(57)【要約】【課題】シリコン原料の初期溶解時において溶融シリコンの差し込みを発生させることなく、多結晶シリコンインゴットの円滑な引き下げを可能とする多結晶シリコンの連続鋳造方法および連続鋳造装置を提供する。【解決手段】シリコン原料の初期溶解時に、無底冷却ルツボ内のダミーブロックと前記無底冷却ルツボ側壁とで形成される隙間に不燃性部材を装入する。前記不燃性部材を石英ウールとすれば、不燃性部材による溶融シリコン中への汚染を最小限にすることができる。この方法は、前記ダミーブロックと前記無底ルツボとで形成される隙間に、不燃性部材が装入されていることを特徴とする本発明の多結晶シリコンの連続鋳造装置により容易に実施することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導コイル内に、軸方向の少なくとも一部が周方向に複数分割された導電性の無底冷却ルツボを設置し、前記無底冷却ルツボ内でシリコン原料を電磁誘導により溶解し、得られた溶融シリコンを下方に引き下げ凝固させる多結晶シリコンの製造方法において、
前記無底冷却ルツボ内にダミーブロックを装入し、前記ダミーブロックの上面に装入したシリコン原料を前記ダミーブロックの電磁誘導により溶融可能な温度まで上昇させる初期溶解の際に、前記ダミーブロックと前記無底冷却ルツボとで形成される隙間に不燃性部材を装入することを特徴とする多結晶シリコンの連続鋳造方法。
【請求項２】
前記不燃性部材が、石英ウールであることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコンの連続鋳造方法。
【請求項３】
前記石英ウールを、０．２〜０．６ｇ／ｃｍ3の密度となるように装入することを特徴とする請求項２記載の多結晶シリコンの連続鋳造方法。
【請求項４】
軸方向の少なくとも一部が周方向に複数分割された導電性の無底冷却ルツボと、前記無底冷却ルツボを取り囲む誘導コイルを有し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させる多結晶シリコンの電磁鋳造装置において、
前記無底冷却ルツボ内に配置され、シリコン原料の初期溶解に用いられるダミーブロックと、当該無底冷却ルツボとで形成される隙間に、不燃性部材が装入されていることを特徴とする多結晶シリコンの連続鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁誘導による連続鋳造技術を適用して多結晶シリコンインゴットを製造する多結晶シリコンの連続鋳造方法および連続鋳造装置に関し、さらに詳しくは、シリコン原料の初期溶解時において溶融シリコンの差し込みを発生させることなく、多結晶シリコンインゴットの円滑な引き下げを可能とする多結晶シリコンの連続鋳造方法および連続鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘導による連続鋳造法（以下、「電磁鋳造法」という）によれば、例えば溶融シリコンと周方向に分割された導電性の無底冷却ルツボとはほとんど接触しないことから、不純物汚染のない鋳塊（インゴット）を製造できる。無底冷却ルツボからの汚染がないので、無底冷却ルツボの材質として高純度材料を使用する必要がないという利点もあり、また、連続して鋳造することができるので、製造コストの大幅な低減が可能である。これらのことから、電磁鋳造法は、太陽電池の基板材として用いられる多結晶シリコンの製造に適用されている。
【０００３】
この電磁鋳造法では、高周波誘導コイルの内側に、周方向に相互に電気的に絶縁され、かつ、内部が水冷された無底の冷却ルツボが用いられる。この無底冷却ルツボの構造は、短冊状に並べられた電気伝導性と熱伝導性のよい材料（通常は銅）により構成され、円筒状、角筒状の構造にすることができる。また、無底冷却ルツボの下部には、下方に移動可能な、多結晶シリコンインゴットを支持する支持台が設けられる。
【０００４】
多結晶シリコンの電磁鋳造法において、高周波誘導コイルに交流電流を通じると、無底冷却ルツボを構成する、前記短冊状に並べられた各素片は、互いに電気的に分割されているので、各素片内で電流がループを作り、無底冷却ルツボの内壁側の電流が無底冷却ルツボ内に磁界を形成して、無底冷却ルツボ内のシリコンを加熱溶解することができる。無底冷却ルツボ内の溶融シリコンは、無底冷却ルツボ内壁の電流がつくる磁界と溶融シリコン表皮の電流の相互作用によって溶融シリコン表面の内側法線方向の力を受け、無底冷却ルツボと非接触の状態で溶解される。
