201207174 溫度梯度降低，結晶内部產生的熱應力得以緩和，使太@ 電池的轉換效率惡化的結晶缺陷的產生得以抑制。 根據此種藉由電磁感應的鑄造方法，可製造用作太陽 電池的基板時的轉換效率高的多晶矽錠。然而，於實際的 操作中，於結束鑄造的最終凝固時，自模内的熔融矽的上 表面開始凝固，中心部的熔融矽將於最後凝固。其結果， 因該凝固部分的體積膨脹而導致錠的最終凝固部位產生龜 裂（裂痕（crack)) ’由於必須將該部分作為不可使用部分 而予以切除，因此良率將降低。 作為該問題的解決方法，於專利文獻3中提出有一種 石夕的連續鑄造方法，於結束鑄造時，使受顺應線圈的電 磁感應而自發熱的發熱體自上方相向於無底_内殘留的 魏液’防止自魏液的±表關始的顧，並結束石夕熔 。根據本文獻巾揭示的鑄造方法，可防止殘留炼 择^ 2分的裂痕產生，對該部分舒與其他部分無異的 以:指生’從而可遍及整個鑄塊（錠）而賦予高品質， ^對於提高傾塊的製造良率較大的效果。 於矽原：的::利2 3所揭示的矽的連續鑄造方法是對 加熱方式，a並未併用藉由電漿弧的電漿加熱或其他 漿加執僅進仃電磁感應加熱的方法，對於對將電 2仙助_㈣磁鑄造的適用需要確認。 實例所揭所揭峨續鑄造方法中，如其 見方，對於日L ^的尺寸為85咖見方以及117麵 、疋否可順利適用於製造例如—邊的長度為3〇〇 201207174 —一 JT 一 mm以上的大型旋尚不明確。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本專利特開2008 174397號公報 [專利文獻2]日本專利特開2〇〇M9593號公報 [專利文獻3]日本專利特開平4 285〇95號公報 【發明内容】 本發明的目的在於提供一種矽的電磁鑄造裝置，在適 用前述的專利文獻1或專利文獻2所揭示的鑄造方法，且 併用藉由電漿弧的電聚加熱來製造用作太陽電池的基板材 料的高品質的多晶矽錠時，即使在製造一邊的長度為3〇〇 mm以上的大型錠的情況下，亦可穩定地製造而不會在最 終凝固位置產生裂痕。 為了解決上述課題，本發明者等人使用設置著刮面形 狀為345 mm><345 mm或345 mm><505 mm的水冷銅模且可 併用電磁感應加熱與電漿加熱的電磁鑄造裝置來進行多晶 石夕的連續鑄造。此時’於結束鑄造的最終的原料供給後的 凝固步驟中’在結束電漿的使用之後，使用藉由加熱用感 應線圈的電磁感應來進行發熱的發熱體，一方面自上方進 行保溫一方面進行最終凝固。再者，於本說明書中，將安 裝在模上方的加熱裝置稱作發熱體（參照上述圖^，因 此’以下將在最終的凝固步驟中電漿結束後所用的發熱體 稱作「頂部加熱器（topheater)」。 上述鑄造的結果可判明，雖可獲得遍及整個旋而為高 8 201207174 為最終凝固部位產生被認 為疋起因於凝固所造成的體積膨服的裂 :械，圈所供給的交流電流的頻率為25 時夕。 t面1:頁部加熱器的發熱狀態與由此引起的炫•夕 表面的加熱狀態進行了研究。 哪7 位置最終凝固時的頂部加熱器的配置 =圖1(0是縱剖面圖’圖1(1))是 箭頭圖。如該圖所示，於水冷銅模i的外周酉㈣ …用感應線目2，藉城應線圈2的電 ^ 的頂部加熱器3在模！内的炫融坊4 應來自發熱 相向⑽w 的正上方麟液表面 的:狀是與模，面形狀(此時為矩形==面 以可較寬地覆盍炫融石夕4的液面。再者，於 下侧用於防切錠的急遽冷卻的保溫的 2 示頂部加熱器的發熱狀態的圖，圖 )表不對加熱用感應線圈通電而進行加 圖2 (b)絲加熱後的狀態。