JP4497943B2

JP4497943B2 - シリコン鋳造用鋳型とそれを用いたシリコン鋳造装置

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Application number: JP2004021954A
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Inventors: 真弘土田
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Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2024-01-29
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Description

本発明は、太陽電池などを形成するのに好適に用いられる多結晶シリコンインゴットを鋳造するのに適したシリコン鋳造用鋳型と、それを用いたシリコン鋳造装置に関する。

太陽電池はクリーンな石油代替エネルギー源として小規模な家庭用から大規模な発電システムまでの広い分野でその実用化が期待されている。これらは使用原料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類され、なかでも現在市場に流通しているものの多くは結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型と多結晶型に分類されている。単結晶シリコン太陽電池は基板の品質が良いために変換効率の高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが高いという短所を有する。

これに対して多結晶シリコン太陽電池は従来から市場に流通してきたが、近年、環境問題への関心が高まる中でその需要は増加しており、より低コストで高い変換効率が求められている。こうした要求に対処するためには多結晶シリコン基板の低コスト化、高品質化が必要であり、高純度のシリコンインゴットを歩留良く製造することが求められている。

多結晶シリコン太陽電池に用いる多結晶シリコン基板は一般にキャスティング法と呼ばれる方法で製造される。このキャスティング法は、離型材を塗布した黒鉛などからなる鋳型内に高温で加熱溶解させたシリコン融液を注湯して鋳型底部より一方向凝固させたり、シリコン原料を鋳型内に入れて一旦溶解した後、再び底部より一方向凝固させたりして、シリコンインゴットを形成する方法である。このシリコンインゴットの端部を除去し、所望の大きさに切断して切り出し、切り出したシリコンインゴットを所望の厚みにスライスして太陽電池を形成するための多結晶シリコン基板を得る。

このような多結晶シリコンインゴットを作製するための一般的なシリコン鋳造装置を図３に示す。

上部には原料シリコン３０を溶融するための溶解坩堝３１が保持坩堝３２に保持されて配置され、溶解坩堝３１と保持坩堝３２の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口３３が設けられる。また、溶解坩堝３１、保持坩堝３２の上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段３４、側部加熱手段３５が配置され、溶解坩堝３１、保持坩堝３２の下部にはシリコン融液２４が注ぎ込まれる鋳型２１が配置され、その外側に鋳型断熱材２３が設けられる。さらに、鋳型２１の下部には冷却手段２９が設けられ、鋳型２１の上部にはシリコン融液２４の凝固を制御するための鋳型加熱手段８が配置される。

例えば高純度石英などからなる溶解坩堝３１内に入れられたシリコン原料は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどからなる、上部および側部の上部加熱手段３４、側部加熱手段３５によって加熱溶融され、シリコン融液となって底部の出湯口３３から下部にある鋳型２１内に注湯される。

このような鋳型２１としては、通常、分割可能である黒鉛からなる鋳型の内表面に離型材を被覆したものや、一体構造であるシリカからなる鋳型の内表面に離型材を被覆したものが用いられる。一般的に離型材層２２としてはシリコンの窒化物である窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、シリコンの炭化物である炭化珪素（ＳｉＣ）、シリコンの酸化物である二酸化珪素（ＳｉＯ_２）等の粉末が用いられ、これらの粉末を適当なバインダーと溶剤とから構成される溶液中に混合して攪拌してスラリーとし、鋳型内壁に被覆もしくはスプレー等の手段でコーティングすることが公知の技術として知られている（例えば、非特許文献１参照）。

鋳型断熱材２３はシリコン融液をおさめた鋳型２１からの抜熱を抑制するものであり耐熱性、断熱性などを考慮して主成分としてカーボンを含む材質のものが用いられる。鋳型加熱手段２８は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどが用いられる。鋳型２１の側壁部をグラファイト質成形体などからなる鋳型断熱材２３で覆い、冷却手段２９によって鋳型２１内に注湯されたシリコン融液２４を下部から冷却することによって、鋳型１の上方からシリコン融液を加熱するだけで、シリコン融液を下部から上部へ向けて一方向凝固させて、多結晶シリコンインゴットを得ることができる（例えば、特許文献１参照）。なお、これらはすべて真空容器（図示せず）内に配置される。
特開平９−２６３４８９号公報 15th Photovoltaic Specialists Conf. (1981), P576〜P580, "A NEW DIRECTIONAL SOLIDIFICATION TECHNIQUE FOR POLYCRYSTALLINE SOLAR GRADE SILICON"

