JP2007182331A - High frequency induction heating apparatus and high frequency induction melting method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高周波誘導加熱装置および高周波誘導溶解方法に関する。 The present invention relates to a high frequency induction heating apparatus and a high frequency induction melting method.
近年、地球環境に対する負荷を軽減するべく、化石燃料を用いる火力発電以外の風力発電、波力発電などの発電方法が種々試みられている。なかでも最も注目され、実用化の先端に位置付けられているのが太陽電池による発電であり、この太陽電池には、その素材として多結晶シリコンが用いられている。 In recent years, various power generation methods such as wind power generation and wave power generation other than thermal power generation using fossil fuels have been attempted in order to reduce the burden on the global environment. Among them, the most noticed and positioned at the forefront of practical use is power generation by solar cells, and polycrystalline silicon is used as a material for the solar cells.
太陽電池に用いられる多結晶シリコンを製造する従来の代表的な技術として、不活性ガス雰囲気中でリン(P)またはボロン(B)等のドーパントを添加した高純度シリコンを坩堝中で加熱溶融させ、この融液を鋳型に流し込んで冷却し、多結晶インゴットを得る鋳造方法がある(特許文献1参照)。 As a conventional representative technique for producing polycrystalline silicon used in solar cells, high-purity silicon to which a dopant such as phosphorus (P) or boron (B) is added is heated and melted in a crucible in an inert gas atmosphere. There is a casting method in which this melt is poured into a mold and cooled to obtain a polycrystalline ingot (see Patent Document 1).
太陽電池に使用されるシート状のシリコンは、上記のようにして得られる多結晶インゴットを、バンドソー等で小さなブロックに切断し、さらにワイヤソーまたは内周刃法などでスライスすることによって製造される。 The sheet-like silicon used for the solar cell is manufactured by cutting the polycrystalline ingot obtained as described above into small blocks with a band saw or the like, and further slicing with a wire saw or an inner peripheral blade method.
このような製造方法は、多結晶シリコンインゴットを得るための鋳造工程に加え、シート状シリコンの外形ブロックサイズに切断する工程と、高いコストを要するシート厚さにスライスするスライシング工程が必要なこと、またこのスライシング工程でワイヤまたは内周刃の厚み分以上の材料ロスを生じること等、太陽電池の製造コスト低減を図るうえで大きな障害になっている。 In addition to the casting process for obtaining a polycrystalline silicon ingot, such a manufacturing method requires a process of cutting into an outer block size of sheet-like silicon and a slicing process of slicing to a sheet thickness requiring high cost, In addition, this slicing step is a major obstacle to reducing the manufacturing cost of solar cells, such as causing material loss that is greater than the thickness of the wire or inner peripheral blade.
この問題を解決するために、インゴットを作製してスライシングするという工程を省略することが提案されている。たとえば、加熱炉坩堝内のシリコンの融液(以後、溶融シリコンと呼ぶことがある)に回転冷却体を浸漬し、回転冷却体を回転させながら回転冷却体の表面に凝固生成されるシリコンリボンを連続的に引出す製造方法(特許文献2参照)、また加熱炉坩堝内の溶融シリコンに板状の冷却体である下地板を浸漬させ、下地板のシート生成面にシリコンを付着、成長させるシート状シリコン板製造方法(特許文献3、特許文献4参照)が提案されている。
In order to solve this problem, it has been proposed to omit the step of producing and slicing an ingot. For example, a rotating ribbon is immersed in a silicon melt (hereinafter sometimes referred to as molten silicon) in a heating furnace crucible, and a silicon ribbon that is solidified on the surface of the rotating cooling body while rotating the rotating cooling body. A manufacturing method (see Patent Document 2) for continuous drawing, and a sheet shape in which a base plate, which is a plate-like cooling body, is immersed in molten silicon in a heating furnace crucible, and silicon is attached to and grown on the sheet generation surface of the base plate A silicon plate manufacturing method (see
シリコンリボンまたはシート状シリコン板を製造する方法では、回転冷却体または下地板のシリコンリボン生成面またはシリコンシート生成面に、坩堝内の溶融シリコンが付着して徐々に持出されるので、坩堝内の溶融シリコンの量が徐々に減少する。したがって、リボン状またはシート状のシリコン薄板を製造する方法では、坩堝内に収容される溶融シリコンが消費されて、ある程度減少した段階でシリコンリボンまたはシート状シリコン板などのシリコン薄板の製造を一旦停止し、坩堝内へ原料シリコンを補給する操作が行われる。 In the method of manufacturing the silicon ribbon or the sheet-like silicon plate, the molten silicon in the crucible adheres to the silicon ribbon generation surface or the silicon sheet generation surface of the rotating cooling body or the base plate and is gradually taken out. The amount of molten silicon gradually decreases. Therefore, in the method of manufacturing a ribbon-like or sheet-like silicon thin plate, the production of a silicon thin plate such as a silicon ribbon or a sheet-like silicon plate is temporarily stopped when the molten silicon contained in the crucible is consumed and reduced to some extent. Then, an operation of supplying raw silicon into the crucible is performed.
しかしながら、特許文献2〜特許文献4は、坩堝内の溶融シリコンの減少に応じて坩堝内へ原料シリコンを補給することの必要性および補給時における問題点については、全く言及していない。
However,
坩堝内への原料シリコン補給に係る従来技術として、粒状の固体シリコンを供給する方法(たとえば特許文献5、特許文献6参照)、また坩堝内のシリコンを溶融させる手段とは別の溶融手段を有し、別の溶融手段で原料シリコン棒を先端から溶融させて融液の形で坩堝に供給する方法(たとえば特許文献7参照)などがある。
As conventional techniques for supplying raw silicon into the crucible, there are methods for supplying granular solid silicon (see, for example,
しかしながら、特許文献5〜特許文献7に開示される技術は、いずれも坩堝中の溶融シリコンに種結晶を浸漬し、その後種結晶を溶融シリコンから徐々に引上げることによってシリコン単結晶を生成する、チョクラルスキー技術に係るものであり、溶融シリコンに冷却体を浸漬してシリコンの薄板を直接製造するものではない。
However, the techniques disclosed in
特許文献5〜特許文献7に開示されるように、坩堝内の種結晶引上げ部分の近傍に原料シリコンを補給し、補給された原料シリコンが坩堝内の元の溶融シリコンに溶解または混合されて、単結晶生成に適正な温度に平衡するに至るための時間が多少要したとしても、チョクラルスキー技術においては種結晶の引上速度が極めて緩慢であるため、生成されるシリコン単結晶の品質にさほど大きな影響を与えることがない。
As disclosed in
一方、たとえば冷却体を坩堝内の溶融シリコンに浸漬し、冷却体のシート生成面でシリコンを凝固析出させて1枚のシリコン薄板を生成するために要する時間は、たとえば4〜5秒などの短時間である。したがって、冷却体を浸漬する位置の近傍で坩堝内へ原料シリコンを補給すると、坩堝中の溶融シリコンの温度が変化し、シリコン薄板の生成に適当な温度に平衡するための時間が、上記冷却体のシート生成面にシリコン薄板を生成するための浸漬時間に比べて長いので、溶融シリコンの温度変化の影響を受けて、生成されるシリコン薄板の品質にばらつきが生じる。 On the other hand, for example, the time required to immerse the cooling body in the molten silicon in the crucible and solidify and precipitate the silicon on the sheet generating surface of the cooling body to generate one silicon thin plate is as short as 4 to 5 seconds, for example. It's time. Therefore, when raw material silicon is replenished in the crucible in the vicinity of the position where the cooling body is immersed, the temperature of the molten silicon in the crucible changes and the time required for equilibration to an appropriate temperature for the production of the silicon thin plate Since this is longer than the immersion time for generating the silicon thin plate on the sheet generation surface, the quality of the generated silicon thin plate varies depending on the temperature change of the molten silicon.
