JP2004262746A - シリコンの精製方法およびシリコン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 溶融後のシリコンに一酸化炭素、二酸化炭素および炭化水素の群から選択された少なくとも1種類を含有する炭素含有ガスを吹き込むシリコンの精製方法である。また、シリコンの溶融前および/または溶融後に、炭素および炭化ケイ素の少なくとも一方を混合するシリコンの精製方法である。さらに、本発明は、上記シリコンの精製方法を用いて精製されたシリコンである。
【選択図】 図1
Description
図1に本発明に用いられる装置の一部の好ましい一例の模式的な断面図を示す。なお、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
以下、本発明に係るシリコンの精製方法の好ましい一例について説明する。
本明細書において、炭素含有ガスは、一酸化炭素、二酸化炭素および炭化水素の群から選択された少なくとも1種類を含有するガスのことである。この炭素含有ガスが溶融シリコン8中に吹き込まれた場合には、ボロンの除去速度が向上し、シリコンを効率良く精製することができることが本発明者らによって見い出され、本発明が完成するに至った。ここで、炭化水素としては、例えばメタン(CH4)、エタン(C2H6)等が用いられる。
ガス吹き込み管4および攪拌部5の材質には黒鉛が用いられることが好ましく、坩堝2の材質にも黒鉛が用いられることがより好ましい。これは、黒鉛が1400℃を超える温度を有する溶融シリコン8と接触しても溶け出さず、さらに加工が容易であるためである。また、坩堝2、ガス吹き込み管4または攪拌部5の材質に黒鉛が用いられる場合には、炭素含有ガス、特に一酸化炭素および二酸化炭素の少なくとも一方を含有する炭素含有ガスを溶融シリコン8中に吹き込むことにより、黒鉛製の坩堝2、ガス吹き込み管4および攪拌部5をより長時間使用することが可能となる。
原料シリコンより比重の大きいスラグが添加される場合には、上層である溶融シリコン層と下層である溶融スラグ層との界面付近に撹拌部5を下降させた後、ガス吹き込み管4を回転させることが好ましい。この場合には、ガス吹出し口6から吹き出された炭素含有ガスの気泡11および溶融スラグ9が、溶融シリコン8中でより均一に分散されやすくなる。そして、炭素含有ガス、溶融シリコン8、さらには必要により添加された溶融スラグ9等が坩堝2中で非常に効率よく混合され、各相間の接触面積が著しく増大する。このような状態になると、炭素含有ガス等に含まれ得る酸化性ガスまたは必要により添加された溶融スラグ9から供給された酸素による溶融シリコン8中のボロン等の不純物の酸化反応が著しく促進される。
本発明に用いられ得るスラグとしては、例えば酸化ケイ素と酸化カルシウムとを混合したもの等が用いられる。例えば、Advanced Physical Chemistry for Process Metallurgy(1997年発行)の109ページに記載のSiO2−CaO2元系状態図から分かるように、シリコンの融点である約1412℃より高い約1460℃以上で酸化ケイ素と酸化カルシウムとの混合物であるスラグを溶融状態にすることができる。
本発明者らは、炭素含有ガスを吹き込む代わりに、または、炭素含有ガスを吹き込むと共に、固形状の炭素および炭化ケイ素の少なくとも一方を混合した場合にも、ボロンの除去速度が向上することを見い出した。ここで、炭素および/または炭化ケイ素は、シリコンの溶融前に坩堝2内に混合されてもよく、シリコンが溶融した後に混合されてもよい。また、炭素および/または炭化ケイ素は、必要量全てを一度に混合されてもよく、少量ずつ断続的または連続的に混合されてもよい。
ボロンを65ppm含有しているスクラップシリコンと、純度11Nの半導体級シリコンとを、質量比でおよそ1:8の割合で混合することにより、含有されるボロン濃度を約7ppmに調整した原料シリコンを作製した。
炭素含有ガスとしてアルゴン(Ar)と一酸化炭素(CO)との混合ガス(Arの体積比率70%、COの体積比率30%)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.2ppm、処理後は3.6ppmであった。
炭素含有ガスとしてアルゴン(Ar)と一酸化炭素(CO)と二酸化炭素(CO2)との混合ガス(Arの体積比率70%、COの体積比率15%、CO2の体積比率15%)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.0ppm、処理後は3.5ppmであった。
炭素含有ガスとしてアルゴン(Ar)と一酸化炭素(CO)と二酸化炭素(CO2)と水蒸気(H2O)との混合ガス(Arの体積比率70%、COの体積比率10%、CO2の体積比率10%、H2Oの体積比率10%)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.2ppm、処理後は3.2ppmであった。
