(57)【要約】【課題】高品質シリコンインゴットを低コストで製造するためのシリコン融解坩堝及びこれを用いたシリコン鋳造装置並びに多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を提供する。【解決手段】内部に収めたシリコン原料を加熱融解してシリコン融液を形成するシリコン融解坩堝１であって、シリコン融解坩堝１は、溶融シリカ粉末を主成分とする粉体原料を成形し焼成して形成された溶融シリカ焼結体から成る基体２と、基体２上の少なくともシリコン融液が接する箇所に設けられた、二酸化珪素を主成分とするガラス層から成る被覆層３と、を備える。【選択図】図１
2006273666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に収めたシリコン原料を加熱融解してシリコン融液を形成するシリコン融解坩堝であって、
前記シリコン融解坩堝は、
溶融シリカ粉末を主成分とする粉体原料を成形し焼成して形成された溶融シリカ焼結体から成る基体と、
前記基体上の少なくともシリコン融液が接する箇所に設けられた、二酸化珪素を主成分とするガラス層から成る被覆層と、を備えるシリコン融解坩堝。
【請求項２】
前記シリコン融解坩堝の内表面は、内側面と内底面とを有し、これらが接する部分の形状が面取り形状を有して連続的に繋がっている請求項１に記載のシリコン融解坩堝。
【請求項３】
前記シリコン融解坩堝は、前記内側面を平面視したときの形状が略円形である請求項２に記載のシリコン融解坩堝。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のシリコン融解坩堝と、
前記シリコン融解坩堝を複数箇所で保持するための、複数の部品から成る坩堝保持容器と、を備えるシリコン鋳造装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のシリコン融解坩堝、又は請求項４に記載のシリコン鋳造装置を用いて鋳造する多結晶シリコンインゴットの鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用シリコン基板などに用いられる多結晶シリコンインゴットをキャスト（鋳込み）法によって製造するための、繰り返し使用に優れたシリコン融解坩堝及びこれを用いたシリコン鋳造装置並びに多結晶シリコンインゴットの鋳造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アメリカのＰＶ  ＮＥＷＳ紙によれば２００３年の全世界の太陽電池生産量は７４４ＭＷであり、過去１０年間で１２倍に増加した。この生産量の急激な伸びを牽引するのは、その９０％近くを占めている結晶シリコン型太陽電池、中でもキャスト（鋳込み）法で製造された多結晶シリコンインゴットを使用する多結晶シリコン太陽電池である。多結晶シリコン太陽電池は、今日全世界の太陽電池生産量に占める割合が６０％を超え、現在、最も多く製造されている太陽電池である。
【０００３】
近年、環境問題への関心の高まりとともに太陽電池市場が急速に拡大する中、より低コストで高い変換効率の太陽電池が求められているが、多結晶シリコン太陽電池の変換効率や生産コストは使用する多結晶シリコンインゴットに大きく依存することから、多結晶シリコンインゴットの更なる高品質化と低コスト化が重要な課題となっている。
【０００４】
キャスト（鋳込み）法による多結晶シリコンインゴットの製造方法は、加熱機構と冷却機構を備えた不活性雰囲気下の鋳造装置内において、シリコン原料とドーパントを加熱融解した融液を鋳型内に注ぎ、鋳型上部を加熱してシリコン表面を融液状態に保ちながら鋳型底面部から抜熱してシリコン融液を底部から頭部へ一方向凝固させたり、あるいはシリコン原料とドーパントを鋳型内で加熱融解してからシリコン融液を鋳型底面部より抜熱して一方向凝固させたりした後、鋳型内の高温のシリコンインゴットを徐冷し冷却する手法が一般的である。鋳造した多結晶シリコンインゴットから、結晶欠陥や異物、不純物の多いインゴット側面部や底面部、及び上面部を通常数ｍｍ以上切断除去した後、マルチワイヤーソーなどでインゴットをスライスして太陽電池用多結晶シリコン基板が得られる。
