JP2007314389A - Silicon refining method - Google Patents

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裕之 安藤
Tsuneo Nakamura
恒夫 中村
Hisashi Ogaki
久志 大垣
Toshiaki Fukuyama
稔章 福山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon refining method for obtaining solar battery class silicon used for a solar battery or the like where productivity is high and refining cost is reduced. <P>SOLUTION: In the refining method where a rotary cooling body is immersed into molten silicon, and refined silicon is crystallized out on the outer circumferential face of the rotary cooling body, the concentration of impurities in the high purity silicon which is melted at first is made lower than the concentration of impurities in the roughly refined silicon to be additionally charged. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、シリコンの精製方法に関し、特に太陽電池等に用いられる高純度な太陽電池級シリコンを得る精製方法に関する。 The present invention relates to a silicon purification method, and more particularly to a purification method for obtaining high-purity solar cell grade silicon used for solar cells and the like.

太陽電池に使用されるシリコンは、一般に、含有する鉄(Fe)またはアルミニウム(Al)等の不純物は少ないほどよく、純度99.9999質量%以上という高純度が要求されている。従来、シリコンの精製方法としては、たとえば、予め坩堝内に精製原料となるシリコンを入れておき、溶解炉内を不活性ガス雰囲気にし、ヒーターによってシリコンを溶融して溶融シリコンとし、この溶融シリコンを、シリコンの融点を超える温度に加熱保持しておく。次いで、回転冷却体を冷却しながらその回転冷却体の外周面に精製シリコンを晶出させることによって、純度99.9質量%以上の高純度シリコンを得るような精製方法が開示されている(特許文献1参照)。   In general, silicon used in a solar cell is better as it contains less impurities such as iron (Fe) or aluminum (Al), and a high purity of 99.9999% by mass or more is required. Conventionally, as a silicon refining method, for example, silicon as a refining raw material is placed in a crucible in advance, the melting furnace is made an inert gas atmosphere, and silicon is melted by a heater to form molten silicon. The material is kept heated to a temperature exceeding the melting point of silicon. Next, a purification method is disclosed in which purified silicon is crystallized on the outer peripheral surface of the rotating cooling body while cooling the rotating cooling body, thereby obtaining high-purity silicon having a purity of 99.9% by mass or more (patent) Reference 1).

特開昭63−45112号公報JP 63-45112 A

しかしながら、前記精製方法によって、太陽電池等に要求されるような純度99.9999質量%以上の精製シリコンを製造する場合、偏析操作を繰り返すうちに、溶融シリコンの不純物濃度が増加していくので、精製シリコンの不純物濃度も増加していく。したがって、偏析操作をある一定回数を繰り返すと、精製シリコンの不純物濃度が、基準濃度を超えてしまう。こうした場合には、残湯を廃棄し、新たにシリコンを溶融させて溶湯を準備した後、再び偏析操作を行うことになる。溶湯を準備し、偏析を繰り返し、残湯を廃棄する工程を1サイクルとすると、従来技術では、1サイクルでの精製量が少ないので、生産性が低く、精製コストが高くなるという課題がある。   However, when producing purified silicon having a purity of 99.9999% by mass or more as required for solar cells by the purification method, the impurity concentration of the molten silicon increases while the segregation operation is repeated. The impurity concentration of purified silicon also increases. Therefore, when the segregation operation is repeated a certain number of times, the impurity concentration of the purified silicon exceeds the reference concentration. In such a case, the remaining hot water is discarded, the silicon is newly melted to prepare a molten metal, and then the segregation operation is performed again. If the process of preparing the molten metal, repeating segregation, and discarding the remaining hot water is one cycle, the conventional technique has a problem that the amount of purification in one cycle is small, so that the productivity is low and the purification cost is high.

本発明の目的は、上述のシリコン精製上の課題を解決して、太陽電池等に使用される太陽電池級シリコンを得る、生産性が高く、精製コストを低減したシリコン精製方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a silicon purification method that solves the above-described problems in silicon purification and obtains solar cell grade silicon used for solar cells and the like, with high productivity and reduced purification costs. is there.

本発明は、溶融シリコンを収容する坩堝と、この坩堝内を加熱する加熱手段と、回転冷却体と、シリコン追装手段とを具備する精製装置を用いて、シリコンを精製するシリコン精製方法において、
前記溶融シリコン中で前記回転冷却体を回転させながら前記溶融シリコンの一部を前記回転冷却体の表面に精製シリコンとして晶出させる工程と、
前記回転冷却体の表面に晶出させた前記精製シリコンを回収する工程と、
粗精製シリコンを坩堝内に追装する工程とを有し、
坩堝内で最初に溶融させる高純度シリコンの不純物濃度を、追装する前記粗精製シリコンの不純物濃度よりも低くすることを特徴とするシリコン精製方法である。
The present invention relates to a silicon purification method for purifying silicon using a crucible containing molten silicon, a heating means for heating the inside of the crucible, a rotary cooling body, and a silicon replenishing means.
Crystallization of a portion of the molten silicon as purified silicon on the surface of the rotating cooling body while rotating the rotating cooling body in the molten silicon;
Recovering the purified silicon crystallized on the surface of the rotating cooling body;
A step of adding roughly purified silicon in the crucible,
In this silicon purification method, the impurity concentration of the high-purity silicon that is first melted in the crucible is made lower than the impurity concentration of the roughly purified silicon that is additionally installed.

