JP2007314403A - Silicon purification method and apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
高純度シリコンの精製方法および精製装置に関し、特に太陽電池等に用いられる高純度シリコンを得る精製方法および精製装置に関する。 More particularly, the present invention relates to a purification method and a purification apparatus for obtaining high-purity silicon used in solar cells and the like.
近年、クリーンエネルギーとして太陽電池が注目され、生産量が大幅に増大している。種々の太陽電池の中で主流となっているのが、単結晶または多結晶シリコン太陽電池である。このようなシリコン結晶系の太陽電池は、シーメンス法等で精製された半導体用途多結晶シリコンの規格外品または単結晶インゴットの端材等を使用して製造されているが、太陽電池市場の拡大に伴い、原料不足が深刻になってきている。シーメンス法等によって精製された半導体用途シリコンは、11Nと高純度であり、精製コストが高い。一方、太陽電池級シリコン(以下「SOG−Si」という)としては、6N〜7Nの純度で足りるとされている。そこで、金属級シリコン(以下「MG−Si」という)から、効率的にSOG−Siを精製する方法が開発されている。 In recent years, solar cells have attracted attention as clean energy, and the production volume has increased significantly. Among various types of solar cells, single crystal or polycrystalline silicon solar cells are the mainstream. Such silicon crystal solar cells are manufactured using non-standard polycrystalline silicon for semiconductors purified by the Siemens method or the like, or end materials of single crystal ingots, etc., but the solar cell market is expanding. As a result, the shortage of raw materials has become serious. Silicon for semiconductors purified by the Siemens method or the like has a high purity of 11N, and the purification cost is high. On the other hand, as solar cell grade silicon (hereinafter referred to as “SOG-Si”), a purity of 6N to 7N is sufficient. Therefore, a method for efficiently purifying SOG-Si from metal grade silicon (hereinafter referred to as “MG-Si”) has been developed.
MG−SiをSOG−Siにするには、MG−Si中に含まれる鉄(Fe)等の金属不純物、リン(P)、ホウ素(B)等の不純物を除去する必要がある。これらの不純物は、その性質上、単一の精製工程では十分に除去できないので、個別の精製工程で除去されている。 In order to change MG-Si to SOG-Si, it is necessary to remove metal impurities such as iron (Fe) and impurities such as phosphorus (P) and boron (B) contained in MG-Si. Since these impurities cannot be sufficiently removed by a single purification step due to their nature, they are removed by individual purification steps.
Fe、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)等の金属不純物は、溶融シリコンを凝固するときに凝固シリコン中に取り込まれるよりも溶融シリコン中に残り易いという性質を利用した、いわゆる一方向凝固法によって除去されている。たとえば、不活性ガス雰囲気で溶融させたシリコン中に中空回転冷却体を浸漬し、回転冷却体の中に冷却媒体を送りこみながら回転冷却体の外周面に高純度シリコンを晶出させる方法が開示されている(特許文献1参照)。 Metal impurities such as Fe, aluminum (Al), titanium (Ti), and the like are obtained by a so-called unidirectional solidification method utilizing the property that when molten silicon is solidified, it tends to remain in the molten silicon rather than being taken into the solidified silicon. Has been removed. For example, a method is disclosed in which a hollow rotating cooling body is immersed in silicon melted in an inert gas atmosphere, and high purity silicon is crystallized on the outer peripheral surface of the rotating cooling body while feeding a cooling medium into the rotating cooling body. (See Patent Document 1).
P、Al、カルシウム(Ca)等の揮発性の高い元素は、真空中でMG−Siを溶融することで、蒸発除去する方法が知られている。たとえば、シリコンを非酸化性雰囲気下で溶融し、溶融している状態で10Pa以下の減圧雰囲気に保つ方法が開示されている(特許文献2参照)。 A method of evaporating and removing highly volatile elements such as P, Al, and calcium (Ca) by melting MG-Si in a vacuum is known. For example, a method is disclosed in which silicon is melted in a non-oxidizing atmosphere and kept in a reduced pressure atmosphere of 10 Pa or less in the melted state (see Patent Document 2).
Bを除去する方法としては、たとえば、Bを吸収する酸化カルシウムを主成分とするスラグとともに、水蒸気等の酸化性ガスを供給して、Bを気化性の化合物として除去する方法が開示されている(特許文献3参照)。 As a method for removing B, for example, there is disclosed a method for removing B as a vaporizable compound by supplying an oxidizing gas such as water vapor together with slag mainly composed of calcium oxide that absorbs B. (See Patent Document 3).
しかし、この方法では、酸化カルシウム等のスラグまたは酸化性ガスとともにキャリアガスとしてのアルゴン(Ar)および酸化防止用の水素ガス等を多量に消費し、精製コストが高くなり、またシリコンの一部も酸化されSiOとして蒸発するので、収率が悪くなるという課題がある。 However, this method consumes a large amount of argon (Ar) as a carrier gas and hydrogen gas for oxidation prevention together with slag or oxidizing gas such as calcium oxide, and the purification cost increases, and a part of silicon is also consumed. Since it is oxidized and evaporated as SiO, there is a problem that the yield is deteriorated.
そこで、スラグまたは酸化性ガスを用いない簡便なB除去方法として、MG−Siを溶融後、ジルコニウム(Zr)、Tiまたはバナジウム(V)のうち少なくとも1種を添加する方法が開示されている(特許文献4参照)。 Therefore, as a simple method of removing B without using slag or oxidizing gas, a method of adding at least one of zirconium (Zr), Ti, or vanadium (V) after melting MG-Si is disclosed ( (See Patent Document 4).
