JP2013049586A - Continuous casting method of silicon ingot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電磁誘導を利用して、太陽電池用基板の素材であるシリコンインゴットを連続鋳造するシリコンインゴットの連続鋳造方法に関する。 The present invention relates to a silicon ingot continuous casting method in which a silicon ingot that is a material of a substrate for a solar cell is continuously cast using electromagnetic induction.
太陽電池の基板に用いられる多結晶シリコンウェーハは、一方向凝固のシリコンインゴットを素材とし、このインゴットをスライスして製造される。シリコンインゴットを製造する方法としては、例えば、特許文献1、2に開示されるように、電磁誘導を利用した連続鋳造方法(以下、「電磁鋳造方法」ともいう)が実用化されている。電磁鋳造方法は、高品質のシリコンインゴットを安価に製造できる点で極めて有用な技術である。 A polycrystalline silicon wafer used for a substrate of a solar cell is manufactured by slicing a unidirectionally solidified silicon ingot as a raw material. As a method for producing a silicon ingot, for example, as disclosed in Patent Documents 1 and 2, a continuous casting method using electromagnetic induction (hereinafter also referred to as “electromagnetic casting method”) has been put into practical use. The electromagnetic casting method is a very useful technique in that a high-quality silicon ingot can be manufactured at low cost.
図3は、電磁鋳造方法で用いられる代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す縦断面図である。同図に示すように、電磁鋳造装置はチャンバー1を備える。チャンバー1は、内部を外気から隔離し鋳造に適した不活性ガス雰囲気に維持する二重壁構造の水冷容器である。チャンバー1の上壁には、原料供給ホッパー2が連結されている。チャンバー1は、上部に不活性ガス導入口3が設けられ、下部の側壁に排気口4が設けられている。 FIG. 3 is a longitudinal sectional view schematically showing a configuration of a typical electromagnetic casting apparatus used in the electromagnetic casting method. As shown in FIG. 1, the electromagnetic casting apparatus includes a chamber 1. The chamber 1 is a water-cooled container having a double wall structure in which the inside is isolated from the outside air and maintained in an inert gas atmosphere suitable for casting. A raw material supply hopper 2 is connected to the upper wall of the chamber 1. The chamber 1 is provided with an inert gas inlet 3 in the upper part and an exhaust port 4 in the lower side wall.
チャンバー1内には、無底冷却ルツボ5、誘導コイル6およびアフターヒーター7が配置されている。冷却ルツボ5は、溶解容器としてのみならず、鋳型としても機能し、熱伝導性および導電性に優れた金属(例えば、銅)製の角筒体であり、チャンバー1内に吊り下げられている。この冷却ルツボ5は、上部と下部を残して縦方向に図示しないスリットが複数形成され、このスリットにより周方向で複数の短冊状の素片に分割されており、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。誘導コイル6は、冷却ルツボ5を囲繞するように、冷却ルツボ5と同芯に周設され、図示しない電源装置に接続されている。
In the chamber 1, a bottomless cooling crucible 5, an
アフターヒーター7は、冷却ルツボ5の鉛直下方に連設され、冷却ルツボ5から引き下げられるシリコンインゴット16を囲繞する。アフターヒーター7は、冷却ルツボ5に近い上方から順に、複数段の保温ヒーター8と、複数段の均熱ヒーター9とから構成される。図3では、保温ヒーター8を4段設け、均熱ヒーター9を15段設けた例が示されている。
The after
また、チャンバー1内には、原料供給ホッパー2の下方に原料導入管10が配設されている。粒状や塊状のシリコン原料14が原料供給ホッパー2から原料導入管10に供給され、原料導入管10を通じて冷却ルツボ5内に投入される。
In the chamber 1, a raw
冷却ルツボ5の真下には、チャンバー1の底壁を貫通する昇降可能な支持棒11が設けられ、この支持棒11の上端に支持台12が取り付けられている。インゴット16は、支持台12によって支えられながら、支持棒11の下降に伴って引き下げられる。
Immediately below the cooling crucible 5, a
冷却ルツボ5の真上には、プラズマトーチ13が昇降可能に設けられている。プラズマトーチ13は、図示しないプラズマ電源装置の一方の極に接続され、他方の極は、インゴット16側に接続されている。このプラズマトーチ13は、下降により冷却ルツボ5の上部に挿入される。
A
このような構成の電磁鋳造装置を用いた電磁鋳造方法では、冷却ルツボ5にシリコン原料14を投入し、誘導コイル6に交流電流を印加するとともに、冷却ルツボ5の上部に挿入したプラズマトーチ13に通電を行う。このとき、冷却ルツボ5を構成する短冊状の各素片が互いに電気的に分割されていることから、誘導コイル6による電磁誘導に伴って各素片内で渦電流が発生し、冷却ルツボ5の内壁側の渦電流が冷却ルツボ5内に磁界を発生させる。これにより、冷却ルツボ5内のシリコン原料14は電磁誘導加熱されて溶解し、溶融シリコン15が形成される。また、プラズマトーチ13と溶融シリコン15との間にプラズマアークが発生し、このプラズマアーク加熱によっても、シリコン原料14が加熱されて溶解し、電磁誘導加熱の負担を軽減して効率良く溶融シリコン15が形成される。
