鑄造裝置及鑄造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鑄造裝置及鑄造方法，能夠分別減少低壽命區(qū)域及雜質(zhì)量，難以產(chǎn)生坩堝的結(jié)渣問題，通過理想的單向凝固來制造鑄錠。鑄造裝置具備收容熔融物且上部具有開口部的坩堝（20）、加熱坩堝的加熱器（33,43）和對坩堝內(nèi)的上部供給惰性氣體的惰性氣體供給單元（42）。惰性氣體供給單元具備延伸至坩堝內(nèi)的上部并在前端部設(shè)置有氣體吐出口的氣體通道。氣體吐出口設(shè)置為從該氣體吐出口吐出的惰性氣體的流動平行于坩堝內(nèi)的熔融物表面。
【專利說明】鑄造裝置及鑄造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于制造多晶硅等半導(dǎo)體或金屬錠的鑄造裝置及鑄造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]娃錠通過被切成預(yù)定厚度并切割成預(yù)定形狀從而成為娃片。
[0003]硅片例如用作太陽能電池用基板的材料。在此，對于太陽能電池來說，轉(zhuǎn)換效率等性能受到作為太陽能電池用基板的材料的硅錠的特性的影響較大。
[0004]特別是，在硅錠中，若內(nèi)部含有的雜質(zhì)量多則太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率大幅降低，因此，為了提高轉(zhuǎn)換效率需要降低雜質(zhì)量。
[0005]在此，硅是凝固時(shí)膨脹的金屬，為了使硅熔液不殘留于鑄塊的內(nèi)部，例如從坩堝的底部向上方單向凝固而被鑄造。另外，通過單向凝固，硅熔液內(nèi)的雜質(zhì)伴隨著凝固的相變基于平衡偏析系數(shù)分配在液相側(cè)，坩堝內(nèi)的雜質(zhì)從固相(鑄塊)排出至液相(硅熔液)，因此能夠得到雜質(zhì)較少的娃錠。
[0006]下述專利文獻(xiàn)1、2中公開了利用惰性氣體供給單元向坩堝內(nèi)供給氬氣以抑制硅的氧化的技術(shù)。另外，通過如此對坩堝內(nèi)供給的氬氣，除去從硅熔液產(chǎn)生的氧化硅氣體等，據(jù)此能夠防止氧化硅氣體與坩堝內(nèi)的碳反應(yīng)。如果氧化硅氣體與碳反應(yīng)會生成CO氣體，如果該生成的CO氣體混入硅熔液內(nèi)則導(dǎo)致硅錠中的碳量增加，會對產(chǎn)品特性產(chǎn)生不良影響。另外，通過對坩堝內(nèi)供給的氬氣還抑制氧化硅氣體混入硅熔液中而導(dǎo)致氧量增加。
[0007]專利文獻(xiàn)1:特開2004- 058075號公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:特開2010-534179號公報(bào)
[0009]上述現(xiàn)有的技術(shù)存在以下課題。
[0010]即，IS氣對于熔融物表面向垂直方向噴射形成碰撞射流，因此在IS氣的噴射位置及其附近熔融物溫度下降，導(dǎo)致從該處開始凝固。結(jié)果，不能進(jìn)行上述希望的單向凝固，并且特別是在硅錠的上部，低壽命區(qū)域增多。
[0011]另外，如上所述，由于在坩堝內(nèi)的熔融物表面的局部開始凝固，所以凝固界面不平滑，不能進(jìn)行理想的結(jié)晶生長。
[0012]另外，由于如上所述氬氣形成碰撞射流，所以坩堝內(nèi)的氬氣的流動不均勻，不能充分進(jìn)行坩堝內(nèi)的氧化硅氣體等的雜質(zhì)的排斥。
[0013]而且，熔融物表面由于碰撞射流發(fā)生波動而促進(jìn)坩堝的侵蝕，出現(xiàn)從坩堝的內(nèi)表面產(chǎn)生的雜質(zhì)的混入和結(jié)渣問題。
[0014]所謂結(jié)渣是指，從熔融物產(chǎn)生的氣體或雜質(zhì)等在坩堝內(nèi)的熔融物表面的彎液面部分與坩堝內(nèi)壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致固態(tài)物附著于坩堝內(nèi)壁且不會剝離。當(dāng)產(chǎn)生該結(jié)渣時(shí)，必須將結(jié)渣部分從鑄錠分離，鑄錠的成品率下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明有鑒于上述情況而產(chǎn)生，目的在于提供一種能夠分別減少低壽命區(qū)域及雜質(zhì)的混入量，難以產(chǎn)生坩堝的結(jié)渣問題，進(jìn)而能夠通過使凝固界面平滑的理想的單向凝固來制造鑄錠的鑄造裝置及鑄造方法。
