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の製造方法及び多結晶シリコンインゴット
【課題】底部における酸素濃度が局所的に高くなる部分を少なくして、多結晶シリコンの生産歩留まりを大幅に向上させることができる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の製造方法及び多結晶シリコンインゴットを提供する。
【解決手段】断面矩形状をなす坩堝２０と、この坩堝２０の上方に配設された上部ヒータ４３と、坩堝２０の下方に配設された下部ヒータ３３と、を有し、坩堝２０内に貯留されたシリコン融液３を、その底面２１から上方に向けて一方向凝固させる多結晶シリコンインゴット製造装置１０であって、坩堝２０の底面２１側において坩堝２０の側壁部２２の少なくとも一部を加熱する補助ヒータ５０を備えていることを特徴とする。
【解決手段】断面矩形状をなす坩堝２０と、この坩堝２０の上方に配設された上部ヒータ４３と、坩堝２０の下方に配設された下部ヒータ３３と、を有し、坩堝２０内に貯留されたシリコン融液３を、その底面２１から上方に向けて一方向凝固させる多結晶シリコンインゴット製造装置１０であって、坩堝２０の底面２１側において坩堝２０の側壁部２２の少なくとも一部を加熱する補助ヒータ５０を備えていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、坩堝内に貯留されたシリコン融液を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製出する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の製造方法、及び、この製造方法によって得られる多結晶シリコンインゴットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
前述の多結晶シリコンインゴットは、例えば特許文献１に記載されているように、所定の厚さにスライスされて多結晶シリコンスライスとされ、この多結晶シリコンスライスを所定サイズに切り出すことによって多結晶シリコンウェハとされる。この多結晶シリコンウェハは主に太陽電池用基板の素材として利用されている。ここで、太陽電池においては、太陽電池用基板の素材である多結晶シリコンインゴットの特性が、変換効率等の性能を大きく左右することになる。
特に、多結晶シリコンに含有される酸素量や不純物量が多いと、太陽電池の変換効率が大幅に低下するため、太陽電池用基板となる多結晶シリコン中の酸素量や不純物量を低減する必要がある。
【０００３】
ここで、坩堝内で一方向凝固させた多結晶シリコンインゴットでは、凝固開始部分である底部及び凝固終了部分である頂部において、酸素量や不純物量が高くなる傾向にあるため、これら底部及び頂部を切断除去している。
詳述すると、坩堝内でシリコン融液を上方に向けて一方向凝固させた場合、固相から液相に向けて不純物が排出されることから、固相部分の不純物量が低くなり、凝固終了部分である頂部において不純物量が非常に高くなるのである。
【０００４】
また、シリカ製坩堝内にシリコン融液を貯留した際に、シリカ（ＳｉＯ２）からシリコン融液へと酸素が混入する。一方、シリコン融液内の酸素は、ＳｉＯガスとして液面から放出される。ここで、凝固開始時には、坩堝の底面及び側面から酸素が混入することから、凝固開始時点ではシリコン融液内の酸素量が高くなる。そして、底面側での凝固が進行すると、側面からのみ酸素が混入することになるため、徐々に酸素量は低減していき、シリコン融液内の酸素量は安定することになる。よって、凝固開始部分である底部において酸素量が高くなるのである。
【０００５】
このような多結晶シリコンインゴットは、例えば特許文献２、３に記載された鋳造装置を用いた一方向凝固法によって製造される。
特許文献２に記載された鋳造装置は、坩堝の上方に上部ヒータが配設され、坩堝の下方に下部ヒータが配設されたものである。上部ヒータ及び下部ヒータによって加熱することにより、坩堝内のシリコン原料を溶解してシリコン融液を生成する。その後、下部ヒータを停止し、坩堝の底部側から熱を放散することにより、坩堝内のシリコン融液を坩堝の底面から上方に向けて一方向凝固させる。
【０００６】
また、特許文献３に記載された鋳造装置は、坩堝の側面に対向するように配置されたサイドヒータを備えている。まず、坩堝のサイドヒータによって加熱することで坩堝内のシリコン原料を溶解してシリコン融液を生成する。その後、坩堝を下方に向けて移動させることにより、坩堝の底面側を低温化して温度勾配を設け、坩堝内のシリコン融液を坩堝の底面から上方に向けて一方向凝固させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２４５２１６号公報
【特許文献２】特開２００４−０５８０７５号公報
【特許文献３】特開２００８−３０３１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、矩形断面状をなす多結晶シリコンインゴットを製造する際において、坩堝内のシリコン融液の高さを高く設定した場合には、坩堝の底面側に位置する部分で酸素濃度が局所的に高い部分が発生することが確認されている。
従来の多結晶シリコンインゴットについて、所定の高さ位置（凝固方向位置）における矩形断面内の酸素濃度を測定した結果を図６に示す。この図６によれば、高さ位置１０ｍｍ、５０ｍｍの断面において、周縁部の一辺の中央部分（図６の測定点３）の酸素濃度が局所的に高くなっていることが確認される。
【０００９】
ここで、高さ位置５０ｍｍの断面においては、断面中心部（図６の測定点５）及び断面コーナ部（図６の測定点１）における酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下とされているものの、局所的（図６の測定点３）に酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３を超えていることから、多結晶シリコンスライスとして製品化することができない。このため、多結晶シリコンインゴットのうち製品化可能な部分が少なくなり、製品の製造効率が低下するといった問題があった。
【００１０】
特に、最近では、多結晶シリコンインゴットから太陽電池用基板を効率良く生産するために、多結晶シリコンインゴットの大型化、すなわち、多結晶シリコンスライスの大面積化（例えば一辺の長さが６８０ｍｍ以上）や、多結晶シリコンインゴットの高さを高くすることが試みられている。
しかしながら、このように多結晶シリコンインゴットを大型化した場合には、上述のように坩堝の底面側に位置する部分で酸素濃度が局所的に高い部分が発生しやすくなる傾向にあるため、多結晶シリコンインゴットの底部側を大きく切断除去することになり、多結晶シリコンウェハを効率良く生産することができなかった。
【００１１】
本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであって、底部における酸素濃度が局所的に高くなる部分を少なくして、多結晶シリコンの生産歩留まりを大幅に向上させることができる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の製造方法及び多結晶シリコンインゴット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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明者が鋭意研究した結果、坩堝内の温度分布が局所的な酸素濃度の増加と関連していることを見出した。具体的には、図６及び図７に示すように、坩堝内において温度が低下している箇所で酸素濃度が高くなっているのである。
このことから、断面における温度分布を改善することにより、局所的な酸素濃度の増加を抑制可能であるとの知見を得た。
【００１３】
本発明は上述の知見に基づいてなされたものであり、本発明に係る多結晶シリコンインゴット製造装置は、断面矩形状をなす坩堝と、この坩堝の上方に配設された上部ヒータと、前記坩堝の下方に配設された下部ヒータと、を有し、前記坩堝内に貯留されたシリコン融液を、その底面から上方に向けて一方向凝固させる多結晶シリコンインゴット製造装置であって、前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱する補助ヒータを備えていることを特徴としている。
【００１４】
一方向凝固の初期段階においては、坩堝の底面側からの熱の放散に対して坩堝の側壁部からの熱の放散の割合が大きいため、断面の表層側部分で温度低下しやすくなる。
