JP4187892B2 - 金属の精製装置及び精製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属シリコンやアルミニウム等の金属の精製装置および精製方法に関し、より詳しくは、不純物を含む金属から高純度の金属を得る精製装置および精製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属の精製装置として、例えば図１３に示すようなものが知られている(特開平９−４８６０７号公報)。この金属の精製装置は、不活性ガス雰囲気下で溶融粗製シリコンＳ中に中空回転冷却体４を浸漬し、この中空回転冷却体４の外周面２７に、純度９９.９％以上の高純度シリコン６を晶出させて得るものである。上記精製装置は、溶解炉１、この溶解炉１の底壁１c上の坩堝台８に載せた坩堝２、この坩堝２を加熱するヒータ５、溶解炉１の頂壁１ａを貫通して配置された中空回転軸３,不活性ガス供給管７,真空排気管３０、中空回転軸３と溶解炉１の頂壁１ａにおける中空回転軸３の周囲の部分２６との間を密封するパッキン９、および中空回転軸３の下端に設けられた中空回転冷却体４を備えている。そして、上記中空回転軸３内に、テーパ状の拡開部１７aと下端１７bが中空回転冷却体４内に位置する冷却流体排出管１７を配置して、中空回転軸３の内周面と冷却流体排出管１７の外周面との間に冷却流体供給通路１８を形成している。
中空回転軸３は、溶解炉１の上方において、固定部１０に対して上下動自在なアーム１１に図示しない軸受を介して支持され、アーム１１上のモータＭによりベルト車とベルトからなる伝動機構１２を介して所定速度で回転させられる。
こうして、中空回転冷却体４内に図中の矢印の如く冷却流体を供給しつつ、中空回転軸３を回転させながら、坩堝２内に入れられた溶融シリコンＳ中に中空回転冷却体４を浸漬し、その外周面２７に純度の高いシリコンを晶出させるのである。
【０００３】
また、特公平３−６５４１５号公報には、アルミニウムの精製装置として、坩堝と、垂直状の中空回転軸と、中空回転軸の下端に固定された中空回転冷却体と、中空回転軸内に配された冷却流体供給管と、回転冷却体内に配置され、上記冷却流体供給管に連通させられた中空筒状冷却流体吹出し部材とを備え、この冷却流体吹出し部材の周壁に多数の冷却流体吹出口が形成されたものが知られている。この精製装置は、加熱手段を備えて坩堝を収容する上方に開口する溶解炉と、回転駆動手段により回転駆動される中空回転軸とを備えていて、先に述べた特開平９−４８６０７号公報と同様の偏析凝固の原理を利用した手法で、坩堝内の溶融シリコン中に浸漬した中空回転冷却体の外周面に純度のより高いシリコンを晶出させるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の特開平９−４８６０７号公報に記載の精製装置では、坩堝２から引き上げた中空回転冷却体４と坩堝２とを遮断する仕切板がないため、中空回転冷却体４の外周に晶出させた精製シリコンを回収するには、坩堝２内の溶融金属を一旦冷却、凝固させた後に頂壁１aを取り外して、中空回転冷却体４を中空回転軸３と共に溶解炉１外に引き上げて取り出さなければならず、これに伴って、溶融シリコンの凝固・冷却に要する待ち時間と溶解・凝固の繰返しによるヒータの電力ロスの問題を回避することができないという問題がある。
また、この精製装置によるシリコン精製は、原料仕込・溶解・精製・冷却・精製塊回収(頂壁取外し作業含む)までの一連の作業に１２時間を要し、１日に２回の精製処理しかできず生産性に劣るという問題がある。
【０００５】
一方、上記特公平３−６５４１５号公報に記載の精製装置では、溶解炉が上方に開口しているので、大気中のほこり等により坩堝内の溶融シリコンが汚染され、高純度のシリコンを得ることができないという問題がある。また、坩堝が大気と接しているため、坩堝中の溶融金属の湯面が酸化被膜で覆われ、中空回転冷却体を溶融金属中に浸漬できないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、溶融金属を入れて溶解炉に収容された坩堝および高純度金属が外周に晶出した冷却体を大気から遮断する手段を工夫することによって、より高純度の金属を効率良く精製することができる金属の精製装置および精製方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の金属の精製装置は、溶解炉内に収容された坩堝内の溶融金属中に冷却体を浸漬して、この冷却体の外周面に高純度金属を晶出させる精製装置において、上記溶解炉の上方に、外周面に高純度金属が晶出した上記冷却体を収納する取出し部が設けられ、上記溶解炉の上端面にこの溶解炉内を密閉するゲート弁が設けられたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の精製装置によれば、溶解炉の上方に、外周面に高純度金属が晶出した上記冷却体を収納する取出し部が設けられ、上記溶解炉の上端面にこの溶解炉内を密閉するゲート弁が設けられているので、外周面に高純度金属が晶出した冷却体を坩堝から引き上げて取出し部に収納した後、溶解炉の上端面のゲート弁を閉じて溶解炉内を大気から遮断することができる。従って、溶解炉内の坩堝に入った溶融金属を常時溶融させたままでも、溶融金属に大気からほこりが入ったり、湯面が酸化被膜で覆われたりすることなく、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を取り出すことができ、取り出しの際に坩堝中の溶融金属を冷却・凝固させる必要がないからエネルギロスなく高純度の金属を効率良く精製することができる。
【０００９】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、上記取出し部の下端面にこの取出し部内を密閉するゲート弁が設けられたことを特徴とする。
【００１０】
上記精製装置によれば、取出し部の下端面にこの内部を密閉するゲート弁が設けられているので、外周面に高純度金属が晶出した冷却体を取出し部に収納した後、上記ゲート弁を閉じて冷却体を大気から遮断することができる。従って、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を、回収するまでの間、大気から遮断して、高純度金属のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度の金属を精製することができる。
【００１１】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、上記取出し部の下部に、この取出し部内を噴出ガスによりシールする少なくとも１つのガス吹出口が設けられたことを特徴とする。
【００１２】
上記精製装置によれば、取出し部の下部にその内部を噴出ガスによりシールする少なくとも１つのガス吹出口が設けられているので、外周面に高純度金属が晶出した冷却体を取出し部に収納した後、上記ガス吹出口からガスを噴出させて冷却体を大気から遮断することができる。従って、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を、回収するまでの間、大気から遮断して、高純度金属のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度の金属を精製することができる。
【００１３】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、上記取出し部の内壁の上部に、少なくとも１つのガス吹出口が設けられたことを特徴とする。
【００１４】
上記精製装置によれば、取出し部の内壁の上部に少なくとも１つのガス吹出口が設けられているので、外周面に高純度金属が晶出した冷却体を取出し部に収納した後、上記ガス吹出口からガスを噴出させて、取出し部の下端開口から取出し部内への大気の侵入を防ぐことができる。従って、冷却体の外周面に晶出した高純度金属の大気との接触を防止して、高純度金属のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度の金属を精製することができる。
【００１５】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、精製装置の上記取出し部の壁面を貫通して、この取出し部内を真空状態に保持する真空排出管が取り付けられたことを特徴とする。
【００１６】
上記精製装置は、下端面にゲート弁をもつ取出し部の壁面を貫通して、その内部を真空状態に保持する真空排出管が設けられているので、外周面に高純度金属が晶出した冷却体を取出し部に収納した後、上記ゲート弁を閉じるとともに、密閉された取出し部内を上記真空排気管により真空状態に保持することができる。従って、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を、回収するまでの間、大気から遮断して、高純度金属のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度の金属を精製することができる。一方、シリコン等の金属では、坩堝内の溶融粗製金属中に多量の酸素が含まれていて、その金属酸化物のガスが溶解炉や取出し部の内壁に付着するという問題がある。しかし、この精製装置では、取出し部内を真空排気管により真空状態に排気するので、取出し部内の金属酸化物を除去して、この金属酸化物の付着による冷却体外周の高純度金属の汚染を防止することができる。
【００１７】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、上記冷却体が回転することを特徴とする。
【００１８】
上記精製装置によれば、外周面に高純度金属が晶出する冷却体が回転するので、冷却体外周の凝固界面から坩堝内の溶融金属に排出された不純物を凝固界面から遠ざけ、溶融金属全体に分散させながら高純度金属の凝固を進行させることができる。従って、平衡偏析係数に近い値の偏析係数に支配されて凝固が進行し、冷却体の外周面に短時間に高純度の金属を晶出させることができる。
【００１９】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、上記取出し部内に上記冷却体の外周面に晶出した高純度金属を加熱するヒータが設けられたことを特徴とする。
【００２０】
上記精製装置によれば、外周面に高純度金属が晶出した冷却体をヒータを内蔵する上記取出し部に収容した後、この取出し部を例えば精製金属回収用の溶湯保持槽上に接続し、ヒータで冷却体外周の高純度金属を加熱、溶解することにより、高純度金属を機械的に剥ぎ取る際に生じる冶具からの不純物の混入を回避して、かかる不純物のない高純度金属を上記溶湯保持槽に回収することができる。
【００２１】
本発明の金属の精製方法は、上記いずれか１つに記載の金属の精製装置を用いて、上記溶解炉内に収容された坩堝内の溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体の内部に冷却流体を供給しつつ外周面に純度のより高い金属を晶出させる第１工程と、上記冷却体の外周面に所定量の精製金属を晶出させた後、上記冷却体内への冷却流体の供給を停止し、次いで上記冷却体を坩堝から取出し部へ引上げ、上記冷却体を収納した取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽上に移動させる第２工程と、上記冷却体の外周面に晶出した精製金属を上記精製金属回収用の溶湯保持槽内で加熱溶解して回収した後、上記冷却体を精製金属回収用の溶湯保持槽から上昇させて上記取出し部に収納する第３工程と、上記取出し部を上記溶解炉上に移動させる第４の工程を経て上記第１工程に戻ることを特徴とする。
