JP5383688B2 - ケイ素を製造する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ケイ素、特に最高純度の、例えば半導体及び太陽電池の製造のために必要とされるケイ素を製造する方法、及びこのための装置に関する。

この分野での使用のために、不純物の度合が極端に低いか、あるいは正確に管理されているケイ素が必要とされる。その上、製造方法は安価であることが望ましい。

最高純度のケイ素を製造する種々異なる方法が公知である。

１つのアプローチとして、冶金学的なケイ素が出発材料として使用される。冶金学的なケイ素は、ケイ砂から高炉プロセスで獲得される。冶金学的なケイ素は、その後、トリクロロシランをベースとする多段のプロセスを介して多結晶の最高純度のケイ素に変換される。このとき、冶金学的なケイ素は、四塩化ケイ素及び水素と反応してトリクロロシランに変換され、トリクロロシランから不均化反応によって四塩化シラン及びシランが得られる。形成されたシランから、熱分解によってケイ素棒において最高純度のケイ素が得られる。

別のアプローチでは、ケイ素が石英又は石英ガラスから還元によって得られる。この例は、いわゆる炭素熱還元であり、炭素が還元剤として使用される。還元法の共通点は、出発材料が反応のために融解されなければならない点にある。このことは、高エネルギのプロセスである。例えば、融解をアーク炉において実施することが公知である。この場合の欠点は、アーク炉内で使用される電極が摩耗に曝されており、加えて還元剤、例えば炭素による電極の汚損の恐れが生じる点にある。

それゆえ、ケイ素を、容易に入手可能な原材料から簡単に、かつエネルギ面で有利に獲得可能な方法が希求されている。

本発明に係る方法は、還元によるケイ素の獲得を基礎とする第２のアプローチに基づく。

本発明により、還元剤により二酸化ケイ素をベースとする出発材料を還元反応することによりケイ素を製造する方法が提供され、二酸化ケイ素をベースとする出発材料は、還元剤と共にマイクロ波オーブン内で変換される。

本発明により使用される二酸化ケイ素をベースとする出発材料は、ケイ砂、石英又はガラスであってよい。

ガラスは、石英ガラス、すなわち１００％のＳｉＯ_２からなるガラスであるか、又は必要に応じて適当なドープ元素が添加されている石英ガラスであることができる。有利には、できる限り、その組成が後の用途の要求、例えばドープ元素の種類及び量に関して、後の用途の要求に則した出発材料が使用される。これにより、得られたケイ素の、場合によっては必要となるかもしれない精製のための手間を回避できるか、又は少なくとも減じることができる。

本発明に係る方法のために、二酸化ケイ素をベースとする出発材料は小さくされ、例えば粉末形状で使用される。適当な粉末状の出発材料は、例えば石英粉である。

還元のために、熱還元によるケイ素の製造に関して公知であるような還元剤が使用され得る。

この例は、炭素をベースとする還元剤、例えば炭素粉末、黒鉛粉末、若しくは炭素粉末及び黒鉛粉末の混合物、又はアルミニウム、マグネシウム等である。本発明により有利には、還元が炭素熱還元として、すなわち炭素をベースとする還元剤によってなされる。

マイクロ波オーブン内での加熱は、電磁放射による加熱すべき材料の励振によってなされる。このために、出発材料及び還元剤の反応混合物が、適当な反応容器内に供与される。この反応容器は、使用されるマイクロ波オーブンの作業周波数に関して透過性の材料からなることができる。

択一的には、使用されるマイクロ波オーブンの作業周波数に関して非透過性であるか、又は部分的にのみ透過性である材料からなる容器が使用されてもよい。この場合、容器も加熱される。その結果、加熱及び溶融は、容器材料から変換すべき混合物への熱伝導によって助成される。

それゆえ、容器の材料は、マイクロ波透過性であるか、あるいは熱伝導によって変換すべき混合物の必要な加熱をすることができる限り、もはや決定的ではない。

有利には、本発明に係る方法のために、家庭で一般的なマイクロ波オーブンのために使用されるような周波数で作業するマイクロ波オーブンが使用され得る。マイクロ波オーブンは、典型的には約２．４５５ＧＨｚの周波数を有する電磁放射を使用する。

本発明では、原理的に、市場で安価に入手可能なマイクロ波オーブンが使用可能であるので、本発明に係る方法は、特に、装置の取り扱いが簡単である点で優れている。

有利には、出力制御、特に連続的な出力制御を有するマイクロ波オーブンが使用されるので、例えばマイクロ波の入射を必要に応じて調整し、制御することができる。出力制御されるマイクロ波オーブンの使用は、エネルギの節減にさらに寄与する。

ケイ素を製造するために、二酸化ケイ素をベースとする出発材料は、小さく粉砕され、還元剤と混合される。得られた混合物は、容器に供与され、二酸化ケイ素をベースとする出発材料は、マイクロ波の作用によって加熱され融解される。還元は還元剤によってなされる。

