TWI529266B - Silicon electromagnetic casting device - Google Patents

Description

矽之電磁鑄造裝置

本發明係關於一種製造主要用於太陽電池用矽基板之矽鑄塊之矽之電磁鑄造裝置。

作為用以改善全球性環境問題之方法之一，太陽電池正不斷普及。所製造之太陽電池根據資源量豐富及光電轉換效率高之故，大半係使用矽結晶者，其中使用藉由電磁鑄造而製造之多晶矽之基板之太陽電池的生產正不斷增加。

該矽之電磁鑄造係於爐體容器內藉由在內部利用冷卻水循環之銅製坩堝、及設置於該坩堝之外周之感應線圈，而於坩堝內利用電磁力將矽塊懸浮熔解，一邊將矽塊向下方連續地下拉一邊使其凝固，藉此製造矽鑄塊。

據此於經水冷卻之坩堝之內部利用電磁力將矽塊懸浮熔解，故熔解矽不與坩堝之內面接觸，從而可消除熔解矽之來自坩堝之雜質污染。又，為熔解矽塊而使用之坩堝亦幾乎不與熔解矽接觸，因此不會造成損傷，從而可作為永久之坩堝而使用。

如此，上述矽之電磁鑄造藉由連續製造長度非常長之矽鑄塊所帶來的高生產性、穩定且固定之鑄造條件所帶來的矽鑄塊之高品質性及均質性，而成為工業生產法之一。

然而，上述矽之電磁鑄造中顯著存在如下問題。即，矽鑄塊之連續下降所致之凝固過程中，如圖1所示，於坩堝、熔解矽及已凝固之矽鑄塊之三者之接觸點處，某微量之熔解矽介入於已凝固之矽鑄塊與坩堝之間之微小間隙，該介入之熔解矽凝固時體積膨脹而產生按壓坩堝之內面之力。矽由液體變為固體時，體積膨脹約9%。即，該現象與通常之金屬相反，係於凝固時體積膨脹之矽之特異性質所致者。

介入於坩堝與矽鑄塊之間之熔解矽凝固而體積膨脹時將坩堝之內面向外側按壓之力，於鑄塊橫切面較小時，作為總和並非相對較大之力，該力與藉由坩堝之剛性而壓回之力平衡，即便繼續鑄造坩堝亦不會更加向外側變形。

然而，若矽鑄塊大型化而鑄塊橫切面變大，則按壓坩堝之內面之力伴隨所按壓之面積增大，藉由力之力矩之關係而累積變大，超過坩堝之剛性，坩堝向外側較大地變形而永久變形。於矽鑄塊之凝固界面高度坩堝向外側擴大使得坩堝寬度變大時，獲得符合該寬度之較大寬度之鑄塊。隨著繼續鑄造，矽鑄塊之寬度逐漸變大，坩堝更加向外側彎曲，坩堝之中腹與下部之寬度相比變大時，矽鑄塊無法下降。

例如，於製造方型之矽鑄塊之情形之具有正方形之剖面之方型坩堝中，將矽鑄塊之剖面之寬幅設為35 cm時，出現於凝固界面高度之坩堝之向外側之永久變形。坩堝之變形量隨著鑄造之推進而擴大，伴隨該現象矽鑄塊之邊長不斷擴大，某時點以後矽鑄塊無法下降。

本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於提供一種可防止矽之電磁鑄造中之坩堝之向外側之變形的矽之電磁鑄造裝置。

為達成上述目的，本發明之矽之電磁鑄造裝置包括：爐體容器；導電性之坩堝，其設置於爐體容器之內部；及感應線圈，其設置於該坩堝之外周；且該矽之電磁鑄造裝置係利用特定氣體使上述爐體容器內為固定壓力，藉由對上述感應線圈負載電壓而使上述坩堝內之矽感應發熱而熔解後凝固者，其特徵在於，在上述坩堝之外周面嵌合有包含電性絕緣材之剛性構造體。藉此，即便於熔解矽介入於已凝固之矽鑄塊與坩堝之間之微小間隙，且該介入之熔解矽凝固時體積膨脹而按壓坩堝之內面之情形，亦可藉由於坩堝之外周面嵌合有剛性構造體而防止坩堝之向外側之變形。