ところが、窒化珪素などからなる離型材層２２を黒鉛製鋳型やシリカ製鋳型の内表面に被覆してシリコンを鋳造するような場合、シリコン融液表面２５より上部に当たる部分では、上部に位置する鋳型加熱手段２８により鋳型内表面の離型材層２２が加熱された状態になる。毛細管現象によりシリコン融液２４がしみ上がり濡れた部分の融液が加熱された場合、融液の表面張力が減少し濡れ性が増加するため、しみ上がり部分が大きくなる。

その結果、鋳型の上端縁部２６とシリコン融液のしみ上がり部分が接触し、脱型する際、シリコンと鋳型の熱膨張係数の違いから、シリコンインゴットの割れが生じる問題があった。

この問題を解決するため、従来は、シリコン融液がしみ上がっても鋳型の上端縁部２６と接触しないように、例えば、シリコン融液の位置より鋳型の高さを充分に高くする、またはシリコン融液の投入量を減らすなどの手法が取られていた。また、鋳型加熱手段２８から鋳型２１の内表面に設けた離型材層２２への加熱を減らしたり防止したりする工夫などもなされており、装置の大型化や鋳型のコストアップ、または生産性の低下という問題が生じていた。

また、黒鉛製鋳型の場合、再利用することが望ましいが、黒鉛製鋳型にシリコン融液がしみこむため、鋳型２１の熱伝導性が変化する等の理由から再利用できなくなる問題が生じていた。

本発明は、このような従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、離型材層を鋳型内面に被覆したシリコン鋳造用鋳型を用いて、シリコンを鋳造する際に、上部から加熱されたシリコン融液が離型材層をしみ上がっても、シリコン融液と鋳型とが接触することなく、シリコンインゴットの割れを防止することができる、低コストで高い生産性を有するシリコン鋳造用鋳型およびシリコン鋳造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかるシリコン鋳造用の鋳型は、上方に向かって開口した開口部と鋳型内表面とを有するシリコン鋳造用の鋳型であって、前記鋳型内表面に被覆された内表面離型材層と、前記内表面離型材層と連続して、前記開口部の上端縁に被覆された開口部離型材層とを備え、前記内表面離型材層および前記開口部離型材層は、いずれも窒化珪素と二酸化珪素とを含み、前記内表面離型材層は、窒化珪素粉末と二酸化珪素粉末を重量比率にして６０：４０で混合したものを用い、前記開口部離型材層は、窒化珪素粉末と二酸化珪素粉末を重量比率にして１０：９０〜５０：５０で混合したものを用いた、ことを特徴とする。

本発明にかかるシリコン鋳造装置は、上記シリコン鋳造用鋳型と、前記シリコン鋳造用鋳型の上方に配設された鋳型加熱手段と、前記シリコン鋳造用鋳型の外周を囲繞して配設された鋳型断熱材と、前記シリコン鋳造用鋳型をその上部に配置してなる冷却手段と、を備えている。

以上のように本発明においては、上方に向かって開口した開口部を有する鋳型であって、鋳型内表面に被覆された内表面離型材層と、この内表面離型材層と連続して、前記開口部の上端縁に被覆された開口部離型材層とを備えていることから、鋳型の内表面を被覆している内表面離型材層が外部から加熱されて、毛細管現象によりシリコン融液がしみ上がり濡れた状態になっても、この内表面離型材層と連続した状態で鋳型の上端縁部に開口部離型材層が被覆されているために、シリコン融液と鋳型が接触することを抑制できる。その結果、シリコン融液を凝固して製造されたシリコンインゴットが割れることなく脱型することができる。さらに、黒鉛製鋳型を使用する場合には、シリコン融液と鋳型との接触により黒鉛製鋳型が再利用できなくなるという問題を抑制することができる。

