(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面部材と、前記底面部材に当接する四つの側面部材とを組み合わせてなる鋳型であって、
前記各側面部材の側辺部に、隣接する側面部材同士を嵌め合わせるための凹部と凸部とを含む嵌合構造が設けられ、
前記嵌合構造の形状は、前記側面部材の中心線を基準として非対称の関係にあり、隣接した前記側面部材同士を嵌め合わせて一体とした前記四つの側面部材の全外周を囲繞するように配置され、これらの側面部材の変位を拘束するための枠状部材を備えたシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項２】
前記嵌合構造は、一の側面部材の凸部と隣接する他の側面部材の凹部とが嵌め合う構造であり、
前記嵌合構造は、前記底面部材の底面に対して略水平である一つ以上の嵌合面を含み、前記嵌合面のうち前記側面部材の上辺部に最も近いものと、前記上辺部との距離が１ｃｍ以上８ｃｍ以下の範囲にある請求項１記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項３】
前記側面部材の両側の側辺部に設けられた嵌合構造の形状は、点対称の関係にある請求項１又は請求項２記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項４】
前記底面部材は、その上面に、四角形状の底面中央部と底面外周部とに分割するための閉じた溝を有するものであり、
前記四つの側面部材の底辺部は、前記四つの側面部材を組み合わせてなる状態で、前記底面中央部を囲繞するように、前記底面部材の溝に嵌装されるものであり、
前記底面部材の溝に嵌装された前記四つの側面部材の外周面と、前記底面外周部との間隙に、楔部材が配置されている請求項１から請求項３のいずれかに記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項５】
前記底面部材は、四角形状であり、
前記四つの側面部材は、前記底面部材の側面に当接するものであり、
前記組み合わせてなる底面部材と四つの側面部材とを設置するための鋳型ホルダーと、
前記鋳型ホルダーの上面に配置した楔受け部と、
前記底面部材を囲繞して立設した前記四つの側面部材の外周面と、前記楔受け部との間隙に配置した楔部材と、を備えた請求項１から請求項３のいずれかに記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項６】
前記楔受け部は、前記鋳型ホルダーの上面に対して着脱自在である請求項５記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項７】
前記楔受け部は複数あり、複数の前記楔受け部から選択されたある楔受け部と、前記鋳型ホルダーの上面において、前記組み合わせてなる底面部材と四つの側面部材を挟んで対向する位置に配置された別の楔受け部との間隔が調節可能である請求項５又は請求項６記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項８】
前記枠状部材は、前記四つの側面部材との間に遊びをもたせて配置され、
前記枠状部材と、前記隣接した前記側面部材同士によって形成される四つの外側角部との間隙に配置され、前記四つの側面部材の変位を拘束するための押さえ治具を備えた請求項１から請求項７のいずれかに記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項９】
前記押さえ治具は、前記シリコンインゴット製造用鋳型の前記外側角部を構成する二つの前記側面部材の外周面に、それぞれ当接する二つの治具面を有する請求項８記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項１０】
前記押さえ治具は、前記シリコンインゴット製造用鋳型の前記外側角部が直接当たらないように、この外側角部に対応する箇所に逃げ溝を設けた請求項９記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項１１】
前記枠状部材は、その内周部に、対向する前記側面部材に当接して、その変位を拘束するための、突出部を設けた請求項８から請求項１０のいずれかに記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項１２】
前記嵌合構造は、前記底面部材の底面に対して略水平である一つ以上の嵌合面を含み、前記枠状部材は、これらの嵌合面の位置に配置された請求項１から請求項１１のいずれかに記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項１３】
前記底面部材と前記側面部材とから構成される鋳型内面部と、前記底面部材と前記側面部材の係止部である四つの角隅部、前記側面部材同士の係止部である八つの稜線部に適用された離型材をさらに備えた請求項１から請求項１２のいずれかに記載のシリコンインゴット製造用鋳型。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれかに記載のシリコンインゴット製造用鋳型を形成するための方法であって、
一つの底面部材および四つの側面部材の表面に離型材を塗布・乾燥させる第一工程と、
前記底面部材を底面として前記四つの側面部材を立設し、前記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第二工程と、
前記底面部材と前記側面部材とから構成される四つの角隅部と八つの稜線部とからなる係止部に離型材を追加して塗布する第三工程と、を有するシリコンインゴット製造用鋳型の形成方法。
【請求項１５】
請求項１から請求項１３のいずれかに記載のシリコンインゴット製造用鋳型を用いてシリコンインゴットを製造し、このシリコンインゴットから多結晶シリコン基板を得る多結晶シリコン基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用シリコン基板などに用いられる多結晶シリコンインゴットを鋳造するのに適した鋳型に関し、特に一つの底板と四つの側板からなる組み立て解体可能な鋳型及びその形成方法並びにその鋳型を用いた多結晶シリコン基板の製造方法に関するものである。
【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。太陽電池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、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、特に、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。
多結晶シリコンインゴットは、シリコンを加熱溶解した融液を鋳型内に注いで鋳型底面部より一方向凝固させて形成したり、シリコン原料を鋳型内に入れて一旦溶解した後、鋳型底面部より一方向凝固させて形成したりする手法が一般的である。
【０００４】
こうして得られたインゴットは、欠陥や不純物の多いインゴット側面部や底面部、及び凝固偏析現象によって不純物が濃化しているインゴット頭部の組織を通常厚み数ｍｍ以上切断除去し、さらにマルチワイヤーソーなどで薄くスライスして太陽電池用多結晶シリコン基板に加工される。
このような鋳型として、シリコンを溶解、凝固させる１４５０℃程度の高温でも形状安定性に優れている石英や溶融シリカなどの二酸化珪素（ＳｉＯ２）や黒鉛などからなる鋳型が用いられ、その内面には窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）や二酸化珪素（ＳｉＯ２）などを主成分とする離型材皮膜を形成したものが用いられてきた（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