また本発明は、前記高純度シリコンの不純物濃度が前記粗精製シリコンの不純物濃度の0.5倍以下であることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the impurity concentration of the high-purity silicon is not more than 0.5 times the impurity concentration of the roughly purified silicon.

また本発明は、前記精製シリコンの一部を前記高純度シリコンとして用いることを特徴とする。   In the present invention, a part of the purified silicon is used as the high-purity silicon.

本発明によれば、坩堝内で最初に溶融させる高純度シリコンの不純物濃度は粗精製シリコンの不純物濃度よりも低い。これによって偏析の繰り返しによる溶融シリコンの不純物濃度の増加を抑制できることに加えて、不純物濃度の低い高純度シリコンから偏析を行うことによって、不純物濃度をより低減した精製シリコンが得られるので、偏析を繰り返して不純物濃度が高くなり、これまででは不純物濃度が基準濃度を超え、太陽電池級シリコンとして扱えなかった精製シリコンも、太陽電池級シリコンとして扱うことができる。そのため1サイクルでの精製量を大幅に増加させることができ、生産性を向上させ、精製コストを大幅に低減することができる。   According to the present invention, the impurity concentration of the high purity silicon that is first melted in the crucible is lower than the impurity concentration of the roughly purified silicon. In addition to suppressing the increase in the impurity concentration of molten silicon due to repeated segregation, it is possible to obtain purified silicon with a further reduced impurity concentration by performing segregation from high-purity silicon with a low impurity concentration. As a result, the impurity concentration is increased, and the purified silicon that has not been treated as solar cell grade silicon so far can be treated as solar cell grade silicon. Therefore, the amount of purification in one cycle can be greatly increased, the productivity can be improved, and the purification cost can be greatly reduced.

不純物濃度の低い高純度シリコンを最初に溶融させて溶融シリコンとして用いることで、精製コストが高くなることが予想されるが、不純物濃度の低いシリコンの使用によるコストアップよりも生産性が向上することによるコストダウンの効果が大きいので、精製コストを低減することができる。   High-purity silicon with low impurity concentration is first melted and used as molten silicon, but it is expected that the refining cost will increase, but productivity will be improved compared to the cost increase by using silicon with low impurity concentration. Since the effect of cost reduction due to is great, the purification cost can be reduced.

また本発明によれば、高純度シリコンの不純物濃度を、粗精製シリコンの不純物濃度の0.5倍以下とすることによって、1サイクルの精製量は大幅に増加し、生産性を大きく向上させることができる。   In addition, according to the present invention, by making the impurity concentration of high-purity silicon 0.5 times or less than the impurity concentration of roughly purified silicon, the amount of purification in one cycle is greatly increased, and the productivity is greatly improved. Can do.

また本発明によれば、精製によって得られた精製シリコンの一部を高純度シリコンとして用いることによって、サイクルごとに必要な高純度シリコンを効率よく安価に提供することができ、精製コストを一層低減することができる。   In addition, according to the present invention, by using a part of purified silicon obtained by purification as high-purity silicon, it is possible to efficiently and inexpensively provide high-purity silicon necessary for each cycle, further reducing the purification cost. can do.

図1は、本発明に関わるシリコンの精製工程を示すフロー図である。また図2は、本発明のシリコン精製方法に用いる精製装置の概略図である。   FIG. 1 is a flowchart showing a silicon purification process according to the present invention. FIG. 2 is a schematic view of a purification apparatus used in the silicon purification method of the present invention.

シリコン精製装置は、密閉可能な溶解炉1、溶解炉1内に配置されて溶融シリコン3を収容する坩堝2、回転冷却体4、シリコンを溶融させる加熱機構5およびシリコン追装機構7等を備えている。   The silicon purification apparatus includes a melting furnace 1 that can be sealed, a crucible 2 that is disposed in the melting furnace 1 and accommodates molten silicon 3, a rotating cooling body 4, a heating mechanism 5 that melts silicon, a silicon additional mechanism 7, and the like. ing.

溶解炉1は耐火物から形成されている。坩堝2は、たとえば石英、黒鉛またはアルミナといった、シリコンとの反応性が低く、溶融シリコンに対する汚染が少ない物質によって形成されている。回転冷却体4は、有底の筒状であり、熱伝導性が良く、しかも溶融シリコン3と反応せず、溶融シリコンを汚染することのない材料、たとえば窒化シリコンまたは黒鉛等によって形成されている。   The melting furnace 1 is formed from a refractory material. The crucible 2 is formed of a material that has low reactivity with silicon and that is less contaminated with molten silicon, such as quartz, graphite, or alumina. The rotating cooling body 4 has a bottomed cylindrical shape, has good thermal conductivity, and does not react with the molten silicon 3 and does not contaminate the molten silicon, such as silicon nitride or graphite. .

図示しない冷却流体供給機構によって冷却流体を回転冷却体4の内壁に向けて吹き付けて、回転冷却体4の内壁を冷却し、回転冷却体4の外周面に精製シリコン6を晶出させる。加熱機構5には、たとえば抵抗加熱ヒーターまたは高周波誘導加熱機構など、通常のシリコン溶融に用いられる方法を適用できる。追装機構7もその方式を限定するものではなく、別途シリコンを溶融させてから坩堝2内へ入れてもよいし、固体シリコンを坩堝2内に投入してもよい。   A cooling fluid is sprayed toward the inner wall of the rotating cooling body 4 by a cooling fluid supply mechanism (not shown) to cool the inner wall of the rotating cooling body 4 and crystallize the purified silicon 6 on the outer peripheral surface of the rotating cooling body 4. For the heating mechanism 5, a method used for normal silicon melting, such as a resistance heater or a high-frequency induction heating mechanism, can be applied. The method of the additional mechanism 7 is not limited, and the silicon may be separately melted and then put into the crucible 2, or solid silicon may be put into the crucible 2.

