シリコンインゴットの電磁鋳造装置
【課題】Ｓｉヒュームが発生した場合であっても、冷却ルツボの直下でインゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視できるシリコンインゴットの電磁鋳造装置を提供する。
【解決手段】チャンバー１内に配置した無底冷却ルツボ７にシリコン原料１１を投入し、ルツボ７を囲繞する誘導コイル８からの電磁誘導加熱により原料１１を溶解させ、この溶融シリコン１２をルツボ７から引き下げながら凝固させてインゴット３を連続鋳造する電磁鋳造装置において、チャンバー１の側壁に監視窓１５を設け、監視窓１５とルツボ７の直下におけるインゴット３の鋳肌表面近傍との間にわたり耐熱管１７を設け、耐熱管１７のインゴット３側の端面が耐熱板１８で閉塞されており、監視窓１５の外部の放射温度計１６により耐熱管１７内を通して耐熱板１８の温度を測定し、この温度に基づいてインゴット３の鋳肌表面温度の変動を監視する。
【解決手段】チャンバー１内に配置した無底冷却ルツボ７にシリコン原料１１を投入し、ルツボ７を囲繞する誘導コイル８からの電磁誘導加熱により原料１１を溶解させ、この溶融シリコン１２をルツボ７から引き下げながら凝固させてインゴット３を連続鋳造する電磁鋳造装置において、チャンバー１の側壁に監視窓１５を設け、監視窓１５とルツボ７の直下におけるインゴット３の鋳肌表面近傍との間にわたり耐熱管１７を設け、耐熱管１７のインゴット３側の端面が耐熱板１８で閉塞されており、監視窓１５の外部の放射温度計１６により耐熱管１７内を通して耐熱板１８の温度を測定し、この温度に基づいてインゴット３の鋳肌表面温度の変動を監視する。
【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を連続鋳造するための電磁鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。そ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。従って、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るため、その前段階で、シリコンインゴットを高品質で安価に製造することが要求される。この要求に対応できる方法として、例えば、特許文献１に開示されるように、電磁誘導を利用した連続鋳造方法（以下、「電磁鋳造法」ともいう）が実用化されている。
【０００３】
図４は、電磁鋳造法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、電磁鋳造装置はチャンバー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、開閉可能な原料供給シャッター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。
【０００４】
チャンバー１内には、無底冷却ルツボ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。冷却ルツボ７は、溶解容器としてのみならず、鋳型としても機能し、熱伝導性および導電性に優れた金属（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、上部と下部を残して縦方向に図示しないスリットが複数形成され、このスリットにより周方向で複数の短冊状の素片に分割されており、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。
【０００５】
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の下方に冷却ルツボ７と同芯に複数連設され、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る。
【０００６】
また、チャンバー１内には、原料供給シャッター２の下方に原料導入管１０が配設されている。原料供給シャッター２の開閉に伴って、粒状や塊状のシリコン原料１１が原料供給装置から原料導入管１０に供給され、原料導入管１０を通じて冷却ルツボ７内に投入される。
【０００７】
チャンバー１の底壁には、アフターヒーター９の真下に、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１４によって支えられながら引き下げられる。
【０００８】
冷却ルツボ７の真上には、プラズマトーチ１３が昇降可能に設けられている。プラズマトーチ１３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１３は、下降により冷却ルツボ７の上部に挿入される。
【０００９】
このような電磁鋳造装置を用いた電磁鋳造法では、冷却ルツボ７にシリコン原料１１を投入し、誘導コイル８に交流電流を印加するとともに、冷却ルツボ７の上部に挿入したプラズマトーチ１３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の内壁側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１１は電磁誘導加熱されて溶解し、溶融シリコン１２が形成される。
【００１０】
