JP4784089B2 - Solid-liquid interface detection apparatus, casting apparatus and casting method - Google Patents
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Description
本発明は、物質を溶解して一方向に順次固化させる過程で生じる固液界面を検出する固液界面検出装置、およびインゴットを形成する鋳造装置及び鋳造方法に関する。 The present invention relates to a solid-liquid interface detection device that detects a solid-liquid interface generated in the process of dissolving and sequentially solidifying a substance in one direction, and a casting apparatus and a casting method for forming an ingot.
例えば、シリコンなど半導体の多結晶インゴットを鋳造する装置として、グラファイトやシリカなどで形成された溶解ルツボ(鋳型)に原料となる物質を入れ、ヒータ等の加熱手段で溶融ルツボ内の物質を溶解して融液を形成し、この融液を冷却することで溶解ルツボ(鋳型)を象ったインゴットを形成する鋳造装置が知られている(例えば、特許文献1)。
特許文献1に示すような鋳造装置では、形成するインゴットの固化方向を1方向に揃えるために、例えば、ヒータと溶解ルツボ(鋳型)を降下させることで、ヒータと溶解ルツボとの相対位置を変化させ、底面側から溶解ルツボをヒータから遠ざけることで、溶解ルツボの底面から上面に向かって順次、融液の固化が進行するように制御される。 In a casting apparatus as shown in Patent Document 1, in order to align the solidification direction of the ingot to be formed in one direction, for example, the relative position between the heater and the melting crucible is changed by lowering the heater and the melting crucible (mold). The melting crucible is moved away from the heater from the bottom surface side, so that the melt is sequentially solidified from the bottom surface to the top surface of the melting crucible.
こうした、ヒータと溶解ルツボとの相対位置を変化させる工程では、溶解ルツボ内で固化した部分と融液のままの部分との界面、すなわち固液界面の位置を適切に把握して、この固液界面が溶解ルツボ内で徐々に上がっていくように、溶解ルツボの降下速度を最適に制御する必要がある。 In this process of changing the relative position of the heater and the melting crucible, the position of the solid-liquid interface is properly grasped by appropriately grasping the interface between the solidified part in the melting crucible and the part as the melt. It is necessary to optimally control the descending speed of the melting crucible so that the interface gradually rises in the melting crucible.
つまり、溶解ルツボの降下速度が速すぎる(冷却速度が速すぎる)と溶解ルツボの様々な部分で同時に固化が起こり、固化方向を1方向に揃えた良好なインゴットは得られない。このため、結晶の方向性を一定に保った良好な多結晶インゴットを鋳造するには、溶解ルツボ内での固液界面の位置をリアルタイムに把握して、溶解ルツボの降下速度の制御(つまり冷却温度の分布制御)にフィードバックすることが重要である。 That is, if the descending speed of the melting crucible is too fast (the cooling speed is too fast), solidification occurs simultaneously at various portions of the melting crucible, and a good ingot with the solidification direction aligned in one direction cannot be obtained. For this reason, in order to cast a good polycrystalline ingot with the crystal orientation kept constant, the position of the solid-liquid interface in the melting crucible is grasped in real time, and the descending speed of the melting crucible is controlled (that is, the cooling crucible). It is important to feed back to temperature distribution control.
しかしながら、特許文献1に記載された鋳造装置など、従来の鋳造装置では、高温にされた溶融ルツボ内での固液界面の位置を把握することは困難であり、例えば融液内に探索用の棒を差し込んで固液界面のおおよその位置を確認する程度であった。このため、正確な固液界面の位置を検出して融液の凝固方向の制御にフィードバックし、良質なインゴットを歩留まり良く得ることは困難であった。また、こうした融液内に探索用の棒を差し込むなどの方法では、融液内に不純物が混入する恐れがあり、操作上の危険も懸念される。 However, in a conventional casting apparatus such as the casting apparatus described in Patent Document 1, it is difficult to grasp the position of the solid-liquid interface in the molten crucible that has been heated to a high temperature. The rod was inserted to confirm the approximate position of the solid-liquid interface. For this reason, it has been difficult to obtain a good ingot with a good yield by detecting the exact position of the solid-liquid interface and feeding back to the control of the solidification direction of the melt. Further, in such a method of inserting a search rod into the melt, impurities may be mixed into the melt, and there is a concern about operational danger.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、溶融ルツボ内での固液界面の位置を正確かつリアルタイムで容易に把握することができる固液界面検出装置、およびこれを用いて固化方向が適切に制御された良質なインゴットを鋳造可能な鋳造装置及び鋳造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a solid-liquid interface detection device capable of easily and accurately grasping the position of a solid-liquid interface in a melting crucible and solidifying using the same It is an object of the present invention to provide a casting apparatus and a casting method capable of casting a high-quality ingot whose direction is appropriately controlled.
