CN102459076B - 硅熔液的搬运部件和硅熔液的搬运方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在作为半导体元件或太阳能电池的原料使用的高纯度硅的制造中，不需要加热设备的简便的硅熔液的搬运部件和输送方法。硅熔液的搬运部件由热容量极小的角型材料或圆筒形状部件构成，由热容量的极小绝热材料保护其周边，搬运部件的热容量的合计为13000(J/Kg)以下。使用该搬运部件，以流量为50(Kg/min)以上且流速为0.1(m/sec)以上搬运硅熔液。

Description

硅熔液的搬运部件和硅熔液的搬运方法

技术领域

本发明涉及在作为半导体元件或太阳能电池等的原料使用的高纯度硅的制造中使用的硅熔液的搬运部件和搬运方法。

背景技术

在半导体元件或太阳能电池等中使用的硅原料的精制中，以往广泛使用利用气相反应的西门子法。近年来，进行所谓的冶金法，其组合了将硅原料熔融后通过炉渣精炼或电子束熔炼等的真空高温处理，除去熔液中的硼和磷等的半导体掺杂物成分，在其前后通过使熔融硅在一个方向凝固而除去铁等的金属成分的工序等。(参照专利文献1、非专利文献1)

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本特公平7-55813号公报

专利文献2日本特开2002-332512号公报

专利文献3日本特开2001-324281号公报

专利文献4日本特开平9-100630号公报

专利文献5日本特开平7-10923号公报

专利文献6日本特开2008-526512号公报

非专利文献

非专利文献1 Solar Energy Materials and Solar Cells 92(2008)418-424

发明内容

发明所要解决的课题

在利用冶金法的硅原料的精制中，有硼的除去、磷的除去、金属成分的除去的工序。这些为分别独立的工序，在各个独立的炉中进行处理。在这些各个工序中，原料硅以熔液的状态被处理，其量为超过100(Kg)的规模。因此，在各工序间，通过直接以熔液的状态搬运原料硅，能够使工作效率提高。

但是硅的熔点为约1412(℃)，在搬运这样的高熔点的熔液时，存在因熔液凝固而不能搬运的问题。一般而言，在硅以外的多个冶金工艺中，通过专利文献2～6等所示的方法搬运高熔点的原料熔液。此时，使用如下结构的搬运部件：在厚的耐火材料制的母材上，刻槽而构成熔液的流通路径，在其上表面覆盖厚的耐火性的盖。其流通路径部通过气体燃烧器或通电加热加热到接近熔点的温度。例如，铜和铝是熔点远低于硅的原材料，可以使用利用这样的搬运部件而加热保温的方法。

然而，要用这样的方法在各工序间搬运硅的熔液，存在如下所示的几个问题。

首先，第一个是硅熔液的向搬运部件的浸润和反应的问题。这是由于硅的熔液的粘性显著降低且化学的活性高的缘故。因此，搬运部件本身由于硅熔液的浸润和化学反应损伤，进而硅熔液贯通搬运部件，存在熔液从搬运部件漏出的担心。另外，与此同时，搬运部件所含的硼、磷、重金属等的杂质向硅熔液侧移动，损害精制的硅的纯度。

第二个是涉及真空工艺的问题。在从硅熔液蒸发除去磷等的精制工序中，在高真空状态中对硅进行处理。因此，为了在该精制工序中供给硅熔液，还必须在真空炉的内部设置硅熔液的搬运部件，通过真空闸阀搬出搬入搬运部件。

另外，这样的在多个的冶金工艺中使用的搬运部件伴有壁厚的绝热层、加热用加热器或燃烧器等的附属物。在真空炉内设置这些附属物并使其能够搬入搬出，在设备上是非常困难的。例如，为了将大型的部件搬入搬出炉内，为了维持炉内的真空，必须设置经过闸阀与炉内连接的大型的前室，操作上，其前室与炉内的压力调整等的工作也变得繁杂。

另外，在真空炉内，不能使用利用燃烧器的加热，但在通电加热搬运部件时，需要电力系统的配线。因此，还必须实施对真空放电等的对策。除了这样的设备问题，大多耐热性部件在高温的真空中气化蒸发，搬运部件本身蒸发从而消耗加剧。另外，还存在来自气化蒸发的部件的成分形成炉内的真空度维持的大障碍，其蒸发成分污染精制的硅的问题。

第三个是在硅熔液表面产生的氧化被膜的问题。硅熔液由于容易与活性高的氧反应，在与氧接触的熔液的表面，生成固体的SiO被膜，其流动性显著降低。因此，不优选为了补偿硅熔液的温度而通过燃烧器直接加热。另外，为了防止其氧化，将搬运部件本身以腔室覆盖，以不活泼气体吹扫，或者放置于真空的状态中等的对策是有效的。此时，需要大规模的设备。

从上述这样的各种问题点出发，认为在太阳能电池硅原料的利用冶金法的精制中，在各工序间直接以熔液状态搬运原料硅的熔液，是极为困难而不可能实现的。因此，在现有技术中，采用在冶金法的各工序中精制处理后的硅熔液通过暂时冷却得到固体的硅块在接下来的工序的炉中再加热熔化的方法。该方法在精制时需要的时间变长，发生与热能、机械能、工作劳动力相关的较大成本。

