JP2014037339A - Quartz glass crucible for zinc evaporation and method for manufacturing the same - Google Patents

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Kazuhiko Hanada
和彦 花田
Kenji Sato
賢次 佐藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quartz glass crucible for zinc evaporation, which is used for generating zinc gas which is used for a zinc reduction process in which high-purity polycrystalline silicon is manufactured by reducing silicon tetrachloride in a zinc gas atmosphere, the crucible being capable of preventing boron elution and is inexpensive, and a method for manufacturing the crucible.SOLUTION: The quartz glass crucible for zinc evaporation according to the present invention comprises a coating film for preventing boron elution on all or part of the inner surface of the quartz glass crucible.

Description

本発明は、亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボおよびその製造方法に関する。より詳しくは、高純度シリコンを亜鉛還元法により製造する際に用いられる亜鉛ガスを発生させる亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a quartz glass crucible for evaporating zinc and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a crucible made of quartz glass for zinc evaporation that generates zinc gas used when producing high-purity silicon by a zinc reduction method and a method for producing the same.

近年、クリーンエネルギーの一つとして注目されている太陽電池の需要が拡大している。太陽電池の主要原料である高純度多結晶シリコンの製造法としては、従来からシーメンス法が知られており、シーメンス法による商業生産が行なわれている。しかしながら、シーメンス法は電力を多量に消費するため製造コストが高く、また回分法であるため生産効率も悪い。   In recent years, the demand for solar cells, which are attracting attention as one of clean energy, is expanding. The Siemens method is conventionally known as a method for producing high-purity polycrystalline silicon, which is a main raw material for solar cells, and commercial production by the Siemens method is performed. However, since the Siemens method consumes a large amount of power, the manufacturing cost is high, and since it is a batch method, the production efficiency is poor.

一方、シーメンス法よりも製造コストを格段に引き下げられると期待される亜鉛還元法が、最近、注目されている。亜鉛還元法は、四塩化珪素を亜鉛ガスで還元することにより高純度多結晶シリコンを製造する方法であり、該方法においては、還元剤の亜鉛を蒸発して亜鉛ガスを発生させる亜鉛蒸発器が還元反応装置の付帯設備として設置されている(例えば特許文献1、2参照)。   On the other hand, the zinc reduction method, which is expected to reduce the manufacturing cost much more than the Siemens method, has recently attracted attention. The zinc reduction method is a method of producing high-purity polycrystalline silicon by reducing silicon tetrachloride with zinc gas. In this method, a zinc evaporator that generates zinc gas by evaporating the reducing agent zinc is provided. It is installed as incidental equipment for the reduction reaction apparatus (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

このような亜鉛蒸発器には、原料である金属亜鉛を溶解して溶融保持するルツボが収納されている。ルツボの材質として、黒鉛、炭化珪素および石英ガラスなどがあるが、黒鉛および炭化珪素などのルツボ材は、材料中の炭素が溶融亜鉛中に溶出して多結晶シリコン中に混入し、その結果、太陽電池の性能に影響を与えることから、通常は石英ガラスが使用されている。   Such a zinc evaporator contains a crucible that melts and holds metal zinc as a raw material. The material of the crucible includes graphite, silicon carbide, and quartz glass, but the crucible material such as graphite and silicon carbide elutes into the molten zinc and the carbon in the material is mixed into the polycrystalline silicon. Quartz glass is usually used because it affects the performance of solar cells.

しかしながら、石英ガラス製ルツボ中で金属亜鉛を溶解し、亜鉛の沸点907℃に加熱して発生させた亜鉛ガスを用いて高純度四塩化珪素を還元して得られた高純度多結晶シリコン中のホウ素(B)濃度を測定したところ、5〜20ppbaと比較的高く、太陽電池用シリコンに要求される0.5〜3.5Ω・cmのN型シリコン基板の抵抗率を満足させることができなかった。   However, in the high-purity polycrystalline silicon obtained by dissolving metal zinc in a quartz glass crucible and reducing high-purity silicon tetrachloride using zinc gas generated by heating to the boiling point of zinc of 907 ° C. When the boron (B) concentration was measured, it was relatively high at 5 to 20 ppba, and the resistivity of the N-type silicon substrate of 0.5 to 3.5 Ω · cm required for solar cell silicon could not be satisfied. It was.

そこで本発明者らは、高純度多結晶シリコン中に含まれるホウ素の供給源を鋭意調査した。その結果、石英ガラス製ルツボ中のホウ素濃度と、このルツボを用いて発生させた亜鉛ガスを還元剤として使用することにより得られた高純度多結晶シリコン中のホウ素濃度との間には強い相関があり、亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ中のホウ素濃度が高ければ、亜鉛還元法で得られる高純度多結晶シリコン中のホウ素濃度も高くなることを突き止めた。   Therefore, the present inventors diligently investigated the supply source of boron contained in high-purity polycrystalline silicon. As a result, there is a strong correlation between the boron concentration in the quartz glass crucible and the boron concentration in the high-purity polycrystalline silicon obtained by using the zinc gas generated by this crucible as a reducing agent. It has been found that the boron concentration in the high-purity polycrystalline silicon obtained by the zinc reduction method increases as the boron concentration in the quartz glass crucible for evaporating zinc increases.

