JP2008143756A - Method of manufacturing high purity silicon and apparatus for manufacturing high purity silicon - Google Patents
Method of manufacturing high purity silicon and apparatus for manufacturing high purity silicon Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008143756A JP2008143756A JP2006335041A JP2006335041A JP2008143756A JP 2008143756 A JP2008143756 A JP 2008143756A JP 2006335041 A JP2006335041 A JP 2006335041A JP 2006335041 A JP2006335041 A JP 2006335041A JP 2008143756 A JP2008143756 A JP 2008143756A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- plasma jet
- arc plasma
- silicon
- gas
- purity silicon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、高純度シリコンを安価に量産することができる高純度シリコン製造方法および高純度シリコン製造装置に関する。 The present invention relates to a high-purity silicon manufacturing method and a high-purity silicon manufacturing apparatus capable of mass-producing high-purity silicon at low cost.
太陽電池生産量の増加により、高純度シリコンの需要が年々増加している。これまでは、主として半導体用シリコンの規格外品を原料として生産しているが、太陽電池生産量が年々増加しているにも拘わらず半導体業界の市況が変化しているため、半導体用シリコンの規格外品の発生量が安定していないのが実状である。 The demand for high-purity silicon is increasing year by year due to the increase in solar cell production. Until now, the company has mainly produced non-standard products for silicon for semiconductors, but the market of the semiconductor industry has changed despite the increase in solar cell production year by year. The actual situation is that the amount of non-standard products generated is not stable.
太陽電池用に使用されるシリコンは、半導体用シリコンほど高純度である必要がないため、近年、太陽電池用シリコン製造に関する研究が行われ、従来から種々の製造方法が提案されている。例えば、安価な金属シリコン原料から高温で長時間の冶金的な精製プロセスによって高純度のシリコンを製造する方法が主流となっているが、この冶金的な精製プロセスは、投入エネルギーが大きいために更なる低コスト化が要求されている。 Since silicon used for solar cells does not have to be as pure as silicon for semiconductors, research on the production of silicon for solar cells has been conducted in recent years, and various production methods have been proposed. For example, the mainstream method is to produce high-purity silicon from an inexpensive metal silicon raw material by a metallurgical refining process at a high temperature for a long time. There is a demand for lower costs.
従来の太陽電池用シリコンの製造方法として、金属シリコンの原料を真空精錬と一方向凝固による精製とを行うことにより、燐、カルシウム、アルミニウム、鉄、チタニウム等の不純物元素を除去して太陽電池用の高純度シリコンを製造する方法がある(例えば、特許文献1参照)。この高純度シリコンの製造方法は、冶金的プロセスを幾度も必要とするエネルギー消費型プロセスであるために製造コストが嵩むという問題がある。 As a conventional method for producing silicon for solar cells, metal silicon raw materials are subjected to vacuum refining and purification by unidirectional solidification to remove impurity elements such as phosphorus, calcium, aluminum, iron, titanium and the like for solar cells. There is a method for producing high-purity silicon (see, for example, Patent Document 1). This high-purity silicon manufacturing method is an energy consuming process that requires a metallurgical process many times, and thus has a problem that the manufacturing cost increases.
本発明者等は、先にプラズマCVD技術を利用して高純度シリコンを製造する発明を提案している。この発明は、石英などからなる回転チャンバー内を減圧し、SiF4又はSiH4を含む水素・アルゴン雰囲気中でコイルからの電力投入によりプラズマ領域を生成し、プラズマ中でSiF4又はSiH4を分解すると共に、チャンバーの回転によってチャンバー内に投入したSi微粉末種結晶を堰により掬い上げて該プラズマ領域中を自由落下させ、SiF4又はSiH4の分解で生成したシリコンをそのSi微粉末種結晶表面にホモエピタキシアル成長によって堆積させる方法と装置である(特許文献2参照)。 The present inventors have previously proposed an invention for producing high-purity silicon using plasma CVD technology. The present invention, reducing the pressure in the rotation chamber made of quartz, and generates a plasma region by the power-on from the coil in a hydrogen-argon atmosphere containing SiF 4 or SiH 4, decomposing SiF 4 or SiH 4 in plasma At the same time, the Si fine powder seed crystal introduced into the chamber by the rotation of the chamber is lifted up by the weir and freely dropped in the plasma region, and the silicon produced by the decomposition of SiF 4 or SiH 4 is converted into the Si fine powder seed crystal. This is a method and apparatus for depositing on the surface by homoepitaxial growth (see Patent Document 2).
この発明は、プラズマCVD反応を利用するとともに、不純物を含有しないガス状態であるSiF4又はSiH4を出発原料とするために、生成されるシリコンの純度が高いという特徴を有している。しかし、一方で、0.01MPa程度の減圧条件が必要であり、またその生産量を増加するために生産規模を大きくした場合、減圧設備コストがさらに増大するというコスト上の問題がある。また、チャンバーを回転させるので回転機構部の真空シールから空気漏れのおそれがあるためにシリコンが酸化する危険性があるという問題や、空気漏れによる圧力変動によってプラズマが不安定になるための歩留まりの低下、及び、分解により生成されたシリコンが冷却途中でSiF4に戻る反応による歩留まりの低下という収率上の大きな問題があった。 This invention is characterized by high purity of silicon produced by using plasma CVD reaction and using SiF 4 or SiH 4 in a gas state containing no impurities as a starting material. However, on the other hand, pressure reduction conditions of about 0.01 MPa are necessary, and when the production scale is increased in order to increase the production amount, there is a cost problem that the pressure reduction equipment cost further increases. In addition, since the chamber is rotated, there is a risk of air leaking from the vacuum seal of the rotating mechanism, so there is a risk of silicon oxidation, and the yield of the plasma becoming unstable due to pressure fluctuations due to air leaks. There has been a significant problem in yield, that is, a decrease in yield and a decrease in yield due to a reaction in which silicon produced by decomposition returns to SiF 4 during cooling.
