JPH0570539B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は熱の散逸がるつぼの上端又は下端にお
いて側面におけるよりも大であるようにしてるつ
ぼ中で金属を溶融し次いで固化させることによる
柱状に固化した金属物体の製造方法に関するもの
である。

化石燃料の不足と増大する価格を予想して、継
続できるエネルギー源に対する探索が世界的に進
展している。その点で、太陽からのエネルギーを
利用する道を見出すことに、特別な努力が払われ
ている。

熱エネルギー回収技術に加えて、適当な半導体
における光電気効果を用いる太陽エネルギーの直
接的な電気への変換は、将来のエネルギー需要に
対応するためのきわめて有望な方法の一つであ
る。

珪素に基づく太陽電池は現在宇宙衛星に対する
唯一の動力供給源となつている。しかしながら、
半導体技術により用いられる珪素は、地上のエネ
ルギー生産に対しては一般に高価に過ぎる。価格
低下の連鎖中の第一段階は、単結晶を成長させる
ための複雑な技術を迅速且つ経済的な結晶化プロ
セスで置き換えることである。

この数年間にわたつて、太陽電池に適する珪素
を製造するための安価な方法を開発するための試
みは数多く行なわれている。

たとえば、米国特許第4243471号は、指向的な
固化による結晶性珪素の製造方法を述べている。
この方法においては、液体から固体状体への変化
において珪素が行なう約10％の膨張を、中波加熱
黒鉛サスセプタ中で溶融させてある珪素を、徐々
にるつぼを低下させることによつて底から固化さ
せることにより、打ち消す（ブリツジマン法）。
3.0〜4.3×10^-6℃^-1の膨張係数を有する鋳型の使
用は、これらの温度において珪素が器壁に付着す
ることにより又は珪素と比較して大きい膨張係数
により生じる熱応力に対して、指向的に固化する
珪素がさらされることがないことを確実にするた
めである。この方法は、考慮できる費用で、るつ
ぼの壁における結晶化の開始を回避することがで
きるけれども、精密でありそれ故高価な装置を必
要とし、そのために多数のこのような装置を平行
的に運転することによる生産の増大は望ましい価
格の低下をもたらさないという大きな欠点を伴な
つている。

ドイツ特許第3138227号（米国特許第191260号）
又は米国特許第4218418号においては、石英の容
器中で珪素を溶融し且つそれをその融点の直上の
温度に保持する。始めから石英容器の底に用意し
且つ冷却によつて溶解しない温度に保つた単結晶
珪素種子が、この方法において種子結晶として働
らく。その結果として、結晶化は、珪素の冷却に
より、数時間にわたつて、凸の相界面の発現と共
に、底から生じる。この方法の使用によつて、主
として単結晶から成る区域を取得することが可能
であり、それに加えて、大部分の不純物は、液体
と固体の珪素中では異なる溶解度を有しているた
めに、珪素溶融物の付加的な精製が生じる。この
いわゆる熱交換方法の欠点は、全融解熱（これは
珪素に対してはきわめて大きい）を気体冷却した
単結晶珪素板を通じて散逸させなければならず且
つ冷却気体の熱容量が不十分であることによる溶
融物のきわめて緩徐な固化ということにある。比
較的小さなかたまりにおいてすら、これは数時間
という長い結晶化時間をもたらす。20×20×10cm³
の大きさの珪素ブロツクは、数日の結晶化時間を
必要とする。

珪素中の不純物についての偏析係数に基づく緩
徐な結晶化に付随する精製効果は、結晶化速度が
指向的で且つ制御下に調節できるあらゆる方法に
おいて、共通である。

ドイツ特許第2745247号においては、珪素溶融
物を型中に流し込み、溶融物の相互に向い合う二
つの最大の境界表面の中の一方との型の接触表面
を1200℃の最高温度に保ち且つ溶融物の反対側の
境界表面をその温度よりも200〜1000℃高いが珪
素の固相線温度よりは低い温度にさらしながら溶
融物を固化させることによつて、柱状の構造を有
する珪素成形体を取得している。次いで型を冷却
して、珪素の融解の熱を型の底面の強力な冷却に
よつて散逸させる。