本发明是用于克服上述课题而作出的，其目的在于提供一种能够不使硅熔液凝固而将其从一侧向另一侧搬运的硅熔液的搬运部件和硅熔液的搬运方法。特别是，其目的在于提供一种硅熔液的搬运部件和硅熔液的搬运方法，在利用冶金法的硅原料的精制工艺中，能够在除去杂质而精制的各工序间直接以熔液的状态高效地搬运原料硅，得到太阳能电池制造用等的高纯度硅。

用于解决课题的方法

发明人为了解决上述课题，使用满足冶金法的硅原料精制工艺的条件的设备，进行了许多搬运硅熔液的试验。图3是搬运硅溶液的试验机的立体图。

参照该图，在浇勺1中容纳在之前工序中处理过的硅熔液2。搬运部件3相对于水平面倾斜。搬运部件3置于室温。搬运部件3中，搬运部件上端4位于浇勺1的熔液排出口，其搬运部件下端5位于远离托盘6的上部。在上述的结构中，若倾斜移动浇勺1，则浇勺1内的熔液从搬运部件上端4流入搬运部件3。流入到搬运部件3的熔液沿着搬运部件3流动注入托盘6。

由框材等支撑的搬运部件中所包含的搬运路径部的定义如下所述。在搬运部件具有绝热材料时，搬运部件中除了绝热材料以外的部分相当于搬运路径部，在搬运部件不具有绝热材料时，搬运部件的整体相当于搬运路径部。

另外，在本发明设想的工艺中，考虑与熔液的输送相关的熔融装置的配置，流通路径部长至10(m)左右。另外，考虑搬运起点和搬运目的地的装置的连接方法、流动的稳定性，搬运路径部件的硅熔液流动的部分的宽度限制为0.2(m)以下。另外，搬运硅熔液的重量为数10(Kg)以上。使坩埚或浇勺等慢慢倾斜，边控制在一定的速度边稳定地注入向搬运部件这样大量的熔液并不容易。因此，在搬运重量为1000(Kg)时，实际输送中需要的时间为从1分钟到30分钟的范围。

但是，如果输送时间为30分钟左右的时间，与在溶液搬运前后设置的工艺装置中精制处理同量的硅熔液需要的时间相比，足够短，实用上没有大问题。因此，设定的熔液的搬运流量为从约30(Kg/min)到1000(Kg/min)的范围。另外，由于硅熔液的动粘性为3x10^-7(m2/sec)，比水小数倍，因此通过使搬运部件3仅倾斜数度，能够容易地将流速增加到0.1(m/sec)以上。

因此，流动的熔液的宽度和深度分别为0.2(m)、0.2(m)时，其剖面积为4x10^-2(m2)，即使此时的流速仅为0.1(m/sec)的低速，其流量也为600(Kg/min)。因此，流通路径部上的熔液流动的部分的宽度实用上为0.2(m)以下是充分的。

考虑这样的实际工艺条件，在进行实验中，发明人发现熔液搬运的许多问题的根源是由凝固造成的堵塞，该凝固堵塞大致在流动到20(Kg)左右的熔液的初期阶段发生，在不使熔液凝固而顺利地开始流动时，大体能够没有问题地结束搬运。

另外，还得知搬运熔液的流量速度越快，熔液越没有阻滞地流动，在流量速度小于50(Kg/min)或流速小于0.1(m/sec)时，即使在经过了上述初期阶段的情况下也容易发生固化，难以继续搬运。

在该初期阶段的凝固现象，如下所说明的，可以认为是由注入到搬运部件3中的熔液先头部分的热传导的方式引起的。即，可以认为，在熔液的先头部分，其底面与通常接近室温的低温的流通路径部接触而夺走热，同时，热从后续流入的熔液传递。在该工艺中如所设想的，长度方向的尺寸比宽度方向的尺寸长的流路中，前者的放热绝对性大于后者的吸热。因此，熔液的先头部的热收支应该主要为向搬运部件3的放热和与此相伴的由硅熔液的凝固产生的潜热的平衡。

然而由于硅是凝固潜热极大物质，因此可以认为前端部凝固的进行不受在搬运部件3的与熔液的接触面积和流速这样的传热条件的限制，而是取决于熔液具有的一定的凝固潜热的量。因此，这里可以认为，作为凝固堵塞的条件，实验中所确定的重量的阈值20(Kg)量，对应于该一定的凝固潜热。

根据这些实验结果，明确了熔液能够搬运的条件，因此本发明的发明人从热收支的观点出发将硅熔液的搬运工序分成2个阶段进行考察。第1阶段是从浇注开始，到熔液的前端到达搬运路径部件的下端，以稳态流出，流通路径部吸收来自熔液的热而变暖，达到热稳态状态的时间带，将此作为“初期非稳态阶段”。

第2阶段为流通路径部达到热稳态，是熔液以无论在热量上还是在流动上都为稳态的状态稳定流动的时间带，将此作为“稳态阶段”。发明人认为熔液的凝固堵塞在前者的初期非稳态阶段发生，而在后者的稳态阶段不发生。即，初期的搬运到20(Kg)的时间带为初期非稳态阶段，之后的直到熔液的搬运结束的时间带为稳态阶段。

