(57)【要約】【課題】多結晶シリコンの鋳造に際し、安価で高品質な太陽電池用多結晶シリコンの鋳造を行うことができる鋳造装置及びこれを用いたシリコン鋳造方法を提供する。【解決手段】内部に保持したシリコン原料を加熱溶融して得られたシリコン融液３を、底部に設けられた坩堝出湯口１ａから出湯させる溶融坩堝１と、溶融坩堝１の外側において坩堝出湯口１ａを覆うように垂下して備えられ、下端に先端出湯口４ａを有するノズル４と、内側に離型材１２が設けられ、先端出湯口４ａから出湯されたシリコン融液を内部に保持・凝固させる鋳型９と、を具備した鋳造装置であって、ノズル４は、先端に向かって細くなるように、互いに略等しいサイズを有する複数の等脚台形板１３の台形脚部同士を組み合わせて成り、先端出湯口４ａの断面積が１ｍｍ２以上２５００ｍｍ２以下となるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に保持したシリコン原料を加熱溶融して得られたシリコン融液を、底部に設けられた坩堝出湯口から出湯させる溶融坩堝と、
前記溶融坩堝の外側において前記坩堝出湯口を覆うように垂下して備えられ、下端に先端出湯口を有するノズルと、
内側に離型材が設けられ、前記先端出湯口から出湯されたシリコン融液を内部に保持・凝固させる鋳型と、を具備した鋳造装置であって、
前記ノズルは、先端に向かって細くなるように、互いに略等しいサイズを有する複数の等脚台形板の台形脚部同士を組み合わせて成り、前記先端出湯口の断面積が１ｍｍ２以上２５００ｍｍ２以下となるようにした鋳造装置。
【請求項２】
前記ノズルの内側にはシリコン栓が配置されるとともに、
前記ノズル近傍に配置され、前記シリコン栓を溶融させるノズル加熱手段をさらに備えた請求項１に記載の鋳造装置。
【請求項３】
前記坩堝出湯口の端縁形状は、前記ノズルの先端出湯口の端縁形状を内包し得る大きさとした請求項１又は請求項２に記載の鋳造装置。
【請求項４】
前記複数の等脚台形板は、前記ノズルの内面側に、台形上底と台形下底とを結ぶ溝が設けられている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の鋳造装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の鋳造装置を用いたシリコン鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用多結晶シリコンを鋳造するのに適した鋳造装置及びこれを用いたシリコン鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は入射した光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。太陽電池のうち主要なものは使用材料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系等に分類される。このうち、現在市場で流通しているのはほとんどが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、多結晶型に分類される。単結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質がよいために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。これに対して多結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質が劣るために高効率化が難しいという短所はあるものの、低コストで製造できるという長所がある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは１８％程度の変換効率が達成されている。
【０００３】
一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったため、従来から市場に流通してきたが、近年環境問題が取りざたされる中でさらに需要が増してきている。
【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的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とは、離型材を塗布した鋳型内のシリコン融液を冷却固化することによってシリコンインゴットを形成する方法である。このシリコンインゴットの端部を除去するとともに所望の大きさに切断して切り出し、切り出したシリコンインゴット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】
