(57)【要約】【課題】鋳型の高さを有効に利用してシリコン鋳塊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、鋳塊のクラック及び離型材の混入により歩留りを低下させるという問題点を解消した鋳造方法及び鋳造装置を提供することを目的とする。【解決手段】鋳型１内に保持したシリコン融液５を冷却凝固させるシリコン鋳造方法であって、前記シリコン融液５は、前記鋳型１内に保持したシリコン原料５を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料７を供給して形成され、前記追加のシリコン原料７を供給するタイミングは、前記鋳型内にシリコン融液５と未溶融シリコン５ａが混在した状態のときとしたシリコン鋳造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型内に保持したシリコン融液を冷却凝固させるシリコン鋳造方法であって、
前記シリコン融液は、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給して形成され、
前記追加のシリコン原料を供給するタイミングは、前記鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態のときとしたシリコン鋳造方法。
【請求項２】
鋳型内に保持したシリコン融液を冷却凝固させるシリコン鋳造方法であって、
前記シリコン融液は、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給して形成され、
前記追加のシリコン原料を供給するタイミングは、前記鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコン原料が混在した状態から、該未溶融シリコン原料が溶けて消失した直後としたシリコン鋳造方法。
【請求項３】
前記鋳型内に保持したシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度から昇温速度を計算し、この昇温速度に基づき前記追加のシリコン原料を供給するタイミングを決定する請求項１又は請求項２に記載のシリコン鋳造方法。
【請求項４】
前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させる際に、前記鋳型内壁側のシリコン原料を優先的に加熱し溶融させる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシリコン鋳造方法。
【請求項５】
内部にシリコン原料が保持される鋳型と、この鋳型を加熱する加熱手段と、前記鋳型内に投入される追加のシリコン原料を供給する原料供給手段と、前記鋳型内のシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段より送られた温度から前記シリコン原料の温度、又はシリコン融液温度の単位時間当たりの温度変化である昇温速度を計算する演算器と、前記昇温速度に基づいて原料供給手段を制御する原料供給制御手段と、を備えたシリコン鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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およびシリコン鋳造装置に関する。
【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。こうした要求に対処するため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、従来の鋳型内溶融におけるシリコン鋳造装置を図7に示す。
【０００７】
図７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（シリコン融液）、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。この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７に示すような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、シリコン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。図８に従来の追加原料供給型のシリコン鋳造装置を示す。この問題に対して図８に示されるように鋳型２１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から鋳型２１内に追加シリコン原料２７を供給できるようにしている（例えば、特許文献２参照）。このように鋳型２１内に充填したシリコン原料２５が溶融することで、シリコン原料２５の嵩が減少した後に鋳型２１内に追加のシリコン原料２７を追加供給することでシリコン融液２５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２１及び離型材２８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
