JP2006151717A - Method for manufacturing granular crystal - Google Patents

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Nobuyuki Kitahara
暢之 北原
Makoto Sugawara
信 菅原
Morisato Takahashi
衛郷 高橋
Masa Sakai
雅 酒井
Hisao Arimune
久雄 有宗
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stably manufacture granular silicon having a low impurity concentration and at the same time, to manufacture grains having high crystallinity at a low cost when granular crystalline silicon is manufactured. <P>SOLUTION: The reaction between a melt 5 of a crystal material and a constitutive member of a crucible 1 can be suppressed by making the crystal material into a melt 5 by heating it in a short time by heating the crucible 1 for discharging the melt 5 of the crystal material by high frequency. Thereby, the impurity concentration in the obtained granular crystal can be reduced and the crystal quality of the granular crystal can be improved. Further, the crystal quality of the granular crystal can be also improved by heating falling granular melt by heating a gas used as an atmosphere when the granular melt falls and cooling the falling granular melt. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は粒状結晶の製造方法に関し、特に光電変換装置に用いられる粒状シリコン結晶を得るのに好適な粒状結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing granular crystals, and more particularly to a method for producing granular crystals suitable for obtaining granular silicon crystals used in a photoelectric conversion device.

太陽電池を始めとする光電変換装置は、性能面での効率の良さ、資源の有限性への配慮、あるいは製造コストの低さ等といった市場ニーズを捉えて開発が進められている。今後の有望な太陽電池の一つとして、光電変換手段の構成要素として粒状シリコン結晶を用いた太陽電池が注目されている。この粒状シリコン結晶を作製する方法として、シリコン原料を赤外線や高周波を用いて容器内で溶融し、この溶融物を液滴として自由落下させて粒状シリコン結晶を得る技術が知られている。   Photoelectric conversion devices such as solar cells are being developed in response to market needs such as high efficiency in terms of performance, consideration of resource finiteness, or low manufacturing costs. As one of the promising solar cells in the future, a solar cell using granular silicon crystals as a constituent element of photoelectric conversion means has attracted attention. As a method for producing this granular silicon crystal, a technique is known in which a silicon raw material is melted in a container using infrared rays or high frequency, and this molten material is freely dropped as droplets to obtain a granular silicon crystal.

このような方法で製造された粒状シリコン結晶は、高価な半導体グレードのシリコン材料を用いてCZ(チョクラルスキー)法で育成された単結晶シリコンや鋳造法で作製された多結晶シリコンのように、柱状の結晶を作製した後に300μm程度の薄い基板になるように研削加工する必要がないため、ダイシング工程や研削工程において高価なシリコン材料を無駄にすることがなく、シリコン材料の使用効率に優れているという特長がある。   The granular silicon crystal manufactured by such a method is like single crystal silicon grown by CZ (Czochralski) method or polycrystalline silicon produced by casting method using an expensive semiconductor grade silicon material. Because there is no need to grind to make a thin substrate of about 300 μm after columnar crystals are produced, expensive silicon materials are not wasted in the dicing process and grinding process, and the use efficiency of silicon materials is excellent There is a feature that.

粒状シリコン結晶を作製するための原料としては、例えば多結晶シリコン材料を粉砕した結果として発生するシリコンの微小粒子や、流動床法によって気相合成された高純度シリコン等が用いられている。これらの原料から粒状シリコン結晶を作製するには、それら原料をサイズあるいは重量によって分別した後に、赤外線や高周波を用いて容器内で溶融し、この溶融物を液滴(粒状の融液)として自由落下させることで粒子化させるという方法(例えば、特許文献1,特許文献2および特許文献4を参照。)がある。また、溶融したシリコンを飛散させて粒子状の結晶にする方法(特許文献3を参照。)もある。
国際公開第99/22048号パンフレット 米国特許第4188177号明細書 特開平5−78115号公報 米国特許第6432330号明細書 米国特許第6074476号明細書
As raw materials for producing granular silicon crystals, for example, silicon fine particles generated as a result of pulverizing a polycrystalline silicon material, high-purity silicon vapor-phase synthesized by a fluidized bed method, or the like is used. In order to produce granular silicon crystals from these raw materials, the raw materials are separated according to size or weight, then melted in a container using infrared rays or high frequency, and this melt can be freely used as droplets (granular melt). There is a method of making particles by dropping (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 4). In addition, there is a method (see Patent Document 3) in which molten silicon is scattered to form a particulate crystal.
International Publication No.99 / 22048 Pamphlet U.S. Pat.No. 4,188,177 JP-A-5-78115 US Pat. No. 6,432,330 U.S. Pat.No. 6074476

しかしながら、以上のような粒状結晶の製造方法では、原料の重量の均一化や結晶中の不純物量の制御といった点から問題点がある。特に、原料の重量のバラツキは、製造される粒状結晶の大きさにそのまま反映されてしまうため、重量の不均一な原料からは、太陽電池向けの粒状シリコン結晶に有効な大きさに対応する重量のシリコン原料の粒子を粉砕や分級等の手法により効率よく得ることは困難であるという問題点があった。   However, the above-described method for producing a granular crystal has problems in terms of uniformizing the weight of the raw material and controlling the amount of impurities in the crystal. In particular, since the variation in the weight of the raw material is directly reflected in the size of the granular crystal to be produced, the weight corresponding to the effective size of the granular silicon crystal for solar cells is determined from the raw material having a non-uniform weight. There is a problem that it is difficult to efficiently obtain the silicon raw material particles by a method such as pulverization or classification.

また、そのように粉砕や分級された原料に所望の特性を有する半導体材料とするべく一定の不純物を添加するためには、例えば粉砕前の原料を作製する段階で不純物を添加する方法や、粉砕後に気相中で不純物を拡散して添加する方法等がある。しかし、いずれの場合であっても、粉砕する工程において粉砕メディアからの不要な不純物が混入するコンタミ(汚染)が生じることから工程が複雑になり、また複雑で高価な設備を用いる必要があるためにコスト増加が避けられないという問題点がある。   In addition, in order to add a certain impurity so as to obtain a semiconductor material having desired characteristics in the pulverized and classified raw material, for example, a method of adding the impurity in the stage of preparing the raw material before pulverization, There is a method of diffusing and adding impurities in the gas phase later. However, in any case, the process becomes complicated due to contamination (contamination) in which unnecessary impurities from the grinding media are mixed in the grinding process, and it is necessary to use complicated and expensive equipment. However, there is a problem that an increase in cost is inevitable.

