JP2005225729A - PURIFYING APPARATUS OF SiO, PURIFYING METHOD OF SiO USING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD OF HIGH PURIFIED SILICON - Google Patents

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信明 伊藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a purifying apparatus of SiO with the low P concentration from a SiO raw material with the high P concentration, and to provide a manufacturing method of a high purified Si using such a purified SiO. <P>SOLUTION: The purifying apparatus is a SiO purifying apparatus containing a SiO generator, a first SiO condenser and an displacement pump. The purifying apparatus is characterized by arranging a second SiO condenser between the first SiO condenser and the displacement pump. The purifying method uses such a apparatus. The manufacturing method of the high purified Si uses the purified SiO. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、SiOの精製装置、かかる装置を用いるSiOの精製方法及び高純度シリコンの製造方法に関し、さらに詳細には太陽電池に使用可能な高純度シリコンの製造方法に関する。   The present invention relates to an apparatus for purifying SiO, a method for purifying SiO using such an apparatus, and a method for producing high-purity silicon, and more particularly, to a method for producing high-purity silicon that can be used for solar cells.

太陽電池基板に使用されるSiは、99.9999%以上レベルという極めて高純度のものが要求される(このレベルの純度のSiを以下「高純度Si」と呼び、これより低い純度のものを「低純度Si」と以下、呼ぶことにする)。特に、電池性能に悪影響を与える、Si中の不純物元素は、太陽光による発電の起電力を大幅に減少させるn型不純物元素またはp型不純物元素と呼ばれるリン、ヒ素、アンチモン、ボロン、ガリウム、インジウム、並びに、電気抵抗を低めて素子の絶縁性を阻害したり、電池内で発生した電荷の移動を阻害したりするその他の金属元素、例えば、鉄、アルミ、ニッケル、チタン等である。高純度Siは、従来、シーメンス法(特許文献1等)により製造されてきた。この方法は、純度97%程度の金属シリコン原料を一旦、塩化した後、精製・還元して99.9999999%以上の高純度シリコンを得るものであり、反応に多大のエネルギーを消費するため原理的に製造費は高価になることが避けられない。   Si used for the solar cell substrate is required to have an extremely high purity of 99.9999% or more (hereinafter referred to as "high purity Si"), and a lower purity than this. Hereinafter referred to as “low purity Si”). In particular, impurity elements in Si that adversely affect battery performance are phosphorus, arsenic, antimony, boron, gallium, and indium, which are called n-type impurity elements or p-type impurity elements that significantly reduce the electromotive force generated by sunlight. In addition, other metal elements that lower the electrical resistance to inhibit the insulation of the element or inhibit the movement of electric charges generated in the battery, such as iron, aluminum, nickel, titanium, and the like. High-purity Si has heretofore been produced by the Siemens method (Patent Document 1, etc.). In this method, a metal silicon raw material having a purity of about 97% is once chlorinated, then purified and reduced to obtain high-purity silicon of 99.9999999% or more. In addition, the manufacturing cost is unavoidable.

そこで、金属Si等から一旦、一酸化珪素(SiO)を経由して高純度Siを製造する方法が提案されている。例えば、特許文献2では、高温下で次の反応によりSiOから高純度Siを得る方法が示されている。   Therefore, a method for producing high-purity Si once from metal Si or the like via silicon monoxide (SiO) has been proposed. For example, Patent Document 2 discloses a method for obtaining high-purity Si from SiO by the following reaction at a high temperature.

SiO → Si + SiO (1)
また、特許文献3では、
SiO + H → Si + HO (2)
なる反応でSiOからSiの得られることを示している。
また、SiOを得る方法としては、例えば、特許文献4に示されるように、次の2つの反応による手法が知られている。
SiO → Si + SiO 2 (1)
In Patent Document 3,
SiO + H 2 → Si + H 2 O (2)
It is shown that Si can be obtained from SiO by the following reaction.
As a method for obtaining SiO, for example, as shown in Patent Document 4, a technique based on the following two reactions is known.

Si + SiO → 2SiO (3)
C + SiO → SiO + CO (4)
これは、高温低圧下で発生する大きな吸熱反応である。この方法は、SiO粉末と金属珪素粉末との混合物を減圧処理するための炉と、SiO粉末を回収するための回収装置と、炉と回収装置との間を接続する気密の搬送路からなる装置によって実施される。
Si + SiO 2 → 2SiO (3)
C + SiO 2 → SiO + CO (4)
This is a large endothermic reaction that occurs under high temperature and low pressure. This method comprises a furnace for decompressing a mixture of SiO 2 powder and metal silicon powder, a recovery device for recovering the SiO powder, and an airtight conveyance path connecting the furnace and the recovery device. Implemented by the device.

また、SiOを得るための別の方法として、特許文献5では、プラズマジェットにより蒸気化されたSiを用いて、
2Si + O → 2SiO (5)
なる反応により、SiO微粉末を得ることが開示されている。
As another method for obtaining SiO, Patent Document 5 uses Si vaporized by a plasma jet,
2Si + O 2 → 2SiO (5)
It is disclosed that SiO fine powder is obtained by the following reaction.

さらに、SiOを得るための別の方法として、特許文献6では、例えば、シラン(SiH)ガスを水素ガス雰囲気下で燃焼させることにより、
SiH + O → 2SiO + H (6)
なる反応により、SiO微粉末を得ることが開示されている。
Furthermore, as another method for obtaining SiO, in Patent Document 6, for example, by burning silane (SiH 4 ) gas in a hydrogen gas atmosphere,
SiH 4 + O → 2SiO + H 2 (6)
It is disclosed that SiO fine powder is obtained by the following reaction.

これら、SiOを微粉末で得る製造方法においては、微粉のハンドリング、製造時の安全対策(SiO微粉は、常温空気と触れると爆発する)の点で、バルク状でSiOを得る製造方法に比べて製造費が上昇する。従って、高純度Si製造原料として、SiOを微粉で得る方法は、不利である。   In these production methods for obtaining SiO in fine powder, compared to production methods for obtaining SiO in bulk in terms of handling fine powder and safety measures during production (SiO fine powder explodes when exposed to room temperature air). Manufacturing costs increase. Therefore, the method of obtaining SiO as fine powder as a high-purity Si production raw material is disadvantageous.

SiOからSiを製造する従来技術においては最終的なSi純度は、原材料であるSiO純度に依存する。しかし、従来技術においては、最終的なSi製品中の不純物は多くの元素について良く調査されているにもかかわらず、SiO中不純物への関心は低く、Fe、Al、P等の少数の成分のみしか調査、開示されてこなかった。この結果、成分ばらつきの大きなSiOを原材料として高純度Siを製造していたため、最終的なSi製品の電池特性が安定せずに製品歩留が低く、安価な製造が困難であった。ここで、極めて高純度の原料、例えば、半導体用ポリSiを用いて、(3)式の反応を行い、SiOを生成させればこの様な問題を回避できる可能性は存在するが、この様な製法で得られたSiOの成分ばらつきについて開示された知見は未だ存在しない。また、安価、大量に生産することの求められる太陽電池基板用Siに対して、高価な半導体用ポリSiを用いて製造されたSiOを使用することはそもそも本末転倒であり、現実的ではない。   In the conventional technique for producing Si from SiO, the final Si purity depends on the SiO purity as a raw material. However, in the prior art, although impurities in the final Si product are well investigated for many elements, interest in impurities in SiO is low, and only a small number of components such as Fe, Al, and P are present. However, it has only been investigated and disclosed. As a result, high-purity Si was produced using SiO having a large component variation as a raw material, so that the battery characteristics of the final Si product were not stable, the product yield was low, and inexpensive production was difficult. Here, there is a possibility that such a problem can be avoided if the reaction of the formula (3) is performed by using an extremely high purity raw material, for example, poly-Si for semiconductor, to generate SiO. No knowledge has yet been disclosed about the variation in the components of SiO obtained by various manufacturing methods. Also, using Si manufactured by using expensive poly Si for semiconductors for solar cell substrate Si, which is required to be produced in a low cost and in large quantities, is essentially unsatisfactory.

