JP2013086995A - Method and apparatus for producing silicon, silicon wafer and panel for solar cell - Google Patents

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陽二 有田
Yukihiro Miyamoto
幸博 宮元
Toshiaki Katayama
利昭 片山
Keiji Yamahara
圭二 山原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon production method capable of surely bringing a treating agent into contact with molten silicon in the case of removing impurities in molten silicon with the treating agent, thereby efficiently contributing to the reaction with impurities.SOLUTION: The silicon production method comprises a pushing step of pushing the treating agent into the system at a level lower than the liquid level of the molten silicon in the system and a removal step of reacting the impurities in the molten silicon with the treating agent and removing the impurities from the system.

Description

本発明は、例えば太陽電池用パネルを製作する際の素材として用いられるシリコンの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing silicon used as a material for producing a solar cell panel, for example.

ポリシリコン太陽電池には、一般に比抵抗値が0.5〜1.5Ω・cm以上で且つ純度が99.9999%(6N)以上の高純度金属シリコンが使用される。この高純度金属シリコンは、原料単価が安価で、比較的不純物を多く含む原料金属シリコンから不純物を精製・除去して製造するのが工業的方法としては最も好ましい。   In general, high-purity metallic silicon having a specific resistance value of 0.5 to 1.5 Ω · cm or more and a purity of 99.9999% (6N) or more is used for the polysilicon solar cell. The high-purity metal silicon is most preferable as an industrial method, since the raw material unit price is low, and the impurities are purified and removed from the source metal silicon containing a relatively large amount of impurities.

原料金属シリコン中に含まれる不純物のうち、鉄、アルミニウム、チタン及びカルシウムは、溶融シリコン(不純物を含む原料金属シリコンを溶融させたシリコン)を凝固偏析させることによって、シリコン液相側に除去することができる。また、カルシウム等は、溶融シリコンを1.3×10−2〜1.3×10−4Pa(10−4〜10−6Torr)程度の真空中で蒸発処理することにより、除去することができる。 Of the impurities contained in the raw metal silicon, iron, aluminum, titanium and calcium are removed to the silicon liquid phase side by solidifying and segregating molten silicon (silicon obtained by melting the raw metal silicon containing impurities). Can do. Calcium and the like can be removed by evaporating molten silicon in a vacuum of about 1.3 × 10 −2 to 1.3 × 10 −4 Pa (10 −4 to 10 −6 Torr). it can.

しかしながら、不純物のうち、ホウ素及びリンは、除去が非常に難しく、特にホウ素の除去が困難である。例えば、溶融シリコン中において、不活性なアルゴンに、酸素若しくは二酸化炭素、又は水蒸気を添加して吹き込むことで、ホウ素、酸素又は水素の化合物としてガス化させて除去する酸化処理が行われている(特許文献1、特許文献2参照)。   However, among impurities, boron and phosphorus are very difficult to remove, and in particular, boron is difficult to remove. For example, in molten silicon, oxygen or carbon dioxide, or water vapor is added to inert argon and blown into the silicon to be gasified and removed as a compound of boron, oxygen, or hydrogen. (See Patent Document 1 and Patent Document 2).

上述した方法において、原料金属シリコン中のホウ素(B)を、水蒸気等を用いて酸化し、BOガスとして除去するには時間がかかり、またその時に同時にシリコンも酸化されてしまい、ロスが大きい。特に、水蒸気を溶融シリコン中に吹き込むと、副反応として大量の水素が発生するために安全上の問題もある。   In the above-described method, it takes time to oxidize boron (B) in the raw metal silicon using water vapor or the like and remove it as BO gas. At the same time, silicon is also oxidized, resulting in a large loss. In particular, when water vapor is blown into molten silicon, a large amount of hydrogen is generated as a side reaction, which causes a safety problem.

また、アルカリハライドを用いるシリコンの精製方法としては、原料金属シリコンのスラッジからスラグ(原料金属シリコン中の二酸化ケイ素を主成分とするスラグ)を作り、不純物を除去する際の成分調整にこれを使用してシリコンを回収する技術(特許文献3参照)が提案されているが、必ずしも満足な純度のシリコンは得られていなかった。また、スラグが酸化物であるため、使える容器としては、シリカ、アルミナ等の酸化物系耐火材に限られ、装置が高価となる問題があった。また、誘導加熱の際は、シリコンが溶融するまで、グラファイトの棒等を容器の中で加熱する等の必要があり、プロセスが複雑となる場合があった。さらに、スラグ法においては、溶融スラグのシリコンからの分離プロセスが必要であり、この点でもプロセスが複雑となる問題があった。   In addition, as a silicon purification method using alkali halide, slag (slag mainly composed of silicon dioxide in raw metal silicon) is made from raw metal silicon sludge, and this is used for component adjustment when removing impurities Thus, a technique for recovering silicon (see Patent Document 3) has been proposed, but satisfactory purity silicon has not necessarily been obtained. Further, since the slag is an oxide, usable containers are limited to oxide refractory materials such as silica and alumina, and there is a problem that the apparatus becomes expensive. Further, in induction heating, it is necessary to heat a graphite rod or the like in a container until the silicon is melted, and the process may be complicated. Furthermore, the slag method requires a separation process of molten slag from silicon, and there is a problem that the process is complicated in this respect as well.

また、特許文献4には、20gの原料金属シリコン粉末を粉砕し、これと同じ粒径のNaFと1:1の質量比で混合する工程、1300℃で加熱して固体シリコンを溶融したNaFと接触させる工程、第二の試料を1450℃で10分間加熱してNaF及び原料金属シリコンを溶融させる工程、これらの試料(NaF及びシリコン)を室温に冷却する工程、水性溶出及び引き続く傾瀉(decantation)及び濾過(filtering)により各試料中のNaFからシリコンを分離する工程が記載されている。   In Patent Document 4, 20 g of raw material metal silicon powder is pulverized, mixed with NaF having the same particle size at a mass ratio of 1: 1, and heated at 1300 ° C. to melt solid silicon with NaF. Contacting, second sample heated at 1450 ° C. for 10 minutes to melt NaF and raw metal silicon, cooling these samples (NaF and silicon) to room temperature, aqueous elution and subsequent decantation And the process of separating silicon from NaF in each sample by filtering.

しかし、特許文献4に記載の方法では、NaFと原料金属シリコンを含む固形物から、濾過等を用いてシリコンを分離することによりシリコンを精製しているに過ぎず、精製効果が十分でなく、またシリコンを分離する作業が容易ではないという問題があった。また、シリコン(Si)の融点付近ではNaFの蒸気圧が高く、SiとNaFを混合したものを加熱して温度を上昇させる間にNaFが蒸発してしまうという問題があった。   However, in the method described in Patent Document 4, the silicon is merely purified by separating the silicon from the solid material containing NaF and raw metal silicon using filtration or the like, and the purification effect is not sufficient. In addition, there is a problem that the work of separating silicon is not easy. Further, near the melting point of silicon (Si), the vapor pressure of NaF is high, and there is a problem that NaF evaporates while heating a mixture of Si and NaF to raise the temperature.

上記問題を解決できる手段として、出願人は、特許文献5を開示している。すなわち、不純物を含む溶融シリコンとNaF等の塩とを容器内で接触させ、当該溶融シリコン中の不純物と塩とを反応させ、当該不純物を系外に除去することにより、溶融シリコンに含まれる不純物を効率的に除去することができる。   As a means for solving the above problem, the applicant has disclosed Patent Document 5. That is, impurities contained in molten silicon are obtained by bringing molten silicon containing impurities into contact with a salt such as NaF in a container, reacting the impurities and salt in the molten silicon, and removing the impurities out of the system. Can be efficiently removed.

特開平11−49510号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-49510 特開平4−228414号公報JP-A-4-228414 米国特許第4388286号U.S. Pat.No. 4,388,286 特開昭62−502319号公報JP-A-62-502319 国際公開第2011/001919号パンフレットInternational Publication No. 2011/001919 Pamphlet

ここで、特許文献5に係る技術にあっては、例えば、塩の粉末を容器内の溶融シリコン中に投入し、溶融シリコンと塩とを接触させて不純物を塩と反応させるとともに、溶融シリコンからの蒸発物を吸引除去することで、塩と反応した不純物を系外に排出させている。しかしながら、塩の粉末を容器内に投入すると、粉末が系内で飛散し、或いは、系内の熱により溶融・蒸発し、塩が溶融シリコンと接触しないまま系外に排出されてしまう場合があった。   Here, in the technique according to Patent Document 5, for example, salt powder is put into molten silicon in a container, and the molten silicon and salt are brought into contact with each other to cause impurities to react with the salt. As a result, the impurities reacted with the salt are discharged out of the system. However, when salt powder is put into a container, the powder may scatter in the system, or melt and evaporate due to heat in the system, and the salt may be discharged out of the system without contacting the molten silicon. It was.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、処理剤を用いて溶融シリコン中の不純物を除去する際、処理剤を溶融シリコンに確実に接触させることができ、不純物との反応に効率的に寄与させることが可能な、シリコンの製造方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and when removing impurities in molten silicon using a treatment agent, the treatment agent can be reliably brought into contact with the molten silicon, and the reaction with impurities is efficient. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing silicon, which can contribute to the above.

本発明者らは、上記課題を解決するため種々の検討を行った結果、処理剤を溶融シリコンの液面に投入後、処理剤を液面よりも下方に押し込むことにより、処理剤を溶融シリコンと確実に接触させて無駄なく利用することができることを見出した。特に、塊状処理剤を溶融シリコンの液面に投入して、当該塊状処理剤を押し込む形態、又は、塊状処理剤を棒状体に固定し、当該棒状体を押し込むことで処理剤を溶融シリコンの液面の下方に押し込む形態において、処理剤の飛散等を一層適切に防止可能で、処理剤を無駄なく利用することができることを知見した。本発明は当該知見に基づいて成し遂げられたものである。   As a result of various studies to solve the above problems, the present inventors have introduced the treatment agent into the molten silicon by pouring the treatment agent below the liquid surface after the treatment agent has been introduced into the liquid surface of the molten silicon. It has been found that it can be used without waste by making sure that it is in contact with. In particular, the bulk treatment agent is poured into the molten silicon liquid surface and the bulk treatment agent is pushed in, or the bulk treatment agent is fixed to the rod-like body, and the rod-like body is pushed in to treat the treatment agent with the molten silicon liquid. It has been found that in the form of pushing down the surface, it is possible to more appropriately prevent the treatment agent from being scattered and the like, and the treatment agent can be used without waste. The present invention has been accomplished based on the findings.

すなわち、本発明の要旨は、次の(1)〜(13)に存する。
(1) 系内の溶融シリコンの液面よりも下方に処理剤を押し込む、押込工程と、前記溶融シリコン中の不純物と前記処理剤とを反応させ、該不純物を系外に除去する、除去工程とを有する、シリコンの製造方法。
(2) 前記処理剤が塊状であり、前記押込工程において、該塊状の処理剤を溶融シリコンの液面に投入することにより、該処理剤と溶融シリコンとを接触させ、該処理剤を、押込手段を用いて、溶融シリコンの液面の下方に押し込む、(1)に記載のシリコンの製造方法。
(3) 前記処理剤が塊状であり、該塊状の処理剤を棒状体に固定し、棒状体を系内に挿入することにより、該処理剤を、前記溶融シリコンに接触させるとともに該溶融シリコンの液面の下方へと押し込む、(1)に記載のシリコンの製造方法。
(4) 前記不純物にはホウ素が含まれる、(1)〜(3)のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
(5) 前記処理剤が塩である、(1)〜(4)のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
(6) 前記処理剤が、アルカリ金属とハロゲンとの塩、アルカリ土類金属とハロゲンとの塩、アルカリ金属とハロゲンとを含む複合塩、及び、アルカリ土類金属とハロゲンとを含む複合塩、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むものである、(1)〜(5)のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
(7) 前記処理剤が、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化カリウム(KF)、フッ化ルビジウム(RbF)、フッ化セシウム(CsF)、珪フッ化ソーダ(NaSiF)、クリオライト(NaAlF)、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムとの混合物、及び、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムと塩化バリウムとの混合物、並びに、これらの混合物、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含む、(1)〜(6)のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
(8) 前記処理剤の量が、前記溶融シリコンに対して、5質量%以上300質量%以下である、(1)〜(7)のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
(9) 不純物を含む溶融シリコンと処理剤とを系内で接触させ、該溶融シリコン中の不純物と処理剤とを反応させ、該不純物を系外に除去する、シリコンの製造装置であって、前記系内には、底部と側部と上部開口部とを有し、前記不純物を含む溶融シリコンが充填される容器、前記溶融シリコンの液面よりも下方に前記処理剤を押し込む、押込手段、前記不純物を含む溶融シリコンと前記処理剤とを加熱する加熱手段、並びに、前記溶融シリコン及び処理剤からの蒸発物を系外に除去する、除去手段、が備えられる、シリコンの製造装置。
(10) 前記押込手段が、前記溶融シリコンの液面に存在する塊状の処理剤を、液面の下方へと押し込むものである、(9)に記載のシリコンの製造装置。
(11) 前記押込手段が、先端に塊状の処理剤を固定可能な棒状体である、(9)に記載のシリコンの製造装置。
(12) (1)〜(8)のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法により得られたシリコンを用いた、シリコンウェハー。
(13) (1)〜(8)のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法により得られたシリコンを用いた、太陽電池用パネル。
That is, the gist of the present invention resides in the following (1) to (13).
(1) A treatment step for pushing a treatment agent below the liquid level of molten silicon in the system, a removal step for reacting impurities in the molten silicon with the treatment agent, and removing the impurities out of the system. A method for producing silicon.
(2) The treatment agent is in a lump shape, and in the indentation step, the treatment agent and the molten silicon are brought into contact with each other by introducing the lump treatment agent into the liquid surface of the molten silicon, and the treatment agent is indented. The method for producing silicon according to (1), wherein the means is used to push down below the liquid level of the molten silicon.
(3) The treatment agent is in a lump shape, the treatment agent is brought into contact with the molten silicon by fixing the massive treatment agent to the rod-like body and inserting the rod-like body into the system. The method for producing silicon according to (1), wherein the silicon surface is pushed downward from the liquid surface.
(4) The method for producing silicon according to any one of (1) to (3), wherein the impurities include boron.
(5) The method for producing silicon according to any one of (1) to (4), wherein the treating agent is a salt.
(6) The treating agent is a salt of an alkali metal and a halogen, a salt of an alkaline earth metal and a halogen, a composite salt containing an alkali metal and a halogen, and a composite salt containing an alkaline earth metal and a halogen, The method for producing silicon according to any one of (1) to (5), comprising at least one compound selected from the group consisting of:
(7) The treating agent is lithium fluoride (LiF), sodium fluoride (NaF), potassium fluoride (KF), rubidium fluoride (RbF), cesium fluoride (CsF), sodium silicofluoride (Na 2). SiF 6 ), cryolite (Na 3 AlF 6 ), a mixture of sodium fluoride and barium fluoride, a mixture of sodium fluoride, barium fluoride and barium chloride, and a mixture thereof. The method for producing silicon according to any one of (1) to (6), comprising at least one selected compound.
(8) The method for producing silicon according to any one of (1) to (7), wherein an amount of the treatment agent is 5% by mass or more and 300% by mass or less with respect to the molten silicon.
(9) A silicon manufacturing apparatus that contacts molten silicon containing impurities and a treatment agent in the system, reacts the impurities in the molten silicon with the treatment agent, and removes the impurities out of the system. In the system, there are a bottom part, a side part and an upper opening part, a container filled with molten silicon containing the impurities, a pushing means for pushing the treatment agent below the liquid level of the molten silicon, A silicon manufacturing apparatus, comprising: a heating unit that heats the molten silicon containing the impurity and the treatment agent; and a removal unit that removes evaporated material from the molten silicon and the treatment agent to the outside of the system.
(10) The silicon manufacturing apparatus according to (9), wherein the pushing means pushes a blocky treatment agent present on the liquid surface of the molten silicon downwardly of the liquid surface.
(11) The silicon manufacturing apparatus according to (9), wherein the pushing means is a rod-like body capable of fixing a massive treatment agent at a tip.
(12) A silicon wafer using silicon obtained by the method for producing silicon according to any one of (1) to (8).
(13) A solar cell panel using silicon obtained by the method for producing silicon according to any one of (1) to (8).