そこで、本発明に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においては、前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱する補助ヒータを備えていることから、この補助ヒータによって坩堝内の温度分布を改善することが可能となり、局部的な酸素濃度の増加を抑制することができる。よって、多結晶シリコンインゴットの底部側を大きく切断除去する必要がなくなり、多結晶シリコンウェハを効率良く生産することが可能となる。
【００１５】
ここで、前記補助ヒータは、前記側壁部がなす矩形環状の各一辺の中央領域を加熱する構成とされており、この中央領域の前記底面に沿った方向の長さｌは、前記側壁部のうち前記一辺の全長Ｌに対して、０．３×Ｌ≦ｌ≦０．７×Ｌの範囲内に設定されていることが好ましい。
通常、坩堝の周囲には断熱材が配設されていることから、断面コーナ部では断熱材による保温効果によって温度低下が阻害されるが、側壁部の各一辺の中央領域では断熱材による保温効果が少なくなり、局部的に温度低下するものと考えられる。よって、前記補助ヒータを、前記側壁部の各一辺の中央領域（前記側壁部のうち前記一辺の全長Ｌに対して、０．３×Ｌ≦ｌ≦０．７×Ｌの範囲内の領域）を加熱する構成とすることによって、確実に坩堝内の温度分布を改善することが可能となり、局部的な酸素濃度の増加を抑制することができる。
【００１６】
また、前記補助ヒータは、前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部に対向して配設されており、その高さｈは、前記坩堝の全高さＨＰに対して、０．１×ＨＰ≦ｈ≦０．３×ＨＰの範囲内に設定されていることが好ましい。
坩堝内において、凝固が上方に向けて進行すると、底面側からの熱の放散の割合が大きくなり側壁部からの熱の放散の影響が少なくなる。よって、坩堝の底面側部分においてのみ温度分布を改善すればよいことになる。そこで、補助ヒータを、前記坩堝の側壁部に対向して配設し、その高さを坩堝の全高さＨＰに対して、０．１×ＨＰ≦ｈ≦０．３×ＨＰの範囲内に設定することにより、温度分布を改善する必要がある部分のみを加熱することが可能となる。
【００１７】
本発明に係る多結晶シリコンインゴットの製造方法は、上述の多結晶シリコンインゴット製造装置を用いた多結晶シリコンインゴットの製造方法であって、前記坩堝内に装入されたシリコン原料を溶融して前記シリコン融液を生成する溶解工程と、前記下部ヒータを停止して、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液に上下方向に温度差を設けて、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液を前記坩堝の底面側から上方に向けて一方向凝固させる凝固工程と、を備えており、前記凝固工程においては、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱することを特徴としている。
【００１８】
この構成の多結晶シリコンインゴットの製造方法によれば、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液を前記坩堝の底面側から上方に向けて一方向凝固させる凝固工程において、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱する構成としているので、坩堝内における温度分布を改善することができ、局所的な酸素濃度の増加を抑制することができる。よって、多結晶シリコンインゴットの底部側を大きく切断除去する必要がなくなり、多結晶シリコンウェハを効率良く生産することが可能な多結晶シリコンインゴットを製出することができる。
【００１９】
ここで、前記凝固工程のうち前記坩堝の底面から高さＸまでの初期領域において、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁を加熱する構成とされており、前記初期領域の高さＸは、前記坩堝内の前記シリコン融液の湯面高さＨＭに対して、Ｘ≦０．３×ＨＭの範囲内に設定されていることが好ましい。
前記凝固工程のうち前記坩堝の底面から高さＸまでの初期領域（坩堝内の前記シリコン融液の湯面高さＨＭに対してＸ≦０．３×ＨＭの範囲内）においては、坩堝の側壁部からの熱の放散の割合が比較的大きいため、局所的な温度低下が発生するおそれがある。そこで、本発明では、この初期領域において、補助ヒータを用いて坩堝の側壁部を加熱する構成としているので、坩堝内の温度分布を確実に改善することが可能となる。
【００２０】
本発明に係る多結晶シリコンインゴットは、上述の多結晶シリコンインゴットの製造方法によって製造された多結晶シリコンインゴットであって、凝固方向に直交する断面が矩形面状をなし、この矩形面の一辺の長さが５５０ｍｍ以上とされており、前記坩堝の底面に接触していた底部から高さ５０ｍｍの部分の断面において、前記矩形面の辺稜部の一辺の中央部分における酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下とされていることを特徴としている。
【００２１】
この構成の多結晶シリコンインゴットによれば、前記坩堝の底面に接触していた底部から高さ５０ｍｍの部分の断面において、前記矩形面の一辺の中央部分（すなわち、断面において最も酸素濃度が高くなる傾向にある部分）における酸素濃度が、５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下とされているので、この底部から高さ５０ｍｍの部分を多結晶シリコンウェハの素材として製品化することができる。
【発明の効果】
【００２２】
このように、本発明によれば、底部における酸素濃度が局所的に高くなる部分を少なくして、多結晶シリコンの生産歩留まりを大幅に向上させることができる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の製造方法及び多結晶シリコンインゴットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態である多結晶シリコンインゴット製造装置の概略説明図である。
【図２】図１に示す多結晶シリコンインゴット製造装置の坩堝近傍の断面説明図である。
【図３】本発明の実施形態である多結晶シリコンインゴットの概略説明図である。
【図４】実施例における多結晶シリコンインゴット内の酸素量測定結果を示すグラフである。
【図５】実施例における坩堝内（底面から高さ５０ｍｍ位置）の温度分布を示す図である。
【図６】従来例における多結晶シリコンインゴット内の酸素量測定結果を示すグラフである。
【図７】従来例における坩堝内（底面から高さ５０ｍｍ位置）の温度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施形態である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の製造方法及び多結晶シリコンインゴットについて、添付した図面を参照にして説明する。
【００２５】
本実施形態である多結晶シリコンインゴット製造装置１０は、内部を気密状態に保持するチャンバ１１と、シリコン融液３が貯留される坩堝２０と、この坩堝２０が載置されるチルプレート３１と、このチルプレート３１の下方に位置する下部ヒータ３３と、坩堝２０の上方に位置する上部ヒータ４３と、坩堝２０の開口部に対向するように配設された蓋部４１と、を備えている。また、坩堝２０の外周側には、断熱壁１２が配設されており、上部ヒータ４３の上方に断熱天井１３が配設され、下部ヒータ３３の下方に断熱床１４が配設されている。すなわち、坩堝２０、上部ヒータ４３、下部ヒータ３３等を囲繞するように、断熱材（断熱壁１２、断熱天井１３、断熱床１４）が配設されているのである。
【００２６】
坩堝２０は、図２に示すように、水平断面形状が角形（矩形状）とされており、本実施形態では、水平断面形状が正方形をなしている。この坩堝２０は、石英で構成されており、チルプレート３１に接触する底面２１と、この底面２１から上方に向けて立設された側壁部２２と、を備えている。この側壁部２２は、水平断面が矩形環状をなしており、その一辺の長さＬＰは、５５０ｍｍ≦ＬＰ≦１０８０ｍｍとされ、本実施形態では、ＬＰ＝６８０ｍｍとされている。また、坩堝２０（側壁部２２）の高さＨＰは、５００ｍｍ≦ＨＰ≦７００ｍｍとされ、本実施形態では、ＨＰ＝６００ｍｍとされている。
【００２７】
上部ヒータ４３及び下部ヒータ３３は、それぞれ電極棒４４，３４によって支持されている。上部ヒータ４３を支持する電極棒４４は、断熱天井１３を貫通して挿入されており、電極棒４４の一部がチャンバ１１の外側に露出されている。下部ヒータ３３を支持する電極棒３４は、断熱床１４を貫通して挿入されている。
坩堝２０が載置されるチルプレート３１は、下部ヒータ３３に挿通された支持部３２の上端に設置されている。このチルプレート３１は、中空構造とされており、支持部３２の内部に設けられた供給路（図示なし）を介して内部にＡｒガスが供給される構成とされている。
