JP2010254534A - 坩堝、該坩堝を用いた精製装置および精製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも坩堝本体と出湯口と保温蓋とを有する坩堝を用いて溶融物を形成して精製する際に、再凝固した固着物による出湯口の閉塞などの問題を防止することができるように設計された坩堝、および該坩堝を用いた精製装置と精製方法とを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の坩堝の第１の態様は、底面部と側面部とからなり上部に収納口を開口した凹部を有する坩堝本体と、側面部に開口した出湯口と、収納口上に配置可能な保温蓋を備えた坩堝であって、保温蓋は第１開口部を備え、保温蓋を収納口上に配置した状態の鉛直投影面において、収納口の外周から第１開口部までの距離が、出湯口の凹部側開口から第１開口部までの距離よりも大きい部分を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属や半導体材料を加熱溶融する際に用いるルツボおよび該坩堝を用いた精製装置、および精製方法に関する。

環境問題から石油などの代替として自然エネルギーの利用が注目されている。その中で、シリコン半導体の光電変換原理を用いる太陽電池は、太陽エネルギーの電気への変換が容易に行なえるという特徴を有する。しかし、太陽電池の普及拡大にはコスト低減、とりわけ、半導体シリコンのコストダウンが必要である。

半導体集積回路などに用いる高純度シリコンは、珪石を炭素還元して得られる純度９８％以上の金属シリコンを原料とするものであって、化学的な方法でトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ₃）を合成し、これを蒸留法で純化した後、還元することにより、いわゆる１１Ｎ（イレブン−ナイン）程度の高純度シリコンを得ている（シーメンス法）。しかし、この高純度シリコンは、複雑な製造プラントおよび還元に要するエネルギー使用量が多くなるため、必然的に高価な素材となる。

一方、太陽電池の製造に用いられるシリコンに要求されるシリコンの純度は約６Ｎ程度である。従来、上述のような半導体集積回路用などの高純度シリコンの規格外品を太陽電池用の原料として用いているが、このような半導体集積回路用などの高純度シリコンの規格外品は、太陽電池用としては過剰な高品質となる。太陽電池の低コスト化のために、半導体集積回路の製作の各工程から得られる高純度シリコンの再生利用と並行して、２Ｎ〜３Ｎ程度の純度である金属シリコンからの直接的な冶金的精製が試みられている。

このような治金的精製として、従来、シリコン融液の凝固、特に一方向凝固を行なうことで偏析により金属シリコンを精製し、実用的な太陽電池特性を得る方法が知られている。しかしながら、金属シリコンを用いた一方向凝固精製は、多くの不純物元素を同時に低減できる点で優れるものの、ボロンについては偏析係数が０．８であり、リンについては偏析係数が０．３５と大きいため、原理的に凝固精製を効率的には行なえず、これらボロンおよびリンの凝固精製による実質的な濃度低減は困難な状況にある。

このような偏析係数の大きい不純物のうちリンを除去する方法としては、真空精製方法が知られている。たとえば特許文献１に、溶融シリコンを減圧雰囲気下で保持することによって、シリコンよりも蒸気圧の高いリンを選択的に気相中に放出する方法が開示されている。また、このようなリンを除去する方法において、リンの除去速度を向上させる方法として、特許文献２にはるつぼに保温用の部材を設けるシリコンの精製方法が開示されている。保温用の部材は、たとえばるつぼの上部に蓋として設けられるものである。

真空精製方法は上記シリコンの精製に限られず、アルミニウムなどの溶融金属から、それらの金属よりも蒸気圧の高い亜鉛、マグネシウムなどの金属不純物元素および水素等のガス成分を除去することができる方法としてよく知られた精製方法である。

特開平６−２２７８０８号公報 特開２００６−２３２６５８号公報 特開平７−４１８７５号公報 特開平８−１２１７３９号公報

上記のように、減圧雰囲気下におけるシリコン溶融時にはシリコンやシリコン酸化物、あるいはシリコンよりも蒸気圧が高い不純物（たとえばリン）などが蒸発することが知られており、これらが保温蓋において再凝固して固着物となることがある。

本発明者らの検討によれば、出湯口を有する坩堝に保温蓋を設けてシリコンの真空精製を行う際において、再凝固が出湯口近傍に起きると、大きな問題となることが分かった。すなわち出湯口と保温蓋との間に再凝固が起きると固着物が出湯口の一部を塞ぎ、出湯操作の効率が低下する、あるいは坩堝自体が使用できなくなるという問題が起こる（図４参照）。

