JP5563097B2 - プラズマアークトーチの位置調節装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン連続鋳造装置に使用されるプラズマアークトーチに関し、より詳細には、原料投入部を中心に放射状に配置された多数のプラズマアークトーチの位置を簡単な操作を通じて調節することができるプラズマアークトーチの位置調節装置に関する。

従来から、太陽電池の基板に使用されるシリコンウエハは、シリコンの一方向凝固インゴットを薄く切断することによって製造されている。ここで、シリコンウエハの品質及び費用は、シリコンインゴットの品質及び費用によって決定される。

したがって、シリコンウエハの品質を高め、費用を低減するためには、高品質の一方向凝固シリコンインゴットを製造する費用を低減する必要があり、この方法として、インゴットの凝固のための鋳型の材質である黒鉛または石英るつぼを使用して鋳型の損失がない電磁気連続鋳造法が使用され始めた。

このような電磁気連続鋳造法において、原料であるシリコンは、融点が非常に高くて且つ電気伝導度が低い半導体材料であって、放射熱の放出による冷却効果は大きいが、誘導発熱による加熱効果は小さいため、投入原料を効率的に連続溶解するにあたって加熱源の効果的な供給が必要である。

加熱源の供給のためにプラズマアーク併用の補助熱源を印加することに際して、上部溶湯の表面にプラズマ熱源が装入された固相の素材を溶融温度である１４１４℃まで加熱し、その後、表面に溶融が発生すれば、液状に相変化を起こす融解熱が必要とされ、これにより、持続的に投入される原料の溶融温度までの加熱及び融解過程が連続的に行われるようにしなければならない。

従来の単一プラズマアークトーチの水平方向走査方法を併用した電磁気連続鋳造法は、初期固相シリコンを溶融させて、連続鋳造のための溶湯を形成するまで多くの時間がかかり、プラズマトーチと内側壁面との間のサイドアークが発生する問題がある。

また、プラズマトーチと内側壁面との間のサイドアークが発生する問題と水平走査方法を利用する場合に単数のトーチが移動して発生する位置間の熱的不均衡と局所的な熱密度の変化とに起因して原料溶融性が制限される問題点があった。

また、溶解性能を向上するために水平方向走査プラズマトーチの容量を増加させれば、加熱面に加えられる熱量が過度になるので、シリコン溶湯の揮発及びシリコンフューム（ｆｕｍｅ：スモッグ状の固体微粒子）の発生が多くなり、これは、溶融性の低下及び溶融物純度の低下をもたらす問題点がある。

したがって、本発明は、前述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、多数のプラズマアークトーチを配置し、シリコンの鋳造速度を向上させることにある。

本発明の他の目的は、原料が均一に加熱されることができるようにプラズマアークトーチを配置し、アークトーチの位置を簡単な操作で調節することにある。
本発明の技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及しない他の技術的課題は、下記の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されることができる。

上記目的を達成するために、本発明によるプラズマアークトーチの位置調節装置は、シリコン溶湯に対してプラズマアークトーチを昇降させる昇降装置と、前記シリコン溶湯に対してプラズマアークトーチを周方向に回転させる回転装置と、前記シリコン溶湯に対してプラズマアークトーチの角度を調節する角度調節装置と、を含み、前記プラズマアークトーチは、多数個が放射状に一定の間隔で配置されることを特徴とする。

前記昇降装置は、昇降モータと、前記昇降モータに連結され、動力を伝達する駆動歯車と、前記駆動歯車と噛み合って回転するねじジャッキと、前記ねじジャッキに連結され、前記ねじジャッキの回転に連動して昇降する昇降プレートと、を含むことを特徴とする。

前記回転装置は、回転モータと、前記回転モータから動力を伝達されて回転する駆動ベルトと、前記駆動ベルトが巻き取られ、前記駆動ベルトの回転に連動して回転する回転プレートと、を含むことを特徴とする。

前記角度調節装置は、角度調節モータと、前記角度調節モータで伝達された動力を直線運動に変換させるカム歯車と、前記カム歯車の回転に連動して径方向に移動可能であり、前記プラズマアークトーチと回転自在に連結されるトーチ連結部材と、を含むことを特徴とする。

