JPH05246706A - シリコンの精製方法及びその装置 - Google Patents
シリコンの精製方法及びその装置Info
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- JPH05246706A JPH05246706A JP4046556A JP4655692A JPH05246706A JP H05246706 A JPH05246706 A JP H05246706A JP 4046556 A JP4046556 A JP 4046556A JP 4655692 A JP4655692 A JP 4655692A JP H05246706 A JPH05246706 A JP H05246706A
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- Japan
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- arc
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
- C01B33/037—Purification
Abstract
(57)【要約】
【目的】 ボロン含有量の低い高純度の太陽電池用のシ
リコンを短時間に、安価に、大量に製造することのでき
るシリコンの精製方法及びその装置の提案。 【構成】 シリカを主成分とする容器内に溶融シリコン
を保持し、該溶融シリコンと上部に設けた電極間にアー
クをとばすとともに、該容器の底部より、不活性ガス、
望ましくは酸化性ガスを添加して吹込む。
リコンを短時間に、安価に、大量に製造することのでき
るシリコンの精製方法及びその装置の提案。 【構成】 シリカを主成分とする容器内に溶融シリコン
を保持し、該溶融シリコンと上部に設けた電極間にアー
クをとばすとともに、該容器の底部より、不活性ガス、
望ましくは酸化性ガスを添加して吹込む。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、主に太陽電池に用いる
ボロン含有量の低い高純度シリコンの製造方法及びその
装置に関するものである。
ボロン含有量の低い高純度シリコンの製造方法及びその
装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】太陽電池に使用するシリコン中のボロ
ン、燐、炭素、鉄、アルミニウム、チタンなどの不純物
は、所要の半導体特性を確保するためには１ppmw以下に
する必要がある。そのため、現在、太陽電池用シリコン
としては半導体用のシリコンが用いられてきたが、これ
は高価なために、太陽電池を広く利用するための一つの
障害となっている。
ン、燐、炭素、鉄、アルミニウム、チタンなどの不純物
は、所要の半導体特性を確保するためには１ppmw以下に
する必要がある。そのため、現在、太陽電池用シリコン
としては半導体用のシリコンが用いられてきたが、これ
は高価なために、太陽電池を広く利用するための一つの
障害となっている。
【０００３】そのため、安価に太陽電池用シリコンを製
造する方法として、冶金用シリコンを原料として、これ
を精製する方法がいろいろと提案されている。しかし、
シリコン中のボロンを除去することは難しくその方法は
限られている。例えば、特開昭63-218506 号公報ではプ
ラズマを用いて精製する方法が、また、本発明者らが既
に出願している特願平２-322320 号には、反応容器底部
から酸化性ガスを含む混合ガスを吹き込んで原料シリコ
ンを精製する方法が提案されている。
造する方法として、冶金用シリコンを原料として、これ
を精製する方法がいろいろと提案されている。しかし、
シリコン中のボロンを除去することは難しくその方法は
限られている。例えば、特開昭63-218506 号公報ではプ
ラズマを用いて精製する方法が、また、本発明者らが既
に出願している特願平２-322320 号には、反応容器底部
から酸化性ガスを含む混合ガスを吹き込んで原料シリコ
ンを精製する方法が提案されている。
【０００４】特開昭63-218506 号公報に開示された方法
は、シリカの容器に保持された溶融シリコンに高温のプ
ラズマを照射することによって、容器からシリコン中に
供給される酸素とボロンとを反応させ、ボロンを酸化物
として除去する方法である。さらに、この方法において
はプラズマガス中に酸素を添加してシリコン浴中の酸素