図１６は従来の石英や溶融シリカなどの二酸化珪素（ＳｉＯ２）や黒鉛などから形成され、底面部と側面部とが一体型となっている鋳型１２１の断面図である。鋳型１２１の内面には離型材１２２が塗布されている。
このような一体型の鋳型１２１はシリコンインゴットを取り出すために鋳型を破壊せねばならないため鋳型の再利用が出来ず、シリコンインゴットの製造コストが非常に高いという問題があった。
【０００６】
また、こうした一体型の鋳型１２１を成形するためには、鋳込み成形やプレス成形などによって原料を鋳型形状に成形するため金型から成形体を脱型するための抜き勾配（テーパ）が鋳型内面に必要となる。そのため、この鋳型１２１によって鋳造されたシリコンインゴットの側面にもインゴット底部から頭部に向けて広くなる逆テーパ１２３が付き、製品とならない端材部分が増加するため高価なシリコン原料を余分に除去せねばならず、シリコンインゴットの製造コストが増加するという問題があった。
【０００７】
このような一体型鋳型から鋳型を破壊せずにシリコンインゴットを取り出すために、鋳型内面に更に大きなテーパを付与する方法が提案されているが（例えば特許文献１参照）、特に溶融シリカからなる鋳型は、高温の状態からブロックを冷却する工程において鋳型内の温度勾配や焼結状態の差により鋳型が割れてしまい再利用が難しく、また石英製の鋳型は離型材を塗布した鋳型内面表層がクリストバライト化し、表層剥離して鋳型が消耗するため再利用は非常に困難で、製造したシリコンインゴットの原料歩留が悪く、このような理由からシリコンインゴットの製造コストが大幅に増加する問題があった。
【０００８】
こうした問題点を回避するために、高純度黒鉛を用いて板状の底面部材と側面部材を作製し、それらを組み立て、ネジ止めして鋳型を作製する方法も試みられている（例えば特許文献２参照）。
図１７は従来の黒鉛などからなる組み立て式の鋳型１３１の斜視図である。これらは一つの底面部材１３２と四つの側面部材１３３とが組み立て用のネジ１３４を打ち込むことによって接合されている。このようにすることで、シリコンインゴットを取り出す際に、一体型鋳型とは異なり鋳型１３１を破壊せずにシリコンインゴットを取り出すことができる。
【０００９】
この高純度黒鉛製鋳型は高価であるために、多結晶シリコンインゴットの低コスト化を実現するには黒鉛製鋳型を繰り返し使用する必要があった。しかし、シリコンの密度は固体より液体が大きく凝固膨張する物質であるため、鋳型内でシリコン融液を冷却固化する際には鋳型の底面部材１３２および側面部材１３３は外側へ広がる方向に応力を受ける。こうした組み立て用のネジ１３４を用いた組み立て式鋳型は、シリコン融液の冷却固化時の凝固膨張による応力によって、鋳型１３１のネジ止め部分にはせん断応力や引っ張り応力がかかり、ネジ１３４が破断したり、ネジ１３４のねじ山がつぶれるなどする結果、底面部材１３２と側面部材１３３との接合が甘くなり、シリコン融液が鋳型から漏れたり、ネジ１３４および鋳型部材の再利用が不可能となったりする問題があった。
【００１０】
この問題を回避するため鋳型内の離型材被膜中にシリカ粉末層を設け、シリコンの凝固膨張の応力をシリカ粉末層の軟化変形によって吸収する方法や、鋳型側面部材の肉厚を変え、肉厚の薄い面が変形し易いことを利用してシリコンの凝固膨張時に発生する応力の方向をネジの引っ張り応力の方向にすることでネジの破断を防ぐなどの方法が試みられた（例えば特許文献３，４参照）。
【００１１】
しかしこうした鋳型組み立て用のネジ、及び鋳型側に加工した雌ネジなどのネジ山は繰り返し使用することによって消耗し、ネジ止め部分や各側面部材１３３と底面部材１３２とが接する部分に緩みが生じて、シリコンの溶解やシリコン融液の冷却固化過程でシリコン融液が漏れるという問題が根本的に残った。また、鋳型の側面部材１３３や底面部材１３２にネジを取り付けるためのネジ山を設ける構造では、ネジ山部がつぶれると鋳型部材そのものが使用できなくなるため、高価にもかかわらず黒鉛鋳型部材の寿命が短いため、シリコンインゴットの製造コストが増加する問題が残った。
【００１２】
また、こうしたネジを用いた組み立て式の鋳型は、その組み立ておよび解体の際にネジ１３４を一本一本取り付けたりはずしたりする必要があり、その作業に時間がかかるという問題もあった。さらに、底面部材１３２と側面部材１３３にはネジ止め部分を設ける必要があるため、鋳型部材の厚みを薄くすることができず、鋳型部材のコストを削減することができず、シリコンインゴットの製造コストが増加する問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−１９００２５号公報
【特許文献２】特開昭６２−１０８５１５号公報
【特許文献３】特開平６−１４４８２４号公報
【特許文献４】特開平１０−１８２２８５号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】15th Photovoltaic Specialist Conf.(1981),P576-P580,  "A NEW DIRECTIONAL SOLIDIFICATION TECHNIQUE FOR POLYCRYSTALINE SOLAR GRADE SILICON"（太陽電池用多結晶シリコンの方向性固形化技術）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、高品質シリコンインゴットを低コストで製造するための多結晶シリコンインゴットの鋳造用鋳型およびその形成方法、並びにその鋳型を用いた多結晶シリコン基板の製造方法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】
【００１６】
本発明のシリコンインゴット製造用鋳型は、底面部材と、前記底面部材に当接する四つの側面部材とを組み合わせてなり、前記各側面部材の側辺部に、隣接する側面部材同士を嵌め合わせるための凹部と凸部とを含む嵌合構造が設けられたものである。前記嵌合構造の形状は、前記側面部材の中心線を基準として非対称の関係にあり、隣接した前記側面部材同士を嵌め合わせて一体とした前記四つの側面部材の全外周を囲繞するように配置され、これらの側面部材の変位を拘束するための枠状部材を備えている。
この構造の鋳型は、鋳型の側面部材にネジを取り付けるためのネジ孔を設ける必要がないので、ネジ孔のネジ山部がつぶれ、鋳型部材そのものが使用できなくなり、高価である黒鉛鋳型部材の寿命を短くするといった問題が解決される。したがって、シリコンインゴットの製造コストの増加を抑制することができる。また、固定のためにたくさんのネジまたはボルトを鋳型に取り付ける必要があった従来の鋳型と比較して、鋳型の組み立て解体の作業が飛躍的に簡素化し、作業効率が大幅に向上する。
【００１７】
前記嵌合構造は、一の側面部材の凸部と隣接する他の側面部材の凹部とが嵌め合う構造であり、前記底面部材の底面に対して略水平である嵌合面のうち前記側面部材の上辺部に最も近いものと、前記上辺部との距離が１ｃｍ以上８ｃｍ以下の範囲にあることが望ましい。この範囲に設定することにより、側面部材の上部の反りを効果的に抑制し、側面部材を底面部材に対して略垂直に保持することができる。
【００１８】
前記側面部材の両側の側辺部に設けられた嵌合構造の形状は、前記側面部材の中心線を基準として非対称の関係にすれば、側面部材同士の嵌合強度が増大し、反りやたわみの影響が緩和される。
前記側面部材の両側の側辺部に設けられた嵌合構造の形状を、点対称の関係とすれば、側面部材の上部と下部を反転させることができ、その結果、鋳型部材の寿命を延ばすことができる。また、四つの側面部材の形状が全て同じになるので、一種類の形状の側面部材のみで鋳型が組み立てられ、シリコンインゴットの製造コストを抑えることができる。
【００１９】
前記底面部材は、その上面を、四角形状の底面中央部と底面外周部とに分割するための閉じた溝を有するものであり、前記四つの側面部材の底辺部は、前記四つの側面部材が組み合わせてなる状態で、前記底面中央部を囲繞するように、前記底面部材の溝に嵌装されるものであり、前記底面部材の溝に嵌装された前記四つの側面部材の外周面と、前記底面外周部との間隙に、楔部材が配置されている構造とすることができる。楔部材によって鋳型の側面部材を押さえることにより、シリコン融液の重量による応力が大きくかかる鋳型底部において底面部材と各側面部材との接合部分がしっかりと固定されるため、鋳型からシリコン融液の漏洩を防止でき、鋳型の大型化が可能となる。