石英ガラス製ルツボ中のホウ素濃度と、高純度多結晶シリコン中のホウ素濃度との間に強い相関がある理由は、以下のように考えられる。すなわち、亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ中に金属亜鉛を溶融保持している間に、該ルツボ中のホウ素が一部溶出して溶融亜鉛中に溶解し、この溶融亜鉛を用いて亜鉛蒸発器により亜鉛ガスを発生させた際に、溶融亜鉛中に溶解したホウ素はそのまま亜鉛ガスに移行し、その結果、この亜鉛ガスを用いて亜鉛還元反応炉中で四塩化珪素を還元して高純度多結晶シリコンを製造した際に、亜鉛ガス中のホウ素のほとんどが高純度多結晶シリコン中に移行すると考えられる。   The reason why there is a strong correlation between the boron concentration in the quartz glass crucible and the boron concentration in the high-purity polycrystalline silicon is considered as follows. That is, while the metallic zinc is melted and held in the quartz glass crucible for evaporating zinc, part of the boron in the crucible elutes and dissolves in the molten zinc, and the molten zinc is used by the zinc evaporator. When zinc gas is generated, boron dissolved in molten zinc is transferred to zinc gas as it is, and as a result, silicon tetrachloride is reduced using this zinc gas in a zinc reduction reactor to produce high purity polycrystalline. When silicon is produced, it is considered that most of boron in zinc gas is transferred into high-purity polycrystalline silicon.

そのため、亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボに含まれるホウ素を低減させること、または、亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボに含まれるホウ素の溶出を抑えることのいずれかにより、高純度多結晶シリコン中のホウ素濃度を低減できると考えられる。   Therefore, the boron concentration in high-purity polycrystalline silicon can be reduced by either reducing the boron contained in the quartz glass crucible for evaporating zinc or suppressing the elution of boron contained in the quartz glass crucible for evaporating zinc. Can be reduced.

前者の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボに含まれるホウ素を低減させるためには、ルツボ製造用原料である石英ガラス中のホウ素濃度(通常200〜500ppbw)を限界値以下にした石英ガラスを使うことにより解決できると考えられる。しかしながら、このような低ホウ素濃度の石英ガラスは、通常使われる石英ガラスよりもコストが3倍〜5倍以上高くなる。太陽電池普及のためにコスト低減が喫緊の課題とされている太陽電池用高純度多結晶シリコンの製造において、このような高価格の石英ガラス製ルツボを用いることはコストの面から不適である。   In order to reduce the boron contained in the former crucible made of quartz glass for evaporating zinc, by using quartz glass in which the boron concentration (usually 200 to 500 ppbw) in the quartz glass, which is the raw material for crucible production, is less than the limit value It can be solved. However, such a low boron concentration quartz glass is 3 to 5 times higher in cost than a commonly used quartz glass. In the production of high-purity polycrystalline silicon for solar cells, for which cost reduction is an urgent issue due to the widespread use of solar cells, it is inappropriate from the viewpoint of cost to use such a high-priced quartz glass crucible.

特開2004−196642号公報JP 2004-196642 A 特開2008−184641号公報JP 2008-184641 A

本発明の課題は、四塩化珪素を亜鉛ガスで還元することにより高純度多結晶シリコンを製造する亜鉛還元法に用いられる、還元剤となる亜鉛ガスを発生させる亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボであって、ホウ素の溶出を抑えることができ、かつ安価な亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボおよびその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is a quartz glass crucible for evaporating zinc used in a zinc reduction method for producing high-purity polycrystalline silicon by reducing silicon tetrachloride with zinc gas and generating zinc gas as a reducing agent. Thus, an object of the present invention is to provide a quartz glass crucible for evaporating zinc that can suppress boron elution and a method for manufacturing the same.

本発明者らは、上記課題を解決するために種々検討した結果、溶融石英ガラス製ルツボの内側表面に、特定のホウ素溶出防止層をコーティングすることによりホウ素の溶出を抑えることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。本発明は、例えば、以下の態様を含む。   As a result of various investigations to solve the above problems, the present inventors have found that boron elution can be suppressed by coating a specific boron elution preventing layer on the inner surface of the fused silica glass crucible, The present invention has been completed. The present invention includes, for example, the following aspects.

[1]溶融石英ガラス製ルツボの内側表面の全部または一部にホウ素溶出防止用コーティング層を有することを特徴とする亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ。
[2]前記ホウ素溶出防止用コーティング層が、亜鉛含有酸化物からなることを特徴とする項[1]に記載の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ。
[1] A quartz glass crucible for evaporating zinc, having a boron elution preventing coating layer on all or part of the inner surface of the fused silica glass crucible.
[2] The quartz glass crucible for zinc evaporation according to item [1], wherein the boron elution preventing coating layer is made of a zinc-containing oxide.

