JP2003119016A - 金属シリコンの精製方法及び精製装置 - Google Patents

金属シリコンの精製方法及び精製装置

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JP2003119016A
JP2003119016A JP2001312659A JP2001312659A JP2003119016A JP 2003119016 A JP2003119016 A JP 2003119016A JP 2001312659 A JP2001312659 A JP 2001312659A JP 2001312659 A JP2001312659 A JP 2001312659A JP 2003119016 A JP2003119016 A JP 2003119016A
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plasma
molten metal
metallic silicon
crucible
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JP2001312659A
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Mutsufumi Yamauchi
睦文 山内
Toshiharu Fujisawa
敏治 藤澤
Mitsuru Tanahashi
満 棚橋
Tomoki Shibata
智樹 芝田
Masafumi Sakata
雅史 坂田
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Daido Steel Co Ltd
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Daido Steel Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属シリコンに含まれるB及びCを効率よく
除去することができ、しかも、太陽電池級シリコンを安
価に製造することが可能なシリコンの精製方法及び精製
装置を提供すること。 【解決手段】 本発明に係る金属シリコンの精製方法
は、金属シリコンの溶湯に対してプラズマジェットを噴
射する際に、溶湯に酸素ガス及びアンモニアガスを添加
することを特徴とする。この場合、添加されるアンモニ
アガスに対する酸素ガスの体積比は、1/2以上3/4
以下が好ましい。また、本発明に係る金属シリコンの精
製装置10は、金属シリコンの溶湯34にプラズマジェ
ットを噴射するためのプラズマトーチ16と、プラズマ
トーチ16にアルゴンガスを供給するための基管26及
び供給管30と、供給管30に所定量の酸素ガス及びア
ンモニアガスを添加するための反応ガス供給管32とを
備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属シリコンの精
製方法及び精製装置に関し、さらに詳しくは、金属シリ
コンに含まれるホウ素及び炭素を除去し、太陽電池級シ
リコンを安価に製造する方法として好適なシリコンの精
製方法及び精製装置に関する。
【0002】
【従来の技術】金属シリコン(Metallurgical Grade Si
licon。以下、これを「MG−Si」という。)は、比
較的純度の高い珪石(SiO:99.5%以上)を炭
素と共にアーク炉で溶解し、SiOを還元させること
によって製造されている。MG−Siの純度は、通常、
98%程度であり、不純物として、Fe、Ca、Al、
C、Mn、Ti、O、P、B等が含まれる。
【0003】このMG−Siに含まれる不純物を除去す
る精製方法としては、真空溶解法、一方向凝固法、帯溶
融精製法、蒸留法等が知られている。真空溶解法は、M
G−Siを減圧下で溶融させることによって不純物を蒸
発させる精製方法である。真空溶解法は、主に、蒸気圧
の高い不純物元素(例えば、Ca、P等)の除去方法と
して利用されている。
【0004】また、一方向凝固法及び帯溶融精製法は、
いずれも、シリコン融液が凝固する際に不純物元素が固
相と液相に分配されることを利用した精製法である。一
方向凝固法及び帯溶融精製法は、主に、シリコン中の偏
析係数k(=固相中の不純物の溶解度(C)/液相中
の不純物の溶解度(C))が1より著しく小さい不純
物元素(例えば、Mn、Al、Fe、Ti等)の除去方
法として利用されている。
【0005】さらに、蒸留法は、MG−SiをHClを
用いて塩化物とし、繰り返し蒸留した後、塩化物を熱分
解させて高純度シリコンを得る精製方法である。蒸留法
は、コストが高く、大量生産には向かないという欠点は
あるが、11N程度の高純度シリコンが得られるので、
主に、デバイス当たりのシリコン使用量の少ない半導体
用シリコンの製造方法として利用されている。
【0006】ところで、太陽電池に用いられるシリコ
ン、すなわち、太陽電池級シリコン(Solar Grade Sili
con。以下、これを「SOG−Si」という。)に要求
される純度は、半導体用シリコンより低い6〜7N程度
