可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉

【課題】今まで固定されていた第三ゾーンの発熱体の位置を外部から可変できる可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉を提供する。
【解決手段】本発明は、上記課題を解決するため、発熱体を有する加熱部を有する所謂内熱型の単結晶を合成する電気炉において発熱体が２個以上で構成される電気炉で、加熱源である発熱体の位置を外部から変えることにより、温度分布を変えることができる電気炉の構成とした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン太陽電池用の単結晶及び多結晶をはじめとする結晶を合成する電気炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の内熱型の結晶育成式縦型電気炉では、発熱体の位置は固定され、各ゾーンの設定温度を変えることにより、ある程度の温度分布を得ることができた。
【０００３】
しかしながら、従来の方法では限界があった。例えば、従来の内熱型の電気炉では、発熱体は、電気炉の内部に固定されていて、容易に発熱体間の位置を可変することができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−２９４５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、今まで固定されていた第三ゾーンの発熱体の位置を外部から可変できる可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するために、多数の発熱体を有する加熱部（加熱部と発熱体で構成される内部）を有する所謂内熱型の単結晶を合成する電気炉において発熱体が２個以上で構成される電気炉で、加熱源である発熱体の位置を外部から変えることにより、温度分布を変えることができる電気炉の構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
第三発熱体と第二発熱体の間の位置が可変であるため、ある程度の温度分布範囲を網羅することが出来る。
【０００８】
また、発熱体間の距離変更の速度を高速から低速にすることにより、各種材料を溶融したり、結晶を育成することが出来る。
【０００９】
更に、応用例として、結晶育成中に発熱体を移動することで、より長い結晶の育成も可能となると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来型電気炉の内部構成図である。
【図２】本発明である可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉の内部構成図である。
【図３】本発明である可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉の第三発熱体を最下部に移動させた状態を示した内部構成図である。
【図４】本発明である可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉の一部を拡大した簡略図である。
【図５】本発明である可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉を温度分布測定用に変えた状態を示した簡略図である。
【図６】本発明である可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉で計測した温度分布を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、従来型電気炉の内部構成図である。まず、図１を使用して、従来式のマルチゾーン電気炉の中で３ゾーン式縦型電気炉の内部構造を説明します。
【００１３】
電気炉１００を構成する水冷チャンバー１０１は、外周面を胴体部チャンバー水冷ジャケット１２で覆った筒状の胴体部チャンバー１１と、前記胴体部チャンバー１１の上面に上フランジ１０を介して取り付けられる上蓋１０及び前記胴体部チャンバー１１の下面に下フランジ２３とOリングを介して下蓋３１がネジにより固定されている。
【００１４】
前記上フランジ１０は、Oリング等のシール部材で絶縁且つシールされており、温度上昇を抑えるために上蓋水冷ジャケット９が装着されている。一方、前記下フランジ２３は固定板２２にネジ等の固定部材により固定される。尚、図示はしていないが、前記固定板２２は、台や架台に固定される。
【００１５】
前記胴体部チャンバー１１の外周面には、冷却口３２に取り付けられており、水冷できるようになっている。尚、図面上では冷却口３２は１つであるが、出入り口用として２個取り付けられている。
【００１６】
また、前記胴体部チャンバー１１の内部壁面には第一上下断熱材５３、１６及び第二上下断熱材１３、１７が設置されており、前記第一、第二上断熱材５３、１３と第一、第二下断熱材１６、１７の間には断熱材分離板１５が設置されている。前記断熱材１３、５３、１６、１７により、胴体部チャンバー１１の温度上昇が抑えられる。
【００１７】
前記上蓋１の下面中央には、ストッパー７で固定された第一発熱体用電極３を介して第一発熱体４が取り付けられており、前記第一発熱体４は第一発熱体用電極３により、外部から電気を流すことが出来る。
【００１８】