[3]前記ホウ素溶出防止用コーティング層が、ホウ素濃度が200ppbw以下である石英ガラスからなることを特徴とする項[1]に記載の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ。   [3] The quartz glass crucible for zinc evaporation according to [1], wherein the boron elution preventing coating layer is made of quartz glass having a boron concentration of 200 ppbw or less.

[4]前記ホウ素溶出防止用コーティング層が、300〜2000μmの厚さであることを特徴とする項[1]〜[3]のいずれか1項に記載の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ。   [4] The quartz evaporation crucible for zinc evaporation according to any one of items [1] to [3], wherein the boron elution preventing coating layer has a thickness of 300 to 2000 μm.

[5]金属亜鉛を溶融石英ガラス製ルツボに装入し、800℃以上の温度に加熱して溶融し、該温度で15時間以上保持した後、溶融した金属亜鉛を前記ルツボから排出することにより、前記ルツボの内側表面の全部または一部に酸化物からなるホウ素溶出防止用コーティング層を形成することを特徴とする亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボの製造方法。   [5] By charging metal zinc into a fused silica glass crucible, heating and melting at a temperature of 800 ° C. or higher, holding at that temperature for 15 hours or more, and then discharging the molten metal zinc from the crucible A method for producing a quartz glass crucible for evaporating zinc, characterized in that a boron elution preventing coating layer made of an oxide is formed on all or part of the inner surface of the crucible.

[6]前記酸化物が、亜鉛酸化物または亜鉛と珪素の複合酸化物であることを特徴とする項[5]に記載の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボの製造方法。
[7]前記ホウ素溶出防止用コーティング層が、300〜2000μmの厚さであることを特徴とする項[5]または[6]に記載の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボの製造方法。
[6] The method for producing a quartz glass crucible for zinc evaporation according to item [5], wherein the oxide is zinc oxide or a composite oxide of zinc and silicon.
[7] The method for producing a quartz glass crucible for zinc evaporation according to [5] or [6], wherein the boron elution preventing coating layer has a thickness of 300 to 2000 μm.

本発明の石英ガラス製ルツボを、亜鉛還元法により高純度多結晶シリコンを製造する際の亜鉛蒸発用ルツボとして用いることにより、ホウ素濃度が大幅に低減された太陽電池用高純度多結晶シリコンを経済的かつ安定的に製造することができる。   By using the silica glass crucible of the present invention as a crucible for evaporating zinc when producing high-purity polycrystalline silicon by the zinc reduction method, high-purity polycrystalline silicon for solar cells with a significantly reduced boron concentration can be economically used. And stable production.

図1は、亜鉛還元法による高純度多結晶シリコンを製造するための装置の一例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic view showing an example of an apparatus for producing high-purity polycrystalline silicon by a zinc reduction method. 図2は、本発明の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボの一例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic view showing an example of a quartz glass crucible for evaporating zinc according to the present invention.

以下、本発明について詳細に説明する。
亜鉛還元法による高純度多結晶シリコンの製造においては、図1に示すように、通常、四塩化珪素ガスおよび亜鉛ガスは亜鉛還元反応器7の上部から供給される。そして、前記反応器7内で、下記反応式に示すように、四塩化珪素は亜鉛で還元され、高純度多結晶シリコンと塩化亜鉛を含む排ガスとが生成する。この場合の反応温度は、通常、950〜1,200℃である。
SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the production of high-purity polycrystalline silicon by the zinc reduction method, silicon tetrachloride gas and zinc gas are usually supplied from the upper part of the zinc reduction reactor 7 as shown in FIG. And in the reactor 7, as shown in the following reaction formula, silicon tetrachloride is reduced with zinc, and high purity polycrystalline silicon and exhaust gas containing zinc chloride are generated. The reaction temperature in this case is usually 950 to 1,200 ° C.
SiCl 4 + 2Zn → Si + 2ZnCl 2

高純度多結晶シリコンは、針状もしくは樹枝状に成長し、四塩化珪素ガス供給ノズル6の先端に付着して下部へ向けて管状に成長し、反応終了後、ノズル先端から取り外され、シリコン取出し装置9等により反応器7の外部へ取り出され、高純度多結晶シリコンDとして回収される。一方、塩化亜鉛ガスを主成分として含む生成ガスは、排ガスCとして、排ガス出口8から反応器7の外に排気される。   High-purity polycrystalline silicon grows in the shape of needles or dendrites, adheres to the tip of the silicon tetrachloride gas supply nozzle 6 and grows in a tubular shape toward the bottom, and is removed from the tip of the nozzle after the reaction is completed. It is taken out of the reactor 7 by the apparatus 9 or the like and recovered as high-purity polycrystalline silicon D. On the other hand, the product gas containing zinc chloride gas as a main component is exhausted as exhaust gas C from the exhaust gas outlet 8 to the outside of the reactor 7.

