JP5187819B2 - シリコン精製装置およびシリコン精製方法 - Google Patents

Description

この発明は、シリコン精製装置およびシリコン精製方法に関し、特に偏析凝固の原理を利用して不純物を含むシリコンを精製するシリコン精製装置およびシリコン精製方法に関する。

昨今、地球温暖化等により環境意識が高まり、クリーンなエネルギー源として太陽電池がますます注目されるようになり、その市場が急拡大している。

太陽電池用原料シリコンとしては、これまでシリコンウェハ製造などの半導体製造プロセスで発生するスクラップシリコンが主に用いられてきた。しかしながら、太陽電池市場の急拡大により、スクラップシリコンの供給が追いつかず、太陽電池用原料シリコンの不足が起きている。

このような太陽電池用原料シリコンの製造技術の１つとして、比較的安価に得られる純度９９％レベルの金属級シリコン（Metallurgical Grade Silicon 以下、ＭＧ―Ｓｉという）を冶金プロセスによって精製して純度９９．９９９９％レベルの太陽電池用シリコン（Solar Grade Silicon 以下、ＳＯＧ−Ｓｉという）を製造しようという試みがある。

その様な試みのひとつとして、たとえば偏析凝固の原理を利用した精製装置および精製方法が知られている（特許文献１（特開２０００−３５１６１６号公報）参照）。具体的には、不純物を含む溶融シリコン中に回転冷却体を浸漬し、この回転冷却体の内部に冷却流体を供給しながら回転冷却体を回転させる。この回転冷却体の周面に溶融シリコンよりも高純度の固体シリコンを晶出させる。

このような回転冷却体を用いる精製装置において、その周面に晶出した固体（晶出物）を回収する装置や方法として、以下の２つが知られている。

１つは特許文献２（特開昭６０−１９０５３３号公報）に開示された、下方に回転する掻き落し爪を用いた方法であり、もう１つは特許文献３（特開平４−１７６２９号公報）に開示された、加熱溶融による方法である。
特開２０００−３５１６１６号公報 特開昭６０−１９０５３３号公報 特開平４−１７６２９号公報

これらのうち、特許文献２に開示された方法においては、晶出物の外径が小さい場合に掻き落し爪の先端が晶出物にとどかず、回収できないという問題がある。また、晶出物の回転冷却体周面への付着力が大きい場合には、掻き落し爪の回転力を大きくしなければ回収できず、この回転力を大きくすると、回転冷却体の周面に剥離が生じたり、回転冷却体が破損したりするおそれがあるという問題がある。

また、特許文献３に開示された加熱溶融による方法においては、加熱溶融のために時間を要する。そのため、大量生産による安価な太陽電池用シリコンの製造を目的とした場合には、より高速に大量の固体シリコンを回収できる装置や方法が好ましい。

したがって、この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、晶出物である固体シリコンの大きさによらず、従来よりも高速な回収が可能なシリコン精製装置および精製方法を提供することを目的とする。

この発明に基づいたシリコン精製装置に従えば、溶融シリコンを保持する坩堝と、略鉛直方向に延びる軸を回転中心軸として回転駆動可能かつ上記溶融シリコン内外へ移動可能に構成された回転冷却体と、上記回転冷却体の周面に晶出した固体シリコンの側面に向かって前進してその先端が該固体シリコンの側面に衝突可能な衝突部材を有する剥離装置とを有している。

上記、シリコン精製装置において好ましくは、上記衝突部材は棒状部材からなり、該棒状部材は、その長軸の軸線方向が上記回転冷却体の周面に向かうように配置されている。

上記シリコン精製装置において好ましくは、上記棒状部材の上記回転冷却体に向かう先端部は、先端に向かって徐々に細くなるように構成されている。

上記シリコン精製装置において好ましくは、上記棒状部材は、その長軸の軸線方向が上記回転冷却体の回転中心軸と交差するように配置されている。

上記シリコン精製装置において好ましくは、上記棒状部材は、その長軸の軸線が、上記回転冷却体の周面と直交するように配置されている。

上記シリコン精製装置において好ましくは、上記剥離装置は、１つの上記回転冷却体に対して複数の上記棒状部材からなる衝突部材を有している。このとき上記複数の棒状部材のうち２本の棒状部材が、その長軸方向が相互に重なると共に上記回転冷却体の回転中心軸と交差する位置に配置されていてもよい。

