多結晶シリコンの電磁鋳造装置および電磁鋳造方法
【課題】鋳造の対象をｎ型とｐ型の間で変更するに際し、装置内の清掃を短時間で行い、得られる多結晶シリコンの抵抗率のバラツキの低く抑えることができる多結晶シリコンの電磁鋳造装置および電磁鋳造方法を提供する。
【解決手段】（１）無底冷却モールド１と、このモールドを取り囲む誘導コイル２を有し、電磁誘導加熱により溶融したシリコンを凝固させ、インゴット３として取り出す、ｎ型多結晶シリコンの製造に適した多結晶シリコンインゴットの電磁鋳造装置であって、メインチャンバー７−１の上部に雰囲気ガスを引き込む開口１１ａ、１２ａを有し、サブチャンバー７−２の下部に前記引き込んだ雰囲気ガスを導入する開口１１ｂ、１２ｂを有する還流配管１１、１２を少なくとも２系統備える電磁鋳造装置。（２）この装置を使用し、多結晶シリコンの導電型に応じてあらかじめ定めた還流配管を使用する電磁鋳造方法。
【解決手段】（１）無底冷却モールド１と、このモールドを取り囲む誘導コイル２を有し、電磁誘導加熱により溶融したシリコンを凝固させ、インゴット３として取り出す、ｎ型多結晶シリコンの製造に適した多結晶シリコンインゴットの電磁鋳造装置であって、メインチャンバー７−１の上部に雰囲気ガスを引き込む開口１１ａ、１２ａを有し、サブチャンバー７−２の下部に前記引き込んだ雰囲気ガスを導入する開口１１ｂ、１２ｂを有する還流配管１１、１２を少なくとも２系統備える電磁鋳造装置。（２）この装置を使用し、多結晶シリコンの導電型に応じてあらかじめ定めた還流配管を使用する電磁鋳造方法。
【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多結晶シリコンを製造する多結晶シリコンの電磁鋳造装置および電磁鋳造方法に関し、より詳しくは、電磁鋳造装置を使用して太陽電池の基板材として用いられるｎ型多結晶シリコンを製造する際に、鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンに切り替え、または再度ｎ型多結晶シリコンに切り替え、製造することができる多結晶シリコンの電磁鋳造装置および電磁鋳造方法に関する。
【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】
この電磁誘導装置の基本的な構成は、例えば、特許文献１に開示されるように、誘導加熱コイルと、その内側に容器状領域を形成するように配置された複数の導電性部材からなっている。
【０００４】
図３は、この基本構造を備えた装置であって、多結晶シリコンの製造に使用される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２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２の巻き軸方向と平行に、かつ誘導コイル２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）１を構成する。冷却モールド１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。
【０００５】
加熱用誘導コイル２の下端位置（すなわち、冷却モールド１の底部に相当する位置）には下方に移動できる支持台１４が設置されている。また、加熱用誘導コイル２の下側には、凝固した鋳塊（シリコンインゴット３）を加熱して、急激な冷却を防ぐための保温装置４が設置されており、保温装置４の下側には、均熱筒５が取り付けられている。シリコンインゴット３は引抜き装置（図示せず）により下方に引き抜かれる。
【０００６】
冷却モールド１の上方には、溶解中に原料をモールド１内に投入できる原料投入機１５が設置されている。さらに、この例では、モールド１の上方に、原料シリコンを加熱するためのプラズマトーチ１０が取り付けられている。
【０００７】
これらの諸装置は、溶融シリコン６および高温のシリコンインゴット３が大気と直接触れることがないように、密閉容器（チャンバー７）内に設置され、通常は、チャンバー７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。
【０００８】
上記の電磁鋳造装置を用いた電磁鋳造法では、モールド１にシリコン原料を装入する。続いて、プラズマトーチ１０を降下させ、シリコン原料との間にプラズマアークを発生させて原料を溶解する。原料を追加投入すると同時に、誘導コイル２に交流電流を通じると、モールド１を構成する短冊状の各素片は互いに電気的に分割されていることから、各素片内で電流がループを作り、これによりモールド１の内壁側に電流が生じ、モールド１内に磁界が形成され、電磁誘導加熱とプラズマアーク加熱の併用によりシリコン原料が溶解される。モールド１内のシリコン原料は、モールド内壁の電流がつくる磁界と溶融シリコン６表面の電流の相互作用によって溶融シリコン６表面の内側法線方向の力を受け、モールド１と非接触の状態で溶解される。
【０００９】
溶融シリコン６が十分均一化した後、支持台１４を少しずつ下方に移動させていけば、誘導コイル２から離れることにより冷却が始まり、モールド１内の溶融シリコン６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３が形成される。
【００１０】
支持台１４の下方への移動分に対応して溶融シリコン６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１５から供給し、溶融シリコン６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３を連続して製造することができる。
【００１１】
この電磁鋳造装置を用い、従来は、主として、ボロン（Ｂ）をドーパントとして使用するｐ型の多結晶シリコンインゴットが製造されている。以前は、多結晶シリコンは、石英るつぼ中で原料の高純度シリコンを加熱溶解し、そのままるつぼの中で凝固させるか、鋳型に流し込んで凝固させる鋳造法（キャスト法）で製造されていた。ｎ型の多結晶シリコンの製造では、ドーパントとしてリン（Ｐ）を使用するが、Ｐは結晶成長過程での偏析が大きく、Ｂをドーパントとして使用するｐ型の多結晶シリコンに比べて製造が困難であり、したがって、ｐ型の多結晶シリコンが製造される場合が多かった。
【００１２】
一方、ｎ型の多結晶シリコンインゴットを電磁鋳造法で製造する場合、モールド内の溶融シリコンに向けての一方向性凝固が進行してドーパントは平均化されるので、Ｐの偏析の問題は解消される。さらに、ｎ型の多結晶シリコンの方がライフタイムが長く、当該多結晶シリコンを基板として構成した太陽電池の変換効率が向上すると考えられており、電磁鋳造法によるｎ型の多結晶シリコンインゴットの製造も行われるようになってきた。しかし、キャスト法による製造が行われて以来、ｐ型の多結晶シリコンの製造が主流となっており、電磁鋳造法の適用が一般化された後においても、ｐ型の多結晶シリコンが求められる場合が多い。そのため、ｎ型の多結晶シリコンの鋳造を一旦終了した後、引き続き同じ装置でｐ型の多結晶シリコンの鋳造を行い、再度、ｎ型多結晶シリコンの鋳造に戻るというような操業形態が採られるケースが往々にして生じる。
【００１３】
ところで、電磁鋳造を実施した場合、装置内にはシリコン（Ｓｉ）蒸発物が残存しており、鋳造中にインゴットに混入する。このＳｉ蒸発物にはドーパントが含まれており、例えばｎ型多結晶シリコンを製造している場合、装置内にはＰを含有するＳｉ蒸発物が存在している。この装置でｐ型多結晶シリコンの鋳造を行う場合は、Ｐを含有するＳｉ蒸発物を除去しないと、鋳造の対象をｐ型多結晶シリコンに変更したときに、装置内に残存しているＰ含有Ｓｉ蒸発物がｐ型の多結晶シリコンインゴットに混入し、抵抗率が目標値から外れ、またバラツキが増大する等の不具合が発生する。
【００１４】
このため、鋳造の対象である多結晶シリコンの導電型を例えばｎ型からｐ型、あるいはその逆へと変更する場合、装置内の清掃が行われるが、多大な工数を要し、生産効率の低下が著しい。しかも、前記導電型の変更後に得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れや、バラツキの増大が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開昭６１−５２９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、太陽電池の基板材としてより好適であると考えられるｎ型多結晶シリコンの製造に適した電磁誘導装置を使用して、多結晶シリコンを製造するに際し、鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンへ、あるいは逆にｐ型からｎ型の多結晶シリコンへ変更するに当たっての装置内の清掃を容易に、かつ短時間で行い、得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を抑えることができる多結晶シリコンの電磁鋳造装置、およびこの装置を使用する電磁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】