で十分とされている。一方、太陽電池には、大量の半導
体が使用されるので、SOG−Siには、安価であるこ
とが求められている。
【0007】しかしながら、MG−Siに含まれる不純
物の中でも、特に、ホウ素及び炭素は、偏析係数kが1
に近く、蒸気圧も低いので、一方向凝固法、帯溶融精製
法あるいは真空溶解法によって、SOG−Siとして要
求される不純物濃度以下に除去するのが極めて困難であ
る。そのため、SOG−Siとして、蒸留法を用いて得
られる高価な半導体用シリコンを使用しているのが現状
であり、SOG−Siを安価に量産が可能なプロセスの
確立が望まれている。
【0008】そこで、この問題を解決するために、従来
から種々の方法が提案されている。例えば、「鈴木他、
日本金属学会誌、第54巻、第2号(1990)、p1
68−172」には、高純度黒鉛ルツボに約30〜10
0massppmのBを含有するMG−Si、及び、種
々の組成を有する塩基性酸化物含有フラックス(例え
ば、CaO−SiO系フラックス、CaO−CaF
−SiO系フラックス等)を装入し、Ar気流中にお
いて1450℃〜1550℃で加熱することによって、
MG−Si中のBを塩基性フラックスに吸収させるフラ
ックス処理法が開示されている。
【0009】また、「鈴木他、日本金属学会誌、第54
巻、第2号(1990)、p161−167」には、2
8.3massppmのBを含有するMG−Siを水冷
銅ルツボに入れ、Arに少量のO又はCOを添加し
た混合ガスを作動ガスとして用いてプラズマ溶解し、M
G−Si中のBを酸化物の形で揮発除去させるプラズマ
溶解法が開示されている。
【0010】さらに、特開平4−228414号公報に
は、シリカあるいはシリカを主成分とする容器内に溶融
シリコンを保持し、溶融シリコンの溶湯面に、水蒸気、
酸素などの酸化性ガスあるいはシリカの粉末を含むプラ
ズマガスジェット流を噴射させ、溶融シリコン中のホウ
素及び炭素を酸化して揮発除去するシリコン精製方法が
開示されている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フラッ
クス処理法を用いてB除去反応を効率的に進行させるた
めには、フラックス/シリコン界面の酸素分圧とフラッ
クスの塩基度をできる限り高い状態に保つ必要がある。
一方、平衡状態で酸素分圧を最大とするためには、フラ
ックスを強酸性酸化物であるSiOで飽和させなけれ
ばならず、この場合には、フラックスの塩基度が低下し
てしまう。その結果、フラックスを用いてB除去反応を
平衡状態まで進行させると、高塩基度・高酸素分圧を同
時に実現することができない。
【0012】そのため、フラックス処理法では、Bの平
衡分配比L(=フラックス中の平衡B濃度(mass
%)/シリコン中の平衡B濃度(mass%))が相対
的に小さくなり、SOG−Siとして要求されるB濃度
とするためには多量のフラックスを必要とする。また、
系が平衡に達するまでに長時間を要し、処理効率が悪い
という問題もある。
【0013】これに対し、プラズマ溶解法によれば、M
G−Si中のB濃度を1massppm程度に、またC
濃度を10massppm以下に低減することができ
る。しかしながら、酸素ガスが添加された作動ガスを用
いてMG−Siをプラズマ処理すると、溶湯表面に酸化
膜が生成し、短時間でB及びCの精製反応が停止すると
いう問題がある。
【0014】一方、水蒸気又はシリカ粉末が添加された
作動ガスを用いてMG−Siをプラズマ処理すると、溶
湯表面における酸化膜の生成を抑制することができる。
しかしながら、水蒸気又はシリカ粉末は、酸化力が弱い
ために、MG−Si中のB及びCの除去効率が低下する
という問題がある。また、作動ガスにシリカ粉末を添加
するためには、添加装置の構造を強固にしたり、あるい
は搬送ガスの供給能力を高くする必要が生ずる。その結
果、設備構成が複雑化し、コスト高を招くという問題が
ある。
【0015】本発明が解決しようとする課題は、MG−
Siに含まれるB及びCを効率よく除去することがで
き、しかも、SOG−Siを安価に製造することが可能
な金属シリコンの精製方法、及び装置構成が容易で簡便
な金属シリコンの精製装置を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る金属シリコンの精製方法は、金属シリコ
ンの溶湯が装入されたルツボの開口部に、プラズマトー
チの先端を臨ませ、該プラズマトーチから前記金属シリ
コンの溶湯に向かってプラズマジェットを噴射する際
に、前記金属シリコンの溶湯に酸素ガス及びアンモニア
ガスを添加することを要旨とするものである。
【0017】また、本発明に係る金属シリコンの精製装
置は、金属シリコンの溶湯が装入されたルツボの開口部
に、プラズマトーチの先端を臨ませ、該プラズマトーチ
から前記金属シリコンの溶湯に向かってプラズマジェッ
トを噴射するプラズマ発生手段と、前記金属シリコンの
溶湯に酸素ガスを添加する酸素ガス添加手段と、前記金
属シリコンの溶湯にアンモニアガスを添加するアンモニ
アガス添加手段とを備えていることを要旨とするもので