首先，关于稳态阶段中的热平衡，对于流动的硅的单位量，考虑来自熔液表面的辐射放热和由向搬运部件3的热传导引起的放热这两者。若设熔液的流量为F(Kg/sec)、设流速为V(m/sec)、设搬运部件的长为L(m)、设熔液通过搬运部件3需要的时间为t(sec)、设熔液的宽度为W(m)、设熔液相对室温空间的有效辐射率为ε、设斯蒂芬-波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)常数为σ(W/m2/K4)、设熔液的温度为Tm(K)、设室温为T0(K)，以硅的每单位重量考虑，搬运的熔液表面的辐射放热量qrad(J/Kg)由下式估算。

qrad＝〔εσ(Tm^4-T0^4)xWxt〕/〔F/V〕    (式1)

这里，若考虑流速为V＝L/t，则(式1)如下。

qrad＝〔εσ(Tm^4-T0^4)xWxL〕/F     (式2)

这里，作为变量值，ε使用0.28，σ使用5.67x10E-8(W/m2/K4)，Tm使用熔液的温度1773(K)＝1500(℃)，T0使用室温300(K)＝27(℃)，ρ使用2.53x10^3(Kg/m3)。

另外，设设定的熔液的流量F为50(Kg/min)＝0.83(Kg/sec)，设流速V为0.1(m/sec)，设W为从搬运路径的硅痕迹求出的实验值的0.1(m)。qrad分别如下。

qrad＝1.5x10^4xL(J/Kg)                (式3)

这里，硅的凝固潜热为1.6x10^6(J/Kg)，因此，即使路径部件的长度为10(m)，熔液的宽度为0.2(m)，qrad为3.0x10^5(J/Kg)，也充分小于凝固潜热。

此外，若辐射放热的影响仅局限于熔液的表面，则也可以考虑仅熔液表面固化的情况，但作为熔融金属的硅的热传导大至67(W/Km)，并且由于流动其实质的热传导度大幅增加，因此可以看做流动的熔液内部的温度均匀，辐射放热的影响不局限于表面而波及到熔液整个范围，难以考虑局部的凝固。

另一方面，若设绝热材料的热传导度为K(W/Km)、设绝热层的实质厚度为D(m)、设绝热材料的高温(熔液)侧的温度为Th、设高温侧的表面积为熔液表面的3倍，则在搬运中由向绝热材料侧的热传导引起的放热qcnd(J/Kg)由下式表示。

qcnd＝3x〔K/Dx(Th-T0)〕xWxL/F  (式4)

这里，若作为变量值，Th为硅的熔点1685K(1412℃)，T0为室温的300K，K为氧化铝纤维制绝热材料的热传导度1.0(W/Km)，D为60(mm)，其它为与qrad相同的值，则如以下的(式5)所示，可知qcnd比qrad小两个数量级。

qcnd＝1.9x10^2xL(J/Kg)        (式5)

此外，在没有绝热材料侧的部件或绝热材料侧的部件较薄时，虽然不能忽略来自流通路径部的外表面的辐射放热，但由于该外表面比熔液面面积大，比熔液温度低，因此由此引起的放热量为来自熔液表面的辐射放热量以下。

因此，硅熔液在稳态阶段流动时，无论由辐射导致的热损失，还是由传导导致的热损失，都充分小于硅的凝固潜热，可以认为熔液在搬运中凝固的可能性在实用上足够小，与发明人的实验事实一致。

接着，考虑初期非稳态阶段中的热平衡。发明人考虑将该时间带作为搬运硅熔液20(Kg)所需的时间。其在以流量50(Kg/min)、流速0.1(m/min)的条件搬运时为24秒。此时，硅熔液在搬运部件3的上表面前进的距离为2.5(m)。在该初期非稳态阶段中的由来自硅熔液的每单位重量的熔液面的辐射所放出的热量qrad与稳态状态时没有改变，因此如上所示，其充分小于凝固潜热。

另一方面，由来自硅熔液向流通路径部的传导而吸收的热量，由于为非稳态的，因此不能用(式2)的每单位重量的式子估算。但是，简单来说，能够利用部件具有的热容量和部件由于通过硅熔液而温度上升的温度的积来估算。可以认为，流通路径部所使用的致密的物质在热传导度大且由于绝热而来自外周的热辐射和热传导充分小时，最大可以从室温被加热到熔液的凝固点附近1685(K)。因此，在该阶段流通路径部可以吸收的总热量qab(J)如下所示。

qab＝Cx〔Tm-T0〕        (式6)

这里，C为流通路径部的热容量(J/K)。

例如，流通路径部设定为如图2所示的各向同性石墨制的圆筒，具有内半径为70mm、外半径为76mm的半圆剖面，比热为1800(J/K/Kg)，密度为1800(Kg/m3)。在硅熔液在流通路径部的上表面开始流动并前进2.5m程度的状态下，与吸收硅的热相关的圆筒部件的热容量C如下计算。

C＝(1800)x(1800)x(0.076^2-0.070^2)x 2.5＝11000  (J/K)(式7)

