JPWO2012086544A1 - シリコンの製造方法及び製造装置、シリコンウェハー、並びに、太陽電池用パネル - Google Patents
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Abstract
本発明は、原料金属シリコンから、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)等の不純物を、短時間に同一のプロセスで効率よく除去し、高純度の金属シリコンとすることが可能な、シリコンの製造方法を提供する。本発明は、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去し、該蒸発物を凝縮手段により凝縮させ凝縮物とすることを特徴とする、シリコンの製造方法に関する。
Description
本発明は、例えば太陽電池用パネルを製作する際の素材として用いられる、シリコンの製造方法及び製造装置に関する。
ポリシリコン太陽電池には、一般に比抵抗値が0.5〜1.5Ω・cm以上で且つ純度が99.9999%(6N)以上の高純度金属シリコンが使用される。この高純度金属シリコンは、原料単価が安価で、比較的不純物を多く含む原料金属シリコンから不純物を精製・除去して製造するのが工業的方法としては最も好ましい。
原料金属シリコン中に含まれる不純物のうち、鉄、アルミニウム、チタン及びカルシウムは、溶融シリコン(不純物を含む原料金属シリコンを溶融させたシリコン)を凝固偏析させることによって、シリコン液相側に除去することができる。また、カルシウム等は、溶融シリコンを1.3×10−2〜10−4Pa(10−4〜10−6Torr)程度の真空中で蒸発処理することにより、除去することができる。
しかしながら、不純物のうち、ホウ素及びリンは、除去が非常に難しく、特にホウ素の除去が困難である。例えば、溶融シリコン中において、不活性なアルゴンに、酸素若しくは二酸化炭素、又は水蒸気を添加して吹き込むことで、ホウ素、酸素又は水素の化合物としてガス化させて除去する酸化処理が行われている(特許文献1、特許文献2参照)。
上述した方法において、原料金属シリコン中のホウ素(B)を、水蒸気等を用いて酸化し、BOガスとして除去するには時間がかかり、またその時に同時にシリコンも酸化されてしまい、ロスが大きい。特に、水蒸気を溶融シリコン中に吹き込むと、副反応として大量の水素が発生するために安全上の問題もある。
また、アルカリハライドを用いるシリコンの精製方法としては、原料金属シリコンのスラッジからスラグ(原料金属シリコン中の二酸化ケイ素を主成分とするスラグ)を作り、不純物を除去する際の成分調整にこれを使用してシリコンを回収する技術(特許文献3参照)が提案されているが、必ずしも満足な純度のシリコンは得られていなかった。また、スラグの場合、酸化物であるため、使える容器としては、シリカまたはアルミナ等の酸化物系耐火材に限られ、装置が高価となる問題があった。
また、誘導加熱の際は、シリコンが溶融するまで、グラファイトの棒等を容器の中に加熱する等の必要があり、プロセスが複雑となる場合があった。さらに、スラグ法においては、溶融スラグのシリコンからの分離プロセスが必要であり、この点でもプロセスが複雑となる問題があった。
また、特許文献4には、20gの原料金属シリコン粉末を粉砕し、これと同じ粒径のNaFと1:1の質量比で混合する工程、1300℃で加熱して固体シリコンを溶融したNaFと接触させる工程、第二の試料を1450℃で10分間加熱してNaF及び原料金属シリコンを溶融させる工程、これらの試料(NaF及びシリコン)を室温に冷却する工程、水性溶出及び引き続く傾瀉(decantation)及び濾過(filtering)により各試料中のNaFからシリコンを分離する工程が記載されている。
しかし、特許文献4に記載の方法では、NaFと原料金属シリコンを含む固形物から、濾過等を用いてシリコンを分離することにより、シリコンを精製することを記載しているに過ぎず、精製効果が十分でなく、またシリコンを分離する作業が容易ではないという問題があった。また、現実問題として、シリコン(Si)の融点付近では、NaFの蒸気圧が高く、SiとNaFを混合したものを加熱していくと、加熱して温度を上昇させる間にNaFが蒸発してしまうという問題があった。
本発明は、以上に説明した従来技術における問題点を解決し、原料金属シリコンから、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)及びカルシウム(Ca)等の不純物を、短時間に同一のプロセスで効率よく除去し、高純度の金属シリコンとすることが可能な、シリコンの製造方法を提供することを課題とする。
本発明は、上記課題を解決するため種々の検討を行った結果、不純物を含む原料金属シリコンを溶融させたシリコン(以下、溶融シリコンという場合がある。)と、溶融塩とを容器内で接触させ、該シリコン中のホウ素(B)、アルミニウム(Al)及びカルシウム(Ca)等の不純物と溶融塩とを反応させることで、当該不純物を含む揮発性の化合物を、溶融塩に溶解させ、又は、気相に蒸発させることができ、これによって当該不純物を系外に除去できることを見出した。本発明はこれらの知見に基づいて成し遂げられたものである。
すなわち、本発明は以下の通りである。
1.不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去し、
該蒸発物を凝縮手段により凝縮させ凝縮物とすることを特徴とする、シリコンの製造方法。
2.前記凝縮物を溶融塩として利用する、前項1に記載のシリコンの製造方法。
3.前記凝縮物を凝縮手段から落下させ、凝縮物中の溶融塩を溶融シリコンと接触させる、前項1または2に記載のシリコンの製造方法。
4.前記凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する、前項1〜3のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
5.前記凝縮手段を交換することにより、凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する前項1〜4のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
6.前記凝縮手段が、前記蒸発物を冷却することによって凝縮させて凝縮物とする、系内の上部に設けられた冷却手段である、前項1〜5のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
7.前記凝縮物の温度を前記溶融塩の融点以下として固化させて凝固物とする、前項1〜6のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
8.前記不純物を溶融シリコンから除去した後、前記溶融塩を系外へと蒸発除去する、前項1〜7のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
9.前記溶融シリコン中に不活性ガスを吹き込むことを特徴とする、前項1〜8のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
10.前記不純物にはホウ素が含まれる、前項1〜9のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
11.前記溶融塩が、アルカリ金属とハロゲンとを含む複合塩、及び、アルカリ土類金属とハロゲンとを含む複合塩、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むものである、前項1〜10のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
12.前記溶融塩が、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化カリウム(KF)、フッ化ルビジウム(RbF)、フッ化セシウム(CsF)、珪フッ化ソーダ(Na2SiF6)、クリオライト(Na3AlF6)、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムとの混合物、及び、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムと塩化バリウムとの混合物、並びに、これらの混合物、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含む、前項1〜11のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
13.前記溶融塩の量が、溶融シリコンに対して、5質量%以上300質量%以下である、前項1〜12のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
14.不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去する、シリコンの製造装置であって、
底部と側部と上部開口部とを有し、前記不純物を含む溶融シリコンと前記溶融塩とが充填される容器、
前記不純物を含む溶融シリコンと前記溶融塩とを加熱する加熱手段、
前記容器の前記上部開口部よりも上方に設けられ、前記蒸発物を凝縮させ凝縮物とする凝縮手段、及び
前記溶融塩との反応によって前記溶融シリコンから除去された前記不純物を排出する排出手段、
が備えられる、シリコンの製造装置。
15.さらに前記容器に溶融塩を添加する手段を備える前項14に記載のシリコンの製造装置。
16.さらに、前記凝縮物を溶融塩として再利用する手段を備える、前項14または15に記載のシリコンの製造装置。
17.さらに、前記凝縮手段に付着した前記凝縮物を凝縮手段から除去する手段を備える、前項14〜16のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
18.前記凝縮手段が、系内の上下方向に延在する側壁を有するとともに、上部及び下部が開口部とされた、中空の筒状体である、前項14〜17のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
19.前記筒状体の内部に仕切り部材が設けられている、前項18に記載のシリコンの製造装置。
20.前記凝縮手段が、系内の上下方向に延在する側壁を有し、下部が開口部とされるとともに上部が閉じられた、筒状体である、前項14〜17のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
21.前記凝縮手段が、系内の上下方向とは交差する方向に延在する板状体である、前項14〜17のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
22.前記凝縮手段が、前記蒸発物を冷却することによって凝縮させて凝縮物とする冷却手段である、前項14〜21のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
23.前記容器が、グラファイト又はシリコンカーバイドからなる、前項14〜22のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
