(57)【要約】      （修正有）【課題】一方向凝固で形成する多結晶シリコンインゴットの歪みを軽減し、シリコンインゴットの切断工程においてクラックが発生し難いインゴットを得るための鋳型および鋳造装置を提供する。【解決手段】四角形形状を有する一枚の底板１ａと、下底が上底よりも長い台形形状を有し、底板１ａの各辺に対応した長さの台形上底によって底板１ａの側面外周を囲繞し、台形下底によって鋳型１の開口部を形成するとともに隣り合った側辺同士を嵌め合わせた、底板１ａと四枚の側板１ｂとから成る鋳型内表面部と、底板１ａと側板１ｂおよび四枚の側板１ｂ同士が互いに接する八つの稜線部と、に設けられた離型材層と、を備え、側板１ｂの各内面が形成する逆テーパ形状のテーパ角は、１°以上５°以下とした鋳型１と、この鋳型１の外周を囲繞するとともに、鋳型１の縦方向に分割可能として配置された複数の鋳型断熱材を備える。【選択図】図２
2005213088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方に向かって広がった鋳型開口部を有する鋳型であって、
四角形形状を有する一枚の底板と、
下底が上底よりも長い台形形状を有する四枚の側板であって、前記底板の各辺に対応した長さの台形上底によって前記底板の側面外周を囲繞し、台形下底によって前記鋳型開口部を形成するとともに、隣り合った側辺同士を嵌め合わせた側板と、
前記底板と前記四枚の側板とから構成される鋳型内表面部に設けられた離型材層と、を備え、
前記側板の各内面は、鉛直方向に対して１°以上５°以下のテーパ角を有する鋳型。
【請求項２】
前記離型材層は、前記底板と前記側板および前記四枚の側板同士が互いに接する八つの稜線部において、前記鋳型内表面部の他の箇所よりも厚くなるようにした請求項１に記載の鋳型。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された鋳型と、
この鋳型の外周を囲繞するとともに、鋳型の縦方向に分割可能として配置された複数の鋳型断熱材と、を備えた鋳造装置。
【請求項４】
前記複数の鋳型断熱材は、さらに鋳型の横方向に分割可能として配置された請求項３に記載の鋳造装置。
【請求項５】
前記複数の鋳型断熱材はその内周面の少なくとも一部が、前記鋳型の外周面の少なくとも一部と当接するように配置された請求項３または請求項４に記載の鋳造装置。
【請求項６】
前記複数の鋳型断熱材の内周面と前記鋳型の外周面との間隙にそれぞれの面に当接するように配置されるとともに、少なくともこの鋳型の各側板に対応させて複数配置された当接部材をさらに備えた請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の鋳造装置。
【請求項７】
前記複数の鋳型断熱材の外周部に配置され、これらの鋳型断熱材が変位しないように拘束する拘束部材をさらに備えた請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の鋳造装置。
【請求項８】
前記複数の鋳型断熱材は、前記鋳型の外周を囲繞して配置したときに略円筒形状となるようにした請求項７に記載の鋳造装置。
【請求項９】
前記鋳型を載置するホルダー主部と前記鋳型断熱材を載置するホルダー外周部とからなる鋳型ホルダーであって、前記ホルダー主部は前記ホルダー外周部より高い熱伝導率を有する鋳型ホルダーと、
前記鋳型ホルダーを載置して冷却するチルプレートと、をさらに備えた請求項３から請求項８のいずれか一項に記載の鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用多結晶シリコンのインゴットを鋳造するのに適した鋳型およびこの鋳型を用いた鋳造装置に関する。
【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よ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よ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、窒化珪素や酸化珪素等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た離型材を塗布した黒鉛やシリカなどからなる鋳型や、鋳型の内面に窒化珪素や酸化珪素などの溶射皮膜を被覆した鋳型内に、溶融シリコン融液を注湯して鋳型上部から加熱し下部から冷却し一方向凝固させることによって形成したり、シリコン原料を鋳型内に入れていったん溶解した後、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７に示す。
