JP4868747B2 - Silicon casting method - Google Patents

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Description

本発明は、多結晶シリコン鋳塊を製造するためのシリコン鋳造方法に関する。 The present invention relates to silicon casting how for the production of polycrystalline silicon ingot.

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。   Solar cells are expected to be put to practical use in a wide range of fields, from small households to large-scale power generation systems, as a clean petroleum alternative energy source. These are classified into crystalline, amorphous, and compound types depending on the type of raw materials used, and most of them currently on the market are crystalline silicon solar cells. This crystalline silicon solar cell is further classified into a single crystal type and a polycrystalline type. Single crystal silicon solar cells have the advantage that the conversion efficiency is easy to increase because the quality of the substrate is good, but the disadvantage is that the manufacturing cost of the substrate is high.

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、高純度のシリコン鋳塊を歩留り良く製造することが求められている。   On the other hand, polycrystalline silicon solar cells have been distributed in the market for a long time, but in recent years, the demand is increasing as interest in environmental issues is increasing, and higher conversion efficiency is required at lower cost. . In order to cope with these demands, it is necessary to reduce the cost and quality of the polycrystalline silicon substrate, and it is required to produce a high-purity silicon ingot with a high yield.

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、離型材を塗布した石英などからなる鋳型内に高温で加熱融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融解した後、再び底部より一方向凝固させたりして、シリコン鋳塊を形成する方法である。このシリコン鋳塊の端部を除去し、所望の大きさに切断して切り出し、切り出したシリコン鋳塊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。   A polycrystalline silicon substrate used for a polycrystalline silicon solar cell is generally manufactured by a method called a casting method. In this casting method, a silicon melt that has been melted by heating at a high temperature is poured into a mold made of quartz or the like coated with a release material to solidify in one direction from the bottom of the mold, or a silicon raw material is placed in the mold and melted once. Then, the silicon ingot is formed by unidirectionally solidifying again from the bottom. The ends of the silicon ingot are removed, cut into a desired size, and the cut silicon ingot is sliced to a desired thickness to obtain a polycrystalline silicon substrate for forming a solar cell.

このような多結晶シリコン鋳塊を作製するための一手段として、溶融炉を設けてシリコン原料を融解し、融解させたシリコン融液を鋳型内に注湯して冷却凝固する注湯式方法では、鋳造装置において溶融部と凝固部を別々に用意する必要があり、装置が大型化することとなる。しかしながら、鋳型内でシリコン原料を融解して、そのまま鋳型内で凝固する鋳型内溶融による方法では、溶融炉を設ける必要がないため装置が大型化することなく、高純度石英坩堝などの高価な部材が必要なくなり、多結晶シリコン鋳塊のコストを抑えることができる。したがって、後述の方法を用いて多結晶シリコン鋳塊を作製したほうが優位である。   As a means for producing such a polycrystalline silicon ingot, a pouring method in which a melting furnace is provided to melt a silicon raw material, and the molten silicon melt is poured into a mold and cooled and solidified. In the casting apparatus, it is necessary to prepare the melted part and the solidified part separately, which increases the size of the apparatus. However, in the method by melting in the mold, in which the silicon raw material is melted in the mold and solidified in the mold as it is, an expensive member such as a high-purity quartz crucible does not need to be provided because there is no need to provide a melting furnace. Can be eliminated, and the cost of the polycrystalline silicon ingot can be reduced. Therefore, it is more advantageous to produce a polycrystalline silicon ingot using the method described later.

ここで、従来の鋳型内溶融におけるシリコン鋳造装置を図7に示す。   Here, FIG. 7 shows a conventional silicon casting apparatus for in-mold melting.

図7において11は鋳型、12は冷却部、13は断熱壁、14は鋳型加熱部、15はシリコン原料(シリコン融液)、18は離型材である。鋳型11としては、通常、石英や黒鉛などからなる鋳型11の内表面に離型材18を被覆したものが用いられる。一般的に離型材18としてはシリコンの窒化物である窒化珪素、シリコンの炭化物である炭化珪素、シリコンの酸化物である二酸化珪素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・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。このシリコン鋳造装置では、この鋳型11内にシリコン原料15を供給し、このシリコン原料15を鋳型加熱部14で1500℃程度に加熱して溶融し、鋳型11を徐々に下降させてシリコン融液を鋳型加熱部14から徐々に離して冷却したり、或いは鋳型11の位置はそのままで冷却部12により温度を下げて冷却し、この鋳型11内でシリコン融液15を凝固させてシリコン鋳塊を形成するものである(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。このシリコン鋳塊は鋳型11を破壊することにより、鋳型11から取り出したり、もしくは鋳型11を分解して取り出すことができる。なお、これらはすべて真空容器(不図示)内に配置される。   In FIG. 7, 11 is a mold, 12 is a cooling unit, 13 is a heat insulating wall, 14 is a mold heating unit, 15 is a silicon raw material (silicon melt), and 18 is a release material. As the mold 11, one in which a mold release material 18 is coated on the inner surface of the mold 11 made of quartz or graphite is usually used. In general, as the release material 18, powders such as silicon nitride which is silicon nitride, silicon carbide which is silicon carbide, silicon dioxide which is silicon oxide, and the like are used, and these powders are mixed with an appropriate binder and solvent. It is known as a well-known technique to mix and stir into a solution composed of a slurry to form a slurry and coat the inner wall of the mold by means such as coating or spraying. In this silicon casting apparatus, a silicon raw material 15 is supplied into the mold 11, the silicon raw material 15 is heated and melted to about 1500 ° C. by the mold heating unit 14, and the mold 11 is gradually lowered to melt the silicon melt. The mold 11 is gradually separated from the mold heating unit 14 to cool, or the position of the mold 11 is left as it is, and the temperature is lowered by the cooling unit 12 to cool, and the silicon melt 15 is solidified in the mold 11 to form a silicon ingot. (For example, see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). This silicon ingot can be taken out of the mold 11 by breaking the mold 11 or can be taken out by disassembling the mold 11. These are all arranged in a vacuum vessel (not shown).

