誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する工程および同工程を実施する機器
【解決手段】 本発明は、誘導法を使って多結晶シリコンを得る工程に関する。この方法は、溶解空間の形状にプールを溶解および鋳造する工程と、多結晶シリコンインゴットを結晶化させる工程と、当該多結晶シリコンインゴットを加熱装置セットにより制御冷却する工程とを有する。前記プールの溶解および鋳造が停止された後、前記多結晶シリコンインゴットの残りの部分の結晶化とともに当該インゴット全体の制御冷却も完了され、次に、当該インゴットは、可動底部および前記加熱装置セットとともに移動され、制御冷却が続行される。前記インゴットの移動と同時に、別の可動底部を含む別の加熱装置セットが当該インゴットの移動により空いた空間に供給されたのち、その新たな可動底部が前記水冷るつぼ内に移動され、前記工程が繰り返されることにより次のインゴットが製造される。当該方法は、プラットフォームを追加的に含む機器を使って実施され、このプラットフォームは、前記制御冷却区画内に設置され、当該プラットフォームの軸を中心に回転自在に設計される。このプラットフォームは、少なくとも２つの加熱装置セットを搭載する。本明細書で提案する発明は、太陽電池の製造に適した多結晶シリコンの出力を確実に高めるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリ結晶シリコンの製造、特に誘導法による多結晶シリコンの製造に関し、本発明は多結晶シリコンからの太陽電池製造に使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
結晶シリコンは、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を製造するため使用される。この目的には、通常、単結晶シリコンが使用される。
【０００３】
近年行われた研究によると、大きな結晶で形成されるポリ結晶シリコン、いわゆる多結晶シリコンでは、太陽エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を単結晶シリコンの変換効率に近づけることが可能であることが実証された。多結晶シリコンの場合、製造設備の生産能力は単結晶シリコンの場合より数倍高く、技術的にも、単結晶シリコンを得る技術より容易である。多結晶シリコンを使うことにより太陽電池パネルのコストを削減し、その製造を産業レベルで開始することができる。
【０００４】
現行の多結晶シリコンインゴット製造工程には誘導法が採用されており、この誘導法は、連続的な供給を行う工程と、水冷るつぼの可動式床上のシリコン溶湯プール内でポリ結晶シリコン塊のバッチ材料を誘導溶解し、溶融シリコンを溶解空間の形状に鋳造したのち、多結晶シリコンインゴットを結晶化させる工程とを有する（米国特許第４５７２８１２号）。前記溶湯プールは、水で冷却された縦型の銅管部分から成る水冷るつぼを使って形成されたスカル（ｓｋｕｌｌ）内に含まれる。前記銅部分は、間隙により分離され、外周により包囲された溶解体積を形成する。前記部分の間の間隙により、インダクタの電磁場はるつぼの溶解体積内へ透過可能である。溶解体積は、円形、方形、または矩形に成形できる。溶解中、溶湯プールによりるつぼの横方向領域全体が充填されるため、溶解されたシリコンプールは、特定の横方向サイズおよび形状を有するインゴットとして鋳造される。前記シリコンバッチが溶解し、前記るつぼの可動底部が下方へ移動するに伴い、前記溶湯プール底部のプールは結晶化する。インゴットの移動速度は、前記溶湯プールの上方部で溶解する塊バッチの速度に対応する。この公知方法の結果、特定の断面を伴う長い多結晶シリコンインゴットが製造され、その後、太陽電池プレートの製造に使用される。
【０００５】
誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する上記工程の欠点は、インゴットに生じる熱応力により、当該インゴットを使って製造されるプレートの品質が下がることである。インゴット中、及びインゴットで作製したプレート中に熱応力が生じると、それらのプレートで形成した太陽電池のエネルギー変換効率は結果的に下がってしまう。また良好なプレートの出力因子も、熱応力に起因する破断のため低下してしまう。
【０００６】
前述の問題は、欧州特許第１２５４８６１号に記載された誘導法で多結晶シリコンインゴットを製造する工程により解決される。この既知の工程によれば、連続鋳造工程で得られたシリコンインゴットが、水冷るつぼ下のヒーターを使って追加加熱され、また当該水冷るつぼの上に設置されたプラズマトロンのプラズマ放電によりインゴットが追加加熱される。同時に、そのプラズマ放電がプール表面を走査する。この方法を使用することにより、得られたインゴットの冷却を所定の温度勾配内で正確に制御できる。プラズマトロンの電気回路は、インゴットが処理用チャンバーから放出される場所の下に配置された特殊な接触子を通じて、当該シリコンインゴットでループする。この方法では、シリコンインゴットの半径にわたる温度勾配が９〜７℃まで低減されるため、このインゴットから作製したプレートでは太陽エネルギー変換から電気エネルギーへの高効率（１４．２〜１４．５％）が達成される。
【０００７】
但し、溶湯プールに塊バッチを永続的に供給して連続的な溶解を行い、多結晶シリコンでできた長いインゴットを製造する場合、前記溶湯プール中の不純物濃度が、充填されたバッチの不純物濃度に合致するのは当該工程の開始時のみである。インゴット中の不純物濃度は、各不純物の偏析係数で定義される。原料物質における一般的な不純物の偏析係数は１より低いが、インゴット中の各不純物の濃度は、溶湯中の濃度より低い。インゴットが長く成長するに伴い、溶湯プール中の不純物濃度は蓄積して増大し、その結果、製造される多結晶インゴット中の各濃度も増大する。プール中の不純物濃度が特定の不純物ごとに定められた基準値を超えた場合の多結晶シリコンは、太陽電池製造には適さなくなってしまう。インゴット中、不純物の濃度が指定基準値より高い部分は、太陽電池の製造に使用できず不良品となり、変換効率の高い太陽電池の製造歩留まりが著しく低下する。
【０００８】
本発明に最も関連性の高い方法は、欧州特許第１７５４８０６号に記載された誘導法で多結晶シリコンインゴットを製造する方法である。この方法は、制御された雰囲気下で水冷るつぼの溶解空間内の可動底部上にシリコン塊充填材料を充填し始動加熱（ｓｔａｒｔ−ｕｐ ｈｅａｔｉｎｇ）を行う工程と、溶融シリコン槽を生成する工程し、次いで前記溶融シリコンを溶解して溶解空間の形状に鋳造する工程と、多結晶シリコンインゴットを結晶化させる工程と、加熱装置セットを使って前記シリコンインゴットを制御下で冷却する工程とを有する。前記多結晶シリコンインゴットは、冷却されるとともに処理用チャンバーへの大気侵入を防ぐガスシールを通過して当該チャンバーから移動され、カッターで一定長に切断される。この方法の効率を高めるため、プール中の不純物濃度がその許容基準値に達すると溶解工程が停止され、溶湯プールが結晶化され、前記水冷るつぼの溶解体積中で結晶化したインゴット内へ分離装置が降下されて溶解体積をブロックし、分離装置底面の不純物含有シリコンが分離装置の上面に侵入するのを防ぐ。同時に、初期のシリコン塊バッチが前記分離装置の上面から供給され、シリコン塊バッチの供給および加熱の開始から作業が繰り返される。
【０００９】
この先行技術法には、次の欠点がある。
【００１０】
誘導溶解と鋳造が停止された場合、長いインゴット（例えば１４ｍ長）を得る工程においてプール中で不純物が各々の臨界含有量に達すると、加熱設備および処理チャンバーの内部（ガスシールより上方）に位置する前記インゴットの上方部分全体（約２．５ｍ長）に、制御冷却工程を実施しなければならない。この目的のため、インゴット全体に使用される態様と同様の態様で前記制御冷却が行われるが、この工程には約３０時間が必要とされる。また、炉の溶解体積に分離装置を挿入して溶解および鋳造工程を再開する各工程には、約７．２時間かかる。この時間中、前記プールの誘導溶解および鋳造は行われない。