【０００５】
キャスト（鋳込み）法による多結晶シリコンインゴットの鋳造においてシリコン原料を融解する際に使用するシリコン融解坩堝には、シリコンを融解させる１４５０℃程度の高温でも耐熱性や形状安定性に優れ、不純物含有量を少なく安定した物性を有することから、従来から二酸化珪素を主成分とする高純度石英ガラス製坩堝が使用されている。この高純度石英ガラス製坩堝は回転モールド法によって製造され、前述のように高温の環境で非常に優れた物性を有することから半導体用単結晶シリコンインゴットの製造に用いられるシリコン融解坩堝として現在最も多く使用されている。
【特許文献１】特公平４−６８２７６号公報
【特許文献２】特開平１１−１１６２２８号公報
【特許文献３】特開２０００−３３５９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、これらの高純度石英ガラス坩堝は大変高価なため、太陽電池用の多結晶シリコンインゴットを製造する際のシリコン融解坩堝として用いるとシリコンインゴットの製造コストが高くなる問題がある。この問題を回避するためには、高純度石英ガラス製坩堝を数回から数十回に渡り繰り返し使用する必要があるが、高純度石英ガラス製坩堝の再利用を繰り返すと変形部分を起点にして坩堝が割れ、シリコン融液が漏れて高価なシリコン原料が無駄になるばかりでなく、高価なシリコン鋳造用装置を破損してしまう危険があるという問題があった。
【０００７】
こうした問題点を回避するため、安価な溶融シリカ粉体を鋳込み成形や加圧プレス成形などによって鋳型形状に成形して焼成した溶融シリカ焼結体の鋳型や、蝋型の周りに溶融シリカ粉体やスラリーを付着させ乾燥させた後、蝋型を溶かして取り除いて残った溶融シリカ部分を焼成する、いわゆるセラミックシェル型の一般的な製法を用いて作製した鋳型又は融解坩堝などを用い、鋳型又は融解坩堝内部でシリコン原料を加熱融解する、さらに、鋳型内では引き続きシリコン融液を凝固させ、シリコンインゴットを製造することが行われている（例えば、特許文献１、２、３参照）。このように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融解による方法では、溶融炉を設ける必要がないため高純度石英ガラス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。しかし、シリコン融液が鋳型内で凝固した後の冷却工程において、鋳型内の高温のシリコンインゴットよりも周囲の鋳型は冷え易く温度が低下し収縮するために鋳型は割れてしまう。このためシリコン融液の凝固用鋳型として溶融シリカ焼結体の鋳型を用いると、鋳型は１回しか使用することができず使い捨てとなってしまい、シリコンインゴットの製造コストが高くなるという問題があった。
【０００８】
また、坩堝内表面が結晶質の溶融シリカ焼結体の融解坩堝を再利用すると加熱と冷却を繰り返すうちに結晶層が脆くなり、坩堝内面の結晶層が剥離して融解中のシリコン融液に混入し、不良の原因となる。そして、溶融シリカ焼結体に含有する微小な金属不純物などがシリコン原料の融解中に坩堝から溶け出し、シリコン融液中に混入して、シリコンインゴットの品質に影響を与える恐れもあった。
【０００９】
さらに、溶融シリカ焼結体の坩堝内で融解したシリコン融液が坩堝表面の気孔に侵入し融液が坩堝内に残留したり、気孔内部でシリコン融液が冷えて凝固した際にシリコンが凝固膨張して融解坩堝にクラックが生じたりする問題もあった。
【００１０】
