(57)【要約】  シリコン原料から不純物を低コストで除去する技術を提供する。  溶解容器３１内に金属シリコンからなる母材を配置し、真空雰囲気中で溶解容器３１に配置された母材を加熱して全部溶融させ、溶解容器３１の外側底面を冷却手段２１と離間して対面させた状態で、外側底面を冷却して溶解容器３１の内部底面と溶融シリコンが接触する部分からシリコンを凝固し、凝固シリコンを上方に成長させ、凝固シリコンの上部に位置する未凝固シリコンを溶解容器３１から除去する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽と、
前記真空槽内に配置された冷却手段と、
前記真空槽内で前記冷却手段とは離間して配置された溶解容器と、
前記溶解容器内のシリコンを溶融させる加熱手段とを有するシリコン精錬装置。
【請求項２】
前記溶解容器を前記冷却手段上に保持する支持部材を有し、
前記支持部材には、前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段の表面とが対面するように開口部が設けられた請求項１記載のシリコン精錬装置。
【請求項３】
前記溶解容器の内側底面に対する、前記開口部の前記内側底面と平行な断面の面積比は５０％以上である請求項２記載のシリコン精錬装置。
【請求項４】
前記支持部材と前記溶解容器との間には、第一の断熱材が設けられた請求項２又は請求項３のいずれか１項記載のシリコン精錬装置。
【請求項５】
前記開口部には第二の断熱材が設けられた請求項４記載のシリコン精錬装置。
【請求項６】
前記第一の断熱材と前記第二の断熱材はそれぞれカーボンフェルトから構成された請求項５記載のシリコン精錬装置。
【請求項７】
溶解容器内に金属シリコンからなる母材を配置し、
真空雰囲気中で前記溶解容器に配置された前記母材を加熱して全部溶融させ、
前記溶解容器の底面を冷却して前記溶解容器の内側底面と溶融シリコンが接触する部分からシリコンを凝固し、
凝固シリコンを上方に成長させ、
前記凝固シリコンの上部に位置する未凝固シリコンを前記溶解容器から除去するシリコン精錬方法であって、
前記溶解容器の底面を冷却するときには、前記溶解容器の外側底面を冷却手段と離間して対面させて冷却するシリコン精錬方法。
【請求項８】
前記溶解容器の底面を冷却するときには、前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段との間に、前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段の表面とに接触する第二の断熱材を配置しておく請求項７記載のシリコン精錬方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン精錬装置及びシリコン精錬方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池に使用するシリコンでは、多くの不純物元素をｐｐｍオーダまで低減させる必要がある。そのため、金属シリコンを出発原料として、ボロン、リン、その他金属元素を除去する工程に分けて精製される。不純物元素のうち、鉄、アルミニウム、カルシウムなどの元素は固液分配係数が小さいことを利用し、一方向凝固法を用いて除去精製する。【０００３】
一方向凝固を行わせるには、シリコン溶湯を底部から上方に向けて一定速度で凝固させることが必要である。そのため、溶湯の上方より加熱すると共に、坩堝底面を冷却するようにしていた。
この方法を用いると、坩堝底部が冷却されることにより、シリコン溶湯の下方から比較的速い凝固速度で安定して凝固が進行する。しかし、坩堝底部の抜熱が強すぎると、シリコン溶解中に坩堝底面と溶融シリコンとの接触部分では、未溶解部分（スカル）が発生し、その部分は原料シリコンの不純物濃度のままとなり精製が不十分となることが分かった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１９９２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、シリコン原料から不純物を低コストで除去する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置された冷却手段と、前記真空槽内で前記冷却手段とは離間して配置された溶解容器と、前記溶解容器内のシリコンを溶融させる加熱手段とを有するシリコン精錬装置である。
