JP2012193070A - Method for producing raw material for silicon-based solar cell - Google Patents

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崇浩 金原
Takefumi Ubukata
武文 生方
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a raw material for a silicon-based solar cell, by which silicon oxide-based foreign matter floating on the surface of a melt of silicon sludge can be evaporated and vanished for a short time.SOLUTION: A melt prepared from silicon powder as raw material is boiled before pulling out a polycrystalline silicon ingot from the melt by the Czochralski method. By the boiling, oxygen in foreign matter comprising silicon oxide and floating on the surface of the melt is evaporated and the foreign matter is vanished. As a result, when a polycrystalline silicon ingot is pulled out by the Czochralski method, foreign matter comprising silicon oxide does not adhere to the outer peripheral surface of the ingot.

Description

この発明は、シリコン系太陽電池用原料の製造方法、詳しくは各種のシリコン加工プロセスで発生したシリコンスラッジに含まれるシリコン粉の高純度化が可能なシリコン系太陽電池用原料の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a silicon-based solar cell raw material, and more particularly to a method for manufacturing a silicon-based solar cell raw material capable of highly purifying silicon powder contained in silicon sludge generated in various silicon processing processes.

ULSIなどの超高集積デバイスの形成基板であるシリコンウェーハは、チョクラルスキー(CZ)法によって引き上げられた単結晶シリコンインゴットに対して、ウェーハ加工を施すことにより作製される。具体的には、単結晶シリコンインゴットをブロック切断し、その後、シリコンブロックに研削砥石による外周研削、ワイヤソーによるスライスを順に行い、多数枚のシリコンウェーハを得る。それから、各シリコンウェーハに対して面取り、ラッピング、エッチング、研磨を順次施し、デバイス形成用の製品ウェーハが製造される。   A silicon wafer which is a formation substrate of an ultra-high integrated device such as ULSI is manufactured by performing wafer processing on a single crystal silicon ingot pulled up by the Czochralski (CZ) method. Specifically, the single crystal silicon ingot is cut into blocks, and then the silicon block is subjected to peripheral grinding with a grinding wheel and slicing with a wire saw in order to obtain a large number of silicon wafers. Then, chamfering, lapping, etching, and polishing are sequentially performed on each silicon wafer to manufacture a product wafer for device formation.

ウェーハ加工プロセスのうち、外周研削工程およびスライス工程などでは、加工屑(シリコン廃棄物)であるシリコンスラッジが多量に発生する。また、デバイスメーカのバックグラインド工程でも、多量のシリコンスラッジが発生している。シリコンスラッジは取り扱いが面倒であるため、従前までは産業廃棄物として埋設処分するのが一般的であったが、シリコンスラッジに含まれるシリコン粉は再利用可能な有資源であることから、近年、シリコンスラッジのシリコン粉を太陽電池用原料として再利用する技術が開発されている。
しかしながら、シリコンスラッジに含まれたシリコン粉は、ウェーハ加工装置に起因したFe、Cr、Niなどの金属不純物の他、酸化物により汚染されていた。その結果、製造された太陽電池の光電変換率を低下させていた。
Of the wafer processing processes, a large amount of silicon sludge, which is processing waste (silicon waste), is generated in the peripheral grinding step and the slicing step. Also, a large amount of silicon sludge is generated in the back grinding process of the device manufacturer. Since silicon sludge is cumbersome to handle, it was common to dispose of it as industrial waste until now, but since silicon powder contained in silicon sludge is a reusable resource, A technology for reusing silicon powder of silicon sludge as a raw material for solar cells has been developed.
However, the silicon powder contained in the silicon sludge has been contaminated by oxides in addition to metal impurities such as Fe, Cr, and Ni resulting from the wafer processing apparatus. As a result, the photoelectric conversion rate of the manufactured solar cell was reduced.

そこで、これを解消する従来技術として、例えば特許文献1に記載されたものが知られている。特許文献1は、酸化処理により、溶解炉内のシリコンスラッジ原料に含まれる易酸化性成分(鉄、アルミニウム、チタン、タングステン、クロム、ガリウムなど)を除去し、また不活性ガス雰囲気もしくは減圧・真空雰囲気下の溶解炉内でのシリコンスラッジ原料の溶解により、この原料中の易蒸発性成分(酸素など)を除去し、さらに溶解炉内での一方向凝固処理によって、この原料中の金属成分を除去する太陽電池用シリコンの精製方法である。   Thus, as a conventional technique for solving this problem, for example, one described in Patent Document 1 is known. Patent Document 1 removes easily oxidizable components (iron, aluminum, titanium, tungsten, chromium, gallium, etc.) contained in the silicon sludge raw material in the melting furnace by oxidation treatment, and also inert gas atmosphere or reduced pressure / vacuum. Evaporable components (oxygen, etc.) in this raw material are removed by melting the silicon sludge raw material in a melting furnace under an atmosphere, and the metal components in this raw material are removed by unidirectional solidification treatment in the melting furnace. It is the purification method of the silicon for solar cells to remove.

