JPH0320422A - 凝固精製方法及び凝固精製装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は凝固精製方法及び凝固精製装置に係り、特に加
熱により熔融する物質を一方向凝固法により精製するに
あたり、低コストで効率的に高純度品を得ることができ
る改良された凝固精製方法及び凝固精製装置に関する。

［従来の技術］ 一般に、熔融金属が凝固する場合、第２図に示す如く、
固相不純物濃度Ｃ晟と液相不純物濃度（Ｈとは異なる．
（なお、第２図は、均質な組成ＣＯの熔融物質が、温度
Ｔ″になると組成がＣＨの固体が晶出し、組成がＣこの
液相が平衡することを示す．）固／液間の平衡分配係数
ＫＯは、Ｋｏ−Ｃｓ／Ｃｍで示されるが、シリコンの場
合、その代表的な不純物の平衡分配係数値は下記第１表
に示す通りである。

第１表 第１表から明らかなように、平衡分配係数ＫＯが著しく
小さい値であることから、凝固工程において固相の大幅
な純度向上を図ることが可能である，１１−Ｎ（イレブ
ン・ナイン）の半導体用シリコンの製造に適用されるＣ
ｚ法、ＦＺ法はこの原理を利用したものである。

また、この原理は６−Ｎ〜８−Ｎ級の太陽電池用シリコ
ンの製造法である一方向凝固法にも応用されている。一
方向凝固法は熔融金属の凝固の際の熱流を一方向に制御
し、凝固速度、固液界面の温度勾配を一定に保って凝固
させて、結晶の生長方向をマクロ的に一方向に揃える方
法である．従来、金属シリコンの高純度化のために一方
向凝固法は、例えば、第３図に示すヒータ１１、１２、
坩堝１３及び坩堝１３を上下動可能に支持する支持台１
４よりなる凝固精製装置を用いて行なわれている． 坩堝１３は、熔融開始時及びその後の所定期間において
はヒータ１１，１２と同レベルじ位置されている．この
ため、坩堝１３内に保持されたシリコン１０は完全熔融
状態とされている．その後、支持台１４を下降させるこ
とにより、坩堝１３を徐々にヒータｌ１、１２のレベル
よりも下方に移動させる．これにより、坩堝１３内のシ
リコン１０は，ヒータ１１、１２のレベルからはずれた
底部が冷却されるため、坩堝１３の底部から凝固する． 支持台１４及び坩堝１３の下降によりシリコン１０の凝
固は進行し、坩堝１３の底部から結晶戒長方向が比較的
揃った多結晶が析出し、不純物は上部の液相１０Ａに濃
縮される．この液相１０Ａも支持台１４及び坩堝１３が
更に下降するととじより、或いはヒータの通電を止める
ことにより最終的に完全に凝固させた後、凝固インゴッ
トを取り出す。

従来、太陽電池用ウエハの製造ではシリコンは、９９．
９９９９％以上の純度が必要であり、このため１回の凝
固処理後、坩堝から取り出した凝固インゴットの上部の
不純物濃縮部を切断除去し、下部高純度部を再度同様の
一方向凝固処理を繰り返すことにより高純度化を図って
いる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来の一方向凝固法では、次のような欠点があった
。

■　凝固後の不純物濃縮部の除去のために、凝固インゴ
ットを切断する必要がある。

■　凝固インゴットを坩堝から取り出す際には、坩堝が
割れる場合が多い。凝固処理を繰り返し行なう場合には
、インゴットの取出口数分だけ坩堝消耗数も増え、必要
とされる坩堝個数が多い． ■　凝固幻埋を繰り返し行なう場合、完全に冷却凝固し
た後インゴットを取り出し、これを切断処理した十分に
温度の下ったものを再熔融するため消費エネルギーが多
い。

■　■〜■より処理時間が長く、また、処理コストが高
くつく． 本発明は上記従来の問題点を解決し、一方向凝固法によ
り精製を行なうことにより、高純度品を低コストで容易
かつ効率的に得ることができる凝固精製方法及び凝固精
製装置を提供することを目的とする． ［課題を解決するための手段］ 請求項（１）の凝固精製方法は、加熱により熔融する物
質を一方向凝固法により精製するにあたり、一方向凝固
工程において熔融物質の凝固終了前に、不純物が濃縮さ
れた液相を抜き出し、そのまま凝固塊を取り出すことな
く再度熔融、一方向凝固を繰り返すことを特徴とする。

請求項（２）の凝固精製装置は、加熱により熔融する物
質を一方向凝固法により精製するための装置であって、
該物質を熔融させるための加熱装置と、該物質を保持す
る容器とを備えている凝固精製装置において、坩堝内の
熔融物質を抜き出すための手段を備えたことを特徴とす
る。