また、プラズマトーチ１３とシリコン原料１１、さらには溶融シリコン１２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１１が加熱されて溶解し、電磁誘導加熱の負担を軽減して効率良く溶融シリコン１２が形成される。
【００１１】
溶融シリコン１２は、冷却ルツボ７の内壁の渦電流に伴って生じる磁界と、溶融シリコン１２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１２の表面の内側法線方向に力（ピンチ力）を受けるため、冷却ルツボ７と非接触の状態に保持される。冷却ルツボ７内でシリコン原料１１を溶解させながら、溶融シリコン１２を支える支持台１４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１２は外周部から凝固が進行する。そして、支持台１４の下降に伴ってシリコン原料１１を冷却ルツボ７内に逐次投入し、溶解および凝固を継続することにより、溶融シリコン１２が一方向に凝固し、インゴット３を連続鋳造することができる。
【００１２】
鋳造中、チャンバー１内を不活性ガス雰囲気に維持するため、チャンバー１の上部の不活性ガス導入口５から不活性ガスが逐次供給され、チャンバー１内の不活性ガスは、チャンバー１の下部側壁の排気口６から逐次排出される。このとき、プラズマトーチ１３からのプラズマアークにより溶融シリコン１２からＳｉ（シリコン）が激しく蒸発しており、このＳｉ蒸気はチャンバー１内で凝集してＳｉヒュームとなり、不活性ガスとともに排気口６から排出される。
【００１３】
このような電磁鋳造装置によれば、溶融シリコン１２と冷却ルツボ７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、安価にインゴット３を製造することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ０２／０５３４９６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
通常、電磁鋳造法では、インゴット３の鋳肌表面の温度を冷却ルツボ７の直下で監視し、その鋳肌表面温度の変動に応じて誘導コイル８に印加する電流の設定値を調整する操業が行われる。このため、上述した従来の電磁鋳造装置では、前記図４に示すように、チャンバー１の側壁に透明なガラス板が嵌め込まれた監視窓１５を設置し、この監視窓１５の外部に放射温度計１６が配設されている。放射温度計１６は、冷却ルツボ７の直下におけるインゴット３の鋳肌表面の温度を直接測定し、これにより、インゴット３の鋳肌表面の温度変動を監視する。
【００１６】
しかし、従来の電磁鋳造装置では、鋳造中、プラズマトーチ１３に通電しプラズマアーク加熱を併用した原料溶解に伴って、チャンバー１内にＳｉヒュームが著しく発生し、前記図４に示すように、監視窓１５と冷却ルツボ７の直下のインゴット３との間にＳｉヒュームＦが不規則に浮遊する状態となる。このため、インゴット３の鋳肌表面の実体温度が一定であっても、浮遊するＳｉヒュームＦの量によって、インゴット３の鋳肌表面から放射温度計１６に到達する放射熱エネルギーが変化し、これに伴って放射温度計１６による測定温度が変化する事態が生じる。すなわち、インゴット３の鋳肌表面の実体温度と放射温度計１６による測定温度との差（以下、「計測誤差」という）が一定とならない。その結果、インゴット３の鋳肌表面の温度変動を正確に監視することができない。
【００１７】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、プラズマトーチによるプラズマアーク加熱を併用した原料溶解に伴って、チャンバー内にＳｉヒュームが発生した場合であっても、計測誤差を一定とし、冷却ルツボの直下でインゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することができるシリコンインゴットの電磁鋳造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。監視窓と冷却ルツボの直下のインゴットとの間にＳｉヒュームが不規則に浮遊する状態であっても、計測誤差を一定とするには、監視窓とインゴットの鋳肌表面近傍との間にわたり耐熱管を設け、この耐熱管のインゴット側の端面を耐熱板で閉塞し、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定するのが有効である。耐熱板はインゴットの鋳肌表面からの輻射熱を逐次吸収し、その輻射熱に応じて赤熱するため、耐熱板の温度はインゴットの鋳肌表面温度を逐次反映したものとなり、また、耐熱板によって閉塞された耐熱管内は、温度測定の障害となるＳｉヒュームの進入が阻止されているからである。
【００１９】
本発明は、上記の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記に示すシリコンインゴットの電磁鋳造装置にある。すなわち、チャンバー内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボにシリコン原料を投入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱によりシリコン原料を溶解させ、この溶融シリコンを無底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電磁鋳造装置において、チャンバーの側壁に監視窓を設け、この監視窓と無底冷却ルツボの直下におけるシリコンインゴットの鋳肌表面近傍との間にわたり耐熱管を設け、この耐熱管のシリコンインゴット側の端面が耐熱板で閉塞されており、監視窓の外部に配置した放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定し、測定した耐熱板の温度に基づいてシリコンインゴットの鋳肌表面温度の変動を監視することを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造装置である。
