JPH11343111A - Production of high purity metallic silicon - Google Patents

Production of high purity metallic silicon

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JPH11343111A
JPH11343111A JP34604498A JP34604498A JPH11343111A JP H11343111 A JPH11343111 A JP H11343111A JP 34604498 A JP34604498 A JP 34604498A JP 34604498 A JP34604498 A JP 34604498A JP H11343111 A JPH11343111 A JP H11343111A
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JP
Japan
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sio
gas
raw material
sio gas
purity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP34604498A
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Japanese (ja)
Inventor
Motohiro Nagao
元裕 長尾
Koichi Sakamoto
浩一 坂本
Tatsuhiko Sodo
龍彦 草道
Hitoshi Ishida
斉 石田
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method capable of producing a 5-7N high purity metallic silicon suitable for the silicon for a solar battery without using the silicon or MG-Si for a semiconductor. SOLUTION: In the production method of the metallic silicon from a starting material consisting essentially of SiO2 , a stage in which a gaseous SiO is generated by heating the starting material to >=1500 deg.C by using a carbon based material as a reducing agent and a stage in which the gaseous SiO is heated at <=800 deg.C to reduce it to silicon are included. On reducing the gaseous SiO to silicon, a gaseous carbon monoxide (gaseous CO) and/or a gaseous hydrogen are used preferably as the reducing agent, and the gaseous SiO generated at the stage in which the gaseous SiO is generated is cooled and solidified and recovered preferably.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高純度金属Siの
製造方法に関し、詳細には太陽電池用Siとして用いる
ことのできる5N(five nine:99.999%)以上の純度を有
する高純度金属Siの製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing high-purity metallic Si, and more particularly to a method for producing high-purity metallic Si having a purity of 5N (five nine: 99.999%) or more, which can be used as Si for solar cells. It relates to a manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】金属Siは半導体用基板の他にも、太陽
電池等に利用されており、その需要は益々拡大してい
る。
2. Description of the Related Art Metallic Si is used not only for semiconductor substrates but also for solar cells and the like, and its demand is increasing.

【0003】金属Siの製造方法としては、例えば特開
昭63−147813号公報に記載の方法がある。上記
方法は、珪石(SiO2 )やSiCを用いて、炭素等で
還元させる方法(SiO2 +2C→Si+2CO)であ
って、副生されるSiOガスの蒸気圧が高く外部に飛散
し易いことから上記SiOガスをSiCに換えてこれを
還流させることによりSi収率を高める方法である。
As a method for producing metal Si, there is, for example, a method described in JP-A-63-147813. The above method is a method of reducing with carbon or the like using silica (SiO 2 ) or SiC (SiO 2 + 2C → Si + 2CO), because the by-produced SiO gas has a high vapor pressure and is easily scattered to the outside. This is a method of increasing the yield of Si by replacing the SiO gas with SiC and refluxing it.

【0004】またメタルグレードSi(以下、MG−S
iという)を原料として用い、上記MG−Siを一方向
凝固させて、溶解( 高周波るつぼ溶解またはEB溶解)
させることにより金属Siを得る方法が知られている。
In addition, metal grade Si (hereinafter referred to as MG-S
i) is used as a raw material, and the MG-Si is unidirectionally solidified and melted (high-frequency crucible melting or EB melting)
There is known a method of obtaining metal Si by performing the above.

【0005】但し、これらの方法で得られる金属Si
は、いずれも純度が5N未満であって、太陽電池用Si
には5N〜7Nといった高い純度が要求されていること
から、太陽電池用Siとしては利用することができな
い。しかも後者の方法は、原料とするMG−Siそのも
のが高価であり、これを高純度化する一方向凝固プロセ
スは非常にコストが高い手法でもある。
However, the metal Si obtained by these methods is used.
Have a purity of less than 5N and have a Si
Is required to have a high purity of 5N to 7N, and cannot be used as Si for solar cells. Moreover, in the latter method, the raw material MG-Si itself is expensive, and the unidirectional solidification process for purifying the MG-Si itself is also a very expensive technique.

