JP7095885B2 - Silicon manufacturing method - Google Patents

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本発明は、シリカ、アルミニウム、酸化カルシウム、及びフッ化カルシウムを原料として、テルミット反応により原料を溶融させて、シリカを還元することにより、高純度のシリコンを製造する方法に関する。特に、本発明は、光電変換セルに好適の高純度(9N)シリコンを製造するのに有効な方法に関し、好ましくは、珪藻土から抽出され高純度化処理を受けた高純度シリカを原材料の一つとして、テルミット反応により、炭素原料を使用せずにシリカを還元して、高純度ソーラーグレードのシリコン、即ち、高光電変換効率のソーラーセル用途に適したシリコンを製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing high-purity silicon by using silica, aluminum, calcium oxide, and calcium fluoride as raw materials, melting the raw materials by a thermite reaction, and reducing silica. In particular, the present invention relates to an effective method for producing high-purity (9N) silicon suitable for photoelectric conversion cells, and preferably one of the raw materials is high-purity silica extracted from diatomaceous earth and subjected to high-purity treatment. The present invention relates to a method for producing high-purity solar-grade silicon, that is, silicon suitable for solar cell applications with high photoelectric conversion efficiency, by reducing silica by a thermite reaction without using a carbon raw material.

化石ベースのエネルギの生産は、炭素を含むガスの放出源となる。これは、COガスのような温室効果ガスにより、地球の全世界的な温暖化につながる。この温室効果ガスは世界的な温暖化を導く主要な要素の一つである。エネルギ源として石炭を活用する全ての工程で発生する。全世界的な規模でいうと、2018年に、2500億トンのCOが発生した。このうち、中国が30%、米国が15%、インドが7%、ロシアが5%である。一方、いくつかのCO代替クリーンエネルギの製造方法が提案され、使用されている。代替エネルギの中で、近年、光起電性の電力生成手段として知られるソーラーエネルギの使用が著しく進んでおり、ソーラーエネルギは豊富に存在し、ソーラー発電の装置はプロセスの中で使用される装置として問題がない大きさを有している。 The production of fossil-based energy is an outgassing source of carbon-containing gases. This leads to global warming of the earth due to greenhouse gases such as CO 2 gas. This greenhouse gas is one of the major factors leading to global warming. It is generated in all processes that utilize coal as an energy source. On a global scale, 250 billion tonnes of CO 2 were generated in 2018. Of these, China is 30%, the United States is 15%, India is 7%, and Russia is 5%. On the other hand, some methods for producing CO 2 alternative clean energy have been proposed and used. Among the alternative energies, the use of solar energy, which is known as a photovoltaic power generation means, has been remarkably advanced in recent years, solar energy is abundant, and photovoltaic power generation equipment is a device used in the process. It has a size that does not cause any problems.

ソーラー電力の発電装置の中で、ソーラーセルは、シリコンウエハを使用したソーラーエネルギと電気との変換を代表する最も重要な部分である。この光電変換効率を上げるためには、半導体シリコンの純度と同レベルのシリコン純度が好ましい。半導体シリコンの純度は、10Nで始まる高純度が検討されており、そのため、ソーラーセルのシリコンの場合も、ソーラーセルの高変換効率を得るために、それに近い又は同等の純度とすることが好ましい。 Among the solar power generation devices, the solar cell is the most important part representing the conversion of solar energy and electricity using a silicon wafer. In order to increase the photoelectric conversion efficiency, silicon purity at the same level as the purity of semiconductor silicon is preferable. As for the purity of semiconductor silicon, high purity starting from 10N has been studied. Therefore, in the case of silicon of a solar cell, it is preferable to have a purity close to or equivalent to that in order to obtain high conversion efficiency of the solar cell.

シリコンベースのソーラーセルは、最も一般的に商用化され、使用されてきたソーラーセルであり、ソーラー市場の90%以上を占める。シリコン材料がどのような品質であるかは、そのソーラーセルの変換効率等の品質効果に直接的に関連する。この変換効率は、単結晶から多結晶までのシリコンの形態にかなり依存する。現在、ソーラーセル用途に使用されるソーラーグレードシリコンとして分類されるシリコン材料には、最低限6Nの純度が必要である。 Silicon-based solar cells are the most commonly commercialized and used solar cells, accounting for more than 90% of the solar market. The quality of the silicon material is directly related to the quality effect such as the conversion efficiency of the solar cell. This conversion efficiency is highly dependent on the morphology of silicon, from single crystal to polycrystal. Currently, silicon materials classified as solar grade silicon used in solar cell applications require a minimum purity of 6N.

半導体シリコンの製造に使用される原材料は、ソーラーグレードシリコンを製造するために使用される原材料と同等である。従って、ソーラーグレードシリコンの製造業界における価格の高騰及び下落は、半導体シリコンの製造業界の価格の高騰及び下落に強く依存する。そして、それはソーラーグレードシリコンの原材料の調達を厳しくする。 The raw materials used to make semiconductor silicon are equivalent to the raw materials used to make solar grade silicon. Therefore, the rise and fall of prices in the solar grade silicon manufacturing industry strongly depends on the rise and fall of prices in the semiconductor silicon manufacturing industry. And it tightens the procurement of raw materials for solar grade silicon.

そこで、ソーラーグレードシリコン製造用の原材料の不足を解消するために、金属シリコン(2~3N)として知られている金属グレードシリコンの純度を高めることに、様々な関心が集中してきた。金属グレードシリコンの主要な不純物は、カルシウム、アルミニウム、鉄等の金属不純物と、リン及びボロン等の非金属不純物とを含む。鉄及びアルミニウム等の金属不純物は、凝固段階で金属不純物が容易に偏析し、シリコンに比べて極めて低い凝固分配係数を有するために、扱いやすい。しかしながら、非金属不純物のボロン及びリンは、シリコン内でドーパントとして作用し、高い凝固分配係数を持つ。ボロンの場合は、凝固分配係数は0.8であり、凝固偏析を介してボロンを取り除くことを困難にしている。 Therefore, in order to solve the shortage of raw materials for manufacturing solar grade silicon, various interests have been focused on increasing the purity of metallic grade silicon known as metallic silicon (2 to 3N). Major impurities in metallic grade silicon include metallic impurities such as calcium, aluminum and iron and non-metallic impurities such as phosphorus and boron. Metal impurities such as iron and aluminum are easy to handle because the metal impurities are easily segregated at the solidification stage and have an extremely low solidification partition coefficient as compared with silicon. However, the non-metal impurities boron and phosphorus act as dopants in silicon and have a high solidification partition coefficient. In the case of boron, the solidification partition coefficient is 0.8, which makes it difficult to remove boron through solidification segregation.

金属シリコンをソーラーグレードシリコンへ高純度化するために非金属不純物を除去する際の問題点を解消するために、凝固偏析に代わる種々の方法が開発されてきた。例えば、特許文献1には、ボロン及びリンのプラズマフレーム溶解法が開示されている。また、特許文献2には、リンの原子化除去が開示されている。金属シリコンを高純度化するための代替方法が種々提案されているにも拘わらず、半導体グレードシリコンの純度レベルに到達することは、高純度化を達成するための効率的な方法が存在しないために未だ実現されていない。 Various alternatives to solidification segregation have been developed to solve the problems of removing non-metallic impurities in order to purify metallic silicon to solar grade silicon. For example, Patent Document 1 discloses a plasma frame dissolution method for boron and phosphorus. Further, Patent Document 2 discloses the removal of atomization of phosphorus. Despite various proposed alternatives for purifying metallic silicon, reaching the purity level of semiconductor grade silicon is due to the lack of an efficient method for achieving high purity. Has not been realized yet.

