シリコンインゴットの連続鋳造方法
【課題】鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できるシリコンインゴットの連続鋳造方法を提供する。
【解決手段】軸方向の一部が周方向で複数に分割された無底の冷却ルツボ７を誘導コイル８内に配置し、誘導コイル８による電磁誘導加熱により、冷却ルツボ７内に溶融シリコン１３を形成し、冷却ルツボ７から引き下げながら凝固させてシリコンインゴット３を連続鋳造する方法において、冷却ルツボ７として、その内面７ａのうちの溶融シリコンの外面１３ａおよびシリコンインゴットの外面３ａと対向する部分７ｂに、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施されたものを用いることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法である。
【解決手段】軸方向の一部が周方向で複数に分割された無底の冷却ルツボ７を誘導コイル８内に配置し、誘導コイル８による電磁誘導加熱により、冷却ルツボ７内に溶融シリコン１３を形成し、冷却ルツボ７から引き下げながら凝固させてシリコンインゴット３を連続鋳造する方法において、冷却ルツボ７として、その内面７ａのうちの溶融シリコンの外面１３ａおよびシリコンインゴットの外面３ａと対向する部分７ｂに、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施されたものを用いることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用基板の素材であるシリコンインゴットの連続鋳造方法に関し、さらに詳しくは、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、無底の冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できるシリコンインゴットの連続鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2排出による地球温暖化問題やエネルギー資源の枯渇問題が深刻化しており、それらの問題の対応策の一つとして、無尽蔵に降りそそぐ太陽光エネルギーを活用する太陽光発電が注目されている。太陽光発電は、太陽電池を使用して太陽光エネルギーを直接電力に変換する発電方式であり、太陽電池の基板には、多結晶のシリコンウェーハを用いるのが主流である。
【０００３】
太陽電池用の多結晶シリコンウェーハは、一方向性凝固のシリコンインゴットを素材とし、このインゴットをスライスして製造される。このため、太陽電池の普及を図るには、シリコンウェーハの品質を確保するとともに、コストを低減する必要があり、その前段階で、高品質のシリコンインゴットを安価に製造することが要求される。
【０００４】
多結晶のシリコンインゴットに対する品質の要求では、特にシリコンインゴットに含有される不純物の濃度が重要となる。これは、シリコンインゴットから切り出された多結晶シリコンウェーハがＭｏやＦｅ、Ｃｕといった不純物で汚染されると、ウェーハを太陽電池として用いた際に光電変換効率を悪化させるからである。例えば非特許文献１では、多結晶シリコンウェーハにおける不純物濃度と光電変換効率との関係が示されている。
【０００５】
図２は、多結晶シリコンウェーハにおける不純物濃度と相対変換効率との関係を示す図である。同図は、非特許文献１、５３２頁に記載されるＦｉｇ３を引用したものであり、Ｐ型の多結晶シリコンウェーハを用いた太陽電池において、不純物であるＭｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃ、ＯおよびＡｌの濃度と相対変換効率の関係を示す。同図から、いずれの不純物もそれぞれ特定の濃度を超えると相対変換効率が低下することが確認される。
【０００６】
また、非特許文献２には、太陽電池用の単結晶シリコンウェーハに関するものであるが、不純物濃度と光電変換効率との関係が示されている。
【０００７】
図３は、単結晶シリコンウェーハにおける不純物濃度と相対変換効率との関係を示す図である。同図は、非特許文献２、１０５頁に記載される図２−４−１２を引用したものであり、Ｐ型の単結晶シリコンウェーハを用いた太陽電池において、不純物であるＴａ、Ｍｏ、Ｎｄ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、ＣｕおよびＰの濃度と相対変換効率の関係を示す。同図から、いずれの不純物もそれぞれ特定の濃度を超えると相対変換効率が低下することが確認される。
【０００８】
したがって、太陽電池用の多結晶シリコンウェーハでは、不純物による汚染を可能な限り低減することが望まれる。このため、多結晶シリコンウェーハの素材となるシリコンインゴットにおいて、不純物による汚染を可能な限り低減することが要求される。
【０００９】
これらのコストや品質の要求に対応できる方法として、電磁誘導を利用した連続鋳造方法であるＥＭＣ法（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃａｓｔｉｎｇ法、電磁鋳造法）が実用化されている。
【００１０】
図４は、従来のＥＭＣ法に用いられる連続鋳造装置（以下、単に「ＥＭＣ炉」ともいう。）の構成を示す模式図である。同図に示すように、ＥＭＣ炉はチャンバー１を備える。チャンバー１は、内部を外気から隔離し鋳造に適した不活性ガス雰囲気に維持する二重壁構造の水冷容器である。チャンバー１の上壁には、開閉可能なシャッター２を介し、図示しない原料供給装置が連結されている。チャンバー１は、上部の側壁に不活性ガス導入口５が設けられ、下部の側壁に排気口６が設けられている。
【００１１】
チャンバー１内には、無底の冷却ルツボ７、誘導コイル８およびアフターヒーター９が配置されている。無底の冷却ルツボ７は、融解容器としてのみならず、鋳型としても機能し、熱伝導性および電気伝導性に優れた金属（例えば、銅）製の角筒体で、チャンバー１内に吊り下げられている。この冷却ルツボ７は、軸方向の一部が、複数の短冊状の素片により、周方向で複数に分割される。また、冷却ルツボ７は、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。
【００１２】
誘導コイル８は、冷却ルツボ７を囲繞するように、冷却ルツボ７と同芯に周設され、図示しない電源装置に接続されている。アフターヒーター９は、冷却ルツボ７と同芯に、冷却ルツボ７の下方に複数連設され、冷却ルツボ７から引き下げられるシリコンインゴット３を加熱して、その軸方向に適切な温度勾配を与えつつ、長時間かけて室温まで冷却する。
【００１３】
また、チャンバー１内には、原料供給装置に連結されたシャッター２の下方に原料導入管１１が取り付けられている。シャッター２の開閉に伴って、粒状や塊状のシリコン原料１２が原料供給装置から原料導入管１１内に供給され、冷却ルツボ７内に装入される。
【００１４】
チャンバー１の底壁には、アフターヒーター９の下方に、インゴット３を抜き出すための引出し口４が設けられ、この引出し口４はガスでシールされている。インゴット３は、引出し口４を貫通して下降する支持台１５によって支えられながら引き下げられる。
【００１５】
冷却ルツボ７の真上には、プラズマトーチ１４が昇降可能に設けられている。プラズマトーチ１４は、図示しないプラズマ電源装置の一方の極に接続され、他方の極は、インゴット３側に接続されている。このプラズマトーチ１４は、下降させて冷却ルツボ７内に挿入された状態で使用される。
