(57)【要約】【課題】溶解したシリコン融液を鋳型の中に出湯する際、鋳型の内表面を被覆した離型材が剥離損傷しシリコン融液の中に混入し、歩留を低下させるという問題点を解消したシリコン鋳造装置を提供する。【解決手段】加熱手段６、７と、加熱手段６、７によって、内部に収めたシリコン原料３を加熱溶解してシリコン融液を形成する溶解坩堝１と、溶解坩堝１の底部に設けられ、シリコン融液を出湯する出湯口４と、溶解坩堝１の下方に設けられ、上部に開口部を有するとともに、出湯口４から出湯されたシリコン融液１０をその内部に保持・凝固させるための鋳型８と、鋳型８の内部に設けられた離型材９と、出湯口４から出湯されたシリコン融液１０が落下して鋳型８の内部に設けられた離型材９に衝突する融液衝突領域の大きさをより増加させる融液分散手段として、例えば鋳型駆動装置１１を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱手段と、
前記加熱手段によって、内部に収めたシリコン原料を加熱溶解してシリコン融液を形成する溶解坩堝と、
前記溶解坩堝の底部に設けられ、前記シリコン融液を出湯する出湯口と、
前記溶解坩堝の下方に設けられ、上部に開口部を有するとともに、前記出湯口から出湯された前記シリコン融液をその内部に保持・凝固させるための鋳型と、
前記鋳型の内部に設けられた離型材と、
前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が落下して前記鋳型の内部に設けられた前記離型材に衝突する融液衝突領域の大きさをより増加させる融液分散手段と、を備えたシリコン鋳造装置。
【請求項２】
前記融液分散手段は、前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が、前記鋳型の前記開口部に捕捉され得る範囲内で、この出湯口とこの鋳型との水平方向の相対的な位置関係を変更するようにした水平移動機構である請求項１に記載のシリコン鋳造装置。
【請求項３】
前記水平移動機構は、前記鋳型側に設けられた鋳型駆動機構である請求項２に記載のシリコン鋳造装置。
【請求項４】
前記鋳型駆動機構は、前記鋳型を回動させる回動機構を備えるとともに、
前記鋳型の開口部に対して鉛直方向の略中心軸である鋳型中心軸と、前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が落下するときの鉛直方向の略中心軸である融液中心軸とが、互いに重ならないように構成された請求項３に記載のシリコン鋳造装置。
【請求項５】
前記鋳型中心軸と前記融液中心軸との最短距離が２ｃｍ以上である請求項４に記載のシリコン鋳造装置。
【請求項６】
前記鋳型駆動機構は、前記鋳型を回動させる回動機構を備えるとともに、
前記鋳型の開口部に対して鉛直方向の略中心軸である鋳型中心軸と、前記回動機構の鉛直方向の中心軸である回動中心軸とが、互いに重ならないように構成された請求項３に記載のシリコン鋳造装置。
【請求項７】
前記融液分散手段は、前記出湯口を複数に分割することによって、前記融液衝突領域の大きさを増加させるようにした請求項１に記載のシリコン鋳造装置。
【請求項８】
前記融液分散手段は、前記出湯口の先端部の内径を５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることによって、前記融液衝突領域の大きさを増加させるようにした請求項１に記載のシリコン鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば太陽電池用半導体基板などの作製に用いられる多結晶シリコンインゴットを製造するための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、高純度のシリコンインゴットを歩留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、離型材を塗布した黒鉛などからなる鋳型内に高温で加熱溶解させたシリコン融液を出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溶解した後、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】
このような多結晶シリコンインゴットを作製するための一般的なシリコン鋳造装置を図８に示す。
【０００６】
上部にはシリコン原料３を溶融するための溶解坩堝１が保持坩堝２に保持されて配置され、溶解坩堝１と保持坩堝２の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口４を有するノズル５が設けられる。また、溶解坩堝１、保持坩堝２の上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段６、側部加熱手段７が配置され、溶解坩堝１、保持坩堝２の下部にはシリコン融液１０が注ぎ込まれる鋳型８が配置される。
