JP2020132505A - シリコン及びそのシリコンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、非結晶性シリカをできる限り多く抽出することが可能であって、時間当たりの抽出を多くすることが可能な非結晶シリカ、その非結晶シリカの製造装置、非結晶シリカの製造方法、その非結晶シリカから製造されたシリコン及びシリコンの製造方法を提供することにある。【解決手段】植物性原料を粉砕してシリカ源を得る前処理工程（Ｓ１）と、シリカ源を燃焼しシリカを抽出する燃焼工程（Ｓ２）と、燃焼工程で得られた燃焼物から炭素を除去する精製工程（Ｓ３）と、を含み、燃焼工程は、チャンバー内に不活性ガスを供給し、チャンバー内の前記シリカ源をプラズマ雰囲気において加熱する加熱工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、植物性原料から効率よく非結晶性のシリカを抽出し、その非結晶性のシリカから製造されたシリコン及びシリコンの製造方法に関するものである。

従来から微粒二酸化ケイ素としてのシリカは一般的な粉体と比べた場合、吸水性が低い。これを利用して、アイシャドーやファウンデーションといった化粧品において湿気による固形化を防ぐ役割として使用されるほか、安定化などの目的でクリームや乳液に使用されている。また、二酸化ケイ素は、純度の高いシリコンを使用した電池材料の負極材にも使用されてきている。

このシリカの内、結晶性シリカは有害性物質であることが知られているが、非結晶シリカは、有害物質に指定されておらず、化粧品、食品（サプリメントを含む）、あるいは農業用肥料並びに飼料（家畜用及び愛がん動物用）の用途に利用し得るものである。

例えば、特許文献１には、もみ殻あるいは稲わらが、無酸素雰囲気中 にて、撹拌しながら炭化される炭化装置によって炭化された、非晶質シリカを豊富に含むもみ殻炭あるいは稲わら炭であって、前記炭化装置にて、もみ殻あるいは稲わらを炭化する温度範囲は、５００℃〜７００℃であるもみ殻炭あるいは稲わら炭とする。更に前記もみ殻炭あるいは稲わら炭を３０〜１００℃の範囲にイオン交換水にて撹拌して、前記もみ殻炭あるいは稲わら炭に含まれる非晶質シリカをイオン交換水に溶かして抽出することを特徴とする非晶質シリカの製造方法の発明が挙げられる。
これら植物性原料の内、竹等のシリカが多く含まれる原料を製造する方法として多くの製造方法が挙げられるが、特許文献１のように時間が掛かる製法では、竹等を細かく分解して非結晶シリカを抽出するには、前処理が多く掛かってしまうという欠点がある。

特開２０１４−１８１１４４号公報

しかしながら、従来の製造方法では、セルロース等の有機物を燃焼し、非結晶のシリカを抽出するために温度が低すぎても、焼成工程に時間を要し、約３時間以上の期間が掛かる場合があり量産化に不向きであり、時間当たりの抽出量は多くはなかったため、量産化するのに更なる改良が必要であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、時間当たりの抽出を多くすることが可能であって、純度の高い微小なシリコン及びシリコンの製造方法を提供することにある。

植物性原料を粉砕してシリカ源を得る前処理工程と、
前記シリカ源を燃焼しシリカを抽出する燃焼工程と、
前記燃焼工程で得られた燃焼物から炭素を除去する精製工程と、
を含み、
前記燃焼工程は、チャンバー内に不活性ガスを供給し、前記チャンバー内の前記シリカ源をプラズマ雰囲気において加熱する加熱工程と、
を含むことを特徴とする。

以上の特徴により、本発明は、非結晶のシリカを安価に且つ短時間で効率よく製造することが可能であって、純度の高い非結晶のシリカを使用して純度の高いシリコンの製造が可能である。

実施形態のシリカの生成の製造工程を示すプロセスフローを示す図である。 実施形態の実施例１のプラズマ装置の構成を示す概要図である。 実施形態の実施例２のプラズマ装置の構成を示す概要図である。 実施形態の実施例３の乾燥装置の構成を示す概要図である。 実施形態の製造工程における熱の温度とシリカの理論収率との関係を示す図である。 実施形態の実施例４のプラズマ装置の構成を示すブロック図である。 実施形態の実施例４のプラズマ装置の構成を示す概要図である。 実施形態の実施例４のプラズマ装置の一部を現す断面図である。 実施形態の実施例４のプラズマ装置の一部を現す概要図である。 実施形態の実施例６のシリコンの生成の製造工程を示すプロセスフローを示す図である。 実施形態の実施例７のシリコンの生成の製造工程を示すプロセスフローを示す図である。 実施形態の実施例７のシリコンの製造工程を示す概要図である。

