KR20100041703A

KR20100041703A - 정제 실리콘의 제조방법

Info

Publication number: KR20100041703A
Application number: KR1020097024603A
Authority: KR
Inventors: 토모히로 메구미; 히로시 타부치
Original assignee: 수미토모 케미칼 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-04-22
Also published as: JP5309539B2; JP2009102213A; CN101687650A; NO20100090L; DE112008001784T5; US20100329958A1

Abstract

C_10max와 Y₀으로부터 미리 하기 식(1)을 만족하는 기준 온도구배(T₀) 및 기준 응고속도(R₀)를 구한다.

K={K₁×Ln(R₀)+K₂}×{K₃×exp[K₄×R₀×(K₅×C₂+K₆)]}×{K₇×T₀+K₈}-K₉(1)

[k는 식(2)

C_10max=k'×C₂×(1-Y₀)^k'-1 (2)

[k'는 알루미늄 실효분배계수를, C₂는 원료 실리콘 융액의 알루미늄 농도)를 만족하도록 구한 알루미늄 실효분배계수 k'의 0.9~1.1배의 범위에서 선택되는 계수]

정제 실리콘

Description

정제 실리콘의 제조방법{METHOD FOR PRODUCTION OF PURIFIED SILICON}

본 발명은 정제 실리콘의 제조방법에 관한 것이고, 상세하게는 알루미늄을 포함하는 원료 실리콘 융액(融液)을 주형내에서 온도구배를 한방향으로 형성한 상태에서 냉각함으로써 응고시키는, 소위 방향 응고법에 의해, 정제 실리콘을 제조하는 방법에 관한 것이다.

알루미늄을 포함하는 원료 실리콘 융액(2)으로부터 알루미늄을 제거해서 정제 실리콘(1)을 제조하는 방법으로서, 도 1에 나타내는 바와 같이 주형(3)내로 원료 실리콘 융액(2)을 온도 구배(T)를 한방향으로 형성한 상태에서 냉각함으로써 응고시키는, 소위 방향 응고법이 알려져 있다. 이러한 방법에 의하면, 원료 실리콘 융액(2)은 온도 구배(T)의 저온측(21)으로부터 고온측(22)에 알루미늄을 편석하면서 응고하고, 실리콘 방향 응고물(4)이 되기 때문에, 이 실리콘 방향 응고물(4)은 응고시킬 때의 온도구배(T)의 저온측(21)에 있는 알루미늄 농도(C)의 비교적 낮은 정제 실리콘 영역(41)과 온도구배(T)의 고온측(22)에 있는 알루미늄 농도(C)의 비교적 높은 조실리콘 영역(45)의 2개의 영역으로 이루어지는 것이다. 이 중, 조실리콘 영역(45)을 실리콘 방향 응고물(4)로부터 절제함으로써, 알루미늄 농도(C)의 비교적 낮은 정제 실리콘 영역(41)으로서 목적의 정제 실리콘(1)을 얻을 수 있다[일 본 특허공개 2004-196577호 공보].

이러한 방향 응고법에서는 온도 구배(T)가 클수록, 또한 응고 속도(R)가 느릴수록 고온측(22)에 보다 많은 알루미늄이 편석하기 때문에 최대 알루미늄 농도 보다 낮은 정제 실리콘(1)을 보다 많이 얻을 수 있는 것이 알려져 있지만, 큰 온도 구배(T)를 설치하기 위해서는 설비가 대규모가 되고, 응고 속도(R)를 느리게 하는 것은 생산 속도의 점에서 불리하다. 이 때문에, 정제 실리콘(1)의 목표 최대 알루미늄 농도(C_10max)나 사용한 원료 실리콘 융액(2)의 질량(M₂)에 대한 상기 정제 실리콘(1)의 질량(M₁)의 비(M₁/M₂)로 나타내어지는 수율의 목표값(Y₀)에 따라서, 온도구배(T) 및 응고속도(R)를 조정하여 목적의 정제 실리콘(1)을 제조하고 있다.

그러나, 종래, 온도구배(T) 및 응고속도(R)와, 얻어지는 정제 실리콘(1)의 수율(Y) 및 최대 알루미늄 농도(C_lmax)의 관계는 명확하지는 않았다.

