(57)【要約】【課題】シリカを迅速に還元して、シリコンを速やかに製造することができるマイクロ波によるシリコンの製造方法及びマイクロ波還元炉を提供する。【解決手段】耐火物製容器内に、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物からなる原料を装入する。そして、この容器内の装入物にマイクロ波を照射する。そうすると、マイクロ波エネルギをグラファイト粉末が吸収して昇温し、その後、シリカとグラファイトとが反応して炭化ケイ素が生成すると共に更に昇温し、この昇温したシリカと炭化ケイ素とが反応する。この反応により生成したＳｉＯと炭化ケイ素とを反応させることにより、高純度シリコンが生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器内に、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物からなる原料を、供給する工程と、
前記容器内の前記原料に、マイクロ波を照射する工程と、
前記容器内から、溶融シリコンを排出する工程と、
を有し、
前記マイクロ波照射工程においては、
前記マイクロ波の照射により、前記グラファイト粉末がマイクロ波エネルギを吸収して昇温し、昇温後において、前記シリカと前記炭化ケイ素及び／又は前記グラファイトとの還元反応により、前記溶融シリコンを生成することを特徴とするマイクロ波によるシリコンの製造方法。
【請求項２】
前記シリコンに還元する反応は、アルゴンガス、窒素ガス中又はヘリウムガス中で行われることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波によるシリコンの製造方法。
【請求項３】
原料を貯留するためのシリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器を備えた反応炉と、
前記容器内に前記原料を供給する供給部と、
前記容器内から還元後の溶融シリコンを排出する排出部と、
この反応炉内の前記耐火物製容器に向けてヘリカルアンテナ又は導波管による指向性をもってマイクロ波を照射するマイクロ波発振器と、を有し、
前記耐火物製容器内に、原料として、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物を供給することを特徴とするマイクロ波還元炉。
【請求項４】
原料を貯留するためのシリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器を備えた反応炉と、
前記容器内に前記原料を供給する供給部と、
前記容器内から還元後の溶融シリコンを排出する排出部と、
この耐火物製容器を取り囲む円周面の内面上に配置され、前記耐火物製容器内の特定点に向けてマイクロ波ビームを放射するマイクロ波ユニットと、
前記耐火物製容器の上方に配置され、前記特定点を焦点とする放物面がマイクロ波の反射面である主反射鏡と、
を有し、
前記耐火物製容器内に、原料として、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物を供給することを特徴とするマイクロ波還元炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリカ鉱石からシリコンを製造する方法及びその実施に使用するマイクロ波還元炉に関し、特に、マイクロ波によりシリカ（シリカ鉱石）と炭化ケイ素との混合物を原料とするマイクロ波によるシリコンの製造方法及びマイクロ波還元炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板及び太陽電池には、高純度のシリコンが使用されている。この高純度シリコンの製造方法としては、シリカをアーク炉により溶解し、不純物が多い粗シリコンを得、その後、この粗シリコンを水素化してシラン（ＳｉＨＣｌ３）ガスとし、これを水素で還元して、高純度シリコンを得ている。この従来方法は、工程が複雑であり、迅速に高純度シリコンを製造することができないという問題点がある。また、アーク炉によりシリカを溶解するためには、アークにより原料を３０００℃まで加熱する必要があり、加熱のための投入エネルギが大きく、製造コストが高いという問題点もある。
【０００３】
一方、特許文献１に記載のように、炭素源を使用し、酸性化剤により水相に溶解された酸化ケイ素の水溶液からの酸沈殿によって精製された酸化ケイ素を還元して、ソーラーグレードシリコンを得る方法が提案されている（特許文献１の請求項１）。この精製された酸化ケイ素からのシリコンの還元が、アーク炉、熱反応器、誘導炉、回転窯及び／又はマイクロ波加熱炉にて行われることが特許文献1に開示されている（特許文献１の請求項７）。
【０００４】
また、特許文献２には、マイクロ波オーブン内で、熱還元により、二酸化ケイ素からケイ素を製造する方法が開示されている。この従来技術は、二酸化ケイ素を出発原料とし、得られたケイ素をマイクロ波オーブン内で付加的にゾーンメルティング法にかけるという方法である。
【０００５】
【特許文献１】特表２０１２−５０４１００号公報
【特許文献２】特表２０１１−５００４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献１及び２に記載の従来技術においては、シリカからのシリコンの還元反応の効率が低く、還元反応に要する時間が長く、迅速な高純度シリコンの製造が困難であるという問題点がある。特に、電気炉を使用して原料を加熱する場合には、輻射熱で原料を加熱しているために、加熱効率が低く、必要な投入エネルギが高く、製造コストが高いという難点がある。また、電気炉では、密閉できないため、中間生成物のＳｉＯガスが散逸してしまい、シリコンの収率が低下してしまう。また、特許文献１及び２には、マイクロ波による加熱することも記載されているが、開示されているのはそれだけで、マイクロ波による具体的なシリカの還元方法は開示されていない。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、シリカを迅速に還元して、シリコンを速やかに製造することができるマイクロ波によるシリコンの製造方法及びマイクロ波還元炉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】
【０００８】
本発明に係るマイクロ波によるシリコンの製造方法は、
シリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器内に、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物からなる原料を、供給する工程と、
前記容器内の前記原料に、マイクロ波を照射する工程と、
前記容器内から、溶融シリコンを排出する工程と、
を有し、
前記マイクロ波照射工程においては、
前記マイクロ波の照射により、前記グラファイト粉末がマイクロ波エネルギを吸収して昇温し、昇温後において、前記シリカと前記炭化ケイ素及び／又は前記グラファイトとの還元反応により、前記溶融シリコンを生成することを特徴とする。
【０００９】
