JP4484501B2

JP4484501B2 - シリコン鋳造用装置

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Publication number: JP4484501B2
Application number: JP2003398187A
Authority: JP
Inventors: 淳一跡部
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: JP2005152985A

Description

本発明はシリコンの鋳造装置に関し、例えば太陽電池用半導体基板などの作製に用いられる多結晶シリコンの鋳造用装置に関する。

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よ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よ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６に示す。

上部には原料シリコン１０を溶融するための溶解坩堝８が保持坩堝９に保持されて配置され、溶解坩堝８と保持坩堝９の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口１１が設けられる。また、溶解坩堝８、保持坩堝９の上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段１２、側部加熱手段１３が配置され、溶解坩堝８、保持坩堝９の下部にはシリコン融液４が注ぎ込まれる鋳型１が配置され、その外側に鋳型断熱材３が設けられる。さらに、鋳型１の下部には冷却手段７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６が配置される。

例えば高純度石英などからなる溶解坩堝８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、上部加熱手段１２、側部加熱手段１３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１１から下部にある鋳型１内に注湯される。

鋳型１は例えば黒鉛などからなり、例えば、一つの底部材１ａと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などで構成される。離型材層２は、シリコンの窒化物である窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、シリコンの炭化物である炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコンの酸化物である酸化珪素（ＳｉＯ_２）などの粉末が用いられ、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、鋳型内壁に塗布もしくはスプレーなど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３は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６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１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３で覆い、冷却手段７によって鋳型１内に注湯されたシリコン融液４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"

シリコン融液４は、表面からの抜熱が大きいため、シリコン融液４の表面が先に凝固してしまい、液体のシリコン融液が内部に取り残されると、後で取り残されたシリコン融液が凝固して膨張し、シリコンインゴットの表面があたかも噴火したような状態となりシリコンインゴットに割れが生じる。よって、シリコン融液４の表面を凝固させないように、シリコン融液４の表面を加熱した状態で、鋳型１の下部から抜熱を行うことにより、シリコン融液４を真直ぐ一方向に凝固させる必要がある。

しかし、図６に示される一般的なシリコン鋳造用装置では、シリコン融液４は鋳型１の底部と側部の双方に接触しているため、鋳型１の下部に設置した冷却手段７による抜熱の際に、鋳型１の底部からだけではなく側部からも冷却手段７へと抜熱が生じてしまう。その結果、鋳型１の側面が冷却され、凝固界面が凹型となるので、シリコンインゴット上端での最終凝固が不均一となる。このとき、シリコンの凝固膨張による残留応力が生じ、シリコンインゴットにクラックが発生しやすくなるという問題がある。

このような問題を回避するために、鋳型断熱材３の厚みを厚くして鋳型１の側面からの抜熱を抑制する方法が考えられるが、鋳型断熱材３を設けるスペースを大きくする必要があり、その結果、鋳造装置全体を大きくする必要がある。また、側面全体の断熱性が高いために凝固時間が長くなり、全体としてシリコンインゴットを鋳造する時間が極端に延びるために生産性が低下するという問題もある。

また、鋳型１の側面に加熱手段を設けて加熱するという方法も考えられるが、加熱手段を設けるスペースが必要となり、鋳造装置全体を大きくする必要がある。また、電力の消費量が多くなるために高コストとなり、また省エネルギーという観点からも問題になる。

本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、多結晶シリコンインゴットを鋳造する際に、冷却手段による抜熱に伴う鋳型側面からの抜熱を防ぐことによってシリコンインゴットの割れを防止するシリコン鋳造用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に、本発明のシリコン鋳造用装置は、上部に開口部を備え底部と側部とを有し、その内部にシリコン融液を保持・凝固させる鋳型と、前記鋳型の側部の外周を囲繞してなる鋳型断熱材と、前記鋳型の上方に配置された鋳型加熱手段と、前記鋳型の下方に配置された冷却手段と、前記鋳型と前記冷却手段との間に介在され、前記鋳型及び前記冷却手段にそれぞれ当接する鋳型ホルダーと、を備えたシリコン鋳造用装置であって、前記鋳型ホルダーは、前記鋳型の側部の直下部に当接するように配置された外周部材と、前記鋳型の底部の略中心部に当接するように配置された、前記外周部材よりも熱伝導率が高い中心部材と、を有し、前記中心部材は、前記鋳型と当接するその上面の差し渡し寸法をＤ、前記冷却手段と当接するその下面の差し渡し寸法をＨとしたときに、寸法比Ｄ／Ｈが０．２以上０．８以下であり、前記鋳型の内部にシリコン融液を保持したときに、前記鋳型の底部の略中心部から前記鋳型ホルダーを経て前記冷却手段に向かう熱流束Ａと、前記鋳型の側部の直下部から前記鋳型ホルダーを経て前記冷却手段に向かう熱流束Ｂとの熱流束比Ａ／Ｂが１より大となるような構成とした。