他方、太陽電池基板用以外のSiO製造、例えば、SiO蒸着膜の製造においては、SiOが最終製品であることもあり、最適なSiO成分が調査、開示されている。例えば、特許文献7においては、食品や医薬品の包装用SiO膜として、SiO中の不純物元素Fe、Al、Ca、Cu、Cr、Mn、Mg、Ti、Ni、P、As、Cd、Hg、Sb、Pbの合計量について範囲を規定している。しかしながら、この成分系のものを太陽電池基板用Si原料用SiOとして直接用いると電池性能を著しくばらつかせる結果となる。これは、当該技術においては電池特性に大きな影響を与えるボロン等のp型不純物の成分範囲に対して何らの規定もされておらず、また、電池性能に対して特に悪影響の高い特定の元素、例えば、Pが10ppmのオーダーという太陽電池基板用として許容できないレベルでSiO中に含まれていたとしても、他の元素成分値との合計量が基準値(50ppm)以下であれば特許文献7の基準を満たしてしまうからである。
特公昭35−2982号公報 WO99/33749号公報 米国特許3010797号公報 特公平4−81524号公報 特開昭60−215514号公報 特開昭62−123009号公報 特開2002−194535号公報
On the other hand, in the manufacture of SiO other than for solar cell substrates, for example, the manufacture of SiO deposited films, SiO may be the final product, and the optimum SiO component has been investigated and disclosed. For example, in Patent Document 7, as an SiO film for packaging foods and pharmaceuticals, impurity elements Fe, Al, Ca, Cu, Cr, Mn, Mg, Ti, Ni, P, As, Cd, Hg, Sb in SiO , Pb defines a range for the total amount. However, when this component system is directly used as the SiO for the Si raw material for the solar cell substrate, the battery performance is significantly varied. This is not specified in the art in terms of the component range of p-type impurities such as boron, which has a great influence on battery characteristics, and a specific element that has a particularly bad influence on battery performance, For example, even if P is contained in SiO at an unacceptable level for a solar cell substrate of the order of 10 ppm, if the total amount with other element component values is less than the reference value (50 ppm), Patent Document 7 This is because the standard is satisfied.
Japanese Patent Publication No. 35-2982 WO99 / 33749 US Patent No. 3010797 Japanese Patent Publication No. 4-81524 JP-A-60-215514 Japanese Patent Laid-Open No. 62-123209 JP 2002-194535 A

SiOからSiを製造する従来技術においては最終的なSi純度は、原材料であるSiO純度に依存する。しかし、従来技術においては、最終的なSi製品中の不純物は多くの元素について良く調査されているにもかかわらず、SiO中の不純物への関心は低く、Fe、Al、P等の少数の成分のみしか調査、開示されてこなかった。この結果、成分ばらつきの大きなSiOを原材料として高純度Siを製造していたため、最終的なSi製品の電池特性が安定せずに製品歩留が低く、安価な製造が困難であった。ここで、極めて高純度の原料、例えば、半導体用ポリSiを用いて、(3)式の反応を行い、SiOを生成させればこの様な問題を回避できる可能性は存在するが、この様な製法で得られたSiOの成分ばらつきについて開示された知見は未だ存在しない。また、安価、大量に生産することの求められる太陽電池基板用Siに対して、高価な半導体用ポリSiを用いて製造されたSiOを使用することはそもそも本末転倒であり、現実的ではない。   In the conventional technique for producing Si from SiO, the final Si purity depends on the SiO purity as a raw material. However, in the prior art, although the impurities in the final Si product are well investigated for many elements, the interest in impurities in SiO is low, and a small number of components such as Fe, Al, P, etc. Only investigations and disclosures have been made. As a result, high-purity Si was produced using SiO having a large component variation as a raw material, so that the battery characteristics of the final Si product were not stable, the product yield was low, and inexpensive production was difficult. Here, there is a possibility that such a problem can be avoided if the reaction of the formula (3) is performed by using an extremely high purity raw material, for example, poly-Si for semiconductor, to generate SiO. No knowledge has yet been disclosed about the variation in the components of SiO obtained by various manufacturing methods. Also, using Si manufactured by using expensive poly Si for semiconductors for solar cell substrate Si, which is required to be produced in a low cost and in large quantities, is essentially unsatisfactory.

また、SiOの回収装置から排出される凝縮性物質を効率的に回収することが求められている。   Further, it is required to efficiently recover the condensable material discharged from the SiO recovery device.

高純度Si製造上、不純物元素の中で特に問題となるのはPである。これは、次の3つの理由によるものである。第1に、Pは微量でも電池特性に大きな悪影響を与える。第2に、安価、大量に入手可能な原料、例えば金属Si中には大量のPが含まれている。第3に、多くの不純物元素に有効と一般的にいわれる凝固精製がPに対してはほとんど効果がなく、Si中から容易に除去できないからである。   Among the impurity elements, P is a problem in the production of high purity Si. This is due to the following three reasons. First, even if P is a trace amount, it has a great adverse effect on battery characteristics. Secondly, a large amount of P is contained in raw materials that are inexpensive and available in large quantities, such as metal Si. Third, solidification purification, which is generally said to be effective for many impurity elements, has little effect on P and cannot be easily removed from Si.

したがって、高濃度のPを含有するSiOを原料に(1)式の反応でSiを製造した場合、特段のP除去作用がないため、Si中にもPが高濃度で残留する。このため、製造されたSiそのままでは太陽電池基板用の材料として適用することはできない、という問題が存在した。   Therefore, when Si is produced by the reaction of the formula (1) using SiO containing a high concentration of P as a raw material, there is no particular P removal action, so P remains in Si at a high concentration. For this reason, there was a problem that the manufactured Si as it is cannot be applied as a material for a solar cell substrate.

そこで、本発明の目的は、P濃度の高いSiO原料からP濃度の低いSiOを精製するための装置及びかかる装置を用いる精製方法を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide an apparatus for purifying SiO having a low P concentration from an SiO raw material having a high P concentration and a purification method using such an apparatus.

また、本発明の目的は、かかる精製SiOを用いる高純度Siの製造方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a method for producing high-purity Si using such purified SiO.

本発明は、SiO発生器と、第1のSiO凝縮器と、排気ポンプとを含むSiO精製装置において、該第1のSiO凝縮器と該排気ポンプとの間に第2のSiO凝縮器を配置してなることを特徴とする精製装置、に関する。   The present invention relates to a SiO purification apparatus including a SiO generator, a first SiO condenser, and an exhaust pump, wherein a second SiO condenser is disposed between the first SiO condenser and the exhaust pump. It is related with the refinement | purification apparatus characterized by these.

また、本発明は、上記の精製装置を用いることを特徴とするSiOの精製方法、に関する。   The present invention also relates to a method for purifying SiO, characterized by using the above-described purification apparatus.

前記第2のSiO凝縮器に、SiO発生速度の0.1%以上の割合でSiOガスを流入させる方法が好ましい。   A method of flowing SiO gas into the second SiO condenser at a rate of 0.1% or more of the SiO generation rate is preferable.

前記第2の凝縮器内部のガス温度を前記第1の凝縮器内部のガス温度より低く設定する方法が好ましい。   A method of setting the gas temperature inside the second condenser to be lower than the gas temperature inside the first condenser is preferable.

前記第2の凝縮器の凝縮面温度を100℃以下とする方法が好ましい。   A method in which the condensation surface temperature of the second condenser is 100 ° C. or less is preferable.

さらに、本発明は、前記の方法で得られた精製SiOを用いることを特徴とする高純度Siの製造方法、に関する。   Furthermore, this invention relates to the manufacturing method of high purity Si characterized by using refined SiO obtained by the said method.

