(57)【要約】【課題】鋳型の高さを有効に利用したシリコンインゴットの鋳造が可能であり、鋳型内で融解したシリコン融液に原料を追加供給する際、鋳型の離型材が剥離損傷し、鋳塊のひび割れ及び離型材の混入により歩留りを低下させると言う問題点を解消した鋳造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  上面が開口部を有し、且つ、少なくとも上面側及び壁面側から加熱される鋳型１内でシリコン原料５を加熱溶融し、シリコン融液５とする第１工程と、前記鋳型１に追加のシリコン原料７を投入する第２工程と、前記シリコン原料７を加熱溶融し、シリコン融液５とした後、冷却して凝固させる第３工程と、を含むシリコン鋳造方法であって、前記第２工程で、前記鋳型の上面側からの加熱を停止した状態で追加のシリコン原料を投入するシリコン鋳造方法。【選択図】図１
2006231372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面が開口部を有し、且つ、少なくとも上面側及び壁面側から加熱される鋳型内でシリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とする第１工程と、
前記鋳型に追加のシリコン原料を投入する第２工程と、
前記シリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とした後、冷却して凝固させる第３工程と、
を含むシリコン鋳造方法であって、
前記第２工程で、前記鋳型の上面側からの加熱を停止した状態で追加のシリコン原料を投入するシリコン鋳造方法。
【請求項２】
前記第２工程で、前記鋳型の少なくとも壁面側から加熱するようにした請求項１に記載のシリコン鋳造方法。
【請求項３】
前記第２工程で、前記シリコン融液の液面で最も温度が低い位置の近傍に、前記鋳型に追加のシリコン原料を落下させて投入するようにした請求項１又は請求項２に記載のシリコン鋳造方法。
【請求項４】
鋳型内でシリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とする第１工程と、
前記鋳型に追加のシリコン原料を投入する第２工程と、
前記シリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とした後、冷却して凝固させる第３工程と、
を含むシリコン鋳造方法であって、
前記第２工程で投入される前記追加のシリコン原料は、その最大粒子径をｐｍａｘ（ｃｍ）としたとき、ｐｍａｘ≧１ｃｍを満たし、かつ、前記鋳型の開口部が内包する円の最大径ｄ（ｃｍ）に対して、ｐｍａｘ／ｄ≦０．１２の範囲を満足するようにしたシリコン鋳造方法。
【請求項５】
前記第２工程で前記追加のシリコン原料を投入する際には、前記鋳型の上側面からの加熱を停止した請求項４に記載のシリコン鋳造方法。
【請求項６】
前記第２工程で、前記鋳型の少なくとも壁面側から加熱するようにした請求項４又は請求項５に記載のシリコン鋳造方法。
【請求項７】
前記第２工程で、前記シリコン融液の液面で最も温度が低い位置の近傍に、前記鋳型に追加のシリコン原料を落下させて投入するようにした請求項４から請求項６のいずれか一項に記載のシリコン鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコン鋳塊を製造するためのシリコン鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池はクリーンな石油代替エネルギー源として小規模な家庭用から大規模な発電システムまでの広い分野でその実用化が期待されている。これらは使用原料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類され、なかでも現在市場に流通しているものの多くは結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型と多結晶型に分類されている。単結晶シリコン太陽電池は基板の品質が良いために変換効率の高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが高いという短所を有する。
【０００３】
これに対して多結晶シリコン太陽電池は従来から市場に流通してきたが、近年、環境問題への関心が高まる中でその需要は増加しており、より低コストで高い変換効率が求められている。こうした要求を満たすには多結晶シリコン基板の低コスト化、高品質化が必要であり、高純度のシリコン鋳塊を歩留り良く製造することが求められている。
【０００４】
多結晶シリコン太陽電池に用いる多結晶シリコン基板は一般にキャスティング法と呼ばれる方法で製造される。このキャスティング法は、離型材を塗布した石英などからなる鋳型内に高温で加熱融解させたシリコン融液を注湯して鋳型底部より一方向凝固させたり、シリコン原料を鋳型内に入れて一旦融解した後、再び底部より一方向凝固させたりして、シリコン鋳塊を形成する方法である。このシリコン鋳塊の端部を除去し、所望の大きさに切断して切り出し、切り出したシリコン鋳塊を所望の厚みにスライスして太陽電池を形成するための多結晶シリコン基板を得る。
