JP2000264775A - 電磁誘導鋳造装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 導電性無底坩堝を使用する電磁誘導鋳造法に
おいて、無底坩堝内の凝固直後の鋳塊の温度勾配を小さ
く抑制する。 【解決手段】 誘導コイル３の内側に配置される導電性
無底坩堝２の上部を水冷部２ａ、下部を無水冷部２ｂと
する。水冷部２ａ及び無水冷部２ｂの両方を、縦方向の
スリットにより周方向で複数に分割する。坩堝下部での
水冷による急激な冷却を抑える。
おいて、無底坩堝内の凝固直後の鋳塊の温度勾配を小さ
く抑制する。 【解決手段】 誘導コイル３の内側に配置される導電性
無底坩堝２の上部を水冷部２ａ、下部を無水冷部２ｂと
する。水冷部２ａ及び無水冷部２ｂの両方を、縦方向の
スリットにより周方向で複数に分割する。坩堝下部での
水冷による急激な冷却を抑える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば太陽電池用
シリコン鋳塊等の製造に使用される電磁誘導鋳造装置に
関する。
シリコン鋳塊等の製造に使用される電磁誘導鋳造装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】太陽電池に使用されるシリコンの一方向
性凝固鋳塊を製造する方法の一つとして、特開平２−３
０６９８号公報、特開平４−３３８１９５号公報等に記
載された電磁誘導鋳造法がある。典型的な電磁誘導鋳造
法では、図８に示すように、誘導コイル３と、誘導コイ
ル３の内側に配置された導電性の無底坩堝２と、無底坩
堝２の下方に設けられた保温炉４とが使用される。
性凝固鋳塊を製造する方法の一つとして、特開平２−３
０６９８号公報、特開平４−３３８１９５号公報等に記
載された電磁誘導鋳造法がある。典型的な電磁誘導鋳造
法では、図８に示すように、誘導コイル３と、誘導コイ
ル３の内側に配置された導電性の無底坩堝２と、無底坩
堝２の下方に設けられた保温炉４とが使用される。
【０００３】導電性の無底坩堝２は、縦方向の少なくと
も一部分が縦方向のスリット２′，２′・・により周方
向で複数の縦長部２″，２″・・に分割された構造であ
り、当該坩堝内に供給される原料を誘導コイル３と共同
して電磁溶解し、引き続きその溶解原料を凝固させる。
この溶解原料の凝固と坩堝保護を目的として、無底坩堝
２は内部を冷却水が通過する水冷構造とされている。
も一部分が縦方向のスリット２′，２′・・により周方
向で複数の縦長部２″，２″・・に分割された構造であ
り、当該坩堝内に供給される原料を誘導コイル３と共同
して電磁溶解し、引き続きその溶解原料を凝固させる。
この溶解原料の凝固と坩堝保護を目的として、無底坩堝
２は内部を冷却水が通過する水冷構造とされている。
【０００４】保温炉４は、無底坩堝の下方に引き抜かれ
る凝固鋳塊を電気ヒータ５によって加熱し、温度勾配の
制御を行う。
る凝固鋳塊を電気ヒータ５によって加熱し、温度勾配の
制御を行う。
【０００５】このような電磁誘導鋳造法では、導電性無
底坩堝２が縦方向のスリット２′，２′・・により複数
の縦長部２″，２″・・に分割されていることにより、
坩堝内の原料が電磁誘導により加熱溶解されるだけでな
く、坩堝と坩堝内の原料の間に反発力が生じ、この間の
接触が軽減される。この接触軽減により、原料の汚染が
抑制され、製品品質が向上すると共に、鋳型が実質的に
消耗せず、設備コストが抑制される。また、連続的な鋳
造により鋳造能率も高い。かくして、高品質のシリコン
鋳塊が経済的に製造される。
底坩堝２が縦方向のスリット２′，２′・・により複数
の縦長部２″，２″・・に分割されていることにより、
坩堝内の原料が電磁誘導により加熱溶解されるだけでな
く、坩堝と坩堝内の原料の間に反発力が生じ、この間の
接触が軽減される。この接触軽減により、原料の汚染が
抑制され、製品品質が向上すると共に、鋳型が実質的に
消耗せず、設備コストが抑制される。また、連続的な鋳
造により鋳造能率も高い。かくして、高品質のシリコン
鋳塊が経済的に製造される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな電磁誘導鋳造法には、導電性の無底坩堝２が水冷構
造であることに関連して以下の問題がある。
うな電磁誘導鋳造法には、導電性の無底坩堝２が水冷構
造であることに関連して以下の問題がある。
【０００７】本発明者らはこれまで長年にわたり、この
電磁誘導鋳造法によって高品質な太陽電池用シリコン鋳
塊を製造する研究を続けてきた。この研究の過程で、シ
リコンの融点である１４２０℃から１２００℃までの比
較的狭い温度域で、シリコンの温度勾配を１５〜２５℃
／ｃｍの範囲内に制御すれば、シリコン鋳塊の太陽電池
としての性能が飛躍的に向上することを知見し、特開平
４−３４２４９６号公報により提示した。
