JPH10101319A

JPH10101319A - シリコン鋳造方法

Info

Publication number: JPH10101319A
Application number: JP27405596A
Authority: JP
Inventors: Ritsuo Kawamura; 律夫川村; Kyojiro Kaneko; 恭二郎金子; Hideyuki Mizumoto; 秀幸水本; Shojiro Oyoshi; 祥二郎大吉
Original assignee: Sumitomo Sitix Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1996-09-24
Publication date: 1998-04-21

Abstract

(57)【要約】【課題】電磁溶解によるシリコンの連続鋳造方法にお
いて、シリコン鋳塊の品質を高め、るつぼの寿命を延ば
す。【解決手段】誘導コイル１の内側に配置される無底る
つぼ２として、導電性材料からなるるつぼ本体２ａの内
面にシリコンコーティング層２ａを設けたものを使用す
る。凝固シリコン４が導電性材料に直接接触する事態が
回避される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池等に使用
されるシリコンの多結晶凝固鋳塊を製造するシリコン鋳
造方法に関し、特に、電磁溶解を用いてその凝固鋳塊を
連続的に製造する多結晶シリコンの連続鋳造方法に関す
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
コンの多結晶凝固鋳塊を製造する方法として、電磁溶解
による連続鋳造方法が例えば特開平２−３０６９８号公
報等により提案されている。この方法は、図３に示すよ
うに、誘導コイル１と、その内側に設置された導電性
（通常は水冷銅）の無底るつぼ２とを使用する。無底る
つぼ２は、軸方向の一部（通常は上端部以外の部分）が
周方向に分割され、るつぼ内の原料シリコンを、誘導コ
イル１による電磁誘導により、るつぼ内面に非接触の状
態で溶解する。そして、無底るつぼ２内に上方から原料
シリコンを供給しながら、るつぼ内の溶解シリコン３を
下方へ徐々に引き下げて凝固させることにより、シリコ
ンの多結晶凝固鋳塊が製造される。４はその凝固シリコ
ンである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような電磁溶解に
よるシリコンの連続鋳造方法では、無底るつぼ２内で原
料シリコンが溶解するときにガスが抜け、しかも、その
溶解シリコン３がるつぼ内面と接触しないために、ガス
成分および不純物の極めて少ない高品質な多結晶凝固鋳
塊が得られる。しかし、非接触と言えども、るつぼ２内
のシリコン外面とるつぼ内面のギャップは非常に小さ
く、鋳造後の鋳塊外径はるつぼ内径とほぼ同じである。

【０００４】無底るつぼ２内では、このような状態で溶
解シリコン３の下に凝固シリコン４が連続的に成長し、
その凝固シリコン４が下方へ機械的に引き下げられる
が、機械装置の精度上、無底るつぼ２とその内側のシリ
コンとの間のギャップを全周にわたって均一に保つこと
は不可能であるため、凝固シリコン４の外面が無底るつ
ぼ２の内面下部に接触する可能性がある。

【０００５】そして、これまでの方法では、無底るつぼ
２の内面に導電性材料（通常は銅）が露出していたた
め、鋳造中の凝固シリコン４が周囲の無底るつぼ２に接
触すると、導電性材料等の不純物が凝固シリコン４の表
面に付着する。この段階では、凝固シリコン４が凝固を
終了していないので、その表面に付着した不純物は凝固
シリコン４の内部に拡散し、結晶中の不純物濃度を高め
ることになる。その結果、結晶のライフタイムとか拡散
長といった電気的な性質が劣化する。

【０００６】また、凝固シリコン４が無底るつぼ２の内
面に接触することにより、その内面が傷つき、るつぼ寿
命が縮まるという問題もある。

【０００７】本発明の目的は、るつぼ内面とシリコン外
面の局部的な接触に伴う品質低下およびるつぼの損傷を
回避し得るシリコン鋳造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】電磁溶解によるシリコン
の連続鋳造方法では、無底るつぼの内径を大きくする
と、その分、シリコン外径も必然的に大きくなるので、
るつぼ内面とシリコン外面のギャップを大きくすること
ができない。そのため、るつぼ内面とシリコン外面の局
部的な接触は避け得ない。このような状況から、本発明
者らはるつぼ内面とシリコン外面が接触することを前提
として、その接触によるシリコンの汚染やるつぼの損傷
を回避する手段について検討を重ねた。その結果、無底
るつぼの内面にシリコンを薄くコーティングするのが有
効なことを知見した。

