WO2011111767A1 - シリコンの回収方法およびシリコンの製造方法 - Google Patents

シリコンの回収方法およびシリコンの製造方法 Download PDF

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raw material
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silicon carbide
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圭二 山原
利昭 片山
正 橋口
利基 白濱
毅 沢井
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三菱化学株式会社
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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
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/023—Preparation by reduction of silica or free silica-containing material
    • C01B33/025—Preparation by reduction of silica or free silica-containing material with carbon or a solid carbonaceous material, i.e. carbo-thermal process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
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    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/023—Preparation by reduction of silica or free silica-containing material

Definitions

  • the present invention relates to a silicon recovery method and a silicon manufacturing method. Specifically, the present invention relates to a method for recovering silicon from scraps generated during cutting or grinding of a silicon ingot or a silicon wafer, and a method for producing silicon from the scraps and a silica raw material.
  • Solar cells have the advantage that the amount of carbon dioxide emission per unit of power generation is small and fuel for power generation is not required, and the demand has increased in recent years.
  • single-junction solar cells having a pair of pn junctions using single-crystal silicon or polycrystalline silicon have become mainstream, and as the demand for solar cells increases, silicon Demand is also increasing. Silicon used for solar cells is required to have high purity in order to improve battery efficiency.
  • silicon wafers for solar cells are manufactured by slicing a silicon ingot using a multi-wire saw.
  • the silicon wafer is required to be sliced as thin as possible.
  • a silicon wafer having a thickness of 200 ⁇ m is manufactured by slicing, a multi-wire saw having the same diameter as that of the wafer is used. For this reason, the same amount of silicon as the silicon wafer to be manufactured has been discarded as a mixture with silicon carbide as abrasive grains.
  • silicon carbide remains in the silicon ingot, it may cause the wire saw to be cut when slicing the silicon ingot or adversely affect the performance of the silicon wafer. Was demanded.
  • Patent Document 1 (1) a slurry in which abrasive grains and silicon grains are mixed in an aqueous dispersion medium is subjected to primary centrifugal separation to collect solids mainly composed of abrasive grains, and (2) primary centrifugation. The liquid obtained by the separation is subjected to secondary centrifugation, so that the dispersion medium is separated into the main liquid and the remaining sludge. (3) After the sludge is diluted with an aqueous medium, the third centrifugal separation is performed. (4) A slurry reclaiming method is described in which the solid content is used as reclaimed abrasive grains together with the solid content of the abrasive grains as a main component.
  • Patent Document 2 a mixture containing silicon carbide grains and silicon grains is heated to a first temperature to melt silicon grains, and the obtained melt containing molten silicon is held at a second temperature.
  • a method is described in which silicon carbide is recovered by immersing a take-out jig in the upper layer portion of the melt.
  • Patent Document 1 is a method for regenerating abrasive grains that are silicon carbide, and does not disclose the regeneration of silicon, and it is unclear whether high-purity silicon can be recycled by this method. is there.
  • the method for regenerating silicon carbide abrasive grains described in Patent Document 1 is complicated and difficult to say as an efficient method.
  • the silicon carbide recovery operation is complicated, and it is difficult to say that this is an efficient silicon recycling method.
  • both methods are methods of separating and recovering silicon carbide abrasive grains and silicon. From the viewpoint of maximizing recycling of high-purity silicon, both silicon carbide abrasive grains and silicon are used. A method of recycling silicon is desired.
  • a silicon recovery method capable of recovering silicon without separating silicon carbide and silicon from a scrap containing silicon carbide abrasive grains as a raw material, and a scrap including the silicon carbide abrasive grains. It is an object to provide a method for producing silicon from scraps and silica raw materials.
  • the present inventor has intensively studied the above problems to find the following points and complete the present invention.
  • the silicon can be recovered from the chips by heating the chips containing silicon carbide and the silica raw material, which are generated when the silicon ingot or silicon wafer is cut or ground.
  • high purity silicon can be recovered by combining low-impurity shavings with silica raw materials with low impurity concentrations.
  • the silicon concentration is lowered, and highly purified shavings having a relatively high silicon carbide concentration are obtained.
  • Silicon carbide in the highly purified swarf is also important as a silicon source, and silicon can be recovered from the highly purified swarf.
  • Silicon is produced by heating silicon scrap containing silicon carbide and silicon raw material generated during cutting or grinding of a silicon ingot or silicon wafer to produce silicon by reducing the silica raw material with a carbon material. The power consumption can be further reduced.
  • the present invention is as follows. 1. A method for recovering silicon from silicon carbide-containing scraps generated during cutting or grinding of a silicon ingot or a silicon wafer, the method comprising heating silicon scraps containing silicon carbide and a silica raw material to produce silicon Method for collecting silicon. 2. 2. The method for recovering silicon according to item 1, wherein the method includes a step of mixing raw material containing silicon carbide and a silica raw material to obtain a raw material mixed powder, and heating the raw material mixed powder to produce silicon. 3. 3. The method for recovering silicon according to item 2, further comprising briquetting the raw material mixed powder, and heating the briquetted raw material mixed powder to produce silicon. 4).
  • a method of producing silicon by recovering silicon from silicon carbide-containing scraps generated during cutting or grinding of a silicon ingot or a silicon wafer A method for producing silicon, comprising a step of producing silicon by heating the shavings containing silicon carbide and a silica raw material. 10.
  • the method for producing silicon according to 9 above which includes a step of mixing raw material containing silicon carbide and a silica raw material to obtain a raw material mixed powder, and heating the raw material mixed powder to produce silicon. 11.
  • 12 12 The method for producing silicon according to any one of items 9 to 11, wherein the contents of iron, aluminum, calcium, and titanium in the cutting scraps containing silicon carbide are all 0.1% by mass or less.
  • 13. 13 The method for producing silicon according to any one of items 9 to 12, wherein the contents of boron and phosphorus in the cutting scraps containing silicon carbide are each 0.001% by mass or less.
  • 14 14.
  • silicon scraps containing silicon carbide can be used as a raw material, and silicon can be recovered from the entire scrap raw material without separating silicon carbide and silicon from the raw material. , Can efficiently recycle silicon.
  • the method for producing silicon of the present invention it is possible to reduce the power consumption compared to producing silicon by reducing a silica raw material with a carbon material, and silicon can be produced efficiently.
  • FIGS. 1A and 1B are flowcharts showing the steps of the silicon recovery method of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the reduction reaction of silicon dioxide in the arc furnace.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a silicon manufacturing apparatus.
  • FIG. 4 is a flow diagram illustrating an embodiment of a method for producing silicon.
  • the silicon recovery method and manufacturing method of the present invention include a step (S2) of manufacturing silicon by heating silicon carbide-containing scraps and a silica raw material. Moreover, it is preferable to include the process (S1) which mixes the shavings containing silicon carbide and a silica raw material, and obtains raw material mixed powder before this process (S2).
  • silicon is manufactured by mixing and heating silicon carbide-containing scraps and a silica raw material.
  • “Manufacturing silicon by heating” is a concept including reduction of a silica raw material by silicon carbide and silicon production by heating silicon powder.
  • “Scrap containing silicon carbide” refers to scrap generated when cutting or grinding a silicon ingot or a silicon wafer.
  • Cutting refers to, for example, cutting the upper and lower end portions and side portions of the ingot, cutting a rectangular column having a vertical and horizontal dimension of the wafer from the ingot, and slicing cutting the wafer from the rectangular column or the cylindrical ingot.
  • a wire saw and a blade saw are used for the cutting.
  • rinding means, for example, grinding the side surface of the ingot and grinding the front or back surface of the wafer.
