(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを連続的に鋳造するシリコン鋳造装置から引き出されるシリコン鋳塊を、回転式のダイヤモンドカッタにより鋳塊温度が２５０〜６５０℃の範囲で乾式切断することを特徴とするシリコン鋳塊切断方法。
【請求項２】
回転式のダイヤモンドカッタは、外周面に周方向に所定の間隔で形成された切り込み及び／又は外周面近傍に周方向に所定の間隔で形成された開口部を有することを特徴とする請求項１に記載のシリコン鋳塊切断方法。
【請求項３】
回転式のダイヤモンドカッタの外周部に、冷却液を噴霧又は塗布により供給することを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン鋳塊切断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池基板等の製造に使用されるシリコン鋳塊の切断方法、特に、シリコンを連続的に鋳造するシリコン鋳造装置から引き出されるシリコン鋳塊の切断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池基板には、シリコン鋳塊から定型の薄板に切り出されたシリコンウエーハが使用されている。ここにおけるシリコン鋳塊は、多結晶シリコンの方向性凝固鋳塊であり、その製造は、例えば電磁鋳造と呼ばれる連続的な鋳造方法により行われる。
【０００３】
シリコンの電磁鋳造は、軸方向の少なくとも一部で周方向に分割された筒状の導電性無底ルツボを使用し、無底ルツボの外側に配置された誘導コイルにより、無底ルツボ内の原料シリコンを溶解し、その融液を凝固させながら無底ルツボの下方へ引き出すことにより、シリコン鋳塊を連続的に製造する。この鋳造方法は、シリコン鋳塊を連続的に製造することができるので、鋳造コストを安価に抑えることができる上に、無底ルツボ内のシリコン融液をルツボ内面に対して反発させることができ、無底ルツボからの融液の汚染を低位に抑制できるので、高い鋳塊品質を確保できるという特徴がある。
【０００４】
本出願人は、このシリコンの電磁鋳造に早くから着目し、既に、これによるシリコン鋳塊の量産を開始しており、その過程で新しい技術を数多く提案している（特許第２６３０４１７号公報、同２６５７２４０号、同２６６０２２５号等）。そして、提案された技術の一つとして、チャンバ内で連続的に製造されるシリコン鋳塊を、チャンバ下部の非接触シールを備えた引き出し口からチャンバの下方へ引き出し、チャンバの下方で回転式のダイヤモンドカッタによって切断するものがある（特許第２６６０２２５号）。この技術は、鋳造を長時間継続する上で不可欠のものであり、量産化を図る上で果たした役割は非常に大きい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チャンバから引き出されるシリコン鋳塊は、通常の金属材料と比べて非常に硬く、しかも、チャンバ直下で数１００℃と高温である。このような高温・高硬度のシリコン鋳塊を支障なく切断できる技術は、出願人の知る限り存在しなかった。このため、従来は鋳塊温度が常温近くまで低下した段階、即ちチャンバのかなり下方でダイヤモンドカッタによる切断を行っていた。
【０００６】
即ち、シリコン鋳塊のような高硬度の材料を切断する方法としては、レーザ等を用いた加熱溶解切断と、回転式のダイヤモンドカッタによる切削切断があるが、溶解切断は急速加熱による熱歪み（割れ）を発生させるため、シリコン鋳塊の切断には適用できない。このため、シリコン鋳塊の切断には、回転式のダイヤモンドカッタによる切削しか適用が困難である。
【０００７】
