(57)【要約】  【課題】  シリコン鋳塊の切断工程においてシリコン鋳塊表面に発生する縦割れや横割れといった表面欠陥が発生しないシリコンの鋳塊を得ることを目的としている。  【解決手段】  １枚の矩形又は正方形底板と４枚の矩形又は正方形側板を互いに嵌合し箱型に組み立て、その内面に窒化珪素と酸化珪素のうち少なくとも１つ以上の粉体と有機バインダー水溶液で構成される離型材スラリーを塗布した上方開放型鋳型において、前記底板と側板で構成する４つの角隅部と８つの稜線部とからなる係止部における離型材の形状を略Ｒ形状に塗布するとともに、前記底板と側板の面部の離型材厚みをｔ１、前記係止部における離型材厚みをｔ２とした場合、√２×ｔ１＜ｔ２を満足することを特徴とするシリコン鋳造用鋳型。  【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１枚の矩形又は正方形底板と４枚の矩形又は正方形側板を互いに嵌合し箱型に組み立て、その内面に窒化珪素と酸化珪素のうち少なくとも１つ以上の粉体と有機バインダー水溶液で構成される離型材スラリーを塗布した上方開放型鋳型において、前記底板と側板で構成する４つの角隅部と８つの稜線部とからなる係止部における離型材の形状を略Ｒ形状に塗布するとともに、前記底板と側板の面部の離型材厚みをｔ１、前記係止部における離型材厚みをｔ２とした場合、√２×ｔ１＜ｔ２を満足することを特徴とするシリコン鋳造用鋳型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリコン鋳造用鋳型とその製造方法に関し、特に太陽電池などを形成するための多結晶シリコン鋳造用鋳型に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から太陽電池を形成するための半導体基板の一種として多結晶シリコンが用いられている。このような多結晶シリコンは、高温度で加熱溶融させたシリコン融液を鋳型内に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、あるいはシリコン原料を鋳型内に入れて一旦溶解させた後に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ている。
【０００３】
このような鋳型としては、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、鋳型内壁に被覆若しくはスプレー等の手段でコーティングしたり、窒化珪素や酸化珪素などの溶射皮膜を被覆したり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）。
【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】
【０００４】
しかしながら、上記のような鋳型を用いてシリコン融液を一方向凝固させる場合、固液界面形状をフラットにし、凝固膨張応力を上方へ逃げさせるようにするが、事実上、側壁の完全断熱は難しく、横方向の膨張が生じため、鋳型に大きな応力が加わり、凝固、冷却過程において鋳塊内部に残留した応力により鋳塊を切断、スライスする工程において、切断表面にクラックが発生し、作業効率が悪くなったり、製造歩留まりを低下させるという問題があった。
【０００５】
また、上述の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鋳塊が得ること必要であるが、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θ（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。しかしながら、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、通常、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。
【０００６】
しかし、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鋳塊を得られるが、装置導入の初期投資に費用が嵩んだり、また、種々の鋳塊サイズに柔軟に対応できないといった問題があった。
【０００７】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、シリコン鋳塊の切断工程においてシリコン鋳塊表面に発生する縦割れや横割れといった表面欠陥が発生しないシリコンの鋳塊を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは上記目的を簡便且つ経済性に優れた方法で達成することを検討し、その成果を本発明として具現化した。すなわち、１枚の矩形又は正方形底板と４枚の矩形又は正方形側板を互いに嵌合し箱型に組み立て、その内面に窒化珪素と酸化珪素のうち少なくとも１つ以上の粉体と有機バインダー水溶液で構成される離型材スラリーを塗布した上方開放型鋳型において、前記底板と側板で構成する４つの角隅部と８つの稜線部とからなる係止部における離型材の形状を略Ｒ形状に塗布するとともに、前記底板と側板の面部の離型材厚みをｔ１、前記係止部における離型材厚みをｔ２とした場合、√２×ｔ１＜ｔ２を満足することを特徴とする。
