多結晶シリコンインゴット製造装置、多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコンウエハ、多結晶シリコン太陽電池、多結晶太陽電池モジュール
【課題】ヒータが側方に配置された場合にインゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制し、高品質な多結晶シリコンインゴットを低コストで製造する。
【解決手段】坩堝２０と、坩堝２０の側方に位置するヒータと、坩堝２０の底面部と接触して位置する載置台４０とを備える。載置台４０においては、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい。
【解決手段】坩堝２０と、坩堝２０の側方に位置するヒータと、坩堝２０の底面部と接触して位置する載置台４０とを備える。載置台４０においては、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコンインゴット製造装置、多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコンウエハ、多結晶シリコン太陽電池、多結晶太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題から、石油など化石燃料エネルギーの代替として自然エネルギーの利用が注目されている。自然エネルギーを利用して発電する太陽電池は、大きな設備を必要とせず、また、稼働時の騒音が発生しないことなどの理由により、日本および欧州などで積極的に導入されている。
【０００３】
太陽電池においては、カドミウムテルルなどの化合物半導体からなる新たな太陽電池の開発が進んでいる。しかし、物質自体の安全性、これまでの使用実績および価格の面から、結晶シリコンを基板として用いた太陽電池が現在大きなシェアを占めている。その中でも、多結晶シリコンウエハ(以下、単にウエハとも称する)から作製された多結晶シリコン太陽電池が占める割合が大きい。
【０００４】
多結晶シリコン太陽電池向けの用途に広く用いられているウエハは、一般的にキャスト法と呼ばれる方法で製造されている。キャスト法によるウエハの製造方法においては、坩堝内で溶融シリコンを一方向凝固させて多結晶シリコンインゴット(以下、単にインゴットとも称する)を成長させた後、そのインゴットからブロック状に切り出して、さらにスライスすることによりウエハを作製する。
【０００５】
キャスト法により製造したウエハは、インゴット内のどの高さから取り出されたかによって、太陽電池を作製した際の特性にばらつきを有する。
【０００６】
図２２は、ウエハが取り出されたインゴットにおける高さ方向の位置と、そのウエハから形成された太陽電池の出力との一般的な関係を示すグラフである。なお、図２２においては、縦軸に太陽電池出力、横軸にウエハが取り出されたインゴットにおける位置を示している。
【０００７】
図２２に示すような太陽電池出力のばらつきの原因は、一般的に以下のように説明されている。溶融シリコンを一方向凝固させた際の初期の段階で凝固したインゴット下部の領域Ｉにおいては、坩堝からシリコン結晶内に多くの不純物が拡散している。その不純物の影響によって、領域Ｉから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性が低下する。
【０００８】
領域Ｉの上部に位置する領域ＩＩにおいては、偏析により、結晶中に取り込まれる不純物量は少量であり、かつ、結晶欠陥も少ない。そのため、領域ＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性は、インゴット中またはブロック中において最も良好となる。
【０００９】
領域ＩＩの上部に位置する領域ＩＩＩにおいては、徐々に結晶中に取り込まれる不純物量が増加するとともに結晶欠陥が増加する。そのため、領域ＩＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性は、領域ＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性に比較して低下する。
【００１０】
領域ＩＩＩの上部に位置する領域ＩＶにおいては、領域ＩＩＩよりも結晶中に取り込まれる不純物量が増加するとともに結晶欠陥がさらに増加する。また、インゴットが完全に凝固した後に、インゴットの最上部の表面部分に現れる不純物の高濃度部分から、不純物の逆拡散が起こることにより、結晶中に取り込まれる不純物量がさらに増加する。
【００１１】
そのため、領域ＩＶから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性は、領域ＩＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性に比較して顕著に低下する。
【００１２】
上記の説明では、原料中の不純物の影響、および、坩堝から溶け出す不純物の影響を考慮したが、仮にこれらの影響がないとしても、領域ＩＩＩ，ＩＶにおいては、上方に向かうにしたがって少数キャリアトラップとなる結晶欠陥が徐々に増加する。そのため、インゴットの上部に行くにしたがって、取り出されるウエハから形成された太陽電池の出力特性は低下する傾向にある。
【００１３】
結晶欠陥が発生する原因は、インゴット中の温度分布に起因する応力であると考えられる。応力が特に大きな場合、インゴットに割れなどが発生することがある。そのため、インゴット中の温度分布の制御が重要であり、特に結晶成長時の固液界面を平坦化することが望ましい。
【００１４】
インゴット割れおよび結晶欠陥の抑制を図ったシリコン鋳造装置を開示した先行文献として、特許文献１(特開２００５−１５２９８５号公報)および特許文献２(国際公開第２００５／０９２７９１号)がある。
【００１５】
特許文献１に記載されたシリコン鋳造装置においては、鋳型の底部の中心部から鋳型ホルダーを経る熱流束が、鋳型の側部の直下部から鋳型ホルダーを経る熱流束より大きくなるように構成されている。
【００１６】
特許文献２に記載されたシリコン鋳造装置においては、放熱面と受熱面との熱交換面積を変化させるために、底面冷却部材が鋳型または台座に対して相対移動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−１５２９８５号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０９２７９１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
特許文献１に記載されたシリコン鋳造装置は、鋳型加熱手段が鋳型の上部に設けられている場合にのみ適用可能であって、鋳型加熱手段が鋳型の側方に設けられている場合については考慮されていない。
【００１９】
特許文献２に記載されたシリコン鋳造装置においては、可動部材が多く装置構成が複雑である。このようなシリコン鋳造装置においては、装置内が高温に曝されることによる可動部材の故障が発生しやすくなって装置の安定性が低くなる。また、複雑な装置構成のために装置コストが高くなる。
【００２０】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、ヒータが側方に配置された場合にインゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制可能で、かつ、廉価で安定して製造可能な、多結晶シリコンインゴット製造装置、多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコンウエハ、多結晶シリコン太陽電池、多結晶太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に基づく多結晶シリコンインゴット製造装置は、溶融したシリコンを下方から上方に向けて一方向凝固させることにより多結晶シリコンインゴットを成長させる多結晶シリコンインゴット製造装置である。多結晶シリコンインゴット製造装置は、坩堝と、坩堝の側方に位置するヒータと、坩堝の底面部と接触して位置する坩堝支持部材とを備える。坩堝支持部材においては、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい。
【００２２】
好ましくは、底面部における温度分布が面内で均一になるように中央部と周側部との熱伝導が異なる。
【００２３】
本発明の一形態においては、坩堝支持部材の厚さが周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい。
【００２４】
本発明の一形態においては、坩堝支持部材の厚さが準連続的に変化している。ここで、本明細書中の「準連続的」とは、連続的、および、非連続的であるが多段的で実質的には連続的に近いものを含むものと定義する。
【００２５】
本発明の一形態においては、坩堝支持部材が互いに熱伝導率の異なる複数の部材から構成されている。複数の部材の割合が周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい。
【００２６】
本発明の一形態においては、坩堝支持部材が黒鉛および炭素繊維強化炭素材料から構成されている。黒鉛と炭素繊維強化炭素材料との割合が周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい。
【００２７】
本発明の一形態においては、坩堝支持部材における上記割合が準連続的に変化している。
【００２８】
本発明に基づく多結晶シリコンインゴットは、上記のいずれかに記載の多結晶シリコンインゴット製造装置により製造されている。
【００２９】
本発明に基づく多結晶シリコンウエハは、上記に記載の多結晶シリコンインゴットを切断することにより形成されている。
【００３０】
本発明に基づく多結晶シリコン太陽電池は、上記に記載の多結晶シリコンウエハを用いて形成されている。
【００３１】
本発明に基づく多結晶太陽電池モジュールは、上記に記載の多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成されている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、ヒータが側方に配置された多結晶シリコンインゴット製造装置においてインゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制可能となり、高品質な多結晶シリコンインゴットを低コストで製造できるだけでなく、そのインゴットから太陽電池を作製することで高出力の太陽電池を低価格で市場に供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置の構成を示す一部断面図である。
