JPS5869713A - シリカ含有粉末材料からのシリコン製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明ａシリカを官有する粉末材料からシリコンを製造
する方法に係る。

本出願時の世界のシリコン年間生産ｆ［は２ｏｏ万トン
近くであり、そのうち５％は純粋なシリコンの製造に使
用され、残りは鉄及びアルミニウム工業に使用されてい
る。純粋なシリコンのうち１０％が半４ｔ４産業で使用
される。即ち約１０．０００トンである。

シリコンの消費は、太陽エネルギーを利用した発電にか
なりの関心があることを王な理由として。

今後同士年間か′＠、撤に増加することが期待される。

純粋なシリコンは太陽電池において、即ち、「太陽車ａ
級」と称呼され９９．９９％の純度を有する品質で使用
されることが好まし１４．　Ｌ、かじながら、不ｉ４．
物の種類もかなりＴＬ要であり、従って原料の選択は臨
界的である。

大部分の純粋なシリコンは電気アーク炉における直接還
元法で製造され、冶金術数として知られる等級のものが
製造される。その純度は約９８％である。太ｓ嘔池に使
用するためには、このシリコンは、不純物を溶解及び分
離して精製されなければならない。こうして極めて純粋
なシリコン材料は極めて高価になシ、シリコン製の太陽
電池による発電を採算性のないものにする。

極めて純粋なシリコンのより高価でない製造を可能にす
る方法を見い出すために強力な開発が進められている。

一つの方法は純粋な原料を使用することである。しかし
ながら、これだけでは処理が採算の取れるものにならな
い。電気アーク炉は塊状の（ｉｎ　ｌｕｍｐ　ｆｏｒｍ
）　　出発材料を要求し、それが原料の選択を限定し、
極めて純粋な製品の使用を困難にする。さらに、シリカ
粒子は使用する前にある檀のバインダを用いて凝集され
なければならず、それが処理をさらに高価にさえする。

また、アーク炉法は原料の電気的特性に敏感であり、従
って積かな不純物を含有する還元剤の使用が複雑である
。出発材料として塊状材料を使用しなければならないた
めに、シリカと還元剤の間に局部的に接触の乏しい部分
が生じ、　ＳｉＯの浪費をきたす。この浪費は、この処
理中極めて＾φ湯温度局所的に生ずることによっても増
加する。さらに、アーク炉のガス室に還元条件を絶対的
に維持すること社極めて困難であり、還元されたＳｉＯ
が５ｉ（ｈに再酸化される。

以上の因子は、この公知方法について測定された電力消
費、即ち、（見ＭＤの理論電力消費９　ＭＷｈ。

トンに対０２５〜４５　ＭＷｈ　／　トンからも見られ
るように、この処理方法において大部分を無駄にする。

＃ｔｈ後に、ＳｉＯの浪費及び８ｉ０のＳ　ｉ　（ｈへ
の再酸化は、ガス導管を閉塞させるので、操作を多々中
断させる。

本発明の目的は上述の欠陥を除去し、単一工程で棲めて
純粋な′シリコンの製造を許容しかつ粉末原料の使用を
許容する方法をもたらすことである。

この目的は５本発明によるシリカ官有粉末材料からのシ
リコン製造方法に依って達成され、その本質的新しさは
、シリカ含有粉床材料ｔ−１任意に還元剤°と共に、キ
ャリヤカスを用いて見本プラズマ中に注入し、その後こ
うしてＩｘＪ熱されたシリカ材Ｎｕ−、存在するとすれ
ば還元剤、及びエネルギーに富むプラズマガスと共に、
塊状（ｉｎ　ｌｕｍｐ　）固体還元剤で包囲された反１
６室へ導入することにある。

この方法形態は、全反応遅＠を注入口と＠接関連す−る
かなｐ局＠された反応帯域に集中させることを町馳にし
、それによって処理における高温のＷ４＊を非常に限定
して保持することを可能にする。

