JPH10203812A - Refining of metallic silicon - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、金属シリコンの精
製方法に関し、詳しくは、太陽電池用シリコン製造プロ
セスのうちの真空精錬工程において、金属シリコンを加
熱源に電気アーク、あるいはレーザを用いて溶解し、不
純物元素を従来より効率良く、安価に除去する技術であ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for purifying metallic silicon, and more particularly, to a method of melting metallic silicon using a heating source with an electric arc or a laser in a vacuum refining step of a process for producing silicon for solar cells. This is a technique for removing impurity elements more efficiently and inexpensively than before.
【0002】[0002]
【従来の技術】現在、エネルギー源の多様化要求から、
太陽光発電が脚光を浴びているが、コストが高いため、
電力用としては一般に普及していない。また、太陽電池
用基板材料のほとんどはシリコンであるが、該シリコン
専用の製造プロセスが存在していないので、そのシリコ
ンの製造は、図7に示すように、半導体用シリコンの製
造プロセスで発生した多結晶シリコンのスクラップある
いは単結晶引き上げの際に発生したスクラップに依存し
ている。なお、図7の多結晶シリコンは、金属シリコン
を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CVD法でガスから析出させたものであ
る。2. Description of the Related Art At present, due to the demand for diversification of energy sources,
Solar power is in the limelight, but because of its high cost,
It is not widely used for electric power. In addition, although most of the substrate material for solar cells is silicon, there is no manufacturing process dedicated to the silicon. Therefore, as shown in FIG. 7, the manufacturing of the silicon occurs in the manufacturing process of silicon for a semiconductor. It depends on scrap generated during polycrystalline silicon scraping or single crystal pulling. The polycrystalline silicon in FIG. 7 is obtained by reacting metallic silicon with hydrochloric acid to gasify it as trichlorosilane, rectifying the gas to remove impurity elements, and depositing it from the gas by a so-called CVD method of reacting with hydrogen gas. It is a thing.
【0003】この図7に示す方法では、せっかく半導体
用にまで高純度にしたシリコンを、再度、太陽電池用に
適するように成分調整(ボロン添加)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
費用が嵩むという問題があった。そのため、現在入手可
能な太陽電池は高価なものとなり、その一般的な普及の
障害となっている。また、上記のような化学プロセスが
主体の金属シリコンの精製では、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。さらに、半導体産業の活況に伴い、半
導体に向けられる多結晶シリコンの量が不足してきてお
り、太陽電池用に向けられるシリコンは、今後さらに少
なくなると予想される。かかる現状においては、太陽電
池用に使用できるシリコン源を、多結晶シリコンよりさ
らに上流に位置する金属シリコンを主体にして、従来よ
り一層安価に得るようにする必要がある。In the method shown in FIG. 7, silicon which has been highly purified for a semiconductor must be adjusted (boron added), refined or cast again so as to be suitable for a solar cell. In addition, it is troublesome, the yield is low, remelting equipment and energy are separately required, and the production cost is increased. Therefore, currently available solar cells are expensive and hinder their general spread. Further, in the purification of metallic silicon mainly based on the above-described chemical process, there is a problem that a large amount of pollutants such as silane and chloride is inevitably generated, which hinders mass production. Furthermore, with the booming semiconductor industry, the amount of polycrystalline silicon for semiconductors is becoming insufficient, and the amount of silicon for solar cells is expected to decrease further in the future. Under such circumstances, it is necessary to obtain a silicon source that can be used for a solar cell at a lower cost than before by mainly using metallic silicon located further upstream than polycrystalline silicon.