[0016]為了解決這種課題并達(dá)到上述目的，本發(fā)明所涉及的鑄造裝置，具備收容熔融物且上部具有開口部的坩堝、加熱該坩堝的加熱器和對所述坩堝內(nèi)的上部供給惰性氣體的惰性氣體供給單元，所述鑄造裝置的特征在于，所述惰性氣體供給單元具備延伸至所述坩堝內(nèi)的上部并在前端部設(shè)置有氣體吐出口的氣體通道，所述氣體吐出口設(shè)置為從所述氣體吐出口吐出的惰性氣體的流動平行于所述坩堝內(nèi)的熔融物表面，即平行于水平面，或者相對于所述坩堝內(nèi)的熔融物表面即水平面具有規(guī)定角度地傾斜。
[0017]另外，本發(fā)明的鑄造方法使用具備收容熔融物且上部具有開口部的坩堝、加熱該坩堝的加熱器和對所述坩堝內(nèi)的上部供給惰性氣體的惰性氣體供給單元的鑄造裝置，所述鑄造方法的特征在于，所述惰性氣體供給單元具備延伸至所述坩堝內(nèi)的上部并在前端部設(shè)置有氣體吐出口的氣體通道，從所述氣體吐出口以流動平行于所述坩堝內(nèi)的熔融物表面即水平面，或者相對于所述坩堝內(nèi)的熔融物表面即水平面具規(guī)定角度地傾斜的方式供給惰性氣體。
[0018]該結(jié)構(gòu)的鑄造裝置或者鑄造方法中，從氣體通道的前端部的氣體吐出口，以流動平行于坩堝內(nèi)的熔融物表面或者相對于坩堝內(nèi)的熔融物表面具有規(guī)定角度地傾斜的方式供給惰性氣體。因此，惰性氣體不會在坩堝內(nèi)的熔融物表面形成局部噴射的碰撞射流，而是沿著熔融物表面大致均勻地流動。[0019]結(jié)果，難以在坩堝內(nèi)的熔融物表面上產(chǎn)生溫度下降的部分，因此能夠進(jìn)行凝固界面平滑的從坩堝的底部的理想的單向凝固。因此，低壽命區(qū)域變少，雜質(zhì)向鑄錠的混入也變少。
[0020]另外，從氣體吐出口以流動平行于坩堝內(nèi)的熔融物表面，或者相對于坩堝內(nèi)的熔融物表面具有規(guī)定角度地傾斜的方式供給惰性氣體，因此坩堝內(nèi)的惰性氣體的流動平滑，氧化硅氣體等引起雜質(zhì)的混入的氣體的去除效率提高。因此，在這點(diǎn)上也能夠減少雜質(zhì)的混入。
[0021]進(jìn)而，由于坩堝內(nèi)的熔融物表面平滑，抑制熔融物表面造成的坩堝的侵蝕，從坩堝的內(nèi)部漏出的雜質(zhì)向鑄錠的混入，或結(jié)渣的問題也難以產(chǎn)生。
[0022]在本發(fā)明的鑄造裝置中，優(yōu)選地，所述氣體通道具有朝向所述坩堝內(nèi)的上部配置的氣體供給管，所述氣體供給管的前端部側(cè)面形成有所述氣體吐出口。
[0023]在該情況下，通過在氣體供給管的前端部側(cè)面形成氣體吐出口，惰性氣體的流動能夠以平行于坩堝內(nèi)的熔融物表面，或者相對于坩堝內(nèi)的熔融物表面具有規(guī)定角度地傾斜的方式形成。即通過僅在氣體供給管的前端部側(cè)面形成開口的簡單結(jié)構(gòu)，能夠形成獲得希望的惰性氣體流動的氣體通道。
[0024]在本發(fā)明的鑄造裝置中，優(yōu)選地，所述氣體通道具備朝向所述坩堝內(nèi)的上部配置的氣體供給主管和從該氣體供給主管的前端分支的多個(gè)氣體供給支管，所述氣體供給支管被配置為平行于所述坩堝內(nèi)的熔融物表面，所述氣體供給支管的前端設(shè)置有所述氣體吐出□。
[0025]在該情況下，通過適宜設(shè)定氣體供給支管的數(shù)量、直徑和延伸方向，在坩堝內(nèi)能夠任意形成平行于熔融物表面的理想的惰性氣體流。[0026]在本發(fā)明的鑄造裝置中，優(yōu)選地，所述氣體通道具備朝向所述坩堝內(nèi)的上部配置的供給主管和從該供給主管的前端分支的多個(gè)氣體供給支管，所述氣體供給支管被配置為相對于熔融物表面具有所述規(guī)定角度地傾斜，所述氣體供給管的前端設(shè)置有所述氣體吐出□。
[0027]在該情況下，通過適宜設(shè)定氣體供給支管的數(shù)量、直徑和延伸方向，在坩堝內(nèi)能夠任意形成相對于熔融物表面具有規(guī)定角度地傾斜的理想的惰性氣體流的流動。
[0028]根據(jù)本發(fā)明，能夠分別減少低壽命區(qū)域及雜質(zhì)量，難以產(chǎn)生坩堝的結(jié)渣問題，進(jìn)而能夠通過使凝固界面平滑的理想的單向凝固來制造鑄錠。
[0029]另外，本發(fā)明在制造各種硅配件材料(半導(dǎo)體制造裝置用材料、液晶成膜用靶材、熱處理爐的均熱板)時(shí)也有效，能夠減少鑄錠中的異物、雜質(zhì)和防止坩堝與鑄錠的結(jié)渣造成的成品率下降。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明的鑄造裝置的第一實(shí)施方式的概要剖視說明圖。
[0031]圖2A是表示圖1所示的鑄造裝置所具備的氣體供給管的側(cè)視圖。