シリコン薄板を製造する際、原料シリコンの補給を同時進行し、かつ生成されるシリコン薄板の品質にばらつきが生じないようにしようとすれば、坩堝中の冷却体を浸漬させる位置からかなり離れた位置で原料シリコンを補給しなければならない。これを満足させるためには、坩堝の開口面積およびその容積を大きくせざるを得ず、坩堝内に準備しなければならないシリコン量がいたずらに多くなり、シリコンおよび溶解電力等の無駄が発生する。したがって、シリコン薄板の製造では、坩堝を不要に大きくすることをせず、一般的に、原料シリコン補給の際には、薄板製造を一旦中止するようにしている。 When manufacturing silicon thin plates, if replenishment of raw silicon is performed at the same time and the quality of the produced silicon thin plates is not varied, the position in the crucible is far away from the position where the cooling body is immersed. The raw silicon must be replenished. In order to satisfy this, the opening area of the crucible and its volume must be increased, and the amount of silicon that must be prepared in the crucible becomes unnecessarily large, resulting in wasted silicon and melting power. Therefore, in the manufacture of a silicon thin plate, the crucible is not enlarged unnecessarily, and in general, when the raw material silicon is replenished, the thin plate manufacturing is temporarily stopped.
このように、冷却体を坩堝内の溶融シリコンに浸漬してシリコン薄板を生成する方法では、原料シリコンを坩堝へ補給している間、シリコン薄板の製造が停止しているので、原料シリコンの補給に必要となる時間が長いと、装置稼働率が低下し、生産効率が悪化するという問題がある。特に、原料として固体シリコンを坩堝内に補給する場合、補給した固体シリコンの溶解に必要な温度まで坩堝を昇温する時間と、シリコン薄板の凝固析出に好適な元の温度まで降温する時間とを、確保しなければならないので、製造停止時間が一層長くなる。 In this way, in the method of generating the silicon thin plate by immersing the cooling body in the molten silicon in the crucible, the production of the silicon thin plate is stopped while the raw material silicon is being supplied to the crucible. If the time required for this is long, there is a problem that the operation rate of the apparatus decreases and the production efficiency deteriorates. In particular, when solid silicon is replenished as a raw material in the crucible, the time for raising the temperature of the crucible to the temperature necessary for melting the replenished solid silicon and the time for lowering the temperature to the original temperature suitable for solidification precipitation of the silicon thin plate are obtained. , The production stop time is further increased.
この問題を解決するために、2つの溶解炉、すなわちシリコン薄板を生成するための第1溶解炉と、第1溶解炉にシリコンを補給するための第2溶解炉とを含むシリコン薄板製造装置において、予め第2溶解炉に備わる第2坩堝内で溶解された原料シリコンを、第1溶解炉に備わる第1坩堝へ補給することが考えられる。このようにすれば、第1坩堝を、原料シリコンの溶解に必要な温度まで昇温する時間と、シリコン薄板の凝固析出に好適な温度まで降温する時間とが、不要になる。 In order to solve this problem, in a silicon thin plate manufacturing apparatus including two melting furnaces, that is, a first melting furnace for generating a silicon thin plate, and a second melting furnace for supplying silicon to the first melting furnace. It is conceivable that raw material silicon previously melted in the second crucible provided in the second melting furnace is supplied to the first crucible provided in the first melting furnace. In this way, the time for raising the temperature of the first crucible to the temperature necessary for melting the raw material silicon and the time for lowering the temperature to a temperature suitable for solidification precipitation of the silicon thin plate become unnecessary.
この第1溶解炉に補給するためのシリコンを第2溶解炉で溶解する方法には、シリコン薄板生成によって第1坩堝内から持出されるシリコンの量と同等量以上の固体シリコンを、ある特定の時間内に第2溶解炉で溶融しなければならないという課題がある。固体シリコンを速く溶解するためには、第2溶解炉の出力を大きくする方法、また第2坩堝からの無駄な放熱を抑制する方法などがある。 In the method of melting silicon for replenishment to the first melting furnace in the second melting furnace, solid silicon equal to or more than the amount of silicon taken out from the first crucible by the silicon thin plate production is specified. There is a problem that the second melting furnace must be melted in time. In order to dissolve solid silicon quickly, there are a method of increasing the output of the second melting furnace, a method of suppressing wasteful heat radiation from the second crucible, and the like.
しかしながら、第2溶解炉の出力を大きくすると第2溶解炉のコストおよび消費電力が上昇するという問題がある。一方、第2坩堝からの無駄な放熱を抑制する方法としては、たとえば第2坩堝を断熱材で覆うことが考えられるけれども、第2坩堝へは固体シリコンを装入しなければならないので、断熱材で覆うことができる部位には限界があり、放熱を大幅に抑制することができない。 However, when the output of the second melting furnace is increased, there is a problem that the cost and power consumption of the second melting furnace increase. On the other hand, as a method for suppressing wasteful heat radiation from the second crucible, for example, it is conceivable to cover the second crucible with a heat insulating material. However, since the second crucible must be charged with solid silicon, the heat insulating material There is a limit to the part that can be covered with, and heat dissipation cannot be significantly suppressed.
また、第2溶解炉の第2坩堝に供給される固体シリコンは、塊状もしくは粒状であることも、溶解速度を遅くし、ある特定時間内に所定量のシリコンを溶融させることを難しくする原因となっている。 In addition, the solid silicon supplied to the second crucible of the second melting furnace may be in the form of lumps or particles, which slows the melting rate and makes it difficult to melt a predetermined amount of silicon within a specific time. It has become.
以下、その理由を説明する。第2坩堝内における固体シリコンの溶解は、第2坩堝の坩堝壁に高周波誘導コイルによる誘導電流が流れて発熱するか、または第2坩堝の周囲に配置される発熱体からの熱を輻射および/または伝導によって第2坩堝が受け、第2坩堝から固体シリコンに熱伝導されることによって行われる。 The reason will be described below. In the melting of the solid silicon in the second crucible, the induction current generated by the high frequency induction coil flows through the crucible wall of the second crucible to generate heat, or the heat from the heating element arranged around the second crucible is radiated and / or Alternatively, the second crucible is received by conduction, and the heat is conducted from the second crucible to the solid silicon.
第2坩堝の坩堝壁の熱は、第2坩堝の坩堝壁に接触している固体シリコン塊または粒(以後、粒で代表する)に伝導される。このとき、第2坩堝の坩堝壁と固体シリコン粒とは、点で接触することになるので、接触面積が非常に小さく、坩堝壁からシリコン粒への熱の移動が充分な速度で行われない。 The heat of the crucible wall of the second crucible is conducted to a solid silicon lump or grain (hereinafter represented by a grain) in contact with the crucible wall of the second crucible. At this time, since the crucible wall of the second crucible and the solid silicon grains are in contact with each other at a point, the contact area is very small, and the heat transfer from the crucible wall to the silicon grains is not performed at a sufficient speed. .
第2坩堝内の固体シリコン粒間の熱伝導は、坩堝壁から熱伝導を受けた固体シリコン粒が、その粒に接する他の固体シリコン粒へ熱伝導することによって順次行われる。このように、熱は互いに接触している固体シリコン粒間を伝導されていくが、第2坩堝の坩堝壁と固体シリコン粒との接触と同様に、固体シリコン粒同士の接触面積も非常に小さいので、固体シリコン粒同士の熱の移動が充分な速度で行われない。その結果、第2坩堝に供給された固体シリコンのすべてを溶解させるには相当の時間を要し、ある特定時間内に所定量のシリコンを溶融させることを困難にしている。 The heat conduction between the solid silicon grains in the second crucible is sequentially performed as the solid silicon grains that have received heat conduction from the crucible wall conduct heat to the other solid silicon grains in contact with the grains. In this way, heat is conducted between the solid silicon grains that are in contact with each other, but the contact area between the solid silicon grains is also very small, similar to the contact between the crucible wall of the second crucible and the solid silicon grains. Therefore, the heat transfer between the solid silicon grains is not performed at a sufficient speed. As a result, it takes a considerable time to dissolve all of the solid silicon supplied to the second crucible, making it difficult to melt a predetermined amount of silicon within a specific time.
また、シリコン薄板製造装置において、単位時間当りのシリコン薄板の製造枚数を増加すると、第1坩堝内から持出されるシリコン量が増加する。したがって、製造能力が高いシリコン薄板製造装置においては、特に、消費されたシリコン量と同等量の原料シリコンを、第2坩堝から第1坩堝へタイムリーに補給して装置稼働率を高く維持するために、消費量に釣合って第2坩堝に供給される固体シリコンを、迅速に溶解できるようにすることが強く望まれている。 Further, in the silicon thin plate manufacturing apparatus, when the number of manufactured silicon thin plates per unit time is increased, the amount of silicon taken out from the first crucible increases. Therefore, in the silicon thin plate manufacturing apparatus having a high manufacturing capacity, in particular, in order to keep the apparatus operating rate high by supplying the raw silicon equivalent to the consumed silicon amount from the second crucible to the first crucible in a timely manner. In addition, it is strongly desired that the solid silicon supplied to the second crucible in proportion to the consumption can be rapidly dissolved.
