(57)【要約】  本発明の鋳造方法は、鋳型２５内で原料を凝固させながら鋳型２５から原料を水平方向に連続的に引き抜くことで原料の鋳造棒３１を鋳造する工程と、鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間に気体を導入する工程と、鋳型２５内の鋳造棒３１の上面を加熱する工程と、を含む。具体的には、鋳型２５の壁面２５ａおよび２５ｂに設けられた孔３３から隙間に気体を導入できる。鋳造棒３１の原料は、例えば、液相から固相への相変化に伴って体積が増加する材料である。
2012090436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型内で原料を凝固させながら前記鋳型から前記原料を水平方向に連続的に引き抜くことで前記原料の鋳造棒を鋳造する工程と、
前記鋳造棒と前記鋳型との間の隙間に気体を導入する工程と、
前記鋳型内の前記鋳造棒の上面を加熱する工程と、
を含む、鋳造方法。
【請求項２】
前記鋳型の壁面に設けられた孔から前記隙間に前記気体を導入し、
前記孔からの前記気体の噴出圧力が、前記原料の溶湯の圧力以上の圧力である、請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項３】
前記鋳型の壁面に設けられた孔から前記隙間に前記気体を導入し、
前記鋳造工程において、前記原料を溶解するためのルツボから前記鋳型に前記原料を供給し、
前記原料の凝固開始線が前記孔よりもルツボ側に存在するように、前記加熱工程において、前記鋳造棒の上面からの加熱を調整する、請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項４】
前記鋳型の壁面に設けられた孔から前記隙間に前記気体を導入し、
前記原料の凝固完了線が前記孔よりも前記鋳造棒の引き抜き側に存在するように、前記加熱工程において、前記鋳造棒の上面からの加熱を調整する、請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項５】
前記鋳型の壁面に設けられた孔から前記隙間に前記気体を導入し、
前記鋳造工程において、前記原料を溶解するためのルツボから前記鋳型に前記原料を供給し、
前記原料の凝固開始線が前記孔よりもルツボ側に存在し、かつ前記原料の凝固完了線が前記孔よりも前記鋳造棒の引き抜き側に存在するように、前記加熱工程において、前記鋳造棒の上面からの加熱を調整する、請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項６】
前記気体の流量が１ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下である、請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項７】
前記気体が窒素、アルゴンまたはこれらの混合ガスを含む不活性ガスある、請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項８】
前記加熱工程において、前記鋳型内の前記鋳造棒の上面に電子線を照射することによって、前記原料の凝固開始線および凝固完了線の位置を調整する、請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項９】
前記原料は、冷却中の相変化に伴って体積が増加する材料である、請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項１０】
前記原料がケイ素またはケイ素を含有する合金である、請求項１に記載の鋳造方法。
【請求項１１】
原料を溶解するためのルツボと、
前記ルツボで溶解した前記原料を凝固させる鋳型であって、前記原料に接触する壁面と、前記原料の鋳造棒と前記壁面との間の隙間に気体を導入できるように前記壁面に設けられた孔とを有する鋳型と、
前記鋳型内の前記鋳造棒の上面を加熱する加熱機構と、
前記鋳造棒が形成されるように、前記鋳型で凝固した前記原料を水平方向に連続的に引き抜く鋳造棒搬送機構と、
を備えた、鋳造装置。
【請求項１２】
前記孔からの前記気体の噴出圧力を前記原料の溶湯の圧力以上の圧力に調整するレギュレータをさらに備えた、請求項１１に記載の鋳造装置。
【請求項１３】
前記孔が前記原料の凝固開始線よりも前記鋳造棒の引き抜き側に存在するように前記加熱機構を制御する制御器をさらに備えた、請求項１１に記載の鋳造装置。
【請求項１４】
前記孔が前記原料の凝固完了線よりもルツボ側に存在するように前記加熱機構を制御する制御器をさらに備えた、請求項１１に記載の鋳造装置。
【請求項１５】
前記孔の直径が０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１１に記載の鋳造装置。
【請求項１６】
前記気体として、窒素、アルゴンまたはこれらの混合ガスを含む不活性ガスを前記孔に供給する気体供給器をさらに備えた、請求項１１に記載の鋳造装置。
【請求項１７】
前記加熱機構が、電子線を前記鋳造棒に照射するように構成されている、請求項１１に記載の鋳造装置。
【請求項１８】
前記ルツボ、前記鋳型、前記加熱機構および前記鋳造棒搬送機構を収容している真空槽と、
前記真空槽の内部を排気する排気機構と、
前記真空槽内に配置され、前記ルツボに前記原料を供給するための供給機構と、
をさらに備えた、請求項１１に記載の鋳造装置。
【請求項１９】
請求項１に記載の鋳造方法によって作製された鋳造棒を蒸発用ルツボの上方に搬送する工程と、