【００１１】
前記分離装置の設置中には、小さな位置合わせ誤差でも前記水冷るつぼのつまりと損傷が生じて溶解および鋳造を強制終了しなければならない結果につながるおそれがあるため、溶解体積に分離装置を挿入する工程は、高い精度を必要とする。
【００１２】
さらに、異物（具体的には窒化ケイ素または黒鉛）で作製された分離装置を溶湯プールに挿入すると、インゴットの下方部分で不純物の混入が増大し、結果的にシリコンの品質と良好なシリコンの出力因子が損なわれてしまう。またすでに製造されたシリコンインゴットの上部で溶解を再開する必要があるため、加熱設備内へのインゴット移動を停止して水冷るつぼ内で長時間維持することが必要になる。その結果、インゴットのその部分の冷却が制御されず、その領域に熱応力と微小割れが生じて、インゴットの上方部分が不良品となってしまう。
【００１３】
欧州特許第１７５４８０６号では多結晶シリコンインゴットを製造するシステムについて説明しており、このシステムは、インゴットの冷却を制御するため可動底部を伴う水冷るつぼを内蔵したチャンバーと、加熱装置セットとを有する。前記水冷るつぼには、電気および熱を伝導する材料（一般に銅）で作製され、水流で冷却される隔離された部分が含まれる。この水冷るつぼは、インダクタで囲まれ、バッチ容器に連結されている。前記可動底部は、前記加熱装置セットに沿って上下移動するよう設計されている。さらに、前記システムには、前記水冷るつぼの溶解体積中で結晶化したインゴット上に設置できる分離装置（仕切り）が設けられている。それに続くシリコン塊バッチの加熱、溶解、および鋳造は、前記分離装置上面の上方で行うことができる。
【００１４】
現システムの欠点は、特にバッチの不純物含有量が高い場合に、生産能力が低いことである。
【００１５】
本発明に最も関連性の高いのは、欧州特許第０３４９９０４号に記載された誘導法で多結晶シリコンインゴットを製造する機器である。この機器は、バッチ容器がチャンバーに連結されており、そのチャンバー内にはインダクタで包囲された水冷るつぼと、シリコン塊バッチを始動加熱する装置と、移動設備に連結されたロッドを備える可動底部と、前記水冷るつぼ下に配置された加熱装置セットを具備した制御冷却区画の設備が設置されている。前記可動底部は、前記加熱装置セットに沿って上下移動するように構成されている。
【００１６】
加熱設備が利用できるため、製造されたインゴットが前記制御冷却区画内で連続的に移動するに従って当該インゴットの冷却スピードを制御でき、当該インゴットの長さ方向にわたる温度勾配を５〜１０℃／ｃｍ以内に軽減することができる。
【００１７】
この先行技術機器の欠点は、例えば鉄（Ｆｅ）とアルミニウム（Ａｌ）の含有量の高いことを特徴とする冶金グレードのシリコンなど、不純物含有量の高いシリコン塊バッチを使う場合、インゴットの品質と製造出力が低下することである。太陽電池の動作性能は、Ｆｅ含有量が０．０１ｐｐｍｗを超え、Ａｌ含有量が０．１ｐｐｍｗを超えると低下する。特定された不純物を隔離すると、製造された多結晶シリコンインゴットの２〜４ｍ以下という限られた長さ内では、不純物の量に応じて満足のいくシリコン品質が保たれる。但し、特定の長さのインゴットを製造する際、水冷るつぼおよび制御冷却区画から前記インゴットを移動させるために必要な時間は、誘導溶解および鋳造にかかる時間と比べて長くなり、設備能力も低下する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する工程を改良することであり、制御冷却中、インゴットおよび加熱設備を可動底部とともに移動させる本発明の提案は、太陽電池の製造に適した多結晶シリコンの出力向上につながる。
【００１９】
本発明の別の目的は、多結晶シリコン製造機器を改善することであり、本発明が提案する設計により、太陽電池の製造に適した多結晶シリコンインゴットの生産能力が向上することになる。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
誘導法を使って多結晶シリコンインゴットを得るための提案された方法は、制御された雰囲気下で水冷るつぼの溶解空間内の可動底部上にシリコン塊充填材料を充填して始動加熱（ｓｔａｒｔ−ｕｐ ｈｅａｔｉｎｇ）を行う工程と、溶融シリコン槽を生成し、次いで当該溶融シリコンを溶解して溶解空間の形状に鋳造する工程と、多結晶シリコンインゴットを結晶化させる工程と、加熱装置セットを使って前記シリコンインゴットを制御下で冷却する工程と、前記溶融シリコン中の不純物含有量が臨界値に到達したとき、前記溶解および鋳造する工程を停止する工程と、前記シリコン塊充填材料を充填および始動加熱する工程から前記工程を繰り返す工程とを有する。本発明によれば、前記溶解および鋳造する工程が停止された時点で、前記シリコンインゴット全体が制御下で冷却される間、当該シリコンインゴットの残りの部分を結晶化させる工程が完了されるものであり、前記結晶化させる工程が完了した時点で、前記シリコンインゴットは、前記可動底部および前記加熱装置セットとともに移動され、さらに、制御下で冷却されるものであり、前記シリコンインゴットの移動と同時に、別の可動底部を含む別の加熱装置セットが当該シリコンインゴットの移動により空いた空間に供給され、次に、前記別の可動底部が前記水冷るつぼ内に移動されるものであり、前記工程が繰り返されることにより次のインゴットが製造される。
【００２１】
本発明の工程の好適な実施形態によれば、前記加熱装置セットを伴う前記多結晶シリコンインゴットの移動と同時に、前記別の加熱装置セットおよび別の可動底部が供給される工程は、１８０度の回転により行われる。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する工程を実施する機器が提案される。この機器は、充填容器に連結され、インダクタに包囲された水冷るつぼを含むチャンバーと、シリコン塊充填材料を始動加熱する装置と、移動手段に連結されたロッドを備える可動底部と、前記水冷るつぼの下に配置され、加熱装置セットを含む制御冷却区画とを有し、前記可動底部は前記加熱装置セットに沿って上下移動する、。本発明の機器は、さらに、前記制御冷却区画内に設置され、軸を中心に回転自在であり、前記加熱装置セットが搭載されたプラットフォームと、前記プラットフォーム上に設置された少なくとも別の１つの加熱装置セットと、適切な移動手段に連結されたロッドを備え、当該別の加熱装置セット内に配置構成された別の可動底部とを有する。
【００２３】
本発明の好適な一実施形態の１つにおいて、前記機器は、前記プラットフォーム上で回転軸に対して対称に設置される２つの加熱装置セットを含んでもよい。同時に、前記加熱装置セットの各々は、垂直方向に温度を変更するアルゴリズムを有し、これにより製造された多結晶シリコンインゴットにおいて所定の温度勾配が確実に維持される。
【発明の効果】
【００２４】
これまでの実験によると、まず誘導溶解および鋳造を制御冷却と同時に行い、次に、前記誘導溶解の停止後、インゴットを鋳造して結晶化させることに加え、次のインゴットの製造を準備および開始する工程において前記インゴットの制御冷却を継続することにより、不純物含有量を制御したインゴットが製造されることが認められている。
【００２５】
さらに、本発明で提案する多結晶シリコンインゴット制御冷却の段階的実施により、冷却工程全体を中断することなく行うことができ、開始バッチ中の不純物量に応じて製造されるインゴットの長を柔軟に調節することが可能となる。
【００２６】
このように、本発明の工程は効果的であり、太陽電池の製造に適したインゴットの製造出力が高いことにより特徴付けられ、不純物含有量が高いバッチにも使用できる。
【００２７】
