JP3473369B2 - シリコンの精製方法 - Google Patents
シリコンの精製方法Info
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Description
法に係わり、とりわけ、電子ビーム溶解においてシリコ
ンの蒸発量を抑制し、且つP、Al、Caなどの揮発性
不純物元素の経時変動がないシリコン・インゴットを得
るように工夫したシリコンの精製技術に関する。
陽光発電が脚光を浴び、低価格発電の実用化に向けての
研究開発が盛んに行われている。このような状況の中
で、太陽電池用原料としてのシリコンは、最も汎用され
やすい材料であり、しかも、動力用電力供給に使われる
材料として、多結晶系シリコンが最も重要視されてい
る。
としては、純度が99.9999%(6N)以上の高純
度が必要とされ、シリコン中に含有される不純物元素の
濃度は、ppmオーダー以下まで低減する必要がある。
従来、市販の金属シリコン(純度99.5%)から上記
した程度の高純度シリコンを製造する方法として、F
e、Ti、Al等の金属不純物元素は、固液分配係数の
小さいことを利用した一方向凝固精製により除去し、S
iCで含まれるCは、凝固の際に表面に析出させ、また
シリコンに固溶しているCは、COガスとして除去し、
また、Bは、H2O、CO2 あるいはO2 を添加したA
rプラズマ溶解により酸化除去する技術が提案されてい
る。
減圧除去する方法が提案されている。従来、このPの減
圧除去には、長時間を要するという問題があったが、最
近、電子ビーム溶解によりシリコン中のPが短時間で除
去可能なことが報告されており(ISIJ Inter
national,vol.32(1992).No.
5 p635−642)、脱P工程の短時間化が期待さ
れている。さらに、この電子ビーム溶解の利点として、
P以外にも、Al、Caが同時に除去されることが挙げ
られている。
ム溶解による方法ではシリコン中のP、Al、Caの除
去限界はそれぞれ、約3ppm、約470ppm、約1
50ppmであり、溶解時間が15分以上経過すると、
シリコン中のP、Al、Ca濃度はほぼ一定値に落ち着
き、それ以上のP、Al、Caの低減は望めず、太陽電
池用シリコンに要求される純度としては、いまだ十分と
は言えない。また、通常の電子ビーム溶解法では、シリ
コンを保持する容器として水冷銅容器が用いられ、溶解
の熱効率が悪いという問題もあった。
先に、特願平8−347961号で、シリコンの高純度
化が難しい理由を以下のように解明し、前記問題の解決
方法を提案した。すなわち、電子ビーム溶解は、溶解し
ようとする物質の上部へ一方向から加熱する溶解方法で
あるため、その良否は、溶解時の溶解量や電子ビーム出
力に依存する。特に、溶解したシリコンの底部及び側部
には、P、Al、Caを多量に含有する未溶解原料が残
留したり、あるいは溶解中にP、Al、Caを多量に含
有するシリコンが蒸発し、坩堝に固着する。そのため、
溶解後に、それらのP,Al,Ca等が溶融シリコンへ
徐々に拡散するようになる。実際に、電子ビームにより
溶解したシリコンを、坩堝中で凝固させ、坩堝内におけ
るシリコン中のP、Al、Ca濃度分布を調査したとこ
ろ、溶融シリコン底部および側壁付近のP、Al、Ca
濃度が、他の部分に比べ、10倍以上も高いことが確認
された。したがって、この汚染を防止すれば、シリコン
中のP、Al、Caをさらに低減することができること
が明らかになった。また、シリコン中の上記不純物元素
の濃度は、ppmオーダであるため、特に汚染等の問題
