JP4384299B2

JP4384299B2 - 粉状シリコンの溶解方法

Info

Publication number: JP4384299B2
Application number: JP24403799A
Authority: JP
Inventors: 宗義山谷; 勝彦白沢
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2019-08-30
Also published as: JP2001097707A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は粉状シリコンの溶解方法に関し、例えば太陽電池用シリコン基板の製造に際して原料である粉状シリコンを効率良く溶解する粉状シリコンの溶解方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
現在、太陽電池基板の殆どの材料がシリコンであるが、シリコン原料の専用の製造プロセスは量的・コスト的に未だ確立されているとは言えない。このため、太陽電池基板の製造プロセスにおいては、半導体の製造プロセスで発生した多結晶シリコンのスクラップや単結晶シリコンの引き上げの際に発生したスクラップに大きく依存している。また、上記のような比較的低コストで入手可能な原料の供給が不足するような状況では、高価な半導体用原料を使用せざるを得ない場合もあり、結果的に太陽電池基板の製造コストを引き上げる要因になっており、太陽電池基板に用いられるシリコン原料の安定供給が熱望されている状況である。
【０００３】
一方、半導体の製造プロセスや太陽電池基板の製造プロセスでは、シリコンインゴットを切削によってウエハーに加工する際に、体積の約半分は切り粉として廃棄されているという大きな問題がある。また、流動床法によるモノシランの熱分解・再析出反応を利用した多結晶シリコン原料の製造工程で発生する超微粉シリコンも半導体プロセスや太陽電池基板の製造プロセスでは使用し難いために廃棄されている。これは、資源の有効活用という観点から見ても望ましいものではなく、廃棄している粉状シリコンが再利用できれば、太陽電池基板に用いられるシリコン原料の大きな供給源として期待できる。
【０００４】
粉状シリコンが利用されない理由は、表面積が大きいために工程中に不純物が付着し易く、実際の使用前には酸洗浄などが必要になること、また表面積が大きいために洗浄後の乾燥が困難であることなどが挙げられるが、その他の大きな要因として、粉体のみを充填した場合の充填層の空隙率が高く、熱伝導による加熱では溶解効率が悪いことも挙げられる。
【０００５】
プラズマのアーク、ガス・ジェット、あるいは直流アークなどによってシリコン微粉を溶解することも試みられてはいるが、プラズマのアークやガス・ジェットは粉状原料を投入した際の飛散ロスが大きいために溶解歩留りが低くなり、直流アーク法もアーク火点で１００００℃にも達する高温の影響でシリコンが蒸発してしまうといった問題があり、実用化されていない。
【０００６】
これらの問題を解決するために、例えば特開平１０−２６５２１１号では、粉状原料を機械的に加圧して充填層を形成し、その充填層に通電して加熱する方法が記載されている。しかしながら、粉体シリコンをバッチ式に溶解すること、また粉体の嵩密度が高いことなどの理由から、得られるシリコン量に対して製造コストが高くなるという問題がある。
【０００７】
また、別の試みとして、融液中に粉状原料を追加投入しながら溶解を進める方法がある。しかし、シリコンは融液よりも固体の方が比重が小さく浮き易いという特性があることから、追加投入した粉状シリコンはそのほとんどが融液表面に浮遊することになる。浮遊した粉状シリコンは下面（融液側）は１４２０℃（融点）付近にまで達するが、上面側は放熱面となり、なかなか溶解しない状態が続く。このような浮遊原料を溶解するには上面の放熱面が融点以上になるようなさらなる加熱が必要であり、これはるつぼ材の消耗と加熱コストの増大をもたらす。このような事情から、粉状シリコンの効果的な溶解は実用化されていないのが実情である。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、粉状シリコンを効率良く溶解できる方法を提供することを目的する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の粒状シリコンの溶解方法では、シリコン原料が溶融したるつぼ内の溶融シリコン中に、粉状シリコンを投入して該粒状シリコンを溶解させる粉状シリコンの溶解方法において、前記るつぼ内に移動磁界を発生させると共に、前記溶融シリコン中に渦電流を生成させ、この移動磁界と渦電流の相否作用で前記溶融シリコンを渦巻き回転させ、発生した渦回転による回転運動が定常流に達するまでに、前記粉状シリコンを前記溶融シリコンに投入して溶解させる。
【００１０】
