TWI527942B - Silicon electromagnetic casting device - Google Patents

Description

矽之電磁鑄造裝置

本發明係關於一種製造主要用於太陽電池用矽基板之矽鑄塊的矽之電磁鑄造裝置。

作為用於改善全球規模之環境問題之一個方法，太陽電池正不斷普及。就資源量之豐富及光電轉換效率之高低而言，所製造之太陽電池大多使用矽結晶，但其中，使用藉由電磁鑄造而製造之多晶矽基板之太陽電池之生產亦增加。

如圖5所示，該矽之電磁鑄造係於爐體容器100內，藉由內部由冷卻水循環之銅製之坩堝200、及設置於該坩堝200之外周之感應線圈300'，而以電磁力使矽塊S懸浮熔解於坩堝200內，一面連續地朝下方拉矽塊S一面使其凝固，藉此來製造矽鑄塊。

由此，利用電磁力使矽塊S懸浮熔解於經水冷卻之坩堝200之內部，故而熔解矽S'不會與坩堝200之內面接觸，可消除針對熔解矽S'之來自坩堝200之雜質污染。又，用於熔解矽塊S之坩堝200亦不會與熔解矽S'接觸，因此不會有損傷，可作為恆久之坩堝200而使用。

如此一來，藉由因連續地製造長度較長之矽鑄塊而得之高生產性、因穩定且固定之鑄造條件而得之矽鑄塊之高品質性及均質性，上述矽之電磁鑄造成為工業性生產法之一種。

然而，該電磁鑄造中顯然存在如下之缺點。即，若為提高生產性而較大地加寬矽塊S，則感應熔解之矽量增大，熔解所需要之電力投入量增大。同時，銅製之坩堝200之幅寬變大，感應線圈300'之幅寬亦變大。其結果，感應線圈300'中負載之電力量增大，於保持相同之感應頻率時，為供給所增加之必要電力量，而使感應線圈300'之端子電壓增大。

例如，當將感應線圈300'之捲繞數設為2圈且保持35 kHz之感應頻率而感應熔解具有20 cm之幅寬的矽塊S時，感應電源輸出必需約為250 kW，感應線圈300'之端子電壓變為約550 V。然而，當將感應線圈300'之捲繞數設為2圈且同樣地保持35 kHz之感應頻率而感應熔解具有35 cm之幅寬之矽塊S時，感應電源輸出必需為450 kW，感應線圈300'端子電壓變為約1000 V。

此處，判明會有問題產生。即，為防止藉由矽之電磁鑄造而熔解之熔解矽S'之氧化，而於爐體容器100內充滿1個標準大氣壓之惰性氣體。作為惰性氣體，可利用者為氬氣、氦氣等，但通常因經濟上之理由而使用氬氣。然而，氬氣之離子化電壓較低，因此若於充滿氬氣之爐體容器100內之相對向之導電體間負載電壓，則該導電體間容易產生電弧放電。通常，於感應熔解之工業裝置中，在1個標準大氣壓下之氬氣環境下，使接近且相對向之導電體間負載有600 V以上之電壓時會產生電弧放電。若導電體間之電壓變高而產生較強之電弧放電，則放電之導電體之表面會熔解，進而蒸發。

一般而言，當於電磁鑄造中增大感應輸出時，藉由提高感應線圈300'之端子電壓而使電流增加，從而使輸出增大。感應線圈300'中所負載之端子電壓使感應線圈300'中產生電流，藉由電磁感應而於處於感應線圈300'內之經冷卻之坩堝200的表面層引起電壓，並使電流產生，進而，銅坩堝200上所產生之電流藉由電磁感應而使處於銅坩堝200中之矽塊S之表面層產生電壓。

如此一來，當欲製造上述35 cm之幅寬之矽鑄塊時，感應線圈300'之端子電壓變高，藉由電磁感應而產生之坩堝200及熔解矽S'之表面層之電壓變高，如圖6所示，於相對向之坩堝200之表面層與熔解矽S'之表面層之間產生電弧放電A。產生電弧放電A之經水冷之坩堝200的表面係藉由電弧放電A之熱而熔解、蒸發而形成深槽，隨著時間之經過，侵蝕變大。

若坩堝200之表面藉由電弧放電A而熔解、蒸發，則坩堝200之銅進入至熔解矽S'中，鑄造後之矽鑄塊之純度顯著下降且使半導體性能之少數載體之擴散長度下降。矽鑄塊之少數載體之擴散長度的下降會使太陽電池之光電轉換效率下降。