本発明において「系内」とは、溶融シリコンと処理剤との反応、処理剤との反応による不純物の蒸発及び処理剤の蒸発を生じさせる場をいう。例えば、排出口を備えた筐体内に加熱手段や容器等が収容され、筐体内部にてシリコンの精製を行い、排出口を介して不純物を蒸発除去する場合は、筐体内を系内とみなすことができる。一方、「系外」とは、溶融シリコンから除去された不純物の回収、処理剤の蒸発物の回収・精製が行われる場をいう。例えば、筐体外を系外とみなすことができる。「処理剤」とは、溶融シリコンに添加された場合に溶融し、溶融シリコンに含まれる不純物と反応し得る物質を意味する。ただし、溶融シリコンに添加された際、処理剤の少なくとも一部が分解・気化するものであってもよい。   In the present invention, “in the system” means a reaction between molten silicon and a treatment agent, evaporation of impurities due to reaction with the treatment agent, and evaporation of the treatment agent. For example, when a heating means or container is housed in a housing with a discharge port, silicon is purified inside the housing, and impurities are removed by evaporation through the discharge port, the inside of the housing is regarded as the system. be able to. On the other hand, “outside the system” refers to a place where the recovery of impurities removed from the molten silicon and the recovery / purification of the evaporation product of the processing agent are performed. For example, the outside of the housing can be regarded as outside the system. The “treatment agent” means a substance that melts when added to molten silicon and can react with impurities contained in the molten silicon. However, when added to molten silicon, at least a part of the treatment agent may be decomposed and vaporized.

本発明において「塊状の処理剤」とは、その形状は特に限定されるものではなく、立方体、直方体、球状体、或いは、棒状体等を例示することができる。塊状の処理剤の大きさについても、特に限定されるものではなく、系内に投入可能で、且つ、処理剤を押し込む際に支障がない大きさであればよい。より具体的には、処理剤の最も長い辺、或いは、最も長い径の下限が、通常1mm以上、好ましくは2mm以上、より好ましくは5mm以上、最も好ましくは10mm以上の処理剤をいう。処理剤の最も長い辺、或いは、最も長い径の上限については特に限定されるものではなく、好ましくは200cm以下、より好ましくは100cm以下、さらに好ましくは50cm以下、特に好ましくは20cm以下、最も好ましくは10cm以下である処理剤をいう。
尚、「塊状の処理剤」においては、処理剤が密に塊を形成していてもよいし、空隙を有しつつ凝集して塊を形成していてもよい。例えば、処理剤を溶融・凝固させることにより、密な塊状処理剤を得ることができる。また、粉末状の処理剤や粒状の処理剤を加熱・焼結させることにより、空隙を有しつつ凝集した塊状の処理剤を得ることもできる。或いは、加圧成形等、各種成形方法によって得られた塊状処理剤であってもよい。
In the present invention, the shape of the “bulk treatment agent” is not particularly limited, and examples thereof include a cube, a rectangular parallelepiped, a spherical body, and a rod-like body. The size of the bulk processing agent is not particularly limited as long as it can be charged into the system and does not interfere with the processing agent. More specifically, the longest side of the treating agent or the lower limit of the longest diameter is usually 1 mm or more, preferably 2 mm or more, more preferably 5 mm or more, and most preferably 10 mm or more. The upper limit of the longest side or the longest diameter of the treatment agent is not particularly limited, and is preferably 200 cm or less, more preferably 100 cm or less, further preferably 50 cm or less, particularly preferably 20 cm or less, and most preferably The treatment agent which is 10 cm or less is said.
In the “bulk treatment agent”, the treatment agent may densely form a lump, or may aggregate to form a lump with voids. For example, a dense block treatment agent can be obtained by melting and solidifying the treatment agent. In addition, by heating and sintering a powdery processing agent or a granular processing agent, an agglomerated processing agent having voids can be obtained. Or the block treatment agent obtained by various shaping | molding methods, such as pressure molding, may be sufficient.

本発明によれば、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)及びカルシウム(Ca)等の不純物を含む溶融シリコンと、処理剤とを系内で接触させることにより、当該シリコン液相と処理剤の液相との界面を構成することができ、該界面を介してシリコン中の不純物と処理剤とを反応させることで、当該不純物を効率よく除去することができる。すなわち、本発明によれば、短時間に同一のプロセスで溶融シリコンに含まれる不純物を効率よく除去し、高純度の金属シリコンとすることが可能な、シリコンの製造方法を提供することができる。   According to the present invention, by bringing molten silicon containing impurities such as boron (B), aluminum (Al) and calcium (Ca) into contact with the processing agent in the system, the silicon liquid phase and the processing agent liquid are brought into contact with each other. An interface with the phase can be formed, and the impurity can be efficiently removed by reacting the impurity in the silicon with the treatment agent via the interface. That is, according to the present invention, it is possible to provide a silicon manufacturing method capable of efficiently removing impurities contained in molten silicon in the same process in a short time to obtain high-purity metal silicon.

一方、界面を介してシリコン中の不純物と処理剤とを反応させることにより、反応によって生じた反応物は、一部が蒸気圧の高い化合物として蒸発除去され、一部が処理剤に溶解する。ここで、本発明では、処理剤を溶融シリコンの液面よりも下方に押し込むものとしている。これにより、溶融シリコンに接触することなく蒸発してしまう処理剤を低減することができ、処理剤を無駄なく反応に寄与させることができる。すなわち、本発明によれば、処理剤を用いて溶融シリコン中の不純物を除去する際、処理剤を溶融シリコンに確実に接触させることができ、不純物との反応に効率的に寄与させることが可能な、シリコンの製造方法を提供することができる。   On the other hand, by reacting impurities in the silicon with the treatment agent via the interface, a part of the reaction product generated by the reaction is evaporated and removed as a compound having a high vapor pressure, and a part thereof is dissolved in the treatment agent. Here, in the present invention, the treating agent is pushed below the liquid level of the molten silicon. Thereby, the processing agent which evaporates without contacting molten silicon can be reduced, and the processing agent can be contributed to the reaction without waste. That is, according to the present invention, when removing impurities in the molten silicon using the treatment agent, the treatment agent can be reliably brought into contact with the molten silicon, and can efficiently contribute to the reaction with the impurities. In addition, a method for manufacturing silicon can be provided.

シリコンの製造方法について全体の流れを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the whole flow about the manufacturing method of silicon. 処理剤の回収について説明するための図である。It is a figure for demonstrating collection | recovery of a processing agent. 押込手段を概略的に示す図である。It is a figure which shows a pushing means roughly. シリコンの製造装置の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing apparatus of silicon. シリコンの製造装置の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing apparatus of silicon. シリコンの製造装置の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing apparatus of silicon. シリコンの製造装置の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing apparatus of silicon.

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限り、以下の内容に限定されない。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described in detail below. However, the description of the constituent elements described below is an example (representative example) of an embodiment of the present invention. It is not limited to the contents.

1.シリコンの製造方法
本発明に係るシリコンの製造方法は、系内の溶融シリコンの液面よりも下方に処理剤を押し込む、押込工程と、溶融シリコン中の不純物と処理剤とを反応させ、不純物を系外に除去する、除去工程とを有することに特徴を有する。
1. Silicon manufacturing method The silicon manufacturing method according to the present invention is a process for injecting a treatment agent below the liquid level of molten silicon in the system, reacting an impurity in the molten silicon with the treatment agent, and removing impurities. It is characterized by having a removal step of removing it outside the system.

図1に本発明に係るシリコンの製造方法の一例(製造方法S100)を示す。図1に示すように、製造方法S100は、系内にシリコンを投入する工程(工程S1)、投入したシリコンを溶融させる工程(工程S2)、溶融シリコンに処理剤を添加するとともに溶融シリコンの液面よりも下方に処理剤を押し込む工程(工程S3)、溶融シリコンと処理剤とを閉鎖系で反応させる工程(工程S4)、閉鎖手段を交換する工程(工程S5)、閉鎖手段を取り外した状態で溶融シリコンと処理剤とを開放系で反応させ、処理剤及び不純物を系外に除去する工程(工程S6)、並びに、系内の溶融シリコンを凝固させる工程(工程S7)を有している。尚、図1に示すように、製造方法S100においては、工程S5の後、工程S3に戻り、工程S3〜S5を繰り返すものとされている。以下、工程毎に説明する。   FIG. 1 shows an example of a silicon manufacturing method (manufacturing method S100) according to the present invention. As shown in FIG. 1, the manufacturing method S100 includes a step of introducing silicon into the system (step S1), a step of melting the injected silicon (step S2), a treatment agent being added to the molten silicon, and a molten silicon liquid. A step of pushing the processing agent below the surface (step S3), a step of reacting the molten silicon and the processing agent in a closed system (step S4), a step of replacing the closing means (step S5), and a state where the closing means is removed The step of reacting the molten silicon and the processing agent in an open system to remove the processing agent and impurities out of the system (step S6) and the step of solidifying the molten silicon in the system (step S7). . In addition, as shown in FIG. 1, in manufacturing method S100, after process S5, it returns to process S3 and repeats process S3-S5. Hereinafter, it demonstrates for every process.

1.1.工程S1
工程S1は、原料となる金属シリコンを系内へと投入する工程である。原料金属シリコン中には不純物として、少なくともホウ素(B)が含まれており、さらに、例えば、リン(P)、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)或いはチタン(Ti)等が含まれていてもよい。本発明では、これら不純物のうち特に、ホウ素(B)を除去することができ、更にはアルミニウム(Al)及びカルシウム(Ca)を好適に除去することができる。
1.1. Process S1
Step S1 is a step of introducing metal silicon as a raw material into the system. The source metal silicon contains at least boron (B) as an impurity, and, for example, phosphorus (P), iron (Fe), aluminum (Al), calcium (Ca), titanium (Ti), etc. It may be included. In the present invention, among these impurities, boron (B) can be removed, and aluminum (Al) and calcium (Ca) can be suitably removed.

原料金属シリコン中の不純物の合計濃度は、質量基準で、10〜500ppmであることが好ましく、10〜300ppmであることがより好ましい。このような濃度範囲にある原料金属シリコンは、アーク炭素還元等によって容易に得ることができ、コストを低く抑えることができるので好ましい。また、原料金属シリコンとして、シリコンの切削屑や、炭素還元により炭化ケイ素を除去したシリコン等を用いてもよい。   The total concentration of impurities in the raw metal silicon is preferably 10 to 500 ppm, more preferably 10 to 300 ppm, based on mass. The raw material metal silicon in such a concentration range is preferable because it can be easily obtained by arc carbon reduction or the like and the cost can be kept low. Further, as raw metal silicon, silicon cutting scraps, silicon from which silicon carbide has been removed by carbon reduction, or the like may be used.

1.2.工程S2
工程S2は、系内に投入したシリコンを加熱して溶融させる工程である。シリコンの加熱については、公知の加熱手段を用いて加熱すればよい。加熱温度は、シリコンの融点(1410℃)以上が好ましく、1450℃以上がより好ましい。また、処理剤の蒸発速度を適度に抑え不純物除去が効果的に行われるよう、該温度の上限は、2000℃以下が好ましく、1700℃以下がより好ましい。
1.2. Process S2
Step S2 is a step of heating and melting silicon charged into the system. The silicon may be heated using a known heating means. The heating temperature is preferably at least the melting point of silicon (1410 ° C.), more preferably at least 1450 ° C. In addition, the upper limit of the temperature is preferably 2000 ° C. or less and more preferably 1700 ° C. or less so that the evaporation rate of the treatment agent is moderately suppressed and impurities are effectively removed.

1.3.工程S3
工程S3は、溶融シリコンに処理剤を添加するとともに溶融シリコンの液面よりも下方に処理剤を押し込む工程である。処理剤は、原料金属シリコンの溶融温度で融解し、シリコン液相と処理剤液相との界面を構成することによって、溶融シリコン中の不純物、特にはホウ素(B)やアルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)等の不純物と反応し、不純物を気相に蒸発させ得る物質、或いは、不純物を処理剤自体に溶解させて不純物とともに蒸発し得る物質であれば特に制限されないが、不純物との反応性等の点から、塩(えん)であることが好ましい。
より好ましくは、処理剤はアルカリ金属とハロゲンとの塩、アルカリ土類金属とハロゲンとの塩、アルカリ金属とハロゲンとを含む複合塩、及び、アルカリ土類金属とハロゲンとを含む複合塩、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むものである。特に、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化カリウム(KF)、フッ化ルビジウム(RbF)、フッ化セシウム(CsF)、珪フッ化ソーダ(NaSiF)、クリオライト(NaAlF)、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムとの混合物、及び、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムと塩化バリウムとの混合物、又は、これらの混合物、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むことが好ましい。これらの中でも、シリコン中に処理剤成分が多量に取り込まれることを抑制し、且つ、取り込まれた場合でも容易に精製することが可能である観点から、アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属のフッ化物が好ましく、アルカリ金属のフッ化物がより好ましく、NaFが特に好ましい。この場合、他の塩との複合塩や混合塩であってもよい。尚、原料金属シリコンを溶解した場合、酸化被膜が生成する場合があるが、本発明では、上記した処理剤中に酸化物を溶解させることができる。また、上記した処理剤であれば、処理剤を保持する容器として通常のグラファイトを使用することができ、経済的観点からも好ましい。尚、処理剤は、事前に処理剤同士を必要に応じて混合し、加熱溶融後に冷却し、フラックス化したものを用いることもできる。
1.3. Process S3
Step S3 is a step of adding the processing agent to the molten silicon and pushing the processing agent below the liquid level of the molten silicon. The processing agent is melted at the melting temperature of the raw material metal silicon, and constitutes an interface between the silicon liquid phase and the processing agent liquid phase, so that impurities in the molten silicon, particularly boron (B), aluminum (Al), calcium The substance is not particularly limited as long as it is a substance capable of reacting with impurities such as (Ca) and evaporating the impurities into the gas phase, or a substance capable of dissolving the impurities in the treatment agent itself and evaporating together with the impurities. In view of the above, it is preferably a salt.
More preferably, the treating agent is a salt of an alkali metal and a halogen, a salt of an alkaline earth metal and a halogen, a composite salt containing an alkali metal and a halogen, and a composite salt containing an alkaline earth metal and a halogen. It contains at least one compound selected from the group consisting of: In particular, lithium fluoride (LiF), sodium fluoride (NaF), potassium fluoride (KF), rubidium fluoride (RbF), cesium fluoride (CsF), sodium silicofluoride (Na 2 SiF 6 ), cryolite (Na 3 AlF 6 ), a mixture of sodium fluoride and barium fluoride, and a mixture of sodium fluoride, barium fluoride and barium chloride, or a mixture thereof, at least one kind selected from the group consisting of It is preferable to include a compound. Among these, from the viewpoint of suppressing a large amount of the treatment agent component from being taken into silicon and being able to be easily purified even when it is taken in, the alkali metal and / or alkaline earth metal fluoride is used. Are preferred, alkali metal fluorides are more preferred, and NaF is particularly preferred. In this case, it may be a complex salt or a mixed salt with other salts. In addition, when raw material metal silicon is dissolved, an oxide film may be formed. However, in the present invention, the oxide can be dissolved in the treatment agent described above. Moreover, if it is an above-described processing agent, a normal graphite can be used as a container holding a processing agent, and it is preferable also from an economical viewpoint. In addition, the processing agent can also use the thing which mixed processing agents beforehand as needed, cooled after heat-melting, and made into flux.