特開2003−212533号公報JP 2003-212533 A

しかしながら、特許文献1によれば、酸素を含む易蒸発性成分を除去する際には、シリコンスラッジ原料を溶解し、この溶解状態を所定時間維持して、その液面から酸素を蒸発させて除去していた。ここでいう「溶解」とは、特許文献1の明細書の記載内容から、固体のシリコンスラッジ原料を融点まで加熱して「融解」させることを意味し、融解後のシリコンスラッジ原料をさらに加熱して、融液面からだけでなく融液の内部からの蒸発(気化)を伴う「沸騰」という概念までは含まれていない。その理由は、シリコンの沸点が2600℃と極めて高く、沸点まで加熱すれば、一般に石英(融点1650℃)製のるつぼが融解し、太陽電池用シリコンの精製が困難になるからである。シリコンの融点付近の加熱で、シリコンスラッジ原料の融液面から、シリコン系太陽電池の原料として使用可能なレベルまで融液の酸素濃度を低減させるには、24時間を超える加熱処理が必要であった。
なお、特許文献1には「減圧雰囲気あるいは真空雰囲気下でのシリコンスラッジの溶解」という記載がある。しかしながら、その目的については一切記載がない。おそらくは、溶解した融液面からの酸素の蒸発を促進させるための技術と思われる。
However, according to Patent Document 1, when removing an easily evaporable component containing oxygen, the silicon sludge raw material is dissolved, this dissolved state is maintained for a predetermined time, and oxygen is evaporated from the liquid surface for removal. Was. The term “dissolving” as used herein means that the solid silicon sludge raw material is heated to the melting point to “melt” from the description in the specification of Patent Document 1, and the molten silicon sludge raw material is further heated. The concept of “boiling” accompanied by evaporation (vaporization) not only from the melt surface but also from the inside of the melt is not included. The reason is that silicon has an extremely high boiling point of 2600 ° C., and if heated to the boiling point, generally, a crucible made of quartz (melting point: 1650 ° C.) is melted, making it difficult to purify silicon for solar cells. In order to reduce the oxygen concentration of the melt from the melt surface of the silicon sludge raw material to a level that can be used as the raw material of the silicon-based solar cell by heating near the melting point of silicon, a heat treatment exceeding 24 hours is required. It was.
In addition, Patent Document 1 includes a description “dissolution of silicon sludge in a reduced pressure atmosphere or a vacuum atmosphere”. However, the purpose is not described at all. Probably a technique for promoting the evaporation of oxygen from the melt surface.

また、従来法でのシリコンスラッジ原料の融解時には、副次物であるシリコン酸化物(SiOx)が、融液の液面上に異物として多量に浮遊していた。そのため、次にチョクラルスキー法に則り、シリコン系太陽電池用原料の多結晶シリコンインゴットを引き上げる際に、引き上げ中の多結晶シリコンインゴットの外周面にシリコン酸化物の異物が多量に付着し、この異物付着を原因として引き上げた多結晶シリコンインゴットを太陽電池用原料として利用できなくなるおそれがあった。これを解消するため、従来では原料融解中に、シリコン酸化物からなる異物の抜き取り作業を、多数回行わなければならず、サイクルタイムが増大していた。   Further, when the silicon sludge raw material is melted by the conventional method, a large amount of silicon oxide (SiOx) as a by-product floats on the melt surface as foreign matter. Therefore, in accordance with the Czochralski method, when pulling up the polycrystalline silicon ingot which is the raw material for silicon-based solar cells, a large amount of silicon oxide foreign matter adheres to the outer peripheral surface of the polycrystalline silicon ingot being pulled up. There is a possibility that the polycrystalline silicon ingot pulled up due to foreign matter adhesion cannot be used as a raw material for solar cells. In order to solve this problem, conventionally, the work of extracting foreign substances made of silicon oxide has to be performed many times during the melting of the raw material, which increases the cycle time.

そこで、発明者は鋭意研究の結果、融液の沸騰温度と炉内圧力との相関から、炉内の減圧レベルを調整すれば、るつぼの融点未満の温度での加熱であっても、シリコンスラッジ原料のシリコン粉の沸騰が始まり、シリコンの融点付近の温度で融液を加熱する従来法に比べて、短時間でシリコン酸化物中の酸素を蒸発させ、シリコン酸化物からなる異物を消失可能なことを知見し、この発明を完成させた。   Therefore, as a result of earnest research, the inventor has found that silicon sludge can be heated even at a temperature below the melting point of the crucible by adjusting the pressure reduction level in the furnace from the correlation between the boiling temperature of the melt and the pressure in the furnace. The raw material silicon powder begins to boil, and the oxygen in the silicon oxide can be evaporated in a shorter time than the conventional method in which the melt is heated at a temperature near the melting point of silicon. The present invention was completed.

この発明は、シリコンスラッジの融液の液面に浮遊するシリコン酸化物からなる異物を、短時間で蒸発させて消失可能なシリコン系太陽電池用原料の製造方法を提供することを目的としている。   An object of the present invention is to provide a method for producing a raw material for a silicon-based solar cell capable of evaporating a foreign substance made of silicon oxide floating on the liquid surface of a silicon sludge melt in a short time.