又，上述剛性構造體較好的是於已熔解之矽與已凝固之矽鑄塊之凝固界面高度位置處，嵌合於上述坩堝之外周面。藉此尤其是於作為易產生向外側之變形之部位的凝固界面高度位置處，可防止坩堝之向外側之變形。

又，上述剛性構造體亦可嵌合於內徑為35 cm以上之上述坩堝之外周面。藉此，尤其是於作為易產生向外側之變形之尺寸之坩堝中，可防止坩堝之向外側之變形。

根據本發明，即便為熔解矽介入於已凝固之矽鑄塊與坩堝之間之微小間隙，且該介入之熔解矽凝固時體積膨脹而按壓坩堝之內面之情形，亦可藉由於坩堝之外周面嵌合有剛性構造體而防止坩堝之向外側之變形。因此可連續進行穩定之矽鑄塊之製造。

接下來一邊參照圖式一邊對本發明之實施形態之矽之電磁鑄造裝置(以下，稱為本裝置1)進行說明。

<整體構成>

如圖2或圖4所示，本裝置1包含：爐體容器100；坩堝200，其係設置於爐體容器100之內部；感應線圈300、300'，其係設置於坩堝200之外周；石墨台400，其載置矽塊；上下移動裝置500，其使石墨台400上下移動；溫度控制爐600，其控制熔解矽S'之凝固；以及原料供給器700，其設置於坩堝200之上方。對於該等各構件，係與先前之裝置相同之構成者。

再者，對於矽，將加熱前之狀態稱為矽塊，將加熱後之熔解之狀態稱為熔解矽S'，將冷卻後之已凝固之狀態稱為矽鑄塊S。

<爐體容器之構成>

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

於該爐體容器100之上部形成有送入口110，並且於下部形成有排氣口120。鑄造時，將爐體容器100內藉由真空泵(省略圖式)減壓至0.1 Torr為止後，自送入口110送入特定氣體(例如氬氣)直至大氣壓為止。

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

<坩堝之構成>

上述坩堝200係銅製，冷卻水於內部循環而冷卻坩堝側壁。再者，210係冷卻水流入或流出之管。

為於周方向電性絕緣，該坩堝200於周方向被分割為複數之區段。又，於坩堝200之各區段之間插入雲母等電性絕緣材。

再者，圖2及圖3所示之坩堝200係剖面形狀為正方形，圖4及圖5所示之坩堝係剖面形狀為圓形。

<剛性構造體構成>

於上述坩堝之外周面嵌合有包含電性絕緣材之剛性構造體。例如，於圖3所示之坩堝200之情形時，嵌合有方筒狀之剛性構造體810。又，於圖5所示之坩堝200之情形時，嵌合有剛性構造體為圓筒狀之剛性構造體820。

為推斷介入於坩堝200與矽鑄塊S之間之矽之熔液S"凝固時體積膨脹而將坩堝200向外側按壓之力，使用圖1所示之懸臂梁模型。

該模型中，所介入之矽之熔液S"被封入半球狀且長度(L)為4 mm、厚度(T)為2 mm、寬度(W)為2 mm之矽柱SH之中而凝固。凝固而膨脹時之力f1向相對於坩堝之內面垂直方向按壓，與此同時，相同大小之力f2相反地朝向矽柱SH按壓。因矽柱SH係下端被固定之懸臂梁，故而若作用於矽柱SH之力f2作用於矽柱SH之中心點，則矽柱SH變形之行為近似於長度為4 mm且厚度及寬度為2 mm之矩形剖面之懸臂梁於長度方向之中心點受到集中負載之變形行為。

若能獲知彈性模數與降伏應變之大小則可推斷於矩形剖面之懸臂梁於長度方向之中心點受到集中負載而變形時之力與變形量之關係。梁受到負載時，首先於彈性變形區域伴隨負載之增加梁之應變按比例增大。該比例關係維持至梁之應變到達降伏應變量為止。梁之應變到達降伏應變量時，之後梁於塑性變形區域繼續變形，用以繼續變形之負載與到達降伏應變量之負載並無較大變化。因此，可近似地認為用以使梁繼續變形之最大負載成為梁之應變到達降伏應變量時之負載，與該降伏時之最大負載相同大小且相反方向之力f1成為按壓坩堝200之力。