このように鋳型と冷却手段との間に、鋳型ホルダーを介在させて、鋳型の中心部と外周部（側部）から冷却手段へとこの鋳型ホルダーを経由して流れる熱流束を適正にし、側部の直下部から抜ける熱流束を中心部から抜ける熱流束よりも少なくなるように構成したので、直接、鋳型と冷却手段とを接触させたときと比べて、シリコン融液は側部が冷却されすぎることがなく中心部とバランスを取りながら、より均一に冷却される。また、本発明のシリコン鋳造装置において、前記中心部材は、前記外周部材よりも熱伝導率を高くしたので、これらの２つの部材を組み合わせるだけで、側部の直下部から抜ける熱流束と中心部から抜ける熱流束との比を適正にすることができる。また、本発明のシリコン鋳造装置において、前記中心部材の前記鋳型と当接するその上面の差し渡し寸法をＤ、前記冷却手段と当接するその下面の差し渡し寸法をＨとしたときに、寸法比Ｄ／Ｈが、０．２以上０．８以下としたので、冷却手段から鋳型の側部材までの熱伝導を遅くすることができる。したがって、中心部材の下面が冷却手段と接する大きさと、中心部材の上面が鋳型と接する大きさとを最適にすることができるので、特に中心部材を経由して鋳型から冷却手段へと移動する熱流束を最適に合わせることができる。

なお本明細書において、「鋳型の側部の直下部」とは、鋳型の側部の外面と鋳型の側部の内面とを鉛直下方に延在させたときに、これらの面によって切り取られた鋳型ホルダーの上面部を指す。また、熱流束は単位時間に単位面積を通過する熱量を指す。

本発明の他のシリコン鋳造用装置は、前記外周部材と前記冷却手段との間に、前記中心部材の一部が介在するように構成したので、冷却手段の上に中心部材が安定して配置され、さらにその上に外周部材が安定して載置された鋳型ホルダーとなる。

また、本発明の他のシリコン鋳造用装置は、前記中心部材の一部と前記外周部材との間の一部に空隙を設けてなる。

また、本発明の他のシリコン鋳造装置は、前記中心部材の一部と前記外周部材との間に前記中心部材よりも熱伝導率が低い低熱伝導率層を設けてなる。

また、本発明の他のシリコン鋳造用装置は、上部に開口部を備え底部と側部とを有し、その内部にシリコン融液を保持・凝固させる鋳型と、前記鋳型の側部の外周を囲繞してなる鋳型断熱材と、前記鋳型の上方に配置された鋳型加熱手段と、この鋳型の下方に配置された冷却手段と、前記鋳型と前記冷却手段との間に介在され、該鋳型に当接する鋳型ホルダーと、を備えたシリコン鋳造用装置であって、前記鋳型ホルダーは、前記鋳型の側部の直下と当接する面に凹凸部を有し、前記鋳型の内部にシリコン融液を保持したときに、前記鋳型の底部の略中心部から前記鋳型ホルダーを経て前記冷却手段に向かう熱流束Ａと、前記鋳型の側部の直下部から前記鋳型ホルダーを経て前記冷却手段に向かう熱流束Ｂとの熱流束比Ａ／Ｂが１より大となるような構成としてなる。

なお、本明細書において、ある面の差し渡し寸法とは、この面の外郭形状の重心点を通過し、この面に含まれる直線であって、この面の外郭形状によって切り取られてできる線分のうち最小の長さのものを指すものとする。