変換は、有利には、形成されたケイ素が空気中の酸素と反応してしまうことを回避するために、イナートガス雰囲気、例えば窒素又はアルゴン雰囲気下、若しくは真空下でなされる。

電磁放射の入射方向は、溶融に至るまでの出発材料の十分な加熱がなされる限り、原理的には任意に選択可能である。

添付の図面は、概略的に、本発明の有利な実施の形態に係る装置を示しており、装置も本発明の対象をなしている。本発明に係るケイ素を製造する方法は、マイクロ波オーブン内で還元剤により二酸化ケイ素をベースとする出発材料を熱還元することによりケイ素を製造することを特徴とする。好ましくは、前記二酸化ケイ素をベースとする出発材料を石英、石英ガラス及びドープされた石英ガラスから選択する。好ましくは、炭素をベースとする還元剤を使用する。好ましくは、還元剤として炭素粉末、黒鉛粉末又は両者の混合物を使用する。好ましくは、得られたケイ素をマイクロ波オーブン内で付加的にゾーンメルティング法にかける。好ましくは、前記出発材料及び前記還元剤の反応混合物を熱還元前に予熱する。好ましくは、前記出発材料及び前記還元剤の反応混合物を同時に付加的に加熱しながら、熱還元を実施する。好ましくは、得られた反応生成物を熱還元後に加熱するか、あるいは熱間に維持する。好ましくは、加熱を誘導式に行う。さらに、本発明に係る、還元剤により二酸化ケイ素をベースとする出発材料を熱還元することによりケイ素を製造するための装置は、当該装置が、マイクロ波オーブンであり、少なくとも１つの容器を収容するために設けられており、ゾーンメルティング法を実施するための放射フロントを形成するためのマイクロ波源が設けられていることを特徴とする。好ましくは、少なくとも１つの容器が、使用されるマイクロ波源の作業周波数を透過しない、マイクロ波によって加熱される材料からなる。好ましくは、前記放射フロントを鉛直又は水平に案内するための手段が設けられている。好ましくは、前記手段が、可動の放射フロントを形成するための、可動に配置される少なくとも１つのマイクロ波源、可動に配置される少なくとも１つの容器、及び両者の組み合わせから選択されている。好ましくは、少なくとも１つの容器が鉛直方向及び水平方向で可動である。好ましくは、前記マイクロ波源とは異なる付加的な加熱装置が設けられている。好ましくは、前記付加的な加熱装置が誘導式加熱装置である。さらに、本発明に係るマイクロ波オーブンの使用は、還元剤により二酸化ケイ素をベースとする出発材料をケイ素に熱還元するために使用することを特徴とする。

本発明の有利な実施の形態に係る装置の概略図である。

図示の有利な実施の形態では、出発材料の熱還元が、ゾーンメルティング法の原理にしたがった精製と関連して実施可能である。

本実施の形態では、精製すべき材料体のゾーンが融解されて、メルトゾーンが材料体を通して案内される。不純物は、先行するメルトフロントに集合する。ゾーンメルティングは、水平又は鉛直に実施可能である。

ゾーンメルティングの実施のために、実質的にケイ素からなる反応生成物は、マイクロ波の入射によってゾーン状に融解される。ケイ素自体は、マイクロ波によって直接励振されて加熱されることができない。ケイ素は、直接マイクロ波の入射によって十分に加熱されることができないので、この場合、使用されるマイクロ波オーブンの電磁放射の周波数によって励振され加熱される材料からなる容器が使用される。ケイ素の加熱及び溶融は、本実施の形態では、熱が容器壁からケイ素へ伝導することによってなされる。それゆえ、容器の材料は、使用されるマイクロ波オーブンの作業周波数に関連して調整されるべきである。市販のマイクロ波オーブンのための適当な容器材料の例は、黒鉛、炭化ケイ素等である。これらの材料は、商業入手可能なマイクロ波オーブンの約２．４５５ＧＨｚの電磁放射による励振時、高いエネルギ吸収を示し、ひいてはケイ素の相応の加熱を示す。

入射あるいは熱導入の領域、ひいてはメルトフロントは、鉛直、すなわち、得られた反応生成物の表面に対して垂直に、又は水平、すなわち、得られた反応生成物の表面に対して平行に案内され得る。

メルトフロントが所望の方向で案内され得るように、放射フロント４を案内するための手段が設けられている。例えば、対応するマイクロ波源又は容器２、若しくは容器２及びマイクロ波源の両方が、可動に構成されていてよい。有利には、マイクロ波源は、入射されるマイクロ波の域最大値が反応生成物の加熱すべき領域内に形成されるように位置決めされている。