由其他物質之值類推融點附近之固體矽之彈性模數(楊氏模數)與降伏應變量。矽於常溫中為半導體，但於500℃左右以上之溫度時顯示金屬性質。又，矽於融點附近之高溫時變軟，易於塑性變形。通常，作為參考，常溫之金屬之楊氏模數為50~150 GPa，玻璃為65~90 GPa。楊氏模數因溫度依存性不大，故而可認為於融點附近之溫度成為30%左右。因此，將矽之楊氏模數於常溫設為100 GPa，於融點附近設為30 GPa。

金屬之降伏應變量通常較多於常溫定義為0.2%耐力。即，金屬中降伏應變為0.2%左右。然而，降伏應變之大小因溫度依存性較大，越高溫越小，故而於融點附近與常溫相比設為1/10左右。因此，將融點附近之矽之降伏應變量設為0.02%。

楊氏模數為30 GPa且長度4 mm、厚度2 mm、寬度2 mm之矽柱SH之懸臂梁最大應變至0.02%為止時之長度方向之中心點上之集中負載的大小計算為約4 N。此時之梁之長度方向之中心點上之變形量(最大變形量)變為0.00027 mm。因此，根據本模型計算，介入於坩堝200與矽鑄塊之間之矽之熔液S"凝固時體積膨脹而將坩堝200向外側按壓之力算定為沿坩堝200接觸於熔解矽S'及矽鑄塊S之水平線每2 mm之長度約4 N。

以由上述所算出之將坩堝200向外側按壓之力為基準，推斷製造具有350 mm之正方形剖面之矽鑄塊S的坩堝之變形行為。若坩堝200之內邊為350 mm，則以合計約700 N之力於坩堝之正方形之一邊沿矽鑄塊S之凝固界面而作為等分佈負載來施加。

另一方面，為防止矽之熔液S"之體積膨脹所致之坩堝200之應變，對於嵌合於坩堝200之外周之包含電性絕緣材之剛性構造體810，推算使用纖維強化塑膠之情形之應變強度。纖維強化塑膠係使用玻璃纖維者，可選定楊氏模數具有10 GPa之材質。使用該玻璃纖維強化塑膠，將具有100 mm厚度、30 mm寬度之構造體嵌合於具有350 mm之內邊之坩堝200之外周之情形時，可近似地認為該剛性構造體係於內側四邊形之一邊與坩堝200共同受到最大700 N之力作為等分佈負載。於此情形時，坩堝200及纖維強化塑膠之剛性構造體810所受到之力與應變之關係可利用坩堝200之經分割之區段之尺寸，作為厚度33 mm、寬度23.3 mm且具有700 mm之跨距之矩形剖面之銅梁於兩端自由端受到集中負載之斥力、以及具有350 mm跨距之厚度100 mm、寬度30 mm之纖維強化塑膠之梁受到自由端雙夾持梁之均等負載時之斥力的合計而計算。

於對該複合梁施加700 N之負載之情形時，若將纖維強化塑膠之楊氏模數設為10 GPa，銅之楊氏模數設為110 GPa，則於纖維強化塑膠梁之中央位置之最大變形量計算為0.011 mm，最大彎曲應力為0.43 MPa，最大應變率為0.0043%。該最大彎曲應力與纖維強化塑膠之拉伸強度130 MPa相比足夠小。因此，若將纖維強化塑膠之剛性構造體810嵌合於坩堝200，則可防止受到矽之熔液之介入時之凝固體積膨脹所引起之力的坩堝200永久變形，從而可使矽鑄塊S連續下降。

接下來，對於使用製造圓柱狀之矽鑄塊S之圓筒狀之坩堝200之情形，對於在外周嵌合有纖維強化塑膠之剛性構造體820之坩堝200之變形強度進行推算。由日本工業標準(JIS(Japanese Industrial Standard) B9265)所規定之壓力容器之強度計算記述有於內壓施加有之薄片圓筒中對作用於容器之圓周方向之拉伸應力使用安全率4。將鑄造矽之坩堝200之內徑設為600 mm，外徑設為660 mm，將嵌合於坩堝200之外周之纖維強化塑膠之剛性構造體820之厚度設為2 mm，嵌合之寬度設為50 mm。於此情形時，熔解矽S"介入於坩堝200與已凝固之矽鑄塊S之間而凝固時按壓坩堝200之內面之力係每1 mm作用2 N之力，因此對坩堝200之1884 mm之內周整體作用3768 N之力。關於該經合計之將坩堝200向外側按壓之力，若考慮坩堝200之剛性所致之反作用力，則可近似為通過坩堝200之剛性而自內側均等地按壓嵌合於坩堝200之外周面之纖維強化塑膠之圓筒狀之剛性構造體820之力。