請求項1に記載の発明は、シリコン酸化物を含む平均粒径0.1μm〜0.6mmのシリコン粉をるつぼに投入し、該るつぼ内のシリコン粉を、100〜6000Paの減圧雰囲気で、1480℃以上1650℃未満の温度で加熱して前記シリコン粉の融液を沸騰させることで前記シリコン酸化物中の酸素を分解、蒸発させ、次に、前記融液の温度を1410℃〜1450℃まで低下させることで沸騰を中止し、その後、チョクラルスキー法により、前記融液からシリコン系太陽電池用原料の多結晶シリコンインゴットを引き上げるシリコン系太陽電池用原料の製造方法である。   In the first aspect of the present invention, silicon powder containing silicon oxide and having an average particle size of 0.1 μm to 0.6 mm is charged into a crucible, and the silicon powder in the crucible is placed in a reduced pressure atmosphere of 100 to 6000 Pa at 1480. The oxygen in the silicon oxide is decomposed and evaporated by boiling the silicon powder melt by heating at a temperature not lower than 1 ° C and lower than 1650 ° C. Next, the temperature of the melt is increased from 1410 ° C to 1450 ° C. This is a method for producing a silicon-based solar cell raw material, in which boiling is stopped by lowering, and then a polycrystalline silicon ingot of the silicon-based solar cell raw material is pulled up from the melt by the Czochralski method.

請求項2に記載の発明は、前記シリコン粉は、シリコン加工プロセスで発生したシリコンスラッジに含まれるものである請求項1記載のシリコン系太陽電池用原料の製造方法である。   Invention of Claim 2 is a manufacturing method of the raw material for silicon-type solar cells of Claim 1 with which the said silicon powder is contained in the silicon sludge generate | occur | produced by the silicon processing process.

請求項3に記載の発明は、前記るつぼには、前記シリコン粉とともにシリコン塊を投入する請求項1または請求項2に記載のシリコン系太陽電池用原料の製造方法である。   Invention of Claim 3 is a manufacturing method of the raw material for silicon | silicone solar cells of Claim 1 or Claim 2 which introduce | transduces a silicon lump with the said silicon powder into the said crucible.

請求項1に記載の発明によれば、シリコン粉を原料とした融液から、チョクラルスキー法に則り多結晶シリコンインゴットを引き上げる前に融液を沸騰させる。これにより、融液の液面に浮遊するシリコン酸化物系の異物中の酸素が蒸発し、これが消失する。その結果、のちにチョクラルスキー法により融液から多結晶シリコンインゴットを引き上げる際、インゴットの外周面にシリコン酸化物系の異物が付着しない。よって、この異物付着を原因とした多結晶シリコンインゴットの太陽電池用原料としての不適格化の問題が発生しない。   According to the first aspect of the present invention, the melt is boiled before the polycrystalline silicon ingot is pulled up from the melt using silicon powder as a raw material according to the Czochralski method. As a result, oxygen in the silicon oxide foreign matter floating on the liquid surface of the melt evaporates and disappears. As a result, when the polycrystalline silicon ingot is later pulled up from the melt by the Czochralski method, silicon oxide-based foreign matter does not adhere to the outer peripheral surface of the ingot. Therefore, the problem of disqualification of the polycrystalline silicon ingot as a raw material for solar cells due to the adhesion of foreign matters does not occur.

特に、請求項2に記載の発明によれば、シリコン粉として、シリコン加工プロセスで発生したシリコンスラッジに含まれるものを採用したので、本来は廃棄物となるはずのシリコンスラッジを、シリコン系太陽電池用原料を製造するための原料として再利用することができる。   In particular, according to the invention described in claim 2, since the silicon powder contained in the silicon sludge generated in the silicon processing process is employed as the silicon powder, the silicon sludge that should be a waste material is used as a silicon solar cell. It can be reused as a raw material for producing a raw material.

また、請求項3に記載の発明によれば、るつぼには、シリコン粉とシリコン塊とを混合したものを投入するので、シリコン塊が容易に溶解し、溶解時間を短縮することができる。   According to the invention described in claim 3, since a mixture of silicon powder and silicon lump is put into the crucible, the silicon lump can be easily dissolved and the melting time can be shortened.

この発明の実施例1に係るシリコン系太陽電池用原料の製造方法のフローシートである。It is a flow sheet of the manufacturing method of the raw material for silicon system solar cells concerning Example 1 of this invention. 融液面を浮遊するシリコン酸化物系の異物の発生量と、シリコン原料中のシリコンスラッジの配合比率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the generation amount of the silicon oxide type | system | group foreign material which floats on a melt surface, and the compounding ratio of the silicon sludge in a silicon raw material. 融液の沸騰温度と炉内圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the boiling temperature of a melt, and a furnace internal pressure. この発明の実施例2に係るシリコン系太陽電池用原料の製造方法のフローシートである。It is a flow sheet of the manufacturing method of the raw material for silicon | silicone solar cells which concerns on Example 2 of this invention. この発明の実施例3に係るシリコン系太陽電池用原料の製造方法のフローシートである。It is a flow sheet of the manufacturing method of the raw material for silicon type solar cells concerning Example 3 of this invention. 融液面を浮遊するシリコン酸化物系の異物の消失時間と、融液の沸騰温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the loss | disappearance time of the silicon oxide type foreign material which floats on a melt surface, and the boiling temperature of a melt. 融液面を浮遊するシリコン酸化物系の異物の消失時間と、炉内圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the loss | disappearance time of the silicon oxide type foreign material which floats on a melt surface, and a furnace pressure.