【０００７】
このような鋳型８としては、通常、分割可能である黒鉛からなる鋳型の内表面に離型材を被覆したものや、一体構造であるシリカからなる鋳型の内表面に離型材を被覆したものが用いられる。一般的に離型材９としてはシリコンの窒化物である窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコンの炭化物である炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコンの酸化物である二酸化珪素（ＳｉＯ２）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して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（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
例えば高純度石英などからなる溶解坩堝１内に入れられたシリコン原料３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なる、上部および側部の上部加熱手段６、側部加熱手段７によって加熱溶融され、シリコン融液となって底部の出湯口４を有するノズル５から下部にある鋳型８内に出湯され、冷却凝固され多結晶シリコンインゴットを得ることができる。（例えば、特許文献１参照）。なお、これらはすべて真空容器（図示せず）内に配置される。
【特許文献１】特開平１１−４３３１８号公報
【非特許文献１】15th Photovoltaic Specialists Conf. (1981), P576-P580, 'A NEW DIRECTIONAL SOLIDIFICATION TECHNIQUE FOR POLYCRYSTALLINE SOLAR GRADE SILICON'
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、出湯初期においては、出湯口４を有するノズル５を通過するシリコン融液は水位に依存する圧力によって押し出され、ノズル直下の鋳型内部に集中して出湯されるため、出湯するシリコン融液の衝撃によりノズル直下の鋳型中央部の離型材９がクレーター状に変形を生じ、また、場合によっては離型材９が剥離損傷し、シリコン融液１０の中に混入することによって、シリコンインゴットの不良が増加したり、特性を低下させたりするという問題があった。また、ある一部の離型材が剥離損傷すると、その部分の抜熱能力が上がる結果となり太陽電池用インゴットの品質低下を招くことがある。また、極端な場合には熱応力によるクラックや、離型材損傷により鋳型基材とシリコンインゴットの融着を引き起こす可能性もある。また、出湯直後のシリコン融液が鋳型中央部の一箇所に集中して出湯されることにより充分な融液攪拌がなされず、その結果、鋳型内の融液が不均一な分布となり均一が凝固層を形成することができない。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、溶解したシリコン融液を鋳型の中に出湯する際、鋳型の内表面を被覆した離型材が剥離損傷しシリコン融液の中に混入し、歩留を低下させるという問題点、また均一な凝固層が形成されないという問題点を解消したシリコン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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１にかかるシリコン鋳造装置は、加熱手段と、前記加熱手段によって、内部に収めたシリコン原料を加熱溶解してシリコン融液を形成する溶解坩堝と、前記溶解坩堝の底部に設けられ、前記シリコン融液を出湯する出湯口と、前記溶解坩堝の下方に設けられ、上部に開口部を有するとともに、前記出湯口から出湯された前記シリコン融液をその内部に保持・凝固させるための鋳型と、前記鋳型の内部に設けられた離型材と、前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が落下して前記鋳型の内部に設けられた前記離型材に衝突する融液衝突領域の大きさをより増加させる融液分散手段と、を備えている。
【００１２】
本発明の請求項２にかかるシリコン鋳造装置は、請求項１に記載のシリコン鋳造装置において、前記融液分散手段は、前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が、前記鋳型の前記開口部に捕捉され得る範囲内で、この出湯口とこの鋳型との水平方向の相対的な位置関係を変更するようにした水平移動機構である。
