JPH07138012A

JPH07138012A - シリコン鋳造装置

Info

Publication number: JPH07138012A
Application number: JP31114693A
Authority: JP
Inventors: Ritsuo Kawamura; 律夫川村; Satoshi Maezono; 聡前薗; Hideyuki Mizumoto; 秀幸水本
Original assignee: Sumitomo Sitix Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-11-16
Filing date: 1993-11-16
Publication date: 1995-05-30

Abstract

(57)【要約】【目的】電磁鋳造によるシリコン鋳塊の連続製造にお
いて、鋳塊割れを防止する。鋳塊の品質を高める。【構成】鋳造部２０の下に複数の移動式の保温容器３
０，３０を配置する。一方の保温容器３０を鋳造部２０
につなぎ、連続的に製造される鋳塊１０を鋳塊降下手段
４０により下方から支持しながら保温容器３０内に引き
込む。保温容器３０内の鋳塊１０を別の場所で冷却する
間に、別の保温容器３０を鋳造部２０につないで鋳造を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池等に使用され
るシリコンの多結晶凝固鋳塊を製造するシリコン鋳造装
置に関し、特に、電磁溶解を用いてその多結晶凝固鋳塊
を連続的に製造する連続鋳造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池等の素材として使用されるシリ
コンの多結晶凝固鋳塊の製造方法として、電磁溶解によ
る連続鋳造方法が、例えば特開平２−３０６９８号公報
により提案されている。電磁溶解によるシリコンの連続
鋳造方法は、誘導コイルと、その中に設置された導電性
の無底るつぼとを使用する。無底るつぼは、軸方向の少
なくとも一部が周方向に複数分割されている。無底るつ
ぼ内に装入された原料シリコンは、誘導コイルによる電
磁誘導により、るつぼ内壁に非接触の状態で溶解する。
そして、無底るつぼ内に原料シリコンを供給しながら、
無底るつぼ内の融液を下方へ徐々に引き下げて凝固させ
ることにより、シリコンの多結晶凝固鋳塊が連続的に製
造される。

【０００３】このような電磁誘導によるシリコンの連続
鋳造方法においては、無底るつぼに原料シリコンを供給
し続けている限り、鋳造が続行され、このことが鋳造能
率の大幅向上に寄与しているわけであるが、製造設備等
による制約から極端に長い鋳塊を製造することは不可能
である。そのため、連続的に製造される鋳塊を一定の長
さずつ採取して別の場所へ運び出すことが必要になり、
その具体的方法として、例えば特開平２−５１４９３号
公報には、鋳造部の下方で鋳塊を外周側から支持しつつ
下方へ降下させてチャンバーの下方へ搬出し、チャンバ
ーの下方に設けたカッターでその鋳塊を一定長に切断す
るものが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特開平２−５１４９３
号公報に開示された方法によると、鋳造中に鋳塊を切断
して別の場所へ運び出すことができるので、鋳造を停止
する必要がない。従って、鋳造能率を低下させる懸念が
ない。しかし、鋳片を切断するため、切断部の上下で鋳
塊の外周面を強固に保持しなければならない。

【０００５】本発明者らの実験によると、鋳塊の外周面
を保持することに起因して大きな機械的応力が鋳塊に作
用することが判明した。すなわち、鋳塊の外周面、すな
わち鋳塊肌は、滑らかでなく大きな凹凸があり、そのよ
うな鋳塊肌を強制的に保持した場合、装置センターに対
して鋳塊がずれ、鋳塊に無理な力が加わることが主因
で、鋳塊に大きな機械的応力が加わるのである。そし
て、この大きな機械的応力により、鋳塊が割れるとか引
き下げ不能になるといった操業上重大な問題が発生して
いた。

【０００６】また、鋳造部−フロア間の中間位置にカッ
ターを設けるため、鋳造部からカッターまでの距離が制
限され、カッターのところでは鋳塊が充分に冷却されて
いない。このような状態でカッターによる切断を行う
と、水等の潤滑剤により切断部が急冷され、鋳塊に中心
軸方向の大きな温度勾配が生じる。その結果、鋳塊割れ
や結晶品質の悪化を招いていた。

【０００７】更に、この方法による連続鋳造では、不純
物濃度に問題のあることも判った。すなわち、この方法
では、図３に示すように、鋳造長さ５ｍまでは変換効率
に変化はないが、それ以上の長さにおいては変換効率の
低下が認められ、鋳造長さ１０ｍでは５ｍ以下に比して
変換効率が約５％低下する。この原因は、原料シリコン
中の不純物が偏析によって融液中に吐き出され、鋳造を
続けるに従って融液中の不純物濃度が上昇するためと考
えられる。