因此，近似於在內徑660 mm、寬度50 mm、厚度2 mm之纖維強化塑膠之圓筒狀之剛性構造體820中將以合計為3768 N之力均等地施加於103620 mm²之內面。因此，內壓0.037 MPa所作用之內徑660 mm、厚度2 mm之纖維強化塑膠之圓筒狀之剛性構造體820中，計算出作用於圓周方向之拉伸應力為6.6 MPa。因日本工業標準(JIS B9265)中將安全率設為4，故而若該纖維強化塑膠之拉伸強度為26.4 MPa以上，則不存在圓筒狀之剛性構造體820之破壞之問題。如上所述，因該纖維強化塑膠之拉伸強度為130 MPa，故而與包含安全率之必要強度相比足夠大，可防止嵌合於受到矽之熔液S"之介入時之凝固體積膨脹所致之力之坩堝200的纖維強化塑膠之圓筒狀之剛性構造體820之破壞以及坩堝200之變形。

<其他構件之構成>

上述感應線圈300、300'係藉由負載有電壓，從而使上述坩堝200內之矽塊感應發熱而熔解者。

尤其是圖2所示之感應線圈300係2個不同之感應頻率之感應線圈310、320上下配置而成。於該等2個不同之感應頻率之各感應線圈310、320之間，設置有用以遮斷相互之磁作用之防磁板330。再者，負載於各感應線圈310、320之端子電壓較好的是設為900 V以下，進而好的是設為600 V以下。

上述溫度控制爐600係用以將熔解矽S'平緩地冷卻而使其凝固者。通常，自上方朝向下方保持特定之溫度梯度，最終將熔解矽S'平緩地冷卻至特定溫度為止。

上述石墨台400係包含石墨之台座。於鑄造時藉由上下移動裝置500而配置至下側之感應線圈之高度為止後，所裝入之矽塊被載置於台上。接著，藉由於爐體容器100內沿中心線下降，而使熔解矽S'邊下降邊凝固。

上述上下移動裝置500係使上述石墨台400沿爐體容器100之中心線而上下移動者。對於該上下之移動，藉由另外設置之驅動裝置(省略圖式)而根據鑄造條件來適當上下移動。

上述原料供給容器700係將成為原料之矽塊或石墨塊自上方裝入坩堝200內者。首先，裝入特定重量之矽塊後，於其上表面裝入石墨塊。該石墨塊係輔助矽之發熱者，將感應線圈通電時，首先石墨塊發熱而升溫後，下方之矽塊受到石墨之輻射熱而升溫。矽塊變為特定溫度以上時矽塊之電阻值下降，矽塊中之感應電流增加而開始自發熱。與矽塊開始自發熱同時，上方之石墨塊自坩堝200向上方被抽離。

實施例1

作為矽之電磁鑄造裝置之實施例，如圖2及圖3所示，作為使用在坩堝200之外周面嵌合使用電性絕緣體之剛性構造體810之裝置而製造角柱狀之矽鑄塊S之情形，如下述般進行。

本實施例中，矽鑄塊S之鑄造方向之橫切面為正方形，且其寬幅長度為35 cm。因此，將水平方向之橫切面為正方形之坩堝200之內寬徑設為35 cm，外寬徑設為41.6 cm，將用以將坩堝200於縱方向電性絕緣之分割數設為60。分割為60之坩堝200之各區段之長度為70 cm，以於內部循環冷卻水之方式而加工，並向各區段間插入電性絕緣材之雲母。坩堝200內之冷卻水為以合計每分鐘500公升之流量。

又，兩個感應線圈310、320係上下配設，上方側之感應線圈310係正方形之2線撚且內寬徑為42.6 cm、高度為15 cm，並連接至最大輸出350 kW之感應電源，將感應頻率設定為10 kHz。又，下方側之感應線圈320係與上方側之感應線圈310為同一形狀，連接至最大輸出150 kW之感應電源，將感應頻率設定為35 kHz。並設之兩個感應線圈310、320係設置於坩堝200之高度方向之中心，於兩感應線圈310、320之間設置有厚度3 mm之銅製之防磁板330，藉由蛇管將該防磁板330之外周水冷卻。