誘導溶解のダウンタイムが短縮され、制御冷却工程の一部が溶解および鋳造工程に依存しないことから、多結晶シリコン製造システム能力の向上が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明は、添付の図面により示されるが、これに限定されるものではない。これらの図面は、誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する機器を例示したものであり、この機器は、多結晶シリコンを制御冷却する２つの加熱装置セットを有する。
【図１】図１は、始動加熱（ｓｔａｒｔ−ｕｐ ｈｅａｔｉｎｇ）工程における前記機器の一実施形態である。
【図２】図２は、多結晶シリコンインゴットの誘導溶解および鋳造工程における図１の機器である。
【図３】図３は、移動前の多結晶シリコンインゴットの位置を例示した図である。
【図４】図４は、移動後の多結晶シリコンインゴットの位置を例示した図である。
【図５】図５は、次の多結晶シリコンインゴットの誘導溶解および鋳造、ならびに前回の多結晶シリコンインゴットの取り出しの工程における図１の機器である。
【図６】図６は、表に示した出発物質について、断面が正方形（１辺の長さが３３７ｍｍ）の多結晶シリコンインゴットの長さ方向にわたる鉄濃度変化を示すグラフを例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
誘導法を使って多結晶シリコンインゴットを製造する機器は図１に示されており、充填容器２に連結されたチャンバー１と、インダクタ４に囲まれた水冷るつぼ３とを有する。移動装置に連結されたロッド６を伴う可動底部５のほか、シリコン塊充填材料８の始動加熱（ｓｔａｒｔ−ｕｐ ｈｅａｔｉｎｇ）装置７も、前記チャンバー１内に設置されている。前記始動加熱装置７は、黒鉛などの伝導性材料で作製される。前記水冷るつぼ３は、水で冷却される銅部分から作製される。前記チャンバー１内では、前記水冷るつぼの下に、加熱装置セット１０およびそれと同様な加熱装置セット１１を含む制御冷却区画９が設置されている。前記可動底部５は、前記加熱装置セット１０に沿って垂直方向に移動するように構成されている。前記加熱装置セット１１は、ロッド１３を伴う可動底部１２を有し、前記ロッド１３は、それに対応した移動装置に連結されている。前記可動底部１２は、前記加熱装置セット１１に沿って垂直方向に移動可能である。前記加熱装置セット１０および１１は、プラットフォーム１４上に設置されている。このプラットフォーム１４は、前記制御冷却区画９内に配置され、軸１５を中心に回転自在である。前記チャンバー１は、ガスシール１７を通じて排出装置１６に連結されている。
【００３０】
当該機器は、次のように作用する。
【００３１】
前記チャンバー１内において、制御された雰囲気下で、前記可動底部５が前記水冷るつぼ３に向かって移動され、インダクタ４により高周波電磁場が生成される。前記水冷るつぼ３および前記可動底部５により形成された溶解空間１８へ、前記シリコン塊充填材料８が充填容器２から降下される。次いで、前記インダクタ４により発生した高周波電磁場内の前記溶解空間１８に、前記始動加熱装置７が挿入される。この始動加熱装置７が加熱されると、前記シリコン塊充填材料８は、前記始動加熱装置７の放射熱および前記インダクタ４の電磁場の影響で温度が上昇し、溶解し始める（図１）。
【００３２】
前記始動加熱装置７が前記インダクタ４によって発生した電磁場から移動され、一方、前記溶解空間１８の側部には溶湯プール１９が生じる。前記溶湯プールの外周に沿って熱が放出される結果、当該プールが結晶化してスカルが形成され、これにより、当該プールが前記溶解空間１８から流出することを防ぐ。前記溶湯プール１９の形成後、その表面上へ、前記充填容器２からシリコン塊充填材料８が永続的に供給される。前記シリコン塊充填材料８が溶解すると同時に、前記可動底部５が、スカルを伴った前記溶湯プール１９とともに徐々に下降する。この動きは、前記インダクタ４および前記水冷るつぼ３に対する前記溶湯プール１９の相対レベルを不変に保てるスピードで行われるため、多結晶シリコンインゴット２０の結晶化が前記溶湯プールの下方部分で絶えず起こる。これにより形成される多結晶シリコンインゴット２０は、前記加熱装置セット１０を伴う前記制御冷却区画９内へと徐々に下降し、そこで制御された冷却が行われて熱応力が除去される（図２）。
【００３３】
前記プール内の不純物含有量が臨界値に達すると前記シリコン塊充填材料８の供給が停止され、前記インダクタ４の電磁場が除去されて、誘導溶解とプール鋳造が停止される。製造された前記多結晶シリコンインゴット２０が前記水冷るつぼ３から取り出されて前記加熱装置セット１０内に配置され、結晶化が終了する（図３）。次に、前記多結晶シリコンインゴット２０が、前記プラットフォーム１４の回転により前記可動底部５および前記加熱装置セット１０とともに移動され（図４）、前記インゴットの制御冷却が続行される。このような移動は、例えば前記プラットフォーム１４を前記軸１５を中心に１８０度回転させて行う。
【００３４】
同時に、前記多結晶シリコンインゴット２０を前記可動底部５および前記加熱装置セット１０とともに移動させることにより、前記加熱装置セット１１とその可動底部１２が前記空いた空間へ移動される（図４）。前記加熱装置セット１０および１１は、電気的に切り替えられ、温度調節のアルゴリズムが適宜変更される。
【００３５】
前記可動底部１２は前記水冷るつぼ３へ移されて新たな溶解空間２１を画成し、次のインゴット２２を得るため、シリコン塊充填材料の供給と始動加熱から工程が繰り返される（図５）。前記加熱装置セット１０内の冷却された前記多結晶シリコンインゴット２０は、前記可動底部５に載置された状態で前記排出装置１６内へと上方に移動される。
【００３６】
以下、本発明の工程に基づいて上述の機器を使用し誘導法で多結晶シリコンインゴットを取得する例を説明する。
【実施例】
【００３７】
断面が１辺３４０ｍｍの正方形の溶解空間を伴う機器を使って、多結晶シリコンインゴットが得られた。この機器では、断面が１辺３３７ｍｍの正方形の多結晶シリコンインゴットを製造することができる。
【００３８】
多結晶シリコンインゴット製造用の出発物質としては、冶金グレードのバルクシリコンを使用し、これにホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、およびアルミニウム（Ａｌ）といった通常使われる以下の混加物を使った。出発物質の不純物含有量については、次の表に示している。また、合金を使って、０．８〜１．２オーム×ｃｍの範囲内で特定の抵抗を保った。
【００３９】
【表１】
【００４０】
出発物質の組成に依存するプール臨界不純物含有量は、実験的算定により決定した。このデータに基づき、鉄混加物の濃度（多結晶シリコンの品質を決定する不純物）と、断面が１辺３３７ｍｍの正方形である多結晶シリコンインゴットの長さとの間の依存性が、選択された出発物質において見られた（図６）。
【００４１】
前記表に記載された不純物含有量を伴う出発物質と、断面が１辺３３７ｍｍの正方形である多結晶シリコンインゴットとの場合、インゴットが２．０〜２．５ｍの長さになると臨界不純物含有量に達するため、インゴットの最適な長さは２．０〜２．５ｍである。
【００４２】
気密チャンバー内には水冷るつぼおよび可動底部とが設置されており、前記水冷るつぼは、巻き数３回、高さ１４０ｍｍ、動作周波数１０ｋＨｚの電源に接続されたインダクタに囲まれ、前記可動底部は、厚さ４０ｍｍで１辺３３８ｍｍの正方形シリコンプレートの形態に作製され、耐熱鋼製プラットフォーム上の断熱ディスクを使って配置され、プラグタイプの連結で前記ロッドに取り付けられている。前記プラットフォーム上、前記水冷るつぼ下の前記制御冷却区画には、断面が１辺３８０ｍｍの正方形の加熱空間を有する第１の加熱装置セットが設置されている。これと対称に、断面が１辺３８０ｍｍの正方形の加熱空間を有した第２の加熱装置セットが前記プラットフォーム上に設置されている。これら各加熱装置セットの加熱空間は、高さ２．４ｍである。各加熱装置セットは、電流コントローラ経由で工業用周波数変換器に接続された黒鉛ヒーター素子を備えているため、垂直方向の温度場変更制御が確実に行える。前記第２の加熱装置セットには別の可動底部があり、この可動底部は、耐熱鋼製プラットフォーム上の断熱ディスクを使って設置され、プラグタイプの連結で前記ロッドに取り付けられている。
