(57)【要約】【課題】従来、太陽電池の製造コスト低減の方法として、石英と炭素をアーク放電により反応させて太陽電池の原料であるシリコンを製造する方法が知られていた。しかし、シリコンの生成効率が極めて低い、生成されるシリコンから炭化シリコンを十分に除去することができないという問題があった。【解決手段】廃棄シリコンを原料としアーク放電によりシリコンを生成することにした。原料がシリコンであるため高い生成効率で高純度のシリコンを製造することが可能になった。また、アーク炉の炉体の一部に炭素からなる部材を用いることにより、不純物である炭化シリコンを除去できるので、生成されるシリコン中の炭化シリコンの含有量を十分に低減することが可能になった。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃棄シリコンを原料として、前記廃棄シリコンをアーク炉に投入し、アーク放電により前記廃棄シリコンに含まれる不純物を除去することによりシリコン多結晶を製造するシリコン多結晶の製造方法。
【請求項２】
前記アーク放電を少なくとも酸素を含むガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１記載のシリコン多結晶の製造方法。
【請求項３】
前記廃棄シリコンが、半導体用又は太陽電池用のシリコンを切断する際に発生する切断屑であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか1項記載のシリコン多結晶の製造方法。
【請求項４】
前記アーク放電において電圧を印加する電極、又は、前記アーク炉の炉体の少なくとも一部に炭素からなる部材を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項記載のシリコン多結晶の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか1項記載のシリコン多結晶の製造方法を用いて製造するシリコン多結晶。
【請求項６】
請求項５記載のシリコン多結晶を用いて製造する太陽電池。
【請求項７】
廃棄シリコンを原料としてアーク放電により前記廃棄シリコンに含まれる不純物を除去する装置であり、アーク放電のための電圧を印加する電極、又は、炉体の少なくとも一部に炭素からなる部材を用いることを特徴とするシリコン多結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン廃棄物を原料として、主に太陽電池の製造に用いるシリコン多結晶を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開昭62-252393号公報
【特許文献２】特開平11-180709号公報
【特許文献３】特開2003-101056号公報
【０００３】
資源枯渇、地球温暖化の問題を抱える石油、石炭を用いた火力発電や、環境汚染の問題を抱える放射性物質を用いた原子力発電に代わるクリーンなエネルギー源として、太陽光発電の重要性が急速に高まっている。それに伴い、太陽電池をより広く普及されるため、原料となるシリコンの製造コスト低減が強く望まれている。
【０００４】
特許文献１には、廃棄シリコンを原料とし、高周波プラズマとゾーンメルティングを組み合わせた処理で廃棄シリコンに含まれる不純物を除去して光電池用のシリコンを製造する技術が開示されている。しかし、この方法は、高周波プラズマを利用するためにエネルギー効率が悪く生産性に問題がある。また、不純物である炭化シリコンの除去ができないという問題があった。
【０００５】
特許文献２には、石英と炭素を原料としてアーク放電法によりシリコンを製造する技術が開示されている。石英としては、使用済み石英ルツボの粉砕品を用いる方法が記載されている。図３は、特許文献２に記載されたアーク炉の断面図である。図３に示すアーク炉は、断熱材１０１、上部電極となる電柱１０６、漏斗状の凹部を備えた下部電極１０３、下部電極と導通した銅電柱１０７、溶融シリコン取出口１０８からなる。原料となる石英と炭素の混合物１０２をアーク炉の内部に充填して、上下の電極に電圧を加えアーク放電を起こすと、以下の化学式で表される反応が電極付近の高温の反応領域１０４で発生する。
SiO2 + 2C → Si + 2CO↑
この反応で生成した単体のシリコンは高温で液体となり、炉の底部にある液体シリコン取出口１０８に溜まる。ある程度液体シリコン１０５が溜まった段階で、取出口１０８にある栓を抜き、液体シリコン１０５を取り出す。
しかし、特許文献２に開示された石英を炭素で還元する技術では、シリコンの生成効率に限界があり、投入された石英に対し重量％で２〜３％しかシリコンに変換できないという問題があった。また、特許文献１に開示された技術と同様に、生成されたシリコンに含まれる炭化シリコンを十分に取り除くことができないという問題があった。
