as a mold and is a rectangular tube made of metal (for example, copper) excellent in thermal conductivity and conductivity, and is suspended in the chamber 1.
  • the cooling crucible 7 is divided into a plurality of strip-shaped pieces in the circumferential direction, leaving the upper part, and is forcibly cooled by cooling water flowing through the inside.
  • the induction coil 8 is provided concentrically with the cooling crucible 7 so as to surround the cooling crucible 7 and is connected to a power supply device (not shown).
  • the after-heaters 9a and 9b composed of a heater and a heat insulating material are concentrically connected to the cooling crucible 7 and are continuously provided below the cooling crucible 7 to heat the silicon ingot 3 pulled down from the cooling crucible 7, and the axial direction thereof Is given an appropriate temperature gradient.
  • a raw material introduction pipe 10 is attached below the shutter 2 connected to the raw material supply device. Along with opening and closing of the shutter 2, granular or lump silicon raw material is supplied from the raw material supply device into the raw material introduction pipe 10 and charged into the cooling crucible 7.
  • a drawer port 4 for extracting the ingot 3 is provided directly below the second after heater 9b, and the drawer port 4 is sealed with gas.
  • the ingot 3 is pulled down while being supported by a support base 14 that descends through the drawer opening 4.
  • a plasma torch 13 is provided directly above the cooling crucible 7 so as to be movable up and down.
  • the plasma torch 13 is connected to one pole of a plasma power supply device (not shown), and the other pole is connected to the ingot 3 side.
  • the plasma torch 13 is inserted into the cooling crucible 7 while being lowered.
  • a silicon raw material is charged into the cooling crucible 7, an alternating current is applied to the induction coil 8, and the lowered plasma torch 13 is energized.
  • the strip-shaped pieces constituting the cooling crucible 7 are electrically divided from each other, an eddy current is generated in each piece due to electromagnetic induction by the induction coil 8, and the cooling crucible 7
  • the eddy current on the inner wall side generates a magnetic field in the cooling crucible 7.
  • the silicon raw material in the cooling crucible 7 is melted by electromagnetic induction heating to form molten silicon 12.
  • a plasma arc is generated between the plasma torch 13 and the silicon raw material, and further, the molten silicon 12, and the Joule heat also heats and melts the silicon raw material, reducing the burden of electromagnetic induction heating and improving efficiency.
  • Molten silicon 12 is formed.
  • the molten silicon 12 has a force (pinch force) in the inner normal direction of the surface of the molten silicon 12 due to the interaction between the magnetic field generated along with the eddy current on the inner wall of the cooling crucible 7 and the current generated on the surface of the molten silicon 12.
  • the support 14 for supporting the molten silicon 12 is gradually lowered while melting the silicon raw material in the cooling crucible 7, the induction magnetic field decreases as the distance from the lower end of the induction coil 8 decreases. Further, by the cooling from the cooling crucible 7, the molten silicon 12 is solidified from the outer peripheral portion. Then, the silicon raw material is continuously charged as the support base 14 is lowered, and the melting and solidification are continued, whereby the molten silicon 12 is solidified in one direction, and the ingot 3 can be continuously cast. .
  • an inert gas such as argon or nitrogen is sequentially supplied to the upper part of the molten silicon 12 to fill the chamber 1.
  • the inert gas is supplied from the tip of the plasma torch 13, the inert gas inlet 5 provided on the upper wall of the chamber 1, and the shutter 2 used for introducing the raw material, as indicated by the black arrows in FIG. .
  • the chamber 1 includes a section 1a that separates the upper and lower portions of the chamber 1 between the first after-heater 9a and the second after-heater 9b.
  • a pipe 15 opened at the upper and lower parts of the chamber 1 is connected to the side wall of the chamber 1, and an inert gas supplied above the molten silicon 12 through the pipe 15 is introduced into the lower part of the chamber 1. Perform continuous casting.
  • the atmosphere in the chamber 1 is sequentially discharged from an exhaust port 6 provided on the bottom wall of the chamber 1.
  • Patent Document 1 by using a cooling crucible divided into a plurality of strip-shaped pieces in the circumferential direction, the split gap is set to 0.3 to 1.0 mm, so that dissolved silicon is formed in the gap between the strip-shaped pieces. It is said that the so-called insertion that enters and solidifies can be effectively suppressed.
  • an inert gas is supplied from an inlet provided in the upper side wall of the chamber to the upper side of the dissolved silicon, and an exhaust port provided in the lower side wall of the chamber. Discharged from.