又，將使用纖維強化塑膠之剛性構造體810嵌合於坩堝200之外周面之情況示於圖3。沿坩堝200之外邊於下方側之感應線圈320之正下方，將內邊(梁之長度)為41.6 cm、梁之厚度為10 cm、梁之寬度為3 cm之剛性構造體810與坩堝200黏著固定而嵌合。

本實施例之操作順序係如下。首先，使相對於下降方向之橫切面為正方形且寬幅為35 cm之石墨台400以使其上表面與感應線圈320之下端位置相同之方式載於上下移動裝置500而自下方插入坩堝200中，於該石墨台400上裝入50 kg之矽塊。於距離所裝入之矽塊之上表面2 cm上方處，將相對於下降方向之橫切面為正方形、且其寬幅為30 cm、高度為7 cm之石墨塊自坩堝200之上方插入。藉由真空泵將爐體容器100內減壓至0.1 Torr後，將氬氣送入爐內直至達到大氣壓為止，接著，對頻率10 kHz之上方側之感應線圈310施加感應輸出並依次增加至成為200 kW為止，接著亦對35 kHz之下方側之感應線圈320施加感應輸出並使其增加至100 kW為止。對兩個感應線圈310、320通電時，首先，插入於矽塊之上方之石墨塊會感應發熱而升溫變為紅色，接著所裝入之矽塊藉由變為紅色之石墨塊之輻射熱而升溫。該矽塊之溫度達到約500℃時矽之電阻值下降，矽塊中之感應電流增加而開始自發熱。與矽塊開始自發熱之同時，將上述石墨塊自坩堝200中於上方抽離。進而分別使上方側之感應線圈310之感應輸出增加至350 kW，使下方側之感應線圈320之感應輸出增加至150 kW，從而使矽之熔解加速。開始自發熱之矽塊進一步升溫，不久便完全熔解。熔解矽S'與坩堝200之內面壁相對之側面受到電磁力而使熔解矽S'與坩堝200非接觸而相隔開。

初期所裝入之矽完全熔解而被穩定地保持後，將設置於坩堝200之正下方之矽鑄塊之溫度控制爐600升溫而於矽鑄塊之下降方向保持約35℃/cm之溫度梯度。接著，一邊將經整粒為1至20 mm之矽原料自位於上方之原料供給器700向坩堝200中連續裝入，一邊使保持熔解矽S'之上下移動裝置500下降而開始鑄造。當上下移動裝置500之下降開始，使熔解矽S'下降到低於下方側之感應線圈320之下端之位置時，熔融矽S'所受到之電磁力減少故而冷卻並凝固。

如此，同時進行連續之原料供給與連續之鑄塊凝固而實施連續鑄造。本實施例中，鑄造速度以每分鐘2.0 mm進行，關於恆定之鑄造時之感應電源輸出，於上方側之感應線圈310中為約260 kW，於下方側之感應線圈320中為約80 kW。鑄造係於鑄塊之全長達到200 cm時停止。

將以上述順序鑄造之鑄塊冷卻至室溫後，將鑄塊自爐內取出，並測定坩堝200之內邊向外側之變形。具結果可確認坩堝200未變形。

實施例2

作為矽之電磁鑄造裝置之實施例，如圖4及圖5所示，作為使用在坩堝200之外周面嵌合使用電性絕緣體之剛性構造體820之裝置而製造圓柱狀之矽鑄塊S之情形，如下述般進行。

本實施例中，矽鑄塊之鑄造方向之橫切面為圓形，且其直徑為600 mm。因此，將坩堝200之內徑設為600 mm，外徑設為660 mm，將用以將坩堝200於縱方向電性絕緣之分割數設為60。分割為60之坩堝200之各區段以冷卻水於內部循環之方式而加工，並向各區段間插入電性絕緣材之雲母。坩堝200內之冷卻水為以合計每分鐘500公升之流量。

又，感應電源使用最大輸出600 kW，頻率使用約6 kHz。感應線圈300'係內徑670 mm之3線撚且線圈高度為300 mm。自上表面加熱矽之熔液之電漿噴射裝置(省略圖式)包含：直徑為98 mm且長度為1.5 m之經水冷卻之電漿炬、最大輸出300 kW之直流電源、電漿氣體點火用之高頻發送裝置以及氬氣之流量控制器。電漿炬之電漿噴射口之直徑為18 mm。

