JPH10273374A - Purification of silicon - Google Patents

Purification of silicon

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JPH10273374A
JPH10273374A JP9075897A JP7589797A JPH10273374A JP H10273374 A JPH10273374 A JP H10273374A JP 9075897 A JP9075897 A JP 9075897A JP 7589797 A JP7589797 A JP 7589797A JP H10273374 A JPH10273374 A JP H10273374A
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JP
Japan
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silicon
molten metal
solidified
divided
metal
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Withdrawn
Application number
JP9075897A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiro Hanazawa
和浩 花澤
Masamichi Abe
正道 阿部
Hiroyuki Baba
裕幸 馬場
Naomichi Nakamura
尚道 中村
Kenkichi Yushimo
憲吉 湯下
Yasuhiko Sakaguchi
泰彦 阪口
Yoshihide Kato
嘉英 加藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon purification process that can be smoothly and inexpensively operated by combining the two steps in the production process for silicon for solar cells thereby simplifying the process to a continuous one. SOLUTION: Solid silicon is molten with electron beam 6 under vacuum to remove readily evaporating elements, then the molten silicon 4 is charged into the cast vessel by over-flowing and the molten silicon 4 is solidified from the bottom upward to remove the metallic element contaminants. At this time, a bottomless crucible 11 comprising a plurality of electroconductive pieces divided in the peripheral direction at least a part of the shaft direction and the solidified silicon 10 is continuously taken out downward.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンの凝固精
製方法に関し、特に、太陽電池用シリコンの製造に際
し、効率良く金属不純物元素を除去可能な精製技術であ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for coagulating and refining silicon, and more particularly to a refining technique capable of efficiently removing metal impurity elements in the production of silicon for solar cells.

【0002】[0002]

【従来の技術】太陽電池用シリコン基板が、所要の半導
体特性を発揮するためには、シリコン中の不純物元素を
許容以下に低減しなければならない。そのため、従来、
太陽電池用シリコンは、図5に示すように、塩酸と反応
させてトリクロロ・シランとしてガス化し、該ガスを精
留して不純物元素を除き、水素ガスと反応させる所謂C
VD法でガスから析出させていた。したがって、得られ
たシリコンは、所謂イレブン・ナインの非常に高純度な
ものであった。
2. Description of the Related Art In order for a silicon substrate for a solar cell to exhibit required semiconductor characteristics, impurity elements in silicon must be reduced to an unacceptable level. Therefore, conventionally,
As shown in FIG. 5, silicon for a solar cell is reacted with hydrochloric acid to gasify it as trichlorosilane, and the gas is rectified to remove impurity elements and to react with hydrogen gas.
It was precipitated from the gas by the VD method. Therefore, the obtained silicon was a very high-purity so-called Eleven Nine.

【0003】しかしながら、かかる従来のシリコン製造
方法は、せっかく半導体用にまで高純度にしたインゴッ
トを、再度、太陽電池用に適するように成分調整した
り、精製や鋳造をしなければならないので、手間がかか
る上に、歩留が悪く、再溶解の設備、エネルギーも別途
必要で、製造費用が嵩む。そのため、上記したように、
現在入手可能な太陽電池は高価なものとなり、一般的な
普及の障害となっている。また、化学プロセスでの金属
シリコンの高純度化には、シラン、塩化物等の公害物質
の多量発生が避けられず、量産の障害になるという問題
もあった。
[0003] However, such a conventional silicon production method requires timely adjustment of components, refining and casting of an ingot which has been highly purified even for a semiconductor, so as to be suitable for a solar cell. In addition to this, the yield is low, remelting equipment and energy are separately required, and the production cost increases. So, as mentioned above,
Currently available solar cells are expensive and are an obstacle to their general spread. In addition, in purifying metallic silicon in a chemical process, there is a problem that a large amount of pollutants such as silane and chloride is inevitably generated, which hinders mass production.

【0004】そこで、本出願人は、上記のような化学プ
ロセスによる金属シリコンの高純度化を改め、冶金プロ
セスのみで太陽電池に適した純度のシリコンを製造し、
それを鋳造して一気にシリコン基板までにする方法(図
4参照)を検討している。この方法によれば、量産が可
能で、且つ今までよりエネルギー的に有利に、太陽電池
用シリコンが製造できるものと期待されている。
Therefore, the present applicant has improved the purification of metallic silicon by the above-described chemical process, and manufactured silicon having a purity suitable for solar cells only by a metallurgical process.
We are studying a method of casting it at once to make it into a silicon substrate (see FIG. 4). According to this method, it is expected that mass production is possible and that silicon for solar cells can be produced more advantageously in terms of energy.