【特許文献３】特開平３−２２０４４０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】
【０００９】
ところが、従来の追加のシリコン原料供給方法では、あらかじめ鋳型内に装入したシリコン原料は１５００℃程度に加熱され融解される。この状態で融解した鋳型内のシリコン融液に原料供給手段２６からシリコン原料を追加供給すると、特にシリコン融液の液面で、急激にシリコン融液が冷却されるため、離型材が鋳型内面側から剥離し、シリコン融液に混入する現象がおこった。
【００１０】
また、ひどい時には、離型材が剥離することで鋳型材とシリコン融液が接触し、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があった。
【００１１】
発明者は、追加のシリコン原料を投入した場合に炉内の温度が急激に低下することや、投入した際のシリコン融液の飛散により鋳型内面にシリコン融液が付着し冷えて凝固することなどにより、鋳型材と鋳型材に被覆した離型材は急激な熱履歴によって、この鋳型材と離型材の熱膨張係数の違いから離型材が剥離損傷し、鋳型内のシリコン融液中に入り込むことで製品歩留りを大きく低下させている要因であることがわかった。
【００１２】
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、鋳塊のクラック及び離型材の混入により歩留りを低下させるという問題点を解消した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】
本発明に係るシリコン鋳造方法およびシリコン鋳造装置は、上記目的を達成するために次の通り構成される。
【００１４】
本発明の請求項１に係るシリコン鋳造方法は、鋳型内に保持したシリコン融液を冷却凝固させるシリコン鋳造方法であって、前記シリコン融液は、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給して形成され、前記追加のシリコン原料を供給するタイミングは、前記鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態のときとした。
【００１５】
本発明の請求項２に係るシリコン鋳造方法は、鋳型内に保持したシリコン融液を冷却凝固させるシリコン鋳造方法であって、前記シリコン融液は、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給して形成され、前記追加のシリコン原料を供給するタイミングは、前記鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコン原料が混在した状態から、該未溶融シリコン原料が溶けて消失した直後とした。
【００１６】
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、前記鋳型内に保持したシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度から昇温速度を計算し、この昇温速度に基づき前記追加のシリコン原料を供給するタイミングとする。
【００１７】
本発明の請求項４に係るシリコン鋳造方法は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシリコン鋳造方法であって、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させる際に、前記鋳型内壁側のシリコン原料を優先的に加熱し溶融させる。
【００１８】
本発明の請求項５に係るシリコン鋳造装置は、内部にシリコン原料が保持される鋳型と、この鋳型を加熱する加熱手段と、前記鋳型内に投入される追加のシリコン原料を供給する原料供給手段と、前記鋳型内のシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段より送られた温度から前記シリコン原料の温度、又はシリコン融液温度の単位時間当たりの温度変化である昇温速度を演算する演算器と、前記昇温速度に基づいて原料供給手段を制御する原料供給制御手段と、を備えている。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明は、鋳型内に保持したシリコン融液を冷却凝固させるシリコン鋳造方法であって、前記シリコン融液は、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給して形成され、前記追加のシリコン原料を供給するタイミングは、前記鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態のとき、または前記鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコン原料が混在した状態から、該未溶融シリコン原料が溶けて消失した直後とした。
【００２０】
上述した手法により、鋳型内のシリコン融液のうち特に液面を低温に保つことができるため、追加のシリコン原料を投入した場合においてもシリコン融液での液面の熱履歴は小さくすることができる。そして、シリコン融液温度が低いということはシリコン融液の粘度も高いため、追加のシリコン原料を投入した場合でも鋳型内のシリコン融液が跳ねにくい。その結果、追加のシリコン原料の供給に伴う鋳型内の急激な温度低下、シリコン融液の付着に起因する鋳型内面の離型材が剥離損傷を抑制できる。よって、鋳型のクラック及び離型材の混入による鋳塊の歩留まり低下を抑制したシリコン鋳造方法を提供することができる。