次に、図1および図2を基に、本発明の実施の一形態であるシリコン精製方法について説明する。   Next, a silicon purification method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

ステップS1では、予め坩堝2内に、精製すべき粗精製シリコン(金属級シリコン、純度98.0質量%〜99.9質量%)よりも不純物濃度が低い高純度シリコンを入れておく。高純度シリコンの不純物濃度は、粗精製シリコンの不純物濃度の0.5倍以下が好ましい。溶解炉1内を真空引きした後、溶解炉1内にAr等の不活性ガスを供給して溶解炉1内を不活性ガス雰囲気にする。真空引きは必須ではないが、真空引きすることにより、不活性ガス導入による置換よりも早く、より確実な不活性ガス雰囲気とすることができる。そして、加熱機構5によって坩堝2内のシリコンを加熱し溶融して、溶融シリコン3とする。溶融シリコン3の溶湯温度はシリコンの融点以上の所定温度に保持されるように制御されている。   In step S1, high-purity silicon having an impurity concentration lower than that of roughly purified silicon to be purified (metal grade silicon, purity 98.0 mass% to 99.9 mass%) is placed in the crucible 2 in advance. The impurity concentration of high-purity silicon is preferably 0.5 times or less than the impurity concentration of roughly purified silicon. After the melting furnace 1 is evacuated, an inert gas such as Ar is supplied into the melting furnace 1 to make the inside of the melting furnace 1 an inert gas atmosphere. Although evacuation is not essential, evacuation can provide a more reliable inert gas atmosphere faster than replacement by introducing an inert gas. Then, the silicon in the crucible 2 is heated and melted by the heating mechanism 5 to obtain molten silicon 3. The molten metal temperature of the molten silicon 3 is controlled so as to be maintained at a predetermined temperature equal to or higher than the melting point of silicon.

ステップS2では、図示しない移動機構によって、回転冷却体4の一部を溶融シリコン3内に浸漬させる。その後、回転冷却体4の内壁に向かって冷却流体を吹き付けながら、回転冷却体4を回転させて、偏析凝固の原理によって回転冷却体4の外周面に高純度な精製シリコン6を晶出させる。回転冷却体4の回転によって、凝固界面から液相中に排出された不純物を凝固界面から遠ざけて液相全体に分散させながら、溶融シリコンの凝固を進行させることができる。したがって、平衡偏析係数に近い値の偏析係数で溶融シリコンの凝固が進行するので、回転冷却体4の外周面に、短時間に高純度な精製シリコン6を晶出させることができる。   In step S2, a part of the rotating cooling body 4 is immersed in the molten silicon 3 by a moving mechanism (not shown). Thereafter, while the cooling fluid is sprayed toward the inner wall of the rotating cooling body 4, the rotating cooling body 4 is rotated, and high purity purified silicon 6 is crystallized on the outer peripheral surface of the rotating cooling body 4 by the principle of segregation solidification. The rotation of the rotating cooling body 4 allows the solidification of the molten silicon to proceed while the impurities discharged from the solidification interface into the liquid phase are dispersed in the entire liquid phase away from the solidification interface. Accordingly, since the solidification of the molten silicon proceeds with a segregation coefficient close to the equilibrium segregation coefficient, the purified silicon 6 having high purity can be crystallized in a short time on the outer peripheral surface of the rotary cooling body 4.

回転冷却体を使用する手法は、本発明のステップS2で使用する精製シリコン晶出方法として好ましい手法であるが、精製シリコン晶出方法として限定するものではない。たとえば、固定された冷却体と溶融シリコンの攪拌機構が別であっても構わない。   The method using the rotating cooling body is a preferable method as the purified silicon crystallization method used in step S2 of the present invention, but is not limited to the purified silicon crystallization method. For example, the fixed cooling body and the molten silicon stirring mechanism may be different.

また、回転冷却体によってシリコンを晶出すると、坩堝内のシリコンの量が減少する。ステップS3では、減少分相当量の粗精製シリコンを追装機構7によって追装する。   Further, when silicon is crystallized by the rotating cooling body, the amount of silicon in the crucible decreases. In step S <b> 3, an amount corresponding to the decrease is roughly attached by the additional mechanism 7.

所定量のシリコンを晶出させた後に、ステップS4では、回転冷却体4と精製シリコン6を溶融シリコン3から引き上げ、溶解炉1内の図示しない別の場所または別の装置へ移動させ、凝固させたシリコンを加熱し、溶融させることによって回転冷却体4の周りから取り除き、精製シリコン6を回収容器に回収する。   After crystallizing a predetermined amount of silicon, in step S4, the rotary cooling body 4 and the purified silicon 6 are pulled up from the molten silicon 3 and moved to another location (not shown) or another apparatus in the melting furnace 1 to be solidified. The heated silicon is removed from the periphery of the rotating cooling body 4 by heating and melting, and the purified silicon 6 is recovered in a recovery container.