【００２０】
上記の電磁鋳造装置では、前記耐熱板が石英で構成されることが好ましい。この場合、前記耐熱板が不透明であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置によれば、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、監視窓と冷却ルツボの直下のインゴットとの間にＳｉヒュームが不規則に浮遊する状態であっても、耐熱板によって閉塞された耐熱管内には、Ｓｉヒュームの進入が阻止されてＳｉヒュームが存在することなく、また、耐熱板がインゴットの鋳肌表面からの輻射熱により赤熱して、インゴットの鋳肌表面温度を逐次反映した温度となるため、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定すれば、計測誤差を一定とすることができ、その放射温度計から逐次出力される温度データに基づいて、インゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】実施例１の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。
【図３】実施例２の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。
【図４】電磁鋳造法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置について、その実施形態を詳述する。
【００２４】
図１は、本発明の電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示す本発明の電磁鋳造装置は、前記図４に示す電磁鋳造装置の構成を基本とし、それと同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
【００２５】
図１に示すように、本発明の電磁鋳造装置は、チャンバー１の側壁に設置された監視窓１５と、冷却ルツボ７の直下におけるインゴット３の鋳肌表面近傍との間にわたり、耐熱管１７が設けられている。この耐熱管１７は、インゴット３側の端面が耐熱板１８で閉塞され、その反対の監視窓１５側の端面が開放されている。
【００２６】
また、監視窓１５の外部には、耐熱管１７の延長線上に放射温度計１６が配設されている。放射温度計１６は、電磁鋳造装置の操業条件を制御する図示しない制御部に接続されている。この制御部は、放射温度計１６から逐次出力される温度データに基づいて、インゴット３の鋳肌表面の温度変動を監視し、誘導コイル８に印加する電流の設定値を調整する。
【００２７】
耐熱板１８は、耐熱性に加え、近接するインゴット３の鋳肌表面から輻射熱を逐次吸収し、その輻射熱に応じて赤熱する特性が必要であり、透明石英、不透明石英、カーボン、ＰＮＢ（熱分解窒化ホウ素）、アルミナなどのセラミックスを採用することができる。その中でも透明石英または不透明石英を採用した耐熱板１８は、輻射率が高く、しかも、インゴット３への不純物汚染の心配もないことから、好適である。特に、不透明石英は、透明石英と比較して、輻射率がより高く、耐熱性も優れることから、耐熱板１８として最も適している。
【００２８】
耐熱管１７は、耐熱性を有する限り材質の限定はないが、上記した耐熱板１８と同様の材質を採用することが好ましい。また、耐熱管１７と耐熱板１８は、一体で成形したものであってもよいし、個別に成形して組み合わせたものでも構わない。
【００２９】
耐熱管１７のインゴット３側の端面、すなわち耐熱板１８と、インゴット３の鋳肌表面との隙間は、１０〜３０ｍｍ程度が好ましい。この隙間は、小さ過ぎると、耐熱板１８がインゴット３と接触するおそれがあり、大き過ぎると、インゴット３の鋳肌表面から耐熱板１８への輻射熱の吸収時間遅れが著しくなるからである。
【００３０】
耐熱管１７の監視窓１５側の端面と、監視窓１５との隙間は、２０〜５０ｍｍ程度が好ましい。この隙間は、両者が接触することにより無くても構わないが、大き過ぎると、その隙間に温度測定の障害となるＳｉヒュームＦが進入するからである。
【００３１】
このような構成の電磁鋳造装置によれば、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、耐熱板はインゴットの鋳肌表面からの輻射熱を逐次吸収し、その輻射熱に応じて赤熱するため、耐熱板の温度はインゴットの鋳肌表面温度を逐次反映したものとなる。このとき、プラズマトーチによるプラズマアーク加熱を併用した原料溶解に伴って、チャンバー内にＳｉヒュームが発生し、監視窓と冷却ルツボの直下のインゴットとの間にＳｉヒュームが不規則に浮遊する状態であっても、耐熱板によって閉塞された耐熱管内には、Ｓｉヒュームの進入が阻止されてＳｉヒュームが存在しないため、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定すれば、計測誤差を一定とすることができる。その結果、放射温度計から逐次出力される温度データに基づいて、インゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することが可能になる。