【００２１】
また、本発明は、内部にシリコン原料が保持される鋳型と、この鋳型を加熱する加熱手段と、前記鋳型内に投入される追加のシリコン原料を供給する原料供給手段と、前記鋳型内のシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段より送られた温度から前記シリコン原料の温度、又はシリコン融液温度の単位時間当たりの温度変化である昇温速度を演算する演算器と、前記昇温速度に基づいて原料供給手段を制御する原料供給制御手段と、を備えたシリコン鋳造装置とした。
【００２２】
上述の装置により、温度測定手段によって得られた鋳型内のシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度から演算器によって単位時間当たりの昇温速度を計算する。そして、昇温速度から鋳型内のシリコン原料の状態を把握し、追加のシリコン原料を供給するタイミングを得ることができる。この結果、追加のシリコン原料の供給に伴う鋳型内の急激な温度低下、シリコン融液の付着に起因する鋳型内面の離型材が剥離損傷を抑制できる。よって、鋳型のクラック及び離型材の混入による鋳塊の歩留まり低下を抑制したシリコン鋳造装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明のシリコン鋳造方法を添付図面に基づき詳細に説明する。ここでは、図１に本発明の第一実施形態を示し、図２に本発明の第二実施形態を示す。
【００２４】
まず、図１は本発明におけるシリコン鋳造装置の第一の実施形態の断面模式図であり、１は鋳型、２は冷却部、３ａは断熱壁、３ｂは可動式扉、４aは鋳型上部加熱部、４ｂは鋳型側部加熱部、５はシリコン原料またはシリコン原料が融解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。
【００２５】
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、そして鋳型の高さ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を供給するほうが望ましい。
【００２６】
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がなければ鋳塊と鋳型１とが融着し、取り出すときにひび割れや、クラックを生ずるため重要な位置を占めている。
【００２７】
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中５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に離型材の接着が可能となっている。
【００２８】
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。また、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３ａ、加熱部４、原料供給部６は真空容器内（不図示）に設置される。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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シリコン原料を投入することが望ましい。
【００３２】
そして、シリコン融液をシリコン鋳塊とするため、鋳型１を下部から冷却部２を用いて抜熱する。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。
【００３３】
しかしながら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、液体のシリコン融液が内部に取り残される。その後、鋳型内に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の液面を加熱し液面を凝固させないようにすることが望ましい。
【００３４】
このように、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されている。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。
【００３５】
ここで、本発明のシリコン鋳造方法を実施するための第一の実施形態を詳細に説明する。
【００３６】
本発明に係る第一の実施形態では、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給してシリコン融液が形成され、追加のシリコン原料を供給するタイミングは、鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態のときとした。
【００３７】