図1では、精製シリコン晶出工程と精製シリコン回収工程との間で粗精製シリコンを追装しているが、粗精製シリコンを追装するタイミングは、これに限定されるものではない。精製シリコン回収工程後であってもよいし、精製シリコン晶出工程に影響を及ぼさなければ、精製シリコン晶出工程時に並行して行なってもよい。また、数回の精製シリコン晶出工程毎に追装してもよい。要するに、精製シリコン晶出を繰り返すために必要な量の粗精製シリコンが供給されればよい。   In FIG. 1, roughly purified silicon is additionally installed between the purified silicon crystallization step and the purified silicon recovery step, but the timing of adding the roughly purified silicon is not limited to this. It may be after the purified silicon crystallization process, or may be performed in parallel with the purified silicon crystallization process as long as it does not affect the purified silicon crystallization process. Further, it may be supplemented every several purified silicon crystallization steps. In short, it is only necessary to supply an amount of roughly purified silicon necessary for repeating purified silicon crystallization.

この精製シリコン晶出工程と精製シリコン回収工程および粗精製シリコン追装工程とを所定回数行なった後、ステップS5では、精製シリコンの平均不純物濃度が基準濃度を超えたかどうかを判断し、超えている場合は、ステップS6で坩堝2内の残湯シリコンを排出する。超えていない場合は、ステップS2に戻り、新たに精製シリコン6を晶出させる。平均不純物濃度とは、これまでに回収した全ての精製シリコンの不純物濃度を平均した値である。   After the purified silicon crystallization process, the purified silicon recovery process, and the roughly purified silicon additional process are performed a predetermined number of times, in step S5, it is determined whether or not the average impurity concentration of the purified silicon exceeds the reference concentration. In that case, the remaining hot water silicon in the crucible 2 is discharged in step S6. If not, the process returns to step S2 to newly crystallize purified silicon 6. The average impurity concentration is a value obtained by averaging the impurity concentrations of all purified silicon recovered so far.

残湯シリコン排出は、シリコン溶融状態のまま、坩堝2を傾動させて排出する方法等が坩堝2を再利用できて好ましいが、坩堝2と溶融シリコン3を冷却して、坩堝2内で凝固させて排出してもよい。これで、シリコン精製の1サイクルが終わり、新たに坩堝2内に粗精製シリコンよりも不純物濃度の低い高純度シリコンを装填して、次のサイクルとなる。このように予め、粗精製シリコンよりも不純物濃度の低い高純度シリコンを坩堝2内に溶融させた状態から精製シリコン晶出と精製シリコン回収および粗精製シリコン追装とを行なうことによって、工程の繰り返しによる溶融シリコンの不純物濃度増加を抑制できることに加えて、高純度シリコンから偏析を行うことによって、不純物濃度をより低減した精製シリコンが得られるので、偏析を繰り返して不純物濃度が高くなり、これまででは不純物濃度が基準濃度を超え、太陽電池級シリコンとして扱えなかった精製シリコンも、太陽電池級シリコンとして扱うことができる。つまり、1サイクルの前半で精製したシリコンの不純物濃度は基準濃度以下となっているので、1サイクルの後半で精製したシリコンの不純物濃度は基準濃度を超えるが、1サイクルで精製したシリコン全体の平均不純物濃度として基準濃度以下にすることができる。その結果、予め粗精製シリコンそのものを溶融した状態から精製する場合よりも1サイクルで精製できるシリコン量が多く、シリコン溶融時間およびシリコン排出時間を短縮できるので、生産性が向上し、精製コストを低減することができる。   For discharging the remaining hot water silicon, a method in which the crucible 2 is tilted and discharged while the silicon is melted is preferable because the crucible 2 can be reused, but the crucible 2 and the molten silicon 3 are cooled and solidified in the crucible 2. May be discharged. This completes one cycle of silicon refining, and the crucible 2 is newly charged with high-purity silicon having a lower impurity concentration than that of crudely purified silicon, and the next cycle is reached. As described above, the high-purity silicon having a lower impurity concentration than that of the roughly purified silicon is previously melted in the crucible 2 to perform refined silicon crystallization, refined silicon recovery and roughly refined silicon replenishment, thereby repeating the process. In addition to being able to suppress the increase in impurity concentration of molten silicon due to segregation, purified silicon with reduced impurity concentration can be obtained by performing segregation from high-purity silicon. Purified silicon whose impurity concentration exceeded the reference concentration and could not be treated as solar cell grade silicon can also be treated as solar cell grade silicon. In other words, since the impurity concentration of silicon purified in the first half of one cycle is below the reference concentration, the impurity concentration of silicon purified in the second half of one cycle exceeds the reference concentration, but the average of the entire silicon purified in one cycle The impurity concentration can be lower than the reference concentration. As a result, the amount of silicon that can be purified in one cycle is greater than when purifying the crude silicon itself in a molten state, and the silicon melting time and silicon discharging time can be shortened, improving productivity and reducing purification costs. can do.

本発明の方法を用いて、粗精製シリコンを2段階の偏析操作で精製することができる。
図3で示すように、第1溶融工程および第2溶融工程として、2段階の偏析を行うために坩堝2Aおよび坩堝2Bを2つ並べ、それぞれの溶融シリコンに対して1本ずつ回転冷却体4Aおよび回転冷却体4Bを設置する。1段目の偏析を行う坩堝2Aに粗精製シリコンを、2段目の偏析を行う坩堝2Bに高純度シリコンを投入し、溶融させる。溶湯温度はシリコンの融点以上の所定温度に保持されるように制御されている。次に第1晶出工程および第2晶出工程として、それぞれの溶湯に1本ずつ回転冷却体4Aおよび回転冷却体4Bを浸漬し、冷却流体を吹き込みながらシリコンを晶出させ、引き上げる。
Using the method of the present invention, crude silicon can be purified by a two-stage segregation operation.
As shown in FIG. 3, two crucibles 2A and 2c are arranged in order to perform two-stage segregation as the first melting step and the second melting step, and one rotating cooling body 4A is provided for each molten silicon. And the rotating cooling body 4B is installed. Crude purified silicon is charged into the crucible 2A that performs the first-stage segregation, and high-purity silicon is charged into the crucible 2B that performs the second-stage segregation. The molten metal temperature is controlled to be maintained at a predetermined temperature equal to or higher than the melting point of silicon. Next, as the first crystallization step and the second crystallization step, the rotating cooling body 4A and the rotating cooling body 4B are immersed one by one in each molten metal, and silicon is crystallized while blowing a cooling fluid and pulled up.