【０００６】
上部には原料シリコン１１０を溶融するための溶解坩堝１０８が保持坩堝１０９に保持されて配置され、溶解坩堝１０８と保持坩堝１０９の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口１１１が設けられる。また、溶解坩堝１０８、保持坩堝１０９の上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段１１２、側部加熱手段１１３が配置され、溶解坩堝１０８、保持坩堝１０９の下部にはシリコン融液１０４が注ぎ込まれる鋳型１０１が配置され、その外側に鋳型断熱材１０３が設けられる。さらに、鋳型１０１の下部には冷却手段１０７が設けられ、鋳型１０１の上部にはシリコン融液１０４の凝固を制御するための鋳型加熱手段１０６が配置される。
【０００７】
例えば高純度石英などからなる溶解坩堝１０８内に入れられたシリコン原料は、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、上部加熱手段１１２、側部加熱手段１１３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１１１から下部にある鋳型１０１内に注湯される。
【０００８】
鋳型１０１は例えば黒鉛などからなり、例えば、一つの底部材１０１ａと４つの側部材１０１ｂを組み合わせた分割、組み立て可能な分割鋳型などで構成される。離型材層１０２は、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珪素（ＳｉＯ２）などの粉末が用いられ、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、鋳型内壁に塗布もしくはスプレーなど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）。鋳型断熱材１０３は抜熱を抑制するものであり耐熱性、断熱性などを考慮して主成分としてカーボンを含む材質のものが用いられる。鋳型加熱手段１０６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。鋳型１０１の側壁部をグラファイト質成形体などからなる鋳型断熱材１０３で覆い、冷却手段１０７によって鋳型１０１内に注湯されたシリコン融液１０４を下部から冷却することによって、鋳型１０１の上方からシリコン融液を加熱するだけで、シリコン融液を下部から上部へ向けて一方向凝固させて、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９−２６３４８９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】
上述の方法によってシリコン融液１０４を一方向凝固させる場合、固液界面形状をフラットにし、凝固膨張による応力を上方へ逃がすようにする。しかしながら、事実上、鋳型側壁の完全断熱は難しいため、横方向の膨張が生じ、鋳型側面に大きな応力が加わり、インゴットを鋳型から抜き出すことが不可能になったり、また、凝固、冷却の際、特に鋳型側部からの成長結晶と鋳型底部からの成長結晶が衝突する鋳型底のコーナー部において、熱応力が起因となるクラックが発生し、製造歩留まりを低下させたりするという問題があった。
【００１０】
このような問題を解決するためには、一様な凝固速度、凝固方向で結晶を冷却固化させ、熱的応力分布が一様な健全なインゴットが得ることが必要である。通常、一方向凝固現象を論じる場合、凝固速度Ｘ（ｍ／ｓ）、冷却速度α（Ｋ／ｓ）、温度勾配Ｇ（Ｋ／ｓ）の特性値の制御が重要であり、それには凝固界面でのＧ／Ｘ比を大きくすることが必要であるが、鋳型内でふつうに凝固させただけでは必要なＧ／Ｘ比を達成することができないので、ＧとＸをそれぞれ独立に制御してＧを大きく、Ｘを小さくするために、鋳型引出し式一方向凝固炉や、パワーダウン式一方向凝固炉などの種々の一方向凝固炉が用いられることが多い。
【００１１】
このような一方向凝固炉を用いれば、理想的な一方向凝固組織を有する健全なインゴットを得られるが、装置導入の初期投資に費用が嵩んだり、また、種々のインゴットサイズに柔軟に対応できなかったりする問題がある。
【００１２】