前記鋳造棒を加熱および溶解することで前記蒸発用ルツボに原料を連続的に滴下および供給する工程と、
前記蒸発用ルツボから前記原料を蒸発させることによって前記蒸発用ルツボの上方に配置された基板上に前記原料を堆積させる工程と、
を含む、薄膜製造方法。
【請求項２０】
請求項１１に記載の鋳造装置と、
前記鋳造装置の前記鋳造棒搬送機構の後段に配置された蒸発用ルツボと、
前記蒸発用ルツボの上方で前記鋳造棒を加熱および溶解することで前記蒸発用ルツボに前記原料を連続的に滴下および供給する鋳造棒加熱装置と、
前記蒸発用ルツボを加熱する蒸発用ルツボ加熱装置と、
前記蒸発用ルツボの上方に基板を搬送する基板搬送機構と、
を備えた、薄膜製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属または半導体の鋳造装置および鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、非鉄金属の製造分野においては、アルミニウムなどの非鉄金属の鋳造方法として、ホットトップ鋳造用鋳型による鋳造方法が多用されている。【０００３】
このホットトップ鋳造用鋳型は、例えば図１に示すように、耐火断熱材からなるホットトップ１１から出る溶湯１２をそのまま鋳型本体１３に形成した溶湯通過部に通し、同時にその鋳型本体１３に設けた冷却水噴出孔１４から噴出される冷却水によって溶湯を強制冷却して連続的に凝固させて棒状ビレット１５を鋳造するものである。【０００４】
そして、鋳型本体１３の溶湯通過部の壁面の上端に潤滑油吹出孔１６および気体通過孔１７を設ける。その溶湯通過部に溶湯を通過させる際に、この潤滑油吹出し孔１６および気体通過孔１７から潤滑油と不活性ガス、空気などの気体とを溶湯通過部と溶湯との間に吹き込む。これによって、溶湯通過部の内部への溶湯の接触および摩擦を少なくしてスムーズな鋳造を実現すると共に、そのビレット１５の表面形状を鋳造する（特許文献１）。【０００５】
特許文献４には、融液状の原料を原料溜めから結晶化室へ連続的または非連続的に移し、上にある融液相を維持しながら材料を凝固させ、かつ凝固した材料を下方へ取り出す方法が開示されている。【０００６】
一方、薄膜技術は、デバイスの高性能化および小型化に広く利用されている。薄膜技術を用いてデバイスを薄膜化することによって、ユーザーの利便性が向上するとともに、地球資源の保護および消費電力の低減といった環境面でのメリットが得られる。薄膜技術の中でも、薄膜製造の高効率化および低コスト化は重要である。そのため、現在、これらの実現に向けた様々な努力が続けられている。【０００７】
薄膜製造の効率を上げるには、長時間連続して成膜することが有効である。例えば、真空蒸着法による薄膜製造においては、蒸発源へ連続的に原料を供給することが有効である。【０００８】
蒸発源への原料の供給方法は、原料の種類および成膜条件を考慮して選択される。蒸発源に原料を連続的に供給する方法としては、例えば、粒状の原料を蒸発源に投入する方法、棒状の原料を蒸発源に差し向ける方法、棒状の原料を蒸発源の下方から注入する方法、液状の原料を蒸発源に流し込む方法が挙げられる。【０００９】
蒸発源に原料を連続的に供給する場合、低温の原料が供給されることによって蒸発源の温度が変動しやすい。そして、蒸発源の温度の変動は、原料の蒸発速度の変動をもたらし、均一な成膜を阻害する場合がある。この課題に対して、溶融した原料を蒸発源に供給する方法が提案されている（例えば特許文献２および３）。【００１０】
特許文献２の方法では、蒸発用のルツボ内の原料の消費に応じて、溶融した原料がルツボに供給される。また、特許文献３の方法では、棒状の蒸発原料の先端を加熱によって溶融し、蒸発源に供給している。特許文献３には、蒸発原料の先端の位置を光センサによって連続的に検出し、その検出信号に基づいて蒸発原料の送り速度を調整する方法が開示されている。【００１１】
特許文献５には、更なる材料利用効率の向上と熱的なエネルギー損失の減少による低コスト化とを目的として、単一の真空炉体内にて材料を溶解および脱ガスしたのちに棒状に成形しながら、得られた棒を切断することなく連続的に蒸発源へ滴下および供給する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際公開第２０１０／００１４５９号
【特許文献２】特開昭６２−１７７１７４号公報
【特許文献３】特開平２−４７２５９号公報
【特許文献４】特開昭６２−５６３９５号公報
【特許文献５】特許第４３３１７９１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に示されるように、鋳造棒と鋳型の間に摩擦低減のための潤滑油と気体とを導入することで摩擦抵抗を低減できる。しかし、水平連続鋳造にこの技術を適用すると、鋳造棒内に気体が残存する可能性がある。【００１４】
本発明は、水平方向に鋳造棒を引き抜く鋳造方法において、鋳造棒の内部の気体の残留を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
すなわち、本発明は、
鋳型内で原料を凝固させながら前記鋳型から前記原料を水平方向に連続的に引き抜くことで前記原料の鋳造棒を鋳造する工程と、
前記鋳造棒と前記鋳型との間の隙間に気体を導入する工程と、
前記鋳型内の前記鋳造棒の上面を加熱する工程と、
を含む、鋳造方法を提供する。【００１６】
別の側面において、本発明は、
原料を溶解するためのルツボと、