【0006】そこで現状では、9Nや10Nといった非
常に純度の高い半導体用Siの不良品が、太陽電池用S
iとして用いられている。しかしながら、その量は限ら
れており、益々拡大する太陽電池用Siの需要を満たし
得るものではなかった。
Therefore, at present, defective silicon Si for semiconductors having a very high purity, such as 9N or 10N, is considered to be inferior to S for solar cells.
i. However, the amount is limited and cannot meet the ever-increasing demand for Si for solar cells.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に着
目してなされたものであって、半導体用SiやMG−S
iを用いなくとも、太陽電池用Siとして好適な5〜7
Nといった高純度金属Siを製造することができる方法
を提供しようとするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and is directed to Si for semiconductors and MG-S.
5-7 suitable as Si for solar cells without using i
An object of the present invention is to provide a method capable of producing high-purity metal Si such as N.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明とは、SiO2 を主成分とする原料から金属Siを製
造する方法であって、炭素系物質を還元剤として用い上
記原料を1500℃以上に加熱することによりSiOガ
スを発生させる工程と、上記SiOガスを800℃以下
で加熱してSiに還元する工程を含むことを要旨とする
ものである。SiOガスをSiに還元するにあたって
は、還元剤として一酸化炭素ガス(COガス)及び/又
は水素ガスを用いることが望ましく、SiOガスを発生
させる工程において発生したSiOガスは冷却し固化し
て回収することが望ましい。
According to the present invention, there is provided a method for producing metal Si from a raw material containing SiO 2 as a main component, wherein the raw material is prepared by using a carbon-based material as a reducing agent, and The gist of the present invention is to include a step of generating SiO gas by heating at a temperature of not less than 100 ° C. and a step of heating the SiO gas at 800 ° C. or less to reduce it to Si. In reducing SiO gas to Si, it is desirable to use carbon monoxide gas (CO gas) and / or hydrogen gas as a reducing agent. The SiO gas generated in the step of generating SiO gas is cooled, solidified, and recovered. It is desirable to do.

【0009】前記SiOガス発生工程における加熱温度
は1800℃以下であることが望ましく、また前記Si
Oガス発生工程における還元剤中の炭素量は、原料中の
SiO2 量に対して重量比で0.15〜0.35とする
ことが推奨される。
The heating temperature in the SiO gas generation step is desirably 1800 ° C. or less.
It is recommended that the amount of carbon in the reducing agent in the O gas generation step be 0.15 to 0.35 by weight ratio to the amount of SiO 2 in the raw material.

【0010】更に、純度の高い金属Siを得る上で、前
記SiOガス発生工程に先立って、SiO2 を主成分と
する原料を1600℃未満で加熱することにより不純物
成分を蒸発させて原料の純度を高めておくことが望まし
く、或いは前記Siへの還元工程に先立って、前記Si
Oガス発生工程で得られたSiOガスを酸化させてSi
2 とし、前記SiOガス発生工程を再度または複数回
繰り返すことによってSiO2 を主成分とする原料の純
度を高めることが望ましい。
Further, in order to obtain high-purity metallic Si, prior to the SiO gas generating step, a raw material mainly composed of SiO 2 is heated at a temperature lower than 1600 ° C. to evaporate impurity components to thereby purify the purity of the raw material. Is desirably increased, or prior to the step of reducing to Si,
Oxidizing the SiO gas obtained in the O gas generation step
It is desirable that the purity of the raw material containing SiO 2 as a main component be increased by making O 2 and repeating the above-mentioned SiO gas generation step again or a plurality of times.

【0011】また本発明は、SiO2 を主成分とする原
料から金属Siを製造する方法において、炭素系物質を
還元剤として用い上記原料を1500℃以上に加熱する
ことによりSiOガス及びSiCを発生させる工程と、
還元雰囲気にてSiOガス及びSiCを反応させてSi
を生成する工程を含む方法を採用してもよい。このと
き、SiOガス及びSiCを発生させる工程において、
SiOガスよりSiCの発生量(重量比)が多い中間生
成物と、SiCよりSiOガスの発生量が多い中間生成
物を生成し、両者の中間生成物を反応させてSiを生成
することが望ましい。
The present invention also provides a method for producing metal Si from a raw material mainly composed of SiO 2 , wherein a SiO 2 gas and SiC are generated by heating the raw material to 1500 ° C. or higher using a carbon-based material as a reducing agent. The step of causing
React SiO gas and SiC in a reducing atmosphere to produce Si
May be employed. At this time, in the step of generating SiO gas and SiC,
It is desirable to generate an intermediate product that generates more SiC (weight ratio) than SiO gas and an intermediate product that generates more SiO gas than SiC, and reacts both intermediate products to generate Si. .

【0012】前記原料としては、石炭の微粉炭を燃焼す
ることにより得られる灰分を用いても良く、前記灰分の
平均粒径が60μm以上のものを用いることが望まし
い。
As the raw material, ash obtained by burning pulverized coal of coal may be used, and it is desirable to use ash having an average particle size of 60 μm or more.

【0013】尚、本発明の前記SiOガス発生工程にお
ける炭素系物質とは、カーボンブラックや活性炭等の粉
状または顆粒状の炭素材料を意味するものである。
Incidentally, the carbon-based substance in the SiO gas generating step of the present invention means a powdery or granular carbon material such as carbon black or activated carbon.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本発明者らは、SiO2 を原料と
し、SiO2 の還元により金属Siを製造する方法を前
提とした上で、高純度金属Siを製造する技術について
鋭意研究を重ねた。その結果、従来では副生成物と考え
られてきたSiOガスを、中間生成物としてむしろ積極
的に生成し、さらにこのSiOガスを還元することによ
り高純度金属Siを製造することができることを見出
し、本発明に想到した。即ち、従来ではSiO2 を還元
して直接Siを製造しようとされていたのに対して、本
発明ではこれをSiOガス発生工程(以下、第1工程と
いうことがある)と、Siへの還元工程(以下、第2工
程ということがある)に分け、夫々の還元反応を最適な
条件で行うことにより高純度な金属Siを製造すること
に成功したものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The inventors of the present invention have conducted intensive studies on a technique for producing high-purity metallic Si on the premise of a method for producing metallic Si by reducing SiO 2 using SiO 2 as a raw material. Was. As a result, they found that SiO gas, which was conventionally considered as a by-product, was rather actively generated as an intermediate product, and that high-purity metal Si could be produced by further reducing this SiO gas. The present invention has been made. That is, while conventionally, it was intended to directly produce Si by reducing SiO 2 , in the present invention, this was carried out by an SiO gas generation step (hereinafter sometimes referred to as a first step) and a reduction to Si. By dividing the process into steps (hereinafter, sometimes referred to as a second step) and performing respective reduction reactions under optimal conditions, high-purity metal Si was successfully produced.

