JP2013199417A - Manufacturing apparatus and manufacturing method of cryatal - Google Patents

Manufacturing apparatus and manufacturing method of cryatal Download PDF

Info

Publication number
JP2013199417A
JP2013199417A JP2012069854A JP2012069854A JP2013199417A JP 2013199417 A JP2013199417 A JP 2013199417A JP 2012069854 A JP2012069854 A JP 2012069854A JP 2012069854 A JP2012069854 A JP 2012069854A JP 2013199417 A JP2013199417 A JP 2013199417A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
solidification
heat
crystal
temperature
face
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2012069854A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yutaka Kishida
豊 岸田
Masahiro Tanaka
正博 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Original Assignee
Nippon Steel and Sumikin Materials Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel and Sumikin Materials Co Ltd filed Critical Nippon Steel and Sumikin Materials Co Ltd
Priority to JP2012069854A priority Critical patent/JP2013199417A/en
Publication of JP2013199417A publication Critical patent/JP2013199417A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystal manufacturing apparatus and a manufacturing method capable of solving such a problem that a part of a crystal obtained by unidirectional solidification of a metal and a semiconductor is refined and the quality of the crystal may be deteriorated.SOLUTION: In a manufacturing apparatus and a manufacturing method of a crystal, the crystal manufacturing apparatus is a metal or semiconductor crystal manufacturing apparatus for advancing unidirectional solidification from a cooling end face to a heating end face by heating a single-side end face of a metal or semiconductor material melted in a mold, cooling the opposed end face and simultaneously rigidly insulating side faces and includes a heat quantity detection mechanism capable of detecting the amount of heat flow received from a solidified object by a cooling mechanism on the side of a solidification start face at accuracy of 1/10 or less of the amount of heat flow corresponding to solidification latent heat generation quantity per averaged unit time within time in which crystal solidification is advanced.

Description

本発明は、太陽電池等の製造に用いるシリコン等の半導体や金属の結晶を製造するための装置及び製造方法に関する。   The present invention relates to an apparatus and a manufacturing method for manufacturing a semiconductor such as silicon or a crystal of a metal used for manufacturing a solar cell or the like.

今日市販されている太陽電池の多くは、シリコン等の半導体結晶をスライスして切り出した薄い基板の上に所謂半導体のPN接合を構成したものである。その基板に用いられる半導体結晶としては、太陽電池の特性が最大限発揮できるように、鉄等の金属不純物、析出物、結晶粒界、転位等の少ない良質の物が求められる。このことから、太陽電池用の結晶の製造には、より大きな結晶粒を作り易く、かつ、不純物の混入が少ない一方向凝固技術が採用されている。また、シリコン結晶の原料となる、低純度のシリコンの精製方法においても一方向凝固が用いられており、ここでは、含有される偏析係数の小さい金属元素成分が凝固偏析によって取り除かれると同時に、融液中で浮遊する析出物等の異物も同時に取り除かれる。このような一方向凝固技術は、太陽電池用のシリコンの他にも、航空機用ジェットエンジンや発電機のガスタービンに用いられる合金の製造においても適用されている。   Many of the solar cells on the market today have a so-called semiconductor PN junction formed on a thin substrate obtained by slicing a semiconductor crystal such as silicon. The semiconductor crystal used for the substrate is required to be a high-quality product with less metal impurities such as iron, precipitates, crystal grain boundaries, dislocations, etc. so that the characteristics of the solar cell can be maximized. For this reason, in the manufacture of crystals for solar cells, a unidirectional solidification technique that facilitates the formation of larger crystal grains and less contamination of impurities is employed. Unidirectional solidification is also used in a method for purifying low-purity silicon, which is a raw material for silicon crystals. Here, a metal element component having a small segregation coefficient is removed by solidification segregation, and simultaneously melted. Foreign substances such as precipitates floating in the liquid are also removed. In addition to silicon for solar cells, such unidirectional solidification technology is also applied to the manufacture of alloys used in aircraft jet engines and generator gas turbines.

この一方向凝固を行うためには、鋳型内に保持した融液原料を、一方向に(例えば底部から上方へ)、凝固界面を平坦に保ちながらゆっくりと凝固を進行させる必要がある。ここで、図1に一般的な一方向凝固装置の構造を示すが、この一方向凝固装置では、路体容器1内にシリコン等の原料2を投入して溶解保持するための鋳型3とその上方を高温にするためのヒーター6とが設置され、また、鋳型3の下方には、冷却水の導入配管11や排出配管12に接続された冷却水チャンネル10を備え、鋳型3の下方を低温にするための水冷盤9等の冷却源が設置され、凝固は鋳型底面から上方向に進む構造となっており、それを確実にするために、凝固の進行方向と平行となる鋳型3の側面とヒーター6の上部側が肉厚の断熱材7及び8で強く断熱されていることが特徴である。なお、図1は、原料2がシリコンである場合の一方向凝固装置を示し、結晶製造過程では水冷盤9側にシリコン結晶2aが、またヒーター6側のシリコン結晶2a上にシリコン溶湯2bが存在する。また、図中符号5は支持脚である。   In order to perform this unidirectional solidification, it is necessary to slowly solidify the melt raw material held in the mold in one direction (for example, upward from the bottom) while keeping the solidification interface flat. Here, FIG. 1 shows a structure of a general unidirectional solidification apparatus. In this unidirectional solidification apparatus, a mold 3 for injecting a raw material 2 such as silicon into a path body container 1 and dissolving and holding the same is shown. A heater 6 for setting the upper part to a high temperature is installed, and a cooling water channel 10 connected to a cooling water introduction pipe 11 and a discharge pipe 12 is provided below the mold 3. A cooling source such as a water cooling board 9 is installed, and solidification progresses upward from the bottom surface of the mold. In order to ensure this, the side surface of the mold 3 parallel to the progressing direction of solidification The upper side of the heater 6 is strongly insulated by the thick heat insulating materials 7 and 8. FIG. 1 shows a unidirectional solidification apparatus when the raw material 2 is silicon. In the crystal manufacturing process, a silicon crystal 2a is present on the water-cooling board 9 side, and a silicon melt 2b is present on the silicon crystal 2a on the heater 6 side. To do. Reference numeral 5 in the figure denotes a support leg.

そして、具体的には、例えば、特許文献1〜4及び非特許文献1〜4において開示されているような種々の構造を持った一方向凝固炉が提案されている。また、品質の良い結晶を得るための凝固方法についても、特許文献1のようにヒーターの発熱量を制御する方法や、鋳型からの抜熱量を制御する方法等の種々の方法が提案されている。   Specifically, for example, unidirectional solidification furnaces having various structures as disclosed in Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Documents 1 to 4 have been proposed. As for the solidification method for obtaining high-quality crystals, various methods such as a method for controlling the amount of heat generated by the heater and a method for controlling the amount of heat removed from the mold as in Patent Document 1 have been proposed. .

特開平10-182,137号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-182,137 特開平11-092,284号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-092,284 特開2002-293,527号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-293,527 特表2008-534,414号公報Special table 2008-534,414 gazette

D. Helmreich & E. Sirtll, Journal of Crystal Growth, Vol.79 (1986), p.562-571D. Helmreich & E. Sirtll, Journal of Crystal Growth, Vol. 79 (1986), p.562-571 C. P. Khatacl et al, Proc. 25th IEEE PVSC (1986), p.597-600C. P. Khatacl et al, Proc. 25th IEEE PVSC (1986), p.597-600 I. Steinbach et al, Solar Energy & Solar Cells, Vol.72 (2002), p.59-68I. Steinbach et al, Solar Energy & Solar Cells, Vol.72 (2002), p.59-68 M. C. Flemings, "Solidification Processing", (1974), McGraw-Hill, p.134M. C. Flemings, "Solidification Processing", (1974), McGraw-Hill, p.134 Fujiwara et al., Journal of Crystal Growth, 243, (2002), p.275Fujiwara et al., Journal of Crystal Growth, 243, (2002), p.275

このような中、太陽電池の基板を採取するために一方向凝固により製造したシリコン結晶において、結晶中の結晶粒の大きさが局所的に細かくなる現象があることが明らかにされている。このような結晶粒の小さい結晶から太陽電池を製造すると、その太陽電池の発電効率が良くないことが広く知られている。また、シリコン原料の精製においては、結晶粒の微細化が発生した場合には、偏析による不純物の排除効果が著しく妨げられることも良く知られている。更には、一方向凝固の凝固途中において結晶の微細化が起こると、その後に凝固する部位も微細な結晶粒に覆われる傾向が極めて強く、その回復は困難である。また、結晶粒の微細化の発生にはSiC等の析出物を伴うことが多く、このような析出物は結晶をスライス加工する時に、割れや傷等の加工不良の原因となることが知られている。   Under such circumstances, it has been clarified that there is a phenomenon that the size of crystal grains in the crystal is locally fine in a silicon crystal manufactured by unidirectional solidification in order to collect a substrate of a solar cell. It is widely known that when a solar cell is manufactured from such crystals with small crystal grains, the power generation efficiency of the solar cell is not good. Further, it is well known that in the purification of silicon raw material, when crystal grains are refined, the effect of eliminating impurities by segregation is significantly hindered. Furthermore, when crystal refinement occurs during the solidification of unidirectional solidification, the portion that solidifies afterwards tends to be covered with fine crystal grains, and its recovery is difficult. Further, the occurrence of crystal grain refinement often involves precipitates such as SiC, and such precipitates are known to cause processing defects such as cracks and scratches when slicing a crystal. ing.

また、航空機用ジェットエンジンや発電機のガスタービンに用いられる合金においては、熱応力環境の厳しさから、素材の結晶粒界が使用時応力に平行に配置されることが重要であり、結晶粒が小さく等軸晶化した結晶を使用することはできない。   Also, in alloys used for aircraft jet engines and generator gas turbines, it is important that the grain boundaries of the material be arranged parallel to the stress during use because of the severe thermal stress environment. It is not possible to use crystals that are small and equiaxed.

以上のようなことから、結晶粒の微細化が起こらないように一方向凝固を確実に行うことが、高品質かつ歩留の高い結晶を得るための重要な条件となっている。しかしながら、従来においては、結晶粒が微細化する、あるいは、微細化したことを結晶の製造中に検知することができず、この結晶粒の微細化は、一方向凝固が終了した後に鋳型から結晶を取り出し、それを切断して断面を観察した際に初めて判るものであった。   For these reasons, it is an important condition for obtaining a high-quality and high-yield crystal to surely carry out unidirectional solidification so that crystal grains are not refined. Conventionally, however, the crystal grains are refined or it is not possible to detect the refinement during the production of the crystals. This refinement of the crystal grains is performed after the unidirectional solidification is finished. This was first understood when the cross section was taken out and the cross section was observed.

しかるに、もし、凝固中に結晶粒の微細化の発生を知ることができ、微細化の起こった結晶を選別できれば、問題の起こった凝固プロセスを直ちに中断することができ、また、その結果として工程サイクルタイムを短縮することも可能となり、更に、製品から不良部位を取り除く作業も容易になる。また、凝固中に結晶粒微細化の発生を知ることにより、微細化の起きる操業条件が明確となり、操業条件の改善を効率良く行える利点がある。   However, if it is possible to know the occurrence of grain refinement during solidification and sort out the refined crystals, the problematic solidification process can be interrupted immediately, and as a result, the process It also becomes possible to shorten the cycle time, and further, it becomes easy to remove defective parts from the product. In addition, knowing the occurrence of crystal grain refinement during solidification makes it possible to clarify the operating conditions in which the refinement occurs and to improve the operating conditions efficiently.

本発明は、上記のような従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、結晶製造中に結晶粒微細化を検知し得る結晶の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide a crystal manufacturing apparatus and a manufacturing method capable of detecting crystal grain refinement during crystal manufacturing.