本発明の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ(以下「亜鉛蒸発用ルツボ」ともいう。)は、図1で示される亜鉛蒸発器2の中に設置され、亜鉛溶解槽1から送られてくる亜鉛融液を受け入れて保持する。この亜鉛融液は外部加熱装置により亜鉛の沸点(907℃)まで加熱され、亜鉛ガスを発生する。発生した亜鉛ガスは、過熱器3を通って所定温度に過熱され、還元反応器7の上部に設置された亜鉛ガス供給ノズル5へと導かれ、還元反応に利用される。   The quartz glass crucible for zinc evaporation of the present invention (hereinafter also referred to as “zinc evaporation crucible”) is installed in the zinc evaporator 2 shown in FIG. Accept and hold fluid. This zinc melt is heated to the boiling point of zinc (907 ° C.) by an external heating device to generate zinc gas. The generated zinc gas is heated to a predetermined temperature through the superheater 3, led to the zinc gas supply nozzle 5 installed at the upper part of the reduction reactor 7, and used for the reduction reaction.

ここで、石英ガラスには、天然石英である水晶粉を原料にして火炎溶融または電気溶融にて製造した溶融石英ガラスと、超高純度の四塩化珪素を原料にして火炎加水分解(CVD法、DVD法)にて製造した合成石英ガラスとがある。   Here, the quartz glass includes a fused silica glass manufactured by flame melting or electric melting using quartz powder which is natural quartz as a raw material, and flame hydrolysis (CVD method, using ultra high purity silicon tetrachloride as a raw material). And synthetic quartz glass produced by the DVD method).

合成石英ガラスは非常に高純度であり、含有不純物であるAl、Fe、Tiなどの金属成分は100ppbw以下、K、Li、Naなどのアルカリ金属は10ppbw以下、またBも10ppbw以下である。一方、溶融石英ガラスは合成石英ガラスよりも含有不純物濃度が高く、代表的な不純物濃度としては、Alが7,000〜10,000ppbw、Feが2,000〜3,000ppbw、Kが60〜100ppbw、Liが20ppbw以下、Naが600〜800ppbwであり、Bが200〜500ppbwである。   Synthetic quartz glass has a very high purity, metal components such as Al, Fe, and Ti, which are impurities, are 100 ppbw or less, alkali metals such as K, Li, and Na are 10 ppbw or less, and B is 10 ppbw or less. On the other hand, fused silica glass has a higher impurity concentration than synthetic quartz glass, and typical impurity concentrations include Al of 7,000 to 10,000 ppbw, Fe of 2,000 to 3,000 ppbw, and K of 60 to 100 ppbw. , Li is 20 ppbw or less, Na is 600 to 800 ppbw, and B is 200 to 500 ppbw.

このように、合成石英ガラスと溶融石英ガラスとでは不純物濃度に大きな違いがあるだけでなく、原料および製法の違いから、合成石英ガラスは、溶融(天然)石英ガラスよりもコストがかかり、価格的には3倍〜5倍以上の高価格になる。   In this way, synthetic quartz glass and fused silica glass are not only greatly different in impurity concentration, but due to differences in raw materials and manufacturing methods, synthetic quartz glass is more expensive and more expensive than fused (natural) quartz glass. Is 3 to 5 times more expensive.

本発明の亜鉛蒸発用ルツボは、合成石英ガラスよりも安価な溶融石英ガラスを用いて作成したルツボであって、これにより亜鉛の溶融および蒸発を行って亜鉛ガスを発生させるものである。   The crucible for evaporating zinc according to the present invention is a crucible prepared by using fused silica glass that is cheaper than synthetic quartz glass, and generates zinc gas by melting and evaporating zinc.

しかしながら、溶融石英ガラス製ルツボをそのまま用いて発生させた亜鉛ガスによって四塩化珪素を還元して得た高純度多結晶シリコンは、上述したようにホウ素濃度が高いため、これを原料として製造された太陽電池の電気特性に悪影響を及ぼす。   However, high-purity polycrystalline silicon obtained by reducing silicon tetrachloride with zinc gas generated using a fused silica glass crucible as it is is manufactured using this as a raw material because of its high boron concentration as described above. It adversely affects the electrical characteristics of solar cells.

本発明者らは、高純度多結晶シリコン中のホウ素濃度と太陽電池用シリコン単結晶の抵抗率との関係を詳細に調べた結果、高純度多結晶シリコン中のホウ素濃度が5ppba(2.5×1014atoms/cc)未満であれば、一般に太陽電池用シリコンに要求される0.5〜3.5Ω・cmの抵抗率のN型シリコン単結晶を安定的に製造することができることを見出した。 As a result of examining the relationship between the boron concentration in the high-purity polycrystalline silicon and the resistivity of the silicon single crystal for solar cells in detail, the present inventors have found that the boron concentration in the high-purity polycrystalline silicon is 5 ppba (2.5 If it is less than × 10 14 atoms / cc), it has been found that an N-type silicon single crystal having a resistivity of 0.5 to 3.5 Ω · cm generally required for solar cell silicon can be stably produced. It was.