【００４３】
前記チャンバーを真空化し、アルゴンで充填した。前記水冷るつぼの溶解空間で、前記インダクタを使って高周波電磁場を生成した。シリコン塊充填材料を充填容器から前記溶解空間内に充填し、黒鉛ディスク形態の始動加熱装置を挿入した。この始動加熱装置が加熱されると、放熱と電磁場の影響で、シリコン塊出発物質が８００〜１１００℃の温度に加熱されて溶解し始めた。前記始動加熱装置を、前記インダクタの電磁場から取り出した。前記溶解空間内に溶湯プールが形成されて拡張し、前記冷却るつぼの壁に達した。すなわち、このプールは、前記水冷るつぼの形態に鋳造された。同時に、スカルが形成されて溢れを防ぎ、前記溶湯プールを収容した。次いで、シリコン塊出発物質を前記充填容器から前記プール面上に連続的に供給した。前記シリコン塊出発物質が溶解するとともに、前記可動底部を徐々に下降させて、多結晶シリコンインゴットを形成した。
【００４４】
多結晶シリコンインゴットを溶解し、鋳造し、形成するに伴い、当該インゴットを前記第１の加熱装置セットの加熱空間内に下降させ、そこで前記多結晶シリコンインゴット―すでに結晶化し冷却された―を主に当該インゴットの角部分で加温することにより、制御冷却および熱応力除去を行った。温度を１２０００℃まで上げたのち、当該インゴットの長さにわたり７０℃を超えない勾配で冷却した。
【００４５】
前記インゴットが長さ約２．２ｍになって前記プール中の不純物含有量が臨界値に到達した時点で（図６）、シリコン塊出発物質の供給を停止し、前記インダクタをシャットダウンし、誘導溶解とプール鋳造を停止した。その結果、前記溶湯プールが結晶化した。得られた長さ２．２ｍの多結晶シリコンインゴットを、前記水冷るつぼから取り出し、前記第１の加熱装置セットの加熱空間に完全に挿入した。次に、前記第１の加熱装置セットを前記電流コントローラから切り離し、前記プラットフォームの軸を中心とした１８０度回転により、前記多結晶シリコンインゴットを前記可動底部および前記第１の加熱装置セットとともにシフトさせた。
【００４６】
前記プラットフォームの回転が完了した時点で、前記加熱装置セットを交換した―前記第２の加熱装置セットと前記他方の可動底部がをともに前記水冷るつぼの下に配置し、前記第１の加熱装置セットを、その加熱空間内に前記多結晶シリコンインゴットが収容された状態で、前記第２の加熱装置セットの元の位置に配置した。次いで、双方の加熱装置セットを前記電流コントローラに接続した―前記水冷るつぼ下の前記第２の加熱装置セットについては、前記溶解アルゴリズムを使って接続し、前記水冷るつぼから切り離された前記第１の加熱装置セットについては、前記多結晶インゴットを制御冷却するアルゴリズムを使って接続した。前記多結晶インゴットを２５００℃まで冷却した後、前記可動底部に載せたまま、前記排出装置内へ上昇させた。
【００４７】
前記第２の加熱装置セットの加熱空間内の前記可動底部については、前記プラットフォームの回転が完了した後、前記水冷るつぼまで移し、前記塊充填材料の供給および始動加熱から次のインゴットを得るまで、前記工程を繰り返した。
【００４８】
本発明に係る前記予備的機器の試験の結果、断面３３７×３３７ｍｍ２のインゴット形態をした多結晶シリコンの平均出力は１８ｋｇ／時間となった。同時に、製造されたインゴットは、その上方部分にも下方部分にも微小割れまたは付加的な不純物はなく、残留溶湯プールが各インゴットの上方部分を約１６０ｍｍの長さにわたり覆っているという例外を除き、太陽電池プレートの製造に適していることが確認された。良好な製品の出力は、得られたインゴットの９３％であった。
【００４９】
黒鉛の分離装置を使った欧州特許第１７５４８０６号記載の方法に基づく実験的な溶解作業では、同様な出発物質および同様なサイズのインゴットについて、前記分離装置を挿入する３回の作業で、１６．２ｋｇ／時の設備容量を実現することができた。同時に、前記残留溶湯プールに加え、約５０〜７０ｍｍのインゴットが微小割れのため不合格となった。各インゴットの下方部分には、黒鉛不純物が見られた。そのような領域は最高５０ｍｍ長で、不合格となった。結果的に、良好な製品の出力は、得られたインゴットの８８％となった。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本明細書で提案する発明は、太陽電池の製造に適した多結晶シリコンの出力を確実に高めるものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリ結晶シリコンの製造、特に誘導法による多結晶シリコンの製造に関し、本発明は多結晶シリコンからの太陽電池製造に使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
結晶シリコンは、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を製造するため使用される。この目的には、通常、単結晶シリコンが使用される。
【０００３】
近年行われた研究によると、大きな結晶で形成されるポリ結晶シリコン、いわゆる多結晶シリコンでは、太陽エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を単結晶シリコンの変換効率に近づけることが可能であることが実証された。多結晶シリコンの場合、製造設備の生産能力は単結晶シリコンの場合より数倍高く、技術的にも、単結晶シリコンを得る技術より容易である。多結晶シリコンを使うことにより太陽電池パネルのコストを削減し、その製造を産業レベルで開始することができる。
【０００４】
現行の多結晶シリコンインゴット製造工程には誘導法が採用されており、この誘導法は、連続的な供給を行う工程と、水冷るつぼの可動式床上のシリコン溶湯プール内でポリ結晶シリコン塊のバッチ材料を誘導溶解し、溶融シリコンを溶解空間の形状に鋳造したのち、多結晶シリコンインゴットを結晶化させる工程とを有する（米国特許第４５７２８１２号）。前記溶湯プールは、水で冷却された縦型の銅管部分から成る水冷るつぼを使って形成されたスカル（ｓｋｕｌｌ）内に含まれる。前記銅部分は、間隙により分離され、外周により包囲された溶解体積を形成する。前記部分の間の間隙により、インダクタの電磁場はるつぼの溶解体積内へ透過可能である。溶解体積は、円形、方形、または矩形に成形できる。溶解中、溶湯プールによりるつぼの横方向領域全体が充填されるため、溶解されたシリコンプールは、特定の横方向サイズおよび形状を有するインゴットとして鋳造される。前記シリコンバッチが溶解し、前記るつぼの可動底部が下方へ移動するに伴い、前記溶湯プール底部のプールは結晶化する。インゴットの移動速度は、前記溶湯プールの上方部で溶解する塊バッチの速度に対応する。この公知方法の結果、特定の断面を伴う長い多結晶シリコンインゴットが製造され、その後、太陽電池プレートの製造に使用される。
【０００５】
誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する上記工程の欠点は、インゴットに生じる熱応力により、当該インゴットを使って製造されるプレートの品質が下がることである。インゴット中、及びインゴットで作製したプレート中に熱応力が生じると、それらのプレートで形成した太陽電池のエネルギー変換効率は結果的に下がってしまう。また良好なプレートの出力因子も、熱応力に起因する破断のため低下してしまう。
【０００６】