In the electromagnetic casting method using the electromagnetic casting apparatus having such a configuration, the silicon
溶融シリコン15は、冷却ルツボ5の内壁の渦電流に伴って生じる磁界と、溶融シリコン15の表面に発生する電流との相互作用により、溶融シリコン15の表面の内側法線方向に力(ピンチ力)を受けるため、冷却ルツボ5と非接触の状態に保持される。冷却ルツボ5内でシリコン原料14を溶解させながら、溶融シリコン15を支える支持台12を徐々に下降させると、誘導コイル6の下端から遠ざかるにつれて誘導磁界が小さくなることから、発熱量およびピンチ力が減少し、さらに冷却ルツボ5からの冷却により、溶融シリコン15は外周部から凝固が進行する。そして、支持台12の下降に伴ってシリコン原料14を冷却ルツボ5内に逐次投入し、溶解および凝固を継続することにより、溶融シリコン15が一方向に凝固し、インゴット16を連続鋳造することができる。
The
このような電磁鋳造方法によれば、溶融シリコン15と冷却ルツボ5との接触が軽減されるため、その接触に伴う冷却ルツボ5からの不純物汚染が防止され、高品質のインゴット16を得ることができる。しかも、連続鋳造であることから、安価にインゴット16を製造することが可能になる。
According to such an electromagnetic casting method, contact between the
ここで、上記の電磁鋳造方法では、インゴット16の割れを引き起こす残留応力の発生を抑制するため、鋳造したインゴット16を直ちに室温まで冷却するのではなく、アフターヒーター7を用いて一旦所定の均熱温度に保持し、その後に室温まで冷却するようにしている。すなわち、冷却ルツボ5の下端から引き下げられるインゴット16は、その直下の保温ヒーター8の設置領域(以下、「保温帯」ともいう)を通過する過程で均熱温度まで徐冷され、続く均熱ヒーター9の設置領域(以下、「均熱帯」ともいう)で所定の均熱温度に保持され、所定時間を経過した後にチャンバー1の外に取り出されて冷却される。
Here, in the electromagnetic casting method described above, in order to suppress the occurrence of residual stress that causes cracking of the
また、残留応力の抑制を図る別の手法としては、例えば特許文献3に記載される電磁鋳造方法がある。特許文献3に記載される電磁鋳造方法では、冷却ルツボの下方でインゴットを囲繞するアフターヒーターとして、加熱手段と冷却手段とを交互に配置するか、または加熱手段と断熱手段とを交互に配置する構成とし、この構成により、保温作用と抜熱作用を交互に発揮させて、インゴットの引き下げ方向に沿う温度勾配を有効に付与し、その結果として、インゴットの固液界面の形状を平坦に保持することができ、残留応力を減少できるとしている。 Another technique for suppressing residual stress is, for example, an electromagnetic casting method described in Patent Document 3. In the electromagnetic casting method described in Patent Document 3, as the after heater that surrounds the ingot below the cooling crucible, the heating means and the cooling means are alternately arranged, or the heating means and the heat insulating means are alternately arranged. With this structure, this structure alternately exhibits a heat retaining action and a heat removal action, effectively giving a temperature gradient along the ingot pulling direction, and as a result, keeping the shape of the solid-liquid interface of the ingot flat. The residual stress can be reduced.
上記した従来の電磁鋳造方法は、残留応力の発生を抑制できることから、インゴットの割れ防止に有用である。しかし、従来の電磁鋳造方法によって製造されたインゴットは、太陽電池の基板として構成した場合に、安定して高い変換効率を得ることができない。これは、詳細は後述するが、均熱帯に至る前の保温帯における冷却パターンに応じてインゴットの固液界面付近での熱応力が決まるものの、従来の電磁鋳造方法ではその熱応力が大きいので、インゴットに転位が多発することによる。 The conventional electromagnetic casting method described above is useful for preventing cracking of an ingot because it can suppress the occurrence of residual stress. However, an ingot manufactured by a conventional electromagnetic casting method cannot stably obtain high conversion efficiency when configured as a substrate of a solar cell. Although details will be described later, although the thermal stress in the vicinity of the solid-liquid interface of the ingot is determined according to the cooling pattern in the heat retention zone before reaching the soaking zone, the thermal stress is large in the conventional electromagnetic casting method, This is due to the frequent occurrence of dislocations in the ingot.
