JP2012091964A - Method for producing polycrystalline silicon - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing polycrystalline silicon with which cooling of ingot can be finished in a short period of time, and cracks does not occur during cutting operation.SOLUTION: In the production method of polycrystalline silicon of continuously taking out polycrystalline silicon ingot 20 from a bottomless crucible 12 by letting down silicon melt 21 formed in the bottomless crucible 12 and solidifying the melt, when the polycrystalline silicon ingot 20 heat-retained at a predetermined heat-retaining temperature of 1,000°C or above by using a heat-retaining heater 16 is cooled down to a predetermined open temperature of 300°C or below, the temperature of the heat-retaining heater is controlled using a first cooling pattern gradually increasing in inclination at least until 620°C.

Description

本発明は、多結晶シリコンの製造方法に関し、特に、電磁鋳造法によって鋳造される太陽電池用多結晶シリコンの冷却方法に関する。   The present invention relates to a method for producing polycrystalline silicon, and more particularly to a method for cooling polycrystalline silicon for solar cells cast by an electromagnetic casting method.

太陽電池用多結晶シリコンの製造方法の一つとして電磁鋳造法が知られている。この方法は連続鋳造法とも呼ばれ、無底ルツボ内に投入されたシリコン原料を電磁誘導加熱によって溶融すると共に、溶融シリコンを無底ルツボの下方から引き出して冷却し、結晶を成長させることにより、一方向性凝固のシリコンインゴットを得るものである。   An electromagnetic casting method is known as one method for producing polycrystalline silicon for solar cells. This method is also called a continuous casting method, in which the silicon raw material charged into the bottomless crucible is melted by electromagnetic induction heating, and the molten silicon is drawn out from below the bottomless crucible and cooled to grow crystals. A silicon ingot of unidirectional solidification is obtained.

電磁鋳造法による多結晶シリコンの製造では、シリコンの融点である約1420℃から一方向に冷却する際の温度管理が非常に重要である。特許文献1には、電磁鋳造法による多結晶シリコンの製造方法において、900〜500℃まで冷却されたところでインゴットのプラズマ電極をインゴットに接触させて冷却速度を制御する方法が記載されている。また、特許文献2には、一方向凝固法で育成した多結晶シリコンを1420℃から1200℃まで冷却する際に15〜25℃/cmで通過させる冷却方法が記載されている。   In the production of polycrystalline silicon by the electromagnetic casting method, temperature control when cooling in one direction from about 1420 ° C., which is the melting point of silicon, is very important. Patent Document 1 describes a method of controlling the cooling rate by bringing a plasma electrode of an ingot into contact with an ingot when it is cooled to 900 to 500 ° C. in a method for producing polycrystalline silicon by an electromagnetic casting method. Patent Document 2 describes a cooling method in which polycrystalline silicon grown by unidirectional solidification is allowed to pass at 15 to 25 ° C./cm when it is cooled from 1420 ° C. to 1200 ° C.

また、電磁鋳造法では鋳造されたシリコンインゴットの保温や冷却も重要である。一方向凝固したシリコンインゴットが急冷された場合には、インゴット内部の温度勾配が大きくなりすぎて残留応力が多いインゴットとなり、冷却中にクラックが発生し、或いはインゴットの切断加工中にクラックが発生するという問題がある。そのため、鋳造されたシリコンインゴットは一定の温度(例えば1100℃)に保温され、インゴットの取り出し時には、保温温度を徐々に低くして熱応力の発生を防止しながら炉開放温度(例えば300℃)まで冷却することが行われている。   In addition, in the electromagnetic casting method, it is also important to heat and cool the cast silicon ingot. When a unidirectionally solidified silicon ingot is rapidly cooled, the temperature gradient inside the ingot becomes too large, resulting in an ingot with a lot of residual stress, and cracks are generated during cooling, or cracks are generated during cutting of the ingot. There is a problem. Therefore, the cast silicon ingot is kept at a constant temperature (for example, 1100 ° C.), and when the ingot is taken out, it is gradually lowered to the furnace opening temperature (for example, 300 ° C.) while preventing the generation of thermal stress. Cooling is done.

特開2001−019593号公報JP 2001-019593 A 特許第3005633号公報Japanese Patent No. 3005633

しかしながら、クラックが発生しないように長時間かけて除冷した場合には、冷却時間が長くなりすぎて生産性が悪化するという問題がある。実際、約52時間かけてインゴットの冷却が行われていた。一方、インゴットの保温温度から炉開放温度まで直線的な冷却パターンで冷却を行う場合において、冷却時間短縮のために冷却時間を短くすると、急冷のためインゴット内部の温度勾配が大きくなりすぎて残留応力が多いインゴットとなり、インゴットの切断中にクラックが発生するという問題がある。   However, when cooling is performed for a long time so as not to cause cracks, there is a problem that the cooling time becomes too long and the productivity is deteriorated. In fact, the ingot was cooled over about 52 hours. On the other hand, when cooling with a linear cooling pattern from the ingot heat retention temperature to the furnace opening temperature, if the cooling time is shortened to shorten the cooling time, the temperature gradient inside the ingot becomes too large due to rapid cooling, resulting in residual stress. There is a problem that the ingot becomes a lot and cracks are generated during the cutting of the ingot.

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、短期間でインゴットの冷却を完了させることができ、切断加工中にクラックが発生することがない多結晶シリコンの製造方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to complete cooling of an ingot in a short period of time and to prevent polycrystalline silicon from generating cracks during cutting processing. It is to provide a manufacturing method.

