(57)【要約】【課題】冷却ルツボへのシリコン原料の投入に伴ってシリコン原料がプラズマトーチと接触するのを防止し、溶融シリコンの金属不純物汚染を抑制するとともに、シリコン原料の融解を安定させることができるシリコンインゴットの電磁鋳造装置を提供する。【解決手段】導電性を有する無底冷却ルツボ７に原料導入管１０を通じてシリコン原料１１を投入し、冷却ルツボ７を囲繞する誘導コイル８からの電磁誘導加熱、および冷却ルツボ７の上部に挿入されたプラズマトーチ１３からのプラズマアーク加熱によりシリコン原料１１を融解させ、この溶融シリコン１２を冷却ルツボ７から引き下げながら凝固させてシリコンインゴット３を連続鋳造する電磁鋳造装置において、冷却ルツボ７の側壁に貫通穴７ｃが形成され、この貫通穴７ｃに原料導入管１０が接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する無底冷却ルツボに原料導入管を通じてシリコン原料を投入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱、および無底冷却ルツボの上部に挿入されたプラズマトーチからのプラズマアーク加熱によりシリコン原料を融解させ、この溶融シリコンを無底冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する電磁鋳造装置において、
無底冷却ルツボの側壁に貫通穴が形成され、この貫通穴に原料導入管が接続されていることを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造装置。
【請求項２】
前記原料導入管が前記シリコン原料を前記溶融シリコンの湯面の中央に投入する傾斜角度で配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコンインゴットの電磁鋳造装置。
【請求項３】
前記原料導入管の内面がシリコン友材で覆われていることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコンインゴットの電磁鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用基板の素材であるシリコンインゴットを連続鋳造するための電磁鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池の基板には、多結晶のシリコンウェーハを用いるのが主流である。その多結晶シリコンウェーハは、一方向凝固のシリコンインゴットを素材とし、このインゴットをスライスして製造される。従って、太陽電池の普及を図るには、シリコンウェーハの品質を確保するとともに、コストを低減する必要があるため、その前段階で、シリコンインゴットを高品質で安価に製造することが要求される。この要求に対応できる方法として、例えば、特許文献１に開示されるように、電磁誘導を利用した連続鋳造方法（以下、「電磁鋳造法」ともいう）が実用化されている。
【０００３】
図４は、電磁鋳造法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、電磁鋳造装置はチャンバー１を備える。チャンバー１は、内部を外気から隔離し鋳造に適した不活性ガス雰囲気に維持する二重壁構造の水冷容器である。チャンバー１の上壁には、原料供給ホッパー２が連結されている。チャンバー１は、上部に不活性ガス導入口５が設けられ、下部の側壁に排気口６が設けられている。
【０００４】
チャンバー１内には、無底冷却ルツボ７、誘導コイル８およびアフターヒーター９が配置されている。冷却ルツボ７は、融解容器としてのみならず、鋳型としても機能し、熱伝導性および導電性に優れた金属（例えば、銅）製の角筒体で、チャンバー１内に吊り下げられている。この冷却ルツボ７は、上部と下部を残して縦方向に図示しないスリットが複数形成され、このスリットにより周方向で複数の短冊状の素片に分割されており、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。
【０００５】
誘導コイル８は、冷却ルツボ７を囲繞するように、冷却ルツボ７と同芯に周設され、図示しない電源装置に接続されている。アフターヒーター９は、冷却ルツボ７の下方に冷却ルツボ７と同芯に複数連設され、冷却ルツボ７から引き下げられるシリコンインゴット３を加熱して、その軸方向に適切な温度勾配を与える。
【０００６】
また、チャンバー１内には、原料供給ホッパー２の下方に原料導入管１１０が配設されている。粒状や塊状のシリコン原料１１が原料供給ホッパー２から原料導入管１１０に供給され、この原料導入管１１０を通じて冷却ルツボ７の上方から冷却ルツボ７内に投入される。
【０００７】
チャンバー１の底壁には、アフターヒーター９の真下に、インゴット３を抜き出すための引出し口４が設けられ、この引出し口４はシールされている。インゴット３は、引出し口４を貫通して下降する支持台１４によって支えられながら引き下げられる。
【０００８】