  • Chips containing silicon carbide generated when cutting or grinding a silicon ingot or silicon wafer may contain high-purity silicon powder and silicon carbide powder. There was a need to recycle silicon from scrap.
  • the shavings may contain iron or other contaminants, there may be a refining treatment. However, when the refining treatment is performed, the relative concentration of silicon in the shavings to silicon carbide decreases.
  • the ratio of silicon and silicon carbide in the swarf used in the present invention is preferably 5:95 to 95: 5 (silicon: silicon carbide) in mass ratio, and 10:90 to 95: 5 (silicon: (Silicon carbide) is more preferable, and 20:80 to 95: 5 (silicon: silicon carbide) is particularly preferable.
  • the ratio of silicon and silicon carbide in the scrap is 5:95 to 95: 5 (silicon: silicon carbide) in terms of mass ratio, silicon can be produced more efficiently as the silicon content increases.
  • the silicon content in the shavings is preferably 40% by mass or more, more preferably 60% by mass or more, and further preferably 80% by mass.
  • the silicon powder in the cutting scrap is simply melted by applying heat to react with the silica raw material.
  • the silica raw material For example, other raw materials such as quartz and carbon
  • no heat is required for the reduction reaction to proceed. Therefore, power consumption is reduced.
  • the silicon carbide content in the shavings is preferably 60% by mass or less, and more preferably 40% by mass or less.
  • content of silicon carbide in the scraps is set to 60% by mass or less, the smaller the amount, the more efficiently silicon can be produced.
  • content of silicon carbide is 50 mass% or less normally.
  • the content of silicon and silicon carbide in the swarf can be measured by a conventionally known method, for example, it can be measured by a combustion infrared absorption method.
  • Examples of the impurities contained in the shavings include iron, aluminum, calcium, and titanium.
  • the content of iron, aluminum, calcium and titanium (hereinafter also referred to as main metal impurities) in the scrap is preferably 0.1% by mass (1000 ppm by mass) or less, and 0.01% by mass or less. It is more preferable that it is 0.001% by mass or less.
  • the total content of iron, aluminum, calcium and titanium in the shavings is preferably 0.1% by mass or less, more preferably 0.01% by mass or less, and 0.002% by mass. More preferably, it is as follows.
  • the purity of the crude silicon obtained by reduction can be increased, and the load in removing impurities in the purification process can be suppressed.
  • the yield of high-purity silicon can be improved.
  • the content of main metal impurities in the shavings is preferably as small as possible, and is not particularly limited, but the lower limit is usually 0.0001% by mass or more, and in some cases 0.0002% by mass or more.
  • the contents of boron and phosphorus in the cutting scrap are not particularly limited, but are usually preferably 10 ppm by mass (0.001% by mass) or less, more preferably 5 ppm by mass or less, It is more preferably 1 ppm by mass or less, particularly preferably 0.5 ppm by mass or less, and most preferably 0.1 ppm by mass or less.
  • the purity of the crude silicon obtained by reduction can be increased, and the load in removing impurities in the purification process can be suppressed.
  • the yield of high-purity silicon can be improved.
  • the content of boron and phosphorus in the scrap is preferably as low as possible, and the lower limit is not particularly limited, but is usually 0.001 ppm by mass or more, and in some cases 0.01 ppm by mass or more.
  • silica raw material used in the present invention any material having SiO 2 as a main component can be used.
  • the silica raw material include powdery bodies such as quartz powder (silica sand) and quartz lump.
  • the silica raw material is preferably high-purity with few impurities.
  • the impurities contained in the silica raw material include iron, aluminum, calcium, titanium and the like, although they vary depending on the type of silica raw material.
  • the silica raw material used in the present invention preferably has an iron, aluminum, calcium and titanium content of 0.1% by mass (1000 ppm by mass) or less, more preferably 0.01% by mass or less. More preferably, it is 0.001 mass% or less.
  • the total content of iron, aluminum, calcium and titanium in the silica raw material is preferably 0.1% by mass or less, more preferably 0.01% by mass or less, and 0.002% by mass or less. More preferably.
  • the purity of the crude silicon obtained by the reduction can be increased, and the load in removing impurities in the purification process can be suppressed.
  • the yield of high-purity silicon can be improved.
  • the content of main metal impurities in the silica raw material is preferably as low as possible, but is not particularly limited.
  • the lower limit is usually 0.0001% by mass or more, and in some cases 0.0002% by mass or more, from the viewpoint of difficulty in obtaining and cost It is.
  • the content of boron and phosphorus in the silica raw material used in the present invention is not particularly limited, but it is usually preferably 10 ppm by mass (0.001% by mass) or less, and preferably 5 ppm by mass or less. More preferably, it is more preferably 1 ppm by mass or less, particularly preferably 0.5 ppm by mass or less, and most preferably 0.1 ppm by mass or less.
  • the purity of the crude silicon obtained by the reduction can be increased, and the load in removing impurities in the purification process can be suppressed.
  • the yield of high-purity silicon can be improved.
  • the content of boron and phosphorus in the silica raw material is preferably as low as possible, and the lower limit is not particularly limited, but is usually 0.001 mass ppm or more, and in some cases, 0.01 mass ppm or more.
  • the silicon carbide / silica raw material (mass ratio) in the shavings is preferably 0.67 or more and 1.33 or less, and 0.93 or more and 1 .27 or less is more preferable.
  • Examples of the heating method include arc heating, induction heating, resistance heating, plasma heating, and electron beam heating. Above all, arc heating is preferable because it is advantageous in terms of industrial equipment cost and running cost.
  • the heating temperature is preferably 2000 ° C. to 3000 ° C. for arc heating, and preferably 1800 ° C. to 2500 ° C. for other heating methods.
  • the heating time at the maximum temperature is preferably 0.5 to 10 hours in the case of batch processing.
  • the silicon recovery method and production method of the present invention include a step (S1) of mixing raw material containing silicon carbide and a silica raw material to form a raw material mixed powder, It is preferable to heat the raw material mixed powder.
  • a step (S1) of mixing raw material containing silicon carbide and a silica raw material to form a raw material mixed powder It is preferable to heat the raw material mixed powder.
  • a step (S1) of mixing raw material containing silicon carbide and a silica raw material to form a raw material mixed powder as shown in FIG. It is preferable that the raw material mixed powder produced in the step (S1) is briquetted (solidified) in the step (S1 ′) and the briquetted raw material mixed powder is heated in the step (S2).
  • the briquetting method is not particularly limited, and pressure may be applied only to the raw material mixed powder of silicon carbide-containing swarf and silica raw material, or after a binder is further added to the raw material mixed powder, the pressure is applied. May be.
  • the binder is preferably a resin having high hot strength that is carbonized by heating, and examples thereof include phenol resin and polyvinyl alcohol.
  • ⁇ Silicon recovery method and manufacturing method> According to the silicon recovery method and manufacturing method including the step (S2) of manufacturing silicon by heating the silicon carbide scrap and the silica raw material, high-purity silicon can be obtained.
  • the content of main metal impurities in silicon obtained in the present invention is preferably 0.5% by mass (5000 ppm by mass) or less, more preferably 0.1% by mass or less, It is more preferable that the amount is not more than mass%, and it is particularly preferable that the amount is not more than 0.001 mass%.
  • the total content of iron, aluminum, calcium and titanium in silicon obtained by the recovery method and the production method of the present invention is preferably 0.5% by mass or less, and 0.1% by mass or less. Is more preferably 0.01% by mass or less, and particularly preferably 0.002% by mass or less.
  • the content of main metal impurities is preferably as low as possible, and the lower limit is not particularly limited.