ポテンシャルを高め、ボロンの除去を有利に進めること
ができる。しかし、ボロンの除去反応は、プラズマフレ
ームが浴面にあたっている高温領域だけで進行し、添加
できる酸素量もガス中の0.05体積（％）が限界であり、
工業化した場合にはプラズマ装置を多数取り付ける必要
がある。また、プラズマ装置は電力エネルギー効率が低
く、このため、電力の多量消費は避けられず精製コスト
が高くなるという問題があった。
は、シリカの容器に保持された溶融シリコンに高温のプ
ラズマを照射することによって、容器からシリコン中に
供給される酸素とボロンとを反応させ、ボロンを酸化物
として除去する方法である。さらに、この方法において
はプラズマガス中に酸素を添加してシリコン浴中の酸素
ポテンシャルを高め、ボロンの除去を有利に進めること
ができる。しかし、ボロンの除去反応は、プラズマフレ
ームが浴面にあたっている高温領域だけで進行し、添加
できる酸素量もガス中の0.05体積（％）が限界であり、
工業化した場合にはプラズマ装置を多数取り付ける必要
がある。また、プラズマ装置は電力エネルギー効率が低
く、このため、電力の多量消費は避けられず精製コスト
が高くなるという問題があった。
【０００５】一方、特願平２-322320 号に示した方法
は、底部にガス吹込みを有するシリカの容器に溶融シリ
コンを保持し、羽口からアルゴンなどの不活性ガスを吹
込むことにより、シリコン浴を攪拌し、ボロンと容器の
酸素とを反応させボロンを速やかに除去するものであ
る。さらに、この方法においても、不活性ガスに水蒸
気、二酸化炭素、酸素などの酸化性ガスを添加して酸素
ポテンシャルを高め、ボロンの除去を有利に進めること
ができる。しかし、容器底部からガスを吹込むだけの場
合は、浴の攪拌はプラズマ照射よりよいが、容器の耐久
性の点から浴全体の温度をプラズマ照射時の浴表面のよ
うに2000℃以上にすることができず、1600〜1700℃でボ
ロン除去反応をさせるためにボロンの除去に時間がかか
るという問題があった。
は、底部にガス吹込みを有するシリカの容器に溶融シリ
コンを保持し、羽口からアルゴンなどの不活性ガスを吹
込むことにより、シリコン浴を攪拌し、ボロンと容器の
酸素とを反応させボロンを速やかに除去するものであ
る。さらに、この方法においても、不活性ガスに水蒸
気、二酸化炭素、酸素などの酸化性ガスを添加して酸素
ポテンシャルを高め、ボロンの除去を有利に進めること
ができる。しかし、容器底部からガスを吹込むだけの場
合は、浴の攪拌はプラズマ照射よりよいが、容器の耐久
性の点から浴全体の温度をプラズマ照射時の浴表面のよ
うに2000℃以上にすることができず、1600〜1700℃でボ
ロン除去反応をさせるためにボロンの除去に時間がかか
るという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来技
術の問題点を解決し、ボロン含有量の低い高純度のシリ
コンを短時間に、安価に、大量に製造することのできる
シリコンの精製方法及びその装置を提供することを目的
とするものである。
術の問題点を解決し、ボロン含有量の低い高純度のシリ
コンを短時間に、安価に、大量に製造することのできる
シリコンの精製方法及びその装置を提供することを目的
とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、シリカあるい
はシリカを主成分とする容器内に溶融シリコンを保持
し、該溶融シリコンを一方の極とし、上部のアーク電極
をもう一方の極として、アークをとばすとともに、該容
器の底部及び／又は周辺部より不活性ガス、又は不活性
ガスに水蒸気、二酸化炭素及び／又は酸素を添加したガ
スを吹き込むシリコンの精製方法であり、また、本発明
は、溶融シリコンを保持するためのシリカあるいはシリ
カを主成分とする容器と該容器の一部に溶融シリコンと
接触する電極と該溶融シリコンの溶湯面との間でアーク
をとばすアーク電極と該容器の底部にガスを吹き込む羽
口とを備えたシリコンの精製装置である。
はシリカを主成分とする容器内に溶融シリコンを保持
し、該溶融シリコンを一方の極とし、上部のアーク電極
をもう一方の極として、アークをとばすとともに、該容
器の底部及び／又は周辺部より不活性ガス、又は不活性
ガスに水蒸気、二酸化炭素及び／又は酸素を添加したガ
スを吹き込むシリコンの精製方法であり、また、本発明
は、溶融シリコンを保持するためのシリカあるいはシリ