上記の観点から、本発明者等は、シリコンの一方向凝固について多くの試験を行い、得られたシリコンの結晶粒組織及び析出物の観察と、対応する伝熱数値シミュレ−ションモデルによる解析を行った。そして、これら多くの試験及び解析の結果、本発明者等は、結晶粒微細化の発生起点の殆どが伝熱解析から予想される等温度線に沿って並んでいることを突き止め、この事実から、結晶粒の微細化は凝固中のある時点で一斉に起こるものと考え、更に、結晶組織の詳細な観察から、結晶粒の微細化がSiC等の微細な析出物を伴うことが多いことを突き止めた。   In view of the above, the present inventors have conducted many tests on the unidirectional solidification of silicon, observed the crystal grain structure and precipitates of the obtained silicon, and analyzed the corresponding heat transfer numerical simulation model. went. As a result of these many tests and analyses, the present inventors have found that most of the starting points of grain refinement are aligned along the isothermal line expected from the heat transfer analysis. The refinement of crystal grains is considered to occur all at once at the time of solidification. Furthermore, from the detailed observation of the crystal structure, the refinement of crystal grains often involves fine precipitates such as SiC. I found it.

そして、本発明者等は、上記試験及び解析の結果から、過冷却状態にある融液中において析出核が突如一斉に発生することに伴い、凝固界面が形状不安定を起こしながら急速に前方に進行する、所謂"リカレッセンス現象(再輝現象)"が結晶粒の微細化を引き起こす原因であるとの結論に到達した。また、結晶粒の微細化がこのようなリカレッセンス現象に起因するものであるなら、この現象が発生した際に急速な凝固により相当の凝固潜熱が発生するはずであり、凝固の進行中にこの突発的な凝固潜熱の発生を検知することができれば、結晶の微細化をリアルタイムで検知できるものと考えた。   As a result of the above tests and analyses, the present inventors have found that the precipitation nuclei suddenly occur all at once in the supercooled melt, and the solidification interface rapidly moves forward while causing shape instability. The conclusion was reached that the so-called “recareless phenomenon (re-brightening phenomenon)” is the cause of crystal grain refinement. Also, if the grain refinement is due to such a phenomenon of recurrence, a considerable latent heat of solidification should be generated due to rapid solidification when this phenomenon occurs. If sudden generation of latent heat of solidification could be detected, we thought that crystal refinement could be detected in real time.

本発明はこのような観点で創案されたものであり、本発明の結晶の製造装置及び製造方法は、以下のように構成される。
(1)鋳型内において、金属又は半導体の融液の一方の端面を加熱し、また、この端面に相対向する他方の端面を冷却すると共に、この融液の側面を断熱することにより、冷却端面側から加熱端面側へと一方向に凝固を進行させて金属又は半導体の結晶を製造する装置であって、冷却端面側の抜熱機構が凝固体から受ける単位時間当りの熱量を、融液の凝固進行に伴う単位時間当りの凝固潜熱発生量に相当する熱量の1/10以下の精度で検知可能な熱量検知機構を備えていることを特徴とする結晶の製造装置。
The present invention has been invented from such a viewpoint, and the crystal manufacturing apparatus and manufacturing method of the present invention are configured as follows.
(1) In the mold, one end face of the melt of metal or semiconductor is heated, the other end face opposite to the end face is cooled, and the side face of the melt is insulated to thereby cool the end face. A device for producing a metal or semiconductor crystal by solidifying in one direction from the heating side to the heating end surface side, wherein the amount of heat per unit time that the heat removal mechanism on the cooling end surface side receives from the solidified body An apparatus for producing a crystal, comprising: a heat quantity detection mechanism capable of detecting with an accuracy of 1/10 or less of a heat quantity corresponding to a solidification latent heat generation amount per unit time as solidification progresses.

(2)前記抜熱機構が冷却流体による熱交換を利用するものであって、前記熱量検知機構が、前記抜熱機構が使用する単位時間当りの冷却流体の流量と、該抜熱機構に給入される冷却流体の温度と排出される冷却流体の温度との間の温度差とから、該抜熱機構が凝固体から受ける単位時間当りの熱量を継続的に測定する機構を備えていることを特徴とする(1)に記載の結晶の製造装置。 (2) The heat removal mechanism uses heat exchange by a cooling fluid, and the heat quantity detection mechanism supplies a cooling fluid flow rate per unit time used by the heat removal mechanism and the heat removal mechanism. It has a mechanism for continuously measuring the amount of heat per unit time that the heat removal mechanism receives from the solidified body from the temperature difference between the temperature of the cooling fluid that is input and the temperature of the cooling fluid that is discharged. (1) The crystal production apparatus according to (1).

(3)前記熱量検知機構が、抜熱機構が凝固体から受ける単位時間当りの熱量の不連続な増大を検知すると共に、その増大分が融液の凝固進行に伴う単位時間当りの凝固潜熱発生量の1/10を超えたことを検知して警報を発する警報機構を備えていることを特徴とする(1)又は(2)記載の結晶の製造装置。 (3) The heat quantity detection mechanism detects a discontinuous increase in the amount of heat per unit time received by the heat removal mechanism from the solidified body, and the increase is generated by solidification latent heat per unit time as the solidification of the melt progresses. The crystal manufacturing apparatus according to (1) or (2), further comprising an alarm mechanism for detecting an alarm exceeding 1/10 of the amount and issuing an alarm.

(4)(1)〜(3)の何れかに記載の結晶の製造装置を用いて、融液の凝固中に冷却端面側の抜熱機構が凝固体から受ける単位時間当りの熱量を熱量検知機構で熱流量として検知し、この検知結果に基づいて突発的な熱流量の増大が発生しないように、前記融液の凝固の進行を制御することを特徴とする結晶の製造方法。 (4) Using the crystal manufacturing apparatus according to any one of (1) to (3), the amount of heat per unit time received by the heat removal mechanism on the cooling end face side from the solidified body during solidification of the melt is detected. A method for producing a crystal, which is detected as a heat flow rate by a mechanism and which controls the progress of solidification of the melt so as not to cause a sudden increase in heat flow rate based on the detection result.

(5)前記融液の凝固進行の制御は、ヒーターの温度制御により行うことを特徴とする(4)に記載の結晶の製造方法。 (5) The method for producing a crystal according to (4), wherein the progress of solidification of the melt is controlled by temperature control of a heater.

本発明の結晶の製造装置により、一方向凝固結晶の特性不良の原因となる結晶粒の微細化をリアルタイムで検知でき、これによって結晶品質向上、良品歩留の改善が容易に行えるようになる。また、実際の操業においても、品質の異常をリアルタイムで判別でき、問題の発生した凝固プロセスを直ちに中断する等の処置により、サイクルタイムを短縮することも可能となり、更には、その結晶を加工せずともその不良部位が判るため、良品選別の作業が極めて容易になる。このようにして、本発明は高純度の結晶を安価にかつ大量に製造することに寄与する。   With the crystal manufacturing apparatus of the present invention, it is possible to detect in real time the refinement of the crystal grains that cause the characteristic defect of the unidirectionally solidified crystal, thereby making it easy to improve the crystal quality and improve the yield. In actual operation, quality abnormalities can be identified in real time, and the cycle time can be shortened by measures such as immediately interrupting the solidification process in which the problem occurred. Since the defective part can be known at least, it is very easy to select a good product. In this way, the present invention contributes to producing high-purity crystals at low cost and in large quantities.

図1は、一般的な一方向凝固装置の概略を説明するための説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining an outline of a general unidirectional solidification apparatus. 図2は、本発明の実施の一例に係る一方向凝固装置の概略を説明するための説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the outline of the unidirectional solidification device according to an example of the embodiment of the present invention.

図3は、本発明の一方向凝固装置に搭載される電気計装系の概略を説明するための説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining an outline of an electrical instrumentation system mounted on the unidirectional solidification apparatus of the present invention. 図4は、鋳型底部に水冷盤を用いない一般的なシリコンの一方向凝固装置に、本発明を適用した場合の概略を説明するための説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining an outline in the case where the present invention is applied to a general silicon unidirectional solidification apparatus that does not use a water-cooled disc at the bottom of the mold.

図5は、水平方向に一方向凝固を行う一方向凝固装置の概略を説明するための説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining an outline of a unidirectional solidification apparatus that performs unidirectional solidification in the horizontal direction. 図6は、本発明の実施例1〜3及び比較例1の一方向凝固装置に共通の炉内構造の概略を説明するための説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining an outline of the in-furnace structure common to the unidirectional solidification apparatuses of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 of the present invention.

図7は、本発明の比較例1に係る一方向凝固装置の電気計装系の概略を説明するための説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the outline of the electric instrumentation system of the unidirectional solidification apparatus according to Comparative Example 1 of the present invention. 図8は、本発明の比較例1における凝固中のプロセスデータを示すグラフ図である。FIG. 8 is a graph showing process data during solidification in Comparative Example 1 of the present invention.

図9は、本発明の比較例1で得られた結晶の鉛直断面の概略を説明するための説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the outline of the vertical cross section of the crystal obtained in Comparative Example 1 of the present invention. 図10は、本発明の実施例1の一方向凝固装置の電気計装系の概略を説明するための説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining an outline of the electric instrumentation system of the unidirectional solidification apparatus according to the first embodiment of the present invention.

図11は、本発明の実施例1における凝固中のプロセスデータを示すグラフ図である。FIG. 11 is a graph showing process data during solidification in Example 1 of the present invention. 図12は、本発明の実施例1における凝固中で結晶微細化が起きた時刻前後に対応して観測された熱流量Qの値の変化を示すグラフ図である。FIG. 12 is a graph showing changes in the value of the heat flow rate Q observed corresponding to before and after the time when crystal refinement occurred during solidification in Example 1 of the present invention.

図13は、本発明の実施例1で得られた結晶の鉛直断面の概略を説明するための説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the outline of the vertical cross section of the crystal obtained in Example 1 of the present invention. 図14は、本発明の実施例2における凝固中のプロセスデータを示すグラフ図である。FIG. 14 is a graph showing process data during solidification in Example 2 of the present invention.

図15は、本発明の実施例2で得られた結晶の鉛直断面の概略を説明するための説明図である。FIG. 15 is an explanatory diagram for explaining the outline of the vertical cross section of the crystal obtained in Example 2 of the present invention. 図16は、本発明の実施例3における凝固中のプロセスデータを示すグラフ図である。FIG. 16 is a graph showing process data during solidification in Example 3 of the present invention.

図17は、本発明の実施例5の一方向凝固装置の電気計装系の概略を説明するための説明図である。FIG. 17 is an explanatory diagram for explaining an outline of an electrical instrumentation system of a unidirectional solidification apparatus according to Embodiment 5 of the present invention.

図2に、本発明の一例に係るシリコンの一方向凝固装置が示されている。この装置は、不活性ガスで密閉可能な炉体容器1の内部底面に台座4が設置され、その上にシリコン原料2を保持するための鋳型3が設置され、その鋳型3の上方には、シリコン原料2を室温から溶融状態を経て凝固状態に遷移させるためのヒーター6がセットされている。また、鋳型3とヒーター6を取り囲むようにして、鋳型3の側面とヒーター6の上面にはそれぞれ肉厚のカーボンファイバー製の断熱材7、8が設置されており、高温となるヒーター6と鋳型3から炉体容器1への熱流が大幅に抑制されている。鋳型3の下部にはシリコン原料2の下部を冷却するための水冷盤9が設置されている。また、鋳型3を設置する台座4は4本の支持脚5で支えられており、これら支持脚5の断面積は水冷盤9の冷却面積に対して無視できるほど小さくなっており、その炉体溶器1の底面に接触する部分も強く断熱されている。このような鋳型下部の構造により、結晶下面から抜熱された熱の大部分が水冷盤9に吸収される。   FIG. 2 shows a unidirectional solidification apparatus for silicon according to an example of the present invention. In this apparatus, a pedestal 4 is installed on the inner bottom surface of a furnace container 1 that can be sealed with an inert gas, and a mold 3 for holding the silicon raw material 2 is installed on the pedestal 4. A heater 6 is set for transitioning the silicon raw material 2 from room temperature to a solidified state through a molten state. Further, thick carbon fiber heat insulating materials 7 and 8 are respectively installed on the side surface of the mold 3 and the upper surface of the heater 6 so as to surround the mold 3 and the heater 6. The heat flow from 3 to the furnace body container 1 is greatly suppressed. A water cooling board 9 for cooling the lower part of the silicon raw material 2 is installed at the lower part of the mold 3. The pedestal 4 on which the mold 3 is installed is supported by four support legs 5, and the cross-sectional area of these support legs 5 is so small that it can be ignored with respect to the cooling area of the water cooling board 9. The portion that contacts the bottom surface of the fuser 1 is also strongly insulated. Due to the structure of the lower part of the mold, most of the heat extracted from the lower surface of the crystal is absorbed by the water cooling board 9.