これは、プラズマ密度が低いことが一因と考えられたため、発生したプラズマを磁場により拘束することでプラズマ密度の低下を抑制できる同軸マグネトロン型プラズマ装置を設計・制作し検討した。同軸マグネトロン型プラズマ装置の内部構造を図8に示す。基本的には内部電極と外部電極とからなる容量結合型プラズマ装置であるが、内部電極に収容したマグネットにより多数のマグネトロン磁場を形成し、チャンバーの長さ方向全域にわたってプラズマを発生させる構造となっている。しかし、図8に示す同軸マグネトロン型プラズマ装置を用いて、表1の条件で検討したが、収率の向上は見られたものの、更なる向上が必要であることがわかった。 This was thought to be due to the low plasma density, so we designed, produced, and studied a coaxial magnetron plasma device that can suppress the decrease in plasma density by constraining the generated plasma by a magnetic field. The internal structure of the coaxial magnetron type plasma apparatus is shown in FIG. Basically, it is a capacitively coupled plasma device consisting of an internal electrode and an external electrode, but it has a structure in which a large number of magnetron magnetic fields are formed by a magnet housed in the internal electrode and plasma is generated over the entire length of the chamber. ing. However, the coaxial magnetron type plasma apparatus shown in FIG. 8 was examined under the conditions shown in Table 1, but although the yield was improved, it was found that further improvement was necessary.
なお、従来のプラズマ溶射技術では、金属表面の補修などにはアークプラズマジェットが用いられ、リチウム電池や太陽電池などのシリコン薄膜形成には高周波(RF)プラズマジェットが用いられている(例えば、特許文献3または4参照)。 In the conventional plasma spraying technique, an arc plasma jet is used for repairing a metal surface, and a radio frequency (RF) plasma jet is used for forming a silicon thin film such as a lithium battery or a solar battery (for example, patents). Reference 3 or 4).
本発明者等は、特許文献2に記載の発明、および同軸マグネトロン型プラズマ装置による検討で使用した原料と同じフッ素系珪素ガス又はシランガスから高純度シリコンを安価に量産できる製造技術について鋭意検討した結果、プラズマCVD技術や同軸マグネトロン型プラズマ技術に比べて設備上の制約が緩く、製造コスト的にも安価なプラズマ溶射技術に着目するに至った。このプラズマ溶射に用いられているプラズマジェットを高純度シリコンの量産化に使用した例は、これまで見当たらない。 As a result of intensive investigations on the manufacturing technology capable of mass-producing high-purity silicon at low cost from the same fluorine-based silicon gas or silane gas as the raw material used in the invention described in Patent Document 2 and the examination by the coaxial magnetron plasma apparatus, the present inventors In comparison with plasma CVD technology and coaxial magnetron type plasma technology, it has come to focus on plasma spraying technology, which has less restrictions on facilities and is inexpensive in terms of manufacturing cost. There has been no example of using the plasma jet used for this plasma spraying for mass production of high-purity silicon.
本発明者等の実験によれば、高純度シリコンの量産のためのプラズマジェットとしては、電離度の高いアークプラズマジェットの方が高周波(RF)プラズマジェットより適していることが分かったため、このアークプラズマジェットを使用してフッ素系珪素ガスから高純度シリコンを製造するための実験を繰り返し行ったところ、アークプラズマジェットを溶射の場合と同様に噴射しても、シリコンの収率が極めて低く量産化が困難であるという新たな課題が判明した。 According to experiments by the present inventors, it has been found that an arc plasma jet having a high ionization degree is more suitable than a radio frequency (RF) plasma jet as a plasma jet for mass production of high-purity silicon. Repeated experiments to produce high-purity silicon from fluorine-based silicon gas using a plasma jet. Even if the arc plasma jet is sprayed in the same way as in the case of thermal spraying, the silicon yield is extremely low and mass production is achieved. A new problem has been found that is difficult.
この原因は、(1)アークプラズマジェットは、噴射口を出ると四方に拡散する傾向があるためにプラズマジェット内部における高温領域の噴射方向(長手方向)の長さが短く、またこの拡散したプラズマジェットの周縁部が急速に冷却されるために幅方向の高温領域も狭いので、アークプラズマジェット内部において原料ガスの分解に必要な高温領域を十分に確保できないこと、(2)アークプラズマジェット中に供給される原料ガスも四方に拡散し易く、その一部がプラズマジェットの外まで放散して原料ロスが大きいこと、(3)原料ガスがプラズマジェット内部でも拡散するために、高温領域内における分解活性種の密度が低下すること、等がシリコン収率を極めて低くしている要因ではないかと考えられる。 This is because (1) the arc plasma jet has a tendency to diffuse in all directions when exiting the injection port, so the length of the injection direction (longitudinal direction) of the high temperature region inside the plasma jet is short, and this diffused plasma Since the peripheral edge of the jet is rapidly cooled, the high-temperature region in the width direction is also narrow, so that a sufficient high-temperature region necessary for decomposition of the source gas cannot be secured inside the arc plasma jet. (2) In the arc plasma jet The supplied source gas is also easily diffused in all directions, and part of it is dissipated to the outside of the plasma jet, resulting in a large source loss. (3) Since the source gas diffuses inside the plasma jet, it decomposes in the high temperature region. It is thought that the decrease in the density of the active species is a factor that makes the silicon yield extremely low.