この方法においては型の壁を通じる付加的な熱
の損失は避けることができない。それ故、融解熱
は型の底からのみでなく、側壁を通じても散逸す
る。

相界面に凹形であるために、不純物原子の濃度
が高い区域を低濃度の区域から機械的に分離する
ことは、材料の大きな損失なくしては行なうこと
ができない。

ドイツ特許第3223896号は溶融物の指向的な固
化のための方法と装置を記しているが、この方法
においては種子結晶を用いることなしにドイツ特
許第3138227号におけると同様に型の底を通じて
結晶化の熱を散逸させる。この方法を遂行するた
めには、いくつもの加熱系と冷却系が必要であつ
て、それが経費と装置の両面で、この方法を不経
済的にする。

かくして、本発明の目的は、比較的大量の珪素
を溶融させることができ且つ上記の方法の欠点の
何れをも有していない、簡単且つ経済的な方法を
提供することにある。

発明の要約 本発明に従つて、この目的は、熱の散逸をるつ
ぼの上端又は下端において側面におけるよりも大
であるようにして、るつぼ中で金属を溶融し次い
で溶融金属を固化させることによる柱状に固化さ
せた金属物体の製造のための、加熱要素によつ
て、溶融物を生じさせ且つ単にスイツチの切換え
によつて加熱要素の各区分の熱出力を変化させる
ことによる温度勾配によつて指向的な固化を達成
するような量で、垂直の側面に対して熱を供給す
ることを特徴とする方法によつて、達成される。

詳細な説明 本発明は、熱の散逸がるつぼの上端及び下端に
おいて側面におけるよりも大きいようにして、る
つぼ中で金属を溶融し且つ引続いて該金属を固化
させることによる固化した金属の柱状体の製造方
法に関するものであつて、この方法は、複数の個
別的に制御することができる加熱区分を有する加
熱要素によつて、金属の溶融物を生じさせ且つ次
いでスイツチの切換えによつて加熱要素の各加熱
区分中の熱出力を変化させることにより温度勾配
を確立することによつて指向的な固化を達成する
ような量の熱を垂直の側面に対して供給すること
を特徴としている。

この方法を適用するときには、結晶化プロセス
の間に、平らな固−液界面が維持される。このこ
とはこの平らな領域において不純物が濃縮するこ
とを意味し、従つて凹形の界面が生ずる場合より
も不純物の除去が容易である。それによつて材料
の最低限度の損失のみで機械的な分離が可能とな
る。分離した不純物濃度の高い部分は、次いで廃
棄するか又は再循環させればよい。

平らな固−液界面の発現は、よく制御された温
度勾配を特徴とする温度の場が前提となる。

それに対して、装入物を溶解させるためには均
一な温度の場が必要である。温度は溶解させるべ
き金属の融点よりも高くなければならない。

本発明の方法は種々の金属を溶解させるために
適している。しかしながら、珪素を溶解するため
に特に好適である。

本発明の方法の特に好適な一実施形態において
は、加熱要素は中空形態に屈曲しているか又は板
状の要素から成つている。このようにして、型の
壁上に所望の温度の場を与えることが可能であ
る。

この装置においては、熱を型の壁を通じて下方
へと、冷却した型の底部の方向においてのみ散逸
させることができる。かくして、型中の温度勾配
の垂直的な定位が悪影響を受けることがない。

溶融のために必要な均一な温度の場の確立は、
加熱要素の各部中の熱出力を変えることによつて
達成される。このようにして、単一の加熱要素を
用いて異なる温度勾配を確立することができる。

型の口の上に配置した抵抗バンドを抵抗加熱要
素の上方の部分中に挿入するときは相応する型の
底の厳しい加熱によつて与えられる急な温度勾配
を確立することが可能である。

実際には、加熱要素は、屈曲路（meander）状
又はくし状の形態を有することが好ましい。加熱
要素は、たとえば、Mo、Ta及びNbのような金
属から、又は黒鉛あるいは炭化珪素から成ること
が好ましい。