本発明は上述のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、高品質シリコンインゴットを低コストで製造するためのシリコン融解坩堝及びこれを用いたシリコン鋳造装置並びに多結晶シリコンインゴットの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】
【００１１】
発明者は、上記の目的を達成すべく研究を重ねた結果、以下に示す本発明に到達した。
【００１２】
即ち、本発明のシリコン融解坩堝は、内部に収めたシリコン原料を加熱融解してシリコン融液を形成するシリコン融解坩堝であって、前記シリコン融解坩堝は、溶融シリカ粉末を主成分とする粉体原料を成形し焼成して形成された溶融シリカ焼結体から成る基体と、前記基体上の少なくともシリコン融液が接する箇所に設けられた、二酸化珪素を主成分とするガラス層から成る被覆層と、を備える。
【００１３】
本発明のシリコン融解坩堝は、上記構成において、前記シリコン融解坩堝の内表面は、内側面と内底面とを有し、これらが接する部分の形状が面取り形状を有して連続的に繋がっている。
【００１４】
本発明のシリコン融解坩堝は、上記構成において、前記シリコン融解坩堝は、前記内側面を平面視したときの形状が略円形である。
【００１５】
本発明のシリコン鋳造装置は、上記のいずれかに記載の本発明のシリコン融解坩堝と、前記シリコン融解坩堝を複数箇所で保持するための、複数の部品から成る坩堝保持容器と、を備える。
【００１６】
本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法は、上記のいずれかに記載の本発明のシリコン融解坩堝、又は上記記載のシリコン鋳造装置を用いて鋳造する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のシリコン融解坩堝は、内部に収めたシリコン原料を加熱融解してシリコン融液を形成するシリコン融解坩堝であって、前記シリコン融解坩堝は、溶融シリカ粉末を主成分とする粉体原料を成形し焼成して形成された溶融シリカ焼結体から成る基体と、前記基体上の少なくともシリコン融液が接する箇所に設けられた、二酸化珪素を主成分とするガラス層から成る被覆層と、を備えているので、溶融シリカ焼結体からなる基体の坩堝の表面に存在する微細な気孔を被覆層であるガラス層が覆うことによって、坩堝内で融解したシリコン融液が坩堝表面の気孔に侵入し融液が坩堝内に残留したり、気孔内部でシリコン融液が冷えて凝固した際にシリコンが凝固膨張して融解坩堝にクラックが生じたりする問題を回避することができる。さらには、溶融シリカ焼結体に含有する微小な金属不純物などがシリコン原料の融解中に坩堝から溶け出し、シリコン融液中に混入することを防ぐことができる。また、溶融シリカ焼結体の融解坩堝を再利用して加熱と冷却を繰り返すうちに結晶層が脆くなり、坩堝内面の結晶層が剥離して融解中のシリコン融液に混入し、不良の原因となるが、その表面にガラス層を設けることにより、結晶層が剥離して融解中のシリコン融液に混入するのを防ぐことができる。そのため、安価で繰り返し使用可能な坩堝となり、従来の非常に高価な高純度石英ガラス製坩堝や使い捨ての鋳型内溶解凝固用鋳型を使用する場合に比べ、シリコンインゴットの製造コストを下げることができる。
【００１８】
また、上述のシリコン融解坩堝とシリコン融解坩堝を内部に収納する坩堝保持容器と、を備えた鋳造装置において、前記坩堝保持容器は複数の部品からなる鋳造装置とすることによって、坩堝内のシリコン原料を融解する１４２０℃〜１５５０℃の高温において軟化し易い溶融シリカからなる坩堝の形状を保持でき、また坩堝底の出湯口からのシリコン融液の注湯を妨げることなく、さらには内部のシリコン融液を注湯した後、坩堝を冷却する際に、坩堝保持容器が割れることを回避できる。
【００１９】
