JP5793034B2 - Laminated crucible for casting silicon ingot and manufacturing method thereof - Google Patents
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本発明は、シリコンインゴット鋳造用積層ルツボ及びその製造方法の改良に関するものである。 The present invention relates to a laminated crucible for casting a silicon ingot and an improvement of the manufacturing method thereof.
特許文献1には、光電変換効率の優れた太陽光発電用電池のシリコン基板を作製するためのシリコンインゴット製造用鋳型が開示されている。 Patent Document 1 discloses a mold for producing a silicon ingot for producing a silicon substrate for a photovoltaic power generation battery having excellent photoelectric conversion efficiency.
特許文献1に開示されたシリコンインゴット製造用ルツボは、図2の断面図に示されているように、石英ガラス又は黒鉛からなる鋳型102の内側に50〜300μmの微細溶融シリカ砂141をシリカで結合してなる内層104によって被覆された構造を有している。前記内層104は、一層詳細に示すと、図2の一部拡大図Bに示されるように、微細溶融シリカ砂141をシリカ105で結合してなる内層104で被覆されている。この微細溶融シリカ砂141を含む内層104は鋳型102の内壁から剥離しやすいところから、シリコン溶湯をシリコンインゴット鋳造用ルツボ101に注入し凝固させる際に、シリコンインゴットの外周が鋳型内壁面に引っ張られることにより剥離が発生してシリコンインゴットに内部応力が残留せず、シリコンインゴット製造時の内部応力割れが発生することはない。これにより、歩留まりが向上し、さらにこの内部応力残留の少ないシリコンインゴットを用いて作製したシリコン基板を組み込んだ太陽光発電用電池の光変換効率は大幅に改善されるとされている。
As shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the crucible for manufacturing a silicon ingot disclosed in Patent Document 1 is a fine fused
しかしながら、上記シリカ105および溶融シリカ砂141を主体とした内層104を石英ガラス又は黒鉛からなる鋳型102の内側に形成した従来のシリコンインゴット製造用ルツボ101では、これを用いてシリコンインゴットを製造すると、内層の主成分であるシリカおよび溶融シリカ砂が溶解シリコンと反応してしまい、シリコンインゴット中に酸素が溶け込みやすいという問題があった。そして、酸素が溶け込んだシリコンインゴットを用いて作製されたシリコン基板では、これ以上の太陽光発電用電池の性能を向上させることが困難であるという課題があった。
However, in the
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、シリコンインゴット中への酸素の溶け込みを抑制可能なシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ及びその製造方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It aims at providing the laminated crucible for silicon ingot casting which can suppress the melt | dissolution of the oxygen in a silicon ingot, and its manufacturing method.
上記の目的を達成するために、本発明者らは鋭意研究した結果、スタッコ層を形成する際にバインダーとして用いるコロイダルシリカ中にバリウム(Ba)を含ませることにより、より低い温度で結晶化させることができることを突き止めた。また、バリウムはシリカ層中に拡散するため、シリカ層の表層のスタッコ層にのみバリウムを含有させることにより、上記結晶化の効果が得られることを見出して、本願を完成させた。 In order to achieve the above object, the present inventors have conducted intensive research, and as a result, barium (Ba) is included in colloidal silica used as a binder when forming a stucco layer, thereby allowing crystallization at a lower temperature. I found out that I could do it. Further, since barium diffuses into the silica layer, the inventors have found that the effect of crystallization can be obtained by adding barium only to the stucco layer on the surface of the silica layer, and the present application has been completed.
すなわち、本発明は以下の構成を有する。
[1] シリコン原料を溶解し、鋳造してシリコンインゴットを製造するためのシリコンインゴット鋳造用積層ルツボであって、
鋳型の内側に設けられた、500〜1500μmの粗大溶融シリカ砂をシリカで結合した外層スタッコ層を少なくとも1層含む外層シリカ層と、
前記外層シリカ層の内側に設けられた、50〜300μmの微細溶融シリカ砂をシリカで結合した内層スタッコ層を少なくとも1層含む内層シリカ層と、を備え、
前記内層シリカ層の最表面の前記内層スタッコ層が、平均粒径0.1〜0.01μmの水酸化バリウム又は炭酸バリウムを含有することを特徴とするシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
[2] 前記内層シリカ層の最表面の前記内層スタッコ層以外の内層スタッコ層及び前記外層シリカ層の前記外層スタッコ層のいずれか1つ又は2以上のスタッコ層が、前記水酸化バリウム又は炭酸バリウムを含むことを特徴とする前項1に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
[3] 鋳型の内側に、溶融シリカ粉末とコロイダルシリカからなるスラリーを塗布または吹き付けてスラリー層を形成し、このスラリー層の表面に500〜1500μmの粗大溶融シリカ砂を散布して外層スタッコ層を形成する工程と、
前記外層スタッコ層の上に、前記スラリーを塗布または吹き付けてスラリー層を形成し、このスラリー層の表面に50〜300μmの微細溶融シリカ砂を散布して内層スタッコ層を形成する工程と、
乾燥及び焼成する工程と、を備え、
前記外層スタッコ層を形成する工程を1回以上繰り返して行なうとともに、前記内層スタッコ層を形成する工程を1回以上繰り返して行ない、
最表面の前記内層スタッコ層を形成する際に、前記スラリーに平均粒径0.1〜0.01μmの水酸化バリウム粉末又は炭酸バリウム粉末を加えたバリウム含有スラリーを用いることを特徴とするシリコンインゴット鋳造用積層ルツボの製造方法。
[4] 前記外層スタッコ層を形成する工程及び最表面の内層スタッコ層以外の前記内層スタッコ層を形成する工程のいずれか1以上の工程で、前記スラリーに代えて前記バリウム含有スラリーを用いることを特徴とする前項3に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボの製造方法。
That is, the present invention has the following configuration.