【実施例】
【００３２】
本発明の電磁鋳造装置による効果を確認するため、一辺が３４５ｍｍの正方形断面で全長が４０００ｍｍのシリコンインゴットを連続鋳造する試験を行った。この試験では、インゴットを間に挟むチャンバーの両側壁に、それぞれ監視窓を設置するとともに、各監視窓の外部に放射温度計を配置した電磁鋳造装置を用い、一方の監視窓の内側には、前記図１に示すように耐熱管１７を設け、他方の監視窓の内側には、前記図４に示すように何も設けなかった。
【００３３】
（実施例１）
実施例１の試験では、耐熱管のインゴット側の端面に耐熱板として不透明な石英板を取り付けて、インゴットを連続鋳造した。その際に、インゴットの鋳造長さに応じ、本発明例として耐熱管を配置した側の放射温度計による測定温度、および比較例として耐熱管を配置していない側の放射温度計による測定温度、ならびに誘導コイルへの印加電力を調査した。
【００３４】
図２は、実施例１の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。同図では、冷却ルツボへのシリコン原料の投入を止めた鋳造終盤の状況であって、プラズマトーチへの通電を非通電に切り替え、プラズマアーク加熱による原料溶解の停止前後の状況を示している。
【００３５】
同図に示すように、誘導コイルへの印加電力が概ね一定であるにもかかわらず、比較例では、測定温度が大きく変動し、特に、プラズマアーク加熱による原料溶解を停止させたとき、Ｓｉヒュームの発生が収まるのに伴って、測定温度が１００℃以上急激に上昇した。一方、本発明例では、誘導コイルへの印加電力と同様の傾向で、測定温度が概ね一定となった。
【００３６】
（実施例２）
実施例２の試験では、耐熱管のインゴット側の端面に耐熱板として透明な石英板を取り付けて、インゴットを連続鋳造した。その際に、上記実施例１の試験と同様に、インゴットの鋳造長さに応じ、本発明例として耐熱管を配置した側の放射温度計による測定温度、および比較例として耐熱管を配置していない側の放射温度計による測定温度、ならびに誘導コイルへの印加電力を調査した。
【００３７】
図３は、実施例２の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。同図では、冷却ルツボへのシリコン原料の投入を逐次行う鋳造中盤の状況であって、プラズマトーチに通電し、プラズマアーク加熱による原料溶解を継続的に行っている状況を示している。
【００３８】
同図に示すように、誘導コイルへの印加電力が一定であるにもかかわらず、比較例では、測定温度が大きく変動した。一方、本発明例では、誘導コイルへの印加電力と同様の傾向で、測定温度が概ね一定となり、その変動も極めて小さかった。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置によれば、耐熱板によって閉塞された耐熱管内には、Ｓｉヒュームの進入が阻止されてＳｉヒュームが存在することなく、また、耐熱板がインゴットの鋳肌表面からの輻射熱により赤熱して、インゴットの鋳肌表面温度を逐次反映した温度となるため、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定すれば、計測誤差を一定とすることができ、インゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することが可能になる。したがって、本発明の電磁鋳造装置は、インゴットの鋳肌表面温度の変動に応じて誘導コイルに印加する電流の設定値を精度よく調整できる点で極めて有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１：チャンバー、 ２：原料供給シャッター、 ３：シリコンインゴット、
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、 ８：誘導コイル、 ９：アフターヒーター、
１０：原料導入管、 １１：シリコン原料、 １２：溶融シリコン、
１３：プラズマトーチ、 １４：支持台、 １５：監視窓、
１６：放射温度計、 １７：耐熱管、 １８：耐熱板、 Ｆ：Ｓｉヒューム
【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を連続鋳造するための電磁鋳造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。そ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。従って、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るため、その前段階で、シリコンインゴットを高品質で安価に製造することが要求される。この要求に対応できる方法として、例えば、特許文献１に開示されるように、電磁誘導を利用した連続鋳造方法（以下、「電磁鋳造法」ともいう）が実用化されている。
【０００３】