このようなシリコン鋳造方法に用いられる鋳型内のシリコン原料の嵩比重は通常1.0〜1.5でシリコンの比重2.33に比べて半分程度である。そのため、図7に示すような従来のシリコン鋳造装置では、シリコン融液15が凝固して形成されたシリコン鋳塊の高さは鋳型11の半分程度しかない。鋳型11及びこの鋳型11の内壁面に塗布される離型材18は高価な消耗品であり、ランニングコストに占める割合が大きい。したがって従来技術では、鋳塊の大きさに対して必要な鋳型11が大きく、シリコン鋳塊の重量当りの鋳型11及び離型材18が高価になるという問題があった。図8に従来の追加原料供給型のシリコン鋳造装置を示す。この問題に対して図8に示されるように鋳型21上の断熱壁23aの上部に可動式扉23bを設け、この可動式扉23b上に原料供給部26を設け、この原料供給部26から鋳型21内に追加シリコン原料27を供給できるようにしている(例えば、特許文献2参照)。このように鋳型21内に充填したシリコン原料25が溶融することで、シリコン原料25の嵩が減少した後に鋳型21内に追加のシリコン原料27を追加供給することでシリコン融液25を増加させることができ、シリコン鋳塊の重量当りの鋳型21及び離型材28のコストを減少させることができる。
米国特許第3898051号公報 特開平10−139586号公報 特開平3−220440号公報 5th International PVSEC p303〜305
The bulk specific gravity of the silicon raw material in the mold used in such a silicon casting method is usually 1.0 to 1.5, which is about half that of the specific gravity 2.33 of silicon. Therefore, in the conventional silicon casting apparatus as shown in FIG. 7, the height of the silicon ingot formed by solidifying the silicon melt 15 is only about half that of the mold 11. The mold 11 and the mold release material 18 applied to the inner wall surface of the mold 11 are expensive consumables and have a large proportion of the running cost. Therefore, the conventional technique has a problem that the necessary mold 11 is large with respect to the size of the ingot, and the mold 11 and the release material 18 per weight of the silicon ingot are expensive. FIG. 8 shows a conventional additional raw material supply type silicon casting apparatus. As shown in FIG. 8, a movable door 23b is provided above the heat insulating wall 23a on the mold 21, and a raw material supply unit 26 is provided on the movable door 23b. The additional silicon raw material 27 can be supplied into 21 (see, for example, Patent Document 2). As the silicon raw material 25 filled in the mold 21 is thus melted, the silicon melt 25 is increased by additionally supplying an additional silicon raw material 27 into the mold 21 after the bulk of the silicon raw material 25 is reduced. Thus, the cost of the mold 21 and the release material 28 per weight of the silicon ingot can be reduced.
U.S. Pat. No. 3,898,051 Japanese Patent Laid-Open No. 10-139586 JP-A-3-220440 5th International PVSEC p303-305

ところが、従来の追加のシリコン原料供給方法では、あらかじめ鋳型内に装入したシリコン原料は1500℃程度に加熱され融解される。この状態で融解した鋳型内のシリコン融液に原料供給手段26からシリコン原料を追加供給すると、特にシリコン融液の液面で、急激にシリコン融液が冷却されるため、離型材が鋳型内面側から剥離し、シリコン融液に混入する現象がおこった。   However, in the conventional additional silicon raw material supply method, the silicon raw material previously charged in the mold is heated to about 1500 ° C. and melted. When the silicon raw material is additionally supplied from the raw material supply means 26 to the silicon melt in the mold melted in this state, the silicon melt is rapidly cooled, particularly at the liquid surface of the silicon melt. Peeled off from the substrate and mixed into the silicon melt.

また、ひどい時には、離型材が剥離することで鋳型材とシリコン融液が接触し、シリコン鋳塊にひび割れが生じ製品歩留りを減少させるという問題があった。   Further, in severe cases, there is a problem that the mold material comes into contact with the silicon melt due to peeling of the release material, and the silicon ingot is cracked to reduce the product yield.

発明者は、追加のシリコン原料を投入した場合に炉内の温度が急激に低下することや、投入した際のシリコン融液の飛散により鋳型内面にシリコン融液が付着し冷えて凝固することなどにより、鋳型材と鋳型材に被覆した離型材は急激な熱履歴によって、この鋳型材と離型材の熱膨張係数の違いから離型材が剥離損傷し、鋳型内のシリコン融液中に入り込むことで製品歩留りを大きく低下させている要因であることがわかった。   The inventor is that the temperature in the furnace is drastically decreased when an additional silicon raw material is charged, or the silicon melt adheres to the inner surface of the mold due to the scattering of the silicon melt at the time of charging, etc. As a result, the mold material and the release material coated on the mold material are peeled and damaged due to the difference in thermal expansion coefficient between the mold material and the mold release material due to a rapid thermal history, and enter the silicon melt in the mold. It was found that this was a factor that greatly reduced the product yield.

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて発明されたものであり、鋳塊のクラック及び離型材の混入により歩留りを低下させるという問題点を解消した鋳造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been invented in view of such conventional problems, aims to provide a casting how that solves the problem of decreasing the yield by the incorporation of cracks and release material of the ingot And

本発明に係るシリコン鋳造方法は、上記目的を達成するために、鋳型内に保持したシリコン融液を冷却凝固させるシリコン鋳造方法であって、前記シリコン融液は、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給して形成され、前記追加のシリコン原料を供給するタイミングは、前記鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態のときとして、前記鋳型内に保持したシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度から昇温速度を計算し、この昇温速度に基づき前記追加のシリコン原料を供給するタイミングを決定する Silicon Silicon casting how according to the present invention, in order to achieve the above object, the silicon melt held in the mold a silicon casting method of cooling and solidifying, the silicon melt is held in said mold It is formed by supplying an additional silicon raw material while heating and melting the raw material, and the timing of supplying the additional silicon raw material is determined when the silicon melt and unmelted silicon are mixed in the mold. The temperature rise rate is calculated from the temperature of the silicon raw material held inside or the silicon melt temperature, and the timing for supplying the additional silicon raw material is determined based on this temperature rise rate .

また、鋳型内に保持したシリコン融液を冷却凝固させるシリコン鋳造方法であって、前記シリコン融液は、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給して形成され、前記追加のシリコン原料を供給するタイミングは、前記鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態のときとして、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させる際に、前記鋳型内壁側のシリコン原料を優先的に加熱し溶融させる。Also, a silicon casting method for cooling and solidifying a silicon melt held in a mold, wherein the silicon melt is formed by supplying an additional silicon raw material while heating and melting the silicon raw material held in the mold The timing for supplying the additional silicon material is when the silicon raw material held in the mold is heated and melted when the silicon melt and unmelted silicon are mixed in the mold. The silicon raw material on the side is preferentially heated and melted.

上述した手法により、鋳型内のシリコン融液のうち特に液面を低温に保つことができるため、追加のシリコン原料を投入した場合においてもシリコン融液での液面の熱履歴は小さくすることができる。そして、シリコン融液温度が低いということはシリコン融液の粘度も高いため、追加のシリコン原料を投入した場合でも鋳型内のシリコン融液が跳ねにくい。その結果、追加のシリコン原料の供給に伴う鋳型内の急激な温度低下、シリコン融液の付着に起因する鋳型内面の離型材が剥離損傷を抑制できる。よって、鋳型のクラック及び離型材の混入による鋳塊の歩留まり低下を抑制したシリコン鋳造方法を提供することができる。   With the above-described method, the liquid surface of the silicon melt in the mold can be kept at a particularly low temperature. Therefore, even when additional silicon raw material is added, the thermal history of the liquid surface in the silicon melt can be reduced. it can. Since the silicon melt temperature is low, the viscosity of the silicon melt is also high, so that even when an additional silicon raw material is added, the silicon melt in the mold is difficult to splash. As a result, the mold release material on the inner surface of the mold caused by the rapid temperature drop in the mold accompanying the supply of the additional silicon raw material and the adhesion of the silicon melt can suppress peeling damage. Therefore, it is possible to provide a silicon casting method that suppresses a decrease in yield of the ingot due to cracks in the mold and mixing of the release material.