第1追装工程として、坩堝2Aで引き上げたシリコン6Aを2段目の坩堝2Bへ投入し溶融させる。一方、2段目の坩堝2Bで引き上げたシリコン6Bは回収工程として回収して精製シリコンとする。その間、第2追装工程として、坩堝2Aの溶湯に粗精製シリコンを溶解炉に設置した追装機構7から供給する。
回収工程で回収した精製シリコン中の不純物濃度が基準濃度を超えたところで、坩堝2Aを傾動させて溶融シリコンを排出する。その後、坩堝2Bのシリコンを1段目の坩堝2Aへ移し、回収工程で得られた精製シリコンを2段目の坩堝2Bに投入し、溶融させ、次サイクルの高純度シリコンとする。ここで、坩堝2Bのシリコンを実際に坩堝2Aに移して初期の高純度シリコンとしてもよいが、溶融シリコンを移さず、坩堝2Bを坩堝2Aとして扱うシーケンスとしても構わない。回収工程として回転冷却体4Aの表面に晶出したシリコン6Aを坩堝2B内で溶融しても、シリコンを再溶解させるためには多量の熱量を必要とするので、一旦、別の晶出シリコン回収部で回収した後、粉砕して小片シリコンとしてから、第2追装工程として、シリコン追装機構によって坩堝2Bに供給しても構わない。
As a first additional process, the silicon 6A pulled up by the crucible 2A is charged into the second stage crucible 2B and melted. On the other hand, the silicon 6B pulled up by the second-stage crucible 2B is recovered as a recovery step to obtain purified silicon. Meanwhile, as a second additional process, roughly purified silicon is supplied to the molten metal of the crucible 2A from the additional mechanism 7 installed in the melting furnace.
When the impurity concentration in the purified silicon recovered in the recovery step exceeds the reference concentration, the crucible 2A is tilted to discharge the molten silicon. Thereafter, the silicon in the crucible 2B is transferred to the first-stage crucible 2A, and the purified silicon obtained in the recovery process is charged into the second-stage crucible 2B and melted to obtain high-purity silicon in the next cycle. Here, the silicon in the crucible 2B may be actually transferred to the crucible 2A to obtain the initial high-purity silicon. However, a sequence in which the crucible 2B is handled as the crucible 2A without transferring the molten silicon may be used. Even if the silicon 6A crystallized on the surface of the rotary cooling body 4A is melted in the crucible 2B as a recovery process, a large amount of heat is required to re-dissolve the silicon. After being collected at the part, it may be crushed into small pieces of silicon, and then supplied to the crucible 2B by a silicon mounting mechanism as a second mounting process.

また、2サイクル目以降は、1段目の坩堝2Aに最初に溶融されるシリコンの不純物濃度が、1サイクル目における最初に溶融される粗精製シリコンの不純物濃度よりも低いので、2段階の効果により1サイクル目で得られる精製量よりも多量のシリコンを1サイクルで精製することができる。   In the second and subsequent cycles, since the impurity concentration of silicon initially melted in the first-stage crucible 2A is lower than the impurity concentration of coarsely purified silicon first melted in the first cycle, a two-stage effect is achieved. As a result, a larger amount of silicon than that obtained in the first cycle can be purified in one cycle.

(実施例1)
鉄濃度20質量ppmの粗精製シリコンを本発明の方法によって精製した。
図4に示すように、溶融工程として、内径600mm、深さ600mmの黒鉛坩堝2に鉄濃度10質量ppm(粗精製シリコンの鉄濃度の0.5倍)の高純度シリコン260kgを投入し、1500℃で3時間かけ溶融させた後、溶湯温度を1450℃とし、2時間保持した。次に、晶出工程として、この溶湯に回転冷却体4を浸漬させ、回転させながら、回転冷却体内部に冷却流体として窒素ガスを吹き込むことによって、10分間で10kgのシリコン6を晶出させた後、溶湯から引き上げた。次に回収工程として、晶出させたシリコン6を回収容器9上で加熱し、シリコンを溶融させることによって、回転冷却体4から落下させ、精製シリコンとして回収容器9に回収した。また、追装工程として、溶融シリコン3に鉄濃度20質量ppmの粗精製シリコン8を10kg溶解炉に設置した追装機構7から供給した。
Example 1
Crude purified silicon having an iron concentration of 20 ppm by mass was purified by the method of the present invention.
As shown in FIG. 4, as a melting step, 260 kg of high-purity silicon having an iron concentration of 10 mass ppm (0.5 times the iron concentration of roughly purified silicon) is charged into a graphite crucible 2 having an inner diameter of 600 mm and a depth of 600 mm. After melting at 3 ° C. for 3 hours, the molten metal temperature was set to 1450 ° C. and held for 2 hours. Next, as a crystallization step, 10 kg of silicon 6 was crystallized in 10 minutes by immersing the rotating cooling body 4 in this molten metal and blowing nitrogen gas as a cooling fluid into the rotating cooling body while rotating. Later, it was lifted from the melt. Next, as a recovery step, the crystallized silicon 6 was heated on the recovery container 9 to melt the silicon, so that it was dropped from the rotating cooling body 4 and recovered as purified silicon in the recovery container 9. In addition, as the additional process, the crude silicon 8 having an iron concentration of 20 mass ppm was supplied to the molten silicon 3 from the additional mechanism 7 installed in the 10 kg melting furnace.