本発明は、このようなアークプラズマジェットに伴う課題に着目してなされたもので、高純度シリコンを安定して量産すると共に、製造コストの低減をも図ることができる高純度シリコン製造方法および高純度シリコン製造装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the problems associated with such arc plasma jets, and is capable of stably mass-producing high-purity silicon and reducing the manufacturing cost, and a high-purity silicon manufacturing method. An object of the present invention is to provide a purity silicon manufacturing apparatus.
本発明者等は、アークプラズマジェットの上記課題を解決するためには、アークプラズマジェットおよび原料ガスの四方への拡散を抑制する必要があること、また高速で噴射されるアークプラズマジェットを使用する場合には、アークプラズマジェット内部における噴射方向の高温領域を長くして原料ガスの分解に要する滞在時間を十分に確保する必要があることを知見した。そして、本発明は、アークプラズマジェットをパイプなどの拡散抑制手段に通すという簡便な手段によって上記課題を同時にすべて解決したことを特徴とするものであり、これによって、高収率でかつ比較的安価に高純度シリコンを量産化することを実現するものである。 In order to solve the above-mentioned problems of the arc plasma jet, the present inventors need to suppress the diffusion of the arc plasma jet and the raw material gas in all directions, and use the arc plasma jet that is jetted at a high speed. In this case, it has been found that it is necessary to lengthen the high temperature region in the injection direction inside the arc plasma jet to sufficiently secure the residence time required for the decomposition of the raw material gas. The present invention is characterized in that all of the above problems are solved at the same time by a simple means of passing the arc plasma jet through a diffusion suppressing means such as a pipe, whereby high yield and relatively low cost. In addition, high-purity silicon can be mass-produced.
本発明に係る高純度シリコン製造方法は、アークプラズマジェットを発生させ、前記アークプラズマジェットにフッ素系珪素ガス又はシランガスを供給し、前記アークプラズマジェットを拡散抑制手段に通すと共に、前記アークプラズマジェット中で前記フッ素系珪素ガス又は前記シランガスを分解してシリコンを生成させ、前記アークプラズマジェットから前記シリコンを捕集することを、特徴とする。 The high-purity silicon manufacturing method according to the present invention generates an arc plasma jet, supplies a fluorine-based silicon gas or a silane gas to the arc plasma jet, passes the arc plasma jet through diffusion suppressing means, In which the fluorine-based silicon gas or the silane gas is decomposed to generate silicon, and the silicon is collected from the arc plasma jet.
本発明に係る高純度シリコン製造装置は、アークプラズマジェット発生装置と拡散抑制手段とシリコン捕集手段とを有し、前記アークプラズマジェット発生装置は、アークプラズマジェットを発生させるジェット発生部と、前記ジェット発生部で発生させた前記アークプラズマジェットにフッ素系珪素ガス又はシランガスを供給するシリコンガス供給部と、前記アークプラズマジェットを外部に噴射する噴射口とを有し、前記拡散抑制手段は、前記アークプラズマジェットの拡散を抑制するよう前記噴射口から噴射方向に伸びて設けられ、前記捕集手段は、前記拡散抑制手段を通過した前記アークプラズマジェットから前記フッ素系珪素ガス又は前記シランガスの分解により生成されたシリコンを捕集するよう前記拡散抑制手段の前記噴射方向の前方に設けられていることを、特徴とする。 A high-purity silicon production apparatus according to the present invention includes an arc plasma jet generation device, a diffusion suppression unit, and a silicon collection unit. The arc plasma jet generation device includes a jet generation unit that generates an arc plasma jet; A silicon gas supply unit that supplies a fluorine-based silicon gas or a silane gas to the arc plasma jet generated by the jet generation unit; and an injection port that injects the arc plasma jet to the outside. Extending in the injection direction from the injection port so as to suppress diffusion of the arc plasma jet, and the collecting means is obtained by decomposing the fluorine-based silicon gas or the silane gas from the arc plasma jet that has passed through the diffusion suppression means. The injection method of the diffusion suppressing means to collect the generated silicon That is provided in front of, and features.
本発明に係る高純度シリコン製造方法および高純度シリコン製造装置は、プラズマCVDと比べて設備上の制約が緩い標準的なアークプラズマ技術と簡便な拡散抑制手段とを組合わせて、高純度シリコンを高収率で安定して量産化することができるため、製造コストの低減を図ることができる。なお、原料ガスのフッ素系珪素ガス又はシランガスは、具体的にはSiF4またはSiH4である。 The high-purity silicon manufacturing method and high-purity silicon manufacturing apparatus according to the present invention combine high-purity silicon by combining standard arc plasma technology, which has less restrictions on facilities than plasma CVD, and simple diffusion suppression means. Since it can be stably mass-produced with a high yield, the manufacturing cost can be reduced. Note that the fluorine-based silicon gas or silane gas as the source gas is specifically SiF 4 or SiH 4 .