【００１６】
このようなＥＭＣ炉を用いたＥＭＣ法では、無底の冷却ルツボ７内にシリコン原料１２を装入し、誘導コイル８に交流電流を印加するとともに、下降させたプラズマトーチ１４に通電を行う。このとき、冷却ルツボ７を構成する短冊状の各素片が互いに電気的に分割されていることから、誘導コイル８による電磁誘導に伴って各素片内で渦電流が発生し、冷却ルツボ７の内壁の渦電流が冷却ルツボ７内に磁界を発生させる。これにより、冷却ルツボ７内のシリコン原料は電磁誘導加熱されて融解し、溶融シリコン１３が形成される。また、プラズマトーチ１４とシリコン原料、さらには溶融シリコン１３との間にプラズマアークが発生し、そのジュール熱によっても、シリコン原料が加熱されて融解し、電磁誘導加熱の負担を軽減して効率良く溶融シリコン１３が形成される。
【００１７】
溶融シリコン１３は、冷却ルツボの内面７ａの渦電流に伴って生じる磁界と、溶融シリコン１３の表面に発生する電流との相互作用により、溶融シリコンの外面１３ａの内側法線方向に力（ピンチ力、同図の黒塗り矢印参照）を受ける。このため、冷却ルツボの内面７ａと溶融シリコンの外面１３ａとは、非接触の状態に保持される。
【００１８】
無底の冷却ルツボ７内でシリコン原料１２を融解させながら、溶融シリコン１３を支える支持台１５を徐々に下降させると、誘導コイル８の下端から遠ざかるにつれて誘導磁界が小さくなることから、発熱量およびピンチ力が減少し、さらに冷却ルツボ７からの冷却により、溶融シリコンの外面１３ａおよびインゴットの外面３ａから凝固が進行する。そして、支持台１５の下降に伴ってシリコン原料１２を連続的に装入し、融解および凝固を継続することにより、溶融シリコン１３が一方向に凝固し、インゴット３を連続して鋳造することができる。
【００１９】
このようなＥＭＣ法によれば、溶融シリコンの外面１３ａと無底の冷却ルツボの内面７ａとの接触が軽減されるため、その接触に伴う冷却ルツボ７からの不純物の汚染が防止され、高品質のインゴット３を得ることができる。しかも、連続鋳造であることから、安価に一方向凝固されたインゴット３を製造することが可能になる。
【００２０】
しかし、ＥＭＣ法によりシリコンインゴット連続鋳造する際の冷却ルツボとインゴットの間隔は非常に小さく、引き下げ軸に垂直な断面において、鋳造されたインゴットの寸法と冷却ルツボの内面寸法はほぼ同じである。このため、支持台を引き下げる昇降装置の精度に起因し、支持台に支えられたインゴットの外面が冷却ルツボの内面と局所的に接触して不純物が付着する場合がある。この場合、付着した不純物は、アフターヒーターを用いた冷却過程でインゴットの外面から内部に拡散してインゴットを汚染する。
【００２１】
また、鋳造されるインゴットと冷却ルツボが局所的に接触すると、冷却ルツボの内面が損傷し、一つの冷却ルツボで連続鋳造することができるインゴットの本数が減少し、すなわち、冷却ルツボの寿命が縮まるという問題もある。
【００２２】
このように鋳造されるインゴットと冷却ルツボとが局所的に接触することにより、インゴットが不純物で汚染されるとともに、冷却ルツボが損傷する問題に関し、従来から種々の提案がなされており、例えば特許文献１がある。特許文献１では、内面にシリコンコーティングが施された冷却ルツボを用いるインゴットの連続鋳造方法が提案されている。特許文献１では、冷却ルツボの内面にシリコンコーティングが施されることから、インゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボが損傷するのを軽減できるとしている。
【００２３】
しかし、シリコンインゴットを連続鋳造する際、冷却ルツボの内面に施されたシリコンコーティングは、溶融シリコンに作用するピンチ力を減少させるとともに、誘導加熱の表皮効果によって高温となる。このため、溶融シリコンがシリコンコーティングと局所的に接触するのが多発するとともに、接触した際にシリコンコーティングが溶融シリコンに融着する。その結果、冷却ルツボの内面に施されたシリコンコーティングは部分的に剥離し易い。
【００２４】
また、シリコンコーティングが施された冷却ルツボを複数本のインゴットの連続鋳造に用いると、３本目以降のインゴットの連続鋳造では、鋳造されるインゴットが、シリコンコーティングが剥離して露出した冷却ルツボの内面と接触して不純物で汚染される場合がある。このため、従来のシリコンインゴットを連続鋳造方法では、冷却ルツボからの不純物によりインゴットが汚染されるのをさらに低減するとともに、冷却ルツボが損傷するのをさらに軽減したいという要望がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２５】
【非特許文献１】Ｒｅｖｕｅ Ｐｈｙｓ， Ａｐｐｌ．２２（１９８７）、Ｊ．Ｆａｌｌｙ，Ｅ．Ｆａｂｒｅ，Ｂ．Ｃｈａｂｏｔ著、５３２頁、Ｆｉｇ．３
【非特許文献２】太陽光発電光学、山田興一，小宮山宏著、日経ＢＰ社（２００２年１０月７日初版発行）、８５頁、図２−４−１２
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開平１０−１０１３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
ＥＭＣ法によるシリコンインゴットの連続鋳造方法では、前述のとおり、鋳造されるインゴットと冷却ルツボとが局所的に接触することにより、インゴットが不純物で汚染されるとともに、冷却ルツボが損傷する問題がある。前掲の特許文献１で提案されるシリコンインゴットの連続鋳造方法では、冷却ルツボの内面に施されたシリコンコーティングが部分的に剥離し易い。このため、複数本のインゴットの連続鋳造に用いると、鋳造されるインゴットが、シリコンコーティングが剥離して露出した冷却ルツボの内面と接触して不純物で汚染される場合がある。
【００２８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、鋳造されるインゴットと冷却ルツボとが局所的に接触し、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できるシリコンインゴットの連続鋳造方法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】
【００２９】
本発明者らは、上記課題を解決するため、種々の試験を行い、鋭意検討を重ねた結果、ＥＭＣ法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際、冷却ルツボとして、その内面にＮｉ−Ｂ合金めっきが施されたものを用いることにより、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できることを知見した。
【００３０】
本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであり、下記のシリコンインゴットの連続鋳造方法を要旨としている。
【００３１】
