JP2005343779A - 電子ビームを用いたスクラップシリコンの精錬装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンウエーハ等のシリコン製品の製造に伴って発生するスクラップシリコンのリサイクルに適した、電子ビームを用いたスクラップシリコンの精錬装置を提供する。
【解決手段】真空チャンバと、真空チャンバ内に設置されたるつぼと、真空チャンバ内にるつぼに隣接して配置され、粒状のスクラップシリコンを受け入れるとともに、電子ビームの照射によって粒状シリコンを溶融して、溶融シリコンをるつぼに供給するハースと、真空チャンバ内に設置され、粒状スクラップシリコンを所定量貯蔵すると共に貯蔵した粒状スクラップシリコンを必要に応じてシュータを介してハースに供給する原料供給装置とが設けられている。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、電子ビームを用いてスクラップシリコンを高速且つ大量に精錬し、太陽電池や半導体等に用いる純度の高いシリコンを得るスクラップシリコンの精錬装置に関する。

シリコン原料の利用率を高める観点から、シリコンインゴットからシリコンウエハを製造する際に発生するスクラップ（以下、「スクラップシリコン」と呼ぶ）を再利用することが望まれているが、スクラップシリコンには不純物が含まれているため、これを再利用するためには、純度を高めなければならない。

下記特許文献１には、太陽電池用シリコンの製造工程の途中で発生するスクラップを回収して電子ビームを用いて精錬し、これを再利用することでシリコンの歩留りを向上させることが記載されている。

特開平１０−２４５２１６号公報

しかしながら、上記特許文献１には、太陽電池用シリコンの製造においてシリコンの歩留りを向上させる技術が開示されているに過ぎず、スクラップシリコンのリサイクルに適した精錬を行うための精錬装置は開示していない。

上記に鑑み、本発明は、シリコンウエーハ等のシリコン製品の製造に伴って発生するスクラップシリコンのリサイクルに適した精錬を行える電子ビームを用いた精錬装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成する本発明のスクラップシリコンの精錬装置は、
真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設置されたるつぼと、前記るつぼに隣接して前記真空チャンバ内に配置され、粒状のスクラップシリコン受け入れるとともに電子ビームの照射によって粒状スクラップシリコンを溶融して、溶融シリコンを前記るつぼに供給するハースと、前記真空チャンバ内に設置され、粒状スクラップシリコンを所定量貯蔵すると共に貯蔵した粒状スクラップシリコンを必要に応じてシュータを介して前記ハースに供給する原料供給装置とを有することを特徴とする。

本発明によるスクラップシリコンの精錬装置では、粒状スクラップシリコンを所定量貯蔵すると共に貯蔵した粒状スクラップシリコンをハースに供給する原料供給装置が真空チャンバ内に設置されている。従って、スクラップシリコンの塊を粉砕して作った粒状スクラップシリコンを原料供給装置に入れて運転を開始すれば、原料供給装置内の粒状スクラップシリコンが無くなるまで連続運転を行うことができ、精錬作業の能率を大幅に向上できる。なお、このような原料供給装置が設けられていない場合、粒状スクラップシリコンを少量ずつハースに供給して溶融するという作業を繰り返すことになるが、この場合、粒状スクラップシリコンを供給する度に真空チャンバ内の高真空を回復するために真空引きを行わなければならず、作業効率が極めて悪くなる。

なお、前記原料供給装置の内壁面の内、粒状スクラップシリコンが接触する部分に合成樹脂がコーティングされていることが好ましい。前記原料供給装置が振動式のパーツフィーダである場合、パーツフィーダの少なくともホッパの内周面が合成樹脂によってコーティングされていることが好ましい。このようなコーティングにより、粒状スクラップシリコンと金属壁面との接触を防止でき、粒状スクラップシリコンが金属元素によって汚染されるのを回避できる。

前記シュータは金属性で、その表面の内、粒状スクラップシリコンが接触する部分にシリコンのライニングが設けられているのが好ましい。また、シュータは、水冷式であることが好ましく、前記シリコンのライニングは、高純度のシリコンインゴットから切り出した板であることが好ましい。冷却の観点からはシュータは銅等の金属製であることが好ましいが、シュータが金属製であると、原料供給装置から粒状スクラップシリコンがシュータ上に落下する際に粒状スクラップシリコンが金属壁面に接触し、金属元素による汚染の問題が発生する。本発明では、粒状スクラップシリコンが接触する部分にシリコンのライニングが設けられているため、粒状スクラップシリコンと金属壁面との接触を防止でき、粒状スクラップシリコンが金属元素によって汚染されるのを回避できる。

