JP4003197B2 - 多結晶シリコン塊の製造装置および製造方法 - Google Patents
多結晶シリコン塊の製造装置および製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多結晶シリコン塊の製造装置にかかわり、特にはスライスによって太陽電池用基板を取り出すもとになる多結晶シリコン塊の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池などの製造に用いられる多結晶シリコン基板の作製方法として、シリコンの融液を用いる様々な方法が提案されている。例えば、キャスト法等で多結晶シリコンのインゴットを作製し、ダイヤモンド・ソーによりキャスト・シリコンウェーハを切り出して太陽電池用基板とする。この種の多結晶シリコンの鋳造方法を図２６によって説明する。不活性雰囲気１２１内において、シリコン結晶質原材１２２を坩堝１２３で加熱融解し、得られた融液１２４を不活性雰囲気１２１内の鋳型１２５に流下し、鋳型１２５内における所定の液面高さＨに達するまで一気に供給する。鋳型１２５に供給された融液１２４を鋳型ごと冷却固化することにより多結晶シリコンを鋳造する。この際、融液が冷却固化するときの結晶の成長方向を一定方向に揃えなければ良質な鋳塊を得ることができない。そこで、図示のように温度勾配ヒーター１２６を鋳型１２５の上部に設置し、鋳型１２５の底部から上部に向けて矢印Ｔのように次第に高温となるような温度勾配を付与する。これにより、融液１２４が固化することによる結晶Ｃ１が鋳型１２５の底部から上部に向かう方向に成長していく。
【０００３】
一方、ケイ素の精製方法に関するものとして特開平９−４８６０７号公報に開示された技術がある。それを図２４を用いて説明する。これは金属の精製装置でる。あらかじめ坩堝１０２内に粗製ケイ素を入れておき、真空排気管１１１より溶解炉１０１内を真空引きした後、不活性ガス供給管１１０から溶解炉１０１内に不活性ガスを供給し、溶解炉１０１内を不活性ガス雰囲気とする。次いで、ヒーター１０９により粗製ケイ素を加熱し溶解させて溶融粗製ケイ素Ｓとし、これを凝固温度を超えた温度に加熱保持しておく。次いで、中空回転軸１０３内の冷却流体通路１０４に冷却流体を下方に向けて送り込み、冷却流体吹出しノズル１０５の周側面に多数形成された吹出し口から中空回転冷却体１０６の内周面に向かって冷却流体を水平方向に吹き出しながら中空回転軸１０３とともに中空回転冷却体１０６を回転させ、中空回転冷却体１０６の周側面を冷却することにより坩堝１０２内の溶融粗製ケイ素Ｓを冷却固化して、中空回転冷却体１０６の周側面に精製ケイ素１１２を晶出させる。熱交換によって昇温した昇温冷却流体は中空回転軸１０３内の同心状の冷却流体排出管１０７の内部の冷却流体排出通路１０８を通って排出される。このようにして図２５（ａ）に示すような筒状（中空）の精製ケイ素塊１１２が得られる。
【０００４】
このようにこの特開平９−４８６０７号公報の技術は精製に関するものであるが、多結晶シリコン塊の製造に転用することも考えられないことではない。その場合に、得られた多結晶シリコン塊１１２を図２５（ｂ）のように扁平薄板に切り出して太陽電池用基板１１３として利用することも考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した図２６に示すキャスト法の場合には、鋳型１２５の側壁１２５ａにおける結晶核の成長を完全に抑えることができず、側壁１２５ａから横向き内側に向けて成長する結晶Ｃ２が存在することになる。このため、結晶成長の方向が縦横両方向となって一定化されないだけでなく、鋳型底部から成長してくる結晶Ｃ１と鋳型側壁から成長してくる結晶Ｃ２が衝突し、その衝突箇所Ｐに歪みや結晶欠陥が多数発生することとなり、良質の多結晶シリコン塊を得ることができなくなるおそれがある。得られた多結晶シリコン塊の周辺部では太陽電池の特性が悪くなるため、その多結晶シリコン塊の中心側しか利用することができず、多結晶シリコン塊の利用効率が悪くなる。また、融液１２４を最初から一気に所定液面高さまで鋳型１２５に注入し、それを時間をかけて冷却固化していくので、鋳型が高温条件下に長時間さらされることになり、そのような高温の鋳型から融液内に酸素、窒素、カーボンなどの不純物が溶け込みやすくなり、得られた多結晶シリコン塊の品質に悪影響を及ぼすおそれがある。さらに、鋳型１２５の側壁１２５ａが高温に加熱されるため、側壁１２５ａの劣化が著しく、また、鋳型自体を冷却して多結晶シリコン塊を得るようにしていることから鋳型が急激な温度変化を頻繁に繰り返しを受けることとなって全体の劣化を早めるため、数回の使用しかできず、製造コストが高くなる。
【０００６】
一方、特開平９−４８６０７号公報に開示されているケイ素の精製方法を多結晶シリコン塊の製造に転用した場合には、得られる多結晶シリコン塊１１２が筒状（中空）のものとなる。すなわち、高温の溶融シリコンＳ内に浸漬している中空回転冷却体１０６の周壁が冷却流体吹出しノズル１０５から水平方向に吹き出された冷却流体によって充分に冷却されるので、中空回転冷却体１０６の周壁と溶融シリコンＳとの間で熱交換が行われ、溶融シリコンＳの一部が冷却され、中空回転冷却体１０６の周壁外周面に溶融シリコンが冷却固化された多結晶シリコン塊１１２が晶出され、半径方向外側に向かって成長していく。一方、中空回転冷却体１０６の周壁の内周面に沿って下方に流動した冷却流体は熱交換によって昇温され、冷却流体排出管１０７にその下端開口部から流入し、冷却流体排出通路１０８を通って外部に排出される。中空回転冷却体１０６の下端板も溶融シリコンＳ内に浸漬されているが、その下端板の内側を半径方向内側に流動する熱交換後の冷却流体は昇温されているので、多結晶シリコン塊を晶出するに足るだけの冷却エネルギーを有しておらず、したがって、多結晶シリコン塊１１２は中空回転冷却体１０６の周壁の外周面においてのみ晶出されることとなり、その多結晶シリコン塊１１２は筒状（中空）の鋳塊となってしまう。このような筒状の多結晶シリコン塊１１２から図２５（ｂ）に示すように太陽電池用基板１１３を切り出そうとするときには、切り出し枚数が非常に少なく、その多結晶シリコン塊の利用効率が非常に悪くなるだけでなく、切り出し装置の大型化が避けられないという問題がある。
【０００７】
本発明は上記した課題の解決を図るべく創案したものであって、大径で良品質の多結晶シリコン塊を得ることができるようにすることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
溶融シリコンに浸漬された中空回転冷却体の下端板の下面に円柱状に多結晶シリコン塊を晶出させるには、中空回転冷却体に内蔵したノズルから前記の下端板の上面に対して冷却流体を直接に吹き付けるようにすればよい。そして、下端板との熱交換により温度上昇した昇温冷却流体をもしノズルの中心部から上方に排出させるのであれば、中空回転冷却体の周側面も温度が低くその周側面に多結晶シリコン塊が晶出する可能性があるが、昇温冷却流体を中空回転冷却体の内周面に沿って流動させることにより、中空回転冷却体の周側面の温度を上昇させ、その周側面に多結晶シリコン塊が晶出するのを抑制すればよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
〔実施の形態１〕
図１は実施の形態１にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の概略的な構成を示す一部破断の垂直断面図、図２はその要部を拡大した断面図である。多結晶シリコン塊の製造装置は次のように構成されている。耐火物により構成された密閉状の溶解炉１内に溶融シリコン保持用の坩堝２が収容されている。この坩堝２は溶解炉１の底壁１ｂ上に設置された耐火物よりなる坩堝台８上に載置されている。溶解炉１の内部で坩堝２の外周に沿ってヒーター５が配置されている。溶解炉１の天井壁１ａにはアルゴンガス等の不活性ガスを溶解炉１内に供給する不活性ガス供給管７が連通状態で取り付けられているとともに、溶解炉１内を真空引きする真空排気管１６が連通状態で取り付けられている。溶解炉１の天井壁１ａの中央部に上下の貫通孔６が形成され、この貫通孔６に垂直姿勢の中空回転軸３が貫通する状態で配置されている。貫通孔６と中空回転軸３の外周面との間にオイルシール用の合成ゴムからなるパッキン９が介在され、両者間の密封を図っている。中空回転軸３の内部に同心状に冷却流体導入管１７が内嵌され、その内部が冷却流体導入通路１８になっているとともに、中空回転軸３の内周面と冷却流体導入管１７の外周面との間の空間が冷却流体排出通路１９となっている。溶解炉１の外部上方において、回転軸保持アーム１１が固定フレーム１０に対して上下動自在に保持され、図示しない昇降機構によって上下動されるように構成されている。回転軸保持アーム１１に対して中空回転軸３が軸受２０を介して回転自在に支持されている。中空回転軸３は回転駆動手段１２によって駆動回転されるようになっている。この回転駆動手段１２は、回転軸保持アーム１１上に取り付けられたモーター１３と、中空回転軸３の外周面に固定されたベルト車１４と、モーター１３の出力軸とベルト車１４との間に巻き掛けられたベルト１５とから構成されている。冷却流体導入管１７の上端は中空回転軸３の密閉された上端よりも上方に気密的に貫通し、その開口端が冷却流体導入口１７ａに形成されている。また、中空回転軸３の上端近傍に冷却流体排出口３ａが形成されている。なお、図示は省略しているが、特開平９−４８６０７号公報の場合と同様に、中空回転軸３の上端部は図示しないロータリジョイントによって回転自在に支持されているのに対して、冷却流体導入管１７の上端部は位置固定されている。中空回転軸３の下端部分は溶解炉１内で上下動するが、この部分を特に中空回転冷却体４と呼称することにし、それに対応して冷却流体導入管１７の下端部分を冷却流体吹き出し用のノズル４０と呼称することにする。この中空回転冷却体４の下端は閉鎖されており、その閉鎖のための下端板４ａに対して中空回転冷却体４内の冷却流体ノズル４０の下端開口部４０1 が所定の小寸法を隔てて直近で対向している。坩堝２は溶融シリコン２５を収容して保持するが、坩堝２は溶融シリコン２５とは反応せず、また溶融シリコン２５を汚染しない材料すなわち例えば石英、黒鉛あるいはアルミナなどで構成されている。坩堝２内の溶融シリコン２５に下端板４ａを含めて中空回転冷却体４の下端部分を浸漬して、下端板４ａの底面である多結晶シリコン晶出部４ｂに多結晶シリコン塊２６を晶出付着させるのであるが、中空回転軸３はその下端の中空回転冷却体４を含めて熱伝導性が良好で、かつ溶融シリコンとは反応せず、また溶融シリコンを汚染しない材料すなわち例えば窒化ケイ素や炭化ケイ素あるいは黒鉛などで構成されている。中空回転軸３に内嵌されている冷却流体導入管１７は金属、セラミックスあるいは黒鉛などで構成されている。
【００１１】
次に、上記のように構成された実施の形態１にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の動作を説明する。あらかじめ坩堝２内に結晶成長させるべき原料多結晶シリコン（純度６-nine）６．０ｋｇとボロン（Ｂ）をドーピングするための調整合金とを入れておき、真空排気管１６から溶解炉１内を真空引きした後、不活性ガス供給管７から溶解炉１内にアルゴンガスを供給して溶解炉１内をアルゴンガスによる不活性雰囲気とする。ほぼ完璧な不活性雰囲気となる。ヒーター５により坩堝２内の原料を１５５０℃に加熱し、溶解させて溶融シリコン２５とし、これを凝固温度を超えた温度に加熱保持する。溶融シリコン２５は不活性雰囲気下に置かれる。中空回転冷却体４の下端部は溶融シリコン２５に浸漬された状態となっている。なお、溶融シリコンは別途に溶解してから坩堝２内に供給するようにしてもよいし、溶解炉１に原料投入口を設け、そこから投入して坩堝２内に入れるようにしてもよい。不活性雰囲気下で坩堝２内に溶融シリコン２５を保持した状態で、冷却流体導入口１７ａより冷却流体例えば２０〜３０℃の窒素ガスを１００〜８００リットル／ｍｉｎの流速で送り込み、さらにヒーター５の出力を制御して溶融シリコン（融液）２５の温度を１４２０〜１５５０℃の範囲で保持する。同時に、回転駆動手段１２におけるモーター１３を駆動し、ベルト１５およびベルト車１４を介して中空回転軸３を回転し、これに伴って中空回転冷却体４を回転速度２０〜７００ｒｐｍで回転する。冷却流体導入口１７ａより送り込まれた冷却流体は冷却流体導入管１７の内部の冷却流体導入通路１８を通って下方に流動し、冷却流体導入管１７の下端のノズル４０の下端開口部４０1 から回転する中空回転冷却体４の下端板４ａに向けて吹き出される。冷却流体供給管１７は非回転である。高温の溶融シリコン２５内に浸漬している中空回転冷却体４の下端板４ａがノズル４０の下端開口部４０1 から直接に吹き付けられた冷却流体によって充分に冷却されるので、下端板４ａと溶融シリコン２５との間で熱交換が行われ、溶融シリコン２５の一部が冷却され、下端板４ａの下面である多結晶シリコン晶出部４ｂに溶融シリコンが冷却固化された多結晶シリコン塊２６が晶出され、下方に向かって成長していく。一方、下端板４ａの上面に沿って流動した冷却流体は熱交換によって１００〜１５０℃に昇温され、中空回転冷却体４および中空回転軸３と冷却流体導入管１７との間の冷却流体排出通路１９を上昇し、上端の冷却流体排出口３ａより排出される。中空回転冷却体４の下端の周側面も溶融シリコン２５内に浸漬されているが、その周側面の内側を上方に流動する熱交換後の冷却流体は１００〜３５０℃に昇温されているので、多結晶シリコン塊を晶出するに足るだけの冷却エネルギーを有しておらず、したがって、多結晶シリコン塊２６は中空回転冷却体４の下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおいてのみ結晶成長方向を下方とする状態で晶出されることとなり、その多結晶シリコン塊２６は中実のほぼ円柱状の鋳塊となる。下端板４ａの下面である多結晶シリコン晶出部４ｂの直径は９５ｍｍであり、これに対して直径が９５〜１００ｍｍの範囲の多結晶シリコン塊２６が２０〜５０ｍｍ晶出された段階で、回転軸保持アーム１１を図示しない昇降機構によって上昇させ、中空回転冷却体４およびノズル４０を中空回転軸３および冷却流体導入管１７とともに上昇させて、中空回転冷却体４を溶融シリコン２５から引き上げ、坩堝２外まで上昇させる。多結晶シリコン塊２６の成長速度は１．５〜２．５ｍｍ／ｍｉｎであった。