本発明はシリコン精錬装置であって、前記溶解容器を前記冷却手段上に保持する支持部材を有し、前記支持部材には、前記溶解容器の底部と前記冷却手段の表面とが対面するように開口部が設けられたシリコン精錬装置である。
本発明はシリコン精錬装置であって、前記溶解容器の内側底面に対する、前記開口部の前記内側底面と平行な断面の面積比は５０％以上であるシリコン精錬装置である。
本発明はシリコン精錬装置であって、前記支持部材と前記溶解容器との間には、第一の断熱材が設けられたシリコン精錬装置である。
本発明はシリコン精錬装置であって、前記開口部には第二の断熱材が設けられたシリコン精錬装置である。
本発明はシリコン精錬装置であって、前記第一の断熱材と前記第二の断熱材はそれぞれカーボンフェルトから構成されたシリコン精錬装置である。
本発明は、溶解容器内に金属シリコンからなる母材を配置し、真空雰囲気中で前記溶解容器に配置された前記母材を加熱して全部溶融させ、前記溶解容器の底面を冷却して前記溶解容器の内側底面と溶融シリコンが接触する部分からシリコンを凝固し、凝固シリコンを上方に成長させ、前記凝固シリコンの上部に位置する未凝固シリコンを前記溶解容器から除去するシリコン精錬方法であって、前記溶解容器の底面を冷却するときには、前記溶解容器の外側底面を冷却手段と離間して対面させて冷却するシリコン精錬方法である。
本発明はシリコン精錬方法であって、前記溶解容器の底面を冷却するときには、前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段との間に、前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段の表面とに接触する第二の断熱材を配置しておくシリコン精錬方法である。
【発明の効果】
【０００７】
溶解容器底面の抜熱効率を抑え、溶解容器の内側底面と接触する部分にスカルが生じないため、精製ムラ無く良好に精製できる。
溶解容器の外側底面に対面して冷却手段を設けることにより、底面から効率よく抜熱し、固液界面の温度勾配を大きくすることができる。【０００８】
溶解容器にて底面以外を断熱することにより、水冷銅るつぼに比べて電子線出力を５０％以下に低減できる。
冷却手段の引き下げ機構が不要であるため、装置構造を簡素化できる。
不純物が凝集している部分を液体状態で除去することで、インゴットの切削加工が不要になり、低コスト化できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のシリコン精錬装置の内部構成図
【図２】溶解容器と冷却手段の配置の第二例を説明するための図
【図３】第二の断熱材の配置を説明するための図
【図４】第三の断熱材の配置を説明するための図
【図５】溶解容器の内側底面の面積に対する、開口部の内側底面と平行な断面積の面積比を説明するための図
【図６】対面空間の形状の第二例を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１の符号１０は、本発明のシリコン精錬装置を示している。
このシリコン精錬装置１０は、真空槽１１を有している。真空槽１１の内部には、冷却手段２１が配置されており、冷却手段２１の上方には、冷却手段２１と離間して、溶解容器３１が配置されている。
ここでは溶解容器３１は炭素材料（例えば黒鉛）で形成されている。
【００１１】
溶解容器３１の外側底面と冷却手段２１の上方を向いた表面は、平坦であり、互いに平行にされている。溶解容器３１の外側表面のうち、外側底面の中心を含む所定の大きさの領域と冷却手段２１の表面との間には、何も配置されておらず、少なくとも外側底面の中心を含む領域は、冷却手段２１の表面に対面するようにされている。
【００１２】
冷却手段２１はここでは銅又はステンレスで形成されている。冷却手段２１には、冷却媒体の循環経路２３が配置されており、真空槽１１の外部に設けられた冷却装置２５を動作させ、冷却手段２１の内部に冷却された冷却媒体を流すと、冷却手段２１と対面する溶解容器３１の底面が冷却される。
【００１３】
真空槽１１には真空排気装置１３が接続され、内部は真空排気されて真空雰囲気に維持されている。
真空槽１１には、溶解容器３１内のシリコンを溶融させる加熱手段１２が設けられている。加熱手段１２はここでは電子銃であるが、溶解容器３１内のシリコンを溶融させることができるならば電子銃に限定されず、誘導加熱手段でもよい。