本発明はかかる事情に鑑み、一方向凝固で形成する多結晶シリコンインゴットの歪みを軽減し、シリコンインゴットの切断工程においてクラックが発生し難いインゴットを得るための鋳型および鋳造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者は、上記目的を鋳型形状および構造の改良だけで達成するよう努め、その成果を本発明として具現化した。
【００１４】
すなわち、本発明の請求項１にかかる鋳型は、上方に向かって広がった鋳型開口部を有する鋳型であって、四角形形状を有する一枚の底板と、下底が上底よりも長い台形形状を有する四枚の側板であって、前記底板の各辺に対応した長さの台形上底によって前記底板の側面外周を囲繞し、台形下底によって前記鋳型開口部を形成するとともに、隣り合った側辺同士を嵌め合わせた側板と、前記底板と前記四枚の側板とから構成される鋳型内表面部に設けられた離型材層と、を備え、前記側板の各内面は、鉛直方向に対して１°以上５°以下のテーパ角を有する。
【００１５】
そして、本発明の請求項２にかかる鋳型は、請求項１に記載の鋳型において、前記離型材層は、前記底板と前記側板および前記四枚の側板同士が互いに接する八つの稜線部において、前記鋳型内表面部の他の箇所よりも厚くなるようにした。
【００１６】
また、本発明の請求項３にかかる鋳造装置は、請求項１または請求項２に記載された鋳型と、この鋳型の外周を囲繞するとともに、鋳型の縦方向に分割可能として配置された複数の鋳型断熱材と、を備えている。
【００１７】
そして、本発明の請求項４にかかる鋳造装置は、請求項３に記載の鋳造装置において、前記複数の鋳型断熱材は、さらに鋳型の横方向に分割可能として配置されている。
【００１８】
さらに、本発明の請求項５にかかる鋳造装置は、請求項３または請求項４に記載の鋳造装置において、前記複数の鋳型断熱材はその内周面の少なくとも一部が、前記鋳型の外周面の少なくとも一部と当接するように配置されている。
【００１９】
また、本発明の請求項６にかかる鋳造装置は、請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の鋳造装置において、前記複数の鋳型断熱材の内周面と前記鋳型の外周面との間隙にそれぞれの面に当接するように配置されるとともに、少なくとも前記鋳型の各側板に対応させて複数配置された当接部材をさらに備えるようにした。
【００２０】
そして、本発明の請求項７にかかる鋳造装置は、請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の鋳造装置において、前記複数の鋳型断熱材の外周部に配置され、これらの鋳型断熱材が変位しないように拘束する拘束部材をさらに備えるようにした。
【００２１】
さらに、本発明の請求項８にかかる鋳造装置は、前記複数の鋳型断熱材は、請求項７に記載の鋳造装置において、前記鋳型の外周を囲繞して配置したときに略円筒形状となるようにした。
【００２２】
また、本発明の請求項９にかかる鋳造装置は、請求項３から請求項８のいずれか一項に記載の鋳造装置において、前記鋳型を載置するホルダー主部と前記鋳型断熱材を載置するホルダー外周部とからなる鋳型ホルダーであって、前記ホルダー主部は前記ホルダー外周部より高い熱伝導率を有する鋳型ホルダーと、前記鋳型ホルダーを載置して冷却するチルプレートと、をさらに備えるようにした。
【発明の効果】
【００２３】
すなわち、本発明にかかる鋳型は、上方に向かって広がった鋳型開口部を有する鋳型であって、四角形形状を有する一枚の底板と、下底が上底よりも長い台形形状を有する四枚の側板であって、前記底板の各辺に対応した長さの台形上底によって前記底板の側面外周を囲繞し、台形下底によって前記鋳型開口部を形成するとともに、隣り合った側辺同士を嵌め合わせた側板と、前記底板と前記四枚の側板とから構成される鋳型内表面部に設けられた離型材層と、を備え、前記側板の各内面は、鉛直方向に対して１°以上５°以下のテーパ角を有する。このように鋳型を構成する側板は底板の上に載置され、側板同士は嵌め合わせて組み立てられているので、自在に組立／解体可能となっている。したがって、シリコンの融液が凝固した後の鋳型の解体が容易であり、シリコンのインゴットを容易に取り出すことができる。そして、上方に向かって適度な角度で逆テーパ形状をなして広がっているため、シリコンの凝固膨張による、水平方向の応力集中を回避することができ、シリコンインゴットへの歪みの蓄積を軽減することができる。
【００２４】
さらに、底板と側板および四枚の側板同士が互いに接する八つの稜線部は、離型材層の厚みが鋳型内表面部の他の箇所よりも大きいので、確実に封止され、外部に融液が漏洩することもない。
【００２５】
