JP2005177851A - Casting apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a casting apparatus for inexpensively obtaining a high quality silicon ingot by simply and surely detecting the necessary temperature and controlling the temperature in a mold heating means by employing more effective automation. <P>SOLUTION: This casting apparatus is provided with a melting crucible for tapping off molten silicon 14 obtained by heating and melting the silicon raw material 13, from a tapping hole 3 arranged at the bottom part; a nozzle 5 arranged by suspension from the tapping hole 3; a mold 9 disposed below the melting crucible 1 and composed of side parts 9a and a bottom part 9b and opened at the upper part; a mold heat-insulating material 11 arranged so as to surround the outer periphery of the side parts 9a in the mold 9; the mold heating means 8 disposed at a part between the mold 9 and the melting crucible 1; a cooling means 12 disposed at the lower part of the mold 9; a radiation thermometer 4 disposed so as to observe the part directly below the nozzle 5; and a temperature control means 16 for controlling the heating state of the mold heating means 8 on the basis of the measured temperature with the radiation thermometer 4. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、溶解坩堝のノズルと鋳型との間における温度を非接触で検知する放射温度計を備えたシリコン多結晶を製造するための鋳造装置に関する。   The present invention relates to a casting apparatus for producing a silicon polycrystal having a radiation thermometer that detects a temperature between a melting crucible nozzle and a mold in a non-contact manner.

太陽電池はクリーンな石油代替エネルギー源として小規模な家庭用から大規模な発電システムまでの広い分野でその実用化が期待されている。これらは使用原料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などに分類され、なかでも現在市場に流通しているものの多くは結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型と多結晶型に分類されている。単結晶シリコン太陽電池は基板の品質が良いために変換効率の高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが高いという短所を有する。   Solar cells are expected to be put to practical use in a wide range of fields, from small households to large-scale power generation systems, as a clean petroleum alternative energy source. These are classified into crystalline, amorphous, and compound types depending on the type of raw materials used, and most of them currently on the market are crystalline silicon solar cells. This crystalline silicon solar cell is further classified into a single crystal type and a polycrystalline type. Single crystal silicon solar cells have the advantage that the conversion efficiency is easy to increase because the quality of the substrate is good, but the disadvantage is that the manufacturing cost of the substrate is high.

これに対して多結晶シリコン太陽電池は従来から市場に流通してきたが、近年、環境問題への関心が高まる中でその需要は増加しており、より低コストで高い変換効率が求められている。こうした要求に対処するためには多結晶シリコン基板の低コスト化、高品質化が必要であり、高純度のシリコンインゴットを歩留良く製造することが求められている。   On the other hand, polycrystalline silicon solar cells have been distributed in the market for a long time, but in recent years, the demand is increasing as interest in environmental issues is increasing, and higher conversion efficiency is required at lower cost. . In order to cope with such a demand, it is necessary to reduce the cost and quality of the polycrystalline silicon substrate, and it is required to produce a high-purity silicon ingot with a high yield.

多結晶シリコン太陽電池に用いる多結晶シリコン基板は一般にキャスティング法と呼ばれる方法で製造される。このキャスティング法は、離型材を塗布した黒鉛などからなる鋳型内に高温で加熱溶解させたシリコン融液を注湯して鋳型底部より一方向凝固させたり、シリコン原料を鋳型内に入れて一旦溶解した後、再び底部より一方向凝固させたりして、シリコンインゴットを形成する方法である。このシリコンインゴットの端部を除去し、所望の大きさに切断して切り出し、切り出したシリコンインゴットを所望の厚みにスライスして太陽電池を形成するための多結晶シリコン基板を得る。   A polycrystalline silicon substrate used for a polycrystalline silicon solar cell is generally manufactured by a method called a casting method. In this casting method, a silicon melt melted by heating at a high temperature is poured into a mold made of graphite or the like coated with a release material and solidified in one direction from the bottom of the mold, or a silicon raw material is placed in the mold and dissolved once. Then, the silicon ingot is formed by unidirectionally solidifying from the bottom again. The ends of the silicon ingot are removed, cut into a desired size, and the cut silicon ingot is sliced to a desired thickness to obtain a polycrystalline silicon substrate for forming a solar cell.

このような多結晶シリコンインゴットを作製するための一般的な鋳造装置を図３に示す。   A general casting apparatus for producing such a polycrystalline silicon ingot is shown in FIG.

上部にはシリコン原料１３を溶融するための溶解坩堝１が保持坩堝２に保持されて配置され、溶解坩堝１と保持坩堝２の底部にはシリコン融液１４を出湯するための径が２ｍｍから１０ｍｍである出湯口３を有するノズル５が設けられる。また、溶解坩堝１、保持坩堝２の上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段６、側部加熱手段７が配置され、溶解坩堝１、保持坩堝２の下部にはシリコン融液１４が注ぎ込まれる鋳型９が配置され、その外側に鋳型断熱材１１が設けられる。さらに、鋳型９の下部には冷却手段１２が設けられ、鋳型９の上部にはシリコン融液１４の凝固を制御するための鋳型加熱手段８が配置される。   A melting crucible 1 for melting the silicon raw material 13 is disposed on the upper part and held by the holding crucible 2, and the diameter for discharging the silicon melt 14 at the bottom of the melting crucible 1 and the holding crucible 2 is 2 mm to 10 mm. A nozzle 5 having a hot water outlet 3 is provided. Further, an upper heating means 6 and a side heating means 7 are disposed on the upper and side portions of the melting crucible 1 and holding crucible 2, respectively, and a mold in which the silicon melt 14 is poured into the lower portion of the melting crucible 1 and holding crucible 2. 9 is arranged, and a mold heat insulating material 11 is provided outside thereof. Further, a cooling means 12 is provided below the mold 9, and a mold heating means 8 for controlling the solidification of the silicon melt 14 is disposed above the mold 9.

溶解坩堝１は例えば高純度石英などからなり、その底部にはシリコン原料であらかじめ出湯口３を塞いでおき、その上にシリコン原料１３を投入し、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどからなる上部加熱手段６と側部加熱手段７で溶解坩堝１の上部のシリコン原料１３から下部のシリコン原料１３へと徐々に溶解し、最後に出湯口を塞ぐシリコン原料を溶解させ、ノズル５から出湯させるように構成した。（例えば、特許文献１参照）この方法においては溶解坩堝１の上部から徐々にシリコン原料１３を溶融するため、シリコン原料１３が完全に融液となった瞬間に出湯が開始されることからシリコン原料溶解後の出湯を効率よく行うことが出来る。   The melting crucible 1 is made of, for example, high-purity quartz, and the bottom 3 is filled with a silicon raw material 3 in advance, and the silicon raw material 13 is placed thereon, and a resistance heating heater, induction heating coil, etc. The upper heating means 6 and the side heating means 7 are gradually dissolved from the silicon raw material 13 at the upper part of the melting crucible 1 to the lower silicon raw material 13, and finally the silicon raw material closing the outlet is dissolved. It was configured to let out hot water. (For example, see Patent Document 1) In this method, since the silicon raw material 13 is gradually melted from the upper part of the melting crucible 1, the hot water is started at the moment when the silicon raw material 13 is completely melted. The hot water after dissolution can be efficiently performed.