【０００６】
特許文献３には、廃棄シリコンウェハを原料として化学処理により太陽電池用のシリコンを製造する技術が開示されている。特許文献３に開示された技術は、酸性又はアルカリ性の処理液による化学処理によりウェハ表面の金属層及び金属不純物を除去する技術であり、廃棄シリコンの内部に拡散したリンやボロンなどのN型やP型の不純物を除去できるものではない。従って、太陽電池の製造に必要なシリコン中のN型やP型の不純物制御を十分に行えるものではない。また、工程後に大量の処理液が廃液として残り、製造コストを十分低減できないという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、安価な材料を用い、高い生産効率で高純度のシリコン多結晶を製造する方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明（１）は、廃棄シリコンを原料として、前記廃棄シリコンをアーク炉に投入し、アーク放電により前記廃棄シリコンに含まれる不純物を除去することによりシリコン多結晶を製造するシリコン多結晶の製造方法である。
本発明（２）は、前記アーク放電を少なくとも酸素を含むガス雰囲気中で行うことを特徴とする前記発明（１）記載のシリコン多結晶の製造方法である。
本発明（３）は、前記廃棄シリコンが、半導体用又は太陽電池用のシリコンを切断する際に発生する切断屑であることを特徴とする前記発明（１）又は前記発明（２）のシリコン多結晶の製造方法である。
本発明（４）は、前記アーク放電において電圧を印加する電極、又は、前記アーク炉の炉体の少なくとも一部に炭素からなる部材を用いることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（３）のシリコン多結晶の製造方法である。
本発明（５）は、前記発明（１）乃至前記発明（４）のシリコン多結晶の製造方法を用いて製造するシリコン多結晶である。
本発明（６）は、前記発明（５）のシリコン多結晶を用いて製造する太陽電池である。
本発明（７）は、廃棄シリコンを原料としてアーク放電により前記廃棄シリコンに含まれる不純物を除去する装置であり、アーク放電のための電圧を印加する電極、又は、炉体の少なくとも一部に炭素からなる部材を用いることを特徴とするシリコン多結晶の製造装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明（１）によれば、石英と炭素の反応によりシリコンを生成する従来の製造方法と比較し、原料である廃棄シリコンの電気伝導性が石英に比べ高いので、電力利用効率が高い。また、廃棄シリコンに含まれるシリコンの含有量が極めて高いので、シリコンの生成効率が高い。
本発明（２）によれば、廃棄シリコンと酸素の反応によりシリコン生成に必要な酸化シリコンを生成できる。
本発明（３）によれば、原料中に含まれる炭化シリコンをシリコンの生成反応の原料として利用することが可能になる。
本発明（４）によれば、炭素からなる部材の近傍に不純物である炭化シリコンが集積するので、製造するシリコン多結晶に含まれる炭化シリコンの含有量を低減できる。
本発明（５）によれば、安価で高純度のシリコンを供給することが可能になる。
本発明（６）によれば、低価格の太陽電池を供給することが可能になる。
本発明（７）によれば、炭素からなる部材の近傍に不純物である炭化シリコンが集積するので、製造するシリコン多結晶に含まれる炭化シリコンの含有量を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の最良形態について説明する。本発明のシリコン多結晶の製造方法は、廃棄シリコンを原料として、アーク放電法により生じる化学反応を利用して廃棄シリコンに含まれる不純物を除去する方法である。
【００１１】
本発明のシリコン多結晶の製造方法では、廃棄シリコンと酸素の反応により生じた酸化シリコンと炭化シリコンをアーク放電により反応させてシリコンを生成させる。アーク放電の雰囲気は、大気中であってもよいし、そうでない場合でも酸素を含むガス雰囲気中であってもよい。本発明の一つの具体例では、アーク炉の炉体の少なくとも一部に炭素を用いる。また、炉体の一部に炭素を用いない場合でも、例えば、電極の材料として炭素を用いてもよい。さらに、炉体の一部と電極の両方に炭素を用いてもよい。炭素材料としては、高純度グラファイトを用いるのが好ましい。これらの場合は、廃棄シリコンと炭素の反応により炭化シリコンが生成するので、その炭化シリコンを反応に利用することが可能になる。また、反応に用いる炭化シリコンは、廃棄シリコンに含まれている炭化シリコンを利用してもよい。この場合は、必ずしも、アーク炉の一部に炭素を用いなくてもよい。