【００１２】
ところで、中空回転冷却体４は熱伝導性が良好で溶融シリコンとは反応せずまた溶融シリコンを汚染しない材料すなわち例えば窒化ケイ素や炭化ケイ素あるいは黒鉛などで構成されているが、その下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂとそれに晶出された多結晶シリコン塊２６との密着性が不充分となり、晶出完了後に中空回転冷却体４を溶融シリコン２５から引き上げたときに多結晶シリコン塊２６の重量が多結晶シリコン晶出部４ｂの界面に加わって多結晶シリコン塊２６が不測に脱落してしまうおそれがある。これを防止するには、図３で示すように、多結晶シリコン晶出部４ｂに凹凸を形成しておけばよい。図３（ａ）の場合は、中空回転冷却体４の下端板４ａにおいてその下面である多結晶シリコン晶出部４ｂから上方に凹入する断面形状矩形の凹溝４ｃ1 を複数形成したものである。図３（ｂ）の場合は、多結晶シリコン晶出部４ｂから上方に凹入する断面形状逆台形のアリ溝４ｃ2 を複数形成したものである。図３（ｃ）の場合は、多結晶シリコン晶出部４ｂから下方に突出する断面形状台形の突起４ｃ3 を複数形成したものであり、隣接突起間はアリ溝となっている。凹溝やアリ溝や突起は点状のものでもよいし、細長い帯状のものでもよいし、同心円状のものでもよいし、連続した螺旋状のものでもその他のものでもよい。凹溝の場合は、その内部で固化した多結晶シリコン部分に対して垂直方向での接触面を有するので、晶出した多結晶シリコン塊２６に対する保持力が強くなる。アリ溝の場合は、その断面形状から物理的・機械的な保持力が充分に強力になる。多結晶シリコン晶出部４ｂに凹溝、アリ溝を形成することにより、引き上げ時の多結晶シリコン塊２６の脱落を確実に防止することができる。
【００１３】
以上のようにして得られた多結晶シリコン塊２６においては、結晶の成長方向が多結晶シリコン晶出部４ｂに対して垂直な一方向のみにほぼ沿ったものとなり、従来の技術（キャスト法）の場合のような結晶成長方向が二方向であるために成長する結晶どうしの衝突がなく、したがって、衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が抑制されており、中心部から外周面直近にわたるほぼ全体について均質な良質の多結晶シリコン塊を得ることができる。しかも、図４（ａ）に示すように得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状である。このような全体にわたって均質な円柱状の多結晶シリコン塊からは大きなサイズの太陽電池用基板をスライスして多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率を向上させることができる。また、切り出し装置の大型化を招かないですむ。切り出しは単なるスライスで円板状でよいが、一般的な多結晶シリコン太陽電池を踏襲して図４（ｂ）のように矩形に切り出してもよい。なお、キャスト法の場合のように鋳型自体で冷却固化するのではなく、坩堝２内に溶融シリコン２５を溶かしたまま、溶融シリコン２５内に浸漬した中空回転冷却体４の多結晶シリコン晶出部４ｂを形成する下端板４ａに向けて冷却流体を送り込むことで多結晶シリコン晶出部４ｂに多結晶シリコン塊２６を晶出させるようにしてあるので、キャスト法の場合のようには坩堝２が頻繁に急激な温度変化の繰り返しを受けるといったことはなく、坩堝２は長期間にわたって使用することができる。
【００１４】
上記した動作形態では、多結晶シリコン塊の晶出中は中空回転冷却体４を回転させはするが、溶融シリコン２５内で一定高さ位置に保持するようにしている。しかし、中空回転冷却体４を回転させつつ回転軸保持アーム１１を介して一定速度で中空回転冷却体４を上昇させながら多結晶シリコン塊の晶出を行うようにしてもよい。
【００１５】
〔実施の形態２〕
図５は実施の形態２にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の要部の断面図、図６は図５に対応した一部破断の斜視図である。これらの図において、実施の形態１の図２におけるのと同じ符号は同一要素を示すので、説明を省略する。本実施の形態２の特徴として、冷却流体ノズル４０の下端部に下端板４０2 を設け、この下端板４０2 に上下に貫通する複数の冷却流体吹出し口４０3 を形成してある。その他の構成は実施の形態１（図１、図２）と同様であるので、説明を省略する。
【００１６】
次に、上記のように構成された実施の形態２にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の動作を説明する。冷却流体導入管１７内の冷却流体導入通路１８を通って供給されてきた冷却流体は、冷却流体ノズル４０の下端に至って下端板４０2の複数の冷却流体吹出し口４０3 から中空回転冷却体４の下端板４ａに向けて吹き出される。その吹き出しの流速は、ベルヌーイの定理により、実施の形態１の場合の比較的大きな開口面積の下端開口部４０1 からの流速に比べて大幅に速くなる。したがって、冷却流体が中空回転冷却体４の下端板４ａに沿って流れる速度も速くなり、下端板４ａでの熱交換効率が実施の形態１の場合よりも高くなる。その結果として、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向をより安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。また、得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状であるので、そのスライスにより大きなサイズの太陽電池用基板を多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率が高い。その他の動作は実施の形態１の場合と同様であるので、説明を省略する。
【００１７】
図７は冷却流体ノズル４０の下端板４０2 における冷却流体吹出し口４０3 の配置パターンについていくつかの例を示す。図７（ａ）の場合には、複数の冷却流体吹出し口４０3 のすべてについてその径を一定となし、中心に１つ、外周部に同一円周上に周方向等間隔で複数個、より小径の同一円周上に周方向等間隔で複数個形成してある。この場合、吹出し口４０3 の径が小さすぎると冷却流体の吹き出しに抵抗となり、逆に径が大きすぎると吹き出す流速が小さくなるので、吹き出し後での流動面となる中空回転冷却体４の下端板４ａでの熱交換効率が所定値以上となるように吹出し口４０3 の径を定める必要がある。下端板４０2 の径を７０ｍｍとし、図示の配置パターンのもとで、吹出し口４０3 の口径を１〜３ｍｍとするのが好ましく、さらには１．５〜２．５ｍｍがより好ましく、２ｍｍが最も好ましい。図７（ｂ）の場合には、異なった径の複数の吹出し口４０3を配置したもので、中心に大きな径のものを１つ、小径の同一円周上に周方向等間隔で中間の径のものを複数個、外周部に同一円周上に周方向等間隔で小さな径のものを複数個形成してある。上記と同様に吹き出し後での流動面となる中空回転冷却体４の下端板４ａでの熱交換効率が所定値以上となるように吹出し口４０3 の径を定める必要がある。図示の配置パターンのもとで、大きな径を４〜６ｍｍ、中間の径を２〜４ｍｍ、小さな径を０．５〜１．５ｍｍの範囲とするのが好ましく、さらに好ましくは、大きな径を４．５〜５．５ｍｍ、中間の径を２．５〜３．５ｍｍ、小さな径を０．７〜１．２ｍｍの範囲とし、一例として、５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍの組み合わせがある。図７（ｃ）の場合には、吹出し口４０3を円弧状のスリットに形成して複数個風車状に配置したものであり、また、図７（ｄ）の場合には、吹出し口４０3 を直線状のスリットに形成して複数個放射状に配置したものであり、いずれにあっても、上記と同じ理由により図示の配置パターンのもとでスリットの幅を１〜３ｍｍ、長さを１０〜３０ｍｍの範囲とするのが好ましく、さらに好ましくは幅を１．５〜２．５ｍｍ、長さを１５〜２５ｍｍの範囲とし、一例として、幅を２ｍｍ、長さを２０ｍｍとする組み合わせがある。なお、スリットの個数は図示以外のものでもよい。なお、吹出し口４０3 の形状については上記の図７（ａ）〜（ｄ）に示すもの以外に、三角形や四角形などの多角形、楕円形、その他任意の形状をとり得るものとし、さらには形状の異なるものを組み合わせてもよい。
【００１８】
〔実施の形態３〕
図８は実施の形態３にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の要部の断面図、図９は図８に対応した一部破断の斜視図、図１０（ａ）は図９におけるＡ−Ａ′線矢視の断面図、図１０（ｂ）は図９におけるＢ−Ｂ′線矢視の断面図、図１１は図１０（ａ）におけるＣ−Ｃ′線矢視の断面図、図１２は図１０（ａ）におけるＤ−Ｄ′線矢視の断面図である。これらの図において、実施の形態１の図２におけるのと同じ符号は同一要素を示すので、説明を省略する。本実施の形態３においては、中空回転軸３と中空回転冷却体４とを別体に構成してあり、両者を連結体３０を介して連結してあるとともに、中空回転冷却体４の内部に冷却流体通路交差型のノズル４０を組み込んである。中空回転軸３の下端に下端板３ｂが一体的に設けられ、下端板３ｂの中央には貫通孔３ｃが形成され、その周囲に複数個の円弧長孔の連通路３ｄが同一円周上に形成され、さらに中空回転軸３の下端の外周において下端板３ｂの延長上にフランジ３ｅが一体的に設けられている。中空回転軸３の上方部分は実施の形態１の場合と同様に構成されている。ただし、中空回転軸３の内部に同心状に配された管は実施の形態１（図１）の場合の冷却流体導入管１７とは異なり、冷却流体排出管３１となっており、その内部は冷却流体排出通路３２となっている。したがって、図１を本実施の形態３に流用するに際しては、冷却流体排出管３１の上端の開口を冷却流体排出口３１ａとし、また、中空回転軸３の上端の開口を冷却流体導入口３ａ′とすることとする。冷却流体排出管３１の外周面と中空回転軸３の内周面との間の空間は冷却流体導入通路３３となっている。連結体３０は、中空回転軸３の下端板３ｂに密着する上端板３０ａと、中空回転軸３のフランジ３ｅに密着するフランジ３０ｂと、中空回転冷却体４を保持する外側筒部３０ｃと、ノズル４０を保持する内側筒部３０ｄとからなり、上端板３０ａの中央には貫通孔３ｃに位置対応する貫通孔３ｃと同一形状・同一サイズの貫通孔３０ｅが形成され、その周囲に複数個の円弧長孔の連通路３０ｆが同一円周上に形成されている。連結体３０は例えばステンレス鋼等の金属により構成されている。中空回転軸３の下端板３ｂと連結体３０の上端板３０ａとが密着され、冷却流体排出管３１の下端部が中空回転軸３の貫通孔３ｃと連結体３０の貫通孔３０ｅとに嵌合され、中空回転軸３の連通路３ｄと連結体３０の連通路３０ｆとが一連の連通路を形成する状態で位置合わせされ、互いに対接されたフランジ３ｅ，３０ｂにおいて図示しないボルト・ナットによりフランジ接合が行われている。次に冷却流体通路交差型のノズル４０について説明する。ノズル４０は、上部の外筒４０ａと、上部の内筒４０ｂと、中間交差部４０ｃと、下部のノズル先端４０ｄとから構成されている。外筒４０ａと内筒４０ｂとは同心状になっており、内筒４０ｂの上端は連結体３０の上端板３０ａに当接した状態で冷却流体排出管３１の下端に外嵌されている。内筒４０ｂの内部は冷却流体排出管３１の冷却流体排出通路３２に連通する冷却流体排出通路４５に構成され、内筒４０ｂの外周面と外筒４０ａの内周面との間は冷却流体導入通路４１に構成されている。外筒４０ａはその上端にフランジ４０ｅを有し、そのフランジ４０ｅには複数個のボルト挿通孔４０ｆが形成されており、フランジ４０ｅを連結体３０の上端板３０ａと内側筒部３０ｄとに密着した状態でボルト挿通孔４０ｆを通した図示しないボルトが連結体３０に螺合締結されている。すなわち、ノズル４０が連結体３０に取り付け固定されている。また、中空回転軸３の冷却流体導入通路３３とノズル４０の冷却流体導入通路４１とが一連の連通路を形成する連通路３ｄ，３０ｆを介して連通されている。中間交差部４０ｃは、上隔板４０ｇと、下隔板４０ｈと、外筒延長部４０ｉと、内筒延長部４０ｊとを有している。上隔板４０ｇは外筒４０ａの下端と内筒４０ｂの下端とにわたる円環板であり、外筒延長部４０ｉは外筒４０ａを下方に延長した部分であり、内筒延長部４０ｊは内筒４０ｂを下方に延長した部分であり、下隔板４０ｈは内筒延長部４０ｊの下端を閉鎖する状態で外筒延長部４０ｉの下端に連結された円板である。