JP5593364B2 - ソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置及びソーラーグレードポリシリコンの精製方法 - Google Patents
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Description
本発明はソーラーグレードポリシリコンを精製する装置と方法に関し、特に真空で循環処理するソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置と方法に関する。
ポリシリコン製品の主な用途は二つある。一つは太陽電池であり、もう一つは集積回路である。ポリシリコン製品の二つの用途が要求する性能パラメータは異なり、半導体級ポリシリコンの純度の要求は９Ｎ〜１１Ｎに達するものの、ソーラーグレード電池に関しては、光電変換効率と寿命が保証された上でのポリシリコン純度に対する要求はそこまで高くなく、大体、５Ｎ〜７Ｎ程度である。
半導体級ポリシリコンは、一般的に、コストの高い化学的製造方法、主に、改良シーメンス法で製造される。また、ソーラーグレードポリシリコンは、物理的な方法を用いることによって生産コストを下げている。現在のところ、ソーラーグレードポリシリコンの製造法は、改良シーメンス法の他、冶金法、チューブ炉法、流動床法等がある。
ソーラーグレードポリシリコン材料の要求はそれほど高くなく、一般的に純度が５Ｎ−７Ｎに達すればよい。もし、純度が７Ｎ〜９Ｎまで高くなった場合、逆に、ポリシリコンに適量のリン化ホウ素を混ぜて純度を下げないと、太陽光発電に使えない。これは、一種の物理的矛盾である上、製造コストが増えてしまう。
ＲＨ炉真空処理（または、循環法真空処理と呼ぶ）は、ドイツのＲｕｈｒｓｔａｈｌ／Ｈｅｒａｅｕｓの二社によって共同開発された。真空室下方の二本の導管を通して溶鋼を入れ、真空にすることで 溶鋼を一定の高さに上昇させ、さらに、上升管に希ガスを吹き込むことで、それに連動した鋼液が真空室に進入し真空処理が行われ、その後、もう一方の下方導管を介して取鍋へと流動する。この方法は、技術の進んだ製鉄メーカーの溶鋼の真空処理の主流の方法となっている。本発明者も、２０１０年１０月２２日に、台湾特許第０９９１３６０３０号にて、冶金法ポリシリコン製造技術を開示しており、この特許は、ＲＨ真空循環脱ガス炉を利用して、ホウ素、リンを取り除く技術である。しかしながら、実務の操作において、上升管と下方導管の間で、一部の液体が角に溜まってしまい、液体循環の効果がよくなく、製品の純度に影響することが分かった。
上述の問題を鑑み、本発明は、所定の濃度のポリシリコン溶液を直接製造することができ、ポリシリコンの製造に必要な時間とコストを大幅に短縮することができるソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置及びソーラーグレードポリシリコンの精製方法を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明のソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置は、真空脱ガス炉と、循環法真空処理炉とからなる。真空脱ガス炉は、真空室と、シリコン収容部と、希ガス取り込み装置と、からなる。その内、真空室は、第一真空ノズルと、結合孔とを備える。シリコン収容部は、真空室内に設けられるとともに、結合孔の下方に配置され、それにより、液体シリコン溶液或いは固体シリコンを収容することができる。希ガス取り込み装置は、シリコン収容部に設けられる。循環法真空処理炉は、第二真空ノズルと単一ノズル連通管とからなり、前記単一ノズル連通管は、前記結合孔を介して前記シリコン収容部に差し込まれ、それにより、結合孔と循環法真空処理炉の接合箇所は密封され、希ガス取り込み装置から取り込まれた希ガスは単一ノズル連通管へと移動する。第一真空ノズルと第二真空ノズルは、それぞれ、真空脱ガス炉と循環法真空処理炉に対して真空処理を行ない、さらに、真空脱ガス炉と循環法真空処理炉の真空度を調整することにより、循環法真空処理炉内での液体シリコン溶液の高さを制御することができる。
また、本発明の真空脱ガス炉は、さらに、加熱炉と合併して単一の炉体にすることができる。それにより、熱エネルギーの損失を減らし、さらには、固体シリコンを液化させて加熱効率をあげることができる。
