JP2001019594A

JP2001019594A - シリコン連続鋳造方法

Info

Publication number: JP2001019594A
Application number: JP11188135A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Sasaya; 賢一笹谷; Kyojiro Kaneko; 恭二郎金子; Masakazu Onishi; 正和大西; Shigetoshi Kimura; 成利木村
Original assignee: Osaka Titanium Technologies Co Ltd
Current assignee: Osaka Titanium Technologies Co Ltd
Priority date: 1999-07-01
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2001-01-23
Anticipated expiration: 2019-07-01
Also published as: JP3646570B2

Abstract

(57)【要約】【課題】太陽電池の品質に重大な影響を及ぼす凝固直
後のシリコン鋳塊の半径方向の温度勾配を低減し、その
品質を向上させる。【解決手段】誘導コイル２と組み合わされた無底ルツ
ボ３内でシリコン原料を電磁誘導加熱により溶解すると
共に、その溶解に移行式プラズマアークトーチ９による
プラズマ加熱を併用する。プラズマアークトーチ９を無
底ルツボ３の内面に沿って水平方向に走査させる。無底
ルツボ３内に形成されたシリコン融液１９を下降させて
凝固させると共に、シリコン融液１９への原料供給を続
け、シリコン鋳塊１２を連続的に製造する。プラズマ加
熱の併用により、無底ルツボ３内の溶融シリコンと凝固
シリコンの界面が平坦化され、凝固直後のシリコン鋳塊
１２の半径方向の温度勾配が低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池用シリコ
ン鋳塊等の製造に使用されるシリコン連続鋳造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、太陽電池用シリコンウエーハ
はシリコンの一方向性凝固鋳塊を薄くスライスすること
により製造されている。ここで、シリコンウエーハの品
質及びコストはシリコン鋳塊の品質及びコストに支配さ
れる。このため、シリコンウエーハの品質を上げ、コス
トを下げるには、高品質なシリコンの一方向性凝固鋳塊
を安価に製造する必要があり、この方法として、電磁誘
導加熱を用いたシリコンの連続鋳造方法が、本出願人に
より実用化されている。

【０００３】電磁誘導加熱を用いたシリコンの連続鋳造
方法では、図１０に示すように、誘導コイル２内に配置
され、且つ、軸方向の少なくとも一部が周方向で分割さ
れた導電性の無底ルツボ３が使用される。操業では、無
底ルツボ３内のシリコン原料が、誘導コイル２に供給さ
れる高周波電力により無底ルツボ３を介して誘導加熱溶
解され、そのシリコン融液１９を凝固させつつ無底ルツ
ボ３の下方へ抜き出すと共に、無底ルツボ３内への原料
供給を続けることにより、シリコンの一方向性凝固鋳塊
１２（以下、単にシリコン鋳塊という）が連続的に製造
される。

【０００４】この方法では、無底ルツボ３を軸方向の少
なくとも一部で周方向に分割したことにより、無底ルツ
ボ３内のシリコン原料が電磁誘導加熱により溶解される
だけでなく、この溶解により生じたシリコン融液１９が
無底ルツボ３との間に反発力を生じ、この間の接触が軽
減されることにより、シリコン鋳塊１２の引き抜きが容
易となり、且つ無底ルツボ３によるシリコン鋳塊１２の
汚染が軽減される。

【０００５】このようなシリコンの連続鋳造方法では、
無底ルツボ内に供給されるシリコン原料は、製品品質の
点からは不純物の少ない高級なものが要求されるが、高
級なシリコン原料は高価であるため、製造コストの点か
らは不純物の比較的多い低級なものが要求される。この
矛盾を解消する方法として、無底ルツボ内のシリコン融
液の液面にプラズマガスを吹き付けることにより、鋳造
過程でシリコンの精製を行う方法が、特開平４−１３０
００９号公報により提示されている。

【０００６】この方法は、電磁誘導加熱による溶解とプ
ラズマガスによる精製を併用したものであるが、電磁誘
導加熱を使用しないプラズマガスによる精製方法も、特
開平１１−４９５１０号公報等により提示されている。