図３（ａ）に本発明の第一の実施形態に係るシリコン鋳造方法の様子を示す。未溶融シリコン原料の密度（２．３３ｇ／ｃｍ３）の方がシリコン融液の密度（２．５５ｇ／ｃｍ３）よりも小さいためシリコン融液の液面に未溶融シリコン原料が浮かぶこととなる。図３（ａ）に示すように、固体である未溶融シリコン原料５ａ上に追加のシリコン原料７を落下させることで、追加のシリコン原料７を鋳型内のシリコン融液５に向けて落下させることに起因するシリコン融液５の鋳型内側面へ飛散を抑制することができる。
【００３８】
そして、図３（ａ）のように未溶融シリコン原料が鋳型内のシリコン融液中に存在している状態であるため、シリコン融液の液面では鋳型内のシリコン融液の温度分布の中でも特に温度が低い状態となっている。そのため、追加のシリコン原料を投入した場合であっても鋳型内のシリコン融液が急激に冷やされることに起因する離型材の剥離が抑制できる。
【００３９】
このように、本発明では追加のシリコン原料を供給する際に、鋳型材及び鋳型材内面に被覆した離型材が必要以上に加熱されることが無いために熱履歴に起因する離型材の剥離損傷を防ぎ、さらに未溶融のシリコン原料の上に追加のシリコン原料を供給することによりシリコン融液が跳ねにくく、シリコン融液が離型材に付着するのを防止できる。
【００４０】
その結果、剥離損傷した離型材がシリコン融液内に取り込まれたり、シリコン鋳塊にひび割れが生じたりという問題を無くすことが可能である。
【００４１】
また、鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態であれば、いつでもシリコン原料を供給しても本発明の効果を有することができるが、該未溶融シリコンが溶けて消失する直前に追加のシリコン原料を供給することにより、鋳型内に多くの追加のシリコン原料を供給することが可能となるため好ましい。
【００４２】
また、あらかじめ装入したシリコン原料５を溶融して追加のシリコン原料７を供給するときのみだけではなく、追加のシリコン原料７を供給し、再度、追加のシリコン原料７を供給する場合も同様に、鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態のときに供給すればよい。
【００４３】
次に、本発明のシリコン鋳造方法を実施するための第二の実施形態を説明する。
【００４４】
本発明に係る第二実施形態では、鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給してシリコン融液が形成され、追加のシリコン原料を供給するタイミングは、鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコン原料が混在した状態から、該未溶融シリコン原料が溶けて消失した直後とした。
【００４５】
本発明に係る直後とは、鋳型内にシリコン原料と未溶融シリコン原料が混在した状態からこの未溶融シリコン原料が溶けて消失して６０秒間を指すこととする。
【００４６】
図２は、第二の実施形態のシリコン鋳造方法を示す模式的な図であり、１は鋳型、２は冷却部、３ａは断熱壁、３ｂは可動式扉、４aは鋳型上部加熱部、４ｂは鋳型側部加熱部、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。
【００４７】
そして、図３（ｂ）に本発明の第二の実施形態に係るシリコン鋳造方法を示す。図３（ｂ）に示すように、追加のシリコン原料７を供給するタイミングは、鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコン原料が混在した状態から、該未溶融シリコン原料が溶けて消失した直後とした。このように追加のシリコン原料を供給することで、一般的な鋳型内溶融でシリコン原料を融解する場合（約１５００℃）よりも低い温度、つまりシリコン原料の融点付近の温度で追加のシリコン原料７が供給されるため、鋳型材や離型材への熱履歴の影響を抑えることができる。また、鋳型内のシリコン原料が全て融液の状態であったとしても、シリコン原料の融点付近の温度では、シリコン融液の粘度ηが低いため、シリコン融液５が鋳型内側面へ飛散することを抑制できる。
【００４８】
また、該未溶融シリコン原料が溶けて消失した後における鋳型１内のシリコン融液５ｂの粘度ηが０．８ｍＰａ・ｓ以上であれば、効果的にシリコン融液５が鋳型内側面へ飛散することを抑制できる。よって、上記粘度範囲を維持するように鋳型１を加熱すれば、必要以上に鋳型材及び鋳型材内面に被覆した離型材８を加熱することなく、追加のシリコン原料７投入時においても、シリコン融液５全体、特に液面の粘性が高くなりシリコン融液５が跳ねにくい。また、熱履歴に起因する離型材８の剥離損傷も防止できる。
【００４９】
ゆえに、剥離損傷した離型材８がシリコン融液５内に取り込まれたり、シリコン鋳塊にひび割れが生じたりという問題を無くすことが可能となる。
【００５０】
しかしながら、シリコン融液の粘度ηが０．８ｍＰａ未満の場合には、粘度が低いため、追加のシリコン原料７を供給した際に液面でシリコン融液５が跳ねやすく、鋳型内表面に飛散しやすいという問題があるため、できるだけ未溶融シリコン原料が溶けて消失した直後としたほうが好ましい。
【００５１】
ここで、粘度の測定手段としては、例えば、特許文献３に記載の振動式粘度計などがあり、さらに、シリコン融液の粘度ηはシリコン融液温度と粘度ηとの相関関係があるため、シリコン融液温度を指標として算出しても構わない。