【００２８】
蓋部４１は、上部ヒータ４３に挿通された支持軸４２の下端部に接続されている。この蓋部４１は、シリコンカーバイドあるいはカーボンで構成されており、坩堝２０の開口部に対向するように配設されている。
支持軸４２には、内部にガス供給路（図示なし）が設けられており、支持軸４２の先端（図１において下端）に設けられた開口孔から坩堝２０内のシリコン融液３に向けてＡｒ等の不活性ガスが供給されるように構成されている。
この支持軸４２及び蓋部４１は、上下動可能に構成されており、坩堝２０内のシリコン融液３の湯面との距離が調整可能とされている。
【００２９】
そして、この多結晶シリコンインゴット製造装置１０においては、上部ヒータ４３及び下部ヒータ３３とは別に、坩堝２０の底面２１側において坩堝２０の側壁部２２の少なくとも一部を加熱する補助ヒータ５０が配設されている。本実施形態では、図１に示すように、補助ヒータ５０は、坩堝２０の側壁部２２に対向するように配設されており、補助ヒータ５０の高さｈは、坩堝２０の高さＨＰに対して、０．１×ＨＰ≦ｈ≦０．３×ＨＰの範囲内となるように設定されている。
【００３０】
また、この補助ヒータ５０は、図２に示すように、坩堝２０の側壁部２２がなす矩形の一辺の中央領域に対向するように配設されている。中央領域の長さｌ（すなわち、補助ヒータ５０の幅ｌ）は、坩堝２０の側壁部２２一辺の長さＬＰに対して、０．３×ＬＰ≦ｌ≦０．７×ＬＰの範囲内に設定されている。
この補助ヒータ５０は、輻射式ヒータとされており、坩堝２０の側壁部２２のうち補助ヒータ５０が対向配置された部分を局所的に加熱する構成とされている。なお、補助ヒータ５０の出力は、下部ヒータ３３の出力の１０〜５０％程度と、比較的低く設定されている。
【００３１】
次に、本実施形態である多結晶シリコンインゴット１の製造方法について説明する。本実施形態では、前述した多結晶シリコンインゴット製造装置１０を用いて多結晶シリコンインゴット１を製出する。
【００３２】
まず、坩堝２０内に、シリコン原料を装入する（シリコン原料装入工程Ｓ０１）。ここで、シリコン原料としては、１１Ｎ（純度９９．９９９９９９９９９）の高純度シリコンを砕いて得られた「チャンク」と呼ばれる塊状のものが使用される。この塊状のシリコン原料の粒径は、例えば、３０ｍｍから１００ｍｍとされている。
【００３３】
次に、坩堝２０内に装入されたシリコン原料を、上部ヒータ４３及び下部ヒータ３３に通電することによって加熱し、シリコン融液３を生成する（溶解工程Ｓ０２）。このとき、補助ヒータ５０にも通電してシリコン原料の加熱を促進させてもよい。このとき、坩堝２０内のシリコン融液３の湯面は、坩堝２０の側壁部２２の上端より低い位置に設定されることになる。
【００３４】
次に、坩堝２０内のシリコン融液３を凝固させる（凝固工程Ｓ０３）。まず、下部ヒータ３３への通電を停止し、チルプレート３１の内部に供給路を介してＡｒガスを供給する。これにより、坩堝２０の底部を冷却する。このとき、上部ヒータ４３の通電を継続したままとすることにより、坩堝２０内には底面２１から上方に向けて温度勾配が発生し、この温度勾配により、シリコン融液３が上方に向けて一方向凝固することになる。さらに、上部ヒータ４３への通電を徐々に減少させることにより、坩堝２０内のシリコン融液３が上方に向けて凝固し、多結晶シリコンインゴット１が生成されることになる。
【００３５】
そして、この凝固工程Ｓ０３のうち、固相の高さが坩堝２０の底面２１から高さＸまでの初期領域において、補助ヒータ５０を用いて坩堝２０の側壁部２２の一部を加熱する構成とされている。ここで、初期領域の高さＸは、坩堝２０内のシリコン融液３の湯面高さＨＭに対して、Ｘ≦０．３×ＨＭの範囲内に設定されている。すなわち、補助ヒータ５０は、凝固工程Ｓ０３の初期領域において作動され、この初期領域を超えた時点で停止されるように構成されているのである。
【００３６】
このようにして、図３に示す多結晶シリコンインゴット１が、一方向凝固法によって成形されるのである。この多結晶シリコンインゴット１は、太陽電池用基板として使用される多結晶シリコンウエハの素材となる。
【００３７】
この多結晶シリコンインゴット１は、図３に示すように、四角形柱状をなしており、その高さＨは、２００ｍｍ≦Ｈ≦３５０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｈ＝３００ｍｍに設定されている。また、水平断面における矩形面は正方形をなしており、その一辺の長さＬが、５５０ｍｍ≦Ｌ≦１０８０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｌ＝６８０ｍｍに設定されている。
ここで、この多結晶シリコンインゴット１の底部側部分Ｚ１は酸素濃度が高く、多結晶シリコンインゴット１の頂部側部分Ｚ２は不純物濃度が高いことから、これら底部側部分Ｚ１及び頂部側部分Ｚ２は切断除去され、製品部Ｚ３のみが多結晶シリコンウェハとして製品化されることになる。
【００３８】
そして、この多結晶シリコンインゴット１においては、底部から高さ５０ｍｍの部分の水平断面における酸素濃度の最大値が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下となるように構成されている。すなわち、水平断面がなす矩形面の一辺の中央部分における酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下とされているのである。なお、本実施形態では、この水平断面から５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍ角の測定サンプルを採取し、フーリエ変換赤外線分光法（ＦＩ−ＩＲ）によって酸素濃度を測定した。
【００３９】
以上のような構成とされた本実施形態である多結晶シリコンインゴット製造装置１０、多結晶シリコンインゴット１の製造方法及び多結晶シリコンインゴット１によれば、坩堝２０の側壁部２２のうち底面２１側に位置する部分に対向するように、補助ヒータ５０が配設されているので、坩堝２０の側壁部２２から熱が放散されることによって生じる局所的な温度低下を抑制することが可能となる。よって、坩堝２０の底面２１側において水平断面における温度分布が改善され、局部的な酸素濃度の増加を抑制することができる。
【００４０】
特に、側壁部２２がなす矩形環状の各一辺の中央領域では断熱壁１２による保温効果が少なく、局部的に温度低下し易い傾向になるが、本実施形態では、補助ヒータ５０が、側壁部２２の前記中央領域（側壁部２２の一辺の全長Ｌに対して０．３×Ｌ≦ｌ≦０．７×Ｌの範囲内の領域）を加熱する構成とされているので、確実に坩堝２０内の水平断面における温度分布を改善することが可能となる。
【００４１】
また、補助ヒータ５０が、坩堝２０の底面２１側において坩堝２０の側壁部２２に対向して配設されており、その高さｈは、坩堝２０の側壁部２２の全高さＨＰに対して、ｈ≧０．１×ＨＰに設定されているので、底面２１側部分における側壁部２２からの熱の放散を抑制することができ、水平断面における温度分布を改善することができる。また、補助ヒータ５０の高さｈが、坩堝２０の側壁部２２の全高さＨＰに対して、ｈ≦０．３×ＨＰに設定されているので、坩堝２０の上部位置において上下方向の温度勾配に影響を与えることがなく、一方向凝固を促進することが可能となる。
【００４２】
さらに、本実施形態では、坩堝２０内にシリコン原料を装入する原料装入工程Ｓ０１と、坩堝２０内に装入されたシリコン原料を溶融してシリコン融液３を生成する溶解工程Ｓ０２と、坩堝２０内に貯留された前記シリコン融液３に上下方向に温度差を設けて、前記坩堝２０内に貯留された前記シリコン融液３を前記坩堝２０の底面２１側から上方に向けて一方向凝固させる凝固工程Ｓ０３と、を備えており、凝固工程Ｓ０３の初期領域において坩堝２０の側壁部２２を加熱する構成とされているので、坩堝２０の底面２１側における水平断面の温度分布を改善することができ、局所的な酸素濃度の増加を抑制することができる。
【００４３】
このように、本実施形態によれば、底部における酸素濃度が局所的に高くなる部分を少なくして、多結晶シリコンの生産歩留まりを大幅に向上させることができる多結晶シリコンインゴット製造装置１０、多結晶シリコンインゴット１の製造方法及び多結晶シリコンインゴット１を提供することができる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態である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の製造方法及び多結晶シリコンインゴットについて説明したが、これに限定されることはなく、適宜設計変更することができる。