本発明にかかる非結晶シリカからシリコン及びシリコンの製造方法に関するものである。図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態及び図面は、本発明の実施形態の一部を例示するものであり、これらの構成に限定する目的に使用されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。

＜植物性原料＞
実施例１又は実施例２のシリカ１９を製造するバイオマス材料である植物性原料９について説明する。本発明は、食物の残渣や廃棄される植物性原料９を使用して最終生成物である非結晶性のシリカを製造する。植物性原料９は、植物や木材等を使用するが、特に植物を収穫した際の残渣等の廃棄される植物性原料９を、原料として使用すれば安価に、原料を入手することが可能である。

表１は、植物性原料９の成分表である。表１は、最も左に示す原料を構成する成分の割合を以下右に百分率で示している。例えば、稲わらは、炭素（Ｃ）が３７．４％、窒素（Ｎ）が０．５３％、リン（Ｐ）が０．０６％、リン酸（Ｐ２Ｏ５）が０．１４％、カリウム（Ｋ）が１．７５％、カリ（Ｋ２Ｏ）が２．１１％、カルシウム（Ｃａ）が０．０５％、マグネシウム（Ｍｇ）が０．１９％及びナトリウム（Ｎａ）が０．１１％となっている。

ここで、植物由来のケイ素含有の多孔質の植物性原料９は、低温（８００℃以上且つ１１５０℃以下）にて燃焼させることにより図６に示すように、非結晶の状態によりシリカの抽出が可能である。植物性原料９は、細胞が軸に沿って規則正しく配列し、細胞壁にケイ酸が沈積して肥厚している構造のものが多くある。
ケイ化細胞列の間には圧縮された狭い細胞列があり、炭素化後に炭化物を除去することにより高い比表面積を有するシリカを得ることが可能である。上述したように植物性原料９は、ケイ酸が１３％以上且つ３５％以下と多くケイ酸が含まれるものが適している。

ケイ素が比較的多く含まれる植物性原料９の例として表１に示しているが、稲わらの他に、小麦わら、大麦わら、米ぬか、もみ殻、そばわら、大豆わら、サツマイモのつる、カブの葉、ニンジンの葉、トウモロコシの稈、サトウキビ梢頭部、ヤシ粕、ピーナッツ殻、みかんの皮、レッド杉のおがくず、カラ松の樹皮及び銀杏の落ち葉がある。その他、残渣ではなく植物そのものを使用しても良く。

例えば、竹は、繊維素がセルロース、ヘミセルロース、リグニンで構成され、ミネラルが鉄、マグネシウム、カルシウム、マンガン、銅、ニッケル等から構成されているため。 また、竹又は竹の葉には焼成すると、シラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）が抽出され、焼成の過程でＳｉＯ４となって抽出される。

表２、３は、本発明にて、上述した表１の植物性原料９の内、シリカを製造する方法で最も適している植物性原料の成分組成表である。表２は、原料を構成する成分の割合を百分率で示している。例えば、水分が８％〜１０％、灰分が１５％〜１０％、脂質が０．１％〜０．５％、リグニンが１８％〜２５％、ヘミセルロースが１６％〜２０％、セルロースが３０％〜３５％及びその他が５％〜１０％である。このように、炭化物となる有機質の 主な成分は、リグニン、ヘミセルロース、セルロースである。

表３は、表２に示す植物性原料９の無機質の化学成分である。表２に示す植物性原料９は、セルロース等の有機質が８０ｗｔ％であり、無機質は２０ｗｔ％である。表３の無機質の化学成分は、ＳｉＯ２が９２．１４ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３が０．０４ｗｔ％、ＣａＯが０．４８ｗｔ％、Ｆｅ２Ｏ３が０．０３ｗｔ％、Ｋ２Ｏが３．２ｗｔ％、ＭｇＯが０．１６ｗｔ％、ＭｎＯが０．１８ｗｔ％、Ｎａ２Ｏが０．０９ｗｔ％となっている。表２に示す植物性原料９は、無機質に酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が多く含まれている。

（実施例１）
＜プラズマ装置１＞
実施例１のプラズマ装置１０について図２を参照し説明する。本実施例は、後述する製造工程の燃焼工程Ｓ３を示している。図２は、実施例１のプラズマ装置１０の構成を示す概要図である。プラズマ装置１０は、主に、酸素ガス６、コントロール装置２０、チャンバー１、真空ポンプ３０から構成されている。尚、乾燥工程Ｓ２は、燃焼工程Ｓ３と兼ねてもよい。

ガスボンベに収められる酸素ガス６は、主にアルゴンを使用したが、その他にヘリウム、ネオン、窒素等が挙げられる。酸素ガス６は、導入管７からガス量コントロール装置２１を経由し、チャンバー１に充填が可能である。ガス量コントロール装置２１は、酸素ガス６の流量を調整することが可能である。