上記目的を達成するために、本発明によれば、基本的には、
固体状態と液体状態とで導電率が異なる物質としてのシリコンを加熱融解させ、さらに融解シリコンを一方向に凝固させるための溶解炉に使用される固液界面検出装置であって;
前記溶解炉の周縁を取り巻くように設置される検出用コイルと、
前記検出用コイルをインダクタンス要素とする共振回路を含み、前記検出用コイルに磁場を発生させる電流回路と、
前記検出用コイルに生じる磁場の変化を前記共振回路の共振周波数の変化として検出する検出回路と、
予め実験もしくはシュミレーションにより求めた共振周波数と界面位置との相関関係を記憶しておく記憶手段と、
前記検出回路により検出された共振周波数の変化から、前記相関関係に基づいて溶解炉内の固液界面を検出する固液界面検出手段、
とを有してなることを特徴とする固液界面検出装置、
が提供される。
In order to achieve the above object, according to the present invention, basically,
A solid-liquid interface detection device used in a melting furnace for heating and melting silicon as a substance having different electrical conductivity between a solid state and a liquid state, and further solidifying the molten silicon in one direction;
A detection coil installed so as to surround the periphery of the melting furnace;
A current circuit including a resonance circuit having the detection coil as an inductance element, and generating a magnetic field in the detection coil;
A detection circuit for detecting a change in the magnetic field generated in the detection coil as a change in the resonance frequency of the resonance circuit ;
Storage means for storing the correlation between the resonance frequency and the interface position obtained in advance by experiment or simulation;
Solid-liquid interface detection means for detecting a solid-liquid interface in the melting furnace based on the correlation from the change in the resonance frequency detected by the detection circuit ,
A solid-liquid interface detection device characterized by comprising :
Is provided.
本発明によれば、
固体状態と液体状態とで導電率が異なる物質としてのシリコンを収容するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータとを備え、ルツボ内の融解シリコンを下方から上方に向けて一方向に凝固させるための鋳造装置において;
前記ヒータと前記ルツボとの上下方向の相対位置を変化させるリフトと、
前記ルツボの周縁を取り巻くように設置された検出用コイルと、
前記検出用コイルをインダクタンス要素とする共振回路を含み、前記検出用コイルに磁場を発生させる電流回路と、
前記検出用コイルに生じる磁場の変化を前記共振回路の共振周波数の変化として検出する検出回路と、
予め実験もしくはシュミレーションにより求めた共振周波数と界面位置との相関関係を記憶しておく記憶手段と、
前記検出回路により検出された共振周波数の変化に応じて、前記相関関係に基づき前記リフトを制御する制御手段、
とを有してなることを特徴とする鋳造装置、が提供される。
According to the present invention,
A crucible containing silicon as a substance having different conductivity in a solid state and a liquid state, and a heater for heating the crucible, and for solidifying molten silicon in the crucible in one direction from below to above In casting equipment;
A lift that changes a relative position in the vertical direction between the heater and the crucible;
A detection coil installed so as to surround the periphery of the crucible;
A current circuit including a resonance circuit having the detection coil as an inductance element, and generating a magnetic field in the detection coil;
A detection circuit for detecting a change in the magnetic field generated in the detection coil as a change in the resonance frequency of the resonance circuit;
Storage means for storing the correlation between the resonance frequency and the interface position obtained in advance by experiment or simulation;
Control means for controlling the lift based on the correlation according to a change in the resonance frequency detected by the detection circuit ;
There is provided a casting apparatus characterized by comprising:
また、本発明によれば、
固体状態と液体状態とで導電率が異なる物質としてのシリコンを収容するルツボと、前記ルツボを加熱する複数のヒータからなるヒータユニットヒータとを備え、ルツボ内の融解シリコンを下方から上方に向けて一方向に凝固させるための鋳造装置において;