これらの問題点を解決する粒状結晶の製造方法として、原料へ一定の添加量となるように添加する微量不純物を予め調合して坩堝の中で一旦溶融し、その融液を容器から液滴として排出して,落下中に凝固させて粒子化すると同時に結晶化する方法がある(特許文献5を参照。)。しかしながら、このように製造されるシリコン粒子は径が1mmを超えるような大きさの粒子となり、その結晶性を上げるためには、得られたシリコン粒子を再溶融するプロセスが必要となるが、そのプロセスは、例えば一旦作製した球状のシリコン粒子の表面へ酸化皮膜を形成するといった工夫をすると同時に内部を溶融させ、その後の冷却工程においても良好な結晶性を得るのに十分な冷却の温度プロファイルの制御を必要とするプロセスであるので、そのプロセス条件を安定に維持管理して良好な結晶性の粒状シリコン結晶を得ることが困難なものであるという問題点がある。しかも、シリコン粒子を1個ずつ時間をかけて作製しており、その生産性は極めて低いものであるという問題点もある。すなわち、大量の粒状シリコン結晶を必要とする太陽電池を形成するための粒状シリコン結晶の製造方法としては不向きなものであるという問題点がある。   As a method for producing granular crystals to solve these problems, a small amount of impurities to be added to the raw material so as to be a constant addition amount is prepared in advance and once melted in a crucible, and the melt is converted into droplets from the container. There is a method of discharging and solidifying the particles during the fall to form particles (see Patent Document 5). However, the silicon particles produced in this way become particles having a diameter exceeding 1 mm, and in order to increase the crystallinity, a process of remelting the obtained silicon particles is necessary. The process involves, for example, the formation of an oxide film on the surface of spherical silicon particles once produced, and at the same time, the inside is melted and the cooling temperature profile sufficient to obtain good crystallinity in the subsequent cooling step. Since the process requires control, there is a problem that it is difficult to stably maintain and manage the process conditions to obtain a granular silicon crystal with good crystallinity. Moreover, there is a problem that the silicon particles are produced one by one over time, and the productivity is extremely low. That is, there is a problem that it is not suitable as a method for producing granular silicon crystals for forming a solar cell that requires a large amount of granular silicon crystals.

本発明は以上のような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、太陽電池向けに用いられる粒状シリコン結晶を製造するのに好適な、その粒状シリコン結晶を安定して高効率に作製することができると同時に、高い結晶性を持った粒状シリコン結晶を低コストで製造可能な粒状結晶の製造方法を提供することにある。   The present invention has been devised in view of the problems in the prior art as described above, and its purpose is to produce a granular silicon crystal suitable for producing a granular silicon crystal used for solar cells. An object of the present invention is to provide a method for producing a granular crystal that can be stably and highly efficiently produced, and at the same time, can produce a granular silicon crystal having high crystallinity at a low cost.

本発明者は、太陽電池等の光電変換装置向けに用いる粒状シリコン結晶の製造において、その生産性に関して鋭意実験と考察を重ねた結果、次のように考えるに至った。すなわち、坩堝のノズル部から結晶材料の融液を粒状に排出して落下させるとともにこの粒状の融液を落下中に加熱および冷却して凝固させることにより粒状結晶を製造する粒状結晶の製造方法においては、
(1)結晶材料の融液を溶融する時間は短いほど、不純物の混入による汚染を低減することが可能である。
(2)外部からの加熱による結晶材料の間接加熱では、加えた熱は、坩堝の周辺部の断熱材が加熱されることによって消費されるものが殆どであり、加熱時間の短縮のためには加熱温度を高くすることが必要となり、加熱温度を高くするに連れて加熱のための消費エネルギーは増大する。
(3)坩堝のノズル部からの結晶材料の融液の排出に際しては、ノズル部の先端部分における状態の観察が重要であるが、坩堝に対して外部からの加熱方法を採った場合においては、加熱源がノズルの周りを覆ってノズルが隠れてしまうため、十分な観察状態を確保できない。
ということである。
As a result of intensive experiments and considerations regarding the productivity in the production of granular silicon crystals used for photoelectric conversion devices such as solar cells, the present inventors have come to consider as follows. That is, in the method for producing a granular crystal, the crystal material melt is discharged and dropped from the nozzle portion of the crucible in a granular form, and the granular melt is heated and cooled to solidify by dropping. Is
(1) As the time for melting the melt of the crystal material is shorter, the contamination due to the mixing of impurities can be reduced.
(2) In indirect heating of the crystal material by heating from the outside, most of the applied heat is consumed by heating the heat insulating material in the periphery of the crucible. To shorten the heating time It is necessary to increase the heating temperature, and the energy consumption for heating increases as the heating temperature is increased.
(3) When discharging the melt of the crystal material from the nozzle part of the crucible, it is important to observe the state at the tip part of the nozzle part, but when a heating method from the outside is adopted for the crucible, Since the heating source covers around the nozzle and the nozzle is hidden, a sufficient observation state cannot be secured.
That's what it means.

これに対し、本発明者は、高周波による坩堝の加熱を採用することで、坩堝が直接加熱され、坩堝の周辺に断熱材やサセプタを配置する必要がないので、坩堝の周辺部の断熱材やサセプタが加熱されることによる熱損失は取り除くことができ、結晶材料の溶融に必要な熱量を短時間で供給することが可能となることに着目した。これにより、結晶材料の溶融に要する時間を短縮できることから、溶融した結晶材料と坩堝の構成部材との接触時間を短くすることによって結晶材料の融液への不純物の混入を低減することが可能となる。また、坩堝の側壁を形成するグラファイトの加熱領域を円筒形状にして、ノズル孔を形成するノズル部を平板状にすることで、ノズル近くまでを加熱領域とするとともにノズル孔から排出される融液が横から直接観察されるように工夫することで、重要な観察対象である坩堝のノズル部の先端を直接カメラ等の観察装置で観察することが容易となり、ノズル孔から排出される粒状の融液の径や速度を観察しながら坩堝を振動させることにより、加振周波数や振幅を調節して望ましい粒径を得たり、固化速度の再現性を高めて不純物分布を安定にすることによって、粒状結晶の品質の制御が容易となる。本発明者は以上の観点から本発明を案出したものである。   In contrast, the present inventor employs high-frequency heating of the crucible, whereby the crucible is directly heated, and there is no need to arrange a heat insulating material or a susceptor around the crucible. It was noted that heat loss due to heating of the susceptor can be eliminated, and the amount of heat necessary for melting the crystal material can be supplied in a short time. As a result, the time required for melting the crystal material can be shortened, so that it is possible to reduce the mixing of impurities into the melt of the crystal material by shortening the contact time between the melted crystal material and the crucible component. Become. Also, the graphite heating area that forms the side wall of the crucible is cylindrical, and the nozzle part that forms the nozzle hole is formed into a flat plate shape so that the heating area is close to the nozzle and the melt is discharged from the nozzle hole. It is easy to observe the tip of the crucible nozzle part, which is an important observation target, directly with an observation device such as a camera, and the granular melt discharged from the nozzle hole is devised. By oscillating the crucible while observing the diameter and speed of the liquid, the excitation frequency and amplitude are adjusted to obtain the desired particle size, and the reproducibility of the solidification rate is increased to stabilize the impurity distribution, thereby enabling the granularity. Control of crystal quality is facilitated. The inventor has devised the present invention from the above viewpoint.