【００２０】
前記底面部材は四角形状であり、前記四つの側面部材は、前記底面部材の側面に当接するものであり、前記組み合わせてなる底面部材と四つの側面部材とを設置するための鋳型ホルダーと、前記鋳型ホルダーの上面に配置した楔受け部と、前記底面部材を囲繞して立設した前記四つの側面部材の外周面と、前記楔受け部との間隙に配置した楔部材とを備えた構造としてもよい。楔部材によって鋳型の側面部材を押さえることにより、シリコン融液の重量による応力が大きくかかる鋳型底部において底面部材と各側面部材との接合部分がしっかりと固定されるため、鋳型からシリコン融液の漏洩を防止でき、鋳型の大型化が可能となる。
【００２１】
前記楔受け部を前記鋳型ホルダーの上面に対して着脱自在とすれば、繰り返し使用に伴い楔受け部が消耗した場合にも、楔受け部のみを独立に交換することができ、鋳型ホルダーを交換する必要がなく、引き続き再利用可能なため、鋳型コストを削減することが可能となる。
前記複数の楔受け部から選択したある楔受け部と、前記鋳型ホルダーの上面において、対向する位置に配置された別の楔受け部との間隔が調節できれば、例えば底面部材と各側面部材の接合部分や、楔と楔受け部とが接する面が消耗した場合においても、向かい合う二つの楔受け部の間隔を調整することにより、底面部材と各側面部材との接合部分をしっかりと固定することができる。
【００２２】
さらに、隣接した前記側面部材同士を嵌め合わせて一体とした前記四つの側面部材の外周を囲繞して側面部材の変位を拘束する枠状部材を設けることが好ましい。この枠状部材を用いることにより、側面部材同士の嵌合構造の固定強度が大きくなり、鋳型の大型化、薄型化を行うことができる。さらに、側面部材にかかる応力が大きくても、側面部材の反りを防ぐことができる。
【００２３】
また、四つの側面部材との間に遊びをもたせて配置された枠状部材を設け、前記枠状部材と、前記隣接した前記側面部材同士によって形成される四つの外側角部との間隙に押さえ治具を打ち込んでもよい。この押さえ治具により、側面部材にかかる応力が大きくても、側面部材をしっかり押さえることができ、側面部材のたわみを防ぐことができる。そして、鋳型の組み立て解体の作業が飛躍的に簡素化し作業効率が大幅に向上する。
【００２４】
前記押さえ治具は、前記鋳型の前記外側角部を構成する二つの前記側面部材の外周面に、それぞれ当接する二つの治具面を有するものでもよい。この押さえ治具は鋳型の外側角部の四ヶ所に配置するだけですむため、部材数を減らすことができ作業の簡略化、部材コストの低減につながる。また、押さえ治具の二つの治具面によって、均等な力で外側角部を構成する二つの側面部材の外周面を固定することができる。
【００２５】
前記押さえ治具は、前記鋳型の前記外側角部が直接当たらないように、この外側角部に対応する箇所に逃げ溝を設けることが好ましい。この外側角部に対応する箇所に逃げ溝を設けることにより、押さえ治具を枠状部材から取付、取り外しする際に、鋳型の外側角部が押さえ治具と接することを防ぐので、繰り返し取付、取り外し作業を行っても外側角部の変形や破損を防ぐことができ、鋳型のコストの低減につながる。
【００２６】
前記枠状部材は、その内周部に、対向する前記側面部材に当接して、その変位を拘束するための、突出部を設けてもよい。突出部を設けることにより、シリコン融液の冷却固化に伴う膨張により、鋳型の側面部材が外側へたわもうとしたときに、これらの突出部によって変位を抑制することができる。
前記嵌合構造は、一の側面部材の凸部と隣接する他の側面部材の凹部とが嵌め合って当接するとともに前記底面部材の底面に対して略水平である嵌合面を含むとき、前記枠状部材は、これらの嵌合面の位置に配置することが好ましい。このようにすることで、枠状部材の固定に伴って側面部材に応力が大きくかかっても、側面部材のたわみを防ぐことができる。
【００２７】
前記鋳型は、底面部材と前記側面部材とから構成される鋳型内面部と、前記底面部材と側面部材、前記側面部材同士の係止部である四つの角隅部と八つの稜線部とに適用された離型材をさらに備えていれば、シリコン融液が凝固した後に、鋳型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、前記底面部材と前記側面部材を何回も繰り返して使用することができる。また、前記係止部である四つの角隅部と八つの稜線部が、離型材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。
【００２８】
また、本発明にかかる鋳型の形成方法は、一つの底面部材および四つの側面部材の表面に離型材を塗布・乾燥させる第一工程と、前記底面部材を底面として前記四つの側面部材を立設し、前記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第二工程と、前記底面部材と前記側面部材とから構成される四つの角隅部と八つの稜線部とからなる係止部に離型材を追加して塗布する第三工程と、からなる。鋳型を組み立てる前に、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。
【００２９】
また、本発明の多結晶シリコン基板の製造方法は、今まで説明した本発明の鋳型を用いて、シリコンインゴットを製造し、そのシリコンインゴットから多結晶シリコン基板を得る方法である。この方法によって製造された多結晶シリコン基板は、繰り返し使用に耐え、かつ組み立て解体の作業が非常に簡単な鋳型を用いて製造されたシリコンインゴットから得られるものであり、低コスト化を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１（ａ）】図１（ａ）は、本発明にかかる底面部材２と四つの側面部材３とを組み合わせてなる鋳型の一実施形態を示す斜視図である。
【図１（ｂ）】図１（ｂ）は展開図である。
【図２】図２は、側面部材の反りの状態を示す図である。
【図３（ａ）】図３（ａ）は、本発明にかかる底面部材２と四つの側面部材３とを組み合わせてなる鋳型の他の実施形態を示す斜視図である。
【図３（ｂ）】図３（ｂ）は展開図である。
【図４（ａ）】図４（ａ）は、四角形状の底面中央部と底面外周部とに分割するための閉じた溝を有する底面部材を含む鋳型の断面図である。
【図５（ｂ）】図４（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向の断面図である。
【図５（ａ）】図５（ａ）は、鋳型ホルダーと楔受け部を含む、本発明の鋳型の実施形態を示す断面図である。
【図５（ｂ）】図５（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ方向の断面図である。
【図６】図６は、本発明にかかる鋳型の他の実施形態を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の鋳型にかかる楔受け部の部分拡大断面図である。
【図８（ａ）】図８（ａ）は、枠状部材を備えた本発明の鋳型の斜視図である。
【図８（ｂ）】図８（ｂ）は、枠状部材の形状を示す断面図である。
【図８ｃ】図８（ｃ）は、枠状部材の他の形状を示す断面図である。
【図９（ａ）】図９（ａ）は、枠状部材と、前記隣接した前記側面部材同士によって形成される四つの外側角部  との間隙に押さえ治具を配置した状態を示す斜視図である。
【図９（ｂ）】図９（ｂ）は、同断面図である。
【図１０（ａ）】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、本発明の鋳型の押さえ治具の形状を示す図である。
【図１０（ｂ）】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、本発明の鋳型の押さえ治具の形状を示す図である。
