[发明专利]金属硅的凝固提纯方法及装置

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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C_m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（VOGC）”）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1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。