【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、先般(P
CT/JP96/02965で)、図8に示すような冶
金プロセスのみで、太陽電池に適した純度のシリコンを
多量に製造し、それを鋳造して一気にシリコン基板まで
にする方法を提案している。それは、珪石を炭材で還元
して得た金属シリコン(純度98〜99重量%Si)を
出発原料とし、真空精錬によってP、Al,Ca等の易
揮発性不純物元素を除去、該溶湯を凝固生成して不純物
金属元素(Fe,Ti,Al,Ca)を粗精製すると共
に、酸化精錬でB,Cを除き、脱酸してから、一方向凝
固で上記不純物金属元素の仕上凝固精製した後、鋳塊の
一部を切り捨て、残部をスライスして太陽電池用シリコ
ン基板を連続的な流れ作業として生産するものである。
かかる製造方法によれば、太陽電池用シリコンを従来よ
りかなり安価に量産できる目処が立っている。Therefore, the present applicant has revised the purification of metallic silicon by the above chemical process, and
CT / JP96 / 02965), and proposes a method of producing a large amount of silicon having a purity suitable for a solar cell only by a metallurgical process as shown in FIG. 8 and casting it to a silicon substrate at a stretch. . It uses metallic silicon (purity 98-99% by weight Si) obtained by reducing silica stone as a starting material, removes easily volatile impurity elements such as P, Al, and Ca by vacuum refining and solidifies the molten metal. The resulting impurity metal elements (Fe, Ti, Al, Ca) are roughly refined, B and C are removed by oxidative refining and deoxidized, and then the above-mentioned impurity metal elements are solidified and refined by unidirectional solidification. Then, a part of the ingot is cut off, and the remaining part is sliced to produce a silicon substrate for a solar cell as a continuous flow operation.
According to such a manufacturing method, there is a prospect that silicon for solar cells can be mass-produced at a considerably lower cost than before.
【0005】ところで、上記揮発精錬では、図6に示す
ように、金属シリコン1(以下、溶湯ともいう)の溶解
を、減圧下で溶湯1表面の加熱を効率良くできるという
理由で、電子ビーム2の照射で行なっている。しかし、
この溶解法は、設備費が高価である上に、電子ビーム2
がその雰囲気の圧力及び電磁場に敏感で、わずかな圧力
変動や電磁場の印加があっても、安定した照射ができな
くなるという欠点がある。そのため、溶湯1の撹拌がで
きず、不純物元素の気化速度を促進する技術が利用でき
ないという問題があった。つまり、溶湯1にガスを吹込
むと雰囲気の圧力を変動させ、磁場を印加すると電子ビ
ーム2が乱れてしまう。これでは、太陽電池用シリコン
を量産し、その製造コストをより一層安価にするという
出願人の開発目標が達成できない。In the above-mentioned volatile refining, as shown in FIG. 6, the melting of the metal silicon 1 (hereinafter also referred to as the molten metal) is performed because the surface of the molten metal 1 can be efficiently heated under reduced pressure. Irradiation. But,
This melting method is expensive in terms of equipment costs, and also requires the use of an electron beam 2
However, it is sensitive to the pressure of the atmosphere and the electromagnetic field, and has a drawback that stable irradiation cannot be performed even if there is a slight pressure fluctuation or the application of an electromagnetic field. Therefore, there is a problem that the stirring of the molten metal 1 cannot be performed, and a technique for accelerating the vaporization rate of the impurity element cannot be used. That is, when gas is blown into the molten metal 1, the pressure of the atmosphere fluctuates, and when a magnetic field is applied, the electron beam 2 is disturbed. This does not meet the applicant's development goal of mass-producing silicon for solar cells and further reducing the production cost.
【0006】[0006]
【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、従来より一層効率良く(時間短縮と目標純度の
達成)、且つランニング・コストの安価な「金属シリコ
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 In view of the above circumstances, the present invention provides a "method of purifying metallic silicon" which is more efficient (reducing the time and achieving the target purity) and inexpensive in running cost. It is intended to be.