上隔板４０ｇと下隔板４０ｈとの間にわたって円弧長孔の縦筒体４０ｋが周方向に等間隔で複数個設けられ、各縦筒体４０ｋの内部が冷却流体導入連絡通路４２に構成されている。隣接する縦筒体４０ｋ間において、外筒延長部４０ｉと内筒延長部４０ｊとの間にわたって円弧の横筒体４０ｍが周方向に等間隔で複数個設けられ、各横筒体４０ｍの内部が冷却流体排出連絡通路４４に構成されている。ノズル先端４０ｄは、中間交差部４０ｃの下隔板４０ｈに外筒延長部４０ｉのさらに延長として連設された筒部４０ｎと、筒部４０ｎの下端に設けた下端板４０ｐとを有し、その内部のチャンバーが吹出し前室４０ｑに形成されており、下端板４０ｐには複数個の吹出し口４０ｒが形成されている。吹出し前室４０ｑに対して各縦筒体４０ｋによる冷却流体導入連絡通路４２が連通している。中空回転冷却体４は、ノズル４０の外径より大きな内径をもつ筒部４ｄと、筒部４ｄの下端を閉鎖する状態に設けられた下端板４ｅとからなり、筒部４ｄの上端は連結体３０の外側筒部３０ｃに対して内嵌状態で密閉状に螺合締結されている。中空回転冷却体４の下端板４ｅはノズル４０の下端板４０ｐから所定間隔隔てられており、複数の吹出し口４０ｒから吹き出される冷却流体によって冷却されるようになっている。中空回転冷却体４の下端板４ｅの下面は多結晶シリコン晶出部４ｂとなっている。熱交換によって昇温された冷却流体は、ノズル先端４０ｄの外周面と中空回転冷却体４の内周面との間に形成された冷却流体還流通路４３を通って各冷却流体排出連絡通路４４に至り、さらに各冷却流体排出連絡通路４４から冷却流体排出通路４５を介して冷却流体排出管３１の冷却流体排出通路３２に至るようになっている。なお、中空回転冷却体４の下端板４ｅの下面である多結晶シリコン晶出部４ｂに晶出された多結晶シリコン塊２６が不測に脱落しないように多結晶シリコン晶出部４ｂに凹凸を形成しておく点については実施の形態１と同様である。中空回転軸３はステンレス鋼などの金属で構成され、中空回転冷却体４は黒鉛や窒化ケイ素あるいは炭化ケイ素などによって構成されている。その他の構成は実施の形態１（図１）と同様であるので、対応する部分に同一符号を付すにとどめ、説明を省略する。
【００１９】
次に、上記のように構成された実施の形態３にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の動作を説明する。ここでは主に冷却流体の流れについて説明する。不活性雰囲気下で坩堝２内に溶融シリコン２５を保持し、かつ回転駆動手段１２によって中空回転軸３および中空回転冷却体４を回転させた状態で、冷却流体導入口３ａ′より冷却流体を中空回転軸３の冷却流体導入通路３３に送り込む。冷却流体導入通路３３に送り込まれた冷却流体はそれぞれ一連の連通路を形成する複数個の連通路３ｄ，３０ｆを介してノズル４０の外筒４０ａと内筒４０ｂとの間の冷却流体導入通路４１に流入し、さらに中間交差部４０ｃにおける各縦筒体４０ｋによる冷却流体導入連絡通路４２を介してノズル先端４０ｄの吹出し前室４０ｑに流入し、吹出し前室４０ｑの下端板４０ｐの複数個の吹出し口４０ｒから回転する中空回転冷却体４の下端板４ｅに向けて吹き出される。高温の溶融シリコン２５に接触している下端板４ｅを冷却し、熱交換によって昇温した冷却流体はノズル４０と中空回転冷却体４との間の冷却流体還流通路４３を上昇し、各横筒体４０ｍによる冷却流体排出連絡通路４４を介して冷却流体排出通路４５に流入し、さらに冷却流体排出管３１の冷却流体排出通路３２を通ってその上端の冷却流体排出口３１ａから外部に排出されるに至る。冷却流体の吹出し口４０ｒの配置パターンについては実施の形態２（図７）の場合と同様とする。
【００２０】
高温の溶融シリコン２５内に浸漬している中空回転冷却体４の下端板４ｅが実施の形態２の場合と同様に冷却流体通路交差型のノズル４０の複数の吹出し口４０ｒから直接に吹き付けられた高速の冷却流体によって充分に冷却されるので、下端板４ｅと溶融シリコン２５との間で熱交換が非常に効率的に行われ、下端板４ｅの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向を実施の形態２の場合と同様に安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。中空回転冷却体４の周側面も溶融シリコン２５内に浸漬されているが、その周側面の内側の冷却流体還流通路４３を上方に流動する熱交換後の冷却流体は１００〜３５０℃に昇温されているので、多結晶シリコン塊を晶出するに足るだけの冷却エネルギーを有しておらず、したがって、多結晶シリコン塊２６は中空回転冷却体４の下端板４ｅの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおいてのみ晶出されることとなり、その多結晶シリコン塊２６はその全体にわたって均質な中実のほぼ円柱状の鋳塊となり、そのような均質な円柱状の多結晶シリコン塊からは大きなサイズの太陽電池用基板をスライスして多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率を向上させることができる。さらに、冷却流体の導入・排出の方向が実施の形態１，２とは逆になっていることから、パッキン９の熱劣化を抑制することができる。すなわち、導入された冷却流体は中空回転軸３のすぐ内側の冷却流体導入通路３３を流下し、熱交換によって昇温された冷却流体は中空回転軸３内の冷却流体排出管３１の内部の冷却流体排出通路３２を上昇するから、パッキン９は昇温された冷却流体による熱的影響を受けないですみ、その熱劣化を防止して、耐久性を向上させることができる。なお、ノズル４０および冷却流体排出管３１は中空回転軸３および中空回転冷却体４と一体に回転させるものとする。その他の動作は実施の形態１の場合と同様であるので、説明を省略する。
【００２１】
〔実施の形態４〕
実施の形態４は実施の形態１の変形にかかわるものである。図１３は実施の形態４にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の一部の垂直断面図、図１４はその一部破断の斜視図である。中空回転軸３およびその下端部分の中空回転冷却体４の内部に挿通された冷却流体導入管１７の下端部であるノズル４０の外周に複数個のボックス状の拡散部５１を周方向等間隔に一体的に設けてある。各拡散部５１は上板部５１ａと一対の側板部５１ｂと外板部５１ｃとからボックス状に構成され、半径方向の内側はノズル４０の内部の冷却流体導入通路１８に連通し、下部は中空回転冷却体４の下端板４ａに対向した開口部５１ｄとなっている。ノズル４０の下端開口部４０1′は、ノズル４０の本体部の延長の開口部と各拡散部５１の開口部５１ｄとを合成したものである。各拡散部５１の外板部５１ｃは中空回転冷却体４の内周面に近接している。隣接する拡散部５１どうしの間は冷却流体還流通路５２となっている。冷却流体導入通路１８を流下してきた冷却流体を複数の拡散部５１において半径方向外側へ拡散し、中空回転冷却体４の下端板４ａに対してその隅々にわたって同一温度の冷却流体をほぼ均一に供給することができ、下端板４ａに対する冷却特性を半径方向でより均等化している。その結果として、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向をより安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。また、得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状であるので、そのスライスにより大きなサイズの太陽電池用基板を多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率が高い。その他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、対応する部分に同一符号を付すにとどめ、説明を省略する。
【００２２】
〔実施の形態５〕
実施の形態５は実施の形態２の変形にかかわるものである。図１５は実施の形態５にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の一部の垂直断面図である。冷却流体導入管１７の下端部であるノズル４０の外周に複数個のボックス状の拡散部５１を周方向等間隔に一体的に設けてある点は実施の形態４と同様であるが、実施の形態５の場合には、各拡散部５１は上板部と一対の側板部と外板部と底板部とからボックス状に構成され、半径方向の内側はノズル４０の内部の冷却流体導入通路１８に連通している。ノズル４０の延長部と各拡散部５１の下部とにわたって全体が変則形の下端板５３で閉じられており、その下端板５３に複数個の冷却流体吹出し口５３ａが形成されている。図１６（ａ）〜（ｆ）は変則形の下端板５３に形成される冷却流体吹出し口５３ａの様々なパターンを例示するものである。いずれも、中空回転冷却体４の下端板４ａに対する冷却流体の均等供給を図るものである。その結果として、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向をより安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。また、得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状であるので、そのスライスにより大きなサイズの太陽電池用基板を多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率が高い。その他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、対応する部分に同一符号を付すにとどめ、説明を省略する。
【００２３】
〔実施の形態６〕
実施の形態６は実施の形態３の変形にかかわるものである。図１７は実施の形態６にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の一部破断の斜視図である。図９に示す冷却流体通路交差型のノズル４０の下部のノズル先端４０ｄにおいて、筒部４０ｎの下端部の外周に複数個のボックス状の拡散部５１を周方向等間隔に一体的に設けてある。各拡散部５１は上板部と一対の側板部と外板部と底板部とからボックス状に構成され、半径方向の内側はノズル先端４０ｄ内の吹出し前室４０ｑに連通している。各拡散部５１の外板部は中空回転冷却体４の内周面に近接している。隣接する拡散部５１どうしの間は上部の冷却流体還流通路４３に連なる冷却流体還流通路５２となっている。ノズル先端４０ｄの下端板４０ｐは図１６（ａ）〜（ｆ）のいずれかの変則形のものに構成され、その下端板５３に複数個の冷却流体吹出し口５３ａが形成されている。この構成により、中空回転冷却体４の下端板４ａに対して複数の吹出し口５３ａから冷却流体を均等に供給して、下端板４ａを一様に冷却することができ、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおいて良質な多結晶シリコン塊２６を効率良く晶出させることができる。その結果として、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向をより安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。また、得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状であるので、そのスライスにより大きなサイズの太陽電池用基板を多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率が高い。その他の構成および動作については実施の形態３と同様であるので、対応する部分に同一符号を付すにとどめ、説明を省略する。
【００２４】
実施の形態４、５および６において各拡散部５１は水平に突出しているがノズル４０の下部近傍から徐々に裾広がりになるような傾斜があってもかまわない。
【００２５】
〔実施の形態７〕
実施の形態７は冷却流体吹出し口の変形にかかわるものである。図１８は実施の形態７にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の要部の構成を示す垂直断面図である。ノズル４０の下端板４０2 に複数個形成される冷却流体吹出し口４０3を下拡がりのテーパー状に形成したものである。中空回転冷却体４の下端板４ａに対する冷却流体の供給をより均一化し、下端板４ａを一様に冷却することができる。
【００２６】
〔実施の形態８〕
実施の形態８は冷却流体吹出し口の変形にかかわるものである。図１９（ａ）はノズル４０の下端板４０2 を下から見た底面図、図１９（ｂ）は図１９（ａ）におけるＥ−Ｅ′線矢視の断面図である。ノズル４０の下端板４０2 に同一円周上に複数個形成される冷却流体吹出し口４０3 を円周の接線方向に沿うように、下端板４０2 の上面から下面にかけて斜めに形成したものである。なお、中心の１つの吹出し口４０3 は板面に垂直に形成してある。配列円弧に対する接線方向に沿って各吹出し口４０3 を斜め方向に形成してあるので、その傾斜の吹出し口４０3 から吹き出された冷却流体は中空回転冷却体４の下端板４ａの表面で渦を巻く旋回流となり、下端板４ａを一様に冷却することができる。
【００２７】
〔実施の形態９〕