【０００７】電磁誘導加熱による溶解とプラズマガスに
よる精製を併用したシリコンの連続鋳造方法では、プラ
ズマは精製機能だけでなく、無底ルツボ内のシリコン原
料の溶解のための有効な加熱源としての機能も有する。
電磁誘導加熱による連続鋳造では、無底ルツボ内のシリ
コン原料の初期溶解等を行うために二次加熱源が必要と
される。この二次加熱源としては例えば電子ビームが使
用されていたが、電子ビーム加熱はチャンバ内の減圧を
必要とするのに対し、プラズマ加熱は常圧での操業が可
能である。このようなプラズマ加熱の有利さに着目し
て、本出願人はプラズマ、特に移行式プラズマアークを
二次加熱源として併用する電磁誘導鋳造方法の開発を進
めている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、シリコン鋳
塊の太陽電池としての性能を向上させるには、シリコン
の融点である１４２０℃から１１００℃までの温度領域
で、シリコン鋳塊の製造時における温度勾配をできるだ
け小さく制御するのが有効である。これに関連して、本
出願人は「太陽電池に供される多結晶シリコン鋳塊を一
方向凝固により製造する際に、シリコンが１４２０℃か
ら１２００℃までの温度域を通過するときの温度勾配を
１５〜２５℃／ｃｍの範囲内に制御することを特徴とす
る太陽電池用多結晶シリコン鋳塊の製造方法」を特開平
４−３４２４９６号公報により提示している。

【０００９】１４２０℃から１１００℃までの温度領域
での温度勾配の低減が太陽電池の性能向上に有効な理由
は、シリコンが１４２０℃から１１００℃までの温度領
域を通過する際に太陽電池の変換効率を悪化させる多く
の結晶欠陥が発生し、この温度領域で温度勾配を小さく
すれば結晶内部に発生する熱応力が緩和され、結晶欠陥
の発生が抑制されることなどにある。

【００１０】しかしながら、電磁誘導加熱を使用したシ
リコンの連続鋳造方法でこの温度勾配制御を行うことは
容易でない。その理由の一つは、後で詳しく述べるが、
無底ルツボ内での溶融シリコンと凝固シリコンの界面
（以下、固液界面という）が下方へ深く窪んだ凹形状に
なることがある（図１１参照）。この凹形状は、鋳造速
度が高速になるほど顕著となるので、高速鋳造では、高
性能な鋳塊を得ることが特に困難であった。

【００１１】本発明の目的は、シリコン鋳塊の太陽電池
としての性能に重大な影響を及ぼす１４２０〜１１００
℃の温度域での温度勾配を、高速鋳造の場合も比較的簡
単に低減し、その性能を向上させることができるシリコ
ン連続鋳造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】太陽電池としての性能に
重大な影響を及ぼす１４２０〜１１００℃の温度域で温
度勾配を低減して熱応力を緩和するのがその性能向上に
有効なことは、前述したとおりである。特開平４−３４
２４９６号公報では、この温度勾配が制御されている
が、ここにおける温度勾配は、シリコン鋳塊の軸方向に
おける温度勾配である。本発明者らによるその後の研究
によると、現実に熱応力を決定しているのは、シリコン
鋳塊の半径方向の温度勾配であり、鋳塊中心部と鋳塊表
層部の温度差をできるだけ高温部で０に近づけるのが、
性能向上のために必要であることが判明した。

【００１３】無底ルツボを使用するシリコンの連続鋳造
方法で、凝固直後のシリコン鋳塊の半径方向の温度勾配
を小さくするには、凝固直後の鋳塊の側面からの放熱量
を抑える必要がある。このためには、無底ルツボ内で凝
固直後の鋳塊の側面を保温するのが有効であり、具体的
には無底ルツボの冷却部であるコイル下端からルツボ下
端までの長さを縮小するのが有効である。しかし、この
ような保温強化を行うと、無底ルツボ下での鋳塊肌温度
が上昇し、ある一定温度以上になると凝固シェルの破断
による湯漏れが発生する。このため、鋳塊上方から投入
される熱量が決まれば、湯漏れを発生させない範囲にお
いて、側面からの放熱が可能な最小放熱量は自ずと決ま
る。