上記課題を解決するため、本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果、クラックの発生原因となるインゴット内部の残留応力は、インゴットの鋳造及び冷却中に発生する熱応力に関係があり、インゴットの冷却工程中に高い熱応力を発生させた場合には、高い残留応力が残留することが分かった。そして、従来の直線的な冷却パターンでは、冷却開始時の降温が急激であるため、冷却初期に大きな熱応力が発生することが分かった。   In order to solve the above problems, the inventors of the present application have made extensive studies, and as a result, the residual stress inside the ingot that causes cracking is related to the thermal stress generated during casting and cooling of the ingot. It was found that when a high thermal stress was generated during the cooling process, a high residual stress remained. And in the conventional linear cooling pattern, since the temperature fall at the time of a cooling start was rapid, it turned out that a big thermal stress generate | occur | produces in the early stage of cooling.

そして、低応力化のためには最初は小さな降温速度で冷却し始め、徐々に降温速度を大きくすればよく、特に、指数関数を用いて降温パターンを実現すればよいことを見出した。さらに、指数関数のみを用いた場合には冷却初期の降下温度が遅いことから、この場合には指数関数と一次関数を組み合わせた降温パターンを実現すればよいことを見出した。   In order to reduce the stress, it has been found that it is only necessary to start cooling at a low temperature decrease rate and gradually increase the temperature decrease rate, and in particular, to realize a temperature decrease pattern using an exponential function. Furthermore, since the temperature drop at the initial stage of cooling is slow when only the exponential function is used, it has been found that in this case, a temperature drop pattern combining an exponential function and a linear function may be realized.

本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による多結晶シリコンの製造方法は、無底ルツボ内に形成されたシリコン融液を降下させて凝固させることにより、前記無底ルツボから多結晶シリコンインゴットを連続的に取り出す方法であって、保温ヒータを用いて1000℃以上の所定の保温温度に保温されている前記多結晶シリコンインゴットを300℃以下の所定の開放温度まで降下させて冷却する際、少なくとも620℃までは降温速度が漸増する第1の冷却パターンを用いて前記保温ヒータの温度を制御することを特徴としている。   The present invention is based on such technical knowledge, and the method for producing polycrystalline silicon according to the present invention drops the silicon melt formed in the bottomless crucible and solidifies it, thereby the bottomless crucible. In this method, the polycrystalline silicon ingot is continuously taken out from the substrate, and the polycrystalline silicon ingot kept at a predetermined temperature of 1000 ° C. or higher is lowered to a predetermined open temperature of 300 ° C. or lower using a heat insulating heater. When cooling, the temperature of the heat retaining heater is controlled using the first cooling pattern in which the temperature decreasing rate gradually increases to at least 620 ° C.

本発明によれば、降温速度が漸増する指数関数の冷却パターンを用いて多結晶シリコンインゴットを冷却するので、短期間でインゴットの冷却を完了させることができ、切断中にクラックが発生することがない多結晶シリコンを製造することができる。   According to the present invention, since the polycrystalline silicon ingot is cooled using an exponential cooling pattern in which the cooling rate gradually increases, the cooling of the ingot can be completed in a short period of time, and cracks may occur during cutting. No polycrystalline silicon can be produced.

本発明においては、前記多結晶シリコンインゴットを冷却する際、少なくとも620℃までは前記第1の冷却パターンと降温速度が一定である第2の冷却パターンとの合成からなる第3の冷却パターンを用いて前記保温ヒータの温度を制御することが好ましい。   In the present invention, when the polycrystalline silicon ingot is cooled, a third cooling pattern consisting of a combination of the first cooling pattern and a second cooling pattern having a constant cooling rate is used up to at least 620 ° C. It is preferable to control the temperature of the heat retaining heater.

本発明によれば、指数関数の冷却パターンと一次関数の冷却パターンとを組み合わせているので、初期冷却段階、特に冷却開始から10時間までの期間において、大きな熱応力を発生させることなく冷却速度を高速化することができ、インゴットを効率よく冷却することができる。   According to the present invention, since the exponential cooling pattern and the linear cooling pattern are combined, the cooling rate can be increased without generating a large thermal stress in the initial cooling stage, particularly in the period from the start of cooling to 10 hours. The speed can be increased, and the ingot can be efficiently cooled.

本発明においては、前記多結晶シリコンインゴットを冷却する際、冷却開始から所定の時刻までの初期冷却期間においては、降温速度が一定である第4の冷却パターンを用いて前記保温ヒータの温度を制御し、初期冷却期間の経過後においては、少なくとも620℃までは前記第3の冷却パターンを用いて前記保温ヒータの温度を制御することが好ましい。この場合において、前記初期冷却期間は、冷却開始から2.5時間までの期間であることが好ましい。   In the present invention, when the polycrystalline silicon ingot is cooled, the temperature of the heat retaining heater is controlled using the fourth cooling pattern in which the temperature decreasing rate is constant during the initial cooling period from the start of cooling to a predetermined time. After the initial cooling period, it is preferable to control the temperature of the heat retaining heater using the third cooling pattern at least up to 620 ° C. In this case, the initial cooling period is preferably a period from the start of cooling to 2.5 hours.

本発明によれば、初期冷却期間では一次関数の冷却パターンを用い、初期冷却期間の経過後は指数関数と一次関数の合成パターンを用いるので、初期冷却段階において高速になりすぎた冷却速度を緩和することができる。   According to the present invention, a cooling pattern of a linear function is used in the initial cooling period, and a combined pattern of an exponential function and a linear function is used after the initial cooling period, so that the cooling rate that has become too high in the initial cooling stage is reduced. can do.

本発明によれば、短期間でインゴットの冷却を完了させることができ、切断中にクラックが発生することがない多結晶シリコンの製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, cooling of an ingot can be completed in a short period of time, and the manufacturing method of a polycrystalline silicon which a crack does not generate | occur | produce during a cutting | disconnection can be provided.