上記シリコン精製装置において好ましくは、上記棒状部材は、上記回転冷却体に向かって前進しても、その先端が上記回転冷却体の周面には接触しないように配設されている。

この発明に基づいたシリコン精製方法に従えば、溶融シリコンを保持した坩堝内に回転冷却体を浸漬し、上記回転冷却体の内部に冷却流体を供給しつつ該回転冷却体を鉛直方向に延びる回転中心軸にて回転させることにより、上記回転冷却体の周面に固体シリコンを晶出させる晶出工程と、上記のシリコン精製装置を用いて、上記回転冷却体から上記固体シリコンを剥離させる剥離工程とを有している。

本発明によると、回転冷却体の周面に晶出した固体シリコンの側面に対して衝突部材を衝突させる剥離装置を用いることにより、従来よりも高速に回転冷却体から固体シリコンを剥離し、回収することができる。

以下、この発明に基づいた各実施の形態におけるシリコン精製装置およびシリコン精製方法について、図１から図７を参照して説明する。図１は、本実施の形態におけるシリコン精製装置の構造を示す縦断面図である。

図１に示すように、本実施の形態のシリコン精製装置１００は、溶融シリコン１を保持する坩堝２と、回転冷却体３と、回転冷却体３の周面に晶出した固体シリコン５の側面に対して棒状部材を衝突させる剥離装置４０，９０とを有している。

ここで、坩堝２は密閉可能なチャンバ６の内部に収納されている。チャンバ６の内部にはヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性ガスを導入して使用されるのが一般的である。

坩堝２は、石英、黒鉛あるいはアルミナなど、シリコンとの反応が少なく、溶融シリコン１に対する汚染が少ない材料で構成されている。また、溶融シリコン１を溶融状態に維持したり、または固体状態の原料シリコンを加熱溶融したりするための加熱装置（図示せず）が、坩堝２の近傍に配置されるのが一般的である。固体状態の原料シリコンとしてはＭＧ−Ｓｉが好ましく使用される。加熱装置としては、高周波誘導加熱装置、抵抗加熱装置などが好ましく使用される。

回転冷却体３は、熱伝導性が良く、しかも溶融シリコン１と反応や汚染することが少ない材料、たとえば窒化シリコンや黒鉛などで構成される。また、回転冷却体３の周面は、通常下端が閉じた円筒形状をなすが、面取りが行われていてもよく、下端から上方に向かって徐々に大径となったテーパ状部位を有していてもよい。

また、回転冷却体３は冷却流体供給管７と内部空間が連通するように接続されている。冷却流体供給管７の上端には、冷却流体供給装置３０が接続されている。冷却流体供給管７の内部空間を経由して、不活性ガスや空気などの冷却流体を冷却流体供給装置３０から回転冷却体３に供給することにより、回転冷却体３を冷却することができる。冷却流体供給管７を、回転機構５０を用いて回転中心軸８を中心に回転することにより回転冷却体３を回転することができる。

あくまでも一例であるが、回転機構５０の構造を図１に模式的に示している。回転機構５０は、モータ５１と、モータ５１の駆動力を冷却流体供給管７に伝えるベルト５２とを有している。モータ５１を駆動すると、モータ５１の駆動力がベルト５２により伝達され、冷却流体供給管７が回転駆動される。

さらに冷却流体供給管７をチャンバ６の一部に開けた貫通部６ａを通して動かすことにより、回転冷却体３を溶融シリコン１内へ浸漬することができ、また、そこから引き出すことができる。

図１には、冷却流体供給管７および回転冷却体３を上下に駆動する昇降駆動機構６０の一例を模式的に示している。昇降駆動機構６０は、冷却流体供給管７が貫通し、冷却流体供給管７を回転自在に保持する一対の軸受部材６１と、軸受部材６１，６１を連結し、外面にラックギアが設けられた上下方向に延びる連結部材６２と、ラックギアに噛合する駆動ギア６３と、駆動ギア６３を駆動するモータ６４とを有している。

