JP2012036056A - シリコンの電磁鋳造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマアークによるプラズマ加熱を併用して、太陽電池の基板材としての高品質の多結晶シリコンインゴットを製造するに際し、最終凝固位置においてクラックを生じさせずに安定して製造することができるシリコンの電磁鋳造装置を提供する。
【解決手段】無底冷却モールド１と、加熱用誘導コイル２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シリコンの電磁鋳造装置であって、さらに、移行式プラズマアークを発生させるプラズマトーチを有し、かつ、溶融シリコン４表面に対向可能に構成された、前記誘導コイルによる電磁誘導によって発熱するトップヒーター３を備える電磁鋳造装置。トップヒーターが２個以上に分割されたものであれば、最終凝固時に、溶融シリコンの表面全体を高温に維持し、全体が高品質のインゴットを得ることができるので望ましい。
【選択図】図５

Description

本発明は、電磁誘導による連続鋳造技術を適用してシリコンインゴットを製造するシリコンの電磁鋳造装置に関し、特に、プラズマアークによるプラズマ加熱を併用して、太陽電池の基板材として用いられる多結晶シリコンを安定して製造することができるシリコンの電磁鋳造装置に関する。

周方向に分割された無底の冷却モールドが取り付けられた電磁誘導による連続鋳造装置（以下、「電磁鋳造装置」という）を使用すれば、溶解された物質（ここでは、溶融シリコン）とモールドとはほとんど接触しないので、不純物汚染のない鋳塊（シリコンインゴット）を製造することができる。モールドからの汚染がないので、モールド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下が可能である。したがって、電磁鋳造装置は、従来から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きた。

図６は、多結晶シリコンの製造に好適な電磁鋳造装置の構成例を模式的に示す図である。同図に示すように、加熱用誘導コイル２の内側に、内部を水冷できる縦方向に長い銅製の板状片が、誘導コイル２の巻き軸方向と平行に、かつ誘導コイル２内では相互に絶縁された状態で配列されており、この板状片によって囲まれた空間がモールド（すなわち、側壁部が水冷されている無底の冷却モールド）１を構成する。冷却モールド１には、通常、板状片を銅片とした水冷銅モールドが用いられる。

加熱用誘導コイル２の下端位置（すなわち、冷却モールド１の底部に相当する位置）には下方に移動できる支持台７が設置されている。また、加熱用誘導コイル２の下側には、凝固した鋳塊（シリコンインゴット）８を加熱して、急激な冷却を防ぐための保温装置５が設置されており、保温装置５の下側には、均熱筒９が取り付けられている。シリコンインゴット８は引抜き装置（図示せず）により下方に引き抜かれる。

冷却モールド１の上方には、溶解中に原料をモールド１内に投入できる原料投入機１０が設置されている。さらに、この例では、モールド１の上方に、必要に応じて原料シリコンを加熱するための発熱体１１が取り付けられている。発熱体１１としてプラズマトーチを配置し、必要に応じてプラズマアークによる加熱を行うのが望ましい。

これらの諸装置は、溶融シリコン４および高温のシリコンインゴット８が大気と直接触れることがないように、密閉容器６内に設置され、通常は、容器６内を不活性ガスで置換して、若干の加圧状態で連続鋳造が行えるように構成されている。

多結晶シリコンの製造に際しては、モールド１にシリコン原料を充填し、加熱用誘導コイル２に高周波誘導電流を通じると、原料は発熱し、溶解する。モールド１内の溶融シリコン４は、誘導電流により板状片と反発し、モールド１の側壁とは接触しない。溶融シリコン４が十分均一化した後、支持台７を少しずつ下方に移動させていけば、誘導コイル２から離れることにより冷却が始まり、モールド１内の溶融シリコン４に向けての一方向性凝固が進行してモールド断面と同じ形状の断面を有するシリコンインゴット８が形成される。

支持台７の下方への移動分に対応して溶融シリコン４の量が減少するので、その分の原料シリコンを原料投入機１０から供給し、溶融シリコン４の上面が常に同じ高さレベルを保つようにして、加熱溶解、引き抜き、原料供給を継続していくことにより、多結晶シリコンインゴット８を連続して製造することができる。