【0007】[0007]
【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、電子ビームに代わる加熱源の利用を種々検
討し、溶湯の撹拌を配慮すると、高周波誘導による加熱
が望ましいと考えた。しかし、金属シリコンは、固体状
態では、高周波誘導で溶解しないので、冶金プロセスで
は、比較的使用頻度の高いアーク溶解の利用に着眼し
た。また、アーク溶解は、溶湯の表面温度を高温とする
ため、電子ビーム溶解の利点である溶湯表面を高温と
し、易揮発性不純物元素を除去し易いという特徴も併せ
持つ。さらに、アーク溶解に加え、レーザによる加熱も
溶湯表面の高温化に有効と考えられる。Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the inventor examined various uses of a heating source instead of an electron beam, and thought that heating by high-frequency induction was desirable in consideration of stirring of molten metal. However, since metal silicon does not melt in a solid state by high-frequency induction, the metallurgical process has focused on the use of arc melting, which is relatively frequently used. In addition, arc melting has a feature that, since the surface temperature of the molten metal is high, the surface of the molten metal, which is an advantage of electron beam melting, is high in temperature, and easily volatile impurity elements can be easily removed. Further, in addition to arc melting, heating by laser is considered to be effective for raising the temperature of the molten metal surface.
【0008】本発明は、かかる公知の撹拌手段及び溶解
手段とを適切に組み合わせることに鋭意努力して完成さ
せたものであり、減圧室内に配置した精錬容器で金属シ
リコンを溶解し、該金属シリコンが含有する易揮発性不
純物元素を気化除去するに際し、上記金属シリコンを、
電極間で発生させたアークと高周波誘導とで加熱して溶
解することを特徴とする金属シリコンの精製方法であ
る。The present invention has been completed by diligent efforts to properly combine such known stirring means and dissolving means. Metal silicon is melted in a smelting vessel arranged in a decompression chamber, and the metal silicon is melted. In vaporizing and removing the easily volatile impurity element contained, the metal silicon,
This is a method for purifying metallic silicon, wherein the metal silicon is heated and melted by an arc generated between electrodes and high-frequency induction.
【0009】また、本発明は、減圧室内に配置した精錬
容器で金属シリコンを溶解し、該金属シリコンが含有す
る易揮発性不純物元素を気化除去するに際し、上記金属
シリコンを、レーザと高周波誘導とで加熱して溶解する
ことを特徴とする金属シリコンの精製方法である。さら
に、本発明は、上記高周波誘導の加熱に代え、溶融状態
にある金属シリコンに電磁場を印加することを特徴とす
る金属シリコンの精製方法である。Further, the present invention provides a method for dissolving metallic silicon in a refining vessel placed in a decompression chamber and evaporating and removing easily volatile impurity elements contained in the metallic silicon. A metal silicon purification method characterized in that the metal silicon is dissolved by heating. Furthermore, the present invention is a method for refining metallic silicon, which comprises applying an electromagnetic field to metallic silicon in a molten state instead of the high-frequency induction heating.
【0010】加えて、本発明は、上記高周波誘導の加熱
に代え、溶融状態にある金属シリコンに不活性ガスを吹
込むことを特徴とすることを特徴とする金属シリコンの
精製方法である。さらに加えて、本発明は、上記精錬容
器を、水冷銅又は黒鉛製容器とすることを特徴とした
り、あるいは高周波誘導加熱をコールド・クルーシブル
を用いた溶解法で行い、該クルーシブル内で溶融状態に
ある金属シリコンを浮遊させることを特徴とする金属シ
リコンの精製方法でもある。[0010] In addition, the present invention is a method for purifying metallic silicon, characterized in that an inert gas is blown into metallic silicon in a molten state instead of the high-frequency induction heating. In addition, the present invention is characterized in that the refining vessel is made of a water-cooled copper or graphite vessel, or high-frequency induction heating is performed by a melting method using a cold crucible, and a molten state is formed in the crucible. This is also a method for refining metallic silicon, which comprises floating certain metallic silicon.
【0011】本発明では、金属シリコンの易揮発性不純
物元素を上記の構成で除去するようにしたので、溶湯表
面の高温化並びに溶湯の撹拌が促進されて気化速度が早
まる。その結果、安価なランニング・コストで目標純度
の達成を従来より短時間で行えるようになり、太陽電池
用シリコンの生産性が向上し、且つ製造コストが低減し
た。In the present invention, since the easily volatile impurity element of the metal silicon is removed by the above-described structure, the temperature of the surface of the molten metal is increased and the stirring of the molten metal is promoted, so that the vaporization rate is increased. As a result, it is possible to achieve the target purity in a shorter time than before with a low running cost, thereby improving the productivity of silicon for solar cells and reducing the manufacturing cost.
