JPH08217436A

JPH08217436A - 金属シリコンの凝固精製方法、その装置及びその装置に用いる鋳型

Info

Publication number: JPH08217436A
Application number: JP2950095A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Sakaguchi; 泰彦阪口; Hisae Terajima; 久榮寺嶋
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1995-02-17
Filing date: 1995-02-17
Publication date: 1996-08-27

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、連続的に長いシリコン鋳塊を生産性
良く製造する金属シリコンの精製方法、その装置及びそ
れに利用する鋳型を提供することを目的としている。【構成】溶融金属シリコンを一方向から凝固し、不純物
元素を液相に濃縮させる金属シリコンの凝固精製に際
し、液相又は固相中の不純物元素濃度が目標値になった
ら、該液相を鋳型外に排出すると共に、凝固相の上には
新しい溶融金属シリコンを補給し、一方向からの凝固を
継続させることを特徴とする金属シリコンの凝固精製方
法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属シリコンの一方向
凝固による精製方法、その装置及びその装置に用いる鋳
型に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶融状態にある金属シリコン中に含まれ
ている多くの金属元素は、凝固時の分配係数が小さいた
め、上記溶融金属シリコンが凝固するに際しては優先的
に液相に排出される。その結果、固相としては、これら
金属元素濃度の低い金属シリコンが得られることにな
る。従来より、この原理を利用して、溶融した金属シリ
コンを一方向から徐々に凝固することによって、精製前
の金属シリコンよりも金属不純物濃度が小さい鋳塊を製
造している。

【０００３】しかしながら、液相中に排出された金属不
純物元素は最後に凝固する部分に濃縮されるので、従来
は、該濃縮部分を凝固完了後に切断除去するのが一般的
であった。つまり、該従来法で精製する場合、精製して
得られるシリコン鋳塊の長さは、精製前の金属シリコン
中に含まれる不純物元素の初期濃度に依存し、ユーザの
希望する長さにできないという問題点があった。そこ
で、改善手段として、特開平５−１２４８０９号公報に
開示された方法が提案された。それは、一方向凝固中の
固相に含まれる不純物元素の濃度が所定の目標値に近づ
いたときに、鋳型内にある鋳塊の一部を電子ビームで再
溶解し、再度凝固させて液相に不純物元素を濃縮させ、
少しでも長い鋳塊を得ようというものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この特
開平５−１２４８０９号公報記載の方法を用いても、溶
融金属シリコンの凝固に際しては液相側に不純物元素が
濃縮するので、従来よりは若干長いものが得られるが、
濃縮部分を切捨て除去しなければならないことは同じで
あり、製造されるシリコン鋳塊の長さには限界があっ
た。

【０００５】本発明は、かかる問題点を解決し、連続的
に長いシリコン鋳塊を生産性良く製造する金属シリコン
の精製方法、その装置及びそれに利用する鋳型を提供す
ることを目的としている。

【０００６】

【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、製造した金属シリコンの鋳塊を切捨てず
に、製造歩留りを高めることを検討した。その結果、鋳
造中における溶融金属シリコンの交換を着想し、それを
具現化するに鋭意努力し、本発明を完成させるに至っ
た。すなわち、本発明は、溶融金属シリコンを一方向か
ら凝固し、不純物元素を液相に濃縮させる金属シリコン
の凝固精製に際し、不純物元素の濃縮した液相を鋳型外
に排出すると共に、凝固相の上には新しい溶融金属シリ
コンを補給し、一方向からの凝固を継続させることを特
徴とする金属シリコンの凝固精製方法である。また、本
発明は、精製前の金属シリコンを溶融させる加熱手段
と、溶融金属シリコンを保持する鋳型と、該鋳型内で凝
固しつつある金属シリコンを降下させる引下げ手段とを
備えてなる金属シリコンの凝固精製装置において、不純
物元素の濃縮した該液相を外部に排出する排出手段を配
設したことを特徴とする金属シリコンの凝固精製装置で
あり、その際、上記加熱手段が電子ビームであると好ま
しい。さらに、本発明は、溶融金属シリコンを一方向か
ら凝固し、不純物を液相に濃縮、除去する金属シリコン
の凝固精製用鋳型であって、該鋳型上部に不純物を濃縮
した液相を排出する排出口を設けると共に、該鋳型外周
には排出された液相を保持する収容部を設けたことを特
徴とする金属シリコンの凝固精製用鋳型でもある。

