JPS6152962A - 導体または半導体材料の鋳造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は導体ｄヲよび半導体材料を鋳造する方法およ
び装置に関し、ざらに詳しくは、前記材オ！３１を鋳造
材料の汚染を最少にして実質的に連続的に鋳造する方法
および装置に関するものである。

〈従来の技術〉 導体および半導体材層［を特定の横断面形状を有するイ
ンボッ１〜に鋳造できることが知られている。これまで
、前記材料の鋳造方法としてはバッチ式鋳造技術が利用
されており、その場合、固体または溶融状態の所定量の
供給（Ａ科が、特別の横断面形状を有する鋳型内に導入
される。

供給材料が固体状態で鋳型内に導入される場合は、材料
を溶融する装置が設けられる。供給材料が溶融状態にな
ると、この材料は鋳型内で固化され、冷却されて、鋳型
の内壁の輪郭により決定される所望横断面形状を有する
鋳造インゴットが製造される。

このようなバッチ式鋳造方法は少なくとも２つの共通の
欠点を有している。最初に、鋳造インボッ１へが各バッ
チに基づいて製造されることから、インボッ１〜の全体
的な製造但は一度に利用できる鋳型数により制限される
と共に、ざら　　　　　　艷に各バッチの溶融、固化お
よび冷却に要する長い製造時間によってもｆｌｒｌＪ限
を受ける。第２に、通常のすべてのバッチ式方法におい
ては、溶融および／または固化段階において供給材料が
鋳型の内壁に接触させられる。高純度のインボッ１−の
製造が望まれる場合は１、前述の接触は、鋳型の内壁か
らの汚染物が溶融材料中に導入されて、形成されるイン
ボッ１−の結晶１１４造中に保持されて有害である。さ
らに、大きな結晶粒子サイズを有するインゴットが所望
の場合は、固化期間中の溶融材料と鋳型の内壁との接触
は、壁核形成（Ｗａｌｌ　ｎｕｃｌｅａｔ１０ｎ　）効
果により有害で必る。

〈発明の目的〉 したがってこの発明の目的は、尋体および半導体材料を
所定横断面形状を有するインゴットに、実質的に連続的
に鋳造できる方法および装置を提供することである。

この発明の別の目的は、鋳造プロセスの溶融固化および
／または冷却８過程において、前記の材料が鋳型の内壁
に実質的に接触しないようにした鋳造方法および装置を
提供することでおる。

この発明のざらに別の目的は、鋳造環境内のスラツプま
たは浮遊片が、形成されるインボッ１〜の品質に重大な
影響を与えないようにしたｊｊ造方法および装置を提供
することである。

この発明のざらに別の目的は、溶融材お１からの熱が迅
速かつ効率的に除去されて、形成されたインゴットの急
速な固化および冷却を可能とする、導体おＪ：び半導体
材料の鋳造方法および装置を提供することでおる。

この発明のざらに別の目的は、供給材料が広範な形状お
よびサイズで導入され得るようにしたＨ遣方法および装
置を提供することである。

〈発明の要旨〉 この発明によれば、開放頂部と底部を有する容器状領域
を形成するように並置された複数の導電性部材からなる
装置か提供される。この装置はざらに各導電性部材に高
周波ＡＣ電流を誘導する装置を備えている。さらに、前
記容器状領域の開放底部を通して引込み自在な支持部材
が設けられている。

この発明の装置の動作においては、支持部材は最初、容
器状領域の開口端底部の内側に位置されている。それか
ら誘導装置が付勢されて、誘導装置に隣接する各導電性
部材に磁気的に電流が誘導される。

次いで、導体または半導体供給材料が、溶融状体または
固体状態で容−器状領域の頂部内に導入される。支持部
材は、供給材料を支持する動きをする。導入される供給
材料が固体状態でかつ半導体性質を有している場合は、
供給材料が予め適切なドーパントにより処理されていな
いならば、供給材料を昇温状態にするために直接加熱装
置が必要になる。導体供給材料が固体状態で導入される
場合は、加熱装置は不要でおる。