이 때문에 목표로 하는 수율(Y₀)로 목표 최대 알루미늄 농도(C_10max) 이하의 알루미늄 농도(C)의 정제 실리콘(1)을 얻기 위해서는 수많은 시행 착오를 반복하여 최적인 온도구배(T) 및 최적인 응고속도(R)를 구하고 있었다.

그래서 본 발명자는 수많은 시행 착오를 거치지 않고 목표로 하는 수율(Y_O)로 알루미늄 농도(C)가 목표 최대 알루미늄 농도(C_1Omax) 이하인 정제 실리콘(1)을 제조할 수 있는 방법을 개발하기 위해서 예의 검토한 결과, 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명은

알루미늄을 포함하는 원료 실리콘 융액(2)을 주형(3)내에서 온도구배(T)를 한방향으로 형성한 상태에서 냉각함으로써, 알루미늄 농도(C)가 목표 최대 알루미늄 농도(C_1Omax(ppm)) 이하인 정제 실리콘 영역(41)과 목표 최대 알루미늄 농도(C_10max)를 초과하는 조실리콘 영역(45)을 포함하는 실리콘 방향 응고물(4)을 얻고,

얻어진 실리콘 방향 응고물(4)로부터 조실리콘 영역(45)을 절제해서 알루미늄 농도(C(ppm))가 목표 최대 알루미늄 농도(C_10max) 이하인 정제 실리콘(1)을 얻는 방법으로서,

목표 최대 알루미늄 농도(C_1Omax)와 사용한 원료 실리콘 융액(2)의 질량(M₂)에 대한 상기 정제 실리콘(1)의 질량(M₁)의 비(M₁/M₂)로 나타내어지는 수율의 목표값(Y₀)으로부터 미리 하기 식(1)을 만족하는 기준 온도구배(T₀(℃/mm)) 및 기준 응고속도(R₀(mm/분))를 구하고, 상기 기준 온도구배(T₀)±0.1℃/mm의 범위의 온도구배(T)를 형성한 상태에서 상기 기준 응고속도(R₀)±0.01mm/분의 범위의 응고속도(R)로 응고하도록 원료 실리콘 융액(2)을 냉각하는 것을 특징으로 하는 정제 실리콘(1)의 제조방법을 제공하는 것이다.

k={K₁×Ln(R₀)+K₂}×{K₃×exp[K₄×R₀×(K₅×C₀+K₆)]}×{K₇×T₀+K₈}-K₉(1)

[식 중 k은 식(2)

C_10max=k'×C₂×(1-Y₀)^k'-1(2)

(식 중 C_1Omax는 정제 실리콘의 목표 최대 알루미늄 농도(ppm)를, k'은 알루미늄 실효분배계수를, C₂는 원료 실리콘 융액의 알루미늄 농도(ppm)를, Y₀는 수율의 목표값을 각각 나타낸다.)

를 만족하도록 구한 알루미늄 실효분배계수 k'의 0.9배∼1.1배의 범위에서 선택되는 계수이고,

K₁은 1.1×10^-3±0.1×10^-3의 범위에서 선택되는 정수를,

K₂는 4.2×10^-3±0.1×10^-3의 범위에서 선택되는 정수를,

K₃은 1.2±0.1의 범위에서 선택되는 정수를,

K₄는 2.2±0.1의 범위에서 선택되는 정수를,

K₅는 -1.0×10^-3±0.1×10^-3의 범위에서 선택되는 정수를,

K₆은 1.0±0.1의 범위에서 선택되는 정수를,

K₇은 -0.4±0.1의 범위에서 선택되는 정수를,

K₈은 1.36 ± 0.01의 범위에서 선택되는 정수를,

K₉은 2.0×10^-4±1.0×10^-4의 범위에서 선택되는 정수를

R₀은 기준 응고속도(mm/분)를

T₀은 기준 온도구배(℃/mm)을 각각 나타낸다.]

