JP4800095B2 - Granular silicon manufacturing method and manufacturing apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、多結晶もしくは単結晶の粒状シリコンの製造方法及び製造装置に関するものである。   The present invention relates to a method and an apparatus for producing polycrystalline or single crystal granular silicon.

落下方法による粒状シリコンの作製においては、吐出されたシリコン液滴は不活性ガス雰囲気、あるいは真空中に落下しながら冷却され、過冷却状態になり、温度の低い表面に多量の結晶核が発生し、外部から内部に向かって固まっていき、多結晶を形成する。特に、凝固の時、体積の膨張の力により、割れたり変形したりすることが多い。この方法で生成されたシリコン粒にはエッチピットや転位などの結晶欠陥が多量に含まれる。   In the production of granular silicon by the dropping method, the discharged silicon droplets are cooled while falling into an inert gas atmosphere or vacuum, and become supercooled, generating a large amount of crystal nuclei on the low temperature surface. , Solidifies from the outside to the inside, forming a polycrystal. In particular, during solidification, it often breaks or deforms due to the expansion force of the volume. Silicon grains produced by this method contain a large amount of crystal defects such as etch pits and dislocations.

粒状シリコンの結晶性を向上させるために、特許文献1では種結晶技術をすでに開示している。この先行技術では、落下中のシリコン融液にその場で単結晶の種を供給して、単結晶、もしくは多結晶の粒状シリコンを得る。多結晶のシリコン粒の外側の一部を溶かし、中心の一部を結晶種として残して、再び凝固させて単結晶を成長させる。この技術では、粒状シリコンを1個ずつ作製するものであるため量産性の点で問題がある。   In order to improve the crystallinity of granular silicon, Patent Document 1 has already disclosed a seed crystal technique. In this prior art, single crystal seeds are supplied to a falling silicon melt in situ to obtain single crystal or polycrystalline granular silicon. A part of the outside of the polycrystalline silicon grains is melted, and a part of the center is left as a crystal seed, which is solidified again to grow a single crystal. This technique is problematic in terms of mass productivity because it produces granular silicon one by one.

他の落下方法による粒状シリコンの作製は、吐出されたシリコン液滴を種結晶用の微粉を漂わせた不活性ガス雰囲気中を落下させることにより、温度の低い表面に結晶核を発生させ、外部から内部に向かって固まらせて、多結晶を形成するものである。これは例えば特許文献2にも開示されているように公知である。
粒状シリコンを製造する従来の装置を図9に示す。溶融ルツボを含みシリコン原料体を溶解する溶解炉1、溶融ルツボから吐出した溶融シリコンを落下させる落下管3、落下管を落下する間に凝固した粒状シリコンを回収する回収装置4及び落下管内に種結晶用の微粉を供給する種結晶用微粉供給装置20から構成されている。
In the production of granular silicon by other dropping methods, the discharged silicon droplets are dropped in an inert gas atmosphere in which fine powder for seed crystals is drifted to generate crystal nuclei on the surface at a low temperature, and external Is hardened from the inside toward the inside to form a polycrystal. This is known, for example, as disclosed in Patent Document 2.
A conventional apparatus for producing granular silicon is shown in FIG. A melting furnace 1 containing a melting crucible and melting a silicon raw material body, a dropping tube 3 for dropping molten silicon discharged from the melting crucible, a recovery device 4 for collecting granular silicon solidified while dropping the dropping tube, and a seed in the dropping tube It is comprised from the fine powder supply apparatus 20 for the seed crystal which supplies the fine powder for a crystal | crystallization.

溶解炉1の内部には、図2に示すようにシリコン融液6を収納する石英ルツボ5が設けられ、石英ルツボ5の側面周辺はシリコン溶解用の加熱ヒータ11が設けられる。
石英ルツボ5には、高純度石英が用いられている。この石英ルツボ5の底部にノズル7が取り付けられている。
As shown in FIG. 2, a quartz crucible 5 that stores the silicon melt 6 is provided inside the melting furnace 1, and a heater 11 for melting silicon is provided around the side surface of the quartz crucible 5.
High purity quartz is used for the quartz crucible 5. A nozzle 7 is attached to the bottom of the quartz crucible 5.

以下、粒状シリコンを製造する方法について説明する。
まず、底にノズル7を有する石英ルツボ内でシリコンを溶解し、シリコン溶液の温度が、融点より十分高くなった時点で、石英ルツボの上部から微量の押出しガスを流し、ルツボの底にある穴から融液を吐出させる。
この時、融液を不連続に滴下させないで、線状に連続的に流れるように吐出させる。吐出した線状のシリコン融液は、溶解炉下方に配置された落下管3内を自由落下するが、その際に、重力加速度によって径が細くなり、最終的には、融液の表面張力によって細断されて粒状になる。
Hereinafter, a method for producing granular silicon will be described.
First, silicon is dissolved in a quartz crucible having a nozzle 7 at the bottom, and when the temperature of the silicon solution becomes sufficiently higher than the melting point, a small amount of extrusion gas is allowed to flow from the top of the quartz crucible, and a hole at the bottom of the crucible To discharge the melt.
At this time, the melt is discharged so as to continuously flow in a linear manner without dropping the melt discontinuously. The discharged linear silicon melt freely falls in the drop tube 3 arranged below the melting furnace, but at that time, the diameter becomes thin due to gravitational acceleration, and finally, due to the surface tension of the melt. Shredded and granular.

その際、落下管3の上方部には種結晶生成用の微粉供給装置20の噴出管14が接続されているので、細断された直後のシリコン融液の滴は、融液状態のまま噴出管14から噴出された煙状シリコンを含む雰囲気ガス中に浸される。そしてシリコン融液の滴は、融液状態のまま雰囲気ガス中の種結晶用微粉と接触し、接触箇所から急速に冷却され落下管3内を落下中に凝固する。凝固した粒状シリコンは、落下管3の下端に設けた回収装置4内の冷却油中に回収される。   At that time, since the spray pipe 14 of the fine powder supply device 20 for seed crystal generation is connected to the upper part of the drop pipe 3, the droplets of the silicon melt immediately after being shredded spout in the melt state. It is immersed in an atmospheric gas containing smoke silicon ejected from the tube 14. The droplets of the silicon melt come into contact with the fine powder for seed crystal in the atmospheric gas while being in the melt state, rapidly cooled from the contact point, and solidified in the drop tube 3 while dropping. The solidified granular silicon is recovered in the cooling oil in the recovery device 4 provided at the lower end of the drop tube 3.

