(57)【要約】【課題】溶融坩堝内の原料が全て溶解したタイミングを毎回正確に検知し、出湯前の溶融坩堝内のシリコン融液温度を再現性よく短時間で制御し、出湯させて、高品質な多結晶シリコンを生産性良く、高歩留で製造する。【解決手段】本発明の多結晶シリコンの鋳造装置は、内部に保持した原料シリコンを加熱溶解させてシリコン融液を形成する溶融坩堝１１と、原料シリコンを加熱溶解させる加熱手段５，６と、溶融坩堝１の内部に保持した、シリコンの原料温度を検出する第一熱電対１０と、溶融坩堝１の外表面温度を検出する第二熱電対１１と、第二熱電対１１によって測定された外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔが第一所定値未満の状態を経た後に、第二所定値以上になったときに、第一温度検出手段によって測定された原料温度が所定の目標値となるように加熱手段５，６を制御する融液温度制御手段１２と、を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融坩堝の内部に保持した原料シリコンを、この溶融坩堝の外部に配設された加熱手段に電力を供給し、加熱溶解させてシリコン融液とするシリコン溶融工程を備えた多結晶シリコンの鋳造方法であって、
前記シリコン溶融工程は、前記溶融坩堝の内部に保持した、原料シリコン若しくはシリコン融液の原料温度と、前記溶融坩堝の外表面温度とを測定しながら、前記加熱手段に所定の電力を供給し、前記溶融坩堝内の原料シリコンを加熱溶解する第一工程と、
前記第一工程において、前記外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔが第一所定値未満の状態を経た後、この第一所定値よりも大きい第二所定値以上となったときに開始され、前記原料温度を所定の目標値に一致させるように前記加熱手段に与える電力を調整する第二工程と、
を備えた多結晶シリコンの鋳造方法。
【請求項２】
前記外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔにおいて、前記第一所定値は１．０℃／分、前記第二所定値は２．０℃／分である請求項１に記載の多結晶シリコンの鋳造方法。
【請求項３】
前記第二工程に引き続いて、前記溶融坩堝内のシリコン融液を出湯する第三工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多結晶シリコンの鋳造方法。
【請求項４】
内部に保持した原料シリコンを加熱溶解させて形成したシリコン融液を外部に出湯させる出湯口を有する溶融坩堝と、
前記溶融坩堝の外部に配設され、前記原料シリコンを加熱溶解させる加熱手段と、
前記溶融坩堝の前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が注湯され、その内部で凝固させる鋳型と、
前記溶融坩堝の内部に保持した、原料シリコン若しくはシリコン融液の原料温度を検出する第一温度検出手段と、
前記溶融坩堝の外表面温度を検出する第二温度検出手段と、
前記第二温度検出手段によって測定された前記外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔが第一所定値未満の状態を経た後、この第一所定値よりも大きい第二所定値以上になったときに、前記第一温度検出手段によって測定された前記原料温度が所定の目標値となるように、前記加熱手段を制御する融液温度制御手段と、
を具備した多結晶シリコン鋳造装置。
【請求項５】
前記加熱手段は、前記溶融坩堝の上方及び側方に配設され、
前記第二温度検出手段は、前記溶融坩堝の底部の外表面温度を測定するように配置されたことを特徴とする請求項４に記載の多結晶シリコン鋳造装置。
【請求項６】
前記融液温度制御手段によって、前記原料温度が前記所定の目標値に調整された後に、この溶融坩堝の内部のシリコン融液を前記鋳型に向けて出湯する出湯制御手段を備えたことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の多結晶シリコン鋳造装置。
【請求項７】
前記出湯制御手段は、前記溶融坩堝の底部に形成されたノズル部と、このノズル部内に配設された高純度シリコンと、この高純度シリコンを加熱溶解させるノズル加熱手段と、を備えたことを特徴とする請求項６に記載の多結晶シリコン鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽電池の製造に適した多結晶シリコンを鋳造するための多結晶シリコンの鋳造方法及び多結晶シリコン鋳造装置に関する。