とりわけ、前記特許文献3に記載される電磁鋳造方法では、アフターヒーターの領域に均熱帯を有しないことから、詳細は後述するが、残留応力の抑制効果が十分といえない。さらに、アフターヒーターとして、加熱手段と冷却手段とを交互に配置するか、または加熱手段と断熱手段とを交互に配置する構成であるため、単に複数段の保温ヒーターと複数段の均熱ヒーターを連続して配置する構成と比較して、構造が複雑になるという欠点もある。 In particular, in the electromagnetic casting method described in Patent Document 3, since there is no soaking in the area of the after heater, the effect of suppressing the residual stress is not sufficient, as will be described in detail later. Further, as the after heater, since the heating means and the cooling means are alternately arranged, or the heating means and the heat insulating means are alternately arranged, a plurality of stages of heat retaining heaters and a plurality of stages of soaking heaters are simply provided. There is also a drawback in that the structure becomes complicated as compared with a configuration in which they are continuously arranged.
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、冷却ルツボの下方のアフターヒーターとして、複数段の保温ヒーターと複数段の均熱ヒーターを単に連続して配置する構成とし、残留応力の発生を十分に抑制できると同時に、転位の発生を抑制できる電磁誘導を利用したシリコンインゴットの連続鋳造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and as the after heater under the cooling crucible, a plurality of stages of heat retaining heaters and a plurality of stages of soaking heaters are simply arranged in succession, and residual stress An object of the present invention is to provide a continuous casting method of a silicon ingot using electromagnetic induction that can sufficiently suppress generation and can suppress generation of dislocation.
本発明は、下記に示すシリコンインゴットの連続鋳造方法を要旨とする。すなわち、チャンバー内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボにシリコン原料を投入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱によりシリコン原料を溶解させ、この溶融シリコンを無底冷却ルツボから引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを鋳造し、この鋳造に連続してシリコンインゴットを所定の均熱温度に保持してから冷却するシリコンインゴットの連続鋳造方法であって、
無底冷却ルツボの鉛直下方に、シリコンインゴットを囲繞して、保温ヒーターが複数段にわたり連設され、さらに均熱ヒーターが複数段にわたり連設されており、
無底冷却ルツボの下端位置を原点として鉛直下方を正とする座標系に従い、
最上段の保温ヒーターの温度監視に用いられる温度計の鉛直方向の設置位置を第1位置Z0とし、この第1位置Z0でのヒーター温度をT0で表すとともに、
最上段の均熱ヒーターの温度監視に用いられる温度計の鉛直方向の設置位置を第2位置Z1とし、この第2位置Z1でのヒーター温度をT1で表した場合、
第1位置Z0と第2位置Z1との間の各保温ヒーターの温度監視に用いられる各温度計の鉛直方向の設置位置をZとし、各位置Zでのヒーター温度Tが下記(1)式の条件を満たすように、各保温ヒーターの出力を制御することを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法である。
The gist of the present invention is the following method for continuously casting a silicon ingot. That is, a silicon raw material is put into a conductive bottomless cooling crucible disposed in a chamber, and the silicon raw material is melted by electromagnetic induction heating from an induction coil surrounding the bottomless cooling crucible, and this molten silicon is bottomless cooled. A silicon ingot is continuously solidified while being pulled down from a crucible to cast a silicon ingot, and after the casting, the silicon ingot is kept at a predetermined soaking temperature and then cooled.
Below the bottomless cooling crucible, surrounding the silicon ingot, the heat insulation heater is connected in multiple stages, and the soaking heater is connected in multiple stages,
According to the coordinate system in which the lower end position of the bottomless cooling crucible is the origin and the vertical downward direction is positive,
The vertical installation position of the thermometer used for temperature monitoring of the uppermost insulation heater as a first position Z 0, with represents the heater temperature at the first position Z 0 at T 0,
If the vertical installation position of the thermometer used for temperature monitoring of the uppermost soaking the heater second and position Z 1, showing the heater temperature at the second position Z 1 in T 1,
The vertical installation position of each thermometer used for monitoring the temperature of each insulation heater between the first position Z 0 and the second position Z 1 is Z, and the heater temperature T at each position Z is (1) This is a silicon ingot continuous casting method characterized in that the output of each heat insulation heater is controlled so as to satisfy the condition of the equation.
上記の連続鋳造方法では、前記第1位置Z0での前記ヒーター温度T0を1200〜1350℃の範囲内とし、前記第2位置Z1での前記ヒーター温度T1を900〜1150℃の範囲内とすることが好ましい。より好ましくは、前記第1位置Z0での前記ヒーター温度T0を1250〜1300℃の範囲内とし、前記第2位置Z1での前記ヒーター温度T1を1000〜1100℃の範囲内とする。 In the above continuous casting method, wherein the heater temperature T 0 is in the range of 1200 to 1350 ° C., the heater temperature T 1 of the range of 900 to 1150 ° C. in the second position Z 1 in the first position Z 0 It is preferable to be inside. More preferably, the said heater temperature T 0 at the first position Z 0 is set within the range of 1250 to 1300 ° C., the heater temperature T 1 of the at the second position Z 1 in the range of 1000 to 1100 ° C. .