図４は、電磁鋳造法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、電磁鋳造装置はチャンバー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、開閉可能な原料供給シャッター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。
【０００４】
チャンバー１内には、無底冷却ルツボ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。冷却ルツボ７は、溶解容器としてのみならず、鋳型としても機能し、熱伝導性および導電性に優れた金属（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、上部と下部を残して縦方向に図示しないスリットが複数形成され、このスリットにより周方向で複数の短冊状の素片に分割されており、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。
【０００５】
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の下方に冷却ルツボ７と同芯に複数連設され、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る。
【０００６】
また、チャンバー１内には、原料供給シャッター２の下方に原料導入管１０が配設されている。原料供給シャッター２の開閉に伴って、粒状や塊状のシリコン原料１１が原料供給装置から原料導入管１０に供給され、原料導入管１０を通じて冷却ルツボ７内に投入される。
【０００７】
チャンバー１の底壁には、アフターヒーター９の真下に、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１４によって支えられながら引き下げられる。
【０００８】
冷却ルツボ７の真上には、プラズマトーチ１３が昇降可能に設けられている。プラズマトーチ１３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１３は、下降により冷却ルツボ７の上部に挿入される。
【０００９】
このような電磁鋳造装置を用いた電磁鋳造法では、冷却ルツボ７にシリコン原料１１を投入し、誘導コイル８に交流電流を印加するとともに、冷却ルツボ７の上部に挿入したプラズマトーチ１３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の内壁側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１１は電磁誘導加熱されて溶解し、溶融シリコン１２が形成される。
【００１０】
また、プラズマトーチ１３とシリコン原料１１、さらには溶融シリコン１２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１１が加熱されて溶解し、電磁誘導加熱の負担を軽減して効率良く溶融シリコン１２が形成される。
【００１１】
溶融シリコン１２は、冷却ルツボ７の内壁の渦電流に伴って生じる磁界と、溶融シリコン１２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１２の表面の内側法線方向に力（ピンチ力）を受けるため、冷却ルツボ７と非接触の状態に保持される。冷却ルツボ７内でシリコン原料１１を溶解させながら、溶融シリコン１２を支える支持台１４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１２は外周部から凝固が進行する。そして、支持台１４の下降に伴ってシリコン原料１１を冷却ルツボ７内に逐次投入し、溶解および凝固を継続することにより、溶融シリコン１２が一方向に凝固し、インゴット３を連続鋳造することができる。
【００１２】
鋳造中、チャンバー１内を不活性ガス雰囲気に維持するため、チャンバー１の上部の不活性ガス導入口５から不活性ガスが逐次供給され、チャンバー１内の不活性ガスは、チャンバー１の下部側壁の排気口６から逐次排出される。このとき、プラズマトーチ１３からのプラズマアークにより溶融シリコン１２からＳｉ（シリコン）が激しく蒸発しており、このＳｉ蒸気はチャンバー１内で凝集してＳｉヒュームとなり、不活性ガスとともに排気口６から排出される。
【００１３】
このような電磁鋳造装置によれば、溶融シリコン１２と冷却ルツボ７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、安価にインゴット３を製造することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ０２／０５３４９６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
通常、電磁鋳造法では、インゴット３の鋳肌表面の温度を冷却ルツボ７の直下で監視し、その鋳肌表面温度の変動に応じて誘導コイル８に印加する電流の設定値を調整する操業が行われる。このため、上述した従来の電磁鋳造装置では、前記図４に示すように、チャンバー１の側壁に透明なガラス板が嵌め込まれた監視窓１５を設置し、この監視窓１５の外部に放射温度計１６が配設されている。放射温度計１６は、冷却ルツボ７の直下におけるインゴット３の鋳肌表面の温度を直接測定し、これにより、インゴット３の鋳肌表面の温度変動を監視する。
【００１６】