  • the lower limit is usually 0.00001 mass% (0.1 mass ppm) or more from the point that inevitable impurities are present, and in some cases, the content is 0.001. It becomes 00002 mass% or more (0.2 mass ppm).
  • the contents of boron and phosphorus in silicon obtained by the recovery method and the production method of the present invention are not particularly limited, but are usually preferably 10 ppm by mass (0.001% by mass) or less. More preferably, it is 5 ppm by mass or less, more preferably 1 ppm by mass or less, particularly preferably 0.5 ppm by mass or less, and most preferably 0.1 ppm by mass or less.
  • the content of boron and phosphorus in the silicon obtained by the recovery method and the production method of the present invention is preferably as low as possible.
  • the lower limit is not particularly limited, but is usually 0.001 mass ppm or more, and in some cases 0 .01 mass ppm or more.
  • FIG. 2 is a view for explaining the reduction reaction of silicon dioxide in the arc furnace, and is a view focusing on one electrode tip portion.
  • the details of the arc furnace such as the lining and the refractory layer are omitted.
  • the tip of the electrode 40 is inserted inside the raw material mixed powder containing silica raw material and silicon carbide inside the arc furnace. That is, the so-called submerged arc method is employed in the silicon manufacturing method of the embodiment of the present invention shown in the figure.
  • reaction formula (1) or (2) occurs preferentially.
  • the reaction of the reaction formula (1) is limited to the carbon supply amount from the graphite electrode or the graphite lining.
  • reaction (3) is limited to the carbon supply amount from the graphite electrode or the graphite lining.
  • the reaction according to the reaction formula (4) is considered to occur most preferentially.
  • silicon is generated by a reaction between silicon carbide generated in the upper low temperature region A and gaseous silicon oxide.
  • silicon carbide-containing scraps and silica raw materials When silicon carbide-containing scraps and silica raw materials are used, silicon is extracted from the silicon carbide by the reaction (4) or (5). Compared with the usual reduction of silica material and carbon material, at least (1) reaction does not occur, and silicon powder has little endotherm due to the reaction, which is advantageous in terms of energy consumption and yield.
  • FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the silicon manufacturing apparatus 200.
  • the silicon manufacturing apparatus 200 includes an arc furnace 100 including an electrode 40 therein, a power adjustment device 88 that stabilizes a current flowing through the electrode of the arc furnace 100, and the electrode 40 and the power adjustment device 88.
  • a transformer 86 is provided between them.
  • the furnace of the arc furnace 100 is filled with silicon carbide-containing cuttings and silica raw material as a raw material 50 for silicon production, and the tip of the electrode 40 is buried therein.
  • the electrode 40, the power conditioner 88, and the transformer 86 are electrically connected. In FIG. 3, other wirings are omitted.
  • the arc furnace 100 preferably has an inner diameter of 700 mm or more and 7000 mm or less. At least one electrode 40 is provided inside the arc furnace 100, and the tip of the electrode 40 is buried in the raw material 50, which is a so-called submerged arc method.
  • the manufacturing apparatus 200 is provided with a transformer 86.
  • the transformer 86 is connected between the power conditioner 88 and the arc furnace 100 and functions as a furnace transformer.
  • a conventional transformer can be used as the transformer 86 without particular limitation, but a transformer having a large allowable current is preferably used.
  • the transformer 86 is preferably transformed by the transformer 86 whose capacity is 1.5 times or more the operation output of the arc furnace 100.
  • the transformer capacity is preferably 1.5 P (kVA) or more, more preferably 2 P (kVA) or more, and further preferably 3 P (kVA) or more.
  • connection method of the transformer 86, the electric power adjustment apparatus 88, and the electrode 40 if it is a form which can be appropriately transformed in the manufacturing apparatus 200, it will not specifically limit. For example, it can be set as the same form as what is used with an open arc furnace.
  • the manufacturing apparatus 200 includes a capacitor, a balancer, a switchboard, a power transformer, and the like, so that the arc furnace 100 can be energized.
  • a capacitor a balancer, a switchboard, a power transformer, and the like.
  • the specific silicon manufacturing method includes each process for in-furnace setup (process S10), energization (process S20), and hot water (process S30). Then, after the operation of the furnace is stopped, the inside of the furnace is suspended.
  • Step S10 is a step of attaching the electrode 40 of the arc furnace 100, charging the raw material into the furnace, filling the raw material 50, and setting up the inside of the furnace so that silicon can be manufactured.
  • the raw material 50 the above-mentioned raw material mixed powder or briquetted raw material mixed powder is used.
  • the electrode tip of the electrode 40 is buried in the raw material 50 to be a so-called submerged arc method.
  • Step S20 is a step of energizing the arc furnace 100 and heating the inside of the furnace by arc discharge after the setup in the furnace is completed.
  • the temperature in the furnace heated by arc discharge is not limited, and may be the result of arc discharge.
  • the amount of current flowing through the arc furnace 100 is adjusted and stabilized by the power adjustment device 88 provided outside the arc furnace 100.
  • Swing hereinafter referred to as current hunting
  • the manufacturing apparatus 200 can be continuously operated without being stopped.
  • step S20 it is preferable that the arc furnace is operated when the hearth power density PD (W / cm 2 ) of the arc furnace 100 is 90 W / cm 2 or more.
  • the production apparatus 200 can be continuously operated without stopping the production apparatus 200 by suppressing the production of silicon carbide in the furnace.
  • Step S30 Silicon produced by carbon reduction in the arc furnace 100 is gradually stored in the furnace bottom in a liquid state.
  • Step S30 is a step of taking out such liquid silicon by letting it flow out from a hot water outlet provided on the side surface of the furnace bottom. By removing silicon from the tap, the raw material 50 in the furnace gradually decreases.
  • scraps and silica raw materials newly containing silicon carbide or raw materials obtained by briquetting them are introduced from the upper part of the furnace to continuously reduce carbon. Reaction takes place.
  • silicon is extracted from the silicon production raw material by a reduction reaction.
  • Silicon may be taken out in a liquid state or taken out as a solid after cooling, but is usually taken out as a solid.
  • a suspension operation or the like in the furnace is then performed.
  • the silicon production method described above is a method for producing high-purity silicon by a reduction reaction using a high-purity raw material. Problems such as short-circuiting due to the use of the high-purity raw material are eliminated, and silicon is produced continuously. This is how you can do it.
  • silica powder and silicon carbide powder were reduced, and silicon was also reduced.
  • the weight loss of silicon is due to volatilization of SiO generated by the reaction between silica and silicon.
  • Example 1 Silicon carbide abrasive grains and silica powder were mixed to obtain a mixed powder.
  • the mixed powder was briquetted, put into an arc furnace, and heated for 8 hours to produce silicon.
  • the composition of the mixed powder and the composition of the tapping silicon are shown in Tables 1 and 2.
  • Table 3 shows the amount of impurities in silica powder, purified silicon cutting powder (silicon carbide powder), and generated silicon.
  • Example 2 A silicon cutting powder containing silicon carbide abrasive grains and a silica lump were charged into an arc furnace for about 30 hours to produce silicon. The silicon cutting powder containing silicon carbide abrasive grains was washed with acid to obtain cutting silicon chips containing silicon carbide abrasive grains. Tables 1 and 2 show the composition of the charged raw material and the composition of the outgoing silicon. In addition, Table 3 shows the amount of impurities in the input raw material and the generated silicon.
  • the silicon carbide content in the obtained silicon was about 0.2% by mass. Moreover, according to Example 2, the silicon carbide content in the obtained silicon was 0.07%.
  • the silicon carbide content in the obtained silicon can be reduced to about 0.2% by mass as in Example 1, the silicon carbide content in the obtained silicon is further reduced to about 0. It can be reduced to 05% by mass or less.