本発明の好ましい実施の形態による多結晶シリコン製造装置の構成を示す略側面断面図である。1 is a schematic side sectional view showing a structure of a polycrystalline silicon manufacturing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention. 無底ルツボの構成を示す略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the structure of a bottomless crucible. シリコンインゴットの第1の冷却方法(実施例1)を示すグラフである。It is a graph which shows the 1st cooling method (Example 1) of a silicon ingot. シリコンインゴットの第2の冷却方法(実施例2)を示すグラフである。It is a graph which shows the 2nd cooling method (Example 2) of a silicon ingot. シリコンインゴットの第3の冷却方法(実施例3)を示すグラフである。It is a graph which shows the 3rd cooling method (Example 3) of a silicon ingot. シリコンインゴットの比較例による冷却方法を示すグラフである。It is a graph which shows the cooling method by the comparative example of a silicon ingot. 実施例1〜3及び比較例におけるMises相当応力の最大値の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the maximum value of Mises equivalent stress in Examples 1-3 and a comparative example.

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の好ましい実施の形態による多結晶シリコン鋳造装置の構成を示す略側面断面図である。   FIG. 1 is a schematic side sectional view showing the structure of a polycrystalline silicon casting apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

図1に示すように、本実施形態による多結晶シリコン鋳造装置10は、チャンバ11と、チャンバ11内の上部中央に設けられた無底ルツボ12と、無底ルツボ12内のシリコン原料を電磁誘導加熱するための誘導コイル13と、誘導コイル13と共に無底ルツボ12内のシリコン原料を加熱する補助ヒータ14と、無底ルツボ12から引き出されたシリコンインゴット20を支持する支持軸15と、無底ルツボ12内のシリコン融液21を冷却することによって得られるシリコンインゴット20を保温する保温ヒータ16とを備えている。   As shown in FIG. 1, the polycrystalline silicon casting apparatus 10 according to the present embodiment electromagnetically induces a chamber 11, a bottomless crucible 12 provided in the upper center of the chamber 11, and a silicon raw material in the bottomless crucible 12. An induction coil 13 for heating, an auxiliary heater 14 for heating the silicon raw material in the bottomless crucible 12 together with the induction coil 13, a support shaft 15 for supporting the silicon ingot 20 drawn from the bottomless crucible 12, and a bottomless A heat retaining heater 16 that retains the temperature of the silicon ingot 20 obtained by cooling the silicon melt 21 in the crucible 12 is provided.

チャンバ11の上部には不活性ガス導入口11aが設けられており、チャンバ11の下部には真空吸引口11cが設けられている。また、チャンバ11の上部には遮断手段によって仕切られた原料投入口11bが設けられており、底部にはインゴット引き出し口11dが設けられている。   An inert gas introduction port 11 a is provided in the upper part of the chamber 11, and a vacuum suction port 11 c is provided in the lower part of the chamber 11. In addition, a raw material inlet 11b partitioned by a blocking means is provided at the top of the chamber 11, and an ingot outlet 11d is provided at the bottom.

図2は、無底ルツボ12の構成を示す略断面図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the bottomless crucible 12.

図2に示すように、無底ルツボ12は銅製の角筒体であり、部分的な縦方向のスリット12aによって周方向に分割されている。また無底ルツボ12は水冷式であり、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。特に限定されるものではないが、無底ルツボ12の開口サイズは350×530mmとすることができる。   As shown in FIG. 2, the bottomless crucible 12 is a square tube body made of copper, and is divided in the circumferential direction by a partial vertical slit 12a. The bottomless crucible 12 is a water-cooled type, and is forcibly cooled by cooling water flowing through the inside. Although not particularly limited, the opening size of the bottomless crucible 12 can be 350 × 530 mm.

チャンバ11内にはダクト18が設けられており、チャンバ11の外側に設けられた原料ホッパ(不図示)から原料投入口11cを経由して供給された粒状又は塊状のシリコン原料22は、このダクト18を介して無底ルツボ12内に投入される。   A duct 18 is provided in the chamber 11, and a granular or massive silicon raw material 22 supplied via a raw material inlet 11 c from a raw material hopper (not shown) provided outside the chamber 11 is formed in this duct. 18 through the bottomless crucible 12.

誘導コイル13は、無底ルツボ12の周囲に配設されており、同軸ケーブルを介して電源に接続されている。また、誘導コイル13と共にシリコン原料を加熱溶融するために、無底ルツボ12の上方にはプラズマアークトーチによる補助ヒータ14が昇降可能に設けられており、降下時には無底ルツボ12内に装入されるようになっている。   The induction coil 13 is disposed around the bottomless crucible 12 and is connected to a power source via a coaxial cable. In addition, in order to heat and melt the silicon raw material together with the induction coil 13, an auxiliary heater 14 by means of a plasma arc torch is provided above the bottomless crucible 12 so that it can be raised and lowered. It has become so.

支持軸15はインゴット引き出し口11dを貫通して昇降可能に設けられている。支持軸15の先端部は無底ルツボ12の下端まで到達することができ、これにより無底ルツボ12に対する移動可能な底面を構成することができ、無底ルツボ12から下方に引き出されるシリコンインゴットを支持することができる。   The support shaft 15 is provided so as to be able to move up and down through the ingot outlet 11d. The tip of the support shaft 15 can reach the lower end of the bottomless crucible 12, thereby forming a movable bottom surface with respect to the bottomless crucible 12, and a silicon ingot drawn downward from the bottomless crucible 12 Can be supported.

保温ヒータ16は例えば抵抗加熱ヒータであり、無底ルツボ12の下方に設けられており、無底ルツボ12から引き下げられるインゴットを加熱して例えば1100℃の一定温度で保温する。本実施形態による保温ヒータ16は、軸方向に所定の温度勾配を与えることなくインゴットを均一に加熱する。保温ヒータ16による保温効率を高めるため、保温ヒータ16の外周には断熱材17が設けられている。   The heat retaining heater 16 is, for example, a resistance heater, and is provided below the bottomless crucible 12 and heats the ingot pulled down from the bottomless crucible 12 to keep the temperature at a constant temperature of 1100 ° C., for example. The heat retaining heater 16 according to the present embodiment uniformly heats the ingot without giving a predetermined temperature gradient in the axial direction. In order to increase the heat insulation efficiency of the heat insulation heater 16, a heat insulating material 17 is provided on the outer periphery of the heat insulation heater 16.