【００２２】
本発明の精製方法によれば、上記金属の精製装置、つまり溶解炉の上端面に炉内を密閉するゲート弁を少なくとも有する金属の精製装置を用いることにより、溶解炉内の坩堝に入った溶融金属を常時溶融させたままでも、溶融金属に大気からほこりが入ったり、湯面が酸化被膜で覆われたりすることなく、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を取り出すことができ、取り出しの際に坩堝中の溶融金属を冷却・凝固させる必要がないからエネルギロスなく高純度の金属を効率良く精製することができる。
【００２３】
本発明の実施形態の金属の精製方法は、上記いずれか１つの金属の精製装置を少なくとも１つ配列し、上記第１乃至第４の工程を繰り返すことを特徴とする。
【００２４】
上記精製方法によれば、例えば１つの精製金属回収用の溶湯保持槽と冷却体および取出し部付きの２つの溶解炉とを配列すれば、上述の作用効果に加えて、一方の溶解炉で冷却体外周への高純度金属の晶出を行ないつつ、他方の取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽に接続して他方の溶解炉で既に晶出した高純度金属を回収する一連の工程を繰り返すことができる。従って、高純度金属を一層効率良く連続的に精製することができる。
【００２５】
本発明の実施形態の金属の精製方法は、上記金属の精製装置を用いて、上記溶解炉内に収容された坩堝内の溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体の内部に冷却流体を供給しつつ外周面に純度のより高い金属を晶出させる第１工程と、上記冷却体の外周面に所定量の精製金属を晶出させた後、上記冷却体内への冷却流体の供給を停止し、次いで上記冷却体を坩堝から取出し部へ引上げ、上記冷却体を収納した取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽上に移動させる第２工程と、上記冷却体の外周面に晶出した精製金属を上記取出し部内に設けられたヒータによって溶解し、精製金属回収用の溶湯保持槽に回収した後、上記冷却体を精製金属回収用の溶湯保持槽から上昇させて上記取出し部に収納する第３工程と、上記取出し部を上記溶解炉上に移動させる第４の工程を経て上記第１工程に戻ることを特徴とする。
【００２６】
上記精製方法によれば、溶解炉の上端面に炉内を密閉するゲート弁を少なくとも有し、取出し部内にヒータを有する金属の精製装置を用いることにより、上述と同様の作用効果に加えて、既述のように、高純度金属を機械的に剥ぎ取る際に生じる冶具からの不純物の混入を回避して、かかる不純物のない高純度金属を上記溶湯保持槽に回収することができる。
【００２７】
本発明の実施形態の金属の精製方法は、上記金属の精製装置を少なくとも１つ配列し、上記第１乃至第４の工程を繰り返すことを特徴とする。
【００２８】
上記精製方法によれば、上述の作用効果に加えて、既述のように、例えば一方の溶解炉で高純度金属の晶出を行ないつつ、他方の溶解炉の取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽に接続して高純度金属を回収する一連の工程を繰り返すことができ、高純度金属を一層効率良く連続的に精製することができる。
【００２９】
【発明の実施形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
（実施形態１）
図１〜図３は、第１の実施形態である金属の精製装置の縦断面図を示している。この精製装置は、溶解炉１の上端面に炉内を密閉するゲート弁１３を設け、溶解炉１の上方に中空回転冷却体４を収容する取出し部１４を設けた点を除いて、図１３で述べた精製装置と同じ構造であり、同じ部材には同一番号を付して説明を簡略する。
耐火物からなる溶解炉１は、底壁１c上の坩堝台８に載せられ、溶融金属としての溶融シリコンＳが入った坩堝２と、この坩堝２を加熱するヒータ５とを収容し、溶解炉の側壁１bには、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスを炉内に供給する不活性ガス供給管７と、溶解炉内を真空引きする真空排気管３０が取り付けられている。上記坩堝２は、シリコンと反応しにくく、それ故これを汚染しにくい石英,黒鉛またはアルミナのような物質からなる。
【００３０】
上記ゲート弁１３は、溶解炉１の上端開口を開閉する一方、上記取出し部１４は、下端開口をゲート弁１３上に載せて溶解炉１に接続されるとともに、頂壁１４ａの貫通穴１４bにオイルシールとしての合成ゴム製のパッキン９を装着し、このパッキン９に黒鉛製の中空回転軸３を鉛直に挿通して、中空回転軸３の下端の中空回転冷却体４を坩堝２内の溶融シリコンＳに浸漬している。なお、中空回転軸３のパッキン９との摺接部は、摺動により黒鉛の粉塵が発生して落下し、坩堝２内の溶融シリコンＳを汚染する虞があるので、ステンレス鋼製にするのが好ましい。
【００３１】
上記中空回転軸３は、内部中心に金属,セラミックスまたは黒鉛からなる冷却流体排出管１７を軸方向に延在して配置し、この冷却流体排出管１７の下端外周に冷却流体吹出し部材１６の下端を連結する一方、冷却流体吹出し部材１６の上端を中空回転軸３の内周面に連結している。そして、冷却流体排出管１７の外側の冷却流体供給通路１８を下向き矢印の如く導かれた冷却流体を、下端の冷却流体吹出し部材１６の吹出口１６aから外方へ吹き出して、中空回転冷却体４の内壁を冷却して、中空回転冷却体４の外周面２７に高純度シリコン６を晶出させるようにしている。上記中空回転冷却体４は、熱伝導性の良い有底の筒状をなし、溶融シリコンＳと反応しにくく、それ故これを汚染しにくい炭化ケイ素(ＳiＣ),窒化ケイ素(ＳiＮ),黒鉛等からなる。なお、内壁を冷却した後の冷却流体は、冷却流体排出管１７の下端から管内側の冷却流体排出通路１５に入り、上向き矢印の如く排出される。
【００３２】
上記構成の精製装置を用いてシリコンの精製を次のように行なう。
まず、図１に示す溶融炉１内の坩堝２に、予め精製すべき粗製シリコン(純度９９％の金属級シリコン)６.０kgを入れ、溶解炉１の上端の開いたゲート弁１３上に取出し部１４の下端開口を気密に接続し、この状態で溶解炉１内を真空排気管３０を介して真空引きし、次いで不活性ガス供給管７から不活性ガスを供給して溶解炉１内を完全な不活性ガス雰囲気とする。続いて、ヒータ５により坩堝２内の粗製シリコンを加熱,溶解させ、溶融シリコンＳの融液温度を1414〜1600℃の範囲に加熱保持する。なお、溶融シリコンＳは別途溶解したものを坩堝２内へ入れてもよいし、溶解炉１に別途設置した原料投入口を経て坩堝２内へ入れてもよい。
【００３３】
次に、冷却流体を、中空回転軸３内の外側の冷却流体供給通路１５を経て下向き矢印の如く送り込み、下端の冷却流体吹出し部材１６の吹出口１６aから中空回転冷却体４の内壁に向かって吹き出しながら、モータＭおよび伝動機構１２(図１３参照)により中空回転軸３を介して中空回転冷却体４を回転させ、偏析凝固の原理によって中空回転冷却体４の外周面２７に高純度の精製シリコン６を晶出させる。
中空回転冷却体４を回転させることにより、上記外周面２７の高純度シリコンの凝固界面から溶融シリコンＳ中へ排出された不純物を凝固界面から遠ざけ、溶融シリコンＳ中全体に分散させながら凝固を進めることができる。従って、平衡偏析係数に近い値の偏析係数で支配されて凝固が進行し、中空回転冷却体４の外周面２７に、短時間に高純度の精製シリコン６を晶出させることができる。
【００３４】
上記中空回転冷却体４の回転時の周速度は、0.004ｍ／秒以上の任意の周速度に設定し、中空回転冷却体４に導入される冷却流体の流量は、溶融シリコンＳに浸漬している晶出部の表面積１ｍ2につき0.001〜3.8ｍ3／秒の範囲内に設定した。冷却流体は、窒素ガスを用いたが、これに限定されず、中空回転冷却体４を酸化させないアルゴン,ヘリウム等の不活性ガスを用いてもよい。なお、中空回転冷却体４に晶出させた高純度シリコン６を坩堝２から引き上げる際の速度は、５cm／分以上の適切な値とした。
【００３５】
中空回転冷却体４の外周面２７に所定量の高純度シリコン６が晶出すると、図２に示すように、中空回転軸３と一体の中空回転冷却体４を取出し部１４内に引き上げて収納し、ゲート弁１３を内側ヘスライドして閉じ、溶解炉１の上端面を密閉する。次に、図３に示すように、取出し部１４を中空回転軸３と共に上昇させて溶解炉１から分離する。その後、中空回転冷却体４の外周面２７に凝固した高純度シリコン６は、機械的に剥ぎ取られて回収される。
【００３６】
このように、第１の実施形態では、溶解炉１の上端面にゲート弁１３を設け、このゲート弁１３に接離して中空回転冷却体４を収容する取出し部１４を設けているので、外周面２７に高純度シリコン６が凝固した中空回転冷却体４を坩堝２から引き上げて取出し部１４に収納した後、溶解炉１の上端面のゲート弁１３を閉じて溶解炉１内を大気から遮断することができる。従って、溶解炉１内の坩堝２に入った溶融シリコンＳを常時溶融させたままでも、溶融シリコンＳに大気からほこりが入ったり、湯面が酸化シリコン膜で覆われたりすることなく、中空回転冷却体４の高純度シリコンを取り出すことができ、取り出しの際に坩堝２中の溶融シリコンＳを冷却・凝固させる必要がないから、冷却・凝固に伴うなうヒータの電力ロスもなく高純度シリコンを効率良く精製することができる。
【００３７】
こうして得られた高純度シリコン６は、重量が約600ｇであり、不純物濃度をＩＣＰ(Inductively Coupled Plasma)質量分析法により測定したところ表１に示すような結果となった。
表１から明らかなように、Ａl(アルミニウム)以外の不純物濃度は、いずれも＜0.1ppmとなっている。Ａlについては、その平衡分配係数が0.0028であることから、原料中のＡlの初期濃度が2100ppmのとき、精製塊中のＡl濃度が6.0ppmであることは、平衡分配係数が略達せられていることを意味し、１回の精製処理では6.0ppmが限界である。しかし、精製処理を繰り返せば、精製塊中のＡl濃度も他の不純物元素と同様に0.1ppm以下にすることができる。
【００３８】
（実施形態２）
図４は、第２の実施形態である金属の精製装置の縦断面図を示している。この精製装置は、溶解炉１から引き上げた中空回転冷却体４を収容する取出し部１４の下端面にも、取出し部１４の内部を密閉するゲート弁１９を設けた点を除いて、図１〜３で述べた第１の実施形態と同じ構造であるので、異なる点のみを説明する。
上記ゲート弁１９は、図３に示すように、取出し部１４内に中空回転冷却体４を収納したとき閉じて、内部を外気から遮断し、取出し部１４の下端が溶解炉１の上端の開いたゲート弁１３上に載って接続されたとき(図１参照)開いて、内部を溶解炉１内に連通するようになっている。
【００３９】
上記第２の実施形態の精製装置を用いたシリコンの精製は、図４に示す工程が加わる他は、第１の実施形態で述べた方法と同じである。
即ち、下端のゲート弁１９を開いた取出し部１４を、溶解炉１の上端の開いたゲート弁１３に接続して、内部を真空引きし、不活性ガス雰囲気で満たした図１に類似の状態で、坩堝２に浸漬した中空回転冷却体４の外周面２７に所定量の高純度シリコン６を晶出させた後、中空回転冷却体４を取出し部１４内に引き上げ、次いで両ゲート弁１３,１９を閉じて、内部空間を上下に分離する。次に、中空回転冷却体４を収納し、下端のゲート弁１９を閉じた取出し部１４を、図４の如く上昇させて溶解炉１から切り離し、中空回転冷却体４の外周の高純度シリコン６が完全に凝固するまでこの状態を維持する。最後に、凝固した高純度シリコン６を中空回転冷却体４と共にゲート弁１９を開いて取り出し、この高純度シリコン６を機械的に剥ぎ取って回収する。