如該圖2 (b)所干，在^ 加熱器3的外周產峰咸雍’在頂4 (標註有斜線的部分2:;二因:頂部加熱器3的外周 周部的附近朗最高溫。n卿4的溫度亦在外 時的fI=對使用上述圖2所示的發熱狀態的頂部加執哭 時的模内的熔融石夕的表面的加熱狀態進行說明的圖。如^ 201207174 — · · — _x 圖3所示’於頂部加熱器3的外周（標註 的正下方以及其附近 (亦即:炼‘石夕4的外月j的口^刀） 的部分_的溫度變高，、卜榡 周部更内側（中心部附近的上表面；標==4的外 溫度變低。 有符就b的部分） 融二===，!開始，因此自燦 =凝固’殘存於其下方 最2=產=後凝固的部分的體積叫 於上述鑄造時，錠的最終凝固部位產生裂痕的情兄 可認為是熔_的表面的加熱狀態處於圖3所示的狀陣。 因此’本發明者等人嘗試使用三分割的頂部加熱器， 以增加頂部加熱器的發熱的相部分而使該熱亦波^ 中心部附近。此時的頂部加熱器的發錄態與由此引起的 熔融矽表面的加熱狀態如後述的圖4、圖5所示，但於熔 融矽表面的中心部附近溫度未變低，而熔融矽的整個表面 成為高溫。並且，於實際進行鑄造時，確認無裂痕產生， 獲得了良好的結果。 本發明是基於如此之見解而完成，其主旨在於下述的 矽的電磁鑄造裝置。 亦即，一種矽的電磁鑄造裝置，其具有導電性的無底 冷卻模及圍繞該模的感應線圈，所述無底冷卻模的軸向的 —部分於周方向上被分割為多個’且利用藉由上述感應線 201207174 Λ 圈的電磁感應加熱來使溶融的梦向下方下拉凝固 電磁鑄造裝置的特徵在於更包括作為加熱源的= 升降地設置在上述冷卻模的上方，料產生移 二 弧’且該電磁鑄造裝置包括頂部加熱器，可與上述桓 内的溶融絲面相向地構成，且藉由上述感應線圈^磁 感應來進行發熱。 此處，「可與熔融石夕表面相向」是指溶融石夕表面盘 加熱器（指與熔融矽表面相向的頂部加熱器的下表面 以例如30 mm〜100 mm左右的近距離來相向。 月匕 於本發明的矽的電磁鑄造裝置中，較為理想的是上 頂部加熱H具㈣吊於㈣炬的構造，其仙在於若= 此’便能㈣單的設備以及操作來相對較容㈣進 加熱的移動、升降。 於本發明的石夕的電磁鎢造裝置中，較為理想的是 頂部加熱H被分割為2做上，其原因在於，若如此 可，最終凝_提紐融料整個表面的溫度，從而可 得高品質的多晶石夕。 又 於本發明的石夕的電磁鑄造裝置中，較為理想的是對上 述感應線圈通電的交流電流的頻率為25kHz〜35kHz，其 原因在於，&如此’尤其可獲得作為太陽 高的高品質的多晶矽。 文旱 於本發明的石夕的電磁縳造裝置中，即使在使用一邊的 長度為30。mm以上的方形的模來作為冷卻模時亦不會 於錠的最終顧部位產生裂痕，而可穩定地製造高品質的 11 201207174 多晶發。 λ勒的電磁鑄造裝置是併用藉由電雜的電漿 製=夕晶矽錠的裝置，其具備於最終凝固時對熔融 面進行加熱的頂部加熱器。若使用該n則不會於 位置產生裂痕’而可製造用作太陽電池的基板材 枓的向品質的多晶矽錠。 =使在製造大型錠的情况下，亦可穩定地製造，從而 可提面錠的製造良率。 【實施方式】 本發明的矽的電磁鑄造裝置是以具有軸向的一部分於 周方向上被分$彳為多個的導電性的無底冷卻模以及圍繞該 模的感應線圈的電磁鑄造裴置為前提。 以此種電磁鑄造裝置為前提是為了：在製造用作太陽 電池的基板材料❹晶辨，於模⑽行鑄造而使炼融石夕 與模幾乎不接觸，從而可製造無來自模的金屬污染而可良 好地維持轉換效率的矽錠。由於無須使用高純度材料來作 為模的材質，而且可連續地鑄造，因此亦可大幅降低製造 成本。 