また、この固着物は、不純物を含有しているため、精製終了後の溶融シリコンを出湯する際に精製したシリコンと混ざると精製効率を低下させる原因となることが考えられた。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、少なくとも坩堝本体と出湯口と保温蓋とを有する坩堝を用いて溶融物を形成して精製する際に、再凝固した固着物による出湯口の閉塞などの問題を防止することができるように設計された坩堝、および該坩堝を用いた精製装置と精製方法とを提供するものである。

すなわち、本発明の坩堝の第１の態様は、底面部と側面部とからなり上部に収納口を開口した凹部を有する坩堝本体と、側面部に開口した出湯口と、収納口上に配置可能な保温蓋を備えた坩堝であって、保温蓋は第１開口部を備え、保温蓋を収納口上に配置した状態の鉛直投影面において、収納口の外周から第１開口部までの距離が、出湯口の凹部側開口から第１開口部までの距離よりも大きい部分を有することを特徴とする。

本発明の坩堝の第２の態様は、底面部と側面部とからなり上部に収納口を開口した凹部を有する坩堝本体と、側面部に開口した出湯口と、収納口上に配置可能な保温蓋を備えた坩堝であって、保温蓋は第１開口部と第２開口部とを備え、出湯口から第１開口部までの距離が、出湯口から第２開口部までの距離よりも小さいことを特徴とする。

上記第２の態様の坩堝においては、第１開口部が第２開口部の開口面積以下の開口面積を有することが好ましく、また、第１開口部の幅をＷ₁とし、出湯口の水平断面における幅をＷ₂とすると、Ｗ₁＞Ｗ₂であることが好ましい。

また、本発明の坩堝において、上記第１開口部は、その出湯口側の外縁形状が収納口形状の一部と相似形にあることが好ましい。

さらに本発明における第２の態様の坩堝においては、第１開口部は第２開口部よりも小さな開口面積を有する単数の開口部であることが好ましく、第２開口部よりも小さな開口面積を有する複数の開口部の集合であっても良い。ここで「第１開口部が第２開口部よりも小さな開口面積を有する複数の開口部の集合である」とは、第１開口部を構成する個々の開口部の面積が、第２開口部の開口面積よりも小さいことを意味し、複数の第１開口部の開口面積の和が、第２開口部の開口面積よりも小さいことを必ずしも意味するものではない。

また、本発明は、上記坩堝を用いた精製装置に関し、内部を減圧可能な減圧容器と、減圧容器内に配置された上記坩堝と加熱機構を具備する精製装置に関する。さらに、本発明は、上記精製装置を用いた精製工程を含む精製方法に関する。

本発明によれば、坩堝本体内の溶融物（シリコンやアルミニウムなど）から生じた蒸気が、後述の第１開口部から坩堝外へ排気されるので、再凝固により形成される固着物に起因する不都合が生じやすい出湯口近傍（特に、保温蓋と出湯口の間）における固着物の生成を抑制できる坩堝を提供することができる。

図１（ａ）は、本発明の坩堝の概略鉛直投影図であり、図１（ｂ）および図１（ｃ）は図１（ａ）のｂ−ｂ’における矢視図である。 図２（ａ）は、本発明の坩堝における坩堝本体の態様を示す概略鉛直投影図であり、図２（ｂ）および図２（ｃ）は図２（ａ）のＩＩ−ＩＩ’における矢視図である。 図３（ａ）および図３（ｄ）は、本発明の坩堝における出湯口の態様を示す概略鉛直投影図であり、図３（ｂ）および図３（ｃ）は図３（ａ）のｂ−ｂ’における矢視図であり、図３（ｅ）および図３（ｆ）は図３（ｄ）のＣ−Ｄにおける矢視図である。 図４（ａ）は本発明に含まれない形態の保温蓋を備えた坩堝の概略図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ−ｂ’における矢視図である。 図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）は実施形態１における開口部形状例を示す概略鉛直投影図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は実施形態２における開口部形状の一例を示す概略図である。 実施形態３における開口部形状の別の一例であって複数の開口部を有する場合の形状を示す概略図である。 実施形態４における開口部形状の別の一例を示す概略図である。 実施形態５における開口部形状例を示す概念図である。 底部に出湯口を有する従来の坩堝形状を示す概略図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態と表記）を、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の図面において同一の参照符号を付したものは、同一部分または相当部分を示している。