【００１７】
電磁誘導装置を使用して多結晶シリコンを製造する場合、チャンバー内の雰囲気温度は、溶融シリコンが存在するメインチャンバーの中心部で高く、下方のサブチャンバー内では低くなり、また、チャンバーの側壁に近づくほど低くなる。この温度差に起因して、チャンバー内には、インゴットの外周と均熱筒の内周との間を上昇し、保温装置の上端とモールドの下端との隙間を抜けてモールドの外側をさらに上昇した後、チャンバーの側壁近傍を下降する雰囲気ガスの自然対流が発生する。
【００１８】
本出願人は、先に、前記雰囲気ガスの自然対流の下降流をチャンバーの外側に設けた還流配管に導く方法を提案した。すなわち、チャンバーの側壁に無底冷却ルツボの上方と下方で開口する配管（還流配管）が連結されており、この配管を通じて無底冷却ルツボの上方の雰囲気ガスを無底冷却ルツボの下方に導入しつつ、無底冷却ルツボの下方から上方に流入する雰囲気ガスの流れを遮断しながら鋳造を行う連続鋳造方法である（特願２０１０−４０７８９号）。この連続鋳造方法によれば、雰囲気ガスに金属不純物が含まれる場合であっても、それによる汚染を未然に防ぎ、品質に優れた太陽電池用のシリコンインゴットを製造することができる。
【００１９】
そこで、本発明者は、上記の課題を解決するにあたり、前述のチャンバー内の雰囲気ガスを循環させる還流配管の設置を前提として検討した。
【００２０】
実機による検討の結果、後述する実施例に示すように、ｎ型多結晶シリコンの製造に適した電磁鋳造装置にこの還流配管を少なくとも２系統備え、鋳造を行う際には、鋳造対象の多結晶シリコンの導電型に応じてあらかじめ定めた配管系統を使用するのが有効であることを確認した。
【００２１】
本発明はこのような検討結果に基づきなされたもので、下記（１）の多結晶シリコンの電磁鋳造装置、および（２）の多結晶シリコンの電磁鋳造方法を要旨とする。
（１）メインチャンバー内に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つつ、前記メインチャンバーに連接されたサブチャンバーの下部からインゴットとして取り出す、ｎ型多結晶シリコンの製造に適した多結晶シリコンインゴットの電磁鋳造装置であって、前記メインチャンバーの上部に雰囲気ガスを引き込む開口を有し、サブチャンバーの下部に前記引き込んだ雰囲気ガスを当該サブチャンバー内へ導入する開口を有する還流配管を少なくとも２系統備えることを特徴とする多結晶シリコンの電磁鋳造装置。
【００２２】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置において、前記少なくとも２系統の還流配管において、配管系統の切替えを行う開閉バルブが設置されていることとすれば、配管系統の切替えをバルブ操作で容易に行うことができる。
【００２３】
（２）前記（１）に記載の多結晶シリコンの電磁鋳造装置（前記実施形態を含む）を用い、シリコン原料をモールドに装入し、電磁誘導加熱により溶融し、当該溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させることにより多結晶シリコンを連続的に鋳造する多結晶シリコンの電磁鋳造方法であって、鋳造対象の多結晶シリコンの導電型に応じてあらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止し、前記あらかじめ定めた配管系統におけるメインチャンバーの上部の開口から配管内に雰囲気ガスを導入し、サブチャンバーの下部の開口から当該サブチャンバー内へ還流させるとともに、モールドの下方から上方へ流入する雰囲気ガスの流れを遮断しながら鋳造を行うことを特徴とする多結晶シリコンの電磁鋳造方法。
【００２４】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造方法において、使用するドーパントの導電型を変更する際には、当該ドーパントにより定まる多結晶シリコンの導電型に応じて前記あらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止し、装置内を清掃した後、使用する配管系統を開いて鋳造を行うこととすれば、得られる多結晶シリコンの導電型の変更を、迅速に、かつ抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を伴うことなく行える。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置は、チャンバーの外側にチャンバー内の雰囲気ガスの還流配管を備える、ｎ型多結晶シリコンの製造に適した電磁誘導装置である。この電磁鋳造装置を使用し、本発明の電磁鋳造方法を適用すれば、鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンへ、あるいは逆にｐ型からｎ型の多結晶シリコンへ変更するに当たっての切替えを迅速に行い、かつ得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置の概略構成例を示す縦断面図である。
【図２】実施例の結果で、本発明を適用して得られた多結晶シリコンの抵抗率とそのバラツキを示す図である。
【図３】多結晶シリコンの製造に使用される電磁鋳造装置の構成例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置は、メインチャンバー内に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を有する電磁鋳造装置であることを前提としている。
【００２８】
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、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。
【００２９】
この電磁鋳造装置を使用することにより、前述のように、ドーパントとして用いるＰの偏析の問題を解消できるので、この装置はｎ型多結晶シリコンの製造に適した装置であるといえる。
【００３０】
上記本発明の前提である電磁鋳造装置は、さらに、加熱源として、プラズマトーチを有するものであってもよい。電磁誘導加熱とプラズマアーク加熱の併用により、電磁誘導加熱の負担を軽減し、原料溶解の効率化を図ることができるので望ましい。
【００３１】
また、プラズマ電極としてタングステン（Ｗ）を用いることにより、以下に述べるように、本発明の電磁鋳造装置をｎ型多結晶シリコンの製造により一層適した装置とすることが可能になる。すなわち、本出願人は、先に、プラズマトーチ内に配設されたプラズマ電極としてＷを用い、かつ、ｎ型多結晶シリコンの製造に用いられる多結晶シリコンの製造装置を提案した（特願２０１０−２０２１７０号）。プラズマアーク加熱を併用して電磁誘導法によりｎ型多結晶シリコンを製造するに際し、プラズマ電極としてＷを用いることにより、ライフタイムが長く、太陽電池の基板として用いた場合に高い変換効率が得られるｎ型の多結晶シリコンを製造することができる。
【００３２】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置は、このようにｎ型多結晶シリコンの製造に適した装置であることを前提として、メインチャンバーの上部に雰囲気ガスを引き込む開口を有し、サブチャンバーの下部に前記引き込んだ雰囲気ガスを当該サブチャンバー内へ導入する開口を有する還流配管を少なくとも２系統備えることを特徴とする電磁鋳造装置である。
【００３３】
図１は、本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造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、本発明の電磁鋳造装置は、導電性の無底冷却モールド１と、このモールド１を取り囲む誘導コイル２を有している。誘導コイル２の下側には、凝固したシリコンインゴット３を加熱して、急激な冷却を防ぐための保温装置４が設置されており、保温装置４の下側には、均熱筒５が取り付けられている。均熱筒５の外側には金属製の外枠１３が取り付けられている。