前記第一発熱体用電極３の内側には断熱材５４を介して第一発熱体４の温度を制御するために熱センサーとして第一熱電対４０が設置されており、前記第一発熱体用電極３の外周部分には断熱材固定板４１により上面断熱材２が設置されている。
【００１９】
前記上面断熱材２と第二上断熱材１３の間には第二発熱体用電極６が設置されており、更に前記第二発熱体用電極６の下端には第二発熱体１４が取り付けられている。そのため、第二発熱体１４には第二発熱体用電極６を介して外部から電気が流れる。
【００２０】
前記第二発熱体用電極６は、Ｏリング等の絶縁シール部材８で上蓋１の内部と外部がシールされ、第二発熱体用電極６と上蓋１が絶縁されている。尚、第二発熱体用電極６と上蓋１はストッパー７で固定されている。
【００２１】
前記第一発熱体用電極３と第二発熱体用電極６の間に位置する上面断熱材２には、前記第二発熱体１４の温度を制御するための熱センサーとして第二熱電対５と、後に説明する第三発熱体１８の温度を制御するための熱センサーとして第三熱電対４２が設置されている。
【００２２】
第三発熱体１８は、前記第二発熱体１４の下方に設置されている発熱体で、第二発熱体１４と第三発熱体１８の間には空間が設けられている。この空間は更に前記断熱材分離板１５の先端部分により分断され、第二発熱体１４と第三発熱体１８のそれぞれの発熱体から発生する熱が相互に干渉しにくいようになっている。
【００２３】
第三発熱体１８の下端は、第三発熱体用電極１９に連結されており、前記第三発熱体用電極１９の下端は電極固定具２５を介して下部電極固定板２６に固定されている。更に下部電極固定板２６は電極固定棒２４を介して前記下蓋３１に固定されている。
【００２４】
前記第二発熱体用電極１９は、Ｏリングや絶縁シール部材８で絶縁且つシールされており、また、第二発熱体用電極１９の内側には上下断熱材２０、２１が設置されている。
【００２５】
前記下蓋３１の中央部には下方に向かって筒体が突出しており、この筒体には中央に孔が穿設されたシールフランジ２８がクランプ２７を介して取付けられている。また、下蓋３１の中央上面には筒体の蓋付き炉芯管３３が設置されている。
【００２６】
前記シールフランジ２８の孔には下ルツボ支持管２９が挿通されており、下ルツボ支持管２９とシールフランジ２８はシール部材でシールされている。
【００２７】
前記下ルツボ支持管２９の上端には上ルツボ支持管３６が連結されており、更に上ルツボ支持管２６の上端にはルツボ受け台３５が取り付けられている。前記ルツボ受け台３５にはルツボ３４が載置される。また、前記上ルツボ支持管３６の下部外周面には複数枚の熱反射板３７が取り付けられている。
【００２８】
支持管２９は、ルツボ支持台用受け台３８で固定され、ルツボ支持管２９は、ルツボ支持台用受け台３８を介して取付板３９に固定されている。
前記下ルツボ支持管２９の下端はルツボ支持管用受け台３８に固定されており、前記ルツボ支持管用受け台３８は取付板３９に固定されている。この取付板３９の下面には移動板用測板３０が連結されている。
【００２９】
前記ルツボ３４を移動することにより、結晶を合成することができ、このルツボ３４の移動するために前記移動板用測板３０がある。
【００３０】
シール金具部４３は、前記第一熱電対４０をシールするための部材であり、シール金具部４４は、前記第二熱電対５及び第三熱電対４２をシールするための部材である。
【００３１】
前記第三発熱体１８の外側は、前述の第一及び第二下断熱材１６、１７が位置しており、この第一及び第二下断熱材１６、１７は前記第一及び第二上断熱材５３、１３と同様に胴体部チャンバー１１の温度上昇を抑えている。
【００３２】
図１では、各発熱体４，１４，１８は３個ともに固定されているので、温度分布を変えるときは、第二発熱体１４、第三発熱体１８の専用温度制御の設定温度を変えて、ある程度緩やかな温度分布を得ていたが、これには限界があった。そこで本発明では、第三発熱体１８を移動できるようにして、より緩やかな温度分布を得ることが出来た。
【００３３】
次に図２を使用して、本発明の電気炉を説明することとする。図２は本発明である可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉の内部構成図、図３は可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉の第三発熱体を最下部に移動させた状態を示した内部構成図、図４は可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉の一部を拡大した簡略図である。
【００３４】
図２及び図３に示すように、本発明である可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉１０２は、前記電気炉１００と類似しているが、以下の点が異なっている。
【００３５】
まず、第三発熱体１８の下部且つ第三発熱体用電極１９の内側にあった断熱材は上断熱材２０のみとなり、下断熱材２１のあった場所が空洞となっている。尚、前記上断熱材２０は第三発熱体用電極１９に取り付けた固定板５１により固定されているため、上断熱材２０が下方にズレ落ちることはなく、上断熱材２０の下方に空間がある状態が保たれている。
【００３６】
次に、電極固定用棒２４が無くして下部電極固定板２６を一回り小さくし、前記下部電極固定板２６の下面に第三発熱体移動用台４５が取り付けられた。これにより、第三発熱体１８、第三発熱体用電極１９及び下部電極固定板２６は下蓋３１から自由となり、上下に移動することが可能となった。