【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、化合物系などに分類される。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、離型材を塗布した黒鉛などからなる鋳型内のシリコン融液を冷却固化することによって多結晶シリコンの鋳塊（インゴット）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たり所望の大きさに切断したりして切り出し、切り出した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】
多結晶のシリコンなどを鋳造する従来の鋳造装置として図５に示すような鋳造装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。図５において１０１は溶融坩堝、１０２は保持坩堝、１０３はノズル部、１０４は出湯口、１０５は上部加熱手段、１０６は側部加熱手段、１０９はノズル加熱手段、１１３は塞栓用シリコン原料、１１４は鋳型を示す。
【０００６】
原料シリコンを溶融するための溶融坩堝１０１が保持坩堝１０２に保持されて配置され、溶融坩堝１０１と保持坩堝１０２の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口１０４を有するノズル１０３が設けられ、その周囲にはノズル加熱手段１０９が設置される。また、溶融坩堝１０１、保持坩堝１０２の側方と上方にはそれぞれ上部加熱手段１０５と側部加熱手段１０６が配置され、溶融坩堝１０１、保持坩堝１０２の下方にはシリコン融液が注ぎ込まれる鋳型１１４が配置される。
【０００７】
溶融坩堝１０１は、耐熱性能とシリコン融液中に不純物が拡散しないこと等を考慮して例えば高純度の石英などが用いられる。保持坩堝１０２は、石英等でできた溶融坩堝１０１がシリコンの融点近傍の高温で軟化してその形状を保てなくなるため、これを保持するためのものであり、その材質はグラファイト等が用いられる。上部加熱手段１０５と側部加熱手段１０６、ノズル加熱手段１０９は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイル等が用いられる。
【０００８】
鋳型１１４はグラファイトや炭素繊維強化材料などからなり、その内側に窒化珪素などを主成分とする離型材を塗布して用いられる。またこの鋳型１１４の周りには側面からの抜熱を抑制するため鋳型断熱材（図不示）が設置されることが多い。鋳型断熱材は耐熱性、断熱性等を考慮してカーボン系の材質が一般的に用いられる。また鋳型の下方には注湯されたシリコン融液を冷却、固化するため冷却板（図不示）が設置される場合もある。なお、これらはすべて真空容器（図不示）内に配置される。
【０００９】
この図５に示す鋳造装置は次のように動作する。まず、溶融坩堝１０１の底部に設けた出湯口１０４を塞栓用シリコン原料１１３で塞いでおき、その上で溶融坩堝１０１内に原料シリコンを投入する。その後、溶融坩堝１０１の上部加熱手段１０５と側部加熱手段１０６で溶融坩堝１０１の原料シリコンを上部から下部へ徐々に加熱溶解させる。このときノズル加熱手段１０９には通電せず、ノズル１０３の出湯口１０４に近い原料は低温に保って、溶融坩堝１０１の中で加熱溶解されたシリコンが出湯するのを防ぐ。その後、溶融坩堝１０１内の原料シリコンがすべて加熱溶解したのちに、ノズル加熱手段１０９に通電し、出湯口１０４を塞ぐ塞栓用シリコン原料１１３を最後に加熱溶解させ、シリコン融液を鋳型１１４内に出湯するものであった。
【特許文献１】特開平１１−４３３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで最近の技術進歩に伴い、太陽電池用シリコンに対する品質要求は格段に高くなっており、低コストで高品質な多結晶シリコンの生産は工業的な見地から大変重要な課題になっている。キャスティング法においても、単に加熱溶解させたシリコンを鋳型内で固めるだけではなく、鋳型内のシリコン融液の初期温度や凝固速度等の各種パラメータを適切に制御し再現性の良い鋳造方法を確立することが重要となっている。そのため、鋳型１３内に注湯されるシリコン融液の温度を再現性よくコントロールすることは重要な課題の１つである。
【００１１】