本発明のSiO精製装置及びかかる精製装置を用いる精製方法によれば、SiO精製時の原料歩留まりが大幅に向上するとともに、より小容量の真空ポンプを具備すればよく、さらに真空ポンプの修理頻度も大幅に減少させることができる。   According to the SiO purification apparatus of the present invention and the purification method using such a purification apparatus, the raw material yield at the time of SiO purification can be greatly improved, and a vacuum pump with a smaller capacity can be provided. Can be greatly reduced.

本発明の高純度Si製造方法によれば、上記で得られた精製SiOを原料として用いることにより容易に高純度Siを得ることができる。   According to the high purity Si production method of the present invention, high purity Si can be easily obtained by using the purified SiO obtained above as a raw material.

以下、SiOの精製とSiの製造方法に分けて説明する。なお、本明細書において、SiOガスが凝縮器において固化する現象を凝縮と称する。   In the following, the description will be divided into SiO purification and Si production methods. In the present specification, the phenomenon in which the SiO gas is solidified in the condenser is referred to as condensation.

(SiOの精製)
本発明のSiO精製装置について図面に基づいて説明する。図1はSiO精製装置の一例を示す概略図面である。図1において、反応容器1内のるつぼ3内に予め設置されたSi粒−SiO粒混合原料5は、るつぼ3周囲に配置された加熱装置7によって加熱される。また、真空ポンプ9により反応容器1、第1の凝縮器11及び第2の凝縮器15内は低圧に維持され、圧力計17によって監視される。原料温度が充分に上昇すると(3)式反応によってSiOガス19が生成し、第1の凝縮器11に流入する。第1の凝縮器11の外壁は冷却され、その結果、SiOが板面に凝固付着してSiO固体21を形成する。第1の凝縮器11内の流路は充分長く設定され、大部分のSiOを凝縮物として回収する。第1の凝縮器11の後には第2の凝縮器15が接続されている。さらに、第2の凝縮器15の後部または後方に真空ポンプ9が設けられている。第2の凝縮器15では第1の凝縮器11を通過させたSiOを凝縮させて回収するとともに、SiOの原料中に大量に含まれていたP等の低沸点物質の不純物蒸気23が第2の凝縮器15に付着物25として付着する。
(Purification of SiO)
The SiO purification apparatus of this invention is demonstrated based on drawing. FIG. 1 is a schematic drawing showing an example of an SiO purification apparatus. In FIG. 1, a Si particle-SiO 2 particle mixed raw material 5 previously installed in a crucible 3 in a reaction vessel 1 is heated by a heating device 7 disposed around the crucible 3. Further, the inside of the reaction vessel 1, the first condenser 11 and the second condenser 15 is maintained at a low pressure by the vacuum pump 9 and is monitored by the pressure gauge 17. When the raw material temperature rises sufficiently, the SiO gas 19 is generated by the reaction (3) and flows into the first condenser 11. The outer wall of the first condenser 11 is cooled, and as a result, SiO solidifies and adheres to the plate surface to form a SiO solid 21. The flow path in the first condenser 11 is set sufficiently long, and most of the SiO is recovered as a condensate. A second condenser 15 is connected after the first condenser 11. Further, a vacuum pump 9 is provided at the rear or rear of the second condenser 15. The second condenser 15 condenses and collects the SiO that has passed through the first condenser 11 and collects impurity vapor 23 of a low-boiling point substance such as P contained in a large amount in the SiO raw material. To the condenser 15 as deposit 25.

ここで、SiO発生器または反応容器は、SiとSiOとの混合物からSiOガスを発生させる装置であれば、特に制限されることなく用いることができる。この様な装置として、例えば、るつぼ、るつぼの周りに設けられたるつぼの加熱装置を内部に備える反応容器が挙げられる。該るつぼ、加熱装置は、従来公知の装置を用いる。該反応容器は、発生したSiOガスを外部に漏洩させることなく、次の凝縮器に導く。したがって、その形状は、正面図において、通常、180度回転したL字状である。該反応容器は、Si粒とSiO粒との混合物を加熱することによってSiOガスを発生させ、次の凝縮器に導くことから、SiOガスを内壁に凝縮させない温度、例えば1100℃を超える温度、好ましくは1100℃を超えて2000℃以下の範囲に維持することが望ましい。 Here, the SiO generator or the reaction vessel can be used without particular limitation as long as it is a device that generates SiO gas from a mixture of Si and SiO 2 . Examples of such an apparatus include a crucible and a reaction vessel equipped with a crucible heating device provided around the crucible. A conventionally well-known apparatus is used for this crucible and a heating apparatus. The reaction vessel guides the generated SiO gas to the next condenser without leaking outside. Therefore, the shape is usually an L shape rotated by 180 degrees in the front view. The reaction vessel generates a SiO gas by heating a mixture of Si particles and SiO 2 particles and leads it to the next condenser, so that the temperature at which the SiO gas does not condense on the inner wall, for example, a temperature exceeding 1100 ° C., It is desirable to maintain the temperature in the range of more than 1100 ° C. and 2000 ° C. or less.

第1の凝縮器は、SiOガスを凝縮付着させてSiO固体として回収できれば何ら制限はない。通常、SiOガスの流路に複数の板または邪魔板を、板面をガス流方向に向けて、流路を形成する対面から交互に所定間隔で設け、ガス流がジグザグとなるように構成された、ガスの通過可能な容器、または中が空の容器が挙げられる。該間隔は、通常、一定であり、また、回収効率を上げるため、SiO密度の高いSiOガス上流側を短く、下流側を長くしてもよい。該凝縮器は、SiOガスを凝縮できればその温度は特に制限はされないが、第1の凝縮器を冷却することによって効果的にSiOガスを凝縮させることができる。SiOガスを回収することを目的とすることから、SiOガスを凝縮させることができる温度、例えば、1100℃以下、好ましくは1100℃〜100℃の範囲であることが望ましい。   The first condenser is not particularly limited as long as SiO gas can be condensed and deposited and recovered as a SiO solid. Normally, a plurality of plates or baffle plates are provided in the SiO gas flow path, the plate surface is directed in the gas flow direction, and alternately provided at predetermined intervals from the facing surface forming the flow path so that the gas flow is zigzag. In addition, a container through which gas can pass or an empty container can be mentioned. The interval is usually constant, and in order to increase the recovery efficiency, the upstream side of the SiO gas having a high SiO density may be shortened and the downstream side may be lengthened. The temperature of the condenser is not particularly limited as long as the SiO gas can be condensed, but the SiO gas can be effectively condensed by cooling the first condenser. Since the purpose is to recover the SiO gas, the temperature at which the SiO gas can be condensed is, for example, 1100 ° C. or lower, preferably 1100 ° C. to 100 ° C.

第2の凝縮器は、第1の凝縮器と同じ形式のものでもよいが、目的とするSiOの大部分をすでに回収した後のガスから、凝縮性物質を凝縮させるので、相違していてもよい。例えば、第1の凝縮器が、前記のように、ガス流がジグザグとなるように構成された容器を用いた場合、第2の凝縮器としては中が空の容器を用いる。同様に、第1及び第2の凝縮器として、同じ中が空の容器を用い、第1の凝縮器は空冷し、第2の凝縮器は水冷する方法を採用してもよい。第2の凝縮器は、未回収のSiOガス及び不純物Pなどを凝縮できればその温度は特に制限はされないが、第2の凝縮器を冷却することによって効果的にSiOガスなどを凝縮させることが好ましい。SiOガスなどを凝縮させることを目的とすることから、SiOガスを凝縮させることができ、かつ、不純物Pなどを凝縮させることができる温度、例えば、100℃未満、好ましくは100℃未満〜−50℃の範囲、さらに好ましくは100℃未満〜常温であることが望ましい。このような凝縮器の組合せを採用することにより、真空ポンプに過負荷をかけることなく、SiO、不純物であるPなどの凝縮性物質を凝縮させられる。   The second condenser may be of the same type as the first condenser, but it condenses the condensable material from the gas after most of the target SiO has already been recovered, so it may be different. Good. For example, when the first condenser uses a container configured such that the gas flow is zigzag as described above, an empty container is used as the second condenser. Similarly, as the first and second condensers, an empty container may be used, the first condenser may be air-cooled, and the second condenser may be water-cooled. The temperature of the second condenser is not particularly limited as long as unrecovered SiO gas and impurities P can be condensed. However, it is preferable to effectively condense the SiO gas by cooling the second condenser. . Since the purpose is to condense SiO gas and the like, the temperature at which SiO gas can be condensed and impurities P and the like can be condensed, for example, less than 100 ° C., preferably less than 100 ° C. to −50 It is desirable that the temperature be in the range of ° C, more preferably less than 100 ° C to room temperature. By adopting such a combination of condensers, it is possible to condense condensable substances such as SiO and P which is an impurity without overloading the vacuum pump.