因此，若以C＝11000(J/K)、Tm＝1685(K)、T0＝300(K)计算qab，其值为1.5Ex10^7(J/Kg)。这相当于硅20(Kg)的凝固潜热3.6Ex10^7(J/Kg)的一半。因此，可知在初期非稳态阶段，从硅熔液夺走的热的大部分被流通路径部等热吸收。

根据上述的考察，发明人认为熔液搬运中的凝固堵塞的主要原因是刚浇注的初期非稳态阶段中的流通路径部和其上所附属的绝热材料导致的热吸收，并认为该课题的本质在于防止其发生的工作。因此，得到了如下结论：作为防止从熔液向流通路径部的热吸收方法，并不像过去那样加热搬运部件，而是实现构成搬运部件的部件的低热容量化，进一步使其热容量小于相当于硅20(Kg)的凝固潜热，以此作为该问题的解决手段是有效的。

因此，单独使用硅熔液搬运部件，将该搬运部件的热容量作各种改变，进行流动硅熔液的实验，研究了硅熔液不凝固的热容量条件，结果发现，如果该搬运部件的热容量为13000(J/K)以下，则硅熔液不凝固。

作为其理由，相当于硅熔液20(Kg)的凝固潜热为3.6x10^7(J)，该3.6x10^7(J)除以流通路径部从室温的温度上升幅度1400(K)得到值为26000(J/K)，如果硅熔液搬运部件的热容量为26000(J/K)以上，则判定为确实凝固。但是，实际中，硅熔液搬运中存在各种外部干扰因素。例如，由熔液的飞溅造成的局部冷却、由熔液中混入的异物造成的流路电阻增大、由混入的杂质成分造成的析出物的产生、由氧化物的混入造成的在熔液表面或搬运路径部件界面上的氧化凝固、伴随浇注操作的意外的浇注量减速等。因此，硅熔液搬运部件的热容量即使在比其低时(即，低于26000(J/K)时)，也存在凝固的情况。13000(J/K)为实验中求出的结果，为上述理论值的一半的值，可以认为是适当的值。

另外，作为搬运部件3，在不仅设置硅熔液流通部件，还在该流通部件的熔液侧的相反侧设置了绝热材料时，进行流动硅熔液的实验。研究了硅熔液不凝固的热容量的条件，结果发现，在组合了硅流通部件和绝热材料时，如果流通路径部的热容量和距离绝热材料中流通路径部30(mm)以内的部分的热容量的合计为13000(J/K)以下，即使不像现有技术那样设置加热保温单元，硅熔液也不凝固。

从这样的观点出发，重新考虑搬运硅熔液的部件的结构，结果可知，部件的低热容量化具有如下3个优点。

1)通过使热容量变小，搬运部件变得小型化。由此，搬运部件所附属的设备简单化，且与关联设备的连接方法变得容易。

2)即使是认为不适合作为硅的流通路径部的原材料的各种原材料，例如石墨这样的与硅反应性低的物质但热传导度大且比热高的部件，或碳纤维复合材这样的每单位重量的价格高的部件，随着薄壁化其利用也变得容易。

3)如果流通路径部的热容量足够小，则不需要加热部件，也不需要其该设备。

从上述的观点出发，流通路径的原材料优选碳纤维强化碳复合材(以下记为C/C材)。这些是将厚度从1mm到3mm左右的薄片状的C/C的原材料嵌入模具中压缩加热而成型得到的，主要作为绝热材料的强化材或作为高温部件的点接触支撑部件使用，由各碳原材料制造商销售。这些市售品的标准形状为具有L字型或U字型或圆筒的剖面，长1m左右，具有适合于加工为熔液的搬运部件的形状。

另外，这些不仅为标准品的形状，随着成型用的模具，剖面形状为V字、U字、圆弧、椭圆弧的这样的折线或曲线、或者圆、椭圆、多边形等的闭合的线，其剖面形状在硅的搬运方向上连续，其整体形状也可以是能够作为流通路径部使用的形状。另外，由于与石墨或陶瓷制品这样的烧结体不同，该原材料是纤维体，因此具有由热冲击或机械冲击造成的破损可能性低、耐久性高的优点。

根据以上的内容，发明人完成创作的太阳能电池用的硅熔液的搬运部件具有如下特征。

(1)一种硅熔液的搬运部件，其特征在于：具有与硅熔液直接接触的流通路径部，使上述硅熔液从一侧向另一侧流通，上述流通路径部的热容量为13000(J/K)以下。

这里，若以碳纤维复合材构成熔液的流通路径部，则可以实现防止对品质的污染和部件的耐久化，故而优选。

(2)如(1)所述的硅熔液的搬运部件中，其特征在于：上述流通路径部与上述硅熔液接触的面相反侧的面由绝热材料覆盖，位于上述绝热材料中的距离流通路径部30mm以内的部分的热容量和上述流通路径部的热容量的合计为13000(J/K)以下。作为此时的绝热材料的原材料，使用纤维、叠层薄膜或发泡体制的热容量的低的材料。另外，上述距离30(mm)的理由在于，可以认为绝热材料的远离流通路径部的部分的温度达不到高温，从硅熔液的热吸收为相当于实质距离流通路径侧30(mm)以内的部分的量。另外，通过以碳纤维复合材构成熔液的流通路径部，则可以实现防止对品质的污染和部件的耐久化。