前記ルツボで溶解した前記原料を凝固させる鋳型であって、前記原料に接触する壁面と、前記原料の鋳造棒と前記壁面との間の隙間に気体を導入できるように前記壁面に設けられた孔とを有する鋳型と、
前記鋳型内の前記鋳造棒の上面を加熱する加熱機構と、
前記鋳造棒が形成されるように、前記鋳型で凝固した前記原料を水平方向に連続的に引き抜く鋳造棒搬送機構と、
を備えた、鋳造装置を提供する。【００１７】
さらに別の側面において、本発明は、
上記本発明の鋳造方法によって作製された鋳造棒を蒸発用ルツボの上方に搬送する工程と、
前記鋳造棒を加熱および溶解することで前記蒸発用ルツボに原料を連続的に滴下および供給する工程と、
前記蒸発用ルツボから前記原料を蒸発させることによって前記蒸発用ルツボの上方に配置された基板上に前記原料を堆積させる工程と、
を含む、薄膜製造方法を提供する。【００１８】
さらに別の側面において、本発明は、
上記本発明の鋳造装置と、
前記鋳造装置の前記鋳造棒搬送機構の後段に配置された蒸発用ルツボと、
前記蒸発用ルツボの上方で前記鋳造棒を加熱および溶解することで前記蒸発用ルツボに前記原料を連続的に滴下および供給する鋳造棒加熱装置と、
前記蒸発用ルツボを加熱する蒸発用ルツボ加熱装置と、
前記蒸発用ルツボの上方に基板を搬送する基板搬送機構と、
を備えた、薄膜製造装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、鋳造棒と鋳型との間の隙間に気体を導入することで、隙間に原料の溶湯が回り込むことを抑制することができる。さらに、鋳型内の鋳造棒の上面を加熱することによって、原料の凝固を遅らせることができる。これにより、原料の溶湯内に流出した気体成分を上面から逃がすことが可能になる。従って、水平連続鋳造において、気体導入による鋳型の摩擦抵抗の低減と鋳造棒への気体内包の抑制とを両立することができる。鋳造時における鋳造棒のブレークアウトを抑制することも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ホットトップ構造による鋳型の構成を示す模式図
【図２】本発明の実施形態に係る鋳造装置を示す模式図
【図３】図２に示す鋳造装置に使用された鋳型の三面図
【図４】溶湯、鋳造棒および孔の位置関係を示す模式図
【図５】本発明の実施形態に係る薄膜製造装置を示す模式図
【図６】図２の鋳造装置の好ましい構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について例を挙げて説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されない。以下の説明では、特定の数値および特定の材料を例示する場合があるが、他の数値および他の材料を適用してもよい。
【００２２】
なお、この明細書において、真空槽内に配置された部材および装置には、真空槽の内部に配置された部材および装置に加え、真空槽の壁面に固定された部材および装置であって、機能部が減圧下におかれている部材および装置も含まれる。
【００２３】
（実施形態１）
図２は、実施形態１における鋳造装置の構成を模式的に示している。鋳造装置５０は、真空槽２１と、排気機構２２と、原料供給機構２３と、ルツボ２４と、鋳型２５と、ルツボ加熱装置２６と、鋳型加熱装置２７（加熱機構）と、鋳造棒搬送機構２８とを備えている。原料供給機構２３、ルツボ２４、鋳型２５、ルツボ加熱装置２６、鋳型加熱装置２７および鋳造棒搬送機構２８は、真空槽２１の内部に配置されている。
【００２４】
排気機構２２は、真空槽２１の内部を排気する。原料供給機構２３は、ルツボ２４に鋳造すべき粒状原料２９を供給する。ルツボ２４は、原料供給装置２３から供給された粒状原料２９を内部で溶解する。ルツボ２４によって溶解された原料を、本明細書では原料溶湯３０と称呼する。ルツボ加熱装置２６および鋳型加熱装置２７は、それぞれ、ルツボ２４内および鋳型２５内の原料を加熱し、原料を溶解状態に保持する。鋳型２５には、原料溶湯３０がルツボ２４から供給される。鋳型２５に供給された溶湯３０は、鋳型２５によって冷却され、徐々に凝固する。その結果、鋳造棒３１が得られる。鋳型加熱装置２７は、鋳型２５内の原料（鋳造棒３１）の上面を加熱する。鋳造棒搬送機構２８は、鋳型２５で得られた鋳造棒３１を鋳型２５から搬出する。つまり、鋳造棒搬送機構２８は、鋳造棒３１が形成されるように、鋳型２５で凝固した原料を水平方向に連続的に引き抜く。
【００２５】
真空槽２１および排気機構２２に限定はなく、真空蒸着装置などの真空プロセス装置で一般的に用いられている真空槽および排気機構を用いることができる。排気機構２２は、典型的には、ロータリポンプ、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプ、クライオポンプなどの真空ポンプで構成されている。
【００２６】
原料供給機構２３による原料２９の供給方式として、例えば、パーツフィーダー方式、バスケット方式、押し棒方式、傾斜すべり方式、ベルトコンベア方式を用いてもよい。また、これらを組み合わせて用いてもよい。原料供給機構２３からルツボ２４への原料２９の供給速度は、例えば、およそ０．１ｇ／秒以上、１０ｇ／秒以下である。原料２９の供給速度が遅すぎると溶解中に気化する成分が多くなり、材料利用効率が低下する。一方、原料２９の供給速度が速すぎると原料２９の溶解および鋳造に大きなエネルギー移動を伴うようになるため、装置が大型化しやすく、コストの面から好ましくない。ただし、本発明は、原料２９の供給速度によって限定されない。なぜなら、原料２９の供給速度は、ルツボ２４の容量、鋳造棒３１の大きさ、原料２９の種類などに依存するからである。