この発明は、シリコン酸化物を含む平均粒径0.1μm〜0.6mmのシリコン粉をるつぼに投入し、該るつぼ内のシリコン粉を、100〜6000Paの減圧雰囲気で、1480℃以上1650℃未満の温度で加熱して前記シリコン粉の融液を沸騰させることで前記シリコン酸化物中の酸素を分解、蒸発させ、次に、前記融液の温度を1410℃〜1450℃まで低下させることで沸騰を中止し、その後、チョクラルスキー法により、前記融液からシリコン系太陽電池用原料の多結晶シリコンインゴットを引き上げるシリコン系太陽電池用原料の製造方法である。   In the present invention, silicon powder containing silicon oxide and having an average particle size of 0.1 μm to 0.6 mm is put into a crucible, and the silicon powder in the crucible is placed at 1480 ° C. or more and less than 1650 ° C. in a reduced pressure atmosphere of 100 to 6000 Pa The silicon powder is boiled by heating at a temperature of 2 to decompose and evaporate oxygen in the silicon oxide, and then the temperature of the melt is lowered to 1410 ° C. to 1450 ° C. to boil. Is then removed, and then the polycrystalline silicon ingot of the silicon solar cell raw material is pulled up from the melt by the Czochralski method.

この発明によれば、チョクラルスキー法による多結晶シリコンインゴットの引き上げの前処理として、るつぼ内でシリコン粉を溶かした融液を沸騰させる。これにより、融液の液面に浮遊するシリコン酸化物系の異物から酸素が蒸発し、これが消失する。その結果、多結晶シリコンインゴットの引き上げ時、インゴットの外周面にシリコン酸化物系の異物が付着せず、この異物付着を原因とした多結晶シリコンインゴットの太陽電池用原料としての不適格化の問題が発生しない。   According to this invention, as a pretreatment for pulling up the polycrystalline silicon ingot by the Czochralski method, the melt in which the silicon powder is dissolved is boiled in the crucible. As a result, oxygen evaporates from the silicon oxide-based foreign matter floating on the melt surface and disappears. As a result, when pulling up the polycrystalline silicon ingot, silicon oxide-based foreign matter does not adhere to the outer peripheral surface of the ingot. Does not occur.

「シリコン系太陽電池用原料」とは、例えば単結晶シリコン系太陽電池の原料、多結晶シリコン系太陽電池の原料である。
シリコン粉としては、シリコン加工プロセスで発生したシリコンスラッジに含まれるものの他、ポリシリコン破砕工程の残などから得られたシリコン粉などを採用することができる。
シリコン粉の平均粒径が0.1μm未満では、熱伝導性が悪化することからシリコン粉の融解時間が長くなる。また、0.6mmを超えれば、シリコン粉の融解は容易になるものの、0.6mmを超える粉体は、製品用原料として利用できるため、投入コストが高く、結果としてコスト高となる。シリコン粉の粒径が0.1μm〜0.6mmであれば、シリコン粉の融解を比較的短時間かつ低コストで行うことができる。
シリコン粉に含まれる酸化物としては、例えばシリコン粉の表層に形成されるシリコン酸化膜(SiO膜)が挙げられる。シリコン酸化膜としては、自然酸化膜、熱酸化膜などが挙げられる。
The “raw material for a silicon-based solar cell” is, for example, a material for a single crystal silicon-based solar cell or a material for a polycrystalline silicon-based solar cell.
As the silicon powder, silicon powder obtained from the remainder of the polysilicon crushing process, etc. can be employed in addition to those contained in the silicon sludge generated in the silicon processing process.
When the average particle diameter of the silicon powder is less than 0.1 μm, the thermal conductivity is deteriorated, so that the melting time of the silicon powder becomes long. If the thickness exceeds 0.6 mm, the silicon powder can be easily melted. However, since the powder exceeding 0.6 mm can be used as a raw material for products, the input cost is high, resulting in a high cost. If the particle size of the silicon powder is 0.1 μm to 0.6 mm, the silicon powder can be melted in a relatively short time and at a low cost.
Examples of the oxide contained in the silicon powder include a silicon oxide film (SiO 2 film) formed on the surface layer of the silicon powder. Examples of the silicon oxide film include a natural oxide film and a thermal oxide film.