この電磁鋳造装置を用いて製造される多結晶シリコンの品質、特に太陽電池の基板として用いたときの変換効率（入射した光のエネルギーに対し、電気エネルギーに変換して取り出すことができるエネルギーの割合）を高めるために、従来から多くの技術開発がなされている。

例えば、特許文献１には、誘導コイルに供給される交流電流の周波数を２５〜３５ｋＨｚとする多結晶シリコンの鋳造方法が開示されている。同文献に記載の鋳造方法によれば、交流電流の周波数を上昇させることにより、溶融シリコンに表皮効果を生じさせて表面の電流密度を高め、それに伴いインゴットの表面温度を高温に維持して表面からの冷却による凝固開始を遅らせ、インゴット表面におけるチル層（結晶粒径が小さく、結晶欠陥が多いため、半導体特性が良くない）の成長を抑制することができる。さらに、コイル電流を低くできるので、溶融シリコンに作用する電磁撹拌力を低減させて溶融シリコンの撹拌を抑制でき、その結果、粒径の大きな結晶の成長を促進させて、太陽電池としての変換効率を高めることができるとしている。

特許文献２には、誘導コイルによる電磁誘導加熱と移行式プラズマアークによるプラズマ加熱を併用して太陽電池としての品質を向上させたシリコン連続鋳造方法が開示されている。同文献に記載の鋳造方法によれば、鋳造途中の原料溶解にプラズマ加熱を併用することにより電磁誘導加熱の負担を軽減でき、電磁力による溶融シリコンの熱対流が抑制され、下方への熱流速が抑制されることにより、固液界面が平坦化される。その結果、凝固直後のシリコン鋳塊の半径方向の温度勾配が低減し、結晶内部に発生する熱応力が緩和され、太陽電池の変換効率を悪化させる結晶欠陥の発生が抑制されるとしている。

このような電磁誘導による鋳造方法によれば、太陽電池の基板として用いたときの変換効率の高い多結晶シリコンインゴットを製造することが可能である。しかしながら、実際の操業では、鋳造を終了する最終凝固の際に、モールド内の溶融シリコンの上面から凝固が始まり、中心部の溶融シリコンは最後に凝固することとなる。その結果、当該凝固した部分の体積膨張によりインゴットの最終凝固部位に割れ（クラック）が発生し、その部分を使用不能部分として切除しなければならないため、歩留りが低下する。

この問題の解決法として、特許文献３では、鋳造を終了する際に、誘導コイルによる電磁誘導を受けて自己発熱する発熱体を無底るつぼ内に残るシリコン融液に上方から対向させ、シリコン融液の上面からの凝固を防ぎつつ、シリコン融液の凝固を終了するシリコンの連続鋳造方法が提案されている。同文献に記載の鋳造方法によれば、残融液凝固部分のクラック発生を防ぐことができ、この部分に他の部分と変わらない結晶方向性を与えて、鋳塊（インゴット）の全体にわたって高品質を付与することができ、シリコン鋳塊の製造歩留り向上に大きな効果を発揮するとしている。

しかし、この特許文献３に記載されるシリコンの連続鋳造方法は、シリコン原料の溶解を、プラズマアークによるプラズマ加熱やその他の加熱方式を併用せず、電磁誘導加熱のみにより行う方法であり、プラズマ加熱を補助熱源として用いる電磁鋳造への適用については確認を要する。

また、特許文献３に記載の連続鋳造方法では、その実施例に記載されるように、製造されたインゴットの寸法が８５ｍｍ角および１１７ｍｍ角であり、例えば、一辺の長さが３００ｍｍ以上の大型のインゴットを製造する場合に支障なく適用し得るか否かも不明である。

特開２００８−１７４３９７号公報 特開２００１−１９５９３号公報 特開平４−２８５０９５号公報

本発明は、前掲の特許文献１または２に開示される鋳造方法を適用し、プラズマアークによるプラズマ加熱を併用して、太陽電池の基板材として用いられる高品質の多結晶シリコンインゴットを製造するに際し、一辺の長さが３００ｍｍ以上の大型のインゴットを製造する場合であっても、最終凝固位置においてクラックを生じさせずに安定して製造することができるシリコンの電磁鋳造装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するために、本発明者らは、断面形状が３４５ｍｍ×３４５ｍｍまたは３４５ｍｍ×５０５ｍｍの水冷銅モールドが設置された、電磁誘導加熱とプラズマ加熱を併用することができる電磁鋳造装置を使用して多結晶シリコンの連続鋳造を行った。その際、鋳造を終了する最終の原料供給後の凝固工程で、プラズマの使用を終了した後に、加熱用誘導コイルによる電磁誘導によって発熱する発熱体を使用して、上方から保温しながら最終凝固を行った。なお、本明細書では、モールドの上方に取り付けられている加熱装置を発熱体と称しているので（前記図１参照）、最終の凝固工程でプラズマ終了後に使用する発熱体を、以下、「トップヒーター」と記す。