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】以下、図1〜5に基づき、本発明
の内容を説明する。図1に、本発明に係る金属シリコン
の精製方法を実施する装置例を示す。まず、それは、減
圧室3内に配置した分割タイプの水冷銅製、あるいは黒
鉛製の精錬容器4と、その周囲に配置した誘導加熱用コ
イル5と、該容器4の上方及び底部に設けた電極とで形
成されている。本発明は、かかる装置を用い、まず上方
電極6と炉底電極7との間で発生させたアーク8により
金属シリコン1を溶解する。そして、該アーク8と高周
波誘導による加熱とで溶融状態を一定時間維持する。そ
の間、溶湯1の表面は、アーク8により高温に保持さ
れ、且つ高周波誘導によって撹拌され、溶湯1内のP,
Al,Caの拡散促進、並びに雰囲気との接触面積(反
応界面積)を増加する。その結果、金属シリコン1が含
有するP,Al,Caのような易揮発性不純物元素の気
化速度が、電子ビーム2溶解の時に比べて早めることが
できる。なお、通常、溶融した金属シリコン1の温度
は、1500〜1600℃であり、また減圧室3内の圧
力は10-3torr以下である。但し、溶湯表面の温度
は、上記よりも高温であると考えられる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The contents of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 shows an example of an apparatus for carrying out a method for purifying metallic silicon according to the present invention. First, it is a divided type water-cooled copper or graphite smelting vessel 4 arranged in the decompression chamber 3, an induction heating coil 5 arranged therearound, and electrodes provided above and at the bottom of the vessel 4. It is formed with. According to the present invention, the metal silicon 1 is first melted by the arc 8 generated between the upper electrode 6 and the furnace bottom electrode 7 using such an apparatus. Then, the molten state is maintained for a certain period of time by the arc 8 and heating by high-frequency induction. Meanwhile, the surface of the molten metal 1 is maintained at a high temperature by the arc 8 and is stirred by high frequency induction, so that P,
It promotes the diffusion of Al and Ca and increases the contact area (reaction area) with the atmosphere. As a result, the vaporization rate of easily volatile impurity elements such as P, Al, and Ca contained in the metal silicon 1 can be increased as compared with the case of melting the electron beam 2. Normally, the temperature of the molten metal silicon 1 is 1500 to 1600 ° C., and the pressure in the decompression chamber 3 is 10 −3 torr or less. However, the temperature of the molten metal surface is considered to be higher than the above.
【0013】次に、第2の本発明は、上記アークに代え
て、図2に示すように、精錬容器4の上方に配置したレ
ーザ発振装置14から照射されるレーザ光15を用いる
ものである。そして、第3の本発明は、図3に示す装置
で実施する。それは、上記高周波誘導による加熱に代
え、磁場を与える電磁コイル9を設けたものである。こ
の場合、加熱はアーク8のみであるが、電磁場によって
溶湯1の撹拌が生じ、同様に易揮発性不純物元素の気化
速度が大きくなる。Next, in the second invention, as shown in FIG. 2, a laser beam 15 emitted from a laser oscillator 14 disposed above the refining vessel 4 is used instead of the arc. . Then, the third invention is carried out by the apparatus shown in FIG. It is provided with an electromagnetic coil 9 for applying a magnetic field instead of heating by the high frequency induction. In this case, only the arc 8 is heated, but the molten metal 1 is stirred by the electromagnetic field, and the vaporization rate of the easily volatile impurity element similarly increases.
【0014】第4の本発明は、図4に示す装置で実施で
きる。それは、上記高周波誘導による加熱に代え、アル
ゴン、ヘリウム等の不活性ガス10を溶湯1内に吹込む
ようにしている。図4では、該ガス10の吹込みを、精
錬容器4の底部に設けた所謂ポーラス・プラグ11を介
して行うようにしているが、ランスを溶湯1に浸漬させ
ても良く、限定するものではない。The fourth invention can be implemented by the apparatus shown in FIG. That is, an inert gas 10 such as argon or helium is blown into the molten metal 1 instead of the heating by the high frequency induction. In FIG. 4, the gas 10 is blown through a so-called porous plug 11 provided at the bottom of the refining vessel 4. However, the lance may be immersed in the molten metal 1, but is not limited thereto. Absent.