一連の精製方法としては、たとえば、ステップ1として不揮発性不純物(B等)低減工程、ステップ2として揮発性不純物(P等)低減工程、ステップ3として金属不純物(Fe等)低減工程を含む方法が開示されている(特許文献5参照)。
As a series of purification methods, for example, there is a method including a non-volatile impurity (B etc.) reducing process as Step 1, a volatile impurity (P etc.) reducing process as
しかしながら、上記の従来の精製方法には、次のような課題がある。特許文献1〜3に開示された不純物除去方法は、個別の精製工程であるので、別途、他の不純物除去工程が必要であるという問題がある。特許文献4に記載されたBの除去方法は、スラグ等を用いないので、精製コストを低減する効果があり、特許文献1の技術と組み合わせて、金属不純物とBとを同時に除去できる技術であるが、Pの除去についてはなんら開示がされていないので、別途Pを除去するための精製工程が必要であるという問題がある。またMG−Siに含まれるB濃度が、数十ppm〜数ppm(以下、ppmは重量基準とする)と低いので、添加したZrまたはTiと反応してZrB2またはTiB2のホウ化物を形成する反応確率が低く、凝集沈殿する、または遠心分離される粒子サイズに成長することが困難である。特許文献5には、MG−SiからSOG−Siにするための一連の精製方法が開示されているが、B、Pおよび金属不純物を、それぞれ個別の精製工程で除去するものであり、精製工程が多く、精製コストを低減することが困難であるという問題がある。
However, the above-described conventional purification methods have the following problems. Since the impurity removal methods disclosed in Patent Documents 1 to 3 are individual purification steps, there is a problem that another impurity removal step is required separately. The method for removing B described in Patent Document 4 does not use slag or the like, and thus has an effect of reducing the purification cost. In combination with the technology of Patent Document 1, it is a technology that can simultaneously remove metal impurities and B. However, since there is no disclosure about the removal of P, there is a problem that a separate purification step for removing P is necessary. Moreover, since the B concentration contained in MG-Si is as low as several tens of ppm to several ppm (hereinafter, ppm is based on weight), it reacts with added Zr or Ti to form a boride of ZrB 2 or TiB 2. The reaction probability is low, and it is difficult to grow to a particle size that agglomerates and precipitates or is centrifuged.
そこで、本発明の目的は、上述のMG−Si精製上の課題を解決して、SOG−Siを得る効率的なB除去方法を含むシリコン精製方法およびシリコン精製装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a silicon purification method and a silicon purification apparatus including an efficient B removal method for obtaining SOG-Si by solving the above-mentioned problems in MG-Si purification.
本発明は、溶解炉内に配置された坩堝内で、粗精製シリコンを溶融し、粗精製シリコンに含まれる不純物を除去するシリコン精製方法において、前記坩堝内で、ホウ化物からなる少なくとも1種類のホウ化物体が、前記ホウ化物を形成する金属元素と同一の金属元素単体を含む前記粗精製シリコンと接触してい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 melting crude silicon in a crucible disposed in a melting furnace and removing impurities contained in the crude silicon, wherein at least one kind of boride is formed in the crucible. In the silicon purification method, the boride body is in contact with the roughly purified silicon containing the same metal element as the metal element forming the boride.
また本発明は、前記坩堝内で溶融しているシリコン内に中空回転冷却体を浸漬し、中空回転冷却体を回転させながら回転冷却体の内部に冷却媒体を供給して、前記中空回転冷却体の表面にシリコンを凝固させることを特徴とする。 Further, the present invention provides a hollow rotating cooling body by immersing a hollow rotating cooling body in silicon melted in the crucible and supplying a cooling medium to the inside of the rotating cooling body while rotating the hollow rotating cooling body. It is characterized by solidifying silicon on the surface.
また本発明は、少なくとも粗精製シリコン溶融後に、溶解炉内を減圧雰囲気にすることを特徴とする。 In addition, the present invention is characterized in that the melting furnace has a reduced pressure atmosphere after at least roughly refined silicon is melted.
また本発明は、前記溶解炉内温度が1450℃〜1700℃であることを特徴とする。
また本発明は、前記粗精製シリコンが、前記粗精製シリコンに含まれる不純物であるホウ素(B)の重量の10倍〜1000倍の重量の前記金属元素単体を含むことを特徴とする。
Moreover, the present invention is characterized in that the temperature in the melting furnace is 1450 ° C to 1700 ° C.
Further, the present invention is characterized in that the roughly purified silicon contains the metal element simple substance having a weight of 10 to 1000 times the weight of boron (B) which is an impurity contained in the roughly purified silicon.
また本発明は、前記ホウ化物を形成する金属元素が、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)またはモリブデン(Mo)であることを特徴とする。 In the present invention, the metal element forming the boride is titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), tantalum (Ta), niobium (Nb), chromium (Cr) or It is characterized by being molybdenum (Mo).
また本発明は、前記シリコン精製方法によってシリコンを精製するシリコン精製装置において、シリコンを収容する坩堝、シリコンおよび坩堝を加熱する加熱手段および前記ホウ化物体を有することを特徴とするシリコン精製装置である。 Further, the present invention is the silicon purification apparatus for purifying silicon by the silicon purification method, comprising a crucible containing silicon, a heating means for heating the silicon and the crucible, and the boride object. .
また本発明は、前記坩堝内に前記ホウ化物体と前記シリコンとを分離するホウ化物体分離手段を有することを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the crucible has a borated object separating means for separating the borated object and the silicon.
本発明によれば、坩堝内で粗精製シリコンを溶融し、粗精製シリコンに含まれる不純物を除去するシリコン精製方法において、ホウ化物からなる少なくとも1種類のホウ化物体が、前記ホウ化物を形成する金属元素と同一の金属元素単体を含む粗精製シリコンと接触している。 According to the present invention, in a silicon refining method in which roughly purified silicon is melted in a crucible and impurities contained in the roughly purified silicon are removed, at least one type of boride body made of boride forms the boride. It is in contact with roughly purified silicon containing the same metal element as the metal element.
これによってBおよび金属元素単体は、ホウ化物体の表面に吸着され、吸着されたBおよび金属元素単体は反応してホウ化物を生成させ、ホウ化物体表面でホウ化物の結晶成長が起こり、粗精製シリコンに含まれるBは除去される。粗精製シリコンに含まれるBをホウ化物として除去する際、凝集沈殿または遠心分離によって除去するよりも、効率的に除去することができる。 Thereby, B and the metal element simple substance are adsorbed on the surface of the boride object, and the adsorbed B and metal element simple substance react to generate boride, and boride crystal growth occurs on the surface of the boride object. B contained in the purified silicon is removed. When removing B contained in the roughly purified silicon as a boride, it can be removed more efficiently than by removing by coagulation sedimentation or centrifugation.
また本発明によれば、前記坩堝内の溶融シリコン内に中空回転冷却体を浸漬し、前記中空回転冷却体の表面にシリコンを凝固させる。 Moreover, according to this invention, a hollow rotary cooling body is immersed in the molten silicon in the said crucible, and silicon is solidified on the surface of the said hollow rotary cooling body.
これによって金属不純物を除去することができ、B除去工程と並行して金属不純物除去工程を同一の精製装置で実施し、さらに効率的にシリコンを精製することができる。 As a result, metal impurities can be removed, and the metal impurity removal step can be carried out in the same purification apparatus in parallel with the B removal step, thereby further efficiently purifying silicon.
また本発明によれば、少なくとも粗精製シリコン溶融後に、溶解炉内を減圧雰囲気にする。 According to the present invention, the melting furnace is evacuated at least after the roughly purified silicon is melted.