従来、ソーラーグレードシリコンは、2つの主要な工程の連続からなる伝統的な方法で製造されている。この方法は、先ず、炭素材料を使用し、アーク炉内で2000℃に加熱してシリカをシリコンに変換する。その後、得られたシリコンを、特許文献3に開示されたシーメンス法という化学的方法により高純度化する工程が続く。しかしながら、この方法は、高コストであると共に、気候変動の原因となるCOが高レベルで空気中に放出されるという問題点がある。このため、2017年近傍の産業レベルで、地球全体で1℃の温暖化をもたらしている。 Traditionally, solar grade silicon has been manufactured by a traditional method consisting of a series of two major steps. This method first uses a carbon material and heats it to 2000 ° C. in an arc furnace to convert silica to silicon. After that, a step of purifying the obtained silicon by a chemical method called the Siemens method disclosed in Patent Document 3 is continued. However, this method has a problem that it is expensive and CO 2 that causes climate change is released into the air at a high level. For this reason, at the industrial level near 2017, the global warming of 1 ° C has been brought about.

従来のシーメンス法の主要な欠点を改善すべく、種々の代替方法が開発されている。その一つが、特許文献4に記載されたエルケム法であり、5000トンのSoG-Si当たり、CO放出量が50000トンになるまで、COの放出が減少した。従って、この方法は、シーメンス法に比較して大きく改善されているといえる。しかしながら、エルケム法において放出されるCO量は、未だ極めて高レベルであり、この10年間で0.2℃の温度上昇が生じるレベルである。今後の数年におけるCO放出の増加は、地球の環境及び人類生存にとって致命的であると想定される。従って、再生可能エネルギの使用及び将来の地球環境の良好な保全を加速するために、ソーラーグレードシリコンを製造する方法としては、炭酸ガスを放出しないゼロ放出工程又はCOフリー社会を、可及的速やかに実現することが要望されている。 Various alternatives have been developed to remedy the major drawbacks of the traditional Siemens method. One of them is the Elchem method described in Patent Document 4, in which CO 2 emissions are reduced until the CO 2 emission amount reaches 50,000 tons per 5000 tons of SoG-Si. Therefore, it can be said that this method is greatly improved as compared with the Siemens method. However, the amount of CO 2 released by the Elchem method is still at an extremely high level, which is a level at which a temperature rise of 0.2 ° C. occurs in the last 10 years. Increased CO 2 emissions in the coming years are expected to be fatal to the Earth's environment and human survival. Therefore, in order to accelerate the use of renewable energy and the good conservation of the global environment in the future, as a method of producing solar grade silicon, a zero emission process that does not emit carbon dioxide or a CO 2 -free society is possible. It is required to realize it promptly.

WO2010/024310A1WO2010 / 024310A1 CN101525136ACN101252136A US2008/0206970A1US2008 / 0206970A1 US特許6861040B1US Patent 6861040B1 US特許5152830US Patent 51582830 WO2006/041271WO2006 / 041271 WO2013/078220WO2013 / 078220 WO2004/101434A1WO2004 / 101434A1

現在、ソーラーセル用途の高純度シリコンを製造するための方法として、炭素質材料を使用しない理想的な方法は存在しない。このため、ソーラーセル用途の高純度シリコンの製造方法として、厳密なゼロ炭素放出による製造方法の開発が要望されている。なお、熱炭素還元は、実質的に電気エネルギの消費が必要で、それに自己パワーとしての第2世代のソーラーセルを使用すれば、その部分では、ゼロ放出過程となり、炭素放出量を減少させることができる。しかし、テルミット反応を使用したテルミット還元では、高レベルのCO放出は生じない。還元剤としてアルミニウムを使用するテルミット反応は、酸素を含む材料の還元のためのCOフリー工程であるといえる(特許文献5)。その他、テルミット反応ではないが、シーメンス法及びエルケン法によらない高純度シリコンの製造方法として、特許文献6乃至8に開示されたものがある。 Currently, there is no ideal method for producing high-purity silicon for solar cell applications without the use of carbonaceous materials. Therefore, as a method for producing high-purity silicon for solar cells, there is a demand for the development of a production method with strict zero carbon emission. It should be noted that thermal carbon reduction requires substantial consumption of electrical energy, and if a second-generation solar cell as self-power is used, the zero emission process will occur in that part and the amount of carbon emission will be reduced. Can be done. However, thermite reduction using the thermite reaction does not result in high levels of CO 2 emissions. It can be said that the thermite reaction using aluminum as a reducing agent is a CO 2 -free step for reducing a material containing oxygen (Patent Document 5). In addition, although it is not a thermite reaction, there are those disclosed in Patent Documents 6 to 8 as a method for producing high-purity silicon which is not based on the Siemens method and the Elken method.

特許文献5には、金属酸化物粉末及び還元剤の混合物を反応炉内に装入した後、純金属又は合金金属をテルミット反応により製造する方法が開示されている。特許文献6には、二酸化シリコンをアルミニウム熱還元法により還元して高純度シリコンを製造する方法が開示されている。特許文献7は、ソーラーグレードシリコンの製造方法であるが、その方法は、シリカを1300乃至1400℃の温度に予備加熱し、アルミニウムと接触させてアルミニウムを溶解させ、アルミニウム-シリコン合金を生成するものである。特許文献8においては、珪岩の熱炭素還元を含む化学的処理と、無機酸水溶液による処理とにより、高純度シリコン粉末を得ている。 Patent Document 5 discloses a method for producing a pure metal or an alloy metal by a thermite reaction after charging a mixture of a metal oxide powder and a reducing agent into a reaction furnace. Patent Document 6 discloses a method for producing high-purity silicon by reducing silicon dioxide by an aluminum thermal reduction method. Patent Document 7 is a method for producing solar grade silicon, in which silica is preheated to a temperature of 1300 to 1400 ° C. and brought into contact with aluminum to melt aluminum to form an aluminum-silicon alloy. Is. In Patent Document 8, high-purity silicon powder is obtained by a chemical treatment including thermal carbon reduction of quartzite and a treatment with an aqueous solution of an inorganic acid.

しかしながら、炭酸ガスを放出せずに、COフリーでシリカを還元して高純度シリコンを得ると共に、得られた高純度シリコンをソーラー発電に使用してソーラーエネルギから電気エネルギに変換するクリーン方法は、理想的な社会の実現に寄与するが、この高純度シリコンを高効率で還元製造することができる方法は、未だ、実現されていない。 However, there is a clean method that reduces silica to obtain high - purity silicon without emitting carbon dioxide and uses the obtained high-purity silicon for solar power generation to convert solar energy into electrical energy. Although it contributes to the realization of an ideal society, a method capable of reducing and producing this high-purity silicon with high efficiency has not yet been realized.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、テルミット反応によりシリカをアルミニウムで還元することにより、炭素質材料を使用せずに、製造過程で炭酸ガスを放出することなく、高効率で高純度シリコンを製造することができるシリコンの製造方法を提供することを目的とする。特に、本発明は、3N以上又は更に好ましくは4N以上の比較的高純度のシリカ原料を、テルミット反応により、アルミニウムにより還元することによって、ソーラーセル用途の9Nレベルの純度を有する高純度シリコンを製造する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and by reducing silica with aluminum by a thermite reaction, high efficiency is achieved without using a carbonaceous material and without releasing carbon dioxide gas in the manufacturing process. It is an object of the present invention to provide a method for producing silicon, which is capable of producing high-purity silicon. In particular, the present invention produces high-purity silicon having a purity of 9N level for solar cell use by reducing a relatively high-purity silica raw material of 3N or more, more preferably 4N or more, with aluminum by a thermite reaction. The purpose is to provide a way to do this.

本発明によれば、例えば、世界的に豊富に存在する珪藻土を高純度化することにより得られた原材料シリカが、アルミニウムを還元剤として、グラファイトヒータ内でテルミット反応により還元され、高純度シリコンが製造される。この高純度シリコンは、テルミット反応の間に生成するスラグを除去することにより、高純度化されて、高純度ソーラーグレードシリコンを得ることができる。 According to the present invention, for example, raw material silica obtained by purifying diatomaceous earth, which is abundant in the world, is reduced by a thermite reaction in a graphite heater using aluminum as a reducing agent to produce high-purity silicon. Manufactured. This high-purity silicon can be purified to obtain high-purity solar-grade silicon by removing the slag generated during the thermite reaction.