ここで微粉供給装置20は、その内部にシリコンの粉末が収納された容器21と、容器21に雰囲気ガスを導入する導入管13と、容器21の内部に設けられシリコンの粉末を攪拌して煙状となったシリコンを生成する攪拌手段15と、生成され煙状となったシリコンを落下管3に噴出する噴出管14と、を備えて構成される。
米国特許第6264742号明細書 特開2004−881号公報
Here, the fine powder supply device 20 includes a container 21 in which silicon powder is stored, an introduction pipe 13 for introducing atmospheric gas into the container 21, and a silicon powder provided in the container 21 by stirring the silicon powder. The agitation means 15 for producing silicon in the form of a gas and the ejection pipe 14 for ejecting the produced silicon in the form of smoke to the dropping pipe 3 are provided.
US Pat. No. 6,264,742 JP 2004-881 A

従来の粒状シリコンの製造方法及び製造装置では次のような問題があった。
落下管中へ噴出され煙状となったシリコン等の微粉の一部が自重によって、落下管の下部へ落ちて行くか、吐出中の上昇気流によって落下管の上部へ運ばれてしまい、落下管中の一定の空間に留まらないという問題があり、このため落下管3内でシリコン融液の滴の結晶化が十分ではなかった。
したがって、本発明は、上記のような問題点を除去した粒状シリコンの製造方法及びその製造装置を提供することを課題とする。
The conventional granular silicon manufacturing method and manufacturing apparatus have the following problems.
Part of the fine powder, such as silicon, ejected into the drop tube and smoked, falls to the lower part of the drop tube due to its own weight, or is carried to the upper part of the drop tube by the rising air current during discharge, and the drop tube There is a problem that it does not stay in a certain space inside, and for this reason, the crystallization of the silicon melt droplets in the drop tube 3 is not sufficient.
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing granular silicon and an apparatus for manufacturing the same, in which the above problems are eliminated.

本発明は上記の課題を解決するために、粒状シリコンの製造方法及びその製造装置において、微粉供給装置で生成されたシリコン等の微粉が下方に落下することなく落下管内の一定空間に留まるようにしたことを要点とする。
課題を解決する手段は次のとおりである。
(1)シリコン原料を溶融ルツボにおいて加熱して溶融する工程と、所定の圧力を前記溶融ルツボ内のシリコン融液上面にかけながら、溶融したシリコンを前記溶融ルツボの底部に設けられたノズル穴より吐出させる工程と、前記吐出させた溶融シリコンを、種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにした落下管内を溶融状態のままで落下させ、微粉を核として結晶成長させるとともに、粒状に凝固させる工程と、を備えた粒状シリコンの製造方法。
(2)種結晶用の微粉を不活性ガスとともに落下管内の微粉噴出部から噴出させ、該微粉噴出部の下方及び上方から不活性ガスを供給すると同時に、微粉噴出部の上下の近傍から排気することにより、種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにしたことを特徴とする粒状シリコンの製造方法。
(3)種結晶用の微粉を落下管内へプラズマの原料ガスと共に供給し、該微粉をプラズマの中で一定の密度で分布させることにより、種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにしたことを特徴とする粒状シリコンの製造方法
(4)種結晶用の微粉はシリコン、石英ガラス、窒化シリコン、窒化ボロンの粉末体のいずれか、もしくはその混合物であることを特徴とする粒状シリコンの製造方法。
(5)上記ノズル穴より吐出されたシリコン融液は、上記一定の空間において過冷却度が300℃以内であることを特徴とする粒状シリコンの製造方法。
(6)上記種結晶用の微粉は、種結晶用の微粉を入れた容器の下部から不活性ガスをパルス状に吹き込むことにより、落下管中に煙状となって噴出していることを特徴とする粒状シリコンの製造方法。
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method and apparatus for producing granular silicon so that fine powder such as silicon produced by a fine powder supply device does not fall downward and remains in a constant space in the drop tube. This is the main point.
Means for solving the problems are as follows.
(1) A step of heating and melting a silicon raw material in a melting crucible, and discharging a molten silicon from a nozzle hole provided at the bottom of the melting crucible while applying a predetermined pressure to the upper surface of the silicon melt in the melting crucible. And dropping the molten silicon discharged in the molten state in a molten state so that the fine powder for seed crystal stays in a certain space without dropping, and crystal growth using the fine powder as a nucleus And a step of solidifying into granular form.
(2) The fine powder for seed crystal is ejected from the fine powder jetting part in the dropping tube together with the inert gas, and the inert gas is supplied from below and above the fine powder jetting part, and at the same time, exhausted from the upper and lower vicinity of the fine powder jetting part Thus, the method for producing granular silicon is characterized in that the fine powder for seed crystals stays in a certain space without falling.
(3) The fine powder for seed crystal is supplied into the drop tube together with the raw material gas of plasma, and the fine powder is distributed at a constant density in the plasma, so that the fine powder for seed crystal does not fall into a constant space. (4) The fine powder for seed crystal is one of silicon, quartz glass, silicon nitride, boron nitride powder, or a mixture thereof. To produce granular silicon.
(5) The method for producing granular silicon, wherein the silicon melt discharged from the nozzle hole has a degree of supercooling within 300 ° C. in the fixed space.
(6) The above-mentioned fine powder for seed crystals is jetted in the form of smoke into the drop tube by blowing an inert gas in a pulse form from the lower part of the container containing the fine powder for seed crystals. A method for producing granular silicon.