前記ルツボの周縁を取り巻くように設置された検出用コイルと、
前記検出用コイルをインダクタンス要素とする共振回路を含み、前記検出用コイルに磁場を発生させる電流回路と、
前記検出用コイルに生じる磁場の変化を前記共振回路の共振周波数の変化として検出する検出回路と、
予め実験もしくはシュミレーションにより求めた共振周波数と界面位置との相関関係を記憶しておく記憶手段と、
前記検出回路で検出された共振周波数の変化に応じて、前記相関関係に基づき前記ヒータユニットの上下方向の発熱分布を制御する制御手段、
とを有してなることを特徴とする鋳造装置、
が提供される。
Moreover, according to the present invention,
A crucible containing silicon as a substance having different conductivity in a solid state and a liquid state, and a heater unit heater comprising a plurality of heaters for heating the crucible, with the molten silicon in the crucible facing upward from below In a casting device for solidifying in one direction;
A detection coil installed so as to surround the periphery of the crucible;
A current circuit including a resonance circuit having the detection coil as an inductance element, and generating a magnetic field in the detection coil;
A detection circuit for detecting a change in the magnetic field generated in the detection coil as a change in the resonance frequency of the resonance circuit;
Storage means for storing the correlation between the resonance frequency and the interface position obtained in advance by experiment or simulation;
Control means for controlling the heat generation distribution in the vertical direction of the heater unit based on the correlation in accordance with a change in the resonance frequency detected by the detection circuit;
A casting apparatus characterized by comprising :
Is provided.
前記検出用コイルは、独立した2つ以上のコイルからなり、各コイルが、前記ルツボに形成される溶融物質の少なくとも上面と下面に対応する位置に形成されればよい。また、電流回路の共振回路は、前記検出用コイルをインダクタンスとする直列共振回路もしくは並列共振回路であればよい。 The detection coil may be composed of two or more independent coils, and each coil may be formed at a position corresponding to at least the upper surface and the lower surface of the molten material formed on the crucible. The resonance circuit of the current circuit may be a series resonance circuit or a parallel resonance circuit having the detection coil as an inductance.
本発明によれば、
ルツボ内に収容された固体状態と液体状態とで導電率が異なる物質としてのシリコンをヒータで溶融し、その後ルツボ内の下方から上方に向けて一方向に凝固させる工程と、
前記ルツボの周縁を取り巻くように設置された検出用コイルに磁場を発生させる工程と、
前記検出用コイルの磁場変化を、その検出用コイルをインダクタンス要素として含む共振回路の共振周波数の変化として検出する工程と、
予め実験もしくはシュミレーションにより求めた共振周波数と界面位置との相関関係に基き、前記共振周波数の変化の検出結果に応じて前記ルツボと前記ヒータとの上下方向の相対位置を制御する工程とを備えたことを特徴とする鋳造方法、
が提供される。
According to the present invention,
A step of melting silicon as a substance having different electrical conductivity between a solid state and a liquid state contained in a crucible with a heater, and then solidifying the crucible in one direction from below to above;
Generating a magnetic field in a detection coil installed so as to surround the periphery of the crucible;
Detecting a change in the magnetic field of the detection coil as a change in the resonance frequency of a resonance circuit including the detection coil as an inductance element;
And a step of controlling the relative position in the vertical direction of the crucible and the heater according to the detection result of the change in the resonance frequency based on the correlation between the resonance frequency and the interface position obtained in advance by experiment or simulation . A casting method characterized by that,
Is provided.