＜坩堝＞
本発明における坩堝とは、金属などの溶融対象を加熱して溶融する際に用いられる容器であり、底面部と側面部とからなる坩堝本体が含まれる。

本実施形態における坩堝は、底面部と側面部からなる坩堝本体と、該坩堝本体の上部に収納口を開口した凹部を有し、側面部に開口した出湯口と、収納口上に配置可能な保温蓋とを備える。

以下、本実施形態における坩堝を構成する各構成部品について説明する。
＜坩堝本体＞
図２（ａ）および図２（ｂ）は、本実施形態における坩堝本体の断面を示す概略図であって、坩堝本体１１０が底面部１１１と側面部１１２とからなることを示している。ここで、坩堝本体１１０の上部には溶融対象を収納するための収納口１２０が含まれ、すなわち、坩堝本体１１０は上部に収納口１２０を開口した凹部を有することになる。

なお、図２（ｃ）に示すように底面部１１１と側面部１１２の境界が明確に区別されない形状の坩堝本体も本発明の坩堝の構成に含まれるものであり、このような境界が明確でない坩堝本体の場合、後述するように、出湯方法がオーバーフロー方式あるいは傾動出湯方式であれば、その坩堝本体の出湯口は側面部に形成されていると判断する。

本実施形態における坩堝本体の形状は溶融対象を収納できるものであれば特に限定されないが、公知の坩堝本体であって、一平面が閉じて下部となり、他平面が開いて上部となる中空円筒状、あるいは一端が閉じて下部となり、その対向端が開いて上部となる中空六面体の坩堝本体が例示される。

また、本実施形態における坩堝本体の材質は溶融対象を溶融状態で保持できるものであれば特に限定されないが、たとえば溶融対象がシリコンの場合に、大気開放状態での溶融（たとえばスラグ精製時）であればシリカ製やアルミナ製の坩堝が広く用いられ、減圧状態（特に真空雰囲気中）での溶融であれば黒鉛製の坩堝など、広く用いられている公知の材質を適用すればよい。

＜出湯口＞
本実施形態における出湯口は、坩堝本体の側面部に形成された開口であり、坩堝本体の凹部に収納された溶融物を出湯するために用いられる。

本実施形態において「坩堝本体の側面部に形成された開口」とは、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すような閉じた開口２０１および、図３（ｄ）〜図３（ｆ）に示すような上部に開いて収納口１２０と共有された開口２０２の両方を含むものとする。

一般的には、出湯時に誘導路となる形状を持つ構造体（円筒状の出湯パイプや、樋状の出湯樋など）を付加的に持つ場合が多いので、図１（ａ）には出湯パイプを有する例を図示する。図１（ａ）において、出湯口２にパイプが付加されて一体化し、出湯パイプ２ａを構成している。

ここで、出湯口が坩堝本体の側面部に形成されている坩堝を、その出湯方法によって２種類に分類する。もちろん、以下の２種類とも本実施形態の坩堝に包含される。１つは特許文献３に示されるような、傾動出湯方式の坩堝である。傾動出湯方式の坩堝においては、出湯口を下に向ける方向に坩堝本体を傾けることにより、坩堝本体凹部に収納された溶融物を出湯口から坩堝外へ出湯する。もう１つは特許文献４に示されるような、オーバーフロー出湯方式の坩堝である。オーバーフロー出湯方式の坩堝においては、坩堝自体の傾動は行なわず、新たに固形物あるいは融液を投入することで、溶融物の一部が溢れることによって出湯が行われる。ただし、オーバーフロー出湯方式の坩堝においても溶融工程終了前（たとえば坩堝の交換前）などに坩堝内の溶融物を全て出湯するために、坩堝が傾動可能に設計される場合もある。

なお、図１０のように坩堝本体の底面部に出湯口２を有する例を以下に示す。このような形状の坩堝１１０においては、溶融物４から発生する蒸気が出湯口近傍に再凝固することはありえないため、本発明の範囲には含まれない。