溶解容器３１の内側に塊状又は小片状の金属シリコンからなる母材であるシリコン原料を配置し、シリコン原料に電子ビーム（電子線）を照射して溶解容器３１内のシリコン原料を全部溶融させ、溶解容器３１の内部を溶融シリコンで満たす。このとき、シリコンは溶解容器３１の炭素材料としか接触していない。
【００１４】
電子ビームは真空槽１１内を真空排気しながらシリコンに照射されており、シリコン原料に含まれたシリコンよりも蒸気圧の高い不純物はガス化し、真空排気によって真空槽１１の外部に排出される。特に、シリコン原料に含まれていた燐（リン）はガス化して除去され、溶融シリコンは高純度化する。
【００１５】
冷却手段２１の内部に冷却された冷却媒体が流されて、溶解容器３１の底面が冷却された状態で、電子ビームの照射幅（面）を変えずに出力強度（照射密度）を徐々に弱めると、溶解容器３１の内側底面の表面と接触する部分からシリコンが凝固し、凝固シリコンが下方から上方に向かって成長する。溶融シリコンである未凝固シリコンは、凝固シリコン上部に位置している。
【００１６】
シリコンよりも固液分配係数の小さなＦｅ、Ａｌなどの元素は、シリコンが凝固する際に固相から液相に排出されるため、固相中と液相中で不純物の濃度差が生じる（液相中の不純物濃度は固相中の不純物濃度より高くなる）。
【００１７】
従って、溶解容器３１内の溶融シリコンを、溶解容器３１の鉛直下方側で冷却し、溶融シリコンを鉛直下方側から上方に向かって凝固を進行させる場合、凝固部分の上方に位置する溶融シリコン中の不純物濃度が次第に高くなる。
溶解容器３１には、傾斜装置３９が設けられている。
【００１８】
本実施例では、未凝固シリコンが全体の２割まで減少したときに、電子ビームの照射を停止した状態で、溶解容器３１は傾斜装置３９によって傾けられ、溶融している部分は溶解容器３１から流出し、真空槽１１内に配置された回収容器１４によって受け止められて回収される。
【００１９】
もしくは、溶融シリコンの全体を下方から上方に向かって一旦凝固させた後、凝固した凝固シリコンに電子ビームを再照射し、上方から全体の２割に相当する部分を再溶解させ、電子ビームの照射を停止し、傾斜装置３９によって溶解容器３１を傾けて、再溶融した部分を外部に流出させ、流出された溶融シリコンを回収容器１４で受け止めて回収してもよい。
【００２０】
なお、上記実施例では、未凝固シリコンが全体の２割まで減少したときに未凝固シリコンを回収したが、回収するときの未凝固シリコンの割合は全体の２割に限定されず、原料の純度によってあらかじめ決めておけばよい。
次に、電子銃１２を再動作させて電子ビームを凝固シリコンに照射し、凝固シリコンを溶融させる。
【００２１】
溶解容器３１内の凝固シリコンが全部溶融されたところで、冷却手段２１による溶解容器３１の底面の冷却を継続しながら、電子ビームの照射幅（面）を変えずに出力強度を徐々に弱めて、溶解容器３１の内側底面と接触した部分からシリコンを凝固し、凝固シリコンを溶解容器３１の内側底面と接触する部分から上方に向けて成長させる。
【００２２】
上方に位置する未凝固シリコンが、本実施例では溶解容器３１内のシリコンの２割まで減少したところで、電子ビームの照射を停止し、傾斜装置３９によって溶解容器３１を傾斜させ、凝固シリコン上に位置する未凝固シリコンを溶解容器３１の外部に流出させ、流出された溶融シリコンを回収容器１４で受け止めて回収する。
【００２３】
もしくは、溶融シリコンの全体を下方から上方に向かって一旦凝固させた後、凝固したシリコンに電子ビームを照射し、上方から全体の２割に相当する部分を再溶解させ、電子ビームの照射を停止し、傾斜装置３９によって溶解容器３１を傾けて、再溶融した部分を外部に流出させ、流出された溶融シリコンを回収容器１４で受け止めて回収してもよい。
【００２４】
なお、上記実施例では、未凝固シリコンが全体の２割まで減少したときに未凝固シリコンを回収したが、回収するときの未凝固シリコンの割合は全体の２割に限定されず、原料の純度によってあらかじめ決めておけばよい。
【００２５】
このように、金属シリコンからなる母材の溶融、溶解容器３１の内側底面と接触する部分からの凝固シリコンの成長、凝固シリコンの上方に位置する不純物が濃縮された未凝固シリコンの除去、の工程を繰り返し行うと、不純物は、除去された溶融シリコンに含有されるので、凝固シリコン中の不純物を少なくすることができる。
【００２６】
本発明のシリコン精錬装置１０は、溶解容器３１を冷却手段２１上に保持する支持部材３３を有し、支持部材３３には、溶解容器３１の外側底面と冷却手段２１の上方を向いた表面とが対面するように開口部２９が設けられている。