【図２】同実施形態に係る坩堝および載置台の外観を示す斜視図である。
【図３】同実施形態に係る坩堝および載置台を図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図４】同実施形態に係る坩堝および載置台を図２のＩＶ−ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。
【図５】同実施形態の第１変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶ−Ｖ線矢印方向から見た断面図である。
【図６】同実施形態の第１変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩ−ＶＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図７】同実施形態の第２変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図８】同実施形態の第２変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図９】同実施形態の第３変形例に係る坩堝および載置台を図２のＩＸ−ＩＸ線矢印方向から見た断面図である。
【図１０】同実施形態の第３変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸ−Ｘ線矢印方向から見た断面図である。
【図１１】同実施形態の第４変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩ−ＸＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１２】同実施形態の第４変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１３】同実施形態の第５変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１４】同実施形態の第５変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＶ−ＸＩＶ線矢印方向から見た断面図である。
【図１５】同実施形態の第６変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶ−ＸＶ線矢印方向から見た断面図である。
【図１６】同実施形態の第６変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩ−ＸＶＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１７】同実施形態の第７変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１８】同実施形態の第７変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１９】同実施形態の第８変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＸ−ＸＩＸ線矢印方向から見た断面図である。
【図２０】同実施形態の第８変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＸ−ＸＸ線矢印方向から見た断面図である。
【図２１】実施例および比較例の太陽電池の出力分布を示すヒストグラムである。
【図２２】ウエハが取り出されたインゴットにおける高さ方向の位置と、そのウエハから形成された太陽電池の出力との一般的な関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置について説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００３５】
図１は、本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置の構成を示す一部断面図である。図２は、本実施形態に係る坩堝および載置台の外観を示す斜視図である。ここでは、坩堝２０を載置台４０上に直接載置している例を挙げるが、たとえば坩堝２０を黒鉛などからなる図示しない外坩堝内に設置し、外坩堝を載置台４０上に載置するようにしてもよい。
【００３６】
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置１は、ステンレスからなる略直方体状の筐体１０を含む。筐体１０の上部には、後述するガス供給管１３の一端を筐体１０の内部に導入するための開口１１が設けられている。筐体１０の下部に、筐体１０内を排気するための排気口１２が設けられている。
【００３７】
図１，２に示すように、筐体１０の内部に、坩堝２０が配置されている。坩堝２０は、坩堝支持部材である載置台４０上に載置されている。すなわち、載置台４０は、坩堝２０の底面部と接触して位置している。
【００３８】
坩堝２０は、シリカで構成されている。ただし、坩堝２０の材質はシリカに限られず黒鉛などでもよい。坩堝２０の内面には、溶融シリコンとの反応を防止するために、窒化珪素粉が塗布されている。窒化珪素粉は、乾燥された後、焼結されている。
【００３９】
載置台４０は、支持台５０上に載置されている。載置台４０および支持台５０は、坩堝２０より高い熱伝導性および耐熱性を有する材料で形成されている。載置台４０および支持台５０は、たとえば、黒鉛で形成されている。
【００４０】
支持台５０は、下部で支持部７１に接続されている。支持部７１は、矢印７２で示すように上下に移動可能となるように、筐体１０の外に配置された駆動部７０に接続されている。駆動部７０は、モータを有している。
【００４１】
駆動部７０は、筐体１０の外に配置された冷却部９０と接続されている。冷却部９０は、冷却媒体を駆動部７０および支持部７１の内部で循環させることにより、駆動部７０および支持部７１を冷却している。冷却部９０は、ポンプおよび熱交換器を有している。冷却部９０により支持部７１を冷却することにより、支持台５０および載置台４０を介して、坩堝２０の底部を冷却することができる。
【００４２】
坩堝２０の側方の周囲に抵抗加熱ヒータ３０が配置されている。抵抗加熱ヒータ３０は、坩堝２０と間隔を置いて坩堝２０を取り囲むように配置されている。抵抗加熱ヒータ３０は、筐体１０の外に配置された電源３４に接続されている。
【００４３】
支持台５０の上方に断熱材からなる中蓋６０が配置されている。中蓋６０は、抵抗加熱ヒータ３０の周囲を囲む側壁部と、支持台５０に対向する天井部とを有している。天井部には、ガス供給管１３の一端を中蓋６０の内側に導入するための孔が設けられている。側壁部と天井部とに囲まれた中蓋６０の内側が加熱領域６１となる。
【００４４】
加熱領域６１には、図示しない熱電対が配置されている。熱電対は電源３４に接続されている。熱電対による測定温度が電源３４にフィードバックされることにより、抵抗加熱ヒータ３０への印加電圧が制御される。
【００４５】
ガス供給管１３の一端は加熱領域６１内において坩堝２０の上方に位置し、他端は筐体１０の外に配置された図示しないガス供給部に接続されている。ガス供給部から送られるＡｒなどの不活性ガスは、ガス供給管１３の内部を通過して加熱領域６１内に供給される。ガス供給部は、各種のガスを貯蔵した複数のガスボンベおよびマスフローコントローラを含む。
【００４６】
排気口１２は、筐体１０の外に配置された図示しない排気部に接続されている。排気部は、各種の真空ポンプを含む。加熱領域６１内に供給された不活性ガスは、排気口１２を通過して筐体１０の外部に排出される。
【００４７】
以下、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴットの製造方法について説明する。
まず、約４００ｋｇの粒状または塊状のシリコンを坩堝２０内に入れる。その後、排気部の真空ポンプを稼動させて筐体１０内を減圧する。ガス供給管１３から加熱領域６１内にＡｒガスを１０リットル／分程度供給する。この状態で、筐体１０内の圧力が０．６Ｐａ以上０．９Ｐａ以下程度となるように排気部による排気量を調節する。
【００４８】
次に、電源３４をＯＮにして抵抗加熱ヒータ３０に電圧を印加する。抵抗加熱ヒータ３０に電圧が印加されることにより、加熱領域６１内の温度が上昇する。本実施形態においては、加熱領域６１内の温度を１５５０℃まで上昇させて２時間保持する。融点が１４１０℃であるシリコンは、坩堝２０内で完全に融解する。
【００４９】
その後、溶融シリコン８０の温度が融点付近になるように抵抗加熱ヒータ３０に印加する電圧を下げる。融点より少し高い温度まで溶融シリコン８０が冷却されると、駆動部７０を稼動させて支持部７１を下方に移動させつつ、抵抗加熱ヒータ３０に印加する電圧をさらに下げる。
【００５０】
支持部７１が下降することにより、坩堝２０の底部が加熱領域６１の外側に位置するようになる。そこで、冷却部９０を稼動することにより坩堝２０の底部を冷却する。その結果、坩堝２０は、底部から上部に向けて冷却される。
【００５１】
シリコンが最上部まで完全に凝固したのを確認後、坩堝２０を初期位置まで上昇させ、１２００℃の温度で約２時間保持してアニール処理する。その後、５０℃／時間程度で抵抗加熱ヒータ３０の設定温度を下げて多結晶シリコンインゴットを冷却する。
【００５２】
多結晶シリコンインゴットの温度が９００℃付近まで下がると、ガス供給部から送られるガスをＡｒからＨｅに変える。その後、多結晶シリコンインゴットを室温まで冷却する。
【００５３】
多結晶シリコンインゴットから不純物および結晶欠陥を多く含む端部を除去し、所定の大きさに切断してブロック状にする。さらに、ブロック状の多結晶シリコンインゴットをワイヤーソーにより所定の厚さに切断することにより複数枚のウエハが得られる。
【００５４】
本発明者らは鋭意研究の結果、坩堝２０の側方に抵抗加熱ヒータ３０を配置した従来の多結晶シリコン製造装置においては、溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の坩堝２０内の温度に、坩堝２０の周側部側が中央部側より高くなる傾向が現れることを確認した。
【００５５】
この傾向は、坩堝２０内での結晶成長中における、抵抗加熱ヒータ３０に近接している坩堝２０の側面部からの入熱の影響によるものである。坩堝２０は、底面部および側面部から熱を放出するが、側面部は上記の入熱があるため熱の放出が阻害される。その結果、坩堝２０内の温度は、坩堝２０の周側部側が中央部側より高くなる。