本発明に係る高純度シリコン製造方法で、前記拡散抑制手段は、前記アークプラズマジェットの通過時間が11msec以上になるよう設定されていることが好ましい。本発明に係る高純度シリコン製造装置で、前記拡散抑制手段は、前記アークプラズマジェットの通過時間が11msec以上になるよう設定されていることが好ましい。通過時間が11msec未満と短い場合には、拡散抑制手段内において、アークプラズマジェット中のフッ素系珪素ガス又はシランガスを分解するために必要な高温領域での滞留時間を十分に確保できず、原料ガスの分解が不十分となるため、シリコンの収率が低下することになる。したがって、原料ガスの分解を十分に行ってシリコンの収率を高めるためには、アークプラズマジェットの通過時間を少なくとも11msec以上とすることが好ましい。しかし、この通過時間を111msecより長くしても、それ以上シリコン収率の大幅な改善がみられないため、11msec〜111msecの範囲とすることがより好ましい。 In the high-purity silicon manufacturing method according to the present invention, it is preferable that the diffusion suppressing means is set so that a transit time of the arc plasma jet is 11 msec or more. In the high-purity silicon manufacturing apparatus according to the present invention, it is preferable that the diffusion suppressing means is set so that a transit time of the arc plasma jet is 11 msec or more. When the transit time is as short as less than 11 msec, the residence time in the high temperature region necessary for decomposing the fluorine-based silicon gas or silane gas in the arc plasma jet cannot be sufficiently secured in the diffusion suppressing means, and the source gas Since the decomposition of silicon becomes insufficient, the yield of silicon decreases. Therefore, in order to sufficiently decompose the source gas and increase the yield of silicon, it is preferable to set the passage time of the arc plasma jet to at least 11 msec. However, even if the transit time is longer than 111 msec, no significant improvement in the silicon yield is observed any more. Therefore, it is more preferable to set the range from 11 msec to 111 msec.
本発明に係る高純度シリコン製造方法および製造装置で、前記拡散抑制手段は、筒状の形状であってもよい。拡散抑制手段は、製造コスト的には、例えば水冷式の銅やSUSなどの金属パイプやシリコン製のパイプなどの簡便な手段が好ましく、その形状もプラズマ噴射口の形状に沿う筒状が適しているが、アークプラズマジェットの拡散を抑制することができるのであれば筒状に限るものではない。水冷式の銅パイプの場合、その口径は、標準的なプラズマ装置の噴射口径の10〜500mm程度であればよい。 In the high-purity silicon manufacturing method and manufacturing apparatus according to the present invention, the diffusion suppressing means may have a cylindrical shape. The diffusion suppressing means is preferably a simple means such as a metal pipe made of water-cooled copper or SUS or a pipe made of silicon, for example, in terms of manufacturing cost. However, it is not limited to the cylindrical shape as long as the diffusion of the arc plasma jet can be suppressed. In the case of a water-cooled copper pipe, the diameter may be about 10 to 500 mm, which is the injection diameter of a standard plasma apparatus.
本発明に係る高純度シリコン製造方法および製造装置は、前記拡散抑制手段の周囲に磁場を発生させてもよい。この場合、銅パイプなどの拡散抑制手段の周囲に磁場発生手段を設け、発生させた磁場内にアークプラズマを閉じ込めてアークプラズマの分解能を向上させ、シリコン収率をより改善させることができる。 The high purity silicon manufacturing method and manufacturing apparatus according to the present invention may generate a magnetic field around the diffusion suppressing means. In this case, a magnetic field generating means is provided around the diffusion suppressing means such as a copper pipe, and the arc plasma is confined in the generated magnetic field to improve the resolution of the arc plasma, and the silicon yield can be further improved.
本発明に係る高純度シリコン製造方法は、前記アークプラズマジェットをチャンバーの内部に向かって噴射させ、前記チャンバーの内部で前記シリコンを捕集してもよい。前記チャンバーは、内部が不活性ガス雰囲気または真空雰囲気であることが好ましい。本発明に係る高純度シリコン製造装置は、前記アークプラズマジェットが噴射されるチャンバーを有し、前記チャンバーは内部が不活性ガス雰囲気または真空雰囲気であり、前記捕集手段は前記チャンバーの内部に配置されていてもよい。捕集手段をチャンバーの内部に配置すれば、シリコンを容易に無駄なく捕集することができる。 In the high-purity silicon manufacturing method according to the present invention, the arc plasma jet may be sprayed toward the inside of the chamber, and the silicon may be collected inside the chamber. The inside of the chamber is preferably an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere. The high-purity silicon manufacturing apparatus according to the present invention has a chamber in which the arc plasma jet is injected, the chamber is an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere, and the collecting means is disposed inside the chamber. May be. If the collecting means is disposed inside the chamber, silicon can be easily collected without waste.