これによって揮発性不純物を除去することができ、B除去工程、金属不純物除去工程および揮発性不純物除去工程を並行して同一の精製装置で実施し、さらに効率的にシリコンを精製することができる。 As a result, volatile impurities can be removed, and the B removal step, the metal impurity removal step, and the volatile impurity removal step can be performed in parallel with the same purification apparatus, and silicon can be purified more efficiently.
また本発明によれば、溶解炉内温度は1450℃〜1700℃である。
これによってシリコンを安定して溶融させることができ、またシリコンの蒸発量および消費電力を抑制して、さらに効率的にBを除去することができる。
Moreover, according to this invention, the temperature in a melting furnace is 1450 to 1700 degreeC.
As a result, silicon can be stably melted, and the amount of silicon evaporation and power consumption can be suppressed, and B can be more efficiently removed.
また本発明によれば、前記粗精製シリコンが、前記粗精製シリコンに含まれる不純物であるホウ素(B)の重量の10倍〜1000倍の重量の前記金属元素単体を含む。
これによってシリコン精製時間を短縮し、さらに効率的にBを除去することができる。
According to the invention, the roughly purified silicon contains the metal element simple substance having a weight of 10 to 1000 times the weight of boron (B), which is an impurity contained in the roughly purified silicon.
As a result, the silicon purification time can be shortened and B can be more efficiently removed.
また本発明によれば、前記ホウ化物を形成する金属元素は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)またはモリブデン(Mo)である。 Further, according to the present invention, the metal element forming the boride is titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), tantalum (Ta), niobium (Nb), chromium (Cr ) Or molybdenum (Mo).
これらの金属元素は、シリコンに含まれるBと反応して、溶融シリコン中で安定な高融点ホウ化物を生成することができる。 These metal elements can react with B contained in silicon to produce a stable high melting point boride in molten silicon.
また本発明によれば、シリコン精製装置は、シリコンを収容する坩堝、シリコンおよび坩堝を加熱する加熱手段および前記ホウ化物体を有する。
これによってシリコンに含まれる不純物を効率的に除去することができる。
According to the invention, the silicon purification apparatus includes a crucible containing silicon, heating means for heating the silicon and the crucible, and the borated body.
Thereby, impurities contained in silicon can be efficiently removed.
また本発明によれば、前記シリコン精製装置は、前記ホウ化物体と前記シリコンとを分離するホウ化物体分離手段を有する。 Further, according to the present invention, the silicon purification apparatus has a borated object separating means for separating the borated object and the silicon.
これによってホウ化物体を必要なときに溶融シリコン内に浸漬し、シリコン凝固時には、坩堝外に置くことができるので、ホウ化物体の破損等の危険性が減り繰り返し使用することが可能となり、精製コストを低減することができる。 This allows the borated body to be immersed in the molten silicon when necessary, and placed outside the crucible when the silicon solidifies, reducing the risk of breakage of the borated body, etc., and enabling repeated use. Cost can be reduced.
図1は、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断面図である。溶解炉1内に配置された黒鉛等からなる坩堝2内に、粗精製シリコンとして純度98.0%〜99.9%(以下、%は重量基準とする)のMG−Siと、純度99.0%〜99.9%のTiとを入れて、溶湯3とする。加熱機構5に電力を供給して、炉内温度がシリコンの融点以上の1414℃〜1700℃になるように加熱し、MG−SiおよびTiを溶解させる。ホウ化物体4はTiB2からなり、坩堝2の内面に沿うように配置される。溶解後、図示しない回転駆動部を有する攪拌機構6を溶湯3内に挿入して、溶湯3を攪拌する。溶湯3内では、Tiも溶解した状態でMG−Siと混合液相を形成している。溶解したTiとMG−Si中に含まれているBとは、溶湯3内または坩堝2内に配置されたホウ化物体4の表面で、TiBx(X=1−2)となり、Bが除去される。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a silicon purification apparatus for explaining the silicon purification method of the present invention. In a
本発明では、坩堝2内部すなわちBおよびTiの反応系内部に大きなTiB2からなるホウ化物体4が配置されているので、ホウ化物体4の表面にBまたはTiが単独で衝突しても、表面に吸着される確率が非常に高くなり、結果としてBおよびTiの反応確率が高まる。また、TiB2からなるホウ化物体4の固体(結晶体)が配置されているので、その表面にTiB2が成長することによってBが除去されていく。従来技術のように、液相である溶湯内で、個別原子同士が衝突して結合し、凝集沈殿または遠心分離によって分離できる粒子サイズに成長してから分離するよりも、本発明によれば、非常に早くBを除去することができる。
In the present invention, since the boride body 4 made of large TiB 2 is arranged inside the
特許文献4が開示するシリコン精製方法では、坩堝内にホウ化物体が配置されておらず、BおよびTiは溶湯内で反応するのみであるので、BおよびTiがTiBx(X=1−2)を生成させる反応の反応速度は非常に低い。 In the silicon purification method disclosed in Patent Document 4, since a boride is not disposed in the crucible and B and Ti only react in the molten metal, B and Ti are TiB x (X = 1−2). The reaction rate of the reaction that produces) is very low.
炉内雰囲気は、Ar等の不活性ガス雰囲気であっても、真空雰囲気であっても構わない。BおよびTiの反応系には影響を及ぼさないので、通常のシリコン精製で用いられる雰囲気で実施することができる。坩堝2は、これも直接、反応系に影響を及ぼさないので、通常使用される黒鉛または石英等からなる坩堝が使用できる。
The furnace atmosphere may be an inert gas atmosphere such as Ar or a vacuum atmosphere. Since it does not affect the reaction system of B and Ti, it can be carried out in an atmosphere used in normal silicon purification. Since the
また溶解温度は、シリコンが溶融する1414℃以上であり、上限は、BおよびTiがTiB2を生成させる反応としては高温が好ましいが、その他の要因によって制限される。その他の要因としては、坩堝等の構成部材の耐熱性、配置するホウ化物体の耐熱温度等もあるが、炉内雰囲気にも依存する。シリコンの蒸発量および消費電力を抑制するために、1414℃〜2000℃、より好ましくは、安定して溶融し、余分な電力消費を抑える1450℃〜1700℃が適当である。特に、炉内雰囲気が真空の場合、シリコンの蒸発を抑えて、精製の収率を上げるために1700℃以下の低温が好ましい。 The melting temperature is 1414 ° C. or higher at which silicon melts, and the upper limit is preferably high for the reaction in which B and Ti generate TiB 2 , but is limited by other factors. Other factors include the heat resistance of components such as crucibles and the heat resistance temperature of borides to be arranged, but also depend on the furnace atmosphere. In order to suppress the evaporation amount and power consumption of silicon, 1414 ° C. to 2000 ° C., more preferably 1450 ° C. to 1700 ° C., which melts stably and suppresses excessive power consumption is appropriate. In particular, when the furnace atmosphere is vacuum, a low temperature of 1700 ° C. or lower is preferable in order to suppress the evaporation of silicon and increase the purification yield.