本発明の粒状結晶の製造方法は、1)坩堝のノズル部から結晶材料の融液を粒状に排出して落下させるとともに、この粒状の融液を落下中に加熱および冷却して凝固させることによって粒状結晶を製造する粒状結晶の製造方法において、前記坩堝が導電性材料から成り、この坩堝を高周波加熱することによって前記結晶材料を溶融して前記融液とすることを特徴とするものである。   The production method of the granular crystal of the present invention is as follows: 1) The crystal material melt is discharged in a granular form from the crucible nozzle part and dropped, and the granular melt is heated and cooled to solidify by dropping. In the method for producing granular crystals for producing granular crystals, the crucible is made of a conductive material, and the crucible is heated at a high frequency to melt the crystalline material into the melt.

また、本発明の粒状結晶の製造方法は、2)上記1)の構成において、前記坩堝は、炭化珪素または炭素の焼結体から成ることを特徴とするものである。   In addition, in the method for producing granular crystals of the present invention, 2) in the configuration of 1) above, the crucible is made of a sintered body of silicon carbide or carbon.

また、本発明の粒状結晶の製造方法は、3)上記1)の構成において、前記粒状の融液に対する落下中の加熱は、加熱されたガスを用いて行なうことを特徴とするものである。   In addition, the method for producing granular crystals of the present invention is characterized in that 3) In the configuration of 1) above, heating during the dropping of the granular melt is performed using a heated gas.

また、本発明の粒状結晶の製造方法は、4)上記3)の構成において、前記ガスは、抵抗加熱により加熱されることを特徴とするものである。   The method for producing granular crystals according to the present invention is characterized in that, 4) in the configuration of 3), the gas is heated by resistance heating.

また、本発明の粒状結晶の製造方法は、5)上記3)または4)の構成において、前記ガスにアルゴンガスを用いることを特徴とするものである。   In addition, the method for producing granular crystals of the present invention is characterized in that 5) In the configuration of 3) or 4) above, argon gas is used as the gas.

また、本発明の粒状結晶の製造方法は、6)上記3)の構成において、前記加熱されたガスは、前記粒状の融液の落下方向に対し、角度を持たせて導入することを特徴とするものである。   The method for producing granular crystals according to the present invention is characterized in that 6) in the configuration of 3) above, the heated gas is introduced at an angle with respect to the dropping direction of the granular melt. To do.

本発明の粒状結晶の製造方法によれば、1)坩堝のノズル部から結晶材料の融液を粒状に排出して落下させるとともに、この粒状の融液を落下中に加熱および冷却して凝固させることによって粒状結晶を製造する粒状結晶の製造方法において、前記坩堝が導電性材料から成り、この坩堝を高周波加熱することによって前記結晶材料を溶融して前記融液とすることから、坩堝が高周波加熱によって直接加熱され、坩堝の周辺部に断熱材を用いる必要がないので、坩堝の周辺部の断熱材が加熱されることによる熱損失は取り除くことができ、結晶材料の溶融に必要な熱量を短時間で供給することができる。また、結晶材料の溶融に要する時間を短縮できることから、溶融した結晶材料と坩堝の構成部材との接触時間を短くすることによって結晶材料の融液への不純物の混入を低減することができる。さらに、ノズル孔から排出される粒状の融液が横から直接観察されるようにできるので、ノズル孔からの粒状の融液の径や速度を観察しながら、例えば坩堝を振動させることにより、加振周波数や振幅を調節して望ましい粒径に調節したり、固化速度の再現性を高めて不純物分布を安定にすることによって、粒状結晶の品質の制御を容易とすることができる。   According to the method for producing a granular crystal of the present invention, 1) the crystal material melt is discharged in a granular form from the nozzle portion of the crucible and dropped, and the granular melt is heated and cooled during solidification to solidify. In the method for producing granular crystals, the crucible is made of a conductive material, and the crucible is heated at high frequency since the crucible is heated at high frequency to melt the crystalline material into the melt. Since there is no need to use a heat insulating material in the periphery of the crucible, heat loss due to heating of the heat insulating material in the periphery of the crucible can be eliminated, and the amount of heat required for melting the crystal material can be reduced. Can be supplied in time. In addition, since the time required for melting the crystal material can be shortened, the mixing of impurities into the melt of the crystal material can be reduced by shortening the contact time between the melted crystal material and the constituent members of the crucible. Furthermore, since the granular melt discharged from the nozzle hole can be directly observed from the side, the observation can be performed by vibrating the crucible while observing the diameter and speed of the granular melt from the nozzle hole. The quality of the granular crystals can be easily controlled by adjusting the vibration frequency and amplitude to a desired particle size, or by improving the reproducibility of the solidification rate and stabilizing the impurity distribution.

また、本発明の粒状結晶の製造方法によれば、2)前記坩堝が、炭化珪素または炭素の焼結体から成るときには、高周波電力を効率よく吸収して熱に変換できるとともに、良導電材料であることから熱伝導がよく、坩堝全体を均一な温度に加熱することができる。また、高純度材料の入手が容易であり、粒状結晶との反応が少ないので、粒状結晶への金属等の不純物汚染を抑制することができる。   According to the method for producing granular crystals of the present invention, 2) when the crucible is made of a sintered body of silicon carbide or carbon, it can efficiently absorb high-frequency power and convert it into heat, and can be made of a highly conductive material. Therefore, heat conduction is good and the entire crucible can be heated to a uniform temperature. Moreover, since high-purity materials are easily available and there is little reaction with granular crystals, impurity contamination such as metals in the granular crystals can be suppressed.

また、本発明の粒状結晶の製造方法によれば、3)前記粒状の融液に対する落下中の加熱を、加熱されたガスを用いて行なうときには、粒子が固化する温度プロファイルをガスの供給量ならびに位置をパラメータとして制御することにより、加熱または冷却の過程を比較的自由に設定することができるので、粒子の固化速度を調整することで粒状結晶の結晶性を改善することができる。   In addition, according to the method for producing granular crystals of the present invention, 3) when the dropping of the granular melt is performed using a heated gas, the temperature profile at which the particles solidify is determined according to the gas supply amount and By controlling the position as a parameter, the heating or cooling process can be set relatively freely. Therefore, the crystallinity of the granular crystals can be improved by adjusting the solidification rate of the particles.

また、本発明の粒状結晶の製造方法によれば、4)前記ガスが、抵抗加熱により加熱されるときには、例えば複雑な形状で構成した抵抗加熱源の長い隙間の中を、ガスを通過させることにより充分な熱量を付与できるので、落下中の粒状の融液に吹き付けるのに必要な大量のガスを加熱することができる。   According to the method for producing granular crystals of the present invention, 4) when the gas is heated by resistance heating, for example, the gas is passed through a long gap of a resistance heating source configured in a complicated shape. Since a sufficient amount of heat can be applied, a large amount of gas necessary for spraying the falling granular melt can be heated.

また、本発明の粒状結晶の製造方法によれば、5)前記ガスにアルゴンガスを用いるときには、粒状結晶の表面に酸化物や窒化物等の被膜が形成されないようになるのと、周辺の部材の構成材料として用いられるグラファイトや炭化珪素と反応しないので、粒状結晶の表面が清浄なままの状態で粒状結晶が得られるとともに、周辺の部材の消耗を低減することができる。   In addition, according to the method for producing granular crystals of the present invention, 5) when argon gas is used as the gas, a film such as an oxide or a nitride is not formed on the surface of the granular crystals; Since it does not react with graphite or silicon carbide used as the constituent material, granular crystals can be obtained while the surface of the granular crystals remains clean, and consumption of surrounding members can be reduced.