又，若坩堝200亦因電弧放電A而導致表面之侵蝕變大，則於平坦之表面會產生較大且深之槽，於表面之微小區域中阻礙正常之電磁作用而給電磁鑄造之熔解、凝固操作帶來異常狀態。而且，因該問題之產生而導致正常之鑄造動作屢次中斷。

本發明係有鑒於上述問題而成者，其目的在於提供一種可簡單且確實地製造高品質之矽鑄塊的矽之電磁鑄造裝置。

為達成上述目的，本發明之矽之電磁鑄造裝置包括：爐體容器；導電性之坩堝，其設置於爐體容器之內部；以及感應線圈，其設置於該坩堝之外周；且利用特定之氣體使上述爐體容器內成為恆定壓力，藉由使上述感應線圈負載電壓而使上述坩堝內之矽感應發熱並熔解後使其凝固，其特徵在於，上述感應線圈於上下配置有複數個感應頻率不同之感應線圈。

由此，因使用複數個感應頻率不同之感應線圈，故藉由各感應線圈中所負載之感應頻率及感應輸出之選定之組合，可使各感應頻率中之感應線圈之端子電壓變成特定電壓以下(例如900 V以下，較佳為600 V以下)，並且可獲得較大之感應輸出作為各感應線圈之合計輸出。

又，較佳為上述複數個感應頻率不同之感應線圈之中，配置於下側之感應線圈具有高頻之感應頻率。由此，於感應頻率之選定時，將高品質矽鑄塊之製造所需之條件，即熔解矽之攪拌之抑制與固體鑄塊之發熱效果所需的高頻率的感應輸出選定為下側之感應線圈之感應頻率，關於其他上側之感應線圈，該感應線圈之位置遠離凝固界面，感應頻率之效果變得難以波及至凝固界面，因此可抑制坩堝內之電弧放電之產生，並且可使各感應線圈之合計輸出有效地增加。

又，上述配置於下側之感應線圈之感應頻率較佳為25~30 kHz以上。由此，於下側之高頻之感應線圈中，可使熔解矽之攪拌之抑制與固體鑄塊之發熱效果所需的高頻率之感應輸出有效地增加。

又，較佳為於上述複數個感應頻率不同之各感應線圈之間設置有磁屏蔽板。由此，可於各感應線圈之間防止不需要之電磁作用。

又，各感應線圈較佳為所負載之端子電壓為900 V以下。由此，可根據感應效率之關係而使熔解矽表面層之電壓變成600 V以下。

又，各感應線圈更佳為所負載之端子電壓為600 V以下。由此，可使熔解矽表面層之電壓確實地變成600 V以下。

又，較佳為於上述坩堝之上方設置有電漿炬，藉由該電漿炬對坩堝內之經熔解之矽附加電漿噴射加熱。由此，可有效地對坩堝內之矽塊供給用於使其熔解之熔解熱。

根據本發明，因使用複數個感應頻率不同之感應線圈，故藉由各感應線圈中所負載之感應頻率及感應輸出之選定之組合，可使各感應頻率中之感應線圈之端子電壓變成特定電壓以下(例如900 V以下，較佳為600 V以下)，並且可獲得較大之感應輸出作為各感應線圈之合計輸出。因此，可簡單且確實地製造高品質甚至寬幅之矽鑄塊。

[實施形態1]

其次，一面參照圖1~圖3一面說明本發明之第1實施形態。

<整體構成>

圖1係本發明之第1實施形態之矽之電磁鑄造裝置(以下稱作本裝置1)的構成概略圖，圖2係本裝置1之主要部分放大圖，圖3係本裝置之圖2中之III-III線剖面圖。

本裝置1包括：爐體容器100、設置於爐體容器100之內部之坩堝200、設置於坩堝200之外周之感應線圈300、載置矽塊S之石墨台400、使石墨台400上下移動之上下移動裝置500、控制熔解矽S'之凝固之溫度控制爐600、以及設置於坩堝200之上方之原料供給器700。該等各構件除感應線圈300外，係與先前之裝置相同之構成者。

再者，關於矽，將加熱前之狀態稱作矽塊S，將加熱後之已熔解之狀態稱作熔解矽S'，將冷卻後之已凝固之狀態稱作矽鑄塊。

<爐體容器之構成>

上述爐體容器100係以覆蓋上述坩堝200及感應線圈300等之態樣而設置之密閉容器。

於該爐體容器100之上部形成有送入口110，並且於下部形成有排氣口120。於鑄造時，藉由真空泵(省略圖示)使爐體容器100內減壓至0.1 Torr為止後，自送入口110送入特定之氣體(例如氬氣)直至1個標準大氣壓為止。

