JPH05213691A

JPH05213691A - シリコン鋳造方法

Info

Publication number: JPH05213691A
Application number: JP4603392A
Authority: JP
Inventors: Kyojiro Kaneko; 恭二郎金子
Original assignee: Osaka Titanium Co Ltd
Current assignee: Osaka Titanium Co Ltd
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1993-08-24

Abstract

(57)【要約】【目的】電磁溶解によるシリコンの連続鋳造におい
て、製品鋳塊の品質を向上させる。【構成】誘導コイル２の巻き密度を上部で密、下部で
粗とする。誘導コイル２内に設置された導電性の無底る
つぼ１内でシリコンを溶解させる。シリコンの溶湯３
は、無底るつぼ１の内面に対して非接触の状態で保持さ
れ、無底るつぼ１の下方へ徐々に引き下げられて方向性
凝固鋳塊４とされる。無底るつぼ１内の磁界強度が上部
で強、下部で弱の軸方向分布となり、溶湯３の撹拌が抑
えられる。方向性凝固鋳塊４の結晶粒径が大きくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電磁溶解を用いてシリ
コンの方向性凝固鋳塊を連続的に製造するシリコン鋳造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池等の素材として使用されるシリ
コンの方向性凝固鋳塊の製造方法として、電磁溶解によ
る連続鋳造方法が、例えば特開平２−３０６９８号公報
により提案されている。電磁溶解によるシリコンの連続
鋳造方法は、図４に示すように、導電性の無底るつぼ１
と、その外側に配設された誘導コイル２とを使用する。
無底るつぼ１は、軸方向の少なくとも一部が周方向に複
数分割されている。無底るつぼ１内に装入された原料シ
リコンは、誘導コイル２による電磁誘導を受けて、るつ
ぼ内面に非接触の状態で溶融する。そして、無底るつぼ
１内に原料シリコンを供給しながら、無底るつぼ１内の
溶湯３を下方へ除々に引き下げて凝固させることによ
り、シリコンの方向性凝固鋳塊４が連続的に製造され
る。

【０００３】電磁溶解によるシリコンの連続鋳造方法に
よれば、るつぼに対するシリコン融液の接触がなく、る
つぼからシリコンへの汚染が完全に防止される。るつぼ
からの汚染がなければ、るつぼの材質を低級化でき、鋳
型を必要としないこととあいまって設備コストが著しく
低下し、大容量の電源装置と組合せることによって大型
で高品質のシリコン鋳塊が連続的に低コストで製造でき
る。また、結晶学上も、るつぼ側壁からの結晶化が抑制
されるので非常に好ましいものとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、この電
磁溶解によるシリコン連続鋳造方法の工業化に向けての
研究を以前より続けている。その結果、この方法が太陽
電池用のシリコン鋳塊の量産に、品質面でも生産性の面
でも優れた適性を示すことが一層明確になってきた。し
かし、その一方では、従来の鋳型流し込み法では生じな
かった新しい問題も明らかになってきた。その新しく分
かった問題の一つは、無底るつぼ内に保持された溶湯の
撹拌である。電磁溶解によるシリコン鋳造方法での溶湯
撹拌現象を図７により説明する。

【０００５】シリコンの溶湯３は、誘導コイル２内に設
置された無底るつぼ１の内側に、凝固鋳塊４の上に載っ
た状態で保持されている。溶湯３の攪拌は、その中心部
から上下に激しく生じる。この攪拌のため、溶湯３と凝
固鋳塊４の間の所謂固液界面に沿って溶湯３が流動し、
結晶の成長が阻害される。また、固液界面が、図に破線
で示す正規のレベルに対して下方へ深く窪む。これは、
凝固開始位置の低下を意味し、凝固鋳塊４の軸方向温度
勾配を急にする。そのため、温度勾配のコントロールが
難しくなり、これも結晶成長の阻害原因になる。従っ
て、製造された凝固鋳塊４は、結晶粒径が小さく、太陽
電池として最も重要な特性である光電変換効率が低くな
る。

【０００６】結晶粒径は、ただ単に大きければよいとい
うものではない。しかし、1.５ｍｍ〜２ｍｍ程度までな
ら、光電変換効率に決定的な影響を与え、大きいほど良
い。従来の激しい攪拌下で製造された凝固鋳塊４の結晶
粒径は、高々１ｍｍ程度であり、攪拌は光電変換効率を
阻害しているわけである。

