(57)【要約】  高品質シリコン材料(例えば、多結晶シリコン) を形成するためのシステム。特定の実施態様において、溶融材料には、シリコン材料及び不純物(例えば、リンの種)が含まれる。システムには、内側領域を備えるるつぼが含まれる。特定の実施態様において、るつぼは、適切な材料(例えば石英材料又は他のもの)でできている。石英材料は、シリコンを処理するために少なくとも摂氏1400度の温度に耐えることができる。特定の実施形態において、るつぼは、直立に配置されて、溶融材料を露出させる開放域を備える。特定の実施形態において、本システムは、エネルギー源を備える。かかるエネルギー源は、アークヒーター又は他の適切な加熱装置であってもよい。これには、複合加熱装置が含まれ、それらは、同じものか異なるものであってもよい。アークヒーターは、開放域より上に構成されて、露出溶融材料とアークヒーター銃口部との間の隙間によって間隔が開いている。露出溶融材料の中心付近内で、規定の温度プロファイルを形成させると共に、溶融材料の外側領域をるつぼの石英材料の融点より低い温度に維持する。システムは、結果としてリン種を0.1ppm以下含む溶融材料を生産する。これが、精製されたシリコンである。【選択図】図2
2013519619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電デバイスのための高品質シリコン材料を形成するためのシステムであって、前記システムは、
内側領域を備えるるつぼと、アークヒーターを含むエネルギー源とを、具備し、
前記るつぼは、石英材料でできており、
前記石英材料は、少なくとも摂氏1400度の温度に耐えることができ、
前記るつぼは、直立に配置されて、溶融材料を露出させる開放域があり、
前記アークヒーターを含む前記エネルギー源は、前記開放域より上に構成され、前記露出溶融材料と前記アークヒーターの銃口領域との間の隙間によって間隔が開いており、前記露出溶融材料の中心領域付近内で規定の温度プロファイルの形成を引き起こしつつ、溶融材料の外側領域をるつぼの石英材料の融点より低い温度に維持する、システム。
【請求項２】
前記アークヒーターは、励起アルゴン種を発して、一部の溶融材料に熱移動を引き起こすように構成されるプラズマ銃であり、
前記アークヒーターは、前記アークヒーターの冷却を引き起こす熱移動装置を備える構成である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アークヒーターは、発生源によって強熱することができる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記アークヒーターは、電力定格が20kワット以上であり、デューティーサイクルに従ってパルス駆動することができる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記銃口領域は、最大寸法が約0.5センチメートルから約2センチメートルである、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
最大温度プロファイルは、溶融材料からリン種の除去を引き起こす約3000度以上である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
溶融材料には、少なくとも最大温度プロファイルにより形成される温度勾配によって引き起こされる対流が含まれる、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記対流は、前記溶融材料中で混合を引き起こす、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
太陽電池用高品質シリコン材料を形成するためのシステムであって、前記システムは、
内側領域を備えるるつぼと、アークヒーターを含むエネルギー源と、ノズル領域と、を具備し、
前記るつぼ、石英材料でできており、
前記石英材料は、少なくとも摂氏1400度の温度に耐えることができ、
前記るつぼは、直立に配置されて、溶融材料を露出させる開放域があり、
前記アークヒーターを含む前記エネルギー源は、前記開放域より上に構成され、前記露出溶融材料と前記アークヒーターの銃口領域との間の隙間によって間隔が開いており、前記露出溶融材料の中心領域付近内で規定の温度プロファイルの形成を引き起こしつつ、溶融材料の外側領域をるつぼの石英材料の融点より低い温度に維持し、
前記ノズル領域は、アルゴンガスを出力して前記溶融材料の中心領域付近中でくぼみ領域を引き起こすように構成された、システム。
【請求項１０】
アルゴンガスは、隆起した領域によって各々が隔てられた複数の凹領域を含むくぼみ領域を形成するのに適切な流速を備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ノズル領域は、アルゴンガス発生源に接続し、
前記ノズル領域は、セラミック物質を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記アルゴンガス発生源は、アークチューブから独立して操作可能であり、
前記溶融材料は、0.7 Pascal-秒の粘度を含み、
前記アルゴンガス発生源は、純度99.99%以上である。
【請求項１３】
前記くぼみ領域は、プルームのために表面領域を広げて溶融材料と相互作用し
前記くぼみ領域は、少なくとも1センチメートル以上の深さを有する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記表面領域の増加は、前記くぼみ領域のない表面領域より少なくとも3倍以上である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記表面領域の増加は、前記くぼみ領域のない表面領域より少なくとも5倍以上であり、
前記溶融材料は、乱流によって特徴付けられ、
前記アークヒーターは、前記溶融材料の前記露出領域の選択部分に与えるように構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記るつぼは、カバーガスを受けて前記溶融材料を前記るつぼ内に維持する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記るつぼは、アルゴン含有カバーガスを受けて、前記溶融材料を前記るつぼ内に維持し、
前記カバーガスは、前記溶融材料が酸化を受けないように維持するのに適している、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記蒸発溶融材料の一部を前記溶融材料に戻すように構成されたキャリヤーガスを更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記溶融材料内にシリコン種の大部分を戻すと共に、リン種の大部分を排出するように構成された複数の表面領域を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記溶融材料内にシリコン種の大部分を戻すと共に、リン種の大部分を排出するように構成された複数のフィン領域を更に含み、
前記溶融材料は、シリコン材料及びリン種を含み、
前記溶融材料は、結果としてリン種を0.1ppm以下含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
光電デバイス用高品質シリコン材料を形成する方法であって、前記方法は、
原料シリコン材料を内側領域を備えるるつぼへ移送すること、
前記るつぼ内の前記原料シリコン材料に熱エネルギーを与えて、前記原料シリコン材料を溶融して液体の状態にし、約摂氏1400度より低い温度で溶融材料を形成することと、
前記溶融材料の露出内側領域にアークヒーターを備えるエネルギー源を受けさせることと、
前記溶融材料から1又は複数の不純物を除去して、るつぼ内により高純度のシリコン材料を形成することと、を含み、
