JPS58217418A - 多結晶シリコン棒の製造方法および装置 - 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】 太陽工抹ルギーの電気エネルギーへの変換のためＶＣは
、とりわけ結晶シリコンからなる太陽電池が用いられる
。その場合、例えば１０％以上の高い効率を持つ太陽電
池を製作できる純粋ではあるが価格的には有利なシリコ
ンを使用することが望゛ましい。

高効率を有する太ｊ＠　７１池の製作（で対しては、今
日一般に、水素によって薄められたガス状で高純度ノシ
リコクロロホルムある因は四塩化ケイ素のようなシリコ
ン化合物の熱分解と、約１１００　Ｃの温度における抵
抗加熱シリコン細棒上への析出とによって得られた高純
度シリコンを基材として用いる。１このようにして生成
されたンリコン多組晶棒は、それに続く結晶成長法、例
えばるつぼなし帯域溶融法によって再精製され、単結晶
に変えられ、鋸（（よって板に切断され、太陽電池に加
工される。この方法は工業的には化成的費用がかかり、
従って大工業的ンリコン製造にば高価すぎる。

確かに例えば９８５％のかなり低い純度を持つ工業的用
途用／リコＺは、石英を電弧炉中で炭素により還元する
ことによって今日大工集的に製造される。この方法はた
しかに経済的ではあるが、従来得られた純度を決定的に
向上させることに成功しない限り、太陽電池の製作には
適さない。

この目的のためにドイツ連邦共和国特許出願公開第３２
］０１／ＩＩ号明細書において、電弧法によって得られ
たソリコンを棒状に変え、続いてのるつぼ、なし帯域溶
融法によって有害不純物を除去することが提案された。

しかしこの提案を実証することは簡単には可能でない。

先ず、刷物工築で通常であるような鉄則あるいは砂型を
用贋ての試みは、この金属において通常の標準方法力碕
仮体ンリコンの高論反応性と凝固１時のシリコンの膨張
のために役に立っ結果に寿ぐに至らなかった。

他方でしかし、鋳造されたシリコンを帯域溶融法によっ
て兄事に精製することが簡単に７３］能でな−ととも分
かった。熱分解によって得られるシリコンと違って多く
の亀裂、空孔、斑点、包有物およびその他の結晶障−鱒
を持っシリコンが侍られるか、あるいはどうにか役に立
つシリコンを傅るために帯域溶融処理を非常にたびたび
６な藝し７回よりも多数回繰り返さなければならなＬ／
−１゜本発明は融帯処理された太隋電池用／リコンの技
術的特性は、帯域解触処理されるべきシリコンが単に亀
裂および空ｆＬのな−だけではないときに実質的に改善
できることが知られている。それ・け寸だ有害な表面層
があってはならず、すでに高い結晶性を有していなけれ
ばならな論。質的（ＣＡ　Ｌｎイ１１Ｊ値を有するシリ
コンにあっては、少数回の融帯引きによって、多くの条
件の厳し一半導体素子に対してさえも適しているような
照転位牟結晶シリコンを得ることができる。不発明は、
多結晶で後に続く帯域／８融に適するシリコン俸を、溶
けたシリコンを造形容器中に萌込み絖贋て凝固させるこ
とによって生成する際に、高価な帯域浴融処理の際に結
ＦＩＩｉｌ充全化に高すき゛る友求がもはや課じられな
くてすむほど高ｌＡ結晶特性を既に鋳込みの際に帯域浴
融処理すべきシリコン棒に与えるという認識から発して
ｂる。

本発明（（よれは、シリコン融体を垂直に配置され予熱
された中空円筒中に満たして凝固させ、中空円筒の底か
ら開口している端面に向ってシリコンの１抽方向の凝固
を％ＩＪ　ｚｌする温度勾配が生ずるように、凝固熱が
実際（Ｃ中空円筒を下方に対し閉塞する底板だけを介し
てのみ、同時に行われる加熱のもとで、少なくとも中空
円筒の部分から放散される。

特に良好な結果は、中空円筒がＩ、　ｆｌ　００°と１
／１００℃との間に予熱され、中空円筒の開口して因る
端■の近くの温１埃が少なくとも凝固過程の最初の３分
の１の間は８００℃と１４２０℃との間の４ｆｒ−ｙに
保持されることによって得られる。

小さくへ直径の場合は１４００℃への予熱が必要であり
、一方大きい直径に対しては１０００℃までのより低め
温度で十分である。

南込み方法の間一方では融体の熱は冷却さねた中空円部
底部を通ずることを目ざして放熱され、他方では中空円
筒が円筒仰ｊ面に沿って加熱される。

融体の凝１〜（速度を１分間当たり約１ないしＩＯｔＭ
に調整することが有効である。

本発明の有利な構成によれは、融体のｒｆ）Ｆ固の１１
１１にあられれるシリコンの放射方向の膨張を中空円筒
の形状によって吸収する。

納込み過程そのものは真空中または例えば減圧下におけ
る保護ガス中で実施することかできる。

アルゴンを用いる場合は１０ないし２０　Ｔｏｒｒの分
圧が特に不利であることが分かった。

本発明による方法の実施のだめの装置は、王として、黒
鉛からなる垂直に配置された中空円筒からなり、その内
面は、炭化ケイ素の生成を阻止する内張りを有し、その
中空円筒の下方を閉基するツメには冷却用能の基板を備
える。中空円筒の外側には円筒の長手方向の一体の凝固
を制御する加熱手段が配置されている。