さらに、鋳型の上端縁部とシリコン融液とが接触することがないようにするため、シリコン融液の位置より鋳型の高さを充分に高くする、またはシリコン融液の投入量を減らしたりする必要がなくなり、低コストで良好な生産性を得ることができる。

また、上端縁部に被覆する開口部離型材層は、窒化珪素と二酸化珪素とを含み、前記窒化珪素は、その重量比率が二酸化珪素の重量比率よりも小さくすることで、開口部離型材層とシリコン融液との濡れ性をより小さくすることができ、シリコン融液のしみ上がりによる浸透を有効に抑制し、また離型材層と鋳型との融着をも防ぐことができる。

また、本発明のシリコン鋳造用鋳型は、その主成分をシリカとする材料、あるいは炭素繊維強化黒鉛材料からなる場合、本発明の構成を有する離型材層を被覆することによって、その発明の効果を顕著に奏するものとなる。

そして、上述の本発明のシリコン鋳造用鋳型と、このシリコン鋳造用鋳型の上方に配設された鋳型加熱手段と、このシリコン鋳造用鋳型の外周を囲繞して配設された鋳型断熱材と、このシリコン鋳造用鋳型をその上部に配置してなる冷却手段とを備えた、シリコン鋳造装置は、シリコンを鋳造する際に、鋳型加熱手段によって上部から加熱されたシリコン融液が離型材層をしみ上がっても、シリコン融液と鋳型とが接触することなく、シリコンインゴットの割れを防止することができる。したがって、このシリコン鋳造装置は、加熱条件に対するマージンを広くすることができ、シリコンインゴットを最適に一方向凝固することができる。

以下、各請求項にかかる発明を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明にかかるシリコン鋳造装置の一実施形態の断面模式図である。シリコン融液４が注ぎ込まれる本発明にかかる鋳型１は、その外周を囲繞するように鋳型断熱材３が配設されている。さらに、鋳型１の下部には冷却手段９が設けられ、鋳型１の上部にはシリコン融液４の凝固を制御するための鋳型加熱手段８が配置される。

図１の実施形態は、鋳型１に外部から溶融したシリコン融液を注湯する方式の鋳造装置である。鋳型１の上部には原料シリコン１０を溶融するための溶解坩堝１１が保持坩堝１２に保持されて配置され、溶解坩堝１１と保持坩堝１２の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口１３が設けられる。また、溶解坩堝１１、保持坩堝１２の上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段１４、側部加熱手段１５が配置された構成となっている。

次に、このシリコン鋳造装置を用いたシリコンインゴットの製造方法について説明する。まず、本発明の構成を有する鋳型１を７０〜９０Ｔｏｒｒに減圧したアルゴン（Ａｒ）雰囲気中に置き、鋳型１をシリコン融液４と同程度か若干低い温度で加熱しておく。ここで、例えば高純度石英などからなる溶解坩堝１１内に入れられたシリコン原料は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイル等からなる上部および側部の上部加熱手段１４、側部加熱手段１５によって加熱溶融され、シリコン融液となって底部の出湯口１３から下部にある鋳型１内に注湯される。しかる後、冷却手段９によって鋳型１の底部から徐々に降温させてシリコン融液４を鋳型の底部から徐々に凝固させる。最後に鋳型１を分割してシリコンのインゴットを取り出すことにより完成する。

図２は、本発明にかかるシリコン鋳造用鋳型の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面構造図である。

鋳型１は、上方に向かって開口した開口部を備え、その内部にシリコン融液４を保持・凝固させることができるようになっている。この鋳型１は、黒鉛、シリカ部材、炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）などから成り、鋳型の底部を構成する一つの底部材１ａと、鋳型の側部を構成する４つの側部材１ｂを組み合わせた分割、組み立て可能な分割鋳型等で構成される。

なお、底部材１ａと側部材１ｂは、ボルト（不図示）などで固定することによって分割可能に組み立てられたり、底部材１ａと側部材１ｂが丁度嵌まる枠部材（不図示）で固定されたりして分割可能に組み立てられる。