回転式のダイヤモンドカッタは、円形のベース板の外周部にダイヤモンドの粉末を接着固定したものであり、これを回転させながら材料に切り込むが、材料との摩擦による熱が発生し、この発熱を放置すると、早期にダイヤモンドが剥離又は磨滅して使用不能になったり、ベース板が歪んだりする。このため、ダイヤモンドカッタによる切断では、切断部に多量の水や油などの冷却・潤滑媒体を吹き付けながら切断を行う、いわゆる湿式切断が採用される。
【０００８】
しかし、チャンバから出た直後のシリコン鋳塊は、前述したとおり高温である。このような高温のシリコン鋳塊に湿式切断を行うと、媒体の気化放熱の影響で高温鋳塊が局部的に急冷され、熱歪みによる割れや残留応力が発生する。このため、鋳塊温度が常温近くまで低下した段階、即ちチャンバのかなり下方で回転式のダイヤモンドカッタによる湿式切断を行っていた。
【０００９】
鋳造速度が遅い場合は、鋳塊温度が常温近くまで低下する間に鋳塊が下降する距離は小さく、設備高さ等に大きな影響を与えないが、最近は様々な工夫により鋳塊速度が大きく増大しており、これに伴い、ダイヤモンドカッタはチャンバの数１０ｍ下方へ位置させねばならず、この切断位置低下による設備高さの増大等が非常に大きな問題になってきた。
【００１０】
本発明の目的は、シリコンを連続的に鋳造するシリコン鋳造装置から引き出される高温のシリコン鋳塊を、鋳造装置直下で支障なく切断できるシリコン鋳塊切断方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、高温のシリコン鋳塊を切断する方法を開発するべく、回転式のダイヤモンドカッタを用いた種々の切断実験を繰り返した。その結果、鋳塊温度が６５０℃までであれば、切断部に水や油などの潤滑冷却媒体を直接供給しない乾式切断によって、シリコン鋳塊が支障なく切断され、しかも、比較的長いカッタ寿命が確保されることを知見した。また、カッタの外周部に切り込みや開口部を設けたり、その外周部に水や油を少量供給したりすることにより、鋳塊に悪影響を及ぼすことなく、カッタ寿命が一層延長されることを、合わせて知見した。
【００１２】
本発明のシリコン鋳塊切断方法は、かかる知見に基づいて開発されたものであり、シリコンを連続的に鋳造するシリコン鋳造装置から引き出されるシリコン鋳塊を、回転式のダイヤモンドカッタにより鋳塊温度が２５０〜６５０℃の範囲で乾式切断するものである。
【００１３】
回転式のダイヤモンドカッタは、カッタ冷却手段により刃部の冷却を促進する構成が好ましい。カッタ冷却手段としては、外周面に周方向に所定の間隔で形成された切り込み及び／又は外周面近傍に周方向に所定の間隔で形成された開口部がある。また、ダイヤモンドカッタの外周部に、潤滑冷却液を噴霧又は塗布により少量供給するのも効果的なカッタ冷却手段であり、切り込みや開口部との併用が特に好ましい。
【００１４】
本発明のシリコン鋳塊切断方法では、乾式切断を採用し、切断部に潤滑冷却液が直接供給されないため、鋳塊温度が２５０℃以上であるにもかかわらず、局部的な急冷による熱歪み（割れや残留応力）の発生が防止される。また、鋳塊温度が６５０℃以下（好ましくは６００℃以下）に制限されているため、乾式切断であるにもかかわらず、ダイヤモンドの剥離又は磨滅が抑制され、比較的長いカッタ寿命が確保される。これらにより、シリコン鋳造装置直下で高温のシリコン鋳塊が支障なく切断される。
【００１５】
ただし、切断時の鋳塊温度が６５０℃を超えると、ダイヤモンドの炭化のため、カッタ寿命が極端に悪化する。また、６５０℃を超える高温で鋳塊に機械的衝撃を与えると、鋳塊が割れる危険性が高い。更に、このような高温で鋳塊を鋳造装置外へ引き出すと、熱衝撃による割れの危険性もある。一方、切断時の鋳塊温度が２５０℃未満の場合は、鋳造装置から切断位置までの距離が長くなり、設備高さの増加が問題になる。ちなみに、シリコン鋳塊の製造でその鋳塊を２５０℃未満にするには加熱をしない状態でも２５時間程度は必要であり、鋳造速度が２ｍｍ／分の場合は鋳造装置から切断位置までの距離が３ｍ以上になる。