  • an inert gas is supplied above the molten silicon from an inert gas inlet, a plasma torch, and a shutter used for raw material introduction provided at the upper part of the chamber.
  • the outer periphery of the cast ingot is contaminated with impurities.
  • This invention is made in view of such a situation, and it aims at providing the continuous casting method of the silicon ingot which can reduce the contamination by the impurity in the outer peripheral part of an ingot.
  • furnace parts such as a heater, a heat insulating material, and a metal member for fixing these in the chamber release impurities to the atmosphere by heating.
  • the present inventor considered that impurities released into this atmosphere contaminate the outer periphery of the ingot when the molten silicon is solidified while being pulled down from the bottomless cooling crucible, and used the finite element method for the atmosphere flow in the chamber. It was investigated by analysis.
  • the analysis of the atmosphere flow in the chamber is performed by the electromagnetic casting apparatus shown in FIG. 5, and Ar having a flow rate of 50 l / min from the inert gas inlet 5, a flow rate of 100 l / min from the plasma torch 13, and a flow rate of 50 l / min from the shutter 2.
  • Gas was supplied above the molten silicon.
  • the atmosphere was discharged from the exhaust port 6 provided in the lower part of the chamber, and the pressure in the chamber was maintained at 1.044 ⁇ 10 5 Pa. Further, the heat generation amount by the induction coil 8 was 360 to 390 kW, and the heat generation amount by the plasma arc generated from the plasma torch 13 was 120 to 130 kW.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the atmosphere flow in the chamber in the conventional continuous casting method of a silicon ingot.
  • the figure schematically shows the analysis result of the atmosphere flow in the chamber, and the flow having a flow velocity of 1.0 m / s or more is indicated by a solid arrow. From the results shown in the figure, it is considered that most of the inert gas supplied above the molten silicon 12 flows through the pipe 15 to the lower part of the chamber and is then discharged from the exhaust port. Further, it is confirmed that the outer periphery of the ingot has no atmosphere flow exceeding a flow velocity of 1.0 m / s, and the atmosphere is stagnant.
  • the present inventor Since the present inventor has almost no atmosphere flow on the outer periphery of the ingot, the contamination of the outer periphery of the cast ingot is arranged so as to surround the ingot to be lowered, and the ingot is heated to an appropriate temperature in the pulling axial direction. We thought that the influence of the after-heater which gives a gradient was great.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing contamination by an after heater as an example of contamination of the outer periphery of a silicon ingot from the atmosphere in a conventional silicon ingot continuous casting method.
  • a silicon ingot 3 and an after-heater 9 that heats the ingot and provides an appropriate temperature gradient in the pulling-down axial direction are shown.
  • impurities are released into the atmosphere from the heater and the heat insulating material constituting the after-heater 9. Since the atmosphere on the outer periphery of the ingot 3 is stagnant, the impurities released into the atmosphere come into contact with the ingot, and the impurities are taken into the ingot and the outer periphery is contaminated.
  • an inert gas is supplied to the lower part of the silicon ingot and circulated around the outer periphery of the silicon ingot. It has been found that contamination of the outer periphery can be reduced.
  • the present invention has been completed on the basis of the above-mentioned knowledge, and the gist of the following (1) and (2) silicon ingot continuous casting methods.
  • the silicon raw material While supplying an inert gas into the chamber, the silicon raw material is charged into a conductive bottomless cooling crucible disposed in the chamber, and electromagnetic induction heating from an induction coil surrounding the bottomless cooling crucible
  • the inert gas when supplying the inert gas into the chamber, the inert gas is placed above the molten silicon.
  • a continuous casting method for a silicon ingot characterized in that the inert gas supplied to the lower part of the silicon ingot is circulated on the outer periphery of the silicon ingot.
  • an inert gas is supplied to the lower part of the silicon ingot, and an inert gas having a high degree of cleanness is circulated around the outer periphery of the silicon ingot. , Contamination by impurities can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a method for continuously casting a silicon ingot according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view for explaining the shielding effect by the continuous casting method of the silicon ingot of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a range of variation in Fe concentration in the wafer outer peripheral region in the present invention example and the comparative example.
  • FIG. 4 is a diagram showing a range of variation in Ni concentration in the wafer outer peripheral region in the present invention example and the comparative example.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration of a conventional electromagnetic casting apparatus used in the electromagnetic casting method.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an atmosphere flow in a chamber in a conventional continuous casting method of a silicon ingot.