【００１３】
本発明の請求項３にかかるシリコン鋳造装置は、請求項２に記載のシリコン鋳造装置において、前記水平移動機構は、前記鋳型側に設けられた鋳型駆動機構である。
【００１４】
本発明の請求項４にかかるシリコン鋳造装置は、請求項３に記載のシリコン鋳造装置において、前記鋳型駆動機構は、前記鋳型を回動させる回動機構を備えるとともに、前記鋳型の開口部に対して鉛直方向の略中心軸である鋳型中心軸と、前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が落下するときの鉛直方向の略中心軸である融液中心軸とが、互いに重ならないように構成されている。
【００１５】
本発明の請求項５にかかるシリコン鋳造装置は、請求項４に記載のシリコン鋳造装置において、前記鋳型中心軸と前記融液中心軸との最短距離が２ｃｍ以上である。
【００１６】
本発明の請求項６にかかるシリコン鋳造装置は、請求項３に記載のシリコン鋳造装置において、前記鋳型駆動機構は、前記鋳型を回動させる回動機構を備えるとともに、前記鋳型の開口部に対して鉛直方向の略中心軸である鋳型中心軸と、前記回動機構の鉛直方向の中心軸である回動中心軸とが、互いに重ならないように構成されている。
【００１７】
本発明の請求項７にかかるシリコン鋳造装置は、請求項１に記載のシリコン鋳造装置において、前記融液分散手段は、前記出湯口を複数に分割することによって、前記融液衝突領域の大きさを増加させるようにしている。
【００１８】
本発明の請求項８にかかるシリコン鋳造装置は、請求項１に記載のシリコン鋳造装置において、前記融液分散手段は、前記出湯口の先端部の内径を５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることによって、前記融液衝突領域の大きさを増加させるようにしている。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように本発明においては、加熱手段と、前記加熱手段によって、内部に収めたシリコン原料を加熱溶解してシリコン融液を形成する溶解坩堝と、前記溶解坩堝の底部に設けられ、前記シリコン融液を出湯する出湯口と、前記溶解坩堝の下方に設けられ、上部に開口部を有するとともに、前記出湯口から出湯された前記シリコン融液をその内部に保持・凝固させるための鋳型と、前記鋳型の内部に設けられた離型材と、前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が落下して前記鋳型の内部に設けられた前記離型材に衝突する融液衝突領域の大きさをより増加させる融液分散手段と、を備えているため、鋳型に出湯されるシリコン融液は、従来のように出湯口の直下の鋳型中央部に集中して出湯されることがなく、融液分散手段によって、離型材に衝突する融液衝突領域の大きさをより増加させるため、離型材がクレーター状に変形を生じたり、剥離損傷したりして、鋳型内のシリコン融液の中に混入することによるシリコンインゴットの不良の増加や、特性の低下を抑制することができる。また、鋳型中央部の離型材の損傷を防ぐことで、鋳型中央部の抜熱能力を変化させることもなく、シリコンインゴットの品質低下を抑制することができる。また、熱応力によるクラックや、離型材損傷により鋳型基材とシリコンインゴットの融着を引き起こすこともない。
【００２０】
また、前記融液分散手段は、前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が、前記鋳型の前記開口部に捕捉され得る範囲内で、この出湯口とこの鋳型との水平方向の相対的な位置関係を変更するようにした水平移動機構、例えば前記鋳型側に設けられた鋳型駆動機構としたので、溶解坩堝からシリコン融液が鋳型に出湯されるときに、水平移動機構によって、この出湯口とこの鋳型との水平方向の相対的な位置関係を変えれば、出湯口直下の鋳型中央部に集中して出湯されずに、鋳型内に分散して出湯することができる。そのため、離型材が剥離損傷することを防ぎ、鋳型内のシリコン融液の中に離型材が混入することによるシリコンインゴットの不良の増加や、特性の低下を抑制することができる。
【００２１】
また、前記鋳型駆動機構は、前記鋳型を回動させる回動機構を備えるとともに、前記鋳型の開口部に対して鉛直方向の略中心軸である鋳型中心軸と、前記出湯口から出湯された前記シリコン融液が落下するときの鉛直方向の略中心軸である融液中心軸とが、互いに重ならないように構成されている。したがって、このような鋳型駆動機構によって、鋳型を回動させると、融液中心軸に対して、鋳型自体が螺旋状に運動することになり、鋳型中のシリコン融液には攪拌作用が生じるとともに、出湯直後のシリコン融液は鋳型中央部の一箇所に集中して出湯されずに、鋳型内に分散されて出湯されて均一な分布となり、均一な凝固層を形成することができる。
