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JP2012036067A - Electromagnetic casting device of silicon ingot - Google Patents

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JP2012036067A
JP2012036067A JP2010180679A JP2010180679A JP2012036067A JP 2012036067 A JP2012036067 A JP 2012036067A JP 2010180679 A JP2010180679 A JP 2010180679A JP 2010180679 A JP2010180679 A JP 2010180679A JP 2012036067 A JP2012036067 A JP 2012036067A
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JP
Japan
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heat
ingot
silicon
temperature
electromagnetic
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Pending
Application number
JP2010180679A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuo Takemura
泰夫 竹村
Hiroshi Koya
浩 小屋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumco Solar Corp
Original Assignee
Sumco Solar Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromagnetic casting device of a silicon ingot, enabling accurate monitoring of temperature variation of the casting surface of the ingot immediately under a cooling crucible even if Si fumes are generated.SOLUTION: In the electromagnetic casting device, a silicon raw material 11 is charged in the bottomless cooling crucible 7 disposed in a chamber 1; the raw material 11 is melted by electromagnetic induction heating from an induction coil 8 surrounding the crucible 7; and the ingot 3 is continuously cast by solidifying the molten silicon 12 while it is pulled down from the crucible 7. A monitoring window 15 is provided to the sidewall of the chamber 1. A heat resisting tube 17 is provided between the monitoring window 15 and the vicinity of the casting surface of the ingot 3 immediately under the crucible 7. The end face, on the ingot 3 side, of the heat resisting tube 17 is closed by a heat resisting plate 18. The temperature of the heat resisting plate 18 is measured through the heat resisting tube 17 by a radiation thermometer 16 outside the monitoring window 15. The variation of the casting surface temperature of the ingot 3 is monitored on the basis of the measured temperature.

Description

本発明は、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ための電磁鋳造装置に関する。   The present invention relates to an electromagnetic casting apparatus for continuously casting a silicon ingot that is a material of a substrate for a solar cell.

太陽電池の基板には、多結晶のシリコンウェーハを用いるのが主流である。その多結晶シリコンウェーハは、一方向性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。従って、太陽電池の普及を図るには、シリコンウェーハの品質を確保するとともに、コストを低減する必要があるため、その前段階で、シリコンインゴットを高品質で安価に製造することが要求される。この要求に対応できる方法として、例えば、特許文献1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、「電磁鋳造法」ともいう)が実用化されている。   The mainstream of the solar cell substrate is a polycrystalline silicon wafer. The polycrystalline silicon wafer is manufactured by slicing a unidirectionally solidified silicon ingot. Therefore, in order to promote the spread of solar cells, it is necessary to secure the quality of the silicon wafer and reduce the cost. Therefore, it is required to manufacture the silicon ingot at a high quality and at a low cost in the previous stage. As a method that can meet this requirement, for example, as disclosed in Patent Document 1, a continuous casting method using electromagnetic induction (hereinafter also referred to as “electromagnetic casting method”) has been put into practical use.

図4は、電磁鋳造法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。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、開閉可能な原料供給シャッター2を介し、図示しない原料供給装置が連結されている。チャンバー1は、上部に不活性ガス導入口5が設けられ、下部の側壁に排気口6が設けられている。   FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration of a typical representative 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 device (not shown) is connected to the upper wall of the chamber 1 via a raw material supply shutter 2 that can be opened and closed. The chamber 1 is provided with an inert gas inlet 5 at the top and an exhaust port 6 at the lower side wall.

チャンバー1内には、無底冷却ルツボ7、誘導コイル8およびアフターヒーター9が配置されている。冷却ルツボ7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、チャンバー1内に吊り下げられている。この冷却ルツボ7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。   In the chamber 1, a bottomless cooling crucible 7, an induction coil 8, and an after heater 9 are disposed. The cooling crucible 7 functions not only as a melting container but also as a casting mold, and is a rectangular tube made of metal (for example, copper) excellent in thermal conductivity and conductivity, and is suspended in the chamber 1. The cooling crucible 7 is formed with a plurality of slits (not shown) in the vertical direction, leaving the upper and lower portions, and is divided into a plurality of strip-shaped pieces in the circumferential direction by the slits, and is forced by cooling water flowing through the inside. To be cooled.