本発明に係るシリコンの製造方法は、
シリカ、アルミニウム、カルシウム酸化物、及びフッ化カルシウムの粉末の原材料混合物を用意する工程と、前記原材料混合物を結合材を使用してペレット又は粒状物に成形する工程と、成形後の前記ペレット又は粒状物からなる原材料混合物を50乃至150℃の温度範囲に予備加熱して前記ペレット又は粒状物を強化する工程と、前記原材料混合物を800℃以上に加熱してテルミット反応を生じさせ、テルミット反応の開始後、その発熱現象により、温度が800乃至2000℃に昇温する過程で前記原材料混合物が融解し、前記シリカが還元されて液体シリコン及びスラグが生成する工程と、この溶解した材料を降温させて、得られたシリコン生成物を分離して回収する工程と、を有することを特徴とする。
The method for producing silicon according to the present invention is as follows.
A step of preparing a raw material mixture of silica, aluminum, calcium oxide, and calcium fluoride powder, a step of molding the raw material mixture into pellets or granules using a binder, and the pellets or granules after molding. The step of preheating the raw material mixture consisting of the material to a temperature range of 50 to 150 ° C. to strengthen the pellets or granules, and heating the raw material mixture to 800 ° C. or higher to cause a thermit reaction to initiate the thermit reaction. Later, due to the heat generation phenomenon, the raw material mixture is melted in the process of raising the temperature to 800 to 2000 ° C., and the silica is reduced to form liquid silicon and slag, and the melted material is cooled. It is characterized by having a step of separating and recovering the obtained silicon product.

換言すると、本発明の高純度シリコンを製造する方法は、シリカ、アルミニウム、カルシウム酸化物及びフッ化カルシウムの粉末等を原料混合物材料とする。更に、この混合物をグラファイトルツボに入れ、グラファイトヒータに装入して、ルツボを800℃以上に加熱する。これにより、テルミット反応が生じ、ルツボ内容物が800乃至2000℃に昇温して、原材料混合物が溶融し、シリカが液体シリコン及びスラグに還元される。反応材料は降温されると、液体シリコンが凝固し、不純物が十分に除去された固体シリコン製品が得られる。 In other words, the method for producing high-purity silicon of the present invention uses silica, aluminum, calcium oxide, calcium fluoride powder, or the like as a raw material mixture material. Further, this mixture is placed in a graphite crucible and charged in a graphite heater to heat the crucible to 800 ° C. or higher. As a result, a thermite reaction occurs, the crucible contents are heated to 800 to 2000 ° C., the raw material mixture is melted, and silica is reduced to liquid silicon and slag. When the temperature of the reaction material is lowered, the liquid silicon solidifies to obtain a solid silicon product from which impurities are sufficiently removed.

更に、換言すると、本発明は、炭素質材料を含まない少量のボロン量及びリン量を持つ高純度シリコンを調整する方法に関する。この方法は、複数のステップを有する。例えば、原材料のシリカ粉末を、アルミニウム粉末及びカルシウム酸化物にフッ化カルシウム粉末を混合したものに、混合し、原材料混合物をルツボに入れる。更に、テルミット反応に適切な温度を付与すると、テルミット反応が生じ、シリカの還元が生じる。そして、還元されて得られたシリコンを、例えば、スラグとの固体混合物の形態で回収する。そして、最終生産物を高純度化して高純度シリコン生成物を得る。 Further, in other words, the present invention relates to a method for preparing high-purity silicon having a small amount of boron and phosphorus without containing a carbonaceous material. This method has a plurality of steps. For example, the raw material silica powder is mixed with a mixture of aluminum powder and calcium oxide with calcium fluoride powder, and the raw material mixture is placed in a rut. Further, when an appropriate temperature is applied to the thermite reaction, the thermite reaction occurs and silica is reduced. Then, the silicon obtained by reduction is recovered in the form of a solid mixture with slag, for example. Then, the final product is purified to obtain a high-purity silicon product.

更に、換言すると、本発明は、光起電性の用途に有効な9Nシリコンを製造するのに好適である。この方法は、炭素質材料を使わずにシリカを還元するテルミット反応を使用する。これにより、炭素の放出を回避することができる。本発明方法は、例えば、以下のステップを有する。 Further, in other words, the present invention is suitable for producing 9N silicon, which is effective for photoelectrostatic applications. This method uses a thermite reaction that reduces silica without the use of carbonaceous materials. This makes it possible to avoid carbon emissions. The method of the present invention has, for example, the following steps.

(1)シリカ、アルミニウム、カルシウム酸化物及びフッ化カルシウムの原料混合物を得る。これは、各原料の粉末を混合した後、結合剤により固めてペレット状にしたものでも良いし、又は、シリカ粉末を結合材によりペレット状にしたシリカペレット、アルミニウム粉末を結合材によりペレット状にしたアルミニウムペレット、カルシウム酸化物及びフッ化カルシウムの混合粉末を結合材によりペレット状にしたカルシウム酸化物・フッ化カルシウム混合物のペレットの各ペレットを混合した混合物としてものでも良い。このようにして、原材料を用意する。 (1) A raw material mixture of silica, aluminum, calcium oxide and calcium fluoride is obtained. This may be a mixture of powders of each raw material and then hardened with a binder to form pellets, or a silica pellet obtained by pelletizing silica powder with a binder or an aluminum powder pelleted with a binder. It may be a mixture of pellets of a calcium oxide / calcium fluoride mixture in which a mixed powder of aluminum pellets, calcium oxide and calcium fluoride is pelletized with a binder. In this way, the raw materials are prepared.

(2)ペレットの混合物をグラファイトルツボ又はBNルツボに装入する。 (2) The mixture of pellets is charged into a graphite crucible or a BN crucible.

(3)前記ペレットを予備加熱処理して、その構造を強化する。 (3) The pellet is preheated to strengthen its structure.

(4)予備加熱したペレットを加熱して、グラファイトルツボ内でテルミット反応を活性化し、シリカをシリコンに還元する。 (4) The preheated pellets are heated to activate the thermite reaction in a graphite crucible and reduce silica to silicon.

(5)反応生成物を降温させて、テルミット反応により得られた凝固シリコンを回収する。 (5) The temperature of the reaction product is lowered, and the solidified silicon obtained by the thermite reaction is recovered.

本発明によれば、炭酸ガス及び一酸化炭素ガス等の炭素含有ガスの放出なしに高純度シリコンを製造することができる。即ち、本発明によれば、還元剤として、炭素の代わりにアルミニウムを使用するので、炭素の放出を回避できる。そして、本発明によれば、シリコン炭化物の他に、毒性があると共に、有害ガスである炭酸ガス及び一酸化炭素ガスが生成されない。 According to the present invention, high-purity silicon can be produced without releasing carbon-containing gas such as carbon dioxide gas and carbon monoxide gas. That is, according to the present invention, aluminum is used instead of carbon as the reducing agent, so that carbon emission can be avoided. According to the present invention, carbon dioxide gas and carbon monoxide gas, which are toxic and harmful gases, are not produced in addition to the silicon carbide.

一方、本発明によれば、テルミット反応の着火点は、従来の熱炭素還元に比して低く、このため、エネルギ消費量が低い。また、テルミット反応により、原料混合物が速やかに高温に昇温し、還元反応が極めて短時間で完了する。よって、高効率で高純度シリコンを得ることができる。 On the other hand, according to the present invention, the ignition point of the thermite reaction is lower than that of the conventional thermal carbon reduction, and therefore the energy consumption is low. Further, the thermite reaction rapidly raises the temperature of the raw material mixture to a high temperature, and the reduction reaction is completed in an extremely short time. Therefore, high-purity silicon can be obtained with high efficiency.

本発明によれば、従来の還元工程に比較して、本発明のテルミット反応による還元工程は、プロセス技術において、高純度シリコンの製造にとって、より直接的且つ近接的なものであり、無駄が少なく、効率的である。 According to the present invention, as compared with the conventional reduction step, the reduction step by the thermit reaction of the present invention is more direct and close to the production of high-purity silicon in the process technique, and there is less waste. , Efficient.