例えば、多結晶シリコンインゴットの大きさ等は、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。
【００４５】
また、補助ヒータを坩堝の側壁部に対向するように配置したものとして説明したが、これに限定されることはなく、下部ヒータの外周側に補助ヒータを配設し、チルプレートの下側から坩堝の側壁部の一部を加熱して、坩堝内の水平断面における温度分布を改善するように構成してもよい。
さらに、補助ヒータを、側壁部がなす矩形環状の一辺の中央領域に対向するように配設したもので説明したが、これに限定されることはなく、一辺の全体に対向するように（すなわち、側壁部を囲繞するように）補助ヒータを配設してもよい。
【実施例】
【００４６】
本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果を示す。本実施形態で説明した多結晶シリコンインゴット製造装置を用いて、６８０ｍｍ角×高さ３００ｍｍの四角形柱状の多結晶シリコンインゴットを製出した。なお、この実施例では、補助ヒータの幅長さｌを、ｌ＝４００ｍｍとし、補助ヒータの高さｈを、ｈ＝１００ｍｍとした。
従来例として、補助ヒータを用いずに、上部ヒータと下部ヒータのみを使用して一方向凝固を実施した。なお、凝固速度を５ｍｍ／ｈとした。
本発明例として、凝固の初期領域においては、補助ヒータを用いて坩堝の側壁部を加熱して一方向凝固を実施した。なお、凝固速度を５ｍｍ／ｈとした。
【００４７】
このようにして得られた従来例、本発明例の多結晶シリコンインゴットについて、高さ１０ｍｍ，５０ｍｍ，１５０ｍｍ，２５０ｍｍ，２９０ｍｍの各５箇所において、図４ 、図６に示す水平断面の各箇所から５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍの測定サンプルを採取し、フーリエ変換赤外線分光法（ＦＩ−ＩＲ）により、シリコン中の酸素濃度を測定した。本発明例の測定結果を図４に、従来例の測定結果を図６に示す。
【００４８】
また、従来例と本発明例において、坩堝の底面から高さ５０ｍｍの位置におけるシリコン融液の温度を測定した。なお、坩堝の中心部の温度が１４５０℃となるように、下部ヒータ及び上部ヒータ（並びに補助ヒータ）の出力を制御した状態で、温度測定を実施し、坩堝の底面から高さ５０ｍｍの位置における水平断面の温度分布図を作成した。本発明例の温度分布図を図５に、従来例の温度分布図を図７に示す。
【００４９】
従来例及び本発明例ともに、底面から高さ１０ｍｍ位置では、水平断面のいずれの位置でも酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３を超えている。
また、底面から高さ１５０ｍｍ位置、２５０ｍｍ位置、２９０ｍｍ位置では、水平断面のいずれの位置でも酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下となっている。
【００５０】
そして、従来例では、底面から高さ５０ｍｍ位置において、水平断面のコーナ部及び中心部を除く位置で酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３を超えている。特に、水平断面がなす矩形状の一辺の中央領域では酸素濃度が一層高くなっている。
これに対して、本発明例では、底面から高さ５０ｍｍ位置において、水平断面のいずれの位置でも酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下となっている。
【００５１】
また、温度分布図をみると、従来例では、水平断面がなす矩形状の一辺の中央領域において温度が局所的に低い部分が存在している。
一方、補助ヒータを用いた本発明例では、局所的に温度が低い部分が存在せず、水平断面における温度分布が均一化されているのが確認される。
【００５２】
ここで、前述の酸素濃度の測定結果から、酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下となった部分を製品とした場合の、多結晶シリコンインゴットにおける製品歩留まりＲについて算出した。なお、多結晶シリコンインゴットの頂部は不純物量が多いことから、頂部から１０ｍｍの部分を切断除去するものとして製品歩留まりＲを計算した。
【００５３】
従来例では、図６に示すように、底面から高さ５０ｍｍの位置において、局所的に酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３を超えている部分が存在するため、製品として使用することができない。このことから底面側の切断代を１５０ｍｍとした。すると、製品歩留まりＲは、Ｒ＝（３００ｍｍ―（１５０ｍｍ＋１０ｍｍ））／３００ｍｍ＝４６．７％であった。
【００５４】
これに対して、本発明例においては、図４に示すように、底面から高さ５０ｍｍの位置において、水平断面の任意の位置で酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下であったことから、この部分から製品化することが可能となる。底面側の切断代を５０ｍｍとした。すると、製品歩留まりＲは、Ｒ＝（３００ｍｍ―（５０ｍｍ＋１０ｍｍ））／３００ｍｍ＝８０．０％であった。
【００５５】
このように、本発明によれば、製品として多結晶シリコンの歩留まりを大幅に向上させることができることが確認された。
【符号の説明】
【００５６】
１ 多結晶シリコンインゴット
３ シリコン融液
１０ 多結晶シリコンインゴット製造装置
２０ 坩堝
２１ 底面
２２ 側壁部
３３ 下部ヒータ
４３ 上部ヒータ
５０ 補助ヒータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、坩堝内に貯留されたシリコン融液を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製出する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の製造方法、及び、この製造方法によって得られる多結晶シリコンインゴットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
前述の多結晶シリコンインゴットは、例えば特許文献１に記載されているように、所定の厚さにスライスされて多結晶シリコンスライスとされ、この多結晶シリコンスライスを所定サイズに切り出すことによって多結晶シリコンウェハとされる。この多結晶シリコンウェハは主に太陽電池用基板の素材として利用されている。ここで、太陽電池においては、太陽電池用基板の素材である多結晶シリコンインゴットの特性が、変換効率等の性能を大きく左右することになる。
特に、多結晶シリコンに含有される酸素量や不純物量が多いと、太陽電池の変換効率が大幅に低下するため、太陽電池用基板となる多結晶シリコン中の酸素量や不純物量を低減する必要がある。
【０００３】
ここで、坩堝内で一方向凝固させた多結晶シリコンインゴットでは、凝固開始部分である底部及び凝固終了部分である頂部において、酸素量や不純物量が高くなる傾向にあるため、これら底部及び頂部を切断除去している。
詳述すると、坩堝内でシリコン融液を上方に向けて一方向凝固させた場合、固相から液相に向けて不純物が排出されることから、固相部分の不純物量が低くなり、凝固終了部分である頂部において不純物量が非常に高くなるのである。
【０００４】
また、シリカ製坩堝内にシリコン融液を貯留した際に、シリカ（ＳｉＯ２）からシリコン融液へと酸素が混入する。一方、シリコン融液内の酸素は、ＳｉＯガスとして液面から放出される。ここで、凝固開始時には、坩堝の底面及び側面から酸素が混入することから、凝固開始時点ではシリコン融液内の酸素量が高くなる。そして、底面側での凝固が進行すると、側面からのみ酸素が混入することになるため、徐々に酸素量は低減していき、シリコン融液内の酸素量は安定することになる。よって、凝固開始部分である底部において酸素量が高くなるのである。
【０００５】
このような多結晶シリコンインゴットは、例えば特許文献２、３に記載された鋳造装置を用いた一方向凝固法によって製造される。
特許文献２に記載された鋳造装置は、坩堝の上方に上部ヒータが配設され、坩堝の下方に下部ヒータが配設されたものである。上部ヒータ及び下部ヒータによって加熱することにより、坩堝内のシリコン原料を溶解してシリコン融液を生成する。その後、下部ヒータを停止し、坩堝の底部側から熱を放散することにより、坩堝内のシリコン融液を坩堝の底面から上方に向けて一方向凝固させる。
【０００６】
また、特許文献３に記載された鋳造装置は、坩堝の側面に対向するように配置されたサイドヒータを備えている。まず、坩堝のサイドヒータによって加熱することで坩堝内のシリコン原料を溶解してシリコン融液を生成する。その後、坩堝を下方に向けて移動させることにより、坩堝の底面側を低温化して温度勾配を設け、坩堝内のシリコン融液を坩堝の底面から上方に向けて一方向凝固させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２４５２１６号公報