真空ポンプは、反応用器、第1及び第2の凝縮器の内部を減圧状態に維持できれば、特に制限なく、従来公知のポンプを用いることができる。   As the vacuum pump, a conventionally known pump can be used without particular limitation as long as the inside of the reaction vessel and the first and second condensers can be maintained in a reduced pressure state.

ここで、凝縮器を第1、第2の二つに分ける理由について説明する。SiO精製において、反応容器からSiOガスが発生する際に、同時に、原料中に含まれていたPも大量の蒸気として放出される。P蒸気は、SiOガスとともに凝縮器に流入する。凝縮器内では、SiOが凝縮して固体面を形成するが、このSiO固体面は、P蒸気を効率的に吸着する性質を持つ。このため、発生SiOガスの全量を凝縮させて回収した場合、SiO固体中のPの平均濃度は、原料Si並みに高濃度になるため、品質上、問題である。さらに、下流で凝縮したSiOほど、SiO中のP濃度が高い。これらの現象は本発明者が見出したものである。したがって、凝縮器下流のSiOガスを凝縮させずに凝縮器外に排出すれば、凝縮器内で凝縮したSiOガス中のP濃度は、発生したSiOの全量を凝縮させた場合の平均P濃度に比べて、大きく低減させることができる。   Here, the reason why the condenser is divided into the first and the second will be described. In SiO refining, when SiO gas is generated from the reaction vessel, P contained in the raw material is also released as a large amount of vapor. P vapor flows into the condenser together with the SiO gas. In the condenser, SiO is condensed to form a solid surface, and this SiO solid surface has a property of efficiently adsorbing P vapor. For this reason, when the total amount of the generated SiO gas is condensed and recovered, the average concentration of P in the SiO solid is as high as that of the raw material Si, which is a problem in terms of quality. Furthermore, as the SiO condensed downstream, the P concentration in SiO is higher. These phenomena have been found by the present inventors. Therefore, if the SiO gas downstream of the condenser is discharged outside the condenser without being condensed, the P concentration in the SiO gas condensed in the condenser becomes the average P concentration when all the generated SiO is condensed. Compared to this, it can be greatly reduced.

このような作業を行う際、凝縮器下流のSiOガスを、そのまま真空ポンプを通して系外に排気を行うと、次のような問題点が発生する。第1に、この作業を行うためには、大容量の真空ポンプを具備する必要があり、設備費が余計にかかることである。これは、SiOガスを全量凝縮器内で凝縮させる場合には、真空ポンプにより少量の非凝縮性発生ガスのみを系外に排出させればよかったのに対し、SiOガスの一部を排気する場合には、例えば、発生SiOガス量の数%という大量の排気を行わなければならないからである。第2に、真空ポンプのメンテナンスの負荷が増大することである。これは、真空ポンプの流路及び羽根の表面は、回転機械であるため、高温に維持することが材質的に難しい(高温に維持しようとすると、高価なポンプ材料を使用しなければならず、現実的ではない。)。このため、SiOガスが低温の真空ポンプ壁面を通過する際、SiOガスの一部が真空ポンプ内で凝縮し、真空ポンプ壁面に付着する。その結果、一定時間以上の作業を続けると、SiO凝縮物によって真空ポンプの羽根が回転できなくなるか、真空ポンプ流路が閉塞する現象が発生し、作業の継続が困難になるため、定期的に真空ポンプを交換し、整備しなければならないからである。   When such work is performed, if the SiO gas downstream of the condenser is exhausted through the vacuum pump as it is, the following problems occur. First, in order to perform this operation, it is necessary to provide a large-capacity vacuum pump, which requires extra equipment costs. This is because when the entire amount of SiO gas is condensed in the condenser, only a small amount of non-condensable gas should be discharged out of the system by a vacuum pump, whereas a part of the SiO gas is exhausted. This is because, for example, a large amount of exhaust of several percent of the amount of generated SiO gas must be performed. Second, the maintenance load of the vacuum pump increases. This is because the flow path of the vacuum pump and the surface of the blades are rotating machines, so it is difficult to maintain at a high temperature in terms of material (to maintain a high temperature, an expensive pump material must be used, Not realistic.) For this reason, when SiO gas passes a low-temperature vacuum pump wall surface, a part of SiO gas condenses within the vacuum pump and adheres to the vacuum pump wall surface. As a result, if the work is continued for a certain time or longer, the phenomenon that the blades of the vacuum pump cannot be rotated due to the SiO condensate or the vacuum pump flow path is blocked, making it difficult to continue the work. This is because the vacuum pump must be replaced and serviced.

これらの問題点は、単一の凝縮器内でSiOガスを全量凝縮させて、凝縮SiOの中から高純度の部位のみを回収すれば、一見解決できるように思われる。しかし、凝縮器内での温度、圧力分布、並びに、凝縮器内部でのSiO凝縮速度分布は、作業中に刻々と変化する。これは、凝縮器内部ではSiO凝縮物が凝縮器壁面で絶えず成長を続けること、並びに、SiO発生器側の運転条件も作業中にしばしば変動することが原因である。したがって、最終的に得られるSiO固体の内、どの部位のSiOのみを回収すれば品質上問題ないかについて、厳格に判断するのは現実的に困難である。敢えて、このような作業を選択した場合には、品質上の安全を見込んで、凝縮したSiO固体の内、数十%といった大きな割合の部位を廃棄することが必要であり、大きな歩留まり低下は避けられない。   It seems that these problems can be solved at a glance by condensing the entire amount of SiO gas in a single condenser and recovering only high-purity sites from the condensed SiO. However, the temperature, pressure distribution in the condenser, and the SiO condensation rate distribution inside the condenser change every moment during the operation. This is because the SiO condensate continuously grows on the condenser wall inside the condenser, and the operating conditions on the SiO generator side often fluctuate during the operation. Therefore, it is practically difficult to make a strict judgment as to which part of the finally obtained SiO solid is recovered in order to recover quality only. When such work is selected, it is necessary to discard a large proportion of the condensed SiO solids, such as several tens of percent, in view of quality safety, avoiding a large drop in yield. I can't.

そこで、本発明では、凝縮器を第1、第2と二つに分け、それぞれを全く異なる作業条件にすることにより、第1の凝縮器においては、純度のより高いSiOを凝縮、回収するとともに、第2の凝縮器においては、残りの低純度のSiOガスを全量凝縮させる。ここで、各凝縮器の作業条件の設定方法の考え方について説明する。   Therefore, in the present invention, the first and second condensers are divided into two, and each is made to have completely different working conditions, so that in the first condenser, higher purity SiO is condensed and recovered. In the second condenser, the remaining low-purity SiO gas is condensed entirely. Here, the concept of the method for setting the working conditions of each condenser will be described.