シリコン等を溶解させる加熱手段は通常、シリコン溶融に用いられる抵抗加熱方式または高周波誘導加熱法等の加熱手段が使用可能である。また坩堝内のMG−Siおよび、Ti等の高融点ホウ化物を形成する金属元素単体の材料を溶解でき、溶湯3内でBおよびTiがTiB2を生成させる反応に影響を及ぼさない方法として、電子ビーム溶解法またはプラズマトーチ溶解法も使用可能である。
As a heating means for dissolving silicon or the like, a heating means such as a resistance heating method or a high frequency induction heating method used for melting silicon can be used. In addition, MG-Si in the crucible and a metal element simple substance forming a high melting point boride such as Ti can be dissolved, and B and Ti do not affect the reaction of generating TiB 2 in the
原料となるMG−Siの純度に関しては、本質的に本発明の効果に影響を与えるものではないので、通常使用されるものが使用できる。98%以下の純度の低いものを用いた場合には、Bのみでなく、金属およびPの除去等、全体のシリコン純度を上げるための精製工程に時間がかかり、結局精製コストが高くなり好ましくない。また3N以上の高純度MG−Siは、原料として仕入れる前の段階で、酸洗浄等の精製処理がなされるので、原材料代が高くなり、必要以上の純度の材料を用いても、最終の精製コストは低くならないので、純度98.0%〜99.9%程度の材料が適当である。 Regarding the purity of MG-Si used as a raw material, since it does not essentially affect the effects of the present invention, those usually used can be used. When a low purity of 98% or less is used, it takes time for the purification process for raising the entire silicon purity such as removal of not only B but also metals and P, which is undesirable because the purification cost is high. . In addition, high purity MG-Si of 3N or higher is subjected to a purification process such as acid washing at the stage before being supplied as a raw material, so that the raw material cost becomes high, and even if a material with a purity higher than necessary is used, the final purification is performed. Since the cost is not lowered, a material having a purity of about 98.0% to 99.9% is suitable.
装填されるMG−Si量は、使用する坩堝および溶解炉によって決定されるもので、特に限定されるものではないが、100kg〜1000kgが装填される。 The amount of MG-Si to be loaded is determined by the crucible and melting furnace to be used, and is not particularly limited, but 100 kg to 1000 kg is loaded.
また添加するTiの純度も、同様に反応系には影響しないが、Tiに含まれる不純物によってシリコンが逆に汚染されることがあるので、全体の精製プロセスに影響を与える。通常、Ti材料として用いられる純度99.0%〜99.9%程度の物が入手し易く、逆汚染の程度も少ないので適当である。また添加量に関しては、少なくとも精製するMG−Siに含まれるB量の2分の1の原子数が必要になる。通常、MG−Siには、Tiも不純物として、Bと同等以上含まれているので、原理的には、Ti添加が無くても精製できるが、精製時間短縮のために、含まれるBの10倍〜1000倍程度のTiを添加することが好ましい。添加するTi量が多くても、BおよびTiの反応に悪影響はないが、精製するシリコンのTi濃度も0.1ppm以下にする必要があり、Tiを除去するための精製工程に時間および手間がかかることになるので多過ぎても不適当である。 Similarly, the purity of Ti to be added does not affect the reaction system, but silicon may be contaminated by impurities contained in Ti, which affects the entire purification process. Usually, a material having a purity of about 99.0% to 99.9% used as a Ti material is easy to obtain and is suitable because the degree of back-contamination is small. In addition, regarding the addition amount, at least the number of atoms that is 1/2 of the amount of B contained in MG-Si to be purified is required. Normally, MG-Si contains Ti as an impurity at least as much as B, so in principle it can be purified without addition of Ti, but in order to shorten the purification time, 10% of B contained is included. It is preferable to add about 1 to 1000 times of Ti. Even if the amount of Ti to be added is large, there is no adverse effect on the reaction of B and Ti, but the Ti concentration of the silicon to be refined must also be 0.1 ppm or less, and the purification process for removing Ti takes time and effort. Because of this, too much is inappropriate.
また添加するTiは、粉末状あるいは、数mm〜数cmまたはそれ以上の塊状のものが用いられる。大きくなりすぎると表面酸化等の影響は低減されるが完全溶解に時間がかかるので利点は少ない。逆に数μm以下の微粉末の場合には、炉内空気を真空排気する時の舞い上がり、表面酸化、物質の取扱い等の課題もあり、同様に利点は少ない。以下の第2および第3の実施例で示す高融点ホウ化物を形成する他の金属元素単体の材料についても、その大きさおよび形状に関しては、特に制約を受けるものではなく、取扱いまたは溶解時間等の観点から、平均粒径が数十μ〜数mmのものを使用している。 Further, Ti to be added is used in the form of powder or a lump of several mm to several cm or more. If it becomes too large, the effects of surface oxidation and the like are reduced, but there are few advantages because it takes time for complete dissolution. Conversely, in the case of a fine powder of several μm or less, there are problems such as rising when the furnace air is evacuated, surface oxidation, material handling, etc., and there are few advantages as well. The other metal element materials forming the high melting point boride shown in the following second and third examples are not particularly limited in terms of size and shape, and handling or dissolution time, etc. In view of the above, those having an average particle diameter of several tens of μ to several mm are used.
また添加する金属元素単体は、Tiに限られたものではなく、添加する金属元素材料と配置するホウ化物体のホウ化物を形成する金属元素とが同一であればよい。たとえば、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)またはモリブデン(Mo)でも同様の効果が得られる。これらの元素は、シリコン溶融温度以上でシリコンと液相を形成し、液相内でBと高融点のホウ化物を形成する。また添加する金属元素単体は1種に限定されるものでなく、少なくとも1種以上で、全種類の添加量を合算した添加量が、上述した必要量になるように添加すれば良い。 Further, the elemental metal element to be added is not limited to Ti, and it is sufficient that the elemental metal material to be added and the metal element forming the boride of the boride object to be arranged are the same. For example, the same effect can be obtained with zirconium (Zr), vanadium (V), hafnium (Hf), tantalum (Ta), niobium (Nb), chromium (Cr) or molybdenum (Mo). These elements form a liquid phase with silicon above the silicon melting temperature, and form a high melting point boride with B in the liquid phase. The number of metal elements to be added is not limited to one, but may be at least one and added so that the total amount added is the required amount described above.