有利な実施の形態では、容器２は、鉛直方向にも水平方向にも可動に構成されている。

図面には、例示的に、鉛直のゾーンメルティング法を伴う本発明に係る方法のための装置が示されている。ゾーンメルティングの実施のために、本実施の形態では、反応生成物を含む容器２が側方から電磁放射に曝される。ゾーンメルティング法のための容器２あるいは放射フロント４の運動方向は、概略的に矢印により示されている。

ケイ素への変換がゾーンメルティング法と組み合わされると、二酸化ケイ素をベースとする出発材料の溶融のため、及び還元剤との反応のため、上方から、又は下方からも、出発材料に向けて照射する別個の放射源３を使用することが有利であることが判っている。

本発明において、有利には、必要ならば適当にドープされる石英ガラスが粉砕され、やはり微細に粉砕された還元剤と混合され、かつ容器に供与される。容器は、市販のマイクロ波オーブンに配置され、そこで照射によって出発材料は、融解され、かつ還元剤によってケイ素へ変換され得る。

本発明により、態様次第で、有利には可動に配置される複数の容器が同時にマイクロ波オーブン内に装入されていてもよい。

有利な実施の形態では、出発材料及び還元剤の反応混合物が、熱還元前に予熱される。有利には５００℃の領域の温度に予熱される。予熱は、還元剤の可能な燃焼を回避するために、有利にはマイクロ波オーブン内でなされる。反応混合物を予め加熱することによって、熱還元のために必要なエネルギの入力を減少させることができる。

さらに、同時の付加的な加熱が、反応中及び反応後、得られた反応生成物の後続の処理可能性を促進することが判っている。その上、同時の付加的な加熱を行った場合、マイクロ波のより良好な吸収が観察され得る。

このことは、マイクロ波の出力を低下させ得ることを意味する。加熱のために、マイクロ波オーブンに、マイクロ波源とは異なる加熱装置を設けてもよい。このために、一般的な公知の加熱装置をマイクロ波オーブン内に設けることができる。特に適しているのは、誘導式加熱装置である。

可能な不純物を回避するために、原料及び生成物は、室温に冷却されるまで保護ガス下に保持されることが望ましい。

本発明に係る方法によって、市販のマイクロ波オーブンをベースに、還元反応によって最高純度のケイ素が簡単かつ省エネルギに獲得され得る。

１ マイクロ波オーブン
２ 出発材料及び還元剤を収容するための容器
３ 融解のための放射源
４ ゾーンメルティングのための放射フロント

ゾーンメルティングのための放射フロント及び／又は容器の運動方向

Claims (14)

1. マイクロ波オーブン内で炭素をベースとする還元剤により二酸化ケイ素をベースとする出発材料を熱還元することによりケイ素を製造する方法であって、前記二酸化ケイ素をベースとする出発材料を石英、石英ガラス及びドープされた石英ガラスから選択し、得られたケイ素をマイクロ波オーブン内で付加的にゾーンメルティング法にかけることを特徴とする、ケイ素を製造する方法。
2. 還元剤として炭素粉末、黒鉛粉末又は両者の混合物を使用する、請求項１記載の方法。
3. 前記出発材料及び前記還元剤の反応混合物を熱還元前に予熱する、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記出発材料及び前記還元剤の反応混合物を同時に付加的に加熱しながら、熱還元を実施する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 得られた反応生成物を熱還元後に加熱するか、あるいは熱間に維持する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 加熱を誘導式に行う、請求項４又は５記載の方法。
7. 炭素をベースとする還元剤により石英、石英ガラス及びドープされた石英ガラスから選択される二酸化ケイ素をベースとする出発材料を熱還元することによりケイ素を製造するための装置において、
   当該装置が、マイクロ波オーブン（１）であり、少なくとも１つの容器（２）を収容するために設けられており、
   ゾーンメルティング法を実施するための放射フロント（４）を形成するためのマイクロ波源が設けられている
   ことを特徴とする、ケイ素を製造するための装置。
8. 少なくとも１つの容器（２）が、使用されるマイクロ波源の作業周波数を透過しない、マイクロ波によって加熱される材料からなる、請求項７記載の装置。
9. 前記放射フロント（４）を鉛直又は水平に案内するための手段が設けられている、請求項７又は８記載の装置。
10. 前記手段が、可動の放射フロント（４）を形成するための、可動に配置される少なくとも１つのマイクロ波源、可動に配置される少なくとも１つの容器（２）、及び両者の組み合わせから選択されている、請求項９記載の装置。
11. 少なくとも１つの容器（２）が鉛直方向及び水平方向で可動である、請求項１０記載の装置。
12. 前記マイクロ波源とは異なる付加的な加熱装置が設けられている、請求項７から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 前記付加的な加熱装置が誘導式加熱装置である、請求項１２記載の装置。
14. 炭素をベースとする還元剤により石英、石英ガラス及びドープされた石英ガラスから選択される二酸化ケイ素をベースとする出発材料をケイ素に熱還元し、得られたケイ素を付加的にゾーンメルティング法にかけるためのマイクロ波オーブンの使用。

Images