【００２７】
また、鋳造装置５０は、原料供給機構２３の補助として、真空槽２１の外から原料供給機構２３に原料２９を供給するための補助供給機構を備えていてもよい。この場合、より多くの原料２９をルツボ２４に供給することが可能になる。
【００２８】
ルツボ２４には、原料を保持する凹部が形成されている。凹部の平面形状は矩形であってもよいし、円形であってもよいし、それらの組み合わせであってもよいし、それ以外の形状であってもよい。凹部の平面形状が円形または楕円形である場合、原料を均一に溶解させやすいという利点がある。
【００２９】
ルツボ２４は、１０〜５００秒の期間にルツボ２４に供給された原料を保持できる容量を有していることが望ましい。すなわち、例えば１ｇ／秒の速度でルツボ２４に原料を供給する場合、ルツボ２４は、１０〜５００ｇ分の容量を持っていることが望ましい。ルツボ２４の容量が小さすぎると、未溶解の原料が鋳型２５に流出する可能性が大きくなる。また、原料に含まれる気体成分および低沸点不純物を十分に除去することが難しいため、鋳造棒３１に気泡が入りやすくなる。一方、ルツボ２４の容量が大きすぎると溶解中に気化する原料の割合が大きくなり、材料の利用効率が低下しやすい。ただし、本発明は、ルツボ２４の容量によって限定されない。なぜなら、ルツボ２４の容量は、鋳造棒３１の大きさ、鋳造棒３１の引き抜き速度、ルツボ加熱装置２６の性能などに依存するからである。
【００３０】
ルツボ２４の材料として、冷却した金属材料を用いてもよい。つまり、ルツボ２４は冷却されていてもよい。ルツボ２４を冷却する冷媒としては、例えば、空気、水、油などを用いることができる。また、金属材料としては、銅、アルミ、モリブデンなどの単金属のほか、ステンレス鋼などの合金材料を用いてもよい。また、黒鉛、炭化ケイ素、セラミック材料などの耐熱材料を用いることもできる。耐熱材料を用いる場合、ルツボ２４をシリカ、アルミナ、ジルコニアなどの耐火物で囲み、断熱効果を高めることで熱効率を向上させることができる。
【００３１】
ルツボ２４から鋳型２５に溶湯３０を供給（移送）する方法には、（１）ルツボ２４の側面または上面に溶湯３０を出す孔を形成し、その孔に鋳型２５を連結し、孔から流出した溶湯３０を鋳型２５に流し込む方法、（２）ルツボ２４の下方に鋳型２５を配置し、ルツボ２４の側面、上面または底面に溶湯３０を出す孔を形成し、孔から流出した溶湯３０を鋳型２５に滴下する方法、（３）ルツボ２４の下方に鋳型２５を配置し、ルツボ２４を傾けることで、溶湯３０を鋳型２５に傾注する方法などがある。
【００３２】
ルツボ２４の上方には、ルツボ加熱装置２６が配置されている。ルツボ加熱装置２６は、ルツボ２４内の原料を直接加熱するものでもよく、ルツボ２４を加熱し、加熱されたルツボ２４からの伝熱によりルツボ２４内の原料を間接的に加熱するものでもよい。ルツボ加熱装置２６は、例えば、電子線によって原料を加熱するように構成されている。ルツボ加熱装置２６は、典型的には、電子銃である。その他、ルツボ加熱装置２６による加熱方式としては、抵抗ヒーターからの輻射熱による抵抗加熱方式、誘導コイルをルツボ２４の周囲に配置し、コイルに高周波を流すことによる高周波誘導加熱方式、レーザーを照射する方式がある。なお、これらを組み合わせて使用してもよい。
【００３３】
図３に示すように、鋳型２５には、成形された鋳造棒３１が通過する凹部３２が形成されている。鋳型２５の凹部３２は、上方に向かって開放している。凹部３２の断面形状は所望する鋳造棒３１の断面形状に合わせて設計される。凹部３２の断面形状として、例えば、半円などの円弧形状、矩形などがある。また、凹部３２の出口側部分をルツボ２４に近い部分よりも広くするテーパー構造によって、鋳造棒３１を引き抜くときの摩擦を低減してもよい。この場合、テーパー角度は０度より大きく、１５度以下であることが望ましい。テーパー角度を大きくすると、鋳造棒３１の引き抜きによって鋳造棒３１と鋳型２５との間にできる隙間も大きくなる。従って、溶湯３０が流出しやすく、鋳造棒３１の成形精度が低下しやすい。ただし、本発明は、テーパー角度によって限定されない。なぜなら、好適なテーパー角度は、鋳造棒３１の大きさ、引き抜き速度、原料の種類などに依存するからである。
【００３４】
鋳型２５の材料としては、金属材料を用いてもよい。鋳型２５は、冷却されていてもよい。この場合、鋳型２５は、金属材料を用いた鋳型本体と、鋳型本体を冷却する冷却機構とで構成されうる。冷却機構に流れる冷媒としては、例えば空気、水、油などを用いてもよい。また、金属材料としては、銅、アルミなどの単金属のほか、ステンレス鋼などの合金材料を用いてもよい。また、鋳型２５は、必要に応じて複数の部材を組み合わせて構成することもできる。部材ごとに材料を変えることで、溶湯３０の冷却速度をコントロールしてもよい。
【００３５】
鋳型２５は、原料の溶湯３０および原料の鋳造棒３１に接触する壁面２５ａおよび２５ｂを有する。壁面２５ａおよび２５ｂには、孔３３（気体導入孔）が設けられている。孔３３を通じて、鋳型２５の外部から鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間に気体を導入することができる。鋳造棒３１の大きさおよび気体の量に応じて、複数の孔３３を用いてもよい。図３に示す形態では、鋳型２５の底面２５ａおよび側面２５ｂのそれぞれに孔３３が配置されている。
【００３６】