본 발명의 제조방법에 의하면 알루미늄을 포함하는 원료 실리콘 융액(2)으로부터, 목표 수율(Y₀)로 알루미늄 농도(C)가 목표 최대 알루미늄 농도(C_10max) 이하인 정제 실리콘(1)을 제조하기 위한 기준 온도구배(T₀) 및 기준 응고속도(R₀)을 구할 수 있으므로, 이들을 기준으로 한 상기 범위의 온도구배(T) 및 응고속도(R)로 응고하도록 원료 실리콘 융액(2)을 냉각함으로써, 알루미늄 농도(C)가 목표 최대 알루미늄 농도(C_1Omax) 이하인 정제 실리콘(1)을 목표 수율(Y₀)로 제조할 수 있다.

도 1은 방향 응고법에 의해 원료 실리콘 융액으로부터 실리콘 방향 응고물을 얻는 과정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 2는 실리콘 방향 응고물로부터 정제 실리콘을 얻는 공정을 모식적으로 나타내는 단면도이다.

(도면 부호에 대한 간단한 설명)

1: 정제 실리콘

2: 원료 실리콘 융액 21: 온도구배의 저온측 22: 온도구배의 고온측

24: 고상 25: 액상

26: 계면

3: 주형

4: 실리콘 방향 응고물 41: 정제 실리콘 영역

45: 조실리콘 영역

5: 조실리콘 6: 히터 7: 로

8: 수냉판 T: 온도구배 Y₀: 목표수율

이하, 도 1을 이용하여 본 발명의 제조방법을 설명한다.

본 발명의 제조방법에서 사용되는 원료 실리콘 융액(2)은 가열에 의해 용융 상태가 된 실리콘이고, 그 온도는 실리콘의 융점(약 1414℃)을 초과하고, 통상은 1420℃∼1580℃이다.

원료 실리콘 융액(2)은 알루미늄을 포함한다. 원료 실리콘 융액(2)에 있어서의 알루미늄 농도(C₂)는 통상 1Oppm∼1OOOppm, 바람직하게는 15ppm 이하이다. 원료 실리콘 융액의 알루미늄 농도(C₂)가 1Oppm 미만이면 알루미늄을 제거하는 것이 더욱 곤란하고, 1OOOppm을 초과하면 정제 실리콘(1)을 얻기 위해서 과대한 온도구배(T)와 응고속도(R)가 필요가 되어 실용적이지 않다.

원료 실리콘 융액(2)은 알루미늄 외, 소량 구체적으로는 합계로 1ppm 이하이면, 실리콘 및 알루미늄을 제외한 다른 불순물 원소를 포함하고 있어도 되지만, 특히, 정제 실리콘(1)이 목표로 하는 수율(Y₀)과 같이 수율이 얻어지는 점에서, 붕소, 인 등의 함유량은 적을수록 바람직하고, 구체적으로는 각각 0.3ppm 이하, 또는 0.1ppm 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 제조방법에서는 통상의 방향 응고법과 마찬가지로 이러한 원료 실리콘 융액(2)을 주형(3)내에서 냉각한다. 주형(3)으로서는 통상, 원료 실리콘 융액(2)에 대해서 불활성이고 내열성인 것이 사용되고, 구체적으로는 흑연 등의 탄소, 탄화 규소, 탄화질소, 알루미나(산화알루미늄), 석영 등의 실리카(산화 규소) 등으로 구성된 것이 사용된다.

냉각은 원료 실리콘 융액(2)에 온도 구배(T)를 한방향으로 형성한 상태에서 행하여진다. 온도구배(T)는 한방향으로 형성되어 있으면 되고, 수평 방향으로 형성되어 있어 저온측(21)과 고온측(22)이 동일한 높이로 되어 있어도 되고, 중력 방향으로 형성되어 있어 저온측(21)이 위가 되어 고온측(22)이 아래가 되도록 형성되어 있어도 되지만, 통상은 도 1에 나타낸 바와 같이 저온측(21)이 아래가 되고, 고온측(32)이 위가 되도록 온도구배(T)가 중력 방향으로 형성된다. 온도구배(T)는 과대한 설비를 필요로 하지 않고 실용적인 점에서, 통상은 0.2℃/mm∼1.5℃/mm, 바람직하게는 0.4℃/mm∼0.9℃/mm, 더욱 바람직하게는 0.7℃/mm이상이다.