［作用］ 請求項（１）の凝固精製方法では、一方向凝固法を２回
以上繰り返す場合社おいても、不純物が濃縮された液相
を抜き出した後、インゴットを坩堝から取り出すことな
く再び熔融させて一方向凝固法を行なえば良く、坩堝か
らインゴットを取り出す回数は１バッチ当り１回で良い
。このため、従来のような凝固ごとの不純物濃縮部の切
断除去処理を行なう必要がなく、坩堝の使用個数も大幅
に低減される． しかも、完全に凝固を終了させることなく、次の一方向
凝固工程に移行できるため、処理時間が短縮される上に
消費エネルギーも・大幅に低減される．即ち、従来にお
いては完全に凝固したインゴットを坩堝から取り出し、
これを切断処理した後、再熔融するが、本発明の方法に
よれば、完全凝固前の凝固部がまだ十分に高温のものを
再熔融することができるので、熔融のためのエネルギー
コストが低い． さらに、大型の鋳塊を所望のときは、不純物濃縮部を排
出させた後、新しい熔融物質を坩堝に添加して凝固を継
続させることもできる。

請求項（２）の凝固精製装置によれば、請求項（１）の
凝固精製方法を容易かつ効率的に実施することが可能と
される。

［実施例］ 以下に本発明の実施例について、図面を参照して詳細に
説明する． 第１図は本発明の凝固精製装置の一実施例を示す断面図
である． 第１図において、坩堝１が保護坩堝２で被われており、
該坩堝！内に一方向凝固法により精製処理される金属３
が収容されている。図示の状態は凝固終了前の状態であ
り、凝固した固相３Ａと熔融状態の液相３Ｂとが共存し
ている。

なお、第１図の装置においても第３図の装置と同様に坩
堝１内の金属３を熔融させるためのヒータ４が坩堝１の
周囲に配置されている．また、坩堝１は昇降自在な坩堝
支持台５上に設置されている。

本実施例装置では、坩堝ｉ内の金属液相３Ｂを抜き出す
ための手段として、下端が坩堝１内に差し込まれるパイ
プ６と、抜き出された液相を受けるための溜容器７と、
溜容器７内を減圧するための吸引バイブ８と、該吸引バ
イブ８が接続された減圧装置（図示略）とからなる液相
金属抜出装置が用いられている．符号９は上記符号１〜
８が付された機器等を内蔵した木実施例の凝固精製装置
全体を示している。

前記坩堝支持台５は鉛直軸心回りに回転可能とされてい
ると共に、上記の通り上下移動可能に構成されている．
また、回転を行なわないときには、坩堝部の外側に電磁
コイルを設置し、電磁力により液相部を攪拌して精製効
率を上げることもできる。また、該坩堝支持台５は、そ
の内部に冷却ガス等の冷媒を流通させることにより、坩
堝底を冷却することができるように構威されている。

バイブ６、溜容器７及び吸引バイブ８はそれぞれ上下移
動可能に構成されている。

このような凝固精製装置９により金属３の一方向凝固を
行なうには、まず、支持台５を上昇させて坩堝１をヒー
タ４と同じレベルに位置させて内部のすべての金属３を
完全に熔融させる。なお、この時、バイブ６は坩堝１の
上方Ｃまで上昇させておき、バイプ６の下端は坩堝１内
に差し込まれない状態としておく。

金属３の熔融状態が安定した時点で、支持台５を徐々に
下降させると共に、支持台５の冷却機構を作動させて、
金Ｒ３の一方向凝固を行なう。即ち、支持台５の下降に
より坩堝１がヒータ４のレベルより下方に移動するため
、ヒータ４からはみ出した坩堝１内の底部の熔融金属は
坩堝１の底面から凝固を開始する．そして、坩堝１を徐
々に下降させることにより、その内部の熔融金属は坩堝
１の底部より徐々に上方向に向って凝固してゆく。

この凝固工程の末期になると、第１図に示す如く、坩堝
３内には凝固金属の固相３Ａと熔融金属の液相３Ｂが共
存するようになる。この液相３Ｂには前述の如く、原料
金属に含有されていた不純物が濃縮されており、固相３
Ａは原料金属より高純度な凝固金属となっている。

本発明においては、このように液相と固相とが共存する
凝固終了前の状態において、所定の凝固率まで凝固が進
んた時点で、坩堝ｌ内の上部に溜っている液相３Ｂを抜
き出す。液相３Ｂの抜き出しに際しては、バイプ６及び
溜容器７を下降させて、パイブ６の先端を液相３Ｂ内に
差し込み、吸引パイブ８により溜容器７内を減圧する。