誘導コイル8は、冷却ルツボ7を囲繞するように、冷却ルツボ7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。アフターヒーター9は、冷却ルツボ7の下方に冷却ルツボ7と同芯に複数連設され、冷却ルツボ7から引き下げられるシリコンインゴット3を加熱して、その軸方向に適切な温度勾配を与える。   The induction coil 8 is provided around the cooling crucible 7 so as to surround the cooling crucible 7 and is connected to a power supply device (not shown). A plurality of after-heaters 9 are concentrically connected to the cooling crucible 7 below the cooling crucible 7 and heat the silicon ingot 3 pulled down from the cooling crucible 7 to provide an appropriate temperature gradient in the axial direction thereof.

また、チャンバー1内には、原料供給シャッター2の下方に原料導入管10が配設されている。原料供給シャッター2の開閉に伴って、粒状や塊状のシリコン原料11が原料供給装置から原料導入管10に供給され、原料導入管10を通じて冷却ルツボ7内に投入される。   In the chamber 1, a raw material introduction pipe 10 is disposed below the raw material supply shutter 2. Along with opening and closing of the raw material supply shutter 2, granular or lump silicon raw material 11 is supplied from the raw material supply device to the raw material introduction pipe 10 and is introduced into the cooling crucible 7 through the raw material introduction pipe 10.

チャンバー1の底壁には、アフターヒーター9の真下に、インゴット3を抜き出すための引出し口4が設けられ、この引出し口4はガスでシールされている。インゴット3は、引出し口4を貫通して下降する支持台14によって支えられながら引き下げられる。   On the bottom wall of the chamber 1, an extraction port 4 for extracting the ingot 3 is provided immediately below the after heater 9, and the extraction port 4 is sealed with gas. The ingot 3 is pulled down while being supported by a support base 14 that descends through the drawer opening 4.

冷却ルツボ7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3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7の上部に挿入される。   A plasma torch 13 is provided directly above the cooling crucible 7 so as to be movable up and down. The plasma torch 13 is connected to one pole of a plasma power supply device (not shown), and the other pole is connected to the ingot 3 side. The plasma torch 13 is inserted into the upper part of the cooling crucible 7 by lowering.

このような電磁鋳造装置を用いた電磁鋳造法では、冷却ルツボ7にシリコン原料11を投入し、誘導コイル8に交流電流を印加するとともに、冷却ルツボ7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7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8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7の内壁側の渦電流が冷却ルツボ7内に磁界を発生させる。これにより、冷却ルツボ7内のシリコン原料11は電磁誘導加熱されて溶解し、溶融シリコン12が形成される。   In the electromagnetic casting method using such an electromagnetic casting apparatus, the silicon raw material 11 is charged into the cooling crucible 7, an alternating current is applied to the induction coil 8, and the plasma torch 13 inserted at the top of the cooling crucible 7 is energized. Do. At this time, since the strip-shaped pieces constituting the cooling crucible 7 are electrically divided from each other, an eddy current is generated in each piece due to electromagnetic induction by the induction coil 8, and the cooling crucible 7 The eddy current on the inner wall side generates a magnetic field in the cooling crucible 7. As a result, the silicon raw material 11 in the cooling crucible 7 is melted by electromagnetic induction heating to form molten silicon 12.

また、プラズマトーチ13とシリコン原料11、さらには溶融シリコン12との間にプラズマアークが発生し、そのジュール熱によっても、シリコン原料11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12が形成される。   In addition, a plasma arc is generated between the plasma torch 13 and the silicon raw material 11, and further the molten silicon 12, and the silicon raw material 11 is heated and melted by the Joule heat to reduce the burden of electromagnetic induction heating. The molten silicon 12 is efficiently formed.

溶融シリコン12は、冷却ルツボ7の内壁の渦電流に伴って生じる磁界と、溶融シリコン12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12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7と非接触の状態に保持される。冷却ルツボ7内でシリコン原料11を溶解させながら、溶融シリコン12を支える支持台14を徐々に下降させると、誘導コイル8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7からの冷却により、溶融シリコン12は外周部から凝固が進行する。そして、支持台14の下降に伴ってシリコン原料11を冷却ルツボ7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12が一方向に凝固し、インゴット3を連続鋳造することができる。   The molten silicon 12 has a force (pinch force) in the inner normal direction of the surface of the molten silicon 12 due to the interaction between the magnetic field generated along with the eddy current on the inner wall of the cooling crucible 7 and the current generated on the surface of the molten silicon 12. ) Is held in a non-contact state with the cooling crucible 7. When the support 14 that supports the molten silicon 12 is gradually lowered while the silicon raw material 11 is dissolved in the cooling crucible 7, the induction magnetic field decreases as the distance from the lower end of the induction coil 8 decreases. Further, the molten silicon 12 is solidified from the outer peripheral portion by cooling from the cooling crucible 7. Then, the silicon raw material 11 is sequentially introduced into the cooling crucible 7 as the support base 14 is lowered, and by continuing melting and solidification, the molten silicon 12 solidifies in one direction, and the ingot 3 can be continuously cast. it can.