又，將於坩堝200之外周嵌合使用纖維強化塑膠之剛性構造體820之情況示於圖5。沿坩堝200之外周於感應線圈300'之正下方將厚度為2 mm、寬度為50 mm之剛性構造體820卷於坩堝200而黏著固定。

本實施例之順序係如下。首先，使下降方向之橫切面之直徑為600 mm之石墨台400以使台座之上表面與感應線圈300'之下端位置相同之方式隨著上下移動裝置500而於坩堝200中自下方插入，於該石墨台400上裝入120 kg之矽塊。接著，藉由真空泵將爐體容器100內減壓至0.1 Torr為止後，將氬氣送入爐內直至大氣壓為止。接著，使電漿炬以其前端接近於台座上之矽塊之方式下降，進而使氬以每分鐘200公升流入電漿炬而於電漿炬之陰極與矽塊之間將直流電漿點火。確認電漿之點火後，發送感應電源而對矽塊施加電力。

開始氬電漿之點火與感應電源之施加而逐漸增加接通電力時，矽塊之升溫加速，不久便開始矽塊之熔解。自矽之熔解開始起進而自原料供給器700將矽原料，繼續接通直至熔解矽S'之量變為250 kg為止。受到電漿噴射之照射，且於坩堝200內經感應熔解之矽之熔液之狀態穩定，矽之熔液與坩堝200之內面壁對面之側面受到電磁力，從而與坩堝200非接觸而相隔。

初期熔解穩定地完成後，使設置於坩堝200之正下方之鑄塊之溫度控制爐600升溫並於矽鑄塊S之下降方向保持約50℃/cm之溫度梯度。進而，一邊將已破碎之矽原料自位於上方之原料供給器700向坩堝200中連續地裝入，一邊使保持熔解矽S'之上下移動驅動裝置500下降而開始鑄造。上下移動驅動裝置500之下降開始時，連續之原料之供給與連續之鑄塊之凝固同時完成，從而實施有連續鑄造。本實施例中，鑄造速度以每分鐘3.0 mm進行，以固定之鑄造時之感應電源輸出為約400 kW、用以產生電漿之輸出為電壓約130 V、電流約1500 A之約200 kW來進行。鑄造係於鑄塊之全長成為3 m時停止。

將以上述順序鑄造之鑄塊冷卻至室溫後，將鑄塊自爐內取出，從而測定向坩堝200之內邊之外側之變形。其結果可確認坩堝200未變形。

產業上之可利用性

本發明可應用於為製造用於太陽電池用矽之基板之高品質之矽鑄塊，藉由感應發熱將矽塊熔解而製造矽鑄塊之矽之電磁鑄造。

1．．．本裝置

100．．．爐體容器

110．．．送入口

120．．．排氣口

130．．．底壁

130a．．．插通孔

140．．．密封構件

200．．．坩堝

210．．．管

300、300'．．．感應線圈

310．．．上方側之感應線圈

320．．．下方側之感應線圈

330．．．防磁板

400．．．石墨台

500．．．上下移動裝置

600．．．溫度控制爐

700．．．原料供給器

810、820．．．剛性構造體

f1、f2．．．力

L．．．矽柱之長度

S．．．矽鑄塊

S'．．．熔解矽

S"．．．矽之熔液

SH．．．矽柱

T．．．矽柱之厚度

圖1係表示推斷介入於坩堝與矽鑄塊之間之熔解矽凝固時體積膨脹而將坩堝向外側按壓之力的懸臂梁模型之圖。

圖2係第1實施例之矽之電磁鑄造裝置之構成概略圖。

圖3係圖2之嵌合有剛性構造體之方筒狀之坩堝之立體圖。

圖4係第2實施例之矽之電磁鑄造裝置之構成概略圖。

圖5係圖4之嵌合有剛性構造體之圓筒狀之坩堝之立體圖。

200．．．坩堝

210．．．管

810．．．剛性構造體

Claims (11)

