JPS61141612A - シリコン多結晶の造塊方法 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 シリコン多結晶を太陽電池基板用材料のために鋳造法に
よって製造することが工業的な規模で笑用化されるよう
になりｋ。

太陽電池に用いるシリコン多結晶基板は、多結晶と云え
ども各結晶粒径かめる大きざ以上になる必要がめり、ま
た結晶粒界および結晶粒内の不純物、結晶欠陥、介在物
等も太陽電池物性ケ向上するために制御されなければな
らない。本発明にこのような用途に適するシリコン多結
晶の造塊方法に関する。

（従来技術） 造塊法には従来、金属シリコンを鋳型（この場合正確Ｉ
Ｃはるつぼと表現すべきであるが、この場合も含めて鋳
型と称する）中で溶解してそのま＼同−鐙型内で凝固さ
せる方法と、熔解専用のるつげ中で溶解したシリコンを
別の凝固専用の鋳型に鋳込んで凝固させる方法とがめる
。

上記何れの方法にも、シリコンが凝固して冷却過程で発
生するシリコンインゴット中の熱応力を緩和するために
、め型内壁に離型剤を塗布する方法が使°われるこの離
型剤に鰐型内壁とシリコンインゴット中 とシリコンの郊膨張率の差に起因する応力を発生させな
い役割に担っている。

窒化けい素、炭化けい素、るるいは酸化けい素が離型剤
として用いられるが、塗布され７’Ｃ離型剤はシリコン
溶湯との接触によって剥離したり、あるいｆ１ｍ湯シリ
コンに溶解する。そうしてこれら離型剤にシリコンイン
ゴットの凝固時に離型剤の形のま−１あるいに溶解し友
ものが過飽和の状態から析出して結晶粒内や結晶粒界に
出現して分布するようになる。結晶粒内あるいは結晶粒
界のこれら介在物はシリコンの物性を低下させる許りで
なく、析出集合した場合にはインゴット中に鋳巣をつく
ったり、またインゴットの熱割れの原因になる。このた
め凝固時の結晶組織と析出物の制御はシリコンインゴッ
ト造塊方法のもつとも重要な技術的娶素となっている。

凝固時の結晶組織と析出物の制御に関して、結晶育成時
に回転する方法が、一般的に半導体単結晶引上げ技術で
は従来から利用されている。

この単結晶引上げでは、るつぼを回転させるとともに同
時に結晶化したシリコンをるつぼの回転方向とは逆方向
に回転させる。すなわち、るつぼ上回転させることによ
ってシリコン溶湯に回転運動を与え、一方このシリコン
溶湯の回転運動とに逆方向にシリコン結晶上回転させる
ことによって、シリコン溶湯とシリコン結晶の回転に関
する相対運動を強化している。この単結晶引上げのとき
の溶湯と結晶の相対的な運動に、液相と固相の界面での
勲および物質の移動を制御する一つの方法ケ示すもので
ある。

しかしこの場合に、成長する結晶がるつぼとは独立に回
転可能な状態にあるから、るつぼと結晶間の相対運動を
自由に行い得るが、溶解し几金属を保持している鋳型内
でそのま＼金属上凝固させる場合は、Ｗｊ型を連続して
一様に回転しても凝固し次金属と溶解している金属は同
一回転するために回転方向の相対運動を生じることは不
可能である。

（発明が解決しようとする問題点〕 本発明者らに従って、一つの鉋型内で一つの回転軸によ
る溶融金属と凝固金属の相対運動全永続的かつ効果的に
生じさせて凝固時の結晶組織と析出物の制御ケ行い、不
純物や結晶欠陥のないシリコン多結晶鋳塊ケ得ることｔ
本発明の目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 一様回転あるいは静止状態にある鋳型に急速に回転速度
の変化を与えた場合、速度変化を与えられた初期の時間
でに鋳型内壁から成長した固相金属は鋳型と同一運動し
て鋳型回転数と同一回転数で回転運動を開始するが、溶
解している金属は慣性のため、鋳型が回転を始めても静
止あるいに鋳型の以前の一定回転数の回転運動ケ続けよ
うとして、溶解金属は鋳型と同一の回転運動ケすること
はない。

このように鋳型に回転速度の変化を与えた初期Ｖｃぼ凝
固した金属と溶解している金属に回転速度が異なるため
に、相対的な回転運動會得ることになる。

しかし鋳型回転数ケそのま＼一様に継続すれば、溶解し
ている金属は相対的に運動している鋳型および凝固し友
金属から運動量ケ伝達されて、鋳型および凝固した金属
の回転数とやがて同一になり、凝固した金属と熔解して
いる金属との相対運動は消滅してしまう。