鋳造中、チャンバー1内を不活性ガス雰囲気に維持するため、チャンバー1の上部の不活性ガス導入口5から不活性ガスが逐次供給され、チャンバー1内の不活性ガスは、チャンバー1の下部側壁の排気口6から逐次排出される。このとき、プラズマトーチ13からのプラズマアークにより溶融シリコン12からSi(シリコン)が激しく蒸発しており、このSi蒸気はチャンバー1内で凝集してSiヒュームとなり、不活性ガスとともに排気口6から排出される。   In order to maintain the inside of the chamber 1 in an inert gas atmosphere during casting, the inert gas is sequentially supplied from the inert gas inlet 5 at the top of the chamber 1, and the inert gas in the chamber 1 is supplied to the lower side wall of the chamber 1. Are sequentially discharged from the exhaust port 6. At this time, Si (silicon) is vigorously evaporated from the molten silicon 12 by the plasma arc from the plasma torch 13, and this Si vapor aggregates in the chamber 1 to form Si fume, which is discharged from the exhaust port 6 together with the inert gas. Is done.

このような電磁鋳造装置によれば、溶融シリコン12と冷却ルツボ7との接触が軽減されるため、その接触に伴う冷却ルツボ7からの不純物汚染が防止され、高品質のインゴット3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3を製造することが可能になる。   According to such an electromagnetic casting apparatus, contact between the molten silicon 12 and the cooling crucible 7 is reduced, so that impurity contamination from the cooling crucible 7 due to the contact is prevented, and a high-quality ingot 3 can be obtained. it can. And since it is continuous casting, it becomes possible to manufacture the ingot 3 at low cost.

国際公開WO02/053496号パンフレットInternational Publication WO02 / 053496 Pamphlet

通常、電磁鋳造法では、インゴット3の鋳肌表面の温度を冷却ルツボ7の直下で監視し、その鋳肌表面温度の変動に応じて誘導コイル8に印加する電流の設定値を調整する操業が行われる。このため、上述した従来の電磁鋳造装置では、前記図4に示すように、チャンバー1の側壁に透明なガラス板が嵌め込まれた監視窓15を設置し、この監視窓15の外部に放射温度計16が配設されている。放射温度計16は、冷却ルツボ7の直下におけるインゴット3の鋳肌表面の温度を直接測定し、これにより、インゴット3の鋳肌表面の温度変動を監視する。   Usually, in the electromagnetic casting method, the temperature of the casting surface of the ingot 3 is monitored directly below the cooling crucible 7, and the operation of adjusting the set value of the current applied to the induction coil 8 according to the fluctuation of the casting surface temperature is performed. Done. For this reason, in the conventional electromagnetic casting apparatus described above, as shown in FIG. 4, a monitoring window 15 in which a transparent glass plate is fitted is installed on the side wall of the chamber 1, and a radiation thermometer is provided outside the monitoring window 15. 16 is disposed. The radiation thermometer 16 directly measures the temperature of the casting surface of the ingot 3 immediately below the cooling crucible 7, thereby monitoring the temperature fluctuation of the casting surface of the ingot 3.

しかし、従来の電磁鋳造装置では、鋳造中、プラズマトーチ13に通電しプラズマアーク加熱を併用した原料溶解に伴って、チャンバー1内にSiヒュームが著しく発生し、前記図4に示すように、監視窓15と冷却ルツボ7の直下のインゴット3との間にSiヒュームFが不規則に浮遊する状態となる。このため、インゴット3の鋳肌表面の実体温度が一定であっても、浮遊するSiヒュームFの量によって、インゴット3の鋳肌表面から放射温度計16に到達する放射熱エネルギーが変化し、これに伴って放射温度計16による測定温度が変化する事態が生じる。すなわち、インゴット3の鋳肌表面の実体温度と放射温度計16による測定温度との差(以下、「計測誤差」という)が一定とならない。その結果、インゴット3の鋳肌表面の温度変動を正確に監視することができない。   However, in the conventional electromagnetic casting apparatus, during casting, Si fume is remarkably generated in the chamber 1 as the raw material is melted by energizing the plasma torch 13 and using plasma arc heating together, and as shown in FIG. Si fume F floats irregularly between the window 15 and the ingot 3 immediately below the cooling crucible 7. For this reason, even if the substantial temperature of the casting surface of the ingot 3 is constant, the radiant heat energy reaching the radiation thermometer 16 from the casting surface of the ingot 3 changes depending on the amount of floating Si fume F. As a result, the temperature measured by the radiation thermometer 16 changes. That is, the difference between the actual temperature of the casting surface of the ingot 3 and the temperature measured by the radiation thermometer 16 (hereinafter referred to as “measurement error”) is not constant. As a result, it is impossible to accurately monitor temperature fluctuations on the casting surface of the ingot 3.