これ扛、ｊ１元反応が大きなＦ容積全体に連続的に拡が
る既知の方法に較べて大きな利点である。

すべての反応がプラズマ発生器の直前のコークスステー
プルの反応帯域で起きるように方法を調整することによ
って、反応帯域を非常に高くかつＨＪＩＡ顧０Ｊ能でし
かも ５ｉＯｓ＋２Ｃ−→Ｓｉ＋２Ｃ０ の反りしに好ましい自照にＵつことが可能である３、丁
べての反Ｌ６体（Ｓｉｎｇ　、ＳｉＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ　
、Ｃ，ＣＯ）１反Ｌ６帝城に同時に存在し、従ってより
微に生成した生成体ＳｉＯ及びＳｉＣは］ちに次のよう
に反ＩＬ、する： ｓｉｏ十ｃ　　　−−→Ｓ　ｔ　＋ｃ。

ＳｉＯ＋５ｉＣ−−→２Ｓｉ＋ＣＯ ２ＳｉＣ＋　５ｉ０２−→３Ｓｉ＋ＣＱこうして反Ｆｊ
、帯域金去る最終生成体りすべての場合において流木Ｓ
ｉ及び気体ＣＯである。

本発明に依る粉末状原材料の使用線、その選択金谷易に
し、かつより安価な高純度シリカ原料の使用を口」１ヒ
にする。本発明に依シ提示さ扛た方法は原料の電気的特
性に対して＠＃でもなく、それが還元剤の遇択を容易に
する。

注入される還元剤は１例えば天然ガスなどの災（ｆＪｃ
＊、６炭タスト、カーボンブラック、ｎＩ製されてもよ
い石油コークス、及びコークス礫（ｃａｋｅｇｒａｖｅ
ｌ　）であることができる。

本方法に請求される温度はプラズマ気体の単位１当りに
供給される嘔気エネルギーの目金調節して容易にコント
ロールすることが可能なので、最少のＳｉＯ浪費になる
ように最適の条件に保持することができる。

反応室は塊状の還元剤で実質的に完全に包囲されている
のでＳｉＯの再酸化は効果的に防止される。

本発明の適当な態様に依れば、塊状固体還元剤は、消費
されるので、それを反応帯域に連続的に供給する。

塊状還元剤はコークス、木炭１石油コークス及び（又は
）カーボンブラックであることが適当であり１本方法に
使用するプラズマガスは反応帯域から再循環した処理ガ
スからなることが適当である。

固体塊状還元剤はＣ及びＨ，任意に０で構成されたバイ
ンダ、例えば蔗糖を用いて粉末を塊状にしたものであっ
てもよい。

本発明のもう一つの態様に依れば、使用するプラズマバ
ーナ祉酵導プラズマバーナであり、電接による不純物は
絶対的最小値（ゼロ）に減少する。

本発明に依り提案される方法は太陽軍部及び（又は）半
導捧に使用されるべＩ＆高純度のシ１１コノの装造のた
めに理想的である。極めて細枠なシリカと非常にはい不
＃！ｖｔＪ−贋の還元剤とを原料として使用することが
”Ｊ　ｔｊＱである。

本発明のその他のＶｉｇＩは特許請求の範囲において明
らかである。

本発明を以下にいくつかの例を参照してより畦しく説明
する。反応はシャフト炉に似た反応器で行なうことが好
ましく、そ扛に、シャフトの周Ｉの均一に分配されかつ
接近した供給通路又は壌状供帖・ｕを−１えば有する。

送風炉（ｂｌａｓｔ　ｆｕｒｎａｃｅ）の頂部を通して
、固体還元剤を連続的に充填する。

粉末状のシリカ質＠料、好ましくは予倫趙元されたそれ
ｔ不１古性又は還元カスを用いて反応器紙部の送風口（
ｔｕｙｅｒｅ　）から吹き入れる。内時に炭化水素１に
、そして任意に＃素を、好ましくは同じ送風口から、吹
き人ｎることができる。