以上のように、本発明のシリコン鋳造用装置によれば、鋳型と冷却手段との間に、鋳型ホルダーを介在させて、鋳型の中心部と外周部（側部）から冷却手段へとこの鋳型ホルダーを経由して流れる熱流束を適正にし、側部の直下部から抜ける熱流束を中心部から抜ける熱流束よりも少なくなるように構成したので、直接、鋳型と冷却手段とを接触させたときと比べて、シリコン融液は側部が冷却されすぎることがなく中心部とバランスを取りながら、より均一に冷却される。その結果、凝固界面が凹面になるのを防止することができ、シリコンインゴット上端での最終凝固の不均一性がなくなるためシリコンの凝固膨張による残留応力が生じにくく、インゴットのクラック発生を抑制することができる。

以下、各請求項に関わ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であり、（ａ）はその構成図、（ｂ）はその作用を示す図である。

図１（ａ）に示すように、鋳型１は、上部に開口部を備え底部と側部とを有する構成であり、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。この鋳型は、例えば、カーボンや炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）などからなり、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などで構成される。なお、底部材１ａと側部材１ｂは、ボルト（不図示）などで固定したり、底部材１ａと側部材１ｂが丁度嵌まる枠部材（不図示）で固定したりすることによって分割可能に組み立てられる。

なお、鋳型１の内表面には、離型材層２を塗布することが望ましい。このような離型材層２を設けることによって、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。このような離型材層２は、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）の粉体をＰＶＡ（ポリビニルアルコール）水溶液で混ぜ合わせて鋳型１の内面に塗布することによって形成することができる。ＰＶＡ水溶液などで混合することによって、粉体である窒化シリコン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。窒化シリコンの粉体としては、０．４〜０．６μｍ程度の平均粒径を有するものが用いられ、このような窒化シリコンと濃度が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の内表面に塗布する。その状態で自然乾燥又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の内表面への離型材層２の塗布は、窒化シリコンと二酸化シリコン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、離型材層２を設けてもよい。

この鋳型１の側部には、その外周を囲繞するように鋳型断熱材３が設けられる。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、後述する鋳型加熱手段６と冷却手段７とによる一方向凝固を行いやすくするためである。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て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。

鋳型１の上方には鋳型加熱手段６が配置される。この鋳型加熱手段６から鋳型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、一方向凝固を行うことができる。具体的には、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。

また、鋳型１の下方には、本発明にかかる鋳型ホルダー５を間に介して冷却手段７が設けられている。この鋳型ホルダー５は、鋳型１と鋳型断熱材３とを保持している。この鋳型ホルダー５の構成については後述する。冷却手段７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おり、上述の鋳型加熱手段６によって同時に加熱することによって、シリコン融液４の下部から上部へと向けて一方向凝固を行うことができる。冷却手段７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から鋳型ホルダー５を通して効果的に抜熱できるように構成されている。

次に、図１（ｂ）を用いて、本発明のシリコン鋳造用装置にかかる鋳型ホルダー５の作用について説明する。鋳型ホルダー５は、鋳型１と冷却手段７との間に配置され、それぞれに当接するように構成されている。そして、図に示すように、鋳型１の内部にシリコン融液を保持したときに、鋳型１の底部の略中心部から鋳型ホルダー５を経て冷却手段７に向かう熱流束Ａと、鋳型１の側部の直下部から鋳型ホルダー５を経て冷却手段７に向かう熱流束Ｂとの熱流束比Ａ／Ｂが１より大きくなるような構成としている。

ここで、熱流束とは、物体内に定常的な温度勾配ｄＴ／ｄｘがあるとき、単位時間に単位面積を通過する熱流束ｑは、
ｑ＝−ｋ（ｄＴ／ｄｘ）
で表され（比例定数ｋは熱伝導率）、本発明においては、定常状態では鋳型ホルダー５の上面温度＝鋳型１の温度、鋳型ホルダー５の下面温度＝冷却手段７の温度となるので、鋳型ホルダー５の上面と下面の温度勾配ｄＴ／ｄｘに対する熱流束である。したがって、ここで指す熱流束Ａおよび熱流束Ｂは、鋳型ホルダー５の厚み方向を単位時間に単位面積に通過する熱量の大きさを示すものとなっている。つまり、これらの熱流束が大きければ熱を伝えやすく、逆に小さければ熱を伝えにくいことを表している。