軸方向の一部が周方向で複数に分割された無底の冷却ルツボを誘導コイル内に配置し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により、前記冷却ルツボ内に溶融シリコンを形成し、前記冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する方法において、前記冷却ルツボとして、その内面のうちの前記溶融シリコンの外面および前記シリコンインゴットの外面と対向する部分に、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施されたものを用いることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、内面にＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボを用いることから、鋳造されるインゴットと冷却ルツボとが局所的に接触し、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を説明する模式図である。
【図２】多結晶シリコンウェーハにおける不純物濃度と相対変換効率との関係を示す図である。
【図３】単結晶シリコンウェーハにおける不純物濃度と相対変換効率との関係を示す図である。
【図４】従来の電磁鋳造法に用いられる連続鋳造装置の構成を示す模式図である。
【図５】シリコンインゴットから得られる試験片を示す模式図であり、同図（ａ）はシリコンインゴットを分割する位置を、同図（ｂ）はサンプル板から切り出された試験片の位置をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を図面に基づいて説明する。
【００３５】
図１は、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を説明する模式図である。同図では、ＥＭＣ炉が備える無底の冷却ルツボ７および誘導コイル８と、溶融シリコン１３と、鋳造されるインゴット３とを示す。同図では、冷却ルツボの内面のうち、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施される部分７ｂを、クロスハッチングを施して模式的に示す。
【００３６】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、軸方向の一部が周方向で複数に分割された無底の冷却ルツボ７を誘導コイル８内に配置し、誘導コイル８による電磁誘導加熱により、冷却ルツボ７内に溶融シリコン１３を形成し、冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する方法において、冷却ルツボ７として、その内面のうちの溶融シリコンの外面１３ａおよびシリコンインゴットの外面３ａと対向する部分７ｂに、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施されたものを用いることを特徴とする。
【００３７】
冷却ルツボの内面にＮｉ−Ｂ合金めっきを施す場合、鋳造されるインゴットとＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボの内面とが局所的に接触し、鋳造されたインゴットがＮｉおよびＢで汚染される懸念がある。ここで、Ｎｉ−Ｂ合金めっきは、冷却ルツボに多用される銅より高硬度かつ高融点である。このため、鋳造されるインゴットとＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボの内面とが局所的に接触した場合、インゴットの外面にＮｉ−Ｂ合金めっきは、ほとんど付着しない。
【００３８】
その結果、後述する実施例に示すように、鋳造されたインゴットにおけるＮｉ濃度は、従来法で鋳造されたインゴットと同程度となり、インゴットがＮｉで汚染される懸念は払拭できる。また、Ｂはドーパントとして添加される元素であることから、Ｂ濃度が鋳造されたインゴットから切り出されたウェーハにおける光電変換効率に与える影響は、不純物に比べて小さい。このため、鋳造されたインゴットにおいてＢ濃度が僅かに増加しても、鋳造されたインゴットおよび切り出されたウェーハの品質を同程度に維持することができる。
【００３９】
また、Ｎｉ−Ｂ合金めっきは、冷却ルツボで多用される銅より高硬度かつ高融点であることから、冷却ルツボの内面にＮｉ−Ｂ合金めっきを施すことにより、鋳造されるインゴットとＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボ内面とが局所的に接触した場合、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できる。このため、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、一つの冷却ルツボで鋳造が可能なインゴットの本数を増加させる、すなわち、冷却ルツボの寿命を延ばすことができる。
【００４０】
さらに、Ｎｉ−Ｂ合金めっきは、シリコンコーティングに比べて冷却ルツボに対する付着性が優れることから、冷却ルツボの内面に施されたＮｉ−Ｂ合金めっきが剥離するのを抑制できる。このため、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボを複数本のインゴットの連続鋳造に用いた場合に、鋳造されるインゴットが露出した冷却ルツボの内面と接触して不純物で汚染されるのを抑制できる。
【００４１】
前述のとおり、溶融シリコンの外面またはインゴットの外面と冷却ルツボの内面とは、その間隔が非常に小さいことから、局所的に接触するおそれがある。ここで、通常、シリコンインゴットの連続鋳造では、シリコン原料の装入量等を調整することにより、溶融シリコンの上面が、冷却ルツボの上面から所定の深さに位置するように制御しつつ連続鋳造を行う。このため、冷却ルツボの内面において、上面から所定の深さまでの部分は、溶融シリコンまたはインゴットと接触する可能性が低い。
【００４２】
したがって、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法では、前記図１に示すように、Ｎｉ−Ｂ合金めっきは、冷却ルツボの内面７ａのうち、溶融シリコンの外面１３ａおよびシリコンインゴットの外面３ａと対向する部分７ｂに施す。また、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、冷却ルツボの内面の全面にＮｉ−Ｂ合金めっきを施すことを妨げない。
【００４３】
冷却ルツボの内面に施されたＮｉ−Ｂ合金めっきの膜厚は、０．１〜２．０ｍｍとするのが好ましい。Ｎｉ−Ｂ合金めっきの膜厚が０．１ｍｍ未満であると、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが損傷して冷却ルツボの内面が露出する場合があり、鋳造されるインゴットと接触して汚染するおそれがある。一方、膜厚が２．０ｍｍを超えるＮｉ−Ｂ合金めっきを冷却ルツボの内面に施すのは困難であり、Ｎｉ−Ｂ合金めっきを施すのに要するコストが上昇して製造歩留りを悪化させる。
【実施例】
【００４４】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法の効果を確認するため、下記の試験を行った。
【００４５】
［試験条件］
本試験では、前記図４に示す連続鋳造装置を用い、ＥＭＣ法によりシリコンインゴットを連続鋳造した。この際、冷却ルツボ７として、前記図１に示すように、内面のうちの溶融シリコンの外面１３ａおよびシリコンインゴットの外面３ａと対向する部分７ｂに、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施された銅製の冷却ルツボを用いた。冷却ルツボの内面に施されたＮｉ−Ｂ合金めっきの膜厚は０．８ｍｍとした。インゴットのサイズは、引き下げ軸に垂直な断面の寸法を、縦２個、横３個の正方形ウェーハを切り出すことができる寸法とし、引き下げ長さを７０００ｍｍとした。