しかし、従来の電磁鋳造装置では、鋳造中、プラズマトーチ１３に通電しプラズマアーク加熱を併用した原料溶解に伴って、チャンバー１内にＳｉヒュームが著しく発生し、前記図４に示すように、監視窓１５と冷却ルツボ７の直下のインゴット３との間にＳｉヒュームＦが不規則に浮遊する状態となる。このため、インゴット３の鋳肌表面の実体温度が一定であっても、浮遊するＳｉヒュームＦの量によって、インゴット３の鋳肌表面から放射温度計１６に到達する放射熱エネルギーが変化し、これに伴って放射温度計１６による測定温度が変化する事態が生じる。すなわち、インゴット３の鋳肌表面の実体温度と放射温度計１６による測定温度との差（以下、「計測誤差」という）が一定とならない。その結果、インゴット３の鋳肌表面の温度変動を正確に監視することができない。
【００１７】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、プラズマトーチによるプラズマアーク加熱を併用した原料溶解に伴って、チャンバー内にＳｉヒュームが発生した場合であっても、計測誤差を一定とし、冷却ルツボの直下でインゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することができるシリコンインゴットの電磁鋳造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。監視窓と冷却ルツボの直下のインゴットとの間にＳｉヒュームが不規則に浮遊する状態であっても、計測誤差を一定とするには、監視窓とインゴットの鋳肌表面近傍との間にわたり耐熱管を設け、この耐熱管のインゴット側の端面を耐熱板で閉塞し、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定するのが有効である。耐熱板はインゴットの鋳肌表面からの輻射熱を逐次吸収し、その輻射熱に応じて赤熱するため、耐熱板の温度はインゴットの鋳肌表面温度を逐次反映したものとなり、また、耐熱板によって閉塞された耐熱管内は、温度測定の障害となるＳｉヒュームの進入が阻止されているからである。
【００１９】
本発明は、上記の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記に示すシリコンインゴットの電磁鋳造装置にある。すなわち、チャンバー内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボにシリコン原料を投入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱によりシリコン原料を溶解させ、この溶融シリコンを無底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電磁鋳造装置において、チャンバーの側壁に監視窓を設け、この監視窓と無底冷却ルツボの直下におけるシリコンインゴットの鋳肌表面近傍との間にわたり耐熱管を設け、この耐熱管のシリコンインゴット側の端面が耐熱板で閉塞されており、監視窓の外部に配置した放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定し、測定した耐熱板の温度に基づいてシリコンインゴットの鋳肌表面温度の変動を監視することを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造装置である。
【００２０】
上記の電磁鋳造装置では、前記耐熱板が石英で構成されることが好ましい。この場合、前記耐熱板が不透明であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置によれば、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、監視窓と冷却ルツボの直下のインゴットとの間にＳｉヒュームが不規則に浮遊する状態であっても、耐熱板によって閉塞された耐熱管内には、Ｓｉヒュームの進入が阻止されてＳｉヒュームが存在することなく、また、耐熱板がインゴットの鋳肌表面からの輻射熱により赤熱して、インゴットの鋳肌表面温度を逐次反映した温度となるため、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定すれば、計測誤差を一定とすることができ、その放射温度計から逐次出力される温度データに基づいて、インゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】実施例１の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。
【図３】実施例２の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。
【図４】電磁鋳造法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置について、その実施形態を詳述する。
【００２４】
図１は、本発明の電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示す本発明の電磁鋳造装置は、前記図４に示す電磁鋳造装置の構成を基本とし、それと同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
【００２５】