【００５６】
この状態で溶融シリコン８０を一方向凝固させると、固液界面が上に凸状となる。このような温度分布の下では、溶融シリコン８０の凝固後、インゴット内に残留応力が生じる。その結果として、インゴット割れおよび結晶欠陥が発生しやすくなる。
【００５７】
多結晶シリコンインゴットの割れ防止および結晶欠陥抑制のためには、固液界面形状を平坦にし、坩堝２０内の上下方向の温度分布を線形にすることが好ましい。坩堝２０内の上下方向の温度分布については、坩堝冷却時の坩堝２０の下降速度および抵抗加熱ヒータ３０の温度設定などによって制御することできる。
【００５８】
溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の固液界面形状を平坦にするためには、坩堝２０内の水平面内における温度分布を均一化することが望まれる。そのために、載置台４０の熱伝導性を面内で変化させることが有効であることを本発明者らは発見した。
【００５９】
図３は、本実施形態に係る坩堝および載置台を図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図４は、本実施形態に係る坩堝および載置台を図２のＩＶ−ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。
【００６０】
図３，４に示すように、本実施形態に係る載置台４０は、熱伝導率の異なる２つの部材から構成されている。具体的には、熱伝導率が相対的に高い高熱伝導部材４２と、熱伝導率が高熱伝導部材４２より低い直方体状の低熱伝導部材４１とから載置台４０が構成されている。
【００６１】
高熱伝導部材４２は載置台４０の周側部に位置し、低熱伝導部材４１は載置台４０の中央部に位置している。このように、載置台４０においては、２つの部材の割合が周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００６２】
たとえば、高熱伝導部材４２を炭素繊維強化炭素材料で構成し、低熱伝導部材４１を黒鉛からなる多孔体で構成してもよい。また、高熱伝導部材４２を中実の黒鉛で構成し、低熱伝導部材４１を炭素繊維強化炭素材料または炭化珪素で構成してもよい。さらに、高熱伝導部材４２を高密度黒鉛で構成し、低熱伝導部材４１を低密度黒鉛で構成してもよい。
【００６３】
また、載置台４０を炭素繊維強化炭素材料で構成し、周側部に含まれる炭素繊維量が中央部に含まれる炭素繊維量より多くなるように、炭素繊維と黒鉛などの炭素材料との割合を周側部と中央部とで異ならせてもよい。なお、本実施形態においては、２つの部材から載置台４０を構成したが、互いに熱伝導率の異なる３つ以上の部材から載置台４０を構成してもよい。
【００６４】
載置台４０の熱伝導性を面内で変化させることによって、載置台４０における熱流の面内分布を変化させることができる。載置台４０を上記の構成にすることにより、載置台４０の中央部側における熱流を周側部側における熱流より小さくすることができる。その結果、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性を向上することができる。
【００６５】
本実施形態に係る載置台４０を用いることにより、溶融シリコン８０を凝固させる際、坩堝２０内の水平面内における温度分布の均一化を図ることができる。その結果、溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の固液界面形状の平坦化を図ることができる。
【００６６】
載置台４０の構成は、上記に限られず、たとえば、下記の第１〜８変形例のような構成でもよい。
【００６７】
図５は、本実施形態の第１変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶ−Ｖ線矢印方向から見た断面図である。図６は、本実施形態の第１変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩ−ＶＩ線矢印方向から見た断面図である。
【００６８】
図５，６に示すように、本実施形態の第１変形例に係る載置台４０ａは、２層構造を有し、互いに熱伝導率の異なる３つの部材から構成されている。具体的には、中央部に位置する低熱伝導部材４１および周側部に位置する高熱伝導部材４２からなる上層部と、面内で均一な熱伝導性を有する板状部材４３からなる下層部とから載置台４０ａが構成されている。板状部材４３の熱伝導率は、高熱伝導部材４２の熱伝導率より高い。
【００６９】
本実施形態の第１変形例に係る載置台４０ａを用いた場合、上層部と下層部との厚さの比率を適宜変更することにより、載置台４０ａにおける熱流の面内分布を高精度に変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００７０】
図７は、本実施形態の第２変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図８は、本実施形態の第２変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【００７１】
図７，８に示すように、本実施形態の第２変形例に係る載置台４０ｂにおいては、載置台４０ｂの厚さが周側部と中央部とで異なる。具体的には、高熱伝導部材４２の厚さが中央部において周側部より薄くなって、直方体状の空気断熱層４４が形成されている。このように、載置台４０ｂにおいては、載置台４０ｂの厚さが周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００７２】
本実施形態の第２変形例に係る載置台４０ｂを用いた場合、載置台４０ｂの中央部側における熱流を周側部側における熱流より小さくすることができる。その結果、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性を向上することができる。
【００７３】
図９は、本実施形態の第３変形例に係る坩堝および載置台を図２のＩＸ−ＩＸ線矢印方向から見た断面図である。図１０は、本実施形態の第３変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸ−Ｘ線矢印方向から見た断面図である。
【００７４】
図９，１０に示すように、本実施形態の第３変形例に係る載置台４０ｃは、本実施形態の第１変形例に係る載置台４０ａにおける上層部と下層部とを入れ替えた構成を有している。載置台４０ｃのように、熱伝導性を面内で変化させた部分を必ずしも坩堝２０の底面部に直接接触させなくてもよい。
【００７５】
本実施形態の第３変形例に係る載置台４０ｃを用いた場合、上層部と下層部との厚さの比率を適宜変更することにより、載置台４０ｃにおける熱流の面内分布を高精度に変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００７６】
図１１は、本実施形態の第４変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩ−ＸＩ線矢印方向から見た断面図である。図１２は、本実施形態の第４変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【００７７】
図１１，１２に示すように、本実施形態の第４変形例に係る載置台４０ｄにおいては、本実施形態の第２変形例に係る載置台４０ｂを上下反転させた構成を有している。そのため、空気断熱層４４は、載置台４０ｄの下部に位置している。載置台４０ｄのように、熱伝導性を面内で変化させた部分を必ずしも坩堝２０の底面部に直接接触させなくてもよい。
【００７８】
本実施形態の第４変形例に係る載置台４０ｄを用いた場合、載置台４０ｄの中央部側における熱流を周側部側における熱流より小さくすることができる。その結果、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性を向上することができる。
【００７９】
図１３は、本実施形態の第５変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１４は、本実施形態の第５変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＶ−ＸＩＶ線矢印方向から見た断面図である。
【００８０】
図１３，１４に示すように、本実施形態の第５変形例に係る載置台４０ｅにおいては、高熱伝導部材４２は載置台４０ｅの周側部に多く位置し、低熱伝導部材４１は載置台４０ｅの中央部に多く位置している。
【００８１】
このように、載置台４０ｅにおいては、低熱伝導部材４１と高熱伝導部材４２との割合が周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００８２】
載置台４０ｅにおける低熱伝導部材４１と高熱伝導部材４２との割合は、準連続的に変化している。具体的には、低熱伝導部材４１は、上面側に平坦面を有している。また、低熱伝導部材４１は、下面側の中央部において湾曲面状の凸部を有している。
【００８３】
高熱伝導部材４２は、下面側に平坦面を有している。また、高熱伝導部材４２は上面側に、低熱伝導部材４１の凸部と嵌め合うような湾曲面状の凹部を有している。その結果、載置台４０ｅは、坩堝２０を安定して支持することができる。
【００８４】
本実施形態の第５変形例に係る載置台４０ｅを用いた場合、載置台４０ｅにおける熱流の面内分布を滑らかに変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００８５】
図１５は、本実施形態の第６変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶ−ＸＶ線矢印方向から見た断面図である。図１６は、本実施形態の第６変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩ−ＸＶＩ線矢印方向から見た断面図である。
【００８６】
図１５，１６に示すように、本実施形態の第６変形例に係る載置台４０ｆにおいては、高熱伝導部材４２は載置台４０ｆの周側部に多く位置し、低熱伝導部材４１は載置台４０ｆの中央部に多く位置している。
【００８７】
このように、載置台４０ｆにおいては、低熱伝導部材４１と高熱伝導部材４２との割合が周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００８８】
載置台４０ｆにおける低熱伝導部材４１と高熱伝導部材４２との割合は、準連続的に変化している。具体的には、高熱伝導部材４２は、上面側に平坦面を有している。また、高熱伝導部材４２は、下面側の中央部において湾曲面状の凹部を有している。
【００８９】