本発明の実施形態のソーラーグレードシリコンの製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the solar grade silicon of embodiment of this invention. 本発明の実施形態で使用するグラファイトヒータの内部を示す模式的斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the inside of the graphite heater used in embodiment of this invention. 同じくその内部を示す縦断面図である。It is also a vertical sectional view showing the inside thereof.

以下、本発明の実施形態について、図1乃至図3を参照して具体的に説明する。本発明は、石英の熱炭素還元から製造される冶金グレードのシリコンをソーラーグレード及び半導体グレードのシリコンまで品質を向上させるときに、従来のシリコン製造方法であるシーメンス法では、シランガス等の可燃性ガス、毒性ガス及び不快臭の化学処理を行うことから生じる問題、即ちエネルギの消費量が多いという問題を解消するために開発されたものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to FIGS. 1 to 3. According to the present invention, when the quality of metallurgical grade silicon produced from the thermal carbon reduction of quartz is improved to solar grade and semiconductor grade silicon, the Siemens method, which is a conventional silicon production method, uses a flammable gas such as silane gas. It was developed to solve the problem caused by the chemical treatment of toxic gas and unpleasant odor, that is, the problem of high energy consumption.

次に、汚染要素が現実的である。地球の重大な問題の一つに、気候変動がある。多くの研究プロジェクトが、地球温暖化への各プロセスを抑制すべく実施されている。ガスの中でも、CO2ガスが地球の気候の破壊に対して甚大な影響を与えている。従来の冶金グレードのシリコンを製造するシリカ還元プロセスは、還元反応時に、COガス及びCO2ガスの大量の放出を伴う。 Second, the pollution factor is realistic. Climate change is one of the major problems of the earth. Many research projects are being carried out to curb each process of global warming. Among the gases, CO2 gas has a great influence on the destruction of the earth's climate. The silica reduction process for producing conventional metallurgical grade silicon involves the release of large amounts of CO gas and CO2 gas during the reduction reaction.

ソーラーグレード以上のシリコンの製造方法に関し、クリーンな低コストの方法に対する必要性が高まっている。従来のシリコン製造方法における欠点を改善して地球を保護するために、いかなるこれ以上の炭素放出も避けるべきである。 There is an increasing need for clean, low-cost methods for manufacturing solar-grade and higher-grade silicon. Any further carbon emissions should be avoided in order to improve the shortcomings of conventional silicon manufacturing methods and protect the planet.

本発明のシリコン純度の目標は、99.9999999%(9N)である。本発明において、ボロン及びリンの不純物は、原材料及びひいては得られるシリコン製品の純度レベルを記述する際の基準となる。 The silicon purity target of the present invention is 99.999999% (9N). In the present invention, impurities of boron and phosphorus serve as a reference in describing the purity level of the raw material and thus the resulting silicon product.

図2は本実施形態で使用するグラファイトヒータを示す斜視図、図3は断面図である。チャンバ1は、例えば、SUS製であり、このチャンバ1の内周面にはアルミナ断熱層2が内張されている。更に、この断熱層2に囲まれた空間には、筒状のグラファイト保護層3が設置され、このグラファイト保護層3の内面にNicaフィルム層4が設けられている。チャンバ1の壁内には、このチャンバ1を冷却するための水冷ステンレス鋼製のジャケット7が埋め込まれている。そして、Nicaフィルム層4に囲まれた空間に、グラファイトヒータ6が設置されている。また、Nicaフィルム層4に囲まれたチャンバ1の底部上には、ステンレス鋼製支持板5が設置されており、この支持板5上におけるグラファイトヒータ6の中心部には、上端が開口したグラファイトるつぼ11がグラファイト製るつぼ支持台12の上に載置されて配置されている。このグラファイトるつぼ11を取り囲むようにしてクオーツ製の筒体10が配置されている。また、チャンバ1の上面には、その中央に開口部が設けられており、この開口部を閉塞する蓋部材15が設置されている。この蓋部材15には、2個の水冷銅製の電源接続部9が設置されており、この接続部9に接続された電源端子接続棒8を介して、グラファイトヒータ6が垂下されている。これにより、このグラファイトヒータ6は電源端子接続棒8を介して電源接続部9に電気的に接続され、電源接続部9から給電されるようになっている。また、蓋部材15の中央には、グラファイトるつぼ11の周囲にArガスを供給するためのパイプ13が設置されている。原材料混合物は、グラファイトるつぼ11内に装入され、グラファイト製るつぼ支持台12の上に載置される。このるつぼ11内の原材料混合物は、クオーツ製筒体10を介して、グラファイトヒータ6により800℃以上の温度に加熱される。このとき、チャンバ1内にはArガスが導入され、るつぼ11の周辺部はAr雰囲気に保持される。そして、アルミニウムが800℃以上に加熱されると、テルミット反応が開始され、アルミニウムによるシリカの還元反応が生じる。 FIG. 2 is a perspective view showing a graphite heater used in the present embodiment, and FIG. 3 is a sectional view. The chamber 1 is made of, for example, SUS, and the inner peripheral surface of the chamber 1 is lined with an alumina heat insulating layer 2. Further, a cylindrical graphite protective layer 3 is installed in the space surrounded by the heat insulating layer 2, and a Nica film layer 4 is provided on the inner surface of the graphite protective layer 3. A water-cooled stainless steel jacket 7 for cooling the chamber 1 is embedded in the wall of the chamber 1. A graphite heater 6 is installed in a space surrounded by the Nica film layer 4. Further, a stainless steel support plate 5 is installed on the bottom of the chamber 1 surrounded by the Nica film layer 4, and graphite having an upper end opened in the center of the graphite heater 6 on the support plate 5. The crucible 11 is placed and arranged on a graphite crucible support base 12. A quartz cylinder 10 is arranged so as to surround the graphite crucible 11. Further, an opening is provided in the center of the upper surface of the chamber 1, and a lid member 15 for closing the opening is installed. Two water-cooled copper power supply connection portions 9 are installed on the lid member 15, and a graphite heater 6 is hung via a power supply terminal connection rod 8 connected to the connection portion 9. As a result, the graphite heater 6 is electrically connected to the power supply connection portion 9 via the power supply terminal connection rod 8 and is supplied with power from the power supply connection portion 9. Further, in the center of the lid member 15, a pipe 13 for supplying Ar gas is installed around the graphite crucible 11. The raw material mixture is placed in the graphite crucible 11 and placed on the graphite crucible support base 12. The raw material mixture in the crucible 11 is heated to a temperature of 800 ° C. or higher by a graphite heater 6 via a quartz cylinder 10. At this time, Ar gas is introduced into the chamber 1, and the peripheral portion of the crucible 11 is maintained in the Ar atmosphere. Then, when the aluminum is heated to 800 ° C. or higher, the thermite reaction is started, and the reduction reaction of silica by aluminum occurs.

本発明の方法は、図1に示されているように、高純度シリコンを製造する方法である。更に、本発明の実施形態によれば、高純度シリコンの製造方法は、シリカ及びアルミニウム粉末に、カルシウム酸化物を加えた原材料混合物を用意する工程と、前記混合物を、800乃至2000℃の範囲に存在するテルミット反応の着火温度まで加熱する工程と、反応物を溶解し、シリカとアルミニウムとの間の酸素の交換を生じさせてシリコンとスラグを生成する工程と、を有する。更に、残渣から液体シリコンを分離する工程に続いて、生成物を冷却して低不純物レベルのシリコンを得る。 As shown in FIG. 1, the method of the present invention is a method for producing high-purity silicon. Further, according to the embodiment of the present invention, the method for producing high-purity silicon includes a step of preparing a raw material mixture in which calcium oxide is added to silica and aluminum powder, and the mixture is kept in the range of 800 to 2000 ° C. It comprises a step of heating to the ignition temperature of an existing thermite reaction and a step of melting the reactants and causing the exchange of oxygen between silica and aluminum to produce silicon and slag. Further, following the step of separating the liquid silicon from the residue, the product is cooled to obtain low impurity level silicon.