この水冷盤9の内部には、冷却水チャンネル10が構成されており、これが冷却水の導入管11と排出管12に接続されており、その内部に常温の冷却水を流して水冷盤9が常温に近い温度に保たれるようになっている。また、この水冷盤9はベローズ13と駆動機構によって上下方向に移動可能となっており、その上表面を鋳型3を載せた台座4の下面に密着させることが可能となっている。冷却水の導入管11には水温を計測するための温度計接点15が配置されており、また、冷却水の排出管12には、その水温を計測するための温度計接点16と、その流量を計測するための流量計14とが配置されている。それぞれの温度計接点15,16は、冷却水の温度を正確に測定するために、図示外のシース管により各々の配管断面の中央に位置するように固定されている。なお、図2において、符号17は温度制御用熱電対であり、また、符号18はサービスポートである。   A cooling water channel 10 is formed inside the water cooling board 9 and is connected to a cooling water introduction pipe 11 and a discharge pipe 12. It is kept at a temperature close to room temperature. The water cooling board 9 can be moved in the vertical direction by a bellows 13 and a drive mechanism, and its upper surface can be brought into close contact with the lower surface of the base 4 on which the mold 3 is placed. The cooling water introduction pipe 11 is provided with a thermometer contact 15 for measuring the water temperature, and the cooling water discharge pipe 12 is provided with a thermometer contact 16 for measuring the water temperature and a flow rate thereof. And a flow meter 14 for measuring. Each thermometer contact 15, 16 is fixed so as to be positioned at the center of each pipe cross section by a sheath pipe (not shown) in order to accurately measure the temperature of the cooling water. In FIG. 2, reference numeral 17 denotes a temperature control thermocouple, and reference numeral 18 denotes a service port.

図3は、この一方向凝固炉の水冷盤9の冷却水配管系に配置された流量計14と温度計接点15,16による電気計装系の概略図である。ここで、温度計接点15,16に使用する温度計は、後述するように、できるだけ感度の高いものを使用することが望ましい。この二つの温度計接点15,16からの出力は、信号変換器19を通して、冷却水の導入側と排出側の温度差ΔT(℃)の信号として出力され、炉のI/O盤20に入力される。また流量計14の出力信号F(L/sec)も平行して炉のI/O盤20に入力される。炉の制御装置21はこれらの二つの信号を基にして、冷却水が単位時間当りに受けた熱量(言い換えれば、冷却水による単位時間当りの抜熱量であり、以下「熱流量」という。)Qをリアルタイムで計算し、これらQ、ΔT、Fの時系列に連続した値を操作盤22に表示すると同時に記録装置23に一方向凝固の時間経過と共に保存するように構成されている。ここで、熱流量Q(L/sec)は、冷却媒体の比熱をα(J/Kg/℃)として次の関係式(1)で表せる。冷却媒体が水の場合のαは4200(J/Kg/℃)である。
Q=αΔTF‥‥(1)
FIG. 3 is a schematic diagram of an electrical instrumentation system including a flow meter 14 and thermometer contacts 15 and 16 arranged in the cooling water piping system of the water cooling board 9 of the unidirectional solidification furnace. Here, as will be described later, it is desirable to use a thermometer having the highest possible sensitivity as the thermometer contacts 15 and 16. The outputs from the two thermometer contacts 15 and 16 are output as a signal of the temperature difference ΔT (° C.) between the cooling water introduction side and the discharge side through the signal converter 19 and input to the furnace I / O panel 20. Is done. The output signal F (L / sec) of the flow meter 14 is also input to the I / O board 20 of the furnace in parallel. Based on these two signals, the furnace control device 21 receives the amount of heat received by the cooling water per unit time (in other words, the amount of heat removed by the cooling water per unit time, hereinafter referred to as “heat flow rate”). Q is calculated in real time, and these time-sequential values of Q, ΔT, and F are displayed on the operation panel 22, and at the same time, stored in the recording device 23 as time passes for unidirectional solidification. Here, the heat flow rate Q (L / sec) can be expressed by the following relational expression (1), where the specific heat of the cooling medium is α (J / Kg / ° C.). When the cooling medium is water, α is 4200 (J / Kg / ° C.).
Q = αΔTF (1)

本発明では、凝固速度の異常な変動による凝固潜熱の発生を検出する必要があるため、図3に示した流量計14から制御装置21の計装系により検出される熱流量Qの分解能Qresは、正常時の凝固速度Vから算出される単位時間当りの潜熱の発生量Qvと比較してより小さい量を検知できなくてはならない。本発明者等が実施した多くの実験結果によれば、QresはQvの1/10以下であれば十分結晶粒の微細化の発生を検出できることが判っている。   In the present invention, since it is necessary to detect the generation of latent heat of solidification due to abnormal fluctuations in the solidification speed, the resolution Qres of the thermal flow rate Q detected by the instrumentation system of the control device 21 from the flow meter 14 shown in FIG. It must be possible to detect a smaller amount than the amount Qv of latent heat generated per unit time calculated from the normal solidification rate V. According to the results of many experiments conducted by the present inventors, it has been found that if Qres is 1/10 or less of Qv, the occurrence of crystal grain refinement can be detected sufficiently.

ここで、Qvは、凝固潜熱をL、結晶の融点での密度をρ、鋳型底面の面積をAとして次の式(2)で計算される。
Qv=ρLVA‥‥(2)
従って、必要とされる検出分解能Qresは次の式(3)となる。
Qres<ρLVA×0.1‥‥(3)
Here, Qv is calculated by the following equation (2), where L is the solidification latent heat, ρ is the density at the melting point of the crystal, and A is the area of the bottom of the mold.
Qv = ρLVA (2)
Therefore, the required detection resolution Qres is expressed by the following equation (3).
Qres <ρLVA × 0.1 (3)

ここで、流量計14の相対精度をδFとすると、(1)と(3)の関係式から、流量計14と温度計接点15とによって検出される温度差ΔTの分解能ΔTresは、次の式(4)で表せる。
ΔTres=ρLVαF1+δF×0.1‥‥(4)
Here, assuming that the relative accuracy of the flow meter 14 is δ F , from the relational expressions (1) and (3), the resolution ΔTres of the temperature difference ΔT detected by the flow meter 14 and the thermometer contact 15 is It can be expressed by equation (4).
ΔTres = ρLVαF1 + δF × 0.1 (4)

尤も、工業的に広く用いられている市販の流量計では、その出力値Fの相対精度δFは0.5%以下であるから、式(4)においてδFの影響は実用上無視できて、以下の式(5)でΔTの必要精度を判断することができる。
ΔTres〜ρLVαF×0.1‥‥(5)
However, in a commercially available flow meter widely used in industry, the relative accuracy δ F of the output value F is 0.5% or less, so the influence of δ F in equation (4) can be ignored in practice. The required accuracy of ΔT can be determined by the following equation (5).
ΔTres〜ρLVαF × 0.1 (5)

太陽電池用のシリコンの一方向凝固においては、Vの値は2×10-6(m/sec)程度であり、結晶の断面積を0.64(m2)、冷却水流量を2.5(Kg/sec)(=150L/min)とすれば、ρ=2.35×103(Kg/m3)、L=1.80×106(J/Kg)であるから、これらの値を式(4)に代入すると、要求される冷却水温度の分解能(ΔTres)は、以下の関係式となる。
ΔTres<0.042(℃)‥‥(6)
In the unidirectional solidification of silicon for solar cells, the value of V is about 2 × 10 −6 (m / sec), the cross-sectional area of the crystal is 0.64 (m 2 ), and the cooling water flow rate is 2.5. If (Kg / sec) (= 150 L / min), ρ = 2.35 × 10 3 (Kg / m 3 ) and L = 1.80 × 10 6 (J / Kg). Is substituted into the equation (4), the required resolution (ΔTres) of the cooling water temperature becomes the following relational expression.
ΔTres <0.042 (℃) (6)

しかしながら、汎用の一般的な温度計測装置の分解能は0.1℃程度であるため、この精度を得るためには、以下のような工夫が必要である。例えば、温度計として単位温度当りの起電力である温度変換計数が大きい64.4(μV/℃)のE型の熱電対を選択することが有効である。この場合には信号変換器19のノイズ性能は、式(6)と温度変換計数の値から、1.2μV以下であることが要求されるが、このためには温度計接点15,16に用いるE型熱電対を差動配線する工夫と同時に、信号変換器としては歪計測等に用いられる高精度の電圧増幅器を用いることができる。また、結晶の微細化を伴う急激な凝固進行は、秒単位での変化ではないので信号変換器19の内部回路においては、熱電対からの温度差ΔTの信号について数10秒程度の時間平滑化を行ってノイズ特性を改善してもよい。   However, since the resolution of a general-purpose general temperature measuring device is about 0.1 ° C., the following device is necessary to obtain this accuracy. For example, it is effective to select a 64.4 (μV / ° C.) E-type thermocouple having a large temperature conversion count as an electromotive force per unit temperature as a thermometer. In this case, the noise performance of the signal converter 19 is required to be 1.2 μV or less from the value of the equation (6) and the temperature conversion count. For this purpose, it is used for the thermometer contacts 15 and 16. At the same time as the E-type thermocouple differential wiring, a high-accuracy voltage amplifier used for strain measurement or the like can be used as the signal converter. In addition, since rapid solidification with crystal refinement is not a change in seconds, in the internal circuit of the signal converter 19, the signal of the temperature difference ΔT from the thermocouple is smoothed for several tens of seconds. To improve the noise characteristics.

当然であるが、信号変換器19及び流量計14から炉のI/O盤20及び制御装置21へ送られる信号は計測精度を損なわないように、デジタル化時の精度にも十分な注意を払わなくてはならない。なお、温度の測定精度の基準となる正常時の凝固速度Vについては、これを直接測定するのは困難であるが、凝固開始から凝固完了までの所要時間をインゴット高さで除した平均凝固速度を代用してもよい。例えば、図2では炉の天井中央にサービスポート18が設置されており、このポート18を利用して黒鉛製もしくは石英製の探査棒28を差し込めば、凝固界面の位置の測定等を行うことも可能であり、その時間当りの位置変化から逐次凝固速度Vを求めることができる。   Needless to say, the signal sent from the signal converter 19 and the flow meter 14 to the furnace I / O board 20 and the control device 21 pays sufficient attention to the accuracy when digitized so as not to impair the measurement accuracy. Must-have. It is difficult to directly measure the normal solidification rate V, which is a reference for temperature measurement accuracy, but the average solidification rate obtained by dividing the required time from the start of solidification to the completion of solidification by the ingot height. May be substituted. For example, in FIG. 2, a service port 18 is installed in the center of the furnace ceiling. By using this port 18, a graphite or quartz probe rod 28 can be inserted to measure the position of the solidification interface. It is possible, and the coagulation velocity V can be obtained sequentially from the position change per time.

もし、この凝固装置に導入される冷却水の流量Fが極めて安定していて、定数とみなされる場合には、式(1)を見ての通り、熱流量Qは単純に温度差ΔTに比例する値となるから、流量計14を利用する必要はなく、ΔTの信号のみを測定することで、結晶粒の微細化の発生を検出できる。   If the flow rate F of the cooling water introduced into the solidification apparatus is extremely stable and is regarded as a constant, the heat flow rate Q is simply proportional to the temperature difference ΔT as seen from equation (1). Therefore, it is not necessary to use the flow meter 14, and the occurrence of crystal grain refinement can be detected by measuring only the ΔT signal.