このマイクロ波によるシリコンの製造方法において、前記シリコンに還元する反応は、例えば、アルゴンガス、窒素ガス中又はヘリウムガス中で行うことができる。
【００１０】
本発明に係るマイクロ波還元炉は、
原料を貯留するためのシリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器を備えた反応炉と、
前記容器内に前記原料を供給する供給部と、
前記容器内から還元後の溶融シリコンを排出する排出部と、
この反応炉内の前記耐火物製容器に向けてヘリカルアンテナ又は導波管による指向性をもってマイクロ波を照射するマイクロ波発振器と、を有し、
前記耐火物製容器内に、原料として、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物を供給することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る他のマイクロ波還元炉は、
原料を貯留するためのシリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器を備えた反応炉と、
前記容器内に前記原料を供給する供給部と、
前記容器内から還元後の溶融シリコンを排出する排出部と、
この耐火物製容器を取り囲む円周面の内面上に配置され、前記耐火物製容器内の特定点に向けてマイクロ波ビームを放射するマイクロ波ユニットと、
前記耐火物製容器の上方に配置され、前記特定点を焦点とする放物面がマイクロ波の反射面である主反射鏡と、
を有し、
前記耐火物製容器内に、原料として、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物を供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物からなる混合原料に、マイクロ波を照射することにより、グラファイトがマイクロ波を高効率で吸収して、常温から１０００℃程度の低温域において、混合原料を高効率で加熱することができ、その後、還元反応が生じるので、マイクロ波を利用して、迅速にシリコンを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、具体的に説明する。本発明のマイクロ波によるシリコンの製造方法は、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物を原料とし、この原料に対し、マイクロ波を照射して、溶融シリコンを製造する。この混合原料にマイクロ波を照射すると、室温から１０００℃程度の相対的低温域においては、グラファイトが専らマイクロ波を吸収して発熱し、混合原料を昇温させる。グラファイトは、高効率でマイクロ波を吸収し、混合原料を高速度で加熱する。そして、１０００℃程度以上になると、炭化ケイ素（含まれる場合は）の誘電率の虚部の値が大きくなり、マイクロ波を吸収して発熱し、混合原料を昇温させる。炭化ケイ素は、室温では殆どマイクロ波を吸収しないが、１０００℃程度以上になると、マイクロ波の吸収率が向上する。このように、グラファイト及び炭化ケイ素がマイクロ波を吸収して発熱し、混合原料が昇温する過程で、グラファイト及び炭化ケイ素と、シリカとが反応し、溶融シリコンが還元される。この還元反応は下記化学式により表される。
【００１４】
（１）先ず、シリカ粉末と炭化ケイ素粉末とグラファイト粉末との混合物から溶融シリコンを製造する場合について、説明する。
【００１５】
混合原料が、シリカ粉末と炭化ケイ素粉末とグラファイト粉末との混合物である場合は、還元反応は以下のようにして進行する。なお、Ｓｉが生成する温度は１７９６℃以上であり、この温度ではシリカは液体であり、ＳｉＯ２（ｌ）と表す。炭化ケイ素は固体であり、ＳｉＣ（ｓ）と表し、酸化シリコンはガスであり、ＳｉＯ（ｇ）と表す。Ｓｉ（ｌ）は溶融シリコンである。また、ＣＯ（ｇ）は一酸化炭素ガスである。なお、（ｓ）は固体、（ｇ）はガス、（ｌ）は液体成分である。先ず、グラファイト粉が存在する場合は、専ら、下記化学式１の反応が進行する。
【００１６】
【化１】
2014015381.tif 000003
【００１７】
この還元反応において、見かけ上は、以下のように、下記化学式２の反応が生じている。
【００１８】
【化２】
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【００１９】
このとき、混合原料中のグラファイト粉末は、上記化学式２に示すように、発熱剤及び還元剤として作用する。グラファイト粉がＳｉＯ２と反応して殆ど消費されると、ＳｉＯ２とＳｉＣとの反応が始まり、下記化学式３の反応が進行する。
【００２０】
【化３】
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【００２１】
この還元反応において、見かけ上は、以下のように、化学式４の反応が生じている。
【化４】
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【００２２】
上記化学式２及び化学式４により、全体の見かけ上の反応は下記化学式５に示すようになる。
【００２３】
【化５】
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【００２４】
上記化学式２，４，５は、原料の混合粉末が、炉上部から投入される過程で、マイクロ波の照射を受け、先ず、実質的に、ＳｉＯ２とＣとの反応が生じ、その後、ＳｉＯ２とＳｉＣとの反応が生じ、結局、ＳｉＯ２とＣとの反応の割合と、ＳｉＯ２とＳｉＣとの反応の割合が、原料のある特定の混合条件においては、反応全体でみれば、ＳｉＯ２はＣにより還元されたことになることを示している。これを一般化するために、ＳｉＣをｍモル、Ｃをｎモル配合した原料における反応生成物の収率を考える。そうすると、化学式２において、Ｃはｎモルであるから、化学式２は下記のようになる。
（ｎ／３）ＳｉＯ２＋ｎＣ＝（ｎ／３）ＳｉＣ＋（２ｎ／３）ＣＯ
一方、化学式４におけるＳｉＣの反応においては、原料中のｍモルのＳｉＣの他に、上記化学式２で生成したＳｉＣが（ｎ／３）モル存在するので、化学式４は、下記のようになる。
（１／２）（ｍ＋（ｎ／３））ＳｉＯ２＋（ｍ＋（ｎ／３））ＳｉＣ＝（３／２）（ｍ＋（ｎ／３））Ｓｉ＋（ｍ＋（ｎ／３））ＣＯ
この式２と式４の変形式を重ねると、下記化学式６が成立する。
【００２５】
【化６】
2014015381.tif 000008
【００２６】
この化学式６に示すように、見かけ上の全体の反応が生じたことになる。よって、１モルのＳｉＯ２の還元に、２ｍ／（ｍ＋ｎ）モルのＳｉＣと、２ｎ／（ｍ＋ｎ）モルのＣが関与して、２モルのＣＯと共に、（３ｍ＋ｎ）／（ｍ＋ｎ）モルのＳｉが生成したことになる。１モルのＳｉＯ２に対するＳｉＣとＣとの合計は、（２ｍ＋２ｎ）／（ｍ＋ｎ）＝２であるので、ＳｉＯ２１モルに対してＳｉＣとＣとの合計２モルとなる。よって、モル比で、ＳｉＯ２：（ＳｉＣ＋Ｃ）＝１：２となるように、原料粉末の配合比を設定すれば良い。ＳｉＣ粉末とグラファイト粉末との混合比（配合比）は、１：１が望ましく、従って、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、Ｃのモル比は１：１：１であることが好ましい。この場合、ＳｉＯ２、ＳｉＣ、Ｃの重量比はＳｉＯ２：ＳｉＣ：Ｃ＝４：６：１である。このグラファイト粉末は、ＳｉＯ２：ＳｉＣ＝１：１（モル比）の混合粉末の表面に、撒くようにして配置してもよい。なお、化学式６から明らかなように、０＜ｍ＜２／３である。