本実施例では、酸化シリコン(SiO2)粉末と酸化カルシウム(CaCO3)粉末とを質量比65:35の割合で混合したものをスラグ材料として使用した。ボロン濃度を約7ppmに調整した原料シリコンと上記スラグ材料とを質量比4:1の割合で混合したもの1kgを坩堝2内に入れ、溶解炉1内の空間を1気圧のアルゴンガス雰囲気として、電磁誘導加熱装置3を用いて坩堝2を加熱することにより原料シリコンおよびスラグ材料を溶融して、1550℃で保持した。溶融スラグは溶融シリコンに対して比重が大きいので、大部分が坩堝2の底部に沈殿していた。この際、処理前のボロン含有量を測定するため、溶融スラグが混入しないように溶融シリコン約20gを抽出し、そのうち5gを測定に用いた。
本実施例では、酸化シリコン(SiO2)粉末と炭酸リチウム(Li2CO3)粉末とを質量比62:38の割合で混合したものをスラグ材料として使用した。炭酸リチウム(Li2CO3)は加熱中に酸化リチウム(Li2O)と二酸化炭素(CO2)とに分解される。酸化リチウム(Li2O)と二酸化炭素(CO2)との分子量の比はおよそ30:44であるため、スラグ材料が溶融した状態では、酸化シリコン(SiO2)と酸化リチウム(Li2O)との質量比はおよそ80:20となっているものと思われる。
炭素含有ガスとしてアルゴン(Ar)と二酸化炭素(CO2)との混合ガス(Arの体積比率95%、CO2の体積比率5%)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.0ppm、処理後は4.0ppmであった。
炭素含有ガスとしてアルゴン(Ar)と二酸化炭素(CO2)との混合ガス(Arの体積比率90%、CO2の体積比率10%)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.0ppm、処理後は3.6ppmであった。
炭素含有ガスとしてアルゴン(Ar)と二酸化炭素(CO2)との混合ガス(Arの体積比率50%、CO2の体積比率50%)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.0ppm、処理後は3.3ppmであった。
炭素含有ガスとしてアルゴン(Ar)と二酸化炭素(CO2)との混合ガス(Arの体積比率45%、CO2の体積比率55%)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.0ppm、処理後は3.3ppmであった。
ガス吹き込み管4のガス流路7の面を覆うように、アルミナ製の管を挿通したこと以外は実施例1と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.2ppm、処理後は3.5ppmであって実施例1と同等のシリコンの精製能となった。
炭素含有ガスの代わりに、アルゴン(Ar)と水蒸気(H2O)との混合ガス(Arの体積比率70%、H2Oの体積比率30%)を用い、さらに、直径10μm程度の炭素粉末を毎分1gずつ溶融シリコン8中に混合したこと以外は実施例11と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.1ppm、処理後は2.5ppmであって実施例11よりもシリコンの精製能が大きくなった。
炭素粉末の代わりに、直径10μm程度の炭化ケイ素粉末を毎分4gずつ溶融シリコン8中に混合したこと以外は実施例12と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.3ppm、処理後は2.0ppmであって実施例11よりもシリコンの精製能が大きくなった。
炭素含有ガスとしてアルゴン(Ar)とメタン(CH4)と水蒸気(H2O)との混合ガス(Arの体積比率80%、CH4の体積比率10%、H2Oの体積比率10%)を用いたこと以外は、実施例11と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.6ppm、処理後は2.6ppmであった。
ガス吹き込み管4のガス流路7の面を覆うように、アルミナ製の管を挿通したこと以外は実施例6と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.3ppm、処理後は0.5ppmであった。
炭素含有ガスとしてアルゴン(Ar)と一酸化炭素(CO)と二酸化炭素(CO2)と水蒸気(H2O)との混合ガス(Arの体積比率40%、COの体積比率20%、CO2の体積比率20%、H2Oの体積比率20%)を用いたこと以外は実施例15と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.5ppm、処理後は0.2ppmであって実施例15よりもシリコンの精製能が向上した。