次に、多結晶シリコンの鋳造方法について説明する。   Next, a method for casting polycrystalline silicon will be described.

電磁鋳造法による多結晶シリコンの製造では、まず真空吸引口11cからチャンバ11内を真空引きした後、不活性ガス導入口11aからチャンバ11内にアルゴン等の不活性ガスを導入し、チャンバ11内を不活性ガス雰囲気とする。次に、先端に初期シリコン原料が取り付けられた支持軸15を上昇させて、無底ルツボ12の下方から挿入し、無底ルツボ12の底部の開口を初期シリコン原料で閉塞する。   In the production of polycrystalline silicon by electromagnetic casting, first, the inside of the chamber 11 is evacuated from the vacuum suction port 11c, and then an inert gas such as argon is introduced into the chamber 11 from the inert gas introduction port 11a. Is an inert gas atmosphere. Next, the support shaft 15 with the initial silicon raw material attached to the tip is raised and inserted from below the bottomless crucible 12, and the opening at the bottom of the bottomless crucible 12 is closed with the initial silicon raw material.

次に、誘導コイル13により初期シリコン原料に電磁力を付与し、誘導コイル13と補助ヒータ14を用いて無底ルツボ12内の初期シリコン原料を溶融し、シリコン融液21を生成する。このとき、無底ルツボ12内のシリコン融液21は、無底ルツボ12の内面に対して非接触の状態に保持される。その後、支持軸15と共にシリコン融液21を徐々に降下させて凝固させる。これと同時に、シリコン融液21にシリコン原料22を追加投入し、その追加原料を誘導コイル13による電磁誘導加熱と補助ヒータ14によるプラズマ加熱との併用により溶解する。   Next, electromagnetic force is applied to the initial silicon raw material by the induction coil 13, and the initial silicon raw material in the bottomless crucible 12 is melted using the induction coil 13 and the auxiliary heater 14 to generate a silicon melt 21. At this time, the silicon melt 21 in the bottomless crucible 12 is held in a non-contact state with respect to the inner surface of the bottomless crucible 12. Thereafter, the silicon melt 21 is gradually lowered together with the support shaft 15 to be solidified. At the same time, the silicon raw material 22 is added to the silicon melt 21 and the additional raw material is dissolved by the combined use of electromagnetic induction heating by the induction coil 13 and plasma heating by the auxiliary heater 14.

この操作を続けることにより、シリコンインゴット20は、誘導コイル13による電磁誘導加熱によって無底ルツボ12内で連続的に製造され、無底ルツボ12から連続的に引き出される。このシリコンインゴット20は保温ヒータ16による保温を受けつつチャンバ11の下方に引き出される。   By continuing this operation, the silicon ingot 20 is continuously manufactured in the bottomless crucible 12 by electromagnetic induction heating by the induction coil 13 and is continuously drawn out from the bottomless crucible 12. The silicon ingot 20 is pulled out below the chamber 11 while being kept warm by the warming heater 16.

シリコンインゴット20は、所定の長さ(例えば7000mm)になるまで連続的に鋳造され、その間は保温ヒータ16からの加熱によって一定の温度(例えば1100℃)となるように保温されている。所定の長さに達したシリコンインゴット20をチャンバ11から取り出す場合には、シリコンインゴット20に過度な熱応力が与えられることがないよう、保温ヒータ16の温度を徐々に下げてシリコンインゴット20を徐々に冷却する必要がある。このとき、保温ヒータ16の温度を制御することにより、シリコンインゴット20に高い残留応力を与えることなく、短期間での冷却を完了させることができる。   The silicon ingot 20 is continuously cast until it reaches a predetermined length (for example, 7000 mm), and during that period, the silicon ingot 20 is kept at a constant temperature (for example, 1100 ° C.) by heating from the heat retaining heater 16. When the silicon ingot 20 that has reached a predetermined length is taken out of the chamber 11, the temperature of the heat retaining heater 16 is gradually lowered so that the silicon ingot 20 is not excessively stressed so that the silicon ingot 20 is gradually removed. Need to cool down. At this time, by controlling the temperature of the heat retaining heater 16, it is possible to complete the cooling in a short period without giving high residual stress to the silicon ingot 20.

図3は、本発明の第1の実施例によるシリコンインゴットの冷却方法を示すグラフであり、横軸は冷却開始からの時刻、左側の縦軸は保温ヒータの温度、右側の縦軸は保温ヒータのパワーを示している。同図において、ラインA1は保温ヒータ16の目標温度(冷却パターン)、ラインA2は保温ヒータ16の実績温度、ラインA3は保温ヒータ16のパワーを示している。   FIG. 3 is a graph showing a method for cooling a silicon ingot according to the first embodiment of the present invention, in which the horizontal axis represents time from the start of cooling, the left vertical axis represents the temperature of the heat retaining heater, and the right vertical axis represents the heat retaining heater. Shows the power of. In the figure, line A1 indicates the target temperature (cooling pattern) of the heat retaining heater 16, line A2 indicates the actual temperature of the heat retaining heater 16, and line A3 indicates the power of the heat retaining heater 16.

図3では、シリコンインゴットの温度ではなく、保温ヒータ16の温度が評価の対象となっているが、これはシリコンインゴットの温度が保温ヒータ16の温度とほぼ一致していることによるものである。多結晶シリコンの熱伝導率は熱伝導率162W・m?1・K?1と非常に高く、また図1に示すように、シリコンインゴットは保温ヒータ16に近接しており、保温ヒータ16からの輻射熱を直接受けているからである。保温ヒータ16の温度は熱電対等の温度センサを用いて測定することができ、保温ヒータ16のパワーは温度センサの出力結果に基づいてフィードバック制御される。インゴットと保温センサ16との温度差をなくすためには、保温ヒータ16とインゴットとの間に温度センサを設置することが好ましい。 In FIG. 3, not the temperature of the silicon ingot but the temperature of the heat retaining heater 16 is an object of evaluation. This is because the temperature of the silicon ingot substantially matches the temperature of the heat retaining heater 16. The thermal conductivity of polycrystalline silicon is as extremely high as 162 W · m ? 1 · K ? 1, and as shown in FIG. This is because it receives direct radiant heat. The temperature of the heat retaining heater 16 can be measured using a temperature sensor such as a thermocouple, and the power of the heat retaining heater 16 is feedback controlled based on the output result of the temperature sensor. In order to eliminate the temperature difference between the ingot and the heat retaining sensor 16, it is preferable to install a temperature sensor between the heat retaining heater 16 and the ingot.