【００２２】
さらに、前記鋳型駆動機構は、前記鋳型を回動させる回動機構を備えるとともに、前記鋳型の開口部に対して鉛直方向の略中心軸である鋳型中心軸と、前記回動機構の鉛直方向の中心軸である回動中心軸とが、互いに重ならないように構成されている。したがって、このような鋳型駆動機構によって、鋳型を回動させると、鋳型自体がこの回動中心軸を中心として公転運動することになり、鋳型中のシリコン融液には攪拌作用が生じるとともに、出湯直後のシリコン融液は鋳型中央部の一箇所に集中して出湯されずに、鋳型内に分散されて出湯されて均一な分布となり、均一な凝固層を形成することができる。
【００２３】
また、前記融液分散手段は、前記出湯口を複数に分割することによって、前記融液衝突領域の大きさを増加させるようにしてもよく、このようにすれば、鋳型中央部の周囲に分散されて出湯することができ、離型材が剥離損傷することを防ぎ、鋳型内のシリコン融液の中に離型材が混入することによるシリコンインゴットの不良の増加や、特性の低下を抑制することができる。
【００２４】
なお、本発明にかかる回動機構は、融液中心軸・鋳型中心軸・回動中心軸を上述のような構成とすることによって、出湯口と鋳型との水平方向の相対的な位置関係を変える機能を有していることから、本明細書においては、このような構成にかかる回動機構についても、水平移動機構に属するものとして扱う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、各請求項にかかる発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の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は溶解坩堝、２は保持坩堝、３はシリコン原料、４は出湯口、５はノズル、６、７はいずれも加熱手段である上部加熱手段と側部加熱手段、８は鋳型、９は離型材、１０はシリコン融液、１１は鋳型駆動機構（融液分散手段の一例である水平移動機構の一例）を示す。
【００２７】
図１に示すように、溶解坩堝１は、内部に収めたシリコン原料３を加熱溶解してシリコン融液を形成するものであり、溶解坩堝１の底部には形成したシリコン融液を出湯する出湯口４が設けられ、シリコン融液は、下方に設けられた鋳型８に出湯され、冷却・凝固されて多結晶のシリコンインゴットが得られる。なお、溶解坩堝１で溶解されて鋳型８に出湯されて冷却・凝固したシリコンインゴットは、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。
【００２８】
溶解坩堝１は投入されたシリコン原料３を溶解するものであり、耐火強度と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、高純度の石英等が用いられるが、シリコン原料３の融解温度以上の温度において、融解、蒸発、軟化、変形、分解等を生じにくく、かつ太陽電池特性を落とさない純度であれば特に限定されない。溶解坩堝１の寸法は、一度に溶解する溶解量に応じたシリコン原料３を内包できる寸法である必要がある。シリコン原料３の溶解量は、例えば、１ｋｇから１５０ｋｇの範囲である。また、溶解坩堝１は高温になると軟化して、形を保てないために、グラファイトなどからなる保持坩堝２で保持される。
【００２９】
溶解坩堝１、保持坩堝２の上部と側部にはそれぞれ本発明にかかる加熱手段である、上部加熱手段６、側部加熱手段７が配置され、例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。これらの加熱手段によって、溶解坩堝１の内部に収めたシリコン原料３を加熱溶解してシリコン融液を形成することができる。
【００３０】
溶解坩堝１、保持坩堝２の底部には、出湯口４が設けられ、溶解したシリコン原料３を下方に設置した鋳型８の内部に出湯できるようになっている。そして、この出湯口４には図１に示すようにノズル５を垂下させて設けてもよい。ノズル５は、例えば、石英などからなり、全体を筒状として溶解坩堝１と一体に形成される。このノズル５は、出湯したシリコン融液の飛散を抑えるためのものであり、その形状は、出湯口４から出湯したシリコン融液の落下の方向を妨げない形状とすることが望ましい。なお、本明細書においては、ノズル５を設けた場合、ノズル５の出口を出湯口とみなすものとする。
【００３１】