尚、処理剤の液相を溶融シリコンの液相の上に形成させる場合は、シリコン(Si)より密度の小さな処理剤を用いるとよい。当該処理剤としては、例えば、Csよりも原子番号の小さなアルカリ金属フッ化物塩が挙げられる。   In addition, when forming the liquid phase of a processing agent on the liquid phase of a molten silicon, it is good to use a processing agent with a smaller density than silicon (Si). Examples of the treating agent include alkali metal fluoride salts having an atomic number smaller than that of Cs.

処理剤中の不純物の含有量は低い方が望ましいが、仮に処理剤中に不純物が含まれていたとしても、当該不純物はフッ素化されている場合が多く、処理温度では、大部分が蒸発してしまうので問題はない。したがって、処理剤として通常の工業用の薬品を用いることが可能である。ただし、本発明においては、加熱を行うことで処理剤中の不純物を除去することができ、焼結させたり、或いは、溶融の後冷却凝固させることで、所定の塊状の処理剤を得ることができる。   Although it is desirable that the content of impurities in the treatment agent is low, even if the treatment agent contains impurities, the impurities are often fluorinated, and most of them are evaporated at the treatment temperature. Because there is no problem. Therefore, it is possible to use a normal industrial chemical as the treating agent. However, in the present invention, it is possible to remove impurities in the treatment agent by heating, and to obtain a predetermined bulk treatment agent by sintering or cooling and solidifying after melting. it can.

処理剤の使用量は、原料金属シリコン(溶融シリコン)に対して、5質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、20質量%以上がさらに好ましく、30質量%以上が特に好ましい。また、300質量%以下が好ましく、100質量%未満がより好ましく、70質量%以下がさらに好ましく、50質量%以下が特に好ましい。処理剤の使用量を5質量%以上とすることにより、十分な精製効果が得られる。また、本発明では、後述するように、まず、閉鎖系で溶融シリコンと処理剤とを十分に反応させるものとしており、これにより処理剤の使用量を減少させることができる。   The amount of the treating agent used is preferably 5% by mass or more, more preferably 10% by mass or more, further preferably 20% by mass or more, and particularly preferably 30% by mass or more with respect to the raw material metal silicon (molten silicon). Moreover, 300 mass% or less is preferable, less than 100 mass% is more preferable, 70 mass% or less is more preferable, and 50 mass% or less is especially preferable. A sufficient purification effect can be obtained by setting the amount of the treatment agent used to 5% by mass or more. In the present invention, as will be described later, first, the molten silicon and the treatment agent are sufficiently reacted in a closed system, whereby the amount of the treatment agent used can be reduced.

溶融シリコンに処理剤を添加するとともに溶融シリコンの液面よりも下方に処理剤を押し込む形態としては、例えば、以下の形態を挙げることができる。
(A) 塊状の処理剤を溶融シリコンの液面に投入することにより、処理剤と溶融シリコンとを接触させ、押込手段を用いて処理剤を溶融シリコンの液面の下方に押し込む形態
(B) 塊状の処理剤を棒状体に固定し、棒状体を系内に挿入することにより、処理剤を溶融シリコンに接触させるとともに溶融シリコンの液面の下方へと押し込む形態
Examples of the form in which the treatment agent is added to the molten silicon and the treatment agent is pushed below the liquid level of the molten silicon include the following forms.
(A) A mode (B) in which a treating agent and molten silicon are brought into contact with each other by introducing a lump-like treating agent into the molten silicon liquid surface and the treating agent is pushed below the molten silicon liquid surface by using a pushing means. A configuration in which the treatment agent is brought into contact with the molten silicon and pushed down below the liquid level of the molten silicon by fixing the massive treatment agent to the rod-like body and inserting the rod-like body into the system.

本発明において「塊状の処理剤」とは、その形状は特に限定されるものではなく、立方体、直方体、球状体、或いは、棒状体等の種々の形状を例示することができる。塊状の処理剤の大きさについても、特に限定されるものではなく、系内の溶融シリコン中に投入可能で、且つ、処理剤を押し込む際に支障がない大きさであればよい。より具体的には、処理剤の最も長い辺、或いは、最も長い径の下限が、通常1mm以上、好ましくは2mm以上、より好ましくは5mm以上、最も好ましくは10mm以上の処理剤をいう。処理剤の最も長い辺、或いは、最も長い径の上限については特に限定されるものではなく、例えば、好ましくは200cm以下、より好ましくは100cm以下、さらに好ましくは50cm以下、特に好ましくは20cm以下、最も好ましくは10cm以下である処理剤をいう。尚、「塊状の処理剤」においては、処理剤が密に塊を形成していてもよいし、空隙を有しつつ凝集して塊を形成していてもよい。例えば、処理剤を溶融・凝固させることにより、密な塊状処理剤を得ることができる。また、粉末状の処理剤や粒状の処理剤を加熱・凝集(焼結)させることにより、空隙を有しつつ凝集した塊状の処理剤を得ることもできる。或いは、加圧成形等、各種成形方法によって得られた塊状処理剤であってもよい。   In the present invention, the shape of the “bulk treatment agent” is not particularly limited, and various shapes such as a cube, a rectangular parallelepiped, a spherical body, or a rod-like body can be exemplified. The size of the bulk processing agent is not particularly limited as long as it can be put into the molten silicon in the system and does not interfere with the processing agent. More specifically, the longest side of the treating agent or the lower limit of the longest diameter is usually 1 mm or more, preferably 2 mm or more, more preferably 5 mm or more, and most preferably 10 mm or more. The upper limit of the longest side or the longest diameter of the treatment agent is not particularly limited. For example, it is preferably 200 cm or less, more preferably 100 cm or less, still more preferably 50 cm or less, particularly preferably 20 cm or less, The treatment agent is preferably 10 cm or less. In the “bulk treatment agent”, the treatment agent may densely form a lump, or may aggregate to form a lump with voids. For example, a dense block treatment agent can be obtained by melting and solidifying the treatment agent. Further, by heating and aggregating (sintering) a powdery processing agent or a granular processing agent, an agglomerated processing agent having voids can be obtained. Or the block treatment agent obtained by various shaping | molding methods, such as pressure molding, may be sufficient.

上記(A)の形態における「塊状の処理剤」としては、例えば「押込手段」に設けられたガスの抜け穴よりも大きく、且つ、「押込手段」の内径よりも小さな径を有する処理剤が好ましい。より具体的には、最も長い辺、或いは、最も長い径の下限が、好ましくは2mm以上、より好ましくは5mm以上、最も好ましくは10mm以上で、上限が好ましくは100cm以下の処理剤とする。尚、「押込手段」とは、溶融シリコンの液面にある処理剤を液面よりも下方へと押し込むことが可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではない。具体的形態については後述する。   As the “bulk treatment agent” in the form of (A), for example, a treatment agent having a diameter larger than the gas escape hole provided in the “pushing means” and smaller than the inner diameter of the “pushing means” is preferable. . More specifically, the lower limit of the longest side or the longest diameter is preferably 2 mm or more, more preferably 5 mm or more, most preferably 10 mm or more, and the upper limit is preferably 100 cm or less. The form of the “pushing means” is not particularly limited as long as the treatment agent on the liquid level of the molten silicon can be pushed down below the liquid level. A specific form will be described later.

或いは、上記(B)の形態における「塊状の処理剤」としては、「棒状体」に適切に固定できるとともに、系内に挿入できればよく、最も長い辺、或いは、最も長い径の下限が、好ましくは10mm以上、より好ましくは30mm以上、最も好ましくは50mm以上で、上限が好ましくは200cm以下の処理剤とする。特に、直径が10〜1000mmで、高さが50〜2000mmの略円柱状の処理剤を好適に用いることができる。尚、「棒状体」とは、塊状の処理剤を系内へと挿入可能で、且つ、溶融シリコンの液面よりも下方に塊状の処理剤を押し込み可能なものであれば、その形態は特に限定されるものではない。具体的形態については後述する。   Alternatively, as the “bulk treatment agent” in the form of (B), it is sufficient that it can be appropriately fixed to the “rod-like body” and can be inserted into the system, and the longest side or the lower limit of the longest diameter is preferable. Is 10 mm or more, more preferably 30 mm or more, most preferably 50 mm or more, and the upper limit is preferably 200 cm or less. In particular, a substantially cylindrical treatment agent having a diameter of 10 to 1000 mm and a height of 50 to 2000 mm can be suitably used. The “rod-shaped body” is particularly in a form as long as a lump treatment agent can be inserted into the system and the lump treatment agent can be pushed below the liquid level of the molten silicon. It is not limited. A specific form will be described later.

原料金属シリコンと処理剤とを加熱融解させる温度は、上記シリコンを溶融させる際の温度と同等でよい。すなわち、シリコンの融点(1410℃)以上が好ましく、1450℃以上がより好ましい。また、該温度の上限は、2000℃以下が好ましく、1700℃以下がより好ましい。   The temperature at which the raw metal silicon and the treatment agent are heated and melted may be equal to the temperature at which the silicon is melted. That is, the melting point of silicon (1410 ° C.) or higher is preferable, and 1450 ° C. or higher is more preferable. The upper limit of the temperature is preferably 2000 ° C. or lower, and more preferably 1700 ° C. or lower.

かくして、溶融シリコンと処理剤とを接触させることにより、シリコン液相と処理剤液相との界面を構成することができる。ここで、本発明では、溶融シリコンの液面よりも下方に処理剤を押し込むものとしており、溶融シリコンに接触することなく蒸発してしまう処理剤を低減することができ、処理剤を無駄なく反応に寄与させることができる。そして、後述する工程S4〜S6において、シリコン液相と処理剤液相との界面を介して、溶融シリコン中の不純物と処理剤とを反応させることができ、該不純物を気相に蒸発又は処理剤に移行させることができる。また、シリコン液相と処理剤液相との界面を介して、処理剤が蒸発したガス又は複合化合物が一部分解してできた分解生成物のガス等をシリコンに作用させることにより、溶融シリコン中の不純物と処理剤とを反応させることができる。   Thus, an interface between the silicon liquid phase and the processing agent liquid phase can be formed by bringing the molten silicon into contact with the processing agent. Here, in the present invention, the processing agent is pushed below the liquid level of the molten silicon, the processing agent that evaporates without contacting the molten silicon can be reduced, and the processing agent can be reacted without waste. Can contribute. In steps S4 to S6 described later, impurities in the molten silicon and the treatment agent can be reacted via the interface between the silicon liquid phase and the treatment agent liquid phase, and the impurities are evaporated or treated in the gas phase. Can be transferred to the agent. Further, through the interface between the silicon liquid phase and the processing agent liquid phase, the gas in which the processing agent has evaporated or the decomposition product gas formed by partial decomposition of the composite compound is allowed to act on the silicon, so that The impurities can be reacted with the treating agent.

1.4.工程S4
工程S4は、溶融シリコンと処理剤とを閉鎖系で反応させる工程である。反応系を閉鎖系とするためには、例えば、溶融シリコン及び処理剤をるつぼ等の容器に充填し、当該容器を蓋等の閉鎖手段によって閉鎖すればよい。反応処理時間、すなわち溶融シリコンと処理剤との接触時間は、通常0.1時間以上が好ましく、0.25時間以上がより好ましく、0.5時間以上が特に好ましい。また、通常12時間以下が好ましく、6時間以下がより好ましく、2時間以下が特に好ましい。反応処理時間は、長い程、不純物の低下には効果があるが、プロセスコストの観点からは短い方が望ましい。
1.4. Step S4
Step S4 is a step of reacting the molten silicon and the processing agent in a closed system. In order to make the reaction system a closed system, for example, molten silicon and a processing agent may be filled in a container such as a crucible and the container may be closed by a closing means such as a lid. The reaction treatment time, that is, the contact time between the molten silicon and the treatment agent is usually preferably 0.1 hours or more, more preferably 0.25 hours or more, and particularly preferably 0.5 hours or more. Moreover, 12 hours or less are preferable normally, 6 hours or less are more preferable, and 2 hours or less are especially preferable. The longer the reaction treatment time, the more effective the reduction of impurities, but a shorter one is desirable from the viewpoint of process cost.

上記の通り溶融シリコンと処理剤との界面において生成した不純物を含む化合物、すなわちシリコン中の不純物と処理剤とを反応させた反応物は、蒸発するか又は一部は処理剤に溶け込み、処理剤とともに蒸発する。ここで、処理剤は溶融シリコンの液面よりも下方に押し込まれているため、処理剤の大部分を無駄なく反応に寄与させることができるものの、一部については、溶融シリコン中の不純物と反応せずに蒸発する。しかしながら、工程S4では、反応系を閉鎖系としているため、蒸発した処理剤が系内で凝縮し、再度、溶融シリコンの液面に落下・到達し得る。すなわち、工程S4においては、溶融シリコン液面からの蒸発物を反応系内で凝縮させて凝縮物とした後、該凝縮物を溶融シリコンへと落下させて再度処理剤として利用することで、溶融シリコンと処理剤との界面が常時適切に形成される。このように、反応系内で処理剤を循環させることによって、処理剤を無駄なく反応に寄与させることができ、処理剤のロスを抑えることができる。
ただし、工程S4において、処理剤を落下させることによる循環再利用は必須ではない。処理剤を落下させないまま、後述する工程S5において、閉鎖手段に凝縮させた処理剤を回収することも有り得る。
As described above, the compound containing impurities generated at the interface between the molten silicon and the treatment agent, that is, the reaction product obtained by reacting the impurities in the silicon with the treatment agent evaporates or partially dissolves in the treatment agent. Evaporates with. Here, since the processing agent is pushed below the liquid level of the molten silicon, most of the processing agent can contribute to the reaction without waste, but some of them react with impurities in the molten silicon. Evaporate without However, in step S4, since the reaction system is a closed system, the evaporated treatment agent can condense in the system, and can drop and reach the liquid level of the molten silicon again. That is, in step S4, the evaporated material from the molten silicon liquid surface is condensed in the reaction system to form a condensed material, and then the condensed material is dropped into the molten silicon and used again as a processing agent. The interface between silicon and the treatment agent is always properly formed. Thus, by circulating the processing agent in the reaction system, the processing agent can contribute to the reaction without waste, and the loss of the processing agent can be suppressed.
However, in step S4, circulation reuse by dropping the treatment agent is not essential. It is possible to collect the processing agent condensed in the closing means in step S5 described later without dropping the processing agent.