  • FIG. 7 is a schematic view showing contamination by an after heater as an example of contamination of the outer peripheral portion of the silicon ingot from the atmosphere in the conventional continuous casting method of silicon ingot.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the silicon ingot continuous casting method of the present invention.
  • the electromagnetic casting apparatus shown in FIG. 5 blocks the flow of the introduction line 16 for supplying an inert gas to the lower part of the ingot 3 to be lowered and the atmosphere flowing into the lower part of the ingot from the electromagnetic casting apparatus shown in FIG.
  • the partition member 17 to be added is added.
  • the continuous casting method of the silicon ingot while supplying an inert gas into the chamber 1, a silicon raw material is charged into a conductive bottomless cooling crucible 7 disposed in the chamber 1, and bottomless cooling is performed.
  • the method of continuously casting the silicon ingot 3 by melting the silicon raw material by electromagnetic induction heating from the induction coil 8 surrounding the crucible 7 and solidifying the molten silicon 12 while pulling it down from the bottomless cooling crucible 7,
  • the inert gas is supplied above the molten silicon 12, supplied to the lower part of the silicon ingot 3, and the inert gas supplied to the lower part is circulated around the outer periphery of the silicon ingot 3. It is characterized by.
  • the inert gas When the inert gas is supplied to the lower part of the silicon ingot 3, as shown by the dotted arrows in FIG. 1, the supplied inert gas flows along the outer periphery of the silicon ingot 3 due to natural convection. Thus, the silicon ingot 3 is shielded by the inert gas that circulates around the outer periphery.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the shielding effect by the continuous casting method of the silicon ingot of the present invention.
  • a silicon ingot 3 and an after-heater 9 that heats the ingot and provides an appropriate temperature gradient in the pulling-down axial direction are shown.
  • an inert gas is supplied to the lower portion of the ingot 3 so that the inert gas circulates around the outer periphery of the ingot as indicated by the white arrow in the figure.
  • the impurities released by heating from the heater and the heat insulating material constituting the after-heater 9 do not stagnate on the outer periphery of the ingot, and are caused to flow upward by the inert gas flowing through the outer periphery. For this reason, most of the impurities released from the heater and the heat insulating material constituting the after heater 9 do not reach the ingot surface shielded by the flowing inert gas. Due to the shielding effect of the inert gas flowing through the outer periphery of the ingot, the continuous casting method of the ingot according to the present invention can reduce contamination at the outer peripheral portion of the ingot to be cast.
  • the flow rate of the inert gas supplied to the lower part of the ingot and the upper part of the molten silicon is in a plane perpendicular to the pulling axis of the ingot.
  • Each can be set as appropriate based on the size of the ingot such as the size of the cross-sectional shape or the length in the pulling-down axis direction, the volume of the chamber 1, the interval provided between the chamber 1 and the after heater, and the like.
  • the after heater 9b and the bottom wall of the chamber 1 are generally separated from each other.
  • the inert gas supplied above the molten silicon or the inert gas supplied to the lower part of the ingot and circulated through the outer periphery of the ingot may flow into the lower part of the ingot after flowing through the chamber.
  • Such atmosphere contains impurities released from the in-furnace parts when flowing in the chamber, and there is a possibility that the cleanliness is lowered, so when flowing into the lower part of the ingot and circulating the outer periphery of the ingot, There is a risk of contaminating the outer periphery of the silicon ingot.
  • the atmosphere in the chamber blocks the flow flowing into the lower portion of the silicon ingot.
  • the atmosphere in the chamber blocks the flow flowing into the lower portion of the silicon ingot.
  • a silicon ingot was cast by an electromagnetic casting method from the electromagnetic casting apparatus shown in FIG. 1 except that the partition member 17 that blocks the flow of the atmosphere in the chamber flowing into the lower part of the silicon ingot was used.
  • the inert gas is supplied from the inlet 5 at a flow rate of 20 l / min, from the plasma torch 13 at a flow rate of 100 l / min, and from the shutter 2 at a flow rate of 50 l / min, and the flow rate of the inert gas supplied above the molten silicon.
  • the introduction line 16 was supplied to the lower part of the ingot from the introduction line 16 at a flow rate of 30 l / min and circulated around the outer periphery of the ingot.
  • an inert gas is supplied above the molten silicon from the inlet 5 at a flow rate of 20 l / min, from the plasma torch 13 at a flow rate of 100 l / min, and from the shutter 2 at a flow rate of 50 l / min, and from the introduction line 16 to the lower part of the ingot. Supply was not performed.