本發明的電磁鑄造裝置的特徵在於更包括作為加熱源 的電漿炬，該電漿炬可升降地設置於上述冷卻模的上^ 用於產生移動式電漿弧，且具備藉由上述感應線圈的電磁 感應來進行發熱的頂部加熱器。頂部加熱器是可與冷卻模 内的熔融矽表面相向地構成。 、 本發明的電磁鑄造裝置具有產生移動式電漿弧的電漿 12 201207174 炬是為了：亦如前述的專利文獻2所揭示，可抑制因電磁 力，成的熔融矽的熱對流，可製造作為太陽電池的品質（尤 其是轉換效率）得以提高的多晶⑦。產生雜式電聚弧的 電漿炬只要使用先前所用者即可。 而且，具備頂部加熱器是為了：於結束鑄造的最終的 f料，給後的凝固步驟中’―方面自上方對縣石夕表面進 仃保溫-方面進行最終凝@，可防止朗最終凝固部位的 裂痕的產生，從而可獲得遍及整個錠為高品質的多晶矽。 作為用於其的熱源’藉由模的外周所設置域應線圈的電 磁感應來使頂部加熱器發熱，並利用該發熱。 、，定頂部加熱器是與冷卻模内的溶融絲面可相向地 構成是為了 ：藉由感應線圈的電磁感應來發熱，且使該熱 自近距離雜融縣面放射㈣翻的熔融絲面進行保 溫。若頂部加熱器遠離熔融絲面，則將難以受到電磁感 應，因此無法充分發熱，輻射熱的衰減亦較大。 〜 與上述溶_表面可相向的構成並*限定於指定方 =由於在模的上方設置著電㈣，因此必須採用將頂部 ‘、、、器配置賴的上方，並於轉時使其下降的方式，但 例如只要是，自另行設置的頂部加熱器的待機位置將料 移動與升降移動予她合而移動續上㈣㈣表面相向 的位置的方式’便可考慮採用ϋ此時，模上 ，炬的升降機構_部加熱器的水平、升降移動機号的配 置以及炬與頂部加熱ϋ的更換操作等必將 因此，本發明者等人採用了利用保持電毁炬並且使其 13
201207174 ^ L ，降的電漿炬的升降機構的方式。亦即，若±述頂部加熱 器具有懸吊於電聚炬的構造，則可將頂部加熱器懸吊於電 漿炬，並藉由魏炬的升降機構而下降，從而使頂部加熱 器與冷卻模内的熔融矽表面相向。 一更具體而言，例如可採用下述方式：設為於電漿炬的 適當部位絲財（hGGk)，並於頂部加㈣上安裝釣掛於 鉤具的治具以懸吊頂部加熱器的構造（頂部加熱器的發熱 。陳於電I炬的下端更下方的構造），將頂部加熱ϋ懸吊於 I自側方的頂部加熱器待機位置而旋轉的臂（arm)，使臂 方疋轉而將頂部加熱㈣吊於電錄升降機賴具。若採用 此方式，則可將電漿炬升降機構共用於頂部加熱器的升 降，忐以簡單的設備以及操作來相對較容易地進行電漿炬 與頂部加熱H的移動、升降。而且，亦可充分追隨於伴著 凝固的錠朝向下方的移動而引起的熔融矽液面位置的下降 而使頂部加熱器下降。 此時，藉由使頂部加熱器懸吊用的固定零件由碳纖維 材料構成，可避免該固定零件與發電體本體的放電而延長 固定零件的壽命。 作為頂部加熱器’必須有藉由感應電流來發熱的程度 的電阻、高耐熱且耐熱變形等，除了石墨等以外，亦可使 用鉬（molybdenum) _金屬。然而，金屬會污染錠而致 使作為太陽電池的轉換效率下降，因此較為理想的是碳 山carbon)的固體（s〇lid)材（緻密的碳質材料）。而且， 碳纖維材财適合作為頂部加熱㈣素材。 201207174 頂部加熱器與熔融矽的表面相向的 模的剖面形狀（通常為正方形或矩形）稍=的狀可設為比 這是為了可覆蓋熔融销整個液面。 ^似形狀。 角部較為理想的是曲率半徑Μ川職71#熱器的 制角部處的龜裂或缺口的產生。 上。义是為了抑 頂部加熱器與熔融矽的表面相向 面的面積比（個面積比）較為理想 ^於炫㈤石夕表 於自藉由電磁感應而發熱的頂部加熱 射= 具備-定的擴散性而輸融梅面，== ^ 60〇/0.7〇〇/〇 , 於本發明的梦的電磁鑄造裝置中，較為理= 頂部加熱器被分割為2個以上。 