JP5132882B2

JP5132882B2 - 多結晶シリコン鋳造装置

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Publication number: JP5132882B2
Application number: JP2005362898A
Authority: JP
Inventors: 明仁矢野尾
Original assignee: Mitsubishi Materials Techno Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Techno Corp
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2025-12-16
Also published as: JP2007161548A

Description

本発明は、多結晶シリコンのシリコンインゴットを製造するための多結晶シリコン鋳造装置に関する。

従来、例えば太陽電池の発電素子などに用いられる多結晶シリコンのシリコンインゴットを製造する多結晶シリコン鋳造装置には、例えば図３に示すような、中空壁からなるチャンバー１内に、区画した空間を画成するチャンバー内断熱部材２が設けられ、このチャンバー内断熱部材２の空間内に、石英ガラスなどで有底筒状に形成され、その内部にチップ状のシリコン固形原料Ｔ１が収容されるルツボ３と、有底筒状に形成されてルツボ３を収容する桶４と、桶４とともにルツボ３が載置され、溶融したシリコン固形原料（シリコン融液）Ｔ２を冷却する冷却板５と、ルツボ３の上方に設けられた上部ヒーター（ヒーター６）６ａと、冷却板５の下方に設けられた下部ヒーター（ヒーター６）６ｂとを備えて構成されたものがある。また、この種の多結晶シリコン鋳造装置Ａにおいては、チャンバー内断熱部材２で画成した空間が冷却板５を境に、ルツボ３側の上室７と下部ヒーター６ｂ側の下室８とに区分され、さらに、ルツボ３の側壁３ｂと桶４の側壁部４ａの間には、ルツボ３の外周を覆うようにルツボ断熱部材（断熱部材）９が設けられている。

上記の多結晶シリコン鋳造装置Ａにおいては、ルツボ３にシリコン固形原料Ｔ１を投入してこれを供給した段階で、チャンバー内断熱部材２で画成した空間に例えばアルゴンガスなどの不活性ガスを流入し、このチャンバー内断熱部材２内を不活性雰囲気にする。そして、上部ヒーター６ａと下部ヒーター６ｂにより上方と下方とからルツボ３を加熱しつつシリコン固形原料Ｔ１を加熱してこれを溶融させる。このとき、シリコン固形原料Ｔ１は、溶融とともにその全体の見掛けの体積が減じてゆき、シリコン融液Ｔ２の体積が、例えば前記見掛けの体積に対して２／３〜１／２程度になる。

このため、一回の鋳造作業で極力大きなシリコンインゴットＴを製造できるように、一般に、ルツボ３にシリコン固形原料Ｔ１を供給する際には、ルツボ３の開口する上端３ｃよりも上方に、シリコン固形原料Ｔ１を積み上げて盛るように供給している。すなわち、ルツボ３内にシリコン固形原料Ｔ１を充填した後に、さらにシリコン固形原料Ｔ１を供給し、ルツボ３の上端３ｃよりも上方に盛られたシリコン固形原料Ｔ１が、ルツボ３の軸線Ｏ１に沿う断面で山形形状を呈するように供給している。このようにシリコン固形原料Ｔ１を供給した場合には、シリコン固形原料Ｔ１が溶融してその見掛けの体積が減少してゆくとともに、ルツボ３の上方に盛られたシリコン固形原料Ｔ１がルツボ３内に収容されてゆくことになる。よって、ルツボ３の上方にシリコン固形原料Ｔ１を盛るように供給することで、一回の鋳造作業により、より大きなシリコンインゴットＴを製造することが可能とされる。

そして、上記のようにシリコン固形原料Ｔ１を完全に溶融させた段階で、冷却板５によりルツボ３の底部３ａ側からシリコン融液Ｔ２を冷却してゆく。このとき、シリコン融液Ｔ２は、ルツボ３の底部３ａから上方に向けて高温となる温度勾配に沿って一方向に結晶を成長させながら凝固してゆき、これにより、結晶性に優れた高純度のシリコンインゴットＴが製造される。ちなみに、上記のような、ルツボ３の底部３ａから上方に向けて高温となる温度勾配を付与しながらシリコン融液Ｔ２を結晶化するシリコンインゴットＴの製造方法は、一般に、一方向凝固法と称されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
特開昭６２−２６０７１０号公報特開２０００−２９００９６号公報特開２０００−３１９０９４号公報