図3に示すように、シリコンインゴットは保温動作中の保温ヒータ16からの加熱によって約1100℃に保たれているが、冷却時には、少なくともシリコンインゴット(保温ヒータ16)が620℃となるまでの間は、降温速度が漸増する冷却パターン(第1の冷却パターン)に沿ってシリコンインゴットが冷却されるよう、保温ヒータ16の温度を制御する。そして、最終的にはシリコンインゴットの温度を300℃以下の炉開放温度まで降下させる。シリコンインゴットが第1の冷却パターンに沿って冷却されるためには、1100℃から620℃までは保温ヒータ16の降温速度を概ね一定とし、その後は保温ヒータ16のパワーをオフにすることが好ましい。降温速度が漸増する冷却パターンは、指数関数を用いてもよく、傾きが異なる複数の直線で近似したものであってもよい。   As shown in FIG. 3, the silicon ingot is kept at about 1100 ° C. by heating from the heat insulation heater 16 during the heat insulation operation, but at least until the silicon ingot (heat insulation heater 16) reaches 620 ° C. during cooling. Controls the temperature of the heat retaining heater 16 so that the silicon ingot is cooled along a cooling pattern (first cooling pattern) in which the temperature decrease rate gradually increases. Finally, the temperature of the silicon ingot is lowered to a furnace opening temperature of 300 ° C. or lower. In order for the silicon ingot to be cooled along the first cooling pattern, it is preferable that the temperature drop rate of the heat retaining heater 16 is substantially constant from 1100 ° C. to 620 ° C., and thereafter the power of the heat retaining heater 16 is turned off. . The cooling pattern in which the temperature decreasing rate gradually increases may use an exponential function or may be approximated by a plurality of straight lines having different slopes.

また図3に示すように、保温ヒータ16の実績温度A2は、620℃に到達した時刻(冷却開始から約16時間)以降から緩やかに低下するようになり、目標温度A1から乖離するようになるが、これは保温ヒータ16の外側に設けた断熱材17の影響によるものである。つまり、保温ヒータ16の温度を測定する温度センサが断熱材17の影響を受けて高温を示すことによるものである。断熱材17は保温ヒータ16による保温効率を高めるために必要であるが、冷却時には急冷を妨げる要因となる。よって、保温ヒータ16による冷却制御は、低温域側の冷却を速めるというよりむしろ、高温域側の冷却を速める上で有効な方法である。逆に、低温域側では、保温ヒータ16に通電することなく、断熱材17のみを用いてシリコンインゴットを徐冷することができるので、消費電力を抑制することが可能となる。   Further, as shown in FIG. 3, the actual temperature A2 of the heat retaining heater 16 gradually decreases from the time when it reaches 620 ° C. (about 16 hours from the start of cooling), and deviates from the target temperature A1. However, this is due to the influence of the heat insulating material 17 provided outside the heat retaining heater 16. In other words, the temperature sensor that measures the temperature of the heat retaining heater 16 is affected by the heat insulating material 17 to indicate a high temperature. The heat insulating material 17 is necessary to increase the heat insulation efficiency by the heat insulation heater 16, but becomes a factor that hinders rapid cooling during cooling. Therefore, the cooling control by the heat retaining heater 16 is an effective method for accelerating the cooling in the high temperature region rather than accelerating the cooling in the low temperature region. On the contrary, in the low temperature region side, the silicon ingot can be gradually cooled using only the heat insulating material 17 without energizing the heat retaining heater 16, so that it is possible to suppress power consumption.

従来のように、シリコンインゴットを直線的な冷却パターンに沿って冷却した場合には、冷却初期に大きな熱応力が発生するので、インゴット内部に高い残留応力が残留する。しかし、最初は小さな降温パターンで冷却し始め、徐々に降温速度を大きくした場合には、比較的短時間で冷却を完了させることができ、また冷却初期に大きな熱応力が発生することがないので、インゴットの切断時にクラックが発生することを防止することができる。   When the silicon ingot is cooled according to a linear cooling pattern as in the prior art, a large thermal stress is generated at the initial stage of cooling, so that a high residual stress remains inside the ingot. However, when cooling starts with a small cooling pattern at the beginning and the cooling rate is gradually increased, cooling can be completed in a relatively short time, and no large thermal stress is generated in the initial stage of cooling. It is possible to prevent cracks from occurring when the ingot is cut.

図4は、本発明の第2の実施例によるシリコンインゴットの冷却方法を示すグラフであり、横軸は冷却開始からの時刻、左側の縦軸は保温ヒータの温度、右側の縦軸は保温ヒータのパワーを示している。同図において、ラインA1は保温ヒータ16の目標温度(冷却パターン)、ラインA2は保温ヒータ16の実績温度、ラインA3は保温ヒータ16のパワーを示している。   FIG. 4 is a graph showing a method for cooling a silicon ingot according to the second embodiment of the present invention, where the horizontal axis is the time from the start of cooling, the left vertical axis is the temperature of the heat retaining heater, and the right vertical axis is the heat retaining heater. Shows the power of. In the figure, line A1 indicates the target temperature (cooling pattern) of the heat retaining heater 16, line A2 indicates the actual temperature of the heat retaining heater 16, and line A3 indicates the power of the heat retaining heater 16.