ある。
【0018】金属シリコンの溶湯にプラズマジェットを
噴射する際に、金属シリコンの溶湯に酸素ガスを添加す
ると、金属シリコン中に含まれるB及びCが酸化して、
それぞれ、BOガス及びCOガスが生成する。一方、こ
れと同時にアンモニアガスを添加すると、アンモニアガ
スが金属シリコン中で分解し、溶解した水素原子が過飽
和状態となるため、水素ガスを主成分とする気泡が発生
する。その結果、この気泡中に酸化反応で生成したBO
ガス及びCOガスが積極的に取り込まれ、B及びCの除
去反応が効率よく進行する。
【0019】また、アンモニアガスを添加することによ
って、溶湯表面における酸化膜の生成が抑制される。そ
のため、B及びCの精製反応が継続的に進行する。さら
に、金属シリコン溶湯への酸素ガス及びアンモニアガス
の添加は、金属シリコン溶湯にこれらを含むガスを直接
吹き込むか、あるいは、プラズマトーチに供給される作
動ガスにこれらを所定量混合するだけで良いので、装置
構成も簡略化する。
【0020】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施の形態に
ついて詳細に説明する。本発明に係る金属シリコンの精
製方法は、MG−Siの溶湯が装入されたルツボの開口
部に、プラズマトーチの先端を臨ませ、プラズマトーチ
からMG−Siの溶湯に向かってプラズマジェットを噴
射する際に、MG−Siの溶湯に酸素ガス及びアンモニ
アガスを添加することを特徴とする。
【0021】ここで、溶融したMG−Siを保持するル
ツボの材質は、MG−Siの溶湯と反応しにくいもので
あれば良く、特に限定されるものではない。ルツボの材
質としては、具体的には、高純度シリカ、水冷銅等が好
適な一例として挙げられる。中でも高純度シリカは、他
のルツボ材と比べて、MG−Siへの不純物元素の混入
のおそれが少ないので、ルツボ材質として特に好適であ
る。
【0022】また、MG−Siの溶融方法は、特に限定
されるものではない。すなわち、ルツボ内に固体のMG
−Siを装入し、ヒータを用いて外部から加熱しても良
く、あるいは、ルツボ内に装入された固体のMG−Si
に対して直接プラズマジェットを噴射し、これによって
MG−Siを溶融させても良い。
【0023】MG−Siの溶湯に対してプラズマジェッ
トを噴射する場合、使用するプラズマトーチの本数は、
特に限定されるものではない。すなわち、1本のプラズ
マトーチを用いてプラズマジェットを噴射させても良
く、あるいは複数本のプラズマトーチを用いても良い。
【0024】また、複数本のプラズマトーチを用いる場
合、これらをルツボの中心軸に対して対称に、かつルツ
ボの中心軸に対して斜めに配置し、これらのプラズマト
ーチからプラズマジェットを噴射させるのが望ましい。
プラズマトーチをルツボの中心軸に対して対称に配置す
ると、MG−Siの精製反応を効率よく、かつ均一に行
うことができる。
【0025】さらに、複数本のプラズマトーチからプラ
ズマジェットを噴射する場合には、ルツボの鉛直方向に
磁場を発生させることが望ましい。ルツボの鉛直方向に
向かって磁場を発生させると、プラズマジェットが円周
方向に曲げられるので、MG−Si溶湯が攪拌され、精
製反応を効率よく進行させることができる。
【0026】本発明において、酸素ガス又はアンモニア
ガスをMG−Siの溶湯に「添加する」とは、ノズル等
の吹込手段を用いて酸素ガス及び/又はアンモニアガス
を含むガス(以下、これを「吹込ガス」という。)をM
G−Siの溶湯に直接吹き込むこと、並びにプラズマト
ーチに作動ガスとして供給される不活性ガスと、所定量
の酸素ガス及び/又はアンモニアガスとを混合するこ
と、の双方を意味する。
【0027】酸素ガス及びアンモニアガスは、精製反応
に必要な量が結果的にMG−Siの溶湯に添加されれば
良い。従って、プラズマトーチに対して、不活性ガスの
みを含む作動ガスを供給し、酸素ガス及びアンモニアガ
スの双方を、それぞれ単独で又はこれらの一方若しくは
双方と不活性ガスとを所定の比率で混合してMG−Si
の溶湯に直接吹き込んでも良い。
【0028】また、例えば、プラズマトーチに対して、
不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスを作動ガスとして供
給し、アンモニアガスについては、単独で又は所定の比
率で不活性ガスと混合して、MG−Siの溶湯に直接吹
き込んでも良い。逆に、プラズマトーチに対して、不活
性ガスとアンモニアガスとの混合ガスを作動ガスとして
供給し、酸素ガスについては、単独で又は所定の比率で
不活性ガスと混合して、MG−Siの溶湯に直接吹き込
んでも良い。
【0029】また、吹込手段を用いた酸素ガス及びアン
モニアガスの溶湯への吹き込みを行うことなく、プラズ
マトーチに対して、不活性ガスと、酸素ガス及び/又は
アンモニアガスとの混合ガスを作動ガスとして供給して
も良い。
【0030】また、MG−Siの溶湯に添加すべき酸素
ガス及び/又はアンモニアガスの総量の内、その一部
は、不活性ガスと所定の比率で混合し、これを作動ガス
としてプラズマトーチに供給し、残りは、単独で又はこ
