JP2012056798A - シリコンインゴットの電磁鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンインゴットを電磁鋳造する際に、雰囲気ガス中に含まれる金属不純物、または過剰な酸素や炭素に起因して、溶融シリコンが金属不純物で汚染されたり、溶融シリコン中の酸素濃度や炭素濃度が増大することを抑制できる電磁鋳造方法を提供する。
【解決手段】チャンバー１内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボ７にシリコン原料１１を投入し、ルツボ７を囲繞する誘導コイル８からの電磁誘導加熱によりシリコン原料１１を溶解させ、この溶融シリコン１２をルツボ７から引き下げながら凝固させてシリコンインゴット３を連続鋳造する電磁鋳造方法において、チャンバー１内を常圧よりも低い圧力に維持して電磁鋳造を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁誘導を利用して、太陽電池用基板の素材であるシリコンインゴットを連続鋳造する電磁鋳造方法に関する。

太陽電池の基板には、多結晶のシリコンウェーハを用いるのが主流である。その多結晶シリコンウェーハは、一方向性凝固のシリコンインゴットを素材とし、このインゴットをスライスして製造される。従って、太陽電池の普及を図るには、シリコンウェーハの品質を確保するとともに、コストを低減する必要があるため、その前段階で、シリコンインゴットを高品質で安価に製造することが要求される。この要求に対応できる方法として、例えば、特許文献１に開示されるように、電磁誘導を利用した連続鋳造方法（以下、「電磁鋳造方法」ともいう）が実用化されている。

図３は、電磁鋳造方法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、電磁鋳造装置はチャンバー１を備える。チャンバー１は、内部を外気から隔離し鋳造に適した不活性ガス雰囲気に維持する二重壁構造の水冷容器である。チャンバー１の上壁には、原料供給ホッパー２が連結されている。チャンバー１は、上部に不活性ガス導入口５が設けられ、下部の側壁に排気口６が設けられている。

チャンバー１内には、無底冷却ルツボ７、誘導コイル８およびアフターヒーター９が配置されている。冷却ルツボ７は、溶解容器としてのみならず、鋳型としても機能し、熱伝導性および導電性に優れた金属（例えば、銅）製の角筒体であり、チャンバー１内に吊り下げられている。この冷却ルツボ７は、上部と下部を残して縦方向に図示しないスリットが複数形成され、このスリットにより周方向で複数の短冊状の素片に分割されており、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。

誘導コイル８は、冷却ルツボ７を囲繞するように、冷却ルツボ７と同芯に周設され、図示しない電源装置に接続されている。アフターヒーター９は、冷却ルツボ７の下方に冷却ルツボ７と同芯に複数連設され、冷却ルツボ７から引き下げられるシリコンインゴット３を加熱し、その軸方向に適切な温度勾配を与える。

また、チャンバー１内には、原料供給ホッパー２の下方に原料導入管１０が配設されている。粒状や塊状のシリコン原料１１が原料供給ホッパー２から原料導入管１０に供給され、原料導入管１０を通じて冷却ルツボ７内に投入される。

チャンバー１の底壁には、アフターヒーター９の真下に、インゴット３を抜き出すための引出し口４が設けられ、この引出し口４はシールされている。インゴット３は、引出し口４を貫通して下降する支持台１４によって支えられながら引き下げられる。

冷却ルツボ７の真上には、プラズマトーチ１３が昇降可能に設けられている。プラズマトーチ１３は、図示しないプラズマ電源装置の一方の極に接続され、他方の極は、インゴット３側に接続されている。このプラズマトーチ１３は、下降により冷却ルツボ７の上部に挿入される。

このような電磁鋳造装置を用いた電磁鋳造方法では、冷却ルツボ７にシリコン原料１１を投入し、誘導コイル８に交流電流を印加するとともに、冷却ルツボ７の上部に挿入したプラズマトーチ１３に通電を行う。このとき、冷却ルツボ７を構成する短冊状の各素片が互いに電気的に分割されていることから、誘導コイル８による電磁誘導に伴って各素片内で渦電流が発生し、冷却ルツボ７の内壁側の渦電流が冷却ルツボ７内に磁界を発生させる。これにより、冷却ルツボ７内のシリコン原料１１は電磁誘導加熱されて溶解し、溶融シリコン１２が形成される。また、プラズマトーチ１３と溶融シリコン１２との間にプラズマアークが発生し、プラズマアーク加熱によっても、シリコン原料１１が加熱されて溶解し、電磁誘導加熱の負担を軽減して効率良く溶融シリコン１２が形成される。