冷却ルツボ７の真上には、プラズマトーチ１３が昇降可能に設けられている。プラズマトーチ１３は、図示しないプラズマ電源装置の一方の極に接続され、他方の極は、インゴット３側に接続されている。このプラズマトーチ１３は、下降により冷却ルツボ７の上部に挿入される。また、プラズマトーチ１３は、冷却ルツボ７の上部に挿入された状態において、冷却ルツボ７の内壁と一定の間隔を確保しつつ水平面内で四角を描くように旋回することが可能である。
【０００９】
このような電磁鋳造装置を用いた電磁鋳造法では、冷却ルツボ７にシリコン原料１１を投入し、誘導コイル８に交流電流を印加するとともに、冷却ルツボ７の上部に挿入したプラズマトーチ１３に通電を行う。このとき、冷却ルツボ７を構成する短冊状の各素片が互いに電気的に分割されていることから、誘導コイル８による電磁誘導に伴って各素片内で渦電流が発生し、冷却ルツボ７の内壁側の渦電流が冷却ルツボ７内に磁界を発生させる。これにより、冷却ルツボ７内のシリコン原料１１は電磁誘導加熱されて融解し、溶融シリコン１２が形成される。
【００１０】
また、冷却ルツボ７の上部に挿入されて旋回するプラズマトーチ１３と溶融シリコン１２との間にプラズマアークが発生し、プラズマ加熱によっても、シリコン原料１１が加熱されて融解し、電磁誘導加熱の負担を軽減して効率良く溶融シリコン１２が形成される。
【００１１】
溶融シリコン１２は、冷却ルツボ７の内壁の渦電流に伴って生じる磁界と、溶融シリコン１２の表面に発生する電流との相互作用により、溶融シリコン１２の表面の内側法線方向に力（ピンチ力）を受けるため、冷却ルツボ７と非接触の状態に保持される。冷却ルツボ７内でシリコン原料１１を融解させながら、溶融シリコン１２を支える支持台１４を徐々に下降させると、誘導コイル８の下端から遠ざかるにつれて誘導磁界が小さくなることから、発熱量およびピンチ力が減少し、さらに冷却ルツボ７からの冷却により、溶融シリコン１２は外周部から凝固が進行する。そして、支持台１４の下降に伴って、原料導入管１１０を通じシリコン原料１１を冷却ルツボ７の上方から逐次投入し、融解および凝固を継続することにより、溶融シリコン１２が一方向に凝固し、インゴット３を連続鋳造することができる。
【００１２】
鋳造中、チャンバー１内を不活性ガス雰囲気に維持するため、チャンバー１の上部の不活性ガス導入口５から不活性ガスが逐次供給され、チャンバー１内の不活性ガスは、チャンバー１の下部側壁の排気口６から逐次排出される。
【００１３】
このような電磁鋳造装置によれば、溶融シリコン１２と冷却ルツボ７との接触が軽減されるため、その接触に伴う冷却ルツボ７からの不純物汚染が低減され、高品質のインゴット３を得ることができる。しかも、連続鋳造であることから、安価にインゴット３を製造することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ０２／０５３４９６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述した従来の電磁鋳造装置では、原料導入管１１０を通じシリコン原料１１を冷却ルツボ７に継続して投入する際、冷却ルツボ７の上部にプラズマトーチ１３が挿入されているため、原料導入管１１０から投入されたシリコン原料１１は必然的にプラズマトーチ１３と接触する。これにより、以下の問題が発生する。
【００１６】
プラズマトーチ１３は、その外殻であるトーチラムがステンレス鋼などで構成され、その前部電極であるノズルが銅などで構成される。このため、シリコン原料１１は、プラズマトーチ１３との接触によりＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒなどが混入し、金属不純物で汚染される。これに伴って、溶融シリコン１２も金属不純物で汚染されることから、この溶融シリコン１２から鋳造されたインゴット３は品質が低下する。
【００１７】
また、シリコン原料１１は、旋回するプラズマトーチ１３と接触することにより不規則に散らばるため、溶融シリコン１２の湯面に落下し堆積する位置が変化することから、シリコン原料１１の融解が不安定となる。このため、鋳造速度を大きく変動させ、シリコン原料１１を十分に融解させる格別な操業を強いられる。
【００１８】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、冷却ルツボへのシリコン原料の投入に伴ってシリコン原料がプラズマトーチと接触するのを防止し、溶融シリコンの金属不純物汚染を抑制するとともに、シリコン原料の融解を安定させることができるシリコンインゴットの電磁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】
【００１９】
本発明者は、上記目的を達成するため、冷却ルツボに投入されるシリコン原料の挙動に着目して鋭意検討を重ねた。その結果、シリコン原料がプラズマトーチと接触するのを防止するためには、シリコン原料を冷却ルツボの上方から投入するのではなく、冷却ルツボの側壁に貫通穴を形成し、この貫通穴から冷却ルツボ内にシリコン原料を投入するのが有効であることを知見し、本発明を完成させた。