しかしながら、上記の多結晶シリコン鋳造装置Ａにおいては、ルツボ３の開口する上端３ｃよりも上方に、山形状に盛られたシリコン固形原料Ｔ１が、その積上げ時や加熱時に崩れてルツボ３の外に落下してしまう場合があった。また、このようなシリコン固形原料Ｔ１の山崩れを防止するために、シリコン固形原料Ｔ１の積上げ量を減じた場合には、一回の鋳造作業で製造されるシリコンインゴットＴ量が少なくなり、製造効率の低下、ひいては製造したシリコンインゴットＴのコスト高を招くという問題があった。

一方で、一般に、シリコン融液Ｔ２が凝固した後には、ルツボ３を破砕することによりシリコンインゴットＴをルツボ３から取り出している。このため、鋳造作業毎にルツボ３が消費されることになり、この観点からも一回の鋳造作業でより多くのシリコンインゴットＴを製造し、シリコンインゴットＴの製造に掛かるコスト、ひいてはシリコンインゴットＴのコストの低減を図ることが強く望まれていた。

本発明は、上記事情を鑑み、一回の鋳造作業におけるシリコンインゴットの製造量を増加させてコストの低減を図ることが可能な多結晶シリコン鋳造装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の多結晶シリコン鋳造装置は、シリコン固形原料を収容する有底筒状のルツボと、該ルツボを加熱して収容した前記シリコン固形原料を溶融させるヒーターと、前記ルツボが載置され、前記ヒーターによって加熱されて溶融した前記シリコン固形原料を冷却しつつ凝固させる冷却板と、前記ルツボの外周に設けられた断熱部材とを備える多結晶シリコン鋳造装置において、前記ルツボには、上端側の開口部分を上方に向かうに従い拡開する原料積載部材が設けられ、前記冷却板は、側端側が上方に延出されて底板部と側壁部を備える略有底筒状に形成されていることを特徴とする。

また、本発明の多結晶シリコン鋳造装置においては、前記原料積載部材が前記ルツボに対して分離可能に設けられていることが望ましい。

さらに、本発明の多結晶シリコン鋳造装置においては、前記断熱部材の上端面が、前記原料積載部材の外面に沿うように形成されているとともに、前記原料積載部材の外面に近接または当接されていることがより望ましい。

さらに、本発明の多結晶シリコン鋳造装置においては、前記冷却板がカーボンまたはシリコンカーバイドまたは表面がシリコンカーバイド化したカーボンで形成されていることがより望ましい。

本発明の多結晶シリコン鋳造装置によれば、ルツボに、上端側の開口部分を上方に向かうに従い拡開する原料積載部材が設けられていることにより、すなわち原料積載部材が設けられることによって略朝顔状に形成されていることにより、ルツボの開口する上端よりも上方に、より多くのシリコン固形原料を供給することができ、一回の鋳造作業で大きなシリコンインゴットを製造することが可能になる。また、原料積載部材がルツボに対して開口部分を拡開するように設けられていることにより、シリコン固形原料を盛るように供給した場合においても、シリコン固形原料の山形形状の頂角を、従来のルツボに供給したシリコン固形原料の頂角よりも鈍角としてシリコン固形原料を盛ることができる。このため、ルツボの上方に盛られたシリコン固形原料を安定した状態で維持することができ、山崩れが生じることを防止できる。これにより、より多くのシリコン固形原料を安定して供給しつつシリコンインゴットの製造効率を向上させて、そのコストの低減を図ることが可能になる。
さらに、冷却板が、底板部と側壁部を備える有底筒状を呈するように形成されていることによって、冷却板の底板部にルツボを載置した状態で、ルツボを冷却板に収容するように設けることができる。これにより、冷却板をシリコン融液の冷却に使用できるとともに、ルツボを収容する桶としても利用することができるため、従来の多結晶シリコン鋳造装置のように桶を別途設ける必要がなく、この桶の占有スペースを、例えばルツボを大きく形成するなど有効に利用することが可能になる。また、桶が冷却板やヒーターとルツボの間に介在されていないことにより、シリコン固形原料を溶融させる際やシリコン融液を凝固させる際の伝熱性を向上させることが可能になり、エネルギー効率を向上させて効率的にシリコンインゴットを製造することが可能になる。