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、プラズマトーチによるプラズマアーク加熱を併用した原料溶解に伴って、チャンバー内にSiヒュームが発生した場合であっても、計測誤差を一定とし、冷却ルツボの直下でインゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することができるシリコンインゴットの電磁鋳造装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and when silicon ingots are continuously cast, Si fumes are generated in the chamber along with the melting of the raw material in combination with plasma arc heating by a plasma torch. Even if it exists, it aims at providing the electromagnetic casting apparatus of the silicon ingot which can make a measurement error constant and can monitor the temperature fluctuation of the casting surface of an ingot correctly just under a cooling crucible.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。監視窓と冷却ルツボの直下のインゴットとの間にSiヒュームが不規則に浮遊する状態であっても、計測誤差を一定とするには、監視窓とインゴットの鋳肌表面近傍との間にわたり耐熱管を設け、この耐熱管のインゴット側の端面を耐熱板で閉塞し、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定するのが有効である。耐熱板はインゴットの鋳肌表面からの輻射熱を逐次吸収し、その輻射熱に応じて赤熱するため、耐熱板の温度はインゴットの鋳肌表面温度を逐次反映したものとなり、また、耐熱板によって閉塞された耐熱管内は、温度測定の障害となるSiヒュームの進入が阻止されているからである。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have obtained the following knowledge. To keep the measurement error constant even when Si fume is irregularly floated between the monitoring window and the ingot directly under the cooling crucible, heat resistance is applied between the monitoring window and the vicinity of the casting surface of the ingot. It is effective to provide a tube, close the end surface on the ingot side of the heat resistant tube with a heat resistant plate, and measure the temperature of the heat resistant plate through the heat resistant tube with a radiation thermometer. The heat-resistant plate absorbs the radiant heat from the surface of the ingot's casting surface and red heats in response to the radiant heat. This is because the inside of the heat-resistant tube is prevented from entering Si fume, which becomes an obstacle to temperature measurement.

本発明は、上記の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記に示すシリコンインゴットの電磁鋳造装置にある。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連続鋳造する電磁鋳造装置において、チャンバーの側壁に監視窓を設け、この監視窓と無底冷却ルツボの直下におけるシリコンインゴットの鋳肌表面近傍との間にわたり耐熱管を設け、この耐熱管のシリコンインゴット側の端面が耐熱板で閉塞されており、監視窓の外部に配置した放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定し、測定した耐熱板の温度に基づいてシリコンインゴットの鋳肌表面温度の変動を監視することを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造装置である。   The present invention has been completed based on the above findings, and the gist of the present invention resides in an electromagnetic casting apparatus for a silicon ingot described below. 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. In an electromagnetic casting device that continuously casts a silicon ingot by pulling it down from the crucible, a monitoring window is provided on the side wall of the chamber, and heat resistance is provided between the monitoring window and the vicinity of the casting surface of the silicon ingot directly under the bottomless cooling crucible. The end of the heat-resistant tube on the silicon ingot side is closed with a heat-resistant plate, and the temperature of the heat-resistant plate is measured through a heat-resistant tube with a radiation thermometer placed outside the monitoring window. Of the silicon ingot, characterized by monitoring the variation of the casting surface temperature of the silicon ingot based on磁鋳 is forming apparatus.

上記の電磁鋳造装置では、前記耐熱板が石英で構成されることが好ましい。この場合、前記耐熱板が不透明であることが好ましい。   In the above electromagnetic casting apparatus, it is preferable that the heat-resistant plate is made of quartz. In this case, it is preferable that the heat-resistant plate is opaque.