電磁誘導鋳造法によって高品質な太陽電池用シリコン鋳
塊を製造する研究を続けてきた。この研究の過程で、シ
リコンの融点である１４２０℃から１２００℃までの比
較的狭い温度域で、シリコンの温度勾配を１５〜２５℃
／ｃｍの範囲内に制御すれば、シリコン鋳塊の太陽電池
としての性能が飛躍的に向上することを知見し、特開平
４−３４２４９６号公報により提示した。
【０００８】この温度勾配の制御が性能向上に有効な理
由は、シリコンが１４２０℃から１２００℃までの温度
域を通過する際に太陽電池の光電変換効率を悪化させる
多くの欠陥が発生すること、この温度域での温度勾配を
小さくすれば結晶内部に発生する熱応力が緩和され、結
晶欠陥の発生が抑制されることなどにある。
由は、シリコンが１４２０℃から１２００℃までの温度
域を通過する際に太陽電池の光電変換効率を悪化させる
多くの欠陥が発生すること、この温度域での温度勾配を
小さくすれば結晶内部に発生する熱応力が緩和され、結
晶欠陥の発生が抑制されることなどにある。
【０００９】これまでの電磁誘導鋳造装置では、無底坩
堝２の下方に保温炉４が設けられており、無底坩堝２の
下方まで引き下げられた後の鋳塊に対しては温度勾配の
高度な制御が可能である。ちなみに、保温炉上端での鋳
塊温度は１３００〜１０００℃である。しかし、無底坩
堝２の内面は水冷により２００℃以下に冷却されてい
る。このため、無底坩堝内のシリコンは、強制水冷され
る坩堝内面によって急激に冷却され、この余りにも大き
な温度勾配のため、保温炉４を用いても、シリコン鋳塊
の太陽電池としての性能に重大な影響を及ぼす１４２０
℃から１２００℃までの温度域で、温度勾配を１５〜２
５℃／ｃｍの範囲内に抑制することは非常に困難な技術
であった。
堝２の下方に保温炉４が設けられており、無底坩堝２の
下方まで引き下げられた後の鋳塊に対しては温度勾配の
高度な制御が可能である。ちなみに、保温炉上端での鋳
塊温度は１３００〜１０００℃である。しかし、無底坩
堝２の内面は水冷により２００℃以下に冷却されてい
る。このため、無底坩堝内のシリコンは、強制水冷され
る坩堝内面によって急激に冷却され、この余りにも大き
な温度勾配のため、保温炉４を用いても、シリコン鋳塊
の太陽電池としての性能に重大な影響を及ぼす１４２０
℃から１２００℃までの温度域で、温度勾配を１５〜２
５℃／ｃｍの範囲内に抑制することは非常に困難な技術
であった。
【００１０】また、無底坩堝内でのシリコンの急激な冷
却に加え、坩堝内面の低温ゾーン（２００℃以下）から
保温炉上端（１３００〜１０００℃程度）への急激な温
度変化に起因する部分的な温度勾配の増大が生じる。こ
れらのため、脆性材料であるシリコンにクラックが発生
しやすい。
却に加え、坩堝内面の低温ゾーン（２００℃以下）から
保温炉上端（１３００〜１０００℃程度）への急激な温
度変化に起因する部分的な温度勾配の増大が生じる。こ
れらのため、脆性材料であるシリコンにクラックが発生
しやすい。
【００１１】本発明の目的は、導電性無底坩堝内の凝固
直後の鋳塊の温度勾配を小さく抑制できる電磁誘導鋳造
装置を提供することにある。
直後の鋳塊の温度勾配を小さく抑制できる電磁誘導鋳造
装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電磁誘導鋳造装置は、誘導コイルの内側に
配置され、縦方向の少なくとも一部分が縦方向のスリッ
トにより周方向で複数に分割された導電性無底坩堝内で
原料を電磁溶解し、その溶解原料を凝固させつつ下方へ
引き抜く電磁誘導溶解鋳造装置において、前記導電性無
底坩堝の上部を水冷部、下部を無水冷部とし、水冷部及
び無水冷部の両方で縦方向の少なくとも一部分を縦方向
のスリットにより周方向で複数に分割したものである。
に、本発明の電磁誘導鋳造装置は、誘導コイルの内側に
配置され、縦方向の少なくとも一部分が縦方向のスリッ
トにより周方向で複数に分割された導電性無底坩堝内で
原料を電磁溶解し、その溶解原料を凝固させつつ下方へ
引き抜く電磁誘導溶解鋳造装置において、前記導電性無
底坩堝の上部を水冷部、下部を無水冷部とし、水冷部及
び無水冷部の両方で縦方向の少なくとも一部分を縦方向
のスリットにより周方向で複数に分割したものである。
【００１３】無底坩堝の上部は、溶湯の凝固を開始する
ために、十分な冷却能力が必要である。そのためにも水
冷されている必要があり、冷却能力を確保する観点か
ら、その構成材料としては銅、銀等の高熱伝導金属が好
ましい。
ために、十分な冷却能力が必要である。そのためにも水
冷されている必要があり、冷却能力を確保する観点か
ら、その構成材料としては銅、銀等の高熱伝導金属が好
ましい。
【００１４】一方、無底坩堝の下部は、凝固した後の鋳
塊肌に面しているため、水冷構造では冷却が過大とな
り、凝固直後の鋳塊を過度に冷却してしまう。よって、
無水冷構造とした。この無水冷の下部は、上部の水冷部