また、上記の連続鋳造方法では、前記第1位置Z0と前記第2位置Z1との間の前記ヒーター温度Tが前記第1位置Z0での前記ヒーター温度T0よりも低いことが好ましい。 In the continuous casting method, the heater temperature T between the first position Z 0 and the second position Z 1 is preferably lower than the heater temperature T 0 at the first position Z 0. .
本発明の電磁誘導を利用したシリコンインゴットの連続鋳造方法によれば、冷却ルツボの下方のアフターヒーターとして、複数段の保温ヒーターと複数段の均熱ヒーターを単に連続して配置する構成とし、各ヒーターの出力制御を適正化することにより、残留応力の発生を十分に抑制できると同時に、転位の発生を抑制できる。 According to the continuous casting method of the silicon ingot using the electromagnetic induction of the present invention, as the after heater under the cooling crucible, a structure in which a plurality of stages of heat retaining heaters and a plurality of stages of soaking heaters are simply arranged continuously, By optimizing the output control of the heater, the occurrence of residual stress can be sufficiently suppressed, and at the same time, the occurrence of dislocation can be suppressed.
上述の通り、電磁鋳造方法では、残留応力の発生を抑制するため、冷却ルツボの下方に、複数段の保温ヒーターを配設して保温帯を形成するとともに、これに続いて複数段の均熱ヒーターを配設して均熱帯を形成する構成とし、冷却ルツボの下端から引き下げられるインゴットを直ちに室温まで冷却するのではなく、均熱帯で一旦所定の均熱温度に保持し、その後に室温まで冷却するようにしている。実操業では、均熱温度は1100℃程度に設定されている。均熱帯での保持時間は、インゴットの部位によって異なるが、最も短くなるインゴットの上端部でも10時間以上とされている。 As described above, in the electromagnetic casting method, in order to suppress the occurrence of residual stress, a plurality of stages of heat insulation heaters are provided below the cooling crucible to form a heat insulation zone, and subsequently, a plurality of stages of soaking are performed. A heater is installed to form a soaking zone, and the ingot pulled down from the lower end of the cooling crucible is not immediately cooled to room temperature, but is maintained at a predetermined soaking temperature in the soaking zone, and then cooled to room temperature. Like to do. In actual operation, the soaking temperature is set to about 1100 ° C. The retention time in the soaking zone varies depending on the site of the ingot, but the upper end portion of the ingot that is the shortest is 10 hours or longer.
保温ヒーターと均熱ヒーターはいずれも抵抗加熱式のヒーターである。具体的には、そのうちの保温ヒーターは、発熱体としてカーボンを用いたいわゆるカーボンヒーターであり、均熱ヒーターは、発熱体としてカンタル線などの耐熱合金の金属線を用いたいわゆるカンタルヒーターである。このように保温ヒーターと均熱ヒーターの種類を変えているのは以下の理由による。保温帯は高温であることから、ここに設置される保温ヒーターはカーボンヒーターでないと能力が不足する。一方、均熱帯は比較的低温であることから、ここに設置される均熱ヒーターはカンタルヒーターで十分足りる。もっとも、均熱ヒーターとしてカーボンヒーターを採用することも可能であるが、コスト低減の観点から、カンタルヒーターを採用する。 Both the heat retaining heater and the soaking heater are resistance heating type heaters. Specifically, the heat retaining heater is a so-called carbon heater using carbon as a heating element, and the soaking heater is a so-called Kanthal heater using a metal wire of a heat-resistant alloy such as a Kanthal wire as a heating element. The reason for changing the types of the heat retaining heater and the soaking heater in this way is as follows. Since the heat insulation zone is high temperature, the heat insulation heater installed here is insufficient if it is not a carbon heater. On the other hand, because the soaking zone is relatively cold, Kanthal heaters are sufficient for the soaking heater installed here. Of course, a carbon heater can be used as a soaking heater, but a Kanthal heater is used from the viewpoint of cost reduction.
上記の通りに鋳造したインゴットを均熱帯で一定の温度に保持する目的は、インゴットに蓄積された熱歪を除去して残留応力の発生を抑制し、インゴットの割れを防止するためである。インゴットには高温域で発生した熱応力による塑性変形に伴って熱歪が蓄積されるが、インゴットを所定の均熱温度で長時間保持することにより、その熱歪をさらに塑性変形させて緩和させることができる。仮に、熱歪を除去しないと、室温まで冷却したインゴットの内部に残留応力が発生するため、その残留応力に起因してクラックなどが生じ易い。このことから、インゴットの均熱温度での保持は、インゴットの割れ防止のために不可欠である。 The purpose of maintaining the ingot cast as described above at a constant temperature in the soaking zone is to remove the thermal strain accumulated in the ingot, suppress the generation of residual stress, and prevent cracking of the ingot. Thermal strain accumulates in the ingot with plastic deformation due to thermal stress generated in the high temperature range, but by holding the ingot at a predetermined soaking temperature for a long time, the thermal strain is further plastically deformed and relaxed. be able to. If the thermal strain is not removed, a residual stress is generated inside the ingot cooled to room temperature, so that a crack or the like is likely to occur due to the residual stress. Therefore, holding the ingot at a soaking temperature is indispensable for preventing cracking of the ingot.