24.さらに、前記蒸発物を吸引する吸引手段を備える、前項14〜23のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
25.さらに、前記蒸発物を回収するための回収手段を備える、前項14〜24のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
26.前記回収手段が、サイクロン、バグフィルター又は湿式捕集手段のいずれかである、前項25に記載のシリコンの製造装置。
27.前項1〜13のいずれか一に記載のシリコンの製造方法により得られたシリコンを含む、シリコンウェハー。
28.前項1〜13のいずれか一に記載のシリコンの製造方法により得られたシリコンを含む、太陽電池用パネル。
1.不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去し、
該蒸発物を凝縮手段により凝縮させ凝縮物とすることを特徴とする、シリコンの製造方法。
2.前記凝縮物を溶融塩として利用する、前項1に記載のシリコンの製造方法。
3.前記凝縮物を凝縮手段から落下させ、凝縮物中の溶融塩を溶融シリコンと接触させる、前項1または2に記載のシリコンの製造方法。
4.前記凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する、前項1〜3のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
5.前記凝縮手段を交換することにより、凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する前項1〜4のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
6.前記凝縮手段が、前記蒸発物を冷却することによって凝縮させて凝縮物とする、系内の上部に設けられた冷却手段である、前項1〜5のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
7.前記凝縮物の温度を前記溶融塩の融点以下として固化させて凝固物とする、前項1〜6のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
8.前記不純物を溶融シリコンから除去した後、前記溶融塩を系外へと蒸発除去する、前項1〜7のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
9.前記溶融シリコン中に不活性ガスを吹き込むことを特徴とする、前項1〜8のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
10.前記不純物にはホウ素が含まれる、前項1〜9のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
11.前記溶融塩が、アルカリ金属とハロゲンとを含む複合塩、及び、アルカリ土類金属とハロゲンとを含む複合塩、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むものである、前項1〜10のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
12.前記溶融塩が、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化カリウム(KF)、フッ化ルビジウム(RbF)、フッ化セシウム(CsF)、珪フッ化ソーダ(Na2SiF6)、クリオライト(Na3AlF6)、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムとの混合物、及び、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムと塩化バリウムとの混合物、並びに、これらの混合物、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含む、前項1〜11のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
13.前記溶融塩の量が、溶融シリコンに対して、5質量%以上300質量%以下である、前項1〜12のいずれか一に記載のシリコンの製造方法。
14.不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去する、シリコンの製造装置であって、
底部と側部と上部開口部とを有し、前記不純物を含む溶融シリコンと前記溶融塩とが充填される容器、
前記不純物を含む溶融シリコンと前記溶融塩とを加熱する加熱手段、
前記容器の前記上部開口部よりも上方に設けられ、前記蒸発物を凝縮させ凝縮物とする凝縮手段、及び
前記溶融塩との反応によって前記溶融シリコンから除去された前記不純物を排出する排出手段、
が備えられる、シリコンの製造装置。
15.さらに前記容器に溶融塩を添加する手段を備える前項14に記載のシリコンの製造装置。
16.さらに、前記凝縮物を溶融塩として再利用する手段を備える、前項14または15に記載のシリコンの製造装置。
17.さらに、前記凝縮手段に付着した前記凝縮物を凝縮手段から除去する手段を備える、前項14〜16のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
18.前記凝縮手段が、系内の上下方向に延在する側壁を有するとともに、上部及び下部が開口部とされた、中空の筒状体である、前項14〜17のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
19.前記筒状体の内部に仕切り部材が設けられている、前項18に記載のシリコンの製造装置。
20.前記凝縮手段が、系内の上下方向に延在する側壁を有し、下部が開口部とされるとともに上部が閉じられた、筒状体である、前項14〜17のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
21.前記凝縮手段が、系内の上下方向とは交差する方向に延在する板状体である、前項14〜17のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
22.前記凝縮手段が、前記蒸発物を冷却することによって凝縮させて凝縮物とする冷却手段である、前項14〜21のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
23.前記容器が、グラファイト又はシリコンカーバイドからなる、前項14〜22のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
24.さらに、前記蒸発物を吸引する吸引手段を備える、前項14〜23のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
25.さらに、前記蒸発物を回収するための回収手段を備える、前項14〜24のいずれか一に記載のシリコンの製造装置。
26.前記回収手段が、サイクロン、バグフィルター又は湿式捕集手段のいずれかである、前項25に記載のシリコンの製造装置。
27.前項1〜13のいずれか一に記載のシリコンの製造方法により得られたシリコンを含む、シリコンウェハー。
28.前項1〜13のいずれか一に記載のシリコンの製造方法により得られたシリコンを含む、太陽電池用パネル。
本発明によれば、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)及びカルシウム(Ca)等の不純物を含む溶融シリコンと、溶融塩とを系内で接触させることにより、当該シリコン液相と溶融塩の液相との界面を構成することができ、該界面を介してシリコン中の不純物と溶融塩とを反応させることで、当該不純物を効率よく除去することができる。すなわち、本発明によれば、短時間に同一のプロセスで溶融シリコンに含まれる不純物を効率よく除去し、高純度の金属シリコンとすることが可能な、シリコンの製造方法を提供することができる。
一方、界面を介してシリコン中の不純物と溶融塩とを反応させることにより、反応によって生じた反応物は、一部が蒸気圧の高い化合物として蒸発除去され、一部が溶融塩に溶解する。ここで、溶融塩は不純物との反応に寄与することなく蒸発してしまう場合があり、蒸発した溶融塩をうまく回収し、再び溶融シリコン中に添加して反応に寄与させることが好ましい。
特に、本発明では、反応系内において溶融塩を含む蒸発物を凝縮手段により凝縮させて凝縮物とし、該凝縮物を溶融塩として利用することによって、反応系内で溶融塩を循環させており、これによって、溶融塩を無駄なく反応に寄与させることができる。また、本発明では、該凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去することにより、溶融シリコンと接触する凝縮物に含まれる不純物の量を低減することができる。すなわち、本発明によれば、高純度の金属シリコンを精製する際の効率が一層向上したシリコンの製造方法を提供することができる。
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限り、以下の内容に限定されない。
本明細書において、「系内」とは、溶融シリコンと溶融塩との反応、溶融塩との反応による不純物の蒸発、溶融塩の蒸発、溶融塩を含む蒸発物の凝縮、及び、凝縮物の落下を生じさせる場をいう。例えば、排出口を備えた筐体内に加熱手段や容器等が収容され、筐体内部にてシリコンの精製を行い、排出口を介して不純物を蒸発除去する場合は、筐体内を系内とみなすことができる。一方、「系外」とは、溶融シリコンから除去された不純物の回収、溶融塩を含む蒸発物の回収・精製が行われる場をいう。例えば、筐体外を系外とみなすことができる。
1.シリコンの製造方法
本発明に係るシリコンの製造方法は、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去し、該蒸発物を凝縮手段により凝縮させ凝縮物とすること特徴とする。以下、本発明の製造方法を工程に分けて説明する。
本発明に係るシリコンの製造方法は、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去し、該蒸発物を凝縮手段により凝縮させ凝縮物とすること特徴とする。以下、本発明の製造方法を工程に分けて説明する。
すなわち、本発明に係るシリコンの製造方法は、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを系内で接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を溶融シリコンから除去する工程(工程S1)を含むとともに、該蒸発物を凝縮手段により凝縮させ凝縮物とする工程(工程S2)を含む。本発明においては、工程S1と工程S2とが系内において同時に行われることが好ましい。
1.1.工程S1
工程S1は、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去する工程である。
工程S1は、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去する工程である。