また、本発明によれば、
ルツボに収容された固体状態と液体状態とで導電率が異なる物質としてのシリコンを複数のヒータからなるヒータユニットで溶融し、その後ルツボ内の下方から上方に向けて一方向に凝固させる工程と、
前記ルツボの周縁を取り巻くように設置された検出用コイルに磁場を発生させる工程と、
前記検出用コイルの磁場変化を、その検出用コイルをインダクタンス要素として含む共振回路の共振周波数の変化として検出する工程と、
予め実験もしくはシュミレーションにより求めた共振周波数と界面位置との相関関係に基き、前記共振周波数の変化の検出結果に応じて前記ヒータユニットを構成するそれぞれのヒータの動作を制御して、ヒータユニットにおける上下方向の発熱分布を制御する工程とを備えたことを特徴とする鋳造方法、
が提供される。
Moreover, according to the present invention,
Melting silicon in a heater unit composed of a plurality of heaters in a solid state and a liquid state housed in a crucible, and then solidifying the crucible in one direction from the bottom to the top;
Generating a magnetic field in a detection coil installed so as to surround the periphery of the crucible;
Detecting a change in the magnetic field of the detection coil as a change in the resonance frequency of a resonance circuit including the detection coil as an inductance element;
Based on the correlation between the resonance frequency obtained by experiment or simulation in advance and the interface position, the operation of each heater constituting the heater unit is controlled according to the detection result of the change in the resonance frequency, and A casting method comprising a step of controlling the heat generation distribution in the direction,
Is provided.
本願発明によれば、コイルの周りの磁束線の分布変化による共振周波数の変動を監視することで、シリコンの固液界面の融解ルツボ内での位置を非接触でリアルタイムに検出できるので、固化方向が一方向に揃った良質のシリコンインゴットを得ることができる。また、こうした固液界面を非接触でリアルタイムに検出できるので、融液が汚染される恐れがなく、かつ安全で高精度に固液界面の溶解ルツボ内での位置を知ることができる。 According to the present invention, the position of the silicon solid-liquid interface in the melting crucible can be detected in real time in a non-contact manner by monitoring the fluctuation of the resonance frequency due to the distribution change of the magnetic flux lines around the coil. It is possible to obtain a high-quality silicon ingot that is aligned in one direction. In addition, since the solid-liquid interface can be detected in real time without contact, the melt is not contaminated, and the position of the solid-liquid interface in the melting crucible can be known with high accuracy.
以下、本発明の実施の形態について、図面を交えて説明する。図1は、本発明の鋳造装置の一例を示す断面図である。鋳造装置1は、固体状態と液体状態で導電率が大きく異なる物質であるシリコンのインゴット鋳造に好適に用いられる。鋳造装置1は、溶解炉3と、この溶解炉3を収容する収納筺体2とを備えている。収納筺体2は、断熱性の耐火物や、金属などで形成されれば良い。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a casting apparatus of the present invention. Casting apparatus 1 is suitably used for an ingot casting of silicon, which is the conductivity is greatly different substances in a solid body state and the liquid state. The casting apparatus 1 includes a
溶解炉3は、溶解ルツボ(鋳型)11と、その周囲に配設された、溶解ルツボ(鋳型)11を加熱するためのヒータ12とを備えている。溶解ルツボ(鋳型)は、例えば黒鉛やシリカなどで形成される分割可能な鋳型であり、形成したいインゴットの形状に合わせて選択されれば良い。
The
ヒータ12は、溶解ルツボ11に収容された原料物質としての半導体であるシリコン塊を融解して融液8を形成する熱源であり、溶解ルツボ11を取り巻くように形成されている。なお、溶解ルツボ11を加熱して、融液8を得る方法以外に、別な工程で融解した融液を溶解ルツボ11に導入する方法を用いてもよい。この場合、後述するリフト14によって上下動は不要である。また、ヒータ12は、電熱ヒータ以外にも、例えばコイルによる誘導加熱や、電子線による融解などであってもよく、限定されるものではない。