前記るつぼは、石英材料でできており、
前記石英材料は、少なくとも摂氏1400度の温度に耐えることができ、
前記溶融材料は、前記るつぼの前記内側領域によって囲まれる露出領域を有し、
前記アークヒーターを備える前記エネルギー源は、前記露出領域より上に構成されて、前記露出領域と前記アークヒーターの銃口部との間との隙間によって間隔が開いており、前記露出溶融材料の内側領域付近内で、規定の温度プロファイルを形成させると共に、前記溶融材料の外側領域を前記るつぼの前記石英材料の融点より低い温度に維持する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願についてのクロスリファレンス
本出願は、2010年8月16日出願の米国出願番号第61/374,213号、2011年2月8日出願の米国出願番号第13/023467号、2011年2月9日出願の米国出願番号第13/024292号及び2010年2月12日出願の中国特許出願番号第099104551号の優先権を主張し、本願明細書において参照によりここに組み込まれる。
【０００２】
発明の背景
本発明は、材料を精製するための装置及び方法に関する。より詳しくは、本発明は、太陽電池用単結晶シリコンインゴット及び多結晶シリコンインゴットを低コストで製造するのに適している原料を生産する金属シリコン精製の分野についての方法及びシステムに関する。上記のものは、シリコンを精製する観点から記載されているが、他の分野にも応用できる。
【０００３】
太陽電池を製造するために使用される従来型の多結晶シリコンのシリコン材料は、所謂シーメンス法によってしばし生産される。かかる方法は、確立されていて安定であり、そして太陽電池を製造するための一定品質のシリコンを製造する。しかしながら、シーメンス法には、限界がある。即ち、シーメンス法は、その製造工程の性質のために、ここ数年にわたる低価格の要求と、劇的な需要増に合わせることが困難であり、これらを満たすことができなくなっている。加えて、製造工程中には、有毒原料(例えばHCl及びSiHCl3)の使用を伴い、有毒副産物であるSiCl4が生産される。これらの材料は、爆発性が高くもある。シーメンス法は、危険でもあり、環境にもやさしくない。
【０００４】
もう1つの方法として、製錬を用いるシリコン精製方法が提案されている。しかしながら、かかる精製方法には限界がある。即ち、かかる方法は、生産規模に達成することができずにいる。一定の他の成果が製錬技術を用いて達成された。残念なことに、かかる技術用設備の規模に対する能力は非常に大きいため、生産費はまだ高い。これら及び他の限界は、本願明細書全体にわたって、特に下記に記載されている本技術によって克服できる。
【０００５】
以上から、シリコン生産に関する改良技術が強く望まれていることが理解される。
【０００６】
発明の開示
本発明は、材料を精製するための装置及び方法に関する。より詳しくは、本発明は、太陽電池用単結晶シリコンインゴット及び多結晶シリコンインゴットを低コストで製造するのに適している原料を生産する金属シリコン精製の分野についての方法及びシステムに関する。上記のものは、シリコンを精製する観点から記載されているが、他の分野にも応用できる。
【０００７】
前述の製造法は、太陽電池にとって十分高品質なシリコンを生産する。しかしながら、よりきれいでより柔軟な製造、低コスト及び大規模製造能力に関する要求が増えるにつれて、従来法では限界である。実施形態に基づくと、これらの限界の1又は複数は、克服できる。
【０００８】
特定の実施形態において、本発明は、高品質シリコン材料(例えば、多結晶シリコン)を形成するシステムを提供する。特定の実施形態において、溶融材料には、シリコン材料及び不純物(例えば、リン種)が含まれる。システムには、内側領域を備えるるつぼが含まれる。特定の実施形態において、るつぼは、適切な材料(例えば石英材料又は他のもの)でできている。石英材料は、シリコンを処理するために少なくとも摂氏1400度の温度に耐えることができる。特定の実施形態において、るつぼは、直立に配置されて、溶融材料を露出させる開放域を備える。特定の実施形態において、本システムは、エネルギー源を備える。かかるエネルギー源は、アークヒーター又は他の適切な加熱装置であってもよい。これには、複合加熱装置が含まれ、それらは、同じものか異なるものであってもよい。アークヒーターは、開放域より上に構成されて、露出溶融材料とアークヒーター銃口部との間の隙間によって間隔が開いている。露出溶融材料の中心付近内で、規定の温度プロファイルを形成させると共に、溶融材料の外側領域をるつぼの石英材料の融点より低い温度に維持する。特定の実施形態において、システムは、結果としてリン種を0.1ppm以下含む溶融材料を生産する。これが、精製されたシリコンである。
【０００９】
特定の実施形態において、本発明は、高品質シリコン材料(例えば、多結晶シリコン)を形成する方法を提供する。方法には、内側領域を備えるるつぼに原料のシリコン材料を移送することが含まれる。るつぼは、石英又は他の適切な材料でできており、少なくとも摂氏1400度の温度に耐えることができる。方法は、るつぼ内の原料シリコン材料に熱エネルギーを与えて、原料シリコン材料を溶融して液体の状態にし、約摂氏1400度より低い温度で溶融材料を形成する。好ましくは、溶融材料は、るつぼの内側領域によって囲まれる露出領域がある。方法は、溶融材料の露出内側領域にアークヒーターを備えるエネルギー源を受けさせることも含み、アークヒーターを備えるエネルギー源は、露出領域より上に構成されて、露出領域とアークヒーター銃口部との間の隙間によって間隔が開いており、露出溶融材料の内側領域付近内で、規定の温度プロファイルを形成させると共に、溶融材料の外側領域をるつぼの石英材料の融点より低い温度に維持する。好ましくは、方法は、溶融材料から1又は複数の不純物を除去して、より高純度なシリコン材料をるつぼ内に形成させる。
【００１０】
特定の実施形態において、アークヒーターは、励起アルゴン種を放出して一部の溶融材料に熱移動を引き起こすように構成されるプラズマ銃である。特定の実施形態において、アークヒーターは、溶融材料の露出領域において選択された部分が対象となるように構成される。アークヒーターは、アークヒーターの冷却を引き起こす熱移動装置を備える構成である。特定の実施形態において、アークヒーターは、発生源による強熱が可能である。好ましくは、アークヒーターは、電力定格が20kワット以上であり、約30%の〜50%のデューティーサイクルによるパルス駆動が可能であって、それ以外のものを含む。例えば、30%のデューティーサイクルは、30%の作動状態に続いて70%の停止状態がくることを意味すると、当業者には解釈される。特定の実施形態において、銃口領域は、最大寸法が約0.5センチメートルから約2センチメートルである。当然、他のバリエーション、修飾及び代替が可能である。
【００１１】
特定の実施形態において、温度プロファイルは、一定の結果を達成するために規定される。即ち、温度プロファイルは、溶融材料からリン種の除去を引き起こす約3000度より大きい最大温度プロファイルである。好ましい実施形態において、かかる温度は、シリコン材料溶融物から任意のリン不純物及び/又は種を取り除くのに重要であった。特定の実施形態において、るつぼ内の溶融材料は、少なくとも最大温度プロファイルと溶融材料のエッジ付近内のより低い温度によって形成される温度勾配によって引き起こされる対流によって特徴付けられる。特定の実施形態において、対流は、溶融材料中で混合を引き起こす。好ましい実施形態において、流れは、溶融材料内で混合を促進する乱流でもある。
【００１２】