前記鋳造の結果、インゴット全体にわたって高品質の多結晶シリコンが得られたが、インゴットの最終凝固部位に、凝固による体積膨張に起因するとみられるクラックが発生する場合もあることが判明した。クラックが発生するのは、誘導コイルに供給される交流電流の周波数を２５〜３５ｋＨｚとした場合に多い。

この検討結果を踏まえ、トップヒーターを使用して溶融シリコンの最終凝固を行うときのトップヒーターの発熱状態と、それによる溶融シリコン表面における加熱状態を検討した。

図１は、溶融シリコンの最終凝固時におけるトップヒーターの配置位置を示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。同図に示すように、水冷銅モールド１の外周に加熱用誘導コイル２が配設され、誘導コイル２による電磁誘導によって自己発熱するトップヒーター３が、モールド１内の溶融シリコン４の直上で融液表面に対向して配置されている。トップヒーター３が溶融シリコン４の表面と向き合う面の形状は、溶融シリコン４の液面を広く覆うことができるように、モールド１の断面形状（この場合は、矩形）と相似する矩形である。なお、誘導コイル２の下側にはシリコンインゴットの急激な冷却を防ぐための保温装置５が設置されている。

図２は、トップヒーターにおける発熱状態を模式的に示す図で、（ａ）は加熱用誘導コイルに通電して加熱する前の状態を、（ｂ）は加熱後の状態を表す。同図の（ｂ）に示すように、トップヒーター３の外周に誘導電流が発生するので、トップヒーター３の外周（斜線を付した部分）が主に発熱し、溶融シリコン４の温度も外周部の近傍で最も高温になる。

図３は、前記図２に示した発熱状態のトップヒーターを使用した場合におけるモールド内の溶融シリコンの表面における加熱状態を説明する図である。同図に示すように、トップヒーター３の外周（斜線を付した部分）の直下およびその近傍（すなわち、溶融シリコン４の外周部近傍；符号ａを付した部分）で溶融シリコンの温度が高くなり、溶融シリコン４の外周部よりも内側（中心部近傍の上面；符号ｂを付した部分）では温度が低くなる。

溶融シリコンの凝固は温度の低い部分から始まるので、溶融シリコン４の中心部近傍の上面（符号ｂを付した部分）から凝固が始まり、その下方に残存する溶融シリコン（特にその中心部）が最後に凝固することとなる。その結果、当該最後に凝固した部分の体積膨張によりインゴットの最終凝固部位にクラックが発生する。

前記鋳造の際に、インゴットの最終凝固部位にクラックが発生した場合は、溶融シリコンの表面における加熱状態が図３に示した状態にあったものと考えられる。

そこで、本発明者らは、トップヒーターの発熱する外周部分が増えてその熱がシリコンの中心部近傍にも及ぶように、３分割したトップヒーターを使用することを試みた。そのときのトップヒーターの発熱状態と、それによる溶融シリコン表面における加熱状態は、後述する図４、図５に示すが、溶融シリコン表面の中心部近傍で温度が低くならず、溶融シリコンの表面全体が高温となる。そして、実際に鋳造を行ったところ、クラックの発生は認められず、良好な結果が得られた。

本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、下記のシリコンの電磁鋳造装置を要旨とする。
すなわち、軸方向の一部が周方向で複数に分割された導電性の無底冷却モールドと、このモールド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シリコンの電磁鋳造装置であって、さらに、加熱源として、前記冷却モールドの上方に昇降可能に設置された、移行式プラズマアークを発生させるためのプラズマトーチを有し、かつ、前記冷却モールド内の溶融シリコン表面に対向可能に構成された、前記誘導コイルによる電磁誘導によって発熱するトップヒーターを備えることを特徴とする電磁鋳造装置である。
ここで、「溶融シリコン表面に対向可能」とは、溶融シリコン表面とトップヒーター（溶融シリコン表面と対向するトップヒーターの下面を指す）とが、例えば３０〜１００ｍｍ程度の近距離で向き合うことができることを意味する。