【００１４】電磁誘導加熱による連続鋳造方法の場合、
シリコン融液の凝固は誘導コイルの下端レベルから始ま
る。投入するシリコン原料を溶解するのに必要な熱量は
誘導加熱のみにより供給されるので、他の加熱方法を用
いる場合に比べて電磁力によるシリコン融液の対流が顕
著となり、その結果、下方への熱流速が増大し、固液界
面が下方へ深く窪んだ凹形状となる。更に、鋳造速度を
速くした場合、誘導加熱量が増えるために熱対流が顕著
になり、かつ下方への熱流速が増えるために、固液界面
の凹形状は顕著となる。その結果、中心部温度が長時間
低下せず、凝固直後の鋳塊の半径方向の温度勾配が増大
する。

【００１５】加えて、固液界面の凹形状が顕著である
と、凝固シェルが薄くなるため、凝固直後の鋳塊側面を
保温することは難しく、その側面からの放熱量を増やた
めに、無底ルツボの冷却部である誘導コイル下端からル
ツボ下端までの長さを増大することが行われる。その結
果、ルツボ表面に広い範囲で対面した凝固直後の鋳塊
は、奪熱が促進され、更に顕著な品質劣化を生じる。

【００１６】これに加え、電磁誘導加熱の場合は、誘導
電流はルツボ内面に面するシリコン融液の表面近傍を流
れるため、ジュール熱の殆どはこの表面近傍で生じる。
このため、シリコン融液中に投入された追加原料は、そ
の融液の表面近傍に移動して始めて溶解し、融液中央部
には未溶解の原料が島状に残ることになる。また、溶融
シリコンに働く電磁力のために、その上面は上方へ盛り
上がり、誘導コイルから離れる。このため、溶解出力の
増大が原料の溶解能力の増大に効果的に寄与しない。従
って、追加原料の溶解性が十分とは言えない。

【００１７】ところで、本出願人は、前述した通り、プ
ラズマ、特に移行式プラズマアークを二次加熱源として
併用する電磁誘導鋳造方法の開発を進めている。この開
発研究の過程で、移行式プラズマアークの併用は、電磁
誘導加熱に伴う上述の諸問題を解決するのに非常に有効
なことが判明した。

【００１８】即ち、鋳造途中の原料溶解にプラズマ加熱
を併用すると、電磁誘導加熱の負担を軽減でき、その軽
減により、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、その凹形状が緩和される。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す
る。また、凝固シェルが厚くなるため、凝固直後の鋳塊
側面の保温強化が可能になり、この保温強化によっても
半径方向の温度勾配が低減する。

【００１９】特に、移行式プラズマアークの場合は、シ
リコンの鋳造に必要な大出力を得やすい上に、アーク電
流が対極であるシリコン鋳塊を流れ、これによるジュー
ル熱により、凝固直後のシリコン鋳塊を内部から保温す
る効果も期待できる。また、電磁誘導加熱で問題となる
追加原料の溶解性の悪化防止も期待できる。

【００２０】しかしながら、シリコンの連続鋳造と併用
される従来のプラズマ加熱では、その加熱は無底ルツボ
内のシリコン融液の中心部に対して固定的に行われてい
た。プラズマ加熱の効果を最大限活用するためには、シ
リコン鋳塊の引き抜きが阻害されない程度まで電磁力を
低減し、その分、プラズマ加熱の負担を増大させるのが
有効であるが、その場合、シリコン融液の中心部に対す
る固定的な加熱では、加熱が中心部に集中するため、固
液界面の凹形状が顕著化し、十分な性能向上を図れない
ことが判明した。

【００２１】本発明のシリコン連続鋳造方法は、かかる
問題を解決して、凝固直後のシリコン鋳塊の半径方向の
温度勾配を効果的に低減させるものであり、その特徴
は、シリコン原料を溶解する加熱源として少なくともプ
ラズマアーク加熱を用い、この加熱源により形成した無
底ルツボ内のシリコン融液を下方へ降下させて凝固させ
ることにより、無底ルツボからシリコン鋳塊を連続的に
取り出すシリコン連続鋳造方法において、無底ルツボ内
のシリコン融液上でプラズマアークトーチを水平方向に
走査させる点にある。

【００２２】本発明のシリコン連続鋳造方法では、電磁
力によるシリコン融液の対流が抑制される上に、プラズ
マアークトーチの走査によりプラズマアーク加熱による
固液界面の凹形状の顕著化が防止され、固液界面が平坦
化される。この平坦化により、凝固直後の鋳塊側面の保
温強化も可能になる。鋳塊側面の保温強化とは、例えば
冷却部である誘導コイル下端から無底ルツボ下端までの
長さを縮小することである。これらにより、太陽電池と
しての品質に重大な影響を及ぼす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、その品質が向上す
る。