溶融シリコン１２は、冷却ルツボ７の内壁の渦電流に伴って生じる磁界と、溶融シリコン１２の表面に発生する電流との相互作用により、溶融シリコン１２の表面の内側法線方向に力（ピンチ力）を受けるため、冷却ルツボ７と非接触の状態に保持される。冷却ルツボ７内でシリコン原料１１を溶解させながら、溶融シリコン１２を支える支持台１４を徐々に下降させると、誘導コイル８の下端から遠ざかるにつれて誘導磁界が小さくなることから、発熱量およびピンチ力が減少し、さらに冷却ルツボ７からの冷却により、溶融シリコン１２は外周部から凝固が進行する。そして、支持台１４の下降に伴ってシリコン原料１１を冷却ルツボ７内に逐次投入し、溶解および凝固を継続することにより、溶融シリコン１２が一方向に凝固し、インゴット３を連続鋳造することができる。

このような電磁鋳造方法によれば、溶融シリコン１２と冷却ルツボ７との接触が軽減されるため、その接触に伴う冷却ルツボ７からの不純物汚染が防止され、高品質のインゴット３を得ることができる。しかも、連続鋳造であることから、安価にインゴット３を製造することが可能になる。

国際公開ＷＯ０２／０５３４９６号パンフレット

鋳造中、チャンバー１の上部の不活性ガス導入口５から不活性ガスが逐次供給され、チャンバー１内の不活性ガスは、チャンバー１の下部側壁の排気口６から逐次排出される。これにより、チャンバー１内は常圧（１０１．３ｋＰａ（７６０Ｔｏｒｒ））の不活性ガス雰囲気に維持される。その際、プラズマトーチ１３からのプラズマアークにより溶融シリコン１２からＳｉＯ（シリコン酸化物）が激しく蒸発しており、このＳｉＯガスおよび不活性ガスを含む雰囲気ガスは、最終的に排気口６から排出される。

しかし、チャンバー１内の雰囲気ガスは、直ちに排気口６から排出されるわけでなく、チャンバー１内で対流したり浮遊したりし、暫くはチャンバー１内に留まる。すると、雰囲気ガス中に金属不純物が含まれていたり、酸素や炭素などが過剰に含まれていた場合、それらが溶融シリコン１２に混入することがある。この場合、溶融シリコン１２が金属不純物で汚染されたり、溶融シリコン１２中の酸素濃度や炭素濃度が増大したりすることから、この溶融シリコン１２から鋳造されたインゴット３も、金属不純物で汚染されたり酸素濃度や炭素濃度が増大し、品質が低下する。

雰囲気ガス中の金属不純物は、例えば、アフターヒーター９の構成部材にＦｅやＣｒを含有する耐熱合金を採用する場合に取り込まれ易い。雰囲気ガス中の過剰な酸素は、主に、部品に付着した水分や雰囲気中に残留する水蒸気を根源とする。雰囲気ガス中の過剰な炭素は、例えば、アフターヒーター９の構成部材にカーボンを採用する場合に取り込まれ易い。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、シリコンインゴットを電磁鋳造する際に、雰囲気ガス中に含まれる金属不純物に起因して溶融シリコンが金属不純物で汚染されたり、雰囲気ガス中に含まれる過剰な酸素や炭素に起因して溶融シリコン中の酸素濃度や炭素濃度が増大したりすることを抑制できるシリコンインゴットの電磁鋳造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。チャンバー内の雰囲気ガス中に金属不純物や酸素や炭素などの不純物が取り込まれる状況であっても、単位体積あたりの雰囲気ガス中に取り込まれ得る不純物の量を低減できれば、溶融シリコンへの不純物の混入量が低減することから、溶融シリコンが金属不純物で汚染されたり、溶融シリコン中の酸素濃度や炭素濃度が増大したりすることを抑制できる。ここで、単位体積あたりの雰囲気ガス中に取り込まれ得る不純物の量を低減するには、チャンバー内を減圧状態に維持することが有効である。チャンバー内を減圧状態に維持することにより、常圧状態と比べて、チャンバー内の雰囲気ガスの密度が低下し、これに伴って単位体積あたりの雰囲気ガス中に取り込まれ得る不純物の量が低減するからである。

