(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極を使用し、各電極に夫々独立した炉用直流電源を接続して電力を供給するアーク炉であって、各炉用直流電源に割り当てられた個別の加算回路に並列に接続された共通の可変抵抗器によって、各炉用直流電源のアーク電流を同時かつ共通に調節すると共に、各加算回路に接続された個別の可変抵抗器によって、各炉用直流電源のアーク電流を個別に調節できるようにもしたことを特徴とするアーク炉のアーク電流制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単結晶材料を製造するために使用されるアーク炉のアーク電流制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば磁性材料を製造するため、多結晶の材料から単結晶の材料を成長させる一つの方法としてチョコラルスキー法が使用されている。
【０００３】
この方法は、例えば図１に示すように、水冷される中空導体よりなる台板５の上に多結晶材料９を載せ、これら全体を竪形の円筒状のチャンバ３内に収める。
【０００４】
そして、チャンバ３内を不活性ガスで充填し、チャンバの上方から斜め下方に向けて挿入された複数の電極８、８の先端を多結晶材料の上面に近接させ、電極と多結晶材料との間にアークを発生させる。
【０００５】
上記のようにチャンバ３内に複数の電極８、８を設ける理由は、アークを複数にして発熱量を大きくし、単位時間あたりの単結晶材料の収量を多くするためである。
【０００６】
このアーク放電により高熱が発生するから、多結晶材料９の上面はアーク熱により融解し、局部的に融液が形成される。
【０００７】
一方、チャンバ上面の中心には昇降可能な引上げシャフト１２が配設されており、この引上げシャフト１２の先端に種結晶１５を取付け、これを融液に接触させる。
【０００８】
その後、引上げシャフト１２を回転させながらゆっくり上昇させていくと、種結晶１５から単結晶材料１６が成長して引上げられていく。
【０００９】
単結晶材料の直径および融液の状態を監視しながら引き上げシャフトの引上げ速度を変えて直径が常に一定になるように制御し、このようにして多結晶材料から単結晶材料を製造する。
【００１０】
上記したアーク熱による多結晶材料の融解過程において、各電極と材料間に発生するアークを安定させることは、形成された単結晶材料の品質を安定させる上においてもっとも重要な課題の一つである。
【００１１】
そこで、各電極８を保持しているホルダー７は常時冷却水により冷却され、また、ホルダー７は上下動可能になっていて、アーク電流が一定になるように、電極の先端と多結晶材料の表面間の距離を制御する。
【００１２】
従来から使用されているこの種のアーク炉は、一台の炉用直流電源により複数の電極に並列に電力を供給する構造となっており、各電極毎のアーク電流の制御は専ら当該電極の先端と材料間の距離の制御によってのみ行う構成である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した構造のアーク炉は、各電極８のチャンバ３内における配置の違いから生じる電気抵抗の相違、不活性ガスによる冷却効果の相違、或いは各ホルダー７毎の冷却効果の相違等によって各電極毎のアーク電流が微妙に変化する。
【００１４】
そのため、一台の炉用直流電源により複数の電極に並列に電力を供給する従来のアーク炉では、各電極に対して、より品質の高い単結晶を形成させるのに必要な安定したアークを発生させることが困難である。
【００１５】
それは、アーク電流を調節するために各電極と多結晶材料との間の距離を、電極毎に、かつ機械的に調整しなければならないからである。
【００１６】
そこで、この発明は、複数の電極を使用するアーク炉において、各電極におけるアーク電流を簡単に最適な値に調節できるアーク電流制御装置を提供し、以て上記した不都合を解消することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明は、複数の電極を使用し、各電極に夫々独立した炉用直流電源を接続して電力を供給するアーク炉であって、各炉用直流電源に割り当てられた個別の加算回路に並列に接続された共通の可変抵抗器によって、各炉用直流電源のアーク電流を同時かつ共通に調節すると共に、各加算回路に接続された個別の可変抵抗器によって、各炉用直流電源のアーク電流を個別に調節できるようにもしたことを特徴とする。
【００１８】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいて、この発明について説明する。
図１において符号１はアーク炉の全体を示し、このアーク炉１のベースフレーム２の上面には中空円筒状のチャンバ３が気密に設置されている。
【００１９】
このチャンバ３のほぼ中心には、上端に台板５を装着した主軸４が配設され、この主軸４は及びこれと一体の台板５は、ベースフレーム２内に設けられた昇降・回動機構６によって、上下動および垂直軸の回りに回動可能となっている。
【００２０】
また、チャンバ３の上壁の外周部には４本のホルダー７が斜め下方に向けて配設され、各ホルダー７の先端には夫々、タングステン等の耐熱導体から成る電極８がホルダーと同芯に装着されている。
【００２１】
一方、台板５の上面中央には多結晶材料９が載置され、４本の電極の先端は多結晶材料９に近接している。
【００２２】
そして、後述する炉用直流電源２２（図２参照）のプラスの端子はブラシ１０を介して軸４に接続され、更に台板５を介して多結晶材料９に接続されている。
【００２３】
また、炉用直流電源２２のマイナスの端子はホルダー７を介して電極８に接続されている。
【００２４】
そのため、炉用直流電源２２により電力が供給されると、電極８と多結晶材料９との間にはアーク１１が発生して高温となり、多結晶材料９の上面を局部的に融解させ融液を生成する。