【００２３】即ち、電磁誘導加熱を低減し、プラズマア
ークトーチの走査と組み合わせることにより、凝固直後
の鋳塊側面を保温するのと同じ効果が得られる。また、
高速鋳造の場合も固液界面の凹形状の顕著化が防止され
ることにより、高い品質が確保される。更に、追加原料
が効果的に溶解される。

【００２４】ここで、プラズマアークとしては、シリコ
ン鋳塊が対極となる移行式プラズマアークが好ましい。
移行式プラズマアークを用いることにより、シリコン溶
解における熱効率、出力を高く設定することが可能とな
り、かつプラズマガスの消費量も少なくできる。

【００２５】プラズマガスとしては、アルゴンガスが一
般的であるが、ヘリウムガス、アルゴン−水素混合ガス
を使用することにより、発熱量が更に上がり、溶解能力
の向上が可能になる。

【００２６】無底ルツボ内にシリコン融液を形成するた
めの加熱源は、電磁誘導加熱とプラズマアーク加熱の併
用が好ましい。鋳造中、固液界面の平坦化のために電磁
誘導出力は抑制されるが、これを０にすると、無底ルツ
ボとシリコン融液の間に働く反発力がなくなり、シリコ
ン鋳塊の引き抜き性が悪化する。即ち、鋳造中は、プラ
ズマアーク加熱を主とし、電磁誘導加熱は、シリコン鋳
塊の引き抜き可能な電磁力を発生させるのに必要な最小
の出力とするのが最も好ましい形態である。

【００２７】プラズマアークトーチの走査は、本発明で
はプラズマの使用と共に重要な構成要件である。この走
査は、ルツボ内面からトーチ中心位置までの離間距離が
ルツボ直径の３０％以下である外周部をルツボ内面に沿
って行うのが好ましい。走査範囲が中心部に偏ると、固
液界面の凹形状を緩和する効果が低減し、鋳塊品質が十
分に向上しない。プラズマアークトーチをルツボ内面に
近づけ過ぎると、トーチとルツボ内面の接触や後述する
サイドアークが問題になるが、これはトーチ径に支配さ
れるので、ルツボ内面からトーチ中心までの離間距離の
下限は特に規定しない。ルツボ内面からトーチ外面まで
の距離で言えば、５ｍｍ以上離反させるのが好ましい。

【００２８】プラズマアークトーチの走査速度は、平均
で５０〜３００ｃｍ／分が好ましい。５０ｃｍ／分未満
の低速走査の場合は、１周期の走査の間に未溶解原料が
累積することから、原料の溶解性が悪化する。３００ｃ
ｍ／分を超える高速走査の場合は、熱密度が低下する点
から、原料の溶解性が悪化する。

【００２９】無底ルツボが導電性であるため、プラズマ
アーク加熱では、ルツボ内面との間のサイドアークによ
るルツボ内面の損傷やシリコンの溶解不能が問題にな
る。特に、本発明では、ルツボ内面に沿った外周部が主
に走査されるので、このサイドアークを防止することが
重要になる。この観点から、無底ルツボは、これを収容
する溶解室、プラズマアークトーチの正負電極、及び無
底ルツボの下方に設置された保温炉に対して電気的に絶
縁することが好まれる。より好ましくは、ルツボ内面を
誘導コイル上端より上方の部分で石英板等の遮蔽板で絶
縁し、初期溶解時には、トーチの先端部をシリコンから
なる筒状の遮蔽板で包囲し、コイル内側のルツボ内面と
の間の絶縁性を強化する。

【００３０】

【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は本発明のシリコン連続鋳造方
法を実施するのに適した連続鋳造装置の構成図、図２は
初期溶解時の操作を示す装置上部の縦断面図、図３は鋳
造時の操作を示す装置上部の縦断面図、図４は図３のＡ
−Ａ線矢示図である。