このように、本発明の鋳型ホルダー５においては、熱流束Ａが熱流束Ｂよりも大きくなるように構成されているので、鋳型１の底部の中心部からの抜熱は、鋳型１の側部からの抜熱よりも大きくなる。したがって、直接、鋳型１と冷却手段７とを接触させたときと比べて、シリコン融液４は側部が冷却されすぎることがなく中心部とバランスを取りながら、より均一に冷却されるので、シリコン融液４の凝固界面が凹型になることを防ぎ、その結果、シリコンインゴット上端での最終凝固の不均一性がなくなるためシリコンの凝固膨張による残留応力が生じにくく、インゴットのクラック発生を抑制することができる。

なお、鋳型ホルダー５の熱流束比Ａ／Ｂは、２以上とすることがさらに望ましい。この範囲であれば、鋳型ホルダー５の中心部と側部の直下部との熱流束の違いが大きいため、より効果的に冷却手段７による鋳型の側部からの抜熱を抑制することができる。そのため、凝固界面が凹型になることを防ぎ、その結果、シリコンインゴット上端での最終凝固の不均一性がなくなるためシリコンの凝固膨張による残留応力が生じにくく、インゴットのクラック発生を抑制することができる。

このような本発明の構成を得るため、図１に示した鋳型ホルダー５では、鋳型１の底部の略中心部に当接する中心部材５ａと鋳型１の側部の直下部に当接する外周部材５ｂとを具備するようにし、外周部材５ｂと冷却手段７との間に、中心部材５ａの一部が介在するように構成した例を示す。この構成によれば、冷却手段７の上に中心部材５ａが安定して配置され、さらにその上に外周部材５ｂが安定して載置された鋳型ホルダー５が得られる。

そして、中心部材５ａの熱伝導率を外周部材５ｂの熱伝導率よりも大きくするようにすれば、鋳型１の中心部の熱流束Ａが側部の直下部の熱流束Ｂよりも大きくなるので、本発明の構成となる。

このような材料は、高温下での熱伝導率を基準に選ぶことが望ましく、鋳型ホルダー５の中心部材５ａとして、例えばグラファイト（熱伝導率：約５０Ｗ／ｍｋ）やＳｉＣ（熱伝導率：約３５Ｗ／ｍｋ）などの材料を用いることができ、鋳型ホルダー５の外周部材５ｂとしては、例えばグラファイトフェルト（熱伝導率：約０．６Ｗ／ｍｋ）やＣＣＭ（日本カーボンの登録商標）などの炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）（熱伝導率：約１Ｗ／ｍｋ）といった材料を用いることができる。

また、図１（ｂ）に示すように、鋳型１の底部の略中心部における中心部材５ａの厚みＴａと、鋳型１の側部の直下部における外周部材５ｂの厚みＴｂとによって、それぞれの部位における熱流束比Ａ／Ｂを調整することが望ましい。例えば、鋳型ホルダー５の中心部材５ａの厚みＴａを固定したとき、外周部材５ｂの厚みＴｂを大きくすれば、熱流束比Ａ／Ｂを小さくすることができ、逆に、外周部材５ｂの厚みＴｂを小さくすれば、熱流束比Ａ／Ｂを大きくすることができる。

また、上述では中心部材５ａと外周部材５ｂとの間に熱伝導率の違いを設けたが、それ以外の方法として、外周部材５ｂと冷却手段７との間に介在された中心部材５ａの一部と、この外周部材５ｂとの界面に、熱の流れを規制する熱規制構造を設けてもよい。図２は鋳型ホルダー５の中心部材５ａと鋳型ホルダーの外周部材５ｂとの界面に熱規制手段を設けた例を示す本発明にかかる鋳型ホルダーの構造図である。図２（ａ）は、中心部材５ａ側に凹凸構造の熱規制手段を設けた例を示し、図２（ｂ）は、外周部材５ｂ側に凹凸構造の熱規制手段を設けた例を示す。このように界面に熱規制手段の一例である凹凸構造を設けることによって、鋳型ホルダー５の中心部材５ａと鋳型ホルダー５の外周部材５ｂの間に空隙ができ、この部位を通過する熱流束Ｂを小さくすることができるので、例えば、中心部材５ａと外周部材５ｂとを同一の材料で構成したとしても、本発明の熱流束比Ａ／Ｂ＞１となる構成を得ることができる。