【0015】第5の本発明は、第1の本発明で用いる精
錬容器4を、図5(a)に示すように、セグメントに分
割した銅製の水冷ルツボ12(通称、コールド・クルー
シブルという)とし、その中で金属シリコン1を磁気力
で浮揚させながら容器壁と接触させずに溶解するもので
ある(図5(b)参照)。これによって、金属シリコン
1は、精錬容器4からの汚染を回避しつつ、不純物元素
の除去が可能となる。なお、第5の本発明では、金属シ
リコン1の当初の溶解並びに溶湯1表面の加熱を、アー
ク8あるいはレーザ光15によって行なうことになる。According to a fifth aspect of the present invention, as shown in FIG. 5A, a smelting vessel 4 used in the first aspect of the present invention is a copper water-cooled crucible 12 (commonly called cold crucible) divided into segments. The metal silicon 1 is melted without being brought into contact with the container wall while being levitated by magnetic force (see FIG. 5B). As a result, the metal silicon 1 can remove impurity elements while avoiding contamination from the refining vessel 4. In the fifth aspect of the present invention, the initial melting of the metal silicon 1 and the heating of the surface of the molten metal 1 are performed by the arc 8 or the laser beam 15.
【0016】さらに、第6の本発明は、上記のそれぞれ
に用いる精錬容器4を、水冷銅あるいは黒鉛製としたも
ので、これにより溶湯の精錬容器4からの汚染が防止さ
れ、長時間の操業が可能となる。Further, in the sixth aspect of the present invention, the refining vessel 4 used for each of the above is made of water-cooled copper or graphite, whereby contamination of the molten metal from the refining vessel 4 is prevented, and long-term operation is possible. Becomes possible.
【0017】[0017]
【実施例】市販の金属シリコン1の鋳塊を、図1〜5に
示した装置をそれぞれ用いて真空溶解した。表1に、I
CP(Inductively coupled pl
asma)発光分光分析法で分析した溶解前の不純物元
素の含有量を示す。EXAMPLES Ingots of commercially available metallic silicon 1 were melted in vacuum using the apparatuses shown in FIGS. In Table 1, I
CP (Inductively coupled pl)
asma) shows the content of impurity elements before dissolution analyzed by emission spectroscopy.
【0018】[0018]
【表1】 [Table 1]
【0019】(実施例1)上記金属シリコンの3kg
を、圧力10-4torrの減圧室3にした図1の精錬容
器4に装入し、上方電極6と炉底電極7間に200アン
ペアの電流を流して、出力20kWのアーク8で溶解し
た。その後、出力20kWの高周波誘導加熱で溶湯1内
部の温度を1700℃に維持した(全出力40kW)。
30分経過後、該溶湯1から分析試料を採取して、易揮
発性不純物元素であるP,Al,Caを前記IPC法で
分析したところ、目標値に到達していた。 (実施例2)図2の装置で、金属シリコン3kgを溶解
した。つまり、出力20kWのレーザ発振装置14から
CO2 ガスで発生させたレーザ光15を、該金属シリコ
ンに照射して溶解し、その後、出力20kWの高周波誘
導による加熱も加えた。なお、レーザ光15は、シリコ
ンのスプラッシュが発生しないよう、ステッピング・モ
ータ(図示せず)の利用で、溶湯面上を水平に走査す
る。Example 1 3 kg of the above metallic silicon
Was charged into the refining vessel 4 shown in FIG. 1 in a reduced-pressure chamber 3 at a pressure of 10 −4 torr, and a current of 200 amperes was passed between the upper electrode 6 and the furnace bottom electrode 7 to be melted by the arc 8 having an output of 20 kW. . Thereafter, the temperature inside the molten metal 1 was maintained at 1700 ° C. by high-frequency induction heating at an output of 20 kW (total output of 40 kW).