チャンバー１は、制御弁２２と接続され、真空ポンプ３０によりチャンバー１内を真空状態に減圧が可能である。チャンバー１に接続され、チャンバー１内に酸素ガス６を導入している。制御弁２２とチャンバー１との間には、チャンバー１内の真空状態を大気圧に開放するリーク弁２３が設けられている。また、チャンバー１内の空気を導入する導出管８と真空ポンプ３０との間にも制御弁１４と、チャンバー１内の真空状態を大気圧に開放するリーク弁１５とが設けられている。

また、温度制御装置２４は、高周波電源４を制御し、チャンバー１内の温度保持や保持時間等を管理している。本実施例１のプラズマ装置１０は、真空状態に近い低圧下に、作動ガスとして、上述した酸素ガス６を充填し、電極間であるカソード２及びアノード３間に高電流を流し、アーク放電により熱プラズマを得る方法である。このカソード２及びアノード３間には、カーボン製のるつぼ５が設置され、そのるつぼ５には上述した植物性原料９が入っている。植物性原料９は、アーク放電による熱プラズマにより８００℃から１１５０℃の温度帯の加熱により、１０〜３０分程度でシリカ１９が抽出される。

（実施例２）
＜プラズマ装置２＞
実施例１の他の変形例のプラズマ装置１００について図３を参照し説明する。本実施例は、後述する製造工程の燃焼工程Ｓ３を示している。図３は、プラズマ装置１０と同じ構成を示す箇所には同じ符号を付し、同じ構成の箇所は説明を省略する。プラズマ装置１００は、主に、酸素ガス６、コントロール装置２０、チャンバー１、真空ポンプ３０から構成されている。主にプラズマ装置１００と異なる箇所は、熱プラズマを得る方法として、プラズマ用の酸素ガス６を流し、４ＭＨｚの高周波磁場を高周波電源３２から高周波コイル３１に印加することにより、熱プラズマを発生している点である。植物性原料９は、アーク放電による熱プラズマにより８００℃から１１５０℃の温度帯の加熱により、１０〜３０分程度でシリカ１９が抽出される。

以上のようなプラズマ装置１０、１００、２００を使用することにより熱分解が困難なリグニンであっても分解が可能である。また、シリカ１９は絶縁性が高いが、プラズマ装置１０、１００、２００の高周波の交流を印可させることにより、絶縁であるシリカ１９（ＳｉＯ２）が分解可能であり、微細な非結晶のシリカが抽出可能である。
上述したプラズマ装置の他にバリヤ放電、コロナ放電、パルス放電及び直流放電型により熱プラズマを得る方法がある。

（実施例３）
＜乾燥装置＞
図４は、上述したプラズマ装置１０、１００により植物性原料９から不純物を除去して高純度のシリカ１９を抽出する乾燥装置４０の例である。本実施例は、後述する製造工程の乾燥工程Ｓ２を示している。
加熱炉４２を２０００℃近くまで高温に加熱することが可能である。大型るつぼ５０には、シリカ１９を入れ酸素雰囲気で空気が流れる状態にし、３００℃程度の温度で２時間程度の加熱及び乾燥の処理を行う。

（実施例４）
本実施例３は、図６から図９を参照し、上述したシリカ１９を製造するプラズマ装置１０、１００を元に、更に量産化を進めたプラズマ装置２００である。本実施例は、後述する製造工程の主に燃焼工程Ｓ３、乾燥工程Ｓ２に使用できる装置を示している。
プラズマ装置２００は、主に量産が可能なように、透視可能な石英管２０３の内部に植物性原料９を収容する複数の収納容器２０５を設けている。

先ず、図６から図８を参照し、プラズマ装置２００について説明する。左フランジ２３１と右フランジ２３２の間に透明な円柱状の石英管２０３を設けている。左右のフランジ２３１、２３２により、石英管２０３の内部を真空状態や低圧状態に保つことが可能なように密封及び開放が可能である。また、チャンバーである石英管２０３は、左右のフランジ２３１、２３２の開放された一方から脱着可能である。左右のフランジ２３１、２３２は、水冷式の冷却機能を備えている。
尚、石英管２０３は、左右のフランジ２３１、２３２の両側から挟み込むように脱着及び固定する方法であってもよい。

図６に示すように右フランジ２３２は、酸素ガス２１７等の燃焼用ガス２１８の流量を制御する制御弁２２４と接続される配管と接続され、酸素ガス２１７又は燃焼用ガス２１８を石英管２０３の内部に満たすことが可能である。また、右フランジ２３２は、低真空圧力計２１９と接続し、左フランジ２３１は、フィルタ２２１を経由し、圧力制御バルブ２２２や制御弁２２４と接続している。