図２（ｃ）は、中心部材５ａと外周部材５ｂとの界面に低熱伝導率層５ｃを設けた本発明にかかる鋳型ホルダーの例を示す構造図である。このように界面に熱規制手段の一例である低熱伝導率層５ｃを設けることによって、この部位を通過する熱流束Ｂを小さくすることができるので、図２（ａ）、（ｂ）などと同様に、中心部材５ａと外周部材５ｂとを同一の材料で構成したとしても、本発明の熱流束比Ａ／Ｂ＞１となる構成を得ることができる。このような低熱伝導率層５ｃとしては、熱伝導率の低いグラファイトフェルトなどを用いることができる。

次に、図３に示すように、鋳型ホルダー５の中心部材５ａの上面と鋳型１とが当接する面の差し渡し寸法をＤ、鋳型ホルダー５の下面と冷却手段７に当接する面の差し渡し寸法をＨとしたとき、この寸法比Ｄ／Ｈは、０．２以上０．８以下とすることが望ましい。この範囲内であれば、冷却手段７から鋳型１側部の直下までの熱の伝導を遅くすることができ、より効果的に冷却手段７による鋳型１の側部からの抜熱を抑制することができるので、凝固界面が凹型になることを防ぎ、その結果、シリコンインゴット上端での最終凝固の不均一性がなくなるためシリコンの凝固膨張による残留応力が生じにくく、インゴットのクラック発生を抑制することができる。この範囲より小さいと、鋳型ホルダー５の外周部材５ｂにより冷却手段７による抜熱を必要以上に遮ってしまうために、シリコン融液４が凝固する時間が長くなったり、シリコン融液４を底部から一方向に凝固させることが難しくなったりする。また、この範囲より大きいと、効果的に冷却手段７による鋳型１の側部からの抜熱を抑制することができない。

次に、多結晶シリコンの鋳造を行う方法について説明する。図５は、本発明にかかるシリコン鋳造用装置を用いた場合の全体構成の一例を示す構造図である。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８が保持坩堝９に保持されて配置され、溶解坩堝８と保持坩堝９の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口１１が設けられる。また、溶解坩堝８、保持坩堝９にはそれぞれ上部加熱手段１２、側部加熱手段１３が配置されている。

例えば、高純度石英などからなる溶解坩堝８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、上部加熱手段１２および側部加熱手段１３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１１から下部にある鋳型１内に注湯される。鋳型１に注ぎ込まれたシリコン融液４は、鋳型１の側面を鋳型断熱材３によって断熱するとともに、上部からは鋳型加熱手段６によって加熱し、下部には冷却手段７を接触もしくは近づけることによって下部から鋳型ホルダー５を通して抜熱し、一方向凝固を実現させる。

シリコン融液４は、表面からの抜熱が大きいため、シリコン融液４の表面が先に凝固してしまい、液体のシリコン融液が内部に取り残されると、後で取り残されたシリコン融液が凝固して膨張し、シリコンインゴットの表面があたかも噴火したような状態となりシリコンインゴットに割れが生じる。この問題を防止するため、シリコン融液４の表面を凝固させないように、シリコン融液４の上部に位置する鋳型加熱手段６によりシリコン融液４の表面を加熱する必要がある。このような状態で、鋳型１の下部の冷却手段７を接触もしくは近づけることによって、下部から本発明にかかる鋳型ホルダー５を通して抜熱を行えば、直接、鋳型と冷却手段とを接触させたときと比べて、シリコン融液４は側部が冷却されすぎることがなく中心部とバランスを取りながら、より均一に冷却される。その結果、凝固界面が凹面になるのを防止しながら、シリコン融液４を一方向凝固させることができる。凝固後に、シリコンインゴットを冷却し、鋳型断熱材３を取り外し、最後に鋳型１からシリコンインゴットを取り出すことにより多結晶シリコンインゴットが完成する。

このように本発明のシリコン鋳造用装置によれば、シリコンインゴット上端での最終凝固の不均一性がなくなるため、シリコンの凝固膨張による残留応力が生じにくく、インゴットのクラック発生を抑制することができる。