After a lapse of 30 minutes, an analysis sample was taken from the molten metal 1 and P, Al, and Ca, which are volatile impurity elements, were analyzed by the IPC method. As a result, the target value was reached. Example 2 3 kg of metallic silicon was melted in the apparatus shown in FIG. That is, a laser beam 15 generated by a CO 2 gas from a laser oscillating device 14 with an output of 20 kW was applied to the metal silicon to dissolve the metal silicon, and then heating by high-frequency induction with an output of 20 kW was also applied. The laser beam 15 scans the surface of the molten metal horizontally by using a stepping motor (not shown) so as to prevent the splash of silicon.
【0020】30分間の溶解後、試料を採取し、ICP
法により分析した。 (実施例3)図3の装置を用い、実施例1と同様の条件
で金属シリコン1を、出力40kWのアーク8で溶解し
た。その際、溶湯1には100エルステッド程度の電磁
場を印加した。30分経過後、試料を採取し上記同様に
分析を行った。 (実施例4)図4の装置を用い、上記と同様に出力40
kWのアーク8で金属シリコン1を溶解した。溶融状態
になってから精錬容器4の底部に配置したポーラス・プ
ラグ11よりアルゴン・ガス10を流量0.1Nリット
ル/分で吹き込み、その状態で30分間溶解した。 (実施例5)図5の装置を用い、実施例1と同様に、出
力20kWの高周波加熱で金属シリコン1をコールド・
クルーシブ法で溶解した。その後、出力20kWのアー
ク8で溶湯表面を加熱した。30分間の溶解後、溶湯の
分析を行った。 (比較例)図6に示した装置で、実施例と同一の金属シ
リコン1の鋳塊を黒鉛製精錬容器4内に装入し、電子ビ
ーム2で溶解した。After dissolution for 30 minutes, a sample was taken and the ICP
Was analyzed by the method. (Embodiment 3) Using the apparatus shown in FIG. 3, metal silicon 1 was melted with an arc 8 having an output of 40 kW under the same conditions as in Embodiment 1. At that time, an electromagnetic field of about 100 Oersted was applied to the molten metal 1. After a lapse of 30 minutes, a sample was collected and analyzed in the same manner as described above. (Embodiment 4) Using the apparatus of FIG.
The metal silicon 1 was melted by the kW arc 8. After being in a molten state, argon gas 10 was blown in at a flow rate of 0.1 Nl / min from a porous plug 11 arranged at the bottom of the refining vessel 4 and melted for 30 minutes in that state. (Embodiment 5) Using the apparatus shown in FIG.
Dissolved by the crucible method. Thereafter, the surface of the molten metal was heated by the arc 8 having an output of 20 kW. After dissolution for 30 minutes, the molten metal was analyzed. (Comparative Example) In the apparatus shown in FIG. 6, the same ingot of metallic silicon 1 as in the example was charged into a graphite refining vessel 4 and melted by the electron beam 2.
【0021】これら真空精錬の結果は、精錬に要した時
間と不純物元素の含有量で評価される。それを一括して
表2に示す。The results of the vacuum refining are evaluated based on the time required for the refining and the content of impurity elements. The results are collectively shown in Table 2.
【0022】[0022]
【表2】 [Table 2]
【0023】表2より、本発明の実施成績は、従来の電
子ビーム2を用いた場合に比べ、非常に良いことが明ら
かである。また、本発明で用いた溶解装置は、電子ビー
ム溶解装置に比べ格段に安価である。It is clear from Table 2 that the performance of the present invention is much better than the case where the conventional electron beam 2 is used. The melting apparatus used in the present invention is much cheaper than the electron beam melting apparatus.
【0024】[0024]
【発明の効果】以上述べたように、本発明により、金属
シリコンが、従来より安価なランニング・コストで、且
つ短時間に安定して製造できるようになった。その結
果、金属シリコンの精製コストが低減し、安価な太陽電
池用シリコン基板が入手できるようになった。As described above, according to the present invention, metal silicon can be stably manufactured in a short time at a running cost lower than the conventional one. As a result, the cost of refining metallic silicon has been reduced, and inexpensive silicon substrates for solar cells have become available.