しかしながら、溶融坩堝１０１内の原料シリコンを加熱手段により、ある温度プロファイルで加熱し、一定時間経過後に出湯させた場合、使用する原料シリコンの大きさや、溶融坩堝１０１内への充填率などにより、原料シリコンの溶融速度が異なり、出湯時のシリコン融液の温度にばらつきが発生してしまっていた。そのため溶解時間を短縮したり、溶解温度を低くしたりした場合、出湯されるシリコン融液の温度が低すぎて原料シリコンの溶け残りが発生してしまうことがあった。この問題を防ぐために溶解時間を長くしたり、溶解温度を高くしたりした場合、溶解時間が長くなる、不必要な加熱手段への電力が必要になるといった、生産性の低下を招く問題が発生するばかりでなく、出湯時のシリコン融液の温度が高すぎる場合には不純物を多く含んだ品質の悪いシリコン鋳塊になってしまうという問題が発生することがあった。
【００１２】
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、溶融坩堝内の原料が全て溶解したタイミングを毎回正確に検知し、出湯前の溶融坩堝内のシリコン融液温度を再現性よく短時間で制御し、出湯させることで、高品質な多結晶シリコンを生産性良く、高歩留で製造することができる多結晶シリコンの鋳造方法及び鋳造装置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】
【００１３】
本発明者は問題を解決する為に鋭意研究し、その成果を本発明に具現化した。即ち、本発明の多結晶シリコンの鋳造方法は、溶融坩堝の内部に保持した原料シリコンを、この溶融坩堝の外部に配設された加熱手段に電力を供給し、加熱溶解させてシリコン融液とするシリコン溶融工程を備えた多結晶シリコンの鋳造方法であって、前記シリコン溶融工程は、前記溶融坩堝の内部に保持した、原料シリコン若しくはシリコン融液の原料温度と、前記溶融坩堝の外表面温度とを測定しながら、前記加熱手段に所定の電力を供給し、前記溶融坩堝内の原料シリコンを加熱溶解する第一工程と、前記第一工程において前記外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔが第一所定値未満の状態を経た後、第一所定値よりも大きい第二所定値以上となったときに開始され、前記原料温度を所定の目標値に一致させるように前記加熱手段に与える電力を調整する第二工程と、を備えている。
【００１４】
また、本発明の多結晶シリコンの鋳造方法は、前記外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔにおいて、前記第一所定値は１．０℃／分、前記第二所定値は２．０℃／分であることを特徴とする。
【００１５】
そして、本発明の多結晶シリコンの鋳造方法は、前記第二工程に引き続いて、前記溶融坩堝内のシリコン融液を出湯する第三工程をさらに備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の多結晶シリコン鋳造装置は、内部に保持した原料シリコンを加熱溶解させて形成したシリコン融液を外部に出湯させる出湯口を有する溶融坩堝と、前記溶融坩堝の外部に配設され、前記原料シリコンを加熱溶解させる加熱手段と、前記溶融坩堝の前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が注湯され、その内部で凝固させる鋳型と、前記溶融坩堝の内部に保持した、原料シリコン若しくはシリコン融液の原料温度を検出する第一温度検出手段と、前記溶融坩堝の外表面温度を検出する第二温度検出手段と、前記第二温度検出手段によって測定された前記外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔが第一所定値未満の状態を経た後、第一所定値よりも大きい第二所定値以上になったときに、前記第一温度検出手段によって測定された前記原料温度が所定の目標値となるように、前記加熱手段を制御する融液温度制御手段と、を具備している。
【００１７】
また、本発明の多結晶シリコン鋳造装置は、前記加熱手段は、前記溶融坩堝の上方及び側方に配設され、前記第二温度検出手段は、前記溶融坩堝の底部の外表面温度を測定するように配置されたことを特徴とする。
【００１８】