【０００５】
このように無底冷却ルツボ内のシリコンを溶解させながら、溶融シリコンを下部で保持する支持台を下方へ移動させると、高周波誘導コイルの下端から遠ざかるにつれて誘導磁界が小さくなるために、発生電流が低下して発熱量が減少し、溶融シリコンの底部で凝固が生じ上方に向けて凝固が進行する。
【０００６】
無底冷却ルツボの下部に設けられた支持台を下方へ移動させるのにともない、無底冷却ルツボの上方から原料を連続的に投入し、溶解および凝固を継続することにより、一方向に凝固させながら多結晶シリコンインゴットを連続鋳造することができる。多結晶シリコンインゴットを一方向凝固させることにより、結晶粒を大きく成長させ太陽電池基板の変換効率を改善させるとともに、凝固に伴う体積膨張による割れを防ぎ歩留の向上が図れる。
【０００７】
電磁鋳造の初期溶解において、シリコンの室温近くでの電気抵抗率が大きいため、初期投入されたシリコン原料のみでは誘導発熱は生じない。そのため、無底冷却ルツボ内のシリコン原料を、誘導発熱が可能な温度まで外部から加熱する必要がある。この場合、無底冷却ルツボ内のシリコン原料を外部から加熱する手段としては、通常、電磁誘導により自己発熱するグラファイト等からなるダミーブロックが用いられる。
【０００８】
初期溶解時に使用するダミーブロックについて、例えば、特許文献１に、電磁誘導による多結晶シリコンの連続鋳造において、ダミーブロック本体の上面に、溶融シリコンが凝固した後上方へ抜けないように凹部を設け、該凹部に流入し凝固したシリコンを取り出せるように、前記ダミーブロックを組立式としたシリコン鋳造方法が開示されている。この方法によれば、シリコン鋳塊とダミーブロックが凹部により結合されるので、安定な引抜きが可能であり、鋳造後に分割片およびダミー本体を抵抗なく鋳塊から分離でき、離型剤の剥がれも全くないとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２６６０４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
近年、コスト低減及び生産性の向上に対応して多結晶シリコンインゴットの鋳造サイズの大口径化が要望され、電磁鋳造法においても、従来の主流であった鋳造サイズ７０〜２２０ｍｍのものから鋳造サイズ３４５ｍｍまたは３５０ｍｍのものに移行されつつある。インゴットの鋳造サイズの大口径化は、無底冷却ルツボの内径を拡大させることになるが、これにともなってダミーブロックの外径も大きくする必要がある。
【００１１】
多結晶シリコンインゴットの大口径化にともない無底冷却ルツボの内径およびダミーブロックの外径を大きくした場合、ダミーブロックの外径を無底冷却ルツボの内径と同一とすると、熱膨張したダミーブロックが無底冷却ルツボに拘束され、溶融シリコンを凝固させるための引き下げが困難となる問題がある。
【００１２】
また、無底冷却ルツボの内径に対し、ダミーブロックの外径を熱膨張による影響を考慮して設計した場合、ダミーブロックのセット状態によってダミーブロックと無底冷却ルツボの間に隙間ができ、そこに溶融シリコンが入り込み凝固する現象が発生するおそれがある。この現象は差し込みと呼ばれ、前記差し込みが発生した場合に、シリコンの凝固膨張によりダミーブロックと無底冷却ルツボが拘束され、引き下げが困難となる問題や、無底冷却ルツボの損傷等の問題が発生する。
【００１３】
本発明は、このような状況に鑑みて完成されたものであり、多結晶シリコンインゴットの大口径化にともない、無底冷却ルツボの内径に対し、ダミーブロックの外径を熱膨張による影響を考慮して設計した場合に、シリコン原料の初期溶解時において溶融シリコンの差し込みを発生させることなく、多結晶シリコンインゴットの円滑な引き下げを可能とする多結晶シリコンの連続鋳造方法および連続鋳造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、シリコン原料の初期溶解時に、無底冷却ルツボ内のダミーブロックと前記無底冷却ルツボとで形成される隙間に不燃性部材を装入することにより、多結晶シリコンインゴットの鋳造サイズが大口径化する場合でも溶融シリコンの差し込みを発生させることなく、多結晶シリコンインゴットの円滑な引き下げを可能とすることを見出した。
【００１５】
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、下記の多結晶シリコンの連続鋳造方法および連続鋳造装置を要旨としている。