前述の導電性部材中の誘導電流は集合的に作用して、主
として供給材料の前記誘導装置に隣接する部分に磁気的
に電流を誘導する。材料内の誘導電流は材料を溶融状態
まで加熱し、および／またはその状態に材料を維持する
。材料内の誘導電流は、各導電性部材を流れる誘導電流
に対して実質的に反対の方向に流れ、その結果、材料は
導電性部材から反発される。このような反発性により供
給材料は鋳造プロセス中に、導電性部材の内壁に直接接
触しないように保持され、したがって材料の汚染が防止
される。

容器状領域の誘導装置に隣接する部分から支持部材が徐
々に下降されると、溶融材１′３１の最下方部分が前述
の反発性電流により、導電性部材の内壁に実質的に接触
することなく固化する。

材料は固化する時に導電性材料に接触することがないか
ら、壁核形成が避けられ、鋳造インゴット中に形成され
る結晶粒子サイズは最大になる。固化プロセスの継続と
ともに、新しい供給材料を容器状領域の頂部内へ導入す
ることかできる。この新しい供給材料は、それが容器状
領域内に既に存在する溶融供給材料により溶融され得る
割合で追加される。装置中での継続的な　　　　　１材
料の固化および追加により、実質的に連続的なプロセス
が達成され、所望の横断面形状を有する大きな高純度イ
ンゴットを製造することができる。

、（実施例〉 以下に好ましい実施例を示、す図面を参照してこの発明
を詳述する。

第１図はこの発明による鋳造装置の斜視図を示している
。図示のように、この装置は複数の導電性垂直部材２を
備えており、これらの部材２は並置されて開放頂部ａ３
　Ｊ：び開放底部を有する容器状領域４を形成している
。垂直部材２は相互に接触しておらず、共通基部材６に
対して（銀半田付は技術または類似技術により）固定さ
れる。第２図に示したように、各垂直部材２には長手方
向内部通路２０か設けられて、そこに冷五Ｂ流体を流動
さぼるようになっている。１５１１として、垂直部材２
は銅チューブから形成されている。

明らかなように、垂直部材２は前記容器状領域４内に特
定の横断面形状を形成するように配置することができる
。後述の説明から明らかになるように、容器状領域４内
の横断面形状は、この発明により製造される最終インゴ
ット；汝品の横断面形状を決定する。

この装置はさらに、好ましくは２巻き以上の無線周波数
（ＲＦ）誘導加熱コイル８を備えている。ＲＦコイル８
は前述の複数の垂直部′４Δ２の頂部分を包囲するよう
に配置されるが、ＲＦコイル８はいずれの垂直部材２に
対しても直接接触しないようにされている。第２図に示
されるように、シールド１６が垂直部材２とＲＦコ゛イ
ル８との間に配置されて、垂直部材２とＲＦコイル８と
の間の電気アークを防止できるようになっており、また
前記シールド１６は、例えば石英のような材料から形成
されている。

垂直方向に引込められる支持部材１０が、前記容器状領
域４の開口端底部を通過して設けられている。この支持
部材１０−は、容器状領域４の水平横断面により形成さ
れるのと実質的に同一形状の頂面１２を有するように設
計されている。支持部材１０が容器状領域４内で実質的
に垂直稼動できるようにするため、支持部材１０の頂面
１２は容器状領域４の前記水平横断面より若干量さい寸
法を有している。支持部材１０は、例えば黒鉛のような
柵Ｊ’Ｅ＋から形成される。

この発明の装置の動作を説明すると、支持部材１０は最
初、容器状領域４の開口端底部の内側に位置決めされて
、支持部ｖＵｌＯの頂面１２かＲＦコイル８の最下方巻
き部とほぼ同高になるようにされる（第３Ａ図参照）。