【００４６】
比較例１では、内面にコーティングまたはめっきが施されていない、銅製の冷却ルツボを用いた。比較例２では、内面に膜厚０．８ｍｍのシリコンコーティングが施された銅製の冷却ルツボを用いた。本発明例および比較例ともに、冷却ルツボは、上部を残して周方向で複数の短冊状の素片に分割され、隣接する素片の間隔が０．３ｍｍのものを用いた。
【００４７】
本発明例および比較例ともに、シリコンインゴットの引き下げ速度を１．６ｍｍ／ｍｉｎ、誘導コイルの平均周波数を３０ｋＨｚおよび誘導コイルの電力を３５０ｋＷとした。ここで、誘導コイルの平均周波数は、１本のインゴットを連続鋳造する際に誘導コイルで周波数を測定して出力し、それを平均したものである。
【００４８】
本発明例および比較例ともに、それぞれ一つの冷却ルツボを用いて複数本のインゴットを連続鋳造した。この際、１本のインゴットの連続鋳造が完了する都度、冷却ルツボの内面の性状を目視で観察するとともに、隣接する素片の間隔を測定した。冷却ルツボが有する素片と素片との間隔のうち、一部分でも隣接する素片の間隔が１．０ｍｍ以上となった時点で、同一の冷却ルツボによるインゴットの連続鋳造を終了した。
【００４９】
本発明例および比較例ともに、鋳造されたインゴットの不純物による汚染を評価するため、全てのインゴットの外面表層部におけるＣｕおよびＮｉ濃度を測定した。鋳造されたインゴットの外面から１０ｍｍの位置でインゴットを切断して鋳肌面を除去し、インゴットを分割して分割インゴットとした後、所定のインゴットからサンプル板を採取し、その後、サンプル板から試験片を切り出して行った。
【００５０】
図５は、シリコンインゴットから得られる試験片を示す模式図であり、同図（ａ）はシリコンインゴットを分割する位置を、同図（ｂ）はサンプル板から切り出された試験片の位置をそれぞれ示す。同図（ａ）に示すように、鋳肌面を除去したインゴット２０を引き下げ軸に平行な面において縦２個、横３個に分割し、引き下げ軸方向を長手方向とする６個の分割インゴット２１とした。本実施例では、斜線を付した位置の２個の分割インゴット２１を用い、ボトム側から１０００ｍｍ、３０００ｍｍおよび５０００ｍｍの位置から厚さ２ｍｍのサンプル板を採取した。
【００５１】
同図（ｂ）では、２個の分割インゴットから採取された２枚のサンプル板２２と、サンプル板から試験片として切り出される部分２３（ハッチングを施した部分）とを示す。また、２個の分割インゴットから採取された２枚のサンプル板２２のインゴットでの位置を示すため、インゴットの外面２０ａを二点鎖線で示す。同図（ｂ）に示すように、２個の分割インゴット２１から採取されたサンプル板２２において、インゴットの外面２０ａ側に位置するサンプル板の外周から一辺の長さが２０ｍｍの正方形状の試験片２３を切り出した。切り出された各試験片２３について全溶解解析を行い、ＣｕおよびＮｉ濃度を測定し、インゴットの外面表層部におけるＣｕおよびＮｉ濃度とした。
【００５２】
表１に、冷却ルツボの内面に施した処理、鋳造されたインゴットの本数、並びに、鋳造されたインゴットの外面表層部におけるＣｕおよびＮｉ濃度の最大値をそれぞれ示す。ここで、表１に示すＣｕおよびＮｉ濃度は、比較例１を基準（１．０）とした相対値である。また、インゴットの外面表層部におけるＣｕおよびＮｉ濃度の最大値は、得られた複数の試験片で測定された値の最大値である。
【００５３】
【表１】
【００５４】
［試験結果］
表１に示す結果から、内面に表面処理が施されていない銅製の冷却ルツボを用いた比較例１では、３本のインゴットの連続鋳造が完了した時点で、冷却ルツボが消耗して隣接する素片の間隔が一部で１．０ｍｍ以上となった。
【００５５】
内面にシリコンコーティングが施された銅製の冷却ルツボを用いた比較例２では、３本のインゴットの連続鋳造が完了した時点でシリコンコーティングの一部が剥離しているのが確認され、６本のインゴットの連続鋳造が完了した時点で、冷却ルツボが消耗して隣接する素片の間隔が一部で１．０ｍｍ以上となった。また、比較例２では、鋳造されたインゴットの外面表層部における不純物濃度の最大値は、比較例１を基準（１．０）とした場合にＣｕ濃度が０．４、Ｎｉ濃度が１．０であった。
【００５６】
内面にＮｉ−Ｂ合金めっきが施された銅製の冷却ルツボを用いた本発明例１では、２０本のインゴットの連続鋳造が完了した時点で、冷却ルツボが消耗して隣接する素片の間隔が一部で１．０ｍｍ以上となった。また、２０本のインゴットの連続鋳造が完了した時点で行った冷却ルツボの内面性状の観察では、Ｎｉ−Ｂ合金めっきの剥離は確認されなかった。
【００５７】
本発明例１では、鋳造されたインゴットの外面表層部におけるＣｕ濃度の最大値は０．１未満となり、比較例１および２と比べ、大きく低下した。したがって、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法により、鋳造されるインゴットが、シリコンコーティングが剥離して露出した冷却ルツボの内面と接触して不純物で汚染されるのを低減できることが確認できた。また、本発明例１では、鋳造されたインゴットの外面表層部におけるＮｉ濃度の最大値は１．０となり、比較例１および２と同程度であった。したがって、鋳造されたインゴットにおいて、Ｎｉ−Ｂ合金めっきによる汚染が発生しないことが確認できた。
【００５８】
これらから、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、内面にＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボを用いることにより、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できることが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、内面にＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボを用いることにより、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できる。
【００６０】
したがって、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を、太陽電池用ウェーハの製造に適用すれば、製造歩留りを向上できるとともに、太陽電池の品質向上に大きく寄与することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１：チャンバー、 ２：シャッター、 ３：シリコンインゴット、
３ａ：シリコンインゴットの外面、 ４：引出し口、 ５：不活性ガス導入口、
６：排気口、 ７：無底冷却ルツボ、 ７ａ：冷却ルツボの内面、
７ｂ：Ｎｉ−Ｂ合金めっき部、 ８：誘導コイル、 ９：アフターヒーター、
１１：原料導入管、 １２：シリコン原料、 １３：溶融シリコン、
１３ａ：溶融シリコンの外面、 １４：プラズマトーチ、 １５：支持台
２０：シリコンインゴット、 ２０ａ：シリコンインゴットの外面、
２１：分割シリコンインゴット、 ２２：サンプル板、 ２３：試験片
