JPH10265211A

JPH10265211A - 粉状シリコンの溶解方法

Info

Publication number: JPH10265211A
Application number: JP9071543A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Baba; 裕幸馬場; Masamichi Abe; 正道阿部; Naomichi Nakamura; 尚道中村; Kazuhiro Hanazawa; 和浩花澤; Yasuhiko Sakaguchi; 泰彦阪口; Kenkichi Yushimo; 憲吉湯下; Yoshihide Kato; 嘉英加藤
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1997-03-25
Filing date: 1997-03-25
Publication date: 1998-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、微粉の金属シリコン、あるいは工程
外の高純度シリコンを効率良く溶解可能な「粉状シリコ
ンの溶解方法及び装置」を提供することを目的としてい
る。【解決手段】粉状シリコンを溶解するに際して、前記粉
状シリコンで充填層を形成し、該充填層を電気抵抗体と
して通電加熱し、溶解する。その通電加熱を、不活性ガ
ス又は還元性ガスの雰囲気下で行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉状シリコンの溶
解方法及び装置に関し、詳しくは、太陽電池用高純度シ
リコンの製造に際し、原料の粉状シリコンを効率良く溶
解する技術である。

【０００２】

【従来の技術】現在、エネルギー源の多様化要求から、
太陽光発電が脚光を浴びているが、コストが高いため、
電力用としては一般に普及していない。また、太陽電池
用基板材料のほとんどはシリコンであるが、該シリコン
専用の製造プロセスが存在していないので、そのシリコ
ンの製造は、図４に示すように、半導体用シリコンの製
造プロセスで発生した多結晶シリコンのスクラップある
いは単結晶引き上げの際に発生したスクラップに依存し
ている。なお、図４の多結晶シリコンは、金属シリコン
を塩酸と反応させてトリクロロ・シランとしてガス化
し、該ガスを精留して不純物元素を除き、水素ガスと反
応させる所謂ＣＶＤ法でガスから析出させたものであ
る。

【０００３】この図４に示す方法では、せっかく半導体
用にまで高純度にしたシリコンを、再度、太陽電池用に
適するように成分調整（ボロン添加）したり、精製や鋳
造をしなければならないので、手間がかかる上に、歩留
が悪く、再溶解の設備、エネルギーも別途必要で、製造
費用が嵩むという問題があった。そのため、現在入手可
能な太陽電池は高価なものとなり、その一般的な普及の
障害となっている。また、上記のような化学プロセスが
主体の金属シリコンの精製では、シラン、塩化物等の公
害物質の多量発生が避けられず、量産の障害になるとい
う問題もあった。さらに、半導体産業の活況に伴い、半
導体に向けられる多結晶シリコンの量が不足してきてお
り、太陽電池用に向けられるシリコンは、今後さらに少
なくなると予想される。かかる現状においては、太陽電
池用に使用できるシリコン源を、多結晶シリコンよりさ
らに上流に位置する金属シリコンを主体にして、従来よ
り一層安価に得るようにする必要がある。

【０００４】そこで、本出願人は、上記のような化学プ
ロセスによる金属シリコンの高純度化を改め、先般（Ｐ
ＣＴ／ＪＰ９６／０２９６５で）、図５に示すような冶
金プロセスのみで、太陽電池に適した純度のシリコンを
多量に製造し、それを鋳造して一気にシリコン基板まで
にする方法を提案している。それは、珪石を炭材で還元
して得た金属シリコン（純度９８〜９９重量％Ｓｉ）を
出発原料とし、真空精錬によってＰ、Ａｌ，Ｃａ等の易
揮発性不純物元素を除去、該溶湯を凝固生成して不純物
金属元素（Ｆｅ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｃａ）を粗精製すると共
に、酸化精錬でＢ，Ｃを除き、脱酸してから、一方向凝
固で上記不純物金属元素の仕上凝固精製した後、鋳塊の
一部を切り捨て、残部をスライスして太陽電池用シリコ
ン基板を連続的な流れ作業として生産するものである。
かかる製造方法によれば、太陽電池用シリコンを従来よ
りかなり安価に量産できる目処が立っている。