【０００５】
このような多結晶シリコン鋳塊を作製するための一手段として、溶融炉を設けてシリコン原料を融解し、融解させたシリコン融液を鋳型内に注湯して冷却凝固する注湯式方法では、鋳造装置において溶融部と凝固部を別々に用意する必要があり、装置が大型化することとなる。しかしながら、鋳型内でシリコン原料を融解して、そのまま鋳型内で凝固する鋳型内溶融による方法では、溶融炉を設ける必要がないため装置が大型化することなく、高純度石英坩堝などの高価な部材が必要なくなり、多結晶シリコン鋳塊のコストを抑えることができる。したがって、後述の方法を用いて多結晶シリコン鋳塊を作製したほうが優位である。
【０００６】
ここで、図４に従来の鋳型内溶融におけるシリコン鋳造装置を示す。
【０００７】
図４において１１は鋳型、１２は冷却部、１３は断熱壁、１４は鋳型加熱部、１５はシリコン原料、１８は離型材である。鋳型１１としては、通常、石英や黒鉛などからなる鋳型１１の内表面に離型材１８を被覆したものが用いられる。一般的に離型材１８としてはシリコンの窒化物である窒化珪素、シリコンの炭化物である炭化珪素、シリコンの酸化物である二酸化珪素等の粉末が用いられ、これらの粉末を適当なバインダーと溶剤とから構成される溶液中に混合・攪拌してスラリーとし、鋳型内壁に被覆もしくはスプレー等の手段でコーティングすることが公知の技術として知られている。図４に示すシリコン鋳造装置では、この鋳型１１内にシリコン原料１５を供給し、このシリコン原料１５を鋳型加熱部１４で１５００℃程度に加熱して溶融し、鋳型１１を徐々に下降させてシリコン融液１５を鋳型加熱部１４から徐々に離して冷却したり、或いは鋳型１１の位置はそのままで冷却部１２により温度を下げて冷却し、この鋳型１１内でシリコン融液１５を凝固させてシリコン鋳塊を形成するものである（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。このシリコン鋳塊は鋳型１１を破壊することにより、鋳型１１から取り出したり、もしくは鋳型１１を分解して取り出すことができる。なお、これらはすべて真空容器（不図示）内に配置される。
【０００８】
このようなシリコン鋳造方法に用いられる鋳型内のシリコン原料の嵩比重は通常１．０〜１．５でシリコンの比重２．３３に比べて半分程度である。そのため、図４に示す従来のシリコン鋳造装置では、シリコン融液１５が凝固して形成されたシリコン鋳塊の高さは鋳型１１の半分程度しかない。鋳型１１及びこの鋳型１１の内壁面に塗布される離型材１８は高価な消耗品であり、ランニングコストに占める割合が大きい。したがって従来技術では、鋳塊の大きさに対して必要な鋳型１１が大きく、鋳塊の重量当りの鋳型１１及び離型材１８が高価になるという問題があった。
【０００９】
図５に従来の原料追加型のシリコン鋳造装置を示す。この問題に対して特許文献２では、図５に示すようなシリコン鋳造装置とすることで、鋳型内に追加のシリコン原料２７を供給でき、鋳型の高さを有効に利用したシリコン鋳造方法とすることができる。
【００１０】
ここで２１は鋳型、２２は冷却部、２３ａは断熱材、２３ｂは可動式扉、２４は加熱部、２５はシリコン原料（シリコン融液）、２６は原料供給部、２６ａは導入部材、２６ｂは開閉口、２６ｃは原料供給タンク、２７は追加のシリコン原料、２８は離型材である。
【００１１】
鋳型上の断熱壁２３ａの上部に可動式扉２３ｂを設け、この可動式扉２３ｂ上に原料供給部２６を設け、この原料供給部２６から前記鋳型内に追加のシリコン原料２７を供給できるようにしている。このように鋳型内に装入したシリコン原料が溶融することで、シリコン原料の嵩が減少した後に鋳型内に原料を追加供給することでシリコン融液を増加させることができ、シリコン鋳塊の重量当りの鋳型及び離型材のコストを減少させることができる。
【特許文献１】米国特許第３８９８０５１号公報
【特許文献２】特開平１０−１３９５８６号公報
【非特許文献１】５ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ＰＶＳＥＣ  ｐ３０３〜３０５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、特許文献２に示すような従来の追加のシリコン原料２７を供給する方法では、投入した追加のシリコン原料２７によって、鋳型内のシリコン融液２５が跳ね飛ぶことがあった。鋳型内のシリコン融液２５が跳ね飛んだ場合、鋳型内面や加熱部２４、ひどいときには断熱材２３などにもシリコン融液２５が付着するおそれがある。
【００１３】
そして、追加のシリコン原料２７を投入する際に可動式扉２３ｂが開くことで付着したシリコン融液２５が冷えて凝固し、追加のシリコン２７投入後にまた加熱される。付着凝固したシリコン層と離型材２８との熱膨張係数の違いにより、離型材２８が剥離損傷し、シリコン融液内に混入してしまう問題があった。また、ひどいときには、離型材２８が剥離することで鋳型材２８とシリコン融液２５が接触し、シリコン鋳塊にひび割れが生じ製品歩留まりが低下するといった問題に発展するおそれがある。