るつぼの素材としては、融点が1650℃の石英(SiO)を採用することができる。
るつぼは、シリコン粉の融液を沸騰させて融液の液面に浮遊するシリコン酸化物から酸素を蒸発させるためのものと、チョクラルスキー法により多結晶シリコンインゴットを育成させるものとを、1つのるつぼで兼用(連続使用)してもよい。また、それぞれ異なるるつぼとしてもよい。
シリコン酸化物中から酸素を蒸発させる場合において、炉内の減圧雰囲気が100Pa未満では、シリコン粉の溶解は容易になるものの、シリコン粉が巻き上がる。また、6000Paを超えれば、融液が1480℃以上1650℃未満の温度条件では沸騰し難くなる。炉内の好ましい減圧雰囲気は100〜2500Paである。この範囲であれば、1480℃以上1650℃未満の温度条件でシリコン酸化物系の異物を安全かつ完全に消失させることができる。
As the crucible material, quartz (SiO 2 ) having a melting point of 1650 ° C. can be used.
A crucible is one for boiling a melt of silicon powder to evaporate oxygen from silicon oxide floating on the surface of the melt and one for growing a polycrystalline silicon ingot by the Czochralski method. One crucible may also be used (continuous use). Different crucibles may be used.
In the case of evaporating oxygen from silicon oxide, if the reduced-pressure atmosphere in the furnace is less than 100 Pa, the silicon powder is easily dissolved but the silicon powder is rolled up. Moreover, if it exceeds 6000 Pa, it will become difficult to boil on the temperature conditions whose melt is 1480 degreeC or more and less than 1650 degreeC. A preferable reduced-pressure atmosphere in the furnace is 100 to 2500 Pa. Within this range, silicon oxide-based foreign matters can be safely and completely lost under temperature conditions of 1480 ° C. or higher and lower than 1650 ° C.

シリコン酸化物中から酸素を蒸発させるとき、溶融状態のシリコン粉の沸騰温度が1480℃未満ではシリコン酸化物系の異物が完全には消失しない。また、1650℃以上であれば、石英製のるつぼが変形し、より高温であれば融解してしまう。シリコン粉の好ましい沸騰温度は、1480℃〜1550℃(チョクラルスキー法により多結晶シリコンインゴットを引き上げ開始時の融液温度(ネッキング温度)より40℃〜110℃高い温度)である。この範囲であれば、石英製のるつぼの変形を防止しながらシリコン酸化物系の異物を完全に消失させることができる。   When oxygen is evaporated from silicon oxide, if the boiling temperature of the molten silicon powder is less than 1480 ° C., silicon oxide-based foreign matters are not completely lost. Moreover, if it is 1650 degreeC or more, a crucible made from quartz will deform | transform, and if it is higher temperature, it will melt | dissolve. The preferred boiling temperature of the silicon powder is 1480 ° C. to 1550 ° C. (temperature 40 ° C. to 110 ° C. higher than the melt temperature (necking temperature) at the start of pulling up the polycrystalline silicon ingot by the Czochralski method). Within this range, silicon oxide-based foreign matter can be completely eliminated while preventing deformation of the quartz crucible.

シリコン酸化物中から酸素を蒸発させるとき、溶融したシリコン粉を沸騰状態で保持する時間は1〜5時間である。1時間未満では、シリコン酸化物系の異物が完全に消失しない。また、5時間を超えれば、熱負荷により石英製のるつぼが変形し易い。また、シリコン粉の融液を沸騰温度で維持する好ましい時間は、1〜3時間である。この範囲であれば、シリコン酸化物系の異物を完全に消失させることができるとともに、石英製のるつぼおよび炉内部品への熱の影響がさらに少ない。   When oxygen is evaporated from the silicon oxide, the time for keeping the molten silicon powder in a boiling state is 1 to 5 hours. If it is less than 1 hour, silicon oxide-based foreign matters are not completely lost. Further, if it exceeds 5 hours, the quartz crucible is likely to be deformed by the heat load. The preferred time for maintaining the silicon powder melt at the boiling temperature is 1 to 3 hours. Within this range, silicon oxide-based foreign matters can be completely eliminated, and the influence of heat on the quartz crucible and in-furnace components is further reduced.

この発明のシリコン系太陽電池用原料の製造方法では、シリコン粉として、シリコン加工プロセスで発生したシリコンスラッジや、ポリシリコンの破砕などで発生した微粉を用いる。これにより、本来は廃棄物となる粉体を再利用することができる。
シリコンスラッジの発生を伴うシリコン加工プロセスとしては、例えば、単結晶シリコンインゴットまたは多結晶シリコンインゴットのブロック切断、研削砥石によるシリコンブロックの外周研削、研削砥石によるシリコンブロックのオリエンテーションフラット加工またはノッチ加工、ワイヤソーなどによるシリコンブロックのスライス、シリコンウェーハの面取り、シリコンウェーハのラッピングなどの各工程が挙げられる。また、デバイス形成後のウェーハに施されるバックグラインド工程も含まれる。
シリコンスラッジとは、シリコン粉と、不純物と、水とが泥状に混ざり合った滓である。不純物とは、例えば、研削砥石などの摩耗により発生するアルミナ、シリカ、コランダム、Cu、Fe、Ni、C、酸化バリウム、酸化マグネシウム、塵などである。
In the method for producing a raw material for a silicon solar cell according to the present invention, silicon sludge generated by a silicon processing process or fine powder generated by crushing polysilicon is used as silicon powder. As a result, the powder that originally becomes waste can be reused.
Examples of silicon processing processes that involve the generation of silicon sludge include block cutting of single crystal silicon ingots or polycrystalline silicon ingots, peripheral grinding of silicon blocks with grinding wheels, orientation flat processing or notching of silicon blocks with grinding wheels, and wire saws. Each process such as slicing of a silicon block, chamfering of a silicon wafer, lapping of a silicon wafer, and the like can be given. Further, a back grinding process performed on the wafer after device formation is also included.
Silicon sludge is a cocoon in which silicon powder, impurities, and water are mixed in a mud. Impurities are, for example, alumina, silica, corundum, Cu, Fe, Ni, C, barium oxide, magnesium oxide, dust, etc. generated by wear of a grinding wheel.