本発明のシリコンの電磁鋳造装置において、前記トップヒーターが、プラズマトーチに吊り下げられる構造を有するものであれば、トップヒーターの移動、昇降を、簡素な設備および操作で比較的容易に行うことができるので望ましい。

本発明のシリコンの電磁鋳造装置において、前記トップヒーターが２個以上に分割されたものであれば、最終凝固時に、溶融シリコンの表面全体の温度を高めて、高品質の多結晶シリコンを得ることができるので望ましい。

本発明のシリコンの電磁鋳造装置において、前記誘導コイルに通電される交流電流の周波数が２５〜３５ｋＨｚであれば、特に太陽電池としての変換効率の高い高品質の多結晶シリコンが得られる。

本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、冷却モールドとして一辺の長さが３００ｍｍ以上の方形のモールドが使用された場合であっても、インゴットの最終凝固部位にクラックを発生させず、安定して高品質の多結晶シリコンを製造することができる。

本発明のシリコンの電磁鋳造装置は、プラズマアークによるプラズマ加熱を併用して、多結晶シリコンインゴットを製造する装置であり、最終凝固時に、溶融シリコン表面を加熱するトップヒーターを備えている。この装置を使用すれば、最終凝固位置においてクラックを生じさせずに、太陽電池の基板材として用いられる高品質の多結晶シリコンインゴットを製造することができる。
大型のインゴットを製造する場合であっても、安定して製造することが可能であり、インゴットの製造歩留りを向上させることができる。

溶融シリコンの最終凝固時におけるトップヒーターの配置位置を示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 トップヒーターにおける発熱状態を模式的に示す図で、（ａ）は加熱用誘導コイルに通電して加熱する前の状態を、（ｂ）は加熱後の状態を表す。 図２に示した発熱状態のトップヒーターを使用した場合のモールド内の溶融シリコンの表面における加熱状態を説明する図である。 本発明の電磁鋳造方法で用いる分割したトップヒーターにおける発熱状態を模式的に示す図で、（ａ）は加熱用誘導コイルに通電して加熱する前の状態を、（ｂ）は加熱後の状態を表す。 図４に示した発熱状態のトップヒーターを使用した場合のモールド内の溶融シリコンの表面における加熱状態を説明する図である。 多結晶シリコンの製造に好適な電磁鋳造装置の構成例を模式的に示す図である。

本発明のシリコンの電磁鋳造装置は、軸方向の一部が周方向で複数に分割された導電性の無底冷却モールドと、このモールドを取り囲む誘導コイルを有する電磁鋳造装置であることを前提としている。

このような電磁鋳造装置を前提とするのは、太陽電池の基板材として用いられる多結晶シリコンを製造するに際し、モールド内で、溶融シリコンとモールドとをほとんど接触させずに鋳造を行い、モールドからの金属汚染がなく、変換効率を良好に維持できるシリコンインゴットを製造することができるからである。モールドの材質として高純度材料を使用する必要がなく、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も可能である。

本発明の電磁鋳造装置の特徴は、さらに、加熱源として、前記冷却モールドの上方に昇降可能に設置された、移行式プラズマアークを発生させるためのプラズマトーチを有し、かつ、前記誘導コイルによる電磁誘導によって発熱するトップヒーターを備えることにある。トップヒーターは冷却モールド内の溶融シリコン表面に対向可能に構成されている。

本発明の電磁鋳造装置が移行式プラズマアークを発生させるプラズマトーチを有することとするのは、前掲の特許文献２にも記載されているように、電磁力による溶融シリコンの熱対流を抑制して、太陽電池としての品質（特に、変換効率）を向上させた多結晶シリコンを製造するためである。移行式プラズマアークを発生させるプラズマトーチは、従来使用されているものを用いればよい。

また、トップヒーターを備えることとするのは、鋳造を終了する最終の原料供給後の凝固工程で、上方から溶融シリコン表面を保温しながら最終凝固を行わせ、インゴットの最終凝固部位におけるクラックの発生を防止して、インゴット全体にわたって高品質の多結晶シリコンを得るためである。そのための熱源として、モールドの外周に設置されている誘導コイルによる電磁誘導によってトップヒーターを発熱させ、これを利用する。