溶融シリコン中の不純物と溶融塩とを反応させることによって生じた反応物は、蒸気圧が高く、一部が系外に蒸発除去され、一部が溶融塩に溶解する。溶融塩に溶解した不純物は溶融塩を系外に蒸発除去させる際に一緒に除去することができる。これによって、系内から精製されたシリコンのみを回収することができる。
溶融シリコンは、原料となる金属シリコンを溶融させてなるものである。原料金属シリコン中には不純物として、少なくともホウ素(B)が含まれており、さらに、例えば、リン(P)、鉄(Fe)、アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)またはチタン(Ti)等が含まれていてもよい。本発明では、これら不純物のうち特に、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)及びカルシウム(Ca)を好適に除去することができる。
原料金属シリコン中の不純物の合計濃度は、質量基準で、10〜50ppmであることが好ましく、10〜30ppmであることがより好ましい。このような濃度範囲にある原料金属シリコンは、アーク炭素還元等によって容易に得ることができ、コストを低く抑えることができるので好ましい。
溶融塩は、原料金属シリコンの溶融温度で融解し、不純物を含む溶融シリコンと接触、例えばシリコン液相と溶融塩液相との界面を構成することによって、溶融シリコン中のホウ素(B)、アルミニウム(Al)若しくはカルシウム(Ca)等の不純物と反応し、不純物を気相に蒸発させ得る化合物、または、不純物を溶融塩自体に溶解させて不純物とともに蒸発し得る化合物であれば特に制限されない。溶融塩は固体の状態で系内に添加し、系内において溶融させてもよい。
例えば、アルカリ金属とハロゲンとを含む複合塩、及び、アルカリ土類金属とハロゲンとを含む複合塩、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むものであるとよい。
特に、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化カリウム(KF)、フッ化ルビジウム(RbF)、フッ化セシウム(CsF)、珪フッ化ソーダ(Na2SiF6)、クリオライト(Na3AlF6)、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムとの混合物、及び、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムと塩化バリウムとの混合物、又は、これらの混合物、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むことが好ましい。
これらの中でも、シリコン中に溶融塩成分が多量に取り込まれることを抑制し、且つ、取り込まれた場合でも容易に精製することが可能である観点から、アルカリ金属のフッ化物が好ましく、NaFが特に好ましい。
尚、原料金属シリコンを溶解した場合、酸化被膜が生成する場合があるが、本発明では、上記した溶融塩中に酸化物を溶解させることができる。また、上記した溶融塩であれば、容器として通常のグラファイトを使用することができ、経済的観点からも好ましい。
尚、溶融塩の液相を溶融シリコンの液相の上に形成させる場合は、シリコン(Si)より密度の小さい溶融塩を用いるとよい。当該溶融塩としては、例えば、Csよりも原子番号の小さいアルカリ金属フッ化物塩が挙げられる。
溶融塩中の不純物の含有量は低い方が好ましいが、仮に溶融塩中に不純物が含まれていたとしても、当該不純物はフッ素化されている場合が多く、処理温度では、大部分が蒸発してしまうので問題はない。したがって、溶融塩として通常の工業用の薬品を用いることが可能である。ここで、処理温度とは、原料金属シリコンの溶融温度をいう。
溶融塩の使用量は、原料金属シリコン(溶融シリコン)に対して、5質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、20質量%以上がさらに好ましく、30質量%以上が特に好ましい。また、300質量%以下が好ましく、100質量%未満がより好ましく、70質量%以下がさらに好ましく、50質量%以下が特に好ましい。溶融塩の使用量を5質量%以上とすることにより、十分な精製効果が得られる。
また、本発明に係るシリコンの製造方法では、後述する工程S2により、前記蒸発物を系内で凝縮手段により凝縮させ凝縮物とすることで、該凝縮物を溶融塩として利用する工程を含むことにより、溶融塩の使用量を減少させることができる。
溶融シリコンと溶融塩との液相界面を形成する形態としては、例えば、原料金属シリコンと溶融塩とを混合した後に、同時に加熱融解する形態であってもよく、原料金属シリコンのみを加熱融解して溶融シリコンとした後、ここに溶融塩を添加する形態であってもよい。
原料金属シリコンと溶融塩とを混合した後に加熱溶解する場合は、シリコンが溶融するまでに溶融塩が蒸発して蒸発物となるが、本発明では後述する工程S2によって、該蒸発物を凝縮手段により凝縮させて凝縮物とすることにより、再度溶融シリコン中に落下させることができ、該凝縮物を溶融塩として利用することで溶融塩のロスを抑えることができる。尚、溶融塩は、必要に応じて混合し、加熱溶融後に冷却し、フラックス化したものを用いることもできる。
原料金属シリコンと溶融塩とを加熱融解させる温度は、シリコンの融点(1410℃)以上が好ましく、1450℃以上がより好ましい。また、該温度の上限は、2000℃以下が好ましく、1700℃以下がより好ましい。
かくして、溶融シリコンと溶融塩とを接触させることにより、シリコン液相と溶融塩液相との界面を構成することができる。シリコン液相と溶融塩液相との界面を介して、溶融シリコン中の不純物と溶融塩とを反応させることができ、該不純物を気相に蒸発又は溶融塩に移行させることができる。
また、シリコン液相と溶融塩液相との界面を介して、溶融塩が蒸発したガス又は複合化合物が一部分解してできた分解生成物のガス等をシリコンに作用させることにより、溶融シリコン中の不純物と溶融塩とを反応させることができる。
反応処理時間、すなわち溶融シリコンと溶融塩との接触時間は、通常0.1時間以上が好ましく、0.25時間以上がより好ましく、0.5時間以上が特に好ましい。また、通常12時間以下が好ましく、6時間以下がより好ましく、2時間以下が特に好ましい。反応処理時間は、長い程、不純物の低下には効果があるが、プロセスコストの観点からは短い方が望ましい。
上記の通り溶融シリコンと溶融塩との界面において生成した不純物を含む化合物、すなわちシリコン中の不純物と溶融塩とを反応させた反応物は、蒸発するか又は一部は溶融塩に溶け込み、溶融塩とともに蒸発させて除去することができる。
蒸発除去時の圧力(減圧度)は、大気圧であれば十分であるが、場合により10−4Pa程度まで減圧することが好ましい。また、蒸発除去時に、アルゴン等の不活性ガスをキャリアガスとして溶融シリコン中に吹き込むと、蒸発除去が促進されるので好ましい。
ここで、溶融シリコンを攪拌して流動させることで、不純物と溶融塩との反応を一層促進することができる。溶融塩に対する溶融シリコンの流動速度を大きくするためには、例えば、電磁誘導撹拌によって加熱を行えばよい。
溶融塩に対する溶融シリコンの流動速度が大きくなることにより反応が促進される理由は、シリコン液相と溶融塩層の界面近傍に形成される反応場として機能する境界層を相対的に薄くすることができるためと考えられる。境界層は溶融シリコンと溶融塩とが接触する際にそれぞれの分子が移動する抵抗となるため、境界層が薄くなることで溶融シリコンと溶融塩とが接触しやすくなると推定される。
または、下記(i)〜(v)に係る方法によっても、不純物と溶融塩との反応を一層促進することができる。
(i)不活性ガスをシリコン液相に吹き込む方法。
(ii)高周波誘導炉を用いてシリコン液相を誘導攪拌する方法。
(iii)上層の溶融塩を機械的に下層のシリコン層に押し込む方法。機械的に押し込むとは、機械的手段、例えばグラファイトできた凹型の治具を用いて上層の溶融塩を下層のシリコン層に押し込むことをいう。
(iv)回転子を使って液相を攪拌する方法。
(v)不活性ガスとともに溶融塩の粉体をシリコン液相に吹き込む方法。
(i)不活性ガスをシリコン液相に吹き込む方法。
(ii)高周波誘導炉を用いてシリコン液相を誘導攪拌する方法。
(iii)上層の溶融塩を機械的に下層のシリコン層に押し込む方法。機械的に押し込むとは、機械的手段、例えばグラファイトできた凹型の治具を用いて上層の溶融塩を下層のシリコン層に押し込むことをいう。
(iv)回転子を使って液相を攪拌する方法。
(v)不活性ガスとともに溶融塩の粉体をシリコン液相に吹き込む方法。
不純物を溶融塩とともに蒸発除去した後に、必要に応じて、容器内を真空排気することにより残存する溶融塩を除去し、シリコンを固化することにより、高純度のシリコンを得ることができる。また、シリコンを固化する際に、いわゆる一方向凝固を行って、残存する不純物を偏析によって除去することにより、さらに高純度のシリコンを得ることができる。
上記方法により、不純物を除去した後、さらに、アルカリ金属の除去を行うことにより、より高純度のシリコンとすることができる。アルカリ金属の除去は、それ自体既知の通常用いられる方法により行うことができる。例えば、真空処理または一方向凝固等のプロセスで容易に除去される。
工程S1の具体例を、その作用等も含めさらに詳細に説明する。
(a)溶融塩としてフッ化ナトリウム(NaF)を用いる場合
フッ化ナトリウム(NaF)の1500℃での比重は約1.8であり、シリコンの比重(約2.6)よりも軽い。そのため、系内では、下層であるシリコン液相と上層であるNaF液相との界面が構成される。
フッ化ナトリウム(NaF)の1500℃での比重は約1.8であり、シリコンの比重(約2.6)よりも軽い。そのため、系内では、下層であるシリコン液相と上層であるNaF液相との界面が構成される。
このような場合、界面を介して、次の反応が起こると考えられ、溶融シリコン中の不純物であるホウ素(B)は反応物として気相に蒸発し、一部は溶融塩中に溶解して移動する。
4NaF+B=3Na+NaBF4、又は、3NaF+B=3Na+BF3
4NaF+B=3Na+NaBF4、又は、3NaF+B=3Na+BF3
また、溶融シリコン中の不純物であるアルミニウム(Al)についても、次の反応が起こると考えられる。ホウ素とは違い、生成物の蒸気圧は低いので、この場合は溶融塩に溶解するが、溶融塩を蒸発除去する時に一緒に除かれる。
Al+6NaF=Na3AlF6+3Na
Al+6NaF=Na3AlF6+3Na
反応を速やかに進めるためには、反応物を速やかに除去することが重要である。当該反応物の除去は、系内の溶融シリコン中にアルゴンガス等のキャリアガスを吹き込み、キャリアガスとともに該反応物を系外に除去することが好ましい。
一方で、NaF中のNaの一部が、溶融シリコン中に取り込まれるが、これについては上述したアルカリ除去処理によって除去すればよい。
NaBF4及びBF3等は、最初NaFに溶解すると思われるが、蒸気圧も高く、プロセス中に大部分は蒸発する。仮に、不純物がNaF中に溶解して残っていても、プロセスの後半で温度を上げるか、又は減圧状態で蒸発させることにより、NaFとともに不純物を一緒に蒸発除去することができる。