好ましい実施形態において、システム及び方法は、アルゴンガスを出力して溶融材料の中心領域付近内にくぼみ領域を引き起こすように構成されるノズル領域を備える。1又は複数の実施形態において、ノズル領域は、複数のノズル又はその類いである。特定の実施形態において、くぼみ領域は、プルームのために表面領域を広げて溶融材料と相互作用するものである。くぼみ領域は、少なくとも1センチメートル以上の深さを有する。好ましくは、増加した表面領域は、くぼみ領域のない表面領域よりも少なくとも3倍大きいか、より好ましくは、増加した表面領域は、くぼみ領域のない表面領域よりも少なくとも5倍大きい。シリコンを一例とすれば、溶融材料は、0.7パスカル秒よりもわずかに大きいかわずかに小さい粘度である。好ましい実施形態において、アルゴンガスは、流速が5l/分〜20l/分である。特定の実施形態において、溶融材料と衝突しているガスは、隆起した領域によって各々が隔てられた複数の凹領域によって特徴付けられるくぼみ領域を形成する。特定の実施形態において、アルゴンガス発生源に接続するノズル領域は、セラミック物質でできている。好ましくは、アルゴンガス発生源は、アークチューブのエネルギーの操作から独立して操作可能である。好ましい実施形態において、アルゴンガス発生源は、純度が99.99%以上である。他の実施形態において、非反応性の他の適切なガスを用いてもよい。当然、他のバリエーション、修飾及び代替が可能である。
【００１３】
好ましい実施形態において、本システム及び方法は、カバーガス又は圧縮ガスを使用して溶融材料の大部分をるつぼ内に封じ込める。即ち、るつぼは、カバーガスを受けて溶融材料をるつぼ内に維持する。好ましい実施形態において、るつぼは、アルゴン含有カバーガス又は他の適切な希ガス若しくはその複数種のガスを受けて溶融材料をるつぼ内に維持する。好ましくは、カバーガスは、溶融材料が酸化又は他の望ましくない条件を受けないように維持するのに適している。カバーガスは、るつぼを囲んでいるチャンバー及び/又はハウジングの中で提供される。当然、他のバリエーション、修飾及び代替が可能である。
【００１４】
好ましい実施形態において、システム及び方法には、一部の蒸発溶融材料を溶融材料に戻すように構成したキャリヤーガスも含まれる。特定の実施形態において、キャリヤーガスはアルゴン又は他の希ガスとすることができる。これらは、シリコン種からなる任意の蒸発溶融材料を溶融材料内に戻すのに適している。特定の実施形態において、システムは、溶融材料内にシリコン種の大部分を戻すと共に、リン種の大部分を排出するように構成された複数の表面領域を有する。好ましくは、表面領域は、溶融材料内にシリコン種の大部分を戻すと共に、リン種の大部分を排出するように構成された複数のフィン領域を含む。当然、他のバリエーション、修飾及び代替が可能である。
【００１５】
他の実施形態において、本発明には、従来技術の限界を克服する金属シリコン精製装置が含まれる。特定の実施形態において、本方法及びシステムは、従来型の単結晶シリコン引上げ装置を改良するものであり、通常は、容器、るつぼ、るつぼ支持体及びヒーターが含まれる。既存装置に関する以下の手段のうちの少なくとも1つを実行することによって、金属シリコンの精製は、装置(独立噴射装置、フィンを備えるガイドエレメント、操作装置、真空ポンプ)のうちの1つか、一部か、又は全部を同時に使用して実行される。
独立噴射装置は、るつぼより上に提供される。これは、精製に必要なプラズマ、ガス及び化学物質を高速の噴流でシリコン溶融物表面へ供給することと、その供給菅よってシリコン溶融物表面にくぼみ形成することと、温度勾配に起因するシリコン溶融物全体の温度プロファイルと協同して熱循環を容易にすることと、循環転回半径を増加させることと、精製ガス及び化学物質とシリコン溶融物との間の接触面を増加させることのためである。これによって、精製効率は上がる。
フィンを備えるガイドエレメントは、るつぼと精製ガス及び化学物質供給用供給菅対して適切な位置でるつぼ内シリコン溶融物より上に提供し、シリコン溶融物の加熱の結果としてシリコン溶融物の表面から上昇する湿潤ガス流がシリコン溶融物の表面へ戻るように導く。その結果、湿潤ガスは、シリコン溶融物と効果的に接触する。ガイドエレメントとシリコン溶融物の表面との間の距離、フィンとシリコン溶融物との間の距離及びるつぼの内側周径とフィンと間の距離は、重要である。
操作装置は、ヒーターに対してるつぼを垂直及び水平にシフトさせるため並びに回転させるために容器の下に設けられ、一方向冷却精製を得るために固液界面を調節し、固相-液相線についてシリコン溶融物内残留不純物の濃度に関する温度偏析係数の管理を必要としない。従って、湿潤ガスの効果的な逆流を可能にして、装置からの噴流により形成されるくぼみの形態を制御することを、るつぼとガイドエレメントとの間の距離を調節することによって行なう。水平にシフトすることができる一組の弁を操作装置に更に提供して、容器を開閉することによって容器からるつぼを取り出すか容器内にるつぼを挿入する場合に酸素と炭素部との反応を低減させる。
真空ポンプは、容器内部の圧力又は真空度を調節して、様々な不純物の蒸発条件に適応させるために提供される。
【００１６】
特定の実施形態によれば、本技術は、単純構造(例：独立ガス及び化学物質噴射装置、るつぼ操作装置、ガス流ガイドエレメント、及び容器内圧力を低下させる真空ポンプ)を追加することによってこれらの限界の一部又は全部を克服する。その結果、これらの小さな変更により精製効率を向上させることができる。同時に、装置は、単純で維持が容易であり、既存の単結晶シリコン引上げ装置に対して小さな変更でよく、組立時間が短い。従って、費用を減らすことができ、大規模生産が可能である。加えて、本技術の装置は、有毒原料を使用せず、有毒副産物を生産しない一方で、精製工程の安全性は確保されている。
【００１７】
特定の実施形態によれば、本発明は、容器、るつぼ、るつぼ支持体及びヒーターを含んでいる既存の単結晶シリコン引上げ装置を改良することによって得られる金属シリコン精製装置を提供する。装置は、以下の金属シリコン精製装置(独立噴射装置、フィンを備えるガイドエレメント、操作装置、真空ポンプ)のうちの1つか、一部か、又は全部を備える：独立噴射装置は、精製に必要なプラズマ、ガス及び化学物質を高速の噴流でシリコン溶融物の表面へ提供するためにるつぼより上にある；ガイドエレメントは、シリコン溶融物の表面から来ているガスをシリコン溶融物の表面へ戻すガイドとしてるつぼ内シリコン溶融物より上の適切な位置にある；操作装置は、ヒーターとガイドエレメントに対してるつぼを垂直及び水平にシフトさせるため並びに回転させるために容器の下に提供して最適な精製効率を得る；そして、真空ポンプは、容器内部の圧力又は真空度を調節して、様々な不純物の蒸発条件に適応させる。
【００１８】
多くの利益が従来技術を超える本発明によって達成される。例えば、本技術は、従来技術による工程の使用が容易である。いくつかの実施形態では、方法は、モジュール的接近法を用いる高精製シリコン材料を提供する。他の好ましい実施形態では、本方法及びシステムは、(1)溶融材料にくぼみ領域を作るための1又は複数のガス用ノズル；(2)溶融材料を維持するためのカバーガス又は環境；及び(3)蒸発溶融材料を溶融物内へ戻すためのキャリヤーガス又は環境を使用する。加えて、方法は、従来設備及び工程を大幅に改良することなく従来の工程技術と適合する工程及びシステムを提供する。実施形態によって、これらの利益の1又は複数が達成可能である。これら又は他の利益は、本明細書全体にわたって、特に下記に記述される。
【００１９】
本発明に関する様々な追加の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面を参照することで、より充分に理解することができる。
【００２０】