【0005】ところが、図4に示した方法は、多種の精
整工程からなり、煩雑であるため、まだ無駄があり、改
善の余地があると考えられられる。特に、複数の工程を
一体化及び連続化できれば、シリコン歩留の向上や電力
原単位の削減が可能である。そのため、本出願人は、特
願平8−288219号公報にて、電子ビームを加熱源
としたPの気化除去工程(真空精練)と、Fe,Al,
Ti等の金属不純物元素の除去工程(一方向凝固)を一
体化する技術を開示した。
However, the method shown in FIG. 4 is composed of various kinds of refining steps and is complicated, so it is considered that there is still waste and there is room for improvement. In particular, if a plurality of processes can be integrated and made continuous, it is possible to improve the silicon yield and reduce the power consumption. For this reason, the present applicant disclosed in Japanese Patent Application No. 8-288219 a vaporization removal step (vacuum scouring) of P using an electron beam as a heating source, Fe, Al,
A technique for integrating a step of removing a metal impurity element such as Ti (unidirectional solidification) has been disclosed.

【0006】しかしながら、上記公報記載の方法には、
以下に示す問題があった。シリコン溶湯の凝固用鋳型に
水冷銅製「るつぼ」を用い、製造コストの低下を狙って
鋳塊(以下、インゴット)の長さを長くしようとする
と、該「るつぼ」を深くする必要があった。その結果、
かえって装置拡大による製造コストが上昇したばかりで
なく、インゴットの取出しが困難になり、さらには電子
ビームの照射が困難になる等の問題が生じた。そこで、
前記した所謂バッチ式の「るつぼ」に代え、インゴット
を底から連続的に引き抜く方式の水冷銅製鋳型を用いた
ところ、シリコンの凝固時の膨張で、インゴットを引き
抜く力を大幅に増加しなければならないとか、インゴッ
トが破断して引き抜き作業を中断しなければならないと
か、鋳型の消耗、鋳型からの不純物元素の混入とか、別
の問題が生じた。
[0006] However, the method described in the above publication includes:
There were the following problems. When a water-cooled copper “crucible” is used as a mold for solidifying the silicon melt and the length of the ingot (hereinafter, ingot) is to be increased in order to reduce the manufacturing cost, the “crucible” needs to be deepened. as a result,
On the contrary, not only has the manufacturing cost increased due to the enlargement of the apparatus, but it has become difficult to take out the ingot, and it has become difficult to irradiate the electron beam. Therefore,
Instead of the so-called batch type `` crucible '', when using a water-cooled copper mold of a system that continuously pulls out the ingot from the bottom, the expansion during the solidification of silicon requires a significant increase in the force to pull out the ingot. There were other problems such as the fact that the ingot had to be broken and the drawing operation had to be interrupted, that the mold had been consumed and that impurity elements had been mixed in from the mold.

【0007】また、脱ボロン及び脱炭工程(酸化精錬)
と前記一方向凝固とを組み合わせて、一体化を図った技
術も特開平4−130009号公報が開示している。そ
れは、「誘導コイル内に配置され、かつ軸方向の少なく
とも一部が周方向で複数に分割された導電性分割片から
なる無底るつぼを用い、該無底るつぼの中で、溶融シリ
コン浴面に原料シリコンを連続的に供給して溶解すると
共に、酸素含有物質を添加した熱プラズマ・ガスを該浴
面に吹付けてシリコンを精製しながら、前記無底るつぼ
より、凝固したシリコンを下方に連続的に取り出す」方
法である。
[0007] Deboron and decarburization process (oxidation refining)
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-130009 also discloses a technique for achieving integration by combining the above-described directional solidification. It uses a bottomless crucible composed of conductive divided pieces that are disposed in an induction coil and at least part of the axial direction is divided into a plurality in the circumferential direction. In the bottomless crucible, a molten silicon bath surface is used. The raw silicon is continuously supplied and melted, and while the silicon is purified by spraying a hot plasma gas containing an oxygen-containing substance onto the bath surface, the solidified silicon is lowered downward from the bottomless crucible. It is a method of “continuously taking out”.

【0008】つまり、後述する導電性分割るつぼ内でシ
リコン溶湯を電磁力で浮かせ、るつぼとの接触を絶ちつ
つ、脱ボロン及び脱炭、さらには金属不純物元素も除く
のである。しかしながら、この方法では、所謂移行式電
源を用い、プラズマ・アークでシリコンを加熱すると、
導電性の水冷銅鋳型とプラズマ・トーチ間でもアークが
発生して鋳型が溶け、鋳型材が溶湯に混入したり、ある
いは鋳型が溶損してしまうことがあった。一方、非移行
式電源を用い、高温のプラズマ・ガス・ジェット流でシ
リコンを加熱すると、上記混入、溶損問題は回避できる
が、鋳型からの抜熱を補償するために使用する電力が著
しく増大するという問題があった。
In other words, the silicon melt is floated by electromagnetic force in a conductive divided crucible to be described later, and while contact with the crucible is cut off, deboron and decarburization, and further, metal impurity elements are removed. However, in this method, when using a so-called transition type power supply and heating silicon with a plasma arc,
An arc was also generated between the conductive water-cooled copper mold and the plasma torch to melt the mold, and the mold material was mixed in the molten metal or the mold was sometimes damaged. On the other hand, when silicon is heated with a high-temperature plasma gas jet stream using a non-transferred power supply, the mixing and melting problems described above can be avoided, but the power used to compensate for heat removal from the mold is significantly increased. There was a problem of doing.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる事情
に鑑み、太陽電池用シリコンの製造に際し、2つの工程
を組み合わせて簡略化および連続化を図って、円滑かつ
安価に操業が可能なシリコンの精製方法を提供すること
を目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has been developed in consideration of the above-mentioned circumstances. It is an object of the present invention to provide a purification method of