、的疋上述 圖4是示意性地表示本發明的電磁缚造方 分割的頂部加熱器的發熱狀態的圖，圖4 (a 勒 用感應線圈通電崎行加熱前的狀態，圖4 J : 0二 ，狀態。圖4所示的例子為將頂部加熱器分^ 〇的、 情況，如該圖4 (b)所示，於所分到 马個的 :外周產生感應電流’因此各頂部力:熱器3二：二3 有斜線的部分）主要發熱。其结果，（軚 外周部附近，而外周部更内侧亦°;二=4的溫度不僅 描#圖5疋對使用W 4所示的發熱狀11的頂部加献器時的 模内的熔融矽的表面的加熱狀態進行說明的圖。如的5
Si ==各個:部加熱器3的外周(標註有斜線的 。刀）的正下方以及其附近的炫融石夕4的溫度變高，因此 15 201207174 =模^的熔㈣4的整録面（標註有符號a的部 達到南溫。其結果，凝固是自下方朝向上方而單向進 因此可獲得高品質的多晶矽。 將頂部加熱器的分割設為2個以上是由於··即使 小的2個，仍可在所分割的各個頂部加熱器的外周 產生感應電流而各頂部加熱器的外周發熱，該熱亦會 ==部附近’…部附近將達到高溫’從而易 頂部加熱器的分割數的上限並無特別限定。這是 模^小有限，由於設備構成上·料，_上限將自 。基於使熔融㈣整個表面成為高溫㈣的觀點， 刀捕越多越有利，如此較為理想，但若超過四分宝 身的構成將變得複雜，設備費亦將變高，因 ^同所分割的頂部加熱器的各部分的尺寸既可相同，亦^ ㈣=!明的石夕的電磁物置中，較為理想的是對上 述感應線圈通電的交流電流的頻率為25kHz〜35 t 減’則如前賴專利讀丨所揭示，尤其可獲得作為: ==轉換效率高的高品質的多晶矽。其原因在於，針 =線圈供給的交流電流的鱗先前為iGkHz左= ^使交流電流的頻率上升，可提聽融絲 1 :可將錠的表面溫度維持為高溫而抑制錠表面的冷二、 (曰日粒小而結晶缺陷多）的成長。 ^層 201207174 ，若使用上述分割的頂部 面維持為高溫’從而可進 此時，於最終的凝固步驟中 加熱器，則易將熔融矽的整個表 行穩定的鳞造。 相於本發明㈣的電磁鑄造裝置巾，即便使用〆 m〇随以上的大型的方形模來作二 造高品質的多晶矽錠。 』穂疋地泉 =部加熱H由於僅外㈣嶋’因此#仙大型的方 形^時，難以聽融㈣整個表面維持為高溫。然而，尤 ，若使用上述分f，j的頂部加㈣，縣_各個頂部加熱 β的外周發熱，該熱亦會波及至縣料中心、部附近，因 此可將溶融石夕的整個表面維持高溫。 當使用本發明的矽的電磁鑄造裝置來製造矽錠時，基 本上遵照通常的操作方法，但在結束鑄造的最終的凝固步 驟中，結束電漿的使用之後，使頂部加熱器與熔融矽表面 相向’藉由感應線圈的電磁感應來進行發熱，一方面自上 方對熔融矽表面進行保溫一方面進行最終凝固即可。 如以上所說明，若使用本發明的矽的電磁鑄造裳置， 則當併用藉由電漿弧的電漿加熱來製造多晶矽錠時，不會 在最終凝固位置產生裂痕，而可製造用作太陽電池的基板 材料的南品質的多晶碎疑。 即使於製造大型錠的情況下’亦可穩定地製造，從而 可提高錠的製造良率。 [實例] 17 201207174 使用具有用於產生移動式電漿弧的電漿炬，且具備於 上述圖4以及圖5中示出主要部分的概略構成的頂部加熱 器的本發明的電磁鑄造裝置，製造剖面尺寸為345 mmx345' mm或345mmx5〇5mm且長度分別為4m的矽錠，調查錠 的最終凝固部有無裂痕的產生。