【００３４】
これらの諸装置は、溶融シリコン６および高温のシリコンインゴット３が大気と直接触れることがないように、密閉されたチャンバー７内に設置されている。チャンバー７は、図示するように、メインチャンバー７−１と、当該メインチャンバー７−１に連接されたサブチャンバー７−２とで構成されており、メインチャンバー７−１の上部には不活性ガスをチャンバー７内に導入するための不活性ガス導入口８が取り付けられ、サブチャンバー７−２の下部には排気口９が設けられている。この装置例では、モールド１の上方に昇降可能に設置されたプラズマトーチ１０が取り付けられている。
【００３５】
さらに、この電磁鋳造装置には還流配管が２系統配設されている。すなわち、図１において、チャンバー７を中心として、その右側（紙面の右側）に、メインチャンバー７−１の上部に雰囲気ガスを引き込む開口１１ａを有し、サブチャンバー７−２の下部に前記引き込んだ雰囲気ガスを当該サブチャンバー７−２内へ導入する開口１１ｂを有する還流配管１１が配設され、チャンバー７の左側にも同じ構成の還流配管１２が配設されている。
【００３６】
前述したように、チャンバー内には、インゴットの外周と均熱筒の内周との間を上昇し、保温装置の上端とモールドの下端との隙間を抜けてモールドの外側をさらに上昇した後、チャンバーの側壁近傍を下降する雰囲気ガスの自然対流が発生する。
【００３７】
均熱筒５の下側の隙間から導入され、インゴット３の外周と均熱筒５の内周との間を上昇した雰囲気ガスは、図１中に矢印で示したように（但し、矢印は、煩雑さを避けるため還流配管１１側においてのみ表示）、保温装置４の上端とモールド１の下端との隙間を抜けてモールド１の外側をさらに上昇する。その後、モールド１内の溶融シリコン６表面から発生した蒸気とともに、開口１１ａから還流配管１１内に引き込まれ、同配管１１内を通過して、開口１１ｂからサブチャンバー７−２内へ導入される。
【００３８】
前記導入された雰囲気ガスは、前述のように、インゴット３の外周と均熱筒５の内周との間を上昇するが、一部は均熱筒５の上端とサブチャンバー７−２の上端面（メインチャンバー７−１とサブチャンバー７−２を仕切る面）の間の隙間を通過して前記均熱筒５の下側隙間からの上昇ガスと合流する。
【００３９】
このように、チャンバー７内には、還流配管１１または還流配管１２を介しての雰囲気ガスの自然対流が発生する。なお、雰囲気ガスは、不活性ガス導入口８から導入される不活性ガスとともに最終的には排気口９からチャンバー７外に排出される。
【００４０】
還流配管の内径、形状等について何ら限定はない。自然対流による配管内の雰囲気ガスの流れが円滑に行われるような内径、形状等を備えるものであればよい。
【００４１】
このように、電磁鋳造装置に２系統の還流配管を取り付けるのは、鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンへ、あるいは逆にｐ型からｎ型の多結晶シリコンへ変更するに当たっての切替えを迅速に行い、かつ、得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を抑えるためである。この効果は、後に詳述するが、２系統の還流配管のうちの１系統をｎ型多結晶シリコンの鋳造時に使用し、残りの１系統をｐ型多結晶シリコンの鋳造時に使用することにより達成される。
【００４２】
還流配管の配置数は図１に例示した２系統に限らない。２系統の場合は、ｎ型およびｐ型多結晶シリコンの鋳造にそれぞれ１系統の還流配管を割り当てることになるが、１系統の場合は雰囲気ガスの流れに偏りが生じやすい。したがって、還流配管の配置数を例えば４系統に増やして、ｎ型およびｐ型多結晶シリコンの鋳造用にそれぞれ２系統を割り当て、それらを電磁鋳造装置内でバランスよく配置して雰囲気ガスの流れの均一化を図るのが望ましい。
【００４３】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置において、前記少なくとも２系統の還流配管において、配管系統の切替えを行う開閉バルブが設置されていることとすれば、配管系統の切替えをバルブ操作で容易に行うことができるので望ましい。
【００４４】
その場合、開閉バルブは、各開口部から当該配管内へ３００ｍｍ以内の部位に設置されていれば、配管内の清掃を容易に行うことができる。さらに、開閉バルブに自動開閉機能をもたせ、遠隔操作で開閉することも可能である。
【００４５】
図１に示した例は、本発明の電磁鋳造装置の望ましい実施形態で、これら２系統の還流配管１１、１２において、各開口１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂから配管１１または配管１２内へ３００ｍｍ以内の部位に、配管系統の切替えを行う自動開閉バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４が設置されている。
【００４６】
図１に示した電磁鋳造装置において、自動開閉バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の設置位置を前記のように規定するのは、配管内の清掃を容易にするためである。鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンへ、あるいはその逆へ変更するに当たっての配管系統の切替え時には、チャンバー内に不活性ガスを送通して雰囲気ガスの置換を行うが、還流配管内の清掃はこのような雰囲気ガスの置換のみでは困難であり、例えば掃除機を利用して行われる。したがって、自動開閉バルブが各開口からそれら配管内へ３００ｍｍ以内の部位（すなわち、開口部から手の届く距離）に設置されていれば、開閉バルブが閉止された状態でその手前のみを清掃すればよく、清掃を容易に行うことができる。
【００４７】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造方法は、前記本発明の電磁鋳造装置（前記実施形態を含む）を用い、シリコン原料をモールドに装入し、電磁誘導加熱により溶融し、当該溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させることにより多結晶シリコンを連続的に鋳造することを前提とする。この前提をおいた理由は前述のとおりである。
【００４８】
本発明の電磁鋳造方法は、この前提の下に、鋳造対象の多結晶シリコンの導電型に応じてあらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止し、前記あらかじめ定めた配管系統におけるメインチャンバーの上部の開口から配管内に雰囲気ガスを導入し、サブチャンバーの下部の開口から当該サブチャンバー内へ還流させるとともに、モールドの下方から上方へ流入する雰囲気ガスの流れを遮断しながら鋳造を行うことを特徴とする方法である。以下、前記の図１を参照して説明する。
【００４９】
本発明の電磁鋳造方法を実施するに際しては、先ず、鋳造対象の多結晶シリコンの導電型に応じて使用する配管系統をあらかじめ定めておき、使用しない配管系統を閉止する。図１において、例えば、還流配管１１をｎ型多結晶シリコンの鋳造用、還流配管１２をｐ型多結晶シリコンの鋳造用として定め、ｎ型多結晶シリコンを鋳造する場合を想定すると、還流配管１１の自動開閉バルブＶ１、Ｖ２を開き、還流配管１２のバルブＶ３、Ｖ４を閉じる。バルブＶ３、Ｖ４を閉じておくことにより、還流配管１２内へのＰ含有Ｓｉ蒸発物の通過が遮断されるので、鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンへ変更するに当たり、還流配管１２内については清掃を行う必要がなく、ｎ型、ｐ型の切替えに際しての装置内の清掃を迅速に行うことが可能となる。
【００５０】
続いて、シリコン原料の溶解、鋳造の進行に伴い生成する雰囲気ガスを、自然対流を利用して、前記あらかじめ定めた配管系統（この場合は、還流配管１１）におけるメインチャンバー７−１の上部の開口１１ａから当該配管１１内に導入し、サブチャンバー７−２の下部の開口から当該サブチャンバー７−２内へ還流させる。
【００５１】
サブチャンバー７−２内へ導入された雰囲気ガスは、前述のように、インゴット３の外周と均熱筒５の内周との間を上昇し、一部は均熱筒５の上端とサブチャンバー７−２の上端面の間の隙間を通過して前記均熱筒５の下側隙間からの上昇ガスと合流する。合流した雰囲気ガスは保温装置４の上端とモールド１の下端との隙間を抜けてモールド１の外側をさらに上昇する。その後、モールド１内の溶融シリコン６表面から発生した蒸気とともに、開口１２ａから還流配管１２内に引き込まれ、同配管１２内を通過して、開口１２ｂからサブチャンバー７−２内へ導入される。