また、本発明にかかる鋳型と、この鋳型の外周を囲繞するとともに、鋳型の縦方向に分割可能として配置された複数の鋳型断熱材と、を備えた鋳造装置は、縦方向に分割された鋳型断熱材を容易に外すことができ、鋳型を容易に解体してシリコンインゴットの離型が容易となる。
【００２６】
そして、複数の鋳型断熱材は、さらに鋳型の横方向に分割可能として配置されるようにしたことにより、鋳型断熱材の取り外しがさらに容易となる。
【００２７】
さらに、複数の鋳型断熱材はその内周面の少なくとも一部が、これら鋳型の外周面の少なくとも一部と当接して配置したので、シリコンインゴットの凝固膨張に伴う鋳型の側板への外力をこれらの鋳型断熱材によって押さえ、インゴット内部の応力を逆テーパ形状となった鋳型側面から上方へと逃がすことができる。
【００２８】
また、複数の鋳型断熱材の内周面と鋳型の外周面との間隙に、少なくともこの鋳型の各側板に対応させて複数の当接部材を配置して、それぞれの面に当接させることによって、シリコンインゴットの凝固膨張に伴う鋳型の側板への外力をこれらの鋳型断熱材によって押さえることができるとともに、これらの当接部材によって、より鋳型の側板が動かないようにより強く押さえることができるので、インゴット内部の応力を逆テーパ形状となった鋳型側面から上方へと確実に逃がすことができる。
【００２９】
また、複数の鋳型断熱材の外周部に配置され、これらの鋳型断熱材が変位しないように拘束する拘束部材をさらに備えるようにしたので、上記の効果をさらに確実なものとすることができる。そして、これらの複数の鋳型断熱材を鋳型の外周を囲繞して配置したときに略円筒形状となるようにしたので、拘束部材によって外側から、均一に押さえることができ、応力の分布がより均一となる。
【００３０】
さらに、鋳型を載置するホルダー主部と鋳型断熱材を載置するホルダー外周部とからなる鋳型ホルダーを、このホルダー主部はホルダー外周部より高い熱伝導率を有するように構成し、この鋳型ホルダーをチルプレートの上に載置して冷却するようにしたので、チルプレートから抜熱する際に、鋳型の底板以外の領域から抜熱することなく、鋳型底面の領域から均等に整流化した熱が奪われるので、均一な熱流が得られやすく、凝固速度の制御が従来に比べて容易となる。そして、鋳型側面底部から結晶が成長したりせず、一方向凝固性が大いに改善される。
【００３１】
このように、本発明の鋳型および鋳造装置を用いることによって、鋳型の底部からの抜熱によって鋳型内の溶融シリコンを一方向凝固させる際に生じる水平方向の凝固膨張にともなう鋳型側壁への応力を回避され、一方向凝固性が改善されているので、シリコンインゴットの切断工程において、切断面に生じる縦割れや横割れといったクラックが発生し難いインゴットを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３３】
図１は、本発明の鋳造装置の概略図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。また、図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ方向の断面図である。図中、１は鋳型、１ａは底板、１ｂは側板、２（２ａ〜２ｄ）は鋳型断熱材、３（３ａ〜３ｄ）は当接部材である楔（くさび）、４は拘束部材であるリング状部材、５は鋳型ホルダー、６はチルプレートを示す。
【００３４】
なお、図に示した例では、鋳型断熱材２（２ａ〜２ｄ）は鋳型の横方向に三分割されており、これに対応して、楔３、リング状部材４も三種類の部材として構成されている。それぞれ図中においては上中下の三種類の各部材の符号の後ろにＵ、Ｍ、Ｌを付して示しているが、本明細書の説明においては特に必要のない限り省略する。また、図１（ｂ）において鋳型の横方向に三分割されている鋳型断熱材２のうち、中（Ｍ）に該当する箇所の部分に見やすくするためハッチングを付加している。
【００３５】
本発明にかかる鋳型は、上方開放型の鋳型であり、四角形形状を有する底板１ａが一枚と、下底が上底よりも長い台形形状を有する側板１ｂとから構成されている。このような鋳型の部材としては、黒鉛やシリカ板などを用いることができるが、軽くて強度が高い炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）を用いることが望ましい。
【００３６】
これらの鋳型部材を組み立てるには、図３に示す如く、底板１ａの各辺に対応した長さの台形上底によって底板１ａの側面外周を囲繞し、隣り合った側板１ｂの側部二辺に加工した凹条、凸条の切り欠きを互いに組み合わせて嵌合させることによって、台形下底によって鋳型開口部を形成して、開口部に向けて側板１ｂの各内面同士が広がった逆テーパ形状を形成するように組み立てられる。