実施の形態９は冷却流体吹出し口の変形にかかわるものである。図２０（ａ）はノズル４０の下端板４０2 を下から見た底面図、図２０（ｂ）は図２０（ａ）におけるＦ−Ｆ′線矢視の断面図である。ノズル４０の下端板４０2 に同一円周上に複数個形成された冷却流体吹出し口４０3 は板面に垂直に形成されているが、下端板４０2 の下面において各吹出し口４０3 の口縁部から円周の接線方向に沿って斜め下方に向かう流路変更板４０4 を一体的に突出させてある。図２０（ａ）の状態で各流路変更板４０4 は各吹出し口４０3 の時計方向側の口縁から反時計方向に向けて斜め下方に突出している。配列円弧に対する接線方向に沿って各吹出し口４０3 から流路変更板４０4 を斜め方向に突出してあるので、吹出し口４０3 から吹き出され流路変更板４０4 によってガイドされた冷却流体は中空回転冷却体４の下端板４ａの表面で渦を巻く旋回流となり、下端板４ａを一様に冷却することができる。
【００２８】
〔実施の形態１０〕
実施の形態１０は冷却流体吹出し口の変形にかかわるもので、図１５におけるノズル４０から突出させた拡散部５１から旋回流として冷却流体を吹き出させるようにしたものである。図２１は中空回転冷却体４とノズル４０の構成を示す一部破断の斜視図、図２２は拡散部５１の構成を示す一部破断の斜視図である。ノズル４０の下端において周方向に等間隔を隔てた複数箇所から半径方向外方に突出させた各拡散部５１の内部にその長手方向に沿って１つの冷却流体導通路５１ｅを形成し、その冷却流体導通路５１ｅから複数個の周方向斜め下方に向かう吹出し口５１ｆを形成してある。ノズル４０の内部の冷却流体導入通路１８は下端において閉鎖されている。傾斜した吹出し口５１ｆから吹き出された冷却流体は中空回転冷却体４の下端板４ａの表面で渦を巻く旋回流となり、下端板４ａを一様に冷却することができる。
【００２９】
上記した実施の形態７〜１０のように構成すると、中空回転冷却体４の下端板４ａを一様に冷却するので、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向をより安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。また、得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状であるので、そのスライスにより大きなサイズの太陽電池用基板を多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率が高い。
【００３０】
なお、実施の形態７〜１０のように旋回流として冷却流体を吹き出させる場合には、その吹出し反力によってノズル４０および冷却流体導入管１７自体を回転させるように構成することも可能である。この場合、冷却流体導入管１７の上端をベアリングを介して回転自在に支持するように構成する。
【００３１】
また、旋回流の反力を利用して冷却流体導入管１７を回転させるようにすることに代えて、冷却流体導入管１７を中空回転軸３と一体化し、モーター１３を含む回転駆動手段１２によって強制的に駆動回転するようにしてもよい。その場合、吹出し口からの冷却流体の吹き出し形態自体が旋回流ではなくても、吹出し口を形成した冷却流体導入管１７自体の強制回転に伴って吹出し口から吹き出した冷却流体を結果的に旋回流とすることができ、上記同様の効果を得る。この場合、吹出し口の形態はどのようなものであってもよく、実施の形態１〜１０のいずれをも適用できる。
【００３２】
〔実施の形態１１〕
実施の形態１１は中空回転軸３を溶解炉１の天井壁１ａに密封的に貫通させるパッキン９の劣化防止の技術に関するものである。図２３はパッキン部分の拡大断面図である。回転ならびに上下動する中空回転軸３の外周面に対して摺接するパッキン９と中空回転軸３を軸支するベアリング６１とを熱伝導性が良く耐火性に優れた金属製またはセラミックス製の環状のホルダー６２に保持させてあり、そのホルダー６２の外周面に冷却水チャンバー６３を密着させ、さらにこの冷却水チャンバー６３を天井壁１ａの貫通孔６に密着状態で内嵌させてある。冷却水チャンバー６３の内部は環状の仕切り壁６３ａで内室６３ｂと外室６３ｃとに分割され、内室６３ｂに対して冷却水供給管６４が連通接続され、外室６３ｃに対して冷却水排出管６５が連通接続されている。中空回転軸３の内部に挿通された冷却流体導入管１７の内部の冷却流体導入通路１８において冷却流体が下方に流れ、中空回転軸３と冷却流体導入管１７との間の冷却流体排出通路１９において熱交換後の昇温された冷却流体が上方に流れる。このとき、昇温された冷却流体によってパッキン９が昇温する。しかし、冷却水チャンバー６３内での冷却水の流動により、熱伝導性の良いホルダー６２を介してパッキン９を冷却することにより、パッキン９を所定温度以下に保ち、その熱劣化を抑制し、その耐久性を向上する。
【００３３】
なお、上記した何れの実施の形態においても、冷却流体導入管１７またはノズル４０の材質を、黒鉛に代えて、セラミックスにしてもよいし、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）などの金属にしてもよく、いずれも上記同様の効果を奏することができる。
【００３４】
また、上記した何れの実施の形態においても、冷却流体として窒素ガスに代えて、アルゴンガスやヘリウムガスを使用することができる。ヘリウムガスを流量５４０リットル／ｍｉｎで供給すると、坩堝２内で１４２５℃に保持した溶融シリコン２５から多結晶シリコン塊２６を２．５１ｍｍ／ｍｉｎの成長速度で晶出することができた。
【００３５】
以上の各実施の形態においては多結晶シリコン塊の製造について説明したが、何れの実施の形態もアルミニウム鋳塊の製造に転用することが可能である。
【００３６】
以上いくつかの実施の形態について説明したが、各実施の形態の技術内容は、論理的に矛盾しない限りにおいて他のどの実施の形態に適用してよいものとする。
【００３７】
【発明の効果】
多結晶シリコン塊の製造装置、製造方法についての請求項１もしくは請求項５にかかわる発明によれば、ノズルから中空回転冷却体の下端板に対して冷却流体を吹き付け、熱交換後の昇温冷却流体を中空回転冷却体の内周面に沿って流動させるので、中空回転冷却体の下端板の下面のみを多結晶シリコン晶出部として設定でき、中空回転冷却体の周側面には晶出させることなく、多結晶シリコン晶出部においてのみ多結晶シリコン塊をその結晶成長方向が下向きの一方向のみとなる状態で晶出させることができる。結晶成長方向が二方向の場合のような結晶どうしの衝突がなく、したがって、衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が抑制されており、中心部から外周面直近にわたるほぼ全体について均質な良質の多結晶シリコン塊を得ることができる。晶出された多結晶シリコン塊においては、中実の円柱状となり、それから太陽電池用基板を切り出すときには効率の良い切り出しが行える。
【００３８】
請求項２もしくは請求項６にかかわる発明によれば、中空回転冷却体に内蔵するノズルとして冷却流体通路交差型のノズルを設けてあるので、中空回転冷却体の下端板および内周面での冷却流体の流動状態は請求項１と同様とし請求項１と同様の効果を得ながら、中空回転軸内でノズルに供給する冷却流体の導入通路として中空回転軸の内周面に沿った冷却流体導入通路を構成するとともに、昇温冷却流体の排出通路として中空回転軸内に同心状に設けた冷却流体排出管の内部に冷却流体排出通路を構成することができ、中空回転軸の外周面と溶解炉の天井壁貫通孔との間の気密を図るためのパッキン等の封止部材の熱劣化を抑制することができる。
【００３９】
請求項３にかかわる発明によれば、ノズル下端部の複数個の拡散部からも冷却流体を中空回転冷却体の下端板に対して吹き付けるので、下端板に対してその隅々にわたって同一温度の冷却流体をほぼ均一に供給して下端板に対する冷却特性を均等化でき、多結晶シリコン塊の晶出において結晶成長方向をより安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の概略的な構成を示す一部破断の垂直断面図、図２はその要部を拡大した断面図
【図２】 図１の要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す断面図
【図３】 中空回転冷却体の下端板の下面の多結晶シリコン晶出部に形成された凹凸形状を示す断面図
【図４】 実施の形態１により晶出された多結晶シリコン塊の形状および太陽電池用基板の切り出しを示す説明図
【図５】 実施の形態２における要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す断面図
【図６】 図５に対応した一部破断の斜視図
【図７】 実施の形態２における冷却流体ノズルの下端板の冷却流体吹出し口の配置パターンの説明図
【図８】 実施の形態３における要部の中空回転冷却体および冷却流体通路交差型のノズルを示す断面図
【図９】 冷却流体通路交差型のノズルを示す一部破断の斜視図
【図１０】 図９におけるＡ−Ａ′線矢視の断面図とＢ−Ｂ′線矢視の断面図
【図１１】 図１０（ａ）におけるＣ−Ｃ′線矢視の断面図
【図１２】 図１０（ａ）におけるＤ−Ｄ′線矢視の断面図
【図１３】 実施の形態４における要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す断面図
【図１４】 図１３に対応した一部破断の斜視図
【図１５】 実施の形態５における要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す断面図
【図１６】 実施の形態５における冷却流体吹出し口のパターンを示す説明図
【図１７】 実施の形態６における要部の中空回転冷却体および冷却流体通路交差型のノズルを示す一部破断の斜視図
【図１８】 実施の形態７における要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す断面図
【図１９】 実施の形態８にかかわる冷却流体吹出し口の形状を示す説明図
【図２０】 実施の形態９にかかわる冷却流体吹出し口の形状を示す説明図
【図２１】 実施の形態１０における要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す一部破断の斜視図
【図２２】 図２１における拡散部を拡大した一部破断の斜視図
【図２３】 実施の形態１１におけるパッキン部分の拡大断面図
【図２４】 従来のケイ素の精製装置を示す断面図
【図２５】 上記の精製装置を多結晶シリコン塊の製造に転用した場合に晶出される多結晶シリコン塊の形状および太陽電池用基板の切り出しを示す説明図
【図２６】 従来のキャスト法の概要を示す断面図
【符号の説明】
１……溶解炉、１ａ……天井壁、１ｂ……底壁、２……坩堝、３……中空回転軸、３ａ……冷却流体排出口、３ａ′……冷却流体導入口、３ｄ……連通路、４……中空回転冷却体、４ａ……下端板、４ｂ……多結晶シリコン晶出部、４ｄ……筒部、４ｅ……下端板、５……ヒーター、６……貫通孔、７……不活性ガス供給管、８……坩堝台、９……パッキン、１０……固定フレーム、１１……回転軸保持アーム、１２……回転駆動手段、１３……モーター、１４……ベルト車、１５……ベルト、１６……真空排気管、１７……冷却流体導入管、１７ａ……冷却流体導入口、１７ｂ……下端開口部、１７ｃ……下端板、１７ｄ……冷却流体吹出し口、１８……冷却流体導入通路、１９……冷却流体排出通路、２０……軸受、２５……溶融シリコン、２６……多結晶シリコン塊、３０……連結体、３０ｆ……連通路、３１……冷却流体排出管、３１ａ……冷却流体排出口、３２……冷却流体排出通路、３３……冷却流体導入通路、４０……冷却流体ノズル／冷却流体通路交差型のノズル、４０1 ，４０1′……下端開口部、４０2 ……下端板、４０3 ……冷却流体吹出し口、４０4 ……流路変更板、４０ａ……外筒、４０ｂ……内筒、４０ｃ……中間交差部、４０ｄ……ノズル先端、４０ｇ……上隔板、４０ｈ……下隔板、４０ｋ……縦筒体、４０ｍ……横筒体、４０ｐ……下端板、４０ｑ……吹出し前室、４０ｒ……吹出し口、４１……冷却流体導入通路、４２……冷却流体導入連絡通路、４３……冷却流体還流通路、４４……冷却流体排出連絡通路、４５……冷却流体排出通路、５１……拡散部、５１ｅ……冷却流体導通路、５１ｆ……吹出し口、５２……冷却流体還流通路、５３……下端板、５３ａ……吹出し口、６３……冷却水チャンバー
【発明の属する技術分野】
本発明は多結晶シリコン塊の製造装置にかかわり、特にはスライスによって太陽電池用基板を取り出すもとになる多結晶シリコン塊の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池などの製造に用いられる多結晶シリコン基板の作製方法として、シリコンの融液を用いる様々な方法が提案されている。例えば、キャスト法等で多結晶シリコンのインゴットを作製し、ダイヤモンド・ソーによりキャスト・シリコンウェーハを切り出して太陽電池用基板とする。この種の多結晶シリコンの鋳造方法を図２６によって説明する。不活性雰囲気１２１内において、シリコン結晶質原材１２２を坩堝１２３で加熱融解し、得られた融液１２４を不活性雰囲気１２１内の鋳型１２５に流下し、鋳型１２５内における所定の液面高さＨに達するまで一気に供給する。鋳型１２５に供給された融液１２４を鋳型ごと冷却固化することにより多結晶シリコンを鋳造する。この際、融液が冷却固化するときの結晶の成長方向を一定方向に揃えなければ良質な鋳塊を得ることができない。そこで、図示のように温度勾配ヒーター１２６を鋳型１２５の上部に設置し、鋳型１２５の底部から上部に向けて矢印Ｔのように次第に高温となるような温度勾配を付与する。これにより、融液１２４が固化することによる結晶Ｃ１が鋳型１２５の底部から上部に向かう方向に成長していく。
