JP2011116616A - 回転ルツボ装置を用いた高純度シリコンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素なプロセスで且つ低コストで太陽電池級の高純度シリコンを製造可能な、高純度シリコンの製造方法を提供する。
【解決手段】有底円筒状の回転可能なルツボ１１の円筒部分内壁面に該内壁面を周回する凹部１１ａを設け、前記ルツボの内部空間には、ノズル１５と、前記内壁面と前記ノズルとの間に配置され、両者を加熱するヒータ１６とを備え、金属シリコンの溶湯を前記ノズルから高速回転する前記ルツボの底面１１ｂに連続的に注入し、前記溶湯が前記ルツボの底面から前記円筒部分内壁面に沿って上昇し、前記溶湯が遠心力により前記凹部の内部に貯留され、シリコンよりも比重の重い不純物元素が前記凹部１１ａに遠心分離によりトラップされ、前記不純物元素が除去されたシリコンの溶湯が前記ルツボの円筒部分内壁面上端１１ｃより粉末状となり飛散し、これを冷却し、シリコン粉末Ｂとして回収する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属シリコンを溶解し、回転ルツボ装置を用いて太陽電池級の高純度シリコンを製造する高純度シリコンの製造方法に関する。

従来から太陽電池に用いる高純度シリコンはいわゆるシーメンス法等により製造されている。しかしながら、同法による太陽電池級の高純度シリコンの製造には多大なコストが掛かるという問題がある。そこで、近年の太陽電池の需要増大に伴い、低コストで量産が可能な太陽電池級の高純度シリコンを製造する各種の方法が検討されている。

本発明者等は、金属または合金を球状粉末化する方法として、有底円筒状ルツボを高速回転させ、その底面中央部に金属または合金材料を融点以上に加熱して形成した溶湯を連続的に注入し、ルツボ上端から溶湯を遠心力により放出することで、粒径の揃った金属または合金の球状微粉末を製造する装置を開発している（特許文献１参照）。

特開２００７−３３２４０６号公報

本発明は、上述の事情に基づいてなされたもので、簡素なプロセスで且つ低コストで太陽電池級の高純度シリコンを製造可能な、高純度シリコンの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の高純度シリコンの製造方法は、有底円筒状の回転可能なルツボの円筒部分内壁面に該内壁面を周回する凹部を設け、前記ルツボの内部空間には、ノズルと、前記ルツボの円筒部分内壁面と前記ノズルとの間に配置され、両者を加熱するヒータとを備え、金属シリコンの溶湯を前記ノズルから高速回転する前記ルツボの底面に連続的に注入し、前記溶湯が前記ルツボの底面から前記円筒部分内壁面に沿って上昇し、前記凹部にシリコンより重い金属がトラップされ、重い金属が除去されたシリコンの溶湯が前記ルツボの円筒部分内壁面上端より粉末状となり飛散し、これを冷却し、粉末状シリコンとして回収する、ことを特徴とする。

本発明によれば、凹部において、シリコンよりも比重の重いＡｌ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｕ，・・・の不純物元素はシリコンよりも強い遠心力を受けるため、凹部の内壁面（底面）側に押し付けられ、これら不純物元素よりも比重の軽い、これらの不純物元素を含まないシリコン溶湯のみが凹部を越えて上昇する。すなわち、円筒部分内壁面の凹部によりシリコンよりも比重の重いＡｌ等の不純物元素のすべてが遠心分離によりトラップされ、シリコン溶湯が精錬され、高純度化される。従って、金属シリコンから太陽電池級の高純度シリコンを簡素なプロセスで且つ低コストで製造できる。

本発明の一実施例の回転ルツボ装置の動作状態を示す断面図である。 上記回転ルツボ装置の不純物除去状態を示す断面図である。 上記回転ルツボ装置を含む高純度シリコンの製造装置の全体図である。

以下、本発明の一実施例について、図１乃至図３を参照して説明する。なお、各図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

