(57)【要約】【課題】テトラクロロシランと溶融金属との反応において、十分に高い反応率を示すシリコンの製造方法及び製造装置を提供すること。【解決手段】本発明に係るシリコン製造方法は、テトラクロロシランからシリコンを製造する方法であって、反応器内において液状のテトラクロロシランと溶融金属とを互いに衝突させ、テトラクロロシランを還元してシリコンを得る還元工程を備える。また、本発明に係るシリコンの製造方法は、還元工程を経て得られたシリコン粒子と未反応の液状のテトラクロロシランとを含有するスラリーを反応器から排出する排出工程を更に備えたものであってもよい。【選択図】図１
2010030825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テトラクロロシランからシリコンを製造する方法であって、
反応器内において液状のテトラクロロシランと溶融金属とを衝突させ、テトラクロロシランを還元してシリコンを得る還元工程を備える、シリコン製造方法。
【請求項２】
前記還元工程を経て得られたシリコン粒子と未反応の前記液状のテトラクロロシランとを含有するスラリーを前記反応器から排出する排出工程を更に備える、請求項１に記載のシリコン製造方法。
【請求項３】
前記スラリーから液状のテトラクロロシランを分離する分離工程と、当該分離工程を経て得られた液状のテトラクロロシランを前記反応器よりも上流側に返送する返送工程とを更に備える、請求項２に記載のシリコン製造方法。
【請求項４】
前記溶融金属がアルミニウムである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシリコン製造方法。
【請求項５】
テトラクロロシランからシリコンを製造するための装置であって、
液状のテトラクロロシランと溶融金属とを衝突させ、テトラクロロシランを還元してシリコンを得る反応器と、
前記反応器内に液状のテトラクロロシランを供給するテトラクロロシラン供給手段と、
前記反応器内に溶融金属を供給する溶融金属供給手段と、
を備える、シリコン製造装置。
【請求項６】
前記反応器内で製造されたシリコン粒子と未反応の前記液状のテトラクロロシランとを含有するスラリーを当該反応器から排出する排出手段を更に備える、請求項５に記載のシリコン製造装置。
【請求項７】
前記スラリーから液状のテトラクロロシランを分離する分離手段と、当該分離手段によって分離された液状のテトラクロロシランを前記反応器よりも上流側に返送する返送手段とを更に備える、請求項６に記載のシリコン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テトラクロロシランからシリコンを製造する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体グレードシリコンの製造方法として、トリクロロシランと水素とを高温で反応させるジーメンス法が主に採用されている。この方法においては、極めて高純度のシリコンが得られるが、高コストであり、さらなるコストダウンは困難であると言われている。
【０００３】
環境問題がクローズアップされる中、太陽電池はクリーンなエネルギー源として注目を集め、住宅用を中心に需要が急増している。シリコン系太陽電池は信頼性や変換効率に優れるため、太陽光発電の８割程度を占めている。太陽電池用シリコンは、半導体グレードシリコンの規格外品を主な原料としている。そこで、発電コストをさらに低減させるためには、低価格のシリコン原料を確保することが望まれている。
【０００４】
ジーメンス法に替わるシリコンの製造方法としては、例えば下記特許文献１及び２に、還元剤（例えば溶融金属）でハロゲン化シランを還元して、シリコンを製造する方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平２−６４００６号公報
【特許文献２】特開２００７−２８４２５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献２にも記載されているように、溶融金属の微小液滴を形成する方法として、流下する溶融金属にガスを吹き付けるガスアトマイズ法が知られている。このガスアトマイズ法においては、溶融金属に吹き付けるガス（以下、「アトマイズガス」という。）として不活性ガスを使用することが一般的である。