なお、開口部２９は溶解容器３１の外側底面と冷却手段２１の表面とが対面できるならば、図５を参照し、支持部材３３によって外周の輪郭が閉じられた領域に限定されず、図６を参照し、外周の輪郭が開かれた領域であってもよい。
すなわち、溶解容器３１と冷却手段２１との間の空間のうち、溶解容器３１の外側底面の外周の内側に位置する領域を対面空間と呼ぶと、開口部２９は対面空間のうち支持部材３３以外の部分から成る。
本実施形態では、溶解容器３１は、外側表面の外周部分や底面部分（すなわち外側側面や外側底面）に第一の断熱材３２が接触されて、第一の断熱材３２が接触した部分が保持具（支持部材）３３によって支持されて冷却手段２１上に配置されており、溶解容器３１と冷却手段２１とは非接触の状態になっている。第一の断熱材３２はここではカーボンフェルトである。
【００２７】
仮に保持具（支持部材）３３と溶解容器３１とが接触していると、その接触面は冷却されやすいため、溶解容器３１の内周面（内側側面）からの凝固が起こりやすくなり、溶解容器３１の底面から上面へ向けて良好な凝固が阻害される。そこで、本実施形態では、第一の断熱材３２を保持具（支持部材）３３と溶解容器３１との間に入れることで冷却を抑制し、良好な凝固成長が可能となっている。
【００２８】
また、溶解容器３１と冷却手段２１とは非接触であるため、溶解容器３１の内側底面もシリコン融点（１４１４℃）以上に加熱される。そのため、スカルの発生を抑制でき、溶融シリコンと溶解容器３１との接触面も凝固精製が可能となる。
【００２９】
図２に示すように、溶解容器３１と冷却手段２１との間は、真空槽１１の内部空間の一部となって、溶解容器３１の外部表面のうち底面の部分（すなわち外側底面）全部と冷却手段２１の表面とが対面するようにしても良いし、図１に示すように、外側底面の外周部分が第一の断熱材３２に接触し、接触した部分よりも内側の部分が冷却手段２１と対面するようにしてもよい。
【００３０】
図５を参照し、溶解容器３１の内側底面の面積（Ａ）に対する、開口部２９の溶解容器３１の内側底面と平行な断面積、すなわち溶解容器３１の外側底面のうち冷却手段２１の表面と対面する部分の面積（Ｂ）の面積比Ｒ＝Ｂ／Ａは、５０％以上２００％以下が好ましい。
【００３１】
なぜなら、面積比Ｒが５０％未満の場合は、固液界面が水平に成らず、溶解容器３１の上面中心に向かって良好に一方向凝固できない。また、面積比Ｒが２００％より大きい場合は、抜熱効率が大きくなり溶解容器３１の底面にスカル（原料中不純物濃度のまま、精製されずに凝固したもの）が発生してしまう。
【００３２】
上記実施例では開口部２９は溶解容器３１の内側底面と同心円状に設けられていたが、本発明は面積比Ｒが５０％以上２００％以下であるならばこれに限定されず、例えば図６に示すように、二本以上の柱状の保持具（支持部材）３３により、溶解容器３１を冷却手段２１と非接触で保持しても良い。
【００３３】
図３に示すように、溶解容器３１の外部表面のうちの底面の表面（すなわち外側底面）と冷却手段２１の表面との間に、外側底面と冷却手段２１の表面の両方に接触した第二の断熱材３５が配置されていてもよい。第二の断熱材３５はここではカーボンフェルトである。
【００３４】
溶解容器３１の外側底面と冷却手段２１の表面との間に第二の断熱材３５が配置されている場合は、第二の断熱材３５が冷却手段２１の表面と溶解容器３１の外側底面とに接触し、主として第二の断熱材３５の小さい熱伝導によって冷却される。
何も配置されていない対面空間を設けた場合よりも、溶解容器３１の底面の抜熱効率が小さくなり、溶解容器３１の内側底面と接触する部分にスカルが発生することを防止できる。
【００３５】
溶解容器３１の外周（外側側面）は、図１〜図３に示すように溶解容器３１と保持具（支持部材）３３との間に挟まれた第一の断熱材３２で取り囲まれていても良いし、図４に示すように第一の断熱材３２とは異なる第三の断熱材３６で取り囲まれていてもよい。ここで第三の断熱材３６は溶解容器３１と保持具（支持部材）３３との間に挟まれていない。
【００３６】
溶解容器３１の外側表面のうち、外側底面と冷却手段２１の表面との間には何も配置されていない場合は、溶解容器３１は、主として底面から放出される輻射が側面から放出される輻射よりも大きいことによって、容器底面が冷却される。
容器側面の冷却を抑えながら容器底面の冷却を強くすることにより、シリコンは、下方から上方に向かって一方向凝固される。