＜保温蓋＞
本実施形態の坩堝は、溶融中の坩堝内の保温のために、坩堝本体１１０の収納口１２０上に配置可能な保温蓋３を備える。本実施形態における「設置可能」とは、保温蓋３が収納口１２０上への設置および取り外しが可能であることを意味しており、本発明の坩堝を含む精製装置内に別途保温蓋３の移動機構を設けることにより、装置作動中（溶融対象の加熱中）に保温蓋３を収納口１２０上に設置したり、収納口１２０上から取り外したりすることが可能である場合および、装置作動前と装置作動終了後（溶融対象が加熱されていない状態）においてのみ保温蓋３の設置および／または取り外しを行なって、装置作動中には保温蓋３の移動を行なわない（行なう機能を備えない）場合の両方を含む。

保温蓋３は出湯口２の位置よりも上部に設けられていればよく、図１（ｂ）のように坩堝本体１１０上に載って（載置されて）いてもよく、図１（ｃ）のように収納口１２０内部に入り込んで（嵌合されて）いても良い。さらに保温蓋３は坩堝本体１１０上で、両者が非接触状態になるように適宜隙間を空けた状態で配置（図示せず）されていても良い。

保温蓋３の具体的外形形状としては、収納口１２０が円筒形状であれば、その外周に沿った円形とする場合が多いが、円筒形状の外周が内接円となる正方形とするなど、他の形状を採ることもできる。

このような保温蓋３は断熱材からなり、たとえば黒鉛系断熱材、黒鉛系複合材料、黒鉛板材などを例示することができる。断熱材は単独で使用してもよいし、複数の材料を組み合わせて用いてもよい。また、保温蓋３は、断熱材の単層のものであっても２層以上の断熱材が積層されていてもよい。このような保温蓋３の厚みは、保温蓋を構成する上記断熱材の種類により適宜変更すればよいが、機械的強度や保温性の点からは、たとえば４ｃｍ以上とすることが好ましい。また、その上限は特に限定されないが、坩堝にかかる重量負荷の点からは２０ｃｍ以下とすることが好ましい。

＜第１開口部および第２開口部＞
本実施形態における保温蓋３には、出湯口２近傍での固着物の発生や成長を抑制するための蒸気排出経路となる第１開口部を有する。特に、本実施形態１の坩堝を真空精製に用いる場合には、第１開口部は溶融物から不純物含有蒸気を坩堝外に排出することにより溶融物を精製するための不純物含有蒸気の排出経路として作用する。

以下、保温蓋３の具体的な形態について説明する。まず実施形態１として、上記第１開口部が溶融対象（たとえば原料シリコン）を坩堝内に投入したり、作業者が坩堝内の溶融状態を確認したりするための開口部を兼ねる場合について説明する。

ところで、本発明には以下の図４に示す形態の保温蓋を含まないものとする。図４は本発明に含まれない形態の参考として例示したものであり、保温蓋３を坩堝本体の収納口１２０上に配置した状態の鉛直投影面において、保温蓋３が開口部３１０を有しており、出湯口２の収納口１２０側開口から開口部３１０までの距離をＬ１０とし、収納口１２０（外周）の任意の点（上記Ｌ１０を得た点を除く）から開口部３１０までの距離をＬＸとした場合にＬ１０＝ＬＸとなる坩堝４００を示している。このような坩堝４００においては、溶融物４から発生した蒸気４０１の一部が保温蓋３の溶湯面側、かつ坩堝本体の収納口１２０外周に再凝固して固着物５となる。この理由としては、坩堝本体１１０の上部縁と保温蓋３とに挟まれた空間（すなわち収納口１２０外周）に蒸気４０１が突き当たると坩堝外へ排出されにくい（こもり易く、そのまま冷却される）ことが考えられる。また、上記出湯口２は坩堝本体に形成された開口であるため、保温蓋３に形成された開口部３１０と同様に、ここに向かった蒸気の流れ４０２が発生しやすいと考えられ、保温蓋３の出湯口２付近において、固着物５の堆積傾向が比較的大きくなる場合があり、それにより出湯口２の一部または全部を塞ぐ場合がある。

一方、本発明の坩堝は、上記のような固着物による問題を回避するものであって、上記保温蓋の形態として、本実施形態１の保温蓋における第１開口部は、収納口１２０から第１開口部までの距離Ｌが、出湯口２から第１開口部までの距離Ｌ１よりも大きな部分を有するものとする。