又，於爐體容器100之底壁130上穿設有插通孔130a，並插通有上述上下移動裝置500。為使爐體容器100成為密閉容器，較佳為該插通孔130a設置有包含橡膠等之密封構件140。

<坩堝之構成>

上述坩堝200係由銅製成，且冷卻水於其內部循環而使坩堝200冷卻。

如圖3所示，該坩堝200為於圓周方向上電性絕緣，而於圓周方向上分割成複數個片段。又，較佳為於各坩堝200之片段之間插入雲母等電性絕緣材料。

<感應線圈之構成>

上述感應線圈300係藉由負載有電壓，而使上述坩堝200內之矽塊S感應發熱並熔解者。

該感應線圈300係上下配置有2個感應頻率不同之感應線圈310、320而形成。

又，於上述2個感應頻率不同之各感應線圈310、320之間，設置有用於阻斷彼此之磁性作用之磁屏蔽板330。

又，較佳為將各感應線圈310、320中所負載之端子電壓設為900 V以下，更佳為設為600 V以下。其理由如下。

一般而言，於使用經水冷之銅製之坩堝200的該電磁鑄造法中，輸入至感應線圈310、320中之電力係將坩堝200作為介質，以60%~65%之電力之比例傳遞至熔解於坩堝200中之熔解矽S'。即，感應效率變成60%~65%。因此，於感應線圈之310、320之端子中負載有900 V之電壓時，熔解矽S'之表面層之電壓成比例地下降至600 V左右。如上所述，通常，於電磁鑄造裝置中，在1個標準大氣壓下之氬氣環境中，使接近且相對向之導電體之間負載有600 V以上之電壓時會產生電弧放電。因此，於感應熔解時完全抑制電弧放電之感應線圈之端子電壓較佳為為600 V以下，但為防止相對之銅坩堝200面與熔解矽S'之表面層之間之電弧放電，線圈端子電壓亦可為900 V。

又，較佳為下方側之感應線圈320具有高頻之感應頻率。而且，該高頻之感應頻率較佳為25~30 kHz以上。其理由如下。

一般而言，於利用電磁感應之熔解矽S'之加熱中，在熔解矽S'之表面層之相當於磁場滲透深度的區域內，藉由磁通密度與電流密度之關係而產生將熔解矽S'朝內側擠壓之力，藉由該力而使熔解矽S'懸浮熔解的同時攪拌熔解矽S'。於低頻率側攪拌熔解矽S'之力相對變大，熔解矽S'獲得充分的攪拌，於高頻率側則攪拌作用變小，而維持靜態之熔解狀態。

又，同時，於熔解矽S'之表面層之相當於磁場滲透深度的區域內，在低頻率側電流流動之表面層深度變大，而自表面朝深度方向加熱較寬廣之範圍。另一方面，在高頻率側電流流動之表面層深度變小，因而在表面層受到加熱之範圍變狹小。因此，當施加相同之感應加熱量時，於低頻率側之表面層之較寬廣的加熱區域中每單位體積之加熱強度相對變小，於高頻率側表面層之較狹小之加熱區域中每單位體積之加熱強度變大。即，藉由選定高頻率而於表面層進行強加熱。

又，對於感應線圈之感應頻率之選定，尤其以25~30 kHz之感應頻率為界線，於低頻率側熔解矽S'之攪拌變強，促進熔解矽S'之對流熱傳遞而使熱量朝凝固界面移動，因此凝固界面朝下方擴張而形成較深之凝固界面。若形成較深之凝固界面且矽凝固穩定進展，則於經凝固之矽鑄塊內部，鑄塊表面層與鑄塊內部會產生溫度差而於鑄塊內部產生內部應力。

又，於低頻率側鑄塊表面層之加熱強度較弱，因此不足以保持鑄塊表面層之溫度而容易使鑄塊表面層之溫度下降，從而使鑄塊表面層與鑄塊內部之溫度差朝變大之方向發展。即，於低頻率側，因針對熔解矽S'之較強之攪拌作用及經凝固之固體鑄塊之表面層的較弱之加熱強度而導致凝固界面變深。朝下方大幅擴張之凝固界面增大凝固矽鑄塊中之內部應力，而使結晶缺陷產生，其結果，使少數載體之擴散長度變小，並使多晶矽之作為半導體之品質降低。