【0015】図1は、SiO2 を主体とする原料(純度
99.8%)である珪石の加熱温度と、各成分に起因す
るガス発生量の関係を示すグラフである。1800℃で
飽和するまでは、温度を高めるに従ってSiOガスの発
生量は増大し、1500℃以上(特に1600℃以上)
になるとSiOガスの発生量が多いことが分かる。また
Fe,Al,Ca等の不純物元素に起因するガス量は、
1800℃以上で急増している。従って、SiOガスを
多量に発生させ、尚かつ不純物元素の発生量を極力抑制
するという観点から、第1工程における加熱温度は、1
500℃以上1800℃以下に設定することが推奨され
る。即ち、1500〜1800℃(好ましくは1600
〜1800℃)の温度範囲では、SiOガスの発生量と
その他の不純物ガスの発生量の差が著しいことから、S
iOガスを非常に高い精製効率で回収することができる
ものである。尚、第1工程におけるSiOガスを回収す
るにあたっては、急冷して固化させれば、取扱いが容易
であり推奨される。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the heating temperature of silica as a raw material (purity of 99.8%) mainly composed of SiO 2 and the amount of gas generated due to each component. Until the temperature is saturated at 1800 ° C., the amount of generated SiO gas increases as the temperature increases, and is increased to 1500 ° C. or more (particularly 1600 ° C. or more)
, It can be seen that the amount of generated SiO gas is large. The amount of gas caused by impurity elements such as Fe, Al and Ca is as follows.
It increases rapidly above 1800 ° C. Therefore, from the viewpoint of generating a large amount of SiO gas and minimizing the generation amount of impurity elements, the heating temperature in the first step is set to 1
It is recommended to set the temperature between 500 ° C and 1800 ° C. That is, 1500 to 1800 ° C. (preferably 1600
(1800 ° C.), the difference between the amount of generated SiO gas and the amount of generated other impurity gases is remarkable.
The iO gas can be recovered with very high purification efficiency. When recovering the SiO gas in the first step, it is recommended that it be rapidly cooled and solidified, because handling is easy.

【0016】次の第2工程では、第1工程で得られたS
iO(例えばSiOガス)をCOガスと共に加熱するこ
とにより、SiOを還元して金属Siを得る。図2は、
この第2工程の反応[SiO(g) +CO(g) →Si(sl)
+CO2(g)]における反応温度と自由エネルギーの関係
を示すグラフである。即ち、第2工程における還元反応
は、800℃以下で進行するものである。反応効率の観
点からは温度は高い方が望ましく、600℃以上が好ま
しい。尚、前記第1工程では、COガスが副生成物とし
て得られるが、第2工程では第1工程で得られたCOガ
スを用いることができ、或いは別のCOガスを用いても
よい。更には、水素ガスを併用しても良く、或いは水素
ガスを単独で用いてもよい。
In the following second step, the S obtained in the first step is
By heating iO (for example, SiO gas) together with CO gas, SiO is reduced to obtain metal Si. FIG.
The reaction of this second step [SiO (g) + CO (g) → Si (sl)
+ CO 2 (g)] is a graph showing the relationship between the reaction temperature and the free energy. That is, the reduction reaction in the second step proceeds at 800 ° C. or lower. From the viewpoint of reaction efficiency, the higher the temperature, the better, and preferably 600 ° C. or higher. In the first step, CO gas is obtained as a by-product, but in the second step, the CO gas obtained in the first step can be used, or another CO gas may be used. Further, hydrogen gas may be used in combination, or hydrogen gas may be used alone.

【0017】また原料中に含まれるMg,Alなどの不
純物元素は、第1工程の前にSiO 2 を主成分とする原
料を1600℃未満の温度で予備加熱することで除去す
ることも可能である。予備加熱温度を低めに設定する
と、不純物元素を蒸発させるのに長時間を要し、一方予
備加熱温度を高めに設定すると、SiOガスが多量に生
成してSi収率に悪影響を与えるので1000〜120
0℃に設定することが推奨される。
In addition, Mg, Al, etc. contained in
The pure element is SiO 2 before the first step. Two Hara whose main component is
Material is removed by preheating at a temperature below 1600 ° C
It is also possible. Set lower preheating temperature
It takes a long time to evaporate impurity elements, while
When the heating temperature is set higher, a large amount of SiO gas is generated.
And adversely affect the Si yield.
It is recommended to set to 0 ° C.