【００３７】
なお、図２（ｂ）に示すように、側板１ｂの台形形状の上底と下底の長さは、側板１ｂ同士を組み合わせた際、側板１ｂの各内面が鉛直方向に対して、そのテーパ角θが１°〜５°となるように寸法が設定され、シリコンの凝固膨張による、水平方向の応力集中を回避するようにされている。
【００３８】
また、側板１ｂの側部に対して、図３に示したような切り欠き形状の嵌合部が設けられている場合は、厳密には台形ではないが、これらを嵌め合わせて組み合わせれば、側板１ｂは台形形状と見なすことができる。
【００３９】
このようにして組み立てた鋳型１は、底板１ａと側板１ｂとから構成される鋳型内表面部と、底板１ａと側板１ｂおよび四枚の側板１ｂ同士が互いに接する八つの稜線部には、離型材層７が設けられている。図４は離型材層の構成を示す図であり、（ａ）は、図１（ａ）のＢ部、すなわち隣接する側板１ｂ同士の稜線部の拡大構造図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＣ部、すなわち底板１ａと側板１ｂとの稜線部の拡大構造図である。図に示したように、各部材によって構成される鋳型１の内表面と各部材同士の稜線部に対して、離型材層７が設けられている。
【００４０】
この離型材層７は、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の粉体をＰＶＡ（ポリビニルアルコール）水溶液で混ぜ合わせて鋳型１の内面に塗布することによって形成することができる。ＰＶＡ水溶液などで混合することによって、粉体である窒化シリコンがスラリー状となり、鋳型１に塗布しやすくなる。
【００４１】
窒化シリコンの粉体としては、０．４〜０．６μｍ程度の平均粒径を有するものが用いられ、このような窒化シリコンと濃度が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、刷毛、ディスペンサーなどで鋳型１の内表面に塗布する。鋳型１の内表面への離型材層７の塗布は、窒化シリコンと二酸化シリコンの粉体を混合したものを、塗布することも可能である。
【００４２】
このような離型材層７を設けることによって、鋳型１とシリコンの融液とが凝固した後に鋳型１の内壁とシリコンインゴットとが融着することが少なくなり、これらの部材を何回も繰り返して使用することができる。
【００４３】
また、底板１ａと側板１ｂとの接続部および側板１ｂ同士の接続部、すなわち八つの稜線部に対しては、鋳型の内表面の他の箇所よりも厚くなるように離型材層７を設けることが望ましい。このようにすれば、これらの稜線部が離型材層７によって確実に封止されるため、シリコンの融液の漏洩が少なくなる。
【００４４】
具体的な離型材層７の形成方法は、次に示すような三つの工程を経て行うことが望ましい。第一工程として、底板１ａおよび４つの側板１ｂの表面に、上述のようにしてスラリー状とした離型材スラリーを塗布・乾燥させる。次に、第二工程として、底板１ａを底面として４つの側板１ｂを立設し、離型材を塗布した面が内側となるように箱型に組み立てる。そして第三工程として、底板１ａと側板１ｂおよび四枚の側板１ｂ同士が互いに接する八つの稜線部に離型材を例えばディスペンサーなどで追加して塗布・乾燥させる。
【００４５】
このような三つの工程によって行えば、鋳型１を組み立てる前に、各鋳型部材に離型材を塗布し、鋳型１の形状に組み立てた後、各鋳型部材の接合部分のみに対して、離型材を追加して塗布するのみでよいので、作業が飛躍的に簡素化し作業効率が大幅に向上する。また、稜線部の離型材層７を厚くすることができる。
【００４６】
このようにして構成された鋳型１の外周は、図１、図２に示すように、縦方向に４分割された複数の鋳型断熱材２（２ａ〜２ｄ）によって囲繞されるともに、拘束部材であるリング状部材４を配置し、鋳型１の側板１ｂと鋳型断熱材２との間隙部に、それぞれに当接する当接部材である楔３によって確実に固定され、本発明の鋳造装置となる。なお、楔３については、少なくとも鋳型１の各側板１ｂに対応させて複数配置すれば、確実に側板１ｂを固定することができる。また、図１、図２に示した例によれば、複数の鋳型断熱材２（２ａ〜２ｄ）は、さらに鋳型１の横方向にも３分割されて配置されている。
【００４７】
鋳型断熱材２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て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。