と同様、電気伝導体であり、且つスリットを有するた
め、坩堝下部でも坩堝上部と同様に、坩堝内側の電磁誘
導による積極加熱が可能となる。加えて、水冷されてい
ない無水冷部が加熱され、この輻射による鋳塊加熱も可
能になる。
塊肌に面しているため、水冷構造では冷却が過大とな
り、凝固直後の鋳塊を過度に冷却してしまう。よって、
無水冷構造とした。この無水冷の下部は、上部の水冷部
と同様、電気伝導体であり、且つスリットを有するた
め、坩堝下部でも坩堝上部と同様に、坩堝内側の電磁誘
導による積極加熱が可能となる。加えて、水冷されてい
ない無水冷部が加熱され、この輻射による鋳塊加熱も可
能になる。
【００１５】これらにより、本発明の電磁誘導鋳造装置
では、無底坩堝の下部内での過度の冷却が回避され、凝
固直後の鋳塊の温度勾配が抑制される。また、無底坩堝
から保温炉への急激な温度変化が緩和され、この温度変
化に起因する部分的な温度勾配の増大が防止される。
では、無底坩堝の下部内での過度の冷却が回避され、凝
固直後の鋳塊の温度勾配が抑制される。また、無底坩堝
から保温炉への急激な温度変化が緩和され、この温度変
化に起因する部分的な温度勾配の増大が防止される。
【００１６】無水冷部におけるスリット長は、スリット
全長に対する比率で１０〜５０％が好ましい。この比率
が１０％未満では坩堝下部の内側で有効な誘導加熱を行
うことが困難になる。一方、５０％を超えると、凝固開
始線（溶湯と坩堝と凝固部の３重点）が坩堝下部と接触
してしまい、凝固開始時に十分な冷却効果が得られない
ため、安定した凝固が困難となり、その結果、溶湯漏れ
を発生する危険性が生じる。
全長に対する比率で１０〜５０％が好ましい。この比率
が１０％未満では坩堝下部の内側で有効な誘導加熱を行
うことが困難になる。一方、５０％を超えると、凝固開
始線（溶湯と坩堝と凝固部の３重点）が坩堝下部と接触
してしまい、凝固開始時に十分な冷却効果が得られない
ため、安定した凝固が困難となり、その結果、溶湯漏れ
を発生する危険性が生じる。
【００１７】無底坩堝の全高、水冷部の高さ及び無水冷
部の高さは、上記スリット長が得られるように設定され
る。ちなみに、スリット全高は４００〜５００ｍｍ程度
である。
部の高さは、上記スリット長が得られるように設定され
る。ちなみに、スリット全高は４００〜５００ｍｍ程度
である。
【００１８】水冷部のスリットと無水冷部のスリット
は、それぞれのスリット同士を繋いで、水冷部から無水
冷部にかけて連続するスリットを形成するものが好まし
い。これによれば、水冷部と無水冷部の境界近傍でも電
磁力が途切れない。このため、鋳造がより安定化し、エ
ネルギー効率も向上する。
は、それぞれのスリット同士を繋いで、水冷部から無水
冷部にかけて連続するスリットを形成するものが好まし
い。これによれば、水冷部と無水冷部の境界近傍でも電
磁力が途切れない。このため、鋳造がより安定化し、エ
ネルギー効率も向上する。
【００１９】無水冷部の構成材料としてはモリブデン、
タングステン、チタン等の高融点・導電性物質が好まし
い。これにより、無水冷部の温度が部分的に１０００℃
を超えるような高温となっても問題は生じない。
タングステン、チタン等の高融点・導電性物質が好まし
い。これにより、無水冷部の温度が部分的に１０００℃
を超えるような高温となっても問題は生じない。
【００２０】坩堝外側の誘導コイルは、無底坩堝の水冷
部外側と無水冷部外側のそれぞれに独立して設置するこ
とができる。この独立設置により、無水冷部内側の加熱
が促進され、且つ加熱温度の制御精度が向上する。よっ
て、温度勾配の抑制が一層効果的に行われる。
部外側と無水冷部外側のそれぞれに独立して設置するこ
とができる。この独立設置により、無水冷部内側の加熱
が促進され、且つ加熱温度の制御精度が向上する。よっ
て、温度勾配の抑制が一層効果的に行われる。
【００２１】無底坩堝は、水冷部と無水冷部に分離可能
な組立式とすることができる。これによれば、坩堝の変
形修正が容易になる。また、坩堝の部分的な取り替えが
可能となり、取り替えに要するコストが軽減される。
な組立式とすることができる。これによれば、坩堝の変
形修正が容易になる。また、坩堝の部分的な取り替えが
可能となり、取り替えに要するコストが軽減される。
【００２２】なお、本発明の電磁誘導鋳造装置は、シリ
コン鋳塊、特に太陽電池用多結晶シリコン鋳塊の製造に
適するが、他の半導体や金属の製造にも適用可能であ
る。
コン鋳塊、特に太陽電池用多結晶シリコン鋳塊の製造に
適するが、他の半導体や金属の製造にも適用可能であ
る。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る
電磁誘導鋳造装置の全体構成図、図２は同電磁誘導鋳造
装置の主要部の縦断面図、図３は鋳造状況を示す同主要
部の縦断面図である。