【００４０】
このように、第２の実施形態では、取出し部１４の下端面にもゲート弁１９を設けているので、第１の実施形態で述べた作用効果に加えて、外周面２７に高純度シリコン６が晶出した中空回転冷却体４を取出し部１４に収納した後、ゲート弁１９を閉じてこれを大気から遮断することができる。従って、高純度シリコン６を完全に凝固するまでの間、大気から遮断して、高純度シリコン６のほこり等の付着による汚染や大気による酸化を防ぐことができ、より高純度のシリコンを精製することができる。
【００４１】
（実施形態３）
図５,図６は、第３の実施形態である金属の精製装置の縦断面図を示している。この精製装置は、取出し部１４の下部に、この取出し部内を噴出ガスによりシールするガス吹出口２２を設けた点を除いて、図１〜３で述べた第１の実施形態と同じ構造であるので、異なる点のみを説明する。
上記ガス吹出口２２は、図５に示すように、ガス導入口２０に矢印の如く供給される窒素ガス等の不活性ガスを、取出し部１４の下端周縁に沿って延びるガス導入管２１を経て取出し部１４内に矢印の如く吹き出して、このガス噴出により内部を大気から遮断するようになっている。
【００４２】
上記第３の実施形態の精製装置を用いたシリコンの精製は、図５に示す工程が加わる他は、第１の実施形態で述べた方法と同じである。
即ち、第３の実施形態では、所定量の高純度シリコン６を外周に晶出した中空回転冷却体４を取出し部１４に収納した後、ガス吹出口２２から不活性ガスを吹き出して、取出し部内を大気から遮断する。従って、第３の実施形態によれば、第１の実施形態で述べた作用効果に加えて、完全凝固後の機械的剥ぎ取り等による回収までの間、中空回転冷却体４の外周面に晶出した高純度シリコン６と大気との接触を防止して、高純度シリコン６のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度のシリコンを精製することができる。
【００４３】
図６は、ガス吹出口２２を上下２段に設けた変形例を示しており、このようにすれば、高純度シリコン６のほこり等の付着による汚染および大気による酸化をより確実に防ぐことができる。
なお、精製した高純度シリコンに多少酸化被膜ができても問題がない場合は、第２の実施形態のように取出し部１４の下端にゲート弁１９を設けなくても、このようにガスシールすることで足り、これによって精製装置を構造上コンパクトにできる。また、中空回転冷却体４から高純度シリコン６を機械的剥ぎ取り等で回収する際には、ガスシールを動作または停止のいずれにしてもよい。
【００４４】
（実施形態４）
図７は、第４の実施形態である金属の精製装置の縦断面図である。この精製装置は、図５,６で述べたガス吹出口２２を、取出し部１４の下端に代えて、取出し部１４の内壁の上部に設けた点を除いて、図５,６で述べた第３の実施形態と同じ構造である。
即ち、上記取出し部１４の頂壁１４aの内部に全長に亘ってガス吹出口２３を設け、ガス導入口２４から窒素ガスを供給して、取出し部１４の下方に向けて矢印の如く吹き出して、取出し部１４内への大気の侵入を防止する。従って、第４の実施形態によれば、第１の実施形態で述べた作用効果に加えて、第３の実施形態と同様に完全凝固後の機械的剥ぎ取り等による回収までの間、中空回転冷却体４の外周面に晶出した高純度シリコン６と大気との接触を防止して、高純度シリコン６のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度のシリコンを精製することができる。なお、中空回転冷却体４から高純度シリコン６を機械的剥ぎ取り等で回収する際には、ガスのダウンフローを動作または停止のいずれにもできる。
【００４５】
（実施形態５）
図８は、第５の実施形態である金属の精製装置の縦断面図である。この精製装置は、図４で述べた第２の実施形態のゲート弁１９をもつ取出し部１４に、真空排気管２５を付加したものである。
上記真空排気管２５は、取出し部１４の頂壁１４aを貫通して設けられ、ゲート弁１９が閉じられて密閉された取出し部１４内を真空排気するようになっている。
【００４６】
ところで、精製の原料である粗製シリコン中には、酸素が多く含まれているので、これを坩堝２(図１参照)で溶解する際、酸化ケイ素ＳiＯxがガスとして発生し、溶解炉１および取出し部１４の内壁全面に薄黄色の粉末となって付着し、これが高純度シリコン６に付着するという問題があった。しかし、この精製装置では、中空回転冷却体４を収納した取出し部１４のゲート弁１９を閉じた後、真空排気管２５を介して取出し部１４内を真空排気することにより、取出し部１４の内壁に付着した酸化ケイ素を排除できるので、高純度シリコン６への酸化ケイ素の付着を防止して、高純度シリコン６の汚染を防止できる。なお、この精製装置が図４の第２の実施形態で述べた作用効果を奏するのはいうまでもない。
【００４７】
（実施形態６）
図９は、第６の実施形態である金属の精製装置の縦断面図である。この精製装置は、図１〜３で述べた第１の実施形態の取出し部１４内に、中空回転冷却体４の外周面に晶出した高純度シリコン６を加熱するヒータ２８を付加したものである。
上記ヒータ２８は、誘導加熱コイルなどからなり、取出し部１４が、図１０(Ｃ)に示すような精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ別の溶解炉１の上端に接続されたとき、上記高純度シリコン６を加熱して溶解させ、溶湯保持槽２９に落下させて回収するものである。
【００４８】
ところで、中空回転冷却体４の外周の高純度シリコン６を、機械的に剥ぎ取って回収しようとすると、ブレードなどの冶具を高純度シリコン６に接触させなければならず、回収される高純度シリコンに冶具から不純物が混入するのを防ぐことができなかった。しかし、この精製装置では、取出し部１４内のヒータ２８によって、機械的剥ぎ取りでなく再溶解によって高純度シリコンを溶湯保持槽２９内に回収できるので、回収される高純度シリコンへの冶具からの不純物の混入を防ぐことができる。
また、中空回転冷却体４に黒鉛などを用いた場合、大気中のガスや湿気が黒鉛中に吸収されるが、ガスや湿気を吸収した中空回転冷却体４を、溶解炉１内の坩堝２の溶融シリコンＳに浸漬する前に、上記ヒータ２８でベーキングすることにより、中空回転冷却体４から上記ガスや湿気を除去することができので、溶融シリコンＳを上記ガスや湿気による汚染の少ない状態に維持することができる。なお、この精製装置が図１〜３の第１の実施形態で述べた作用効果を奏するのはいうまでもない。
【００４９】
（実施形態７）
図１０は、第７の実施形態の手順を示す縦断面図である。この精製方法は、一例として図１〜３で述べた精製装置(図１０(Ａ)参照)と、図１０(Ｃ)に示す精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ第２の溶解炉１とを用いて、次に述べる第１〜第４の工程を経て高純度シリコンを精製、回収するものである。なお、上記第２の溶解炉１は、図１０(Ａ)の精製装置から上部の取出し部１４を取り除いた溶解炉１と同じ構造を有する。
【００５０】
上記第１の工程は、図１０(Ａ)に示す坩堝２内の溶融シリコンＳ中に中空回転冷却体４を浸漬し、この中空回転冷却体４を回転させつつその内部に第１の実施形態と同様に冷却流体を供給して、その外周面２７に高純度のシリコン６を晶出させるステップである。
第２の工程は、中空回転冷却体４の外周面２７に所定量の高純度シリコン６を晶出させた後、中空回転冷却体４への冷却流体の供給および回転駆動を停止し、次いで図１０(Ｂ)に示すように、中空回転冷却体４を坩堝２から取出し部１４内へ引き上げ、溶解炉１上端面のゲート弁１３を全閉にして、溶解炉１を密閉する。次いで、中空回転冷却体４を収納した取出し部１４を、精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ第２の溶解炉１上に移動させ、その上端面を覆うゲート弁１３上に載置、接続した後、図１０(Ｃ)の如くゲート弁１３を全開するステップである。
【００５１】
第３の工程は、中空回転冷却体４の外周面に晶出した高純度シリコンを、溶湯保持槽２９内に浸漬し、ヒータ５で加熱溶融した精製シリコン融液Ｓ'によって溶解して回収する。高純度シリコン６を回収した後、中空回転冷却体４を精製金属回収用の溶湯保持槽２９上に上昇させて取出し部１４に収納し、ゲート弁１３を全閉にして第２の溶解炉１を密閉するステップである。この工程では、中空回転冷却体４から高純度シリコン６を溶解、回収するだけなので、第１の工程の場合と異なり中空回転冷却体４に冷却流体を流す必要はない。また、中空回転冷却体４を第１の工程の場合ほど高速回転させる必要もない。
第４の工程は、取出し部１４を、図１０(Ａ)の状態に戻すべく溶解炉１上へ逆方向に移動させ、閉じたゲート弁１３に載置、接続してから、ゲート弁１３を全開して、上記第１工程を再開するステップである。
【００５２】
上記第７の実施形態による精製方法によれば、坩堝２をもつ溶解炉１および精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ第２の溶解炉１の各上端面を密閉するゲート弁１３を夫々有する精製装置を用いているので、溶解炉１内の坩堝２に入った溶融シリコンＳおよび溶湯保持層２９に入った精製シリコン融液Ｓ'を夫々常時溶融させたままでも、溶融シリコンＳおよび精製シリコン融液Ｓ'に大気からほこりが入ったり、湯面が酸化シリコン膜で覆われたりすることなく、粗製シリコンから高純度シリコンを精製することができ、中空回転冷却体４の取り出しの際に溶融シリコンＳおよび精製シリコン融液Ｓ'を冷却・凝固させる必要がないから、冷却・凝固に伴なうヒータの電力ロスもなく高純度シリコンを効率良く精製することができる。
また、高純度シリコン６の回収に機械的な剥ぎ取りを用いないので、剥ぎ取り用の冶具から不純物が混入するのを防ぐことができる。
【００５３】
（実施形態８）
図１１は、第８の実施形態の手順を示す縦断面図である。この精製方法は、図９で述べた精製装置(図１１(Ａ)参照)と、図１１(Ｃ)に示す精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ第２の溶解炉１とを用いて、次に述べる第１〜第４の工程を経て高純度シリコンを精製、回収するものである。なお、上記第２の溶解炉１は、図１１(Ａ)の精製装置から上部の取出し部１４を取り除いた溶解炉１と同じ構造を有する。
【００５４】
上記第１,第２,第４の工程は、図１０の第７の実施形態で述べた工程と同じであり、唯一異なる第３の工程は、次のとおりである。
即ち、上記第３の工程は、図１１(Ｃ)に示すように、中空回転冷却体４の外周面２７に晶出した高純度シリコンを、取出し部１４内のヒータ２８によって溶解し、第２の溶解炉１内の溶解溶湯保持槽２９に溶滴３１として落下させ精製シリコン融液Ｓ'中に回収する。高純度シリコン６を回収した後、中空回転冷却体４を精製金属回収用の溶湯保持槽２９上に上昇させて取出し部１４に収納し、ゲート弁１３を全閉にして第２の溶解炉１を密閉するステップである。この実施形態では、ヒータ２８に誘導加熱コイルを使用し、高純度シリコン６(Φ150×100mm)の溶解時に２０〜４０kWの電力を投入して、約１〜２分で中空回転冷却体４から溶解し、溶湯保持槽２９に回収した。この工程では、第７の実施形態で述べたと同様の理由から、中空回転冷却体４に冷却流体を流す必要もなく、中空回転冷却体４を第１の工程のように回転させる必要もない。