本発明において、2つの凝縮器間で作業条件を大きく異ならせることは容易である。そこで、例えば、第1の凝縮器で、常に一定量以上のSiOガスを凝縮させずに、第2の凝縮器に送ることが可能なように、高温の作業条件、例えば、500℃とし、あわせて、第2の凝縮器を常温近傍の低温の作業条件に維持する。あるいは、第1と第2の凝縮器間に流量調整弁を設置し、第1の凝縮器内に設置した圧力計の指示値が常に一定値になるように、この流量調整弁を操作することにより、第1の凝縮器で、常に一定量以上のSiOガスを凝縮させずに、第2の凝縮器に送ることを実現してもよい。このような条件とすることにより、常に一定量以上のより低純度のSiOを第2の凝縮器のみに凝縮させることができ、かつ、SiOガスの残留しない、比較的少量の非凝縮性ガスのみを真空ポンプを通じて排気することができるのである。その結果、単一の凝縮器を用いてSiOを製造する場合のような、大きな歩留まり落ちを回避でき、かつ、真空ポンプの容量を低く抑えることができ、さらに、真空ポンプのメンテナンス負荷を低減することができる。このように、凝縮器内で流れの長手方向に温度、圧力などの作業条件を急変させることは、本発明では容易であるが、凝縮器が1つしかない場合には困難である。   In the present invention, it is easy to greatly change the working conditions between the two condensers. Therefore, for example, a high temperature working condition, for example, 500 ° C. is set so that the first condenser can be sent to the second condenser without always condensing a certain amount of SiO gas. Thus, the second condenser is maintained at a low-temperature working condition near normal temperature. Alternatively, a flow control valve is installed between the first and second condensers, and this flow control valve is operated so that the indicated value of the pressure gauge installed in the first condenser is always a constant value. Thus, the first condenser may always be sent to the second condenser without condensing a certain amount or more of the SiO gas. By setting such a condition, a relatively small amount of lower purity SiO can always be condensed only in the second condenser, and only a relatively small amount of non-condensable gas in which no SiO gas remains. Can be evacuated through a vacuum pump. As a result, it is possible to avoid a large yield drop as in the case of manufacturing SiO using a single condenser, to reduce the capacity of the vacuum pump, and to further reduce the maintenance load of the vacuum pump. be able to. As described above, it is easy in the present invention to suddenly change the working conditions such as temperature and pressure in the longitudinal direction of the flow in the condenser, but it is difficult when there is only one condenser.

次に、SiOの精製方法について説明する。SiOの精製方法としては、SiとSiOの混合原料からSiOを得る方法であれば、特に制限することなく適用できる。 Next, a method for purifying SiO will be described. As a method for purifying SiO, any method can be used without particular limitation as long as it is a method for obtaining SiO from a mixed raw material of Si and SiO 2 .

反応容器内で不純物を1ppm以上含むシリコンと、二酸化珪素を主成分とする固体材料の混合物を積層してから、1400℃以上1800℃以下の温度範囲で3000Pa以下の両物質間の接触面における反応によって一酸化珪素ガスを生成させ、さらにこのガスを冷却して一部の一酸化珪素を固化した後に第1の凝縮器で回収するとともに、その他の一酸化珪素を第2の凝縮器で凝縮させる方法。   Reaction in the contact surface between both materials of 3000 Pa or less in a temperature range of 1400 ° C. to 1800 ° C. after laminating a mixture of silicon containing impurities of 1 ppm or more and a solid material mainly composed of silicon dioxide in a reaction vessel The silicon monoxide gas is generated by the above, and the gas is further cooled to solidify part of the silicon monoxide and then recovered by the first condenser, and the other silicon monoxide is condensed by the second condenser. Method.

SiO精製方法では、図1に記載の装置を用い、SiとSiOとの混合物を原料として、SiOガスを発生させる。SiとSiOとは、従来から用いられているSi金属粒とけい砂を用いることができる。例えば、Si金属としては、Pが40ppm、Bが9ppm、Feが1500ppm、その他の金属成分が500ppmであり、高純度けい砂中の不純物は、Pが0.3ppm、Bが0.5ppm、Feが400ppm、その他の金属が100ppm程度のものが挙げられる。 In the SiO purification method, the apparatus shown in FIG. 1 is used to generate SiO gas using a mixture of Si and SiO 2 as a raw material. As Si and SiO 2 , conventionally used Si metal grains and silica sand can be used. For example, as Si metal, P is 40 ppm, B is 9 ppm, Fe is 1500 ppm, other metal components are 500 ppm, and impurities in high-purity silica sand are P of 0.3 ppm, B of 0.5 ppm, Fe Is 400 ppm, and other metals are about 100 ppm.

SiとSiOとの混合物を原料としてるつぼに投入し、反応容器内をAr,He,COガスなどの不活性ガスで置換する。 A mixture of Si and SiO 2 is put into a crucible as a raw material, and the inside of the reaction vessel is replaced with an inert gas such as Ar, He, or CO 2 gas.

該るつぼ周囲に設けられた加熱装置、例えば抵抗ヒータによって、原料を加熱するとともに、真空ポンプを作動させて反応容器内を所定の減圧度に維持する。   The raw material is heated by a heating device, for example, a resistance heater, provided around the crucible, and the inside of the reaction vessel is maintained at a predetermined pressure reduction level by operating a vacuum pump.

原料を十分に溶解し、例えば1700℃まで加熱するとともに、第2の凝縮器後部に設けられた真空ポンプを作動させて反応容器内を所定圧力、例えば10Paとする。原料温度が所定温度、例えば1410℃を超えた時点でSiOガスの発生量が急激に増大するとともに、反応容器内圧力も急激に増大する点に注意が必要である。   The raw material is sufficiently dissolved and heated to, for example, 1700 ° C., and the vacuum pump provided at the rear of the second condenser is operated to set the inside of the reaction vessel to a predetermined pressure, for example, 10 Pa. It should be noted that when the raw material temperature exceeds a predetermined temperature, for example, 1410 ° C., the generation amount of SiO gas increases rapidly and the pressure in the reaction vessel also increases rapidly.

発生したSiOガスは、外部を空気などの冷媒で冷却した、中が空の第1の凝縮器で凝縮させ、固体SiO膜を形成させる。第1の凝縮器の作業温度の望ましい範囲について説明する。第1凝縮器は、SiOを回収する目的から、SiO凝縮面にSiOが凝縮可能な温度、例えば、1100℃以下にする必要がある。また、本発明者の調査の結果、第1凝縮器の凝縮面温度は、第2凝縮器凝縮面温度よりも高温でなければ、好適な作業ができないことが判明した。すなわち、第2凝縮器の凝縮面温度の方が第1凝縮器の凝縮面温度よりも高く、かつ、SiOガス発生圧力が低い場合には、第1凝縮器内で発生SiOガスが全量凝縮してしまう問題が発生し、一方、SiOガス発生圧力が高い場合には、第2凝縮器内でSiOガスを全量凝縮させることができない問題が発生する。また、第2凝縮器の凝縮面温度が100℃以下の場合、第2凝縮器に流入したSiOが、容易に凝縮することを本発明者は見出した。この結果から、第2凝縮器凝縮面の好適な温度範囲は100℃以下であり、第2凝縮器の凝縮面温度は100℃程度になる場合がある。このため、凝縮器外部から冷却される第1および第2凝縮器では、凝縮器内部のガス温度は、凝縮面温度よりも一般に高温となるので、第2凝縮器の凝縮面温度よりも高温にするためには、第1凝縮器内における流出直前のガス温度は、少なくとも100℃超は必要であり、このガス温度条件を守るために、第1凝縮器内のガスを冷却する第1凝縮器凝縮面も最低限この温度でなければならない。つまり、第1凝縮器の凝縮面温度は、100℃を超える必要がある。また、凝縮面温度が500℃未満の場合、SiO固体面へのP蒸気の吸着性が高まることを、本発明者は見出した。このため、凝縮面温度が500℃未満のときに所要純度のSiOを得るためには、より多くのSiOガスを第2凝縮器で凝縮させる必要がある(すなわち、歩留まりが低下する)ことを、本発明者は見出した。したがって、第1凝縮器の凝縮面温度の、より望ましい条件は、500〜1100℃の範囲である。このとき、第1の凝縮器内の圧力を所定値、例えば400Paに維持する。SiOガスの第1の凝縮器内の滞留時間は、SiOが十分に付着する時間であれば特に制限はされない。   The generated SiO gas is condensed by a first condenser having the inside cooled with a refrigerant such as air and formed into a solid SiO film. A desirable range of the working temperature of the first condenser will be described. For the purpose of recovering SiO, the first condenser needs to be at a temperature at which SiO can condense on the SiO condensation surface, for example, 1100 ° C. or lower. Further, as a result of investigation by the present inventor, it has been found that a suitable operation cannot be performed unless the condensing surface temperature of the first condenser is higher than the condensing surface temperature of the second condenser. That is, when the condensation surface temperature of the second condenser is higher than the condensation surface temperature of the first condenser and the SiO gas generation pressure is low, all of the generated SiO gas is condensed in the first condenser. On the other hand, when the SiO gas generation pressure is high, there arises a problem that the entire amount of SiO gas cannot be condensed in the second condenser. Further, the present inventor has found that when the condensing surface temperature of the second condenser is 100 ° C. or less, the SiO flowing into the second condenser is easily condensed. From this result, the suitable temperature range of the second condenser condensing surface is 100 ° C. or less, and the condensing surface temperature of the second condenser may be about 100 ° C. in some cases. For this reason, in the first and second condensers cooled from the outside of the condenser, the gas temperature inside the condenser is generally higher than the condensation surface temperature, so that it is higher than the condensation surface temperature of the second condenser. In order to do this, the gas temperature immediately before the outflow in the first condenser needs to be at least over 100 ° C., and in order to keep this gas temperature condition, the first condenser that cools the gas in the first condenser The condensation surface must be at this temperature as a minimum. That is, the condensation surface temperature of the first condenser needs to exceed 100 ° C. Further, the present inventors have found that when the condensation surface temperature is less than 500 ° C., the adsorptivity of P vapor to the SiO solid surface is enhanced. For this reason, in order to obtain the required purity SiO when the condensation surface temperature is less than 500 ° C., it is necessary to condense more SiO gas in the second condenser (that is, the yield decreases), The inventor found. Therefore, a more desirable condition of the condensation surface temperature of the first condenser is in the range of 500 to 1100 ° C. At this time, the pressure in the first condenser is maintained at a predetermined value, for example, 400 Pa. The residence time of the SiO gas in the first condenser is not particularly limited as long as SiO is sufficiently deposited.

