シリコンの電磁鋳造装置
【課題】保温装置の外枠の溶損等を防止して、金属不純物による汚染のない、太陽電池の基板材として好適な多結晶シリコンを製造することができるシリコンの電磁鋳造装置を提供する。
【解決手段】無底冷却モールドと、加熱用誘導コイルと、前記モールドの下方に配置され、凝固したシリコンを徐冷する保温装置を有し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させるシリコンの電磁鋳造装置であって、前記保温装置１３の外枠１６の構成部材として非導電性部材が使用されている電磁鋳造装置。前記非導電性部材を、特に溶損の大きい外枠の特定の面のみ、または外枠全面の上部のみに使用することもできる。非導電性部材としては、アルミナ、炭化珪素が望ましい。
【解決手段】無底冷却モールドと、加熱用誘導コイルと、前記モールドの下方に配置され、凝固したシリコンを徐冷する保温装置を有し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させるシリコンの電磁鋳造装置であって、前記保温装置１３の外枠１６の構成部材として非導電性部材が使用されている電磁鋳造装置。前記非導電性部材を、特に溶損の大きい外枠の特定の面のみ、または外枠全面の上部のみに使用することもできる。非導電性部材としては、アルミナ、炭化珪素が望ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁誘導による連続鋳造技術を適用してシリコンインゴットを製造することができるシリコンの電磁鋳造装置に関する。より詳しくは、本発明は、太陽電池の基板材として用いられる多結晶シリコンを、金属による汚染を生じさせずに、効率よく製造することができるシリコンの電磁鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周方向に分割された無底の冷却モールドが取り付けられた電磁誘導による連続鋳造装置（以下、「電磁鋳造装置」という）を使用すれば、溶解された物質（ここでは、溶融シリコン）とモールドとはほとんど接触しないので、不純物汚染のない鋳塊（シリコンインゴット）を製造することができる。モールドからの汚染がないので、モールドの材質として高純度材料を使用する必要がないという利点もあり、また、連続して鋳造することができるので、製造コストの大幅な低下が可能である。したがって、電磁鋳造装置は、従来から太陽電池の基板材として用いられる多結晶シリコンの製造に適用されてきた。
【０００３】
図２は、多結晶シリコンの製造に好適な電磁鋳造装置の構成例を模式的に示す図である。同図に示すように、加熱用誘導コイル１２の内側に、内部を水冷できる縦方向に長い銅製の板状片が、誘導コイル１２の巻き軸方向と平行に、かつ誘導コイル１２内では相互に絶縁された状態で配列されており、この板状片によって囲まれた空間がモールド（すなわち、側壁部が水冷されている無底の冷却モールド）１１を構成する。モールド１１には、通常、板状片を銅片とした水冷銅モールドが用いられる。
【０００４】
加熱用誘導コイル１２の下端位置（すなわち、モールド１１の底部に相当する位置）には下方に移動できる支持台４が設置されている。また、加熱用誘導コイル１２の下側には、凝固した鋳塊（シリコンインゴット）１９を加熱して、急激な冷却を防ぐための保温装置１３が設置されており、保温装置１３の下側には、均熱筒６が取り付けられている。シリコンインゴット１９は引抜き装置（図示せず）により下方に引き抜かれる。
【０００５】
冷却モールド１１の上方には、溶解中に原料をモールド１１内に投入できる原料投入機９が設置されている。さらに、この例では、モールド１１の上方に、必要に応じて原料シリコンを加熱するための発熱体１０が取り付けられている。発熱体１０としてプラズマトーチを配置し、必要に応じてプラズマアークによる超高温加熱を行うのが望ましい。
【０００６】
これらの諸装置は、溶融シリコン７および高温のシリコンインゴット１９が大気と直接触れることがないように、密閉容器１内に設置され、通常は、容器１内を不活性ガスで置換して、若干の加圧状態で連続鋳造が行えるように構成されている。
【０００７】
多結晶シリコンの製造に際しては、モールド１１にシリコン原料を充填し、加熱用誘導コイル１２に高周波誘導電流を通じると、原料は発熱し、溶解する。モールド１１内の溶融シリコン７は、誘導電流により板状片と反発し、モールド１１の側壁とは接触しない。溶融シリコン７が十分均一化した後、支持台４を少しずつ下方に移動させていけば、誘導コイル１２から離れることにより冷却が始まり、モールド１１内の溶融シリコン７に向けての一方向性凝固が進行してモールド断面と同じ形状の断面を有するシリコンインゴット１９が形成される。
【０００８】
支持台４の下方への移動分に対応して溶融シリコン７の量が減少するので、その分の原料シリコンを原料投入機９から供給し、溶融シリコン７の上面が常に同じ高さレベルを保つようにして、加熱溶解、引き抜き、原料供給を継続していくことにより、多結晶シリコンインゴット１９を連続して製造することができる。
【０００９】
シリコンインゴット１９は加熱用誘導コイル１２から下方へ離れるにしたがい急速に冷却され、温度差による収縮の相違から、過大な熱応力が発生してインゴット１９に割れが生じるが、シリコンインゴット１９を前記加熱用誘導コイル１２の下側に設置されている保温装置１３により加熱することによって割れの発生を防止することができる。
【００１０】
保温装置としては、インゴットを包囲するように配置された加熱手段（電熱式の多段ヒーター）と、その外側に設置された断熱材、ならびに、断熱材の外周に、加熱手段および断熱材を支持し固定するための外枠が取り付けられた装置が一般に使用されている。保温装置の外枠には、高耐熱性および熱変形に耐えられる剛性が必要とされることから、従来、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼が用いられている。
【００１１】
加熱手段としては、誘導加熱式のヒーターが用いられた保温装置も適用されている。例えば、特許文献１には、黒鉛、Ｔａ、Ｍｏ等の導電体と、その外側に周設した誘導コイルとからなり、導電体の外面が黒鉛繊維成形体、アルミナ等の断熱材で覆われた保温装置が開示されている。
【００１２】
ところで、加熱手段として、電熱式のヒーターが用いられた保温装置においては、加熱用誘導コイルからの磁力により、外枠にも誘導電流が発生し、外枠自体が発熱して溶損し、あるいは変形する。保温装置の外枠が溶損すると、雰囲気中に金属汚染物質が導入されることとなりシリコンインゴットが汚染される。金属不純物は、光によって発生するキャリアの再結合のトラップ（捕獲）準位となってキャリアを消滅させ、変換効率（入射した光のエネルギーに対し、電気エネルギーに変換して取り出すことができるエネルギーの割合）を低下させるので、太陽電池の基板材として用いられる多結晶シリコンの製造においては特に厳重に管理されている。
【００１３】
また、外枠が熱で変形すると、内部の断熱材も変形して割れ等の損傷が生じ、内部の温度環境が変化して安定した操業が行えず、シリコンインゴットに結晶欠陥やクラック等が誘発されるという問題もある。
【００１４】
