JP5039696B2 - 溶融物質を精錬するための方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は溶融させ、凝固させ得る物質の精錬(refining)又は精製(purifying)に関する。本発明は、特に、（限定されるものではないが)、金属、特に珪素の精製、例えば、太陽電池製造用の珪素原料の精錬に利用し得る。
指向性凝固(directional solidification)は、スライスしてウエファーとし、後に加工して太陽電池にするインゴットを製造するために光電池(Photo Voltaic)[PV]工業で広く使用されている。この技術の現状では、珪素を石英のるつぼ内で底部から頂部へ一方向に凝固させる系が支配的である。
同一の原理を珪素を精錬してPV工業用の原料を製造するのに使用し得る。ついで、指向性凝固を使用して、偏析(segregation)により不純物を制御し、種々の元素(Al、Ca、Fe、Ti、Mn、B、P等)の絶対的水準及び相対的水準を調節し得る。なお、このプロセスでは、このプロセスで形成される粒子及び進入する(incoming)珪素からの粒子を考慮に入れる必要がある。
今日の方法の不利益は石英るつぼを1回しか使用し得ないことである；その理由は、珪素インゴット(及びるつぼ)の冷却中のるつぼ材料の相転移(phase transition）により、石英るつぼが破壊されることにある。なお、石英るつぼを使用する方法については、珪素の付着を防止するために、付着防止層例えばSi３N４が必要である。
本発明の目的は、インゴットキャストの汚染を減少させる改善された凝固法を提供することである。
本発明の更なる目的は、各々のインゴットのキャスティングの間に溶融物質用の容器を交換する必要なしに、珪素のごとき溶融物質を精錬することのできる系を提供することである。
本発明の一つの要旨によれば、物質を精錬する方法において、容器内で物質の溶融物を形成させ；冷却面(cooled surface）を溶融物の表面と接触させ；溶融物質を凝固させかつ冷却面に密着させ；ついで、溶融物質を下方に向けて次第に凝固させて、冷却面に密着している物質の固体インゴットを形成させることを特徴とする物質の精錬方法が提供される。
本発明は、精錬法として定義したが、指向性凝固法と考えることもできる。
従って、本発明によれば、炉容器を加熱し、インゴットを鋳造するが、容器内でのインゴットの接触は行わず、従って、インゴットを取出し、容器を再充填する流線形製造法(streamlined production process)が提供される。インゴットを鋳造する間に容器を冷却する必要はない。
容器の壁と底部を加熱することが好ましい。溶融物は不活性な又は制御された雰囲気中に保持することが好ましい。この方法は珪素のごとき金属の精錬及び精製に特に適している。
本発明の方法は、インゴットが形成される際に、溶融物の残部に比較して、インゴット中の不純物の水準が減少するという利点を有する。従って、インゴットを容器又はるつぼから取出し、高い不純物含有量を有する残留液体を注ぎ出し、可能ならば、再処理する。容器は破壊する必要はなく、再使用し得る。核生成部位(nucleation site)はるつぼから、板又は平行して配置された多数の板の表面へと単純化される。板又は平行して配置された板は層状構造の多数の板からなる。冷却面はインゴットの密着を助長するために、不連続的に形成し得る。
従って、本発明を採用することにより、精錬方法が種々の点で最適化される。
偏析(segregation)を使用して金属不純物を精錬し、制御し得る。金属不純物は固体珪素と液状珪素との間の界面から本体液体(bulk liquid)中に押込まれるであろう。偏析とドーピング(キャスティング前又はキャスティング中)を行うことにより、所要の抵抗率(resitivity)を有する、精錬された物質を得ることができる。絶対抵抗率は最終使用者の手法及び要求度によって決定されるであろう。
溶融珪素より高い密度を有する粒子は除去される。指向性凝固中に招来された又は形成された粒子は、この粒子が溶融珪素より十分に高い密度を有している場合には、底部に沈降するであろう。この粒子は溶融浴の底部に質密な層を形成し得る。
珪素より低いか又は少し高い密度を有する粒子も除去し得る。これらの粒子は固体珪素と溶融珪素の間の界面の前部に押込まれるであろう。これらの粒子は、本体液体(bulk liquid）中に十分に押込まれる場合には、容器内で対流流動パターン(convective flow pattern)に従うであろう。
凝固プロセスは流動パターンにより不純物を動かす力と沈降力(settling force)を結合させることにより最適化し得る。高い密度を有する不純物を高い含有量で含有する溶融珪素は凝固界面から底部に流動するであろう。同様の現象は重い粒子についても生起し、一方、密度の差が小さい粒子又は密度に差のない粒子は容器内の流動に従うであろう。これらのメカニズムは、凝固が浴の頂部から底部へと生起する場合にはより容易に最適化されるであろう。