基板は鋼重たは鉄もしくは特殊鋼からなり、冷却水のだ
めの孔または纏管を有することが望ましい。

中空円筒は５０ないし１５０ｅｔｎの長さの場合、３０
ないし１００盤の内径と、１０ないし３０、望ましくは
２０即の壁厚を有する。

融体の凝固中に起こるシリコンの放射方向の膨１堰は、
ｙ、、：中空円筒が少なくとも三つの互に弾性やに結合
された円筒部分からなることによって吸収される。黒鉛
の特性はその場合シリコンの材料パラメータに十分適応
するように選ぶべきである。炭化ケイ素の生成を阻ｆヒ
するために、黒鉛製中空円′笥の内面が、例えばけ論砂
によって内張すされるかまたは１．８５ｙ／ｃｔｎ以上
の密度を有する後からち密化した黒鉛表面を有する。

本発明により備えられる付刀口加熱に対しては、誘導力
０熱も抵抗加熱も適している。多くの場合、ガロ熱手段
を中空円筒の開口した端面の知域にだけ備えることで十
分である。最も簡単な場合には、加熱手段の出力低減が
中空円筒を加熱領域から連続的に遠ざけることによって
得られる。

次に本発明の実施例を図面についで詳細に説明する。鋳
型の核心は、第１図から分かるように黒鉛からなる垂直
に配置ａされた中空円筒１であり、その内面には図に詳
細（Ｃ示されない炭化ケイ素生成阻止黒鉛層を有する。

中空円筒の下方を閉塞する底２は特殊鋼基板３と熱的に
結合されており、この基板は必要な冷却水のための孔も
しくは４管４を備えている。

電弧炉内で生ずる融解シリコンを１４２０°および１４
７０℃の間の１．情度、望ましくは１４３０’ｃにおい
て、図示されない貯留容器から金型（１゜２）に−気に
鋳込む。金型は１（１０ｃｒｎの長さ、６０−の内径お
よび２０．朋の壁厚を持ち、鋳込み過程の前に約１２０
０℃に予熱された。

鋳込み装置は上方が漏斗状に形成され、同様に黒鉛から
なる注入補助拝８で終っている。

本発明による方法においては、シリコン融体の凝固が一
元的に制御され、その結果シリコン５は底２から頭部の
方へ、すなわち中空円筒１の開口している端面に向けて
凝固することが重要である。

これはその上に金型（１，２）が置かれる冷却可能な基
板３と中空円筒の加熱によって達せられる。

加熱手段として第１１１に示す実施例においては金型を
同軸に囲むセラミック管６が役立ち、その中にこり盲６
の抵抗加熱用の発熱線・７が通されている。加熱出力は
融体の冷却を可能にするためにその強さを制御できる。

発熱線はしかしさらになお第２図に示すような温度分布
を実現するだめの異なる間隔を有し、その結果金型頭部
は高くとも約１０００℃を有し、従って最後に凝固する
。第２図は生ずる軸方向の温度勾配、すなわち金型の長
手方向の温度Ｔの分布を概念的に示す。

加熱手段６．７が可動に設計されているならば、そうで
なＩＡ普通の加熱出力低減のほかに１本発明に基づいて
得られる方向づけられた凝固を支持または増進するため
に軸方向に加熱手段を引き抜くことができる。

金型加熱は他の実施例によれば高周波誘導加熱によって
も行うことができ、その場合この誘導加熱装置を金型の
上端にだけ選択的に配置ｔ　Ｌでもよい。

加熱出力制御の異なるパラメータによって冷却速度も制
御でき、最適値にすることができる。下方に対しては経
済性が、維持すべき冷却速度を制限しく生成されるシリ
コンは周知のように極めて安価にならねばならない）、
一方冷却速度は上方（Ｃ対しては最大結晶生成速度によ
って制限される。

１分当り約１ｍの可能な冷却速度においては、棒の長さ
の制御される冷却に対する関係で１ないし２時間が必要
なだけである。これはスラブおよび炭、炭化ケイ素およ
、び石英の小片のような固くて粗いその他の不純物が凝
固前面と共に自由表面に向って上の方へ浮ぶのに十分な
時間を持つ速度である。

第３図および第４図は簡学にして内示した本発明に基づ
く他の鋳型を示す。ここでは凝固中のシリコンの放射方
向の膨張の問題の解決は、鋳込み容器の適応した形状に
よっていることが分かる。

第３図（（は基板を除去した場合番でおいて下から見た
鋳込み容器を示す。黒鉛容器１は外注的手段を介して、
例えばクランプによって相互に結合された三つの部分９
，１０および１１からなる。最も簡単な１場合には三つ
の容器部分に変形可能な線を巻き付ければ十分である。