【0018】更に、前記第2工程に先立って、前記第1
工程で得られたSiOガスを酸化させてSiO2 とし、
前記第1工程を再度または複数回繰り返すことによって
SiO2 を主成分とする原料の純度を高めることが望ま
しい。
Further, prior to the second step, the first
The SiO gas obtained in the process is oxidized into SiO 2 ,
It is desirable to increase the purity of the raw material mainly composed of SiO 2 by repeating the first step again or a plurality of times.

【0019】また、第1工程を行う反応槽の上部の温度
を下げることにより、不純物である金属元素(Al,M
g,Ca等)の蒸気ガスは酸化物とすることができるの
で、反応槽上部に冷却可能な回収板を設けて、不純物を
除去してもよい。
Further, by lowering the temperature in the upper part of the reaction tank in which the first step is carried out, the metal elements (Al, M
(g, Ca, etc.) can be an oxide, so that impurities may be removed by providing a coolable recovery plate above the reaction tank.

【0020】更に本発明方法では、第1工程において還
元剤として用いる炭素系物質の量(以下、単にC量とい
う)の調整が非常に重要である。図3は、1800℃に
おいてSiO2 を主体とする原料の還元反応を行った際
の、SiOガスと不純物ガスの発生量と還元剤のC量の
関係を示すグラフであり、還元剤のC量が少なすぎると
十分に還元反応が進行しないので、SiO2 に対する重
量比で0.15以上とすることが望ましく、0.18以
上であればより望ましい。一方、還元剤のC量が多すぎ
るとSiCが発生してしまい新たな不純物を生成するこ
とになるので、0.6以下とすることが必要であり、
0.35以下が望ましく、0.25以下であればより望
ましい。
Further, in the method of the present invention, it is very important to adjust the amount of a carbon-based substance used as a reducing agent in the first step (hereinafter simply referred to as C amount). FIG. 3 is a graph showing the relationship between the amount of generated SiO gas and impurity gas and the amount of C in the reducing agent when a reduction reaction of a raw material mainly composed of SiO 2 is performed at 1800 ° C. If the content is too small, the reduction reaction does not proceed sufficiently, so that the weight ratio to SiO 2 is preferably 0.15 or more, and more preferably 0.18 or more. On the other hand, if the amount of C in the reducing agent is too large, SiC is generated and new impurities are generated.
0.35 or less is desirable, and 0.25 or less is more desirable.

【0021】尚、還元時の雰囲気は、発生したSiOの
回収率を高くする上で真空雰囲気であることが望まし
く、例えば10-3〜10-4Torrの真空度で還元反応
を行えば良い。
The atmosphere during the reduction is desirably a vacuum atmosphere in order to increase the recovery rate of generated SiO. For example, the reduction reaction may be performed at a degree of vacuum of 10 -3 to 10 -4 Torr.

【0022】また、SiO2 を主成分とする原料から金
属Siを製造するにあたり、まず、炭素系物質を還元剤
として用い上記原料を1500℃以上に加熱することに
よりSiOガス及びSiCを発生させ、次にSiOガス
及びSiCを還元雰囲気にて反応させてSiを生成する
方法を採用してもよい。
In producing metal Si from a raw material mainly composed of SiO 2 , first, a carbon-based material is used as a reducing agent, and the raw material is heated to 1500 ° C. or higher to generate SiO gas and SiC. Next, a method of producing Si by reacting SiO gas and SiC in a reducing atmosphere may be adopted.

【0023】前述の通り、第1工程において還元剤とし
て用いるC量により、SiOガスの発生量は大きく変化
する。図4は、1800℃においてSiO2 を主体とす
る原料の還元反応を行った際の、SiOガス及びSiC
の発生量と還元剤のC量の関係を示すグラフである。S
iO2 に対するC量の比で、0.4未満であるとSiO
ガスの発生量が多くなり、0.4を超えるとSiCの発
生量が多くなることが分かる。
As described above, the amount of generated SiO gas varies greatly depending on the amount of C used as a reducing agent in the first step. FIG. 4 shows SiO gas and SiC when a reduction reaction of a raw material mainly composed of SiO 2 was performed at 1800 ° C.
Is a graph showing the relationship between the generation amount of C and the C amount of the reducing agent. S
If the ratio of the amount of C to iO 2 is less than 0.4, SiO
It can be seen that the amount of generated gas increases, and when it exceeds 0.4, the amount of generated SiC increases.

【0024】従って、前記SiOガス及びSiCを発生
させる工程において、SiOガスよりSiCの発生量
(重量比)が多い中間生成物と、SiCよりSiOガス
の発生量が多い中間生成物を生成し、両者の中間生成物
を反応させてSiを生成してもよい。
Therefore, in the step of generating SiO gas and SiC, an intermediate product in which the amount of SiC generated (weight ratio) is larger than that of SiO gas and an intermediate product in which the amount of SiO gas generated is larger than SiC are generated, You may produce Si by making both intermediate products react.