同様に配置するホウ化物体をなすホウ化物もTiB2に限定されるものではなく、前記元素のホウ化物が適用可能である。これらのホウ化物の融点は、TiB2:3063℃、ZrB2:3473℃、HfB2:3523℃、VB2:2673℃、NbB2:3273℃、TaB2:3310℃、CrB2:2473℃、MoB:2823℃と高温であり、シリコン溶融温度1414℃〜2000℃でも安定である。 Similarly, the boride forming the boride body to be arranged is not limited to TiB 2, and the boride of the element can be applied. Melting points of these borides are TiB 2 : 3063 ° C, ZrB 2 : 3473 ° C, HfB 2 : 3523 ° C, VB 2 : 2673 ° C, NbB 2 : 3273 ° C, TaB 2 : 3310 ° C, CrB 2 : 2473 ° C, MoB: It is a high temperature of 2823 ° C. and is stable even at a silicon melting temperature of 1414 ° C. to 2000 ° C.
添加する金属元素材料をZrにした場合には、ホウ化物体にはZrB2体を用い、ZrおよびHfの2種類を添加した場合には、ホウ化物体もZrB2体およびHfB2体の2種類用いる。2種類のホウ化物体は、一体の混合物であっても別体のものであってもかまわない。ただし、一体の混合物の場合は、ある程度の表面積(数cm2以上)を持つ塊を一体化したものである。また例示したホウ化物体の組成比は代表的なホウ化物の化学量論的組成比で示しているが、実際の組成は化学量論的組成比からずれている場合もある。またB:金属元素の比が2:1の組成比のホウ化物に限定されず、1:1等他の組成比でも、溶湯3内で安定なホウ化物であれば適用可能である。
When the metal element material to be added is Zr, ZrB 2 body is used as the borated body, and when two types of Zr and Hf are added, the borated body is also ZrB 2 body and HfB 2 body 2 Use type. The two types of borides may be an integral mixture or separate. However, in the case of an integral mixture, a lump having a certain surface area (several cm 2 or more) is integrated. Further, the composition ratio of the exemplified boride body is shown by the stoichiometric composition ratio of a typical boride, but the actual composition may deviate from the stoichiometric composition ratio. The ratio of B: metal element is not limited to boride having a composition ratio of 2: 1, but other composition ratios such as 1: 1 can be applied as long as the boride is stable in the
またMG−Si投入前に予め、ホウ化物体4を坩堝2内に配置しても、MG−Si等が溶融した後に、ホウ化物体移動機構7によって坩堝2内に挿入しても構わない。複数のホウ化物体を装備して、一部は予め坩堝内に配置し、一部はシリコン溶融後に挿入しても構わない。但し、溶融後にホウ化物体を坩堝内に挿入する場合には、急激に溶湯3の熱を奪うので部分的な凝固等を生じてしまう。また熱衝撃によるホウ化物体4のクラックまたは破損原因になるので、挿入するホウ化物体4の熱容量および熱衝撃性を考慮して挿入速度を決める必要がある。場合によって、ホウ化物体を予め加熱する機構を設けることも可能である。このようなホウ化物体の破損に関しては、図3に示したように、攪拌機構とホウ化物体を一体化して行なう場合にも留意する必要がある。また添加Tiも予め坩堝内に装填しても、シリコン溶融後にTi供給機構(不図示)によって添加しても構わない。さらに、精製途中で追加供給しても構わない。Tiの添加量は、含まれるBの重量の10倍〜1000倍程度になるように必要量添加すれば良い。
Further, the borated object 4 may be placed in the
さらに、配置するTiB2体等のホウ化物体の形状も図1に示したものに限定されるものではない。たとえば、図2に示すようなものが例示できる。図2(a)は、図1に用いた円筒型のものであるが、図2(b)および図2(c)に示した円柱状のものおよび板形状のものを1本または1枚でも、あるいは複数用いても良い。その表面でホウ化物形成が起こり、シリコン凝固時に分離できるものであれば良い。図示しないが、平均粒径が数μm〜数mmの粒子状または小片状のホウ化物体でも、表面でホウ化物形成が起こりBの除去速度が高くなり、効果がある。これらの粒子状または小片状のホウ化物体は、攪拌時には、溶湯3内を回っていても、攪拌を止めたときに沈殿する、または後述する回転冷却凝固時の遠心分離効果で坩堝2の内壁付近に集まるので、凝固シリコンと分離可能である。さらに、図3に示すようなホウ化物体も適用可能である。図3(a)および図3(b)は、回転軸6aと、ホウ化物体からなる攪拌部6bとをもつ攪拌機構6を示す。図3(a)に示す攪拌機構6は、回転軸6aの周りに同心円状にホウ化物体6bが設けられており、図3(b)に示す攪拌機構6は、回転軸6aの軸方向と垂直方向に延びる方向に板形状のホウ化物体6bが複数枚設けられている。ホウ化物体は、焼結によって型成型される、または放電加工で形作ることも可能である。
Furthermore, the shape of the borated object such as two TiB bodies to be arranged is not limited to that shown in FIG. For example, the one shown in FIG. 2 can be exemplified. FIG. 2 (a) is the cylindrical type used in FIG. 1, but the columnar and plate-shaped ones shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c) or one plate can be used. Alternatively, a plurality of them may be used. Any material may be used as long as boride formation occurs on the surface and can be separated at the time of silicon solidification. Although not shown, even a boride body in the form of particles or small pieces having an average particle diameter of several μm to several mm is effective because boride formation occurs on the surface and the removal rate of B is increased. Even when the particles or small pieces of borides are circulating in the
攪拌はTiおよびBの溶湯3内での移動を促進させて、TiB2体への接触等を高め、TiB2形成速度を高める効果があるが、攪拌機構6が無くても溶湯3内では対流が起こっているので、TiB2体表面へのTiおよびBの供給は可能である。
Stirring has the effect of accelerating the movement of Ti and B in the