また、制御弁２２４は、工程に応じ温度条件や燃焼時間に応じて酸素ガス２１７又は燃焼用ガス２１８を切り替えて石英管２０３内に流入することが可能である。
制御装置２１０は、圧力制御バルブ２２２や制御弁２２４と接続したドライポンプ２２３により、石英管２０３の内部の圧力を真空圧や大気圧又は２０気圧以上の圧力にすることが可能なように制御をしている。

図６及び図７に示すように、プラズマ装置２００は、様々な温度を作り上げることが可能であり、植物性原料９からリカ１９の抽出や上述した燃焼工程Ｓ３及び乾燥工程Ｓ２でも使用できるように高周波コイル２４０及び電気炉２５０を備えている。
高周波コイル２４０は石英管２０３の周囲を取り囲むように形成され、コイル２４３が支持されるコイル支持具２４２が駆動装置１（２１４）に固定されている。その駆動装置１（２１４）は、レール２３６に沿って、Ｘ、−Ｘ方向へ移動を行う。駆動装置１（２１４）は、モータが使用されている。尚、モータの替わりにリニヤ駆動等であってもよい。

上述した実施例２のプラズマ装置１００と、原理や製造過程は同じであるが、高周波コイル２４０は、Ｘ、−Ｘ方向への移動が可能である点が異なり、一度設置すれば植物性原料９を収容する複数の収納容器２０５を順次燃焼させることが可能であるため、一度に多くの植物性原料９を燃焼させて二酸化炭素（ＣＯ２）として排出させることが可能である。主に、製造工程では上述した図１のＳ３の燃焼工程で活用が可能である。

また、高周波コイル２４０は、コイル２４３の近傍にコイル２４３から発する電磁波の影響を少なくするため遮蔽板２４１を備えている。
プラズマ装置２００は、酸素ガス２１７を流し、４ＭＨｚの高周波磁場を高周波電源２１２から高周波コイル２４０に印加することにより、図７に示すように熱プラズマを発生させ８００℃以上且つ１１５０℃以下で比較的大きな収率が得られた。

以上のような高周波コイル２４０と酸素ガス２１７を使用することにより熱分解が困難なリグニンであっても分解が可能である。また、製造工程において毒性のある物質等が発生しない点、量産化するには最適である。
尚、上述したプラズマ装置の他にバリヤ放電、コロナ放電、パルス放電、直流放電型により熱プラズマを得る方法がある。

高周波電源２１２は、コイル２４３や電源を冷却するための水冷の冷却装置２１３が設けられている。また、石英管２０３内にて燃焼時に発生するタール成分等がドライポンプ２２３に影響を及ぼさないために、不織布、綿、紙等で形成したフィルタ２２１を設けている。

また、図６及び図７に示す温度制御装置２１１は、図７に示しように熱電対２３５が各々の収納容器２０５に近接して設けられている。従って、これら温度制御装置２１１から得られた情報により制御装置２１０は、所望する温度により炭化させることが可能である。特に温度により収率が異なるために温度管理が重要であると共に、プラズマ装置２００は、温度を制御することにより植物性原料９からシリカ１９を多く抽出することも可能である。

電気炉２５０は、石英管２０３の周囲を取り囲むように形成され、駆動装置２（２１６）に固定されている。その駆動装置２（２１６）は、レール２３６に沿って、Ｘ、−Ｘ方向へ移動を行う。駆動装置２（２１６）は、モータが使用されている。尚、モータの替わりにリニヤ駆動等であってもよい。

電気炉２５０は、２０００℃近くまで温度を上げることが可能であり、燃焼用ガス２１８を供給しながら石英管２０３内を植物性原料９やシリカ１９を精錬させる際に燃焼させることが可能である。また、燃焼用ガス２１８は燃焼の支援用として用いられ、燃焼用ガス２１８は酸素等が考えられる。主に図１示す、乾燥工程Ｓ２及び燃焼工程Ｓ３での工程で使用され、６００℃近くでの燃焼時に使用される。電気炉２５０を使用する場合には、制御装置２１０は、圧力制御バルブ２２２や制御弁２２４により大気圧において石英管２０３内に空気を空気流として供給することも可能である。

次に、図６から図９を参照し、石英管２０３及び収納容器２０５について説明する。
図７から図９に示すように、収納容器２０５は、植物性原料９やシリカ１９を収納するように上端が開放した箱状に炭素材料により形成されている。特に、プラズマ装置２００は、上述したプラズマ装置１０、１００に比較して多くの量をシリカ１９が生成できるように収納容器２０５を複数個設けている。

表面に４隅に棒状の片が突出した上端片部２０８と、裏面に両端の上方に突出した片状の下端片部２０７を複数設けた載置台２０６に、収納容器２０５は固定される。収納容器２０５は、下方の上端片部２０８と同じ位置に、上端片部２０８の片が挿入することが可能な穴が設けられ、その穴に上端片部２０８が嵌合し、収納容器２０５は載置台２０６に固定される。