前記角度調節装置は、前記プラズマアークトーチの回転中心となり、前記回転プレートに固定される固定部をさらに含むことを特徴とする。

前記角度調節モータのモータ軸には、かさ歯車が設けられ、前記カム歯車に動力を伝達することを特徴とする。

前記トーチ連結部材には、前記カム歯車に形成されたカムスリットに挿入される連結ピンが設けられることを特徴とする。

前記プラズマアークトーチは、４個が周方向で９０度の間隔をあけて配置されることを特徴とする。

本発明では、多数個のプラズマアークトーチが放射状に配置され、それぞれのアークトーチは、シリコン溶湯との距離及び角度調節が行われることができるように構成される。したがって、シリコン原料の投入量の増加または原料の粒度変化によってプラズマアークトーチの位置を容易に調節することができるので、固相のシリコンを溶融し、初期溶湯を形成するにかかる時間が短縮され、鋳造速度が増加する効果がある。

また、放射状に配置されたプラズマアークトーチが溶湯を全体的に均一に加熱することができるので、溶解性を向上させることができ、安定的な原料の溶解が可能なので、経済的に有利な連続鋳造及び高品質の太陽電池用シリコンインゴットを製造することができる効果がある。

本発明によるプラズマアークトーチの位置調節装置を示す構成図である。 本発明の実施例を構成する角度調節装置の構成を示す平面図である。 従来の実施例によるシリコン溶湯表面の加熱領域を表示した構成図である。 本発明の実施例によるシリコン溶湯表面の加熱領域を表示した構成図である。

以下、本発明によるプラズマアークトーチの位置調節装置の好ましい実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明によるプラズマアークトーチの位置調節装置を示す構成図であり、図２は、本発明の実施例を構成する角度調節装置の構成を示す平面図であり、図３は、従来の実施例によるシリコン溶湯表面の加熱領域を表示した構成図であり、図４は、本発明の実施例によるシリコン溶湯表面の加熱領域を表示した構成図である。

図示したように、本発明によるプラズマアークトーチの位置調節装置は、シリコン溶湯１４に対してプラズマアークトーチ１８を昇降させる昇降装置と、前記シリコン溶湯１４に対してプラズマアークトーチ１８を周方向に回転させる回転装置と、前記シリコン溶湯１４に対してプラズマアークトーチ１８の角度を調節する角度調節装置と、を含む。また、前記プラズマアークトーチ１８は、多数個が周方向に一定の間隔をあけて放射状に配置される。

まず、チャンバ１０の中央部には、原料を供給するための原料供給部１１が垂直方向に長く形成される。また、前記チャンバ１０の内部には、シリコンが溶融されるためのるつぼ１２が設けられる。また、前記るつぼ１２の内部には、シリコンが溶融されたシリコン溶湯１４が所定の高さに形成される。前記シリコン溶湯１４は、投入される原料の量及び粒度によってその高さが変化することができる。

また、前記るつぼ１２の側面には、誘導コイル１６が設けられる。前記るつぼ１２の側面には、縦方向に多数のスリットが形成されていて、前記スリットは、誘導コイル１６に流れる高周波の電流によって発生する磁場をるつぼ１２の内部まで透過させて、原料に誘導電流を発生させる。前記誘導電流によるジュール加熱効果によって連続的に供給される投入原料を加熱して溶解させると共に、るつぼ１２の内壁側に電磁力が発生し、溶湯とるつぼ１２の内壁との接触を軽減させる。したがって、溶解されたシリコン融液は、るつぼ１２の下方向に凝固されながら引き出され、原料供給が続けば、シリコンの一方向凝固インゴットが連続的に製造される。

一方、前記シリコン溶湯１４の上方には、シリコン溶湯１４から所定の距離だけ離間するようにプラズマアークトーチ１８が設けられる。本実施例において、前記プラズマアークトーチ１８は、多数個が周方向に一定の間隔をあけて放射状に配置されることが好ましい。これは、単一のプラズマアークトーチ１８より効果的にシリコン溶湯１４を加熱させるためである。

図２及び図４を参照すれば、前記プラズマアークトーチ１８は、４個が周方向に９０度の間隔を形成するように配置される。このように配置されたプラズマアークトーチ１８の加熱領域は、図４によく示されている。一方、図３に示された従来の単一プラズマアークトーチ１８によれば、矢印方向に移動しながら加熱するので、シリコン溶湯１４が不均一に加熱される問題がある。しかし、本発明のプラズマアークトーチ１８は、多数個が放射状に配置されているので、シリコン溶湯１４をそれぞれの位置で固定された状態でも均一に加熱させることが容易である。