前述の問題は、欧州特許第１２５４８６１号に記載された誘導法で多結晶シリコンインゴットを製造する工程により解決される。この既知の工程によれば、連続鋳造工程で得られたシリコンインゴットが、水冷るつぼ下のヒーターを使って追加加熱され、また当該水冷るつぼの上に設置されたプラズマトロンのプラズマ放電によりインゴットが追加加熱される。同時に、そのプラズマ放電がプール表面を走査する。この方法を使用することにより、得られたインゴットの冷却を所定の温度勾配内で正確に制御できる。プラズマトロンの電気回路は、インゴットが処理用チャンバーから放出される場所の下に配置された特殊な接触子を通じて、当該シリコンインゴットでループする。この方法では、シリコンインゴットの半径にわたる温度勾配が９〜７℃まで低減されるため、このインゴットから作製したプレートでは太陽エネルギー変換から電気エネルギーへの高効率（１４．２〜１４．５％）が達成される。
【０００７】
但し、溶湯プールに塊バッチを永続的に供給して連続的な溶解を行い、多結晶シリコンでできた長いインゴットを製造する場合、前記溶湯プール中の不純物濃度が、充填されたバッチの不純物濃度に合致するのは当該工程の開始時のみである。インゴット中の不純物濃度は、各不純物の偏析係数で定義される。原料物質における一般的な不純物の偏析係数は１より低いが、インゴット中の各不純物の濃度は、溶湯中の濃度より低い。インゴットが長く成長するに伴い、溶湯プール中の不純物濃度は蓄積して増大し、その結果、製造される多結晶インゴット中の各濃度も増大する。プール中の不純物濃度が特定の不純物ごとに定められた基準値を超えた場合の多結晶シリコンは、太陽電池製造には適さなくなってしまう。インゴット中、不純物の濃度が指定基準値より高い部分は、太陽電池の製造に使用できず不良品となり、変換効率の高い太陽電池の製造歩留まりが著しく低下する。
【０００８】
本発明に最も関連性の高い方法は、欧州特許第１７５４８０６号に記載された誘導法で多結晶シリコンインゴットを製造する方法である。この方法は、制御された雰囲気下で水冷るつぼの溶解空間内の可動底部上にシリコン塊充填材料を充填し始動加熱（ｓｔａｒｔ−ｕｐ ｈｅａｔｉｎｇ）を行う工程と、溶融シリコン槽を生成する工程し、次いで前記溶融シリコンを溶解して溶解空間の形状に鋳造する工程と、多結晶シリコンインゴットを結晶化させる工程と、加熱装置セットを使って前記シリコンインゴットを制御下で冷却する工程とを有する。前記多結晶シリコンインゴットは、冷却されるとともに処理用チャンバーへの大気侵入を防ぐガスシールを通過して当該チャンバーから移動され、カッターで一定長に切断される。この方法の効率を高めるため、プール中の不純物濃度がその許容基準値に達すると溶解工程が停止され、溶湯プールが結晶化され、前記水冷るつぼの溶解体積中で結晶化したインゴット内へ分離装置が降下されて溶解体積をブロックし、分離装置底面の不純物含有シリコンが分離装置の上面に侵入するのを防ぐ。同時に、初期のシリコン塊バッチが前記分離装置の上面から供給され、シリコン塊バッチの供給および加熱の開始から作業が繰り返される。
【０００９】
この先行技術法には、次の欠点がある。
【００１０】
誘導溶解と鋳造が停止された場合、長いインゴット（例えば１４ｍ長）を得る工程においてプール中で不純物が各々の臨界含有量に達すると、加熱設備および処理チャンバーの内部（ガスシールより上方）に位置する前記インゴットの上方部分全体（約２．５ｍ長）に、制御冷却工程を実施しなければならない。この目的のため、インゴット全体に使用される態様と同様の態様で前記制御冷却が行われるが、この工程には約３０時間が必要とされる。また、炉の溶解体積に分離装置を挿入して溶解および鋳造工程を再開する各工程には、約７．２時間かかる。この時間中、前記プールの誘導溶解および鋳造は行われない。
【００１１】
前記分離装置の設置中には、小さな位置合わせ誤差でも前記水冷るつぼのつまりと損傷が生じて溶解および鋳造を強制終了しなければならない結果につながるおそれがあるため、溶解体積に分離装置を挿入する工程は、高い精度を必要とする。
【００１２】
さらに、異物（具体的には窒化ケイ素または黒鉛）で作製された分離装置を溶湯プールに挿入すると、インゴットの下方部分で不純物の混入が増大し、結果的にシリコンの品質と良好なシリコンの出力因子が損なわれてしまう。またすでに製造されたシリコンインゴットの上部で溶解を再開する必要があるため、加熱設備内へのインゴット移動を停止して水冷るつぼ内で長時間維持することが必要になる。その結果、インゴットのその部分の冷却が制御されず、その領域に熱応力と微小割れが生じて、インゴットの上方部分が不良品となってしまう。
【００１３】
欧州特許第１７５４８０６号では多結晶シリコンインゴットを製造するシステムについて説明しており、このシステムは、インゴットの冷却を制御するため可動底部を伴う水冷るつぼを内蔵したチャンバーと、加熱装置セットとを有する。前記水冷るつぼには、電気および熱を伝導する材料（一般に銅）で作製され、水流で冷却される隔離された部分が含まれる。この水冷るつぼは、インダクタで囲まれ、バッチ容器に連結されている。前記可動底部は、前記加熱装置セットに沿って上下移動するよう設計されている。さらに、前記システムには、前記水冷るつぼの溶解体積中で結晶化したインゴット上に設置できる分離装置（仕切り）が設けられている。それに続くシリコン塊バッチの加熱、溶解、および鋳造は、前記分離装置上面の上方で行うことができる。
【００１４】
現システムの欠点は、特にバッチの不純物含有量が高い場合に、生産能力が低いことである。
【００１５】
本発明に最も関連性の高いのは、欧州特許第０３４９９０４号に記載された誘導法で多結晶シリコンインゴットを製造する機器である。この機器は、バッチ容器がチャンバーに連結されており、そのチャンバー内にはインダクタで包囲された水冷るつぼと、シリコン塊バッチを始動加熱する装置と、移動設備に連結されたロッドを備える可動底部と、前記水冷るつぼ下に配置された加熱装置セットを具備した制御冷却区画の設備が設置されている。前記可動底部は、前記加熱装置セットに沿って上下移動するように構成されている。
【００１６】
加熱設備が利用できるため、製造されたインゴットが前記制御冷却区画内で連続的に移動するに従って当該インゴットの冷却スピードを制御でき、当該インゴットの長さ方向にわたる温度勾配を５〜１０℃／ｃｍ以内に軽減することができる。
【００１７】
この先行技術機器の欠点は、例えば鉄（Ｆｅ）とアルミニウム（Ａｌ）の含有量の高いことを特徴とする冶金グレードのシリコンなど、不純物含有量の高いシリコン塊バッチを使う場合、インゴットの品質と製造出力が低下することである。太陽電池の動作性能は、Ｆｅ含有量が０．０１ｐｐｍｗを超え、Ａｌ含有量が０．１ｐｐｍｗを超えると低下する。特定された不純物を隔離すると、製造された多結晶シリコンインゴットの２〜４ｍ以下という限られた長さ内では、不純物の量に応じて満足のいくシリコン品質が保たれる。但し、特定の長さのインゴットを製造する際、水冷るつぼおよび制御冷却区画から前記インゴットを移動させるために必要な時間は、誘導溶解および鋳造にかかる時間と比べて長くなり、設備能力も低下する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する工程を改良することであり、制御冷却中、インゴットおよび加熱設備を可動底部とともに移動させる本発明の提案は、太陽電池の製造に適した多結晶シリコンの出力向上につながる。
【００１９】
本発明の別の目的は、多結晶シリコン製造機器を改善することであり、本発明が提案する設計により、太陽電池の製造に適した多結晶シリコンインゴットの生産能力が向上することになる。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