【００５２】
また、本発明に係る第一、第二の実施形態では、主に熱電対などを用いた接触温度測定や赤外線放射温度計などを用いた非接触温度測定を用いて鋳型内に保持したシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度を測定して昇温速度を計算し、追加のシリコン原料７を供給することが望ましい。
【００５３】
図４に本発明におけるシリコン鋳造装置の一実施形態の断面模式図を示す。この装置によって、上述の本発明に係る第一の実施形態と第二の実施形態を実施することができる。
【００５４】
１は鋳型、２は冷却手段、３ａは断熱壁、３ｂは可動式扉、４aは鋳型上部加熱手段、４ｂは鋳型側部加熱手段、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は原料供給手段、６ａは導入部材、６ｂは開閉口、６ｃは原料供給タンク、７は追加原料、８は離型材、９は温度測定手段、１０は表示器、１１は演算器、１２は原料供給制御手段である。
【００５５】
図４に示すように鋳型内のシリコン原料、又はシリコン融液５の温度を判断するために熱電対等の温度測定手段９を設ける。そして、温度測定手段９の温度は、表示器１０を通して演算器１１に取り込み演算を行う。その後、演算器１１によって求められた鋳型１内のシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度の単位時間当たりの温度である昇温速度に基づき、鋳型内のシリコン原料の状態を把握することができる。そして、この鋳型内のシリコン原料の状態が、シリコン融液と未溶融シリコン原料とが混在した状態、又は未溶融シリコン原料が溶けて消失した直後を追加のシリコン原料７を供給するタイミングとするように、原料供給制御手段１２から原料供給手段６に開閉信号を送り原料供給手段６ｂを自動的に開閉する機構を設ける。
【００５６】
例えば、上述した追加シリコン原料７を供給する機構として、プログラマブルコントローラー（シーケンサ）などが用いられる。このようなプログラマブルコントローラーは、この機械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て構成される。本発明にかかる演算器１１の場合、温度測定手段９からの出力は、例えばアナログの電圧値（例えば、温度値が１０００℃の時は１０Ｖのように、１／１００の値となるような電圧値として）として取り込まれるため、これをデジタル値に変換する機能を有するモジュールを適宜組み合わせて用いたりすればよい。
【００５７】
また、ＰＩＤ制御によって追加のシリコン原料７を温度変化に追従させて供給すれば、さらに高精度に追加のシリコン原料７を供給することができる。例えば、原料供給手段１２と開閉口６ｂとを連携をとることにより、温度測定手段９から得た温度情報を基に開閉口６ｂの角度を変化させれば、追加のシリコン原料の供給量を調節することができる。
【００５８】
そして、鋳型上部加熱手段４ａ、鋳型側部加熱手段４ｂの加熱温度を、温度測定手段９によって得られた情報を基に調節すれば、離型材８の剥離の原因でもある鋳型材や離型材８の熱履歴を最低限に抑えることも可能である。
【００５９】
さらに、プログラマブルコントローラーを用いる代わりに、汎用のパソコンに制御用のインターフェース機構を設けてもよく、全く同様の結果を得ることができる。
【００６０】
ここで、温度測定手段９の温度プロファイル、演算器１１により計算された昇温速度のグラフを図５に示す。図５において直線は温度変化を示し、プロットは昇温速度を示す。例えば、鋳型内に保持したシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度を５秒ごとに測定し、この温度の変化量を時間微分したものを昇温速度とすることができる。
【００６１】
また、温度測定手段９は鋳型１内部のシリコン原料５又はシリコン融液５を直接測定することが望ましいが、鋳型１の温度を測定し鋳型部材の熱導電性を加味して追加のシリコン原料７を供給するタイミングを遅らせても全く問題ない。また、温度測定手段９の測定対象となるのは、シリコン融液５、シリコン原料５でもよいし、シリコン原料５とシリコン融液５の中間の状態でもよい。
【００６２】
図５に示すように鋳型１の温度は鋳型上部加熱手段４ａの加熱とともに上昇し（Ａの区間）、炉内の温度が安定すると温度がほとんど変わらなくなるため、昇温速度は遅くなる（Ｂの区間）。その後、鋳型１内のシリコン原料５がほとんど融解すると若干昇温速度が速くなり（Ｃの区間）、完全にシリコン原料５が融解すると急激に昇温速度が速くなる（Ｄの区間）。
【００６３】
よって、鋳型内にシリコン融液５と未溶融シリコン５ａが混在した状態に追加のシリコン原料７を供給する場合は、ＢまたはＣの区間で原料供給タンク６ｂを自動的に開く信号を送ることにより、シリコン原料５が完全に融解する前に追加のシリコン原料７を供給することが可能となる。特に、ＢからＣの区間に移った際に追加のシリコン原料７を追加するようにすれば、より多くの追加のシリコン原料７を供給することが可能となる。
【００６４】
また、鋳型内にシリコン融液５と未溶融シリコン原料５ａが混在した状態から、該未溶融シリコン原料５ａが溶けて消失した直後に追加のシリコン原料を供給する場合は、ＣからＤの区間に移ってから６０秒の間に、追加のシリコン原料７を供給すればよい。