【００１４】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みて発明されたものであり、追加のシリコン原料を投入することにより、鋳型の高さを有効に利用して、尚且つ鋳型内面の離型材が剥離損傷することなく、鋳型のクラック及び離型材の混入による歩留まりの低下を抑制した鋳造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明者が鋭意検討を行なったところ、あらかじめ鋳型内に装入したシリコン原料２５は鋳型上部からも加熱される。この状態で原料供給部２６から追加のシリコン原料２７を投入すると、鋳型内でシリコン融液の液面が一番加熱され高温となり、粘度が低くシリコン融液２５が鋳型内面などに跳ね飛ぶ原因となることを知見した。
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係るシリコン鋳造方法は、上面が開口部を有し、且つ、少なくとも上面側及び壁面側から加熱される鋳型内でシリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とする第１工程と、前記鋳型に追加のシリコン原料を投入する第２工程と、前記シリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とした後、冷却して凝固させる第３工程と、を含むシリコン鋳造方法であって、前記第２工程で、前記鋳型の上面側からの加熱を停止した状態で追加のシリコン原料を投入するようにした。
【００１７】
本発明の請求項２に係るシリコン鋳造方法は、請求項１に記載のシリコン鋳造方法であって、前記第２工程で、前記鋳型の少なくとも壁面側から加熱するようにした。
【００１８】
本発明の請求項３に係るシリコン鋳造方法は、請求項１又は請求項２に記載のシリコン鋳造方法であって、前記第２工程で、前記シリコン融液の液面で最も温度が低い位置の近傍に、前記鋳型に追加のシリコン原料を落下させて投入するようにした。
【００１９】
本発明の請求項４に係るシリコン鋳造方法は、鋳型内でシリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とする第１工程と、前記鋳型に追加のシリコン原料を投入する第２工程と、前記シリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とした後、冷却して凝固させる第３工程と、を含むシリコン鋳造方法であって、前記第２工程で投入される前記追加のシリコン原料は、その最大粒子径をｐｍａｘ（ｃｍ）としたとき、ｐｍａｘ≧１ｃｍを満たし、かつ、前記鋳型の開口部が内包する円の最大径ｄ（ｃｍ）に対して、ｐｍａｘ／ｄ≦０．１２の範囲を満足するようにした。
【００２０】
本発明の請求項５に係るシリコン鋳造方法は、請求項４に記載のシリコン鋳造方法であって、前記第２工程で前記追加のシリコン原料を投入する際には、前記鋳型の上側面からの加熱を停止した。
【００２１】
本発明の請求項６に係るシリコン鋳造方法は、請求項４又は請求項５に記載のシリコン鋳造方法であって、前記第２工程で、前記鋳型の少なくとも壁面側から加熱するようにした。
【００２２】
本発明の請求項７に係るシリコン鋳造方法は、請求項４から請求項６のいずれか一項に記載のシリコン鋳造方法であって、前記第２工程で、前記シリコン融液の液面で最も温度が低い位置の近傍に、前記鋳型に追加のシリコン原料を落下させて投入するようにした。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように本発明は、上面が開口部を有し、且つ、少なくとも上面側及び壁面側から加熱される鋳型内でシリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とする第１工程と、前記鋳型に追加のシリコン原料を投入する第２工程と、前記シリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とした後、冷却して凝固させる第３工程と、を含むシリコン鋳造方法であって、前記第２工程で、前記鋳型の上面側からの加熱を停止した状態で追加のシリコン原料を投入するようにした。
【００２４】
鋳型内でシリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とする第１工程と、前記鋳型に追加のシリコン原料を投入する第２工程と、前記シリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とした後、冷却して凝固させる第３工程と、を含むシリコン鋳造方法であって、前記第２工程で投入される前記追加のシリコン原料は、その最大粒子径をｐｍａｘ（ｃｍ）としたとき、ｐｍａｘ≧１ｃｍを満たし、かつ、前記鋳型の開口部が内包する円の最大径ｄ（ｃｍ）に対して、ｐｍａｘ／ｄ≦０．１２の範囲を満足するようにした。
【００２５】
よって、嵩比重の小さい鋳型内のシリコン原料を融液とし、前記鋳型に追加のシリコン原料を投入するようにしたことで、ランニングコストの費用が高い離型材が塗布された鋳型の高さを有効に利用することができ、尚且つ鋳型内のシリコン融液が跳ねにくく、鋳型内面にシリコン融液が付着することを防止できる。
