JP2005154217A - シリコン精錬におけるスラグ分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、スラグによるシリコンの精錬において、効率よくスラグを除去する方法を提供する。
【解決手段】 シリコンの精錬の途中又は終了後の一方又は両方で、シリコン及びスラグの入った容器を９０°未満に傾け、ジグを用いてスラグをかき出すことによってスラグを除去することを特徴とするシリコン精錬におけるスラグ分離方法である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、太陽電池用高純度シリコンの製造工程に用いるスラグによるシリコン精錬方法に関する。

従来、スラグを用いたシリコンの精錬方法は種々提案されている。この中で、スラグとシリコンを分離することを明記している提案は、（特許文献１）と（特許文献２）が挙げられる。しかし、これらはスラグ精錬の工程の一部として分離を述べているだけであり、具体的方法については記述していない。

また、（特許文献３）は、シリコンの酸化又は揮発精錬方法においての容器を提案しており、図１に示すように、容器１の底に設けた穴２からシリコン３を外に出す方法を提案している。しかし、この提案は、シリコンを注出する方法であり、シリコンを残存させたままスラグを容器外に除去する方法ではない。

したがって、スラグによるシリコンの精錬において、容器内に精錬シリコンを残したままスラグをルツボ外に除去する方法についての従来提案はない。
特開２００３−１２３１７号公報 特開平８−７３２０９号公報 特開平１１−１８９４０７号公報

シリコンのスラグ精錬では、図２に示すように、主にシリコン３中の不純物（ボロン、燐）４をスラグ５に移行させ、シリコン３を高純度化していく。この精錬工程において、ある一定時間を経過するとスラグ５中の不純物４の除去能力は低下してくる。そこで、図３に示すように除去能力の低下したスラグ６を容器１外に除去し、新しいスラグ７を添加する必要性が生じるものの、これまで効率のよいスラグ除去方法がなかった。

そこで、本発明は、スラグによるシリコンの精錬において、効率よくスラグを除去する方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、
（１）シリコンの精錬の途中又は終了後の一方又は両方で、シリコン及びスラグの入った容器を９０°未満に傾け、ジグを用いてスラグをかき出すことによってスラグを除去することを特徴とするシリコン精錬におけるスラグ分離方法、
（２）前記ジグが、棒の先端に板が付いた形状で、板の幅は容器内径あるいは一辺の１／３以下、高さが１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である（１）記載のシリコン精錬におけるスラグ分離方法、
（３）前記ジグの材質がカーボンである（１）又は（２）に記載のシリコン精錬におけるスラグ分離方法、
（４）前記スラグの粘性が０．１ｐｏｉｓｅ以上、５ｐｏｉｓｅ以下である（１）記載のシリコン精錬におけるスラグ分離方法、
（５）スラグをかき出す直前にスラグ成分を調節し、粘性を制御する（４）記載のシリコン精錬におけるスラグ分離方法、
である。

本発明のシリコン精錬におけるスラグ分離方法を用いることにより、スラグによるシリコンの精錬のときに、スラグのみを効率よく取り出し、精錬効果を高めることが可能になる。

本発明の方法は、スラグによるシリコン精錬のときに使用する。スラグ精錬は、図２に示したように、容器１に溶融シリコン３とスラグ５とを入れておき、シリコン中の不純物（ボロン、燐）４をスラグに移行させる工程である。スラグ５には、Ｎａ_２Ｏ，ＣａＯなどのアルカリ系、アルカリ土類系の酸化物を主成分とするもの等が用いられるが、その組成によってスラグ５がシリコン４に浮く場合と沈む場合とに分けられる。本発明は浮く場合のみに限定し、用いる方法である。

図４に示すように本発明方法は、スラグ５とシリコン３の入った容器１を傾け、ジグ８を用いることによってスラグ５をかき出し、スラグ５を除去する。このとき容器のスラグをかき出す側の内面１２が、重力方向１３を基準として、その角度１４は９０°以上にしない。９０°以上にするとシリコンも流れ出てしまうからである。