本発明の目的は、坩堝内へ供給される固体の金属または半導体材料を、迅速に溶融させることができる高周波誘導加熱装置および高周波誘導溶解方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a high-frequency induction heating apparatus and a high-frequency induction melting method capable of rapidly melting a solid metal or semiconductor material supplied into a crucible.
本発明は、金属または半導体材料を収容する坩堝と、坩堝の周囲に設けられる高周波誘導コイルとを備え、高周波誘導コイルで磁界を発生させることによって、坩堝内の金属または半導体材料を加熱し溶融させる高周波誘導加熱装置であって、
坩堝内の金属または半導体材料を排出する排出手段と、
坩堝内に固体の金属または半導体材料を供給する供給手段とを含み、
坩堝は、底面部と底面部の周縁から立上がる側壁部とを有し、側壁部の下部における少なくとも一部の肉厚が、側壁部の上部の肉厚よりも薄くなるように形成されることを特徴とする高周波誘導加熱装置である。
The present invention includes a crucible containing a metal or a semiconductor material and a high-frequency induction coil provided around the crucible, and heats and melts the metal or semiconductor material in the crucible by generating a magnetic field with the high-frequency induction coil. A high frequency induction heating device,
Discharging means for discharging the metal or semiconductor material in the crucible;
Supply means for supplying a solid metal or semiconductor material into the crucible,
The crucible has a bottom surface portion and a side wall portion that rises from the periphery of the bottom surface portion, and is formed so that at least a part of the thickness at the lower portion of the side wall portion is thinner than the thickness at the upper portion of the side wall portion. Is a high-frequency induction heating device characterized by
また本発明は、坩堝の素材の抵抗率をρ[μΩ・cm]とし、坩堝の素材の比透磁率をμとし、高周波誘導コイルに流される高周波電流の周波数をf[Hz]とするとき、
側壁部の上部の肉厚は、高周波誘導コイルによって坩堝の側壁部に発生する高周波電流の電流浸透深さδであって、下記式で与えられる電流浸透深さδよりも厚く、
側壁部の下部における少なくとも一部の肉厚は、前記電流浸透深さδよりも薄いことを特徴とする。
δ=5.03×√{ρ/(μ・f)}
In the present invention, when the resistivity of the crucible material is ρ [μΩ · cm], the relative permeability of the crucible material is μ, and the frequency of the high-frequency current passed through the high-frequency induction coil is f [Hz]
The thickness of the upper part of the side wall is the current penetration depth δ of the high-frequency current generated in the side wall of the crucible by the high-frequency induction coil, and is thicker than the current penetration depth δ given by the following equation:
The thickness of at least a part of the lower portion of the side wall portion is smaller than the current penetration depth δ.
δ = 5.03 × √ {ρ / (μ · f)}
本発明は、薄板を製造する原板である下地板を坩堝内の金属または半導体材料の融液に浸漬し融液から引上げることによって薄板を製造する薄板製造装置において、
金属または半導体材料を収容する第1坩堝と、第1坩堝の周囲に設けられて磁界を発生し、第1坩堝内の金属または半導体材料を溶融させる第1高周波誘導コイルとを備える第1の高周波誘導加熱装置と、
下地板を保持し、保持する下地板を、搬送するとともに第1坩堝内の金属または半導体材料の融液に浸漬し融液から引上げる下地板浸漬手段と、
金属または半導体材料を収容する第2坩堝と、第2坩堝の周囲に設けられて磁界を発生し、第2坩堝内の金属または半導体材料を溶融させる第2高周波誘導コイルとを備える第2の高周波誘導加熱装置であって、第1坩堝に対して第2坩堝内の溶融状態にある金属または半導体材料を補給する第2の高周波誘導加熱装置とを含み、
第2の高周波誘導加熱装置が、前記高周波誘導加熱装置であることを特徴とする薄板製造装置である。
The present invention provides a thin plate manufacturing apparatus for manufacturing a thin plate by immersing a base plate, which is an original plate for manufacturing a thin plate, in a melt of a metal or semiconductor material in a crucible and pulling it up from the melt.
A first high-frequency wave provided with a first crucible containing metal or a semiconductor material and a first high-frequency induction coil provided around the first crucible to generate a magnetic field and melt the metal or semiconductor material in the first crucible. An induction heating device;
A base plate immersing means for holding the base plate, transporting the base plate to be held and immersing it in a melt of a metal or semiconductor material in the first crucible and pulling it up from the melt;
A second high-frequency wave provided with a second crucible containing metal or a semiconductor material and a second high-frequency induction coil provided around the second crucible to generate a magnetic field and melt the metal or semiconductor material in the second crucible An induction heating device including a second high-frequency induction heating device that replenishes the first crucible with a molten metal or semiconductor material in the second crucible,
The second high-frequency induction heating device is the above-described high-frequency induction heating device.
本発明は、固体の金属または半導体材料を坩堝へ供給し、坩堝の周囲に設けられる高周波誘導コイルで磁界を発生させることによって坩堝内の金属または半導体材料を加熱して溶解し、溶解された金属または半導体材料の融液を坩堝から排出する高周波誘導溶解方法であって、
坩堝から金属または半導体材料の融液を排出するに際して坩堝内に金属または半導体材料の融液を一部残し、
金属または半導体材料の融液が残留する坩堝内に固体の金属または半導体材料を供給することを特徴とする高周波誘導溶解方法である。
The present invention supplies a solid metal or semiconductor material to a crucible, generates a magnetic field with a high-frequency induction coil provided around the crucible, heats and melts the metal or semiconductor material in the crucible, and the dissolved metal Or a high-frequency induction melting method for discharging a melt of a semiconductor material from a crucible,
When discharging the melt of metal or semiconductor material from the crucible, leaving a part of the melt of metal or semiconductor material in the crucible,
A high frequency induction melting method characterized by supplying a solid metal or semiconductor material into a crucible in which a melt of metal or semiconductor material remains.
また本発明は、坩堝は、底面部と底面部の周縁から立上がる側壁部とを有し、側壁部の下部における少なくとも一部の肉厚が側壁部の上部の肉厚よりも薄くなるように形成され、
坩堝から金属または半導体材料の融液を排出するに際し、坩堝内に残される金属または半導体材料の融液の液面が、側壁部の下部における少なくとも一部の肉厚が側壁部の上部の肉厚よりも薄くなるように形成される部位よりも上になるように、融液を残留させることを特徴とする。
In the present invention, the crucible has a bottom surface portion and a side wall portion rising from the periphery of the bottom surface portion, so that at least a part of the thickness at the lower portion of the side wall portion is thinner than the thickness at the upper portion of the side wall portion. Formed,
When discharging the melt of the metal or semiconductor material from the crucible, the thickness of the melt of the metal or semiconductor material remaining in the crucible is at least part of the wall thickness in the lower part of the side wall part. It is characterized in that the melt is left so as to be above a portion formed so as to be thinner.
本発明によれば、高周波誘導加熱装置に備えられ、金属または半導体材料を収容する坩堝は、底面部と底面部の周縁から立上がる側壁部とを有し、側壁部の下部における少なくとも一部の肉厚が、側壁部の上部の肉厚よりも薄くなるように形成される。このことによって、坩堝内部の肉厚が薄い下部に溶融した金属または半導体材料を残留させるとき、残留融液に高周波誘導コイルで誘導電流を流して発熱させることができるので、坩堝内の残留融液の中に供給される固体金属または半導体材料を迅速に溶融させることができる。 According to the present invention, a crucible provided in a high-frequency induction heating apparatus and containing a metal or semiconductor material has a bottom surface portion and a side wall portion rising from a peripheral edge of the bottom surface portion, and at least a part of the lower portion of the side wall portion. The wall thickness is formed to be smaller than the wall thickness at the top of the side wall. As a result, when the molten metal or semiconductor material is left in the lower part of the crucible, the residual melt in the crucible can be heated by causing an induction current to flow through the high-frequency induction coil. The solid metal or semiconductor material fed into the can can be rapidly melted.