また、本発明の真空脱ガス炉とシリコン収容部は合併して単一の溝体にすることができる。それにより、真空脱ガス炉の体積を減らすことができる。
また、本発明の真空脱ガス炉とシリコン収容部は、さらに、加熱炉と合併して単一の溝体にすることができる。それにより、加熱效率を高めて固体シリコンを液化することができるとともに、シリコン収容部の容積を増やすことができる。
また、真空室の真空度は０．１〜０．９ ａｔｍに達し、循環法真空処理炉の真空度は０．００１Ｐａ〜１０００Ｐａに達し、それにより、ソーラーグレードポリシリコンの製造が行いやすくなる。
また、循環法真空処理炉には、即時検知機器が設けられ、シリコン溶液の濃度を検知することができる。また、真空脱ガス炉には、プラズマガンが設けられ、不純物を取り除くことができる。
本発明は、さらに、ソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置を使用しソーラーグレードポリシリコンを精製する方法を提供する。本発明のソーラーグレードポリシリコンを精製する方法は、（ａ）液化する手順、（ｂ）真空にする手順、（ｃ）かき混ぜる手順、（ｄ）不純物を取り除く手順、（ｅ）確認する手順、（ｆ）成型する手順、とからなる。前記手順と装置により、ソーラーグレードポリシリコンを直接精製することができ、従来の技術と比較すると、製造時間・工程を短縮し、製造コストを減らすことができる。
また、シリコン溶液内のホウ素の含有量が０．４ｐｐｍより小さく、リンの含有量が０．８ｐｐｍより小さいと確認した時は、不純物の含有量をより正確に制御するため、希ガスの取り込みを停止する。
また、成型する手順においては、酸洗を行いやすくするため、さらに、冷却した後のシリコン溶液を５０〜１５０メッシュに粉砕する。
本発明は、所定の濃度のポリシリコン（例えば、ソーラーグレード５Ｎ−７Ｎ）を直接製造することができ、純度が７Ｎを越えてしまってポリシリコン溶液に適量のホウ素リンを混ぜて純度を下げなければならない等の問題が生じることがないため、製造時間とコストを大幅に減らすことができる。また、本発明は、上升管と下方導管を使用していないため、液体の一部が一緒に移動しないことで起こる問題を克服することができる。
以下に、実施例と図、符号を用いて、本発明の構成内容とそれによって達せられる効果について、詳細な説明を行う。
図１を参照する。本発明によるソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置は、真空脱ガス炉１（ＶＤ炉）と、循環法真空処理炉２（ＲＨ炉）とからなる。
その内、真空脱ガス炉１は、真空室１１と、シリコン収容部１２と、希ガス取り込み装置１３と、からなる。真空室１１は、第一真空ノズル１１１と結合孔１１２とを備える。シリコン収容部１２は、真空室１１内に設けられるとともに、結合孔１１２の下方に配置され、液体シリコン溶液或いは固体シリコンを収容することができる。希ガス取り込み装置１３は、シリコン収容部１２に設けられ、それにより、希ガスはシリコン収容部１２内に取り込まれる。
循環法真空処理炉２は、第二真空ノズル２１と単一ノズル連通管２２とからなる。その内、単一ノズル連通管２２は、結合孔１１２を介してシリコン収容部１２に差し込まれ、それにより、結合孔１１２と循環法真空処理炉２の接合箇所は密封され、それにより、希ガス取り込み装置１３から取り込まれた希ガスは、単一ノズル連通管２２へと移動する。その内、第一真空ノズル１１１と第二真空ノズル２１は、それぞれ、真空脱ガス炉１と循環法真空処理炉２に対して真空処理を行ない（図の矢印方向にガスを吸う）、さらに、真空脱ガス炉１と循環法真空処理炉２の真空度を調整することにより、循環法真空処理炉２内での液体シリコン溶液の高さを制御することができる。
以上が、本実施例の各部材の組合せと配置である。この装置によって、ポリシリコン精煉作業の時間と工程を短縮することができるため、コストを下げる効果がある。この作業の手順は後述する。
また、真空脱ガス炉１は、さらに、加熱炉と合併して単一の炉体にすることができ、それにより、加熱を行うことができ、熱エネルギーの損失を減らし、加熱効率をあげることができる。真空脱ガス炉１と加熱炉の結合は、本領域の一般的な技術を用いれば結合できる上、結合後の状態は図１と近いため、ここでは、結合方法は記載せず、図の追加もおこなわないものとする。