[0032]圖2B是表示圖1所示的鑄造裝置所具備的氣體供給管，是沿著圖2A的I1-1I線的剖視圖。
[0033]圖3A是表示氣體供給管的變形例的側(cè)面圖。
[0034]圖3B是沿著圖3A所示的氣體供給管的變形例的II1-1II線的剖視圖。
[0035]圖4A是表示氣體供給管的其他變形例的側(cè)面圖。
[0036]圖4B是沿著圖4A所示的氣體供給管的其他變形例的IV-1V線的剖視圖。
[0037]圖5A是表示氣體供給管的其他變形例的側(cè)面圖。
[0038]圖5B是沿著圖5A所示的氣體供給管的其他變形例的Va-Va線的剖視圖。
[0039]圖5C是沿著圖5A所示的氣體供給管的其他變形例的Vb-Vb線的剖視圖。
[0040]圖6A是表示本發(fā)明的鑄造裝置的第二實(shí)施方式的主要部分的圖，是氣體通道的側(cè)視圖。
[0041]圖6B是表示本發(fā)明的鑄造裝置的第二實(shí)施方式的主要部分的圖，是氣體通道的俯視圖。
[0042]圖7A是表示氣體通道的變形例的側(cè)視圖。
[0043]圖7B是表示氣體通道的變形例的俯視圖。
[0044]圖8A是表示氣體通道的其他變形例的側(cè)視圖。
[0045]圖8B是表示氣體通道的其他變形例的俯視圖。
[0046]圖9是表示本發(fā)明的鑄造裝置的第三實(shí)施方式的主要部分的氣體通道的側(cè)視圖。
[0047]圖10是表示氣體通道的變形例的側(cè)視圖。
[0048]圖11是表示氣體通道的其他變形例的側(cè)視圖。
[0049]圖12是表示利用由本發(fā)明的鑄造裝置制造的硅錠制作的太陽能電池的轉(zhuǎn)換功率的圖。
[0050]圖13是表示利用由現(xiàn)有鑄造裝置制造的硅錠制作的太陽能電池的轉(zhuǎn)換功率的圖。[0051]圖14是表示由本發(fā)明的鑄造裝置制造的硅錠的壽命的圖。
[0052]圖15是表示由現(xiàn)有鑄造裝置制造的硅錠的壽命的圖。
[0053]符號說明
[0054]3硅熔液
[0055]10鑄造裝置
[0056]20 坩堝
[0057]22側(cè)壁部
[0058]33下部加熱器
[0059]43上部加熱器
[0060]42氣體供給管(惰性氣體供給單元、氣體通道)
[0061]42A、42B、42C、42D 氣體吐出口
[0062]50 蓋部
[0063]60、70氣體通道
[0064]61、65、67、71、73、81 氣體供給主管
[0065]62、66、68、72、74、82 氣體供給支管
[0066]62A、66A、68A、72A、74A、82A 氣體吐出口
【具體實(shí)施方式】
[0067]下面參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式的鑄造裝置、制造方法進(jìn)行說明。
[0068]在以下的實(shí)施方式的說明中，熔融物使用硅熔液，但關(guān)于熔融物的種類，不僅限于硅熔液。作為熔融物，可以使用以金屬和半導(dǎo)體為原料的熔融物。例如，作為金屬原料可以使用銅合金、鋁合金、鈦合金、鎂合金、或鎳合金等。作為半導(dǎo)體原料可以使用青玉、砷化稼、或氮化稼等。
[0069]〈第一實(shí)施方式〉
[0070]圖1~圖5C表示本發(fā)明所涉及的鑄造裝置的第一實(shí)施方式。圖1是第一實(shí)施方式的概要剖視說明圖。本實(shí)施方式的鑄造裝置10具備將內(nèi)部保持為氣密狀態(tài)的腔室11、貯留硅熔液3的坩堝20、載置該坩堝20的冷硬板31、位于該冷硬板31的下方的下部加熱器33、位于坩堝20的上方的上部加熱器43、載置在坩堝20的上端的蓋部50、以及對坩堝20與蓋部50之間的空間導(dǎo)入惰性氣體(例如氬氣)的氣體供給管42。
[0071]另外，在坩堝20的外周側(cè)配設(shè)有絕熱壁12，在上部加熱器43的上方配設(shè)有絕熱頂板13，在下部加熱器33的下方配設(shè)有絕熱底板14。即，本實(shí)施方式的鑄造裝置10以包圍坩堝20、上部加熱器43、下部加熱器33等的方式配設(shè)有絕熱材料(絕熱壁12、絕熱頂板13、絕熱底板14)。另外，在絕熱底板14中設(shè)置有排氣孔15。
[0072]上部加熱器43和下部加熱器33分別與電極棒44、34連接。
[0073]連接于上部加熱器43的電極棒44貫穿絕熱頂板13并延伸至坩堝20的上部附近。連接于下部加熱器33的電極棒34貫穿絕熱底板14并延伸至坩堝20的底部附近。
[0074]載置坩堝20的冷硬板31被設(shè)置在插通于下部加熱器33的支撐部32的上端。該冷硬板31為中空結(jié)構(gòu)，經(jīng)由設(shè)置在支撐部32的內(nèi)部的供給路徑(未圖示)對內(nèi)部供給氬氣。