図5に示すように、回転冷却機構9に攪拌機構を兼ねさせてもよい。回転冷却機構9を溶湯3内に挿入して、数rpm〜数百rpmで回転させ、溶湯3を攪拌してもよい。回転冷却機構9は、中空回転軸9a、中空回転軸9aの下端に固定された中空回転冷却体9bおよび図示しない中空回転軸9aの内部空間と中空回転冷却体9bの内部空間とで連通している回転冷却装置と、中空回転冷却体内に冷却流体を供給する冷却流体供給手段とを備えている。
As shown in FIG. 5, the
冷却流体供給手段から窒素ガス(N2ガス)等の冷却媒体を中空回転軸9aの内部空間と中空回転冷却体9bの内部空間とで連通している回転冷却装置を通して中空回転冷却体9bに供給して、溶湯3に浸漬している中空回転冷却体9bを冷却する。このようにして冷却することによって中空回転冷却体9bの外周部にシリコン3aを凝固させる。
A cooling medium such as nitrogen gas (N 2 gas) is supplied from the cooling fluid supply means to the hollow
冷却媒体は、N2以外にもヘリウム(He)またはアルゴン(Ar)等の不活性ガスあるいは乾燥空気でもよい。また気体でなく、水またはアルコール等の液体あるいは気体との混合物でもよい。但し、水等の液体の場合は、急激な冷却による回転冷却装置または中空回転冷却体9bの破損、気化による圧力上昇等の危険があるので、取扱いが容易で、安価なN2等の気体が好ましい。また冷却媒体の供給量は、中空回転冷却体9b表面での熱交換によってシリコンを凝固させるために必要な流量およびシリコンの凝固速度から決定されるべきパラメータである。中空回転冷却体9bの外径が150mm〜200mmで、凝固速度が100g/分〜5kg/分の場合、100L/分〜10000L/分のN2流量が一例として挙げられる。回転冷却機構9の回転数は、凝固部周辺の溶湯3の攪拌効果に影響を及ぼし、冷却媒体流量による凝固速度と共に凝固するシリコンに含まれるFe等の金属不純物量に影響する。つまり、回転冷却機構9によるシリコン凝固は一方向凝固であり、固液界面での凝固偏析によって金属等の不純物を除去できる。凝固偏析効果は、凝固速度と、固液界面の液相内の不純物濃度に依存するので、回転速度を上げて、不純物濃度の高い固液界面の液相を周辺の低濃度液相と置き換える、または混ぜ合わせて低濃度にすることで、凝固速度を高めても凝固させたシリコンに含まれる金属等の不純物濃度を下げることができる。上述の凝固速度例では、30rpm〜600rpmの回転速度を例示できる。遅すぎると金属不純物濃度が高くなる。逆に600rpm以上の高速にしても、不純物濃度への効果は少なく、回転機構への負荷が大きくなり装置コストの上昇または装置故障の原因となり好ましくない。TiおよびBの反応を促進させるために攪拌した後、攪拌機構として用いた回転冷却機構9を、一旦溶湯3から引き上げ、溶湯3の攪拌流れをおさえてから、再度浸漬させて回転凝固させてもかまわない。このようにして1kg〜30kgのシリコンを中空回転冷却体9bの周りに凝固させた後、中空回転冷却体9bを溶湯3から引き上げる。図示しない溶解炉1内の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中空回転冷却体9bの周りから取り除き、再度、回転冷却凝固を行なう。
The cooling medium may be an inert gas such as helium (He) or argon (Ar) or dry air in addition to N 2 . Further, instead of gas, a liquid such as water or alcohol or a mixture with gas may be used. However, in the case of liquids such as water, the rotary cooling device or breakage of the hollow
また溶解炉1内の真空度を10−2Torr〜10−5Torr以下として、溶解炉1内を真空仕様にしてもよい。真空排気機構8に高真空の真空ポンプを付与する程度の改造で、同一溶解炉で、ほぼ単一の精製プロセスで、B、Pおよび金属不純物を除去することができる。
Alternatively, the degree of vacuum in the melting furnace 1 may be 10 −2 Torr to 10 −5 Torr or less, and the melting furnace 1 may be vacuumed. By modifying the
順次シリコンを凝固していくと、坩堝内のシリコンが減っていくことになるので、図示しない材料MG−Si供給手段を用いて、新たなMG−Siを追装する。追装の仕方は、0.1kg〜10kg単位を連続または間欠的に供給して凝固量を順次補う方法でも、100kg単位のシリコンを精製した後、100kg単位のMG−Siを坩堝2内に供給する方法でも構わない。また黒鉛製の雨どいのようなものを用いて、数mm以下に粉砕したシリコンを、坩堝壁近くのSi溶湯上部から流し込むようにして追装しても、溶融Si供給用の小型坩堝を設けて、その坩堝2を傾斜させて溶融Siを追装しても構わない。炉の熱容量、加熱機構の能力および追装するMG−Si量に依存して、追装したMG−Siが溶融するための時間を必要に応じて設ける。このようにして、凝固と追装とを繰り返して行なっていくと、溶湯3内のFe等の金属不純物濃度が高くなっていく。そして、全体精製プロセスで決定される限界濃度以上になれば、TiB2からなるホウ化物体4に接続されたホウ化物体移動機構7によって、ホウ化物体4を溶湯3から引き上げる。その後、坩堝2を冷却し溶湯3を凝固させる、または坩堝2を傾斜させる等の方法によって残存する溶湯3を排出する。
As silicon is solidified sequentially, the silicon in the crucible is reduced, so that new MG-Si is additionally mounted using a material MG-Si supply means (not shown). The method of replenishment is also a method in which 0.1 kg to 10 kg units are supplied continuously or intermittently to supplement the amount of solidification in order, and after purifying 100 kg units of silicon, 100 kg units of MG-Si are supplied into the
Tiは、MG−Siの追装時に毎回追装しても良いが、初期の溶解で多量に添加しているので必要に応じて適宜追装すればよい。 Ti may be added every time MG-Si is added, but since it is added in a large amount in the initial dissolution, it may be added as needed.
精製シリコン中の金属不純物の許容濃度は、金属の種類により異なり、たとえばFe濃度は0.1ppm以下にする必要があるといわれている。上述の凝固偏析により0.1ppm以下になっていなくても、その後太陽電池インゴット製作時での凝固偏析またはもう1回の回転冷却凝固偏析等によってSOG−Si仕様を満足する不純物濃度にまで平均Fe濃度を低減させることも可能である。 It is said that the allowable concentration of metal impurities in purified silicon differs depending on the type of metal, and for example, the Fe concentration needs to be 0.1 ppm or less. Even if the solidification segregation does not become 0.1 ppm or less due to the above-mentioned solidification segregation, the average Fe concentration reaches an impurity concentration that satisfies the SOG-Si specification by solidification segregation at the time of manufacturing the solar cell ingot or another rotation cooling solidification segregation. It is also possible to reduce the concentration.
