JPH11199216A - シリコンの一方向凝固装置 - Google Patents
シリコンの一方向凝固装置Info
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- Silicon Compounds (AREA)
- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
能なシリコンの一方向凝固装置を提供することを目的と
している。 【解決手段】鋳造室内に設けた支持台上に配置される鋳
型と、該鋳型に鋳造されるシリコン溶湯を注ぐ給湯手段
と、鋳型内溶湯の上方を加熱する加熱手段と、鋳型の底
部を冷却する水冷銅板と、該水冷銅板−鋳型底部間に配
置する断熱材とを備えたシリコンの一方向凝固装置にお
いて、前記鋳造室の上方に前記給湯手段及び加熱手段
を、該鋳造室の中心から同一半径位置にそれぞれ離隔し
て設けると共に、前記中心を軸として互いに独立に回動
する上下に重なった2枚の円盤を備え、その上方の円盤
を鋳型の支持台とし、下方の円盤を断熱材の支持台とし
た。
Description
凝固装置に係わり、詳しくは、太陽電池用に粗精製され
たシリコンを鋳造し、一方向凝固させることで金属不純
物元素を除去すると共に、インゴットに形成させるため
の装置に関する。
要の半導体特性を発揮するには、多くの不純物元素をp
pmオーダまで低減させる必要がある。そのため、本出
願人は、金属シリコン(純度、99.3重量%)を出発
原料として、それからボロン、炭素を酸化精錬で、燐を
揮発精錬で除去する技術を研究開発している。しかし、
そのように粗精製されたシリコンでも、まだ金属不純物
元素のチタニウム、鉄、アルミニウム、カルシウムが太
陽電池用としての仕様を満足しない量含まれている。そ
こで、これら元素が固液分配係数の小さいことに着眼
し、所謂一方向凝固法を用いて除去精製すると共に、シ
リコンのインゴットを形成するようにしている。
型に注入したシリコン溶湯を底部から上方に向けて一定
速度(理想的には、凝固界面が一面となって進行するこ
とが望ましい)で凝固させることが必要である。そのた
め、従来は、溶湯の上方より黒鉛ヒータ等で加熱すると
共に、鋳型の底面に水冷された銅板をあてて冷却するよ
うにしていた。
底部での抜熱が良く、シリコン溶湯の下方から比較的速
い凝固速度で安定して界面が進行するが、凝固が進んで
行くと、溶融状態にあるシリコンの下部からの抜熱が悪
くなって、凝固速度はしだいに遅くなって行く。凝固速
度がこのように変動すると、凝固部分から溶融シリコン
への不純物元素の移動が不安定になり、高さ方向で均一
な品質を有するインゴットが得難くなる。そのため、こ
の凝固速度を一定に制御することは、太陽電池用シリコ
ンの製造にとって重要なことであった。
十分に制御できなかったために、上部ヒータの出力を調
整して、すなわち、凝固初期にはヒータの出力を強め、
凝固末期にはヒータの出力を弱める制御を行っていた。
しかし、底部からの抜熱の方が凝固速度に対し支配的で
あり、上部の加熱と底部の冷却を十分にバランスさせて
の制御は難しかった。さらに、ヒータの出力を高い方で
制御する頻度が多いために、電力原単位が高くなるとい
った傾向があった。
は、鋳型底面と水冷銅板との間に、一種類の断熱材を介
在させる技術を提案し、該断熱材の厚みを変更すること
で、冷却速度を調整する旨言及している。
62−260710号公報には、断熱材の具体的な変更
方法、つまり、どのように制御するのかが記載されてい
ない。該公報に記載された凝固装置の図を参照すれば、
該装置は、鋳造室内への鋳型交換の便は図られている
が、断熱材の交換が簡単、しかも短時間に可能なものに
はなっていない。これでは、上方の加熱、底部の冷却を
バランス良く制御することはできない。
凝固速度を一定に維持可能なシリコンの一方向凝固装置
を提供することを目的としている。
成するため鋭意研究し、シリコンの凝固進行中に、鋳型
底面と水冷銅板との間に挟む断熱材の熱伝導率を変更す
ることを着想し、この着想を本発明に具現化した。すな
わち、本発明は、鋳造室内に設けた支持台上に配置され
る鋳型と、該鋳型に鋳造されるシリコン溶湯を注ぐ給湯
手段と、鋳型内溶湯の上方を加熱する加熱手段と、鋳型
の底部を冷却する水冷銅板と、該水冷銅板−鋳型底部間
に配置する断熱材とを備えたシリコンの一方向凝固装置
において、前記鋳造室の上方に前記給湯手段及び加熱手
段を、該鋳造室の中心から同一半径位置にそれぞれ離隔
して設けると共に、前記中心を軸として互いに独立に回