本発明は、アークプラズマジェットを拡散抑制手段に通してアークプラズマジェットの拡散を抑制するため、フッ素系珪素ガス又はシランガスの分解活性種の密度低下を抑えると共に、プラズマの温度低下を抑えることができる。また、拡散抑制手段内においてフッ素系珪素ガス又はシランガスを分解するために必要な噴射方向の高温領域を長くして、原料ガスの分解に要する滞在時間を十分に確保することができるため、原料ガスのロス(未分解)を回避して、そのほぼ全量を分解することができ、高純度シリコンを高収率で安定して量産することができる。このため、製造コストの低減を図ることもできる。また、本発明では、アークプラズマジェット中で分解されたシリコンが拡散抑制手段の外にジェット噴射されて瞬時に急冷されるため、プラズマCVD技術において発生するような戻り反応、すなわちいったん分解されたシリコンが冷却途中でSiF4に戻るという反応も回避できるので、プラズマCVD技術に比べて高収率かつ安定して高純度シリコンを量産することができる。 In the present invention, since the arc plasma jet is passed through the diffusion suppressing means to suppress the diffusion of the arc plasma jet, it is possible to suppress the decrease in the density of the decomposition active species of the fluorine-based silicon gas or the silane gas and to suppress the decrease in the plasma temperature. . Further, since the high temperature region in the injection direction necessary for decomposing the fluorine-based silicon gas or silane gas in the diffusion suppressing means can be lengthened, the residence time required for the decomposition of the raw material gas can be sufficiently ensured. The loss (undecomposition) can be avoided and almost the entire amount can be decomposed, and high-purity silicon can be stably mass-produced at a high yield. For this reason, the manufacturing cost can also be reduced. Further, in the present invention, since the silicon decomposed in the arc plasma jet is jet-jetted out of the diffusion suppressing means and instantaneously cooled, the return reaction that occurs in the plasma CVD technique, that is, once decomposed silicon Since the reaction of returning to SiF 4 during cooling can be avoided, high-purity silicon can be mass-produced stably and with a higher yield than the plasma CVD technique.
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図1乃至図3、図5および図7は、本発明の実施の形態の高純度シリコン製造方法および高純度シリコン製造装置を示している。
図1および図2に示すように、高純度シリコン製造装置10は、アークプラズマジェット発生装置11と拡散抑制手段12とチャンバー13と捕集手段14とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 3, 5, and 7 show a high-purity silicon manufacturing method and a high-purity silicon manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIGS. 1 and 2, the high-purity
図1(a)に示すように、アークプラズマジェット発生装置11は、ジェット発生部21とアークガス導入部22とシリコンガス供給部23と冷却水循環部24とを有している。ジェット発生部21は、アークプラズマジェット発生装置11の一方の端面11aの中央に、アークプラズマジェット発生装置11の長さの半分程度の深さを有する細長いアークプラズマ発生空間21aを形成して成っている。ジェット発生部21は、アークプラズマジェット発生装置11の一方の端面11aに位置するアークプラズマ発生空間21aの開口が、円形の噴射口21bを成している。ジェット発生部21は、アークプラズマ発生空間21aの底部の中央に、噴射口21bに向かって伸びたカソード21cを有している。また、ジェット発生部21は、噴射口21bよりやや内側のアークプラズマ発生空間21aの内壁に、アノード21dを有している。
As shown in FIG. 1A, the arc
アークガス導入部22は、アークプラズマジェット発生装置11の他方の端面11bから、その端面11bに対して垂直に突出したアーク接続部22aと、アーク接続部22aの先端に設けられたアーク開口部22bと、アーク開口部22bをアークプラズマ発生空間21aに連通するよう設けられたアーク導入路22cとを有している。アークガス導入部22は、アーク開口部22bから供給されたアークプラズマを発生させるためのアークガスを、アーク導入路22cを通してアークプラズマ発生空間21aに供給可能になっている。これにより、ジェット発生部21は、アークガス雰囲気のアークプラズマ発生空間21a内で、カソード21cとアノード21dとの間にアークを発生させ、アークガスをプラズマ化し、噴射口21bからアークプラズマジェットを外部に噴射可能になっている。なお、ここで使用するガスは、アルゴン(Ar)などの不活性ガス、もしくは不活性ガスと水素(H2)との混合気体である。
The arc