【０００８】本発明の目的は、これらの問題を全て解決
できるシリコン鋳造装置を提供することにある。また、
本発明の他の目的は、鋳造能率を実質的に低下させるこ
となく、これらの問題を全て解決できるシリコン鋳造装
置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のシリコン鋳造装
置は、誘導コイル内に、軸方向の少なくとも一部が周方
向に複数分割された導電性の無底るつぼを設置し、該無
底るつぼ内でシリコンをるつぼ内壁に対して非接触の状
態で電磁誘導により溶解し、下方へ下降する融液を凝固
させて棒状の鋳塊となす鋳造部と、該鋳造部の下方にセ
ットされ、鋳造部から下方へ降下する鋳塊が導入されて
これを保温する筒状の保温容器と、該保温容器のセット
位置下方に設置され、保温容器の内部に下方から支持棒
を挿入し、その上端の支持ヘッドで鋳塊を下方から支持
しながら支持棒を下方へ引き抜いて鋳塊を降下させる鋳
塊降下手段とを具備する。

【００１０】望ましくは、前記保温容器が複数装備さ
れ、それぞれが鋳造部に着脱可能な移動式であると共
に、前記支持棒の支持ヘッドが支持棒本体から分離可能
であり、更に、その支持ヘッドを保持する保持機構が保
温容器の下部に設けられた請求項２に記載の構成を採用
する。

【００１１】

【作用】本発明のシリコン鋳造装置においては、鋳造部
で連続製造される鋳塊を支持棒で下方から支持しながら
降下させて、保温容器内に引き込む。その引き込みが完
了する際に原料シリコンの供給を停止し、製造された鋳
塊を保温容器内に完全に収容して冷却する。

【００１２】製造された鋳塊を下方から支持するので、
鋳塊に作用する機械的応力が減少する。その鋳塊を保温
容器内で充分な時間をかけて冷却でき、しかも、切断に
伴う潤滑剤の使用がないので、鋳片の中心軸方向の温度
勾配が非常に小さくなる。保温容器に収容され得る長さ
で鋳塊を停止するので、融液中の不純物濃度の上昇が抑
えられる。

【００１３】望ましい構成を採用した場合は、鋳塊降下
手段に依存せずに、保温容器の内部に鋳塊を保持でき
る。そして、鋳塊が収容された保温容器を鋳造部の下方
から別の場所へ移動させ、別の場合で鋳塊を冷却する
間、鋳造部の下方に別の保温容器をセットすることによ
り、冷却の間も鋳造を行うことができる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明を実施したシリコン鋳造の装置の一
例についてその構成を示す縦断面図である。

【００１５】本鋳造装置は、鋳塊１０を連続製造する鋳
造部２０と、その下方に例えば数ｍの間隔をあけて設置
された鋳塊降下手段４０と、この間に水平方向に並列し
て配置された２本の鉛直な保温容器３０，３０とを具備
する。

【００１６】鋳造部２０は、誘導コイル２１と、その内
側に設置された無底るつぼ２２と、無底るつぼ２２の下
方に設置した保温炉２３とを有する。無底るつぼ２２
は、銅製の水冷筒体で、上部を残して周方向に複数分割
されている。これらはチャンバー２４内に設けられ、チ
ャンバー２４外には原料投入機２５が設けられている。

【００１７】鋳塊降下手段４０は、鉛直な支持棒４１を
有する。支持棒４１の上端部は、鋳塊１０を直接支持す
る支持ヘッド４２であり、下方の支持棒本体４３に対し
て着脱可能である。支持棒本体４３は、枠体４４により
軸方向に可動に支持され、下方の駆動機構４６により軸
方向に昇降駆動される。

【００１８】保温容器３０，３０はいずれも保温機能を
有する円筒体である。各保温容器３０は、水平なレール
３２上に載置された台車３３によって上部を支持され、
台車３３の走行により鋳造部２０の直下とその側方との
間を直線移動する。保温容器３０の上端開口部は、シー
ル３４によってチャンバー２４内と気密に連通される一
方、上蓋３５によって気密に閉止される。保温容器３０
の下端部には、支持ヘッド４２を外側からクランプして
これを保温容器３０内に保持する保持機構３６が設けら
れている。保温容器３０の下端開口部は、シール３７に
よって支持棒４１の外周面との間がシールされる一方、
下蓋３８によって気密に閉止される。