なお、出湯初期においては、出湯口４を通過する融液は水位に依存する圧力によって押し出されるが、出湯後期には水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４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解坩堝１の底部はある一定以上の傾斜が必要である。また、溶解坩堝１の本体の形状は特に限定されるものではない。
【００３２】
溶解坩堝１の下方に設けられた鋳型８は、上部に開口部を備え、その内部にシリコン融液１０を保持・凝固させることができるようになっている。この鋳型８は、黒鉛、シリカ部材、炭素繊維強化黒鉛材料（Ｃ／Ｃ材）などからなり、鋳型の底部を構成する一つの底部材８ａと、鋳型の側部を構成する４つの側部材８ｂを組み合わせた分割、組み立て可能な分割鋳型等で構成される。
【００３３】
なお、底部材８ａと側部材８ｂは、ボルト（不図示）などで固定することによって分割可能に組み立てられたり、底部材８ａと側部材８ｂが丁度嵌まる枠部材（不図示）で固定されたりして分割可能に組み立てられる。
【００３４】
鋳型８の内表面には、離型材９が設けられている。このような離型材９によって、鋳型８の内部のシリコン融液１０を凝固した後に鋳型８の内壁とシリコンインゴットとが融着することがなく、底部材８ａや側部材８ｂを何回も繰り返して使用することができる。このような離型材９としては、例えば、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の粉体をポリビニルアルコール水溶液で混ぜ合わせて鋳型８の内面に塗布・乾燥して被覆する。窒化珪素をポリビニルアルコール水溶液などで混合することによって、粉体である窒化珪素がスラリー状となり、黒鉛製の鋳型８に塗布しやすくなる。
【００３５】
窒化珪素の粉体としては、０．４〜０．６μｍ程度の平均粒径を有するものが用いられ、このような窒化珪素と濃度が５〜１５重量％程度のポリビニルアルコール水溶液に混合してスラリー状とし、へらや刷毛などで鋳型８の内表面に被覆する。通常、粉体とポリビニルアルコールなどの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９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に混入することを防止するために脱脂処理が行われ、自然乾燥または、ホットプレートに載せて乾燥させて脱脂処理した後、鋳型８内にシリコン融液１０を出湯する。
【００３６】
鋳型８の内表面への離型材９の塗布は、窒化珪素と二酸化珪素の粉体を混合したものを、塗布することも可能である。また、スラリーを塗布するだけではなく、プラズマ溶射機を用いて直接、離型材９を設けても良い。
【００３７】
なお、塗布の方法としては、刷毛、へらなどを用いたり、スプレー法などを用いたりすることが可能であるが、生産性の観点から、一度の塗布で塗布厚を確保できる刷毛を用いることが望ましい。さらに乾燥方法としては、ホットプレート、オーブンなどの従来周知の方法を用いることができる。
【００３８】
また、本発明のシリコン鋳造装置は、出湯口４から出湯されたシリコン融液が落下して鋳型８の内部に設けられた離型材９に衝突する融液衝突領域の大きさをより増加させる融液分散手段を備えていることを特徴とする。以下、この融液分散手段について説明する。
【００３９】
図１の本発明のシリコン鋳造装置の第一の実施形態では、この融液分散手段として鋳型８を水平方向に動かすことのできる水平移動機構を有しており、具体的には、鋳型駆動機構１１が該当する。この鋳型駆動機構１１は、出湯口４から出湯されたシリコン融液が、鋳型８の開口部に捕捉され得る範囲内で、鋳型８の水平方向位置を移動することができるように構成されている。この範囲を超えて水平方向位置を移動すると、シリコン融液が鋳型８の外部に漏れるので好ましくない。
【００４０】
このような構造にすることにより、溶解坩堝１からシリコン融液が鋳型８に出湯されるときに、鋳型駆動機構１１を駆動して鋳型８を水平方向に動かすことにより、鋳型中央部に集中して出湯されずに、鋳型内に分散されて出湯することができる。これにより、出湯口４から出湯されたシリコン融液が落下して鋳型８の内部に設けられた離型材９に衝突する融液衝突領域の大きさをより増加させることができ、単位面積当たりの衝撃が低くなるから、離型材９が剥離損傷することを防ぎ、鋳型内のシリコン融液１０の中に離型材が混入することによるシリコンインゴットの不良の増加や、特性の低下を抑制することができる。そして、出湯開始から例えば鋳型の高さの３分の１あたりにシリコン融液が満たされた状態で鋳型駆動機構１１を停止してもよいし、完全に溶解坩堝１から鋳型８に出湯された後に鋳型駆動機構１１を停止してもよい。
【００４１】
