(57)【要約】【課題】電磁鋳造法による連続鋳造の際、サイドアークの発生を抑制しつつ、溶解速度を上昇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】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、誘導コイル８からの電磁誘導加熱、およびルツボ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を溶解させ、この溶融シリコン１２をルツボ７から引き下げながら凝固させてインゴット３を連続鋳造する電磁鋳造装置において、原料導入管１０が絶縁部材２１を介して支持されるとともに、原料導入管１０の先端がルツボ７内でプラズマトーチ１３の先端と同じ高さの位置、またはそれよりも高くてルツボ７の上端よりも低い位置に配置されており、この原料導入管１０を通じてシリコン原料１１が溶融シリコン１２の湯面の中央に投入される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内に配置した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溶解させ、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、
原料導入管が絶縁部材を介して支持されるとともに、原料導入管の先端が無底冷却ルツボ内でプラズマトーチの先端と同じ高さの位置、またはそれよりも高くて無底冷却ルツボの上端よりも低い位置に配置されており、この原料導入管を通じてシリコン原料が溶融シリコンの湯面の中央に投入され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】
前記絶縁部材が碍子で構成され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】
前記原料導入管が常磁性金属で構成され、この原料導入管の内面がシリコン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。
【請求項４】
前記常磁性金属がＭｏであることを特徴とする請求項３に記載のシリコンインゴットの電磁鋳造装置。
【請求項５】
前記原料導入管が絶縁セラミックスで構成され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、一方向性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３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、溶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）製の角筒体であり、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１０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１０に供給され、原料導入管１０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。
【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溶解し、溶融シリコン１２が形成される。また、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、プラズマアーク加熱によっても、シリコン原料１１が加熱されて溶解し、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。
【００１０】
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を溶解させながら、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１０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、溶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。
【００１１】
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防止され、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】
【００１２】
【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】
【００１３】
上述した従来の電磁鋳造装置において、冷却ルツボ７の上端部は、チャンバー１に取り付けられた金属フレーム２０に固定され、冷却ルツボ７はその金属フレーム２０によってチャンバー１内に吊り下げ支持される。原料導入管１０は、金属フレーム２０上に固定された金属部材１２１によって支持される。そして、原料導入管１０の先端は、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）から１０ｃｍ以上上方に離れた位置に配置される。通常、原料導入管１０の先端の配置高さは、前記図３に示すように、冷却ルツボ７の上端よりも高い位置とされる。
【００１４】
このように原料導入管１０の先端とプラズマトーチ１３の先端とを離すのは、以下の理由による。プラズマトーチ１３のアースは支持台１４に接続され、この支持台１４はインゴット３および溶融シリコン１２と導通するとともに、チャンバー１とも導通している。このため、溶融シリコン１２の電位は、チャンバー１と同じアース電位となる。このとき、プラズマトーチ１３の先端と溶融シリコン１２との間に形成されるプラズマ空間の近傍に、溶融シリコン１２の電位（アース電位）と同じかそれよりも低い低電位の部材が配置された場合、その低電位の部材とプラズマトーチ１３の先端との間にアークが発生する。このアークは、原料溶解に寄与することなく、むしろ連続鋳造の操業を不安定にする異常なアークであり、プラズマトーチ１３と溶融シリコン１２との間に発生し原料溶解に寄与する正常なアークと区別して、サイドアークと称される。
【００１５】