[1] A laminated crucible for casting a silicon ingot for producing a silicon ingot by melting and casting a silicon raw material,
Provided inside the cast mold, and the outer silica layer containing at least one layer of outer stucco layer coarse fused silica sand 500~1500μm bound with silica,
An inner silica layer including at least one inner stucco layer obtained by bonding fine fused silica sand of 50 to 300 μm with silica provided inside the outer silica layer,
The laminated crucible for casting a silicon ingot, wherein the inner stucco layer on the outermost surface of the inner silica layer contains barium hydroxide or barium carbonate having an average particle size of 0.1 to 0.01 µm.
[2] Any one or two or more stucco layers of the inner layer stucco layer other than the inner layer stucco layer on the outermost surface of the inner layer silica layer and the outer layer stucco layer of the outer layer silica layer are the barium hydroxide or barium carbonate. 2. A laminated crucible for casting a silicon ingot according to item 1 above.
[3] A slurry layer is formed by applying or spraying a slurry of fused silica powder and colloidal silica on the inside of the mold to form a slurry layer. Forming, and
Applying or spraying the slurry on the outer stucco layer to form a slurry layer, spraying 50-300 μm fine fused silica sand on the surface of the slurry layer, and forming an inner stucco layer;
Drying and firing,
Performing the step of forming the outer stucco layer one or more times, repeating the step of forming the inner stucco layer one or more times,
A silicon ingot characterized by using a barium-containing slurry obtained by adding barium hydroxide powder or barium carbonate powder having an average particle size of 0.1 to 0.01 μm to the slurry when forming the innermost stucco layer on the outermost surface. A method for producing a laminated crucible for casting.
[4] Using the barium-containing slurry in place of the slurry in any one or more of the step of forming the outer layer stucco layer and the step of forming the inner layer stucco layer other than the outermost inner layer stucco layer. 4. A method for producing a laminated crucible for casting a silicon ingot according to
本発明のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボによれば、鋳型の内側に設けられた1以上の外層スタッコ層からなる外層シリカ層と、外層シリカ層の内側に設けられた1以上の内層スタッコ層からなる内層シリカ層とを備え、内層シリカ層の最表面の内層スタッコ層が、平均粒径0.1〜0.01μmの水酸化バリウム又は炭酸バリウムを含有する構成となっている。最表面の内層スタッコ層中のバリウムは内層及び外層シリカ層に拡散し、シリカ層の変異点温度を低下させるため、これらの内層及び外層シリカ層の結晶化(クリストバライト化)を促進させることができる。これにより、シリコンインゴット鋳造用積層ルツボを用いて溶解したシリコン原料からシリコンインゴットを鋳造する際に、シリコン原料中へのシリカの溶解を抑制することができるため、シリコンインゴット中の酸素濃度を低減することができる。したがって、本発明のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボにより製造されたシリコンインゴットを用いた太陽電池用セルでは、光電変換効率を向上させることができる。 According to the laminated crucible for casting a silicon ingot of the present invention, the outer crucible layer is composed of one or more outer stucco layers provided inside the mold, and the one or more inner stucco layers are provided inside the outer silica layer. And an inner stucco layer on the outermost surface of the inner silica layer is configured to contain barium hydroxide or barium carbonate having an average particle size of 0.1 to 0.01 μm. Barium in the innermost stucco layer on the outermost surface diffuses into the inner and outer silica layers and lowers the temperature at which the silica layer changes, so that crystallization (cristobaliteization) of these inner and outer silica layers can be promoted. . Thereby, when a silicon ingot is cast from a silicon raw material that has been melted using a laminated crucible for casting a silicon ingot, it is possible to suppress the dissolution of silica into the silicon raw material, thereby reducing the oxygen concentration in the silicon ingot. be able to. Therefore, in the solar cell using the silicon ingot manufactured by the laminated crucible for casting the silicon ingot of the present invention, the photoelectric conversion efficiency can be improved.