另一方面，於25~30 kHz以上之高頻率側，針對熔解矽S'之攪拌力較弱而保持靜態之熔解矽S'，朝凝固界面之對流熱傳遞變少，凝固界面難以朝下方擴張，從而形成較淺之凝固界面。同時，經凝固之矽之鑄塊表面層因較高之頻率而導致加熱強度較高，因此表面層之溫度降低變小，於鑄塊內部，鑄塊表面與鑄塊內部之溫度差變小。如此，於高頻率側之矽鑄塊之凝固中，不使凝固界面朝下方大幅擴張而形成較淺之凝固界面，從而減小鑄塊之表面層與內部之溫度差，減少鑄塊中之內部應力之產生。其結果，鑄塊中變得難以產生結晶缺陷，可增大多晶矽半導體之少數載體之擴散長度來提高太陽電池之性能。

如此，於矽之電磁鑄造中，為增大矽鑄塊之幅寬來提高生產性，必需增大感應輸出，尤其，較佳為將下方側之感應線圈設為高頻之感應頻率，為進一步提高用於太陽電池之半導體之品質，更佳為將感應頻率設為25~30 kHz以上。

<其他構件之構成>

上述溫度控制爐600係用於使熔解矽S'緩慢冷卻並凝固者。一般而言，自上而下地保持特定之溫度梯度，最終將熔解矽S'緩慢冷卻至特定溫度為止。

上述石墨台400係包含石墨之基座。於鑄造時藉由上下移動裝置500配置該石墨台400直至下側之感應線圈之高度為止後，將所裝入之矽塊S載置於台上。而且，於爐體容器100內沿中心線下降，藉此一面使熔解矽S'下降一面使其凝固。

上述上下移動裝置500係使上述石墨台400沿爐體容器100之中心線上下移動者。關於該上下移動，藉由另外設置之驅動裝置(省略圖示)，根據鑄造條件而適當地上下移動。

上述原料供給容器700係將成為原料之矽塊S及石墨塊自上方裝入至坩堝200內者。首先，於裝入特定重量之矽塊S之後，於其上表面裝入石墨塊。該石墨塊係輔助矽之發熱者，一旦感應線圈通電，則首先，石墨塊發熱升溫，其後下方之矽塊S藉由石墨之輻射熱而發熱升溫。若矽塊S達到特定溫度以上，則矽塊S之電阻值下降，矽塊S中之感應電流增加而開始自我發熱。在矽塊S開始自我發熱的同時，上方之石墨塊被自坩堝200朝上方拔出。

再者，於本實施形態中，由上下兩個感應線圈310、320構成感應線圈300，但亦可由3個以上之感應線圈構成。

[實施形態2]

其次，一面參照圖4一面說明本發明之第2實施形態。

圖4係本實施形態之本裝置1之主要部分放大圖。

於本實施形態中，於爐體容器100內且於坩堝200之上方設置有電漿炬800。

該電漿炬800係於鑄造時使矽之發熱加速者。而且，例如形成為直徑10 cm之圓筒狀，用水對內部之負極電極及炬整體進行冷卻，而可實現上下方向及水平方向之運動。

於鑄造時，使電漿炬800以其前端接近矽塊S之方式下降，使氬氣等特定之氣體流入至電漿炬800而於電漿炬800之陰極與熔解矽S'之陽極之間點燃直流電漿。其後，於感應線圈310、320中均逐漸增加投入電力，從而可使矽之加熱加速。

再者，其他構件與第1實施形態(圖1~圖3)所示者相同，因此標註相同之符號並省略其說明。

實施例1

於本裝置1中，以如下方式進行矽之電磁鑄造之實施例，上述本裝置1係藉由於縱方向上電性絕緣地分割，且內部由冷卻水循環之導電性之坩堝200與設置在該坩堝200之外周之感應線圈300而熔解矽塊S後，一面朝下方拉矽塊S一面使其凝固者，且係使用具有不同之感應頻率之兩個感應線圈310、320者。

於本實施例中，與圖1所示者相同，於可控制內壓之爐體容器100內上下設置有坩堝200及環繞該坩堝200之兩個感應線圈310、320，又，於該坩堝200之正下方設置有控制使矽塊S凝固之溫度的溫度控制爐600，進而設置有可使石墨台400上下移動之上下移動裝置500，而連續地下拉矽塊S。

又，於爐體容器100之上方設置有供給矽塊S或石墨塊等之原料供給器700。該石墨塊係於矽塊S之初期熔解時，自上方裝入至坩堝200內之感應線圈300之高度位準後感應發熱，而用以對矽塊S進行輔助加熱者。