また、本発明の粒状結晶の製造方法によれば、6)前記加熱されたガスを、前記粒状の融液の落下方向に対し、角度を持たせて導入するときには、それぞれの粒状の融液の落下の方向を排出方向から傾けることができるので、落下中の粒状の融液が散乱されて、落下中の衝突による粒状結晶同士の合体を有効に回避することができる。   In addition, according to the method for producing granular crystals of the present invention, 6) when the heated gas is introduced at an angle with respect to the falling direction of the granular melt, Since the falling direction can be tilted from the discharging direction, the granular melt falling is scattered, and coalescence of the granular crystals due to the collision during the falling can be effectively avoided.

以上のように、本発明の粒状結晶の製造方法によれば、シリコン融液を排出する坩堝を高周波により加熱することにより、短時間に結晶材料の原料の加熱を行ない、坩堝の構成部材との反応を抑えることで、結晶材料に混入する不純物濃度を低減することが可能となり、不純物が形成する欠陥からくる準位を低減させることで少数キャリアの再結合確率を低減させることができ、キャリアのライフタイムを長くすることによって、変換効率を向上させることができるように粒状結晶の品質を向上することができるものである。   As described above, according to the method for producing a granular crystal of the present invention, the crucible for discharging the silicon melt is heated at a high frequency, thereby heating the raw material of the crystal material in a short time, and By suppressing the reaction, it is possible to reduce the concentration of impurities mixed into the crystal material, and it is possible to reduce the recombination probability of minority carriers by reducing the level that comes from defects formed by the impurities. By extending the lifetime, the quality of the granular crystals can be improved so that the conversion efficiency can be improved.

また、その結晶材料の粒状の融液を落下中に加熱および冷却して凝固させる際に、落下中の加熱をその雰囲気となるガスを加熱することにより行なうことによって、例えばガスを何度も循環させて使用することで、消耗材を減らし、加熱および冷却の熱量調整が少なくてもよくなるので、結晶品質の向上とともに低コスト化も図ることができるものである。   In addition, when the granular melt of the crystalline material is solidified by heating and cooling during the dropping, the heating during the dropping is performed by heating the gas that becomes the atmosphere, for example, the gas is circulated many times. When used, the amount of consumables can be reduced and the amount of heat adjustment for heating and cooling can be reduced, so that the crystal quality can be improved and the cost can be reduced.

また、本発明の粒状結晶の製造方法は、大容量の高周波電源を用い、高周波加熱によって坩堝を直接加熱することにより、結晶材料の溶融および排出を多数回繰り返す場合において、溶融時間の短縮による生産性の大幅な向上と、溶融時間の短縮による不純物混入の低減とにより、他の方法に比べ短時間に高品質の粒状結晶を製造可能であることから、生産性の極めて高いものである。   In addition, the method for producing granular crystals of the present invention uses a large-capacity high-frequency power source and directly heats the crucible by high-frequency heating, so that the production by shortening the melting time is repeated when the melting and discharging of the crystal material are repeated many times High quality granular crystals can be produced in a short time compared to other methods due to a significant improvement in properties and a reduction in impurity contamination due to a shortening of the melting time, which is extremely high in productivity.

以上より、太陽電池を始めとする光電変換装置に用いられる粒状シリコン結晶の製造において好適な製造方法となり、得られる粒状シリコン結晶の結晶品質の向上と生産性向上とを同時に確保することが可能となるものである。これにより、簡便に高効率の光電変換装置向けの粒状シリコン結晶を大量に製造することができ、粒状シリコン結晶ひいては光電変換装置の製造コストを抑えることが可能となる。   From the above, it becomes a suitable production method in the production of granular silicon crystals used in photoelectric conversion devices such as solar cells, and it is possible to simultaneously ensure improvement in crystal quality and productivity of the obtained granular silicon crystals. It will be. Thereby, a large amount of granular silicon crystals for a highly efficient photoelectric conversion device can be easily produced, and the production cost of the granular silicon crystal and thus the photoelectric conversion device can be suppressed.

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

図1は本発明の粒状結晶の製造方法の実施の形態の一例における坩堝の例を示す断面図であり、図1において、1は全体として坩堝、2は本体部材、3はノズル部材、4はノズル孔、5は結晶材料の融液である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a crucible in an example of an embodiment of a method for producing granular crystals of the present invention. In FIG. 1, 1 is a crucible as a whole, 2 is a body member, 3 is a nozzle member, 4 is Nozzle holes 5 are melts of crystal material.

坩堝1は、円筒状の本体部材2とこの本体部材2の底部に取り付けられる円盤状のノズル部材3とで構成される。   The crucible 1 includes a cylindrical main body member 2 and a disk-shaped nozzle member 3 attached to the bottom of the main body member 2.

坩堝1の本体部材2は、例えばシリコンとの反応を抑えるための内壁部材2aとこの内壁部材2aの外側に配設される外壁部材2bおよび2cとから構成される。この外側部材2bおよび2cは、強度を確保するために設ける。この内壁部材2aと外壁部材2bおよび2cとは、それぞれ鋳込み成形法やホットプレス法等で緻密化された焼結体で構成されている。シリコンとの反応を抑えるには、酸化アルミニウム、炭化珪素、グラファイト等が適するが、加工のしやすさの点ではホットプレスで焼結したグラファイト等が適する。   The main body member 2 of the crucible 1 includes, for example, an inner wall member 2a for suppressing reaction with silicon and outer wall members 2b and 2c disposed outside the inner wall member 2a. The outer members 2b and 2c are provided to ensure strength. The inner wall member 2a and the outer wall members 2b and 2c are each formed of a sintered body densified by a casting method, a hot press method, or the like. In order to suppress the reaction with silicon, aluminum oxide, silicon carbide, graphite or the like is suitable, but graphite or the like sintered by hot pressing is suitable in terms of ease of processing.

なお、外壁部材2bおよび2cは、無機物の融点での熱収支および膨張を考慮して設計する必要がある。後述するように、この坩堝1は例えば石英管の内側に配置され、その石英管の外には高周波コイルが配置されて、この高周波コイルによる高周波加熱によって主に外壁部材2cを加熱して、坩堝1内の結晶材料の融液5の温度を制御している。これら熱源との距離や雰囲気ガスへの熱放散を考慮した外形形状を保持するために、外壁部材2bおよび2cには上記材料が適している。なお、外壁部材2bの厚みは通常3mm〜15mmが好ましい。また、この例において、外壁部材2bおよび2cは、ねじ部6によって両者の間の下方にノズル部材3を挟持して組み立てられる構造となっている。   The outer wall members 2b and 2c need to be designed in consideration of heat balance and expansion at the melting point of the inorganic substance. As will be described later, the crucible 1 is disposed, for example, inside a quartz tube, and a high-frequency coil is disposed outside the quartz tube, and the outer wall member 2c is mainly heated by high-frequency heating by the high-frequency coil. The temperature of the melt 5 of the crystal material in 1 is controlled. The above materials are suitable for the outer wall members 2b and 2c in order to maintain the outer shape in consideration of the distance to these heat sources and the heat dissipation to the atmospheric gas. The thickness of the outer wall member 2b is usually preferably 3 mm to 15 mm. Further, in this example, the outer wall members 2b and 2c have a structure in which the nozzle member 3 is sandwiched between the two by the screw portion 6 and assembled.