第2の凝縮器は、水冷式の中が空の容器である。ここで、第2の凝縮器に、通常、SiOの発生速度の0.1%以上、好ましくは0.1〜50%の範囲の質量割合でSiOガスを流入させることが望ましい。ここで、この作業条件の限界値の根拠について説明する。まず、第2の凝縮器に流入させるSiOガスのSiO発生速度に対する質量割合の下限について述べる。本発明者の調査により、SiO発生速度の0.1%(質量割合)未満のガス量を第2の凝縮器に流入させた場合、これらのガスの内、多くの割合が第2の凝縮器内で凝縮することなく、真空ポンプに流入し、真空ポンプ壁面に凝縮した。この現象が発生した理由は次の通りである。第2の凝縮器内温度は、一般的に低温に設定されているため、第2の凝縮器内に流入したSiOガスは、急冷され、気相中に均一核生成による微粒子が大量に発生する。この微粒子発生によるSiOの凝縮速度は、一般に凝縮器壁面上でSiOが凝縮する速度に比べて、同程度又はそれ以上であるので、SiOガスのほぼ全量が第2の凝縮器内で凝縮できる。気相中で生成したSiO微粒子は、その後、SiO固体の成長した凝縮器壁面上に付着するか、真空ポンプを通じて、系外に排気される。この際、真空ポンプ壁面上にSiO凝縮物が存在しなければ、真空ポンプ中を通るSiO微粒子は、真空ポンプ壁面上に吸着されることはなく、真空ポンプの運転を阻害することはない。しかし、第2の凝縮器内でのSiOガス分圧が極端に低い場合、気相中でのSiO微粒子生成は著しく阻害される。このため、未凝縮のSiOガスが真空ポンプ中に流入することにより、真空ポンプ壁面上でSiO凝縮が発生、成長して、真空ポンプの運転を阻害するからである。したがって、第2の凝縮器に流入させるSiOガスのSiO発生速度に対する質量割合は、少なくとも0.1%である必要がある。   The second condenser is an empty container in the water-cooled type. Here, it is desirable to allow SiO gas to flow into the second condenser at a mass ratio of usually 0.1% or more, preferably 0.1 to 50% of the generation rate of SiO. Here, the basis of the limit value of this work condition will be described. First, the lower limit of the mass ratio of the SiO gas flowing into the second condenser with respect to the SiO generation rate will be described. According to the investigation by the present inventor, when a gas amount less than 0.1% (mass ratio) of the SiO generation rate is caused to flow into the second condenser, a large proportion of these gases is in the second condenser. It flowed into the vacuum pump without condensing inside and condensed on the wall surface of the vacuum pump. The reason for this phenomenon is as follows. Since the temperature in the second condenser is generally set to a low temperature, the SiO gas flowing into the second condenser is rapidly cooled, and a large amount of fine particles due to uniform nucleation are generated in the gas phase. . Since the SiO condensation rate due to the generation of fine particles is generally the same or higher than the rate at which SiO is condensed on the wall of the condenser, almost the entire amount of SiO gas can be condensed in the second condenser. The SiO fine particles generated in the gas phase are then deposited on the wall of the condenser on which the SiO solid has grown or are exhausted out of the system through a vacuum pump. At this time, if there is no SiO condensate on the wall surface of the vacuum pump, the SiO fine particles passing through the vacuum pump are not adsorbed on the wall surface of the vacuum pump and do not hinder the operation of the vacuum pump. However, when the SiO gas partial pressure in the second condenser is extremely low, the generation of SiO fine particles in the gas phase is significantly inhibited. For this reason, when the uncondensed SiO gas flows into the vacuum pump, SiO condensation occurs and grows on the wall surface of the vacuum pump, thereby hindering the operation of the vacuum pump. Therefore, the mass ratio of the SiO gas flowing into the second condenser to the SiO generation rate needs to be at least 0.1%.

次に、第1の凝縮器から回収されるSiO固体中のP濃度の観点から、第2の凝縮器に流入させるSiOガスのSiO発生速度に対する質量割合は、少なくとも1%であることが好ましいことを本発明者は見出した。これは、第1の凝縮器から排気するSiOが1%未満の場合、第1の凝縮器で回収されるSiO固体中のP濃度が、この質量割合以上で排気したものに比べて、明確に劣るからである。   Next, from the viewpoint of the P concentration in the SiO solid recovered from the first condenser, the mass ratio of the SiO gas flowing into the second condenser with respect to the SiO generation rate is preferably at least 1%. The inventor found out. This is because when the SiO exhausted from the first condenser is less than 1%, the P concentration in the SiO solid recovered by the first condenser is clearly higher than that exhausted at this mass ratio or higher. Because it is inferior.

次に、第2の凝縮器に流入させるSiOガスのSiO発生速度に対する質量割合の上限について述べる。本発明には、原理的にこのような上限値は存在しない。しかし、第1の凝縮器から第2の凝縮器への排気量を増大させることは、原料から発生するSiOに対する、第1の凝縮器で回収される純度のより高いSiO固体の歩留まりを低下させることになる。したがって、経済性の観点から、第2の凝縮器に流入させるSiOガスのSiO発生速度に対する質量割合は、例えば50%以下であることが好ましい。   Next, the upper limit of the mass ratio of the SiO gas flowing into the second condenser with respect to the SiO generation rate will be described. In principle, there is no such upper limit in the present invention. However, increasing the displacement from the first condenser to the second condenser reduces the yield of higher purity SiO solids recovered in the first condenser relative to the SiO generated from the raw material. It will be. Therefore, from the viewpoint of economy, the mass ratio of the SiO gas flowing into the second condenser with respect to the SiO generation rate is preferably, for example, 50% or less.