従って、頂部から底部への指向性凝固は、溶融浴の底部からの生長より、より良好に不純物を制御することができる。凝固は所与のフラクションが凝固するまで実施し得る(所与の高さ又はサイズのインゴットが得られる)。残留珪素液体は原料物質より高い割合の不純物とより重い粒子を含有しており、流し込み等により容器から移送し得る。主要な粒状不純物はSiC、SiｘNｙ又はSiｘOｙNｚである。
本発明の他の要旨によれば、溶融状態の物質を収容するために配置された、底部と側壁を有する容器及び容器の頂部へ及び容器の頂部から移動し得る冷却板とからなる物質の精錬装置が提供される。
容器は加熱壁及び/又は底部を有することが好ましい。容器の壁及び/又は底部は、グラファイト、窒化珪素、炭化珪素、シリカ、アルミナ、オキシ窒化珪素又は他のセラミック酸化物のごとき熱伝導性であるが、化学的に不活性なかつ耐熱性の材料からなることが好ましい。
冷却板は操作の際に冷却装置と接触する熱伝導性層及び溶融物質と接触する接触層を含む多数の層を有することが好ましい。接触層及び中間層は、グラファイト、窒化珪素、炭化珪素、シリカ、オキシ窒化珪素、アルミナ又は他のセラミック酸化物のごとき熱伝導性であるが、化学的に不活性なかつ耐熱性の材料からなることが好ましい。熱伝導性層は、銅、アルミニウム又はある種の適当な合金のごとき金属であり得る。なお、抵抗加熱部材の層又は誘導加熱層のごとき加熱層を他の層の間に組み込むことができる。これによって冷却プロセスをより良好に制御し得る。
温度制御板は、熱伝導性層に接着されたかつ接触層とのスライディング(sliding)又はスナップ嵌め(snap fit)を形成し得る中間層を有することができる。不活性な又は制御された雰囲気を保持するために、容器の上に気密カバーを設けることが好ましい。
図面の簡単な説明
本発明は種々の方法で実施することができ、以下においては、幾つかの態様を、図面を参照して例示する。
図１は、本発明を実施するための装置の垂直断面図である。
図２は、図１の線AAでの断面図である。
図３は、溶融材料中の、可能な修正流動パターン(corrective flow pattern)を示す概略断面図である。
図４は、一つの態様に従った、温度制御板の概略断面図である。
図５及び６は、別の態様を示す、図４と同様の概略断面図である。
発明の詳細な説明
図１及び２は溶融シリカの指向性凝固用の装置を示す。この装置は加熱底部12、加熱端部壁13及び加熱側壁14を有する容器11からなる。容器11は外部ライニング15及び内部ライニング16で内張りされている。これらのライニング用の材料は熱伝導性であるが、化学的に安定なかつ耐熱性のものであるべきであり、適当な材料としては、グラファイト、炭化珪素、窒化珪素、シリカ、アルミナ、オキシ窒化珪素又は他のセラミック酸化物が挙げられる。内部ライニング16は珪素溶融物18用の囲い17を形成している。
囲い17及び溶融物18の上方に温度制御板19が設けられている。温度制御板19は支持体21から懸吊されており、伝導層22、中間絶縁層23及び接触層24からなる。伝導層22は一連の冷却管25を有しており、接触層24は粗面化された(roughened)接触面26を有する。
伝導層22は典型的には銅又はアルミニウムのごとき伝導性金属から製造されている。管25中の冷却媒体は水又は油のごとき任意の適当な液体/ガスであり得る。絶縁層23及び接触層24はグラファイト、炭化珪素又は窒化珪素のごとき、熱伝導性であるが、耐熱性でかつ化学的に不活性な材料から製造されている。
容器11及び温度制御板19は気密カバー30によって覆われている。カバー30により溶融物18の上方に不活性雰囲気27が収容される。カバー30を除去したときに囲い17上で展開させる(deploy）ことのできる2つの絶縁ドアー28も設けられている。
使用時、珪素を囲い17内に装入し、珪素が溶融物18を形成するまで、加熱底部12及び端部壁13、14により加熱する。別法として、溶融珪素を、直接、囲い17に装入し得る。温度制御板19を降下させて、接触面26を溶融物18の下方に僅かに沈没させる。冷却管25から温度制御板19に適用される冷却効果により、珪素溶融物18が凝固し、接触面26に密着し、固体珪素のインゴット29が形成される。
ついで、温度制御板19を上昇させる、温度制御板19が溶融物18の液面より上方にあるが、インゴット29は依然として沈没しているようにする。ついで、更に冷却して、珪素溶融物18を更に凝固させて、その結果、インゴット29を下方に生長させる。