【０００７】
しかしながら、不活性ガスを用いたガスアトマイズ法をシリコンの製造に採用した場合、以下の点において改善の余地があることを本発明者は見出した。それは、クロロシランガスが還元されてシリコンが析出する反応場に、溶融金属の微粒化に使用した不活性ガスが大量に残存するという点である。反応場に不活性ガスが大量に残存していると、クロロシランガスの分圧を十分に高くすることが困難となり、十分な反応性を得ることができなくなる。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、テトラクロロシランと溶融金属との反応において、十分に高い反応率を示すシリコンの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るシリコン製造方法は、テトラクロロシランからシリコンを製造する方法であって、反応器内において液状のテトラクロロシランと溶融金属とを衝突させ、テトラクロロシランを還元してシリコンを得る還元工程を備える。
【００１０】
本発明に係るシリコン製造方法においては、液状のテトラクロロシランと溶融金属とを互いに衝突させる。溶融金属に衝突した液体テトラクロロシランは、衝突のエネルギーによって溶融金属を微細化するのみならず、気化に伴う急激な体積膨張によって溶融金属をより微細化する。すなわち、液状のテトラクロロシランは、反応器内において溶融金属の熱、反応場の熱及び反応熱によって気化して急激に体積が膨張する。これによって溶融金属の微細化が促進される。
【００１１】
このように、本発明のシリコン製造方法によれば、不活性ガスを使用しなくても溶融金属を十分に微細化できる。したがって、反応場におけるテトラクロロシランガスの分圧を十分高くすることができる。また、本発明のシリコン製造方法によれば、液状のテトラクロロシランと溶融金属とが衝突することによって微小液滴が形成されると同時に、テトラクロロシランと溶融金属の微小液滴とが効率的に接触する。したがって、溶融金属とテトラクロロシランとの反応において、十分に高い反応率を達成できる。
【００１２】
本発明に係るシリコンの製造方法は、還元工程を経て得られたシリコン粒子と未反応の液状のテトラクロロシランとを含有するスラリーを反応器から排出する排出工程を更に備えたものであってもよい。かかる構成を採用することにより、反応器に供給した液状のテトラクロロシランの全量を気化させなくてもよいため、反応器内の温度を比較的低く設定することができ、消費電力を低減できる。
【００１３】
また、本発明に係るシリコン製造方法は、上記スラリーから液状のテトラクロロシランを分離する分離工程と、当該分離工程を経て得られた液状のテトラクロロシランを反応器よりも上流側に返送する返送工程とを更に備えたものであってもよい。かかる構成を採用することにより、還元工程における溶融金属との衝突に分離回収された液状のテトラクロロシランを再利用することができる。なお、分離回収されるテトラクロロシランが液体であると、溶融金属と衝突させるのに適した圧力にまで比較的容易に昇圧できる。
【００１４】
本発明に係るシリコン製造装置は、テトラクロロシランからシリコンを製造するためのものであって、液状のテトラクロロシランと溶融金属とを衝突させ、テトラクロロシランを還元してシリコンを得る反応器と、反応器内に液状のテトラクロロシランを供給するテトラクロロシラン供給手段と、反応器内に溶融金属を供給する溶融金属供給手段とを備える。
【００１５】
本発明に係るシリコン製造装置においては、液状のテトラクロロシランと溶融金属とを互いに衝突させる。溶融金属に衝突した液体テトラクロロシランは、衝突のエネルギーによって溶融金属を微細化するのみならず、気化に伴う急激な体積膨張によって溶融金属をより微細化する。すなわち、液状のテトラクロロシランは、反応器内において溶融金属の熱、反応場の熱及び反応熱によって気化して急激に体積が膨張し、これによって溶融金属の微細化が促進される。
【００１６】