が顕著に現れたものと考えられる。
号において、この汚染問題を複数個の黒鉛坩堝を用いる
ことで解決を試みたのである。複数個の坩堝を用いて溶
融シリコンを、順次他の坩堝に供給すれば、2つ目以後
の坩堝には、その坩堝より前の坩堝中でP、Al、Ca
がある程度除去されたシリコンのみが供給され、前の坩
堝の底部又は壁面に残留していたP、Al、Ca濃度の
高いシリコンが供給されなくなるからである。また、蒸
発したシリコン中のP、Al、Caの濃度は、下位の坩
堝ほど少なくなるため、壁面に固着する蒸発したシリコ
ンからの汚染も下位の坩堝ほど少なくなるからでもあ
る。 なお、その際、黒鉛坩堝を採用した理由は、高
温、高真空で安定であり、坩堝から溶融シリコンへの汚
染物質として炭素があるが、その量は100ppmm程
度と少なく、また後の工程で酸化除去し易いからであ
る。また、周囲が真空断熱層となるので、熱損失を最小
限に抑え、溶解の熱効率向上が図れることも考慮されて
いる。
よれば、この方法では、蒸発に利用されるシリコンの表
面積が増えるため、従来よりシリコンの蒸発量が多くな
り、シリコン歩留が低いという欠点が明らかになった。
これでは、P,Al,Ca濃度の低いシリコンはできて
も、製造コストが上昇し、太陽電池用材料に安価なシリ
コンを供給するという本出願人の目的は達成できない。
また、原料の供給及び溶解を連続的に行うためか、製品
中の不純物濃度が経時的に変動(バラツキ)するという
問題も新たに発生した。つまり、原料である金属シリコ
ン中のP,Al,Ca濃度及び供給量の経時変動が、鋳
型に供給される溶融シリコンの不純物濃度の変動に反映
するのである。溶解後に鋳型内で行う一方向凝固精製で
は、金属不純物元素の精製は可能であるが、揮発性不純
物元素の精製は不十分である。従って、得られるインゴ
ットの高さ方向で、P,Al,Caの偏析が生じること
になる。
鉛坩堝を用いたシリコンの電子ビームによる連続溶解で
も、シリコンの蒸発量を抑制し、且つP、Al、Ca濃
度の経時的変動の少ないシリコンの精製方法を提供する
ことを目的としている。
成するため多くの実験研究を重ね、シリコンの電子ビー
ム溶解の最適な操業条件の発見に鋭意努力した。そし
て、その成果を本発明として完成させた。すなわち、本
発明は、減圧室内に配置した容器に原料シリコンを供給
し、電子ビームの照射で溶解して、該原料シリコン中の
揮発性不純物元素を蒸発除去し、引き続き、その溶融し
たシリコンを、前記容器より下位に配置した鋳型に注湯
し、電子ビームを照射しながら該溶融シリコンを一方向
凝固し、それが含有する金属不純物元素を除去するシリ
コンの精製方法において、前記容器を複数個の黒鉛坩堝
とし、それらを溶湯が順次オーバーフローで移行するよ
うに配置すると共に、減圧室の炉内圧を6.67×10
-3 〜1.33 Pa,溶解に用いる電子ビームの照射密
度を0.02〜0.2kW/cm2及び該複数個の容器
内での溶融シリコンの滞留時間を0.5時間以上として
前記原料シリコンを連続的に溶解することを特徴とする
シリコンの精製方法である。
し、鋳型内の溶融シリコンを照射する電子ビームの照射
密度を0.05〜0.3kW/cm2 ,凝固速度を2m
m/分以下とすることを特徴とするシリコンの精製方法
である。さらに、本発明は、前記鋳型を、30rpm以
下で回転させることを特徴とするシリコンの精製方法で
もある。
コンの連続溶解であっても、容器周囲の雰囲気を適正な
高真空にすると共に、電子ビーム密度及びシリコンの容
器内滞留時間を適切に選ぶようにしたので、シリコンの
蒸発が抑えられるようになる。また、原料の供給量や揮