【００２７】
（２）次に、シリカ粉末とグラファイト粉末の混合粉末から溶融シリコンを製造する場合について、説明する。この場合の反応は、混合粉末が供給される容器の上部で、下記化学式７により反応が生じ、見かけの反応が下記化学式８で表される。但し、グラファイトはＣ（ｓ）で表される。
【００２８】
【化７】
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【００２９】
【化８】
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【００３０】
このように、容器の上部では、配合していないＳｉＣ（ｓ）がＳｉＯ２とＣとの反応によって生成するが、このＳｉＣは、溶融シリコンが容器の下部から排出されることにより容器の下部に移行し、容器の下部において、ＳｉＯ２と下記化学式９により反応が生じる。見かけの反応は下記化学式１０で表される。
【００３１】
【化９】
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【００３２】
【化１０】
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【００３３】
容器内における全体の反応は、化学式８と化学式１０とを、ＳｉＣを打ち消すように、重ねると、下記化学式１１のようになる。
【００３４】
【化１１】
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【００３５】
シリカとグラファイトの混合比をモル比で１：３、重量比で５：３にすれば、容器の上部でＳｉＣ（ｓ）が生成し、このＳｉＣ（ｓ）が反応容器下部で残ったＳｉＯ２（ｓ）と反応してＳｉが生成する。このときのシリカとグラファイトの混合比は、モル比で１：２、重量比で５：２である。なお、原料の混合粉末が反応容器の上部から投入され、下降するにつれて、上記容器上部の反応と、容器下部の反応とが生じるが、上述のごとく、容器上部において、グラファイト（Ｃ）はほぼ全量が化学式８の反応に消費され、Ｃが容器下部にまで到達することは殆どない。容器上部にて、Ｃが残存している間は、ＳｉＯ２はＣと反応してＳｉＣを生成し続け、Ｓｉを生成することはない。従って、容器下部においては、上記化学式１０の反応が専ら進行する。
【００３６】
この一連の反応において、上述の化学式に示すように、中間生成物としてＳｉＯガスが生成するが、このＳｉＯガスが、固体のシリカ（ＳｉＯ２）、グラファイト（Ｃ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）と接触し、反応界面の面積が大きな気−固反応で、シリカを還元するため、表面積が大きい粉体原料を使用すると、この還元反応が高速で進行する。ここで、重要なことは、反応生成物であるＳｉＯガスを、耐火物製容器から離散させないことである。上記気−固還元反応を十分に生じさせるためには、原料混合物の周囲にＳｉＯガスが存在する必要があるからである。このため、耐火物製容器は、緻密なシリカ（ＳｉＯ２）又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）で作製し、生成ガスのＳｉＯガスをこの耐火物製容器内の原料混合粉末中にとどめ、排ガス中に混入する一部のＳｉＯガスはサイクロンで捕集して回収する。シリカは、マイクロ波を吸収しないので、シリカ製容器自体は発熱せず、内容物のグラファイト又は炭化ケイ素のみを発熱させる。炭化ケイ素レンガの場合は、マイクロ波を透過せず、反射するので、容器上部の開口部をシリカ製の蓋等で覆い、ここからマイクロ波を照射するようにする。また、反応容器として、本体を黒鉛（グラファイト）で成形し、この黒鉛の内面を炭化ケイ素で内張するか、黒鉛の内面に炭化ケイ素を生成させることにより、原料及び溶融シリコンと接触する面を炭化ケイ素で成形し、黒鉛で支持させたものとすることもできる。なお、上述の化学式に示すように、ガスとして、ＣＯとＳｉＯが発生する、ＳｉＯガスは、上述の如く、原料混合粉末中にある間は、上記反応式に従って、反応に寄与するが、そのＳｉＯガスの一部は、原料混合粉末の最上部から、ＣＯガスと共に、反応容器内に排出され、後述する排気口からサイクロンに送給されて、排ガス中のＳｉＯは、サイクロンにおいて回収され、Ｓｉとして捕集される。
【００３７】
シリカ及びグラファイト又はシリカ、炭化ケイ素及びグラファイトの原料混合物は粉末状のものを、ミル等で十分に混合する。この粉末の混合により、固体同士が十分に密着するために、還元反応が更に速くなる。この原料粉末の粒度は、例えば、１０乃至１００μｍが好ましい。
【００３８】
還元反応の雰囲気は、アルゴンガス、窒素ガス又はヘリウムガス等の不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。アルゴンガスという不活性ガス雰囲気で原料混合粉末を溶解することにより、窒素及び酸素の含有量が極めて低い高純度のシリコンを製造することができる。これは、還元反応の雰囲気をヘリウムガス雰囲気とした場合も同様である。また、窒素ガス雰囲気下で還元反応を生じさせても、酸素の含有量が低い高純度の溶融シリコンを製造することができる。なお、従来、アルゴンガス雰囲気下ではマイクロ波がＡｒを電離してしまい、プラズマが生起されてしまうという問題点が指摘されていたため、生成シリコンの高純度化は、別の手段がとられていたが、本発明者等は、アルゴンガス雰囲気下でのマイクロ波の照射が可能（電離しない）ことを見いだし、マイクロ波による高純度のシリコンの生成を可能にした。
【００３９】
このようにして、本発明により、短時間で、連続的に、シリカを還元して、溶融シリコンを得ることができる。
【００４０】
次に、本発明のマイクロ波によるシリコンの製造方法に使用するマイクロ波還元炉について説明する。図１は本発明の実施形態に係るマイクロ波還元炉を示す縦断面図である。耐火物製容器１２は、シリカ製又は炭化ケイ素製である。この容器１２の側面と底面との間の境界近傍には、溶融シリコンの出湯口１３が設けられている。容器１２の上壁１２ａには、原料供給口１４と、排ガス口１５が設けられている。この容器１２を備えた反応炉３１は、ステンレス鋼製の球形状炉体３２の内部に配置されている。この容器１２は耐火物製の支持部材（図示せず）により、炉体３２内に保持されている。
【００４１】
出湯口１３には、容器１２に連通するようにして、容器１２から斜め下方に傾斜する出湯管１６が設置されており、容器１２内の溶融シリコン３が出湯管１６を介して排出されるようになっている。この出湯管１６は、シリカ製の管であり、炉体３２を貫通して、炉外部に延出しており、炉外に配置された取鍋（図示せず）に溶融シリコンを注入する。この出湯管１６の周囲には、抵抗発熱コイル等のヒーター１７、１８が出湯管１６を嵌合するようにして配置されており、ヒーター１７，１８により出湯管１６を流れる溶融シリコンを１５００℃程度に加熱し、保温することにより、溶融シリコン３がこの出湯管１６内で凝固することを防止するようになっている。このヒーター１７，１８は、グラファイト製の容器（図示せず）内に封入されるようにして配置されており、グラファイト製容器は、ステンレス鋼製炉体３２に電気的に接続されて接地されている。これにより、マイクロ波は、グラファイトを透過せず、ヒーター１７，１８にマイクロ波が照射されることはない。