低熱伝導部材４１は、下面側に平坦面を有している。また、低熱伝導部材４１は上面側に、高熱伝導部材４２の凹部と嵌め合うような湾曲面状の凸部を有している。その結果、載置台４０ｆは、坩堝２０を安定して支持することができる。
【００９０】
本実施形態の第６変形例に係る載置台４０ｆを用いた場合、載置台４０ｆにおける熱流の面内分布を滑らかに変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００９１】
図１７は、本実施形態の第７変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１８は、本実施形態の第７変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【００９２】
図１７，１８に示すように、本実施形態の第７変形例に係る載置台４０ｇにおいては、載置台４０ｇの厚さが周側部と中央部とで異なる。具体的には、高熱伝導部材４２の厚さが中央部において周側部より薄くなって、空気断熱層４４が形成されている。
【００９３】
載置台４０ｇの厚さは準連続的に変化している。具体的には、高熱伝導部材４２は、下面側に平坦面を有している。また、高熱伝導部材４２は、上面側に湾曲面状の凹部を有している。このように、載置台４０ｇにおいては、載置台４０ｇの厚さが周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００９４】
本実施形態の第７変形例に係る載置台４０ｇを用いた場合、載置台４０ｇにおける熱流の面内分布を滑らかに変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００９５】
図１９は、本実施形態の第８変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＸ−ＸＩＸ線矢印方向から見た断面図である。図２０は、本実施形態の第８変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＸ−ＸＸ線矢印方向から見た断面図である。
【００９６】
図１９，２０に示すように、本実施形態の第８変形例に係る載置台４０ｈにおいては、本実施形態の第７変形例に係る載置台４０ｇを上下反転させた構成を有している。そのため、空気断熱層４４は、載置台４０ｈの下部に位置している。載置台４０ｈのように、熱伝導性を面内で変化させた部分を必ずしも坩堝２０の底面部に直接接触させなくてもよい。
【００９７】
載置台４０ｈの厚さは準連続的に変化している。具体的には、高熱伝導部材４２は、上面側に平坦面を有している。また、高熱伝導部材４２は、下面側に湾曲面状の凹部を有している。このように、載置台４０ｈにおいては、載置台４０ｈの厚さが周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００９８】
本実施形態の第８変形例に係る載置台４０ｈを用いた場合、載置台４０ｈにおける熱流の面内分布を滑らかに変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００９９】
本実施形態に係る載置台を用いることにより、複雑な可動部材が不要となるため、廉価で安定して製造できる多結晶シリコンインゴット製造装置１を構成することができる。
【０１００】
以下、本実施形態の第１変形例に係る載置台４０ａを用いて製造された多結晶シリコンインゴットから形成された多結晶シリコン太陽電池の出力と、比較例として熱伝導性が面内で均一の載置台を用いて製造された多結晶シリコンインゴットを加工して得られたウエハから形成された多結晶シリコン太陽電池の出力とを比較した実験例について説明する。
【０１０１】
(実験例)
実施例および比較例の両方において、本実施形態に係る坩堝２０として、内寸が８３０ｍｍ×８３０ｍｍ×４２０ｍｍ、底面部の厚さが２０ｍｍ、および、側面部の厚さが１５ｍｍであるシリカ製の坩堝を使用した。
【０１０２】
実施例の載置台においては、板状部材４３として、厚さが３００ｍｍである黒鉛製の板を使用した。高熱伝導部材４２として、中央部に３２０ｍｍ角の開口を有し、厚さが８ｍｍである炭素繊維強化炭素材料製の板を使用した。低熱伝導部材４１として厚さ８ｍｍの黒鉛製多孔体を高熱伝導部材４２の開口内に配置した。
【０１０３】
比較例の載置台は、板状部材４３と同様の厚さが３００ｍｍである黒鉛製の板で構成した。比較例の載置台においては、低熱伝導部材４１および高熱伝導部材４２を設けなかった。
【０１０４】
また、実施例および比較例の両方において、多結晶シリコンインゴットの製造方法は上記実施形態と同様にした。なお、多結晶シリコンインゴットの比抵抗が約１．５Ωｃｍ以上２．０Ωｃｍ以下になるように、シリコン原料にホウ素をドープした。
【０１０５】
実施例においては、成長させた多結晶シリコンインゴットの外観に異常は認められず、インゴット割れは発生していなかった。比較例においては、インゴットの最上部の角部の一部に、２０ｍｍ×２０ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさの割れが確認された。
【０１０６】
次に、これらの多結晶シリコンインゴットをバンドソーにてブロック化後、ワイヤーソーにてスライス化して多結晶シリコンウエハを作製した。これらのウエハを通常の太陽電池セル製造プロセスに投入し、その出力特性を確認した。
【０１０７】
図２１は、実施例および比較例の太陽電池の出力分布を示すヒストグラムである。図２１においては、縦軸に割合、横軸に太陽電池の出力を示している。
【０１０８】
図２１に示すように、実施例の多結晶シリコンウエハから形成された多結晶シリコン太陽電池セルは、比較例の多結晶シリコンウエハから形成された多結晶シリコン太陽電池セルに比較して、太陽電池の出力分布が高い方にシフトしている。
【０１０９】
出力の低い太陽電池は、インゴットの上部から取り出されたウエハから形成された太陽電池である。上述の通り、出力低下の原因は、インゴット内部の応力に起因する結晶欠陥である。
【０１１０】
したがって、本実験例から、本実施形態に係る載置台を用いて多結晶シリコンインゴットを成長させることにより、インゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制することができることが確認された。
【０１１１】
また、実施例においては、比較例より多結晶シリコン太陽電池の出力を向上することができたため、その多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成された多結晶太陽電池モジュールの特性は、比較例の多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成された多結晶太陽電池モジュールより当然に向上している。
【０１１２】
本実験例においては、坩堝の内寸の８３０ｍｍ角に対して約３９％にあたる３２０ｍｍ角の低熱伝導部材４１を配置したが、坩堝の内寸面積に対して１０％以上８０％以下の面積を有する低熱伝導部材４１を配置することにより上記の効果を得ることができる。
【０１１３】
低熱伝導部材４１の面積が坩堝の内寸面積に対して１０％より小さい場合には、坩堝２０の底面部における温度分布を均一にする効果がほとんど得られない。低熱伝導部材４１の面積が坩堝の内寸面積に対して８０％より大きい場合には、載置台の熱伝導性が面内の略全体において低下するため、坩堝２０の冷却が阻害されて底面部における温度分布を均一にする効果が得られなくなる。
【０１１４】
今回開示された実施形態および実験例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１５】
１ 多結晶シリコンインゴット製造装置、１０ 筐体、１１ 開口、１２ 排気口、１３ ガス供給管、２０ 坩堝、３０ 抵抗加熱ヒータ、３４ 電源、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ，４０ｇ，４０ｈ 載置台、４１ 低熱伝導部材、４２ 高熱伝導部材、４３ 板状部材、４４ 空気断熱層、５０ 支持台、６０ 中蓋、６１ 加熱領域、７０ 駆動部、７１ 支持部、８０ 溶融シリコン、９０ 冷却部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコンインゴット製造装置、多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコンウエハ、多結晶シリコン太陽電池、多結晶太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題から、石油など化石燃料エネルギーの代替として自然エネルギーの利用が注目されている。自然エネルギーを利用して発電する太陽電池は、大きな設備を必要とせず、また、稼働時の騒音が発生しないことなどの理由により、日本および欧州などで積極的に導入されている。
【０００３】
太陽電池においては、カドミウムテルルなどの化合物半導体からなる新たな太陽電池の開発が進んでいる。しかし、物質自体の安全性、これまでの使用実績および価格の面から、結晶シリコンを基板として用いた太陽電池が現在大きなシェアを占めている。その中でも、多結晶シリコンウエハ(以下、単にウエハとも称する)から作製された多結晶シリコン太陽電池が占める割合が大きい。
【０００４】
多結晶シリコン太陽電池向けの用途に広く用いられているウエハは、一般的にキャスト法と呼ばれる方法で製造されている。キャスト法によるウエハの製造方法においては、坩堝内で溶融シリコンを一方向凝固させて多結晶シリコンインゴット(以下、単にインゴットとも称する)を成長させた後、そのインゴットからブロック状に切り出して、さらにスライスすることによりウエハを作製する。
【０００５】
キャスト法により製造したウエハは、インゴット内のどの高さから取り出されたかによって、太陽電池を作製した際の特性にばらつきを有する。
【０００６】
図２２は、ウエハが取り出されたインゴットにおける高さ方向の位置と、そのウエハから形成された太陽電池の出力との一般的な関係を示すグラフである。なお、図２２においては、縦軸に太陽電池出力、横軸にウエハが取り出されたインゴットにおける位置を示している。
【０００７】
図２２に示すような太陽電池出力のばらつきの原因は、一般的に以下のように説明されている。溶融シリコンを一方向凝固させた際の初期の段階で凝固したインゴット下部の領域Ｉにおいては、坩堝からシリコン結晶内に多くの不純物が拡散している。その不純物の影響によって、領域Ｉから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性が低下する。
【０００８】