工程S4では、溶融シリコンと処理剤とについて、相対速度の大きな流れを作ることにより、シリコン液相と処理剤液相の界面近傍に形成される反応場として機能する境界層を相対的に薄くすることができる。例えば、 電磁誘導撹拌によって加熱を行うことで、上記相対速度の大きな流れを作り出すことができる。このようにすることで不純物と処理剤との反応を一層促進することができる。或いは、下記(i)〜(iv)に係る方法によっても、不純物と処理剤との反応を一層促進することができる。
(i)不活性ガスをシリコン液相に吹き込む方法。
(ii)高周波誘導炉を用いてシリコン液相を誘導攪拌する方法。
(iii)上層に浮上した処理剤を機械的に下層のシリコン層に押し込む方法。或いは、下層に沈んだ処理剤を機械的に上層のシリコン層に押し上げる方法。機械的に押し込む或いは押し上げるとは、機械的手段、例えばグラファイトでできた凹型の治具を用いて上層の処理剤を下層のシリコン層に押し込む、或いは、下層の処理剤を上層のシリコンに押し上げることをいう。
(iv)回転子を使って液相を攪拌する方法。
In step S4, the boundary layer functioning as a reaction field formed in the vicinity of the interface between the silicon liquid phase and the processing agent liquid phase is made relatively thin by creating a flow having a large relative velocity between the molten silicon and the processing agent. be able to. For example, a flow having a large relative speed can be created by heating by electromagnetic induction stirring. By doing in this way, reaction with an impurity and a processing agent can be accelerated further. Alternatively, the reaction between the impurity and the treating agent can be further promoted by the methods according to the following (i) to (iv).
(I) A method of blowing an inert gas into the silicon liquid phase.
(Ii) A method of induction stirring the silicon liquid phase using a high frequency induction furnace.
(Iii) A method of mechanically pushing the treatment agent floating on the upper layer into the lower silicon layer. Alternatively, a method of mechanically pushing up the treatment agent sinking to the lower layer to the upper silicon layer. Mechanically pushing in or pushing up means pushing the upper treatment agent into the lower silicon layer using mechanical means, for example, a concave jig made of graphite, or pushing the lower treatment agent into the upper silicon. Say.
(Iv) A method of stirring the liquid phase using a rotor.

1.5.工程S5
工程S5は、閉鎖手段を交換する工程である。上記した工程S4において、溶融シリコン中の不純物と処理剤とが反応し、蒸発する。ここで、蒸発した処理剤は、上述の通り、閉鎖手段に付着させて凝縮させ、溶融シリコン中に再度落下させることにより、溶融シリコン中の不純物と反応させることが好ましい。工程S4において、このような循環反応が繰り返されることで、閉鎖手段に付着して凝縮した処理剤には、時間の経過とともに、不純物が濃縮されることとなる。この際、閉鎖手段について、例えば冷却水等を用いて所定部分を低温に制御することにより、処理剤を当該所定部分に優先的に凝縮させてもよい。工程S5では、このように濃縮された不純物を含む処理剤の凝縮物を、閉鎖手段から取り除くため、閉鎖手段を新たな閉鎖手段に交換する。
1.5. Process S5
Step S5 is a step of replacing the closing means. In the above-described step S4, the impurities in the molten silicon react with the treatment agent to evaporate. Here, as described above, the evaporated treatment agent is preferably allowed to react with impurities in the molten silicon by being adhered to the closing means, condensed, and dropped again into the molten silicon. In step S4, such a cyclic reaction is repeated, so that impurities are concentrated over time in the treatment agent that has adhered to the closing means and condensed. At this time, the closing agent may be preferentially condensed to the predetermined portion by controlling the predetermined portion to a low temperature using, for example, cooling water. In step S5, in order to remove the condensate of the processing agent containing impurities thus concentrated from the closing means, the closing means is replaced with a new closing means.

工程S5において閉鎖手段を交換した後は、図1に矢印で示したように、再度、系内に処理剤を添加し(工程S3)、新たな閉鎖手段を用いて閉鎖系にて反応を行い(工程S4)、再び閉鎖手段を交換する(工程S5)。このように工程S3〜S5を繰り返した後、閉鎖手段を取り外し、工程S6に進む。工程S3〜S5の繰り返しについて、その繰り返しの回数は特に限定されるものではなく、添加した処理剤の量や処理時間を考慮しつつ、適宜決定すればよい。   After replacing the closing means in step S5, as indicated by the arrow in FIG. 1, the processing agent is added again to the system (step S3), and the reaction is performed in the closed system using the new closing means. (Step S4), the closing means is replaced again (Step S5). After repeating steps S3 to S5 in this way, the closing means is removed and the process proceeds to step S6. About repetition of process S3-S5, the frequency | count of the repetition is not specifically limited, What is necessary is just to determine suitably, considering the quantity and processing time of the added processing agent.

1.6.工程S6
工程S6は、工程S4の後、閉鎖手段を取り外す等したうえで、溶融シリコンに任意に処理剤を再度添加して押し込みつつ、溶融シリコンと処理剤とを開放系で反応させ、処理剤及び不純物を系外に除去する工程である。上記の通り溶融シリコンと処理剤との界面において生成した不純物を含む化合物、すなわちシリコン中の不純物と処理剤とを反応させた反応物は、蒸発するか又は一部は処理剤に溶け込み、処理剤とともに蒸発させて除去することができる。すなわち、反応系を開放系とすることで、処理剤とともに不純物を系外に容易に除去可能である。
1.6. Step S6
In step S6, after removing the closing means after step S4, the molten silicon and the processing agent are reacted in an open system while arbitrarily adding and pushing in the processing agent again to the molten silicon, and the processing agent and impurities. Is a step of removing the outside of the system. As described above, the compound containing impurities generated at the interface between the molten silicon and the treatment agent, that is, the reaction product obtained by reacting the impurities in the silicon with the treatment agent evaporates or partially dissolves in the treatment agent. And can be removed by evaporation. That is, by making the reaction system an open system, impurities can be easily removed out of the system together with the treatment agent.

工程S6に係る蒸発除去時の圧力(減圧度)は、大気圧であれば十分であるが、場合により10−4Pa程度まで減圧することが好ましい。また、蒸発除去時に、アルゴン等の不活性ガスをキャリアガスとして溶融シリコン中に吹き込むと、蒸発除去が促進されるので好ましい。また、工程S4と同様に、各種手段を用いて溶融シリコンを攪拌することが好ましい。 The pressure (decompression degree) at the time of evaporation removal in step S6 is sufficient if it is atmospheric pressure, but it is preferable to reduce the pressure to about 10 −4 Pa in some cases. In addition, it is preferable to blow an inert gas such as argon into the molten silicon at the time of evaporative removal because evaporative removal is promoted. Moreover, it is preferable to stir molten silicon using various means like process S4.

不純物を処理剤とともに蒸発除去した後に、必要に応じて、容器内を真空排気することにより残存する処理剤や溶融シリコン中に含まれるその他の不純物(リン等)を除去することも好ましい。   After evaporating and removing the impurities together with the treatment agent, it is also preferable to remove the remaining treatment agent and other impurities (phosphorus etc.) contained in the molten silicon by evacuating the inside of the container, if necessary.

溶融シリコンに含まれる不純物と処理剤との反応について、その作用等も含めさらに詳細に説明する。   The reaction between the impurities contained in the molten silicon and the treatment agent will be described in more detail including its action and the like.

(a)処理剤としてフッ化ナトリウム(NaF)を用いる場合
フッ化ナトリウム(NaF)の1500℃での比重は約1.8であり、シリコンの比重(約2.6)よりも軽い。そのため、系内では、下層であるシリコン液相と上層であるNaF液相との界面が構成される。
(A) When using sodium fluoride (NaF) as a treating agent The specific gravity of sodium fluoride (NaF) at 1500 ° C. is about 1.8, which is lighter than the specific gravity of silicon (about 2.6). Therefore, in the system, an interface between the lower silicon liquid phase and the upper NaF liquid phase is formed.

このような場合、界面を介して、次の反応が起こると考えられ、溶融シリコン中の不純物であるホウ素(B)は反応物として気相に蒸発し、一部は処理剤中に溶解して移動する。
4NaF+B=3Na+NaBF、又は、3NaF+B=3Na+BF
In such a case, it is considered that the following reaction occurs through the interface, and boron (B), which is an impurity in the molten silicon, evaporates as a reactant into the gas phase, and part of the boron is dissolved in the treatment agent. Moving.
4NaF + B = 3Na + NaBF 4 or 3NaF + B = 3Na + BF 3

また、溶融シリコン中の不純物であるアルミニウム(Al)についても、次の反応が起こると考えられる。ホウ素とは違い、生成物の蒸気圧は低いので、この場合は処理剤に溶解するが、処理剤を蒸発除去する時に一緒に除かれる。
Al+6NaF=NaAlF+3Na
Further, it is considered that the following reaction occurs with respect to aluminum (Al) which is an impurity in molten silicon. Unlike boron, the vapor pressure of the product is low, so in this case it dissolves in the treatment agent, but is removed together when the treatment agent is evaporated off.
Al + 6NaF = Na 3 AlF 6 + 3Na

一方で、NaF中のNaの一部が、溶融シリコン中に取り込まれるが、これについてはアルカリ除去処理によって容易に除去可能である。   On the other hand, a part of Na in NaF is taken into molten silicon, but this can be easily removed by alkali removal treatment.

NaBF及びBF等は、最初NaFに溶解すると思われるが、蒸気圧も高く、プロセス中に大部分は蒸発する。仮に、不純物がNaF中に溶解して残っていても、工程S6にて温度を上げるか、又は減圧状態で蒸発させることにより、NaFとともに不純物を一緒に蒸発除去することができる。 NaBF 4 and BF 3, etc., which are likely to first dissolved NaF, vapor pressure is high, the majority during the process evaporates. Even if the impurities remain dissolved in NaF, the impurities can be removed together with NaF by raising the temperature in step S6 or evaporating in a reduced pressure state.

アルミニウム(Al)やカルシウム(Ca)も同様のプロセスで、溶融シリコンから除去されることになる。アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)は、NaFと反応し、それぞれ、NaAlF、NaCaFを生成して処理剤に溶解し、処理剤を除去するプロセスにおいて除去される。 Aluminum (Al) and calcium (Ca) are also removed from the molten silicon in the same process. Aluminum (Al) and calcium (Ca) react with NaF to form Na 3 AlF 6 and NaCaF 5 respectively, dissolve in the treatment agent, and are removed in the process of removing the treatment agent.

尚、NaFとSiとが反応して、SiFが生成することも考えられ、気体のSiFが不純物と反応することも考えられるが、いずれにしても、不純物は蒸気圧の高いフッ化物として除去することができる。 NaF and Si may react to produce SiF 4 , and gaseous SiF 4 may react with impurities, but in any case, the impurities are fluorides with high vapor pressure. Can be removed.

(b)処理剤としてNaFとSiFの複合化合物(NaSiF)を用いる場合
処理剤としてNaFとSiFの複合化合物(NaSiF)を用いることもできる。この場合、NaSiFは液相になる前に一部分解が起こり、NaFとSiFになる。
(B) can also be used complex compounds NaF and SiF 4 as the treating agent complex compounds NaF and SiF 4 as if treatment agent used (Na 2 SiF 6) (Na 2 SiF 6). In this case, Na 2 SiF 6 partially decomposes before becoming a liquid phase, and becomes NaF and SiF 4 .

SiFはガスであるので、NaSiFを機械的に溶融シリコン中に押し込んでやると、ガスが融液中の不純物と反応して好都合である。また、NaFと液相シリコン(Si)との反応が抑制されるために、精製するシリコンの歩留まりが向上するという利点がある。 Since SiF 4 is a gas, it is convenient to push Na 2 SiF 6 mechanically into the molten silicon because the gas reacts with impurities in the melt. Further, since the reaction between NaF and liquid phase silicon (Si) is suppressed, there is an advantage that the yield of silicon to be purified is improved.

これらの反応は、通常0.5〜2気圧で行うことが好ましく、アルゴン等の不活性ガスでシールした大気圧が経済的に望ましい。大気圧でも、処理剤は殆ど蒸発させることができる。さらに、完全に除去する場合は、約1.3×10〜1.3×10-3Pa(1〜10−5Torr)の真空にして蒸発させることが好ましい。こうすることによって、融液はシリコンだけとなり、後述する工程S7にて、鋳型に鋳込むことによって容易に回収できるようになる。 These reactions are usually preferably carried out at 0.5 to 2 atmospheres, and atmospheric pressure sealed with an inert gas such as argon is economically desirable. Even at atmospheric pressure, the treatment agent can be almost evaporated. Furthermore, when removing completely, it is preferable to evaporate by making a vacuum of about 1.3 × 10 2 to 1.3 × 10 −3 Pa (1 to 10 −5 Torr). By doing so, the melt is only silicon, and can be easily recovered by casting into a mold in step S7 described later.

尚、工程S4〜S6において、系内に酸素が存在する場合、当該酸素と溶融シリコンとが反応して酸化物(特に、シリカ)が生成する。シリカは溶融シリコンと処理剤との界面に固体状で存在することとなり、処理剤と溶融シリコンとの接触界面を減少させてしまう場合がある。すなわち、シリカの生成によって、不純物と処理剤との反応が阻害され、不純物を効率よく除去できない虞がある。上記においては、当該酸化物を処理剤中に溶解させるものとして記載したが、下記のような工程を備えさせることで、シリカの生成を防いでも良い。   In Steps S4 to S6, when oxygen is present in the system, the oxygen and molten silicon react to generate an oxide (particularly silica). Silica exists in a solid state at the interface between the molten silicon and the treatment agent, and may reduce the contact interface between the treatment agent and the molten silicon. That is, the production of silica hinders the reaction between the impurities and the treating agent, and there is a possibility that the impurities cannot be removed efficiently. In the above description, the oxide is described as being dissolved in the treating agent. However, the formation of silica may be prevented by providing the following steps.

すなわち、系内に酸素を含まないガスを流通させることで、系内から系外へと酸素を除去する工程を有するとともに、不純物を含む溶融シリコンと処理剤とを系内で接触させ、該溶融シリコン中の不純物と処理剤とを反応させ、該不純物を系外に除去する工程を有する、シリコンの製造方法とすることにより、系内の酸素が除去されることとなる結果、シリカの生成を抑制することができる。   That is, it has a step of removing oxygen from the system to the outside by circulating a gas that does not contain oxygen in the system, and the molten silicon containing impurities and the treatment agent are brought into contact with each other in the system, and the molten By producing a silicon production method that includes a step of reacting impurities in the silicon with a treatment agent and removing the impurities out of the system, oxygen in the system is removed, resulting in generation of silica. Can be suppressed.