内壁部材2aは、ノズル部3とともに結晶材料の融液5を保持するものであるため、結晶材料である例えばシリコンの融点よりも溶融温度が高い材料から成るものであることが必要である。さらに、内壁部材2aは、溶融して活性な状態となっているシリコン等の融液5に直接接触しており、粒状結晶への不純物混入の汚染源としての可能性が最も高いものであるため、シリコン等の融液5との反応性が外壁部材2bよりも低い材料から成るものが好ましい。結晶材料にシリコン(珪素)を用いる場合であれば、内壁部材2aに用いるシリコンとの反応性が低い材料としては、石英が好適である。   Since the inner wall member 2 a holds the melt 5 of the crystal material together with the nozzle portion 3, the inner wall member 2 a needs to be made of a material having a melting temperature higher than the melting point of the crystal material, for example, silicon. Furthermore, since the inner wall member 2a is in direct contact with the melt 5 such as silicon that is melted and active, it is most likely as a contamination source of impurities mixed into the granular crystals. It is preferable to use a material that is less reactive with the melt 5 such as silicon than the outer wall member 2b. If silicon (silicon) is used as the crystal material, quartz is suitable as a material having low reactivity with silicon used for the inner wall member 2a.

また、坩堝1の先端側にはノズル孔4を有するノズル部材3が設けられている。つまり、一方端に小径部を有する坩堝1の外壁部材2aとは別体に金属融液を排出するためのノズル孔4を有するノズル部材3を設け、このノズル部材3を坩堝1の本体部材2の先端小径部の内側に配設したものである。このノズル部材3は、炭化珪素,炭素、窒化珪素、酸化アルミニウム,立方晶窒化ホウ素,石英またはダイヤモンドの焼結体が適しており、中でも炭化珪素あるいは炭素の焼結体が望ましい。   Further, a nozzle member 3 having a nozzle hole 4 is provided on the front end side of the crucible 1. That is, a nozzle member 3 having a nozzle hole 4 for discharging the metal melt is provided separately from the outer wall member 2 a of the crucible 1 having a small diameter portion at one end, and the nozzle member 3 is provided as a main body member 2 of the crucible 1. It is arrange | positioned inside the front-end | tip small diameter part. The nozzle member 3 is preferably a sintered body of silicon carbide, carbon, silicon nitride, aluminum oxide, cubic boron nitride, quartz or diamond, and among these, a sintered body of silicon carbide or carbon is preferable.

以上のように、本発明の粒状結晶の製造方法に用いる粒状結晶作製用の坩堝1は、坩堝1の本体部材2とノズル部材3とを別部材で形成して、それを組み立てることができる構造にすることで、磨耗等の損傷が激しいノズル部材3のみを差し替えることが可能となり、高価な坩堝1の本体部材2は繰り返して使用することができる。そして、本体部材2を内壁部材2aと外壁部材2bおよび2cとで構成していることにより、本体部材2の変形が少ないものとすることができるので、本体部材2に損傷が見られた場合にも容易に部材の交換を行なうことができる。   As described above, the crucible 1 for producing granular crystals used in the method for producing granular crystals of the present invention has a structure in which the main body member 2 and the nozzle member 3 of the crucible 1 are formed as separate members and can be assembled. By doing so, it becomes possible to replace only the nozzle member 3 that is severely damaged such as wear, and the main body member 2 of the expensive crucible 1 can be used repeatedly. And since the main body member 2 is composed of the inner wall member 2a and the outer wall members 2b and 2c, the main body member 2 can be less deformed, so that the main body member 2 is damaged. However, the member can be easily replaced.

図2は本発明の粒状結晶の製造方法の実施の形態の一例における坩堝1周辺の構成例を示す断面図であり、図2において、1は坩堝、7は高周波コイル、8は石英管、9は雰囲気(ガス)、10は監視カメラである。なお、この坩堝1の構成は図1に示した例と同じであるが、図2においては図示を省略している。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example around the crucible 1 in an example of the embodiment of the method for producing granular crystals of the present invention. In FIG. 2, 1 is a crucible, 7 is a high-frequency coil, 8 is a quartz tube, Is an atmosphere (gas), and 10 is a surveillance camera. The structure of the crucible 1 is the same as the example shown in FIG. 1, but the illustration is omitted in FIG.

本発明の粒状結晶の製造方法においては、通常の単結晶引き上げ製造装置のような坩堝1内での精確な温度分布の制御を必要としないため、坩堝1を直接高周波加熱する方法が採用可能である。   In the method for producing granular crystals according to the present invention, it is not necessary to control the precise temperature distribution in the crucible 1 as in a normal single crystal pulling production apparatus, and therefore a method of directly heating the crucible 1 with high frequency can be employed. is there.

内側の上部に坩堝1を収容した石英管8の外側の坩堝1に対応する位置に設けられた高周波コイル7より発生した高周波エネルギーは、坩堝1の外壁部材2cの表面で消費されて熱エネルギーに変換される。この熱により坩堝1内の結晶材料を溶融させて融液5とする。特許文献2の例においては、加熱源は坩堝を取り巻くグラファイトサセプタであったが、本発明では、坩堝1が高周波加熱によって直接加熱され、グラファイトサセプタ等を用いないので、坩堝1の周辺部材の加熱による熱損失は排除することができ、結晶材料の溶融に必要な熱量を短時間で供給することができる。また、結晶材料の溶融に要する時間を短縮できることから、溶融した結晶材料の融液5と坩堝1の構成部材(内壁部材2aおよびノズル部材3)との接触時間を短くすることによって、その構成部材から結晶材料の融液5への不純物の混入を低減することができる。   The high-frequency energy generated from the high-frequency coil 7 provided at a position corresponding to the outer crucible 1 of the quartz tube 8 that houses the crucible 1 in the inner upper part is consumed on the surface of the outer wall member 2c of the crucible 1 and becomes thermal energy. Converted. The crystal material in the crucible 1 is melted by this heat to obtain a melt 5. In the example of Patent Document 2, the heating source is a graphite susceptor surrounding the crucible. However, in the present invention, the crucible 1 is directly heated by high-frequency heating, and the graphite susceptor or the like is not used. The heat loss due to can be eliminated, and the amount of heat necessary for melting the crystal material can be supplied in a short time. In addition, since the time required for melting the crystal material can be shortened, the contact time between the melt 5 of the crystal material melted and the constituent members of the crucible 1 (the inner wall member 2a and the nozzle member 3) can be shortened. Thus, contamination of impurities into the melt 5 of the crystal material can be reduced.