The
溶解ルツボ11の底部には、この溶解ルツボ11を支持するテーブル13が形成されている。このテーブル13は、リフト14によって上下動可能にされている。これにより、溶解ルツボ11は、リフト14の動作でヒータ12に対する位置を上下方向に変えることができるようになっている。リフト14は、リフトドライバ15によって制御され、テーブル13の上下動が行われる。
A table 13 that supports the
テーブル13の内部には、冷却パイプ(冷却手段)16が配設されている。冷却パイプ(冷却手段)16には、例えば冷却水が流され、テーブル13を冷却する。これにより、テーブル13上に載置された溶解ルツボ11は底面から冷却される。
A cooling pipe (cooling means) 16 is disposed inside the table 13. For example, cooling water is passed through the cooling pipe (cooling means) 16 to cool the table 13. Thereby, the
溶解ルツボ11の下部には、本発明の固液界面検出装置21を構成するコイル22が、形成されている。コイル22は、溶解ルツボ11の周縁を取り巻くように形成された、1巻、あるいは複数巻のコイルであればよい。こうしたコイル22は、図2に示すように、交流電源33と、並列共振用のコンデンサ34とからなる電流回路24に接続され、コイル22の周縁に磁場を発生させる。電流回路24は、並列共振用のコンデンサ24以外にも、直列共振用のコンデンサを用いてもよい。
A
固液界面検出装置21は、こうした電流回路24に接続されたコイル22と、界面検出回路35とから構成される。界面検出回路35は、コイル22のインダクタンスの変化を検出する回路から構成されればよい。界面検出回路35は、リフトドライバ15に接続され、コイル22のインダクタンスの変化に応じて、テーブル13の降下速度を制御させる制御信号をリフトドライバ15に出力する。こうした界面検出回路35は、コイル22のインダクタンスの変化を検出する回路以外に、例えば、電流回路24の出力電圧、あるいは出力電流の変化を検出する回路であっても良い。
The solid-liquid
こうした固液界面検出装置21の作用を図3を交えて説明する。電流回路24からコイル22に電流が流されると、コイル22の周縁には磁場が発生する。図3に示す断面図に、こうしたコイル22に生じる磁場の磁束線のイメージを破線Mで示す。こうした磁束線Mは、誘電体などには影響を受けないで均一に分布するが、導電体が存在すると、その導電体を避けるように磁束線Mが形成される。
The operation of the solid-liquid
溶解ルツボ(鋳型)11に、固体状態と液体状態とでその導電率が大きく異なる物質であるシリコンを収容して溶融し、溶解ルツボ11の底面から冷却して溶融シリコン42を固化させ始めると、溶解ルツボ11に、すでに固化した固化シリコン41と、まだ固化していない溶融シリコン42との固液界面Sを境にして、溶解ルツボ11内で導電率の大きく異なる2領域が形成される。
When the melting crucible (mold) 11 contains and melts silicon , which is a substance whose electrical conductivity is greatly different between the solid state and the liquid state, and starts to solidify the
このような状態の溶解ルツボ11の周縁を取り巻くコイル22に生じる磁束線Mは、導電率の低い固化シリコン41の領域はそのまま透過するが、固液界面Sを境にして導電率の高い溶融シリコン42の領域を避けるように歪む(図3中の磁束線Ma部分)。こうして、コイル22に生じる磁束線Mが特定の領域で導電率の高い物質に接して乱れを生じると、コイル22のインダクタンスが変化する。こうしたインダクタンスと共振周波数との関係は以下の(1)式で表される。
f=1/2π√LC ・・・(1)
(但し、f=共振周波数,L=インダクタンス,C=共振用コンデンサ)
Magnetic flux lines M generated in the
f = 1 / 2π√LC (1)
(Where f = resonance frequency, L = inductance, C = resonance capacitor)
これにより、例えば、コイル22の位置を固定として、固液界面Sの位置が変動すると、コイル22に生じる磁束線Mの分布が変化し、共振周波数が変わる。界面検出回路35は、コイル22のインダクタンスの変化による共振周波数の変動を検出する。こうして、溶解ルツボ11内での固液界面Sの位置が非接触で確実に検出できる。そして、固液界面Sの位置の検出結果に基づいてリフトドライバ15を介してテーブル13の降下速度をコントロールする。
Thereby, for example, when the position of the
次に、本発明の鋳造装置の動作と作用を説明する。図1に示す鋳造装置1を用いて、例えば多結晶シリコンインゴットの鋳造を想定する。まず、溶解ルツボ11に原料となるシリコン塊を投入し、ヒータ12を動作させて溶解ルツボ11内のシリコン塊を溶解し、融液8を得る。
Next, the operation and action of the casting apparatus of the present invention will be described. For example, it is assumed that a polycrystalline silicon ingot is cast using the casting apparatus 1 shown in FIG. First, a silicon lump as a raw material is put into the
次に電流回路24(図2参照)からコイル22に電流を流し、コイル22の周りに磁束線を形成する。そして、リフト14を動作させてテーブル13を降下させ始める。テーブル13に載置された溶解ルツボ11は、底面からヒータ12に対して遠ざかり、図4に示すように、溶解ルツボ11内では底面から融液8が固化して固相9が形成され、融液8と固相9との間に固液界面Sが生じる。