本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法は、本発明のシリコン融解坩堝又はシリコン鋳造装置を用いて鋳造するようにしているので、高い品質のシリコンインゴットを低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。なお、図に示したものは本発明の実施形態の一例示であって、これに限定されるものではない。
【００２１】
図１は、本発明にかかるシリコン融解坩堝を説明する図である。図１（ａ）は融解坩堝を傾倒して内部のシリコン融液を出湯する方式の融解坩堝であり、図１（ｂ）は融解坩堝の底部に出湯口を備え、ここからシリコン融液を出湯する方式の融解坩堝である。
【００２２】
いずれの融解坩堝１も、以下に説明する本発明に係る構造を備えている。即ち、基体が溶融シリカ粉末を主成分とする粉体原料を求める坩堝形状に成形し焼成して形成された溶融シリカ焼結体２であり、被覆層が二酸化珪素を主成分とするガラス層３である。以下詳細に説明する。
【００２３】
融解坩堝１の本体である基体は、溶融シリカ（fused silica）の粉末を主成分とする粉体原料を求める坩堝形状に成形し焼成して形成された溶融シリカ焼結体２である。これによって、安価で繰り返し使用可能な坩堝となり、従来の非常に高価な高純度石英ガラス製坩堝や使い捨ての鋳型内溶解凝固用鋳型を使用する場合に比べ、シリコンインゴットの製造コストを下げることができる。
【００２４】
溶融シリカの粉末は、主に珪砂を原料として溶融した石英ガラスを粉砕した非結晶の粉末であり、Ｘ線回折で同定したときに、結晶相に由来する鋭い回折ピークが存在しない。この粉末は、焼結性を高めるため、平均粒径は１〜２μｍとするのが望ましい。これ以下であると成形時に割れが生じやすく、これ以上だと焼結性が悪くなる恐れがある。
【００２５】
この粉末に、成形に必要なバインダー（例えば、ポリアクリル系エマルジョン等）と分散剤、溶媒（水）を加え、必要とする鋳型の形状に、泥しょう鋳込み成形を行う。あるいは、バインダーを添加してプレス成形を用いて成形しても良い。
【００２６】
その後、成形体を電気炉によって大気中で１２５０℃近傍で３〜４時間焼成を行えば本発明に係る溶融シリカ焼結体を得ることができる。
【００２７】
溶融シリカ焼結体２による融解坩堝１の形状としては、図１（ａ）に示すように、融解坩堝１を傾倒して上部に設けられた注ぎ口１ｄからシリコン融液を下部に設けられた鋳型（不図示）に注湯する方式としても良いし、図１（ｂ）のように融解坩堝１の底部に出湯口４を設けシリコン融液を坩堝下方へ注湯する方式としても良い。
【００２８】
図１（ａ）に示す傾倒式の融解坩堝の方式では鋳造装置が大型化し複雑となるが、図１（ｂ）の融解坩堝の方式にすれば、融解坩堝１を傾倒させる必要がなく、簡易に鋳型へシリコン融液を注湯することができる。融解坩堝１の基体として溶融シリカ焼結体２を用いている、出湯口近傍の軟化を抑えることができ、複数回利用することができる。
【００２９】
図１（ｂ）に示す方式の融解坩堝では、融解坩堝１の内底面１ｂには坩堝内で融解したシリコン融液を坩堝下方へ注ぐための出湯口４が付与されており、出湯口４より融解坩堝１内のシリコン融液を下方へ注いだ後は、高温の融解坩堝１を冷却し、再度シリコン原料を内部へ充填して融解したり、或いは高温の坩堝内に直接シリコン原料を充填できるような原料リチャージ機構（不図示）を用いて融解坩堝１内に再度シリコン原料を充填して融解したりして、坩堝を複数回利用することができる。なお、坩堝の内底面１ｂの形状は、出湯口４に向かって連続的に傾斜し、出湯口４が最も低い位置にくるような形状とすることが望ましい。融解坩堝内で融解したシリコン融液が、坩堝内に残留する事無く全て出湯口から坩堝下方へ注がれるようになるからである。なお、このような出湯口４は、本発明に係る溶融シリカ焼結体によって融解坩堝１を形成する場合、溶融シリカ粉末の成形体に対してあらかじめ設けておくことができる。このようにすれば、後から加工する必要がなく、加工するとしても少ない加工量とすることができる。