このように、本発明のシリコン製造装置によれば、不活性ガスを使用しなくても溶融金属を十分に微細化できる。したがって、反応場におけるテトラクロロシランガスの分圧を十分高くすることができる。また、本発明のシリコン製造装置によれば、液状のテトラクロロシランと溶融金属とが衝突することによって微小液滴が形成されると同時に、テトラクロロシランと溶融金属の微小液滴とが効率的に接触する。したがって、溶融金属とテトラクロロシランとの反応において、十分に高い反応率を達成できる。
【００１７】
本発明に係るシリコン製造装置は、反応器内で生じたシリコン粒子と未反応の液状のテトラクロロシランとを含有するスラリーを当該反応器から排出する排出手段を更に備えたものであってもよい。かかる構成を採用することにより、反応器に供給した液状のテトラクロロシランの全量を気化させなくてもよいため、反応器内の温度を比較的低く設定することができ、消費電力を低減できる。
【００１８】
また、本発明に係るシリコン製造装置は、反応器から排出されたスラリーから液状のテトラクロロシランを分離する分離手段と、当該分離手段によって分離された液状のテトラクロロシランを反応器よりも上流側に返送する返送手段とを更に備えることが好ましい。かかる構成を採用することにより、反応器内における溶融金属との衝突に分離回収された液状のテトラクロロシランを再利用することができる。なお、分離回収されるテトラクロロシランが液体であると、溶融金属と衝突させるのに適した圧力にまで比較的容易に昇圧できる。
【００１９】
本発明においては、溶融金属がアルミニウムであることが好ましい。溶融金属としてアルミニウムを使用すると、高純度のシリコンを得やすいという利点がある。生成したシリコン粒子中やその表面にアルミニウムが残存しても、酸やアルカリによる溶解除去や偏析法によってアルミニウムを比較的容易に除去することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、テトラクロロシランと溶融金属との反応において、十分に高い反応率を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係るシリコンの製造方法は、溶融金属として溶融アルミニウムを使用してシリコンを製造するものである。
【００２３】
溶融アルミニウムと液体テトラクロロシランとを接触させることにより、下記式（Ａ）で表される還元反応が進行し、シリコンが製造される。
３ＳｉＣｌ４＋４Ａｌ  →  ３Ｓｉ＋４ＡｌＣｌ３    （Ａ）
【００２４】
図１及び図２を参照しながら、第１実施形態に係るシリコン製造装置１０の構成及びその運転条件について詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るシリコン製造装置の構成を示す概略構成図である。図２は、シリコン製造装置１０における液体テトラクロロシランと溶融アルミニウムとを互いに衝突させる機構を拡大して示す図である。
【００２５】
図１に示すシリコン製造装置１０は、溶融金属収容部（溶融金属供給手段）１、液体テトラクロロシラン噴射部２、反応器３、固気分離器５、液体テトラクロロシランを貯留するタンク２１、液体テトラクロロシランを噴射部２に供給するラインＬ１及び液体テトラクロロシランの加圧用ポンプ２２等を備える。
【００２６】
なお、本実施形態においては、液体テトラクロロシラン噴射部２、タンク２１、ラインＬ１及びポンプ２２によってテトラクロロシラン供給手段が構成される。また、後述する溶融金属収容部１のノズル１ａ及び液体テトラクロロシラン噴射部２によって、液体テトラクロロシランと溶融アルミニウムとを互いに衝突させる機構が構成される。
【００２７】
溶融金属収容部１は、溶融アルミニウムを収容するためのものであり、密閉容器１５内に設けられている。溶融金属収容部１の周囲にはヒータ１１が設けられ、収容する溶融アルミニウムの温度を調整できるようになっている。図２に示すように、溶融金属収容部１の底部には反応器３内にまで延在するノズル１ａが設けられ、ノズル１ａから溶融アルミニウムの細流Ｆが鉛直方向に流下する。このようにアルミニウムの溶融体を溶融金属収容部１に収容させておくと、ノズル１ａから反応器３内に溶融アルミニウムを安定的に流下させることができ、安定的且つ連続的にシリコンを製造できるという利点がある。また、溶融金属収容部１を収容する密閉容器１５内を不活性ガス等で加圧してもよい。これにより溶融アルミニウムをより一層安定的に流下させることができる。