(3)如(1)或(2)所述的熔融硅的搬运部件，其特征在于：上述流通路径部为碳纤维强化碳复合体，相对于硅熔液的搬运方向垂直方向的剖面形状为由折线或者曲线形成的开口的线、或由闭曲线或者多边形形成的闭合的线，其剖面形状沿硅的搬运方向连续。

(4)如(3)所述的熔融硅的搬运部件，其特征在于：上述流通路径部中的上述垂直方向的剖面的形状为V字、U字、圆弧、椭圆弧、圆、椭圆和多边形中的任一种。

(5)如(1)～(4)中任一项所述的硅熔液的搬运部件，其特征在于：上述流通路径部通过将层结构部件在相对于硅熔液的搬运方向垂直的方向叠层而构成。本发明中，作为流通路径部，如果使用碳纤维强化复合材这样的比较容易浸透硅熔液的原材料，则存在其长期使用中硅熔液由流通路径从流通路径部的下面渗出，损伤绝热材料或架台等的担忧。因此，优选通过将流通路径部制成多层结构，形成对流通路径部的底部多重保护的形式使用。如果它们热容量的合计在规定的值13000(J/K)以下，则能够没有问题地搬运硅熔液。这里，“多层结构”是指在相对于硅的搬运方向正交的方向叠层多个独立的片状部件而得到的结构，当然包括实施例4这样的叠层C/C制L字角型材料10得到的结构，也包括实施例5这样的双重圆筒结构。

(6)一种硅熔液的搬运方法，其特征在于：使用(1)～(5)的中任一项所述的硅熔液的搬运部件，以50(Kg/min)以上的流量且0.1(m/sec)以上的速度搬运上述硅熔液。在发明人的实验中，在使用本发明的硅熔液的搬运部件时，在小于50(Kg/min)的搬运速度时或搬运速度为0.1(m/sec)时，也判断为有硅熔液凝固的情况。因此，在使用本部件大量搬运硅熔液时，优选其流量速度设为50(Kg/min)且流速设为0.1(m/sec)以上。

发明的效果

通过使用本发明的搬运部件，能够不使用用于将搬运设备维持在接近熔点的高温的加热装置，不使硅熔液凝固地从一侧向另一侧搬运。例如，能够直接以熔融状态将利用冶金法的太阳能电池用硅原料精制的各工序刚处理后的熔液状态的原料硅向隔开距离而设置的接下来工序的处理设备搬运。

附图说明

图1是比较例1的搬运部件的模式图。

图2是比较例1的搬运部件的剖面图。

图3是熔液利用比较例1的搬运部件搬运的模式图。

图4是本发明的实施例1的搬运部件的模式图。

图5是本发明的实施例1的搬运部件的剖面图。

图6是熔液利用本发明的实施例1的搬运部件搬运的模式图。

图7是本发明的实施例2的搬运部件的模式图。

图8是本发明的实施例2的搬运部件的剖面图。

图9是熔液利用本发明的实施例2的搬运部件搬运的模式图。

图10是本发明的实施例3的搬运部件的模式图。

图11是本发明的实施例3的搬运部件的剖面图。

图12是熔液利用本发明的实施例3的搬运部件搬运的模式图。

图13是本发明的实施例4的搬运部件的模式图。

图14是本发明的实施例4的搬运部件的剖面图。

图15是熔液利用本发明的实施例4的搬运部件搬运的模式图。

图16是本发明的实施例5的搬运部件的模式图。

图17是本发明的实施例5的搬运部件的剖面图。

图18是熔液利用本发明的实施例5的搬运部件搬运的模式图。

具体实施方式

本发明的熔融硅的搬运部件的实施方式为具有与硅直接接触而使熔液从一侧向另一侧流通的流通路径部，该流通路径部的热容量为13000(J/K)以下。另外，在对外部的部件的关系，仅由流通路径部构成搬运部件而不合适时，例如，由于与达到高温的流通路径部直接接触或来自流通路径部的辐射热而引起外部的部件膨胀导致的变形、蒸发、氧化等的化学反应等时，能够由绝热材料覆盖与上述硅熔液相接的面相反侧的面。此时位于上述绝热材料中的距离流通路径部30(mm)以内的部分的热容量和上述流通路径部的热容量的合计为13000(J/K)以下。

另外，通过以碳纤维强化碳复合材形成搬运路径部件，其中，相对于硅熔液的搬运方向的垂直剖面的形状为V字、U字、圆弧、椭圆弧这样的折线或曲线、或者为圆、椭圆、多边形等的闭合的线，其剖面形状沿硅的搬运方向连续，其整体形状为角型形状(换而言之为L字型)或筒形状，能够防止原料的污染并提高部件的耐久性。剖面形状为角型形状的搬运路径部件为槽状(gutter)。

另外，为了防止硅熔液在流通路径部浸润引起破损，能够将层结构部件多层叠层。层结构部件也可以为角型形状部件、筒形状部件。在由流通路径部单独构成该搬运部件时，其热容量为13000(J/K)以下，该流通路径部的外侧由绝热材料覆盖时，距离流通路径部30mm以内的部分的热容量和上述流通路径部的热容量的合计为13000(J/K)以下。