鋳型１の内表面には、内表面離型材層２が被覆されている。このような内表面離型材層２によって、鋳型１の内部のシリコン融液４を凝固した後に鋳型１の内壁とシリコンインゴットとが融着することがなく、底部材１ａや側部材１ｂを何回も繰り返して使用することができる。このような内表面離型材層２としては、例えば、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の粉体をポリビニルアルコール水溶液で混ぜ合わせて鋳型１の内面に塗布・乾燥して被覆する。窒化珪素をポリビニルアルコール水溶液などで混合することによって、粉体である窒化珪素がスラリー状となり、黒鉛製の鋳型１に塗布しやすくなる。

窒化珪素の粉体としては、０．４〜０．６μｍ程度の平均粒径を有するものが用いられ、このような窒化珪素と濃度が５〜１５重量％程度のポリビニルアルコール水溶液に混合してスラリー状とし、へらや刷毛などで鋳型１の内表面に被覆する。通常、粉体とポリビニルアルコールなどの有機バインダー水溶液を混合してスラリー状にした内表面離型材層２を被覆するような場合、その後の加熱で有機バインダーの熱分解性生成物がシリコン融液中に混入することを防止するために脱脂処理が行われ、自然乾燥または、ホットプレートに載せて乾燥させて脱脂処理した後、鋳型１内にシリコン融液４を注湯する。

鋳型１の内表面への内表面離型材層２の塗布は、窒化珪素と二酸化珪素の粉体を混合したものを、塗布することも可能である。また、スラリーを塗布するだけではなく、プラズマ溶射機を用いて直接、内表面離型材層２を設けても良い。

なお、塗布の方法としては、刷毛、へらなどを用いたり、スプレー法などを用いたりすることが可能であるが、生産性の観点から、一度の塗布で塗布厚を確保できる刷毛を用いることが望ましい。さらに乾燥方法としては、ホットプレート、オーブンなどの従来周知の方法を用いることができる。

従来の課題でも述べたように、シリコン融液４を一方向凝固させるため、シリコン融液表面５より上部に当たる部分では、上部に位置する鋳型加熱手段８により鋳型内表面の内表面離型材層２が加熱された状態になる。毛細管現象によりシリコン融液４がしみ上がり濡れた部分の融液が加熱された場合、融液の表面張力が減少し濡れ性が増加するため、しみ上がり部分が大きくなる。その結果、従来では、鋳型１の上端縁部６とシリコン融液のしみ上がり部分が接触し、脱型する際、シリコンと鋳型材料との熱膨張係数の違いから、シリコンインゴットの割れが生じる結果となっていた。そこで、本発明のシリコン鋳造用鋳型では、図１、図２（ｂ）に示すように、鋳型１の内表面に設けられた内表面離型材層２と連続して、上端縁部６に開口部離型材層７が被覆されるように構成することによって、この問題を解決した。

すなわち、鋳型加熱手段８により鋳型１の内表面を被覆している内表面離型材層２が加熱された状態になり、シリコン融液４がしみ上がり濡れた状態になっても、内表面離型材層２と連続して、鋳型１の上端縁部６が開口部離型材層７で被覆されているために、シリコン融液４と鋳型１とが接触することを抑制し、シリコンインゴットが割れることなく脱型することができる。さらに、黒鉛製鋳型を使用する場合には、シリコン融液と鋳型との接触により黒鉛製鋳型が再利用できなくなるという問題が生じることはない。

シリコン融液の密度は約２．５５ｇ／ｃｍ^３、シリコンインゴットの密度は約２．３３ｇ／ｃｍ^３であり、液体から固体へ移行するときに約９％の体積膨張が生じるため、鋳型の高さは、凝固開始前のシリコン融液表面５に約９％の体積膨張としみ上がり領域を加えた高さが最低限必要になる。通常、内表面離型材層２、温度のバラツキによる濡れ性の違いが生じるために安全を見てさらに鋳型を高くする必要があった。しかし、上端縁部６を開口部離型材層７で被覆することで、シリコン融液４と鋳型１との接触を避けられるために、鋳型の高さを必要以上に高くする、またはシリコン融液の投入量を減らす必要がなくなる。その結果、鋳型のコストを下げたり、または生産性を向上させたりすることが可能となる。