【００２６】
その結果、シリコン鋳塊の重量当たりの鋳型及び離型材のコストが小さくなり、尚且つ鋳型内面の離型材が剥離損傷することなく、鋳型のクラック及び離型材の混入によるシリコン鋳塊の歩留まり低下を抑制した鋳造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明に係るシリコン鋳造装置の一実施形態を示す図であり、１は鋳型、２は冷却部、３ａは断熱壁、３ｂは可動式扉、４は加熱部、４aは上部加熱部、４ｂは側部加熱部、５はシリコン原料またはシリコン原料が溶融して形成されたシリコン融液、６は原料供給部、６ａは導入部材、６ｂは開閉口、６ｃは原料供給タンク、７は追加のシリコン原料、８は離型材である。
【００２８】
この鋳型１は、黒鉛、二酸化珪素などからなり、一体構造の鋳型で構成される。このような、一体構造の鋳型１はシリコン鋳塊を取り出す際、鋳型１を破壊して取り出すため使い捨てであり、そして鋳型全体を有効に利用するため鋳型内のシリコン原料を融解した後、追加のシリコン原料７を供給するほうが望ましい。
【００２９】
図１に示す鋳型１の内面側には離型材８が塗布されており、このような離型材８によって、鋳型１の内部のシリコン融液５を凝固した後、鋳塊を取り出すことができる。この際、離型材８がなければシリコン鋳塊と鋳型１とが融着し、取り出すときにひび割れや、欠けを生ずるため離型材８は本発明において極めて重要な位置を占めている。
【００３０】
このような離型材８としては、窒化珪素、炭化珪素、酸化珪素などの各粉体、または混合粉を適当な有機バインダーと溶剤とから構成される溶液中に混合・攪拌してスラリーとし、へらや刷毛、スプレー法などを用いて鋳型１の内面に塗布・乾燥して被覆する。バインダーには、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）、ＭＣ（メチルセルロース）、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）、ＥＣ（エチルセルロース）、ＨＰＣ（ヒドロキシプロピルセルロース）、ワックスなどが一般的に使用される。また、有機バインダー水溶液を混合してスラリー状にした離型材８を被覆するような場合、その後の加熱で有機バインダーの熱分解性生成物がシリコン融液５中に混入することを防止するため、脱脂処理が行われる。また、乾燥方法としては、自然乾燥または、ホットプレート、オーブンなどの従来周知の方法を用いて乾燥させて脱脂処理を行うことで、鋳型１に離型材８の接着が可能となっている。
【００３１】
そして鋳型１は、グラファイトなどからなる断熱壁３ａの内部に配置される。そして、この鋳型内にシリコン原料５を装入し、加熱部４によって加熱されてシリコン融液５とする。次に、鋳型１の上部に設けられた原料供給部６により、鋳型１内に追加のシリコン原料７が供給される。なお、この鋳型１、断熱壁３、加熱部４、原料供給部６、離型材８は真空容器内（不図示）に設置される。
【００３２】
原料供給部６の構成は、例えばステンレス鋼などからなる追加のシリコン原料７を保持するための原料供給タンク６ｃを設け、その下には、追加のシリコン原料７を鋳型１に導くための導入部材６ａを設ける。また、導入部材６ａには貫通孔ｈを有しており、貫通孔ｈと追加のシリコン原料供給タンク６ｃとの間には開閉口６ｂが設けられている。
【００３３】
追加のシリコン原料７を鋳型１内に供給する場合には、原料供給タンク６ｃから開閉口６ｂを開くことで、導入部材６ａを通して追加のシリコン原料７を供給することができる。そして、加熱部４には抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどが用いられる。
【００３４】
このように、鋳型１内のシリコン原料を加熱部４によって加熱し、融液の状態にしてから追加のシリコン原料７を供給するため、ランニングコストの費用が高い離型材８が塗布された鋳型１の高さを有効に利用した鋳型内溶解を可能にしている。
【００３５】
このとき、シリコン融液（液体）の密度が２．５５ｇ／ｃｍ３であるのに対してシリコン鋳塊（固体）の密度は２．３３ｇ／ｃｍ３であるため、液体から固体に移行するときに生じる約９％の体積膨張を考慮して、シリコン融液が鋳型１の高さの約９割となるように追加のシリコン原料７を投入することが望ましい。
【００３６】
こうしてできたシリコン融液５をシリコン鋳塊とするため、鋳型１を下部から抜熱する。鋳型１の下部から抜熱することで、シリコン鋳塊の一方向凝固を実現している。しかしながら、側部加熱部４ｂにより加熱を停止した場合に、鋳型内のシリコン融液５は、液面からの抜熱が大きいため、シリコン融液５の液面が先に凝固してしまい、シリコン融液５が内部に取り残されると、後で取り残されたシリコン融液５が凝固して膨張し、シリコン鋳塊の表面があたかも噴火したような状態となりシリコン鋳塊に割れが生じる。この問題を防ぐため、シリコン融液５の上部に位置する上部加熱部４ａによって、シリコン融液５の液面を加熱し鋳型内シリコン融液５の液面を凝固させないようにすることが望ましい。