次いで冷却液を垂直部材２の通路２０に循環ざぜ、ＲＦ
コイル８が付勢される。？Ｆコイルに供給される電力は
、例えば発電数から得られる。ＲＦコイル８の巻き部を
通る電流は、各垂直部材２の前記ＲＦコイル８により包
囲されている部分に、土として共通電流を磁気的に誘導
づる。こうして、各垂直部材２は−巻きの高圧二次変圧
器巻き体としての機能を有するａ垂直部材２の通路２０
を循環する冷却液は、垂直部材２がそこを流れる誘導電
流により加熱されることを防止するようになっている。

第３Ａ図に示されるように、次に導体または半導体供給
材′Ａ’ｉ＋　１４が容器状領域４の頂部内に導入され
る。供給材）’３＋　１４は第３Ａ図に示されるように
固体状態でもよく、必るいは溶融状態でもよい。固体供
給材料１４はこの発明の装置の作動に実質的に影響を与
えることなく、種々の形状およびサイズで導入される。

支持部材１０の頂面１２は、導入される供給材料１４を
垂直に支持する作用を有している。供給材料１４が半導
体で、装置内に固体形状で導入される場合は、供給材料
１４を容器状領域４内で昇温状態になすための補助加熱
装置が必要になり、前記昇温状態では供給材料１４は導
体となり、垂直部材２中の誘導ＲＦ電流により直接加熱
される。前述の加熱装置は、例えば黒鉛加熱ロッドとす
ることができ、このロッドは固体半導体供給材料１４に
直接接触される。支持部材１゜が導体（Δ料（例えば黒
鉛）で形成されている場合は、この材料は垂直部材２内
の誘ＧＲＦ電流により加熱されると共に、補助加熱装置
とじて機能することになる。供給材料］４が固体導体材
料の場合は、補助加熱装置は不要でおる。

垂直部材２内に誘導された前述の電流は集合的に、主と
してＲＦコイル８により包囲されている材料１４の部分
に、磁気的に無線周波数（ＲＦ　）電流を誘導するよう
に作用する。第３Ｂ図に示されるように、材料１４中に
誘導されたＲＦ雷電流材料１４を溶融状態まで加熱し、
および／またはその状態に維持する。参考として、Ｒ「
コイル８に適用される電力は、供給材イ１１４が溶融状
態に到達するのに十分な電流を、供給材料１４に誘導す
るのに必要な電力に制限される。

当該技術分野において知られているように、多くの材′
Ａｓ＋は典型的な雰囲気条件においては溶融状態にされ
たときに酸化する。酸化により典型的には溶融材料の表
面に、スラッゾ層が形成されるａ鋳造プロセスにおいて
スラップの存在は一１皮に留ましくないがら、この発明
はスラップの発生を最少にするために、制御された雰囲
気（例えば、真空条件または不活性ガスの存在）中で実
施される。導体および半導体材料の鋳造のための制り１
１された雰囲気を提供するために、種々の手段が知られ
ている。

再び第３Ｂ図を参照すると、）ｄ融伺利１４中に誘導さ
れた前述の電流は、いつでも垂直材料２を流れる電流に
対して実質的に反対方向におり、その結果、溶融材料１
４は垂直部側２から押しやられ反発される。この反発に
より溶融材料１４は垂直部材２の内壁１Ｂに直接接触し
ないように保持され、これによって鋳造プロセス中に、
内壁１８から溶融材料１４内に汚染物が導入されること
が実質的に防止される。従って、この発明が高純度のイ
ンゴットを製造する新規な方法および装置を提供するこ
とが明らかでおろう。

引込み自在な支持部材１ｏが、ＲＦコイル８により包囲
されている容器状領域４の部分からゆっくり下降される
と（第３ｃ図参照）、溶融材料１４の最下方部分に誘導
される電流は徐々に減少し、この最下方部分は垂直部材
２の内壁１８に対して実質的に接触することなく、徐々
に固化して鋳造インゴット２２が形成される。