この発明のシリコン系太陽電池用原料の製造方法では、るつぼにはシリコン粉の他にシリコン塊を投入した方が望ましい。シリコン塊は融解し易く、融液になり易い。融液が形成されればシリコン粉の融解が促進されるため、その融解時間の短縮につながる。
シリコン系太陽電池用原料となるシリコン塊としては、例えば各種のシリコン加工プロセス(単結晶太陽電池用インゴット加工プロセスを含む)で発生したシリコンの塊を採用することができる。具体的には、チョクラルスキー方式のシリコン結晶成長装置を用いてシリコンインゴットを引き上げた後、るつぼの底部に残ったシリコン残部、インゴット鋳造装置(鋳型、電磁鋳造装置など)によって鋳造された多結晶シリコン系太陽電池のトップ部(最終固化部)や端板(鋳肌部)などが挙げられる。
るつぼに投入されたシリコン粉とシリコン塊との混合物(100重量部)のうち、シリコン粉が占める割合は1〜100重量%である。このシリコン粉が占める好ましい割合は、30〜70重量%である。この範囲であれば、溶解時間が短く、低コスト化が図れる。
In the method for producing a raw material for a silicon-based solar cell according to the present invention, it is desirable to put silicon lump in addition to silicon powder in the crucible. The silicon lump is easily melted and easily becomes a melt. If the melt is formed, the melting of the silicon powder is promoted, so that the melting time is shortened.
As a silicon lump as a raw material for silicon-based solar cells, for example, silicon lumps generated in various silicon processing processes (including ingot processing processes for single crystal solar cells) can be employed. Specifically, after pulling up the silicon ingot using a Czochralski-type silicon crystal growth device, the remaining silicon remaining at the bottom of the crucible, a polycrystal cast by an ingot casting device (mold, electromagnetic casting device, etc.) The top part (final solidification part), end plate (casting surface part), etc. of a silicon-type solar cell are mentioned.
In the mixture (100 parts by weight) of silicon powder and silicon lump charged in the crucible, the proportion of silicon powder is 1 to 100% by weight. A preferable ratio of the silicon powder is 30 to 70% by weight. Within this range, the dissolution time is short and the cost can be reduced.

るつぼから引き上げられた多結晶シリコンインゴットは、破砕後、シリコン系太陽電池の融解原料となる。この融解原料は、例えば、多結晶シリコン系太陽電池用のインゴット鋳造装置に投入して融解され、例えば角柱型の多結晶シリコンインゴットが鋳造される。その後、鋳造されたインゴットをウェーハ加工し、所定の方法によりPN接合が形成されることで、シリコン系太陽電池となる。
なお、融液面をヒータの加熱中心に近付けた方が、シリコン酸化物からなる異物の融解が容易となる。これは、融液面にシリコン酸化物系の異物が浮遊しており、異物を消失させるためには融液面付近を最高温度にする必要があるからである。
The polycrystalline silicon ingot pulled up from the crucible becomes a melting raw material for silicon-based solar cells after crushing. For example, this molten raw material is put into an ingot casting apparatus for polycrystalline silicon solar cells and melted, and, for example, a prismatic polycrystalline silicon ingot is cast. Thereafter, the cast ingot is processed into a wafer, and a PN junction is formed by a predetermined method, whereby a silicon-based solar cell is obtained.
It should be noted that the foreign matter made of silicon oxide is easily melted when the melt surface is brought closer to the heating center of the heater. This is because silicon oxide-based foreign matter floats on the melt surface, and the vicinity of the melt surface needs to be at the maximum temperature in order to eliminate the foreign matter.

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。   Examples of the present invention will be specifically described below.