特許文献１に記載されている、シリコン等を鋳造する従来の鋳造装置を図６に示す。図６において２１は溶融坩堝、２１ａは坩堝出湯口、２２は保持坩堝、２３はシリコン融液、２４は出湯口を塞ぐシリコン原料、２５はノズル、２６は側部加熱手段、２７は上部加熱手段、２８は鋳型加熱手段、２９は鋳型、３０は離型材、を示す。
【０００６】
この鋳造装置の上部には原料シリコンを溶融するための溶融坩堝２１が保持坩堝２２に保持されて配置され、溶融坩堝２１と保持坩堝２２の底部にはシリコン融液２３を出湯するための坩堝出湯口２１ａが設けられ、さらにノズル２５が設けられている。また、溶融坩堝２１、保持坩堝２２の側部と上部にはそれぞれ側部加熱手段２６、上部加熱手段２７が配置され、溶融坩堝２１、保持坩堝２２の下部にはシリコン融液が注ぎ込まれる鋳型２９が配置され、その内側に窒化珪素等を主成分とする離型材３０を塗布して用いられる。鋳型２９の上部にはシリコン融液の凝固を制御するための鋳型加熱手段２８が配置される。また、この鋳型２９の周りには抜熱を抑制するため鋳型断熱材（不図示）が設置され、鋳型２９の下方には出湯されたシリコン融液を冷却・固化するための冷却板（不図示）が設置される場合もある。なお、これらはすべて真空容器（不図示）内に配置される。
【０００７】
このとき、図６に示す鋳造装置では、出湯口を塞ぐシリコン原料２４であらかじめ坩堝出湯口２１ａを塞いでおき、その上にシリコン原料を投入し、溶融坩堝２１の側部加熱手段６と上部加熱手段２７で溶融坩堝２１の上部のシリコン原料から下部のシリコン原料へと徐々に溶融して、溶融坩堝２１の底に坩堝出湯口２１ａを有するノズル２５を設け、最後に出湯口を塞ぐシリコン原料２４を溶融させ、このノズル２５から出湯させるように構成した。
【０００８】
出湯後は、鋳型内のシリコンを底部から冷却して一方向凝固させた後、炉外に取り出せる温度まで温度制御しながら徐冷し、最終的に炉外に取り出して鋳造が完了する。
【特許文献１】特開２００３−２４７７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来、ノズル２５を溶融坩堝２１の底部に形成する場合、二酸化珪素を主成分とする筒状のノズル材を所定の長さに切断し、内部及び外部を加工し、ノズル先端の出湯口に向かって先細となるように、断面積が略円形状であり、下方に向かってテーパー形状をなした貫通孔を設けた後、溶融坩堝２１の底部に溶接していた。そのため、加工に手間がかかり生産性が落ちる上、溶融坩堝２１が高価になってしまい、製造される太陽電池用多結晶基板のコスト上昇を招いていた。
【００１０】
また、シリコン融液が鋳型２９に勢いよく注湯されると、その衝撃によって鋳型２９の内表面に設けられた離型材３０が剥離損傷して、シリコンインゴットに混入し、特性を悪化させたり、剥離損傷した部分の鋳型２９とシリコンインゴットと融着してしまったりすることがあった。これを防止するための方法として、ノズル２５の径を小さくして、出湯量を適正に絞るとともに、ノズル２５を長くすることによって、先端の出湯口の位置を鋳型２９に近づければ良いと考えられる。しかし、上述したような加工方法では、長いノズル材に対して、小さいサイズの径を有する貫通孔を加工することが難しいため、ノズル２５に設ける貫通孔の径のサイズを一定以上とせざるを得ず、シリコン融液の注湯量を絞ることが難しかった。また、ノズル２５を長くすることにより、離型材３０の損傷については幾分防げたが、得られたシリコンインゴットの特性向上の効果が予想よりも低いという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、多結晶シリコンの鋳造に際し、安価で高品質な太陽電池用多結晶シリコンの鋳造を行うことができる鋳造装置及びこれを用いたシリコン鋳造方法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】
発明者は、上述の問題を解決するために実験を繰り返したところ、鋳造されるシリコンインゴットの特性は、離型材の剥離損傷によっても影響を受けるが、それ以外にシリコン融液の出湯量との間にも相関関係があり、特に出湯量が多いときに特性が悪くなりがちであることを見出した。この理由について、出湯直後の鋳型内で起こっている現象を注意深く観察した結果、次のように推測した。