【０００３】
一方、ケイ素の精製方法に関するものとして特開平９−４８６０７号公報に開示された技術がある。それを図２４を用いて説明する。これは金属の精製装置でる。あらかじめ坩堝１０２内に粗製ケイ素を入れておき、真空排気管１１１より溶解炉１０１内を真空引きした後、不活性ガス供給管１１０から溶解炉１０１内に不活性ガスを供給し、溶解炉１０１内を不活性ガス雰囲気とする。次いで、ヒーター１０９により粗製ケイ素を加熱し溶解させて溶融粗製ケイ素Ｓとし、これを凝固温度を超えた温度に加熱保持しておく。次いで、中空回転軸１０３内の冷却流体通路１０４に冷却流体を下方に向けて送り込み、冷却流体吹出しノズル１０５の周側面に多数形成された吹出し口から中空回転冷却体１０６の内周面に向かって冷却流体を水平方向に吹き出しながら中空回転軸１０３とともに中空回転冷却体１０６を回転させ、中空回転冷却体１０６の周側面を冷却することにより坩堝１０２内の溶融粗製ケイ素Ｓを冷却固化して、中空回転冷却体１０６の周側面に精製ケイ素１１２を晶出させる。熱交換によって昇温した昇温冷却流体は中空回転軸１０３内の同心状の冷却流体排出管１０７の内部の冷却流体排出通路１０８を通って排出される。このようにして図２５（ａ）に示すような筒状（中空）の精製ケイ素塊１１２が得られる。
【０００４】
このようにこの特開平９−４８６０７号公報の技術は精製に関するものであるが、多結晶シリコン塊の製造に転用することも考えられないことではない。その場合に、得られた多結晶シリコン塊１１２を図２５（ｂ）のように扁平薄板に切り出して太陽電池用基板１１３として利用することも考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した図２６に示すキャスト法の場合には、鋳型１２５の側壁１２５ａにおける結晶核の成長を完全に抑えることができず、側壁１２５ａから横向き内側に向けて成長する結晶Ｃ２が存在することになる。このため、結晶成長の方向が縦横両方向となって一定化されないだけでなく、鋳型底部から成長してくる結晶Ｃ１と鋳型側壁から成長してくる結晶Ｃ２が衝突し、その衝突箇所Ｐに歪みや結晶欠陥が多数発生することとなり、良質の多結晶シリコン塊を得ることができなくなるおそれがある。得られた多結晶シリコン塊の周辺部では太陽電池の特性が悪くなるため、その多結晶シリコン塊の中心側しか利用することができず、多結晶シリコン塊の利用効率が悪くなる。また、融液１２４を最初から一気に所定液面高さまで鋳型１２５に注入し、それを時間をかけて冷却固化していくので、鋳型が高温条件下に長時間さらされることになり、そのような高温の鋳型から融液内に酸素、窒素、カーボンなどの不純物が溶け込みやすくなり、得られた多結晶シリコン塊の品質に悪影響を及ぼすおそれがある。さらに、鋳型１２５の側壁１２５ａが高温に加熱されるため、側壁１２５ａの劣化が著しく、また、鋳型自体を冷却して多結晶シリコン塊を得るようにしていることから鋳型が急激な温度変化を頻繁に繰り返しを受けることとなって全体の劣化を早めるため、数回の使用しかできず、製造コストが高くなる。
【０００６】
一方、特開平９−４８６０７号公報に開示されているケイ素の精製方法を多結晶シリコン塊の製造に転用した場合には、得られる多結晶シリコン塊１１２が筒状（中空）のものとなる。すなわち、高温の溶融シリコンＳ内に浸漬している中空回転冷却体１０６の周壁が冷却流体吹出しノズル１０５から水平方向に吹き出された冷却流体によって充分に冷却されるので、中空回転冷却体１０６の周壁と溶融シリコンＳとの間で熱交換が行われ、溶融シリコンＳの一部が冷却され、中空回転冷却体１０６の周壁外周面に溶融シリコンが冷却固化された多結晶シリコン塊１１２が晶出され、半径方向外側に向かって成長していく。一方、中空回転冷却体１０６の周壁の内周面に沿って下方に流動した冷却流体は熱交換によって昇温され、冷却流体排出管１０７にその下端開口部から流入し、冷却流体排出通路１０８を通って外部に排出される。中空回転冷却体１０６の下端板も溶融シリコンＳ内に浸漬されているが、その下端板の内側を半径方向内側に流動する熱交換後の冷却流体は昇温されているので、多結晶シリコン塊を晶出するに足るだけの冷却エネルギーを有しておらず、したがって、多結晶シリコン塊１１２は中空回転冷却体１０６の周壁の外周面においてのみ晶出されることとなり、その多結晶シリコン塊１１２は筒状（中空）の鋳塊となってしまう。このような筒状の多結晶シリコン塊１１２から図２５（ｂ）に示すように太陽電池用基板１１３を切り出そうとするときには、切り出し枚数が非常に少なく、その多結晶シリコン塊の利用効率が非常に悪くなるだけでなく、切り出し装置の大型化が避けられないという問題がある。
【０００７】
本発明は上記した課題の解決を図るべく創案したものであって、大径で良品質の多結晶シリコン塊を得ることができるようにすることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
溶融シリコンに浸漬された中空回転冷却体の下端板の下面に円柱状に多結晶シリコン塊を晶出させるには、中空回転冷却体に内蔵したノズルから前記の下端板の上面に対して冷却流体を直接に吹き付けるようにすればよい。そして、下端板との熱交換により温度上昇した昇温冷却流体をもしノズルの中心部から上方に排出させるのであれば、中空回転冷却体の周側面も温度が低くその周側面に多結晶シリコン塊が晶出する可能性があるが、昇温冷却流体を中空回転冷却体の内周面に沿って流動させることにより、中空回転冷却体の周側面の温度を上昇させ、その周側面に多結晶シリコン塊が晶出するのを抑制すればよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
〔実施の形態１〕
図１は実施の形態１にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の概略的な構成を示す一部破断の垂直断面図、図２はその要部を拡大した断面図である。多結晶シリコン塊の製造装置は次のように構成されている。耐火物により構成された密閉状の溶解炉１内に溶融シリコン保持用の坩堝２が収容されている。この坩堝２は溶解炉１の底壁１ｂ上に設置された耐火物よりなる坩堝台８上に載置されている。溶解炉１の内部で坩堝２の外周に沿ってヒーター５が配置されている。溶解炉１の天井壁１ａにはアルゴンガス等の不活性ガスを溶解炉１内に供給する不活性ガス供給管７が連通状態で取り付けられているとともに、溶解炉１内を真空引きする真空排気管１６が連通状態で取り付けられている。溶解炉１の天井壁１ａの中央部に上下の貫通孔６が形成され、この貫通孔６に垂直姿勢の中空回転軸３が貫通する状態で配置されている。貫通孔６と中空回転軸３の外周面との間にオイルシール用の合成ゴムからなるパッキン９が介在され、両者間の密封を図っている。中空回転軸３の内部に同心状に冷却流体導入管１７が内嵌され、その内部が冷却流体導入通路１８になっているとともに、中空回転軸３の内周面と冷却流体導入管１７の外周面との間の空間が冷却流体排出通路１９となっている。溶解炉１の外部上方において、回転軸保持アーム１１が固定フレーム１０に対して上下動自在に保持され、図示しない昇降機構によって上下動されるように構成されている。回転軸保持アーム１１に対して中空回転軸３が軸受２０を介して回転自在に支持されている。中空回転軸３は回転駆動手段１２によって駆動回転されるようになっている。この回転駆動手段１２は、回転軸保持アーム１１上に取り付けられたモーター１３と、中空回転軸３の外周面に固定されたベルト車１４と、モーター１３の出力軸とベルト車１４との間に巻き掛けられたベルト１５とから構成されている。冷却流体導入管１７の上端は中空回転軸３の密閉された上端よりも上方に気密的に貫通し、その開口端が冷却流体導入口１７ａに形成されている。また、中空回転軸３の上端近傍に冷却流体排出口３ａが形成されている。なお、図示は省略しているが、特開平９−４８６０７号公報の場合と同様に、中空回転軸３の上端部は図示しないロータリジョイントによって回転自在に支持されているのに対して、冷却流体導入管１７の上端部は位置固定されている。中空回転軸３の下端部分は溶解炉１内で上下動するが、この部分を特に中空回転冷却体４と呼称することにし、それに対応して冷却流体導入管１７の下端部分を冷却流体吹き出し用のノズル４０と呼称することにする。この中空回転冷却体４の下端は閉鎖されており、その閉鎖のための下端板４ａに対して中空回転冷却体４内の冷却流体ノズル４０の下端開口部４０1 が所定の小寸法を隔てて直近で対向している。坩堝２は溶融シリコン２５を収容して保持するが、坩堝２は溶融シリコン２５とは反応せず、また溶融シリコン２５を汚染しない材料すなわち例えば石英、黒鉛あるいはアルミナなどで構成されている。坩堝２内の溶融シリコン２５に下端板４ａを含めて中空回転冷却体４の下端部分を浸漬して、下端板４ａの底面である多結晶シリコン晶出部４ｂに多結晶シリコン塊２６を晶出付着させるのであるが、中空回転軸３はその下端の中空回転冷却体４を含めて熱伝導性が良好で、かつ溶融シリコンとは反応せず、また溶融シリコンを汚染しない材料すなわち例えば窒化ケイ素や炭化ケイ素あるいは黒鉛などで構成されている。中空回転軸３に内嵌されている冷却流体導入管１７は金属、セラミックスあるいは黒鉛などで構成されている。
【００１１】
次に、上記のように構成された実施の形態１にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の動作を説明する。あらかじめ坩堝２内に結晶成長させるべき原料多結晶シリコン（純度６-nine）６．０ｋｇとボロン（Ｂ）をドーピングするための調整合金とを入れておき、真空排気管１６から溶解炉１内を真空引きした後、不活性ガス供給管７から溶解炉１内にアルゴンガスを供給して溶解炉１内をアルゴンガスによる不活性雰囲気とする。ほぼ完璧な不活性雰囲気となる。ヒーター５により坩堝２内の原料を１５５０℃に加熱し、溶解させて溶融シリコン２５とし、これを凝固温度を超えた温度に加熱保持する。溶融シリコン２５は不活性雰囲気下に置かれる。中空回転冷却体４の下端部は溶融シリコン２５に浸漬された状態となっている。なお、溶融シリコンは別途に溶解してから坩堝２内に供給するようにしてもよいし、溶解炉１に原料投入口を設け、そこから投入して坩堝２内に入れるようにしてもよい。不活性雰囲気下で坩堝２内に溶融シリコン２５を保持した状態で、冷却流体導入口１７ａより冷却流体例えば２０〜３０℃の窒素ガスを１００〜８００リットル／ｍｉｎの流速で送り込み、さらにヒーター５の出力を制御して溶融シリコン（融液）２５の温度を１４２０〜１５５０℃の範囲で保持する。同時に、回転駆動手段１２におけるモーター１３を駆動し、ベルト１５およびベルト車１４を介して中空回転軸３を回転し、これに伴って中空回転冷却体４を回転速度２０〜７００ｒｐｍで回転する。冷却流体導入口１７ａより送り込まれた冷却流体は冷却流体導入管１７の内部の冷却流体導入通路１８を通って下方に流動し、冷却流体導入管１７の下端のノズル４０の下端開口部４０1 から回転する中空回転冷却体４の下端板４ａに向けて吹き出される。冷却流体供給管１７は非回転である。高温の溶融シリコン２５内に浸漬している中空回転冷却体４の下端板４ａがノズル４０の下端開口部４０1 から直接に吹き付けられた冷却流体によって充分に冷却されるので、下端板４ａと溶融シリコン２５との間で熱交換が行われ、溶融シリコン２５の一部が冷却され、下端板４ａの下面である多結晶シリコン晶出部４ｂに溶融シリコンが冷却固化された多結晶シリコン塊２６が晶出され、下方に向かって成長していく。一方、下端板４ａの上面に沿って流動した冷却流体は熱交換によって１００〜１５０℃に昇温され、中空回転冷却体４および中空回転軸３と冷却流体導入管１７との間の冷却流体排出通路１９を上昇し、上端の冷却流体排出口３ａより排出される。中空回転冷却体４の下端の周側面も溶融シリコン２５内に浸漬されているが、その周側面の内側を上方に流動する熱交換後の冷却流体は１００〜３５０℃に昇温されているので、多結晶シリコン塊を晶出するに足るだけの冷却エネルギーを有しておらず、したがって、多結晶シリコン塊２６は中空回転冷却体４の下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおいてのみ結晶成長方向を下方とする状態で晶出されることとなり、その多結晶シリコン塊２６は中実のほぼ円柱状の鋳塊となる。下端板４ａの下面である多結晶シリコン晶出部４ｂの直径は９５ｍｍであり、これに対して直径が９５〜１００ｍｍの範囲の多結晶シリコン塊２６が２０〜５０ｍｍ晶出された段階で、回転軸保持アーム１１を図示しない昇降機構によって上昇させ、中空回転冷却体４およびノズル４０を中空回転軸３および冷却流体導入管１７とともに上昇させて、中空回転冷却体４を溶融シリコン２５から引き上げ、坩堝２外まで上昇させる。多結晶シリコン塊２６の成長速度は１．５〜２．５ｍｍ／ｍｉｎであった。
【００１２】