領域Ｉの上部に位置する領域ＩＩにおいては、偏析により、結晶中に取り込まれる不純物量は少量であり、かつ、結晶欠陥も少ない。そのため、領域ＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性は、インゴット中またはブロック中において最も良好となる。
【０００９】
領域ＩＩの上部に位置する領域ＩＩＩにおいては、徐々に結晶中に取り込まれる不純物量が増加するとともに結晶欠陥が増加する。そのため、領域ＩＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性は、領域ＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性に比較して低下する。
【００１０】
領域ＩＩＩの上部に位置する領域ＩＶにおいては、領域ＩＩＩよりも結晶中に取り込まれる不純物量が増加するとともに結晶欠陥がさらに増加する。また、インゴットが完全に凝固した後に、インゴットの最上部の表面部分に現れる不純物の高濃度部分から、不純物の逆拡散が起こることにより、結晶中に取り込まれる不純物量がさらに増加する。
【００１１】
そのため、領域ＩＶから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性は、領域ＩＩＩから取り出されたウエハから形成された太陽電池の出力特性に比較して顕著に低下する。
【００１２】
上記の説明では、原料中の不純物の影響、および、坩堝から溶け出す不純物の影響を考慮したが、仮にこれらの影響がないとしても、領域ＩＩＩ，ＩＶにおいては、上方に向かうにしたがって少数キャリアトラップとなる結晶欠陥が徐々に増加する。そのため、インゴットの上部に行くにしたがって、取り出されるウエハから形成された太陽電池の出力特性は低下する傾向にある。
【００１３】
結晶欠陥が発生する原因は、インゴット中の温度分布に起因する応力であると考えられる。応力が特に大きな場合、インゴットに割れなどが発生することがある。そのため、インゴット中の温度分布の制御が重要であり、特に結晶成長時の固液界面を平坦化することが望ましい。
【００１４】
インゴット割れおよび結晶欠陥の抑制を図ったシリコン鋳造装置を開示した先行文献として、特許文献１(特開２００５−１５２９８５号公報)および特許文献２(国際公開第２００５／０９２７９１号)がある。
【００１５】
特許文献１に記載されたシリコン鋳造装置においては、鋳型の底部の中心部から鋳型ホルダーを経る熱流束が、鋳型の側部の直下部から鋳型ホルダーを経る熱流束より大きくなるように構成されている。
【００１６】
特許文献２に記載されたシリコン鋳造装置においては、放熱面と受熱面との熱交換面積を変化させるために、底面冷却部材が鋳型または台座に対して相対移動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−１５２９８５号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０９２７９１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
特許文献１に記載されたシリコン鋳造装置は、鋳型加熱手段が鋳型の上部に設けられている場合にのみ適用可能であって、鋳型加熱手段が鋳型の側方に設けられている場合については考慮されていない。
【００１９】
特許文献２に記載されたシリコン鋳造装置においては、可動部材が多く装置構成が複雑である。このようなシリコン鋳造装置においては、装置内が高温に曝されることによる可動部材の故障が発生しやすくなって装置の安定性が低くなる。また、複雑な装置構成のために装置コストが高くなる。
【００２０】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、ヒータが側方に配置された場合にインゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制可能で、かつ、廉価で安定して製造可能な、多結晶シリコンインゴット製造装置、多結晶シリコンインゴット、多結晶シリコンウエハ、多結晶シリコン太陽電池、多結晶太陽電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に基づく多結晶シリコンインゴット製造装置は、溶融したシリコンを下方から上方に向けて一方向凝固させることにより多結晶シリコンインゴットを成長させる多結晶シリコンインゴット製造装置である。多結晶シリコンインゴット製造装置は、坩堝と、坩堝の側方に位置するヒータと、坩堝の底面部と接触して位置する坩堝支持部材とを備える。坩堝支持部材においては、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい。
【００２２】
好ましくは、底面部における温度分布が面内で均一になるように中央部と周側部との熱伝導が異なる。
【００２３】
本発明の一形態においては、坩堝支持部材の厚さが周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい。
【００２４】
本発明の一形態においては、坩堝支持部材の厚さが準連続的に変化している。ここで、本明細書中の「準連続的」とは、連続的、および、非連続的であるが多段的で実質的には連続的に近いものを含むものと定義する。
【００２５】
本発明の一形態においては、坩堝支持部材が互いに熱伝導率の異なる複数の部材から構成されている。複数の部材の割合が周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい。
【００２６】
本発明の一形態においては、坩堝支持部材が黒鉛および炭素繊維強化炭素材料から構成されている。黒鉛と炭素繊維強化炭素材料との割合が周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい。
【００２７】
本発明の一形態においては、坩堝支持部材における上記割合が準連続的に変化している。
【００２８】
本発明に基づく多結晶シリコンインゴットは、上記のいずれかに記載の多結晶シリコンインゴット製造装置により製造されている。
【００２９】
本発明に基づく多結晶シリコンウエハは、上記に記載の多結晶シリコンインゴットを切断することにより形成されている。
【００３０】
本発明に基づく多結晶シリコン太陽電池は、上記に記載の多結晶シリコンウエハを用いて形成されている。
【００３１】
本発明に基づく多結晶太陽電池モジュールは、上記に記載の多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成されている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、ヒータが側方に配置された多結晶シリコンインゴット製造装置においてインゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制可能となり、高品質な多結晶シリコンインゴットを低コストで製造できるだけでなく、そのインゴットから太陽電池を作製することで高出力の太陽電池を低価格で市場に供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置の構成を示す一部断面図である。
【図２】同実施形態に係る坩堝および載置台の外観を示す斜視図である。
【図３】同実施形態に係る坩堝および載置台を図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図４】同実施形態に係る坩堝および載置台を図２のＩＶ−ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。
【図５】同実施形態の第１変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶ−Ｖ線矢印方向から見た断面図である。
【図６】同実施形態の第１変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩ−ＶＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図７】同実施形態の第２変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図８】同実施形態の第２変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図９】同実施形態の第３変形例に係る坩堝および載置台を図２のＩＸ−ＩＸ線矢印方向から見た断面図である。
【図１０】同実施形態の第３変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸ−Ｘ線矢印方向から見た断面図である。
【図１１】同実施形態の第４変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩ−ＸＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１２】同実施形態の第４変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１３】同実施形態の第５変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１４】同実施形態の第５変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＶ−ＸＩＶ線矢印方向から見た断面図である。
【図１５】同実施形態の第６変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶ−ＸＶ線矢印方向から見た断面図である。
【図１６】同実施形態の第６変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩ−ＸＶＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１７】同実施形態の第７変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１８】同実施形態の第７変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【図１９】同実施形態の第８変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＸ−ＸＩＸ線矢印方向から見た断面図である。
【図２０】同実施形態の第８変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＸ−ＸＸ線矢印方向から見た断面図である。