【００２８】
ノズル１ａから流下させる溶融アルミニウムは、純度が９９．９質量％以上であることが好ましく、９９．９９質量％以上であることがより好ましく、９９．９９５質量％以上であることが更に好ましい。純度の高い溶融アルミニウムを使用することで、純度の高いシリコンを得ることができる。なお、ここでいう溶融アルミニウムの純度とは、原料アルミニウムのグロー放電質量分析法によって測定された元素のうち、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｎａ、Ｍｇ及びＺｎの含有量（質量％）の合計を１００質量％から差し引いた値を意味する。
【００２９】
溶融金属収容部１内の温度は、溶融させる金属の融点に応じて適宜設定すればよいが、本実施形態のように還元性金属としてアルミニウム（融点：６６０℃）を使用する場合には、通常７００〜１３００℃、好ましくは７００〜１２００℃、更に好ましくは７００〜１０００℃である。ノズル１ａの温度は７００〜１０００℃程度とすることが好ましい。
【００３０】
液体テトラクロロシラン噴射部２は、図２に示すように、ラインＬ１を通じてタンク２１から供給される液体テトラクロロシランを、溶融アルミニウムの細流Ｆに向けて噴射するためのものである。液体テトラクロロシラン噴射部２は、溶融アルミニウムの細流Ｆに向けてその周囲から液体テトラクロロシランを噴射するノズル２ａを備える。液体テトラクロロシランからなる液体流Ｌ（以下、「液体テトラクロロシラン流Ｌ」という。）を溶融アルミニウムの細流Ｆに噴射して、液体テトラクロロシラン流Ｌと溶融アルミニウムとを衝突させることによって、溶融アルミニウムの微小液滴Ｐが形成される。
【００３１】
このように、本発明の具体的な実施態様として、液状のテトラクロロシランと溶融金属との衝突は、液状のテトラクロロシランと溶融金属とをそれぞれノズルから噴射することにより行う。溶融アルミニウムの細流Ｆに衝突した液体テトラクロロシラン流Ｌは、物理的に溶融アルミニウムを微細化するのみならず、気化に伴う急激な体積膨張によって溶融アルミニウムをより微細化する。
【００３２】
本実施形態において使用するテトラクロロシランは、高純度のシリコン粒子を得る観点から、その純度が９９．９９質量％以上であることが好ましく、９９．９９９質量％以上であることがより好ましく、９９．９９９９質量％以上であることが更に好ましい。
【００３３】
溶融アルミニウムの細流Ｆに噴射させる液体テトラクロロシランは、１〜１５０ＭＰａの圧力で噴射されることが好ましく、５〜１００ＭＰａで噴射されることがより好ましく、１０〜１００ＭＰａで噴射されることが更に好ましい。液体テトラクロロシランの噴射される圧力が１ＭＰａ未満であると、溶融アルミニウムの微小液滴Ｐの形成が不十分となるとともに上記式（Ａ）で表される反応の進行が不十分となる傾向がある。他方、１５０ＭＰａを超える圧力で液体テトラクロロシランを噴射するには、耐圧性の高い各種装置を使用する必要があり、コストが増大する傾向がある。
【００３４】
液体テトラクロロシランの加圧用ポンプ２２は、液体テトラクロロシランを目的の圧力にまで昇圧できるものであれば、特に制限はない。ポンプ２２の具体例として、プランジャーポンプ、ダイヤフラムポンプ等を例示できる。
【００３５】
なお、テトラクロロシランは、金属材料を腐食させる性質を有する。テトラクロロシランによる金属腐食を抑制するため、ノズル２ａとして、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素、石英、ムライト又は炭素からなる部材、あるいは、上記材料でコーティングされた部材で形成されたものを使用することが好ましい。
【００３６】
反応器３は、図１に示すように、鉛直方向に延びる円筒部３ａを備えており、この円筒部３ａ内に上記式（Ａ）で表される反応が進行する反応場が形成される。ノズル２ａから細流Ｆに向けて液体テトラクロロシランを噴射することにより、溶融アルミニウムの微小液滴Ｐが形成されると同時に、テトラクロロシランと微小液滴Ｐとが接触し、微小液滴Ｐによるテトラクロロシランの還元反応（上記式（Ａ））が進行する（還元工程）。
【００３７】