この場合、溶融シリコンの液相中に酸素を含まないガスを吹き込むことによって、系内に酸素を含まないガスを流通させてもよい。これによって、溶融シリコン中の酸素も系外へと追い出すことができ、シリカの生成を一層抑制することができる。   In this case, a gas containing no oxygen may be circulated in the system by blowing a gas containing no oxygen into the liquid phase of the molten silicon. As a result, oxygen in the molten silicon can also be driven out of the system, and generation of silica can be further suppressed.

酸素を含まないガスとしては、アルゴンガスが好ましい。   Argon gas is preferable as the gas not containing oxygen.

また、系内に酸素を含まないガスを流通させる場合、当該ガスをキャリアガスとして使用することもできる。すなわち、溶融シリコンから蒸発除去された不純物を、酸素を含まないガスをキャリアガスとして系外へ除去することができる。これにより、酸素の除去と不純物の除去とを同時に行うことが可能である。   In addition, when a gas containing no oxygen is circulated in the system, the gas can be used as a carrier gas. That is, impurities removed by evaporation from molten silicon can be removed out of the system using a gas that does not contain oxygen as a carrier gas. Thereby, oxygen removal and impurity removal can be performed simultaneously.

一方、大規模でシリコンの製造を行いたい場合、系内を完全に不活性ガス雰囲気とすることは難しい場合がある。この観点から、大気雰囲気でシリコンの製造を行うことができれば、効率的にシリコンを製造することができるものと考えられる。また、大気雰囲気で製造することができれば製造コストを抑えることもできる。しかしながら、上述したように、大気雰囲気では、酸素とシリコンとが反応することによってシリカが生成し、反応界面が減少してしまうという問題がある。この問題は、例えば、下記のようなシリコンの製造方法とすることにより解決できる。   On the other hand, when it is desired to manufacture silicon on a large scale, it may be difficult to make the system completely in an inert gas atmosphere. From this point of view, if silicon can be manufactured in an air atmosphere, it is considered that silicon can be efficiently manufactured. Moreover, if it can manufacture in an air atmosphere, manufacturing cost can also be suppressed. However, as described above, in the air atmosphere, there is a problem that silica is generated by the reaction between oxygen and silicon, and the reaction interface decreases. This problem can be solved by, for example, the following silicon manufacturing method.

すなわち、不純物を含む溶融シリコンと処理剤とを、酸素を含む系内で接触させ、該溶融シリコン中の不純物と処理剤とを反応させ、該不純物を系外に除去する工程を有するとともに、処理剤を、溶融シリコンの液面部分及び/又は内部であって、酸素と反応することによって生成した酸化物の存在しない部分に供給し、さらに処理剤を溶融シリコンの液面よりも下方に押し込む、シリコンの製造方法とすることによって、溶融シリコンと処理剤とを適切に接触させることが可能となる。   That is, the process includes a step of bringing molten silicon containing impurities into contact with a treatment agent in a system containing oxygen, causing the impurities in the molten silicon to react with the treatment agent, and removing the impurities out of the system. An agent is supplied to the liquid surface portion and / or the inside of the molten silicon where the oxide generated by reacting with oxygen does not exist, and the processing agent is pushed below the liquid surface of the molten silicon. By using the silicon manufacturing method, it is possible to appropriately bring the molten silicon into contact with the treatment agent.

この場合は、例えば、溶融シリコンの液面に生成した酸化物を移動させることによって、溶融シリコンの液面部分及び/又は内部に、酸化物の存在しない部分を作り出すとよい。   In this case, for example, a portion where no oxide is present may be created in the liquid surface portion and / or inside of the molten silicon by moving the generated oxide to the liquid surface of the molten silicon.

酸化物の移動については、機械や道具を使用して移動させる形態の他、誘導加熱によって溶融シリコンを誘導攪拌し、流れを誘起することで酸化物を一定の方向に移動させる形態、或いは、プラズマ処理等によって酸化物を移動或いは除去する形態であってもよい。   As for the movement of oxide, in addition to the form of moving using machines and tools, the form of moving the oxide in a certain direction by inducing and stirring the molten silicon by induction heating and inducing flow, or plasma It may be a form in which the oxide is moved or removed by treatment or the like.

或いは、溶融シリコンの酸化物の存在する箇所に処理剤を添加したとしても、当該処理剤を溶融シリコンの液面よりも下方に押し込むことにより、溶融シリコンの内部における酸化物の存在しない部分に処理剤を供給することができる。   Alternatively, even if a treatment agent is added to the location where the oxide of the molten silicon exists, the treatment agent is pushed into a portion below the liquid level of the molten silicon to treat the portion of the molten silicon where no oxide exists. An agent can be supplied.

1.7.工程S7
工程S7は、系内の溶融シリコンを凝固させる工程である。溶融シリコンの凝固については、溶融シリコンを鋳型に鋳込む等、溶融シリコンを冷却することにより行えばよい。溶融シリコンを凝固させることにより、不純物が除去された高純度のシリコンインゴットを得ることができる。また、溶融シリコンを凝固させる際に、いわゆる一方向凝固を行って、残存する不純物を偏析によって除去することにより、さらに高純度のシリコンを得ることも可能である。
1.7. Step S7
Step S7 is a step of solidifying molten silicon in the system. The solidification of the molten silicon may be performed by cooling the molten silicon, such as casting the molten silicon into a mold. By solidifying the molten silicon, a high-purity silicon ingot from which impurities are removed can be obtained. Further, when the molten silicon is solidified, so-called unidirectional solidification is performed, and remaining impurities are removed by segregation, whereby higher purity silicon can be obtained.

上記方法により、不純物を除去した後、さらに、アルカリ金属の除去を行うことにより、より高純度のシリコンとすることができる。アルカリ金属の除去は、それ自体既知の通常用いられる方法により行うことができる。例えば、真空処理、一方向凝固等のプロセスで容易に除去される。   After removing the impurities by the above method, the alkali metal can be further removed to obtain higher-purity silicon. The alkali metal can be removed by a commonly used method known per se. For example, it is easily removed by processes such as vacuum processing and unidirectional solidification.

このように、製造方法S100においては、上記工程S1〜S7によって、溶融シリコン中の不純物を除去する。そして、不純物の除去を終了後、処理剤を蒸発除去するとよい。また、さらに、純度を上げたい場合は、処理剤の蒸発除去の後、新たに処理剤を添加し、再度工程S3〜S6を繰り返すとよい。   Thus, in the manufacturing method S100, impurities in the molten silicon are removed by the steps S1 to S7. Then, after the removal of impurities is completed, the treatment agent may be removed by evaporation. Further, when it is desired to increase the purity, after removing the treatment agent by evaporation, a treatment agent is newly added, and the steps S3 to S6 are repeated again.

また、製造方法S100においては、高純度処理剤と低純度処理剤とを使い分けてもよい。例えば、溶融シリコン中の不純物濃度が高い場合は低純度処理剤を用いて不純物をある程度除去し、その後、溶融シリコン中の不純物濃度の低くなった後(例えば、精製時間全体の8割以上が経過した際、或いは、溶融シリコン中のホウ素濃度が質量基準で1ppm以下となった際)は、一度系内の処理剤を除去した後、系外から新たな処理剤(未使用の処理剤或いは回収し再生した高純度処理剤)を投入し、溶融シリコンの液面よりも下方に押し込んだうえで、引き続き工程S4〜S6を行ってもよい。   Moreover, in manufacturing method S100, you may use a high purity processing agent and a low purity processing agent properly. For example, when the impurity concentration in the molten silicon is high, the impurities are removed to some extent using a low-purity treatment agent, and then the impurity concentration in the molten silicon is lowered (for example, 80% or more of the entire purification time has elapsed). Or when the boron concentration in the molten silicon becomes 1 ppm or less on the basis of mass), once the processing agent in the system is removed, a new processing agent (unused processing agent or recovered from outside the system) is removed. Then, the regenerated high-purity processing agent) is charged and pushed below the liquid level of the molten silicon, and then steps S4 to S6 may be performed.

製造方法S100においては、蒸発した処理剤を回収することで、次回以降のシリコン精製の際、再び処理剤として用いることもできる。この際、精製によって処理剤に含まれる不純物を除去し、処理剤を再生することが好ましい。図2を参照しつつ、処理剤を回収する工程(工程S8)、処理剤を再生する工程(工程S9)について説明する。   In the manufacturing method S100, the evaporated processing agent can be recovered and used again as the processing agent in the next and subsequent silicon purification. At this time, it is preferable to regenerate the treatment agent by removing impurities contained in the treatment agent by purification. With reference to FIG. 2, the process of recovering the processing agent (process S8) and the process of regenerating the processing agent (process S9) will be described.

1.8.工程S8
工程S8は、系内から処理剤を回収する工程である。例えば、上記の工程S5又は工程S6において、処理剤を回収することができる。
1.8. Step S8
Step S8 is a step of recovering the processing agent from the system. For example, in the above step S5 or step S6, the treatment agent can be recovered.

工程S5を経た閉鎖手段には、濃縮された不純物を含む処理剤が付着して凝縮しており、この凝縮物をかきとることで、処理剤を回収することができる。   A processing agent containing concentrated impurities adheres and condenses on the closing means that has undergone step S5, and the processing agent can be recovered by scraping the condensate.

また、工程S6の際、系外において、処理剤(気体状、液状、或いは粉体状)を回収することもできる。例えば、処理剤を含むヒュームを系内から系外へと吸引して集塵することで、処理剤を回収することができる。この際、吸引口にて処理剤を不要に凝固させることなく吸引することができ、且つ、流通経路における処理剤の詰まりを防止できる観点から、吸引口や流通経路を処理剤の融点よりも高温となるように設定しておくことが好ましい。また、ヒュームをキャリアガスとともに吸引する場合においては、流通経路における風速(m・s−1)を5以上30以下とすることが好ましい。これによっても、流通経路における処理剤の付着を抑制することができ、流通経路の詰まりを防止することができる。また、吸引の際は、吸引口を処理剤や溶融シリコンの液面近傍に設置するとよい。これにより、吸引口における温度を容易に処理剤の融点以上の温度とすることができるとともに、蒸発した処理剤を効率よく吸引することができる。 In addition, at the time of step S6, the processing agent (gaseous, liquid, or powder) can be recovered outside the system. For example, the processing agent can be collected by sucking and collecting the fumes containing the processing agent from the inside of the system to the outside of the system. At this time, the suction port and the distribution path are at a temperature higher than the melting point of the treatment agent from the viewpoint of being able to suck the treatment agent without unnecessary solidification at the suction port and preventing clogging of the treatment agent in the distribution path. It is preferable to set so that. Further, when the fumes are sucked together with the carrier gas, it is preferable that the wind speed (m · s −1 ) in the distribution channel is 5 or more and 30 or less. Also by this, adhesion of the processing agent in the distribution channel can be suppressed, and clogging of the distribution channel can be prevented. In suctioning, a suction port may be installed in the vicinity of the liquid surface of the processing agent or molten silicon. Accordingly, the temperature at the suction port can be easily set to a temperature equal to or higher than the melting point of the processing agent, and the evaporated processing agent can be efficiently sucked.

例えば、ヒュームを、サイクロン又はバグフィルターによって凝縮させ、凝縮物として回収することができる。或いは、ヒュームを湿式捕集によって溶媒中に捕集してスラリーとし、該スラリーを乾燥することで塊状の凝縮物として回収することもできる。この場合、溶媒としては水が好適に用いられる。尚、湿式捕集を経て塊状の凝集物として回収することで、以下の効果も奏する。すなわち、塊状の凝集物は、後述する工程S9において、粉体よりも容易に溶融・精製することができる。これは、塊状となることで空隙が減少し、密度が大きくなる結果、熱伝導率が高くなり、内部にまで容易に熱を伝導させることができるためと考えられる。これにより凝集物を容易に溶融させることができ、内部に存在する不純物を効率的に除去、精製することができる。   For example, the fumes can be condensed by a cyclone or bag filter and recovered as a condensate. Alternatively, the fumes can be collected in a solvent by wet collection to form a slurry, and the slurry can be recovered as a massive condensate by drying. In this case, water is preferably used as the solvent. In addition, the following effects are also show | played by collect | recovering as a blocky aggregate through wet collection. That is, the massive aggregate can be melted and purified more easily than the powder in step S9 described later. This is considered to be because the voids are reduced and the density is increased by becoming a lump, resulting in an increase in thermal conductivity, and heat can be easily conducted to the inside. Thereby, the aggregate can be easily melted, and impurities existing inside can be efficiently removed and purified.

1.9.工程S9
工程S9は、工程S8にて回収した処理剤を再生する工程である。工程S9においては、処理剤を精製することにより再生することができる。例えば、処理剤を加熱することによって、処理剤に含まれる不純物を除去することができ、処理剤を再生することができる。処理剤を再生する際の加熱温度は、例えば400〜1700℃程度、好ましくは600〜1600℃とすることができる。
1.9. Step S9
Step S9 is a step of regenerating the treatment agent collected in step S8. In step S9, it can be regenerated by purifying the treatment agent. For example, by heating the treatment agent, impurities contained in the treatment agent can be removed, and the treatment agent can be regenerated. The heating temperature at the time of regenerating the treatment agent is, for example, about 400 to 1700 ° C., preferably 600 to 1600 ° C.

尚、処理剤を加熱して焼結させることにより、或いは、処理剤を加熱溶融させた後で冷却固化させることにより、上記した塊状の処理剤を得ることができる。すなわち、すなわち、処理剤を加熱することにより、中に含まれる不純物を除去するとともに、シリコンの製造に好適に用いることが可能な塊状の処理剤を容易に得ることができる。   In addition, the above-described massive treatment agent can be obtained by heating and sintering the treatment agent, or by cooling and solidifying the treatment agent after heating and melting. That is, by heating the treatment agent, impurities contained therein can be removed, and a massive treatment agent that can be suitably used for silicon production can be easily obtained.

再生した処理剤は、工程S3における処理剤として、或いは、工程S6において任意に供給される処理剤として用いることが可能である。   The regenerated treatment agent can be used as the treatment agent in step S3 or as a treatment agent arbitrarily supplied in step S6.

このように、製造方法S100は、系内の溶融シリコンの液面よりも下方に処理剤を押し込む、押込工程(工程S1〜S3)と、溶融シリコン中の不純物と処理剤とを反応させ、不純物を系外に除去する、除去工程(工程S4〜S6)とを有するものとしたことにより、溶融シリコンに接触することなく蒸発してしまう処理剤を低減させることができ、処理剤を無駄なく反応に寄与させることができる。   As described above, the manufacturing method S100 reacts the intrusion step (steps S1 to S3) in which the processing agent is pressed below the liquid level of the molten silicon in the system, the impurities in the molten silicon and the processing agent, It is possible to reduce the processing agent that evaporates without contacting the molten silicon, and to react the processing agent without waste. Can contribute.