【００５２】
このように、チャンバー７内には、還流配管１１を介しての雰囲気ガスの自然対流が発生する。なお、雰囲気ガスは、不活性ガス導入口８から導入される不活性ガスとともに最終的には排気口９からチャンバー７外に排出される。
【００５３】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造方法において、使用するドーパントの導電型を変更する際には、当該ドーパントにより定まる多結晶シリコンの導電型に応じて前記あらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止する。続いて、装置内を清掃した後、使用する配管系統を開いて鋳造を行う。
【００５４】
図１を参照して説明すると、先ず、あらかじめ定めてあるｐ型用還流配管１２を使用することとして、ｎ型用還流配管１１の自動開閉バルブＶ１、Ｖ２を閉止する。なお、ｐ型用還流配管１２の自動開閉バルブＶ３、Ｖ４は引き続き閉じられたままである。不活性ガス導入口８から不活性ガスを導入してチャンバー７内の雰囲気ガスを置換するとともに、各開口部（例えば、開口１１ａから自動開閉バルブＶ１までの間）に付着残留しているＰ含有Ｓｉ蒸発物を清掃除去する装置内の清掃を行う。開閉バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４はいずれも閉じられており、還流配管１１、１２内については清掃を行う必要がない。その後、ｐ型用還流配管１２のバルブＶ３、Ｖ４を開いて、ｐ型多結晶シリコンの電磁鋳造を開始する。
【００５５】
メインチャンバー７−１の上部の開口１２ａから当該配管１２内には、自然対流により雰囲気ガスが導入され、サブチャンバー７−２の下部の開口１２ｂから当該サブチャンバー７−２内へ還流される。還流配管１２によりサブチャンバー７−２内へ導入された雰囲気ガスは、前述のように、最終的には排気口９からチャンバー７外に排出されるが、大半は還流配管１２を介してチャンバー７内で自然対流する。
【００５６】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造方法によれば、鋳造の対象である多結晶シリコンの導電型を変更するに際し、装置内の清掃を迅速に行い、かつ得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を抑えることができる。
【実施例】
【００５７】
前記図１に示した２系統の還流配管を備える本発明の電磁鋳造装置を使用し、ｐ型用還流配管を使用してｐ型多結晶シリコンの鋳造（ドーパントとして、Ｂを使用）を１５回行った後、ｎ型用還流配管を使用してｎ型多結晶シリコン（ドーパントとして、Ｐを使用）の鋳造を行った。その際、切替えに際して還流配管の清掃に要した時間、得られたｎ型多結晶シリコンインゴットの抵抗率およびそのバラツキを調査した。インゴットの断面寸法は３４５ｍｍ×５０５ｍｍで、長さは４ｍとした。この場合、還流配管の長さは７ｍであった。
【００５８】
調査結果を表１に示す。表１において、「本発明例」は、ドーパント別にあらかじめ定めた専用の還流配管を使用した場合である。「比較例」は、同じ電磁鋳造装置において、ドーパント別の専用の還流配管を定めず、２系統すべてをｐ型多結晶シリコンの鋳造に使用し、切替え後は、２系統すべてをｎ型多結晶シリコンの鋳造に使用した場合であり、比較例１は、還流配管（２本分）の清掃を実施した場合、比較例２は前記清掃を実施しなかった場合、比較例３はドーパントを変更せず（つまり、ｐ型からｎ型多結晶シリコンへの切替えを行わず）、引き続きｐ型多結晶シリコンの鋳造を行った場合である。比較例３における抵抗率の平均値は、切替え後の抵抗率の目標値とみなされる。
【００５９】
抵抗率の調査は、得られたシリコンインゴットのそれぞれについて、トップ部とボトム部の５００ｍｍづつを取り除いた残りの部分を１０００ｍｍごとに切断し、切断した面内３０箇所の合計１２０箇所で行った。調査に供したインゴット数は、本発明例、比較例とも３本である。表１には、全データについて、その平均値、および最低値、最大値を表示した。
【００６０】
【表１】
【００６１】
図２は、前記表１に示した結果を図示したもので、本発明を適用して得られた多結晶シリコンの抵抗率とそのバラツキを示す図である。
【００６２】
表１から明らかなように、ｐ型多結晶シリコンからｎ型多結晶シリコンへの切替えに際して還流配管の清掃に要した時間は、比較例１（還流配管の清掃あり）では平均４２分（２本分）であったのに対し、本発明例では僅か３分で、還流配管の清掃に要する時間は著しく短縮された。
【００６３】
表１および図２に示したように、ドーパントを変更せず、引き続きｐ型多結晶シリコンの鋳造を行った比較例３に対して、本発明例では、抵抗率の平均は全く変わらず、目標値からの外れはなかったと言える。また、バラツキも比較例３に比べて僅かに大きいだけであり、極めて良好な結果が得られた。これは、ｐ型多結晶シリコンの鋳造を終了した後の装置内（特に、還流配管内）の清掃が短時間で十分に行われたことを裏付けるものである。
【００６４】
これに対し、比較例２（還流配管の清掃なし）では、抵抗率が幾分増大し、目標値からの外れが認められるとともに、抵抗率のバラツキが非常に大きかった。これは、還流配管内におけるＰ含有Ｓｉ蒸発物の残存によるものと考えられる。還流配管の清掃を実施した比較例１でも抵抗率のバラツキがかなり大きかったが、配管内の清掃が困難で、Ｐ含有Ｓｉ蒸発物の除去が十分ではなかったことによるものと推察される。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置および電磁鋳造方法によれば、鋳造対象インゴットの導電型の切替えに際して、還流配管の清掃に要する時間を短縮して切替えを迅速に行うとともに、得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を抑えることができる。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る。
【符号の説明】
【００６６】
１：モールド、 ２：誘導コイル、 ３：シリコンインゴット、
４：保温装置、 ５：均熱筒、 ６：溶融シリコン、
７：チャンバー、 ７−１：メインチャンバー、 ７−２：サブチャンバー、
８：不活性ガス導入口、 ９：排気口、 １０：プラズマトーチ、
１１：還流配管、 １１ａ、１１ｂ：開口、
１２：還流配管、 １２ａ、１２ｂ：開口、
１３：外枠、 １４：支持台、 １５：原料投入機
【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多結晶シリコンを製造する多結晶シリコンの電磁鋳造装置および電磁鋳造方法に関し、より詳しくは、電磁鋳造装置を使用して太陽電池の基板材として用いられるｎ型多結晶シリコンを製造する際に、鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンに切り替え、または再度ｎ型多結晶シリコンに切り替え、製造することができる多結晶シリコンの電磁鋳造装置および電磁鋳造方法に関する。
【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】
この電磁誘導装置の基本的な構成は、例えば、特許文献１に開示されるように、誘導加熱コイルと、その内側に容器状領域を形成するように配置された複数の導電性部材からなっている。
【０００４】
図３は、この基本構造を備えた装置であって、多結晶シリコンの製造に使用される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２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２の巻き軸方向と平行に、かつ誘導コイル２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）１を構成する。冷却モールド１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。
【０００５】