一方、加熱手段として、誘導加熱式のヒーターが用いられた保温装置では、ヒーターの外側に誘導コイルが周設されているのでヒーターの交換が容易ではない。また、高さ方向における温度制御が難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平２−３０６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上述した問題のうち、特に、加熱手段として電熱式の多段ヒーターが用いられた保温装置における問題を解決するためになされたものである。この保温装置を対象とするのは、高さ方向における温度制御が容易で、内部の温度環境を安定した状態に維持し、操業を安定して行えるとともに、ヒーターの取替えが必要なときには容易に交換できる等の利点があるからである。
【００１７】
本発明の目的は、保温装置の外枠の溶損や熱による変形を防止することにより安定した操業を行って、金属不純物による汚染のない、太陽電池の基板材として好適な多結晶シリコンを効率よく製造することができるシリコンの電磁鋳造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者らは、上記の課題を解決するために、保温装置を固定するために取り付けられている外枠の溶損の状態を詳細に検討した。
【００１９】
図３は、保温装置およびその周辺の概略構造と外枠における大略の溶損箇所を示す図で、（ａ）は全体の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図である。
【００２０】
図３に示すように、モールド１１の外側に加熱用誘導コイル１２が取り付けられ、モールド１１の下方にインゴット１９を保温するための保温装置１３が設置されている。保温装置１３は、加熱手段１４（電熱式のヒーター）および断熱材１５を有し、その外側を覆うように外枠１６が取り付けられている。この外枠１６は、４枚（面）のステンレス鋼製の板からなり、互いに隣接する２枚毎にそれぞれ絶縁材を挟んで金属製のボルト１７で締結されている。絶縁材を介在させるのは、締結部の溶着を防ぐためである。なお、外枠１６には、ヒーターの電極や、保温装置１３内の温度を測定するための熱電対が取り付けられているが、ここでは図示していない。
【００２１】
モールド１１と保温装置１３の間のすき間には断熱材からなる保温ボード１８が取り付けられている。
【００２２】
このような構造を有する保温装置において、外枠１６を構成する４枚の板材のうち、誘導コイル１２の支持部（図３（ａ）中に符号ａを付した部分）の直下に位置する面（この面を、以下「Ｂ面」ともいう）の上方部（図３（ａ）中に破線で斜線を付した部位）で、特に溶損が大きい。また、４枚のステンレス鋼製の板をそれぞれ締結する金属製のボルト１７のうち、最上段のボルト１７（図３（ａ）中に丸印を付したボルト）の溶損が特に大きい。これは、誘導コイル１２からの磁力により外枠１６自体にも誘導電流が発生し、また、最上段の締結用ボルト１７に集中して電流が流れるためである。
【００２３】
保温装置の外枠や枠の締結用ボルトの溶損により引き起こされる問題点をまとめると以下のとおりである。
（ａ）溶損やそれに伴う変形が発生した外枠およびボルトの交換が必要になる。
（ｂ）溶損により、外枠やボルトに含まれる金属が汚染物質として雰囲気中に導入され、シリコンインゴットが金属汚染の危機にさらされる。
（ｃ）外枠の変形に伴って内部の断熱材に変形や割れ等の損傷が発生するので、断熱材の交換が必要になる。
（ｄ）断熱材の損傷により保温装置内の温度環境が変化して、同一条件での鋳造ができなくなり、安定した操業が困難となる。
【００２４】
これらの問題点のうち、（ｂ）に起因してシリコンインゴットに金属汚染が生じると、この多結晶シリコンを基板材として構成した太陽電池の変換効率が低下するので、特に厳重な管理が必要である。この問題は、カーボン製の外枠を使用することにより回避することが可能であるが、外枠の材質をカーボンに替えても、ステンレス鋼の場合と同様に誘導電流により発熱して、カーボンの損耗が激しく、外枠の寿命が短くなると推測される。また、シリコンインゴットのカーボン濃度が上昇するという問題が発生する。
【００２５】
そこで、本発明者らは、保温装置の外枠の溶損を防止するために、外枠の材質をセラミックスに変更することを試みた。セラミックスは非導電性部材であるから、それ自体が発熱することはなく、上記問題点の解決が期待できるからである。
【００２６】
セラミックスとして汎用性のあるアルミナ質の板材を選択し、これを、保温装置の外枠全面の上部に取り付けて電磁鋳造を行った。前述のように、外枠の上部や、最上段のボルトの溶損が特に大きいからである。その結果、外枠やボルトの溶損が防止できることが確認できた。
【００２７】
本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、下記のシリコンの電磁鋳造装置を要旨とする。
すなわち、軸方向の一部が周方向で複数に分割された導電性の無底冷却モールドと、このモールドを取り囲む誘導コイルと、前記モールドの下方に配置され、凝固したシリコンを徐冷する保温装置を有し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させるシリコンの電磁鋳造装置であって、前記保温装置の外枠の構成部材として非導電性部材が使用されていることを特徴とする電磁鋳造装置である。
【００２８】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、前記非導電性部材が、保温装置の外枠全面の上部のみに使用されていることとする実施の形態を採用してもよい。
【００２９】
前記の「外枠の上部」の具体的な寸法は、モールドの大きさ、誘導コイルに流れる電流の大きさ等により異なるが、断面の寸法が３５０ｍｍ×５００ｍｍ程度の無底の水冷銅モールドを使用してシリコンインゴットを鋳造する場合であれば、誘導コイルの下端から２００ｍｍまでの部分である。外枠の上端からは６０ｍｍまでの部分に相当する。
【００３０】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、前記非導電性部材が、保温装置の外枠の、前記誘導コイルの支持部の下方に位置する面のみに使用されていることとしてもよい。
【００３１】
また、本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、前記非導電性部材としてアルミナ製または炭化珪素製の部材を使用することが望ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置は、加熱用誘導コイルの下側に設置されている保温装置の外枠が非導電性部材で構成されている。この装置を使用すれば、保温装置の外枠の熱による溶損を防止して、金属不純物による炉内およびインゴットの汚染を防止し、変換効率を良好に維持できる太陽電池の基板材として好適な多結晶シリコンを製造することができる。また、外枠の溶損や変形に起因する断熱材の損傷を防止して、保温装置内の温度環境の変化を抑え、安定した操業が行える。
さらに、外枠や断熱材の交換頻度を減少させることにより、操業効率の向上およびコスト低減に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の電磁鋳造装置に設置されている、非導電性部材が構成部材として使用された外枠を有する保温装置の概略構成例を示す縦断面図である。