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、上述の図１に示した鋳型ホルダー５は、鋳型１の底部の略中心部に当接する中心部材５ａと鋳型１の側部の直下部に当接する外周部材５ｂとを具備するようにし、外周部材５ｂと冷却手段７との間に、中心部材５ａの一部が介在するように構成した例によって説明したが、これに限るものではなく、外周部材５ｂと冷却手段７との間に、中心部材５ａを介在させなくてもよい。具体例を図４（ａ）に示す。図４（ａ）のような構成において、本発明の構成とするためには、例えば、中心部材５ａの熱伝導率を外周部材５ｂの熱伝導率よりも高い材料を用いて構成するようにすればよい。あるいは、外周部材５ｂが鋳型１の底部と当接する面あるいは外周部材５ｂが冷却手段７と当接する面の凹凸にしたり、面仕上げを粗くしたりしてもよい。このようにすれば、鋳型１の内部にシリコン融液を保持したときに、鋳型１の底部の略中心部から鋳型ホルダー５を経て冷却手段７に向かう熱流束Ａと、鋳型１の側部の直下部から鋳型ホルダー５を経て冷却手段７に向かう熱流束Ｂとの熱流束比Ａ／Ｂが１より大となるので、本発明にかかる鋳型ホルダー５となる。

また、鋳型ホルダー５として中心部材５ａと外周部材５ｂを設けなくてもよい。図４（ｂ）に示した例は、鋳型ホルダー５において、鋳型１の側部の直下部から冷却手段７へと熱流束Ｂが通過する途上の箇所に、低熱伝導率領域５ｄを設けた例である。この低熱伝導率領域５ｄ以外は一様な材料によって構成しておけばよく、鋳型１の内部にシリコン融液を保持したときに、鋳型１の底部の略中心部から鋳型ホルダー５を経て冷却手段７に向かう熱流束Ａと、鋳型１の側部の直下部から、鋳型ホルダー５および低熱伝導率領域５ｄを経て冷却手段７に向かう熱流束Ｂとの熱流束比Ａ／Ｂが１より大となるので、本発明にかかる鋳型ホルダー５となる。

さらに、図４（ｃ）に示した例は、鋳型ホルダー５において、鋳型１の側部の直下部から冷却手段７へと熱流束Ｂが通過する途上の箇所に凹凸部５ｅを設けた例である。この例では鋳型ホルダー５の上面の鋳型１との当接する面に凹凸部５ｅを設けたが、例えば、冷却手段７側の下面側に設けても構わない。さらに、凹凸部の代わりに面粗さを粗くしてもよい。このようにすれば、鋳型１の内部にシリコン融液を保持したときに、鋳型１の底部の略中心部から鋳型ホルダー５を経て冷却手段７に向かう熱流束Ａと、鋳型１の側部の直下部から鋳型ホルダー５を経て冷却手段７に向かう熱流束Ｂとの熱流束比Ａ／Ｂが１より大となるので、本発明にかかる鋳型ホルダー５となる。

また、上述の説明に用いた図では、冷却手段７の大きさとしては、従来の例（図６）に示したのと同じく、鋳型１とその周囲を囲繞する鋳型断熱材３をその上に載置できる大きさとして示したが、これに限るものではなく、鋳型ホルダー５のサイズが鋳型１とその周囲を囲繞する鋳型断熱材３をその上に載置できる大きさであればよい。ただし、鋳型１の側部の直下部から冷却手段７へと熱流束Ｂが通過するように構成されていることが必要なので、鋳型１の側部の直下部の外側、すなわち鋳型１の側部の外面を鉛直下方に延在させたときに、冷却手段７と必ず接触するように構成することが望ましい。

以下、本発明の実施例について説明する。

高純度黒鉛からなる厚み２ｍｍの鋳型の側部材１ｂを４枚と厚み５ｍｍの鋳型の底部材１ａを１枚とを準備した。これらの部材に、平均粒径０．５μｍの窒化シリコン粉末と平均粒径２０μｍの二酸化珪素粉末を秤量して８．７％のＰＶＡ水溶液で攪拌混合してスラリー状にした離型材を刷毛で塗布してホットプレートに載せて乾燥し、離型材層２を得た。その後、離型材層２を内側になるように、これらの部材同士を組み合わせて、内寸３３０ｍｍ×３３０ｍｍ、深さ３２０ｍｍとした図１に示す鋳型１を作製した。