Next, a current is passed from the current circuit 24 (see FIG. 2) to the
結晶の固化方向を揃えた良質な多結晶シリコンインゴットを得るには、この固化速度を適切に保って、固液界面Sの溶解ルツボ11内での位置を徐々に上昇させることが重要である。固液界面検出装置21は、コイル22の周りの磁束線の分布変化による共振周波数の変動を監視し、共振周波数から求められる位置の変化率が一定になるような速度でテーブル13が降下するように、リフトドライバ15に制御信号を出力する。
In order to obtain a high-quality polycrystalline silicon ingot having the same solidification direction of crystals, it is important to gradually increase the position of the solid-liquid interface S in the
共振周波数の変動がなければ、溶解ルツボ11内での固液界面Sの位置は一定のレベルを保っていることになり、溶解ルツボ11内の全ての融液8が固化すれば、固化方向が一方向に揃った良質の多結晶シリコンインゴットを得ることができる。また、こうした固液界面Sを非接触でリアルタイムに検出できるので、融液8が汚染される恐れがなく、かつ安全で高精度に固液界面Sの溶解ルツボ11内での位置を知ることができる。
If there is no fluctuation in the resonance frequency, the position of the solid-liquid interface S in the
なお、上述した実施形態のように、溶解ルツボとヒータとの相対位置を変化させて融液を固化させる鋳造装置以外にも、図5に示す鋳造装置のように、複数のヒータからなるヒータユニットを用いて、個々のヒータの動作を制御して融液を固化させてもよい。図5に示す鋳造装置51では、溶解ルツボ52に融液53を形成するために、複数のヒータ55a〜55fを積層したヒータユニット56が設けられている。
In addition to the casting apparatus that solidifies the melt by changing the relative position between the melting crucible and the heater as in the above-described embodiment, a heater unit including a plurality of heaters as in the casting apparatus shown in FIG. May be used to control the operation of the individual heaters to solidify the melt. In the
こうした鋳造装置51では、溶解ルツボ52に形成した融液53を溶解ルツボ52の底面から上方に向けて一方向に固化させるために、ヒータ55aの電力を最初に低下させ、以後ヒータ55b〜ヒータ55fに向かって順次電力を低下させる動作をする。これによって、溶解ルツボ52内の融液53は底面から上方に向けて一方向に固化する。
In such a
こうしたヒータユニット56を構成する複数のヒータ55a〜55fを制御するにあたって、固液界面検出装置61のコイル62に電流を流して磁束線を生じさせてコイル62のインダクタンス変化を監視し、溶解ルツボ52内の固液界面の位置が一定速度で上がっていくように界面検出回路63からヒータ制御回路65を介してヒータ55a〜55fを制御する。これにより、固化方向が一方向に揃った良質のインゴットを得ることができる。
In controlling the plurality of
本出願人は、溶解ルツボ内の融液の高さ(位置)と、溶解ルツボを取り巻くように形成したコイルの共振周波数との関係を検証した。検証に当たって、図6に示すように、固液界面検出装置のコイルの位置を、溶解ルツボの底部におき、凝固にかかわらず固液界面がコイル位置にあるような検証例a、コイルの位置と融液上面との関係は一定で固液界面が上昇するような検証例bの2例について、共振周波数と溶解ルツボ内の固液界面(融液高さ)との関係を計測した。こうした検証結果を図6のグラフに示す。 The present applicant verified the relationship between the height (position) of the melt in the melting crucible and the resonance frequency of the coil formed so as to surround the melting crucible. In the verification, as shown in FIG. 6, the position of the coil of the solid-liquid interface detector is placed at the bottom of the melting crucible, and the verification example a in which the solid-liquid interface is at the coil position regardless of solidification, The relation between the resonance frequency and the solid-liquid interface (melt height) in the melting crucible was measured for two examples of the verification example b in which the relation with the upper surface of the melt was constant and the solid-liquid interface increased. Such verification results are shown in the graph of FIG.