鋳型９は例えば黒鉛などからなり、例えば、一つの底部材と４つの側部材を組み合わせた分割、組み立て可能な分割鋳型などで構成される。離型材層１０は、シリコンの窒化物である窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、シリコンの炭化物である炭化シリコン（ＳｉＣ）、シリコンの酸化物である酸化珪素（ＳｉＯ２）などの粉末が用いられ、これらの粉末を適当なバインダーと溶剤とから構成される溶液中に混合して攪拌してスラリーとし、鋳型内壁に塗布もしくはスプレーなどの手段でコーティングすることが公知の技術として知られている。鋳型断熱材１１は抜熱を抑制するものであり耐熱性、断熱性などを考慮して主成分としてカーボンを含む材質のものが用いられる。鋳型加熱手段８は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどが用いられる。鋳型９の側壁部をグラファイト質成形体などからなる鋳型断熱材１１で覆い、冷却手段１２によって鋳型９内に注湯されたシリコン融液１４を下部から冷却することによって、鋳型９の上方からシリコン融液を加熱するだけで、シリコン融液を下部から上部へ向けて一方向凝固させて、多結晶シリコンインゴットを得ることができる。なお、これらはすべて真空容器（図示せず）内に配置される。
特開２００３−２４７７８３号公報 特開平６−６４９１３号公報 The mold 9 is made of, for example, graphite, and is formed of, for example, a divided mold in which one bottom member and four side members are combined and assembled. The release material layer 10 is made of powder such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), which is silicon nitride, silicon carbide (SiC), which is silicon carbide, or silicon oxide (SiO 2 ), which is an oxide of silicon. It is known as a known technique that these powders are mixed in a solution composed of an appropriate binder and a solvent, stirred to form a slurry, and coated on the inner wall of the mold by means such as coating or spraying. The mold heat insulating material 11 suppresses heat removal and is made of a material containing carbon as a main component in consideration of heat resistance, heat insulating properties, and the like. As the mold heating means 8, a resistance heating type heater, an induction heating type coil or the like is used. The side wall portion of the mold 9 is covered with a mold heat insulating material 11 made of a graphite-like molded body or the like, and the silicon melt 14 poured into the mold 9 by the cooling means 12 is cooled from below, so that the silicon from above the mold 9 By simply heating the melt, the silicon melt can be solidified in one direction from the lower part to the upper part to obtain a polycrystalline silicon ingot. These are all arranged in a vacuum vessel (not shown).
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-247783 Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-64913

鋳型９に出湯された高温のシリコン融液１４は出湯完了後、表面からの抜熱が大きいため、シリコン融液１４の表面が先に凝固してしまい、液体の融液が内部に取り残されると、後で取り残された融液が凝固して膨張し、シリコンインゴットの表面があたかも噴火したような状態となりシリコンインゴットに割れが生じる。よって、シリコン融液１４の表面を凝固させないように、シリコン融液１４の表面を鋳型加熱手段８により高温加熱した状態で、鋳型９の下部から抜熱を行うことにより、シリコン融液１４を真直ぐ一方向に凝固させる必要がある。   Since the high-temperature silicon melt 14 discharged from the mold 9 has a large heat removal from the surface after the completion of the pouring, the surface of the silicon melt 14 solidifies first, and the liquid melt is left inside. Then, the melt left behind solidifies and expands, and the surface of the silicon ingot becomes as if it erupted, and the silicon ingot is cracked. Therefore, the silicon melt 14 is straightened by removing heat from the lower part of the mold 9 while the surface of the silicon melt 14 is heated at a high temperature by the mold heating means 8 so that the surface of the silicon melt 14 is not solidified. It is necessary to solidify in one direction.

鋳型９は出湯前に一定温度に温めておく必要はあるが、溶解坩堝１内のシリコン原料１３を溶解している間に、鋳型加熱手段８によりシリコン融液１４の表面が凝固しない温度であらかじめ鋳型９を加熱すると、鋳型９内に塗布された離型材層１０が必要以上に熱せられ、離型材層１０が剥がれてしまうため、シリコン融液の出湯前には鋳型９に塗布した離型材が剥がれない温度で温め、シリコン融液の出湯後にはシリコン融液１４の表面を凝固させないように高温加熱をする必要がある。   Although it is necessary to warm the mold 9 to a certain temperature before pouring the hot water, the temperature of the silicon melt 14 is not previously solidified by the mold heating means 8 while the silicon raw material 13 in the melting crucible 1 is being melted. When the mold 9 is heated, the release material layer 10 applied in the mold 9 is heated more than necessary, and the release material layer 10 is peeled off. Therefore, the mold release material applied to the mold 9 is discharged before the silicon melt is discharged. It is necessary to heat at a temperature at which the silicon melt is not peeled off and to heat the silicon melt 14 at a high temperature so that the surface of the silicon melt 14 is not solidified.

さらに、凝固終了後において、急冷するとシリコンインゴットにクラック等のひびや割れが発生する。よって、シリコンインゴットを徐々に冷やすため、鋳型加熱手段８を制御して徐々に冷却する必要がある。   Furthermore, after the solidification is completed, if the silicon is cooled rapidly, cracks such as cracks are generated in the silicon ingot. Therefore, in order to gradually cool the silicon ingot, it is necessary to control the mold heating means 8 and gradually cool it.

そのため、鋳型加熱手段８の温度制御を行うために、出湯開始や凝固終了のタイミングを検出する必要があり、その方法として、従来においては作業者が出湯や凝固終了時間近くから鋳造装置を監視し出湯開始や凝固終了を目視確認する方法を用いていたが、鋳造装置が複数台ある場合には、作業者数が複数人必要となり、人件費がかかるため高コストとなる。   Therefore, in order to control the temperature of the mold heating means 8, it is necessary to detect the timing of the start of pouring and the end of solidification. As a method for this, conventionally, an operator monitors the casting apparatus from the time of the end of pouring or solidification. Although a method of visually confirming the start of pouring and the end of solidification has been used, when there are a plurality of casting apparatuses, a plurality of workers are required, and labor costs are increased, resulting in high costs.

また、特許文献２では、図４で示されるようにシリコン融液を鋳型へ徐々に供給し凝固する際に、シリコン融液１４の液面を検知する方法として、鋳型９に施した熱電対１５により、シリコン融液１４の凝固時における温度変化を測定する方法と、放射温度計４によりシリコン融液１４の凝固時における赤外線放射の変化を測定する方法が開示されている。   In Patent Document 2, as shown in FIG. 4, as a method for detecting the liquid level of the silicon melt 14 when the silicon melt is gradually supplied to the mold and solidified, a thermocouple 15 applied to the mold 9 is used. Thus, there are disclosed a method for measuring a temperature change during solidification of the silicon melt 14 and a method for measuring a change in infrared radiation during solidification of the silicon melt 14 by the radiation thermometer 4.

しかしながら、熱電対１５を使用した場合、熱電対１５の反応性の悪さから出湯の検知に遅れを生じるという問題があり、また鋳型９の下部から抜熱を行うことにより、シリコン融液１４を真直ぐ一方向に凝固させるため、最後に凝固する場所がシリコン融液１４の表面中央部であり、その結果、鋳型９に施した熱電対１５では凝固終了を検知できないという問題がある。   However, when the thermocouple 15 is used, there is a problem that the detection of the hot water is delayed due to the poor reactivity of the thermocouple 15, and the silicon melt 14 is straightened by removing heat from the lower part of the mold 9. In order to solidify in one direction, the last solidified place is the center of the surface of the silicon melt 14, and as a result, the thermocouple 15 applied to the mold 9 cannot detect the completion of solidification.

また放射温度計４を使用した場合、鋳型９の底部を測定するには、図４で示されるように放射温度計４を鋳造装置の上方に設置し、溶解坩堝１と鋳型９の距離も大きくとる必要があり、その結果、融液の飛び散りが激しくなり、また鋳造装置全体を大きくせざるをえない。また、液面が上昇するごとに、放射温度計４の監視方向を液面に付随して動かす機能を有する必要があり、場合によっては鋳造装置１台につき放射温度計４を数台設置する必要があるため高コストとなる。また、鋳型加熱手段８において放射温度計４の監視方向にあたる部分を除去する必要があるが、放射温度計４が動くため、鋳型加熱手段８のかなり広い部分が除去され有効にシリコン融液１４の表面を加熱することができないという問題がある。   When the radiation thermometer 4 is used, in order to measure the bottom of the mold 9, the radiation thermometer 4 is installed above the casting apparatus as shown in FIG. 4, and the distance between the melting crucible 1 and the mold 9 is increased. As a result, the splash of the melt becomes intense, and the entire casting apparatus must be enlarged. Further, each time the liquid level rises, it is necessary to have a function of moving the monitoring direction of the radiation thermometer 4 along with the liquid level. In some cases, it is necessary to install several radiation thermometers 4 for one casting apparatus. Because there is high cost. Further, it is necessary to remove a portion corresponding to the monitoring direction of the radiation thermometer 4 in the mold heating means 8, but since the radiation thermometer 4 moves, a considerably wide portion of the mold heating means 8 is removed and the silicon melt 14 is effectively removed. There is a problem that the surface cannot be heated.