そして、本発明の多結晶シリコン鋳造装置は、前記融液温度制御手段によって、前記原料温度が前記所定の目標値に調整された後に、この溶融坩堝の内部のシリコン融液を前記鋳型に向けて出湯する出湯制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明の多結晶シリコン鋳造装置は、前記出湯制御手段は、前記溶融坩堝の底部に形成されたノズル部と、このノズル部内に配設された高純度シリコンと、この高純度シリコンを加熱溶解させるノズル加熱手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の多結晶シリコン鋳造装置は、前記出湯制御手段は、前記溶融坩堝の底部に形成された出湯口と、この出湯口に対して開閉自在に設けられるとともに可動式の水冷金属板を含んで成る蓋部材と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の多結晶シリコンの鋳造方法は、溶融坩堝の内部に保持した原料シリコンを、この溶融坩堝の外部に配設された加熱手段に電力を供給し、加熱溶解させてシリコン融液とするシリコン溶融工程を備えた多結晶シリコンの鋳造方法であって、前記シリコン溶融工程は、前記溶融坩堝の内部に保持した、原料シリコン若しくはシリコン融液の原料温度と、前記溶融坩堝の外表面温度とを測定しながら、前記加熱手段に所定の電力を供給し、前記溶融坩堝内の原料シリコンを加熱溶解する第一工程と、前記第一工程において前記外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔが第一所定値未満の状態を経た後、第一所定値よりも大きい第二所定値以上となったときに開始され、前記原料温度を所定の目標値に一致させるように前記加熱手段に与える電力を調整する第二工程と、を備えている。
【００２２】
また、本発明の多結晶シリコン鋳造装置は、内部に保持した原料シリコンを加熱溶解させて形成したシリコン融液を外部に出湯させる出湯口を有する溶融坩堝と、前記溶融坩堝の外部に配設され、前記原料シリコンを加熱溶解させる加熱手段と、前記溶融坩堝の前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が注湯され、その内部で凝固させる鋳型と、前記溶融坩堝の内部に保持した、原料シリコン若しくはシリコン融液の原料温度を検出する第一温度検出手段と、前記溶融坩堝の外表面温度を検出する第二温度検出手段と、前記第二温度検出手段によって測定された前記外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔが第一所定値未満の状態を経た後、第一所定値よりも大きい第二所定値以上になったときに、前記第一温度検出手段によって測定された前記原料温度が所定の目標値となるように、前記加熱手段を制御する融液温度制御手段と、を具備している。
【００２３】
このような本発明の多結晶シリコンの鋳造方法及び多結晶シリコンの鋳造装置を用いることによって、溶融坩堝内の原料が全て溶解したタイミングを毎回正確に検知し、出湯前の溶融坩堝内のシリコン融液温度が再現性よく短時間で制御される。その結果、鋳型内に注湯されるシリコン融液の温度のバラツキが少なくなるので、高品質な多結晶シリコンを生産性良く、高歩留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】
【００２４】
以下、本発明の多結晶シリコン鋳造装置の実施形態の一例について、図面を用いて詳述する。
【００２５】
図１は本発明の多結晶シリコン鋳造装置を示す概略断面図である。同図において、１は溶融坩堝、２は保持坩堝、３はノズル部、４は出湯口、５、６は加熱手段である上部加熱手段及び側部加熱手段、７は台座、８は原料シリコンである高純度シリコン、９はノズル加熱手段、１０は第一温度検出手段である第一熱電対、１１は第二温度検出手段である第二熱電対、１２は融液温度制御手段であるコンピュータ、１３は鋳型をそれぞれ示す。
【００２６】
この多結晶シリコン鋳造装置の概要は次の通りである。まず、溶融坩堝１は、内部に原料シリコンを保持できるようになっており、この溶融坩堝１の外部に配設された、後述する加熱手段（上部加熱手段５、側部加熱手段６）に電力を供給し、内部の原料シリコンを加熱溶解してシリコン融液が形成される。溶融坩堝１には外部に出湯させるための出湯口３が備えられ、この出湯口３の下方に配設された鋳型１３へシリコン融液を注湯する。なお、鋳型１３内へ注湯されたシリコン融液は、鋳型１３内で凝固して、例えば太陽電池用多結晶シリコン基板材料などに用いられる多結晶シリコン鋳塊となる。
【００２７】
次に、上述した多結晶シリコン鋳造装置の各部分の構成についてさらに詳しく説明する。
【００２８】
溶融坩堝１は、投入された原料シリコンを加熱溶解するための容器であり、原料シリコンの融点以上の温度において、融解、蒸発、軟化、変形、分解等を生じず、半導体材料中に不純物が拡散しないことを考慮して通常は高純度の石英等が用いられる。しかし石英等で形成された溶融坩堝１は高温になると軟化して形を保てなくなるため、通常、グラファイトなどからなる保持坩堝２により溶融坩堝１を保持する。溶融坩堝１及び保持坩堝２は通常、台座７上に載置されて所定位置に保持される。