この鋳型１の外周を囲繞するように、図１に示す形状のグラファイトフェルトにカーボン粉末をコーティングした材質からなる鋳型断熱材３を配置した。なお、鋳型断熱材３の厚みは３０ｍｍとした。

さらに、鋳型１の下方には鋳型１と鋳型断熱材３を保持する厚み２５ｍｍの鋳型ホルダー５を配置した。また、鋳型ホルダー５の中心部材５ａは１５００℃のときにおける熱伝導率が４９Ｗ／ｍ・Ｋのグラファイトを用い、鋳型ホルダー５の外周部材５ｂは１５００℃のときにおける熱伝導率が１〜１０Ｗ／ｍ・Ｋの炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）を用いた。なお、鋳型ホルダー５には４００ｍｍ角の矩形状のものを用いた。

これらの鋳型１、鋳型断熱材３、鋳型ホルダー５は、シリコン鋳造用装置の内部の冷却手段７上の所定位置にセットした。冷却手段７としては、ステンレス（ＳＵＳ）の金属板を用い、内部に定温に保った水を循環させた。また、鋳型加熱手段６として、外径３６０ｍｍ、内径２２０ｍｍのドーナツリング形状の黒鉛ヒーターを鋳型１の上方の所定位置に配置した。

その後、装置の内部を８０Ｔｏｒｒに減圧したアルゴン雰囲気とし、黒鉛ヒーターの鋳型加熱手段６を使って１０００℃に加熱した状態で鋳型１の内部にシリコン融液７５ｋｇを注湯して８時間かけて徐々に凝固させた。冷却後固化した多結晶シリコンインゴットを鋳型１から取り出し、シリコンインゴットのクラックの有無について調べた。

なお、鋳型ホルダーの外周部材５ｂの熱伝導率については、炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）の種類を変えることによって変更し、厚みを変えることによって鋳型ホルダー５の中心部と側部の直下部の熱流束比Ａ／Ｂを変えた鋳型ホルダー５を作製し、上述の評価を行った。さらに、鋳型ホルダー５の中心部材５ａの上面と鋳型１とが当接する面の差し渡し寸法Ｄ（円形なので直径）を変えた。差し渡し寸法Ｈは、４００ｍｍ角の矩形状のホルダーを用いているので、４００ｍｍとなる。以上のように、鋳型ホルダー５を作製し、上述の評価を行った。

これらの結果を表１に示す。表１のクラック状況の評価結果において、記号で示した内容は以下の通りである。

◎：全く観察されなかった、○：わずかに認められるが全く問題なし、△：若干認められるがシリコンインゴットの端部除去時に切り落とせるので許容範囲、×：顕著に認められ不可

表１より、従来の鋳型ホルダー５である試料Ｎｏ．１についてはシリコンインゴットに対して、クラックが顕著に認められた。これは、冷却手段７による鋳型１の側面からの抜熱が顕著であり、鋳型の側面が冷却されてしまったためである。

また、熱流束比Ａ／Ｂが２よりも小さい試料Ｎｏ．２〜６の鋳型ホルダー５においては、鋳型ホルダー５の中心部と側部の直下部の熱流束の違いが小さいため、冷却手段７による鋳型の側部材１ｂからの抜熱を抑制する効果がやや乏しく、許容範囲ではあるが若干のクラックの発生が認められた。

また、鋳型ホルダー５の中心部材５ａの径の比Ｄ／Ｈが０．８よりも大きい試料Ｎｏ．２、７、１２、１７の鋳型ホルダー５においては、冷却手段７による鋳型の側部材１ｂからの抜熱を抑制する効果がやや乏しくなり、許容範囲ではあるがシリコンインゴットにクラックの発生が認められた。また、鋳型ホルダー５の中心部材５ａの径の比Ｄ／Ｈが０．２よりも小さい試料Ｎｏ．６、１１、１６、２１の鋳型ホルダー５においては、鋳型ホルダー５の外周部材５ｂにより冷却手段７による抜熱を必要以上に遮ってしまうために、発明の効果がやや乏しくなり、許容範囲ではあるがシリコンインゴットにクラックの発生が認められた。