本発明は、上記の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記に示すシリコンインゴットの電磁鋳造方法にある。すなわち、チャンバー内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボにシリコン原料を投入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱によりシリコン原料を溶解させ、この溶融シリコンを無底冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する電磁鋳造方法において、チャンバー内を常圧よりも低い圧力に維持して電磁鋳造を行うことを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造方法である。

上記の電磁鋳造方法では、前記チャンバー内の圧力を５３．３ｋＰａ（４００Ｔｏｒｒ）以上とすることが好ましい。

本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造方法によれば、電磁鋳造の際に、チャンバー内を常圧よりも低い圧力の減圧状態に維持することにより、単位体積あたりの雰囲気ガス中に取り込まれ得る金属不純物や酸素や炭素などの不純物の量が低減するため、溶融シリコンへの不純物の混入量が低減し、溶融シリコンが金属不純物で汚染されたり、溶融シリコン中の酸素濃度や炭素濃度が増大したりすることを抑制できる。

本発明の電磁鋳造方法を適用できる電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。 実施例の試験によるシリコンインゴットにおける不純物濃度の測定結果を示す図であり、同図（ａ）はＦｅ濃度を、同図（ｂ）は酸素濃度を、同図（ｃ）は炭素濃度をそれぞれ示す。 電磁鋳造方法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。

以下に、本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造方法について、その実施形態を詳述する。

図１は、本発明の電磁鋳造方法を適用できる電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示す本発明の電磁鋳造装置は、前記図３に示す電磁鋳造装置の構成を基本とし、それと同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図１に示すように、本発明で用いられる電磁鋳造装置は、チャンバー１内に不活性ガスを導入するための不活性ガス導入口５に、不活性ガス導入管１７が接続されている。チャンバー１内の雰囲気ガスを排出するための排気口６には、排気管１６が接続されている。

排気管１６の経路には、真空ポンプ１８が配設され、排気口６と真空ポンプ１８の間に圧力調整弁１９が設けられている。チャンバー１内の圧力は、不活性ガス導入管１７を通じてチャンバー１内に導入する不活性ガスの供給流量を図示しない流量調整弁で制御するとともに、真空ポンプ１８の駆動に伴う排気管１６への雰囲気ガスの排気流量を圧力調整弁１９で制御することにより調整される。

本発明の電磁鋳造方法では、電磁鋳造の際、不活性ガス導入口５からチャンバー１内に不活性ガスを導入しながら、真空ポンプ１８の駆動に伴って、チャンバー１内の雰囲気ガスを排気口６から強制排気することにより、チャンバー１内を常圧（１０１．３ｋＰａ（７６０Ｔｏｒｒ））よりも低い圧力の減圧状態に維持する。これにより、常圧状態と比べて、チャンバー１内の雰囲気ガスの密度が低下するため、その雰囲気ガス中に金属不純物や酸素や炭素などの不純物が取り込まれる状況であっても、単位体積あたりの雰囲気ガス中に取り込まれ得る不純物の量が低減し、これに伴って溶融シリコン１２への不純物の混入量が低減する。

したがって、本発明の電磁鋳造方法によれば、雰囲気ガス中に含まれる金属不純物に起因して溶融シリコン１２が金属不純物で汚染されたり、雰囲気ガス中に含まれる過剰な酸素や炭素に起因して溶融シリコン１２中の酸素濃度や炭素濃度が増大したりすることを抑制できる。その結果、鋳造されたインゴット３も、金属不純物で汚染されたり酸素濃度や炭素濃度が増大することが抑制され、品質が向上する。

鋳造中、チャンバー１内の圧力が低いほど雰囲気ガスの密度が低下し、溶融シリコン１２への不純物の混入量が低減するため、チャンバー１内の圧力は低い方が好ましい。ただし、チャンバー１内の圧力を低くし過ぎると、冷却ルツボ７において、スリットにより分割された素片間に放電が発生し、この放電に伴って電磁鋳造の操業そのものが不安定になる。このため、チャンバー１内の圧力は、５３．３ｋＰａ（４００Ｔｏｒｒ）以上とするのが好ましい。チャンバー内圧力のより好ましい範囲は、５３．３ｋＰａ（４００Ｔｏｒｒ）〜８６．７ｋＰａ（６５０Ｔｏｒｒ）である。