また本発明では次のような製造装置により上記課題は解決される。
(7)底部にノズルを有する溶融ルツボを含みシリコン原料を溶解する溶解炉と、溶融ルツボ底部から吐出した溶融シリコンを種結晶用の微粉に接触させて落下させる落下管と、前記落下管を落下する間に凝固した粒状シリコンを回収する回収装置と、を有する粒状シリコン製造装置において、
落下管の一部に、種結晶用の微粉が落下することなく落下管内部の一定の空間に滞留するように制御する微粉制御機構を備えたことを特徴とする粒状シリコン製造装置。
(8)上記微粉制御機構は、落下管中へ不活性ガスとともに微粉を噴出する微粉噴出ノズルと、該微粉噴出ノズルの上方及び下方に設けられ落下管中に不活性ガスを供給する上部ガス供給ノズル及び下部ガス供給ノズルと、上部ガス供給ノズル及び下部ガス供給ノズルと微粉噴出ノズルとの間にそれぞれ設けられた上部排気ノズル及び下部排気ノズルとを備えたことを特徴とする粒状シリコン製造装置。
(9)上記微粉制御機構は、種結晶用の微粉を前記空間へ不活性ガスと共に供給する手段と、落下管内部の一定の空間に不活性ガスのプラズマを発生させる手段と、を備えたことを特徴とする粒状シリコン製造装置。
(10)上記種結晶用の微粉を入れたロート状の容器と、該容器の下端より不活性ガスを吹き付ける手段と、該容器の上方より煙状となった種結晶用の微粉を不活性ガスとともに排出する排出手段とを有する種結晶用の微粉供給装置をさらに備えたことを特徴とする粒状シリコン製造装置。
(11)上記種結晶用の微粉供給装置は、上記ロート状の容器を振動させる振動手段及び不活性ガスの導入経路にパルス電磁バルブ手段を含むことを特徴とする粒状シリコン製造装置。
Further, in the present invention, the above-described problems are solved by the following manufacturing apparatus.
(7) A melting furnace that includes a melting crucible having a nozzle at the bottom and melts silicon raw material, a dropping tube that drops molten silicon discharged from the melting crucible bottom in contact with fine powder for seed crystals, and dropping the dropping tube In the granular silicon production apparatus having a recovery device for recovering the granular silicon solidified during
A granular silicon production apparatus comprising a fine powder control mechanism for controlling so that fine powder for seed crystals stays in a certain space inside the drop pipe without falling on a part of the drop pipe.
(8) The fine powder control mechanism includes a fine powder ejection nozzle that ejects fine powder together with an inert gas into the drop pipe, and an upper gas supply that is provided above and below the fine powder jet nozzle and supplies the inert gas into the drop pipe A granular silicon production apparatus comprising: a nozzle and a lower gas supply nozzle; and an upper exhaust nozzle and a lower exhaust nozzle provided between the upper gas supply nozzle, the lower gas supply nozzle, and the fine powder ejection nozzle, respectively.
(9) The fine powder control mechanism includes means for supplying the fine powder for seed crystal to the space together with the inert gas, and means for generating plasma of the inert gas in a certain space inside the drop tube. A granular silicon manufacturing apparatus characterized by the above.
(10) Funnel-like container containing fine powder for seed crystal, means for spraying inert gas from the lower end of the container, and fine powder for seed crystal in the form of smoke from above the container A granular silicon production apparatus, further comprising: a seed crystal fine powder supply device having a discharge means for discharging together.
(11) The granular silicon production apparatus, wherein the seed crystal fine powder supply apparatus includes a vibrating means for vibrating the funnel-shaped container and a pulse electromagnetic valve means in an inert gas introduction path.

本発明によれば、微粉が落下管中の一定の空間に留まるため、結晶性の高い多結晶もしくは単結晶の粒状シリコンを効率良く生産することができる。   According to the present invention, since the fine powder remains in a certain space in the drop tube, it is possible to efficiently produce polycrystalline or single crystal granular silicon having high crystallinity.

本発明の実施の形態について以下図面を参照して詳細に説明する。
本発明に係る粒状シリコンの製造装置を図1に示す。シリコン原料を溶解する溶解炉1、種結晶用の微粉制御機構2と、落下管3と、回収装置4で構成される。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
An apparatus for producing granular silicon according to the present invention is shown in FIG. It comprises a melting furnace 1 for melting silicon raw material, a fine powder control mechanism 2 for seed crystals, a drop tube 3 and a recovery device 4.

次に図2は、溶解炉1の要部を示すものである。
シリコン原料は石英ルツボ5に貯留し、溶解炉の加熱ヒータ11によってシリコンを融点以上の温度まで加熱し溶解させる。
石英ルツボ内部にAr、Heなどの不活性ガスによって圧力を印加して、押出用ガスを供給し、ルツボの底のノズルからシリコン融液6を吐出させる。
Next, FIG. 2 shows a main part of the melting furnace 1.
The silicon raw material is stored in the quartz crucible 5, and the silicon is heated and melted to a temperature equal to or higher than the melting point by the heater 11 of the melting furnace.
A pressure is applied to the inside of the quartz crucible with an inert gas such as Ar or He, an extrusion gas is supplied, and the silicon melt 6 is discharged from the nozzle at the bottom of the crucible.

吐出されたシリコン融液6は、重力及び表面張力によって細断されて粒状のシリコン滴8になり、落下しながら不活性ガスによって冷却され、過冷却状態になる。そこで、種結晶の微粉を供給し、過冷却になったシリコン滴と接合させる。接合された部分は局所的に核を形成し結晶成長しながら凝固する。   The discharged silicon melt 6 is chopped by gravity and surface tension to form granular silicon droplets 8, which are cooled by an inert gas while falling and become supercooled. Therefore, seed crystal fine powder is supplied and bonded to the supercooled silicon droplets. The joined portion locally nucleates and solidifies while growing.

本発明では種結晶の微粉を供給し、過冷却になったシリコン滴と接合させるに際し、種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにしたことを特徴とする。
以下種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにした実施態様を例示して本発明の詳細を説明する。
The present invention is characterized in that when the seed crystal fine powder is supplied and joined to the supercooled silicon droplet, the seed crystal fine powder stays in a certain space without falling.
The details of the present invention will be described below by exemplifying an embodiment in which the fine powder for seed crystals stays in a certain space without falling.