発性不純物濃度の変動があっても、鋳型へ注湯する溶融
シリコンでの該不純物元素濃度の変動が抑えられるよう
になる。
を実施した装置を、黒鉛坩堝を2個とした場合で、図1
に示す。減圧室40内に、黒鉛坩堝1a、1bを2個設
置し、最大出力150kW級の電子銃10、12を黒鉛
坩堝1a、1bの上部に2台備えている。また、精製さ
れたシリコン22は、鋳型(受器)31中に注入できる
ようにした。この黒鉛坩堝は、2個に限るものではな
く、前記未溶解物や蒸発固着物からの不純物元素による
シリコンの汚染を少なくするには、数が多い方が良い。
ただし、あまり多いと、たとえ黒鉛坩堝内の表面積を、
坩堝が1個の場合と複数個の場合で同じにしても、オー
バーフローの段階で溶湯表面積が増加し、シリコンの蒸
発量が増加するばかりでなく、設備費の増加、出湯作業
及び容器セッティングの複雑化等が生じるので、2〜3
個程度が好ましい。
を6.67×10 -3 〜1.33 Paの範囲に限定す
る。6.67×10 -3 Paより真空度を高くすると、供
給する原料シリコン量がいかなる量であろうとも、シリ
コンの蒸発が活発で、液体として次の容器あるいは鋳型
へ流れる量が減少、つまり、シリコン歩留が低減するか
らである。また、1.33Pa未満とすると、電子ビー
ムの発生自体が不安定になり、原料の加熱が安定して行
えなくなると共に、シリコン中のP,Al,Ca等の蒸
発速度が低減し、それらの除去が円滑に行えないからで
ある。
っても、通常の操業では、原料純度の変動(P:25±
5ppm)及び原料供給量の変動(基準量±10%程度
/分)があるので、その変動に応じ電子ビームの照射量
を調整する必要がある。そこで、本発明では、電子ビー
ムを溶融したシリコンの単位面積当たりの照射量を照射
密度と定義し、原料供給量の変動に応じて照射量を変え
るようにした。すなわち、本発明では、シリコン蒸発量
を低く抑え、P,Al,Ca等の除去を効率良く行うた
め、電子ビームの照射密度を0.02〜0.2kW/c
m2 に限定する。
十分で昇温せず、シリコンの溶解量が少ないばかりでな
く、P等の蒸発速度も遅くなり、また、0.2kW/c
m2超えだと、溶融シリコンの温度が高くなり過ぎ(推
定1900℃程度)、シリコンの蒸発量が多大になるか
らである。さらに、本発明では、上記2つの限定に加
え、容器内での溶融シリコンの滞留時間にも制限を設
け、0.5時間以上は滞留するようにした。それ未満の
時間しか滞留しないと、各容器間でのシリコンの移行が
オーバ・フロー方式であるため、溶解したらすぐに次の
容器に流れるものがあり、結果として不純物濃度のバラ
ツキが大きくなるからである。具体的には、原料供給量
の調整並びにシリコンの流出口への電子ビーム照射パタ
ーンを調整することで行われる。
条件を限定することで、シリコンの蒸発量を従来より抑
え、且つP,Ca,Al等の揮発性不純物元素の経時的
なバラツキを低減させるものである。次に、発明者は、
上記で得た揮発性不純物元素が低く、バラツキの少ない
溶融シリコンを鋳型に注湯し、そこで一方向凝固を行
い、Fe,Ti等の金属不純物元素をppmオーダまで
除去する。しかし、本発明では、その際にもP,Al,
Ca等の蒸発除去、及びシリコンの蒸発抑制に留意し、
前記効果の徹底を図るようにした。
を、電子ビームの照射密度に0.05〜0.3kW/c
m2 の制限を設けて加熱することである。0.05kW
/cm2 未満では、P,Al,Ca等の除去速度が遅過
ぎ、0.3kWを超えると、シリコンの温度が上昇しす
ぎて、その蒸発が活発になるからである。また、凝固速