図５に示すように、ジグ８は棒９の先端部に板１０を付けた形状であり、この板をスラグに挿入し引き抜くことによって、スラグをかき出す。この板の幅が容器の内径あるいは一辺の１／３より大きいとき又は高さが１００ｍｍを超える場合は、作業中頻繁に、板が容器の内壁に接触し、作業性が著しく低下する。また、高さが１０ｍｍよりも小さいときや板の幅が３０ｍｍよりも小さいときは一度の引き抜きでかき出すスラグの量が少なく、スラグ除去の効率が悪い。また、板の厚みが３ｍｍよりも薄い場合は亀裂や破損することが多く作業の妨げとなる。よって、板の幅は容器内径あるいは一辺の１／３以下で３０ｍｍ以上、高さは１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、厚みは３ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが望ましい。

ジグの材質として求められる特性は、熱衝撃割れが無い、汚染が無い、スラグとの反応が少ない等が挙げられる。これらの観点からジグの材質としてはカーボンが最適である。

また、スラグを除去する際には、最適なスラグの粘性がある。図６（ａ）に示すように、粘性が大きいと、容器１を傾けたときにシリコン３のみが流出し易い。また、かき出す際に、シリコン３を巻き込んでかき出すことがある。逆に、粘性が小さいと、図６（ｂ）に示すように、細かなスラグ１１がシリコン３中に混入してしまい、これらが不純物となってしまう。これらのことから、スラグの粘性は、０．１ｐｏｉｓｅ以上５ｐｏｉｓｅ以下であることが望ましい。

さらに、スラグ除去の直前にスラグ粘性を制御することも、スラグ除去を行う上で非常に有効である。アルカリ系、アルカリ土類系酸化物と二酸化珪素を主成分とする組成のスラグでは、二酸化珪素等の酸性酸化物を添加することで粘性を高めることができ、アルカリ系、アルカリ土類系等の塩基性酸化物を添加すると粘性を低くすることができる。スラグ除去の直前にこれらの操作を行い、スラグ粘性を０．１ｐｏｉｓｅ以上５ｐｏｉｓｅ以下にすれば、より良好なスラグの除去が可能になる。

以上のスラグ除去方法を用いることにより、効率よくスラグのみを除去することが可能になる。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。

（実施例１）
２５０ｍｍ径の容器で３０ｋｇのＳｉを溶解し、酸化ナトリウムと二酸化珪素がモル比１：１の組成とする同量のスラグを用いて精錬を行い、精錬後、シリコンとスラグの分離を試みた。分離方法として、容器をスラグのみが容器から流し出るように傾動を除々に行う方法（比較方法）と、容器を傾斜したまま静止させ、ジグを用いてスラグをかき出す方法（本発明方法）とである。容器の傾斜角度は、比較方法では５０°から７０°まで徐々に傾けた。一方、本発明方法では６５°で実施した。このとき、スラグにＳｉＯ_２又はＮａ_２Ｏを添加することによって、スラグ粘性を０．０５ｐｏｉｓｅ、０．１ｐｏｉｓｅ、１ｐｏｉｓｅ、５ｐｏｉｓｅ、１０ｐｏｉｓｅの５通りに調整した。また、かき出しに用いたジグは、カーボン製で、先についている板は、厚み５ｍｍ、幅高さともに８０ｍｍである。

以上の条件で、シリコンからのスラグの分離を実施した結果を表１に示す。比較方法では、スラグ粘性が０．０５ｐｏｉｓｅ、０．１ｐｏｉｓｅ、１ｐｏｉｓｅの場合には、シリコンにスラグが細かく混合した状態で流れ出た。一方、スラグ粘性が５ｐｏｉｓｅ、１０ｐｏｉｓｅの場合には、スラグは流出せず、シリコンのみが流出した。いずれにしても、比較方法ではスラグのみを容器から出すことはできなかった。