基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る
電磁誘導鋳造装置の全体構成図、図２は同電磁誘導鋳造
装置の主要部の縦断面図、図３は鋳造状況を示す同主要
部の縦断面図である。
【００２４】第１実施形態に係る電磁誘導鋳造装置は、
図１に示すように、鋳造雰囲気を保持するために気密容
器１を備えている。この雰囲気保持のために、気密容器
１の上部側面にはガス導入口１ｂ、下部側面にはガス排
出口１ａがそれぞれ設けられている。また、気密容器１
の上面には原料装入口１ｃ、下面には鋳塊取り出し口１
ｄがそれぞれ設けられている。
図１に示すように、鋳造雰囲気を保持するために気密容
器１を備えている。この雰囲気保持のために、気密容器
１の上部側面にはガス導入口１ｂ、下部側面にはガス排
出口１ａがそれぞれ設けられている。また、気密容器１
の上面には原料装入口１ｃ、下面には鋳塊取り出し口１
ｄがそれぞれ設けられている。
【００２５】気密容器１内には、導電性材料からなる縦
型筒状の無底坩堝２が設置されている。無底坩堝２の外
側には誘導コイル３が隙間をあけて配置されている。無
底坩堝２の下方には保温炉４が連続して配置され、一
方、無底坩堝２の上方には、無底坩堝２内に原料を装入
するための原料装入装置８が設けられている。
型筒状の無底坩堝２が設置されている。無底坩堝２の外
側には誘導コイル３が隙間をあけて配置されている。無
底坩堝２の下方には保温炉４が連続して配置され、一
方、無底坩堝２の上方には、無底坩堝２内に原料を装入
するための原料装入装置８が設けられている。
【００２６】無底坩堝２は、図２に示すように、上部の
水冷部２ａと下部の無水冷部２ｂの２部分に別れてお
り、誘導コイル３は水冷部２ａの外側に配置されてい
る。
水冷部２ａと下部の無水冷部２ｂの２部分に別れてお
り、誘導コイル３は水冷部２ａの外側に配置されてい
る。
【００２７】水冷部２ａは、中段部より下の部分が縦方
向のスリット２ａ′，２ａ′・・により周方向で複数の
縦長部２ａ″，２ａ″・・に分割されている。水冷部２
ａの内部は、縦長部２ａ″，２ａ″・・ごとに内面側の
第１室と外面側の第２室に別れている。上端部から水冷
部２ａ内に流入した冷却水は、縦長部２ａ″，２ａ″・
・を内面側から外面側へ経由し、上端部から水冷部２ａ
外へ流出する。
向のスリット２ａ′，２ａ′・・により周方向で複数の
縦長部２ａ″，２ａ″・・に分割されている。水冷部２
ａの内部は、縦長部２ａ″，２ａ″・・ごとに内面側の
第１室と外面側の第２室に別れている。上端部から水冷
部２ａ内に流入した冷却水は、縦長部２ａ″，２ａ″・
・を内面側から外面側へ経由し、上端部から水冷部２ａ
外へ流出する。
【００２８】水冷部２ａを構成する材料は、熱伝導性及
び電気伝導性が共に優れた銅等である。
び電気伝導性が共に優れた銅等である。
【００２９】無水冷部２ｂは、高融点の導電性金属であ
るモリブデン等からなり、水冷部２ａのような冷却構造
は有しない。この無水冷部２ｂは、下部を除く部分が縦
方向のスリット２ｂ′，２ｂ′・・により周方向で複数
の縦長部２ｂ″，２ｂ″・・に分割されている。
るモリブデン等からなり、水冷部２ａのような冷却構造
は有しない。この無水冷部２ｂは、下部を除く部分が縦
方向のスリット２ｂ′，２ｂ′・・により周方向で複数
の縦長部２ｂ″，２ｂ″・・に分割されている。
【００３０】水冷部２ａの縦長部２ａ″，２ａ″・・と
無水冷部２ｂの縦長部２ｂ″，２ｂ″・・は同一のピッ
チとされている。そして、対応する縦長部同士がろう付
け等により接合されることにより、水冷部２ａと無水冷
部２ｂが一体化されている。また、水冷部２ａのスリッ
ト２ａ′，２ａ′・・・と無水冷部２ｂのスリット２
ｂ′，２ｂ′・・・がそれぞれ繋がり、水冷部２ａから
無水冷部２ｂにかけて連続する複数のスリットが形成さ
れている。
無水冷部２ｂの縦長部２ｂ″，２ｂ″・・は同一のピッ
チとされている。そして、対応する縦長部同士がろう付
け等により接合されることにより、水冷部２ａと無水冷
部２ｂが一体化されている。また、水冷部２ａのスリッ
ト２ａ′，２ａ′・・・と無水冷部２ｂのスリット２
ｂ′，２ｂ′・・・がそれぞれ繋がり、水冷部２ａから
無水冷部２ｂにかけて連続する複数のスリットが形成さ
れている。
【００３１】水冷部２ａと無水冷部２ｂの接合により、
無底坩堝２は上端部及び下端部で周方向に一体化された
構造となる。即ち、縦長部が上下端のいずれもが自由端
にならない構造となる。この構造により、無底坩堝２の
機械的強度が向上し、その変形が防止される。
無底坩堝２は上端部及び下端部で周方向に一体化された
構造となる。即ち、縦長部が上下端のいずれもが自由端
にならない構造となる。この構造により、無底坩堝２の
機械的強度が向上し、その変形が防止される。
【００３２】電磁誘導の面からは、水冷部２ａから無水
冷部２ｂにかけて連続する複数のスリット（縦長部）が