【００１６】
ダイヤモンドカッタの外周面に切り込みを設けたり、外周面近傍に開口部を設けた場合は、空気の攪拌が促進されると共に、放熱面積が増大することにより、ダイヤモンド刃部の冷却が促進され、カッタ寿命が一層延びる。同様に、ダイヤモンドカッタの外周部に、冷却液を噴霧又は塗布により供給した場合も、供給液の気化によりダイヤモンド刃部の冷却が促進され、カッタ寿命が一層延びる。また、その気化によって供給液がカッタから除去され、切断部への液供給が回避されため、鋳塊の局部的な急冷が防止される。そして、切り込みや開口部を設けたカッタの外周部へ液供給を行った場合は、カッタ寿命が特に効果的に延長される。
【００１７】
シリコン鋳造装置は、実質的に際限なく鋳造を継続する装置だけでなく、所定長の鋳塊を連続製造する半連続的な装置も含む。原料加熱は、前述した電磁加熱に限らず、プラズマ加熱等も可能であり、これらの併用も可能である。鋳造装置から引き出されるシリコン鋳塊の切断は、鋳塊が下降している状態で行うことも、下降を一時的に停止した状態で行うことも可能である。下降を一時的に停止した状態で切断を行う場合、鋳造部では、例えば加熱を制限して原料供給を一時的に停止する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示すシリコン鋳造設備の構成図、図２はダイヤモンドカッタの平面図、図３は図２のＡ−Ａ線矢示図である。
【００１９】
図１に示すように、シリコン鋳造設備は、シリコン鋳塊１０を連続的に製造するシリコン鋳造装置２０と、シリコン鋳造装置２０の下方に設けられた鋳塊切断装置３０とを備えている。
【００２０】
シリコン鋳造装置２０は、連続鋳造部及び鋳塊保温部を収容するチャンバ２１を備えている。チャンバ２１内には、誘導コイル２２と組み合わされた角筒状の無底ルツボ２３が設けられている。無底ルツボ２３の下方には、角筒状の第１保温炉２４が設けられ、更にその下には、角筒状の第２保温炉２５が設けられている。
【００２１】
無底ルツボ２３は水冷式の銅製であり、誘導コイル２２と共同してシリコン鋳塊１０を連続的に製造する。この製造のために、無底ルツボ２３は上端部を残して周方向に複数に分割されている。また、無底ルツボ２３内には、チャンバ２１の上方に設けられた原料ホッパ２７からダクト２８を介してシリコン原料が投入される。その投入原料の加熱のために、無底ルツボ２３内には上方からプラズマトーチ２６が挿入されている。
【００２２】
無底ルツボ２３の下に続けて配置された第１保温炉２４は誘導加熱式、その下の第２保温炉２５は温度傾斜型であり、これらは、無底ルツボ２３から引き出されるシリコン鋳塊１０に軸方向で所定の温度勾配を付与する。第２保温炉２５から出たシリコン鋳塊１０は、非接触式又は軟接触式のシールを備えた出口からチャンバ２１の下方に引き出され、鋳片切断装置３０へ送られる。
【００２３】
鋳塊切断装置３０は、チャンバ２１の下方に配置された回転式のダイヤモンドカッタ３１と、その上下に配置された複数のクランプ機構３２，３２・・とを備えており、ダイヤモンドカッタ３１の配置位置は、チャンバ２１の下方に引き出されるシリコン鋳塊１０が２５０〜６５０℃の温度範囲で切断されるように設定されている。
【００２４】