特定の実施形態によれば、本発明は、光電デバイス用の高品質シリコン材料の形成方法を提供する。方法には、内側領域を備えるるつぼに原料シリコン材料を移送することと、るつぼの原料シリコン材料に熱エネルギーを与えてシリコン材料を溶かして液体状態にし、約摂氏1400度より低い温度の溶融材料を形成することと、溶融材料の露出内側領域にアークヒーターを含むエネルギー源を受けさせることと、溶融材料から1又は複数の不純物を除去して、るつぼに高純度シリコン材料を形成することが含まれる。るつぼは、石英材料でできている。石英材料は、少なくとも摂氏1400度の温度に耐えることができる。露出領域を有する溶融材料は、るつぼの内側領域によって囲まれている。アークヒーターは、露出領域より上に構成されて、露出領域とアークヒーターの銃口領域との間の隙間によって間隔が開いており、るつぼの石英材料の融点より低い温度で溶融材料の外側領域を維持すると共に溶融材料の露出内側領域付近内に規定の温度プロファイルを形成する。加えて、方法には、ノズル領域を通じて希ガスを出力して、溶融材料の中心領域付近内でくぼみ領域を引き起こすことが含まれる。希ガスには、最適な流速によって特徴付けられるアルゴンガスが含まれ、隆起した領域によって各々が隔てられる複数の凹領域を含むくぼみ領域を形成する。ノズル領域は、アルゴンガス源に接続することができる。ノズル領域は、セラミック物質を含む。くぼみ領域は、プルームのために表面領域を広げて溶融材料と相互作用することができる。くぼみ領域は、深さが少なくとも1センチメートル以上である。溶融材料は、0.7パスカル秒の粘度とすることができる。方法は、るつぼ内に溶融材料を維持するためにカバーガスを提供することを更に含むことができる。方法は、溶融材料に一部の蒸発溶融材料を戻すように構成されたキャリヤーガスを提供することを更に含むことができる。方法は、複数の表面領域を使用して、シリコン種の大部分を溶融材料内に戻すと共にリン種の大部分を排出することを更に含むことができる。溶融材料は、シリコン材料及びリン種を含むことができる。溶融材料は、結果としてリン種を0.1ppm以下含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本発明は、添付の図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を読むことによってより充分に理解することができる。
【図１】図1は、単結晶シリコンインゴットを成長させるための、単純化された従来装置を表している断面線図である。
【図２】図2は、本発明の改良装置の第一の実施形態を表している断面線図である。
【図３】図3は、るつぼの簡単な輸送に関する本発明の改良装置の第二の実施形態を表している断面線図である。
【図４】図4は、図3の容器内へるつぼを挿入すること/図3の容器からるつぼを取り出すことを表している断面線図である。
【図５】図5は、本発明にかかる、精製材料供給システム用管の末端を表している断面線図である。
【図６】図6(6A及び6Bを含む)は、精製材料供給システム用の複数管を表している断面線図である。
【図７】図7は、本発明のガイドエレメントを表している断面線図である。
【図８】図8は、本発明の装置におけるプラズマアークヒーターのガス流を表している断面線図である。
【図９】図9は、本発明のプラズマアークヒーター及び高圧ガスによって引き起こされる、シリコン溶融物のくぼみ及び循環を図示している概略図である。
【図１０】図10は、本発明の装置内部の噴射装置及びガイドエレメントの位置関係を図示している概略図である。
【図１１】図11(11A - 11Dを含む)は、本発明に関する複数のアークヒーターの配置を図示している概略図である。
【図１２】図12は、本発明のるつぼに対する複数の噴射装置の位置を図示している概略図である。
【図１３】図13(13A及び13Bを含む)は、本発明に関する複数のプラズマアークヒーターによって引き起こされる、シリコン溶融物の表面中心のくぼみ領域を図示している概略図である。
【図１４】図14は、本発明の一実施形態による引上げ装置の簡略線図である。
【００２２】
実施形態の詳細な説明
本発明は、材料を精製するための装置及び方法に関する。より詳しくは、本発明は、太陽電池用単結晶シリコンインゴット及び多結晶シリコンインゴットを低コストで製造するのに適している原料を生産する金属シリコン精製の分野についての方法及びシステムに関する。上記のものは、シリコンを精製する観点から記載されているが、他の分野にも応用できる。
【００２３】
本発明を実現したものは、下記の実施形態に記載する。
【００２４】
図1は、単結晶シリコンインゴットを成長させるための、典型的な単純化された装置を表している断面線図である。この線図は、単なる例示であり、本願明細書において請求項の範囲を過度に制限すべきではない。当業者は、他のバリエーション、修飾及び代替を認識するだろう。線図において、参照番号1は容器、2はるつぼ支持体、3はるつぼ操作装置、4はヒーター、そして5はるつぼを示す。容器1の石英るつぼ5は、低密度熱材料でできているるつぼ支持体2によって支えられ、シリコン精製工程中の熱クリープに起因するるつぼ5のひび割れを防止する。るつぼ5をヒーター4内部に設置し、熱を放射して容器1に熱場を作り、るつぼ5のシリコン原料を溶解させる。これよって、シリコン溶融物が生産される。シリコン溶融物は、ヒーター4から放射される熱を吸収して、その表面から熱を放散させるか、固液界面を経て成長中のインゴット(図示せず)に熱を伝播して、インゴット表面から熱を分散させることで、シリコンが成長する現象が生じる。るつぼ操作装置3は、上又は下にるつぼ5を移動させてシリコンの成長を補助する。シリコン成長の間、インゴットは、ゆっくり回転して上昇する一方で、シリコン溶融物表面は下降する。るつぼ5は、シリコン成長工程の安定性を確保するために、ゆっくり上がらなければならない。これは、液体表面のレベルを一定に保持してシリコン材料の加熱を固液界面で維持するためである。
【００２５】
高温でのシリコンの酸化を回避するために、容器は、不活性アルゴン(Ar)ガス雰囲気にて一般的には操作される点に留意する必要がある。Arガスは、容器の最上部を通じて供給され、Ar湿潤ガスとシリコン溶融物との反応を通じて精製を容易にすることができる。
【００２６】
好ましい実施形態において、本システム及び方法は、カバーガス又は圧縮ガスを使用して溶融材料の大部分をるつぼ内に封じ込める。即ち、るつぼは、カバーガスを受けて溶融材料をるつぼ内に維持する。好ましい実施形態において、るつぼは、アルゴン含有カバーガス又は他の適切な希ガス若しくはその複数種のガスを受けて溶融材料をるつぼ内に維持する。好ましくは、カバーガスは、溶融材料が酸化又は他の望ましくない条件を受けないように維持するのに適切している。カバーガスは、るつぼを囲んでいるチャンバー及び/又はハウジングの中で提供される。当然、他のバリエーション、修飾及び代替が可能である。
【００２７】
図2は、従来型の結晶引き上げ機を改良した金属シリコン精製装置に関する第一の実施形態を表す線図である。この線図は、単なる一例であり、本願明細書をもって請求項の範囲を過度に制限すべきではない。当業者は、他のバリエーション、修飾及び代替を認識するだろう。線図において、参照番号10は容器、10aは容器の上部、10bは容器本体、11はヒーター、12は減圧菅、15は排気通路制御蓋、20はるつぼ、30はるつぼ操作装置、61は化学物質及びガス供給菅、62は高圧ガス供給菅、70はガス流ガイドエレメント、そして、100はシリコン溶融物を示す。
【００２８】
容器10には、上部10aと、容器本体10bとが含まれている。シリコン溶融物100の表面より上には、化学物質及びガス供給菅61と高圧ガス供給菅62からなる独立噴射装置がある。供給菅61を通じて、精製に必要な化学物質及びガス(例えばカルシウム(Ca)、シリコン(Si)及びマグネシウム(Mg)の可溶性化合物、水素(H2)ガス又は酸素(O2)ガス)がシリコン溶融物100の表面に供給される。同時に、高圧ガス供給菅62を通じて、高圧の湿潤ガス混合物(例えば水蒸気(H2O)又はArガス)は、高圧噴流を介してシリコン溶融物100の表面の中心に供給される。このことにより、シリコン溶融物100の表面(図9を参照)にくぼみ90が形成される。そして、るつぼ20内シリコン溶融物100中の温度勾配と協同して、熱循環及び/又は物質対流を成し遂げることができる。噴流は、るつぼ20内シリコン溶融物100の混合を容易にするだけでなく、化学物質/ガスとシリコン溶融物100との間の接触面も増加させて、精製工程の効率を向上させる。