また、鋳型の上端縁部６に被覆する開口部離型材層７は、窒化珪素と二酸化珪素とを含み、窒化珪素の重量比率が二酸化珪素の重量比率よりも小さくなるようにすることが望ましい。二酸化珪素は窒化珪素よりもシリコン融液４との濡れ性が小さいので、このような構成の離型材を開口部離型材層７に適用することによって、内表面離型材層２を上端縁部６までしみ上がってきたシリコン融液を有効に抑制し、開口部離型材層７と鋳型１との融着を防ぐことができる。

窒化珪素の重量比率が二酸化珪素よりも大きくなると、鋳型１の上端縁部６を被覆する開口部離型材層７の濡れ性が大きくなるため、内表面離型材層２を上端縁部６までしみ上がったシリコン融液が、開口部離型材層７に対してもしみこむ恐れがあり、鋳型外面と接触して、シリコンインゴットの割れや鋳型の再利用不可となる可能性が生じる。

なお、二酸化珪素の重量比率の上限は、９０％とすることが望ましい。これ以上の重量比率とした場合、特に黒鉛製の鋳型を用いた場合に二酸化シリコンは黒鉛と付着性がよく、また二酸化シリコンとシリコンインゴットとも付着性がよいために、鋳型１が開口部離型材層７を介してシリコンインゴットに付着し、脱型するときにシリコンインゴットの一部に欠けが発生する可能性が生ずるからである。

開口部離型材層７についても基本的な形成方法についても、内表面離型材層２と同様である。ここでは、窒化珪素と二酸化珪素とを含む離型材層を形成する場合について説明する。

原料となる窒化珪素の粉体としては、０．４〜０．６μｍ程度の平均粒径を有するものが用いられ、二酸化珪素の粉体としては、２０μｍ程度の平均粒径を有するものが用いられる。このような窒化珪素と二酸化珪素の粉体を、所定重量比となるように秤量し、５〜１５重量％程度のＰＶＡ水溶液に混合、撹拌して離型材の混合物スラリーを得る。そして、この離型材スラリーを鋳型１の上端縁部６に対して、内表面離型材層２から連続させて途切れないように塗布・乾燥することによって、本発明のシリコン鋳造用鋳型の開口部離型材層７を形成することができる。

開口部離型材層７の密度は１ｇ／ｃｍ^３以上２ｇ／ｃｍ^３以下とすることが望ましい。密度が小さくなると、開口部離型材層７がよりポーラスな構造となるため、しみ上がったシリコン融液が開口部離型材層７に対して浸透しやすくなる。密度を最適に調整するためには、有機バインダーのＰＶＡの濃度を調整したり、使用する窒化珪素と二酸化珪素粉末の平均粒径を調整したり、形状を調整したりすればよい。例えば、密度を減少させるためには、有機バインダー濃度を上昇させる、粉末の平均粒径を大きくする、線形度を上げるなどの操作が効果的である。なお、線形度とは粒子１粒の最大長と面積（最大の断面積）の比率であり（（絶対最大長）^２／面積）＊π／４で表す。真円の場合、線形度は１となり、楕円の場合は扁平率が高くなるほど線形度は大きくなる。線形度は走査型レーザー顕微鏡で測定することができる。

そして、開口部離型材層７の厚みは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲とすることが望ましい。厚みが０．１ｍｍより小さければ、しみ上がったシリコン融液が開口部離型材層７を浸透し、シリコン融液と鋳型が接触する可能性が生じる。また、１ｍｍより大きければ、鋳型の上端縁部６に被覆した開口部離型材層７が鋳型加熱手段８によって加熱される鋳型１の上部と冷却手段９によって冷却される鋳型１の下部との温度分布を変えてしまい、形成される多結晶シリコン基板の品質に悪い影響を与える可能性があり、また開口部離型材層７の塗布重量が増加し、コストアップにつながるため不適である。