  • the atmosphere was discharged from the exhaust port 6 provided in the lower part of the chamber, and the pressure in the chamber was maintained at 1.044 ⁇ 10 5 Pa.
  • the cast silicon ingot was divided into two vertically and three horizontally on a surface perpendicular to the pulling direction, and then cut into silicon wafers.
  • the impurity concentration was measured for the outer peripheral region of the obtained wafer.
  • the impurity concentration in the outer peripheral region was determined by cutting a 20 mm region from the outer periphery of the wafer and measuring the Fe and Ni concentrations by total dissolution analysis.
  • the impurity concentration in the outer peripheral region was measured by collecting 10 wafers in both the inventive example and the comparative example.
  • FIG. 3 is a diagram showing a range of variation in Fe concentration in the wafer outer peripheral region in the present invention example and the comparative example. As shown in the figure, the Fe concentration was lower in the inventive example than in the comparative example.
  • FIG. 4 is a diagram showing the range of variation in Ni concentration in the wafer outer peripheral region in the present invention example and the comparative example. As shown in the figure, the Ni concentration was lower in the example of the present invention than in the comparative example.
  • the continuous casting method of the silicon ingot of the present invention supplies an inert gas to the lower part of the silicon ingot, and distributes the inert gas having a high cleanliness to the outer periphery of the silicon ingot. It became clear that contamination by impurities can be reduced at the outer periphery.
  • an inert gas is supplied to the lower part of the silicon ingot, and an inert gas having a high degree of cleanness is circulated around the outer periphery of the silicon ingot. , Contamination by impurities can be reduced.
  • the silicon ingot continuous casting method of the present invention is applied to the casting of a silicon ingot for a solar cell, it can greatly contribute to improving the quality of the wafer for solar cell.

Abstract

チャンバー（１）内に不活性ガスを供給しつつ、当該チャンバー（１）内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボ（７）にシリコン原料を装入し、無底冷却ルツボ（７）を囲繞する誘導コイル（８）からの電磁誘導加熱によりシリコン原料を溶解させ、この溶融シリコン（１２）を無底冷却ルツボ（７）から引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する方法において、チャンバー（１）内に不活性ガスを供給する際に、不活性ガスを溶融シリコン（１２）の上方に供給するとともに、シリコンインゴット（３）の下部に供給し、当該下部に供給した不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることにより、シリコンインゴットの外周部における不純物による汚染を低減することができる。