また本発明よれば、坩堝の側壁部の上部の肉厚は、電流浸透深さδよりも厚く、側壁部の下部の少なくとも一部の肉厚は、電流浸透深さδよりも薄いので、坩堝内部の肉厚が薄い下部に残留する溶融した金属または半導体材料に高周波誘導コイルで確実に誘導電流を流して発熱させることができ、坩堝内の残留融液の中に供給される固体金属または半導体材料を一層迅速に溶融させることができる。 According to the present invention, the thickness of the upper part of the side wall of the crucible is thicker than the current penetration depth δ, and the thickness of at least a part of the lower part of the side wall is thinner than the current penetration depth δ. Solid metal or semiconductor supplied to the residual melt in the crucible. The material can be melted more quickly.
本発明によれば、薄板製造装置は、第1坩堝内の金属または半導体材料の融液に薄板を製造する原板である下地板を浸漬し融液から引上げることによって薄板を析出させる第1の高周波誘導加熱装置と、第1の高周波誘導加熱装置の第1坩堝に対して、溶融状態にある金属または半導体材料を補給する第2の高周波誘導加熱装置とを含み、第2の高周波誘導加熱装置は、第2の高周波誘導加熱装置に備わる第2坩堝が、側壁部の下部における少なくとも一部の肉厚が側壁部の上部の肉厚よりも薄くなるように形成され、好ましくは、坩堝の側壁部の上部の肉厚が電流浸透深さδよりも厚く、側壁部の下部の少なくとも一部の肉厚が電流浸透深さδよりも薄くなるように形成される。 According to the present invention, the thin plate manufacturing apparatus includes a first plate that deposits a thin plate by immersing a base plate, which is a base plate for manufacturing the thin plate, in a melt of a metal or a semiconductor material in the first crucible and pulling it up from the melt. A second high-frequency induction heating apparatus including a high-frequency induction heating apparatus and a second high-frequency induction heating apparatus that supplies a molten metal or semiconductor material to the first crucible of the first high-frequency induction heating apparatus. The second crucible provided in the second high-frequency induction heating device is formed such that the thickness of at least a part of the lower part of the side wall part is thinner than the thickness of the upper part of the side wall part, preferably the side wall of the crucible The thickness of the upper part of the part is thicker than the current penetration depth δ, and the thickness of at least a part of the lower part of the side wall part is thinner than the current penetration depth δ.
このことによって、第1の高周波誘導加熱装置に対して薄板を製造するための原料を補給する側の第2の高周波誘導加熱装置において、第2坩堝に供給される固体原料を迅速に溶融させることが可能になる。したがって、第1の高周波誘導加熱装置における第1坩堝内の融液が減少し、薄板製造の原料補給の必要が生じたとき、第2の高周波誘導加熱装置では、所望量の固体原料を迅速に溶解し、短時間で補給可能な態勢をとることができるので、第2の高周波誘導加熱装置から第1の高周波誘導加熱装置へ原料補給するに際し、すでに溶融している原料を、第1の高周波誘導加熱装置の第1坩堝に対して補給するために要する時間だけ薄板の製造を停止するだけでよくなる。このように、原料補給時間、すなわち薄板製造を停止している時間を短縮することができるので、装置稼動率の高い薄板製造装置が実現される。 Thus, in the second high-frequency induction heating device on the side of supplying the raw material for manufacturing the thin plate to the first high-frequency induction heating device, the solid raw material supplied to the second crucible is rapidly melted. Is possible. Therefore, when the melt in the first crucible in the first high-frequency induction heating apparatus is reduced and it is necessary to replenish the raw material for manufacturing the thin plate, the second high-frequency induction heating apparatus quickly supplies the desired amount of solid raw material. Since it can be dissolved and replenished in a short time, when the raw material is replenished from the second high-frequency induction heating apparatus to the first high-frequency induction heating apparatus, the already melted raw material is replaced with the first high-frequency induction heating apparatus. It is only necessary to stop the production of the thin plate for the time required to supply the first crucible of the induction heating device. In this way, the raw material replenishment time, that is, the time during which the production of the thin plate is stopped can be shortened, so that a thin plate production apparatus with a high apparatus operating rate is realized.
本発明によれば、高周波誘導溶解方法では、固体の金属または半導体材料を坩堝へ供給し、坩堝の周囲に設けられる高周波誘導コイルによって坩堝内の金属または半導体材料を加熱して溶融させ、溶融された金属または半導体材料の融液を坩堝から排出するに際し、坩堝内に金属または半導体材料の融液を一部残し、金属または半導体材料の融液が残留する坩堝内に固体の金属または半導体材料を供給する。このことによって、坩堝内に残留する金属または半導体材料の融液から固体の金属または半導体材料への熱の伝導が効率よく行われるので、坩堝内に供給される固体の金属または半導体材料を迅速に溶融させることができる。 According to the present invention, in the high frequency induction melting method, a solid metal or semiconductor material is supplied to a crucible, and the metal or semiconductor material in the crucible is heated and melted by a high frequency induction coil provided around the crucible. When the molten metal or semiconductor material is discharged from the crucible, the metal or semiconductor material melt is partially left in the crucible, and the solid metal or semiconductor material is left in the crucible where the metal or semiconductor material melt remains. Supply. As a result, heat conduction from the melt of the metal or semiconductor material remaining in the crucible to the solid metal or semiconductor material is efficiently performed, so that the solid metal or semiconductor material supplied into the crucible can be quickly transferred. Can be melted.
また本発明によれば、坩堝は、底面部と底面部の周縁から立上がる側壁部とを有し、側壁部の下部における少なくとも一部の肉厚が側壁部の上部の肉厚よりも薄くなるように形成され、坩堝から金属または半導体材料の融液を排出するに際し、坩堝内に残される金属または半導体材料の融液の液面が、側壁部の下部における少なくとも一部の肉厚が側壁部の上部の肉厚よりも薄くなるように形成される部位よりも上になるように、融液を残留させる。このことによって、坩堝の側壁部の下部における肉厚が薄い領域で坩堝の内方にまで磁界が侵入し、坩堝内に残留する融液に直接誘導電流を流して効率よく加熱することができるので、融液が残留されている坩堝内に固体の金属または半導体材料が供給されるとき、効率加熱される融液から固体の金属または半導体材料への熱伝導を利用して迅速に溶融させることが可能になる。 According to the present invention, the crucible has a bottom surface portion and a side wall portion rising from the periphery of the bottom surface portion, and at least a part of the thickness at the lower portion of the side wall portion is thinner than the thickness at the upper portion of the side wall portion. When the melt of the metal or semiconductor material is discharged from the crucible, the liquid level of the melt of the metal or semiconductor material remaining in the crucible is at least part of the wall thickness at the lower part of the side wall. The melt is left so as to be above the portion formed so as to be thinner than the thickness of the upper part of the film. As a result, a magnetic field penetrates into the crucible in the region where the wall thickness is low in the lower part of the side wall of the crucible, and it is possible to heat the melt remaining in the crucible directly by passing an induction current efficiently. When a solid metal or semiconductor material is supplied into a crucible in which the melt remains, it can be rapidly melted by utilizing heat conduction from the efficiently heated melt to the solid metal or semiconductor material. It becomes possible.