【図１０ｃ】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、本発明の鋳型の押さえ治具の形状を示す図である。
【図１１（ａ）】図１１（ａ）は、枠状部材と押さえ治具とを備えた本発明の鋳型の斜視図である。
【図１１（ｂ）】図１１（ｂ）は同断面図である。
【図１２（ａ）】図１２（ａ）は、突出部を有する枠状部材を備えた本発明の鋳型の斜視図である。
【図１２（ｂ）】図１２（ｂ）は同平面図である。
【図１３（ａ）】図１３（ａ）は、嵌合面４ａの位置に枠状部材を配置した本発明の鋳型の斜視図である。
【図１３（ｂ）】図１３（ｂ）は、嵌合面４ａの位置に押さえ治具を配置した本発明の鋳型の斜視図である。
【図１４】図１４は、シリコン鋳造装置を示す図解図である。
【図１５】図１５は、ワイヤーソーによるインゴットのスライス方法を説明するための斜視図である。
【図１６】図１６は、従来における鋳型を示す断面構造図である。
【図１７】図１７は、従来における鋳型を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明にかかる鋳型を示す斜視図、図１（ｂ）はその展開図である。
図１（ａ）、図１（ｂ）において、１は鋳型、２は底面部材、３（３ａ、３ｂ）は側面部材、４は嵌合部、５は凸部、６は凹部を示す。
この鋳型１は、分割、組み立て可能な分割鋳型である。
【００３２】
この鋳型１は、例えば黒鉛から成り、鋳型の底部を構成する一つの底面部材２に、鋳型１の側部を構成する四つの側面部材３（３ａ、３ｂ）を組み合わせたものである。
図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、底部に設けた底面部材２の外周を囲繞するように四つの側面部材３を設けている。各側面部材３は、側面部材３同士を結合するために、側面部材３の側辺部に凸部５と凹部６とを嵌め合わせる嵌合部４を備えている。一の側面部材３ａの凸部５を他の側面部材３ｂの凹部６に嵌め合わせ、また一の側面部材３ａの凹部６を他の側面部材３ｂの凸部５に嵌め合わせることにより、側面部材３同士を組み合わせて立設し、鋳型１が形成される。
【００３３】
上述の本発明の鋳型１は、従来のような鋳型の組み立てや固定のためにネジやボルトなどを使用しない構造である。
例えば、シリコンの密度は固体より液体のほうが大きく、シリコンは凝固時に膨張する物質であるため、この鋳型１内でシリコン融液を冷却固化する際に鋳型の底面部材２および側面部材３が外側へ広がる方向に応力をうける。
【００３４】
本発明の鋳型１によれば、ネジやボルトなどを使用した構造と比べて、ネジやボルトなどの破断やネジ山の消耗により鋳型１の底面部材２と側面部材３、または側面部材３同士の接合部分の固定が甘くなるといった問題がないので、鋳型１内部で冷却固化中のシリコン融液が漏れることを防止できる。
また、ネジ山がつぶれ、鋳型部材そのものが使用できなくなり、高価である黒鉛鋳型部材の寿命を短くするといった問題が解決される。
【００３５】
また、固定のためにたくさんのネジまたはボルトを鋳型に取り付ける必要があった従来の鋳型と比較して、鋳型の組み立て解体の作業が飛躍的に簡素化し作業効率が大幅に向上する。
なお、本発明の鋳型１において、図１に示すように、側面部材３の凸部と隣接する他の側面部材３の凹部とが嵌め合って当接する面である嵌合面４ａ（嵌合部４を構成する面のうち、底面部材２の底面に対して略水平な面を指す）のうち、最も側面部材の上辺部に近いものと、この上辺部との距離ｄが１ｃｍ以上８ｃｍ以下の範囲にあるように構成している。なお、距離ｄは、好ましくは１ｃｍ以上４ｃｍ以下の範囲である。
【００３６】
このようにすれば、側面部材３を底面部材２に対してより略垂直に保つすることができる。
その理由は、図２に示すように、側面部材３の最上部に位置する凸部５と凹部６との接合部分において、凹部６を有する側面部材３ａは、その上部が他の側面部材３ｂによって規制されていないため、内側／外側の双方に対して、矢印Ｐ方向に動きやすくなっている。また、側面部材３ｂは、その上部が内側に曲がろうとした場合、隣接する側面部材３ａによって動きが規制されるが、外側に曲がろうとした場合、規制するものがない。
【００３７】
そのため、鋳型部材の厚みが薄いと、シリコン融液の冷却固化に伴う応力によって側面部材３が外側へ反る可能性がある。このような側面部材３の反りにより、側面部材３自体が開き、この鋳型により鋳造したシリコンインゴットの側面にも傾斜がかかり、製品とならない端材部分が増加するため高価なシリコン原料を余分に除去せねばならず、シリコンインゴットの製造コストが上昇することとなる。
【００３８】
そこで、この側面部材３の上辺部から嵌合面４ａまでの幅ｄを１ｃｍ以上８ｃｍ以下、好ましくは１ｃｍ以上４ｃｍ以下と狭くすると、シリコン融液の冷却凝固に伴う応力によって生ずる側面部材３上部の反りを少なくすることができるのである。
これにより、側面部材３が底面部材２に対して略垂直に保たれ、インゴットの端材部分の除去を最小限に抑えることができ、シリコンインゴットの製造コストの上昇を抑えることができる。
【００３９】
なお、この範囲ｄを１ｃｍより小さくすると、繰り返し使用することによる消耗が特に凸部５に及び、そのため凸部５を破損しやすくなり、鋳型部材の寿命が短くなる問題がある。また、８ｃｍより大きくすると、側面部材３の上部に反りが生じ、側面部材３が底面部材２に対して略垂直に保たれず、製品とならない端材部分が増加し、シリコンインゴットの製造コストが増加する問題がある。
【００４０】
次に、本発明にかかる鋳型の、他の嵌合構造について説明する。
図３（ａ）は、本発明にかかる鋳型を示す斜視図であり、図３（ｂ）はその展開図である。
この鋳型１において、側面部材３ｃは、両側の側辺に設けられた嵌合部４の凸部５と凹部６の位置が、側面部材３ｃの中心線Ｆに関して互いに非対称の関係にあるようにしている。
【００４１】
さらに側面部材３ｃの一つの側辺部に設けた凸部５の数と、凹部６の数とをそれぞれ偶数個（図では二個ずつ）としている。
この実施形態にかかる鋳型１では、側面部材３ｃは、内側に曲がろうとしたときに、隣接した側面部材３ｃによってその動きが規制される。
このように、側面部材３ｃの両端に、非対称の関係になるように凸部５と凹部６を設けることによって、組み立てられた鋳型１は、側面部材３ｃの反りやたわみの影響が緩和されしっかり固定される。
【００４２】
本実施形態にかかる鋳型１の側面部材３ｃは、その両側の側辺に設けられた凸部５と凹部６とを、側面部材３ｃの中心点Ｇに関して、点対称の関係を満たすように設けることが望ましい。これにより、どの凹部、凸部の組み合わせを選択しても嵌合可能となる。
そして、このように凸部５と凹部６を点対称構造にすることによって、１８０度回転しても同じ形状であるため、側面部材３ｃに上下の概念がなくなる。
【００４３】
鋳型１は、上部に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鋳型加熱手段を設け、鋳型１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で覆い、下部に冷却手段を設けている。鋳型１内に注湯されたシリコン融液を下部から冷却することによって、鋳型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に凝固させることができる。そのため、鋳型の上部は鋳型加熱手段により加熱されるため、鋳型部材の消耗が激しく、寿命が短くなる。しかしながら、本実施形態にかかる側面部材の構造では、１８０度回転しても同じ形状であるため、側面部材の上部と下部を反転させることができ、その結果、鋳型部材の寿命を延ばすことができる。
【００４４】
また、四つの側面部材３ｃの形状が全て同じになるので、一つの形状の側面部材のみで鋳型が組み立てられ、シリコンインゴットの製造コストを抑えることができる。
なお、この実施形態においても、側面部材３の上辺部から嵌合面４ａまでの距離ｄを１ｃｍ以上８ｃｍ以下、好ましくは１ｃｍ以上４ｃｍ以下と狭くすると、シリコン融液の冷却凝固に伴う応力によって生ずる側面部材３ｃ上部の反りを少なくすることができる。