インゴット29が所望の寸法に到達したとき、これを囲い17から離して上昇させ、取り出す。囲い17に珪素を再び装入し、絶縁ドアー28を囲いの上方に展開して珪素の溶融状態を保持する。その間に、珪素インゴット29及び接触層24を温度制御板19から取出し、
太陽電池用のウエファーの製造用のインゴットを製造するために再溶融するためのインゴット、又は、太陽電池用のウエファーの直接的製造用のインゴットを更に製造するために使用する。接触層を交換し、プロセスを反復する。
溶融珪素より重い不純物は溶融物18中のインゴット29から消去され、一方、より軽い混入物は、対流力により循環することは理解されるであろう。この方法により、溶融物18中に存在する不純物及び混入物は溶融物18中に残留し、インゴット29中には捕捉されないであろう。このことは、インゴット29を形成する珪素を精製する効果を有する。このことは、更に、残留溶融物18中の不純物及び混入物を濃縮する効果も有する。このような理由から、インゴット29を回収した後に残留する溶融珪素を取出し、新しい珪素によって置換することができる。
図３に溶融物18中の溶融珪素の循環の方向が示されている。矢印は対流力による移動を示している。加熱壁13、14における液状珪素は密度がより小さく、上方31に流動する。液状珪素はインゴット29と接触し、液状珪素が熱の供給源から最も離れている、溶融物18の中央で下方32に流動する。より重い不純物は33に降下し、壁13、14に近い底部12で渦流(eddy)を生じる。
図４は温度制御板19についての好ましい形状を示す。伝導層22は銅から形成され、冷却管25を有している。中間層23には縦方向の端部の各々に沿って、アンダーカット41が形成されている。接触層24には縦方向の端部の各々に沿って、対応するオーバーハング42が形成されている。接触層24は単に中間層23内にスライドされており、オーバーハング42はアンダーカット41上に保持されている。
この装置によれば、接触が2つの比較的狭い線に沿って行われるので、2つの板の間での伝導的な熱の移動が小さいことは理解されるであろう。従って、この装置によれば、インゴットについての冷却効果の発揮が遅く、材料が凝固するにつれて、インゴット内に所望の結晶の配向が提供される。
図５には、冷却管51が上方層52と中間層53との間に設けられている別の装置が示されている。二つの層52、53はグラファイト、炭化珪素、窒化珪素等から形成され得る。
図６には、二つの中間層62と63の間に加熱層61が設けられている別の装置が示されている。冷却管65を有する伝導層64が上記中間層62、63の上方に設けられている。この装置は温度制御を改善することができ、接触層(図示せず)を浸漬前の珪素の融点以上の温度に上昇させることができる。このことにより、凝固の初期段階における珪素溶融物の望ましくない冷却(chilling)を回避し得る。
珪素を参照して好ましい態様を説明したが、本発明は他の物質の指向性凝固(精錬)に適用し得ることは理解されるであろう。
本発明を実施するための装置の垂直断面図である。 図１の線AAでの断面図である。 溶融材料中の、可能な修正流動パターンを示す概略断面図である。 一つの態様に従った、温度制御板の概略断面図である。 別の態様を示す、図４と同様の概略断面図である。 別の態様を示す、図４と同様の概略断面図である。

Claims (6)

  1. 珪素を精錬する方法において、容器内で珪素の溶融物を形成させ；操作の際に冷却装置と接触させる熱伝導性層、加熱層及び前記加熱層に固着された接触層を有する温度制御接触面を溶融物の表面と接触させ（但し、上記温度制御接触面は容器の壁面とは接触させない）；溶融物質を凝固させかつ温度制御接触面に密着させ；ついで、溶融珪素を下方に向けて次第に凝固させて、接触面に密着している珪素の固体インゴットを形成させることを特徴とする珪素の精錬方法。
  2. インゴットの凝固の後に残留する液状珪素は原料珪素より高い水準の不純物を含有しており、これを容器から除去する、請求項１に記載の方法。
  3. 溶融状態の珪素を収容するために配置された底部と側壁を有する容器及び容器の頂部へ及び容器の頂部から移動し得る温度制御板（但し、該温度制御板は容器の壁面とは接触させない）とからなり、前記温度制御板は、冷却装置と接触させる少なくとも１つの熱伝導性層、加熱層、及び、溶融珪素と接触させるための、前記加熱層に固着された少なくとも１つの接触層を有する、珪素の精錬装置。
  4. 熱伝導性層は銅、アルミニウム又はこれらの金属の一方又は両者の合金から構成される、請求項３に記載の装置。
  5. 接触層はグラファイト、窒化珪素、炭化珪素、シリカ、アルミナ、オキシ窒化珪素又はセラミック酸化物から構成される、請求項３に記載の装置。
  6. 温度制御板は平行な一連の板からなる、請求項３ないし５のいずれかに記載の装置。
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