また、鋳造棒３１の大きさおよび鋳造棒３１と鋳型２５との接触状態により、鋳型２５の角、言い換えれば、底面２５ａと側面２５ｂとに跨って孔３３が形成されていてもよい。鋳型２５が複数の部材で構成されている場合には、複数の部材間の隙間に孔３３を設けてもよい。各部材の中の複数の箇所に孔３３が設けられていてもよい。
【００３７】
孔３３の直径は、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが望ましい。孔３３の直径が０．１ｍｍ未満になると、孔３３のコンダクタンスが小さくなる。従って、孔３３の入口と出口の圧力差が大きくなる。鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間に導入する気体の圧力をコントロールしにくくなる。一方、孔３３の直径が１ｍｍを超えると孔３３のコンダクタンスが大きくなる。鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間が大きくなったときに、大量の気体がパルス状に真空槽２１に流出し、真空槽２１の内部の圧力の急激な上昇を招く。ただし、本発明は、孔３１の直径によって限定されない。なぜなら、好適な直径は、鋳造棒３１の大きさ、鋳造棒３１の引き抜き速度、原料の種類などに依存するからである。また、大気下で鋳造を実施する場合には、真空度の悪化の問題も生じない。
【００３８】
孔３３の断面形状（開口形状）は円形に限定されない。孔３３の断面形状は、矩形、楕円形などの他の形状であってもよい。孔３３の断面形状が円形でない場合、孔３３の直径は、その孔３３の断面積と等しい面積を有する円の直径に等しいものとみなす。
【００３９】
図２に示すように、鋳型２５の上方には、鋳型２５内の原料（詳細には、溶湯３０または鋳造棒３１）の上面を加熱する鋳型加熱装置２７が配置されている。鋳型加熱装置２７は、鋳型２５内の原料を直接加熱する。鋳型加熱装置２７は、例えば、電子線によって原料を加熱するように構成されている。鋳型加熱装置２７は、典型的には、電子銃である。その他、鋳型加熱装置２７による加熱方式としては、抵抗ヒーターからの輻射熱による抵抗加熱方式、レーザーを照射する方式がある。なお、これらを組み合わせて使用してもよい。
【００４０】
加熱装置２７は、必ずしも鋳型２５の上方に配置する必要は無い。例えば、抵抗ヒーターを用いる場合は、ヒーターの輻射熱を鋳型２５内の原料の上面に照射できる位置に加熱装置２７を配置すればよい。電子線源、レーザー発振機を用いる場合も同様に、電子線またはレーザーを鋳型２５内の原料の上面に照射できる位置に加熱装置２７を配置すればよい。
【００４１】
ルツボ２４を加熱する加熱装置２６と鋳型２５を加熱する加熱装置２７とは、全部または一部を共有する機構であっても、問題はない。また、鋳型２５は、ルツボ２４と連結されていてもよく、一体化していてもよく、独立していてもよい。本発明は、ルツボ２４と鋳型２５との位置関係によって限定されるものではない。
【００４２】
鋳造棒搬送機構２８は、鋳造棒３１を揺動する揺動機構を含んでいてもよい。鋳造棒３１を揺動しながら引き抜くことによって、鋳造棒３１が鋳型２５に付着して破損することを防止できる。また、半円などの円弧断面で構成された鋳型を用いて略円柱形状の鋳造棒３１を作製するために、鋳造棒搬送機構２８は、引き抜き方向に沿って鋳造棒３１を回転させる回転機構を含んでもよい。鋳造棒３１を回転させながら引き抜くことによって、表面に凹凸の少ない鋳造棒３１の形成が可能になるため、鋳造棒３１が折れにくくなる。
【００４３】
本実施形態において、鋳造棒搬送機構２８は、複数のローラで鋳造棒３１を挟み、ローラを回転させることで鋳造棒３１を搬送するように構成されている。なお、複数のチャック機構で鋳造棒３１を挟み、チャック機構を引き抜き方向に移動させることで鋳造棒３１を搬送する方法を用いてもよい。また、その他の方法で鋳造棒３１を搬送してもよく、これらの方法を組み合わせて使用してもよい。
【００４４】
なお、本実施形態の鋳造装置５０は、必要に応じて上記以外の他の部材および装置を含んでもよい。例えば、鋳造装置５０の後段に真空を開放することなく蒸着装置を連結することで、蒸着部の真空度の悪化を抑制しながら蒸着部に原料を連続供給し続けることができる。
【００４５】
本実施形態の鋳造方法によれば、原料の固体を溶融して溶湯３０とし、その溶湯３０を凝固させて鋳造棒３１を形成し、その鋳造棒３１を引き抜く。すなわち、鋳型２５内で原料を凝固させながら鋳型２５から原料を水平方向に連続的に引き抜くことで原料の鋳造棒３１を鋳造する工程と、鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間に気体を導入する工程と、鋳型２５内の原料の上面を加熱する工程とを実施する。各工程は、典型的には、同時に実施される。
【００４６】
原料は目的に応じて選択される。原料は、本発明が適用できる限り限定されるものではない。原料の例としては、例えば、ケイ素、ゲルマニウム、錫といった１４族元素、それらを含む合金（例えばケイ素を含む合金）、コバルトなどの元素を含む磁性材料、アルミニウム、アルミニウム合金などの非鉄金属が挙げられる。
【００４７】
原料として、冷却中の相変化（例えば、液相から固相への変化）に伴って体積が増加する材料を好適に使用できる。そのような材料としては、ケイ素、ケイ素を含有する合金、銅合金、アンチモン、インバー合金のような低熱膨張合金などが挙げられる。
【００４８】
本実施形態では、鋳造時に原料の溶湯３０中を気体成分が気泡として通過するため、ケイ素のような凝固温度領域付近にて粘度があまり大きくならず、かつ凝固時に膨張する性質を持ち、鋳型２５との間に摩擦応力を生みやすい原料において、より効果が出やすい。