トップヒーターが冷却モールド内の溶融シリコン表面に対向可能に構成されていることと規定するのは、誘導コイルによる電磁誘導によって発熱させ、かつ、その熱を溶融シリコン表面に近距離から放射させてモールド内の溶融シリコン表面を保温するためである。トップヒーターが溶融シリコン表面から遠いと、電磁誘導を受けにくいため十分に発熱せず、輻射熱の減衰も大きい。

前記溶融シリコン表面に対向可能にする構成は、特定の方式に限定されない。モールドの上方には、プラズマトーチが設置されているので、トップヒーターをモールドの上方に配置しておき、必要時に降下させる方式を採用するわけにはゆかないが、例えば、別に設けたトップヒーターの待機位置から、水平移動と昇降移動を組み合わせて前記溶融シリコン表面と対向する位置まで移動させる方式であれば、採用可能と考えられる。しかしその場合は、モールド上方におけるプラズマトーチの昇降機構やトップヒーターの水平、昇降移動機器の配置、およびプラズマトーチとトップヒーターの入れ替え操作等が煩雑にならざるを得ない。

そこで、本発明者らは、プラズマトーチを保持するとともに昇降させるプラズマトーチの昇降機構を利用する方式を採用することとした。すなわち、前記トップヒーターが、プラズマトーチに吊り下げられる構造を有するものであれば、トップヒーターをプラズマトーチに吊り下げ、プラズマトーチの昇降機構により降下させて、トップヒーターを冷却モールド内の溶融シリコン表面に対向させることが可能になる。

より具体的には、例えば、プラズマトーチの適切な箇所にフックを取り付けておき、トップヒーターにはフックに引っ掛ける治具を取り付けてトップヒーターを吊り下げられる構造（トップヒーターの発熱部がプラズマトーチの下端よりも下方に位置する構造）とし、側方のトップヒーター待機位置から旋回可能なアームにトップヒーターを吊り下げ、アームを旋回してトップヒーターをプラズマトーチ昇降機のフックに吊り下げる方式が採用できる。この方式によれば、プラズマトーチ昇降機構をトップヒーターの昇降に共用することができ、プラズマトーチとトップヒーターの移動、昇降を、簡素な設備および操作で比較的容易に行うことができる。また、凝固したインゴットの下方への移動に伴う溶融シリコン液面位置の降下に追随してップヒーターを降下させることも十分可能である。

その場合、トップヒーター吊り下げ用の固定部品を炭素繊維材で構成することにより、当該固定部品と発電体本体の放電を回避して固定部品の寿命を延長させることができる。

トップヒーターとしては、誘導電流により発熱する程度の抵抗があること、高耐熱で、熱変形に耐えられること等が必要であり、黒鉛などの他、モリブデン等の金属も使用可能である。しかし、金属はインゴットを汚染して太陽電池としての変換効率を低下させるので、カーボンのソリッド材（緻密な炭素質の材料）が望ましい。また、炭素繊維材もトップヒーターの素材として好適である。

トップヒーターが溶融シリコンの表面と向き合う面の形状は、モールドの断面形状（通常は、正方形または矩形）より若干小さい相似形とするのがよい。溶融シリコンの液面全体を覆うことができるようにするためである。その場合、トップヒーターの角部は、曲率半径Ｒが１０ｍｍ以上となるようにするのが望ましい。角部における割れや欠けの発生を抑えるためである。

トップヒーターが溶融シリコンの表面と向き合う面の溶融シリコン表面に対する面積比（占有面積比）は、６０〜７０％とするのが望ましい。電磁誘導により発熱したトップヒーター外周からの輻射熱は一定の拡がりをもって溶融シリコンの表面に達するので、占有面積比が６０〜７０％であれば、溶融シリコンの全面を十分高温にすることができる。