また、鋳型１として、その主成分をシリカとする材料とした場合に本発明の構成を適用することが望ましい。通常シリカ材料は、例えば、黒鉛からなる鋳型に比べて鉄やアルミ等の不純物を多く含んでいるため、鋳型１とシリコン融液４が接触すると、シリコン融液中に鉄やアルミ等の不純物が溶け込み、太陽電池特性に悪影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、本発明にかかる鋳型１の上端縁部６を開口部離型材層７で被覆した構造によれば、しみ上がったシリコン融液４と鋳型１との接触を防ぎ、鉄やアルミ等の不純物のシリコン融液４中への溶け込みを抑制することができるからである。

また、鋳型１として黒鉛を用いる場合は、高強度で破損しにくい炭素繊維強化炭素材料を用いることが望ましく、この鋳型１の厚み方向に炭素繊維強化炭素材料が積層されるように構成することがより望ましい。このようにすれば、鋳型１の熱伝導率は鋳型１の厚み方向は低く、面方向で高くなるため、インゴットの一方向凝固性を上げることができるようになる。しかしこの場合、鋳型１を構成する炭素繊維強化炭素材料は、内側に向いた面よりも側面、すなわち鋳型１の上端縁部６が存在する部分において、シリコン融液４のしみ込みが大きくなる。よって、鋳型の上端縁部６とシリコン融液のしみ上がり部分が接触すると脱型する際、シリコンインゴットの割れが生じやすくなってしまう。そこで本発明により鋳型１の上端縁部６を開口部離型材層７で被覆することによって、シリコン融液４と鋳型１との接触を防ぐことができる。

次に、上述のような本発明にかかるシリコン鋳造用鋳型を用いたシリコン鋳造装置の構成およびその作用について、図１を用いてより詳細に説明する。

本発明の鋳型１の上方には鋳型加熱手段８が配設されている。この鋳型加熱手段８としては、例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。この鋳型加熱手段８を設ける目的は、鋳型１の内部に保持したシリコン融液４に対して、上部から熱を供給することによって、その凝固を制御し、後述する鋳型断熱材３、冷却手段９との協同作用によって、一方向凝固を行うことにある。

また本発明の鋳型１の外周には、この鋳型１を囲繞するように鋳型断熱材３が配設されている。鋳型断熱材３としては、グラファイトフェルトなどの主成分をカーボンとする材質が望ましく、特にその表面をカーボンの粉体でコーティング処理を行ったものを用いれば、シリコン融液が付着したときに、劣化するという問題を減少させることができるので望ましい。この鋳型断熱材３を設ける目的は、シリコン融液４を鋳型１に保持したときに、鋳型１の側部からの抜熱を抑制し、上述した鋳型加熱手段８と、後述する冷却手段９とによる協同作用を発現させて、一方向凝固を行いやすくすることにある。通常、シリコン融液４の表面からの抜熱が大きいためにシリコン融液表面が凝固した状態でシリコン融液４が内部に取り残されると、取り残されたシリコン融液が凝固した際の膨張によりシリコンインゴットが噴火した状態となりシリコンインゴットに割れが生じる問題があるが、この鋳型断熱材３によってこの問題を防止することができる。

そして、冷却手段９は、鋳型１をその上部に配置するように構成されている。冷却手段９としては、例えばステンレス（ＳＵＳ）などの金属板を用いることができ、内部に水などの冷媒を循環させるなどして、鋳型１の内部のシリコン融液４から効果的に抜熱できるように構成されている。この冷却手段９は、鋳型１の内部に保持したシリコン融液４に対して、その下方から抜熱するという作用を有している。

すなわち、鋳型加熱手段８によって、本発明の鋳型１の内部に保持されたシリコン融液４を上方から加熱しながら、この冷却手段９によって下方から抜熱し、さらに鋳型断熱材３によって鋳型１の側部からの抜熱を防止することによって、これら各部による協同作用が良好に発現される。その結果、シリコン融液４の下部から上部へと向けて適切な温度勾配を設けることができ、シリコン融液４を下方から上方へと一方向凝固させて、良好な特性を有するシリコンインゴットを得ることができる。