【図２１】実施例および比較例の太陽電池の出力分布を示すヒストグラムである。
【図２２】ウエハが取り出されたインゴットにおける高さ方向の位置と、そのウエハから形成された太陽電池の出力との一般的な関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置について説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００３５】
図１は、本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置の構成を示す一部断面図である。図２は、本実施形態に係る坩堝および載置台の外観を示す斜視図である。ここでは、坩堝２０を載置台４０上に直接載置している例を挙げるが、たとえば坩堝２０を黒鉛などからなる図示しない外坩堝内に設置し、外坩堝を載置台４０上に載置するようにしてもよい。
【００３６】
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンインゴット製造装置１は、ステンレスからなる略直方体状の筐体１０を含む。筐体１０の上部には、後述するガス供給管１３の一端を筐体１０の内部に導入するための開口１１が設けられている。筐体１０の下部に、筐体１０内を排気するための排気口１２が設けられている。
【００３７】
図１，２に示すように、筐体１０の内部に、坩堝２０が配置されている。坩堝２０は、坩堝支持部材である載置台４０上に載置されている。すなわち、載置台４０は、坩堝２０の底面部と接触して位置している。
【００３８】
坩堝２０は、シリカで構成されている。ただし、坩堝２０の材質はシリカに限られず黒鉛などでもよい。坩堝２０の内面には、溶融シリコンとの反応を防止するために、窒化珪素粉が塗布されている。窒化珪素粉は、乾燥された後、焼結されている。
【００３９】
載置台４０は、支持台５０上に載置されている。載置台４０および支持台５０は、坩堝２０より高い熱伝導性および耐熱性を有する材料で形成されている。載置台４０および支持台５０は、たとえば、黒鉛で形成されている。
【００４０】
支持台５０は、下部で支持部７１に接続されている。支持部７１は、矢印７２で示すように上下に移動可能となるように、筐体１０の外に配置された駆動部７０に接続されている。駆動部７０は、モータを有している。
【００４１】
駆動部７０は、筐体１０の外に配置された冷却部９０と接続されている。冷却部９０は、冷却媒体を駆動部７０および支持部７１の内部で循環させることにより、駆動部７０および支持部７１を冷却している。冷却部９０は、ポンプおよび熱交換器を有している。冷却部９０により支持部７１を冷却することにより、支持台５０および載置台４０を介して、坩堝２０の底部を冷却することができる。
【００４２】
坩堝２０の側方の周囲に抵抗加熱ヒータ３０が配置されている。抵抗加熱ヒータ３０は、坩堝２０と間隔を置いて坩堝２０を取り囲むように配置されている。抵抗加熱ヒータ３０は、筐体１０の外に配置された電源３４に接続されている。
【００４３】
支持台５０の上方に断熱材からなる中蓋６０が配置されている。中蓋６０は、抵抗加熱ヒータ３０の周囲を囲む側壁部と、支持台５０に対向する天井部とを有している。天井部には、ガス供給管１３の一端を中蓋６０の内側に導入するための孔が設けられている。側壁部と天井部とに囲まれた中蓋６０の内側が加熱領域６１となる。
【００４４】
加熱領域６１には、図示しない熱電対が配置されている。熱電対は電源３４に接続されている。熱電対による測定温度が電源３４にフィードバックされることにより、抵抗加熱ヒータ３０への印加電圧が制御される。
【００４５】
ガス供給管１３の一端は加熱領域６１内において坩堝２０の上方に位置し、他端は筐体１０の外に配置された図示しないガス供給部に接続されている。ガス供給部から送られるＡｒなどの不活性ガスは、ガス供給管１３の内部を通過して加熱領域６１内に供給される。ガス供給部は、各種のガスを貯蔵した複数のガスボンベおよびマスフローコントローラを含む。
【００４６】
排気口１２は、筐体１０の外に配置された図示しない排気部に接続されている。排気部は、各種の真空ポンプを含む。加熱領域６１内に供給された不活性ガスは、排気口１２を通過して筐体１０の外部に排出される。
【００４７】
以下、本実施形態に係る多結晶シリコンインゴットの製造方法について説明する。
まず、約４００ｋｇの粒状または塊状のシリコンを坩堝２０内に入れる。その後、排気部の真空ポンプを稼動させて筐体１０内を減圧する。ガス供給管１３から加熱領域６１内にＡｒガスを１０リットル／分程度供給する。この状態で、筐体１０内の圧力が０．６Ｐａ以上０．９Ｐａ以下程度となるように排気部による排気量を調節する。
【００４８】
次に、電源３４をＯＮにして抵抗加熱ヒータ３０に電圧を印加する。抵抗加熱ヒータ３０に電圧が印加されることにより、加熱領域６１内の温度が上昇する。本実施形態においては、加熱領域６１内の温度を１５５０℃まで上昇させて２時間保持する。融点が１４１０℃であるシリコンは、坩堝２０内で完全に融解する。
【００４９】
その後、溶融シリコン８０の温度が融点付近になるように抵抗加熱ヒータ３０に印加する電圧を下げる。融点より少し高い温度まで溶融シリコン８０が冷却されると、駆動部７０を稼動させて支持部７１を下方に移動させつつ、抵抗加熱ヒータ３０に印加する電圧をさらに下げる。
【００５０】
支持部７１が下降することにより、坩堝２０の底部が加熱領域６１の外側に位置するようになる。そこで、冷却部９０を稼動することにより坩堝２０の底部を冷却する。その結果、坩堝２０は、底部から上部に向けて冷却される。
【００５１】
シリコンが最上部まで完全に凝固したのを確認後、坩堝２０を初期位置まで上昇させ、１２００℃の温度で約２時間保持してアニール処理する。その後、５０℃／時間程度で抵抗加熱ヒータ３０の設定温度を下げて多結晶シリコンインゴットを冷却する。
【００５２】
多結晶シリコンインゴットの温度が９００℃付近まで下がると、ガス供給部から送られるガスをＡｒからＨｅに変える。その後、多結晶シリコンインゴットを室温まで冷却する。
【００５３】
多結晶シリコンインゴットから不純物および結晶欠陥を多く含む端部を除去し、所定の大きさに切断してブロック状にする。さらに、ブロック状の多結晶シリコンインゴットをワイヤーソーにより所定の厚さに切断することにより複数枚のウエハが得られる。
【００５４】
本発明者らは鋭意研究の結果、坩堝２０の側方に抵抗加熱ヒータ３０を配置した従来の多結晶シリコン製造装置においては、溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の坩堝２０内の温度に、坩堝２０の周側部側が中央部側より高くなる傾向が現れることを確認した。
【００５５】
この傾向は、坩堝２０内での結晶成長中における、抵抗加熱ヒータ３０に近接している坩堝２０の側面部からの入熱の影響によるものである。坩堝２０は、底面部および側面部から熱を放出するが、側面部は上記の入熱があるため熱の放出が阻害される。その結果、坩堝２０内の温度は、坩堝２０の周側部側が中央部側より高くなる。
【００５６】
この状態で溶融シリコン８０を一方向凝固させると、固液界面が上に凸状となる。このような温度分布の下では、溶融シリコン８０の凝固後、インゴット内に残留応力が生じる。その結果として、インゴット割れおよび結晶欠陥が発生しやすくなる。
【００５７】
多結晶シリコンインゴットの割れ防止および結晶欠陥抑制のためには、固液界面形状を平坦にし、坩堝２０内の上下方向の温度分布を線形にすることが好ましい。坩堝２０内の上下方向の温度分布については、坩堝冷却時の坩堝２０の下降速度および抵抗加熱ヒータ３０の温度設定などによって制御することできる。
【００５８】
溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の固液界面形状を平坦にするためには、坩堝２０内の水平面内における温度分布を均一化することが望まれる。そのために、載置台４０の熱伝導性を面内で変化させることが有効であることを本発明者らは発見した。
【００５９】
図３は、本実施形態に係る坩堝および載置台を図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図４は、本実施形態に係る坩堝および載置台を図２のＩＶ−ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。
【００６０】
図３，４に示すように、本実施形態に係る載置台４０は、熱伝導率の異なる２つの部材から構成されている。具体的には、熱伝導率が相対的に高い高熱伝導部材４２と、熱伝導率が高熱伝導部材４２より低い直方体状の低熱伝導部材４１とから載置台４０が構成されている。
【００６１】
高熱伝導部材４２は載置台４０の周側部に位置し、低熱伝導部材４１は載置台４０の中央部に位置している。このように、載置台４０においては、２つの部材の割合が周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００６２】
たとえば、高熱伝導部材４２を炭素繊維強化炭素材料で構成し、低熱伝導部材４１を黒鉛からなる多孔体で構成してもよい。また、高熱伝導部材４２を中実の黒鉛で構成し、低熱伝導部材４１を炭素繊維強化炭素材料または炭化珪素で構成してもよい。さらに、高熱伝導部材４２を高密度黒鉛で構成し、低熱伝導部材４１を低密度黒鉛で構成してもよい。
【００６３】
また、載置台４０を炭素繊維強化炭素材料で構成し、周側部に含まれる炭素繊維量が中央部に含まれる炭素繊維量より多くなるように、炭素繊維と黒鉛などの炭素材料との割合を周側部と中央部とで異ならせてもよい。なお、本実施形態においては、２つの部材から載置台４０を構成したが、互いに熱伝導率の異なる３つ以上の部材から載置台４０を構成してもよい。
【００６４】
載置台４０の熱伝導性を面内で変化させることによって、載置台４０における熱流の面内分布を変化させることができる。載置台４０を上記の構成にすることにより、載置台４０の中央部側における熱流を周側部側における熱流より小さくすることができる。その結果、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性を向上することができる。
【００６５】
本実施形態に係る載置台４０を用いることにより、溶融シリコン８０を凝固させる際、坩堝２０内の水平面内における温度分布の均一化を図ることができる。その結果、溶融シリコン８０を一方向凝固させる際の固液界面形状の平坦化を図ることができる。
【００６６】
載置台４０の構成は、上記に限られず、たとえば、下記の第１〜８変形例のような構成でもよい。
【００６７】