【００３０】
また、融解坩堝１の出湯口４には、出湯口４を覆うように内径が上方から下方に向けて一様に断面が小さくなるノズル５が付与されている。このノズル５は、本発明に係る溶融シリカ焼結体によって融解坩堝１を形成する場合、融解坩堝１と一体に形成しても良いが、ノズル形状を有する部品を別途、本発明に係る溶融シリカ焼結体によって作製し、ノズル部品の溶融シリカ焼結体を溶融シリカ焼結体の融解坩堝１の底部にガラス溶接などの方法で取り付けることもできる。融解坩堝１内のシリコン原料が全て融解し、出湯口４から下方へ注がれる際に、ノズル５の形状が整流作用を有するため融液の液滴が周囲に飛び散ることを抑制することが可能となり、鋳造装置内にシリコン融液を撒き散らすことなく注湯することが可能となる。
【００３１】
上述したように融解坩堝１の基体上の少なくともシリコン融液が接する箇所には、二酸化珪素を主成分とするガラス層３から成る被覆層が設けられている。このガラス層３が溶融シリカ焼結体２からなる坩堝の表面に存在する微細な気孔を覆うため、融解坩堝１内で融解したシリコン融液が坩堝表面の気孔に侵入し融液が坩堝内に残留したり、気孔内部でシリコン融液が冷えて凝固した際にシリコンが凝固膨張して坩堝にクラックが生じたりする問題を回避することができる。さらには、溶融シリカ焼結体２に含有する微小な金属不純物などがシリコン原料の融解中に坩堝から溶け出し、シリコン融液中に混入することを防ぐことができる。さらに、溶融シリカ焼結体２の融解坩堝を再利用すると加熱と冷却を繰り返すうちに結晶層が脆くなり、坩堝内面の結晶層が剥離して融解中のシリコン融液に混入し、不良の原因となるが、このガラス層３により、結晶層が剥離して融解中のシリコン融液に混入するのを防ぐことができる。
【００３２】
ガラス層３の形成方法は、溶融シリカ焼結体２からなる坩堝内表面に石英ガラスを主成分とする粉末をコーティングしたのち、アーク放電などを利用して表面を加熱してガラス成分を融解して坩堝内表面にガラス層３を形成すれば良い。あるいは、石英ガラスを主成分とする粉末を例えばプラズマ溶射などの方法で直接坩堝内表面にコーティングしてガラス層３を形成しても良い。また、溶融シリカ焼結体２の坩堝内表面となる箇所を、例えば、プラズマトーチやガスバーナーなどによって、局所的に加熱することによって最表面部を融解させてガラス化することによって、ガラス層３を形成しても良い。
【００３３】
ガラス層３の厚みは、溶融シリカ焼結体２表面の気孔を塞ぐのに必要な厚みが形成されればその目的の機能を有するガラス層３となるが、より好ましくは０．３ｍｍ以上とすることが望ましい。その理由は、ガラス層３の厚みが０．３ｍｍ以下だと溶融シリカ焼結体表層に存在する気孔のうち大きなものがあった場合、それを塞ぐのに不十分だからである。また上限としては２ｍｍ以下とするのが良い。その理由は、２ｍｍを超えるとガラス層３を形成するのに時間がかかり、坩堝コストが高くなる恐れがあるからである。
【００３４】
ガラス層３の形成に用いる石英ガラス粉末等の原料は、太陽電池の特性低下を引き起こす金属元素などの不純物の含有の少ない原料を用いることが肝要である。具体的には、純度９８％以上、より好ましくは９９．５％以上の石英ガラスを使用することが望ましい。
【００３５】
以上が本発明のシリコン融解坩堝の基本的な構成である。次にシリコン融解坩堝のより好ましい態様について説明する。
【００３６】