尚、上記シリコンの製造方法S100においては、処理剤の添加(工程S3)の後、まず、閉鎖系にて反応を行い(工程S4)、その後、開放系にて反応を行う(工程S5)ものとして説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。処理剤を添加した直後に開放系で反応を行ってもよい。或いは、処理剤を添加しながら、開放系で反応を行うことも可能である。本発明では、処理剤を溶融シリコンの液面よりも下方に押し込むものとしているため、溶融シリコンに接触することなく蒸発してしまう処理剤を低減させることができ、閉鎖系にて反応を行わずとも、溶融シリコンから不純物を効率的に除去することができる。ただし、反応系内で処理剤を循環させ、或いは、処理剤を凝縮させることによって、処理剤を無駄なく反応に寄与させることができ、或いは、処理剤を適切に回収することができ、処理剤のロスを一層抑えることができる観点から、閉鎖系にて反応を行った後、開放系にて処理剤及び不純物の蒸発除去を行うことが好ましい。   In the silicon production method S100, after the treatment agent is added (step S3), the reaction is first performed in a closed system (step S4), and then the reaction is performed in an open system (step S5). However, the present invention is not limited to the embodiment. You may react by an open system immediately after adding a processing agent. Or it is also possible to react by an open system, adding a processing agent. In the present invention, since the processing agent is pushed below the liquid level of the molten silicon, the processing agent that evaporates without contacting the molten silicon can be reduced, and the reaction is not performed in a closed system. In both cases, impurities can be efficiently removed from the molten silicon. However, the treatment agent can be contributed to the reaction without waste by circulating the treatment agent in the reaction system or condensing the treatment agent, or the treatment agent can be recovered appropriately, and the treatment agent can be recovered. From the viewpoint of further reducing the loss, it is preferable to carry out the reaction in a closed system and then evaporate and remove the processing agent and impurities in an open system.

また、上記説明においては、工程S4において、反応系を閉鎖系とし溶融シリコン中の不純物と処理剤とを反応させ、閉鎖手段において蒸発物を凝縮させた後、工程S5において、閉鎖手段を新たな閉鎖手段に交換し、工程S3〜工程S5を繰り返すものとして説明したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。工程S5において、閉鎖手段を新たな閉鎖手段に交換し、新たな処理剤を追加することなく、工程S4〜工程S5を繰り返すものとしてもよいし、工程S5を行わず、閉鎖手段を取り外す等して、工程S4からそのまま工程S6を行うことも可能である。また、工程S4からそのまま工程S6を行う際、工程S3を同時に行ってもよい。すなわち、溶融シリコンの液面よりも下方から処理剤を連続的に導入しながら(工程S3)、閉鎖系における反応(工程S4)と開放系における反応(工程S6)とを行ってもよい。   Further, in the above description, in step S4, the reaction system is a closed system, the impurities in the molten silicon react with the treatment agent, the evaporated substance is condensed in the closing means, and in step S5, the closing means is renewed. Although it replaced with the closure means and demonstrated as what repeats process S3-process S5, this invention is not limited to the said form. In step S5, the closing means may be replaced with a new closing means, and steps S4 to S5 may be repeated without adding a new processing agent, or the closing means may be removed without performing step S5. Thus, the step S6 can be performed as it is from the step S4. Moreover, when performing process S6 as it is from process S4, you may perform process S3 simultaneously. That is, the reaction in the closed system (step S4) and the reaction in the open system (step S6) may be performed while continuously introducing the treatment agent from below the liquid level of the molten silicon (step S3).

2.シリコンの製造装置
本発明に係るシリコンの製造方法を実施可能な製造装置について説明する。本発明に係るシリコンの製造装置は、不純物を含む溶融シリコンと処理剤とを系内で接触させ、該溶融シリコン中の不純物と処理剤とを反応させ、該不純物を系外に除去する、シリコンの製造装置であって、系内に下記(1)〜(5)が備えられていることに特徴を有する。
(1)底部と側部と上部開口部とを有し、不純物を含む溶融シリコンが充填される容器
(2)溶融シリコンの液面よりも下方に処理剤を押し込む押込手段
(3)不純物を含む溶融シリコンと処理剤とを加熱する加熱手段
(4)反応系を閉鎖系とするため容器を閉鎖する閉鎖手段
(5)反応系を開放系とする際に用いる、溶融シリコン及び処理剤からの蒸発物を系外に除去する、除去手段
2. Silicon Manufacturing Apparatus A manufacturing apparatus capable of performing the silicon manufacturing method according to the present invention will be described. An apparatus for producing silicon according to the present invention is a method of bringing molten silicon containing impurities into contact with a processing agent in the system, reacting the impurities in the molten silicon with the processing agent, and removing the impurities out of the system. This manufacturing apparatus is characterized in that the following (1) to (5) are provided in the system.
(1) A container having a bottom, a side, and an upper opening and filled with molten silicon containing impurities (2) Pushing means for pushing the treatment agent below the liquid level of molten silicon (3) Contains impurities Heating means for heating the molten silicon and the processing agent (4) Closing means for closing the container in order to make the reaction system a closed system (5) Evaporation from the molten silicon and the processing agent used when making the reaction system an open system Removal means to remove objects out of the system

例えば、チャンバー等の筐体内に上記容器、加熱手段、冷却手段を設置することで、当該筐体内を「系内」、筐体外を「系外」とすることができる。そして筐体の一部に除去手段としての排出口を設けることで、溶融シリコンの精製時、系内から排出口を介して系外へと不純物を蒸発除去することができる。   For example, by installing the container, the heating means, and the cooling means in a housing such as a chamber, the inside of the housing can be made “inside the system” and the outside of the housing can be made “outside the system”. By providing a discharge port as a removing means in a part of the casing, impurities can be evaporated and removed from the system to the outside through the discharge port during the purification of the molten silicon.

2.1.容器
容器は、溶融シリコンと処理剤とが充填されるものであり、容器内で上記溶融シリコンと処理剤との界面が形成されることで、溶融シリコン中の不純物と処理剤とを反応させることができる。そして、不純物は、気相に蒸発し、或いは、処理剤中に溶解することによって、溶融シリコンから上部開口部及び排出手段を介して系外へと除去される。容器の材質については、本発明に係るシリコンの製造方法を実施可能なものであれば特に限定されるものではないが、グラファイト或いはシリコンカーバイドからなる容器を用いることが好ましい。容器の形状、大きさについては、精製プロセスの規模(加熱手段の規模)に応じて適宜決定すればよい。
2.1. Container The container is filled with molten silicon and a processing agent, and the interface between the molten silicon and the processing agent is formed in the container to react the impurities in the molten silicon with the processing agent. Can do. The impurities are removed from the molten silicon out of the system through the upper opening and the discharging means by evaporating into the gas phase or dissolving in the processing agent. The material of the container is not particularly limited as long as the method for producing silicon according to the present invention can be performed, but it is preferable to use a container made of graphite or silicon carbide. The shape and size of the container may be appropriately determined according to the scale of the purification process (scale of the heating means).

2.2.押込手段
押込手段は、溶融シリコンの液面よりも下方に処理剤を押し込む手段である。例えば、図3(A)に示すような押込手段15や図3(B)に示すような押込手段16を挙げることができる。
2.2. Pushing means The pushing means is means for pushing the treatment agent below the liquid level of the molten silicon. For example, the pushing means 15 as shown in FIG. 3A and the pushing means 16 as shown in FIG.

図3(A)に、溶融シリコンの液面にある処理剤を液面よりも下方へと押し込むことが可能な押込手段15を概略的に示す。図3(A)に示すように、押込手段15は、液面にある処理剤を捕捉可能な器部15aと当該器部15aが先端に固定された棒状部15bとを有しており、器部15aには孔15cが設けられている。当該孔15cは複数設けられていてもよい。このような押込手段15によれば、溶融シリコンの液面にある処理剤を器部15aにて捕捉しつつ、棒状部15bを押し込むことで、処理剤を溶融シリコンの液面よりも下方に押し込むことができる。このとき、器部15aには、処理剤とともにガスや溶融シリコンが捕捉されるが、当該ガスや液状の溶融シリコンは器部15aに設けられた孔15cから上方に抜け出る。また、当該孔15cから、処理剤を溶出或いは噴出させることも可能である。押込手段15において、器部15aの内径は、容器の内径に合わせて設計したものであればよい。例えば、器部15aの内径を1000mm程度とすることができる。孔15cの径は、例えば、詰まりを防止する観点から2mm以上とすることが好ましい。   FIG. 3 (A) schematically shows a pushing means 15 capable of pushing the treatment agent on the liquid level of the molten silicon downward from the liquid level. As shown in FIG. 3 (A), the pushing means 15 has a container part 15a capable of capturing the processing agent on the liquid surface and a rod-like part 15b having the container part 15a fixed to the tip. The part 15a is provided with a hole 15c. A plurality of the holes 15c may be provided. According to such pushing means 15, the treatment agent is pushed downward from the molten silicon liquid level by pushing the rod-like portion 15b while capturing the treatment agent at the molten silicon liquid level by the vessel 15a. be able to. At this time, gas and molten silicon are trapped in the vessel part 15a together with the treatment agent, but the gas and liquid molten silicon escape upward from the holes 15c provided in the vessel part 15a. Further, it is possible to elute or eject the treatment agent from the hole 15c. In the pushing means 15, the inner diameter of the vessel portion 15a may be designed according to the inner diameter of the container. For example, the inner diameter of the vessel portion 15a can be about 1000 mm. The diameter of the hole 15c is preferably 2 mm or more from the viewpoint of preventing clogging, for example.

図3(B)に示した形態では、棒状体である押込手段16の先端に、塊状の処理剤2が固定されている。このような形態であっても、棒状体16を系内へと挿入して、溶融シリコンの液面よりも下方に塊状の処理剤2を押し込むことができる。   In the form shown in FIG. 3 (B), the massive treatment agent 2 is fixed to the tip of the pushing means 16 that is a rod-like body. Even if it is such a form, the rod-shaped body 16 can be inserted in the system, and the block-shaped processing agent 2 can be pushed down below the liquid level of molten silicon.

このように、押込手段は、処理剤を溶融シリコンに添加した後に液面の処理剤を液面下方へと押し込む形態(図3(A))、処理剤を溶融シリコンに接触させるとともに液面下方へと押し込む形態(図3(B))のいずれであってもよい。また、これら以外にも、例えば溶融シリコンが充填された容器の側面から処理剤を押し込むことによっても、処理剤を溶融シリコンの液面よりも下方に押し込むことができる。尚、押込手段の材質は特に限定されるものではないが、例えば、上記の容器と同様の材質とすることができる。押込手段の大きさは、シリコンの製造装置の規模に合わせて適宜決定できる。   In this way, the pushing means is configured to push the treatment agent on the liquid level downwardly after adding the treatment agent to the molten silicon (FIG. 3A), bringing the treatment agent into contact with the molten silicon and lowering the liquid surface. Any of the forms to be pushed into (FIG. 3B) may be used. In addition to these, for example, the treatment agent can be pushed downward from the liquid surface of the molten silicon by pushing the treatment agent from the side surface of the container filled with molten silicon. In addition, although the material of the pushing means is not specifically limited, For example, it can be set as the material similar to said container. The size of the pushing means can be appropriately determined according to the scale of the silicon manufacturing apparatus.

2.3.加熱手段
加熱手段は、容器内に充填された溶融シリコンと処理剤とを加熱可能なものであれば特に限定されるものではない。特に、誘導加熱炉を用いると、容器内の溶融シリコン及び処理剤が誘導攪拌され、反応を促進させることができ好ましい。
2.3. Heating means The heating means is not particularly limited as long as it can heat the molten silicon filled in the container and the treatment agent. In particular, it is preferable to use an induction heating furnace because the molten silicon and the processing agent in the container are induction-stirred to promote the reaction.

2.4.閉鎖手段
閉鎖手段は、容器の上部開口部の上方に設けられ、反応系を閉鎖系とし、溶融シリコン及び処理剤からの揮発物を凝縮させるものであれば、特に限定されるものではなく、凝縮物を容器の上部開口部から溶融シリコンへと落下可能なものが好適に用いられる。例えば、系内の上下方向に延在する側壁を有するとともに、下部が開口部とされ上部が閉鎖部とされた蓋部材とすることができる。このような蓋部材の内部(中空部)においては、温度分布が存在し、容器側から離れるにしたがって温度が低下する。すなわち、蒸発した処理剤は、蓋部材の内部を上昇するにつれて冷却され、いずれは凝縮することとなる。凝縮した処理剤は、密度が増加し、蓋部材の内部から容器の上部開口部へと自然落下する。尚、蒸発した処理剤は、蓋部材の中空の空間部で冷却・凝縮されてもよく、蓋部材の内部壁に付着して凝縮されてもよい。内部壁に付着した凝縮物であっても、壁面から剥がれ落ちることで、或いは、壁面から流れ落ちることで、容器の上部開口部へと自然落下可能である。この際は、蓋部材に振動を加えられるような手段を設けると、処理剤の落下が促され好ましい。或いは、上記の工程S5にて説明したように、付着した凝縮物を落下させることなく、回収してもよい。
2.4. Closing means The closing means is not particularly limited as long as it is provided above the upper opening of the container, and the reaction system is a closed system and condenses the volatiles from the molten silicon and the processing agent. What can drop an object from the upper opening part of a container to molten silicon is used suitably. For example, a lid member having a side wall extending in the vertical direction in the system and having an opening at the lower part and a closing part at the upper part can be provided. In the inside (hollow part) of such a lid member, a temperature distribution exists, and the temperature decreases as the distance from the container side increases. That is, the evaporated processing agent is cooled as it rises inside the lid member, and eventually condenses. The condensed treatment agent increases in density and spontaneously falls from the inside of the lid member to the upper opening of the container. The evaporated treatment agent may be cooled and condensed in the hollow space of the lid member, or may be condensed by adhering to the inner wall of the lid member. Even condensate adhering to the inner wall can be naturally dropped into the upper opening of the container by peeling off from the wall surface or flowing down from the wall surface. In this case, it is preferable to provide a means for applying vibration to the lid member because the treatment agent can be dropped. Or you may collect | recover, without dropping the adhering condensate, as demonstrated in said process S5.

蓋部材の形状や大きさは特に限定されるものではない。例えば、上記容器の上部開口部と同程度の大きさの開口を有し、容器から上方に延びる側壁を有する蓋部材とすることができる。蓋部材の材質についても系内の温度に耐え得るものであって、蒸発した処理剤との反応を生じ難いものであれば特に限定されるものではない。例えば、上記容器と同様の材質のものとすることができる。また、筒状体の周囲に温度制御のためにセラミック等の断熱材をつけてもよい。さらに、蓋部材の上部閉鎖部については、ガスだけを逃がすような構造としてもよい。例えば、カーボンフェルト等のフィルターによって、閉鎖部を形成してもよい。   The shape and size of the lid member are not particularly limited. For example, a lid member having an opening of the same size as the upper opening of the container and having a side wall extending upward from the container can be used. The material of the lid member is not particularly limited as long as it can withstand the temperature in the system and does not easily react with the evaporated treatment agent. For example, it can be made of the same material as the container. Moreover, you may attach heat insulating materials, such as a ceramic, for temperature control around a cylindrical body. Further, the upper closing portion of the lid member may have a structure that allows only gas to escape. For example, the closed portion may be formed by a filter such as carbon felt.