原材料として使用されるシリカは、珪藻土から抽出され、99.999%(5N)の近傍まで高純度化されたものである。この珪藻土は、全世界的に豊富に存在し、それから抽出されるシリカは、低コストである。この珪藻土から高純度シリカを得る方法としては、例えば以下に示すものがある。即ち、この高純度シリカの製造方法は、先ず、珪藻土原料を酸により浸出処理し、純水で洗浄することにより、アルカリ土類金属、アルカリ金属、遷移金属又はポスト遷移金属を含む不純物を除去し、洗浄後の残渣からケイ酸ナトリウム水溶液を得る工程と、前記ケイ酸ナトリウム水溶液を、イオンキレート特定剤を収納した第1コラム内に通して、前記ケイ酸ナトリウム水溶液中のボロンを除去するボロン除去工程と、前記ボロンを除去した水溶液を、アニオンキレート特定剤を収納した第2コラムに通して、前記水溶液中のリンを除去するリン除去工程と、前記リンを除去した水溶液を、遠心分離して濾過することにより、シリカを回収する工程と、を有する。 Silica used as a raw material is extracted from diatomaceous earth and purified to the vicinity of 99.999% (5N). This diatomaceous earth is abundant worldwide, and the silica extracted from it is low cost. As a method for obtaining high-purity silica from this diatomaceous earth, for example, there are the following. That is, in this method for producing high-purity silica, first, the diatomaceous earth raw material is leached with acid and washed with pure water to remove impurities including alkaline earth metal, alkali metal, transition metal or post-transition metal. , A step of obtaining an aqueous sodium silicate solution from the residue after washing, and passing the aqueous sodium silicate solution through a first column containing an ion chelate specifying agent to remove boron in the aqueous sodium silicate solution. The step, the phosphorus removing step of removing phosphorus in the aqueous solution by passing the aqueous solution from which the boron was removed through a second column containing an anion chelate specificizing agent, and the aqueous solution from which the phosphorus was removed are centrifuged. It comprises a step of recovering silica by filtering.

本発明によれば、シリカとアルミニウムとの原料混合物は、カルシウム酸化物粉末に加えて、主としてCaFからなるフッ化カルシウム粉末を含む。これにより、フラックス効果が得られ、シリカとアルミニウムとの間のテルミット反応の着火温度を下げて、必要エネルギを低減させることができる。 According to the present invention, the raw material mixture of silica and aluminum contains calcium fluoride powder mainly composed of CaF 2 in addition to calcium oxide powder. As a result, a flux effect can be obtained, the ignition temperature of the thermite reaction between silica and aluminum can be lowered, and the required energy can be reduced.

カルシウム酸化物粉末の原料として、4N以上の適切な純度のカルシウム酸化物粉末及びフッ化カルシウム粉末をもつ石灰を使用することができる。 As a raw material for the calcium oxide powder, lime having a calcium oxide powder having an appropriate purity of 4N or more and a calcium fluoride powder can be used.

混合物の調整の第1工程によれば、原材料混合物の各成分の粒子サイズは、1mm未満であり、シリカの場合は、50μm未満である。 According to the first step of preparing the mixture, the particle size of each component of the raw material mixture is less than 1 mm and in the case of silica less than 50 μm.

原材料の粒子サイズは、接触面積が増大による反応速度の増大に大きな影響がある。粒子の適切な粒径の選択は、高収率の還元反応を得るためのキー要素である。 The particle size of the raw material has a great influence on the increase in the reaction rate due to the increase in the contact area. Choosing the right particle size for the particles is a key factor in obtaining a high yield reduction reaction.

本発明によれば、原材料におけるシリカ、アルミニウム、カルシウム酸化物及びフッ化カルシウムの混合比は、モル比で、2:1:2:1~6:3:6:2である。 According to the present invention, the mixing ratio of silica, aluminum, calcium oxide and calcium fluoride in the raw materials is 2: 1: 2: 1 to 6: 3: 6: 2 in molar ratio.

シリカとアルミニウムとの重量比は、アルミニウムのアルミナへの全量酸化を確保してアルミニウムスラグ材料が生成しないようにするために、1/2~1/3とすることが好ましい。 The weight ratio of silica to aluminum is preferably 1/2 to 1/3 in order to ensure total oxidation of aluminum to alumina and prevent the formation of aluminum slag material.

シリカとカルシウム酸化物との重量比は、カルシウム酸化物の比が高いほど、着火温度が低くなるので、着火温度を低下させ用とするレベルに応じて、1/1~3/2の範囲とする。 The weight ratio of silica to calcium oxide is in the range of 1/1 to 3/2 depending on the level used to lower the ignition temperature, because the higher the ratio of calcium oxide, the lower the ignition temperature. do.

更に、溶融反応物の粘度は、フッ化カルシウムの添加により調整することができる。このフッ化カルシウムは、高純度シリコンを回収するためにシリコン産物から最終スラグ産物を分離する際に、極めて重要な役割を果たす。 Further, the viscosity of the melt reaction product can be adjusted by adding calcium fluoride. This calcium fluoride plays a crucial role in separating the final slag product from the silicon product in order to recover the high purity silicon.

本発明によれば、図2に示すように、グラファイトヒータの内部に開口したグラファイトルツボが設置され、このルツボ内にテルミット反応が導入される。 According to the present invention, as shown in FIG. 2, an open graphite crucible is installed inside the graphite heater, and the thermite reaction is introduced into the crucible.

粒子状、ペレット状、及び粉状の形態の原材料混合物は、グラファイトルツボの内部に、異なる反応物間の十分な表面接触が得られるように均一に装入される。 The mixture of raw materials in the form of particles, pellets, and powder is uniformly charged inside the graphite crucible so as to obtain sufficient surface contact between different reactants.

テルミット反応は、グラファイトルツボの内部温度が800℃以上になった後、着火される。 The thermite reaction is ignited after the internal temperature of the graphite crucible reaches 800 ° C. or higher.

テルミット反応が開始された後、シリカは、カルシウム酸化物とフラックス材料のフッ化カルシウム粉末の存在下で、アルミニウムと反応する。 After the thermite reaction is initiated, silica reacts with aluminum in the presence of calcium oxide and calcium fluoride powder of the flux material.

下記反応式(化1)、(化2)は、シリカとアルミニウムとの間の酸素の交換を行うテルミット還元の化学反応を示す。 The following reaction formulas (Chemical formula 1) and (Chemical formula 2) show the thermite reduction chemical reaction for exchanging oxygen between silica and aluminum.

Figure 0007095885000001
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Figure 0007095885000002
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本発明によれば、還元過程は以下のように生じる。シリカペレット、アルミニウム、カルシウム酸化物及びフッ化カルシウムを含む原材料の混合物は、約20℃/分の一定の加熱速度で、全ての材料が溶解するまで、約800℃以上の温度に昇温する。テルミット反応は、800乃至1000℃の温度で、着火し、開始する。また、このテルミット反応は、2000℃以上の高温度まで反応が進行する。 According to the present invention, the reduction process occurs as follows. The mixture of raw materials containing silica pellets, aluminum, calcium oxide and calcium fluoride is heated to a temperature of about 800 ° C. or higher at a constant heating rate of about 20 ° C./min until all the materials are dissolved. The thermite reaction is ignited and initiated at a temperature of 800-1000 ° C. Further, this thermite reaction proceeds to a high temperature of 2000 ° C. or higher.

テルミット反応の温度範囲は、シリカとアルミニウムとの間の酸素の交換を生じさせ、液体シリコンとアルミニウム酸化物(アルミナ)を生成する。 The temperature range of the thermite reaction causes the exchange of oxygen between silica and aluminum, producing liquid silicon and aluminum oxide (alumina).

