JPS5953209B2 - 多結晶シリコンインゴットの鋳造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は多結晶シリコンインゴットの鋳造法に関するも
のである。

最近、太陽電池による太陽光発電エネルギー源として見
直され低価格太陽電池の開発が盛んである。

しかし高い効率を得るためには欠陥の少ないもので、で
きるだけ完全な単結晶シリコンを用いなければならない
。このため太陽電池の価格は高いものとなり、地上での
使用は現在まで限られたものである。そこで単結晶シリ
コンに代る低価格太陽電池用材料として多結晶の開発が
始められるようになつた。多結晶シリコンは鋳造法によ
つて作ることが行なわれている。このような鋳造法は単
結晶を得る場合のチョクラルスキー法と比較して結晶成
長速度が大きいことと、任意の形状のインゴットが得ら
れることと熟練を必要とせず操作が容易なこと等から低
価格化の可能性が大きい。例えば黒鉛のブロックを鋳型
として用いて、多結晶インゴットを形成し１０ｃｍＸ１
０ｃｍの多結晶板を切り出し１０％以上の光電変換効率
を有する太陽電池セルを得ている報告がある。（１２ｔ
ｈＩＥＥＥ、ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｐｅｃｉａｌ
ｉｓｔｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｐ８６１９７６）Ｏしか
し、鋳型として黒鉛を用いるためシリコン融液と鋳型と
が濡れないように工夫することが重要であるが、この点
については鋳型の温度をシリコンの融点よりもかなり低
温度に保つことで濡れの問題を解決しようとしている。
（特開昭５１−１０１４６６）しかしながらこの方法の
欠点は低温度で急速固化させるために、多結晶粒径が大
きくならないことにある。一般に、多結晶粒径が大きい
ものほど太陽電池とした場合に高い光電変換効率が得ら
れる。

そこ”で鋳型として石英ルツボを用いてその中にシリコ
ンを溶融し、しかる後石英ルツボの底から適当な速度で
結晶を成長させ多結晶粒径を大きくすることが提案され
ている。しかし従来の方法である石英ルツボを用いた多
結晶シリコン塊形成法においては、石英ルツボとシリコ
ン融液とは激しく反応し、冷却固化させると強く固着す
る。

このために冷却時に石英とシリコン多結晶塊にクラック
が入り、こまかく割れてしまうために、ノ多結晶シリコ
ン塊を得ることができなかつた。

この問題を解決するためにグレーデツドクルシブル（Ｇ
ｒａｎｄｅｄＣｒｕｃｉｂｌｅ）という特殊な石英ルツ
ボを用いる方法が開発された。グレーデツドクルシブル
（ＧｒａｎｄｅｄＣｒｕｃｉｂｌｅ）はルツボの内面丁
の密度を大きくし、外側の密度を粗にした構造であつて
、冷却時に石英ルツボのみが、こまかく割れるようにな
つている。このためシリコン多結晶塊にクラツクが入る
ことはない。この方法でほとんど単結晶に近い大きな結
晶粒径が得られる。（１３ｔｈＰｈ０ｔ０ｖ０１ｔａｉ
ｃＳｐｅｃｉａ１ｉｓｔｓ．Ｃ０ｎｆｅｒｅｎｃｅＰ１
３７１９７８）この方法の欠点はグレーデツドクルシブ
ル（Ｇｒａｄｅｄ．Ｃｒｕｃｉｂｌｅ）という高価な特
殊石英ルツボが１回の使用で゛こまかく割れてしまうこ
とである。

これは低価格化をさまたげる大きな要因となつている。
上記の欠点を解決した粉末離型剤を用いる多結晶シリコ
ンインゴツト鋳造法について本願発明者らが既に提案し
たが、この方法は鋳型内面に粉末離型剤（窒化シリコン
）を塗布し、その中でシリコン原料を溶融し、冷却固化
して多結晶シリコンインゴツトを得る方法である。

粉末離型剤の存在は冷却時に多結晶シリコンと鋳型との
熱膨張係数の相異によつて生ずるストレスを緩和し、ま
た鋳型との固着が原因で生ずる多結晶シリコンインゴツ
トのクラツクの発生を防ぎ、多結晶シリコンインゴツト
を鋳型から容易に分離することができるようにすること
である。従来の方法は多結晶シリコンインゴツトを保持
する鋳型の材質に石英を用６，−，→！（レザ６》ＦＯ
した；梼型と溶液との間には漏れはなく多結晶シリコン
インゴツトを容易に取り出すことができたが、石英の軟
化点以上に加熱されるため、石英鋳型の一部が変形し、
くり返し使用することができない等の欠点があつた。カ
ーボン製鋳型（内面にシリコンカーバイトコート）は、
上記の欠点を全て解決した材質であるが離型剤の粉末が
鋳型と多結晶シリコンインゴツトの間につまつているた
めに簡単に多結晶シリコンインゴツトを現状の鋳型から
では取り出しにくい欠点があつた。本発柵の目的はかか
る欠点をな゛くした多結晶シリコンインゴツトの製造方
法を提供することにある。