また、蓋部材の内部には、仕切り部材が設けられていてもよい。仕切り部材によって、蓋部材内部の表面積を増大させることができる。仕切り部材の形状や材質については特に限定されるものではない。   A partition member may be provided inside the lid member. The surface area inside the lid member can be increased by the partition member. The shape and material of the partition member are not particularly limited.

一方、閉鎖手段は、系内の上下方向とは交差する方向に延在する板状体であってもよい。このような形態であっても、板状体の容器側表面近傍にて、蒸発した処理剤を凝縮させることができる。特に、水冷定盤とするとよい。蒸発した処理剤をより適切に凝縮させることができるからである。板状体の材質については、上記蓋部材と同様のものとすればよい。また、板状体の形状、大きさについては、容器の大きさを考慮して適宜決定すればよい。尚、板状体とする場合も、板状体と容器との間や、板状体の一部に、気体の逃げ道として間隙や孔を設けておいてもよい。板状体の設置位置は、容器の上部開口部の上方であればよい。特に、系内において処理剤の蒸気で満たされている位置に設けることが好ましい。   On the other hand, the closing means may be a plate-like body extending in a direction intersecting with the vertical direction in the system. Even if it is such a form, the processing agent which evaporated can be condensed in the container side surface vicinity of a plate-shaped object. In particular, a water-cooled surface plate is preferable. This is because the evaporated treatment agent can be more appropriately condensed. About the material of a plate-shaped body, what is necessary is just to make it the same as the said cover member. Further, the shape and size of the plate-like body may be appropriately determined in consideration of the size of the container. In the case of a plate-like body, a gap or a hole may be provided as a gas escape path between the plate-like body and the container or part of the plate-like body. The installation position of a plate-shaped body should just be above the upper opening part of a container. In particular, it is preferable to provide at a position filled with the vapor of the processing agent in the system.

閉鎖手段においては、蒸発した処理剤が融点以下に凝縮されれば、処理剤を落下させるという効果を期待できる。特に、閉鎖手段は、蒸発した処理剤を凝固点以下にまで冷却する手段であることが好ましい。したがって、不要な温度上昇を避けるべく、閉鎖手段は加熱手段よりも外側(上方)に設けられることが好ましい。例えば、加熱炉を誘導炉とした場合、コイルよりも上方に延びる側壁を有する蓋部材、或いは、コイルよりも上方に設けられた板状体とすることが好ましい。   In the closing means, if the evaporated processing agent is condensed below the melting point, the effect of dropping the processing agent can be expected. In particular, the closing means is preferably a means for cooling the evaporated treatment agent to below the freezing point. Therefore, it is preferable that the closing means is provided outside (above) the heating means in order to avoid an unnecessary temperature rise. For example, when the heating furnace is an induction furnace, it is preferable to use a lid member having a side wall extending upward from the coil, or a plate-like body provided above the coil.

閉鎖手段の溶融シリコン側となる表面については、酸化物又は窒化物、例えば、シリカ又は窒化シリコンをコーティングすることが好ましい。高純度のシリカや窒化シリコンの粒子をコーティングしてもよい。このようにコーティングすることにより、処理剤の固着を容易に防止することができ、処理剤の自然落下が促されるほか、処理剤の回収も容易となる。   The surface on the molten silicon side of the closing means is preferably coated with an oxide or nitride, for example silica or silicon nitride. High purity silica or silicon nitride particles may be coated. By coating in this manner, the treatment agent can be easily prevented from sticking, and the treatment agent can be spontaneously dropped, and the treatment agent can be easily recovered.

2.5.除去手段
除去手段は、反応系を開放系とした際、溶融シリコンからの蒸発物を系外へ排出・除去する手段である。除去手段としては、系内と系外とを連通するように設けられた排出口を例示することができる。上記したように、排出口は、チャンバー等の筐体の一部に設けることができる。特に、筐体の上部に設けることが好ましい。
2.5. Removal means The removal means is means for discharging / removing the evaporated substance from the molten silicon out of the system when the reaction system is an open system. An example of the removing means is a discharge port provided so as to communicate the inside and outside of the system. As described above, the discharge port can be provided in a part of a housing such as a chamber. In particular, it is preferably provided on the top of the housing.

尚、本発明に係るシリコンの製造装置において、除去手段には、さらに、溶融シリコン液面からの揮発物(蒸発物)を吸引する吸引手段が備えられていてもよい。吸引手段は、吸引口が溶融シリコンの液面上部であって、液面の近傍に設けられたものであることが好ましい。これにより、溶融シリコン液面からの蒸発物を効率的に除去することができる。吸引口における風速等については、上述した通りである。   In the silicon manufacturing apparatus according to the present invention, the removing means may further include a suction means for sucking volatile matter (evaporated material) from the molten silicon liquid surface. The suction means preferably has a suction port provided above the liquid level of the molten silicon and in the vicinity of the liquid level. Thereby, the evaporated substance from the molten silicon liquid surface can be efficiently removed. The wind speed and the like at the suction port are as described above.

また、本発明に係るシリコンの製造装置には、さらに、溶融シリコン液面からの揮発物(蒸発物)を回収するための回収手段が備えられていてもよい。回収手段は製造装置の系外に備えられていることが好ましい。例えば、シリコンの精製が完了した後、処理剤を蒸発除去する場合、回収手段によって、蒸発除去した処理剤を系外にて回収しておけば、次回のシリコン精製時に再び処理剤として再利用することができる。回収手段の具体例としては、サイクロン、バグフィルター又は湿式捕集手段のいずれかが好ましい。特に湿式捕集手段が好ましい。   Moreover, the silicon manufacturing apparatus according to the present invention may further include a recovery means for recovering volatile matter (evaporated matter) from the molten silicon liquid surface. The recovery means is preferably provided outside the system of the manufacturing apparatus. For example, when the treatment agent is removed by evaporation after the purification of silicon is completed, if the treatment agent removed by evaporation is recovered outside the system by the recovery means, it is reused as the treatment agent again at the next silicon purification. be able to. As a specific example of the recovery means, either a cyclone, a bag filter or a wet collection means is preferable. In particular, wet collecting means is preferred.

反応系を開放系とする場合は、閉鎖手段を機能させないようにする(例えば、蓋部材や板状体と容器との間に隙間を開ける、或いは、蓋部材や板状体を系内から系外へと取り外す等)。これにより、反応系を開放系とすることができ、溶融シリコン液面からの蒸発物を除去手段によりスムーズに蒸発除去させることができる。   When the reaction system is an open system, do not allow the closing means to function (for example, open a gap between the lid member or plate-like body and the container, or remove the lid member or plate-like body from the system. Etc.) Thereby, the reaction system can be an open system, and the evaporated material from the molten silicon liquid surface can be smoothly removed by evaporation by the removing means.

本発明に係るシリコンの製造装置の具体例を、上記以外のその他構成等も含めさらに詳細に説明する。   Specific examples of the silicon manufacturing apparatus according to the present invention will be described in more detail, including other configurations other than those described above.

2.6.1.シリコンの製造装置100
図4に、一実施形態に係る本発明のシリコンの製造装置100を概略的に示す。この装置100は、密閉可能なチャンバー、或いはアルゴン等の不活性ガスでシールできる筐体7、その内部に配置したグラファイト等の容器(るつぼ)3、誘導加熱用のコイル4、断熱材8、るつぼ3を支持する支持台10、及びシリコンを鋳込むための鋳型9などから成り、原料の金属シリコン1はるつぼ3の中に充填されている。また、処理剤2は系内に設けられた押込手段15により溶融シリコン1の液面よりも下方に押し込まれることとなる。さらに、反応系を閉鎖系とする場合には、るつぼ3の上方に閉鎖手段としての蓋部材13が設置される。
2.6.1. Silicon manufacturing apparatus 100
FIG. 4 schematically shows a silicon manufacturing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. The apparatus 100 includes a sealable chamber or a casing 7 that can be sealed with an inert gas such as argon, a container (crucible) 3 of graphite or the like disposed therein, a coil 4 for induction heating, a heat insulating material 8, a crucible. 3, and a mold 9 for casting silicon, and the raw metal silicon 1 is filled in the crucible 3. Further, the treatment agent 2 is pushed below the liquid level of the molten silicon 1 by the pushing means 15 provided in the system. Further, when the reaction system is a closed system, a lid member 13 as a closing means is installed above the crucible 3.

筐体7には、ガスの導入口11、排気口12、原材料投入口6等が取り付けられている。処理剤2は原材料投入口6から系内へと投入される。筐体7として真空容器を用いる場合は、チャンバーの中を0.01〜2×10Pa(真空から2気圧)程度の圧力範囲まで制御することができるが、通常の、Ar等の不活性ガスシール筐体を用いる方が経済的である。 A gas introduction port 11, an exhaust port 12, a raw material input port 6, and the like are attached to the housing 7. The processing agent 2 is introduced into the system from the raw material inlet 6. When a vacuum vessel is used as the casing 7, the inside of the chamber can be controlled to a pressure range of about 0.01 to 2 × 10 5 Pa (vacuum to 2 atm), but it is usually inert such as Ar. It is more economical to use a gas seal housing.

また、加熱用の誘導コイル4、断熱材8、るつぼ3は、一体で傾動できるようになっており、処理の済んだ原料金属シリコン1は、鋳型9に流しこまれる。   In addition, the heating induction coil 4, the heat insulating material 8, and the crucible 3 can be tilted together, and the processed raw metal silicon 1 is poured into the mold 9.

シリコンの製造の際は、まず、るつぼ3の上方にある蓋部材13とるつぼ3との間を開けて、原料の金属シリコン1をるつぼ3に充填し、加熱して溶融シリコンとした後、当該溶融シリコンの液面に処理剤2を原材料投入口6から一定量投入し、投入した後に、押込手段15を用いて処理剤2を溶融シリコン1の液面よりも下方に押し込む。その後、蓋部材13をるつぼ3の上方に再び設置し、反応系を閉鎖系とする。投入された処理剤2は、加熱溶融した後蒸発するが、蓋部材13の中で蒸気が上昇した時に冷えて凝縮し、液状或いは固体状となり、密度が高いために再びるつぼ3中に自然落下することによって循環する。これによって、反応に関与せずに無駄に蒸発する処理剤を減らすことができる。このように閉鎖系にて反応を行った後、反応系を開放系とする。この場合は、例えば、蓋部材13とるつぼ3との間に隙間を設ける、或いは、蓋部材13を系外に取り外す等すればよい。シリコン1中の不純物は処理剤2と反応してガス状反応生成物となるため、るつぼ3の上部開口から排出口を介して系外に除去され、溶融シリコンが精製される。このとき、溶融シリコン中に残存する処理剤についても蒸発除去されるが、処理剤にも不純物が微量溶解しているので、このプロセスによっても溶融シリコンは精製されることとなる。必要によっては、これらのプロセスを繰り返すことによって、溶融シリコン1は高純度化される。   In the production of silicon, first, the gap between the lid member 13 and the crucible 3 above the crucible 3 is opened, and the raw material metal silicon 1 is filled in the crucible 3 and heated to obtain molten silicon. A predetermined amount of the processing agent 2 is introduced from the raw material inlet 6 into the liquid surface of the molten silicon. After the charging, the processing agent 2 is pushed downward from the liquid surface of the molten silicon 1 using the pushing means 15. Thereafter, the lid member 13 is installed again above the crucible 3 and the reaction system is closed. The charged processing agent 2 evaporates after being heated and melted, but when the vapor rises in the lid member 13, it cools and condenses, becomes liquid or solid, and drops naturally into the crucible 3 again because of its high density. Cycle by doing. As a result, it is possible to reduce the treatment agent that is not involved in the reaction and evaporates wastefully. Thus, after reacting in a closed system, a reaction system is made into an open system. In this case, for example, a gap may be provided between the lid member 13 and the crucible 3 or the lid member 13 may be removed from the system. Impurities in the silicon 1 react with the treating agent 2 to form a gaseous reaction product, so that the impurities are removed from the upper opening of the crucible 3 through the outlet and the molten silicon is purified. At this time, the treatment agent remaining in the molten silicon is also removed by evaporation. However, since the impurities are also dissolved in a small amount in the treatment agent, the molten silicon is also purified by this process. If necessary, the molten silicon 1 is highly purified by repeating these processes.

2.6.2.シリコンの製造装置200
図5に、一実施形態に係る本発明のシリコンの製造装置200を概略的に示す。製造装置200では、原材料投入口6を設けず、また、押込手段15に替えて押込手段16を用いて処理剤2を溶融シリコン1の液面よりも下方に押し込む構成である以外は、製造装置100と同様の構成である。このような構成であっても、処理剤2を溶融シリコン1の液面よりも下方に押し込むことができ、処理剤を無駄なく反応に寄与させることができる。
2.6.2. Silicon manufacturing apparatus 200
FIG. 5 schematically shows a silicon manufacturing apparatus 200 according to an embodiment of the present invention. The manufacturing apparatus 200 is not provided with the raw material charging port 6, and the manufacturing apparatus is configured to push the processing agent 2 below the liquid level of the molten silicon 1 using the pushing means 16 instead of the pushing means 15. The configuration is the same as 100. Even if it is such a structure, the processing agent 2 can be pushed down rather than the liquid level of the molten silicon 1, and a processing agent can be contributed to reaction without waste.

2.6.3.シリコンの製造装置300
図6に、一実施形態に係る本発明のシリコンの製造装置300を概略的に示す。図6の装置300においては、溶融シリコン1と処理剤2との両液相の界面を動かすことが不純物処理に有利であることに鑑み、液相の中に不活性ガスであるアルゴン等をガス吹き込み管25で吹き込むことによって液相を攪拌し、両液相界面での接触状態を改善可能としている。こうすることにより、不活性ガスとともに、不純物の反応生成物を効率よく追い出すこともできる。尚、この場合、蓋部材13とるつぼ3との間に、気体の逃げ道として隙間を設けておくとよい。
2.6.3. Silicon manufacturing apparatus 300
FIG. 6 schematically shows a silicon manufacturing apparatus 300 according to an embodiment of the present invention. In the apparatus 300 of FIG. 6, considering that it is advantageous for impurity treatment to move the interface between both liquid phases of the molten silicon 1 and the treatment agent 2, argon or the like which is an inert gas is gasified in the liquid phase. The liquid phase is agitated by blowing through the blowing tube 25, and the contact state at the interface between the two liquid phases can be improved. By doing so, the reaction product of impurities can be efficiently driven out together with the inert gas. In this case, a gap may be provided between the lid member 13 and the crucible 3 as a gas escape path.

溶融シリコン1の撹拌に関しては、上記のようなガス吹き込みの変わりに、高周波誘導炉を用いてシリコン液相を誘導攪拌することや、また、攪拌板を溶融シリコン1中で回転し液相を攪拌する方法も有効である。誘導加熱の場合、電源の周波数が比較的低い、例えば、0.5〜5KHz程度の電源を用いると、誘導電流がシリコン融液内で発生し、特有の攪拌現象が発生するので望ましい。特に、この場合、攪拌板等をシリコン融液内に挿入する機械的撹拌をすることなく融液を攪拌できるので、汚染の点からも好ましい。   Regarding the stirring of the molten silicon 1, instead of the gas blowing as described above, the silicon liquid phase is induced and stirred using a high frequency induction furnace, or the stirring plate is rotated in the molten silicon 1 to stir the liquid phase. This method is also effective. In the case of induction heating, it is desirable to use a power source having a relatively low frequency, for example, about 0.5 to 5 KHz, because an induced current is generated in the silicon melt and a specific stirring phenomenon occurs. In particular, in this case, the melt can be stirred without mechanical stirring by inserting a stirring plate or the like into the silicon melt, which is preferable from the viewpoint of contamination.