【図２】多結晶シリコンの製造に好適な電磁鋳造装置の構成例を模式的に示す図である。
【図３】保温装置およびその周辺の概略構造と外枠における大略の溶損箇所を示す図で、（ａ）は全体の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図である。
【図４】実施例の結果で、シリコンインゴットにおける金属汚染量の調査結果を示す図である。
【図５】保温装置の外枠の上部でのアルミナ製部材の使用がライフタイムに及ぼす影響を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置は、軸方向の一部が周方向で複数に分割された導電性の無底冷却モールドと、このモールドを取り囲む誘導コイルと、前記モールドの下方に配置され、凝固したシリコンを徐冷する保温装置を有する電磁鋳造装置であることを前提としている。
【００３５】
このような電磁鋳造装置を前提とするのは、太陽電池の基板材として用いられる多結晶シリコンを製造するに際し、モールド内で、溶融シリコンとモールドとをほとんど接触させずに鋳造を行い、モールドからの金属汚染がなく、変換効率を良好に維持できるシリコンインゴットを製造することができるからである。モールドの材質として高純度材料を使用する必要がなく、また、連続して鋳造することができるので、製造コストの大幅な低下も可能である。
【００３６】
本発明の電磁鋳造装置の特徴は、前記保温装置の外枠の構成部材として非導電性部材が使用されていることにある。
この保温装置は、溶融シリコンを下方に引き下げて凝固させたシリコンインゴットの急激な冷却を防ぐために、適度な熱を加えて徐冷する装置であって、前述のように、インゴットを包囲するように配置された加熱手段（電熱式の多段ヒーター）と、その外側に設置された断熱材、ならびに、断熱材の外周に取り付けられた外枠とで構成されている。
【００３７】
この外枠の構成部材として非導電性部材を使用するのは、従来のようにステンレス鋼製の外枠とした場合の、外枠自体の発熱、溶損と、それに起因する金属汚染物質の発生およびシリコンインゴットの汚染を防ぐためである。外枠自体の発熱は、外枠を構成する材質が導電性であって、加熱用誘導コイルからの磁力により外枠にも誘導電流が流れることによるものであるが、外枠の構成部材を非導電性部材とすることにより、外枠における誘導電流の発生をなくすことができる。
【００３８】
非導電性部材とは、電気伝導率が十分に小さい、いわゆる絶縁物をいう。非導電性部材としては、外枠の構成部材としての適用を考えると、各種のセラミックスがあげられる。
【００３９】
セラミックスとは、成形、焼成などの工程を経て得られる非金属無機質の固体材料と定義されており、各種耐火物や工業用陶磁器などの他、従来は窯業製品の範疇に加えられてきたガラス、セメント、煉瓦等も含まれる。さらに、原料として珪酸を主成分とする天然の酸化物系の鉱物を用いる従来のセラミック製品の他に、化学的に合成された高純度の酸化物（アルミナ、ジルコニアなど）や非酸化物系（炭化物、窒化物など）の原料を使用し、特殊な成形加工や焼成を行うファインセラミックスと称される製品も含まれる。
【００４０】
非導電性部材として何を選択するかについては、特に限定しない。外枠は、インゴットの加熱手段とその外側に設置された断熱材の外周に配置して、加熱手段および断熱材を支持、固定し、保温装置の外殻を形成するために使用される部材であり、それに必要な材質機能を備えるものであればいずれも適用可能である。前記必要な材質機能とは、加熱手段等を保持できる強度を有すること、高耐熱性であること、熱により変形しない（もしくは、多少変形しても強度が高い）材質および形状を有することなどである。
【００４１】
本発明の電磁鋳造装置において、保温装置の外枠の構成部材として使用される非導電性部材をアルミナ製部材または炭化珪素製部材とすることが望ましい。
【００４２】
アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）は代表的な酸化物系のセラミックスであり、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性、耐摩耗性、電気絶縁性に優れ、硬く、機械的強度が高く、比較的安価であるなど、多くの優れた性質を備えている。セラミックスに共通する“脆い”という欠点があるが、必要に応じて、厚みを増したり、補強材を加えたり、割れにくい形状に変更するなどの対策を講じることにより、本発明の電磁鋳造装置における保温装置の外枠の構成部材として十分適用が可能である。
【００４３】
なお、最近では、アルミナの靱性改善を目的として、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系、Ａｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2系など、複合材料系の研究開発がなされているが、ここでいう「アルミナ製部材」は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）に限定されず、Ａｌ2Ｏ3を主要成分とする複合材料も含むものとする。
【００４４】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、炭化系のセラミックスであり、優れた高温強度、高い硬度、耐食性が特徴であり、耐熱、耐食、耐摩耗部品や研磨剤として利用さる場合が多い。高価なので利用しにくいが、機能的には、本発明の電磁鋳造装置における保温装置の外枠の構成部材として適しており、後述するように、外枠の一部への適用という利用の仕方も考えられる。
【００４５】
図１は、本発明の電磁鋳造装置に設置されている、非導電性部材が構成部材として使用された外枠を有する保温装置の概略構成例を示す縦断面図である。図１に示すように、モールド１１の外側に加熱用誘導コイル１２が取り付けられ、モールド１１の下方にインゴット１９を保温するための保温装置１３が設置されている。
【００４６】
保温装置１３は、加熱手段１４（電熱式のヒーター）および断熱材１５を有し、その外側を覆うようにアルミナ製の外枠１６が取り付けられている。保温装置１３の外観は、前記図３に示したように、通常、モールド１１の形状に合わせて方形であり、４枚のアルミナ製の板材が取り付けられている。なお、外枠１６には、ヒーターの電極や、保温装置１３内の温度を測定するための熱電対が取り付けられているが、ここでは図示していない。
【００４７】
図１に示した例では、ヒーターは３段であり、各段において、複数のヒーターが配置されている。各ヒーターはそれぞれ独立して温度制御が可能であり、保温装置１３内の高さ方向における温度を高精度で制御できるように構成されている。
【００４８】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、非導電性部材を保温装置の外枠全面の上部のみに使用する実施の形態を採用してもよい。
【００４９】
ステンレス鋼製の外枠を使用した場合、誘導コイル１２の支持部の直下に位置する面（Ｂ面）の上部の溶損、および、ステンレス鋼製の板を締結する金属製のボルトのうちの最上段のボルトの溶損が特に大きいので、この部分での溶損を防止できれば、保温装置の外枠および締結用ボルトにおける溶損のほとんどを防止できるからである。