本発明の亜鉛蒸発用ルツボは、溶融石英ガラス中のホウ素の溶出を抑制するために、図2に示すように、溶融石英ガラス製ルツボ21の内表面の全部または一部にホウ素溶出防止用コーティング層(以下単に「コーティング層」ともいう。)22を有する。前記コーティング層としては、後述する第1の態様および第2の態様が挙げられる。   As shown in FIG. 2, the zinc evaporation crucible of the present invention has a coating for preventing boron elution on the whole or part of the inner surface of the fused silica glass crucible 21 as shown in FIG. A layer 22 (hereinafter also simply referred to as “coating layer”). Examples of the coating layer include a first aspect and a second aspect described later.

<第1の態様>
前記コーティング層の第1の態様としては、酸化亜鉛(ZnO)などの亜鉛酸化物または亜鉛シリケート(Zn2SiO4)などの亜鉛と珪素の複合酸化物、あるいはこれらが混合ないし化合した亜鉛含有酸化物で形成されたものである。
<First aspect>
As the first aspect of the coating layer, a zinc oxide such as zinc oxide (ZnO), a zinc-silicon composite oxide such as zinc silicate (Zn 2 SiO 4 ), or a zinc-containing oxide in which these are mixed or combined. It is formed of objects.

第1の態様のコーティング層を有する亜鉛蒸発用ルツボは、例えば、以下のようにして製造することができる。
金属亜鉛を所定の大きさの溶融石英ガラス製ルツボに装入し、ルツボの周囲に設けた外部ヒーター(抵抗加熱あるいは誘導加熱)で、金属亜鉛を800℃以上、より好ましくは850℃以上、特に好ましくは890℃〜907℃に加熱して溶解する。この状態で15時間以上、好ましくは18〜50時間、溶融保持した後、溶融亜鉛をルツボから排出する。これにより、空になったルツボの内側表面には、酸化亜鉛または亜鉛シリケート(Zn2SiO4)、あるいはこれらが混合または化合したものなどからなる亜鉛含有酸化物のホウ素溶出防止用コーティング層が薄く形成される。
The zinc evaporation crucible having the coating layer of the first aspect can be produced, for example, as follows.
Metal zinc is charged into a crucible made of fused silica glass having a predetermined size, and the metal zinc is 800 ° C. or higher, more preferably 850 ° C. or higher, particularly with an external heater (resistance heating or induction heating) provided around the crucible. Preferably, it dissolves by heating to 890 ° C to 907 ° C. In this state, after melting and holding for 15 hours or more, preferably 18 to 50 hours, the molten zinc is discharged from the crucible. As a result, a coating layer for preventing boron elution of a zinc-containing oxide made of zinc oxide, zinc silicate (Zn 2 SiO 4 ), or a mixture or combination thereof is thinly formed on the inner surface of the crushed crucible. It is formed.

前記金属亜鉛としては、電解亜鉛、乾式精錬亜鉛、リサイクル亜鉛、または亜鉛還元法の排気ガスから再生された溶融塩電解亜鉛などを用いることができる。前記金属亜鉛中のホウ素濃度は1ppbw以下であることが好ましい。
前記金属亜鉛を溶融石英ガラス製ルツボに装入する量は、ルツボの内容積の80〜95%となる量にするとよい。
As the metal zinc, electrolytic zinc, dry refined zinc, recycled zinc, molten salt electrolytic zinc regenerated from exhaust gas of zinc reduction method, or the like can be used. The boron concentration in the metallic zinc is preferably 1 ppbw or less.
The amount of the metallic zinc charged into the fused silica glass crucible is preferably 80 to 95% of the internal volume of the crucible.

<第2の態様>
前記コーティング層の第2の態様としては、ホウ素濃度の低い高純度の溶融石英ガラス、または合成石英ガラスにより形成されたものである。第2の態様におけるコーティング層を構成する溶融石英ガラスまたは合成石英ガラス中のホウ素濃度は、好ましくは200ppbw以下、より好ましくは180ppbw以下、さらに好ましくは10〜150ppbwである。前記ホウ素濃度が前記範囲よりも多くなると、最終的に得られるシリコン単結晶中のホウ素濃度は5ppba以上となり、太陽電池用高純度シリコンとして不適となる。
<Second aspect>
As a second aspect of the coating layer, the coating layer is formed of high-purity fused silica glass having a low boron concentration or synthetic quartz glass. The boron concentration in the fused silica glass or synthetic quartz glass constituting the coating layer in the second aspect is preferably 200 ppbw or less, more preferably 180 ppbw or less, and still more preferably 10 to 150 ppbw. If the boron concentration exceeds the above range, the boron concentration in the finally obtained silicon single crystal becomes 5 ppba or more, which is not suitable as high-purity silicon for solar cells.