ところで、中空回転冷却体４は熱伝導性が良好で溶融シリコンとは反応せずまた溶融シリコンを汚染しない材料すなわち例えば窒化ケイ素や炭化ケイ素あるいは黒鉛などで構成されているが、その下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂとそれに晶出された多結晶シリコン塊２６との密着性が不充分となり、晶出完了後に中空回転冷却体４を溶融シリコン２５から引き上げたときに多結晶シリコン塊２６の重量が多結晶シリコン晶出部４ｂの界面に加わって多結晶シリコン塊２６が不測に脱落してしまうおそれがある。これを防止するには、図３で示すように、多結晶シリコン晶出部４ｂに凹凸を形成しておけばよい。図３（ａ）の場合は、中空回転冷却体４の下端板４ａにおいてその下面である多結晶シリコン晶出部４ｂから上方に凹入する断面形状矩形の凹溝４ｃ1 を複数形成したものである。図３（ｂ）の場合は、多結晶シリコン晶出部４ｂから上方に凹入する断面形状逆台形のアリ溝４ｃ2 を複数形成したものである。図３（ｃ）の場合は、多結晶シリコン晶出部４ｂから下方に突出する断面形状台形の突起４ｃ3 を複数形成したものであり、隣接突起間はアリ溝となっている。凹溝やアリ溝や突起は点状のものでもよいし、細長い帯状のものでもよいし、同心円状のものでもよいし、連続した螺旋状のものでもその他のものでもよい。凹溝の場合は、その内部で固化した多結晶シリコン部分に対して垂直方向での接触面を有するので、晶出した多結晶シリコン塊２６に対する保持力が強くなる。アリ溝の場合は、その断面形状から物理的・機械的な保持力が充分に強力になる。多結晶シリコン晶出部４ｂに凹溝、アリ溝を形成することにより、引き上げ時の多結晶シリコン塊２６の脱落を確実に防止することができる。
【００１３】
以上のようにして得られた多結晶シリコン塊２６においては、結晶の成長方向が多結晶シリコン晶出部４ｂに対して垂直な一方向のみにほぼ沿ったものとなり、従来の技術（キャスト法）の場合のような結晶成長方向が二方向であるために成長する結晶どうしの衝突がなく、したがって、衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が抑制されており、中心部から外周面直近にわたるほぼ全体について均質な良質の多結晶シリコン塊を得ることができる。しかも、図４（ａ）に示すように得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状である。このような全体にわたって均質な円柱状の多結晶シリコン塊からは大きなサイズの太陽電池用基板をスライスして多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率を向上させることができる。また、切り出し装置の大型化を招かないですむ。切り出しは単なるスライスで円板状でよいが、一般的な多結晶シリコン太陽電池を踏襲して図４（ｂ）のように矩形に切り出してもよい。なお、キャスト法の場合のように鋳型自体で冷却固化するのではなく、坩堝２内に溶融シリコン２５を溶かしたまま、溶融シリコン２５内に浸漬した中空回転冷却体４の多結晶シリコン晶出部４ｂを形成する下端板４ａに向けて冷却流体を送り込むことで多結晶シリコン晶出部４ｂに多結晶シリコン塊２６を晶出させるようにしてあるので、キャスト法の場合のようには坩堝２が頻繁に急激な温度変化の繰り返しを受けるといったことはなく、坩堝２は長期間にわたって使用することができる。
【００１４】
上記した動作形態では、多結晶シリコン塊の晶出中は中空回転冷却体４を回転させはするが、溶融シリコン２５内で一定高さ位置に保持するようにしている。しかし、中空回転冷却体４を回転させつつ回転軸保持アーム１１を介して一定速度で中空回転冷却体４を上昇させながら多結晶シリコン塊の晶出を行うようにしてもよい。
【００１５】
〔実施の形態２〕
図５は実施の形態２にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の要部の断面図、図６は図５に対応した一部破断の斜視図である。これらの図において、実施の形態１の図２におけるのと同じ符号は同一要素を示すので、説明を省略する。本実施の形態２の特徴として、冷却流体ノズル４０の下端部に下端板４０2 を設け、この下端板４０2 に上下に貫通する複数の冷却流体吹出し口４０3 を形成してある。その他の構成は実施の形態１（図１、図２）と同様であるので、説明を省略する。
【００１６】
次に、上記のように構成された実施の形態２にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の動作を説明する。冷却流体導入管１７内の冷却流体導入通路１８を通って供給されてきた冷却流体は、冷却流体ノズル４０の下端に至って下端板４０2の複数の冷却流体吹出し口４０3 から中空回転冷却体４の下端板４ａに向けて吹き出される。その吹き出しの流速は、ベルヌーイの定理により、実施の形態１の場合の比較的大きな開口面積の下端開口部４０1 からの流速に比べて大幅に速くなる。したがって、冷却流体が中空回転冷却体４の下端板４ａに沿って流れる速度も速くなり、下端板４ａでの熱交換効率が実施の形態１の場合よりも高くなる。その結果として、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向をより安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。また、得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状であるので、そのスライスにより大きなサイズの太陽電池用基板を多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率が高い。その他の動作は実施の形態１の場合と同様であるので、説明を省略する。
【００１７】
図７は冷却流体ノズル４０の下端板４０2 における冷却流体吹出し口４０3 の配置パターンについていくつかの例を示す。図７（ａ）の場合には、複数の冷却流体吹出し口４０3 のすべてについてその径を一定となし、中心に１つ、外周部に同一円周上に周方向等間隔で複数個、より小径の同一円周上に周方向等間隔で複数個形成してある。この場合、吹出し口４０3 の径が小さすぎると冷却流体の吹き出しに抵抗となり、逆に径が大きすぎると吹き出す流速が小さくなるので、吹き出し後での流動面となる中空回転冷却体４の下端板４ａでの熱交換効率が所定値以上となるように吹出し口４０3 の径を定める必要がある。下端板４０2 の径を７０ｍｍとし、図示の配置パターンのもとで、吹出し口４０3 の口径を１〜３ｍｍとするのが好ましく、さらには１．５〜２．５ｍｍがより好ましく、２ｍｍが最も好ましい。図７（ｂ）の場合には、異なった径の複数の吹出し口４０3を配置したもので、中心に大きな径のものを１つ、小径の同一円周上に周方向等間隔で中間の径のものを複数個、外周部に同一円周上に周方向等間隔で小さな径のものを複数個形成してある。上記と同様に吹き出し後での流動面となる中空回転冷却体４の下端板４ａでの熱交換効率が所定値以上となるように吹出し口４０3 の径を定める必要がある。図示の配置パターンのもとで、大きな径を４〜６ｍｍ、中間の径を２〜４ｍｍ、小さな径を０．５〜１．５ｍｍの範囲とするのが好ましく、さらに好ましくは、大きな径を４．５〜５．５ｍｍ、中間の径を２．５〜３．５ｍｍ、小さな径を０．７〜１．２ｍｍの範囲とし、一例として、５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍの組み合わせがある。図７（ｃ）の場合には、吹出し口４０3を円弧状のスリットに形成して複数個風車状に配置したものであり、また、図７（ｄ）の場合には、吹出し口４０3 を直線状のスリットに形成して複数個放射状に配置したものであり、いずれにあっても、上記と同じ理由により図示の配置パターンのもとでスリットの幅を１〜３ｍｍ、長さを１０〜３０ｍｍの範囲とするのが好ましく、さらに好ましくは幅を１．５〜２．５ｍｍ、長さを１５〜２５ｍｍの範囲とし、一例として、幅を２ｍｍ、長さを２０ｍｍとする組み合わせがある。なお、スリットの個数は図示以外のものでもよい。なお、吹出し口４０3 の形状については上記の図７（ａ）〜（ｄ）に示すもの以外に、三角形や四角形などの多角形、楕円形、その他任意の形状をとり得るものとし、さらには形状の異なるものを組み合わせてもよい。
【００１８】
〔実施の形態３〕
図８は実施の形態３にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の要部の断面図、図９は図８に対応した一部破断の斜視図、図１０（ａ）は図９におけるＡ−Ａ′線矢視の断面図、図１０（ｂ）は図９におけるＢ−Ｂ′線矢視の断面図、図１１は図１０（ａ）におけるＣ−Ｃ′線矢視の断面図、図１２は図１０（ａ）におけるＤ−Ｄ′線矢視の断面図である。これらの図において、実施の形態１の図２におけるのと同じ符号は同一要素を示すので、説明を省略する。本実施の形態３においては、中空回転軸３と中空回転冷却体４とを別体に構成してあり、両者を連結体３０を介して連結してあるとともに、中空回転冷却体４の内部に冷却流体通路交差型のノズル４０を組み込んである。中空回転軸３の下端に下端板３ｂが一体的に設けられ、下端板３ｂの中央には貫通孔３ｃが形成され、その周囲に複数個の円弧長孔の連通路３ｄが同一円周上に形成され、さらに中空回転軸３の下端の外周において下端板３ｂの延長上にフランジ３ｅが一体的に設けられている。中空回転軸３の上方部分は実施の形態１の場合と同様に構成されている。ただし、中空回転軸３の内部に同心状に配された管は実施の形態１（図１）の場合の冷却流体導入管１７とは異なり、冷却流体排出管３１となっており、その内部は冷却流体排出通路３２となっている。したがって、図１を本実施の形態３に流用するに際しては、冷却流体排出管３１の上端の開口を冷却流体排出口３１ａとし、また、中空回転軸３の上端の開口を冷却流体導入口３ａ′とすることとする。冷却流体排出管３１の外周面と中空回転軸３の内周面との間の空間は冷却流体導入通路３３となっている。連結体３０は、中空回転軸３の下端板３ｂに密着する上端板３０ａと、中空回転軸３のフランジ３ｅに密着するフランジ３０ｂと、中空回転冷却体４を保持する外側筒部３０ｃと、ノズル４０を保持する内側筒部３０ｄとからなり、上端板３０ａの中央には貫通孔３ｃに位置対応する貫通孔３ｃと同一形状・同一サイズの貫通孔３０ｅが形成され、その周囲に複数個の円弧長孔の連通路３０ｆが同一円周上に形成されている。連結体３０は例えばステンレス鋼等の金属により構成されている。中空回転軸３の下端板３ｂと連結体３０の上端板３０ａとが密着され、冷却流体排出管３１の下端部が中空回転軸３の貫通孔３ｃと連結体３０の貫通孔３０ｅとに嵌合され、中空回転軸３の連通路３ｄと連結体３０の連通路３０ｆとが一連の連通路を形成する状態で位置合わせされ、互いに対接されたフランジ３ｅ，３０ｂにおいて図示しないボルト・ナットによりフランジ接合が行われている。次に冷却流体通路交差型のノズル４０について説明する。ノズル４０は、上部の外筒４０ａと、上部の内筒４０ｂと、中間交差部４０ｃと、下部のノズル先端４０ｄとから構成されている。外筒４０ａと内筒４０ｂとは同心状になっており、内筒４０ｂの上端は連結体３０の上端板３０ａに当接した状態で冷却流体排出管３１の下端に外嵌されている。内筒４０ｂの内部は冷却流体排出管３１の冷却流体排出通路３２に連通する冷却流体排出通路４５に構成され、内筒４０ｂの外周面と外筒４０ａの内周面との間は冷却流体導入通路４１に構成されている。外筒４０ａはその上端にフランジ４０ｅを有し、そのフランジ４０ｅには複数個のボルト挿通孔４０ｆが形成されており、フランジ４０ｅを連結体３０の上端板３０ａと内側筒部３０ｄとに密着した状態でボルト挿通孔４０ｆを通した図示しないボルトが連結体３０に螺合締結されている。すなわち、ノズル４０が連結体３０に取り付け固定されている。また、中空回転軸３の冷却流体導入通路３３とノズル４０の冷却流体導入通路４１とが一連の連通路を形成する連通路３ｄ，３０ｆを介して連通されている。中間交差部４０ｃは、上隔板４０ｇと、下隔板４０ｈと、外筒延長部４０ｉと、内筒延長部４０ｊとを有している。上隔板４０ｇは外筒４０ａの下端と内筒４０ｂの下端とにわたる円環板であり、外筒延長部４０ｉは外筒４０ａを下方に延長した部分であり、内筒延長部４０ｊは内筒４０ｂを下方に延長した部分であり、下隔板４０ｈは内筒延長部４０ｊの下端を閉鎖する状態で外筒延長部４０ｉの下端に連結された円板である。上隔板４０ｇと下隔板４０ｈとの間にわたって円弧長孔の縦筒体４０ｋが周方向に等間隔で複数個設けられ、各縦筒体４０ｋの内部が冷却流体導入連絡通路４２に構成されている。隣接する縦筒体４０ｋ間において、外筒延長部４０ｉと内筒延長部４０ｊとの間にわたって円弧の横筒体４０ｍが周方向に等間隔で複数個設けられ、各横筒体４０ｍの内部が冷却流体排出連絡通路４４に構成されている。ノズル先端４０ｄは、中間交差部４０ｃの下隔板４０ｈに外筒延長部４０ｉのさらに延長として連設された筒部４０ｎと、筒部４０ｎの下端に設けた下端板４０ｐとを有し、その内部のチャンバーが吹出し前室４０ｑに形成されており、下端板４０ｐには複数個の吹出し口４０ｒが形成されている。吹出し前室４０ｑに対して各縦筒体４０ｋによる冷却流体導入連絡通路４２が連通している。中空回転冷却体４は、ノズル４０の外径より大きな内径をもつ筒部４ｄと、筒部４ｄの下端を閉鎖する状態に設けられた下端板４ｅとからなり、筒部４ｄの上端は連結体３０の外側筒部３０ｃに対して内嵌状態で密閉状に螺合締結されている。中空回転冷却体４の下端板４ｅはノズル４０の下端板４０ｐから所定間隔隔てられており、複数の吹出し口４０ｒから吹き出される冷却流体によって冷却されるようになっている。中空回転冷却体４の下端板４ｅの下面は多結晶シリコン晶出部４ｂとなっている。熱交換によって昇温された冷却流体は、ノズル先端４０ｄの外周面と中空回転冷却体４の内周面との間に形成された冷却流体還流通路４３を通って各冷却流体排出連絡通路４４に至り、さらに各冷却流体排出連絡通路４４から冷却流体排出通路４５を介して冷却流体排出管３１の冷却流体排出通路３２に至るようになっている。なお、中空回転冷却体４の下端板４ｅの下面である多結晶シリコン晶出部４ｂに晶出された多結晶シリコン塊２６が不測に脱落しないように多結晶シリコン晶出部４ｂに凹凸を形成しておく点については実施の形態１と同様である。中空回転軸３はステンレス鋼などの金属で構成され、中空回転冷却体４は黒鉛や窒化ケイ素あるいは炭化ケイ素などによって構成されている。その他の構成は実施の形態１（図１）と同様であるので、対応する部分に同一符号を付すにとどめ、説明を省略する。