更に、この装置では、結晶からの熱流量(抜熱量)Qがリアルタイムで計測されていることから、Qが突発的に増加したことを検出した場合に、直ちに警報を発する機能を付与することも可能である。具体的には、この装置の制御装置に、凝固速度Vの値の入力30と表示灯29を設けて制御装置22に以下の機能を加えるものである。   Furthermore, in this apparatus, since the heat flow rate (heat extraction amount) Q from the crystal is measured in real time, when it is detected that Q has suddenly increased, a function to immediately issue an alarm may be added. Is possible. Specifically, the control device of this device is provided with an input 30 for the value of coagulation velocity V and an indicator lamp 29 to add the following functions to the control device 22.

(A)式(2)に従って、凝固速度Vからこの凝固速度Vでの潜熱発生量Qvを計算する 機能。
ここで、Vは過去の操業実績を求めて定数で与えてもよいし、探索棒28の指示位置 から算出した値でもよい。
(A) A function of calculating the latent heat generation amount Qv at the solidification rate V from the solidification rate V according to the equation (2).
Here, V may be a constant obtained by obtaining past operation results, or may be a value calculated from the indicated position of the search bar 28.

(B)連続して記録されている熱流量Qの所定単位時間前、例えば2分前の値と、その時 刻での値Qを比較しQの単位時間当りの増分ΔQを計算する機能。
(C)(B)で求めた増分ΔQと(A)で求めたQvとを比較し、ΔQとQvの比(ΔQ/ Qv)を計算する機能。
(B) A function of calculating an increment ΔQ per unit time by comparing a value Q at a predetermined unit time, for example, two minutes before the heat flow rate Q recorded continuously, with a value Q at that time.
(C) A function of comparing the increment ΔQ obtained in (B) with Qv obtained in (A) and calculating the ratio (ΔQ / Qv) of ΔQ and Qv.

(D)ΔQ/Qvが所定の値、例えば、0.1を超えたことを判定する機能。
(E)(D)の判定結果に基づき、警報を発し、表示灯を点灯させる機能。
この機能によって、表示灯29の点灯により、操業中において結晶粒の微細化が発生 した可能性があることを直ちに作業者に知らせることができる。
(D) A function of determining that ΔQ / Qv exceeds a predetermined value, for example, 0.1.
(E) Based on the determination result of (D), a function for issuing an alarm and turning on the indicator lamp.
With this function, it is possible to immediately notify the operator that crystal grains may have been refined during operation by turning on the indicator lamp 29.

また、リカレッセンスを伴う結晶粒の微細化の発生は、一般的に結晶成長界面の過冷却によるものであるから、これは融液の温度が低いほど発生する可能性が高い。従って、ヒーターの制御温度をできるだけ高温に保ち続けることが、結晶粒の微細化を防止するのに有効な方法である。一般的な一方向凝固装置では、製造された結晶を分割して結晶粒の微細化の発生位置を特定できたとしても、凝固進行中のどの時刻で結晶の微細化が発生したかは正確に求められないが、本発明の装置を使用すれば、どの時刻で結晶が微細化したかを確実に把握することができる。この利点のため、本発明の装置での操業において、結晶粒の微細化が頻発するようであれば、結晶粒の微細化が多発する時刻帯において、ヒーターの制御温度を高い値に設定し冷却速度を遅くすることによって結晶粒の微細化が起こらない操業をすることができる。ここでの、リカレッセンスの防止に必要なヒーターの制御温度の増分は、原理的にリカレッセンスが臨界現象であるため発生限界よりも僅かに遅い冷却速度にできれば十分であるが、その発生限界値を正確に知ることは困難である。しかし一方で、シリコンの凝固においては凝固進行に必要な過冷却は大きくとも10℃程度であることが知られている(非特許文献5)。このため、リカレッセンスを防止するためのヒーターの制御温度増分は10℃程度が目安となるが、この値は実績に応じて小さくすることも可能である。   Moreover, since the occurrence of crystal grain refinement accompanied by recurrence is generally due to supercooling of the crystal growth interface, this is more likely to occur as the melt temperature is lower. Therefore, keeping the heater control temperature as high as possible is an effective method for preventing the refinement of crystal grains. Even with a general unidirectional solidification device, even if the produced crystal is divided and the location of the refinement of the crystal grains can be specified, the exact time at which the refinement of the crystal has occurred is accurately determined. Although not required, if the apparatus of the present invention is used, it can be surely grasped at which time the crystal is refined. Because of this advantage, if the refinement of crystal grains frequently occurs in the operation of the apparatus of the present invention, the control temperature of the heater is set to a high value in the time zone where the refinement of crystal grains frequently occurs and the cooling is performed. By slowing down the speed, it is possible to operate without crystal grain refinement. Here, the increase in the control temperature of the heater necessary to prevent recurrence is sufficient if the cooling rate is slightly slower than the generation limit because in principle, recurrence is a critical phenomenon. It is difficult to know exactly. On the other hand, it is known that the supercooling required for the progress of solidification is about 10 ° C. at most in solidification of silicon (Non-patent Document 5). For this reason, the control temperature increment of the heater for preventing recurrence is about 10 ° C., but this value can be reduced according to the results.

また、近年太陽電池用のシリコンウエハーを採取するための多結晶シリコンインゴットを製造する一方向凝固装置として、図4に示すように、鋳型3の下部に水冷盤を持たずに、表面積の大きな黒鉛製の冷却ブロック25を鋳型の台座として使用し、その黒鉛製ブロック25の下部側面から発する輻射熱を炉体容器1の下部に設置された水冷壁27に直接受けることで、結晶下部を冷却する装置が広く使用されているが、このような装置においても、その炉体下部の水冷壁27への冷却水の導入配管11及び排出配管12に、図3に示したものと同じ冷却水の温度計接点15,16と流量計14からなる熱流量の計装系を設置してもよい。なお、図4において、符号24は鋳型底板である。   Further, as a unidirectional solidification apparatus for producing a polycrystalline silicon ingot for collecting silicon wafers for solar cells in recent years, as shown in FIG. A device that cools the lower part of a crystal by using a cooling block 25 made of a mold as a base for a mold and directly receiving the radiant heat emitted from the lower side surface of the graphite block 25 on a water cooling wall 27 installed at the lower part of the furnace body 1 However, even in such an apparatus, the same cooling water thermometer as shown in FIG. 3 is provided in the cooling water introduction pipe 11 and the discharge pipe 12 to the water cooling wall 27 at the bottom of the furnace body. A heat flow instrumentation system comprising the contacts 15, 16 and the flow meter 14 may be installed. In FIG. 4, reference numeral 24 denotes a mold bottom plate.

また、図5に示すように、鋳型3の左側面にヒーター6を配置し、右側面に水冷盤9を配置し、ヒーター6の左側面と鋳型3の上面及び下面側を、それぞれ肉厚の断熱材7,8,26によって強固に断熱して、結晶を右から左に水平方向に一方向凝固させる装置構造においても、前記図3に示した計装系を付加することで、本発明の適用が可能である。   Further, as shown in FIG. 5, the heater 6 is disposed on the left side of the mold 3, the water cooling board 9 is disposed on the right side, and the left side of the heater 6 and the upper and lower surfaces of the mold 3 are thickened. Even in the device structure in which the crystal is unidirectionally solidified in the horizontal direction from right to left by the heat insulating materials 7, 8, 26, the instrumentation system shown in FIG. Applicable.

本発明の原理となっている、リカレッセンス、即ち、過冷却に伴う結晶粒の微細化現象は、シリコンの凝固に特有の現象ではなくNi、Al、Ag、Co、Ge等の単元素の金属、半導体のみならず、Ni-Fe、Ni-Cu、Cu-Sn等の合金系においても観測され、そのメカニズムは金属、半導体の凝固において普遍的な現象であることが示されている(非特許文献4参照)。従って、本発明は、シリコンだけでなく他の半導体材料や金属材料の一方向凝固においても同様に適用可能である。   Recurrence, that is, the phenomenon of crystal grain refinement accompanying supercooling, which is the principle of the present invention, is not a phenomenon peculiar to the solidification of silicon, but a single element metal such as Ni, Al, Ag, Co, or Ge. It has been observed not only in semiconductors but also in alloy systems such as Ni-Fe, Ni-Cu, Cu-Sn, etc., and its mechanism has been shown to be a universal phenomenon in the solidification of metals and semiconductors (non-patent) Reference 4). Therefore, the present invention can be similarly applied not only to silicon but also to unidirectional solidification of other semiconductor materials and metal materials.

以下、本発明の結晶の製造装置及び製造方法について、太陽電池用シリコン原料を精製するための一方向凝固装置及び凝固方法を例にして、実施例と比較例を挙げて具体的に説明するが、本発明は下記の実施例及び比較例に限定されるものではない。   Hereinafter, the crystal production apparatus and production method of the present invention will be described in detail with reference to examples and comparative examples, using a unidirectional solidification apparatus and a solidification method for purifying silicon raw materials for solar cells as examples. The present invention is not limited to the following examples and comparative examples.

ここで取り上げる実施例1〜4及び比較例1の一方向凝固装置における共通の基本構造を図6に示す。これは、先の図2で説明した一方向凝固装置に準じたものである。ここで、炉体容器1は箱形の水冷ジャケット構造のものであり、用いる鋳型3は太陽電池向けシリコン用に市販されている内寸830mm×830mm及び高さ450mmの角型の石英製鋳型であり、この鋳型3内に450kgの低純度のシリコン原料2を投入し、抵抗加熱によるヒーター6に通電し、ヒーター6の近くに設置した温度制御用熱電対17の表示値でヒーター6の通電電力をPID制御しながら、投入したシリコン原料2を溶解し、融液全体を融点以上の温度に保持した後、鋳型底部の水冷盤9を台座4の下面に接触させ、引き続き液面上方側の温度を下げながら、鋳型内のシリコンを一方向凝固させることで、凝固偏析を利用して、高純度のシリコン結晶を得るものである。   FIG. 6 shows a common basic structure in the unidirectional solidification apparatuses of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 taken up here. This is in accordance with the unidirectional solidification apparatus described with reference to FIG. Here, the furnace body container 1 has a box-shaped water-cooled jacket structure, and the mold 3 to be used is a rectangular quartz mold having an inner size of 830 mm × 830 mm and a height of 450 mm that is commercially available for silicon for solar cells. Yes, 450 kg of low-purity silicon raw material 2 is charged into the mold 3, the heater 6 is energized by resistance heating, and the energization power of the heater 6 is indicated by the temperature control thermocouple 17 installed near the heater 6. While the PID control is performed, the charged silicon raw material 2 is dissolved and the entire melt is kept at a temperature higher than the melting point, and then the water cooling plate 9 at the bottom of the mold is brought into contact with the lower surface of the pedestal 4, The silicon in the mold is unidirectionally solidified while lowering the temperature, thereby obtaining high-purity silicon crystals using solidification segregation.

ここで、ヒーター6は黒鉛製であり、外側の断熱材7及び8はカーボンファイバー製であり、台座4及び支持脚5はカーボンファイバー・コンポジット製のものが使用されている。鋳型下部の水冷盤9は銅製でその内部に冷却水チャンネル10が構成されており、その表面積は0.64m2であって、内部の冷却水チャンネル10内には、常時一分間当り80L(=1.33Kg/sec)の常温の冷却水が導入されている。また、凝固の進行状況を調べるために、炉の上面にはが設けられており、このサービスポート18から凝固界面位置測定用の黒鉛製探索棒28を差し込み、その差し込み長さから凝固界面の高さ位置を逐次計測できるようになっている。なお、これらの装置で製造されるシリコンインゴットは、その大きさが幅830mm×830mm及び高さ275mmの直方体となる。 Here, the heater 6 is made of graphite, the outer heat insulating materials 7 and 8 are made of carbon fiber, and the base 4 and the support leg 5 are made of carbon fiber composite. The water cooling plate 9 at the lower part of the mold is made of copper and has a cooling water channel 10 formed therein, and its surface area is 0.64 m 2. In the cooling water channel 10 inside, 80 L (== 1.33 Kg / sec) of room temperature cooling water is introduced. Further, in order to investigate the progress of solidification, a furnace is provided on the upper surface of the furnace, and a graphite search rod 28 for measuring the solidification interface position is inserted from this service port 18, and the solidification interface height is determined from the insertion length. The position can be measured sequentially. In addition, the silicon ingot manufactured by these apparatuses is a rectangular parallelepiped having a width of 830 mm × 830 mm and a height of 275 mm.