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用基板の素材であるシリコンインゴットの連続鋳造方法に関し、さらに詳しくは、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、無底の冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できるシリコンインゴットの連続鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2排出による地球温暖化問題やエネルギー資源の枯渇問題が深刻化しており、それらの問題の対応策の一つとして、無尽蔵に降りそそぐ太陽光エネルギーを活用する太陽光発電が注目されている。太陽光発電は、太陽電池を使用して太陽光エネルギーを直接電力に変換する発電方式であり、太陽電池の基板には、多結晶のシリコンウェーハを用いるのが主流である。
【０００３】
太陽電池用の多結晶シリコンウェーハは、一方向性凝固のシリコンインゴットを素材とし、このインゴットをスライスして製造される。このため、太陽電池の普及を図るには、シリコンウェーハの品質を確保するとともに、コストを低減する必要があり、その前段階で、高品質のシリコンインゴットを安価に製造することが要求される。
【０００４】
多結晶のシリコンインゴットに対する品質の要求では、特にシリコンインゴットに含有される不純物の濃度が重要となる。これは、シリコンインゴットから切り出された多結晶シリコンウェーハがＭｏやＦｅ、Ｃｕといった不純物で汚染されると、ウェーハを太陽電池として用いた際に光電変換効率を悪化させるからである。例えば非特許文献１では、多結晶シリコンウェーハにおける不純物濃度と光電変換効率との関係が示されている。
【０００５】
図２は、多結晶シリコンウェーハにおける不純物濃度と相対変換効率との関係を示す図である。同図は、非特許文献１、５３２頁に記載されるＦｉｇ３を引用したものであり、Ｐ型の多結晶シリコンウェーハを用いた太陽電池において、不純物であるＭｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃ、ＯおよびＡｌの濃度と相対変換効率の関係を示す。同図から、いずれの不純物もそれぞれ特定の濃度を超えると相対変換効率が低下することが確認される。
【０００６】
また、非特許文献２には、太陽電池用の単結晶シリコンウェーハに関するものであるが、不純物濃度と光電変換効率との関係が示されている。
【０００７】
図３は、単結晶シリコンウェーハにおける不純物濃度と相対変換効率との関係を示す図である。同図は、非特許文献２、１０５頁に記載される図２−４−１２を引用したものであり、Ｐ型の単結晶シリコンウェーハを用いた太陽電池において、不純物であるＴａ、Ｍｏ、Ｎｄ、Ｚｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、ＣｕおよびＰの濃度と相対変換効率の関係を示す。同図から、いずれの不純物もそれぞれ特定の濃度を超えると相対変換効率が低下することが確認される。
【０００８】
したがって、太陽電池用の多結晶シリコンウェーハでは、不純物による汚染を可能な限り低減することが望まれる。このため、多結晶シリコンウェーハの素材となるシリコンインゴットにおいて、不純物による汚染を可能な限り低減することが要求される。
【０００９】
これらのコストや品質の要求に対応できる方法として、電磁誘導を利用した連続鋳造方法であるＥＭＣ法（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃａｓｔｉｎｇ法、電磁鋳造法）が実用化されている。
【００１０】
図４は、従来のＥＭＣ法に用いられる連続鋳造装置（以下、単に「ＥＭＣ炉」ともいう。）の構成を示す模式図である。同図に示すように、ＥＭＣ炉はチャンバー１を備える。チャンバー１は、内部を外気から隔離し鋳造に適した不活性ガス雰囲気に維持する二重壁構造の水冷容器である。チャンバー１の上壁には、開閉可能なシャッター２を介し、図示しない原料供給装置が連結されている。チャンバー１は、上部の側壁に不活性ガス導入口５が設けられ、下部の側壁に排気口６が設けられている。
【００１１】
チャンバー１内には、無底の冷却ルツボ７、誘導コイル８およびアフターヒーター９が配置されている。無底の冷却ルツボ７は、融解容器としてのみならず、鋳型としても機能し、熱伝導性および電気伝導性に優れた金属（例えば、銅）製の角筒体で、チャンバー１内に吊り下げられている。この冷却ルツボ７は、軸方向の一部が、複数の短冊状の素片により、周方向で複数に分割される。また、冷却ルツボ７は、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。
【００１２】
誘導コイル８は、冷却ルツボ７を囲繞するように、冷却ルツボ７と同芯に周設され、図示しない電源装置に接続されている。アフターヒーター９は、冷却ルツボ７と同芯に、冷却ルツボ７の下方に複数連設され、冷却ルツボ７から引き下げられるシリコンインゴット３を加熱して、その軸方向に適切な温度勾配を与えつつ、長時間かけて室温まで冷却する。
【００１３】
また、チャンバー１内には、原料供給装置に連結されたシャッター２の下方に原料導入管１１が取り付けられている。シャッター２の開閉に伴って、粒状や塊状のシリコン原料１２が原料供給装置から原料導入管１１内に供給され、冷却ルツボ７内に装入される。
【００１４】
チャンバー１の底壁には、アフターヒーター９の下方に、インゴット３を抜き出すための引出し口４が設けられ、この引出し口４はガスでシールされている。インゴット３は、引出し口４を貫通して下降する支持台１５によって支えられながら引き下げられる。
【００１５】
冷却ルツボ７の真上には、プラズマトーチ１４が昇降可能に設けられている。プラズマトーチ１４は、図示しないプラズマ電源装置の一方の極に接続され、他方の極は、インゴット３側に接続されている。このプラズマトーチ１４は、下降させて冷却ルツボ７内に挿入された状態で使用される。
【００１６】
このようなＥＭＣ炉を用いたＥＭＣ法では、無底の冷却ルツボ７内にシリコン原料１２を装入し、誘導コイル８に交流電流を印加するとともに、下降させたプラズマトーチ１４に通電を行う。このとき、冷却ルツボ７を構成する短冊状の各素片が互いに電気的に分割されていることから、誘導コイル８による電磁誘導に伴って各素片内で渦電流が発生し、冷却ルツボ７の内壁の渦電流が冷却ルツボ７内に磁界を発生させる。これにより、冷却ルツボ７内のシリコン原料は電磁誘導加熱されて融解し、溶融シリコン１３が形成される。また、プラズマトーチ１４とシリコン原料、さらには溶融シリコン１３との間にプラズマアークが発生し、そのジュール熱によっても、シリコン原料が加熱されて融解し、電磁誘導加熱の負担を軽減して効率良く溶融シリコン１３が形成される。
【００１７】
溶融シリコン１３は、冷却ルツボの内面７ａの渦電流に伴って生じる磁界と、溶融シリコン１３の表面に発生する電流との相互作用により、溶融シリコンの外面１３ａの内側法線方向に力（ピンチ力、同図の黒塗り矢印参照）を受ける。このため、冷却ルツボの内面７ａと溶融シリコンの外面１３ａとは、非接触の状態に保持される。
【００１８】
無底の冷却ルツボ７内でシリコン原料１２を融解させながら、溶融シリコン１３を支える支持台１５を徐々に下降させると、誘導コイル８の下端から遠ざかるにつれて誘導磁界が小さくなることから、発熱量およびピンチ力が減少し、さらに冷却ルツボ７からの冷却により、溶融シリコンの外面１３ａおよびインゴットの外面３ａから凝固が進行する。そして、支持台１５の下降に伴ってシリコン原料１２を連続的に装入し、融解および凝固を継続することにより、溶融シリコン１３が一方向に凝固し、インゴット３を連続して鋳造することができる。