れらの一方若しくは双方と不活性ガスとを所定の比率で
混合し、これを溶湯に直接吹き込んでも良い。
【0031】さらに、複数本のプラズマトーチを用いて
MG−Siにプラズマジェットを噴射する場合、すべて
のプラズマトーチに対して同一組成の作動ガスを供給し
ても良く、あるいは、プラズマトーチ毎に酸素ガス量及
び/又はアンモニアガス量の異なる作動ガスを供給して
も良い。
【0032】これらの中でも、プラズマトーチに対し
て、不活性ガスと、酸素ガス及び/又はアンモニアガス
との混合ガスを作動ガスとして供給する方法は、MG−
Si中のB及びCを効率よく除去でき、しかも装置構成
も簡略化されるので、酸素ガス及びアンモニアガスの添
加方法として特に好適である。
【0033】MG−Siの溶湯に添加されるアンモニア
ガスに対するMG−Siの溶湯に添加される前記酸素ガ
スの体積比(以下、これを「O/NH比」とい
う。)は、3/4以下が好ましい。O/NH比が3
/4を超えると、シリコンの酸化ロスが増大するので好
ましくない。これは、O/NH比が3/4以下であ
ると、次の化1の式に示すように、添加された酸素の大
半が一時的に水蒸気となるのに対し、O/NH比が
3/4を超えると、過剰の酸素が、MG−Siの溶湯に
直接添加されるためと考えられる。
【0034】
【化1】4NH+3O=2N+6H
【0035】一方、O/NH比は、少なくとも1/
2以上であることが望ましい。O/NH比が1/2
未満になると、酸化力が低下し、MG−Si中のB及び
Cを効率よく除去できないので好ましくない。
【0036】なお、プラズマトーチに作動ガスとして供
給される不活性ガス、及び吹込ガスとして用いられる不
活性ガスは、MG−Siの不純物濃度を高めたり、ある
いはシリコンの酸化ロスを増大させないものであれば良
く、特に限定されるものではない。使用可能な不活性ガ
スとしては、具体的には、アルゴン、ヘリウム等が好適
な一例として挙げられる。
【0037】また、複数本のプラズマトーチを用いる場
合、複数個の吹込手段を用いる場合、又はプラズマトー
チと吹込手段を併用する場合において、プラズマジェッ
トの噴射地点及び/又は吹込ガスの吹込地点は、同一で
あっても良く、あるいは異なっていても良い。但し、各
プラズマトーチに供給される作動ガスや各吹込手段から
MG−Siに吹き込まれる吹込ガスの組成が異なる場合
には、MG−Siに添加される酸素ガス及びアンモニア
ガスの局所的なO/NH比が上述した範囲内となる
ように、噴射地点及び吹込地点を適宜調節するのが好ま
しい。
【0038】さらに、プラズマトーチに供給する電力、
処理時間、単位時間当たりのガス流量等は、ルツボ内に
装入されるMG−Siの量、MG−Si内に含まれる不
純物量、精製後のシリコンに要求される純度等に応じて
最適な値を選択すればよく、特に限定されるものではな
い。
【0039】次に、本実施の形態に係る金属シリコンの
精製方法の作用について説明する。MG−Siの溶湯に
含まれるB及びCの酸化反応は、それぞれ、次の化2の
式及び化3の式のように表すことができる。
【0040】
【化2】B(in Si)+O→BO↑
【0041】
【化3】C(in Si)+O→CO↑
【0042】化2の式及び化3の式で表される酸化反応
を効率よく進行させるためには、MG−Siを高温に加
熱することに加えて、生成したBOガス及びCOガスを
系外に速やかに排出する必要がある。しかしながら、プ
ラズマジェットの噴射によって高温に加熱されたMG−
Siの溶湯に、単に酸素ガスを添加するだけでは、生成
したBOガス及びCOガスを溶湯から速やかに排出する
のは困難である。そのため、MG−SiをSOG−Si
に要求される純度まで精製するには、長時間のプラズマ
処理が必要となる。
【0043】これに対し、MG−Siの溶湯にプラズマ
ジェットを噴射する際に、酸素ガスに加えてアンモニア
ガスを添加すると、アンモニアガスがMG−Siの溶湯
中で水素原子と窒素原子に分解する。MG−Siに溶解
した水素原子は、やがて過飽和状態となり、水素原子同
士が結合して水素分子となる。その結果、MG−Siの
溶湯中には、水素ガスを主成分とする多数の気泡が発生
する。
【0044】また、発生した気泡は、酸素ガスとの反応
によって生成したBOガス及びCOガスを積極的に取り
込みながら溶湯内を浮上し、MG−Siの溶湯表面から
雰囲気中に排出される。そのため、化2の式及び化3の
式が右方向に速やかに進行し、B及びCの除去を効率よ
く行うことができる。
【0045】さらに、MG−Siの溶湯に対して、酸素
ガスとアンモニアガスとを同時に添加することによっ
て、溶湯表面における酸化膜の生成が抑制される。これ
は、添加された酸素ガスが化1の式に従って、一時的に
水蒸気となり、シリコンの酸化が抑制されるためと考え
られる。そのため、溶湯に対する酸素ガス及びアンモニ
アガスの供給と、生成したBOガス及びCOガスの排出
とを継続的に行うことができ、処理効率が向上する。ま
た、シリコンの酸化ロスも抑制される。
【0046】次に、本発明の一実施の形態に係る金属シ
リコンの精製装置について説明する。図1に、本実施の