【００１９】
次に、上記のように構成された実施の形態３にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の動作を説明する。ここでは主に冷却流体の流れについて説明する。不活性雰囲気下で坩堝２内に溶融シリコン２５を保持し、かつ回転駆動手段１２によって中空回転軸３および中空回転冷却体４を回転させた状態で、冷却流体導入口３ａ′より冷却流体を中空回転軸３の冷却流体導入通路３３に送り込む。冷却流体導入通路３３に送り込まれた冷却流体はそれぞれ一連の連通路を形成する複数個の連通路３ｄ，３０ｆを介してノズル４０の外筒４０ａと内筒４０ｂとの間の冷却流体導入通路４１に流入し、さらに中間交差部４０ｃにおける各縦筒体４０ｋによる冷却流体導入連絡通路４２を介してノズル先端４０ｄの吹出し前室４０ｑに流入し、吹出し前室４０ｑの下端板４０ｐの複数個の吹出し口４０ｒから回転する中空回転冷却体４の下端板４ｅに向けて吹き出される。高温の溶融シリコン２５に接触している下端板４ｅを冷却し、熱交換によって昇温した冷却流体はノズル４０と中空回転冷却体４との間の冷却流体還流通路４３を上昇し、各横筒体４０ｍによる冷却流体排出連絡通路４４を介して冷却流体排出通路４５に流入し、さらに冷却流体排出管３１の冷却流体排出通路３２を通ってその上端の冷却流体排出口３１ａから外部に排出されるに至る。冷却流体の吹出し口４０ｒの配置パターンについては実施の形態２（図７）の場合と同様とする。
【００２０】
高温の溶融シリコン２５内に浸漬している中空回転冷却体４の下端板４ｅが実施の形態２の場合と同様に冷却流体通路交差型のノズル４０の複数の吹出し口４０ｒから直接に吹き付けられた高速の冷却流体によって充分に冷却されるので、下端板４ｅと溶融シリコン２５との間で熱交換が非常に効率的に行われ、下端板４ｅの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向を実施の形態２の場合と同様に安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。中空回転冷却体４の周側面も溶融シリコン２５内に浸漬されているが、その周側面の内側の冷却流体還流通路４３を上方に流動する熱交換後の冷却流体は１００〜３５０℃に昇温されているので、多結晶シリコン塊を晶出するに足るだけの冷却エネルギーを有しておらず、したがって、多結晶シリコン塊２６は中空回転冷却体４の下端板４ｅの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおいてのみ晶出されることとなり、その多結晶シリコン塊２６はその全体にわたって均質な中実のほぼ円柱状の鋳塊となり、そのような均質な円柱状の多結晶シリコン塊からは大きなサイズの太陽電池用基板をスライスして多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率を向上させることができる。さらに、冷却流体の導入・排出の方向が実施の形態１，２とは逆になっていることから、パッキン９の熱劣化を抑制することができる。すなわち、導入された冷却流体は中空回転軸３のすぐ内側の冷却流体導入通路３３を流下し、熱交換によって昇温された冷却流体は中空回転軸３内の冷却流体排出管３１の内部の冷却流体排出通路３２を上昇するから、パッキン９は昇温された冷却流体による熱的影響を受けないですみ、その熱劣化を防止して、耐久性を向上させることができる。なお、ノズル４０および冷却流体排出管３１は中空回転軸３および中空回転冷却体４と一体に回転させるものとする。その他の動作は実施の形態１の場合と同様であるので、説明を省略する。
【００２１】
〔実施の形態４〕
実施の形態４は実施の形態１の変形にかかわるものである。図１３は実施の形態４にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の一部の垂直断面図、図１４はその一部破断の斜視図である。中空回転軸３およびその下端部分の中空回転冷却体４の内部に挿通された冷却流体導入管１７の下端部であるノズル４０の外周に複数個のボックス状の拡散部５１を周方向等間隔に一体的に設けてある。各拡散部５１は上板部５１ａと一対の側板部５１ｂと外板部５１ｃとからボックス状に構成され、半径方向の内側はノズル４０の内部の冷却流体導入通路１８に連通し、下部は中空回転冷却体４の下端板４ａに対向した開口部５１ｄとなっている。ノズル４０の下端開口部４０1′は、ノズル４０の本体部の延長の開口部と各拡散部５１の開口部５１ｄとを合成したものである。各拡散部５１の外板部５１ｃは中空回転冷却体４の内周面に近接している。隣接する拡散部５１どうしの間は冷却流体還流通路５２となっている。冷却流体導入通路１８を流下してきた冷却流体を複数の拡散部５１において半径方向外側へ拡散し、中空回転冷却体４の下端板４ａに対してその隅々にわたって同一温度の冷却流体をほぼ均一に供給することができ、下端板４ａに対する冷却特性を半径方向でより均等化している。その結果として、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向をより安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。また、得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状であるので、そのスライスにより大きなサイズの太陽電池用基板を多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率が高い。その他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、対応する部分に同一符号を付すにとどめ、説明を省略する。
【００２２】
〔実施の形態５〕
実施の形態５は実施の形態２の変形にかかわるものである。図１５は実施の形態５にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の一部の垂直断面図である。冷却流体導入管１７の下端部であるノズル４０の外周に複数個のボックス状の拡散部５１を周方向等間隔に一体的に設けてある点は実施の形態４と同様であるが、実施の形態５の場合には、各拡散部５１は上板部と一対の側板部と外板部と底板部とからボックス状に構成され、半径方向の内側はノズル４０の内部の冷却流体導入通路１８に連通している。ノズル４０の延長部と各拡散部５１の下部とにわたって全体が変則形の下端板５３で閉じられており、その下端板５３に複数個の冷却流体吹出し口５３ａが形成されている。図１６（ａ）〜（ｆ）は変則形の下端板５３に形成される冷却流体吹出し口５３ａの様々なパターンを例示するものである。いずれも、中空回転冷却体４の下端板４ａに対する冷却流体の均等供給を図るものである。その結果として、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向をより安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。また、得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状であるので、そのスライスにより大きなサイズの太陽電池用基板を多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率が高い。その他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、対応する部分に同一符号を付すにとどめ、説明を省略する。
【００２３】
〔実施の形態６〕
実施の形態６は実施の形態３の変形にかかわるものである。図１７は実施の形態６にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の一部破断の斜視図である。図９に示す冷却流体通路交差型のノズル４０の下部のノズル先端４０ｄにおいて、筒部４０ｎの下端部の外周に複数個のボックス状の拡散部５１を周方向等間隔に一体的に設けてある。各拡散部５１は上板部と一対の側板部と外板部と底板部とからボックス状に構成され、半径方向の内側はノズル先端４０ｄ内の吹出し前室４０ｑに連通している。各拡散部５１の外板部は中空回転冷却体４の内周面に近接している。隣接する拡散部５１どうしの間は上部の冷却流体還流通路４３に連なる冷却流体還流通路５２となっている。ノズル先端４０ｄの下端板４０ｐは図１６（ａ）〜（ｆ）のいずれかの変則形のものに構成され、その下端板５３に複数個の冷却流体吹出し口５３ａが形成されている。この構成により、中空回転冷却体４の下端板４ａに対して複数の吹出し口５３ａから冷却流体を均等に供給して、下端板４ａを一様に冷却することができ、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおいて良質な多結晶シリコン塊２６を効率良く晶出させることができる。その結果として、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向をより安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。また、得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状であるので、そのスライスにより大きなサイズの太陽電池用基板を多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率が高い。その他の構成および動作については実施の形態３と同様であるので、対応する部分に同一符号を付すにとどめ、説明を省略する。
【００２４】
実施の形態４、５および６において各拡散部５１は水平に突出しているがノズル４０の下部近傍から徐々に裾広がりになるような傾斜があってもかまわない。
【００２５】
〔実施の形態７〕
実施の形態７は冷却流体吹出し口の変形にかかわるものである。図１８は実施の形態７にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の要部の構成を示す垂直断面図である。ノズル４０の下端板４０2 に複数個形成される冷却流体吹出し口４０3を下拡がりのテーパー状に形成したものである。中空回転冷却体４の下端板４ａに対する冷却流体の供給をより均一化し、下端板４ａを一様に冷却することができる。
【００２６】
〔実施の形態８〕
実施の形態８は冷却流体吹出し口の変形にかかわるものである。図１９（ａ）はノズル４０の下端板４０2 を下から見た底面図、図１９（ｂ）は図１９（ａ）におけるＥ−Ｅ′線矢視の断面図である。ノズル４０の下端板４０2 に同一円周上に複数個形成される冷却流体吹出し口４０3 を円周の接線方向に沿うように、下端板４０2 の上面から下面にかけて斜めに形成したものである。なお、中心の１つの吹出し口４０3 は板面に垂直に形成してある。配列円弧に対する接線方向に沿って各吹出し口４０3 を斜め方向に形成してあるので、その傾斜の吹出し口４０3 から吹き出された冷却流体は中空回転冷却体４の下端板４ａの表面で渦を巻く旋回流となり、下端板４ａを一様に冷却することができる。
【００２７】
〔実施の形態９〕
実施の形態９は冷却流体吹出し口の変形にかかわるものである。図２０（ａ）はノズル４０の下端板４０2 を下から見た底面図、図２０（ｂ）は図２０（ａ）におけるＦ−Ｆ′線矢視の断面図である。ノズル４０の下端板４０2 に同一円周上に複数個形成された冷却流体吹出し口４０3 は板面に垂直に形成されているが、下端板４０2 の下面において各吹出し口４０3 の口縁部から円周の接線方向に沿って斜め下方に向かう流路変更板４０4 を一体的に突出させてある。図２０（ａ）の状態で各流路変更板４０4 は各吹出し口４０3 の時計方向側の口縁から反時計方向に向けて斜め下方に突出している。配列円弧に対する接線方向に沿って各吹出し口４０3 から流路変更板４０4 を斜め方向に突出してあるので、吹出し口４０3 から吹き出され流路変更板４０4 によってガイドされた冷却流体は中空回転冷却体４の下端板４ａの表面で渦を巻く旋回流となり、下端板４ａを一様に冷却することができる。
【００２８】
〔実施の形態１０〕
実施の形態１０は冷却流体吹出し口の変形にかかわるもので、図１５におけるノズル４０から突出させた拡散部５１から旋回流として冷却流体を吹き出させるようにしたものである。図２１は中空回転冷却体４とノズル４０の構成を示す一部破断の斜視図、図２２は拡散部５１の構成を示す一部破断の斜視図である。ノズル４０の下端において周方向に等間隔を隔てた複数箇所から半径方向外方に突出させた各拡散部５１の内部にその長手方向に沿って１つの冷却流体導通路５１ｅを形成し、その冷却流体導通路５１ｅから複数個の周方向斜め下方に向かう吹出し口５１ｆを形成してある。ノズル４０の内部の冷却流体導入通路１８は下端において閉鎖されている。傾斜した吹出し口５１ｆから吹き出された冷却流体は中空回転冷却体４の下端板４ａの表面で渦を巻く旋回流となり、下端板４ａを一様に冷却することができる。