【０００９】
（作用）
本発明のシリコン鋳造用鋳型は、１枚の矩形底板と４枚の矩形側板を互いに嵌合し箱型に組み立て、その内面に窒化珪素と酸化珪素のうち少なくとも１つ以上の粉体と有機バインダー水溶液で構成される離型材スラリーを塗布した上方開放型鋳型において、前記底板と側板で構成する４つの角隅部と８つの稜線部とからなる係止部における離型材の形状を略Ｒ形状に塗布するとともに、前記底板と側板の面部の離型材厚みをｔ１、前記係止部における離型材厚みをｔ２とした場合、√２×ｔ１＜ｔ２を満足することを特徴とするようにしたことで、前記底板と側板で構成する４つの角隅部と８つの稜線部とからなる係止部において熱応力による歪を緩和することができるので、シリコン鋳塊の切断の際に、切断面に縦割れや横割れといったクラックを発生することを防げる。
【００１０】
更に図面を用いて上述の理由を具体的に説明する。
【００１１】
図７は直交差分法で数値計算した鋳型内部を高温度、鋳型外部を低温度に保温した場合のある一定時間後の鋳型縦断面の等温線図を示す。ここで、（ａ）は本発明のシリコン鋳造用鋳型の場合、（ｂ）は底板と側板で構成する４つの角隅部と８つの稜線部とからなる係止部における離型材の形状をＲ形状にしない場合を示す。また図中の矢印線は、凝固の方向を示す。
【００１２】
熱流は鋳型内部から鋳型外部に向かうので、凝固の方向は、その反対方向、且つ、凝固面（融点の等温線）の法線方向になる。即ち、（ａ）の本発明のシリコン鋳造用鋳型の場合、ある側面からの結晶粒と他の側面からの結晶粒は、係止部近傍において衝突することはないが、（ｂ）の係止部における離型材の形状をＲ形状にしない場合は、ある側面からの結晶粒と他の側面からの結晶粒は、係止部近傍において衝突するので、係止部近傍における応力集中が発生する可能性が高くなる。即ち、本発明のシリコン鋳造用鋳型を用いれば、係止部近傍において、一様な熱応力分布を有し、歪が少ない健全なシリコンの鋳塊を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のシリコン鋳造用鋳型によれば、１枚の矩形又は正方形底板と４枚の矩形又は正方形側板を互いに嵌合し箱型に組み立て、その内面に窒化珪素と酸化珪素のうち少なくとも１つ以上の粉体と有機バインダー水溶液で構成される離型材スラリーを塗布した上方開放型鋳型において、前記底板と側板で構成する４つの角隅部と８つの稜線部とからなる係止部における離型材の形状を略Ｒ形状に塗布するとともに、前記底板と側板の面部の離型材厚みをｔ１、前記係止部における離型材厚みをｔ２とした場合、√２×ｔ１＜ｔ２を満足するようにしたことで、鋳型からシリコン鋳塊を取り出す作業が軽減され、また切断工程において、取り出したシリコン鋳塊の切断表面に発生する縦割れや横割れといった表面欠陥がなくなり、従って、多結晶シリコンの製造歩留りが向上し、製造コストの低減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明の実施様態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明に係るシリコン鋳造用鋳型の一実施例を示す縦断面図、図２は本発明に係るシリコン鋳造用鋳型の内面の角隅部及び稜線部を示す１／４概略図、また図３は本発明に係るシリコン鋳造用鋳型の一実施例を示す横断面図である。
【００１６】
図１、図２、図３において、１ａは側板、１ｂは底板、１ｃはリング状部材、２は鋳型ホルダー、３は炭素繊維フェルトなどの鋳型断熱材、４ａは鋳型内の面部、４ｂは鋳型内の角隅部、４ｃは鋳型内の稜線面部を示す。
【００１７】
側板１ａおよび底板１ｂは耐衝撃性、断熱特性、軽量性、取り扱い易さを鑑み、炭素繊維強化炭素材が最も好ましいが、例えば黒鉛や酸化珪素で形成することも可能である。
【００１８】
また、前記側板１ａと底板１ｂの厚みは、１ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。板厚みが１ｍｍより薄くなると、繰り返し使用における耐久性が劣り好ましくなく、また、板厚みが５ｍｍより厚くすると、コストが嵩むほか、単位面積あたりの熱吸収量も飽和領域に達してしまい、断熱性と熱伝導性の熱収支においても無駄が生じてしまうので好ましくない。
【００１９】
側板１ａおよび底板１ｂの内面部には窒化珪素と酸化珪素のうち、少なくとも１つ以上の粉体と有機バインダー水溶液で構成される離型材スラリーを、刷毛やスプレー塗布などの手段により塗布し、塗布後、加熱乾燥し離型材を側板１ａおよび底板１ｂに固着させる。
【００２０】
側板１ａと底板１ｂから鋳型を組み立てるには、側板１ａと底板１ｂをお互いにネジ止めなどして固定すればよい。
【００２１】
また、側板と底板から鋳型を組み立てる方法は、前記方法に何等限定されるものではなく、鋳塊の凝固膨張に伴う側壁への外力を側板にて拘束し得る方法であれば種々の変形が可能である。
【００２２】
次いで、図２に示すように、該鋳型底板と側板の係止部となる角隅部４ｃと稜線部４ｂに面部４ａに塗布する離型材と同仕様の離型材をディスペンサーにて注入し、筆や専用治具を用いて押圧し、略Ｒ形状に形成する。この場合、面部の肉厚ｔ１および角隅部の肉厚ｔ２は、図３の横断面図に示すように、面部の離型材厚みをｔ１、前記鋳型底板と側板の係止部の離型材厚みをｔ２とした場合、係止部の肉厚ｔ２は、√２×ｔ１＜ｔ２となるように塗布する。
