(57)【要約】【課題】インゴットの曲がりが発生し得る状態を早期に認識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】チャンバー１内に配置した四角筒状の無底冷却ルツボ７にシリコン原料１１を投入し、電磁誘導加熱により溶解させた溶融シリコン１２をルツボ７から引き下げながら凝固させて四角柱状のインゴット３を連続鋳造する装置において、チャンバー１の側壁に、インゴット３の四側面３ａ〜３ｄのうちの互いに平行な二側面３ａ、３ｂに対向して監視窓１５が設けられ、各監視窓１５の外部に放射温度計１６が配設され、チャンバー１内に、監視窓１５に対向しない二側面３ｃ、３ｄから放射される赤外線を監視窓１５に向けて反射させる反射鏡１９が設けられており、放射温度計１６は、監視窓１５に対向する側面３ａ、３ｂから放射された赤外線を直接検出し、監視窓１５に対向しない側面３ｃ、３ｄから放射され反射鏡１９で反射した赤外線を検出する。【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四角筒状の無底冷却ルツボに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四角柱状の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、
チャンバーの側壁に、無底冷却ルツボの直下におけるシリコンインゴットの四側面のうちの互いに平行な二側面に対向して監視窓が設けられ、各監視窓の外部に放射温度計が配設され、チャンバー内に、監視窓に対向しないシリコンインゴットの二側面から放射される赤外線を監視窓に向けて反射させる反射鏡が設けられており、
放射温度計は、監視窓に対向するシリコンインゴットの側面から放射された赤外線を直接検出し、監視窓に対向しないシリコンインゴットの側面から放射され反射鏡で反射した赤外線を検出す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】
前記無底冷却ルツボの下方に前記シリコンインゴットを囲繞してアフターヒーターが配設され、このアフターヒーターの上端と前記無底冷却ルツボの下端との間に断熱材が充填されており、
この断熱材に、前記シリコンインゴットの各側面から放射される赤外線をそれぞれ出射させる貫通口が形成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】
前記貫通口は、前記シリコンインゴットの各側面の中心部および両側部にそれぞれ対向して形成されていることを特徴とする請求項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り、同図（ａ）は要部の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。同図（ａ）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、下部の側壁に図示しない排気口が設けられている。
【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）製の四角筒体であり、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、その軸方向に適切な温度勾配を与えながら徐冷する。インゴット３は、チャンバー１の底壁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。
【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内に投入される。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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の下降に伴ってシリコン原料１１を冷却ルツボ７内に逐次投入し、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、四角柱状のインゴット３を連続鋳造することができる。
【００１０】
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】
【００１１】
【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】
【００１２】
電磁鋳造法では、インゴット３の鋳肌の温度を冷却ルツボ７の直下で監視し、その鋳肌温度の変動に応じて、誘導コイル８に印加する電流を調整している。このため、上述した従来の電磁鋳造装置では、前記図３（ａ）に示すように、チャンバー１の側壁に透明なガラス板が嵌め込まれた監視窓１５を設置し、この監視窓１５の外部に放射温度計１６が配設される。監視窓１５は、アフターヒーター９の上端と冷却ルツボ７の下端との間に相当する高さ位置に設けられ、インゴット３の一側面に対向して配置される。放射温度計１６は、冷却ルツボ７の直下におけるインゴット３の一側面から放射される赤外線（前記図３中の点線矢印参照）を直接検出し、これにより、その一側面の鋳肌温度を測定し、インゴット３の鋳肌の温度変動を監視する。
【００１３】
ここで、アフターヒーター９の上端と冷却ルツボ７の下端との間には、不用意な放熱を防止するために、断熱材１７が差し込まれて充填されている。この断熱材１７には、前記図３（ｂ）に示すように、インゴット３の一側面の中心部に対向する部分に貫通口１８ａが形成されている。その貫通口１８ａを通じ、インゴット３の一側面の中心部から放射される赤外線が出射され、鋳肌温度を測定することが可能になる。
【００１４】
従来の電磁鋳造装置は、前記図３に示すように、インゴット３を間に挟むチャンバー１の両側壁に、上記の監視窓１５がそれぞれ設置されるとともに、各監視窓１５の外部に放射温度計１６が配設されており、これにより、インゴット３の四側面３ａ〜３ｄのうちの互いに平行な二側面３ａ、３ｂで鋳肌温度を測定している。
【００１５】
また、電磁鋳造法では、インゴット３の結晶品質を確保するため、冷却ルツボ７から引き出されたインゴット３は、アフターヒーター９内に送り込まれ、四側面３ａ〜３ｄの温度を個別に制御されながら徐冷される。その際、アフターヒーター９内には熱電対が配設されていて、この熱電対による計測温度と上記の放射温度計による鋳肌温度とに基づいてアフターヒーター９への電力が調整される。