図５は、本実施形態の第１変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶ−Ｖ線矢印方向から見た断面図である。図６は、本実施形態の第１変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩ−ＶＩ線矢印方向から見た断面図である。
【００６８】
図５，６に示すように、本実施形態の第１変形例に係る載置台４０ａは、２層構造を有し、互いに熱伝導率の異なる３つの部材から構成されている。具体的には、中央部に位置する低熱伝導部材４１および周側部に位置する高熱伝導部材４２からなる上層部と、面内で均一な熱伝導性を有する板状部材４３からなる下層部とから載置台４０ａが構成されている。板状部材４３の熱伝導率は、高熱伝導部材４２の熱伝導率より高い。
【００６９】
本実施形態の第１変形例に係る載置台４０ａを用いた場合、上層部と下層部との厚さの比率を適宜変更することにより、載置台４０ａにおける熱流の面内分布を高精度に変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００７０】
図７は、本実施形態の第２変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図８は、本実施形態の第２変形例に係る坩堝および載置台を図２のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【００７１】
図７，８に示すように、本実施形態の第２変形例に係る載置台４０ｂにおいては、載置台４０ｂの厚さが周側部と中央部とで異なる。具体的には、高熱伝導部材４２の厚さが中央部において周側部より薄くなって、直方体状の空気断熱層４４が形成されている。このように、載置台４０ｂにおいては、載置台４０ｂの厚さが周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００７２】
本実施形態の第２変形例に係る載置台４０ｂを用いた場合、載置台４０ｂの中央部側における熱流を周側部側における熱流より小さくすることができる。その結果、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性を向上することができる。
【００７３】
図９は、本実施形態の第３変形例に係る坩堝および載置台を図２のＩＸ−ＩＸ線矢印方向から見た断面図である。図１０は、本実施形態の第３変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸ−Ｘ線矢印方向から見た断面図である。
【００７４】
図９，１０に示すように、本実施形態の第３変形例に係る載置台４０ｃは、本実施形態の第１変形例に係る載置台４０ａにおける上層部と下層部とを入れ替えた構成を有している。載置台４０ｃのように、熱伝導性を面内で変化させた部分を必ずしも坩堝２０の底面部に直接接触させなくてもよい。
【００７５】
本実施形態の第３変形例に係る載置台４０ｃを用いた場合、上層部と下層部との厚さの比率を適宜変更することにより、載置台４０ｃにおける熱流の面内分布を高精度に変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００７６】
図１１は、本実施形態の第４変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩ−ＸＩ線矢印方向から見た断面図である。図１２は、本実施形態の第４変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【００７７】
図１１，１２に示すように、本実施形態の第４変形例に係る載置台４０ｄにおいては、本実施形態の第２変形例に係る載置台４０ｂを上下反転させた構成を有している。そのため、空気断熱層４４は、載置台４０ｄの下部に位置している。載置台４０ｄのように、熱伝導性を面内で変化させた部分を必ずしも坩堝２０の底面部に直接接触させなくてもよい。
【００７８】
本実施形態の第４変形例に係る載置台４０ｄを用いた場合、載置台４０ｄの中央部側における熱流を周側部側における熱流より小さくすることができる。その結果、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性を向上することができる。
【００７９】
図１３は、本実施形態の第５変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１４は、本実施形態の第５変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＶ−ＸＩＶ線矢印方向から見た断面図である。
【００８０】
図１３，１４に示すように、本実施形態の第５変形例に係る載置台４０ｅにおいては、高熱伝導部材４２は載置台４０ｅの周側部に多く位置し、低熱伝導部材４１は載置台４０ｅの中央部に多く位置している。
【００８１】
このように、載置台４０ｅにおいては、低熱伝導部材４１と高熱伝導部材４２との割合が周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００８２】
載置台４０ｅにおける低熱伝導部材４１と高熱伝導部材４２との割合は、準連続的に変化している。具体的には、低熱伝導部材４１は、上面側に平坦面を有している。また、低熱伝導部材４１は、下面側の中央部において湾曲面状の凸部を有している。
【００８３】
高熱伝導部材４２は、下面側に平坦面を有している。また、高熱伝導部材４２は上面側に、低熱伝導部材４１の凸部と嵌め合うような湾曲面状の凹部を有している。その結果、載置台４０ｅは、坩堝２０を安定して支持することができる。
【００８４】
本実施形態の第５変形例に係る載置台４０ｅを用いた場合、載置台４０ｅにおける熱流の面内分布を滑らかに変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００８５】
図１５は、本実施形態の第６変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶ−ＸＶ線矢印方向から見た断面図である。図１６は、本実施形態の第６変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩ−ＸＶＩ線矢印方向から見た断面図である。
【００８６】
図１５，１６に示すように、本実施形態の第６変形例に係る載置台４０ｆにおいては、高熱伝導部材４２は載置台４０ｆの周側部に多く位置し、低熱伝導部材４１は載置台４０ｆの中央部に多く位置している。
【００８７】
このように、載置台４０ｆにおいては、低熱伝導部材４１と高熱伝導部材４２との割合が周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００８８】
載置台４０ｆにおける低熱伝導部材４１と高熱伝導部材４２との割合は、準連続的に変化している。具体的には、高熱伝導部材４２は、上面側に平坦面を有している。また、高熱伝導部材４２は、下面側の中央部において湾曲面状の凹部を有している。
【００８９】
低熱伝導部材４１は、下面側に平坦面を有している。また、低熱伝導部材４１は上面側に、高熱伝導部材４２の凹部と嵌め合うような湾曲面状の凸部を有している。その結果、載置台４０ｆは、坩堝２０を安定して支持することができる。
【００９０】
本実施形態の第６変形例に係る載置台４０ｆを用いた場合、載置台４０ｆにおける熱流の面内分布を滑らかに変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００９１】
図１７は、本実施形態の第７変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図１８は、本実施形態の第７変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線矢印方向から見た断面図である。
【００９２】
図１７，１８に示すように、本実施形態の第７変形例に係る載置台４０ｇにおいては、載置台４０ｇの厚さが周側部と中央部とで異なる。具体的には、高熱伝導部材４２の厚さが中央部において周側部より薄くなって、空気断熱層４４が形成されている。
【００９３】
載置台４０ｇの厚さは準連続的に変化している。具体的には、高熱伝導部材４２は、下面側に平坦面を有している。また、高熱伝導部材４２は、上面側に湾曲面状の凹部を有している。このように、載置台４０ｇにおいては、載置台４０ｇの厚さが周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００９４】
本実施形態の第７変形例に係る載置台４０ｇを用いた場合、載置台４０ｇにおける熱流の面内分布を滑らかに変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００９５】
図１９は、本実施形態の第８変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＩＸ−ＸＩＸ線矢印方向から見た断面図である。図２０は、本実施形態の第８変形例に係る坩堝および載置台を図２のＸＸ−ＸＸ線矢印方向から見た断面図である。
【００９６】
図１９，２０に示すように、本実施形態の第８変形例に係る載置台４０ｈにおいては、本実施形態の第７変形例に係る載置台４０ｇを上下反転させた構成を有している。そのため、空気断熱層４４は、載置台４０ｈの下部に位置している。載置台４０ｈのように、熱伝導性を面内で変化させた部分を必ずしも坩堝２０の底面部に直接接触させなくてもよい。
【００９７】
載置台４０ｈの厚さは準連続的に変化している。具体的には、高熱伝導部材４２は、上面側に平坦面を有している。また、高熱伝導部材４２は、下面側に湾曲面状の凹部を有している。このように、載置台４０ｈにおいては、載置台４０ｈの厚さが周側部と中央部とで異なることにより、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きくなっている。
【００９８】
本実施形態の第８変形例に係る載置台４０ｈを用いた場合、載置台４０ｈにおける熱流の面内分布を滑らかに変化させることができるため、坩堝２０の底面部における温度分布の面内均一性をさらに向上することができる。
【００９９】
本実施形態に係る載置台を用いることにより、複雑な可動部材が不要となるため、廉価で安定して製造できる多結晶シリコンインゴット製造装置１を構成することができる。
【０１００】
以下、本実施形態の第１変形例に係る載置台４０ａを用いて製造された多結晶シリコンインゴットから形成された多結晶シリコン太陽電池の出力と、比較例として熱伝導性が面内で均一の載置台を用いて製造された多結晶シリコンインゴットを加工して得られたウエハから形成された多結晶シリコン太陽電池の出力とを比較した実験例について説明する。