また、シリコン融液１４は、鋳型９内部に徐々に供給されるので、その間に鋳型加熱手段８により鋳型内が高温に加熱され、シリコン融液１４が満たされる前に鋳型内の離型材層１０が剥がれ落ちるという問題もある。   Further, since the silicon melt 14 is gradually supplied into the mold 9, the mold heating means 8 is heated to a high temperature by the mold heating means 8 during that time, and the mold release material layer 10 in the mold is filled before the silicon melt 14 is filled. There is also the problem of peeling off.

本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、必要な温度を簡単かつ確実に検知して、より有効に自動化して鋳型加熱手段の温度を制御し、高品質のシリコンインゴットを低コストで得る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-described conventional problems. The required temperature is easily and reliably detected, more effectively automated to control the temperature of the mold heating means, and high quality silicon. It aims at providing the casting apparatus which obtains an ingot at low cost.

上記目的を達成するため、本発明の請求項１の鋳造装置は、シリコン原料を加熱溶解したシリコン融液を底部に設けた出湯口から出湯する溶解坩堝と、前記出湯口に垂下して設けられたノズルと、前記溶解坩堝の下方に配置され、側部と底部とからなり上部に開口した鋳型と、前記鋳型の側部の外周を囲繞するように配設された鋳型断熱材と、前記鋳型と前記溶解坩堝との間に配設された鋳型加熱手段と、前記鋳型の下方に配設された冷却手段と、前記ノズルの直下部を監視するように配設された放射温度計と、前記放射温度計によって測定された温度に基づいて前記鋳型加熱手段の加熱状態を制御する温度制御手段と、を具備している。   In order to achieve the above object, a casting apparatus according to claim 1 of the present invention is provided with a melting crucible for pouring out a silicon melt obtained by heating and melting a silicon raw material from a hot water outlet provided at the bottom, and a hanging from the hot water outlet. A nozzle that is disposed below the melting crucible and includes a side portion and a bottom portion and is open at the top, a mold heat insulating material disposed so as to surround an outer periphery of the side portion of the mold, and the mold A mold heating means disposed between the melting crucible and the melting crucible, a cooling means disposed below the mold, a radiation thermometer disposed to monitor a portion directly below the nozzle, and Temperature control means for controlling the heating state of the mold heating means based on the temperature measured by the radiation thermometer.

また、本発明の請求項２の鋳造装置は、請求項１に記載の鋳造装置において、前記放射温度計は、前記鋳型の内部に出湯を完了したときのシリコン融液の液面位置に該当する前記ノズルの直下部を監視するように配設されている。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a casting apparatus according to the first aspect, wherein the radiation thermometer corresponds to a liquid surface position of the silicon melt when the pouring is completed in the mold. It arrange | positions so that the direct lower part of the said nozzle may be monitored.

そして、本発明の請求項３の鋳造装置は、請求項２に記載の鋳造装置において、前記鋳型の側部および底部は、鋳型内部側に離型材層を備えるとともに、前記放射温度計は、その監視する方向の延長線上に前記側部の離型材層が位置するように配設されている。   The casting apparatus according to claim 3 of the present invention is the casting apparatus according to claim 2, wherein the side portion and the bottom portion of the mold include a release material layer on the inner side of the mold, and the radiation thermometer includes: The release material layer on the side portion is disposed on the extended line in the monitoring direction.

さらに、本発明の請求項４の鋳造装置は、請求項１から３のいずれか一項に記載の鋳造装置において、前記ノズルは、その出口部内周の輪郭形状を鉛直下方に投影した投影形状が矩形状または楕円形状であり、この投影形状の長手方向は、前記放射温度計の監視方向と一致する直線を鉛直下方に投影した投影線と同一方向とした。   Furthermore, a casting apparatus according to a fourth aspect of the present invention is the casting apparatus according to any one of the first to third aspects, wherein the nozzle has a projected shape obtained by projecting the contour shape of the inner periphery of the outlet portion vertically downward. It was rectangular or elliptical, and the longitudinal direction of this projected shape was the same as the projected line that was projected vertically downward on the straight line that coincided with the monitoring direction of the radiation thermometer.

以上のように、本発明によれば、シリコン原料を加熱溶解したシリコン融液を底部に設けた出湯口から出湯する溶解坩堝と、前記出湯口に垂下して設けられたノズルと、前記溶解坩堝の下方に配置され、側部と底部とからなり上部に開口した鋳型と、前記鋳型の側部の外周を囲繞するように配設された鋳型断熱材と、前記鋳型と前記溶解坩堝との間に配設された鋳型加熱手段と、前記鋳型の下方に配設された冷却手段と、前記ノズルの直下部を監視するように配設された放射温度計と、前記放射温度計によって測定された温度に基づいて前記鋳型加熱手段の加熱状態を制御する温度制御手段と、を具備している。ノズルから出湯直後のシリコン融液を放射温度計によってダイレクトに監視することによって行うので、極めて測定のレスポンスがよく、より確実に鋳型加熱手段の温度制御を行うことができる。   As described above, according to the present invention, a melting crucible for discharging a silicon melt obtained by heating and melting a silicon raw material from a hot water outlet provided at the bottom, a nozzle provided depending on the hot water outlet, and the melting crucible Between the mold and the melting crucible, a mold having a side part and a bottom part and having an opening at the top, a mold heat insulating material disposed so as to surround the outer periphery of the side part of the mold, The mold heating means disposed in the mold, the cooling means disposed below the mold, the radiation thermometer disposed so as to monitor a portion directly below the nozzle, and the radiation thermometer were measured. Temperature control means for controlling the heating state of the mold heating means based on the temperature. Since the silicon melt immediately after tapping from the nozzle is directly monitored by a radiation thermometer, the measurement response is very good and the temperature of the mold heating means can be controlled more reliably.

また、放射温度計は、前記鋳型の内部に出湯を完了したときのシリコン融液の液面位置に該当する前記ノズルの直下部を監視するように配設されているので、出湯を完了した後にも、シリコン融液の表面温度を引き続いてモニタすることができるとともに、シリコン融液の表面温度を一定に保ち、表面から抜熱してシリコン融液の表面が凝固しないように、温度制御手段によって、鋳型加熱手段の温度を制御することできるので、鋳型内部のシリコン融液を確実に一方向凝固させることができる。また、放射温度計の監視方向が鋳型に出湯された後のシリコン融液の表面部であるため、溶解坩堝のノズルと鋳型との距離を必要以上に大きくとる必要がなく、よって鋳造装置全体を大型化することなく、また、監視方向が１点に固定されているため、放射温度計を動かす機能を付随させる必要がなく、コストを抑えることができる。   In addition, the radiation thermometer is arranged so as to monitor a portion immediately below the nozzle corresponding to the liquid surface position of the silicon melt when the hot water is completed inside the mold. In addition, the surface temperature of the silicon melt can be continuously monitored, and the temperature temperature is controlled by the temperature control means so that the surface temperature of the silicon melt is kept constant and the surface of the silicon melt is not solidified by removing heat from the surface. Since the temperature of the mold heating means can be controlled, the silicon melt inside the mold can be reliably solidified in one direction. In addition, since the monitoring direction of the radiation thermometer is the surface portion of the silicon melt after being poured into the mold, it is not necessary to make the distance between the melting crucible nozzle and the mold unnecessarily large. Since the monitoring direction is fixed at one point without increasing the size, there is no need to accompany the function of moving the radiation thermometer, and the cost can be reduced.