本発明のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボの製造方法によれば、鋳型の内側に1以上の外層スタッコ層を形成し、外層スタッコ層の上に1以上の内層スタッコ層を形成し、乾燥及び焼成して外層シリカ層及び内層シリカ層を形成する構成となっている。そして、最表面の内層スタッコ層を形成する際に、溶融シリカ粉末とコロイダルシリカからなるスラリーに平均粒径0.1〜0.01μmの水酸化バリウム粉末又は炭酸バリウム粉末を加えたバリウム含有スラリーを用いることで、本発明のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボを簡便に製造することができる。 According to the method for manufacturing a laminated crucible for casting a silicon ingot according to the present invention, one or more outer stucco layers are formed inside a mold, one or more inner stucco layers are formed on the outer stucco layer, dried and fired. Thus, the outer silica layer and the inner silica layer are formed. When forming the outermost inner stucco layer, a barium-containing slurry obtained by adding barium hydroxide powder or barium carbonate powder having an average particle diameter of 0.1 to 0.01 μm to a slurry made of fused silica powder and colloidal silica is used. By using it, the laminated crucible for casting a silicon ingot of the present invention can be easily produced.
以下、本発明を適用した一実施形態であるシリコンインゴット鋳造用積層ルツボについて、詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, a laminated crucible for casting a silicon ingot which is an embodiment to which the present invention is applied will be described in detail. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent.
図1(a)に示すように、本実施形態のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ(以下、単に「ルツボ」と記す)1は、シリコン原料を溶解し、鋳造してシリコンインゴットを製造するために用いられるものであり、鋳型2の内側に設けられた外層シリカ層3と、この外層シリカ層3の内側に設けられた内層シリカ層4とを備えて概略構成されている。
ルツボ1が、外層シリカ層3と内層シリカ層4とから構成される積層構造を有するため、シリコン溶湯をルツボ1のキャビティに注入し凝固させてシリコンインゴットを製造する際に、シリコンインゴットの外周がルツボ1の内壁面に引っ張られ、内層シリカ層4がシリコンインゴットに付着して外層シリカ層3から剥離する。これにより、凝固したシリコンインゴットに内部応力が発生せず、従来の石英ルツボにより得られたシリコンインゴットに見られるような亀裂および転位の発生を抑制することができる。
As shown in FIG. 1 (a), a silicon crucible for crucible for silicon ingot casting (hereinafter simply referred to as “crucible”) 1 according to this embodiment is used for producing a silicon ingot by melting and casting a silicon raw material. The outer
Since the crucible 1 has a laminated structure composed of the
鋳型2は、石英ガラス又は黒鉛から構成されている。また、鋳型2の内側には、任意の寸法および形状を有する空間(例えば、円柱状空間、六角柱状空間、立方体状空間または直方体状空間など)が設けられているが、特に限定されるものではない。
The
例えば、上記内側空間として立方体又は直方体形状を有する鋳型2から構成されるルツボ1を使用してシリコンインゴットを製造する場合には、断面が正方形又は長方形を有するシリコンインゴットが得られることになる。そして、断面が正方形又は長方形を有する上記シリコンインゴットは、特に太陽光発電用電池のシリコン基板のような正方形または長方形を有するシリコン基板の製造に用いると、高価なシリコンインゴットを最も有効に活用することができる。
For example, when a silicon ingot is manufactured using the crucible 1 formed of the
外層シリカ層3は、図1(a)及び図1(b)に示すように、500〜1500μmの粗大溶融シリカ砂31をシリカ素地(シリカ)5で結合した外層スタッコ層30を1層以上含んで構成されている。
ここで、粗大溶融シリカ砂31の粒径を500〜1500μmに限定したのは、以下の理由による。すなわち、粗大溶融シリカ砂31の粒径が、1500μmよりも粗い溶融シリカ砂であると、ルツボ1の比重が低下して強度が下がるために好ましくない。一方、粗大溶融シリカ砂31の粒径が、500μmよりも細かくなると、外層シリカ層3の強度が小さくなると共に、内層シリカ層6との剥離性が劣化するために好ましくない。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
Here, the reason why the particle size of the coarse fused
シリカ素地5は、10〜6000ppmのナトリウムを含有するシリカから構成されている。
ここで、シリカ素地5を構成するシリカのナトリウム含有量が、10〜6000ppmの範囲であることが好ましいのは、以下の理由による。すなわち、ナトリウム含有量が10ppm未満では、シリカの粗大溶融シリカ砂31あるいは微細溶融シリカ砂41に対する十分な密着性が得られないため好ましくない。一方、シリカのナトリウム含有量が6000ppmを越えると、ナトリウムがシリコンインゴットに許容範囲以上の不純物として含まれるようになるので好ましくない。シリカに含まれるナトリウム含有量の一層好ましい範囲は、500〜6000ppmである。
The
Here, the sodium content of the silica constituting the
外層シリカ層3の層厚は、シリコンインゴット製造時のルツボ1の強度を維持しなければならないため、少なくとも3mm程度の厚さが必要である。一方、外層シリカ層3の層厚が、あまり厚いとコストがかかるため、好ましくない。したがって、外層シリカ層3の厚さは、具体的には、3〜20mmの範囲内にあることが好ましい。