【０１０１】
(実験例)
実施例および比較例の両方において、本実施形態に係る坩堝２０として、内寸が８３０ｍｍ×８３０ｍｍ×４２０ｍｍ、底面部の厚さが２０ｍｍ、および、側面部の厚さが１５ｍｍであるシリカ製の坩堝を使用した。
【０１０２】
実施例の載置台においては、板状部材４３として、厚さが３００ｍｍである黒鉛製の板を使用した。高熱伝導部材４２として、中央部に３２０ｍｍ角の開口を有し、厚さが８ｍｍである炭素繊維強化炭素材料製の板を使用した。低熱伝導部材４１として厚さ８ｍｍの黒鉛製多孔体を高熱伝導部材４２の開口内に配置した。
【０１０３】
比較例の載置台は、板状部材４３と同様の厚さが３００ｍｍである黒鉛製の板で構成した。比較例の載置台においては、低熱伝導部材４１および高熱伝導部材４２を設けなかった。
【０１０４】
また、実施例および比較例の両方において、多結晶シリコンインゴットの製造方法は上記実施形態と同様にした。なお、多結晶シリコンインゴットの比抵抗が約１．５Ωｃｍ以上２．０Ωｃｍ以下になるように、シリコン原料にホウ素をドープした。
【０１０５】
実施例においては、成長させた多結晶シリコンインゴットの外観に異常は認められず、インゴット割れは発生していなかった。比較例においては、インゴットの最上部の角部の一部に、２０ｍｍ×２０ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさの割れが確認された。
【０１０６】
次に、これらの多結晶シリコンインゴットをバンドソーにてブロック化後、ワイヤーソーにてスライス化して多結晶シリコンウエハを作製した。これらのウエハを通常の太陽電池セル製造プロセスに投入し、その出力特性を確認した。
【０１０７】
図２１は、実施例および比較例の太陽電池の出力分布を示すヒストグラムである。図２１においては、縦軸に割合、横軸に太陽電池の出力を示している。
【０１０８】
図２１に示すように、実施例の多結晶シリコンウエハから形成された多結晶シリコン太陽電池セルは、比較例の多結晶シリコンウエハから形成された多結晶シリコン太陽電池セルに比較して、太陽電池の出力分布が高い方にシフトしている。
【０１０９】
出力の低い太陽電池は、インゴットの上部から取り出されたウエハから形成された太陽電池である。上述の通り、出力低下の原因は、インゴット内部の応力に起因する結晶欠陥である。
【０１１０】
したがって、本実験例から、本実施形態に係る載置台を用いて多結晶シリコンインゴットを成長させることにより、インゴット割れおよび結晶欠陥の発生を抑制することができることが確認された。
【０１１１】
また、実施例においては、比較例より多結晶シリコン太陽電池の出力を向上することができたため、その多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成された多結晶太陽電池モジュールの特性は、比較例の多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成された多結晶太陽電池モジュールより当然に向上している。
【０１１２】
本実験例においては、坩堝の内寸の８３０ｍｍ角に対して約３９％にあたる３２０ｍｍ角の低熱伝導部材４１を配置したが、坩堝の内寸面積に対して１０％以上８０％以下の面積を有する低熱伝導部材４１を配置することにより上記の効果を得ることができる。
【０１１３】
低熱伝導部材４１の面積が坩堝の内寸面積に対して１０％より小さい場合には、坩堝２０の底面部における温度分布を均一にする効果がほとんど得られない。低熱伝導部材４１の面積が坩堝の内寸面積に対して８０％より大きい場合には、載置台の熱伝導性が面内の略全体において低下するため、坩堝２０の冷却が阻害されて底面部における温度分布を均一にする効果が得られなくなる。
【０１１４】
今回開示された実施形態および実験例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１５】
１ 多結晶シリコンインゴット製造装置、１０ 筐体、１１ 開口、１２ 排気口、１３ ガス供給管、２０ 坩堝、３０ 抵抗加熱ヒータ、３４ 電源、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ，４０ｇ，４０ｈ 載置台、４１ 低熱伝導部材、４２ 高熱伝導部材、４３ 板状部材、４４ 空気断熱層、５０ 支持台、６０ 中蓋、６１ 加熱領域、７０ 駆動部、７１ 支持部、８０ 溶融シリコン、９０ 冷却部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融したシリコンを下方から上方に向けて一方向凝固させることにより多結晶シリコンインゴットを成長させる多結晶シリコンインゴット製造装置であって、
坩堝と、
前記坩堝の側方に位置するヒータと、
前記坩堝の底面部と接触して位置する坩堝支持部材と
を備え、
前記坩堝支持部材においては、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい、多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項２】
前記底面部における温度分布が面内で均一になるように前記中央部と前記周側部との熱伝導が異なる、請求項１に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項３】
前記坩堝支持部材の厚さが前記周側部と前記中央部とで異なることにより、前記周側部における熱伝導の方が前記中央部における熱伝導より大きい、請求項１または２に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項４】
前記坩堝支持部材の厚さが準連続的に変化している、請求項３に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項５】
前記坩堝支持部材が互いに熱伝導率の異なる複数の部材から構成され、
前記複数の部材の割合が前記周側部と前記中央部とで異なることにより、前記周側部における熱伝導の方が前記中央部における熱伝導より大きい、請求項１または２に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項６】
前記坩堝支持部材が黒鉛および炭素繊維強化炭素材料から構成され、
前記黒鉛と前記炭素繊維強化炭素材料との割合が前記周側部と前記中央部とで異なることにより、前記周側部における熱伝導の方が前記中央部における熱伝導より大きい、請求項５に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項７】
前記坩堝支持部材における前記割合が準連続的に変化している、請求項５または６に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の多結晶シリコンインゴット製造装置により製造された、多結晶シリコンインゴット。
【請求項９】
請求項８に記載の多結晶シリコンインゴットを切断することにより形成された、多結晶シリコンウエハ。
【請求項１０】
請求項９に記載の多結晶シリコンウエハから形成された、多結晶シリコン太陽電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成された、多結晶太陽電池モジュール。
【請求項１】
溶融したシリコンを下方から上方に向けて一方向凝固させることにより多結晶シリコンインゴットを成長させる多結晶シリコンインゴット製造装置であって、
坩堝と、
前記坩堝の側方に位置するヒータと、
前記坩堝の底面部と接触して位置する坩堝支持部材と
を備え、
前記坩堝支持部材においては、周側部における熱伝導の方が中央部における熱伝導より大きい、多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項２】
前記底面部における温度分布が面内で均一になるように前記中央部と前記周側部との熱伝導が異なる、請求項１に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項３】
前記坩堝支持部材の厚さが前記周側部と前記中央部とで異なることにより、前記周側部における熱伝導の方が前記中央部における熱伝導より大きい、請求項１または２に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項４】
前記坩堝支持部材の厚さが準連続的に変化している、請求項３に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項５】
前記坩堝支持部材が互いに熱伝導率の異なる複数の部材から構成され、
前記複数の部材の割合が前記周側部と前記中央部とで異なることにより、前記周側部における熱伝導の方が前記中央部における熱伝導より大きい、請求項１または２に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項６】
前記坩堝支持部材が黒鉛および炭素繊維強化炭素材料から構成され、
前記黒鉛と前記炭素繊維強化炭素材料との割合が前記周側部と前記中央部とで異なることにより、前記周側部における熱伝導の方が前記中央部における熱伝導より大きい、請求項５に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項７】
前記坩堝支持部材における前記割合が準連続的に変化している、請求項５または６に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の多結晶シリコンインゴット製造装置により製造された、多結晶シリコンインゴット。
【請求項９】
請求項８に記載の多結晶シリコンインゴットを切断することにより形成された、多結晶シリコンウエハ。
【請求項１０】
請求項９に記載の多結晶シリコンウエハから形成された、多結晶シリコン太陽電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の多結晶シリコン太陽電池を複数接続して構成された、多結晶太陽電池モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−１１２５８２（Ｐ２０１３−１１２５８２Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６１６８７（Ｐ２０１１−２６１６８７）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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