以下、本発明のシリコン鋳造方法を添付図面に基づき詳細に説明する。ここでは、図1に本発明の第一実施形態を示し、図2に本発明の第二実施形態を示す。   Hereinafter, the silicon casting method of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.

まず、図1は本発明におけるシリコン鋳造装置の第一の実施形態の断面模式図であり、1は鋳型、2は冷却部、3aは断熱壁、3bは可動式扉、4aは鋳型上部加熱部、4bは鋳型側部加熱部、5はシリコン原料またはシリコン原料が融解して形成されたシリコン融液、6は原料供給部、6aは導入部材、6bは開閉口、6cは原料供給タンク、7は追加のシリコン原料、8は離型材、である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a first embodiment of a silicon casting apparatus according to the present invention, wherein 1 is a mold, 2 is a cooling unit, 3a is a heat insulating wall, 3b is a movable door, and 4a is a mold upper heating unit. 4b is a mold side heating unit, 5 is a silicon raw material or a silicon melt formed by melting silicon material, 6 is a material supply unit, 6a is an introduction member, 6b is an opening / closing port, 6c is a material supply tank, 7 Is an additional silicon raw material, and 8 is a release material.

鋳型1は、黒鉛、二酸化珪素などからなり、一体構造の鋳型で構成される。このような、一体構造の鋳型はシリコン鋳塊を取り出す際、鋳型1を破壊して取り出すため使い捨てであり、そして鋳型の高さを有効に利用するため鋳型内のシリコン原料を融解した後、追加のシリコン原料を供給するほうが望ましい。   The mold 1 is made of graphite, silicon dioxide, or the like, and is configured as an integral structure mold. Such a monolithic mold is disposable to destroy and remove the mold 1 when the silicon ingot is taken out, and is added after melting the silicon raw material in the mold to effectively use the height of the mold. It is preferable to supply the silicon raw material.

図1に示す鋳型1の内面側には離型材8が塗布されており、このような離型材8によって、鋳型1の内部のシリコン融液5を凝固した後、鋳塊を取り出すことができる。この際、離型材8がなければ鋳塊と鋳型1とが融着し、取り出すときにひび割れや、クラックを生ずるため重要な位置を占めている。   A mold release material 8 is applied to the inner surface side of the mold 1 shown in FIG. 1, and the ingot can be taken out after such a mold release material 8 solidifies the silicon melt 5 inside the mold 1. At this time, if the mold release material 8 is not present, the ingot and the mold 1 are fused, and occupies an important position because cracks and cracks occur when taken out.

このような離型材8としては、窒化珪素、炭化珪素、酸化珪素などの各粉体、または混合粉を適当な有機バインダーと溶剤とから構成される溶液中に混合・攪拌してスラリーとし、へらや刷毛、スプレー法などを用いて鋳型1の内面に塗布・乾燥して被覆する。バインダーには、PVA(ポリビニルアルコール)、PVB(ポリビニルブチラール)、PEG(ポリエチレングリコール)、MC(メチルセルロース)、CMC(カルボキシメチルセルロース)、EC(エチルセルロース)、HPC(ヒドロキシプロピルセルロース)、ワックスなどが一般的に使用される。また、有機バインダー水溶液を混合してスラリー状にした離型材8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5に混入することを防止するため、脱脂処理が行われる。また、乾燥方法としては、自然乾燥または、ホットプレート、オーブンなどの従来周知の方法を用いて乾燥させて脱脂処理を行うことで、鋳型1に離型材の接着が可能となっている。   As such a release material 8, each powder of silicon nitride, silicon carbide, silicon oxide or the like or mixed powder is mixed and stirred in a solution composed of an appropriate organic binder and solvent to form a slurry, and a spatula. The inner surface of the mold 1 is coated and dried by using a brush, a brush, a spray method or the like. Common binders include PVA (polyvinyl alcohol), PVB (polyvinyl butyral), PEG (polyethylene glycol), MC (methyl cellulose), CMC (carboxymethyl cellulose), EC (ethyl cellulose), HPC (hydroxypropyl cellulose), and wax. Used for. In addition, when coating the release material 8 mixed with an organic binder aqueous solution to form a slurry, in order to prevent the thermally decomposable product of the organic binder from being mixed into the silicon melt 5 by subsequent heating, A degreasing process is performed. Moreover, as a drying method, the mold release material can be adhered to the mold 1 by performing a degreasing treatment by natural drying or drying using a conventionally known method such as a hot plate or an oven.

そして鋳型1は、グラファイトなどからなる断熱壁3aの内部に配置される。また、この鋳型内にシリコン原料5を装入し、加熱部4によって加熱されてシリコン融液5とする。次に、鋳型1の上部に設けられた原料供給部6により、鋳型1内に追加のシリコン原料7が供給される。なお、この鋳型1、断熱壁3a、加熱部4、原料供給部6は真空容器内(不図示)に設置される。   And the casting_mold | template 1 is arrange | positioned inside the heat insulation wall 3a which consists of graphite. In addition, the silicon raw material 5 is charged into the mold and heated by the heating unit 4 to obtain a silicon melt 5. Next, an additional silicon raw material 7 is supplied into the mold 1 by the raw material supply unit 6 provided on the upper part of the mold 1. In addition, this casting_mold | template 1, the heat insulation wall 3a, the heating part 4, and the raw material supply part 6 are installed in a vacuum vessel (not shown).

原料供給部6の構成は、例えばステンレス鋼などからなる追加のシリコン原料7を保持するための原料供給タンク6cを設け、その下には、追加のシリコン原料7を鋳型1に導くための導入部材6aを設ける。また、導入部材6aには貫通孔hを有しており、貫通孔hと追加のシリコン原料供給タンク6cとの間には開閉口6bが設けられている。   The raw material supply unit 6 includes a raw material supply tank 6c for holding an additional silicon raw material 7 made of, for example, stainless steel, and an introduction member for guiding the additional silicon raw material 7 to the mold 1 below the raw material supply tank 6c. 6a is provided. The introduction member 6a has a through hole h, and an opening / closing port 6b is provided between the through hole h and the additional silicon raw material supply tank 6c.

追加のシリコン原料7を鋳型1内に供給する場合には、原料供給タンク6cから開閉口6bを開くことで、導入部材6aを通して追加のシリコン原料7を供給することができる。そして、加熱部4に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。   When the additional silicon raw material 7 is supplied into the mold 1, the additional silicon raw material 7 can be supplied through the introduction member 6a by opening the opening / closing port 6b from the raw material supply tank 6c. The heating unit 4 is a resistance heating type heater or an induction heating type coil.