炭素含有ガスの代わりに、アルゴン(Ar)と水蒸気(H2O)との混合ガス(Arの体積比率70%、H2Oの体積比率30%)を用い、さらに、直径10μm程度の炭素粉末を95g溶融シリコン8中に混合したこと以外は実施例11と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.1ppm、処理後は3.2ppmであって実施例11よりもシリコンの精製能が少し大きくなった。
炭素含有ガスの代わりに、アルゴン(Ar)と水蒸気(H2O)との混合ガス(Arの体積比率70%、H2Oの体積比率30%)を用い、さらに、直径10μm程度の炭素粉末を100g溶融シリコン8中に混合したこと以外は実施例11と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.1ppm、処理後は2.6ppmであって実施例11よりもシリコンの精製能がかなり大きくなった。
炭素含有ガスの代わりに、アルゴン(Ar)と水蒸気(H2O)との混合ガス(Arの体積比率70%、H2Oの体積比率30%)を用い、さらに、直径10μm程度の炭素粉末を500g溶融シリコン8中に混合したこと以外は実施例11と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.3ppm、処理後は2.4ppmであって実施例11よりもシリコンの精製能がかなり大きくなった。
炭素含有ガスの代わりに、アルゴン(Ar)と水蒸気(H2O)との混合ガス(Arの体積比率70%、H2Oの体積比率30%)を用い、さらに、直径10μm程度の炭素粉末を600g溶融シリコン8中に混合したこと以外は実施例11と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.2ppm、処理後は2.5ppmであって実施例11よりもシリコンの精製能がかなり大きくなった。
炭素含有ガスの代わりに、アルゴン(Ar)と水蒸気(H2O)との混合ガス(Arの体積比率70%、H2Oの体積比率30%)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.4ppm、処理後は4.4ppmであった。
ガス吹き込み管4のガス流路7の面を覆うように、アルミナ製の管を挿通したこと以外は比較例1と同様にして精製処理を行なった。処理前後のボロン含有量を測定したところ、処理前は7.2ppm、処理後は5.0ppmであって比較例1よりもさらにシリコンの精製能が低下した。これは、比較例2においては、アルミナ製の管を挿通しているため、ガス吹き込み管4のガス流路7の面は消耗しなかったが、その分だけ溶融シリコン中への炭素の供給量が少なくなったためと考えられる。
Claims (11)
- 溶融後のシリコンに一酸化炭素、二酸化炭素および炭化水素の群から選択された少なくとも1種類を含有する炭素含有ガスを吹き込むことを特徴とする、シリコンの精製方法。
- 前記シリコンの溶融前および/または溶融後に、炭素および炭化ケイ素の少なくとも一方を混合することを特徴とする、請求項1に記載のシリコンの精製方法。
- シリコンの溶融前および/または溶融後に、炭素および炭化ケイ素の少なくとも一方を混合することを特徴とする、シリコンの精製方法。
- 前記シリコンの溶融前および/または溶融後に、スラグを混合することを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載のシリコンの精製方法。
- 前記スラグが酸化ケイ素を含有することを特徴とする、請求項4に記載のシリコンの精製方法。
- 前記スラグがアルカリ金属の酸化物を含有することを特徴とする、請求項5に記載のシリコンの精製方法。
- 前記スラグがアルカリ金属の炭酸塩、アルカリ金属の炭酸水素塩およびアルカリ金属のケイ酸塩の群から選択された少なくとも1種類を含むことを特徴とする、請求項5または6に記載のシリコンの精製方法。
- 前記シリコンの溶融後にガス吹き込み管を浸漬させ、一酸化炭素、二酸化炭素および炭化水素の群から選択された少なくとも1種類を含有する炭素含有ガスを前記ガス吹き込み管に導入することによって、前記炭素含有ガスを前記シリコンに吹き込むことを特徴とする、請求項1から7のいずれかに記載のシリコンの精製方法。
- 前記ガス吹き込み管のガス流路の少なくとも一部が耐酸化性材料からなることを特徴とする、請求項8に記載のシリコンの精製方法。
- 前記炭素含有ガスを前記シリコン中に吹き込みながら、前記ガス吹き込み管を前記シリコン中で回転させることを特徴とする、請求項8または9に記載のシリコンの精製方法。
- 請求項1から10のいずれかに記載のシリコンの精製方法を用いて精製されたシリコン。
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