図4は、種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにした微粉制御機構の一実施態様を示すものである。この実施態様では、種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにするため、落下管3の一部に微粉制御機構2の中心軸を落下シリコン融液の経路と一致するように設置するものである。   FIG. 4 shows an embodiment of a fine powder control mechanism in which fine powder for seed crystals stays in a certain space without falling. In this embodiment, the seed crystal fine powder stays in a certain space without falling, so that the central axis of the fine powder control mechanism 2 coincides with the path of the falling silicon melt in a part of the drop tube 3. It is intended to be installed.

図3のような種結晶用の微粉供給装置の出口より噴出した微粉と不活性ガスは、清浄なチューブを通して微粉制御機構まで輸送され、微粉及び不活性ガス噴出ノズル23から落下管3中に噴出される。噴出ノズル23は輸送チューブから分岐され、一つ以上設置されている。
上部ガス供給ノズル26及び下部ガス供給ノズル27より不活性ガスを供給し、同時に、上部排気ノズル24及び下部排気ノズル25から排気する。落下管内の圧力が常に一定になるようにガスの供給量及び排気量を精密に制御する。
Fine powder and inert gas ejected from the outlet of the seed crystal fine powder supply apparatus as shown in FIG. 3 are transported to the fine powder control mechanism through a clean tube, and ejected from the fine powder and inert gas ejection nozzle 23 into the drop tube 3. Is done. One or more jet nozzles 23 are branched from the transport tube.
An inert gas is supplied from the upper gas supply nozzle 26 and the lower gas supply nozzle 27, and at the same time, exhaust is performed from the upper exhaust nozzle 24 and the lower exhaust nozzle 25. The gas supply rate and exhaust rate are precisely controlled so that the pressure in the drop tube is always constant.

上記のような微粉制御機構を設けることによって、噴出ノズル23から噴出された微粉は、下へ落ちず、上部空間へ拡散もせず、噴出ノズル付近の一定の空間に留まる。
更に、上部ガス供給ノズル26及び下部ガス供給ノズル27からのガス供給量を調整することによって、微粉の滞在空間範囲を調整することができる。微粉の濃度調整は、微粉輸送不活性ガスの流量によって実現できる。
微粉の分布を均一にするために、ガス供給ノズル及び排気ノズルはそれぞれ複数個、円周上に均等に設置することが好ましい。ガスの供給量及び排気速度は、それぞれの経路にバルブを設置して独立に調整することができる。各ノズル間の間隔は、落下管及び微粉制御機構の直径に応じて設計する。
なお微粉制御機構は、落下管の一部分を利用してもよいし、別途製作して落下管の中途に挿入してもよい。
上記微粉制御機構によって、種結晶用の微粉を安定に供給し、かつ一定の空間に均一に分布させることができる。
By providing the fine powder control mechanism as described above, the fine powder ejected from the ejection nozzle 23 does not fall down, does not diffuse into the upper space, and remains in a certain space near the ejection nozzle.
Furthermore, by adjusting the gas supply amount from the upper gas supply nozzle 26 and the lower gas supply nozzle 27, the stay space range of the fine powder can be adjusted. The fine powder concentration can be adjusted by the flow rate of the fine powder transport inert gas.
In order to make the fine powder distribution uniform, a plurality of gas supply nozzles and a plurality of exhaust nozzles are preferably installed uniformly on the circumference. The gas supply amount and the exhaust speed can be adjusted independently by installing a valve in each path. The interval between the nozzles is designed according to the diameter of the drop tube and the fine powder control mechanism.
The fine powder control mechanism may use a part of the drop tube, or may be separately manufactured and inserted in the middle of the drop tube.
By the fine powder control mechanism, fine powder for seed crystals can be supplied stably and distributed uniformly in a certain space.

上記のものとは別に、プラズマにより微粉を閉じ込めたり分散させたりすることにより、種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにすることも可能である。
図5、図6を例示して微粉制御機構の他の実施態様を説明する。
Apart from the above, it is possible to confine or disperse the fine powder by plasma so that the fine powder for seed crystal stays in a certain space without falling.
Another embodiment of the fine powder control mechanism will be described with reference to FIGS.

図5の微粉制御機構は、落下管の外部にプラズマ装置を設け、そこにプラズマ放電用ガスを導入し、プラズマを発生させる。種結晶用微粉をプラズマの中へ導入し、プラズマ装置の開口から、プラズマとともに種結晶用の微粉を落下管中に供給するものである。そして微粉は、一定の密度でプラズマの制限空間内に均一に分布する。
なおプラズマ装置を落下管の内部に設けることも可能である。
The fine powder control mechanism shown in FIG. 5 is provided with a plasma device outside the drop tube, and a plasma discharge gas is introduced therein to generate plasma. The fine powder for seed crystal is introduced into the plasma, and the fine powder for seed crystal is supplied into the drop tube together with the plasma from the opening of the plasma device. The fine powder is uniformly distributed in the restricted space of the plasma at a constant density.
It is also possible to provide a plasma device inside the drop tube.

図6の微粉制御機構は、落下管の周囲に円筒状のマイクロ波プラズマ装置を配置したものである。マイクロ波とプラズマ放電ガスを導入し、落下管中にプラズマを発生させ、種結晶用微粉をプラズマの中へ導入する。そして微粉は、一定の密度でプラズマの制限空間内に均一に分布する。   The fine powder control mechanism of FIG. 6 has a cylindrical microwave plasma device arranged around a drop tube. Microwave and plasma discharge gas are introduced, plasma is generated in the drop tube, and fine powder for seed crystal is introduced into the plasma. The fine powder is uniformly distributed in the restricted space of the plasma at a constant density.