すなわち、保温蓋３を収納口１２０上に配置した状態の鉛直投影面において、図５（ａ）〜図５（ｃ）のような形態を有するものとする。図５（ａ）〜図５（ｃ）において、出湯口２の収納口１２０側開口（すなわち、坩堝内壁の開口端）から第１開口部３０１までの距離をＬ１（収納口１２０および第１開口部３０１は、共に広がりを持つので、両者の鉛直投影面における最短距離とする）とし、収納口１２０（外周）の任意の点（上記Ｌ１を得た点を除く）から第１開口部３０１までの距離Ｌを比較し、Ｌ＞Ｌ１となる点が存在すればよい。ここで、上記Ｌ１が、あらゆるＬに対してＬ＞Ｌ１となることが好ましいが、本実施形態１はそれに限定されるものではない。また、本実施形態１における第１開口部３０１の形状はＬ＞Ｌ１となる点が存在していればいかなる形状であっても良い。

本実施形態１においては、Ｌ＞Ｌ１なる関係が成立する位置が少なくとも１点存在することで、出湯口２の近傍にこもる傾向にある、溶融物からの蒸気を有意に坩堝外に排出でき、出湯口近傍の固着物の発生および成長を抑制できる。

本実施形態１における第１開口部３０１の開口面積は特に規定されるものではないが、上記目的（原料投入、溶融状態確認、蒸気排出経路のうち、１つ以上）の確保のためには開口面積は大きい方が好ましいのに対し、保温蓋３の本来の目的である坩堝内の保温という観点からは開口面積が小さい方が好ましいため、両者を勘案して適宜設定すればよい。たとえば、上記開口面積が収納口１２０の面積の１％以上９０％以下であればよく、５％以上７０％以下が好ましく、１０％以上５０％以下がさらに好ましい。ただし、後述するように保温蓋３が第１開口部３０１と第２開口部３０２からなる２個以上の開口を有する場合には、それら複数の開口面積の和が上記範囲にあればよい。

次に保温蓋の実施形態２として、本発明の実施形態において、出湯口２近傍での固着物の発生や成長を抑制するための蒸気排出経路である第１開口部３０１とは別に、溶融対象を坩堝内に投入したり、作業者が坩堝内の溶融状態を確認したりするための開口、かつ蒸気排出経路ともなる第２開口部を形成する場合について説明する。

すなわち、本実施形態２における坩堝１００は、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、底面部と側面部からなり上部に収納口１２０を開口した凹部を有する坩堝本体１１０と、側面部に開口した出湯口２と、収納口１２０上に配置可能な保温蓋３を備えた坩堝であって、保温蓋３は第１開口部３０１と第２開口部３０２とを備え、出湯口２から第２開口部３０２までの距離Ｌ２が、出湯口２から第１開口部３０１までの距離Ｌ１よりも大きい坩堝である。

出湯口２から第２開口部までの距離Ｌ２が、出湯口から前記第１開口部までの距離Ｌ１よりも大きいことにより、蒸気の流れのうち、図４に示したような出湯口２方向に向かう流れ４０２（従来固着物の原因となっていた流れ）を第１開口部３０１から坩堝外へ排出できるので、出湯口２近傍に再凝固する固着物５の発生および成長を抑制できる。

ここで第１開口部３０１が「第２開口部３０２よりも出湯口２に近い」とは、たとえば保温蓋３の鉛直投影面において、出湯口２の収納口１２０側開口からそれぞれの開口部に対する最短距離を比較することにより判断できる。なお、後述するように第１開口部３０１が複数ある場合には、第１開口部３０１のいずれかが第２開口部３０２よりも出湯口２に近い位置にあればよい。

本実施形態２において、第１開口部３０１の形状は、上述のように出湯口２から第２開口部３０２までの距離Ｌ２が、出湯口２から第１開口部３０１までの距離Ｌ１よりも大きいものであれば、特に限定されるものではないが、第１開口部３０１が、第２開口部３０２の開口面積以下の開口面積であるものを好ましい組み合わせとして挙げることができる。ここで、第２開口部３０２の好ましい開口面積としては、収納口１２０の面積の５％以上１０％以下を挙げることができる。