【図1】第1の本発明に係る金属シリコンの製造方法を
実施する装置の縦断面図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an apparatus for performing a method for producing metal silicon according to a first invention.
【図2】第2の本発明に係る金属シリコンの製造方法を
実施する装置の縦断面図である。FIG. 2 is a longitudinal sectional view of an apparatus for performing a method for producing metal silicon according to a second invention.
【図3】第3の本発明に係る金属シリコンの製造方法を
実施する装置の縦断面図である。FIG. 3 is a longitudinal sectional view of an apparatus for performing a method for producing metal silicon according to a third invention.
【図4】第4の本発明に係る金属シリコンの製造方法を
実施する装置の縦断面図である。FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an apparatus for performing a method for producing metal silicon according to a fourth invention.
【図5】第5の本発明に係る金属シリコンの製造方法を
実施する装置の精錬容器の図であり、(a)は斜視図、
(b)は縦断面図である。FIG. 5 is a view of a refining vessel of an apparatus for performing the method for producing metal silicon according to the fifth invention, (a) is a perspective view,
(B) is a longitudinal sectional view.
【図6】電子ビーム溶解を行なう従来の真空精錬装置を
示す図である。FIG. 6 is a view showing a conventional vacuum refining apparatus for performing electron beam melting.
【図7】従来の太陽電池用シリコンの製造方法を示すフ
ロー・チャートである。FIG. 7 is a flow chart showing a conventional method for producing silicon for solar cells.
【図8】出願人が提案した冶金プロセスによる太陽電池
用シリコンの製造方法を示すフロー・チャートである。FIG. 8 is a flow chart showing a method for manufacturing solar cell silicon by a metallurgical process proposed by the applicant.
1 金属シリコン(溶湯) 2 電子ビーム 3 減圧室 4 精錬容器 5 誘導加熱用コイル 6 上方電極 7 底部電極 8 アーク 9 電磁コイル 10 不活性ガス(アルゴン・ガス) 11 ポーラス・プラグ 12 水冷ルツボ(コールド・クルーシブル) 13 電子銃 14 レーザ発振装置 15 レーザ光 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Metal silicon (molten metal) 2 Electron beam 3 Decompression chamber 4 Refining vessel 5 Induction heating coil 6 Upper electrode 7 Bottom electrode 8 Arc 9 Electromagnetic coil 10 Inert gas (argon gas) 11 Porous plug 12 Water-cooled crucible (cold Crucible) 13 electron gun 14 laser oscillation device 15 laser beam
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 斉藤 健志 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 ──────────────────────────────────────────────────の Continuing from the front page (72) Inventor Yasuhiko Sakaguchi 1 Kawasaki-cho, Chuo-ku, Chiba-shi Kawasaki Steel Engineering Co., Ltd. (72) Inventor Yoshihide Kato 1-Kawasaki-cho, Chuo-ku, Chiba-shi Kawasaki Steel Technical Research In-house (72) Inventor Kenshi Saito 1 Kawasaki-cho, Chuo-ku, Chiba-shi Kawasaki Steel Corporation Technical Research Institute
Claims (6)
コンを溶解し、該金属シリコンが含有する易揮発性不純
物元素を気化除去するに際し、 上記金属シリコンを、電極間で発生させたアークと高周
波誘導とで加熱して溶解することを特徴とする金属シリ
コンの精製方法。1. An arc generated between electrodes and a high-frequency wave formed by dissolving metallic silicon in a refining vessel disposed in a decompression chamber and vaporizing and removing volatile impurity elements contained in the metallic silicon. A method for purifying metallic silicon, characterized by heating and melting by induction.