【００４２】
容器１２の底面は、下方に凸となるように、緩やかな曲面で湾曲しており、出湯管１６の容器１２側の端部は、容器１２の底面より若干上方に位置している。従って、容器１２内の溶融シリコン３はこの容器１２の底部に若干たまった後、出湯管１６を介して、容器１２外に排出される。シリコンは、凝固すると、体積が膨張するので、反応容器１２を破損する。従って、生成した溶融シリコンは、溶融状態で、反応容器１２から外部に取り出す必要がある。このため、溶融シリコンは、容器１２内で大量に貯留することなく、可及的速やかに、連続的に、出湯管１６を介して、容器１２外に排出する。また、前述の如く、容器１２の底面を下に凸に緩やかに湾曲するように形成することにより、溶融シリコンが凝固する際の膨張による応力を緩和することができる。
【００４３】
この出湯口１３における容器１２の内側には、耐火物製の堰１９が設置されており、この堰１９により、溶融シリコンの出湯口１３への流れを規制するようになっている。堰１９は、平面視で、図２に示すように、出湯管１６の中心線上の位置が切り欠かれて、溶融シリコンの流出口１９ａになっており、この流出口１９ａ以外の部分は、溶融シリコンの流出を堰き止めるようになっている。即ち、堰１９は、側面断面視で、図１に示すように、容器１２の側壁内面から底面に向かうように、垂下されており、その下降する先端は、流出口１９ａの両側部の部分は、容器１２の底面に接触してこの底面に支持されており、流出口１９ａの部分は、容器１２の底部に溶融シリコンがたまった状態で、この溶融シリコン内に若干進入するように位置決めされている。このようにして、この堰１９は、その流出口１９ａの先端が容器１２内の溶融シリコン内に進入しているので、出湯管１６を介して溶融シリコンが流出を開始した後は、サイフォン作用により、容器１２内の溶融シリコンが容器１２内から連続的に流出する。また、堰１９の流出口１９ａの先端が溶融シリコン内に進入しているので、反応容器１２内のガスが、流出口１９ａ及び出湯管１６を介して漏洩することが防止されている。従って、容器１２内のガスは、容器１２内に密閉されるようになっている。これにより、容器１２内で発生したＳｉＯガスが容器１２内から漏洩することが防止されている。なお、堰１９の先端は、その全域で容器底面に接触しないようにしてもよいが、溶融シリコン内に進入していることは必要である。
【００４４】
炉体３２は適宜の支持装置に支持されており、蓋２１が開閉可能に設けられていて、この蓋２１を開にすることにより、内部の耐火物製容器１２を出し入れすることができる。炉体３２には、その略等配の位置に、筒状の複数個の延出部２２が形成されており、この延出部２２の先端に、夫々マイクロ波発振器３３が設置されている。このマイクロ波発振器３３には、ヘリカル型アンテナ３４が設けられており、このヘリカル型アンテナ３４の指向性が、炉体３２の中心を挟んで対向するマイクロ波発振器３３同士で、一致してしまわないように、アンテナの指向角度を若干ずらせて、マイクロ波発振器３３が設置されている。
【００４５】
鉄製炉体３２の上部には、一部切り欠かれて、この切欠部に、鉄製の板状蓋２１が設置されている。この鉄製蓋２１には、例えば、鉄製の水冷管２３、２４がその軸方向を垂直にして蓋２１を貫通するように設置されており、この水冷管２３、２４の下部は、容器１２の上壁１２ａを挿通して、容器１２の夫々の排気口１５及び原料供給口１４に連通している。水冷管２３の上部は、サイクロン２７に接続されており、反応容器１２の内部のガスを排出する場合に、排ガス中に混入しているＳｉＯガスはサイクロン２７内でＳｉとＳｉＯ２とに分解して回収される。このガスがサイクロン２７で清浄化された後、外部に排ガスとして排出される。また、水冷管２４の上部は分岐管２５が連結されており、この分岐管２５及び水冷管２４を介して、Ａｒガス、窒素ガス又はヘリウムガス等の不活性ガスが容器１２内に供給されるようになっている。更に、この水冷管２４を介して、原料（シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物２か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物２からなる原料）が、容器１２内に投入される。
【００４６】
次に、上述の如く構成されたマイクロ波還元炉の動作について説明する。反応容器１２内に、原料供給用水冷管２４及び分岐管２５を介して、Ａｒガス、窒素ガス又はヘリウムガスを供給し、雰囲気をこれらのガスに置換する。その後、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物からなる原料混合粉末を、原料供給用水冷管２４を介して容器１２内に供給する。そして、マイクロ波発振器３３を駆動して、アンテナ３４を介してマイクロ波を反応炉３１内に照射する。反応容器１２の構成材料はシリカであり、このシリカは、マイクロ波を吸収しない。このため、アンテナ３４から出射されたマイクロ波は、反応容器１２を透過して反応容器１２内の原料混合粉末に照射される。マイクロ波発振器３３からヘリカルアンテナ３４を介して容器１２内に照射されたマイクロ波は、原料の混合粉末のグラファイト粉末に吸収されて、グラファイト粉末が自己発熱し、原料混合粉末を加熱し、昇温させる。本実施形態においては、ヘリカルアンテナ３４を使用して、マイクロ波を高指向性で容器１２内の原料混合粉末に照射するので、極めて高いエネルギ効率で、原料混合粉末を加熱することができる。
【００４７】
このマイクロ波の周波数は例えば９００ＭＨｚ〜３ＧＨｚ、出力は例えば３ｋＷ以上であり、この出力は経時的に変化させても良い。また、工業的には、周波数が９１５ＭＨｚと２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用可能である。原料中のグラファイト粉末は、マイクロ波の周波数が低くなるほど、誘電率の虚部の値が大きくなり、マイクロ波を効率よく吸収し、発熱しやすくなる。一方、原料中の炭化ケイ素粉末は、室温では殆どマイクロ波を吸収しないが、１０００℃以上になると、誘電率の虚部の値が大きくなり、マイクロ波を吸収して発熱しやすくなる。従って、原料中に混合されているグラファイト粉末は、室温から１０００℃程度の比較的低温の領域で、マイクロ波を高効率で吸収し、主としてこのグラファイト粉末がマイクロ波を吸収して、グラファイト粉末が発熱して昇温する。その後、１０００℃以上の高温において、シリカもマイクロ波を吸収して昇温し、更に還元反応の生成熱により、原料が昇温する。また、原料中に炭化ケイ素粉末が含まれている場合は、温度が１０００℃を超える高温域において、炭化ケイ素粉末におけるマイクロ波の吸収効率が上昇し、主として、炭化ケイ素粉末が発熱して、原料を昇温させる。
【００４８】