온도구배(T)는 예를 들면, 히터(6)를 구비하고, 하측이 대기로 해방된 로(7)내에서, 히터(6)에 의해 주형(3)의 상방을 가열하면서, 로(7) 아래에서 주형의 하방을 냉각하는 방법에 의해 형성할 수 있다. 주형(3)의 하방을 냉각하기 위해서는 대기 중에 방치하여 냉각시키는 방법도 좋지만, 온도구배(T)에 따라서는, 예를 들면 로(7) 아래측에 수냉 플레이트(8)을 설치하고, 이 수냉 플레이트(8)에 의해 냉 각해도 좋다.

원료 실리콘 융액(2)은 예를 들면, 이것을 수용한 주형(3)을 하방향으로 이동시켜 아래에서 로(7)의 밖으로 인도됨으로써 냉각될 수 있다. 이렇게 하여 원료 실리콘 융액(2)을 냉각함으로써, 원료 실리콘 융액(2)은 저온측(21)로부터 고상(24)을 형성하면서 응고하여 실리콘 방향 응고물(4)이 된다.

응고 속도(R)는 냉각에 의해 저온측(21)으로부터 형성되는 고상(24)과 고온측(22)에서 아직 응고되지 않은 액상(25)의 계면(26)의 이동속도로서 나타내어지고, 주형(3)을 로(7)의 밖으로 이동시킬 때의 주형(3)의 이동속도에 의해 조정할 수 있다.

이렇게 하여 원료 실리콘 융액(2)을 냉각함으로써 응고시키는 과정에서, 원료 실리콘 융액(2)에 포함되는 알루미늄은 고온측(22)에 편석한다. 이 때문에, 응고 후의 실리콘 방향 응고물(4)은 온도구배[T]의 저온측(21)으로부터 고온측(22)을 향해서 한방향으로 알루미늄 함유량(C)이 증가한 것이 된다. 이 응고물(4) 중 냉각 과정에서 온도구배(T)의 저온측(21)이었던 영역이 알루미늄 함유량이 적은 정제 실리콘 영역(41)이 되고, 고온측(22)이었던 영역은 편석한 알루미늄을 많이 포함하는 조실리콘 영역(45)이 되어 있다. 이러한 실리콘 방향 응고물(4) 중 조실리콘 영역(45)을 절제함으로써 목적으로 하는 정제 실리콘(1)을 얻을 수 있다. 조실리콘 영역(45)을 절단하는 방법은 특별하게 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 다이아몬드 커터 등을 사용한 통상의 방법에 의해 절단하여 조실리콘 영역(45)을 절제하면 좋다.

본 발명의 제조방법에서는 온도구배(T)가 기준 온도구배(T₀)±0.1℃/mm의 범위, 바람직하게는 기준 온도구배[T₀]±0.05℃/mm의 범위이고, 응고속도(R)가 기준 응고속도(R₀)가 ±0.01mm/분의 범위, 바람직하게는 기준 응고속도(R₀)±0.005mm/분의 범위이다.

기준 온도구배(T₀) 및 기준 응고속도(R₀)는 상기 식(1)에 의해 구해진다.식(1)에 있어서의 알루미늄 실효 분배계수 k는 상기 식(2)를 만족하도록 구해진다.

이 식(2)은 사용한 원료 실리콘 융액(2) 중 원료 실리콘 융액(2)을 냉각에 의해 응고시키는 과정에 있어서 응고해서 고상(23)이 된 것의 비율을 나타내는 응고율(f)과 직전에 고상(23)이 된 부분에 있어서의 알루미늄 농도(C)의 관계를 나타내는 식(2-1)

C=k'×C₂×(1-f)^k'-1(2-1)

[식 중 C는 액상에 있어서의 알루미늄 농도(ppm)를, k'은 알루미늄 실효분배계수를, C₂는 사용한 원료 실리콘 융액(2)의 알루미늄 농도(ppm)를, f는 응고율을 각각 나타낸다.]

로부터 이끌어낸 것이다. 이 식(2-1)은 일반적으로 샤일 식(Scheil Equation)이라고 부르고 있는 관계식이다[「금속의 응고」(쇼와 46년 12월 25일, Maruzen Co., Ltd. 발행) 제121쪽∼제 134쪽].