また、ルツボに原料積載部材が設けられて略朝顔状に形成されることで、供給したシリコン固形原料に対して、原料積載部材と接触する面積の分だけ多くの輻射熱を作用させることができる。これにより、シリコン固形原料を早く溶融させることができ、効率的にシリコンインゴットを製造することが可能になる。

さらに、シリコン固形原料の供給量を増大可能に設けた原料積載部材が、ルツボに対して分離可能とされていることによって、シリコン固形原料を溶融した際にシリコン融液の液面（シリコンインゴット）がルツボ内に位置するようにシリコン固形原料を供給した場合には、シリコン融液を冷却して凝固させた段階で、原料積載部材をルツボから取り外し、ルツボのみを取り壊してシリコンインゴットを取り出すことが可能になる。これにより、大きなシリコンインゴットを製造しつつ、原料積載部材を次回の鋳造作業に再利用することができるため、シリコンインゴットのコストの低減を図ることが可能になる。

また、断熱部材の上端面が、拡開した原料積載部材の外面に沿うように形成され、かつ断熱部材の上端面が原料積載部材の外面に近接または当接されていることによって、供給したシリコン固形原料を溶融させる際に、加熱によって軟化する原料積載部材を断熱部材で支持することが可能になる。これにより、ルツボに対して拡開するように、すなわちルツボよりも外方に延出するように原料積載部材を形成した場合においても、原料積載部材が軟化して垂下するように変形することを防止でき、確実に原料積載部材を再利用できる形状で維持することが可能になる。

また、冷却板がカーボンまたはシリコンカーバイドまたは表面がシリコンカーバイド化したカーボンの熱伝導率の高い素材で形成されていることによって、さらに加熱や冷却を効率的に行なうことが可能になる。これにより、シリコンインゴットの製造に掛かるコストのさらなる低減を図ることが可能になる。

以下、図１を参照し、本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態は、例えば太陽電池の発電素子などに用いられる多結晶シリコンのシリコンインゴットを製造する多結晶シリコン鋳造装置に関するものである。

本実施形態の多結晶シリコン鋳造装置Ｂは、中空壁からなるチャンバー１内に収容され、このチャンバー１内に所定の容積の空間を画成するように設けられたチャンバー内断熱部材２の内部に、シリコン固形原料Ｔ１を収容する有底円筒状のルツボ３と、ルツボ３の上方及び下方に配置され、ルツボ３を加熱する上部ヒーター６ａ及び下部ヒーター６ｂ（ヒーター６）と、ルツボ３が載置され、ルツボ３の底部３ａ側から溶融したシリコン固形原料Ｔ１（シリコン融液Ｔ２）を冷却して結晶化させつつ凝固させるための冷却板５と、ルツボ３の外周を覆うように設けられたルツボ断熱部材（断熱部材）９とを備えて構成されている。

ここで、チャンバー内断熱部材２で囲まれて画成された空間は、冷却板５を境に上室７と下室８に区分されており、ルツボ３、上部ヒーター６ａ及びルツボ断熱部材９が上室７に収容され、下部ヒーター６ｂが下室８に収容されている。また、チャンバー１及びチャンバー内断熱部材２には、上室７や下室８の内部に、例えばアルゴンガスなどの不活性ガスを供給する図示せぬ不活性ガス供給手段や、チャンバー１の中空壁の内部に冷却水を供給してこれを循環させる図示せぬ冷却材供給手段などが別途設けられている。

ルツボ３は、石英ガラスで有底筒状に形成されたものであり、上下方向に延びる軸線Ｏ１に直交する断面が矩形状を呈するように形成されている。また、本実施形態のルツボ３は、その側壁３ｂが底部３ａに直交しつつ軸線Ｏ１に沿って垂直に延設されている。一方、ルツボ３の開口部分の側壁３ｂ上端３ｃには、この上端３ｃに下端が連接されて互いが一体に形成された原料積載部材３ｅが設けられている。この原料積載部材３ｅは、ルツボ３と同様に石英ガラスで形成されているとともに、ルツボ３の開口部分を画成する上端３ｃと繋がる下端から軸線Ｏ１方向上方の上端３ｆに向かうに従い拡開するように形成されている。すなわち、原料積載部材３ｅは、下端から上端３ｆに向かうに従い漸次ルツボ３の側壁３ｂよりも軸線Ｏ１直交方向外方に延出するように形成されて、軸線Ｏ１に直交する断面における開口面積が軸線Ｏ１方向上方に向かうに従い漸次大となる略朝顔状を呈するように形成されている。