再者，為了進行比較， =未安裝頂部加熱器而進行鑄造的情況，亦實施同樣的調 分刮=3„是使用碳質且未分割的加熱器… 刀割的加熱器或三分割的 - 器相對於㈣絲面的佔再者’所用的頂部加熱 比（60。/。〜70%)。而且，=面積比均滿足前述的理想面稽 率為30 kHz或12 kHz。 ^感應線圈通電的交流電流的舞 將調查結果示於表^ 裂痕產生率是藉由肉眼也表1中，錠的最終凝固部Μ 痕產生錠數㈣於調查=調查有無裂痕產生，並以条 再者，表1的測試Ν〇 4、錠數之比（百分率）來表示。 熱器而結束最終凝固的比^以及Νο.12是未安裝頂部力, 201207174 表1
咁衣 紀〜No.8以^=’目表1的測試胤卜⑽、測試 於任-組中，無頂…:.9ΓΝα12的各組（gmup)來看， 此相對，藉由i用二，、、、器時均無例外地產生有裂痕。與 率均有所降低，藉由將頂部加執;:痕產生 三分割，裂痕產生率進H▲為一刀割、進而設為 測試 No.l〜N()46ij/^° 之處為錠的尺寸，但在^與测試Νο.5〜Ν〇·8的組的不同 的組中，與測試如5〜坟、°1】面積較大的測試No.l〜Ν〇.4 輕射熱難叫魏融㊉的組相比，來自頂部加熱器的 頂部加熱器三分割而 ^個面（尤其是中心部附近），將 測試Νο·5〜Ν〇8=產生率逐漸變為0%。 之處是對感應線圈供給的且=試胤9〜Ν。·12的組的不同 电凌的頻率，但於該頻率為3〇 19 201207174 胃一 --r.. kHz的測試N〇 5〜No.8的組中，與測試n〇 9〜如1組 相比，使用未分的頂部加熱器時的裂痕產生率出現 ^異。考慮其是由於下述原因所引起，即：藉由 感應電流僅在頂部加熱器的表層產生，而未 南熔融石夕表面的、尤其是中心部附近的溫度。 根據本發明的石夕的電磁鑄造裝置，當併用藉由電衆弧 的加熱來製造多晶錢時，不會在最終凝固位置產生 ，痕而可穩定地製造用作太陽電池的基板材料的高品質的 多晶石夕鍵。 因此本發明可有效地利用於太陽電池的製造領域 中，且可大為有助於自然能源利用技術的進展。 【圖式簡單說明】 圖1是表示熔融矽的最終凝固時的頂部加熱器的配置 位置的圖’圖1 (a)是縱剖面圖，圖i (b)是圖i⑷ 的A-A箭頭圖。 圖2是示意性地表示頂部加熱器的發熱狀態的圖，圖 2 (a)表不對加熱用感應線圈通電來進行加熱前的狀態， 圖2 (b)表示加熱後的狀態。 ^圖3是對使用圖2所示的發熱狀態的頂部加熱器時的 模内的熔融矽的表面的加熱狀態進行說明的圖。 圖4是示意性地表示本發明的電磁鑄造方法中所用的 分割的頂部加熱器的發熱狀態的圖，圖4 (a)表示對加熱 用感應線圈通電來進行加熱前的狀態，圖4 (b)表示加熱 後的狀態。 … 201207174 圖5是對使用圖4所示的發熱狀態的頂部加熱器時的 模内的熔融矽的表面的加熱狀態進行說明的圖。 圖6是示意性地表示適合於多晶矽的製造的電磁鑄造 裝置的構成例的圖。 【主要元件符號說明】
2 加熱用感應線圈 頂部加熱器 4 L··!. 熔融矽 保溫裝置 筌器丨 支持台 鑄塊（矽錠） 均熱筒 ίο:原料投入機 11 :發熱體 21 201207174 發明專利說明書 (本說明書格式'順序，請勿任意更動，※記號部分請勿填寫） ※申請案號·· ※申請日： \| >屮 分類：c扣Β 了刀以技的6J51, 一、發明名稱：（中文/英文） 矽的電磁鑄造裝置 electromagnetic casting device for