【００１９】鋳塊降下手段４０の側方には、保温手段３
０，３０の移動方向に所定の間隔をあけて、鋳塊取出手
段５０が設置されている。鋳塊取出手段５０は、ガイド
５１に沿って昇降駆動される昇降ヘッド５２を有する。
昇降ヘッド５２は、保温容器３０内に保持された支持ヘ
ッド４２と連結され、支持ヘッド４２上の鋳塊１０の荷
重を支えながら、支持ヘッド４２を降下させて、保温容
器３０から鋳塊１０を下方へ引き抜く。

【００２０】次に、本鋳造装置を用いたシリコン鋳造方
法を説明する。

【００２１】鋳造部２０と鋳塊降下手段４０との間に一
方の保温手段３０を位置させ、その保温容器３０を上方
の鋳造部２０のチャンバー２４と気密に連結する。鋳塊
降下手段４０の支持棒４１の先端部に支持ヘッド４２を
取り付け、支持棒４１を上昇させて、支持ヘッド４２を
保温容器３０内に挿入する。支持ヘッド４２を保持機構
３６によりクラップした後、支持ヘッド４２を支持棒本
体４３から切り離し、支持棒本体４３を一旦降下させ
る。

【００２２】保温容器３０の下端開口部を下蓋３８によ
って閉止した後、チャンバー２４内および保温容器３０
内をアルゴンガスに置換する。このガスは、シリコン融
液に対し不活性なものであれば種類を問わない。置換法
は、真空置換、上方置換、下方置換のいずれでもよい。

【００２３】アルゴン置換が完了した後、その圧力を１
気圧より若干大きくし、下蓋３８を取り外す。チャンバ
ー２４内および保温容器３０内はアルゴン弱加圧状態の
ため、下蓋３８を外しても大気が保温容器３０内に侵入
することはない。

【００２４】支持棒本体４３を再び上昇させて保温容器
３０内の支持ヘッド４２と接続する。支持棒本体４３を
更に上昇させて、これをチャンバー２４内に下方から挿
入する。支持ヘッド４２が無底るつぼ２２内に挿入され
るまで上昇を続けて、無底るつぼ２２の底を形成する。
保温容器３０内に支持棒本体４３が挿入されると、その
外周面と保温容器３０の内周面との間がシール３７によ
ってシールされるので、大気侵入がより確実に防止され
る。

【００２５】原料投入機２５により無底るつぼ２２内に
原料シリコンを投入し、誘導コイル２１に電力を供給し
て、無底るつぼ２２内の支持ヘッド４２上にシリコン融
液１１を形成する。このとき、シリコン融液１１は電磁
力により無底るつぼ２２の内面に対して非接触の状態に
保持される。

【００２６】原料投入機２５により原料シリコンの投入
を続けながら、支持棒４１を徐々に降下させる。これに
より、無底るつぼ２２内に連続的に形成されるシリコン
融液１１が、無底るつぼ２２の下方に下降しながら順次
凝固して鋳塊１０になる。このとき、シリコン融液１１
が無底るつぼ２２内の同じ高さに位置するように、支持
棒４１の降下速度が制御される。かくして、鋳塊１０が
連続的に製造される。

【００２７】製造された鋳塊１０は、保温炉２３を通過
する。保温炉２３は、鋳塊１０の１３００〜５００℃に
おける温度勾配が３５℃／ｃｍ以下、望ましくは３０℃
／ｃｍ以下となるように、中心軸方向の温度勾配が制御
される。

【００２８】鋳造が進むと、鋳塊１０は保温容器３０内
に侵入する。保温容器３０は、鋳塊１０の中心軸方向の
温度勾配を小さくするために、保温機能を有している
が、保温材のみによる保温でも、抵抗加熱等による発熱
を含む保温のいずれでもよい。

【００２９】保温容器３０内に鋳塊１０が挿入され得る
最大長さの近くまで鋳造が進むと、原料投入機２５から
の原料投入を停止し、誘導コイル２１の出力を低下させ
て、無底るつぼ２２内のシリコン融液１１を凝固させ
る。凝固が完了した後、微速で鋳塊１０を降下させる。
これは、鋳塊温度の急激な変化が鋳塊割れの原因となる
ためである。このときも、保温炉２３には前記と同様の
温度勾配が付与されている。

【００３０】鋳塊１０が保温容器３０内に完全に挿入さ
れると、支持ヘッド４２を保持機構３６によりクランプ
して、鋳塊１０を保温容器３０内に保持する。支持ヘッ
ド４２を支持棒本体４３から分離し、支持棒本体４３の
みを下方に降下させて保温容器３０から抜き出す。保温
容器３０の下端開口部を下蓋３８によって閉止する。