形態に係る金属シリコンの精製装置の断面図を示す。図
1において、金属シリコンの精製装置10は、密閉可能
な容器12と、その内部に配置した炉体14と、炉体1
4の開口部にその先端を臨ませた複数本のプラズマトー
チ16、16…とを備えている。
【0047】容器12は、図示しない雰囲気調製手段に
接続されており、容器12内を所定の雰囲気(例えば、
不活性ガス雰囲気、減圧雰囲気等)に維持できるように
なっている。また、容器12の内部には、得られた高純
度シリコンを鋳造するためのタンディッシュ18及び鋳
型20が配置されている。
【0048】各プラズマトーチ16、16…は、それぞ
れ、容器12の天井を貫通し、ルツボ14の中心軸に対
して対称に、かつ斜めに配置されている。また、各プラ
ズマトーチ16、16…と、炉体14の底部とは、配線
22を介して直流電源(例えば、100V、1000
A)24に接続されている。
【0049】また、基管26は、各プラズマトーチ1
6、16…に作動ガスとしてのアルゴンガスを供給する
ためのものである。その一端は、図示しないアルゴン供
給源に接続され、他端は、分岐管28に接続されてい
る。また、分基管28には、複数本の供給管30、30
…の一端が接続され、供給管30、30…の他端は、そ
れぞれ、各プラズマトーチ16、16…の基端に接続さ
れている。各供給管30、30…の内部は、図示はしな
いが、それぞれ2区画(以下、これらをそれぞれ「区画
A」及び「区画B」という。)に仕切られており、基管
26から供給されたアルゴンガスが、区画A及び区画B
に所定の比率で分配されるようになっている。
【0050】さらに、反応ガス供給管32は、各供給管
30、30…に供給される作動ガス(アルゴンガス)に
対して、酸素ガス及びアンモニアガスを添加するための
ものである。反応ガス供給管32の内部は、図示はしな
いが、2区画(以下、これらをそれぞれ「区画C」及び
「区画D」という。)に仕切られており、区画Cの一端
は、図示しない酸素ガス供給源に接続され、区画Dの一
端は、図示しないアンモニアガス供給源に接続されてい
る。また、酸素ガス供給源に接続されている区画Cの他
端は、各供給管30、30…の一方の区画Aに接続さ
れ、アンモニアガス供給源に接続されている区画Dの他
端は、各供給管30、30…の他方の区画Bに接続され
ている。
【0051】図2に、プラズマトーチ16の断面図を示
す。図2において、プラズマトーチ16は、タングステ
ン等の高融点金属からなる陰極16aと、陰極16aの
周囲に同心円状に配置された中間筒16b及び外筒16
cとを備えている。陰極16aの基端は、直流電源24
のマイナス端子側に接続されている。
【0052】外筒16cと内筒16bの間隙は、供給管
30の区画Aに接続されており、所定の比率で混合され
た酸素ガス及びアルゴンガスの混合ガスが供給されるよ
うになっている。また、内筒16bと陰極16aの間隙
は、供給管30の区画Bに接続されており、所定の比率
で混合されたアンモニアガス及びアルゴンガスの混合ガ
スが供給されるようになっている。このように、酸素ガ
スを含む作動ガスを、外筒16cと内筒16bの間隙に
供給すると、陰極16aの酸化を抑制できるという利点
がある。
【0053】図3に、炉体14の拡大断面図を示す。炉
体14は、円筒形のルツボ14aと、その外側に配置し
た水冷部14bと、その周囲に巻き付けたコイル14c
とを備えている。
【0054】ルツボ14aは、MG−Siの溶湯を保持
するためのものであり、その上端には、開口部を有して
いる。また、ルツボ14aの底部中央には、炉底電極1
4dが設けられ、炉底電極14dは、直流電源24のプ
ラス端子側に接続されている。なお、ルツボ14aの材
質は、MG−Siの溶湯と反応しにくいものであれば良
く、特に限定されるものではない。ルツボ14aの材質
としては、具体的には、高純度シリカ、水冷銅等が好適
な一例として挙げられる。中でも高純度シリカは、他の
ルツボ材と比べて、MG−Siへの不純物元素の混入の
おそれが少ないので、ルツボ14aの材質として特に好
適である。
【0055】水冷部14bは、ルツボ14aを冷却する
ためのものであり、中空構造を有している。また、水冷
部14bには、給水口14e及び排水口14fが設けら
れ、水冷部14b内部に冷却水を循環させるようになっ
ている。さらに、コイル14cは、図示しない電源に接
続され、ルツボ14aの鉛直方向に磁場を発生させるよ
うになっている。
【0056】次に、図1〜3に示す精製装置の作用につ
いて説明する。まず、ルツボ14a内に固体のMG−S
iを挿入した後、容器12内を排気し、所定の雰囲気に
調節する。次いで、水冷部14bを用いてルツボ14a
を冷却しながら、プラズマトーチ16、16…と炉底電
極14dの間に直流電流を印加し、さらにプラズマトー
チ16、16…にアルゴンガスを供給する。
【0057】プラズマトーチ16、16…に供給された
アルゴンガスは、陰極16aと炉底電極14dの間で発
生するアークによってプラズマ状態となり、発生したプ
ラズマは、プラズマトーチ16、16…の先端からプラ
ズマジェットとなって噴射する。そのため、ルツボ14