前記るつぼと前記原料供給装置との間に、粒状スクラップシリコン又はその破片が前記るつぼ内に飛散することを防止するセパレータが設けられているのが好ましい。原料供給装置からシュータ上に粒状スクラップシリコンが落下する際に粒状スクラップシリコンの一部又はその破片がるつぼ内に飛び込む可能性があり、このような場合には、精錬した純度の高い溶融シリコンに純度の低いスクラップシリコンが混入することになり、高純度の製品シリコンの製造が困難となる。本発明では、るつぼと原料供給装置との間にセパレータを設けることにより、粒状スクラップシリコン又はその破片が前記るつぼ内に飛散することを防止するようにしているため、上記の問題を回避できる。なお、セパレータは炭素、又は石英を主成分とする材料によって作ることができる。この場合、必要な耐熱性、耐衝撃性が得られる上、冷却が不要なため、構成を簡略化できる。或は、セパレータを銅によって作ってもよく、この場合冷却が容易に行える。また、銅製のセパレータにシリコンのライニングを設けてもよい。

前記るつぼの上方にコールドトラップを配設し、前記るつぼ内の溶融シリコンから蒸発した不純物元素を捕捉することが好ましい。この場合、溶融シリコンから蒸発した不純物元素が凝固して再び溶融シリコン内に落ちることを抑制できるため、より純度の高い製品シリコンの製造が可能となる。なお、前記コールドトラップを上下に動き得るように構成し、溶融シリコンの量に応じて高さ位置を変更できることが好ましく、これにより蒸発した不純物元素の捕捉率を高めることができる。

さらに、前記ハースを傾動可能とし、粒状スクラップシリコンがハース内で溶融した後、ハースを傾動させて溶融シリコンを前記るつぼに供給するのが好ましい。これにより、ハースからるつぼへの溶融シリコンの供給を比較的簡単な構成で円滑に行うことができる。

本発明の電子ビームを用いたスクラップシリコンの精錬装置では、粒状スクラップシリコンを所定量貯蔵すると共に貯蔵した粒状スクラップシリコンをハースに供給する原料供給装置が真空チャンバ内に設置されているため、多量の粒状スクラップシリコンを効率良くハースに供給でき、高純度シリコンの生産効率を飛躍的に向上できる。

以下、本発明の実施形態による電子ビームを用いたスクラップシリコンの精錬装置を添付の図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態による電子ビームを用いたスクラップシリコンの精錬装置は、主に真空容器（真空チャンバ）１、この真空容器１内に設置された原料供給装置２、真空容器１内に設置され、原料供給装置２から供給される粒状スクラップシリコンをシュータ３を介して受け取るハース４と、このハース４内の粒状スクラップシリコンに電子ビームを照射して溶融させる電子銃５と、ハース４から溶湯が供給されるるつぼ６と、このるつぼ６内の溶湯に電子ビームを照射する電子銃７とを備えている。

真空容器１は、図示しない真空ポンプに接続されると共に、その上部には、外部から材料供給装置２に原料である粒状スクラップシリコンを供給するための密閉式の蓋１ａが設けられている。原料供給装置２は、振動式のパーツフィーダであり、図２に示すように、原料保持部として機能する金属製のホッパー２０と、振動によって粒状スクラップシリコンをシュータ３の上端に対応する水平位置まで移動させた後、落下させる原料移動部２１と、この原料移動部２１に所定の振動を与える機械部２２と、この機械部２２を制御する、真空容器１の外に配置されたコントローラ２３とから構成されている。なお、コントローラ２３に指令を与えて振動の大きさを制御し、これによって粒状スクラップシリコンの供給速度を変更できる。粒状スクラップシリコンが接触するホッパー２０の内周面には、ポリエチレン等の合成樹脂がコーティグされている。更に、原料移動部２１は合成樹脂によって作られている。従って、原料保持部２０及び原料移動部２１において粒状スクラップシリコンに不純物が付着することを防止できる。

図３に示すように、シュータ３は、原料供給装置２から落下してくる粒状スクラップシリコンをハース４に導くために約１５°〜６０°の角度で傾斜する銅製のシュータ本体３０と、このシュータ本体３１を冷却して、ハース４において溶融しているシリコンからの輻射熱の影響を緩和する冷却水パイプ３１とから主に構成されている。又、粒状スクラップシリコンが直接接触することになるシュータ本体３の上面はシリコンライニング３２が施され、不純物の混入を阻止している。本実施形態の装置では、シュータ３は上面と図示しない一対の側壁を有しており、この上面と側壁の内面に、高純度（精錬によって得られるシリコンと同程度の純度）のシリコンインゴット、又は精錬対象であるスクラップシリコンと同じ不純物（本実施形態の場合にはアンチモン）を含有するシリコンインゴットから切り出したシリコン板が設けられている。更に、原料供給装置２への熱輻射の影響を避けるために輻射遮蔽板３３がシュータ３の上方に設けられているおり、また粒状スクラップシリコンの一部又は破片がるつぼ６内に飛び込むことを防ぐカーボン製のセパレータ８がハース４とるつぼ６との間に設けられている。

図示していないが、ハース４は、その上部に粒状スクラップシリコンを受け入れるための凹部と、溶融シリコンをるつぼ６に注ぐための注ぎ口が設けられている。ハース４は枢支軸４ａを中心として上下方向に遥動可能に支持されており、溶融シリコンをるつぼ６に注ぐ場合には、図示しないアクチュエータによって図１において左側（るつぼ６側）の端が下がるように傾動される。