加熱用誘導コイル２の下端位置（すなわち、冷却モールド１の底部に相当する位置）には下方に移動できる支持台１４が設置されている。また、加熱用誘導コイル２の下側には、凝固した鋳塊（シリコンインゴット３）を加熱して、急激な冷却を防ぐための保温装置４が設置されており、保温装置４の下側には、均熱筒５が取り付けられている。シリコンインゴット３は引抜き装置（図示せず）により下方に引き抜かれる。
【０００６】
冷却モールド１の上方には、溶解中に原料をモールド１内に投入できる原料投入機１５が設置されている。さらに、この例では、モールド１の上方に、原料シリコンを加熱するためのプラズマトーチ１０が取り付けられている。
【０００７】
これらの諸装置は、溶融シリコン６および高温のシリコンインゴット３が大気と直接触れることがないように、密閉容器（チャンバー７）内に設置され、通常は、チャンバー７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。
【０００８】
上記の電磁鋳造装置を用いた電磁鋳造法では、モールド１にシリコン原料を装入する。続いて、プラズマトーチ１０を降下させ、シリコン原料との間にプラズマアークを発生させて原料を溶解する。原料を追加投入すると同時に、誘導コイル２に交流電流を通じると、モールド１を構成する短冊状の各素片は互いに電気的に分割されていることから、各素片内で電流がループを作り、これによりモールド１の内壁側に電流が生じ、モールド１内に磁界が形成され、電磁誘導加熱とプラズマアーク加熱の併用によりシリコン原料が溶解される。モールド１内のシリコン原料は、モールド内壁の電流がつくる磁界と溶融シリコン６表面の電流の相互作用によって溶融シリコン６表面の内側法線方向の力を受け、モールド１と非接触の状態で溶解される。
【０００９】
溶融シリコン６が十分均一化した後、支持台１４を少しずつ下方に移動させていけば、誘導コイル２から離れることにより冷却が始まり、モールド１内の溶融シリコン６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３が形成される。
【００１０】
支持台１４の下方への移動分に対応して溶融シリコン６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１５から供給し、溶融シリコン６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３を連続して製造することができる。
【００１１】
この電磁鋳造装置を用い、従来は、主として、ボロン（Ｂ）をドーパントとして使用するｐ型の多結晶シリコンインゴットが製造されている。以前は、多結晶シリコンは、石英るつぼ中で原料の高純度シリコンを加熱溶解し、そのままるつぼの中で凝固させるか、鋳型に流し込んで凝固させる鋳造法（キャスト法）で製造されていた。ｎ型の多結晶シリコンの製造では、ドーパントとしてリン（Ｐ）を使用するが、Ｐは結晶成長過程での偏析が大きく、Ｂをドーパントとして使用するｐ型の多結晶シリコンに比べて製造が困難であり、したがって、ｐ型の多結晶シリコンが製造される場合が多かった。
【００１２】
一方、ｎ型の多結晶シリコンインゴットを電磁鋳造法で製造する場合、モールド内の溶融シリコンに向けての一方向性凝固が進行してドーパントは平均化されるので、Ｐの偏析の問題は解消される。さらに、ｎ型の多結晶シリコンの方がライフタイムが長く、当該多結晶シリコンを基板として構成した太陽電池の変換効率が向上すると考えられており、電磁鋳造法によるｎ型の多結晶シリコンインゴットの製造も行われるようになってきた。しかし、キャスト法による製造が行われて以来、ｐ型の多結晶シリコンの製造が主流となっており、電磁鋳造法の適用が一般化された後においても、ｐ型の多結晶シリコンが求められる場合が多い。そのため、ｎ型の多結晶シリコンの鋳造を一旦終了した後、引き続き同じ装置でｐ型の多結晶シリコンの鋳造を行い、再度、ｎ型多結晶シリコンの鋳造に戻るというような操業形態が採られるケースが往々にして生じる。
【００１３】
ところで、電磁鋳造を実施した場合、装置内にはシリコン（Ｓｉ）蒸発物が残存しており、鋳造中にインゴットに混入する。このＳｉ蒸発物にはドーパントが含まれており、例えばｎ型多結晶シリコンを製造している場合、装置内にはＰを含有するＳｉ蒸発物が存在している。この装置でｐ型多結晶シリコンの鋳造を行う場合は、Ｐを含有するＳｉ蒸発物を除去しないと、鋳造の対象をｐ型多結晶シリコンに変更したときに、装置内に残存しているＰ含有Ｓｉ蒸発物がｐ型の多結晶シリコンインゴットに混入し、抵抗率が目標値から外れ、またバラツキが増大する等の不具合が発生する。
【００１４】
このため、鋳造の対象である多結晶シリコンの導電型を例えばｎ型からｐ型、あるいはその逆へと変更する場合、装置内の清掃が行われるが、多大な工数を要し、生産効率の低下が著しい。しかも、前記導電型の変更後に得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れや、バラツキの増大が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開昭６１−５２９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、太陽電池の基板材としてより好適であると考えられるｎ型多結晶シリコンの製造に適した電磁誘導装置を使用して、多結晶シリコンを製造するに際し、鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンへ、あるいは逆にｐ型からｎ型の多結晶シリコンへ変更するに当たっての装置内の清掃を容易に、かつ短時間で行い、得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を抑えることができる多結晶シリコンの電磁鋳造装置、およびこの装置を使用する電磁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】
【００１７】
電磁誘導装置を使用して多結晶シリコンを製造する場合、チャンバー内の雰囲気温度は、溶融シリコンが存在するメインチャンバーの中心部で高く、下方のサブチャンバー内では低くなり、また、チャンバーの側壁に近づくほど低くなる。この温度差に起因して、チャンバー内には、インゴットの外周と均熱筒の内周との間を上昇し、保温装置の上端とモールドの下端との隙間を抜けてモールドの外側をさらに上昇した後、チャンバーの側壁近傍を下降する雰囲気ガスの自然対流が発生する。
【００１８】
本出願人は、先に、前記雰囲気ガスの自然対流の下降流をチャンバーの外側に設けた還流配管に導く方法を提案した。すなわち、チャンバーの側壁に無底冷却ルツボの上方と下方で開口する配管（還流配管）が連結されており、この配管を通じて無底冷却ルツボの上方の雰囲気ガスを無底冷却ルツボの下方に導入しつつ、無底冷却ルツボの下方から上方に流入する雰囲気ガスの流れを遮断しながら鋳造を行う連続鋳造方法である（特願２０１０−４０７８９号）。この連続鋳造方法によれば、雰囲気ガスに金属不純物が含まれる場合であっても、それによる汚染を未然に防ぎ、品質に優れた太陽電池用のシリコンインゴットを製造することができる。
【００１９】
そこで、本発明者は、上記の課題を解決するにあたり、前述のチャンバー内の雰囲気ガスを循環させる還流配管の設置を前提として検討した。
【００２０】
実機による検討の結果、後述する実施例に示すように、ｎ型多結晶シリコンの製造に適した電磁鋳造装置にこの還流配管を少なくとも２系統備え、鋳造を行う際には、鋳造対象の多結晶シリコンの導電型に応じてあらかじめ定めた配管系統を使用するのが有効であることを確認した。
【００２１】
本発明はこのような検討結果に基づきなされたもので、下記（１）の多結晶シリコンの電磁鋳造装置、および（２）の多結晶シリコンの電磁鋳造方法を要旨とする。
（１）メインチャンバー内に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つつ、前記メインチャンバーに連接されたサブチャンバーの下部からインゴットとして取り出す、ｎ型多結晶シリコンの製造に適した多結晶シリコンインゴットの電磁鋳造装置であって、前記メインチャンバーの上部に雰囲気ガスを引き込む開口を有し、サブチャンバーの下部に前記引き込んだ雰囲気ガスを当該サブチャンバー内へ導入する開口を有する還流配管を少なくとも２系統備えることを特徴とする多結晶シリコンの電磁鋳造装置。
【００２２】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置において、前記少なくとも２系統の還流配管において、配管系統の切替えを行う開閉バルブが設置されていることとすれば、配管系統の切替えをバルブ操作で容易に行うことができる。