ここで、均熱帯での均熱温度を1100℃程度に設定しているのは、次に示す2つの理由による。均熱温度は、第1に、シリコンの変形の容易な温度域であること、第2に、カンタルヒーター(均熱ヒーター)で出力可能な温度であることが必要である。さらに詳しく説明する。一般に、物質は高温であるほうが転位の移動速度は速くなるので、同じ応力が作用するのであれば高温のほうが変形量は大きくなる。シリコンの場合も同様で、高温のほうが転位の移動速度は速い。ところが、シリコンの転位移動速度は、温度に対して直線的に変化するのではなく、ある温度を閾としその温度以上の温度域で格段に速くなる。その温度が1100℃程度である。また、均熱帯に使用するカンタルヒーターで発生させることが可能な最高温度は1150℃程度である。 Here, the soaking temperature in the soaking zone is set to about 1100 ° C. for the following two reasons. The soaking temperature must firstly be a temperature range in which silicon can be easily deformed, and secondly, it must be a temperature that can be output by a cantal heater (soaking heater). This will be described in more detail. In general, the higher the temperature of a substance, the faster the dislocation movement speed. Therefore, if the same stress is applied, the amount of deformation increases at a higher temperature. The same applies to silicon, and the higher the temperature, the faster the dislocation movement speed. However, the dislocation movement speed of silicon does not change linearly with respect to the temperature, but becomes much faster in a temperature range above that temperature with a certain temperature as a threshold. The temperature is about 1100 ° C. The maximum temperature that can be generated by a Kanthal heater used in the soaking zone is about 1150 ° C.
一方、保温帯の最上段(ルツボ直下)の温度は、できるだけ高温に設定するのがインゴットの品質を確保する上で好ましい。この理由は、当該部分のインゴットは凝固直後なので融点に近い高温になっており、その凝固温度に近い温度で保温することでインゴット外表面の熱応力を低減でき、塑性変形による転位の発生を抑制できると考えられるからである。ただし、あまりに高温に設定すると、一旦凝固したシリコンが再溶解し、インゴット内部の溶融シリコンが外部に流出するという甚大な事故が起こり得る。このため、保温帯の最上段の温度は、シリコンの再溶解が起こらない温度に設定しなければならない。これらのことから、実操業では、保温帯の最上段の温度は1300℃前後に設定されている。 On the other hand, it is preferable to set the temperature of the uppermost stage (immediately under the crucible) of the heat retaining zone as high as possible in order to ensure the quality of the ingot. The reason for this is that the ingot in that part is immediately close to solidification and therefore has a high temperature close to the melting point. By keeping the temperature close to the solidification temperature, the thermal stress on the outer surface of the ingot can be reduced, and the occurrence of dislocation due to plastic deformation is suppressed. This is because it is considered possible. However, if the temperature is set too high, a serious accident may occur in which the solidified silicon is re-dissolved and the molten silicon inside the ingot flows out. For this reason, the uppermost temperature of the heat retention zone must be set to a temperature at which silicon remelting does not occur. For these reasons, in actual operation, the uppermost temperature of the heat retention zone is set to around 1300 ° C.
ところで、最近の調査から、インゴットを太陽電池基板として構成したときの変換効率は、凝固直後のインゴットがどのような温度を辿って均熱温度まで徐冷されるかにより、すなわち均熱帯に至る前の保温帯における冷却パターンにより、顕著に変動することが分かってきた。そして、保温帯でのインゴットの冷却パターンに応じた変換効率を評価するには、数値計算により求めた固液界面付近での熱応力の大きさを評価すればよいことが分かってきた。 By the way, from a recent survey, the conversion efficiency when the ingot is configured as a solar cell substrate depends on the temperature at which the ingot immediately after solidification is gradually cooled to the soaking temperature, that is, before reaching the soaking zone. It has been found that the temperature fluctuates significantly depending on the cooling pattern in the heat retention zone. Then, it has been found that in order to evaluate the conversion efficiency according to the cooling pattern of the ingot in the heat retaining zone, the magnitude of the thermal stress in the vicinity of the solid-liquid interface obtained by numerical calculation may be evaluated.