冷却板５は、カーボンまたはシリコンカーバイドまたは表面がシリコンカーバイド化したカーボンで形成されたものであり、略平板状の底板部５ａと、底板部５ａの側端から垂直に上方に向けて延出した側壁部５ｂとを有する有底筒状に形成されている。また、この冷却板５は、底板部５ａの内部に冷却材が流通する内空を備えており、この内空に、例えばアルゴンガスなどの冷却用不活性ガスまたは冷却水を供給する図示せぬ冷却材供給手段が接続されている。そして、この冷却板５は、底板部５ａ上面の略中央に載置されたルツボ３を、ルツボ３の底部３ａから側壁３ｂの軸線Ｏ１方向略中央までの部分が側壁部５ｂで囲まれるように収容している。ここで、上記のように側壁部５ｂを有して有底筒状に冷却板５が形成されることにより、図３に示した従来の多結晶シリコン鋳造装置Ａのルツボ３を収容する桶４を備える必要がなく、本実施形態の多結晶シリコン鋳造装置Ｂにおいては、桶４を具備しない分だけルツボ３が大きく形成されている。

ルツボ断熱部材９は、冷却板５の側壁部５ｂとルツボ３の間に介装されてルツボ３の外周を覆うように設けられている。このとき、ルツボ断熱部材９は、下端が冷却板５の底板部５ａの上面と接触するように設けられ、上端（上端面）が原料積載部材３ｅの外面に沿う傾斜面とされるとともに原料積載部材３ｅの外面に近接配置されている。

ついで、上記の構成からなる多結晶シリコン鋳造装置ＢによりシリコンインゴットＴを製造する方法について説明し、本実施形態の多結晶シリコン鋳造装置Ｂの作用及び効果について説明する。

はじめに、シリコン固形原料Ｔ１をルツボ３の内部に投入するとともに、原料積載部材３ｅの上端３ｆに達するまでシリコン固形原料Ｔ１を供給する。ついで、一回の鋳造作業で極力大きなシリコンインゴットＴを製造できるように、さらにシリコン固形原料Ｔ１を供給して、原料積載部材３ｅの開口する上端３ｆよりも上方に、シリコン固形原料Ｔ１を積上げて盛ってゆく。このように供給されたシリコン固形原料Ｔ１は、原料積載部材３ｅの上端３ｆよりも上方に盛られたシリコン固形原料Ｔ１がルツボ３の軸線Ｏ１に沿う方向の断面で山形形状を呈するように盛られている。

ここで、本実施形態の多結晶シリコン鋳造装置Ｂにおいては、原料積載部材３ｅがルツボ３の外方に延出して略朝顔状に形成されていることにより、前述の図３に示した従来の多結晶シリコン鋳造装置（以下、従来の鋳造装置Ａという）Ａのルツボ３に供給したシリコン固形原料Ｔ１の山形形状を呈する頂点Ｓ１位置と、本実施形態のルツボ３及び原料積載部材３ｅに供給したシリコン固形原料Ｔ１の山形形状を呈する頂点Ｓ２位置を同じ高さ位置にした場合、前記頂点Ｓ１における頂角θ１よりも本実施形態の原料積載部材３ｅに供給したシリコン固形原料Ｔ１の前記頂点Ｓ２における頂角θ２が大きく鈍角の状態でシリコン固形原料Ｔ１が供給されることになる。これにより、原料積載部材３ｅの上方に盛られたシリコン固形原料Ｔ１は、安定した状態で維持され、従来の頂角θ１が鋭角の状態で供給された場合と比較して、シリコン固形原料Ｔ１に山崩れが生じることがないものとされる。また、従来の前記頂角θ１と前記頂角θ２とが等しくなるようにシリコン固形原料Ｔ１を供給した場合においても、本実施形態の多結晶シリコン鋳造装置Ｂでは、原料積載部材３ｅが略朝顔状に形成されていることにより、その供給量が増大することになる。このように供給したシリコン固形原料Ｔ１全体の見掛けの体積、すなわちルツボ３の内容積と原料積載部材３ｅの内容積とを加えた内容積（図３においてはルツボ３の内容積）に、上端３ｆ（図３においては上端３ｃ）よりも上方に盛ったシリコン固形原料Ｔ１が占める見掛けの体積を加えた体積が、図３に示した従来の鋳造装置Ａのルツボ３を用いた場合には、例えば１３６０００ｃｍ^３であるのに対して、本実施形態のルツボ３においては、例えば１９３０００ｃｍ^３となり、供給できるシリコン固形原料Ｔ１の量が格段に多くなる。