另外，在使用上述记载的熔融硅的搬运部件时，以50(Kg/min)以上的流量且0.1(m/sec)以上的速度搬运熔液是有效的。关于搬运流量的控制，使存储有搬运前的熔液的坩埚或浇勺倾斜移动而向搬运部件注入熔液时，能够改变该倾动速度，使从坩埚或浇勺每单位时间向搬运部件排出的熔融硅的量直接为熔液的搬运速度。另外，关于流速，能够通过对应于排出流量改变搬运部件的相对于水平面的倾斜角度和搬运部件相对于上端部的坩埚或浇勺的排出前端部的高度差而调整。

由此，能够直接以熔融状态搬运利用冶金法的硅原料的精制的各工序所处理的超过100(Kg)的大量的硅熔液。由于本发明的搬运部件热容量小，因此不需要像钢铁行业和金属制造业中所进行的那样在搬运路径设置如加热用燃烧器或电热加热器的加热设备。因此，即使在如真空容器的设备的限制多的炉的内部也能够容易地出入。

另外，本发明的搬运部件，即使搬运数米的长距离，也没有发生在途中熔液凝固、流路被截流从而熔液在上流侧溢出。另外，由于熔液的搬运结束后附着于流路而残存的硅原料也少，因此由搬运造成的原料损失也少。另外，通过以高纯度化的碳纤维强化碳复合材制成本发明的搬运部件与熔液接触的流通路径部，能够使原料的污染极低，同时提高部件的耐久性。

另外，该结果，本发明通过对市场提供廉价的半导体元件和太阳能电池制造用的高纯度硅，能够有助于太阳能电池等的制品成本的下降。

实施例

以下，列举实施例和比较例，具体说明本发明的硅熔液的搬运部件，但本发明并不受下述实施例限定。

(实施例1)

图4是本发明的实施例1的熔融硅的搬运部件的概略图。其是将3个边宽100(mm)、壁厚2(mm)、长1.2(m)的L字型剖面的C/C制的角材10接在一起而作为全长3.4(m)的搬运部件11。图5是该搬运部件的剖面图，在将L字倾斜45度的状态下，将其凹进去的部分作为硅熔液的搬运路径使用。该部件的热容量的合计为3600(J/K)，满足本发明的条件，即，满足用于解决课题的方法一栏中所记载的(1)的条件13000(J/K)以下。在本实施例中，搬运部件11的整体相当于“流通路径部”。

如图6所示，进行如下实验：使用高度不同的两个底座19支撑该搬运部件11，以使其相对于水平面3度倾斜的状态，将装在浇勺1中的保持于温度1500(℃)的硅熔液2从该搬运部件11的上端4注入200(Kg)，使其流入到设置于该搬运部件下端5之下的托盘6中。这里，底座19加工成为其上部由C/C制的角型材料形成脊，使底座19与搬运部件11的热接触极小。

采用该配置，从浇勺1向搬运部件11中注入硅的熔液时，硅的熔液以流速0.20(m/sec)没有阻滞地在搬运部件11的上表面流动，流入托盘6中。此时全部熔液的搬运需要的时间为120秒，平均的流量速度为100(Kg/min)。试验之后收集在搬运部件11的流通路径内残留凝固的硅，测量其重量为280(g)。即，将从浇勺1注入的硅熔液的99.9％搬运到托盘6。

另外，以与此相同的配置，减慢浇勺1的倾动速度，用240秒注入硅熔液200(Kg)时，能够以与浇注速度相同的平均流量速度50(Kg/min)没有阻滞搬运熔液，其搬运速度为0.16(m/sec)。试验之后收集在搬运部件11的流通路径内残留凝固的硅，测定其重量为330(g)。即，将浇勺1注入的硅熔液的99.8％搬运至托盘6。

(实施例2)

图7是本发明的实施例2的熔融硅的搬运部件。其是将两个外径125(mm)、壁厚3.0(mm)、长1.2(m)的C/C制圆筒材12接在一起而作为长2.4(m)的熔液的流通路径构成的搬运部件13。此外，该搬运部件13的搬运方向的两端的上方侧设置缺口使其不妨碍熔液的流入和流出。图8是该部件的剖面图，将该圆筒的内侧部分作为硅熔液的搬运路径使用。在本实施例中，搬运部件13的整体相当于“流通路径部”。

该搬运部件13的热容量的合计为5800(J/K)，满足本发明的条件，即，满足用于解决课题的方法一栏中所记载的(1)的条件13000(J/K)以下。如图9所示，进行如下实验：使用两个底座19支撑该搬运部件13，以使其相对于水平面倾斜3度的状态，将浇勺1内的保持于温度1500℃的硅熔液2从该搬运部件上端部4注入200(kg)，使其流入到设置于该搬运部件下端部5之下的托盘6。在该配置中，从浇勺1向搬运部件13中注入硅的熔液时，硅的熔液没有阻滞地在搬运部件13的上表面流动，流入托盘6中。此时，熔液的流量为50(Kg/min)，速度为0.22(m/sec)。试验之后收集在搬运部件13的流通路径内残留凝固的硅，测定其重量时为300(g)。即，搬运了注入的硅熔液的99.8％。

(实施例3)