なお、鋳型駆動機構１１によって鋳型８を水平方向に動かす方法としては、特に限定されるものではないが、以下に説明する鋳型８を回動するような構成とすれば、簡単な構成で発明の効果を良好に得ることができる。
【００４２】
図２に鋳型８を回動させるための構成の一例を示す。図２（ａ）は略断面図、図２（ｂ）は鋳型８を上方から見た図である。この図に示す例では、鋳型駆動機構１１は、鋳型８を回動させるために、例えばモーターやギアなどを組み合わせて構成された回動機構を備えるとともに、鋳型の開口部に対して鉛直方向の略中心軸である鋳型中心軸ｐと、出湯口４から出湯されたシリコン融液が落下するときの鉛直方向の略中心軸である融液中心軸ｏとが、互いに重ならないように構成されている。このような構成によって、鋳型駆動機構１１により鋳型８を回動させながらシリコン融液１０を出湯すれば、シリコン融液が出湯されて鋳型８の内部に衝突する融液衝突領域の軌跡は、図２（ｂ）に示すように鋳型８の内部で円を描くこととなる。したがって、鋳型８の内部に分散されて出湯され、従来のように鋳型中央部に集中しないので、鋳型８の内部の離型材９に対するダメージを少なくすることができる。また、出湯時の鋳型８の温度がシリコン融液の融点１４１２℃より低いときには、鋳型８内に出湯されるシリコン融液１０は鋳型８に熱を奪われ凝固するが、シリコン融液１０の熱の分布が不均一となりやすい。このとき、鋳型８を回動させることによって、鋳型８中のシリコン融液が攪拌されるから、出湯直後のシリコン融液の分布が均一となり、均一な凝固層を形成することができる。
【００４３】
また、図２（ｂ）に示すように鋳型中心軸ｐと融液中心軸ｏとの最短距離ｄを２ｃｍ以上とすることが望ましい。出湯口４から流れ出したシリコン融液の方向は、繰り返し使用される溶解坩堝１の変形、ノズル５の変形によりずれる可能性があり、このとき上記最短距離が２ｃｍより小さいと、溶解したシリコン融液が同じ位置に出湯され、離型材９が剥離損傷し、鋳型内のシリコン融液１０の中に混入することによって、シリコンインゴットの不良が増加したり、特性を低下させたりする可能性がある。鋳型中心軸ｐと融液中心軸ｏとの距離の最大値については、出湯口４から出湯されたシリコン融液が、鋳型８の開口部に捕捉され得る範囲内であればよい。
【００４４】
なお、ノズル先端部の位置と鋳型の中心との距離ｄは、図２（ａ）に示すように直下に垂下したノズル５を有する出湯口４を溶解坩堝１の略中心部に設けて、鋳型中心軸ｐと融液中心軸ｏとをずらしても良いし、図３（ａ）に示すように直下に垂下したノズル５を有する出湯口４を溶解坩堝１の中心からずらした位置に設けることによって、鋳型中心軸ｐと融液中心軸ｏとをずらしても良い。また、図３（ｂ）に示すように、出湯口４に対して斜めに傾けたノズル５を設け、鋳型中心軸ｐと融液中心軸ｏとをずらすようにしても良い。
【００４５】
次に、図４に鋳型８を回動させるための構成の別の例を示す。図４に示す例では、鋳型駆動機構１１は、鋳型８を回動させる回動機構を備えるとともに、鋳型８の開口部に対して鉛直方向の略中心軸である鋳型中心軸ｐと、回動機構の鉛直方向の中心軸である回動中心軸ｑとが、互いに重ならないように構成されている。このような構成によって、鋳型駆動機構１１により鋳型８を回動させながらシリコン融液１０を出湯すれば、シリコン融液が出湯されて鋳型８の内部に衝突する融液衝突領域の軌跡は、図２（ｂ）に示したのと同様に鋳型８の内部で円を描き、全く同様の効果を得ることができる。
【００４６】
なお、上述において説明したように鋳型８を回動運動させる場合は、鋳型８を一方向に回転させるようにしても構わないが、正逆の双方向に回動させるようにすれば、鋳型８の内部のシリコン融液１０を撹拌する効果がより高くなることから好ましい。また、鋳型８を一方向に回転させる場合は、回転速度としては、２ｒｐｍ〜１０ｒｐｍの範囲とすることが望ましく、正逆の双方向に回動させるときには、例えば、１５ｓｅｃの周期で最大回転数が５ｒｐｍとなるように設定すれば、本発明の効果を良好に奏する。
【００４７】
以上の説明は、融液分散手段として、出湯口４と鋳型８との水平方向の相対的な位置関係を変更するようにした水平移動機構による例であるが、以下にさらに別の構成にかかる融液分散手段の例を示す。
【００４８】
図５に示す本発明のシリコン鋳造装置は、融液分散手段として、ノズル５を複数に分割することによって、出湯口４を複数に分割し、融液衝突領域の大きさを増加させるようにした例である。この部分以外は、上述のシリコン鋳造装置と全く同様である。図５（ｂ）にノズル部の詳細な構造を示す。ノズル５の先端部が複数に分割され分割ノズル５ａとなっているので、出湯口４からシリコン融液が落下して鋳型８の内部に設けられた離型材９に衝突する融液衝突領域の大きさをノズルの先端部が分割した数だけより増加させることができる。その結果、ノズル先端部における溶解坩堝中のシリコン融液の水位に依存する圧力も分散されるため、出湯するシリコン融液の衝撃を分散させることができるので、離型材９が剥離損傷することを防ぎ、鋳型８の内部のシリコン融液１０の中に離型材が混入