ついで、上記のようにシリコン固形原料Ｔ１を供給した段階で、チャンバー内断熱部材２で囲まれた空間（上室７と下室８）に、例えばアルゴンガスなどの不活性ガスを供給して、これらの空間を不活性雰囲気にする。そして、上部ヒーター６ａと下部ヒーター６ｂにより、ルツボ３及び原料積載部材３ｅ、ひいては供給したシリコン固形原料Ｔ１の加熱を行なう。例えば１４００℃程度でルツボ３及び原料積載部材３ｅが加熱されるとともに、この加熱されたルツボ３及び原料積載部材３ｅの輻射熱によって供給したシリコン固形原料Ｔ１が溶融してゆく。このとき、本実施形態ではシリコン固形原料Ｔ１がその山形形状の頂角θ２を鈍角として安定した状態で盛られているため、加熱により徐々に溶融しシリコン固形原料Ｔ１が変形する際にも、その変形に伴ってシリコン固形原料Ｔ１が山崩れを起こし原料積載部材３ｅ及びルツボ３の外方に落下するようなことがないものとされる。また、本実施形態では、原料積載部材３ｅが略朝顔状に形成されていることによって、従来の鋳造装置Ａのルツボ３よりも、ルツボ３と原料積載部材３ｅとの内面積、すなわち供給したシリコン固形原料Ｔ１とルツボ３及び原料積載部材３ｅが接触する面積が大きく、輻射熱がより多くシリコン固形原料Ｔ１に作用することとなる。これにより、従来の鋳造装置Ａのルツボ３を用いた場合と比較して、シリコン固形原料Ｔ１が早く溶融されることになる。

この一方で、ルツボ３及び原料積載部材３ｅが石英ガラスで形成されているため、これらは、加熱とともに軟化する。特に、本実施形態においては、原料積載部材３ｅがルツボ３に対して外方に延出するように形成されているため、軟化とともに原料積載部材３ｅが垂下するように変形してしまうおそれがある。しかしながら、本実施形態では、ルツボ断熱部材９が、その上端面が原料積載部材３ｅの外面に沿うように形成されて、かつ上端面が原料積載部材３ｅの外面に近接するように設けられているため、原料積載部材３ｅは、軟化とともにルツボ断熱部材９の上端に当接されて支持されることになり、軟化に伴って垂下することがないものとされる。

また、シリコン固形原料Ｔ１が溶融したシリコン融液Ｔ２の液面Ｈは、図３に示した従来の鋳造装置Ａのルツボ３を用いた場合に、シリコン固形原料Ｔ１の供給量が少ないため、ルツボ３の上端３ｃよりも大きく下方に位置されるのに対して、本実施形態においては、シリコン固形原料Ｔ１の供給量が多いため、ルツボ３の上端３ｃ付近にその液面Ｈが位置することになる。

ついで、シリコン固形原料Ｔ１が完全に溶融した段階で、上部ヒーター６ａ及び下部ヒーター６ｂによる加熱を停止する。そして、チャンバー１の中空壁内に冷却水を循環させてチャンバー１内の冷却を行なうとともに、冷却板５に冷却材を供給してシリコン融液Ｔ２の冷却を開始する。本実施形態においては、ルツボ３に収容したシリコン融液Ｔ２をルツボ３の底部３ａ側から冷却してゆき、底部３ａ側からルツボ３の上端３ｃ側に位置するシリコン融液Ｔ２の液面Ｈに向けて高温となる一方向の温度勾配を生じさせる。そして、底部３ａ側からシリコンの結晶を成長させつつ凝固してゆき、シリコンインゴットＴを製造する。ここで、本実施形態においては、冷却板５が、熱伝導性に優れたカーボンまたはシリコンカーバイドまたは表面がシリコンカーバイド化したカーボンで形成されているため、シリコン融液Ｔ２が早く冷却されて凝固することになり、短時間の冷却作業で効率的にシリコンインゴットＴが形成される。