又，矽塊S之相對於鑄造方向之橫剖面為正方形，其幅寬長度為35 cm。因此，將水平方向之橫剖面為正方形之坩堝200之內幅直徑設為35 cm，將外幅直徑設為41.6 cm，將用於將坩堝200在縱方向上電性絕緣之分割數設為60。分割成60塊之坩堝200之各片段之長度為70 cm，且經加工以使冷卻水於內部循環，於各片段之間插入有電性絕緣材料之雲母。坩堝200內之冷卻水合計設定為每分鐘500公升之流量。

又，於上下配設兩個感應線圈310、320，上方側之感應線圈310為正方形之2圈，內幅直徑為42.6 cm，高度為15 cm，其連接於最大輸出為350 kW之感應電源，且將感應頻率設定為10 kHz。又，下方側之感應線圈320之形狀與上方側之感應線圈310相同，但其連接於最大輸出為150 kW之感應電源，且將感應頻率設定為35 kHz。並設之兩個感應線圈310、320係設置於坩堝200之高度方向之中心，於上方側之感應線圈310與下方側之感應線圈320之間設置有厚度為3 mm之銅製之磁屏蔽板330，並藉由蛇管對該銅製磁屏蔽板330之外周進行水冷。

本實施例之操作順序如下。最初，以使相對於下拉方向之橫剖面為正方形且幅寬為35 cm之石墨台400的上表面變成與下方側之感應線圈320之下端位置相同的方式，將該石墨台400裝載於上下移動裝置500上並自下方插入至坩堝200中，然後於石墨台400之上表面裝入50 kg之矽塊S。於距離所裝入之矽塊S之上表面2 cm之上方，將相對於下拉方向之橫剖面為正方形且幅寬為30 cm、高度為7 cm之石墨塊自坩堝200之上方插入。

然後，於藉由真空泵使爐體容器100內減壓至0.1 Torr之後，將氬氣送入至爐體容器100內直至標準大氣壓為止，繼而，對頻率為10 kHz之上方側之感應線圈310施加感應輸出，並依次增加直至達到200 kW。繼而，亦對35 kHz之下方側之感應線圈320施加感應輸出並增加至100 kW為止。於上述感應輸出中，上方側之感應線圈310之端子電壓為170 V，下方側之感應線圈320之端子電壓為280 V。

如此，一旦兩個感應線圈310、320通電，則首先，插入至矽塊S之上方之石墨塊感應發熱而升溫並變成紅色，其次，所裝入之矽塊S藉由變成紅色之石墨塊之輻射熱而升溫。若該矽塊S之溫度變成約500℃，則矽塊S之電阻值下降，矽塊S中之感應電流增加而開始自我發熱。在矽塊S開始自我發熱的同時，自冷卻坩堝200朝上方拔出上述石墨塊。

進而，針對上方側之感應線圈310，使感應輸出增加至350 kW為止，針對下方側之感應線圈320，使感應輸出增加至150 kW為止，而使矽之熔解加速。開始自我發熱之矽塊S進一步升溫，不久完全熔解。熔解矽S'之與坩堝200之內面壁相對的側面受到電磁力，熔解矽S'不接觸冷卻坩堝200而與其隔開。上述增加之感應輸出中之各感應線圈的最大端子電壓於上方側之感應線圈310中變成280 V，於下方側之感應線圈320中變成490 V。

初期裝入之矽完全熔解並被穩定地保持後，使設置於坩堝200之正下方之矽鑄塊之溫度控制爐600升溫，而於矽鑄塊之下降方向上保持約35℃/cm之溫度梯度。

而且，將粒化為1至20 mm之矽原料自位於上方之原料供給器700連續地裝入至坩堝200中，並且使保持熔解矽S'之上下移動裝置500下降而開始鑄造。上下移動裝置500開始下降，若熔解矽S'下降至較下方側之感應線圈320之下端之位置更下方，則熔融矽S'所受到之電磁力減少而冷卻凝固。此時，經凝固之矽鑄塊之表面層於距離上接近下方側之感應線圈320，因此受到來自下方側之感應線圈320之感應作用而赤熱，未急速冷卻。

如此一來，實施連續之矽原料之供給與連續之矽塊S之凝固同時進行的連續鑄造。於本實施例中，以每分鐘2.0 mm之鑄造速度進行，固定之鑄造時之感應電源輸出於上方側之感應線圈310中約為260 kW，於下方側之感應線圈320中約為80 kW，各感應線圈310、320之端子電壓於上方側之感應線圈310中約為200 V，於下方側之感應線圈320中約為250 V。鑄造係於鑄塊之全長變成200 cm時停止。