よって本発明者らは鋳型に回転運動を間歇的に与えるこ
とによって、凝固した金烏と溶解している金属が継続的
に相対運動を継続し得ることに着目し、突地試鹸研究を
重ねた結果、このような間歇的な鋳型の回転が、凝固し
た結晶組織の制御のために非常に有効であることｔ見出
した。

本発明は上記知見に基づくものであって溶融シリコン１
１型中で凝固せしめるときに、鋳型に間歇的に回転ケ与
えることを娶旨とし、後記する処より明らかな如り、鋳
型の回転数は５〜２０　ｒｐｍ。

回転の間歇周期に２０〜ｌ　Ｑ　Ｑ　Ｓｅｅとすること
により良好な効果を得ることができる。

（作　用） 液体を保持している容器を静止させているときには、液
体に外部から力が加わらなければ液体も　′静止して容
器と液体には侮辱相対的な運動は生じない、このようｔ
／ｃ溶融金属を保持している鋳型が静止しているときは
溶融金属と鋳型ＶＣは何隻相対的な運動は生じない。

しかし第１図に示したように、鋳型および鋳型中の溶融
金属が静止状態にるるときに、鋳型に回転運動が与えら
れると、鋳型は瞬時に与えられた回転数で回転を開始す
るが、溶融金属は慣性によって静止状態を続けようとす
る。しかし溶融金属に回転している鋳型から次第に粘性
によって回転運動の力を受けて時間が経過すれば遂には
鋳型と同一の回転運動をするに至る。この鋳型の回転開
始から鋳型と溶融金属が同一＠転ｔするまでの間が相対
運動ケ生じている時間でめる。そうして両者が囮−回転
で運動してからは相対運ｗＪに零になる。

この両者が同一回転運動をしている状態で、今度は鋳型
の回転を停止すれば、鋳型は瞬時に停止するが溶融金属
は逆に慣性によって回転運動を続けようとして、鋳型と
溶融金属の相対運動か生じる。しかし回転している溶融
金属はやがては粘性によって回転運動を停止する。

このような鋳型回転の始動と停止を繰り返して連続的に
行った間歇回転の場合上図示したのが第２図である。Ｍ
２図ばンは、鋳型回転とシリコン溶湯の運動の様子を示
したものでるり、第２図（ロ）には、鋳型とシリコン浴
湯の相対運動の大＠てを示した。

すなわち、鋳型とシリコン溶湯の相対運動の大きざは鋸
歯状でるり、鋳型回転数と間歇周期によって決まる。

（笑施例） 次に笑施例に基づいて本発明を説明する。

直径１２インチ、高−ｉ！１１．５インチの石英鋳型中
に４０＃のシリコンを熔解し友０石英詩型の内壁には離
型剤として窒化けい素を塗布し比。

シリコンが熔解後、炉中に！！勾勾配段設定て鋳型を間
歇的に回転させながら均熱部から低温側に鋳型を降下さ
せて結晶粒径の大きな一方向凝固シリコンインゴットを
製造し次場合ケ従来法の鋳型を回転しない場合と比較す
ると次の如くでろった。

まず、鋳型に回転を与えない場合は第８図に示すように
、鋳型降下速度が０．２　”／ｍｉ、ｎでは析出物がイ
ンゴット内部に現われない部分の割合が８０％程度で、
比較的に清浄なインゴットがつくられている。しかし、
鋳型降下速度を大きくするに従って、ｏ、　ｓ　％１ｎ
でｎ　４０　Ｘ程度、ｔ　ｏ　％１ｎでは３０Ｘ程度、
１．５−へ１ｎでに２５％程度に減少した。

つぎに、鋳型に回転を与えない場合として抵抗炉の７７
１１熱電源の形式のちがい、すなわち、単相抵抗炉ある
いは８相抵抗炬のちがいによるインゴット品質への影ｑ
ｉは次の如くでめった。一般に、８相抵抗ＦＪ２使用す
ると、単相抵抗煩に比べて、発熱体を通過する電流によ
る誘導力が鋳型内の浴融シリコンの攪拌により大きく作
用している。しかし、単相抵抗炉を使用しても前記した
３相抵抗炬の結果とほぼ同一な結果が得られ、単相と３
相の発熱方式のちがいによるシリコン溶湯の攪拌の差で
にインゴット内の偏析等の改善が行われないことが判明
した。