【００１２】
本願明細書において「廃棄シリコン」とは、例えば、単結晶引き上げ時のルツボ残留物や、半導体用又は太陽電池用の高純度シリコンを切断する際に発生する切断屑のことを指す。これらの廃棄シリコンは、従来廃棄されていた材料であるため、材料コストは極めて安価である。切断屑を原料として用いる場合は、切断に用いた刃やワイヤーに含まれている炭化シリコンが原料自体に含まれている。また、切断時に通常冷却水を用いるので、回収した切断屑には水分が多く含まれる。そのため、アーク放電によるシリコン生成処理を行う前に自然乾燥或いは加熱処理により原料となる廃棄シリコンの粉末に含有される水分を十分に除去するのが好ましい。
【００１３】
（本発明のシリコン多結晶の製造方法の第一の具体例）
以下、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第一の具体例について、アーク炉の図面を用いて説明する。
図１(a)、(b)は、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第一の具体例によるアーク炉の断面図である。図１(a)は、シリコンの生成反応前の断面図であり、図１(b)は、シリコンの生成反応中の断面図である。図１(a)に示すアーク炉の炉体は、耐火物からなる炉体２と、炭素からなる炉体１と、電極３と、栓４とから構成される。炭素からなる炉体１は導電性であり、電極としての機能も兼ね備えている。耐火物は、例えば、アルミナ等の酸化物である。係るアーク炉に廃棄シリコン５をシリコン製造の原料として投入する。その後、電極３を廃棄シリコン５に接触させ、電極３と炭素からなる炉体１との間に電圧を印加し、アーク放電を起こす。
この状態である程度時間が経過した時点でのアーク炉の断面図が図１(b)である。投入された廃棄シリコンはアーク放電により高温となり溶融して液体シリコンになっている。この液体シリコン中には、シリコンの他に、ボロン、リン、ナトリウム、鉄などのさまざまな不純物が含まれている。電極３の周辺領域７では、廃棄シリコンと大気中の酸素が次の反応式で表される反応を生じる。
Si + O2 → SiO2
また、廃棄シリコンと炉体の炭素が次の反応式で表される反応を生じる。反応により生じた炭化シリコンは、主に炉体の炭素からなる部分に接触する領域９、１０に集積する。
Si + C → SiC
さらに、生じたSiO2とSiC、又は、もともと廃棄シリコンに含まれる炭化シリコンが次の反応式で表される反応を生じる。
SiO2 + SiC → 2Si + CO2↑
SiO2 + 2SiC → 3Si + 2CO↑
炭化シリコンに含まれる炭素は、反応により二酸化炭素又は一酸化炭素に変化し、気体として原料内から排除され、図１(b)の電極周辺の反応領域７において反応が進むにつれて、反応領域の酸化シリコンと炭化シリコンは高純度のシリコンへと変化していき、同時に、炭素や酸素以外の不純物も除去され、比重の関係で高純度の液体シリコン８がアーク炉の底部に溜まる。出来上がった液体シリコン８は、例えば、炉の側面に設けた栓４を抜いてアーク炉の外に取り出す。取り出された液体シリコンを冷却すると、例えば、太陽電池に用いることが可能な高純度のシリコン多結晶が出来上がる。
【００１４】
本発明のシリコン多結晶の製造方法は、アーク放電法を利用して、廃棄シリコンから生成した酸化シリコンと炭化シリコンの反応によりシリコンを生成することで、廃棄シリコンに含まれる不純物を除去し高純度のシリコンを生成するものである。アーク放電法を利用していても、石英と炭素の反応によりシリコンを生成する従来の製造方法と比較し、シリコンの生成効率が高い。
一つの理由は、エネルギー利用効率の観点では、石英が電気を通しにくい絶縁性の原料であるのに対し、本発明では電気を通しやすいシリコンを用いており、シリコン中にはやはり電気を通しやすい炭化シリコンが含まれるために供給した電力を反応エネルギーに変換する効率が高いためであると考えられる。
次に、原料の組成の観点では、石英に含まれるシリコンは原料のごく一部であるのに対し、本発明で用いる廃棄シリコンは、もともとほとんどがシリコンであるため、不要な部分が少なく、本発明のシリコン多結晶の製造方法は、含まれる炭素分を除去し、同時に他の不純物を除去するだけで目的材料に到達する効率の高い手法を用いている。
また、従来のシリコンの製造方法と比較して、不純物の含有量を大幅に低減することが可能である。特に、アーク炉の炉体の一部を炭素からなる部材で構成することにより、原料に含まれる炭化シリコンや反応により生成する炭化シリコンがアーク炉の側壁部に集積し、反応により生成したシリコンと分離することが可能である。そのため、従来方法で困難であったシリコン中に含まれる炭化シリコンの含有量の低減が可能になる。