本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置によれば、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、監視窓と冷却ルツボの直下のインゴットとの間にSiヒュームが不規則に浮遊する状態であっても、耐熱板によって閉塞された耐熱管内には、Siヒュームの進入が阻止されてSiヒュームが存在することなく、また、耐熱板がインゴットの鋳肌表面からの輻射熱により赤熱して、インゴットの鋳肌表面温度を逐次反映した温度となるため、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定すれば、計測誤差を一定とすることができ、その放射温度計から逐次出力される温度データに基づいて、インゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することが可能になる。   According to the electromagnetic casting apparatus for silicon ingots of the present invention, when silicon ingots are continuously cast, even if the silicon fume is irregularly floated between the monitoring window and the ingot directly under the cooling crucible, In the heat-resistant pipe blocked by the plate, the entry of Si fume is blocked and there is no Si fume, and the heat-resistant plate is heated red by the radiant heat from the casting surface of the ingot, and the casting surface temperature of the ingot Therefore, if the temperature of the heat-resistant plate is measured through the heat-resistant tube with a radiation thermometer, the measurement error can be made constant, and based on the temperature data sequentially output from the radiation thermometer, It becomes possible to accurately monitor temperature fluctuations on the casting surface of the ingot.

本発明の電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the electromagnetic casting apparatus of this invention. 実施例1の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the measurement temperature by a radiation thermometer, and the applied electric power to an induction coil with respect to the casting length of an ingot as a test result of Example 1. FIG. 実施例2の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the measurement temperature by a radiation thermometer, and the applied electric power to an induction coil with respect to the casting length of an ingot as a test result of Example 2. FIG. 電磁鋳造法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the conventional typical electromagnetic casting apparatus used with an electromagnetic casting method.

以下に、本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置について、その実施形態を詳述する。   Below, the embodiment is described in full detail about the electromagnetic casting apparatus of the silicon ingot of this invention.

図1は、本発明の電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示す本発明の電磁鋳造装置は、前記図4に示す電磁鋳造装置の構成を基本とし、それと同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。   FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the electromagnetic casting apparatus of the present invention. The electromagnetic casting apparatus of the present invention shown in the figure is based on the configuration of the electromagnetic casting apparatus shown in FIG. 4, and the same components are denoted by the same reference numerals, and repeated description is omitted as appropriate.

図1に示すように、本発明の電磁鋳造装置は、チャンバー1の側壁に設置された監視窓15と、冷却ルツボ7の直下におけるインゴット3の鋳肌表面近傍との間にわたり、耐熱管17が設けられている。この耐熱管17は、インゴット3側の端面が耐熱板18で閉塞され、その反対の監視窓15側の端面が開放されている。   As shown in FIG. 1, the electromagnetic casting apparatus of the present invention has a heat-resistant tube 17 extending between a monitoring window 15 installed on the side wall of the chamber 1 and the vicinity of the casting surface of the ingot 3 immediately below the cooling crucible 7. Is provided. The heat-resistant tube 17 has an end face on the ingot 3 side closed with a heat-resistant plate 18, and the opposite end face on the monitoring window 15 side is open.

また、監視窓15の外部には、耐熱管17の延長線上に放射温度計16が配設されている。放射温度計16は、電磁鋳造装置の操業条件を制御する図示しない制御部に接続されている。この制御部は、放射温度計16から逐次出力される温度データに基づいて、インゴット3の鋳肌表面の温度変動を監視し、誘導コイル8に印加する電流の設定値を調整する。   In addition, a radiation thermometer 16 is disposed on the extended line of the heat-resistant tube 17 outside the monitoring window 15. The radiation thermometer 16 is connected to a control unit (not shown) that controls the operating conditions of the electromagnetic casting apparatus. This control unit monitors temperature fluctuations on the casting surface of the ingot 3 based on temperature data sequentially output from the radiation thermometer 16 and adjusts a set value of the current applied to the induction coil 8.

耐熱板18は、耐熱性に加え、近接するインゴット3の鋳肌表面から輻射熱を逐次吸収し、その輻射熱に応じて赤熱する特性が必要であり、透明石英、不透明石英、カーボン、PNB(熱分解窒化ホウ素)、アルミナなどのセラミックスを採用することができる。その中でも透明石英または不透明石英を採用した耐熱板18は、輻射率が高く、しかも、インゴット3への不純物汚染の心配もないことから、好適である。特に、不透明石英は、透明石英と比較して、輻射率がより高く、耐熱性も優れることから、耐熱板18として最も適している。   In addition to heat resistance, the heat-resistant plate 18 needs to absorb radiant heat from the surface of the casting surface of the adjacent ingot 3 and red heat in accordance with the radiant heat. Transparent quartz, opaque quartz, carbon, PNB (thermal decomposition) Ceramics such as boron nitride and alumina can be used. Among them, the heat-resistant plate 18 using transparent quartz or opaque quartz is preferable because it has a high emissivity and there is no fear of impurity contamination to the ingot 3. In particular, opaque quartz is most suitable as the heat-resistant plate 18 because it has higher emissivity and excellent heat resistance than transparent quartz.