【００２０】
本発明の要旨は、下記に示すシリコンインゴットの電磁鋳造装置にある。すなわち、導電性を有する無底冷却ルツボに原料導入管を通じてシリコン原料を投入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱、および無底冷却ルツボの上部に挿入されたプラズマトーチからのプラズマアーク加熱によりシリコン原料を融解させ、この溶融シリコンを無底冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する電磁鋳造装置において、無底冷却ルツボの側壁に貫通穴が形成され、この貫通穴に原料導入管が接続されていることを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造装置である。
【００２１】
上記の電磁鋳造装置では、前記原料導入管が前記シリコン原料を前記溶融シリコンの湯面の中央に投入する傾斜角度で配置されていることが好ましい。
【００２２】
また、上記の電磁鋳造装置においては、前記原料導入管の内面がシリコン友材で覆われていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置によれば、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、冷却ルツボの側壁に接続した原料導入管を通じて冷却ルツボ内にシリコン原料を投入することにより、シリコン原料がプラズマトーチと接触するのを防止できるため、プラズマトーチからの金属不純物汚染が防止され、溶融シリコンの金属不純物汚染を抑制することが可能になり、これと同時に、投入されたシリコン原料の堆積位置が一定となり、シリコン原料の融解が安定する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の電磁鋳造装置に用いられる冷却ルツボの外観を模式的に示す平面図である。
【図３】実施例の試験によるシリコンインゴットにおける金属不純物濃度の測定結果を示す図であり、同図（ａ）はＦｅ濃度を、同図（ｂ）はＮｉ濃度を、同図（ｃ）はＣｕ濃度を、同図（ｄ）はＣｒ濃度をそれぞれ示す。
【図４】電磁鋳造法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置について、その実施形態を詳述する。
【００２６】
図１は、本発明の電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示す本発明の電磁鋳造装置は、前記図４に示す電磁鋳造装置の構成を基本とし、それと同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
【００２７】
図１に示すように、本発明の電磁鋳造装置は、冷却ルツボ７の四側壁のうちの一側壁に貫通穴７ｃが形成されている。原料導入管１０は、上端が原料供給ホッパー２の真下に配置され、下端が冷却ルツボ７の外側からその貫通穴７ｃに挿入され接続されており、上端から鉛直方向に垂下し、冷却ルツボ７の側方で折れ曲がって斜め下方に傾斜した構成である。
【００２８】
貫通穴７ｃは、少なくとも、誘導コイル８の上端高さ、および冷却ルツボ７内の溶融シリコン１２の湯面高さのいずれの高さよりも高い位置に形成する必要がある。貫通穴７ｃを誘導コイル８の上端高さよりも高い位置に形成するのは、誘導コイル８による電磁誘導に影響を与えないようにするためである。一方、貫通穴７ｃを溶融シリコン１２の湯面高さよりも高い位置に形成するのは、貫通穴７ｃへの溶融シリコン１２の浸入を回避しつつ、貫通穴７ｃに接続された原料導入管１０を通じてシリコン原料１１を溶融シリコン１２の湯面上に投入するためである。
【００２９】
これに加え、貫通穴７ｃは、この貫通穴７ｃに接続された原料導入管１０から投入されるシリコン原料１１が、冷却ルツボ７の上部に挿入されたプラズマトーチ１３と接触しない高さに形成する必要がある。例えば、貫通穴７ｃは、冷却ルツボ７の上部に挿入されたプラズマトーチ１３の先端（下端）と重なる高さに形成するか、それよりも低い位置に形成するのが好ましい。図１では、貫通穴７ｃがプラズマトーチ１３の先端と重なる高さに形成された例を示している。
【００３０】
また、原料導入管１０は、シリコン原料１１を溶融シリコン１２の湯面の中央に投入できるように傾斜角度θが設定される。原料導入管１０の傾斜角度θは、３４５ｍｍ角モールドを使用する場合４０°±１０°の範囲内とするのが好ましい。傾斜角度θが小さ過ぎると、シリコン原料１１が原料導入管１０内に詰まり、シリコン原料１１の円滑な投入を行えないからである。逆に傾斜角度θが大き過ぎると、シリコン原料１１が溶融シリコン１２の湯面の中央から大きく外れて冷却ルツボ７の一側壁の近傍に投入され、シリコン原料１１の融解が不安定となるからである。
【００３１】