【０００５】ところで、上記酸化精錬では、図３に示す
ように、粉状あるいは粒状の金属シリコン１を容器２内
の溶湯３上へシュート４を介して投入し、そこで一旦溶
解してから酸化性ガス５を吹き付けたり、あるいは吹き
込んで、その目的を達成している。溶解手段には、プラ
ズマのアークやガス・ジェット６（図３の例）、直流ア
ーク、サセプタを用いた高周波誘導加熱コイル７、電熱
ヒータ等を単独、あるいは組み合わせて利用するのが一
般的である。金属シリコンとしては、プラズマやアーク
等の直接加熱法を用いると、粒状のものよりも、重量当
たりの受熱面積（表面積）の大きい粉状のものが溶解が
早い。

【０００６】しかしながら、粉状の金属シリコンを容器
２の上方から投入すると、飛散ロスも多く、溶解歩留が
低い。それは、特に、プラズマ・ガスジエット６（非移
行型電源利用）で加熱する場合に顕著である。また、粉
状の金属シリコンの溶解方法としては、電気抵抗加熱や
アーク溶解を利用するものもある。つまり、図２に示す
ように、黒鉛製の中空電極８内をキャリア・ガスと共に
通過させ、アーク９に乗せて供給し、溶解する方法であ
る。しかしながら、この方法では、高温のアーク９（溶
湯との火点では、１００００℃にもなる）との接触時間
が長すぎて、シリコンが蒸発（蒸発方向１８で示す）を
してしまい、溶解時のシリコン歩留が低いという問題が
ある。また、中空電極８が搬送物で摩耗し、コスト高に
なったり、あるいはシリコン中に中空電極内の摩耗によ
る黒鉛が混入し、高炭素濃度（ＳｉＣ化）になるという
別の問題もある。なお、サセプタを用いた高周波誘導加
熱や電熱ヒータ等の間接加熱は、粒状シリコンの充填層
の空隙（気孔率）が大きいため、熱伝導が悪くてシリコ
ンの溶解効率が低いという問題がある。

【０００７】さらに、現在、太陽電池製造用シリコンの
原料は、枯渇傾向にあり、従来使用されていなかった微
粉状金属シリコンや、太陽電池製造以外の用途に用いる
シリコンの製造工程で発生した１０μｍ以下の所謂工程
外の超微粉シリコンを多量に使用しなければならい状況
になって来た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる事情
に鑑み、微粉の金属シリコン、あるいは工程外の高純度
シリコンを効率良く溶解可能な「粉状シリコンの溶解方
法及び装置」を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明者は、上記目的を達
成するため従来の溶解方法を見直し、静置状態のシリコ
ンを直接加熱で溶解させることに着眼して鋭意研究を重
ね、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、粉状シ
リコンを溶解するに際して、まず、容器に装入した前記
粉状シリコンを加圧して充填層を形成し、その後該充填
層を加熱して溶解することを特徴とする粉状シリコンの
溶解方法である。

【００１０】また、本発明は、前記加熱を、不活性ガス
又は還元性ガスの雰囲気下で行うことを特徴とする粉状
シリコンの溶解方法である。さらに、本発明は、前記加
熱を、前記充填層への通電で行ったり、あるいは前記充
填層ヘのアークで行うことを特徴とする粉状シリコンの
溶解方法である。加えて、本発明は、粉状シリコンを溶
解する装置であって、粉状シリコンを充填する筒体に、
該粉状シリコンの供給口と、充填されたシリコン層を支
える下部電極と、該シリコン層の上面に接触し、その接
触状態を維持して昇降する上部電極と、溶解したシリコ
ンを該筒体より排出する排出口と、上下電極間に電流を
供給する電源とを備えたことを特徴とする粉状シリコン
の溶解装置である。

【００１１】さらに加えて、本発明は、粉状シリコンを
溶解する装置であって、粉状シリコンを充填する筒体
に、該粉状シリコンの供給口と、充填されたシリコン層
を支える下部電極と、溶解したシリコンを該筒体より排
出する排出口とを備え、該筒体の上方には、さらに、前
記シリコン層の上面に接触し、その接触状態を維持して
加圧する昇降自在な加圧手段と、前記下部電極との間に
アークを飛ばすプラズマ・トーチとを設けたことを特徴
とする粉状シリコンの溶解装置であり、あるいは上記プ
ラズマ・トーチに代え、下部電極との間でアークを発生
させる上部電極を備えたことを特徴とする粉状シリコン
の溶解装置でもある。