Description

シリコンインゴットの連続鋳造方法
　本発明は、太陽電池用基板の素材であるシリコンインゴットの連続鋳造方法に関する。
　近年、ＣＯ２排出による地球温暖化問題やエネルギー資源の枯渇問題が深刻化しており、それらの問題の対応策の一つとして、無尽蔵に降りそそぐ太陽光エネルギーを活用する太陽光発電が注目されている。太陽光発電は、太陽電池を使用して太陽光エネルギーを直接電力に変換する発電方式であり、太陽電池の基板には、多結晶のシリコンウェーハを用いるのが主流である。
　太陽電池用の多結晶シリコンウェーハは、一方向性凝固のシリコンインゴットを素材とし、このインゴットをスライスして製造される。このため、太陽電池の普及を図るには、シリコンウェーハの品質を確保するとともに、コストを低減する必要があり、その前段階で、高品質のシリコンインゴットを安価に製造することが要求される。この要求に対応できる方法として、電磁誘導を利用した連続鋳造方法である電磁鋳造法が実用化されている。
　図５は、電磁鋳造法で用いられる従来の電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、電磁鋳造装置はチャンバー１を備える。チャンバー１は、内部を外気から隔離し鋳造に適した不活性ガス雰囲気に維持する二重壁構造の水冷容器である。チャンバー１の上壁には、開閉可能なシャッター２を介し、図示しない原料供給装置が連結されている。チャンバー１は、上壁に不活性ガス導入口５が設けられ、底壁に排気口６が設けられている。
　チャンバー１内には、無底冷却ルツボ７、誘導コイル８、第１アフターヒーター９ａおよび第２アフターヒーター９ｂが配置されている。冷却ルツボ７は、融解容器としてのみならず、鋳型としても機能し、熱伝導性および導電性に優れた金属（例えば、銅）製の角筒体で、チャンバー１内に吊り下げられている。この冷却ルツボ７は、上部を残して周方向で複数の短冊状の素片に分割され、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。
　誘導コイル８は、冷却ルツボ７を囲繞するように、冷却ルツボ７と同芯に周設され、図示しない電源装置に接続されている。ヒーターや保温材から構成されるアフターヒーター９ａおよび９ｂは、冷却ルツボ７と同芯に、冷却ルツボ７の下方に連設され、冷却ルツボ７から引き下げられるシリコンインゴット３を加熱して、その軸方向に適切な温度勾配を与える。
　また、チャンバー１内には、原料供給装置に連結されたシャッター２の下方に原料導入管１０が取り付けられている。シャッター２の開閉に伴って、粒状や塊状のシリコン原料が原料供給装置から原料導入管１０内に供給され、冷却ルツボ７内に装入される。
　チャンバー１の底壁には、第２アフターヒーター９ｂの真下に、インゴット３を抜き出すための引出し口４が設けられ、この引出し口４はガスでシールされている。インゴット３は、引出し口４を貫通して下降する支持台１４によって支えられながら引き下げられる。
　冷却ルツボ７の真上には、プラズマトーチ１３が昇降可能に設けられている。プラズマトーチ１３は、図示しないプラズマ電源装置の一方の極に接続され、他方の極は、インゴット３側に接続されている。このプラズマトーチ１３は、下降させた状態で冷却ルツボ７内に挿入される。
　このような電磁鋳造装置を用いた電磁鋳造法では、冷却ルツボ７にシリコン原料を装入し、誘導コイル８に交流電流を印加するとともに、下降させたプラズマトーチ１３に通電を行う。このとき、冷却ルツボ７を構成する短冊状の各素片が互いに電気的に分割されていることから、誘導コイル８による電磁誘導に伴って各素片内で渦電流が発生し、冷却ルツボ７の内壁側の渦電流が冷却ルツボ７内に磁界を発生させる。これにより、冷却ルツボ７内のシリコン原料は電磁誘導加熱されて融解し、溶融シリコン１２が形成される。また、プラズマトーチ１３とシリコン原料、さらには溶融シリコン１２との間にプラズマアークが発生し、そのジュール熱によっても、シリコン原料が加熱されて融解し、電磁誘導加熱の負担を軽減して効率良く溶融シリコン１２が形成される。
　溶融シリコン１２は、冷却ルツボ７の内壁の渦電流に伴って生じる磁界と、溶融シリコン１２の表面に発生する電流との相互作用により、溶融シリコン１２の表面の内側法線方向に力（ピンチ力）を受けるため、冷却ルツボ７と非接触の状態に保持される。冷却ルツボ７内でシリコン原料を融解させながら、溶融シリコン１２を支える支持台１４を徐々に下降させると、誘導コイル８の下端から遠ざかるにつれて誘導磁界が小さくなることから、発熱量およびピンチ力が減少し、さらに冷却ルツボ７からの冷却により、溶融シリコン１２は外周部から凝固が進行する。そして、支持台１４の下降に伴ってシリコン原料を連続的に装入し、融解および凝固を継続することにより、溶融シリコン１２が一方向に凝固し、インゴット３を連続して鋳造することができる。
　連続鋳造中は、チャンバー１内を不活性ガス雰囲気に維持するため、アルゴンや窒素といった不活性ガスが溶融シリコン１２の上部に逐次供給され、チャンバー１内に充満する。不活性ガスの供給は、図５の黒塗り矢印で示すように、プラズマトーチ１３の先端やチャンバー１の上壁に設けられた不活性ガス導入口５、原料導入に用いられるシャッター２から行われる。
　チャンバー１は、第１アフターヒーター９ａと第２アフターヒーター９ｂの間に、チャンバー１の上部と下部を区分する区分部１ａを備えている。また、チャンバー１の側壁にチャンバー１の上部と下部で開口する配管１５が連結されており、この配管１５を通じて溶融シリコン１２の上方に供給された不活性ガスをチャンバー１の下部に導入しつつ、連続鋳造を行う。一方、チャンバー１内の雰囲気は、チャンバー１の底壁に設けられた排気口６から逐次排出される。