次に、図１を参照して前記プラズマアークトーチ１８とシリコン溶湯１４との距離を調節するための昇降装置２０の構成について説明する。前記昇降装置２０は、昇降モータ２２と、前記昇降モータ２２に連結され、動力を伝達する駆動歯車２４と、前記駆動歯車２４と噛み合って回転するねじジャッキ２６と、前記ねじジャッキ２６に連結され、前記ねじジャッキの回転に連動して昇降する昇降プレート２８と、を含む。前記昇降プレート２８は、前記プラズマアークトーチ１８が固定されるように結合される。

したがって、前記昇降モータ２２が作業者により一方向または他方向に回転すれば、前記昇降プレート２８が矢印Ａ方向に昇降しつつ、プラズマアークトーチ１８を昇降させる。すなわち、前記シリコン溶湯１４の高さが変化すれば、これに合わせて前記昇降モータ２２を駆動させてプラズマアークトーチ１８の高さを変化させて、適切な高さで効果的な加熱が行われることができるようにする。

次に、図２を参照して前記プラズマアークトーチ１８の回転のための回転装置３０の構成について説明する。前記回転装置３０は、回転モータ３２と、前記回転モータ３２から動力を伝達されて回転する駆動ベルト３４と、前記駆動ベルト３４が巻き取られ、前記駆動ベルト３４の回転に連動して回転する回転プレート３６と、を含む。

前記回転プレート３６の外周面には、回転歯車３８が設けられていて、前記駆動ベルト３４は、前記回転歯車３８と噛み合うように巻き取られる。また、前記回転プレート３６にはプラズマアークトーチ１８が固定されるように結合される。一方、前記昇降プレート２８及び回転プレート３６は、互いに固定されるように結合されてもよく、別々に備えられ、前記昇降モータ２２及び回転モータ３２によりそれぞれ駆動されてもよい。
前記回転モータ３２が作業者により一方向または他方向に回転すれば、前記回転プレート３６が矢印Ｂ方向に回転し、回転プレート３６に固定された前記プラズマアークトーチ１８が周方向に移動する。このようにすれば、前記シリコン溶湯１４の加熱がプラズマアークトーチ１８の固定位置によって円滑に行われるように側壁や角部に位置させることが可能になるので、シリコン溶湯１４の表面で投入される原料などの干渉や加熱面積の分配に有利になるので、全体的にプラズマアークトーチ１８を活用したシリコン溶融に有利な均一な加熱面の確保が可能になる。さらに、図１及び図２を参照して前記プラズマアークトーチ１８の角度調節のための角度調節装置４０の構成について説明する。前記角度調節装置４０は、大きく分けて角度調節モータ４２と、前記角度調節モータ４２で伝達された動力を直線運動に変換させるカム歯車４８と、前記カム歯車４８の回転に連動して径方向に移動可能であり、前記プラズマアークトーチ１８と連結されるトーチ連結部材５２と、を含む。

前記角度調節モータ４２のモータ軸４３の先端には、かさ歯車４４が設けられる。また、前記かさ歯車４４は、カム歯車４８の外周面に形成された歯車部５０と噛み合う。一方、前記カム歯車４８は、カム歯車バックス４６の内部に設けられるものであって、前記角度調節モータ４２で伝達される回転運動力を直線の運動力に変換させる役目をする。

このために、前記カム歯車４８には、多数のカムスリット４９が形成される。前記カムスリット４９は、所定の曲率を有するものであって、本実施例では、４個が略直交して配置されている。前記カムスリット４９には、前記トーチ連結部材５２の連結ピン５３が挿入されて案内される。したがって、前記カム歯車４８が回転すれば、前記トーチ連結部材５２が径方向に直線運動をしながらプラズマアークトーチ１８の角度を調節する。

具体的に説明すれば、前記トーチ連結部材５２は、回転ピンＰを介して前記プラズマアークトーチ１８の連結部１９と特定方向の軸回転が可能になるように連結される。また、図１を参照すれば、前記プラズマアークトーチ１８は、昇降プレート２８に設置された固定部５５及び回転ピンＰによって回転自在に連結される。ここで、前記固定部５５は、前記プラズマアークトーチ１８の回転中心になる。したがって、前記トーチ連結部材５２が図１で左右方向に直線運動をすれば、前記プラズマアークトーチ１８は、固定部５５を中心に矢印Ｃ方向に回転する。このように前記角度調節装置は、シリコン溶湯１４に対するプラズマアークトーチ１８の角度を調節することによって、シリコン溶湯１４の側壁または中央側に加熱が行われることができるようにする。