さらに、原料導入管１０は、内面にシリコン原料１１が接触することから、この接触に伴うシリコン原料１１の不純物汚染を予防するため、内面にシリコン友材のタイルを貼り付けるなどして、内面がシリコン友材で覆われた構成とすることができる。シリコン友材としては、インゴットから切り出したシリコン板などを適用できる。
【００３２】
図２は、本発明の電磁鋳造装置に用いられる冷却ルツボの外観を模式的に示す平面図である。同図に示すように、冷却ルツボ７は、周方向で複数の短冊状の素片７ｂに分割するために、縦方向にスリット７ａが複数形成されている。各素片７ｂの内部には、素片７ｂ自身を強制冷却し、冷却ルツボ７内の溶融シリコンを凝固させるために、図２中の破線矢印で示すように冷却水を流通させる図示しない冷却水路が形成されている。
【００３３】
ここで、スリット７ａの間隔や、冷却水路の断面積および長さなどは、冷却水による冷却能が冷却ルツボ７の全周にわたり同一になるように設定される。例えば、図２に示すように、上方に原料導入管１０が接続された素片７ｂにおいては、他の素片７ｂよりも冷却水路が長くなり冷却能が低下するため、冷却水路の断面積を拡大し冷却能の低下を抑制する。
【００３４】
このような構成の電磁鋳造装置によれば、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、冷却ルツボの側壁に接続した原料導入管を通じ、シリコン原料をプラズマトーチと接触させることなく冷却ルツボ内の溶融シリコン上に投入することができる。このため、プラズマトーチからの金属不純物汚染が防止され、溶融シリコンの金属不純物汚染を抑制することが可能になり、品質に優れたインゴットを製造することができる。しかも、投入されたシリコン原料の堆積位置が一定となり、シリコン原料の融解が安定することから、鋳造速度を大きく変動させる格別な操業が不要となる。
【００３５】
また、シリコン原料を溶融シリコンの湯面中央に投入するように構成すれば、シリコン原料の融解が一層安定し、また、投入されたシリコン原料が冷却ルツボの内壁とも接触しないため、冷却ルツボからの金属不純物汚染も防止することができる。
【実施例】
【００３６】
本発明の電磁鋳造装置による効果を確認するため、前記図１に示す電磁鋳造装置を用い、一辺が３４５ｍｍの正方形断面で全長が７０００ｍｍのシリコンインゴットを連続鋳造した。また、比較のために、前記図４に示す従来の電磁鋳造装置を用い、同様の寸法のシリコンインゴットを連続鋳造した。いずれの連続鋳造も３バッチずつ実施し、得られた各インゴットから試料を採取し、金属不純物の濃度を測定する試験を行った。
【００３７】
試料は、インゴットの下端（連続鋳造の先頭の位置）から長さ３６００ｍｍに相当する断面において、インゴットの中心部と外周部のそれぞれから採取した。金属不純物の濃度は全溶解法による成分分析で測定し、金属不純物としてＦｅ、Ｎｉ、ＣｕおよびＣｒの各濃度を評価した。
【００３８】
図３は、実施例の試験によるシリコンインゴットにおける金属不純物濃度の測定結果を示す図であり、同図（ａ）はＦｅ濃度を、同図（ｂ）はＮｉ濃度を、同図（ｃ）はＣｕ濃度を、同図（ｄ）はＣｒ濃度をそれぞれ示す。同図に示す各金属不純物の濃度は、本発明例と比較例に区分し、インゴットの中心部と外周部のそれぞれにおける３バッチの測定値を平均した値である。
【００３９】
図３（ａ）〜（ｄ）に示す結果から、シリコン原料の投入時にシリコン原料がプラズマトーチと接触しない本発明例では、シリコン原料がプラズマトーチと接触する比較例と比べ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｕおよびＣｒのいずれの金属不純物も濃度が低減し、溶融シリコンの金属不純物汚染を抑制できることが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置によれば、冷却ルツボの側壁に接続した原料導入管を通じて冷却ルツボ内にシリコン原料を投入することにより、シリコン原料がプラズマトーチと接触するのを防止できるため、プラズマトーチからの金属不純物汚染が防止され、溶融シリコンの金属不純物汚染を抑制することが可能になり、これと同時に、投入されたシリコン原料の堆積位置が一定となり、シリコン原料の融解が安定する。したがって、本発明の電磁鋳造装置は、品質に優れた太陽電池用のシリコンインゴットを効率良く製造することができる点で極めて有用である。
【符号の説明】
【００４１】
１：チャンバー、    ２：原料供給ホッパー、    ３：シリコンインゴット、
４：引出し口、    ５：不活性ガス導入口、    ６：排気口、
７：無底冷却ルツボ、    ７ａ：スリット、    ７ｂ：素片、    ７ｃ：貫通穴、
８：誘導コイル、    ９：アフターヒーター、    １０：原料導入管、
１１：シリコン原料、    １２：溶融シリコン、    １３：プラズマトーチ、
１４：支持台、    θ：傾斜角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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