a内に装入されたMG−Siが約2000℃に加熱さ
れ、溶融状態となる。
【0058】次に、MG−Siが溶解したところで、作
動ガスに所定の比率で酸素ガス及びアンモニアガスを添
加する。作動ガスに添加された酸素ガス及びアンモニア
ガスは、図4に示すように、プラズマジェットによっ
て、ルツボ14a内に保持されるMG−Siの溶湯34
に添加される。添加された酸素ガスは、溶湯34内に含
まれるB及びCと反応して、それぞれBOガス及びCO
ガスとなる。
【0059】一方、添加されたアンモニアガスは、溶湯
34内において分解し、水素を主成分とする多数の気泡
36、36…を発生させる。この気泡36、36…は、
酸化反応により生成したBOガス及びCOガスを積極的
に取り込みながら溶湯34内を浮上し、溶湯34の表面
から雰囲気外に排出される。そのため、B及びCの精製
反応が効率よく進行する。しかも、アンモニアガスによ
って溶湯34表面における酸化膜の生成が抑制されるの
で、B及びCの精製反応が継続的に進行する。
【0060】また、作動ガスに酸素ガス及びアンモニア
ガスを添加すると同時にコイル14cに電流を流すと、
図5に示すように、ルツボ14aの鉛直方向に磁場(図
5中、一点鎖線で表示)が発生する。このような磁場が
発生すると、ルツボ14aの中心に向かって斜めに噴射
されていたプラズマジェットが、ルツボ14aの円周方
向に曲げられ、溶湯34が撹拌される。その結果、溶湯
34内での酸化反応及び発生した気泡36、36…の排
出が促進され、B及びCの精製反応が効率よく進行す
る。
【0061】このようなプラズマ処理を所定時間行った
後、炉体14を傾動させ、ルツボ14a内の溶湯34
を、タンディッシュ18を介して鋳型20に鋳込むと、
所定の外形を有する高純度シリコンのインゴットが得ら
れる。
【0062】以上のように、本実施の形態に係る精製装
置10は、溶湯中に酸素ガスを添加する酸素ガス添加手
段と、アンモニアガスを添加するアンモニアガス添加手
段を備えているので、MG−Siの溶湯からB及びCを
効率よく除去できる。また、アンモニアガスの添加によ
って、精製反応を継続的に進行させることができ、シリ
コンの酸化ロスも抑制できる。しかも、作動ガスに対し
て所定量の酸素ガス及びアンモニアガスを添加するだけ
でよいので、装置構成も簡略化される。
【0063】
【実施例】(実施例1)図1〜3に示す精製装置10を
用いて、MG−Siの精製を行った。MG−Siには、
10ppmのBと、90ppmのCを含むものを用い、
溶解量は、4kgとした。
【0064】まず、固体のMG−Siをルツボ14a内
に挿入し、アルゴンガスのみを用いたプラズマ処理によ
って、MG−Siを溶解させた。次に、外筒16cと内
筒16bの間隙には、アルゴンガスと酸素ガスの混合ガ
スを供給し、内筒16bと陰極16aの間隙には、アル
ゴンガスとアンモニアガスの混合ガスを供給し、アーク
電力40kWの条件下で60分間の処理を行った。
【0065】なお、精製反応の際にプラズマトーチに供
給される総アルゴンガス量、酸素ガス量及びアンモニア
ガス量は、それぞれ、50Nl/min(50vol
%)、20Nl/min(20vol%)及び30Nl
/min(30vol%)とした。
【0066】(比較例1)プラズマトーチに供給される
作動ガスとして、アルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを
用いた以外は、実施例1と同一条件下でMG−Siの精
製を行った。なお、プラズマトーチに供給されるアルゴ
ンガス量及び酸素ガス量は、それぞれ、80Nl/mi
n(80vol%)及び20Nl/min(20vol
%)とした。
【0067】(比較例2)プラズマトーチに供給される
作動ガスとして、アルゴンガスのみを用いた以外は、実
施例1と同一条件下でMG−Siの精製を行った。な
お、プラズマトーチに供給されるアルゴンガス量は、1
00Nl/minとした。
【0068】処理前のMG−Si、並びに実施例1及び
比較例1、2で得られた処理後のシリコンについて、B
濃度及びC濃度を、それぞれプラズマ発光分析法及び燃
焼法を用いて測定した。結果を表1に示す。
【0069】
【表1】
【0070】アルゴンガスのみを用いてプラズマ処理し
た比較例2の場合、処理後のB濃度及びC濃度は、それ
ぞれ10ppm及び90ppmであり、処理前と変化は
なかった。また、アルゴンガスと酸素ガスを用いてプラ
ズマ処理した比較例1の場合、除去されたB量及びC量
は僅かであり、処理後のB濃度及びC濃度は、それぞれ
8ppm及び82ppmであった。これは、溶湯表面に
酸化膜が生成し、それ以降、精製反応が進行しなかった
ためと考えられる。
【0071】これに対し、アルゴンガス、酸素ガス及び
アンモニアガスを用いてプラズマ処理した実施例1の場
合、60分間の処理によって、B濃度は1ppmまで低
減し、C濃度は、5ppmまで低減した。SOG−Si
に要求される純度は、Cについては5ppm以下、その
他の元素については、1ppm以下と言われているが、
本発明に係る方法によれば、SOG−Siに要求される