このようにして、原料混合物粉末２が昇温し、原料混合粉末２の表面温度が例えば約１８００℃になる。この場合のマイクロ波の投入エネルギは３ｋＷ以上である。このような温度又はその昇温の過程にて、前述の化学式１乃至７にて示す還元反応が生じ、溶融シリコンが生成する。
【００４９】
生成した溶融シリコンは、堰１９の下部を通過して、出湯管１６を介して、ヒーター１７，１８により保温加熱されつつ、反応容器１２外に排出される。このようにして、容器１２の底部に集まった溶融シリコンは、この容器１２の底部で凝固することなく、連続的に容器外に排出される。爾後、原料供給管１４から混合粉末原料を連続的に反応容器１２内に投入しつつ、マイクロ波を原料粉末に照射して加熱し、還元反応を生じさせ、得られた溶融シリコンを連続的に出湯管１６から排出することにより、溶融シリコンを連続的に製造することができる。
【００５０】
このとき、還元反応中は、排ガス口１５からの排ガスは、サイクロン２７に導かれ、化学式１，３，５で中間生成物として発生したＳｉＯガスは、ＳｉとＳｉＯ２として回収される。従って、このように、中間生成物のＳｉＯガスの離散を防止することにより、シリコンの収率を１００％に近いものにすることができる。このとき、反応容器１２の上部のＳｉＯの蒸気圧は０．００７気圧程度であり、排ガス中のＳｉＯガスは０．７％程度である。一方、反応容器１２の下部のＳｉＯの蒸気圧は０．７気圧程度である。従って、反応容器下部で生成したＳｉＯガスは、反応容器上部に移動して、ここでグラファイトと反応してＳｉＣになり、排ガス中に入るＳｉＯは減少する。
【００５１】
なお、従来のアーク炉によるシリコンの製造工程においては、ＳｉＯガスが大量に炉外に散逸し、生産効率を著しく低減させている。また、マイクロ波加熱においても、アルミナセメントで製作した坩堝を使用して加熱実験をしたところ、反応初期昇温中の約３０分間の間でＳｉＯガスが散逸していた。そして、実験は、空気中で行ったところ、ＳｉＯガスが空気と触れてＳｉＯ２膜を生成し、このＳｉＯ２膜が、坩堝内の反応物質の上面を覆い、反応物質を外気から保護して、シリコンの生成を可能にしていた。この結果、得られたシリコンの収率は２２％であった。このように、中間生成物のＳｉＯガスをグラファイトと反応させてＳｉＣ原料を生成しないと、シリコンの収率が高くならない。但し、この実験において、バッチ処理で、マイクロ波加熱により溶融シリコンを製造する場合は、空気中においての還元反応が可能になるという利点があることが判明した。
【００５２】
還元雰囲気は、後述するように、Ａｒガス、Ｈｅガス又は窒素ガス等の不活性ガス中であるので、原料が高純度であれば、外界から浸入する不純物がないため、高純度シリコンを製造することができる。
【００５３】
従来、Ａｒガス雰囲気において、マイクロ波を照射すると、このＡｒガスがマイクロ波により電離されて、プラズマが生起するといわれている。このため、Ａｒガス雰囲気でのマイクロ波加熱は困難であることが、技術的常識であった。しかし、グラファイト粉末等のマイクロ波を効率よく吸収する物質が存在する場合は、Ａｒガスはプラズマを生起しないことを、本発明者が、水冷鉄管２４を介して、原料粉末の周囲にＡｒガスを供給し、Ａｒガス雰囲気でマイクロ波を原料粉末に照射して確認した。よって、本実施形態は、Ａｒガス雰囲気中で、原料の混合粉末をマイクロ波加熱することにより、シリカを還元することが好ましい。このように、Ａｒガスという不活性ガス雰囲気で原料混合粉末を溶解することにより、窒素及び酸素の含有量が極めて低い高純度のシリコンを製造することができる。これは、還元反応の雰囲気をヘリウムガス雰囲気とした場合も同様である。但し、雰囲気が窒素ガスの場合は、溶融シリコンに窒素が浸透することは避けられないが、酸素の混入は回避することができる。また、Ｎ及びＯの溶融シリコンへの混入は、製品Ｓｉ板を半導体基板として使用した場合の性能にあまり影響を与えることはない。
【００５４】
なお、原料の混合粉末を貯留する耐火物製容器１２は、シリカ（ＳｉＯ２）製である。シリカは、マイクロ波を透過させて、原料の混合粉末にマイクロ波を効率的に照射することができる。例えば、この容器１２として、マグネシア（ＭｇＯ）を使用すると、このマグネシアが還元されてＭｇガスが生成され、このＭｇガスがＳｉＯ２と反応して、ＭｇＳｉＯ２（フォルステライト（Forsterite））を生成する。また、容器１２として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を使用すると、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）が生成する。従って、原料のＳｉＯ２がムライトの生成に消費され、Ｓｉの収率が悪くなる。
【００５５】
また、マイクロ波が炉外に漏れ出さないようにするために、水冷管２３，２４は、鉄製炉体３２と十分に接触させる必要がある。また、水冷管２３，２４は反応容器１２の近くに配置され、１３００乃至１５００℃の高温に晒されるので、鉄管２３，２４の先端を水冷することが好ましい。
【００５６】
反応容器１２からは、ＳｉＯガス及びＣＯガスが発生する。排ガス中のＳｉＯガスは、反応容器１２内を１気圧近傍に保持するため、サイクロン２７において、ＳｉとＳｉＯ２として回収され、ＳｉＯ２は原料として返戻される。排ガス中のＣＯガスは、その後、水冷鉄管２３を介して、炉外に排出する。このとき、排ガス中には、未反応の原料粉末が一部飛散するので、これをサイクロン２７等で回収する。このとき、マイクロ波炉の炉体３２は、マイクロ波を透過させない鉄又はステンレス等の構造材で製作し、マイクロ波が遺漏しないように密閉する必要がある。しかし、気密性は不要である。
【００５７】
マイクロ波発信アンテナ３４には、導波管型とヘリカル型がある。導波管型は炉内に広がり、壁などに反射してエネルギが均一になるが、壁に反射する度に減衰する。ここに、被加熱物を装入すると、この近辺のエネルギが原料に吸収されるので、多くの被加熱物を一斉に加熱することができる。但し、導波管型でも、導波管の先端に角度を付けて、先端部分を傾斜させるだけで、その方向にマイクロ波を照射することができる。一方、ヘリカル型は強い指向性があるので、複数のヘリカル型アンテナを使用することにより、炉内の限られた領域のエネルギ密度を上げることができ、壁での反射による損失を少なくできる。
【００５８】
このようにして、マイクロ波の照射により、酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉末と、グラファイト（C）の粉末とを含む混合粉末２、又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉末と、グラファイト（C）の粉末と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉末とを含む混合粉末２を原料とし、グラファイト（Ｃ）を発熱源として使用することにより、高効率で原料を加熱し、還元反応を生じさせることができる。
【００５９】