形成されることにより、水冷部２ａと無水冷部２ｂの境
界近傍においても、溶湯と坩堝を非接触に保つように電
磁力が働くため、安定した鋳造が可能になる。また、電
磁誘導により溶湯が積極的に加熱ため、エネルギー効率
も良好となる。この連続したスリット（縦長部）が形成
されない場合は、水冷部２ａと無水冷部２ｂの境界近傍
で電磁シールド作用が生じるため、局所的とは言え溶湯
に対する電磁力が働かず、電磁誘導による加熱効果も阻
害される。
冷部２ｂにかけて連続する複数のスリット（縦長部）が
形成されることにより、水冷部２ａと無水冷部２ｂの境
界近傍においても、溶湯と坩堝を非接触に保つように電
磁力が働くため、安定した鋳造が可能になる。また、電
磁誘導により溶湯が積極的に加熱ため、エネルギー効率
も良好となる。この連続したスリット（縦長部）が形成
されない場合は、水冷部２ａと無水冷部２ｂの境界近傍
で電磁シールド作用が生じるため、局所的とは言え溶湯
に対する電磁力が働かず、電磁誘導による加熱効果も阻
害される。
【００３３】無底坩堝２の下方に設けられる保温炉４
は、鋳塊を保温するために電気ヒータ５を備えている。
は、鋳塊を保温するために電気ヒータ５を備えている。
【００３４】第１実施形態に係る電磁誘導鋳造装置でシ
リコン鋳塊を製造する場合は、先ず気密容器１内の原料
装入装置８に原料装入口１ｃから鋳造原料１０として粒
塊状の多結晶シリコンを装填する。原料装入口１ｃを閉
じた後、気密容器１内をガス排出口１ａから真空引き
し、所定の真空度を保ちつつ、ガス導入口１ｂから気密
容器１内へ不活性ガスを導入する。
リコン鋳塊を製造する場合は、先ず気密容器１内の原料
装入装置８に原料装入口１ｃから鋳造原料１０として粒
塊状の多結晶シリコンを装填する。原料装入口１ｃを閉
じた後、気密容器１内をガス排出口１ａから真空引き
し、所定の真空度を保ちつつ、ガス導入口１ｂから気密
容器１内へ不活性ガスを導入する。
【００３５】無底坩堝２の底部をダミー鋳塊で閉じた状
態で、原料装入装置８から無底坩堝２内に鋳造原料１０
を装入する。無底坩堝２内の鋳造原料１０を溶解するべ
く、誘導コイル２に所定周波数の交流を通じる。無底坩
堝２内に鋳造原料１０を補給しつつダミー鋳塊を下降さ
せることにより、シリコンの一方向性凝固鋳塊１２を連
続的に製造する。製造された鋳塊１２は鋳塊取り出し口
１ｄから気密容器１の外に取り出される。
態で、原料装入装置８から無底坩堝２内に鋳造原料１０
を装入する。無底坩堝２内の鋳造原料１０を溶解するべ
く、誘導コイル２に所定周波数の交流を通じる。無底坩
堝２内に鋳造原料１０を補給しつつダミー鋳塊を下降さ
せることにより、シリコンの一方向性凝固鋳塊１２を連
続的に製造する。製造された鋳塊１２は鋳塊取り出し口
１ｄから気密容器１の外に取り出される。
【００３６】このとき、無底坩堝２では、図３に示すよ
うに、無底坩堝２内に装入される鋳造原料１０が、無底
坩堝２の水冷部２ａの外側に配置された誘導コイル２に
より、水冷部２ａ内で溶解し、溶湯１１となる。溶湯１
１は、水冷部２ａの水冷された内面により急冷され、外
面側より凝固して鋳塊１２となる。
うに、無底坩堝２内に装入される鋳造原料１０が、無底
坩堝２の水冷部２ａの外側に配置された誘導コイル２に
より、水冷部２ａ内で溶解し、溶湯１１となる。溶湯１
１は、水冷部２ａの水冷された内面により急冷され、外
面側より凝固して鋳塊１２となる。
【００３７】ここで無底坩堝２は、上部の水冷部２ａと
下部の無水冷部２ｂとからなる。水冷部２ａでは、スリ
ット２ａ′，２ａ′・・が設けられた部分（スリット
部）の内側で原料１０が誘導加熱され、溶湯１１になる
と共に、その溶湯１１が、水冷部２ａの水冷された内面
により急冷され、外面側より凝固する。無水冷部２ｂで
は、従来の水冷構造の場合に比べて凝固部の冷却が抑制
される。しかも、スリット２ｂ′，２ｂ′・・が設けら
れた部分（スリット部）の内側では、凝固部が誘導加熱
により積極的に保温される。この保温は、無底坩堝２の
下方に設けられた保温炉４でも引き続き行われる。
下部の無水冷部２ｂとからなる。水冷部２ａでは、スリ
ット２ａ′，２ａ′・・が設けられた部分（スリット
部）の内側で原料１０が誘導加熱され、溶湯１１になる
と共に、その溶湯１１が、水冷部２ａの水冷された内面
により急冷され、外面側より凝固する。無水冷部２ｂで
は、従来の水冷構造の場合に比べて凝固部の冷却が抑制
される。しかも、スリット２ｂ′，２ｂ′・・が設けら
れた部分（スリット部）の内側では、凝固部が誘導加熱
により積極的に保温される。この保温は、無底坩堝２の
下方に設けられた保温炉４でも引き続き行われる。
【００３８】これにより、無底坩堝２内での凝固直後の
シリコン鋳塊１２の温度勾配が抑制される。また、無底
坩堝２から保温炉４への急激な温度変化が緩和され、こ
の温度変化に起因する部分的な温度勾配の増大が防止さ