することによるシリコンインゴットの不良の増加や、特性の低下を抑制することができる。
【００４９】
図６は、本発明のシリコン鋳造装置にかかる溶解坩堝の断面構造を示す。この例では、融液分散手段として、溶解坩堝１の出湯口４の先端部の内径ｒを５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることによって、融液衝突領域の大きさを増加させるようにしている。溶解坩堝１の出湯口であるノズル５の先端口から出湯したシリコン融液は、このノズル５によって集束されているため、鋳型８の周りに飛散せず、出湯したシリコン融液は、鋳型８の中央部に導かれる。このとき、出湯口４（すなわちノズル５）の先端部の内径を上述の範囲とすることによって、従来のように鋳型中央部の一箇所に集中して出湯されずに、鋳型中央部の周囲に分散して出湯することができる。そのため、鋳型８の内部に設けられた離型材９が剥離損傷することを防ぎ、鋳型８内のシリコン融液１０の中に離型材が混入することによるシリコンインゴットの不良の増加や、特性の低下を抑制することができる。
【００５０】
ここで、上述の範囲よりも小さい場合、シリコン融液がより鋳型中央部の狭い領域に導かれるため、離型材９にダメージを与える可能性があり、鋳型内部のシリコン融液１０の中に離型材が混入して、シリコンインゴットの不良の増加や、特性の低下を生じる。また、この範囲よりも大きい場合、逆にシリコン融液の飛散を抑えきれなくなり、シリコン融液が鋳型８の周りに飛散し生産性を低下させる可能性がある。
【００５１】
以下、図１を用いて本発明のシリコン鋳造装置を用いたときの発明の作用効果について説明する。
【００５２】
溶解坩堝１内にシリコン原料３を供給した後、溶解坩堝の上部と側部に設けられた加熱手段である上部加熱手段６と側部加熱手段７により所定温度に加熱して、上方から徐々に溶解する。当初、出湯口４を溶解坩堝内のシリコン原料の一部によって塞いでおくのが望ましく、上方から溶解されて、この出湯口４を塞いでいるシリコン原料３が完全に溶解されたときに、出湯口４からシリコン融液１０が流れ出す。なお、この方法に限るものではなく、例えば、機械的な手段（蓋など）によって出湯口４を塞ぎ、所定のタイミングでシリコン融液が流れるようにしても構わない。流れ出したシリコン融液は溶解坩堝１の下方に位置する鋳型８の内部に出湯される。
【００５３】
鋳型８に出湯されたシリコン融液は、上述した融液分散手段によって鋳型８の内部に分散されて出湯されるので、離型材に衝突する融液衝突領域の大きさがより増加する。その結果、離型材９に衝突する衝撃を緩和することができるので、離型材９がクレーター状に変形したり剥離損傷したりして、鋳型８内のシリコン融液１０の中に混入することによるシリコンインゴットの不良の増加や、特性の低下を抑制することができる。また、鋳型中央部の離型材の損傷を防ぐことで、鋳型中央部の抜熱能力を変化させることもなく、シリコンインゴットの品質低下を抑制することができる。また、熱応力によるクラックや、離型材損傷により鋳型基材とシリコンインゴットの融着を引き起こすこともない。
【００５４】
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。
【００５５】
例えば、上述の本発明のシリコン鋳造装置は、融液分散手段である水平移動機構として、鋳型８を水平方向に動かすことのできる鋳型駆動機構１１によって説明したが、これに限るものではなく、融液分散手段として溶解坩堝１の側に水平移動機構である坩堝駆動機構（不図示）を設けてもよい。これによって、出湯口４から出湯されたシリコン融液が、鋳型８の開口部に捕捉され得る範囲内で、出湯口４とこの鋳型８との水平方向の相対的な位置関係を変更するように構成すれば、本発明の効果を良好に奏する。また、上述で説明した鋳型駆動機構１１の場合と全く同様に、この坩堝駆動機構を回動可能な構造とし、鋳型中心軸、融液中心軸、回動中心軸の関係を、それぞれ鋳型駆動機構１１を用いたときと相似の関係として構成することにより同様の効果が得られる。
【００５６】
また、図２〜図４において説明した回動機構を備えた鋳型駆動機構１１としては、融液中心軸ｏ、鋳型中心軸ｐ、回動中心軸ｑは、全てが重ならないようにそれぞれが三本の異なった直線上に存在するように構成しても構わない。また、回動の動作と直線的な動作を組み合わせるようにしても構わない。ただし、この鋳型駆動機構１１の可動領域としては、出湯口４から出湯されたシリコン融液が、鋳型８の開口部に捕捉され得る範囲内とすることが望ましく、もしこの範囲を超える場合は、例えば、出湯口４からシリコン融液が出湯しないように出湯口４に蓋を設け、鋳型８の動きと同期を取って出湯口４に蓋をするなどしてシリコン融液が鋳型８の外部に漏洩しないようにする必要がある。