マイクロ波は、反応容器３２内の原料（グラファイト、シリカ及び炭化ケイ素の粉末）に集中的に吸収され、急速に原料の温度が上昇する。還元反応が速やかに進行し、溶融シリコンが生成する。原料を保持する容器１２を構成するシリカ耐火物はマイクロ波を吸収しないが、シリカの融点が約１６００℃なので、容器１２の外部を１６００℃以下でシリコンの融点の１４１０℃以上に保持する必要がある。このため、例えば、空気を吹き付けて冷却する等、適切が冷却を行うことが好ましい。また、還元反応によるシリコンの生成温度は、１７９６℃以上である。一方、シリコンの融点は、１４１２℃なので、還元反応により生成したシリコンは上述の生成温度（１７９６℃以上）を持つため、溶融状態になり、補助的に加熱する必要はない。
【００６０】
但し、反応容器１２の周りを覆い、断熱するための材料（断熱ボード等）を設置することもできる。この断熱材料としては、原理的にマイクロ波を吸収しない材料、即ち、マイクロ波を受けても自己発熱しない材料を使用することが望ましい。実際には、原料のマイクロ波吸収発熱量に対し、同一質量で約２０％以下の発熱量の材料が望ましく、かつ、耐火温度が１４００℃以上のものが望ましい。このような材料として、アルミナ質のファイバ状のブランケット、シリカ又はマグネシア等の耐火物がある。また、炉体３２の外部には、ムライト質の断熱ボードを設置することが好ましい。
【００６１】
このように、本実施形態においては、室温からの比較的低温における昇温過程で、マイクロ波を吸収しやすい（マイクロ波出力の約９０％を吸収）グラファイト粉末又は炭化ケイ素粉末の自己発熱を利用して、原料混合粉末を昇温させるため、加熱効率が高く、原料混合粉末が高温になった後に、ＳｉＯ２とＳｉＣ又はＣとの反応を積極的に生じさせるものであるので、ＳｉＯ２とＳｉＣ又はＣとの反応を効率的に生じさせることができ、ＳｉＯ２の還元反応を迅速に生じさせて、高純度Ｓｉを速やかに得ることができる。
【００６２】
この場合に、前述の如く、還元反応上、原料粉末の表面温度は約１８００℃となるが、反応容器１２の温度は約１４５０℃となり、反応容器１２内にて還元反応を受ける時間は約６０分で足りる。従来珪石塊と黒鉛塊を使用して、アーク炉により約３０００℃に加熱してシリコンを還元する場合は、アークから発生する波長が短い輻射熱（約２μｍ）を利用するため、固体塊の加熱効率は低いので、約８時間の反応時間が必要であった。これに対し、本発明は、極めて迅速に連続的に且つ工業的実用性で高純度シリコンを製造することができる。
【００６３】
マイクロ波出力は、理論的には、シリコン日産１トンの製造にあたり、６．８ＭＷｈ必要である。電力からのエネルギ利用効率が約６０％であるとすると、１１．３ＭＷｈの電力を必要とする。これは、出力４７６ｋＷに相当する。
【００６４】
本発明によれば、太陽光発電用に使用される６Ｎ程度の高純度シリコンを製造することができる。このためには、マイクロ波による溶融シリコンの製造過程において、不純物の混入は極めて少ないが、原料としては、リンとボロンが０．３ｐｐｍ程度以下の高純度のものを使用することが必要である。従来のアーク炉によるアーク加熱によりシリコンを還元しようとすると、電極を使うため、反応容器内の密閉が困難であり、ＳｉＯガスの散逸を防止できないため、シリコンの収率が低いと共に、電極からの不純物の混入を防止できない。このため、従来は、アーク加熱により製造した粗シリコンをシーメンス法によりシラン（ＳｉＨＣｌ３）ガスに変換し、水素ガスで還元して１１Ｎの半導体用シリコンを製造している。従って、製造工程が極めて煩雑である。本発明においては、原料粉末の純度を高めることにより、シーメンス法によらず、１１Ｎ程度の高純度シリコンの製造が可能である。
【００６５】
次に、図３乃至図５を参照して、本発明の他の実施形態に係るマイクロ波還元炉について説明する。図３はこのマイクロ波還元炉の近傍を示す正面断面図であり、図５はマイクロ波還元炉の全体内部を示す斜視図である。図５に示すように、溶解炉５０を中心とする円周面を構成する支持板４１の内面に、複数個のマイクロ波ビームを放射するマイクロ波ユニット４３が設置されており、これらのマイクロ波ユニット４３は、溶解炉５０内の反応容器５１の収納空間の中心Ｃに向けてマイクロ波を照射する。この支持板４１は、その縦断面において、内面が内側に湾曲しており、この内面は、平面視で、溶解炉５０を中心とする円周上に位置すると共に、立面視で、外側に膨らみ、内面は上下方向に関して支持板内側に若干湾曲している。また、マイクロ波ユニット４３は、例えば、半導体５００Ｗモジュール４２を４列５行の格子位置に設けた１０ｋＷの高指向性マイクロ波源ユニットであり、このマイクロ波ユニット４３は、１０ｋＷ波源合成ラジアルフェーズドアレーアンテナ放射器を構成している。このマイクロ波ユニット４３の電力密度は、白熱電球程度である。このマイクロ波ユニット４３が、円筒状支持板４３の内面に、例えば、上下２段で、周方向に複数列配置されている。なお、このマイクロ波ユニット４３の数は上記数値に限定されるものではない。一例として、本実施形態のマイクロ波還元炉は、後述する溶解炉５０を含めた全体の高さが、３乃至４ｍ、直径が８ｍ、マイクロ波ユニット４３の大きさが縦２０ｃｍ、横２５ｃｍ程度である。
【００６６】
溶解炉５０においては、図３に示すように、その中心に反応炉５１が設置されており、溶解炉５０の天板を構成する主反射鏡５３（後述）の中心に、原料供給管６１が配置されている。そして、反応炉５１の収容空間には、原料供給管６１を介して、酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉末と、グラファイト（C）の粉末とを含む混合粉末２、又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉末と、グラファイト（C）の粉末と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉末とを含む混合粉末２が連続的に供給されるようになっている。この原料混合粉末２がマイクロ波の照射を受けて加熱され、溶解し、還元反応を受けて溶融シリコン３となる。反応炉５１は、原料粉末の収容空間を有する鍋形状の反応容器５１ａと、この反応容器５１ａの外面を支持すると共に、断熱するポーラスアルミナ等の断熱材５１ｂと、更に断熱材５１ｂの外面（側面及び底面）を被覆するステンレス鋼又は鉄製の炉体５９とにより構成されている。この反応炉５１の更に外側には、ポーラスアルミナ等の断熱材５２が配置されており、この断熱材５２の上面は、外方に向けて下降するように、傾斜して形成されている。
【００６７】
反応容器５１ａは、シリカ又は炭化ケイ素により成形されており、断熱材５１ｂの内面に内張されるようにして、断熱材５１ｂに支持された状態で、溶解炉５０内に設置されている。そして、この反応容器５１ａの底面は、若干、下方に凸となるように、緩やかに湾曲しており、底面の周縁部は、底面の中央よりも高い位置にある。そして、この反応容器５１ａの底面と側面との境界の部分に、溶融シリコンの出湯口６２が設置されている。この出湯口６２においては、反応容器５１ａ内の収容空間に連通するようにして、シリカ製の出湯管６３が、外側に向けて下方に傾斜するように設置されている。この出湯管６３を嵌合するようにして、抵抗発熱コイル等のヒーター６４が配置されており、出湯管６３内を流れる溶融シリコンを加熱し、保温するようになっている。
【００６８】