反応時間は、投入される原材料比並びに温度及び加熱パターンのような加熱条件に応じて、20分~50分の範囲で変動する。 The reaction time varies from 20 minutes to 50 minutes depending on the ratio of raw materials to be charged and heating conditions such as temperature and heating pattern.

テルミット反応は、かなりの量のエネルギが熱として放出される発熱反応である。従って、テルミット反応を800乃至1000℃の範囲で活性化させると、外部の熱エネルギ源は、不要である。よって、エネルギ消費量は極めて減少する。 Thermite reaction is an exothermic reaction in which a considerable amount of energy is released as heat. Therefore, when the thermite reaction is activated in the range of 800 to 1000 ° C., an external heat energy source is unnecessary. Therefore, energy consumption is extremely reduced.

着火から2000℃の最高温度に到達するまでの期間に、テルミット反応が生じるにつれて、液体シリコンが徐々に生成する。従って、最終的に、液体シリコンは液体シリコンの一つのたまりとして集まる。 During the period from ignition to reaching the maximum temperature of 2000 ° C., liquid silicon is gradually formed as the thermite reaction occurs. Therefore, in the end, the liquid silicon collects as a single mass of liquid silicon.

液体シリコンが一つのたまりとして集合することにより、全ての還元過程で発生するスラグから、液体シリコンを分離することが容易になる。 By assembling the liquid silicon as one mass, it becomes easy to separate the liquid silicon from the slag generated in all the reduction processes.

本発明の実施形態において、アルミニウム金属は、上述の化学反応に従って2つの方法で除去される。第1の方法は、アルミニウム金属がシリカから供給される酸素と反応してアルミニウムガス(Al)を生成し、蒸発する。又は第2の方法は、アルミニウムが他の金属に混入して凝固し、シリコンより密度が高い固体スラグを生成する。発生スラグのうちより密度が大きいものは、グラファイトルツボの底に沈む。その後、酸処理により、スラグの全量が抽出される。還元過程におけるアルミニウムの抑制の道筋が、同時に生じうる。これにより、アルミニウム酸化物のガス及びアルミニウムスラグの生成が生じ、この同時生成により、最終生成物からアルミニウムを大量に除去することができる。 In embodiments of the invention, the aluminum metal is removed in two ways according to the chemical reaction described above. In the first method, the aluminum metal reacts with oxygen supplied from silica to generate aluminum gas (Al 2 O 3 ) and evaporate. Alternatively, in the second method, aluminum is mixed with other metals and solidified to form solid slag having a higher density than silicon. The denser slag generated sinks to the bottom of the graphite crucible. The acid treatment then extracts the entire amount of slag. A path of suppression of aluminum in the reduction process can occur at the same time. This results in the formation of aluminum oxide gas and aluminum slag, which can result in the removal of large amounts of aluminum from the final product.

シリカのシリコンへの還元とアルミニウムのアルミナへの酸化は、反応物同士の表面接触を効率化するために、液相中で実施される。 The reduction of silica to silicon and the oxidation of aluminum to alumina are carried out in the liquid phase to improve the efficiency of surface contact between the reactants.

800乃至1000℃という高温で、テルミット反応を開始させる理由は、反応物の全溶解量を多くするためであり、これにより、反応は、還元プロセスにとって有益な液体状態で生じることになる。 The reason for initiating the thermite reaction at temperatures as high as 800-1000 ° C is to increase the total dissolution of the reactants, which results in the reaction occurring in a liquid state beneficial for the reduction process.

本発明によれば、アルミニウム粉末は、従来のシリカの熱炭素還元にて使用される炭素の代わりに、還元剤として機能する。 According to the present invention, the aluminum powder functions as a reducing agent instead of the carbon used in the conventional thermal carbon reduction of silica.

アルミニウムは、B及びPのような不純物を低濃度で含有することがある。これらの不純物は、シリコンの最終的な純度レベル、ひいては、ソーラーセルの性能に対して、大きな影響を与える。従来の炭素還元の場合は、B及びP不純物を高レベルで含有するため、ソーラーセルの性能が低いが、本発明の場合は、B及びP不純物の濃度が低いため、高性能のソーラーセルを得ることができる。 Aluminum may contain impurities such as B and P in low concentrations. These impurities have a significant effect on the final purity level of silicon and thus on the performance of the solar cell. In the case of conventional carbon reduction, the performance of the solar cell is low because it contains high levels of B and P impurities, but in the case of the present invention, the concentration of B and P impurities is low, so a high-performance solar cell can be obtained. Obtainable.

本発明においては、テルミット反応は高度な発熱反応であり、自己エネルギ供給反応といえる。よって、本発明は、従来の還元プロセスに比べて、外部エネルギ消費量が低い。 In the present invention, the thermite reaction is a highly exothermic reaction and can be said to be a self-energy supply reaction. Therefore, the present invention consumes less external energy than the conventional reduction process.

本発明によれば、シリカのシリコンへの変換効率は、約40%であり、理想的な変換効率が47%であることから、極めて高い変換効率が得られる。アルミナ及びカルシウム酸化物を含むスラグ材料が生成し、一部がルツボの壁に付着することにより、7%の損失が生じる。 According to the present invention, the conversion efficiency of silica to silicon is about 40%, and the ideal conversion efficiency is 47%, so that extremely high conversion efficiency can be obtained. A slag material containing alumina and calcium oxide is produced, and a part of the slag material adheres to the wall of the crucible, resulting in a loss of 7%.

本発明によれば、シリカ、シリコン、アルミニウム、アルミナ、カルシウム及びカルシウム酸化物のようなルツボの内部に存在する複数種の材料の反応により、スラグ材が発生する。スラグ材料の複雑さは、清浄なシリコン生成物を得るための高純度化プロセスで扱われる構造的な同定を困難にしている。 According to the present invention, a slag material is generated by the reaction of a plurality of kinds of materials existing inside a rut such as silica, silicon, aluminum, alumina, calcium and calcium oxide. The complexity of the slag material makes it difficult to identify the structures handled in the purification process to obtain clean silicone products.

実施例1
純度が4N以上、粒子径が100μm以下のシリカ粉末を、同様の純度で粒径が1mm以下のアルミニウム粉末、カルシウム酸化物粉末及び珪石粉末に混合した。各粉末の混合物を、バインダーとしてPVAのような結合材を添加して、原材料のペレット又は粒子を成形した。原材料を用意するために使用された比は、モル比で(SiO:Al:CaO:CaF)=(4:2:4:2)であり、十分に混合されてペレット又は粒子状に成形される。より詳細には、17.8gのシリカ粉末が4gのアルミニウム粉末、16.6gのカルシウム酸化物及び11.6gの珪石粉末に添加され、PVA結合材を使用して、5乃至10mm径のペレット又は粒子に成形された。この混合原料の各成分の配合量は、SiO:35.6質量%、Al:8.0質量%、CaO:33.2質量%、CaF:23.2質量%である。
Example 1
Silica powder having a purity of 4 N or more and a particle size of 100 μm or less was mixed with aluminum powder, calcium oxide powder and silica stone powder having the same purity and a particle size of 1 mm or less. A mixture of each powder was added with a binder such as PVA as a binder to form pellets or particles of raw material. The ratio used to prepare the raw materials was (SiO 2 : Al: CaO: CaF 2 ) = (4: 2: 4: 2) in molar ratio and was well mixed and molded into pellets or particles. Will be done. More specifically, 17.8 g of silica powder is added to 4 g of aluminum powder, 16.6 g of calcium oxide and 11.6 g of silica stone powder, using PVA binder to pellet or pellet with a diameter of 5-10 mm. Molded into particles. The blending amount of each component of this mixed raw material is SiO 2 : 35.6% by mass, Al: 8.0% by mass, CaO: 33.2% by mass, and CaF 2 : 23.2% by mass.