【００４５】
次に、本発明にかかる鋳型の他の実施形態について説明する。
図４（ａ）は、本発明にかかる鋳型を示す側断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。
この鋳型１の側面部材３は、図１から図３で説明した嵌合構造を有するものである。鋳型１の底面部材２は、その表面部に、組み立てられた側面部材３の底辺部を受け入れるための溝７を有している。溝７は、平面視して、四角形状であり、底面部材２を、底面中央部２ａと底面外周部２ｂとに分割する。
【００４６】
底面中央部２ａは、その各辺が側面部材３の底辺部と対応し、鋳型１の内底面となる。
各側面部材３の底辺部を、前記底面中央部を囲繞するように、溝７に嵌装して立設した場合に、四つの側面部材３の外周面と底面外周部２ｂとの間隙に楔８が配置されている。言い換えれば、底面部材２に溝７を設け、その溝７に側面部材３を設置し、楔８を打ち込むことによって鋳型１が組み立てられている。
【００４７】
このような、楔８としては、たとえば炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）を用いることができる。
鋳型１にシリコン融液を保持した際、鋳型１の底部にシリコン融液の重量による応力が大きくかかる。特に鋳型を大型化すると、鋳型底部にかかる応力がさらに大きくなる。そのため、底面部材２と各側面部材３との接合部分に隙間ができ、シリコン融液が漏れ出す可能性がある。しかしながら、本発明の構造では、底面部材２と各側面部材３とを楔８により固定することで、底面部材２と各側面部材３との接合部分が緩むことなく、しっかりと固定されるため、シリコン融液の漏れを抑制し、鋳型１の大型化を行うことができる。
【００４８】
ここで楔８の形状や使用数は、特に限定されない。側面部材３の側面全体にわたる長い楔８を各側面部材３ごとに１個打ち込んでも良く、また小さな楔８を複数個取り付けても良い。
また、鋳型１の内底面となる底面中央部２ａと、楔受けの機能を有する底面外周部２ｂとは同じ高さとする必要はなく、例えば、図４（ａ）に示すように、底面外周部２ｂの方を底面中央部２ａよりも高くすれば、それぞれの機能を適切に果たしうるので好ましい。
【００４９】
次に、本発明にかかる鋳型の他の実施形態について説明する。
図５（ａ）は、本発明にかかる鋳型の他の実施形態を示す側断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ方向の断面図である。
この鋳型１の側面部材３は、図１から図３で説明した嵌合構造を有するものである。この実施形態にかかる鋳型によれば、底面部材２は、その各辺が四つの側面部材３の底辺部と対応した略四角形となっている。
【００５０】
鋳型１は、底面部材２を設置するための鋳型ホルダー９と、鋳型ホルダー９の上面において底面部材２を囲繞するように立設した四つの側面部材３と、側面部材３の外周面を取り囲む楔受け部１０と、側面部材３の外周面と楔受け部１０との間隙に配置した楔８と、をさらに備えている。言い換えれば、楔受け部１０を設けた鋳型ホルダー９上に底面部材２を設置し、底面部材２の外周を囲繞するように四つの側面部材３を配置し、側面部材３の外面と楔受け部１０との間に楔８を打ち込むことによって鋳型１が組み立てられている。
【００５１】
楔受け部１０と各側面部材３との間に楔８を打ち込んで固定することで、底面部材２と各側面部材３との接合部分が緩むことなく、しっかりと固定されるため、シリコン融液の漏れを抑制し、鋳型１の大型化を行うことができる。また、高価な黒鉛鋳型部材からなる底面部材２にシリコン融液の漏れを防ぐための特別な加工を施す必要がないため、鋳型コストの上昇を抑制することができる。
【００５２】
また、本発明にかかる鋳型においては、図６に示すように鋳型ホルダー９上に設けた複数の楔受け部１０（１０ａ、１０ｂ）を、鋳型ホルダー９の上面に対して着脱自在な構造にしてもよい。楔受け部１０を鋳型ホルダー９の上面に対して着脱自在にすることによって、繰り返し使用に伴い楔受け部１０が消耗した場合にも、楔受け部１０のみを独立に交換することができ、鋳型ホルダー９を交換する必要がなく、引き続き再利用可能なため、鋳型コストを削減することが可能となる。
【００５３】
このとき楔受け部１０の固定方法は、例えば、図６に示すように鋳型ホルダー９と楔受け部１０に穴加工を施し、そこにちょうどはまる径の楔受け部固定部材１１をはめて固定する。
あるいは、図７の楔部周辺の拡大断面図に示すように、鋳型１の各側面部材３に平行に配置した四つ乃至さらに多くの楔受け部１０を、一つ乃至複数の箇所で楔受け部固定用ボルト１２と上下のナット１３ａ、１３ｂを用いて挟むように固定する。図７に示すような構造にすることで、より確実に楔受け部１０が鋳型ホルダー９に固定され、その結果、底面部材２と各側面部材３との接合部分をよりしっかりと固定することができる。
【００５４】
また、上述のように、複数の楔受け部１０を鋳型ホルダー９の上面に対して着脱自在な構造にしたとき、複数の楔受け部１０から任意に選択した楔受け部１０ａは、鋳型ホルダー９の上面において、底面部材２を挟んで対向する位置に配置された別の楔受け部１０ｂとの間隔が、調節可能であることが望ましい。
具体的には、図７に示すように、楔受け部固定用ボルト１２を取り付けるために鋳型ホルダー９に設けた楔受け部固定用穴部１４の内寸Ｄを楔受け部固定用ボルト１２の外寸Ｅより大きくすればよい。このようにすることにより、楔受け部１０の位置をこれらの内寸Ｄと外寸Ｅから定まる範囲で調整することが可能となり、向かい合う二つの楔受け部同士の間隔が調整可能な構造とすることができる。
【００５５】
このように楔受け部１０ａ、１０ｂの間隔が調整可能であるため、例えば底面部材２と各側面部材３の接合部分や、楔８と楔受け部１０とが接する面が消耗した場合においても、向かい合う二つの楔受け部１０ａ、１０ｂの間隔を調整することにより、鋳型部材の固定が甘くなることなく固定することが可能となる。この楔受け部固定用穴部１４の内寸Ｄは、楔受け部固定用ボルト１２の外寸Ｅより５ｍｍ以内の範囲で大きくすることが望ましい。楔受け部固定用穴部１４の内寸Ｄが楔受け部固定用ボルト１２の外寸Ｅより５ｍｍを超えて大きくなると、部材の消耗により発生する遊びを無くすために必要な調整量以上に、向かい合う二つの楔受け部１０ａ、１０ｂの間隔の調整幅が大きくなり、楔受け部１０ａ、１０ｂの位置決めが難しくなるため好ましくない。
【００５６】
次に、本発明にかかる他の鋳型の構造について説明する。
図８（ａ）は、本発明にかかる鋳型を示す斜視図であり、図８（ｂ）、図８（ｃ）は、さらに別々の実施形態を示す平面図である。
この鋳型１は、隣接した側面部材３同士を嵌め合わせて一体とした鋳型側面部の外周を囲繞するように配置され、これらの変位を拘束する枠状部材１５を備えている。
【００５７】
この枠状部材１５で鋳型側面部の外周を固定することで、側面部材３同士の嵌合強度が大きくなり、また底面部材２と各側面部材３との接合部分が固定されるため、鋳型の大型化、薄型化を行うことができる。また、枠状部材１５を使えば、鋳型１への取付、取り外しが容易であり、鋳型１の組み立て解体の作業をスムーズに行うことができる。
枠状部材１５は図８（ｂ）のように側面部材３の全周囲を固定する形状でもよいし、図８（ｃ）のように鋳型の角部のみを固定する形状でもよい。
【００５８】
枠状部材１５の材質は、前述したのと同様、軽くて強度が高い炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）などによって構成することが望ましい。その厚さｈを３〜１０ｍｍとすれば取り扱いが容易で十分な強度が得られる。
また、シリコン融液の冷却固化に伴う膨張により、鋳型１の側面部材３の上端部のほうが広がりやすい。特に、鋳型１が大型化、薄型化になるとその影響も大きいため、枠状部材１５を鋳型１の上端部から４ｃｍ以内の範囲に設けることが好ましい。
【００５９】