【００１３】
（１）出湯されたシリコン融液は、鋳型の内表面に接触して凝固し、凝固層（以下、初期凝固層と称す）を形成する。初期凝固層は、離型材中の不純物（Ｆｅ等）がシリコン融液に拡散する場合、拡散障壁（diffusion barrier）として作用する。  
（２）出湯量が少ないときは、供給されるシリコン融液によってもたらされるトータルの熱量が少ないので初期凝固層がそのまま保たれ、シリコン融液中に拡散する離型材中の不純物が少ない。  
（３）出湯量が多いときは、供給されるシリコン融液によってもたらされるトータルの熱量が大きいので初期凝固層が再溶融するため、離型材中の不純物がシリコン融液中に拡散する。
【００１４】
発明者は、この推測に基づいて課題を解決するための方法を見出すべく、鋭意検討を行い、以下に示す本発明の構成に到達したのである。
【００１５】
即ち、本発明の請求項１に係る鋳造装置は、内部に保持したシリコン原料を加熱溶融して得られたシリコン融液を、底部に設けられた坩堝出湯口から出湯させる溶融坩堝と、前記溶融坩堝の外側において前記坩堝出湯口を覆うように垂下して備えられ、下端に先端出湯口を有するノズルと、内側に離型材が設けられ、前記先端出湯口から出湯されたシリコン融液を内部に保持・凝固させる鋳型と、を具備した鋳造装置であって、前記ノズルは、先端に向かって細くなるように、互いに略等しいサイズを有する複数の等脚台形板の台形脚部同士を組み合わせて成り、前記先端出湯口の断面積が１ｍｍ２以上２５００ｍｍ２以下となるようにしている。
【００１６】
本発明の請求項２に係る鋳造装置は、請求項１に記載の鋳造装置において、前記ノズルの内側にはシリコン栓が配置されるとともに、前記ノズル近傍に配置され、前記シリコン栓を溶融させるノズル加熱手段をさらに備えている。
【００１７】
本発明の請求項３に係る鋳造装置は、請求項１又は請求項２に記載の鋳造装置において、前記坩堝出湯口の端縁形状は、前記ノズルの先端出湯口の端縁形状を内包し得る大きさとしている。
【００１８】
本発明の請求項４に係る鋳造装置は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の鋳造装置において、前記複数の等脚台形板は、前記ノズルの内面側に、台形上底と台形下底とを結ぶ溝が設けられている。
【００１９】
本発明の請求項５に係るシリコン鋳造方法は、本発明の鋳造装置を用いたシリコン鋳造方法である。
【発明の効果】
【００２０】
上述のように、本発明に係る鋳造装置は、内部に保持したシリコン原料を加熱溶融して得られたシリコン融液を、底部に設けられた坩堝出湯口から出湯させる溶融坩堝と、前記溶融坩堝の外側において前記坩堝出湯口を覆うように垂下して備えられ、下端に先端出湯口を有するノズルと、内側に離型材が設けられ、前記先端出湯口から出湯されたシリコン融液を内部に保持・凝固させる鋳型と、を具備した鋳造装置であって、前記ノズルは、先端に向かって細くなるように、互いに略等しいサイズを有する複数の等脚台形板の台形脚部同士を組み合わせて成り、前記先端出湯口の断面積が１ｍｍ２以上２５００ｍｍ２以下となるようにしている。
【００２１】
このように、ノズルを構成する際に、互いに略等しいサイズを有する複数の等脚台形板の台形脚部同士を組み合わせるようにしたので、ノズルの形成が簡略化され手間がかからない。そのため、溶融坩堝を安価とすることができ、製造される太陽電池用多結晶基板のコストの低減に寄与するものとなる。さらに、ノズルの大きさを自由に設計することができるから、ノズルの先端出湯口の断面積を上記範囲内とすることも容易である。なお、ノズルの先端出湯口の断面積がこの範囲内であれば、鋳型に出湯されたときに、最適な厚みで初期凝固層を形成させることができ、この初期凝固層が拡散障壁として働くので、離型材の中に含まれるＦｅ等の不純物がシリコン融液に拡散することを抑えられる。
【００２２】
上述のような作用を奏するので、安価で高品質な太陽電池用多結晶シリコンインゴットの鋳造を行うことができる。
【００２３】
本発明の鋳造装置は、前記ノズルの内側にはシリコン栓が配置されるとともに、前記ノズル近傍に配置され、前記シリコン栓を溶融させるノズル加熱手段をさらに備えているので、ノズル加熱手段への通電によって、シリコン融液を出湯させることができる。出湯させるタイミングを自在に制御できるので、溶融坩堝内のシリコン融液の温度や鋳型の温度が最適となったときに出湯させることができる。その結果、初期凝固層の厚さや凝固状態の制御が容易となるから、一定の品質のシリコンインゴットを得られるものとなる。