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】発明者は、上記目的を達
成するため、前記2つの従来技術を見直し、それぞれの
欠点を廃し、良いところを組み合わせることで、多大な
効果を発揮させることに、鋭意努力した。本発明は、そ
の成果として完成されたものである。すなわち、本発明
は、固体状のシリコンを真空下で電子ビームで溶解し、
易揮発性元素を除去した後、溶湯を鋳造容器にオーバー
・フローさせて注入し、該溶湯を底部より上方へ一方向
凝固させて、溶湯が含有する金属不純物元素を除去する
に際し、前記鋳造容器に、誘導コイル内に配置され、か
つ軸方向の少なくとも一部で周方向で複数に分割された
導電性分割片からなる無底るつぼを用い、凝固したシリ
コンを下方へ連続的に取り出すことを特徴とするシリコ
ンの精製方法である。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the inventor reviewed the above two prior arts, abolished their respective drawbacks, and achieved a great effect by combining good points. I worked hard. The present invention has been completed as a result. That is, the present invention melts solid silicon with an electron beam under vacuum,
After removing the volatile elements, the molten metal is poured into the casting vessel by overflowing, and the molten metal is unidirectionally solidified upward from the bottom to remove metal impurity elements contained in the molten metal. In addition, a solidified silicon is continuously taken out downward by using a bottomless crucible composed of conductive divided pieces arranged in an induction coil and divided into a plurality of pieces in a circumferential direction at least in a part of an axial direction. Is a method for purifying silicon.

【0011】また、本発明は、固体状のシリコンを酸素
含有物を添加した熱プラズマ・ガスで溶解し、脱ボロン
及び脱炭した後、溶湯を鋳造容器にオーバー・フローさ
せて注入し、該溶湯を底部より上方へ一方向凝固させ
て、溶湯が含有する金属不純物元素を除去するに際し、
前記鋳造容器に、誘導コイル内に配置され、かつ軸方向
の少なくとも一部が周方向で複数に分割された導電性分
割片からなる無底るつぼを用い、凝固したシリコンを下
方へ連続的に取り出すことを特徴とするシリコンの精製
方法である。
Further, according to the present invention, the solid silicon is dissolved by a hot plasma gas to which an oxygen-containing substance is added, deboronated and decarburized, and then the molten metal is poured into a casting vessel by overflowing. In solidifying the molten metal unidirectionally upward from the bottom to remove metal impurity elements contained in the molten metal,
In the casting container, a solidified silicon is continuously taken out using a bottomless crucible composed of conductive divided pieces that are arranged in an induction coil and at least a part of which is divided in an axial direction into a plurality of pieces in a circumferential direction. This is a method for purifying silicon.

【0012】さらに、本発明は、上記2つの発明を、連
結させていずれか一方を先に実施することを特徴とする
シリコンの精製方法である。但し、この場合、先きの本
発明を実施して取り出したインゴットは、不純物元素の
濃化した上部を切断除去し、残りの部分を破砕して、後
で実施する工程での原料用固体状シリコンとする。本発
明では、太陽電池用シリコンの製造において、上記のよ
うに、多種の工程を組み合わせるようにしたので、全体
の工程が簡略化され、円滑な操業が可能になる。また、
従来は、各工程毎でのシリコン歩留が問題になっていた
が、簡略化で工程外シリコンの発生が少なくなるので、
従来よりもシリコン歩留の向上が達成できるようにな
る。さらに、同様の理由で、電力消費量の低減も可能と
なる。
Further, the present invention is a method for purifying silicon, characterized in that the above two inventions are connected and one of them is carried out first. However, in this case, the ingot taken out by carrying out the present invention is cut and removed from the upper portion where the impurity element is concentrated, and the remaining portion is crushed to obtain a solid material for the raw material in a later step. Silicon. In the present invention, in the manufacture of silicon for a solar cell, as described above, various steps are combined, so that the entire steps are simplified and smooth operation becomes possible. Also,
Conventionally, silicon yield in each process has been a problem, but since simplification reduces the occurrence of out-of-process silicon,
The improvement in silicon yield can be achieved as compared with the conventional case. Further, for the same reason, the power consumption can be reduced.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】図1に、本発明に係る溶融シリコ
ンの精製方法を実施した装置例を、縦断面で示す。それ
は、減圧室1内に、保持容器(ハース)2及び鋳型3が
上下差をつけて配置され、保持容器2内で溶解された溶
融シリコン4(以下、溶湯ということあり)が順次オー
バー・フローで移動できるようになっている。そして、
原料の固体金属シリコンの加熱と溶解は、保持容器2の
上方に配置した電子銃5からの電子ビーム6の照射で行
われるようになっている。この照射は、通常、一定時間
の間隔(0.1〜1秒程度)で周期的に行われる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows a longitudinal section of an example of an apparatus for implementing a method for purifying molten silicon according to the present invention. That is, a holding vessel (hearth) 2 and a mold 3 are arranged in the decompression chamber 1 with a vertical difference, and molten silicon 4 (hereinafter, sometimes referred to as molten metal) melted in the holding vessel 2 sequentially overflows. You can move with. And
The heating and melting of the solid metal silicon as a raw material are performed by irradiation of an electron beam 6 from an electron gun 5 arranged above the holding container 2. This irradiation is usually performed periodically at regular time intervals (about 0.1 to 1 second).