  • the silicon carbide contained in the obtained silicon was precipitated as SiC as the carbon dissolved in the silicon at a high temperature in the furnace decreased in solubility due to a decrease in the liquid temperature of silicon. The thing is the main. Even when silicon is produced from ordinary silica and carbon material, an equivalent amount of SiC is detected in the obtained silicon. Therefore, in Examples 1 and 2, the silicon carbide contained in the obtained silicon is not mainly the one in which the raw material silicon carbide powder remains.
  • high-purity silicon can be recovered from scraps generated during cutting or grinding of a silicon ingot or silicon wafer, and the high-purity silicon can be used for solar cells. It is.

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Abstract

　炭化珪素砥粒およびシリコンを含む切削屑を原料として、これらを分離せずとも、シリコンを回収または製造することができる、シリコンの回収または製造方法を提供する。　本発明は、シリコンインゴットまたはシリコンウェーハの切削または研削時に発生する、炭化珪素を含む削屑からシリコンを回収または製造する方法であって、該炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを加熱してシリコンを製造する工程を含むシリコンの回収または製造方法を提供する。

Description

シリコンの回収方法およびシリコンの製造方法
　本発明は、シリコンの回収方法およびシリコンの製造方法に関する。詳細には、シリコンインゴットまたはシリコンウェーハの切削または研削時に発生する削屑からシリコンを回収する方法、並びに、該削屑およびシリカ原料からシリコンを製造する方法に関する。
　太陽電池は、発電量当たりの二酸化炭素排出量が少なく、発電用の燃料が不要という利点を有しており、近年その需要は増大している。現在、実用化されている太陽電池の中では、単結晶シリコン又は多結晶シリコンを用いた、一組のｐｎ接合を有する単接合太陽電池が主流となっており、太陽電池の需要増大とともに、シリコンの需要も増大している。太陽電池に用いられるシリコンは、電池効率の向上のため高純度であることが求められる。
　太陽電池用のシリコンウェーハの多くは、マルチワイヤーソーを使用し、シリコンインゴットをスライスすることにより製造される。太陽電池を低コストで製造するために、該シリコンウェーハはできるだけ薄くスライスすることが求められている。例えば、厚さ２００μｍのシリコンウェーハをスライスにより作製する場合、該ウェーハと同程度の径のマルチワイヤーソーが使用される。そのため、製造されるシリコンウェーハと同程度の量のシリコンが、砥粒である炭化珪素との混合物として廃棄されていた。
　前記したシリコンインゴットをスライスする際に発生する、シリコンと炭化珪素との混合物（削屑）は、高純度のシリコンを含んでいるため、該シリコンを分離回収して、リサイクルすることが求められていた。しかし、切削時に発生するシリコンおよび炭化珪素は、共に１０μｍ以下の粒子であるためフィルタリングによる分離が難しく、かつ、密度が近いため、密度差を利用した分離も難しい。
　一方、シリコンインゴット中に炭化珪素が残っていると、該シリコンインゴットをスライスする際にワイヤーソーの切断を引き起こしたり、シリコンウェーハの性能に悪影響を与えたりするので、炭化珪素を厳密に分離することが求められていた。
　特許文献１には、（１）水性分散媒に砥粒およびシリコン粒が混入したスラリを、１次遠心分離することにより、砥粒が主成分の固形分を回収し、（２）１次遠心分離により得られた液分を２次遠心分離することにより、分散媒が主成分の液分と、その残りのスラッジとに分離し、（３）スラッジを水性媒体で希釈後、３次遠心分離により固形分を回収し、（４）この固形分を前記砥粒が主成分の固形分と共に再生砥粒として利用する、スラリの再生方法が記載されている。
　また、特許文献２には、炭化珪素粒とシリコン粒とを含む混合物を第１温度に加熱してシリコン粒を溶融させ、得られた溶融シリコンを含む融液を第２温度に保持し、次いで融液の上層部位に取り出し治具を浸漬して炭化珪素を回収する方法が記載されている。
日本国特開２００５－３１３０３０号公報 日本国特開２００７－３０２５１３号公報
　しかし、特許文献１に記載の方法は、炭化珪素である砥粒を再生する方法であって、シリコンの再生については開示してなく、該方法により高純度のシリコンがリサイクルできるかどうかは不明である。また、特許文献１に記載の炭化珪素砥粒の再生方法は、作業が煩雑であり、効率的な方法とは言い難い。特許文献２に記載の方法では、炭化珪素の回収作業が煩雑であり、効率的なシリコンのリサイクル方法とは言い難い。
　また、いずれの方法も、炭化珪素砥粒とシリコンとを分離して回収するという方法であるが、高純度のシリコンを最大限にリサイクル使用する観点からすると、炭化珪素砥粒およびシリコンの両方からシリコンをリサイクルする方法が望まれる。
　さらに、炭化珪素とシリコンとは密度差が小さいため、これらを効率的に分離することができないという問題がある。
　そこで、本発明では、炭化珪素砥粒を含む削屑を原料として、炭化珪素とシリコンとを分離せずとも、シリコンを回収することができるシリコンの回収方法、並びに該炭化珪素砥粒を含む削屑およびシリカ原料からシリコンを製造する方法を提供することを課題とする。
　本発明者は、上記課題について鋭意研究することにより以下の点を見出し、本発明を完成させた。
（１）シリコンインゴットまたはシリコンウェーハの切削または研削時に発生する、炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを加熱することにより、該削屑からシリコンを回収することができること。
（２）炭化珪素を含む削屑に、シリカ原料を混合させ原料混合粉とし、該原料混合粉を加熱してシリコンを回収することがより好ましいこと。
（３）上記原料混合粉をブリケット化した上で、該ブリケット化された原料混合粉を加熱してシリコンを回収することがより好ましいこと。
（４）原料である炭化珪素を含む削屑中の不純物濃度を低くすることにより、高純度のシリコンを回収することができること。また、不純物濃度の低い削屑に、不純物濃度の低いシリカ原料を組み合わせることにより、より高純度のシリコンを回収できること。
（５）削屑中の不純物を除く処理をすることにより、シリコン濃度が低下して、相対的に炭化珪素の濃度が高い高純度化した削屑が得られる。該高純度化した削屑中の炭化珪素についてもシリコン源として重要であり、該高純度化した削屑からもシリコンを回収できること。
（６）シリコンインゴットまたはシリコンウェーハの切削または研削時に発生する、炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを加熱してシリコンを製造することにより、シリカ原料を炭素材料で還元してシリコンを製造するより消費電力量を低くすることができること。
　すなわち、本発明は以下である。
１．シリコンインゴットまたはシリコンウェーハの切削または研削時に発生する、炭化珪素を含む削屑からシリコンを回収する方法であって、該炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを加熱してシリコンを製造する工程を含むシリコンの回収方法。
２．前記炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを混合して原料混合粉とする工程を含み、該原料混合粉を加熱してシリコンを製造する前項１に記載のシリコンの回収方法。