[0075]坩堝20的水平剖面形狀為方形(矩形)，在本實(shí)施方式中，水平剖面形狀呈正方形。該坩堝20由石英構(gòu)成，具備與冷硬板31接觸的底面21和從該底面21向上方豎立設(shè)置的側(cè)壁部22。該側(cè)壁部22的水平剖面呈矩形環(huán)狀。
[0076]蓋部50具備載置在坩堝20的側(cè)壁部22的上端的載置部51、從坩堝20的側(cè)壁部22的外邊緣向外側(cè)突出的檐部52、供前述的氣體供給管42插入的插入孔53、以及在厚度方向上貫穿并排出坩堝20內(nèi)的氣體的未圖示的開口部。
[0077]此外，代替在蓋部50上形成氣體排出用的開口部，還可以使蓋部50自身與坩堝20的側(cè)壁部22隔開間隙配置，利用該間隙排出坩堝20內(nèi)的氣體。
[0078]該蓋部50優(yōu)選由碳系材料構(gòu)成，本實(shí)施方式中由碳化硅構(gòu)成。
[0079]上述氣體供給管42例如為鑰制或碳制的部件，在基端側(cè)(圖1中上端側(cè))連接有未圖示的氣體供給部。氣體供給管42沿著鉛直方向延伸配置，并被配置為貫穿腔室11的頂板部進(jìn)而通過蓋部50的上述插入孔53，其前端延伸至坩堝內(nèi)的上部、即貯留在坩堝20內(nèi)的硅熔液3的液面附近(例如，距液面l(T70mm的范圍)。另外，從上述氣體供給部導(dǎo)入的惰性氣體從氣體供給管42的前端向硅熔液3的上方空間供給。
[0080]即，連接于氣體供給管42及氣體供給管42的基端側(cè)的氣體供給部構(gòu)成對坩堝20內(nèi)的上部供給惰性氣體的惰性氣體供給單元，氣體供給管42構(gòu)成從氣體供給部延伸至坩堝內(nèi)的上部的氣體通道。
[0081]圖2A及圖2B表示氣體供給管42的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，圖2A是側(cè)視圖，圖2B是沿圖2A的I1-1I線的剖視圖。如這些圖所示，在氣體供給管42的前端部側(cè)面形成有多個(gè)氣體吐出口42A。氣體吐出口 42A形成為向與氣體供給管42的軸線L正交的方向延伸。即，氣體吐出口 42A通過開口在氣體供給管42的前端部的管側(cè)壁沿與該氣體供給管42的軸線L正交的方向貫穿而形成。
[0082]另外，氣體吐出口 42A如圖2A所示，被形成為從開口的正面看呈圓形，另外，在圓周方向隔開相等間隔共形成6個(gè)。此外，氣體供給管42的前端被未圖示的蓋所阻塞。
[0083]圖3A~3B、圖4A~4B、圖5A~5C分別表示氣體供給管42的變形例。形成于氣體供給管42的前端的氣體吐出口除了圖2A及圖2B所示之物外，還可以為圖3A~3B、圖4A~4B、圖5A~5C所示之氣體吐出口。
[0084]圖3A及圖3B所示之結(jié)構(gòu)，從開口的正面看氣體吐出口 42B呈正方形，圖4A及圖4B所示之結(jié)構(gòu)，從開口的正面看氣體吐出口 42C呈橫向長的長方形。另外，圖5A~5C所示之結(jié)構(gòu)的氣體吐出口 42D被形成為上下三級，并在各級形成有多個(gè)氣體吐出口 42D。形成于各級的氣體吐出口 42D的具體形狀，從開口的正面看可以為圓形，或者方形，或者橫向長的長方形，雖然沒有進(jìn)一步圖示，但從開口的正面看還可以為橢圓形。
[0085]接著，對使用上述的鑄造裝置10的硅錠的制造方法進(jìn)行說明。
[0086]首先，對坩堝20內(nèi)裝入硅原料。在此，作為硅原料，使用粉碎IlN (純度99.999999999)的高純度硅得到的被稱為“塊”的塊狀物。該塊狀的硅原料的粒徑例如為30mm 到 100mm。
[0087]接著，通過對上部加熱器43和下部加熱器33通電從而加熱裝入坩堝20內(nèi)的硅原料，以生成硅熔液3。此時(shí)，坩堝20內(nèi)的硅熔液3的熔融物表面被設(shè)定在低于坩堝20的側(cè)壁部22的上端的位置。
[0088]接著，使坩堝20內(nèi)的硅熔液3凝固。為此，首先，停止對下部加熱器33的通電，經(jīng)由供給路徑對冷硬板31的內(nèi)部供給氬氣。據(jù)此，冷卻坩堝20的底部。此時(shí)，繼續(xù)上部加熱器43的通電，由此在坩堝20內(nèi)從底面21向上方產(chǎn)生溫度梯度，通過該溫度梯度，硅熔液3向上方單向凝固。進(jìn)而，通過使對上部加熱器43的通電緩慢地減少，坩堝20內(nèi)的硅熔液3向上方凝固并生成娃錠。