【００１９】
このようなＥＭＣ法によれば、溶融シリコンの外面１３ａと無底の冷却ルツボの内面７ａとの接触が軽減されるため、その接触に伴う冷却ルツボ７からの不純物の汚染が防止され、高品質のインゴット３を得ることができる。しかも、連続鋳造であることから、安価に一方向凝固されたインゴット３を製造することが可能になる。
【００２０】
しかし、ＥＭＣ法によりシリコンインゴット連続鋳造する際の冷却ルツボとインゴットの間隔は非常に小さく、引き下げ軸に垂直な断面において、鋳造されたインゴットの寸法と冷却ルツボの内面寸法はほぼ同じである。このため、支持台を引き下げる昇降装置の精度に起因し、支持台に支えられたインゴットの外面が冷却ルツボの内面と局所的に接触して不純物が付着する場合がある。この場合、付着した不純物は、アフターヒーターを用いた冷却過程でインゴットの外面から内部に拡散してインゴットを汚染する。
【００２１】
また、鋳造されるインゴットと冷却ルツボが局所的に接触すると、冷却ルツボの内面が損傷し、一つの冷却ルツボで連続鋳造することができるインゴットの本数が減少し、すなわち、冷却ルツボの寿命が縮まるという問題もある。
【００２２】
このように鋳造されるインゴットと冷却ルツボとが局所的に接触することにより、インゴットが不純物で汚染されるとともに、冷却ルツボが損傷する問題に関し、従来から種々の提案がなされており、例えば特許文献１がある。特許文献１では、内面にシリコンコーティングが施された冷却ルツボを用いるインゴットの連続鋳造方法が提案されている。特許文献１では、冷却ルツボの内面にシリコンコーティングが施されることから、インゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボが損傷するのを軽減できるとしている。
【００２３】
しかし、シリコンインゴットを連続鋳造する際、冷却ルツボの内面に施されたシリコンコーティングは、溶融シリコンに作用するピンチ力を減少させるとともに、誘導加熱の表皮効果によって高温となる。このため、溶融シリコンがシリコンコーティングと局所的に接触するのが多発するとともに、接触した際にシリコンコーティングが溶融シリコンに融着する。その結果、冷却ルツボの内面に施されたシリコンコーティングは部分的に剥離し易い。
【００２４】
また、シリコンコーティングが施された冷却ルツボを複数本のインゴットの連続鋳造に用いると、３本目以降のインゴットの連続鋳造では、鋳造されるインゴットが、シリコンコーティングが剥離して露出した冷却ルツボの内面と接触して不純物で汚染される場合がある。このため、従来のシリコンインゴットを連続鋳造方法では、冷却ルツボからの不純物によりインゴットが汚染されるのをさらに低減するとともに、冷却ルツボが損傷するのをさらに軽減したいという要望がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２５】
【非特許文献１】Ｒｅｖｕｅ Ｐｈｙｓ， Ａｐｐｌ．２２（１９８７）、Ｊ．Ｆａｌｌｙ，Ｅ．Ｆａｂｒｅ，Ｂ．Ｃｈａｂｏｔ著、５３２頁、Ｆｉｇ．３
【非特許文献２】太陽光発電光学、山田興一，小宮山宏著、日経ＢＰ社（２００２年１０月７日初版発行）、８５頁、図２−４−１２
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開平１０−１０１３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
ＥＭＣ法によるシリコンインゴットの連続鋳造方法では、前述のとおり、鋳造されるインゴットと冷却ルツボとが局所的に接触することにより、インゴットが不純物で汚染されるとともに、冷却ルツボが損傷する問題がある。前掲の特許文献１で提案されるシリコンインゴットの連続鋳造方法では、冷却ルツボの内面に施されたシリコンコーティングが部分的に剥離し易い。このため、複数本のインゴットの連続鋳造に用いると、鋳造されるインゴットが、シリコンコーティングが剥離して露出した冷却ルツボの内面と接触して不純物で汚染される場合がある。
【００２８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、鋳造されるインゴットと冷却ルツボとが局所的に接触し、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できるシリコンインゴットの連続鋳造方法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】
【００２９】
本発明者らは、上記課題を解決するため、種々の試験を行い、鋭意検討を重ねた結果、ＥＭＣ法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際、冷却ルツボとして、その内面にＮｉ−Ｂ合金めっきが施されたものを用いることにより、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できることを知見した。
【００３０】
本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであり、下記のシリコンインゴットの連続鋳造方法を要旨としている。
【００３１】
軸方向の一部が周方向で複数に分割された無底の冷却ルツボを誘導コイル内に配置し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により、前記冷却ルツボ内に溶融シリコンを形成し、前記冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する方法において、前記冷却ルツボとして、その内面のうちの前記溶融シリコンの外面および前記シリコンインゴットの外面と対向する部分に、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施されたものを用いることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、内面にＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボを用いることから、鋳造されるインゴットと冷却ルツボとが局所的に接触し、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を説明する模式図である。
【図２】多結晶シリコンウェーハにおける不純物濃度と相対変換効率との関係を示す図である。
【図３】単結晶シリコンウェーハにおける不純物濃度と相対変換効率との関係を示す図である。
【図４】従来の電磁鋳造法に用いられる連続鋳造装置の構成を示す模式図である。
【図５】シリコンインゴットから得られる試験片を示す模式図であり、同図（ａ）はシリコンインゴットを分割する位置を、同図（ｂ）はサンプル板から切り出された試験片の位置をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を図面に基づいて説明する。
【００３５】
図１は、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を説明する模式図である。同図では、ＥＭＣ炉が備える無底の冷却ルツボ７および誘導コイル８と、溶融シリコン１３と、鋳造されるインゴット３とを示す。同図では、冷却ルツボの内面のうち、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施される部分７ｂを、クロスハッチングを施して模式的に示す。