【００２３】
（２）前記（１）に記載の多結晶シリコンの電磁鋳造装置（前記実施形態を含む）を用い、シリコン原料をモールドに装入し、電磁誘導加熱により溶融し、当該溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させることにより多結晶シリコンを連続的に鋳造する多結晶シリコンの電磁鋳造方法であって、鋳造対象の多結晶シリコンの導電型に応じてあらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止し、前記あらかじめ定めた配管系統におけるメインチャンバーの上部の開口から配管内に雰囲気ガスを導入し、サブチャンバーの下部の開口から当該サブチャンバー内へ還流させるとともに、モールドの下方から上方へ流入する雰囲気ガスの流れを遮断しながら鋳造を行うことを特徴とする多結晶シリコンの電磁鋳造方法。
【００２４】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造方法において、使用するドーパントの導電型を変更する際には、当該ドーパントにより定まる多結晶シリコンの導電型に応じて前記あらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止し、装置内を清掃した後、使用する配管系統を開いて鋳造を行うこととすれば、得られる多結晶シリコンの導電型の変更を、迅速に、かつ抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を伴うことなく行える。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置は、チャンバーの外側にチャンバー内の雰囲気ガスの還流配管を備える、ｎ型多結晶シリコンの製造に適した電磁誘導装置である。この電磁鋳造装置を使用し、本発明の電磁鋳造方法を適用すれば、鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンへ、あるいは逆にｐ型からｎ型の多結晶シリコンへ変更するに当たっての切替えを迅速に行い、かつ得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置の概略構成例を示す縦断面図である。
【図２】実施例の結果で、本発明を適用して得られた多結晶シリコンの抵抗率とそのバラツキを示す図である。
【図３】多結晶シリコンの製造に使用される電磁鋳造装置の構成例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置は、メインチャンバー内に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を有する電磁鋳造装置であることを前提としている。
【００２８】
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、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。
【００２９】
この電磁鋳造装置を使用することにより、前述のように、ドーパントとして用いるＰの偏析の問題を解消できるので、この装置はｎ型多結晶シリコンの製造に適した装置であるといえる。
【００３０】
上記本発明の前提である電磁鋳造装置は、さらに、加熱源として、プラズマトーチを有するものであってもよい。電磁誘導加熱とプラズマアーク加熱の併用により、電磁誘導加熱の負担を軽減し、原料溶解の効率化を図ることができるので望ましい。
【００３１】
また、プラズマ電極としてタングステン（Ｗ）を用いることにより、以下に述べるように、本発明の電磁鋳造装置をｎ型多結晶シリコンの製造により一層適した装置とすることが可能になる。すなわち、本出願人は、先に、プラズマトーチ内に配設されたプラズマ電極としてＷを用い、かつ、ｎ型多結晶シリコンの製造に用いられる多結晶シリコンの製造装置を提案した（特願２０１０−２０２１７０号）。プラズマアーク加熱を併用して電磁誘導法によりｎ型多結晶シリコンを製造するに際し、プラズマ電極としてＷを用いることにより、ライフタイムが長く、太陽電池の基板として用いた場合に高い変換効率が得られるｎ型の多結晶シリコンを製造することができる。
【００３２】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置は、このようにｎ型多結晶シリコンの製造に適した装置であることを前提として、メインチャンバーの上部に雰囲気ガスを引き込む開口を有し、サブチャンバーの下部に前記引き込んだ雰囲気ガスを当該サブチャンバー内へ導入する開口を有する還流配管を少なくとも２系統備えることを特徴とする電磁鋳造装置である。
【００３３】
図１は、本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造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、本発明の電磁鋳造装置は、導電性の無底冷却モールド１と、このモールド１を取り囲む誘導コイル２を有している。誘導コイル２の下側には、凝固したシリコンインゴット３を加熱して、急激な冷却を防ぐための保温装置４が設置されており、保温装置４の下側には、均熱筒５が取り付けられている。均熱筒５の外側には金属製の外枠１３が取り付けられている。
【００３４】
これらの諸装置は、溶融シリコン６および高温のシリコンインゴット３が大気と直接触れることがないように、密閉されたチャンバー７内に設置されている。チャンバー７は、図示するように、メインチャンバー７−１と、当該メインチャンバー７−１に連接されたサブチャンバー７−２とで構成されており、メインチャンバー７−１の上部には不活性ガスをチャンバー７内に導入するための不活性ガス導入口８が取り付けられ、サブチャンバー７−２の下部には排気口９が設けられている。この装置例では、モールド１の上方に昇降可能に設置されたプラズマトーチ１０が取り付けられている。
【００３５】
さらに、この電磁鋳造装置には還流配管が２系統配設されている。すなわち、図１において、チャンバー７を中心として、その右側（紙面の右側）に、メインチャンバー７−１の上部に雰囲気ガスを引き込む開口１１ａを有し、サブチャンバー７−２の下部に前記引き込んだ雰囲気ガスを当該サブチャンバー７−２内へ導入する開口１１ｂを有する還流配管１１が配設され、チャンバー７の左側にも同じ構成の還流配管１２が配設されている。
【００３６】
前述したように、チャンバー内には、インゴットの外周と均熱筒の内周との間を上昇し、保温装置の上端とモールドの下端との隙間を抜けてモールドの外側をさらに上昇した後、チャンバーの側壁近傍を下降する雰囲気ガスの自然対流が発生する。
【００３７】
均熱筒５の下側の隙間から導入され、インゴット３の外周と均熱筒５の内周との間を上昇した雰囲気ガスは、図１中に矢印で示したように（但し、矢印は、煩雑さを避けるため還流配管１１側においてのみ表示）、保温装置４の上端とモールド１の下端との隙間を抜けてモールド１の外側をさらに上昇する。その後、モールド１内の溶融シリコン６表面から発生した蒸気とともに、開口１１ａから還流配管１１内に引き込まれ、同配管１１内を通過して、開口１１ｂからサブチャンバー７−２内へ導入される。
【００３８】
前記導入された雰囲気ガスは、前述のように、インゴット３の外周と均熱筒５の内周との間を上昇するが、一部は均熱筒５の上端とサブチャンバー７−２の上端面（メインチャンバー７−１とサブチャンバー７−２を仕切る面）の間の隙間を通過して前記均熱筒５の下側隙間からの上昇ガスと合流する。
【００３９】
このように、チャンバー７内には、還流配管１１または還流配管１２を介しての雰囲気ガスの自然対流が発生する。なお、雰囲気ガスは、不活性ガス導入口８から導入される不活性ガスとともに最終的には排気口９からチャンバー７外に排出される。
【００４０】
還流配管の内径、形状等について何ら限定はない。自然対流による配管内の雰囲気ガスの流れが円滑に行われるような内径、形状等を備えるものであればよい。
【００４１】
このように、電磁鋳造装置に２系統の還流配管を取り付けるのは、鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンへ、あるいは逆にｐ型からｎ型の多結晶シリコンへ変更するに当たっての切替えを迅速に行い、かつ、得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を抑えるためである。この効果は、後に詳述するが、２系統の還流配管のうちの１系統をｎ型多結晶シリコンの鋳造時に使用し、残りの１系統をｐ型多結晶シリコンの鋳造時に使用することにより達成される。