前述したように図３に示す従来の鋳造装置においては、鋳型２１の内表面に設けた離型材層２２が鋳型加熱手段２８によって加熱され温度が上がりすぎると、シリコン融液２４がこの離型材層２２をしみ上がって鋳型２１の上端縁部と接触し問題を生ずる。そのため、鋳型加熱手段２８の加熱条件は、この問題を防止するため、ある一定の強度以上に加熱することができないなどの制約が生じていた。

これに対して、本発明の鋳型１を用いた本発明のシリコン鋳造装置では、内表面離型材層２が鋳型加熱手段８によって加熱されてシリコン融液４がこの内表面離型材層２をしみ上がっても、内表面離型材層２と連続して鋳型１の上端縁部６に設けられた開口部離型材層７によって、鋳型１とシリコン融液４とが接触して問題を生ずることがない。

このように本発明のシリコン鋳造装置においては、鋳型加熱手段８の加熱条件がこの問題に縛られることがなく、より自由な範囲で設定できる。その結果、シリコン融液４を一方向凝固させる際の条件のマージンが広がり、より広い条件の中から最適な凝固条件を選択することができるので、上述の鋳型断熱材３、冷却手段９についても、これに合わせて最適な条件となるように選ぶことによって、より良好な特性を有するシリコンインゴットを得ることができる。

なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。

例えば、上述の説明では図１において、シリコン原料を外部において坩堝で溶解してから本発明の鋳型に注湯する方式について述べたが、これに限るものではなく、シリコン原料を鋳型内に入れて一旦溶解した後、再び底部より一方向凝固させて、シリコンインゴットを形成するようにしても構わない。

また、上述の説明では、本発明のシリコン鋳造装置において、鋳型１の外周を囲繞するように配置された鋳型断熱材３は一体的に形成された例によって説明したが、これに限るものではなく、例えば、鋳型断熱材３を鋳型の縦方向、横方向などに分割できるように構成してもよい。また、鋳型断熱材３は鋳型１の外周を完全に覆っていなくてもよく、一部が露出していても構わない。

また、上述の説明では、鋳型１の上端縁部６を１種類の開口部離型材層７で被覆する方法について述べたが、複数種類の離型材層によって構成することも可能である。このとき、上述の条件（混合比、密度、必要厚み）を満たすようにすることが望ましい。

また、内表面離型材層２と開口部離型材層７とを同じ材料構成として、一括で設けてもよいし、異なる材料構成であったとしてこれらを同時に塗布し、その後一括して乾燥することによって、同時に形成するようにしても構わない。

さらに、上述の説明では内表面離型材層２や開口部離型材層７を設ける方法として、離型材スラリーを刷毛によって塗布・乾燥する方法によって形成した例によって説明したが、これに限るものではなく、塗布法では、刷毛以外に、ディスペンサーやスクリーン印刷を用いて形成してもよいし、塗布法以外の方法として、プラズマ溶射法を用いて形成しても構わない。

平均粒径０．５μｍの窒化珪素粉末と平均粒径２０μｍの二酸化珪素粉末を秤量し、重量比率にして６０：４０で混合した後、混合粉末と８．７％のポリビニルアルコール水溶液で攪拌混合してスラリー状にし、図２に示す形状を有する黒鉛製の鋳型１の内表面に刷毛で被覆してホットプレートに載せて乾燥し、内表面離型材層２を得た。

その後、平均粒径０．５μｍの窒化珪素粉末と平均粒径２０μｍの二酸化珪素粉末を秤量し、重量比率にして５：９５〜４０：６０の間で混合した後、混合粉末と８．７％のポリビニルアルコール水溶液で攪拌混合してスラリー状にした離型材を密度１．６９ｇ/ｃｍ^３、厚み０．２ｍｍの条件で鋳型１の上端縁部６に内表面離型材層２と連続するように被覆し、同様にホットプレートに載せて乾燥し、開口部離型材層７を得た。

その後、図１に示す構造のシリコン鋳造装置を用いて、鋳型１を８０Ｔｏｒｒに減圧したアルゴン雰囲気中に置いた。鋳型１の周囲には、表面をカーボンの粉体でコーティング処理を行ったグラファイトフェルトの鋳型断熱材３を配設し、さらに鋳型１は内部に冷媒として水を循環させたステンレス製の金属板からなる冷却手段９の上に載置した。