耐熱管17は、耐熱性を有する限り材質の限定はないが、上記した耐熱板18と同様の材質を採用することが好ましい。また、耐熱管17と耐熱板18は、一体で成形したものであってもよいし、個別に成形して組み合わせたものでも構わない。   The material of the heat-resistant tube 17 is not limited as long as it has heat resistance, but it is preferable to use the same material as that of the heat-resistant plate 18 described above. Moreover, the heat-resistant tube 17 and the heat-resistant plate 18 may be integrally molded, or may be individually molded and combined.

耐熱管17のインゴット3側の端面、すなわち耐熱板18と、インゴット3の鋳肌表面との隙間は、10〜30mm程度が好ましい。この隙間は、小さ過ぎると、耐熱板18がインゴット3と接触するおそれがあり、大き過ぎると、インゴット3の鋳肌表面から耐熱板18への輻射熱の吸収時間遅れが著しくなるからである。   The clearance between the end surface of the heat-resistant tube 17 on the ingot 3 side, that is, the heat-resistant plate 18 and the casting surface of the ingot 3 is preferably about 10 to 30 mm. If the gap is too small, the heat-resistant plate 18 may come into contact with the ingot 3, and if it is too large, a delay in the absorption time of radiant heat from the casting surface of the ingot 3 to the heat-resistant plate 18 becomes significant.

耐熱管17の監視窓15側の端面と、監視窓15との隙間は、20〜50mm程度が好ましい。この隙間は、両者が接触することにより無くても構わないが、大き過ぎると、その隙間に温度測定の障害となるSiヒュームFが進入するからである。   The clearance between the end face of the heat-resistant tube 17 on the monitoring window 15 side and the monitoring window 15 is preferably about 20 to 50 mm. This gap may be eliminated by contact between the two, but if it is too large, Si fume F that becomes an obstacle to temperature measurement enters the gap.

このような構成の電磁鋳造装置によれば、シリコンインゴットを連続鋳造する際に、耐熱板はインゴットの鋳肌表面からの輻射熱を逐次吸収し、その輻射熱に応じて赤熱するため、耐熱板の温度はインゴットの鋳肌表面温度を逐次反映したものとなる。このとき、プラズマトーチによるプラズマアーク加熱を併用した原料溶解に伴って、チャンバー内にSiヒュームが発生し、監視窓と冷却ルツボの直下のインゴットとの間にSiヒュームが不規則に浮遊する状態であっても、耐熱板によって閉塞された耐熱管内には、Siヒュームの進入が阻止されてSiヒュームが存在しないため、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定すれば、計測誤差を一定とすることができる。その結果、放射温度計から逐次出力される温度データに基づいて、インゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することが可能になる。   According to the electromagnetic casting apparatus having such a configuration, when the silicon ingot is continuously cast, the heat-resistant plate sequentially absorbs radiant heat from the surface of the casting of the ingot and red heats according to the radiant heat. Is one that successively reflects the surface temperature of the casting surface of the ingot. At this time, Si fume is generated in the chamber as the raw material is melted together with the plasma arc heating by the plasma torch, and the Si fume floats irregularly between the monitoring window and the ingot directly under the cooling crucible. Even if there is, Si fume is blocked in the heat-resistant tube blocked by the heat-resistant plate and there is no Si fume, so if you measure the temperature of the heat-resistant plate through the heat-resistant tube with a radiation thermometer, the measurement error will be constant It can be. As a result, it is possible to accurately monitor temperature fluctuations on the surface of the casting surface of the ingot based on the temperature data sequentially output from the radiation thermometer.

本発明の電磁鋳造装置による効果を確認するため、一辺が345mmの正方形断面で全長が4000mmのシリコンインゴットを連続鋳造する試験を行った。この試験では、インゴットを間に挟むチャンバーの両側壁に、それぞれ監視窓を設置するとともに、各監視窓の外部に放射温度計を配置した電磁鋳造装置を用い、一方の監視窓の内側には、前記図1に示すように耐熱管17を設け、他方の監視窓の内側には、前記図4に示すように何も設けなかった。   In order to confirm the effect of the electromagnetic casting apparatus of the present invention, a test was conducted in which a silicon ingot having a square cross section of 345 mm on one side and a total length of 4000 mm was continuously cast. In this test, a monitoring window was installed on each side wall of the chamber sandwiching the ingot, and an electromagnetic casting device in which a radiation thermometer was arranged outside each monitoring window. Inside one monitoring window, As shown in FIG. 1, a heat-resistant tube 17 was provided, and nothing was provided inside the other monitoring window as shown in FIG.