【0025】この方法においても、純度の高い金属Si
を得る上で、前記SiOガス及びSiC発生工程に先立
って、SiO2 を主成分とする原料を1600℃未満で
加熱することにより不純物成分を蒸発させて原料の純度
を高めておくことが望ましく、或いは前記Siへの還元
工程に先立って、前記SiOガス及びSiC発生工程で
得られたSiOガスを酸化させてSiO2 とし、前記S
iOガス及びSiC発生工程を再度または複数回繰り返
すことによってSiO2 を主成分とする原料の純度を高
めることが望ましい。
Also in this method, high purity metal Si
Prior to the step of generating SiOC and SiC, it is preferable to heat the raw material containing SiO 2 as a main component at a temperature of less than 1600 ° C. to evaporate the impurity components to increase the purity of the raw material. Alternatively, prior to the step of reducing to Si, the SiO gas and the SiO gas obtained in the SiC generating step are oxidized to form SiO 2 ,
It is desirable to increase the purity of the raw material mainly composed of SiO 2 by repeating the iO gas and SiC generation steps again or a plurality of times.

【0026】更に、上述の製造方法を行うにあたり用い
る原料として、石炭の微粉炭を燃焼することにより得ら
れる灰分を採用してもよい。上記灰分を分級した各粒度
の成分組成を表1に示す通り、灰分の粒径が60μmを
超えるものであると、SiO 2 の成分比率が高く、還元
材としてのC量も多いので、原料として平均粒径が60
μm以上の灰分を採用することが推奨される。
Further, in performing the above-described manufacturing method,
Obtained by burning coal pulverized coal as raw material
Ash may be used. Each particle size obtained by classifying the above ash
As shown in Table 1, the particle size of the ash was 60 μm.
If it exceeds, SiO Two With a high component ratio of
Since the C content is large, the average particle size is 60
It is recommended to use ash above μm.

【0027】[0027]

【表1】 [Table 1]

【0028】尚、上述の本発明に係る還元反応は、原料
下部から還元ガスを吹く流動層式の装置を用いて行えば
よい。
The above-mentioned reduction reaction according to the present invention may be carried out by using a fluidized bed type apparatus which blows a reducing gas from below the raw material.

【0029】また、得られた金属Siを溶解して鋳塊に
するにあたっては、分割型水冷銅るつぼ( コールドクル
ーシブル) を採用すれば、溶解材料自身によるスカルの
中で溶解することができ無汚染溶解が可能であり、更に
偏析などもなく均一な組織からなる鋳塊を得ることが可
能である。得られた鋳塊は通常の方法に従い、太陽電池
用の高純度Si材料とすればよい。
In dissolving the obtained metal Si into an ingot, if a split-type water-cooled copper crucible (cold crucible) is employed, it can be dissolved in the skull of the molten material itself and can be free of contamination. Melting is possible, and it is possible to obtain an ingot having a uniform structure without segregation. The obtained ingot may be made into a high-purity Si material for a solar cell according to a usual method.

【0030】以下、本発明を実施例によって更に詳細に
説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもの
ではなく、前・後記の主旨に徴して設計変更することは
いずれも本発明の技術的範囲内に含まれるものである。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are not intended to limit the present invention. Are included within the technical scope of

【0031】[0031]

【実施例】実施例1 SiO2 からSiOを還元生成する第1反応槽と、Si
OからSiを還元生成する第2反応槽を並設し、第1反
応槽で生成するSiOガスを第2反応槽に移送できる様
に両反応槽を連通させた。両反応槽には、夫々φ160
黒鉛るつぼによる誘導加熱装置を配設し、真空ポンプに
より内部雰囲気を真空度:約10-4Torrにした。
EXAMPLE 1 A first reaction tank for reducing and producing SiO from SiO 2 ,
A second reaction tank for reducing and generating Si from O was provided in parallel, and the two reaction tanks were connected so that SiO gas generated in the first reaction tank could be transferred to the second reaction tank. Each of the two reactors has a diameter of 160
An induction heating device using a graphite crucible was provided, and the internal atmosphere was adjusted to about 10 -4 Torr by a vacuum pump.

【0032】まず第1反応槽にSiO2 を主体とする原
料( 純度99.8%以上) と、上記原料に対して20重
量%のC粉末を投入し、加熱温度1850℃で120分
間の還元反応を行い、SiOガスを生成した。第2反応
槽には、COガスを10リットル/分の流量で供給する
と共に、内部温度を800℃として、第1反応槽から移
送されてきたSiOガスの還元を行い金属Siを得た。
First, a raw material (purity of 99.8% or more) mainly composed of SiO 2 and C powder of 20% by weight based on the above raw material are charged into the first reaction tank, and reduced at a heating temperature of 1850 ° C. for 120 minutes. The reaction was performed to generate SiO gas. CO gas was supplied to the second reaction tank at a flow rate of 10 liters / minute, the internal temperature was set to 800 ° C., and the SiO gas transferred from the first reaction tank was reduced to obtain metal Si.