【００５０】
この場合は、非導電性部材による代替範囲が外枠の一部に限られるので、高価な炭化珪素（ＳｉＣ）の適用も十分考えられる。
【００５１】
また、本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、非導電性部材を、保温装置の外枠の、誘導コイル支持部の下方に位置する面（Ｂ面）のみに使用する実施の形態を採用することとしてもよい。これにより、Ｂ面の上方部に生じる特に大きい溶損を防止することができる。
【００５２】
以上説明したように、非導電性部材が構成部材として使用された外枠を有する保温装置を備えた本発明の電磁鋳造装置を使用すれば、保温装置の外枠の溶損や熱による変形、さらには断熱材の損傷を防止して、安定した操業を行い、金属不純物による汚染のない、変換効率を良好に維持できる太陽電池の基板材として好適な多結晶シリコンを効率よく製造することができる。
【実施例】
【００５３】
（実施例１）
図１に例示した構成を有し、外枠全面の上部（誘導コイルの下端から２００ｍｍまでの部分）のみにアルミナ製部材を使用し、それ以外はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）とした外枠を有する保温装置が設置された本発明の電磁鋳造装置（水冷銅モールドの断面寸法：３４５ｍｍ×３４５ｍｍ）を使用してシリコンインゴット（長さ４ｍ）を製造し、インゴットの金属汚染量を調査した。アルミナ製部材としては、Ａｌ2Ｏ3９８％（厚さ１５ｍｍ）の部材を使用し、必要な加工を施した後、治具によりステンレス鋼製の部材と連設した。
【００５４】
なお、比較のためにステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製の外枠を有する保温装置が設置された電磁鋳造装置を使用した場合についても同様の調査を行った。調査したインゴット数はそれぞれ５本（比較例：Ａ〜Ｅ、本発明例：Ｆ〜Ｊ）とし、それぞれのインゴットの長手方向５箇所の平均値をとることとした。
【００５５】
金属汚染量の測定は、それぞれのインゴットの長手方向５箇所における外周部と中心部からサンプルを採取して、すべて溶解した後、ＩＣＰ−ＭＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；誘導結合高周波プラズマ分光分析）を用いてＦｅ、ＣｒおよびＮｉの分析を行い、それらの合計量として求めた。
【００５６】
図４は、シリコンインゴットにおける金属汚染量の調査結果を示す図である。図４において、縦軸の金属汚染量は、比較例のインゴットＡにおける汚染量を１として、それに対する比で表している。
【００５７】
図４から明らかなように、本発明の電磁鋳造装置を使用することによるインゴットに対する金属汚染の改善効果は極めて顕著であり、汚染量は平均で数十分の一以下に低減した。これは、保温装置の外枠の上部にアルミナ製部材を使用することにより、外枠および外枠締結用のボルトの溶損がなくなり、雰囲気中への金属の導入が抑えられたことによるものと考えられる。
【００５８】
（実施例２）
図１に例示した構成を有し、外枠全面の上部（誘導コイルの下端から２００ｍｍまでの部分）のみにアルミナ製部材を使用し、それ以外はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）とした外枠を有する保温装置が設置された本発明の電磁鋳造装置（水冷銅モールドの断面寸法：３４５ｍｍ×３４５ｍｍ）を使用してシリコンインゴット（長さ４ｍ）を製造し、得られたインゴットから切り出したシリコン基板のライフタイムを測定した。アルミナ製部材としては、Ａｌ2Ｏ3９８％（厚さ１５ｍｍ）を使用し、必要な加工を施した後、治具によりステンレス鋼製の部材と連設した。なお、比較のためにステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製の外枠を有する保温装置が設置された電磁鋳造装置を使用した場合についても同様の調査を行った。
【００５９】
ライフタイムを測定したのは、ライフタイムにより、シリコン基板の結晶性を電気的に評価し、当該シリコン基板を用いて太陽電池を構成したときの変換効率をある程度評価できるからである。ライフタイムが長い（向上する）ということは、太陽電池としての変換効率が高いことを意味する。ライフタイムの測定は、反射マイクロ波を用いて光導伝減衰により測定するμ−ＰＣＤ法により行った。なお、ここで測定したライフタイムは、抵抗率が１〜２Ω・ｃｍのｐ型半導体としたときのライフタイムである。
【００６０】
図５は、保温装置の外枠の上部でのアルミナ製部材の使用がライフタイムに及ぼす影響を示す図である。図５において、ライフタイムは、保温装置の外枠にステンレス鋼を使用した比較例の電磁鋳造装置により製造したシリコンインゴットから切り出したシリコン基板のライフタイムを基準（１．０）として、それに対する比率で表示した。
【００６１】
図５から明らかなように、外枠全面の上部にアルミナ製部材を使用した本発明の電磁鋳造装置により製造したシリコンインゴットのライフタイムは、実施前に比べて、１．２倍に向上することが確認できた。すなわち、本発明の電磁鋳造装置によれば、変換効率が高い、太陽電池の基板材として好適な多結晶シリコンを製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置によれば、加熱用誘導コイルの下側に設置されている保温装置の外枠の熱による溶損を防止して、金属不純物による炉内およびインゴットの汚染を防止し、変換効率を良好に維持できる太陽電池の基板材として好適な多結晶シリコンを製造することができる。また、外枠の溶損や変形に起因する断熱材の損傷を防止して、保温装置内の温度環境の変化を抑え、安定した操業が行える。
したがって、本発明は、太陽電池の製造分野において有効に利用することができ、自然エネルギー利用技術の進展に大きく寄与することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１：密閉容器、
４：支持台、 ６：均熱筒、
７：溶融シリコン、
９：原料投入機、 １０：発熱体、 １１：モールド、
１２：加熱用誘導コイル、 １３：保温装置、 １４：加熱手段、
１５：断熱材、 １６：外枠、 １７：ボルト、
１８：保温ボード、 １９：インゴット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁誘導による連続鋳造技術を適用してシリコンインゴットを製造することができるシリコンの電磁鋳造装置に関する。より詳しくは、本発明は、太陽電池の基板材として用いられる多結晶シリコンを、金属による汚染を生じさせずに、効率よく製造することができるシリコンの電磁鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周方向に分割された無底の冷却モールドが取り付けられた電磁誘導による連続鋳造装置（以下、「電磁鋳造装置」という）を使用すれば、溶解された物質（ここでは、溶融シリコン）とモールドとはほとんど接触しないので、不純物汚染のない鋳塊（シリコンインゴット）を製造することができる。モールドからの汚染がないので、モールドの材質として高純度材料を使用する必要がないという利点もあり、また、連続して鋳造することができるので、製造コストの大幅な低下が可能である。したがって、電磁鋳造装置は、従来から太陽電池の基板材として用いられる多結晶シリコンの製造に適用されてきた。