【０００７】また、攪拌による固液界面の低下により、
溶湯３の下部周囲に薄い凝固シェルができ、ブレークア
ウトによる操業中断の危険性も高まる。

【０００８】本発明の目的は、溶湯の攪拌を抑えて、高
品質な凝固鋳塊を安定に製造する電磁溶解によるシリコ
ン鋳造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のシリコン鋳造方
法は、誘導コイル内に、軸方向の少なくとも一部が周方
向で複数に分割された導電性の無底るつぼを設置し、該
無底るつぼ内でシリコンをるつぼ内面に対して非接触の
状態で電磁溶解し、その溶湯を下方へ引き下げて方向性
凝固鋳塊となすシリコンの連続鋳造方法において、誘導
コイルによって無底るつぼ内に生じる磁界の強度を、る
つぼ上部で強、るつぼ下部で弱の軸方向分布とすること
を特徴とする。

【００１０】

【作用】図１は、無底るつぼ内のシリコンの溶湯に作用
する磁界の強さＢおよびローレンツ力Ｆの軸方向分布を
示す模式図であり、左半分が本発明法での分布、右半分
が従来法での分布である。

【００１１】従来法では、軸方向に均一な密度で巻かれ
た誘導コイル２が使用されている。そのため、無底るつ
ぼ１内の磁界強度は、軸方向中央で最も強く、上下に向
かうに連れて徐々に弱くなる上下対称の軸方向分布とな
る。そのため、無底るつぼ１内のシリコンの溶湯３が受
けるローレンツ力（水平方向に押圧力として生じる）
も、軸方向の中央で最も大きくなり、上下に向かうに連
れて徐々に弱くなる。この上下対称なローレンツ力によ
り、溶湯３は、軸方向中央で最も強く中心側へ抑され、
中心部から上下に向かう攪拌を生じる（図７参照）。

【００１２】これに対し、本発明法では、無底るつぼ１
内の磁界強度を、るつぼ上部で強、るつぼ下部で弱の上
下非対称な軸方向分布とする。これにより、ローレンツ
力も上部で大、下部で小となる。その結果、シリコンの
溶湯３の上部は、下部より強い力で中心側へ絞られるこ
とになる。このときに、溶湯３の攪拌が抑えられ、大き
な結晶粒径の得られることは、種々の実験から確認して
いる。その理由は、必ずしも明確でないが、溶湯３の上
部が下部より強い力で絞られてその安定性が良くなるこ
とが、理由の一つであることは、間違いないと思われ
る。無底るつぼ内の磁界強度は、下から上へ向かうにつ
れて連続的に大きくなる軸方向分布とするのが良い。

【００１３】無底るつぼ内の磁界強度を、るつぼ上部で
強、るつぼ下部で弱の軸方向分布とするためには、例え
ば、誘導コイル１の軸方向の巻密度を、コイル上部で
密、コイル下部で粗の所謂粗密巻きとする。粗密巻きの
形態としては、巻線の間隔を変えるだけでなく、図２に
示すように、水平方向に巻線を重ねることが可能であ
る。重ね巻きは、巻き数が多くなる例えば高周波操業
（１００ｋＨＺ以上）で有効である。粗密巻き以外に
は、誘導コイル１の上部のコイル半径を小さく、下部の
コイル半径を大きくすることによって、無底るつぼ内の
磁界強度を軸方向の上部で強、下部で弱とする方法も有
効である。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。実施例に
用いた鋳造装置を図３に模式的に示す。

【００１５】無底るつぼ１は、気密容器５内に設置さ
れ、上端部以外の部分が周方向に複数分割されている。
この無底るつぼ１は、銅からなり、内部を流通する冷却
水により強制冷却される。誘導コイル２は、無底るつぼ
１の分割部の外側に配設されており、巻き密度を上部で
密、下部で粗とした粗密巻きの構成としている。

【００１６】凝固鋳塊４を製造するには、まず、気密容
器５内を吸引口５ａから真空引きした後、気密容器５内
へガス口５ｂから不活性ガスを封入する。これと並行し
て、無底るつぼ１の底を種鋳塊で閉塞して、原料装入器
９から無底るつぼ１内へ粒塊状の原料シリコン１０を装
入する。