【００５７】
また、鋳型駆動機構１１については、待機状態にしておき、溶解坩堝１からの出湯開始のタイミングと同期させて、駆動するようにしてもよい。この出湯開始のタイミングを検知する方法としては、例えば、作業者が出湯時間近くからシリコン鋳造装置を監視し出湯開始を目視確認する方法、図７に示すように、鋳型８に施した熱電対１２により、融液の凝固時における温度変化を測定する方法、ノズルの直下部を監視するように配設された放射温度計１３により監視する方法、などを用いることができ、ここで熱電対１２や放射温度計１３に結線された制御装置１４により測定された温度を検知して、シリコン融液１０の出湯のタイミング検知するようにすればより確実に制御運転することができるので望ましい。
【００５８】
その他、シリコン融液１０を一方向凝固させるため、鋳型８の側部には、その外周を囲繞するように鋳型断熱材を設けてもよい。この鋳型断熱材を設ける目的は、シリコン融液１０を鋳型８に保持したときに、鋳型８の側部からの抜熱を抑制し、一方向凝固を行いやすくするためである。鋳型断熱材としては、グラファイトフェルトなどの主成分をカーボンとする材質が望ましく、特にその表面をカーボンの粉体でコーティング処理を行ったものを用いれば、シリコン融液が付着したときに、劣化するという問題を減少させることができるので望ましい。
【００５９】
また、溶解坩堝１と鋳型８との間には鋳型加熱手段を設け、鋳型８の内部に保持したシリコン融液１０を加熱するようにしても構わない。この鋳型加熱手段によって熱を供給することによって、鋳型８の内部のシリコン融液の凝固を制御し、一方向凝固を行うことがより容易となる。この鋳型加熱手段としては、例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。
【００６０】
そして、鋳型８の下方には、冷却手段を設け、鋳型８の内部に保持したシリコン融液１０に対して、その下方から抜熱するようにしても構わない。この冷却手段によってシリコン融液１０を下方から抜熱しつつ、上述した鋳型加熱手段によって同時に加熱することによって、シリコン融液１０の下部から上部へと向けて、一方向凝固を行うことをさらに用意とすることができる。冷却手段としては、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８の内部のシリコン融液１０から効果的に抜熱できるように構成する。なお、本発明においては、鋳型駆動機構１１に組み込んでおくことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【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】本発明のシリコン鋳造装置にかかる鋳型駆動機構の例を説明するための図であり、（ａ）は断面模式図、（ｂ）は鋳型を上から図であって動作を説明する模式図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、本発明のシリコン鋳造装置にかかる出湯口の例を示す断面模式図である。
【図４】本発明のシリコン鋳造装置にかかる鋳型駆動機構の別の例を示す断面模式図である。
【図５】（ａ）は本発明のシリコン鋳造装置の他の実施形態を示す断面模式図であり、（ｂ）は融液分散手段であるノズルの拡大斜視図である。
【図６】本発明のシリコン鋳造装置の他の実施形態にかかる坩堝部分の断面模式図である。
【図７】本発明のシリコン鋳造装置において出湯タイミングを検知する方法を示す断面模式図である。
【図８】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】
【００６２】
１：溶解坩堝
２：保持坩堝
３：シリコン原料
４：出湯口
５：ノズル
５ａ：融液分散手段の一例である分割ノズル
６：加熱手段である上部加熱手段
７：加熱手段である側部加熱手段
８：鋳型
８ａ：底部材
８ｂ：側部材
９：離型材
１０：シリコン融液
１１：融液分散手段の一例である水平移動機構である鋳型駆動機構
１２：熱電対
１３：放射温度計
１４：制御装置
ｏ：融液中心軸
ｐ：鋳型中心軸
ｑ：回動中心軸
ｄ：融液中心軸と鋳型中心軸との最短距離
ｒ：出湯口（ノズル）の内径
【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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