異なる電気抵抗の抵抗屈曲路を形成させるため
に外部的な接触によつて舌状のバンドを結合する
ことができる。加熱は、くし状のみぞを接続する
ことにより並列の回路を形成させることによつて
達成される。温度は、これらの電流径路を交互に
断続的に切り換えて加熱要素の相当する区分にお
ける熱出力を変化させることによつて調節するこ
とが好ましく、一方、それによつて溶融るつぼ中
の温度勾配が変化する。

この原理を例証するために、第１図は３個の舌
部と外部の切換えスイツチから成る適当な加熱装
置の簡単な形式を示している。

第２図は導入した型を伴なう装置を部分的に断
面として示している。

本発明による方法及び装置を以下の例証的な説
明においてより完全に詳細に説明する。

第１図に示す種類の３個の加熱バンドから成る
加熱要素は、たとえば、0.2mmのモリブデン薄板
から容易に製作することができる。それは舌１０
の形状に切つた導体バンドを有し、それらの舌部
の幅の比が熱の分布を決定する。

個々の舌部は一端において相互に接続されてい
る１１。接続導体バンドの幅はもつとも幅の広い
舌部に一致するように選ぶことが好ましい。

舌形の導体バンドの自由端１２中に端子１３を
固定するための穴が設けてある。

３個の舌部の幅の比を１：ｘ：１（ここで0.2
ｘ0.4）とするときに良好な結果が得られるこ
とが認められている。

このように調製した加熱要素を次いで型の寸法
に相応した中空形態に曲げる。

四角い型１４の回りのシート状の加熱要素１の
配置を、部分的に断面として、第２図に示す。均
一な温度輪郭を確保するために、導体バンドの接
続部分をＵ字形又は馬蹄形に曲げる。

この加熱要素の、機械的に安定な配置のために
支持構造物が必要である。この支持構造物２７の
層の系列を第２図の左側に示す。これは二つの相
対する側で直角に２回１６，１７曲げである鋼製
の外被１５から成つている。このようにして生じ
させたガイドレール１８中に絶縁体１９が挿入し
てある。酸化物セラミツク又は黒鉛から成る放射
遮蔽物又は繊維マツトを、絶縁体として用いるこ
とができる。ヒーター１を保持する側上に３つの
みぞ２２，２３，２４を包含するセラミツクピン
２０によつて、このボデイー上にシート状の加熱
要素を保持する。みぞ２２及び２４は、ピンの軸
から等距離の２つの平行な弦を形成する。第三の
みぞ２３はピンの前面にある。

中空ピンの反射側に２つのみぞ２５が設けてあ
り、それは２２，２４に対して90°だけ食い違い
且つピン軸から等距離にある２つの平行な弦を形
成する。金属薄板のＵ字形片２６はこれらのみぞ
中で係合して、ピン２０が滑り落ちるのを防ぐ。
シート状の加熱要素１を伴なう支持構造物は、そ
れを型の周囲に適合させることができるような具
合に設計すればよい。長方形の型の場合には、こ
れは個々の部分が蝶番によつて相互に結合させて
ある４部分構造の支持構造物によつて達成され
る。円形の型に対しては、半殻の形態にある２部
分構造を用いることが最良である。

溶融させるべき金属を含有する型１４を、シー
ト状の加熱要素１を伴なう支持構造物２７中に導
入する。

熱が上方に逃げることを防ぐために、絶縁カバ
ー２８を設ける。

その構成材料と厚さの選択によつて冷却した金
属板３０への下方への熱の伝導を決定する支持台
２９上に型を立てる。支持台２９は、たとえば、
酸化アルミニウム、ムライト又は窒化珪素のよう
なセラミツク材料から、又は繊維又は緻密な形態
にある黒鉛から成ることができる。支持台の厚さ
と構成材料は、加熱要素の幾何学、すなわち、
個々の導体バンドのそれぞれの熱出力に適応させ
なければならない。

粗い粒状の珪素の装入物を溶融させるために、
第１図のスイツチ３１を位置２に動かす。このよ
うにして、最下端の部分においては２つの上方の
バンドにおけるよりも高い温度に達する。工程の
この相においては、エネルギーの節約のために金
属板３０の冷却を低下させるか又は停止する。シ
ート状の加熱要素の下方の部分の比較的大きな熱
出力は残留する熱の散逸を補償する。この状態に
おいて、型中の均一な温度分布が達成され、装入
物の融点に達したのちにその溶融が生じる。最低
の熱の損失と共に、位置３へのスイツチの切り換
えによつて、均一な温度の場を直接に生じさせる
ことができる。