溶融材料１４の固化は垂直部側２の通路２０を流動する
冷却液により促進され、この冷却液は固化により発生す
る放射溶融熱を消散させる。

溶融材１１１４はインゴット２２に固化する際、垂直部
材２に接触することが実質的に防止されることから、壁
核形成が避けられると共に、形成されたインボッ１−２
２の結晶粒子サイズは最大になる。

この発明の装置の動作においては、溶融材料１４は液中
境界面２４においてインゴット２２に固化されることに
留意すべきである（第３Ｃ図参照）。その結果、装置内
で溶融材料１４の頂面に発生するスラップおよび望まし
くない汚染物は、インゴット２２中に包含されなくなる
。

このことは高純度インゴット２２を得ることにさらに寄
与している。

溶融材料１４の固化の継続により、支持部材１０は容器
状領Ｖｉ、４外へ徐々に下降され、追加の供給材料１４
か第３Ｃ図に示されるように、容器状領域４の頂部内へ
贈、入される。新しい供給材料１４は、これが容器状領
域４内に既に存在する溶融材料１４と共に溶融され１口
るＶ］合で追加される。溶融材料１４が継続的に鋳造イ
ンゴット２２に固化し、かつ供給材ａ’′Ａ１４が適合
する割合で追加されることにより、実質的に連続性を有
する導体および半導体月利の鋳造方法がもたらされる。

こうして、この発明を利用して、高いインゴツ！〜生産
損が達成できる。

この発明は、ケイ素を大きな結晶粒子サイズを有する高
純度インゴットに鋳造するのに特に適している。このよ
うなインゴットは、高純度のケイ素要素か望まれる光電
池の用途のためにざらに処理を行なうことができる。そ
の揚台光電池電力の発生は、大きい結晶粒子サイズを有
す するケイ素要素を利用することにより最大にてきる。

この発明の実験的実施例においては、１６個の垂直銅部
材が使用された。各垂直部材は、６ｍｍｘ６ｍｍの正方
形断面形状を有し、１０旬ｍの長さを有している。これ
ら部材を垂直に配置して、八面体に近い形の角部を有ず
、る、２６１１′１ｍ×２６１１０１の正方形の取り囲
み横断面形状を形成した。

各銅部材は銀半田付けにより供給基部に取付け、それぞ
れに水冷装置＠設Ｃプた。８３ｍ１ｌｌの内径を有する
２つの外巻き、および５　’ｌ　ｍｍの内径を有する３
つの内巻きからなる５つ巻きの銅ＲＦコイルを使用した
。コイルは３３ｍｍの高さを有すると共に、その中央面
を垂直銅部材の頂部から３４ｍｍ下方の位置に置いた。

２ｍｍの肉厚の石英製アークシールドを、コイルと垂直
部材列との間に同軸状に配置した。黒鉛支持部材を用い
た。次に、１２Ｃ１のケイ素を、コイルの中央面にある
ように支持部材上に載置した。ＲＦ発電礪を用いてＲＦ
コイルを４６４　Ｋ　Ｈｚの周波数で、６．８ｋＷの電
力で付勢した。７分以内で、黒鉛支持部材から放射され
た熱がケイ素を、それが誘導ＲＦ雷電流仏心させる温度
まで加熱した。次に、電力を１０．３ｋｗまで増加して
、１２ｇのケイ素を溶融した。それから、２０１＋１１
１１の径の固体ケイ素ロンドを取り囲み領域の開口頂部
内に導入して、溶融ケイ素と接触させた。このｎ；７点
て、電力を１５．７ｋＷに増加し、支持部材を２．５ｎ
＋＋ｕ／分で下方へ引込め、供給ケイ素ロッドを取り囲
み領域内へ５．４ｍｎ１／分の割合で供給した。１８ｈ
間１０分の運転操作後、供給ロッドは完全に消費されて
、１７ｃｍ長の鋳造ケイ素インゴッ１−か製造された。

