金属硅的凝固提纯方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种金属硅的凝固提纯方法及其装置，在将晶体的生产率维持在高的状态的同时，与以往相比能够更有效率且可靠地进行杂质元素的去除。一种金属硅的凝固提纯法，使处于凝固提纯装置的铸模内的金属硅的熔融液体进行一个方向凝固并去除金属硅中的杂质元素，其中，使用凝固界面中的熔融液体侧温度梯度（G）、凝固中途的熔融液体中杂质元素浓度（Cm）、凝固速度（V）表示的组份的过冷却指数｛VOGC=（V/G）×Cm｝相对于使用从金属硅中的硅-杂质元素的状态图读取的液相线的梯度（m）和杂质元素的扩散系数（D）表示的组份的过冷却的临界值｛0.59（D/m）｝，以维持1/10｛0.59（D/m）｝≤VOGC＜0.59（D/m）的关系的方式，进行熔融液体的加热和/或冷却。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及金属硅的凝固提纯方法及凝固提纯装置，尤其是关于适宜的金属硅的凝固提纯方法及其装置，从对起始原料的金属硅进行粗提纯而得到的处于熔融状态的硅中去除杂质元素，最终得到对太阳能电池用硅基板的制造有用的高纯度的硅晶体。
技术介绍
作为提高金属硅的纯度的技术之一有凝固提纯法，在例如具有附图说明图1所示的构造的炉中，基于以下的凝固提纯的原理实施。该凝固提纯的原理是利用提纯对象的元素和去除对象的杂质元素由在凝固界面中成立的热力学的平衡状态引起的离析现象(参照非专利文献1、2、3)。具体来说，对保持在铸模内的成为提纯对象的熔融液体原料，在使其凝固界面保持平坦的同时，朝向一个方向(例如从底部向上方)缓慢地凝固时，在该凝固的过程中，杂质元素因上述离析现象几乎未被取入固体侧，而残留在熔融液体侧 。其结果，通过凝固生成的晶体内的杂质元素的分布是，在初期凝固的下方部低，趋向上方级数地增加，到达上端而显著地浓缩。因此，通过切断并丢弃该凝固提纯后得到的晶体的上部(浓缩部)，得到纯度高的晶体。当实际进行这样的凝固提纯时，从生产率和提纯成品率这两个观点出发，将凝固速度(凝固界面的移动速度)控制成适当的值是极其重要的。而且，该凝固速度因凝固界面中的一维的热平衡、即从熔融液体侧向凝固界面施加的热量和通过凝固产生的热量(凝固潜热)、从凝固界面向晶体侧被提取的热量之间的平衡而变化(参照非专利文献1)，从而在没有进行适当的温度控制的情况下，凝固不会从下方朝向上方依次进行，凝固的部位再融解等，引起即使经过长时间也不能从熔融液体得到晶体的问题。另外，没有进行上述适当的温度控制的情况下，不仅如此，凝固界面的生长也变得不稳定，在确保平坦面的同时进行的凝固不能继续进展，成为凝固提纯的基础的杂质元素的偏析原理不能良好地发挥作用，在凝固的进行过程中，杂质元素在熔融液体部没有充分地增稠来完成凝固，引起生成凝固提纯不充分的晶体的问题。这里，前者的问题仅是基于加热和/或冷却的热环境的问题，但关于后者的问题，通过由熔融液体内的杂质元素的浓缩所导致的组份的过冷却，等轴晶在离开凝固界面的熔融液体中析出，其结果，凝固不能确保柱状晶组织且不能在确保平坦面的同时依次进行，是由此发生的问题。而且，关于由该组份的过冷却而产生等轴晶，具有“在凝固界面熔融液体侧的温度梯度G与凝固速度V之比即V/G乘以增稠了的熔融液体中的杂质元素浓度Cm而得到的组份的过冷却的值〔(V/G)C〕(以下称为“组份的过冷却指数(V0GC)”)超过其临界值时引起的。”这样的理论性的模型(参照非专利文献1、2、3)，但没有关于使用组份的过冷却临界值提纯现实的金属硅的工业生产工艺中的成品率进行说明的记载，关于组份的过冷却的临界值，其值也不明确。像这样，在凝固提纯中，为了实现生产率，增大凝固速度，由此总是会增大凝固提纯的失败的危险性。另外，在凝固的进行的后半程，通过离析现象排出的杂质元素浓度急激增加，从而凝固速度的上限值逐渐或急剧地变小。在这样的状况中，为了最大限地确保晶体的生产率和提纯率，根据与凝固的进行状况相应地凝缩的铸模内的原料熔融液体中的杂质元素浓度，需要精密地控制凝固速度、铸模内的温度环境。但是，对其进行控制并不容易，以往只不过是采用了试行错误的方法。