収納容器２０５を固定した載置台２０６は、土台２０２に設けられた溝である土台溝２０４に沿って下端片部２０７を嵌合させ土台２０２に載置される。土台溝２０４は、収納容器２０５をずらして設置できるように、幅方向にＹ１分ずらして複数本設けられている。また、収納容器２０５は、幅方向だけでなく、図２６に示すようにＸ方向に所定間隔Ｘ１離間させて設けられている。

Ｙ１方向又はＸ方向に収納容器２０５を離間させることにより、プラズマ熱による炭化の際に、炭化する目標以外の収納容器２０５が影響を受けることを極力防ぐようにしている。また、土台２０２は、温度制御を可能にするため、土台溝２０４の近傍に熱電対が固定できる空間となる熱電対収納スペース２０９を確保している。

図８及び図９に示すように、石英管２０３は、透明な石英で形成した外径が１２５ｍｍ程度の円形の筒状に設けている。また、土台２０２は、石英管２０３の内部の中心より下方に収納容器２０５を設置できる幅に形成されている。

プラズマ装置２００は、シリカ１９を得るように構成されているが、温度条件により植物性原料９から炭素（グラフェン）の抽出を行うことも可能である。また、上述した燃焼工程Ｓ３だけでなく乾燥工程Ｓ２も電気炉２５０により可能である。そのため、同一の装置で様々な工程を温度管理しながら行うことが可能である。

以上のプラズマ装置２００は、熱を与える部分である高周波コイル２４０又は電気炉２５０が移動し、収納容器２０５に収められる植物性原料９に熱を与えるため、原料が移動するコンベア式と比較し、圧力制御が可能な空間内を容易に作り上げることができる。また、コンベア式は、コンベア等に必要な油分との化学反応が懸念され、不純物が混ざる要因ともなる。また、コンベア式と比較し、プラズマ装置２００は、酸素ガスの混入等の装置が複雑になる等のコストが掛かる心配もない。プラズマ装置２００は、石英管２０３の外部に設けられているため、外からの点検、整備作業も容易である。

また、１つの装置で、後述する燃焼工程Ｓ３又は乾燥工程Ｓ２の工程に使用することも可能である。更に、プラズマ装置２００は、温度条件を変えれば、植物性原料９からグラフェンも製造することも可能である。以上のようにプラズマ装置２００は、多機能な装置であるために生産効率だけでなく多用途にも応用が可能である。

（実施例５）
＜シリカ生成のプロセスフロー＞
図１を参照し、ナノレベルのシリカ１９を製造する方法について製造工程を説明する。図１は、実施形態のシリカ１９を製造する工程を示すプロセスフローを示す図である。
先ず、植物性原料９をミル機等により細かく粉砕する。ここで、粉砕方法は、ミル、ミキサー、グラインダー等が挙げられる。

次に、シリカを多く含む植物性原料９は、炭水化物の除去のみならず、アルカリ金属等の不純物が多く含まれている。そのため、本発明では前処理工程（Ｓ１）にて、強酸を使用すると環境や人的な負荷や強酸使用後の処理に負担がかかるため、環境又は人的な負荷の少ない有機酸を使用して植物性原料９の中にある炭水化物並びにアルカリ金属不純物の分解及び溶出を行う。その後、純水等で有機酸や溶出した不純物を洗い流す洗浄処理を行い、１００℃程度の熱風による乾燥後に上述した燃焼工程（Ｓ３）の処理を行い高純度の非結晶性のシリカ１９を生成する。有機酸は、クエン酸、シュウ酸、リンゴ酸及びギ酸等がある。

例えば、濃度５％から１５％のクエン酸の水溶液に植物性原料９を１５分から１２０分程度浸す浸透処理をし、その後水洗いし、有機酸の除去である洗浄処理を行った後、乾燥させて燃焼工程Ｓ３を行うと不純物が１％未満となるという結果がある。このときの有機酸の濃度は１％から２０％程度が最適であり、また有機酸水溶液の液温は２０℃から８０℃がよい。また、浸透時間は６０分から１２０分程度である。

そして、前処理工程Ｓ１の後は、洗浄処理した植物性原料９は、３００℃程度、２時間電気炉等で乾燥工程Ｓ２を行う。このとき、乾燥工程Ｓ２と以降の燃焼工程Ｓ３を同時に行ってもよい。

次に、燃焼行程Ｓ３は、酸素を少量供給し６００℃から１１００℃の温度で植物性原料９を燃焼させる。非結晶のシリカ１９を抽出するには１０００℃以下がよく、有機酸５％で且つ８００℃程度の温度で燃焼させるとよい。また、乾燥処理は、１００℃程度の温度での熱風や炉に入れての乾燥等がある。