その他の実施態様としては、落下管の中にプラズマ電極を設置し、高周波電力を供給して、不活性ガスのプラズマを発生させ、プラズマ空間へ種結晶用の微粉を一定の流量で供給し、プラズマ電位によって電極間に分散させることもできる。
プラズマ電極は、垂直方向の平行平板型、水平方向での平行Oリング型、垂直方向のコイル型の一つから成る。何れの場合も落下シリコン融液滴通路の中心軸に微粉が均一になるように設計し、シリコン融液が通過するために50mmφ以上の円柱状空間を確保する。
以上により、微粉は一定の密度でプラズマの制限空間内に均一に分布できる。
As another embodiment, a plasma electrode is installed in a drop tube, high-frequency power is supplied to generate an inert gas plasma, and fine powder for seed crystals is supplied to the plasma space at a constant flow rate. It can also be dispersed between the electrodes by the plasma potential.
The plasma electrode comprises one of a parallel plate type in the vertical direction, a parallel O-ring type in the horizontal direction, and a coil type in the vertical direction. In any case, the fine powder is designed to be uniform on the central axis of the falling silicon melt droplet passage, and a cylindrical space of 50 mmφ or more is secured for the silicon melt to pass through.
As described above, the fine powder can be uniformly distributed in the restricted space of the plasma with a constant density.

次に図4に示す微粉制御機構を採用した粒状シリコンの製造方法について詳細に説明する。
まず、120gのシリコン原料を石英ルツボに入れ、シリコンの融点より高い温度である1500℃に昇温した。そしてこの温度を約30分間維持すると、シリコンは完全に溶解し、40分で吐出を開始した。
Next, the manufacturing method of the granular silicon which employ | adopted the fine powder control mechanism shown in FIG. 4 is demonstrated in detail.
First, 120 g of silicon raw material was placed in a quartz crucible and heated to 1500 ° C., which is higher than the melting point of silicon. When this temperature was maintained for about 30 minutes, the silicon was completely dissolved, and discharge was started in 40 minutes.

吐出を開始する前に種結晶用の微粉を調整しておく。種結晶用の微粉はサイズ1〜100μmφの単結晶シリコン微粉を用いた。シリコン微粉の純度は5N(ナイン)以上であった。シリコン微粉5gを図3に示す石英製ロート状の微粉容器21に入れて、容器の下より流量1L/minのArガスを供給し、容器の上部空間で煙状にさせた。微粉が固まらないように、微粉容器を超音波発振機によって振動させ、更に、Arガスの経路にパルス電磁バルブを設け、周波数5Hzで電磁バルブを動作させて、Arガスを供給した。こうすることにより、シリコン微粉は固まらず、容器上方の出口から連続的に噴出した。なお微粉が固まらないのであれば、微粉容器の振動は低周波によるものであってもよい。   Before starting the discharge, the fine powder for seed crystal is adjusted. As the fine powder for seed crystal, single crystal silicon fine powder having a size of 1 to 100 μmφ was used. The purity of the silicon fine powder was 5N (nine) or more. 3 g of silicon fine powder was put into a quartz funnel-shaped fine powder container 21 shown in FIG. 3, Ar gas having a flow rate of 1 L / min was supplied from the bottom of the container, and smoke was formed in the upper space of the container. The fine powder container was vibrated by an ultrasonic oscillator so that the fine powder did not harden. Further, a pulse electromagnetic valve was provided in the Ar gas path, and the electromagnetic valve was operated at a frequency of 5 Hz to supply Ar gas. By doing so, the silicon fine powder was not hardened and was continuously ejected from the outlet above the container. If the fine powder does not harden, the vibration of the fine powder container may be caused by a low frequency.

噴出したシリコン微粉は、テフロン(登録商標)チューブによって、微粉制御機構の微粉及び不活性ガス噴出ノズル23まで輸送されて噴出される。同時に、上部ガス供給ノズル26及び下部ガス供給ノズル27よりArガスを供給し、それぞれの流量は5L/min、10L/minとした。排気ノズルと接続しているバルブを徐々に開いて、落下管内の圧力が1気圧になるように調整した。すると、シリコン微粉は微粉及び不活性ガス噴出ノズルの面を中心に約50mmの高さ範囲内にとどまり、安定な分布になった。   The ejected silicon fine powder is transported and ejected by the Teflon (registered trademark) tube to the fine powder and inert gas ejection nozzle 23 of the fine powder control mechanism. At the same time, Ar gas was supplied from the upper gas supply nozzle 26 and the lower gas supply nozzle 27, and the respective flow rates were 5 L / min and 10 L / min. The valve connected to the exhaust nozzle was gradually opened to adjust the pressure in the drop tube to 1 atm. Then, the silicon fine powder stayed within a height range of about 50 mm around the surface of the fine powder and the inert gas ejection nozzle, and became a stable distribution.

種結晶用の微粉が上記の安定状態になってから吐出を開始した。吐出の前にルツボの内部と外部は同圧であるように同圧用の電磁弁を設けた。吐出の時、同圧用の電磁弁を閉めて、ルツボの内部空間へ押し出し用の高純度(6N)Arガスを供給し、0.02MPaまで加圧すると、ノズルから連続的に吐出した。ノズルからシリコンは線状に吐出されるが、表面張力及び重力によって、粒状に細断される。   Discharge was started after the fine powder for seed crystals reached the above stable state. Before discharging, an electromagnetic valve for the same pressure was provided so that the inside and outside of the crucible had the same pressure. At the time of discharge, the solenoid valve for the same pressure was closed, and high-purity (6N) Ar gas for extrusion was supplied to the inner space of the crucible. When the pressure was increased to 0.02 MPa, the nozzle was continuously discharged. Silicon is ejected linearly from the nozzle, but is chopped into particles by surface tension and gravity.

微粉制御機構の設置場所は、基本的にシリコン粒状体がすでに過冷却になった場所に設置する。ただし、設置場所によって、粒状シリコンの結晶性に大きく影響する。過冷却度が50℃以下では、シリコン粒状体は単結晶になり、50〜150℃の間では多結晶になり、150℃を超えるとデンドライト成長になる傾向が見られる。微粉制御機構の設置場所は、シリコン粒状体の過冷却度が300℃以下の場所が好ましい。   The installation location of the fine powder control mechanism is basically installed in a location where the silicon particles are already supercooled. However, the crystallinity of granular silicon is greatly affected by the installation location. When the degree of supercooling is 50 ° C. or less, the silicon granule becomes a single crystal, becomes polycrystalline when it is between 50 and 150 ° C., and tends to be dendrite growth when it exceeds 150 ° C. The installation place of the fine powder control mechanism is preferably a place where the degree of supercooling of the silicon granular material is 300 ° C. or less.