図4に示すように、この冷却方法では、降温速度が漸増する冷却パターン(第1の冷却パターン)と降温速度が一定である冷却パターン(第2の冷却パターン)との合成パターン(第3の冷却パターン)に沿ってシリコンインゴットが冷却されるよう、保温ヒータ16の温度を制御する。シリコンインゴットが第3の冷却パターンに沿って冷却されるためには、保温ヒータ16の降温速度を漸減させる必要がある。   As shown in FIG. 4, in this cooling method, a combined pattern (third cooling pattern) of a cooling pattern (first cooling pattern) in which the temperature decreasing rate gradually increases and a cooling pattern (second cooling pattern) in which the temperature decreasing rate is constant. The temperature of the heat retaining heater 16 is controlled so that the silicon ingot is cooled along the cooling pattern. In order to cool the silicon ingot along the third cooling pattern, it is necessary to gradually decrease the temperature lowering rate of the heat retaining heater 16.

図3に示した第1の冷却パターンを用いた冷却方法では、冷却開始から10時間までの冷却初期において降温速度が少し遅いため、冷却をより短時間のうちに完了させる余地が残されている。第3の冷却パターンは第1の冷却パターンの改良であり、指数関数の冷却パターンと一次関数の冷却パターンとの組み合わせである。この第3の冷却パターンによれば、冷却開始から10時間までの初期冷却段階において効率よく冷却することができる。   In the cooling method using the first cooling pattern shown in FIG. 3, since the temperature lowering rate is a little slower in the initial stage of cooling from the start of cooling to 10 hours, there is still room for cooling to be completed in a shorter time. . The third cooling pattern is an improvement of the first cooling pattern, and is a combination of an exponential cooling pattern and a linear cooling pattern. According to the third cooling pattern, the cooling can be efficiently performed in the initial cooling stage from the start of cooling to 10 hours.

図5は、本発明の第3の実施例によるシリコンインゴットの冷却方法を示すグラフであり、横軸は冷却開始からの時刻、左側の縦軸は保温ヒータの温度、右側の縦軸は保温ヒータのパワーを示している。同図において、ラインA1は保温ヒータ16の目標温度(冷却パターン)、ラインA2は保温ヒータ16の実績温度、ラインA3は保温ヒータ16のパワーを示している。   FIG. 5 is a graph showing a method for cooling a silicon ingot according to a third embodiment of the present invention, in which the horizontal axis represents time from the start of cooling, the left vertical axis represents the temperature of the heat retaining heater, and the right vertical axis represents the heat retaining heater. Shows the power of. In the figure, line A1 indicates the target temperature (cooling pattern) of the heat retaining heater 16, line A2 indicates the actual temperature of the heat retaining heater 16, and line A3 indicates the power of the heat retaining heater 16.

図5に示すように、この冷却方法では、冷却開始から例えば2.5時間までの初期冷却期間においては、降温速度が一定である冷却パターン(第4の冷却パターン)に沿ってシリコンインゴット(保温ヒータ16)が冷却されるよう、保温ヒータ16の温度を制御し、また初期冷却期間の経過後においては、降温速度が漸増する第1の冷却パターンと降温速度が一定である第2の冷却パターンとの合成パターンである第3の冷却パターンに沿ってシリコンインゴットが冷却されるよう、保温ヒータ16の温度を制御する。   As shown in FIG. 5, in this cooling method, in the initial cooling period from the start of cooling to, for example, 2.5 hours, a silicon ingot (insulating temperature) along a cooling pattern (fourth cooling pattern) in which the temperature decreasing rate is constant. The temperature of the heat retaining heater 16 is controlled so that the heater 16) is cooled, and after the initial cooling period, the first cooling pattern in which the temperature decreasing rate gradually increases and the second cooling pattern in which the temperature decreasing rate is constant. The temperature of the heat retaining heater 16 is controlled so that the silicon ingot is cooled along the third cooling pattern, which is a combined pattern.

図4に示した第3の冷却パターンを用いた冷却方法では、指数関数の立ち上がりの部分が時間的に早く現れるため、冷却速度が速くなり、熱応力が大きくなりすぎる時間帯が発生する。しかし、第4の冷却パターンを用いれば、指数関数と一次関数とを組み合わせることによって初期冷却段階において高速になりすぎた冷却速度を、指数関数の項の位相を遅らせることにより改善することができる。   In the cooling method using the third cooling pattern shown in FIG. 4, since the rising portion of the exponential function appears earlier in time, the cooling rate becomes faster and a time zone in which the thermal stress becomes too large is generated. However, if the fourth cooling pattern is used, the cooling rate that has become too high in the initial cooling stage by combining the exponential function and the linear function can be improved by delaying the phase of the exponential term.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。   The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Needless to say, it is included.

例えば、上記実施形態においては、保温ヒータとして抵抗加熱ヒータを用いているが、保温ヒータの種類は特に限定されない。また、断熱材17を省略し、保温ヒータ16の熱のみでインゴットを保温してもかまわない。   For example, in the above embodiment, a resistance heater is used as the heat retaining heater, but the type of the heat retaining heater is not particularly limited. Further, the heat insulating material 17 may be omitted, and the ingot may be kept warm only by the heat of the warming heater 16.

(実施例1)
上述した多結晶シリコン鋳造装置10を用いて、通常の電磁鋳造法により多結晶シリコンインゴットを鋳造した。このとき、シリコンインゴットの冷却パターンとして以下に示す冷却パターンを用いた。すなわち、実施例1では、シリコンインゴットを1100℃から冷却する際に、
1100−exp(2.3/20×t+17.7)/exp(20)×889.1446−89.1446 ・・・(1)
で表される冷却パターンを採用した。tは冷却開始からの時刻である。
Example 1
Using the above-described polycrystalline silicon casting apparatus 10, a polycrystalline silicon ingot was cast by a normal electromagnetic casting method. At this time, the cooling pattern shown below was used as the cooling pattern of the silicon ingot. That is, in Example 1, when cooling a silicon ingot from 1100 ° C.,
1100−exp (2.3 / 20 × t + 17.7) / exp (20) × 889.1446−89.1446 (1)
The cooling pattern represented by t is the time from the start of cooling.