The layer thickness of the
内層シリカ層4は、図1(a)及び図1(b)に示すように、50〜300μmの微細溶融シリカ砂41をシリカ素地5で結合した内層スタッコ層40を1層以上含んで構成されている。
ここで、微細溶融シリカ砂41の粒径を50〜300μmに限定したのは、以下の理由による。すなわち、微細溶融シリカ砂41の粒径が、300μmよりも粗い溶融シリカ砂であると、外層シリカ層3から剥離しにくくなるために好ましくない。一方、微細溶融シリカ砂41の粒径が、50μmよりも微細であると、内層シリカ層4の剥離はしやすくなるが、ルツボ1の作製(製造)時に内層シリカ層4が剥離してしまうために好ましくない。
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the inner silica layer 4 includes at least one
Here, the reason why the particle diameter of the fine fused
本実施形態のルツボ1では、図1(b)に示すように、内層シリカ層4の少なくとも最表面に、50〜300μmの微細溶融シリカ砂41をバリウム含有シリカ素地6で結合したバリウム含有内層スタッコ層40’が設けられていることを特徴としている。
このように、内層シリカ層4の最表面にバリウム含有内層スタッコ層40’を設けることにより、内層シリカ層4及び外層シリカ層3の内部にバリウムを拡散させて、これらのシリカ層の結晶化を促進させることができる。なお、本明細書中では、シリカ素地5に代えてバリウム含有シリカ素地6を用いて形成したスタッコ層を「バリウム含有スタッコ層」と称することとする。
In the crucible 1 of the present embodiment, as shown in FIG. 1B, a barium-containing inner layer stucco in which 50 to 300 μm fine fused
Thus, by providing the barium-containing inner
バリウム含有シリカ素地6は、上記シリカ素地5に、0.1〜0.01μmの平均粒径の水酸化バリウム又は炭酸バリウム(以下、「バリウム含有化合物」と記す)61を1〜20容量%の濃度範囲となるように含有させたものである。
The barium-containing silica substrate 6 includes 1 to 20% by volume of barium hydroxide or barium carbonate (hereinafter referred to as “barium-containing compound”) 61 having an average particle diameter of 0.1 to 0.01 μm in the
ここで、バリウム含有化合物61の平均粒径を0.1〜0.01μmに限定したのは、以下の理由による。すなわち、バリウム含有化合物61の平均粒径が0.01μm未満であると、凝集し易くなるために好ましくない。一方、バリウム含有化合物61の平均粒径が0.1μmを超えると、均一に分散し難くなるために好ましくない。
Here, the reason why the average particle size of the barium-containing
また、バリウム含有化合物61の濃度を1〜20容量%に限定したのは、以下の理由による。すなわち、バリウム含有化合物61の濃度が1容量%未満であると、結晶化度が少ないために好ましくない。一方、バリウム含有化合物61の濃度が20容量%を超えると、溶解しないために好ましくない。
The reason why the concentration of the barium-containing
内層シリカ層4の層厚は、ルツボ1を用いてシリコンインゴットを製造する際に、シリコンインゴットの凝固収縮により、外層シリカ層3から剥離することのできる厚さであれば、特に限定されるものではない。上記層厚としては、具体的には、0.1〜5mmの範囲内にあることが好ましい。
The thickness of the inner silica layer 4 is not particularly limited as long as it can be peeled off from the
次に、本実施形態のルツボ1の製造方法について説明する。
本実施形態のルツボ1の製造方法は、鋳型2の内側に外層シリカ層3を形成する工程と、外層シリカ層3の上に内層シリカ層4を形成する工程と、乾燥及び焼成する工程と、を備えて概略構成されている。以下に、各工程について詳細に説明する。
Next, the manufacturing method of the crucible 1 of this embodiment is demonstrated.
The method of manufacturing the crucible 1 of the present embodiment includes a step of forming the
(スラリーの調製)
先ず、10〜6000ppmのナトリウムを含有し、平均粒径1〜10nmの超微細溶融シリカ粉末:30容量%を含有するコロイダルシリカ100部に対して、平均粒径:30〜100μmの溶融シリカ粉末200〜400部の割合で混合してスラリーを調製する。
(Preparation of slurry)
First, with respect to 100 parts of colloidal silica containing 10 to 6000 ppm of sodium and having an average particle size of 1 to 10 nm and containing 30% by volume, fused silica powder 200 having an average particle size of 30 to 100 μm. A slurry is prepared by mixing at a ratio of ˜400 parts.
(バリウム含有スラリーの調整)
次に、上記スラリーに平均粒径0.1〜0.01μmの水酸化バリウム粉末又は炭酸バリウム粉末を加えたバリウム含有スラリーを調整する。
具体的には、上記スラリーに、平均粒径0.1〜0.01μmの水酸化バリウム又は炭酸バリウムを1〜20容量%の濃度範囲となるように混合する。
(Adjustment of barium-containing slurry)
Next, a barium-containing slurry obtained by adding barium hydroxide powder or barium carbonate powder having an average particle diameter of 0.1 to 0.01 μm to the slurry is prepared.
Specifically, the slurry is mixed with barium hydroxide or barium carbonate having an average particle diameter of 0.1 to 0.01 μm so as to be in a concentration range of 1 to 20% by volume.