種結晶用の微粉は高純度なシリコン、石英ガラス(ガラスビーズ)、窒化シリコン、窒化ボロンの粉末体のいずれか、もしくはその混合物を用いる。シリコン粒状体は微粉と接合した瞬間、局所的に温度が低くなり、シリコン中に核を生成させ、結晶成長が始まる。ガラスビーズ、窒化シリコン、窒化ボロンの粉末体はシリコン中への固溶度が低いため、シリコン中への不純物の持込は少ない。シリコン微粉の場合は、核生成以外に、結晶の方位を提供できる役割もある。ただし、シリコン微粉はシリコン粒状体に溶け込むので、微粉中の不純物は粒状シリコンに持ち込まれてしまう。そのため、高純度の微粉を使用することは粒状シリコン中の不純物低減に重要である。   As the fine powder for the seed crystal, high purity silicon, quartz glass (glass beads), silicon nitride, boron nitride powder, or a mixture thereof is used. As soon as the silicon particles are bonded to the fine powder, the temperature locally decreases, nuclei are generated in the silicon, and crystal growth begins. Since powders of glass beads, silicon nitride, and boron nitride have low solid solubility in silicon, impurities are not brought into the silicon. In the case of silicon fine powder, in addition to nucleation, it also has a role of providing crystal orientation. However, since the silicon fine powder is dissolved in the silicon granular material, the impurities in the fine powder are brought into the granular silicon. Therefore, the use of high-purity fine powder is important for reducing impurities in granular silicon.

種結晶用微粉のサイズは、1〜100μm程度の大きさである。吐出されたシリコン粒状体は種結晶用の微粉分散空間28を通過した。微粉の分布状態はシリコン粒状体の通過に影響を受けず、安定な状態を保った。
過冷却になったシリコン粒状体は微粉と接合して核生成した後、急に成長し始める。核生成された場所から一方向へ成長する。シリコンの凝固熱(潜熱)が大きいため、成長方向でシリコンの一部は融点近くに溶けながら再び成長する。この過程によって、結晶性の高い涙型の粒状シリコンが形成される。
The size of the fine powder for seed crystal is about 1 to 100 μm. The discharged silicon granular material passed through the fine powder dispersion space 28 for seed crystals. The distribution state of the fine powder was not affected by the passage of the silicon granule and kept stable.
The supercooled silicon particles join with the fine powder to nucleate and then start to grow rapidly. Grows in one direction from the nucleated place. Since the heat of solidification (latent heat) of silicon is large, a part of silicon grows again while melting near the melting point in the growth direction. Through this process, tear-like granular silicon with high crystallinity is formed.

凝固した粒状シリコンは落下管中に落下しながら冷却される。しかし、粒状シリコンは高い温度の状態で回収装置へ到着する。回収装置に入ると急冷されるので、回収用媒体の耐熱度、熱伝導係数、粘度などの性能は粒状シリコン中の転位や、粒界生成へ影響を与える。そこで、回収装置に蒸気圧及び揮発性が低く、耐熱性の高いシリコーンオイルを用いる。シリコーンオイルは、粒状シリコンの着地時の衝撃を十分に低減し、粒状シリコンの熱を吸収でき、転位や粒界の密度を減少させる役割がある。   The solidified granular silicon is cooled while falling into the drop tube. However, the granular silicon reaches the recovery device at a high temperature. Since it is rapidly cooled when entering the recovery device, the performance of the recovery medium, such as heat resistance, thermal conductivity coefficient, and viscosity, affects dislocation in granular silicon and grain boundary generation. Therefore, silicone oil with low vapor pressure and low volatility and high heat resistance is used for the recovery device. Silicone oil has a role of sufficiently reducing impact at the time of landing of granular silicon, absorbing heat of granular silicon, and reducing the density of dislocations and grain boundaries.

回収装置に耐熱温度250℃以上のシリコーンオイルを使用した。シリコン粒状体がシリコーンオイルに着地する時、燃焼や分解の発生、色の変化は見られず、安定な状態に保たれていた。   Silicone oil having a heat resistant temperature of 250 ° C. or higher was used in the recovery device. When the silicon particles landed on the silicone oil, combustion, decomposition, and color change were not observed, and the silicon particles were kept in a stable state.

このように作製された粒状シリコンの径は、ノズルの径及び押し出すArの圧力によって決定される。ノズルの径が0.2から0.5mmへと大きくなるにつれて、粒状シリコンの径は徐々に大きくなる。なお、ノズルの径を一定にしても、押し出すArの圧力が0.02MPaから0.05MPaへ大きくなるにつれて、吐出速度が速くなり、粒状シリコンの径も大きくなった。一般に約1.0mmの粒状シリコンを作製するためのノズル径は、0.2〜0.5mmであった。   The diameter of the granular silicon thus produced is determined by the diameter of the nozzle and the pressure of Ar to be extruded. As the nozzle diameter increases from 0.2 to 0.5 mm, the diameter of the granular silicon gradually increases. Even if the nozzle diameter was kept constant, the discharge speed increased and the granular silicon diameter increased as the pressure of the extruded Ar increased from 0.02 MPa to 0.05 MPa. In general, the nozzle diameter for producing granular silicon of about 1.0 mm was 0.2 to 0.5 mm.