工程2〜4を50回繰り返し、精製シリコンが500kg得られたところで精製シリコンの平均鉄濃度が0.1質量ppmを超えたので、坩堝を傾動させて溶融シリコンを排出した後、工程2で得られた鉄濃度0.1質量ppmの精製シリコン130kgと鉄濃度20質量ppmの粗精製シリコン130kgを坩堝2に投入し、溶融させて、次サイクルの高純度シリコンとした。その後、同様に工程2〜4を繰り返し、精製を行った。原料として130kgを利用したので、1サイクルにおける正味の精製シリコン量は370kgとなった。   Steps 2 to 4 were repeated 50 times. When 500 kg of purified silicon was obtained, the average iron concentration of the purified silicon exceeded 0.1 mass ppm. Therefore, the crucible was tilted and the molten silicon was discharged. 130 kg of purified silicon having an iron concentration of 0.1 mass ppm and 130 kg of roughly purified silicon having an iron concentration of 20 mass ppm were put into the crucible 2 and melted to obtain high purity silicon for the next cycle. Thereafter, steps 2 to 4 were repeated in the same manner for purification. Since 130 kg was used as a raw material, the net amount of purified silicon in one cycle was 370 kg.

(実施例2)
実施例1と同様の方法で、鉄濃度0.1質量ppm(粗精製シリコンの鉄濃度の0.005倍)の高純度シリコンとして使用して精製を行ったところ、1サイクルで精製シリコンが800kg得られた。このうち260kgを坩堝2に投入し、溶融させて、次サイクルの高純度シリコンとして用いたので、1サイクルにおける正味の精製量は540kgとなった。高純度シリコンの不純物濃度を低くすることによって、1サイクルで得られる正味の精製量は大きく増加した。
(Example 2)
When purification was performed using the same method as in Example 1 as high-purity silicon having an iron concentration of 0.1 mass ppm (0.005 times the iron concentration of roughly purified silicon), 800 kg of purified silicon was obtained in one cycle. Obtained. Of these, 260 kg was charged into the crucible 2 and melted and used as high-purity silicon for the next cycle, so the net amount purified in one cycle was 540 kg. By reducing the impurity concentration of high-purity silicon, the net amount of purification obtained in one cycle was greatly increased.

(比較例1)
比較例として、鉄濃度20質量ppmの粗精製シリコンを従来方法で精製した。
(Comparative Example 1)
As a comparative example, roughly purified silicon having an iron concentration of 20 mass ppm was purified by a conventional method.

内径600mm、深さ600mmの黒鉛坩堝に鉄濃度20質量ppmの粗精製シリコン260kgを投入し、1500℃で3時間かけ溶融させた後、溶湯温度を1450℃とし、2時間保持した。この溶湯に回転冷却体を浸漬させ、冷却流体として窒素ガスを吹き込みながら10分間で10kgシリコンを晶出させ、引き上げた。晶出させたシリコンを精製シリコンとして回収すると同時に、溶湯に鉄濃度20質量ppmの粗精製シリコン10kgを溶解炉に設置した追装機構から供給した。この操作を20回繰り返すと、精製シリコンの鉄濃度が0.1質量ppmを超えた。1サイクルで得られる正味の精製量は200kgであった。   A graphite crucible having an inner diameter of 600 mm and a depth of 600 mm was charged with 260 kg of roughly purified silicon having an iron concentration of 20 mass ppm and melted at 1500 ° C. for 3 hours, and then the molten metal temperature was set to 1450 ° C. and held for 2 hours. A rotary cooling body was immersed in the molten metal, and 10 kg of silicon was crystallized in 10 minutes while blowing nitrogen gas as a cooling fluid and pulled up. The crystallized silicon was recovered as refined silicon, and at the same time, 10 kg of crude refined silicon having an iron concentration of 20 mass ppm was supplied to the molten metal from an additional mechanism installed in the melting furnace. When this operation was repeated 20 times, the iron concentration in the purified silicon exceeded 0.1 mass ppm. The net purified amount obtained in one cycle was 200 kg.

したがって、本発明のシリコン精製方法を用いることによって、1サイクルで得られる正味の精製量を著しく増加させることが可能となり、生産性が向上し、その結果精製コストを低減することができる。   Therefore, by using the silicon purification method of the present invention, it is possible to remarkably increase the amount of net purification obtained in one cycle, improve productivity, and consequently reduce purification cost.

(実施例3)
鉄濃度970質量ppmの粗精製シリコンを2段階の偏析操作で精製するにあたり、本発明の方法を用いて精製した。
(Example 3)
When refining roughly refined silicon having an iron concentration of 970 mass ppm by a two-stage segregation operation, it was refined using the method of the present invention.