れる。その結果、シリコン鋳塊１２の太陽電池としての
性能に重大な影響を及ぼす１４２０℃から１２００℃ま
での温度域での温度勾配を１５〜２５℃／ｃｍの範囲内
に抑制することが可能となり、その性能が向上する。ま
た、シリコン鋳塊１２のクラックの発生が防止される。
シリコン鋳塊１２の温度勾配が抑制される。また、無底
坩堝２から保温炉４への急激な温度変化が緩和され、こ
の温度変化に起因する部分的な温度勾配の増大が防止さ
れる。その結果、シリコン鋳塊１２の太陽電池としての
性能に重大な影響を及ぼす１４２０℃から１２００℃ま
での温度域での温度勾配を１５〜２５℃／ｃｍの範囲内
に抑制することが可能となり、その性能が向上する。ま
た、シリコン鋳塊１２のクラックの発生が防止される。
【００３９】図４は本発明の第２実施形態に係る電磁誘
導鋳造装置の主要部の縦断面図である。
導鋳造装置の主要部の縦断面図である。
【００４０】第２実施形態に係る電磁誘導鋳造装置で
は、無底坩堝２の水冷部２ａと無水冷部２ｂの間に断熱
層２ｃが設けられている。無水冷部２ｂの外側には、水
冷部２ａの外側に配置された誘導コイル３から独立した
別の誘導コイル３′が設けられると共に、無水冷部２ｂ
の外面に接してガス冷却器２ｄが設けられている。
は、無底坩堝２の水冷部２ａと無水冷部２ｂの間に断熱
層２ｃが設けられている。無水冷部２ｂの外側には、水
冷部２ａの外側に配置された誘導コイル３から独立した
別の誘導コイル３′が設けられると共に、無水冷部２ｂ
の外面に接してガス冷却器２ｄが設けられている。
【００４１】水冷部２ａと無水冷部２ｂの間に断熱層２
ｃを設けることにより、無水冷部２ｂから水冷部２ａへ
の奪熱が防止される。断熱層２ｃは絶縁体のため、スリ
ット２ａ′，２ｂ′の電磁気的連続性を実質的に阻害し
ない。無水冷部２ｂの外側に新たに誘導コイル３′を設
けたり、ガス冷却器２ｄを設けることにより、無水冷部
２ｂの内側での加熱温度が独立に制御可能となる。これ
らを単独或いは組み合わせて用いることにより、無底坩
堝２内での凝固直後のシリコン鋳塊１２の温度勾配のよ
り厳密な制御が可能となる。
ｃを設けることにより、無水冷部２ｂから水冷部２ａへ
の奪熱が防止される。断熱層２ｃは絶縁体のため、スリ
ット２ａ′，２ｂ′の電磁気的連続性を実質的に阻害し
ない。無水冷部２ｂの外側に新たに誘導コイル３′を設
けたり、ガス冷却器２ｄを設けることにより、無水冷部
２ｂの内側での加熱温度が独立に制御可能となる。これ
らを単独或いは組み合わせて用いることにより、無底坩
堝２内での凝固直後のシリコン鋳塊１２の温度勾配のよ
り厳密な制御が可能となる。
【００４２】なお、前述した第１実施形態に係る電磁誘
導鋳造装置では、温度勾配の調整は無水冷部２ｂにおけ
るスリット２ｂ′，２ｂ′・・の長さ調整等により可能
である。
導鋳造装置では、温度勾配の調整は無水冷部２ｂにおけ
るスリット２ｂ′，２ｂ′・・の長さ調整等により可能
である。
【００４３】図５は本発明の第３実施形態に係る電磁誘
導鋳造装置の主要部の縦断面図である。
導鋳造装置の主要部の縦断面図である。
【００４４】第３実施形態に係る電磁誘導鋳造装置で
は、無底坩堝２の水冷部２ａと無水冷部２ｂが分離可能
な組立式になっている。組立時の位置決めのために、水
冷部２ａと無水冷部２ｂは凸部と凹部を組み合わせた嵌
め合わせ構造になっている。
は、無底坩堝２の水冷部２ａと無水冷部２ｂが分離可能
な組立式になっている。組立時の位置決めのために、水
冷部２ａと無水冷部２ｂは凸部と凹部を組み合わせた嵌
め合わせ構造になっている。
【００４５】無底坩堝２は長期使用の間に変形が蓄積
し、その変形を修正することもあるが、このような組立
式の場合は、その修正時に水冷部２ａと無水冷部２ｂの
一方を取り外せばよく、その作業が簡単になる。同様に
交換作業が簡単になり、交換に要するコストも軽減され
る。図５のように、水冷部２ａの下面内周部に形成され
た凸部が、無水冷部２ｂの上面内周部に形成された凹部
に嵌合する構造とすれば、水冷部２ａの外側への変形を
防止する効果が得られる。ちなみに、水冷部２ａは、内
側に形成する溶湯１１から荷重を受けることがあり、外
側への変形を生じる危険性が比較的高い。
し、その変形を修正することもあるが、このような組立
式の場合は、その修正時に水冷部２ａと無水冷部２ｂの
一方を取り外せばよく、その作業が簡単になる。同様に
交換作業が簡単になり、交換に要するコストも軽減され
る。図５のように、水冷部２ａの下面内周部に形成され
た凸部が、無水冷部２ｂの上面内周部に形成された凹部
に嵌合する構造とすれば、水冷部２ａの外側への変形を
防止する効果が得られる。ちなみに、水冷部２ａは、内
側に形成する溶湯１１から荷重を受けることがあり、外
側への変形を生じる危険性が比較的高い。
【００４６】
【実施例】次に、本発明の実施例を示し、従来例と比較
することにより、本発明の効果を明らかにする。