【0033】得られた金属Siの純度を、ICP発光分
析装置により分析したところ、その純度は99.999
%(5N)であった。
When the purity of the obtained metal Si was analyzed by an ICP emission spectrometer, the purity was found to be 99.999.
% (5N).

【0034】尚、第1反応槽の内壁上方には原料中の不
純物である金属元素(Al,Mg等)が微量付着してい
た。
Incidentally, a trace amount of metal element (Al, Mg, etc.) as an impurity in the raw material was adhered above the inner wall of the first reaction tank.

【0035】実施例2 第1反応槽で還元反応を行う前に、SiO2 を主体とす
る原料の予備加熱を1000℃で120分間行ったこと
以外は、実施例1と同様にして、金属Siを得た。得ら
れた金属Siの純度を、ICP発光分析装置により分析
したところ、その純度は、99.9999%(6N)で
あった。
Example 2 In the same manner as in Example 1, except that the raw material mainly composed of SiO 2 was preheated at 1000 ° C. for 120 minutes before the reduction reaction was performed in the first reaction tank. I got When the purity of the obtained metal Si was analyzed by an ICP emission spectrometer, the purity was 99.9999% (6N).

【0036】実施例3 第1反応槽で得られたSiOガスを第2反応槽に移送す
る代わりに、第3反応槽に移送し、SiOガスを酸化す
ることによりSiO2 とし、再度第1反応槽に戻して原
料として用いたこと以外は、実施例1と同様にして、金
属Siを得た。得られた金属Siの純度を、ICP発光
分析装置により分析したところ、その純度は、99.9
9999%(7N)であった。
Example 3 Instead of transferring the SiO gas obtained in the first reaction tank to the second reaction tank, the SiO gas was transferred to a third reaction tank, and the SiO gas was oxidized to SiO 2, and the first reaction was performed again. Metal Si was obtained in the same manner as in Example 1 except that the metal Si was returned to the tank and used as a raw material. When the purity of the obtained metal Si was analyzed by an ICP emission spectrometer, the purity was 99.9.
9999% (7N).

【0037】実施例4 第2反応槽で用いる還元剤として、COガスに代えて水
素ガス(Ar中40%含有)を10リットル/分の流量
で供給し、700℃で還元を行ったこと以外は、実施例
1と同様にして、金属Siを得た。得られた金属Siの
純度を、ICP発光分析装置により分析したところ、そ
の純度は、99.999%(5N)であった。
Example 4 A hydrogen gas (containing 40% in Ar) was supplied at a flow rate of 10 l / min as a reducing agent used in the second reaction tank at a flow rate of 10 liter / min, and reduction was performed at 700 ° C. In the same manner as in Example 1, metal Si was obtained. When the purity of the obtained metal Si was analyzed by an ICP emission spectrometer, the purity was 99.999% (5N).

【0038】実施例5 第1反応槽に投入するC粉末の重量比を原料に対して2
5%としたこと以外は、実施例1と同様にして、金属S
iを得た。得られた金属Siの純度を、ICP発光分析
装置により分析したところ、その純度は、99.999
%(5N)であった。
Example 5 The weight ratio of the C powder charged into the first reaction tank was 2
Except that it was set to 5%, the metal S
i was obtained. When the purity of the obtained metal Si was analyzed by an ICP emission spectrometer, the purity was found to be 99.999.
% (5N).

【0039】実施例6 SiO2 からSiO及びSiCを還元生成する第1反応
槽と、SiO及びSiCからSiを還元生成する第2反
応槽を並設した。両反応槽には、夫々φ160黒鉛るつ
ぼによる誘導加熱装置を配設し、真空ポンプにより内部
雰囲気を真空度:約10-4Torrにした。
Example 6 A first reactor for reducing and generating SiO and SiC from SiO 2 and a second reactor for reducing and generating Si from SiO and SiC were provided side by side. Each of the reaction vessels was provided with an induction heating device using a φ160 graphite crucible, and the internal atmosphere was adjusted to a degree of vacuum of about 10 −4 Torr by a vacuum pump.

【0040】まず第1反応槽にSiO2 を主体とする原
料( 純度99.8%以上) と、上記原料に対して20重
量%のC粉末を投入し、加熱温度1800℃で120分
間の還元反応を行い、SiOガス及びSiCを生成し、
急冷して固化させ中間生成物Aを得た。
First, a raw material mainly composed of SiO 2 (purity of 99.8% or more) and a C powder of 20% by weight based on the above raw material are charged into the first reaction tank, and reduced at a heating temperature of 1800 ° C. for 120 minutes. Perform the reaction to produce SiO gas and SiC,
It was quenched and solidified to obtain an intermediate product A.