【特許文献２】特開２００４−０５８０７５号公報
【特許文献３】特開２００８−３０３１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、矩形断面状をなす多結晶シリコンインゴットを製造する際において、坩堝内のシリコン融液の高さを高く設定した場合には、坩堝の底面側に位置する部分で酸素濃度が局所的に高い部分が発生することが確認されている。
従来の多結晶シリコンインゴットについて、所定の高さ位置（凝固方向位置）における矩形断面内の酸素濃度を測定した結果を図６に示す。この図６によれば、高さ位置１０ｍｍ、５０ｍｍの断面において、周縁部の一辺の中央部分（図６の測定点３）の酸素濃度が局所的に高くなっていることが確認される。
【０００９】
ここで、高さ位置５０ｍｍの断面においては、断面中心部（図６の測定点５）及び断面コーナ部（図６の測定点１）における酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下とされているものの、局所的（図６の測定点３）に酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３を超えていることから、多結晶シリコンスライスとして製品化することができない。このため、多結晶シリコンインゴットのうち製品化可能な部分が少なくなり、製品の製造効率が低下するといった問題があった。
【００１０】
特に、最近では、多結晶シリコンインゴットから太陽電池用基板を効率良く生産するために、多結晶シリコンインゴットの大型化、すなわち、多結晶シリコンスライスの大面積化（例えば一辺の長さが６８０ｍｍ以上）や、多結晶シリコンインゴットの高さを高くすることが試みられている。
しかしながら、このように多結晶シリコンインゴットを大型化した場合には、上述のように坩堝の底面側に位置する部分で酸素濃度が局所的に高い部分が発生しやすくなる傾向にあるため、多結晶シリコンインゴットの底部側を大きく切断除去することになり、多結晶シリコンウェハを効率良く生産することができなかった。
【００１１】
本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであって、底部における酸素濃度が局所的に高くなる部分を少なくして、多結晶シリコンの生産歩留まりを大幅に向上させることができる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の製造方法及び多結晶シリコンインゴット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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明者が鋭意研究した結果、坩堝内の温度分布が局所的な酸素濃度の増加と関連していることを見出した。具体的には、図６及び図７に示すように、坩堝内において温度が低下している箇所で酸素濃度が高くなっているのである。
このことから、断面における温度分布を改善することにより、局所的な酸素濃度の増加を抑制可能であるとの知見を得た。
【００１３】
本発明は上述の知見に基づいてなされたものであり、本発明に係る多結晶シリコンインゴット製造装置は、断面矩形状をなす坩堝と、この坩堝の上方に配設された上部ヒータと、前記坩堝の下方に配設された下部ヒータと、を有し、前記坩堝内に貯留されたシリコン融液を、その底面から上方に向けて一方向凝固させる多結晶シリコンインゴット製造装置であって、前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱する補助ヒータを備えていることを特徴としている。
【００１４】
一方向凝固の初期段階においては、坩堝の底面側からの熱の放散に対して坩堝の側壁部からの熱の放散の割合が大きいため、断面の表層側部分で温度低下しやすくなる。
そこで、本発明に係る多結晶シリコンインゴット製造装置においては、前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱する補助ヒータを備えていることから、この補助ヒータによって坩堝内の温度分布を改善することが可能となり、局部的な酸素濃度の増加を抑制することができる。よって、多結晶シリコンインゴットの底部側を大きく切断除去する必要がなくなり、多結晶シリコンウェハを効率良く生産することが可能となる。
【００１５】
ここで、前記補助ヒータは、前記側壁部がなす矩形環状の各一辺の中央領域を加熱する構成とされており、この中央領域の前記底面に沿った方向の長さｌは、前記側壁部のうち前記一辺の全長Ｌに対して、０．３×Ｌ≦ｌ≦０．７×Ｌの範囲内に設定されていることが好ましい。
通常、坩堝の周囲には断熱材が配設されていることから、断面コーナ部では断熱材による保温効果によって温度低下が阻害されるが、側壁部の各一辺の中央領域では断熱材による保温効果が少なくなり、局部的に温度低下するものと考えられる。よって、前記補助ヒータを、前記側壁部の各一辺の中央領域（前記側壁部のうち前記一辺の全長Ｌに対して、０．３×Ｌ≦ｌ≦０．７×Ｌの範囲内の領域）を加熱する構成とすることによって、確実に坩堝内の温度分布を改善することが可能となり、局部的な酸素濃度の増加を抑制することができる。
【００１６】
また、前記補助ヒータは、前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部に対向して配設されており、その高さｈは、前記坩堝の全高さＨＰに対して、０．１×ＨＰ≦ｈ≦０．３×ＨＰの範囲内に設定されていることが好ましい。
坩堝内において、凝固が上方に向けて進行すると、底面側からの熱の放散の割合が大きくなり側壁部からの熱の放散の影響が少なくなる。よって、坩堝の底面側部分においてのみ温度分布を改善すればよいことになる。そこで、補助ヒータを、前記坩堝の側壁部に対向して配設し、その高さを坩堝の全高さＨＰに対して、０．１×ＨＰ≦ｈ≦０．３×ＨＰの範囲内に設定することにより、温度分布を改善する必要がある部分のみを加熱することが可能となる。
【００１７】
本発明に係る多結晶シリコンインゴットの製造方法は、上述の多結晶シリコンインゴット製造装置を用いた多結晶シリコンインゴットの製造方法であって、前記坩堝内に装入されたシリコン原料を溶融して前記シリコン融液を生成する溶解工程と、前記下部ヒータを停止して、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液に上下方向に温度差を設けて、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液を前記坩堝の底面側から上方に向けて一方向凝固させる凝固工程と、を備えており、前記凝固工程においては、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱することを特徴としている。
【００１８】
この構成の多結晶シリコンインゴットの製造方法によれば、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液を前記坩堝の底面側から上方に向けて一方向凝固させる凝固工程において、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱する構成としているので、坩堝内における温度分布を改善することができ、局所的な酸素濃度の増加を抑制することができる。よって、多結晶シリコンインゴットの底部側を大きく切断除去する必要がなくなり、多結晶シリコンウェハを効率良く生産することが可能な多結晶シリコンインゴットを製出することができる。
【００１９】
ここで、前記凝固工程のうち前記坩堝の底面から高さＸまでの初期領域において、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁を加熱する構成とされており、前記初期領域の高さＸは、前記坩堝内の前記シリコン融液の湯面高さＨＭに対して、Ｘ≦０．３×ＨＭの範囲内に設定されていることが好ましい。
前記凝固工程のうち前記坩堝の底面から高さＸまでの初期領域（坩堝内の前記シリコン融液の湯面高さＨＭに対してＸ≦０．３×ＨＭの範囲内）においては、坩堝の側壁部からの熱の放散の割合が比較的大きいため、局所的な温度低下が発生するおそれがある。そこで、本発明では、この初期領域において、補助ヒータを用いて坩堝の側壁部を加熱する構成としているので、坩堝内の温度分布を確実に改善することが可能となる。
【００２０】