【００２４】
また、本発明の鋳造装置は、前記坩堝出湯口の端縁形状は、前記ノズルの先端出湯口の端縁形状を内包し得る大きさとした。即ち、坩堝出湯口の方がノズルの先端出湯口よりも大きいことを意味する。これにより、坩堝出湯口からノズル内部へ流入するシリコン融液量の方がノズルの先端出湯口から鋳型内へ吐出されるシリコン融液量よりも大きくなるから、鋳型内へ吐出されるシリコン融液が途切れることなく、安定して供給されるものとなり、インゴットの品質をさらに高められる。さらに、ノズル内にシリコン融液の漏洩を防止するためのシリコン栓を配設することが容易となる。
【００２５】
本発明の鋳造装置は、前記複数の等脚台形板は、前記ノズルの内面側に、台形上底と台形下底とを結ぶ溝が設けられているようにした。本発明に係る等脚台形板を組み合わせて形成したノズルの内部には角部があるので、シリコン融液を出湯して鋳型に注湯するとき、その流れが十分に安定せず、ノズルの先端出湯口から吐出されたときに飛散することがあるが、ノズルの内面側に、台形上底と台形下底とを結ぶ溝を設ければ、シリコン融液が整流され、周囲への飛散を抑制できる。
【００２６】
本発明のシリコン鋳造方法は、以上説明した本発明の鋳造装置を用いて行うようにしたので、安価で高品質な太陽電池用多結晶のシリコンインゴットの鋳造を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る鋳造装置を図面により詳述する。
【００２８】
図１は、本発明に係る鋳造装置の一実施形態を示す縦断面図であり、１は溶融坩堝、１ａは坩堝出湯口、２は保持坩堝、３はシリコン融液、４はノズル、４ａは先端出湯口、５はシリコン栓、６は側部加熱手段、７は上部加熱手段、８は鋳型加熱手段、９は鋳型、１０はノズル加熱手段、１１は鋳型冷却手段、１２は離型材を示す。
【００２９】
溶融坩堝１は、投入されたシリコン原料を溶融するものであり、シリコン原料の融解温度以上の温度において、融解、蒸発、軟化、変形、分解等を生じず、半導体材料中心に不純物が拡散しないことを考慮して、高純度の石英等の材質が用いられる。しかし、このような材質から成る溶融坩堝１は高温になると軟化して形を保てないため、高温でも変形しない材質であるグラファイト等からなる保持坩堝２により溶融坩堝１を外側から保持する。溶融坩堝１の寸法は、一度に溶融する溶融量（およそ１ｋｇ〜１５０ｋｇの範囲）に応じたシリコン原料を内包できる寸法とする。
【００３０】
溶融坩堝１の底部には、シリコン原料を加熱溶融して得られたシリコン融液３を出湯させる坩堝出湯口１ａが設けられている。また、溶融坩堝１の外側には、坩堝出湯口１ａを覆うようにノズル４が垂下されて設けられている。ノズル４は、内面が下方に向かって先細となるテーパー形状を有し、その先端には先端出湯口４ａが形成されている。溶融坩堝１と保持坩堝２とを組み立てた状態で、ノズル４がこの保持坩堝２の開口部を貫装するような位置関係となっているので、溶融坩堝１内で溶融させたシリコン融液３を保持坩堝２の外部へと出湯させることができる。なお、ノズル４は、本発明に係る特徴的な構造を有している（詳細後述）。
【００３１】
ノズル４内には、シリコン原料を成形して形成したシリコン栓５を配置することが望ましい。このシリコン栓５は、ノズル４内を隙間なく塞ぐことが出来るように加工されているため、溶融坩堝１内で溶融されたシリコン融液が完全溶融前に漏れ出してしまうことを防ぐことができ、側部加熱手段６及び上部加熱手段７を効率的に稼動させることで、溶融時間の短縮や調整、さらに湯温の制御をすることができる。
【００３２】
鋳型９を形成する材質としては、例えば石英や黒鉛等が用いられる。また、鋳型９の内面には離型材１２が設けられ、鋳型９の内部のシリコン融液を凝固した後に、鋳型９の内壁とシリコンインゴットとが融着することを抑制できる。離型材の材質としては、例えば、シリコンの窒化物である窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコンの炭化物である炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコンの酸化物である酸化シリコン（ＳｉＯ２）等とし、これらを混合して使うようにしても良い。離型材１２を設ける方法としては、上述の離型材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、塗布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。