　このような電磁鋳造法によれば、溶融シリコン１２と冷却ルツボ７との接触が軽減されるため、その接触に伴う冷却ルツボ７からの不純物汚染が防止され、高品質のインゴット３を得ることができる。しかも、連続鋳造であることから、安価にインゴット３を製造することが可能になる。
　電磁鋳造法によりシリコンインゴットを鋳造する方法に関し、従来から種々の提案がなされており、例えば特許文献１がある。特許文献１では、周方向で複数の短冊状の素片に分割された冷却ルツボで、その分割間隙を０．３～１．０ｍｍにすることにより、短冊状の素片の間隙に溶解シリコンが入り込み固化する、いわゆる差し込みを効果的に抑えることができるとしている。
　特許文献１に記載のシリコンインゴットの連続鋳造方法では、不活性ガスの供給は、チャンバーの上部側壁に設けられた導入口から溶解シリコンの上方に供給され、チャンバーの下部側壁に設けられた排気口から排出される。
特開平１－２６４９２０号公報
　電磁鋳造法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際、インゴットがＦｅやＮｉといった不純物で汚染されると、鋳造されたインゴットの品質が低下する。このため、電磁鋳造法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際は、不純物による汚染を可能な限り低減する必要がある。
　前述した従来のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、チャンバーの上部に設けられた不活性ガスの導入口やプラズマトーチ、原料導入に用いられるシャッターから不活性ガスを溶融シリコンの上方に供給する。この場合、鋳造されたインゴットの外周部が不純物により汚染される。
　本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、インゴットの外周部における不純物による汚染を低減することができるシリコンインゴットの連続鋳造方法を提供することを目的としている。
　電磁鋳造法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際、チャンバー内に配置されたヒーターや、保温材、これらを固定する金属部材といった炉内部品は、加熱により不純物を雰囲気に放出する。本発明者は、この雰囲気に放出された不純物が、溶融シリコンを無底冷却ルツボから引き下げながら凝固させる際に、インゴットの外周部を汚染すると考え、チャンバー内の雰囲気流れについて有限要素法を用いた解析により調査した。
　チャンバー内の雰囲気流れの解析は前記図５に示した電磁鋳造装置で行い、不活性ガス導入口５から流量５０ｌ／ｍｉｎ、プラズマトーチ１３から流量１００ｌ／ｍｉｎおよびシャッター２から流量５０ｌ／ｍｉｎのＡｒガスを溶融シリコンの上方に供給した。一方、チャンバーの下部に設けた排気口６から雰囲気を排出し、チャンバー内の圧力を１．０４４×１０５Ｐａに保持した。また、誘導コイル８による発熱量を３６０～３９０ｋＷ、プラズマトーチ１３から発生するプラズマアークによる発熱量を１２０～１３０ｋＷとした。
　図６は、従来のシリコンインゴットの連続鋳造法おけるチャンバー内の雰囲気流れを示す模式図である。同図は、チャンバー内の雰囲気流れについての解析結果を模式的に示し、流速が１．０ｍ／ｓ以上である流れを実線矢印で示す。同図に示す結果から、溶融シリコン１２の上方に供給された不活性ガスの大部分は、配管１５を通ってチャンバーの下部に流れた後、排気口から排出されると思われる。また、インゴットの外周は、流速１．０ｍ／ｓを超える雰囲気流れがなく、雰囲気が停滞していることが確認される。
　本発明者は、インゴットの外周に雰囲気流れがほとんどないことから、鋳造されたインゴット外周部の汚染は、引き下げられるインゴットを囲繞するように配置され、インゴットを加熱して引上げ軸方向に適切な温度勾配を与えるアフターヒーターの影響が大きいと考えた。
　図７は、従来のシリコンインゴットの連続鋳造方法における雰囲気からのシリコンインゴットの外周部の汚染例として、アフターヒーターによる汚染を示す模式図である。同図では、シリコンインゴット３と、当該インゴットを加熱して引き下げ軸方向に適切な温度勾配を与えるアフターヒーター９を示す。同図の実線矢印で示すように、アフターヒーター９を構成するヒーターや保温材から不純物が雰囲気に放出される。インゴット３の外周の雰囲気は停滞していることから、雰囲気に放出された不純物とインゴットが接触し、不純物がインゴットに取り込まれて外周部が汚染される。
　さらに、インゴットの外周部が雰囲気から汚染されるのを低減する方法について鋭意検討を重ねた結果、シリコンインゴットの下部に不活性ガスを供給してシリコンインゴットの外周に流通させることにより、雰囲気からの外周部の汚染を低減できることを見出した。
　本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであり、下記（１）および（２）のシリコンインゴットの連続鋳造方法を要旨としている。
（１）チャンバー内に不活性ガスを供給しつつ、当該チャンバー内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボにシリコン原料を装入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱によりシリコン原料を溶解させ、この溶融シリコンを無底冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する方法において、チャンバー内に不活性ガスを供給する際に、不活性ガスを溶融シリコンの上方に供給するとともに、シリコンインゴットの下部に供給し、当該下部に供給した不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。