また、たとえば、第１開口部３０１の形状の態様として、図６（ａ）に示すような長方形状または図６（ｂ）に示すような円形状を採用することができ、他の態様として、図７に示すような同心円の帯状のような形状を採用することができる。また、別の態様として図８に示すような、長方形状と同心円の帯状とを組み合わせた形状を採用することができる。なかでも、たとえば、図７および図８に示すように、第１開口部３０１の出湯口側の外縁形状と収納口１２０形状の一部（この場合は直近となる収納口１２０部分の形状）とが相似形状にあることが望ましい。このような形状とすることによって、上述のように蒸気の流れを第１開口部３０１側により有利に誘導させることができる。

収納口１２０が正円（坩堝本体が円筒形である場合など）であり、かつ、第２開口部３０２が坩堝の鉛直投影面において収納口１２０と同心円（直径は収納口１２０が大きいことは言うまでもない）である場合に、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように出湯口２の収納口１２０側開口の中心Ｐと第２開口部３０２の中心Ｑを通る直線を直線ＥＦと定義する。第１開口部３０１が図６に示すような長方形状または円形状、図７に示すような同心円の帯状、図８に示すような、長方形状と同心円の帯状とを組み合わせた形状などの場合には、第１開口部３０１の直線ＥＦに対する垂直方向の直線長さを第１開口部３０１の幅Ｗ₁とし、出湯口２の直線ＥＦに対する垂直方向の直線長さを出湯口２の坩堝本体１１０の側面の開口部水平断面における幅Ｗ₂とすると、Ｗ₁＞Ｗ₂の関係を満足するように設定することが好ましい。

なお、Ｗ₁とは、坩堝本体１１０の凸部の上方の開口側から見て、坩堝本体１１０の凸部の上方の開口部の中心と出湯口２に通じる坩堝本体１１０の開口部の中心とを結ぶ直線に垂直な方向において、第１開口部３０１の直線長さと表現することもできる。また、Ｗ₂とは、坩堝本体１１０の凸部の開口側から見て、坩堝本体１１０の凸部の開口部の中心と出湯口２に通じる坩堝本体１１０の開口部の中心とを結ぶ直線に垂直な方向において、出湯口２に通じる坩堝本体１１０の開口部の直線長さと表現することもできる。

この場合、第１開口部３０１への蒸気の流れを、出湯口２への蒸気の流れよりも優先的なものとすることができる。第１開口部３０１の形状にもよるが、たとえば、Ｗ₁がＷ₂の１．５倍以上であることが好ましく、２倍以上とすることがより好ましい。また、保温機能の点からは、Ｗ₁がＷ₂の１０倍以下とすることが望ましい。

また、上記第１開口部３０１の面積を収納部１２０の開口面積に対して、５％以上２０％以下とすることが好ましい。このような面積割合で、第１開口部３０１を設けることによって、保温蓋３による坩堝の保温機能を維持しつつ、蒸気（特に不純物含有蒸気）の放出効率を向上させることができる。

なお、上記説明において第１開口部３０１が単数のものを例に説明したが、複数の第１開口部３０１を設けても、本発明の目的を達することができる（保温蓋の実施形態３）。複数の第１開口部３０１の個数や各形状は特に限定されないが、たとえば図７には第１開口部として３０１（ａ）と３０１（ｂ）とを有する例を示す。

ここで、出湯口側に設ける第１開口部３０１（ａ）については、その出湯口側の外縁形状が、収納口１２０の形状の一部（この場合は直近となる収納口１２０部分の形状）と相似形となることが好ましい。また、上記各態様においては、蒸気の流れを調整する手段を設けないことを前提として説明したが、不純物の蒸気の流れが調整できる排気経路などの調整手段を備える場合は、第１開口部３０１の位置は、上記に述べた出湯口２付近に限られるものではなく、不純物の蒸気が坩堝外部に排出されるように、蒸気の流れに沿った位置に第１開口部３０１を設けることも可能である。

次に保温蓋の実施形態４として、本発明の実施形態において、第１開口部３０１と第２開口部３０２を一体形成する場合について説明する。本実施形態４における開口部は、たとえば図８に示すように複数の開口部が一体形成されているために第１開口部３０１と第２開口部３０２との間に明確な境界が無い。しかしながら比較的大きな開口面積を持ち、保温蓋３の中央付近に形成された第２開口部３０２の一部から出湯口２の方向に向けて比較的小さな開口面積を持つ延長部が形成され、これが第１開口部３０１となっているものとする。