【００３７】
上記実施例では電子ビームによるシリコンの加熱を開始する前から、冷却手段２１による溶解容器３１の底面の冷却を開始していたが、電子ビームの照射中に冷却手段２１による冷却を開始してもよい。
【実施例】
【００３８】
＜実施例１＞
図１を参照し、表面を酸化させた銅からなる冷却手段２１の上方に、冷却手段２１と離間して黒鉛からなる溶解容器３１（深さ６０ｍｍ、内径３００ｍｍ）を配置した。ここで冷却手段２１の表面の放射率は０．１以上である。
高純度シリコン（Ｓｉ）７．５ｋｇにアルミニウム（Ａｌ）と鉄（Ｆｅ）をそれぞれ重量比２５０ｐｐｍになるように添加し、作成されたシリコン原料を、溶解容器３１内に装填し、電子ビームを照射密度１０００ｋＷ／ｍ2で照射して、シリコン原料を完全に溶解した。【００３９】
電子ビームの照射幅（面）を変えずに、凝固速度１ｍｍ／ｍｉｎとなるように、出力強度を徐々に弱め、上方に位置する溶融シリコンが全体の２割になったところで、溶解容器３１を傾倒し、溶融シリコンを除去した。
溶融シリコンを除去した後、溶解容器３１内に残ったシリコンを任意の大きさに切り出し、高さ方向に４ｍｍ厚で層状に切断し、それぞれをＩＣＰ−ＭＳで分析した。分析結果を表１に示す。【００４０】
【表１】
2012073876.tif 000003
【００４１】
不純物であるＡｌとＦｅを完全に除去できたことがわかる。【００４２】
＜実施例２＞
図３を参照し、冷却手段２１と黒鉛からなる溶解容器３１（深さ６０ｍｍ、内径３００ｍｍ）の間に熱伝導度０．３Ｗ／ｍ・Ｋの第二の断熱材３５（カーボンフェルト）を挟んで配置した。
高純度Ｓｉ７．５ｋｇにＡｌ、Ｆｅをそれぞれ重量比２５０ｐｐｍになるように添加して作成したシリコン原料を、溶解容器３１内に装填し、電子ビームを照射密度１０００ｋＷ／ｍ2で照射して、シリコン原料を完全に溶解した。【００４３】
電子ビームの照射幅（面）を変えずに、凝固速度１ｍｍ／ｍｉｎとなるように、出力強度を徐々に弱め、溶融シリコンが全体の２割になったところで、溶解容器３１を傾倒し、溶融シリコンを除去した。
溶融シリコンを除去した後、溶解容器３１内に残ったシリコンを任意の大きさで切り出し、高さ方向に４ｍｍ厚で層状に切断し、それぞれをＩＣＰ−ＭＳで分析した。分析結果を表２に示す。【００４４】
【表２】
2012073876.tif 000004
【００４５】
冷却手段２１と溶解容器３１の間に第二の断熱材３５を設けることで、溶解容器３１の底面からの抜熱効率が小さくなり、内部底面と接触する部分でのスカルの発生を抑制できていることが分かる。
しかしながら、抜熱効率が小さくなると、固液界面の温度勾配が小さくなる。そのため本実施例では、組成的過冷却が起こり、精製途中で不純物濃度が急上昇したことが分かる。【００４６】
＜比較例１＞
高純度Ｓｉ７．５ｋｇにＡｌ、Ｆｅをそれぞれ重量比２５０ｐｐｍになるように添加して作成したシリコン原料を、水冷銅るつぼ（深さ６０ｍｍ、内径３００ｍｍ）内に装填し、電子ビームを照射密度２０００ｋＷ／ｍ2で照射し、シリコン原料を完全に溶解した。【００４７】
ここで電子ビームの照射密度が実施例１、２の２倍である理由は、水冷銅るつぼの抜熱効率が大きく、実施例１、２と同じ照射密度では、水冷銅るつぼの内側底面と接触する部分で固体のシリコンを完全に溶解できなかったからである。
電子ビームの照射幅（面）を変えずに、凝固速度１ｍｍ／ｍｉｎとなるように、出力強度を徐々に弱め、溶融シリコンが全体の２割になったところで、水冷銅るつぼを傾倒し、溶融シリコンを除去した。
溶融シリコンを除去した後、水冷銅るつぼ内に残ったシリコンを任意の大きさで切り出し、高さ方向に４ｍｍ厚で層状に切断し、それぞれをＩＣＰ−ＭＳで分析した。分析結果を表３に示す。【００４８】
【表３】
2012073876.tif 000005
【００４９】
水冷銅るつぼは抜熱効率が大きすぎるため、水冷銅るつぼの内側底面と接触する部分でスカルが発生し、その部分は精製効率が低いことが分かる。【００５０】
＜比較例２＞
冷却手段上に、冷却手段と接触して、黒鉛からなる溶解容器（深さ６０ｍｍ、内径３００ｍｍ）を配置した。
高純度Ｓｉ７．５ｋｇにＡｌ、Ｆｅをそれぞれ重量比２５０ｐｐｍになるように添加して作成したシリコン原料を、溶解容器内に装填し、電子ビームを照射密度１０００ｋＷ／ｍ2で照射して、シリコン原料を完全に溶解した。【００５１】