また、ルツボ断熱部材９が、シリコン融液Ｔ２の液面Ｈよりも上方に位置する原料積載部材３ｅの外面まで延設されていることにより、シリコン融液Ｔ２の液面Ｈ付近が先行して低温化することが抑制される。このように液面Ｈ付近の低温化を抑制することにより、ルツボ３の底部３ａ側から液面Ｈに向けて高温となる温度勾配が、確実に一方向に向けられて、確実に底部３ａ側から液面Ｈに向けて結晶が成長してゆくことになる。

ついで、冷却板５によってルツボ３内のシリコン融液Ｔ２を冷却し、シリコンインゴットＴを形成した段階で、チャンバー１を解体するとともにチャンバー内断熱部材９を取り除き、ルツボ３及び原料積載部材３ｅとともにシリコンインゴットＴを外部に搬出する。そして、適宜手段をもって石英ガラスのルツボ３及び原料積載部材３ｅを破砕してシリコンインゴットＴを取り出し、鋳造作業を完了する。

ここで、シリコン固形原料Ｔ１の供給量が例えば１３６０００ｃｍ^３となる従来の鋳造装置Ａのルツボ３を用いた場合には、シリコン融液Ｔ２を冷却して製造されるシリコンインゴットＴの重量が１６０ｋｇ程度となる。これに対して、シリコン固形原料Ｔ１の供給量が例えば１９３０００ｃｍ^３である本実施形態の場合には、シリコンインゴットＴの重量が２２５ｋｇとなる。よって、本実施形態の多結晶シリコン鋳造装置Ｂでは、従来の鋳造装置Ａに対し、一回の鋳造作業で製造されるシリコンインゴットＴの量が約４０％増大することになる。

したがって、上記の多結晶シリコン鋳造装置Ｂによれば、原料積載部材３ｅとルツボ３とが一体形成されて略朝顔状を呈するものとされていることにより、従来の鋳造装置Ａに対して、山形形状を呈するように供給したシリコン固形原料Ｔ１の頂角θ２を鈍角にすることができ、これにより、原料積載部材３ｅの上端３ｆよりも上方に盛ったシリコン固形原料Ｔ１が、その供給時並びに溶融時に山崩れすることを防止でき、また、シリコン固形原料Ｔ１の供給量を大幅に増大させることが可能になる。よって、一回の鋳造作業で大きなシリコンインゴットＴを製造することができるため、シリコンインゴットＴの製造効率の向上を図り、そのコストの低減を図ることが可能になる。

また、ルツボ３に対して原料積載部材３ｅが略朝顔状を呈するように拡開されて形成されていることによって、ルツボ３及び原料積載部材３ｅとシリコン固形原料Ｔ１との接触面積を大きくすることができ、加熱したルツボ３及び原料積載部材３ｅからの輻射熱をより多くシリコン固形原料Ｔ１に作用させることができる。これにより、従来の鋳造装置Ａのルツボ３を用いた場合と比較して、シリコン固形原料Ｔ１を早く溶融することができる。よって、エネルギー効率を向上させて効率的にシリコン固形原料Ｔ１の溶融を行うことができ、シリコンインゴットＴの製造に掛かるコストを低減させることが可能になる。

さらに、ルツボ断熱部材９の上端面が原料積載部材３ｅの外面に沿うように形成され、かつこの上端面が原料積載部材３ｅの外面に近接するようにルツボ断熱部材９が設けられていることにより、ルツボ３の上方に拡開する原料積載部材３ｅを設けた場合においても、加熱によって軟化する原料積載部材３ｅをこのルツボ断熱部材９で支持することができ、原料積載部材３ｅが軟化して垂下するように変形してしまうことを阻止することが可能になる。また、上記のようにルツボ断熱部材９が設けられていることによって、シリコン融液Ｔ２の冷却時に、温度勾配を確実に一方向に向けることができ、好適な状態で結晶を成長させることが可能になる。これにより、結晶性に優れた高品質のシリコンインゴットＴを製造することが可能になる。