例えば、結晶材料がシリコンであれば、内壁部材2aの石英やノズル部材3に微量に含まれるFe,Al,Mo,Va等の元素の溶出や、石英との反応による一酸化珪素の溶け込みや、外壁部材2bおよび2cのグラファイトと雰囲気ガス中の酸素とで発生する一酸化炭素や二酸化炭素の融液5への溶け込みによる酸素や炭素不純物の混入を抑制することができる。   For example, if the crystal material is silicon, elution of elements such as Fe, Al, Mo, and Va contained in a minute amount in the quartz of the inner wall member 2a and the nozzle member 3, the dissolution of silicon monoxide due to the reaction with quartz, Oxygen and carbon impurities can be prevented from being mixed due to the dissolution of carbon monoxide and carbon dioxide generated in the graphite of the outer wall members 2b and 2c and oxygen in the atmospheric gas into the melt 5.

このような坩堝1に投入された結晶材料の原料、例えばシリコン原料を高周波加熱等の加熱により溶融させ、溶解したシリコン融液5の上部をアルゴンガス等で例えば0.5MPa以下で加圧してノズル部材3のノズル孔4から押し出すことにより、シリコン融液5を排出して、多数の粒状の融液11にする。多数の粒状のシリコン融液11は、石英管8内の雰囲気9中を自由落下すると、落下中に凝固して単結晶シリコンまたは多結晶シリコンの粒状シリコン結晶となって、石英管8の下方に配置された容器(図示せず)に収容される。   A raw material of the crystal material, for example, silicon raw material charged in the crucible 1 is melted by heating such as high-frequency heating, and the upper part of the melted silicon melt 5 is pressurized with argon gas or the like at 0.5 MPa or less, for example, to form a nozzle member. The silicon melt 5 is discharged by extruding from the three nozzle holes 4 to form a large number of granular melts 11. When a large number of granular silicon melts 11 freely fall in the atmosphere 9 in the quartz tube 8, they solidify during the dropping and become granular silicon crystals of single crystal silicon or polycrystalline silicon, and below the quartz tube 8. It is accommodated in an arranged container (not shown).

従来の抵抗加熱装置やサセプタを加熱する高周波加熱方式では、それらの加熱に必要な部材が坩堝のノズル孔を隠してしまい、融液5が排出される様子を直接観察できなかったが、本発明の粒状結晶の製造方法においては、高周波加熱によって坩堝1を直接加熱する方式のため、ノズル孔4の周辺に加熱のための部材を配置する必要がないので、粒状結晶の形状や分布を決定する主要因になる、ノズル孔4から排出される融液5により形成されるノズル孔4直下の液柱(図示せず)を監視カメラ10により横方向から直接捉えて観察することが可能となる。さらに、この融液5に振動を与えて単分散球の状態の粒状結晶を得るときには、ノズル孔4から排出される融液の液注および粒状の融液11の径や速度を観察しながら、加振周波数や振幅を調節して望ましい粒径を得ることができ、粒状の融液11の固化速度の再現性を高めて不純物分布を安定にすることによる粒状結晶の品質の制御を容易とすることができる。   In the conventional high-frequency heating method for heating the resistance heating device and the susceptor, it was impossible to directly observe how the melt 5 was discharged because the members necessary for the heating concealed the nozzle hole of the crucible. In the method for producing granular crystals, since the crucible 1 is directly heated by high-frequency heating, there is no need to arrange a heating member around the nozzle hole 4, so the shape and distribution of the granular crystals are determined. A liquid column (not shown) immediately below the nozzle hole 4 formed by the melt 5 discharged from the nozzle hole 4 as a main factor can be directly observed from the horizontal direction by the monitoring camera 10 and observed. Furthermore, when obtaining a granular crystal in a monodisperse sphere state by applying vibration to the melt 5, while observing the diameter and speed of the melt poured from the nozzle hole 4 and the granular melt 11, The desired particle size can be obtained by adjusting the excitation frequency and amplitude, and the reproducibility of the solidification rate of the granular melt 11 can be improved to facilitate the control of the quality of the granular crystals by stabilizing the impurity distribution. be able to.

次に、図2における13は雰囲気(ガス)9を加熱するための抵抗加熱ヒーターを、14はそれによって加熱されたガスによる粒状の融液11の散乱方向を示している。このガス加熱部の例を図3に示す。図3は本発明の粒状結晶の製造方法の実施の形態の一例における加熱ガス部の例を示す断面図であり、図3において、8は石英管、9は雰囲気(ガス)、11は粒状の融液、12は加熱ガス、13は抵抗加熱ヒーター、14は粒状の融液11の散乱方向である。   Next, reference numeral 13 in FIG. 2 denotes a resistance heater for heating the atmosphere (gas) 9, and reference numeral 14 denotes the scattering direction of the granular melt 11 by the gas heated thereby. An example of this gas heating unit is shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a heated gas portion in an example of an embodiment of the method for producing granular crystals of the present invention. In FIG. 3, 8 is a quartz tube, 9 is an atmosphere (gas), and 11 is granular. The melt, 12 is a heated gas, 13 is a resistance heater, and 14 is the scattering direction of the granular melt 11.

坩堝1のノズル孔4から排出された粒状の融液11は、石英管8内の雰囲気(ガス)9中を落下中に冷却され固化して粒状結晶となるが、その固化時に加熱ヒーター等で加熱することにより粒状結晶の結晶性が向上することはよく知られている。本発明の粒状結晶の製造方法においては、落下中の粒状の融液11に対して、加熱のみならず冷却も、結晶材料の凝固温度よりも高温の加熱ガス12または凝固温度よりも低温の加熱ガス12を用いて調整することが好ましい。   The granular melt 11 discharged from the nozzle hole 4 of the crucible 1 is cooled and solidified in the atmosphere (gas) 9 in the quartz tube 8 while dropping into a granular crystal. It is well known that the crystallinity of granular crystals is improved by heating. In the method for producing a granular crystal of the present invention, not only heating but also cooling of the falling granular melt 11 is performed by heating gas 12 higher than the solidification temperature of the crystalline material or heating lower than the solidification temperature. It is preferable to adjust using the gas 12.

坩堝1のノズル孔4より排出された粒状の融液11は、石英管8の中を落下しながら熱を放散して冷却され凝固して固化にいたる。粒状の融液11が固化する位置は、通常はノズル孔4の下0.5m〜1.5mであり、その位置は粒状の融液11の粒径に依存する。そこで、望ましい粒径の粒状の融液11が固化する付近に加熱ガス12を吹き付けることにより、粒状の融液11が固化する温度プロファイルを、結晶材料の凝固温度(例えば、シリコンであれば1414℃)以上の温度の加熱ガス12で加熱する、または凝固温度(シリコンであれば1414℃)未満の温度の加熱ガス12で冷却することによって、自由に設定することができるので、粒状の融液11の固化速度の調整が容易に行なえるものとなる。   The granular melt 11 discharged from the nozzle hole 4 of the crucible 1 dissipates heat while falling in the quartz tube 8 and is cooled and solidified to solidify. The position where the granular melt 11 solidifies is usually 0.5 m to 1.5 m below the nozzle hole 4, and the position depends on the particle diameter of the granular melt 11. Therefore, the temperature profile at which the granular melt 11 is solidified by spraying the heating gas 12 near the solidified melt 11 having a desired particle size is determined as the solidification temperature of the crystalline material (for example, 1414 ° C. for silicon). ) It can be set freely by heating with the heating gas 12 at the above temperature or cooling with the heating gas 12 at a temperature lower than the solidification temperature (1414 ° C. in the case of silicon). It is possible to easily adjust the solidification rate.