【００３１】連続鋳造装置は、図１に示すように、鋳造
雰囲気を保持するためのチャンバ１を備えている。この
雰囲気保持のために、チャンバ１内にはガス入口１ａか
らガス出口１ｂへ不活性ガスが流通される。チャンバ１
内には、誘導コイル２と組み合わされた角筒状の無底ル
ツボ３が配置されている。無底ルツボ３の下方には誘導
コイル４と組み合わされた誘導加熱式の第１保温炉５が
設けられ、その下には温度傾斜型の第２保温炉６が設け
られている。

【００３２】無底ルツボ３は、水冷銅等の導電材料から
なり、誘導コイル２及び後述するプラズマアークトーチ
９と共同してシリコン鋳塊１２を連続的に製造する。こ
の製造のために、無底ルツボ３は上部を残して周方向に
複数に分割されている。また、下方の第１保温炉５との
間が絶縁材７により絶縁されている。

【００３３】無底ルツボ３内には、チャンバ１の外に設
けられた原料ホッパからダクト８を介してシリコン原料
１３が投入される。その投入原料の加熱のために、無底
ルツボ３内には上方からプラズマアークトーチ９が垂直
に挿入されている。

【００３４】プラズマアークトーチ９は移行式で、プラ
ズマ電源１０の陰極に接続されている。プラズマ電源１
０の陽極は、チャンバ１の下方でシリコン鋳塊１２を支
持する支持装置１１，１１と接続され、接地されてい
る。そして、このプラズマアークトーチ９は、水平方向
の走査のために、Ｘ−Ｙの２方向に首振り駆動されると
共に、昇降のためにＺ方向に直進駆動される。

【００３５】次に、この連続鋳造装置を使用してシリコ
ン鋳塊１２を連続的に製造する方法について説明する。

【００３６】まず、図２に示すように、第１保温炉５内
にシリコン鋳塊支持用の初期模擬鋳塊１４をセットす
る。初期模擬鋳塊１４上には、初期原料１６が載せられ
る。初期原料１６は無底ルツボ３内に収容され、誘導コ
イル２の内側に位置する。初期模擬鋳塊１４は、下方の
図示されない支持兼引き抜きバーと機械的に連結され
る。

【００３７】以上の準備が終わると、プラズマアークト
ーチ９を初期原料１６の上面中央部に対向させ、初期原
料１６との間にプラズマアークを発生させる。無底ルツ
ボ３の内面との間のサイドアークを防止するために、誘
導コイル２より上方でルツボ内面との間が絶縁されるよ
う、ルツボ内面のコイル上端より上方部分に、石英から
なる遮蔽板１８が張り付けられている。

【００３８】初期原料１６との間にプラズマアークを発
生させることにより、初期原料１６が溶解し、初期模擬
鋳塊１４の上にシリコン融液１９が形成される（図１参
照）。初期原料１６が溶解すると、その電気抵抗が下が
るので、プラズマアークは安定し、サイドアークの危険
性は低下する。

【００３９】初期原料１６の溶解を促進するために、プ
ラズマアークトーチ９を無底ルツボ３の内面に沿って水
平方向に走査させる（図４参照）。無底ルツボ３は下方
の保温炉を含め、周囲の導電性物体から電気的に絶縁さ
れ、且つ、内面に石英からなる遮蔽板１８を有している
ので、その内面近傍をプラズマアークトーチ９が走査し
てもサイドアークは生じない。

【００４０】以上の初期溶解が終了すると、図３及び図
４に示すように、無底ルツボ３内のコイル内側に形成さ
れたシリコン融液１９を徐々に降下させて凝固させる。
これと同時に、シリコン融液１９にシリコン原料１３を
追加投入し、その追加原料を誘導コイル２と無底ルツボ
３の組み合わせによる誘導加熱とプラズマアークトーチ
９によるプラズマ加熱との併用により溶解する。これを
続けることにより、無底ルツボ３からシリコン鋳塊１２
が連続的に引き出される。このシリコン鋳塊１２は、下
方の第１保温炉５及び第２保温炉６で保温されつつ更に
降下を続け、チャンバ１の下方へ引き出される。