[0089]另外，在該凝固工序中，經(jīng)由氣體供給管42和插入孔53，對坩堝20與蓋部50之間的空間中例如供給氬氣作為惰性氣體。從插入蓋部50的平面中心的插入孔53的氣體供給管42的前端部的例如氣體吐出口 42A供給的氬氣，由于與氣體供給管42的軸線L正交的方向延伸地形成有多個(gè)氣體吐出口 42A，因此，平行于硅熔液3的液面，并放射狀地?cái)U(kuò)散的同時(shí)通過坩堝20內(nèi)的硅熔液3上，從蓋部50的開口部、或者蓋部50與側(cè)壁部22之間的間隙向坩堝20的外部排出，并從坩堝20的外部進(jìn)一步通過設(shè)置在絕熱底板14上的排氣孔15向腔室11的外側(cè)排氣。
[0090]如此，利用單向凝固法制造硅錠。該硅錠例如為用作太陽能電池用基板的硅片或其他硅部件的素材。
[0091]根據(jù)如以上結(jié)構(gòu)的本實(shí)施方式的硅錠的鑄造裝置10，氬氣以其流動平行于坩堝20內(nèi)的硅熔液3的液面的方式從氣體供給管42的前端部側(cè)面的氣體吐出口 42A~42D供給。因此，氬氣在坩堝內(nèi)的硅熔液3的液面不會形成局部噴射的碰撞射流，而是沿著硅熔液的液面平行并大致均勻地流動。
[0092]該結(jié)果，能夠避免如現(xiàn)有技術(shù)中說明的在坩堝20內(nèi)的硅熔液3的液面的局部引起溫度下降而導(dǎo)致從該處開始凝固的情況。因此，能夠進(jìn)行凝固界面平滑的從坩堝的底部向上方的理想的單向凝固。因此，低壽命區(qū)域減少，雜質(zhì)的混入也減少。
[0093]另外，在坩堝內(nèi)氬氣 從氣體吐出口供給時(shí)，以平行于硅熔液3的液面的方式供給，因此，氬氣的流動變得平滑，氧化硅氣體等引起雜質(zhì)混入的氣體的去除效率提高。因此，能夠防止氧化娃氣體與i甘禍內(nèi)的碳反應(yīng)而生成CO氣體,從而能夠防止雜質(zhì)(碳)隨著CO氣體混入硅熔液3內(nèi)而混入。
[0094]而且，如上所述，氬氣不會在坩堝內(nèi)的硅熔液3的液面形成局部噴射的碰撞射流，而是沿著硅熔液的液面平行且大致均勻地流動，所以坩堝內(nèi)的硅熔液3的液面平滑，因此，抑制熔融物表面導(dǎo)致的坩堝的侵蝕，從坩堝的內(nèi)部漏出的雜質(zhì)混入硅錠以及結(jié)渣問題也難以產(chǎn)生。
[0095]如此，根據(jù)本實(shí)施方式能夠制造雜質(zhì)量少，結(jié)晶的生長方向穩(wěn)定的高品質(zhì)硅錠。
[0096]此外，上述實(shí)施方式中，氣體吐出口 42A~42D被形成為向與氣體供給管42的軸線L正交的方向延伸，但并不限定于此，還可以形成為相對于氣體供給管42的軸線L具有規(guī)定角度(例如90°~45° )地傾斜。
[0097]〈第二實(shí)施方式〉
[0098]圖6A~圖8B表示本發(fā)明所涉及的鑄造裝置的第二實(shí)施方式。圖6A及圖6B是表示本發(fā)明的鑄造裝置的第二實(shí)施方式的主要部分的圖。圖6A是氣體通道的側(cè)視圖，圖6B是氣體通道的俯視圖。
[0099]第二實(shí)施方式與上述第一實(shí)施方式的不同點(diǎn)只有氣體通道，其他的結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施方式相同，在此省去相同部分的說明。
[0100]第二實(shí)施方式的氣體通道60將基端側(cè)連接于氣體供給部的同時(shí)，具備將前端側(cè)朝向坩堝的上部空間配置的氣體供給主管61和從氣體供給管61的前端分支的多個(gè)氣體供給支管62。
[0101]氣體供給管61沿鉛直方向延伸配置，被配置為貫穿圖1所示腔室11的頂板部進(jìn)而通過蓋部50的插入孔，其前端延伸至坩堝20內(nèi)的上部、即貯留在坩堝20內(nèi)的硅熔液3的液面附近。
[0102]氣體供給支管62與氣體供給主管61正交，并向圓周方向相隔90°共連接四個(gè)，各個(gè)支管的前端均開口為氣體吐出口 62A。另外，從氣體吐出口 62A沿氣體供給支管62的軸線上與硅熔液3的液面平行地供給氬氣等惰性氣體。
[0103]氣體供給主管61及氣體供給支管62的剖面形狀為圓形，但并不限定于此，還可以為剖面橢圓狀，或者剖面正方形狀。另外，氣體供給支管62使用了直徑小于氣體供給主管61的支管，但并不限定于此，還可以使用直徑相同于氣體供給主管61的支管。
[0104]圖7A~圖7B、圖8A~圖8B分別表示氣體通道60的變形例。氣體通道60除了圖6A~圖6B所示之結(jié)構(gòu)外，還可以為圖7A~圖7B、圖8A~圖8B所示之結(jié)構(gòu)。
[0105]圖7k~圖7B所示之結(jié)構(gòu)，在氣體供給主管65的前端連接多個(gè)氣體供給支管66，這些氣體供給支管66與氣體供給主管正交并在圓周方向相隔45°共連接八根，氣體供給支管66的前端開口為氣體吐出口 66A。
[0106]另外，從氣體吐出口 66A沿氣體供給支管66的軸線上與硅熔液的液面平行地供給惰性氣體。