一方、本発明方法では、スラグを容器から取り出すことができた。ただし、ほぼ全量取り出せたのは、スラグ粘性が０．１ｐｏｉｓｅ、１ｐｏｉｓｅ、５ｐｏｉｓｅ、１０ｐｏｉｓｅのときで、０．０５ｐｏｉｓｅのときはスラグの一部がシリコン中に粒子となって混じって残留した。また、０．０５ｐｏｉｓｅと１０ｐｏｉｓｅの場合、逆に一部のシリコンがスラグに混入して排出してしまった。

以上のことから、比較方法に比べ、本発明方法は、スラグのみを取り出すのに非常に有利であること、さらに、本発明方法の中でも、特にスラグ粘性が０．１ｐｏｉｓｅ、１ｐｏｉｓｅ、５ｐｏｉｓｅの場合がシリコンを注出せずに、ほぼ全量のスラグを取り出せることが判明した。

（実施例２）
２５０ｍｍ径の容器で３０ｋｇのＳｉを溶解し、酸化ナトリウムと二酸化珪素がモル比１：１の組成とする同量のスラグを用い精錬を行い、精錬後、シリコンとスラグの分離を試みた。分離方法として容器を傾斜したまま静止させ、ジグを用いてスラグをかき出す方法（本発明方法）を実施した。このとき、容器の角度は６５°とし、スラグにＳｉＯ_２又はＮａ_２Ｏを添加することによって、スラグ粘性は１ｐｏｉｓｅに調整した。かき出しにはカーボン製のジグを用いた。ジグのサイズについては、先端部の板の厚みが５ｍｍ、幅と高さが、８０ｍｍ×８０ｍｍ、１１０ｍｍ×８０ｍｍ、９ｍｍ×８０ｍｍ、８０ｍｍ×１００ｍｍのものを用いて比較した。

以上の条件で、シリコンからのスラグの分離を実施した結果は、表２に示すように、先端部の板のサイズが１１０ｍｍ×８０ｍｍ、８０ｍｍ×１００ｍｍのものはジグが容器の壁に頻繁に接触し、取り出せるシリコン量が減った。また、９ｍｍ×８０ｍｍのジグは一度にかぎ出すスラグ量が少ないために、作業時間が長くなった。８０ｍｍ×８０ｍｍのジグは作業時間が短く、ほぼ全量のシリコンをかぎ出すことができた。

以上のことから、本発明方法の分離方法でも、サイズが８０ｍｍ×８０ｍｍであることが最も効率よくスラグを取り出せることが判明した。

従来方法の一例を説明する図面。 スラグによるシリコンの精錬方法を説明する図面。 スラグによるシリコンの精錬においてスラグ交換の必要性を説明する図面。 本発明方法の概要を示す図面。 本発明方法で使用するジグを示す図面。 本発明方法でスラグ粘性の影響を示す図面、ただし、（ａ）粘性が５ｐｏｉｓｅを超える場合、（ｂ）粘性が０．１ｐｏｉｓｅを下回る場合である。

符号の説明

１ 容器、
２ 穴、
３ シリコン、
４ 不純物（ボロン、燐）、
５ スラグ、
６ 除去能力の低下したスラグ、
７ 新しいスラグ、
８ ジグ、
９ 棒、
１０ 板、
１１ 細かなスラグ、
１２ スラグをかき出す側の内面、
１３ 重力方向、
１４ 角度。

Claims (5)

1. シリコンの精錬の途中又は終了後の一方又は両方で、シリコン及びスラグの入った容器を９０°未満に傾け、ジグを用いてスラグをかき出すことによってスラグを除去することを特徴とするシリコン精錬におけるスラグ分離方法。
2. 前記ジグが、棒の先端に板が付いた形状で、板の幅は容器内径或いは一辺の１／３以下、高さが１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下である請求項１記載のシリコン精錬におけるスラグ分離方法。
3. 前記ジグの材質が、カーボンである請求項１又は２に記載のシリコン精錬におけるスラグ分離方法。
4. 前記スラグの粘性が０．１ｐｏｉｓｅ以上、５ｐｏｉｓｅ以下である請求項１記載のシリコン精錬におけるスラグ分離方法。
5. スラグをかき出す直前にスラグ成分を調節し、粘性を制御する請求項４記載のシリコン精錬におけるスラグ分離方法。

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