【００１７】次いで、誘導コイル２に所定周波数の交流
電流を供給した状態で、無底るつぼ１内の一部の原料シ
リコン１０を外部加熱により初期溶融する。これによ
り、シリコンのプールが無底るつぼ１内の全体に広が
る。この状態で、無底るつぼ１内へ原料シリコン１０を
補充しながら、搬送機１１により種鋳塊を引き下げる。
これにより、無底るつぼ１内の溶湯３が、無底るつぼ１
内面に非接触の状態のまま順次下方へ引き抜かれてシリ
コンの方向性凝固鋳塊４とされる。無底るつぼ１内の溶
湯３からその下方の凝固鋳塊４にかけて好ましい温度勾
配となるように、凝固直後の凝固鋳塊４が、無底るつぼ
１の下方に連設された保温炉８により加熱される。

【００１８】このような方法で、１７０ｍｍ角の角柱状
シリコン方向性凝固鋳塊を製造した。誘導コイル２は、
内部を通水路とした２０ｍｍ角の銅製角管を、内寸法が
２２５ｍｍ角の角形に３ターン巻いた高さ１２０ｍｍの
構造とし、上部の２巻きは絶縁体を介して密着させ、２
段目と３段目との間には６０ｍｍの間隔を設けた。比較
のために、同じ角管を同じ高さ及び同じ巻数に等間隔
（３０ｍｍ）で巻いた均等巻きの誘導コイルも使用し
た。いずれの誘導コイルを使用した場合も、鋳造は表１
の条件で行った。

【００１９】

【表１】

【００２０】それぞれの誘導コイルを使用して製造され
たシリコン方向性鋳塊の結晶構造を示す顕微鏡写真を図
４に、平均結晶粒径の調査結果を図５にそれぞれ掲げ
る。また、製造されたシリコン方向性鋳塊から採取した
太陽電池セルの光電変換効率を図６に示す。

【００２１】誘導コイルの構造を均等巻きから粗密巻き
に変えるだけで、平均結晶粒径は約１ｍｍから約1.５ｍ
ｍまで大きくなる。光電変換効率に影響を与える結晶粒
径の上限は、1.５〜２ｍｍであり、粗密巻きによって得
られる鋳塊の品質は、結晶粒径の点から見ればほぼ充分
と言える。事実、光電変換効率は、この粗密巻きによ
り、約１％も向上する。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のシリコン鋳塊方法は、無底るつぼ内に保持された溶湯
の撹拌を抑え、その溶湯より製造される凝固鋳塊の品質
を高める。また、固液界面の低下を抑えることにより、
凝固シェルができ難くなくなり、安定な鋳造が行われ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】無底るつぼ内のシリコンの溶湯に作用する磁界
の強さおよびローレンツ力の軸方向分布を示す模式図で
ある。

【図２】誘導コイルの構造例を示す模式図である。

【図３】鋳造装置を模式図に示す縦断面図である。

【図４】誘導コイルを均等巻きから粗密巻きへ変えたこ
とによる結晶構造の変化を示す顕微鏡写真である。

【図５】誘導コイルを均等巻きから粗密巻きへ変えたこ
とによる結晶粒径の変化を示す図表である。

【図６】誘導コイルを均等巻きから粗密巻きへ変えたこ
とによる光電変換効率の変化を示す図表である。

【図７】溶湯攪拌現象を示す模式図である。

【符号の説明】

１無底るつぼ２誘導コイル３溶湯４方向性凝固鋳塊

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘導コイル内に、軸方向の少なくとも一
部が周方向で複数に分割された導電性の無底るつぼを設
置し、該無底るつぼ内でシリコンをるつぼ内面に対して
非接触の状態で電磁溶解し、その溶湯を下方へ引き下げ
て方向性凝固鋳塊となすシリコンの連続鋳造方法におい
て、前記誘導コイルによって無底るつぼ内に生じる磁界
の強度を、るつぼ上部で強、るつぼ下部で弱の軸方向分
布とすることを特徴とするシリコン鋳造方法。
【請求項２】前記誘導コイルの軸方向の巻密度を、コ
イル上部で密、コイル下部で粗とすることを特徴とする
請求項１に記載のシリコン鋳造方法。