さらに、上述した図４から図７において示した鋳型底部に打ち込んだ楔８による底面部材２と各側面部材３との固定と、この枠状部材１５による側面部材３同士の締結を同時に行うこととすれば、それぞれの接合部がしっかり固定されるため、鋳型１をさらに大型化、薄型化を行うことができるので好ましい。
上述の鋳型では、枠状部材１５によって、直接、側面部材３を押さえるようにしているが、以下説明する鋳型は、鋳型１と枠状部材１５との間に遊びをもたせ、この間隙に押さえ治具１６を配置して、側面部材３の変位を拘束する構造である。
【００６０】
図９、図１１、図１２はこの構造にかかる鋳型を示す図であり、図９（ａ）は鋳型の構成を示す斜視図、図９（ｂ）はその平面図である。図１１（ａ）は別の構造による鋳型の構成を示す斜視図、図１１（ｂ）はその平面図である。図１２（ａ）はさらに別の構造の鋳型を示す斜視図、図１２（ｂ）はその平面図である。
また、図１０（ａ）〜（ｃ）は、図１１（ａ）、（ｂ）に示した本発明にかかる鋳型の押さえ治具の例を示す斜視図である。
【００６１】
図９に示す鋳型１は、隣接した側面部材３同士を嵌め合わせて一体とした四つの側面部材３の外周を囲繞するように、鋳型１との間に遊びをもたせて配置された枠状部材１５を備えている。そして、鋳型１の隣接した側面部材３同士によって形成される外側角部と枠状部材１５との間隙に押さえ治具１６が配置され、これにより側面部材３の変位を拘束している。
【００６２】
図９に示した例では、押さえ治具１６は一つの枠状部材１５につき、四箇所の外側角部において、それぞれ二つずつ設けられている。これら二つの押さえ治具１６によって、鋳型１の角部を形成する二つの側面部材３をそれぞれ押さえている。
このように、枠状部材１５は、鋳型１の側面部材３との間に遊びを持たせて配置されているので、鋳型１への取付が容易であり、さらに押さえ治具１６により鋳型１と枠状部材１５とが確実に固定されるため、側面部材３を薄型化した場合でも、シリコン融液の冷却固化に伴う膨張による鋳型１の外側への広がりを防ぐことができる。
【００６３】
また、押さえ治具１６を取り外すことで、容易に枠状部材１５を鋳型１から取り外すことが可能となり、固定のためにたくさんのネジまたはボルトを鋳型に取り付ける必要があった従来の鋳型と比較して、鋳型１の組み立て解体の作業をよりスムーズに行うことができる。
また、固定のため側面部材３の中央部に応力がかかると、側面部材３が内側にたわむことになる。このため、シリコンインゴットを形成したときに製品とならない端材部分が増加するため高価なシリコン原料を余分に除去せねばならず、シリコンインゴットの製造コストが上昇することとなり、好ましくない。しかしながら、図９に示すように、押さえ治具１６を鋳型１の一つの角部に２個ずつ、計８個配置し固定することによって、枠状部材１５の固定に伴う応力は、側面部材３の端部、特に嵌合部４にかかる。このため、確実にそれぞれの側面部材３を固定しつつ、側面部材３の中央部にかかる応力を軽減し、側面部材３の内側へのたわみを抑制することができる。
【００６４】
押さえ治具１６としては、楔形状とすることが望ましい。細くなった方を鋳型１と枠状部材１５との間隙に挿入して、打ち込んで固定することによって、より確実に鋳型１のそれぞれの側面部材３を保持することができる。さらに、押さえ治具１６の打ち込む強さを調節することによって、枠状部材１５の固定の強さを調節することも可能となる。
さらに押さえ治具の形状は、図１０（ａ）から図１０（ｃ）に示すように、１つの部材から、もしくは複数の部材を一体に組み立ててなるものであって、鋳型１の外側角部を構成する二つの側面部材３の外周面に、それぞれ当接する二つの治具面を有するようにするものであってもよい。
【００６５】
図１０（ａ）の押さえ治具１７は、二つの治具面１７ａ、１７ｂをそれぞれ備えた一体型の治具である。この押さえ治具１７は、図１１に示すように、鋳型１の側面の四箇所の外側角部に配置され、角部を構成する二つの側面部材３の外周面に対して、これらの治具面１７ａ、１７ｂがそれぞれ当接するように構成されている。したがって、鋳型１の側面の角部は、一つの押さえ治具１７で保持されることとなり、より均等な力で角部を形成する側面部材３の二面を押さえることができる、図９の場合に比べて、片方のみが深く嵌まり、鋳型１に無理な力がかかることもなく、その結果、鋳型１の変形や破損を防ぎ、鋳型部材の寿命が短くなるのを防ぐことができる。さらに、押さえ治具１７の必要数は四つとなるため、図９の場合と比べて、部材数を減らすことができ、固定・解体の作業の簡略化、部材コストの低減を行うことができる。
【００６６】
また、図１０（ｂ）に示すように、鋳型１の外側角部が直接押さえ治具１８に当たらないように、押さえ治具１８において、この外側角部に対応する箇所に逃げ溝１８ａを設けた構造にすることが望ましい。このようにすれば、押さえ治具１８を枠状部材１５から取り付け、取り外す際に、鋳型１の側面角部が押さえ治具１８と直接接することを防ぐことができるので、繰り返して、取り付け、取り外し作業を行っても、破損しやすい鋳型１の側面角部の変形や破損を防ぐことができ、鋳型１のコストの低減につながる。
【００６７】
また、図１０（ｃ）に示すように、一体型の押さえ治具１９の上部において幅広となった幅広部１９ａを設けても構わない。このような幅広部１９ａを設けることによって、押さえ治具１９を鋳型１と枠状部材７との間隙に挿入する場合は幅広部１９ａを直接押すことができる。強く押し込む場合は幅広部１９ａを叩いて押し込めばよい。さらに取り外しの際には幅広部１９ａを保持して引き抜くことができるなどの効果を有するので、より作業性が向上する。
【００６８】
また、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように、枠状部材１５の内周部に、対向する鋳型１の四つの側面部材３に向かって、突出部１５ａを設けるようにしてもよい。シリコン融液の冷却固化に伴う膨張により、鋳型１の側面部材３が外側にたわむが、鋳型１の部材が薄型化するとその影響は大きなものとなる。ここで、枠状部材１５に突出部１５ａを設ければ、突出部１５ａに側面部材３の外周面が当接して、その動きが規制されるため、側面部材３の外側へのたわみを抑えることができる。
【００６９】
突出部１５ａの突き出す量としては、図１２（ｂ）の平面図にも示すように、鋳型１と枠状部材１５の間隙の幅とほぼ同じとすればよい。また、突出部１５ａは、側面部材３の外周面の略中央部を押さえるようにすることが望ましい。シリコン融液の冷却固化に伴う膨張によって、特に側面部材３の中央部Ｈでの変位が顕著となるためである。
なお、上述の実施形態において、枠状部材１５に設けた突出部１５ａとして、それぞれの一枚の側面部材３あたり一箇所と接するようにした例によって説明したが、これに限るものではなく、二つないし三つ以上の複数の枠状部材１５にそれぞれ突出部１５ａを設け、一枚の側面部材３と複数箇所で接するようにしてもよい。枠状部材１５が二つの場合は、上下の枠状部材１５に設けた突出部１５ａをそれぞれ結んでできる直線が中央部Ｈを通るようにし、枠状部材１５が三つ以上の場合は、三つの枠状部材１５に設けた突出部１５ａの各々を結んでできる図形の内部に、中央部Ｈが含まれるようにすれば、中央部Ｈの変位をそれぞれの突出部１５ａによって効果的に押さえることができるので望ましい。
【００７０】
さらに、一枚の側面部材３に対して、一つの枠状部材１５の突出部１５ａが二箇所以上で接するようにしてもよい。
なお、押さえ治具１６〜１９の材質は、軽くて強度が高い炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）などによって構成することが望ましい。また、押さえ治具１６〜１９は、鋳型１の側面部材３の外周面と接する面は平面であり、枠状部材１５と接する面は一定の傾斜を有する楔形状とすることが望ましい。
【００７１】
また、シリコン融液の冷却固化に伴う膨張により、本発明の構成上、鋳型１の側面部材３の上端部のほうが広がりやすい。特に、鋳型１が大型化、薄型化になるとその影響も大きいため、枠状部材１５を鋳型１の上端部から４ｃｍ以内の範囲に設けることが好ましい。