【００２９】
溶融坩堝１の寸法は、一度に溶解する溶解量に応じた原料シリコンを内包できる寸法とする必要がある。原料シリコンの溶解量は、およそ１ｋｇから１５０ｋｇの範囲である。
【００３０】
また、加熱手段として、この溶融坩堝１の上方には上部加熱手段５が、側方には側部加熱手段６が設けられている。これらの加熱手段は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどから成り、所定の電力を通電することによって、溶融坩堝１内に保持された原料シリコンを加熱溶解できるようになっている。
【００３１】
溶融坩堝１には、第一温度検出手段として第一熱電対１０が備えられ、この溶融坩堝１内の原料シリコン若しくはシリコン融液の原料温度を測温できるように構成されている。さらに、第二温度検出手段として第二熱電対１１が備えられ、溶融坩堝１の外表面部を測温できるように構成されている。
【００３２】
第一熱電対１０と第二熱電対１１によって測温された測定値は、Ａ／Ｄ変換器などの所定のインターフェースを介して、融液温度制御手段であるコンピュータ１２に取り込まれる。また、このコンピュータ１２は、Ｄ／Ａ変換器などの所定のインターフェースを介して上部加熱手段５と側部加熱手段６に与えられる電力を制御できるように構成されている。
【００３３】
溶融坩堝１はその底部に出湯口３が設けられている。そして、この出湯口３の位置は溶融坩堝１内の最低部であれば、如何なる位置でも構わないが、溶融坩堝１内での水平方向の温度分布を考慮して中心位置にあるのが望ましい。出湯初期においては、出湯口３を通過するシリコン融液は液位による圧力によって押し出されるが、出湯後期には液位による圧力がほとんどなくなるために、自重による落下で出湯口３から流れ出るようになる。したがって、無駄なく出湯させるためには、溶融坩堝１の底部はある一定以上の傾斜があるほうが好ましい。また、溶融坩堝１の本体の形状は特に限定されるものではない。
【００３４】
次いで本発明の多結晶シリコン鋳造装置に係る出湯制御手段の一例について説明する。この出湯制御手段は、溶融坩堝１の底部に形成されたノズル部４と、このノズル部４内に配設された高純度シリコン８と、この高純度シリコン８を加熱溶解させるノズル加熱手段９を備えている。
【００３５】
まず、ノズル部４は、出湯口３を覆うように設けられ、少なくともその内面が下方に向かって先細状となっている。このような構造にすることで整流されたシリコン融液を、周囲に飛散させることなく一本の線で鋳型１３内に注ぎ込むことができる。
【００３６】
ノズル部４の内部に配設される高純度シリコン８は、例えば、溶融坩堝１内で溶融される高純度の原料シリコンからノズル部の内径に合わせて成形される。このような形状にすることで、ノズル部４内を隙間なく塞ぐことができ、溶融坩堝１内で溶融されたシリコン融液が出湯操作前に漏れ出すことを防ぐことができる。完全出湯開始前の液漏れに起因する鋳型１３底部における低品質な急速凝固層の形成が抑制され高品質なシリコン鋳塊を製造することができる。
【００３７】
ノズル加熱手段９は、抵抗加熱式のヒーターなどからなり、これに通電することによって、出湯口３を塞ぐ高純度シリコン８を加熱溶解させ、シリコン融液を鋳型１３内に出湯することができる。
【００３８】
次に、上述の図１に示した本発明の多結晶シリコン鋳造装置を用いて、本発明の多結晶シリコンの鋳造方法について詳述する。
【００３９】
図２は、図１に示した本発明の多結晶シリコン鋳造装置における第一熱電対１０と第二熱電対１１とによって測定された温度の経時変化を示すグラフである。図中、Ｌ１は第一熱電対１０によって測定された原料シリコンの温度、Ｌ２は第二熱電対１１によって測定された溶融坩堝１の外表面温度の履歴をそれぞれ示している。なお、便宜上、以下の説明では、第一熱電対１０によって測定された温度を第一熱電対温度、第二熱電対１１によって測定された温度を第二熱電対温度と呼ぶ。
【００４０】
この図２に示すグラフは、本発明の多結晶シリコンの鋳造方法に係るシリコン溶融工程を示すものであるが、これは以下に示すように第一工程、第二工程を備え、さらに好ましくは第三工程を備えている。以下、これらの工程について説明する。
【００４１】
［第一工程］  