純度を有する高純度シリコンを比較的短時間のプラズマ
処理によって製造することができた。
【0072】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種
々の改変が可能である。
【0073】例えば、上記実施の形態においては、プラ
ズマトーチに不活性ガス、酸素ガス及びアンモニアガス
を供給する精製装置について主に説明したが、酸素ガス
又はアンモニアガスのいずれか一方を、吹込手段を用い
てMG−Siの溶湯に直接吹き込んでも良く、あるい
は、酸素ガス及びアンモニアガスの双方をMG−Siの
溶湯に直接吹き込んでも良い。
【0074】また、上述した精製装置は、酸素ガスとア
ンモニアガスがそれぞれ別個の経路を経てプラズマトー
チの先端に供給されているが、所定の比率で混合された
アルゴンガス、酸素ガス及びアンモニアガスの混合ガス
をプラズマトーチの先端に供給しても良い。あるいは、
プラズマトーチの先端に、それぞれ不活性ガス、酸素ガ
ス及びアンモニアガスを別個に供給し、プラズマトーチ
の先端においてこれらを混合しても良い。
【0075】さらに、上記実施例では、大気圧下におい
て処理を行っているが、減圧下において処理を行っても
良い。減圧下で処理を行うと、BOガス及びCOガスを
取り込んだ気泡の排出が促進され、精製反応をさらに効
率よく進行させることができる。
【0076】
【発明の効果】本発明に係る金属シリコンの精製方法及
び精製装置は、MG−Siをプラズマ処理する際に、溶
湯に酸素ガス及びアンモニアガスが添加されるので、溶
湯中に含まれるB及びCの酸化除去が効率よく進行する
という効果がある。また、酸化膜の生成が抑制されるの
で、精製反応を継続的に進行させることができ、シリコ
ンの酸化ロスも抑制されるという効果がある。
【0077】また、プラズマトーチに作動ガスとして供
給される不活性ガスに酸素ガス及び/又はアンモニアガ
スを添加すると、高温火点に効率よく酸素ガス及びアン
モニアガスが供給され、精製反応が速やかに進行すると
いう利点がある。また、溶湯に添加される酸素ガス及び
アンモニアガスの比率を最適化すると、溶湯表面におけ
る酸化膜の生成を抑制しつつ、溶湯に含まれるB及びC
の精製反応を効率よく進めることができる。
【0078】また、複数本のプラズマトーチを用いて処
理することによって、精製反応を効率よくかつ均一に進
行させることができるという効果がある。また、その際
にルツボの鉛直方向に磁場を作用させると、溶湯が撹拌
され、BOガス及びCOガスの生成及び排出が促進され
るという効果がある。
【0079】また、二重管構造を有するプラズマトーチ
を用いて、陰極と内筒の間隙にはアンモニアガスを含む
作動ガスを供給し、内筒と外筒の間隙には酸素ガスを含
む作動ガスを供給すると、高温火点に効率よく酸素ガス
及びアンモニアガスを供給できることに加えて、陰極の
消耗を抑制できるという効果がある。
【0080】また、MG−Siの溶湯を保持するルツボ
として、高純度シリカを用いると、ルツボからの不純物
の混入が回避され、高純度シリコンを安定して製造でき
るという効果がある。
【0081】さらに、本発明に係る精製装置は、プラズ
マ処理装置に対して酸素ガス添加手段及びアンモニアガ
ス添加手段を付加するだけでよいので、MG−Siの処
理効率が向上するだけでなく、装置構成も簡略化され、
SOG−Siの製造コストを削減できるという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態に係る金属シリコンの
精製装置の断面図である。
【図2】 プラズマトーチ先端の拡大断面図である。
【図3】 炉体の断面図である。
【図4】 プラズマジェットのみを使用した場合におけ
るルツボ内の精製反応を示す模式図である。
【図5】 プラズマジェットと磁場を併用した場合にお
けるルツボ内の精製反応を示す模式図である。
【符号の説明】
14a ルツボ 16 プラズマトーチ 16a 陰極 16b 内筒 16c 外筒 32 反応ガス供給管(酸素ガス添加手段、アン
モニアガス添加手段) 34 MG−Siの溶湯
フロントページの続き (72)発明者 藤澤 敏治 愛知県名古屋市名東区にじが丘一丁目12− 2 星ヶ丘スカイマンション504 (72)発明者 棚橋 満 岐阜県大垣市荒尾玉池二丁目29番地 (72)発明者 芝田 智樹 愛知県名古屋市南区大同町二丁目30番地 大同特殊鋼株式会社技術開発研究所内 (72)発明者 坂田 雅史 愛知県名古屋市南区大同町二丁目30番地 大同特殊鋼株式会社技術開発研究所内 Fターム(参考) 4G072 AA01 GG01 GG03 HH01 MM08 MM38 UU02

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属シリコンの溶湯が装入されたルツボ
    の開口部に、プラズマトーチの先端を臨ませ、該プラズ
    マトーチから前記金属シリコンの溶湯に向かってプラズ
    マジェットを噴射する際に、 前記金属シリコンの溶湯に酸素ガス及びアンモニアガス
    を添加することを特徴とする金属シリコンの精製方法。