モータ６４を駆動することにより、駆動ギア６３を介して連結部材６２および軸受部材６１が上下方向に駆動され、軸受部材６１に保持された冷却流体供給管７を上下に昇降させることができる。

図２は、本実施の形態の剥離装置の構造を示す側面図である。剥離装置４０としては、衝突部材としての棒状部材４１を備えているものを用いることができる。衝突部材としての棒状部材４１は、図２に示すような、回転冷却体３の周面に晶出した固体シリコン５の側面に衝突させるものである。

図２に示す剥離装置においては、棒状部材４１の他に、棒状部材４１を摺動自在に保持する一対の保持部材４２と、保持部材４２を支持するステージ４３とを備えている。

棒状部材４１を水平方向に駆動する機構としては、たとえば図２に示すように、カム機構とバネとを有する駆動機構を用いることができる。図２に示す駆動機構は、棒状部材４１の後端部に設けられたバネ４４と、棒状部材４１の上面に設けられた突起４１ａと、突起４１ａに接触するカム４５と、カム４５に接続された従動ギア４６と、従動ギア４６を駆動する駆動ギア４７と、駆動ギア４７に接続されたモータ４８とを有している。

駆動機構を動作させるときには、モータ４８を駆動し、駆動ギア４７および従動ギア４６により駆動力を伝達してカム４５を駆動する。このときカム４５が突起４１ａに接触している。モータ４８は、カム４５および棒状部材４１が後退する方向（図２における右向き）に駆動する。棒状部材４１が、モータ４８により後退する方向に駆動されると、棒状部材４１の後端に設けられたバネ４４が圧縮され、反発力がバネ４４に蓄積される。

さらに、カム４５を駆動すると、カム４５と突起４１ａとの係合が外れる。このときバネ４４に蓄積された反発力により、棒状部材４１は固体シリコン５の側面に向かって強く押し出され、棒状部材４１の先端４１ｂを固体シリコン５に衝突させることができる。

この駆動機構においては、バネ４４を用いているので、異なるばね定数のバネ４４に取替えることで、剥離工程の最適化を図ることが容易となっている。棒状部材の材質は固体シリコン５に衝突しても破損しにくい材料で構成されていれば特に限定されないが、たとえば炭化タングステンを用いることができる。

ここでは棒状部材４１は、先端部と本体部とを異なる材料で構成している。さらに、先端部を取替え可能に構成しており、先端部に炭化タングステンを用い、それ以外の部分をステンレス鋼、鉄などの安価な材料により構成している。これにより装置価格をより安価にすることができるばかりでなく、棒状部材４１を消耗品として交換する際の製造価格を下げることが可能となる。

棒状部材４１の後端部には、外向きに広がった鍔状の抜け止め部４１ｃが設けられている。抜け止め部４１ｃが保持部材４２に当接することにより、棒状部材４１の先端４１ｂの突出量が規制される。

図３は、本実施の形態の剥離装置の変形例の構造を示す側面図である。図３に示す変形例においては、棒９２の一端に球状またはクサビ状の重り９１からなる衝突部材を有する振り子により剥離装置９０を構成している。この剥離装置９０は、棒９２の上端を中心に振り子運動をすることができる。

剥離工程においては、剥離装置９０の重り９１を駆動して後退させ（その状態を図３に二点鎖線で示す）、重り９１を開放することで重り９１を固体シリコン５の側面に衝突させることができる。

本実施の形態においては、棒状部材４１や、重り９１などの衝突部材を固体シリコン５の側面に衝突させている。特許文献２に開示されたような、下方に回転する掻き落し爪を晶出物の上部に当接してこれを下方へ押す構成からなる従来の装置では、晶出物が小さい場合、その回収できないという問題があったが、本実施の形態によるとこのような不具合を回避することができる。

また棒状部材４１の先端や重り９１の先端を、図２および図３に示すように尖らせることで、小さな接触領域を固体シリコン５の側面に対して衝突させることができる。ここでは、先端を、たとえば直径１０ｍｍ以下、好ましくは直径５ｍｍ以下の円形領域としている。直径が１０ｍｍを超えると接触領域が大きくなり、衝撃力を集中して与えることが出来ないという問題がある。