カを主成分とする容器と該容器の一部に溶融シリコンと
接触する電極と該溶融シリコンの溶湯面との間でアーク
をとばすアーク電極と該容器の底部にガスを吹き込む羽
口とを備えたシリコンの精製装置である。
【０００８】
【作用】本発明は、シリコン浴面とアーク電極間でアー
クをとばすことによって浴面を高温に保持するととも
に、容器底部から不活性ガスを吹き込むことによってシ
リコン浴の攪拌を促進する。この結果、高温のシリコン
浴面がボロン除去の反応領域となり、底部からのガス吹
込みによる攪拌によって、酸素供給源となるシリカある
いはシリカを主成分とする容器からの酸素のシリコンへ
の溶け込みを容易にし、さらに反応領域となるシリコン
浴面への酸素の供給が促進され、その結果ボロンの除去
が促進される。
クをとばすことによって浴面を高温に保持するととも
に、容器底部から不活性ガスを吹き込むことによってシ
リコン浴の攪拌を促進する。この結果、高温のシリコン
浴面がボロン除去の反応領域となり、底部からのガス吹
込みによる攪拌によって、酸素供給源となるシリカある
いはシリカを主成分とする容器からの酸素のシリコンへ
の溶け込みを容易にし、さらに反応領域となるシリコン
浴面への酸素の供給が促進され、その結果ボロンの除去
が促進される。
【０００９】さらに、容器底部吹込み用の不活性ガス
に、水蒸気、二酸化炭素及び／又は酸素を添加すると、
シリコン浴内の酸素ポテンシャルが増大する。この場合
も、浴面温度が高いこと及びシリコン浴の攪拌が大きい
ことは、酸素のシリコンへの溶解を促進しシリコン浴中
の酸素ポテンシャルを大きくする。この結果ボロン除去
が有利に進む。
に、水蒸気、二酸化炭素及び／又は酸素を添加すると、
シリコン浴内の酸素ポテンシャルが増大する。この場合
も、浴面温度が高いこと及びシリコン浴の攪拌が大きい
ことは、酸素のシリコンへの溶解を促進しシリコン浴中
の酸素ポテンシャルを大きくする。この結果ボロン除去
が有利に進む。
【００１０】また、上部電極の周囲から、あるいは、上
部アーク電極に中空電極を用い、この孔よりシリカ、水
蒸気、炭酸ガス、酸素などの酸化剤の一部又は全部をシ
リコン浴面に供給すると精製効果はさらに有利に進行す
るので好ましい。これらの総合的作用により、本発明に
よれば原料シリコンからのボロンの除去を迅速に行うこ
とができる。
部アーク電極に中空電極を用い、この孔よりシリカ、水
蒸気、炭酸ガス、酸素などの酸化剤の一部又は全部をシ
リコン浴面に供給すると精製効果はさらに有利に進行す
るので好ましい。これらの総合的作用により、本発明に
よれば原料シリコンからのボロンの除去を迅速に行うこ
とができる。
【００１１】本発明方法において、不活性ガスとしては
例えばアルゴンが好適に用いられ、水蒸気、二酸化炭
素、酸素は１種又は２種以上混合して、不活性ガスに添
加することができ、これ等のガスの添加量は原料シリコ
ンの純度等の操業条件を勘案して適宜決定される。
例えばアルゴンが好適に用いられ、水蒸気、二酸化炭
素、酸素は１種又は２種以上混合して、不活性ガスに添
加することができ、これ等のガスの添加量は原料シリコ
ンの純度等の操業条件を勘案して適宜決定される。
【００１２】
【実施例】図１に本発明のシリコン精製装置の１実施例
の１部縦断面概要図を示す。図１において、溶融シリコ
ン１は、石英るつぼ２内に保持され、るつぼの外周は断
熱ライニング３で囲まれている。溶融シリコン１の上方
にアーク電極４が備えられており、また石英るつぼ２の
１箇所より対向電極５を挿入し、溶融シリコン１と接触
している。この結果、溶融シリコン１の浴面とアーク電
極４の間でアークがとぶ。ここでアークの電源としては
交流、直流どちらでも可能であるが、黒鉛電極４の消耗
を考慮するとアーク電極４を陰極に、対向電極を陽極に
することが望ましい。また、アーク電極４や対向電極の
材質はシリコンへの汚染を考慮すると黒鉛を用いること
が最も望ましい。
の１部縦断面概要図を示す。図１において、溶融シリコ
ン１は、石英るつぼ２内に保持され、るつぼの外周は断
熱ライニング３で囲まれている。溶融シリコン１の上方
にアーク電極４が備えられており、また石英るつぼ２の
１箇所より対向電極５を挿入し、溶融シリコン１と接触
している。この結果、溶融シリコン１の浴面とアーク電
極４の間でアークがとぶ。ここでアークの電源としては
交流、直流どちらでも可能であるが、黒鉛電極４の消耗
を考慮するとアーク電極４を陰極に、対向電極を陽極に