電子ビームの照射幅（面）を変えずに、凝固速度１ｍｍ／ｍｉｎとなるように、出力強度を徐々に弱め、溶融シリコンが全体の２割になったところで、溶解容器を傾倒し、溶融シリコンを除去した。
溶融シリコンを除去した後、溶解容器内に残ったシリコンを任意の大きさで切り出し、高さ方向に４ｍｍ厚で層状に切断し、それぞれをＩＣＰ−ＭＳで分析した。分析結果を表４に示す。【００５２】
【表４】
2012073876.tif 000006
【００５３】
冷却手段に溶解容器を直接接触させると、比較例１の水冷銅るつぼと同様に、抜熱効率が大きすぎるため、溶解容器の内側底面との接触部分にスカルが発生し、その部分は精製効率が低いことが分かる。【００５４】
＜比較例３＞
図１を参照し、表面を鏡面研磨した銅から成る冷却手段２１の上方に、冷却手段２１と離間して黒鉛から成る溶解容器３１（深さ６０ｍｍ、内径３００ｍｍ）を配置した。鏡面研磨することにより、冷却手段２１の放射率は０．１未満となっている。【００５５】
高純度Ｓｉ７．５ｋｇにＡｌ、Ｆｅをそれぞれ重量比２５０ｐｐｍになるように添加して作成されたシリコン原料を、溶解容器３１内に装填し、電子ビームを照射密度１０００ｋＷ／ｍ2で照射して、シリコン原料を完全に溶解した。
電子ビームの照射幅（面）を変えずに、凝固速度１ｍｍ／ｍｉｎとなるように、出力強度を徐々に弱め、溶融シリコンが全体の２割になったところで、溶解容器３１を傾倒し、溶融シリコンを除去した。
溶融シリコンを除去した後、溶解容器３１内に残ったシリコンを任意の大きさで切り出し、高さ方向に層状に４ｍｍ厚で切断し、それぞれをＩＣＰ−ＭＳで分析した。分析結果を表５に示す。【００５６】
【表５】
2012073876.tif 000007
【００５７】
冷却手段２１の放射率が０．１未満であるため、溶解容器３１の外側底面からの輻射熱が冷却手段２１に反射され、抜熱効率が低下する。そのため、実施例２と同じ現象が起こり、精製途中で不純物濃度が急上昇したことが分かる。【００５８】
＜実施例３＞
図１を参照し、表面を酸化させた銅からなる冷却手段２１の上方に、冷却手段２１と離間して黒鉛からなる溶解容器３１（深さ６０ｍｍ、内径３００ｍｍ）を配置した。
溶解容器３１の内側底面の面積に対する、開口部２９の溶解容器３１の内側底面と平行な断面積の面積比Ｒを４０％以上２００％以下の値に設定した。【００５９】
高純度Ｓｉ７．５ｋｇにＡｌ、Ｆｅをそれぞれ重量比２５０ｐｐｍになるように添加して作成したシリコン原料を、溶解容器３１内に装填し、電子ビームを照射密度１０００ｋＷ／ｍ2で照射して、シリコン原料を完全に溶解した。
電子ビームの照射幅（面）を変えずに、凝固速度１ｍｍ／ｍｉｎとなるように、出力強度を徐々に弱め、溶融シリコンが全体の２割になったところで、溶解容器３１を傾倒し、溶融シリコンを除去した。【００６０】
溶融シリコンを除去した後、溶解容器３１内に残ったシリコンを再度溶解し、完全に溶解したところで、サンプラーにて５ｃｃ取り出し、ＩＣＰ−ＭＳで分析した。
面積比Ｒを４０％以上２００％以下の範囲で変更して、上記分析試験を繰り返した。分析結果を表６に示す。【００６１】
【表６】
2012073876.tif 000008
【００６２】
面積比Ｒが５０％未満の場合は、溶解容器３１の上面中心に向かって良好に一方向凝固できず、面積比Ｒが２００％より大きい場合は、抜熱効率が大きくなり底面にスカルが発生したことが分かる。すなわち面積比Ｒは５０％以上２００％以下が好ましいことが分かる。
【符号の説明】
【００６３】
１０……シリコン精錬装置
１１……真空槽
１２……加熱手段
２１……冷却手段
２５……冷却装置
２９……開口部
３１……溶解容器
３２……第一の断熱材
３３……支持部材（保持具）
３５……第二の断熱材
３６……第三の断熱材
３９……傾斜装置
【図１】
2012073876.tif 000009
【図２】
2012073876.tif 000010
【図３】
2012073876.tif 000011
【図４】
2012073876.tif 000012
【図５】
2012073876.tif 000013
【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年6月12日(2012.6.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
なお、上記実施例では、未凝固シリコンが全体の２割まで減少したときに未凝固シリコンを回収したが、回収するときの未凝固シリコンの割合は全体の２割に限定されず、原料の純度によってあらかじめ決めておけばよい。