シリコン融解坩堝１の内表面は、内側面と内底面とを有し、これらが接する部分の形状が面取り形状を有して連続的に繋がった形状とすることが望ましい。具体的には、図１（ｂ）に示すように、坩堝の内側面１ａと坩堝の内底面１ｂとが接する境界部１ｃに、面取り形状を付与し、この境界部１ｃを介して内側面１ａと内底面１ｂとが連続的かつ滑らかに繋がった形状とするのが良い。また、面取り形状としては、径が２０ｍｍ以上のＲ面形状か、Ｃ面形状とすることが望ましい。このような形状とすることによって、融解坩堝１内のシリコン原料を融解する１４２０℃〜１５５０℃の高温においても、融解坩堝１にクラックが入り内部のシリコン融液が漏れて高価なシリコン原料が無駄になるばかりでなく、高価なシリコン鋳造用装置を破損してしまうという問題を回避できる。また、坩堝の内側面１ａと内底面１ｂとの間が不連続になっていると、本発明に係るガラス層３を均一に形成することが難しくなり、使用に際して、応力の不均一な集中により寿命が短くなる恐れがあるが、上記構成のようになっていれば、この問題を回避できる。なお、内側面１ａと内底面１ｂ及びそれらの境界部１ｃの肉厚（溶融シリカ焼結体２とガラス層３の合計の厚み）は等しいか、異なる場合もその肉厚が連続的に変化するような形状とすることが好ましい。
【００３７】
また、シリコン融解坩堝１は、内側面を平面視したときの形状が略円形であるようにすることが望ましい。これはシリコン融解坩堝１の内側面は略円筒形状であることを意味するので、シリコン原料の融解を複数回実施する際の熱履歴に起因して坩堝にかかる熱応力が、特定の箇所に集中することを避けることができるようになるため、原料融解中の高温時や融液を注湯した後の冷却時に坩堝やガラス層３にクラックが入る問題を回避できる。
【００３８】
次に、図２を参照しながら本発明のシリコン鋳造装置について説明する。図２（ａ）は、本発明のシリコン鋳造装置の実施形態の一例の縦断面図であり、図２（ｂ）は、平面図である。
【００３９】
本発明のシリコン融解坩堝の使用に際しては、図２（ａ）に示されるように融解坩堝１を複数箇所で保持するための、複数の部品から成る坩堝保持容器６を用いることが望ましい。例えば、図１（ｂ）に示した形状の融解坩堝１を用いる場合、融解坩堝１の内底面１ｂに付与された出湯口４及びノズル５に対応する部分に開口部７ａを有する底面保持部７と、縦方向に分割された複数の側面保持部８と、これらの側面保持部８を外側から囲繞するように周設される固定治具８ａとを含んで構成される。これらの坩堝保持容器６の肉厚は、内部のシリコン原料の重量を高温で軟化する融解坩堝１が支えるのに十分な強度を有する範囲で決めれば良い。また、底面保持部７の形状は、融解坩堝１の外底面と隙間なく合わさり、坩堝が安定する形状とするのが望ましい。
【００４０】
このような構成を有する坩堝保持容器６によって、融解坩堝１内のシリコン原料を融解する１４２０℃〜１５５０℃の高温において軟化し易い溶融シリカ焼結体からなる融解坩堝１の形状を保持することができる。また、坩堝底の出湯口４に対応した位置に開口部７ａを設けているので、シリコン融液の注湯を妨げることがない。さらに縦方向に複数に分割された構成となっているので、内部のシリコン融液を注湯した後、坩堝を冷却する際に、熱膨張係数差によって坩堝保持容器６が割れることを回避できる。
【００４１】
側面保持部８の材質は、融解坩堝１と同じ熱膨張係数を有する材質を用いるのが本来好ましいが、融解坩堝１の主成分である溶融シリカ焼結体はシリコンの融点において軟化するため、黒鉛などの炭素材料が好ましい。高温で安定な物質でかつ太陽電池特性を低下させる恐れのある金属不純物などの含有が少ない高純度な物質だからである。中でも熱膨張係数が融解坩堝１と近い炭素繊維強化炭素材料を用いるのが好ましい。ただし、側面保持部８全てを炭素繊維強化炭素材料で構成すると価格が非常に高価であり、シリコンインゴットの製造コストが高くなる恐れがあるため、黒鉛材料を用いても良い。黒鉛は溶融シリカ焼結体からなる融解坩堝１の十倍程度の熱膨張係数を有するため、これらを冷却する際に内部に収めた融解坩堝よりも収縮量が多く、黒鉛の側面保持部８が一体型の構造をしていると割れてしまう恐れがあるため、前述のように複数の部品に分割することが望ましい。
【００４２】