【００１６】
ところで、連続鋳造中、実際のインゴット３は、アフターヒーター９に送り込まれる直前、すなわち冷却ルツボ７の直下において、鋳肌の温度が四側面３ａ〜３ｄで均一にならず、側面間で温度差が生じる場合がある。
【００１７】
しかし、従来の電磁鋳造装置では、冷却ルツボ７の直下におけるインゴット３の鋳肌温度を四側面３ａ〜３ｄのうちの二側面３ａ、３ｂで監視し、残りの二側面３ｃ、３ｄでは監視していないので、インゴット３の側面間で鋳肌の温度差が生じても、その温度差を正確に把握できない。そのため、アフターヒーター９によるインゴット３の四側面３ａ〜３ｄごとの徐冷制御を精緻に行うことができず、インゴット３の横断面内で結晶の均一性を十分に確保できないことがある。
【００１８】
また、インゴット３の側面間で鋳肌の著しい温度差が生じた場合、その温度差に起因して冷却に伴う寸法変化量が異なるため、そのまま連続鋳造を継続すると、製造されたインゴット３は大きく曲がったものとなる。曲がりが大きいインゴット３は、製品として使用できる部分が少なく、歩留りが極端に低下する。しかし、従来の電磁鋳造装置では、上述の通りに、インゴット３の側面間で鋳肌の温度差を正確に把握できないため、連続鋳造中に、インゴット３の曲がりが発生し得る状態であっても、その状態を認識することが困難であり、操業を中止するなどの適切な措置を取ることができない。
【００１９】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、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、インゴットの曲がりが発生し得る状態を早期に認識することができ、さらにインゴットの横断面内で結晶の均一性を十分に確保す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】
【００２０】
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）および（ｂ）に示す知見を得た。
【００２１】
（ａ）冷却ルツボの直下において、インゴットの側面間で鋳肌の温度差を正確に把握するには、インゴットの四側面全ての鋳肌温度を測定するのが有効である。しかし、その施策として、チャンバーの側壁に、インゴットの四側面のそれぞれに対向して監視窓を設け、各監視窓の外部に放射温度計を配設することは、装置の構造上の制約から困難である。
【００２２】
（ｂ）装置構造に制約されることなく、インゴットの四側面全ての鋳肌温度を測定するには、前記図３に示す従来の電磁鋳造装置のように、チャンバーの側壁に、インゴットの四側面のうちの互いに平行な二側面に対向して監視窓を設け、各監視窓の外部に放射温度計を配設する構成を採用し、その上で、監視窓に対向しないインゴットの二側面から放射される赤外線については、反射鏡により監視窓に向けて反射させるのが有効である。
【００２３】
本発明は、上記（ａ）および（ｂ）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四角筒状の無底冷却ルツボに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四角柱状の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、チャンバーの側壁に、無底冷却ルツボの直下におけるシリコンインゴットの四側面のうちの互いに平行な二側面に対向して監視窓が設けられ、各監視窓の外部に放射温度計が配設され、チャンバー内に、監視窓に対向しないシリコンインゴットの二側面から放射される赤外線を監視窓に向けて反射させる反射鏡が設けられており、放射温度計は、監視窓に対向するシリコンインゴットの側面から放射された赤外線を直接検出し、監視窓に対向しないシリコンインゴットの側面から放射され反射鏡で反射した赤外線を検出す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は、前記無底冷却ルツボの下方に前記シリコンインゴットを囲繞してアフターヒーターが配設され、このアフターヒーターの上端と前記無底冷却ルツボの下端との間に断熱材が充填されており、この断熱材に、前記シリコンインゴットの各側面から放射される赤外線をそれぞれ出射させる貫通口が形成されている構成とすることができる。この電磁鋳造装置の場合、前記貫通口は、前記シリコンインゴットの各側面の中心部および両側部にそれぞれ対向して形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置によれば、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、冷却ルツボの直下でインゴットの四側面のそれぞれから放射される赤外線を放射温度計によって検出し、四側面全ての鋳肌温度を測定することが可能になるため、インゴットの側面間で鋳肌の温度差が著しく、インゴットの曲がりが発生し得る状態である場合、その状態を早期に認識することができ、歩留りの極端な低下を引き起こす前に適切な措置を取ることができる。さらに、測定されたインゴットの四側面全ての鋳肌温度に基づいて、アフターヒーターによるインゴットの四側面ごとの徐冷制御を精緻に行うことが可能となり、その結果として、インゴットの横断面内で結晶の均一性を十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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り、同図（ａ）は要部の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の電磁鋳造装置の変形例を示す図であり、前記図１（ａ）のＡ−Ａ断面に相当する図である。