次に、加熱手段（電子銃）１２を再動作させて電子ビームを凝固シリコンに照射し、凝固シリコンを溶融させる。
【手続補正書】
【提出日】平成25年7月11日(2013.7.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
【表１】
2012073876.tif 000015
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
【表２】
2012073876.tif 000016
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
【表３】
2012073876.tif 000017
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
【表４】
2012073876.tif 000018
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
【表５】
2012073876.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成25年11月22日(2013.11.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置された冷却手段と、前記真空槽内で前記冷却手段とは離間して配置された溶解容器と、前記溶解容器内のシリコンを溶融させる加熱手段と、前記溶解容器を前記冷却手段上に保持する支持部材と、を有し、前記支持部材には、前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段の表面とが対面するように開口部が設けられ、前記支持部材と前記溶解容器との間には、第一の断熱材が設けられ、前記開口部には第二の断熱材が設けられたシリコン精錬装置である。
本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置された冷却手段と、前記真空槽内で前記冷却手段とは離間して配置された溶解容器と、前記溶解容器内のシリコンを溶融させる加熱手段と、前記溶解容器を前記冷却手段上に保持する支持部材と前記支持部材と前記溶解容器との間に設けられた第一の断熱材と、を有し、前記支持部材には、前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段の表面とが対面するように開口部が設けられ、前記溶解容器の内側底面に対する、前記開口部の前記内側底面と平行な断面の面積比は５０％よりも大きく２００％未満であり、前記溶解容器の前記外側底面からの輻射熱が入射する前記冷却手段の表面の放射率は０．１以上であるシリコン精錬装置である。
本発明はシリコン精錬装置であって、前記開口部には第二の断熱材が設けられたシリコン精錬装置である。
本発明はシリコン精錬装置であって、前記第一の断熱材と前記第二の断熱材はそれぞれカーボンフェルトから構成されたシリコン精錬装置である。
本発明は、溶解容器内に金属シリコンからなる母材を配置し、真空雰囲気中で前記溶解容器に配置された前記母材を加熱して全部溶融させ、前記溶解容器の底面を冷却手段によって冷却して前記溶解容器の内側底面と溶融シリコンが接触する部分からシリコンを凝固し、凝固シリコンを上方に成長させ、前記凝固シリコンの上部に位置する未凝固シリコンを前記溶解容器から除去するシリコン精錬方法であって、前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段の表面とが対面するように開口部が設けられた支持部と、前記溶解容器との間に第一の断熱材を設けて前記支持部によって前記溶解容器を前記冷却手段上に保持し、前記開口部には第二の断熱材を設け、前記溶解容器の底面を冷却するときには、前記溶解容器の前記外側底面を前記冷却手段と離間して対面させて冷却するシリコン精錬方法である。