このとき、シリコン融液(液体)の密度が2.55g/cmであるのに対してシリコン鋳塊(固体)の密度は2.33g/cmであるため、液体から固体に移行するときに生じる約9%の体積膨張を考慮して、シリコン融液が鋳型1の高さの約9割となるように追加シリコン原料を投入することが望ましい。 In this case, the density of the silicon ingot (solid) is 2.33 g / cm 3 whereas the density of the silicon melt (liquid) is 2.55 g / cm 3, when moving from a liquid to a solid In consideration of the volume expansion of about 9% occurring in the above, it is desirable to add the additional silicon raw material so that the silicon melt becomes about 90% of the height of the mold 1.

そして、シリコン融液をシリコン鋳塊とするため、鋳型1を下部から冷却部2を用いて抜熱する。鋳型1の下部から抜熱することで、シリコン鋳塊の一方向凝固を実現している。   And in order to make silicon melt into a silicon ingot, the casting_mold | template 1 is heat-removed using the cooling part 2 from the lower part. By removing heat from the lower part of the mold 1, unidirectional solidification of the silicon ingot is realized.

しかしながら鋳型内のシリコン融液5は液面からの抜熱が大きいため、シリコン融液5の液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。その後、鋳型内に取り残されたシリコン融液5が凝固して膨張し、シリコン鋳塊の表面があたかも噴火したような状態となりシリコン鋳塊に割れが生じる。この問題を防ぐため、シリコン融液5の上部に位置する上部加熱部4aによって、シリコン融液5の液面を加熱し液面を凝固させないようにすることが望ましい。   However, since the silicon melt 5 in the mold has a large heat removal from the liquid surface, the liquid surface of the silicon melt 5 is first solidified, and the liquid silicon melt is left inside. Thereafter, the silicon melt 5 left in the mold is solidified and expanded, and the surface of the silicon ingot is erupted, and the silicon ingot is cracked. In order to prevent this problem, it is desirable to heat the liquid surface of the silicon melt 5 by the upper heating part 4a located above the silicon melt 5 so as not to solidify the liquid surface.

このように、鋳型1の下部に備えられた冷却部2に接触もしくは近づけることによって、鋳型1の下部から抜熱を行えば、シリコン融液5を一方向凝固させることができる。このとき、冷却部2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5から効果的に抜熱できるように構成されている。なお、冷却・凝固して得られたシリコン鋳塊は、所望の大きさに切断・洗浄して、太陽電池用多結晶シリコン基板材料などに用いられる。   In this way, the silicon melt 5 can be unidirectionally solidified by removing heat from the lower part of the mold 1 by contacting or approaching the cooling unit 2 provided at the lower part of the mold 1. At this time, as the cooling unit 2, for example, a metal plate such as stainless steel (SUS) can be used, and a coolant such as water is circulated in the inside to effectively remove the silicon melt 5 inside the mold 1. It is configured to remove heat. Note that the silicon ingot obtained by cooling and solidification is cut and washed to a desired size and used as a polycrystalline silicon substrate material for solar cells.

ここで、本発明のシリコン鋳造方法を実施するための第一の実施形態を詳細に説明する。   Here, the first embodiment for carrying out the silicon casting method of the present invention will be described in detail.

本発明に係る第一の実施形態では、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給してシリコン融液が形成され、追加のシリコン原料を供給するタイミングは、鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態のときとした。   In the first embodiment according to the present invention, while the silicon raw material held in the mold is heated and melted, the silicon melt is formed by supplying the additional silicon raw material, and the timing of supplying the additional silicon raw material is as follows: It was when the silicon melt and unmelted silicon were mixed in the mold.

図3(a)に本発明の第一の実施形態に係るシリコン鋳造方法の様子を示す。未溶融シリコン原料の密度(2.33g/cm)の方がシリコン融液の密度(2.55g/cm)よりも小さいためシリコン融液の液面に未溶融シリコン原料が浮かぶこととなる。図3(a)に示すように、固体である未溶融シリコン原料5a上に追加のシリコン原料7を落下させることで、追加のシリコン原料7を鋳型内のシリコン融液5に向けて落下させることに起因するシリコン融液5の鋳型内側面へ飛散を抑制することができる。 FIG. 3A shows a state of the silicon casting method according to the first embodiment of the present invention. So that the unmelted silicon raw material floats on the liquid surface of the silicon melt for less than the density it is of the silicon melt density of unmelted silicon raw material (2.33g / cm 3) (2.55g / cm 3) . As shown in FIG. 3A, the additional silicon material 7 is dropped toward the silicon melt 5 in the mold by dropping the additional silicon material 7 onto the solid unmelted silicon material 5a. Scattering of the silicon melt 5 to the inner surface of the mold can be suppressed.

そして、図3(a)のように未溶融シリコン原料が鋳型内のシリコン融液中に存在している状態であるため、シリコン融液の液面では鋳型内のシリコン融液の温度分布の中でも特に温度が低い状態となっている。そのため、追加のシリコン原料を投入した場合であっても鋳型内のシリコン融液が急激に冷やされることに起因する離型材の剥離が抑制できる。   Since the unmelted silicon raw material is present in the silicon melt in the mold as shown in FIG. 3 (a), the temperature of the silicon melt in the mold is within the temperature distribution of the silicon melt. In particular, the temperature is low. Therefore, even when an additional silicon raw material is charged, it is possible to suppress the release material from being peeled off due to the rapid cooling of the silicon melt in the mold.

このように、本発明では追加のシリコン原料を供給する際に、鋳型材及び鋳型材内面に被覆した離型材が必要以上に加熱されることが無いために熱履歴に起因する離型材の剥離損傷を防ぎ、さらに未溶融のシリコン原料の上に追加のシリコン原料を供給することによりシリコン融液が跳ねにくく、シリコン融液が離型材に付着するのを防止できる。   Thus, in the present invention, when supplying an additional silicon raw material, the mold material and the mold release material coated on the inner surface of the mold material are not heated more than necessary. Further, by supplying an additional silicon raw material on the unmelted silicon raw material, it is difficult for the silicon melt to splash and the silicon melt can be prevented from adhering to the release material.

その結果、剥離損傷した離型材がシリコン融液内に取り込まれたり、シリコン鋳塊にひび割れが生じたりという問題を無くすことが可能である。   As a result, it is possible to eliminate the problem that the release material damaged due to peeling is taken into the silicon melt or the silicon ingot is cracked.

また、鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態であれば、いつでもシリコン原料を供給しても本発明の効果を有することができるが、該未溶融シリコンが溶けて消失する直前に追加のシリコン原料を供給することにより、鋳型内に多くの追加のシリコン原料を供給することが可能となるため好ましい。   In addition, as long as silicon melt and unmelted silicon are mixed in the mold, the effect of the present invention can be obtained at any time by supplying silicon raw material, but immediately before the unmelted silicon melts and disappears. It is preferable to supply an additional silicon raw material because many additional silicon raw materials can be supplied into the mold.