本発明に係る第一工程は、図２に示すグラフでは、時刻ｔ４までが該当する。この間、溶融坩堝１内に充填された原料シリコンは図２中、Ｔ１の温度から、所定の電力を加えられた加熱手段（上部加熱手段５及び側部加熱手段６）によって加熱され、温度が急速に上昇する。その後、第一熱電対温度は、時刻ｔ１において原料シリコンが融点近傍のＴ３まで加熱された後、溶解が開始される。時刻ｔ１からシリコンの固相、液相が共存した状態が続き、この間は、原料への入熱はシリコンの融解熱にも使われるようになるため、時刻ｔ１以降は緩やかな温度勾配で温度が上昇する。その後、時刻ｔ３において原料シリコンがほぼ溶解し、シリコンの融解熱に使われていた分が減少するため、時刻ｔ３以降は大きな温度勾配で温度が上昇する。
【００４２】
一方、溶融坩堝１の外表面部の第二熱電対１１は第一熱電対１０と同じく温度Ｔ１から昇温を開始し、第一熱電対１０と同様の傾向を示す。しかしながら、原料シリコンそのものの温度を測定する第一熱電対温度に対して、溶融坩堝１の外表面部に設置された第二熱電対１１による第二熱電対温度は、同じ時刻で比較すると、より低い温度を示すとともに、第一熱電対温度よりも遅れて変化を開始する。これは、原料シリコンから溶融坩堝１の内面から外表面へと伝熱される現象を反映している。
【００４３】
したがって、第二熱電対温度は、時刻ｔ１よりやや遅れた時刻ｔ２において、温度Ｔ３よりも低い温度Ｔ２に達し、これ以降は、溶融坩堝１の内部においてシリコンの固相、液相が共存した状態の影響を受け、この時刻ｔ２以降の第二熱電対温度の時間当たりの温度変化率ΔＴ／Δｔは小さく、緩やかな温度勾配となって上昇する。その後、溶融坩堝１の内部における原料シリコンの融解熱の吸収が終了した影響を受け、時刻ｔ３よりやや遅れた時刻ｔ４において、この時刻ｔ４以降の第一熱電対温度の時間当たりの温度変化率ΔＴ／Δｔは大きな値となり、より大きな温度勾配で温度上昇する。
【００４４】
本発明においては、この第二熱電対温度（溶融坩堝の外表面温度）の温度の時間変化率ΔＴ／Δｔに着目した。すなわち、第一工程においてこの外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔが第一所定値未満の状態を経た後、この第一所定値よりも大きい第二所定値以上となったときをもって、後述する第二工程を開始するためのトリガーとしている。具体的には、時刻ｔ２〜ｔ４において、外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔは第一所定値未満となり、時刻ｔ４以降においてΔＴ／Δｔは第二所定値以上となる。
【００４５】
このように第二熱電対温度（溶融坩堝の外表面温度）を基準とすることによって、より確実に溶融坩堝１内部の原料シリコンの溶融状態を把握することができる。その理由としては、原料シリコン自体の温度を測定している第一熱電対温度を基準とすると、溶融坩堝１内の原料シリコンの温度分布によってはタイミングを誤認する恐れがあるが、溶融坩堝１の外表面を測定している第二熱電対温度はその恐れが少ないためである。
【００４６】
なお、図１に示した例のように加熱手段の位置を、溶融坩堝１の上方及び側方に配設したときには、第二熱電対１１を、溶融坩堝１の底部の外表面温度を測定するように配置することが望ましい。このような配置にすれば、第二熱電対１１に対する上部加熱手段５や側部加熱手段６の影響を避け、より信頼性の高い測定を行うことができるからである。
【００４７】
さらに、第二熱電対１１を溶融坩堝１の底部を測定するように配置する場合、溶融坩堝１や保持坩堝２を載置する台座７によって、加熱手段（上部加熱手段５、側部加熱手段６）と隔てられた構造になっていれば、輻射熱の影響を遮ることができるのでより望ましい。なお、第二熱電対１１は、台座７を貫通し、溶融坩堝１の底部に当接する機構になっていても良いし、第二熱電対１１が台座７の下部に固定され台座７を介して溶融坩堝１の底表面温度を検出する機構となっていても良い。なお、台座７を介して測温する場合は、台座７はグラファイトなどの熱伝導率の良い材質であることが望ましい。
【００４８】
また、第一所定値、第二所定値の実際の値については、実際の加熱手段や溶融坩堝を用いて、実測して決めればよい。発明者の検討によれば、最適な結果が得られる範囲として、外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔの第一所定値は１．０℃／分、外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔの第二所定値は２．０℃／分となるように、加熱手段に与える電力値を調整することが望ましい。第一所定値、第二所定値がこの領域となるようにすれば、溶融坩堝１の内部における原料シリコンの溶融状態を加熱手段の出力や溶融坩堝の大きさなどの要因の影響が少ない状態を捉えることができ、確実なタイミングで第二工程を開始させることができる。