【００３６】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、軸方向の一部が周方向で複数に分割された無底の冷却ルツボ７を誘導コイル８内に配置し、誘導コイル８による電磁誘導加熱により、冷却ルツボ７内に溶融シリコン１３を形成し、冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する方法において、冷却ルツボ７として、その内面のうちの溶融シリコンの外面１３ａおよびシリコンインゴットの外面３ａと対向する部分７ｂに、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施されたものを用いることを特徴とする。
【００３７】
冷却ルツボの内面にＮｉ−Ｂ合金めっきを施す場合、鋳造されるインゴットとＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボの内面とが局所的に接触し、鋳造されたインゴットがＮｉおよびＢで汚染される懸念がある。ここで、Ｎｉ−Ｂ合金めっきは、冷却ルツボに多用される銅より高硬度かつ高融点である。このため、鋳造されるインゴットとＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボの内面とが局所的に接触した場合、インゴットの外面にＮｉ−Ｂ合金めっきは、ほとんど付着しない。
【００３８】
その結果、後述する実施例に示すように、鋳造されたインゴットにおけるＮｉ濃度は、従来法で鋳造されたインゴットと同程度となり、インゴットがＮｉで汚染される懸念は払拭できる。また、Ｂはドーパントとして添加される元素であることから、Ｂ濃度が鋳造されたインゴットから切り出されたウェーハにおける光電変換効率に与える影響は、不純物に比べて小さい。このため、鋳造されたインゴットにおいてＢ濃度が僅かに増加しても、鋳造されたインゴットおよび切り出されたウェーハの品質を同程度に維持することができる。
【００３９】
また、Ｎｉ−Ｂ合金めっきは、冷却ルツボで多用される銅より高硬度かつ高融点であることから、冷却ルツボの内面にＮｉ−Ｂ合金めっきを施すことにより、鋳造されるインゴットとＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボ内面とが局所的に接触した場合、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できる。このため、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、一つの冷却ルツボで鋳造が可能なインゴットの本数を増加させる、すなわち、冷却ルツボの寿命を延ばすことができる。
【００４０】
さらに、Ｎｉ−Ｂ合金めっきは、シリコンコーティングに比べて冷却ルツボに対する付着性が優れることから、冷却ルツボの内面に施されたＮｉ−Ｂ合金めっきが剥離するのを抑制できる。このため、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボを複数本のインゴットの連続鋳造に用いた場合に、鋳造されるインゴットが露出した冷却ルツボの内面と接触して不純物で汚染されるのを抑制できる。
【００４１】
前述のとおり、溶融シリコンの外面またはインゴットの外面と冷却ルツボの内面とは、その間隔が非常に小さいことから、局所的に接触するおそれがある。ここで、通常、シリコンインゴットの連続鋳造では、シリコン原料の装入量等を調整することにより、溶融シリコンの上面が、冷却ルツボの上面から所定の深さに位置するように制御しつつ連続鋳造を行う。このため、冷却ルツボの内面において、上面から所定の深さまでの部分は、溶融シリコンまたはインゴットと接触する可能性が低い。
【００４２】
したがって、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法では、前記図１に示すように、Ｎｉ−Ｂ合金めっきは、冷却ルツボの内面７ａのうち、溶融シリコンの外面１３ａおよびシリコンインゴットの外面３ａと対向する部分７ｂに施す。また、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、冷却ルツボの内面の全面にＮｉ−Ｂ合金めっきを施すことを妨げない。
【００４３】
冷却ルツボの内面に施されたＮｉ−Ｂ合金めっきの膜厚は、０．１〜２．０ｍｍとするのが好ましい。Ｎｉ−Ｂ合金めっきの膜厚が０．１ｍｍ未満であると、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが損傷して冷却ルツボの内面が露出する場合があり、鋳造されるインゴットと接触して汚染するおそれがある。一方、膜厚が２．０ｍｍを超えるＮｉ−Ｂ合金めっきを冷却ルツボの内面に施すのは困難であり、Ｎｉ−Ｂ合金めっきを施すのに要するコストが上昇して製造歩留りを悪化させる。
【実施例】
【００４４】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法の効果を確認するため、下記の試験を行った。
【００４５】
［試験条件］
本試験では、前記図４に示す連続鋳造装置を用い、ＥＭＣ法によりシリコンインゴットを連続鋳造した。この際、冷却ルツボ７として、前記図１に示すように、内面のうちの溶融シリコンの外面１３ａおよびシリコンインゴットの外面３ａと対向する部分７ｂに、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施された銅製の冷却ルツボを用いた。冷却ルツボの内面に施されたＮｉ−Ｂ合金めっきの膜厚は０．８ｍｍとした。インゴットのサイズは、引き下げ軸に垂直な断面の寸法を、縦２個、横３個の正方形ウェーハを切り出すことができる寸法とし、引き下げ長さを７０００ｍｍとした。
【００４６】
比較例１では、内面にコーティングまたはめっきが施されていない、銅製の冷却ルツボを用いた。比較例２では、内面に膜厚０．８ｍｍのシリコンコーティングが施された銅製の冷却ルツボを用いた。本発明例および比較例ともに、冷却ルツボは、上部を残して周方向で複数の短冊状の素片に分割され、隣接する素片の間隔が０．３ｍｍのものを用いた。
【００４７】
本発明例および比較例ともに、シリコンインゴットの引き下げ速度を１．６ｍｍ／ｍｉｎ、誘導コイルの平均周波数を３０ｋＨｚおよび誘導コイルの電力を３５０ｋＷとした。ここで、誘導コイルの平均周波数は、１本のインゴットを連続鋳造する際に誘導コイルで周波数を測定して出力し、それを平均したものである。
【００４８】
本発明例および比較例ともに、それぞれ一つの冷却ルツボを用いて複数本のインゴットを連続鋳造した。この際、１本のインゴットの連続鋳造が完了する都度、冷却ルツボの内面の性状を目視で観察するとともに、隣接する素片の間隔を測定した。冷却ルツボが有する素片と素片との間隔のうち、一部分でも隣接する素片の間隔が１．０ｍｍ以上となった時点で、同一の冷却ルツボによるインゴットの連続鋳造を終了した。
【００４９】
本発明例および比較例ともに、鋳造されたインゴットの不純物による汚染を評価するため、全てのインゴットの外面表層部におけるＣｕおよびＮｉ濃度を測定した。鋳造されたインゴットの外面から１０ｍｍの位置でインゴットを切断して鋳肌面を除去し、インゴットを分割して分割インゴットとした後、所定のインゴットからサンプル板を採取し、その後、サンプル板から試験片を切り出して行った。