【０００７】

【作用】本発明では、溶融金属シリコンを一方向から凝
固し、不純物元素を液相に濃縮させる金属シリコンの凝
固精製に際し、予め液相又は固相中の不純物元素濃度を
理論的に推定ないし実験で、雰囲気温度、引下げ速度と
の関連から決定しておき、該条件下における操業で不純
物濃度が目標値となる時間径過後に、該液相を鋳型外に
排出すると共に、凝固相の上には新しい溶融金属シリコ
ンを補給し、一方向からの凝固を継続させるようにした
ので、一部を切捨てることなく、所望の長さの鋳塊を歩
留り良く製造できるようになる。

【０００８】また、本発明では、精製前の金属シリコン
を溶融させる加熱手段と、溶融金属シリコンを保持する
鋳型と、該鋳型内で凝固しつつある金属シリコンを降下
させる引下げ手段とを備えてなる金属シリコンの凝固精
製装置において、不純物元素の濃縮した該液相を外部に
排出する排出手段を配設し、その際、上記加熱手段が電
子ビームであるので、該不純物元素の濃縮した液相を排
出後、凝固相表面がすぐに溶融し、新しく補給された溶
融シリコンとの境界がなくなり、品質上の問題は生じず
に、円滑に安定した凝固精製が行えるようになる。

【０００９】さらに、本発明では、溶融金属シリコンを
一方向から凝固し、不純物を液相に濃縮、除去する金属
シリコンの凝固精製用鋳型に、不純物を濃縮した液相を
排出する排出口を設けると共に、該鋳型外周には排出さ
れた液相を保持する収容部を設けるようにしたので、大
掛かりな設備改造の必要がなく安価な設備費で、従来製
造できなかった長さの鋳塊の製造が可能になる。以下
に、図３に基づき、本発明の内容を補足する。

【００１０】一般に、濃度Ｘ₀ の不純物元素を含む溶融
シリコンを液体状態からゆっくりと冷却して凝固させる
過程は、２成分系の場合、図３の状態図で説明される。
すなわち、図３において、溶融シリコンの温度がＴ₁ に
達すると凝固を開始するが、その際、固相の不純物元素
濃度はＳ₁ となり、上記初期濃度Ｘ₀ より低くなる。さ
らに、降温し温度がＴ₂ に達すると、凝固した固相中の
不純物元素濃度はＳ₂となるが、一方、液相中には、不
純物元素が濃縮され濃度ｌ₂ となる。

【００１１】この原理を利用してシリコンの純度を向上
させるのが凝固精製法で、冷却初期に早く凝固した部分
ほど不純物元素の濃度が低く、末期に凝固した部分に不
純物元素が濃縮される。本発明では、固相がある一定の
目標精製濃度に達した後、それ以上に凝固を継続して
も、精製効果を期待することは理論的に不可能であるこ
とから、該目標精製濃度に達する直前に不純物元素の濃
縮した液相を鋳型から排出し、新たに、初期濃度Ｘ₀ の
液相を供給するようにしたものである。つまり、この工
程を繰り返すことにより、不純物元素濃度の非常に低い
固相を連続的に製造することが可能となる。

【００１２】これを実現するためには、不純物元素の濃
縮した液相を排出する必要があるが、本発明では、鋳型
の液相を保持する部分に排出口を設け、精製中は固体シ
リコン片を用いて封止し、排出時のみ該固体シリコン片
を電子ビームにより溶解し、不純物元素が濃縮した液相
を排出しうるようにした。そして、その排出液相を精製
作業の完了まで装置内に保持しておくため、該鋳型の外
壁側には排出液相の収容部を取付けた。また、該排出口
の固体シリコン片を溶解する手段は、如何なる加熱手段
であっても良いが、他の作業との関係で電子ビームによ
る溶解が最も有効であった。