ここで、原料導入管１０の電位は、原料導入管１０を支持する金属部材１２１を介しチャンバー１と同じアース電位になるため、原料導入管１０の先端とプラズマトーチ１３の先端とが近いと、これらの間にサイドアークが発生する。したがって、このサイドアークの発生を防止するため、原料導入管１０の先端とプラズマトーチ１３の先端とを離す必要がある。
【００１６】
このような事情から、従来の電磁鋳造装置では、原料導入管１０の先端が冷却ルツボ７の上端よりも高い位置に配置されているが、この場合、以下の問題が発生する。
【００１７】
原料導入管１０から投入されたシリコン原料１１は、溶融シリコン１２の湯面までの落下距離が長いため、落下の過程で大きく広がって溶融シリコン１２の湯面上に広範に散らばり、その多くが、プラズマトーチ１３の先端と溶融シリコン１２との間に形成されるプラズマ空間から外れた領域に堆積する。このため、プラズマアーク加熱によるシリコン原料１１の溶解が有効に進行せず、溶解速度が上がらないことから、インゴット３の引き下げ速度、すなわち鋳造速度を低く設定した操業を強いられる。その結果、生産性の向上が図れない。
【００１８】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、原料溶解にプラズマアーク加熱を併用した電磁鋳造法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際、サイドアークの発生を抑制しつつ、シリコン原料の溶解速度を上昇でき、これに応じて鋳造速度を上昇させて生産性を向上させることが可能な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】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、下記の（ａ）〜（ｃ）に示す知見を得た。
【００２０】
（ａ）プラズマトーチの先端と溶融シリコンとの間に形成されるプラズマ空間は、プラズマトーチの先端から吹き出されるＡｒガスにより絞り込まれ、その温度は１万℃以上に達する。このプラズマ空間の直下は溶融シリコンの湯面の中央部に相当し、ここに集中してシリコン原料を投入することができれば、瞬時にシリコン原料が溶解し、溶解速度が上昇する。シリコン原料を散らばらせることなく、溶融シリコンの湯面中央部に集中して投入するには、原料導入管をその先端が冷却ルツボ内に配置されるように延長するのが有効である。
【００２１】
（ｂ）上記（ａ）に示す施策として、原料導入管を単に延長し、その先端を冷却ルツボ内に配置した場合、原料導入管の先端とプラズマトーチの先端とが近くなるため、これらの間にサイドアークが発生する。
【００２２】
（ｃ）上記（ｂ）に示すサイドアークの発生を抑制するには、原料導入管の電位をチャンバーの電位（アース電位）、すなわち溶融シリコンの電位よりも高くするのが有効であり、これは、原料導入管を電気的に絶縁した状態で支持することにより実現できる。
【００２３】
本発明は、上記（ａ）〜（ｃ）の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、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、チャンバー内に配置した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溶解させ、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、原料導入管が絶縁部材を介して支持されるとともに、原料導入管の先端が無底冷却ルツボ内でプラズマトーチの先端と同じ高さの位置、またはそれよりも高くて無底冷却ルツボの上端よりも低い位置に配置されており、この原料導入管を通じてシリコン原料が溶融シリコンの湯面の中央に投入され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。
【００２４】
上記の電磁鋳造装置では、前記絶縁部材が碍子で構成されることが好ましい。
【００２５】
また、上記の電磁鋳造装置においては、前記原料導入管が常磁性金属で構成され、この原料導入管の内面がシリコンで覆われていることが好ましい。この場合、前記常磁性金属がＭｏであることが好ましい。
【００２６】
また、上記の電磁鋳造装置では、前記原料導入管が絶縁セラミックスで構成されてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
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、原料導入管の先端を冷却ルツボ内に配置することにより、プラズマ空間の直下に相当する溶融シリコンの湯面中央部にシリコン原料を集中して投入することができるため、プラズマアーク加熱によるシリコン原料の溶解が瞬時に進行し、溶解速度が上昇する結果、鋳造速度を上昇させることができ、生産性を向上させることが可能になる。しかも、原料導入管が絶縁部材によって電気的に絶縁された状態で支持されているため、原料導入管の電位を溶融シリコンの電位よりも高くすることができ、これにより、原料導入管とプラズマトーチの互いの先端間でサイドアークの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【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】実施例の試験によるシリコンインゴットにおけるライフタイムの測定結果を示す図である。
【図３】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】
【００２９】
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。
【００３０】
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３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。
【００３１】
図１に示すように、本発明の電磁鋳造装置では、チャンバー１内で冷却ルツボ７を吊り下げ支持する金属フレーム２０上に絶縁部材２１が固定され、原料導入管１０はその絶縁部材２１によって支持されている。絶縁部材２１には、電気絶縁性に加え、チャンバー１内の高温雰囲気下で安定して原料導入管１０を支持できるように、耐熱性や機械強度なども求められることから、碍子が好適である。これにより、原料導入管１０は、金属フレーム２０、さらにはチャンバー１に対して電気的に絶縁された状態になり、その電位をチャンバー１のアース電位、すなわち溶融シリコン１２の電位よりも高くすることができる。