そして、鋳型の側部および底部は、鋳型内部側に離型材層を備えるとともに、前記放射温度計は、その監視する方向の延長線上に前記側部の離型材層が位置するように配設されている。これによって、放射温度計によって離型材層の温度をモニタすることもできるので、あらかじめ求めておいた、離型材層が剥がれ落ちない温度領域となるように、鋳型加熱手段の温度制御を行えば、離型材層が剥がれ落ちて、出湯されたシリコン融液に混入したり、凝固したシリコンインゴットと鋳型が付着して鋳型やインゴットにダメージが入ったりする恐れがなくなる。また、監視位置を１点に限っているため放射温度計を動かす機能を付随させる必要がなく、また別途熱電対等の温度測定器を設置する必要もないため、その結果、コストを削減することができる。   The side and bottom of the mold are provided with a release material layer on the inner side of the mold, and the radiation thermometer is arranged so that the release material layer of the side is located on an extension line in the monitoring direction. ing. By this, since the temperature of the release material layer can also be monitored by a radiation thermometer, if the temperature control of the mold heating means is performed so as to be a temperature region in which the release material layer is not peeled off, There is no possibility that the release material layer is peeled off and mixed into the discharged silicon melt, or the solidified silicon ingot and the mold adhere to each other and damage the mold or the ingot. In addition, since the monitoring position is limited to one point, there is no need to accompany the function of moving the radiation thermometer, and there is no need to install a separate temperature measuring device such as a thermocouple, thereby reducing costs. it can.

さらに、ノズルは、その出口部内周の輪郭形状を鉛直下方に投影した投影形状が矩形状または楕円形状であり、この投影形状の長手方向は、前記放射温度計の監視方向と一致する直線を鉛直下方に投影した投影線と同一方向としたので、出湯したシリコン融液が放射温度計の監視範囲を有効に通過するため、誤差を少なくして温度を検知することができるため、放射温度計の監視範囲と鋳型へと落下するシリコン融液とのずれをより小さくすることができ、出湯検知漏れを防ぐことができる。   Furthermore, the nozzle has a rectangular or elliptical projection shape that projects the contour shape of the inner circumference of the outlet portion vertically downward, and the longitudinal direction of the projection shape is a straight line that matches the monitoring direction of the radiation thermometer. As the projected line is in the same direction as the projected line, the molten silicon melt effectively passes through the monitoring range of the radiation thermometer, and the temperature can be detected with less error. Deviation between the monitoring range and the silicon melt falling on the mold can be further reduced, and leak detection detection can be prevented.

以上のように、本発明においては、放射温度計により、出湯前の鋳型に塗布された離型材層の温度、出湯検知、シリコン融液の表面温度、凝固終了検知、シリコンインゴットの表面温度を管理し、鋳型加熱手段の温度制御ができるため、作業者の負担が軽減され、作業者待ち等の問題がなくなり、自動的にシリコン融液の凝固工程や冷却工程に移行でき、スムーズにシリコンの鋳造を行うことができる。   As described above, in the present invention, the temperature of the release material layer applied to the mold before pouring, the detection of the hot water, the surface temperature of the silicon melt, the detection of the completion of solidification, and the surface temperature of the silicon ingot are managed by the radiation thermometer. The temperature of the mold heating means can be controlled, reducing the burden on the operator, eliminating problems such as waiting for the operator, and automatically shifting to the solidification process and cooling process of the silicon melt. It can be performed.

以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図１は、本発明にかかる鋳造装置を示す図である。図１に示すように、溶解坩堝１は、投入されたシリコン原料１３を加熱溶解するものであり、通常は高純度の石英等が用いられるが、シリコン原料の融解温度以上の温度において、融解、蒸発、軟化、変形、分解等を生じにくく、かつ太陽電池特性を落とさない純度であれば特に限定されない。また、溶解坩堝１は高温になると軟化して、形を保てないために、グラファイトなどからなる保持坩堝２で保持される。   FIG. 1 is a view showing a casting apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 1, the melting crucible 1 heats and melts the charged silicon raw material 13, and usually high-purity quartz or the like is used, but at a temperature equal to or higher than the melting temperature of the silicon raw material, There is no particular limitation as long as the purity does not easily cause evaporation, softening, deformation, decomposition, and the like, and does not deteriorate the solar cell characteristics. Further, since the melting crucible 1 is softened at a high temperature and cannot keep its shape, it is held by a holding crucible 2 made of graphite or the like.

溶解坩堝１、保持坩堝２の寸法は、一度に溶解する溶解量に応じたシリコン原料１３を内包できる寸法である必要がある。シリコン原料１３の溶解量は、およそ１ｋｇから１５０ｋｇの範囲である。   The size of the melting crucible 1 and the holding crucible 2 needs to be a size capable of enclosing the silicon raw material 13 according to the amount of melting dissolved at a time. The dissolution amount of the silicon raw material 13 is in the range of about 1 kg to 150 kg.

溶解坩堝１の底部には、出湯口３が設けられており、その径は例えば２ｍｍから１０ｍｍ以下に形成される。そして、出湯口３の下部にはノズル５が垂下して、すなわち垂直下方に向けて設けられる。ノズル５も石英などからなり全体が筒状に形成され、通常溶解坩堝１と一体に形成される。なお、溶解坩堝１とは、別体に形成して、溶解坩堝１の底部に取り付けるようにしてもよい。ノズル５は、出湯したシリコン融液の飛散を抑えるためのものであり、溶解坩堝１の底部から垂下するように設けることが望ましい。   A hot water outlet 3 is provided at the bottom of the melting crucible 1 and has a diameter of, for example, 2 mm to 10 mm. And the nozzle 5 hangs down in the lower part of the tap 3, that is, it is provided vertically downward. The nozzle 5 is also made of quartz or the like and is formed in a cylindrical shape as a whole, and is usually formed integrally with the melting crucible 1. The melting crucible 1 may be formed separately and attached to the bottom of the melting crucible 1. The nozzle 5 is for suppressing splashing of the melted silicon melt, and is preferably provided so as to hang from the bottom of the melting crucible 1.

出湯初期においては、出湯口３を通過する融液は水位に依存する圧力によって押し出されるが、出湯後期には水位による圧力がほとんどなくなるために、自重による落下で出湯口３から流れ出るようになる。従って、無駄なく出湯させるためには、溶解坩堝１、保持坩堝２の底部はある一定に以上の傾斜が必要である。   At the beginning of the hot water, the melt passing through the hot water outlet 3 is pushed out by the pressure depending on the water level. However, since the pressure due to the water level almost disappears in the late stage of the hot water, the melt flows out of the hot water outlet 3 due to falling by its own weight. Therefore, in order to discharge hot water without waste, the bottoms of the melting crucible 1 and the holding crucible 2 need to have a certain inclination.

溶解坩堝１、保持坩堝２の上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段６、側部加熱手段７が配置され、例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。   An upper heating means 6 and a side heating means 7 are disposed at the upper and side portions of the melting crucible 1 and the holding crucible 2, respectively. For example, a resistance heating heater or an induction heating coil can be used.