なお、図２（ｂ）の平面図に示すように、分割した複数の側面保持部８の各部品は、相互に間隙部８ｂを設けて配置することが望ましい。これら複数の側面保持部８は、固定治具８ａによって、外部から取り囲むように融解坩堝１の外周に固定される。なお、この間隙部８ｂは、高温で融解坩堝１及び側面保持部８が最も膨張した際の融解坩堝１の外寸と側面保持部８の内寸が等しくなる（間隙部８ｂがほぼ０となる）ようにすることが望ましい。また、間隙部８ｂが２ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲で確保できる形状とすることが好ましい。よって、シリコン融液を注湯した後の溶融シリカ焼結体からなる融解坩堝１は高温のために軟化し、周囲の側面保持部８に密着した状態になっている。側面保持部８を構成する黒鉛は溶融シリカ焼結体からなる融解坩堝１の１０倍程度の熱膨張係数を有するため、これらを冷却する際に内部に収めた坩堝よりも収縮量が多く、黒鉛の側面保持部８が一体型の構造をしている場合、引っ張り応力を受けて割れてしまう恐れがあるが、側面保持部８を前述のように複数の部品に分割することによって割れを防ぐことができる。
【００４３】
本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法は、上記のいずれかに記載の本発明のシリコン融解坩堝、又は上記記載のシリコン鋳造装置を用いて鋳造する。図３は、本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を実施するための、鋳造炉の一例を示す。上述した図１（ｂ）の本発明の融解坩堝１を図２の本発明の鋳造装置の構成として配置し、鋳造炉内に配置する。融解坩堝１の周囲には、断熱材９が配置され、融解坩堝１内のシリコン原料を溶融するための坩堝加熱機構１０が配置される。
【００４４】
融解坩堝１の下方には、出湯口４から出湯したシリコン融液が注湯される位置に開口部を有した鋳型１３が配置されている。この鋳型１３の上方には鋳型加熱機構１１、下方には鋳型冷却機構１２を有している。
【００４５】
まず、上述した本発明のシリコン鋳造装置の融解坩堝１内にシリコン原料を充填して鋳造炉内に設置する。その後、５〜３００Ｔｏｒｒに減圧したアルゴン（Ａｒ）雰囲気とする。そして、坩堝加熱機構１０で融解坩堝１及び内部のシリコン原料を加熱融解する。次に鋳型１３をシリコン融液と同程度か若干低い温度まで予熱しておき、融解坩堝１内のシリコン原料が完全に融解するとともに出湯口４から鋳型１３内部にシリコン融液を注湯する。その後は、鋳型１３の上部を鋳型加熱機構１１で加熱して鋳型内のシリコン表面を融液状態に保ちながら鋳型底部を鋳型冷却機構１２で抜熱して徐々に降温させることによって、シリコン融液に温度勾配を与え、シリコン融液を鋳型底部から上部にむけて徐々に凝固させる。その後、高温の鋳型１３内のシリコンインゴットを徐々に冷却し、鋳型１３からシリコンインゴットを取り出して切断し、マルチワイヤーソーなどを用いてスライスして太陽電池用シリコン基板を得る。このような本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法によれば、シリコン融液中に融解坩堝に含まれる不純物が混入することを防ぐことができるので、高品質な多結晶シリコンインゴットを形成することができる。また、坩堝を繰り返して使う中で内面の結晶層が剥離して融解中のシリコン融液に混入するのを防ぐことができるので、安価で繰り返し使用可能な坩堝となり、従来の非常に高価な高純度石英ガラス製坩堝や使い捨ての鋳型内溶解凝固用鋳型を使用する場合に比べ、シリコンインゴットの製造コストを下げることができる。
【００４６】
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。例えば、ガラス層３としては、アモルファス相を含んだものであっても構わない。
【実施例】
【００４７】