〔比較例1〕
比較例1の一方向凝固装置は、上記に説明した構造の一方向凝固装置において、図7に示すような電気計装系を有するものである。ここでは、冷却水の導入側の温度計接点15には温度計が設定されておらず、排出側の温度計接点16にのみ、温度の測定分解能が0.1℃である白金抵抗体センサー16aが設定されている。この白金抵抗体センサー16aからの出力信号は、白金抵抗体用の信号変換器19aに入力され、温度データーとして炉のI/O盤20を経て制御装置21に入力され、操作盤22に表示されると同時に、記録装置23に一方向凝固の時間経過と共に保存される。また、冷却水の流量計14aとしては市販の浮子式のものが設置されており、浮子の位置を目視で読み取ることにより、その流量を確認するものである。
[Comparative Example 1]
The unidirectional solidification apparatus of the comparative example 1 is the unidirectional solidification apparatus having the structure described above, and has an electrical instrumentation system as shown in FIG. Here, no thermometer is set for the thermometer contact 15 on the cooling water introduction side, and the platinum resistor sensor 16a having a temperature measurement resolution of 0.1 ° C. only on the thermometer contact 16 on the discharge side. Is set. The output signal from the platinum resistor sensor 16a is input to a signal converter 19a for the platinum resistor, and is input as temperature data to the control device 21 via the furnace I / O panel 20 and displayed on the operation panel 22. At the same time, it is stored in the recording device 23 as time passes for unidirectional solidification. Further, a commercially available float type is installed as the cooling water flow meter 14a, and the flow rate is confirmed by visually reading the position of the float.

この図7に示す計装系を備えた比較例1の一方向凝固装置を用いて、鉄濃度[が]200ppmwのシリコン原料450kgを溶解し、温度制御用熱電対17の温度が1495℃になるようにヒーター6に加える電力を調整し、その温度を保持して融液温度を安定化させた後、表1に示す時間ステップに従った温度制御を行い、シリコンの一方向凝固を実施した。   Using the unidirectional solidification apparatus of Comparative Example 1 equipped with the instrumentation system shown in FIG. 7, 450 kg of silicon raw material having an iron concentration of 200 ppmw is melted, and the temperature of the thermocouple 17 for temperature control becomes 1495 ° C. Thus, the electric power applied to the heater 6 was adjusted, and the melt temperature was stabilized by maintaining the temperature, and then the temperature was controlled according to the time steps shown in Table 1 to perform unidirectional solidification of silicon.

Figure 2013199417
Figure 2013199417

図8は、この比較例1の凝固プロセスにおいて、その始まりから終わりまでの各操業パラメーターの経時変化を示したもので、実線a)は液面上方の温度制御用熱電対17の指示温度Tを、また、破線b)は凝固界面位置の探索棒28で測定した凝固界面の位置から求められた結晶成長界面と鋳型底内面との間の距離、即ち、凝固高さhを、更に、c)は冷却水の排水側の温度Twをそれぞれ示している。凝固高さhの経時変化b)から読み取れるように、この比較例1では、時刻120分より凝固が始まり、時刻1920分で凝固高さhが275mmに到達し、一方向凝固が完了している。   FIG. 8 shows the change with time of each operation parameter from the start to the end in the solidification process of Comparative Example 1. The solid line a) shows the indicated temperature T of the thermocouple 17 for temperature control above the liquid level. Further, the broken line b) shows the distance between the crystal growth interface and the inner surface of the mold bottom obtained from the position of the solidification interface measured by the solidification interface position search rod 28, that is, the solidification height h, and c). Indicates the temperature Tw on the drain side of the cooling water. As can be seen from the time-dependent change b) of the solidification height h, in Comparative Example 1, solidification started at time 120 minutes, and at time 1920 minutes, the solidification height h reached 275 mm, and unidirectional solidification was completed. .

この凝固が進行している間において、液面上の温度制御用熱電対17の指示温度には急激な変化は見られなかった。また、冷却水の排水側温度Twには長周期の脈動があり、かつ、振幅0.2℃度程度のノイズが乗っているものの、記録されたデーターを見る限りにおいては、凝固進行中での冷却水温度の急激な変化は見られなかった。また、冷却水流量についても1時間おきに目視によって浮子の指示目盛を読み取って監視していたが流量の変動は見られなかった。   While this solidification was in progress, there was no rapid change in the indicated temperature of the temperature control thermocouple 17 on the liquid surface. Further, although the cooling water drain side temperature Tw has a long-period pulsation and noise of about 0.2 ° C. in amplitude, as far as the recorded data is seen, solidification is in progress. There was no sudden change in the cooling water temperature. Further, the cooling water flow rate was monitored by visually reading the indicator scale of the float every hour, but no fluctuations in the flow rate were observed.

このようにして一方向凝固を完了して得られたシリコンインゴットについては、その内部を検査するため、凝固(鉛直)方向に切断して2等分割した。図9は、その分割断面の結晶組織の概略を示す説明図であり、結晶粒が微細化している部分をハッチングで示してしている。良好なインゴットでは、結晶粒の微細化は、一方向凝固の最終段階に、不純物元素の濃縮による組成的過冷却が発生した部分でのみ起こるのが正常であるが、このインゴットでは、結晶粒が微細化した部分が、凝固末期に相当する上面から25mmの領域Aの他に、底面から45mmの位置から80mmの位置にかけて4箇所(図中B、C、D、Eで示す)ほど水平方向に細長く広がるようにして発生していた。また、簡易型の蛍光X線分析装置で領域A、B、C、D、Eの鉄の濃度を測定したところ、それぞれ2120ppmw、29ppmw、30ppmw、27ppmw、24ppmwであった。領域A、B、C、D、E以外の太い柱状晶部分の鉄の濃度を測定したところ、その濃度は検出下限値の1ppmw以下であることが判った。   The silicon ingot obtained by completing the unidirectional solidification in this way was cut into two equal parts by cutting in the solidification (vertical) direction in order to inspect the inside. FIG. 9 is an explanatory diagram showing an outline of the crystal structure of the divided cross section, and hatched portions where crystal grains are miniaturized. In a good ingot, grain refinement usually occurs only in the part where compositional supercooling due to concentration of impurity elements occurs in the final stage of unidirectional solidification. In addition to the area A of 25 mm from the top surface corresponding to the end of solidification, the refined portion has four horizontal positions (indicated by B, C, D and E in the figure) from the position of 45 mm to the position of 80 mm from the bottom surface. It was caused to spread long and narrow. Further, when the concentration of iron in the regions A, B, C, D, and E was measured with a simple fluorescent X-ray analyzer, they were 2120 ppmw, 29 ppmw, 30 ppmw, 27 ppmw, and 24 ppmw, respectively. When the iron concentration in the thick columnar crystal portion other than the regions A, B, C, D, and E was measured, it was found that the concentration was 1 ppmw or less of the detection lower limit value.

通常は、275mmの内、領域Aの上面から25mmと底面から10mmとを取り除いて良品とするため、製品歩留が87%になるが、この比較例1においては、領域B、C、D、Eの部分が太陽電池用原料の規格(SEMI-PV170611)から外れ、実際の良品歩留は72.3%に過ぎなかった。   Usually, the product yield is 87% in order to remove 25 mm from the top surface and 10 mm from the bottom surface of the region A out of 275 mm, so that the product yield is 87%. However, in this comparative example 1, the regions B, C, D, The part E deviated from the standard for raw materials for solar cells (SEMI-PV170611), and the actual yield rate was only 72.3%.

〔実施例1〕
実施例1のシリコンの一方向凝固装置は、比較例1の場合と炉の構造は同じであるが、冷却水の電気計装系として、図10に示すような構成を有するものを用いた。ここでは、冷却水の導入側の温度計接点15及び排出側の温度計接点16にそれぞれJIS-1級のE型の熱電対15b,16bが取り付けられており、これら熱電対15b,16bの各々の端子は差動配線で歪ゲージ用の高精度の信号変換器19bに接続され、熱電対15b,16bからの信号が信号変換器19bに入力されるようになっている。なお、この計装系では熱電対15b,16bが差動結線されているため、信号変換器19bからの出力は冷却水の温度差ΔTのみとなる。
[Example 1]
The silicon unidirectional solidification apparatus of Example 1 has the same furnace structure as that of Comparative Example 1, but a cooling water electric instrumentation system having a configuration as shown in FIG. 10 was used. Here, E-type thermocouples 15b and 16b of JIS-1 class are attached to the thermometer contact 15 on the cooling water introduction side and the thermometer contact 16 on the discharge side, respectively. These terminals are connected to a high-precision signal converter 19b for strain gauges by differential wiring, and signals from the thermocouples 15b and 16b are input to the signal converter 19b. In this instrumentation system, since the thermocouples 15b and 16b are differentially connected, the output from the signal converter 19b is only the temperature difference ΔT of the cooling water.

また、冷却水の流量計として汎用の電磁式流速計14bを用いており、その測定精度はフルスケール200(L/min)の0.5%で、1(L/min)である。信号変換器19bと、流速計14bからの温度差ΔTと流量Fの出力はデジタル信号化されて炉の制御装置21に入力され、上述した式(1)よって熱流量Qの値が求められ、この熱流量Qは、操作盤22に表示されると同時に、記録装置23に一方向凝固の時間経過と共に記録される。   Further, a general-purpose electromagnetic velocimeter 14b is used as a flow meter for cooling water, and the measurement accuracy is 0.5% of full scale 200 (L / min), which is 1 (L / min). The output of the temperature difference ΔT and the flow rate F from the signal converter 19b and the anemometer 14b is converted into a digital signal and input to the furnace control device 21, and the value of the heat flow rate Q is obtained by the above equation (1). This heat flow rate Q is displayed on the operation panel 22 and simultaneously recorded in the recording device 23 as time elapses in the unidirectional solidification.

このような計装系を持つ、このシリコンの一方向凝固装置を用いて、比較例1と同様に、鉄濃度が200ppmwのシリコン原料450kgを溶解し、制御熱電対17の温度を1495℃に保持して融液温度を安定化させた後、比較例1の条件と全く同じく表1に示す時間ステップに従い、温度制御用熱電対17の温度を制御しながらシリコンの一方向凝固を行った。図11は、この実施例1の凝固プロセスにおいて、その始まりから終わりまでの各操業パラメーターの経時変化を示したもので、実線a)は液面上方の温度制御用熱電対17の指示温度Tを、破線b)は探索棒28で測定した凝固界面の位置から求めた凝固高さhを、c)は冷却水の流量Fを、また、d)は冷却水の温度差ΔTを、更に、e)は冷却水が受けた単位時間当りの熱量Qを示している。   Using this unidirectional solidification apparatus of silicon having such an instrumentation system, 450 kg of silicon raw material having an iron concentration of 200 ppmw is melted and the temperature of the control thermocouple 17 is maintained at 1495 ° C. as in Comparative Example 1. Then, after the melt temperature was stabilized, the silicon was unidirectionally solidified while controlling the temperature of the thermocouple 17 for temperature control according to the time step shown in Table 1 exactly as in the condition of Comparative Example 1. FIG. 11 shows the change with time of each operation parameter from the beginning to the end in the solidification process of Example 1, and the solid line a) shows the indicated temperature T of the thermocouple 17 for temperature control above the liquid level. The broken line b) indicates the solidification height h obtained from the position of the solidification interface measured by the search rod 28, c) indicates the flow rate F of the cooling water, d) indicates the temperature difference ΔT of the cooling water, and e ) Indicates the heat quantity Q per unit time received by the cooling water.