また、冷却板５が、有底筒状を呈するように形成されていることによって、従来の鋳造装置Ａのように、ルツボ３を収容する桶４を設ける必要がないため、この桶４の占有スペースを、例えばルツボ３を大きく形成してシリコンインゴットＴの製造量を増大するなど他の目的に使用したり、桶４の占有スペースの分だけ多結晶シリコン鋳造装置Ｂを小型にしたりすることができる。また、ルツボ３と冷却板５、及びルツボ３と下部ヒーター６ｂとの間に桶４が設けられていないため、加熱時や冷却時に伝熱の境界をなくすことができ、下部ヒーター６ｂが発した熱をルツボ３に早く伝達させることができ、また、冷却板５に供給した冷却材によってシリコン融液Ｔ２を早く冷却することが可能になる。これにより、エネルギー効率を向上させて効率的にシリコンインゴットＴを製造することが可能になる。

さらに、冷却板５がカーボンまたはシリコンカーバイドまたは表面がシリコンカーバイド化したカーボンの熱伝導性に優れた素材で形成されていることによって、より効率的にシリコンインゴットＴを製造することが可能になり、さらなる低コスト化を図ることが可能になる。

以上、本発明に係る多結晶シリコン鋳造装置の第１実施形態について説明したが、本発明は上記の第１実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、ルツボ３の外周を覆うように設けたルツボ断熱部材９の上端面が、原料積載部材３ｅの外面に近接され、軟化した原料積載部材３ｅの外面が当接されることにより原料積載部材３ｅを支持するものとしたが、ルツボ断熱部材９は、その上端面をはじめから原料積載部材３ｅの外面に当接させて設けられてもよいものである。この場合には、加熱によって原料積載部材３ｅが軟化してもより確実にその変形を抑制して支持することが可能になる。また、本実施形態では、ルツボ３や原料積載部材３ｅが石英ガラスであるものとして説明を行なったが、ガラス以外のセラミックスや、カーボン、炭化シリコンなどで形成されていてもよいものである。そして、このように石英ガラス以外の材質でルツボ３や原料積載部材３ｅが形成された場合においても、前述と同様の効果を得ることが可能である。さらに、ルツボ３は、上下方向に延びる軸線Ｏ１に直交する断面が矩形状を呈するように形成されているものとしたが、前記断面が円形状に形成されて有底筒状に形成されていてもよいものである。

また、本実施形態では、チャンバー内断熱部材２で画成した空間にアルゴンガスなどの不活性ガスを供給し不活性雰囲気にして鋳造作業を行なうように説明を行なっているが、チャンバー１及びチャンバー内断熱部材２の内部を真空状態にして鋳造作業を行なうように構成されてもよいものである。

ついで、図２を参照し、本発明の第２実施形態に係る多結晶シリコン鋳造装置について説明する。本実施形態の説明においては、第１実施形態に共通する構成に対して同一符号を付し、その詳細についての説明を省略する。ここで、本実施形態の多結晶シリコン鋳造装置Ｃにおいては、原料積載部材３ｅがルツボ３に対して分離可能とされ、その他の構成は第１実施形態の多結晶シリコン鋳造装置Ｂと同様とされている。

本実施形態において、原料積載部材３ｅは、図２に示すように、ルツボ３の上端３ｃに、該原料積載部材３ｅの下端側の外面を当接させてルツボ３に支持されている。これにより、原料積載部材３ｅは、自重によって安定的にルツボ３に載置されつつ保持され、上方に持ち上げるのみでルツボ３に対して分離することが可能とされている。

このように構成された原料積載部材３ｅを備える本実施形態の多結晶シリコン鋳造装置Ｃにおいては、第１実施形態と同様にルツボ３及び原料積載部材３ｅにシリコン固形原料Ｔ１を供給してこれを溶融させた際に、原料積載部材３ｅを支持するルツボ３の上端３ｃよりも若干下方にシリコン融液Ｔ２の液面Ｈが位置される。そして、第１実施形態と同様に、シリコン融液Ｔ２を冷却してシリコンインゴットＴを形成した段階で、原料積載部材３ｅをルツボ３から分離してチャンバー１内から取り除き、ついで、ルツボ３とともにシリコンインゴットＴを外部に搬出する。