また、第2の凝縮器は、第1の凝縮器を通過したSiOなどを凝縮させるものであり、通常、第2の凝縮器内部のガス温度は第1の凝縮器内部のガス温度よりも低い。そのように設定することにより、第1の凝縮器においてより純度の高いSiOを効率よく回収することができる。さらに、第2の凝縮器の凝縮面温度を100℃以下、好ましくは100℃未満〜−50℃の範囲、さらに好ましくは100℃未満〜常温であることが望ましい。100℃以下とすることにより、第1の凝縮器を通過したSiOガスや、不純物Pなどの凝縮性ガスの大部分を凝縮させることにより、気相中から排除することができる。   The second condenser condenses SiO or the like that has passed through the first condenser, and the gas temperature inside the second condenser is usually lower than the gas temperature inside the first condenser. . By setting as such, SiO having higher purity can be efficiently recovered in the first condenser. Furthermore, it is desirable that the condensation surface temperature of the second condenser is 100 ° C. or less, preferably in the range of less than 100 ° C. to −50 ° C., more preferably in the range of less than 100 ° C. to room temperature. By setting the temperature to 100 ° C. or lower, most of the SiO gas that has passed through the first condenser and the condensable gas such as the impurity P can be condensed and excluded from the gas phase.

次に、第1の凝縮器に付着したSiOを回収する。回収方法は従来から用いられていた方法を採用できる。例えば、凝縮器全体を冷却し、固体SiOを剥離して回収する。   Next, the SiO adhering to the first condenser is recovered. As a recovery method, a conventionally used method can be adopted. For example, the entire condenser is cooled, and solid SiO is peeled off and collected.

第2の凝縮器に付着した物質は、オフライン作業などで、適宜、凝縮面から掻き出すなどして、凝縮器内から回収される。   The substance adhering to the second condenser is recovered from the condenser by, for example, scraping off the condensation surface as appropriate in an off-line operation or the like.

このように、凝縮性ガスは第1及び第2の凝縮器で凝縮するので、残りの、少量の非凝縮性ガスが真空ポンプに吸い込まれることとなる。   Thus, since the condensable gas is condensed by the first and second condensers, the remaining small amount of non-condensable gas is sucked into the vacuum pump.

上記のような方法によって、質量割合で、リンを7ppm以下、ボロンを0.3ppm以下ヒ素、アンチモン、ガリウム、インジウムをそれぞれ0.1ppm以下、かつ、その他の金属不純物の合計を20ppm以下含有する一酸化珪素である高純度シリコン製造用原材料が得られる。特に、不純物としてのPの量を大幅に低減することができる。   By the above-described method, the phosphor contains 7 ppm or less of phosphorus, 0.3 ppm or less of boron, 0.1 ppm or less of arsenic, antimony, gallium, and indium, respectively, and a total of other metal impurities of 20 ppm or less. A raw material for producing high-purity silicon that is silicon oxide is obtained. In particular, the amount of P as an impurity can be greatly reduced.

SiOの精製方法として、CとSiOの混合原料からSiOを得る場合も、同様の考え方で本発明を適用できる。 As a method for purifying SiO, when the SiO is obtained from a mixed raw material of C and SiO 2 , the present invention can be applied based on the same concept.

(Siの製造)
SiOからSiの抽出は従来公知の方法を採用することができる。例えば、上記で得られたSiOをるつぼ、例えば高純度黒鉛製のるつぼに投入し、るつぼごと加熱炉に装入する。このSiOを大気圧、不活性ガス雰囲気下、例えばAr,COガス、He、所定温度、例えば、1550℃で所定時間、例えば1時間加熱した後、冷却、固化させる。その後、炉外に取り出す。処理時間は、加熱炉の大きさ、処理すべきSiOの量によって変化するので、適宜変更することが可能である。
(Manufacture of Si)
A conventionally known method can be adopted for extracting Si from SiO. For example, the SiO obtained above is put into a crucible, for example, a high-purity graphite crucible, and the whole crucible is charged into a heating furnace. The SiO is heated at atmospheric pressure and in an inert gas atmosphere, for example, Ar, CO 2 gas, He, a predetermined temperature, for example, 1550 ° C. for a predetermined time, for example, 1 hour, and then cooled and solidified. Thereafter, it is taken out of the furnace. Since the processing time varies depending on the size of the heating furnace and the amount of SiO to be processed, it can be appropriately changed.

SiOは不均化反応により、大半がSiとSiOの2相に分離した状態となっており、Si塊からSiO粒を剥離させてSiを得る。本発明によってSiO原料中の不純物を除くことによって、高濃度のPを含む安価なSiを原料に用いても、太陽電池基板用Siの成分仕様を満たすことができる。 Most of SiO is in a state of being separated into two phases of Si and SiO 2 due to the disproportionation reaction, and Si is obtained by peeling the SiO 2 grains from the Si lump. By removing impurities in the SiO raw material according to the present invention, the component specifications of Si for solar cell substrates can be satisfied even if inexpensive Si containing a high concentration of P is used as the raw material.

ここで、太陽電池基板用Siの成分仕様とは次の組成をいう。太陽電池基板用Siは、一般に、純度のより高いものを用いる程、性能が向上するといわれるが、高純度化するに従い性能向上率は逓減していく。一方で、Siが高純度になる程、純度を上昇させるための費用は急激に増大するので、ある特定のSi純度が費用−効果の最適点となる。この最適点は、成分毎に異なり、現在の太陽電池として市場価値を有する性能を満足するためには、次の範囲のSiを用いることが望ましい。即ち、質量割合でリン(P)0.1ppm以下、ヒ素(As)0.1ppm、アンチモン(Sb)0.1ppm以下、ボロン(B)0.3ppm以下、ガリウム(Ga)0.1ppm以下、インジウム(In)0.1ppm以下、その他の金属成分0.1ppm以下である。   Here, the component specification of Si for solar cell substrates refers to the following composition. In general, it is said that the higher the purity of Si for solar cell substrate, the higher the performance, but the performance improvement rate gradually decreases as the purity increases. On the other hand, the higher the purity of Si, the more rapidly the cost for increasing the purity, so a certain Si purity is the cost-effective optimum. This optimum point differs for each component, and it is desirable to use Si in the following range in order to satisfy the performance having market value as the present solar cell. That is, phosphorus (P) 0.1 ppm or less in mass ratio, arsenic (As) 0.1 ppm, antimony (Sb) 0.1 ppm or less, boron (B) 0.3 ppm or less, gallium (Ga) 0.1 ppm or less, indium (In) 0.1 ppm or less and other metal components 0.1 ppm or less.

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は実施例によって限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited to the examples.

1.SiOの精製
図1に記載の装置に準じてSiOの製造、精製を行った。直径1mの反応容器内に直径0.5mのるつぼを設置し、その中に40kgの金属Siと150kgの高純度けい砂を混合したものを投入した。このとき、粒の平均径は、金属Siが0.4mm、けい砂が7mmであった。また、金属Siの不純物は、Pが40ppm、Bが9ppm、Feが1500ppm、その他の金属成分が500ppmであり、高純度けい砂中の不純物は、いずれもPが0.3ppm、Bが0.5ppm、Feが400ppmその他金属が100ppmであった。
1. Purification of SiO Production and purification of SiO were performed according to the apparatus shown in FIG. A crucible having a diameter of 0.5 m was placed in a reaction container having a diameter of 1 m, and a mixture of 40 kg of metal Si and 150 kg of high-purity silica sand was put therein. At this time, the average diameter of the grains was 0.4 mm for metal Si and 7 mm for silica sand. Further, impurities of metal Si are 40 ppm for P, 9 ppm for B, 1500 ppm for Fe, and 500 ppm for other metal components, and impurities in high-purity silica sand are 0.3 ppm for P and B is 0. 5 ppm, Fe was 400 ppm, and other metals were 100 ppm.