【0041】次に第1反応槽にSiO2 を主体とする原
料( 純度99.8%以上) と、上記原料に対して50重
量%のC粉末を投入し、加熱温度1800℃で120分
間の還元反応を行い、SiOガス及びSiCを生成し、
急冷して固化させ、中間生成物Bを得た。
Next, a raw material (purity of 99.8% or more) mainly composed of SiO 2 and 50% by weight of C powder based on the raw material are charged into the first reaction tank, and heated at 1800 ° C. for 120 minutes. Perform a reduction reaction to generate SiO gas and SiC,
It was quenched and solidified to obtain an intermediate product B.

【0042】上記中間生成物Aと中間生成物Bを混合
し、同時に1900℃に加熱することにより金属Siを
得た。
The above-mentioned intermediate product A and intermediate product B were mixed and simultaneously heated to 1900 ° C. to obtain metal Si.

【0043】得られた金属Siの純度を、ICP発光分
析装置により分析したところ、その純度は99.999
%(5N)であった。
When the purity of the obtained metal Si was analyzed by an ICP emission spectrometer, the purity was found to be 99.999.
% (5N).

【0044】実施例7 加熱温度を1900℃として、原料に対して25重量%
のC粉末を投入して中間生成物Aを生成し、原料に対し
て60重量%のC粉末を投入して中間生成物Bを生成し
たこと以外は、実施例6と同様にして、金属Siを得
た。得られた金属Siの純度を、ICP発光分析装置に
より分析したところ、その純度は、99.999%(5
N)であった。
Example 7 The heating temperature was 1900 ° C., and 25% by weight based on the raw material.
Of the metal Si in the same manner as in Example 6 except that an intermediate product A was produced by introducing the C powder of I got When the purity of the obtained metal Si was analyzed by an ICP emission spectrometer, the purity was found to be 99.999% (5
N).

【0045】実施例8 原料として、平均粒径60μm以上の微粉炭燃焼灰を用
い、加熱炉として水冷銅型誘導加熱炉(φ200)を用
いたこと以外は、実施例4と同様にして金属Siを得
た。得られた金属Siの純度を、ICP発光分析装置に
より分析したところ、その純度は、99.999%(5
N)であった。
Example 8 Metal Si was produced in the same manner as in Example 4 except that pulverized coal combustion ash having an average particle size of 60 μm or more was used as a raw material, and a water-cooled copper-type induction heating furnace (φ200) was used as a heating furnace. I got When the purity of the obtained metal Si was analyzed by an ICP emission spectrometer, the purity was found to be 99.999% (5
N).

【0046】実施例9 原料として、平均粒径50μm以上の微粉炭燃焼灰を用
いると共に、第1反応槽での加熱温度を1900℃と
し、第2反応槽での加熱温度を720℃としたこと以外
は、実施例8と同様にして金属Siを得た。得られた金
属Siの純度を、ICP発光分析装置により分析したと
ころ、その純度は、99.999%(5N)であった。
Example 9 Pulverized coal combustion ash having an average particle size of 50 μm or more was used as a raw material, the heating temperature in the first reaction tank was 1900 ° C., and the heating temperature in the second reaction tank was 720 ° C. Except for the above, a metal Si was obtained in the same manner as in Example 8. When the purity of the obtained metal Si was analyzed by an ICP emission spectrometer, the purity was 99.999% (5N).

【0047】実施例10 原料として、平均粒径60μm以上の微粉炭燃焼灰を用
いたこと以外は、実施例6と同様にして金属Siを得
た。得られた金属Siの純度を、ICP発光分析装置に
より分析したところ、その純度は、99.999%(5
N)であった。
Example 10 Metal Si was obtained in the same manner as in Example 6, except that pulverized coal combustion ash having an average particle size of 60 μm or more was used as a raw material. When the purity of the obtained metal Si was analyzed by an ICP emission spectrometer, the purity was found to be 99.999% (5
N).

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されているの
で、半導体用SiやMG−Siを用いなくとも、太陽電
池用Siとして好適な5〜7Nといった高純度金属Si
を製造することのできる方法が提供可能となった。
Since the present invention is configured as described above, high purity metal Si such as 5 to 7N suitable for Si for solar cells can be used without using Si for semiconductors or MG-Si.
Can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】SiO2 を主体とする原料の加熱温度と、ガス
発生量の関係を示すグラフである。
FIG. 1 is a graph showing a relationship between a heating temperature of a raw material mainly composed of SiO 2 and a gas generation amount.

【図2】第2工程におけるSiOの還元反応の反応温度
と自由エネルギーの関係を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a reaction temperature and a free energy of a reduction reaction of SiO in a second step.

【図3】SiO2 の還元反応におけるSiOガス及び不
純物ガスの発生量と還元剤のC量の関係を示すグラフで
ある。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the amount of generated SiO gas and impurity gas in the reduction reaction of SiO 2 and the amount of C in the reducing agent.