【００５５】
上記第８の実施形態による精製方法によれば、溶解炉１の上端面にゲート弁１３を有することにより、第７の実施形態で述べたと同様の作用効果が奏され、取出し部１４内にヒータ２８を有することにより、高純度シリコン６の回収に機械的な剥ぎ取りを用いないので、剥ぎ取り用の冶具から不純物が混入するのを防ぐことができる。
【００５６】
（実施形態９）
図１２は、第９の実施形態の手順を示す縦断面図である。この精製装置は、図１〜３で述べた精製装置を２基(図１２(Ａ),(Ｃ)参照)と、図１２(Ｂ)に示す精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ第３の溶解炉１とを用いて、図１０で述べたと同じ第１〜第４の工程を左右の溶解炉１,１(精製用)と中央の第３の溶解炉１(回収用)間で交互に繰り返して、高純度シリコンを連続的に精製、回収するものである。各溶解炉の構造は、図１０で述べたと同じであるので、これを用いた精製方法のみを説明する。
【００５７】
図１２では、左右の溶解炉１,１の各坩堝２,２に、中空回転冷却体３,３'が浸漬されている状態が描かれているが、実際は、一方の中空回転冷却体３が坩堝２に浸漬しているときに、他方の中空回転冷却体３'が中央の溶解炉の溶湯保持槽２９に浸漬されるようになっている。
即ち、一方の溶解炉で坩堝２内の溶融シリコンＳから中空回転冷却体外周面２７への高純度シリコン６の晶出が行なわれている間に、他方の溶解炉で既に中空回転冷却体外周面に晶出した高純度シリコンの溶湯保持槽２９内における再溶解、回収が行なわれ、次いで、他方の溶解炉で坩堝２内における高純度シリコン６の晶出と同時に、一方の溶解炉で既に晶出した高純度シリコンの溶湯保持槽２９内における再溶解、回収が行なわれ、これらの工程が交互に繰り返されるのである。
【００５８】
この第９の実施形態は、左右の各溶解炉における所定量の高純度シリコンの晶出と中空回転冷却体の溶湯保持槽への移送に要する合計時間が、中央の溶湯保持槽における高純度シリコンの再溶融、回収に要する時間に等しい場合の例であり、この場合、高純度シリコンの上記晶出と再溶融、回収の交互の繰り返しにより、高純度シリコンの精製工程を間断なく連続的に行なうことができる。従って、高純度シリコンを一層効率良く精製することができる。
なお、上記晶出等に要する合計時間と再溶融、回収に要する時間に差があれば、時間を要する方の溶解炉を差に応じて増設するなどして、間断のない連続的な高純度シリコンの精製を行なうことができる。
【００５９】
以上の実施形態では、精製すべき金属がシリコンである場合について述べたが、本発明は、シリコン以外のアルミニウム等の金属の精製に適用することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明は、溶解炉の上方に、外周面に高純度金属が晶出した上記冷却体を収納する取出し部が設けられ、上記溶解炉の上端面にこの溶解炉内を密閉するゲート弁が設けられているので、ゲート弁により溶解炉内を大気から遮断することができて、溶解炉内の坩堝に入った溶融金属を常時溶融させたままでも、溶融金属に大気からほこりが入ったり、湯面が酸化被膜で覆われたりすることなく、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を取り出すことができ、取り出しの際に坩堝中の溶融金属を冷却・凝固させる必要がないから高純度の金属をエネルギロスなく効率良く精製することができる。
【００６１】
本発明の実施形態の精製装置は、取出し部の下端面にこの内部を密閉するゲート弁が設けられているので、このゲート弁により取出し部に収容した中空回転冷却体外周面に晶出した高純度金属を大気から遮断することができて、この高純度金属を回収するまでの間、ほこり等の付着や大気による酸化から守って、より高純度の金属を精製することができる。
【００６２】
本発明の実施形態の精製装置は、取出し部の下部にその内部を噴出ガスによりシールする少なくとも１つのガス吹出口が設けられているので、取出し部に収納した冷却体の表面に晶出した高純度金属を噴出ガスにより大気から遮断でき、この高純度金属を回収するまでの間、ほこり等の付着や大気による酸化から守って、より高純度の金属を精製することができる。
【００６３】
本発明の実施形態の精製装置は、取出し部の内壁の上部に少なくとも１つのガス吹出口が設けられているので、上記精製装置と同様に、高純度金属を回収するまでの間、ほこり等の付着や大気による酸化から守って、より高純度の金属を精製することができる。
【００６４】
本発明の実施形態の精製装置は、下端面にゲート弁をもつ取出し部の壁面を貫通して、その内部を真空状態に保持する真空排出管が設けられているので、ゲート弁で密閉された取出し部内を真空状態に保持して、高純度金属を回収するまでの間、ほこり等の付着や大気による酸化から守って、より高純度の金属を精製することができるうえ、金属がシリコン等である場合、この金属酸化物を真空排気と共に外部へ除去して、溶解炉や取出し部の内壁および冷却体外周の高純度金属への金属酸化物の付着を防止することができる。
【００６５】
本発明の実施形態の精製装置は、外周面に高純度金属が晶出する冷却体が回転するので、凝固界面から坩堝内の溶融金属に排出された不純物を遠ざけ、溶融金属全体に分散させながら高純度金属の凝固を進行させることができて、平衡偏析係数に近い値の偏析係数に支配された凝固が進行し、冷却体の外周面に短時間に高純度の金属を晶出させることができる。
【００６６】
本発明の実施形態の精製装置は、外周面に高純度金属が晶出した冷却体をヒータを内蔵する取出し部に収容した後、この取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽上に接続して、ヒータで高純度金属を加熱,溶解することにより、高純度金属を機械的に剥ぎ取る際に生じる冶具からの不純物の混入を回避して、かかる不純物のない高純度金属を上記溶湯保持槽に回収することができる。
【００６７】
本発明の金属の精製方法は、上記いずれかの金属の精製装置、つまり溶解炉の上端面に炉内を密閉するゲート弁を少なくとも有する金属の精製装置を用いることにより、既述と同様に、溶解炉内の坩堝に入った溶融金属を常時溶融させたままでも、溶融金属に大気からほこりが入ったり、湯面が酸化被膜で覆われたりすることなく、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を取り出すことができ、取り出しの際に坩堝中の溶融金属を冷却・凝固させる必要がないから高純度の金属を効率良く精製することができる。
【００６８】
本発明の実施形態の精製方法は、１つの精製金属回収用の溶湯保持槽と冷却体および取出し部付きの２つの溶解炉とを配列する等により、既述の作用効果に加えて、一方の溶解炉で冷却体外周への高純度金属の晶出を行ないつつ、他方の取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽に接続して他方の溶解炉で既に晶出した高純度金属を回収する一連の工程を繰り返すことができて、高純度金属を一層効率良く連続的に精製することができる。
【００６９】
本発明の実施形態の精製方法は、溶解炉の上端面に炉内を密閉するゲート弁を少なくとも有し、取出し部内にヒータを有する上記金属の精製装置を用いることにより、上述と同様の作用効果に加えて、既述のように、高純度金属を機械的に剥ぎ取る際に生じる冶具からの不純物の混入を回避して、かかる不純物のない高純度金属を上記溶湯保持槽に回収することができる。
【００７０】
本発明の実施形態の精製方法は、上記作用効果に加えて、既述と同じく、一方の溶解炉で高純度金属の晶出を行ないつつ、他方の溶解炉の取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽に接続して高純度金属を回収する一連の工程を繰り返すことができ、高純度金属を一層効率良く連続的に精製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の金属精製装置の第１の実施形態の全体を示す縦断面図である。
【図２】 中空回転冷却体を坩堝から引き上げた状態の図１の金属精製装置の縦断面図である。
【図３】 中空回転冷却体を収容した取出し部を溶解炉から分離した状態の図１の金属精製装置の縦断面図である。
【図４】 本発明の金属精製装置の第２の実施形態を示す縦断面図である。
【図５】 本発明の金属精製装置の第３の実施形態を示す縦断面図である。
【図６】 図５の実施形態の変形例を示す縦断面図である。
【図７】 本発明の金属精製装置の第４の実施形態を示す縦断面図である。
【図８】 本発明の金属精製装置の第５の実施形態を示す縦断面図である。
【図９】 本発明の金属精製装置の第６の実施形態を示す縦断面図である。
【図１０】 本発明の金属精製方法の一例としての第７の実施形態を示す縦断面図である。
【図１１】 本発明の金属精製方法の一例としての第８の実施形態を示す縦断面図である。
【図１２】 本発明の金属精製方法の一例としての第９の実施形態を示す縦断面図である。
【図１３】 従来の金属精製装置を示す一部破断正面図である。
【符号の説明】
１ 溶解炉
１a 頂壁
１b 側壁
１c 底壁
２ 坩堝
３ 中空回転軸
４ 中空回転冷却体
５ ヒータ
６ 高純度シリコン
７ 不活性ガス供給管
８ 坩堝台
９ パッキン
１０ 固定部
１１ アーム
１２ 伝動機構
Ｍ モータ
１３,１９ ゲート弁
１４ 取出し部
１４a 頂壁
１４b 貫通穴
１５ 冷却流体排出通路
１６ 冷却流体吹出し部材
１６a 吹出口
１７ 冷却流体排出管
１８ 冷却流体排出通路
２０,２４ ガス導入口
２１ ガス導入管
２２,２３ ガス吹出口
２５ 真空排気管
２７ 外周面
２９ 溶湯保持槽
Ｓ 溶融シリコン
Ｓ' 精製シリコン融液
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属シリコンやアルミニウム等の金属の精製装置および精製方法に関し、より詳しくは、不純物を含む金属から高純度の金属を得る精製装置および精製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属の精製装置として、例えば図１３に示すようなものが知られている(特開平９−４８６０７号公報)。この金属の精製装置は、不活性ガス雰囲気下で溶融粗製シリコンＳ中に中空回転冷却体４を浸漬し、この中空回転冷却体４の外周面２７に、純度９９.９％以上の高純度シリコン６を晶出させて得るものである。上記精製装置は、溶解炉１、この溶解炉１の底壁１c上の坩堝台８に載せた坩堝２、この坩堝２を加熱するヒータ５、溶解炉１の頂壁１ａを貫通して配置された中空回転軸３,不活性ガス供給管７,真空排気管３０、中空回転軸３と溶解炉１の頂壁１ａにおける中空回転軸３の周囲の部分２６との間を密封するパッキン９、および中空回転軸３の下端に設けられた中空回転冷却体４を備えている。そして、上記中空回転軸３内に、テーパ状の拡開部１７aと下端１７bが中空回転冷却体４内に位置する冷却流体排出管１７を配置して、中空回転軸３の内周面と冷却流体排出管１７の外周面との間に冷却流体供給通路１８を形成している。
中空回転軸３は、溶解炉１の上方において、固定部１０に対して上下動自在なアーム１１に図示しない軸受を介して支持され、アーム１１上のモータＭによりベルト車とベルトからなる伝動機構１２を介して所定速度で回転させられる。