【００２９】
加えて、ガイドエレメント70は、るつぼ20並びに供給菅61及び62に対して適切な位置及び距離でるつぼ20内シリコン溶融物100の上方に提供される。ガイドエレメント70を通じて、シリコン溶融物100の表面から昇る高温ガスがシリコン溶融物100の表面へ導かれるため、湿潤ガスがシリコン溶融物100と効果的に接触できるようになり、精製工程の効率が上がる。ガイドエレメント70を以下で更に述べる。
【００３０】
好ましい実施形態において、システムには、溶融材料に一部の蒸発溶融材料を戻すように構成された、キャリヤーガスと共にガイドエレメントが含まれる。特定の実施形態において、キャリヤーガスはアルゴン又は他の希ガスとすることができる。これは、シリコン種からなる任意の蒸発溶融材料を溶融材料内へと戻すのに適している。特定の実施形態において、システムは、溶融材料内にシリコン種の大部分を戻すと共に、リン種の大部分を排出するように構成された複数の表面領域を有する。好ましくは、表面領域は、溶融材料内にシリコン種の大部分を戻すと共に、リン種の大部分を排出するように構成された複数のフィン領域を含む。当然、他のバリエーション、修飾及び代替が可能である。
【００３１】
加えて、高温でのシリコン溶融物の酸化とシリコンの過熱を防止するために、容器10内部の真空度を変えて、原料シリコンに含まれる様々な不純物の蒸発条件に適応させ、安全な金属シリコン精製工程を確保するようにしている。具体的には、真空ポンプ(図示せず)及びガス流弁(図示せず)を使用して、容器10のガス及び反応ガス流を制御する。ポンプは、減圧菅12を介して圧力を調節し、水蒸気(精製用材料)の一定供給に起因する昇圧によって引き起こされるあらゆる危険を回避する。これよって、安全且つ安定した金属シリコン精製工程の条件が提供される。
【００３２】
図3及び4は、従来型の引き上げ機を改良した金属シリコン精製装置に関する第二の実施形態を表す線図である。線図において、参照番号10は容器、11はヒーター、12は減圧菅、13は弁及び/又はポート又はロードロックのセット、14は弁操作アームのセット、15は排気通路制御蓋、20はるつぼ、30はるつぼ操作装置、31はるつぼ操作装置の基部、32はるつぼ操作装置移動シャフト、33はるつぼ操作装置モーター、40はるつぼ輸送装置、41はるつぼコンベヤーベルト、50はプラズマアークヒーター、60は精製用材料供給システム、61は化学物質及びガス供給菅、62は高圧ガス供給菅、70はガス流ガイドエレメント、そして、100はシリコン溶融物を示している。
【００３３】
シリコン溶融物100の表面より上には、化学物質及びガス供給菅61と高圧ガス供給菅62からなる独立噴射装置がある。供給菅61を通じて、精製に必要な化学物質及びガス(例えばカルシウム(Ca)、シリコン(Si)及びマグネシウム(Mg)の可溶性化合物、水素(H2)ガス又は酸素(O2)ガス)は、シリコン溶融物100の表面に供給される。同時に、高圧ガス供給菅62を通じて、高圧の湿潤ガス混合物(例えば水蒸気(H2O)又はArガス)が高圧噴流を介してシリコン溶融物100の表面の中心に供給される。このことにより、シリコン溶融物100の表面(図9を参照)にくぼみ90が形成される。そして、るつぼ20内シリコン溶融物100中の温度勾配と協同して、熱循環及び/又は対流を成し遂げることができる。噴流は、るつぼ20内シリコン溶融物100の混合を容易にするだけでなく、化学物質/ガスとシリコン溶融物100との間の接触面も増加させて、精製工程の効率を向上させる。加えて、プラズマアークヒーター50は、シリコン溶融物100より上に提供される。プラズマアークヒーター50は、精製用材料供給システム60と一体化した独立噴射装置を形成しており、るつぼ20内シリコン溶融物100の表面の方へプラズマを断続的且つ局所的に放射する。これが、シリコン溶融物100にわたる再現性のある温度プロファイルを作成する。同時に、高圧ガス供給管62からの酸素(O2)ガスをプラズマアークヒーター50によって供給される燃焼水素(H2)の方へ供給して、るつぼ20内シリコン溶融物100の表面中心内に供給する。これにより水素燃焼を介して水蒸気(H2O)が形成される。水蒸気は、高圧酸素噴流の力を通じてシリコン溶融物100内に更に伝播することで、シリコン精製に必要な水蒸気がシリコン溶融物100へ効果的に供給される。
【００３４】
加えて、第二の実施形態においては、るつぼ操作装置30を容器10の下に設けて上昇/下降、回転及び水平シフトを提供する。るつぼ操作装置30には、るつぼ操作装置の基部31、るつぼ操作装置移動シャフト32及びるつぼ操作装置モーター33が含まれる。本発明は、シリコン成長用種インゴットを必要としないので、精製工程の間、るつぼ20内シリコン溶融物100の水平面は下降しない。るつぼ操作装置30を通じて、るつぼ20を取り付けるか取り出すために容器10の内側にあるるつぼ20の鉛直移動を制御できるだけでなくて、シリコン精製工程終了後のるつぼ20をるつぼ輸送装置40とるつぼコンベヤーベルト41とが協同して輸送することもできる。更に、るつぼ20の鉛直移動及び回転をるつぼ操作装置30によって制御することができる。このことは、ヒーター11の位置に対するシリコン溶融物100の固液界面を調整するようにして偏析理論(Segregation Theory)に基づく一方向冷却精製を達成するようにする。これは、固相-液相線についてのシリコン溶融物100内残留不純物の濃度に関する温度偏析係数の管理を必要としない。シリコン精製用ヒーター11の位置に対するシリコン溶融物100の固液界面をるつぼ操作装置30によって調節することに加えて、るつぼ20とガイドエレメント70との間の距離をるつぼ操作装置30によって制御することもできる。その結果、表面からの湿潤ガスは、シリコン溶融物100へ効率的に向かって精製用の水の供給を容易にする。同時に、距離を制御することによって、噴射装置からの噴流による直接的な衝突により引き起こされる、シリコン溶融物100表面のくぼみ90の形態(図9を参照)は、制御可能である。更に、図3及び4を参照すると、るつぼ操作装置30の他には、水平に開閉可能な一組の弁13(水平にシフト可能な一組の弁操作アーム14によって制御されもの)が、容器10の下に提供されている。容器10内へるつぼを取り付ける/容器10からルツボを取り出す場合、弁13を水平に開閉して、シリコン溶融物100の精製反応に影響を及ぼす、容器内炭素物産と酸素との反応を低減させる。
【００３５】
加えて、ガイドエレメント70は、るつぼ20と供給菅61及び62に対する適切な位置でるつぼ20内シリコン溶融物100上に提供される。ガイドエレメント70を通じて、シリコン溶融物100の表面に供給される精製用ガス由来の高温ガスは、シリコン溶融物100の表面へ戻るように導かれるため、シリコン溶融物100と湿潤ガスが効果的に接触できるようになる。これにより、精製工程の効率が上がる。
【００３６】
加えて、高温でのシリコンの酸化を防止するために、容器10を一定の真空度に保たれなければならない。具体的には、真空ポンプ(図示せず)及びガス流弁(図示せず)を使用して、容器10のガス及び反応ガス流を制御する。ポンプは、減圧菅12を介して圧力を調節し、水蒸気(精製用材料)の一定供給に起因する昇圧によって引き起こされるあらゆる危険を回避する。これよって、安全且つ安定した金属シリコン精製工程の条件が提供される。
【００３７】
図5は、図2、3及び4に記載されている本発明の精製用材料供給システム60の管末端を表している概略図である。シリコン溶融物100表面の中心にくぼみ90を形成して精製用材料とシリコン溶融物100との接触面及び接触時間を増やすように高圧湿潤ガス混合物を供給することと、精製のためにるつぼ20内シリコン溶融物100の混合を強めることのために、精製用材料供給システム60の管は、収束しているコーン形状を有するように設計して噴射圧力及び流速を高めている。このコーン形状の管の材料は、慎重に選択すべきである。これは、化学物質及びガスを供給するために使用され、熱源として使用されるときの損失を減らすためである。この目的で、管は、材料(例えば石英)によって好ましくは被覆される。