【００２５】
一方、ベースフレーム２の上面には引上げ装置１３が設置されており、引上げシャフト１２を昇降・回動させる構造になっていて、引上げシャフト１２の下端にはチャック１４により種結晶１５が掴持されている。
【００２６】
引上げシャフト１２を下降させて種結晶１５を融液に接触させてから、シャフト１２を回動させながら徐々に引上げていくと、種結晶から単結晶材料１６が成長して引上げられていき、単結晶材料のインゴットが形成される。
【００２７】
なお、図示されていないが、チャンバ３を構成する各部材、軸４、台板５及びホルダー７等はすべて二重壁からなるジャケット構造になっていて、水等の冷却材により冷却されるが、この構造は一般のアーク炉と同様の構造であるから、更に詳細な説明は省略する。
【００２８】
また、チャンバ３の内部はアルゴン等の不活性ガスで充填されて不活性零囲気になっており、この点も一般の単結晶製造装置と同様であるから、更に詳細な説明は省略する。
【００２９】
次に、この発明の要旨であるアーク電流制御装置、すなわち、電極８に電力を供給するシステムについて説明する。
【００３０】
図２において、一次側電源２０から供給された電力は、遮断器２１を経て、4本の各電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄに対応する炉用直流電源（以下、直流電源という）２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのマイナス端子に接続されている。
【００３１】
各直流電源のプラス端子は、ブラシ１０を介して軸４に接続される。
また、炉用各直流電源の制御端子には、共通の可変抵抗器２４、及び夫々独立した可変抵抗器２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄが加算回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを介して接続されている。
【００３２】
そのため、各直流電源２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの制御端子には共通の可変抵抗器２４の抵抗値と各可変抵抗器２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの夫々の抵抗値とが加算された状態で接続されている。
【００３３】
一方、前述したように、各直流電源のマイナス端子は各電極に夫々接続され、プラスの端子は多結晶材料９に接続されており、電極と多結晶材料との間にはアークが発生して多結晶材料はアーク熱により融解されることは前記した通りである。
【００３４】
また、電極８と多結晶材料９との間に電圧を印加してアークを発生させ融液を生成する場合、安定した良好な状態で融液を生成するにはアーク電流を安定した状態で維持させることは重要な課題の一つである。
【００３５】
上記アーク電流は電極８と多結晶材料９の表面との間の距離によっても変化するが、特にこれら両者間に印加されるアーク電圧によって著しく変化するので、アーク炉においてはアーク電圧を一定値に維持することが重要である。
【００３６】
他方、各電極に印加されるアーク電圧は、各電極の配置上の違いによる各配線の電気抵抗値の相違、不活性ガスによる冷却効果の相違、或いは各ホルダー毎の冷却効果の相違等によっても異なる。
【００３７】
そこで、この発明では、上記した各電極毎の電気抵抗の相違を個別の可変抵抗器２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄを操作することにより調整し、一方、アーク電流を一斉に増減させるために共通の可変抵抗器２４を操作することにより調整して、これらの抵抗値を加算回路２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄにより夫々加算してアーク電圧を調整する方式を採っている。
【００３８】
従来のこの種のアーク炉においては、一台の炉用直流電源に４本の電極を接続していたので、各電極毎のアーク電流の調整が困難であったが、この発明の方法によれば、各電極毎に調整が容易であり、一旦調整すれば、後は例えば電極が４本一様に消耗した場合等、共通の可変抵抗器２４を調整することにより、アーク電流の増減が可能となる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、各電極に夫々炉用直流電源を接続し、一つの共通の可変抵抗器と個別の可変抵抗器とにより、加算回路を介して各電極のアーク電流を制御するようにしたので、各電極毎のアークを最良の安定した状態に維持できると共に、操作が簡単になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のアーク炉の縦断面図。
【図２】この発明のアーク電流制御装置のブロック回路図。
【符号の説明】
１  アーク炉
２  ベースフレーム
３  チャンバ
４  軸
５  台板
７  ホルダー
８  電極
８ａ  電極
８ｂ  電極
８ｃ  電極
８ｄ  電極
９  多結晶材料
１０  ブラシ
１１  アーク
１２  引上げシャフト
１５  種結晶
１６  単結晶材料
２２  炉用直流電源
２２ａ  炉用直流電源
２２ｂ  炉用直流電源
２２ｃ  炉用直流電源
２２ｄ  炉用直流電源
２３ａ  加算回路
２３ｂ  加算回路
２３ｃ  加算回路
２３ｄ  加算回路
２４  共通の可変抵抗器
２５ａ  個別の可変抵抗器
２５ｂ  個別の可変抵抗器
２５ｃ  個別の可変抵抗器
２５ｄ  個別の可変抵抗器
【図１】
0003857098.tif 000002
【図２】
0003857098.tif 000003