上記式（Ａ）の通り、当該反応におけるテトラクロロシランのモル数と溶融アルミニウムのモル数の化学量論比は、３：４であるが、生産性などの観点から、反応場に供給する単位時間あたりのテトラクロロシランのモル数Ｍ１と溶融アルミニウムの供給モル数Ｍ２の比（Ｍ１／Ｍ２）は、０．７５〜２０であることが好ましく、０．７５〜１０であることがより好ましく、０．７５〜７．５であることが更に好ましい。Ｍ１／Ｍ２の値が０．７５未満であると、反応の進行が不十分となる傾向があり、他方、２０を越えると、反応に寄与しないテトラクロロシランの量が増大する傾向がある。
【００３８】
円筒部３ａの周囲にはヒータ１３が設けられ、反応場の温度を調整できるようになっている。加熱方式としては、特に制限はなく、例えば、高周波加熱、抵抗加熱、ランプ加熱などを用いた直接的な方法の他に、予め温度調節されたガス等の流体を用いる方式も用いることができる。反応場の温度は、通常、３００〜１２００℃（好ましくは５００〜１０００℃）となるように調整する。また、反応場の圧力は、通常、１気圧以上となるように調整する。
【００３９】
円筒部３ａ内に形成される反応場の酸素濃度は、酸化物の生成を十分に抑制する観点から、なるべく低い値に維持することが好ましい。具体的には、反応を開始する前の反応場の酸素濃度は、１体積％以下であることが好ましく、０．１体積％以下であることがより好ましく、１００体積ｐｐｍ以下であることが更に好ましく、１０体積ｐｐｍ以下であることが特に好ましい。反応を開始する前の反応場の酸素濃度を下げる方法として、溶融アルミニウムを所定時間噴霧し、アルミニウムの液滴に反応場の酸素を吸着させるという手法が挙げられる。なお、反応を開始する前の反応場は、露点が−２０℃以下であることが好ましく、−４０℃以下であることがより好ましく、−７０℃以下であることが更に好ましい。
【００４０】
また、反応場の酸素濃度は、反応中においても、酸化物の生成を十分に抑制する観点から、なるべく低い値に維持することが好ましい。具体的には、反応中の反応場の酸素濃度は、１体積％以下であることが好ましく、０．１体積％以下であることがより好ましく、１００体積ｐｐｍ以下であることが更に好ましく、１０体積ｐｐｍ以下であることが特に好ましい。
【００４１】
反応器３は、その下部に設けられ下方に行くに従って内径が小さくなるとともに下端にシリコン粒子を排出するためのＳｉ粒子排出口３ｃを有する縮径部３ｂを備える。この縮径部３ｂの鉛直方向の略中間の位置には、反応によって生じた塩化アルミニウム（気体）、未反応のテトラクロロシラン（気体）及び微粒のシリコン粒子を排出するためのガス排出口３ｄが設けられている。
【００４２】
反応器３の下部に設けられた縮径部３ｂは、第１段目の固気分離器として機能する。縮径部３ｂの周囲にはヒータ（図示せず）が設けられ、内部の温度を調整できるようになっている。縮径部３ｂの内部の温度を塩化アルミニウム（昇華点：１８０℃）が析出しない温度に保持することで、シリコン粒子とガスとを分離する。具体的には、縮径部３ｂの内部の温度を２００℃以上となるように調整することが好ましい。縮径部３ｂの内部の温度を２００℃よりも低くした場合、縮径部３ｂ内において塩化アルミニウムが析出し、シリコン粒子中に混入しやすくなる傾向がある。
【００４３】
ガス排出口３ｄから排出されるガスは固気分離器５に供給される。固気分離器５は、第２段目の固気分離器として機能する。固気分離器５は、ガス排出口３ｄから排出されるガス中に存在するシリコン粒子を分離するためのものである。この固気分離器５の内部の温度も２００℃以上となるように調整することが好ましい。固気分離器５の好適な例として、保温サイクロン式固気分離器などを例示できる。
【００４４】
固気分離器５から排出されるガスは固気分離器８に供給される。固気分離器８は、第３段目の固気分離器として機能する。固気分離器８は、固気分離器５からのガスに含まれる塩化アルミニウムを除去するためのものである。固気分離器８内の温度を、塩化アルミニウムは析出するがテトラクロロシラン（沸点：５７℃）は凝縮しない温度に保持することで、析出した塩化アルミニウム（固体）を除去する。具体的には、固気分離器８の内部の温度を６０〜１７０℃（より好ましくは７０〜１００℃）に維持することが好ましい。固気分離器８の内部の温度を６０℃よりも低くした場合、固気分離器８内においてテトラクロロシランが凝縮し、リサイクルされるテトラクロロシランガスの量が不十分となる傾向がある。他方、固気分離器８の内部の温度を１７０℃よりも高くした場合、塩化アルミニウムの析出が不十分となり、リサイクルされるテトラクロロシランガス中の塩化アルミニウムの含有量が高くなる傾向がある。