【００４１】かくして、シリコン鋳塊１２が連続的に製
造される。

【００４２】この鋳造中、プラズマ加熱のためのプラズ
マアークトーチ９は、無底ルツボ３内のシリコン融液１
９上で無底ルツボ３の内面に沿って水平方向に走査され
る。プラズマアークトーチ９の走査により、無底ルツボ
３内の固液界面は、下方への凹形状が大幅に緩和され、
高速鋳造の場合も効果的に平坦化される。この平坦化に
より、無底ルツボ３の冷却部であるコイル下端からルツ
ボ下端までの長さの縮小が可能になり、これによる鋳塊
側面の保温強化も可能になる。これらにより、太陽電池
としての品質に重大な影響及ぼす凝固直後の鋳塊半径方
向における温度勾配が低減され、その品質が向上する。
しかも、この高品質は高速鋳造で経済的に得られる。

【００４３】鋳造を終えるときは、シリコン原料１３の
投入を停止し、無底ルツボ３内のシリコン融液１９を降
下させて凝固させる。このとき、シリコン融液１９の降
下に追従してプラズマアークトーチ９を下げる。

【００４４】図１〜図４では、固形のシリコン原料１３
を無底ルツボ３内に直接投入したが、図５に示すよう
に、固形のシリコン原料１３を一旦水冷溶解ハース２０
上でプラズマアークトーチ２１により溶解し、そのシリ
コン融液２２を無底ルツボ３内のシリコン融液１９に追
加するようにしてもよい。

【００４５】図６は無底ルツボ内の固液界面の窪みの深
さを本発明法と比較法について示す図表である。鋳塊寸
法は１６ｃｍ角、鋳造速度は２ｃｍ／分である。また、
無底ルツボの冷却部であるコイル下端からルツボ下端ま
での長さは１７ｃｍ（一定）である。

【００４６】誘導加熱のみの場合は、無底ルツボ内の固
液界面はコイル下端から下方へ１００ｍｍ以上も深く窪
む。プラズマ加熱を併用し、誘導加熱出力を低減するこ
とにより、この窪みは緩和されるが、プラズマ加熱が中
心部固定の場合はこの窪みは１００ｍｍに近い。しかし
なから、プラズマアークトーチをルツボ内面に沿って走
査させることにより、この窪みは誘導加熱のみの場合の
ほぼ半分まで浅くなる。

【００４７】図７は凝固直後の鋳塊半径方向の温度差と
鋳塊サイズの関係を本発明法と比較法について示す図表
である。この温度差は固液界面の中心部を通る断面での
中心部温度Ｔｃと鋳塊側面温度Ｔｓとの差（Ｔｃ−Ｔ
ｓ）であり、半径方向の温度勾配ΔＴは、鋳塊半径ｒを
用いてΔＴ＝（Ｔｃ−Ｔｓ）／ｒで表される。なお、鋳
塊半径は鋳塊が角形の場合は１辺の長さの１／２であ
る。

【００４８】鋳造形態が同じであれば半径方向の温度勾
配ΔＴは基本的に同一であり、従って温度差（Ｔｃ−Ｔ
ｓ）は鋳塊サイズが大きくなるに連れて増大する。凝固
直後の鋳塊半径方向の温度勾配ΔＴは、鋳造形態が誘導
加熱のみの場合よりも、誘導加熱とプラズマ加熱の併用
の場合の方が低減し、特に、そのプラズマ加熱でトーチ
走査を行った場合に小さくなる。

【００４９】種々の鋳塊サイズについて、温度差より温
度勾配ΔＴを算出すると、誘導加熱のみの場合の１９〜
２４℃／ｃｍに対して、プラズマ加熱併用の場合は、１
２〜１６℃／ｃｍと小さくなる。

【００５０】このときの温度勾配ΔＴと、製造されたシ
リコン鋳塊の太陽電池としての変換効率を測定した結果
の関係を、鋳塊サイズが１６ｃｍ角、鋳造速度が２ｍｍ
／分の場合について表１に示す。誘導加熱とプラズマ加
熱を併用し、且つ、そのプラズマ加熱でトーチ走査を行
った場合に温度勾配ΔＴが最も小さくなり、変換効率が
特に高くなる。

【００５１】

【表１】

【００５２】図８は無底ルツボの冷却部長さと鋳塊品質
の関係を、誘導加熱とプラズマ加熱を併用し、且つ、そ
のプラズマ加熱でトーチ走査を行った場合について示す
グラフである。鋳塊サイズは１６ｃｍ角、鋳造速度は２
ｍｍ／分である。無底ルツボの冷却部長さは、コイル下
端からルツボ下端までの距離である。この部分は凝固直
後の鋳塊肌の奪熱を促進するので、鋳塊品質の点からは
短い方がよいが、短すぎると、凝固シェルの破断による
湯漏れが発生する。