【００３７】
このようにして、鋳型１の下部に備えられた冷却部２に接触もしくは近づけることによって、鋳型１の下部から抜熱を行えば、シリコン融液５を一方向凝固させることができる。このとき、冷却部２としては、例えばステンレス（ＳＵＳ）などの金属板を用いることができ、内部に水などの冷媒を循環させるなどして、鋳型１の内部のシリコン融液５から効果的に抜熱できるように構成することが望ましい。なお、冷却・凝固して得られたシリコン鋳塊は、所望の大きさに切断・洗浄して、太陽電池用多結晶シリコン基板材料などに用いられる。
【００３８】
本発明に係る第一形態のシリコン鋳造方法は、上面が開口部を有し、且つ、少なくとも上面側及び壁面側から加熱される鋳型内でシリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とする第１工程と、前記鋳型に追加のシリコン原料を投入する第２工程と、前記シリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液とした後、冷却して凝固させる第３工程と、を含むシリコン鋳造方法であって、前記第２工程で、前記鋳型の上面側からの加熱を停止した状態で追加のシリコン原料を投入するシリコン鋳造方法である。このように、第２工程に発明の特徴部分を有しているため、以下、特徴部分に着目して説明する。
【００３９】
まず、本発明の第１工程を経た後、鋳型内は、加熱溶融されシリコン融液５が存在している状態となる。次に、第２工程で鋳型を加熱し続けながら追加のシリコン原料７を投入して溶融するが、このとき鋳型１の上面側からの加熱を停止した状態で追加のシリコン原料を投入するようにした。
【００４０】
ここで、このときの鋳型内のシリコン融液５の温度分布について説明する。
【００４１】
図２（ａ）は本発明に係る加熱部による鋳型１内の温度分布を示す図である。また、図２（ｂ）は従来の加熱部による鋳型１内の温度分布を示す図である。Ａ１、Ａ２は鋳型内部で最も高温な場所、Ｂ１、Ｂ２は鋳型内部でＡ１、Ａ２の次に温度が高い場所、Ｃ１、Ｃ２はＢ１、Ｂ２よりも温度が低い場所を示す。
【００４２】
本発明のシリコン融液５の液面と、従来では温度分布に変化が生じており、シリコン融液５の液面では従来よりもシリコン融液５の液面温度が低いため粘度が高い状態となる。この状態で追加のシリコン原料７を供給することによって、鋳型内のシリコン融液５が跳ねにくく、鋳型内面にシリコン融液５が付着することを防止できる。
【００４３】
以下、本発明の効果の発明機構についてさらに詳しく説明する。図３に本発明に係る加熱部で加熱した場合のシリコン融液５の跳びはねについて従来との比較を示す。図３（ａ）は、本発明に係る加熱部を有したシリコン鋳造方法（第２工程）を模式的に示す図であり、図３（ｂ）は、従来の加熱部２４を有したシリコン鋳造方法を模式的に示した図である。
【００４４】
ここで、４ａは上部加熱部、４ｂは側部加熱部、５はシリコン融液、７は追加のシリコン原料である。図２（ａ）に示した温度分布からもわかるように、本発明では鋳型１内のシリコン融液５の液面の温度が低いため、追加のシリコン原料７が落下した場合であっても、シリコン融液５の液面は粘度が高く跳ねにくい。その結果、鋳型内面や、上部加熱部４ａ、側部加熱部４ｂ、さらには断熱材３ａなどにシリコン融液が跳ねて付着することを防止できる。
【００４５】
しかしながら、従来のシリコン鋳造方法では鋳型２１の上面側からも加熱されるため、図２（ｂ）に示す温度分布となる。その結果、鋳型２１内のシリコン融液２５の液面では粘度が低いため跳ねやすい。そして図３（ｂ）に示すように、鋳型内面に跳ねたシリコン融液２５が付着することで、付着したシリコン融液２５の部分の離型材２８が剥がれてシリコン融液２５内に混入する恐れがある。
【００４６】
このように、本発明に係る鋳型１内にシリコン融液５の温度分布を形成してから追加のシリコン７を供給することで、ランニングコストの費用が高い離型材８が塗布された鋳型１の高さを有効に利用することができ、尚且つ鋳型内のシリコン融液５が跳ねにくく、鋳型内面にシリコン融液５が付着することを防止できる。その結果、鋳塊の重量当たりの鋳型１及び離型材８のコストが小さくなり、鋳型内面の離型材８が剥離損傷することなく、鋳型１のクラック及び離型材８の混入による鋳塊の歩留まり低下を抑制した鋳造方法を提供できる。
【００４７】
より望ましい形態として、本発明の第一形態では、第２工程で、鋳型１の少なくとも壁面側から加熱するようにした。例えば、鋳型１を取り囲む略ドーナッツ状の側部加熱手段４ｂとすれば均一に鋳型１を加熱することができてなおよい。そして、本発明の加熱方法と、可動式扉３ｂを開いたときの鋳型１から断熱材３ａ外部への熱放射によって鋳型１内部のシリコン融液５の液面の温度は低下するため好ましい。
【００４８】
さらに、本発明に係る第一形態では、第２工程で、シリコン融液５の液面で最も温度が低い位置の近傍に、鋳型１に追加のシリコン原料７を落下させて投入することで、シリコン融液５が鋳型内面に付着することや、加熱手段４へシリコン融液５が飛散することを抑制できる。
【００４９】