(外層シリカ層の形成工程)
外層シリカ層3の形成工程は、先ず、鋳型2の内側に、調整した上記スラリーを塗布または吹き付けてスラリー層を形成する。次に、このスラリー層の表面に、500〜1500μmの粗大溶融シリカ砂31を散布して外層スタッコ層30を形成する。この外層スタッコ層30を形成する操作を、一回又は複数回繰り返して行なうことにより、外層シリカ層3を形成する。
(Formation process of outer silica layer)
The
(内層シリカ層の形成工程)
内層シリカ層4の形成工程は、先ず、外層シリカ層3(外層スタッコ層30)の上に、上記スラリーを塗布または吹き付けてスラリー層を形成する。次に、このスラリー層の表面に50〜300μmの微細溶融シリカ砂41を散布して内層スタッコ層40を形成する。
(Formation process of inner silica layer)
In the step of forming the inner silica layer 4, first, the slurry is applied or sprayed on the outer silica layer 3 (outer stucco layer 30) to form a slurry layer. Next, the inner
そして、内層シリカ層4の最表面の内層スタッコ層を形成する際に、調整した上記バリウム含有スラリーを内層スタッコ層40(あるいは外層スタッコ層30)の上に塗布または吹き付けてバリウム含有スラリー層を形成する。次に、このバリウム含有スラリー層の表面に50〜300μmの微細溶融シリカ砂41を散布し、再び上記バリウム含有スラリーを塗布または吹き付けてバリウム含有内層スタッコ層40’を形成する。
When the innermost stucco layer on the outermost silica layer 4 is formed, the adjusted barium-containing slurry is applied or sprayed on the inner stucco layer 40 (or the outer stucco layer 30) to form a barium-containing slurry layer. To do. Next, 50-300 μm fine fused
このように、内層スタッコ層40を形成する操作を、一回又は複数回繰り返して行なうことにより、内層シリカ層4を形成する。
なお、内層スタッコ層を形成する操作が一回の場合には、外層スタッコ層30の上にバリウム含有内層スタッコ層40’を形成する。
Thus, the inner silica layer 4 is formed by repeating the operation of forming the
When the operation of forming the inner stucco layer is performed once, the barium-containing
(乾燥および焼成工程)
乾燥および焼成工程は、まず、内側に外層シリカ層3、内層シリカ層4が積層された鋳型2を、温度20℃、湿度50%の環境下で24時間かけて乾燥する。次に、大気下で約1000℃、2時間かけて焼成する。これにより、鋳型2の内側に外層シリカ層3(外層スタッコ層30)と内層シリカ層4(内層スタッコ層40及びバリウム含有内層スタッコ層40’)とが形成される。
(Drying and firing process)
In the drying and firing step, first, the
次に、本実施形態のルツボ1を用いてシリコンインゴットを製造する方法について説明する。 Next, a method for manufacturing a silicon ingot using the crucible 1 of the present embodiment will be described.
先ず、ルツボ1に、原料シリコンを装填し1500℃で溶解、或いは、1500℃のシリコン溶湯を注入する。
次に、下部を冷却して、下部から上部にかけて一方向凝固させてシリコンインゴットを製造する。
First, raw silicon is charged into the crucible 1 and melted at 1500 ° C., or molten silicon at 1500 ° C. is injected.
Next, the lower part is cooled and solidified in one direction from the lower part to the upper part to produce a silicon ingot.
ここで、本実施形態のルツボ1によれば、内側に外層シリカ層3と内層シリカ層4との積層構造を有するため、シリコンインゴットの外周がルツボ1の内壁面に引っ張られ、内層シリカ層4がシリコンインゴットに付着して外層シリカ層3から剥離する。これにより、凝固したシリコンインゴットに内部応力が発生せず、従来の石英ルツボにより得られたシリコンインゴットに見られるような亀裂および転位の発生が抑制されたシリコンインゴットを製造することができる。
Here, according to the crucible 1 of the present embodiment, since the outer
ところで、従来のルツボでは、1500℃の鋳造条件を用いてシリコンインゴットを製造する場合であっても、鋳型の内側に設けられたシリカ層の結晶化度は60%程度であり、十分な結晶化がなされなかった。このため、シリカ層の主成分であるシリカおよび溶融シリカ砂が溶解しているシリコンと反応してしまい、シリコン溶湯に酸素が溶け込んでしまうという問題があった。具体的には、製造されたシリコンインゴット中の酸素濃度は、約20ppm程度であった。 By the way, with a conventional crucible, even when a silicon ingot is manufactured using a casting condition of 1500 ° C., the degree of crystallinity of the silica layer provided inside the mold is about 60%, and sufficient crystallization is achieved. Was not done. For this reason, there is a problem in that the silica, which is the main component of the silica layer, and the fused silica sand react with dissolved silicon, and oxygen dissolves into the molten silicon. Specifically, the oxygen concentration in the produced silicon ingot was about 20 ppm.