第2の態様のコーティング層を有する亜鉛蒸発用ルツボは、例えば、以下のようにして製造することができる。
所定の大きさの溶融石英ガラス製ルツボの内側表面に、上記低ホウ素濃度の溶融石英ガラス粉もしくは合成石英ガラス粉を所定の厚さに貼り付け、ルツボを回転しながらアーク放電する。これにより、合成石英ガラスの薄いコーティング層がルツボ内側表面に形成される。なお、アーク放電時の温度としては、好ましくは1700℃以上、より好ましくは1730〜1780℃である。
The zinc evaporation crucible having the coating layer of the second aspect can be produced, for example, as follows.
The fused silica glass powder or synthetic quartz glass powder having a low boron concentration is attached to a predetermined thickness on the inner surface of a fused silica glass crucible having a predetermined size, and arc discharge is performed while rotating the crucible. Thereby, a thin coating layer of synthetic quartz glass is formed on the inner surface of the crucible. In addition, as temperature at the time of arc discharge, Preferably it is 1700 degreeC or more, More preferably, it is 1730-1780 degreeC.

コーティング層の厚さは、第1の態様および第2の態様とも、好ましくは300〜2000μm、より好ましくは400〜1500μmである。コーティング層が前記範囲であれば、ホウ素溶出防止効果が十分に得られる。また、コーティング層が前記範囲よりも厚くなっても、ホウ素溶出防止効果は変わらないので、経済的な面から考えても前記範囲が好ましい。   The thickness of the coating layer is preferably 300 to 2000 μm, more preferably 400 to 1500 μm in both the first and second aspects. When the coating layer is in the above range, a boron elution preventing effect can be sufficiently obtained. Moreover, since the boron elution prevention effect does not change even when the coating layer becomes thicker than the above range, the above range is preferable from the economical viewpoint.

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。
なお、以下において、ルツボを構成する石英ガラス中のホウ素濃度は、ICP−MSを用いて測定した。また、コーティング層の厚みは、コーティングしたルツボの断面をSEM/EDXで観察して測定した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples at all.
In the following, the boron concentration in the quartz glass constituting the crucible was measured using ICP-MS. The thickness of the coating layer was measured by observing the cross section of the coated crucible with SEM / EDX.

[実施例1]
ホウ素濃度が300ppbwの溶融石英ガラスを用いて、外径460mm、内径400mm、高さ850mmのルツボを作製した。このルツボにホウ素濃度が1ppbw以下の電解亜鉛300kgを装入し、907℃に加熱して金属亜鉛を溶解し、そのまま溶融状態で20時間保持した。その後、溶融亜鉛をルツボから排出することにより、亜鉛含有酸化物からなるコーティング層を有する亜鉛蒸発用ルツボを得た。得られた亜鉛蒸発用ルツボの内側表面に形成されたコーティング層の厚みを測定したところ、平均500μmであった。
[Example 1]
A fused silica glass having a boron concentration of 300 ppbw was used to produce a crucible having an outer diameter of 460 mm, an inner diameter of 400 mm, and a height of 850 mm. The crucible was charged with 300 kg of electrolytic zinc having a boron concentration of 1 ppbw or less, heated to 907 ° C. to dissolve the metallic zinc, and kept in the molten state for 20 hours. Thereafter, molten zinc was discharged from the crucible to obtain a zinc evaporation crucible having a coating layer made of a zinc-containing oxide. When the thickness of the coating layer formed on the inner surface of the obtained zinc evaporation crucible was measured, the average was 500 μm.

次に、得られた亜鉛蒸発用ルツボを亜鉛蒸発器に設置して、図1に示すような装置を用いて、亜鉛還元法により高純度多結晶シリコンを製造した。
得られた高純度多結晶シリコンを用いて、チョクラルスキー法(CZ)法により結晶成長を行い、単結晶シリコンを製造した。得られた単結晶シリコンを12Kから14Kに冷却してFT−IR法により分析評価したところ、単結晶シリコン中のホウ素濃度は2.5ppbaであった。
Next, the obtained zinc evaporation crucible was installed in a zinc evaporator, and high purity polycrystalline silicon was produced by a zinc reduction method using an apparatus as shown in FIG.
Using the obtained high-purity polycrystalline silicon, crystal growth was performed by the Czochralski method (CZ) method to produce single crystal silicon. When the obtained single crystal silicon was cooled from 12K to 14K and analyzed and evaluated by the FT-IR method, the boron concentration in the single crystal silicon was 2.5 ppba.

[実施例2]
金属亜鉛の溶融状態での保持時間を30時間としたこと以外は、実施例1と同様の方法により、亜鉛蒸発用ルツボを作製し、得られた亜鉛蒸発用ルツボを用いて高純度多結晶シリコンを製造し、得られた高純度多結晶シリコンを用いて単結晶シリコンを製造して評価した。
[Example 2]
A zinc evaporation crucible was prepared by the same method as in Example 1 except that the holding time in the molten state of metallic zinc was 30 hours, and the high purity polycrystalline silicon was obtained using the obtained zinc evaporation crucible. Was manufactured, and single crystal silicon was manufactured and evaluated using the obtained high-purity polycrystalline silicon.