  2. 【請求項2】 前記プラズマトーチに作動ガスとして供
    給される不活性ガスに、酸素ガスを添加することを特徴
    とする請求項1に記載の金属シリコンの精製方法。
  3. 【請求項3】 前記プラズマトーチに作動ガスとして供
    給される不活性ガスに、アンモニアガスを添加すること
    を特徴とする請求項1又は2に記載の金属シリコンの精
    製方法。
  4. 【請求項4】 前記金属シリコンの溶湯に添加される前
    記アンモニアガスに対する前記金属シリコンの溶湯に添
    加される前記酸素ガスの体積比は、1/2以上3/4以
    下である請求項1から3までのいずれかに記載の金属シ
    リコンの精製方法。
  5. 【請求項5】 前記ルツボの中心軸に対して対称に、か
    つ前記中心軸に対して斜めに配置された複数本の前記プ
    ラズマトーチからプラズマジェットを噴射させることを
    特徴とする請求項1から4までのいずれかに記載の金属
    シリコンの精製方法。
  6. 【請求項6】 前記複数本のプラズマトーチからプラズ
    マジェットを噴射させる際に、前記ルツボの鉛直方向に
    磁場を発生させることを特徴とする請求項5に記載の金
    属シリコンの精製方法。
  7. 【請求項7】 前記ルツボは、高純度シリカからなる請
    求項1から6までのいずれかに記載の金属シリコンの精
    製方法。
  8. 【請求項8】 金属シリコンの溶湯が装入されたルツボ
    の開口部に、プラズマトーチの先端を臨ませ、該プラズ
    マトーチから前記金属シリコンの溶湯に向かってプラズ
    マジェットを噴射するプラズマ発生手段と、 前記金属シリコンの溶湯に酸素ガスを添加する酸素ガス
    添加手段と、 前記金属シリコンの溶湯にアンモニアガスを添加するア
    ンモニアガス添加手段とを備えた金属シリコンの精製装
    置。
  9. 【請求項9】 前記酸素ガス添加手段は、前記プラズマ
    トーチに作動ガスとして供給される不活性ガスに、酸素
    ガスを混合する酸素ガス混合手段である請求項8に記載
    の金属シリコンの精製装置。
  10. 【請求項10】 前記アンモニアガス添加手段は、前記
    プラズマトーチに作動ガスとして供給される不活性ガス
    に、アンモニアガスを混合するアンモニアガス混合手段
    である請求項8又は9に記載の金属シリコンの精製装
    置。
  11. 【請求項11】 前記プラズマトーチは、陰極並びに該
    陰極の周囲に同心円状に配置された中間筒及び外筒を備
    えた二重管構造を有し、 前記酸素ガス添加手段は、前記中間筒と前記外筒の間隙
    に作動ガスとして供給される不活性ガスに、酸素ガスを
    混合する酸素ガス混合手段であり、 前記アンモニアガス添加手段は、前記陰極と前記中間筒
    の間隙に作動ガスとして供給される不活性ガスに、アン
    モニアガスを混合するアンモニアガス混合手段である請
    求項8に記載の金属シリコンの精製装置。
  12. 【請求項12】 複数本の前記プラズマトーチが、前記
    ルツボの中心軸に対して対称に、かつ前記中心軸に対し
    て斜めに配置されていることを特徴とする請求項8から
    11までのいずれかに記載の金属シリコンの精製装置。
  13. 【請求項13】 前記ルツボの鉛直方向に向かって磁場
    を発生させる磁場発生手段をさらに備えた請求項12に
    記載の金属シリコンの精製装置。
  14. 【請求項14】 前記ルツボは、高純度シリカからなる
    請求項8から13までのいずれかに記載の金属シリコン
    の精製装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013510794A (ja) * 2009-11-16 2013-03-28 政宏 星野 金属シリコンを精製する方法
TWI494274B (zh) * 2009-09-18 2015-08-01 Ulvac Inc 矽精製方法及矽精製裝置
CN115650238A (zh) * 2022-11-04 2023-01-31 宁夏海盛实业有限公司 一种高品质工业硅制备设备及方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI494274B (zh) * 2009-09-18 2015-08-01 Ulvac Inc 矽精製方法及矽精製裝置
EP2479144A4 (en) * 2009-09-18 2015-12-02 Ulvac Inc METHOD AND APPARATUS FOR PURIFYING SILICON
JP2013510794A (ja) * 2009-11-16 2013-03-28 政宏 星野 金属シリコンを精製する方法
CN115650238A (zh) * 2022-11-04 2023-01-31 宁夏海盛实业有限公司 一种高品质工业硅制备设备及方法

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