次に、反応炉内をアルゴン(Ar)ガスで満たし、るつぼ周囲に設置された抵抗ヒータにより原料を1700℃まで加熱するとともに、真空ポンプを作動させて反応容器内を10Paの圧力とした。原料温度が1410℃を超えた時点でSiOガスの発生が急激に増大し、反応容器内圧力は最終的に1300Paに達した。発生したSiOガスは、外部を空冷した第1の凝縮器内壁で凝固し、固体SiO膜を形成した。この際の第1の凝縮器内ガス温度は300〜1000℃であった。なお、第2の凝縮器は2m角、ステンレス鋼製の箱型容器であり、外部を水冷した。第2凝縮器におけるガス温度の平均は70℃であった。発生SiO質量に対する第2の凝縮器に排気されたSiO質量は10%であった。このときの第1及び第2の凝縮器内部圧力は平均400Paであった。1700℃での加熱操業を1.5時間継続した後、装置を冷却し、解体した第1の凝縮容器内壁から固体SiOを剥ぎ取って回収した。なお、再使用するSiO中のP量は200ppmであった。   Next, the inside of the reaction furnace was filled with argon (Ar) gas, and the raw material was heated to 1700 ° C. with a resistance heater installed around the crucible, and the pressure inside the reaction vessel was adjusted to 10 Pa by operating the vacuum pump. When the raw material temperature exceeded 1410 ° C., the generation of SiO gas rapidly increased, and the pressure in the reaction vessel finally reached 1300 Pa. The generated SiO gas was solidified on the inner wall of the first condenser whose outside was air-cooled to form a solid SiO film. The gas temperature in the first condenser at this time was 300 to 1000 ° C. The second condenser was a 2m square, stainless steel box-type container, and the outside was water-cooled. The average gas temperature in the second condenser was 70 ° C. The SiO mass exhausted to the second condenser with respect to the generated SiO mass was 10%. The first and second condenser internal pressures at this time were 400 Pa on average. After the heating operation at 1700 ° C. was continued for 1.5 hours, the apparatus was cooled, and the solid SiO was peeled off from the inner wall of the disassembled first condensing container and recovered. The amount of P in the reused SiO was 200 ppm.

るつぼ内に残留した金属Siは、0.06kgであり、第1の凝縮器から剥離、回収された固体SiOは、約160kgであった。尚、SiO原料温度測定は、るつぼ内壁に取り付けられた熱電対により実施し、圧力測定は容器外部に引き出した保温管内圧力を非接触式圧力計によって計測した。得られた固体SiO中の成分分析結果は、質量割合でPが6ppm、Bが0.3ppm、Feが0.07ppm、その他の金属成分が合計1ppmであった。   The metal Si remaining in the crucible was 0.06 kg, and the solid SiO exfoliated and recovered from the first condenser was about 160 kg. The SiO raw material temperature was measured with a thermocouple attached to the inner wall of the crucible, and the pressure was measured with a non-contact type pressure gauge for the pressure inside the heat insulating tube drawn out of the container. As a result of component analysis in the obtained solid SiO, P was 6 ppm by mass, B was 0.3 ppm, Fe was 0.07 ppm, and other metal components were 1 ppm in total.

この方法によれば、真空ポンプの修理頻度も大幅に減少させることができた。すなわち、真空ポンプの修理頻度は、第2の凝縮器のない場合と比較して、1/10であった。   According to this method, the repair frequency of the vacuum pump could be greatly reduced. That is, the repair frequency of the vacuum pump was 1/10 as compared with the case without the second condenser.

2.Siの製造
次に、Si抽出工程においてSiOからSiを抽出した。詳細は次の通りである。上記で得たSiOを高純度黒鉛製のるつぼに投入し、るつぼごと加熱炉に装入した。このSiOを大気圧アルゴン雰囲気下の1550℃で1時間加熱した後、冷却、固化させ、炉外に取り出した。この段階で装入されたSiOは不均化反応により大半がSiとSiOの2相に分離した状態となっており、手作業でSi塊からSiO粒を剥離させて25kgのSiを得た。このSiの一部を成分分析した結果、Pが6.7ppm、Bが0.23ppm、Feが0.08ppm、その他の金属成分が0.01ppmであった。
2. Production of Si Next, Si was extracted from SiO in the Si extraction step. Details are as follows. The SiO obtained above was put into a crucible made of high purity graphite, and the whole crucible was charged into a heating furnace. This SiO was heated at 1550 ° C. under an atmospheric pressure argon atmosphere for 1 hour, then cooled and solidified, and taken out of the furnace. Most of the SiO charged at this stage is separated into two phases of Si and SiO 2 due to the disproportionation reaction. The SiO 2 particles are peeled off from the Si lump by hand to obtain 25 kg of Si. It was. As a result of component analysis of a part of this Si, P was 6.7 ppm, B was 0.23 ppm, Fe was 0.08 ppm, and other metal components were 0.01 ppm.

次に、真空脱ガス工程においてPを除去した。その詳細は次の通りである。前工程で得られたSi塊を直径0.8mの高純度黒鉛るつぼに入れて、真空加熱炉に装入した。このSiを加熱して融解させるとともに、真空ポンプにより真空加熱炉内の圧力を、0.1Pa一定に維持し、融液を1710℃に保持したまま5時間の脱ガスを行って24kgのSiを得た。この際、炉内は、弱酸化性雰囲気であった。このSiの成分分析結果では、Pが0.05ppm、Bが0.23ppm、Feが0.07ppm、その他の金属成分が0.01ppmであり、太陽電池基板用Siの成分基準値を満足した。   Next, P was removed in a vacuum degassing step. The details are as follows. The Si lump obtained in the previous step was placed in a high-purity graphite crucible having a diameter of 0.8 m and charged into a vacuum heating furnace. While heating and melting this Si, the pressure in the vacuum heating furnace is kept constant at 0.1 Pa by a vacuum pump, and degassing is performed for 5 hours while keeping the melt at 1710 ° C. Obtained. At this time, the inside of the furnace was a weak oxidizing atmosphere. In the result of component analysis of Si, P was 0.05 ppm, B was 0.23 ppm, Fe was 0.07 ppm, and other metal components were 0.01 ppm, which satisfied the component reference value of Si for solar cell substrates.

SiO精製装置の一例を示す概略図面である。It is a schematic drawing which shows an example of SiO refinement | purification apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 反応容器、
3 るつぼ、
5 混合原料、
7 加熱装置、
9 真空ポンプ、
11 第1の凝縮器、
15 第2の凝縮器、
17 圧力計、
19 SiOガス、
21 SiO固体、
23 不純物蒸気、
25 付着物。
1 reaction vessel,
3 crucible,
5 mixed raw materials,
7 Heating device,
9 Vacuum pump,
11 first condenser,
15 second condenser,
17 Pressure gauge,
19 SiO gas,
21 SiO solid,
23 Impurity vapor,
25 Deposits.

Claims (6)

SiO発生器と、第1のSiO凝縮器と、排気ポンプとを含むSiO精製装置において、該第1のSiO凝縮器と該排気ポンプとの間に第2のSiO凝縮器を配置してなることを特徴とする精製装置。   In a SiO purification apparatus including a SiO generator, a first SiO condenser, and an exhaust pump, a second SiO condenser is disposed between the first SiO condenser and the exhaust pump. A purification device characterized by. 請求項1記載の精製装置を用いることを特徴とするSiOの精製方法。   A method for purifying SiO, comprising using the purifier according to claim 1. 前記第2のSiO凝縮器に、SiO発生速度の0.1%以上の割合でSiOガスを流入させる請求項2記載の方法。   The method according to claim 2, wherein SiO gas is allowed to flow into the second SiO condenser at a rate of 0.1% or more of the SiO generation rate. 前記第2の凝縮器内部のガス温度を前記第1の凝縮器内部のガス温度より低く設定する請求項2または請求項3に記載の方法。   The method according to claim 2 or 3, wherein a gas temperature inside the second condenser is set lower than a gas temperature inside the first condenser. 前記第2の凝縮器の凝縮面温度を100℃以下とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 2 to 4, wherein a condensation surface temperature of the second condenser is 100 ° C or less. 請求項2〜5のいずれか1項に記載の精製SiOを用いることを特徴とする高純度Siの製造方法。   A method for producing high-purity Si, characterized in that the purified SiO according to any one of claims 2 to 5 is used.
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