식(1)은 이러한 알루미늄 실효분배계수(k)와 응고속도 및 온도구배의 관계를 나타내는 식이며, 본 발명자들이 처음으로 찾아낸 것이다. 그리고 본 발명의 제조방법은 이러한 식(1)을 만족하는 기준 온도구배(T₀) 및 기준 응고속도(R₀)를 기준으로 하고, 본 발명에서 규정하는 범위의 온도구배(T) 및 응고속도(R)로 응고되도록 원료 실리콘 융액(2)을 응고시키는 것이다.

본 발명의 방법에 의해 원료 실리콘 융액(2)을 응고시킴으로써 얻어지는 실리콘 방향 응고물(4)은 냉각 과정에 있어서의 온도구배(T)의 저온측(21)이 정제 실리콘 영역(41)이고, 고온측(22)이 조실리콘 영역(45)이다. 또한, 실리콘 방향 응고물(4)에 있어서의 정제 실리콘 영역(41)의 비율은 목표 수율(Y₀)인 바와 같으므로 이 목표수율(Y₀)에 해당하는 부분에서 실리콘 방향 응고물(4)을 절단함으로써, 조실리콘 영역(45)을 제거할 수 있고 이것에 의해 목적의 정제 실리콘(1)을 얻을 수 있다.

얻어진 정제 실리콘(1)은 산세척 하는 등의 방법에 의해 더 정제되어도 좋다. 산세척에 사용하는 산으로서 통상은 염산, 질산, 황산 등의 광산이 사용되고, 오염방지의 관점으로부터 통상은 금속 불순물이 적은 것이 사용된다. 얻어진 정제 실리콘(1)을 가열 용융시켜서 본 발명의 제조방법의 원료 실리콘 융액(2)으로서 사용함으로써, 알루미늄 함유량의 적은 정제 실리콘을 더 얻을 수도 있다.

제거된 조실리콘(5)은 이보다 알루미늄 함유량이 적은 실리콘과 함께 가열 용융되어 다시 본 발명의 원료 실리콘 융액(2)으로서 사용될 수도 있다.

본 발명의 제조방법에 의해 얻어지는 정제 실리콘(1)은 예를 들면, 태양 전 지의 원료 등으로서 적합하게 사용할 수 있다.

(실시예)

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

참고예 1[식(1)의 도출]

실험 1

도 1에 나타내는 장치를 이용하여, 알루미늄 농도(C₂) 1OOOppm의 원료 실리콘 융액(2)을 주형(3)내에서 온도구배(T)(0.9℃/mm)를 형성한 상태에서, 응고속도(R) 0.4mm/분으로 응고하도록 냉각해서 실리콘 방향 응고물(4)을 얻었다. 얻어진 실리콘 방향 응고물(4)에 있어서, 냉각의 과정에 있어서의 응고율(f)이 0.18 및 0.38이었던 부분에 있어서의 알루미늄 농도(C)를 ICP(유도 결합 플라즈마) 발광 분석법 또는 ICP 질량 분석법에 의해 구한 바, 4.0ppm(f=0.18) 및 4.9ppm(f=0.38)이었다. 이 응고율(f) 및 알루미늄 농도(C)로부터 식(2-1)을 만족하는 알루미늄 실행 분배계수(k)를 구한 바, 3.1×1O^-3이었다. 결과를 제 1 표에 정리해서 나타낸다.

실험 2 및 실험 3

실험 1에서 사용한 원료 알루미늄 융액(2)대신에, 제 1 표에 나타내는 알루미늄 농도(C₂)의 원료 실리콘 융액(2)을 제 1 표에 나타내는 온도구배(T)를 형성한 상태에서, 제 1 표에 나타내는 응고속도(R)로 응고하도록 냉각하고, 얻어진 실리콘 방향 응고물(4)에 있어서, 냉각의 과정에 있어서의 응고율(f)이 각각 제 1 표에 나 타내는 값이었던 부분에 있어서의 알루미늄 농도(C)를 구한 것 이외는 실험 1과 마찬가지로 조작하고, 각각 알루미늄 실행 분배계수(k)를 구한 바, 제 1 표에 나타내는 바와 같았다.