これに対して、本発明の最適な範囲となる試料Ｎｏ．８〜１０、１３〜１５、１８〜２０の鋳型ホルダー５は、すべて○（全く問題なし）以上の結果となり、本発明の効果を確認することができた。

（ａ）は、本発明のシリコン鋳造用装置の構成を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の作用を示す模式図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明のシリコン鋳造用装置にかかる鋳型ホルダーの例を示す図である。本発明のシリコン鋳造用装置の構成を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明のシリコン鋳造用装置にかかる鋳型ホルダーの他の例を示す図である。本発明にかかるシリコン鋳造用装置の全体構成を示す構造図である。一般的なシリコン鋳造用装置の構成を示す図である。

符号の説明

１：鋳型
１ａ：底部材
１ｂ：側部材
２：離型材層
３：鋳型断熱材
４：シリコン融液
５：鋳型ホルダー
５ａ：鋳型ホルダーの中心部材
５ｂ：鋳型ホルダーの外周部材
５ｃ：低熱伝導率層
５ｄ：低熱伝導率領域
５ｅ：凹凸部
６：鋳型加熱手段
７：冷却手段
８：溶解坩堝
９：保持坩堝
１０：原料シリコン
１１：出湯口
１２：上部加熱手段
１３：側部加熱手段
Ａ、Ｂ：熱流束
Ｄ、Ｈ：差し渡し寸法
Ｔａ、Ｔｂ：厚み

Claims

上部に開口部を備え底部と側部とを有し、その内部にシリコン融液を保持・凝固させる鋳型と、
前記鋳型の側部の外周を囲繞してなる鋳型断熱材と、
前記鋳型の上方に配置された鋳型加熱手段と、
前記鋳型の下方に配置された冷却手段と、
前記鋳型と前記冷却手段との間に介在され、前記鋳型及び前記冷却手段にそれぞれ当接する鋳型ホルダーと、を備えたシリコン鋳造用装置であって、
前記鋳型ホルダーは、前記鋳型の側部の直下部に当接するように配置された外周部材と、前記鋳型の底部の略中心部に当接するように配置された、前記外周部材よりも熱伝導率が高い中心部材と、を有し、
前記中心部材は、前記鋳型と当接するその上面の差し渡し寸法をＤ、前記冷却手段と当接するその下面の差し渡し寸法をＨとしたときに、寸法比Ｄ／Ｈが０．２以上０．８以下であり、
前記鋳型の内部にシリコン融液を保持したときに、前記鋳型の底部の略中心部から前記鋳型ホルダーを経て前記冷却手段に向かう熱流束Ａと、前記鋳型の側部の直下部から前記鋳型ホルダーを経て前記冷却手段に向かう熱流束Ｂとの熱流束比Ａ／Ｂが１より大となるような構成としてなるシリコン鋳造用装置。
前記外周部材と前記冷却手段との間に、前記中心部材の一部が介在するように構成してなる請求項１に記載のシリコン鋳造用装置。
前記中心部材の一部と前記外周部材との間の一部に空隙を設けてなる請求項２に記載のシリコン鋳造用装置。
前記中心部材の一部と前記外周部材との間に前記中心部材よりも熱伝導率が低い低熱伝導率層を設けてなる請求項２に記載のシリコン鋳造用装置。
上部に開口部を備え底部と側部とを有し、その内部にシリコン融液を保持・凝固させる鋳型と、
前記鋳型の側部の外周を囲繞してなる鋳型断熱材と、
前記鋳型の上方に配置された鋳型加熱手段と、
前記鋳型の下方に配置された冷却手段と、
前記鋳型と前記冷却手段との間に介在され、該鋳型に当接する鋳型ホルダーと、を備えたシリコン鋳造用装置であって、
前記鋳型ホルダーは、前記鋳型の側部の直下と当接する面に凹凸部を有し、
前記鋳型の内部にシリコン融液を保持したときに、前記鋳型の底部の略中心部から前記鋳型ホルダーを経て前記冷却手段に向かう熱流束Ａと、前記鋳型の側部の直下部から前記鋳型ホルダーを経て前記冷却手段に向かう熱流束Ｂとの熱流束比Ａ／Ｂが１より大となるような構成としてなるシリコン鋳造用装置。