[0107]圖8A~圖8B所示之結(jié)構(gòu)，在氣體供給主管67的前端連接中空圓板狀的腔室68。腔室68的側(cè)壁上在圓周方向相隔同等間隔形成開口，該開口為氣體吐出口 68A。
`[0108]另外，從氣體吐出口 68A與氣體供給主管67正交，即與硅熔液的液面平行地供給惰性氣體。
[0109]該第二實(shí)施方式中，惰性氣體例如氬氣以其流動與坩堝內(nèi)的硅熔液的液面平行的方式從設(shè)置在氣體供給支管62、66或者腔室68中的氣體吐出口 62A、66A、68A供給。因此，氬氣不會在坩堝內(nèi)的硅熔液3的液面形成局部噴射的碰撞射流，而是沿硅熔液的液面平行且大致均勻地流動，以取得與上述第一實(shí)施方式相同的效果。
[0110]<第三實(shí)施方式>
[0111]圖9，圖10表示本發(fā)明所涉及的鑄造裝置的第三實(shí)施方式。圖9是表示本發(fā)明的鑄造裝置的第三實(shí)施方式的主要部分的立體圖。
[0112]該實(shí)施方式也與第二實(shí)施方式相同，除了作為其特征部分的氣體通道以外的結(jié)構(gòu)與上述第一實(shí)施方式相同，故省去其說明。
[0113]第三實(shí)施方式的氣體通道70，將基端側(cè)連接于氣體供給部，并具備將前端朝向坩堝的上部空間配置的氣體供給主管71和從氣體供給主管71的前端分支的多個(gè)氣體供給支管72。
[0114]氣體供給主管71沿著鉛直方向延伸配置，被配置為貫穿圖1所示的腔室11的頂板部進(jìn)而通過蓋部50的插入孔53，其前端延伸至坩堝20內(nèi)的上部、即貯留在坩堝20內(nèi)的硅熔液3的液面附近。
[0115]氣體供給支管72在氣體供給主管71的前端，相對于與該氣體供給主管71的軸線L正交的面，即水平面形成規(guī)定角度0a(例如0° < 0a<45°，優(yōu)選為0° < 0a<35°，更優(yōu)選為0° < 0a <25° )地向斜下方傾斜，并向圓周方向相隔90°共連接四根。氣體供給支管72的前端開口為氣體吐出口 72A。另外，從氣體吐出口 72A沿著氣體供給支管72的軸線上相對于硅熔液3的液面具有規(guī)定角度地向斜下方傾斜供給惰性氣體。
[0116]此外，規(guī)定角度Θ a根據(jù)從氣體吐出口 72A到硅熔液的液面的距離和坩堝上部的空間容量等適當(dāng)設(shè)定。
[0117]氣體供給主管71及氣體供給支管72的剖面形狀為圓形，但并不限定于此，還可以為剖面橢圓狀，或者剖面正方形狀。另外，氣體供給支管72使用了直徑小于氣體供給主管71的支管，但并不限定于此，還可以使用直徑相同于氣體供給主管71的支管。
[0118]圖10表示氣體通道70的變形例。氣體通道70除了圖9所示結(jié)構(gòu)外，還可以為圖10所示之結(jié)構(gòu)。
[0119]圖10所示之結(jié)構(gòu)，氣體供給支管74在氣體供給主管73的前端，相對于與該氣體供給主管73的軸線L正交的面，即水平面H形成預(yù)定角度0b(例如0° < 0a <45°，優(yōu)選為O。< 0a<35°，更優(yōu)選為0° < 0a<25° )地向斜上方傾斜，并向圓周方向相隔90°共連接四根。氣體供給支管74的前端開口為氣體吐出口 74A。另外，從氣體吐出口 74A沿著氣體供給支管74的軸線上相對于硅熔液的液面具有預(yù)定角度地向斜上方傾斜供給惰性氣體。
[0120]該第三實(shí)施方式之結(jié)構(gòu)中，氬氣從設(shè)置在氣體供給支管72、74的氣體吐出口 72A、74A以其流動相對于坩堝內(nèi)的硅熔液的液面具有規(guī)定角度的方式向斜下方或者斜上方傾斜供給。因此，氬氣不會在坩堝內(nèi)的硅熔液3的液面形成局部噴射的碰撞射流，而是沿著硅熔液的液面大致平行且均勻地流動，以取得與上述第一實(shí)施方式相同的效果。
[0121]<第四實(shí)施方式>
[0122]圖11是表示本發(fā)明所涉及的鑄造裝置的第四實(shí)施方式的側(cè)視圖。
[0123]該實(shí)施方式也與第二實(shí)施方式相同，除了作為其特征部分的氣體通道以外的結(jié)構(gòu)與上述第一實(shí)施方式相同，故省去其說明。
[0124]圖11所示結(jié)構(gòu)與圖6A~6B所示之第二實(shí)施方式的氣體通道60幾乎為相同結(jié)構(gòu)。
[0125]即，該氣體通道80，將基端側(cè)連接于氣體供給部，并具備將前端朝向坩堝的上部空間配置的氣體供給主管81和從氣體供給主管81的前端分支的多個(gè)氣體供給支管82。
[0126]氣體供給支管82與氣體供給主管81正交，并向圓周方向相隔90°共連接四個(gè)，各個(gè)支管的前端開口為氣體吐出口 82A。