雰囲気(ガス)9を加熱するグラファイト製の抵抗加熱ヒーター13は、図3に示したように、抵抗加熱ヒーター13内を通過する雰囲気(ガス)9の経路をジグザグ状に長く設定するとともに、通過する隙間を狭くすることで、大量の雰囲気(ガス)9を容易に加熱して、下方のノズルから加熱ガス12として噴き出すようにしている。   As shown in FIG. 3, the resistance heater 13 made of graphite for heating the atmosphere (gas) 9 has a long zigzag path for the atmosphere (gas) 9 passing through the resistance heater 13. By narrowing the gap, a large amount of atmosphere (gas) 9 is easily heated and ejected from the lower nozzle as the heated gas 12.

石英管8内の雰囲気(ガス)9および加熱ガス12に用いるガスとしては、酸素や窒素を用いると、得られる粒状結晶の表面に酸化物や窒化物等の被膜を形成したり、坩堝1を構成するグラファイトや炭化珪素等と反応してそれらを消耗させたり窒化物を形成したりするので好ましくない。本発明の粒状結晶の製造方法では、不活性ガスであるアルゴンガスまたはヘリウムガスまたはその混合ガスが適している。不活性ガスであれば、表面が清浄なままで粒状の融液11から粒状結晶が得られるとともに、坩堝1の構成部材等の消耗を抑制することができる。また、これら不活性ガスを雰囲気ガスとして用いることで、一定以上の温度のガスを石英管8内で循環させることができ、付与する熱量も少なくてすむので、コストを低減することができる。   When oxygen or nitrogen is used as the atmosphere (gas) 9 and the heating gas 12 in the quartz tube 8, a film such as oxide or nitride is formed on the surface of the obtained granular crystal, or the crucible 1 is formed. This is not preferable because it reacts with the constituent graphite, silicon carbide, etc., and consumes them or forms nitrides. In the method for producing granular crystals of the present invention, an inert gas such as argon gas or helium gas or a mixed gas thereof is suitable. If it is an inert gas, while the surface is clean, a granular crystal can be obtained from the granular melt 11, and consumption of the components of the crucible 1 can be suppressed. Further, by using these inert gases as the atmospheric gas, a gas having a temperature above a certain level can be circulated in the quartz tube 8 and the amount of heat applied can be reduced, so that the cost can be reduced.

また、抵抗加熱ヒーター13により加熱された加熱ガス12を、粒状の融液11の落下方向に対し、図2および図3に示すように角度を持たせて導入するときには、それぞれの粒状の融液11を落下方向から加熱ガス12の噴出方向に傾けることができ、散乱方向14に散乱させることができるので、落下する粒状の融液11が散乱されて、衝突による粒状の融液11同士の合体を回避することができる。このような散乱方向14の設定に当たっては、落下方向に対して加熱ガス12の噴出方向に角度を設けて、一定方向に吹き付けるだけではなく、加熱ガス12が渦を形成するように噴出してもよく、これによっても粒状の融液11を効果的に散乱させることができる。   When the heated gas 12 heated by the resistance heater 13 is introduced at an angle as shown in FIGS. 2 and 3 with respect to the dropping direction of the granular melt 11, each granular melt is introduced. 11 can be tilted from the falling direction to the ejection direction of the heated gas 12, and can be scattered in the scattering direction 14, so that the falling granular melt 11 is scattered and coalesced between the granular melts 11 by collision Can be avoided. In setting the scattering direction 14 as described above, an angle is set in the ejection direction of the heating gas 12 with respect to the falling direction, and not only the spraying in a fixed direction but also the heating gas 12 is ejected so as to form a vortex. This also allows the granular melt 11 to be effectively scattered.

以上のように、本発明の粒状結晶の製造方法によれば、粒状結晶の融液5を排出する坩堝1を高周波によって加熱することにより、短時間に結晶材料の原料の加熱を行なって融液5とすることができ、融液5と坩堝1の構成部材との反応を抑えることで、結晶材料に混入する不純物濃度を低減することが可能となり、不純物が形成する欠陥に起因する準位を低減させることで少数キャリアの再結合確率が減り、ライフタイムが長くなることによって、変換効率を向上させることができるように粒状結晶の結晶品質を向上することができる。   As described above, according to the method for producing granular crystals of the present invention, the crucible 1 for discharging the granular crystal melt 5 is heated at a high frequency, thereby heating the raw material of the crystal material in a short time. By suppressing the reaction between the melt 5 and the constituent members of the crucible 1, it is possible to reduce the concentration of impurities mixed into the crystal material, and to reduce the level caused by defects formed by impurities. By reducing it, the recombination probability of minority carriers is reduced and the lifetime is increased, so that the crystal quality of the granular crystals can be improved so that the conversion efficiency can be improved.

また、その結晶材料の粒状の融液5を落下中に加熱および冷却して凝固させる際に、落下中の加熱をその雰囲気となるガス9を加熱することにより行なうことによって、ガス9を何度も循環させて使用することで消耗材を減らし、加熱および冷却の熱量調整が少なくてすむようになるので、安定した製造を行なうことができるようになるとともに、低コスト化を図ることができるものとなる。   Further, when the granular melt 5 of the crystalline material is heated and cooled during solidification by being dropped, the gas 9 is heated several times by heating the gas 9 serving as the atmosphere. However, it is possible to reduce the amount of consumables and reduce the amount of heat for heating and cooling by using them in a circulating manner, so that stable production can be performed and cost can be reduced. Become.

このようにして作製された粒状結晶である粒状シリコン結晶は、太陽電池等の光電変換装置に用いる光電変換素子を形成するために使用される。これら粒状シリコン結晶は、本発明の粒状結晶の製造方法によって製造されていることから、坩堝1を多数回使用することができるとともに、不純物の少ない高品質のシリコンを得ることができるので、低コストで高変換効率の光電変換装置を得ることができるものとなる。   The granular silicon crystal, which is a granular crystal thus produced, is used to form a photoelectric conversion element used in a photoelectric conversion device such as a solar cell. Since these granular silicon crystals are produced by the method for producing granular crystals of the present invention, the crucible 1 can be used many times and high-quality silicon with few impurities can be obtained. Thus, a photoelectric conversion device with high conversion efficiency can be obtained.