アルミニウム(Al)またはカルシウム(Ca)も同様のプロセスで、溶融シリコンから除去されることになる。アルミニウム(Al)またはカルシウム(Ca)は、NaFと反応し、それぞれ、Na3AlF6、NaCaF5を生成して溶融塩に溶解し、溶融塩を除去するプロセスにおいて除去される。
尚、NaFとSiとが反応して、SiF4が生成することも考えられ、気体のSiF4が不純物と反応することも考えられるが、いずれにしても、不純物は蒸気圧の高いフッ化物として除去することができる。
(b)溶融塩としてNaFとSiF4の複合化合物(Na2SiF6)を用いる場合
溶融塩としてNaFとSiF4の複合化合物(Na2SiF6)を用いることもできる。この場合、Na2SiF6は液相になる前に一部分解が起こり、NaFとSiF4になる。
溶融塩としてNaFとSiF4の複合化合物(Na2SiF6)を用いることもできる。この場合、Na2SiF6は液相になる前に一部分解が起こり、NaFとSiF4になる。
SiF4はガスであるので、Na2SiF6を機械的に溶融シリコン中に押し込むと、ガスが融液中の不純物と反応して好都合である。また、NaFと液相シリコン(Si)との反応が抑制されるために、精製するシリコンの歩留まりが向上するという利点がある。
これらの反応は、通常0.5〜2気圧で行うことが好ましく、アルゴン等の不活性ガスでシールした大気圧が経済的に好ましい。大気圧でも、溶融塩は殆ど蒸発させることができる。さらに、完全に除去する場合は、約130〜13×10−3Pa(1〜10−5Torr)の真空にして蒸発させることが好ましい。こうすることによって、融液はシリコンだけとなり、鋳型に鋳込むことによって容易に回収できるようになる。
1.2.工程S2
本発明に係るシリコンの製造方法においては、上記した工程S1とともに、工程S2を含むことに特徴を有する。工程S2は、系内において、不純物を含む溶融塩を蒸発させた蒸発物を凝縮手段により凝縮させ凝縮物とする工程である。
本発明に係るシリコンの製造方法においては、上記した工程S1とともに、工程S2を含むことに特徴を有する。工程S2は、系内において、不純物を含む溶融塩を蒸発させた蒸発物を凝縮手段により凝縮させ凝縮物とする工程である。
上述したように、工程S1を行う際は、溶融シリコン中の不純物との反応に寄与しないまま大部分の溶融塩が蒸発してしまう。工程S2では、前記蒸発物を系外に排出せず系内で凝縮手段により凝縮させ、凝縮物とする。凝縮物には、溶融塩と溶融シリコン中の不純物とが含まれる。
本発明に係るシリコンの製造方法は、前記凝縮物を、溶融シリコンへと落下させることで、凝縮物中の溶融塩を溶融シリコンと接触させる工程を含むことが好ましい。すなわち、本発明に係るシリコンの製造方法においては、前記凝縮物を系内で溶融塩として利用することとなる。
工程S2では、凝縮手段は系内の上部に設けられていることが好ましく、前記蒸発物を冷却することによって凝縮し、凝縮物とする冷却手段であることがより好ましい。系内の上部とは、溶融シリコンや溶融塩の上方であって、溶融シリコン及び溶融塩の液相界面に対向する位置をいう。これによって、凝縮手段において凝縮された凝縮物は、例えば、自然落下、下降気流等によって再び溶融シリコンへと落下し、反応に寄与することとなる。凝縮手段の具体的な形態については、後述する。
また、凝縮物の温度を溶融塩の融点以下として固化させ、凝固物を溶融シリコンへと落下させるとより好ましい。凝縮物を固化させることで、凝固物中に不純物が溶解するのを抑制することができる。また、凝固物は密度が高く、系内で自然落下して、溶融シリコンへと容易に到達し得る。
なお、凝縮物が凝縮手段に固着した場合は、例えば、凝縮物に振動を与える、J字型などの棒で凝縮物を掻き落とす等の方法により、凝縮手段に付着した凝縮物を溶融シリコンへと落下させることが好ましい。
このように、本発明に係るシリコンの製造方法においては、工程S1とともに、工程S2が行われる。すなわち、工程S1にて蒸発した溶融塩を、工程S2において、凝縮手段により凝縮させて凝縮物とした後、該凝縮物を溶融シリコンへと落下させて再度溶融塩として利用することで、溶融シリコンと溶融塩との界面が常時適切に形成される。本発明では、反応系内で溶融塩を再利用することが可能であり、これによって、溶融塩を無駄なく反応に寄与させることができる。
本発明に係るシリコンの製造方法においては、上記工程S1及び工程S2によって、溶融シリコン中の不純物を除去する。そして、不純物の除去を終了後、溶融塩を蒸発除去するとよい。また、さらに、純度を上げたい場合は、溶融塩の蒸発除去の後、新たに溶融塩を添加し、再度工程S1、S2を繰り返すとよい。
また、蒸発除去された溶融塩を回収しておけば、次回以降のシリコン精製の際、再び溶融塩として用いることもできる。場合によっては、公知の方法で精製した後に、用いてもよい。
また、本発明に係るシリコンの製造方法においては、工程S2によって凝縮手段により系内で凝縮させた溶融塩と、系外から新たに添加される溶融塩とを使い分けてもよい。例えば、溶融シリコン中の不純物濃度が高い、精製プロセスの前半においては、工程S2によって凝縮手段により凝縮物を系内にて溶融塩として利用し、溶融シリコン中の不純物濃度の低いプロセスの後半(例えば、精製時間全体の8割以上が経過した際、または、溶融シリコン中のホウ素濃度が質量基準で1ppm以下となった際)では、一度系内の溶融塩を除去した後、系外から新品の溶融塩(未使用の溶融塩または精製後の溶融塩)を投入して引き続き工程S1、S2を行うとよい。
工程S2においては、不純物を含む凝縮物が凝縮手段に付着し、一定時間を経過すると、凝縮物に含まれる不純物の量が増加し、自然落下等により系内の下部において溶融シリコンと接触する該凝縮物に含まれる不純物の量も増加することとなる。
したがって、本発明に係るシリコンの製造方法さらに、凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する工程を含むことにより、不純物の含有量の多い凝縮物が除去され、自然落下等により系内の下部において溶融シリコンと接触する凝縮物に含まれる不純物の量を低減することができる。
凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する方法としては、例えば、凝縮物が付着した凝縮手段を凝縮物が付着していない凝縮手段と交換する方法、または凝縮物を除去する手段により凝縮手段に付着した凝縮物を除去する方法が挙げられる。凝縮物を除去する手段としては、具体的には、例えば、凝縮物に振動を与える手段、凝縮物を掻き落とすための手段(例えば、J字型などの棒)等が挙げられる。
2.その他の形態
ホウ素(B)、アルミニウム(Al)及びカルシウム(Ca)等の不純物を含む溶融シリコンから、当該不純物を短時間に同一のプロセスで効率よく除去する観点からは、下記のような工程を含むシリコンの製造方法としてもよい。
ホウ素(B)、アルミニウム(Al)及びカルシウム(Ca)等の不純物を含む溶融シリコンから、当該不純物を短時間に同一のプロセスで効率よく除去する観点からは、下記のような工程を含むシリコンの製造方法としてもよい。
2.1.系内から酸素を除去する形態
系内に酸素が存在する場合、当該酸素と溶融シリコンとが反応して酸化物(特に、シリカ)が生成する。シリカは溶融シリコンと溶融塩との界面に固体状で存在することとなり、溶融塩と溶融シリコンとの接触界面を減少させてしまう場合がある。
系内に酸素が存在する場合、当該酸素と溶融シリコンとが反応して酸化物(特に、シリカ)が生成する。シリカは溶融シリコンと溶融塩との界面に固体状で存在することとなり、溶融塩と溶融シリコンとの接触界面を減少させてしまう場合がある。
すなわち、シリカの生成によって、不純物と溶融塩との反応が阻害され、不純物を効率よく除去できない虞がある。上記においては、当該酸化物を溶融塩中に溶解させるものとして記載したが、下記のような工程を含むことで、シリカの生成を防いでもよい。
すなわち、系内に酸素を含まないガスを流通させることで、系内から系外へと酸素を除去する工程を含むとともに、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを系内で接触させ、該溶融シリコン中の不純物と溶融塩とを反応させ、該不純物を系外に除去する工程を含む、シリコンの製造方法とすることにより、系内の酸素が除去されることとなる結果、シリカの生成を抑制することができる。
この場合、溶融シリコンの液相中に酸素を含まないガスを吹き込むことによって、系内に酸素を含まないガスを流通させてもよい。これによって、溶融シリコン中の酸素も系外へと追い出すことができ、シリカの生成を一層抑制することができる。
酸素を含まないガスとしては、アルゴンガスが好ましい。
また、系内に酸素を含まないガスを流通させる場合、当該ガスをキャリアガスとして使用することもできる。すなわち、溶融シリコンから蒸発除去された不純物を、酸素を含まないガスをキャリアガスとして系外へ除去することができる。これにより、酸素の除去と不純物の除去とを同時に行うことが可能である。
2.2.溶融塩を効率よく回収して再利用する形態
上記説明では、系内で蒸発した溶融塩を凝縮・落下させるものとして説明したが、蒸発した溶融塩を系外で回収してもよい。例えば、以下のようなシリコンの製造方法とすることによって、溶融塩を効率よく回収して再利用することができる。
上記説明では、系内で蒸発した溶融塩を凝縮・落下させるものとして説明したが、蒸発した溶融塩を系外で回収してもよい。例えば、以下のようなシリコンの製造方法とすることによって、溶融塩を効率よく回収して再利用することができる。
これによって、溶融塩のロスを抑えることができ、新たな溶融塩を用意する必要がなくなる結果、短時間かつ効率的に溶融シリコンを精製することが可能となる。ただし、当該形態は上記した工程S2とは相反する概念である。当該形態を本発明に組み込む場合は、例えば、シリコン精製完了後の溶融塩の蒸発除去時に適用するとよい。
すなわち、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを系内で接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させて蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去する工程と、該蒸発物と不純物とを含んだヒュームを、吸引口から吸引して流通経路を介して系外に除去する工程と、吸引したヒュームを捕集して回収する工程と、回収したヒュームを精製し、精製物とする工程と、精製物を系内へ投入し、不純物を含む溶融シリコンと接触させる工程とを含む、シリコンの製造方法とすることによって、系外において、効率的に溶融塩(気体状、液状、または粉体状)を回収することができる。
尚、蒸発した溶融塩を吸引口にて不要に凝固させることなく吸引することができ、且つ、流通経路における溶融塩の詰まりを防止できる観点から、吸引口または流通経路を溶融塩の融点よりも高温となるように設定しておくことが好ましい。
また、例えば、ヒュームをキャリアガスとともに吸引する場合において、流通経路における風速(m・s−1)を5以上30以下とすることによっても、流通経路における溶融塩の付着を抑制することができ、流通経路の詰まりを防止することができる。また、吸引の際は、吸引口を溶融塩または溶融シリコンの液面近傍に設置するとよい。これにより、吸引口における温度を容易に溶融塩の融点以上の温度とすることができるとともに、蒸発した溶融塩を効率よく吸引することができる。