誘導法を使って多結晶シリコンインゴットを得るための提案された方法は、制御された雰囲気下で水冷るつぼの溶解空間内の可動底部上にシリコン塊充填材料を充填して始動加熱（ｓｔａｒｔ−ｕｐ ｈｅａｔｉｎｇ）を行う工程と、溶融シリコン槽を生成し、次いで当該溶融シリコンを溶解して溶解空間の形状に鋳造する工程と、多結晶シリコンインゴットを結晶化させる工程と、加熱装置セットを使って前記シリコンインゴットを制御下で冷却する工程と、前記溶融シリコン中の不純物含有量が臨界値に到達したとき、前記溶解および鋳造する工程を停止する工程と、前記シリコン塊充填材料を充填および始動加熱する工程から前記工程を繰り返す工程とを有する。本発明によれば、前記溶解および鋳造する工程が停止された時点で、前記シリコンインゴット全体が制御下で冷却される間、当該シリコンインゴットの残りの部分を結晶化させる工程が完了されるものであり、前記結晶化させる工程が完了した時点で、前記シリコンインゴットは、前記可動底部および前記加熱装置セットとともに移動され、さらに、制御下で冷却されるものであり、前記シリコンインゴットの移動と同時に、別の可動底部を含む別の加熱装置セットが当該シリコンインゴットの移動により空いた空間に供給され、次に、前記別の可動底部が前記水冷るつぼ内に移動されるものであり、前記工程が繰り返されることにより次のインゴットが製造される。
【００２１】
本発明の工程の好適な実施形態によれば、前記加熱装置セットを伴う前記多結晶シリコンインゴットの移動と同時に、前記別の加熱装置セットおよび別の可動底部が供給される工程は、１８０度の回転により行われる。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する工程を実施する機器が提案される。この機器は、充填容器に連結され、インダクタに包囲された水冷るつぼを含むチャンバーと、シリコン塊充填材料を始動加熱する装置と、移動手段に連結されたロッドを備える可動底部と、前記水冷るつぼの下に配置され、加熱装置セットを含む制御冷却区画とを有し、前記可動底部は前記加熱装置セットに沿って上下移動する、。本発明の機器は、さらに、前記制御冷却区画内に設置され、軸を中心に回転自在であり、前記加熱装置セットが搭載されたプラットフォームと、前記プラットフォーム上に設置された少なくとも別の１つの加熱装置セットと、適切な移動手段に連結されたロッドを備え、当該別の加熱装置セット内に配置構成された別の可動底部とを有する。
【００２３】
本発明の好適な一実施形態の１つにおいて、前記機器は、前記プラットフォーム上で回転軸に対して対称に設置される２つの加熱装置セットを含んでもよい。同時に、前記加熱装置セットの各々は、垂直方向に温度を変更するアルゴリズムを有し、これにより製造された多結晶シリコンインゴットにおいて所定の温度勾配が確実に維持される。
【発明の効果】
【００２４】
これまでの実験によると、まず誘導溶解および鋳造を制御冷却と同時に行い、次に、前記誘導溶解の停止後、インゴットを鋳造して結晶化させることに加え、次のインゴットの製造を準備および開始する工程において前記インゴットの制御冷却を継続することにより、不純物含有量を制御したインゴットが製造されることが認められている。
【００２５】
さらに、本発明で提案する多結晶シリコンインゴット制御冷却の段階的実施により、冷却工程全体を中断することなく行うことができ、開始バッチ中の不純物量に応じて製造されるインゴットの長を柔軟に調節することが可能となる。
【００２６】
このように、本発明の工程は効果的であり、太陽電池の製造に適したインゴットの製造出力が高いことにより特徴付けられ、不純物含有量が高いバッチにも使用できる。
【００２７】
誘導溶解のダウンタイムが短縮され、制御冷却工程の一部が溶解および鋳造工程に依存しないことから、多結晶シリコン製造システム能力の向上が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明は、添付の図面により示されるが、これに限定されるものではない。これらの図面は、誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する機器を例示したものであり、この機器は、多結晶シリコンを制御冷却する２つの加熱装置セットを有する。
【図１】図１は、始動加熱（ｓｔａｒｔ−ｕｐ ｈｅａｔｉｎｇ）工程における前記機器の一実施形態である。
【図２】図２は、多結晶シリコンインゴットの誘導溶解および鋳造工程における図１の機器である。
【図３】図３は、移動前の多結晶シリコンインゴットの位置を例示した図である。
【図４】図４は、移動後の多結晶シリコンインゴットの位置を例示した図である。
【図５】図５は、次の多結晶シリコンインゴットの誘導溶解および鋳造、ならびに前回の多結晶シリコンインゴットの取り出しの工程における図１の機器である。
【図６】図６は、表に示した出発物質について、断面が正方形（１辺の長さが３３７ｍｍ）の多結晶シリコンインゴットの長さ方向にわたる鉄濃度変化を示すグラフを例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
誘導法を使って多結晶シリコンインゴットを製造する機器は図１に示されており、充填容器２に連結されたチャンバー１と、インダクタ４に囲まれた水冷るつぼ３とを有する。移動装置に連結されたロッド６を伴う可動底部５のほか、シリコン塊充填材料８の始動加熱（ｓｔａｒｔ−ｕｐ ｈｅａｔｉｎｇ）装置７も、前記チャンバー１内に設置されている。前記始動加熱装置７は、黒鉛などの伝導性材料で作製される。前記水冷るつぼ３は、水で冷却される銅部分から作製される。前記チャンバー１内では、前記水冷るつぼの下に、加熱装置セット１０およびそれと同様な加熱装置セット１１を含む制御冷却区画９が設置されている。前記可動底部５は、前記加熱装置セット１０に沿って垂直方向に移動するように構成されている。前記加熱装置セット１１は、ロッド１３を伴う可動底部１２を有し、前記ロッド１３は、それに対応した移動装置に連結されている。前記可動底部１２は、前記加熱装置セット１１に沿って垂直方向に移動可能である。前記加熱装置セット１０および１１は、プラットフォーム１４上に設置されている。このプラットフォーム１４は、前記制御冷却区画９内に配置され、軸１５を中心に回転自在である。前記チャンバー１は、ガスシール１７を通じて排出装置１６に連結されている。
【００３０】
当該機器は、次のように作用する。
【００３１】
前記チャンバー１内において、制御された雰囲気下で、前記可動底部５が前記水冷るつぼ３に向かって移動され、インダクタ４により高周波電磁場が生成される。前記水冷るつぼ３および前記可動底部５により形成された溶解空間１８へ、前記シリコン塊充填材料８が充填容器２から降下される。次いで、前記インダクタ４により発生した高周波電磁場内の前記溶解空間１８に、前記始動加熱装置７が挿入される。この始動加熱装置７が加熱されると、前記シリコン塊充填材料８は、前記始動加熱装置７の放射熱および前記インダクタ４の電磁場の影響で温度が上昇し、溶解し始める（図１）。
【００３２】
前記始動加熱装置７が前記インダクタ４によって発生した電磁場から移動され、一方、前記溶解空間１８の側部には溶湯プール１９が生じる。前記溶湯プールの外周に沿って熱が放出される結果、当該プールが結晶化してスカルが形成され、これにより、当該プールが前記溶解空間１８から流出することを防ぐ。前記溶湯プール１９の形成後、その表面上へ、前記充填容器２からシリコン塊充填材料８が永続的に供給される。前記シリコン塊充填材料８が溶解すると同時に、前記可動底部５が、スカルを伴った前記溶湯プール１９とともに徐々に下降する。この動きは、前記インダクタ４および前記水冷るつぼ３に対する前記溶湯プール１９の相対レベルを不変に保てるスピードで行われるため、多結晶シリコンインゴット２０の結晶化が前記溶湯プールの下方部分で絶えず起こる。これにより形成される多結晶シリコンインゴット２０は、前記加熱装置セット１０を伴う前記制御冷却区画９内へと徐々に下降し、そこで制御された冷却が行われて熱応力が除去される（図２）。
【００３３】