３．前記原料混合粉をブリケット化する工程をさらに含み、該ブリケット化された原料混合粉を加熱してシリコンを製造する、前項２に記載のシリコンの回収方法。
４．前記炭化珪素を含む削屑中の、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの含有量が、いずれも０．１質量％以下である、前項１～３のいずれか一項に記載のシリコンの回収方法。
５．前記炭化珪素を含む削屑中の、ホウ素およびリンの含有量が、いずれも０．００１質量％以下である、前項１～４のいずれか一項に記載のシリコンの回収方法。
６．前記シリカ原料中の、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの含有量が、いずれも０．１質量％以下である、前項１～５のいずれか一項に記載のシリコンの回収方法。
７．前記シリカ原料中の、ホウ素およびリンの含有量が、いずれも０．００１質量％以下である、前項１～６のいずれか一項に記載のシリコンの回収方法。
８．前記炭化珪素を含む削屑中の、シリコンと炭化珪素との割合が、質量比で、５：９５～９５：５である、前項１～７のいずれか一項に記載のシリコンの回収方法。
９．シリコンインゴットまたはシリコンウェーハの切削または研削時に発生する、炭化珪素を含む削屑からシリコンを回収してシリコンを製造する方法であって、
　前記炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを加熱してシリコンを製造する工程を含むシリコンの製造方法。
１０．前記炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを混合して原料混合粉とする工程を含み、該原料混合粉を加熱してシリコンを製造する前項９に記載のシリコンの製造方法。
１１．前記原料混合粉をブリケット化する工程をさらに含み、該ブリケット化された原料混合粉を加熱してシリコンを製造する、前項１０に記載のシリコンの製造方法。
１２．前記炭化珪素を含む削屑中の、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの含有量が、いずれも０．１質量％以下である、前項９～１１のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
１３．前記炭化珪素を含む削屑中の、ホウ素およびリンの含有量が、いずれも０．００１質量％以下である、前項９～１２のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
１４．前記シリカ原料中の、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの含有量が、いずれも０．１質量％以下である、前項９～１３のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
１５．前記シリカ原料中の、ホウ素およびリンの含有量が、いずれも０．００１質量％以下である、前項９～１４のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
１６．前記削屑中の、シリコンと炭化珪素との割合が、質量比で、５：９５～９５：５である、前項９～１５のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
　本発明のシリコンの回収方法によれば、炭化珪素を含む削屑を原料として、該原料から炭化珪素とシリコンとを分離することなく、削屑原料全体からシリコンを回収することができ、簡易に、効率よくシリコンをリサイクルできる。
　また、本発明のシリコンの製造方法によれば、シリカ原料を炭素材料で還元してシリコンを製造するより消費電力量を低くすることができ、効率的にシリコンを製造することができる。
図１（Ａ）および（Ｂ）は、本発明のシリコンの回収方法の各工程を示したフロー図である。 図２は、アーク炉内における、二酸化珪素の還元反応を説明するための図である。 図３は、シリコンの製造装置を説明するための図である。 図４は、シリコンの製造方法の一実施形態を示すフロー図である。
　＜シリコンの回収方法＞
　本発明のシリコンの回収方法および製造方法は、図１（Ａ）のフロー図に示すように、炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを加熱してシリコンを製造する工程（Ｓ２）を含む。また、該工程（Ｓ２）の前に、炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを混合して原料混合粉を得る工程（Ｓ１）を含むことが好ましい。
　〔炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを加熱してシリコンを製造する工程（Ｓ２）〕
　工程（Ｓ２）では、炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを混合して加熱することにより、シリコンを製造する。「加熱することによりシリコンを製造する」とは、シリカ原料の炭化珪素による還元、および、シリコン粉の加熱によるシリコン製造を含む概念である。
　「炭化珪素を含む削屑」とは、シリコンインゴットまたはシリコンウェーハの切削または研削時に発生する削屑である。
　「切削」とは、例えば、インゴットの上下端部や側面部を切断すること、インゴットからウェーハの縦横寸法の角柱を切り出すこと、および、該角柱や円柱状インゴットからウェーハを切り出すスライシングである。切削には、例えば、ワイヤーソーおよびブレードソー等が用いられる。
　「研削」とは、例えば、インゴットの側面を削ること、およびウェーハの表面または裏面を研削することである。
　シリコンインゴットまたはシリコンウェーハの切削または研削時に発生する炭化珪素を含む削屑（以下、単に「削屑」ともいう）は、高純度のシリコン粉および炭化珪素粉を含んでいる場合があり、該削屑からシリコンをリサイクルすることが求められていた。
　削屑には、鉄等のコンタミが含まれる場合があるので、精製処理を施す場合があるが、精製処理をする場合、削屑中のシリコンの炭化珪素に対する相対濃度が減少する。
　本発明に用いる削屑中のシリコンと炭化珪素との割合は、質量比で、５：９５～９５：５（シリコン：炭化珪素）とすることが好ましく、１０：９０～９５：５（シリコン：炭化珪素）とすることがさらに好ましく、２０：８０～９５：５（シリコン：炭化珪素）とすることが特に好ましい。削屑中のシリコンと炭化珪素との割合を質量比で、５：９５～９５：５（シリコン：炭化珪素）において、シリコンの含有量が大きいほど効率的にシリコンを製造することができる。
　削屑中のシリコンの含有量は、４０質量％以上であることが好ましく、６０質量％以上であることがより好ましく、８０質量％であることがさらに好ましい。
　削屑中に５質量％以上のシリコンを含むことにより、削屑中のシリコン粉は、単に熱をかけて溶融させてシリカ原料と反応させるだけでよく、例えば、石英および炭素等の他の原料のように、還元反応を進行させるための熱を必要としない。よって、消費電力量が少なくなる。
　削屑中の炭化珪素の含有量は、６０質量％以下であることが好ましく、４０質量％以下であることがより好ましい。削屑中の炭化珪素の含有量を６０質量％以下とするなど、少ないほど効率的にシリコンを製造することができる。また、炭化珪素の含有量は、通常５０質量％以下であることが好ましい。
　なお、削屑中のシリコンおよび炭化珪素の含有量は、従来公知の方法により測定することができ、例えば、燃焼赤外線吸収法により測定することができる。
　削屑中に含まれる不純物としては、例えば、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタン等が挙げられる。
　削屑中の鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタン（以下、主要金属不純物ともいう）の含有量は、何れも０．１質量％（１０００質量ｐｐｍ）以下であることが好ましく、０．０１質量％以下であることがより好ましく、０．００１質量％以下であることが更に好ましい。
　また、削屑中の鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの合計の含有量は、０．１質量％以下であることが好ましく、０．０１質量％以下であることがより好ましく、０．００２質量％以下であることが更に好ましい。
　削屑中の主要金属不純物の含有量を前記範囲とすることにより、還元により得られる粗シリコンの純度を高くすることができ、精製工程での不純物除去における負荷を抑えることができる。また、高純度のシリコンの収率を向上することができる。