その後、シリコンインゴットを所定の寸法のシリコンブロックとして切り出した後、シリコンブロックのクラックの有無を検査し、その不良率(クラックがあるブロック数/ブロック総数)を求めた。その結果、シリコンインゴットの不良率は3%であった。   Thereafter, the silicon ingot was cut out as a silicon block having a predetermined size, and then the presence or absence of cracks in the silicon block was inspected, and the defect rate (number of blocks with cracks / total number of blocks) was obtained. As a result, the defect rate of the silicon ingot was 3%.

また、インゴット内部に発生する熱応力を以下の手順により算出した。まず、インゴットの保温温度である1100℃から冷却の最終温度である300℃までの冷却過程におけるインゴット内部の温度分布を伝熱解析し、ある一定の温度ステップ毎に算出した。次いで、得られた温度分布をもとに汎用応力解析ソフト「ABAQUS(商品名)」を用いて応力解析を行い、熱応力を算出した。さらに、熱応力をMises相当応力に変換し、冷却中の各時間ステップごとにMises相当応力の最大値をプロットした。   Moreover, the thermal stress generated inside the ingot was calculated by the following procedure. First, heat transfer analysis was performed on the temperature distribution inside the ingot in the cooling process from 1100 ° C., which is the heat retention temperature of the ingot, to 300 ° C., which is the final temperature of cooling, and calculation was performed at certain temperature steps. Next, based on the obtained temperature distribution, stress analysis was performed using general-purpose stress analysis software “ABAQUS (trade name)” to calculate thermal stress. Furthermore, thermal stress was converted to Mises equivalent stress, and the maximum value of Mises equivalent stress was plotted for each time step during cooling.

Mises相当応力の最大値を取ったグラフを図7に示す。図7のグラフの横軸は冷却開始からの時刻、縦軸はMises相当応力の最大値を示している。なお、図7には、本実施例のみならず、後述する他の実施例や比較例の結果もプロットされている。   A graph showing the maximum value of Mises equivalent stress is shown in FIG. In the graph of FIG. 7, the horizontal axis indicates the time from the start of cooling, and the vertical axis indicates the maximum value of Mises equivalent stress. In FIG. 7, not only this example but also the results of other examples and comparative examples described later are plotted.

図7から分かるように、実施例1において、熱応力解析によるMises相当応力の冷却途中におけるピーク値は6.56MPaであり、7MPa以下の小さな値となった。また、Mises相当応力のピーク値は、どの場合でもインゴットの長辺側の中央の表面に発生した。このように、実施例1では、指数関数の冷却パターンを用いることにより、Mises相当応力の最大値を冷却開始から23時間でゼロにすることができた。   As can be seen from FIG. 7, in Example 1, the peak value during the cooling of Mises equivalent stress by thermal stress analysis was 6.56 MPa, which was a small value of 7 MPa or less. Moreover, the peak value of Mises equivalent stress occurred on the central surface on the long side of the ingot in all cases. As described above, in Example 1, the maximum value of Mises equivalent stress could be made zero in 23 hours from the start of cooling by using an exponential cooling pattern.

(実施例2)
実施例2は実施例1の改良である。図7から分かるように、実施例1では、Mises相当応力のピーク値が冷却開始から10時間以降に現れた。このことは、冷却開始から10時間までの初期段階において、冷却速度を高速化する余地があることを示している。
(Example 2)
The second embodiment is an improvement over the first embodiment. As can be seen from FIG. 7, in Example 1, the peak value of Mises equivalent stress appeared after 10 hours from the start of cooling. This indicates that there is room for increasing the cooling rate in the initial stage from the start of cooling to 10 hours.

実施例2では、初期冷却段階において冷却速度を高速化するために、指数関数の冷却パターンと一次関数の冷却パターンとを組み合わせた。すなわち、実施例2では、ヒータ温度を1100℃から冷却する際に、
1100−exp(2.3/20×t+17.7)/exp(20)×889.1446−89.1446−13.3t ・・・(2)
で表される冷却パターンを採用した。その他の条件は実施例1と同様とした。
In Example 2, an exponential cooling pattern and a linear cooling pattern were combined in order to increase the cooling rate in the initial cooling stage. That is, in Example 2, when cooling the heater temperature from 1100 ° C.,
1100−exp (2.3 / 20 × t + 17.7) / exp (20) × 889.1446−89.1446−13.3t (2)
The cooling pattern represented by Other conditions were the same as in Example 1.

その結果、シリコンインゴットの不良率は6%であった。また、図7に示すように、熱応力解析によるMises相当応力の冷却途中におけるピーク値は6.98MPaであった。   As a result, the defect rate of the silicon ingot was 6%. Moreover, as shown in FIG. 7, the peak value during the cooling of Mises equivalent stress by thermal stress analysis was 6.98 MPa.

(実施例3)
実施例3は実施例2の改良である。図7から分かるように、実施例2では、指数関数の冷却パターンと一次関数の冷却パターンとを組み合わせることにより、冷却開始から10時間までの初期冷却段階において効率よく冷却することが可能となった。しかし、指数関数の立ち上がりの部分が時間的に早く現れるため、冷却速度が速くなり、熱応力が大きくなりすぎる時間帯が発生することが分かった。
(Example 3)
The third embodiment is an improvement over the second embodiment. As can be seen from FIG. 7, in Example 2, it was possible to efficiently cool in the initial cooling stage from the start of cooling to 10 hours by combining the cooling pattern of the exponential function and the cooling pattern of the linear function. . However, since the rising portion of the exponential function appears earlier in time, it has been found that the cooling rate increases and a time zone in which the thermal stress becomes excessively large occurs.