こうして、中空回転冷却体４内に図中の矢印の如く冷却流体を供給しつつ、中空回転軸３を回転させながら、坩堝２内に入れられた溶融シリコンＳ中に中空回転冷却体４を浸漬し、その外周面２７に純度の高いシリコンを晶出させるのである。
【０００３】
また、特公平３−６５４１５号公報には、アルミニウムの精製装置として、坩堝と、垂直状の中空回転軸と、中空回転軸の下端に固定された中空回転冷却体と、中空回転軸内に配された冷却流体供給管と、回転冷却体内に配置され、上記冷却流体供給管に連通させられた中空筒状冷却流体吹出し部材とを備え、この冷却流体吹出し部材の周壁に多数の冷却流体吹出口が形成されたものが知られている。この精製装置は、加熱手段を備えて坩堝を収容する上方に開口する溶解炉と、回転駆動手段により回転駆動される中空回転軸とを備えていて、先に述べた特開平９−４８６０７号公報と同様の偏析凝固の原理を利用した手法で、坩堝内の溶融シリコン中に浸漬した中空回転冷却体の外周面に純度のより高いシリコンを晶出させるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の特開平９−４８６０７号公報に記載の精製装置では、坩堝２から引き上げた中空回転冷却体４と坩堝２とを遮断する仕切板がないため、中空回転冷却体４の外周に晶出させた精製シリコンを回収するには、坩堝２内の溶融金属を一旦冷却、凝固させた後に頂壁１aを取り外して、中空回転冷却体４を中空回転軸３と共に溶解炉１外に引き上げて取り出さなければならず、これに伴って、溶融シリコンの凝固・冷却に要する待ち時間と溶解・凝固の繰返しによるヒータの電力ロスの問題を回避することができないという問題がある。
また、この精製装置によるシリコン精製は、原料仕込・溶解・精製・冷却・精製塊回収(頂壁取外し作業含む)までの一連の作業に１２時間を要し、１日に２回の精製処理しかできず生産性に劣るという問題がある。
【０００５】
一方、上記特公平３−６５４１５号公報に記載の精製装置では、溶解炉が上方に開口しているので、大気中のほこり等により坩堝内の溶融シリコンが汚染され、高純度のシリコンを得ることができないという問題がある。また、坩堝が大気と接しているため、坩堝中の溶融金属の湯面が酸化被膜で覆われ、中空回転冷却体を溶融金属中に浸漬できないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、溶融金属を入れて溶解炉に収容された坩堝および高純度金属が外周に晶出した冷却体を大気から遮断する手段を工夫することによって、より高純度の金属を効率良く精製することができる金属の精製装置および精製方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の金属の精製装置は、溶解炉内に収容された坩堝内の溶融金属中に冷却体を浸漬して、この冷却体の外周面に高純度金属を晶出させる精製装置において、上記溶解炉の上方に、外周面に高純度金属が晶出した上記冷却体を収納する取出し部が設けられ、上記溶解炉の上端面にこの溶解炉内を密閉するゲート弁が設けられたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の精製装置によれば、溶解炉の上方に、外周面に高純度金属が晶出した上記冷却体を収納する取出し部が設けられ、上記溶解炉の上端面にこの溶解炉内を密閉するゲート弁が設けられているので、外周面に高純度金属が晶出した冷却体を坩堝から引き上げて取出し部に収納した後、溶解炉の上端面のゲート弁を閉じて溶解炉内を大気から遮断することができる。従って、溶解炉内の坩堝に入った溶融金属を常時溶融させたままでも、溶融金属に大気からほこりが入ったり、湯面が酸化被膜で覆われたりすることなく、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を取り出すことができ、取り出しの際に坩堝中の溶融金属を冷却・凝固させる必要がないからエネルギロスなく高純度の金属を効率良く精製することができる。
【０００９】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、上記取出し部の下端面にこの取出し部内を密閉するゲート弁が設けられたことを特徴とする。
【００１０】
上記精製装置によれば、取出し部の下端面にこの内部を密閉するゲート弁が設けられているので、外周面に高純度金属が晶出した冷却体を取出し部に収納した後、上記ゲート弁を閉じて冷却体を大気から遮断することができる。従って、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を、回収するまでの間、大気から遮断して、高純度金属のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度の金属を精製することができる。
【００１１】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、上記取出し部の下部に、この取出し部内を噴出ガスによりシールする少なくとも１つのガス吹出口が設けられたことを特徴とする。
【００１２】
上記精製装置によれば、取出し部の下部にその内部を噴出ガスによりシールする少なくとも１つのガス吹出口が設けられているので、外周面に高純度金属が晶出した冷却体を取出し部に収納した後、上記ガス吹出口からガスを噴出させて冷却体を大気から遮断することができる。従って、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を、回収するまでの間、大気から遮断して、高純度金属のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度の金属を精製することができる。
【００１３】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、上記取出し部の内壁の上部に、少なくとも１つのガス吹出口が設けられたことを特徴とする。
【００１４】
上記精製装置によれば、取出し部の内壁の上部に少なくとも１つのガス吹出口が設けられているので、外周面に高純度金属が晶出した冷却体を取出し部に収納した後、上記ガス吹出口からガスを噴出させて、取出し部の下端開口から取出し部内への大気の侵入を防ぐことができる。従って、冷却体の外周面に晶出した高純度金属の大気との接触を防止して、高純度金属のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度の金属を精製することができる。
【００１５】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、精製装置の上記取出し部の壁面を貫通して、この取出し部内を真空状態に保持する真空排出管が取り付けられたことを特徴とする。
【００１６】
上記精製装置は、下端面にゲート弁をもつ取出し部の壁面を貫通して、その内部を真空状態に保持する真空排出管が設けられているので、外周面に高純度金属が晶出した冷却体を取出し部に収納した後、上記ゲート弁を閉じるとともに、密閉された取出し部内を上記真空排気管により真空状態に保持することができる。従って、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を、回収するまでの間、大気から遮断して、高純度金属のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度の金属を精製することができる。一方、シリコン等の金属では、坩堝内の溶融粗製金属中に多量の酸素が含まれていて、その金属酸化物のガスが溶解炉や取出し部の内壁に付着するという問題がある。しかし、この精製装置では、取出し部内を真空排気管により真空状態に排気するので、取出し部内の金属酸化物を除去して、この金属酸化物の付着による冷却体外周の高純度金属の汚染を防止することができる。
【００１７】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、上記冷却体が回転することを特徴とする。
【００１８】
上記精製装置によれば、外周面に高純度金属が晶出する冷却体が回転するので、冷却体外周の凝固界面から坩堝内の溶融金属に排出された不純物を凝固界面から遠ざけ、溶融金属全体に分散させながら高純度金属の凝固を進行させることができる。従って、平衡偏析係数に近い値の偏析係数に支配されて凝固が進行し、冷却体の外周面に短時間に高純度の金属を晶出させることができる。
【００１９】
本発明の実施形態の金属の精製装置は、上記取出し部内に上記冷却体の外周面に晶出した高純度金属を加熱するヒータが設けられたことを特徴とする。
【００２０】
上記精製装置によれば、外周面に高純度金属が晶出した冷却体をヒータを内蔵する上記取出し部に収容した後、この取出し部を例えば精製金属回収用の溶湯保持槽上に接続し、ヒータで冷却体外周の高純度金属を加熱、溶解することにより、高純度金属を機械的に剥ぎ取る際に生じる冶具からの不純物の混入を回避して、かかる不純物のない高純度金属を上記溶湯保持槽に回収することができる。
【００２１】
本発明の金属の精製方法は、上記いずれか１つに記載の金属の精製装置を用いて、上記溶解炉内に収容された坩堝内の溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体の内部に冷却流体を供給しつつ外周面に純度のより高い金属を晶出させる第１工程と、上記冷却体の外周面に所定量の精製金属を晶出させた後、上記冷却体内への冷却流体の供給を停止し、次いで上記冷却体を坩堝から取出し部へ引上げ、上記冷却体を収納した取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽上に移動させる第２工程と、上記冷却体の外周面に晶出した精製金属を上記精製金属回収用の溶湯保持槽内で加熱溶解して回収した後、上記冷却体を精製金属回収用の溶湯保持槽から上昇させて上記取出し部に収納する第３工程と、上記取出し部を上記溶解炉上に移動させる第４の工程を経て上記第１工程に戻ることを特徴とする。
【００２２】
本発明の精製方法によれば、上記金属の精製装置、つまり溶解炉の上端面に炉内を密閉するゲート弁を少なくとも有する金属の精製装置を用いることにより、溶解炉内の坩堝に入った溶融金属を常時溶融させたままでも、溶融金属に大気からほこりが入ったり、湯面が酸化被膜で覆われたりすることなく、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を取り出すことができ、取り出しの際に坩堝中の溶融金属を冷却・凝固させる必要がないからエネルギロスなく高純度の金属を効率良く精製することができる。
【００２３】
本発明の実施形態の金属の精製方法は、上記いずれか１つの金属の精製装置を少なくとも１つ配列し、上記第１乃至第４の工程を繰り返すことを特徴とする。
【００２４】
上記精製方法によれば、例えば１つの精製金属回収用の溶湯保持槽と冷却体および取出し部付きの２つの溶解炉とを配列すれば、上述の作用効果に加えて、一方の溶解炉で冷却体外周への高純度金属の晶出を行ないつつ、他方の取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽に接続して他方の溶解炉で既に晶出した高純度金属を回収する一連の工程を繰り返すことができる。従って、高純度金属を一層効率良く連続的に精製することができる。
【００２５】