また、循環法真空処理炉２には、さらに、即時検知機器２３が設けられる。それにより、シリコン収容部１２内のシリコン溶液の不純物の含有量を即時に検知することができる。また、プラズマガン１４が真空脱ガス炉１に設けられ、それにより、シリコン収容部１２内に収容されたシリコン溶液内の不純物を取り除くことができる。
また、図２に示すように、真空脱ガス炉１とシリコン収容部１２は合併して単一の溝体１２’にすることができ、それにより、真空脱ガス炉１の体積を減らし、稼働効率を上げることができる。
また、真空脱ガス炉１とシリコン収容部１２は、さらに、加熱炉と合併させて単一の溝体にすることができ、それにより、全体の効率を上げるとともに真空脱ガス炉１の体積を減らすことができる。
上述の加熱炉は、中周波炉にすることができる。
また、ソーラーグレードポリシリコンの真空二次精錬を行う場合、真空室１１の真空度は０．１〜０．９ ａｔｍに達し、循環法真空処理炉２の真空度は０．００１Ｐａ〜１０００Ｐａに達する。
ソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置を用いてソーラーグレードポリシリコンを精製する方法は、（ａ）液化する手順Ｓ１と、（ｂ）真空にする手順Ｓ２と、（ｃ）かき混ぜる手順Ｓ３と、（ｄ）不純物を取り除く手順Ｓ４と、（ｅ）確認する手順Ｓ５と（ｆ）成型する手順Ｓ６、とからなる。各手順の説明は以下の通りである。
（ａ）液化する手順Ｓ１：シリコン原料を液化した後、シリコン収容部１２内に入れ、シリコン溶液の表面を単一ノズル連通管２２の管口より高くする。。
（ｂ）真空にする手順Ｓ２：真空脱ガス炉１と循環法真空処理炉２を真空にし、真空室１１の真空度を０．１〜０．９ａｔｍにし、循環法真空処理炉２の真空度を０．００１Ｐａ〜１０００Ｐａにする。
（ｃ）かき混ぜる手順Ｓ３：希ガス取り込み装置１３が取り込んだ希ガスは、単一ノズル連通管２２へと移動し、それによりシリコン溶液が連動してかき混ぜられ、拡散して、脱ガス処理が行われる。
（ｄ）不純物を取り除く手順Ｓ４：プラズマガン１４を使用して不純物を取り除く。
（ｅ）確認する手順Ｓ５：シリコン溶液内のホウ素含有量が０．４ｐｐｍより小さく、リン含有量が０．８ｐｐｍより小さい時、希ガスの取り込みを停止し、上方の循環法真空処理炉２の真空度を下げる。この時、シリコン溶液は、下方のシリコン収容部１２内に流れ込む。
（ｆ）成型する手順Ｓ６：上述の手順が完成したシリコン溶液を長時間凝固容器内に入れ、冷却した後、まず、不純物が比較的多い端の部分を切除し、さらに粉砕し、次に、酸洗して金属の不純物を取り除いた後、さらに、方向性凝固によってインゴットを精製することでソーラーグレードポリシリコンを形成させることができる。
上述の手順により、ソーラーグレードポリシリコンを直接精製することができ、従来の技術のように不純物を取り除いた後に、更に不純物を加えてソーラーグレードポリシリコンの基準を達成させる必要がなくなるため、製造工程と時間が短縮され、コストも低くなる。
また、成型する手順Ｓ６において、冷却した後のシリコン溶液は、後続の酸洗作業を行いやすいように、５０〜１５０メッシュに粉砕する。
実施方式について、以下に説明を行う（図１を併せて参照する）。
１、固体の２Ｎ〜４Ｎの金属シリコン原料を加熱し溶かして高温の液体金属シリコン溶液Ｌにして、シリコン収容部１２内に入れる。
２、高温の液体２Ｎ〜４Ｎの金属シリコン溶液を満たしたシリコン収容部１２を真空室１１内に置き、加熱して（約１０００℃〜１８００℃）、高温の液体金属シリコン溶液１１の温度を保つ。
３、連結した循環法真空処理炉２の単一ノズル連通管２２を、下方の真空脱ガス炉１の真空室１１のシリコン収容部１２内に差込み、液体金属シリコン溶液内まで入れることで、循環法真空処理炉２と連通させ、循環法真空処理炉２の温度を高温にする（約１０００℃〜１８００℃）。
４、二つの炉を密封した後、同時に真空処理を行う。その内、下方の真空脱ガス炉１の真空室１１の真空度は０．１〜０．９ａｔｍに達し、上方の連結された循環法真空処理炉２の真空度は０．００１Ｐａ〜１０００Ｐａに達する。そして、単一ノズル連通管２２内に、希ガス（例えば、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ２）等）を通入させる。