於將以上述順序所鑄造之鑄塊冷卻至室溫為止後，自爐內取出鑄塊，並調查坩堝200之內面。其結果，完全未發現產生過電弧放電之跡象，坩堝200之內面與製作坩堝200時相同為平坦之形狀。

進而，為自該矽鑄塊試製太陽電池而製作太陽電池用基板，並對太陽電池性能進行試驗。即，藉由金剛石切割機以15 cm正方形之剖面切出長度為40 cm之矽塊，藉由線鋸切割法將該矽塊加工成厚度為200微米之多晶矽基板。進而，選出100塊該多晶矽基板，並將該等試製成太陽電池。於太陽電池之試製步驟中使用氫鈍化技術，太陽電池轉換效率之平均值以100塊基板之平均值計獲得15.1%。根據本實施例，確認藉由本發明所製作之矽鑄塊可提供高品質之太陽電池基板。

實施例2

於本裝置1中，以如下方式進行矽之電磁鑄造之實施例，上述本裝置1係藉由於縱方向上電性絕緣地分割，且內部由冷卻水循環之導電性之坩堝200與設置在該坩堝200之外周之感應線圈300而熔解矽塊S後，一面朝下方拉矽塊S一面使其凝固者，且係使用具有不同之感應頻率之兩個感應線圈310、320，並且設置有電漿炬800者。

於本實施例中，如圖4所示，於可控制內壓之爐體容器100內上下設置有坩堝200及環繞該坩堝200之兩個感應線圈310、320，又，於該坩堝200之正下方設置有控制使矽塊S凝固之溫度的溫度控制爐600，進而設置有可使石墨台400上下移動之上下移動裝置500，而連續地下拉矽塊S。

又，於爐體容器100之上方設置有供給矽塊S或石墨塊等之原料供給器700。該石墨塊係於矽塊S之初期熔解時，自上方裝入至坩堝200內之感應線圈300之高度位準後感應發熱，而用以對矽塊S進行輔助加熱者。

又，將電漿炬800設置於坩堝200之上方，使其自熔解矽S'之上方附加電漿噴射加熱。

又，矽塊S之相對於鑄造方向之橫剖面為正方形，其幅寬長度為51 cm。因此，將水平方向之橫剖面為正方形之坩堝200的內幅直徑設為51 cm，將外幅直徑設為57 cm，將用於將坩堝200在縱方向上電性絕緣之分割數設為84。分割成84塊之坩堝200之各片段之長度為80 cm，以使冷卻水於內部循環之方式進行加工，且於各片段之間插入有電性絕緣材料之雲母。坩堝200內之冷卻水合計設定為每分鐘700公升之流量。

又，於上下配設兩個感應線圈310、320，上方側之感應線圈310為正方形之2圈，內幅直徑為58 cm，高度為15 cm，其連接於最大輸出為550 kW之感應電源，且將感應頻率設定為10 kHz。又，下方側之感應線圈320之形狀與上方側之感應線圈310相同，但其連接於最大輸出為200 kW之感應電源，且將感應頻率設定為35 kHz。並設之兩個感應線圈310、320係設置於坩堝200之高度方向之中心，於上方側之感應線圈310與下方側之感應線圈320之間設置有厚度為3 mm之銅製之磁屏蔽板330，並藉由蛇管對該銅製磁屏蔽板330之外周進行水冷。

又，為自熔解矽S'之上方附加電漿噴射加熱，而將以熔解矽S'為陽極之電漿炬800連接於100 kW之直流電源。電漿炬800係直徑為10 cm之圓筒狀，用水對內部之負極電極及炬整體進行冷卻，從而使電漿炬800可朝上下左右移動。

本實施例之操作順序如下。最初，以使相對於下拉方向之橫剖面為正方形且幅寬為51 cm之石墨台400的上表面變成與下方側之感應線圈320之下端位置相同的方式，將該石墨台400裝載於上下移動裝置500上並自下方插入至坩堝200中，且於石墨台400之上表面裝入110 kg之矽塊S。

其次，使電漿炬800以其前端接近石墨台400上之矽塊S之方式下降，進而使氬以每分鐘250公升流入至電漿炬而於電漿炬800之陰極與矽塊S之陽極之間點燃火直流電漿。於確認電漿點燃後，對兩個感應線圈310、320附加電壓而開始通電。