（１）誘導コイル内に、軸方向の少なくとも一部が周方向に複数分割された導電性の無底冷却ルツボを設置し、前記無底冷却ルツボ内でシリコン原料を電磁誘導により溶解し、得られた溶融シリコンを下方に引き下げ凝固させる多結晶シリコンの製造方法において、前記無底冷却ルツボ内にダミーブロックを装入し、前記ダミーブロックの上面に装入したシリコン原料を前記ダミーブロックの電磁誘導により溶融可能な温度まで上昇させる初期溶解の際に、前記ダミーブロックと前記無底冷却ルツボとで形成される隙間に不燃性部材を装入することを特徴とする多結晶シリコンの連続鋳造方法である。
（２）軸方向の少なくとも一部が周方向に複数分割された導電性の無底冷却ルツボと、前記無底冷却ルツボを取り囲む誘導コイルを有し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させる多結晶シリコンの電磁鋳造装置において、前記無底冷却ルツボ内に配置され、シリコン原料の初期溶解に用いられるダミーブロックと、当該無底冷却ルツボとで形成される隙間に、不燃性部材が装入されていることを特徴とする多結晶シリコンの連続鋳造装置である。
【００１６】
（３）上記（１）の多結晶シリコンの連続鋳造方法および（２）の多結晶シリコンの連続鋳造装置において、不燃性部材は石英ウールであることが望ましい。
【００１７】
（４）さらに、上記（３）の石英ウールを、０．２〜０．６ｇ／ｃｍ3の密度で装入することが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の多結晶シリコンの連続鋳造方法によれば、鋳造サイズが大口径化する場合であっても、シリコン原料の初期溶解時において溶融シリコンの差し込みを発生させることなく、多結晶シリコンインゴットの円滑な引き下げが可能となり、高品質の多結晶シリコンインゴットを低コストで製造することができる。本発明の装置を用いれば、上記の多結晶シリコンの連続鋳造方法を効果的に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】電磁鋳造の初期溶解時に不燃性部材を配置する、本発明の実施形態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の多結晶シリコンの連続鋳造方法は、シリコン原料を銅製の無底冷却ルツボに装入し、電磁誘導により溶融し、当該溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させることにより多結晶シリコンインゴットを連続的に鋳造するシリコンインゴットの連続鋳造を前提としている。
【００２１】
本発明の多結晶シリコンの連続鋳造方法は、シリコン原料の初期溶解において、無底冷却ルツボ内のダミーブロックと前記無底冷却ルツボとで形成される隙間に不燃性部材を装入することを特徴としている。
【００２２】
図１は、電磁鋳造の初期溶解時に不燃性部材を配置する、本発明の実施形態を示す縦断面である。図示するように、誘導コイル１内に無底冷却ルツボ２が設置され、無底冷却ルツボ２内下方に支持台３およびダミーシャフト４が設置され、ダミーブロック５は支持台３およびダミーシャフト４により支持される。図１では、ダミーブロック５は組立式のものを例示しているが、これに限られるものではない。また、無底冷却ルツボ２内のダミーブロック５と無底冷却ルツボ２とで形成される隙間に、ダミーブロック５を取り囲むように不燃性部材６が装入される。
【００２３】
シリコン原料の初期溶解に際し、ダミーブロック５の上面にシリコン原料７を入れ置き、誘導コイル１による電磁誘導によりダミーブロック５が加熱され、加熱されたダミーブロック５の熱により、シリコン原料７が誘導加熱可能となる温度まで加熱される。
【００２４】
不燃性部材６は、シリコン原料７の初期溶解時におけるダミーブロック５の熱膨張による力を受け水平方向に圧縮される。その結果、不燃性部材６はダミーブロック５の熱膨張による体積変化を吸収しつつ、無底冷却ルツボ２内のダミーブロック５と無底冷却ルツボ２とで形成される隙間を詰める役割を果たすこととなる。不燃性部材６が無底冷却ルツボ２内のダミーブロック５と無底冷却ルツボ２とで形成される隙間を詰めることにより、シリコン原料７の初期溶解時における溶融シリコンの差し込みを防ぐことができる。
【００２５】
シリコン原料７の初期溶解にともなって、溶融シリコンを凝固させた多結晶シリコンインゴットの引き下げが行なわれると、不燃性部材５はダミーブロック４と同時に引き下げられ、回収される。
【００２６】