(제 1 표)

실험 1∼실험 3의 결과로부터, 응고속도(R)와 알루미늄 실효분배계수(k)의 관계를 구한 바, 식(1-1)

k={K₁'×Ln(R)+K₂'} (1-1)

[식 중 k는 알루미늄 실효분배계수를, R은 응고속도(mm/분)를 각각 나타낸다.]을 얻었다. 식(1-1)에 있어서, K₁'은 1.1×10^-3이고, K₂'은 4.2×10^-3이다.

실험 1∼실험 3에 있어서의 온도구배(T), 응고속도(R) 및 알루미늄 실효분배계수(k)는 식(1-1)을 만족한다.

실험 4∼실험 6

상기 실험 1∼실험 3은 원료 실리콘 융액(2)의 온도구배(T)가 일치하지만, 원료 실리콘 융액(2)의 알루미늄 농도(C₂)가 다른 실험 4∼실험 6을 행했다. 원료 알루미늄 융액(2)의 알루미늄 농도(C₂), 온도구배(T), 응고속도(R)는 제 2 표에 나타내는 바와 같이 하였다. 얻어진 실리콘 방향 응고물(4)에 있어서, 냉각의 과정에 있어서의 응고율(f)이 각각 제 2 표에 나타내는 값이었던 부분에 있어서의 알루미늄 농도(C)를 구하고, 실험 1과 마찬가지로 하여, 각각 알루미늄 실행분배계수(k)를 구한 바, 제 2 표에 나타내는 바와 같았다.

(제 2 표)

이 실험 4∼실험 6은 실험 1∼실험 3과는 원료 실리콘 융액(2)의 온도구배(T)가 일치하지만, 원료 실리콘 융액(2)의 알루미늄 농도(C₂)가 다르다. 이 실험 4∼실험 6에서 구한 알루미늄 실효분배계수(k)는 상기 식(1-1)을 만족하지 않는다.

상기 실험 1∼실험 3에서 구한 알루미늄 실효분배계수(k)를 만족하고, 또한, 이들 실험 4∼실험 6에서 구한 알루미늄 실효분배계수(k)도 만족하는 식으로서, 식(1-2)

k={K₁'×Ln(R)+K₂'}×{K₃'×exp[K₄'×R×(K₅'×C₂+K₆')]} (1-2)

[식 중 k, R, K₁' 및 K₂'는 각각 상기와 같은 의미를 나타낸다. C₂는 원료 알루미늄 융액의 알루미늄 농도(ppm)을 나타낸다.]

을 얻었다. 식(1-2)에 있어서, K₃'은 1.2이고, K₄'는 2.2이고, K₅'은 -1.0×10^-3이며, K₆'은 1.0이다.

실험 1∼실험 3 및 실험 4∼실험 6에 있어서의 온도구배(T), 응고속도(R), 사용한 원료 알루미늄 융액(2)의 알루미늄 농도(C₂) 및 알루미늄 실효분배계수(k)는 식(1-2)을 만족한다.

실험 7

상기 실험 2와는 원료 실리콘 융액(2)의 알루미늄 농도(C₂)가 일치하지만, 온도구배(T)가 다른 실험 7을 행했다. 원료 알루미늄 융액(2)의 알루미늄 농도(C₂), 온도구배(T), 응고속도(R)은 제 1 표에 나타내는 바와 같이 했다. 얻어진 실리콘 방향 응고물(4)에 있어서, 냉각 과정에 있어서의 응고율(f)이 각각 제 3 표에 나타 내는 값이었던 부분에 있어서의 알루미늄 농도(C)를 구하고, 실험 1과 마찬가지로 하여 각각 알루미늄 실행분배계수(k)을 구한 바, 제 3 표에 나타내는 바와 같았다.

(제 3 표)

이 실험 7은 실험 2와는 원료 실리콘 융액(2)의 알루미늄 농도(C₂)가 일치하지만, 온도구배(T)가 다르다. 이 때문에, 실험 7에서 구한 알루미늄 실효분배계수(k)은 상기 식(1-1) 및 식(1-2)을 만족하지 않는다.