【００４９】
図３に本発明の多結晶シリコン鋳造装置に係る融液温度手段の動作の流れ図を示す。融液温度制御手段であるコンピュータ１２は、加熱手段（上部加熱手段５、側部加熱手段６）に所定電力を供給し、溶融坩堝１の内部の原料シリコンを加熱溶解する。そして、第二熱電対１１の測定値である溶融坩堝１の外表面温度について、時間当たりの温度変化率ΔＴ／Δｔを演算し、この時間変化率ΔＴ／Δｔがあらかじめ設定された第一所定値未満の状態を経た後に、あらかじめ設定された第二所定値以上になったことを条件判断し、第二工程を開始させる。
【００５０】
［第二工程］  
本発明に係る第二工程は、図２に示すグラフでは、時刻ｔ４からｔ５までが該当する。上述の第一工程で述べたように、溶融坩堝１の外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔが第二所定値以上になったとき、本発明に係る第二工程が開始される。この工程は、図３の流れ図に示すように、融液温度制御手段であるコンピュータ１２によって、第二熱電対（溶融坩堝１の外表面温度）温度の時間変化率ΔＴ／Δｔが第二所定値以上になったときに、溶融坩堝１内の原料シリコンの溶解が終了したことを判断する。そして次に、第一熱電対温度（原料温度）が所定の目標値Ｔ５と一致するように加熱手段（上部加熱手段５、側部加熱手段６）の電力を制御することによって、溶融坩堝１内のシリコン融液温度の調整を行う。
【００５１】
この所定の目標値Ｔ５としては、特に限定されるものではないが、例えば、シリコンの融点に対して、＋１０〜＋５０℃程度の範囲で適宜定めればよい。
【００５２】
この第二工程によって、シリコン融液温度を適切に保つことができるので、シリコン融液の温度が低すぎて原料シリコンの溶け残りが発生することがなく、鋳塊中の不純物含有量を減少させ、高品質化することが可能となる。また、溶融坩堝１の内部の原料シリコンの状態を外部から再現性よく把握することができるので、不必要な加熱手段への電力供給を行うことがなく、短時間で、生産性よく多結晶シリコンを鋳造することができる。
【００５３】
［第三工程］  
本発明の多結晶シリコンの鋳造方法は、第二工程に引き続いて、溶融坩堝１内のシリコン融液を出湯する第三工程を備えることが望ましい。すなわち、本発明に係る第三工程は、図２に示すグラフでは、第一熱電対温度が所定の目標値Ｔ５に調整された時刻ｔ５以降に実施される。すなわちこの第三工程は、図３の流れ図に示すように、出湯制御手段を動作させて、溶融坩堝１内部のシリコン融液を鋳型１３に向けて出湯させる。例えば、図１に示した例では、出湯制御手段として、ノズル加熱手段９に通電することによって、出湯口３を塞ぐ高純度シリコン８を加熱溶解させ、シリコン融液を鋳型１３内に出湯させることができる。
【００５４】
これによって、鋳型１３に出湯されるシリコン融液の初期温度や凝固速度等の各種パラメータが適切に制御され、鋳塊中の不純物含有量を減少させ、高品質化した再現性の良い鋳造方法となる。
【００５５】
このように、本発明の多結晶シリコンの鋳造方法及び鋳造装置によれば、溶融坩堝１内の原料が全て溶解したタイミングを毎回正確に検知し、出湯前の溶融坩堝１内のシリコン融液温度を再現性よく短時間で制御し、出湯させることで、高品質な多結晶シリコンを生産性良く、高歩留で製造することができる
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。
【００５６】
例えば、上述の説明では、第一、第二温度検出手段として第一熱電対１０、第二熱電対１１を用いた例によって説明したがこれに限るものではなく、抵抗測温体、サーミスタ、非接触式温度計など、周知の温度検出手段を用いることができる。
【００５７】
また、出湯制御手段として用いた高純度シリコン８は図に示した形状に何等制限されるものではなく、出湯口３を塞ぎ、シリコン融液の出湯を食い止めるため、止まっているものであればその形状は問わない。しかし、最終的には溶解させるものであることから、均一に温度上昇可能な形状が望ましい。このような観点から出湯口３の水平断面形状と、高純度シリコン８の水平断面形状は共に円形であることが望ましい。故に高純度シリコン８の形状としては球、円錐、円柱、半球、もしくは円錐の頂点側を任意で切断し、縦断面が台形となる形状のものなどが挙げられる。
【００５８】