図１および図２に示す回転ルツボ装置は、円筒部分内壁面に該内壁面を周回する凹部１１ａを設けた有底円筒状のルツボ１１と、このルツボ１１を高速回転させる回転台１２を含む駆動装置を備える。駆動装置はモータと増速器とからなり、回転台１２に接続し、ルツボ１１の径が２００ｍｍφ程度の場合は毎分１００００−２００００回転程度で高速回転させる。ルツボ１１はカーボン等で形成され、溶湯シリコンを収容し、その外周面および底面は断熱材１３により被覆され、また冷却フィン１４を備え、これらが一体として回転する。

ルツボ１１の内部空間には、溶湯シリコンＡをルツボ１１の底面１１ｂの中央部に注入するノズル１５と、ルツボ１１の内面とノズル１５との間に配置され、両者を加熱するヒータ１６とを備える。ヒータ１６は誘導加熱コイルまたは抵抗加熱ヒータであり、溶湯シリコンをその融点（１４１２℃）以上の１４５０℃−１６５０℃程度の温度に保持する。ノズル１５とヒータ１６とは、連結具１７により昇降装置に接続され、これらを昇降させ、ルツボ１１の内部空間に挿脱する昇降装置を備える。

次に、この回転ルツボ装置の動作について説明する。まず、純度９９％程度の金属シリコンを脱ボロン処理（０．３ｐｐｍ以下）および脱リン処理（０．１ｐｐｍ以下）したものを準備する。そして、シリコンの融点以上の温度に加熱して溶湯Ａとし、この溶湯Ａをノズル１５の貯留部１５ａに貯留し、ノズル部１５ｂから高速回転するルツボ１１の底面１１ｂの中央部に連続的に注湯する。

ルツボ底面１１ｂの中央部に注湯された溶湯は、遠心力によってルツボ底面１１ｂの円筒部分内壁面まで移動したあと、連続的に注湯される溶湯によって徐々にルツボ内壁面での溶融厚みを増大させながら強い遠心力を受けながらルツボ内壁面を液膜状態で上昇する。そして、ルツボ内壁面の凹部１１ａに到達すると、遠心力によりこの凹部１１ａの内部に貯留され、凹部１１ａが一杯になると、溢れた溶湯はさらにルツボ内壁面を液膜状態で上昇する。

この凹部１１ａにおいて、シリコンよりも比重の重いＡｌ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｕ，・・・の不純物元素はシリコンよりも強い遠心力を受けるため、凹部１１ａの内壁面（底面）側に押し付けられ、遠心力により分離されて、シリコンよりも比重の重い不純物元素を含まないシリコン溶湯のみが凹部１１ａを越えて上昇する。すなわち、凹部１１ａにより不純物元素が遠心分離によりトラップされ、シリコンの溶湯が精錬される。従って、凹部１１ａの深さおよび遠心力の強さ（回転速度）を調整することで、凹部１１ａを通過する溶湯の不純物濃度の調整が可能である。

そして、液膜状態の溶湯はルツボ１１の開口上端１１ｃに達した瞬間、遠心力から開放されて蓄積されているエネルギーによって不活性ガス雰囲気中に高速飛散し、ＡｒガスもしくはＮ_２ガス等の不活性ガスとの急激な摩擦衝突に伴って粉砕され、微細粒子化する。ルツボ開口上端１１ｃでは、遠心力で蓄積された溶湯の運動エネルギーが一気に開放されるため、ルツボ開口上端からの飛散時の速度分布は、きわめて狭い範囲であり、その結果、得られるシリコン粒子Ｂは原理的に非常に揃ったサイズ分布が、また、極めて高い心円度の球形状が得られる。

次に、凹部１１ａに貯留した不純物元素の回収について説明する。まず、ノズル１５からのシリコンの溶湯の注入を中止し、ノズル１５およびヒータ１６を昇降装置により引き上げ、退避させる。そして、ルツボ１１の回転を停止すると、凹部１１ａにトラップされたシリコン溶湯に遠心力が作用しなくなり、シリコン溶湯はルツボ１１の底部に降りてきて底部に溜まる。図２に示すように、取り出し棒１９をルツボ１１の底面に降ろし、加熱を停止すると、シリコン溶湯が冷却し固化した固形物Ｃとして取り出し棒１９に固定される。そこで、取り出し棒１９を引き上げることで、凹部１１ａにトラップされた不純物濃度の高いシリコン溶湯を固形物Ｃとして回収して除去することができる。