図１に示すように、本発明の電磁鋳造装置は、チャンバー１の側壁に設置された監視窓１５と、冷却ルツボ７の直下におけるインゴット３の鋳肌表面近傍との間にわたり、耐熱管１７が設けられている。この耐熱管１７は、インゴット３側の端面が耐熱板１８で閉塞され、その反対の監視窓１５側の端面が開放されている。
【００２６】
また、監視窓１５の外部には、耐熱管１７の延長線上に放射温度計１６が配設されている。放射温度計１６は、電磁鋳造装置の操業条件を制御する図示しない制御部に接続されている。この制御部は、放射温度計１６から逐次出力される温度データに基づいて、インゴット３の鋳肌表面の温度変動を監視し、誘導コイル８に印加する電流の設定値を調整する。
【００２７】
耐熱板１８は、耐熱性に加え、近接するインゴット３の鋳肌表面から輻射熱を逐次吸収し、その輻射熱に応じて赤熱する特性が必要であり、透明石英、不透明石英、カーボン、ＰＮＢ（熱分解窒化ホウ素）、アルミナなどのセラミックスを採用することができる。その中でも透明石英または不透明石英を採用した耐熱板１８は、輻射率が高く、しかも、インゴット３への不純物汚染の心配もないことから、好適である。特に、不透明石英は、透明石英と比較して、輻射率がより高く、耐熱性も優れることから、耐熱板１８として最も適している。
【００２８】
耐熱管１７は、耐熱性を有する限り材質の限定はないが、上記した耐熱板１８と同様の材質を採用することが好ましい。また、耐熱管１７と耐熱板１８は、一体で成形したものであってもよいし、個別に成形して組み合わせたものでも構わない。
【００２９】
耐熱管１７のインゴット３側の端面、すなわち耐熱板１８と、インゴット３の鋳肌表面との隙間は、１０〜３０ｍｍ程度が好ましい。この隙間は、小さ過ぎると、耐熱板１８がインゴット３と接触するおそれがあり、大き過ぎると、インゴット３の鋳肌表面から耐熱板１８への輻射熱の吸収時間遅れが著しくなるからである。
【００３０】
耐熱管１７の監視窓１５側の端面と、監視窓１５との隙間は、２０〜５０ｍｍ程度が好ましい。この隙間は、両者が接触することにより無くても構わないが、大き過ぎると、その隙間に温度測定の障害となるＳｉヒュームＦが進入するからである。
【００３１】
このような構成の電磁鋳造装置によれば、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、耐熱板はインゴットの鋳肌表面からの輻射熱を逐次吸収し、その輻射熱に応じて赤熱するため、耐熱板の温度はインゴットの鋳肌表面温度を逐次反映したものとなる。このとき、プラズマトーチによるプラズマアーク加熱を併用した原料溶解に伴って、チャンバー内にＳｉヒュームが発生し、監視窓と冷却ルツボの直下のインゴットとの間にＳｉヒュームが不規則に浮遊する状態であっても、耐熱板によって閉塞された耐熱管内には、Ｓｉヒュームの進入が阻止されてＳｉヒュームが存在しないため、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定すれば、計測誤差を一定とすることができる。その結果、放射温度計から逐次出力される温度データに基づいて、インゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することが可能になる。
【実施例】
【００３２】
本発明の電磁鋳造装置による効果を確認するため、一辺が３４５ｍｍの正方形断面で全長が４０００ｍｍのシリコンインゴットを連続鋳造する試験を行った。この試験では、インゴットを間に挟むチャンバーの両側壁に、それぞれ監視窓を設置するとともに、各監視窓の外部に放射温度計を配置した電磁鋳造装置を用い、一方の監視窓の内側には、前記図１に示すように耐熱管１７を設け、他方の監視窓の内側には、前記図４に示すように何も設けなかった。
【００３３】
（実施例１）
実施例１の試験では、耐熱管のインゴット側の端面に耐熱板として不透明な石英板を取り付けて、インゴットを連続鋳造した。その際に、インゴットの鋳造長さに応じ、本発明例として耐熱管を配置した側の放射温度計による測定温度、および比較例として耐熱管を配置していない側の放射温度計による測定温度、ならびに誘導コイルへの印加電力を調査した。
【００３４】
図２は、実施例１の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。同図では、冷却ルツボへのシリコン原料の投入を止めた鋳造終盤の状況であって、プラズマトーチへの通電を非通電に切り替え、プラズマアーク加熱による原料溶解の停止前後の状況を示している。
【００３５】
同図に示すように、誘導コイルへの印加電力が概ね一定であるにもかかわらず、比較例では、測定温度が大きく変動し、特に、プラズマアーク加熱による原料溶解を停止させたとき、Ｓｉヒュームの発生が収まるのに伴って、測定温度が１００℃以上急激に上昇した。一方、本発明例では、誘導コイルへの印加電力と同様の傾向で、測定温度が概ね一定となった。
【００３６】
（実施例２）
実施例２の試験では、耐熱管のインゴット側の端面に耐熱板として透明な石英板を取り付けて、インゴットを連続鋳造した。その際に、上記実施例１の試験と同様に、インゴットの鋳造長さに応じ、本発明例として耐熱管を配置した側の放射温度計による測定温度、および比較例として耐熱管を配置していない側の放射温度計による測定温度、ならびに誘導コイルへの印加電力を調査した。
【００３７】
図３は、実施例２の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。同図では、冷却ルツボへのシリコン原料の投入を逐次行う鋳造中盤の状況であって、プラズマトーチに通電し、プラズマアーク加熱による原料溶解を継続的に行っている状況を示している。