图10是本发明的实施例3的熔融硅的搬运部件。其是将外径125(mm)、壁厚3(mm)、长2.0(m)的C/C制圆筒部件14收纳于外径200(mm)、内径125(mm)、长1.6(m)的松密度160(Kg/m3)的圆筒型碳纤维成型绝热材料15中的结构，其剖面如图11所示。作为该搬运部件16的流通路径部的C/C制圆筒部件14的热容量为4800(J/K)，绝热材料15的距离与C/C制圆筒部件14相接侧的30(mm)的范围的部分的热容量为6700(J/K)，其合计的热容量为11500(J/K)。因此，满足了本发明的条件，即，满足用于解决课题的方法一栏中所记载的(2)的条件。如图12所示，C/C制圆筒部件14设定为搬运方向的尺寸长于圆筒型碳纤维成型绝热材料15搬运方向的尺寸。

如图12所示，进行如下实验：使用两个底座19支撑该搬运部件16，以使其相对于水平面倾斜3度的状态，将装在浇勺1中的保持于温度1500(℃)的硅熔液2从该搬运部件上端4注入200(Kg)，使其流入到设置于该搬运部件下端5之下的托盘6中。在该配置中，从浇勺1向搬运部件16中注入硅的熔液时，硅的熔液没有阻滞地在搬运部件16的上表面流动，流入托盘6中。此时，熔液的流量为50(Kg/min)，速度为0.22(m/sec)。

试验之后收集在搬运部件16的流通路径内残留凝固的硅，测量其重量为600(g)。即，搬运了注入的硅熔液的99.7％。

(实施例4)

图13是本发明的实施例4的熔融硅的搬运部件。其是重叠3段将3个实施例1的边宽100(mm)、壁厚2(mm)、长1.2(m)的C/C制L字角型材料10连接而作为全长3.4(m)的流通路径部的材料而得到的。图14表示该搬运部件的剖面图，将最上层的角材的L字的内侧部分作为硅熔液的搬运路径使用，下部的2层发挥防止因上层部的搬运部件的劣化或破损造成的熔融硅向外部流出的作用。该3段重叠的部件的热容量的合计为11000(J/K)，满足本发明的条件，即，满足用于解决课题的方法一栏中所记载的(3)的条件。

如图15所示，进行如下实验：使用两个底座19支撑该搬运部件17，以使其相对于水平面倾斜3度的状态，将装在浇勺1中的保持于温度1500(℃)的硅熔液2从该搬运部件17的上端4注入200(Kg)，使其流入到设置于该搬运部件17的下端5之下的托盘6中。在该配置中，从浇勺1向搬运部件17中注入硅的熔液时，硅的熔液没有阻滞地在搬运部件17的上表面流动，流入托盘6中。此时，熔液的流量为50(Kg/min)。速度为0.20(m/sec)。

试验之后收集在搬运部件17的流通路径内残留凝固的硅，测量其重量为550(g)。即，搬运了注入的硅熔液的99.7％。另外，在重复10次该实验后，在从重叠的最上段的L字型角材10的下面开始第2段的L字角型材料10中观察到硅浸入的部分，但不影响搬运熔液的功能，向托盘搬运了注入的硅的98％以上。

(实施例5)

图16是本发明的实施例5的熔融硅的搬运部件。本实施例的搬运部件18是将内径不同的两个圆筒在同心圆上配置的二重圆筒结构。内侧的圆筒是将2根实施例2的外径125(mm)、壁厚3.0(mm)、长1.2(m)的C/C制圆筒材12接在一起得到的长2.4(m)的圆筒结构。外侧的圆筒是将2根外径119(mm)、壁厚3.0(mm)、长1.2(mm)的C/C制圆筒接在一起得到的长2.4(m)的圆筒结构。图17表示该搬运部件的剖面图，将内侧的圆筒的内侧部分作为硅熔液的搬运路径使用，外侧的圆筒发挥防止因内侧的搬运部件的劣化或破损造成的熔融硅向外部流出的作用。该搬运部件18的热容量是将内侧的圆筒的5500(J/K)和外侧的圆筒的5800(J/K)合计的11800(J/K)，满足本发明的条件，即，满足用于解决课题的方法一栏中所记载的(3)的条件。此外，在本实施例中，搬运部件18的整体相当于“流通路径部”。

如图18所示，进行如下实验：使用两个底座19支撑该搬运部件18，以使其相对于水平面倾斜3度的状态，将装在浇勺1中的保持于温度1500(℃)的硅熔液2从该搬运部件18的上端4注入200(Kg)，使其流入到设置于该搬运部件下端5之下的托盘6中。在该配置中，从浇勺1向搬运部件18中注入硅的熔液时，硅的熔液没有阻滞地在搬运部件18的上表面流动，流入托盘6中。此时，熔液的流量为50(Kg/min)，速度为0.20(m/sec)。

试验之后收集在搬运部件18的流通路径内残留凝固的硅，测量其重量为450(g)。即，搬运了注入的硅熔液的99.7％。另外，在重复10次该实验后，在从内侧的圆筒的下侧的面向外侧的圆筒的内面观察到硅浸入的部分，但不影响搬运熔液的功能，向托盘搬运了注入的硅的98％以上。

(参考例1)