例如，在专利文献I记载的方法中，通过采用凝固提纯的原料中的杂质元素浓度的初期分析值与该凝固提纯成功时的凝固开始至完成的平均的凝固速度的关系之间的相关性，根据经验决定最佳的凝固速度，该最佳的凝固速度的调整是通过调整配置在铸模底部的冷却构件的冷却水量、温度，配置在上方的加热器的热量、温度而实现的。但是，在该方法中，不能充分应对以由凝固的进行所导致的凝固层的耐热性的增大、与凝固速度成正比的凝固潜热的产生、由晶体、炉内隔热部件的老化所导致的热传导率及热容量的变化等为起因的复杂的实际操作中的凝固速度的变化。另外，为了克服该问题，在专利文献2中提出一种方法，S卩，通过设置在铸模内的多个温度计、超声波测距仪，与凝固的进行相应地逐次求出凝固面高度(凝固界面的位置)，推定凝固速度来调整铸模内的热环境。但是，即使在该方法中，预先从大量的操作数据中求出各种原料初期的杂质元素浓度与适当地进行了凝固提纯时的凝固速度之间的关系，通过这样的试行错误方法求出作为目标的凝固速度，但极其繁琐，是花费大量时间的作业。而且，在这样的以往的方法中，除了存在将温度计、超声波测距仪等的测量装置设置在高温的炉内这样的设备方面的难度，还存在不能够迅速地应对每次操作的冷却构件和铸模下表面之间的接触程度(对来自铸模下表面的热流量带来影响)等的操作上的偏差这样的问题。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开平10-120493号公报 专利文献2:日本特开平10-182137号公报非专利文献非专利文献1:中江秀雄著“晶体生长和凝固” AGNE承风社1998年非专利文献2:W.Kurz, D.J.Fisher, “Fundamental of Solidification”，TransTech Publication, (1998)非专利文献3:M.C.Flemings, “Solidification Processing”，McGraw Hill,(1974)
技术实现思路
专利技术要解决的课题本专利技术是鉴于所述情况而做出的，其目的是提供一种金属硅的凝固提纯方法及其装置，在将晶体的生产率维持在高的状态的同时，与以往相比能够更有效率且可靠地进行杂质元素的去除，尤其提供一种金属硅的凝固提纯方法及其凝固提纯装置，能够迅速地应对冷却构件和保持熔融液体的铸模下部之间的接触程度的偏差、炉内隔热部件的老化的影响，由此提供适宜的金属硅的凝固提纯方法及其装置，能够得到对太阳能电池用硅基板的制造来说有用的高纯度的硅晶体。用于解决课题的技术方案本专利技术人对达到上述目的的方案进行了认真的研究，其结果得到如下结论，S卩，为了实现目的，不以与杂质元素的初期浓度之间的关系对凝固提纯时的凝固速度进行初期设定，必须随着凝固的进行，经时地进行调整，而且，为具体地实现该想法，在凝固的进行过程中，推定组份的过冷却的程度(组份的过冷却指数；V0GC)，以该推定的组份的过冷却指数(VOGC)为基础调整加热的程度，对此进行了认真的研究而完成了本专利技术。S卩，本专利技术是为解决上述课题而做出的，并如下所述地构成。(I) 一种金属硅的凝固提纯法，使处于凝固提纯装置的铸模内的金属硅的熔融液体进行一个方向凝固并去除所述金属硅中的杂质元素，其特征在于，使用凝固界面中的熔融液体侧温度梯度G、凝固中途的熔融液体中杂质元素浓度C111和凝固速度V表示的组份的过冷却指数{VOGC= (V/G) XCJ相对于使用从金属硅中的硅-杂质元素的状态图读取的液相线的梯度m和杂质元素的扩散系数D表示的组份的过冷却的临界值{0.59 (D/m)},维持下述关系地进行所述熔融液体的加热和/或冷却:1/10 {0.59 (D/m)}彡VOGC < 0.59 CD/m)。(2)如上述(I)所述的金属硅的凝固提纯法，其特征在于，铸模内的熔融液体的一个方向凝固是如下进行的，即，在对所述铸模的侧面进行隔热的同时从熔融液体的液面上方通过辐射加热，并且通过从铸模的底部取热进行冷却。(3)如上述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：田中正博，岸田丰，
申请(专利权)人：新日铁住金高新材料株式会社，
类型：
国别省市：