【００４５】
固気分離器８は、その内部にバッフル板（図示せず）を備えるものであることが好ましい。バッフル板を内部に設けることで、固気分離器８の内表面積が増大して塩化アルミニウムが効率的に析出し、ガス中の塩化アルミニウム含有量を十分に低減できる。固気分離器８の内表面積は、固気分離器８の装置表面積の５倍以上であることが好ましい。
【００４６】
固気分離器８において塩化アルミニウムの除去処理がなされたガスは、ラインＬ７を通じて固気分離器８から排出される。固気分離器８から排出されるテトラクロロシランガスを液化させた後にタンク２１へ返送してリサイクルしてもよい。タンク２１へ返送する前に蒸留を行って精製してもよい。
【００４７】
このように、本実施形態に係るシリコン製造装置１０は、第１段目の固気分離器として縮径部３ｂを備え、第２段目の固気分離器として固気分離器５を備え、更に、第３段目の固気分離器として固気分離器８を備える。かかる構成を採用することにより、未反応のテトラクロロシランを効率的に回収し再利用することができる。なお、固気分離器の段数は特に制限はなく、例えば、固気分離器５を採用することなく、縮径部３ｂと固気分離器８とを連結してもよく、あるいは、固気分離器を４段以上設けてもよい。また、ガス排出口３ｄを具備しない反応器を使用する場合などにあっては、Ｓｉ粒子排出口３ｃの後段に固気分離器５等を設置してもよい。
【００４８】
本実施形態に係るシリコンの製造方法及び製造装置によれば、以下のような効果が奏される。すなわち、本実施形態においては、液体テトラクロロシラン流Ｌと溶融アルミニウムの細流Ｆとを互いに衝突させる。細流Ｆに衝突した液体テトラクロロシランは、衝突のエネルギーによって溶融アルミニウムを微細化するのみならず、気化に伴う急激な体積膨張によって溶融アルミニウムを微細化する。すなわち、液体テトラクロロシランは、反応器３内において溶融アルミニウムの熱、反応場の熱及び反応熱により気化して急激に体積が膨張する。これによって溶融アルミニウムの微細化が促進される。
【００４９】
したがって、本実施形態によれば、不活性ガスを使用しなくても溶融アルミニウムを十分に微細化できる。よって、反応場におけるテトラクロロシランガスの分圧を十分高くすることができる。また、本実施形態によれば、液体テトラクロロシランと溶融アルミニウムの細流Ｆとが互いに衝突することによって微小液滴Ｐが形成されると同時に、テトラクロロシランと微小液滴Ｐとが効率的に接触する。したがって、溶融アルミニウムとテトラクロロシランとの反応において、十分に高い反応率を達成できる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、比較的簡易な構成の反応器でシリコンを製造できるという利点がある。すなわち、ガスアトマイズ法を利用した従来のシリコンの製造方法にあっては、微小液滴を形成するための不活性ガス（アトマイズガス）の供給手段、及び、形成された微小液滴と接触させるテトラクロロシランガスの供給手段の両方を備える反応器が必要である。これに対し、本実施形態によれば、液体テトラクロロシラン流Ｌを溶融アルミニウムの細流Ｆに噴射することでシリコンを製造できるため、図１に示すシリコン製造装置１０のように、別途テトラクロロシランガスを反応器３へと供給する機構を具備しない製造装置を使用できる。ただし、別途テトラクロロシランガスを反応器３へと供給する機構を具備する製造装置を使用してもよい。
【００５１】
＜第２実施形態＞
上述した第１実施形態は、反応器３内に供給した液体テトラクロロシランの全量を気化させてシリコンを製造する場合を想定したものであるが、反応器内に供給した液体テトラクロロシランの一部を気化させ、未反応のテトラクロロシランを液体の状態で回収してもよい。図３は、反応器から未反応の液体テトラクロロシランを回収するのに好適なシリコン製造装置を示す模式構成図である。
【００５２】