상기 실험 1∼실험 3 및 실험 4∼실험 6에서 구한 알루미늄 실효분배계수(k)를 만족하고, 또한 실험 7에서 구한 알루미늄 실효분배계수(k)도 만족하는 식으로서, 식(1-3)

k={K₁'×Ln(R)+K₂'}×{K₃'×exp[K₄'×R×(K₅'×C₂+K₆')]}

×{K₇'×T+K₈'}-Kg' (1-3)

[식 중, k, R, C₂, K₁', K₂', K₃', K₄', K₅' 및 K₆'은 각각 상기와 동일한 의미를 나타낸다. T는 온도구배(℃/mm)를 나타낸다.]

을 얻었다. 식(1-3)에 있어서, K₇'은 -0.4이고, K₈'은 1.36이고, K₉'은 2.0×10^-4이다.

실험 1∼실험 3, 실험 4∼실험 6 및 실험 7에 있어서의 온도구배(T), 응고 속도(R), 사용한 원료 알루미늄 융액(2)의 알루미늄 농도(C₂) 및 알루미늄 실효분배계수(k)는 식(1-3)을 만족한다.

상기에서 구한 식(1-3)에 있어서의 온도구배(T) 및 응고속도(R) 대신에 기준 온도구배(T₀) 및 기준 응고속도(R₀)를 각각 대입하고, 상기 K₁'∼K₉'의 값에 기초하여 K₁∼K₉의 값을 각각 상기 식(1)과 같이 하면, 상기 식(1)을 얻는다.

실시예 1-1

원료 실리콘 융액(2)의 알루미늄 농도(C₂)를 1OOOppm, 목표 최대 알루미늄 농도(C_10max)를 4.0ppm, 수율의 목표값[목표 수율](Y₀)을 0.18로 하고, 식(1)[단, K₁∼K₉의 값은 각각 K₁'∼K₉'과 같은 값으로 한다.]을 만족하는 기준 온도구배(T₀) 및 기준 응고속도(R₀)을 구하면, 기준 온도구배(T₀)는 0.9℃/mm, 기준 응고속도(R₀)는 0.4mm/분이 된다.

도 1에 나타내는 장치를 이용하여, 알루미늄 농도(C₂) 1OOOppm의 원료 실리콘 융액(2)을 주형(3)내에서 온도구배(T) 0.9℃/mm를 형성한 상태에서, 응고속도(R) 0.4mm/분으로 응고하도록 냉각함으로써, 도 2에 나타내는 바와 같은 실리콘 방향 응고물(4)을 얻는다.

도 2에 나타나 있는 바와 같이, 얻어진 실리콘 방향 응고물(4)을 냉각의 과정에 있어서의 응고율(f)이 0.18이었던 부분에서 절단하고, 온도구배(T)의 고온측(22)이었던 영역(45)을 제거함으로써, 정제 실리콘(1)을 얻는다. 얻어진 정제 실리콘(1)의 최대 알루미늄 농도(C_1max)는 4.Oppm이다.

실시예 1-2 및 실시예 2∼실시예 7

원료 실리콘 융액(2)의 알루미늄 농도(C₂), 목표 최대 알루미늄 농도(C_10max), 목표 수율(Y₀)을 각각 제 4 표에 나타내는 바와 같이 하는 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 하여 기준 온도구배(T₀) 및 기준 응고속도(R₀)를 얻고, 얻어진 기준 온도구배(T₀)와 동일한 온도구배(T), 얻어진 기준 응고속도(R₀)와 동일한 응고속도(R)로 하는 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 조작해서 얻어진 실리콘 방향 응고물(4)을 얻고, 냉각 과정에 있어서의 응고율(f)이 목표 응고율(Y₀)과 동일한 값이었던 부분에서 절단해서 정제 실리콘(1)을 얻는다. 이 정제 실리콘(1)은 최대 알루미늄 농도(C_1max)가 제 4 표에 나타내는 바와 같다.