乾燥又は燃焼は、上述したプラズマ装置１０、１００、２００を使用することにより熱分解が困難なリグニンであっても分解が可能である。また、シリカ１９は絶縁性が高いが、プラズマ装置の高周波の交流を印可させることにより、絶縁であるシリカ１９（ＳｉＯ２）が粉砕可能であり、微細な非結晶のシリカ１９が抽出可能である。

また、前処理において塩化水素（ＨＣＬ）を希釈した溶液に植物性原料９を浸し、乾燥させてから燃焼工程Ｓ３に進んでも良く。希釈した塩化水素溶液にセルロースの一部が溶出し、燃焼工程Ｓ３後の純度を上げることが可能である。

実施例１及び実施例２の図２及び図３に示すプラズマ装置１０、１００を使用した場合の燃焼工程Ｓ３を説明する。乾燥工程Ｓ２で生成した植物性原料９を０．８ｇ程度をるつぼ５に入れて金属の網等で覆う。上述したプラズマ装置１０、１００の所定の加熱する位置にるつぼ５を配置する。チャンバー１内の圧を真空ポンプ３０により８０Ｐａまで減圧を行い、酸素ガス６をチャンバー１内に８から１０ｍｌ／分の流量により注入し、チャンバー１内は、１３００から１５００Ｐａの圧力に保たれている。

同様に、実施例４の図６から図９に示すプラズマ装置２００を使用した場合の燃焼工程Ｓ３を説明する。前処理工程Ｓ１で植物性原料９を収納容器２０５内に敷き詰め、金属の網等で覆う。上述したプラズマ装置２００の所定の加熱する位置に複数の収納容器２０５をずらして配置する。石英管２０３内の圧をドライポンプ２２３により８０Ｐａまで減圧を行い、酸素ガス２１７を石英管２０３内に８から１０ｍｌ／分の流量により注入し、チャンバー１内は、１３００Ｐａから１５００Ｐａの圧力に保たれている。

出願人は、図５に示すように、実施例１から実施例３における熱プラズマにより２００℃から１１００℃の温度の間を１００℃刻みにより燃焼工程Ｓ３を行い、植物性原料９を炭化する際の温度と収率を求めた。０．８ｇの植物性原料９から得られたシリカ１９の重量を割り得られた値を図５に示している。８００℃から１１５０℃にて３６％と最も大きな収率が測定され、８００℃以上且つ１１５０℃以下で比較的大きな収率が得られた。また、シリカ１９は、１１５０℃若しくは１０００℃以下にて非結晶状態となるため、８００℃から１０００℃までの温度で燃焼させることが好ましい。
本測定では、稲わら、ぬか、ヤシ殻、もみ殻及びピーナッツ殻等を行ったが、同様の結果が得られた。

実施例３における加熱炉４２を使用した燃焼工程Ｓ２を説明する。先ず、実施例３の図４に示す乾燥装置４０の加熱炉４２を２０００℃近くまで高温にし、大型るつぼ５０には、シリカ１９を入れ空気が流れる状態にし、６００℃以上１０００℃以下で１時間加熱処理を行うことで、炭素をＣＯ２として除去し、ＳｉＯ２を得ることができる。これにより純度の高いＳｉＯ２が生成される。シリカ１９を非結晶のまま残すためには１０００℃以下が最適である。

同様に、実施例４における燃焼工程Ｓ２を説明する。先ず、実施例４の図６から図９に示すプラズマ装置２００の電気炉２５０を１０００℃近くまで高温にし、先程の燃焼工程Ｓ２で焼成し、酸素ガス２１７の供給を止め、大気圧状態にした後、石英管２０３内に燃焼用ガス２１８である酸素を供給するか、空気が流し、収納容器２０５には、先程の燃焼工程２にて燃焼させたシリカ１９を入れ空気又は酸素が供給できる状態にし、６００℃で１時間加熱処理を行うことで、炭素をＣＯ２として除去し、シリカ１９（ＳｉＯ２）を得ることができる。これにより純度の高い非結晶性のシリカ１９（ＳｉＯ２）が生成される。

（実施例６）
＜シリコン生成のプロセスフロー＞
図１０を参照し、シリコン１１３を製造する方法について製造工程を説明する。図１０は、実施形態のシリコン１１３を製造する工程を示すプロセスフローを示す図である。上述した製造工程のＳ１からＳ３から生成された純度の高いシリカ１１３（ＳｉＯ２）を使用し、Ｓ４からＳ５の工程により多結晶の純度の高いシリコンを製造する。