次に、本発明に係る第二形態のシリコン鋳造方法では、鋳型内でシリコン原料を加熱溶融し、シリコン融液５とする第１工程と、鋳型１に追加のシリコン原料７を投入して溶融する第２工程と、シリコン融液５を冷却し凝固させる第３工程と、を含むシリコン鋳造方法であって、第２工程で投入されるシリコン原料は、その最大粒子径をｐｍａｘとしたとき、ｐｍａｘ≧１ｃｍ、かつ、鋳型１の開口部において、この鋳型１の開口部に内包する円の最大径をｄ（ｃｍ）に対して、ｐｍａｘ／ｄ≦０．１２の範囲を満足するようにした。
【００５０】
以下、本文中で使用される追加のシリコン原料の最大粒子径ｐｍａｘとは、振動ふるいなどを用いて規定することができる。ふるい目の形状は、角目とし、ふるいの目開き及び許容誤差は、原則としてＪＩＳＺ８８０１によるものとした。追加のシリコン原料７は、まず１ｃｍ以上に分類し、その後鋳型１の開口部のサイズｄ（ｃｍ）に合わせてふるい目の形状を変更することで、最大粒子径ｐｍａｘ（ｃｍ）をｐｍａｘ／ｄ≦０．１２の範囲に収めることができる。
【００５１】
追加のシリコン原料７の大きさを上記範囲とすることで、追加のシリコン原料７同士が衝突しにくくなり、また衝突の際のエネルギーも緩和されるため、追加のシリコン原料７は、原料供給タンク６ｃから鋳型１へとほぼ垂直に落下する。
【００５２】
よって、限られた範囲内にかたまって追加のシリコン原料７が落下するため、シリコン融液５の飛び跳ねを抑え、追加のシリコン原料７が鋳型１の開口部からはみ出したり、鋳型１に衝突することを抑制でき、追加のシリコン原料７同士の衝突によって鋳型１壁面側に追加のシリコン原料７があたることを抑制し、鋳型１内面側にシリコン融液５が付着することを抑制できる。さこのように、結果的に、離型材８が剥離損傷し、鋳型１のクラック及び離型材８の混入による歩留まりの低下を抑制できる。
【００５３】
そして、仮に鋳型１壁面側に追加のシリコン原料７が当たった場合であっても、衝撃が小さいため、鋳型１壁面側から離型材８が剥離し鋳型内に混入してシリコン鋳塊のひび割れが生じたり、離型材８が剥離してシリコン融液５に取り込まれるといった問題を抑制することができる。また、衝突によって離型材８が剥離し鋳型材８とシリコン融液５が接触して、シリコン鋳塊にひび割れが生じ製品歩留りを減少させるという問題も防ぐことができる。
【００５４】
また、上記範囲の追加のシリコン原料７であれば、鋳型内のシリコン融液５の液面が急激に冷やされることもなく、シリコン融液５の液面が凝固してしまうといった問題も抑制される。
【００５５】
さらに、鋳型１の上面側を加熱し続けながら、鋳型１に追加のシリコン原料７を投入しても、鋳型１内面にシリコン融液５が飛び跳ねることを抑制でき、さらに溶融時間を短縮することができる。また、鋳型内のシリコン融液５の液面が急激に冷やされることもなく、シリコン融液５の液面が凝固してしまうといった問題をより抑制することが可能となる。
【００５６】
しかしながら、追加のシリコン原料７の最大粒子径がｐｍａｘ／ｄ＞０．１２の範囲となる場合、追加のシリコン原料７同士が衝突し易くなり、衝突時における追加のシリコン原料７の衝撃も大きくなるため、追加のシリコン原料７が鋳型１の開口部からはみ出し易くなる。その結果、鋳型１壁面側に当たった場合の衝撃も大きくなる。そして、鋳型１壁面側との衝突によって離型材８が剥離し、作製したシリコン鋳塊にひび割れが生じ製品歩留まりを減少させるといった問題が生じる。
【００５７】
また、鋳型１の開口部からのはみ出しを抑えるために、導入部６ａの貫通孔ｈを狭くすると、鋳型内に追加のシリコン原料７を投入するのに時間がかかり、結果、鋳型内のシリコン融液５の液面が急激に冷やされる。さらに、追加のシリコン原料７のサイズが大きくなる場合においても、鋳型内のシリコン融液５の液面が急激に冷やされることとなり、ひどい場合にはシリコン融液５の液面が凝固してしまう。この結果、鋳型１とシリコン融液５との間に存在する離型材８に急激な温度変化を与えることになり、離型材８の剥離損傷などに繋がる。
【００５８】
また、追加のシリコン原料７の最大粒径が１ｃｍ未満の場合、追加のシリコン原料７が軽過ぎて溶融炉内のガスによって舞ってしまい、鋳型１の内面に被覆した離型材８に直接張り付いてしまう可能性がある。離型材８に張り付いた追加のシリコン原料７は、シリコン融液５が飛び跳ねて付着した場合と同様の現象が生じる。例えば、断熱材３ａ、上部加熱部４ａなどに付着すると、部品の消耗を早める原因となったり、付着して消耗した断熱壁３ａがシリコン融液５内に混入する場合があるため、望ましくない。
【００５９】
より好ましくは、追加のシリコン原料７の最大粒子径ｐｍａｘ（ｃｍ）が、２ｃｍ≦ｐｍａｘ、かつ、ｐｍａｘ／ｄ≦０．０９の範囲であれば、離型材８が剥離損傷し、鋳型１のクラック及び離型材の混入による歩留まりの低下をより効果的に抑制できる。
【００６０】