これに対して本実施形態のルツボ1によれば、鋳型2の内側に設けられた内層シリカ層4の最表面にバリウム含有内層スタッコ層40’が設けられており、このバリウム含有内層スタッコ層40’から内層シリカ層4あるいは外層シリカ層3へバリウムが拡散するため、これらのシリカ層の結晶化が促進される。
On the other hand, according to the crucible 1 of the present embodiment, the barium-containing inner
すなわち、1500℃の鋳造条件を用いてシリコンインゴットを製造する場合、鋳型2の内側に設けられた内層シリカ層4及び外層シリカ層3の結晶化度は90%程度となり、十分な結晶化がなされる。そして、シリカ層の主成分であるシリカおよび溶融シリカ砂と、溶融シリコンとの反応が抑制される。具体的には、本実施形態のルツボ1によって製造されたシリコンインゴット中の酸素濃度は、約10ppm程度に低減される。
なお、シリカ層の結晶化度は、例えば、XRD(X線回折装置)により測定することが可能である。また、シリコンインゴット中の酸素濃度は、例えば、FT−IR法によって測定することが可能である。
That is, when a silicon ingot is manufactured using a casting condition of 1500 ° C., the crystallization degree of the inner silica layer 4 and the
The crystallinity of the silica layer can be measured by, for example, XRD (X-ray diffractometer). The oxygen concentration in the silicon ingot can be measured by, for example, the FT-IR method.
以上説明したように、本実施形態のルツボ(シリコンインゴット鋳造用積層ルツボ)1によれば、鋳型2の内側に設けられた1以上の外層スタッコ層30からなる外層シリカ層3と、外層シリカ層3の内側に設けられた1以上の内層スタッコ層40,40’からなる内層シリカ層4とを備え、内層シリカ層4の最表面の内層スタッコ層40’が、平均粒径0.1〜0.01μmの水酸化バリウム又は炭酸バリウムを含有する構成となっている。最表面の内層スタッコ層40’中のバリウムは内層及び外層シリカ層に拡散し、シリカ層の変態点温度を低下させるため、これらの内層及び外層シリカ層の結晶化(クリストバライト化)を促進させることができる。これにより、ルツボ1を用いて溶解したシリコン原料からシリコンインゴットを鋳造する際に、シリコン原料中へのシリカの溶解を抑制することができるため、シリコンインゴット中の酸素濃度を低減することができる。したがって、本実施形態のルツボ1により製造されたシリコンインゴットを用いた太陽電池用セルでは、光電変換効率を向上させることができる。
As described above, according to the crucible (laminated crucible for silicon ingot casting) 1 of the present embodiment, the
本実施形態のルツボ1の製造方法によれば、鋳型2の内側に1以上の外層スタッコ層30を形成し、外層スタッコ層30の上に1以上の内層スタッコ層40を形成し、乾燥及び焼成して外層シリカ層3及び内層シリカ層4を形成する構成となっている。そして、最表面の内層スタッコ層40’を形成する際に、溶融シリカ粉末とコロイダルシリカからなるスラリーに平均粒径0.1〜0.01μmの水酸化バリウム粉末又は炭酸バリウム粉末を加えたバリウム含有スラリーを用いることで、本実施形態のルツボ1を簡便に製造することができる。
According to the method of manufacturing the crucible 1 of the present embodiment, one or more outer stucco layers 30 are formed inside the
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態のルツボ1では、内層シリカ層5を構成する最表面の内層スタッコ層40’のみをバリウム含有スタッコ層とした例を示しているが、これに限定されるものではない。
具体的には、外層スタッコ層30を形成する工程及び最表面の内層スタッコ層40’以外の内層スタッコ層30を形成する工程のいずれか1以上の工程で、スラリーに代えてバリウム含有スラリーを用いることにより、内層シリカ層4の最表面の内層スタッコ層40’以外の内層スタッコ層40及び外層シリカ層3を構成する外層スタッコ層30のいずれか1つ又は2以上のスタッコ層をバリウム含有スタッコ層としてもよい。
これにより、内層シリカ層ならびに外層シリカ層全体を効率的に結晶化(クリストバライト化)することができる。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the crucible 1 of the above-described embodiment, an example in which only the outermost
Specifically, barium-containing slurry is used in place of the slurry in any one or more of the step of forming the outer
Thereby, the entire inner silica layer and the entire outer silica layer can be efficiently crystallized (cristobalite).
以下、実施例によって本発明の効果をさらに詳細に説明する。なお、本発明は実施例によって、なんら限定されるものではない。 Hereinafter, the effects of the present invention will be described in more detail by way of examples. In addition, this invention is not limited at all by the Example.
(実施例1)
内径:170mm、外径:190mm、深さ:150mmの寸法を有する石英ガラス鋳型を用意した。
また、ナトリウムを0.5%含有する平均粒径10nm以下の超微細溶融シリカ粉末:30容量%を含有するコロイダルシリカ100部に対して、平均粒径:40μmの溶融シリカ粉末200部の割合で混合してスラリーを作製した。
さらに、上記スラリーに、平均粒径:0.1μm以下の炭酸バリウム:10容量%の割合で混合し、バリウム含有スラリーを作製した。
Example 1
A quartz glass mold having an inner diameter of 170 mm, an outer diameter of 190 mm, and a depth of 150 mm was prepared.
Further, ultrafine fused silica powder having an average particle diameter of 10 nm or less containing 0.5% of sodium: 100 parts of colloidal silica containing 30% by volume, with a ratio of 200 parts of fused silica powder having an average particle diameter of 40 μm. A slurry was prepared by mixing.