なお、以上の実施の形態の例では、結晶材料に主にシリコンを用いた例について説明したが、本発明の粒状結晶の製造方法に用いる結晶材料としては、シリコンの他にもゲルマニウムや錫等があり、それらの粒状結晶は、高純度が好ましい半導体部品の形成等に好適に用いられる。   In the example of the embodiment described above, an example in which silicon is mainly used as the crystal material has been described. However, as the crystal material used in the method for producing a granular crystal according to the present invention, germanium, tin, or the like can be used in addition to silicon. These granular crystals are suitably used for the formation of semiconductor parts with high purity.

上述のように構成された坩堝を、Ar不活性ガス雰囲気に維持可能な炉の中にセットして、全体の温度を設定する。この坩堝へ同じく不活性雰囲気に保たれた経路を通じて原料を供給して完全に溶融させた。開口したノズル孔をもつノズル部材を作製して結晶材料であるシリコン原料の溶融と粒状の融液の排出と、それによる粒状結晶の作製を行ないその粒状結晶の純度評価を行なった。試験は次のように行なった。   The crucible configured as described above is set in a furnace that can be maintained in an Ar inert gas atmosphere, and the overall temperature is set. The raw material was supplied to the crucible through a path maintained in an inert atmosphere and completely melted. A nozzle member having an opened nozzle hole was manufactured, and the silicon raw material as a crystal material was melted and the granular melt was discharged, thereby preparing the granular crystal, and the purity of the granular crystal was evaluated. The test was conducted as follows.

不活性雰囲気中で1450℃の温度に維持した状態の坩堝へシリコン原料を充填して溶解した。坩堝は、内径19mmφ、外径25mmφ、長さ143mmの寸法に加工されたグラファイトで構成されている。十分に溶解した状態となった原料にガス圧力をかけて、ノズル孔より一気に全量吐出して排出した。このとき、溶融方法と溶融時間と回収された粒状シリコン結晶中に含まれる、アルミおよび鉄の不純物濃度を測定し比較を行なった。結果を表1に示す。

Figure 2006151717
A crucible maintained at a temperature of 1450 ° C. in an inert atmosphere was filled with a silicon raw material and dissolved. The crucible is made of graphite processed into dimensions of an inner diameter of 19 mmφ, an outer diameter of 25 mmφ, and a length of 143 mm. A gas pressure was applied to the raw material in a sufficiently dissolved state, and the entire amount was discharged from the nozzle hole and discharged. At this time, the melting method, the melting time, and the impurity concentrations of aluminum and iron contained in the recovered granular silicon crystal were measured and compared. The results are shown in Table 1.
Figure 2006151717

この結果、高周波加熱により作製したシリコン材料中の不純物濃度は、比較例である抵抗加熱による場合に比較して、明らかに不純物濃度が低く、材料としての品質が良好であった。   As a result, the impurity concentration in the silicon material produced by high-frequency heating was clearly lower than that of resistance heating as a comparative example, and the quality as a material was good.

上記実施例にて高周波加熱により坩堝を加熱して、ノズル孔から排出し作製した粒状の融液の落下中の加熱方法とその加熱に用いるガス種のみを変更して粒状シリコン結晶を作製した。作製した粒状シリコン結晶を研磨して断面を出した後、エッチングにより結晶性を評価した。表2に結果を示す。

Figure 2006151717
In the above example, the crucible was heated by high-frequency heating, and the granular silicon crystal was produced by changing only the heating method during dropping of the granular melt produced by discharging from the nozzle hole and the gas type used for the heating. After the produced granular silicon crystal was polished to obtain a cross section, the crystallinity was evaluated by etching. Table 2 shows the results.
Figure 2006151717

表2に示すように、落下時の雰囲気ガスの加熱を行なった場合に比べ、非加熱であった場合には明らかに粒界をもつ多結晶粒子の比率が高く、雰囲気の加熱効果による粒状結晶の結晶品質が向上していた。   As shown in Table 2, the ratio of polycrystalline particles having grain boundaries is clearly higher in the case of non-heating than in the case of heating the atmospheric gas at the time of dropping. The crystal quality was improved.

本発明の粒状結晶の製造方法の実施の形態の一例における坩堝の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of the crucible in an example of embodiment of the manufacturing method of the granular crystal of this invention. 本発明の粒状結晶の製造方法の実施の形態の一例における坩堝周辺の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the crucible periphery in an example of embodiment of the manufacturing method of the granular crystal of this invention. 本発明の粒状結晶の製造方法におけるガス加熱部の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example of the gas heating part in the manufacturing method of the granular crystal of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・坩堝
2・・・本体部材
2a・・・内壁部材
2b,2c・・・外壁部材
3・・・ノズル部材
4・・・ノズル孔
5・・・結晶材料の融液
6・・・外壁部材のねじ部
7・・・高周波コイル
8・・・石英管
9・・・雰囲気(ガス)
11・・・粒状の融液
12・・・加熱ガス
13・・・抵抗加熱ヒーター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Crucible 2 ... Main body member 2a ... Inner wall member 2b, 2c ... Outer wall member 3 ... Nozzle member 4 ... Nozzle hole 5 ... Crystalline melt 6 ... Screw part of outer wall member 7 ... High frequency coil 8 ... Quartz tube 9 ... Atmosphere (gas)
11 ... Granular melt
12 ... Heating gas
13 ... resistance heater

Claims (6)

坩堝のノズル部から結晶材料の融液を粒状に排出して落下させるとともに、この粒状の融液を落下中に加熱および冷却して凝固させることによって粒状結晶を製造する粒状結晶の製造方法において、前記坩堝が導電性材料から成り、該坩堝を高周波加熱することによって前記結晶材料を溶融して前記融液とすることを特徴とする粒状結晶の製造方法。 In the method for producing granular crystals, the crystalline material melt is discharged from the nozzle part of the crucible in a granular form and dropped, and the granular melt is heated and cooled to solidify by dropping and dropping. A method for producing a granular crystal, wherein the crucible is made of a conductive material, and the crucible is melted to form the melt by heating the crucible at high frequency. 前記結晶材料はシリコンであり、前記坩堝は炭化珪素または炭素の焼結体から成ることを特徴とする請求項1に記載の粒状結晶の製造方法。 The method for producing granular crystals according to claim 1, wherein the crystal material is silicon, and the crucible is made of a sintered body of silicon carbide or carbon. 前記粒状の融液に対する落下中の加熱は、加熱されたガスを用いて行なうことを特徴とする請求項1に記載の粒状結晶の製造方法。 2. The method for producing granular crystals according to claim 1, wherein the heating during the dropping of the granular melt is performed using a heated gas. 前記ガスは、抵抗加熱により加熱されることを特徴とする請求項3に記載の粒状金属の製造方法。 The method for producing a granular metal according to claim 3, wherein the gas is heated by resistance heating. 前記ガスにアルゴンガスを用いることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の粒状結晶の製造方法。 The method for producing granular crystals according to claim 3 or 4, wherein argon gas is used as the gas. 前記加熱されたガスは、前記粒状の融液の落下方向に対し、角度を持たせて導入することを特徴とする請求項3に記載の粒状結晶の製造方法。 The method for producing a granular crystal according to claim 3, wherein the heated gas is introduced at an angle with respect to a falling direction of the granular melt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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