することにより、本発明の効果を明らかにする。
【００４７】第１実施例として、図１〜図３に示した第
１実施形態に係る電磁誘導鋳造装置を用いて、太陽電池
に使用される多結晶シリコンの一方向性凝固鋳塊を製造
した。鋳造速度は２ｍｍ／ｍｉｎである。
１実施形態に係る電磁誘導鋳造装置を用いて、太陽電池
に使用される多結晶シリコンの一方向性凝固鋳塊を製造
した。鋳造速度は２ｍｍ／ｍｉｎである。
【００４８】使用した無底坩堝の内径は３００ｍｍ、全
高は５００ｍｍ、スリット全長は３５０ｍｍ、スリット
本数は２２本である。坩堝上部の水冷部は銅製であり、
その高さは３９０ｍｍである。一方、坩堝下部の無水冷
部はモリブデン製であり、その高さは１１０ｍｍであ
る。また、水冷部におけるスリット長は２５０ｍｍ、無
水冷部におけるスリット長は１００ｍｍである。無水冷
部の最下部１０ｍｍはスリット無しで、坩堝下部の機械
的強度を確保する。誘導コイルは水冷部の外側にのみ設
けられている。
高は５００ｍｍ、スリット全長は３５０ｍｍ、スリット
本数は２２本である。坩堝上部の水冷部は銅製であり、
その高さは３９０ｍｍである。一方、坩堝下部の無水冷
部はモリブデン製であり、その高さは１１０ｍｍであ
る。また、水冷部におけるスリット長は２５０ｍｍ、無
水冷部におけるスリット長は１００ｍｍである。無水冷
部の最下部１０ｍｍはスリット無しで、坩堝下部の機械
的強度を確保する。誘導コイルは水冷部の外側にのみ設
けられている。
【００４９】ここにおける凝固鋳塊の１４２０℃から１
２００℃までの温度域での温度勾配は約２０℃／ｃｍで
あった。
２００℃までの温度域での温度勾配は約２０℃／ｃｍで
あった。
【００５０】第２実施例として、無水冷部の外側に誘導
コイルを新たに設置した。他の条件は第１実施例と同じ
である。新設コイルを用いた加熱温度制御操作により、
凝固鋳塊の１４２０℃から１２００℃までの温度域での
温度勾配は約１８℃／ｃｍとなった。
コイルを新たに設置した。他の条件は第１実施例と同じ
である。新設コイルを用いた加熱温度制御操作により、
凝固鋳塊の１４２０℃から１２００℃までの温度域での
温度勾配は約１８℃／ｃｍとなった。
【００５１】従来例として、全体が水冷銅からなる無底
坩堝を使用した。無底坩堝の寸法を含む他の条件は実施
例１と同じである。凝固鋳塊の１４２０℃から１２００
℃までの温度域での温度勾配は約２５℃／ｃｍであっ
た。
坩堝を使用した。無底坩堝の寸法を含む他の条件は実施
例１と同じである。凝固鋳塊の１４２０℃から１２００
℃までの温度域での温度勾配は約２５℃／ｃｍであっ
た。
【００５２】各例で製造されたシリコン鋳塊より太陽電
池を作製し、それぞれの光電変換効率を調査した結果を
図６に示す。また、各鋳造でのクラック発生率を図７に
示す。両図においてＡは従来例、Ｂは第１実施例、Ｃは
第２実施例を示す。
池を作製し、それぞれの光電変換効率を調査した結果を
図６に示す。また、各鋳造でのクラック発生率を図７に
示す。両図においてＡは従来例、Ｂは第１実施例、Ｃは
第２実施例を示す。
【００５３】全体が水冷銅からなる無底坩堝を使用する
場合は、保温炉を使用するにもかかわらず、凝固鋳塊の
１４２０℃から１２００℃までの温度域での温度勾配を
低位に抑制することはできない。無底坩堝の上部を水冷
部、下部を無水冷部とすることにより、この温度勾配が
減少し、光電変換効率が上がる。また、クラックの発生
は抑制される。水冷部外側及び無水冷部外側の両方に誘
導コイルを設けることにより、温度勾配は更に減少し、
光電変換効率は更に上昇した。また、クラックの発生率
は更に減少した。
場合は、保温炉を使用するにもかかわらず、凝固鋳塊の
１４２０℃から１２００℃までの温度域での温度勾配を
低位に抑制することはできない。無底坩堝の上部を水冷
部、下部を無水冷部とすることにより、この温度勾配が
減少し、光電変換効率が上がる。また、クラックの発生
は抑制される。水冷部外側及び無水冷部外側の両方に誘
導コイルを設けることにより、温度勾配は更に減少し、
光電変換効率は更に上昇した。また、クラックの発生率
は更に減少した。
【００５４】
【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の電磁誘導
鋳造装置は、無底坩堝の上部を水冷部とし、下部を無水
冷部としたことにより、無底坩堝の下部内での水冷によ
る急激な冷却を回避でききる。また、無底坩堝から保温
炉への急激な温度変化を緩和でき、この温度変化に起因
する部分的な温度勾配の増大を防止できる。これらによ
り、例えばシリコン鋳塊の太陽電池としての性能に重大
な影響を及ぼす１４２０℃から１２００℃までの温度域
での温度勾配を低位に抑制でき、その性能を高めること
ができる。また、クラックの発生を抑え、歩留りを改善
することができる。
鋳造装置は、無底坩堝の上部を水冷部とし、下部を無水