図1は、本発明の実施の一形態である高周波誘導加熱装置1の構成を簡略化して示す側面から見た断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view seen from a side, showing a simplified configuration of a high-frequency
高周波誘導加熱装置1は、金属または半導体材料2を収容する坩堝3と、坩堝3の周囲に設けられる高周波誘導コイル4と、坩堝3内の金属または半導体材料2を排出する不図示の排出手段と、坩堝3内に固体の金属または半導体材料2aを供給する供給手段5とを含んで構成される。この高周波誘導加熱装置1は、高周波誘導コイル4で磁界を発生させることによって、坩堝3内の金属または半導体材料2,2aを加熱し溶融させることに用いられる。
The high-frequency
金属または半導体材料2としては、種々のものを用いることができるけれども、ここでは、太陽電池セルの部材である多結晶シリコン薄板の原料として用いられるシリコンについて例示する。以後、金属または半導体材料2をシリコン2で表す。
Although various materials can be used as the metal or
高周波誘導コイル4は、導線および導線を被覆する絶縁材によって構成され、坩堝3の周囲に巻きまわされる。なお、図1中で、高周波誘導コイル4は、図示の煩雑さを避けるために切断端面図にて示される。高周波誘導コイル4は、不図示の高周波電源に接続される。高周波電源から高周波誘導コイル4に高周波電流を流すことによって磁界を発生させ、該磁界が、坩堝3および坩堝3の肉厚によっては坩堝3中のシリコンの融液2(溶融シリコン2)に誘導(渦)電流を発生させて発熱させる。
The high
坩堝3の素材としては、特に限定されるものではないけれども、本実施形態ではグラファイトが用いられる。坩堝3は、底面部3aと、底面部3aの周縁から立上がる側壁部3bとを有し、平面から見た形状が円形、すなわち底面部3aを有する円筒状に形成される容器状の部材である。この坩堝3の中に溶融シリコン2および/または固体シリコン2aが収容される。
The material of the
坩堝3は、側壁部3bの下部11における少なくとも一部、本実施形態では底面部3aの周縁から側壁部3b高さの約3割程度の部分までの肉厚t1が、側壁部3bの上部12の肉厚t2よりも薄くなるように形成される。ここでは、便宜上、側壁部3bの上部12の肉厚が厚い(t2)部分を厚肉側壁部12と呼び、側壁部3bの下部11の肉厚が薄い(t1)部分を薄肉側壁部11と呼ぶ。本実施形態では、薄肉側壁部11は、坩堝3の内側から坩堝3の内壁を周回するように切削し、凹状の溝13を形成することによって実現される。
The
本実施形態の坩堝3では、厚肉側壁部12の肉厚t2が、高周波誘導加熱の原理から定義される電流浸透深さδよりも厚く、薄肉側壁部11の肉厚t1が、電流浸透深さδよりも薄くなるように形成される。高周波誘導加熱の原理から定義される電流浸透深さδとは、高周波誘導コイルで発生される磁界によって加熱対象物に発生する誘導電流の密度が、表面の電流密度の0.368倍にまで減少する位置までの深さを意味する。
In the
一般的に、電流浸透深さδは、加熱対象物の素材の抵抗率をρ[μΩ・cm]とし、加熱対象物の素材の比透磁率をμとし、高周波誘導コイルに流される高周波電流の周波数をf[Hz]とするとき、次式(1)で与えられる。
δ=5.03×√{ρ/(μ・f)} …(1)
In general, the current penetration depth δ is defined as the resistivity of the material to be heated is ρ [μΩ · cm], the relative permeability of the material to be heated is μ, and When the frequency is f [Hz], it is given by the following equation (1).
δ = 5.03 × √ {ρ / (μ · f)} (1)
本実施形態では、加熱対象物がグラファイト製の坩堝3であることから、抵抗率ρが1000μΩ・cm、比透磁率μが1、周波数fとして8.5kHzを用いているので、電流浸透深さδは、式(1)から、1.7cmが得られる。そこで、本実施形態の坩堝3は、厚肉側壁部12の肉厚t2が2.5cm(>δ=1.7cm)、薄肉側壁部11の肉厚t1が1.3cm(<δ=1.7cm)に形成される。
In this embodiment, since the heating object is the
なお、図1では、坩堝3と高周波誘導コイル4との間には空隙が存在するけれども、実際には、この空隙部に耐火材などが充填され、坩堝3と高周波誘導コイル4とは一体的にたとえばステージ上に設けられる。
In FIG. 1, there is a gap between the
図示を省く排出手段は、坩堝3と高周波誘導コイル4とを一体的に矢符14方向に傾斜させ、また元の水平状態へと復帰させる傾動手段である。傾動手段は、坩堝3と高周波誘導コイル4とを一体的にたとえばステージ上に設置し、該ステージの一方の下側にたとえば油圧シリンダを装着し、油圧シリンダのピストンロッドを進退させてステージを傾斜させ、また水平に復帰させることによって実現できる。傾動手段で坩堝3を傾斜させることによって、坩堝3内の溶融シリコン2を排出することができ、その傾斜角度を調整することによって、溶融シリコン2の排出量を調整することができる。
The discharging means not shown is a tilting means for tilting the
供給手段5は、貯留部15と、シャッタ部16と、導管部17とを含んで構成される。貯留部15は、坩堝3に装入するために準備される粒状の固体シリコン2aを収容する。貯留部15には、予め所望の量になるように計量された固体シリコン2aが別の投入装置によって投入されてもよく、また計量装置と投入装置とが一体化された装置を併設し、該装置から所望量の固体シリコン2aが計量されて投入されるようにしてもよい。
The
シャッタ部16は、貯留部15の底に形成される開口部を塞ぐように設けられ、開閉動作することによって、貯留部15に収容される固体シリコン2aを、開口部を通して導管部17へ落下させる。導管部17は、金属製の管であり、シャッタ部16を介して貯留部15の開口部に接続され、シャッタ部16が開いたとき、貯留部15の開口部を通って落下する固体シリコン2aを、坩堝3へと導き装入する。
The
以下、高周波誘導加熱装置1において、固体シリコン2aを高周波誘導溶解する方法について説明する。
Hereinafter, a method of high-frequency induction melting the
まず、坩堝3内が空であり、最初に固体シリコン2aを坩堝3内へ装入して溶融させる場合、ほぼ坩堝3の内容積を満たすことができる程度の量の固体シリコン2aが計量され、供給手段5から坩堝3内へ装入される。
First, when the inside of the
坩堝3内に固体シリコン2aが装入されると、高周波誘導コイル4に通電して磁界を発生させる。磁界中にある坩堝3では誘導電流が発生して発熱し、坩堝3で発生する熱が、坩堝3の側壁部3bと接触する固体シリコン2aに伝導され、さらに固体シリコン2aに伝導された熱は、該固体シリコン2aと接触している他の固体シリコン2aに伝導され、順次固体シリコン2a同士で熱伝導される。
When the
このようにして伝導される熱によって固体シリコン2aが溶解されて溶融シリコン2となり、溶融シリコン2が所定温度に達すると、傾動手段を動作させて坩堝3を傾斜させ、坩堝3内の溶融シリコン2を排出する。本実施形態では、坩堝3の傾斜角度を調整して、坩堝内容積の約1/3の溶融シリコン2が坩堝3内に残留するように排出する。特に、坩堝3内に残される溶融シリコン2の液面21が、薄肉側壁部11の鉛直方向上側の端になる部位22よりも上になるように、溶融シリコン2を残留させることを特徴とする。この排出される溶融シリコン2は、高周波誘導加熱装置1がシリコンの薄板製造装置に用いられるとき、シリコン薄板を製造するための原板である下地板が浸漬される溶融シリコンを収容するもう一つの坩堝に供給されて、シリコン薄板の製造に用いられる。
The
次に、坩堝3で続けて固体シリコン2aを溶融する場合、溶融シリコン2が残留している坩堝3内へ所望量の固体シリコン2aを供給する。ここで、坩堝3内へ供給する所望量とは、高周波誘導加熱装置1が後述する薄板製造装置に用いられるとき、少なくともシリコン薄板製造によって上記もう一つの坩堝から持出されたシリコンの量であり、もう一つの坩堝に対して補給を必要とするシリコン量である。
Next, when the
坩堝3内に溶融シリコン2を残留させない状態で固体シリコン2aを供給すると、前述のように、粒状の固体シリコン2aは坩堝3の側壁部3bとは点で接触し、固体シリコン2a同士も点で接触し、接触面積が小さいので、熱伝導効率が充分とはいえない。
When the
しかしながら、坩堝3内に溶融シリコン2を残留させた状態で固体シリコン2aを供給すると、液体の溶融シリコン2が固体シリコン2aの表面形状に倣うので、固体シリコン2aが坩堝3内に残留する溶融シリコン2と面で接触することが可能になり、溶融シリコン2から固体シリコン2aへの熱伝導が効率的に行われる。