本発明は、溶解容器内に金属シリコンからなる母材を配置し、真空雰囲気中で前記溶解容器に配置された前記母材を加熱して全部溶融させ、前記溶解容器の底面を冷却手段によって冷却して前記溶解容器の内側底面と溶融シリコンが接触する部分からシリコンを凝固し、凝固シリコンを上方に成長させ、前記凝固シリコンの上部に位置する未凝固シリコンを前記溶解容器から除去するシリコン精錬方法であって、前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段の表面とが対面するように開口部が設けられた支持部と、前記溶解容器との間に第一の断熱材を設けて前記支持部によって前記溶解容器を前記冷却手段上に保持し、前記溶解容器の内側底面に対する、前記開口部の前記内側底面と平行な断面の面積比は５０％よりも大きく２００％未満にし、前記溶解容器の前記外側底面からの輻射熱が入射する前記冷却手段の表面の放射率は０．１以上にし、前記溶解容器の底面を冷却するときには、前記溶解容器の前記外側底面を前記冷却手段と離間して対面させて冷却するシリコン精錬方法である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽と、
前記真空槽内に配置された冷却手段と、
前記真空槽内で前記冷却手段とは離間して配置された溶解容器と、
前記溶解容器内のシリコンを溶融させる加熱手段と、
前記溶解容器を前記冷却手段上に保持する支持部材と、を有し、
前記支持部材には、前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段の表面とが対面するように開口部が設けられ、
前記支持部材と前記溶解容器との間には、第一の断熱材が設けられ、
前記開口部には第二の断熱材が設けられたシリコン精錬装置。
【請求項２】
真空槽と、
前記真空槽内に配置された冷却手段と、
前記真空槽内で前記冷却手段とは離間して配置された溶解容器と、
前記溶解容器内のシリコンを溶融させる加熱手段と、
前記溶解容器を前記冷却手段上に保持する支持部材と
前記支持部材と前記溶解容器との間に設けられた第一の断熱材と、
を有し、
前記支持部材には、前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段の表面とが対面するように開口部が設けられ、
前記溶解容器の内側底面に対する、前記開口部の前記内側底面と平行な断面の面積比は５０％よりも大きく２００％未満であり、
前記溶解容器の前記外側底面からの輻射熱が入射する前記冷却手段の表面の放射率は０．１以上であるシリコン精錬装置。
【請求項３】
前記開口部には第二の断熱材が設けられた請求項２記載のシリコン精錬装置。
【請求項４】
前記第一の断熱材と前記第二の断熱材はそれぞれカーボンフェルトから構成された請求項１又は請求項３のいずれか１項記載のシリコン精錬装置。
【請求項５】
溶解容器内に金属シリコンからなる母材を配置し、
真空雰囲気中で前記溶解容器に配置された前記母材を加熱して全部溶融させ、
前記溶解容器の底面を冷却手段によって冷却して前記溶解容器の内側底面と溶融シリコンが接触する部分からシリコンを凝固し、
凝固シリコンを上方に成長させ、
前記凝固シリコンの上部に位置する未凝固シリコンを前記溶解容器から除去するシリコン精錬方法であって、
前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段の表面とが対面するように開口部が設けられた支持部と、前記溶解容器との間に第一の断熱材を設けて前記支持部によって前記溶解容器を前記冷却手段上に保持し、
前記開口部には第二の断熱材を設け、
前記溶解容器の底面を冷却するときには、前記溶解容器の前記外側底面を前記冷却手段と離間して対面させて冷却するシリコン精錬方法。
【請求項６】
溶解容器内に金属シリコンからなる母材を配置し、
真空雰囲気中で前記溶解容器に配置された前記母材を加熱して全部溶融させ、
前記溶解容器の底面を冷却手段によって冷却して前記溶解容器の内側底面と溶融シリコンが接触する部分からシリコンを凝固し、
凝固シリコンを上方に成長させ、
前記凝固シリコンの上部に位置する未凝固シリコンを前記溶解容器から除去するシリコン精錬方法であって、
前記溶解容器の外側底面と前記冷却手段の表面とが対面するように開口部が設けられた支持部と、前記溶解容器との間に第一の断熱材を設けて前記支持部によって前記溶解容器を前記冷却手段上に保持し、
前記溶解容器の内側底面に対する、前記開口部の前記内側底面と平行な断面の面積比は５０％よりも大きく２００％未満にし、
前記溶解容器の前記外側底面からの輻射熱が入射する前記冷却手段の表面の放射率は０．１以上にし、
前記溶解容器の底面を冷却するときには、前記溶解容器の前記外側底面を前記冷却手段と離間して対面させて冷却するシリコン精錬方法。
【国際調査報告】
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