本発明の実施形態の金属の精製方法は、上記金属の精製装置を用いて、上記溶解炉内に収容された坩堝内の溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体の内部に冷却流体を供給しつつ外周面に純度のより高い金属を晶出させる第１工程と、上記冷却体の外周面に所定量の精製金属を晶出させた後、上記冷却体内への冷却流体の供給を停止し、次いで上記冷却体を坩堝から取出し部へ引上げ、上記冷却体を収納した取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽上に移動させる第２工程と、上記冷却体の外周面に晶出した精製金属を上記取出し部内に設けられたヒータによって溶解し、精製金属回収用の溶湯保持槽に回収した後、上記冷却体を精製金属回収用の溶湯保持槽から上昇させて上記取出し部に収納する第３工程と、上記取出し部を上記溶解炉上に移動させる第４の工程を経て上記第１工程に戻ることを特徴とする。
【００２６】
上記精製方法によれば、溶解炉の上端面に炉内を密閉するゲート弁を少なくとも有し、取出し部内にヒータを有する金属の精製装置を用いることにより、上述と同様の作用効果に加えて、既述のように、高純度金属を機械的に剥ぎ取る際に生じる冶具からの不純物の混入を回避して、かかる不純物のない高純度金属を上記溶湯保持槽に回収することができる。
【００２７】
本発明の実施形態の金属の精製方法は、上記金属の精製装置を少なくとも１つ配列し、上記第１乃至第４の工程を繰り返すことを特徴とする。
【００２８】
上記精製方法によれば、上述の作用効果に加えて、既述のように、例えば一方の溶解炉で高純度金属の晶出を行ないつつ、他方の溶解炉の取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽に接続して高純度金属を回収する一連の工程を繰り返すことができ、高純度金属を一層効率良く連続的に精製することができる。
【００２９】
【発明の実施形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
（実施形態１）
図１〜図３は、第１の実施形態である金属の精製装置の縦断面図を示している。この精製装置は、溶解炉１の上端面に炉内を密閉するゲート弁１３を設け、溶解炉１の上方に中空回転冷却体４を収容する取出し部１４を設けた点を除いて、図１３で述べた精製装置と同じ構造であり、同じ部材には同一番号を付して説明を簡略する。
耐火物からなる溶解炉１は、底壁１c上の坩堝台８に載せられ、溶融金属としての溶融シリコンＳが入った坩堝２と、この坩堝２を加熱するヒータ５とを収容し、溶解炉の側壁１bには、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスを炉内に供給する不活性ガス供給管７と、溶解炉内を真空引きする真空排気管３０が取り付けられている。上記坩堝２は、シリコンと反応しにくく、それ故これを汚染しにくい石英,黒鉛またはアルミナのような物質からなる。
【００３０】
上記ゲート弁１３は、溶解炉１の上端開口を開閉する一方、上記取出し部１４は、下端開口をゲート弁１３上に載せて溶解炉１に接続されるとともに、頂壁１４ａの貫通穴１４bにオイルシールとしての合成ゴム製のパッキン９を装着し、このパッキン９に黒鉛製の中空回転軸３を鉛直に挿通して、中空回転軸３の下端の中空回転冷却体４を坩堝２内の溶融シリコンＳに浸漬している。なお、中空回転軸３のパッキン９との摺接部は、摺動により黒鉛の粉塵が発生して落下し、坩堝２内の溶融シリコンＳを汚染する虞があるので、ステンレス鋼製にするのが好ましい。
【００３１】
上記中空回転軸３は、内部中心に金属,セラミックスまたは黒鉛からなる冷却流体排出管１７を軸方向に延在して配置し、この冷却流体排出管１７の下端外周に冷却流体吹出し部材１６の下端を連結する一方、冷却流体吹出し部材１６の上端を中空回転軸３の内周面に連結している。そして、冷却流体排出管１７の外側の冷却流体供給通路１８を下向き矢印の如く導かれた冷却流体を、下端の冷却流体吹出し部材１６の吹出口１６aから外方へ吹き出して、中空回転冷却体４の内壁を冷却して、中空回転冷却体４の外周面２７に高純度シリコン６を晶出させるようにしている。上記中空回転冷却体４は、熱伝導性の良い有底の筒状をなし、溶融シリコンＳと反応しにくく、それ故これを汚染しにくい炭化ケイ素(ＳiＣ),窒化ケイ素(ＳiＮ),黒鉛等からなる。なお、内壁を冷却した後の冷却流体は、冷却流体排出管１７の下端から管内側の冷却流体排出通路１５に入り、上向き矢印の如く排出される。
【００３２】
上記構成の精製装置を用いてシリコンの精製を次のように行なう。
まず、図１に示す溶融炉１内の坩堝２に、予め精製すべき粗製シリコン(純度９９％の金属級シリコン)６.０kgを入れ、溶解炉１の上端の開いたゲート弁１３上に取出し部１４の下端開口を気密に接続し、この状態で溶解炉１内を真空排気管３０を介して真空引きし、次いで不活性ガス供給管７から不活性ガスを供給して溶解炉１内を完全な不活性ガス雰囲気とする。続いて、ヒータ５により坩堝２内の粗製シリコンを加熱,溶解させ、溶融シリコンＳの融液温度を1414〜1600℃の範囲に加熱保持する。なお、溶融シリコンＳは別途溶解したものを坩堝２内へ入れてもよいし、溶解炉１に別途設置した原料投入口を経て坩堝２内へ入れてもよい。
【００３３】
次に、冷却流体を、中空回転軸３内の外側の冷却流体供給通路１５を経て下向き矢印の如く送り込み、下端の冷却流体吹出し部材１６の吹出口１６aから中空回転冷却体４の内壁に向かって吹き出しながら、モータＭおよび伝動機構１２(図１３参照)により中空回転軸３を介して中空回転冷却体４を回転させ、偏析凝固の原理によって中空回転冷却体４の外周面２７に高純度の精製シリコン６を晶出させる。
中空回転冷却体４を回転させることにより、上記外周面２７の高純度シリコンの凝固界面から溶融シリコンＳ中へ排出された不純物を凝固界面から遠ざけ、溶融シリコンＳ中全体に分散させながら凝固を進めることができる。従って、平衡偏析係数に近い値の偏析係数で支配されて凝固が進行し、中空回転冷却体４の外周面２７に、短時間に高純度の精製シリコン６を晶出させることができる。
【００３４】
上記中空回転冷却体４の回転時の周速度は、0.004ｍ／秒以上の任意の周速度に設定し、中空回転冷却体４に導入される冷却流体の流量は、溶融シリコンＳに浸漬している晶出部の表面積１ｍ2につき0.001〜3.8ｍ3／秒の範囲内に設定した。冷却流体は、窒素ガスを用いたが、これに限定されず、中空回転冷却体４を酸化させないアルゴン,ヘリウム等の不活性ガスを用いてもよい。なお、中空回転冷却体４に晶出させた高純度シリコン６を坩堝２から引き上げる際の速度は、５cm／分以上の適切な値とした。
【００３５】
中空回転冷却体４の外周面２７に所定量の高純度シリコン６が晶出すると、図２に示すように、中空回転軸３と一体の中空回転冷却体４を取出し部１４内に引き上げて収納し、ゲート弁１３を内側ヘスライドして閉じ、溶解炉１の上端面を密閉する。次に、図３に示すように、取出し部１４を中空回転軸３と共に上昇させて溶解炉１から分離する。その後、中空回転冷却体４の外周面２７に凝固した高純度シリコン６は、機械的に剥ぎ取られて回収される。
【００３６】
このように、第１の実施形態では、溶解炉１の上端面にゲート弁１３を設け、このゲート弁１３に接離して中空回転冷却体４を収容する取出し部１４を設けているので、外周面２７に高純度シリコン６が凝固した中空回転冷却体４を坩堝２から引き上げて取出し部１４に収納した後、溶解炉１の上端面のゲート弁１３を閉じて溶解炉１内を大気から遮断することができる。従って、溶解炉１内の坩堝２に入った溶融シリコンＳを常時溶融させたままでも、溶融シリコンＳに大気からほこりが入ったり、湯面が酸化シリコン膜で覆われたりすることなく、中空回転冷却体４の高純度シリコンを取り出すことができ、取り出しの際に坩堝２中の溶融シリコンＳを冷却・凝固させる必要がないから、冷却・凝固に伴うなうヒータの電力ロスもなく高純度シリコンを効率良く精製することができる。
【００３７】
こうして得られた高純度シリコン６は、重量が約600ｇであり、不純物濃度をＩＣＰ(Inductively Coupled Plasma)質量分析法により測定したところ表１に示すような結果となった。
【００３８】
（実施形態２）
図４は、第２の実施形態である金属の精製装置の縦断面図を示している。この精製装置は、溶解炉１から引き上げた中空回転冷却体４を収容する取出し部１４の下端面にも、取出し部１４の内部を密閉するゲート弁１９を設けた点を除いて、図１〜３で述べた第１の実施形態と同じ構造であるので、異なる点のみを説明する。
上記ゲート弁１９は、図３に示すように、取出し部１４内に中空回転冷却体４を収納したとき閉じて、内部を外気から遮断し、取出し部１４の下端が溶解炉１の上端の開いたゲート弁１３上に載って接続されたとき(図１参照)開いて、内部を溶解炉１内に連通するようになっている。
【００３９】
上記第２の実施形態の精製装置を用いたシリコンの精製は、図４に示す工程が加わる他は、第１の実施形態で述べた方法と同じである。
即ち、下端のゲート弁１９を開いた取出し部１４を、溶解炉１の上端の開いたゲート弁１３に接続して、内部を真空引きし、不活性ガス雰囲気で満たした図１に類似の状態で、坩堝２に浸漬した中空回転冷却体４の外周面２７に所定量の高純度シリコン６を晶出させた後、中空回転冷却体４を取出し部１４内に引き上げ、次いで両ゲート弁１３,１９を閉じて、内部空間を上下に分離する。次に、中空回転冷却体４を収納し、下端のゲート弁１９を閉じた取出し部１４を、図４の如く上昇させて溶解炉１から切り離し、中空回転冷却体４の外周の高純度シリコン６が完全に凝固するまでこの状態を維持する。最後に、凝固した高純度シリコン６を中空回転冷却体４と共にゲート弁１９を開いて取り出し、この高純度シリコン６を機械的に剥ぎ取って回収する。
【００４０】
このように、第２の実施形態では、取出し部１４の下端面にもゲート弁１９を設けているので、第１の実施形態で述べた作用効果に加えて、外周面２７に高純度シリコン６が晶出した中空回転冷却体４を取出し部１４に収納した後、ゲート弁１９を閉じてこれを大気から遮断することができる。従って、高純度シリコン６を完全に凝固するまでの間、大気から遮断して、高純度シリコン６のほこり等の付着による汚染や大気による酸化を防ぐことができ、より高純度のシリコンを精製することができる。
【００４１】
（実施形態３）
図５,図６は、第３の実施形態である金属の精製装置の縦断面図を示している。この精製装置は、取出し部１４の下部に、この取出し部内を噴出ガスによりシールするガス吹出口２２を設けた点を除いて、図１〜３で述べた第１の実施形態と同じ構造であるので、異なる点のみを説明する。
上記ガス吹出口２２は、図５に示すように、ガス導入口２０に矢印の如く供給される窒素ガス等の不活性ガスを、取出し部１４の下端周縁に沿って延びるガス導入管２１を経て取出し部１４内に矢印の如く吹き出して、このガス噴出により内部を大気から遮断するようになっている。
【００４２】
上記第３の実施形態の精製装置を用いたシリコンの精製は、図５に示す工程が加わる他は、第１の実施形態で述べた方法と同じである。
即ち、第３の実施形態では、所定量の高純度シリコン６を外周に晶出した中空回転冷却体４を取出し部１４に収納した後、ガス吹出口２２から不活性ガスを吹き出して、取出し部内を大気から遮断する。従って、第３の実施形態によれば、第１の実施形態で述べた作用効果に加えて、完全凝固後の機械的剥ぎ取り等による回収までの間、中空回転冷却体４の外周面に晶出した高純度シリコン６と大気との接触を防止して、高純度シリコン６のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度のシリコンを精製することができる。
【００４３】