＜精製装置＞
次に、上記実施形態１〜４に示した保温蓋を備えた坩堝を用いて構成した精製装置について説明する（実施形態５とする）。

すなわち本実施形態５における精製装置１１００は、図９に示すように、上記実施形態１〜４に示した保温蓋を備えた坩堝１００と、その坩堝１００自体および／または坩堝１００の凹部に収納された溶融対象物を加熱して溶融物４とするための加熱機構６とを、内部が減圧可能な減圧容器７内に設置したものである。

図９には減圧装置を図示してはいないが、矢印８により減圧可能であることを示している。減圧装置としては公知の真空ポンプを使用でき、減圧容器７内を０．０１Ｐａ以上１００Ｐａ以上の範囲に減圧できるものであればその種類は限定されない。減圧容器７にはさらに、窒素やアルゴンガスなどの不活性ガスを減圧容器７内に充填するためのガス導入口を設けることが好ましい。

また、加熱機構６の具体例としては坩堝本体１１０の外周に周回配置された高周波コイルを挙げることができる。このような加熱機構６は断熱材９などと共に耐熱性の外囲１０内に配置されて炉体１１を形成することが一般的であり、本実施形態５の好ましい例としては、坩堝１００を炉体１１ごと傾動するために、炉体１１に油圧シリンダなどを含む傾動機構１２を設けることが挙げられる。

＜精製方法＞
次に実施形態６として、上記実施形態５の精製装置を用いて、金属や半導体材料などの溶融物から不純物を除去する真空精製法について説明する。なお、不純物を除去するとは、原料金属中に含まれる不純物濃度を低減することをいい、必ずしも、原料金属中の全不純物が除去されることを要するものではない。

上記真空精製法とは、溶融した原料から真空雰囲気下で不純物を除去する方法であり、以下、原料がシリコンである場合について述べる。

一般に、金属級シリコンなどの原料シリコンに含まれる不純物のうち、シリコンよりも蒸気圧の高いＰ、Ａｌ、Ｃａなどが真空精製法により除去される。具体的には原料シリコンを実施形態５に例示した溶融装置１１００内に設けられた坩堝１００に投入して、加熱により溶融させ、その後たとえば、真空度を１００Ｐａ以下とし、１４１２℃〜１８００℃程度の温度で所定時間保持することによって、不純物を溶融物４に対して比較的多く含む蒸気（以下、不純物含有蒸気と表記）の蒸発を行なう。

実施形態５に例示した精製装置１１００においては、保温蓋３が実施形態１〜４に例示したような開口部３０１，開口部３０２を有するので、不純物含有蒸気の蒸発の際に出湯口２部分における再凝固が抑制され、固着物による出湯口２の一部または全部の閉塞が起こりにくくなる。したがって、上記のような条件で所定時間保持し、所望の不純物濃度を達成した後、真空雰囲気下において上記炉体１１を傾動させて溶融シリコンを耐熱性容器（図示せず）に出湯する際の出湯効率（出湯速度および／または出湯後のシリコンにおける不純物濃度）が、従来の坩堝を用いた場合よりも向上したものとなる。

また、所望の不純物濃度を達成した溶融シリコンを出湯した後の精製装置１１００には、新たに材料シリコンを投入して溶融させて、引き続き真空精製に供することができる。すなわち、坩堝１００が使用可能な限り、坩堝１００を交換することなく真空精製を継続して行なうことができる。

ここで、坩堝１００が使用不可能になる原因の１つに、固着物による出湯口の閉塞が考えられる。しかし、本実施形態５においては上記の理由により固着物による出湯口２の閉塞が起こりにくいので、実施形態１〜４に例示した第１開口部３０１を形成しない保温蓋を用いた坩堝に比べて坩堝１００の連続使用可能な期間が延びる。このことを以下の実施例において確認した。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
真空容器ならびに炉体に水冷機構を備えた点以外、基本的に図９に準じた精製装置を用いてシリコンの溶融実験を行なった。

使用した坩堝本体は高純度黒鉛製で、内径９００ｍｍ、凹部深さ８００ｍｍの円筒形である。出湯口は内径１５０ｍｍの開口であり、内径が同じ高純度黒鉛製のパイプ状の誘導路を配置した。