図３に示すシリコン製造装置２０は、溶融金属収容部１、液体テトラクロロシラン噴射部２、反応器２３、固液分離器（分離手段）２５、フィルタ２６、乾燥機２７、ＡｌＣｌ３除去装置２８、タンク２１及びポンプ２２等を備える。
【００５３】
シリコン製造装置２０は、上記第１実施形態の反応器３の温度と比較し、反応器２３の温度を低く設定すればよく、具体的には、反応器２３内の温度を０〜５０℃（より好ましくは０〜３０℃）とすればよい。このため、反応器２３の周囲にヒータを必ずしも設置しなくてもよい。あるいは、ヒータを設置したとしても消費電力を低減できるという利点がある。また、シリコン製造装置２０は、反応器２３の温度条件、並びに、生成したシリコン粒子及び未反応のテトラクロロシランの回収機構が相違する点の他は、上記第１実施形態のシリコン製造装置１０と同様の構成を有する。以下、図３を参照しながら、シリコン製造装置２０の回収機構について主に説明する。
【００５４】
シリコン製造装置２０は、シリコン粒子、塩化アルミニウム粒子及び未反応の液体テトラクロロシランを含有するスラリーを排出するスラリー排出口２３ｃを有する反応器２３を備える。反応器２３は、鉛直方向に延びる円筒部２３ａと、この円筒部２３ａの下部に設けられ下方に行くに従って内径が小さくなるとともに下端にスラリー排出口２３ｃを有する縮径部２３ｂとを備える。スラリー排出口２３ｃ及びこれに接続されたラインＬ２１を通じ、反応器２３内のスラリーを排出する（排出工程）。本実施形態においては、スラリー排出口２３ｃ及びラインＬ２１によって排出手段が構成される。
【００５５】
反応器２３から排出されるスラリーは、反応器２３内で生成するシリコン粒子及び副生する塩化アルミニウム粒子を固形分として含有する。塩化アルミニウムは、液体テトラクロロシランに対する溶解度が低いため、シリコン粒子と同様に固形分としてスラリー中に存在する。
【００５６】
固液分離器２５は、ラインＬ２１を通じて供給されるスラリーから液体テトラクロロシランを分離するためのものである。スラリーを固液分離器２５に導入することによって、スラリーに含まれる液体分（液体テトラクロロシラン）と固形分（シリコン粒子及び塩化アルミニウム粒子）とを分離する（分離工程）。図３には、固液分離器２５として、自然沈降によって固液分離する装置を図示したが、固液分離の方法は特に制限はなく、例えば、自然沈降の他に、限外濾過や遠心分離などによる方法を適用してもよい。固液分離器２５として、これらの方法を実施できる装置を適宜選択すればよい。
【００５７】
固液分離器２５によって分離された液体テトラクロロシランは、ラインＬ２２を通じてタンク２１へと返送される。ラインＬ２２の途中にはフィルタ２６が配設されている。フィルタ２６による濾過処理が施され、残存する固形分が十分に取り除かれた液体テトラクロロシランをタンク２１へと返送する（返送工程）。タンク２１に供給された液体テトラクロロシランはポンプ２２によって加圧され、溶融アルミニウムの細流Ｆとの衝突に再度利用される。本実施形態においては、ラインＬ２２及びこの途中に配設されるポンプ（図示せず）等によって返送手段が構成される。
【００５８】
分離回収したテトラクロロシランが気体であると、タンク２１に返送する前に液化する工程が必要となるが、本実施形態においてはこのような工程を実施せずに回収した液体テトラクロロシランをタンク２１に返送できる。また、テトラクロロシランが液体であると、溶融アルミニウムと衝突させるのに適した圧力にまで比較的容易に昇圧できるという利点がある。なお、タンク２１に液体テトラクロロシランを供給するに先立ち、当該液体テトラクロロシランの蒸留を行って精製してもよい。
【００５９】
他方、固液分離器２５における処理によって固形分が濃縮されたスラリーは、ラインＬ２３を通じて乾燥機２７へと供給される。乾燥機２７において、濃縮されたスラリーに対して乾燥処理を施し、残存する液体テトラクロロシランを除去する（乾燥工程）。液体テトラクロロシランは蒸気圧が高いため、乾燥機２７における乾燥温度は比較的低温であっても蒸発させることは可能であるが、テトラクロロシランの沸点以上であり且つ塩化アルミニウムの昇華点未満であることが好ましい。
【００６０】