本発明に係る多結晶シリコンインゴットは、上述の多結晶シリコンインゴットの製造方法によって製造された多結晶シリコンインゴットであって、凝固方向に直交する断面が矩形面状をなし、この矩形面の一辺の長さが５５０ｍｍ以上とされており、前記坩堝の底面に接触していた底部から高さ５０ｍｍの部分の断面において、前記矩形面の辺稜部の一辺の中央部分における酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下とされていることを特徴としている。
【００２１】
この構成の多結晶シリコンインゴットによれば、前記坩堝の底面に接触していた底部から高さ５０ｍｍの部分の断面において、前記矩形面の一辺の中央部分（すなわち、断面において最も酸素濃度が高くなる傾向にある部分）における酸素濃度が、５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下とされているので、この底部から高さ５０ｍｍの部分を多結晶シリコンウェハの素材として製品化することができる。
【発明の効果】
【００２２】
このように、本発明によれば、底部における酸素濃度が局所的に高くなる部分を少なくして、多結晶シリコンの生産歩留まりを大幅に向上させることができる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の製造方法及び多結晶シリコンインゴットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態である多結晶シリコンインゴット製造装置の概略説明図である。
【図２】図１に示す多結晶シリコンインゴット製造装置の坩堝近傍の断面説明図である。
【図３】本発明の実施形態である多結晶シリコンインゴットの概略説明図である。
【図４】実施例における多結晶シリコンインゴット内の酸素量測定結果を示すグラフである。
【図５】実施例における坩堝内（底面から高さ５０ｍｍ位置）の温度分布を示す図である。
【図６】従来例における多結晶シリコンインゴット内の酸素量測定結果を示すグラフである。
【図７】従来例における坩堝内（底面から高さ５０ｍｍ位置）の温度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施形態である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の製造方法及び多結晶シリコンインゴットについて、添付した図面を参照にして説明する。
【００２５】
本実施形態である多結晶シリコンインゴット製造装置１０は、内部を気密状態に保持するチャンバ１１と、シリコン融液３が貯留される坩堝２０と、この坩堝２０が載置されるチルプレート３１と、このチルプレート３１の下方に位置する下部ヒータ３３と、坩堝２０の上方に位置する上部ヒータ４３と、坩堝２０の開口部に対向するように配設された蓋部４１と、を備えている。また、坩堝２０の外周側には、断熱壁１２が配設されており、上部ヒータ４３の上方に断熱天井１３が配設され、下部ヒータ３３の下方に断熱床１４が配設されている。すなわち、坩堝２０、上部ヒータ４３、下部ヒータ３３等を囲繞するように、断熱材（断熱壁１２、断熱天井１３、断熱床１４）が配設されているのである。
【００２６】
坩堝２０は、図２に示すように、水平断面形状が角形（矩形状）とされており、本実施形態では、水平断面形状が正方形をなしている。この坩堝２０は、石英で構成されており、チルプレート３１に接触する底面２１と、この底面２１から上方に向けて立設された側壁部２２と、を備えている。この側壁部２２は、水平断面が矩形環状をなしており、その一辺の長さＬＰは、５５０ｍｍ≦ＬＰ≦１０８０ｍｍとされ、本実施形態では、ＬＰ＝６８０ｍｍとされている。また、坩堝２０（側壁部２２）の高さＨＰは、５００ｍｍ≦ＨＰ≦７００ｍｍとされ、本実施形態では、ＨＰ＝６００ｍｍとされている。
【００２７】
上部ヒータ４３及び下部ヒータ３３は、それぞれ電極棒４４，３４によって支持されている。上部ヒータ４３を支持する電極棒４４は、断熱天井１３を貫通して挿入されており、電極棒４４の一部がチャンバ１１の外側に露出されている。下部ヒータ３３を支持する電極棒３４は、断熱床１４を貫通して挿入されている。
坩堝２０が載置されるチルプレート３１は、下部ヒータ３３に挿通された支持部３２の上端に設置されている。このチルプレート３１は、中空構造とされており、支持部３２の内部に設けられた供給路（図示なし）を介して内部にＡｒガスが供給される構成とされている。
【００２８】
蓋部４１は、上部ヒータ４３に挿通された支持軸４２の下端部に接続されている。この蓋部４１は、シリコンカーバイドあるいはカーボンで構成されており、坩堝２０の開口部に対向するように配設されている。
支持軸４２には、内部にガス供給路（図示なし）が設けられており、支持軸４２の先端（図１において下端）に設けられた開口孔から坩堝２０内のシリコン融液３に向けてＡｒ等の不活性ガスが供給されるように構成されている。
この支持軸４２及び蓋部４１は、上下動可能に構成されており、坩堝２０内のシリコン融液３の湯面との距離が調整可能とされている。
【００２９】
そして、この多結晶シリコンインゴット製造装置１０においては、上部ヒータ４３及び下部ヒータ３３とは別に、坩堝２０の底面２１側において坩堝２０の側壁部２２の少なくとも一部を加熱する補助ヒータ５０が配設されている。本実施形態では、図１に示すように、補助ヒータ５０は、坩堝２０の側壁部２２に対向するように配設されており、補助ヒータ５０の高さｈは、坩堝２０の高さＨＰに対して、０．１×ＨＰ≦ｈ≦０．３×ＨＰの範囲内となるように設定されている。
【００３０】
また、この補助ヒータ５０は、図２に示すように、坩堝２０の側壁部２２がなす矩形の一辺の中央領域に対向するように配設されている。中央領域の長さｌ（すなわち、補助ヒータ５０の幅ｌ）は、坩堝２０の側壁部２２一辺の長さＬＰに対して、０．３×ＬＰ≦ｌ≦０．７×ＬＰの範囲内に設定されている。
この補助ヒータ５０は、輻射式ヒータとされており、坩堝２０の側壁部２２のうち補助ヒータ５０が対向配置された部分を局所的に加熱する構成とされている。なお、補助ヒータ５０の出力は、下部ヒータ３３の出力の１０〜５０％程度と、比較的低く設定されている。
【００３１】
次に、本実施形態である多結晶シリコンインゴット１の製造方法について説明する。本実施形態では、前述した多結晶シリコンインゴット製造装置１０を用いて多結晶シリコンインゴット１を製出する。
【００３２】
まず、坩堝２０内に、シリコン原料を装入する（シリコン原料装入工程Ｓ０１）。ここで、シリコン原料としては、１１Ｎ（純度９９．９９９９９９９９９）の高純度シリコンを砕いて得られた「チャンク」と呼ばれる塊状のものが使用される。この塊状のシリコン原料の粒径は、例えば、３０ｍｍから１００ｍｍとされている。
【００３３】
次に、坩堝２０内に装入されたシリコン原料を、上部ヒータ４３及び下部ヒータ３３に通電することによって加熱し、シリコン融液３を生成する（溶解工程Ｓ０２）。このとき、補助ヒータ５０にも通電してシリコン原料の加熱を促進させてもよい。このとき、坩堝２０内のシリコン融液３の湯面は、坩堝２０の側壁部２２の上端より低い位置に設定されることになる。
【００３４】
次に、坩堝２０内のシリコン融液３を凝固させる（凝固工程Ｓ０３）。まず、下部ヒータ３３への通電を停止し、チルプレート３１の内部に供給路を介してＡｒガスを供給する。これにより、坩堝２０の底部を冷却する。このとき、上部ヒータ４３の通電を継続したままとすることにより、坩堝２０内には底面２１から上方に向けて温度勾配が発生し、この温度勾配により、シリコン融液３が上方に向けて一方向凝固することになる。さらに、上部ヒータ４３への通電を徐々に減少させることにより、坩堝２０内のシリコン融液３が上方に向けて凝固し、多結晶シリコンインゴット１が生成されることになる。
【００３５】
そして、この凝固工程Ｓ０３のうち、固相の高さが坩堝２０の底面２１から高さＸまでの初期領域において、補助ヒータ５０を用いて坩堝２０の側壁部２２の一部を加熱する構成とされている。ここで、初期領域の高さＸは、坩堝２０内のシリコン融液３の湯面高さＨＭに対して、Ｘ≦０．３×ＨＭの範囲内に設定されている。すなわち、補助ヒータ５０は、凝固工程Ｓ０３の初期領域において作動され、この初期領域を超えた時点で停止されるように構成されているのである。
【００３６】
このようにして、図３に示す多結晶シリコンインゴット１が、一方向凝固法によって成形されるのである。この多結晶シリコンインゴット１は、太陽電池用基板として使用される多結晶シリコンウエハの素材となる。
【００３７】
この多結晶シリコンインゴット１は、図３に示すように、四角形柱状をなしており、その高さＨは、２００ｍｍ≦Ｈ≦３５０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｈ＝３００ｍｍに設定されている。また、水平断面における矩形面は正方形をなしており、その一辺の長さＬが、５５０ｍｍ≦Ｌ≦１０８０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｌ＝６８０ｍｍに設定されている。