【００５３】誘導加熱とプラズマ加熱を併用し、且つ、
そのプラズマ加熱でトーチ走査を行った場合は、この冷
却部長さが４ｃｍまで短縮可能となり、これにより高い
鋳塊品質が得られる。また、１３ｃｍでも比較的高い鋳
塊品質が確保されている。冷却部長さが過大であると、
急冷によるクラックが発生する。ちなみに、比較法での
冷却部の許容最小長さは、誘導加熱のみの場合で８ｃ
ｍ、誘導加熱とプラズマ加熱の併用でトーチ固定（走査
なし）の場合は５ｃｍである。

【００５４】図９は鋳造速度と鋳塊品質の関係を本発明
法と比較法について示す図表である。いずれの場合も鋳
造速度が特定の臨界値を超えると、変換効率が急激に低
下するが、誘導加熱のみ場合は２ｍｍ／分の鋳造速度で
この低下が始まり、この臨界値以下の鋳造速度でも変換
効率は１３％に止まる。誘導加熱とプラズマ加熱を併用
すると、変換効率の低下が始まる臨界速度が増大し、且
つ、臨界速度以下での変換効率も向上する。特に、プラ
ズマ加熱でトーチ走査を行った場合は、鋳造速度が５ｍ
ｍ／分以下で１３．５％の変換効率が得られ、４ｍｍ／
分以下では１４％を超える変換効率が得られる。

【００５５】次に、プラズマアークトーチの走査条件が
固液界面の窪みの深さ及び原料溶解状況に及ぼす影響を
調査した結果を説明する。

【００５６】１６ｃｍ角の鋳塊を２ｍｍ／分の鋳造速度
で製造する場合に誘導加熱とプラズマ加熱を併用し、プ
ラズマアークトーチをルツボ内面に沿って正方形のコー
スで走査した。ルツボ内径は１６ｃｍ（１辺の長さ）で
あり、トーチ外径は５ｃｍである。走査コースは、ルツ
ボ内面からトーチ中心までの距離（走査位置）と、この
距離のルツボ内径に対する比率とで表した。この距離が
２．５ｃｍ以下ではトーチがルツボ内面に接触する。調
査結果を表２に示す。

【００５７】トーチを中心部に固定した比較例では、固
液界面の窪みの深さは１００ｍｍ近い（図６参照）。ま
た、外周部で原料の未溶解が発生した。これに対し、ト
ーチを中心部の周囲でルツボ内面に沿って正方形に走査
させる本発明例では、固液界面の窪みの深さが浅くな
り、原料の溶解状況も好転する。特に、ルツボ内面から
トーチ中心までの距離がルツボ内径の３０％以下（ここ
では約５ｃｍ以下）の場合は、固液界面の窪みの深さが
特に浅くなり、原料の溶解状況も良好である。ただし、
走査範囲が最適でも走査速度が過大の場合や過小の場合
は原料の溶解性が低下する。

【００５８】

【表２】

【００５９】表３は、誘導加熱とプラズマ加熱を併用す
る場合の出力比が、固液界面の窪みの深さ及び鋳塊品質
に及ぼす影響を調査した結果を示している。誘導加熱出
力はＰｉ、プラズマ加熱出力はＰｐで表されている。鋳
塊サイズは１６ｃｍ角、鋳造速度は２ｍｍ／分であり、
プラズマ加熱ではトーチを走査した。

【００６０】

【表３】

【００６１】プラズマ加熱出力Ｐｐが０の場合、誘導加
熱出力Ｐｉは２８０ｋＷを必要とする。その結果、固液
界面の窪みの深さは１３８ｍｍに達し、変換効率は１
３．７％にとどまる。プラズマ加熱を併用することによ
り、誘導加熱出力Ｐｉの低減が可能になり、その結果、
固液界面の窪みの深さは浅くなり、変換効率は向上す
る。プラズマ加熱出力Ｐｐに比べて、誘導加熱出力Ｐｉ
の低減幅が大きく、約３０ｋＷのプラズマ加熱出力Ｐｐ
で、誘導加熱出力Ｐｉは当初の２８０ｋＷから半減す
る。