また上記の条件で作製した粒状シリコンは涙型になり、図7の右図の写真に示すような高い結晶性を示した。ここで図7は、本発明により作製された涙型粒状シリコンを断面研磨した後の断面電子顕微鏡写真及び断面の拡大写真である。シリコン粒の表面は滑らかで、粒界や凹凸が見られない。また、断面研磨して選択エッチングしても、エッチピットや結晶欠陥、粒界は少ないことが分かる。
本発明によれば良品とされる涙型の割合は、微粉制御機構を用いない場合の10%程度から60%以上に大きく向上した。
なお図8は、参考のため不良とされる粒状シリコンを断面研磨した後の断面電子顕微鏡写真及び断面の拡大写真である。表面には、熱膨張及び応力によって粒界と凹凸が多量に見られ、単面研磨して選択エッチングした後、高密度なエッチピットと粒界が見られる。このような粒状シリコンはキャリア寿命が短く、太陽電池としての性能が低いことが確認されている。
Further, the granular silicon produced under the above conditions became a teardrop shape and showed high crystallinity as shown in the photograph on the right side of FIG. Here, FIG. 7 is a cross-sectional electron micrograph and a cross-sectional enlarged photograph after the cross-section polishing of the teardrop-shaped granular silicon produced according to the present invention. The surface of the silicon grains is smooth and there are no grain boundaries or irregularities. It can also be seen that there are few etch pits, crystal defects, and grain boundaries even when the cross section is polished and selectively etched.
According to the present invention, the percentage of tears that are regarded as non-defective products is greatly improved from about 10% when the fine powder control mechanism is not used to 60% or more.
FIG. 8 is a cross-sectional electron micrograph and a cross-sectional enlarged photograph after cross-sectional polishing of granular silicon, which is regarded as defective for reference. A large amount of grain boundaries and irregularities are seen on the surface due to thermal expansion and stress, and after high-pressure polishing and selective etching, high-density etch pits and grain boundaries are seen. It has been confirmed that such granular silicon has a short carrier life and low performance as a solar cell.

本発明に係る粒状シリコンの製造装置の模式図である。It is a schematic diagram of the manufacturing apparatus of the granular silicon which concerns on this invention. 溶解炉の要部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the principal part of a melting furnace. 微粉供給装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a fine powder supply apparatus. 微粉制御機構を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a fine powder control mechanism. プラズマを用いた微粉制御機構を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the fine powder control mechanism using plasma. プラズマを用いた他の微粉制御機構を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other fine powder control mechanism using plasma. 本発明により作製された涙型粒状シリコンを断面研磨した後の断面電子顕微鏡写真及び断面の拡大写真である。It is a cross-sectional electron micrograph after carrying out cross-sectional polishing of the teardrop type granular silicon produced by this invention, and the enlarged photograph of a cross section. 作製された不良の粒状シリコンを断面研磨した後の断面電子顕微鏡写真及び断面の拡大写真である。It is a cross-sectional electron micrograph after carrying out cross-sectional polishing of the produced defective granular silicon, and an enlarged photograph of a cross section. 従来の粒状シリコンの製造装置の模式図である。It is a schematic diagram of the manufacturing apparatus of the conventional granular silicon.

符号の説明Explanation of symbols

1 溶解炉
2 微粉制御機構
3 落下管
4 回収装置
5 石英ルツボ
6 シリコン融液
7 ノズル
8 シリコン滴
11 加熱ヒータ
12 溶融炉心管
13 導入管
14 噴出管
15 撹拌手段
20 種結晶用微粉供給装置
21 微粉容器
22 種結晶用微粉
23 微粉及び不活性ガス噴出ノズル
24 上部排気ノズル
25 下部排気ノズル
26 上部ガス供給ノズル
27 下部ガス供給ノズル
28 種結晶用微粉分散空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Melting furnace 2 Fine powder control mechanism 3 Falling tube 4 Collection | recovery apparatus 5 Quartz crucible 6 Silicon melt 7 Nozzle 8 Silicon drop 11 Heater 12 Melting furnace core tube 13 Introducing pipe 14 Ejection pipe 15 Stirring means 20 Seed crystal fine powder supply apparatus 21 Fine powder Container 22 Fine powder for seed crystal 23 Fine powder and inert gas ejection nozzle 24 Upper exhaust nozzle 25 Lower exhaust nozzle 26 Upper gas supply nozzle 27 Lower gas supply nozzle 28 Seed crystal fine powder dispersion space

Claims (9)