【００３８】
図6は、図2、3及び4に記載されている、化学物質及びガス供給菅61と高圧ガス供給菅62からなる、本発明の独立した精製用材料供給システム60を具現したものを表している概略図である。図6は、精製用材料(例えば、化学物質、ガス及び可溶性化学物質)の種々の組合せを供給する同心性の二重管(外管a及び内管bを含むもの)の設計を示す。参照文字/数字a0及びb0は、それぞれ外管aと内管bの放出口を示す。しかしながら、本発明は、これらに限定されず、それらが精製用材料の種々の組合せをシリコン溶融物の表面に供給する限り、3又は4以上の管を備えることができる。
【００３９】
図6(A)及び6(B)は、精製用材料をシリコン溶融物100の表面に供給する複数管の設計の具現したものを表している断面線図である。図6(A)に示すように、内管は、外管から突出している。内管の放出口b1は、高圧湿潤ガス(例えば、Ar)及び/又は水を供給する。その一方で、外管の放出口a1は、Arガスを供給する。かかる設計を通じて、高圧湿潤ガス及び/又は水は、くぼみ90(図9を参照)の中心を経てシリコン溶融物の表面を通過することができるため、シリコン精製に必要な湿潤ガス及び/又は水をるつぼ20内シリコン溶融物100内に効率的に供給する。図6(B)に示すように、内管は、外管より短く、外管の放出口a2は、O2と反応するH2ガスを供給して水を形成する。その一方で、内管の放出口b2は、燃焼水素ガスとの反応時における水形成に必要なO2を供給する。内管は外管より短いので、外管の放出口a2によって供給されるH2は、拡散によってシリコン溶融物100の表面に到達し、高温により燃焼することができる。O2が内管b2の放出口b2から燃焼H2の中心の方へ供給される場合は、水蒸気が生じる。この水蒸気及び一部の未反応遊離酸素は、精製のためにシリコン溶融物100の表面に効率的に導入される。
【００４０】
図7は、本発明にかかる反応ガス流ガイドエレメント70の設計を表している概略図である。上記の通り、ガイドエレメント70は、プラズマアークヒーター50及び精製用材料供給システム60を考慮して、るつぼ20内シリコン溶融物100に対して適切な距離及び位置で配置される。ガイドエレメント70は、上昇する熱気をシリコン溶融物100の表面へ戻すことで、シリコン溶融物100と湿潤ガスの効率的な接触を可能にして、精製工程の効率を上げる。ガイドエレメント70は、本体74と、本体74の下部エッジから伸びているいくつかのフィン71、72及び73とを含んでいる。
【００４１】
図8は、高温且つ湿潤のガス流の上昇を表している概略図である。プラズマアークヒーター50がるつぼ20内シリコン溶融物100を照射すると、シリコン溶融物100の温度は上がり、高温且つ湿潤のガス流の上昇(破線によって明示されるもの)が生じて、るつぼ20内シリコン溶融物100の表面より上に拡散する。
【００４２】
また、図10には、るつぼ20とシリコン溶融物100の表面に対するガイドエレメント70の距離及び位置と、上昇する高温且つ湿潤のガス流とのそれらの相対的な関係と、が示されている。距離及び位置は、発明者によって行われる実際の実験から得られるものであり、本発明を制限するものとは解釈されない。
【００４３】
図10に示すように、参照番号11は、ヒーター、50はプラズマアークヒーター、60は精製用材料供給システム、61は化学物質及びガス供給管、62は高圧ガス供給管、70はガス流ガイドエレメント、71及び72はフィン、20はるつぼ、100はシリコン溶融物、h1はプラズマアークヒーター放出口とシリコン溶融物の表面との間の距離、h2はガイドエレメント70のフィン71とシリコン溶融物100の表面と間の距離、h3は最も長いフィン71の長さ、h4はガス供給管61からプラズマアークヒーター50放出口までの距離、s1はプラズマアークヒーター50とガイドエレメント70のボアとの間の距離、s2はプラズマアークヒーター50から内側フィン72までの距離、そして、s3はフィン71と72との間の間隔を示す。距離h4は、精製用材料供給システム60のジェット力と、ガイドエレメント70を通じた反応ガス流の供給量(V)に依存している。
【００４４】
実験結果に基づくと、供給量(V)が100〜800L/時間であるときに、距離h4は、最大で10cmである。
【００４５】
距離h1に関しては、距離h1が5cmに達する場合に結果が最善であることが実験結果から理解できる。適切な範囲は、1cmから18cmである。
【００４６】
距離s1に関して、この距離s1は、可能な限り短くしてガスが流れる速度を促進すべきであることが実験結果から理解できる。実験結果から、化学物質及びガス供給管61並びに高圧ガス供給管62がガイドエレメント70の下部エッジのレベルまで降ろされる場合には、距離s1は、好ましくは1cmから6cmの間にある。
【００４７】
距離s2は、精製用材料供給システム60の圧力とガス供給量(V)(即ち、その空間を通過しているガスの流速)に依存している。実験結果から、供給量(V)が100〜800L/時間である場合、距離s2は、2cmから8cmの間にあるときに適した結果となる。
【００４８】
距離s2及びs3は、フィン71及び72の数にも依存している。実験結果から、フィンの数が2のとき、距離s2及びs3の合計は、好ましくは距離s2 ＋ 5mmから30mmである。
【００４９】
距離h2に関しては、理論的には、距離がより小さいほど結果がより良好であることが理解できる。しかし、温度変化の影響等を考慮すると、距離h2は、好ましくは5mmから50mmの間にある。
【００５０】
距離h3は、距離h2とガイドエレメント70の位置に関連する。実験結果から、距離h3は、好ましくは5mmから30mmの間にある。
【００５１】
距離h1に関しては、プラズマアークヒーター50が実験において用いられる場合には、5cmが適切である。しかしながら、プラズマアークヒーター50の使用は潜在的な危険性があるため、距離h1が1cmから18cmの間にある場合、合理的に良好な結果を得ることができる。
【００５２】
更に、図9は、プラズマアークヒーター50による照射により形成されたくぼみ90、及び/又は精製用材料供給システム60によって誘導される、シリコン溶融物100の循環を表している概略図である。プラズマアークヒーター50がプラズマを放出して、精製用材料供給システム60が高圧且つ高速の噴流をシリコン溶融物100の表面の中心に供給するときに、くぼみ90はその上に形成される。そして、プラズマがくぼみ90を照射し続けるにつれて、シリコン溶融物100表面の高温域は拡大する。プラズマアークヒーター50によって形成される、るつぼ20内シリコン溶融物100全体の温度プロファイルと協同して、より大きな転回半径の熱循環がシリコン溶融物100に生じる。熱循環は、シリコン溶融物100中の不純物をより均一に再配分する。噴流は、るつぼ20内シリコン溶融物100の混合を容易にし、シリコン溶融物100と精製用材料(例えば、ガス及び化学物質)との間の接触面も拡大するため、精製効率が増加する。加えて、プラズマアークヒーター50からのプラズマを間欠的に行使して、シリコン溶融物100全体の過剰加熱を防止し、るつぼ20におけるシリコン溶融物100全体の適切な温度プロファイルを維持することができる。
【００５３】
図11、12及び13、は、プラズマアークヒーター50の様々なセットを使用しての、るつぼ20内シリコン溶融物100の表面に対する照射を表している模式的な線図である。
【００５４】