【００３１】内部に鋳塊１０を保持した保温容器３０を
鋳造部２０から分離して、鋳造部２０の直下から鋳塊取
出手段５０の直上まで側方へ移動させる。鋳造部２０の
直下には、内部が空の別の保温容器３０を移動させて、
前記と同様にアルゴン置換を行い、鋳造を再開する。

【００３２】鋳塊取出手段５０の直上に保温容器３０が
移動すると同時に、その保温容器３０の上端開口部を上
蓋３５によって閉止し、内部の鋳塊１０を冷却ガスの循
環等により充分な時間をかけて冷却する。鋳塊１０が取
出可能な温度まで冷却されると、下蓋３８を取り外し、
昇降ヘッド５２を上昇させて、これを支持ヘッド４２と
連結する。保持機構３６によるクランプを解除して、昇
降ヘッド５２を降下させることにより、鋳塊１０が保温
容器３０の下方に抜き出される。

【００３３】以上の操作を繰り返し、横断面が２１０ｍ
ｍ角、長さが２０００ｍｍの鋳塊を２０本連続的に製造
した。その結果、機械的な障害は何ら発生せず、製造さ
れた鋳塊から作製されたセルの光電変換効率は、すべて
の鋳塊で等しく、均一な結晶品質が得られた。

【００３４】鋳造能率については、鋳造を中断するが、
鋳塊の製造と、製造された鋳塊の冷却を同時並行して行
うため、鋳造を続けながら鋳塊を切断する場合と比べて
大きな差は認められなかった。

【００３５】保温容器３０の本数は適宜増やすことがで
きる。また、その複数の保温容器３０を循環使用するた
めの容器移動手段についても、上記実施例に限らず種々
のものを採用することができる。

【００３６】図２は本発明の他の実施例を示す平面図で
ある。

【００３７】本実施例は、３本の保温容器３０Ａ，３０
Ｂ，３０Ｃを装備している。これらは、鉛直軸３９の回
りに対称的に配置され、その回りを回転して、鋳造部２
０の直下に順番に移動するレボルバー構造になってい
る。この構造によれば、保温容器に冷却中の鋳塊が残っ
ている状態で鋳造が終了しても、即座に鋳造を再開でき
る。

【００３８】すなわち、鋳造が終了し、鋳造部２０直下
の保温容器３０Ａに鋳塊１０が挿入されたときに、保温
容器３０Ｂ内の鋳塊１０の冷却が終了していなくても、
保温容器３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを回転させ、保温容器
３０Ｃを鋳造部２０の直下に移動させれば、鋳造作業を
再開できるのである。

【００３９】従って、ロスタイムが完全になくなり、鋳
造能率が更に向上する。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のシリコン鋳造装置は、電磁溶解により連続的に製造さ
れる鋳塊を下方から支え、更に、その鋳塊を保温容器に
引き込むと共に、保温容器に収容し得る長さで鋳塊を停
止することにより、鋳塊の割れを防ぎ、且つ、その品質
を高めることができる。

【００４１】請求項２に記載の望ましい構成を採用した
場合は、鋳造を停止することによる鋳造能率の低下を可
及的に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施したシリコン鋳造装置の一例につ
いてその構成を示す側面図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す平面図である。

【図３】鋳造長さが品質に与える影響を示す図表であ
る。

【符号の説明】

１０鋳塊１１シリコン融液２０鋳造部２１誘導コイル２２無底るつぼ２３保温炉２５原料投入機３０保温容器３３台車３６保持機構４０鋳塊降下手段４１支持棒４２支持ヘッド５０鋳塊取出手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘導コイル内に、軸方向の少なくとも一
部が周方向に複数分割された導電性の無底るつぼを設置
し、該無底るつぼ内でシリコンをるつぼ内壁に対して非
接触の状態で電磁誘導により溶解し、下方へ下降する融
液を凝固させて棒状の鋳塊となす鋳造部と、該鋳造部の下方にセットされ、鋳造部から下方へ降下す
る鋳塊が導入されてこれを保温する筒状の保温容器と、該保温容器のセット位置下方に設置され、保温容器の内
部に下方から支持棒を挿入し、その上端の支持ヘッドで
鋳塊を下方から支持しながら支持棒を下方へ引き抜いて
鋳塊を降下させる鋳塊降下手段とを具備することを特徴
とするシリコン鋳造装置。
【請求項２】前記保温容器が複数装備され、それぞれ
が鋳造部に着脱可能な移動式であると共に、前記支持棒
の支持ヘッドが支持棒本体から分離可能であり、更に、
その支持ヘッドを保持する保持機構が保温容器の下部に
設けられていることを特徴とする請求項１に記載のシリ
コン鋳造装置。