比較例1と同様に、この実施例1においても、凝固高さhの経時変化b)から判るように、時刻120分より凝固が開始され、時刻1920分で凝固高さhが275mmに到達し、一方向凝固が完了している。   As in Comparative Example 1, in Example 1, as can be seen from the time-dependent change b) of the solidification height h, solidification started at time 120 minutes, and at time 1920 minutes, the solidification height h reached 275 mm. Unidirectional solidification is complete.

凝固中においては、比較例1の場合と同様に、液面上の温度T、凝固高さhの急激な変化は見られなかったが、冷却水の温度差ΔTを見ると、冷却水流量の脈動の影響を受けて分かり難いが、時刻350分において、僅かではあるがスパイク状の乱れが確認できる。一方、熱流量Qのデーターでは、流量Fの脈動と、冷却水温度の長期変動の影響が取り除かれており、滑らかに単調減少する中に、時刻352分付近においてスパイク状の変化が検出されていた。   During the solidification, as in Comparative Example 1, the temperature T on the liquid surface and the solidification height h did not change suddenly. However, when the cooling water temperature difference ΔT is observed, the cooling water flow rate Although it is difficult to understand due to the influence of pulsation, a slight spike-like disturbance can be confirmed at 350 minutes. On the other hand, in the data of the heat flow rate Q, the influence of the pulsation of the flow rate F and the long-term fluctuation of the cooling water temperature has been removed, and a spike-like change was detected in the vicinity of the time 352 minutes while it smoothly decreased monotonously. It was.

図12は、この熱流量Qのスパイク状の変動が発生した時刻の前後50分間について、Qの変化を拡大して示したグラフである。これを見ると、時刻352分から354分の2分間にQが30.0KWから31.6KWに急増しており、その増分の熱量ΔQは1.6KWであり、これは式(2)から、凝固速度0.035mm/minでの潜熱の発生量に対応する。なお、この時の探索棒28により求めた凝固速度は0.20mm/minであり、式(2)から、この速度での凝固潜熱発生量Qvは9.0KWと計算される。従って、この装置に要求される熱量の検出分解能Qresは0.9KW以下になるが、図12のグラフから本装置の計装系は十分にその検出分解能を持っており、実際のΔQを十分検出できていることが判る。また、この時刻352分付近においてスパイク状の変化が検出されていた時に探索棒28によって測定された凝固高さhは45mmであった。   FIG. 12 is an enlarged graph showing the change in Q for 50 minutes before and after the time when the spike-like fluctuation of the heat flow Q occurs. Looking at this, Q has increased rapidly from 30.0 KW to 31.6 KW from 352 minutes to 354 minutes, and the incremental heat quantity ΔQ is 1.6 KW, which is calculated from equation (2). This corresponds to the amount of latent heat generated at a speed of 0.035 mm / min. The solidification rate determined by the search rod 28 at this time is 0.20 mm / min, and the solidification latent heat generation amount Qv at this rate is calculated as 9.0 KW from the equation (2). Therefore, although the detection resolution Qres of the amount of heat required for this apparatus is 0.9 KW or less, the instrumentation system of this apparatus has sufficient detection resolution from the graph of FIG. 12, and sufficiently detects the actual ΔQ. You can see that it is made. Further, the solidification height h measured by the search rod 28 when a spike-like change was detected in the vicinity of this time 352 minutes was 45 mm.

この実施例1で一方向凝固を完了して得られたシリコンインゴットについて、その内部を検査するために、比較例1と同様に凝固(鉛直)方向に2等分割し、その断面を調査した。図13は、その分割断面の結晶組織の概略を説明するための説明図であり、結晶粒が微細化している部分をハッチングで示してしている。良好なインゴットでは、結晶粒の微細化は、一方向凝固の最終段階に、不純物元素の濃縮による組成的過冷却が発生した部分で起こるのが常であるが、このインゴットでは、結晶粒が微細化した部分が、凝固末期に相当する上面から25mmの領域Aの他に、底面から45mmの位置から85mmの位置にかけて3箇所(図中B、C、Dで示す)ほど水平方向に細長く広がるように発生していた。また、簡易型の蛍光X線分析装置で領域A、B,C、Dの鉄の濃度を測定したところ、夫々2250ppmw、29ppmw、35ppmw、24ppmwの値であった。領域A、B、C、D以外の柱状晶部分の鉄の濃度を測定したところ、鉄は検出されず、その濃度は検出下限値の1ppmw以下であることが判った。このように、熱流量Qのスパイク状の変化を検出した凝固位置に凝固組織の微細化が出現していた。つまり、実際の結晶の微細化による凝固精製不良の発生位置を、凝固のプロセスデータを見ることにより確認することができた。   The silicon ingot obtained by completing the unidirectional solidification in Example 1 was divided into two equal parts in the solidification (vertical) direction in the same manner as in Comparative Example 1, and the cross section was examined. FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining the outline of the crystal structure of the divided cross section, and a portion where crystal grains are miniaturized is indicated by hatching. In a good ingot, grain refinement usually occurs in the final stage of unidirectional solidification, where the compositional supercooling occurs due to the concentration of impurity elements, but in this ingot, the grain size is fine. In addition to the area A 25 mm from the top surface corresponding to the end of coagulation, three parts (indicated by B, C, and D in the figure) extend in the horizontal direction from the bottom surface 45 mm to the 85 mm position. Had occurred. Further, when the iron concentrations in the regions A, B, C, and D were measured with a simple fluorescent X-ray analyzer, the values were 2250 ppmw, 29 ppmw, 35 ppmw, and 24 ppmw, respectively. When the concentration of iron in columnar crystal portions other than regions A, B, C, and D was measured, it was found that iron was not detected and that the concentration was 1 ppmw or less of the lower limit of detection. Thus, the refinement | solidification of the solidification structure | tissue appeared in the coagulation position which detected the spike-like change of the heat flow rate Q. In other words, it was possible to confirm the occurrence position of the solidification purification failure due to the actual refinement of the crystal by looking at the solidification process data.

〔実施例2〕
実施例1と同じシリコンの一方向凝固装置において、鉄濃度が200ppmwのシリコン原料450kgを溶解し、制御用熱電対17の温度を1495℃に保持して融液温度を安定化させた後、比較例1及び実施例1の条件よりも温度の下げ方を穏やかにした表2に示す時間ステップに従い、ヒーター電力を温度制御しながらシリコンの一方向凝固を実施した。
[Example 2]
In the same unidirectional solidification apparatus of silicon as in Example 1, 450 kg of silicon raw material having an iron concentration of 200 ppmw was dissolved, and the temperature of the control thermocouple 17 was maintained at 1495 ° C., and the melt temperature was stabilized. In accordance with the time steps shown in Table 2 in which the temperature was lowered more gently than the conditions of Example 1 and Example 1, unidirectional solidification of silicon was performed while controlling the heater power.

Figure 2013199417
Figure 2013199417

この実施例2でのヒーター温度制御のパターンは、比較例1及び実施例1で結晶の微細化が発生した時刻352分を挟んだ時刻320分から620分の間において、ヒーターの制御温度が常に比較例1及び実施例1の場合よりも10℃ほど高くなるように、時刻320分での温度を1465℃とすることで、時刻60分から320分までの温度の勾配を小さくしたものである。   The heater temperature control pattern in this Example 2 is that the heater control temperature is always compared between 320 minutes and 620 minutes across the time 352 minutes when crystal refinement occurred in Comparative Example 1 and Example 1. By setting the temperature at 320 minutes to 1465 ° C. so as to be higher by about 10 ° C. than in the case of Example 1 and Example 1, the temperature gradient from 60 minutes to 320 minutes is reduced.

図14は、この実施例2の凝固プロセスにおいて、その始まりから終わりまでの各操業パラメーターの経時変化を示したもので、a)は液面上方の制御用熱電対17の温度Tを、b)は探索棒28で測定した結晶成長界面の高さhを、c)は冷却水の流量Fを、また、d)は冷却水の温度差ΔTを、更に、e)は冷却水が受けた単位時間当りの熱量Qをそれぞれ示している。   FIG. 14 shows the change over time of each operating parameter from the beginning to the end in the solidification process of Example 2, a) shows the temperature T of the control thermocouple 17 above the liquid level, b) Represents the height h of the crystal growth interface measured with the search rod 28, c) the flow rate F of the cooling water, d) the temperature difference ΔT of the cooling water, and e) the unit received by the cooling water. The amount of heat Q per hour is shown.

この凝固プロセス中においては、比較例1の場合と同様に、制御用熱電対17の温度、凝固高さの急激な変化は見られなかった。また、冷却水の温度差ΔTについても、実施例1のようなスパイク状の増加は確認されず、冷却水の流量と給水側の温度の影響を取り除いた熱流量Qのデーターにもスパイク状の増加は検出されなかった。   During this solidification process, as in the case of Comparative Example 1, no rapid changes were observed in the temperature and solidification height of the control thermocouple 17. Further, the spike-like increase in the cooling water temperature difference ΔT is not confirmed as in the first embodiment, and the spike-like data is also obtained in the heat flow rate Q data from which the influence of the cooling water flow rate and the temperature on the water supply side is removed. No increase was detected.

この実施例2の一方向凝固を完了して得られたシリコンインゴットについて、その内部を検査するために、比較例1と実施例1と同様に、凝固(鉛直)方向に切断して2等分割した。図15は、その分割断面の結晶組織の概略図であり、結晶粒が微細化している部分をハッチングで示してしている。一方向凝固の最終段階で不純物元素の濃縮による組成的過冷却が発生した部分である、上面から25mmの領域A以外には、結晶粒が微細化した部分は確認されなかった。また、簡易型の蛍光X線分析装置で測定した領域Aの鉄の濃度は2290ppmwであり、領域A以外の柱状晶部分で鉄は検出されず、その濃度は検出下限値の1ppmw以下であった。   In order to inspect the inside of the silicon ingot obtained by completing the unidirectional solidification in Example 2, as in Comparative Example 1 and Example 1, the silicon ingot was cut in the solidification (vertical) direction and divided into two equal parts. did. FIG. 15 is a schematic diagram of the crystal structure of the divided cross section, and hatched portions where crystal grains are made finer. In the final stage of unidirectional solidification, there was no portion where the crystal grains were refined other than the region A of 25 mm from the top surface where compositional supercooling occurred due to the concentration of impurity elements. Further, the concentration of iron in the region A measured by a simple fluorescent X-ray analyzer was 2290 ppmw, iron was not detected in the columnar crystal portion other than the region A, and the concentration was 1 ppmw or less of the lower limit of detection. .

〔実施例3〕
実施例1及び2と同じシリコンの一方向凝固装置において、鉄濃度200ppmwのシリコン原料450kgを溶解し、制御用熱電対17の温度を1495℃に保持して融液温度を安定化させた後、表3に示す時間ステップに従い、ヒーター電力を温度制御しながらシリコンの一方向凝固を実施した。
Example 3
In the same unidirectional solidification apparatus of silicon as in Examples 1 and 2, after 450 kg of silicon raw material having an iron concentration of 200 ppmw was dissolved and the temperature of the control thermocouple 17 was maintained at 1495 ° C., the melt temperature was stabilized. In accordance with the time steps shown in Table 3, unidirectional solidification of silicon was performed while controlling the temperature of the heater power.