【００４９】
原料の溶解方法としては、抵抗加熱方式、誘導加熱方式、電子線またはレーザーを照射する方式などを用いることができる。鋳型２５に未溶解原料が供給されるのを防ぐため、固体原料または固体原料の供給部を重点的に加熱できる指向性が高い加熱方法が好ましい。例えば、指向性が高く、高出力が可能な電子線照射によって原料を加熱すること、または、電子線照射と他の加熱方法とを組み合わせて原料を加熱することが好ましい。
【００５０】
ルツボ２４で得られた原料溶湯３０は鋳型２５へと供給され、所望の形状に成形される。鋳型２５には鋳造棒３１に接する壁面２５ａおよび２５ｂに孔３３が存在し、気体が鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間に導入される。
【００５１】
気体としては、不活性ガスを用いることが好ましい。不活性ガスは、例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素またはこれらの混合ガスを含む。不活性ガスは、これらのガスからなっていてもよい。不活性ガスによれば、原料とガス成分との反応を防止できる。
【００５２】
気体は、鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間の気体の圧力が溶湯３０の圧力以上になるように導入される。つまり、孔３３からの気体の噴出圧力が、原料の溶湯３０の圧力以上の圧力である。「溶湯３０の圧力」とは、溶湯３０の自重によって鋳型２５を押す圧力、または、溶湯３０の自重によって孔３３から噴出した気体を押す圧力を指す。溶湯３０の深さと溶湯３０の比重との積により、単位面積あたりの溶湯３０の圧力が求められる。孔３３からの気体の噴出圧力は、例えば、孔３３に気体を供給する経路上に設けられたレギュレータの示す値で特定される。気体の圧力が溶湯３０の圧力より大きくなると、溶湯３０内に気体が流入しはじめ、気体の圧力はそれ以上上がらなくなるため、特に気体の圧力の上限は設けない。現象論的には、鋳型２５に存在する原料溶湯３０の湯面でバブリングが発生すればそれ以上気体の圧力を上昇させる必要はない。
【００５３】
気体の流量は、鋳造速度および鋳造棒３１の形状にもよるが、概ね１ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per minute）以上１０００ｓｃｃｍ以下であることが好ましい。気体の導入量が少なすぎると鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間を通って気体が真空槽２１に流出していく。従って、気体の圧力を溶湯３０の圧力以上に保つことができなくなり、鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間に溶湯３０が流入しやすくなる。一方、気体の流量の上限は、気体の圧力が溶湯３０の圧力を上回ると、気体は溶湯３０内に流入し始め、それ以上流量を増加する必要がなくなる。しかし、気体の流入経路に沿って鋳造棒３１の表面に凹凸ができやすくなるほか、過剰な気体の導入により真空槽２１内の真空度の悪化を招く。しかし、気体が溶湯３０に流入し、バブリングすることで、溶湯３０と気泡との界面の面積分、溶湯３０中の不純物が気化するための湯面が大きくなり、不純物の気化速度が向上する。このことから、鋳造棒３１の表面および真空槽２１の真空度に問題が無ければ、必要に応じて気体の流量を増加させてもよい。
【００５４】
図６に示すように、鋳造装置５０は、さらに、レギュレータ４５及び気体供給器４６を備えていていてもよい。レギュレータ４５によって、気体の流量および孔３３からの気体の噴出圧力を自由に調整できる。気体供給器４６として、ガスボンベ、ガス発生器などを使用できる。不活性ガスは、気体供給器４６から鋳型２５の孔３３に供給される。
【００５５】
鋳型２５内の原料溶湯３０は、上面から加熱される。これにより、原料の凝固位置がコントロールされる。加熱方法としては、抵抗ヒーターからの輻射熱による加熱方法、電子線またはレーザーなどの照射による加熱方法を採用できる。凝固位置を適切にコントロールするため、指向性が高い加熱方法を用いることが望ましい。具体的には、電子線の照射による加熱が好ましい。溶湯３０は上面から加熱されているため、必然的に溶湯３０は鋳型２５の底面から上に向かって凝固していくことになる。
【００５６】
本明細書では、ルツボ２４から溶湯３０が鋳型２５の上に供給される位置をルツボ側、鋳型２５から鋳造棒３１が引き抜かれていく方向を引き抜き側と呼ぶ。溶湯３０の加熱は、ルツボ側から引き抜き側に向かって加熱強度を低下させていくことで、図４に示すとおり、以下の条件を両立するようにコントロールされる。
【００５７】
＜条件１＞
溶湯３０の凝固開始線３４（鋳型２５の上で溶湯３０が凝固を始める線、言い方を変えると、鋳造棒３１と溶湯３０との界面と鋳型２５の底面との接線）が孔３３の位置よりルツボ側に存在するように鋳型２５の上の溶湯３０は加熱される。つまり、凝固開始線３４が孔３３よりも鋳造棒３１の引き抜き方向ＰＤにおける上流側に位置するように、加熱工程において、鋳造棒３１の上面からの加熱を調整する。凝固開始線３４からルツボ２４までの距離は、孔３３からルツボ２４までの距離よりも短い。複数の孔３３が設けられている場合、凝固開始線３４は、引き抜き方向ＰＤの最も上流側に位置している孔３３よりも上流側に位置していることが望ましい。