また、あらかじめ装入したシリコン原料5を溶融して追加のシリコン原料7を供給するときのみだけではなく、追加のシリコン原料7を供給し、再度、追加のシリコン原料7を供給する場合も同様に、鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態のときに供給すればよい。   Further, not only when the silicon raw material 5 charged in advance is melted and the additional silicon raw material 7 is supplied, but also when the additional silicon raw material 7 is supplied and the additional silicon raw material 7 is supplied again. It may be supplied when the silicon melt and unmelted silicon are mixed in the mold.

次に、本発明のシリコン鋳造方法を実施するための第二の実施形態を説明する。   Next, a second embodiment for carrying out the silicon casting method of the present invention will be described.

本発明に係る第二実施形態では、鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給してシリコン融液が形成され、追加のシリコン原料を供給するタイミングは、鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコン原料が混在した状態から、該未溶融シリコン原料が溶けて消失した直後とした。   In the second embodiment according to the present invention, while the silicon raw material held in the mold is heated and melted, an additional silicon raw material is supplied to form a silicon melt, and the timing of supplying the additional silicon raw material is within the mold. From the state where the silicon melt and the unmelted silicon raw material were mixed together, it was immediately after the unmelted silicon raw material melted and disappeared.

本発明に係る直後とは、鋳型内にシリコン原料と未溶融シリコン原料が混在した状態からこの未溶融シリコン原料が溶けて消失して60秒間を指すこととする。   The term “immediately according to the present invention” refers to 60 seconds when the unmelted silicon material melts and disappears from the state where the silicon material and unmelted silicon material are mixed in the mold.

図2は、第二の実施形態のシリコン鋳造方法を示す模式的な図であり、1は鋳型、2は冷却部、3aは断熱壁、3bは可動式扉、4aは鋳型上部加熱部、4bは鋳型側部加熱部、5はシリコン原料またはシリコン原料が溶融して形成されたシリコン融液、6は原料供給部、6aは導入部材、6bは開閉口、6cは原料供給タンク、7は追加のシリコン原料、8は離型材である。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the silicon casting method of the second embodiment, wherein 1 is a mold, 2 is a cooling unit, 3a is a heat insulating wall, 3b is a movable door, 4a is a mold upper heating unit, 4b. Is a mold side heating part, 5 is a silicon raw material or silicon melt formed by melting silicon raw material, 6 is a raw material supply part, 6a is an introduction member, 6b is an opening / closing port, 6c is a raw material supply tank, and 7 is an additional The silicon raw material 8 is a release material.

そして、図3(b)に本発明の第二の実施形態に係るシリコン鋳造方法を示す。図3(b)に示すように、追加のシリコン原料7を供給するタイミングは、鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコン原料が混在した状態から、該未溶融シリコン原料が溶けて消失した直後とした。このように追加のシリコン原料を供給することで、一般的な鋳型内溶融でシリコン原料を融解する場合(約1500℃)よりも低い温度、つまりシリコン原料の融点付近の温度で追加のシリコン原料7が供給されるため、鋳型材や離型材への熱履歴の影響を抑えることができる。また、鋳型内のシリコン原料が全て融液の状態であったとしても、シリコン原料の融点付近の温度では、シリコン融液の粘度ηが低いため、シリコン融液5が鋳型内側面へ飛散することを抑制できる。   FIG. 3B shows a silicon casting method according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3B, the timing for supplying the additional silicon raw material 7 is immediately after the molten silicon raw material melts and disappears from the state in which the silicon melt and the unmelted silicon raw material are mixed in the mold. did. By supplying the additional silicon raw material in this way, the additional silicon raw material 7 is formed at a temperature lower than the case where the silicon raw material is melted by general melting in the mold (about 1500 ° C.), that is, at a temperature near the melting point of the silicon raw material. Therefore, the influence of the heat history on the mold material and the mold release material can be suppressed. Further, even if the silicon raw material in the mold is all in the melt state, the silicon melt 5 is scattered on the inner surface of the mold because the viscosity η of the silicon melt is low at a temperature near the melting point of the silicon raw material. Can be suppressed.

また、該未溶融シリコン原料が溶けて消失した後における鋳型1内のシリコン融液5bの粘度ηが0.8mPa・s以上であれば、効果的にシリコン融液5が鋳型内側面へ飛散することを抑制できる。よって、上記粘度範囲を維持するように鋳型1を加熱すれば、必要以上に鋳型材及び鋳型材内面に被覆した離型材8を加熱することなく、追加のシリコン原料7投入時においても、シリコン融液5全体、特に液面の粘性が高くなりシリコン融液5が跳ねにくい。また、熱履歴に起因する離型材8の剥離損傷も防止できる。   Further, if the viscosity η of the silicon melt 5b in the mold 1 after the unmelted silicon raw material melts and disappears is 0.8 mPa · s or more, the silicon melt 5 is effectively scattered on the inner surface of the mold. This can be suppressed. Therefore, if the mold 1 is heated so as to maintain the above viscosity range, the silicon material can be melted even when the additional silicon raw material 7 is charged without heating the mold material and the mold release material 8 coated on the inner surface of the mold material more than necessary. The viscosity of the liquid 5 as a whole, particularly the liquid surface, becomes high, and the silicon melt 5 is difficult to splash. Moreover, the peeling damage of the mold release material 8 resulting from a heat history can also be prevented.

ゆえに、剥離損傷した離型材8がシリコン融液5内に取り込まれたり、シリコン鋳塊にひび割れが生じたりという問題を無くすことが可能となる。   Therefore, it is possible to eliminate the problem that the release material 8 which is peeled and damaged is taken into the silicon melt 5 or cracks are generated in the silicon ingot.

しかしながら、シリコン融液の粘度ηが0.8mPa未満の場合には、粘度が低いため、追加のシリコン原料7を供給した際に液面でシリコン融液5が跳ねやすく、鋳型内表面に飛散しやすいという問題があるため、できるだけ未溶融シリコン原料が溶けて消失した直後としたほうが好ましい。   However, when the viscosity η of the silicon melt is less than 0.8 mPa, the viscosity is low. Therefore, when the additional silicon raw material 7 is supplied, the silicon melt 5 is likely to splash on the liquid surface and scatters on the inner surface of the mold. Since there is a problem that it is easy, it is preferable to set it immediately after the unmelted silicon raw material melts and disappears as much as possible.

ここで、粘度の測定手段としては、例えば、特許文献3に記載の振動式粘度計などがあり、さらに、シリコン融液の粘度ηはシリコン融液温度と粘度ηとの相関関係があるため、シリコン融液温度を指標として算出しても構わない。   Here, as a means for measuring the viscosity, for example, there is a vibration type viscometer described in Patent Document 3, and the viscosity η of the silicon melt has a correlation between the silicon melt temperature and the viscosity η. The silicon melt temperature may be calculated as an index.