【０００９】本発明のシリコン鋳造方法はかかる知見に
基づいて開発されたものであって、誘導コイル内に、軸
方向の少なくとも一部が周方向に分割された導電性の無
底るつぼを設置し、該無底るつぼ内に投入される原料シ
リコンをるつぼ内面に対して非接触の状態で電磁誘導に
より溶解し、その溶湯を下方へ徐々に引き下げて凝固さ
せる多結晶シリコンの連続鋳造方法において、前記無底
るつぼとして、導電性材料からなるるつぼ本体の内面に
シリコンをコーティングしたものを使用する点に特徴が
ある。

【００１０】るつぼ本体は通常銅からなり、内部を流通
する冷却水により強制的に冷却される。るつぼ本体の内
面とその内面に形成されたシリコンコーティング層との
界面における熱抵抗は極めて小さく、一方、シリコンコ
ーティング層と溶解シリコンとの界面における熱抵抗は
基本的に非接触であるため非常に大きい。また、シリコ
ンは半導体であるが、５００℃以下においては誘導発熱
するほど大きな電気伝導度をもたない。これらのため
に、シリコンコーティング層は、鋳造中でも十分に低い
温度（２００℃未満）に保たれ、固相を維持する。

【００１１】また、このシリコンコーティング層は、内
側のシリコンの加熱効率を低下させないことが実験的に
確かめられている。これは、その厚みが薄く、電磁誘導
上無視できる大きさであるためと考えられる。

【００１２】そして、このようなシリコンコーティング
層がるつぼ本体の内面に形成されていることにより、無
底るつぼ内の凝固シリコンは、仮にそのるつぼ内面と接
触した場合にも、シリコンコーティング層と接触し、る
つぼ本体と接触することはないので、るつぼ本体からの
汚染が防止される。また、無底るつぼにあっては、るつ
ぼ本体の損傷が防止される。

【００１３】なお、るつぼ内面にシリコンコーティング
層を設けた場合、そのシリコンコーティング層は無底る
つぼ内の凝固シリコンにより擦られるが、これよるシリ
コンコーティング層の損傷については、その損傷が生じ
ても再度シリコンコーティング層を形成することで対処
可能であり、その費用はるつぼ製作費用の５％程度で済
む。

【００１４】シリコンコーティング層の厚みは、0.１〜
1.０ｍｍが望ましい。0.１ｍｍ未満では膜厚の均一性が
保てず、るつぼ本体が露出することがある。また、シリ
コンとの接触により、容易に膜が破れ、るつぼ本体が露
出する。一方、1.０ｍｍを超えると、膜の熱伝導性が低
下し、温度が上がる。また、シリコンの加熱効率への悪
影響が懸念される。更に、熱膨張差による剥離が生じ易
くなる。

【００１５】コーティング方法としては、るつぼ本体か
らの剥離を抑える点から、プラズマ溶射法が望ましい。

【００１６】無底るつぼの分割部においては、シリコン
コーティング層は繋がっていてもよいし分離していても
よい。但し、コーティング層の剥離を抑える観点から、
分割部の間隔が大きい場合は分離した方が望ましく、分
割部の間隔が小さい場合はその必要がない。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明を実施したシリコン鋳
造方法の１例を模式的に示す縦断面図、図２は図１のＡ
−Ａ線矢示図である。

【００１８】本鋳造方法では、誘導コイル１と、その内
側に設置された無底るつぼ２とが使用される。無底るつ
ぼ２は、水冷銅からなるるつぼ本体２ａと、その内面に
形成したシリコンコーティング層２ｂとからなる。るつ
ぼ本体２ａは、上端部を残して周方向に分割されてい
る。るつぼ本体２ａの分割部では、シリコンコーティン
グ層２ｂは分離状態でも非分離状態でもよい。