図6に示す検証結果によれば、固液界面がコイルの位置にあるように設定すると、共振周波数と固液界面(融液高さ)との関係は、下方に緩やかにカーブするように変化し、コイルの位置と融液上面の関係を一定とし固液界面が上昇するように設定すると、共振周波数と固液界面(融液高さ)との関係は、上方に緩やかにカーブするように変化する。そして、図7のように、凝固前に融解ルツボ底面と融液上面の位置にそれぞれコイルをおき、凝固途中の融液の上面もしくは下面がコイル位置になるように凝固させると、図7のように周波数と高さがほぼ直線状にのる。また、図8に示すように、融液が上端コイルと下端コイルの間にあり、融液高さが一定(20mm高さ)ならば、検出周波数がほぼ一定であることがわかる。先に示した図7との関係により、周波数が決まれば一意的に融液の高さを求めることができる。共振周波数と固液界面(融液高さ)との関係は、ほぼ直線的に変化することが見出された。 According to the verification result shown in FIG. 6, when the solid-liquid interface is set to be at the position of the coil, the relationship between the resonance frequency and the solid-liquid interface (melt height) changes so as to gently curve downward. If the relationship between the coil position and the upper surface of the melt is fixed and the solid-liquid interface rises, the relationship between the resonance frequency and the solid-liquid interface (melt height) curves gently upward. Change. Then, as shown in FIG. 7, when the coils are respectively placed at the positions of the bottom surface of the melting crucible and the upper surface of the melt before solidification and the upper surface or the lower surface of the melt in the middle of solidification is set to the coil position, The frequency and height are almost linear. In addition, as shown in FIG. 8, it can be seen that if the melt is between the upper end coil and the lower end coil and the melt height is constant (20 mm height), the detection frequency is substantially constant. If the frequency is determined according to the relationship with FIG. 7 described above, the height of the melt can be uniquely determined. It has been found that the relationship between the resonance frequency and the solid-liquid interface (melt height) changes almost linearly.
1 鋳造装置(鋳造装置)
3 溶解炉
11 溶融ルツボ
14 リフト
21 固液界面検出装置
22 コイル
24 電流回路
35 界面検出回路(検出回路)
56 ヒータユニット
1 Casting equipment (casting equipment)
3
56 Heater unit
Claims (7)
前記溶解炉の周縁を取り巻くように設置される検出用コイルと、
前記検出用コイルをインダクタンス要素とする共振回路を含み、前記検出用コイルに磁場を発生させる電流回路と、
前記検出用コイルに生じる磁場の変化を前記共振回路の共振周波数の変化として検出する検出回路と、
予め実験もしくはシュミレーションにより求めた共振周波数と界面位置との相関関係を記憶しておく記憶手段と、
前記検出回路により検出された共振周波数の変化から、前記相関関係に基づいて溶解炉内の固液界面を検出する固液界面検出手段、
とを有してなることを特徴とする固液界面検出装置。 A solid-liquid interface detection device used in a melting furnace for heating and melting silicon as a substance having different electrical conductivity between a solid state and a liquid state, and further solidifying the molten silicon in one direction;
A detection coil installed so as to surround the periphery of the melting furnace;
A current circuit including a resonance circuit having the detection coil as an inductance element, and generating a magnetic field in the detection coil;
A detection circuit for detecting a change in the magnetic field generated in the detection coil as a change in the resonance frequency of the resonance circuit ;
Storage means for storing the correlation between the resonance frequency and the interface position obtained in advance by experiment or simulation;
Solid-liquid interface detection means for detecting a solid-liquid interface in the melting furnace based on the correlation from the change in the resonance frequency detected by the detection circuit ,
And a solid-liquid interface detecting device.
前記ヒータと前記ルツボとの上下方向の相対位置を変化させるリフトと、
前記ルツボの周縁を取り巻くように設置された検出用コイルと、
前記検出用コイルをインダクタンス要素とする共振回路を含み、前記検出用コイルに磁場を発生させる電流回路と、
前記検出用コイルに生じる磁場の変化を前記共振回路の共振周波数の変化として検出する検出回路と、
予め実験もしくはシュミレーションにより求めた共振周波数と界面位置との相関関係を記憶しておく記憶手段と、
前記検出回路により検出された共振周波数の変化に応じて、前記相関関係に基づき前記リフトを制御する制御手段、
とを有してなることを特徴とする鋳造装置。 A crucible containing silicon as a substance having different conductivity in a solid state and a liquid state, and a heater for heating the crucible, and for solidifying molten silicon in the crucible in one direction from below to above In casting equipment;
A lift that changes a relative position in the vertical direction between the heater and the crucible;
A detection coil installed so as to surround the periphery of the crucible;
A current circuit including a resonance circuit having the detection coil as an inductance element, and generating a magnetic field in the detection coil;
A detection circuit for detecting a change in the magnetic field generated in the detection coil as a change in the resonance frequency of the resonance circuit ;
Storage means for storing the correlation between the resonance frequency and the interface position obtained in advance by experiment or simulation;
Control means for controlling the lift based on the correlation according to a change in the resonance frequency detected by the detection circuit ;
And a casting apparatus.