また、本発明に係る第一、第二の実施形態では、主に熱電対などを用いた接触温度測定や赤外線放射温度計などを用いた非接触温度測定を用いて鋳型内に保持したシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度を測定して昇温速度を計算し、追加のシリコン原料7を供給することが望ましい。   In the first and second embodiments according to the present invention, the silicon raw material held in the mold mainly using contact temperature measurement using a thermocouple or non-contact temperature measurement using an infrared radiation thermometer or the like. It is desirable to supply the additional silicon raw material 7 by measuring the temperature or the silicon melt temperature to calculate the rate of temperature rise.

図4に本発明におけるシリコン鋳造装置の一実施形態の断面模式図を示す。この装置によって、上述の本発明に係る第一の実施形態と第二の実施形態を実施することができる。   FIG. 4 shows a schematic sectional view of an embodiment of the silicon casting apparatus according to the present invention. With this apparatus, the first embodiment and the second embodiment according to the present invention described above can be implemented.

1は鋳型、2は冷却手段、3aは断熱壁、3bは可動式扉、4aは鋳型上部加熱手段、4bは鋳型側部加熱手段、5はシリコン原料またはシリコン原料が溶融して形成されたシリコン融液、6は原料供給手段、6aは導入部材、6bは開閉口、6cは原料供給タンク、7は追加原料、8は離型材、9は温度測定手段、10は表示器、11は演算器、12は原料供給制御手段である。   1 is a mold, 2 is a cooling means, 3a is a heat insulating wall, 3b is a movable door, 4a is a mold upper heating means, 4b is a mold side heating means, and 5 is a silicon raw material or silicon formed by melting a silicon raw material Melt, 6 is a raw material supply means, 6a is an introduction member, 6b is an opening and closing port, 6c is a raw material supply tank, 7 is an additional raw material, 8 is a release material, 9 is a temperature measuring means, 10 is a display, and 11 is a calculator. , 12 are raw material supply control means.

図4に示すように鋳型内のシリコン原料、又はシリコン融液5の温度を判断するために熱電対等の温度測定手段9を設ける。そして、温度測定手段9の温度は、表示器10を通して演算器11に取り込み演算を行う。その後、演算器11によって求められた鋳型1内のシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度の単位時間当たりの温度である昇温速度に基づき、鋳型内のシリコン原料の状態を把握することができる。そして、この鋳型内のシリコン原料の状態が、シリコン融液と未溶融シリコン原料とが混在した状態、又は未溶融シリコン原料が溶けて消失した直後を追加のシリコン原料7を供給するタイミングとするように、原料供給制御手段12から原料供給手段6に開閉信号を送り原料供給手段6bを自動的に開閉する機構を設ける。   As shown in FIG. 4, a temperature measuring means 9 such as a thermocouple is provided to determine the temperature of the silicon raw material in the mold or the silicon melt 5. Then, the temperature of the temperature measuring means 9 is taken into the calculator 11 through the display 10 and is calculated. Thereafter, the state of the silicon raw material in the mold can be grasped based on the temperature of the silicon raw material in the mold 1 obtained by the computing unit 11 or the temperature increase rate which is the temperature per unit time of the silicon melt temperature. . The state of the silicon raw material in the mold is a state where the silicon melt and the unmelted silicon raw material are mixed, or immediately after the unmelted silicon raw material melts and disappears is set as the timing for supplying the additional silicon raw material 7. In addition, a mechanism for automatically opening and closing the raw material supply means 6 b is provided by sending an open / close signal from the raw material supply control means 12 to the raw material supply means 6.

例えば、上述した追加シリコン原料7を供給する機構として、プログラマブルコントローラー(シーケンサ)などが用いられる。このようなプログラマブルコントローラーは、この機械制御の分野においては極めてよく知られているものであって、単機能を有するモジュールを組み合わせてユニット化して用いたり、機能を特化した1つのモジュールを用いて構成される。本発明にかかる演算器11の場合、温度測定手段9からの出力は、例えばアナログの電圧値(例えば、温度値が1000℃の時は10Vのように、1/100の値となるような電圧値として)として取り込まれるため、これをデジタル値に変換する機能を有するモジュールを適宜組み合わせて用いたりすればよい。   For example, a programmable controller (sequencer) or the like is used as a mechanism for supplying the additional silicon raw material 7 described above. Such a programmable controller is very well known in the field of machine control, and can be used as a unit by combining modules having a single function, or using a single module specializing in functions. Composed. In the case of the arithmetic unit 11 according to the present invention, the output from the temperature measuring means 9 is, for example, an analog voltage value (for example, a voltage that becomes a value of 1/100, such as 10 V when the temperature value is 1000 ° C. Therefore, modules having a function of converting them into digital values may be used in appropriate combination.

また、PID制御によって追加のシリコン原料7を温度変化に追従させて供給すれば、さらに高精度に追加のシリコン原料7を供給することができる。例えば、原料供給手段12と開閉口6bとを連携をとることにより、温度測定手段9から得た温度情報を基に開閉口6bの角度を変化させれば、追加のシリコン原料の供給量を調節することができる。   Further, if the additional silicon material 7 is supplied following the temperature change by PID control, the additional silicon material 7 can be supplied with higher accuracy. For example, if the angle of the opening / closing port 6b is changed based on the temperature information obtained from the temperature measuring unit 9 by linking the material supply unit 12 and the opening / closing port 6b, the supply amount of the additional silicon material is adjusted. can do.

そして、鋳型上部加熱手段4a、鋳型側部加熱手段4bの加熱温度を、温度測定手段9によって得られた情報を基に調節すれば、離型材8の剥離の原因でもある鋳型材や離型材8の熱履歴を最低限に抑えることも可能である。   Then, if the heating temperature of the mold upper part heating means 4a and the mold side part heating means 4b is adjusted based on the information obtained by the temperature measuring means 9, the mold material and the release material 8 that are also the cause of the release material 8 peeling. It is also possible to minimize the heat history.

さらに、プログラマブルコントローラーを用いる代わりに、汎用のパソコンに制御用のインターフェース機構を設けてもよく、全く同様の結果を得ることができる。   Furthermore, instead of using a programmable controller, a general-purpose personal computer may be provided with an interface mechanism for control, and the same result can be obtained.

ここで、温度測定手段9の温度プロファイル、演算器11により計算された昇温速度のグラフを図5に示す。図5において直線は温度変化を示し、プロットは昇温速度を示す。例えば、鋳型内に保持したシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度を5秒ごとに測定し、この温度の変化量を時間微分したものを昇温速度とすることができる。   Here, a graph of the temperature profile of the temperature measuring means 9 and the temperature increase rate calculated by the calculator 11 is shown in FIG. In FIG. 5, a straight line shows a temperature change, and a plot shows a temperature increase rate. For example, the temperature of the silicon raw material held in the mold or the silicon melt temperature is measured every 5 seconds, and the temperature change rate is obtained by time-differentiating the amount of change in this temperature.