前記プール内の不純物含有量が臨界値に達すると前記シリコン塊充填材料８の供給が停止され、前記インダクタ４の電磁場が除去されて、誘導溶解とプール鋳造が停止される。製造された前記多結晶シリコンインゴット２０が前記水冷るつぼ３から取り出されて前記加熱装置セット１０内に配置され、結晶化が終了する（図３）。次に、前記多結晶シリコンインゴット２０が、前記プラットフォーム１４の回転により前記可動底部５および前記加熱装置セット１０とともに移動され（図４）、前記インゴットの制御冷却が続行される。このような移動は、例えば前記プラットフォーム１４を前記軸１５を中心に１８０度回転させて行う。
【００３４】
同時に、前記多結晶シリコンインゴット２０を前記可動底部５および前記加熱装置セット１０とともに移動させることにより、前記加熱装置セット１１とその可動底部１２が前記空いた空間へ移動される（図４）。前記加熱装置セット１０および１１は、電気的に切り替えられ、温度調節のアルゴリズムが適宜変更される。
【００３５】
前記可動底部１２は前記水冷るつぼ３へ移されて新たな溶解空間２１を画成し、次のインゴット２２を得るため、シリコン塊充填材料の供給と始動加熱から工程が繰り返される（図５）。前記加熱装置セット１０内の冷却された前記多結晶シリコンインゴット２０は、前記可動底部５に載置された状態で前記排出装置１６内へと上方に移動される。
【００３６】
以下、本発明の工程に基づいて上述の機器を使用し誘導法で多結晶シリコンインゴットを取得する例を説明する。
【実施例】
【００３７】
断面が１辺３４０ｍｍの正方形の溶解空間を伴う機器を使って、多結晶シリコンインゴットが得られた。この機器では、断面が１辺３３７ｍｍの正方形の多結晶シリコンインゴットを製造することができる。
【００３８】
多結晶シリコンインゴット製造用の出発物質としては、冶金グレードのバルクシリコンを使用し、これにホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、鉄（Ｆｅ）、およびアルミニウム（Ａｌ）といった通常使われる以下の混加物を使った。出発物質の不純物含有量については、次の表に示している。また、合金を使って、０．８〜１．２オーム×ｃｍの範囲内で特定の抵抗を保った。
【００３９】
【表１】
【００４０】
出発物質の組成に依存するプール臨界不純物含有量は、実験的算定により決定した。このデータに基づき、鉄混加物の濃度（多結晶シリコンの品質を決定する不純物）と、断面が１辺３３７ｍｍの正方形である多結晶シリコンインゴットの長さとの間の依存性が、選択された出発物質において見られた（図６）。
【００４１】
前記表に記載された不純物含有量を伴う出発物質と、断面が１辺３３７ｍｍの正方形である多結晶シリコンインゴットとの場合、インゴットが２．０〜２．５ｍの長さになると臨界不純物含有量に達するため、インゴットの最適な長さは２．０〜２．５ｍである。
【００４２】
気密チャンバー内には水冷るつぼおよび可動底部とが設置されており、前記水冷るつぼは、巻き数３回、高さ１４０ｍｍ、動作周波数１０ｋＨｚの電源に接続されたインダクタに囲まれ、前記可動底部は、厚さ４０ｍｍで１辺３３８ｍｍの正方形シリコンプレートの形態に作製され、耐熱鋼製プラットフォーム上の断熱ディスクを使って配置され、プラグタイプの連結で前記ロッドに取り付けられている。前記プラットフォーム上、前記水冷るつぼ下の前記制御冷却区画には、断面が１辺３８０ｍｍの正方形の加熱空間を有する第１の加熱装置セットが設置されている。これと対称に、断面が１辺３８０ｍｍの正方形の加熱空間を有した第２の加熱装置セットが前記プラットフォーム上に設置されている。これら各加熱装置セットの加熱空間は、高さ２．４ｍである。各加熱装置セットは、電流コントローラ経由で工業用周波数変換器に接続された黒鉛ヒーター素子を備えているため、垂直方向の温度場変更制御が確実に行える。前記第２の加熱装置セットには別の可動底部があり、この可動底部は、耐熱鋼製プラットフォーム上の断熱ディスクを使って設置され、プラグタイプの連結で前記ロッドに取り付けられている。
【００４３】
前記チャンバーを真空化し、アルゴンで充填した。前記水冷るつぼの溶解空間で、前記インダクタを使って高周波電磁場を生成した。シリコン塊充填材料を充填容器から前記溶解空間内に充填し、黒鉛ディスク形態の始動加熱装置を挿入した。この始動加熱装置が加熱されると、放熱と電磁場の影響で、シリコン塊出発物質が８００〜１１００℃の温度に加熱されて溶解し始めた。前記始動加熱装置を、前記インダクタの電磁場から取り出した。前記溶解空間内に溶湯プールが形成されて拡張し、前記冷却るつぼの壁に達した。すなわち、このプールは、前記水冷るつぼの形態に鋳造された。同時に、スカルが形成されて溢れを防ぎ、前記溶湯プールを収容した。次いで、シリコン塊出発物質を前記充填容器から前記プール面上に連続的に供給した。前記シリコン塊出発物質が溶解するとともに、前記可動底部を徐々に下降させて、多結晶シリコンインゴットを形成した。
【００４４】
多結晶シリコンインゴットを溶解し、鋳造し、形成するに伴い、当該インゴットを前記第１の加熱装置セットの加熱空間内に下降させ、そこで前記多結晶シリコンインゴット―すでに結晶化し冷却された―を主に当該インゴットの角部分で加温することにより、制御冷却および熱応力除去を行った。温度を１２０００℃まで上げたのち、当該インゴットの長さにわたり７０℃を超えない勾配で冷却した。
【００４５】
前記インゴットが長さ約２．２ｍになって前記プール中の不純物含有量が臨界値に到達した時点で（図６）、シリコン塊出発物質の供給を停止し、前記インダクタをシャットダウンし、誘導溶解とプール鋳造を停止した。その結果、前記溶湯プールが結晶化した。得られた長さ２．２ｍの多結晶シリコンインゴットを、前記水冷るつぼから取り出し、前記第１の加熱装置セットの加熱空間に完全に挿入した。次に、前記第１の加熱装置セットを前記電流コントローラから切り離し、前記プラットフォームの軸を中心とした１８０度回転により、前記多結晶シリコンインゴットを前記可動底部および前記第１の加熱装置セットとともにシフトさせた。
【００４６】
前記プラットフォームの回転が完了した時点で、前記加熱装置セットを交換した―前記第２の加熱装置セットと前記他方の可動底部がをともに前記水冷るつぼの下に配置し、前記第１の加熱装置セットを、その加熱空間内に前記多結晶シリコンインゴットが収容された状態で、前記第２の加熱装置セットの元の位置に配置した。次いで、双方の加熱装置セットを前記電流コントローラに接続した―前記水冷るつぼ下の前記第２の加熱装置セットについては、前記溶解アルゴリズムを使って接続し、前記水冷るつぼから切り離された前記第１の加熱装置セットについては、前記多結晶インゴットを制御冷却するアルゴリズムを使って接続した。前記多結晶インゴットを２５００℃まで冷却した後、前記可動底部に載せたまま、前記排出装置内へ上昇させた。
【００４７】
前記第２の加熱装置セットの加熱空間内の前記可動底部については、前記プラットフォームの回転が完了した後、前記水冷るつぼまで移し、前記塊充填材料の供給および始動加熱から次のインゴットを得るまで、前記工程を繰り返した。
【００４８】
本発明に係る前記予備的機器の試験の結果、断面３３７×３３７ｍｍ２のインゴット形態をした多結晶シリコンの平均出力は１８ｋｇ／時間となった。同時に、製造されたインゴットは、その上方部分にも下方部分にも微小割れまたは付加的な不純物はなく、残留溶湯プールが各インゴットの上方部分を約１６０ｍｍの長さにわたり覆っているという例外を除き、太陽電池プレートの製造に適していることが確認された。良好な製品の出力は、得られたインゴットの９３％であった。
【００４９】