また高純度シリコン８は鉛直下方に向かい先細な形状であれば更に望ましい。このようにすることによりノズル加熱手段９により下方から高純度シリコン８を溶解させても、高純度シリコン８が完全に溶解されるまで溶融坩堝１内の融液の出湯を食い止めることができる。鉛直下方に向かって先細な形状としては、例えば、球、円錐、半球、もしくは円錐の頂点側を任意で切断し、縦断面が台形となる形状がこれにあたる。高純度シリコン８の形状が円錐の場合の頂点、もしくは円錐の頂点側を任意で切断し、縦断面が台形となる形状の稜を結んだ仮想の頂点の角度は、出湯口３の壁面を延長したときに形成される角度より、鋭角であっても鈍角であっても、さらには略同一であっても構わない。
【００５９】
また、シリコン融液の出湯制御手段は上述の説明による構成に限るものではなく、出湯口に対して開閉自在に設けられた可動式の水冷金属板で蓋部材を設けた、機械式のものであっても構わない。
【００６０】
さらに、上述の説明では、融液温度制御手段として、コンピュータ１２を用いた例によって説明したが、これに限るものではなく、例えば、プログラマブルコントローラー（シーケンサ）を用いても構わない。このようなプログラマブルコントローラーは、この制御の分野においては極めてよく知られているものであって、単機能を有するモジュールを組み合わせてユニット化して用いたり、機能を特化した１つのモジュールを用いたりして構成される。本発明にかかる融液温度制御手段の場合は、第一熱電対１０及び第二熱電対１１からの出力はアナログの電圧値として出力されるため、これをデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換機能を有するモジュールや、加熱手段５，６の温度を制御するＰＩＤ制御機能を有するモジュールなどと適宜組み合わせて用いたりしてもよい。
【実施例】
【００６１】
上述の図１に示した本発明の多結晶シリコン鋳造装置を用いて、溶融坩堝１の内部に保持した原料シリコンの溶融試験を行った。
【００６２】
試験条件として、溶融坩堝１に保持する原料シリコンの量を変更することによって、原料シリコンの加熱状態を変化させ、図２に示した第一熱電対温度及び第二熱電対温度の温度プロファイルを測定し、第二熱電対温度のグラフの傾きから、外表面温度の時間変化率ΔＴ／Δｔの第一所定値及び第二所定値に該当する箇所の数値を求めた。図５は、これをグラフにプロットしたものである。なお、厳密な意味では第一所定値、第二所定値とは異なるが便宜上、Ｘ軸を第一所定値、Ｙ軸を第二所定値として記した。
【００６３】
図５において、第一所定値に該当する値が、１．０℃／分のとき、第二所定値に該当する値が２．０℃／分のときを境界として、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの四つの象限に分類した。なお、今回はＣの範囲に属する試料は存在しなかった。
【００６４】
Ａの範囲に属する試料は得られたシリコン鋳塊、プロセスに費やした時間・エネルギーのいずれも良好な結果が得られた。Ｂの範囲に属する試料は得られたシリコン鋳塊は良質であったが、第二工程において所定の目標値に達するまでの時間が若干長くかかり、プロセスに時間を費やした。また、Ｄの範囲に属する試料は、得られたシリコン鋳塊は良質であったが、他の場合よりもプロセスに費やしたエネルギーが大きかった。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の多結晶シリコン鋳造装置の一実施形態を表す断面模式図である。
【図２】本発明の多結晶シリコン鋳造装置において、本発明の多結晶シリコンの鋳造方法を実施した際のシリコンの原料温度と溶融坩堝の外表面温度の時間変化を表すグラフである。
【図３】本発明の多結晶シリコンの鋳造方法のシリコン溶融工程を示す流れ図である。
【図４】本発明の多結晶シリコン鋳造装置を用い、原料シリコン量を変えて加熱状態を変えたときの第一所定値及び第二所定値に該当する値のグラフである。
【図５】本発明の多結晶シリコン鋳造装置の別の実施形態を表す断面模式図である。
【符号の説明】
【００６６】
１：溶融坩堝
２：保持坩堝
３：出湯口
４：ノズル部
５：加熱手段である上部加熱手段
６：加熱手段である側部加熱手段
７：台座
８：高純度シリコン
９：ノズル加熱手段
１０：第一温度検出手段である第一熱電対
１１：第二温度検出手段である第二熱電対
１２：融液温度制御手段であるコンピュータ
１３：鋳型
【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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