However, if the
したがって、本発明の溶解方法に従って坩堝3内に供給される固体シリコン2aは、坩堝3の側壁部3bから伝導される熱(図1中矢符23で示す)と、坩堝3内に残留する溶融シリコン2から伝導される熱(図1中矢符24で示す)との両方によって加熱される。結果として、本発明の溶解方法によれば、溶融シリコン2が坩堝3内に残留しない状態で固体シリコン2aのみを供給する場合に比べて、極めて迅速に固体シリコン2aを溶融させることが可能になる。
Accordingly, the
また、坩堝3は、その側壁部3bにおいて、厚肉側壁部12と薄肉側壁部11とを有し、厚肉側壁部12の肉厚t2=2.5cmが、電流浸透深さδ=1.7cmよりも厚く、薄肉側壁部11の肉厚t1=1.3cmが、上記電流浸透深さδよりも薄くなるように形成される。
Further, the
したがって、坩堝3の厚肉側壁部12では、高周波誘導コイル4で発生される磁界25(便宜上図1中では磁界を矢符25で表す)によって誘起される誘導電流は、ほとんど全てが側壁部3b内を流れ、側壁部3bの発熱に消費される。すなわち、坩堝3の厚肉側壁部12では、側壁部3bからの熱伝導によって坩堝3内の溶融シリコン2と固体シリコン2aとを加熱する。
Therefore, in the thick
一方、坩堝3の薄肉側壁部11では、高周波誘導コイル4で発生される磁界25によって誘起される誘導電流は、側壁部3bと坩堝3内の溶融シリコン2とに流れ、側壁部3bを発熱させるだけでなく、溶融シリコン2にも発熱領域26を形成し、溶融シリコン2を直接発熱させることができる。
On the other hand, in the thin
このように、坩堝3の側壁部3bに電流浸透深さδよりも厚さが薄い薄肉側壁部11を形成することによって、側壁部3bに発生する熱を伝導させて溶融シリコン2を加熱するとともに、坩堝3内の溶融シリコン2に誘導電流を流して直接発熱させ、溶融シリコン2を効率的に加熱することが可能になる。効率の良い熱の移動と効率の良い加熱が実現することによって、短時間で固体シリコン2aを溶解することが実現されるので、たとえばシリコン薄板を製造する場合、シリコン薄板の生産によって単位時間当たりに薄板生産用の坩堝から持出されるシリコンの量を上回る量の固体シリコン2aを、原料シリコンの補給間隔として定められる特定時間内に高周波誘導加熱装置1で溶解することができる。
In this way, by forming the thin-walled
さらに、本実施の形態においては、薄肉側壁部11は、坩堝3内に残留させる溶融シリコン2の液面21の位置よりも下に位置するように設定される。換言すれば、坩堝3内に残留させる溶融シリコン2の液面21が、薄肉側壁部11の鉛直方向上側の端になる部位22よりも上になるように設定される。溶融シリコン2には誘導電流が流れて発熱するが、固体シリコン2aは電気抵抗が大き過ぎて誘導電流が流れず発熱しないことから、溶融シリコン2が存在しない領域に磁界25を侵入させても発熱に寄与せず、無駄になってしまうので、上記のように薄肉側壁部11が溶融シリコン2中に位置するように設定することによって、坩堝3内まで進入した磁界25が溶融シリコン2の発熱に効率よく使用され、加熱効率の向上に寄与することができる。
Furthermore, in the present embodiment, thin-walled
図2は、本発明のもう一つの実施形態である薄板製造装置30の構成を簡略化して示す側面から見た断面図である。本実施形態では、薄板製造装置30として、太陽電池セルの部材として用いられる多結晶シリコン薄板を製造する装置を例示する。薄板製造装置30では、薄板を製造する原板である下地板を坩堝内の溶融シリコンに浸漬し溶融シリコンから引上げることによってシリコン薄板を製造する。
FIG. 2 is a cross-sectional view seen from a side, showing a simplified configuration of a thin
薄板製造装置30は、大略、第1の高周波誘導加熱装置31と、第2の高周波誘導加熱装置32と、下地板浸漬手段33と、前記装置31,32および手段33をその内部空間である処理空間35に収容するチャンバ34とを含んで構成される。
In general, the thin
チャンバ34は、外観が大略直方体形状を有し、内部が中空の構造体である。チャンバ34は、たとえば鋼製の躯体に図示を省くけれどもアルミナ(Al2O3)などの断熱材が内張りされて、耐熱かつ耐火構造を備える。このチャンバ34には、不図示の真空排気手段と不活性ガス供給手段とが付設され、これらによって、チャンバ34内部の処理空間35を真空雰囲気または不活性ガス不雰囲気に保つことができる。
The
またチャンバ34の一方の側壁34aには、チャンバ34の外部にある不図示の搬送装置と、処理空間35内に設けられる下地板浸漬手段33との間で、シリコン薄板を製造する原板でありたとえばカーボンからなる下地板45を受渡しするための下地板搬入口(不図示)が形成される。この下地板搬入口には、不図示の開閉自在の扉が設けられ、扉の外方にはさらに副室チャンバ(不図示)が設けられる。この副室チャンバは、チャンバ34と同様に雰囲気調整が可能に構成され、下地板搬入口と反対側には開閉自在の扉が設けられる。したがって、搬送装置でチャンバ34まで搬送された下地板45は、まず大気開放された副室チャンバ内へ搬入され、副室チャンバ内を雰囲気調整した後、さらに副室チャンバ内に備わる搬送手段によって下地板搬入口を通して下地板浸漬手段33に渡される。
One
チャンバ34の前記一方の側壁34aに対向する他方の側壁34bには、下地板搬入口と対向する位置にシリコン薄板50が形成された下地板45を、チャンバ34の外部へ搬出するための下地板搬出口(不図示)が形成される。下地板搬出口側にも、下地板搬入口側と同様にして副室チャンバが設けられ、シリコン薄板50が形成された下地板45が、副室チャンバを介してもう一つの搬送手段に受渡しされる。
On the
第1の高周波誘導加熱装置31は、シリコン41を収容する第1坩堝42と、第1坩堝42の周囲に設けられて磁界を発生し、第1坩堝42内のシリコン41を溶融させる第1高周波誘導コイル43とを備える。
The first high-frequency
第1坩堝42は、たとえばグラファイト製であり、有底の角筒状容器である。本実施形態では、第1坩堝42は、平面から見た形状が方形に形成される。これは、薄板製造装置30において製造されるシリコン薄板50は、その平面形状が矩形の下地板45の表面に凝固析出するようにして、下地板45と同様に矩形に形成されるので、下地板45が浸漬される第1坩堝42も、下地板45が浸漬されるシリコン融液面の面積を充分に広く、かつ無駄なく確保し、下地板45の浸漬と引上げとが容易になるように、平面形状が方形に形成される。第1坩堝42は、チャンバ34の底面上に設けられる基台44の上に、その底面部42aが載置されるようにして、処理空間35内に設けられる。この第1坩堝42には、薄板製造の原料となるシリコン41の融液(溶融シリコン41)が収容される。
The
第1高周波誘導コイル43は、導線と導線を被覆する絶縁材によって構成され、第1坩堝42の周囲に巻きまわされる。なお、図2中で、第1高周波誘導コイル43は、図示の煩雑さを避けるために切断端面図にて示される。また、第1坩堝42と第1高周波誘導コイル43との間は、図2では空隙で表されるけれども、実際にはここに断熱性および絶縁性の耐火材などが充填され、第1坩堝42と第1高周波誘導コイル43とが、一体的に基台44の上に設けられる。第1高周波誘導コイル43は、不図示の高周波電源に接続され、高周波電源から高周波電流が流されて磁界を発生し、第1坩堝42に誘導電流を発生させて発熱させ、第1坩堝42を介して第1坩堝42内のシリコンを溶融させて溶融シリコン41とし、また溶融シリコン41を所望の温度に保持する。
The first high-
下地板浸漬手段33は、下地板45を保持する保持ヘッド46と、保持ヘッド46が装着されて鉛直方向に延びて設けられる垂直アーム47と、垂直アーム47と垂直アーム47に装着される保持ヘッド46とを、水平方向と鉛直方向とに移動させる駆動部48と、駆動部48が水平方向に走行する軌道となる軌道部材49とを含んで構成される。
The base plate immersion means 33 includes a holding
軌道部材49は、たとえば金属製の細長い部材であり、処理空間35内において、前記一方の側壁34aと他方の側壁34bとの両者に連なる側壁またはチャンバ34の天板に装着され、第1坩堝42の上方空間を、下地板搬入口から下地板搬出口に向かって延びるように設けられる。駆動部48は、軌道部材49に形成されるたとえば溝上の軌道に案内されて、垂直アーム47および保持ヘッド46を水平方向へ進退自在に移動させる。また、駆動部48は、垂直アーム47と垂直アーム47に装着される保持ヘッド46とを、鉛直方向に進退自在に移動させる。
The
保持ヘッド46は、ハンドリング機構を備え、ハンドリング機構の動作によって下地板45を把持し、また解放することができる。
The holding