【0014】まず、保持容器2内のシリコン表面を、電
子ビーム6で照射して1550℃以上の温度にする。そ
の結果、溶湯4中の易揮発性不純物元素であるP等が、
蒸発し、減圧にされていることもあって系外に除去され
ることになる。なお、減圧室1の真空度は、5×10-3
torr以上である。この状態を所定時間継続した後、
保持容器2の出湯口17に付着固化している固体金属シ
リコン7を電子ビーム6の照射で溶かし、保持容器2か
ら下方の鋳型3ヘ、P,Ca,Al等の易揮発性元素が
除去された溶融シリコン4がオーバー・フローで移動す
る。そして、該鋳型3内で溶湯4を一方向凝固させ、含
有するFe,Al,Ti等の金属不純物元素を精製、除
去する。なお、この鋳型上方には、円筒状の保熱用ヒー
タ20を配置し、溶湯を加熱するようになっている。
First, the silicon surface in the holding container 2 is irradiated with an electron beam 6 to a temperature of 1550 ° C. or higher. As a result, P and the like, which are easily volatile impurity elements in the molten metal 4,
It evaporates and is removed from the system due to the reduced pressure. The degree of vacuum in the decompression chamber 1 is 5 × 10 −3.
torr or more. After continuing this state for a predetermined time,
The solid metal silicon 7 adhered and solidified to the tap hole 17 of the holding container 2 is melted by the irradiation of the electron beam 6, and easily volatile elements such as P, Ca, and Al are removed from the holding container 2 to the lower mold 3. The molten silicon 4 moves by overflow. Then, the molten metal 4 is unidirectionally solidified in the mold 3 to purify and remove contained metallic impurity elements such as Fe, Al, and Ti. A cylindrical heater 20 is arranged above the mold to heat the molten metal.

【0015】第1の本発明は、この鋳型3に、複数の導
電性の分割片9を組み合わせた短尺の無底るつぼとし、
前記した電子ビーム5の照射困難、引抜き困難等の問題
点を解消したものである。該無底るつぼ11からなる鋳
型3の構造を図6(a)及び(b)に示す。無底るつぼ
11は、誘導コイル8内に、複数に分割された導電性の
分割片9を周方向に配設したものである。この中で溶湯
4を順次下方に引き抜いて凝固させ、連続的にインゴッ
ト10に鋳造することができる。この連続鋳造法による
と、図6(a)に示すように、無底るつぼ11が周方向
で複数に分割されていることから、誘導コイル8を流れ
る電流18により個々の分割片中に矢印で示したような
電流12が生じる。これにより、無底るつぼ内の溶湯4
中に矢印で示すような電流19が生じ、該溶湯4が加熱
溶解されると共に、分割片中を流れる電流12との間に
反発力が生じて、図6(b)に示すように、該溶湯4及
び凝固体13が無底るつぼ11の分割片9に対して非接
触の状態に保持される。すなわち、溶湯4及び凝固体1
3は、無底るつぼ11の内面との間に間隙を有する状態
に保たれる。従って、凝固体13を下方に引き抜く力
は、小さくて良く、トラブル無く円滑な引抜が行われる
ようになる。また、溶湯4や凝固体13は、無底るつぼ
11と無接触なので、所謂鋳型材からの不純物元素で汚
染されることもない。
According to a first aspect of the present invention, a short, bottomless crucible in which a plurality of conductive divided pieces 9 are combined with the mold 3 is provided.
This eliminates the problems such as the difficulty in irradiating the electron beam 5 and the difficulty in extracting the electron beam 5. FIGS. 6A and 6B show the structure of the mold 3 including the bottomless crucible 11. The bottomless crucible 11 has a plurality of conductive divided pieces 9 arranged in a circumferential direction in an induction coil 8. In this, the molten metal 4 can be sequentially pulled downward, solidified, and continuously cast into the ingot 10. According to the continuous casting method, as shown in FIG. 6A, since the bottomless crucible 11 is divided into a plurality in the circumferential direction, the current 18 flowing through the induction coil 8 causes arrows in each divided piece. The current 12 as shown occurs. Thereby, the molten metal 4 in the bottomless crucible
A current 19 as shown by an arrow is generated therein, and the molten metal 4 is heated and melted, and a repulsive force is generated between the molten metal 4 and the current 12 flowing through the divided piece, as shown in FIG. The molten metal 4 and the solidified body 13 are held in a non-contact state with respect to the divided pieces 9 of the bottomless crucible 11. That is, the molten metal 4 and the solidified body 1
3 is kept in a state having a gap with the inner surface of the bottomless crucible 11. Therefore, the force for pulling out the solidified body 13 downward may be small, and smooth pulling out can be performed without any trouble. Further, since the molten metal 4 and the solidified body 13 are not in contact with the bottomless crucible 11, they are not contaminated by the so-called impurity element from the mold material.