図６は、ガス吹出口２２を上下２段に設けた変形例を示しており、このようにすれば、高純度シリコン６のほこり等の付着による汚染および大気による酸化をより確実に防ぐことができる。
なお、精製した高純度シリコンに多少酸化被膜ができても問題がない場合は、第２の実施形態のように取出し部１４の下端にゲート弁１９を設けなくても、このようにガスシールすることで足り、これによって精製装置を構造上コンパクトにできる。また、中空回転冷却体４から高純度シリコン６を機械的剥ぎ取り等で回収する際には、ガスシールを動作または停止のいずれにしてもよい。
【００４４】
（実施形態４）
図７は、第４の実施形態である金属の精製装置の縦断面図である。この精製装置は、図５,６で述べたガス吹出口２２を、取出し部１４の下端に代えて、取出し部１４の内壁の上部に設けた点を除いて、図５,６で述べた第３の実施形態と同じ構造である。
即ち、上記取出し部１４の頂壁１４aの内部に全長に亘ってガス吹出口２３を設け、ガス導入口２４から窒素ガスを供給して、取出し部１４の下方に向けて矢印の如く吹き出して、取出し部１４内への大気の侵入を防止する。従って、第４の実施形態によれば、第１の実施形態で述べた作用効果に加えて、第３の実施形態と同様に完全凝固後の機械的剥ぎ取り等による回収までの間、中空回転冷却体４の外周面に晶出した高純度シリコン６と大気との接触を防止して、高純度シリコン６のほこり等の付着による汚染および大気による酸化を防ぐことができ、より高純度のシリコンを精製することができる。なお、中空回転冷却体４から高純度シリコン６を機械的剥ぎ取り等で回収する際には、ガスのダウンフローを動作または停止のいずれにもできる。
【００４５】
（実施形態５）
図８は、第５の実施形態である金属の精製装置の縦断面図である。この精製装置は、図４で述べた第２の実施形態のゲート弁１９をもつ取出し部１４に、真空排気管２５を付加したものである。
上記真空排気管２５は、取出し部１４の頂壁１４aを貫通して設けられ、ゲート弁１９が閉じられて密閉された取出し部１４内を真空排気するようになっている。
【００４６】
ところで、精製の原料である粗製シリコン中には、酸素が多く含まれているので、これを坩堝２(図１参照)で溶解する際、酸化ケイ素ＳiＯxがガスとして発生し、溶解炉１および取出し部１４の内壁全面に薄黄色の粉末となって付着し、これが高純度シリコン６に付着するという問題があった。しかし、この精製装置では、中空回転冷却体４を収納した取出し部１４のゲート弁１９を閉じた後、真空排気管２５を介して取出し部１４内を真空排気することにより、取出し部１４の内壁に付着した酸化ケイ素を排除できるので、高純度シリコン６への酸化ケイ素の付着を防止して、高純度シリコン６の汚染を防止できる。なお、この精製装置が図４の第２の実施形態で述べた作用効果を奏するのはいうまでもない。
【００４７】
（実施形態６）
図９は、第６の実施形態である金属の精製装置の縦断面図である。この精製装置は、図１〜３で述べた第１の実施形態の取出し部１４内に、中空回転冷却体４の外周面に晶出した高純度シリコン６を加熱するヒータ２８を付加したものである。
上記ヒータ２８は、誘導加熱コイルなどからなり、取出し部１４が、図１０(Ｃ)に示すような精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ別の溶解炉１の上端に接続されたとき、上記高純度シリコン６を加熱して溶解させ、溶湯保持槽２９に落下させて回収するものである。
【００４８】
ところで、中空回転冷却体４の外周の高純度シリコン６を、機械的に剥ぎ取って回収しようとすると、ブレードなどの冶具を高純度シリコン６に接触させなければならず、回収される高純度シリコンに冶具から不純物が混入するのを防ぐことができなかった。しかし、この精製装置では、取出し部１４内のヒータ２８によって、機械的剥ぎ取りでなく再溶解によって高純度シリコンを溶湯保持槽２９内に回収できるので、回収される高純度シリコンへの冶具からの不純物の混入を防ぐことができる。
また、中空回転冷却体４に黒鉛などを用いた場合、大気中のガスや湿気が黒鉛中に吸収されるが、ガスや湿気を吸収した中空回転冷却体４を、溶解炉１内の坩堝２の溶融シリコンＳに浸漬する前に、上記ヒータ２８でベーキングすることにより、中空回転冷却体４から上記ガスや湿気を除去することができので、溶融シリコンＳを上記ガスや湿気による汚染の少ない状態に維持することができる。なお、この精製装置が図１〜３の第１の実施形態で述べた作用効果を奏するのはいうまでもない。
【００４９】
（実施形態７）
図１０は、第７の実施形態の手順を示す縦断面図である。この精製方法は、一例として図１〜３で述べた精製装置(図１０(Ａ)参照)と、図１０(Ｃ)に示す精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ第２の溶解炉１とを用いて、次に述べる第１〜第４の工程を経て高純度シリコンを精製、回収するものである。なお、上記第２の溶解炉１は、図１０(Ａ)の精製装置から上部の取出し部１４を取り除いた溶解炉１と同じ構造を有する。
【００５０】
上記第１の工程は、図１０(Ａ)に示す坩堝２内の溶融シリコンＳ中に中空回転冷却体４を浸漬し、この中空回転冷却体４を回転させつつその内部に第１の実施形態と同様に冷却流体を供給して、その外周面２７に高純度のシリコン６を晶出させるステップである。
第２の工程は、中空回転冷却体４の外周面２７に所定量の高純度シリコン６を晶出させた後、中空回転冷却体４への冷却流体の供給および回転駆動を停止し、次いで図１０(Ｂ)に示すように、中空回転冷却体４を坩堝２から取出し部１４内へ引き上げ、溶解炉１上端面のゲート弁１３を全閉にして、溶解炉１を密閉する。次いで、中空回転冷却体４を収納した取出し部１４を、精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ第２の溶解炉１上に移動させ、その上端面を覆うゲート弁１３上に載置、接続した後、図１０(Ｃ)の如くゲート弁１３を全開するステップである。
【００５１】
第３の工程は、中空回転冷却体４の外周面に晶出した高純度シリコンを、溶湯保持槽２９内に浸漬し、ヒータ５で加熱溶融した精製シリコン融液Ｓ'によって溶解して回収する。高純度シリコン６を回収した後、中空回転冷却体４を精製金属回収用の溶湯保持槽２９上に上昇させて取出し部１４に収納し、ゲート弁１３を全閉にして第２の溶解炉１を密閉するステップである。この工程では、中空回転冷却体４から高純度シリコン６を溶解、回収するだけなので、第１の工程の場合と異なり中空回転冷却体４に冷却流体を流す必要はない。また、中空回転冷却体４を第１の工程の場合ほど高速回転させる必要もない。
第４の工程は、取出し部１４を、図１０(Ａ)の状態に戻すべく溶解炉１上へ逆方向に移動させ、閉じたゲート弁１３に載置、接続してから、ゲート弁１３を全開して、上記第１工程を再開するステップである。
【００５２】
上記第７の実施形態による精製方法によれば、坩堝２をもつ溶解炉１および精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ第２の溶解炉１の各上端面を密閉するゲート弁１３を夫々有する精製装置を用いているので、溶解炉１内の坩堝２に入った溶融シリコンＳおよび溶湯保持層２９に入った精製シリコン融液Ｓ'を夫々常時溶融させたままでも、溶融シリコンＳおよび精製シリコン融液Ｓ'に大気からほこりが入ったり、湯面が酸化シリコン膜で覆われたりすることなく、粗製シリコンから高純度シリコンを精製することができ、中空回転冷却体４の取り出しの際に溶融シリコンＳおよび精製シリコン融液Ｓ'を冷却・凝固させる必要がないから、冷却・凝固に伴なうヒータの電力ロスもなく高純度シリコンを効率良く精製することができる。
また、高純度シリコン６の回収に機械的な剥ぎ取りを用いないので、剥ぎ取り用の冶具から不純物が混入するのを防ぐことができる。
【００５３】
（実施形態８）
図１１は、第８の実施形態の手順を示す縦断面図である。この精製方法は、図９で述べた精製装置(図１１(Ａ)参照)と、図１１(Ｃ)に示す精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ第２の溶解炉１とを用いて、次に述べる第１〜第４の工程を経て高純度シリコンを精製、回収するものである。なお、上記第２の溶解炉１は、図１１(Ａ)の精製装置から上部の取出し部１４を取り除いた溶解炉１と同じ構造を有する。
【００５４】
上記第１,第２,第４の工程は、図１０の第７の実施形態で述べた工程と同じであり、唯一異なる第３の工程は、次のとおりである。
即ち、上記第３の工程は、図１１(Ｃ)に示すように、中空回転冷却体４の外周面２７に晶出した高純度シリコンを、取出し部１４内のヒータ２８によって溶解し、第２の溶解炉１内の溶解溶湯保持槽２９に溶滴３１として落下させ精製シリコン融液Ｓ'中に回収する。高純度シリコン６を回収した後、中空回転冷却体４を精製金属回収用の溶湯保持槽２９上に上昇させて取出し部１４に収納し、ゲート弁１３を全閉にして第２の溶解炉１を密閉するステップである。この実施形態では、ヒータ２８に誘導加熱コイルを使用し、高純度シリコン６(Φ150×100mm)の溶解時に２０〜４０kWの電力を投入して、約１〜２分で中空回転冷却体４から溶解し、溶湯保持槽２９に回収した。この工程では、第７の実施形態で述べたと同様の理由から、中空回転冷却体４に冷却流体を流す必要もなく、中空回転冷却体４を第１の工程のように回転させる必要もない。
【００５５】
上記第８の実施形態による精製方法によれば、溶解炉１の上端面にゲート弁１３を有することにより、第７の実施形態で述べたと同様の作用効果が奏され、取出し部１４内にヒータ２８を有することにより、高純度シリコン６の回収に機械的な剥ぎ取りを用いないので、剥ぎ取り用の冶具から不純物が混入するのを防ぐことができる。
【００５６】
（実施形態９）
図１２は、第９の実施形態の手順を示す縦断面図である。この精製装置は、図１〜３で述べた精製装置を２基(図１２(Ａ),(Ｃ)参照)と、図１２(Ｂ)に示す精製シリコン回収用の溶湯保持槽２９をもつ第３の溶解炉１とを用いて、図１０で述べたと同じ第１〜第４の工程を左右の溶解炉１,１(精製用)と中央の第３の溶解炉１(回収用)間で交互に繰り返して、高純度シリコンを連続的に精製、回収するものである。各溶解炉の構造は、図１０で述べたと同じであるので、これを用いた精製方法のみを説明する。
【００５７】
図１２では、左右の溶解炉１,１の各坩堝２,２に、中空回転冷却体３,３'が浸漬されている状態が描かれているが、実際は、一方の中空回転冷却体３が坩堝２に浸漬しているときに、他方の中空回転冷却体３'が中央の溶解炉の溶湯保持槽２９に浸漬されるようになっている。
即ち、一方の溶解炉で坩堝２内の溶融シリコンＳから中空回転冷却体外周面２７への高純度シリコン６の晶出が行なわれている間に、他方の溶解炉で既に中空回転冷却体外周面に晶出した高純度シリコンの溶湯保持槽２９内における再溶解、回収が行なわれ、次いで、他方の溶解炉で坩堝２内における高純度シリコン６の晶出と同時に、一方の溶解炉で既に晶出した高純度シリコンの溶湯保持槽２９内における再溶解、回収が行なわれ、これらの工程が交互に繰り返されるのである。
【００５８】
この第９の実施形態は、左右の各溶解炉における所定量の高純度シリコンの晶出と中空回転冷却体の溶湯保持槽への移送に要する合計時間が、中央の溶湯保持槽における高純度シリコンの再溶融、回収に要する時間に等しい場合の例であり、この場合、高純度シリコンの上記晶出と再溶融、回収の交互の繰り返しにより、高純度シリコンの精製工程を間断なく連続的に行なうことができる。従って、高純度シリコンを一層効率良く精製することができる。