５、単一ノズル連通管２２内に希ガスを通入させることで、シリコン溶液Ｌ内に図のような気泡が生じる。また、真空の圧力差によって、連結された循環法真空処理炉２内の液体金属シリコン溶液Ｌの上昇の高さを制御することができ、さらに、希ガスによって、液体金属シリコン溶液Ｌを上下の真空室間でかき回して絶え間なく循環流動させることで、フラットで浅くて薄い形態を形成させることができる。かき回して、拡散させ、脱ガスする技術により、液体金属シリコン溶液Ｌ内の鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）等の不純物を効果的に取り除くことができ、高純度のポリシリコンを得ることができる。
６、真空脱ガス炉１に、電子束或いはプラズマ（Ｐｌａｓｍａ）ガン等を設けることで、加熱（或いは保温）し、ホウ素（Ｂ）を取り除いて、アルゴン（Ａｒ）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、水素（Ｈ２）を加える。
７、一定時間（約１０分から１０時間）の循環、拡散、脱ガス処理の後、即時検知機器２３によって不純物の測定を行い、ホウ素の含有量が０．４ｐｐｍより小さく、リン（Ｐ）の含有量が０．８ｐｐｍより小さいと検出された場合は、通気を停止し、循環法真空処理炉２の真空度を下げる。この時、全ての液体金属シリコン溶液１１は、真空脱ガス炉１真空室内のシリコン収容部１２内に流動する。
８、下方の真空脱ガス炉１内のシリコン収容部１２内で脱ガスをしてリン（Ｐ）とホウ素（Ｂ）を取り除いた高純度（４Ｎ〜６Ｎ）のポリシリコン熔液を、長時間凝固容器内に入れ、長時間（４時間〜７２時間）かけてゆっくり冷卻した後、不純物が多い端の部分を切除し、さらに、５０〜１５０メッシュに粉砕し、酸洗して鉄、アルミニウム、カルシウム等の金属不純物を除去した後、さらに、方向性凝固によってインゴットを精製すると、高純度（６Ｎ〜７Ｎ）のソーラーグレードポリシリコン（ＵＭＧ−Ｓｉ）を得ることができ、それをそのまま切断すると太陽電池を製造することができる。
また、真空脱ガス炉１と中周波炉を合併して単一の炉体にすることができる。それにより、直接、真空脱ガス炉１内の固体シリコンを中周波炉で加熱して（約１０００℃〜１８００℃）溶かし、高温液体金属シリコン溶液Ｌにすることができる。また、図２に示すように、真空脱ガス炉１とシリコン収容部１２を合併して単一の溝体１２’にすること、或いは、真空脱ガス炉１と中周波炉、シリコン収容部１２を合併して単一の炉体にすることができる。それにより、直接、固体シリコンを中周波炉で加熱して溶かして液体を形成させることができる。それにより、運送の時間をさらに減らすことができる。
１ 真空脱ガス炉
１１ 真空室
１１１ 第一真空ノズル
１１２ 結合孔
１２ シリコン収容部
１２’ 溝体
１３ 希ガス取り込み装置
２ 循環法真空処理炉
２１ 第二真空ノズル
２２ 単一ノズル連通管
２３ 即時検知機器
Ｓ１ 液化する手順
Ｓ２ 真空にする手順
Ｓ３ かき混ぜる手順
Ｓ４ 不純物を取り除く手順
Ｓ５ 確認する手順
Ｓ６ 成型する手順
１１ 真空室
１１１ 第一真空ノズル
１１２ 結合孔
１２ シリコン収容部
１２’ 溝体
１３ 希ガス取り込み装置
２ 循環法真空処理炉
２１ 第二真空ノズル
２２ 単一ノズル連通管
２３ 即時検知機器
Ｓ１ 液化する手順
Ｓ２ 真空にする手順
Ｓ３ かき混ぜる手順
Ｓ４ 不純物を取り除く手順
Ｓ５ 確認する手順
Ｓ６ 成型する手順
Claims (10)
- 真空脱ガス炉と、循環法真空処理炉とからなるソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置であって、
真空脱ガス炉は、真空室と、シリコン収容部と、希ガス取り込み装置とからなり、
真空室は、第一真空ノズルと結合孔とを備え、
シリコン収容部は、前記真空室内に設けられるとともに、前記結合孔の下方に配置され、それにより、液体シリコン溶液或いは固体シリコンを収容することができ、
希ガス取り込み装置は、前記シリコン収容部に設けられ、