コンを溶解し、該金属シリコンが含有する易揮発性不純
物元素を気化除去するに際し、 上記金属シリコンを、レーザと高周波誘導とで加熱して
溶解することを特徴とする金属シリコンの精製方法。2. Dissolving metallic silicon in a smelting vessel arranged in a decompression chamber and evaporating and removing volatile impurities contained in the metallic silicon by heating the metallic silicon with a laser and high-frequency induction. A method for purifying metallic silicon, characterized by dissolving.
にある金属シリコンに電磁場を印加することを特徴とす
る請求項1又は2記載の金属シリコンの精製方法。3. The method for purifying metallic silicon according to claim 1, wherein an electromagnetic field is applied to the metallic silicon in a molten state instead of the high-frequency induction heating.
にある金属シリコンに不活性ガスを吹込むことを特徴と
することを特徴とする請求項1又は2記載の金属シリコ
ンの精製方法。4. The method for purifying metal silicon according to claim 1, wherein an inert gas is blown into the metal silicon in a molten state instead of the high-frequency induction heating.
ルーシブルを用いた溶解法で行い、該クルーシブル内で
溶融状態にある金属シリコンを浮遊させることを特徴と
する請求項1又は2のいずれかに記載の金属シリコンの
精製方法。5. The method according to claim 1, wherein the high-frequency induction heating is performed by a melting method using a cold crucible, and the metal silicon in a molten state is floated in the crucible. The method for purifying metallic silicon according to the above.
容器とすることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに
記載の金属シリコンの精製方法。6. The method for purifying metallic silicon according to claim 1, wherein the refining vessel is a vessel made of water-cooled copper or graphite.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP953697A JPH10203812A (en) | 1997-01-22 | 1997-01-22 | Refining of metallic silicon |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP953697A JPH10203812A (en) | 1997-01-22 | 1997-01-22 | Refining of metallic silicon |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH10203812A true JPH10203812A (en) | 1998-08-04 |
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ID=11722999
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP953697A Withdrawn JPH10203812A (en) | 1997-01-22 | 1997-01-22 | Refining of metallic silicon |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH10203812A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008175479A (en) * | 2007-01-19 | 2008-07-31 | Ulvac Japan Ltd | Silicon fusion vessel and fusion device using the same |
JP2010052952A (en) * | 2008-08-26 | 2010-03-11 | Central Glass Co Ltd | Method for purifying silicon |
KR101372785B1 (en) * | 2011-12-23 | 2014-03-12 | 주식회사 포스코 | Refining apparatus of silicon melt |
CN104480329A (en) * | 2014-12-07 | 2015-04-01 | 金川集团股份有限公司 | Method for preparing metal alloy cast block |
WO2015045869A1 (en) * | 2013-09-25 | 2015-04-02 | 株式会社堀場製作所 | Analysis device and analysis method |
-
1997
- 1997-01-22 JP JP953697A patent/JPH10203812A/en not_active Withdrawn
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008175479A (en) * | 2007-01-19 | 2008-07-31 | Ulvac Japan Ltd | Silicon fusion vessel and fusion device using the same |
JP2010052952A (en) * | 2008-08-26 | 2010-03-11 | Central Glass Co Ltd | Method for purifying silicon |
KR101372785B1 (en) * | 2011-12-23 | 2014-03-12 | 주식회사 포스코 | Refining apparatus of silicon melt |
WO2015045869A1 (en) * | 2013-09-25 | 2015-04-02 | 株式会社堀場製作所 | Analysis device and analysis method |
CN105556303A (en) * | 2013-09-25 | 2016-05-04 | 株式会社堀场制作所 | Analysis device and analysis method |
JPWO2015045869A1 (en) * | 2013-09-25 | 2017-03-09 | 株式会社堀場製作所 | Analysis apparatus and analysis method |
US9606090B2 (en) | 2013-09-25 | 2017-03-28 | Horiba, Ltd. | Analysis device with simultaneous induction and laser heating and analysis method therewith |
CN111537669A (en) * | 2013-09-25 | 2020-08-14 | 株式会社堀场制作所 | Analysis device and analysis method |
CN104480329A (en) * | 2014-12-07 | 2015-04-01 | 金川集团股份有限公司 | Method for preparing metal alloy cast block |
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