【００１２】そして、前記筒体の内部には、不活性ガス
又は還元性ガスを供給するガス供給手段を備えるように
もした。本発明では、粉状シリコンを加圧成形して粒子
同士の空隙を狭くした充填層にして静置状態で溶解する
ようにしたので、飛散ロス、蒸発及び摩耗炭素による溶
湯の汚染が全て解消される。その結果、従来、太陽電池
用シリコンの製造に利用できなかった超微粉シリコン
が、効率良く溶解できるようになった。また、溶解エネ
ルギーの低減等の効果もあり、太陽電池用高純度シリコ
ンの製造を従来より安価に達成できるようになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１に、本発明に係る粉状シリコ
ン１７の溶解方法の１実施形態を示す。それは、粉状シ
リコン１７を充填する蓋１０付き筒体１１を主体とし、
それに以下の手段を設けたものである。なお、有蓋とし
たのは、シリコンの溶解中は筒体１１内の雰囲気を不活
性ガス又は還元性雰囲気にする場合があるからである。
そのようにしないと、シリコン層１７（粉状シリコンと
記号同じ）が上面から酸化され、別途還元工程が必要と
なる。また、筒体１１や蓋１０の材質は、それらからの
不純物汚染を避けるためシリカ質が好ましい。

【００１４】まず、粉状シリコン１７を筒体１１に供給
する供給口１２が、該筒体１１の上方に設けてある。そ
の供給手段は、図示していないが公知のシュート式のも
ので良いが、装入時に粉体が飛散しないよう筒体及びシ
ュートの密封措置が必要である。そして、充填された粉
状のシリコン１７は、層を形成し、その下面の支持手段
に下部電極１３を利用している。従って、該下部電極１
３は筒体１１の底部となり、しかも固定されている。該
シリコン層１７の上面には、上部電極１４が接触し、そ
の接触状態を維持したままで昇降可能とした。そのた
め、図示していないが、該上部電極１４には、シリンダ
等公知の加圧手段が備えてある。また、この上部電極１
４と前記下部電極１３の間には、電流を流す電源１５が
接続されている。該電源１５は、直流式及び交流式のい
ずれでも良い。これによって、筒体１１内のシリコン層
１７は、加熱溶解され、溶湯３が下部電極１３の面上に
溜まるようになる。その溶湯３は、筒体１１の下部に設
けた排出口１６から抜き出すようにした。なお、本発明
では、搬送物による摩耗がなく、またシリコンが溶解し
て下部電極上にあっても（融点で、炭素溶解度が１００
ｐｐｍ程度）、その程度の炭素は後流の工程で容易に除
去できるので、電極には黒鉛を使用して良い。

【００１５】シリコン自体の比抵抗は、０．１オーム程
度で比較的小さい。そのため、電気抵抗加熱によって昇
温するかどうか疑問であった。しかし、前記の加圧手
段、つまり上部電極１４によって粒子同士の接触点を増
加させることで、溶解を可能とした。つまり、通常、金
属粉等の充填層の電気抵抗は、バルク内より接触部が数
倍大きいことを利用したのである。

【００１６】また、本発明では、上記加熱を、シリコン
層に通電することに代え、アークで行っても良い。アー
クの発生は、例えば移行型プラズマ・トーチあるいは通
常用いられる上部電極を、前記筒体１１の上方に設け、
前記下部電極との間で行うことになる。なお、この場
合、粉状シリコンの加圧手段（押し板）を別途設けるこ
とになるが、それは、アーク発生時に邪魔にならないよ
うに、筒体の天井に取り外し自在に設けらる。

【００１７】なお、上記いずれの本発明においても、シ
リコン層の加圧は、通電時の接触抵抗向上及びアーク溶
解時の飛散防止を配慮し、空隙率が４０〜７０％程度に
なるようにするのが良い。あまり、空隙が小さいと溶解
速度が遅くなるからである。