さらに、上述した図４から図７において示した鋳型底部に打ち込んだ楔８による底面部材２と各側面部材３との固定と、前記枠状部材１５による側面部材３同士の締結を同時に行うことで、それぞれの接合部がしっかり固定されるため、鋳型１をさらに大型化、薄型化を行うことができるので好ましい。
【００７２】
また、枠状部材１５を用いる場合、図１３（ａ）、図１３（ｂ）に示すように、嵌め合った側面部材３の凸部と隣接する他の側面部材３の凹部とが当接する面である嵌合面４ａの位置で枠状部材１５を配置することが望ましい。なお、この嵌合面４ａとは、嵌合部４を構成する面のうち、底面部材２の底面に対して略水平な面を指す。このようにすることで、枠状部材１５の固定に伴って側面部材３に応力が大きくかかっても、側面部材３のたわみを防ぐことができる。
【００７３】
以上説明した本発明の実施形態にかかる鋳型１の使用方法を説明する。
鋳型１を使用するに当たっては、底面部材２と側面部材３とから構成される鋳型内表面部と四つの角隅部と八つの稜線部とからなる係止部とに離型材を設けておくことが望ましい。
この離型材は、例えば、窒化珪素（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、粉体である窒化珪素がスラリー状となり、鋳型１に塗布しやすくなる。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る。このような窒化珪素を濃度が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塗布する。なお、窒化珪素と二酸化珪素の粉体を混合したものを、塗布してもよい。
【００７４】
このような離型材を設けることによって、シリコン融液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、鋳型を何回も繰り返して使用することができる。また、底面部材２や側面部材３との係止部が、下記第三工程において追加して塗布された離型材によって、さらに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。
【００７５】
具体的な離型材の形成方法は、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、底面部材２および四つの側面部材３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、底面部材２を底面として四つの側面部材３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、底面部材２と側面部材３とから構成される四つの角隅部と八つの稜線部とからなる係止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する。
【００７６】
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。
このようにして本発明にかかる鋳型を実現することができる。
従来においては鋳型部材にネジやボルトなどを取り付けるための追加工を行うことのできる素材に限られ、黒鉛材料が用いられてきた。しかしながら、本発明においては、上記のような複雑な加工を行う必要がなく、鋳型部材の構造が大幅に簡素化できるために、黒鉛材料に限らず、溶融シリカ、窒化珪素、炭化珪素など各種の耐火物を用いることが可能となる。
【００７７】
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。
例えば、上述の説明では、シリコン融液を保持して多結晶シリコンを凝固させる例によって説明したが、これに限るものではなく、他の材料であっても同様の効果を奏することができる。例えば、鋳型の底部に単結晶シリコンを所定の向きに保持したものを種として、シリコン融液から単結晶のシリコンインゴットを成長させるようにしても良い。また、キャスティング法を用いる鋳造法であれば、半導体非金属材料に限定されるものでもなく、金属材料であってもかまわない。
【００７８】
また、鋳型１の外周に、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や、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鋳型断熱材（不図示）などを配置してもよい。これらの部材を楔８と楔受け部１０との間や、楔８と側面部材３との間に介在させても構わない。あるいは、枠状部材１５と側面部材３との間に介在させても構わない。このような鋳型断熱材は、後述するように多結晶のシリコンインゴットを得るためのキャスティング法において、鋳型１の側面を断熱して、一方向凝固させるのに用いられる。
【００７９】
次に、キャスティング法によるインゴットの鋳造方法及びこのシリコンインゴットから多結晶シリコン基板を得る多結晶シリコン基板の製造方法を説明する。
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の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。
【００８０】
キャスティング法を実施するには、例えば図１４のシリコン鋳造装置を用いる。図１４において２１ａは溶解坩堝、２１ｂは保持坩堝、２２は注湯口、１は本発明の鋳型、２４は加熱手段、２５はシリコン融液を示す。
シリコン原料を溶融するための溶解坩堝２１ａが保持坩堝２１ｂに保持されて配置され、溶解坩堝２１ａの上縁部には溶解坩堝２１ａを傾けてシリコン融液を注湯するための注湯口２２が設けられる。また、溶解坩堝２１ａ、保持坩堝２１ｂの周囲には加熱手段２４が配置され、溶解坩堝２１ａ、保持坩堝２１ｂの下部にはシリコン融液が注ぎ込まれる鋳型１が配置される。溶解坩堝２１ａ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などを考慮して、例えば高純度の石英などが用いられる。保持坩堝２１ｂは、石英などでできた溶解坩堝２１ａがシリコン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などが用いられる。加熱手段２４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が用いられる。
【００８１】
溶解坩堝２１ａ、保持坩堝２１ｂの下部に配置された鋳型１は、その内側に前述した離型材（不図示）を塗布して用いられる。また、この鋳型１の周りには抜熱を抑制するため鋳型断熱材（不図示）が設置される。鋳型断熱材は耐熱性、断熱性など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１の下方には注湯されたシリコン融液を冷却・固化するための冷却板（不図示）が設置される場合もある。なお、これらはすべて密閉チャンバ（不図示）内に配置される。
【００８２】
図１４で示されるシリコン鋳造装置を使用してシリコンインゴットを作製する方法は次の通りである。まず、溶解坩堝２１ａ内にシリコン原料を投入し、加熱手段２４により溶解坩堝２１ａ内のシリコン原料を溶解させ、完全に融液２５となった後に坩堝を傾けて溶解坩堝２１ａの上縁部にある注湯口２２から下部に設置してある鋳型にシリコン融液が注湯される。注湯後は、鋳型内のシリコンを底部から冷却して一方向凝固させた後、炉外に取り出せる温度まで温度制御しながら徐冷し、最終的に炉外に取り出して鋳造が完了する。
【００８３】
前記方法は、鋳型１の中に完全に融液となったシリコン原料を溶解させ、注湯し、注湯後は、鋳型内のシリコンを底部から冷却して一方向に凝固させる注湯法と呼ばれる方法である。これとは別に鋳型１の中にシリコン原料を投入し、鋳型１の中で溶解させて、溶解したシリコンを底部から冷却して凝固させる鋳型内溶解法を採用してもよい。この鋳型内溶解法では、鋳型１内で均一に材料を溶解して材料の溶融体を形成した後、鋳型の台座中に冷却媒体（水や冷媒ガス等）を通すことにより、鋳型１の底部から抜熱を行い、この溶融体を鋳型１の底部から一方向凝固を実現することができる。