また、溶融塩を回収した後で精製するとよい。精製の方法としては、例えば、ヒュームを捕集した後、凝縮させて凝縮物として回収し、該凝縮物を溶融塩の融点以上の温度で溶融させることによって精製することができる。
例えば、ヒュームを、サイクロン又はバグフィルターによって凝縮させ、凝縮物として回収することができる。
または、ヒュームを湿式捕集によって溶媒中に捕集してスラリーとし、該スラリーを乾燥することで塊状の凝縮物として回収することもできる。この場合、溶媒としては水が好適に用いられる。尚、湿式捕集を経て塊状の凝集物として回収することで、以下の効果も奏する。
すなわち、塊状の凝集物は、粉体よりも容易に溶融・精製することができる。これは、塊状となることで空隙が減少し、密度が大きくなる結果、熱伝導率が高くなり、内部にまで容易に熱を伝導させることができるためと考えられる。これにより凝集物を容易に溶融させることができ、内部に存在する不純物を効率的に除去、精製することができる。
2.3.大気雰囲気下においてシリコンを製造する形態
不活性ガスを流通させながらシリコンを製造する形態については既に説明した。しかしながら、例えば、大規模でシリコンの製造を行いたい場合、系内を完全に不活性ガス雰囲気とすることは難しい場合がある。
不活性ガスを流通させながらシリコンを製造する形態については既に説明した。しかしながら、例えば、大規模でシリコンの製造を行いたい場合、系内を完全に不活性ガス雰囲気とすることは難しい場合がある。
この観点から、大気雰囲気でシリコンの製造を行うことができれば、効率的にシリコンを製造することができるものと考えられる。また、大気雰囲気で製造することができれば製造コストを抑えることもできる。
しかしながら、上述したように、大気雰囲気では、酸素とシリコンとが反応することによってシリカが生成し、反応界面が減少してしまうという問題がある。この問題は、例えば、下記のようなシリコンの製造方法とすることにより解決できる。
すなわち、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを、酸素を含む系内で接触させ、該溶融シリコン中の不純物と溶融塩とを反応させ、該不純物を系外に除去する工程を含むとともに、溶融塩を、溶融シリコンの液面部分及び/又は内部であって、酸素と反応することによって生成した酸化物の存在しない部分に供給する、シリコンの製造方法とすることによって、溶融シリコンと溶融塩とを適切に接触させることが可能となる。
この場合は、例えば、溶融シリコンの液面に生成した酸化物を移動させることによって、溶融シリコンの液面部分及び/又は内部に、酸化物の存在しない部分を作り出すとよい。
酸化物の移動については、機械や道具を使用して移動させる形態の他、誘導加熱によって溶融シリコンを誘導攪拌し、流れを誘起することで酸化物を一定の方向に移動させる形態、または、プラズマ処理等によって酸化物を移動若しくは除去する形態であってもよい。
さらには、溶融シリコンの内部に溶融塩を押し込むことにより、溶融シリコンの内部における酸化物の存在しない部分に溶融塩を供給する形態であってもよい。
以上のような形態であっても、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)及びカルシウム(Ca)等の不純物を含む溶融シリコンから、短時間に同一のプロセスで不純物を効率よく除去することができる。
3.シリコンの製造装置
本発明に係るシリコンの製造方法を実施可能な製造装置について説明する。本発明に係るシリコンの製造装置は、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを系内で接触させ、該溶融シリコン中の不純物と溶融塩とを反応させ、該不純物を系外に除去する。
本発明に係るシリコンの製造方法を実施可能な製造装置について説明する。本発明に係るシリコンの製造装置は、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを系内で接触させ、該溶融シリコン中の不純物と溶融塩とを反応させ、該不純物を系外に除去する。
すなわち、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去する、シリコンの製造装置であって、系内に下記(1)〜(4)が備えられていることに特徴を有する。
(1)底部と側部と上部開口部とを有し、前記不純物を含む溶融シリコンと前記溶融塩とが充填される容器
(2)前記不純物を含む溶融シリコンと前記溶融塩とを加熱する加熱手段
(3)前記容器の前記上部開口部よりも上方に設けられ、前記蒸発物を凝縮させ凝縮物とする凝縮手段
(4)前記溶融塩との反応によって前記溶融シリコンから除去された前記不純物を排出する排出手段
(1)底部と側部と上部開口部とを有し、前記不純物を含む溶融シリコンと前記溶融塩とが充填される容器
(2)前記不純物を含む溶融シリコンと前記溶融塩とを加熱する加熱手段
(3)前記容器の前記上部開口部よりも上方に設けられ、前記蒸発物を凝縮させ凝縮物とする凝縮手段
(4)前記溶融塩との反応によって前記溶融シリコンから除去された前記不純物を排出する排出手段
例えば、チャンバー等の筐体内に上記容器、加熱手段、凝縮手段を設置することで、当該筐体内を「系内」、筐体外を「系外」とすることができる。そして筐体の一部に排出手段としての排出口を設けることで、溶融シリコンの精製時、系内から排出口を介して系外へと不純物を蒸発除去することができる。
3.1.容器
容器は、溶融シリコンと溶融塩とが充填されるものであり、容器内で上記溶融シリコンと溶融塩との界面が形成されることで、溶融シリコン中の不純物と溶融塩とを反応させることができる。そして、不純物は、気相に蒸発し、または、溶融塩中に溶解して該溶融塩と共に気相に蒸発することによって、溶融シリコンから上部開口部及び排出手段を介して系外へと除去される。
容器は、溶融シリコンと溶融塩とが充填されるものであり、容器内で上記溶融シリコンと溶融塩との界面が形成されることで、溶融シリコン中の不純物と溶融塩とを反応させることができる。そして、不純物は、気相に蒸発し、または、溶融塩中に溶解して該溶融塩と共に気相に蒸発することによって、溶融シリコンから上部開口部及び排出手段を介して系外へと除去される。
容器の材質については、本発明に係るシリコンの製造方法を実施可能なものであれば特に限定されるものではないが、グラファイトまたはシリコンカーバイドからなる容器を用いることが好ましい。容器の形状、大きさについては、精製プロセスの規模(加熱手段の規模)に応じて適宜決定すればよい。
3.2.加熱手段
加熱手段は、容器内に充填された溶融シリコンと溶融塩とを加熱可能なものであれば特に限定されるものではない。特に、誘導加熱炉を用いると、容器内の溶融シリコン及び溶融塩が誘導攪拌され、反応を促進させることができ好ましい。
加熱手段は、容器内に充填された溶融シリコンと溶融塩とを加熱可能なものであれば特に限定されるものではない。特に、誘導加熱炉を用いると、容器内の溶融シリコン及び溶融塩が誘導攪拌され、反応を促進させることができ好ましい。
3.3.凝縮手段
凝縮手段は、容器の上部開口部の上方に設けられ、前記不純物を含む溶融塩を蒸発させた蒸発物を凝縮させ、凝縮物とすることが可能なものであれば、特に限定されるものではない。凝縮手段は、該蒸発物を冷却することによって凝縮させ凝縮物とする冷却手段であることが好ましい。
凝縮手段は、容器の上部開口部の上方に設けられ、前記不純物を含む溶融塩を蒸発させた蒸発物を凝縮させ、凝縮物とすることが可能なものであれば、特に限定されるものではない。凝縮手段は、該蒸発物を冷却することによって凝縮させ凝縮物とする冷却手段であることが好ましい。
例えば、凝縮手段は、系内の上下方向に延在する側壁を有するとともに、上部及び下部が開口部とされた、中空の筒状体とすることができる。このような筒状体の内部(中空部)においては、温度分布が存在し、容器側から離れるにしたがって温度が低下する。すなわち、蒸発した溶融塩は、筒状体の内部を上昇するにつれて冷却され、いずれは凝縮することとなる。
本発明に係るシリコンの製造装置は、前記凝縮物を溶融塩として再利用する手段をさらに備えることが好ましい。凝縮物を溶融塩として再利用する手段としては、例えば、容器の上部開口部から溶融シリコンへと落下させる手段が挙げられる。容器の上部開口部から溶融シリコンへと落下させる手段としては、具体的には、例えば、凝縮物に振動を与える手段、凝縮物を掻き落とすための手段(例えば、J字型などの棒)等が挙げられる。
凝縮した溶融塩の密度が増加し、筒状体の内部から容器の上部開口部へと、例えば、自然落下、下降気流等によって溶融シリコンへと接触することにより、反応に寄与する。一方で、蒸発除去された不純物は蒸気圧が大きいため、筒状体の内部において凝縮することなくそのまま上昇して系外へと排出される。これによって、不純物を除去しつつ、凝縮した溶融塩を再度溶融シリコン中に供給することが可能となる。
尚、蒸発した溶融塩は、筒状体の中空の空間部で冷却・凝縮されてもよく、筒状体の内部側壁に付着して凝縮されてもよい。内部側壁に付着した凝縮物であっても、側壁から剥がれ落ちることで、または、側壁から流れ落ちることで、容器の上部開口部へと自然落下可能である。この際は、筒状体に振動を加えられるような手段を設けると、溶融塩の落下が促され好ましい。
筒状体の形状および大きさは特に限定されるものではない。蒸発した溶融塩が冷えて凝縮し、自由落下するような構造であればよく、例えば、上記容器の上部開口部と同程度の大きさの口(中空部)を有し、容器から上方に延びる筒状体とすることができる。
筒状体の材質についても系内の温度に耐え得るものであって、蒸発した溶融塩との反応を生じ難いものであれば特に限定されるものではない。例えば、上記容器と同様の材質のものとすることができる。
また、筒状体の周囲に温度制御のためにセラミック等の断熱材をつけてもよい。さらに、筒状体の開口部には、ガスだけを逃がすようにカーボンフェルト等でフィルターをつけてもよい。
また、凝縮手段を筒状体とする場合、当該筒状体の内部には、仕切り部材が設けられていてもよい。仕切り部材によって、筒状体内部の表面積を増大させることができる。また、蒸発した溶融塩の上昇を制御することもできる。仕切り部材の形状や材質については特に限定されるものではない。
また、筒状体の上部が閉じられていてもよい。これにより蒸発した溶融塩を適切に捕捉し凝縮させることができる。ただし、筒状体の上部を閉じる場合は、蒸発除去された不純物の逃げ道として、筒状体と容器との間、または筒状体の側壁等に間隙を設けることが好ましい。これにより、系内において溶融塩だけでなく不純物まで循環してしまうことを防止することができる。
一方、凝縮手段は、系内の上下方向とは交差する方向に延在する板状体であってもよい。このような形態であっても、板状体の容器側表面近傍にて、蒸発した溶融塩を凝縮させることができる。特に、水冷定盤とするとよい。蒸発した溶融塩をより適切に凝縮させることができるからである。
板状体の材質については、上記筒状体と同様のものとすればよい。また、板状体の形状、大きさについては、容器の大きさを考慮して適宜決定すればよい。尚、板状体とする場合も、板状体と容器との間、または板状体の一部に、蒸発除去された不純物の逃げ道として間隙や孔を設けることが好ましい。