本発明における不燃性部材とは、シリコン原料が溶融する温度（１４１０℃）において特性を保持する必要があり、例えば石英製、アルミナ製、アルミナシリカ製のものが挙げられる。
【００２７】
不燃性部材としては特に限定されないが、ダミーブロックの熱膨張による体積変化を吸収できるように、例えば繊維状であるような収縮性を備えたものが望ましい。さらに、不燃性部材が溶融シリコンと接触した際に、不燃性部材による溶融シリコン中への汚染を最小限にするため、不燃性部材は、例えば石英ウールのような不純物の少ないものが望ましい。
【００２８】
不燃性部材を装入する位置としては特に限定されないが、ダミーブロックの高さを上限として装入するのが望ましい。不燃性部材をダミーブロックの高さより上方に装入すると、溶融シリコン中に当該不燃性部材が混入してしまうおそれがあるためである。
【００２９】
不燃性部材を前記石英ウールとする場合は、０．２〜０．６ｇ／ｃｍ3の密度となるように装入するのが望ましい。０．２ｇ／ｃｍ3未満の場合には、溶融シリコンが石英ウールに浸潤し、差し込み防止の効果が得られないとの問題があり、０．６ｇ／ｃｍ3を超える場合には、隙間に石英ウールを装入する作業において不均一になりやすい問題や石英ウールの使用量増加による製造コスト悪化の問題が生じる。さらに望ましい範囲としては、０．３〜０．５ｇ／ｃｍ3である。
【００３０】
本発明において、加熱源としてプラズマトーチを有するものであってもよい。電磁誘導加熱とプラズマアーク加熱の併用により、電磁誘導加熱の負担を軽減し、シリコン原料溶解の効率化を図ることができるので望ましい。
【００３１】
ダミーブロックの材質は、誘導発熱する耐熱導電材であればよく、グラファイト等が好ましい。
【実施例】
【００３２】
本発明の効果を確認するため、前記図１に示す多結晶シリコンインゴットの連続鋳造装置を用い、シリコン原料の初期溶解時における溶融シリコンの差し込みの有無および溶融シリコンを凝固させるための引き下げの可否を評価した。
【００３３】
このとき、無底冷却ルツボの内径は３４５ｍｍ角とし、ダミーブロックの外径は、本発明例１では３４３ｍｍ角、本発明例２では３４１ｍｍ角とした。ダミーブロックはグラファイト製であり、不燃性部材には石英ウール（コバレントマテリアル社製、石英ウール）を用いた。この際、石英ウールを０．３９ｇ／ｃｍ3の密度となるように装入した。初期原料を溶解後、０．２ｍｍ／ｍｉｎの鋳造速度で支持台の下降を実施した。
【００３４】
比較として、石英ウールの装入をせず、ダミーブロックの外径を比較例１では３４５ｍｍ角、比較例２では３４３ｍｍ角、比較例３では３４１ｍｍ角とし、その他条件は本発明例と同様にした。
【００３５】
本発明例および比較例の各条件にて３回ずつ、シリコン原料の初期溶解および支持台の引き下げを実施した。その際のシリコン原料の初期溶解時における溶融シリコンの差し込みの有無および溶融シリコンを凝固させるための引き下げの可否を評価した。
【００３６】
評価結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
2013112564.tif 000003
【００３８】
表１に示すように、本発明例１および２では、溶融シリコンの差し込みを発生させることなく、多結晶シリコンインゴットの円滑な引き下げが可能であった。
【００３９】
一方、比較例１では、ダミーブロックの熱膨張のため、多結晶シリコンインゴットを全く引き下げることができなかった。比較例２では、多結晶シリコンインゴットの引き下げが困難であり、また、溶融シリコンの差し込みも認められた。比較例３では、多結晶シリコンインゴットの引き下げは可能であったが、溶融シリコンの差し込みが顕著にみられた。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の多結晶シリコンの連続鋳造方法によれば、多結晶シリコンインゴットの初期溶解時において溶融シリコンの差し込みを発生させることなく、多結晶シリコンインゴットの円滑な引き下げが可能となり、高品質の多結晶シリコンインゴットを低コストで製造することが可能となる。したがって、本発明は、太陽電池の製造分野において有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１：誘導コイル、  ２：無底冷却ルツボ、  ３：支持台、  
４：ダミーシャフト、  ５：ダミーブロック、  ６：不燃性部材、  
７：保温装置  
【図１】
2013112564.tif 000004