指向的な固化プロセスを開始するためには、型
の壁に対して温度勾配を付与しなければならな
い。それを達成するために、基礎板３０を冷却し
且つ第１図中のスイツチ３１を位置４に動かす。
このようにして、加熱要素の下方の２導体バンド
を並列的に接続し、それによつて上方の加熱バン
ドの温度が比較的高くなり且つ２つの下方のバン
ドの温度が比較的低くなるようにする。加熱要素
の雰囲気に対称的な設計によつて、全体的な出力
は、スイツチの切換えの間の転換相は別にして、
一定に保たれる。

型の壁の温度は、保持管２０中に押し進めるこ
とが最良な熱電対３２によつて、種々の点で測定
することができる。

固化速度は、固−液界面の通過を伴なう温度変
化により決定することができる 装入物の固化後に、基板の冷却をさらに低下さ
せ且つスイツチ３１を位置２へと動かし、それに
よつて均一な温度の場を再び確立する。次いで熱
出力を低下させて全ブロツクを冷却する。

この手順は、平らな固−液相界面が発達する場
合に得られるような、数cmの長さと約１cmの幅
の、きわめてよく配向した結晶グレンを有する、
柱状に固化した鋳塊を与える。冷却速度を適当に
選ぶことによつて、内部応力の生成を避けること
ができる。固化速度を監視することによつて、相
界面の前面に輸送される不純物の逆拡散を避ける
ために最適化することができるように熱出力を変
化させることができる。

第１図に示すシート状の加熱要素の比較的簡単
な形式に関して説明したこの方法は、最適化した
ヒーター形態を用いることによつて改善すること
ができる。

かくして、可能なシート状の一加熱要素におい
ては、実質的に屈曲路状の抵抗バンドを、さらに
くし状のみぞで細分し、それによつて適当な温度
勾配を確立するための種々の可能性が可能とな
る。温度勾配は、型の口の上で折ることができる
最上部の加熱バンド中の付加的な抵抗屈曲路によ
つて強化することができる。この具体例は、大き
な型に対して、型の上方の絶縁体を通じる熱の損
失を補償するために特に適している。

個々の加熱バンドの時間的に調和させた並列接
続によつて、固化速度が異なる型の断面に対して
適応するように、時間の関数として温度勾配を変
化させることができる。

以上において、本発明による装置の構造と操作
を、金属抵抗シートから成るシート状の加熱要素
に関して説明した。

黒鉛箔をも用いることができるけれども、その
場合には、型の形態に関して、屈曲に対する黒鉛
箔の大きな敏感性を考慮しなければならない。

本発明においては、加熱要素の構成材料として
黒鉛板をも用いることができる。しかしながら、
この場合には、個々の加熱バンドを相互に結合さ
せなければならない。そのために市販の黒鉛装着
剤を用いることができるけれども、結合部の比較
的大きな表面抵抗を補償するために結合部におけ
る断面積を増大させなければならない。専門家に
よれば、この問題は厚さの適当な増大によつて容
易に解決することができよう。

以下の実施例は本発明による方法及び装置を、
何らそれらを制限することなく、例証するためも
のである。

実施例 １ 第１図に示す種類の加熱要素を、上方と下方の
加熱バンドの幅をそれぞれ74mmとし、中央の加熱
バンドの幅を22mmとして、厚さ0.2mmの圧延した
Moシートから調製した。バンド間のみぞの幅は
５mmとした。

この配置において、外側の一加熱バンドを中央
の加熱バンドと並列に接続することによつて、
96／74＝1.30の熱出力比を調整することができ
る。この加熱要素を中空の形状に曲げて第２図に
示す種類の支持構造物中に保持する。このように
して、装置は全体として、150mmの内側の幅を有
する正方形の自己支持性の装置となる。この空洞
内に、珪素粒状物を充てんした約120×120mmの底
面積を有する型を導入する。全体としての装置
を、間に置いた５mmの黒鉛フエルトマツトと共に
水冷金属板上に置く。上からは、装置は金属外被
によつて保持した５mmの黒鉛板上の厚さ30mmの硬
質フエルト板によつて、熱損失から絶縁されてい
る。支持構造物の側壁に対しても同様な種類の絶
縁物を用いる。加熱要素は、絶縁物との電気的接
触が存在しないように、相応する長さのセラミツ
クピンによつて固定される。