化１の反応式は、抽出したシリカ１９のケイ素（Ｓｉ）とＨＣｌガスを反応させている。反応温度は、３００℃から３５０℃にて反応させる。反応後に得られる生成物は、トリクロロシランガス（ＳｉＨＣｌ３）、ＳｉＣｌ４及び塩化物の混合物となる。このように金属ガス処理工程Ｓ４においてトリクロロシランガス（ＳｉＨＣｌ３）が生成される。

この高純度のＳｉＨＣｌ３とＨ２とを真空状態で反応させ１５００℃に加熱する。そうすると化２の反応式にみられるＳｉＨＣｌ３のＨ２による還元反応と、化３の反応式にみられる熱分解により、シリコン（Ｓｉ又はＳｉＯ）と３ＳｉＣｌ４が生成され、ＳｉＨＣｌ３の約１／３が多結晶シリコンを形成する。
このようにシリコン生成工程Ｓ５において高純度の多結晶シリコン（Ｓｉ又はＳｉＯ）が生成される。このシリコン１３は、太陽電池の材料、燃料電池の負極材及びＬＳＩデバイス又はＶＬＳＩデバイス等の電子回路の材料として使用される。

尚、トリクロロシランガス（ＳｉＨＣｌ３）の他に、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、四臭化ケイ素（ＳｉＢｒ４）、四ヨウ化ケイ素（ＳｉＩ４）といったハロゲン化Ｓｉを水素還元及び熱分解により純度の高い多結晶のシリコン１１３を製造することも可能である。

（実施例７）
＜他のシリコン生成のプロセスフロー＞
図１１及び図１２を参照し、シリコン１１３を製造する方法について製造工程を説明する。図１１は、他の実施形態のシリコン１１３を製造する工程を示すプロセスフローを示す図である。上述した製造工程のＳ１からＳ３から生成された純度の高いシリカ１９（ＳｉＯ２）を使用し、シリコン生成工程Ｓ５−１の工程により多結晶の純度の高いシリコンを製造する。

図１２は、他の実施形態のシリコン１１３の製造工程を示す概要図である。図１２に示すシリコン生成装置６０は、ガスボンベからリーク弁６４を操作し、またポンプ及びリーク弁６５を操作した上で、不活性ガス６２を室内に充填させ、不活性ガス６２の雰囲気にする。ガスボンベに収められる不活性ガス６は、主にアルゴンを使用したが、その他にヘリウム、ネオン、窒素等が挙げられる。

次に、非結晶性のシリカ１９を金属６１（アルミニュウムやマグネシウム）により圧力Ｐを掛けながら、上述したプラズマ装置１０、１００、２００を使用し、熱プラズマ６３により４ＭＨｚの高周波磁場を高周波電源３２から高周波コイル３１に印加することにより、熱プラズマを発生させている。

アーク放電による熱プラズマ６３により６００℃から１０００℃の温度帯の加熱によりシリカ１９を圧力Ｐを掛けて金属と反応させ、化４に示すようにシリコン１１３（Ｓｉ又はＳｉＯ）を抽出する。本実施例では、アルミニュウムを例にして説明すると、化４に示すようにシリカ（ＳｉＯ２）とアルミニュウム（Ａｌ）とを反応させて酸化アルミニュウム（Ａｌ２Ｏ３）とシリコン（Ｓｉ若しくはＳｉＯ）を生成する。好ましくは、不活性ガス６２の雰囲気で８００℃で反応させる。

尚、プラズマ装置１０、１００、２００に使用される酸素ガス６の他に、酸素を含んだ空気であってもよく、炭素等を燃焼させて除去できる状態であればよい。

１ チャンバー
２ カソード
３ アノード
４、３２ 高周波電源
５ るつぼ
６、２１７ 酸素ガス
７ 導入管
８ 導出管
９ 植物性原料
１０、１００、２００ プラズマ装置
１４、２２ 制御弁
１５、２３、６４、６５ リーク弁
１９ シリカ
２０ コントロール装置
２１ ガス量コントロール装置
３０ 真空ポンプ
３１ 高周波コイル
４０ 不純物除去装置
４２ 加熱炉
５０ 大型るつぼ
６０ シリコン生成装置
６１ 金属
６２ 不活性ガス
６３ 熱プラズマ
１１３ シリコン
２０２ 土台
２０３ 石英管
２０４ 土台溝
２０５ 収納容器
２０６ 載置台
２０７ 下端片部
２０８ 上端片部
２０９ 収納スペース
２１０ 制御装置
２１１ 温度制御装置
２１２ 高周波電源
２１３ 冷却装置
２１４ 駆動装置１
２１５ 電源制御装置
２１６ 駆動装置２
２１８ 燃焼用ガス
２１９ 真空圧力計
２２１ フィルタ
２２３ ドライポンプ
２２４ 制御弁
２３１ 左フランジ
２３２ 右フランジ
２３５ 熱電対
２３６ レール
２４０ 高周波コイル
２４１ 遮蔽板
２４２ コイル支持具
２４３ コイル
２５０ 電気炉
Ｐ 圧力
Ｓ１ 前処理工程
Ｓ２ 乾燥工程
Ｓ３ 燃焼工程
Ｓ４ 金属ガス処理工程
Ｓ５、Ｓ５−１ シリコン生成工程。