[0127]該第四實(shí)施方式與第二實(shí)施方式的不同點(diǎn)是除了在氣體供給支管82的前端設(shè)置有氣體吐出口 82A之外，在氣體供給主管81的下端中央還設(shè)置有氣體吐出口 81A。
[0128]從設(shè)置在該氣體供給主管81的下端中央的氣體吐出口 81供給的惰性氣體量例如氬氣量為極少量，例如相對于從其他氣體吐出口 82A供給的氬氣的總量例如I / 5~I /10左右。
[0129]即，該第四實(shí)施方式中，主要通過從氣體供給支管82的前端的氣體吐出口 82A供給的氬氣，除去在坩堝內(nèi)產(chǎn)生的氧化硅氣體等不需要的氣體，輔助地通過從氣體吐出口 81A供給的氬氣除去位于氣體供給主管81的正下方的硅熔液附近的不需要的氣體。
[0130]該第四實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)中，氬氣主要從設(shè)置于氣體供給支管82的氣體吐出口 82A以其流動平行于坩堝內(nèi)的硅熔液液面的方式供給，因此，氬氣不會在坩堝內(nèi)的硅熔液3的液面形成局部噴射的碰撞射流，而是沿著硅熔液的液面大致平行并均勻地流動，以取得與上述實(shí)施方式相同的效果。
[0131]以上對本發(fā)明的實(shí)施方式的鑄造裝置、鑄造方法進(jìn)行了說明，但并不限定于此，能夠適宜進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。
[0132]例如，在上述實(shí)施方式中，以供給惰性氣體的氣體通道為一條的情況為例進(jìn)行了說明，但并不限定于此，氣體通道還可以為多條。
[0133]另外，還可以將第一至第四實(shí)施方式所示的不同氣體通道分別適宜組合而整體構(gòu)成一條氣體通道。
[0134]另外，對坩堝內(nèi)供給的惰性氣體當(dāng)然并不限定于氬氣，還可以為其他惰性氣體。
[0135]另外，本發(fā)明的鑄造裝置及鑄造方法還能夠應(yīng)用于鑄造硅以外的材料的情況。例如，作為金屬原料可以使用銅合金、鋁合金、鈦合金、鎂合金、或鎳合金等。作為半導(dǎo)體原料可以使用青玉、砷化稼、或氮化稼等。
[0136]【實(shí)施例1】
[0137]進(jìn)行了確認(rèn)本發(fā)明的效果的實(shí)驗(yàn)。使用具備第一實(shí)施方式的圖2A及圖2B所示氣體通道的鑄造裝置，制造了 680mm方形X高度250mm的四角形柱狀硅錠。此外，凝固速度為5mm/h。另外,通過氣體供給管的Ar氣體的供給量為501/min。
[0138]另外，除了使用【背景技術(shù)】中說明的具備相對于熔融物表面向垂直方向噴射氬氣的惰性氣體供給單元以外，在與上述相同條件下制造了硅錠。以此為比較例I。
[0139]另外，通過將獲得的硅錠沿水平方向切片制造硅片，按照下面步驟構(gòu)成了太陽能電池。
[0140]首先，制造硅錠時(shí)，添加B (硼)作為受體，制造了阻抗值為I~2Ω.cm左右的P型硅片。在該P(yáng)型硅片中使用P (磷)摻雜劑，實(shí)施850°c X30分鐘的熱處理，在P型硅層上形成了 N型硅層。
[0141]接著，為了降低反射率，在硅片的表面上進(jìn)行了蝕刻。蝕刻時(shí)使用了 KOH水溶液。
[0142]在蝕刻后的娃片的兩面通過絲網(wǎng)印刷涂布并煅燒Ag糊劑(dupont公司制Solamet) ο涂布厚度為30 μ m，在750°C X I分鐘的條件下進(jìn)行了煅燒。此時(shí)，在硅片的里面涂布并擴(kuò)散Al糊劑(dupont公司制Solamet),在電極附近形成了 P+層(A1-BSF)。
[0143]在此，Al糊劑的涂布厚度為20 μ m。
[0144]另外，硅片的表面利用等離子體化學(xué)氣相法(CVD)形成SiNx以作為防反射膜。使用了株式會社島津制作所制造的太陽能電池防反射膜制造用裝置(SLPC)，厚度為lOOnm。
[0145]使用該試驗(yàn)用的太陽能電池，通過太陽能模擬器來評價(jià)轉(zhuǎn)換效率。
[0146]本實(shí)施例1中，使用株式會社三永電機(jī)制作所制造的XES-155S1，在1000W/m2、AM1.5、25°C的條件下實(shí)施。
[0147]評價(jià)結(jié)果用圖12、圖13表示。
[0148]圖12為本發(fā)明所涉及的實(shí)施例1的結(jié)果，圖13為比較例I的結(jié)果。
[0149]本實(shí)施例1的結(jié)果無論在Omm~200mm的高度位置，都取得了大體上超過16%的固定的轉(zhuǎn)換效率，平均轉(zhuǎn)換效率為16.5%。