【図4】SiO2 の還元反応におけるSiOガス及びS
iCの発生量と還元剤のC量の関係を示すグラフであ
る。
FIG. 4 shows SiO gas and S in the reduction reaction of SiO 2 .
It is a graph which shows the relationship between the amount of generation of iC, and the amount of C of a reducing agent.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 斉 神戸市西区高塚台1丁目5番5号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Hitoshi Ishida 1-5-5 Takatsukadai, Nishi-ku, Kobe City Kobe Steel Works Kobe Research Institute

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 SiO2 を主成分とする原料から金属S
iを製造する方法であって、 炭素系物質を還元剤として用い上記原料を1500℃以
上に加熱することによりSiOガスを発生させる工程
と、 上記SiOガスを800℃以下で加熱してSiに還元す
る工程を含むことを特徴とする高純度金属Siの製造方
法。
1. A method according to claim 1, wherein a raw material containing SiO 2 as a main component is a metal S.
a process for producing a SiO gas by heating the raw material to 1500 ° C. or higher using a carbon-based material as a reducing agent, and heating the SiO gas to 800 ° C. or lower to reduce to Si A method for producing high-purity metallic Si, comprising the step of:
【請求項2】 還元剤として一酸化炭素ガス及び/又は
水素ガスを用いることによりSiOガスをSiに還元す
る請求項1に記載の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the SiO gas is reduced to Si by using a carbon monoxide gas and / or a hydrogen gas as a reducing agent.
【請求項3】 SiOガスを発生させる工程において発
生したSiOガスを冷却し固化して回収し、その後Si
に還元する請求項1または2に記載の製造方法。
3. The method according to claim 1, wherein the SiO gas generated in the step of generating the SiO gas is cooled, solidified and collected.
The production method according to claim 1 or 2, wherein the reduction is carried out.
【請求項4】 前記SiOガス発生工程における加熱温
度が1800℃以下である請求項1〜3のいずれかに記
載の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein a heating temperature in the SiO gas generation step is 1800 ° C. or less.
【請求項5】 前記SiOガス発生工程における還元剤
中の炭素量が、原料中のSiO2 量に対して重量比で
0.15〜0.35である請求項1〜4のいずれかに記
載の製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein the amount of carbon in the reducing agent in the step of generating SiO gas is 0.15 to 0.35 by weight relative to the amount of SiO 2 in the raw material. Manufacturing method.
【請求項6】 前記SiOガス発生工程に先立って、S
iO2 を主成分とする原料を1600℃未満で加熱する
ことにより不純物成分を蒸発させて原料の純度を高めて
おく請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
6. Prior to the step of generating SiO gas, S
The process according to claim 1, the impurity components evaporated keep increasing the purity of the raw material by heating the material to the iO 2 as a main component at less than 1600 ° C..
【請求項7】 前記Siへの還元工程に先立って、前記
SiOガス発生工程で得られたSiOガスを酸化させて
SiO2 とし、前記SiOガス発生工程を再度または複
数回繰り返すことによってSiO2 を主成分とする原料
の純度を高める請求項1〜6のいずれかに記載の製造方
法。
7. Prior to the step of reducing to Si, the SiO gas obtained in the step of generating SiO gas is oxidized to form SiO 2, and the step of generating SiO gas is repeated or repeated a plurality of times to convert SiO 2 into SiO 2 . The production method according to any one of claims 1 to 6, wherein the purity of a raw material as a main component is increased.
【請求項8】 SiO2 を主成分とする原料から金属S
iを製造する方法であって、 炭素系物質を還元剤として用い上記原料を1500℃以
上に加熱することによりSiOガス及びSiCを発生さ
せる工程と、 還元雰囲気にてSiOガス及びSiCを反応させてSi
を生成する工程を含むことを特徴とする高純度金属Si
の製造方法。
8. A method for producing a metal S from a raw material mainly composed of SiO 2.
a process for producing SiO gas and SiC by heating the raw material to 1500 ° C. or more using a carbon-based material as a reducing agent, and reacting the SiO gas and SiC in a reducing atmosphere. Si
High-purity metal Si, comprising the step of producing
Manufacturing method.
【請求項9】 SiOガス及びSiCを発生させる工程
において、SiOガスよりSiCの発生量(重量比)が
多い中間生成物と、SiCよりSiOガスの発生量が多
い中間生成物を生成し、両者の中間生成物を反応させて
Siを生成する請求項8に記載の製造方法。
9. In the step of generating SiO gas and SiC, an intermediate product that generates more SiC (weight ratio) than SiO gas and an intermediate product that generates more SiO gas than SiC are generated. The production method according to claim 8, wherein the intermediate product is reacted to produce Si.
【請求項10】 前記原料として、石炭の微粉炭を燃焼
することにより得られる灰分を用いる請求項1〜9のい
ずれかに記載の製造方法。
10. The production method according to claim 1, wherein ash obtained by burning coal pulverized coal is used as the raw material.
【請求項11】 前記灰分の平均粒径が60μm以上で
ある請求項10に記載の製造方法。
11. The method according to claim 10, wherein the ash has an average particle size of 60 μm or more.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2009103120A1 (en) * 2008-02-20 2009-08-27 Cbd Energy Limited Reduction of silica
CN111056556A (en) * 2019-12-26 2020-04-24 黄冈师范学院 Method for preparing polycrystalline silicon by taking silicon dioxide and hydrogen as raw materials

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