【００１８】

【実施例】粉状シリコン１７を本発明に係る溶解方法を
適用して溶解した。粉状シリコン１７としては、半導体
用シリコンの製造工程で発生したものと、太陽電池用シ
リコンの製造工程で発生した切削屑である。それぞれの
粒度分布を表１、不純物元素の含有量を表２に示す。図
１に示した通電加熱式の装置を用い、最初筒体１１に２
０ｋｇの前記粉状シリコン１７を装入し、上部電極１４
で加圧して空隙率５０％の充填層を形成した。その後、
筒１１内をアルゴン・ガスの雰囲気にした後、直流電源
１５から電圧２５ボルトで、２、０００アンペアの電流
を流した。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】６０分経過後に排出口１６を開いたとこ
ろ、１０ｋｇの溶湯３が得られた。そこで、電源を切っ
て上部電極１４を引き上げ、供給口１２から粉状シリコ
ン１０ｋｇを追加した。再度、加圧、雰囲気調整をして
から上記同様の通電を行った。この操作を５回繰り返し
て、ほぼ５７ｋｇの溶湯３を得た。筒体１１内に０．５
ｋｇのＳｉＣ残留物がスラグとして生成したが、容器１
９内に一緒に出湯した。スラグのみを排出し、該溶湯３
を分析したところ、表３に示すように、溶解前後で炭素
による汚染はなく、良好なシリコン溶湯であった。ま
た、溶解に要したエネルギー効率を、他の溶解方法を実
施して得た値と一緒に表４に示す。表４より、本発明に
係る３通りの溶解方法は、従来法に比べ、効率の良いこ
とが明らかである。

【００２２】

【表３】

【００２３】

【表４】

【００２４】また、本発明では、溶湯３からシリコンが
蒸発しても、それより上部のシリコン９層で捕捉される
し、静置式であるので、溶解時のシリコン歩留は９５％
と良好であった。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、超微
粉のシリコンが、飛散ロス、蒸発、炭素汚染なく円滑
に、且つ低い電力消費量で溶解できるようになった。そ
の結果、従来使用されていなかった粉状のシリコンが太
陽電池製造用の原料に使用できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る粉状シリコンの溶解装置の１例を
示す縦断面図である。

【図２】電気抵抗加熱式の粉状シリコンの溶解装置を示
す図である。

【図３】従来の金属シリコンの溶解方法を説明する縦断
面図である。

【図４】従来の太陽電池用シリコン基板の製造プロセス
を示す流れ図である。

【図５】本出願人が先に提案した太陽電池用シリコン基
板の製造プロセスを示す流れ図である。

【符号の説明】

１粒状の金属シリコン２容器３溶湯４シュート５酸化性ガス６ガス・ジェット７高周波誘導コイル８中空電極９アーク１０蓋１１筒体１２供給口１３下部電極１４上部電極１５電源１６排出口１７粉状のシリコン（シリコン層）１８蒸発方向１９取鍋２０電流の方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村尚道千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者花澤和浩千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者阪口泰彦千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者湯下憲吉千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者加藤嘉英千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粉状シリコンを溶解するに際して、まず、容器に装入した前記粉状シリコンを加圧して充填
層を形成し、その後該充填層を加熱して溶解することを
特徴とする粉状シリコンの溶解方法。
【請求項２】前記加熱を、不活性ガス又は還元性ガス
の雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１記載の粉状
シリコンの溶解方法。
【請求項３】前記加熱を、前記充填層への通電で行う
ことを特徴とする請求項１又は２記載の粉状シリコンの
溶解方法。
【請求項４】前記加熱を、前記充填層ヘのアークで行
うことを特徴とする請求項１又は２記載の粉状シリコン
の溶解方法。
【請求項５】粉状シリコンを溶解する装置であって、粉状シリコンを充填する筒体に、該粉状シリコンの供給
口と、充填されたシリコン層を支える下部電極と、該シ
リコン層の上面に接触し、その接触状態を維持して昇降
する上部電極と、溶解したシリコンを該筒体より排出す
る排出口と、上下電極間に電流を供給する電源とを備え
たことを特徴とする粉状シリコンの溶解装置。
【請求項６】粉状シリコンを溶解する装置であって、粉状シリコンを充填する筒体に、該粉状シリコンの供給
口と、充填されたシリコン層を支える下部電極と、溶解
したシリコンを該筒体より排出する排出口とを備え、該
筒体の上方には、さらに、前記シリコン層の上面に接触
し、その接触状態を維持して加圧する昇降自在な加圧手
段と、前記下部電極との間にアークを飛ばすプラズマ・
トーチとを設けたことを特徴とする粉状シリコンの溶解
装置。
【請求項７】請求項６に記載のプラズマ・トーチに代
え、下部電極との間でアークを発生させる上部電極を備
えたことを特徴とする粉状シリコンの溶解装置。
【請求項８】前記筒体の内部に不活性ガス又は還元性
ガスを供給するガス供給手段を備えたことを特徴とする
請求項５〜７いずれかに記載の粉状シリコンの溶解装
置。