上記の目的を達成するためには、鋳型からシリコンイン
ゴツトが容易に取り出すことができ鋳型を連続して使用
できるようにする必要がある。

そのために本発明においては、鋳型の底面に上部が大き
く下部が小さい傾斜をつけた穴を開け、その穴ど問じ傾
きをもつたカーボン板を鋳型上部より挿入し穴を塞ぐよ
うに鋳型の底面の一部が脱着できるように構成し、この
鋳型の中にシリコン原料を入れ加熱融解し、これを冷却
固化することによつて多結晶シリコンインゴツトを形成
する。以下本発明の実施例について図面を用いて説明す
る。第１図は本発明の一実施例を説明するための図であ
る。

図のようにカーボン鋳型１の底面の一部がカーボン板４
によつて脱着できるように構成され、この鋳型の内側全
面にシリコンカーバイト（ＳｉＣ）膜をコーテング２す
る。

もちろん底面に挿入するカーボン板４の鋳型内面にもコ
ートする。更にシリコンカーバイト膜の上に粉末離型剤
（窒化シリコン）３を塗布し、その鋳型の中でシリコン
原料を入れ加熱融解する。窒化シリコン粉末の塗布方法
は、粉末を有機溶媒に混ぜてスラリー状とし、このスラ
リーをハケまたはスピンナーなどで鋳型内壁に塗り、約
３００℃程度に加熱して有機溶媒をとばし乾燥して固め
る方法である。

塗布粉末離型剤層はち密でないた・め、ピンホールが生
ずるが、このピンホールからシリコン融液がしみ出して
も、鋳型表面のち密なＳｉＣコーテング層の働きにより
、シリコン融液と鋳型との反応はピンホール部にのみ限
定される。このようなＳｉＣコーテング層は通常の半導
体結晶成長用治具コーテング法として用いられているＳ
ｉＨ４とＣＨ４の熱分解気相成長法によつて高純度ＣＶ
Ｄ−ＳｉＣとして形成する。シリコン原料は鋳型内で完
全に融液となり、このような条件のもとで鋳型の底より
固化させると１時間後に全部固化し多結晶シリコンイン
ゴツトが得られる。

カーボン製鋳型底部に傾斜を持つた穴を開け、その穴に
入るカーボン板に傾斜をつけ、両者を合わせると完全に
穴を塞ぐようにする。

その穴はシリコン融液の圧力によつて密閉されることに
なり、そのため融液が漏れることはない。固化した多結
晶シリコンインゴツトを鋳型から取り出す場合、カーボ
ン板４を上に押し上げることにより多結晶シリコンイン
ゴツトを押し上げ、ノまた鋳型と多結晶シリコンインゴ
ツトの間につまつている粉末離型剤も同時に押し上げら
れる。

このようにして多結晶シリコンインゴツトを容易に鋳型
から取り出すことができる。鋳型自体には何ら損傷なく
、再度使用することが可能である。力−ホン製のため、
他の鋳型材質より価格面においても格安であり鋳型を加
熱する必要な消費電力が少なくすむ事、低コストのため
の理想的な鋳型材質である。第２図は底面の脱着構造の
変形を示し、第１図を同一記号は同一構成要素を示す。
このようにして固化した多結晶シリコンインゴツトに熱
応力が生じないように除々に冷却して、温度を室温まで
下げる。この方法で多結晶シリコンの粒径が３ｍｍ〜２
０ｍｍのものが容易に得られた。窒化シリコンの融点は
１９００℃と高く、シリコンカーバイトは更にこれより
も高いため、シリコン融液と鋳型との間にも反応もない
。また窒化シリコンの成分が多結晶シリコン中に一部溶
けこむがこれが不純物として働くことはない。尚、鋳型
の材料にカーボンを用いた場合について説明したが、そ
れ以外の例えば窒化シリコンのようにシリコン融点以上
の軟化点を持つ材料を用いても同様の効果が得られる。

以上説明したように多結晶シリコンインゴツトを形成す
るに際して、本発明の方法を用いてシリコン融点以上の
軟化点を持つ材料の鋳型内で直接シリコンを溶融するこ
とによつて多結晶シリコンインゴツトを形成することが
できた。

その結果シリコンインゴツトは鋳型内よりたやすく取り
出すことができるようになり連続して使用することが可
能となつた。得られた多結晶シリコンインゴツトの結晶
性は何ら問題なく結晶粒径が大きく、欠陥の少ない多結
晶シリコンインゴツトが容易に得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明するための図で、第２
図は鋳型における底面の脱着構造の変形を示す図である
。 図において１・・・・・・カーボン製鋳型、２・・・・
・・シリコンカーバイト （ＳｉＣ）コーテング、３・
・・・・・窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）粉末離型剤、４
・・・・・・鋳型の底面における脱着部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シリコン融点以上の軟化点を持つ材質より成り、か
   つ底部の一部を脱着できるように構成した鋳型を用い、
   該鋳型の内側にシリコンカーバイトをコーテングした後
   、粉末離型剤を塗布した後、該鋳型の中で多結晶シリコ
   ンを鋳造することを特徴とする多結晶シリコンインゴッ
   トの鋳造法。