（２）上記（１）に記載のシリコンインゴットの連続鋳造方法であって、前記チャンバー内の雰囲気が、シリコンインゴットの下部に流入する流れを遮断することを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。
　本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、シリコンインゴットの下部に不活性ガスを供給し、清浄度の高い不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることにより、鋳造されるシリコンインゴットの外周部において、不純物による汚染を低減できる。
図１は、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を説明する模式図である。 図２は、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法による遮蔽効果を説明する模式図である。 図３は、本発明例および比較例でのウェーハ外周領域におけるＦｅ濃度のばらつきの範囲を示す図である。 図４は、本発明例および比較例でのウェーハ外周領域におけるＮｉ濃度のばらつきの範囲を示す図である。 図５は、電磁鋳造法で用いられる従来の電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。 図６は、従来のシリコンインゴットの連続鋳造法におけるチャンバー内の雰囲気流れを示す模式図である。 図７は、従来のシリコンインゴットの連続鋳造方法における雰囲気からのシリコンインゴットの外周部の汚染例として、アフターヒーターによる汚染を示す模式図である。
　以下に、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を説明する模式図である。同図に示す電磁鋳造装置は、前記図５に示す電磁鋳造装置に、引き下げられるインゴット３の下部に不活性ガスを供給する導入ライン１６と、チャンバー内の雰囲気がインゴット下部に流入する流れを遮断する仕切り部材１７とを追加したものである。
　本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、チャンバー１内に不活性ガスを供給しつつ、当該チャンバー１内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボ７にシリコン原料を装入し、無底冷却ルツボ７を囲繞する誘導コイル８からの電磁誘導加熱によりシリコン原料を溶解させ、この溶融シリコン１２を無底冷却ルツボ７から引き下げながら凝固させてシリコンインゴット３を連続鋳造する方法において、チャンバー１内に不活性ガスを供給する際に、不活性ガスを溶融シリコン１２の上方に供給するとともに、シリコンインゴット３の下部に供給し、当該下部に供給した不活性ガスをシリコンインゴット３の外周に流通させることを特徴とする。
　不活性ガスをシリコンインゴット３の下部に供給すると、図１で点線矢印を用いて示すように、供給された不活性ガスは、自然対流にともなってシリコンインゴット３の外周を流通する。このようにシリコンインゴット３は、外周を流通する不活性ガスにより遮蔽される。
　図２は、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法による遮蔽効果を説明する模式図である。同図では、シリコンインゴット３と、当該インゴットを加熱して引き下げ軸方向に適切な温度勾配を与えるアフターヒーター９を示す。本発明のシリコンインゴットの連続鋳造法は、インゴット３の下部に不活性ガスを供給することにより、同図の白抜き矢印で示すように不活性ガスがインゴットの外周を流通する。
　この場合、アフターヒーター９を構成するヒーターや保温材から加熱により放出された不純物は、インゴットの外周に停滞することなく、外周を流通する不活性ガスにより上方に流される。このため、アフターヒーター９を構成するヒーターや保温材から放出された不純物の大部分は、流通する不活性ガスにより遮蔽されたインゴット表面に到達しない。このようなインゴットの外周を流通する不活性ガスの遮蔽効果により、本発明のインゴットの連続鋳造方法は、鋳造されるインゴットの外周部における汚染を低減することができる。
　本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法では、不活性ガスをインゴットの下部に供給する際、インゴットの下部および溶融シリコンの上方に供給する不活性ガスの流量は、インゴットの引き下げ軸に垂直な面における断面形状の寸法または引き下げ軸方向の長さといったインゴットのサイズや、チャンバー１の容積、チャンバー１とアフターヒーターの間に設けられた間隔等に基づき、それぞれ適宜設定することができる。
　前記図５に示すように従来の電磁鋳造炉は、一般的にアフターヒーター９ｂとチャンバー１の底壁が離間されている。このため、溶融シリコンの上方に供給された不活性ガスや、インゴットの下部に供給されインゴットの外周を流通した不活性ガスが、チャンバー内を流れた後、インゴットの下部に流入する場合がある。このような雰囲気は、チャンバー内を流れる際に炉内部品から放出された不純物を含み、清浄度が低下している可能性があるので、インゴットの下部に流入してインゴットの外周を流通すると、シリコンインゴットの外周部を汚染するおそれがある。