Further, the slurry was mixed at a ratio of barium carbonate having an average particle size of 0.1 μm or less: 10% by volume to prepare a barium-containing slurry.
上記スラリーを前記石英ガラス鋳型の内側に塗布してスラリー層を形成し、このスラリー層の表面に平均粒径:250μmの粗大溶融シリカ砂を散布して外層スタッコ層を形成し、この操作を3回繰り返して外層シリカ層を形成した。 The slurry is applied to the inside of the quartz glass mold to form a slurry layer, and an outer stucco layer is formed by spraying coarse fused silica sand having an average particle diameter of 250 μm on the surface of the slurry layer. Repeatedly, an outer silica layer was formed.
次に、上記スラリーを外層シリカ層の内側に塗布してスラリー層を形成し、このスラリー層の表面に平均粒径:100μmの微細溶融シリカ砂を散布して内層スタッコ層を形成し、この操作を2回繰り返した。 Next, the slurry is applied to the inside of the outer silica layer to form a slurry layer, and finely fused silica sand having an average particle size of 100 μm is sprayed on the surface of the slurry layer to form an inner stucco layer. Was repeated twice.
次いで、上記バリウム含有スラリーを内層スタッコ層の内側に塗布してバリウム含有スラリー層を形成し、このスラリー層の表面に平均粒径:250μmの微細溶融シリカ砂を散布した後、再びバリウム含有スラリーを塗布してバリウム含有内層スタッコ層を形成して内層シリカ層を形成した。 Next, the barium-containing slurry is applied to the inside of the inner stucco layer to form a barium-containing slurry layer, and finely fused silica sand having an average particle size of 250 μm is sprayed on the surface of the slurry layer, and then the barium-containing slurry is again applied. It was applied to form a barium-containing inner layer stucco layer to form an inner silica layer.
次に、大気雰囲気中、温度:1000℃で2時間加熱保持して乾燥し焼成することにより石英ガラス鋳型の内側に、合計厚さが3mmを有するシリカ層を形成し、本発明である実施例1のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ(以下、単にルツボという)を製造した。 Next, a silica layer having a total thickness of 3 mm is formed on the inner side of the quartz glass mold by heating and holding at 1000 ° C. for 2 hours in the air atmosphere, followed by drying and firing. A laminated crucible for casting silicon ingot 1 (hereinafter simply referred to as a crucible) was produced.
この実施例1のルツボに、単結晶引き上げ時に出るスクラップ(例えば、ボトム、テイル等)を原料として装填し、その後、温度:1500℃に保持し、原料を溶解した。このようにして得られたシリコン溶湯を0.3℃/min.の冷却速度で鋳型下方より冷却し、一方向凝固シリコンインゴットを製造した。 The crucible of Example 1 was charged with scraps (for example, bottom, tail, etc.) produced when pulling a single crystal as raw materials, and then kept at a temperature of 1500 ° C. to dissolve the raw materials. The molten silicon thus obtained was added at 0.3 ° C./min. The unidirectionally solidified silicon ingot was manufactured by cooling from below the mold at a cooling rate of 5 ° C.
得られた一方向凝固シリコンインゴットの表面を検査することにより内部応力割れの有無を目視観察したところ、内部応力割れは確認されなかった。
また、得られた一方向凝固シリコンインゴットに含まれる格子間酸素量を測定したところ、1.0×10−18(atm/cc)であった。
さらに、得られた一方向凝固シリコンインゴットをスライスして光発電用シリコン基板を作製し、その光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は約15%であった。
When the surface of the obtained unidirectionally solidified silicon ingot was inspected for the presence of internal stress cracks, no internal stress cracks were confirmed.
Moreover, when the amount of interstitial oxygen contained in the obtained unidirectionally solidified silicon ingot was measured, it was 1.0 × 10 −18 (atm / cc).
Furthermore, the obtained unidirectionally solidified silicon ingot was sliced to produce a photovoltaic power generation silicon substrate, and the photoelectric conversion efficiency was measured. As a result, the photoelectric conversion efficiency was about 15%.
(比較例1)
実施例1と同様に、上記スラリーを前記石英ガラス鋳型の内側に塗布してスラリー層を形成し、このスラリー層の表面に平均粒径:250μmの粗大溶融シリカ砂を散布して外層スタッコ層を形成し、この操作を3回繰り返して外層シリカ層を形成した。
(Comparative Example 1)
As in Example 1, the slurry was applied to the inside of the quartz glass mold to form a slurry layer, and an outer stucco layer was formed by spraying coarse fused silica sand having an average particle size of 250 μm on the surface of the slurry layer. And this operation was repeated three times to form an outer silica layer.
次に、上記スラリーを外層シリカ層の内側に塗布してスラリー層を形成し、このスラリー層の表面に平均粒径:100μmの微細溶融シリカ砂を散布して内層スタッコ層を形成し、この操作を3回繰り返して内層シリカ層を形成した。 Next, the slurry is applied to the inside of the outer silica layer to form a slurry layer, and finely fused silica sand having an average particle size of 100 μm is sprayed on the surface of the slurry layer to form an inner stucco layer. Was repeated three times to form an inner silica layer.