而且，於開始電漿之點燃與感應線圈之電壓之附加後，逐漸增加投入電力而加速矽塊S之熔解。電漿噴射之輸出上升至電流7000安培、電壓125 V為止，於上方側之感應線圈310中，最高負載感應頻率10 kHz、感應輸出550 kW、線圈端子電壓380 V，於下方側之感應線圈320中，最高負載感應頻率35 kHz、感應輸出200 kW、線圈端子電壓560 V。

矽塊S之升溫、熔解提前，不久矽塊S完全地熔解。進而，自原料供給器700投入矽原料，且持續投入直至熔解矽S'之量變成180 kg為止。受到電漿噴射800之照射，且於坩堝200內經感應熔解之熔解矽S'之熔液之狀態穩定，熔解矽S'之與坩堝200之內面壁相對的側面受到電磁力而與坩堝200非接觸地隔開。

於矽塊S之初期熔解作業結束且熔解矽S'被穩定地保持後，使設置於坩堝200之正下方之鑄塊之溫度控制爐600升溫，而於矽鑄塊之下降方向上保持約35℃/cm之溫度梯度。

而且，將粒化為1至20 mm之矽原料自位於上方之原料供給器700連續地裝入至坩堝200中，並且使保持熔解矽S'之上下移動裝置500下降而開始鑄造。上下移動裝置500開始下降，若熔解矽S'下降至較下方側之感應線圈320之下端之位置更下方，則熔融矽S'所受到之電磁力減少而冷卻凝固。此時，經凝固之矽鑄塊之表面層於距離上接近下方側之感應線圈320，因此受到來自下方側之感應線圈320之感應作用而赤熱，未急速冷卻。

如此一來，實施連續之矽原料之供給與連續之矽塊S之凝固同時進行的連續鑄造。於本實施例中，以每分鐘1.7 mm之鑄造速度進行，固定之鑄造時之感應電源輸出係電漿噴流輸出約為80 KW，上方側之感應線圈310約為350 kW，下方側之感應線圈320約為150 kW，各感應線圈310、320之端子電壓於上方側之感應線圈310中約為250 V，於下方側之感應線圈320中約為470 V。鑄造係於鑄塊之全長變成200 cm時停止。

於將以上述順序所鑄造之鑄塊冷卻至室溫為止後，調查坩堝200之內面。其結果，完全未發現產生過電弧放電之跡象，坩堝200之內面與製作坩堝200時相同為平坦之形狀。

進而，為自該矽鑄塊試製太陽電池而製作太陽電池用基板，並對太陽電池性能進行試驗。即，藉由金剛石切割機以15 cm正方形之面積自鑄塊加工成厚度為200微米之多晶矽基板，並試製成太陽電池。太陽電池之試製係對所選出之100塊基板進行，太陽電池轉換效率之平均值以100塊基板之平均值計獲得15.2%。根據本實施例，亦確認藉由本發明所製作之矽鑄塊可提供高品質之太陽電池基板。

產業上之可利用性

本發明可應用於為製造用於太陽電池用矽基板之高品質之矽鑄塊，而藉由感應發熱熔解矽塊來製造矽鑄塊之矽之電磁鑄造中。

1．．．本裝置

100．．．爐體容器

110．．．送入口

120．．．排氣口

130．．．底壁

130a．．．插通孔

140．．．密封構件

200．．．坩堝

300、300'．．．感應線圈

310．．．上方側之感應線圈

320．．．下方側之感應線圈

330．．．磁屏蔽板

400．．．石墨台

500．．．上下移動裝置

600．．．溫度控制爐

700．．．原料供給器

800．．．電漿炬

A．．．電弧放電

S．．．矽塊

S'．．．熔解矽

圖1係第1實施形態之本裝置之構成概略圖。

圖2係本裝置之主要部分放大圖。

圖3係本裝置之圖2中之III-III線剖面圖。

圖4係第2實施形態之本裝置之主要部分放大圖。

圖5係先前之裝置之構成概略圖。

圖6係表示先前之裝置中之電弧放電之狀態的圖。

1．．．本裝置

100．．．爐體容器

110．．．送入口

120．．．排氣口

130．．．底壁

130a．．．插通孔

140．．．密封構件

200．．．坩堝

300．．．感應線圈

310．．．上方側之感應線圈

320．．．下方側之感應線圈

330．．．磁屏蔽板

400．．．石墨台

500．．．上下移動裝置

600．．．溫度控制爐

700．．．原料供給器

S．．．矽塊

S'．．．熔解矽

Claims (13)