【００４８】
また、楔３としては黒鉛（グラファイト）などを用い、リング状部材４としては、軽くて強度が高い炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）を用いることが望ましい。
【００４９】
この図１〜図４に示した本発明にかかる鋳造装置を用いてインゴットを作製する方法について、図５を用いて説明する。
【００５０】
まず、鋳型１をチルプレート６（本図面においては不図示）上の鋳型ホルダー５の上に載置する（図５（ａ）参照）。
【００５１】
次に、この鋳型ホルダー５上の鋳型１の周囲を囲繞するように最下部の鋳型断熱材２を配設する。そして、鋳型１との間に楔３を押し込み、この鋳型断熱材２の外周部をリング状部材４によって確実に固定する（図５（ｂ）参照）。本図においては見やすいように、手前側の鋳型断熱材の図示を省略した。
【００５２】
そして、中部の鋳型断熱材２および最上部の鋳型断熱材２をそれぞれ配設して、楔３、リング状部材４をそれぞれ設ける（図５（ｃ）参照）。
【００５３】
その後、例えば図７に示した従来周知の方法により、この鋳型１の内部に溶融シリコン融液を注湯して鋳型上部から加熱し下部から冷却し一方向凝固させることによって形成したり、シリコン原料を鋳型内に入れていったん溶解した後、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。
【００５４】
製造したインゴットを抜き出すには、鋳型１の横方向に分割された鋳型断熱材２を横方向に引き抜き、次いで鋳型１の上部から楔３を取り外し、次いでリング状部材４を下方にずらす（図５（ｄ）参照）。
【００５５】
そして、鋳型１の側板同士の嵌合状態を解除して、インゴットから離型した後、インゴットを上方に引き抜けばよい（図５（ｅ）参照）。
【００５６】
このように、縦方向および横方向に分割された鋳型断熱材２は、極めて容易に外すことができるので、鋳型１を容易に解体してシリコンインゴットの離型が容易となる。
【００５７】
また、シリコンインゴットの凝固膨張に伴う鋳型１の側板１ｂへの外力をこれらの鋳型断熱材２によって押さえ、インゴット内部の応力を逆テーパ形状となった鋳型側面から上方へと逃がすことができる。そして、鋳型１と鋳型断熱材２との間隙に楔３を設けることによって、より鋳型１の側板１ｂが動かないようにより強く押さえることができるので、インゴット内部の応力を逆テーパ形状となった鋳型側面から上方へと確実に逃がすことができる。
【００５８】
また、複数の鋳型断熱材２の外周部に配置され、これらの鋳型断熱材２が変位しないようにリング状部材４によって拘束しているので、上記の効果をさらに確実なものとすることができる。そして、これらの複数の鋳型断熱材２を鋳型１の外周を囲繞して配置したときに略円筒形状となるようにしたので、リング状部材４によって外側から、均一に押さえることができ、応力の分布がより均一となる。
【００５９】
なお、鋳型１の側壁の内面の上方への逆テーパ形状となったテーパ角θを１°〜５°の範囲に限定したのは、１°未満だと全く応力の回避にならず本発明の効果が得られないためであり、５°を超えると鋳造後に切り落とす端部領域が増えてシリコン原料のコストが嵩むためである。
【００６０】
そして本発明にかかる鋳造装置は、鋳型高さ方向への一方向性を改善することにより水平方向への凝固膨張を低減させる工夫を施してある。
【００６１】
従来の鋳型に用いられる鋳型ホルダーは熱伝導性のよい同一材質（例えば黒鉛）から形成されていたり、あるいはその中央部に貫通穴を設けて放射伝導により鋳型底部から抜熱していた。前者の場合は、チルプレートからの抜熱が鋳型底板以外の領域まで均一に抜熱するため、例えば鋳型側面底部も冷却されてしまい、該箇所から結晶が成長するなどして、結晶の一方向凝固性が悪くなっていた。また後者のような放射伝導の場合、固体物質中の熱伝導作用に比べ、周囲の温度環境の影響を受けやすく均一な熱流が得られにくいので凝固速度の制御は極めて難しくなる。
【００６２】
これに対し図６に示すように、本発明の鋳造装置にかかる鋳型ホルダーは、熱伝導性が悪い材質からなるホルダー外周部５ｂと、その中央部に配置される熱伝導性がよい材質で鋳型１の底板１ａと略同寸のホルダー主部５ａとからなる。
【００６３】