一方、以上では、前記角度調節装置がかさ歯車４４により動力が伝達されるように構成したが、これに必ず限定されるものではなく、平歯車、ウォーム歯車などにより動力が伝達されるようにする構成も可能である。

以下、前述したような構成を有する本発明によるプラズマアークトーチの位置調節装置の作用を詳細に説明する。

まず、本発明では、プラズマアークトーチ１８が放射状に４個配置される。したがって、図４に示されたように、従来の図３より加熱領域が広くなり、シリコン溶湯１４を全体的に均一に加熱することができる。

また、前記プラズマアークトーチ１８は、前述したように昇降装置、回転装置及び角度調節装置により作業者が容易に操作することができるように構成される。したがって、供給される原料の量及び粒度によるプラズマアークトーチ１８とシリコン溶湯１４との距離及び／または角度を調節することができ、加熱が十分に行われない側壁、角部及び中央部にも加熱が充分に行われることができるので、原料の溶融性及び溶融物の純度を向上することができる。

一方、次には、従来の単一プラズマアークトーチ１８と本発明の多数のプラズマアークトーチ１８とで加熱した時の測定値を比較した実験データが示されている。

これを参照すれば、まず、初期溶湯形成時間は、従来に比べて顕著に減少することが分かる。このように初期溶湯形成時間が減少することによって、全体的な工程速度を速くすることができる。また、誘導電源出力も従来に比べて約２００ｋＷ減少したことが分かる。一方、プラズマアークトーチ１８は、１個ではなく、４個が使用されたので、プラズマ出力は増加するが、全体的な出力の和は、従来に比べて減少することが分かる。総合して見れば、本発明によるプラズマアークトーチの位置調節装置によれば、連続鋳造のための初期準備時間が減少し、引き出し速度を増加させることができ、高品質のシリコンインゴットを鋳造するのに有利であることを確認することができる。

本発明の権利範囲は、上記で説明した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載したものにより定義され、本発明の技術分野における通常の知識を有する者が特許請求の範囲に記載した権利範囲内で様々な変形が可能であることは自明である。

１４ シリコン溶湯、１８ プラズマアークトーチ、２０ 昇降装置、２２ 昇降モータ、２４ 駆動歯車、２６ ねじジャッキ、２８ 昇降プレート、３０ 回転装置、３２ 回転モータ、３４ 駆動ベルト、３６ 回転プレート、４０ 角度調節装置、４２ 角度調節モータ、４４ かさ歯車、４８ カム歯車、４９ カムスリット、５２ トーチ連結部材、５５ 固定部、Ｐ 連結ピン

Claims (5)

1. シリコン溶湯に対してプラズマアークトーチを昇降させる昇降装置と、
   前記シリコン溶湯に対してプラズマアークトーチを周方向に回転させる回転装置と、
   前記シリコン溶湯に対してプラズマアークトーチの角度を調節する角度調節装置と、を含み、
   前記プラズマアークトーチは、多数個が放射状に配置されて、
   前記昇降装置は、昇降モータと、前記昇降モータに連結され、動力を伝達する駆動歯車と、前記駆動歯車と噛み合って回転するねじジャッキと、前記ねじジャッキに連結され、前記ねじジャッキの回転に連動して昇降する昇降プレートと、を含み、
   前記回転装置は、回転モータと、前記回転モータから動力を伝達されて回転する駆動ベルトと、前記駆動ベルトが巻き取られ、前記駆動ベルトの回転に連動して回転する回転プレートと、を含み、
   前記角度調節装置は、角度調節モータと、前記角度調節モータで伝達された動力を直線運動に変換させるカム歯車と、前記カム歯車の回転に連動して径方向に移動可能であり、前記プラズマアークトーチと回転自在に連結されるトーチ連結部材と、を含むことを特徴とするプラズマアークトーチの位置調節装置。
2. 前記プラズマアークトーチの回転中心になり、前記回転プレートに固定される固定部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマアークトーチの位置調節装置。
3. 前記角度調節モータのモータ軸にかさ歯車が設けられ、前記カム歯車に動力を伝達することを特徴とする請求項１に記載のプラズマアークトーチの位置調節装置。
4. 前記トーチ連結部材には、前記カム歯車に形成されたカムスリットに挿入される連結ピンが設けられることを特徴とする請求項３に記載のプラズマアークトーチの位置調節装置。
5. 前記プラズマアークトーチは、４個が周方向で９０度の間隔をあけて配置されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマアークトーチの位置調節装置。

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