前記ルツボの周縁を取り巻くように設置された検出用コイルと、
前記検出用コイルをインダクタンス要素とする共振回路を含み、前記検出用コイルに磁場を発生させる電流回路と、
前記検出用コイルに生じる磁場の変化を前記共振回路の共振周波数の変化として検出する検出回路と、
予め実験もしくはシュミレーションにより求めた共振周波数と界面位置との相関関係を記憶しておく記憶手段と、
前記検出回路で検出された共振周波数の変化に応じて、前記相関関係に基づき前記ヒータユニットの上下方向の発熱分布を制御する制御手段、
とを有してなることを特徴とする鋳造装置。 A crucible containing silicon as a substance having different conductivity in a solid state and a liquid state, and a heater unit heater comprising a plurality of heaters for heating the crucible, with the molten silicon in the crucible facing upward from below In a casting device for solidifying in one direction;
A detection coil installed so as to surround the periphery of the crucible;
A current circuit including a resonance circuit having the detection coil as an inductance element, and generating a magnetic field in the detection coil;
A detection circuit for detecting a change in the magnetic field generated in the detection coil as a change in the resonance frequency of the resonance circuit ;
Storage means for storing the correlation between the resonance frequency and the interface position obtained in advance by experiment or simulation;
Control means for controlling the heat generation distribution in the vertical direction of the heater unit based on the correlation in accordance with a change in the resonance frequency detected by the detection circuit;
And a casting apparatus.
前記ルツボの周縁を取り巻くように設置された検出用コイルに磁場を発生させる工程と、
前記検出用コイルの磁場変化を、その検出用コイルをインダクタンス要素として含む共振回路の共振周波数の変化として検出する工程と、
予め実験もしくはシュミレーションにより求めた共振周波数と界面位置との相関関係に基き、前記共振周波数の変化の検出結果に応じて前記ルツボと前記ヒータとの上下方向の相対位置を制御する工程とを備えたことを特徴とする鋳造方法。 A step of melting silicon as a substance having different electrical conductivity between a solid state and a liquid state contained in a crucible with a heater, and then solidifying the crucible in one direction from below to above;
Generating a magnetic field in a detection coil installed so as to surround the periphery of the crucible;
Detecting a change in the magnetic field of the detection coil as a change in the resonance frequency of a resonance circuit including the detection coil as an inductance element;
And a step of controlling the relative position in the vertical direction of the crucible and the heater according to the detection result of the change in the resonance frequency based on the correlation between the resonance frequency and the interface position obtained in advance by experiment or simulation . A casting method characterized by the above.
前記ルツボの周縁を取り巻くように設置された検出用コイルに磁場を発生させる工程と、
前記検出用コイルの磁場変化を、その検出用コイルをインダクタンス要素として含む共振回路の共振周波数の変化として検出する工程と、
予め実験もしくはシュミレーションにより求めた共振周波数と界面位置との相関関係に基き、前記共振周波数の変化の検出結果に応じて前記ヒータユニットを構成するそれぞれのヒータの動作を制御して、ヒータユニットにおける上下方向の発熱分布を制御する工程とを備えたことを特徴とする鋳造方法。 Melting silicon in a heater unit composed of a plurality of heaters in a solid state and a liquid state housed in a crucible, and then solidifying the crucible in one direction from the bottom to the top;
Generating a magnetic field in a detection coil installed so as to surround the periphery of the crucible;
Detecting a change in the magnetic field of the detection coil as a change in the resonance frequency of a resonance circuit including the detection coil as an inductance element;
Based on the correlation between the resonance frequency obtained by experiment or simulation in advance and the interface position, the operation of each heater constituting the heater unit is controlled according to the detection result of the change in the resonance frequency, and And a step of controlling the heat generation distribution in the direction.
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