【０００３】
図２は、多結晶シリコンの製造に好適な電磁鋳造装置の構成例を模式的に示す図である。同図に示すように、加熱用誘導コイル１２の内側に、内部を水冷できる縦方向に長い銅製の板状片が、誘導コイル１２の巻き軸方向と平行に、かつ誘導コイル１２内では相互に絶縁された状態で配列されており、この板状片によって囲まれた空間がモールド（すなわち、側壁部が水冷されている無底の冷却モールド）１１を構成する。モールド１１には、通常、板状片を銅片とした水冷銅モールドが用いられる。
【０００４】
加熱用誘導コイル１２の下端位置（すなわち、モールド１１の底部に相当する位置）には下方に移動できる支持台４が設置されている。また、加熱用誘導コイル１２の下側には、凝固した鋳塊（シリコンインゴット）１９を加熱して、急激な冷却を防ぐための保温装置１３が設置されており、保温装置１３の下側には、均熱筒６が取り付けられている。シリコンインゴット１９は引抜き装置（図示せず）により下方に引き抜かれる。
【０００５】
冷却モールド１１の上方には、溶解中に原料をモールド１１内に投入できる原料投入機９が設置されている。さらに、この例では、モールド１１の上方に、必要に応じて原料シリコンを加熱するための発熱体１０が取り付けられている。発熱体１０としてプラズマトーチを配置し、必要に応じてプラズマアークによる超高温加熱を行うのが望ましい。
【０００６】
これらの諸装置は、溶融シリコン７および高温のシリコンインゴット１９が大気と直接触れることがないように、密閉容器１内に設置され、通常は、容器１内を不活性ガスで置換して、若干の加圧状態で連続鋳造が行えるように構成されている。
【０００７】
多結晶シリコンの製造に際しては、モールド１１にシリコン原料を充填し、加熱用誘導コイル１２に高周波誘導電流を通じると、原料は発熱し、溶解する。モールド１１内の溶融シリコン７は、誘導電流により板状片と反発し、モールド１１の側壁とは接触しない。溶融シリコン７が十分均一化した後、支持台４を少しずつ下方に移動させていけば、誘導コイル１２から離れることにより冷却が始まり、モールド１１内の溶融シリコン７に向けての一方向性凝固が進行してモールド断面と同じ形状の断面を有するシリコンインゴット１９が形成される。
【０００８】
支持台４の下方への移動分に対応して溶融シリコン７の量が減少するので、その分の原料シリコンを原料投入機９から供給し、溶融シリコン７の上面が常に同じ高さレベルを保つようにして、加熱溶解、引き抜き、原料供給を継続していくことにより、多結晶シリコンインゴット１９を連続して製造することができる。
【０００９】
シリコンインゴット１９は加熱用誘導コイル１２から下方へ離れるにしたがい急速に冷却され、温度差による収縮の相違から、過大な熱応力が発生してインゴット１９に割れが生じるが、シリコンインゴット１９を前記加熱用誘導コイル１２の下側に設置されている保温装置１３により加熱することによって割れの発生を防止することができる。
【００１０】
保温装置としては、インゴットを包囲するように配置された加熱手段（電熱式の多段ヒーター）と、その外側に設置された断熱材、ならびに、断熱材の外周に、加熱手段および断熱材を支持し固定するための外枠が取り付けられた装置が一般に使用されている。保温装置の外枠には、高耐熱性および熱変形に耐えられる剛性が必要とされることから、従来、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼が用いられている。
【００１１】
加熱手段としては、誘導加熱式のヒーターが用いられた保温装置も適用されている。例えば、特許文献１には、黒鉛、Ｔａ、Ｍｏ等の導電体と、その外側に周設した誘導コイルとからなり、導電体の外面が黒鉛繊維成形体、アルミナ等の断熱材で覆われた保温装置が開示されている。
【００１２】
ところで、加熱手段として、電熱式のヒーターが用いられた保温装置においては、加熱用誘導コイルからの磁力により、外枠にも誘導電流が発生し、外枠自体が発熱して溶損し、あるいは変形する。保温装置の外枠が溶損すると、雰囲気中に金属汚染物質が導入されることとなりシリコンインゴットが汚染される。金属不純物は、光によって発生するキャリアの再結合のトラップ（捕獲）準位となってキャリアを消滅させ、変換効率（入射した光のエネルギーに対し、電気エネルギーに変換して取り出すことができるエネルギーの割合）を低下させるので、太陽電池の基板材として用いられる多結晶シリコンの製造においては特に厳重に管理されている。
【００１３】
また、外枠が熱で変形すると、内部の断熱材も変形して割れ等の損傷が生じ、内部の温度環境が変化して安定した操業が行えず、シリコンインゴットに結晶欠陥やクラック等が誘発されるという問題もある。
【００１４】
一方、加熱手段として、誘導加熱式のヒーターが用いられた保温装置では、ヒーターの外側に誘導コイルが周設されているのでヒーターの交換が容易ではない。また、高さ方向における温度制御が難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平２−３０６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上述した問題のうち、特に、加熱手段として電熱式の多段ヒーターが用いられた保温装置における問題を解決するためになされたものである。この保温装置を対象とするのは、高さ方向における温度制御が容易で、内部の温度環境を安定した状態に維持し、操業を安定して行えるとともに、ヒーターの取替えが必要なときには容易に交換できる等の利点があるからである。
【００１７】
本発明の目的は、保温装置の外枠の溶損や熱による変形を防止することにより安定した操業を行って、金属不純物による汚染のない、太陽電池の基板材として好適な多結晶シリコンを効率よく製造することができるシリコンの電磁鋳造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者らは、上記の課題を解決するために、保温装置を固定するために取り付けられている外枠の溶損の状態を詳細に検討した。
【００１９】
図３は、保温装置およびその周辺の概略構造と外枠における大略の溶損箇所を示す図で、（ａ）は全体の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図である。
【００２０】
図３に示すように、モールド１１の外側に加熱用誘導コイル１２が取り付けられ、モールド１１の下方にインゴット１９を保温するための保温装置１３が設置されている。保温装置１３は、加熱手段１４（電熱式のヒーター）および断熱材１５を有し、その外側を覆うように外枠１６が取り付けられている。この外枠１６は、４枚（面）のステンレス鋼製の板からなり、互いに隣接する２枚毎にそれぞれ絶縁材を挟んで金属製のボルト１７で締結されている。絶縁材を介在させるのは、締結部の溶着を防ぐためである。なお、外枠１６には、ヒーターの電極や、保温装置１３内の温度を測定するための熱電対が取り付けられているが、ここでは図示していない。
【００２１】
モールド１１と保温装置１３の間のすき間には断熱材からなる保温ボード１８が取り付けられている。
【００２２】