なお、上記晶出等に要する合計時間と再溶融、回収に要する時間に差があれば、時間を要する方の溶解炉を差に応じて増設するなどして、間断のない連続的な高純度シリコンの精製を行なうことができる。
【００５９】
以上の実施形態では、精製すべき金属がシリコンである場合について述べたが、本発明は、シリコン以外のアルミニウム等の金属の精製に適用することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明は、溶解炉の上方に、外周面に高純度金属が晶出した上記冷却体を収納する取出し部が設けられ、上記溶解炉の上端面にこの溶解炉内を密閉するゲート弁が設けられているので、ゲート弁により溶解炉内を大気から遮断することができて、溶解炉内の坩堝に入った溶融金属を常時溶融させたままでも、溶融金属に大気からほこりが入ったり、湯面が酸化被膜で覆われたりすることなく、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を取り出すことができ、取り出しの際に坩堝中の溶融金属を冷却・凝固させる必要がないから高純度の金属をエネルギロスなく効率良く精製することができる。
【００６１】
本発明の実施形態の精製装置は、取出し部の下端面にこの内部を密閉するゲート弁が設けられているので、このゲート弁により取出し部に収容した中空回転冷却体外周面に晶出した高純度金属を大気から遮断することができて、この高純度金属を回収するまでの間、ほこり等の付着や大気による酸化から守って、より高純度の金属を精製することができる。
【００６２】
本発明の実施形態の精製装置は、取出し部の下部にその内部を噴出ガスによりシールする少なくとも１つのガス吹出口が設けられているので、取出し部に収納した冷却体の表面に晶出した高純度金属を噴出ガスにより大気から遮断でき、この高純度金属を回収するまでの間、ほこり等の付着や大気による酸化から守って、より高純度の金属を精製することができる。
【００６３】
本発明の実施形態の精製装置は、取出し部の内壁の上部に少なくとも１つのガス吹出口が設けられているので、上記精製装置と同様に、高純度金属を回収するまでの間、ほこり等の付着や大気による酸化から守って、より高純度の金属を精製することができる。
【００６４】
本発明の実施形態の精製装置は、下端面にゲート弁をもつ取出し部の壁面を貫通して、その内部を真空状態に保持する真空排出管が設けられているので、ゲート弁で密閉された取出し部内を真空状態に保持して、高純度金属を回収するまでの間、ほこり等の付着や大気による酸化から守って、より高純度の金属を精製することができるうえ、金属がシリコン等である場合、この金属酸化物を真空排気と共に外部へ除去して、溶解炉や取出し部の内壁および冷却体外周の高純度金属への金属酸化物の付着を防止することができる。
【００６５】
本発明の実施形態の精製装置は、外周面に高純度金属が晶出する冷却体が回転するので、凝固界面から坩堝内の溶融金属に排出された不純物を遠ざけ、溶融金属全体に分散させながら高純度金属の凝固を進行させることができて、平衡偏析係数に近い値の偏析係数に支配された凝固が進行し、冷却体の外周面に短時間に高純度の金属を晶出させることができる。
【００６６】
本発明の実施形態の精製装置は、外周面に高純度金属が晶出した冷却体をヒータを内蔵する取出し部に収容した後、この取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽上に接続して、ヒータで高純度金属を加熱,溶解することにより、高純度金属を機械的に剥ぎ取る際に生じる冶具からの不純物の混入を回避して、かかる不純物のない高純度金属を上記溶湯保持槽に回収することができる。
【００６７】
本発明の金属の精製方法は、上記いずれかの金属の精製装置、つまり溶解炉の上端面に炉内を密閉するゲート弁を少なくとも有する金属の精製装置を用いることにより、既述と同様に、溶解炉内の坩堝に入った溶融金属を常時溶融させたままでも、溶融金属に大気からほこりが入ったり、湯面が酸化被膜で覆われたりすることなく、冷却体の外周面に晶出した高純度金属を取り出すことができ、取り出しの際に坩堝中の溶融金属を冷却・凝固させる必要がないから高純度の金属を効率良く精製することができる。
【００６８】
本発明の実施形態の精製方法は、１つの精製金属回収用の溶湯保持槽と冷却体および取出し部付きの２つの溶解炉とを配列する等により、既述の作用効果に加えて、一方の溶解炉で冷却体外周への高純度金属の晶出を行ないつつ、他方の取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽に接続して他方の溶解炉で既に晶出した高純度金属を回収する一連の工程を繰り返すことができて、高純度金属を一層効率良く連続的に精製することができる。
【００６９】
本発明の実施形態の精製方法は、溶解炉の上端面に炉内を密閉するゲート弁を少なくとも有し、取出し部内にヒータを有する上記金属の精製装置を用いることにより、上述と同様の作用効果に加えて、既述のように、高純度金属を機械的に剥ぎ取る際に生じる冶具からの不純物の混入を回避して、かかる不純物のない高純度金属を上記溶湯保持槽に回収することができる。
【００７０】
本発明の実施形態の精製方法は、上記作用効果に加えて、既述と同じく、一方の溶解炉で高純度金属の晶出を行ないつつ、他方の溶解炉の取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽に接続して高純度金属を回収する一連の工程を繰り返すことができ、高純度金属を一層効率良く連続的に精製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の金属精製装置の第１の実施形態の全体を示す縦断面図である。
【図２】 中空回転冷却体を坩堝から引き上げた状態の図１の金属精製装置の縦断面図である。
【図３】 中空回転冷却体を収容した取出し部を溶解炉から分離した状態の図１の金属精製装置の縦断面図である。
【図４】 本発明の金属精製装置の第２の実施形態を示す縦断面図である。
【図５】 本発明の金属精製装置の第３の実施形態を示す縦断面図である。
【図６】 図５の実施形態の変形例を示す縦断面図である。
【図７】 本発明の金属精製装置の第４の実施形態を示す縦断面図である。
【図８】 本発明の金属精製装置の第５の実施形態を示す縦断面図である。
【図９】 本発明の金属精製装置の第６の実施形態を示す縦断面図である。
【図１０】 本発明の金属精製方法の一例としての第７の実施形態を示す縦断面図である。
【図１１】 本発明の金属精製方法の一例としての第８の実施形態を示す縦断面図である。
【図１２】 本発明の金属精製方法の一例としての第９の実施形態を示す縦断面図である。
【図１３】 従来の金属精製装置を示す一部破断正面図である。
【符号の説明】
１ 溶解炉
１a 頂壁
１b 側壁
１c 底壁
２ 坩堝
３ 中空回転軸
４ 中空回転冷却体
５ ヒータ
６ 高純度シリコン
７ 不活性ガス供給管
８ 坩堝台
９ パッキン
１０ 固定部
１１ アーム
１２ 伝動機構
Ｍ モータ
１３,１９ ゲート弁
１４ 取出し部
１４a 頂壁
１４b 貫通穴
１５ 冷却流体排出通路
１６ 冷却流体吹出し部材
１６a 吹出口
１７ 冷却流体排出管
１８ 冷却流体排出通路
２０,２４ ガス導入口
２１ ガス導入管
２２,２３ ガス吹出口
２５ 真空排気管
２７ 外周面
２９ 溶湯保持槽
Ｓ 溶融シリコン
Ｓ' 精製シリコン融液
Claims (11)
- 溶解炉内に収容された坩堝内の溶融金属中に冷却体を浸漬して、この冷却体の外周面に高純度金属を晶出させる精製装置において、
上記溶解炉の上方に、外周面に高純度金属が晶出した上記冷却体を収納する取出し部が設けられ、上記溶解炉の上端面にこの溶解炉内を密閉するゲート弁が設けられたことを特徴とする金属の精製装置。 - 請求項１に記載の金属の精製装置において、上記取出し部の下端面にこの取出し部内を密閉するゲート弁が設けられたことを特徴とする金属の精製装置。
- 請求項１に記載の金属の精製装置において、上記取出し部の下部に、この取出し部内を噴出ガスによりシールする少なくとも１つのガス吹出口が設けられたことを特徴とする金属の精製装置。
- 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の金属の精製装置において、上記取出し部の内壁の上部に、少なくとも１つのガス吹出口が設けられたことを特徴とする金属の精製装置。
- 請求項２に記載の金属の精製装置において、上記取出し部の壁面を貫通して、この取出し部内を真空状態に保持する真空排出管が取り付けられたことを特徴とする金属の精製装置。
- 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の金属の精製装置において、上記冷却体が回転することを特徴とする金属の精製装置。
- 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の金属の精製装置において、上記取出し部内に上記冷却体の外周面に晶出した高純度金属を加熱するヒータが設けられたことを特徴とする金属の精製装置。
- 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の金属の精製装置を用いて、上記溶解炉内に収容された坩堝内の溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体の内部に冷却流体を供給しつつ外周面に純度のより高い金属を晶出させる第１工程と、
上記冷却体の外周面に所定量の精製金属を晶出させた後、上記冷却体内への冷却流体の供給を停止し、次いで上記冷却体を坩堝から取出し部へ引上げ、上記冷却体を収納した取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽上に移動させる第２工程と、
上記冷却体の外周面に晶出した精製金属を上記精製金属回収用の溶湯保持槽内で加熱溶解して回収した後、上記冷却体を精製金属回収用の溶湯保持槽から上昇させて上記取出し部に収納する第３工程と、
上記取出し部を上記溶解炉上に移動させる第４の工程を経て上記第１工程に戻ることを特徴とする金属の精製方法。 - 請求項８に記載の金属の精製方法において、請求項１乃至６のいずれか１つの金属の精製装置を少なくとも１つ配列し、上記第１乃至第４の工程を繰り返すことを特徴とする金属の精製方法。
- 請求項７に記載の金属の精製装置を用いて、上記溶解炉内に収容された坩堝内の溶融金属中に冷却体を浸漬し、この冷却体の内部に冷却流体を供給しつつ外周面に純度のより高い金属を晶出させる第１工程と、
上記冷却体の外周面に所定量の精製金属を晶出させた後、上記冷却体内への冷却流体の供給を停止し、次いで上記冷却体を坩堝から取出し部へ引上げ、上記冷却体を収納した取出し部を精製金属回収用の溶湯保持槽上に移動させる第２工程と、
上記冷却体の外周面に晶出した精製金属を上記取出し部内に設けられたヒータによって溶解し、精製金属回収用の溶湯保持槽に回収した後、上記冷却体を精製金属回収用の溶湯保持槽から上昇させて上記取出し部に収納する第３工程と、
上記取出し部を上記溶解炉上に移動させる第４の工程を経て上記第１工程に戻ることを特徴とする金属の精製方法。 - 請求項１０に記載の金属の精製方法において、請求項７に記載の金属の精製装置を少なくとも１つ配列し、上記第１乃至第４の工程を繰り返すことを特徴とする金属の精製方法。
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