(実施例1)
実施例1の試験では、耐熱管のインゴット側の端面に耐熱板として不透明な石英板を取り付けて、インゴットを連続鋳造した。その際に、インゴットの鋳造長さに応じ、本発明例として耐熱管を配置した側の放射温度計による測定温度、および比較例として耐熱管を配置していない側の放射温度計による測定温度、ならびに誘導コイルへの印加電力を調査した。
Example 1
In the test of Example 1, the ingot was continuously cast by attaching an opaque quartz plate as a heat resistant plate to the end surface of the heat resistant tube on the ingot side. At that time, according to the casting length of the ingot, the measurement temperature by the radiation thermometer on the side where the heat-resistant tube is arranged as an example of the present invention, and the measurement temperature by the radiation thermometer on the side where the heat-resistant tube is not arranged as a comparative example, In addition, the power applied to the induction coil was investigated.

図2は、実施例1の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。同図では、冷却ルツボへのシリコン原料の投入を止めた鋳造終盤の状況であって、プラズマトーチへの通電を非通電に切り替え、プラズマアーク加熱による原料溶解の停止前後の状況を示している。   FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the temperature measured by the radiation thermometer and the power applied to the induction coil with respect to the casting length of the ingot as a test result of Example 1. The figure shows the situation at the end of casting when the silicon raw material is stopped being charged into the cooling crucible, and shows the situation before and after the melting of the raw material by plasma arc heating is stopped by switching the energization to the plasma torch.

同図に示すように、誘導コイルへの印加電力が概ね一定であるにもかかわらず、比較例では、測定温度が大きく変動し、特に、プラズマアーク加熱による原料溶解を停止させたとき、Siヒュームの発生が収まるのに伴って、測定温度が100℃以上急激に上昇した。一方、本発明例では、誘導コイルへの印加電力と同様の傾向で、測定温度が概ね一定となった。   As shown in the figure, in spite of the fact that the applied power to the induction coil is substantially constant, in the comparative example, the measured temperature fluctuates greatly, particularly when the melting of the raw material by plasma arc heating is stopped, As the generation of was subsided, the measurement temperature increased rapidly by 100 ° C. or more. On the other hand, in the example of the present invention, the measured temperature became substantially constant with the same tendency as the applied power to the induction coil.

(実施例2)
実施例2の試験では、耐熱管のインゴット側の端面に耐熱板として透明な石英板を取り付けて、インゴットを連続鋳造した。その際に、上記実施例1の試験と同様に、インゴットの鋳造長さに応じ、本発明例として耐熱管を配置した側の放射温度計による測定温度、および比較例として耐熱管を配置していない側の放射温度計による測定温度、ならびに誘導コイルへの印加電力を調査した。
(Example 2)
In the test of Example 2, a transparent quartz plate was attached as a heat-resistant plate to the end face on the ingot side of the heat-resistant tube, and the ingot was continuously cast. At that time, in the same manner as in the test of Example 1 above, according to the casting length of the ingot, the measurement temperature by the radiation thermometer on the side where the heat-resistant tube is arranged as an example of the present invention, and the heat-resistant tube as a comparative example are arranged. The temperature measured by the radiation thermometer on the other side and the power applied to the induction coil were investigated.

図3は、実施例2の試験結果としてインゴットの鋳造長さに対し放射温度計による測定温度および誘導コイルへの印加電力の関係を示す図である。同図では、冷却ルツボへのシリコン原料の投入を逐次行う鋳造中盤の状況であって、プラズマトーチに通電し、プラズマアーク加熱による原料溶解を継続的に行っている状況を示している。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the temperature measured by the radiation thermometer and the power applied to the induction coil with respect to the casting length of the ingot as a test result of Example 2. This figure shows a situation in the middle of the casting in which the silicon raw material is sequentially charged into the cooling crucible, and shows a situation where the plasma torch is energized and the raw material melting is continuously performed by plasma arc heating.