実施例3は、実施例2において指数関数と一次関数とを組み合わせることによって初期冷却段階において高速になりすぎた冷却速度を、指数関数の項の位相を遅らせることにより改善したものである。すなわち、実施例3では、ヒータ温度を1100℃から冷却する際に、
0≦t<2.5のとき、
1100−13.3t
2.5≦tのとき、
1100−exp(2.3/20×(t−2.5)+17.7)/exp(20)×889.1446−89.1446−13.3t
で表される冷却パターンを採用した。その他の条件は実施例1と同様とした。
In the third embodiment, the combination of the exponential function and the linear function in the second embodiment improves the cooling rate that is too high in the initial cooling stage by delaying the phase of the exponential function term. That is, in Example 3, when cooling the heater temperature from 1100 ° C.,
When 0 ≦ t <2.5,
1100-13.3t
When 2.5 ≦ t,
1100−exp (2.3 / 20 × (t−2.5) +17.7) / exp (20) × 889.1446−89.1446−13.3t
The cooling pattern represented by Other conditions were the same as in Example 1.

その結果、シリコンインゴットの不良率は2%であった。また、図7に示すように、熱応力解析によるMises相当応力の冷却途中におけるピーク値は6.51MPaであった。   As a result, the defect rate of the silicon ingot was 2%. Moreover, as shown in FIG. 7, the peak value during the cooling of Mises equivalent stress by thermal stress analysis was 6.51 MPa.

(比較例)
比較例では、図6に示すように、ヒータ温度を1100℃から冷却する際に、
1100-40t
で表される冷却パターンを採用した。その他の条件は実施例1と同様とした。
(Comparative example)
In the comparative example, as shown in FIG. 6, when cooling the heater temperature from 1100 ° C.,
1100-40t
The cooling pattern represented by Other conditions were the same as in Example 1.

その結果、得られたシリコンインゴットの不良率は65%であり、非常に高い不良率となった。また、図7に示すように、熱応力解析によるMises相当応力の冷却途中におけるピーク値は9.26MPaであった。   As a result, the defect rate of the obtained silicon ingot was 65%, which was a very high defect rate. Moreover, as shown in FIG. 7, the peak value during the cooling of Mises equivalent stress by thermal stress analysis was 9.26 MPa.

10 多結晶シリコン鋳造装置
11 チャンバ
11a 不活性ガス導入口
11b 原料投入口
11c 真空吸引口
11d インゴット引き出し口
12 無底ルツボ
12a スリット
13 誘導コイル
14 補助ヒータ
15 支持軸
16 保温ヒータ
17 断熱材
18 ダクト
20 シリコンインゴット
21 シリコン融液
22 シリコン原料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Polycrystalline silicon casting apparatus 11 Chamber 11a Inert gas introduction port 11b Raw material introduction port 11c Vacuum suction port 11d Ingot drawing port 12 Bottomless crucible 12a Slit 13 Induction coil 14 Auxiliary heater 15 Support shaft 16 Heat insulation heater 17 Heat insulation material 18 Duct 20 Silicon ingot 21 Silicon melt 22 Silicon raw material

Claims (4)

無底ルツボ内に形成されたシリコン融液を降下させて凝固させることにより、前記無底ルツボから多結晶シリコンインゴットを連続的に取り出す多結晶シリコンの製造方法であって、
保温ヒータを用いて1000℃以上の所定の保温温度に保温されている前記多結晶シリコンインゴットを300℃以下の所定の炉開放温度まで降下させて冷却する際、少なくとも620℃までは降温速度が漸増する第1の冷却パターンを用いて前記保温ヒータの温度を制御することを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
A method for producing polycrystalline silicon, in which a silicon melt formed in a bottomless crucible is lowered and solidified to continuously take out a polycrystalline silicon ingot from the bottomless crucible,
When the polycrystalline silicon ingot kept at a predetermined temperature of 1000 ° C. or higher is cooled to a predetermined furnace opening temperature of 300 ° C. or lower by using a heat insulating heater and cooled, the temperature decreasing rate is gradually increased to at least 620 ° C. A method for producing polycrystalline silicon, wherein the temperature of the heat retaining heater is controlled using the first cooling pattern.
前記多結晶シリコンインゴットを冷却する際、少なくとも620℃までは前記第1の冷却パターンと降温速度が一定である第2の冷却パターンとの合成パターンからなる第3の冷却パターンを用いて前記保温ヒータの温度を制御することを特徴とする請求項1に記載の多結晶シリコンの製造方法。   When the polycrystalline silicon ingot is cooled, the heat retaining heater is used by using a third cooling pattern composed of a composite pattern of the first cooling pattern and a second cooling pattern having a constant cooling rate until at least 620 ° C. The method for producing polycrystalline silicon according to claim 1, wherein the temperature of the polycrystalline silicon is controlled. 前記多結晶シリコンインゴットを冷却する際、冷却開始から所定の時刻までの初期冷却期間においては、降温速度が一定である第4の冷却パターンを用いて前記保温ヒータの温度を制御し、初期冷却期間の経過後においては、少なくとも620℃までは前記第3の冷却パターンを用いて前記保温ヒータの温度を制御することを特徴とする請求項2に記載の多結晶シリコンの製造方法。   When cooling the polycrystalline silicon ingot, in the initial cooling period from the start of cooling to a predetermined time, the temperature of the heat retaining heater is controlled using a fourth cooling pattern with a constant temperature drop rate, and the initial cooling period 3. The method for producing polycrystalline silicon according to claim 2, wherein after the elapse of time, the temperature of the heat retaining heater is controlled using the third cooling pattern at least up to 620 ° C. 3. 前記初期冷却期間は、冷却開始から2.5時間までの期間であることを特徴とする請求項3に記載の多結晶シリコンの製造方法。   The method for producing polycrystalline silicon according to claim 3, wherein the initial cooling period is a period from the start of cooling to 2.5 hours.
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