衝突部材の先端を尖らせることにより、棒状部材４１や重り９１に、大きな力を加えなくても固体シリコン５を破砕し、剥離させることができる。したがって、棒状部材４１に強力なモータを設けたり、重り９１として過大な重量を持つものを用いたりする必要がなくなる。

このように棒状部材４１および重り９１の先端部は先端に向かうに従って細くなる構造を採用することが、より小さな接触領域を生じる点において好ましい。

さらに棒状部材４１および重り９１の先端形状は半径１ｍｍから１０ｍｍの円弧を描くように丸みを持たせることが好ましい。これは先端を針状にした場合、固体シリコン５と接触する部分のみが削れ、穴が開いたような状態となる恐れがある。この場合、固体シリコン５の一部が回転冷却体３の周面から剥離せずに残り、固体シリコン５の剥離不良となる。棒状部材４１および重り９１の先端形状を半径１ｍｍから１０ｍｍの円弧を描くように丸みを持たせることで、剥離不良を抑制することができる。

次に図４および図５を用いて、棒状部材４１の配置について説明する。図４は、本実施の形態の棒状部材と回転冷却体の位置を示す平面図、図５は、同側面図である。

棒状部材４１に駆動装置により加えた力を固体シリコン５に加わる力へと有効に転換するためには、図４に示すように、棒状部材４１の長軸方向４１１が回転冷却体３の回転中心軸８と交差する位置に棒状部材４１を配置することが好ましい。

このような配置とすることで、棒状部材４１の力を回転冷却体３の中心に向かって加えることができるので、棒状部材４１の力を逃がさずに、回転冷却体３に保持された固体シリコン５に加えることができる。

また、図５に示すように、棒状部材４１の長軸方向５１１を回転冷却体３の周面に直交する位置に配置することが好ましい。棒状部材４１の長軸方向５１１が、回転冷却体３の周面に直交する方向に棒状部材４１を配置することにより、棒状部材４１からの衝撃力を、固体シリコン５の周面に偏りなく加えることができ、固体シリコン５を均等に剥離させることができる。

また、棒状部材４１を１つの回転冷却体３に対して複数個設けてもよい。これにより固体シリコン５の複数個所に同時に、または連続して力を加えることができ、固体シリコン５の剥離不良を抑制することができる。

図６は、棒状部材を複数個配置した場合を示す平面図である。棒状部材４１が１つの回転冷却体３に対して複数個設けられている場合には、それらのうち少なくとも２本の棒状部材の長軸方向６１１が重なると共に回転冷却体３の回転中心軸８に交差するように、２本の棒状部材４１を配置することが好ましい。

図６に示すように棒状部材４１を配置することにより、棒状部材４１に加えた力を固体シリコン５に加える力へと有効に転換できる。特にそれぞれの棒状部材４１によって回転冷却体３に加えられる力が、回転冷却体３の回転中心軸８上で打ち消しあうように配置されることが好ましい。

棒状部材からの力が回転冷却体３の回転中心軸上で打ち消しあうことにより、回転冷却体３の振動を抑えることができ、回転冷却体３や冷却流体供給管７などの破損を抑制することができる。

また、棒状部材４１の材質や形状または棒状部材に与える力の大きさによっては、回転冷却体３との衝突により回転冷却体３の表面が欠損する恐れがある。これを避けるためには棒状部材４１が回転冷却体３の周面にもっとも近づいた際にも回転冷却体３に触れない位置に配置しておけばよい。

具体的には、本実施の形態においては、図２に示したように、棒状部材４１の後端部に抜け止め部４１ｃを設けることで棒状部材４１の最大の突出量が規制されている。棒状部材４１の突出量が最大のときでも棒状部材４１の先端４１ｂが回転冷却体３の周面に届かないような位置にステージ４３を配置することで、棒状部材４１と回転冷却体３とが直接接触することを防止することができる。