Figure 2013199417
Figure 2013199417

このヒーターの制御パターンは、時刻320までは比較例1及び実施例1の条件と全く同じであるが、比較例1及び実施例1で結晶粒の微細化が発生した時刻352分を挟んだ時刻320分から400分の80分間については、ヒーターの制御温度を1455℃に保持することにより、シリコン溶融液の冷却速度が遅くなるようにし、また、その後は比較例1及び実施例1の条件と同じ勾配で温度が低下するようになっている。この制御パターンでの凝固の所要時間は、比較例1及び実施例1に対して80分ほど長く、また、実施例1で微細粒の微細化が発生した時のヒーターの制御温度は1453℃であったが、この実施例3ではそれよりも2℃高い温度の1455℃に保持された。   The control pattern of this heater is exactly the same as the conditions of Comparative Example 1 and Example 1 until time 320, but the time between the time 352 minutes when the crystal grain refinement occurred in Comparative Example 1 and Example 1 is sandwiched. For the 80 minutes from 320 minutes to 400 minutes, by keeping the heater control temperature at 1455 ° C., the cooling rate of the silicon melt is lowered, and thereafter the same conditions as in Comparative Example 1 and Example 1 The temperature decreases with the gradient. The time required for solidification with this control pattern is about 80 minutes longer than that of Comparative Example 1 and Example 1, and the control temperature of the heater when fine grain refinement occurs in Example 1 is 1453 ° C. However, in Example 3, the temperature was maintained at 1455 ° C., which was 2 ° C. higher than that.

図16は、この実施例3の凝固プロセスにおいて、その始まりから終わりまでの各操業パラメーターの経時変化を示したもので、a)は液面上方の制御用熱電対17の温度Tを、b)は探索棒28で測定した結晶成長界面の高さhを、c)は冷却水の流量Fを、また、d)は冷却水の温度差ΔTを、更に、e)は冷却水が受けた単位時間当りの熱量Qをそれぞれ示している。   FIG. 16 shows the change with time of each operation parameter from the beginning to the end in the solidification process of Example 3, a) shows the temperature T of the control thermocouple 17 above the liquid level, b). Represents the height h of the crystal growth interface measured with the search rod 28, c) the flow rate F of the cooling water, d) the temperature difference ΔT of the cooling water, and e) the unit received by the cooling water. The amount of heat Q per hour is shown.

この凝固プロセス中においては、温度を1455℃に保持した時刻320分から400分までの間に凝固速度の低下が認められたが、実施例2の場合と同様に、制御用熱電対17の温度、凝固高さの急激な変化は見られなかった。また、冷却水の温度差ΔTについても、実施例1のようなスパイク状の増加は認められず、冷却水の流量と給水側の温度の影響を取り除いた熱流量Qのデーターにもスパイク状の増加は検出されなかった。   During this coagulation process, a decrease in coagulation rate was observed between 320 minutes and 400 minutes when the temperature was maintained at 1455 ° C. As in Example 2, the temperature of the thermocouple 17 for control, There was no rapid change in the solidification height. Further, the temperature difference ΔT of the cooling water does not increase in a spike shape as in the first embodiment, and the data of the heat flow Q from which the influence of the flow rate of the cooling water and the temperature on the water supply side is removed is also spiked. No increase was detected.

この実施例3の一方向凝固を完了して得られたシリコンインゴットについて、その内部を検査するために、比較例1と実施例1、2と同様に、凝固(鉛直)方向に切断して2等分割した。その分割断面の結晶組織の概略も図15に示した実施例2の場合と同様であり、一方向凝固の最終段階で不純物元素の濃縮による組成的過冷却が発生した部分である、上面から25mmの領域A以外には、結晶粒が微細化した部分は確認されなかった。また、簡易型の蛍光X線分析装置で測定した領域Aの鉄の濃度は2045ppmwであり、領域A以外の柱状晶部分で鉄は検出されず、その濃度は検出下限値の1ppmw以下であった。   In order to inspect the inside of the silicon ingot obtained by completing the unidirectional solidification in Example 3, as in Comparative Example 1 and Examples 1 and 2, it was cut in the solidification (vertical) direction to 2 Divided equally. The outline of the crystal structure of the divided cross section is the same as that in the case of Example 2 shown in FIG. Except for the region A, no crystal grain refined portion was observed. Further, the concentration of iron in region A measured by a simple fluorescent X-ray analyzer was 2045 ppmw, iron was not detected in columnar crystal parts other than region A, and the concentration was 1 ppmw or less of the lower limit of detection. .

〔実施例4〕
実施例1の装置を用いた一方向凝固において、種々の鉄濃度(100ppmw〜500ppmw)のシリコン原料450kgについて、その一方向凝固を150回繰り返し実施した。得られた150個のインゴットの内、10個において凝固最終部以外の領域に結晶粒の微細化が認められ、残りの140個のインゴットについては凝固の最終部以外には結晶粒の微細化は認められなかった。
Example 4
In the unidirectional solidification using the apparatus of Example 1, the unidirectional solidification was repeated 150 times for 450 kg of silicon raw materials having various iron concentrations (100 ppmw to 500 ppmw). Of the 150 ingots obtained, refinement of crystal grains was observed in the region other than the final solidification part in 10 of the obtained ingots, and the refinement of crystal grains other than the final part of solidification was observed in the remaining 140 ingots. I was not able to admit.

この結晶の微細化が発生した10個の操業データーを見直したところ、何れのケースにおいても、インゴット中の結晶粒の微細化が発生した位置に対応する時刻において、冷却水が受ける単位時間当りの熱量Qのデーターにスパイク状の増大が検出されていた。表4は、これら10ケースにおける、熱流量Qの増大が検出された直前の凝固速度Vと、この凝固速度Vに対応する凝固潜熱発生量Qvと、Qの増大ΔQとに加えて、ΔQとQvの比(ΔQ/Qv)の関係を示したものである。   Reviewing the 10 operation data where the crystal refinement occurred, in any case, per unit time received by the cooling water at the time corresponding to the position where the crystal grain refinement occurred in the ingot. A spike-like increase was detected in the heat quantity Q data. Table 4 shows that in these 10 cases, in addition to the solidification rate V immediately before the increase in the heat flow rate Q was detected, the solidification latent heat generation amount Qv corresponding to this solidification rate V, and the increase ΔQ in Q, ΔQ This shows the relationship of the ratio of Qv (ΔQ / Qv).

Figure 2013199417
Figure 2013199417

この表4を見ると、結晶の微細化の発生が起こった場合に発生する熱流量Qの増大ΔQは、何れの場合も凝固速度に対応する潜熱発生Qvの1/10以上であり、装置に必要な熱流量Qの検出精度QresはQvの1/10以下であれば十分であることが判明した。   As can be seen from Table 4, the increase ΔQ in the heat flow rate Q generated when crystal refinement occurs is 1/10 or more of the latent heat generation Qv corresponding to the solidification rate in any case. It has been found that it is sufficient that the detection accuracy Qres of the necessary heat flow rate Q is 1/10 or less of Qv.

〔実施例5〕
実施例5のシリコンの一方向凝固装置は、先の図4に示したような構造を有し、太陽電池用の多結晶ウエハーを採取するシリコンインゴットを製造するための一方向凝固装置であって、市販の内寸830mm×830mm及び高さ450mmの石英製鋳型が使用されたものである。この装置においては、鋳型内のシリコンの底面0.69m2からの熱は、その直下に配置された黒鉛製のブロック25に伝わり、このブロック25の側面からの輻射によって、その殆どが、炉体壁下部においてブロック25に対向させて配置された水冷壁27に吸収される構造となっている。
Example 5
The silicon unidirectional solidification apparatus of Example 5 has a structure as shown in FIG. 4 and is a unidirectional solidification apparatus for producing a silicon ingot for collecting a polycrystalline wafer for a solar cell. A commercially available quartz mold having an inner dimension of 830 mm × 830 mm and a height of 450 mm was used. In this apparatus, the heat from the bottom surface 0.69 m 2 of silicon in the mold is transmitted to the graphite block 25 arranged immediately below, and most of the heat is generated by the radiation from the side surface of the block 25. In the lower part of the wall, it is structured to be absorbed by the water-cooled wall 27 arranged to face the block 25.

また、この水冷壁27に接続される冷却水の導入管11及び排出管12には、図17に示す電気計装系が組み込まれている。この計装系では、冷却水の導入側の温度計接点15及び排出側の温度計接点16に、それぞれJIS-1級のE型の熱電対15b,16bをを接続し、これら熱電対15b,16bの各々の端子を高精度の信号変換器19bに接続し、熱電対15b,16bからの信号が信号変換器19bに入力するようにされている。使用した信号変換器19bは、実施例2の装置のものと全く同じである。また、冷却水の流量計として汎用の電磁式流速計14bを用いており、その測定精度は1(L/min)である。   In addition, an electrical instrumentation system shown in FIG. 17 is incorporated in the cooling water introduction pipe 11 and the discharge pipe 12 connected to the water cooling wall 27. In this instrumentation system, JIS-1 class E-type thermocouples 15b, 16b are connected to the thermometer contact 15 on the introduction side of the cooling water and the thermometer contact 16 on the discharge side, respectively, and these thermocouples 15b, Each terminal of 16b is connected to a high-accuracy signal converter 19b, and signals from thermocouples 15b and 16b are input to the signal converter 19b. The signal converter 19b used is exactly the same as that of the apparatus of the second embodiment. Further, a general-purpose electromagnetic velocimeter 14b is used as a flow meter for the cooling water, and the measurement accuracy is 1 (L / min).

信号変換器19bと、流速計14bからの温度差ΔTと、流量Fの出力とは、デジタル信号化されて炉の制御装置21に入力され、上述した式(1)によって水冷壁が受けた単位時間当りの熱量Qが求められ、得られた熱流量Qは、操作盤22に表示されると同時に、記録装置23に一方向凝固の時間経過と共に記録される。更に、この装置は、制御装置の中に、上述した式(2)を基に凝固速度VからQvを計算する論理回路と、熱流量Qの不連続な増大が発生した場合にその熱流量Qの時系列データーを基にその増大分ΔQを計算する理論回路とを有しており、このΔQがQvの1/10以上の値となったとき、直ちに表示灯29に凝固異常を示すランプを点灯させ、制御装置22の画面にも警報を表示する警報機構を備えている。   The temperature difference ΔT from the signal converter 19b, the anemometer 14b, and the output of the flow rate F are converted into digital signals and input to the furnace control device 21, and the unit received by the water cooling wall according to the above equation (1) The amount of heat Q per time is obtained, and the obtained heat flow rate Q is displayed on the operation panel 22 and simultaneously recorded on the recording device 23 as time elapses in one-way solidification. Further, this apparatus includes a logic circuit for calculating Qv from the solidification rate V based on the above-described equation (2) and a heat flow rate Q when the heat flow rate Q is discontinuously increased. And a theoretical circuit for calculating the increase ΔQ based on the time series data of the above, and when this ΔQ becomes a value of 1/10 or more of Qv, a lamp indicating coagulation abnormality is immediately displayed on the indicator lamp 29. An alarm mechanism that turns on and displays an alarm on the screen of the control device 22 is also provided.

この実施例5では、上記の一方向凝固装置によって、太陽電池用グレードの鉄濃度0.1ppmw及びカーボン濃度40ppmwのシリコン原料450kgを溶解した後に、温度制御用熱電対17の温度が1480℃になるようにヒーターの投入電力を調整し、その温度を保持して融液温度を安定化させた後、表5に示す時間ステップに従った温度制御によって、シリコンの一方向凝固を実施した。この表5に示した時間ステップでの一方向凝固の場合には、時刻120分のヒーター温度1465℃の時点で凝固が始まり、時刻1700分のヒーター温度1415℃の時点で凝固が完了することが予め判っており、この一方向凝固での平均凝固速度は0.17mm/min、即ち、0.29×10-6m/secであり、この凝固速度が定数として、この装置でのQvを計算する論理回路に入力されている。 In this Example 5, the temperature of the thermocouple 17 for temperature control becomes 1480 ° C. after 450 kg of silicon raw material having a solar cell grade iron concentration of 0.1 ppmw and a carbon concentration of 40 ppmw is dissolved by the unidirectional solidification device. In this way, the electric power supplied to the heater was adjusted to maintain the temperature and stabilize the melt temperature, and then the silicon was unidirectionally solidified by temperature control according to the time steps shown in Table 5. In the case of unidirectional solidification at the time step shown in Table 5, solidification starts when the heater temperature is 1465 ° C. at 120 minutes, and solidification is completed when the heater temperature is 1415 ° C. at 1700 minutes. The average solidification rate in this unidirectional solidification is 0.17 mm / min, that is, 0.29 × 10 −6 m / sec, and this solidification rate is a constant, and Qv in this apparatus is calculated. Is input to the logic circuit.