大量の原料シリコンを精製しなければならない場合、複数のプラズマアークヒーター50を用いてより高いエネルギーの照射を発生させてもよい。しかしながら、複数のプラズマアークヒーター50を使用して同時にシリコン溶融物100の表面の中心を照射すると、精製装置を過剰に熱して損害を与える(例えば、るつぼ20の底部を過剰に熱して損害を与える)可能性がある。かかる問題を解決するために、本発明は、複数のプラズマアークヒーター50をシリコン溶融物100表面の中心周りに等しい角距離で配置する。例えば、図11(A)は、表面の中心aを囲んでいる3つのプラズマアークヒーター50を；図11(B)は、4つのプラズマアークヒーター50を；図11(C)は、5つのプラズマアークヒーター50を；そして、図11(D)は6つのプラズマアークヒーター50を表している概略図である。プラズマアークヒーター50の上記組合せにおいて、複数のプラズマアークヒーター50からの照射は、るつぼ20の過剰加熱を回避しつつシリコン溶融物100の良好な熱循環を確保するために、シリコン溶融物100表面より下のどこかに焦点を集める必要がある。
【００５５】
図12を参照すると、プラズマアークヒーター50は、シリコン溶融物100の表面に対して一定の角度で配置される。種々の角度が種々の形態のくぼみ90を生じさせる。角度は、90度かそれより低く(≦90度)すべきである。図12に示すように、プラズマアークヒーターをシリコン溶融物100表面より上において角度α及びβで配置して、プラズマの照射焦点を決定する。通常、照射はより深く、角度α及びβはより大きい。加えて、るつぼ20におけるシリコン溶融物100の温度プロファイルは、プラズマアークヒーター50の角度の変化に従っても変化する。くぼみ90は、様々なものが形成される。これは、照射角度の変化がシリコン溶融物100の蒸発速度を変えることを意味する。図13(A)及び13(B)に示すように、種々の角度のプラズマアークヒーター50がシリコン溶融物100表面を照射する場合、種々のくぼみ90が形成される。更に、るつぼ操作装置30を使用してプラズマアークヒーター50の位置を制御することによって、最適なプラズマ照射に関する様々な位置及び温度を得ることができる点と、くぼみ90の形態は、プラズマアークヒーター50の照射角度α及びβに依存する点に留意する必要がある。
【００５６】
本発明の好ましい実施形態は、上述した図面と関連して以下に詳細に記載する。
【００５７】
本発明は、精製される金属シリコンに精製用材料(例えば、化学物質及びガス)を効率的に混合させる方法に関する問題に焦点を当てている。
【００５８】
金属シリコンの融解温度は、約1425℃である。精製用材料は、シリコン溶融物の放射熱の循環に起因して、シリコン溶融物に到達する前に霧状にされて排出される可能性がある。
【００５９】
このことから、以下の手法が従来技術によって提案されている。
【００６０】
精製用材料をるつぼ底部から吹きつける。この手法は理論的には可能であるが、実際には、以下の問題が生じる。液体シリコン溶融物の粘度に打ち勝つ十分な圧力が必要である。加えて、逆流を回避するために、吹付けは、シリコン溶融物の表面より高い位置でなければならない。そして、吹付け管は、延長されるため、更に高い圧力を必要とする。圧力が一時的に減少する場合、シリコン溶融物が管内へ逆流して低温領域で凝固し、増加した機械圧力に起因して管が破断する可能性がある。したがって、管は、一定の温度に維持しなければならない。
【００６１】
したがって、この手法には、以下の問題がある:
a)  不純物の付加が回避できない、即ち、産物は、低純度である;
b)  高価な装置;
c)  安全性の問題。
【００６２】
更に、シリコン溶融物は、機械的攪拌の装置によって混合及び撹拌することができるが、高温及び粘着性の環境を考慮すると、撹拌シャフトの材質及び機械的強度要件は、簡単には解決されない。
【００６３】
他の手法(いわゆる耐候性手法)も精製のために使われる。
【００６４】
この精製方法が、鉄及びアルミニウムを作る際に一般的に用いられており、効果的であることが証明されている。
【００６５】
この方法により、ガラス化によって不純物及び添加剤(例えば、酸化マグネシウム及びカルシウム)が除去される。
【００６６】
ガラス状不純物は、精製された金属の表面を浮遊する。冷却後、それらを機械的装置によって表面から取り除いて精製物産を得る。
【００６７】
この手法は、最終生産物の純度レベルの観点から限界がある。しかしながら、この手法が本発明の装置と同時に使用される場合、純度を増加させることができる。
【００６８】
本発明は、シリコン溶融物内に精製用材料を効果的に混合することを可能にする精製装置の開発に関連するものである。
【００６９】
本発明によって提案される金属シリコン精製装置が既存の単結晶シリコン引上げ装置の改良により得ることができる点を理解すべきである。既存の装置は、通常、容器、るつぼ、るつぼ支持体及びヒーターを備える。既存装置に関する以下の装置のうちの少なくとも1つを実行することによって、金属シリコンの精製は、装置(独立噴射装置、フィンを備えるガイドエレメント、操作装置、真空ポンプ)のうちの1つか、一部か、又は全部を同時に使用して実行される。
独立噴射装置は、るつぼより上に提供される。これは、精製に必要なプラズマ、ガス及び化学物質を高速の噴流でシリコン溶融物表面へ供給することと、その供給菅よってシリコン溶融物表面にくぼみ形成することと、シリコン溶融物全体の温度プロファイルと協同して熱循環を容易にすることと、循環転回半径を増加させることと、精製ガス及び化学物質とシリコン溶融物との間の接触面を増加させることのためである。これによって、精製効率が上がる。
フィンを備えるガイドエレメントは、るつぼと精製ガス及び化学物質供給用供給菅に対して適切な位置でるつぼ内シリコン溶融物より上に提供され、シリコン溶融物の表面から上昇する湿潤ガス流がシリコン溶融物の表面へ戻るように導く。その結果、湿潤ガスは、シリコン溶融物と効果的に接触する。ガイドエレメントとシリコン溶融物の表面との間の距離、フィンとシリコン溶融物との間の距離及びるつぼの内側周径とフィンと間の距離は、重要である。
操作装置は、ヒーターに対してるつぼを垂直及び水平にシフトさせるため並びに回転させるために容器の下に設けられ、一方向冷却精製を得るために固液界面を調節し、固相-液相線についてのシリコン溶融物内残留不純物の濃度に関する温度偏析係数の管理を必要としない。従って、湿潤ガスの効果的な逆流を可能にし、装置からの噴流によりシリコン溶融物の表面に形成されるくぼみの形態を制御することを、るつぼとガイドエレメントとの間の距離を調節することによって行われる。水平にシフトすることができる一組の弁が操作装置に更に提供される。これは、弁を開閉することによってるつぼを容器から取り出すか容器内にるつぼを挿入する場合、酸素と炭素部との反応を低減させるためである。
真空ポンプは、容器内部の圧力又は真空度を調節して、様々な不純物の蒸発条件に適応させるために提供される。
【００７０】
要約すると、本発明が提案する装置は、既存の装置を改良することによって得られる装置であって、従来のシーメンス法に代わり、太陽電池を製造する際の原料シリコンとして使用する金属シリコンを精製する装置である。
【００７１】
実施形態に基づいて、以下の態様の1又は複数が含まれる。
【００７２】
1.容器、るつぼ、るつぼ支持体及びヒーターを備える既存の単結晶シリコン引上げ装置の改良により得られる金属シリコン精製装置であって、金属シリコンの精製に関する以下の装置: 独立噴射装置、フィンを備えるガイドエレメント、操作装置、真空ポンプのうちの1つか、一部か又は全て付加されている装置であり、
独立噴射装置は、精製に必要なプラズマ、ガス及び化学物質を高速の噴流でシリコン溶融物表面へ供給して、その特別に設計された供給菅よってシリコン溶融物表面にくぼみ形成するために、るつぼより上に設けられ、
フィンを備えるガイドエレメントは、るつぼ及びシリコン溶融物表面に対して適切な位置及び距離(h1) (h2) (h3) (h4) (s1) (s2) (s3)でるつぼ内シリコン溶融物より上に提供され、(シリコン溶融物表面での加熱の結果として)シリコン溶融物の表面から上昇する湿潤ガス流がシリコン溶融物の表面へ戻るように導くことで、湿潤ガスをシリコン溶融物と効果的に接触させ、