本実施形態においては、原料積載部材３ｅが分離されたルツボ３のみを破砕することによりシリコンインゴットＴを取り出し、鋳造作業が完了する。

したがって、上記の多結晶シリコン鋳造装置Ｃによれば、第１実施形態に示した多結晶シリコン鋳造装置Ｂと同様の効果に加えて、原料積載部材３ｅとルツボ３とが分離可能とされていることにより、ルツボ３を破砕するのみでシリコンインゴットＴを取り出すことができ、原料積載部材３ｅを破砕する必要がない。このため、原料積載部材３ｅを次回の鋳造作業に再利用することが可能になる。これにより、シリコン固形原料Ｔ１の供給量を増大させるための原料積載部材３ｅが再利用可能とされるため、シリコンインゴットＴの製造に掛かるコストの低減を図ることが可能になる。また、このとき、ルツボ断熱部材９が、加熱により軟化した原料積載部材３ｅをその上端面で支持して原料積載部材３ｅの変形を阻止することが可能とされているため、原料積載部材３ｅの形状を維持して、確実に原料積載部材３ｅを再利用することが可能とされる。

以上、本発明に係る多結晶シリコン鋳造装置の第２実施形態について説明したが、本発明は上記の第２実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、原料積載部材３ｅの下端側の外面をルツボ３の上端３ｃに当接させてルツボ３に原料積載部材３ｅを載置しつつ支持させ、これにより、原料積載部材３ｅがルツボ３に対して分離可能とされるものとして説明を行なったが、例えば原料積載部材３ｅの下端側がルツボ３の軸線Ｏ１方向に延設され、この下端部分がルツボ３の上端３ｃ側の内側に係合することによって原料積載部材３ｅが分離可能に支持される構成としてもよいものである。

本発明の第１実施形態に係る多結晶シリコン鋳造装置を示す図である。本発明の第２実施形態に係る多結晶シリコン鋳造装置を示す図である。従来の多結晶シリコン鋳造装置を示す図である。

符号の説明

１チャンバー
２チャンバー内断熱部材
３ルツボ
３ａ底部
３ｂ側壁
３ｃ上端
３ｅ原料積載部材
３ｆ上端
４桶
５冷却板
５ａ底板部
５ｂ側壁部
６ヒーター
６ａ上部ヒーター
６ｂ下部ヒーター
７上室
８下室
９ルツボ断熱部材（断熱部材）
Ａ多結晶シリコン鋳造装置
Ｂ多結晶シリコン鋳造装置
Ｃ多結晶シリコン鋳造装置
Ｏ１ルツボの軸線
Ｔ１シリコン固形原料
Ｔ２シリコン融液
Ｔシリコンインゴット

Claims

シリコン固形原料を収容する有底筒状のルツボと、該ルツボを加熱して収容した前記シリコン固形原料を溶融させるヒーターと、前記ルツボが載置され、前記ヒーターによって加熱されて溶融した前記シリコン固形原料を冷却しつつ凝固させる冷却板と、前記ルツボの外周に設けられた断熱部材とを備える多結晶シリコン鋳造装置において、
前記ルツボには、上端側の開口部分を上方に向かうに従い拡開する原料積載部材が設けられ、
前記冷却板は、側端側が上方に延出されて底板部と側壁部を備える略有底筒状に形成されていることを特徴とする多結晶シリコン鋳造装置。
請求項１記載の多結晶シリコン鋳造装置において、
前記原料積載部材が前記ルツボに対して分離可能に設けられていることを特徴とする多結晶シリコン鋳造装置。
請求項１または請求項２に記載の多結晶シリコン鋳造装置において、
前記断熱部材の上端面が、前記原料積載部材の外面に沿うように形成されているとともに、前記原料積載部材の外面に近接または当接されていることを特徴とする多結晶シリコン鋳造装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の多結晶シリコン鋳造装置において、
前記冷却板がカーボンまたはシリコンカーバイドまたは表面がシリコンカーバイド化したカーボンで形成されていることを特徴とする多結晶シリコン鋳造装置。