以下、本実施の形態に係るシリコン精製装置を用いたシリコン精製方法の実施例について図７から図１０を用いて説明する。

図７に示すようにチャンバ６内に配置した内径６００ｍｍの黒鉛製坩堝２内に、ＭＧ−Ｓｉからなる原料シリコンを２００ｋｇ程度入れ、チャンバ６内を１０Ｐａ程度に減圧した後にアルゴンガスを毎分３００Ｌ流して不活性ガス雰囲気とした。次に、高周波誘導加熱装置１０により黒鉛製坩堝２を５時間で１６００℃に加熱し内部の原料シリコン（ＭＧ−Ｓｉ）を溶融させ、溶融シリコン１とし、この融液の温度を１４１４〜１６００℃の範囲に保持した。

図８に示すように、この溶融シリコン１内に直径３００ｍｍの黒鉛製回転冷却体３を浸漬し、回転冷却体３の内部に冷却流体供給管７を介して窒素ガスからなる冷却流体を供給しつつ、回転冷却体３を回転させた。これにより、偏析凝固の原理により、回転冷却体３の周面に溶融シリコン１よりも高純度の固体シリコン５を晶出させた。

ここで、回転冷却体３の回転時の周面の周速度は０．００４ｍ／秒以上とするのが好ましく、０．１ｍ／秒以上、２．２０ｍ／秒以下とするのがより好ましい。

また、回転冷却体３に供給する窒素ガスからなる冷却流体の流量は、回転冷却体３の溶融シリコン１に浸漬している領域の単位面積に対する流量が、０．００１〜４．０（ｍ³／秒）／ｍ²とするのが好ましく、０．６〜３．８（ｍ³／秒）／ｍ²とするのがより好ましい。

図９に示すように、固体シリコン５の晶出後、回転冷却体３を溶融シリコン１から引き上げた。この際、回転冷却体３から剥離した固体シリコン５を確実に回収できるように回転冷却体３を坩堝２の上方から横移動することが好ましい。

回転冷却体３を横移動させる代わりに、図１０に示すように、溶融シリコン１から引き上げた回転冷却体３と坩堝２との間に仕切り１１を設けて、固体シリコン５の回収ルートを形成してもよい。

次に、溶融シリコン１から引き上げた回転冷却体３を剥離機構４の近傍（剥離位置）まで移動させる。その後、回転冷却体３を１０〜５０ｒｐｍにて回転させながら、棒状部材４１を固体シリコン５に衝突させることにより、固体シリコン５を回転冷却体３の周面から剥離させ回収した。

本実施例においては、１度の回収において得られる固体シリコンは１０ｋｇから２０ｋｇ程度であり、回転冷却体３の剥離位置への移動終了から固体シリコン５の剥離完了までに要した時間は５〜１０秒程度であった。

なお、本実施例および後記の比較例に用いたＭＧ−ＳｉのＦｅ濃度は約４５０ｐｐｍｗ、Ａｌ濃度は約５ｐｐｍｗであった。また、本実施例および比較例において、回転冷却体３から回収した固体シリコンのＦｅ濃度は約０．５ｐｐｍｗ、Ａｌ濃度は約０．８ｐｐｍｗであった。

＜比較例＞
晶出した固体シリコン５を加熱溶融することにより回収する従来方法を比較例として説明する。実施例と同様の工程により溶融シリコン１から引き上げた回転冷却体３を、高周波誘導加熱装置（印加周波数１ｋＨｚ、出力１００ｋＷ、到達温度１６００℃）によって加熱し、固体シリコン５の溶融による回収を試みた。

上記実施例と同程度の１０ｋｇから２０ｋｇ程度の固体シリコン５を回収するのに要した時間は、比較例においては、回転冷却体３の剥離位置への移動終了から最短で３分程度、最も長いもので２０分程度を要した。

この比較例と比較すれば、上記本発明の実施例は、従来の方法に比べて極めて短時間で固体シリコン５を剥離回収することができることが分かる。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