このよりに鋳型を間歇回転なしで降下して一方向凝固さ
せ几と＠は、降下速度２大きくするに従って介在物の析
出が多くなり、清浄なインゴットが得られない結果にな
っている。

これに対して、鋳型ＩＣ間歇回転ケ与えた場合は第８図
に示すように、右回転（時計回り）、左回転（反時計回
り）とも、インゴット内の介在物の析出しない部分の割
合が９０Ｘ程度を示し、鋳型間歇回転が介在物析出防止
に有効であることｔ示している。

次に鋳型回転数の効果を示すと第４図の如くである。

インゴット中で介在物の析出しない部分の割１合に回転
数が大きくなるに従って高くなり、回転なしの場合の、
ａｏＸ程度から、回転数ｓｒｐｍでは４０％程度、５ｒ
ｐｍでは７０％程度、１０　Ｑｍでに９０％程度と順次
高く々っている。しかし回転数１５ｒｐｍ　、２０　ｒ
ｐｍでに９０％程良とｌＱｒｐｍと向−レベ／Ｉ／を示
した。このように、鋳型間歇回転の回転数では５　ｒｐ
ｍ以上でよく効果が現われる。

鋳型回転周期と介在物析出防止の関係は第５図に示す如
くである。回転周期の及ぼす介在物析出防止効果は２０
ｓｅｃから１００　ｓｅｃの範囲でほぼ同一水準を保っ
ており、この周期の範囲で大きな差異はない。

（発明の効果〕 以上に述べ几如く本発明方法はインゴット中の介在物析
出防止の友めに有効な方法であることが判明した・ なお前述の実施例に１２インチ鋳型の笑例を述べ定もの
であるが、本発明者は他の実施例として、６インチ、１
０インチ、および１フインチの鋳型についても同様な効
果を得ており、鋳型の大きさにか−わらず笑効が得られ
ている。

最後に、本発明方法で製造しにシリコンインゴットの電
気的な特性について述べる。

鋳型内面の底面が２）０眉Ｘ２）０厘、テーパーが８度
、深さが２５０１１１の方光体の黒鉛鋳型に２５＃のシ
リコンを溶解して、鋳型降下速度１．０ｗＡｎ１ｎ、回
転数１０ｒｐｍ　、回転周期６６ｓｅｃ”ｔ’本発明方
法を賽施して得たインゴットと、従来法の卿型回転なし
の方法を冥施して得たインゴッＭｅ比較したのが第６図
である。

同図より明らかなように、本発明方法によるインゴット
はライフタイムにおいて従来味に較べて高い値を示し、
なおかつインゴット全体が均質であることが立証された
。このように本発明方法はインゴットの高品質化に極め
て有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は鋳型に回転を与えた場合と停止した場合のシリ
コン溶湯の動ｔ’ｅ示す図。第２図（イ）に鋳型に間歇
的に回転を与えた場合の鋳型とシリコン溶湯の動きｔ示
す図、同（ロ）に同じくその場合の鋳型と７ｊＪコン熔
湯の相対運動の大きさｔ示す図。 第８図は鋳型降下速度における析出物発生と鋳型回転の
効果を示す図。第４図は鋳型回転数の及ぼす析出物発生
防止の効果ｔ゛示す図。第５図は鋳型回転周期と析出物
発生防止の関係を示す図。第６図はシリコンインゴット
ライフタイム分布に及ぼす本発明法と従来法の効果の比
較図である。 第　　１　　図 −ａ−Ｊ　ＩＯｒ、ｔ、ｗ　６ｏｓａｃｊ１期篇型降下
！１１．＆（側匍／割ｉｍ） 第２図 第４ＩＱ 第　　５１１ ｍｔｓ下Ｌ　ｊＬ　ＩＩＩ　Ｍ／ｍ１ｎ４に％　ｒｉＪ
ＫＭＸＡ　（ｓｅｃ） 第　　６　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶融シリコンを鋳型中で凝固せしめるときに、鋳
   型に間歇的に回転を与えることを特徴とするシリコン多
   結晶の造塊方法。
2. （２）鋳型の回転数を５〜２０ｒｐｍ、回転の間歇周期
   を２０〜１００ｓｅｃの範囲にすることを特徴とする特
   許請求の範囲（１）に記載のシリコン多結晶の造塊方法
   。
3. （３）その内面に離型剤を塗布した鋳型中で溶融シリコ
   ンを凝固せしめることを特徴とする特許請求の範囲（１
   ）または（２）に記載のシリコン多結晶の造塊方法。