Claims (15)

1. 植物性原料を粉砕してシリカ源を得る前処理工程と、
   前記シリカ源を燃焼しシリカを抽出する燃焼工程と、
   前記燃焼工程は、チャンバー内に不活性ガスを供給し、前記チャンバー内の前記シリカ源をプラズマ雰囲気において加熱し、前記シリカを生成するプラズマ加熱工程と、
   前記プラズマ加熱工程により生成した前記シリカと金属とを反応させ、金属を酸化させてシリコンを生成するシリコン生成工程と、を含むことを特徴とするシリコンの製造方法。
2. 前記シリコン生成工程は、チャンバー内に不活性ガスを供給し、チャンバー内の前記シリカをプラズマ雰囲気において、前記シリカと前記金属に圧力を掛けながら加熱し前記シリコンを生成する加圧加熱工程と、を含むことを特徴とするシリコンの製造方法。
3. 前記加圧加熱工程は、６００℃以上且つ１０００℃以下の温度で加熱すること、を含むことを特徴とする請求項１に記載のシリコンの製造方法。
4. 植物性原料を粉砕してシリカ源を得る前処理工程と、
   前記シリカ源を燃焼しシリカを抽出する燃焼工程と、
   前記燃焼工程は、チャンバー内に不活性ガスを供給し、前記チャンバー内の前記シリカ源をプラズマ雰囲気において加熱し、前記シリカを生成するプラズマ加熱工程と、
   前記シリカのケイ素とＨＣｌガスを反応させ、トリクロロシランガスを生成する金属ガス処理工程と、
   前記金属ガス処理工程にて製造した前記トリクロロシランガス及び水素ガスを供給し、真空状態にて、水素還元及び熱分解によりシリコンを生成するシリコン生成工程と、からなるシリコンの製造方法。
5. 前記プラズマ加熱工程は、８００℃以上且つ１０００℃以下の温度で加熱すること、を含むことを特徴とする請求項１及び請求項４の何れか一項に記載のシリコンの製造方法。
6. 前記プラズマ加熱工程は、前記シリカ源の炭素を空気又は酸素雰囲気において焼成して炭素を除去する炭素除去工程を含むことを特徴とする請求項１及び請求項４の何れか一項に記載のシリコンの製造方法。
7. 前記プラズマ加熱工程は、温度を６００℃以上１０００℃以下で焼成する工程を含むことを特徴とする請求項１及び請求項４の何れか一項に記載のシリコンの製造方法。
8. 前記前処理工程は、塩化水素を希釈した溶液に前記植物性原料を浸してセルロースを溶出させる溶出工程を含むことを特徴とする請求項１及び請求項４の何れか一項に記載のシリコンの製造方法。
9. 前記前処理工程は、有機酸を希釈した溶液に前記植物性原料を浸透させる浸透工程を含むことを特徴とする請求項１及び請求項４の何れか一項に記載のシリコンの製造方法。
10. 前記浸透工程は、前記植物性原料に付着した有機酸を洗浄する洗浄工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の非結晶シリカの製造方法。
11. 前記有機酸は、クエン酸、シュウ酸、リンゴ酸及びギ酸の中から選択した一つにより浸透工程を行うことを特徴とする請求項９に記載の非結晶シリカの製造方法。
12. 請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の製造方法により製造したシリカであって、 前記植物性原料は、シリカを１３％以上且つ３５％以下に含んでいることを特徴とするシリコン。
13. チャンバー内の圧力を調整する圧力調整部と、
    前記チャンバー内に複数種類のガスを切り替え供給するガスユニットと、
    複数種類の燃焼する形式を備えた燃焼部と、
    燃焼する対象物を収用する複数の収納容器と、
    前記燃焼部は、対象とする前記収納容器まで移動し、前記対象物を燃焼する形式毎に切り替えて駆動可能な移動燃焼装置を備えたことを特徴とするシリカの製造装置。
14. 前記移動燃焼装置は、
    一方から移動し不活性ガスを供給し、プラズマ雰囲気において加熱する加熱プラズマ装置と、
    他方から移動し不活性ガスとは異なるガスを供給し、加熱する電気炉装置と、を備えたことを特徴とする請求項１３に記載のシリカの製造装置。
15. 前記チャンバー内に収納される前記収納容器は、長手方向に対して間隔をあけ、且つ幅方向に重ならない位置に配置される請求項１３及び請求項１３の何れか一項に記載のシリカの製造装置。

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