【００１９】鋳造作業では、無底るつぼ２の原料シリコ
ンを、誘導コイル１による電磁誘導により、るつぼ内面
に非接触の状態で溶解する。そして、無底るつぼ２内に
原料シリコンを供給しつつ、溶解シリコン３の下方に形
成される凝固シリコン４を下方へ徐々に引き下げること
により、シリコンの多結晶凝固鋳塊を連続的に製造す
る。

【００２０】凝固シリコン４の引き下げに伴い、その凝
固シリコン４が無底るつぼ２の内面に接触する場合があ
るが、その場合も凝固シリコン４はシリコンコーティン
グ層２ｂに接触し、水冷銅からなるるつぼ本体２ａには
接触しないので、水冷銅による汚染を生じない。そのた
め、製造される鋳塊のライフタイム、拡散長といった電
気的性質が向上する。また、るつぼ本体２ａを損傷させ
る危険がなく、その寿命が延びる。

【００２１】無底るつぼ２の形状は円筒状であっても角
筒状であってもよい。太陽電池用シリコンを製造する場
合は、角筒状の無底るつぼ２を使用して角柱状の凝固鋳
塊を製造する方が歩留りの面等から有利である。

【００２２】内径が１００ｍｍのるつぼ本体の内面にプ
ラズマ溶射法により厚みが0.８ｍｍのシリコンコーティ
ング層を形成した無底るつぼを用いて、円柱状のシリコ
ン多結晶凝固鋳塊を連続的に製造した。るつぼ本体は上
端部を除く部分が周方向に３２分割され、各分割部の広
さは0.８ｍｍであったので、分割部におけるコーティン
グ層は分離状態とした。製造された鋳塊の表層部および
中心部における金属不純物濃度を、シリコンコーティン
グ層がない無底るつぼを用いた場合と比較して表１に示
す。

【００２３】

【表１】

【００２４】表１から分かるように、るつぼ内面にシリ
コンをコーティングすることにより金属不純物濃度が表
層部および中心部とも１桁低下する。また、凝固シリコ
ンとの接触によるるつぼ内面の傷も全く発生しなかっ
た。コーティング層の損傷については、１５回の鋳造に
使用した結果、ごく一部微少な剥離が認められたが、使
用上は問題なく、結晶中の不純物濃度の増加も見られな
かった。また、連続鋳造の状態においても、溶解出力、
溶湯状態はコーティング無しの場合と比べ変化が見られ
なかった。ちなみに、無底るつぼを使用しない通常の凝
固鋳塊製造方法の場合は、金属不純物濃度は鋳塊表層部
で６００ppb 程度、鋳塊中心部で６０ppb程度であり、
コーティング無しの場合と比較しても５倍以上に達す
る。

【００２５】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明のシリコン
鋳造方法は、本質的に高純度のシリコン凝固鋳塊を製造
できる電磁溶解によるシリコンの連続鋳造方法におい
て、その純度を更に高めることができ、極めて高品質の
鋳塊製造を可能にする。また、るつぼの損傷を抑え、そ
の寿命を延ばすことにより、経済性を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施したシリコン鋳造方法の１例を模
式的に示す縦断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線矢示図である。

【図３】従来のシリコン鋳造方法を模式的に示す縦断面
図である。

【符号の説明】

１誘導コイル２無底るつぼ２ａるつぼ本体２ｂシリコンコーティング層３溶解シリコン４凝固シリコン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大吉祥二郎兵庫県尼崎市東浜町１番地住友シチックス株式会社内

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、
該無底るつぼ内に投入される原料シリコンをるつぼ内面
に対して非接触の状態で電磁誘導により溶解し、その溶
湯を下方へ徐々に引き下げて凝固させる多結晶シリコン
の連続鋳造方法において、前記無底るつぼとして、導電
性材料からなるるつぼ本体の内面にシリコンをコーティ
ングしたものを使用することを特徴とするシリコン鋳造
方法。
【請求項２】シリコンコーティング層の厚みが0.１〜
1.０ｍｍである請求項１に記載のシリコン鋳造方法。