上記粉状シリコンの溶解方法では、前記溶融シリコンの渦巻き回転数Ｒが、使用する溶融るつぼ半径ｒ（ｃｍ）に対して、（２０００／ｒ）^1/2≦Ｒ≦（２０００００／ｒ）^1/2の範囲内であることが望ましい。
【００１１】
また、上記粉状シリコンの溶解方法では、前記るつぼの内側壁に前記溶融シリコンの定常的な回転運動を乱す障害物を設けることが望ましい。
【００１２】
【作用】
上記のように、るつぼ内に移動磁界を発生させると、溶融シリコン中には渦電流が誘導され、フレミングの左手の法則に従った周方向の推進力（電磁攪拌力）が発生し、溶融シリコンが渦巻き回転する。この溶融シリコンが渦巻き回転しているるつぼに粉状シリコンを投入すると、融液の表面に浮遊する粉状シリコンが融液中に巻き込まれて溶解が進行することとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、各請求項に係る発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１（ａ）（ｂ）は、請求項１に係る粉状シリコンの溶解方法に用いられる装置の概要を示す図であり、１はるつぼ、２はサポートるつぼ、３は溶解シリコン、４は加熱ヒーター、５はシューター、６は粉状シリコン、７は移動磁界発生装置である。
【００１４】
るつぼ１は石英などから成り、上部には溶解したシリコンを例えば鋳型などに注湯する注湯口１ａが設けられている。るつぼ１の外周部には例えばグラファイトなどからなるサポートるつぼ２が設けられている。
【００１５】
るつぼ１の上部と下部には、るつぼ１内のシリコン原料３を加熱して溶解するヒータ４が設けられている。このヒータ４でるつぼ１内のシリコン原料３を１４００℃程度に加熱して溶解させる。また、るつぼ１の上部には、粉状シリコン６をるつぼ１に供給するシューター５が設けられている。
【００１６】
このシューター５から例えば粒径１ｍｍ以下の粉状金属シリコン、シリコン原料製造工程で発生した超微粉シリコン、もしくはウエハー加工時に発生したシリコンの切り粉などからなる粉状シリコン６をるつぼ１内に投入する。
【００１７】
るつぼ１の近傍には、移動磁界発生装置７が設けられている。この移動磁界発生装置７は、鉄心８と誘導コイル９とから成る。この誘導コイル９に交番電流を流して、るつぼ１内に移動磁界１０を発生させると、るつぼ１内の溶融したシリコン３には渦電流１１が誘導され、フレミングの左手の法則に従った周方向の推進力（電磁攪拌力）Ｆが発生する。推進力Ｆの大きさは、次式で表される。
【００１８】
Ｆ＝ｋ（τ・ｆ／ρ）Ｂ²
但し、Ｂ：溶湯に作用する磁束密度、τ：ポールピッチ、ｆ：印加周波数、ρ：溶湯の固有定数、ｋ：形状係数
上記計算式に基づいて、るつぼ１内の溶融シリコン３に推進力を付与して回転させる。
【００１９】
図２は、るつぼ１内の溶融シリコン３の渦回転が定常状態に達した状態を示す図である。溶融シリコン３はるつぼ１内で回転し、遠心力が付与されてるつぼ１の内壁側が中央部よりも盛り上がった形状となる。この場合、シリコン融液３の小さな粘性から、るつぼの回転数Ｒは使用する溶融るつぼの半径ｒ（ｃｍ）に対して、（２０００／ｒ）^1/2≦Ｒ≦（２０００００／ｒ）^1/2の範囲内であることが望ましい。これは、小さな回転力では効果的な渦が生成できず、逆にあまり大きな回転力を与えると溶融シリコン３がるつぼ１から溢れ出してしまうからである。
【００２０】
すなわち、融液がるつぼから溢れ出す力は、融液を回転中心に引っ張ってるつぼ外に飛び出させない限界の向心力を上回る回転運動を与えたときに発生する。るつぼ壁に接している融液に働く向心力Ｆは、
Ｆ＝ρ・ｒ・ω²
ρ：融液の密度、ｒ：るつぼ半径、ω：角速度
で表される。
【００２１】
半径２０ｃｍのるつぼの場合、１００ｒｐｍを越えると融液が飛び出す。したがって、シリコン融液は、
Ｆ＝２．５４ｇ／ｃｍ³×２０ｃｍ×（０．１０５×１００ｒｐｍ）²＝５６００ｄｙｎ／ｃｍ³
を超える回転を与えると、るつぼから飛び出すことになる。
【００２２】
るつぼ半径ｒ（ｃｍ）と限界回転数Ｒ_L（ｒｐｍ）の関係は、
Ｆ−２．５４×ｒ×（０．１０５×Ｒ_L）²＝５６００
ゆえに
Ｒ_L＝（２０００００／ｒ）²
で与えられる。
【００２３】
図３は、溶融シリコンの渦回転が定常状態に達した状態で障害物を挿入する場合を示す図である。シリコン融液３の渦巻き力による浮遊した粉状シリコン６の巻き込み効果は回転運動が定常流に達するまでであり、定常的な回転になると、渦中心の相対的な回転力が小さくなり、粉状シリコン６の攪拌が進まなくなる。そこで、るつぼ１の内壁側に溶湯の定常的な回転運動を乱す目的でシリコンロッドなどの障害物１２をシリコン融液３中に挿入すると、溶解シリコン３の回転中心が実質上生成しなくなり、浮遊した粉状シリコン６が溶解シリコン３中に取り込まれて溶解するようになる。この障害物１２を溶解シリコン３中に出し入れすることによって回転中心を消滅させる。この障害物１２は、シリコンロッドに限らず、例えば耐熱性セラミック、石英棒、或いはＳｉＣコートした黒鉛材など同じ用途で使用できるものであればこれに代えて使用することが可能である。