【００４２】
還流配管の配置数は図１に例示した２系統に限らない。２系統の場合は、ｎ型およびｐ型多結晶シリコンの鋳造にそれぞれ１系統の還流配管を割り当てることになるが、１系統の場合は雰囲気ガスの流れに偏りが生じやすい。したがって、還流配管の配置数を例えば４系統に増やして、ｎ型およびｐ型多結晶シリコンの鋳造用にそれぞれ２系統を割り当て、それらを電磁鋳造装置内でバランスよく配置して雰囲気ガスの流れの均一化を図るのが望ましい。
【００４３】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置において、前記少なくとも２系統の還流配管において、配管系統の切替えを行う開閉バルブが設置されていることとすれば、配管系統の切替えをバルブ操作で容易に行うことができるので望ましい。
【００４４】
その場合、開閉バルブは、各開口部から当該配管内へ３００ｍｍ以内の部位に設置されていれば、配管内の清掃を容易に行うことができる。さらに、開閉バルブに自動開閉機能をもたせ、遠隔操作で開閉することも可能である。
【００４５】
図１に示した例は、本発明の電磁鋳造装置の望ましい実施形態で、これら２系統の還流配管１１、１２において、各開口１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂから配管１１または配管１２内へ３００ｍｍ以内の部位に、配管系統の切替えを行う自動開閉バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４が設置されている。
【００４６】
図１に示した電磁鋳造装置において、自動開閉バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の設置位置を前記のように規定するのは、配管内の清掃を容易にするためである。鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンへ、あるいはその逆へ変更するに当たっての配管系統の切替え時には、チャンバー内に不活性ガスを送通して雰囲気ガスの置換を行うが、還流配管内の清掃はこのような雰囲気ガスの置換のみでは困難であり、例えば掃除機を利用して行われる。したがって、自動開閉バルブが各開口からそれら配管内へ３００ｍｍ以内の部位（すなわち、開口部から手の届く距離）に設置されていれば、開閉バルブが閉止された状態でその手前のみを清掃すればよく、清掃を容易に行うことができる。
【００４７】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造方法は、前記本発明の電磁鋳造装置（前記実施形態を含む）を用い、シリコン原料をモールドに装入し、電磁誘導加熱により溶融し、当該溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させることにより多結晶シリコンを連続的に鋳造することを前提とする。この前提をおいた理由は前述のとおりである。
【００４８】
本発明の電磁鋳造方法は、この前提の下に、鋳造対象の多結晶シリコンの導電型に応じてあらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止し、前記あらかじめ定めた配管系統におけるメインチャンバーの上部の開口から配管内に雰囲気ガスを導入し、サブチャンバーの下部の開口から当該サブチャンバー内へ還流させるとともに、モールドの下方から上方へ流入する雰囲気ガスの流れを遮断しながら鋳造を行うことを特徴とする方法である。以下、前記の図１を参照して説明する。
【００４９】
本発明の電磁鋳造方法を実施するに際しては、先ず、鋳造対象の多結晶シリコンの導電型に応じて使用する配管系統をあらかじめ定めておき、使用しない配管系統を閉止する。図１において、例えば、還流配管１１をｎ型多結晶シリコンの鋳造用、還流配管１２をｐ型多結晶シリコンの鋳造用として定め、ｎ型多結晶シリコンを鋳造する場合を想定すると、還流配管１１の自動開閉バルブＶ１、Ｖ２を開き、還流配管１２のバルブＶ３、Ｖ４を閉じる。バルブＶ３、Ｖ４を閉じておくことにより、還流配管１２内へのＰ含有Ｓｉ蒸発物の通過が遮断されるので、鋳造の対象をｎ型多結晶シリコンからｐ型多結晶シリコンへ変更するに当たり、還流配管１２内については清掃を行う必要がなく、ｎ型、ｐ型の切替えに際しての装置内の清掃を迅速に行うことが可能となる。
【００５０】
続いて、シリコン原料の溶解、鋳造の進行に伴い生成する雰囲気ガスを、自然対流を利用して、前記あらかじめ定めた配管系統（この場合は、還流配管１１）におけるメインチャンバー７−１の上部の開口１１ａから当該配管１１内に導入し、サブチャンバー７−２の下部の開口から当該サブチャンバー７−２内へ還流させる。
【００５１】
サブチャンバー７−２内へ導入された雰囲気ガスは、前述のように、インゴット３の外周と均熱筒５の内周との間を上昇し、一部は均熱筒５の上端とサブチャンバー７−２の上端面の間の隙間を通過して前記均熱筒５の下側隙間からの上昇ガスと合流する。合流した雰囲気ガスは保温装置４の上端とモールド１の下端との隙間を抜けてモールド１の外側をさらに上昇する。その後、モールド１内の溶融シリコン６表面から発生した蒸気とともに、開口１２ａから還流配管１２内に引き込まれ、同配管１２内を通過して、開口１２ｂからサブチャンバー７−２内へ導入される。
【００５２】
このように、チャンバー７内には、還流配管１１を介しての雰囲気ガスの自然対流が発生する。なお、雰囲気ガスは、不活性ガス導入口８から導入される不活性ガスとともに最終的には排気口９からチャンバー７外に排出される。
【００５３】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造方法において、使用するドーパントの導電型を変更する際には、当該ドーパントにより定まる多結晶シリコンの導電型に応じて前記あらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止する。続いて、装置内を清掃した後、使用する配管系統を開いて鋳造を行う。
【００５４】
図１を参照して説明すると、先ず、あらかじめ定めてあるｐ型用還流配管１２を使用することとして、ｎ型用還流配管１１の自動開閉バルブＶ１、Ｖ２を閉止する。なお、ｐ型用還流配管１２の自動開閉バルブＶ３、Ｖ４は引き続き閉じられたままである。不活性ガス導入口８から不活性ガスを導入してチャンバー７内の雰囲気ガスを置換するとともに、各開口部（例えば、開口１１ａから自動開閉バルブＶ１までの間）に付着残留しているＰ含有Ｓｉ蒸発物を清掃除去する装置内の清掃を行う。開閉バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４はいずれも閉じられており、還流配管１１、１２内については清掃を行う必要がない。その後、ｐ型用還流配管１２のバルブＶ３、Ｖ４を開いて、ｐ型多結晶シリコンの電磁鋳造を開始する。
【００５５】
メインチャンバー７−１の上部の開口１２ａから当該配管１２内には、自然対流により雰囲気ガスが導入され、サブチャンバー７−２の下部の開口１２ｂから当該サブチャンバー７−２内へ還流される。還流配管１２によりサブチャンバー７−２内へ導入された雰囲気ガスは、前述のように、最終的には排気口９からチャンバー７外に排出されるが、大半は還流配管１２を介してチャンバー７内で自然対流する。
【００５６】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造方法によれば、鋳造の対象である多結晶シリコンの導電型を変更するに際し、装置内の清掃を迅速に行い、かつ得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を抑えることができる。
【実施例】
【００５７】
前記図１に示した２系統の還流配管を備える本発明の電磁鋳造装置を使用し、ｐ型用還流配管を使用してｐ型多結晶シリコンの鋳造（ドーパントとして、Ｂを使用）を１５回行った後、ｎ型用還流配管を使用してｎ型多結晶シリコン（ドーパントとして、Ｐを使用）の鋳造を行った。その際、切替えに際して還流配管の清掃に要した時間、得られたｎ型多結晶シリコンインゴットの抵抗率およびそのバラツキを調査した。インゴットの断面寸法は３４５ｍｍ×５０５ｍｍで、長さは４ｍとした。この場合、還流配管の長さは７ｍであった。
【００５８】