【0016】次に、第2の本発明は、脱ボロン及び脱炭
を行う酸化精錬と前記した一方向凝固とを一体化させた
ものである。つまり、図2に示すように、保持容器2と
前記した短尺の無底るつぼ11を上下差をつけて配置す
る。第1の本発明と異なる点は、減圧が不要であるこ
と、加熱が高温のプラズマ・ガス流14によって行われ
ること、該プラズマ・ガス流14に酸素含有物質15
(通常、水蒸気を使用)が添加されていることの3点で
ある。図2の装置では、保持容器2内で溶解されたシリ
コンは、吹き付けられるプラズマ・ガス流14で160
0℃程度に加熱されると共に、酸素含有物質15で含有
するボロン及び炭素を優先酸化し、酸化物として蒸発、
除去されることになる。一定時間その状態を継続した
後、溶湯4は、前記同様に、無底るつぼ11にオーバー
・フローで移動され、一方向凝固で金属不純物元素の精
製除去が行われる。
Next, in a second aspect of the present invention, the oxidative refining for deboron and decarburization and the above-described directional solidification are integrated. That is, as shown in FIG. 2, the holding container 2 and the above-mentioned short bottomless crucible 11 are arranged with a vertical difference. The first embodiment differs from the first embodiment in that no decompression is required, that heating is performed by a high-temperature plasma gas stream 14, and that the oxygen-containing substance 15
(Usually using steam). In the apparatus of FIG. 2, the silicon melted in the holding vessel 2 is sprayed with a plasma gas stream 14 at 160
While being heated to about 0 ° C., it preferentially oxidizes boron and carbon contained in the oxygen-containing substance 15 and evaporates as an oxide.
Will be removed. After maintaining the state for a certain period of time, the molten metal 4 is moved to the bottomless crucible 11 by overflow in the same manner as described above, and the metal impurity element is purified and removed by unidirectional solidification.

【0017】上記第1及び第2の本発明における一方向
凝固の実施に際しては、無底るつぼ11の上方に、黒鉛
製の円筒状保熱ヒータ20を配置し、溶湯面を上方から
加熱すると一層精製の効果が生じる。第3及び第4の本
発明は、前記第1及び第2の本発明を、インゴット10
の切断除去(インゴットの上部約20%は不純物が濃化
しているので除去する)工程及び破砕工程を挟み連結し
て、連続的に金属シリコンを精製するものである。その
ようにすれば、太陽電池用シリコンの製造に必要な不純
物元素の精製除去が1つの流れ作業として、省力及び省
エネで行えるようになる。つまり、本出願人が先に提案
した図4の工程が簡略され、図3に示す流れとなる。な
お、第1及び第2の本発明のいずれを上流側にするか
は、何ら限定する理由がないので、いずれを選択しても
良い。但し、上流側に配置された方の一方向凝固を粗凝
固精製、後流側を仕上凝固精製とすることになる。ま
た、第2の本発明が下流の工程となる場合、脱酸のため
凝固精製中の溶湯にアルゴン・ガスあるいはアルゴンと
水素の混合ガスを吹込む必要がある。なお、第1の本発
明が下流工程になる場合には、減圧下で脱酸が行われる
ため、上記ガスの吹込みは必要としない。
In performing the unidirectional solidification in the first and second embodiments of the present invention, a graphite cylindrical heat retaining heater 20 is disposed above the bottomless crucible 11 and the molten metal surface is heated from above. The effect of purification occurs. The third and fourth aspects of the present invention relate to the first and second aspects of the present invention.
Of the ingot (the upper 20% of the ingot is removed because impurities are concentrated) and a crushing step, and the metal silicon is continuously purified. By doing so, the purification and removal of the impurity elements required for the production of silicon for solar cells can be performed as one flow operation with labor saving and energy saving. That is, the process of FIG. 4 previously proposed by the present applicant is simplified, and the flow shown in FIG. 3 is obtained. Note that there is no reason to limit which of the first and second aspects of the present invention should be on the upstream side, so that either one may be selected. However, the one-way solidification arranged on the upstream side is rough solidification purification, and the downstream side is finish solidification purification. Further, when the second present invention is a downstream step, it is necessary to blow argon gas or a mixed gas of argon and hydrogen into the molten metal during coagulation and purification for deoxidation. When the first invention is a downstream process, degassing is performed under reduced pressure, so that the gas is not required to be blown.