次に、大気雰囲気中、温度:1000℃で2時間加熱保持して乾燥し焼成することにより石英ガラス鋳型の内側に、合計厚さが3mmを有するシリカ層を形成し、比較例1のルツボを製造した。 Next, a silica layer having a total thickness of 3 mm is formed inside the quartz glass mold by heating and holding at 1000 ° C. for 2 hours in an air atmosphere, followed by drying and firing, and the crucible of Comparative Example 1 is formed. Manufactured.
この比較例1のルツボに、実施例1と同様にして単結晶引き上げ時に出るスクラップを1500℃で溶解し、0.3℃/min.の冷却速度で冷却し、一方向凝固シリコンインゴットを製造した。 In this crucible of Comparative Example 1, the scrap produced at the time of pulling the single crystal was melted at 1500 ° C. in the same manner as in Example 1, and 0.3 ° C./min. The unidirectionally solidified silicon ingot was manufactured by cooling at a cooling rate of 1 mm.
得られた一方向凝固シリコンインゴットの表面を検査することにより内部応力割れの有無を目視観察したところ、内部応力割れは確認されなかった。
また、得られた一方向凝固シリコンインゴットに含まれる格子間酸素量を測定したところ、2.0×10−18(atm/cc)であった。
さらに、得られた一方向凝固シリコンインゴットをスライスして光発電用シリコン基板を作製し、その光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は約14%であった。
When the surface of the obtained unidirectionally solidified silicon ingot was inspected for the presence of internal stress cracks, no internal stress cracks were confirmed.
Moreover, when the amount of interstitial oxygen contained in the obtained unidirectionally solidified silicon ingot was measured, it was 2.0 × 10 −18 (atm / cc).
Furthermore, the obtained unidirectionally solidified silicon ingot was sliced to produce a photovoltaic power generation silicon substrate, and the photoelectric conversion efficiency was measured. As a result, the photoelectric conversion efficiency was about 14%.
1・・・シリコンインゴット鋳造用積層ルツボ(ルツボ)
2・・・鋳型
3・・・外層シリカ層
4・・・内層シリカ層
5・・・シリカ素地
6・・・バリウム含有シリカ素地
30・・・外層スタッコ層
31・・・粗大溶融シリカ砂
40・・・内層スタッコ層
40’・・・バリウム含有内層スタッコ層
41・・・微細溶融シリカ砂
61・・・バリウム含有化合物
1 ... Laminated crucible for casting silicon ingot (crucible)
2 ...
Claims (4)
鋳型の内側に設けられた、500〜1500μmの粗大溶融シリカ砂をシリカで結合した外層スタッコ層を少なくとも1層含む外層シリカ層と、
前記外層シリカ層の内側に設けられた、50〜300μmの微細溶融シリカ砂をシリカで結合した内層スタッコ層を少なくとも1層含む内層シリカ層と、を備え、
前記内層シリカ層の最表面の前記内層スタッコ層が、平均粒径0.1〜0.01μmの水酸化バリウム又は炭酸バリウムを含有することを特徴とするシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。 A laminated crucible for casting a silicon ingot for melting and casting a silicon raw material to produce a silicon ingot,
Provided inside the cast mold, and the outer silica layer containing at least one layer of outer stucco layer coarse fused silica sand 500~1500μm bound with silica,
An inner silica layer including at least one inner stucco layer obtained by bonding fine fused silica sand of 50 to 300 μm with silica provided inside the outer silica layer,
The laminated crucible for casting a silicon ingot, wherein the inner stucco layer on the outermost surface of the inner silica layer contains barium hydroxide or barium carbonate having an average particle size of 0.1 to 0.01 µm.
前記外層スタッコ層の上に、前記スラリーを塗布または吹き付けてスラリー層を形成し、このスラリー層の表面に50〜300μmの微細溶融シリカ砂を散布して内層スタッコ層を形成する工程と、
乾燥及び焼成する工程と、を備え、
前記外層スタッコ層を形成する工程を1回以上繰り返して行なうとともに、前記内層スタッコ層を形成する工程を1回以上繰り返して行ない、
最表面の前記内層スタッコ層を形成する際に、前記スラリーに平均粒径0.1〜0.01μmの水酸化バリウム粉末又は炭酸バリウム粉末を加えたバリウム含有スラリーを用いることを特徴とするシリコンインゴット鋳造用積層ルツボの製造方法。 Applying or spraying a slurry made of fused silica powder and colloidal silica to the inside of the mold to form a slurry layer, and spraying 500 to 1500 μm of coarse fused silica sand on the surface of the slurry layer to form an outer stucco layer When,
Applying or spraying the slurry on the outer stucco layer to form a slurry layer, spraying 50-300 μm fine fused silica sand on the surface of the slurry layer, and forming an inner stucco layer;
Drying and firing,
Performing the step of forming the outer stucco layer one or more times, repeating the step of forming the inner stucco layer one or more times,
A silicon ingot characterized by using a barium-containing slurry obtained by adding barium hydroxide powder or barium carbonate powder having an average particle size of 0.1 to 0.01 μm to the slurry when forming the innermost stucco layer on the outermost surface. A method for producing a laminated crucible for casting.
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