度(固液界面の移動速度)は、2mm/分以下に抑える
ようにした。それを超えると金属不純物元素を含んだま
まシリコンが凝固し、精製が十分に行われないからであ
る。このようにすれば、前記シリコンの溶解から、脱
P,Al,Caを経て凝固精製までの、シリコンの蒸発
抑制及び揮発性不純物元素のバラツキが従来より一層低
減できるのである。
留向上を狙いとして鋳型を回転させることもあるが、本
発明では、その場合の回転速度を30rpm以下に制限
するようにもした。30rpm以上では、溶融シリコン
が凝固したシリコンと一緒に回転してしまい、シリコン
の歩留が低下するからである。
す。それは、減圧室40内に黒鉛坩堝1aを1個設置
し、最大出力150kW級の電子銃10、12を黒鉛坩
堝1a上部に2台備えたものであり、前記した図1に示
す溶解装置と同様の能力を有する。また、黒鉛坩堝内で
精製されたシリコンは、水冷銅鋳型(受器)31中で、
凝固精製するようになっている。ここで、黒鉛坩堝1a
の形状は、溶湯表面で150×480mm、深さ60m
mであり、また、出湯口の高さは40mmである。
pm、700ppm、100ppm含有する金属シリコ
ン(純度99.5%、直径1〜3mmの粉末状)を黒鉛
坩堝1aに2.5kg装入し、電子銃10からの電子ビ
ーム11で溶湯表面上を走査させながら該金属シリコン
を5分間で溶解した。その後、原料供給装置15から同
じ金属シリコンを所定速度で、該黒鉛坩堝1aに流入さ
せた。なお、この場合、減圧室の真空度は、1.33×
10 -2 Paとし、黒鉛坩堝1a内の溶融シリコン22を
照射した電子ビームの密度は、0.14kW/cm2 と
した。
からオーバーフローした溶融シリコン22は、水冷銅鋳
型(受器)31に流れ込み、該鋳型(受器)31内に約
20kgの精製されたシリコン32がたまるまで電子ビ
ーム溶解を行った。ここで、水冷銅鋳型の形状は、30
0mmφ×300mm高さである。なお、この時の電子
ビーム密度は、0.17kW/cm2 である。その後、
鋳型下部に配置された冷却ジャケット(図示せず)の水
量を調整すると共に、鋳型を回転させずに、凝固速度
0.3〜1.0 mm/分で該精製シリコンの一方向凝
固を行った。
分分析をICP(誘起プラズマ)発光分光分析法により
行ったところ表1のような結果が得られた。表1による
と、黒鉛坩堝を1個しか使用しなければ、前述したよう
に、未溶解原料や蒸着物からの汚染で、シリコン中の
P、Al、Ca濃度は、それぞれ、約1ppm、約15
0ppm、10ppm程度までしか低減できない。ま
た、シリコンの歩留は、原料供給速度が約3kg/時
間、凝固速度が0.3mm/分の時、P濃度はさほど低
減していないにもかかわらず、約70%と低いレベルで
あった。
(図1参照)を用い、前記と同じ金属シリコン(純度9
9.5%、直径1〜3mmの粉末状)を溶解し、その後
鋳型で一方向凝固させてシリコン・インゴットを製造し
た。ここで、黒鉛坩堝1a,1bの形状は、溶湯表面で
150×240mm,深さ60mmであり、前述した従
来例で用いた坩堝に比べ、それぞれ半分の溶湯表面積を
有する。また、出湯口の高さは40mmである。
2.5kg装入し、電子銃10からの電子ビーム11で
溶湯表面上を走査させながら該金属シリコンを5分間で
溶解した。その後、原料供給装置15から同じ金属シリ
コンを所定速度で、該黒鉛坩堝1aに流入させた。黒鉛
坩堝1aのオーバーフロー口3からは、溶融シリコン2
2がオーバーフローし、第2の黒鉛坩堝1bに流入する
ようになる。なお、この場合、減圧室の真空度は、1.