板状体の設置位置は、容器の上部開口部の上方であればよい。特に、系内において溶融塩の蒸気で満たされている位置に設けることが好ましい。
凝縮手段においては、蒸発した溶融塩が融点以下に凝縮されれば、溶融塩を落下させるという効果を期待できる。特に、凝縮手段は、蒸発した溶融塩を凝固点以下にまで冷却する手段であることが好ましい。
したがって、不要な温度上昇を避けるべく、凝縮手段は加熱手段よりも外側(上方)に設けられることが好ましい。例えば、加熱炉を誘導炉とした場合、コイルよりも上方に延びる側壁を有する筒状体、または、コイルよりも上方に設けられた板状体とすることが好ましい。
また、本発明に係るシリコンの製造装置は、前記凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する手段をさらに備えることが好ましい。凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する手段をさらに備えることにより、不純物の含有量の多い凝縮物が凝縮手段から除去され、溶融塩として利用される凝縮物に含まれる不純物の量を低減することができる。
凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する手段としては、例えば、凝縮物を溶融シリコンへと落下させ、反応に寄与させる手段、凝縮物を系外に除去する手段が挙げられる。具体的には、例えば、凝縮物に振動を与える手段、凝縮物を掻き落とすための手段(例えば、J字型などの棒)、凝縮物を高温にして系外に排出する手段、系内と系外とを連通するように設けられた排出口等が挙げられる。これらの手段は、単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。
3.4.排出手段
排出手段は、溶融塩との反応によって溶融シリコンから除去された不純物、不純物を含む溶融塩を蒸発させた蒸発物、または該蒸発物を凝縮手段により凝縮させた凝縮物を系外に排出する手段である。本発明のシリコンの製造装置は、複数の排出手段を備えていてもよい。
排出手段は、溶融塩との反応によって溶融シリコンから除去された不純物、不純物を含む溶融塩を蒸発させた蒸発物、または該蒸発物を凝縮手段により凝縮させた凝縮物を系外に排出する手段である。本発明のシリコンの製造装置は、複数の排出手段を備えていてもよい。
ここで排出とは、系内から系外への排出を意味する。すなわち、排出手段としては、例えば、系内と系外とを連通するように設けられた排出口が挙げられる。上記したように、排出口は、チャンバー等の筐体の一部に設けることができる。特に、筐体の上部に設けることが好ましい。
尚、排出手段が不純物を含む溶融塩を蒸発させた蒸発物を吸引する吸引手段であってもよい。これにより、溶融塩を逃すことなく凝縮させることができる。
尚、吸引手段によって蒸発除去された不純物も吸引されることとなるが、上述したように蒸発除去された不純物は蒸気圧が大きいため、気体で系外に除去されるか、又は、系外では温度が低いため、やはり凝縮し、溶融塩と共に回収される。
また、本発明に係るシリコンの製造装置には、さらに、前記蒸発物を回収するための回収手段が備えられていてもよい。回収手段は製造装置の系外に備えられていることが好ましい。
例えば、シリコンの精製が完了した後、溶融塩を蒸発除去する場合、回収手段によって蒸発除去した溶融塩を系外にて回収しておけば、次回のシリコン精製時に再び溶融塩として再利用することができる。
回収手段の具体例としては、サイクロン、バグフィルター又は湿式捕集手段のいずれかが好ましい。
シリコンの精製が完了し、溶融塩を蒸発除去する場合は、冷却手段を機能させないようにする(例えば、筒状体若しくは板状体の向きを変更する、または、筒状体若しくは板状体を系内から系外へと取り外す等)。これにより、溶融塩をスムーズに蒸発除去させることができる。
本発明のシリコン製造装置は、前記容器に溶融塩を添加する手段を備えていてもよい。容器に溶融塩を添加する場合、液状の溶融塩を添加してもよいし、固体状にした溶融塩を添加してもよい。いずれの場合も、例えば、原材料投入口(投入管)を通じて容器に添加することができ、又、溶融塩を入れたバケット(bucket)から直接容器に添加してもよい。固体状にした溶融塩を容器に添加する場合、粉末状にした溶融塩を添加してもよく、又、棒状に成形した溶融塩を、容器の中に挿入してシリコンと接触させてもよい。
本発明に係るシリコンの製造装置の具体例を、上記以外のその他構成等も含めさらに詳細に説明する。
3.5.1.シリコンの製造装置100
図1に、一実施形態に係る本発明のシリコンの製造装置100を概略的に示す。この製造装置100は、密閉可能なチャンバー、またはアルゴン等の不活性ガスでシールできる筐体7、その内部に配置したグラファイト等の容器(るつぼ)3、誘導加熱用のコイル4、断熱材8、るつぼ3を支持する支持台10、及びシリコンを鋳込むための鋳型9などから成り、溶融シリコン1、溶融塩2は、るつぼ3の中に液相分離の形で充填されている。
図1に、一実施形態に係る本発明のシリコンの製造装置100を概略的に示す。この製造装置100は、密閉可能なチャンバー、またはアルゴン等の不活性ガスでシールできる筐体7、その内部に配置したグラファイト等の容器(るつぼ)3、誘導加熱用のコイル4、断熱材8、るつぼ3を支持する支持台10、及びシリコンを鋳込むための鋳型9などから成り、溶融シリコン1、溶融塩2は、るつぼ3の中に液相分離の形で充填されている。
筐体7には、ガスの導入口11、排気口12、原材料投入口6等が取り付けられている。筐体7として真空容器を用いる場合は、チャンバーの中を0.01〜2×105Pa(真空から2気圧)程度の圧力範囲まで制御することができるが、通常の、Ar等の不活性ガスシール筐体を用いる方が経済的である。
また、誘導加熱用のコイル4、断熱材8、るつぼ3は、一体で傾動できるようになっており、処理の済んだ溶融シリコン1は、鋳型9に流しこまれる。
図1においては、まず、るつぼ3の上方にある筒、又は上部が蓋になった筒13とるつぼ3との間を開けて、粉又は粒状の溶融塩を、原材料投入口6から溶融シリコン表面に一定量投入し、投入した後に、筒13をるつぼ3の上方に再び設置する。
投入された溶融塩は、加熱溶融した後蒸発するが、筒13の中で蒸気が上昇した時に冷えて凝縮し、液状または固体状となり、密度が高いために再びるつぼ3中に自然落下することによって循環する。
これによって、反応に関与せずに無駄に蒸発する溶融塩を減らすことができる。また、溶融シリコン1中の不純物は溶融塩2と反応してガス状反応生成物となる。当該ガス状反応生成物は、筒13の上部開口、または、るつぼ3と筒13との間の間隙14から系外に除去され、溶融シリコンが精製される。尚、ガス状反応生成物をより効率的に系外に排出するために、筒13の一部にガスが通過できる小さな穴を空けておくことも有効である。
一定時間後に、筒13をるつぼ3から遠ざけ、残っている溶融塩を蒸発させる。この時、溶融塩にも不純物が微量溶解しているので、このプロセスによっても溶融シリコンは精製されることとなる。蒸発物は、排気口12から系外に排気される。必要によっては、これらのプロセスを繰り返すことによって、溶融シリコン1は高純度化される。
るつぼ3の上方にある筒、又は上部が蓋になった筒13の内側に、酸化物または窒化物、例えば、シリカまたは窒化シリコンをコーティングすることが好ましい。高純度のシリカや窒化シリコンの粒子をコーティングしてもよい。このようにコーティングすることにより、NaFの固着を容易に防止することができる。
3.5.2.シリコンの製造装置200
図2に、一実施形態に係る本発明のシリコンの製造装置200を概略的に示す。図2の製造装置200においては、上記の両液相の界面を動かすことが不純物処理に有利であることに鑑み、液相の中に不活性ガスであるアルゴン等をガス吹き込み管25で吹き込むことによって液相を攪拌し、両液相界面での接触状態を改善可能としている。こうすることにより、不活性ガスとともに、界面での不純物の反応生成物を効率よく追い出すこともできる。
図2に、一実施形態に係る本発明のシリコンの製造装置200を概略的に示す。図2の製造装置200においては、上記の両液相の界面を動かすことが不純物処理に有利であることに鑑み、液相の中に不活性ガスであるアルゴン等をガス吹き込み管25で吹き込むことによって液相を攪拌し、両液相界面での接触状態を改善可能としている。こうすることにより、不活性ガスとともに、界面での不純物の反応生成物を効率よく追い出すこともできる。
溶融シリコン1の撹拌に関しては、上記のようなガス吹き込みの変わりに、高周波誘導炉を用いてシリコン液相を誘導攪拌することや、また、攪拌板を溶融シリコン1中で回転し液相を攪拌する方法も有効である。
誘導加熱の場合、電源の周波数が比較的低い、例えば、0.5〜5KHz程度の電源を用いると、誘導電流がシリコン融液内で発生し、特有の攪拌現象が発生するので好ましい。特に、この場合、攪拌板等をシリコン融液内に挿入する機械的撹拌をすることなく融液を攪拌できるので、汚染の点からも好ましい。
3.5.3.シリコンの製造装置300
図3に、一実施形態に係る本発明のシリコンの製造装置300を概略的に示す。図3のシリコンの製造装置300においては、シリコンの製造装置100の筒13に替えて、板33が設けられている。このように筒13に替えて板33が系内の上下方向と交差するように設けられていることで、板33のるつぼ3側の表面近傍において、蒸発した溶融塩を適切に凝縮させることができる。
図3に、一実施形態に係る本発明のシリコンの製造装置300を概略的に示す。図3のシリコンの製造装置300においては、シリコンの製造装置100の筒13に替えて、板33が設けられている。このように筒13に替えて板33が系内の上下方向と交差するように設けられていることで、板33のるつぼ3側の表面近傍において、蒸発した溶融塩を適切に凝縮させることができる。
シリコンの製造装置100、200、300に例示されるようなシリコンの製造装置によって、上記した本発明に係るシリコンの製造方法を適切に実施することができる。
3.5.4.その他の形態
ホウ素(B)、アルミニウム(Al)及びカルシウム(Ca)等の不純物を含む溶融シリコンから、当該不純物を短時間に同一のプロセスで効率よく除去する観点からは、下記のような構成を備えるシリコンの製造装置としてもよい。
ホウ素(B)、アルミニウム(Al)及びカルシウム(Ca)等の不純物を含む溶融シリコンから、当該不純物を短時間に同一のプロセスで効率よく除去する観点からは、下記のような構成を備えるシリコンの製造装置としてもよい。
例えば、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを系内で接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とし、該蒸発物と該不純物とを含んだヒュームを吸引口から吸引して系外に除去する、シリコンの製造装置であって、系内には、底部と側部と上部開口部とを有し、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とが充填される容器、不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを加熱する加熱手段、溶融シリコン及び溶融塩の液面と対向する位置に設けられた吸引口、及び、吸引口と接続され系外へと延びる流通経路が備えられ、系外には、流通経路に接続された吸引手段及び回収手段が備えられる、シリコンの製造装置によって、溶融シリコンの精製の際に、蒸発した溶融塩や不純物を吸引口から流通経路を介して系外へと吸引・除去することができる。そして、系外に設けられた回収手段によって、溶融塩を回収することができ、溶融塩を再利用することが可能となる。