鋳塊切断装置３０のダイヤモンドカッタ３１は、図２及び図３に示すように、所定速度で回転駆動される水平な円形のベース板３１ａと、ベース板３１ａの外周部に、ダイヤモンドの粉末を接着固定して形成された刃部３１ｂとを有している。ダイヤモンドカッタ３１の冷却手段として、その外周面には、多数の切り込み３１ｃ，３１ｃ・・が周方向に所定の間隔で設けられている。またダイヤモンドカッタ３１の外周面近傍には、切り込み３１ｃ，３１ｃ・・とは別に或いは切り込み３１ｃ，３１ｃ・・と共に、多数の円形開口部３１ｄ，３１ｄ・・が周方向に所定の間隔で設けられている。
【００２５】
このダイヤモンドカッタ３１は、所定速度で回転しながら、チャンバ２１の下方に引き出されるシリコン鋳塊１０に直角に切り込まれることにより、シリコン鋳塊１０を定位置で乾式切断する。ダイヤモンドカッタ３１の近傍には、ダイヤモンドカッタ３１の刃部３１ａに水等の冷却液を少量供給するために、冷却液の噴霧機構３３が冷却手段として設けられている。
【００２６】
複数のクランプ機構３２，３２・・は、複数本の支柱３４，３４・・に固定されており、チャンバ２１の下方に引き出されるシリコン鋳塊１０を、その切断時に切断部の上下で固定する。切断時以外は、クランプ機構３２，３２・・はシリコン鋳塊１０を解放し、その下降を許容する。
【００２７】
次に、上記のシリコン鋳造設備を用いてシリコン鋳塊１０を製造する方法について説明する。
【００２８】
チャンバ２１内を所定の不活性ガス雰囲気（常圧）に保持する。無底ルツボ２３の底をダミー鋳塊により閉じた状態で、無底ルツボ２３内に初期原料を投入し、誘導コイル２２とプラズマトーチ２６により溶解し、原料融液１１を形成する。無底ルツボ２３内に原料投入を続けながら、無底ルツボ２３内の原料融液１１を下降させて凝固させる。これにより、無底ルツボ２３からシリコン鋳塊１０が連続的に引き出される。
【００２９】
無底ルツボ２３から引き出されるシリコン鋳塊１０は、第１保温炉２４内及び第２保温炉２５内を通過し、その過程で軸方向で所定の温度勾配を付与された後、チャンバ２１の下方に引き出される。鋳塊温度は保温炉の下方に引き出された時点で例えば６００〜８００℃程度である。
【００３０】
チャンバ２１の下方に引き出されたシリコン鋳塊１０は、鋳塊切断装置３０を通過し、その下方に成長を続ける。ダイヤモンドカッタ３１の下方に所定長のシリコン鋳塊１０が製造されると、シリコン鋳塊１０の下降を一時停止し、鋳塊切断装置３０によりシリコン鋳塊１０の切断を行う。一時停止中は、無底ルツボ２３内への原料投入を停止すると共に、無底ルツボ２３内の投入原料に対する加熱を制限する。
【００３１】
鋳塊切断装置３０によるシリコン鋳塊１０の切断では、複数のクランプ機構３２，３２・・によりシリコン鋳塊１０が保持固定される。この状態で、シリコン鋳塊１０がダイヤモンドカッタ３１により、切断部への直接的な液供給なしに乾式切断される。切断中、ダイヤモンドカッタ３１の刃部３１ｂには、水等の冷却液が噴霧機構３３により噴霧されるが、その噴霧量は、乾式切断が阻害されないよう、散布液が散布と同時に気化して切断部に殆ど供給されない程度の少量とされる。
【００３２】
切断が終わると、切断されたシリコン鋳塊１０を取り出し、鋳造を再開して、再度、ダイヤモンドカッタ３１の下方に所定長のシリコン鋳塊１０を製造する。これを繰り返すことにより、シリコン鋳塊１０が連続的に製造される。
【００３３】
また切断では、切断部への直接的な液供給がない乾式切断が用いられているため、切断時点の鋳塊温度が２５０℃以上であるにもかかわらず、局部的な急冷による熱歪み（割れや残留応力）の発生が防止される。また、切断時点の鋳塊温度が６５０℃以下に制限されているため、乾式切断であるにもかかわらず、ダイヤモンドの剥離又は磨滅が抑制され、比較的長いカッタ寿命が確保される。このような高温での鋳塊切断により、チャンバ２１からダイヤモンドカッタ３１までの距離が低減され、設備高さが抑制される。