上記の凝固プロセス開始からの時刻1050分において、表示灯29に凝固異常の表示が点灯したが、ヒーター温度の制御は当初計画の表5の通りに行い、一方向凝固を完了させた。炉から取り出されたシリコンインゴットについては、通常の手はず通り、6インチ四角の多結晶シリコンウエハーを採取するために、156mm×156mm×高さ275mmの25個のブロックに分割した。但し、この凝固プロセスでは、凝固異常が検出されたことから、特別に赤外線透視による検査を実施した。この検査の結果、ブロック28個中の8個において、底面から高さ150mmの位置より上側に、微細なSiC析出物が密集した幅15〜30mm程度の水平方向に延びる暗い帯が認められた。このような析出物の暗い帯は、スライス加工時にウエハーの破損や傷を起こす危険が高いため、この部位を切断除去して製品とした。   At a time of 1050 minutes from the start of the solidification process, the indication of solidification abnormality was lit on the indicator lamp 29, but the heater temperature was controlled as shown in Table 5 of the initial plan, and the unidirectional solidification was completed. The silicon ingot taken out of the furnace was divided into 25 blocks of 156 mm × 156 mm × height 275 mm in order to collect a 6-inch square polycrystalline silicon wafer as usual. However, in this coagulation process, since abnormal coagulation was detected, an inspection by infrared fluoroscopy was performed specially. As a result of the inspection, in 8 out of 28 blocks, dark bands extending in the horizontal direction having a width of about 15 to 30 mm where fine SiC precipitates were densely located above the position of 150 mm in height from the bottom surface were recognized. Since such a dark band of precipitates has a high risk of causing damage or scratching of the wafer during slicing, this portion was cut and removed to obtain a product.

このようにして、この実施例5においては、一方向凝固の異常発生を警報する警報機構を持つ本実施例の装置によって、インゴットの不良部位を効率よく取り除くことができた。   Thus, in Example 5, the defective part of the ingot could be efficiently removed by the apparatus of this example having an alarm mechanism for alarming the occurrence of unidirectional solidification.

Figure 2013199417
Figure 2013199417

1…炉体容器、2…シリコン原料、2a…シリコン結晶、2b…シリコン融液、3…鋳型、4…台座、5…支持脚、6…ヒーター、7…断熱材(側面)、8…断熱材(上面)、9…水冷盤、10…冷却水チャンネル、11…冷却水の導入配管、12…冷却水の排出配管、13…ベローズ、14…流量計、14a…浮子式流量計、14b…電磁式流量計、15…冷却水導入側の温度計接点、15b…冷却水導入側の熱電対、16…冷却水排出側の温度計接点、16a…冷却水排出側の測温抵抗体、16b…冷却水排出側の熱電対、17…温度制御用熱電対、18…サービスポート、19…信号変換器、19a…測温抵抗体用信号変換器、19b…熱電対用信号変換器、20…I/O盤、21…制御装置、22…操作盤、23…記録装置、24…鋳型底板、25…冷却ブロック、26…断熱材(下面)、27…水冷壁、28…凝固界面位置測定用の探索棒、29…表示灯、30…凝固速度の入力。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Furnace container, 2 ... Silicon raw material, 2a ... Silicon crystal, 2b ... Silicon melt, 3 ... Mold, 4 ... Base, 5 ... Support leg, 6 ... Heater, 7 ... Heat insulation material (side surface), 8 ... Heat insulation Material (top surface), 9 ... Water cooling board, 10 ... Cooling water channel, 11 ... Cooling water introduction pipe, 12 ... Cooling water discharge pipe, 13 ... Bellows, 14 ... Flow meter, 14a ... Float type flow meter, 14b ... Electromagnetic flow meter, 15 ... Thermometer contact on cooling water introduction side, 15b ... Thermocouple on cooling water introduction side, 16 ... Thermometer contact on cooling water discharge side, 16a ... Resistance temperature detector on cooling water discharge side, 16b ... Thermocouple on the cooling water discharge side, 17 ... Thermocouple for temperature control, 18 ... Service port, 19 ... Signal converter, 19a ... Signal converter for RTD, 19b ... Signal converter for thermocouple, 20 ... I / O board, 21 ... control device, 22 ... control panel, 23 ... recording device, 24 ... mold bottom plate, 25 ... cooling block, 26 ... heat insulating material (lower surface), 27 ... water cooling wall, 28 ... solidification field Search bar for position measurement, 29 ... indicator lights, 30 ... input of the solidification rate.

Claims (5)

鋳型内において、金属又は半導体の融液の一方の端面を加熱し、また、この端面に相対向する他方の端面を冷却すると共に、この融液の側面を断熱することにより、冷却端面側から加熱端面側へと一方向に凝固を進行させて金属又は半導体の結晶を製造する装置であって、冷却端面側の抜熱機構が凝固体から受ける単位時間当りの熱量を、融液の凝固進行に伴う単位時間当りの凝固潜熱発生量に相当する熱量の1/10以下の精度で検知可能な熱量検知機構を備えていることを特徴とする結晶の製造装置。   Heating from the cooling end face side by heating one end face of the melt of metal or semiconductor in the mold, cooling the other end face opposite to the end face, and insulating the side face of the melt. This is a device that produces metal or semiconductor crystals by solidifying in one direction toward the end face, and the amount of heat per unit time received from the solidified body by the heat removal mechanism on the cooling end face is used for the progress of solidification of the melt. A crystal production apparatus comprising a heat quantity detection mechanism capable of detecting with an accuracy of 1/10 or less of the heat quantity corresponding to the amount of generated solidification latent heat per unit time. 一方向凝固の冷却端面側の抜熱機構が冷却流体による熱交換を利用するものであって、前記熱量検知機構が、前記抜熱機構が使用する単位時間当りの冷却流体の流量と、該抜熱機構に給入される冷却流体の温度と排出される冷却流体の温度との間の温度差とから、該抜熱機構が凝固体から受ける単位時間当りの熱量を継続的に測定する機構を備えていることを特徴とする請求項1に記載の結晶の製造装置。   The heat removal mechanism on the cooling end face side of the unidirectional solidification uses heat exchange by a cooling fluid, and the heat quantity detection mechanism is configured to detect a flow rate of the cooling fluid per unit time used by the heat removal mechanism and the heat removal mechanism. A mechanism for continuously measuring the amount of heat per unit time that the heat removal mechanism receives from the solidified body from the temperature difference between the temperature of the cooling fluid supplied to the heat mechanism and the temperature of the discharged cooling fluid. The crystal manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the crystal manufacturing apparatus is provided. 前記熱量検知機構が、抜熱機構が凝固体から受ける単位時間当りの熱量の不連続な増大を検知すると共に、その増大分が融液の凝固進行に伴う単位時間当りの凝固潜熱発生量の1/10を超えたことを検知して警報を発する警報機構を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の結晶の製造装置。   The heat amount detection mechanism detects a discontinuous increase in the amount of heat per unit time that the heat removal mechanism receives from the solidified body, and the increase is 1 of the amount of latent heat of solidification generated per unit time as the solidification of the melt progresses. 3. The crystal manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising an alarm mechanism that issues an alarm upon detecting that the ratio exceeds / 10. 請求項1〜3の何れかに記載の結晶の製造装置を用いて、融液の凝固中に冷却端面側の抜熱機構が凝固体から受ける単位時間当りの熱量を熱量検知機構で熱流量として検知し、この検知結果に基づいて突発的な熱流量の増大が発生しないように、前記融液の凝固の進行を制御することを特徴とする結晶の製造方法。   The amount of heat per unit time received by the heat removal mechanism on the cooling end face side from the solidified body during solidification of the melt as the heat flow rate by the heat quantity detection mechanism using the crystal production apparatus according to any one of claims 1 to 3. Detecting and controlling the progress of solidification of the melt so as not to cause a sudden increase in heat flow based on the detection result. 前記融液の凝固進行の制御は、ヒーターの温度制御により行うことを特徴とする請求項4に記載の結晶の製造方法。   The method for producing a crystal according to claim 4, wherein the progress of solidification of the melt is controlled by temperature control of a heater.
JP2012069854A 2012-03-26 2012-03-26 Manufacturing apparatus and manufacturing method of cryatal Pending JP2013199417A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012069854A JP2013199417A (en) 2012-03-26 2012-03-26 Manufacturing apparatus and manufacturing method of cryatal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012069854A JP2013199417A (en) 2012-03-26 2012-03-26 Manufacturing apparatus and manufacturing method of cryatal

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2013199417A true JP2013199417A (en) 2013-10-03

Family

ID=49519950

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012069854A Pending JP2013199417A (en) 2012-03-26 2012-03-26 Manufacturing apparatus and manufacturing method of cryatal

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2013199417A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015120634A (en) * 2013-12-20 2015-07-02 中美▲せき▼晶製品股▲ふん▼有限公司 Cooling device used for ingot casting furnace and casting method for ingot
CN114535561A (en) * 2022-02-25 2022-05-27 南京航空航天大学 Real-time automatic regulation and control method and device for alloy mushy zone in wide solidification zone through directional solidification of traveling wave magnetic field

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015120634A (en) * 2013-12-20 2015-07-02 中美▲せき▼晶製品股▲ふん▼有限公司 Cooling device used for ingot casting furnace and casting method for ingot
CN114535561A (en) * 2022-02-25 2022-05-27 南京航空航天大学 Real-time automatic regulation and control method and device for alloy mushy zone in wide solidification zone through directional solidification of traveling wave magnetic field
CN114535561B (en) * 2022-02-25 2022-11-18 南京航空航天大学 Real-time automatic regulation and control method and device for directional solidification of wide solidification interval alloy mushy zone by traveling wave magnetic field

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Burden et al. Cellular and dendritic growth. I
TWI558863B (en) Polycrystalline silicon rods
JP2012525322A (en) UMG-SI raw material quality control process
McLaren The freezing points of high purity metals as precision temperature standards: II. An investigation of the freezing temperatures of zinc, cadmium, and tin
CN102759416A (en) Continuous temperature measuring device and method during directional solidification
US7431764B2 (en) Method for pulling up single crystal
JP2013199417A (en) Manufacturing apparatus and manufacturing method of cryatal
CN102661966A (en) Method and device for measuring linear shrinkage rate and thermal stress of metal solidification process
US9273411B2 (en) Growth determination in the solidification of a crystalline material
JPS6353903B2 (en)
Widiatmo et al. Study on the realization of zinc point and the zinc-point cell comparison
JP2017057133A (en) Polycrystal silicon column and polycrystal silicon wafer
JP5392051B2 (en) Single crystal puller
JP2001302387A (en) Device for detecting leakage of melt in apparatus for pulling single crystal, apparatus for pulling single crystal and method of detecting leakage of melt
JPS6353904B2 (en)
JP6256284B2 (en) Method for measuring distance between bottom surface of heat shield member and raw material melt surface and method for producing silicon single crystal
CN202710199U (en) Continuous temperature measuring device in directional solidification process
Kaya et al. Dependency of structure, mechanical and electrical properties on rotating magnetic field in the Bi–Sn–Ag ternary eutectic alloy
JP2014091656A (en) Molten liquid leakage detector of single crystal producing device
TWI515166B (en) Method and apparatus for solidification and purification of metallic silicon
JP2005125402A (en) Method for continuously casting cast block, and method for judging quality of cast block
Brillo et al. Thermophysical properties and thermal simulation of Bridgman crystal growth process of Ni–Mn–Ga magnetic shape memory alloys
Failleau et al. Adiabatic Calorimetry Approach to Assess Thermal Influences on the Indium Melting Point
Zvizdić et al. Tin-filled multi-entrance fixed point
Şahin et al. Thermo-electrical properties in Pb-Sb hypereutectic alloy