【0018】さらに、本発明では、保持容器2内で溶融
シリコンを1500℃以上に保持するので、必要な場合
には、上記電子銃5やプラズマ・トーチ16以外の加熱
源を補助的に設置しても良い。但し、この場合、電熱を
利用する際には、電磁場による電子ビーム6の進行方向
の乱れに十分な注意が必要となる。また、保持容器2
は、通常、脱ボロン、脱炭にはシリカ製容器、脱P用に
は水冷銅容器が使用されるが、そこで効率的な気化脱燐
を行わせる場合には、発明者が別途出願中である黒鉛容
器を利用しても良い。
Further, in the present invention, since the molten silicon is held at 1500 ° C. or higher in the holding container 2, if necessary, a heating source other than the electron gun 5 and the plasma torch 16 is additionally provided. May be. However, in this case, when utilizing electric heat, it is necessary to pay sufficient attention to disturbance in the traveling direction of the electron beam 6 due to the electromagnetic field. In addition, holding container 2
Usually, a silica container is used for deboron and decarburization, and a water-cooled copper container is used for dephosphorization. In order to perform efficient vaporization and dephosphorization there, the inventor has filed a separate application. A certain graphite container may be used.

【0019】[0019]

【実施例】第1の本発明(図1参照)を上流側、第2の
本発明(図2参照)を後流側として連結して、第3の本
発明(図3参照)を適用して太陽電池用シリコンを製造
した。まず、減圧室1内で、上方に備えた最大出力10
0kWの電子銃5から80kWの電子ビーム6を発射
し、内面積20cm×30cm,深さ6cmで黒鉛製の
保持容器2に、連続的に6kg/時間で供給されてくる
固体金属シリコンを溶解した。溶解した溶融シリコン4
の一部を、保持容器2の上方から一定時間毎にオーバー
・フローさせて、下方に位置する前記無底るつぼ11に
注いだ。その間、減圧室1の圧力は1×10-4torr
に維持したので、溶湯4からは、燐やAl,Caの一部
が気化して除去された。無底るつぼ11では、底部から
上方に向けて0.6mm/minの凝固速度になるよう
に、固体金属シリコンの供給速度を調整して金属不純物
元素を粗精製するための1方向凝固を行った。なお、該
無底るつぼ11の上方からは、黒鉛製の円筒状保熱ヒー
タ20を用いて、溶湯4の表面を加熱した。なお、無底
るつぼ11への1回当たりのオーバー・フロー量は、該
無底るつぼ11の直径が300mmであったので、平均
して約100gとなるようにした。ここまでが第1の本
発明に相当する部分である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The first invention (see FIG. 1) is connected upstream and the second invention (see FIG. 2) is connected downstream, and the third invention (see FIG. 3) is applied. To produce silicon for solar cells. First, in the decompression chamber 1, the maximum output 10
An electron beam 6 of 80 kW was emitted from an electron gun 5 of 0 kW to dissolve solid metal silicon continuously supplied at a rate of 6 kg / hour into a graphite holding container 2 having an inner area of 20 cm × 30 cm and a depth of 6 cm. . Melted molten silicon 4
Was overflowed from above the holding vessel 2 at regular intervals, and poured into the bottomless crucible 11 located below. Meanwhile, the pressure in the decompression chamber 1 is 1 × 10 −4 torr.
, A part of phosphorus, Al, and Ca was vaporized and removed from the molten metal 4. In the bottomless crucible 11, one-way solidification for roughly refining metal impurity elements was performed by adjusting the supply rate of solid metal silicon so that the solidification rate was 0.6 mm / min upward from the bottom. . The surface of the molten metal 4 was heated from above the bottomless crucible 11 by using a cylindrical heat retaining heater 20 made of graphite. The amount of overflow per one time into the bottomless crucible 11 was about 100 g on average because the diameter of the bottomless crucible 11 was 300 mm. This is the part corresponding to the first present invention.

【0020】次に、50kgのインゴット10を引き抜
いたところで、該インゴット10を1500℃から20
0℃まで1時間かけて冷却した。そして、該インゴット
10の上部20%を切断除去し、残りの部分を粉砕し
た。そして、この粉砕物を、第2の本発明の原料とし
た。ここで、粉砕せずに棒状の原料を徐々にプラズマ吹
き付け部に送り込みながら、直接的な溶解を行っても良
い。図2の保持容器2内に、該粉砕物を6kg/時間で
連続供給し、上方に配置したプラズマ・トーチ16か
ら、水蒸気15を10vol%含有するプラズマ・ガス
流14を吹き付け、溶解した。溶湯4の温度を1550
℃に維持し、該溶湯4に含まれるボロン及び炭素を酸化
物として蒸発、除去した。そして、その溶湯4を前記同
様に、無底るつぼ11へオーバー・フローさせ、アルゴ
ン・ガスを溶湯中に吹込むことにより脱酸しながら仕上
のための一方向凝固を行った。
Next, when the ingot 10 of 50 kg was pulled out, the ingot 10 was cooled from 1500 ° C. to 20 ° C.
Cooled to 0 ° C over 1 hour. Then, the upper 20% of the ingot 10 was cut and removed, and the remaining portion was pulverized. And this pulverized material was used as a raw material of the second present invention. Here, direct melting may be performed while gradually feeding the rod-shaped raw material to the plasma spraying unit without pulverizing. The pulverized material was continuously supplied into the holding container 2 shown in FIG. 2 at a rate of 6 kg / hour, and a plasma gas stream 14 containing 10 vol% of steam 15 was blown from a plasma torch 16 disposed above and melted. Set the temperature of molten metal 4 to 1550
C., and boron and carbon contained in the molten metal 4 were evaporated and removed as oxides. Then, the molten metal 4 was overflowed into the bottomless crucible 11 in the same manner as described above, and unidirectional solidification for finishing was performed while deoxidizing by blowing argon gas into the molten metal.