【００１５】
（本発明のシリコン多結晶の製造方法の第二の具体例）
図２(a)、(b)は、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第二の具体例によるアーク炉の断面図である。図２(a)は、シリコンの生成反応前の断面図であり、図２(b)は、シリコンの生成反応中の断面図である。図２(a)に示すアーク炉の炉体は、耐火物からなる炉体２２と、炭素からなる炉体２１と、電極２３と、栓２４とから構成される。図２に示すアーク炉は炉の底部が平底ではなく下方に突き出た形状である点で図１に示すアーク炉と異なる。また、生成されたシリコンを取り出す栓が側面ではなく、炉の下面に設けられている。係るアーク炉に廃棄シリコン２５をシリコン製造の原料として投入する。その後、電極２３を廃棄シリコン２５に接触させ、電極２３と炭素からなる炉体２１との間に電圧を印加し、アーク放電を起こす。
この状態である程度時間が経過した時点でのアーク炉の断面図が図２(b)である。投入された廃棄シリコンはアーク放電により高温となり溶融して液体シリコンになっている。アーク放電により生じる反応は、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第一の具体例について記載した反応と同じである。反応により生じた炭化シリコンは、主に炉体の炭素からなる部分に接触する領域２９、３０に集積し、高純度の液体シリコン２８がアーク炉の底部に溜まる。出来上がった液体シリコン２８は、例えば、炉の下面に設けた栓２４を抜いてアーク炉の外に取り出す。取り出された液体シリコンを冷却すると、例えば、太陽電池に用いることが可能な高純度のシリコン多結晶が出来上がる。
生成されたシリコンは比重の関係で炭化シリコンよりも下のほうに溜まりやすいので、下方に突き出た底部を有するアーク炉を用いると、シリコンと炭化シリコンの分離をより効率的に行うことが可能で、高純度のシリコンを生成することができる。
【実施例】
【００１６】
従来の製造方法による石英と炭素を原料としてアーク放電により生成したシリコンと、本発明の製造方法による廃棄シリコンを原料としてアーク放電により生成したシリコンに含まれる不純物含有量を比較した。本発明の製造方法により生成したシリコンの純度は従来の製造方法により生成したシリコンの純度である99.98%と比較して99.99%と高く、良好なものであった。
また、同じ電力量を使用し、同じ重量の原料を用いた場合に、得られるシリコン多結晶の重量は、従来技術である石英を還元する方法と比較して、本発明では従来技術の１０倍のシリコン結晶が得られて、生成効率が大幅に向上することが確認された。
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００１７】
以上のように、本発明に係るシリコン多結晶、及び、その製造方法は、安価な原料である廃棄シリコンから高い生成効率で高純度のシリコンを製造することが可能であり、太陽電池の低価格化、クリーンなエネルギー源である太陽光発電の普及に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】(a)、(b)は、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第一の具体例によるアーク炉の断面図である。(a)は、シリコンの生成反応前の断面図であり、(b)は、シリコンの生成反応中、及び、反応後の断面図である。
【図２】(a)、(b)は、本発明のシリコン多結晶の製造方法の第二の具体例によるアーク炉の断面図である。(a)は、シリコンの生成反応前の断面図であり、(b)は、シリコンの生成反応中の断面図である。
【図３】従来のアーク炉の断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１、２１  炭素からなる炉体
２、２２  耐火物からなる炉体
３、２３  電極
４、２４  栓
５、６、２５、２６  廃棄シリコンからなる原料
７、２７  反応領域
８、２８  液体シリコン
９、１０、２９、３０  炭化シリコン
１０１  断熱材
１０２  石英と炭素の混合物
１０３  下部電極
１０４  反応領域
１０５  液体シリコン
１０６  電柱
１０７  銅電柱
１０８  液体シリコン取出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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