電磁鋳造方法では、固液界面での熱応力が大きいほうが、降伏現象によりインゴットが変形する変位量が大きくなり、発生する転位が多くなる。太陽電池基板においては、光によって発生するキャリヤのライフタイムが長いほど高い変換効率が得られるが、転位は、キャリヤを消滅させる再結合中心になるので、転位が多いほうが少数キャリヤのライフタイムが短くなり変換効率が悪化する。したがって、連続鋳造時に固液界面での熱応力が小さいほうが、転位の発生量が少なくなり、その結果として変換効率が向上するといえる。 In the electromagnetic casting method, the larger the thermal stress at the solid-liquid interface, the greater the amount of displacement that the ingot deforms due to the yield phenomenon, and the more dislocations that are generated. In a solar cell substrate, the longer the lifetime of carriers generated by light, the higher the conversion efficiency. However, since dislocations become recombination centers that eliminate the carriers, the more the number of dislocations, the shorter the lifetime of minority carriers. The conversion efficiency deteriorates. Therefore, it can be said that the smaller the thermal stress at the solid-liquid interface during continuous casting, the smaller the amount of dislocations generated, resulting in improved conversion efficiency.
本発明者らは、連続鋳造時の保温帯での冷却パターンを種々仮定し、それらの冷却パターンごとにインゴットの固液界面での熱応力を解析により算出し比較した。 The inventors assumed various cooling patterns in the heat insulation zone during continuous casting, and calculated and compared the thermal stress at the solid-liquid interface of the ingot by analysis for each of these cooling patterns.
図1は、連続鋳造時の保温帯での冷却パターンを示す図であり、図2は、図1に示される冷却パターンごとに固液界面での熱応力を示す図である。解析に際し、図1の横軸に示すように、冷却ルツボの下端位置を原点とし、鉛直下方を正とする座標系を定めた。この座標系に従い、最上段の保温ヒーターの温度監視に用いられる温度計の鉛直方向の設置位置を第1位置Z0とし、最上段の均熱ヒーターの温度監視に用いられる温度計の鉛直方向の設置位置を第2位置Z1とし、第1位置Z0と第2位置Z1との間の各保温ヒーターの温度監視に用いられる各温度計の鉛直方向の設置位置をZとした。そして、第1位置Z0でのヒーター温度をT0で、第2位置Z1でのヒーター温度をT1でそれぞれ表し、第1位置Z0でのヒーター温度T0を1280℃とし、第2位置Z1でのヒーター温度T1を1100℃として、各位置Zでのヒーター温度Tを3つの条件で変更した。ここで、第2位置Z1でのヒーター温度T1は、均熱温度に相当する。なお、上記の各温度計は、該当する各段の保温ヒーターおよび均熱ヒーターの鉛直方向のほぼ中心位置に設置される。 FIG. 1 is a diagram showing a cooling pattern in a heat retaining zone during continuous casting, and FIG. 2 is a diagram showing thermal stress at a solid-liquid interface for each cooling pattern shown in FIG. In the analysis, as shown on the horizontal axis of FIG. 1, a coordinate system was defined in which the lower end position of the cooling crucible was the origin and the vertical downward direction was positive. According to this coordinate system, the vertical installation position of the thermometer used for monitoring the temperature of the uppermost heater is defined as the first position Z 0, and the vertical direction of the thermometer used for monitoring the temperature of the uppermost temperature equalizing heater is set. The installation position was defined as the second position Z 1, and the vertical installation position of each thermometer used for monitoring the temperature of each heat retaining heater between the first position Z 0 and the second position Z 1 was defined as Z. Then, the heater temperature at the first position Z 0 at T 0, the heater temperature at the second position Z 1 represents respectively T 1, the heater temperature T 0 at the first position Z 0 and 1280 ° C., the second the heater temperature T 1 of the at position Z 1 as 1100 ° C., was changed heater temperature T at each position Z in three conditions. Here, the heater temperature T 1 at the second position Z 1 corresponds to a soaking temperature. Each of the thermometers described above is installed at a substantially central position in the vertical direction of each of the heat retaining heaters and the soaking heaters of the corresponding stages.
解析は、以下の手法により行った。まず、アフターヒーターによるインゴット冷却時の加熱条件、すなわち各位置Zでのヒーター温度Tを3つの条件(従来例、本発明例および参考例)で変更し、アフターヒーターによる加熱と電磁誘導による加熱とを考慮した伝熱解析に基づいて、インゴット内の温度分布を計算した。続いて、温度分布の時間変化を汎用の有限要素法ソフトに入力し、引き下げ方向に垂直な断面の応力分布(Misesの相当応力)を計算し、この応力分布から固液界面での熱応力を算出した。そして、算出した熱応力の平均値を評価指標とし、図2に示した。 The analysis was performed by the following method. First, the heating conditions at the time of ingot cooling by the after heater, that is, the heater temperature T at each position Z is changed under three conditions (conventional example, example of the present invention, and reference example), heating by the after heater and heating by electromagnetic induction The temperature distribution in the ingot was calculated based on the heat transfer analysis considering the above. Next, the time change of the temperature distribution is input to general-purpose finite element method software, the stress distribution of the cross section perpendicular to the pulling direction (equivalent stress of Mises) is calculated, and the thermal stress at the solid-liquid interface is calculated from this stress distribution. Calculated. And the average value of the calculated thermal stress was made into the evaluation parameter | index, and it showed in FIG.