2.6.4.シリコンの製造装置400
上記説明においては、閉鎖手段を備えるものとして説明したが、本発明に係るシリコンの製造方法を実施可能なシリコンの製造装置としては、閉鎖手段を備えない形態であってもよい。図7に、一実施形態に係るシリコンの製造装置400を概略的に示す。図7の装置400においては、閉鎖手段に替えて吸引手段30が設けられている。吸引手段30は、吸引口が溶融シリコン1の液面と対向する位置に設けられている。また、吸引口がるつぼ3の内側(上部開口部よりも下方)に設けられているので、蒸発した処理剤を効率的に吸引することが可能である。これにより、処理剤を吸引口で凝縮させることなく効率的に吸引することができる。また、本発明では、押込手段15を用いて、投入した処理剤2を溶融シリコン1の液面よりも下方に押し込む構成としているので、処理剤2を溶融シリコン1の液中にて適切に反応に寄与させることができ、吸引手段30が存在する場合でも、処理剤2が反応に寄与しないまま蒸発・吸引されることを抑制できる。
2.6.4. Silicon manufacturing apparatus 400
In the above description, it has been described that the closing means is provided. However, the silicon manufacturing apparatus capable of performing the silicon manufacturing method according to the present invention may have a form without the closing means. FIG. 7 schematically shows a silicon manufacturing apparatus 400 according to an embodiment. In the apparatus 400 of FIG. 7, the suction means 30 is provided instead of the closing means. The suction means 30 is provided at a position where the suction port faces the liquid surface of the molten silicon 1. Moreover, since the suction port is provided inside the crucible 3 (below the upper opening), it is possible to efficiently suck the evaporated processing agent. Thereby, it is possible to efficiently suck the treatment agent without condensing it at the suction port. Further, in the present invention, the pushing means 15 is used to push the charged processing agent 2 below the liquid surface of the molten silicon 1, so that the processing agent 2 is appropriately reacted in the liquid of the molten silicon 1. Even when the suction means 30 is present, it is possible to suppress the treatment agent 2 from being evaporated and sucked without contributing to the reaction.

ここで、蒸発した処理剤や不純物を効率よく吸引するために、溶融シリコンと処理剤とが充填される容器側壁の最上端部の風速(m・s−1)を、0.5以上とすることが好ましい。流通経路の径は小さくすることが、風速を大きくして、経路壁面に処理剤が付着することを抑制するために好ましいが、小さすぎると圧力損失が大きくなる。そのため、流通経路の風速(m・s−1)が、5以上30以下となるように、流通経路の径と風量を決めることが好ましい。 Here, in order to efficiently suck the evaporated processing agent and impurities, the wind speed (m · s −1 ) at the uppermost end of the container side wall filled with molten silicon and the processing agent is set to 0.5 or more. It is preferable. It is preferable to reduce the diameter of the flow path in order to increase the wind speed and prevent the treatment agent from adhering to the wall of the path, but if it is too small, the pressure loss increases. Therefore, it is preferable to determine the diameter and the air volume of the flow path so that the wind speed (m · s −1 ) of the flow path is 5 or more and 30 or less.

このような形態にあっては、回収した処理剤を精製するため、処理剤を溶融させる加熱手段を系外にさらに備えるとよい。回収した処理剤を加熱溶融させることで、処理剤中に溶解・残存する不純物を除去することができる。回収手段の形態は上述した通りである。   In such a form, in order to purify the collected processing agent, it is preferable to further include a heating means for melting the processing agent outside the system. Impurities dissolved and remaining in the treating agent can be removed by heating and melting the collected treating agent. The form of the recovery means is as described above.

上記シリコンの製造装置100(又は200)と、製造装置300及び400とを組み合わせた構成とすることも可能である。すなわち、押込手段15(又は16)を用いて処理剤2を溶融シリコン1の液面よりも下方に押し込んだ後、ガス吹き込み手段25を介して溶融シリコン1中にガスを吹き込みつつ閉鎖手段13を用いて閉鎖系にて反応を行い、その後、当該閉鎖手段13を取り外して開放系とし、吸引手段30を備える除去手段によって、溶融シリコン液面からの揮発物(蒸発物)を吸引しながら、処理剤及び不純物を系外に除去するものとしてもよい。   The silicon manufacturing apparatus 100 (or 200) and the manufacturing apparatuses 300 and 400 may be combined. That is, after the treating agent 2 is pushed below the liquid level of the molten silicon 1 using the pushing means 15 (or 16), the closing means 13 is blown into the molten silicon 1 via the gas blowing means 25. The reaction is carried out in a closed system, and then the closing means 13 is removed to make an open system, and the removing means including the suction means 30 is used to suck out volatiles (evaporates) from the molten silicon liquid surface. The agent and impurities may be removed from the system.

以上のようなシリコンの製造装置によれば、本発明に係るシリコンの製造方法を適切に実施することができる。本発明に係るシリコンの製造方法により得られるシリコンの不純物濃度は、ホウ素(B)については2.0ppm以下が好ましく、1.5ppm以下がより好ましく、1.0ppm以下がさらに好ましく、0.5ppm以下が特に好ましい。また、アルミニウム(Al)については、通常20ppm以下が好ましく、18ppm以下がより好ましく、2ppm以下がさらに好ましく、1ppm以下が特に好ましい。さらに、カルシウム(Ca)については、通常20ppm以下が好ましく、5ppm以下がより好ましく、2ppm以下がさらに好ましく、1ppm以下が特に好ましい。尚、本発明に係る製造方法において上記工程S4〜6を何度も繰り返すことによって、不純物濃度を上記値よりもさらに小さくすることもできる。   According to the silicon manufacturing apparatus as described above, the silicon manufacturing method according to the present invention can be appropriately implemented. The impurity concentration of silicon obtained by the method for producing silicon according to the present invention is preferably 2.0 ppm or less, more preferably 1.5 ppm or less, further preferably 1.0 ppm or less, and 0.5 ppm or less for boron (B). Is particularly preferred. Moreover, about aluminum (Al), 20 ppm or less is preferable normally, 18 ppm or less is more preferable, 2 ppm or less is further more preferable, and 1 ppm or less is especially preferable. Furthermore, about calcium (Ca), 20 ppm or less is preferable normally, 5 ppm or less is more preferable, 2 ppm or less is further more preferable, and 1 ppm or less is especially preferable. In addition, in the manufacturing method which concerns on this invention, impurity concentration can also be made still smaller than the said value by repeating said process S4-6 many times.

シリコン中の不純物濃度は、例えば、ICP−MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer:高周波誘導結合プラズマ質量分析計)により分析することができる。   The impurity concentration in silicon can be analyzed by, for example, ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer).

本発明に係るシリコンの製造方法により得られるシリコンは、さらに他の精製方法を組み合わせてより純度を高めてもよい。   Silicon obtained by the method for producing silicon according to the present invention may be further purified by combining other purification methods.

3.シリコンの用途
本発明に係るシリコンの製造方法によって得られたシリコンは、公知の方法で加工することにより、例えば、太陽電池用のシリコンインゴットやシリコンウェハーとして用いることができる。或いは、太陽電池用パネルを制作する際の素材に使用される高純度シリコンとして用いることもできる。
3. Use of silicon Silicon obtained by the method for producing silicon according to the present invention can be used as, for example, a silicon ingot for a solar cell or a silicon wafer by processing it by a known method. Alternatively, it can be used as high-purity silicon used as a material for producing a solar cell panel.

以上、現時点において、最も実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うシリコンの製造方法及び製造装置、シリコンウェハー、並びに、太陽電池パネルもまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。   Although the present invention has been described with reference to the most practical and preferred embodiments at the present time, the present invention is not limited to the embodiments disclosed herein. The silicon manufacturing method and manufacturing apparatus, silicon wafer, and solar cell panel can be changed as appropriate without departing from the spirit or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification. Moreover, it should be understood as being included in the technical scope of the present invention.

本発明に係るシリコンの製造方法によって得られたシリコンは、シリコンウェハーや太陽電池用パネルの材料として利用することができる。   Silicon obtained by the method for producing silicon according to the present invention can be used as a material for a silicon wafer or a solar cell panel.

1 溶融シリコン
2 処理剤
3 るつぼ(容器)
4 コイル(加熱手段)
6 原材料投入口(投入管)
7 筐体
8 断熱材
9 鋳型
10 支持台
11 ガス導入口
12 排気口(除去手段)
13 蓋部材(閉鎖手段)
15 押込手段
16 押込手段
25 ガス吹き込み管
30 吸引手段
100、200、300、400 シリコンの製造装置
1 Molten silicon 2 Treatment agent 3 Crucible (container)
4 Coils (heating means)
6 Raw material input (input pipe)
7 Housing 8 Heat insulating material 9 Mold 10 Support base 11 Gas inlet 12 Exhaust outlet (removing means)
13 Lid member (closing means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Pushing means 16 Pushing means 25 Gas blow-in pipe 30 Suction means 100, 200, 300, 400 Silicon manufacturing apparatus

Claims (13)

系内の溶融シリコンの液面よりも下方に処理剤を押し込む、押込工程と、
前記溶融シリコン中の不純物と前記処理剤とを反応させ、該不純物を系外に除去する、除去工程とを有する、
シリコンの製造方法。
An indentation step of pushing the treatment agent below the liquid level of the molten silicon in the system;
A reaction step of reacting the impurities in the molten silicon with the treatment agent and removing the impurities out of the system,
Silicon manufacturing method.
前記処理剤が塊状であり、前記押込工程において、該塊状の処理剤を溶融シリコンの液面に投入することにより、該処理剤と溶融シリコンとを接触させ、該処理剤を、押込手段を用いて、溶融シリコンの液面の下方に押し込む、請求項1に記載のシリコンの製造方法。   The treatment agent is in the form of a lump, and in the indentation step, the treatment agent and the molten silicon are brought into contact with each other by introducing the lump treatment agent into the liquid surface of the molten silicon, and the treatment agent is used by pushing means. The silicon manufacturing method according to claim 1, wherein the silicon is pushed below the liquid level of the molten silicon. 前記処理剤が塊状であり、該塊状の処理剤を棒状体に固定し、棒状体を系内に挿入することにより、該処理剤を、前記溶融シリコンに接触させるとともに該溶融シリコンの液面の下方へと押し込む、請求項1に記載のシリコンの製造方法。   The treatment agent is in a lump shape, and the treatment agent is brought into contact with the molten silicon and fixed on the liquid surface of the molten silicon by fixing the lump treatment agent to the rod-like body and inserting the rod-like body into the system. The method for producing silicon according to claim 1, wherein the silicon is pushed downward. 前記不純物にはホウ素が含まれる、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。   The method for producing silicon according to claim 1, wherein the impurities include boron. 前記処理剤が塩である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。   The manufacturing method of the silicon | silicone as described in any one of Claims 1-4 whose said processing agent is a salt. 前記処理剤が、アルカリ金属とハロゲンとの塩、アルカリ土類金属とハロゲンとの塩、アルカリ金属とハロゲンとを含む複合塩、及び、アルカリ土類金属とハロゲンとを含む複合塩、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むものである、請求項1〜5のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。   The treatment agent is a group consisting of a salt of alkali metal and halogen, a salt of alkaline earth metal and halogen, a composite salt containing alkali metal and halogen, and a composite salt containing alkaline earth metal and halogen. The manufacturing method of the silicon | silicone as described in any one of Claims 1-5 which contains the at least 1 sort (s) of compound chosen from these. 前記処理剤が、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化カリウム(KF)、フッ化ルビジウム(RbF)、フッ化セシウム(CsF)、珪フッ化ソーダ(NaSiF)、クリオライト(NaAlF)、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムとの混合物、及び、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムと塩化バリウムとの混合物、並びに、これらの混合物、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。 The treatment agent is lithium fluoride (LiF), sodium fluoride (NaF), potassium fluoride (KF), rubidium fluoride (RbF), cesium fluoride (CsF), sodium silicofluoride (Na 2 SiF 6 ). At least selected from the group consisting of cryolite (Na 3 AlF 6 ), a mixture of sodium fluoride and barium fluoride, a mixture of sodium fluoride, barium fluoride and barium chloride, and a mixture thereof The manufacturing method of the silicon | silicone as described in any one of Claims 1-6 containing 1 type of compounds. 前記処理剤の量が、前記溶融シリコンに対して、5質量%以上300質量%以下である、請求項1〜7のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。   The manufacturing method of the silicon | silicone as described in any one of Claims 1-7 whose quantity of the said processing agent is 5 to 300 mass% with respect to the said molten silicon. 不純物を含む溶融シリコンと処理剤とを系内で接触させ、該溶融シリコン中の不純物と処理剤とを反応させ、該不純物を系外に除去する、シリコンの製造装置であって、
前記系内には、
底部と側部と上部開口部とを有し、前記不純物を含む溶融シリコンが充填される容器、
前記溶融シリコンの液面よりも下方に前記処理剤を押し込む、押込手段、
前記不純物を含む溶融シリコンと前記処理剤とを加熱する加熱手段、並びに、
前記溶融シリコン及び処理剤からの蒸発物を系外に除去する、除去手段、
が備えられる、シリコンの製造装置。
An apparatus for producing silicon, which comprises bringing molten silicon containing impurities into contact with a treatment agent in the system, reacting the impurities in the molten silicon with the treatment agent, and removing the impurities out of the system,
In the system,
A container having a bottom, a side, and an upper opening, and filled with molten silicon containing the impurities,
A pushing means for pushing the treatment agent below the liquid level of the molten silicon;
A heating means for heating the molten silicon containing the impurities and the treatment agent; and
Removing means for removing the evaporated material from the molten silicon and the treatment agent out of the system;
A silicon manufacturing apparatus.
前記押込手段が、前記溶融シリコンの液面に存在する塊状の処理剤を、液面の下方へと押し込むものである、請求項9に記載のシリコンの製造装置。   The silicon manufacturing apparatus according to claim 9, wherein the pushing means pushes a massive treatment agent present on the liquid surface of the molten silicon downwardly of the liquid surface. 前記押込手段が、先端に塊状の処理剤を固定可能な棒状体である、請求項9に記載のシリコンの製造装置。   The silicon manufacturing apparatus according to claim 9, wherein the pushing means is a rod-like body capable of fixing a massive treatment agent at a tip. 請求項1〜8のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法により得られたシリコンを用いた、シリコンウェハー。   The silicon wafer using the silicon obtained by the manufacturing method of the silicon | silicone as described in any one of Claims 1-8. 請求項1〜8のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法により得られたシリコンを用いた、太陽電池用パネル。   The panel for solar cells using the silicon obtained by the manufacturing method of the silicon | silicone as described in any one of Claims 1-8.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105676645A (en) * 2016-03-11 2016-06-15 中南大学 Double-loop water tank liquid level prediction control method based on function type weight RBF-ARX model

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