このように構成される下地板浸漬手段33は、以下の動作をすることができる。下地板浸漬手段33は、駆動部48の動作によって、垂直アーム47と保持ヘッド46とを、下地板搬入口の近傍まで移動し、下地板搬入口を通して下地板45を受取って保持ヘッド46で保持し、再び駆動部48の動作によって、下地板搬入口から第1坩堝42の上方まで移動する。さらに、下地板浸漬手段33は、駆動部48の動作によって、垂直アーム47を下方に向かって移動、すなわち降下するように移動させ、保持ヘッド46に保持される下地板45を、第1坩堝42内の溶融シリコン41に浸漬し、下地板45の表面にシリコンを凝固析出させる。
The base plate dipping means 33 configured as described above can perform the following operations. The base plate dipping means 33 moves the
下地板45の表面にシリコンを凝固析出させてシリコン薄板50を生成した後、下地板浸漬手段33は、駆動部48を動作させて、垂直アーム47を上方に向かって移動(上昇するように移動)し、保持ヘッド46に保持される下地板45とその表面に生成されたシリコン薄板50とを、溶融シリコン41から引上げる。
After the silicon is solidified and deposited on the surface of the
次に、下地板浸漬手段33は、駆動部48を動作させて、保持ヘッド46に保持される下地板45とシリコン薄板50とを、第1坩堝42の上方位置から下地板搬出口近傍まで水平方向に搬送し、副室チャンバを介してチャンバ34外の他の搬送手段へ引渡す。
Next, the base plate dipping means 33 operates the
このように、第1の高周波誘導加熱装置31と下地板浸漬手段33とによって、シリコン薄板50の生成を続けて行うと、第1坩堝42内の溶融シリコン41が、下地板45の表面に凝固析出することによって持出されるので、消費されて減少する。
As described above, when the silicon
第2の高周波誘導加熱装置32は、シリコン薄板50の生成によって、第1坩堝42に収容する溶融シリコン41の量が減少し、シリコン薄板50の生成を継続し難くなったとき、第1坩堝42に対して、溶融状態にあるシリコン2を補給するために設けられる。
When the amount of the
本発明の薄板製造装置30において注目すべきは、第2の高周波誘導加熱装置32が、前述の図1に示す高周波加熱装置1によって構成されることである。したがって、第2の高周波誘導加熱装置32を、以後高周波誘導加熱装置1と呼び、第2の高周波誘導加熱装置32に備わる第2坩堝を坩堝3と呼び、第2高周波誘導コイルを高周波誘導コイル4と呼ぶ。高周波誘導加熱装置1については、既にその構成および作用について説明しているので、本実施形態では、説明を省略する。
What should be noted in the thin
第1の高周波誘導加熱装置31で第1坩堝42内の溶融シリコン41が消費されて減少し、シリコン薄板50の生成を継続し難くなったとき、シリコン薄板50の生成を一旦停止し、高周波誘導加熱装置1の坩堝3を排出手段(不図示)で矢符14方向に傾斜させ、坩堝3内の溶融シリコン2を、第1坩堝42内へ補給する。このとき、坩堝3の傾斜角度を調整し、坩堝3内に適当量の溶融シリコン2を残留させることは、前述のとおりである。したがって、高周波誘導加熱装置1、特に高周波誘導加熱装置1に備わる坩堝3は、矢符14方向に傾斜されるとき、坩堝3内に収容される溶融シリコン2が第1坩堝42内に供給されるように設置位置が決められる。
When the
なお、第1の高周波誘導加熱装置31において、シリコン薄板50の生成限界となる第1坩堝42内の溶融シリコン41の量は、たとえば次のようにして検出できる。第1坩堝42とその中に収容される溶融シリコン41とのトータル重量を測定する重量センサを設け、第1坩堝42内の溶融シリコン41が消費されて測定重量が予め定める限界値以下になるとき、シリコン薄板50の生成を継続し難いと判定することができる。また、第1坩堝42内の溶融シリコン41の液面高さを検出する液面センサを設け、第1坩堝42内の溶融シリコン41が消費されて液面高さが予め定める限界値以下になるとき、シリコン薄板50の生成を継続し難いと判定することができる。
In the first high-frequency
高周波誘導加熱装置1によって、第1の高周波誘導加熱装置31の第1坩堝42に溶融シリコン2が補給され、第1坩堝42内に収容される溶融シリコン41の量が、シリコン薄板50を生成するに充分な量に復帰すると、第1の高周波誘導加熱装置31と下地板浸漬手段33とによるシリコン薄板50の生成動作が再開される。
The high frequency
また、高周波誘導加熱装置1では、溶融シリコン2が残留する坩堝3内へ供給手段5から固体シリコン2aが供給され、次の補給に向けて、固体シリコン2aが溶融され、シリコン薄板50の生成に適した温度に維持される。
Further, in the high frequency
本発明の薄板製造装置30の高周波誘導加熱装置1における溶解能力、換言すれば補給能力について、一例を示すと以下のようである。
An example of the melting capacity in the high-frequency
薄板製造装置30の第1の高周波誘導加熱装置31において、寸法が200mm×200mm×0.5mmのシリコン薄板50を10秒/枚の速度で生産すると、シリコン薄板50の生成によって第1坩堝42から持出されるシリコンの量は4.66g/秒である。第1坩堝42に対して、10分間に1回のサイクルで、高周波誘導加熱装置1の坩堝3から溶融シリコン2を追加する場合、高周波誘導加熱装置1には、式(2)で与えられるように約2.8kgのシリコンを10分間で溶解する能力が要求される。
4.66g/秒×600秒=2796g≒2.8kg …(2)
In the first high-frequency
4.66 g / sec × 600 sec = 2796 g≈2.8 kg (2)
高周波誘導加熱装置1の坩堝3の寸法を、坩堝内径200mm、深さ200mm、厚肉側壁部12の肉厚t2を2.5cm、薄肉側壁部11の肉厚t1を1.3cmとし、坩堝3から溶融シリコン2を排出する際に坩堝3内に溶融シリコン2を坩堝内容積の30%程度残留させ、残留する溶融シリコン2の上に固体シリコン2aを供給し、高周波電源のインバータ出力を100kwで溶融させたところ、2.8kgの供給固体シリコン2aを、約8分で溶解することができた。
The size of the
このように、本発明の装置および方法によれば、第1の高周波誘導加熱装置31に対して溶融シリコン2を補給しなければならない時間間隔(10分)よりも短い時間(約8分)で、補給に必要な量の固体シリコン2aを溶解することができる、換言すれば補給のための時間間隔である10分の間に、第1坩堝42から持出される量を上回る量のシリコンを溶解することができる。
As described above, according to the apparatus and method of the present invention, the first high frequency
したがって、第1の高周波誘導加熱装置31における第1坩堝42内の溶融シリコン41が減少し、シリコン薄板製造の原料補給の必要が生じたとき、高周波誘導加熱装置1では、所望量の固体シリコン2aを迅速に溶解し、短時間で補給可能な態勢をとることができる。このことによって、高周波誘導加熱装置1から第1の高周波誘導加熱装置31へシリコンを補給するに際し、すでに溶融しているシリコンを、第1の高周波誘導加熱装置31の第1坩堝42に対して補給(注入)するために要する時間だけ、シリコン薄板50の製造を停止すればよいことになる。このように、シリコン薄板50の製造を停止している時間が短縮されるので、シリコン薄板製造に関して装置稼動率の高い薄板製造装置が実現される。
Therefore, when the
一方、溶融シリコンの補給用高周波誘導加熱装置に備わる坩堝の寸法を、坩堝内径200mm、深さ200mm、側壁部の厚さが一様で2.5cmとし、坩堝から溶融シリコンを排出する際に坩堝内に溶融シリコンを残留させることなくすべて排出し、空の坩堝内に固体シリコンを供給し、高周波電源のインバータ出力を100kwで溶融させたところ、2.8kgの固体シリコンの溶解に20分を要した。 On the other hand, the size of the crucible provided in the high frequency induction heating device for supplying molten silicon is such that the crucible has an inner diameter of 200 mm, a depth of 200 mm, and a uniform side wall thickness of 2.5 cm. All the molten silicon was discharged without leaving it inside, solid silicon was supplied into an empty crucible, and the inverter output of the high-frequency power source was melted at 100 kW. It took 20 minutes to dissolve 2.8 kg of solid silicon. did.