【0021】引き抜いたインゴット10の上部約20%
を切断除去し、残部から分析試料を採取した。試料の分
析結果を表1に示す。表1より、本発明によって製造し
たシリコンの不純物元素は、出発原料の値より大幅に低
減しており、太陽電池用シリコンの精製としては十分な
値になっていることが明らかである。また、この操業
は、前記図4に示した流れに従うと、この段階までに時
間を要していたが、簡略化した本発明によれば約75%
の時間で済んだ。さらに、消費した電力原単位は、従来
の約80%であり、シリコン歩留も従来35%であった
ものが45%へと向上した。
Approximately 20% of the upper part of the pulled ingot 10
Was cut and removed, and an analysis sample was collected from the remainder. Table 1 shows the analysis results of the samples. From Table 1, it is clear that the impurity element of silicon produced according to the present invention is significantly reduced from the value of the starting material, and is a sufficient value for the purification of silicon for solar cells. According to the flow shown in FIG. 4, this operation took a long time until this stage, but according to the simplified present invention, about 75%
It took no time. In addition, the power consumption per unit was about 80% of that of the prior art, and the silicon yield was 35%, which was 35% of the conventional one.

【0022】[0022]

【表1】 [Table 1]

【0023】[0023]

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、溶融
シリコン中の不純物元素を、太陽電池用シリコンとして
許容できる程度まで円滑に除去できるようになった。そ
の結果、本技術の採用で、安価な太陽電池用シリコン基
板の生産が期待できる。
As described above, according to the present invention, impurity elements in molten silicon can be removed smoothly to an extent acceptable as silicon for solar cells. As a result, with the adoption of this technology, the production of inexpensive silicon substrates for solar cells can be expected.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の本発明に係る溶融シリコンの精製方法を
実施する装置例を示す縦断面図である。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of an apparatus for carrying out a method for purifying molten silicon according to the first invention.

【図2】第2の本発明に係る溶融シリコンの精製方法を
実施する装置例を示す縦断面図である。
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an example of an apparatus for implementing a method for purifying molten silicon according to the second invention.

【図3】第3の本発明に係る溶融シリコンの精製方法を
示す流れ図である。
FIG. 3 is a flowchart showing a method for purifying molten silicon according to a third invention.

【図4】発明者らの研究開発した太陽電池用シリコン基
板の製造方法を示す流れ図である。
FIG. 4 is a flowchart showing a method of manufacturing a silicon substrate for a solar cell, which was researched and developed by the inventors.

【図5】従来の太陽電池用シリコン基板の製造方法を示
す流れ図である。
FIG. 5 is a flowchart showing a conventional method for manufacturing a silicon substrate for a solar cell.

【図6】無底るつぼからなる鋳型を示す図であり、
(a)は平面、(b)は縦断面である。
FIG. 6 is a view showing a mold made of a bottomless crucible,
(A) is a plane, (b) is a longitudinal section.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 減圧室 2 保持容器(ハース) 3 鋳型 4 溶融シリコン(溶湯) 5 電子銃 6 電子ビーム 7 固体金属シリコン 8 誘導コイル 9 分割片 10 インゴット 11 無底るつぼ 12 分割片中に流れる電流 13 凝固体 14 プラズマ・ガス流 15 酸素含有物質(水蒸気) 16 プラズマ・トーチ 17 出湯口 18 誘導コイル内を流れる電流 19 溶湯中を流れる電流 20 円筒状の保熱ヒータ(黒鉛製) 21 原料ホッパ 22 アルゴン・ガス吹込用ノズル REFERENCE SIGNS LIST 1 decompression chamber 2 holding vessel (hearth) 3 mold 4 molten silicon (molten metal) 5 electron gun 6 electron beam 7 solid metal silicon 8 induction coil 9 split piece 10 ingot 11 bottomless crucible 12 current flowing in split piece 13 solidified body 14 Plasma gas flow 15 Oxygen-containing substance (water vapor) 16 Plasma torch 17 Outlet 18 Current flowing in induction coil 19 Current flowing in molten metal 20 Cylindrical heat retention heater (made of graphite) 21 Raw material hopper 22 Argon gas injection Nozzle