図3で示したように、第1溶融工程および第2溶融工程として、2段階の偏析を行うために内径600mm、深さ600mmの黒鉛坩堝2Aおよび黒鉛坩堝2Bを2つ並べ、それぞれの坩堝に1本ずつ回転冷却体4Aおよび回転冷却体4Bを設置した。1段目の偏析を行う坩堝2Aに鉄濃度970質量ppmの粗精製シリコンを、2段目の偏析を行う坩堝2Bに鉄濃度0.1質量ppm(粗精製シリコンの鉄濃度の約1.0×10−4倍)のシリコンをそれぞれ260kg投入し、1500℃で3時間かけ溶融させた後、溶湯温度を1450℃とし、2時間保持した。次に、第1晶出工程および第2晶出工程として、それぞれの溶湯に1本ずつ回転冷却体4Aおよび回転冷却体4Bを浸漬させ、冷却流体として窒素ガスを吹き込みながら10分間で10kgのシリコンを晶出させ、引き上げた。 As shown in FIG. 3, two graphite crucibles 2A and 2B having an inner diameter of 600 mm and a depth of 600 mm are arranged in order to perform two-stage segregation as the first melting process and the second melting process. The rotating cooling body 4A and the rotating cooling body 4B were installed one by one. Crude purified silicon having an iron concentration of 970 mass ppm is applied to the crucible 2A for performing the first stage segregation, and iron concentration of 0.1 mass ppm (about 1.0 of the iron concentration of the roughly purified silicon is applied to the crucible 2B for performing the second stage of segregation. 260 kg of each of (× 10 −4 times) silicon was introduced and melted at 1500 ° C. for 3 hours, and then the molten metal temperature was set to 1450 ° C. and held for 2 hours. Next, as the first crystallization step and the second crystallization step, the rotary cooling body 4A and the rotary cooling body 4B are immersed one by one in each molten metal, and 10 kg of silicon is injected for 10 minutes while blowing nitrogen gas as a cooling fluid. Was crystallized and pulled up.

第1追装工程として、坩堝2Aで引き上げたシリコン6Aは2段目の坩堝2Bへ投入し溶融させた。一方、2段目の坩堝2Bで引き上げたシリコン6Bは回収工程として回収容器上で加熱し、シリコンを溶融させることによって、回転冷却体4Bから落下させ、回収して精製シリコンとした。その間、第2追装工程として、坩堝2Aの溶湯に粗精製シリコンを溶解炉に設置した。その間、第2追装工程として、坩堝2Aの溶湯に鉄濃度970質量ppmの粗精製シリコン10kgを溶解炉に設置した追装機構7から供給した。   In the first additional process, the silicon 6A pulled up by the crucible 2A was charged into the second stage crucible 2B and melted. On the other hand, the silicon 6B pulled up by the second-stage crucible 2B is heated in a recovery container as a recovery step to melt the silicon, thereby dropping it from the rotary cooling body 4B and recovering it to obtain purified silicon. Meanwhile, as a second additional step, roughly purified silicon was placed in the melting furnace in the molten metal of the crucible 2A. Meanwhile, as a second additional process, 10 kg of roughly purified silicon having an iron concentration of 970 mass ppm was supplied from the additional mechanism 7 installed in the melting furnace to the molten metal of the crucible 2A.

このような精製工程を115回繰り返し、精製シリコンが1150kg得られたところで、回収工程で回収した精製シリコンの鉄濃度が0.1質量ppmを超えたので、坩堝2Aを傾動させて溶融シリコンを排出した。その後、坩堝2B内のシリコン260kgを1段目の坩堝2Aへ移し、工程3Bで得られた鉄濃度0.1質量ppmの精製シリコン260kgを2段目の坩堝2Bに投入し、溶融させ、次サイクルの高純度シリコンとした。つまり、1サイクルにおける正味の精製量は890kgとなった。   Such a purification process was repeated 115 times, and when 1150 kg of purified silicon was obtained, the iron concentration of the purified silicon recovered in the recovery process exceeded 0.1 ppm by mass, so the crucible 2A was tilted to discharge the molten silicon. did. Thereafter, 260 kg of silicon in the crucible 2B is transferred to the first-stage crucible 2A, and 260 kg of purified silicon having an iron concentration of 0.1 mass ppm obtained in step 3B is charged into the second-stage crucible 2B and melted. Cycle high purity silicon. That is, the net purified amount in one cycle was 890 kg.

また、本実施例の2サイクル目以降は、1段目の坩堝2Aに最初に溶融されるシリコンの不純物濃度が、1サイクル目における最初に溶融される粗精製シリコンの不純物濃度よりも低いので、2段階の効果によって1サイクル目での精製量1150kg(正味精製量890kg)よりも多く1500kg(正味1240kg)のシリコンを1サイクルで精製することができた。   Further, after the second cycle of the present embodiment, the impurity concentration of silicon first melted in the first-stage crucible 2A is lower than the impurity concentration of roughly purified silicon melted first in the first cycle. Due to the two-stage effect, it was possible to purify 1500 kg (net 1240 kg) of silicon in one cycle, which was greater than the amount of purification 1150 kg (net purification amount 890 kg) in the first cycle.

(比較例2)
比較例として、鉄濃度970質量ppmの粗精製シリコンを2段階の偏析操作で精製するにあたり、従来方法を用いて精製した。2段階の偏析を行うために内径600mm、深さ600mmの黒鉛坩堝を2つ並べ、溶融シリコンを投入し、それぞれの溶融シリコンに対して1本ずつ回転冷却体を設置した。
(Comparative Example 2)
As a comparative example, when refining roughly refined silicon having an iron concentration of 970 mass ppm by a two-stage segregation operation, it was refined using a conventional method. In order to perform segregation in two stages, two graphite crucibles having an inner diameter of 600 mm and a depth of 600 mm were arranged, molten silicon was charged, and one rotating cooling body was installed for each molten silicon.