鋳造インゴットは実質的に正方形断面形状（約２５　ｍ
ｍｘ　２５　ｍｎ＋）を有していた。

〈発明の効果〉 上述したように、この発明によれば、導体または半導体
月利を所定横断面形状を有するインボッ１〜に連続的に
鋳造することができる。特に、鋳造プロセスの溶融、固
化および／または冷却過程においてこれらの材料が鋳型
の内壁に実質的に接触しないようにできるから、鋳型内
壁からの汚染物か拐料中に含有されることなく、高純度
のインゴットが得られるとともに、檗核形成が避けられ
、結晶粒子リーイズの大きいインゴットを得ることがで
きる。

以上の説明はこの発明の原理の例示に過ぎ′ないもので
おる。さらに、多くの修正ｄ″３よび変更が可能である
から、この発明はここに図示し説明した］黄道おにび方
法に限定されるものではなく、したがってすべての適切
な修正および均等物は、特許請求の範囲で限定されるこ
の発明の範囲内にあるものと理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に用いられる装置の一実施例の斜視図
、第２図は第１図の実施例の断面図、第３Ａ図、第３Ｂ
図および第３Ｃ図は心棒または半導体材料を鋳造する進
行過程における第２図の断面図の一連の経過を示す説明
図でおる。 １２・・・導電性部ＩＡ、４・・・容器状領域、８・・
・第１電流誘電装置（無線周波数誘導加熱コイル）、１
０・・・引込み自在な支持部材、１４・・・材料、１６
・・・シールド。 ＲＦ発電惜 Ｆ・他・２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の導電性部材を容器状領域を形成するように配
   列し；導体または半導体材料を前記容器状領域内へ導入
   し；前記各導電性部材中に第１の電流を誘導し；前記第
   １の電流を用いて、前記第１の電流の共通の流れ方向に
   対して実質的に反対方向に流れる第２の電流を前記材料
   中に誘導せしめ；前記第１の電流および第２の電流を用
   いて、前記材料がその鋳造中に前記導電性部材から反発
   して前記材料と前記導電性部材との接触が実質的に防止
   できるようにすることを特徴とする導体または半導体材
   料の鋳造方法。 ２、前記材料が鋳造プロセスの少なくとも一部の時間溶
   融状態にある特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、前記導電性部材を配列するに際し、前記導電性部材
   を実質的に垂直方向に並置して、前記容器状領域が開口
   頂部と開口底部を有するように、また所望の横断面形状
   を有するようにする特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４、複数の導電性部材を容器状領域を形成するように配
   列し；導体または半導体材料を前記容器状領域内へ導入
   し；前記各導電性部材中に第１の電流を誘導し；前記第
   １の電流を用いて、前記第１の電流の共通の流れ方向に
   対して実質的に反対方向に流れる第２の電流を前記材料
   中に誘導せしめ；前記第１の電流および第２の電流を用
   いて、前記材料がその鋳造中に前記導電性部材から反発
   して前記材料と前記導電性部材との接触が実質的に防止
   できるようにし；前記材料を支持するための垂直方向に
   引込み自在な支持部材を前記容器状領域の前記底部内側
   に設け；前記引込み自在な支持部材を前記容器状領域か
   ら離れる方向に垂直下方に引込めて、前記支持部材に支
   持された溶融材料が前記導電性部材から離れる方向に下
   降するにつれて前記溶融材料が固化して前記所望横断面
   形状と実質的に同じ横断面形状を有する鋳造インゴット
   を形成するようにし；追加量の前記材料を前記容器状領
   域の前記頂部内へ供給し；前記各工程を繰返すことによ
   り実質的に連続鋳造を行なうことを特徴とする導体また
   は半導体材料の鋳造方法。 ５、前記導電性部材を通して冷却液を循環させて、前記
   導電性部材を冷却する特許請求の範囲第４項記載の方法