このような構造を有する保温装置において、外枠１６を構成する４枚の板材のうち、誘導コイル１２の支持部（図３（ａ）中に符号ａを付した部分）の直下に位置する面（この面を、以下「Ｂ面」ともいう）の上方部（図３（ａ）中に破線で斜線を付した部位）で、特に溶損が大きい。また、４枚のステンレス鋼製の板をそれぞれ締結する金属製のボルト１７のうち、最上段のボルト１７（図３（ａ）中に丸印を付したボルト）の溶損が特に大きい。これは、誘導コイル１２からの磁力により外枠１６自体にも誘導電流が発生し、また、最上段の締結用ボルト１７に集中して電流が流れるためである。
【００２３】
保温装置の外枠や枠の締結用ボルトの溶損により引き起こされる問題点をまとめると以下のとおりである。
（ａ）溶損やそれに伴う変形が発生した外枠およびボルトの交換が必要になる。
（ｂ）溶損により、外枠やボルトに含まれる金属が汚染物質として雰囲気中に導入され、シリコンインゴットが金属汚染の危機にさらされる。
（ｃ）外枠の変形に伴って内部の断熱材に変形や割れ等の損傷が発生するので、断熱材の交換が必要になる。
（ｄ）断熱材の損傷により保温装置内の温度環境が変化して、同一条件での鋳造ができなくなり、安定した操業が困難となる。
【００２４】
これらの問題点のうち、（ｂ）に起因してシリコンインゴットに金属汚染が生じると、この多結晶シリコンを基板材として構成した太陽電池の変換効率が低下するので、特に厳重な管理が必要である。この問題は、カーボン製の外枠を使用することにより回避することが可能であるが、外枠の材質をカーボンに替えても、ステンレス鋼の場合と同様に誘導電流により発熱して、カーボンの損耗が激しく、外枠の寿命が短くなると推測される。また、シリコンインゴットのカーボン濃度が上昇するという問題が発生する。
【００２５】
そこで、本発明者らは、保温装置の外枠の溶損を防止するために、外枠の材質をセラミックスに変更することを試みた。セラミックスは非導電性部材であるから、それ自体が発熱することはなく、上記問題点の解決が期待できるからである。
【００２６】
セラミックスとして汎用性のあるアルミナ質の板材を選択し、これを、保温装置の外枠全面の上部に取り付けて電磁鋳造を行った。前述のように、外枠の上部や、最上段のボルトの溶損が特に大きいからである。その結果、外枠やボルトの溶損が防止できることが確認できた。
【００２７】
本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、下記のシリコンの電磁鋳造装置を要旨とする。
すなわち、軸方向の一部が周方向で複数に分割された導電性の無底冷却モールドと、このモールドを取り囲む誘導コイルと、前記モールドの下方に配置され、凝固したシリコンを徐冷する保温装置を有し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させるシリコンの電磁鋳造装置であって、前記保温装置の外枠の構成部材として非導電性部材が使用されていることを特徴とする電磁鋳造装置である。
【００２８】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、前記非導電性部材が、保温装置の外枠全面の上部のみに使用されていることとする実施の形態を採用してもよい。
【００２９】
前記の「外枠の上部」の具体的な寸法は、モールドの大きさ、誘導コイルに流れる電流の大きさ等により異なるが、断面の寸法が３５０ｍｍ×５００ｍｍ程度の無底の水冷銅モールドを使用してシリコンインゴットを鋳造する場合であれば、誘導コイルの下端から２００ｍｍまでの部分である。外枠の上端からは６０ｍｍまでの部分に相当する。
【００３０】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、前記非導電性部材が、保温装置の外枠の、前記誘導コイルの支持部の下方に位置する面のみに使用されていることとしてもよい。
【００３１】
また、本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、前記非導電性部材としてアルミナ製または炭化珪素製の部材を使用することが望ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置は、加熱用誘導コイルの下側に設置されている保温装置の外枠が非導電性部材で構成されている。この装置を使用すれば、保温装置の外枠の熱による溶損を防止して、金属不純物による炉内およびインゴットの汚染を防止し、変換効率を良好に維持できる太陽電池の基板材として好適な多結晶シリコンを製造することができる。また、外枠の溶損や変形に起因する断熱材の損傷を防止して、保温装置内の温度環境の変化を抑え、安定した操業が行える。
さらに、外枠や断熱材の交換頻度を減少させることにより、操業効率の向上およびコスト低減に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の電磁鋳造装置に設置されている、非導電性部材が構成部材として使用された外枠を有する保温装置の概略構成例を示す縦断面図である。
【図２】多結晶シリコンの製造に好適な電磁鋳造装置の構成例を模式的に示す図である。
【図３】保温装置およびその周辺の概略構造と外枠における大略の溶損箇所を示す図で、（ａ）は全体の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図である。
【図４】実施例の結果で、シリコンインゴットにおける金属汚染量の調査結果を示す図である。
【図５】保温装置の外枠の上部でのアルミナ製部材の使用がライフタイムに及ぼす影響を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置は、軸方向の一部が周方向で複数に分割された導電性の無底冷却モールドと、このモールドを取り囲む誘導コイルと、前記モールドの下方に配置され、凝固したシリコンを徐冷する保温装置を有する電磁鋳造装置であることを前提としている。
【００３５】
このような電磁鋳造装置を前提とするのは、太陽電池の基板材として用いられる多結晶シリコンを製造するに際し、モールド内で、溶融シリコンとモールドとをほとんど接触させずに鋳造を行い、モールドからの金属汚染がなく、変換効率を良好に維持できるシリコンインゴットを製造することができるからである。モールドの材質として高純度材料を使用する必要がなく、また、連続して鋳造することができるので、製造コストの大幅な低下も可能である。
【００３６】
本発明の電磁鋳造装置の特徴は、前記保温装置の外枠の構成部材として非導電性部材が使用されていることにある。
この保温装置は、溶融シリコンを下方に引き下げて凝固させたシリコンインゴットの急激な冷却を防ぐために、適度な熱を加えて徐冷する装置であって、前述のように、インゴットを包囲するように配置された加熱手段（電熱式の多段ヒーター）と、その外側に設置された断熱材、ならびに、断熱材の外周に取り付けられた外枠とで構成されている。
【００３７】
この外枠の構成部材として非導電性部材を使用するのは、従来のようにステンレス鋼製の外枠とした場合の、外枠自体の発熱、溶損と、それに起因する金属汚染物質の発生およびシリコンインゴットの汚染を防ぐためである。外枠自体の発熱は、外枠を構成する材質が導電性であって、加熱用誘導コイルからの磁力により外枠にも誘導電流が流れることによるものであるが、外枠の構成部材を非導電性部材とすることにより、外枠における誘導電流の発生をなくすことができる。