シリコンガス供給部23は、アークプラズマジェット発生装置11の一端側の側面11cに設けられたシリコンガス供給口23aと、噴射口21bよりやや内側のアークプラズマ発生空間21aの内壁に設けられたシリコンガス導入口23bと、シリコンガス供給口23aとシリコンガス導入口23bとを連通するシリコンガス導入路23cとを有している。シリコンガス供給部23は、シリコンガス供給口23aから供給されたSiF4と水素(H2)との混合気体を、シリコンガス導入路23cを通してシリコンガス導入口23bからアークプラズマ発生空間21aに供給可能になっている。これにより、シリコンガス供給部23は、ジェット発生部21で発生したアークプラズマジェットにSiF4を供給可能になっている。
The silicon
冷却水循環部24は、アークプラズマジェット発生装置11の側面11cに設けられた冷却水供給口24aと、アークプラズマジェット発生装置11の他方の端面11bの中央からその端面11cに対して垂直に突出した冷却水接続部24bと、冷却水接続部24bの先端に設けられた冷却水排水口24cと、アークプラズマ発生空間21aの周囲を巡って冷却水供給口24aと冷却水排水口24cとを連通する冷却水循環路24dとを有している。冷却水循環部24は、冷却水供給口24aから供給された冷却水を、冷却水循環路24dを通して冷却水排水口24cから排出可能になっている。これにより、冷却水循環部24は、冷却水によりアークプラズマ発生空間21aを外側から冷却可能になっている。
The cooling
図1(b)に示すように、拡散抑制手段12は、水冷式の金属パイプから成っており、内部12aが噴射口21bと連通するようにアークプラズマジェット発生装置11の一方の端面11aに取り付けられている。また、拡散抑制手段12は、噴射口21bからアークプラズマジェットの噴射方向に伸びて取り付けられ、アークプラズマジェットの拡散を抑制するようになっている。
As shown in FIG. 1B, the
拡散抑制手段12は、アークプラズマジェット発生装置11の側の端部に設けられた冷却水導入口12bと、同じ端部に設けられた冷却水排出口12cと、内部12aの周囲を巡って冷却水導入口12bと冷却水排出口12cとを連通する冷却水路12dとを有している。拡散抑制手段12は、冷却水導入口12bから供給された冷却水を冷却水路12dを通して冷却水排出口12cから排出可能になっている。これにより、拡散抑制手段12は、冷却水によりアークプラズマジェットが通過する内部12aを外側から冷却可能になっている。
The
図2に示すように、チャンバー13は、その内部13aの一端に、拡散抑制手段12を配置したアークプラズマジェット発生装置11が取り付けられている。また、チャンバー13には、内部13aの空気を排出可能なロータリーポンプ25が接続されており、真空雰囲気を形成可能になっている。
As shown in FIG. 2, the arc
捕集手段14は、捕集板26と、捕集板26の背面側に取り付けられて捕集板26を冷却するための冷却板27とを有し、チャンバー13の内部13aに配置されている。捕集手段14は、捕集板26をアークプラズマジェット発生装置11の側に向けて、拡散抑制手段12の噴射方向の前方に配置され、拡散抑制手段12を通過したアークプラズマジェットを捕集板26で受けて冷却し、SiF4の分解により生成されたシリコンを捕集板26に析出させて捕集可能になっている。
The collection means 14 includes a
本発明の実施の形態の高純度シリコン製造方法は、アークガス導入部22によりアークプラズマ発生空間21aにアークガスを供給し、ジェット発生部21によりアークプラズマジェットを発生させる。発生させたアークプラズマジェットに、シリコンガス供給部23によりSiF4、もしくはSiF4と水素の混合ガスを供給し、噴射口21bからアークプラズマジェットを噴射させる。このとき、発生させたアークプラズマジェットにSiF4を供給することにより、アークプラズマジェット中でSiF4を分解してシリコンを生成させることができる。
In the high purity silicon manufacturing method according to the embodiment of the present invention, an arc gas is supplied to the arc
噴射したアークプラズマジェットは、図3に示すように、拡散抑制手段12を通過してチャンバー13の内部13aに噴射される。このとき、拡散抑制手段12は、アークプラズマジェットの拡散を抑制することができる。また、SiF4の分解活性種の密度低下を抑えると共に、アークプラズマの温度低下を抑えて、アークプラズマジェット内部における噴射方向の高温領域を長くして原料ガスの分解に要する滞在時間を十分に確保することができる。
As shown in FIG. 3, the injected arc plasma jet passes through the
アークプラズマジェットによって分解されたシリコンは、拡散抑制手段12から出てチャンバー13の内部13aに噴射され、捕集板26に当たって冷却されて捕集板26に析出する。このシリコンを回収することによって高純度シリコンを得ることができる。このように、本発明の実施の形態の高純度シリコン製造方法および高純度シリコン製造装置10によれば、高純度シリコンを高収率で安定して量産することができる。
The silicon decomposed by the arc plasma jet exits from the
[拡散抑制手段12の効果を確認するための比較試験]
拡散抑制手段12の効果を確認するために、図4に示すように、この拡散抑制手段12を取り外した状態で試験を行った。試験の条件を表2に示す。なお、図5に示すように、このときのアークプラズマジェット発生装置11を含むアークプラズマ発生装置は、表面処理等のプラズマ溶射などに使用されている標準的な装置である。また、アークプラズマジェット発生装置11内でのアークプラズマの発生および制御のために、アークプラズマの発生源であるアークガスの流量を制御するガス制御系とプラズマのアーク電流を制御する電流制御系とを一体化したコントローラー51と、プラズマに電流を供給する直流電源(Power Supply)52と、アークプラズマジェット発生装置11を冷却するための冷却水供給装置(Chiller53およびWater Booster Pump54)と、カソード21c・アノード21d間にスパークを生じさせアーク電流を導入するためのスターター55とを具備している。なお、図5には、プラズマ溶射技術で使用される溶射皮膜を形成するためのパウダーフィダー(Roto Feeder)56が記載されているが、今回の試験には使用していない。
[Comparative test for confirming the effect of the diffusion suppressing means 12]