これにより、液相３Ｂはバイプ６から抜き出され、溜容
器７内に溜められる．この結果、不純物濃縮部である７
夜相３Ｂは、高純度部である固相３Ａから分苅除去され
る。

第１図の如くして液相３Ｂの抜き出しを行なった後、バ
イプ６及び溜容器７を上昇させると共に、支持台５を坩
堝１がヒータ４のレベルとなるように上昇させる．そし
て、再度同様の操作を繰り返して、金属３の熔融、一方
向凝固及び液相抜き出しを行なう．この場合、再熔融に
供される金属３の固相３Ａは十分に冷却された状態では
なく、相当な高温状態を維持しているため、再熔融くた
めの加熱エネルギーは極めて少なくて足りる。またぜ加
熱時間も短いものとなる。なお、この再熔融を行なう場
合、１回の一方向凝固処理毎に固化金属を坩堝１内より
取り出す必要がないため、坩堝の損壊がないと共に、熔
融から再熔融に移行させる手間は殆どかからず、極めて
効率的に一方向凝固処理を繰り返し行なうことができる
。

なお、最後の一方向凝固処理後は液相の抜き出しを行な
わなくても良い。

第１図に示す装置９において、保護坩堝２を設けること
により、坩堝１の損傷を防止することが可能とされる。

また、溜容器７を設けることにより、抜き出した熔融金
属がバイブ６より逆流するなどのトラブルを確実に防止
することができる．木実施例の装置９においては、液相
３Ｂの抜き出し工程において、パイプ６内で熔融金属が
凝固するのを防止するために、必要に応じてバイブ６や
蒲容器７に加熱機構や保温機構を設けても良い。

なお、第１図に示す装置は本発明の凝固精製装苦の一実
施例であって、本発明の凝固精製装置はその要旨を超え
ない限り、何ら図示の装置に限定されるものではない。

また、以上の説明では、シリコン等の金属の高純度化の
ための凝固精製方法を例示したが、本発明の凝固精製方
法及び凝固精製装置は何らこれに限定されるものではな
く、金属以外の物質にも適用することができ、例えば無
機化合物等の凝固精製にも適用することができる。

本発明では、加熱装置としては高周波誘導加熱や抵抗発
熱体が好適であるが、アークやプラズマ、電子ビームな
ど、各種の加熱装置を用いることができる． ［発明の効果］ 以上詳述した通り、請求項（１）の凝固精製方法によれ
ば、熔融物質の凝固終了前に不純物濃縮部を液相として
抜き出して除去することができるため、 ■　インゴットの切断処理を行なう必要がなく、不純物
濃縮部の除去が極めて容易である。

■　一方向凝固処理を複数回繰り返す場合においても、
坩堝の破壊を伴なう可能性のあるインゴットの取り出し
作業は１回で済み、坩堝の使用個数も低減される。

■　凝固部がまだ十分に高温なものを再熔融して一方向
凝固処理に供することができるため、熔融のための消費
エネルギーが大幅に低減される。

■　一方向凝ＵＥＪ処理を連続的に繰り返し行なうこと
で超高純度化が可能とされる。

等の効果が奏される．このため、超高純度金属の製造処
理時間が大幅に短縮され、処理作業も大幅に軽減される
と共に、処理能力が著しく向上し、処理コストが大幅に
低減される。従って、請求項（１）の凝固精製方法によ
れば、容易かつ効率的に低コストで精製を行なうことが
可能とされる。

請求項（２）の凝固精製装置によれば、このような凝固
精製方法を容易にしかも自動的に実施することが可能と
される．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の凝固精製装置の一実施例を示す断面図
、第２図は固熔体の平衡状態図、第３図は従来の凝固精
製装置を示す断面図である．１・・・坩堝、　　　４・
・・ヒータ、６・・・パイプ、　　７・・・溜容器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）加熱により熔融する物質を一方向凝固法により精
   製する方法において、一方向凝固工程における熔融物質
   の凝固終了前に、不純物が濃縮された液相を抜き出し、
   そのまま凝固塊を取り出すことなく、再度熔融、一方向
   凝固を繰り返すことを特徴とする金属の凝固精製方法。
2. （２）加熱により熔融する物質を一方向凝固法により精
   製するための装置であって、該物質を熔融させるための
   加熱装置と、該物質を保持する容器とを備えている凝固
   精製装置において、坩堝内の熔融物質を抜き出すための
   手段を備えたことを特徴とする凝固精製装置。