また、温度測定手段9は鋳型1内部のシリコン原料5又はシリコン融液5を直接測定することが望ましいが、鋳型1の温度を測定し鋳型部材の熱導電性を加味して追加のシリコン原料7を供給するタイミングを遅らせても全く問題ない。また、温度測定手段9の測定対象となるのは、シリコン融液5、シリコン原料5でもよいし、シリコン原料5とシリコン融液5の中間の状態でもよい。   The temperature measuring means 9 preferably directly measures the silicon raw material 5 or the silicon melt 5 inside the mold 1, but the additional silicon raw material 7 is measured by measuring the temperature of the mold 1 and taking into account the thermal conductivity of the mold member. There is no problem even if the timing of supplying is delayed. Further, the measurement object of the temperature measuring means 9 may be the silicon melt 5 and the silicon raw material 5, or the intermediate state between the silicon raw material 5 and the silicon melt 5.

図5に示すように鋳型1の温度は鋳型上部加熱手段4aの加熱とともに上昇し(Aの区間)、炉内の温度が安定すると温度がほとんど変わらなくなるため、昇温速度は遅くなる(Bの区間)。その後、鋳型1内のシリコン原料5がほとんど融解すると若干昇温速度が速くなり(Cの区間)、完全にシリコン原料5が融解すると急激に昇温速度が速くなる(Dの区間)。   As shown in FIG. 5, the temperature of the mold 1 rises with the heating of the mold upper heating means 4a (A section), and when the temperature in the furnace becomes stable, the temperature hardly changes. section). Thereafter, when the silicon raw material 5 in the mold 1 is almost melted, the rate of temperature rise is slightly faster (C section), and when the silicon raw material 5 is completely melted, the temperature rise rate is rapidly increased (D section).

よって、鋳型内にシリコン融液5と未溶融シリコン5aが混在した状態に追加のシリコン原料7を供給する場合は、BまたはCの区間で原料供給タンク6bを自動的に開く信号を送ることにより、シリコン原料5が完全に融解する前に追加のシリコン原料7を供給することが可能となる。特に、BからCの区間に移った際に追加のシリコン原料7を追加するようにすれば、より多くの追加のシリコン原料7を供給することが可能となる。   Therefore, when the additional silicon raw material 7 is supplied in a state where the silicon melt 5 and the unmelted silicon 5a are mixed in the mold, a signal for automatically opening the raw material supply tank 6b in the section B or C is sent. The additional silicon raw material 7 can be supplied before the silicon raw material 5 is completely melted. In particular, if the additional silicon material 7 is added when moving from B to C, more additional silicon material 7 can be supplied.

また、鋳型内にシリコン融液5と未溶融シリコン原料5aが混在した状態から、該未溶融シリコン原料5aが溶けて消失した直後に追加のシリコン原料を供給する場合は、CからDの区間に移ってから60秒の間に、追加のシリコン原料7を供給すればよい。   In the case where the silicon melt 5 and the unmelted silicon raw material 5a are mixed in the mold and the additional silicon raw material is supplied immediately after the unmelted silicon raw material 5a melts and disappears, the section C to D is used. What is necessary is just to supply the additional silicon raw material 7 within 60 seconds after moving.

そして、本発明においては、シリコン原料5を加熱溶融させる際に、鋳型内壁面のシリコン原料5を優先的に加熱、溶融することが望ましい。図6に鋳型側面から加熱した場合の鋳型内温度分布を示す。   In the present invention, when the silicon raw material 5 is heated and melted, it is desirable to preferentially heat and melt the silicon raw material 5 on the inner wall surface of the mold. FIG. 6 shows the temperature distribution in the mold when heated from the side of the mold.

1は鋳型、4aは鋳型上部加熱手段、4aは鋳型側部加熱手段、8は離型材であり、A、B、Cは鋳型内のシリコン融液の温度分布を示している。ここで、鋳型内に保持したシリコン原料5を加熱溶融する際、図6中点線で囲った鋳型上部加熱手段4aは必ずしも必要ではなく、鋳型上部から加熱しなくてもよい。また、鋳型上部から加熱してもよいが鋳型側部から加熱した熱量の方が多いことが望ましい。   1 is a mold, 4a is a mold upper part heating means, 4a is a mold side part heating means, 8 is a release material, and A, B, and C show the temperature distribution of the silicon melt in the mold. Here, when the silicon raw material 5 held in the mold is heated and melted, the mold upper part heating means 4a surrounded by a dotted line in FIG. 6 is not necessarily required, and it may not be heated from the upper part of the mold. Moreover, although it may be heated from the upper part of the mold, it is desirable that the amount of heat heated from the side of the mold is larger.

図6に示すように、鋳型側面から加熱した場合、シリコン融液の温度分布は鋳型内壁面のA領域で一番高温となる。そして、鋳型中心部や開口部はA領域よりも温度の低いC領域となる。また、B領域はA領域とC領域の間の温度である。図6に示す温度分布に従って、鋳型内壁面側はシリコン融液5の状態で液体を多く含み、鋳型開口部の中心付近は、未溶融である固体のシリコン原料5が存在している。そのため、鋳型側部加熱部4bにより鋳型内側面のシリコン原料を優先的に加熱することで、追加のシリコン原料7を投下する位置を鋳型1の中心付近とすれば、追加のシリコン原料7を投入しても未溶融シリコン上となりシリコン融液5が飛び跳ねることを軽減できる。   As shown in FIG. 6, when heated from the side of the mold, the temperature distribution of the silicon melt is highest in the A region of the inner wall surface of the mold. And a mold center part and an opening part become C area | region where temperature is lower than A area | region. The B region is the temperature between the A region and the C region. According to the temperature distribution shown in FIG. 6, the inner wall surface of the mold contains a large amount of liquid in the form of a silicon melt 5, and an unmelted solid silicon raw material 5 exists near the center of the mold opening. Therefore, if the silicon material on the inner surface of the mold is preferentially heated by the mold side heating unit 4b so that the position where the additional silicon material 7 is dropped is near the center of the mold 1, the additional silicon material 7 is introduced. Even if it becomes on unmelted silicon, it can reduce that silicon melt 5 jumps.

したがって、追加のシリコン原料の供給に伴う鋳型内の急激な温度低下、シリコン融液の付着に起因する鋳型内面の離型材が剥離損傷を抑制できる。鋳型内面側にシリコン融液5が付着することに起因する離型材8の剥離、それに基づく半導体鋳塊の剥離損傷の原因をより抑制することができる。   Therefore, the mold release material on the inner surface of the mold caused by the rapid temperature drop in the mold accompanying the supply of the additional silicon raw material and the adhesion of the silicon melt can suppress peeling damage. The cause of the peeling of the release material 8 caused by the silicon melt 5 adhering to the inner surface of the mold, and the peeling damage of the semiconductor ingot based thereon can be further suppressed.