循環法真空処理炉は、第二真空ノズルと単一ノズル連通管とからなり、前記単一ノズル連通管は、前記結合孔を介して前記シリコン収容部に差し込まれ、それにより、前記結合孔と前記循環法真空処理炉の接合箇所は密封され、前記希ガス取り込み装置から取り込まれた希ガスは前記単一ノズル連通管へと移動し、
前記第一真空ノズルと前記第二真空ノズルは、それぞれ、前記真空脱ガス炉と前記循環法真空処理炉に対して真空処理を行ない、さらに、前記真空脱ガス炉と前記循環法真空処理炉の真空度を調整することにより、前記循環法真空処理炉内での液体シリコン溶液の高さを制御することができることを特徴とする、ソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置。 - 前記真空脱ガス炉は、さらに、加熱炉と合併されて単一の炉体になることを特徴とする、請求項１に記載のソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置。
- 前記真空脱ガス炉と前記シリコン収容部は、合併されて単一の溝体になることを特徴とする、請求項１に記載のソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置。
- 前記真空脱ガス炉と前記シリコン収容部は、さらに、加熱炉と合併されて単一の溝体になることを特徴とする、請求項１に記載のソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置。
- 前記加熱炉は中周波炉であることを特徴とする、請求項２または請求項４に記載のソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置。
- 前記真空室の真空度は０．１〜０．９ａｔｍに達し、前記循環法真空処理炉の真空度は０．００１Ｐａ〜１０００Ｐａに達することを特徴とする、請求項１に記載のソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置。
- 前記循環法真空処理炉には、即時検知機器が設けられ、前記真空脱ガス炉には、プラズマガンが設けられることを特徴とする、請求項１に記載のソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置。
- 液化する手順と、真空にする手順と、かき混ぜる手順と、不純物を取り除く手順と、確認する手順と、成型する手順とからなる請求項１に記載のソーラーグレードポリシリコンの真空循環精錬装置を使用してソーラーグレードポリシリコンを精製する方法であって、
液化する手順では、シリコン原料を液化した後に前記シリコン収容部内に入れ、シリコン溶液の表面を前記単一ノズル連通管の管口より高くし、
真空にする手順では、前記真空脱ガス炉と前記循環法真空処理炉を真空にし、前記真空室の真空度を０．１〜０．９ａｔｍにし、前記循環法真空処理炉の真空度を０．００１Ｐａ〜１０００Ｐａにし、
かき混ぜる手順では、前記希ガス取り込み装置が取り込んだ希ガスが前記単一ノズル連通管へと移動することで、シリコン溶液が連動してかき混ぜられ、拡散して脱ガス処理が行われ、
不純物を取り除く手順では、不純物を取り除き、
確認する手順では、シリコン溶液内のリン含有量が０．８ｐｐｍより小さい時、希ガスの取り込みを停止するとともに、上方の循環法真空処理炉の真空度を下げ、この時、シリコン溶液は下方の前記シリコン収容部内に流れ込み、
成型する手順では、上述の手順が完成したシリコン溶液を長時間凝固容器内に入れ、冷却した後、まず、不純物が多い端の部分を切除し、さらに粉砕し、次に、酸洗して金属の不純物を取り除いた後、さらに、方向性凝固によってインゴットを精製することで、ソーラーグレードポリシリコンを形成させる、
ことを特徴とする、ソーラーグレードポリシリコンを精製する方法。 - 前記確認する手順においては、さらに、シリコン溶液内のホウ素の含有量が０．４ｐｐｍより小さいと確認した時は、希ガスの取り込みを停止し、前記成型する手順においては、冷却した後のシリコン溶液は、５０〜１５０メッシュに粉砕することを特徴とする、請求項８に記載のソーラーグレードポリシリコンを精製する方法。
- 前記不純物を取り除く手順では、プラズマガンを使用して不純物を取り除くことを特徴とする、請求項８に記載のソーラーグレードポリシリコンを精製する方法。
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