　削屑中の主要金属不純物の含有量は、少ないほど好ましく、特に限定されないが、下限は通常０．０００１質量％以上であり、場合によっては０．０００２質量％以上である。
　削屑中のボロン及びリンの含有量は特に限定されるものではないが、通常各々１０質量ｐｐｍ（０．００１質量％）以下であることが好ましく、５質量ｐｐｍ以下であることがより好ましく、１質量ｐｐｍ以下であることがさらに好ましく、０．５質量ｐｐｍ以下であることが特に好ましく、０．１質量ｐｐｍ以下であることが最も好ましい。
　削屑中のボロン及びリンの含有量を前記範囲とすることにより、還元により得られる粗シリコンの純度を高くし、精製工程での不純物除去における負荷を抑えることができる。また、高純度のシリコンの収率を向上することができる。
　削屑中のボロン及びリンの含有量は、少ないほど好ましく、下限は特に限定されるものではないが、通常０．００１質量ｐｐｍ以上であり、場合によっては０．０１質量ｐｐｍ以上である。
　本発明に用いるシリカ原料としては、ＳｉＯ２を主成分とするものであればいずれでも使用可能である。シリカ原料として、例えば、石英粉（ケイ砂）および石英塊等の粉状体が挙げられる。シリカ原料は、不純物が少ない高純度のものであることが好ましい。
　一般的にシリカ原料に含まれる不純物としては、シリカ原料の種類により異なるが、例えば、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタン等が挙げられる。
　本発明において用いるシリカ原料は、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの含有量が何れも０．１質量％（１０００質量ｐｐｍ）以下であることが好ましく、０．０１質量％以下であることがより好ましく、０．００１質量％以下であることが更に好ましい。
　また、シリカ原料における、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの合計の含有量が０．１質量％以下であることが好ましく、０．０１質量％以下であることがより好ましく、０．００２質量％以下であることが更に好ましい。
　シリカ原料における主要金属不純物の含有量を前記範囲とすることにより、還元により得られる粗シリコンの純度を高くすることができ、精製工程での不純物除去における負荷を抑えることができる。また、高純度のシリコンの収率を向上することができる。
　シリカ原料における主要金属不純物の含有量は少ないほど好ましく特に限定されないが、入手の困難性、コストの点等から、下限は通常０．０００１質量％以上であり、場合によっては０．０００２質量％以上である。
　本発明において用いられるシリカ原料中の、ボロン及びリンの含有量は特に限定されるものではないが、通常各々１０質量ｐｐｍ（０．００１質量％）以下であることが好ましく、５質量ｐｐｍ以下であることがより好ましく、１質量ｐｐｍ以下であることがさらに好ましく、０．５質量ｐｐｍ以下であることが特に好ましく、０．１質量ｐｐｍ以下であることが最も好ましい。
　シリカ原料におけるボロン及びリンの含有量を前記範囲とすることにより、還元により得られる粗シリコンの純度を高くし、精製工程での不純物除去における負荷を抑えることができる。また、高純度のシリコンの収率を向上することができる。
　シリカ原料におけるボロン及びリンの含有量は、少ないほど好ましく、下限は特に限定されるものではないが、通常０．００１質量ｐｐｍ以上であり、場合によっては０．０１質量ｐｐｍ以上である。
　削屑中の炭化珪素とシリカ原料との混合比としては、削屑中の炭化珪素／シリカ原料（質量比）を、０．６７以上１．３３以下とすることが好ましく、０．９３以上１．２７以下とすることがより好ましい。
　加熱方法としては、例えば、アーク加熱、誘導加熱、抵抗加熱、プラズマ加熱および電子ビーム加熱等が挙げられる。中でも、アーク加熱は、工業的な設備コストとランニングコストの点で有利であることから、アーク加熱が好ましい。
　加熱温度は、アーク加熱であれば、通常２０００℃～３０００℃であることが好ましく、他の加熱方法では、通常、１８００℃～２５００℃であることが好ましい。
　最高温度での加熱時間は、バッチ処理の場合は、０．５時間～１０時間とすることが好ましい。
　〔原料混合粉とする工程（Ｓ１）〕
　本発明のシリコンの回収方法および製造方法は、図１（Ａ）に示すように、炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを混合して原料混合粉を形成する工程（Ｓ１）を含み、該原料混合粉を加熱することが好ましい。予め炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを混合して原料混合粉を形成することにより、炉内での偏析を抑制（粒度または密度の異なる材料の組成分布がばらつくことを防ぐ）することができる。
　〔原料混合粉をブリケット化する工程（Ｓ１´）〕
　本発明のシリコンの回収方法および製造方法において、炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを混合して原料混合粉を形成する工程（Ｓ１）を含む場合、図１（Ｂ）に示すように、工程（Ｓ１）で作製した原料混合粉を、工程（Ｓ１´）においてブリケット化（固形化）し、該ブリケット化した原料混合粉を工程（Ｓ２）において加熱することが好ましい。
　シリコン製造の炉としてアーク炉を使用した場合、電極先端のアークが放出される箇所で発生したＳｉＯガスおよびＣＯガス等が炉上部に向かって吹き上げている。そのため、粉状の原料を投入すると、それらのガスに乗って粉が炉外へ噴出してしまったり、煙突を閉塞させたりする虞がある。したがって、原料の取り扱い性の点から、特にアーク炉を使用する場合においては、原料混合粉をブリケット化する工程（Ｓ１´）を経てから、工程（Ｓ２）へと進むことが好ましい。
　ブリケット化の方法は、特に限定されず、炭化珪素を含む削屑とシリカ原料との原料混合粉に対して圧力をかけるだけでもよいし、該原料混合粉にさらにバインダーを加えてから圧力をかけてもよい。
　前記バインダーとしては、加熱により炭化する熱間強度の高い樹脂が好ましく、例えば、フェノール樹脂およびポリビニルアルコール等が挙げられる。
　＜シリコンの回収方法および製造方法＞
　前記炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを加熱してシリコンを製造する工程（Ｓ２）を含むシリコンの回収方法および製造方法によれば、高純度のシリコンを得ることができる。本発明で得られるシリコンの主要金属不純物の含有量は、何れも０．５質量％（５０００質量ｐｐｍ）以下であることが好ましく、０．１質量％以下であることがより好ましく、０．０１質量％以下であることがさらに好ましく、０．００１質量％以下であることが特に好ましい。
　また、本発明の回収方法および製造方法で得られるシリコンにおける鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの合計の含有量は、０．５質量％以下であることが好ましく、０．１質量％以下であることがより好ましく、０．０１質量％以下であることがさらに好ましく、０．００２質量％以下であることが特に好ましい。
　また、主要金属不純物含有量は少ないほど好ましく、下限は特に限定されないが、不可避不純物が存在する点から、下限は通常０．００００１質量％（０．１質量ｐｐｍ）以上となり、場合によっては０．００００２質量％以上（０．２質量ｐｐｍ）となる。
　なお、本発明の回収方法および製造方法で得られるシリコン中のボロン及びリンの含有量は特に限定されるものではないが、通常各々１０質量ｐｐｍ（０．００１質量％）以下であることが好ましく、５質量ｐｐｍ以下であることがより好ましく、１質量ｐｐｍ以下であることがさらに好ましく、０．５質量ｐｐｍ以下であることが特に好ましく、０．１質量ｐｐｍ以下であることが最も好ましい。
　本発明の回収方法および製造方法により得られるシリコンにおけるボロン及びリンの含有量は、少ないほど好ましく、下限は特に限定されるものではないが、通常０．００１質量ｐｐｍ以上であり、場合によっては０．０１質量ｐｐｍ以上である。
　以下、本発明のシリコンの回収方法および製造方法を、図面を用いて詳細に説明するが、この説明は本発明の実施形態の一例であり、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るものではない。
　まず、炭化珪素を含む削屑とシリカ原料、必要に応じて炭素材料とをシリコン製造用原料として還元反応を行った場合における、アーク炉内に生じる化学反応について説明する。