为了观察本发明中搬运的熔液的流量的影响，使用与实施例1相同的由L字型剖面的C/C制角型材料制成的长3.4(m)的搬运部件，将其与实施例1同样地相对于水平面倾斜3度配置，以小于实施例1中记载的条件的流量40(Kg/min)从浇勺向搬运部件注入硅的熔液。其结果，硅的熔液暂时以流速0.15(m/sec)在搬运部件的上表面流动，流入托盘中，但凝固缓缓进行，凝固开始180秒后，流通路径呈堵塞状态，因此在该时刻中止浇注。最终搬运到浇勺硅停留在95(Kg)。

(参考例2)

另外，为了观察本发明中搬运的熔液的流速的影响，使用与实施例1相同的由L字型剖面的C/C制角材制成的长3.4(m)的搬运部件进行下述实验。具体而言，为了使硅的熔液流动比实施例1慢，通过使该搬运部件相对于水平面倾斜1度配置，以流量50(Kg/min)从浇勺向搬运部件注入硅的熔液。此时，硅的熔液暂时以流速0.08(m/sec)在搬运部件的上表面流动，流入托盘中，但凝固缓缓进行，在浇注开始150秒后搬运了105(Kg)时，流通路径呈堵塞状态，因此在该时刻中止浇注。最终搬运到浇勺中的硅停留在100(Kg)。

(比较例1)

图1是比较例1的硅熔液的搬运部件。流通路径部8通过将两个半圆筒部件在它们的端部互相连接而构成。半圆筒部件由其内径为70(mm)、其壁厚为6(mm)、其长度为1.25(m)的各向同性石墨构成。连接方法中使用合模加工。流通路径部8的全长为2.4(m)。流通路径部8收纳于充填有氧化铝-纤维板制绝热材料7的铁制框9内。氧化铝-纤维板制绝热材料7的松密度设定为250(Kg/m3)。关于铁制框9的内部尺寸，将其宽度设定为300(mm)，将其高度设定为150(mm)，将其长度设定为2.4(mm)。

在图2中表示该搬运部件3的剖面形状。该搬运部件3的热容量为：熔液的流通路径部8的部分为9800(J/K)，距离该流通路径部8的外周面30(mm)以内的氧化铝-纤维板制绝热材料7的部分为4800(J/K)，它们的合计为14600(J/K)。该热容量的合计超过了在用于解决课题的方法一栏中所记载的(2)的构成所规定的基准量13000(J/K)。

如图3所示，进行如下实验：利用高度不同的两个底座19，以使其相对于水平面倾斜角度3度的状态设置该搬运部件3，将装在浇勺1中的保持于温度1500(℃)的硅熔液2从该搬运部件上端4注入200(Kg)，使其流入到设置于该搬运部件下端5之下的托盘6中。从浇勺1向搬运部件3中开始注入硅的熔液时，流出到搬运部件3的上表面的硅的熔液以流速0.18(m/sec)流动10秒，即流过1.8(m)左右后，从其前端部分开始凝固，很快形成固化的部分堵塞熔液流动的半圆剖面的结果。由此，之后流过来的熔液被该凝固部分截流，形成从流通路径部溢出的状态，不得不中止从浇勺1的熔液的注入。结果是从浇勺1注入的硅的熔液仅为17(Kg)，其全部在搬运部件3的途中凝固，完全不能将熔液搬运至托盘6。

符号说明

1    浇勺

2    硅熔液

3    搬运部件

4    搬运部件上端

5    搬运部件下端

6    托盘

7    氧化铝-纤维板制绝热材料

8    各向同性石墨制部件

9    铁制框

10   C/C制L字角型材料

11   实施例1的搬运部件

12   C/C制圆筒部件

13   实施例2的搬运部件

14   C/C制圆筒部件

15   圆筒型碳纤维成型绝热材料

16   实施例3的搬运部件

17   实施例4的搬运部件

18   实施例5的搬运部件

19   底座

Claims (5)

1.一种硅熔液的搬运部件，其特征在于：具有与在冶金法的各工序中精制处理的硅熔液直接接触的流通路径部，使所述硅熔液从一侧向另一侧流通，所述流通路径部与所述硅熔液接触的面相反侧的面由绝热材料覆盖，位于所述绝热材料中的距离流通路径部30mm以内的部分的热容量和所述流通路径部的热容量的合计为13000 J/K以下，在所述流通路径部不设置加热设备。

2.如权利要求1所述的硅熔液的搬运部件，其特征在于：所述流通路径部为碳纤维强化碳复合体，相对于硅熔液搬运方向的垂直方向的剖面形状为由折线或者曲线形成的开口的线、或由闭合曲线或者多边形形成的闭合的线，其剖面形状为沿硅的搬运方向连续。

3.如权利要求2所述的硅熔液的搬运部件，其特征在于：所述垂直方向的剖面的形状为V字、U字、圆弧、椭圆弧、圆、椭圆和多边形中的任一种。

4.如权利要求1～3中任一项所述的硅熔液的搬运部件，其特征在于：所述流通路径部通过将层结构部件在相对于硅熔液的搬运方向垂直的方向叠层而构成。

5.一种硅熔液的搬运方法，其特征在于：使用权利要求1～4中任一项所述的硅熔液的搬运部件，以50 Kg/min以上的流量且0.1 m/sec以上的速度搬运所述硅熔液。