SILICON 二、中文發明摘要： 一種電磁鑄造裝置’是可穩定地製造用作太陽電池的 基板材料的多晶矽的裝置，其具有無底冷卻模丨及加熱用 感應線圈2,且利用藉由上述感應線圈的電磁感應加熱來 使熔融的矽向下方下拉凝固，該電磁鑄造裝置更包括產生 移，式電漿弧的電衆炬’且包括頂部加歸3，該頂部加 〇 熔融矽4表面相向地構成，且藉由上述感應線 =電磁感絲進行·。#個電漿加齡製造作為太 __基板材料的高品質的多晶雜時，可穩定地製造 而不會於最終凝固位置產生裂痕。 201207174 三、英文發明摘要：
Provided is an electromagnetic casting device that can stably fabricate polysilicon used as a substrate material of a solar cell. The device has a bottomless cooling mold 1 and a heating induction coil 2. By electromagnetic induction heating of the induction coil, the molten silicon is pulled downward and solidified. The electromagnetic casting device further includes a plasma torch for generating a shift-type plasma arc and includes a top heater 3 that can be constituted opposite to a surface of molten silicon 4, and heat is generated by the electromagnetic induction of the induction coil. When using plasma heating together with the electromagnetic induction heating to fabricate a high quality polysilicon ingot used as a substrate material of a solar cell, the fabrication is stable and does not generate cracks at a final solidified position. 2 201207174 七、申請專利範圍： 1· -_的電磁鑄造裝置，其具有導電性的 模及圍繞上述模的感應、義，上述無底冷卻 ^ 部分於周方向上被分割為多個，且利用藉由上 的電磁感應加熱來使熔融的矽向下方下拉凝固，$ μ、’、圈 ㈣電磁鑄造裝置的特徵在於更包括作為加孰界 的電漿炬，可升降地設置在上述冷卻模 產、： 移動式電漿弧，且 用於產生 m2頂部加熱器，可與上述冷卻模_溶融絲面相 向構成’且藉由上述感應線圈的電磁感應來進行發熱。 2如申請專·圍第丨項所述之料電磁鑄造裝置， 、述頂部加熱器具有懸吊於上述電漿炬的構造。 如3 = 圍第1項或第2項所述之石夕的電轉 ^ ，、中上述頂部加熱器被分割成2個以上。 Μ 申明專利範圍第1項至第3項中任一項所述之矽 福至兔？^裝置’其情上述絲線目通電較流電流的 步頁率馬25 kHz〜kHz。 从蕾Lt申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之石夕 、/卜的:造裝置其中上述冷卻模是一邊的長度為3〇〇mm 以上的方形的模。 22