図１（ｂ）に示すように、内底面１ｂは出湯口４とノズル５を備え、出湯口４に向かって一様に傾斜し、出湯口４が最も高さが低くなった形状を有し、内側面１ａは略円筒形をした溶融シリカ焼結体からなる融解坩堝１を用意した。なお、本発明に係るガラス層３は、石英ガラスを主成分とする粉末をプラズマ溶射によって、坩堝内表面にコーティングして０．５ｍｍ厚のガラス層３を形成した。内側面１ａと内底面１ｂの境界部１ｃの形状としては、略直角、Ｒ１０ｍｍ、Ｒ２０ｍｍ、Ｒ３０ｍｍの形状の坩堝を作製した。なお、比較のため、ガラス層３を設けない本発明の範囲外の坩堝も作製した。
【００４８】
黒鉛からなる坩堝の内底面１ｂに付与された出湯口４及びノズル５に対応する部分に開口部７ａを有する底面保持部７と、黒鉛からなる縦方向に分割された複数の側面保持部８と、及び炭素繊維強化炭素材料からなるそれらを固定するための固定治具８ａとでなる坩堝保持容器６内に、融解坩堝１を図２のように収納して内部にシリコン原料を充填した。
【００４９】
この融解坩堝を図３のように、内部に断熱材９、坩堝加熱機構１０、鋳型加熱機構１１、鋳型冷却機構１２、及びその上に載置された鋳型１３を有するシリコン鋳造炉内に設置し、３００Ｔｏｒｒに減圧したアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で、坩堝加熱機構１０で融解坩堝１及び内部のシリコン原料を加熱融解し、シリコン融液と同程度か若干低い温度まで予熱した鋳型１３中にシリコン融液を注湯した。その後は鋳型１３の上部を鋳型加熱機構１１で加熱して鋳型内のシリコン表面を融液状態に保ちながら鋳型底部を鋳型冷却機構１２で抜熱して徐々に降温させ、シリコン融液を鋳型底部から上部にむけて徐々に凝固させ、徐冷してインゴットを製造した。
【００５０】
上記実験を、各形状の坩堝について５回実施し、各坩堝のクラックの有無、変形の有無、再利用の可否を判定した。結果を表１にまとめる。なお、◎は極めて良好、○は良好、△は問題があるが許容範囲内、×は不適を意味する。
【表１】
2006273666.tif 000003
【００５１】
本発明に係るガラス層３を設けた試料（Ｎｏ．１〜４）はいずれも許容範囲上の結果が得られた。溶融シリカ粉末を主成分とする粉体原料を求める坩堝形状に成形し焼成して形成された溶融シリカ焼結体でなる融解坩堝において、すべての形状において５回は実施可能であった。特に内側面と内底面との境界部分の形状をＲ２０ｍｍ以上のＲ面形状とすることによって、内部に充填したシリコン原料の溶融と注湯をさらに複数回繰り返すことが可能となることが確認された。
【００５２】
これに対して、本発明に係るガラス層３を設けない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．５については不適な結果となった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明にかかる融解坩堝の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明にかかる融解坩堝を収納する坩堝保持容器の一実施形態を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は上視図である。
【図３】本発明の多結晶シリコンインゴットの鋳造方法を実施するための、鋳造炉の一例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１：融解坩堝
１ａ：内側面
１ｂ：内底面
１ｃ：境界部
１ｄ：注ぎ口
２：溶融シリカ焼結体
３：ガラス層
４：出湯口
５：ノズル
６：坩堝保持容器
７：底面保持部
７ａ：開口部
８：側面保持部
８ａ：固定治具
８ｂ：間隙部
９：断熱材
１０：坩堝加熱機構
１１：鋳型加熱機構
１２：鋳型冷却機構
１３：鋳型
【図１】
2006273666.tif 000004
【図２】
2006273666.tif 000005
【図３】
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