図４に示すように、るつぼ６は、水冷式の銅製るつぼ本体６０と、るつぼ本体６０の上部に配置された水冷式のコールドトラップ６１とから構成されている。なお、コールドトラップ６１は、例えば銅製であり、電子ビームの照射によって溶湯から蒸発した不純物を捕捉する。なお、前記コールドトラップを上下に動き得るように構成し、溶融シリコンの量に応じて高さ位置を変更できることが好ましく、これにより蒸発した不純物元素の捕捉率を高めることができる。

次に上記構成の本発明の精錬装置の動作を説明する。先ず、スクラップシリコンの塊を粉砕して粒状スクラップシリコンを作る。真空容器１の蓋１ａを開けて、粒状スクラップシリコンを原料供給装置２のホッパ内に充填する。その後、蓋１ａを閉め、真空容器１内部に所定のレベルの真空状態を作る。その後、原料供給装置２を作動させると、ホッパ内の粒状スクラップシリコンが所定の速度でシュータ３上に排出され、シュータ３を介してハース４に供給される。所定量の粒状スクラップシリコンがハース４に供給されると、電子銃５を作動させて電子ビームをハース４内の粒状スクラップシリコンに照射して溶融させ、所定温度の溶湯を得る。

このようにして溶融が完了すると、ハース４を傾け、溶融シリコンをるつぼ本体６０内に注ぐ。るつぼ６内の溶湯が凝固する前に、るつぼ６上に配置された電子銃７を作動させて電子ビームをるつぼ６内の溶湯に照射し、溶湯に含まれる不純物元素を更に蒸発させる。るつぼ６内の溶湯が所定のレベルになるまで上記の動作を繰り返す。その後、るつぼ６を冷却し、溶湯を凝固させる。この時、シリコン溶湯は方向性凝固を起こし、原料シリコンに含まれていた重金属を偏析除去できる。このようにして、高純度のシリコン塊が得られる。

シリコンウエーハ等のシリコン製品の製造に伴って発生する、不純物元素を含有したスクラップシリコンから高純度のシリコンを製造するスクラップシリコンのリサイクルに適用できる。

本発明の実施形態によるスクラップシリコンの精錬装置の全体構成を示す概略図。 図１に示す原料供給装置の構造を示す概略図。 図１に示すシュータの構造を示す概略図。 図２に示するつぼの構造を示す概略図。

符号の説明

１ 真空容器
２ 原料供給装置
３ シュータ
４ ハース
５、７ 電子銃
６ るつぼ
８ セパレータ

Claims (11)

1. 電子ビームを用いたスクラップシリコンの精錬装置であって、
   真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に設置されたるつぼと、
   前記るつぼに隣接して前記真空チャンバ内に配置され、粒状のスクラップシリコン受け入れるとともに、電子ビームの照射によって粒状スクラップシリコンを溶融して、溶融シリコンを前記るつぼに供給するハースと、
   前記真空チャンバ内に設置され、粒状スクラップシリコンを所定量貯蔵すると共に貯蔵した粒状スクラップシリコンを必要に応じてシュータを介して前記ハースに供給する原料供給装置と
   を有することを特徴とする精錬装置。
2. 請求項１に記載のスクラップシリコンの精錬装置であって、前記原料供給装置の内壁面の内、粒状スクラップシリコンが接触する部分に合成樹脂をコーティングしたことを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載のスクラップシリコンの精錬装置であって、前記原料供給装置は、振動式のパーツフィーダであり、このパーツフィーダの少なくともホッパの内周面を合成樹脂によってコーティングしたことを特徴とする装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載のスクラップシリコンの精錬装置であって、前記シュータは、金属性であり、その表面の内、粒状スクラップシリコンが接触する部分にシリコンのライニングを設けたことを特徴とする装置。
5. 請求項４に記載のスクラップシリコンの精錬装置であって、前記シュータは水冷式であることを特徴とする装置。
6. 請求項４又は５に記載のスクラップシリコンの精錬装置であって、前記シリコンのライニングは、高純度のシリコンインゴットから切り出した板であることを特徴とする装置。
7. 請求項１〜６の何れかに記載のスクラップシリコンの精錬装置であって、前記るつぼと前記原料供給装置との間に、粒状スクラップシリコン又はその破片が前記るつぼ内に飛散することを防止するセパレータを設けたことを特徴とする装置。
8. 請求項７に記載のスクラップシリコンの精錬装置であって、前記セパレータは、炭素、銅、又は石英を主成分とする材料によって作られていることを特徴とする装置。
9. 請求項１〜８の何れかに記載のスクラップシリコンの精錬装置であって、前記るつぼの上方に配置され、前記るつぼ内の溶融シリコンから蒸発した不純物元素を捕捉するコールドトラップを更に設けたことを特徴とする装置。
10. 請求項９に記載のスクラップシリコンの精錬装置であって、前記コールドトラップは上下方向に可動であることを特徴とする装置。
11. 請求項１〜１０の何れかに記載のスクラップシリコンの精錬装置であって、前記ハースは傾動可能に構成されており、粒状スクラップシリコンがハース内で溶融した後、ハースを傾動させて溶融シリコンを前記るつぼに供給することを特徴とする装置。

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