【００５８】
＜条件２＞
溶湯３０の凝固完了線３５（鋳型２５の上で溶湯３０が凝固し終わる線、言い方を変えると、鋳造棒３１と溶湯３０との界面と鋳造棒３１の上面との接線）が孔３３の位置より引き抜き側に存在するように鋳型２５の上の溶湯３０は加熱される。つまり、凝固完了線３５が孔３３よりも鋳造棒３１の引き抜き方向ＰＤにおける下流側に位置するように、加熱工程において、鋳造棒３１の上面からの加熱を調整する。孔３３からルツボ２４までの距離は、凝固完了線３５からルツボ２４までの距離よりも短い。複数の孔３３が設けられている場合、凝固完了線３５は、引き抜き方向ＰＤの最も下流側に位置している孔３３よりも下流側に位置していることが望ましい。
【００５９】
溶湯３０の凝固開始線３４が孔３３よりもルツボ側に存在する場合、気体が鋳造棒３１と鋳型２５との間に留まりやすく、溶湯３０へと流入しにくい。従って、気体の圧力により、鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間を通って溶湯３０が鋳型２５の外部へと流出することを食い止めることができる。一方、溶湯３０の凝固完了線３５が孔３３よりも引き抜き側に存在する場合、孔３３の上部には鋳造棒３１および溶湯３０が存在している。詳細には、孔３３の近くに鋳造棒３１の先端部が存在し、鋳造棒３１の先端部の上に溶湯３０が乗り上げている。このような位置関係によれば、孔３３から噴出した気体は、鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間に閉じ込められやすく、真空槽２１に流出しにくい。そのため、鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間に十分な圧力の気体を保持することができ、溶湯３０の流出を抑制することができる。
【００６０】
図６に示すように、鋳造装置５０は、さらに、制御器４７を備えていてもよい。制御器４７によって加熱機構２６および２７が制御される。制御器４７で加熱機構２６を適切に制御すれば、上記した条件１および条件２を満たすように鋳造棒３１の上面からの加熱を調整できる。
【００６１】
本実施形態では、鋳型２５内の原料（鋳造棒３１）の上面に電子線を照射することによって、原料の凝固開始線３４および凝固完了線３５の位置を調整する。電子線によれば、局所的な加熱が可能なので、凝固開始線３４および凝固完了線３５の位置を調整しやすい。
【００６２】
鋳造棒３１の大きさに限定はない。一例の鋳造棒３１は、長さが４００ｍｍ〜５０００ｍｍの範囲にあり、長手方向に垂直な断面積が３ｃｍ2〜１００ｃｍ2の範囲にある。
【００６３】
鋳型２５にて所望の形状に成形された鋳造棒３１は、鋳造棒搬送機構２８によって引き抜かれる。本実施形態の鋳型２５を用いる場合、鋳型２５の上面が開放しているので、単純に引き抜くだけでは円柱状の鋳造棒３１を得ることはできない。そのため、鋳造棒搬送機構２８には鋳造棒３１を引き抜き方向に沿って回転させる機構が設けられていてもよい。この場合、円柱状の鋳造棒３１を得ることができる。
【００６４】
鋳造棒３１の引き抜き速度に限定はないが、一例の引き抜き速度はおよそ１〜５０ｍｍ／秒である。鋳造棒３１の引き抜きは、通常、連続的に行われる。連続的に鋳造棒３１を引き抜くことによって、均質な鋳造棒３１を形成できる。なお、「連続的に鋳造棒３１を引き抜く」とは、鋳造棒３１の動きが一瞬たりとも止まらないことを必ずしも意味しない。なぜなら、鋳造棒搬送機構２８に設けられたモーターの制約などにより、鋳造棒３１を完全かつ連続的に引き抜くことが困難な場合があるからである。つまり、大局的に連続であれば、鋳造棒３１を連続的に搬送しているものとみなすことができる。
【００６５】
以上、本実施形態によれば、鋳型２５の側面２５ｂおよび底面２５ａより鋳造棒３１と鋳型２５との間の隙間に溶湯３０の圧力以上の圧力で気体を導入することで、鋳型２５と鋳造棒３１との間の隙間に溶湯３０が回り込むことを抑制することができる。さらに、鋳型２５内の原料を上面から加熱し、原料の凝固を遅らせることにより、原料の溶湯３０内に流出した気体成分を溶湯３０の上面から逃がすことが可能になる。従って、真空中の水平連続鋳造において、気体導入による鋳型２５の摩擦抵抗の低減と鋳造棒３１への気体内包の抑制とを両立することができ、鋳造時のブレークアウトを抑制することが可能になる。
【００６６】
例えば、特許文献５に示すような単一の炉体内で蒸着と鋳造を同時に行う場合に、特許文献１に示されるような潤滑油と気体とを導入すると、蒸着炉内における原料の蒸発が阻害される恐れがある。これは、真空条件下で鋳造を行うにあたっては、気化することで大幅な体積膨張を起こす液体成分の導入は、装置内の圧力の急激な上昇の要因となるからである。
【００６７】
従って、真空中で鋳造する場合、常圧大気下での鋳造で用いるような潤滑油を用いると、潤滑油の気化によって鋳造棒の離型に際して摩擦抵抗の増加によるブレークアウトおよび鋳造欠陥が発生しやすくなる。
【００６８】
本実施形態の鋳造方法は、潤滑油の使用を必須としないので、真空中での鋳造に特に適している。従って、鋳造棒３１の内部に気体が残留することを抑制できるだけでなく、鋳造棒３１のブレークアウトおよび構造欠陥も防止できる。
【００６９】
（実施形態２）
実施形態２の装置は、基材上に薄膜を形成するための装置である。本実施形態の薄膜製造装置によれば、以下に説明する成膜方法を容易に実施できる。なお、実施形態１で説明した事項は、本実施形態の薄膜製造装置に適用できる。以下、実施形態１と実施形態２とで共通する構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００７０】