【００３２】
この原料導入管１０は、前記図３に示すものと比べて延長されており、その先端が冷却ルツボ７内に配置されている。すなわち、原料導入管１０の先端は、冷却ルツボ７の上部に挿入されたプラズマトーチ１３の先端と同じ高さの位置、またはそれよりも高くて冷却ルツボ７の上端よりも低い位置に配置されている。これにより、原料導入管１０の先端の配置高さは、プラズマトーチ１３の先端から上方に１０ｃｍ以下となる。図１では、原料導入管１０の先端がプラズマトーチ１３の先端と同じ高さに配置された例を示している。
【００３３】
さらに、原料導入管１０の先端は、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、プラズマトーチ１３に接近して配置される。
【００３４】
このような原料導入管１０とプラズマトーチ１３との配置関係では、原料導入管１０の先端とプラズマトーチ１３の先端とが近くなるが、原料導入管１０が絶縁部材２１で支持されることにより、他のいずれの部材とも電気的に絶縁された状態であり、原料導入管１０の電位を溶融シリコン１２の電位（アース電位）よりも高くできるので、原料導入管１０の先端とプラズマトーチ１３の先端との間でサイドアークの発生を抑制することができる。
【００３５】
また、本発明の電磁鋳造装置において、原料導入管１０は、ＭｏやＷやステンレス鋼などの常磁性金属で構成し、この内面に、インゴットから切り出したシリコン板を貼り付けたり、シリコンの皮膜を形成したりするなどして、内面がシリコンで覆われた構成とすることができる。ここで原料導入管１０を常磁性金属で構成するのは、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。常磁性金属としては、耐熱性と加工性に優れるＭｏが好適である。一方、原料導入管１０の内面をシリコンで覆う構成とするのは、原料導入管１０の内面にはシリコン原料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である。
【００３６】
また、本発明の電磁鋳造装置において、原料導入管１０は、絶縁セラミックスで構成することもできる。ここで原料導入管１０を絶縁セラミックスで構成するのは、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と同時に、原料導入管１０自体を絶縁体にしてサイドアークの一層の抑制を図るためである。絶縁セラミックスとしては、磁器が好適である。
【００３７】
このような構成の電磁鋳造装置によれば、原料溶解にプラズマアーク加熱を併用した電磁鋳造法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際に、原料導入管１０の先端を冷却ルツボ７内に配置することにより、溶融シリコン１２の湯面までのシリコン原料１１の落下距離が短くなり、これに伴って、シリコン原料１１を散らばらせることなく、プラズマ空間の直下に相当する溶融シリコン１２の湯面中央部に集中して投入することができる。このため、プラズマアーク加熱によるシリコン原料１１の溶解が瞬時に進行し、溶解速度が上昇する。これに応じて、鋳造速度を上昇させることができ、生産性を向上させることが可能になる。
【００３８】
さらに、原料導入管１０の先端がプラズマトーチ１３の先端の近くに配置されても、原料導入管１０が絶縁部材２１によって電気的に絶縁された状態で支持されているため、原料導入管１０の電位を溶融シリコン１２の電位（アース電位）よりも高くすることができ、これにより、原料導入管１０とプラズマトーチ１３の互いの先端間でサイドアークの発生を抑制することができる。
【実施例】
【００３９】
本発明の電磁鋳造装置による効果を確認するため、本発明例として、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、比較例として、前記図３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。その際、本発明例の連続鋳造では、鋳造速度（インゴットの引き下げ速度）を比較例の場合よりも速い速度に設定した。
【００４０】
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、ライフタイムを測定する試験を行った。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から採取した。ライフタイムは、マイクロ波光導電率減衰法（Microwave Photo Conductivity Decay：μ−ＰＣＤ法）により測定し、レーザ光を照射したときの照射時間に対する試料中のキャリアの再結合ライフタイムを調査した。
【００４１】
図２は、実施例の試験によるシリコンインゴットにおけるライフタイムの測定結果を示す図である。同図に示すように、比較例と比べ、本発明例では、シリコン原料の溶解速度の上昇に応じて鋳造速度を上昇させたことにより、凝固に伴う単位時間当たりの潜熱が増加し、この増加した潜熱を熱源に利用してインゴットを徐冷できるため、インゴットの結晶粒が拡大しつつ均一となり、その結果としてライフタイムが向上した。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置によれば、原料溶解にプラズマアーク加熱を併用した電磁鋳造法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際、原料導入管とプラズマトーチの互いの先端間でサイドアークの発生を抑制しつつ、シリコン原料の溶解速度を上昇でき、これに応じて鋳造速度を上昇させることが可能になる。したがって、本発明の電磁鋳造装置は、生産性を向上できる点で極めて有用である。
【符号の説明】
【００４３】
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、    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、
２０：金属フレーム、    ２１：絶縁部材
【図１】
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【図２】
2012046394.tif 000004
【図３】
2012046394.tif 000005