【００３３】
また、鋳型９を上方から加熱可能で、かつ溶融坩堝１のノズル４の先端出湯口４ａから出湯したシリコン融液の流れを妨げない位置に、例えばカーボンヒーター等の抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイル等から成る鋳型加熱手段８を配するようにしても良い。この鋳型加熱手段８によって鋳型９に出湯したシリコン融液の表面を適度に加熱し、下方から上方に向けた温度勾配をより正確に制御することができる。
【００３４】
また、鋳型９の下方には注湯されたシリコン融液を下方から抜熱して冷却・固化するための、ステンレス（ＳＵＳ）等の金属板等から成る鋳型冷却手段１１を設置しても良い。鋳型冷却手段１１は、内部に水等の冷媒を循環させる等して、鋳型９の内部のシリコン融液から効果的に抜熱できるように構成しても良い。
【００３５】
さらに鋳型９の周りには、鋳型側面からの抜熱を抑制し、一方向凝固を促進するため鋳型断熱材（不図示）を設置するようにしても良い。鋳型断熱材は耐熱性、断熱性等を考慮してカーボンフェルト等の材質が一般的に用いられる。
【００３６】
次に、本発明の鋳造装置に係るノズルの構造について図２を用いて詳細に説明する。
【００３７】
図２（ａ）にノズル４を構成する等脚台形板１３を示す。この等脚台形板１３は、中心線から左右対称で、互いに略等しいサイズを有する。そして、これらの等脚台形板１３は、図２（ｂ）に示すように、複数枚（図に示す例では４枚）の隣接する等脚台形板１３同士の台形脚部同士が組み合わされて、ノズル４を構成する。ノズル４を形成する等脚台形板１３の材質は溶融坩堝１と同一とすることが望ましく、例えば、高純度の石英等が好適である。溶融坩堝１とノズル４の材質が異なると高温域まで昇温した場合に互いの熱膨張率の違いから接合部分に熱応力が発生し、破損する恐れがある。
【００３８】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示す４枚の等脚台形板１３によって形成されたノズル４を図１のＸ−Ｘ方向から見たときの矢視図である。図２（ｂ）の状態から等脚台形板１３の台形脚部ａ３を互いに接合することでノズル４を形成することができる。なお、等脚台形板１３の材質として石英を用いた場合、ガスバーナー等で加熱し台形脚部同士を溶接すれば良い。この時、台形下底ａ２を上方に、台形上底ａ１を下方にすることで下方に向かって先細な形状となり、台形上底ａ１によって囲まれた箇所を先端出湯口４ａとなすことができる。なお、ノズル４と溶融坩堝１との接合は、上述したように相互に同じ石英を主成分とする材質とした場合、ノズル４の形成と同じくガスバーナー等による熱処理によって溶接すればよい。
【００３９】
このように本発明に係るノズル４は、互いに略等しいサイズを有する複数の等脚台形板１３の台形脚部同士を組み合わせるようにして構成されているので、ノズル４の形成が簡略化され手間がかからない。そのため、溶融坩堝１を安価とすることができ、製造される太陽電池用多結晶基板のコストの低減に寄与するものとなる。
【００４０】
さらに、本発明に係るノズル４は、先端出湯口４ａの断面積が１ｍｍ２以上２５００ｍｍ２以下となるように形成する。上述したように、本発明に係るノズル４は、複数の等脚台形板１３を組み合わされて構成されているので、ノズル４の大きさを自由に設計することができる。したがって、ノズル４の先端出湯口４ａの断面積を上記範囲内とすることも容易である。
【００４１】
ノズル４の先端出湯口４ａの断面積がこの範囲内であれば、鋳型９に出湯されたときに、最適な厚みで初期凝固層を形成させることができ、この初期凝固層が拡散障壁として働くので、離型材１２の中に含まれるＦｅ等の不純物がシリコン融液に拡散することを抑えられる。このようにして得られた多結晶のシリコンインゴットは、鋳型９の内壁に沿って形成された初期凝固層が形成されているが、多結晶シリコン基板を形成する際は、多結晶シリコンインゴットから、不純物がトラップされた初期凝固層の領域を除去し、残りの部分（以下、“多結晶シリコンインゴットの主要部分”と略称する）を凝固方向に対して略直交する方向にスライスして得られる。そのため、多結晶シリコン基板は、一方向凝固性に優れるとともに不純物が少なく、その殆どの結晶粒が底部から垂直に成長した柱状晶をその結晶成長方向に対し法線方向に輪切りにした形状を呈し、基板の面内において、均一な電気的特性を有するものとなる。その結果、太陽電池として用いたときに高性能を有するものとなる。