黒鉛の分離装置を使った欧州特許第１７５４８０６号記載の方法に基づく実験的な溶解作業では、同様な出発物質および同様なサイズのインゴットについて、前記分離装置を挿入する３回の作業で、１６．２ｋｇ／時の設備容量を実現することができた。同時に、前記残留溶湯プールに加え、約５０〜７０ｍｍのインゴットが微小割れのため不合格となった。各インゴットの下方部分には、黒鉛不純物が見られた。そのような領域は最高５０ｍｍ長で、不合格となった。結果的に、良好な製品の出力は、得られたインゴットの８８％となった。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本明細書で提案する発明は、太陽電池の製造に適した多結晶シリコンの出力を確実に高めるものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する方法であって、制御された雰囲気下で水冷るつぼの溶解空間内の可動底部上にシリコン塊充填材料を充填して始動加熱（ｓｔａｒｔ−ｕｐ ｈｅａｔｉｎｇ）を行う工程と、溶融シリコン槽を生成し、次いで当該溶融シリコンを溶解して溶解空間の形状に鋳造する工程と、多結晶シリコンインゴットを結晶化させる工程と、加熱装置セットを使って前記シリコンインゴットを制御下で冷却する工程と、前記溶融シリコン中の不純物含有量が臨界値に到達したとき、前記溶解および鋳造する工程を停止する工程と、前記シリコン塊充填材料を充填および始動加熱する工程から前記工程を繰り返す工程とを有するものである、前記方法であって、
前記溶解および鋳造する工程が停止された時点で、前記シリコンインゴット全体が制御下で冷却される間、当該シリコンインゴットの残りの部分を結晶化させる工程が完了されるものであり、
前記結晶化させる工程が完了した時点で、前記シリコンインゴットは、前記可動底部および前記加熱装置セットとともに移動され、さらに、制御下で冷却されるものであり、
前記シリコンインゴットの移動と同時に、別の可動底部を含む別の加熱装置セットが当該シリコンインゴットの移動により空いた空間に供給され、次に、前記別の可動底部が前記水冷るつぼ内に移動されるものであり、
前記工程が繰り返されることにより次のシリコンインゴットが製造される
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記加熱装置セットを伴う前記多結晶シリコンインゴットの移動と同時に、前記別の加熱装置セットおよび別の可動底部が供給される工程は、１８０度の回転により行われることを特徴とする方法。
【請求項３】
誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する機器であって、
充填容器に連結され、インダクタに包囲された水冷るつぼを含むチャンバーと、
シリコン塊充填材料を始動加熱する装置と、
移動手段に連結されたロッドを備える可動底部と、
前記水冷るつぼの下に配置され、加熱装置セットを含む制御冷却区画と
を有し、
前記可動底部は前記加熱装置セットに沿って上下移動するものである、前記機器であって、さらに、
前記制御冷却区画内に設置され、軸を中心に回転自在であり、前記加熱装置セットが搭載されたプラットフォームと、
前記プラットフォーム上に設置された少なくとも別の１つの加熱装置セットと、
適切な移動手段に連結されたロッドを備え、当該別の加熱装置セット内に配置された別の可動底部と
を有することを特徴とする機器。
【請求項４】
請求項３記載の機器において、前記プラットフォーム上で回転軸に対して対称に設置される２つの加熱装置セットを含むことを特徴とする機器。
【請求項１】
誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する方法であって、制御された雰囲気下で水冷るつぼの溶解空間内の可動底部上にシリコン塊充填材料を充填して始動加熱（ｓｔａｒｔ−ｕｐ ｈｅａｔｉｎｇ）を行う工程と、溶融シリコン槽を生成し、次いで当該溶融シリコンを溶解して溶解空間の形状に鋳造する工程と、多結晶シリコンインゴットを結晶化させる工程と、加熱装置セットを使って前記シリコンインゴットを制御下で冷却する工程と、前記溶融シリコン中の不純物含有量が臨界値に到達したとき、前記溶解および鋳造する工程を停止する工程と、前記シリコン塊充填材料を充填および始動加熱する工程から前記工程を繰り返す工程とを有するものである、前記方法であって、
前記溶解および鋳造する工程が停止された時点で、前記シリコンインゴット全体が制御下で冷却される間、当該シリコンインゴットの残りの部分を結晶化させる工程が完了されるものであり、
前記結晶化させる工程が完了した時点で、前記シリコンインゴットは、前記可動底部および前記加熱装置セットとともに移動され、さらに、制御下で冷却されるものであり、
前記シリコンインゴットの移動と同時に、別の可動底部を含む別の加熱装置セットが当該シリコンインゴットの移動により空いた空間に供給され、次に、前記別の可動底部が前記水冷るつぼ内に移動されるものであり、
前記工程が繰り返されることにより次のシリコンインゴットが製造される
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記加熱装置セットを伴う前記多結晶シリコンインゴットの移動と同時に、前記別の加熱装置セットおよび別の可動底部が供給される工程は、１８０度の回転により行われることを特徴とする方法。
【請求項３】
誘導法により多結晶シリコンインゴットを製造する機器であって、
充填容器に連結され、インダクタに包囲された水冷るつぼを含むチャンバーと、
シリコン塊充填材料を始動加熱する装置と、
移動手段に連結されたロッドを備える可動底部と、
前記水冷るつぼの下に配置され、加熱装置セットを含む制御冷却区画と
を有し、
前記可動底部は前記加熱装置セットに沿って上下移動するものである、前記機器であって、さらに、
前記制御冷却区画内に設置され、軸を中心に回転自在であり、前記加熱装置セットが搭載されたプラットフォームと、
前記プラットフォーム上に設置された少なくとも別の１つの加熱装置セットと、
適切な移動手段に連結されたロッドを備え、当該別の加熱装置セット内に配置された別の可動底部と
を有することを特徴とする機器。
【請求項４】
請求項３記載の機器において、前記プラットフォーム上で回転軸に対して対称に設置される２つの加熱装置セットを含むことを特徴とする機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１２−５１２１２６（Ｐ２０１２−５１２１２６Ａ）
【公表日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４２０８２（Ｐ２０１１−５４２０８２）
【出願日】平成２１年１２月１４日（２００９．１２．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＡ２００９／００００６７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０７１６１４
【国際公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（５１１１４５５１３）ピラー エルティーディー． (3)
【出願人】（５１１１４５５２４）
【出願人】（５１１１４５５３５）シリシオ ソラー、エス．エー．ユー． (3)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１４日（２００９．１２．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＡ２００９／００００６７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０７１６１４
【国際公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（５１１１４５５１３）ピラー エルティーディー． (3)
【出願人】（５１１１４５５２４）
【出願人】（５１１１４５５３５）シリシオ ソラー、エス．エー．ユー． (3)
【Ｆターム（参考）】
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