1. 一種矽之電磁鑄造裝置，其包括：爐體容器；導電性之坩堝，其設置於上述爐體容器之內部；及感應線圈，其設置於上述坩堝之外周；其特徵在於：在上述導電性之坩堝之外周面嵌合有包含電性絕緣材之剛性構造體；利用特定氣體保持上述爐體容器內為固定壓力，藉由對上述感應線圈施加端子電壓而感應發熱而使上述導電性之坩堝內之矽塊熔解為熔解矽塊後使其凝固成矽鑄塊；其中凝固界面形成於熔解矽塊及已凝固之矽鑄塊之間；且上述剛性構造體係於上述凝固界面高度位置處嵌合於上述導電性之坩堝之外周面。
2. 如請求項1之矽之電磁鑄造裝置，其中上述導電性之坩堝其水平方向之橫切面內徑為35cm以上。
3. 如請求項1或2之矽之電磁鑄造裝置，其中上述剛性構造體包含具有10GPa以上之楊氏模數之纖維強化塑膠。
4. 如請求項1或2之矽之電磁鑄造裝置，其中上述導電性之坩堝之水平方向之橫切面為正方形，內寬徑為35cm，外寬徑為41.6cm，且上述導電性之坩堝係分割為60區段，剛性構造體沿導電性之坩堝之外邊而形成梁，上述梁之長度為41.6cm，其係相對於導電性之坩堝之外邊的內邊，梁之厚度為10cm，梁之寬度為3cm。
5. 如請求項1或2之矽之電磁鑄造裝置，其中上述導電性之坩堝之水平方向之橫切面為圓形，其內徑為600mm，外徑為660mm，且上述導電性之坩堝係分割為60區段，剛性構造體沿導電性之坩堝之外邊而形成環，上述環之厚度為2mm，寬度為50mm。
6. 如請求項1之矽之電磁鑄造裝置，其中上述感應線圈係於矽之電磁鑄造裝置中包含複數之感應線圈，且複數之感應線圈之一設置於其他感應線圈之上方，對複數之感應線圈之各者操作在不同之頻率。
7. 如請求項6之矽之電磁鑄造裝置，其中於操作在不同之頻率之複數之感應線圈的各者之間設置有防磁板。
8. 如請求項1之矽之電磁鑄造裝置，其中上述感應線圈於矽之電磁鑄造裝置中包含第一及第二感應線圈，第一感應線圈設置於第二感應線圈之上方，且上述第一及第二感應線圈係操作在不同之頻率。
9. 如請求項8之矽之電磁鑄造裝置，其中上述剛性構造體係接近於第二感應線圈之底部而設置。
10. 一種由矽塊製造矽鑄塊之製程，其包含下述步驟：向設置於爐體容器之內部之導電性之坩堝供給矽塊，且於該導電性之坩堝中設置包圍坩堝之外側高度之一部分的複數之感應線圈；及通過形成於導電性之坩堝高度之至少一部分之電性絕緣之區段而使冷卻液循環；上述製程之特徵在於包含下述步驟： 於上述導電性之坩堝之外周面嵌合包含電性絕緣材之剛性構造體；將剛性構造體於導電性之坩堝之外周上設置於接近在導電性之坩堝內於熔解矽及矽鑄塊間形成凝固界面之位置之高度處；供給特定氣體而保持上述爐體容器內為固定壓力；對複數之感應線圈各者施加端子電壓；對複數之感應線圈各者供給不同之感應頻率；及藉由感應發熱在上述矽塊熔解而形成上述熔解矽後於導電性之坩堝中形成上述矽鑄塊。
11. 一種矽鑄塊，其係藉由包含下述步驟之電磁鑄造製程而形成：向設置於爐體容器之內部之導電性之坩堝供給矽塊，且於上述導電性之坩堝中設置包圍坩堝之外側高度之一部分的複數之感應線圈；及通過形成於導電性之坩堝高度之至少一部分之電性絕緣之區段而使冷卻液循環；上述製程之特徵在於包含下述步驟：於上述導電性之坩堝之外周面嵌合包含電性絕緣材之剛性構造體；將剛性構造體於導電性之坩堝之外周上設置於接近在導電性之坩堝內於熔解矽及矽鑄塊間形成凝固界面之位置之高度處；供給特定氣體而保持上述爐體容器內為固定壓力； 對複數之感應線圈各者施加端子電壓；對複數之感應線圈各者供給不同之感應頻率；及藉由感應發熱在上述矽塊熔解而形成上述熔解矽後於導電性之坩堝中形成上述矽鑄塊。