このような材料は、高温下での熱伝導率を基準に選ぶことが望ましく、鋳型ホルダー５のホルダー主部５ａとして、例えばグラファイト（熱伝導率：約５０Ｗ／ｍｋ）やＳｉＣ（熱伝導率：約３５Ｗ／ｍｋ）などの材料を用いることができ、鋳型ホルダー５のホルダー外周部５ｂとしては、例えばグラファイトフェルト（熱伝導率：約０．６Ｗ／ｍｋ）やＣＣＭ（日本カーボンの登録商標）などの炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）（熱伝導率：約１Ｗ／ｍｋ）といった材料を用いることができる。
【００６４】
このように鋳型１の底板１ａとチルプレート６との間にのみ熱伝導性がよいホルダー主部５ａを介在させるために、チルプレート６から抜熱する際に、鋳型１の底板１ａ以外の領域から抜熱されることがなく、鋳型の底板１ａの領域から均等に整流化した熱が奪われるので、従来に比べて一方向凝固性が大いに改善される。そして、鋳型１の高さ方向への凝固膨張より鋳型側壁への凝固膨張を抑えられるので、鋳型側壁への応力集中が回避できる。
【００６５】
このような本発明の鋳型および鋳造装置によれば、一方向凝固で形成する多結晶シリコンインゴットの歪みを軽減することができるので、シリコンインゴットの切断工程においてクラックが発生し難いインゴットを得ることができる。
【００６６】
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。
【００６７】
例えば、上述の説明では、鋳型断熱材２同士を配設した後に、当接部材である楔３や拘束部材であるリング状部材４によって固定するようにしたが、この固定方法になんら限定されるものではなく、インゴットの凝固膨張に伴う側壁への外力を拘束し得る方法であれば種々の変形が可能であり、例えば側板１ｂ同士の固定をボルトで行うことも可能である。また、鋳型断熱材２同士に嵌合部を設けて、互いに嵌合させて固定するようにしてもかまわない。
【００６８】
また、図において、鋳型１を構成する正方形の形状を有する底板１ａによって、また、等脚台形の形状を有するとともに、四枚とも同じ形状を有する側板１ｂによって説明したが、これに限るものではなく、底板１ａについては矩形形状（長方形形状）であってもかまわないし、側板１ｂとしては、この矩形形状を有する底板１ａの各辺に対応させて、その上底を有する台形形状の組み合わせとし、隣接する台形の側辺同士が組み合わせたときに同じ長さとなるようにすればよい。
【００６９】
さらに、鋳型断熱材２は鋳型１の外周を囲繞して配設されているが、これは完全に隙間なく配設されていることを意味するものではなく、鋳型１の外周の必要な箇所にのみ配設すればよい。
【００７０】
そして、鋳型断熱材２や当接部材である楔３は、鋳型１の側板１ｂと全面において当接している必要はなく、少なくとも一部同士が、当接して押さえるような構成となっていれば本発明の効果を有効に奏しうる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明にかかる鋳造装置の概略図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】（ａ）は、図１のＡ−Ａ方向の断面図であり、（ｂ）は鋳型のみ示した断面図である。
【図３】本発明にかかる鋳型の底板と側板とを組み合わせる方法を説明した図である。
【図４】離型材層の構成を示す図であり、（ａ）は、図１（ａ）のＢ部の拡大構造図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＣ部の拡大構造図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、本発明にかかる鋳造装置によるインゴット製造方法を説明するための図である。
【図６】本発明にかかる鋳型ホルダーの構造を示す図であり、上面図と断面図である。
【図７】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である。
【符号の説明】
【００７２】
１：鋳型
１ａ：底板
１ｂ：側板
２：鋳型断熱材
３：楔
４：リング状部材
５：鋳型ホルダー
５ａ：ホルダー主部
５ｂ：ホルダー外周部
６：チルプレート
７：離型材層
１０１：鋳型
１０１ａ：底部材
１０１ｂ：側部材
１０２：離型材層
１０３：鋳型断熱材
１０４：シリコン融液
１０６：鋳型加熱手段
１０７：冷却手段
１０８：溶解坩堝
１０９：保持坩堝
１１０：原料シリコン
１１１：出湯口
１１２：上部加熱手段
１１３：側部加熱手段
θ：テーパ角
【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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