また、本発明の第二形態において、第２工程で追加のシリコン原料７を投入する際には、鋳型１の上側面からの加熱を停止した方が望ましい。上側面からの加熱を停止したとしても、追加のシリコン原料７を溶融することができるため、ランニングコストの費用が高い離型材８が塗布された鋳型１の高さを有効に利用することができ、尚且つ鋳型内のシリコン融液５の液面の温度が低いため跳ねにくく、鋳型内面にシリコン融液７が付着することをより確実に防止できる。その結果、鋳塊の重量当たりの鋳型１及び離型材８のコストが小さくなり、鋳型内面の離型材８が剥離損傷することなく、鋳型１のクラック及び離型材８の混入による鋳塊の歩留まり低下を抑制することができる。
【００６１】
そして、より望ましい形態として本発明の第二形態でも、第２工程で、鋳型１の少なくとも壁面側から加熱するようにした。例えば、鋳型１を取り囲む略ドーナッツ状の側部加熱手段４ｂとすれば均一に鋳型１を加熱することができてなおよい。そして、本発明の加熱方法と、可動式扉３ｂを開いたときの鋳型１から断熱材３ａ外部への熱放射によって鋳型１内部のシリコン融液５の液面の温度は低下するため好ましい。
【００６２】
さらに、本発明に係る第二形態でも、第２工程で、シリコン融液５の液面で最も温度が低い位置の近傍に、鋳型１に追加のシリコン原料７を落下させて投入することで、シリコン融液５が鋳型内面に付着することや、加熱手段４へシリコン融液５が飛散することを抑制できる。
【００６３】
ここで、本発明の第一形態又は第二形態に係る第２工程において、鋳型内に投入する追加のシリコン原料７の単位時間当たりの追加量を規定する方が望ましい。追加のシリコン原料７の単位時間当たりの追加量を規定すれば、常に安定して追加のシリコン原料７を鋳型内に供給することが可能となる。
【００６４】
その結果、鋳型１とシリコン融液５との間に存在する離型材８にかかる急激な温度変化を緩和することができ、さらに鋳型１内面にシリコン融液５が飛び跳ねることを抑制できるので、離型材８が剥離損傷し、鋳型１のクラック及び離型材８の混入により歩留まりの低下をより効果的に抑制できる。
【００６５】
その１つの方法としては、鋳型１の上方に貫通孔ｈを有する導入部材６ａを配しておくことが望ましく、第２工程において、導入部材６ａの貫通孔ｈを経由して追加のシリコン原料７を鋳型１へ導入することができる。そして、貫通孔ｈの最小径は追加のシリコン原料７の最大粒径ｐｍａｘ（ｃｍ）の２．５倍以上、かつ鋳型の開口部と内接する円の最大径ｄ（ｃｍ）の０．４８倍以下を満たす範囲、より好ましくは追加のシリコン原料７の最大粒径ｐｍａｘ（ｃｍ）の３倍以上、かつ鋳型の開口部と内接する円の最大径ｄ（ｃｍ）の０．４２倍以下を満たす範囲、とすることが望ましい。鋳型１へ原料供給タンク６ｃに入った追加のシリコン原料７を投入する際に、鋳型１の外に追加のシリコン原料７が飛び散ることをより低減できる。また、貫通孔ｈの最小径の部分で追加のシリコン原料７が詰まったりすることがないため、スムーズに追加のシリコン原料７を供給することができる。
【００６６】
しかし、導入部材６ａの貫通孔ｈが追加のシリコン原料７の最大粒子径ｐｍａｘ（ｃｍ）の２．５倍未満であった場合は、この貫通孔ｈで追加のシリコン原料７同士で詰まってしまう。このような場合、溶融炉内を長時間開放することとなり、溶融炉内からの熱放射によって溶融炉内の温度が低下し、鋳型１内のシリコン融液５が凝固してしまい鋳型１の高さを利用した鋳造方法が得られなくなる可能性がある。また、それ以上追加のシリコン原料７を供給できないため、鋳型１の高さを利用した鋳造方法が得られなくなる。また、鋳型１の開口部と内接する円の最大径ｄ（ｃｍ）の０．４８倍より大きい場合は追加のシリコン原料７を鋳型１へと導入する役割を有さないため、追加のシリコン原料７が鋳型の外へ飛散してしまったり、鋳型内面に追加のシリコン原料７がぶつかり、その衝撃で離型材８が剥離損傷する可能性もある。
【００６７】
このように、本発明の第一形態又は第二形態に係る第３工程で冷却部２によって冷やされて形成されたシリコン鋳塊は、鋳型１のクラック及び離型材８の混入が低減されているため、信頼性が高く鋳塊の歩留りを低下させずにシリコン鋳塊を製造することができる。また、追加のシリコン原料７を投入することで、鋳型１の高さを有効に利用できるため、鋳塊の重量当たりの鋳型１及び鋳型離型材のコストが小さくなるシリコン鋳造方法を提供することができる。
【００６８】
なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。
【００６９】
例えば、鋳造装置に用いられる鋳型１は分割構造の鋳型を用いてもよく、このような分割構造の鋳型を用いた場合においても、鋳型内面に塗布された離型材８を有効に利用するために鋳型内のシリコン原料５を融解した後、追加のシリコン原料７を供給するほうが望ましく、本発明のシリコン鋳造方法を用いることで同様の効果を得ることができる。
【００７０】
また、導入部材６ａの貫通孔ｈを下方方向に向けてテーパー形状としてもよい。こうすることで、追加のシリコン原料７を安定して鋳型内に落下させることができるため好ましい。
【００７１】
そして、鋳型１を加熱する手段として上部加熱部４ａはシリコン融液凝固時に使用することが望ましいが、側部加熱部４ｂよりも温度が低ければ第２工程の加熱時に用いてもかまわない。
【００７２】
また、冷却部２に加熱機能を組み込ませて鋳型１の底部から加熱、冷却を行なっても本発明の効果を得ることができる。
【実施例１】
【００７３】