図1に示すように、従来例の冷却パターンは、ルツボ直下の第1位置Z0から第2位置Z1までの保温帯を直線的な温度勾配で徐冷するパターンであり、従来の操業条件を仮定したものである。本発明例の冷却パターンは、高温側を辿って徐冷するパターンであり、本発明の操業条件を仮定したものである。比較例の冷却パターンは、本発明例とは逆に低温側を辿って徐冷するパターンであり、比較のための操業条件を仮定したものである。 As shown in FIG. 1, the cooling pattern of the conventional example is a pattern in which the heat insulation zone from the first position Z 0 to the second position Z 1 immediately below the crucible is gradually cooled with a linear temperature gradient. Is assumed. The cooling pattern of the example of the present invention is a pattern that gradually cools by following the high temperature side, and assumes the operating conditions of the present invention. The cooling pattern of the comparative example is a pattern that gradually cools down the low temperature side, contrary to the example of the present invention, and assumes operating conditions for comparison.
図2に示す結果から、次のことが示される。直線的な温度勾配で徐冷する従来例の冷却パターンに対し、高温側を辿って徐冷する本発明例の冷却パターンでは、固液界面付近に発生する熱応力が顕著に小さくなることが分かる。逆に、低温側を辿って徐冷する比較例の冷却パターンでは、固液界面付近に発生する熱応力が大きくなることが分かる。 The following is shown from the results shown in FIG. It can be seen that the thermal stress generated in the vicinity of the solid-liquid interface is remarkably reduced in the cooling pattern of the present invention in which the cooling is performed while following the high temperature side as compared with the cooling pattern of the conventional example that is gradually cooled with a linear temperature gradient. . On the contrary, it can be seen that the thermal stress generated near the solid-liquid interface increases in the cooling pattern of the comparative example in which the cooling is performed while following the low temperature side.
以上のことから、連続鋳造時に、保温帯における従来例の冷却パターンを一次関数の式で表し、この式の上の領域である高温側を辿ってインゴットを徐冷するように、すなわち、各位置Zでのヒーター温度Tが下記(1)式の条件を満たすように、各保温ヒーターの出力を制御することにより、固液界面での熱応力を小さくすることができ、これにより転位の発生を抑制することができる。その結果、そのインゴットを太陽電池基板として構成すれば、安定して高い変換効率を得ることが可能になる。また、そのような徐冷後のインゴットを均熱帯で一定の均熱温度に保持することにより、残留応力の発生を十分に抑制することができ、その結果として、インゴットの割れを防止することも可能になる。 From the above, at the time of continuous casting, the cooling pattern of the conventional example in the heat retaining zone is expressed by an equation of a linear function, and the ingot is gradually cooled following the high temperature side which is the upper region of this equation, that is, each position By controlling the output of each heat insulation heater so that the heater temperature T at Z satisfies the condition of the following formula (1), the thermal stress at the solid-liquid interface can be reduced, thereby causing dislocation generation. Can be suppressed. As a result, if the ingot is configured as a solar cell substrate, high conversion efficiency can be stably obtained. Moreover, by maintaining the ingot after such slow cooling at a constant soaking temperature in the soaking zone, the occurrence of residual stress can be sufficiently suppressed, and as a result, cracking of the ingot can also be prevented. It becomes possible.
上記(1)式を用いてインゴットを保温帯で徐冷する連続鋳造方法では、第1位置Z0でのヒーター温度T0を1200〜1350℃の範囲内とし、第2位置Z1でのヒーター温度T1を900〜1150℃の範囲内とすることが好ましい。より好ましくは、第1位置Z0でのヒーター温度T0を1250〜1300℃の範囲内とし、第2位置Z1でのヒーター温度T1を1000〜1100℃の範囲内とする。 In the continuous casting method in which the ingot is gradually cooled in the heat retaining zone using the above equation (1), the heater temperature T 0 at the first position Z 0 is set within the range of 1200 to 1350 ° C., and the heater at the second position Z 1 It is preferable that the temperature T 1 is in the range of 900 to 1150 ° C. More preferably, the heater temperature T 0 at the first position Z 0 is set within the range of 1250 to 1300 ° C., the heater temperature T 1 of the second position Z 1 in the range of 1000 to 1100 ° C..