保温蓋は黒鉛断熱材料からなる直径１０００ｍｍの円盤であり、坩堝本体上に載置して使用した。保温蓋における開口部形状は図６（ａ）に準じ、円盤中央部に開口した直径６０４ｍｍの円形の第２開口部（開口面積約４５％）と、それより出湯口側に位置する長辺（幅Ｗ₁）３００ｍｍ、短辺１０６ｍｍの長方形の第１開口部（開口面積約５％）からなる。各開口部は、上記直線ＥＦ上にその中心があり、出湯口からの距離（ここでは、図６における線ＥＦ上の最短距離）が、第１開口部は、３８ｍｍであり、第２開口部は１４８ｍｍとした。溶融対象として市販の金属級シリコンを用い、投入量は４００ｋｇとした。

溶融条件（精製条件）は温度１６００℃〜２０００℃、圧力１００Ｐａで約２０時間保持した後に溶融シリコンを坩堝外へ出湯し、新たなシリコンを投入して溶融、保持を繰り返したところ、実験開始から４００時間経過時点でも出湯口の閉塞が見られなかったため、実験を終了した。

（比較例１）
坩堝蓋の開口を円盤中央部に開口した直径６３６ｍｍの円形の開口部（開口面積約５０％）だけとした以外、実施例１と同じ条件でシリコンの精製実験を行なった。

出湯口の閉塞が起きた時点で坩堝の交換を行い、数回の実験を繰り返したところ、多少の時間変動はあるものの、実験開始後１００時間〜２００時間程度で出湯口の閉塞が起きることが確認できた。

これらの結果より、本発明の坩堝および該坩堝を用いた精製装置ならびに精製方法によれば、蒸気による出湯口の閉塞がなく、効率のよい金属等の精製を行なうことが出来ることがわかる。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

坩堝本体と出湯口と保温蓋とを有する坩堝を用いて溶融物を形成して精製する際に、再凝固した固着物による出湯口の閉塞などの問題を防止することができるので、真空精製に利用可能であり、特に金属級シリコンからリン等の不純物を除去するための真空精製法において有効である。

１００ 坩堝、１１０ 坩堝本体、１１１ 底面部、１１２ 側面部、１２０ 収納口、２ 出湯口、２ａ 出湯パイプ、３ 保温蓋、３０１ 第１開口部、３０２ 第２開口部。

Claims (8)

1. 底面部と側面部とからなり上部に収納口を開口した凹部を有する坩堝本体と、前記側面部に開口した出湯口と、前記収納口上に配置可能な保温蓋を備えた坩堝であって、
   前記保温蓋は第１開口部を備え、
   前記保温蓋を前記収納口上に配置した状態の鉛直投影面において、前記収納口の外周から前記第１開口部までの距離が、前記出湯口の前記凹部側開口から前記第１開口部までの距離よりも大きい部分を有することを特徴とする坩堝。
2. 底面部と側面部とからなり上部に収納口を開口した凹部を有する坩堝本体と、前記側面部に開口した出湯口と、前記収納口上に配置可能な保温蓋を備えた坩堝であって、
   前記保温蓋は第１開口部と第２開口部とを備え、
   前記出湯口から前記第１開口部までの距離が、前記出湯口から前記第２開口部までの距離よりも小さいことを特徴とする坩堝。
3. 前記第１開口部は、第２開口部の開口面積以下の開口面積を有する、請求項２記載の坩堝。
4. 前記第１開口部の幅をＷ₁とし、前記出湯口の坩堝本体側面の開口部水平断面における幅をＷ₂とすると、Ｗ₁＞Ｗ₂である、請求項２または３に記載の坩堝。
5. 前記第１開口部は、その出湯口側の外縁形状が前記収納口形状の一部と相似形にある、請求項１から４のいずれかに記載の坩堝。
6. 前記第１開口部は、前記第２開口部よりも小さな開口面積を有し、かつ単数または複数の開口部である、請求項２から５のいずれかに記載の坩堝。
7. 内部を減圧可能な減圧容器と、前記減圧容器内に配置された坩堝と加熱機構とを備えた精製装置であって、
   前記坩堝が請求項１から６のいずれかに記載の坩堝であることを特徴とする精製装置。
8. 請求項７に記載の精製装置を用いた精製工程を含むことを特徴とする精製方法。

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