(제 4 표)

본 발명의 제조방법에 의하면, 알루미늄을 포함하는 원료 실리콘 융액(2)으로부터, 목표 수율(Y₀)로 알루미늄 농도(C)가 목표 최대 알루미늄 농도(C_10max) 이하인 정제 실리콘(1)을 제조하기 위한 기준 온도구배(T₀) 및 기준 응고속도(R₀)를 구할 수 있으므로 이들을 기준으로 한 상기 범위의 온도구배(T) 및 응고속도(R)로 응고되도록 원료 실리콘 융액(2)을 냉각함으로써, 알루미늄 농도(C)가 목표 최대 알 루미늄 농도(C_1Omax) 이하인 정제 실리콘(1)을 목표수율(Y₀)로 제조할 수 있다.

Claims

알루미늄을 포함하는 원료 실리콘 융액(2)을 주형(3)내에서 온도구배(T)를 한방향으로 형성한 상태에서 냉각함으로써, 알루미늄 농도(C)가 목표 최대 알루미늄 농도(C_1Omax(ppm))이하인 정제 실리콘 영역(41)과 목표 최대 알루미늄 농도(C_10max)를 초과하는 조실리콘 영역(45)을 포함하는 실리콘 방향 응고물(4)을 얻고,

얻어진 실리콘 방향 응고물(4)로부터 조실리콘 영역(45)을 절제해서 알루미늄 농도(C(ppm))가 목표 최대 알루미늄 농도(C_10max) 이하인 정제 실리콘(1)을 얻는 방법으로서:

상기 목표 최대 알루미늄 농도(C_1Omax)와 사용한 원료 실리콘 융액(2)의 질량(M₂)에 대한 상기 정제 실리콘(1)의 질량(M₁)의 비(M₁/M₂)로 나타내어지는 수율의 목표값(Y₀)으로부터 미리 하기 식(1)을 만족하는 기준 온도구배(T₀(℃/mm)) 및 기준 응고속도(R₀(mm/분))를 구하고, 상기 기준 온도구배(T₀)±0.1℃/mm의 범위의 온도구배(T)를 형성한 상태에서 상기 기준 응고속도(R₀)±0.01mm/분의 범위의 응고속도(R)로 응고하도록 원료 실리콘 융액(2)을 냉각하는 것을 특징으로 하는 정제 실리콘(1)의 제조방법.

k={K₁×Ln(R₀)+K₂}×{K₃×exp[K₄×R₀×(K₅×C₂+K₆)]}×{K₇×T₀+K₈}-K₉(1)

[식 중 k는 식(2)

C_10max=k'×C₂×(1-Y₀)^k'-1 (2)

(식 중 C_1Omax는 정제 실리콘의 목표 최대 알루미늄 농도(ppm)를, k'은 알루미늄 실효분배계수를, C₂는 원료 실리콘 융액의 알루미늄 농도(ppm)를, Y₀는 수율의 목표값을 각각 나타낸다.)

를 만족하도록 구한 알루미늄 실효분배계수 k'의 0.9배∼1.1배의 범위에서 선택되는 계수이고,

K₁은 1.1×10^-3±O.1×10^-3의 범위에서 선택되는 정수를,

K₂는 4.2×10^-3±0.1×10^-3의 범위에서 선택되는 정수를,

K₃은 1.2±0.1의 범위에서 선택되는 정수를,

K₄는 2.2±0.1의 범위에서 선택되는 정수를,

K₅는 -1.0×10^-3±0.1×10^-3의 범위에서 선택되는 정수를,

K₆은 1.0±0.1의 범위에서 선택되는 정수를,

K₇은 -0.4±0.1의 범위에서 선택되는 정수를,

K₈은 1.36±0.01의 범위에서 선택되는 정수를,

K₉는 2.0×10^-4±1.0×10^-4의 범위에서 선택되는 정수를,

R₀은 기준 응고속도(mm/분)를

T₀은 기준 온도구배(t/mm)를 각각 나타낸다.]
제 1 항에 있어서,

상기 수율의 목표값(Y₀)은 0.9이하인 것을 특징으로 하는 정제 실리콘의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 목표 최대 알루미늄 농도(C_1Omax)는 원료 실리콘 융액(2)의 알루미늄 농도(C₂)의 1/1000배∼3/10O배인 것을 특징으로 하는 정제 실리콘의 제조방법.