鋳型１は、内寸３５０ｍｍ×３５０ｍｍ、深さ２３０ｍｍの石英からなる一体構造の鋳型を準備し、鋳型内面に窒化珪素粉末を１１．０％のＰＶＡ水溶液（ポリビニルアルコール）で攪拌混合してスラリー状にした離型材８をへらで塗布し、ホットプレートで乾燥させ、離型材層を形成した。そして、この鋳型内に３５ｋｇのシリコン原料を装入した。
【００７４】
鋳型１の上部には原料供給部６を有しており、原料供給部６はステンレス鋼からなる原料供給部６ｃと、開閉口６ｂと、グラファイトからなる貫通孔ｈを有した導入部材６ａが設けられている。また、このとき導入部材６ａの貫通孔ｈの出口側の最小径は１５０ｍｍとした。そして、原料供給タンク６ｃはひとつの原料供給タンクにつき５ｋｇの追加のシリコン原料７を保持して、合計６基３０ｋｇ分の追加のシリコン原料７を備えた原料供給タンクとした。
【００７５】
また鋳型１の下部には水冷式の冷却部２が設けられ、この冷却部２はステンレス（ＳＵＳ）の金属板を使って、内部に低温に保った水を循環させた。
【００７６】
鋳型１の上部と側部には黒鉛ヒーターの加熱部４を設置し、上部加熱部４ａ、側部加熱部４ｂにより鋳型１内のシリコン原料５を融解させる。その後、第一の原料供給タンク内の追加のシリコン原料を鋳型内に供給し、鋳型内のすべてのシリコン原料が融解した後、第二の原料供給タンク内の追加のシリコン原料７を続いて投入する一連の動作を繰り返し、約６５ｋｇのシリコン原料７を融解して鋳型内にシリコン融液５を得た。ここでのシリコン融液５は、鋳型１の高さを十分に利用することができた。
【００７７】
そして、上部加熱部４ａにより鋳型１を加熱させた状態で、冷却部２により鋳型１内のシリコン融液５を徐々に鋳型１底部から一方向凝固させた。冷却後、凝固した多結晶シリコン鋳塊を鋳型１から取り出し、ワイヤーソーによって３００μｍ程度の厚さに切断した。そして、洗浄してシリコン基板を形成した。
【００７８】
このとき、ＪＩＳＺ８８０１に基づいて、追加のシリコン原料の最大粒子径ｐｍａｘは０．５ｃｍから５ｃｍまで変化させたものを用意した。また、追加のシリコン原料７を投入する際、鋳型１の上面側を加熱したときと、加熱しないときにおける異物混入によるシリコン基板の不良率（％）を調べた。
【表１】
2006231372.tif 000003
【００７９】
表１より、鋳型１の上面側を加熱せずに追加のシリコン原料７を投入したときの不良率は、加熱した場合に比べ低減させることができ、特に追加のシリコン原料７の最大粒径が５ｃｍである場合において、鋳型１の上面側を加熱して投入した試料Ｎｏ．１３では８．６％であったのに対し、鋳型１の上面側からの加熱を停止した状態で投入した試料Ｎｏ．１４では５．４％と大きく改善されていた。
【００８０】
そして、鋳型１の上面側を加熱して投入した試料について注目すると、追加のシリコン原料７の最大粒子径が０．５ｃｍ、もしくは５ｃｍ（ｐｍａｘ／ｄ＝０．１４３）の試料では、７．７％、８．６％と７％以上の不良率があった。
【００８１】
しかしながら、追加のシリコン原料７の最大粒子径が１ｃｍ〜４．２ｃｍ（ｐｍａｘ／ｄ＝０．１２）の試料では、不良率が６％以下と低減することができ、鋳型内面に若干のシリコン融液５の付着が認められたが、特に影響なく本発明の効果が確認された。
【００８２】
そして、特に追加のシリコン原料７の最大粒子径が２ｃｍ〜３．２ｃｍ（ｐｍａｘ／ｄ＝０．０９）の場合、不良率が４％以下となり、鋳型内面にシリコン融液５の付着がほとんど認められず、鋳型１に投入した追加のシリコン原料７の周囲への飛散を及び鋳型内のシリコン融液５が跳ねることを効果的に抑制でき、本発明の効果が確認できた。
【００８３】
この結果、本発明において鋳型１の高さを有効に利用することができ、尚且つ鋳型内面の離型材８が剥離損傷することなく、鋳型１のクラック及び離型材８の混入による鋳塊の歩留まり低下を抑制した鋳造方法を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明のシリコン鋳造装置の一実施形態を示す断面模式図である。
【図２】（ａ）は本発明に係る鋳型内のシリコン融液の温度分布であり、（ｂ）は従来の鋳型内のシリコン融液の温度分布である。
【図３】（ａ）本発明に係るシリコン鋳造方法において追加のシリコンを投入した状態を模式的に示す図であり、（ｂ）は従来のシリコン鋳造方法において追加のシリコンを投入した状態を模式的に示した図である。
【図４】従来のシリコン鋳造装置を示す断面模式図である。
【図５】従来のシリコン鋳造装置を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００８５】
１：鋳型
２：冷却部
３、３ａ：断熱壁
３ｂ：可動式扉
４：鋳型加熱部
４ａ：鋳型上部加熱部
４ｂ：鋳型側部加熱部
５：シリコン原料（シリコン融液）
６：原料供給部
６ａ：導入部
６ｂ：開閉口
６ｃ：原料供給タンク
７：追加のシリコン原料
８：離型材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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