　したがって、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、チャンバー内の雰囲気が、シリコンインゴットの下部に流入する流れを遮断するのが好ましい。これにより、インゴットの下部にはチャンバー外から供給する不活性ガスのみが流入し、清浄度の高い不活性ガスのみがインゴットの外周を流通するので、鋳造されたインゴットの外周部の汚染をより低減することができる。チャンバー内の雰囲気がシリコンインゴットの下部に流入する流れを遮断する方法としては、例えば、前記図１に示すようにＬ字型の断面形状を有する円筒状の仕切り部材を用いることができる。
　本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法の効果を確認するため、下記の試験を行った。
［試験条件］
　前記図１に示す電磁鋳造装置から、チャンバー内の雰囲気がシリコンインゴットの下部に流入する流れを遮断する仕切り部材１７を除いた電磁鋳造装置を用い、電磁鋳造法によりシリコンインゴットを鋳造した。この際、不活性ガスを、導入口５から流量２０ｌ／ｍｉｎ、プラズマトーチ１３から流量１００ｌ／ｍｉｎおよびシャッター２から流量５０ｌ／ｍｉｎで供給し、溶融シリコンの上方に供給される不活性ガスの流量を１７０ｌ／ｍｉｎとした。また、導入ライン１６から流量３０ｌ／ｍｉｎでインゴットの下部に供給し、インゴットの外周に流通させた。
　比較例では、不活性ガスを導入口５から流量２０ｌ／ｍｉｎ、プラズマトーチ１３から流量１００ｌ／ｍｉｎおよびシャッター２から流量５０ｌ／ｍｉｎで溶融シリコンの上方に供給し、導入ライン１６からインゴット下部への供給は行わなかった。本発明例および比較例ともに、チャンバーの下部に設けた排気口６から雰囲気を排出し、チャンバー内の圧力を１．０４４×１０５Ｐａに保持した。
　本発明例および比較例ともに、鋳造したシリコンインゴットを引き下げ方向に垂直な面において縦２個、横３個に分割した後、シリコンウェーハに切り出した。得られたウェーハの外周領域について不純物濃度を測定した。外周領域における不純物濃度は、ウェーハの外周から２０ｍｍの領域を切断し、ＦｅおよびＮｉの濃度を全溶解解析により測定した。また、外周領域における不純物濃度の測定は、本発明例および比較例ともに１０枚のウェーハを採取して行った。
［試験結果］
　図３は、本発明例および比較例でのウェーハ外周領域におけるＦｅ濃度のばらつきの範囲を示す図である。同図に示すように、本発明例では、比較例に比べてＦｅ濃度が低下した。
　図４は、本発明例および比較例でのウェーハ外周領域におけるＮｉ濃度のばらつきの範囲を示す図である。同図に示すように、本発明例では、比較例に比べてＮｉ濃度が低下した。
　これらから、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、シリコンインゴットの下部に不活性ガスを供給し、清浄度の高い不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることにより、鋳造されたシリコンインゴットの外周部において、不純物による汚染を低減できることが明らかになった。
　本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、シリコンインゴットの下部に不活性ガスを供給し、清浄度の高い不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることにより、鋳造されるシリコンインゴットの外周部において、不純物による汚染を低減できる。
　したがって、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を、太陽電池用のシリコンインゴットの鋳造に適用すれば、太陽電池用ウェーハの品質向上に大きく寄与することができる。
　１：チャンバー、　１ａ：区分部、　２：シャッター、　
　３：シリコンインゴット、　４：引出し口、　５：不活性ガス導入口、　
　６：排気口、　７：無底冷却ルツボ、　８：誘導コイル、　
　９：アフターヒーター、　９ａ：第１アフターヒーター、
　９ｂ：第２アフターヒーター、　１０：原料導入管、　
　１２：溶融シリコン、　１３：プラズマトーチ、　１４：支持台、
　１５：配管、　１６：不活性ガス導入ライン、　１７：仕切り部材

Claims (2)

  1. 　チャンバー内に不活性ガスを供給しつつ、当該チャンバー内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボにシリコン原料を装入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱によりシリコン原料を溶解させ、この溶融シリコンを無底冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する方法において、
    　チャンバー内に不活性ガスを供給する際に、不活性ガスを溶融シリコンの上方に供給するとともに、シリコンインゴットの下部に供給し、当該下部に供給した不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。
  2. 　請求項１に記載のシリコンインゴットの連続鋳造方法であって、前記チャンバー内の雰囲気が、シリコンインゴットの下部に流入する流れを遮断することを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。
     
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11314996A (ja) * 1998-05-08 1999-11-16 Digital Wave:Kk 結晶の製造方法及び製造装置
JP2009046339A (ja) * 2007-08-17 2009-03-05 Sumco Solar Corp シリコン鋳造装置

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