   。 ６、前記誘導工程において、前記第１の電流が前記各導
   電性部材の実質的に上部に誘導されて、前記第２の電流
   が前記導電性部材の前記上部に実質的に並置された前記
   材料の部分に誘導されるようにし、前記溶融材料が前記
   導電性部材の前記上部から離れる方向に下降するにつれ
   て前記溶融材料が徐々に固化して前記鋳造インゴットを
   形成するとともに、前記冷却液が前記容器状領域から前
   記固化による溶融熱を除去することによって前記溶融材
   料の固化を促進する特許請求の範囲第５項記載の方法。 ７、前記誘導工程において、前記第１の電流を誘導する
   ために無線周波数誘導加熱コイルを使用し、かつ前記誘
   導加熱コイルを前記複数の導電性部材の少なくとも一部
   を包囲するように配置する特許請求の範囲第５項記載の
   方法。 ８、導体または半導体材料を受容し含有する容器状領域
   を形成するように配置された複数の導電性部材と、前記
   各導電性部材中に第１の電流を誘導する装置とからなり
   、前記第１の電流が集合的に前記材料中に第２の電流を
   誘導するように作用し、前記第２の電流が前記第１の電
   流の共通の流れ方向に対して実質的に反対方向に流れる
   ことにより、前記材料がその鋳造中に前記導電性部材か
   ら反発して前記材料と前記導電性部材との接触が実質的
   に防止できるようにしたことを特徴とする導体または半
   導体材料の鋳造装置。 ９、前記材料が鋳造プロセスの少なくとも一部の時間溶
   融状態にある特許請求の範囲第８項記載の装置。 １０、導体または半導体材料を受容し含有する容器状領
   域を形成するとともに、前記容器状領域が開口頂部と開
   口底部を有するように実質的に垂直方向に並置された複
   数の導電性部材と、前記各導電性部材中に第１の電流を
   誘導する装置と、最初の状態においては前記容器状領域
   の底部内側に配置されていて前記材料を支持するための
   垂直方向に引込み自在な支持部材とからなり、前記第１
   の電流が集合的に前記材料中に第２の電流を誘導するよ
   うに作用し、前記第２の電流が前記第１の電流の共通の
   流れ方向に対して実質的に反対方向に流れることにより
   前記材料がその鋳造中に前記導電性部材から反発して前
   記材料と前記導電性部材との接触が実質的に防止できる
   ようにするとともに、前記引込み自在な支持部材が前記
   容器状領域の前記底部外へかつそこから離れる方向に垂
   直に下降して前記支持部材に支持された溶融材料が前記
   導電性部材から離れる方向に下降するにつれて、前記溶
   融材料が固化して鋳造インゴットが形成され、かつ前記
   支持部材が垂直に下降するにつれて、追加材料が前記容
   器状領域の前記頂部内に受容され、これによって実質的
   に連続鋳造ができるようにしたことを特徴とする導体ま
   たは半導体材料の鋳造装置。 １１、前記導電性部材が所望横断面形状を有する容器状
   領域を形成するように配置されており、かつ前記鋳造イ
   ンゴットが前記所望横断面形状と実質的に同じ横断面形
   状を有している特許請求の範囲第１０項記載の装置。 １２、前記各導電性部材に冷却液を循環して前記導電性
   部材を冷却するようにした特許請求の範囲第１１項記載
   の装置。 １３、前記第１の電流は前記各導電性部材の実質的に上
   部に誘導されて、前記第２の電流が前記導電性部材の前
   記上部に実質的に並置された前記材料の部分のみに誘導
   されるようにし、前記溶融材料が前記導電性部材の前記
   上部から離れる方向に下降するにつれて前記溶融材料が
   徐々に固化して前記鋳造インゴットを形成するとともに
   、前記冷却液が装置から前記固化による溶融熱を除去す
   ることによって前記溶融材料の固化を促進するようにな
   っている特許請求の範囲第１２項記載の装置。 １４、前記誘導装置が無線周波数誘導加熱コイルであり
   、かつ前記誘導加熱コイルが前記複数の導電性部材の少
   なくとも一部を包囲するように配置されている特許請求
   の範囲第１２項記載の装置。