In order to confirm the effect of the diffusion suppression means 12, as shown in FIG. 4, the test was performed with the diffusion suppression means 12 removed. Table 2 shows the test conditions. As shown in FIG. 5, the arc plasma generator including the arc
試験の結果、拡散抑制手段12を取り外した状態では、試験No.1及び試験No.2の場合ともシリコンの収率が極めて低かった。試験No.1の場合は、試験No.2よりその投入電力量が25kwと大きいにも拘らず、シリコン収率が低かったので、本発明者等は、電力量以外のプラズマジェットの拡散に着目し、図1(b)および図3に示すような拡散抑制手段12を取り付けて試験を行った。
As a result of the test, in the state where the
[拡散抑制手段12の長さとシリコン収率との関係]
拡散抑制手段12の作用・効果を調べるために、内径10.9mmの水冷式の銅パイプを取り付けない場合(長さ0mm)と長さ100〜1000mmの銅パイプを取り付けた場合の試験を表3の条件(電圧・電流等他の条件を一定)で行った。図6にシリコン収率(%)と銅パイプの長さ(mm)との関係を図示する。
[Relationship between length of
Table 3 shows the tests when the water-cooled copper pipe with an inner diameter of 10.9 mm is not attached (
図6に示すように、試験の結果、拡散抑制手段12を取り付けた場合にシリコン収率が顕著に向上することが確認された。これは、拡散抑制手段12によって原料ガスの損失やアークプラズマジェットの温度低下を防止すると共に、アークプラズマジェットの噴射方向の高温領域を長くすることができたので、原料ガスを高速に噴射した場合でも原料ガスを十分に分解することができたからと推測される。またシリコン収率は、拡散抑制手段12の長さに比例して向上し、その長さが少なくとも100mm以上、特に300mm以上の場合に飛躍的に向上することも確認された。拡散抑制手段12が500mmと1000mmの場合には、そのシリコン収率は95wt%を越える結果が得られたが、冷却板27やチャンバー13の内部13aへ付着したシリコンを完全に回収できていないため、実際は100wt%にかなり近い収率が得られていると推測される。
以上の結果から、この拡散抑制手段12という簡便な手段によって高純度シリコンを高収率で安定して量産できることが確認された。
As shown in FIG. 6, as a result of the test, it was confirmed that the silicon yield was remarkably improved when the
From the above results, it was confirmed that high-purity silicon can be stably mass-produced with a high yield by this simple means of diffusion suppression means 12.
また、拡散抑制手段12の長さについては、SiF4が拡散抑制手段12内で分解されるために要する時間、すなわちアークプラズマジェットと原料ガスとが拡散抑制手段12内に滞在する時間に相当するともいえるから、拡散抑制手段12の長さをそのアークガス流量との関係から、アークプラズマジェットがこの拡散抑制手段12を通過する時間に換算すると、拡散抑制手段12の長さが100mmの場合では11msec、300mmでは33msec、500mmでは56msec、1000mmでは111msecと表すことができる。したがって、この拡散抑制手段12は、アークプラズマジェットの通過時間が少なくとも11msec以上、より好ましくは33msec以上になるように設定されていることが好ましいといえる。
Further, the length of the
図7には、本発明の拡散抑制手段12の周囲にさらに磁場発生手段51を設けた場合の概要を図示しているが、この場合には、アークプラズマを磁場内に閉じ込めてアークプラズマの密度を高め、アークプラズマの原料ガス分解能を一層向上させることができるから、シリコン収率の向上にとって有効である。 FIG. 7 shows an outline in the case where the magnetic field generating means 51 is further provided around the diffusion suppressing means 12 of the present invention. In this case, the arc plasma is confined in the magnetic field and the density of the arc plasma is shown. And the resolution of the source gas of arc plasma can be further improved, which is effective for improving the silicon yield.
10 高純度シリコン製造装置
11 アークプラズマジェット発生装置
12 拡散抑制手段
13 チャンバー
14 捕集手段
21 ジェット発生部
21b 噴射口
22 アークガス導入部
23 シリコンガス導入部
24 冷却水循環部
26 捕集板
27 冷却板
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記アークプラズマジェットにフッ素系珪素ガス又はシランガスを供給し、
前記アークプラズマジェットを拡散抑制手段に通すと共に、前記アークプラズマジェット中で前記フッ素系珪素ガス又は前記シランガスを分解してシリコンを生成させ、
前記アークプラズマジェットから前記シリコンを捕集することを、
特徴とする高純度シリコン製造方法。 Generate an arc plasma jet,
Fluorine-based silicon gas or silane gas is supplied to the arc plasma jet,
While passing the arc plasma jet through diffusion suppressing means, the fluorine plasma gas or the silane gas is decomposed in the arc plasma jet to generate silicon,
Collecting the silicon from the arc plasma jet;
A high-purity silicon manufacturing method characterized.