【００３８】
同図に示すように、誘導コイルへの印加電力が一定であるにもかかわらず、比較例では、測定温度が大きく変動した。一方、本発明例では、誘導コイルへの印加電力と同様の傾向で、測定温度が概ね一定となり、その変動も極めて小さかった。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置によれば、耐熱板によって閉塞された耐熱管内には、Ｓｉヒュームの進入が阻止されてＳｉヒュームが存在することなく、また、耐熱板がインゴットの鋳肌表面からの輻射熱により赤熱して、インゴットの鋳肌表面温度を逐次反映した温度となるため、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定すれば、計測誤差を一定とすることができ、インゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することが可能になる。したがって、本発明の電磁鋳造装置は、インゴットの鋳肌表面温度の変動に応じて誘導コイルに印加する電流の設定値を精度よく調整できる点で極めて有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１：チャンバー、 ２：原料供給シャッター、 ３：シリコンインゴット、
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、 ８：誘導コイル、 ９：アフターヒーター、
１０：原料導入管、 １１：シリコン原料、 １２：溶融シリコン、
１３：プラズマトーチ、 １４：支持台、 １５：監視窓、
１６：放射温度計、 １７：耐熱管、 １８：耐熱板、 Ｆ：Ｓｉヒューム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボにシリコン原料を投入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱によりシリコン原料を溶解させ、この溶融シリコンを無底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電磁鋳造装置において、
チャンバーの側壁に監視窓を設け、この監視窓と無底冷却ルツボの直下におけるシリコンインゴットの鋳肌表面近傍との間にわたり耐熱管を設け、この耐熱管のシリコンインゴット側の端面が耐熱板で閉塞されており、
監視窓の外部に配置した放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定し、測定した耐熱板の温度に基づいてシリコンインゴットの鋳肌表面温度の変動を監視することを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造装置。
【請求項２】
前記耐熱板が石英で構成されることを特徴とする請求項１に記載のシリコンインゴットの電磁鋳造装置。
【請求項３】
前記耐熱板が不透明であることを特徴とする請求項２に記載のシリコンインゴットの電磁鋳造装置。
【請求項１】
チャンバー内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボにシリコン原料を投入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱によりシリコン原料を溶解させ、この溶融シリコンを無底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電磁鋳造装置において、
チャンバーの側壁に監視窓を設け、この監視窓と無底冷却ルツボの直下におけるシリコンインゴットの鋳肌表面近傍との間にわたり耐熱管を設け、この耐熱管のシリコンインゴット側の端面が耐熱板で閉塞されており、
監視窓の外部に配置した放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定し、測定した耐熱板の温度に基づいてシリコンインゴットの鋳肌表面温度の変動を監視することを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造装置。
【請求項２】
前記耐熱板が石英で構成されることを特徴とする請求項１に記載のシリコンインゴットの電磁鋳造装置。
【請求項３】
前記耐熱板が不透明であることを特徴とする請求項２に記載のシリコンインゴットの電磁鋳造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−３６０６７（Ｐ２０１２−３６０６７Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８０６７９（Ｐ２０１０−１８０６７９）
【出願日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【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２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【出願人】（５０５０５９１６７）ＳＵＭＣＯソーラー株式会社 (16)
【Ｆターム（参考）】
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