1. 一種矽之電磁鑄造裝置，其特徵在於包括：爐體容器；導電性坩堝，其設置於爐體容器之內部；以及感應線圈，其設置於該坩堝之外周；且上述感應線圈係由複數個感應線圈形成，於矽之電磁鑄造裝置內，複數個感應線圈中之1個係設置於其他感應線圈上，爐體容器內藉由施加特定之氣體而保持為恆定壓力，複數個各感應線圈係操作在不同之頻率，藉此，在對上述複數個各感應線圈施加有端子電壓時，藉由感應發熱來熔融導電性坩堝內之矽塊而形成熔融矽後使上述矽塊沿上述爐體容器之中心線下降且凝固來形成鑄塊(ingot)；其中在上述操作在不同之頻率之複數個感應線圈中，上述複數個感應線圈之下側者係操作在高感應頻率而於上述熔融矽之攪拌效果(strring effect)較低且保持靜態之熔融矽。
2. 如請求項1之矽之電磁鑄造裝置，其中複數個感應線圈之下側者係操作於25kHz以上之高感應頻率。
3. 如請求項1之矽之電磁鑄造裝置，其中磁屏蔽板係設置於操作在不同頻率之複數個感應線圈之各個之間。
4. 如請求項1至3中任一項之矽之電磁鑄造裝置，其中施加至複數個各感應線圈之端子電壓為900V以下。
5. 如請求項1至3中任一項之矽之電磁鑄造裝置，其中施加 至複數個各感應線圈之端子電壓為600V以下。
6. 如請求項1至3中任一項之矽之電磁鑄造裝置，其中電漿炬係設置於上述導電性坩堝之上方，藉由該電漿炬之操作而對導電性坩堝內之熔融矽應用電漿噴射加熱。
7. 一種矽鑄塊之製程，其特徵在於：其係由矽塊製造矽鑄塊者，其包括如下步驟：對設置於爐體容器之內部之導電性坩堝內供給矽塊，該導電性坩堝具備包圍其外側高度之一部分之複數個感應線圈；及通過形成導電性坩堝之高度之至少一部分之電性絕緣之片段部分而使冷媒循環；且該矽鑄塊之製程包括如下步驟：對爐體容器內供給特定之氣體而保持恆定壓力；對複數個各感應線圈施加端子電壓；對複數個各感應線圈供給不同之感應頻率；及藉由感應發熱使導電性坩堝內之矽塊沿上述爐體容器之中心線下降而形成熔融矽；為了使於上述熔融矽之攪拌效果較低且保持上述熔融矽之靜態而將上述複數個感應線圈之下側者操作在高感應頻率；且在上述矽塊熔融後於上述導電性坩堝中形成矽鑄塊。
8. 如請求項7之矽鑄塊之製程，其中上述對複數個各感應線圈供給不同之感應頻率之步驟更包括：對複數個感應線圈中配置於下側者供給頻率為25kHz以上之高感應頻率。
9. 如請求項7或8之矽鑄塊之製程，其更包括如下步驟：於 複數個各感應線圈之接近之末端(adjacent ends)之間設置磁屏蔽板。
10. 如請求項7或8之矽鑄塊之製程，其中對上述複數個各感應線圈施加端子電壓之步驟更包括：將端子電壓限制於900V以下。
11. 如請求項7或8之矽鑄塊之製程，其中對上述複數個各感應線圈施加端子電壓之步驟更包括：將端子電壓限制於600V以下。
12. 如請求項7或8之矽鑄塊之製程，其更包括如下步驟：對上述熔融矽進行電漿噴射加熱。
13. 一種矽鑄塊，其特徵在於：其係藉由電磁鑄造製程而形成者，該電磁鑄造製程係包括如下步驟者：對設置於爐體容器之內部之導電性坩堝內供給矽塊，該導電性坩堝具有包圍其外側高度之一部分之複數個感應線圈；以及通過形成導電性坩堝之高度之至少一部分之電性絕緣之片段部分而使冷媒循環；且該電磁鑄造製程包括如下步驟：對爐體容器內供給特定之氣體而保持恆定壓力；對複數個各感應線圈施加端子電壓；對複數個各感應線圈供給不同之感應頻率；及藉由感應發熱使導電性坩堝內之矽塊沿上述爐體容器之中心線下降而形成熔融矽；為了使於上述熔融矽之攪拌效果較低且保持上述熔融矽之靜態而將上述複數個感應線圈之下側者操作在 高感應頻率；且在上述矽塊熔融後於上述導電性坩堝中形成矽鑄塊。