この溶解坩堝１の下方には、鋳型９が配置されている。鋳型９は、上部に開口部を備え底部と側部とを有する構成であり、その内部にシリコン融液１４を保持・凝固させることができるようになっている。この鋳型は、例えば、カーボンや炭素繊維強化炭素材料（Ｃ／Ｃ材）などからなり、鋳型の底部を構成する一つの底部材９ａと、鋳型の側部を構成する４つの側部材９ｂとを組み合わせた分割、組み立て可能な分割鋳型などで構成される。なお、底部材９ａと側部材９ｂとは、ボルト（不図示）などで固定することによって分割可能に組み立てられたり、底部材９ａと側部材９ｂとが丁度嵌まる枠部材（不図示）で固定されたりすることによって分割可能に組み立てられる。   A mold 9 is disposed below the melting crucible 1. The mold 9 is configured to have an opening at the top and a bottom and sides, and the silicon melt 14 can be held and solidified therein. This mold is made of, for example, carbon or a carbon fiber reinforced carbon material (C / C material), and includes one bottom member 9a constituting the bottom of the mold and four side members 9b constituting the side of the mold. It is composed of combined divisions and division molds that can be assembled. The bottom member 9a and the side member 9b are assembled so as to be separable by being fixed with bolts (not shown) or the like, or fixed with a frame member (not shown) in which the bottom member 9a and the side member 9b are just fitted. It is assembled in such a way that it can be divided.

なお、鋳型９の内表面には、離型材層１０を塗布することが望ましい。このような離型材層１０を設けることによって、鋳型９の内部のシリコン融液１４を凝固した後に鋳型９の内壁とシリコンインゴットとが融着することなく、底部材９ａや側部材９ｂを何回も繰り返して使用することができる。このような離型材層１０としては、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）の粉体をポリビニルアルコール水溶液で混ぜ合わせて鋳型９の内面に塗布する。ポリビニルアルコール水溶液などで混合することによって、粉体である窒化シリコンがスラリー状となり、黒鉛製の鋳型９に塗布しやすくなる。窒化シリコンの粉体としては、０．４〜０．６μｍ程度の平均粒径を有するものが用いられ、このような窒化シリコンと濃度が５〜１５重量％程度のポリビニルアルコール水溶液に混合してスラリー状とし、へらや刷毛などで鋳型９の内表面に塗布する。その状態で自然乾燥又はホットプレートに載せて乾燥させて脱脂処理した後、鋳型９内にシリコン融液１４が出湯される。鋳型９の内表面への離型材層１０の塗布は、窒化シリコンと二酸化シリコンの粉体を混合したものを、塗布することも可能である。また、スラリーを塗布するだけではなく、プラズマ溶射機を用いて直接、離型材層１０を設けても良い。 In addition, it is desirable to apply the release material layer 10 to the inner surface of the mold 9. By providing such a release material layer 10, the bottom member 9 a and the side member 9 b are fixed several times without the inner wall of the mold 9 and the silicon ingot being fused after the silicon melt 14 inside the mold 9 is solidified. Can also be used repeatedly. As such a release material layer 10, for example, silicon nitride (Si 3 N 4 ) powder is mixed with a polyvinyl alcohol aqueous solution and applied to the inner surface of the mold 9. By mixing with an aqueous polyvinyl alcohol solution or the like, the powdered silicon nitride becomes a slurry and can be easily applied to the graphite mold 9. As the silicon nitride powder, one having an average particle size of about 0.4 to 0.6 μm is used, and mixed with such silicon nitride and a polyvinyl alcohol aqueous solution having a concentration of about 5 to 15% by weight. And applied to the inner surface of the mold 9 with a spatula or a brush. In this state, the silicon melt 14 is discharged into the mold 9 after natural drying or drying on a hot plate and degreasing treatment. The release material layer 10 can be applied to the inner surface of the mold 9 by applying a mixture of silicon nitride and silicon dioxide powder. In addition to applying slurry, the release material layer 10 may be provided directly using a plasma spraying machine.

この鋳型９の側部には、その外周を囲繞するように鋳型断熱材１１が設けられる。この鋳型断熱材１１を設ける目的は、シリコン融液１４を鋳型９に保持したときに、鋳型９の側部からの抜熱を抑制し、後述する鋳型加熱手段８と冷却手段１２とによる一方向凝固を行いやすくするためである。鋳型断熱材１１としては、グラファイトフェルトなどの主成分をカーボンとする材質が望ましく、特にその表面をカーボンの粉体でコーティング処理を行ったものを用いれば、シリコン融液が付着したときに、劣化するという問題を減少させることができるので望ましい。   A mold heat insulating material 11 is provided on the side of the mold 9 so as to surround the outer periphery thereof. The purpose of providing the mold heat insulating material 11 is to suppress heat removal from the side portion of the mold 9 when the silicon melt 14 is held in the mold 9, and to perform one direction by the mold heating means 8 and the cooling means 12 described later. This is to facilitate coagulation. The mold heat insulating material 11 is preferably made of a material having carbon as a main component, such as graphite felt. Particularly, when the surface of the mold heat insulating material 11 is coated with carbon powder, the material deteriorates when the silicon melt adheres. This is desirable because it can reduce the problem of doing so.

鋳型９と溶解坩堝１との間には鋳型加熱手段８が配設されている。鋳型加熱手段８によって、出湯前の鋳型９はある一定温度にあたためられ、出湯後、この鋳型加熱手段８から鋳型９の内部に保持したシリコン融液１４に対して、上部から熱を供給することによって、その凝固を制御し、一方向凝固を行うことができる。例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。   A mold heating means 8 is disposed between the mold 9 and the melting crucible 1. The mold 9 before the hot water is heated to a certain temperature by the mold heating means 8, and heat is supplied from above to the silicon melt 14 held inside the mold 9 from the mold heating means 8 after the hot water is poured. By controlling the solidification, unidirectional solidification can be performed. For example, a resistance heating type heater or an induction heating type coil can be used.

そして、鋳型９の下方には、冷却手段１２が設けられている。冷却手段１２は鋳型９の内部に保持したシリコン融液１４に対して、その下方から抜熱するという作用を有しており、上述の鋳型加熱手段８によって同時に加熱することによって、シリコン融液１４の下部から上部へと向けて一方向凝固を行うことができる。冷却手段１２としては、例えばステンレス（ＳＵＳ）などの金属板を用いることができ、内部に水などの冷媒を循環させるなどして、鋳型９の内部のシリコン融液１４を効果的に抜熱できるように構成されている。   A cooling means 12 is provided below the mold 9. The cooling means 12 has the effect of removing heat from the lower side of the silicon melt 14 held inside the mold 9. The silicon melt 14 is simultaneously heated by the mold heating means 8 described above. Unidirectional solidification can be performed from the lower part to the upper part. As the cooling means 12, for example, a metal plate such as stainless steel (SUS) can be used, and the silicon melt 14 inside the mold 9 can be effectively removed by circulating a coolant such as water inside. It is configured as follows.

さらに、本発明においては、ノズル５の直下部を監視するように放射温度計４が配設され、この放射温度計４からの出力は、温度制御手段であるプログラマブルコントローラー１６に配線されている。このプログラマブルコントローラー１６は鋳型加熱手段８に配線され、放射温度計４で検知された温度に基づいて、鋳型加熱手段８の加熱状態を制御できるように構成されている。   Further, in the present invention, a radiation thermometer 4 is disposed so as to monitor the portion immediately below the nozzle 5, and an output from the radiation thermometer 4 is wired to a programmable controller 16 which is a temperature control means. The programmable controller 16 is wired to the mold heating unit 8 and configured to control the heating state of the mold heating unit 8 based on the temperature detected by the radiation thermometer 4.

次に、上述の本発明の構成によるシリコン融液の出湯の制御方法を説明する。   Next, a method for controlling the melted silicon melt according to the above-described configuration of the present invention will be described.