その後、粒子の構造を強化するために、粒子は50乃至150℃の温度範囲に1乃至2時間予備加熱した。予備加熱された粒子は、開口したグラファイトルツボ内に装入し、グラファイトヒータチャンバ内に配置した。装入された原材料は、20℃/分の加熱速度で800℃の温度に加熱した。グラファイトヒータは、テルミット反応の着火まで、必要な熱エネルギを供給する。この着火は、800乃至1000℃の温度で発生する。 The particles were then preheated to a temperature range of 50-150 ° C. for 1-2 hours to enhance the structure of the particles. The preheated particles were charged into an open graphite crucible and placed in a graphite heater chamber. The charged raw material was heated to a temperature of 800 ° C. at a heating rate of 20 ° C./min. The graphite heater supplies the required thermal energy until the ignition of the thermite reaction. This ignition occurs at a temperature of 800 to 1000 ° C.

更に、テルミット反応が着火した後、温度は急速に上昇し、原材料を1300乃至2000℃の温度範囲で溶解させる。そして、液体シリコンは、シリカの還元反応により生成する。アルミナは、スラグ材料の生成に加えて、アルミニウムの酸化過程で生成する。フッ化カルシウムフラックス粉末を添加することは、生成した液体シリコンをアルミナ及びスラグ等の他の生成物から分離するために重要な役割をもつ。テルミット反応期間は、チャンバの状態にもよるが、20乃至40分である。テルミット反応の着火後には、グラファイトヒータからもたらされるエネルギは節減されるが、20℃/分の加熱速度の場合は、40乃至45分維持される。冷却後、凝固したシリコンの層が、テルミット反応の他の生成物の上に浮遊する。これにより、シリコン生成物の回収が容易になる。 Further, after the thermite reaction is ignited, the temperature rises rapidly, melting the raw material in the temperature range of 1300 to 2000 ° C. Then, liquid silicon is produced by a reduction reaction of silica. Alumina is produced in the process of oxidizing aluminum in addition to the production of slag material. The addition of calcium fluoride flux powder has an important role in separating the resulting liquid silicon from other products such as alumina and slag. The thermite reaction period is 20 to 40 minutes, depending on the state of the chamber. After ignition of the thermite reaction, the energy provided by the graphite heater is reduced, but at a heating rate of 20 ° C./min, it is maintained for 40-45 minutes. After cooling, a layer of solidified silicon floats on top of the other products of the thermite reaction. This facilitates the recovery of the silicon product.

実施例2
実施例1と同様の性質をもつシリカ、アルミニウム、カルシウム酸化物及びフッ化カルシウム粉末の原料混合物は、モル比で(SiO:Al:CaO:CaF)=(6:2:3:2)に調整された。詳細には、24.4gのシリカ粉末が3.7gのアルミニウム粉末、11.3gのカルシウム酸化物粉末及び10.6gのフッ化カルシウム粉末に添加され、PVA結合剤を使用して5乃至10mmの径のペレット又は粒子に成形される。この混合原料の各成分の配合量は、SiO:48.8質量%、Al:7.4質量%、CaO:22.6質量%、CaF:21.2質量%である。
Example 2
The raw material mixture of silica, aluminum, calcium oxide and calcium fluoride powder having the same properties as in Example 1 has a molar ratio of (SiO 2 : Al: CaO: CaF 2 ) = (6: 2: 3: 2). Adjusted to. Specifically, 24.4 g of silica powder is added to 3.7 g of aluminum powder, 11.3 g of calcium oxide powder and 10.6 g of calcium fluoride powder, and 5-10 mm using a PVA binder. Formed into pellets or particles of diameter. The blending amount of each component of this mixed raw material is SiO 2 : 48.8% by mass, Al: 7.4% by mass, CaO: 22.6% by mass, and CaF 2 : 21.2% by mass.

その後、混合物の構造を強化するために、粒子は50乃至150℃の温度範囲に1乃至2時間予備加熱した。更に、予備加熱された粒子は、開口したグラファイトルツボ内に装入し、グラファイトヒータチャンバ内に配置した。グラファイトルツボの加熱工程は、20℃/分乃至25℃/分の加熱速度で、800℃の温度に加熱する工程を含む。グラファイトヒータは、テルミット反応の着火まで、必要な熱エネルギを供給する。この着火は、800乃至1000℃の温度で発生する。 The particles were then preheated to a temperature range of 50-150 ° C. for 1-2 hours to enhance the structure of the mixture. Further, the preheated particles were charged into an open graphite crucible and placed in a graphite heater chamber. The step of heating the graphite crucible includes a step of heating to a temperature of 800 ° C. at a heating rate of 20 ° C./min to 25 ° C./min. The graphite heater supplies the required thermal energy until the ignition of the thermite reaction. This ignition occurs at a temperature of 800 to 1000 ° C.

テルミット反応が着火した後、35乃至45分で、1300℃乃至2000℃まで温度上昇が生じる。これにより、原材料の全量が溶解する。液体シリコン、アルミナ及びスラグが還元工程で生成する。冷却後、凝固シリコンの層が、テルミット反応の他の生成物の上に浮遊する。これにより、シリコン生成物を回収することが容易になる。 35 to 45 minutes after the thermite reaction ignites, the temperature rises from 1300 ° C to 2000 ° C. This dissolves the entire amount of raw material. Liquid silicon, alumina and slag are produced in the reduction process. After cooling, a layer of solidified silicon floats on top of the other products of the thermite reaction. This facilitates recovery of the silicon product.

実施例3
実施例1と同様の性質をもつシリカ、アルミニウム、カルシウム酸化物及びフッ化カルシウム粉末の原料混合物は、下記モル比(SiO:Al:CaO:CaF)=(5:3:4:1)で調整された。このため、21.96gのシリカ粉末が5.93gのアルミニウム粉末、16.4gのカルシウム酸化物粉末及び5.71gのフッ化カルシウム粉末に添加され、PVA結合剤を使用して5乃至10mm径のペレット又は粒子に成形される。この混合原料の各成分の配合量は、SiO:43.9質量%、Al:11.9質量%、CaO:32.8質量%、CaF:11.4質量%である。
Example 3
The raw material mixture of silica, aluminum, calcium oxide and calcium fluoride powder having the same properties as in Example 1 has the following molar ratio (SiO 2 : Al: CaO: CaF 2 ) = (5: 3: 4: 1). Adjusted with. Therefore, 21.96 g of silica powder is added to 5.93 g of aluminum powder, 16.4 g of calcium oxide powder and 5.71 g of calcium fluoride powder, and a PVA binder is used to make a diameter of 5 to 10 mm. Formed into pellets or particles. The blending amount of each component of this mixed raw material is SiO 2 : 43.9% by mass, Al: 11.9% by mass, CaO: 32.8% by mass, and CaF 2 : 11.4% by mass.

その後、混合物の構造を強化するために、粒子は50乃至150℃の温度範囲に1乃至2時間予備加熱した。更に、予備加熱された粒子は、開口したグラファイトルツボ内に装入し、グラファイトヒータチャンバ内に配置した。グラファイトルツボの加熱工程は、20℃/分乃至25℃/分の加熱速度で、800℃の温度に加熱する工程を含む。グラファイトヒータは、テルミット反応の着火まで、必要な熱エネルギを供給する。この着火は、800乃至1000℃の温度で発生する。 The particles were then preheated to a temperature range of 50-150 ° C. for 1-2 hours to enhance the structure of the mixture. Further, the preheated particles were charged into an open graphite crucible and placed in a graphite heater chamber. The step of heating the graphite crucible includes a step of heating to a temperature of 800 ° C. at a heating rate of 20 ° C./min to 25 ° C./min. The graphite heater supplies the required thermal energy until the ignition of the thermite reaction. This ignition occurs at a temperature of 800 to 1000 ° C.

テルミット反応が着火した後、35乃至45分で、1300℃乃至2000℃まで温度上昇が生じる。これにより、原材料の全量が溶解する。液体シリコン、アルミナ及びスラグが還元工程で生成する。冷却後、凝固シリコンの層が、テルミット反応の他の生成物の上に浮遊する。これにより、シリコン生成物を回収することが容易になる。 35 to 45 minutes after the thermite reaction ignites, the temperature rises from 1300 ° C to 2000 ° C. This dissolves the entire amount of raw material. Liquid silicon, alumina and slag are produced in the reduction process. After cooling, a layer of solidified silicon floats on top of the other products of the thermite reaction. This facilitates recovery of the silicon product.