そして、出湯口６２における反応容器５１ａの内部には、その下端が溶融シリコン３内に進入するようにして、反応容器５１の側面から垂下する堰６５が設置されている。この堰６５の下端と反応容器５１ａの底面との間の隙間から溶融シリコン３が出湯管６３に向けて流出し、出湯管６３を介して外部に排出される。このとき、溶融シリコン３はサイフォン作用により、反応容器５１ａの底部から流出する。
【００６９】
この反応炉５１の周縁部の断熱材５２には、その外周部に、円柱状のマイクロ波窓５４が立設されており、このマイクロ波窓５４の上方を覆うようにして、反応炉５１の上方に主反射鏡５３が設置されている。この主反射鏡５３は、その縦断面において放物線をなす放物面を有し、その放物面をなす内面で反射したマイクロ波は、その放物面の焦点である中心Ｃに集まる。
【００７０】
主反射鏡５３は、マイクロ波ビームを反射する金属で成形されている。例えば、銅又は銅合金、金メッキしたステンレス鋼、導電膜をコーティングしたセラミックス等を使用することができる。主反射鏡５３の反射面が、銅又は銅合金、金、導電膜で構成されていることにより、マイクロ波ビームを反射することができる。マイクロ波窓５４は、マイクロ波ビームを透過するガラスで成形されており、例えば、熱膨張が小さいネオセラム（登録商標）を使用することができる。
【００７１】
主反射鏡５３には、その一部の領域５３ａに、図４に示すような段差反射面５５が形成されている。図４は図３のＡ点の拡大図である。この段差反射面５５は放物面の一部を階段状に成形したものであり、その放物面周方向の幅Ｄは、赤外線の波長の５乃至５０倍である。これにより、反応容器５１及び原料から放射された赤外線が、段差反射面５５で反射して、反応容器５１の原料に戻る。この段差反射面５５は、上述のように、赤外線波長の５乃至５０倍の幅Ｄを有する微小な面が連なるものであり、赤外線及び可視光を反射する性質を有する。そこで、この段差反射面５５の傾斜角度等を、溶融収容物の表面から放射する赤外線、及び反応容器５１の表面から放射する赤外線が、この段差反射面５５で反射して、収容物に戻るように、設計する。これにより、反応容器５１及び収容物から放射された赤外線を主反射面５３と反応容器５１との間に閉じ込めることができる。なお、マイクロ波は、波長が長いので、段差反射面５５の影響を受けない。つまり、マイクロ波ビームは、主反射鏡５３の放物面にて、段差の影響を受けずに、放物面の焦点位置に向けて反射する。従って、段差反射面５５は、主反射鏡５３の全域に設けても、マイクロ波ビームの反射を阻害することはない。少なくとも、図３に示すように、収容物及び反応容器５１から放射される赤外線が到達する領域（少なくとも、収容物の直上等）の主反射鏡５３の内面に、この段差反射面５５を設けておけば、赤外線を効率よく反射することができる。なお、段差反射面５５は平面でもよいし、主反射面５３と同程度に湾曲していてもよい。
【００７２】
マイクロ波窓５４はマイクロ波を透過する材料で成形されており、マイクロ波ユニット４３から放射されたマイクロ波ビームを溶解炉５０内に導入する。溶解炉５０は、反応容器５１、主反射鏡５３及びマイクロ波窓５４により、囲まれた空間を有しているが、この空間の内部の雰囲気は、Ａｒガス雰囲気でもよいし、大気雰囲気でもよい。
【００７３】
反応炉５１の周縁部の断熱材５２の上面の傾斜面には、外部からマイクロ波窓５４を透過して導入されたマイクロ波ビームを主反射鏡５３に向けて反射する副反射鏡５６が形成されている。この副反射鏡５６により反射したマイクロ波ビームは、主反射鏡５３で反射して、反応容器５１内の中心Ｃに向けて集まる。
【００７４】
更に、反応炉５１の断熱材５１ｂの周縁部の上面には、内側に向けて下方になるように傾斜する傾斜面が形成されており、この傾斜面に、反応容器５１ａ及び原料混合粉末２の表面から放射された赤外線及び可視光線を、主反射鏡５３に向けて反射する補助反射鏡５７が設置されている。この補助反射鏡５７により反射した赤外線及び可視光線が主反射鏡５３で反射して、反応容器５１ａ内の原料混合粉末２及び溶融シリコン３に向けて集まる。
【００７５】
反応炉５１の断熱材５１ｂの周縁部には、炉内（反応容器５１ａの上方空間）のガスを排出するガス排出口５８が設けられている。また、反応炉５１の外側の断熱材５２には、炉内（反応容器５１ａの上方空間）にアルゴンガス、ヘリウムガス又は窒素ガス等の不活性ガスを供給するガス供給部６０が設けられている。
【００７６】
次に、上述のごとく構成されたマイクロ波還元炉によるシリコンの製造方法の動作について説明する。酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉末と、グラファイト（C）の粉末とを含む混合粉末２、又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉末と、グラファイト（C）の粉末と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉末とを含む混合粉末２を、原料供給管５２から、反応容器５１ａの収容空間に連続的に投入し、溶解炉５０の内部をＡｒガス雰囲気にした後、マイクロ波ユニット４３から、マイクロ波ビームを溶解炉５０に向けて照射する。このマイクロ波ビームは、円筒状の支持板４１からこの円筒中心に配置された溶解炉５０の反応容器５１ａに向けて進行し、この間に、電力密度を増加させる。本実施形態においては、マイクロ波ユニット４３がその出射方向を支持板４１の円周中心に向けて配置されていると共に、支持板４１の内面が上下に湾曲しているので、マイクロ波ユニット４３から出射するマイクロ波ビームの方向が、左右方向はもとより上下方向でも、支持板４１の中心部に配置された反応容器５１ａに向かう。このため、反応容器５１ａの近傍で、マイクロ波ビームの電力密度を著しく高めることができる。なお、支持板４１は、必ずしも、円周方向に延び、上下方向に膨らむ形状を有していなくても、マイクロ波ユニット４３のマイクロ波ビームの出射方向が反応容器５１ａに向かうように、マイクロ波ユニット４３を設置すれば、マイクロ波ビームの電力密度を高めることができる。
【００７７】
そして、この電力密度が上昇したマイクロ波ビームが、溶解炉５０のマイクロ波窓５４から溶解炉５０内部に導入され、副反射鏡５６で反射して主反射鏡５３に向かい、主反射鏡５３で反射して、反応容器５１ａの容器空間内の収容物に向かう。特に、主反射鏡５３が放物面をなしているので、このマイクロ波ビームは、放物面の焦点位置（中心Ｃ）に向けて集まる。これにより、室温から比較的低温の間において、混合原料中のグラファイト粉末がマイクロ波を吸収して、加熱され、昇温していく。その後、グラファイト粉末により加熱されて、酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉末と、グラファイト（C）の粉末とを含む混合粉末２、又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉末と、グラファイト（C）の粉末と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉末とを含む混合粉末２が加熱されて、酸化シリコン粉末の還元反応が生じ、溶融シリコン３が生成する。この溶融シリコン３は、反応容器５１ａの底部に一旦貯留された後、出湯口６２から、出湯管６３を介して流出する。