【００４２】
なお、本発明の構成によれば、初期凝固層の厚みを０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下となるように形成することができる。この範囲において、鋳型９からシリコン融液への不純物の拡散を確実に低減させるとともに、形成されるシリコンインゴットの一方向凝固性を良好に保つことができる。
【００４３】
ノズル４の先端出湯口４ａの断面積が１ｍｍ２より小さい場合は、シリコン融液を円滑に出湯させることができなくなり、また、出湯量が少なくなり鋳型９の底部近傍の初期凝固層が厚く形成されるので多結晶シリコンインゴットの主要部分が少なくなり好ましくない。なお、先端出湯口４ａの断面積は、１０ｍｍ２以上がより望ましい。
【００４４】
また、ノズル４の先端出湯口４ａの断面積が２５００ｍｍ２より大きい場合は、鋳型９内に供給されるシリコン融液の量が多く、高温のシリコン融液が鋳型９内を直ぐに満たすので鋳型内壁側の融液が冷却され難くなり、初期凝固層を充分に形成することができない。そのため、離型材１２に含まれる不純物がシリコン融液に拡散する恐れがあり、さらに、出湯したシリコン融液の衝撃によって鋳型内の離型材１２が破壊される可能性もある。なお、先端出湯口４ａの断面積は、１０００ｍｍ２以下がより望ましい。
【００４５】
なお、初期凝固層を最適な厚みで得るためには、鋳型９の内表面のうち、最高温度となる箇所が９００℃以上１０００℃以下の範囲で行うようにすることがより望ましい。鋳型９の内表面の温度をこの範囲とすることによって、初期凝固層の形成速度を適正に保つことができる。また、シリコン融液の融液温度をシリコン融液の融点（約１４２０℃）よりも７０℃〜２００℃の範囲で高く保つことが望ましい。この範囲とすることによって、初期凝固層を介して鋳型９に奪われるシリコン融液の熱のバランスを適正に保ち、初期凝固層を形成した後の凝固速度を抑えることができ、鋳型９の内部において一方向凝固を良好に進行させることができる。
【００４６】
このように鋳型９の内表面温度を適正値に制御するためには、鋳型９の内表面温度を例えば非接触式の赤外線放射温度計等によってモニタしながら、図１に示すような鋳型加熱手段８によって、加熱を行えばよい。出湯後は、シリコンインゴットの一方向凝固の最適な条件となるように鋳型加熱手段８を所定値に合わせれば良い。
【００４７】
また、出湯されるシリコン融液の温度を適正値に制御するためには、図１に示すように、ノズル４の内部にシリコン栓５を配置し、これを用いて出湯のタイミングを調節することが望ましい。これによって、シリコン融液３の融液温度をシリコン融液の融点（約１４２０℃）より、例えば、１００℃程度の高い温度で出湯することができる。さらに、シリコン栓５を用いる場合、ノズル４近傍にシリコン栓５を溶融させるノズル加熱手段１０を配置することがより望ましい。なお、ノズル加熱手段１０は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイル等によって構成される。ノズル加熱手段１０への通電によって、シリコン栓５を溶融せしめ鋳型９内へシリコン融液を出湯することが可能となる。また、シリコン栓５を冷却させるノズル冷却手段（図不示）を同時に備えるようにしても良く、これらのノズル加熱手段１０やノズル冷却手段を適時稼動させることでシリコン栓５の溶融を自在に制御し、出湯させるタイミングを制御できるので、溶融坩堝１内のシリコン融液の温度や鋳型の温度が最適となったときに出湯させることができる。その結果、初期凝固層の厚さや凝固状態の制御が容易となるから、一定の品質のシリコンインゴットを得られるものとなる。
【００４８】
また、坩堝出湯口１ａの端縁形状は、ノズル４の先端出湯口４ａの端縁形状を内包し得る大きさとすることが望ましい。これについて図３を用いて説明する。図３は図２（ｃ）と同様に、ノズル４を図１のＸ−Ｘ方向から見たときの矢視図である。なお、説明のため、溶融坩堝１の底部の坩堝出湯口１ａの端縁形状（説明の便宜上、略円形状とした）を重ね合わせてある。図から明らかなように、坩堝出湯口１ａの端縁形状の内部にノズル４の先端出湯口４ａの端縁形状が含まれている。これにより、坩堝出湯口１ａからノズル内部へ流入するシリコン融液量の方がノズル４の先端出湯口４ａから鋳型９内へ吐出されるシリコン融液量よりも大きくなるから、鋳型９内へ吐出されるシリコン融液が途切れることなく、安定して供給されるものとなり、インゴットの品質をさらに高められる。さらに、溶融坩堝１の坩堝出湯口１ａを通して、ノズル４内にシリコン融液の漏洩を防止するためのシリコン栓５を配設することが容易となる。なお、この図に示すように坩堝出湯口１ａの端縁形状が円形のときは、大きさの下限値はノズル４の先端出湯口４ａの端縁形状を内包できる大きさＡであり、大きさの上限値は、ノズル４の上端断面に内包される大きさＢである。