することが望ましい。また、アーク電極４や対向電極の
材質はシリコンへの汚染を考慮すると黒鉛を用いること
が最も望ましい。
【００１３】石英るつぼ２の底部にはガス吹込み羽口８
が設けられ、底部吹込みガス導入口９を通して羽口から
溶融シリコン内に底部吹込みガス10が吹き込まれる。吹
き込まれるガスには、アルゴンなどの不活性ガスに、必
要に応じて、水蒸気、二酸化炭素などの酸化性ガスを添
加したものを用いる。 実施例１ 上記シリコン精製装置を用い、原料シリコン８kgを石英
るつぼ内で1550℃で溶解し、30kwの直流アークを発生さ
せた。一方、底部羽口よりアルゴン 25l／minを含有す
るガスを吹き込んだ。
が設けられ、底部吹込みガス導入口９を通して羽口から
溶融シリコン内に底部吹込みガス10が吹き込まれる。吹
き込まれるガスには、アルゴンなどの不活性ガスに、必
要に応じて、水蒸気、二酸化炭素などの酸化性ガスを添
加したものを用いる。 実施例１ 上記シリコン精製装置を用い、原料シリコン８kgを石英
るつぼ内で1550℃で溶解し、30kwの直流アークを発生さ
せた。一方、底部羽口よりアルゴン 25l／minを含有す
るガスを吹き込んだ。
【００１４】原料として用いたシリコン中のボロン含有
量は処理前25ppmwで１ppmwになるまで処理した。表１に
比較例及び実施例における処理時間を示す。 比較例１〜８ 比較例１〜４と８kgの溶融シリコン浴面に30kwのプラズ
マを照射したもので、比較例１はプラズマ発生ガスにア
ルゴンを用い、比較例２〜４はアルゴンにそれぞれ９％
（容積％、以下同じ）の水蒸気、0.05％の酸素、４％の
二酸化炭素を添加したときの結果である。
量は処理前25ppmwで１ppmwになるまで処理した。表１に
比較例及び実施例における処理時間を示す。 比較例１〜８ 比較例１〜４と８kgの溶融シリコン浴面に30kwのプラズ
マを照射したもので、比較例１はプラズマ発生ガスにア
ルゴンを用い、比較例２〜４はアルゴンにそれぞれ９％
（容積％、以下同じ）の水蒸気、0.05％の酸素、４％の
二酸化炭素を添加したときの結果である。
【００１５】石英るつぼ底部からのガス吹込みのみを行
ったのが比較例５〜８で、比較例５は吹込み用ガスにア
ルゴンを用い、比較例６〜８はアルゴンにそれぞれ５％
の水蒸気、0.03％の酸素、２％の二酸化炭素を添加した
ときの結果である。 実施例２〜４ 底部吹込み用アルゴンにそれぞれ９％の水蒸気、0.05％
の酸素、４％の二酸化炭素を添加した結果である。その
他の条件は実施例１と同様にした。比較例に比べて、全
てボロン除去速度が大きくなることがわかった。
ったのが比較例５〜８で、比較例５は吹込み用ガスにア
ルゴンを用い、比較例６〜８はアルゴンにそれぞれ５％
の水蒸気、0.03％の酸素、２％の二酸化炭素を添加した
ときの結果である。 実施例２〜４ 底部吹込み用アルゴンにそれぞれ９％の水蒸気、0.05％
の酸素、４％の二酸化炭素を添加した結果である。その
他の条件は実施例１と同様にした。比較例に比べて、全
てボロン除去速度が大きくなることがわかった。
【００１６】また、ボロン含有量を25ppmwから１ppmwま
で低減するのに、比較例１ではプラズマ電力消費が750k
whであるのに対し、実施例１では、アーク電力消費が26
0kwhに低減した。 実施例５ 実施例５は、実施例２の水蒸気の１／２を上部電極を通
して、Si浴面に供給したときの結果である。その他の条
件は実施例１と同様にした。
で低減するのに、比較例１ではプラズマ電力消費が750k
whであるのに対し、実施例１では、アーク電力消費が26
0kwhに低減した。 実施例５ 実施例５は、実施例２の水蒸気の１／２を上部電極を通
して、Si浴面に供給したときの結果である。その他の条
件は実施例１と同様にした。
【００１７】
【表１】
【００１８】
【発明の効果】本発明により、安価な冶金用シリコンを
出発原料としてボロン含有量の低い高純度シリコンを短
時間で安価に量産することができ、従来の高価な半導体
用シリコンを用いていた太陽電池の低コスト化が可能と
なる。これによって太陽電池の利用を大きく進展させる
ことができ、社会的にも多大の貢献をもたらす。
出発原料としてボロン含有量の低い高純度シリコンを短
時間で安価に量産することができ、従来の高価な半導体
用シリコンを用いていた太陽電池の低コスト化が可能と
なる。これによって太陽電池の利用を大きく進展させる
ことができ、社会的にも多大の貢献をもたらす。
【図１】本発明装置の実施例を示す１部縦断面概要図で