本発明のシリコンの電磁鋳造装置において、前記トップヒーターが２個以上に分割されたものとするのが望ましい。

図４は、本発明の電磁鋳造方法で用いる分割したトップヒーターにおける発熱状態を模式的に示す図で、（ａ）は加熱用誘導コイルに通電して加熱する前の状態を、（ｂ）は加熱後の状態を表す。図４に示した例はトップヒーターを３個に分割した場合で、同図の（ｂ）に示すように、分割したそれぞれのトップヒーター３の外周に誘導電流が発生するので、各トップヒーター３の外周（斜線を付した部分）が主に発熱する。その結果、溶融シリコン４の温度は、外周部近傍だけではなく、外周部より内側でも高温になる。

図５は、図４に示した発熱状態のトップヒーターを使用した場合におけるモールド内の溶融シリコンの表面における加熱状態を説明する図である。同図に示すように、分割したそれぞれのトップヒーター３の外周（斜線を付した部分）の直下およびその近傍の溶融シリコン４の温度が高くなるので、モールド１内の溶融シリコン４の表面全体（符号ａを付した部分）で高温となる。その結果、凝固が下方から上方へと一方向に進行するので、高品質の多結晶シリコンを得ることができる。

トップヒーターの分割を２個以上とするのは、分割数が最小の２個であっても、分割したそれぞれのトップヒーターの外周に誘導電流が発生して各トップヒーターの外周が発熱し、その熱が溶融シリコンの中心部近傍にも及び、中心部近傍が高温となって、一方向凝固が起こりやすくなるからである。

トップヒーターの分割数の上限は特に定めない。モールドの大きさが限られており、設備構成上の制約等から上限は自ずと定まるからである。溶融シリコンの表面全体を高温状態にするという観点からは多い方が有利であり、望ましいが、４分割を超えると、トップヒーター自体の構成が複雑になり、設備費も嵩むので得策ではない。また、分割による効果にも上限があると推測される。なお、分割されたトップヒーターの各部の寸法は、同一であっても、異なっていてもよい。

本発明のシリコンの電磁鋳造装置において、前記誘導コイルに通電される交流電流の周波数が２５〜３５ｋＨｚであれば、前掲の特許文献１に記載されるように、特に太陽電池としての変換効率の高い高品質の多結晶シリコンが得られるので望ましい。誘導コイルに供給される交流電流の周波数は、従来は１０ｋＨｚ程度であったが、交流電流の周波数を上昇させることにより、溶融シリコン表面の電流密度を高め、インゴットの表面温度を高温に維持してインゴット表面におけるチル層（結晶粒径が小さく、結晶欠陥が多い）の成長を抑制することができるからである。

この場合、最終の凝固工程において、前記の分割されたトップヒーターを使用すれば、溶融シリコンの表面全体を高温に維持し易く、安定した鋳造が行える。

また、本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、冷却モールドとして一辺の長さが３００ｍｍ以上の大型の方形モールドが使用された場合であっても、インゴットの最終凝固部位にクラックを発生させず、安定して高品質の多結晶シリコンインゴットを製造することができる。

トップヒーターは、外周部のみが発熱するため、大型の方形モールドを使用した場合、溶融シリコンの表面全体を高温に維持するのは困難である。しかし、特に前記の分割されたトップヒーターを使用すれば、分割されたそれぞれのトップヒーターの外周が発熱し、その熱が溶融シリコンの中心部近傍にも及ぶこととなるので、溶融シリコンの表面全体の高温維持が可能となる。

本発明のシリコンの電磁鋳造装置を使用してシリコンインゴットを製造するに際しては、基本的には通常の操業方法に準ずるが、鋳造を終了する最終の凝固工程で、プラズマの使用を終了した後に、トップヒーターを溶融シリコン表面に対向させ、誘導コイルによる電磁誘導によって発熱させて、上方から溶融シリコン表面を保温しながら最終凝固を行えばよい。

以上説明したように、本発明のシリコンの電磁鋳造装置を使用すれば、プラズマアークによるプラズマ加熱を併用して、多結晶シリコンインゴットを製造するに際し、最終凝固位置においてクラックを生じさせずに、太陽電池の基板材として用いられる高品質の多結晶シリコンインゴットを製造することができる。
大型のインゴットを製造する場合であっても、安定して製造することが可能であり、インゴットの製造歩留りを向上させることができる。