【００４９】
また、図４に示すように、複数の等脚台形板１３には、ノズル４の内面側に台形上底ａ１と台形下底ａ２とを結ぶ溝１４を設けるようにすることが望ましい。このような等脚台形板１３を用いて構成されたノズル４を図１のＸ−Ｘ方向から見たときの矢視図を図５（ｂ）に示す。本発明に係る等脚台形板１３を組み合わせて形成したノズル４の内部には角部があるので、シリコン融液を出湯して鋳型９に注湯するとき、その流れが十分に安定せず、ノズル４の先端出湯口４ａから吐出されたときに飛散し、装置を破損させてしまったり、シリコン融液が鋳型を構成している部品に付着したりすることにより部品の消耗を激しくし、生産性が低下するといった可能性がある。そこで図５に示すように、ノズル４の内面側に、台形上底ａ１と台形下底ａ２とを結ぶ溝１４を設ければ、整流されたシリコン融液を鋳型に出湯することができ、シリコン融液が周囲に飛散するのを抑制することができる。
【００５０】
以上のようにして本発明の鋳造装置を実現することができる。本発明のシリコン鋳造方法は、このような本発明の鋳造装置を用いて行われるので、安価で高品質な太陽電池用多結晶のシリコンインゴットの鋳造を行うことができる。
【００５１】
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勿論である。
【００５２】
例えば、図２（ｂ）、（ｃ）に示した例ではノズル４を形成する等脚台形板１３は４枚であり、ノズル４の上端断面及び先端出湯口４ａの形状は正四角形であるが、図５（ａ）や（ｂ）のように、先端出湯口４ａの形状が正三角形、正五角形等の正ｎ角形となるようにしても構わない。その際、図２（ａ）に示す等脚台形板１３の台形上底ａ１と台形脚部ａ３とのなす角度をθとすると、この等脚台形板を使ってノズル４を形成できるのは、θ＜９０°＋１８０°／ｎ、９０°＜θ＜１５０°を満たす３以上の整数ｎ枚の等脚台形板を使用した時である。例えばθ＝１００°の時、式を満たす３以上の整数は、３から１７までであり、先端出湯口４ａの形状はそれぞれ正三角形から正十七角形までの１５通りが形成できる。しかしながら、ｎが大きくなると台形脚部ａ３同士の接合数が多くなってしまい生産性が落ちてしまうため、通常はｎ＝３、４、５、６枚までの等脚台形板１３を使用してノズルを形成するのが望ましい。
【００５３】
また、図３の説明では、溶融坩堝１の底部の坩堝出湯口１ａの端縁形状を略円形としたが、この形状に限るものではなく、ノズル４の先端出湯口４ａの端縁形状を内包できる大きさであればその形状は問わない。
【００５４】
さらに、等脚台形板１３に設けた溝１４の形状は特に限定されることはなく、凹部状であってもいいし、Ｖ字状に形成されてもよく、溝１４の本数もシリコン融液が整流されて出湯できる最低限の本数があればよい。
【００５５】
また、ノズル４の内側にシリコン栓５を配置した例によって説明したが、シリコン栓５の代わりに、特許文献１に示されるように、溶融坩堝１の坩堝出湯口１ａを塞ぐように、“出湯口を塞ぐシリコン原料”を配置するようにしても構わない。
【実施例】
【００５６】
上述で説明した図１に示す本発明の実施形態を有する鋳造装置を用いて以下のような実験を行った。
【００５７】
鋳型９としては、上方に開放した内寸３２０ｍｍ×３２０ｍｍ、深さ３００ｍｍの石英製の鋳型を用い、その内面には窒化珪素と二酸化珪素とを混合した離型材１２を形成した。そして、石英からなる溶融坩堝１をグラファイトからなる保持坩堝２で保持し、溶融坩堝１内に１００ｋｇのシリコン原料を投入した。ノズル４は図２に示すような大きさ、形状の等しい４枚の石英製の等脚台形板１３から構成され、内面が下方に向かって先細な形状となるように互いにガスバーナーによって溶接した。また、上端部から下端部までの直線距離を６０ｍｍとした。溶融坩堝１とノズル４とはガスバーナーによる溶接によって接合した。
【００５８】
溶融坩堝１の周囲に設けた側部加熱手段６と上部加熱手段７によって溶融坩堝１内のシリコン原料を溶融させた。ノズル４内には、シリコン栓５が設置した。
【００５９】