【００６２】プラズマ加熱出力Ｐｐは、誘導加熱出力Ｐ
ｉに対する比率（Ｐｐ／Ｐｉ）で０．１５以上が好まし
い。ただし、プラズマ加熱出力Ｐｐの極端な増加は、誘
導加熱出力Ｐｉによる反発力を弱め、無底ルツボからの
鋳塊の引き下げ性を悪化させるので、プラズマ加熱出力
Ｐｐの上限としては、誘導加熱出力Ｐｉに対する比率
（Ｐｐ／Ｐｉ）で０．７以下が好ましい。

【００６３】

【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明のシリコ
ン連続鋳造方法は、誘導加熱で問題となる固液界面の凹
形状を緩和し、これを平坦化する。また、この平坦化に
より、無底ルツボの冷却部の縮小を可能にし、これによ
り凝固直後の鋳塊側面の保温を強化する。これらによ
り、高速鋳造の場合も、凝固直後の鋳塊の半径方向の温
度勾配を軽減し、太陽電池としての品質を向上させる。
従って、高品質なシリコン鋳塊を能率よく低コストで製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシリコン連続鋳造方法を実施するのに
適した連続鋳造装置の構成図である。

【図２】初期溶解時の操作を示す装置上部の縦断面図で
ある。

【図３】鋳造時の操作を示す装置上部の縦断面図であ
る。

【図４】図３のＡ−Ａ線矢示図である。

【図５】本発明のシリコン連続鋳造方法を実施するのに
適した別の連続鋳造装置の構成図である。

【図６】無底ルツボ内の固液界面の窪みの深さを本発明
法と比較法について示す図表である。

【図７】凝固直後の鋳塊半径方向の温度差と鋳塊サイズ
の関係を本発明法と比較法について示す図表である。

【図８】無底ルツボの冷却部長さと鋳塊品質の関係を、
誘導加熱とプラズマ加熱を併用し、且つ、そのプラズマ
加熱でトーチ走査を行った場合について示すグラフであ
る。

【図９】鋳造速度と鋳塊品質の関係を本発明法と比較法
について示す図表である。

【図１０】電磁誘導加熱を用いたシリコン連続鋳造方法
の概念図である。

【符号の説明】

１チャンバ２誘導コイル３無底ルツボ５，６保温炉９プラズマアークトーチ１０プラズマ電源１２シリコン鋳塊１３シリコン原料１４初期模擬鋳塊１６初期原料１９シリコン融液

フロントページの続き (72)発明者大西正和兵庫県尼崎市東浜町１番地株式会社住友シチックス尼崎内 (72)発明者木村成利兵庫県尼崎市東浜町１番地株式会社住友シチックス尼崎内Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CD02 EG01 EG25 EH06 HA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン原料を溶解する加熱源として少
なくともプラズマアーク加熱を用い、この加熱源により
形成した無底ルツボ内のシリコン融液を下方へ降下させ
て凝固させることにより、無底ルツボからシリコン鋳塊
を連続的に取り出すシリコン連続鋳造方法において、無
底ルツボ内のシリコン融液上でプラズマアークトーチを
水平方向に走査させることを特徴とするシリコン連続鋳
造方法。
【請求項２】プラズマアークは移行式プラズマアーク
であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン連続
鋳造方法。
【請求項３】軸方向の少なくとも一部が周方向で複数
に分割された無底ルツボを誘導コイル内に配置し、該誘
導コイルによる電磁誘導加熱と前記プラズマアーク加熱
の併用により無底ルツボ内にシリコン融液を形成するこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン連続鋳
造方法。
【請求項４】プラズマアークトーチは、ルツボ内面か
らトーチ中心位置までの離間距離がルツボ直径の３０％
以下である外周部を、ルツボ内面に沿って走査すること
を特徴とする請求項１、２又は３に記載のシリコン連続
鋳造方法。
【請求項５】プラズマアークトーチの平均走査速度は
５０〜３００ｃｍ／分であることを特徴とする請求項
１、２、３又は４に記載のシリコン連続鋳造方法。
【請求項６】無底ルツボは、これを収容する溶解室、
プラズマアークトーチの正負電極、及び無底ルツボの下
方に設置された保温炉に対して電気的に絶縁されている
ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の
シリコン連続鋳造方法。