【００６５】
そして、本発明においては、シリコン原料５を加熱溶融させる際に、鋳型内壁面のシリコン原料５を優先的に加熱、溶融することが望ましい。図６に鋳型側面から加熱した場合の鋳型内温度分布を示す。
【００６６】
１は鋳型、４ａは鋳型上部加熱手段、４ａは鋳型側部加熱手段、８は離型材であり、Ａ、Ｂ、Ｃは鋳型内のシリコン融液の温度分布を示している。ここで、鋳型内に保持したシリコン原料５を加熱溶融する際、図６中点線で囲った鋳型上部加熱手段４ａは必ずしも必要ではなく、鋳型上部から加熱しなくてもよい。また、鋳型上部から加熱してもよいが鋳型側部から加熱した熱量の方が多いことが望ましい。
【００６７】
図６に示すように、鋳型側面から加熱した場合、シリコン融液の温度分布は鋳型内壁面のＡ領域で一番高温となる。そして、鋳型中心部や開口部はＡ領域よりも温度の低いＣ領域となる。また、Ｂ領域はＡ領域とＣ領域の間の温度である。図６に示す温度分布に従って、鋳型内壁面側はシリコン融液５の状態で液体を多く含み、鋳型開口部の中心付近は、未溶融である固体のシリコン原料５が存在している。そのため、鋳型側部加熱部４ｂにより鋳型内側面のシリコン原料を優先的に加熱することで、追加のシリコン原料７を投下する位置を鋳型１の中心付近とすれば、追加のシリコン原料７を投入しても未溶融シリコン上となりシリコン融液５が飛び跳ねることを軽減できる。
【００６８】
したがって、追加のシリコン原料の供給に伴う鋳型内の急激な温度低下、シリコン融液の付着に起因する鋳型内面の離型材が剥離損傷を抑制できる。鋳型内面側にシリコン融液５が付着することに起因する離型材８の剥離、それに基づく半導体鋳塊の剥離損傷の原因をより抑制することができる。
【００６９】
上述した本発明に係る第一の実施形態及び第二の実施形態では、追加のシリコン原料７を供給する際に、必要以上に鋳型内面に被覆した離型材８を加熱することが無いために、鋳型材、離型材８の熱履歴を抑制することができ、追加のシリコン原料７投入時の離型材８の剥離損傷を防止できる。さらに剥離損傷した離型材８がシリコン融液５内に取り込まれたり、シリコン鋳塊にひび割れが生じたりという問題を抑制できる。
【００７０】
その結果、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。
【００７１】
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。
【００７２】
例えば、追加のシリコン原料７が供給される位置は鋳型１の中央に位置する必要はなく、鋳型１と追加のシリコン原料７が衝突しないで、鋳型１から追加のシリコン原料７がこぼれない範囲であればどこでもよい。
【００７３】
また、鋳造装置に用いられる鋳型１は分割構造の鋳型１を用いてもよく、このような分割構造の鋳型１を用いた場合においても、鋳型１上部の内壁面に塗布された離型材８を有効に利用するために鋳型１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。
【００７４】
また、追加投入を繰り返し、全てのシリコン原料が融解したときの融液の量が鋳型の有効深さの９割になるようにすれば、シリコン融液を冷却・凝固した際にシリコン融液に比べ約１割かさが大きくなるので出来上がったシリコン鋳塊の高さが鋳型１の有効深さと同じになり理想的である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明のシリコン鋳造方法の第一の実施形態を示す断面模式図である。
【図２】本発明のシリコン鋳造方法の第二の実施形態を示す断面模式図である。
【図３】（ａ）は図１に示すシリコン鋳造方法の概念図であり、（ｂ）は図２に示すシリコン鋳造方法の概念図である。
【図４】本発明に係る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５】図４の演算器により計算された昇温速度のグラフである。
【図６】鋳型側面から加熱した場合の鋳型内温度分布である。
【図７】従来の鋳型内溶融におけるシリコン鋳造装置を示す断面模式図である。
【図８】従来の追加原料供給型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】
【００７６】
１：鋳型
２：冷却手段
３、３ａ：断熱壁
３ｂ：可動式扉
４：鋳型加熱手段
４ａ：鋳型上部加熱手段
４ｂ：鋳型側部加熱手段
５：シリコン原料（シリコン融液）
６：原料供給手段
６ａ：導入部材
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
９：温度測定手段
１０：表示器
１１：演算器
１２：原料供給制御手段
【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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【図７】
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【図８】
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