この発明に基づいた実施の形態におけるシリコン精製装置の構造を示す縦断面図である。 この発明に基づいた実施の形態の剥離装置の構造を示す側面図である。 この発明に基づいた実施の形態の剥離装置の変形例の構造を示す側面図である。 この発明に基づいた実施の形態の棒状部材と回転冷却体の位置を示す平面図である。 この発明に基づいた実施の形態の棒状部材と回転冷却体の位置を示す側面図である。 この発明に基づいた実施の形態において棒状部材を複数個配置した場合を示す平面図である。 この発明に基づいたシリコン精製方法の実施例の一工程を示す図である。 この発明に基づいたシリコン精製方法の実施例の一工程を示す図である。 この発明に基づいたシリコン精製方法の実施例の一工程を示す図である。 この発明に基づいたシリコン精製方法の実施例の一工程を示す図である。

符号の説明

１ 溶融シリコン、２ 坩堝、３ 回転冷却体、４ 剥離機構、５ 固体シリコン、６ チャンバ、６ａ 貫通部、７ 冷却流体供給管、８ 回転中心軸、１０ 高周波誘導加熱装置、３０ 冷却流体供給装置、４０，９０ 剥離装置、４１ 棒状部材、４２ 保持部材、４３ ステージ、４４ バネ、４５ カム、４６ 従動ギア、４７，６３ 駆動ギア、４８，５１，６４ モータ、５０ 回転機構、５２ ベルト、６０ 昇降駆動機構、６１ 軸受部材、６２ 連結部材、９１ 重り、９２ 棒、１００ シリコン精製装置。

Claims (11)

1. 溶融シリコンを保持する坩堝と、
   略鉛直方向に延びる軸を回転中心軸として回転駆動可能かつ前記溶融シリコン内外へ移動可能に構成された回転冷却体と、
   前記回転冷却体の周面に晶出した固体シリコンの側面に向かって前進してその先端が該固体シリコンの側面に衝突可能な衝突部材を有する剥離装置と、を備えたシリコン精製装置。
2. 前記衝突部材の前記回転冷却体に向かう先端部は、先端に向かって徐々に細くなるように構成されている、請求項１に記載のシリコン精製装置。
3. 前記衝突部材は、棒状部材、球状の重りおよびクサビ状の重りのいずれかにより構成されている、請求項１または２に記載のシリコン精製装置。
4. 前記衝突部材は棒状部材からなり、該棒状部材は、その長軸の軸線方向が前記回転冷却体の周面に向かうように配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のシリコン精製装置。
5. 前記棒状部材は、その長軸の軸線方向が前記回転冷却体の回転中心軸と交差するように配置されている、請求項４に記載のシリコン精製装置。
6. 前記棒状部材は、その長軸の軸線が、前記回転冷却体の周面と直交するように配置されている、請求項４または５に記載のシリコン精製装置。
7. 前記剥離装置は、１つの前記回転冷却体に対して複数の前記棒状部材からなる衝突部材を有している、請求項４から６のいずれか１項に記載のシリコン精製装置。
8. 前記複数の棒状部材のうち２本の棒状部材が、その長軸方向が相互に重なると共に前記回転冷却体の回転中心軸と交差する位置に配置されている、請求項７に記載のシリコン精製装置。
9. 前記棒状部材は、前記回転冷却体に向かって前進しても、その先端が前記回転冷却体の周面には接触しないように配設されている、請求項４から８のいずれか１項に記載のシリコン精製装置。
10. 溶融シリコンを保持する坩堝と、
    略鉛直方向に延びる軸を回転中心軸として回転駆動可能かつ前記溶融シリコン内外へ移動可能に構成された回転冷却体と、
    前記回転冷却体の周面に晶出した固体シリコンの側面に向かって前進してその先端が該固体シリコンの側面に衝突可能な衝突部材、および、前記回転冷却体を挟んで前記衝突手段の先端と対向可能な位置に配置された部材を有する剥離装置と、を備えたシリコン精製装置。
11. 溶融シリコンを保持した坩堝内に回転冷却体を浸漬し、前記回転冷却体の内部に冷却流体を供給しつつ該回転冷却体を鉛直方向に延びる回転中心軸にて回転させることにより、前記回転冷却体の周面に固体シリコンを晶出させる晶出工程と、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の精製装置を用いて、前記回転冷却体から前記固体シリコンを剥離させる剥離工程と、を有する、シリコン精製方法。

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