【００３７】
図３及び図４に示すように、前記下部電極固定板２６を下方に移動させることにより、第三発熱体１８、第三発熱体用電極１９も下方に移動し、更にこの移動に伴って第一、第二上断熱材５３、１３及び第一、第二下断熱材１６、１７も下方に移動した。このとき、前記第一、第二上断熱材５３、１３の上側に隙間が出来るが、温度分布には影響しない。一方、上断熱材２０の下側にあった空間は、上断熱材２０が下方に移動したことにより無くなっている。
【００３８】
図５は本発明である可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉を温度分布測定用に変えた状態を示した簡略図である。
【００３９】
まず、蓋付き炉芯管３３からルツボ３４、上下ルツボ支持管３６、２９を取り去り、シールフランジ２８を測定専用のシールフランジ５２に交換する。前記シールフランジ５２の中央上面にアルミナ管固定金具４９を取付け、更に前記アルミナ管固定金具４９にアルミナ管４６を取り付ける。
【００４０】
前記アルミナ管４６の内部にはアルミナ保護管４７があり、このアルミナ保護管４７に絶縁管付き熱電対４８が挿入されている。前記アルミナ保護管４７は、シール金具部４３でシールフランジ５２にシール固定されている。
【００４１】
前記アルミナ保護管４７の下端は保護管固定金具５０に連結されており、更に、保護管固定金具５０は下部に移動板用測板３０を備えた取付板３９に固定されている。前記移動板用測板３０を移動することにより、アルミナ管４６内部のアルミナ保護管４７と熱電対４８が移動されて、任意の位置で温度を計測することが出来る。
【００４２】
前記アルミナ管４６は、蓋付き炉芯管３３内部に固定されているので、熱電対４８は、対流の影響を受けない。
【００４３】
図６は本発明である可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉で計測した温度分布を示した図であり、第三発熱体１８が最上部（図２）と最下部（図３）に移動したときの温度分布である。
【００４４】
図６に示すように、従来型電気炉１００と本発明の可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉１０２を比較すると、第三発熱体１８を最上部に位置した場合と従来型電気炉１の温度分布は同様の結果であった。
【００４５】
第三発熱体１８が最上部にあるときは、従来の電気炉１と同じ分布になっているので、あえて従来の電気炉１での温度分布は掲示していない。
【００４６】
本発明により、ある程度の温度分布範囲を網羅できる可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉１０２が構築された。
【００４７】
第三発熱体１８の移動機構の速度を高速から低速にすることにより、各種材料を溶融したり、結晶を育成することが出来、また、他にも新たな応用が考えられる。
【００４８】
本発明は、発熱体（４，１４，１８）が３個の時の説明をしているが、発熱体が２個の炉にも応用が出来る。
【００４９】
又、発熱体が４個以上の場合には、移動したい部分の発熱体の電極を同時に、あるいは個別に移動できるようにすることにより、同様の効果を得ることが可能となる。
【００５０】
ユニークな応用例としては、結晶育成中に発熱体を移動することにより、より長い結晶の育成も可能となるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明である可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉は、シリコン太陽電池用の単結晶及び多結晶を合成する電気炉と半導体結晶を合成する分野に応用できる。
【符号の説明】
【００５２】
１上蓋
２上面断熱材
３第一発熱体用電極
４第一発熱体
５第二熱電対
６第二発熱体用電極
７ストッパー
８絶縁シール部材
９上蓋水冷ジャケット
１０上フランジ
１１胴体部チャンバー
１２胴体部チャンバー水冷ジャケット
１３第二断熱材
１４第二発熱体
１５断熱材分離板
１６第一下断熱材
１７第二下断熱材
１８第三発熱体
１９第二発熱体用電極
２０上断熱材
２１下断熱材
２２固定板
２３下フランジ
２４電極固定用棒
２５電極固定具
２６下部電極固定板
２７クランプ
２８シールフランジ
２９下ルツボ支持管
３０移動板用測板
３１下蓋
３２冷却口
３３蓋付き炉芯管
３４ルツボ
３５ルツボ受け台
３６上ルツボ支持管
３７熱反射板
３８ルツボ支持管用受け台
３９取付板
４０第一熱電対
４１断熱材固定板
４２第三熱電対
４３シール金具部
４４シール金具部
４５第三発熱体移動用台
４６アルミナ管
４７アルミナ保護管
４８絶縁管付き熱電対
４９アルミナ管固定金具
５０保護管固定金具
５１固定台
５２シールフランジ
５３第一上断熱材
５４断熱材
１００電気炉
１０１水冷チャンバー
１０２可変温度勾配式マルチゾーン型電気炉

【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を有する加熱部を有する所謂内熱型の単結晶を合成する電気炉において発熱体が２個以上で構成される電気炉で、加熱源である発熱体の位置を外部から変えることにより、温度分布を変えることができる電気炉。

【図１】