ここで、吸引口が、溶融シリコン及び溶融塩の液面と対向する位置であって、容器の上部開口部よりも下方に設けられるとよい。また、蒸発した溶融塩や不純物を効率よく吸引するために、溶融シリコンと溶融塩とが充填される容器側壁の最上端部の風速(m・s−1)を、0.5以上とすることが好ましい。
流通経路の径は小さくすることが、風速を大きくして、経路壁面に溶融塩が付着することを抑制するために好ましいが、小さすぎると圧力損失が大きくなる。そのため、流通経路の風速(m・s−1)が、5以上30以下とするように、流通経路の径と風量を決めることが好ましい。
このような形態にあっては、回収した溶融塩を精製するため、溶融塩を溶融させる加熱手段を系外にさらに備えるとよい。回収した溶融塩を加熱溶融させることで、溶融塩中に溶解・残存する不純物を除去することができる。
回収手段の形態としては特に限定されないが、例えば、サイクロン、バグフィルター、または湿式捕集手段等を挙げることができる。湿式捕集手段を用いる場合は、溶媒として水を用いると好ましい。
図4に、一実施形態に係るシリコンの製造装置400を概略的に示す。図4のシリコンの製造装置400においては、シリコンの製造装置100の筒13に替えて、吸引手段40が設けられている。吸引手段40は、吸引口が溶融シリコン1及び溶融塩2の液面と対向する位置に設けられている。
また、吸引口がるつぼ3の内側(上部開口部よりも下方)に設けられているので、蒸発した溶融塩を効率的に吸引することが可能である。これにより、溶融塩を吸引口で凝縮させることなく効率的に吸引することができる。
以上のようなシリコンの製造装置によれば、本発明に係るシリコンの製造方法を適切に実施することができる。本発明に係るシリコンの製造方法により得られるシリコンの不純物濃度は、ホウ素(B)については2.0ppm以下が好ましく、1.5ppm以下がより好ましく、1.0ppm以下がさらに好ましく、0.5ppm以下が特に好ましい。
また、アルミニウム(Al)については、通常20ppm以下が好ましく、18pm以下がより好ましく、2ppm以下がさらに好ましく、1ppm以下が特に好ましい。さらに、カルシウム(Ca)については、通常20ppm以下が好ましく、5ppm以下がより好ましく、2ppm以下がさらに好ましく、1ppm以下が特に好ましい。
尚、本発明に係る製造方法において上記工程S1、S2を何度も繰り返すことによって、不純物濃度を上記値よりもさらに小さくすることもできる。
シリコン中の不純物濃度は、例えば、ICP−MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer:高周波誘導結合プラズマ質量分析計)により分析することができる。
本発明に係るシリコンの製造方法により得られるシリコンは、さらに他の精製方法を組み合わせてより純度を高めてもよい。
4.シリコンの用途
本発明に係るシリコンの製造方法によって得られたシリコンは、公知の方法で加工することにより、例えば、太陽電池用のシリコンインゴットまたはシリコンウェハーとして用いることができる。または、太陽電池素子や太陽電池用パネルを制作する際の素材に使用される高純度シリコンとして用いることもできる。
本発明に係るシリコンの製造方法によって得られたシリコンは、公知の方法で加工することにより、例えば、太陽電池用のシリコンインゴットまたはシリコンウェハーとして用いることができる。または、太陽電池素子や太陽電池用パネルを制作する際の素材に使用される高純度シリコンとして用いることもできる。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例により制限されるものではない。
尚、以下の実施例において、シリコン中の不純物濃度(ppm)は、ICP−MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer:高周波誘導結合プラズマ質量分析計)で分析した値(質量基準)である。
また、実施例で用いた原料金属シリコンの不純物濃度は、ホウ素(B):11ppm、リン(P):13ppm、鉄(Fe):190ppm、チタン(Ti):34ppm、アルミニウム(Al):220ppm、カルシウム(Ca):4.1ppm、ナトリウム(Na):0.4ppmであった。
実施例1
図1で示したような装置において、アルゴンでシールしたうえで、筐体7内を大気圧とし、グラファイト製るつぼ3に精製用の原料金属シリコン3kgを入れ、約1450℃に加熱溶解した。その後、るつぼ3を逆さにしたものと同様の形態である筒13を、るつぼ3の上部から外し、溶融塩(NaF)を、原材料投入口6から0.5kg投入した後、再び、筒13をるつぼ3の上部に被せて、1時間放置した。
図1で示したような装置において、アルゴンでシールしたうえで、筐体7内を大気圧とし、グラファイト製るつぼ3に精製用の原料金属シリコン3kgを入れ、約1450℃に加熱溶解した。その後、るつぼ3を逆さにしたものと同様の形態である筒13を、るつぼ3の上部から外し、溶融塩(NaF)を、原材料投入口6から0.5kg投入した後、再び、筒13をるつぼ3の上部に被せて、1時間放置した。
放置している間、シリコンと反応して生成したと思われるガスは、るつぼ3と筒13との間隙14から放出させた。その後、筒13をるつぼ3の上部から外し、溶融塩(NaF)を全て蒸発除去した。このように溶融塩の添加を1回につき0.5kgずつ6回として、それぞれにおいて上記と同様の操作を行い、最後にるつぼ3を傾動して、シリコンを鋳型9に傾鋳して固化させた。実験後において筒13の内部を観察したところ、るつぼ3に近い部分を除いて、溶融塩(NaF)の蒸発物は殆ど付着していなかった。
1回から6回目の実験の間にシリコンをサンプリングした結果、得られたシリコン中の主要な不純物濃度は以下のようになった。
2回目:ホウ素(B):4.7ppm、リン(P):19ppm、鉄(Fe):200ppm、チタン(Ti):34ppm、アルミニウム(Al):5.5ppm、カルシウム(Ca):2.5ppm、ナトリウム(Na):9.4ppm。
4回目:ホウ素(B):2.1ppm、リン(P):17ppm、鉄(Fe):200ppm、チタン(Ti):33ppm、アルミニウム(Al):2.1ppm、カルシウム(Ca):1.7ppm、ナトリウム(Na):19ppm。
6回目:ホウ素(B):1.0ppm、リン(P):18ppm、鉄(Fe):190ppm、チタン(Ti):34ppm、アルミニウム(Al):1.0ppm、カルシウム(Ca):1.2ppm、ナトリウム(Na):15ppm。
2回目:ホウ素(B):4.7ppm、リン(P):19ppm、鉄(Fe):200ppm、チタン(Ti):34ppm、アルミニウム(Al):5.5ppm、カルシウム(Ca):2.5ppm、ナトリウム(Na):9.4ppm。
4回目:ホウ素(B):2.1ppm、リン(P):17ppm、鉄(Fe):200ppm、チタン(Ti):33ppm、アルミニウム(Al):2.1ppm、カルシウム(Ca):1.7ppm、ナトリウム(Na):19ppm。
6回目:ホウ素(B):1.0ppm、リン(P):18ppm、鉄(Fe):190ppm、チタン(Ti):34ppm、アルミニウム(Al):1.0ppm、カルシウム(Ca):1.2ppm、ナトリウム(Na):15ppm。
6回目(NaFの総投入量は3kg)で、ホウ素は、元の原料の約10%まで、また、アルミニウム、カルシウムはともに大幅に減少しており、ナトリウムの濃度も、その後のプロセスで除去可能な程度に十分に低かった。さらに、このプロセスを続ければ、ホウ素濃度を低下させることが可能である。
実施例2
図2で示したように、溶融シリコン中にガス吹き込み管25を挿入してアルゴンガスを吹き込み、溶融塩の添加を1回につき0.5kgずつ3回とした以外は、実施例1と全く同じ条件で実験を行った。アルゴンガスは、実験中500ccmで常時に吹き込み続ける状態とした。
図2で示したように、溶融シリコン中にガス吹き込み管25を挿入してアルゴンガスを吹き込み、溶融塩の添加を1回につき0.5kgずつ3回とした以外は、実施例1と全く同じ条件で実験を行った。アルゴンガスは、実験中500ccmで常時に吹き込み続ける状態とした。
実施例1と同様、実験後において筒13の内部を観察したところ、るつぼに近い部分を除いて、溶融塩(NaF)の蒸発物は殆ど付着していなかった。ただし、アルゴンの吹き込み管の部分にNaFが付着していた。これは溶融塩の蒸発除去の際、アルゴンの吹き込み管の部分でNaFが冷却されたためと考えられる。
3回目(NaFの総投入量は1.5kg)で、得られたシリコン中の主要な不純物濃度は、ホウ素(B):1.8ppm、リン(P):16ppm、鉄(Fe):250ppm、チタン(Ti):38ppm、アルミニウム(Al):1.2ppm、カルシウム(Ca):1.8ppm、ナトリウム(Na):6.2ppmであり、ホウ素、アルミニウム、カルシウムともに減少しており、ナトリウムの濃度もその後のプロセスで除去可能な程度に十分に低かった。
比較例1
図1において、るつぼ3の上方に筒13を設けず、るつぼ3の上方は開放した形で、同様の実験を行った。ただし、この場合、溶融塩(NaF)の蒸発が激しいため、溶融塩の添加を1回につき実施例の2倍の1kgとし、3回投入した。
図1において、るつぼ3の上方に筒13を設けず、るつぼ3の上方は開放した形で、同様の実験を行った。ただし、この場合、溶融塩(NaF)の蒸発が激しいため、溶融塩の添加を1回につき実施例の2倍の1kgとし、3回投入した。
3回目(NaFの総投入量は3kg)で、得られたシリコン中の主要な不純物濃度は、ホウ素(B):3.3ppm、リン(P):14ppm、鉄(Fe):86ppm、チタン(Ti):41ppm、アルミニウム(Al):4.4ppm、カルシウム(Ca):2.1ppm、ナトリウム(Na):33ppmであり、アルミニウム、カルシウムは減少したが、投入NaFが多い割には、ホウ素は、元の原料の30%程度までしか減少せず、不十分であった。反応に寄与しないまま蒸発してしまうNaFが、多量に存在することがわかる。
尚、本実施例にて用いた、NaFの不純物濃度は、ホウ素(B):0.5ppm、リン(P):1.2ppmであった。
実施例1および2、並びに比較例1の結果から、不純物を含む溶融塩を蒸発させた蒸発物を凝縮手段により凝縮させ凝縮物とすることにより、該凝縮物を溶融塩として再利用することができ、溶融塩の使用量を低減し、効率的にシリコンを精製できることがわかった。
実施例3〜6
溶融シリコンに対するNaF添加量、NaF添加回数、処理時間(筒13を保持した時間)を表1に示す条件とした以外は、実施例1と同様にして実験した。表1において、「凝縮手段」が「有」とは、るつぼ3の上方に筒13を設けたことを示す。また、「凝縮手段からの凝縮物除去」が「無」とは、処理中に同一の筒13を用いたことを示す。
溶融シリコンに対するNaF添加量、NaF添加回数、処理時間(筒13を保持した時間)を表1に示す条件とした以外は、実施例1と同様にして実験した。表1において、「凝縮手段」が「有」とは、るつぼ3の上方に筒13を設けたことを示す。また、「凝縮手段からの凝縮物除去」が「無」とは、処理中に同一の筒13を用いたことを示す。