得られた亜鉛蒸発用ルツボの内側表面に形成されたコーティング層の厚みは、平均800μmであった。また、得られた単結晶シリコン中のホウ素濃度は0.6ppbaであった。   The average thickness of the coating layer formed on the inner surface of the obtained zinc evaporation crucible was 800 μm. Moreover, the boron concentration in the obtained single crystal silicon was 0.6 ppba.

[実施例3]
ホウ素濃度が230ppbwの溶融石英ガラスを用いたこと以外は、実施例1と同様の大きさのルツボを作製した。このルツボの内側表面に、ホウ素濃度が90ppbwの溶融石英ガラス粉を、厚みが約2000μmとなるように、貼り付けた。このルツボを回転しながらアーク放電を行い、1750℃でコーティング層を形成することにより、ホウ素濃度が90ppbwの溶融石英ガラスからなるコーティング層を有する亜鉛蒸発用ルツボを得た。得られた亜鉛蒸発用ルツボの内側表面に形成されたコーティング層の厚みは、平均1000μmであった。
[Example 3]
A crucible having the same size as in Example 1 was prepared except that fused silica glass having a boron concentration of 230 ppbw was used. A fused silica glass powder having a boron concentration of 90 ppbw was attached to the inner surface of the crucible so that the thickness was about 2000 μm. Arc discharge was performed while rotating the crucible, and a coating layer was formed at 1750 ° C., thereby obtaining a zinc evaporation crucible having a coating layer made of fused silica glass having a boron concentration of 90 ppbw. The average thickness of the coating layer formed on the inner surface of the obtained zinc evaporation crucible was 1000 μm.

得られた亜鉛蒸発用ルツボを用いたこと以外は、実施例1と同様の方法により、高純度多結晶シリコンを製造し、得られた高純度多結晶シリコンを用いて単結晶シリコンを製造して評価した。得られた単結晶シリコン中のホウ素濃度は2.0ppbaであった。   Except for using the obtained zinc evaporation crucible, high-purity polycrystalline silicon was produced in the same manner as in Example 1, and single-crystal silicon was produced using the obtained high-purity polycrystalline silicon. evaluated. The boron concentration in the obtained single crystal silicon was 2.0 ppba.

[比較例1]
ホウ素濃度が230ppbwの溶融石英ガラスを用いて、外径460mm、内径400mm、高さ850mmのルツボを作製した。このルツボを亜鉛蒸発器に設置して、図1に示すような装置を用いて、亜鉛還元法により高純度多結晶シリコンを製造した。
[Comparative Example 1]
A fused silica glass having a boron concentration of 230 ppbw was used to produce a crucible having an outer diameter of 460 mm, an inner diameter of 400 mm, and a height of 850 mm. This crucible was installed in a zinc evaporator, and high purity polycrystalline silicon was produced by a zinc reduction method using an apparatus as shown in FIG.

得られた高純度多結晶シリコンを用いたこと以外は、実施例1と同様の方法により、単結晶シリコンを製造して評価した。得られた単結晶シリコン中のホウ素濃度は5.5ppbaであった。   Single crystal silicon was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the obtained high-purity polycrystalline silicon was used. The boron concentration in the obtained single crystal silicon was 5.5 ppba.

[比較例2]
ホウ素濃度が700ppbwの溶融石英ガラスを用いたこと以外は、比較例1と同様にして、ルツボを作製し、得られたルツボを用いて高純度多結晶シリコンを製造し、得られた高純度多結晶シリコンを用いて単結晶シリコンを製造して評価した。得られた単結晶シリコン中のホウ素濃度は15.0ppbaであった。
[Comparative Example 2]
Except for using a fused silica glass having a boron concentration of 700 ppbw, a crucible was produced in the same manner as in Comparative Example 1, and high-purity polycrystalline silicon was produced using the obtained crucible. Single crystal silicon was manufactured and evaluated using crystalline silicon. The boron concentration in the obtained single crystal silicon was 15.0 ppba.

[比較例3]
金属亜鉛の溶融状態での保持時間を10時間としたこと以外は、実施例1と同様の方法により、亜鉛蒸発用ルツボを作製し、得られた亜鉛蒸発用ルツボを用いて高純度多結晶シリコンを製造し、得られた高純度多結晶シリコンを用いて単結晶シリコンを製造して評価した。
[Comparative Example 3]
A zinc evaporation crucible was prepared in the same manner as in Example 1 except that the holding time in the molten state of metallic zinc was 10 hours, and the high purity polycrystalline silicon was obtained using the obtained zinc evaporation crucible. Was manufactured, and single crystal silicon was manufactured and evaluated using the obtained high-purity polycrystalline silicon.

得られた亜鉛蒸発用ルツボの内側表面に形成されたコーティング層の厚みは、平均200μmであった。また、得られた単結晶シリコン中のホウ素濃度は6.8ppbaであった。   The average thickness of the coating layer formed on the inner surface of the obtained zinc evaporation crucible was 200 μm. Moreover, the boron concentration in the obtained single crystal silicon was 6.8 ppba.