移行式プラズマアークを発生させるためのプラズマトーチを有し、かつ、前記図４および図５に要部の概略構成を示したトップヒーターを備える本発明の電磁鋳造装置を使用して、断面寸法が３４５ｍｍ×３４５ｍｍ、または３４５ｍｍ×５０５ｍｍで、長さがそれぞれ４ｍのシリコンインゴットを製造し、インゴットの最終凝固部におけるクラックの発生の有無を調査した。なお、比較のために、トップヒーターを取り付けずに鋳造を行った場合についても、同様の調査を実施した。

使用したトップヒーターは、炭素質で、分割しないもの、２分割したもの、または３分割したものを使用した。なお、使用したトップヒーターの溶融シリコン表面に対する占有面積比は、いずれも前述の望ましい面積比（６０〜７０％）を満たすものとした。また、誘導コイルに通電される交流電流の周波数は３０ｋＨｚ、または１２ｋＨｚとした。

調査結果を表１に示す。表１において、インゴットの最終凝固部におけるクラック発生率は、クラック発生の有無を肉眼観察により調査し、調査対象インゴット数に対するクラック発生インゴット数の比（百分率）で示した。なお、表１の試験Ｎｏ．４、８および１２が、トップヒーターを取り付けずに最終凝固を終了した比較例である。

表１の試験Ｎｏ．１〜４、試験Ｎｏ．５〜８および試験Ｎｏ．９〜１２の各グループ別にみると、いずれのグループにおいても、トップヒーターなしの場合は例外なくクラックが発生した。これに対し、トップヒーターを使用することにより、分割の有無には関係なくクラック発生率が低減し、トップヒーターを２分割、さらには３分割することにより、クラック発生率がより一層低下していることが表１から明らかである。

試験Ｎｏ．１〜４のグループと試験Ｎｏ．５〜８のグループの違いはインゴットの寸法であるが、インゴットの断面積が大きい試験Ｎｏ．１〜４のグループでは、試験Ｎｏ．５〜８のグループに比べてトップヒーターからの輻射熱が溶融シリコンの全面（特に、中心部近傍）に到達しにくく、トップヒーターを３分割して漸くクラック発生率が０％になった。

試験Ｎｏ．５〜８のグループと試験Ｎｏ．９〜１２のグループの違いは誘導コイルに供給する電流の周波数であるが、当該周波数が３０ｋＨｚの試験Ｎｏ．５〜８のグループでは、試験Ｎｏ．９〜１２のグループに比べて、分割しないトップヒーターを使用した場合のクラック発生率に大きな差が生じた。これは、周波数を上昇させたことにより、誘導電流がトップヒーターの表層のみに発生し、溶融シリコン表面の、特に中心部近傍の温度を十分に高められなかったことによるものと考えられる。

本発明のシリコンの電磁鋳造装置によれば、プラズマアークによるプラズマ加熱を併用して、多結晶シリコンインゴットを製造するに際し、最終凝固位置においてクラックを生じさせずに、太陽電池の基板材として用いられる高品質の多結晶シリコンインゴットを安定して製造することができる。
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、自然エネルギー利用技術の進展に大きく寄与することができる。

１：モールド、 ２：加熱用誘導コイル、 ３：トップヒーター、
４：溶融シリコン、 ５：保温装置、 ６：密閉容器、
７：支持台、 ８：鋳塊（シリコンインゴット）、 ９：均熱筒、
１０：原料投入機、 １１：発熱体

Claims (5)

1. 軸方向の一部が周方向で複数に分割された導電性の無底冷却モールドと、このモールド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シリコンの電磁鋳造装置であって、
   さらに、加熱源として、前記冷却モールドの上方に昇降可能に設置された、移行式プラズマアークを発生させるためのプラズマトーチを有し、
   かつ、前記冷却モールド内の溶融シリコン表面に対向可能に構成された、前記誘導コイルによる電磁誘導によって発熱するトップヒーターを備えることを特徴とするシリコンの電磁鋳造装置。
2. 前記トップヒーターが、プラズマトーチに吊り下げられる構造を有することを特徴とする請求項１に記載のシリコンの電磁鋳造装置。
3. 前記トップヒーターが２個以上に分割されていることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコンの電磁鋳造装置。
4. 前記誘導コイルに通電される交流電流の周波数が、２５〜３５ｋＨｚであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコンの電磁鋳造装置。
5. 前記冷却モールドが、一辺の長さが３００ｍｍ以上の方形のモールドであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のシリコンの電磁鋳造装置。

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