図1のフローシートを参照して、この発明の実施例1に係るシリコン系太陽電池用原料の製造方法を説明する。
まず、シリコン加工プロセスで発生し、かつ平均粒径2〜4μmのシリコン粉を含むシリコンスラッジ50重量%と、インゴット鋳造装置によって鋳造された多結晶シリコン系太陽電池のトップ部(最終固化部)、端板(鋳肌部)からなるシリコン塊50重量%とを、チョクラルスキー式6インチ単結晶引上装置内の直径18インチのるつぼに装填する。
このように、シリコン粉として、シリコン加工プロセスで発生したシリコンスラッジに含まれるものを採用したので、シリコン加工プロセスで発生した廃材であるシリコンスラッジのリサイクルと、シリコン系太陽電池用原料のコストダウンという効果が得られる。また、るつぼには、シリコン粉だけでなくシリコン塊を投入するようにしたので、シリコン粉の溶解時間の短縮化が図れる。これは、シリコン塊の方がシリコン粉に比べて融解し易く、シリコン塊が融液となればシリコン粉の融解が促進され、シリコン粉の融解時間が短縮されるためである。
With reference to the flow sheet of FIG. 1, the manufacturing method of the raw material for silicon solar cells which concerns on Example 1 of this invention is demonstrated.
First, 50% by weight of silicon sludge generated in a silicon processing process and containing silicon powder having an average particle diameter of 2 to 4 μm, and a top portion (final solidified portion) of a polycrystalline silicon solar cell cast by an ingot casting apparatus, A silicon lump consisting of 50% by weight of an end plate (cast skin part) is loaded into a crucible having a diameter of 18 inches in a Czochralski 6-inch single crystal pulling apparatus.
As described above, since silicon powder contained in silicon sludge generated in the silicon processing process is used, recycling of silicon sludge, which is waste material generated in the silicon processing process, and cost reduction of raw materials for silicon-based solar cells An effect is obtained. Moreover, since not only silicon powder but also silicon lump is put into the crucible, the melting time of silicon powder can be shortened. This is because the silicon lump is easier to melt than the silicon powder, and if the silicon lump becomes a melt, the melting of the silicon powder is promoted and the melting time of the silicon powder is shortened.

次に、炉内圧を6000Paに減圧し、炉内に10リットル/minでアルゴンガスを流しながら、るつぼ内のシリコンを1450℃〜1470℃にヒータ加熱して溶解する。このとき、シリコンスラッジのシリコン粉のシリコン酸化膜に起因するシリコン酸化物系の異物が、融液の液面に大量に浮遊する。なお、シリコン酸化物系の異物の発生量は、全シリコン原料中のシリコンスラッジの配合比率を増やすほど増大する(図2のグラフ)。   Next, the pressure in the furnace is reduced to 6000 Pa, and the silicon in the crucible is melted by heating to 1450 ° C. to 1470 ° C. while flowing argon gas at a rate of 10 liter / min. At this time, a large amount of silicon oxide-based foreign matters resulting from the silicon oxide film of silicon powder of silicon sludge floats on the surface of the melt. The amount of silicon oxide-based foreign matter generated increases as the blending ratio of silicon sludge in the total silicon raw material increases (graph in FIG. 2).

その後、ヒータの熱量を高め、融液を約1550℃まで加熱する。これにより、融液の内部でシリコンの気化が発生し、融液は沸騰状態となる(図3のグラフ)。この状態を3時間維持することで、シリコン酸化物系の異物中の酸素が蒸発し、異物は完全に消失した。
その後、ヒータの熱量を元に戻し、1450℃〜1470℃の融液中に種結晶を浸し、種結晶そのものを融解後にインゴット引き上げを開始する。これにより、直径6インチの多結晶シリコンインゴットが育成される。得られた多結晶シリコンインゴットは、その外周面に前記異物の付着は確認されなかった。そのため、このシリコン酸化物系が異物のインゴット外周面に付着し、原料として利用した場合、不良が発生することを原因とする多結晶シリコンインゴットの太陽電池用原料としての不適格化の問題は解消された。
Thereafter, the amount of heat of the heater is increased, and the melt is heated to about 1550 ° C. Thereby, vaporization of silicon occurs in the melt, and the melt is brought into a boiling state (graph in FIG. 3). By maintaining this state for 3 hours, oxygen in the silicon oxide-based foreign material evaporated and the foreign material disappeared completely.
Thereafter, the amount of heat of the heater is restored, the seed crystal is immersed in a melt at 1450 ° C. to 1470 ° C., and the ingot pulling is started after melting the seed crystal itself. Thereby, a polycrystalline silicon ingot having a diameter of 6 inches is grown. In the obtained polycrystalline silicon ingot, the adhesion of the foreign matter was not confirmed on the outer peripheral surface thereof. Therefore, the problem of disqualification of polycrystalline silicon ingot as a raw material for solar cells due to the occurrence of defects when this silicon oxide system adheres to the outer surface of foreign ingots and is used as a raw material is solved. It was done.

また、多結晶シリコンインゴットは、チョクラルスキー法に則った融液からの引き上げにより不純物が精製されているため、その後、高品質の多結晶ソーラー原料となる。具体的には、まず多結晶シリコンインゴットをハンマなどで拳サイズに破砕し、これをシリコン系太陽電池の融解原料とし、多結晶シリコン系太陽電池用のインゴット鋳造装置に投入する。ここで、破砕物を融解し、シリコン系太陽電池用の多結晶シリコンインゴットに鋳造する。鋳造されたインゴットは、その後、ウェーハ加工され、所定の方法によりPN接合が形成されることで、シリコン系太陽電池が製造される。   In addition, since the impurities of the polycrystalline silicon ingot are purified by pulling from the melt in accordance with the Czochralski method, the polycrystalline silicon ingot becomes a high-quality polycrystalline solar material. Specifically, first, a polycrystalline silicon ingot is crushed into a fist size with a hammer or the like, and this is used as a melting raw material for a silicon-based solar cell, and is put into an ingot casting apparatus for a polycrystalline silicon-based solar cell. Here, the crushed material is melted and cast into a polycrystalline silicon ingot for a silicon-based solar cell. The cast ingot is then processed into a wafer, and a PN junction is formed by a predetermined method, whereby a silicon-based solar cell is manufactured.