同図に示すように、誘導コイルへの印加電力が一定であるにもかかわらず、比較例では、測定温度が大きく変動した。一方、本発明例では、誘導コイルへの印加電力と同様の傾向で、測定温度が概ね一定となり、その変動も極めて小さかった。   As shown in the figure, the measured temperature fluctuated greatly in the comparative example, although the power applied to the induction coil was constant. On the other hand, in the example of the present invention, the measurement temperature was almost constant with the same tendency as the applied power to the induction coil, and the fluctuation was extremely small.

本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造装置によれば、耐熱板によって閉塞された耐熱管内には、Siヒュームの進入が阻止されてSiヒュームが存在することなく、また、耐熱板がインゴットの鋳肌表面からの輻射熱により赤熱して、インゴットの鋳肌表面温度を逐次反映した温度となるため、放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定すれば、計測誤差を一定とすることができ、インゴットの鋳肌表面の温度変動を正確に監視することが可能になる。したがって、本発明の電磁鋳造装置は、インゴットの鋳肌表面温度の変動に応じて誘導コイルに印加する電流の設定値を精度よく調整できる点で極めて有用である。   According to the electromagnetic casting apparatus for a silicon ingot of the present invention, Si fume is prevented from entering the heat-resistant pipe closed by the heat-resistant plate, and there is no Si fume, and the heat-resistant plate is the surface of the casting surface of the ingot. The red heat is generated by the radiant heat from the surface, and the temperature of the surface of the ingot casting surface is sequentially reflected. Therefore, if the temperature of the heat-resistant plate is measured through the heat-resistant tube with a radiation thermometer, the measurement error can be made constant, and the ingot It is possible to accurately monitor temperature fluctuations on the surface of the casting surface. Therefore, the electromagnetic casting apparatus of the present invention is extremely useful in that the set value of the current applied to the induction coil can be adjusted with high accuracy in accordance with the fluctuation of the casting surface temperature of the ingot.

1:チャンバー、 2:原料供給シャッター、 3:シリコンインゴット、
4:引出し口、 5:不活性ガス導入口、 6:排気口、
7:無底冷却ルツボ、 8:誘導コイル、 9:アフターヒーター、
10:原料導入管、 11:シリコン原料、 12:溶融シリコン、
13:プラズマトーチ、 14:支持台、 15:監視窓、
16:放射温度計、 17:耐熱管、 18:耐熱板、 F:Siヒューム
1: chamber, 2: raw material supply shutter, 3: silicon ingot,
4: Drawer port, 5: Inert gas inlet port, 6: Exhaust port,
7: bottomless cooling crucible, 8: induction coil, 9: after heater,
10: Raw material introduction pipe, 11: Silicon raw material, 12: Molten silicon,
13: Plasma torch, 14: Support base, 15: Monitoring window,
16: Radiation thermometer, 17: Heat-resistant tube, 18: Heat-resistant plate, F: Si fume

Claims (3)

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連続鋳造する電磁鋳造装置において、
チャンバーの側壁に監視窓を設け、この監視窓と無底冷却ルツボの直下におけるシリコンインゴットの鋳肌表面近傍との間にわたり耐熱管を設け、この耐熱管のシリコンインゴット側の端面が耐熱板で閉塞されており、
監視窓の外部に配置した放射温度計により耐熱管内を通して耐熱板の温度を測定し、測定した耐熱板の温度に基づいてシリコンインゴットの鋳肌表面温度の変動を監視することを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造装置。
Silicon raw material is put into a conductive bottomless cooling crucible placed in the 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 removed from the bottomless cooling crucible. In an electromagnetic casting device that solidifies while pulling down and continuously casts silicon ingots,
A monitoring window is provided on the side wall of the chamber, and a heat-resistant tube is provided between the monitoring window and the vicinity of the casting surface of the silicon ingot immediately below the bottomless cooling crucible, and the end surface on the silicon ingot side of this heat-resistant tube is closed with a heat-resistant plate. Has been
A silicon ingot characterized in that the temperature of the heat-resistant plate is measured through a heat-resistant tube by a radiation thermometer arranged outside the monitoring window, and the fluctuation of the surface temperature of the silicon ingot is monitored based on the measured temperature of the heat-resistant plate. Electromagnetic casting equipment.
前記耐熱板が石英で構成されることを特徴とする請求項1に記載のシリコンインゴットの電磁鋳造装置。   2. The silicon ingot electromagnetic casting apparatus according to claim 1, wherein the heat-resistant plate is made of quartz. 前記耐熱板が不透明であることを特徴とする請求項2に記載のシリコンインゴットの電磁鋳造装置。   The electromagnetic casting apparatus for a silicon ingot according to claim 2, wherein the heat-resistant plate is opaque.
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