装置全体を、アルゴン雰囲気下にスイツチの位
置を２としてシート状の加熱要素中に電流を通じ
ることによつて、加熱した（第１図）。温度は中
空のセラミツクピン中に導入した熱電対EL１８
によつて測定した。珪素の融点（1420℃）に達し
たとき、型の高さにわたつての温度差は約10℃で
あつた。

装入物の溶融後に、スイツチを４の位置に動か
し、型の下方の部分における熱出力を低下させ
た。冷却した金属板を経る熱の散逸によつて、溶
融物は上向きの方法で固化した。固化前面の推移
は、熱電対の温度変化から追跡することができ
た。全装入物が約1.5時間後に完全に固化し、そ
れによつて全体的な熱出力を低下させることがで
きた。室温への冷却は平均200℃／ｈの速度で行
なわれた。

結晶のグレンが垂直に向いている珪素ブロツク
を次いで型から取り出した。グレンは平均して長
さ50mm、直径６〜10mmであつた。偏析効果に起因
するブロツクの最上端部分における高不純物と低
不純物の区域の間の平らな界面は、固化の間の平
らな固−液相界面の表示である。

実施例 ２ 第１図に従つて、５mmの厚さの黒鉛板から幅74
mmと22mmの４部分加熱バンドを製作した。長さ
は、組立てたときに約150mmの内側の幅を有する
正方形の中空体の加熱要素が生じるように定め
た。導線を取り付けるべき加熱バンドは70mm長く
して製作した。抵抗径路を形成する要素の各加熱
バンドは黒鉛アングル板の助けをかりて装着剤に
よつて結合したが、それによつて15mmの長さにわ
たつて断面の厚さが２倍となつた。くし状の結合
部をもつ３つの抵抗バンドは第２図に示すように
セラミツクピンによつて相互に対して間隔を置い
た。約120ｍΩの全抵抗を確立するために、各加
熱バンド中に電流の流れに対して垂直に付加的な
みぞを切る必要があつた。

この装置を用いて、実施例１におけると同様
に、アルゴン雰囲気中で珪素を溶融し且つ次いで
指向的に固化させた。縁においてすらよく発達し
た結晶グレンをもつ粗い結晶性の柱状Si−ブロツ
クを取得した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法において有用な三又は加
熱要素を示す。第２図は本発明において使用する
加熱型組立物を、部分的に断面として、示す。 １：加熱要素、１０：舌部、１３：端子、２，
３，４：スイツチ位置、１４：型、１５：外被、
１９：絶縁体、２０：ピン、２９：支持台、３
０：金属板、３１：スイツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱の散逸がるつぼの上端又は下端において側
   面におけるよりも大であるようにしてるつぼ中で
   金属を溶融し且つ該金属を固化させることによる
   柱状に固化した金属物体の製造方法にして、複数
   の個別的に制御する加熱区分を有する屈曲路及
   び／又はくし状の形態の単一の加熱要素によつ
   て、金属の溶融物を生じさせ、次いでスイツチの
   切換えによつて加熱要素の各加熱区分中の熱の出
   力を変化させることにより温度勾配を確立するこ
   とによつて指向的な固化を達成するような量で、
   垂直の側面に対して熱を供給することを特徴とす
   る方法。 ２ 金属は珪素である、特許請求の範囲第１項記
   載の方法。 ３ 加熱要素は中空の形態にあるか又は板状の要
   素から組立ててある、特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ４ くし状の要素のみぞは複数の加熱区分を形成
   する複数の並列の電流経路を形成するように接続
   してある、特許請求の範囲１項記載の方法。 ５ 加熱要素はモリブデン、タンタル、ニオブ、
   黒鉛又は炭化珪素から成る、特許請求の範囲第１
   項記載の方法。