　図２は、アーク炉内における、二酸化ケイ素の還元反応を説明するための図であり、一本の電極先端部分について注目した図である。図２において、内張および耐火層等のアーク炉の詳細については省略して示している。
　図２に示すように、アーク炉の内部では、シリカ原料や炭化珪素を含む原料混合粉の内部に電極４０の先端が挿入されている。すなわち、図示した本発明の一実施形態のシリコンの製造方法においては、いわゆるサブマージドアーク方式が採用されている。
　また、アーク炉の運転中は、原料５０の電極４０先端付近に、ＳｉＯやＣＯが混在している層８２が存在し、さらに、層８２の下方には、炉内の炭素還元反応の結果として得られたＳｉが液層８４を形成して溜まっている。
　アーク炉内では、図２にＡで示される付近に上部低温領域、図２にＢで示される付近に下部高温領域が存在し、それぞれの領域において優先的に異なる反応が生じているものと考えられる。
　すなわち、上部低温領域Ａでは、下記反応式（１）または（２）で表される反応が優先的に生じているものと考えられる。但し、削屑とシリカ原料のみを用いて、炭素材料を用いない場合は、反応式（１）の反応は黒鉛電極や黒鉛内張からの炭素供給量に限定される。
ＳｉＯ（ｇ）＋２Ｃ→ＳｉＣ＋ＣＯ（ｇ）・・・（１）
２ＳｉＯ（ｇ）→Ｓｉ＋ＳｉＯ２・・・（２）
　上記反応式（１）および（２）で表される反応のうち、特に反応式（１）にかかる反応が最も優先的に起こっているものと考えられ、上部低温領域Ａにおいては、ＳｉＣが多く生じている。
　一方で、下部高温領域Ｂにおいては、下記反応式（３）～（５）で表される反応が優先的に生じているものと考えられる。但し、削屑とシリカ原料のみを用いて、炭素材料を用いない場合は、（３）の反応は黒鉛電極や黒鉛内張からの炭素供給量に限定される。
ＳｉＯ２＋Ｃ→ＳｉＯ（ｇ）＋ＣＯ（ｇ）・・・（３）
ＳｉＯ（ｇ）＋ＳｉＣ→２Ｓｉ＋ＣＯ（ｇ）・・・（４）
ＳｉＯ２＋ＳｉＣ→Ｓｉ＋ＳｉＯ（ｇ）＋ＣＯ（ｇ）・・・（５）
　上記反応式（３）～（５）で表される反応のうち、特に反応式（４）にかかる反応が最も優先的に起こっているものと考えられる。例えば、上部低温領域Ａにて生成した炭化ケイ素と気体の酸化ケイ素との反応により、シリコンが生成する。
　上記反応式をまとめると、シリカ原料の炭素還元反応において、下記反応式（６）にかかる反応によってシリコンが生成する。
ＳｉＯ２＋２Ｃ→Ｓｉ＋２ＣＯ（ｇ）・・・（６）
　一方で、削屑とシリカ原料の混合粉のみを用いて、炭素材料を用いない場合は、混合粉中の炭化珪素からのシリコン生成は、反応式（４）と（５）で表される反応をまとめた、下記反応式（７）にかかる反応によって起こる。
ＳｉＯ２＋２ＳｉＣ→３Ｓｉ＋２ＣＯ（ｇ）・・・（７）
　炭化珪素を含む削屑とシリカ原料を用いた場合、炭化珪素は（４）または（５）の反応によって、シリコンが取出される。通常のシリカ原料と炭素材料の還元と比較すると、少なくとも（１）の反応が無く、かつシリコン粉は反応による吸熱が殆どなく、消費エネルギーと歩留の点で有利である。
　以下、このシリコンの製造装置について説明し、当該製造装置を用いたシリコンの製造方法について説明する。
　＜シリコンの製造装置２００＞
　図３は、シリコンの製造装置２００を説明するための概略図である。図３に示すように、シリコン製造装置２００は、内部に電極４０を備えるアーク炉１００、アーク炉１００の電極に流れる電流を安定化させる電力調整装置８８、及び、電極４０と電力調整装置８８の間に設けられた変圧器８６を備えている。
　アーク炉１００の炉内には、炭化珪素を含む削屑及びシリカ原料がシリコン製造用原料５０として充填されており、ここに電極４０の先端が埋没されている。電極４０、電力調整装置８８及び変圧器８６は電気的に接続されている。図３において、その他配線等については省略して示している。
　（アーク炉１００）
　アーク炉１００は、炉内径を７００ｍｍ以上７０００ｍｍ以下とすることが好ましい。
アーク炉１００の内部には電極４０が少なくとも一つ備えられており、当該電極４０の先端は、原料５０に埋没され、いわゆるサブマージドアーク方式とされている。
　（変圧器８６）
　本発明にかかる製造装置２００には、変圧器８６が設けられている。変圧器８６は、電力調整装置８８とアーク炉１００との間に接続されて炉用変圧器として機能する。変圧器８６は従来の変圧器を特に限定されることなく用いることができるが、許容電流が大きいものを用いることが好ましい。
　具体的には、許容電流が１１００Ａ（１００ｋＷ操業炉）～１０５，０００Ａ（２０，０００ｋＷ操業炉）のものを用いることが好ましい。特に、変圧器８６の容量がアーク炉１００の運転出力の１．５倍以上である変圧器８６により変圧されることが好ましい。
　すなわち、運転出力をＰ（ｋＷ）とすると、変圧器容量は１．５Ｐ（ｋＶＡ）以上が好ましく、より好ましくは２Ｐ（ｋＶＡ）以上であり、さらに好ましくは３Ｐ（ｋＶＡ）以上である。これにより、変圧器８６にある程度の大電流が流れた場合であっても変圧器８６が停止することなく、また、製造装置２００全体を停止させることなく連続的に運転することができる。
　変圧器８６と電力調整装置８８及び電極４０との接続方法については、製造装置２００において、適切に変圧可能な形態であれば特に限定されるものではない。例えば、オープンアーク炉で用いられるものと同様の形態とすることができる。
　製造装置２００には、上記構成のほか、コンデンサ、バランサ、配電盤および電源変圧器等が備えられ、アーク炉１００への通電が可能とされている。その他の形態については、特に限定されるものではなく、従来と同様の形態が適用できる。
　＜シリコンの製造方法の具体例＞
　以下、上記製造装置２００を用いたシリコンの製造方法の具体例について説明する。図４に、該具体例の各工程を示すように、該具体的なシリコンの製造方法は、炉内セットアップ（工程Ｓ１０）、通電（工程Ｓ２０）、出湯（工程Ｓ３０）にかかる各工程を有し、炉の運転停止後に炉内のはつり作業等を行う。
　（工程Ｓ１０）
　工程Ｓ１０は、アーク炉１００の電極４０を取り付け、炉内に原料を投入して原料５０を充填し、シリコンを製造可能な状態へと炉内をセットアップする工程である。原料５０としては、上記した原料混合粉またはブリケット化した原料混合粉が用いられる。また、電極４０の電極先端は原料５０に埋没されて、いわゆるサブマージドアーク方式とされることが好ましい。
　（工程Ｓ２０）
　工程Ｓ２０は、炉内セットアップが完了した後、アーク炉１００を通電して、炉内をアーク放電により加熱する工程である。ここで、アーク放電により加熱された炉内温度は限定されず、アーク放電による成り行きでよい。このとき、アーク炉１００に流れる電流量は、アーク炉１００の外部に備えられた電力調整装置８８により調整されて安定化される。これにより、原料５０内部の反応が進行し、炉内に蓄積した炭化ケイ素と電極４０とが接触して、短絡が生じ得るような状況となっても、電極４０やその他装置に生じる電流の激しい振れ（以下、電流ハンチングという。）が抑制され、製造装置２００を停止させることなく、連続して運転することができる。
　一方、工程Ｓ２０においては、アーク炉１００の炉床電力密度ＰＤ（Ｗ／ｃｍ２）が９０Ｗ／ｃｍ２以上でアーク炉が運転されることが好ましい。これにより、高純度なシリコンを効率的に製造でき、且つ、炉内の炭化ケイ素の生成を抑制して製造装置２００を停止させることなく連続して運転できる。
　（工程Ｓ３０）
　アーク炉１００内で炭素還元により生成したシリコンは、液状にて徐々に炉底に溜まる。工程Ｓ３０は、このような液状のシリコンを、炉底部側面に設けられた出湯口から流出させて取り出す工程である。シリコンが出湯口から取り出されることで、炉内の原料５０は徐々に減少する。本発明においては、例えば、当該原料５０の減少に合わせて、新たに炭化珪素を含む削屑及びシリカ原料または、それらをブリケット化した原料が炉上部より投入されることで、連続的に炭素還元反応が行われる。
　このように、工程Ｓ１０～Ｓ３０を経て、前記シリコン製造用原料から、還元反応によってシリコンが取り出される。シリコンは液状のまま取り出しても、冷却後に固体として取り出してもよいが、通常は固体として取り出す。シリコンの製造を停止する場合は、その後、炉内のはつり作業等が行われる。
　上記したシリコンの製造方法は、高純度な原料を用いた還元反応による、高純度なシリコンの製造方法であり、高純度原料を用いることによる短絡等の問題が解消され、連続的にシリコンを製造することができる方法である。
　（参考例１）
　シリカ粉および炭化珪素砥粒の混合粉末を、誘導加熱炉にてアルゴン雰囲気下、２，０００℃で２時間加熱した。仕込み組成と加熱後の組成を表１および２に示す。表１および２に示すように、シリカ粉および炭化珪素粉が減量し、シリコンが生成した。