上述の通り、第1位置Z0でのヒーター温度T0は、できるだけ高温に設定するのがインゴットの品質を確保する上で好ましいが、あまりに高温に設定すると、一旦凝固したシリコンが再溶解し、インゴット内部の溶融シリコンが外部に流出するおそれがあるからである。また、第2位置Z1でのヒーター温度T1は、均熱温度に相当し、第1に、シリコンの変形の容易な温度域であること、第2に、カンタルヒーター(均熱ヒーター)で出力可能な温度であることが必要だからである。 As described above, the heater temperature T 0 at the first position Z 0 is preferable in the set as high as possible is to ensure the quality of the ingot, setting too high temperatures, once it solidified silicon redissolved, This is because molten silicon inside the ingot may flow out. Further, the heater temperature T 1 of the second position Z 1 corresponds to soaking temperature, the first, it is easy temperature range of deformation of the silicon, the second, with Kanthal heater (soaking heater) This is because the temperature needs to be able to be output.
また、上記(1)式を用いてインゴットを保温帯で徐冷する連続鋳造方法では、第1位置Z0と第2位置Z1との間のヒーター温度Tが第1位置Z0でのヒーター温度T0よりも低いことが好ましい。第1位置Z0でのヒーター温度T0を超えるヒーター温度Tは、シリコンの再溶解をもたらすおそれがあるからである。実用的には、ヒーター温度Tは、上記(1)式の右辺から算出される温度を20〜70℃超える温度とするのがよい。 Further, in the continuous casting method in which the ingot is gradually cooled in the heat retaining zone using the above equation (1), the heater temperature T between the first position Z 0 and the second position Z 1 is the heater at the first position Z 0. It is preferable that the temperature is lower than T 0 . Heater temperature T exceeding the heater temperature T 0 at the first position Z 0 is because can lead to redissolution of silicon. Practically, the heater temperature T is preferably 20 to 70 ° C. above the temperature calculated from the right side of the above equation (1).
本発明の電磁誘導を利用したシリコンインゴットの連続鋳造方法によれば、残留応力の発生を十分に抑制できると同時に、転位の発生を抑制でき、ひいてはインゴットの割れ防止を図れるとともに、インゴットを太陽電池基板として構成した場合に変換効率の向上を実現できる。したがって、本発明の連続鋳造方法は、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点で極めて有用である。 According to the continuous casting method of a silicon ingot using electromagnetic induction according to the present invention, the generation of residual stress can be sufficiently suppressed, and at the same time, the generation of dislocations can be suppressed. When configured as a substrate, an improvement in conversion efficiency can be realized. Therefore, the continuous casting method of the present invention is extremely useful in that a silicon ingot for a solar cell excellent in quality can be produced.
1:チャンバー、 2:原料供給ホッパー、 3:不活性ガス導入口、
4:排気口、 5:無底冷却ルツボ、 6:誘導コイル、
7:アフターヒーター、 8:保温ヒーター、 9:均熱ヒーター、
10:原料導入管、 11:支持棒、 12:支持台、
13:プラズマトーチ、 14:シリコン原料、 15:溶融シリコン、
16:インゴット
1: chamber, 2: raw material supply hopper, 3: inert gas inlet,
4: exhaust port, 5: bottomless cooling crucible, 6: induction coil,
7: After heater, 8: Insulating heater, 9: Soaking heater,
10: Raw material introduction pipe, 11: Support rod, 12: Support base,
13: Plasma torch, 14: Silicon raw material, 15: Molten silicon,
16: Ingot
Claims (4)
無底冷却ルツボの鉛直下方に、シリコンインゴットを囲繞して、保温ヒーターが複数段にわたり連設され、さらに均熱ヒーターが複数段にわたり連設されており、
無底冷却ルツボの下端位置を原点として鉛直下方を正とする座標系に従い、
最上段の保温ヒーターの温度監視に用いられる温度計の鉛直方向の設置位置を第1位置Z0とし、この第1位置Z0でのヒーター温度をT0で表すとともに、
最上段の均熱ヒーターの温度監視に用いられる温度計の鉛直方向の設置位置を第2位置Z1とし、この第2位置Z1でのヒーター温度をT1で表した場合、
第1位置Z0と第2位置Z1との間の各保温ヒーターの温度監視に用いられる各温度計の鉛直方向の設置位置をZとし、各位置Zでのヒーター温度Tが下記(1)式の条件を満たすように、各保温ヒーターの出力を制御することを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。
Below the bottomless cooling crucible, surrounding the silicon ingot, the heat insulation heater is connected in multiple stages, and the soaking heater is connected in multiple stages,
According to the coordinate system in which the lower end position of the bottomless cooling crucible is the origin and the vertical downward direction is positive,
The vertical installation position of the thermometer used for temperature monitoring of the uppermost insulation heater as a first position Z 0, with represents the heater temperature at the first position Z 0 at T 0,
If the vertical installation position of the thermometer used for temperature monitoring of the uppermost soaking the heater second and position Z 1, showing the heater temperature at the second position Z 1 in T 1,
The vertical installation position of each thermometer used for monitoring the temperature of each insulation heater between the first position Z 0 and the second position Z 1 is Z, and the heater temperature T at each position Z is (1) A continuous casting method of a silicon ingot, wherein the output of each heat insulation heater is controlled so as to satisfy the condition of the formula.
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