ここで、この多結晶シリコンインゴット１の底部側部分Ｚ１は酸素濃度が高く、多結晶シリコンインゴット１の頂部側部分Ｚ２は不純物濃度が高いことから、これら底部側部分Ｚ１及び頂部側部分Ｚ２は切断除去され、製品部Ｚ３のみが多結晶シリコンウェハとして製品化されることになる。
【００３８】
そして、この多結晶シリコンインゴット１においては、底部から高さ５０ｍｍの部分の水平断面における酸素濃度の最大値が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下となるように構成されている。すなわち、水平断面がなす矩形面の一辺の中央部分における酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下とされているのである。なお、本実施形態では、この水平断面から５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍ角の測定サンプルを採取し、フーリエ変換赤外線分光法（ＦＩ−ＩＲ）によって酸素濃度を測定した。
【００３９】
以上のような構成とされた本実施形態である多結晶シリコンインゴット製造装置１０、多結晶シリコンインゴット１の製造方法及び多結晶シリコンインゴット１によれば、坩堝２０の側壁部２２のうち底面２１側に位置する部分に対向するように、補助ヒータ５０が配設されているので、坩堝２０の側壁部２２から熱が放散されることによって生じる局所的な温度低下を抑制することが可能となる。よって、坩堝２０の底面２１側において水平断面における温度分布が改善され、局部的な酸素濃度の増加を抑制することができる。
【００４０】
特に、側壁部２２がなす矩形環状の各一辺の中央領域では断熱壁１２による保温効果が少なく、局部的に温度低下し易い傾向になるが、本実施形態では、補助ヒータ５０が、側壁部２２の前記中央領域（側壁部２２の一辺の全長Ｌに対して０．３×Ｌ≦ｌ≦０．７×Ｌの範囲内の領域）を加熱する構成とされているので、確実に坩堝２０内の水平断面における温度分布を改善することが可能となる。
【００４１】
また、補助ヒータ５０が、坩堝２０の底面２１側において坩堝２０の側壁部２２に対向して配設されており、その高さｈは、坩堝２０の側壁部２２の全高さＨＰに対して、ｈ≧０．１×ＨＰに設定されているので、底面２１側部分における側壁部２２からの熱の放散を抑制することができ、水平断面における温度分布を改善することができる。また、補助ヒータ５０の高さｈが、坩堝２０の側壁部２２の全高さＨＰに対して、ｈ≦０．３×ＨＰに設定されているので、坩堝２０の上部位置において上下方向の温度勾配に影響を与えることがなく、一方向凝固を促進することが可能となる。
【００４２】
さらに、本実施形態では、坩堝２０内にシリコン原料を装入する原料装入工程Ｓ０１と、坩堝２０内に装入されたシリコン原料を溶融してシリコン融液３を生成する溶解工程Ｓ０２と、坩堝２０内に貯留された前記シリコン融液３に上下方向に温度差を設けて、前記坩堝２０内に貯留された前記シリコン融液３を前記坩堝２０の底面２１側から上方に向けて一方向凝固させる凝固工程Ｓ０３と、を備えており、凝固工程Ｓ０３の初期領域において坩堝２０の側壁部２２を加熱する構成とされているので、坩堝２０の底面２１側における水平断面の温度分布を改善することができ、局所的な酸素濃度の増加を抑制することができる。
【００４３】
このように、本実施形態によれば、底部における酸素濃度が局所的に高くなる部分を少なくして、多結晶シリコンの生産歩留まりを大幅に向上させることができる多結晶シリコンインゴット製造装置１０、多結晶シリコンインゴット１の製造方法及び多結晶シリコンインゴット１を提供することができる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態である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の製造方法及び多結晶シリコンインゴットについて説明したが、これに限定されることはなく、適宜設計変更することができる。
例えば、多結晶シリコンインゴットの大きさ等は、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。
【００４５】
また、補助ヒータを坩堝の側壁部に対向するように配置したものとして説明したが、これに限定されることはなく、下部ヒータの外周側に補助ヒータを配設し、チルプレートの下側から坩堝の側壁部の一部を加熱して、坩堝内の水平断面における温度分布を改善するように構成してもよい。
さらに、補助ヒータを、側壁部がなす矩形環状の一辺の中央領域に対向するように配設したもので説明したが、これに限定されることはなく、一辺の全体に対向するように（すなわち、側壁部を囲繞するように）補助ヒータを配設してもよい。
【実施例】
【００４６】
本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果を示す。本実施形態で説明した多結晶シリコンインゴット製造装置を用いて、６８０ｍｍ角×高さ３００ｍｍの四角形柱状の多結晶シリコンインゴットを製出した。なお、この実施例では、補助ヒータの幅長さｌを、ｌ＝４００ｍｍとし、補助ヒータの高さｈを、ｈ＝１００ｍｍとした。
従来例として、補助ヒータを用いずに、上部ヒータと下部ヒータのみを使用して一方向凝固を実施した。なお、凝固速度を５ｍｍ／ｈとした。
本発明例として、凝固の初期領域においては、補助ヒータを用いて坩堝の側壁部を加熱して一方向凝固を実施した。なお、凝固速度を５ｍｍ／ｈとした。
【００４７】
このようにして得られた従来例、本発明例の多結晶シリコンインゴットについて、高さ１０ｍｍ，５０ｍｍ，１５０ｍｍ，２５０ｍｍ，２９０ｍｍの各５箇所において、図４ 、図６に示す水平断面の各箇所から５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍの測定サンプルを採取し、フーリエ変換赤外線分光法（ＦＩ−ＩＲ）により、シリコン中の酸素濃度を測定した。本発明例の測定結果を図４に、従来例の測定結果を図６に示す。
【００４８】
また、従来例と本発明例において、坩堝の底面から高さ５０ｍｍの位置におけるシリコン融液の温度を測定した。なお、坩堝の中心部の温度が１４５０℃となるように、下部ヒータ及び上部ヒータ（並びに補助ヒータ）の出力を制御した状態で、温度測定を実施し、坩堝の底面から高さ５０ｍｍの位置における水平断面の温度分布図を作成した。本発明例の温度分布図を図５に、従来例の温度分布図を図７に示す。
【００４９】
従来例及び本発明例ともに、底面から高さ１０ｍｍ位置では、水平断面のいずれの位置でも酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３を超えている。
また、底面から高さ１５０ｍｍ位置、２５０ｍｍ位置、２９０ｍｍ位置では、水平断面のいずれの位置でも酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下となっている。
【００５０】
そして、従来例では、底面から高さ５０ｍｍ位置において、水平断面のコーナ部及び中心部を除く位置で酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３を超えている。特に、水平断面がなす矩形状の一辺の中央領域では酸素濃度が一層高くなっている。
これに対して、本発明例では、底面から高さ５０ｍｍ位置において、水平断面のいずれの位置でも酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下となっている。
【００５１】
また、温度分布図をみると、従来例では、水平断面がなす矩形状の一辺の中央領域において温度が局所的に低い部分が存在している。
一方、補助ヒータを用いた本発明例では、局所的に温度が低い部分が存在せず、水平断面における温度分布が均一化されているのが確認される。
【００５２】
ここで、前述の酸素濃度の測定結果から、酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下となった部分を製品とした場合の、多結晶シリコンインゴットにおける製品歩留まりＲについて算出した。なお、多結晶シリコンインゴットの頂部は不純物量が多いことから、頂部から１０ｍｍの部分を切断除去するものとして製品歩留まりＲを計算した。
【００５３】
従来例では、図６に示すように、底面から高さ５０ｍｍの位置において、局所的に酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３を超えている部分が存在するため、製品として使用することができない。このことから底面側の切断代を１５０ｍｍとした。すると、製品歩留まりＲは、Ｒ＝（３００ｍｍ―（１５０ｍｍ＋１０ｍｍ））／３００ｍｍ＝４６．７％であった。