33×10 -2 Paとし、黒鉛坩堝1a及び黒鉛坩堝1b
中の溶融シリコン22を照射した電子ビームの密度は、
それぞれ0.14kW/cm2 とした。また、シリコン
が2つの黒鉛坩堝に滞留する合計時間を、0.67時間
とした。
からオーバーフローした溶融シリコン22は、水冷銅鋳
型(受器)31に流れ込み、該鋳型(受器)31内に約
20kgの精製されたシリコン32がたまるまで電子ビ
ーム溶解を行った。この時の電子ビーム密度は、0.1
7kW/cm2 である。その後、鋳型下部に配置された
冷却ジャケット(図示せず)の水量を調整すると共に、
鋳型を25rpmで回転しつつ、凝固速度1.7mm/
分で該精製シリコンの一方向凝固を行った。
ンゴットの成分分析を、ICP(誘起プラズマ)発光分
光法により行い、表2のような結果を得た。この結果に
よると、シリコン・インゴット中央部の高さ方向で成分
分析値に殆ど差がなく、均一で、低いP、Al、Ca濃
度が達成されていることが明らかである。つまり、揮発
性不純物元素の経時変動が抑えられたのである。また、
原料の金属シリコン供給量と得られたシリコン・インゴ
ット量からシリコン歩留を求めたところ、約85%とな
り、前記従来例(P濃度が約1ppm)での約70%に
比べて大幅に向上していた。
下記条件のみが異なるようにしてシリコン・インゴット
を製造した。 減圧室の真空度 4×10 -3 Torr 溶解時の電子ビーム密度 0.22 kW/cm2 滞留時間 0.44 時間 鋳型内シリコン加熱時の電子ビーム密度 0.32 kW/cm2 凝固速度 1.5 mm/分 鋳型の回転速度 25 rpm 以上のような条件で得られたシリコン・インゴットの成
分分析を、ICP(誘起プラズマ発光分光法により行っ
たところ、表3のような結果が得られた。この結果によ
ると、P,Al,Ca濃度は、インゴットの平均値で上
記実施例の結果とほぼ匹敵するほど、低くなっている。
しかし、シリコン・インゴットの高さ方向では、分析値
がバラツキ、不均一であることがわかる。また、原料の
金属シリコン供給量と得られたシリコン・インゴット量
からシリコン歩留を求めたところ、約80%であった。
シリコンを減圧下で電子ビーム溶解及び一方向凝固を用
いて精製する際の、シリコンの蒸発量の抑制及び揮発性
不純物元素の経時変動が防止できるようになった。
置を示す図である。
す説明図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 減圧室内に配置した容器に原料シリコン
を供給し、電子ビームの照射で溶解して、該原料シリコ
ン中の揮発性不純物元素を蒸発除去し、引き続き、その
溶融したシリコンを、前記容器より下位に配置した鋳型
に注湯し、電子ビームを照射しながら該溶融シリコンを
一方向凝固し、それが含有する金属不純物元素を除去す
るシリコンの精製方法において、 前記容器を複数個の黒鉛坩堝とし、それらを溶湯が順次
オーバーフローで移行するように配置すると共に、減圧
室の炉内圧を6.67×10 -3 〜 1.33Pa,溶解
に用いる電子ビームの照射密度を0.02〜0.2kW
/cm2 及び該複数個の容器内での溶融シリコンの滞留
時間を0.5時間以上として前記原料シリコンを連続的
に溶解することを特徴とするシリコンの精製方法。 - 【請求項2】 前記鋳型を水冷銅容器とし、鋳型内の溶
融シリコンを照射する電子ビームの照射密度を0.05
〜0.3kW/cm2 ,凝固速度を2mm/分以下とす
ることを特徴とする請求項1記載のシリコンの精製方
法。 - 【請求項3】 前記鋳型を、30rpm以下で回転させ
ることを特徴とする請求項2記載のシリコンの精製方
法。
Priority Applications (1)
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