【００３８】
非導電性部材とは、電気伝導率が十分に小さい、いわゆる絶縁物をいう。非導電性部材としては、外枠の構成部材としての適用を考えると、各種のセラミックスがあげられる。
【００３９】
セラミックスとは、成形、焼成などの工程を経て得られる非金属無機質の固体材料と定義されており、各種耐火物や工業用陶磁器などの他、従来は窯業製品の範疇に加えられてきたガラス、セメント、煉瓦等も含まれる。さらに、原料として珪酸を主成分とする天然の酸化物系の鉱物を用いる従来のセラミック製品の他に、化学的に合成された高純度の酸化物（アルミナ、ジルコニアなど）や非酸化物系（炭化物、窒化物など）の原料を使用し、特殊な成形加工や焼成を行うファインセラミックスと称される製品も含まれる。
【００４０】
非導電性部材として何を選択するかについては、特に限定しない。外枠は、インゴットの加熱手段とその外側に設置された断熱材の外周に配置して、加熱手段および断熱材を支持、固定し、保温装置の外殻を形成するために使用される部材であり、それに必要な材質機能を備えるものであればいずれも適用可能である。前記必要な材質機能とは、加熱手段等を保持できる強度を有すること、高耐熱性であること、熱により変形しない（もしくは、多少変形しても強度が高い）材質および形状を有することなどである。
【００４１】
本発明の電磁鋳造装置において、保温装置の外枠の構成部材として使用される非導電性部材をアルミナ製部材または炭化珪素製部材とすることが望ましい。
【００４２】
アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）は代表的な酸化物系のセラミックスであり、耐熱性、耐熱衝撃性、耐食性、耐摩耗性、電気絶縁性に優れ、硬く、機械的強度が高く、比較的安価であるなど、多くの優れた性質を備えている。セラミックスに共通する“脆い”という欠点があるが、必要に応じて、厚みを増したり、補強材を加えたり、割れにくい形状に変更するなどの対策を講じることにより、本発明の電磁鋳造装置における保温装置の外枠の構成部材として十分適用が可能である。
【００４３】
なお、最近では、アルミナの靱性改善を目的として、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ系、Ａｌ2Ｏ3−ＺｒＯ2系など、複合材料系の研究開発がなされているが、ここでいう「アルミナ製部材」は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）に限定されず、Ａｌ2Ｏ3を主要成分とする複合材料も含むものとする。
【００４４】
炭化珪素（ＳｉＣ）は、炭化系のセラミックスであり、優れた高温強度、高い硬度、耐食性が特徴であり、耐熱、耐食、耐摩耗部品や研磨剤として利用さる場合が多い。高価なので利用しにくいが、機能的には、本発明の電磁鋳造装置における保温装置の外枠の構成部材として適しており、後述するように、外枠の一部への適用という利用の仕方も考えられる。
【００４５】
図１は、本発明の電磁鋳造装置に設置されている、非導電性部材が構成部材として使用された外枠を有する保温装置の概略構成例を示す縦断面図である。図１に示すように、モールド１１の外側に加熱用誘導コイル１２が取り付けられ、モールド１１の下方にインゴット１９を保温するための保温装置１３が設置されている。
【００４６】
保温装置１３は、加熱手段１４（電熱式のヒーター）および断熱材１５を有し、その外側を覆うようにアルミナ製の外枠１６が取り付けられている。保温装置１３の外観は、前記図３に示したように、通常、モールド１１の形状に合わせて方形であり、４枚のアルミナ製の板材が取り付けられている。なお、外枠１６には、ヒーターの電極や、保温装置１３内の温度を測定するための熱電対が取り付けられているが、ここでは図示していない。
【００４７】
図１に示した例では、ヒーターは３段であり、各段において、複数のヒーターが配置されている。各ヒーターはそれぞれ独立して温度制御が可能であり、保温装置１３内の高さ方向における温度を高精度で制御できるように構成されている。
【００４８】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、非導電性部材を保温装置の外枠全面の上部のみに使用する実施の形態を採用してもよい。
【００４９】
ステンレス鋼製の外枠を使用した場合、誘導コイル１２の支持部の直下に位置する面（Ｂ面）の上部の溶損、および、ステンレス鋼製の板を締結する金属製のボルトのうちの最上段のボルトの溶損が特に大きいので、この部分での溶損を防止できれば、保温装置の外枠および締結用ボルトにおける溶損のほとんどを防止できるからである。
【００５０】
この場合は、非導電性部材による代替範囲が外枠の一部に限られるので、高価な炭化珪素（ＳｉＣ）の適用も十分考えられる。
【００５１】
また、本発明のシリコンの電磁鋳造装置においては、非導電性部材を、保温装置の外枠の、誘導コイル支持部の下方に位置する面（Ｂ面）のみに使用する実施の形態を採用することとしてもよい。これにより、Ｂ面の上方部に生じる特に大きい溶損を防止することができる。
【００５２】
以上説明したように、非導電性部材が構成部材として使用された外枠を有する保温装置を備えた本発明の電磁鋳造装置を使用すれば、保温装置の外枠の溶損や熱による変形、さらには断熱材の損傷を防止して、安定した操業を行い、金属不純物による汚染のない、変換効率を良好に維持できる太陽電池の基板材として好適な多結晶シリコンを効率よく製造することができる。
【実施例】
【００５３】
（実施例１）
図１に例示した構成を有し、外枠全面の上部（誘導コイルの下端から２００ｍｍまでの部分）のみにアルミナ製部材を使用し、それ以外はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）とした外枠を有する保温装置が設置された本発明の電磁鋳造装置（水冷銅モールドの断面寸法：３４５ｍｍ×３４５ｍｍ）を使用してシリコンインゴット（長さ４ｍ）を製造し、インゴットの金属汚染量を調査した。アルミナ製部材としては、Ａｌ2Ｏ3９８％（厚さ１５ｍｍ）の部材を使用し、必要な加工を施した後、治具によりステンレス鋼製の部材と連設した。
【００５４】
なお、比較のためにステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製の外枠を有する保温装置が設置された電磁鋳造装置を使用した場合についても同様の調査を行った。調査したインゴット数はそれぞれ５本（比較例：Ａ〜Ｅ、本発明例：Ｆ〜Ｊ）とし、それぞれのインゴットの長手方向５箇所の平均値をとることとした。
【００５５】
金属汚染量の測定は、それぞれのインゴットの長手方向５箇所における外周部と中心部からサンプルを採取して、すべて溶解した後、ＩＣＰ−ＭＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；誘導結合高周波プラズマ分光分析）を用いてＦｅ、ＣｒおよびＮｉの分析を行い、それらの合計量として求めた。
【００５６】
図４は、シリコンインゴットにおける金属汚染量の調査結果を示す図である。図４において、縦軸の金属汚染量は、比較例のインゴットＡにおける汚染量を１として、それに対する比で表している。