そして、黒鉛ヒーターからなる鋳型加熱手段８によって、１０００℃に加熱した状態で鋳型１の内部にシリコン融液７０ｋｇを注湯し、８時間かけて徐々に凝固させた。

冷却後、鋳型１を分割して固化したシリコンインゴットを取り出し、鋳型へのシリコンの付着の有無、シリコンインゴットの割れ、欠けを調べた。

なお、比較例として、開口部離型材層７を設けない従来構造の鋳型も作製し、本発明の実施例と全く同様にして評価を実施した。これらの結果を表１に示す。

表１に示すように、鋳型の上端縁部が離型材層で被覆されていない従来構造の鋳型を用いた試料Ｎｏ．１では鋳型へのシリコンの付着が見られ、シリコンインゴットを鋳型から脱型した際、シリコンインゴットに割れが見られた。

それに対して、本発明にかかる鋳型を用いた試料Ｎｏ．２〜Ｎｏ．６については、鋳型へのシリコンの付着の有無についても、シリコンインゴットの割れ、欠けについても、資料Ｎｏ．１と比べて向上した結果が得られた。

特に、本発明の試料Ｎｏ．３〜５では、鋳型へのシリコンの付着は見られず、シリコンインゴットに割れ、欠けは確認されなかった。それに対して、窒化珪素の重量比率が二酸化珪素よりも大きくなるように作製した試料Ｎｏ．６では、鋳型の外面にシリコンの付着が見られ、シリコンインゴットにスライス工程で除去できる程度の欠けが見られ、効果がやや乏しかった。また、窒化珪素の重量比率が１０％より小さい試料Ｎｏ．２では、鋳型へのシリコンの付着は見られなかったものの、鋳型が離型材層を介してシリコンインゴットに付着し、シリコンインゴットにスライス工程で除去できる程度の欠けが見られ、効果がやや乏しかった。

以上の結果から、本発明の効果を確認することができた。

本発明にかかるシリコン鋳造装置を示す断面模式図である。（ａ）は本発明にかかるシリコン鋳造用鋳型の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は概略断面図である。従来のシリコン鋳造装置を示す断面模式図である。

符号の説明

１：鋳型
１ａ：底部材
１ｂ：側部材
２：内表面離型材層
３：鋳型断熱材
４：シリコン融液
５：シリコン融液表面
６：上端縁部
７：開口部離型材層
８：鋳型加熱手段
９：冷却手段
１０：原料シリコン
１１：溶解坩堝
１２：保持坩堝
１３：出湯口
１４：上部加熱手段
１５：側部加熱手段
２１：鋳型
２２：離型材層
２３：鋳型断熱材
２４：シリコン融液
２５：シリコン融液表面
２６：上端縁部
２８：鋳型加熱手段
２９：冷却手段
３０：原料シリコン
３１：溶解坩堝
３２：保持坩堝
３３：出湯口
３４：上部加熱手段
３５：側部加熱手段

Claims

上方に向かって開口した開口部と鋳型内表面とを有するシリコン鋳造用の鋳型であって、
前記鋳型内表面に被覆された内表面離型材層と、
前記内表面離型材層と連続して、前記開口部の上端縁に被覆された開口部離型材層とを備え、
前記内表面離型材層および前記開口部離型材層は、いずれも窒化珪素と二酸化珪素とを含み、
前記内表面離型材層は、窒化珪素粉末と二酸化珪素粉末を重量比率にして６０：４０で混合したものを用い、
前記開口部離型材層は、窒化珪素粉末と二酸化珪素粉末を重量比率にして１０：９０〜５０：５０で混合したものを用いた、ことを特徴とするシリコン鋳造用鋳型。
請求項１に記載のシリコン鋳造用鋳型と、
前記シリコン鋳造用鋳型の上方に配設された鋳型加熱手段と、
前記シリコン鋳造用鋳型の外周を囲繞して配設された鋳型断熱材と、
前記シリコン鋳造用鋳型をその上部に配置してなる冷却手段と、を備えたシリコン鋳造装置。