ある。
ある。
【符号の説明】 １ 溶融シリコン ２ 石英るつぼ ３ 断熱ライニング ４ アーク電極 ５ 対向電極 ６ 電源ケーブル ７ アーク ８ ガス吹込み羽口 ９ 底部吹込み用ガス導入口 10 底部吹込みガス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 馬場 裕幸 千葉県千葉市川崎町１番地 川崎製鉄株式 会社技術研究本部内
Claims (3)
- 【請求項１】シリカあるいはシリカを主成分とする容器
内に溶融シリコンを保持し、該溶融シリコンを一方の極
とし、上部のアーク電極をもう一方の極として該電極間
でアークをとばすとともに、該容器の底部及び／又は周
辺部より不活性ガスを吹き込むことを特徴とするシリコ
ンの精製方法。 - 【請求項２】容器の底部及び／又は周辺部より吹き込む
不活性ガスに水蒸気、二酸化炭素及び／又は酸素を添加
することを特徴とする請求項１記載のシリコンの精製方
法。 - 【請求項３】溶融シリコンを保持するためのシリカある
いはシリカを主成分とする容器と該容器の一部に該溶融
シリコンと接触する電極と該溶融シリコンの溶湯面との
間でアークをとばすアーク電極と該容器の底部にガス吹
き込み羽口とを備えたことを特徴とするシリコンの精製
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4046556A JPH05246706A (ja) | 1992-03-04 | 1992-03-04 | シリコンの精製方法及びその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4046556A JPH05246706A (ja) | 1992-03-04 | 1992-03-04 | シリコンの精製方法及びその装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05246706A true JPH05246706A (ja) | 1993-09-24 |
Family
ID=12750603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4046556A Pending JPH05246706A (ja) | 1992-03-04 | 1992-03-04 | シリコンの精製方法及びその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05246706A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7615202B2 (en) | 2005-03-07 | 2009-11-10 | Nippon Steel Materials Co., Ltd. | Method for producing high purity silicon |
| US8034151B2 (en) | 2004-03-03 | 2011-10-11 | Nippon Steel Corporation | Method for removing boron from silicon |
| JP2013510794A (ja) * | 2009-11-16 | 2013-03-28 | 政宏 星野 | 金属シリコンを精製する方法 |
-
1992
- 1992-03-04 JP JP4046556A patent/JPH05246706A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8034151B2 (en) | 2004-03-03 | 2011-10-11 | Nippon Steel Corporation | Method for removing boron from silicon |
| US7615202B2 (en) | 2005-03-07 | 2009-11-10 | Nippon Steel Materials Co., Ltd. | Method for producing high purity silicon |
| JP2013510794A (ja) * | 2009-11-16 | 2013-03-28 | 政宏 星野 | 金属シリコンを精製する方法 |
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