【００８４】
図１５は、ワイヤーソーによるインゴットのスライス方法を説明するための斜視図である。
上述したキャスティング法によって製造された多結晶シリコンのインゴットの端材を切り落として、所定の寸法に切断して半導体インゴット３１を形成する。そして、この半導体インゴット３１をエポキシ系などの接着剤にてガラスやカーボン材もしくは樹脂製のスライスベース３３に接着した後、半導体インゴット３１をワイヤーソー装置で複数枚に切断して形成する。
【００８５】
半導体インゴット３１は、スライスベース３３に接着され、上方の数箇所から砥粒スラリーと呼ばれるオイルまたは水にＳｉＣなどの砥粒が混合された切削液を供給しながら、直径約１００〜３００μｍのピアノ線などからなる１本のワイヤー３５で切断する。
メインローラー３８上には一定間隔となるように螺旋状の溝が設けられている。そして、ワイヤー３５は、ワイヤー供給リールから引き出されて、メインローラー３８上の溝にはまるように巻き付けられて所定の間隔で略平行に配置されている。
【００８６】
このようにワイヤー３５を配置した２本のメインローラー３８を回転させることによって、これらのメインローラー３８の間に張られた複数本のワイヤー３５は高速で移動走行する。そして、複数の半導体インゴット３１をワイヤー３５に向けて徐々に下降させて押しつけることによって、半導体インゴット３１は切断され、ワイヤー３５の間隔に対応した厚みを有する半導体基板が作製される。
【００８７】
このワイヤーソー装置による切断では、多数の半導体インゴット３１を同時に切断することができ、また外周刃や内周刃などを使用する他の切断方法と比べて切断精度が高く、かつ使用しているワイヤーが細いためにカーフロス（切断ロス）を少なくできるという利点がある。
この方法によって製造された多結晶シリコン基板は、繰り返し使用に耐え、かつ組み立て解体の作業が簡単な鋳型１を用いて製造されたシリコンインゴットから得られるものであり、低コスト化を期待することができる。
＜実施例１＞
図１７に示す従来例の鋳型と、図７に示す本発明の構造における鋳型とを比較した。
【００８８】
従来例においては、窒化珪素からなる離型材を厚さ２ｍｍ塗布した黒鉛からなる一つの底面部材（厚さ２０ｍｍ）と四つの側面部材（厚さ２０ｍｍ）を箱型に組み立て、３２本の組み立て用ネジ（φ５ｍｍ×長さ４０ｍｍ）で固定し、鋳型（内寸２２０ｍｍ×２２０ｍｍ×高さ２５０ｍｍ）を得た。
得られた鋳型内部に２２ｋｇのシリコン融液を注湯し、１００Ｔｏｒｒに減圧したアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で鋳型上部を１４６０℃に加熱し、鋳型底面部から徐々に降温させてシリコン融液を一方向に凝固させ、高さ約２００ｍｍのシリコンインゴットを得た。
【００８９】
本発明の実施例では、窒化珪素からなる離型材を厚さ２ｍｍ塗布した黒鉛からなる一つの底板（厚さ２０ｍｍ）と四つの側面部材（厚さ２０ｍｍ）を鋳型固定用ホルダー上にて箱型に組み立て、図７に示すように楔８で固定し、鋳型（内寸２２０ｍｍ×２２０ｍｍ×高さ２５０ｍｍ）を得た。
得られた鋳型内部に２２ｋｇのシリコン融液を注湯し、１００Ｔｏｒｒに減圧したアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で鋳型上部を１４６０℃に加熱し、鋳型底面部から徐々に降温させてシリコン融液を一方向凝固させ、高さ約２００ｍｍのシリコンインゴットを得た。
【００９０】
前記二つの方法により鋳造をそれぞれ１０回繰り返し、鋳型の組み立て作業時間、シリコン融液の漏れの有無、部材の消耗の状況を比較した。
従来例では、平均的な鋳型の組み立て時間は１５分。シリコン融液漏れ１回、鋳型固定用ネジの破断およびネジ山の消耗による交換２２本、底板および側板に加工したネジ山の消耗による交換７枚、底板および側板に加工したネジ取り付け用の穴部に破断したネジが埋まったためによる交換４枚であった。
【００９１】
一方本発明においては、平均的な鋳型の組み立て時間４分。シリコン漏れは一度も発生せず、１０回の鋳造後もすべての部材が使用可能な状態であった。
＜実施例２＞
図１７に示す従来の鋳型と、図１３に示す本発明の構造における鋳型とを比較した。
従来例においては、窒化珪素からなる離型材を厚さ２ｍｍ塗布した黒鉛からなる一つの底面部材（厚さ２０ｍｍ）と四つの側面部材（厚さ２０ｍｍ）を箱型に組み立て、４０本の組み立て用ネジ（φ５ｍｍ×長さ４０ｍｍ）で固定し、鋳型（内寸３５０ｍｍ×３５０ｍｍ×高さ３５０ｍｍ）を得た。
【００９２】
得られた鋳型内部に８５ｋｇのシリコン融液を注湯し、１００Ｔｏｒｒに減圧したアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で鋳型上部を１４６０℃に加熱し、鋳型底面部から徐々に降温させてシリコン融液を一方向に凝固させ、高さ約３００ｍｍのシリコンインゴットを得た。
本発明の実施例では、窒化珪素からなる離型材を厚さ２ｍｍ塗布した黒鉛からなる一つの底板（厚さ１０ｍｍ）と四つの側面部材（厚さ２ｍｍ）を鋳型固定用ホルダー上にて箱型に組み立て、図７に示すように楔８で固定し、鋳型（内寸３５０ｍｍ×３５０ｍｍ×高さ３５０ｍｍ）を得た。
【００９３】
そして、側面部材の凸部と凹部の嵌合面４ａ上に枠状部材１５を設置し、側面部材３の最上部に位置する凸部または凹部の高さ、すなわち図１に示した距離ｄを０．５〜１０ｃｍの範囲で変更した。
得られた鋳型内部に８５ｋｇのシリコン融液を注湯し、１００Ｔｏｒｒに減圧したアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で鋳型上部を１４６０℃に加熱し、鋳型底面部から徐々に降温させてシリコン融液を一方向凝固させ、高さ約３００ｍｍのシリコンインゴットを得た。
【００９４】
前記二つの方法により鋳造をそれぞれ１０回繰り返し、シリコン融液の漏れの有無、部材の消耗の状況を比較した。その結果を表１に示す。
【００９５】
【表１】
0005198731.tif 000002
【００９６】
従来例では、シリコン融液漏れ３回、鋳型固定用ネジの破断およびネジ山の消耗による交換、底板および側板に加工したネジ山の消耗による交換、底板および側板に加工したネジ取り付け用の穴部に破断したネジが埋まったためによる交換により、１０回中８回の交換を必要とした。
一方、本発明においては、最適の条件である側面部材３の最上部に位置する凸部または凹部の高さ、すなわち図１に示した距離ｄが１〜４ｃｍの場合、シリコン融液の漏れはなく、部材の交換も必要としなかった。また、最上部の凸部、凹部の高さが８ｃｍの場合、鋳型部材の反り変形により交換が１回必要であったが、シリコン融液の漏れは発生しなかった。また、最適の条件以外の０．５ｃｍ、１０ｃｍの場合は、交換が必要であったものの、従来構造に比べて部材の交換の回数が減少し、発明の効果が確認された。
【００９７】
以上の結果から、本発明の構造において、鋳型の大型化、薄型化が可能であることが確認できた。
0005198731.tif 000003
【図２】
0005198731.tif 000004
0005198731.tif 000005
0005198731.tif 000006
0005198731.tif 000007
【図６】
0005198731.tif 000008
【図７】
0005198731.tif 000009
0005198731.tif 000010
0005198731.tif 000011
0005198731.tif 000012
0005198731.tif 000013
0005198731.tif 000014
0005198731.tif 000015
【図１４】
0005198731.tif 000016
【図１５】
0005198731.tif 000017
【図１６】
0005198731.tif 000018
【図１７】
0005198731.tif 000019