[发明专利]硅的电磁铸造装置

说明书

技术领域

本发明涉及应用基于电磁感应的连续铸造技术来制造硅铸锭（silicon ingot）的硅的电磁铸造装置，特别是涉及能并用基于等离子体电弧（plasma arc）的等离子体加热，稳定地制造作为太阳能电池的基板材料使用的多晶硅的硅的电磁铸造装置。

背景技术

如果使用装配有在周方向上被分割的无底的冷却铸模（mold）的基于电磁感应的连续铸造装置（以下，称为“电磁铸造装置”），则由于熔解的物质（在此为熔融硅）与铸模几乎不接触，所以能制造没有杂质污染的铸块（硅铸锭）。由于没有来自铸模的污染，所以有无需使用高纯度材料作为铸模的材质的优点，此外，由于能连续地进行铸造，所以能大幅地降低制造成本。因此，电磁铸造装置从以往开始就应用于作为太阳能电池的基板材料使用的多晶硅的制造中。

图6是示意性地示出适合多晶硅的制造的电磁铸造装置的构成例的图。如该图所示，在加热用感应线圈2的内侧，与感应线圈2的卷轴方向平行地而且以在感应线圈2内相互绝缘的状态排列有能对内部进行水冷的在纵方向上较长的铜制的板状片，由该板状片包围的空间构成铸模（即，侧壁部被水冷的无底的冷却铸模）1。冷却铸模1通常使用板状片为铜片的水冷铜铸模。

在加热用感应线圈2的下端位置（即，相当于冷却铸模1的底部的位置）设置有能移动到下方的支承台7。此外，在加热用感应线圈2的下侧设置有用于对凝固的铸块（硅铸锭）8进行加热、防止急剧的冷却的保温装置5，在保温装置5的下侧装配有均热筒9。硅铸锭8由拔出装置（未图示）拔出到下方。

在冷却铸模1的上方设置有能在熔解过程中将原料投入到铸模1内的原料投入机10。进而，在该例中，在铸模1的上方装配有用于根据需要加热原料硅的发热体11。优选配置等离子体焰炬（plasma torch）作为发热体11，根据需要进行基于等离子体电弧的加热。

这些各装置以使熔融硅4和高温的硅铸锭8不与大气直接接触的方式被设置在密闭容器6内，通常构成为对容器6内用惰性气体进行置换，能以少许的加压状态进行连续铸造。

在多晶硅的制造时，当对铸模1填充硅原料，对加热用感应线圈2通过高频感应电流时，原料会发热、熔解。铸模1内的熔融硅4由于感应电流而与板状片排斥，不与铸模1的侧壁接触。如果在熔融硅4充分均匀化后，使支承台7一点一点地向下方移动，就会通过从感应线圈2分开从而开始冷却，进行朝向铸模1内的熔融硅4的单向性凝固，形成具有与铸模截面相同形状的截面的硅铸锭8。

由于熔融硅4的量与向支承台7的下方的移动量相对应地减少，所以能通过从原料投入机10供给相应的原料硅，使得熔融硅4的上表面始终保持相同的高度水平，接续进行加热熔解、拔出、原料供给，从而连续地制造多晶硅铸锭8。

为了提高使用该电磁铸造装置制造的多晶硅的品质，特别是为了提高作为太阳能电池的基板使用时的转换效率（相对于入射的光的能量，能转换为电能取出的能量的比例），从以往开始完成了许多的技术开发。

例如，在专利文献1公开了使供给给感应线圈的交流电流的频率为25～35kHz的多晶硅的铸造方法。根据在该文献记载的铸造方法，能通过使交流电流的频率上升，从而使熔融硅产生趋肤效应，提高表面的电流密度，与此相伴将铸锭的表面温度维持为高温，使由从表面开始的冷却造成的凝固开始延迟，抑制铸锭表面的急冷层（由于晶体粒径小、晶体缺陷多，所以半导体特性不好）的生长。进而，由于能降低线圈电流，所以能使作用于熔融硅的电磁搅拌力减低，能抑制熔融硅的搅拌，其结果是，能促进粒径大的晶体的生长，能提高作为太阳能电池的转换效率。

在专利文献2公开了并用基于感应线圈的电磁感应加热和基于移行式等离子体电弧的等离子体加热使作为太阳能电池的品质提高的硅连续铸造方法。根据在该文献记载的铸造方法，能通过对铸造途中的原料熔解并用等离子体加热，从而减轻电磁感应加热的负担，通过抑制由电磁力造成的熔融硅的热对流、抑制向下方的热流速，从而固液界面被平坦化。其结果是，刚刚凝固后的硅铸块的半径方向的温度梯度减低，可缓和在晶体内部产生的热应力，可抑制使太阳能电池的转换效率恶化的晶体缺陷的产生。

根据这样的利用电磁感应的铸造方法，能制造作为太阳能电池的基板使用时的转换效率高的多晶硅铸锭。然而，在实际的操作中，在结束铸造的最终凝固时，从铸模内的熔融硅的上表面开始凝固，中心部的熔融硅最后凝固。其结果是，由于因该凝固的部分的体积膨胀而在铸锭的最终凝固部位产生裂痕（裂缝（crack）），必须将该部分作为不能使用部分而切除，所以成品率降低。