上述した本発明に係る第一の実施形態及び第二の実施形態では、追加のシリコン原料7を供給する際に、必要以上に鋳型内面に被覆した離型材8を加熱することが無いために、鋳型材、離型材8の熱履歴を抑制することができ、追加のシリコン原料7投入時の離型材8の剥離損傷を防止できる。さらに剥離損傷した離型材8がシリコン融液5内に取り込まれたり、シリコン鋳塊にひび割れが生じたりという問題を抑制できる。   In the first embodiment and the second embodiment according to the present invention described above, when the additional silicon raw material 7 is supplied, the release material 8 coated on the inner surface of the mold is not heated more than necessary. The thermal history of the mold material and the release material 8 can be suppressed, and peeling damage of the release material 8 when the additional silicon raw material 7 is charged can be prevented. Further, it is possible to suppress the problem that the release material 8 that has been peeled and damaged is taken into the silicon melt 5 or cracks are generated in the silicon ingot.

その結果、鋳型内面の離型材8が剥離損傷することなく、鋳型1のクラック及び離型材8の混入によるシリコン鋳塊の歩留まり低下を抑制した鋳造方法を提供できる。   As a result, it is possible to provide a casting method that suppresses the yield reduction of the silicon ingot due to cracks in the mold 1 and mixing of the mold release material 8 without causing the mold release material 8 on the mold inner surface to be peeled and damaged.

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。   It should be noted that the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

例えば、追加のシリコン原料7が供給される位置は鋳型1の中央に位置する必要はなく、鋳型1と追加のシリコン原料7が衝突しないで、鋳型1から追加のシリコン原料7がこぼれない範囲であればどこでもよい。   For example, the position where the additional silicon raw material 7 is supplied does not have to be located at the center of the mold 1, so that the mold 1 and the additional silicon raw material 7 do not collide and the additional silicon raw material 7 does not spill from the mold 1. It can be anywhere.

また、鋳造装置に用いられる鋳型1は分割構造の鋳型1を用いてもよく、このような分割構造の鋳型1を用いた場合においても、鋳型1上部の内壁面に塗布された離型材8を有効に利用するために鋳型1内のシリコン原料5を融解した後、追加のシリコン原料7を供給するほうが望ましく、本発明のシリコン鋳造方法を用いることで同様の効果を得ることができる。   Further, the mold 1 used in the casting apparatus may be a divided mold 1. Even when such a divided mold 1 is used, the mold release material 8 applied to the inner wall surface of the upper part of the mold 1 is used. In order to use it effectively, it is desirable to supply the additional silicon raw material 7 after melting the silicon raw material 5 in the mold 1, and the same effect can be obtained by using the silicon casting method of the present invention.

また、追加投入を繰り返し、全てのシリコン原料が融解したときの融液の量が鋳型の有効深さの9割になるようにすれば、シリコン融液を冷却・凝固した際にシリコン融液に比べ約1割かさが大きくなるので出来上がったシリコン鋳塊の高さが鋳型1の有効深さと同じになり理想的である。   Moreover, if additional charging is repeated so that the amount of the melt when all the silicon raw materials are melted is 90% of the effective depth of the mold, the silicon melt can be converted into a silicon melt when cooled and solidified. Compared to the effective depth of the mold 1, it is ideal because the height of the resulting silicon ingot is about 10% larger.

本発明のシリコン鋳造方法の第一の実施形態を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows 1st embodiment of the silicon | silicone casting method of this invention. 本発明のシリコン鋳造方法の第二の実施形態を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows 2nd embodiment of the silicon casting method of this invention. (a)は図1に示すシリコン鋳造方法の概念図であり、(b)は図2に示すシリコン鋳造方法の概念図である。(A) is a conceptual diagram of the silicon casting method shown in FIG. 1, (b) is a conceptual diagram of the silicon casting method shown in FIG. 本発明に係るシリコン鋳造装置の一実施形態を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows one Embodiment of the silicon casting apparatus which concerns on this invention. 図4の演算器により計算された昇温速度のグラフである。It is a graph of the temperature increase rate calculated by the calculator of FIG. 鋳型側面から加熱した場合の鋳型内温度分布である。This is a temperature distribution in the mold when heated from the side of the mold. 従来の鋳型内溶融におけるシリコン鋳造装置を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the silicon | silicone casting apparatus in the conventional melt in a mold. 従来の追加原料供給型のシリコン鋳造装置を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the conventional additional raw material supply type silicon casting apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1:鋳型
2:冷却手段
3、3a:断熱壁
3b:可動式扉
4:鋳型加熱手段
4a:鋳型上部加熱手段
4b:鋳型側部加熱手段
5:シリコン原料(シリコン融液)
6:原料供給手段
6a:導入部材
6b:開閉口
6c:原料供給タンク
7:追加のシリコン原料
8:離型材
9:温度測定手段
10:表示器
11:演算器
12:原料供給制御手段
1: Mold 2: Cooling means 3, 3a: Thermal insulation wall 3b: Movable door 4: Mold heating means 4a: Mold upper heating means 4b: Mold side heating means 5: Silicon raw material (silicon melt)
6: Raw material supply means 6a: Introducing member 6b: Opening / closing port 6c: Raw material supply tank 7: Additional silicon raw material 8: Release material 9: Temperature measuring means 10: Display 11: Calculator 12: Raw material supply control means

Claims (2)

鋳型内に保持したシリコン融液を冷却凝固させるシリコン鋳造方法であって、
前記シリコン融液は、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給して形成され、
前記追加のシリコン原料を供給するタイミングは、前記鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態のときとして、
前記鋳型内に保持したシリコン原料の温度、又はシリコン融液温度から昇温速度を計算し、この昇温速度に基づき前記追加のシリコン原料を供給するタイミングを決定するシリコン鋳造方法。
A silicon casting method for cooling and solidifying a silicon melt held in a mold,
The silicon melt is formed by supplying additional silicon material while heating and melting the silicon material held in the mold,
Said additional timing for supplying the silicon raw material, the silicon melt and the unmelted silicon in the case of a mixed state in said mold,
A silicon casting method for calculating a temperature rising rate from a temperature of a silicon raw material held in the mold or a silicon melt temperature and determining a timing for supplying the additional silicon raw material based on the temperature rising rate .
鋳型内に保持したシリコン融液を冷却凝固させるシリコン鋳造方法であって、
前記シリコン融液は、前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させつつ、追加のシリコン原料を供給して形成され、
前記追加のシリコン原料を供給するタイミングは、前記鋳型内にシリコン融液と未溶融シリコンが混在した状態のときとして、
前記鋳型内に保持したシリコン原料を加熱溶融させる際に、前記鋳型内壁側のシリコン原料を優先的に加熱し溶融させるシリコン鋳造方法。
A silicon casting method for cooling and solidifying a silicon melt held in a mold,
The silicon melt is formed by supplying additional silicon material while heating and melting the silicon material held in the mold,
The timing of supplying the additional silicon raw material is when the silicon melt and unmelted silicon are mixed in the mold.
Wherein the silicon raw material held in the mold when is heated and melted, Cie silicon casting method preferentially by heating and melting the silicon raw material of the mold inner wall.
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