【００５４】
これに対して、本発明例においては、図４に示すように、底面から高さ５０ｍｍの位置において、水平断面の任意の位置で酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下であったことから、この部分から製品化することが可能となる。底面側の切断代を５０ｍｍとした。すると、製品歩留まりＲは、Ｒ＝（３００ｍｍ―（５０ｍｍ＋１０ｍｍ））／３００ｍｍ＝８０．０％であった。
【００５５】
このように、本発明によれば、製品として多結晶シリコンの歩留まりを大幅に向上させることができることが確認された。
【符号の説明】
【００５６】
１ 多結晶シリコンインゴット
３ シリコン融液
１０ 多結晶シリコンインゴット製造装置
２０ 坩堝
２１ 底面
２２ 側壁部
３３ 下部ヒータ
４３ 上部ヒータ
５０ 補助ヒータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面矩形状をなす坩堝と、この坩堝の上方に配設された上部ヒータと、前記坩堝の下方に配設された下部ヒータと、を有し、前記坩堝内に貯留されたシリコン融液を、その底面から上方に向けて一方向凝固させる多結晶シリコンインゴット製造装置であって、
前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱する補助ヒータを備えていることを特徴とする多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項２】
前記補助ヒータは、前記側壁部がなす矩形環状の各一辺の中央領域を加熱する構成とされており、
この中央領域の前記底面に沿った方向の長さｌは、前記側壁部のうち前記一辺の全長Ｌに対して、０．３×Ｌ≦ｌ≦０．７×Ｌの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項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】
前記補助ヒータは、前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部に対向して配設されており、その高さｈは、前記坩堝の全高さＨＰに対して、０．１×ＨＰ≦ｈ≦０．３×ＨＰの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１または請求項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】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載された多結晶シリコンインゴット製造装置を用いた多結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
前記坩堝内に装入されたシリコン原料を溶融して前記シリコン融液を生成する溶解工程と、
前記下部ヒータを停止して、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液に上下方向に温度差を設けて、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液を前記坩堝の底面側から上方に向けて一方向凝固させる凝固工程と、を備えており、
前記凝固工程においては、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱することを特徴とする多結晶シリコンインゴットの製造方法。
【請求項５】
前記凝固工程のうち前記坩堝の底面から高さＸまでの初期領域において、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁を加熱する構成とされており、
前記初期領域の高さＸは、前記坩堝内の前記シリコン融液の湯面高さＨＭに対して、Ｘ≦０．３×ＨＭの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載された多結晶シリコンインゴットの製造方法によって製造された多結晶シリコンインゴットであって、
凝固方向に直交する断面が矩形面状をなし、この矩形面の一辺の長さが５５０ｍｍ以上とされており、
前記坩堝の底面に接触していた底部から高さ５０ｍｍの部分の断面において、前記矩形面の一辺の中央部分における酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下とされていることを特徴とする多結晶シリコンインゴット。
【請求項１】
断面矩形状をなす坩堝と、この坩堝の上方に配設された上部ヒータと、前記坩堝の下方に配設された下部ヒータと、を有し、前記坩堝内に貯留されたシリコン融液を、その底面から上方に向けて一方向凝固させる多結晶シリコンインゴット製造装置であって、
前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱する補助ヒータを備えていることを特徴とする多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項２】
前記補助ヒータは、前記側壁部がなす矩形環状の各一辺の中央領域を加熱する構成とされており、
この中央領域の前記底面に沿った方向の長さｌは、前記側壁部のうち前記一辺の全長Ｌに対して、０．３×Ｌ≦ｌ≦０．７×Ｌの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項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】
前記補助ヒータは、前記坩堝の底面側において前記坩堝の側壁部に対向して配設されており、その高さｈは、前記坩堝の全高さＨＰに対して、０．１×ＨＰ≦ｈ≦０．３×ＨＰの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１または請求項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】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載された多結晶シリコンインゴット製造装置を用いた多結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
前記坩堝内に装入されたシリコン原料を溶融して前記シリコン融液を生成する溶解工程と、
前記下部ヒータを停止して、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液に上下方向に温度差を設けて、前記坩堝内に貯留された前記シリコン融液を前記坩堝の底面側から上方に向けて一方向凝固させる凝固工程と、を備えており、
前記凝固工程においては、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁部の少なくとも一部を加熱することを特徴とする多結晶シリコンインゴットの製造方法。
【請求項５】
前記凝固工程のうち前記坩堝の底面から高さＸまでの初期領域において、前記補助ヒータを用いて前記坩堝の側壁を加熱する構成とされており、
前記初期領域の高さＸは、前記坩堝内の前記シリコン融液の湯面高さＨＭに対して、Ｘ≦０．３×ＨＭの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載された多結晶シリコンインゴットの製造方法によって製造された多結晶シリコンインゴットであって、
凝固方向に直交する断面が矩形面状をなし、この矩形面の一辺の長さが５５０ｍｍ以上とされており、
前記坩堝の底面に接触していた底部から高さ５０ｍｍの部分の断面において、前記矩形面の一辺の中央部分における酸素濃度が５×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３以下とされていることを特徴とする多結晶シリコンインゴット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２５６１２（Ｐ２０１２−２５６１２Ａ）
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６４７７４（Ｐ２０１０−１６４７７４）
【出願日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（５９７０６５２８２）三菱マテリアル電子化成株式会社 (151)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（５９７０６５２８２）三菱マテリアル電子化成株式会社 (151)
【Ｆターム（参考）】
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