動する上下に重なった2枚の円盤を備え、その上方の円
盤を鋳型の支持台とし、下方の円盤を断熱材の支持台と
したことを特徴とするシリコンの一方向凝固装置であ
る。
域に分け、各領域に熱伝導率の異なる断熱板を配置する
ことを特徴とするシリコンの一方向凝固装置である。さ
らに、本発明は、前記複数領域にある断熱板を、凝固中
の前記水冷銅板からの温度情報に応じて鋳型底面にそれ
ぞれ移動自在とする下方円盤の回動手段を備えたことを
特徴とするシリコンの一方向凝固装置である。
物性を変更自在としたり、あるいは前記加熱手段を黒鉛
ヒータとしたことを特徴とするシリコンの一方向凝固装
置である。さらに加えて、本発明は、前記給湯手段を、
スライディング・ゲートを有する耐火物製漏斗としたこ
とを特徴とするシリコンの一方向凝固装置でもある。
抜熱が多すぎるために、熱伝導率の低い断熱材を配置
し、凝固が進んで、シリコンの溶融部と鋳型底部との間
にシリコン凝固部ができると、この凝固部が伝熱律速に
なり、シリコン溶融部からの抜熱が悪くなるので、適宜
凝固の進行に合わせて熱伝導率の高い断熱材に取り替え
れるようになる。その結果、凝固速度は、その期間中ほ
ぼ一定に維持できるようになり、品質に優れたシリコン
のインゴットが得られるようになる。なお、凝固部の高
さによっては、直接鋳型底面と水冷銅板とを接触させた
方が良い場合もあり、その場合には、前記下方の円盤か
ら予め断熱板を取り外しておくことで対処できる。
実施の形態を説明する。まず、シリコン溶湯を本発明に
係る一方向凝固装置へ受入れる時の状況を図1に示す。
鋳造室15の雰囲気をアルゴンで置換してから、給湯手
段のスライディング・ゲート1を開き、耐火物製の漏斗
2を介してシリコン溶湯4が鋳型3中に注入される。注
入が終了したら、前記スライディング・ゲート1を閉じ
て、鋳造室15内の雰囲気を再度アルゴンで置換する。
引き続き、該鋳型3を支持している上方の円盤5(通
称、ターン・テーブルという)を後述の回動手段7で回
転し、鋳型3を凝固作業位置に移動させる。鋳型3が凝
固作業位置に到達したら、図2に示すように、鋳型3の
上方に加熱手段10及びフード11をセットする。その
後、断熱板9を支持している下方の円盤6を、前記同様
に、後述の回動手段8で回転させ、予め定めてある種類
の断熱板9を鋳型3の下方に配置する。最後に、鋳型3
の底部を冷却する水冷銅板12を上昇させて、該断熱板
9の下方にセットし、凝固作業が開始される。
に示すように、鋳型3を載せる位置に貫通孔16が設け
てあり、冷却による抜熱の便を図ってある。また、下方
の円盤6は、図3(b)に示すように、複数の領域(こ
こでは、4つ)に区分され、各領域に貫通孔16を設
け、異なった種類の断熱板9が嵌め込まれている。勿
論、凝固中に断熱板9が不要の時もあるので、断熱板9
を嵌めてない貫通孔16があっても良い。さらに、これ
ら上方及び下方の円盤5、6は、それぞれ分離してお
り、円盤の軸を中心にして可逆的に回転、あるいは上下
に昇降できるように、回動手段7、8が設けてある。こ
の回動手段7、8としては、ギア、モータ、シリンダー
等を組み合わせた公知のものが利用できる。
4の凝固速度の制御を説明する。凝固開始当初は、予め
定めた凝固速度になるような前記加熱手段10の出力、
断熱板9と水冷銅板12に流す冷却水量で凝固を進行さ
せる。その後は、凝固がある程度進み、鋳型3の壁に設
けた温度計(図示せず)の情報で凝固速度の異常を確認
したら、前記凝固速度を維持するように、その都度、断
熱板9の種類を変更する。つまり、水冷銅板12を降下
させると共に、下方の円盤6を回転させ、適切な断熱板
9を鋳型3底部に配置し、再び水冷銅板12を上昇して
から凝固を継続させるのである。通常、高さ25cmの
鋳型3では、凝固に約4時間を要するが、この操作を数
回繰り返すことにより、水冷銅板12からの抜熱量が適
切に制御でき、ほぼ一定の凝固速度が得られるようにな
る。
置を用い、太陽電池用に粗精製された50kgのシリコ
ン溶湯を黒鉛製の鋳型3に鋳造し、インゴットを製造し
た。また、凝固の効果を比較するため、凝固中に断熱板
9の種類を変更しない鋳造をも行った。鋳型3のサイズ
は、高さ250mm,幅300mm,長さ300mmの
ものである。使用した断熱板9は、材質が黒鉛で同じで
あるが、熱伝導率及び厚みが表1に示すようなものを使
用した。ここで、表1のNo.1,2,3及び4は、下
方の円盤6の前記した領域を示している。
より、断熱板9の交換で凝固速度が制御できていること
が明らかである。また、使用したシリコン溶湯4及び得
られたインゴットの不純物濃度を、表2に示す。表2よ