本発明の電磁鋳造方法による効果を確認するため、前記図１に示す電磁鋳造装置を用い、チャンバー内の圧力を種々変更し、３４６ｍｍ×５０４ｍｍの長方形断面で全長が７０００ｍｍのシリコンインゴットを連続鋳造した。このとき、本発明例１として、チャンバー内の圧力を８０．０ｋＰａ（６００Ｔｏｒｒ）の減圧状態に維持して電磁鋳造を行い、本発明例２として、チャンバー内の圧力を５３．３ｋＰａ（４００Ｔｏｒｒ）の減圧状態に維持して電磁鋳造を行った。また、比較のために、チャンバー内の圧力を常圧の１０１．３ｋＰａ（７６０Ｔｏｒｒ）に維持して電磁鋳造を行った。

得られた各インゴットにおいて、固化率が０％、３０％、５０％、７０％および９０％のときに対応する各位置のインゴット中心部からそれぞれ試料を採取し、各試料中の金属不純物の濃度と酸素および炭素の各濃度を測定する試験を行った。ここでいう固化率とは、投入したシリコン原料の総重量に対する固化したインゴットの重量の比率を表わし、インゴットの下端（連続鋳造の最初の位置）からの長さに対応する。金属不純物の濃度は全溶解法による成分分析で測定し、代表としてＦｅの濃度を評価した。酸素濃度および炭素濃度は、ＡＳＴＭ Ｆ１２１−１９７９に規定される赤外吸収法に準拠し、フーリエ変換型赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いて測定した。

図２は、実施例の試験によるシリコンインゴットにおける不純物濃度の測定結果を示す図であり、同図（ａ）はＦｅ濃度を、同図（ｂ）は酸素濃度を、同図（ｃ）は炭素濃度をそれぞれ示す。同図に示す各不純物濃度は、比較例の試験で得られた各不純物濃度のうちで最小の各不純物濃度を１０（基準）として指数化した相対値である。

図２（ａ）に示す結果から、常圧雰囲気で電磁鋳造を行った比較例と比べ、減圧雰囲気で電磁鋳造を行った本発明例１、２では、Ｆｅ濃度が低減し、溶融シリコンひいてはインゴットの金属不純物汚染を抑制できることが明らかになった。また、図２（ｂ）、（ｃ）に示す結果から、比較例と比べ、本発明例１、２のいずれも酸素濃度および炭素濃度が低減し、溶融シリコン中ひいてはインゴット中の酸素濃度および炭素濃度の増大を抑制できることが明らかになった。

本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造方法によれば、チャンバー内を常圧よりも低い圧力の減圧状態に維持して電磁鋳造を行うことにより、雰囲気ガス中に含まれる金属不純物に起因して溶融シリコンが金属不純物で汚染されたり、雰囲気ガス中に含まれる過剰な酸素や炭素に起因して溶融シリコン中の酸素濃度や炭素濃度が増大したりすることを抑制できる。したがって、本発明の電磁鋳造方法は、品質に優れた太陽電池用のシリコンインゴットを製造できる点で極めて有用である。

１：チャンバー、 ２：原料供給ホッパー、 ３：シリコンインゴット、
４：引出し口、 ５：不活性ガス導入口、 ６：排気口、
７：無底冷却ルツボ、 ８：誘導コイル、 ９：アフターヒーター、
１０：原料導入管、 １１：シリコン原料、 １２：溶融シリコン、
１３：プラズマトーチ、 １４：支持台、 １６：排気管、
１７：不活性ガス導入管、 １８：真空ポンプ、 １９：圧力調整弁

Claims (2)

1. チャンバー内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボにシリコン原料を投入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱によりシリコン原料を溶解させ、この溶融シリコンを無底冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する電磁鋳造方法において、
   チャンバー内を常圧よりも低い圧力に維持して電磁鋳造を行うことを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造方法。
2. 前記チャンバー内の圧力を５３．３ｋＰａ（４００Ｔｏｒｒ）以上とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコンインゴットの電磁鋳造方法。

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