【００３４】
【実施例】
次に、本発明の実施結果を示し、比較例と対比させることにより、本発明の  効果を明らかにする。
【００３５】
図１の形態でシリコン鋳造装置２０から下方に引き出されるシリコン鋳塊１０を鋳塊切断装置３０により８００ｍｍずつ切断するに当たり、切断時点の鋳塊温度（保温炉下端からダイヤモンドカッタ３１までの距離）を種々変更した。また、ダイヤモンドカッタ３１の冷却手段を種々変更した。
【００３６】
シリコン鋳造装置の全高は約８ｍである。シリコン鋳造装置で製造されるシリコン鋳塊は太陽電池用であり、鋳造寸法は１６０ｍｍ角、鋳造速度は０．５〜１０ｍｍ／分である。シリコン鋳造装置から引き出されたシリコン鋳塊の熱衝撃による割れを防止するために、チャンバからの引き出し温度は、一部の比較例を除き６５０℃とした。使用したダイヤモンドカッタは、直径５５０ｍｍ×厚さ２ｍｍのベース板の外周部に、粒径が５０μｍ程度のダイヤモンド粉を均等に塗布し固定剤で固定したものであり、回転数は２５４０ｒｐｍ、切り込み速度は５０ｍｍ／分とした。
【００３７】
切断時点の鋳塊温度がカッタ寿命及び保温炉下端からカッタまでの距離に及ぼす影響について調査した結果を表１に示す。カッタ寿命はシリコン鋳塊の面積で表されており、鋳塊の断面積は０．０２５６ｍ2 （０．１６ｍ×０．１６ｍ）であるから、例えばカッタ寿命が１ｍ2 は３９回の鋳塊切断が可能であったことを表す。
【００３８】
表１から分かるように、切断時点の鋳塊温度が７００℃の場合は、カッタ寿命が極端に悪化する。また、チャンバ外で７００℃で切断を行うため、チャンバからの引き出し温度を６５０℃より上げたため、引き出されたシリコン鋳塊の熱衝撃による割れが発生する場合があった。これに対し、切断時点の鋳塊温度を６５０℃以下に制限することにより、１枚のカッタで数十回を超える切断が可能になり、６００℃以下では約２００回以上の切断が可能になる。カッタ冷却手段として、その外周部に切り込みを設けたり水を噴霧したりすることによりカッタ寿命は更に延び、両者を併用することにより、カッタ寿命はカッタ冷却手段のない場合と比べ１．５倍に達する。一方、切断時点の鋳塊温度が２００℃未満の場合は、カッタ寿命は問題ないものの、保温炉下端からカッタまでの距離の増大による設備高さが問題になる。なお、切り込みは、幅５ｍｍ×深さ２５ｍｍのものを３０ｍｍピッチで設けた。
【００３９】
【表１】
0004085521.tif 000002
【００４０】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明のシリコン鋳塊切断方法は、シリコンを連続的に鋳造するシリコン鋳造装置から引き出されるシリコン鋳塊を支障なく高温で切断することにより、鋳造速度が速い場合も、シリコン鋳造装置から切断位置までの距離を抑え、設備高さの低減及びこれによる設備コストの低減、メンテナンスの簡略化等に大きな効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すシリコン鋳造設備の構成図である。
【図２】ダイヤモンドカッタの一例を示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線矢示図である。
【符号の説明】
１０  シリコン鋳塊
２０  シリコン鋳造装置
２１  チャンバ
２２  誘導コイル
２３  無底ルツボ
２４，２５  保温炉
３０  鋳塊切断装置
３１  ダイヤモンドカッタ
３２  クランプ機構
３３  噴霧機構
【図１】
0004085521.tif 000003
【図２】
0004085521.tif 000004
【図３】
0004085521.tif 000005