【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り、同図（ａ）は要部の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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り、同図（ａ）は要部の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図である。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。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、本発明の電磁鋳造装置は、インゴット３を間に挟むチャンバー１の両側壁に、透明なガラス板が嵌め込まれた監視窓１５がそれぞれ設置されるとともに、各監視窓１５の外部に放射温度計１６が配設されている。監視窓１５は、アフターヒーター９の上端と冷却ルツボ７の下端との間に相当する高さ位置に設けられ、インゴット３の四側面３ａ〜３ｄのうちの互いに平行な二側面３ａ、３ｂにそれぞれ対向して配置される。
【００３０】
アフターヒーター９の上端と冷却ルツボ７の下端との間には、断熱材１７が差し込まれて充填されている。この断熱材１７には、図１（ｂ）に示すように、インゴット３の各側面３ａ〜３ｄから放射される赤外線（図１中の点線矢印参照）を断熱材１７の外側に出射させるために、貫通口１８ａ、１８ｂが形成されている。図１（ｂ）では、インゴット３の各側面３ａ〜３ｄの中心部に対向する部分に貫通口１８ａが形成され、さらに各側面３ａ〜３ｄの両側部に対向する部分にも貫通口１８ｂが形成された例を示している。
【００３１】
また、チャンバー１内には、監視窓１５に対向しないインゴット３の二側面３ｃ、３ｄに対し、各々からの赤外線を出射させる断熱材１７の貫通口１８ａ、１８ｂの外側に、反射鏡１９が設けられている。各反射鏡１９は、監視窓１５に対向しないインゴット３の二側面３ｃ、３ｄから放射される赤外線を監視窓１５に向けて反射させる。
【００３２】
このような構成の電磁鋳造装置では、監視窓１５に対向するインゴット３の側面３ａ、３ｂから放射された赤外線は、貫通口１８ａ、１８ｂを通じて出射し、そのまま放射温度計１６によって検出することができ、これにより、その側面３ａ、３ｂの鋳肌温度を測定することが可能になる。さらに、監視窓１５に対向しないインゴット３の側面３ｃ、３ｄから放射された赤外線は、貫通口１８ａ、１８ｂを通じて出射した後、反射鏡１９により監視窓１５に向けて反射し、放射温度計１６によって検出することができ、これにより、その側面３ｃ、３ｄの鋳肌温度を測定することが可能になる。
【００３３】
その際、各赤外線の検出は、監視窓１５を水平方向に拡大し、赤外線ごとに放射温度計１６を個別に配設して行うことができる。放射温度計１６を水平方向に移動させる構成にすれば、各赤外線を検出する放射温度計１６を共用することもできる。
【００３４】
このように、本発明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、監視窓に対向するインゴット側面から放射された赤外線は、直接、放射温度計によって検出することができ、さらに監視窓に対向しないインゴット側面から放射された赤外線は、反射鏡により監視窓に向けて反射させた後に、放射温度計によって検出することができるため、冷却ルツボの直下において、インゴットの四側面全ての鋳肌温度を測定することが可能になる。このため、インゴットの側面間で鋳肌の温度差が生じた場合であっても、その温度差を正確に把握することができる。これにより、インゴットの側面間で鋳肌の温度差が著しく、インゴットの曲がりが発生し得る状態である場合、その状態を早期に認識することが可能となり、歩留りの極端な低下を引き起こす前に操業を中止するなどの適切な措置を取ることができる。
【００３５】
また、アフターヒーターによるインゴットの徐冷制御は、冷却ルツボの直下におけるインゴットの鋳肌温度と、アフターヒーター内の熱電対による計測温度とに基づいて行われるが、その際に、測定されたインゴットの四側面全ての鋳肌温度に基づくため、インゴットの四側面ごとに精緻な徐冷制御を行うことが可能となり、その結果として、インゴットの横断面内で結晶の均一性を十分に確保することができる。
【００３６】
特に、前記図１に示す電磁鋳造装置では、インゴットの各側面の鋳肌温度を中央部および両側部の３箇所ずつで測定していることから、測定精度が向上する。ただし、下記の図２に示すように、構成を変形しても構わない。
【００３７】
図２は、本発明の電磁鋳造装置の変形例を示す図であり、前記図１（ａ）のＡ−Ａ断面に相当する図である。同図に示すように、アフターヒーターの上端と冷却ルツボの下端との間に充填された断熱材１７には、インゴット３の各側面３ａ〜３ｄの中心部に対向する部分のみに貫通口１８ａが形成されても構わない。冷却ルツボの直下において、インゴット３の四側面３ａ〜３ｄ全ての鋳肌温度を測定できることに変わりはないからである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置によれば、電磁鋳造法による連続鋳造の際、冷却ルツボの直下でインゴットの四側面全ての鋳肌温度を測定することが可能になるため、インゴット側面間の鋳肌の温度差に起因してインゴットの曲がりが発生し得る状態である場合、その状態を早期に認識することができ、歩留りの極端な低下を引き起こす前に適切な措置を取ることができる。さらに、測定されたインゴットの四側面全ての鋳肌温度に基づいて、アフターヒーターによるインゴットの四側面ごとの徐冷制御を精緻に行うことが可能となり、その結果として、インゴットの横断面内で結晶の均一性を十分に確保することができる。したがって、本発明の電磁鋳造装置は、高品質のインゴットを歩留りの低下がなく製造できる点で有用である。
【符号の説明】
【００３９】
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、
３ａ〜３ｄ：インゴットの側面、    ５：不活性ガス導入口、
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、    １５：監視窓、
１６：放射温度計、    １７：断熱材、    １８ａ、１８ｂ：貫通口、
１９：反射鏡
【図１】
2012051024.tif 000003
【図２】
2012051024.tif 000004
【図３】
2012051024.tif 000005