【００５７】
図４から明らかなように、本発明の電磁鋳造装置を使用することによるインゴットに対する金属汚染の改善効果は極めて顕著であり、汚染量は平均で数十分の一以下に低減した。これは、保温装置の外枠の上部にアルミナ製部材を使用することにより、外枠および外枠締結用のボルトの溶損がなくなり、雰囲気中への金属の導入が抑えられたことによるものと考えられる。
【００５８】
（実施例２）
図１に例示した構成を有し、外枠全面の上部（誘導コイルの下端から２００ｍｍまでの部分）のみにアルミナ製部材を使用し、それ以外はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）とした外枠を有する保温装置が設置された本発明の電磁鋳造装置（水冷銅モールドの断面寸法：３４５ｍｍ×３４５ｍｍ）を使用してシリコンインゴット（長さ４ｍ）を製造し、得られたインゴットから切り出したシリコン基板のライフタイムを測定した。アルミナ製部材としては、Ａｌ2Ｏ3９８％（厚さ１５ｍｍ）を使用し、必要な加工を施した後、治具によりステンレス鋼製の部材と連設した。なお、比較のためにステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）製の外枠を有する保温装置が設置された電磁鋳造装置を使用した場合についても同様の調査を行った。
【００５９】
ライフタイムを測定したのは、ライフタイムにより、シリコン基板の結晶性を電気的に評価し、当該シリコン基板を用いて太陽電池を構成したときの変換効率をある程度評価できるからである。ライフタイムが長い（向上する）ということは、太陽電池としての変換効率が高いことを意味する。ライフタイムの測定は、反射マイクロ波を用いて光導伝減衰により測定するμ−ＰＣＤ法により行った。なお、ここで測定したライフタイムは、抵抗率が１〜２Ω・ｃｍのｐ型半導体としたときのライフタイムである。
【００６０】
図５は、保温装置の外枠の上部でのアルミナ製部材の使用がライフタイムに及ぼす影響を示す図である。図５において、ライフタイムは、保温装置の外枠にステンレス鋼を使用した比較例の電磁鋳造装置により製造したシリコンインゴットから切り出したシリコン基板のライフタイムを基準（１．０）として、それに対する比率で表示した。
【００６１】
図５から明らかなように、外枠全面の上部にアルミナ製部材を使用した本発明の電磁鋳造装置により製造したシリコンインゴットのライフタイムは、実施前に比べて、１．２倍に向上することが確認できた。すなわち、本発明の電磁鋳造装置によれば、変換効率が高い、太陽電池の基板材として好適な多結晶シリコンを製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のシリコンの電磁鋳造装置によれば、加熱用誘導コイルの下側に設置されている保温装置の外枠の熱による溶損を防止して、金属不純物による炉内およびインゴットの汚染を防止し、変換効率を良好に維持できる太陽電池の基板材として好適な多結晶シリコンを製造することができる。また、外枠の溶損や変形に起因する断熱材の損傷を防止して、保温装置内の温度環境の変化を抑え、安定した操業が行える。
したがって、本発明は、太陽電池の製造分野において有効に利用することができ、自然エネルギー利用技術の進展に大きく寄与することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１：密閉容器、
４：支持台、 ６：均熱筒、
７：溶融シリコン、
９：原料投入機、 １０：発熱体、 １１：モールド、
１２：加熱用誘導コイル、 １３：保温装置、 １４：加熱手段、
１５：断熱材、 １６：外枠、 １７：ボルト、
１８：保温ボード、 １９：インゴット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向の一部が周方向で複数に分割された導電性の無底冷却モールドと、このモールドを取り囲む誘導コイルと、前記モールドの下方に配置され、凝固したシリコンを徐冷する保温装置を有し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させるシリコンの電磁鋳造装置であって、
前記保温装置の外枠の構成部材として非導電性部材が使用されていることを特徴とするシリコンの電磁鋳造装置。
【請求項２】
前記非導電性部材が、保温装置の外枠全面の上部のみに使用されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコンの電磁鋳造装置。
【請求項３】
前記非導電性部材が、保温装置の外枠の、前記誘導コイルの支持部の下方に位置する面のみに使用されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコンの電磁鋳造装置。
【請求項４】
前記非導電性部材が、アルミナ製または炭化珪素製の部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコンの電磁鋳造装置。
【請求項１】
軸方向の一部が周方向で複数に分割された導電性の無底冷却モールドと、このモールドを取り囲む誘導コイルと、前記モールドの下方に配置され、凝固したシリコンを徐冷する保温装置を有し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させるシリコンの電磁鋳造装置であって、
前記保温装置の外枠の構成部材として非導電性部材が使用されていることを特徴とするシリコンの電磁鋳造装置。
【請求項２】
前記非導電性部材が、保温装置の外枠全面の上部のみに使用されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコンの電磁鋳造装置。
【請求項３】
前記非導電性部材が、保温装置の外枠の、前記誘導コイルの支持部の下方に位置する面のみに使用されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコンの電磁鋳造装置。
【請求項４】
前記非導電性部材が、アルミナ製または炭化珪素製の部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコンの電磁鋳造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−４１２０９（Ｐ２０１２−４１２０９Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８１５５２（Ｐ２０１０−１８１５５２）
【出願日】平成２２年８月１６日（２０１０．８．１６）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【出願人】（５０５０５９１６７）ＳＵＭＣＯソーラー株式会社 (16)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１６日（２０１０．８．１６）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【出願人】（５０５０５９１６７）ＳＵＭＣＯソーラー株式会社 (16)
【Ｆターム（参考）】
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