乾燥機２７から排出される固形分は、ラインＬ２５を通じてＡｌＣｌ３除去装置２８に導入される。ＡｌＣｌ３除去装置２８内において固形分を塩化アルミニウムの昇華点以上に加熱することによって塩化アルミニウムを気化させて除去する（脱ＡｌＣｌ３工程）。ＡｌＣｌ３除去装置２８に接続されたラインＬ２６から塩化アルミニウム（気体）を排出する一方、ラインＬ２７からシリコン粒子を回収する。塩化アルミニウム粒子を効率的に気化させる観点から、ＡｌＣｌ３除去装置２８における処理を減圧下にて行ってもよい。減圧下における処理は乾燥機２７の段階から行ってもよい。
【００６１】
乾燥機２７から排出されるテトラクロロシランは、ラインＬ２４を通じてラインＬ２２のフィルタ２６よりも上流側に供給され、ラインＬ２２を通じてタンク２１に導入される。
【００６２】
なお、ここではＡｌＣｌ３除去装置２８における処理に先立ち、固液分離器２５による分離工程によって液体テトラクロロシランの一部を回収する場合を例示したが、固液分離器２５による分離工程を実施することなく、乾燥機２７による乾燥工程によって液体テトラクロロシランの全量を除去してもよい。あるいは、乾燥工程及び分離工程の両方を実施することなく、反応器２３から排出されたスラリーをＡｌＣｌ３除去装置２８に直接導入してもよい。この場合、ＡｌＣｌ３除去装置２８からは、シリコン粒子と、テトラクロロシラン及び塩化アルミニウムの混合物とが回収される。ＡｌＣｌ３除去装置２８の後段に当該混合物からテトラクロロシランを回収する装置を設置することによって、テトラクロロシランを再度利用することが可能となる。
【００６３】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記第１及び第２実施形態に限定されるものではない。
【００６４】
上記実施形態では、溶融金属としてアルミニウムを使用する場合を例示したが、溶融金属はこれに限定されず、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム及び亜鉛からなる群より選択された１種を単独で使用してもよく、あるいは、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、亜鉛及びアルミニウムからなる群より選択された２種以上を適宜組み合わせて使用してもよい。また、溶融金属としてアルミニウムとシリコンとの合金を用いてもよい。
【００６５】
また、上記実施形態においては、ノズル１ａから下方に向けて溶融アルミニウムを吐出させる場合を例示したが、上方や水平方向に吐出させてもよい。
【００６６】
また、上記実施形態においては、図２に示すように溶融アルミニウムの細流Ｆに向けてその周囲から液体テトラクロロシランを斜めに噴射させる場合を例示したが、液体テトラクロロシランは溶融アルミニウムの細流Ｆに対して、対向させて噴射させてもよく、あるいは、細流Ｆの方向とのなす角が垂直となるように噴射させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に係るシリコン製造装置の好適な実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示すシリコン製造装置が備える噴射機構の構成を示す断面図である。
【図３】本発明に係るシリコン製造装置の他の実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００６８】
１…溶融金属収容部、１ａ…溶融金属用のノズル、２…液体テトラクロロシラン噴射部、２ａ…液体テトラクロロシラン噴射用のノズル、３…反応器、３ａ…反応器の円筒部、３ｂ…反応器の縮径部（固気分離器）、３ｃ…Ｓｉ粒子排出口、３ｄ…ガス排出口、５，８…固気分離器、１０，２０…シリコン製造装置、１１，１３…ヒータ、１５…密閉容器、２１…タンク、２２…液体テトラクロロシラン加圧用ポンプ、２３…反応器、２３ａ…反応器の円筒部、２３ｂ…反応器の縮径部、２３ｃ…スラリー排出口、２５…固液分離器、２６…フィルタ、２７…乾燥機、２８…ＡｌＣｌ３除去装置、Ｆ…溶融金属の細流、Ｌ…液体テトラクロロシラン流、Ｐ…微小液滴。
【図１】
2010030825.tif 000003
【図２】
2010030825.tif 000004
【図３】
2010030825.tif 000005