シリコン原料を溶融ルツボにおいて加熱して溶融する工程と、所定の圧力を前記溶融ルツボ内のシリコン融液上面にかけながら、溶融したシリコンを前記溶融ルツボの底部に設けられたノズル穴より吐出させる工程と、前記吐出させた溶融シリコンを、種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにした落下管内を溶融状態のままで落下させ、微粉を核として結晶成長させるとともに、粒状に凝固させる工程と、を備えた粒状シリコンの製造方法であって、
種結晶用の微粉を不活性ガスとともに落下管内の微粉噴出部から噴出させ、該微粉噴出部の下方及び上方から不活性ガスを供給すると同時に、微粉噴出部の上下の近傍から排気することにより、種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにしたことを特徴とする粒状シリコンの製造方法。
A step of heating and melting the silicon raw material in a melting crucible, and a step of discharging the molten silicon from a nozzle hole provided at the bottom of the melting crucible while applying a predetermined pressure to the upper surface of the silicon melt in the melting crucible. In addition, the discharged molten silicon is dropped in a molten state in a drop tube in which the fine powder for seed crystal stays in a certain space without falling, and the fine powder is used as a nucleus to grow crystals, and into a granular shape. A method for producing granular silicon comprising a solidifying step,
By spraying the fine powder for seed crystal together with the inert gas from the fine powder jet part in the drop tube, supplying the inert gas from below and above the fine powder jet part, and exhausting from the upper and lower vicinity of the fine powder jet part, method for producing a grain-like silicon you characterized in that so as to stay in a certain space without fine powder for seed falls.
シリコン原料を溶融ルツボにおいて加熱して溶融する工程と、所定の圧力を前記溶融ルツボ内のシリコン融液上面にかけながら、溶融したシリコンを前記溶融ルツボの底部に設けられたノズル穴より吐出させる工程と、前記吐出させた溶融シリコンを、種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにした落下管内を溶融状態のままで落下させ、微粉を核として結晶成長させるとともに、粒状に凝固させる工程と、を備えた粒状シリコンの製造方法であって、
種結晶用の微粉を落下管内へプラズマの原料ガスと共に供給し、該微粉をプラズマの中で一定の密度で分布させることにより、種結晶用の微粉が落下することなく一定の空間に滞留するようにしたことを特徴とする粒状シリコンの製造方法
A step of heating and melting the silicon raw material in a melting crucible, and a step of discharging the molten silicon from a nozzle hole provided at the bottom of the melting crucible while applying a predetermined pressure to the upper surface of the silicon melt in the melting crucible. In addition, the discharged molten silicon is dropped in a molten state in a drop tube in which the fine powder for seed crystal stays in a certain space without falling, and the fine powder is used as a nucleus to grow crystals, and into a granular shape. A method for producing granular silicon comprising a solidifying step,
By supplying the fine powder for seed crystals into the drop tube together with the plasma source gas and distributing the fine powder at a constant density in the plasma, the fine powder for seed crystals stays in a constant space without falling. the method of producing grain-shaped silicon you characterized in that the
種結晶用の微粉はシリコン、石英ガラス、窒化シリコン、窒化ボロンの粉末体のいずれか、もしくはその混合物であることを特徴とする請求項1又は2に記載の粒状シリコンの製造方法。 Fines silicon for the seed crystal, quartz glass, silicon nitride, method for producing granular silicon according to claim 1 or 2 characterized in that it is a one, or a mixture of the powdered material boron nitride. 上記ノズル穴より吐出されたシリコン融液は、上記一定の空間において過冷却度が300℃以内であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の粒状シリコンの製造方法。 The silicon melt discharged from the nozzle hole, a manufacturing method of the granular silicon according to any one of claims 1 to 3, wherein the degree of supercooling in the certain space is within 300 ° C.. 上記種結晶用の微粉は、種結晶用の微粉を入れた容器の下部から不活性ガスをパルス状に吹き込むことにより、落下管中に煙状となって噴出していることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の粒状シリコンの製造方法。 The fine powder for seed crystal is blown out in the form of smoke in the drop tube by blowing inactive gas from the lower part of the container containing the fine powder for seed crystal. Item 5. The method for producing granular silicon according to any one of Items 1 to 4 . 底部にノズルを有する溶融ルツボを含みシリコン原料を溶解する溶解炉と、溶融ルツボ底部から吐出した溶融シリコンを種結晶用の微粉に接触させて落下させる落下管と、前記落下管を落下する間に凝固した粒状シリコンを回収する回収装置と、を有する粒状シリコン製造装置において、
上記落下管の一部に、種結晶用の微粉が落下することなく落下管内部の一定の空間に滞留するように制御する微粉制御機構を備え、
上記微粉制御機構は、落下管中へ不活性ガスとともに微粉を噴出する微粉噴出ノズルと、該微粉噴出ノズルの上方及び下方に設けられ落下管中に不活性ガスを供給する上部ガス供給ノズル及び下部ガス供給ノズルと、上部ガス供給ノズル及び下部ガス供給ノズルと微粉噴出ノズルとの間にそれぞれ設けられた上部排気ノズル及び下部排気ノズルとを備えたことを特徴とする粒状シリコン製造装置。
A melting furnace that includes a melting crucible having a nozzle at the bottom and melts silicon raw material, a dropping tube that drops molten silicon discharged from the melting crucible bottom in contact with the fine powder for seed crystal, and while dropping the dropping tube In a granular silicon production apparatus having a recovery device for recovering solidified granular silicon,
A part of the drop tube is provided with a fine powder control mechanism for controlling so that the fine powder for seed crystal stays in a certain space inside the drop tube without dropping,
The fine powder control mechanism includes a fine powder ejection nozzle that ejects fine powder together with an inert gas into the drop pipe, an upper gas supply nozzle that is provided above and below the fine powder jet nozzle, and supplies an inert gas into the drop pipe, and a lower part. a gas supply nozzle, the particle-like silicon manufacturing apparatus you characterized in that an upper exhaust nozzle and a lower exhaust nozzle respectively provided between the upper gas supply nozzle and the lower gas supply nozzle and the pulverized jet nozzle.
底部にノズルを有する溶融ルツボを含みシリコン原料を溶解する溶解炉と、溶融ルツボ底部から吐出した溶融シリコンを種結晶用の微粉に接触させて落下させる落下管と、前記落下管を落下する間に凝固した粒状シリコンを回収する回収装置と、を有する粒状シリコン製造装置において、
上記落下管の一部に、種結晶用の微粉が落下することなく落下管内部の一定の空間に滞留するように制御する微粉制御機構を備え、
上記微粉制御機構は、種結晶用の微粉を前記空間へ不活性ガスと共に供給する手段と、落下管内部の一定の空間に不活性ガスのプラズマを発生させる手段と、を備えたことを特徴とする粒状シリコン製造装置。
A melting furnace that includes a melting crucible having a nozzle at the bottom and melts silicon raw material, a dropping tube that drops molten silicon discharged from the melting crucible bottom in contact with the fine powder for seed crystal, and while dropping the dropping tube In a granular silicon production apparatus having a recovery device for recovering solidified granular silicon,
A part of the drop tube is provided with a fine powder control mechanism for controlling so that the fine powder for seed crystal stays in a certain space inside the drop tube without dropping,
The fine powder control mechanism comprises means for supplying fine powder for seed crystals together with an inert gas, and means for generating plasma of an inert gas in a certain space inside the drop tube, particle shaped silicon manufacturing apparatus you.
上記種結晶用の微粉を入れたロート状の容器と、該容器の下端より不活性ガスを吹き付ける手段と、該容器の上方より煙状となった種結晶用の微粉を不活性ガスとともに排出する排出手段とを有する種結晶用の微粉供給装置をさらに備えたことを特徴とする請求項6又は7に記載の粒状シリコン製造装置。 A funnel in which the seed crystal fine powder is placed, a means for spraying an inert gas from the lower end of the container, and the seed crystal fine powder in the form of smoke from above the container are discharged together with the inert gas. The granular silicon production apparatus according to claim 6 or 7 , further comprising a seed crystal fine powder supply device having a discharging means. 上記種結晶用の微粉供給装置は、上記ロート状の容器を振動させる振動手段及び不活性ガスの導入経路にパルス電磁バルブ手段を有することを特徴とする請求項に記載の粒状シリコン製造装置。 9. The granular silicon production apparatus according to claim 8 , wherein the fine powder supply device for seed crystals has a vibration means for vibrating the funnel-shaped container and a pulse electromagnetic valve means in an inert gas introduction path.
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