まず、溶解坩堝１内にシリコン原料１３を供給する。その際、出湯口を塞ぐシリコン原料であらかじめ出湯口３を塞いでおく。次に、ヒーターに通電して上部加熱手段６を駆動して、溶解坩堝１内のシリコン原料１３を所定温度に加熱して上方から徐々に溶解する。溶解坩堝１内の上方のシリコン原料１３の一部が融液になったら、側部加熱手段７を駆動して、シリコン原料１３の溶解を促進する。上部加熱手段６を駆動した後に、側部加熱手段７を駆動することで、ノズル５の出湯口３に近いシリコン原料１３は出湯まで低温で保たれ、まだ溶けていないシリコン原料１３の隙間を流れ落ちてきた融液が出湯口３の周囲で凝固する。そのため、溶解坩堝１内のシリコン原料１３が完全に融液に変わるまで、シリコン融液は溶解坩堝１から流れ落ちにくくなって溶解坩堝１内に保持される。そして、出湯口３を塞ぐシリコン原料が融液となることで、ノズル５により出湯したシリコン融液１４の飛散を抑えながら、鋳型９内に出湯される。   First, the silicon raw material 13 is supplied into the melting crucible 1. At that time, the tap 3 is closed in advance with a silicon raw material that closes the tap. Next, the heater is energized to drive the upper heating means 6 so that the silicon raw material 13 in the melting crucible 1 is heated to a predetermined temperature and gradually melted from above. When a part of the upper silicon raw material 13 in the melting crucible 1 becomes a melt, the side heating means 7 is driven to promote the dissolution of the silicon raw material 13. After the upper heating means 6 is driven, the side heating means 7 is driven, so that the silicon raw material 13 near the hot water outlet 3 of the nozzle 5 is kept at a low temperature until the hot water flows, and flows down through the gaps of the silicon raw material 13 not yet melted. The melt melted around the outlet 3. Therefore, until the silicon raw material 13 in the melting crucible 1 is completely changed to the melt, the silicon melt is hardly flown down from the melting crucible 1 and is held in the melting crucible 1. And since the silicon raw material which plugs out the hot water outlet 3 becomes a melt, the hot water is poured into the mold 9 while suppressing the scattering of the silicon melt 14 discharged from the nozzle 5.

このとき、従来は作業者が目視で出湯のタイミングの確認を行ったり、鋳型に設けられた、熱電対や放射温度計の温度上昇によって出湯のタイミングの確認を行ったりしていたため、実際の出湯のタイミングとのずれがあったが、本発明の構成によれば、放射温度計４がノズル５の直下部を監視するように配設されているので、出湯したシリコン融液１４が通過すると、１０００度以上の高温体が確認されるため、タイミングを即座に知ることができる。   At this time, conventionally, the operator has checked the timing of the hot water visually, or has checked the timing of the hot water by the temperature rise of the thermocouple or radiation thermometer provided in the mold. However, according to the configuration of the present invention, since the radiation thermometer 4 is arranged so as to monitor the lower part of the nozzle 5, when the molten silicon melt 14 passes through, Since a high temperature body of 1000 ° C. or higher is confirmed, the timing can be known immediately.

放射温度計４に結線された温度制御手段であるプログラマブルコントローラー１６は、放射温度計４によって測定された温度を検知して、シリコン融液１４の出湯のタイミングを認知し、これに基づいて、次の凝固工程に移行すべきことを判断する。そして、鋳型加熱手段８に対して、温度制御を行い、鋳型９に注湯されたシリコン融液１４の表面を凝固させないように高温加熱する。   The programmable controller 16, which is a temperature control means connected to the radiation thermometer 4, detects the temperature measured by the radiation thermometer 4, recognizes the timing of the hot water of the silicon melt 14, and based on this, It is judged that the solidification process should be shifted to. Then, the mold heating means 8 is controlled in temperature, and heated at a high temperature so as not to solidify the surface of the silicon melt 14 poured into the mold 9.

従来は、出湯の検知を、図４に図示したように鋳型９に施した熱電対１５や、鋳型９に出湯されたシリコン融液１４の表面を放射温度計４で検知することによって行っていたが、本発明はノズル５から出湯直後のシリコン融液１４を放射温度計４によってダイレクトに監視することによって行うので、極めて測定のレスポンスがよく、より確実に鋳型加熱手段８の温度制御を行うことができる。   Conventionally, the detection of the hot water was performed by detecting the surface of the thermocouple 15 applied to the mold 9 and the silicon melt 14 discharged from the mold 9 with the radiation thermometer 4 as shown in FIG. However, since the present invention is performed by directly monitoring the silicon melt 14 immediately after tapping from the nozzle 5 with the radiation thermometer 4, the measurement response is very good, and the temperature control of the mold heating means 8 is more reliably performed. Can do.

また、放射温度計４は、鋳型９の内部に出湯を完了したときのシリコン融液１４の液面位置に該当するノズル５の直下部（図１の例ではＡ部）を監視するように配設することが望ましい。溶解坩堝１内のシリコン原料１３が完全に融液となり、鋳型９内に出湯される際、出湯口３に設けられたノズル５は垂下しているため、シリコン融液１４は、直下部の鋳型９内に落下し、やがて出湯を完了して所定の液面位置（Ａ部）となる。このとき、放射温度計４は、Ａ部を監視するように配設されているので、出湯を開始したタイミングを検知できるのはもちろんであるが、出湯を完了した後にも、シリコン融液１４の表面温度を引き続いてモニタすることができる。   In addition, the radiation thermometer 4 is arranged so as to monitor the portion immediately below the nozzle 5 (part A in the example of FIG. 1) corresponding to the liquid surface position of the silicon melt 14 when the hot water is completed inside the mold 9. It is desirable to install. When the silicon raw material 13 in the melting crucible 1 is completely melted and discharged into the mold 9, the nozzle 5 provided at the outlet 3 is suspended, so that the silicon melt 14 is used in the mold immediately below. It falls into 9, and finally the hot water is completed to reach a predetermined liquid level position (A part). At this time, since the radiation thermometer 4 is arranged so as to monitor the part A, it is possible to detect the timing at which the hot water is started. The surface temperature can subsequently be monitored.

シリコン融液１４の凝固工程においては、シリコン融液１４が鋳型９内に満たされた後、冷却手段１２によってその下方から抜熱を行い、鋳型加熱手段８により同時に加熱することによって、シリコン融液１４の下部から上部へと向けて一方向凝固を行う。このとき、放射温度計４によりシリコン融液１４の表面温度を測定することで、放射温度計４で検知された温度、すなわちシリコン融液１４の表面温度を一定に保ち、表面から抜熱してシリコン融液１４の表面が凝固しないように、温度制御手段であるプログラマブルコントローラー１６によって、鋳型加熱手段８の温度を制御する。これによって、鋳型９内部のシリコン融液１４を確実に一方向凝固させることができる。   In the solidification process of the silicon melt 14, after the silicon melt 14 is filled in the mold 9, heat is removed from below by the cooling means 12, and simultaneously heated by the mold heating means 8. Unidirectional solidification is performed from the lower part of 14 toward the upper part. At this time, by measuring the surface temperature of the silicon melt 14 with the radiation thermometer 4, the temperature detected by the radiation thermometer 4, that is, the surface temperature of the silicon melt 14 is kept constant, and heat is removed from the surface to form silicon. The temperature of the mold heating means 8 is controlled by a programmable controller 16 which is a temperature control means so that the surface of the melt 14 does not solidify. As a result, the silicon melt 14 inside the mold 9 can be solidified in one direction.

また、シリコン融液１４が下部から凝固していき、最後にシリコン融液１４の表面が凝固する。このとき、液体と固体による放射率の違いによって、放射温度計４により測定される温度は変動することから、シリコン融液１４の凝固を検知することができる。その後、冷却工程に移行し、凝固したシリコンインゴットを除冷するため、放射温度計４で凝固したシリコンインゴットのＡ部の温度を測定し管理することで、鋳型加熱手段８の温度を制御する。   Further, the silicon melt 14 is solidified from the bottom, and finally the surface of the silicon melt 14 is solidified. At this time, since the temperature measured by the radiation thermometer 4 varies depending on the difference in emissivity between the liquid and the solid, solidification of the silicon melt 14 can be detected. Thereafter, the process proceeds to a cooling step, and the temperature of the mold heating means 8 is controlled by measuring and managing the temperature of part A of the solidified silicon ingot with the radiation thermometer 4 in order to remove the solidified silicon ingot.