まず1段目の偏析を行う坩堝に鉄濃度970質量ppmの粗精製シリコンを投入し、1500℃で3時間かけ溶融させた後、溶湯温度を1450℃とし、2時間保持した。坩堝の溶湯に回転冷却体を浸漬させ、冷却流体として窒素ガスを吹き込みながら10分間で10kgシリコンを晶出させ、引き上げ、回収した後、2段目の坩堝へ投入した。この操作を2段目坩堝に260kgのシリコンが得られるまで繰り返した。その後はそれぞれの溶湯に1本ずつ回転冷却体を浸漬させ、1段目の坩堝で引き上げたシリコンは回収して2段目の坩堝へ投入し、2段目の坩堝で引き上げたシリコンは回収して精製シリコンとした。その間、1段目の坩堝の溶湯に鉄濃度970質量ppmの粗精製シリコン10kgを溶解炉に設置した追装機構から供給した。   First, roughly refined silicon having an iron concentration of 970 mass ppm was put into a crucible for performing segregation in the first stage, and after melting at 1500 ° C. for 3 hours, the molten metal temperature was set to 1450 ° C. and held for 2 hours. A rotary cooling body was immersed in the molten metal in the crucible, and 10 kg silicon was crystallized in 10 minutes while blowing nitrogen gas as a cooling fluid, pulled up and collected, and then put into a second stage crucible. This operation was repeated until 260 kg of silicon was obtained in the second stage crucible. After that, a rotating cooling body is immersed in each molten metal one by one, and the silicon pulled up by the first stage crucible is collected and put into the second stage crucible, and the silicon pulled up by the second stage crucible is collected. Purified silicon. Meanwhile, 10 kg of roughly purified silicon having an iron concentration of 970 mass ppm was supplied to the molten metal in the first stage crucible from an additional mechanism installed in the melting furnace.

精製シリコンの平均鉄濃度が0.1質量ppmになるまで偏析を繰り返したところ、1サイクルで750kg精製することができた。   When segregation was repeated until the average iron concentration of the purified silicon reached 0.1 mass ppm, 750 kg could be purified in one cycle.

したがって、実施例1の場合と同様に、本発明のシリコン精製方法を用いることによって、1サイクルで得られる正味の精製量を著しく増加させることが可能となり、生産性が向上し、その結果精製コストを低減することができる。   Therefore, as in the case of Example 1, by using the silicon purification method of the present invention, it is possible to remarkably increase the amount of net purification obtained in one cycle, thereby improving the productivity and consequently the purification cost. Can be reduced.

本発明の実施の一形態を説明するフロー図である。It is a flowchart explaining one Embodiment of this invention. 本発明のシリコン精製方法を説明するシリコン精製装置の概略図である。It is the schematic of the silicon | silicone refinement apparatus explaining the silicon | silicone purification method of this invention. 本発明の実施例2を説明する工程図である。It is process drawing explaining Example 2 of this invention. 本発明の実施例1を説明する工程図である。It is process drawing explaining Example 1 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 溶解炉
2,2A,2B 坩堝
3,3A,3B 溶融シリコン
4,4A,4B 回転冷却体
5 加熱機構
6,6A,6B 精製シリコン
7 シリコン追装機構
8 粗精製シリコン
9 精製シリコン回収容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Melting furnace 2,2A, 2B Crucible 3,3A, 3B Molten silicon 4,4A, 4B Rotating cooling body 5 Heating mechanism 6,6A, 6B Purified silicon 7 Silicon additional mechanism 8 Crude purified silicon 9 Purified silicon recovery container

Claims (3)

溶融シリコンを収容する坩堝と、この坩堝内を加熱する加熱手段と、回転冷却体と、シリコン追装手段とを具備する精製装置を用いて、シリコンを精製するシリコン精製方法において、
前記溶融シリコン中で前記回転冷却体を回転させながら前記溶融シリコンの一部を前記回転冷却体の表面に精製シリコンとして晶出させる工程と、
前記回転冷却体の表面に晶出させた前記精製シリコンを回収する工程と、
粗精製シリコンを坩堝内に追装する工程とを有し、
坩堝内で最初に溶融させる高純度シリコンの不純物濃度を、追装する前記粗精製シリコンの不純物濃度よりも低くすることを特徴とするシリコン精製方法。
In a silicon refining method for refining silicon using a crucible containing molten silicon, a heating means for heating the inside of the crucible, a rotary cooling body, and a silicon additional means,
Crystallization of a portion of the molten silicon as purified silicon on the surface of the rotating cooling body while rotating the rotating cooling body in the molten silicon;
Recovering the purified silicon crystallized on the surface of the rotating cooling body;
A step of adding roughly purified silicon in the crucible,
A silicon purification method, wherein the impurity concentration of high-purity silicon that is first melted in a crucible is made lower than the impurity concentration of the roughly purified silicon to be additionally installed.
前記高純度シリコンの不純物濃度が前記粗精製シリコンの不純物濃度の0.5倍以下であることを特徴とする請求項1に記載のシリコン精製方法。   2. The silicon purification method according to claim 1, wherein an impurity concentration of the high-purity silicon is 0.5 times or less of an impurity concentration of the roughly purified silicon. 前記精製シリコンの一部を前記高純度シリコンとして用いることを特徴とする請求項1または2に記載のシリコン精製方法。   3. The silicon purification method according to claim 1, wherein a part of the purified silicon is used as the high-purity silicon.
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