またシリコンの凝固方法として上述の回転凝固法でなくても、ホウ化物体4を溶湯3から引き上げた後、図示しない坩堝2移動機構により坩堝2を下方に徐々に移動させ、溶湯3を坩堝2の下方より凝固させてもよい。坩堝2の移動速度は、FeやTi等の金属不純物除去に影響するため、その後の精製プロセスに依存して設定されるプロセス条件となる。通常0.01mm/分〜数mm/分で移動される。
Further, even if the silicon solidification method is not the above-described rotary solidification method, after the borated object 4 is pulled up from the
ホウ化物体移動機構7は、B除去工程として必要であるのではなく、ホウ化物体4を複数回使用するために、ホウ化物体移動機構7によってホウ化物体を溶湯3の凝固前に引き上げることが好ましい。坩堝2内にホウ化物体4を残したまま凝固させ、凝固したシリコン塊を砕いてホウ化物体4を取り出すことも可能であるが、破損する危険性も高いので、ホウ化物体移動機構7によって凝固前に予め取り除いている方が、精製コストの低減および凝固シリコンの取り出し手間の簡略化という利点がある。
The borated
さらに、添加した金属元素単体はシリコン凝固時の凝固偏析効果によって、または別途設ける金属除去工程で除去できるので、最終精製シリコンの性能および純度に悪影響を及ぼすことはなく、精製プロセスを複雑または煩雑にするといった不都合もほとんどない。また、スラグ等のB吸収体または酸化性ガスを用いないため、複雑なスラグとシリコンとの分離工程は必要なく、酸化性ガスによる酸化シリコン生成もないので、シリコン収率の悪化等の課題もなくなる。またホウ化物体は再利用可能であり、添加する金属元素単体は微量であるため、副部材費を低減することができる。さらに、B以外の他の不純物除去工程との複合化が容易な精製方法を提供できる。中空回転冷却体を設けることによって、B除去工程と金属除去工程とを同一の精製装置で、ほぼ同時に実施することができるので、精製時間の短縮および精製装置台数の低減によって精製コストの低減が期待できる。また、溶解炉内を減圧雰囲気にすることによって、溶融シリコンに含まれるP等の揮発性不純物を個別の精製工程および精製装置を設けることなく除去することができるので、精製コストを低減することができる。 Furthermore, the added metal element alone can be removed by the solidification segregation effect at the time of silicon solidification or by a separate metal removal step, so that the performance and purity of the final purified silicon are not adversely affected and the purification process is complicated or complicated. There is almost no inconvenience. In addition, since a B absorber such as slag or an oxidizing gas is not used, a complicated separation process between slag and silicon is not required, and silicon oxide is not generated by the oxidizing gas. Disappear. Moreover, since the boride body can be reused and the amount of the metal element to be added is very small, it is possible to reduce the cost of the secondary member. Furthermore, it is possible to provide a purification method that can be easily combined with other impurity removal steps other than B. By providing a hollow rotating cooling body, the B removal step and the metal removal step can be carried out almost simultaneously with the same purification device, so reduction in purification time and reduction in the number of purification devices are expected. it can. Further, by setting the inside of the melting furnace to a reduced pressure atmosphere, volatile impurities such as P contained in the molten silicon can be removed without providing a separate purification step and a purification device, so that the purification cost can be reduced. it can.
図4は、第1の実施例に用いた溶解炉の概略断面図である。図1と同じ構成物には同じ番号を付与している。同図を基に、MG−Siの精製方法を説明する。TiB2からなるホウ化物体4を予め、黒鉛材料で外部補強された石英坩堝2内に配置した。次に、純度99.0%のMG−Siを200kgと純度99.9%のTi粉末(平均粒径:120μm)を200g(0.1%)とを入れて、溶解炉1内をAr雰囲気に置換した。純度99.0%のMG−Siには、約15ppmのBおよび1200ppmのTiが含まれていたので、炉内の実際のBおよびTiの重量比は、15:1200、原子数比は、約1:18になった。真空排気機構8によって炉内雰囲気を0.1Torrまで排気後、排気系を閉じ、図示しないガス導入口からArガスを導入した。以降、Arガスは坩堝2を冷却するまで常時流し続けて炉内を非酸化性雰囲気に保っており、陽圧となるArガスは図示しないガス排出口から排出された。次に、抵抗加熱加熱機構5に電力を供給して、坩堝2内でMG−Siおよび添加したTiを1500℃で溶解させた。溶解以後、攪拌機構6を溶湯3内に挿入して30rpmで回転させ、溶湯3を攪拌した。2時間の攪拌後、攪拌機構6を溶湯3から引き上げ、TiB2からなるホウ化物体4と接続されたホウ化物体移動機構7によって、ホウ化物体4を溶湯3から引き上げた。その後、図示しない坩堝2移動機構によって坩堝2を0.1mm/分で下方に徐々に移動させ、溶湯3を坩堝2の下方より凝固させた。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the melting furnace used in the first embodiment. The same components as those in FIG. 1 are given the same numbers. Based on this figure, the purification method of MG-Si will be described. A boride body 4 made of TiB 2 was previously placed in a
凝固したシリコンは、坩堝から取り出した後、上部の金属不純物の多い部分を切り取り、次のP除去工程、または金属不純物除去工程に移された。精製したシリコンのB濃度は約0.2ppmにまで低減しており、SOG−Siの仕様を満足するものであった。 After the solidified silicon was taken out from the crucible, the upper portion with a large amount of metal impurities was cut out and transferred to the next P removal step or metal impurity removal step. The B concentration of the purified silicon was reduced to about 0.2 ppm, which satisfied the SOG-Si specification.