このように鋳型９の底部を測定することがなく、よって図４に示されるように放射温度計４を鋳造装置の上方に設置し、溶解坩堝１と鋳型９の距離も大きくとる必要がないため、溶解坩堝１と鋳型９の距離が小さくでき、その結果出湯におけるシリコン融液の跳び散りを抑えることができ、また、放射温度計４の監視範囲と鋳型へと落下するシリコン融液とのずれが小さく、出湯検出漏れを生ずることもない。また、放射温度計４がある方向の鋳型９や鋳型断熱材１１の上部、鋳型加熱手段８に溝などをつけることによって、溶解坩堝１と鋳型９の距離をより小さくすることができるため、放射温度計４の監視範囲と鋳型９へと落下するシリコン融液とのずれをより小さくすることができる。また、監視位置を１点に限っているため放射温度計４を動かす機能を付随させる必要がなく、また別途熱電対等の温度測定器を設置する必要もないため、その結果、コストを削減することができる。   In this way, the bottom of the mold 9 is not measured. Therefore, as shown in FIG. 4, the radiation thermometer 4 is installed above the casting apparatus, and there is no need to increase the distance between the melting crucible 1 and the mold 9. In addition, the distance between the melting crucible 1 and the mold 9 can be reduced, and as a result, the silicon melt can be prevented from splashing in the tapping water, and the shift between the monitoring range of the radiation thermometer 4 and the silicon melt falling onto the mold Is small, and there is no possibility of leaking out of hot water. Moreover, since the distance between the melting crucible 1 and the mold 9 can be further reduced by forming a groove or the like in the upper part of the mold 9 or the mold heat insulating material 11 in the direction of the radiation thermometer 4 and the mold heating means 8, radiation The deviation between the monitoring range of the thermometer 4 and the silicon melt falling on the mold 9 can be further reduced. In addition, since the monitoring position is limited to one point, there is no need to accompany the function of moving the radiation thermometer 4, and there is no need to install a separate temperature measuring device such as a thermocouple, thereby reducing costs. Can do.

さらに、上述において鋳型９の側部材９ｂおよび底部材９ａは、鋳型内部側に離型材層１０を備えることが望ましいことを説明したが、この場合、放射温度計４は、その監視する方向の延長線上に側部材９ｂ上に設けられた離型材層１０が位置するように配設することが望ましい。放射温度計４を上記方向に固定することにより、まずシリコン原料１３が溶解坩堝１内で溶解されているときには、放射温度計４は監視方向にあたる鋳型９に設けられた離型材層１０の温度を測定することになる。この離型材層１０の温度を温度制御手段であるプログラマブルコントローラー１６によってモニタしながら、あらかじめ求めておいた離型材層１０が剥がれ落ちない温度領域となるように、鋳型加熱手段８の温度制御を行えば、離型材層１０が剥がれ落ちて、出湯されたシリコン融液１４に混入したり、凝固したシリコンインゴットと鋳型９が付着して鋳型９やインゴットにダメージが入ったりする恐れがなくなる。   Furthermore, in the above description, it has been described that the side member 9b and the bottom member 9a of the mold 9 preferably include the release material layer 10 on the mold inner side. In this case, the radiation thermometer 4 is extended in the monitoring direction. It is desirable to dispose the release material layer 10 provided on the side member 9b on the line. By fixing the radiation thermometer 4 in the above direction, when the silicon raw material 13 is first melted in the melting crucible 1, the radiation thermometer 4 sets the temperature of the release material layer 10 provided in the mold 9 in the monitoring direction. Will be measured. While the temperature of the release material layer 10 is monitored by the programmable controller 16 which is a temperature control means, the temperature of the mold heating means 8 is controlled so that the predetermined release material layer 10 is in a temperature region where the release material layer 10 does not peel off. For example, there is no possibility that the release material layer 10 is peeled off and mixed into the discharged silicon melt 14, or the solidified silicon ingot and the mold 9 adhere to each other and damage the mold 9 or the ingot.

また、出湯検知後に鋳型加熱手段８の温度を上げ、またシリコン融液を一気に鋳型９内に出湯するため、鋳型加熱手段８によって離型材層１０に必要以上の熱がかからず、離型材層１０が剥がれ落ちる心配はない。   Further, since the temperature of the mold heating means 8 is raised after the hot water is detected and the silicon melt is discharged into the mold 9 at once, the mold heating means 8 does not apply more heat than necessary to the mold release material layer 10, and the mold release material layer. There is no worry that 10 will come off.

また、本発明において、ノズル５は、その出口部内周の輪郭形状を鉛直下方に投影した投影形状が矩形状または楕円形状であり、この投影形状の長手方向は、放射温度計４の監視方向と一致する直線を鉛直下方に投影した投影線と同一方向とすることが望ましい。図２を用いて具体的に説明する。   Further, in the present invention, the nozzle 5 has a rectangular or elliptical projection shape in which the contour shape of the inner periphery of the outlet portion is projected vertically downward, and the longitudinal direction of the projection shape is the monitoring direction of the radiation thermometer 4. It is desirable that the matching straight line be in the same direction as the projection line projected vertically downward. This will be specifically described with reference to FIG.

図２は、鋳型９を上から見たときの図であるが、説明のためノズル５および放射温度計４と、これらにかかる投影形状を付け加えてある。ノズル５の出口部内周の輪郭形状を鉛直下方に投影した投影形状（以下、内周投影形状５ａと称する）は、矩形状であり、その長手方向が放射温度計４の監視方向と一致する直線を鉛直下方に投影した投影線（以下、監視投影線４ａと称する）と同一方向となっている。図２では内周投影形状５ａは、矩形状であるが、楕円形状でもよい。この場合は、楕円の長軸の方向を長手方向とする。   FIG. 2 is a view when the mold 9 is viewed from above, but for the sake of explanation, a nozzle 5 and a radiation thermometer 4 and a projection shape relating to these are added. A projection shape (hereinafter referred to as an inner periphery projection shape 5a) in which the contour shape of the inner periphery of the outlet portion of the nozzle 5 is projected vertically downward is a rectangular shape, and a straight line whose longitudinal direction matches the monitoring direction of the radiation thermometer 4 Is in the same direction as a projection line (hereinafter referred to as monitoring projection line 4a) projected vertically downward. In FIG. 2, the inner peripheral projection shape 5a is rectangular, but may be elliptical. In this case, the direction of the major axis of the ellipse is the longitudinal direction.

このように、ノズル５にかかる内周投影形状５ａを矩形状または楕円形状にし、その長手方向が、放射温度計４にかかる監視投影線４ａと同一方向にすれば、出湯したシリコン融液１４が放射温度計４の監視範囲を有効に通過するので、誤差を少なくして温度を検知することができるため、放射温度計４の監視範囲と鋳型９へと落下するシリコン融液１４とのずれをより小さくすることができ、出湯検知漏れを防ぐことができる。ノズル５の大きさは、例えばその開口部の面積（出口部内周の輪郭形状）を５〜８０ｍｍ２とし、長手方向（楕円形状では長軸）の長さが短手方向（楕円形状では短軸）の長さの１．３〜３．０倍とすることが望ましい。また、出湯口３の形状もノズル５と同様に矩形状または楕円形状にしてもよい。 Thus, if the inner peripheral projection shape 5a applied to the nozzle 5 is rectangular or elliptical and the longitudinal direction thereof is the same direction as the monitoring projection line 4a applied to the radiation thermometer 4, the discharged silicon melt 14 is obtained. Since the temperature can be detected with less error since the monitoring range of the radiation thermometer 4 is effectively passed, the deviation between the monitoring range of the radiation thermometer 4 and the silicon melt 14 falling on the mold 9 can be prevented. It is possible to make the size smaller, and it is possible to prevent the detection of hot water detection. The size of the nozzle 5 is, for example, such that the area of the opening (contour shape of the inner periphery of the outlet portion) is 5 to 80 mm 2 , and the length in the longitudinal direction (long axis in the elliptical shape) is short (short axis in the elliptical shape). ) Is preferably 1.3 to 3.0 times the length of. Further, the shape of the tap 3 may be rectangular or elliptical like the nozzle 5.