操作装置は、ヒーターに対してるつぼを垂直及び水平にシフトさせるため並びに回転させるために容器の下に設けられ、精製を得るために固液界面を調節し、上記のガイドエレメント及び噴射装置に対するるつぼの相対位置を更に制御して最適精製効率を得、
真空ポンプは、容器内部の圧力又は真空度を調節して、様々な不純物の蒸発条件に適応させるために提供される。
【００７３】
2.噴射装置は、精製のためにシリコン溶融物の表面中心に化学物質、ガス及び可溶性ガスを供給するための独立化学物質及びガス供給管を備える、請求項１に記載の装置。
【００７４】
3.噴射装置は、精製のためにシリコン溶融物の表面中心に高圧湿潤ガス混合物を供給するための独立高圧ガス供給菅を備える、請求項１に記載の装置。
【００７５】
4.噴射装置は、精製のためにシリコン溶融物の表面中心に化学物質、ガス及び可溶性ガス並びに高圧湿潤ガス混合物をそれぞれ供給するための化学物質及びガス供給管と高圧ガス供給菅を備える独立精製用材料供給システムを具備する、請求項１に記載の装置。
【００７６】
5.精製用材料供給システム60における管の末端は、噴射圧力及び流速を高めるために、収束しているコーン形状である、請求項４に記載の装置。
【００７７】
6.管の素材は、その上に石英被覆材を備える、請求項５に記載の装置。
【００７８】
7.精製用材料供給システムは、化学物質、ガス、可溶性化学物質、湿潤ガス及び水のうちの少なくとも1つを供給するための同心性の複数管設計である、請求項４に記載の装置。
【００７９】
8.同心性の複合管は、外管より長い内管を備える、請求項７に記載の装置。
【００８０】
9.内管の放出口は、高圧湿潤ガス及び水の少なくとも1つを供給し、外管の放出口は、アルゴンガスを供給する、請求項８に記載の装置。
【００８１】
10.同心性の複合管は、外管より短い内管を備える、請求項７に記載の装置。
【００８２】
11.外管の放出口は、酸素と反応して水を形成するための水素ガスを供給し、内管の放出口は、燃焼水素と反応して水を形成するための酸素を供給する、請求項１０に記載の装置。
【００８３】
12.噴射装置は、シリコン溶融物の表面を照射して、精製に必要な化学物質及びガスを導入するための少なくとも1つのプラズマアークヒーターを備える、請求項１に記載の装置。
【００８４】
13.プラズマは、シリコン溶融物の表面に間欠的且つ局所的に照射され、シリコン溶融物に再現性のある温度勾配を作成する、請求項１２に記載の装置。
【００８５】
14.複数のプラズマアークヒーターは、シリコン溶融物の表面の中心周りに等しい角距離で配置され、プラズマアークヒーターは、シリコン溶融物の平面に対して所定の角度で傾けられるので、照射は、シリコン溶融物表面下の位置で集中し、種々の形態のくぼみをシリコン溶融物の表面に形成する、請求項１２に記載の装置。
【００８６】
15.シリコン溶融物の平面に対するプラズマアークヒーターの傾斜角は、90度かそれより低い(≦90度)、請求項１４に記載の装置。
【００８７】
16.操作装置は、るつぼ操作装置の基部、るつぼ操作装置移動シャフト及びるつぼ操作装置モーターを備え、
るつぼを取り付けるか取り出す目的で容器内部でるつぼの鉛直移動を制御し、そして、
一方向冷却精製のために固液界面を調節するようにヒーターに対してるつぼを移動させる目的且つ上記シリコン溶融物の表面とガイドエレメントとの間の距離を制御する目的でるつぼの鉛直移動及び回転を制御し、その結果、表面から生じる湿潤ガスをシリコン溶融物へ効率的に戻して精製用の水の供給を促進し、そして、
この距離を制御することによって、噴射装置からの噴流の直接衝突によって引き起こされる、シリコン溶融物表面に作られるくぼみの形態も制御する、請求項１に記載の装置。
【００８８】
17.操作装置は、精製工程終了後のるつぼを輸送するためのるつぼ輸送装置及びるつぼコンベヤーベルトを備える、請求項１６に記載の装置。
【００８９】
18.操作装置は一組の弁を備え、一組の弁は容器の下に設けられ、一組の弁作動アームによって水平に開閉でき、るつぼを容器内に取り付けるか容器から取り出す場合、弁を水平に開閉して、シリコン溶融物の精製に影響を及ぼす、容器内炭素部と酸素との反応を低減させる、請求項１に記載の装置。
【００９０】
19.ガイドエレメントは、本体74と、本体74の下部エッジから伸びている少なくとも１つのフィンを備えている、請求項１に記載の装置。
【００９１】
20.ガイドエレメント(V)によるガス流速が100〜800L/時間である場合には、噴射装置のガス供給管からプラズマアークヒーターの放出口までの距離(h4)は、最大で10cmであり、プラズマアークヒーターの放出口からシリコン溶融物の表面までの距離(h1)は、1cmから18cmの間の範囲、好ましくは5cmであり、化学物質及びガス供給管並びに高圧ガス供給菅がガイドエレメントのレベルまで降ろされる場合には、プラズマアークヒーターからガイドエレメントのボアまでの距離(s1)は、好ましくは1cmから6cmの間であり、プラズマアークヒーターからガイドエレメントの内側フィンまでの距離(s2)は、ガスに関する噴射装置の圧力と供給量(V)(即ち、その空間を通過しているガスの流速)に依存するものであり、供給量(V)が100から800L/時間である場合には、好ましくは2cmから8cmの間にあり、距離(s2)と、ガイドエレメントのフィン間の距離(s3)とは、提供されるフィンの数にも依存するため、フィンの数が2の場合、距離s2及びs3の合計は、好ましくは距離(s2) ＋ 5mmから30mmであり、フィンからシリコン溶融物表面までの距離(h2)は、好ましくは5mmから50mmの間にあり、そして、ガイドエレメントにおいて最も長いフィン(h3)は、好ましくは5mmから30mmの間にある、請求項1、2、3、12又は19のいずれかに装置。
【００９２】
21.真空ポンプ及びガス流弁を用いて容器のガス及びガス流速を制御することを、ポンプが減圧菅を介して圧力を調節しながら行い、水蒸気の一定供給に起因する昇圧によって引き起こされるあらゆる危険を回避し、原料シリコンに含まれる様々な不純物の蒸発条件に適応させ、そして、シリコン溶融物の過剰な加熱を防止することで、安全な金属シリコン精製工程が確保される、請求項１に記載の装置。
【００９３】
本願明細書に記載の実施例及び実施形態は、例示目的のためだけにある。そのことを考慮すると、その様々な修飾又は変更は、当業者に示唆されており、本願の精神及び意図並びに添付の特許請求の範囲の範囲中に含まれることも理解されるだろう。
【００９４】
実施例:
本発明の原理及び操作を証明するために、我々は、一定の実験を行った。我々は、改良された従来型単結晶Siインゴット引き上げ機のいくつかの世代を使用したポリSi精製実験を行った。かかる引き上げ機は、非常に小さくて従来型の引き上げ機(1チャージ当たりの約20KgのSi)から中型引き上げ機(1チャージ当たりの約80KgのSi)までが含まれる。我々は、るつぼ装置及び制御部を維持して金属シリコンを精製するために構成された本試験シリコン精製装置に合致する様式で作動するように改良した。本実施例に従うと、金属シリコンを導入すると直ぐに、かかるシリコンが処理され、
シリコンが精製される。我々は、6N〜7N(例えば、99.9999から99.99999のシリコン純度)の精製結果を達成したため、太陽電池分野に適する所望の仕様に到達した。実施にかかる本試験精製装置は、大きいサイズの従来型引き上げ機(1チャージ当たり約140KgのSi)から改良した。例えば、図14を参照。当然、他のバリエーション、修飾及び代替が可能である。
【００９５】
本願明細書に記載の実施例及び実施形態が例示目的のためだけにあり、そのことを考慮すると、その様々な修飾又は変更が、当業者に示唆されており、本願の精神及び意図並びに添付の特許請求の範囲の範囲中に含まれることも理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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