実施形態２の薄膜製造装置は、実施形態１における鋳造装置５０の後段に、鋳造装置５０で製造した鋳造棒３１を利用して薄膜を製造する装置を付加したものである。以下、本実施形態の薄膜製造装置について、図５を用いて具体的に説明する。
【００７１】
図５に示すように、薄膜製造装置１００は、ルツボ２４、原料供給機構２３、ルツボ加熱装置２６、鋳型２５、鋳型加熱装置２７、鋳造棒搬送機構２８および成膜機構４３を含む。成膜機構４３は、蒸発用ルツボ４０と、蒸発用ルツボ４０の上方で鋳造棒３１を加熱し、材料を滴下させる鋳造棒加熱装置４１と、蒸発用ルツボ４０を加熱する蒸発用ルツボ加熱装置４１と、基板搬送機構４２とを含む。本実施形態では、電子銃４１が鋳造棒加熱装置と蒸発用ルツボ加熱装置とを兼ねている。
【００７２】
蒸発用ルツボ４０の材料としては、例えば、銅、鉄、ニッケル、モリブデン、タンタル、タングステン、これらを含む合金などの金属、アルミナ、マグネシア、カルシアなどの酸化物、窒化ホウ素、炭素を用いることができる。これらの材料を組み合わせてルツボ４０を形成してもよい。蒸発用ルツボ４０の典型的な一例は、水冷銅ハースである。水冷銅ハースの表面を、炭素材料（例えば黒鉛）で構成してもよい。
【００７３】
電子銃４１は、直進銃および偏向銃のいずれであってもよい。
【００７４】
鋳造棒３１は、蒸発用ルツボ４０の上方に向かって搬送される（搬送工程）。鋳造棒３１を加熱および溶解することで蒸発用ルツボ４０に原料を連続的に滴下および供給する（供給工程）。具体的に、鋳造棒３１の先端部付近には、電子銃４１から電子線が照射される。電子線の照射によって鋳造棒３１の先端部は溶融し、液滴となって蒸発用ルツボ４０に滴下する。電子銃４１の電力は、原料の種類、鋳造棒３１の形状および搬送速度を考慮して設定される。電子銃４１の電力は、例えば５ｋＷ〜１００ｋＷ程度である。電子銃４１の電力が５ｋＷ未満であると、鋳造棒３１の溶融速度が充分でない場合がある。また、その電力が１００ｋＷを超えると、液滴が蒸発用ルツボ４０の手前で滴下する場合がある。ただし、本発明は、電子銃４１の電力によって限定されない。なぜなら、電子銃４１の電力は、鋳造棒３１の大きさ、成膜速度、原料の種類などに依存するからである。
【００７５】
鋳造棒３１の切断工程および冷却工程を不要とするため、および鋳造棒３１を有効に利用するため、ルツボ２４から蒸発用ルツボ４０に至る空間は、１つの真空槽２１の内部空間によって形成されることが好ましい。
【００７６】
蒸発用ルツボ４０から原料を蒸発させることによって蒸発用ルツボ４０の上方に配置された基板４４の上に原料を堆積させる（堆積工程）。具体的に、蒸発用ルツボ４０には、鋳造棒３１の融液（蒸発源）がためられる。融液は、電子銃４１からの電子線によって加熱され、その一部が蒸発する。蒸発した粒子が基板４４の上に堆積することによって、薄膜が形成される。
【００７７】
電子銃４１からの電子線は、走査機構によって振り分けられ、鋳造棒３１と融液とに照射される。１つの電子銃４１を用いて鋳造棒３１と融液とを加熱することによって、装置を簡素化することができ、装置コストを軽減できる。なお、鋳造棒３１と融液とを異なる加熱装置によって加熱してもよい。また、鋳造棒３１および融液は、電子線の照射以外の方法によって加熱されてもよい。
【００７８】
蒸発用ルツボ４０には、融液をためる凹部が形成されている。凹部の平面形状は、目的とする成膜に応じて、円形、小判型、矩形、ドーナツ型など様々な形状とすることができる。蒸発用ルツボ４０は、耐熱性の材料で形成できる。例えば、銅、モリブデン、タンタル、タングステン、これらを含む合金などの金属、アルミナ、マグネシア、カルシアなどの酸化物、窒化ホウ素、炭素などを用いることができる。蒸発用ルツボ４０の一例は、水冷銅ハースである。
【００７９】
基板搬送機構４２は、送り出しローラ、搬送ローラ、キャンおよび巻き取りローラで構成されている。それぞれ、回転自在のローラである。これらは、基板４４を搬送する搬送機構として機能する。
【００８０】
なお、基板搬送機構４２からキャンを省略することも可能である。例えば、２つの搬送ローラ間を直線状に走行している基板４４の一部に薄膜を形成してもよい。２つの搬送ローラの位置によって、原料の粒子が基板４４上に飛来する角度を変化させることができる。例えば、基板４４の表面に対して原料の粒子をほぼ垂直に入射させることができる。基板４４の表面に対して原料の粒子を斜めに入射させることもできる。基板４４の表面に対して原料粒子を斜めに入射させる成膜方法によれば、自己陰影効果によって、微小空間を含む薄膜を形成できる。そのため、この成膜方法は、例えば、高Ｃ／Ｎ（carrier/noise）の磁気テープの形成、サイクル特性に優れる電池の負極の形成に有効である。
【００８１】
本実施形態の薄膜製造装置によれば、基板４４として長尺の銅箔を用い、粒状原料２９としてケイ素を用いることによって、電池用の長尺の負極が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の方法で製造された鋳造棒は、薄膜プロセスに利用することができる。本発明の方法は、特に、真空中での鋳造に適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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