前記チャンバーの内部で前記シリコンを捕集することを、
特徴とする請求項1、2、3または4記載の高純度シリコン製造方法。 Injecting the arc plasma jet toward the inside of the chamber;
Collecting the silicon inside the chamber;
5. The method for producing high-purity silicon according to claim 1, 2, 3 or 4.
前記アークプラズマジェット発生装置は、アークプラズマジェットを発生させるジェット発生部と、前記ジェット発生部で発生させた前記アークプラズマジェットにフッ素系珪素ガス又はシランガスを供給するシリコンガス供給部と、前記アークプラズマジェットを外部に噴射する噴射口とを有し、
前記拡散抑制手段は、前記アークプラズマジェットの拡散を抑制するよう前記噴射口から噴射方向に伸びて設けられ、
前記捕集手段は、前記拡散抑制手段を通過した前記アークプラズマジェットから前記フッ素系珪素ガス又は前記シランガスの分解により生成されたシリコンを捕集するよう前記拡散抑制手段の前記噴射方向の前方に設けられていることを、
特徴とする高純度シリコン製造装置。 An arc plasma jet generator, a diffusion suppressing means, and a silicon collecting means;
The arc plasma jet generator includes a jet generator that generates an arc plasma jet, a silicon gas supply that supplies fluorine-based silicon gas or silane gas to the arc plasma jet generated by the jet generator, and the arc plasma An injection port for injecting the jet to the outside,
The diffusion suppressing means is provided extending in the injection direction from the injection port so as to suppress diffusion of the arc plasma jet,
The collection means is provided in front of the injection direction of the diffusion suppression means so as to collect silicon generated by decomposition of the fluorine-based silicon gas or the silane gas from the arc plasma jet that has passed through the diffusion suppression means. That
High-purity silicon production equipment.
前記チャンバーは内部が不活性ガス雰囲気または真空雰囲気であり、
前記捕集手段は前記チャンバーの内部に配置されていることを、
特徴とする請求項7、8、9または10記載の高純度シリコン製造装置。 A chamber in which the arc plasma jet is injected;
The inside of the chamber is an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere,
That the collecting means is disposed inside the chamber;
11. The high-purity silicon production apparatus according to claim 7, 8, 9 or 10.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006335041A JP2008143756A (en) | 2006-12-12 | 2006-12-12 | Method of manufacturing high purity silicon and apparatus for manufacturing high purity silicon |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006335041A JP2008143756A (en) | 2006-12-12 | 2006-12-12 | Method of manufacturing high purity silicon and apparatus for manufacturing high purity silicon |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008143756A true JP2008143756A (en) | 2008-06-26 |
Family
ID=39604336
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006335041A Pending JP2008143756A (en) | 2006-12-12 | 2006-12-12 | Method of manufacturing high purity silicon and apparatus for manufacturing high purity silicon |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008143756A (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6148416A (en) * | 1984-08-16 | 1986-03-10 | ゴ−ドン・エル・キヤン | Electromagnetic fluid dynamic device and process for separating and depositing material |
JPH11293469A (en) * | 1998-04-13 | 1999-10-26 | Komatsu Ltd | Surface treating device and surface treating method |
JP2004525841A (en) * | 2000-05-16 | 2004-08-26 | 東北電力株式会社 | Method and apparatus for producing high-purity silicon |
-
2006
- 2006-12-12 JP JP2006335041A patent/JP2008143756A/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6148416A (en) * | 1984-08-16 | 1986-03-10 | ゴ−ドン・エル・キヤン | Electromagnetic fluid dynamic device and process for separating and depositing material |
JPH11293469A (en) * | 1998-04-13 | 1999-10-26 | Komatsu Ltd | Surface treating device and surface treating method |
JP2004525841A (en) * | 2000-05-16 | 2004-08-26 | 東北電力株式会社 | Method and apparatus for producing high-purity silicon |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR910006784B1 (en) | Method and apparatus for vapor deposition of diamond | |
TWI258809B (en) | Plasma processing system and cleaning method for the same | |
KR20100110267A (en) | Control method of plasma for exhaust gas treating apparatus using magnetic field and exhaust gas treating apparatus using the same | |
JP2013509004A5 (en) | ||
US8431996B2 (en) | Plasma processing apparatus and method of producing amorphous silicon thin film using same | |
US9885115B2 (en) | Plasma treatment apparatus and plasma treatment method | |
CA2653581A1 (en) | Migration and plasma enhanced chemical vapour deposition | |
TW201245487A (en) | Plasma CVD device, plasma CVD method, reactive sputtering device and reactive sputtering method | |
KR20110112223A (en) | Method and system for manufacturing silicon and silicon carbide | |
JP2014053136A (en) | Atmospheric pressure plasma processing apparatus | |
JP3837539B2 (en) | Plasma CVD equipment | |
US20040250764A1 (en) | Method and apparatus for production of high purity silicon | |
JP2008143756A (en) | Method of manufacturing high purity silicon and apparatus for manufacturing high purity silicon | |
JPH07315827A (en) | Method for purifying silicon and purifying device therefor | |
KR20110121484A (en) | Method and apparatus for manufacturing nono-sized silicon powder | |
JP4590225B2 (en) | Molecular beam epitaxial growth apparatus and method for producing group III nitride single crystal film on silicon substrate using the same | |
JP5351132B2 (en) | Method for producing polycrystalline silicon solar cell panel | |
JP3885558B2 (en) | Crystalline silicon production equipment | |
JP2017054943A (en) | Plasma processing device | |
JP2009272127A (en) | Plasma generating device, and plasma treatment device | |
JP3702235B2 (en) | Method for removing silicon deposited film | |
KR101525957B1 (en) | The method for fabrication of silicone-carbon nanotube composite and the silicone-carbon nanotube composite thereby | |
US9691593B2 (en) | Plasma processing device and plasma processing method | |
KR101276238B1 (en) | Preparation method of hollow spherical alumina powder by thermal plasma jet | |
JPH10273374A (en) | Purification of silicon |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20090717 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20110901 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20110913 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120124 |