シリコン融液の温度を１４９０℃に維持するとともに、鋳型加熱手段８によって鋳型９の内表面温度を上昇させ、１０００℃に維持した後、シリコン栓５を溶融し、溶融坩堝１下部に配設された鋳型９内にシリコン融液を注湯した。なお、鋳型内表面温度とシリコン融液の温度については、赤外線放射温度計による表面温度測定によりモニタしながら行った。
【００６０】
その後、鋳型９の下方に配された鋳型冷却手段１１及び鋳型９を上方から加熱する鋳型加熱手段８によって、鋳型９に対して下方から上方に向けて所定の温度勾配を付与しながらシリコン融液を鋳型９の内部に保持しつつ一方向凝固させた。鋳造終了後に得られた多結晶シリコンインゴットの端部を１０ｍｍ切断して初期凝固層を含む箇所を除去し、１５０ｍｍ角の多結晶シリコンインゴットを形成し、そのインゴットを３００μｍの厚さでスライスして多結晶シリコン基板を得た。
【００６１】
ノズル４の先端出湯口４ａの断面積を０．５、１、１０、１００、１０００、２５００、２８００ｍｍ２に変化させたときに得られる多結晶シリコン基板のＦｅについてＩＣＰ法を用いて標準サンプルとの比較により定量分析を行った。測定位置は、多結晶シリコン底部から５０ｍｍの位置にある多結晶シリコン基板を用い、多結晶シリコン基板の端部から２０ｍｍの位置にある箇所を測定した。表１に結果を示す。
【表１】
2006247698.tif 000003
【００６２】
表１に示されるように、断面積が２８００ｍｍ２のときには、Ｆｅ濃度が７０ｐｐｂと高い値であった。これはシリコン融液の注湯速度が大きすぎて、形成された初期凝固層が再溶融してしまい十分な厚みに形成されなかったため、離型材１２からシリコン融液にＦｅが拡散したためと思われる。また、断面積が０．５ｍｍ２のときには、成されたシリコンインゴットは、一方向凝固性が悪かった。これはシリコン融液が円滑に出湯されないため、初期凝固層が厚くなり過ぎた結果、これを下地として形成されるシリコンインゴットの品質に悪影響を及ぼしたものと推測される。さらに、理由は不明であるが、Ｆｅ濃度が５０ｐｐｂと若干高い値となった。
【００６３】
これに対して、断面積が１〜２５００ｍｍ２の本発明に係る範囲としたときには、Ｆｅ濃度は３５〜１０ｐｐｂと低く、不純物が少ない多結晶シリコンの基板であることがわかった。なお、断面積が１０ｍｍ２では、Ｆｅ濃度は２０ｐｐｂ、１０００ｍｍ２ではＦｅ濃度は２５ｐｐｂとさらに良好な結果が得られた。また、これらの本発明に係る範囲のとき、多結晶シリコンの基板の結晶形状は、結晶粒が底部から垂直に成長した柱状晶をその結晶成長方向に対し法線方向に輪切りにしたものとなり、良好に一方向凝固していることが確認された。
【００６４】
また、以上の結果より、本発明の効果を確認することができた。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る鋳造装置の一実施形態を示す概略縦断面図である。
【図２】（ａ）はノズルを形成する等脚台形板の平面図、（ｂ）は（ａ）の等脚台形板によってノズルを組み立てる展開図、（ｃ）は（ｂ）のノズルを図１のＸ−Ｘ矢視方向から見た概略断面図である。
【図３】図１のノズルを図１のＸ−Ｘ矢視方向から見た説明用概略図である。
【図４】本発明に係る他の実施形態のノズルを示す図であり、（ａ）はノズルを形成する等脚台形板の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のノズルを図１のＸ−Ｘ矢視方向から見た概略断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る他の実施形態のノズルの展開図を示す。
【図６】従来技術の鋳造装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１：溶融坩堝
１ａ：坩堝出湯口
２：開口部
２：保持坩堝
３：シリコン融液
４：ノズル
４ａ：先端出湯口
５：シリコン栓
６：側部加熱手段
７：上部加熱手段
８：鋳型加熱手段
９：鋳型
１０：ノズル加熱手段
１１：鋳型冷却手段
１２：離型材
１３：等脚台形板
１４：溝
ａ１：台形上底
ａ２：台形下底
ａ３：台形脚部
【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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【図６】
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