【００２４】
図４は、渦回転を乱すための他の手段を示す図である。この例ではるつぼ１の内壁面に突起物からなる障害物１２を固定的に設けている。溶解シリコン３の回転中心が実質上生成しなくなり、浮遊した粉状シリコン６が効率的に溶解するようになる。このように、るつぼ１の内壁面に障害物１２を固定的に設けてもよい。
【００２５】
【実施例】
次に実施例を説明する。直径２００ｍｍ、高さ２００ｍｍの石英るつぼを黒鉛製サポートるつぼ内にセットし、図１に示した位置に移動磁界発生装置を設けた。石英るつぼ内にスクラップシリコン原料１０ｋｇをマウントし、石英るつぼ上方と下方にある黒鉛製抵抗加熱ヒーターで加熱溶解した。スクラップシリコン原料が完全に溶解した後、移動磁界発生装置による渦回転攪拌を開始して溶解シリコンに十分な渦回転が発生した段階で上部ヒーター中央から融液面中央方向に挿入してあるシューターから粉状シリコン（粒径φ０．５ｍｍ）１ｋｇを投入した。粉状シリコンは渦の表面を浮遊しながら回転していたが、徐々に融液に溶け込んでいくのが確認された。
【００２６】
融液の回転速度については、０〜１００ｒｐｍの間で実験したが、回転数が１０ｒｐｍ未満では効果的な渦回転が発生せず、逆に１００ｒｐｍを超えると溶湯がるつぼから溢れ出てしまうため、実用的な回転数は１０〜１００ｒｐｍの範囲であることがわかった。
【００２７】
また、溶湯の渦巻き力による浮遊粉状シリコンの巻き込み効果は、回転運動が定常流に達するまでであり、定常的な回転になると、渦中心の相対的な回転力が小さくなるために粉状シリコンが残って効果的な攪拌が進まなくなり、回転中心の凹み部分に少量の粉状シリコンが溶け込まずに浮遊するようになる。その後の追装でも同様に少量の粉状シリコンが溶解せずに浮遊してしまうことがわかった。
【００２８】
そこで、回転中の溶融シリコンの上方から石英るつぼ壁に沿ってシリコンロッドをゆっくり挿入していったところ、定常的に回転していた融液の流れが乱れ始め、それまで渦中心に浮遊していた粉状シリコンの上方から融液が供給されるようになり、結果的に投入した粉状シリコンは完全に溶解することがわかった。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係る発明によれば、るつぼ内に移動磁界を発生させると共に、溶融シリコンに渦電流を生成させ、この移動磁界と渦電流の相否作用で溶融シリコンを渦巻き回転させて前記粉状シリコンを溶解させることから、粉状シリコンが飛散したり、蒸発することなく溶解でき、その結果、従来使用されていなかった粉状シリコンが太陽電池用原料に使用できるようになる。
【００３０】
また、るつぼの外側に移動磁界発生装置を設けた非接触式の溶解技術であり、溶解前に粉状シリコンを加圧成形するなどの予備工程を必要とせず、粉状シリコンの利用を可能たらしめる画期的な溶解方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる粉状シリコンの溶解方法に用いられる装置の概要を示す図である。
【図２】本発明に係る粉状シリコンの溶解方法における溶融シリコンの渦回転が定常状態に達した状態を示す図である。
【図３】本発明に係る粉状シリコンの溶解方法における溶融シリコンの渦回転が定常状態に達した状態でシリコンロッドを液中に挿入した場合を示す図である。
【図４】本発明に係る粉状シリコンの溶解方法における渦回転を乱すための手段の一例を示す図である。
【符号の説明】
１‥‥‥るつぼ、２‥‥‥サポートるつぼ、３‥‥‥溶解シリコン、４‥‥‥加熱ヒーター、５‥‥‥シューター、６‥‥‥粉状シリコン、７‥‥‥移動磁界発生装置１２‥‥‥障害物

Claims

シリコン原料が溶融したるつぼ内の溶融シリコン中に、粉状シリコンを投入して該粒状シリコンを溶解させる粉状シリコンの溶解方法において、
前記るつぼ内に移動磁界を発生させると共に、前記溶融シリコン中に渦電流を生成させ、この移動磁界と渦電流の相否作用で前記溶融シリコンを渦巻き回転させ、発生した渦回転による回転運動が定常流に達するまでに、前記粉状シリコンを前記溶融シリコンに投入して溶解させることを特徴とする粉状シリコンの溶解方法。
前記溶融シリコンの渦巻き回転数Ｒが、使用する溶融るつぼ半径ｒ（ｃｍ）に対して、（２０００／ｒ）^1/2≦Ｒ≦（２０００００／ｒ）^1/2の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の粉状シリコンの溶解方法。
前記るつぼの内側壁に前記溶融シリコンの定常的な回転運動を乱す障害物を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粉状シリコンの溶解方法。