　（参考例２）
　実施例１と同様にして、シリカ粉および炭化珪素粉の混合粉末の加熱を行った。仕込み組成と加熱後の組成を表１および２に示す。表１および２に示すように、シリカ粉と炭化珪素粉が減量し、シリコンが生成した。
　（参考例３）
　シリカ粉および炭化珪素砥粒を含むシリコンの切削粉に、シリカ粉を混合して混合粉末とし、該混合粉末の加熱を行った。加熱は、実施例１と同様に行った。混合粉末の組成と、加熱後の生成物の組成を表１および２に示す。
　表１および２に示すように、シリカ粉と炭化珪素粉が減量し、シリコンも減量した。シリコンの減量は、シリカとシリコンの反応により生成したＳｉＯが揮発したことによる。
　なお、炭化珪素が減量したことから、ＳｉＣ＋ＳｉＯ２→２ＳｉＯ＋ＣＯが起こっており、上記式（５）で示したようにシリコン生成に重要なＳｉＯの生成が起こっていることがわかった。
　したがって、以下の実施例１のようなＳｉＯの揮発が抑えられる条件で実験を行ったのであれば、ＳｉＣからシリコンが生成してシリコン量は増えたと考えられる。
　（実施例１）
　炭化珪素砥粒とシリカ粉とを混合して混合粉末とし、該混合粉末をブリケット化してアーク炉に投入し、８時間加熱し、シリコンを製造した。混合粉末の組成と出湯シリコンの組成を表１および２に示す。
　また、シリカ粉、精製シリコン切削粉（炭化珪素粉）、生成したシリコンの不純物量を表３に示す。
　（実施例２）
　炭化珪素砥粒を含むシリコン切削粉を精製したものとシリカ塊を約３０時間かけてアーク炉に投入し、シリコンを製造した。炭化珪素砥粒を含むシリコン切削粉は、切削液を分離して得た削屑を酸で洗浄し、炭化珪素砥粒を含むシリコン切削粉とした。投入原料の組成と出湯シリコンの組成を表１および２に示す。また、投入原料および生成したシリコンの不純物量を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表２に示すように、実施例１によれば、得られたシリコンにおける炭化珪素含有量は、０．２質量％程度であった。また、実施例２によれば、得られたシリコンにおける炭化珪素含有量は、０．０７％であった。
　実施例１のように、得られるシリコンにおける炭化珪素含有量を０．２質量％程度まで低減できれば、タッピングした受器中で沈降分離することで、得られるシリコンにおける炭化珪素含有量をさらに０．０５質量％以下に低減することができる。
　なお、実施例１および２において、得られたシリコンに含まれる炭化珪素は、炉内高温度でシリコン中に溶解したカーボンが、シリコンの液温が低下して溶解度が低下し、ＳｉＣとして析出したものが主である。通常のシリカと炭素材料でシリコンを製造した場合も得られるシリコンにおいて同等のＳｉＣ量が検出される。したがって、実施例１および２において、得られたシリコンに含まれる炭化珪素は、原料の炭化珪素粉が残ったものが主なのではない。
　また、表３に示すように、主要金属不純物並びにボロンおよびリンの含有量の低い原料からシリコンを製造することにより、高純度のシリコンが得られることがわかった。
　以上、現時点において、もっとも、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或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回収方法および製造方法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参照して詳細に説明したが、本発明の精神と範囲を離れることなく様々な変更および修正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３月１１日付けで出願された日本特許出願（特願２０１０－０５４７４１）に基づいており、その全体が引用により援用される。また、ここに引用されるすべての参照は全体として取り込まれる。
　本発明のシリコンの回収方法および製造方法によれば、シリコンインゴットまたはシリコンウェーハの切削または研削時に発生する削屑から高純度シリコンを回収することができ、該高純度シリコンは太陽電池用として使用可能である。
　Ｓ１　原料混合粉とする工程
　Ｓ１´　ブリケット化する工程
　Ｓ２　加熱してシリコンを製造する工程

Claims (16)

  1. 　シリコンインゴットまたはシリコンウェーハの切削または研削時に発生する、炭化珪素を含む削屑からシリコンを回収する方法であって、該炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを加熱してシリコンを製造する工程を含むシリコンの回収方法。
  2. 　前記炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを混合して原料混合粉とする工程を含み、該原料混合粉を加熱してシリコンを製造する請求項１に記載のシリコンの回収方法。
  3. 　前記原料混合粉をブリケット化する工程をさらに含み、該ブリケット化された原料混合粉を加熱してシリコンを製造する、請求項２に記載のシリコンの回収方法。
  4. 　前記炭化珪素を含む削屑中の、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの含有量が、いずれも０．１質量％以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載のシリコンの回収方法。
  5. 　前記炭化珪素を含む削屑中の、ホウ素およびリンの含有量が、いずれも０．００１質量％以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載のシリコンの回収方法。
  6. 　前記シリカ原料中の、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの含有量が、いずれも０．１質量％以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載のシリコンの回収方法。
  7. 　前記シリカ原料中の、ホウ素およびリンの含有量が、いずれも０．００１質量％以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載のシリコンの回収方法。
  8. 　前記炭化珪素を含む削屑中の、シリコンと炭化珪素との割合が、質量比で、５：９５～９５：５である、請求項１～７のいずれか一項に記載のシリコンの回収方法。
  9. 　シリコンインゴットまたはシリコンウェーハの切削または研削時に発生する、炭化珪素を含む削屑からシリコンを回収してシリコンを製造する方法であって、
    　前記炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを加熱してシリコンを製造する工程を含むシリコンの製造方法。
  10. 　前記炭化珪素を含む削屑とシリカ原料とを混合して原料混合粉とする工程を含み、該原料混合粉を加熱してシリコンを製造する請求項９に記載のシリコンの製造方法。
  11. 　前記原料混合粉をブリケット化する工程をさらに含み、該ブリケット化された原料混合粉を加熱してシリコンを製造する、請求項１０に記載のシリコンの製造方法。
  12. 　前記炭化珪素を含む削屑中の、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの含有量が、いずれも０．１質量％以下である、請求項９～１１のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
  13. 　前記炭化珪素を含む削屑中の、ホウ素およびリンの含有量が、いずれも０．００１質量％以下である、請求項９～１２のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
  14. 　前記シリカ原料中の、鉄、アルミニウム、カルシウムおよびチタンの含有量が、いずれも０．１質量％以下である、請求項９～１３のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
  15. 　前記シリカ原料中の、ホウ素およびリンの含有量が、いずれも０．００１質量％以下である、請求項９～１４のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
  16. 　前記削屑中の、シリコンと炭化珪素との割合が、質量比で、５：９５～９５：５である、請求項９～１５のいずれか一項に記載のシリコンの製造方法。
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