フロントページの続き (72)発明者 馬場 裕幸 千葉市中央区川崎町1番地 川崎製鉄株式 会社技術研究所内 (72)発明者 中村 尚道 千葉市中央区川崎町1番地 川崎製鉄株式 会社技術研究所内 (72)発明者 湯下 憲吉 千葉市中央区川崎町1番地 川崎製鉄株式 会社技術研究所内 (72)発明者 阪口 泰彦 千葉市中央区川崎町1番地 川崎製鉄株式 会社技術研究所内 (72)発明者 加藤 嘉英 千葉市中央区川崎町1番地 川崎製鉄株式 会社技術研究所内Continuing from the front page (72) Inventor Hiroyuki Baba 1 Kawasaki-cho, Chuo-ku, Chiba City, Kawasaki Steel Engineering Co., Ltd. (72) Inventor Naomichi Nakamura 1 Kawasaki-cho, Chuo-ku, Chiba City, Kawasaki Steel Co., Ltd. Inventor Kenkichi Yushita 1 Kawasaki-cho, Chuo-ku, Chiba-shi, Kawasaki Steel Engineering Co., Ltd. (72) Inventor Yasuhiko Sakaguchi 1 Kawasaki-cho, Chuo-ku, Chiba-shi, Kawasaki Steel Co., Ltd. 1 Kawasaki-cho, Chuo-ku, Chiba-shi Kawasaki Steel Engineering Co., Ltd.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体状のシリコンを真空下で電子ビーム
で溶解し、易揮発性元素を除去した後、溶湯を鋳造容器
にオーバー・フローさせて注入し、該溶湯を底部より上
方へ一方向凝固させて、溶湯が含有する金属不純物元素
を除去するに際し、 前記鋳造容器に、誘導コイル内に配置され、かつ軸方向
の少なくとも一部で周方向で複数に分割された導電性分
割片からなる無底るつぼを用い、凝固したシリコンを下
方へ連続的に取り出すことを特徴とするシリコンの精製
方法。
1. After melting solid silicon by an electron beam under vacuum to remove volatile elements, the molten metal is poured into a casting vessel by overflowing, and the molten metal is unidirectionally upward from the bottom. Upon solidification, when removing the metal impurity element contained in the molten metal, the casting container is disposed in an induction coil, and is formed of a plurality of conductive divided pieces that are divided at least partially in the axial direction in the circumferential direction. A method for purifying silicon, wherein solidified silicon is continuously taken out downward using a bottomless crucible.
【請求項2】 固体状のシリコンを酸素含有物を添加し
たプラズマ・ガスで溶解し、脱ボロン及び脱炭した後、
溶湯を鋳造容器にオーバー・フローさせて注入し、該溶
湯を底部より上方へ一方向凝固させて、溶湯が含有する
金属不純物元素を除去するに際し、 前記鋳造容器に、誘導コイル内に配置され、かつ軸方向
の少なくとも一部が周方向で複数に分割された導電性分
割片からなる無底るつぼを用い、凝固したシリコンを下
方へ連続的に取り出すことを特徴とするシリコンの精製
方法。
2. After dissolving solid silicon with a plasma gas to which an oxygen-containing substance has been added, removing boron and decarburizing,
The molten metal is poured into the casting container by overflowing, and the molten metal is unidirectionally solidified above the bottom to remove metal impurity elements contained in the molten metal. A method for purifying silicon, wherein solidified silicon is continuously taken out downward using a bottomless crucible made of a plurality of conductive divided pieces at least partly of which is divided in a circumferential direction in an axial direction.
【請求項3】 固体状のシリコンを真空下で電子ビーム
で溶解し、易揮発性元素を除去した後、溶湯を鋳造容器
にオーバー・フローさせて注入し、該溶湯を底部より上
方へ一方向凝固させて、溶湯が含有する金属不純物元素
を除去するに際し、 前記鋳造容器に、誘導コイル内に配置され、かつ軸方向
の少なくとも一部で周方向で複数に分割された導電性分
割片からなる無底るつぼを用い、凝固したシリコンを下
方へ連続的に取り出し、引き続き、請求項2記載の工程
を実施することを特徴とするシリコンの精製方法。
3. Melting the solid silicon with an electron beam under vacuum to remove volatile elements, and then pouring the molten metal into a casting vessel by overflowing the molten metal in one direction upward from the bottom. Upon solidification, when removing the metal impurity element contained in the molten metal, the casting container is disposed in an induction coil, and is formed of a plurality of conductive divided pieces that are divided at least partially in the axial direction in the circumferential direction. A method for refining silicon, comprising using a bottomless crucible, continuously taking out solidified silicon downward, and subsequently performing the process according to claim 2.
【請求項4】 固体状のシリコンを酸素含有物を添加し
た熱プラズマ・ガスで溶解し、脱ボロン及び脱炭した
後、溶湯を鋳造容器にオーバー・フローさせて注入し、
該溶湯を底部より上方へ一方向凝固させて、溶湯が含有
する金属不純物元素を除去するに際し、 前記鋳造容器に、誘導コイル内に配置され、かつ軸方向
の少なくとも一部が周方向で複数に分割された導電性分
割片からなる無底るつぼを用い、凝固したシリコンを下
方へ連続的に取り出し、引き続き、請求項1記載の工程
を実施することを特徴とするシリコンの精製方法。
4. Melting solid silicon with a hot plasma gas to which an oxygen-containing substance is added, deboroning and decarburizing, and then pouring the molten metal into a casting vessel by overflowing the molten metal.
When the molten metal is solidified in one direction upward from the bottom to remove metal impurity elements contained in the molten metal, the casting container is disposed in an induction coil, and at least a part in the axial direction is formed in a plurality in the circumferential direction. 2. A method for refining silicon, comprising using a bottomless crucible made of divided conductive pieces to continuously remove solidified silicon downward, and subsequently performing the process according to claim 1.
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