り、本発明に係る一方向凝固装置で鋳造したインゴット
は、太陽電池用シリコンとしての仕様を満足しているこ
とも明らかである。
10の黒鉛ヒータの出力は、同じ断熱材9を使っている
間、凝固速度が一定になるように調整するが、その調整
範囲は、従来の断熱材種類を交換できない装置の場合と
比較して狭くて良く、使用電力量が従来より低下でき
る。また、図1〜2では、鋳型3の上方に配置する加熱
手段10を黒鉛ヒータとした。しかし、鋳造室雰囲気を
アルゴン・ガスではなく、真空とする場合には、電子銃
を利用しても良い。
電池用シリコンを凝固させる過程において、均一な凝固
速度を得ることができ、シリコン・インゴットの品質の
向上と、均一化が達成される。また、抜熱量が低下する
ので、加熱手段の出力も下げることが可能となり、凝固
に要する電力原単位を従来よりも低減することが可能と
なる。
縦断面図である。
視図、(b)はB矢視図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 鋳造室内に設けた支持台上に配置される
鋳型と、該鋳型に鋳造されるシリコン溶湯を注ぐ給湯手
段と、鋳型内溶湯の上方を加熱する加熱手段と、鋳型の
底部を冷却する水冷銅板と、該水冷銅板−鋳型底部間に
配置する断熱材とを備えたシリコンの一方向凝固装置に
おいて、 前記鋳造室の上方に前記給湯手段及び加熱手段を、該鋳
造室の中心から同一半径位置にそれぞれ離隔して設ける
と共に、前記中心を軸として互いに独立に回動する上下
に重なった2枚の円盤を備え、その上方の円盤を鋳型の
支持台とし、下方の円盤を断熱材の支持台としたことを
特徴とするシリコンの一方向凝固装置。 - 【請求項2】 前記下方の円盤を複数領域に分け、各領
域に熱伝導率の異なる断熱板を配置することを特徴とす
る請求項1記載のシリコンの一方向凝固装置。 - 【請求項3】 前記複数領域にある断熱板を、凝固中の
前記水冷銅板からの温度情報に応じて鋳型底面にそれぞ
れ移動自在とする下方円盤の回動手段を備えたことを特
徴とする請求項1又は2記載のシリコンの一方向凝固装
置。 - 【請求項4】 前記断熱板の厚み及び物性を変更自在と
したことを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載のシ
リコンの一方向凝固装置。 - 【請求項5】 前記加熱手段を黒鉛ヒータとしたことを
特徴とする請求項1〜4いずれかに記載のシリコンの一
方向凝固装置。 - 【請求項6】 前記給湯手段を、スライディング・ゲー
トを有する耐火物製漏斗としたことを特徴とする請求項
1〜5いずれかに記載のシリコンの一方向凝固装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00381698A JP4003271B2 (ja) | 1998-01-12 | 1998-01-12 | シリコンの一方向凝固装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00381698A JP4003271B2 (ja) | 1998-01-12 | 1998-01-12 | シリコンの一方向凝固装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11199216A true JPH11199216A (ja) | 1999-07-27 |
| JP4003271B2 JP4003271B2 (ja) | 2007-11-07 |
Family
ID=11567723
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00381698A Expired - Fee Related JP4003271B2 (ja) | 1998-01-12 | 1998-01-12 | シリコンの一方向凝固装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4003271B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1998
- 1998-01-12 JP JP00381698A patent/JP4003271B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JP4003271B2 (ja) | 2007-11-07 |
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