次に、図4のフローシートを参照して、この発明の実施例2に係るシリコン系太陽電池用原料の製造方法を説明する。
実施例2のシリコン系太陽電池用原料の製造方法の特徴は、前記融液を沸騰させるため、実施例1のように融液を約1550℃まで高めるのではなく、1470℃の融液温度を維持して炉内圧を100Paまでさらに負圧化する方法を採用した(図3のグラフ)。これにより、融液の内部でシリコンの気化が発生し、融液が激しく揺れて沸騰状態となった。
その他の構成、作用および効果は実施例1と同様であるため、説明を省略する。
Next, with reference to the flow sheet of FIG. 4, the manufacturing method of the raw material for silicon solar cells which concerns on Example 2 of this invention is demonstrated.
The feature of the method for producing the silicon-based solar cell raw material of Example 2 is that the melt is boiled, so that the melt is not raised to about 1550 ° C. as in Example 1, but the melt temperature of 1470 ° C. is increased. The method of maintaining the furnace pressure to 100 Pa and further reducing the pressure inside the furnace was adopted (graph in FIG. 3). As a result, silicon was vaporized inside the melt, and the melt was vigorously shaken to a boiling state.
Other configurations, operations, and effects are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

次に、図5のフローシートを参照して、この発明の実施例3に係るシリコン系太陽電池用原料の製造方法を説明する。
実施例3のシリコン系太陽電池用原料の製造方法の特徴は、前記融液を沸騰させるため、融液を1500℃とし、かつ炉内圧を2000Paまで減圧する方法を採用した(図3のグラフ)。これにより、融液の内部でシリコンの気化が発生し、融液が激しく揺れて沸騰状態となった。なお、図6および図7のグラフから明らかなように、異物が消失までの時間は、炉内圧と融液温度と相関がある。すなわち、炉内圧が低下するほど、融液温度が高まるほど融液が沸騰し易く、異物は消失し易くなる。
その他の構成、作用および効果は実施例1と同様であるため、説明を省略する。
Next, with reference to the flow sheet of FIG. 5, the manufacturing method of the raw material for silicon solar cells which concerns on Example 3 of this invention is demonstrated.
The feature of the method for producing the silicon solar cell raw material of Example 3 was that the melt was boiled at 1500 ° C. and the furnace pressure was reduced to 2000 Pa (graph of FIG. 3). . As a result, silicon was vaporized inside the melt, and the melt was vigorously shaken to a boiling state. As is apparent from the graphs of FIGS. 6 and 7, the time until the disappearance of foreign matters correlates with the furnace pressure and the melt temperature. That is, the lower the furnace pressure, the higher the melt temperature, and the easier the melt will boil and the foreign matter will disappear.
Other configurations, operations, and effects are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

この発明は、例えばシリコン廃棄物のリサイクル技術として有用である。   The present invention is useful, for example, as a silicon waste recycling technique.

Claims (3)

シリコン酸化物を含む平均粒径0.1μm〜0.6mmのシリコン粉をるつぼに投入し、
該るつぼ内のシリコン粉を、100〜6000Paの減圧雰囲気で、1480℃以上1650℃未満の温度で加熱して前記シリコン粉の融液を沸騰させることで前記シリコン酸化物中の酸素を分解、蒸発させ、
次に、前記融液の温度を1410℃〜1450℃まで低下させることで沸騰を中止し、
その後、チョクラルスキー法により、前記融液からシリコン系太陽電池用原料の多結晶シリコンインゴットを引き上げるシリコン系太陽電池用原料の製造方法。
Silicon powder containing silicon oxide and having an average particle size of 0.1 μm to 0.6 mm is put into a crucible,
The silicon powder in the crucible is heated at a temperature of 1480 ° C. or higher and lower than 1650 ° C. in a reduced-pressure atmosphere of 100 to 6000 Pa to decompose and evaporate oxygen in the silicon oxide by boiling the melt of the silicon powder. Let
Next, boiling is stopped by lowering the temperature of the melt to 1410 ° C. to 1450 ° C.,
Then, the manufacturing method of the raw material for silicon solar cells which pulls up the polycrystalline silicon ingot of the raw material for silicon solar cells from the melt by the Czochralski method.
前記シリコン粉は、シリコン加工プロセスで発生したシリコンスラッジに含まれるものである請求項1記載のシリコン系太陽電池用原料の製造方法。   The method for producing a silicon-based solar cell material according to claim 1, wherein the silicon powder is contained in silicon sludge generated in a silicon processing process. 前記るつぼには、前記シリコン粉とともにシリコン塊を投入する請求項1または請求項2に記載のシリコン系太陽電池用原料の製造方法。   The method for producing a silicon-based solar cell material according to claim 1 or 2, wherein a silicon lump is introduced into the crucible together with the silicon powder.
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