【００５０】
図５は、シリコンインゴットから得られる試験片を示す模式図であり、同図（ａ）はシリコンインゴットを分割する位置を、同図（ｂ）はサンプル板から切り出された試験片の位置をそれぞれ示す。同図（ａ）に示すように、鋳肌面を除去したインゴット２０を引き下げ軸に平行な面において縦２個、横３個に分割し、引き下げ軸方向を長手方向とする６個の分割インゴット２１とした。本実施例では、斜線を付した位置の２個の分割インゴット２１を用い、ボトム側から１０００ｍｍ、３０００ｍｍおよび５０００ｍｍの位置から厚さ２ｍｍのサンプル板を採取した。
【００５１】
同図（ｂ）では、２個の分割インゴットから採取された２枚のサンプル板２２と、サンプル板から試験片として切り出される部分２３（ハッチングを施した部分）とを示す。また、２個の分割インゴットから採取された２枚のサンプル板２２のインゴットでの位置を示すため、インゴットの外面２０ａを二点鎖線で示す。同図（ｂ）に示すように、２個の分割インゴット２１から採取されたサンプル板２２において、インゴットの外面２０ａ側に位置するサンプル板の外周から一辺の長さが２０ｍｍの正方形状の試験片２３を切り出した。切り出された各試験片２３について全溶解解析を行い、ＣｕおよびＮｉ濃度を測定し、インゴットの外面表層部におけるＣｕおよびＮｉ濃度とした。
【００５２】
表１に、冷却ルツボの内面に施した処理、鋳造されたインゴットの本数、並びに、鋳造されたインゴットの外面表層部におけるＣｕおよびＮｉ濃度の最大値をそれぞれ示す。ここで、表１に示すＣｕおよびＮｉ濃度は、比較例１を基準（１．０）とした相対値である。また、インゴットの外面表層部におけるＣｕおよびＮｉ濃度の最大値は、得られた複数の試験片で測定された値の最大値である。
【００５３】
【表１】
【００５４】
［試験結果］
表１に示す結果から、内面に表面処理が施されていない銅製の冷却ルツボを用いた比較例１では、３本のインゴットの連続鋳造が完了した時点で、冷却ルツボが消耗して隣接する素片の間隔が一部で１．０ｍｍ以上となった。
【００５５】
内面にシリコンコーティングが施された銅製の冷却ルツボを用いた比較例２では、３本のインゴットの連続鋳造が完了した時点でシリコンコーティングの一部が剥離しているのが確認され、６本のインゴットの連続鋳造が完了した時点で、冷却ルツボが消耗して隣接する素片の間隔が一部で１．０ｍｍ以上となった。また、比較例２では、鋳造されたインゴットの外面表層部における不純物濃度の最大値は、比較例１を基準（１．０）とした場合にＣｕ濃度が０．４、Ｎｉ濃度が１．０であった。
【００５６】
内面にＮｉ−Ｂ合金めっきが施された銅製の冷却ルツボを用いた本発明例１では、２０本のインゴットの連続鋳造が完了した時点で、冷却ルツボが消耗して隣接する素片の間隔が一部で１．０ｍｍ以上となった。また、２０本のインゴットの連続鋳造が完了した時点で行った冷却ルツボの内面性状の観察では、Ｎｉ−Ｂ合金めっきの剥離は確認されなかった。
【００５７】
本発明例１では、鋳造されたインゴットの外面表層部におけるＣｕ濃度の最大値は０．１未満となり、比較例１および２と比べ、大きく低下した。したがって、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法により、鋳造されるインゴットが、シリコンコーティングが剥離して露出した冷却ルツボの内面と接触して不純物で汚染されるのを低減できることが確認できた。また、本発明例１では、鋳造されたインゴットの外面表層部におけるＮｉ濃度の最大値は１．０となり、比較例１および２と同程度であった。したがって、鋳造されたインゴットにおいて、Ｎｉ−Ｂ合金めっきによる汚染が発生しないことが確認できた。
【００５８】
これらから、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、内面にＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボを用いることにより、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できることが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、内面にＮｉ−Ｂ合金めっきが施された冷却ルツボを用いることにより、鋳造されたインゴットが不純物で汚染されるのを低減できるとともに、冷却ルツボの内面が損傷するのを軽減できる。
【００６０】
したがって、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を、太陽電池用ウェーハの製造に適用すれば、製造歩留りを向上できるとともに、太陽電池の品質向上に大きく寄与することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１：チャンバー、 ２：シャッター、 ３：シリコンインゴット、
３ａ：シリコンインゴットの外面、 ４：引出し口、 ５：不活性ガス導入口、
６：排気口、 ７：無底冷却ルツボ、 ７ａ：冷却ルツボの内面、
７ｂ：Ｎｉ−Ｂ合金めっき部、 ８：誘導コイル、 ９：アフターヒーター、
１１：原料導入管、 １２：シリコン原料、 １３：溶融シリコン、
１３ａ：溶融シリコンの外面、 １４：プラズマトーチ、 １５：支持台
２０：シリコンインゴット、 ２０ａ：シリコンインゴットの外面、
２１：分割シリコンインゴット、 ２２：サンプル板、 ２３：試験片
【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無底の冷却ルツボを誘導コイル内に配置し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により、前記冷却ルツボ内に溶融シリコンを形成し、前記冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する方法において、前記冷却ルツボとして、その内面のうちの前記溶融シリコンの外面および前記シリコンインゴットの外面と対向する部分に、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施されたものを用いることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。
【請求項１】
軸方向の一部が周方向で複数に分割された無底の冷却ルツボを誘導コイル内に配置し、前記誘導コイルによる電磁誘導加熱により、前記冷却ルツボ内に溶融シリコンを形成し、前記冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する方法において、前記冷却ルツボとして、その内面のうちの前記溶融シリコンの外面および前記シリコンインゴットの外面と対向する部分に、Ｎｉ−Ｂ合金めっきが施されたものを用いることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−５１７６６（Ｐ２０１２−５１７６６Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９６４６２（Ｐ２０１０−１９６４６２）
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
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