[参考例]
ホウ素濃度が90ppbwの合成石英ガラスを用いたこと以外は、比較例1と同様にして、ルツボを作製し、得られたルツボを用いて高純度多結晶シリコンを製造し、得られた高純度多結晶シリコンを用いて単結晶シリコンを製造して評価した。得られた単結晶シリコン中のホウ素濃度は2.0ppbaであった。
以上の実施例、比較例および参考例の結果を表1に示す。
[Reference example]
Except that synthetic quartz glass having a boron concentration of 90 ppbw was used, a crucible was produced in the same manner as in Comparative Example 1, and high-purity polycrystalline silicon was produced using the obtained crucible. Single crystal silicon was manufactured and evaluated using crystalline silicon. The boron concentration in the obtained single crystal silicon was 2.0 ppba.
The results of the above Examples, Comparative Examples and Reference Examples are shown in Table 1.

Figure 2014037339
Figure 2014037339

表1に示すように、実施例1〜3の単結晶シリコン中のホウ素濃度はいずれも5.0ppba以下であり、太陽電池用シリコンの材料として十分満足すべきものであった。   As shown in Table 1, the boron concentrations in the single crystal silicon of Examples 1 to 3 were all 5.0 ppba or less, and were sufficiently satisfactory as a material for solar cell silicon.

A 金属亜鉛原料
B 四塩化珪素原料
C 排ガス
D 高純度多結晶シリコン
1 亜鉛溶解槽
2 亜鉛蒸発器
3 過熱器
4 四塩化珪素蒸発器
5 亜鉛ガス供給ノズル
6 四塩化珪素ガス供給ノズル
7 還元反応器
8 排ガス出口
9 シリコン取出し装置
10 高純度多結晶シリコン製造装置
20 亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ
21 溶融石英ガラス製ルツボ
22 コーティング層
A Metallic zinc raw material B Silicon tetrachloride raw material C Exhaust gas D High-purity polycrystalline silicon 1 Zinc dissolution tank 2 Zinc evaporator 3 Superheater 4 Silicon tetrachloride evaporator 5 Zinc gas supply nozzle 6 Silicon tetrachloride gas supply nozzle 7 Reduction reactor 8 Exhaust gas outlet 9 Silicon extraction device 10 High-purity polycrystalline silicon production device 20 Zinc evaporation quartz glass crucible 21 Fused silica glass crucible 22 Coating layer

Claims (7)

溶融石英ガラス製ルツボの内側表面の全部または一部にホウ素溶出防止用コーティング層を有することを特徴とする亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ。   A quartz glass crucible for evaporating zinc, comprising a coating layer for preventing boron elution on all or part of the inner surface of a fused silica glass crucible. 前記ホウ素溶出防止用コーティング層が、亜鉛含有酸化物からなることを特徴とする請求項1に記載の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ。   The crucible made of quartz glass for zinc evaporation according to claim 1, wherein the boron elution preventing coating layer is made of a zinc-containing oxide. 前記ホウ素溶出防止用コーティング層が、ホウ素濃度が200ppbw以下である石英ガラスからなることを特徴とする請求項1に記載の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ。   The crucible made of quartz glass for zinc evaporation according to claim 1, wherein the boron elution preventing coating layer is made of quartz glass having a boron concentration of 200 ppbw or less. 前記ホウ素溶出防止用コーティング層が、300〜2000μmの厚さであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボ。   4. The quartz glass crucible for zinc evaporation according to claim 1, wherein the boron elution preventing coating layer has a thickness of 300 to 2000 μm. 金属亜鉛を溶融石英ガラス製ルツボに装入し、800℃以上の温度に加熱して溶融し、該温度で15時間以上保持した後、溶融した金属亜鉛を前記ルツボから排出することにより、前記ルツボの内側表面の全部または一部に酸化物からなるホウ素溶出防止用コーティング層を形成することを特徴とする亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボの製造方法。   Metal crucible is charged into a fused silica glass crucible, heated to a temperature of 800 ° C. or higher and melted, held at the temperature for 15 hours or more, and then the molten metal zinc is discharged from the crucible. A method for producing a quartz glass crucible for evaporating zinc, comprising forming a boron elution preventing coating layer made of an oxide on all or a part of the inner surface of the glass. 前記酸化物が、亜鉛酸化物または亜鉛と珪素の複合酸化物であることを特徴とする請求項5に記載の亜鉛蒸発用石英ガラスル製ルツボの製造方法。   6. The method for producing a quartz glass crucible crucible for zinc evaporation according to claim 5, wherein the oxide is zinc oxide or a composite oxide of zinc and silicon. 前記ホウ素溶出防止用コーティング層が、300〜2000μmの厚さであることを特徴とする請求項5または6に記載の亜鉛蒸発用石英ガラス製ルツボの製造方法。   The method for producing a quartz glass crucible for zinc evaporation according to claim 5 or 6, wherein the boron elution preventing coating layer has a thickness of 300 to 2000 µm.
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