すなわち、本発明外の装置および方法では、補給用の高周波誘導加熱装置における所望量の固体シリコンの溶解に、溶融シリコンを補給するためのインターバル時間(10分)を超える時間が必要とされるので、第1の高周波誘導加熱装置の第1坩堝に対して溶融シリコンを補給(注入)するために要する時間以外に、補給用の高周波誘導加熱装置で固体シリコンの溶解を完了させるまでの間、シリコン薄板の製造を停止しなければならなかった。 That is, in the apparatus and method other than the present invention, a time exceeding the interval time (10 minutes) for supplying molten silicon is required to dissolve a desired amount of solid silicon in the high-frequency induction heating apparatus for supply. In addition to the time required for replenishing (injecting) molten silicon into the first crucible of the first high-frequency induction heating device, silicon is used until the dissolution of solid silicon is completed by the high-frequency induction heating device for replenishment. The production of the sheet had to be stopped.
以上に述べたように、本実施の形態では、融液の原料は、シリコンが例示されるけれども、これに限定されることなく、ゲルマニウム、ガリウム、ヒ素、インジウム、リン、ホウ素、アンチモン、亜鉛、錫、アルミニウム、ニッケルなどの半導体材料または金属であってもよい。 As described above, in the present embodiment, the raw material of the melt is exemplified by silicon, but is not limited thereto, germanium, gallium, arsenic, indium, phosphorus, boron, antimony, zinc, It may be a semiconductor material such as tin, aluminum, nickel, or a metal.
また、高周波誘導加熱装置1の坩堝3から溶融シリコン2を排出するに際し、坩堝3内に残留させる溶融シリコン2の量を、坩堝3の内容積のほぼ1/3としたけれども、これに限定されることなく、坩堝3の内容積の1/2でもよく、逆に少ない方の1/4または1/8であってもよい。坩堝3内に残留させる溶融シリコン2の量は、坩堝3の形状、また追加投入する固体シリコン2aの量に応じて適切な量があるので、適宜選定される。
Further, when the
また、高周波誘導加熱装置1の坩堝3における厚肉側壁部12の肉厚t2を2.5cm、薄肉側壁部11の肉厚t1を1.3cmに設定しているけれども、これに限定されることなく、坩堝の強度、坩堝の容積、高周波誘導コイルに流す電流の周波数、金属または半導体材料の目標加熱温度、その他によって決定される肉厚であってよい。したがって、たとえば強度のような要因から、薄肉側壁部の肉厚t1が、電流浸透深さδよりも厚くなることもあり得るが、そのような場合でも坩堝内部の溶融シリコンに磁界が多少でも侵入することによって、溶融シリコンの直接加熱による加熱効率向上効果を得ることは可能である。
Moreover, although the thickness t2 of the thick
1,32 高周波誘導加熱装置
2,41 シリコン
3 坩堝
4 高周波誘導コイル
5 供給手段
11 薄肉側壁部
12 厚肉側壁部
30 薄板製造装置
31 第1の高周波誘導加熱装置
33 下地板浸漬手段
34 チャンバ
45 下地板
50 シリコン薄板
DESCRIPTION OF
Claims (5)
坩堝内の金属または半導体材料を排出する排出手段と、
坩堝内に固体の金属または半導体材料を供給する供給手段とを含み、
坩堝は、底面部と底面部の周縁から立上がる側壁部とを有し、側壁部の下部における少なくとも一部の肉厚が、側壁部の上部の肉厚よりも薄くなるように形成されることを特徴とする高周波誘導加熱装置。 A high-frequency induction heating apparatus comprising a crucible for storing a metal or semiconductor material and a high-frequency induction coil provided around the crucible, and heating and melting the metal or semiconductor material in the crucible by generating a magnetic field with the high-frequency induction coil Because
Discharging means for discharging the metal or semiconductor material in the crucible;
Supply means for supplying a solid metal or semiconductor material into the crucible,
The crucible has a bottom surface portion and a side wall portion that rises from the periphery of the bottom surface portion, and is formed so that at least a part of the thickness at the lower portion of the side wall portion is thinner than the thickness at the upper portion of the side wall portion. High frequency induction heating device characterized by
側壁部の上部の肉厚は、高周波誘導コイルによって坩堝の側壁部に発生する誘導電流の電流浸透深さδであって、下記式で与えられる電流浸透深さδよりも厚く、
側壁部の下部における少なくとも一部の肉厚は、前記電流浸透深さδよりも薄いことを特徴とする請求項1記載の高周波誘導加熱装置。
δ=5.03×√{ρ/(μ・f)} When the resistivity of the crucible material is ρ [μΩ · cm], the relative permeability of the crucible material is μ, and the frequency of the high-frequency current flowing in the high-frequency induction coil is f [Hz],
The thickness of the upper portion of the side wall is the current penetration depth δ of the induced current generated in the side wall portion of the crucible by the high frequency induction coil, and is thicker than the current penetration depth δ given by the following equation:
2. The high frequency induction heating device according to claim 1, wherein a thickness of at least a part of the lower portion of the side wall portion is thinner than the current penetration depth δ.
δ = 5.03 × √ {ρ / (μ · f)}
金属または半導体材料を収容する第1坩堝と、第1坩堝の周囲に設けられて磁界を発生し、第1坩堝内の金属または半導体材料を溶融させる第1高周波誘導コイルとを備える第1の高周波誘導加熱装置と、
下地板を保持し、保持する下地板を、搬送するとともに第1坩堝内の金属または半導体材料の融液に浸漬し融液から引上げる下地板浸漬手段と、
金属または半導体材料を収容する第2坩堝と、第2坩堝の周囲に設けられて磁界を発生し、第2坩堝内の金属または半導体材料を溶融させる第2高周波誘導コイルとを備える第2の高周波誘導加熱装置であって、第1坩堝に対して第2坩堝内の溶融状態にある金属または半導体材料を補給する第2の高周波誘導加熱装置とを含み、
第2の高周波誘導加熱装置が、前記請求項1または2記載の高周波誘導加熱装置であることを特徴とする薄板製造装置。 In a thin plate manufacturing apparatus for manufacturing a thin plate by immersing a base plate, which is a base plate for manufacturing a thin plate, in a melt of a metal or semiconductor material in a crucible and pulling it up from the melt,
A first high-frequency wave provided with a first crucible containing metal or a semiconductor material and a first high-frequency induction coil provided around the first crucible to generate a magnetic field and melt the metal or semiconductor material in the first crucible. An induction heating device;
A base plate immersing means for holding the base plate, transporting the base plate to be held and immersing it in a melt of a metal or semiconductor material in the first crucible and pulling it up from the melt;
A second high-frequency wave provided with a second crucible containing metal or a semiconductor material and a second high-frequency induction coil provided around the second crucible to generate a magnetic field and melt the metal or semiconductor material in the second crucible An induction heating device including a second high-frequency induction heating device that replenishes the first crucible with a molten metal or semiconductor material in the second crucible,
A thin plate manufacturing apparatus, wherein the second high-frequency induction heating apparatus is the high-frequency induction heating apparatus according to claim 1 or 2.
坩堝から金属または半導体材料の融液を排出するに際して坩堝内に金属または半導体材料の融液を一部残し、
金属または半導体材料の融液が残留する坩堝内に固体の金属または半導体材料を供給することを特徴とする高周波誘導溶解方法。 A solid metal or semiconductor material is supplied to the crucible, and a magnetic field is generated by a high-frequency induction coil provided around the crucible to heat and melt the metal or semiconductor material in the crucible. A high frequency induction melting method for discharging a melt from a crucible,
When discharging the melt of metal or semiconductor material from the crucible, leaving a part of the melt of metal or semiconductor material in the crucible,
A high-frequency induction melting method characterized by supplying a solid metal or semiconductor material into a crucible in which a melt of metal or semiconductor material remains.
坩堝から金属または半導体材料の融液を排出するに際し、坩堝内に残される金属または半導体材料の融液の液面が、側壁部の下部における少なくとも一部の肉厚が側壁部の上部の肉厚よりも薄くなるように形成される部位よりも上になるように、融液を残留させることを特徴とする請求項4記載の高周波誘導溶解方法。
The crucible has a bottom surface portion and a side wall portion rising from the periphery of the bottom surface portion, and is formed such that at least a part of the thickness at the lower portion of the side wall portion is thinner than the thickness of the upper portion of the side wall portion,
When discharging the melt of the metal or semiconductor material from the crucible, the thickness of the melt of the metal or semiconductor material remaining in the crucible is at least part of the wall thickness in the lower part of the side wall part. 5. The high frequency induction melting method according to claim 4, wherein the melt is left so as to be above a portion formed so as to be thinner.
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