次に、本発明に関わる第2の実施例を説明する。図5は、第2の実施例に用いた溶解炉の概略断面図である。ZrB2からなるホウ化物体4を予め、黒鉛坩堝2内に配置した。次に、純度98.5%のMG−Siを250kgと純度98.0%のZr粉末(平均粒径:50μm)を250g(0.1%)とを入れて、溶解炉1内をAr雰囲気に置換した。純度98.5%のMG−Siには、約2000ppmのFeおよび約30ppmのBが含まれていた。真空排気機構8によって炉内雰囲気を0.1Torrまで排気後、排気系を閉じ、図示しないガス導入口からArガスを導入した。以降、Arガスは坩堝2を冷却するまで常時流し続けた。陽圧となるArガスは図示しないガス排出口から排出された。次に、高周波誘導加熱機構5に電力を供給して、坩堝2内でMG−Siおよび添加したZrを1600℃で溶解させた。溶解以後、攪拌機構を兼ねる回転冷却機構9を溶湯3内に挿入して、40rpmで回転させ、溶湯3を攪拌した。2時間の攪拌後、冷却流体供給手段によって窒素ガス(N2ガス)の冷却媒体を1000L/分のN2流量で供給して、外径が200mmの中空回転冷却体9bの外周部にシリコン3aを10kg凝固させた。
Next, a second embodiment according to the present invention will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the melting furnace used in the second embodiment. A boride body 4 made of ZrB 2 was previously placed in the
図示しない材料MG−Si供給手段を用いて、新たなMG−Siを追装した。黒鉛製の雨どいのようなものを用いて、10mm以下に粉砕したシリコンを、坩堝壁近くのSi溶湯上部から流し込むようにして追装した。全体精製プロセスで決定される限界濃度以上になれば、ZrB2からなるホウ化物体4と接続されたホウ化物体移動機構7によって、ホウ化物体4を溶湯3から引き上げた。その後、坩堝2を傾斜させる方法によって残存する溶湯3を排出した。1サイクルとして、1000kgのシリコンを精製してその平均の不純物濃度を分析するとB濃度は、0.3ppmであり、Feは0.6ppmであった。太陽電池として使用するためには、Fe濃度を0.1ppm以下にする必要があるので、その後の、太陽電池インゴット製作時での凝固偏析でFe濃度を0.1ppm以下にした。このように本発明の第2の実施例によれば、同一炉で、ほぼ単一の精製工程で、Bおよび金属不純物を同時に除去でき、不純物濃度はSOG−Siの仕様を満足するものであった。
A new MG-Si was added using a material MG-Si supply means (not shown). Using a graphite gutter, silicon crushed to 10 mm or less was added so as to flow from the upper part of the Si melt near the crucible wall. When the concentration reached the limit concentration determined in the overall purification process, the borated object 4 was pulled up from the
次に、本発明に関わる第3の実施例を第2の実施例で用いた図5を基に説明する。VB2からなるホウ化物体4を予め、黒鉛坩堝2内に配置した。次に、純度99.5%のMG−Siを250kgと純度98.0%のV粉末(平均粒径:100μm)を250g(0.1%)とを入れて、溶解炉1内を真空排気機構8によって真空排気した。純度99.5%のMG−Siには、約1000ppmのFe、約20ppmのBおよび約30ppmのPが含まれていた。雰囲気を0.1Torr以下にした後、抵抗加熱加熱機構5への電力供給を開始した。そして、溶解炉1内の真空度を10−4Torr以下として、坩堝2内でMG−Siおよび添加したZrを1600℃で溶解させた。溶解以後、攪拌機構を兼ねる回転冷却機構9を溶湯3内に挿入して、60rpmで回転させ、溶湯3を攪拌した。約2時間の攪拌後、第2の実施例で示したように、回転冷却機構によってシリコンを凝固させた。溶湯3内およびホウ化物体4の表面で、BおよびVの反応によってMG−Siに含まれるBが除去されたとともに、減圧雰囲気であるので揮発性のPも同時に除去された。攪拌していたので、Pの除去速度が上がるという利点もあった。1000kgのシリコンを精製した平均の不純物濃度は、Bが0.2ppm、Pが0.1ppm、Feが0.3ppmとなり、BおよびPについてはSOG−Siの仕様を満足するものであった。
Next, a third embodiment relating to the present invention will be described with reference to FIG. 5 used in the second embodiment. A boride body 4 made of VB 2 was previously placed in the
このように本発明の第3の実施例によれば、溶解炉を真空仕様にして、真空排気機構に高真空の真空ポンプを付与する程度の改造で、同一溶解炉で、ほぼ単一の精製プロセスで、B、Pおよび金属不純物を除去できた。 As described above, according to the third embodiment of the present invention, the melting furnace is made into a vacuum specification, and the vacuum evacuation mechanism is provided with a high vacuum vacuum pump. The process was able to remove B, P and metal impurities.
比較例として、特許文献4に開示された従来方法で、粗精製シリコンの精製を行った。純度99.7%のMG−Siを2kg(B濃度10ppm)に純度99.9%の粉末Tiを1%添加したものを黒鉛坩堝に装填し、Ar雰囲気中で、1500℃に加熱し、MG−SiおよびTiを溶解させた。溶解後、攪拌機構を用いて溶湯の攪拌を2時間行い、BおよびTiを反応させてTiB2を生成させた。攪拌後、回転冷却体を用いて、300gのシリコンを凝固させた。その後、坩堝の温度を下げ、試料を回収し、坩堝内で凝固したシリコンと冷却回転体で凝固させた精製シリコンに含まれるB濃度を分析した結果、それぞれ14ppmおよび11ppmとなった。 As a comparative example, the crude silicon was purified by the conventional method disclosed in Patent Document 4. A graphite crucible containing 2 kg of MG-Si with a purity of 99.7% (B concentration: 10 ppm) and 1% of powder Ti with a purity of 99.9% was charged in a graphite crucible and heated to 1500 ° C. in an Ar atmosphere. -Si and Ti were dissolved. After dissolution, the stirring of the molten metal performed 2 hours with a stirring mechanism, and the B and Ti were reacted to generate TiB 2. After stirring, 300 g of silicon was solidified using a rotating cooling body. Thereafter, the temperature of the crucible was lowered, the sample was collected, and the B concentration contained in silicon solidified in the crucible and purified silicon solidified in the cooling rotator was analyzed to be 14 ppm and 11 ppm, respectively.
Bの平衡偏析係数は、0.8であり、今回の実験結果のB濃度の変化が単純に偏析によるものであると考えると、11/14=0.79となる。回転冷却体による凝固速度が高いことを考慮すると、単純な一方向凝固による偏析以上の効果が得られていると考えられるが、SOG−Siでは残留B濃度は、0.3ppm以下が必要と考えられている。そのため、数ppm〜数十ppmのBを含むMG−Siから0.3ppm以下のB濃度まで精製を行う場合、精製時間が長くなりすぎて、生産には適用できない。 The equilibrium segregation coefficient of B is 0.8, and it is 11/14 = 0.79 when it is considered that the change in the B concentration in the experimental result is simply due to segregation. Considering that the solidification rate by the rotating cooling body is high, it is considered that the effect more than the segregation by simple unidirectional solidification is obtained, but in the case of SOG-Si, the residual B concentration is considered to be 0.3 ppm or less. It has been. Therefore, when refining from MG-Si containing B of several ppm to several tens of ppm to a B concentration of 0.3 ppm or less, the purification time becomes too long and cannot be applied to production.
1 溶解炉
2 坩堝
3 溶湯
4 ホウ化物体
5 加熱機構
6 攪拌機構
7 ホウ化物体移動機構
8 真空排気機構
9 回転冷却機構
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