【００２３】
係止部に注入した離型材は筆や専用治具を用いて押圧しながら略Ｒ形状に形成するが、塗布作業における人為的バラツキにより、例えば、図４に示すようにR形状と近似的な形状の範囲で塗布されていれば同様の効果が得られる。すなわち、前記底板と側板で構成する４つの角隅部と８つの稜線部とからなる係止部における離型材の形状が、前記底板と側板の面部の離型材厚みをｔ１、前記係止部における離型材厚みをｔ２とした場合、√２×ｔ１＜ｔ２であるとともに、前記離型材の前記シリコン融液側には辺が９本以上あり、その辺を中心としたシリコン融液側の離型材の角度がすべて９０°より大きくなっていれば同様の効果を得ることができる。
【００２４】
面部の離型材厚みｔ１及び内半径ｒは鋳塊のサイズ等に合わせて任意に設定可能であり、本発明の実施形態例では、面部の離型材厚みをｔ１は、１〜３ｍｍ、内半径ｒは、１〜７ｍｍが好適に用いられる。面部の肉厚ｔ１が１ｍｍより小さいと、シリコン溶湯を鋳型内部に注湯する際、また冷却固化の際に、鋳型角隅部からシリコンが漏れる可能性が高くなるので、好ましくない。また、面部の肉厚ｔ１が３ｍｍより大きく設定すると、必要以上に鋳塊が小さくなりすぎたり、角隅部において規定の鋳造サイズが得られないので好ましくない。また、内半径ｒについても上述した面部肉厚ｔ１の説明と同じ理由で、前記許容範囲であることが好ましい。
【実施例】
【００２５】
炭素繊維強化炭素材からなる、板厚２ｍｍの矩形底板と、板厚５ｍｍの矩形側板の片面に窒化珪素：酸化珪素＝５０：５０（ｗｔ％）の粉体と有機バインダー水溶液で構成される離型材スラリーを箆で塗布し、加熱乾燥後の離型材厚みを１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍとなるように変化させた。次いで、矩形底板１ａを鋳型ホルダー２上に載置し、矩形側板１ｂを互いに嵌合し矩形底板１ｂに垂直に設置し、該側板外周にリング状部材１ｃをほぼ等間隔に配置し、くさび（図示せず）にて側板同士しっかりと固定し、且つ該側板外周に炭素繊維フェルト断熱材３を配置した。
【００２６】
該鋳型底板と側板の係止部（角隅部）に面部と同仕様の離型材をディスペンサーにて注入して、R形状の専用治具を用いて押圧し、内半径Rが概ね１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍとなるように変化させた。また、比較例１として図５に示すように内半径が０ｍｍ、即ち角が直角となる鋳型と、比較例２として図６に示すように角隅部の厚みが面部の厚みより小さくなるように離型材を塗布した鋳型を準備した。
【００２７】
次いで、これらの鋳型をシリコン鋳造装置に設置して７０ｋｇのシリコン融液を注湯し、鋳型１の上方に設置した発熱体で鋳型１とシリコン融液を加熱し、鋳型１の底部１ｂを冷却してシリコン融液を一方向性凝固させて冷却した。冷却後、鋳型から取り出したシリコン鋳塊を指定の寸法にバンドソーにて切断し、切断表面に発生する割れ、クラック等の欠陥発生率を調べた。欠陥不良率は、インゴット全長に対する欠陥不良長の比率で表し、鋳造を３０回繰り返しその平均不良率が０．０％以上０．１％未満の場合を○印で、不良率が０．１％以上５％未満の場合を△印で、不良率が５％以上の場合を×印で表しその結果を表１に示した。
【表１】
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【００２８】
表１から明らかなように、条件１、２、３、４、６、７、８、１０、１１、１２の鋳塊は、切断時にクラックの発生がないものであった。それに対し、条件５や９、また比較例１のように、√２×ｔ１＞ｔ２となる場合クラックの発生が認められ、また、比較例２のように角隅部の離型材が凹状になる場合は特に顕著にクラックの発生が認められた。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係るシリコン鋳造用鋳型の一実施例を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係るシリコン鋳造用鋳型の内面の角隅部及び稜線部を示す１／４概略図である。
【図３】本発明に係るシリコン鋳造用鋳型の一実施例を示す横断面図である。
【図４】本発明に係るシリコン鋳造用鋳型の他の実施例を示す横断面図である。
【図５】従来のシリコン鋳造用鋳型の一例を示す横断面図である。
【図６】従来のシリコン鋳造用鋳型の他の例を示す横断面図である。
【図７】鋳型角隅部における等温線および凝固進行方向を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１ａ・・・側壁部
１ｂ・・・底部
１ｃ・・・リング状部材
２・・・鋳型ホルダー
３・・・鋳型断熱材
４ａ・・・鋳型内の面部
４ｂ・・・鋳型内の角隅部
４ｃ・・・鋳型内の稜線面部
【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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