調査結果を表１に示す。表１において、「本発明例」は、ドーパント別にあらかじめ定めた専用の還流配管を使用した場合である。「比較例」は、同じ電磁鋳造装置において、ドーパント別の専用の還流配管を定めず、２系統すべてをｐ型多結晶シリコンの鋳造に使用し、切替え後は、２系統すべてをｎ型多結晶シリコンの鋳造に使用した場合であり、比較例１は、還流配管（２本分）の清掃を実施した場合、比較例２は前記清掃を実施しなかった場合、比較例３はドーパントを変更せず（つまり、ｐ型からｎ型多結晶シリコンへの切替えを行わず）、引き続きｐ型多結晶シリコンの鋳造を行った場合である。比較例３における抵抗率の平均値は、切替え後の抵抗率の目標値とみなされる。
【００５９】
抵抗率の調査は、得られたシリコンインゴットのそれぞれについて、トップ部とボトム部の５００ｍｍづつを取り除いた残りの部分を１０００ｍｍごとに切断し、切断した面内３０箇所の合計１２０箇所で行った。調査に供したインゴット数は、本発明例、比較例とも３本である。表１には、全データについて、その平均値、および最低値、最大値を表示した。
【００６０】
【表１】
【００６１】
図２は、前記表１に示した結果を図示したもので、本発明を適用して得られた多結晶シリコンの抵抗率とそのバラツキを示す図である。
【００６２】
表１から明らかなように、ｐ型多結晶シリコンからｎ型多結晶シリコンへの切替えに際して還流配管の清掃に要した時間は、比較例１（還流配管の清掃あり）では平均４２分（２本分）であったのに対し、本発明例では僅か３分で、還流配管の清掃に要する時間は著しく短縮された。
【００６３】
表１および図２に示したように、ドーパントを変更せず、引き続きｐ型多結晶シリコンの鋳造を行った比較例３に対して、本発明例では、抵抗率の平均は全く変わらず、目標値からの外れはなかったと言える。また、バラツキも比較例３に比べて僅かに大きいだけであり、極めて良好な結果が得られた。これは、ｐ型多結晶シリコンの鋳造を終了した後の装置内（特に、還流配管内）の清掃が短時間で十分に行われたことを裏付けるものである。
【００６４】
これに対し、比較例２（還流配管の清掃なし）では、抵抗率が幾分増大し、目標値からの外れが認められるとともに、抵抗率のバラツキが非常に大きかった。これは、還流配管内におけるＰ含有Ｓｉ蒸発物の残存によるものと考えられる。還流配管の清掃を実施した比較例１でも抵抗率のバラツキがかなり大きかったが、配管内の清掃が困難で、Ｐ含有Ｓｉ蒸発物の除去が十分ではなかったことによるものと推察される。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の多結晶シリコンの電磁鋳造装置および電磁鋳造方法によれば、鋳造対象インゴットの導電型の切替えに際して、還流配管の清掃に要する時間を短縮して切替えを迅速に行うとともに、得られる多結晶シリコンの抵抗率の目標値からの外れやバラツキの増大を抑えることができる。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る。
【符号の説明】
【００６６】
１：モールド、 ２：誘導コイル、 ３：シリコンインゴット、
４：保温装置、 ５：均熱筒、 ６：溶融シリコン、
７：チャンバー、 ７−１：メインチャンバー、 ７−２：サブチャンバー、
８：不活性ガス導入口、 ９：排気口、 １０：プラズマトーチ、
１１：還流配管、 １１ａ、１１ｂ：開口、
１２：還流配管、 １２ａ、１２ｂ：開口、
１３：外枠、 １４：支持台、 １５：原料投入機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メインチャンバー内に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つつ、前記メインチャンバーに連接されたサブチャンバーの下部からインゴットとして取り出す、ｎ型多結晶シリコンの製造に適した多結晶シリコンインゴットの電磁鋳造装置であって、
前記メインチャンバーの上部に雰囲気ガスを引き込む開口を有し、サブチャンバーの下部に前記引き込んだ雰囲気ガスを当該サブチャンバー内へ導入する開口を有する還流配管を少なくとも２系統備えることを特徴とする多結晶シリコンの電磁鋳造装置。
【請求項２】
前記少なくとも２系統の還流配管において、配管系統の切替えを行う開閉バルブが設置されていることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンの電磁鋳造装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の多結晶シリコンの電磁鋳造装置を用い、シリコン原料をモールドに装入し、電磁誘導加熱により溶融し、当該溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させることにより多結晶シリコンを連続的に鋳造する多結晶シリコンの電磁鋳造方法であって、
鋳造対象の多結晶シリコンの導電型に応じてあらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止し、
前記あらかじめ定めた配管系統におけるメインチャンバーの上部の開口から配管内に雰囲気ガスを導入し、サブチャンバーの下部の開口から当該サブチャンバー内へ還流させるとともに、モールドの下方から上方へ流入する雰囲気ガスの流れを遮断しながら鋳造を行うことを特徴とする多結晶シリコンの電磁鋳造方法。
【請求項４】
使用するドーパントの導電型を変更する際には、当該ドーパントにより定まる多結晶シリコンの導電型に応じて前記あらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止し、
装置内を清掃した後、使用する配管系統を開いて鋳造を行うことを特徴とする請求項３に記載の多結晶シリコンの電磁鋳造方法。
【請求項１】
メインチャンバー内に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つつ、前記メインチャンバーに連接されたサブチャンバーの下部からインゴットとして取り出す、ｎ型多結晶シリコンの製造に適した多結晶シリコンインゴットの電磁鋳造装置であって、
前記メインチャンバーの上部に雰囲気ガスを引き込む開口を有し、サブチャンバーの下部に前記引き込んだ雰囲気ガスを当該サブチャンバー内へ導入する開口を有する還流配管を少なくとも２系統備えることを特徴とする多結晶シリコンの電磁鋳造装置。
【請求項２】
前記少なくとも２系統の還流配管において、配管系統の切替えを行う開閉バルブが設置されていることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンの電磁鋳造装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の多結晶シリコンの電磁鋳造装置を用い、シリコン原料をモールドに装入し、電磁誘導加熱により溶融し、当該溶融したシリコンを下方に引き下げ凝固させることにより多結晶シリコンを連続的に鋳造する多結晶シリコンの電磁鋳造方法であって、
鋳造対象の多結晶シリコンの導電型に応じてあらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止し、
前記あらかじめ定めた配管系統におけるメインチャンバーの上部の開口から配管内に雰囲気ガスを導入し、サブチャンバーの下部の開口から当該サブチャンバー内へ還流させるとともに、モールドの下方から上方へ流入する雰囲気ガスの流れを遮断しながら鋳造を行うことを特徴とする多結晶シリコンの電磁鋳造方法。
【請求項４】
使用するドーパントの導電型を変更する際には、当該ドーパントにより定まる多結晶シリコンの導電型に応じて前記あらかじめ定めた配管系統を使用することとして、それ以外の配管系統を閉止し、
装置内を清掃した後、使用する配管系統を開いて鋳造を行うことを特徴とする請求項３に記載の多結晶シリコンの電磁鋳造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１０１９６６（Ｐ２０１２−１０１９６６Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５０７１０（Ｐ２０１０−２５０７１０）
【出願日】平成２２年１１月９日（２０１０．１１．９）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月９日（２０１０．１１．９）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
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