また、図２に示すように、ノズル５の出口部と、鋳型９の略中心部とが一致するように鋳型９を配置することが望ましい。このように配置することによって、放射温度計４が監視する鋳型９内部のＡ部は、出湯されたシリコン融液１４の中央部と一致するので、放射温度計４によって測定される温度は、シリコン融液１４を代表する温度として妥当性を有するものとなり、測定した結果の信頼性がより高まるからである。   Further, as shown in FIG. 2, it is desirable to arrange the mold 9 so that the outlet portion of the nozzle 5 and the substantially central portion of the mold 9 coincide. By arranging in this way, the portion A inside the mold 9 monitored by the radiation thermometer 4 coincides with the central portion of the discharged silicon melt 14, so that the temperature measured by the radiation thermometer 4 is silicon. This is because the temperature is appropriate as a temperature representative of the melt 14 and the reliability of the measurement result is further increased.

以上説明したように、本発明においては、放射温度計４により、出湯前の鋳型９に塗布された離型材層１０の温度、出湯検知、シリコン融液の表面温度、凝固終了検知、シリコンインゴットの表面温度を管理し、鋳型加熱手段８の温度制御ができるため、作業者の負担が軽減され、作業者待ち等の問題がなくなり、自動的にシリコン融液の凝固工程や冷却工程に移行でき、スムーズにシリコンの鋳造を行うことができる。   As described above, in the present invention, the radiation thermometer 4 is used to detect the temperature of the release material layer 10 applied to the mold 9 before pouring, the detection of the hot water, the surface temperature of the silicon melt, the detection of the completion of solidification, and the silicon ingot. Since the surface temperature can be controlled and the temperature of the mold heating means 8 can be controlled, the burden on the worker is reduced, there is no problem of waiting for the worker, and the process can be automatically transferred to the solidification process or cooling process of the silicon melt, Silicon casting can be performed smoothly.

なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。   It should be noted that the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

例えば、上述の説明では、温度制御手段として、プログラマブルコントローラー１６（シーケンサ）を用いた例によって説明した。このようなプログラマブルコントローラーは、この機械制御の分野においては極めてよく知られているものであって、単機能を有するモジュールを組み合わせてユニット化して用いたり、機能を特化した１つのモジュールを用いて構成される。本発明にかかる温度制御手段の場合は、放射温度計４からの出力は、例えばアナログの電圧値（例えば、温度値が１０００℃の時は１０Ｖのように、１／１００の値となるような電圧値として）として取り込まれるため、これをデジタル値に変換する機能を有するモジュールや、鋳型加熱手段８の温度を制御するＰＩＤ制御機能を有するモジュールなどと適宜組み合わせて用いたりすればよい。さらに、プログラマブルコントローラーを用いる代わりに、汎用のパソコンに制御用のインターフェース機構を設けてもよく、全く同様の結果を得ることができる。   For example, in the above description, the example using the programmable controller 16 (sequencer) as the temperature control means has been described. Such a programmable controller is very well known in the field of machine control, and can be used as a unit by combining modules having a single function, or using a single module specializing in functions. Composed. In the case of the temperature control means according to the present invention, the output from the radiation thermometer 4 is an analog voltage value (for example, a value of 1/100, such as 10 V when the temperature value is 1000 ° C.). Therefore, it may be used in appropriate combination with a module having a function of converting it into a digital value, a module having a PID control function for controlling the temperature of the mold heating means 8, or the like. Furthermore, instead of using a programmable controller, a general-purpose personal computer may be provided with an interface mechanism for control, and the same result can be obtained.

本発明の鋳造装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the casting apparatus of this invention. ノズル形状と放射温度計の監視方向との位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the nozzle shape and the monitoring direction of a radiation thermometer. 従来の鋳造装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the conventional casting apparatus. 従来の鋳造装置の構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of the conventional casting apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１：溶解坩堝
２：保持坩堝
３：出湯口
４：放射温度計
４ａ：監視投影線
５：ノズル
５ａ：内周投影形状
６：上部加熱手段
７：側部加熱手段
８：鋳型加熱手段
９：鋳型
９ａ：底部を構成する底部材
９ｂ：側部を構成する側部材
１０：離型材層
１１：鋳型断熱材
１２：冷却手段
１３：シリコン原料
１４：シリコン融液
１５：熱電対
１６：温度制御手段であるプログラマブルコントローラー 1: Melting crucible 2: Holding crucible 3: Outlet 4: Radiation thermometer 4a: Monitoring projection line 5: Nozzle 5a: Inner peripheral projection shape 6: Upper heating means 7: Side heating means 8: Mold heating means 9: Mold 9a: bottom member constituting the bottom portion 9b: side member constituting the side portion 10: mold release material layer 11: mold heat insulating material 12: cooling means 13: silicon raw material 14: silicon melt 15: thermocouple 16: temperature control means A programmable controller

Claims (4)

シリコン原料を加熱溶解したシリコン融液を底部に設けた出湯口から出湯する溶解坩堝と、前記出湯口に垂下して設けられたノズルと、前記溶解坩堝の下方に配置され、側部と底部とからなり上部に開口した鋳型と、前記鋳型の側部の外周を囲繞するように配設された鋳型断熱材と、前記鋳型と前記溶解坩堝との間に配設された鋳型加熱手段と、前記鋳型の下方に配設された冷却手段と、前記ノズルの直下部を監視するように配設された放射温度計と、前記放射温度計によって測定された温度に基づいて前記鋳型加熱手段の加熱状態を制御する温度制御手段と、を具備した鋳造装置。 A melting crucible for discharging a silicon melt obtained by heating and melting a silicon raw material from a tapping outlet provided at the bottom, a nozzle provided to hang down from the tapping outlet, disposed below the melting crucible, and a side and a bottom. A mold having an opening at the top, a mold heat insulating material disposed so as to surround an outer periphery of a side portion of the mold, a mold heating unit disposed between the mold and the melting crucible, Cooling means disposed below the mold, a radiation thermometer disposed so as to monitor a portion immediately below the nozzle, and a heating state of the mold heating means based on a temperature measured by the radiation thermometer And a temperature control means for controlling the casting. 前記放射温度計は、前記鋳型の内部に出湯を完了したときのシリコン融液の液面位置に該当する前記ノズルの直下部を監視するように配設された請求項１に記載の鋳造装置。 The casting apparatus according to claim 1, wherein the radiation thermometer is disposed so as to monitor a portion immediately below the nozzle corresponding to a liquid surface position of the silicon melt when the hot water is completed in the mold. 前記鋳型の側部および底部は、鋳型内部側に離型材層を備えるとともに、前記放射温度計は、その監視する方向の延長線上に前記側部の離型材層が位置するように配設された請求項２に記載の鋳造装置。 The side part and bottom part of the mold are provided with a release material layer on the inner side of the mold, and the radiation thermometer is arranged so that the release material layer of the side part is located on an extension line in the monitoring direction. The casting apparatus according to claim 2. 前記ノズルは、その出口部内周の輪郭形状を鉛直下方に投影した投影形状が矩形状または楕円形状であり、この投影形状の長手方向は、前記放射温度計の監視方向と一致する直線を鉛直下方に投影した投影線と同一方向とした請求項１から３のいずれか一項に記載の鋳造装置。 The nozzle has a rectangular or elliptical projection shape in which the contour shape of the inner periphery of the outlet portion is projected vertically downward, and the longitudinal direction of the projection shape is a vertically downward line that matches the monitoring direction of the radiation thermometer. The casting apparatus according to claim 1, wherein the casting apparatus has the same direction as a projection line projected onto the casting line.
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