【００２９】
上記した実施の形態７〜１０のように構成すると、中空回転冷却体４の下端板４ａを一様に冷却するので、下端板４ａの下面の多結晶シリコン晶出部４ｂにおける溶融シリコン２５に対する冷却効率を高めることができ、多結晶シリコン晶出部４ｂにおける多結晶シリコン塊２６の晶出において結晶成長方向をより安定化させる。したがって、二方向から成長する結晶衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が一層良好に抑制され、全体についてより均質で良質な多結晶シリコン塊を得ることができる。また、得られた多結晶シリコン塊２６の形状は中実のほぼ円柱状であるので、そのスライスにより大きなサイズの太陽電池用基板を多数枚切り出すことができ、多結晶シリコン塊の利用効率が高い。
【００３０】
なお、実施の形態７〜１０のように旋回流として冷却流体を吹き出させる場合には、その吹出し反力によってノズル４０および冷却流体導入管１７自体を回転させるように構成することも可能である。この場合、冷却流体導入管１７の上端をベアリングを介して回転自在に支持するように構成する。
【００３１】
また、旋回流の反力を利用して冷却流体導入管１７を回転させるようにすることに代えて、冷却流体導入管１７を中空回転軸３と一体化し、モーター１３を含む回転駆動手段１２によって強制的に駆動回転するようにしてもよい。その場合、吹出し口からの冷却流体の吹き出し形態自体が旋回流ではなくても、吹出し口を形成した冷却流体導入管１７自体の強制回転に伴って吹出し口から吹き出した冷却流体を結果的に旋回流とすることができ、上記同様の効果を得る。この場合、吹出し口の形態はどのようなものであってもよく、実施の形態１〜１０のいずれをも適用できる。
【００３２】
〔実施の形態１１〕
実施の形態１１は中空回転軸３を溶解炉１の天井壁１ａに密封的に貫通させるパッキン９の劣化防止の技術に関するものである。図２３はパッキン部分の拡大断面図である。回転ならびに上下動する中空回転軸３の外周面に対して摺接するパッキン９と中空回転軸３を軸支するベアリング６１とを熱伝導性が良く耐火性に優れた金属製またはセラミックス製の環状のホルダー６２に保持させてあり、そのホルダー６２の外周面に冷却水チャンバー６３を密着させ、さらにこの冷却水チャンバー６３を天井壁１ａの貫通孔６に密着状態で内嵌させてある。冷却水チャンバー６３の内部は環状の仕切り壁６３ａで内室６３ｂと外室６３ｃとに分割され、内室６３ｂに対して冷却水供給管６４が連通接続され、外室６３ｃに対して冷却水排出管６５が連通接続されている。中空回転軸３の内部に挿通された冷却流体導入管１７の内部の冷却流体導入通路１８において冷却流体が下方に流れ、中空回転軸３と冷却流体導入管１７との間の冷却流体排出通路１９において熱交換後の昇温された冷却流体が上方に流れる。このとき、昇温された冷却流体によってパッキン９が昇温する。しかし、冷却水チャンバー６３内での冷却水の流動により、熱伝導性の良いホルダー６２を介してパッキン９を冷却することにより、パッキン９を所定温度以下に保ち、その熱劣化を抑制し、その耐久性を向上する。
【００３３】
なお、上記した何れの実施の形態においても、冷却流体導入管１７またはノズル４０の材質を、黒鉛に代えて、セラミックスにしてもよいし、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）などの金属にしてもよく、いずれも上記同様の効果を奏することができる。
【００３４】
また、上記した何れの実施の形態においても、冷却流体として窒素ガスに代えて、アルゴンガスやヘリウムガスを使用することができる。ヘリウムガスを流量５４０リットル／ｍｉｎで供給すると、坩堝２内で１４２５℃に保持した溶融シリコン２５から多結晶シリコン塊２６を２．５１ｍｍ／ｍｉｎの成長速度で晶出することができた。
【００３５】
以上の各実施の形態においては多結晶シリコン塊の製造について説明したが、何れの実施の形態もアルミニウム鋳塊の製造に転用することが可能である。
【００３６】
以上いくつかの実施の形態について説明したが、各実施の形態の技術内容は、論理的に矛盾しない限りにおいて他のどの実施の形態に適用してよいものとする。
【００３７】
【発明の効果】
多結晶シリコン塊の製造装置、製造方法についての請求項１もしくは請求項５にかかわる発明によれば、ノズルから中空回転冷却体の下端板に対して冷却流体を吹き付け、熱交換後の昇温冷却流体を中空回転冷却体の内周面に沿って流動させるので、中空回転冷却体の下端板の下面のみを多結晶シリコン晶出部として設定でき、中空回転冷却体の周側面には晶出させることなく、多結晶シリコン晶出部においてのみ多結晶シリコン塊をその結晶成長方向が下向きの一方向のみとなる状態で晶出させることができる。結晶成長方向が二方向の場合のような結晶どうしの衝突がなく、したがって、衝突に起因する歪みや結晶欠陥の発生が抑制されており、中心部から外周面直近にわたるほぼ全体について均質な良質の多結晶シリコン塊を得ることができる。晶出された多結晶シリコン塊においては、中実の円柱状となり、それから太陽電池用基板を切り出すときには効率の良い切り出しが行える。
【００３８】
請求項２もしくは請求項６にかかわる発明によれば、中空回転冷却体に内蔵するノズルとして冷却流体通路交差型のノズルを設けてあるので、中空回転冷却体の下端板および内周面での冷却流体の流動状態は請求項１と同様とし請求項１と同様の効果を得ながら、中空回転軸内でノズルに供給する冷却流体の導入通路として中空回転軸の内周面に沿った冷却流体導入通路を構成するとともに、昇温冷却流体の排出通路として中空回転軸内に同心状に設けた冷却流体排出管の内部に冷却流体排出通路を構成することができ、中空回転軸の外周面と溶解炉の天井壁貫通孔との間の気密を図るためのパッキン等の封止部材の熱劣化を抑制することができる。
【００３９】
請求項３にかかわる発明によれば、ノズル下端部の複数個の拡散部からも冷却流体を中空回転冷却体の下端板に対して吹き付けるので、下端板に対してその隅々にわたって同一温度の冷却流体をほぼ均一に供給して下端板に対する冷却特性を均等化でき、多結晶シリコン塊の晶出において結晶成長方向をより安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１にかかわる多結晶シリコン塊の製造装置の概略的な構成を示す一部破断の垂直断面図、図２はその要部を拡大した断面図
【図２】 図１の要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す断面図
【図３】 中空回転冷却体の下端板の下面の多結晶シリコン晶出部に形成された凹凸形状を示す断面図
【図４】 実施の形態１により晶出された多結晶シリコン塊の形状および太陽電池用基板の切り出しを示す説明図
【図５】 実施の形態２における要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す断面図
【図６】 図５に対応した一部破断の斜視図
【図７】 実施の形態２における冷却流体ノズルの下端板の冷却流体吹出し口の配置パターンの説明図
【図８】 実施の形態３における要部の中空回転冷却体および冷却流体通路交差型のノズルを示す断面図
【図９】 冷却流体通路交差型のノズルを示す一部破断の斜視図
【図１０】 図９におけるＡ−Ａ′線矢視の断面図とＢ−Ｂ′線矢視の断面図
【図１１】 図１０（ａ）におけるＣ−Ｃ′線矢視の断面図
【図１２】 図１０（ａ）におけるＤ−Ｄ′線矢視の断面図
【図１３】 実施の形態４における要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す断面図
【図１４】 図１３に対応した一部破断の斜視図
【図１５】 実施の形態５における要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す断面図
【図１６】 実施の形態５における冷却流体吹出し口のパターンを示す説明図
【図１７】 実施の形態６における要部の中空回転冷却体および冷却流体通路交差型のノズルを示す一部破断の斜視図
【図１８】 実施の形態７における要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す断面図
【図１９】 実施の形態８にかかわる冷却流体吹出し口の形状を示す説明図
【図２０】 実施の形態９にかかわる冷却流体吹出し口の形状を示す説明図
【図２１】 実施の形態１０における要部の中空回転冷却体および冷却流体ノズルを示す一部破断の斜視図
【図２２】 図２１における拡散部を拡大した一部破断の斜視図
【図２３】 実施の形態１１におけるパッキン部分の拡大断面図
【図２４】 従来のケイ素の精製装置を示す断面図
【図２５】 上記の精製装置を多結晶シリコン塊の製造に転用した場合に晶出される多結晶シリコン塊の形状および太陽電池用基板の切り出しを示す説明図
【図２６】 従来のキャスト法の概要を示す断面図
【符号の説明】
１……溶解炉、１ａ……天井壁、１ｂ……底壁、２……坩堝、３……中空回転軸、３ａ……冷却流体排出口、３ａ′……冷却流体導入口、３ｄ……連通路、４……中空回転冷却体、４ａ……下端板、４ｂ……多結晶シリコン晶出部、４ｄ……筒部、４ｅ……下端板、５……ヒーター、６……貫通孔、７……不活性ガス供給管、８……坩堝台、９……パッキン、１０……固定フレーム、１１……回転軸保持アーム、１２……回転駆動手段、１３……モーター、１４……ベルト車、１５……ベルト、１６……真空排気管、１７……冷却流体導入管、１７ａ……冷却流体導入口、１７ｂ……下端開口部、１７ｃ……下端板、１７ｄ……冷却流体吹出し口、１８……冷却流体導入通路、１９……冷却流体排出通路、２０……軸受、２５……溶融シリコン、２６……多結晶シリコン塊、３０……連結体、３０ｆ……連通路、３１……冷却流体排出管、３１ａ……冷却流体排出口、３２……冷却流体排出通路、３３……冷却流体導入通路、４０……冷却流体ノズル／冷却流体通路交差型のノズル、４０1 ，４０1′……下端開口部、４０2 ……下端板、４０3 ……冷却流体吹出し口、４０4 ……流路変更板、４０ａ……外筒、４０ｂ……内筒、４０ｃ……中間交差部、４０ｄ……ノズル先端、４０ｇ……上隔板、４０ｈ……下隔板、４０ｋ……縦筒体、４０ｍ……横筒体、４０ｐ……下端板、４０ｑ……吹出し前室、４０ｒ……吹出し口、４１……冷却流体導入通路、４２……冷却流体導入連絡通路、４３……冷却流体還流通路、４４……冷却流体排出連絡通路、４５……冷却流体排出通路、５１……拡散部、５１ｅ……冷却流体導通路、５１ｆ……吹出し口、５２……冷却流体還流通路、５３……下端板、５３ａ……吹出し口、６３……冷却水チャンバー
Claims (6)
- 溶融シリコンに浸漬される中空回転冷却体の下端板の上面に対して前記中空回転冷却体に内蔵したノズルから冷却流体を吹き付け、前記下端板との熱交換により昇温された昇温冷却流体をノズルの外周面と中空回転冷却体の内周面との間の冷却流体排出通路を通して上昇させ、前記下端板の下面の多結晶シリコン晶出部に多結晶シリコン塊をその結晶成長方向が下向きとなる状態で晶出させるように構成してある多結晶シリコン塊の製造装置。
- 中空回転軸とその内側に挿通した冷却流体排出管との間を冷却流体導入通路とし、前記中空回転軸の下端に中空回転冷却体を保持するとともに中空回転冷却体の内部に冷却流体通路交差型のノズルを設け、この冷却流体通路交差型のノズルは、前記冷却流体導入通路から流入した冷却流体を前記中空回転冷却体の下端板の上面に対して吹き付け、前記下端板との熱交換により昇温された昇温冷却流体をノズルの外周面と中空回転冷却体の内周面との間の冷却流体還流通路を通して上昇させ、ノズルの途中に形成した冷却流体導入連絡通路からノズルの軸心部に形成した冷却流体排出通路を介して前記冷却流体排出管に導くように構成されている多結晶シリコン塊の製造装置。
- ノズルの下端部に複数個の拡散部が連通状態で突出され、その拡散部からも冷却流体を中空回転冷却体の下端板の上面に対して吹き付けるように構成されている請求項１または請求項２に記載の多結晶シリコン塊の製造装置。
- 請求項１〜３のいずれか1項に記載の多結晶シリコン塊の製造装置を用いた多結晶シリコン塊の製造方法。
- 溶触シリコンに中空回転冷却体を浸漬して、該中空回転冷却体の下端板の上面に対して該中空回転冷却体に内蔵したノズルから冷却流体を吹き付け、前記下端板との熱交換により昇温された昇温冷却流体をノズルの外周面と中空回転冷却体の内周面との間の冷却流体排出通路を通して上昇させ、前記下端板の下面の多結晶シリコン晶出部に多結晶シリコン塊をその結晶成長方向が下向きとなる状態で晶出させることを特徴とする多結晶シリコン塊の製造方法。
- 中空回転軸とその内側に挿通した冷却流体排出管との間を冷却流体導入通路とし、前記中空回転軸の下端に中空回転冷却体を保持させるとともに、中空回転冷却体の内部に冷却流体通路交差型のノズルを設け、該ノズルは、前記冷却流体導入通路から流入した冷却流体を前記中空回転冷却体の下端板の上面に対して吹き付け、前記下端板との熱交換により昇温された昇温冷却流体をノズルの外周面と中空回転冷却体の内周面との間の冷却流体還流通路を通して上昇させ、ノズルの途中に形成した冷却流体導入連絡通路からノズルの軸心部に形成した冷却流体排出通路を介して前記冷却流体排出管に導くことを特徴とした多結晶シリコン塊の製造方法。
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