[0150]另一方面，比較例I的結(jié)果，在Omm~200mm的高度位置上與實(shí)施例1的結(jié)果相比，轉(zhuǎn)換效率低，且偏差也大。另外，平均轉(zhuǎn)換效率為15.9%。[0151]另外，關(guān)于上述實(shí)施例1，比較例1，沿著鑄錠的中央部的剖面進(jìn)行了載體的壽命測定。測定使用瑟米萊伯公司制造的壽命測定裝置WT-2000進(jìn)行。
[0152]測定結(jié)果用圖14、圖15表示。
[0153]圖14是本發(fā)明所涉及的實(shí)施例1的結(jié)果，圖15是比較例I的結(jié)果。
[0154]本實(shí)施例1的結(jié)果中，壽命短的區(qū)域S (例如2μ s以下的區(qū)域)離上端最多5mm左右。與此相對，比較例I的結(jié)果中，在中央部從上端至25mm左右的部分測定出壽命短的區(qū)域S。上端的壽命短的區(qū)域S推測是由于氬氣的噴射導(dǎo)致熔液溫度下降，凝固從該處開始而產(chǎn)生的。
[0155]由以上事項(xiàng)確認(rèn)了根據(jù)本發(fā)明能夠同時(shí)減少低壽命區(qū)域及雜質(zhì)量，并且能夠制造結(jié)晶的成長方向穩(wěn)定的娃錠。
[0156]此外，進(jìn)行了確認(rèn)本發(fā)明的效果的其他實(shí)驗(yàn)。
[0157]【實(shí)施例2】
[0158]使用具備第一實(shí)施方式的圖4A及圖4B所示氣體通道的制造裝置制造了 680mm角X高度250mm的四角形柱狀硅錠。此外，凝固速度為5mm/h。另外，通過氣體供給管的Ar氣體的供給量為501/min。
[0159]【實(shí)施例3】
[0160]使用具備第四實(shí)施方式的圖11所示氣體通道的制造裝置制造了 680mm方形X高度250mm的四角形柱狀娃錠。此外,凝固速度為5mm/h。另外,通過氣體供給管的Ar氣體的供給量為501/min。
[0161]將實(shí)施例1~3及比較例I中獲得的硅錠沿水平方向切片制造了硅片，通過傅里葉變換紅外線分光法(F1-1R)測定了硅片中的氧氣濃度及碳濃度。(日本分光株式會社制造FT/IR-4000, JEIDA-61-2000)
[0162]測定結(jié)果用表1表不。
[0163]【表1】
[0164]
【權(quán)利要求】
1.一種鑄造裝置，具備收容熔融物且上部具有開口部的坩堝、加熱該坩堝的加熱器和對所述坩堝內(nèi)的上部供給惰性氣體的惰性氣體供給單元，所述鑄造裝置的特征在于， 所述惰性氣體供給單元具備延伸至所述坩堝內(nèi)的上部并在前端部設(shè)置有氣體吐出口的氣體通道， 所述氣體吐出口設(shè)置為從所述氣體吐出口吐出的惰性氣體的流動平行于所述坩堝內(nèi)的熔融物表面，或者相對于所述坩堝內(nèi)的熔融物表面具有規(guī)定角度地傾斜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造裝置，其特征在于， 所述氣體通道具有朝向所述坩堝內(nèi)的上部配置的氣體供給管， 所述氣體供給管的前端部側(cè)面形成有所述氣體吐出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造裝置，其特征在于， 所述氣體通道具備朝向所述坩堝內(nèi)的上部配置的氣體供給主管和從該氣體供給主管的前端分支的多個(gè)氣體供給支管， 所述氣體供給支管被配置為平行于所述坩堝內(nèi)的熔融物表面， 所述氣體供給支管的前端設(shè)置有所述氣體吐出口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造裝置，其特征在于， 所述氣體通道具備朝向所述坩堝內(nèi)的上部配置的氣體供給主管和從該氣體供給主管的前端分支的多個(gè)氣體供給支管，` 所述氣體供給支管被配置為相對于所述熔融物表面具有所述規(guī)定角度地傾斜，所述氣體供給支管的前端設(shè)置有所述氣體吐出口。
5.一種鑄造方法，使用具備收容熔融物且上部具有開口部的坩堝、加熱該坩堝的加熱器和對所述坩堝內(nèi)的上部供給惰性氣體的惰性氣體供給單元的鑄造裝置，所述鑄造方法的特征在于， 所述惰性氣體供給單元具備延伸至所述坩堝內(nèi)的上部并在前端部設(shè)置有氣體吐出口的氣體通道， 從所述氣體吐出口供給惰性氣體，使得該惰性氣體的流動平行于所述坩堝內(nèi)的熔融物表面，或者相對于所述坩堝內(nèi)的熔融物表面具有規(guī)定角度地傾斜。
【文檔編號】B22D27/04GK103498195SQ201310059341
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月28日
【發(fā)明者】二田伸康, 中田嘉信 申請人:三菱綜合材料株式會社