塊状の還元剤を満たしたシャフトｏ下方部分Ｐｃその塊
状の館元剤ですべての５４１１面を包囲され友反６室が
ある。これがシリカの還元と浴融が自動的に起きる場所
である。

高酸度の水素及び−酸化炭素の混合ｖｌＩｔｌ−宮み。

放出される反【ｉＳ気体は、再循環させ、プラズマガス
のキャリヤガスとして使用することが可能である。

下記は本発明を更に説明するための実施した２つの実験
の説明である。

例１ 実験は半分の規模で行なった。１００　ｐｐｍ　　より
少ない不純物宮有鎗の水晶タイプの石英を約０．１襲の
粒径に８枠したものを、原料シリコンとして使用【７た
。「反１６呈」は練炭状カーボンブランクからなるもの
で逢った。プロパン（液化石油）を還元剤と［７て使用
し、ＣＯ及び市を含む洗浄した還元ガスをキャリヤカス
及びプラズマガスとして便用した。

供給電力は１０００ＫＷｈ　　であった。毎分２．５Ｖ
４の５ｉＯ１を原料として供給し、毎分１．５匂のプロ
パンを還元剤として供給した。

この実験では全部で約３００〜の篩純嵐Ｓ１　が製造さ
れた。平均イカ消費は製造されたＳｉの〜当り約１５　
ＫＷｈであった。

実験は小規模で行なったので熱損失はかなりのものであ
った。を力消費はガス回収によって更に減少させること
が可能であシ、かり熱損失も大規模工場で社かなり減少
する。

２ 粉本状カーボンブラックを趙元剤として相い。

その他は例１におけると同じ条件で、高純度のシリコン
を製造した。

ｍ分１．２〜のカーボンブラックを供給した。

この実験でＦｉ２００］ｃｆの高純度Ｓｉ　が製造され
た。平均電力消費は製造Ｓｔ　Ｃ）Ｉｃｅ当り約１３．
５ＫＷｈであった。

特許出願人 ニスケイエフ　スティール　エンジニアリングアクティ
エボ“フーク

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　シリカ官有粉本材料をキャリヤガスを用いて気体
   プラズマ中に注入し、然る後かく加熱されたシリカ材料
   を高エネルギープラズマガスと共に塊状の固体還元剤で
   包囲された反応室中に導入することを特徴とするシリカ
   含有粉末材料からのシリコン製造方法。 ２、前記シリカ含有粉末材料と共に還元剤をも気体プラ
   ズマ中に注入し、然る後存在すれば還元剤を繭記〃ｌ熱
   シリカ材料及び高エネルギープラズマガスと共に前記反
   応室中に導入する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、前記気体プラズマがプラズマガスをプラズマ発生器
   の電孤（アーク）に送ることによって発生される特許請
   求の範四＠１項又ｔ！ｇ２項記載の方法。 ４、　　ｐｉｉ配プラズマ発生器の前記盲孤（アーク）
   を＃害作用で発生させる特許請求の範囲＠３３項記載方
   法。 ＆　塊状同体還元剤を反応帯域に連続的に供給する特許
   請求の範囲第１項又社第２項記載の方法。 ６、前記塊状固体還元剤が木炭又はコークスからなる特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の方法。 ７、　　＃Ｊ記プラズマガスがｓＩ記反応帯域から再循
   壊される処理ガスからなる特許請求の範囲第１項又は１
   ８２項記載の方法。 ８、太陽電池及び（又ｔｉ）半導体用の原料としシリカ
   含有材料を使用する特許請求の範囲第１項又社＠２項記
   載の方法。 ９、前記（２）捧塊状置元剤を練辰状カーボンブラック
   、練炭状石油コークス、練炭状木炭、及び塊状木炭から
   なる群よシ選択する特許請求の範囲第８項記載の方法。 １０　　前記注入還元剤を粉末状カーボンブラック。 木灰ダスト、石油コークス、並びに、天然ガス、プロパ
   ン、軽歓ガソリンなどの気体状及び液本状戻化水素から
   なる群から選択する特許請求の範囲第８項記載の方法。