実施例4
実施例1と同様の性質をもつシリカ、アルミニウム、カルシウム酸化物及びフッ化カルシウム粉末の原料混合物は、下記モル比(SiO:Al:CaO:CaF)=(5:3:3:2)で調整された。即ち、21.28gのシリカ粉末が5.73gのアルミニウム粉末、11.92gのカルシウム酸化物粉末及び11.06gのフッ化カルシウム粉末に添加され、PVA結合剤を使用して5乃至10mm径のペレット又は粒子に成形される。この混合原料の各成分の配合量は、SiO:42.6質量%、Al:11.5質量%、CaO:23.8質量%、CaF:22.1質量%である。
Example 4
The raw material mixture of silica, aluminum, calcium oxide and calcium fluoride powder having the same properties as in Example 1 has the following molar ratio (SiO 2 : Al: CaO: CaF 2 ) = (5: 3: 3: 2). Adjusted with. That is, 21.28 g of silica powder is added to 5.73 g of aluminum powder, 11.92 g of calcium oxide powder and 11.06 g of calcium fluoride powder, and pellets having a diameter of 5 to 10 mm are used with a PVA binder. Or it is molded into particles. The blending amount of each component of this mixed raw material is SiO 2 : 42.6% by mass, Al: 11.5% by mass, CaO: 23.8% by mass, CaF 2 : 22.1% by mass.

その後、混合物の構造を強化するために、成形後の粒子は50乃至150℃の温度範囲に1乃至2時間予備加熱した。更に、予備加熱された粒子は、開口したグラファイトルツボ内に装入し、グラファイトヒータチャンバ内に配置した。グラファイトルツボの加熱工程は、25℃/分乃至35℃/分の加熱速度で、800℃の温度に加熱する工程を含む。グラファイトヒータは、テルミット反応の着火まで、必要な熱エネルギを供給する。この着火は、800乃至1000℃の温度で発生する。 Then, in order to strengthen the structure of the mixture, the molded particles were preheated to a temperature range of 50 to 150 ° C. for 1 to 2 hours. Further, the preheated particles were charged into an open graphite crucible and placed in a graphite heater chamber. The step of heating the graphite crucible includes a step of heating to a temperature of 800 ° C. at a heating rate of 25 ° C./min to 35 ° C./min. The graphite heater supplies the required thermal energy until the ignition of the thermite reaction. This ignition occurs at a temperature of 800 to 1000 ° C.

テルミット反応が着火した後、35乃至45分で、1300℃乃至2000℃まで温度上昇が生じる。これにより、原材料の全量が溶解する。液体シリコン、アルミナ及びスラグが還元工程で生成する。冷却後、凝固シリコンの層が、テルミット反応の他の生成物の上に浮遊する。これにより、シリコン生成物を回収することが容易になる。 35 to 45 minutes after the thermite reaction ignites, the temperature rises from 1300 ° C to 2000 ° C. This dissolves the entire amount of raw material. Liquid silicon, alumina and slag are produced in the reduction process. After cooling, a layer of solidified silicon floats on top of the other products of the thermite reaction. This facilitates recovery of the silicon product.

このようにして、SiO、Al、CaO及びCaFの原料混合物をテルミット反応により昇温させ、SiOを還元して、高純度シリコンを得る。この原料混合物は、例えば、上記実施例1,実施例2、実施例3及び実施例4の例では、SiOが35乃至50質量%、Al:7乃至12質量%、CaOが20~35質量%、CaFが10乃至25質量%である。但し、本発明の混合原料の組成範囲はこれに限らず、テルミット反応が生じる組成範囲であれば、本発明の効果を奏することができる。 In this way, the raw material mixture of SiO 2 , Al, CaO and CaF 2 is heated by a thermite reaction to reduce SiO 2 to obtain high-purity silicon. In the examples of Examples 1, 2, 2, 3 and 4, for example, the raw material mixture contains 35 to 50% by mass of SiO 2 , 7 to 12% by mass of Al: and 20 to 35% by mass of CaO. %, CaF 2 is 10 to 25% by mass. However, the composition range of the mixed raw material of the present invention is not limited to this, and the effect of the present invention can be exhibited as long as the composition range is such that the thermite reaction occurs.

本発明においては、従来の熱炭素還元により高純度シリコンを製造するのではなく、テルミット反応を熱源として、シリカをアルミニウムで還元することにより、温室効果ガスである炭素含有ガスの放出なしに高純度シリコンを製造することができるので、地球環境の悪化をもたらすことなく、ソーラーセル用のソーラーグレードシリコンを高効率で製造できる。よって、本発明はソーラーグレードシリコン等の高純度シリコンの製造に極めて有益である。 In the present invention, instead of producing high-purity silicon by conventional thermal carbon reduction, the thermite reaction is used as a heat source and silica is reduced with aluminum to achieve high purity without releasing carbon-containing gas, which is a greenhouse gas. Since silicon can be produced, solar grade silicon for solar cells can be produced with high efficiency without causing deterioration of the global environment. Therefore, the present invention is extremely useful for producing high-purity silicon such as solar grade silicon.

1:チャンバ
2:アルミナ断熱層
3:グラファイト保護層
4:Nicaフィルム層
5:支持板
6:グラファイトヒータ
7:ステンレス鋼製冷却ジャケット
8:電源端子接続棒
9:接続部
10:筒体
11:グラファイトるつぼ
12:グラファイト製るつぼ支持台
13:パイプ
15:蓋部材
1: Chamber 2: Alumina heat insulating layer 3: Graphite protective layer 4: Nica film layer 5: Support plate 6: Graphite heater 7: Stainless steel cooling jacket 8: Power terminal connection rod 9: Connection part 10: Cylinder 11: Graphite Crucible 12: Graphite crucible support 13: Pipe 15: Lid member

Claims (2)

シリカ、アルミニウム、カルシウム酸化物、及びフッ化カルシウムの粉末の原材料混合物を用意する工程と、
前記原材料混合物を結合材を使用してペレット又は粒状物に成形する工程と、
成形後の前記ペレット又は粒状物からなる原材料混合物を50乃至150℃の温度範囲に予備加熱して前記ペレット又は粒状物を強化する工程と、
前記原材料混合物を800乃至1000℃に加熱してテルミット反応を生じさせる工程と
テルミット反応の開始後、その発熱現象を利用して前記原材料混合物を1300乃至2000℃の温度に昇温させ、前記原材料混合物融解させて、前記シリカ還元て液体シリコン及びスラグ生成する工程と、
この溶解した材料を降温させて、得られたシリコン生成物を分離して回収する工程と、
を有することを特徴とするシリコンの製造方法。
The process of preparing a raw material mixture of powders of silica, aluminum, calcium oxide, and calcium fluoride, and
The step of molding the raw material mixture into pellets or granules using a binder, and
A step of preheating the raw material mixture consisting of the pellets or granules after molding to a temperature range of 50 to 150 ° C. to strengthen the pellets or granules.
The step of heating the raw material mixture to 800 to 1000 ° C. to cause a thermite reaction, and
After the start of the thermite reaction, the exothermic phenomenon is utilized to raise the temperature of the raw material mixture to a temperature of 1300 to 2000 ° C. , melt the raw material mixture, and reduce the silica to produce liquid silicon and slag . Process and
The process of lowering the temperature of this melted material to separate and recover the obtained silicon product, and
A method for producing silicon, which comprises.
原材料の前記シリカは、珪藻土から抽出された後、イオンキレート特定剤によりボロンを除去し、アニオンキレート特定剤によりリンを除去して高純度化したものであることを特徴とする請求項1に記載のシリコンの製造方法。The silica according to claim 1, wherein the silica as a raw material is extracted from diatomaceous earth, then boron is removed by an ion chelate specifying agent, and phosphorus is removed by an anion chelating specifying agent to purify the silica. How to make silicon.
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