各容器部分は底に向けての孔１２．１３および１４を有
し、その孔は断面ＡＢを示す第４図から分かるように、
発熱棒を収容するため金型軸（（平行に走る。温度監視
のために部分１１は感温素子を収容できる別の孔１５を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するだめの鋳型の縦断面図、
第２図はその鋳型の長手方向の温度分布の一例をかす線
図、第３図、第４図は鋳型の別の実施例のそれ・ぞれ下
から見た平面図、縦断面図である。 １・・・中空円筒、２・・・底、３・・・基板、４・・
・冷却用孔または導管、５・・・シリコン、６・・セラ
ミック管、７・・発熱線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）、溶けたシリコンの造形容器中への鋳込みとそれに
   続く同化によシ、後に続く帯域溶慶に適した多結晶シリ
   コン棒を作るための方法において、シリコン融体を垂直
   に配置され予熱された中空円筒内に満たして凝１ホ１さ
   せ、中空円筒の底から開口している端面に向ってシリコ
   ンの軸方向の凝固を制御する温度勾配が生ずるように、
   凝固熱が実際には中空円筒を下方に対し閉基する底板を
   介してのみ、同時に行われる加熱のもとで、少なくとも
   中空円筒の部分から放散されることを特徴とする多結晶
   シリパコシ棒の製造方法。 ２）　　中空円筒を１０００℃トＩ　４００　Ｃト（Ｄ
   間の温度に予熱することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の製造方法。 ３）中空円筒の開口している端面の近くの温度を少なく
   とも凝固過程の最初の３分の１の間８００℃と１１２０
   ℃との間の値に保持することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項または第２項記載の製造方法。 ４）融体の熱を中空円筒の底を目ざして放散させるこ七
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のいず
   れかに記載の製造方法。 ５）中空円筒の底を冷却することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第・１項のいずれかに記載の製造方
   法。 ６）シリコン融体の凝固速１ｙを１分間約１ないし１０
   ｃｒｎに調整することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第５項のいずれかに記載の製造方法。 ７）融体の凝固中にあられれるシリコンの放射方向の膨
   張を中空円筒の形状によって吸収することを特徴とする
   特許請求′の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載
   の製造方法。 ８）鋳込み過程を真空中で実施することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項ないし第７項の力ずれかに記１哉の
   製造方宍。 ９）鋳込み過程を保護ガス、例えばアルゴン中で・減圧
   下において実施することを特徴とする特許８青求の範囲
   第１項ないし第７項のいずれかに記載の製造方法。 １０）鋳込み過程を１０ないし２０　Ｔｏｒｒのアルゴ
   ン分圧下において実施することを特徴とする特許請求の
   範囲第９項記載の製造方、宍。 １１）垂直に配置δされた黒鉛からなる中空円筒を備え
   、その内面は炭化ケイ素の生成を阻止する内張りを有し
   、その中空円筒の下方を閉塞する底に冷却可能な基板を
   備え、中空円筒の外側に融体の円筒の長手方向の凝固を
   制御する加熱手段が配置されていることを特徴とする多
   結晶ンリコン俸の製造装置。 １２）中空円筒が５０々いし１５０ｃｒｎの長さにおＡ
   て３１′）ないし］　ＯＯ＋ｖｓの内径を有することを
   特徴とする特許請求の範囲第１１項記載の装置。 １３）中空円筒の壁厚が１（）ないし：３０　ａｓ、望
   ましくは２０憇にあることを特徴とする特許請求の範囲
   第１１項または第１２項記載の装、（４゜１１）黒鉛中
   空円筒か少なくとも三つの互に弾性的に結合された円筒
   部分からなることを特徴とする特許請求の範囲第１１項
   ないし第１３項のいずれかに記載の装置。 １５）黒鉛中空円筒の内面がけい砂によって内張すされ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１１項ないし
   第１４項のいずれかに記載の装置。 １６）黒鉛中空円筒の内［Ｉ］１がｔｙＩ＝された黒鉛
   表面を有することをｔ￥ｆｆｉ、とする・４許請求の範
   囲第１１項な論し第１４項のいずれかにｄ記載の装置。 １７）基板が冷却水碍管を有することケ！峙做とする特
   許請求の範囲第１１項ないし第１６項のいずれかに記載
   の装置。 １８）加熱手段として誘導加熱を備えたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１１項ないし第１７項のいずれかに
   記載の装置。 １９）・−功■熱手段として抵抗加熱を備えたことを特
   徴とする特許５肯求の範囲第１項ないし第１７項のいず
   れかに記載の装置。 ２０）加熱手段を中空円筒の開口した端面の領域に備え
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１珀なりし第１９
   項のいずれかに記載の装置。 ２１）加熱手段の出力低減が中空同筒を力ｎ熱領域から
   連銑的に遠ざけることによって行、ｂれることを特徴と
   する特許請求の範囲第１１項ないし第２０項のいずれか
   に記載の装置