冷部としたことにより、無底坩堝の下部内での水冷によ
る急激な冷却を回避でききる。また、無底坩堝から保温
炉への急激な温度変化を緩和でき、この温度変化に起因
する部分的な温度勾配の増大を防止できる。これらによ
り、例えばシリコン鋳塊の太陽電池としての性能に重大
な影響を及ぼす１４２０℃から１２００℃までの温度域
での温度勾配を低位に抑制でき、その性能を高めること
ができる。また、クラックの発生を抑え、歩留りを改善
することができる。
【図１】本発明の第１実施形態に係る電磁誘導鋳造装置
の全体構成図である。
の全体構成図である。
【図２】同電磁誘導鋳造装置の主要部の縦断面図であ
る。
る。
【図３】鋳造状況を示す同主要部の縦断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る電磁誘導鋳造装置
の主要部の縦断面図である。
の主要部の縦断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る電磁誘導鋳造装置
の主要部の縦断面図である。
の主要部の縦断面図である。
【図６】太陽電池の光電変換効率を本発明例と従来例に
ついて示すグラフである。
ついて示すグラフである。
【図７】クラックの発生率を本発明例と従来例について
示すグラフである。
示すグラフである。
【図８】従来の電磁誘導鋳造装置の主要部の縦断面図で
ある。
ある。
１ 気密容器 ２ 無底坩堝 ２ａ 水冷部 ２ｂ 無水冷部 ２ｃ 断熱層 ２ｄ ガス冷却器 ２ａ′，２ｂ′ スリット ２ａ″，２ｂ″ 縦長部 ３，３′ 誘導コイル ４ 保温炉 ５ 電気ヒータ １０ 原料 １１ 溶湯 １２ 鋳塊
フロントページの続き (72)発明者 金子 恭二郎 兵庫県尼崎市東浜町１番地 株式会社住友 シチックス尼崎内 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CD04 CF01 EG02 EG20 EJ01 EJ02 HA20 PC02
Claims (5)
- 【請求項１】 誘導コイルの内側に配置され、縦方向の
少なくとも一部分が縦方向のスリットにより周方向で複
数に分割された導電性無底坩堝内で原料を電磁溶解し、
その溶解原料を凝固させつつ下方へ引き抜く電磁誘導溶
解鋳造装置において、前記導電性無底坩堝の上部を水冷
部、下部を無水冷部とし、水冷部及び無水冷部の両方で
縦方向の少なくとも一部分を縦方向のスリットにより周
方向で複数に分割したことを特徴とする電磁誘導鋳造装
置。 - 【請求項２】 前記導電性無底坩堝は、水冷部と無水冷
部のスリット同士が繋がって形成された、水冷部から無
水冷部にかけて連続するスリットを有することを特徴と
する請求項１に記載の電磁誘導鋳造装置。 - 【請求項３】 前記水冷部は高熱伝導の導電性物質から
なり、無水冷部は高融点の導電性物質からなることを特
徴とする請求項１又は２に記載の電磁誘導鋳造装置。 - 【請求項４】 前記誘導コイルは、前記導電性無底坩堝
の水冷部外側と無水冷部外側のそれぞれに独立して配置
されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載
の電磁誘導鋳造装置。 - 【請求項５】 前記導電性無底坩堝は、水冷部と無水冷
部に分離が可能な組立式であることを特徴とする請求項
１、２、３又は４に記載の電磁誘導鋳造装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11077733A JP2000264775A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 電磁誘導鋳造装置 |
| US09/962,796 US6695035B2 (en) | 1999-03-23 | 2001-09-26 | Electromagnetic induction casting apparatus |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11077733A JP2000264775A (ja) | 1999-03-23 | 1999-03-23 | 電磁誘導鋳造装置 |
| US09/962,796 US6695035B2 (en) | 1999-03-23 | 2001-09-26 | Electromagnetic induction casting apparatus |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000264775A true JP2000264775A (ja) | 2000-09-26 |
Family
ID=31189708
Family Applications (1)
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