実施例7〜13
溶融シリコンに対するNaF添加量、NaF添加回数、処理時間(筒13を保持した時間)を表1に示す条件とした以外は、実施例1と同様にして実験した。表1において、「凝縮手段からの凝縮物除去」が「有」とは、処理中に筒13を凝縮物の付着していない筒13と交換したことを示す。
溶融シリコンに対するNaF添加量、NaF添加回数、処理時間(筒13を保持した時間)を表1に示す条件とした以外は、実施例1と同様にして実験した。表1において、「凝縮手段からの凝縮物除去」が「有」とは、処理中に筒13を凝縮物の付着していない筒13と交換したことを示す。
実施例7については、500gのNaFを6回添加(添加量はSiに対し100%)し、添加毎に1時間保持した。実施例7において、筒13の交換は、処理開始から1時間経過後に行った。
実施例8〜10については、NaFの添加量を1回目500gとし、2回目以降は250gずつ添加し、添加毎に1.5時間保持した。実施例8〜10において、筒13の交換は、実施例7と同様に、処理開始から1時間経過後に行った。
実施例11〜13については、NaFの添加量を1回目500gとし、2回目以降は200gずつ添加し、添加毎に1時間保持した。筒13の交換は、実施例7と同様に、処理開始から1時間経過後に行った。
比較例2〜4
溶融シリコンに対するNaF添加量、NaF添加回数、処理時間を表1に示す条件とした以外は、比較例1と同様にして実験した。
溶融シリコンに対するNaF添加量、NaF添加回数、処理時間を表1に示す条件とした以外は、比較例1と同様にして実験した。
実施例3〜13および比較例2〜4のシリコン中の不純物濃度、シリコン中のホウ素(B)残存率、歩留りを表1に示す。なお、表1において、「ホウ素(B)残存率」とは、ホウ素の初期濃度に対する、測定時点の濃度比を示す。また、「歩留り」とは、溶解したシリコン量に対して鋳込んだ(回収した)シリコン量の割合(%)を示す。
実施例3〜13、比較例2〜4について、横軸をNaF添加量対Si(%)とし、縦軸を処理後におけるシリコン中のホウ素(B)残存率(%)としてプロットしたグラフを図5に示す。
図5に示すように、凝縮手段を用いて処理した実施例3〜13は、凝縮手段を用いずに処理した比較例2〜4と比較して、シリコン中のホウ素(B)残存率が低かった。また、凝縮手段に付着した凝縮物を処理中に除去した実施例8〜13は、凝縮手段から凝縮物を除去せずに処理した実施例3〜6と比較して、高効率でシリコンを精製できることがわかった。
実施例3〜7、実施例11〜13、比較例2〜4について、横軸を処理時間(時間)とし、縦軸を処理後におけるシリコン中のホウ素(B)残存率(%)としてプロットしたグラフを図6に示す。
図6に示すように、凝縮手段を用いて処理した実施例3〜13は、凝縮手段を用いずに処理した比較例2〜4と比較して、短時間でシリコン中のホウ素(B)残存率を低減できることがわかった。また、凝縮手段に付着した凝縮物を処理中に除去した実施例7〜13は、凝縮手段から凝縮物を除去せずに処理した実施例3〜6と比較して、高効率でシリコンを精製できることがわかった。
実施例3〜13について、横軸を処理時間(時間)とし、縦軸を処理後におけるシリコン中のホウ素(B)残存率(%)としてプロットしたグラフを図7に示す。
図7に示すように、凝縮手段に付着した凝縮物を処理中に除去した実施例8〜10は、凝縮手段から凝縮物を除去せずに処理した実施例3〜6と比較して、高効率でシリコンを精製できることがわかった。
実施例3〜13および比較例2〜4の結果から、不純物を含む溶融塩を蒸発させた蒸発物を凝縮手段により凝縮させ凝縮物とする工程に加え、さらに凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する工程を経ることにより、より高効率でシリコンを精製できることがわかった。
以上、現時点において、最も実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うシリコンの製造方法及び製造装置、シリコンウェハー、並びに、太陽電池パネルもまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更および変形が可能であることは、当業者にとって明らかである。なお本出願は、2010年12月20日付で出願された日本特許出願(特願2010−283210)に基づいており、その全体が引用により援用される。
本発明に係るシリコンの製造方法によって得られたシリコンは、例えば、シリコンウェハーまたは太陽電池用パネルの材料として利用することができる。
1 溶融シリコン
2 溶融塩
3 るつぼ
4 コイル
6 原材料投入口(投入管)
7 筐体
8 断熱材
9 鋳型
10 支持台
11 ガス導入口
12 排気口
13 筒
14 間隙
25 ガス吹き込み管
33 板
40 吸引手段
100、200、300、400 シリコンの製造装置
2 溶融塩
3 るつぼ
4 コイル
6 原材料投入口(投入管)
7 筐体
8 断熱材
9 鋳型
10 支持台
11 ガス導入口
12 排気口
13 筒
14 間隙
25 ガス吹き込み管
33 板
40 吸引手段
100、200、300、400 シリコンの製造装置
Claims (28)
- 不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去し、
該蒸発物を凝縮手段により凝縮させ凝縮物とすることを特徴とする、シリコンの製造方法。 - 前記凝縮物を溶融塩として利用する、請求項1に記載のシリコンの製造方法。
- 前記凝縮物を凝縮手段から落下させ、凝縮物中の溶融塩を溶融シリコンと接触させる、請求項1または2に記載のシリコンの製造方法。
- 前記凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
- 前記凝縮手段を交換することにより、凝縮手段に付着した凝縮物を凝縮手段から除去する請求項1〜4のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
- 前記凝縮手段が、前記蒸発物を冷却することによって凝縮させて凝縮物とする、系内の上部に設けられた冷却手段である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
- 前記凝縮物の温度を前記溶融塩の融点以下として固化させて凝固物とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
- 前記不純物を溶融シリコンから除去した後、前記溶融塩を系外へと蒸発除去する、請求項1〜7のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
- 前記溶融シリコン中に不活性ガスを吹き込むことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
- 前記不純物にはホウ素が含まれる、請求項1〜9のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
- 前記溶融塩が、アルカリ金属とハロゲンとを含む複合塩、及び、アルカリ土類金属とハロゲンとを含む複合塩、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含むものである、請求項1〜10のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
- 前記溶融塩が、フッ化リチウム(LiF)、フッ化ナトリウム(NaF)、フッ化カリウム(KF)、フッ化ルビジウム(RbF)、フッ化セシウム(CsF)、珪フッ化ソーダ(Na2SiF6)、クリオライト(Na3AlF6)、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムとの混合物、及び、フッ化ナトリウムとフッ化バリウムと塩化バリウムとの混合物、並びに、これらの混合物、よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
- 前記溶融塩の量が、溶融シリコンに対して、5質量%以上300質量%以下である、請求項1〜12のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
- 不純物を含む溶融シリコンと溶融塩とを接触させ、該不純物を含む溶融塩を蒸発させ蒸発物とすることにより該不純物を該溶融シリコンから除去する、シリコンの製造装置であって、
底部と側部と上部開口部とを有し、前記不純物を含む溶融シリコンと前記溶融塩とが充填される容器、
前記不純物を含む溶融シリコンと前記溶融塩とを加熱する加熱手段、
前記容器の前記上部開口部よりも上方に設けられ、前記蒸発物を凝縮させ凝縮物とする凝縮手段、及び
前記溶融塩との反応によって前記溶融シリコンから除去された前記不純物を排出する排出手段、
が備えられる、シリコンの製造装置。 - さらに前記容器に溶融塩を添加する手段を備える請求項14に記載のシリコンの製造装置。
- さらに、前記凝縮物を溶融塩として再利用する手段を備える、請求項14または15に記載のシリコンの製造装置。
- さらに、前記凝縮手段に付着した前記凝縮物を凝縮手段から除去する手段を備える、請求項14〜16のいずれか一項に記載のシリコンの製造装置。
- 前記凝縮手段が、系内の上下方向に延在する側壁を有するとともに、上部及び下部が開口部とされた、中空の筒状体である、請求項14〜17のいずれか一項に記載のシリコンの製造装置。
- 前記筒状体の内部に仕切り部材が設けられている、請求項18に記載のシリコンの製造装置。
- 前記凝縮手段が、系内の上下方向に延在する側壁を有し、下部が開口部とされるとともに上部が閉じられた、筒状体である、請求項14〜17のいずれか一項に記載のシリコンの製造装置。
- 前記凝縮手段が、系内の上下方向とは交差する方向に延在する板状体である、請求項14〜17のいずれか一項に記載のシリコンの製造装置。
- 前記凝縮手段が、前記蒸発物を冷却することによって凝縮させて凝縮物とする冷却手段である、請求項14〜21のいずれか一項に記載のシリコンの製造装置。
- 前記容器が、グラファイト又はシリコンカーバイドからなる、請求項14〜22のいずれか一項に記載のシリコンの製造装置。
- さらに、前記蒸発物を吸引する吸引手段を備える、請求項14〜23のいずれか一項に記載のシリコンの製造装置。
- さらに、前記蒸発物を回収するための回収手段を備える、請求項14〜24のいずれか一項に記載のシリコンの製造装置。
- 前記回収手段が、サイクロン、バグフィルター又は湿式捕集手段のいずれかである、請求項25に記載のシリコンの製造装置。
- 請求項1〜13のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法により得られたシリコンを含む、シリコンウェハー。
- 請求項1〜13のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法により得られたシリコンを含む、太陽電池用パネル。
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