このようにして、例えば１日１回１０分程度回転ルツボ装置の運転を停止し、不純物濃度の高いシリコン溶湯を回収して除去し、運転を再開することで、回転ルツボ装置の連続的な運転が可能である。運転時に得られるシリコン粒子Ｂはシリコンよりも比重の重いＡｌ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｕ，等の不純物元素が取り除かれたものであるので、太陽電池級の高純度シリコン粉末が得られる。

次に、この回転ルツボ装置を用いた高純度シリコンの製造方法について、図３を参照して説明する。この装置は、容器１の内部に溶融炉２を備え、原料追装装置３から溶融対象の脱ボロン処理と脱リン処理を終えた純度９９％程度の金属シリコンを溶融炉２に装填し、加熱して溶湯Ａを形成する。そして、溶湯Ａを保持炉（タンディッシュ）４に移し、ノズル１３より有底円筒状ルツボ１１の底面に注湯する。ルツボ１１は、上述したように凹部１１ａを備え、駆動機構により高速回転させる。容器１の内部はＡｒガスもしくはＮ_２ガス等の不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。

これにより、上述したように、凹部１１ａによりシリコンより重い不純物元素が遠心分離によりトラップされ、シリコン溶湯が精錬され、太陽電池級の高純度のシリコン粉末Ｂが生成される。シリコン粉末Ｂは容器１の内周面に沿って落下し、運搬用の容器６に貯留される。

ルツボ１１内部ではシリコン溶湯を１４５０℃−１６５０℃程度の高温に維持し、該溶湯がボロンまたはリンを含むガス中に１００ｍ/ｓ−４００ｍ/ｓの速度で突入し、１−０．１μｍの微細液滴に粉砕される時は未だ溶湯であり、その間にボロンまたはリンが溶湯と反応することで、ボロンまたはリンがシリコン液滴にドープされる。従って、生成されるシリコン粉末ＢをＰ型またはＮ型にドーピングしたものとすることができる。なお、シリコン液滴はその後冷えて固まり球状となるため、必要以上にドープされることはない。また、シリコン粉末ＢのＰ型またはＮ型へのドーピングはシリコン溶湯にドーパントを添加することで行うようにしてもよい。

これまで本発明の一実施例について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明は、金属シリコンの溶湯を遠心分離により精錬し、太陽電池級の高純度シリコン粉末を生成することができるので、太陽電池級の高純度シリコンの製造に好適に利用可能である。

Claims (4)

1. 有底円筒状の回転可能なルツボの円筒部分内壁面に該内壁面を周回する凹部を設け、
   前記ルツボの内部空間には、ノズルと、前記ルツボの円筒部分内壁面と前記ノズルとの間に配置され、両者を加熱するヒータとを備え、
   金属シリコンの溶湯を前記ノズルから高速回転する前記ルツボの底面に連続的に注入し、
   前記溶湯が前記ルツボの底面から前記円筒部分内壁面に沿って上昇し、前記溶湯が遠心力により前記凹部の内部に貯留され、
   シリコンよりも比重の重い不純物元素が前記凹部に遠心分離によりトラップされ、前記不純物元素が除去されたシリコンの溶湯が前記ルツボの円筒部分内壁面上端より粉末状となり飛散し、
   これを冷却し、シリコン粉末として回収する、高純度シリコンの製造方法。
2. 前記ルツボの底面へのシリコンの溶湯の注入を中止し、前記ルツボの回転を停止し、
   前記凹部にトラップされたシリコンの溶湯を前記ルツボの底面に溜め、
   取り出し棒を前記ルツボの底面に降ろし、シリコンの溶湯が冷却し固化した状態で前記取り出し棒を引き上げ、
   前記凹部にトラップされた不純物濃度の高いシリコンの溶湯を固形物として除去する、請求項１に記載の高純度シリコンの製造方法。
3. 前記シリコン粉末をＰ型またはＮ型にドーピングする、請求項１に記載の高純度シリコンの製造方法。
4. 前記金属シリコンの溶湯は、脱ボロン処理と脱リン処理とを終えたものである、請求項１に記載の高純度シリコンの製造方法。

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