【００１３】

【実施例】本発明に係る金属シリコンの凝固精製方法を
実施した状況の一例を図１に示す。Ａｌ６００ｐｐ
ｍ、Ｆｅ５００ｐｐｍ、Ｔｉ２０ｐｐｍ、Ｃａ３
０ｐｐｍを不純物元素として含むシリコンロッド７を、
内径３００ｍｍの水冷銅鋳型２の上方において電子銃１
からの電子ビーム８（出力１００ｋｗ）で溶解し、該水
冷銅鋳型２内に滴下した。その滴下した溶融シリコン９
は、水冷銅鋳型２内にあっても電子銃１からの電子ビー
ム８の照射によって溶融状態が保持される。このような
状態で上部から溶融シリコンを滴下させながら、引下げ
装置４を用いて、引下げ速度１ｍｍ／ｍｉｎで徐々に
鋳型内の溶融シリコン９を下降させていくと、該溶融シ
リコン９は最下部から上方に向けて一方向に凝固し、シ
リコン鋳塊３が得られた。このシリコン鋳塊３は、一方
向に凝固が進行するため、前述したように下方に位置す
る部分ほど不純物元素濃度が低く、上方にいくにしたが
って高くなる。従って、未凝固の溶融シリコン内に不純
物元素は濃縮されていることになる。本実施例では、予
め実施例と同一条件で、液相の排出を行わない、且つシ
リコンの補充を行わないシリコン鋳塊を作製し、該鋳塊
の下層から一定高さごとに分析試料を採取して、不純物
元素濃度の分布を調べておき、実施例における操業で
は、該目標濃度に到達する凝固時間終了直前にシリコン
鋳塊の下降を止め、水冷銅鋳型の上部に設けた排出口５
の前記固体シリコン片に電子ビーム８を照射し、不純物
元素の濃縮した溶融シリコンを該排出口５から収容部６
に排出させた（つまり、操業条件をプリセットする方法
である）。この後直ちに、再びシリコンロッド７を電子
ビームで溶解して溶融シリコンを鋳型内に滴下させ、シ
リコン鋳塊の下降を再開した。

【００１４】図２に、本実施例で製造したシリコン鋳塊
中のＡｌの高さ方向での濃度分布を示す。図２より、鋳
塊全域にわたって精製目標濃度以下を維持できたことが
明らかである。なお、他の不純物元素、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃ
ａについても同様に精製することができていた。本実施
例は、濃縮液相の排出を２回行ったものであるが、この
方法では、装置の許す範囲内で、要求される鋳塊長さに
応じて排出回数を決めることができる。

【００１５】また、図１の実施例では、シリコンの供給
にシリコンロッド７を用いているが塊状のシリコンや他
の容器で溶解した溶融シリコンを用いることも可能であ
る。さらに、水冷銅鋳型内シリコンや排出口の固体シリ
コン片を溶解するために、電子ビームを用いる例を示し
たが、プラズマ、イオンビーム等を用いることも可能で
ある。現在、不純物濃度の分析をオンラインで且つ液相
状態で行う方法がないが、将来それが可能になった場合
には、オンライン分析で目標濃度を決めるようにしても
良い。

【００１６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、ユー
ザの要求に応じた寸法のシリコン鋳塊を、容易に製造す
ることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る金属シリコンの凝固精製方法を実
施した凝固精製装置を示す図であり、（ａ）はシリコン
ロッドの溶解作業を、（ｂ）は不純物元素濃縮液相の排
出状況を示す。

【図２】本発明に係る金属シリコンの凝固精製方法を用
いて製造した鋳塊中のＡｌ濃度分布を示す図である。

【図３】２成分系金属の固相線と液相線の関係を示す状
態図である。

【符号の説明】

１電子銃２水冷銅鋳型３シリコン鋳塊４引下げ装置５排出口６排出液の収容部７シリコンロッド８電子ビーム９溶融シリコン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融金属シリコンを一方向から凝固し、
不純物元素を液相に濃縮させる金属シリコンの凝固精製
に際し、不純物元素が濃縮した液相を鋳型外に排出すると共に、
凝固相の上には新しい溶融金属シリコンを補給し、一方
向からの凝固を継続させることを特徴とする金属シリコ
ンの凝固精製方法。
【請求項２】精製前の金属シリコンを溶融させる加熱
手段と、溶融金属シリコンを保持する鋳型と、該鋳型内
で凝固しつつある金属シリコンを降下させる引下げ手段
とを備えてなる金属シリコンの凝固精製装置において、不純物元素の濃縮した該液相を外部に排出する排出手段
を配設したことを特徴とする金属シリコンの凝固精製装
置。
【請求項３】上記加熱手段が電子ビームであることを
特徴とする請求項２記載の金属シリコンの凝固精製装
置。
【請求項４】溶融金属シリコンを一方向から凝固し、
不純物を液相に濃縮、除去する金属シリコンの凝固精製
用鋳型であって、該鋳型上部に不純物を濃縮した液相を排出する排出口を
設けると共に、該鋳型外周には排出された液相を保持す
る収容部を設けたことを特徴とする金属シリコンの凝固
精製用鋳型。