【００７８】
この原料粉末２又は反応容器５１ａからは、赤外線が放射されるが、この赤外線は、主反射鏡５３の一部に設けられた段差反射面５５により反射して、原料粉末２又は溶融シリコン３に戻る。そして、溶融シリコン等の収容物に照射されたマイクロ波ビームも、この収容物で反射した後、主反射鏡５３に向かい、この主反射鏡５３で反射して収容物に戻る。このようにして、反応容器５１内の収容物の周囲に、マイクロ波ビーム及び赤外線が閉じ込められ、収容物は高効率で、加熱される。よって、シリカ（シリカ鉱石）から高効率で高純度シリコンを還元することができる。前述の大きさのマイクロ波加熱炉の場合、溶融シリコンを日産１トン製造することが可能である。
【００７９】
本実施形態においても、高純度シリコンを高効率で製造することができる。従来、太陽電池のシリコン基板は、電気炉で製造されていたので、製造に多大の時間が必要であったが、本実施形態のマイクロ波還元炉により加熱して高効率で還元反応を生じさせて、高純度シリコンを製造することにより、従来のシーメンス法によるシランを用いた製錬工程を省略して、シリコン基板を製造することができ、その分、投入エネルギも削減できる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明によれば、グラファイトによるマイクロ波の吸収により、室温から比較的低温までの加熱域でグラファイトが自己発熱して、混合粉末原料を昇温させ、その後の比較的高温域で、酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉末と、グラファイト（C）の粉末とを含む混合粉末２、又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）の粉末と、グラファイト（C）の粉末と、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の粉末とを含む混合粉末２の還元反応を生じさせると共に、原料を加熱して溶融させることにより、高純度シリコンを製造するので、極めて高効率で、迅速に且つ低コストで高純度シリコンを製造することができる。よって、本発明は、太陽電池及び半導体基板に使用される高純度シリコンの低コストでの供給に多大の貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施形態に係るマイクロ波によるシリコンの製造方法に使用するマイクロ波還元炉を示す縦断面図である。
【図２】同じくその堰の部分を示す部分平面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係るマイクロ波還元炉の溶解炉を示す縦断面図である。
【図４】同じく、段差反射鏡を示す図である。
【図５】同じく、マイクロ波還元炉の全体を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００８２】
２：原料混合粉末（ＳｉＯ２＋ＳｉＣ＋C又はＳｉＯ２＋C）
３：溶融シリコン
１２，５１ａ：シリカ製反応容器
１３、６２：出湯口
１６、６３：出湯管
１７，１８、６４：ヒーター
３１：反応炉
３２：炉体
３３：マイクロ波発振器
３４：マイクロ波発信アンテナ
４１：支持板
４２：半導体５００Ｗモジュール
４３：マイクロ波ユニット
５０：溶解炉
５１：反応炉
５１ｂ、５２：断熱材
５３：主反射鏡
５３ａ：マイクロ波の鏡面
５４：マイクロ波窓
５５：段差反射面
５６：副反射鏡
５７：補助反射鏡
【図１】
2014015381.tif 000014
【図２】
2014015381.tif 000015
【図３】
2014015381.tif 000016
【図４】
2014015381.tif 000017
【図５】
2014015381.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成24年11月19日(2012.11.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器内に、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物からなる原料を、供給する工程と、
前記容器内の前記原料に、マイクロ波を照射する工程と、
前記容器内から、溶融シリコンを排出する工程と、
を有し、
前記マイクロ波照射工程においては、
前記マイクロ波の照射により、前記グラファイト粉末がマイクロ波エネルギを吸収して昇温し、昇温後において、前記シリカと前記炭化ケイ素及び／又は前記グラファイトとの還元反応により、中間生成物としてＳｉＯガスが生成し、このＳｉＯガスを前記耐火物製容器内から離散させずに、このＳｉＯガスを、シリカ、グラファイト及び／又は炭化ケイ素と、接触させるようにして、気体−固体還元反応により、シリカを還元し、
前記溶融シリコンを連続的に生成することを特徴とするマイクロ波によるシリコンの製造方法。
【請求項２】
前記シリコンに還元する反応は、アルゴンガス、窒素ガス中又はヘリウムガス中で行われることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波によるシリコンの製造方法。
【請求項３】
原料を貯留すると共に発生ガスの離散を防止できるシリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器を備えた反応炉と、
前記容器内に前記原料を供給する供給部と、
前記容器内から還元後の溶融シリコンを排出する排出部と、
この反応炉内の前記耐火物製容器に向けてヘリカルアンテナ又は導波管による指向性をもってマイクロ波を照射するマイクロ波発振器と、を有し、
前記耐火物製容器内に、原料として、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物を供給し、前記シリカと前記炭化ケイ素及び／又は前記グラファイトとの還元反応により、中間生成物としてＳｉＯガスが生成し、このＳｉＯガスを前記耐火物製容器内から離散させずに、このＳｉＯガスを、シリカ、グラファイト及び／又は炭化ケイ素と、接触させるようにして、気体−固体還元反応により、シリカを還元して溶融シリコンを連続的に生成することを特徴とするマイクロ波還元炉。
【請求項４】
原料を貯留するためのシリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器を備えた反応炉と、
この反応炉の周囲を取り囲むマイクロ波窓と、
このマイクロ波窓に支持されて、前記耐火物製容器を、発生ガスの離散を防止するように覆う溶解炉天板と、
前記溶解炉天板を通して、前記容器内に前記原料を供給する供給部と、
前記容器内から還元後の溶融シリコンを排出する排出部と、
前記耐火物製容器を取り囲む円周面の内面上に配置され、前記マイクロ波窓を介して、前記耐火物製容器内の特定点に向けてマイクロ波ビームを放射するマイクロ波ユニットと、
前記耐火物製容器の上方に配置され、前記特定点を焦点とする放物面がマイクロ波の反射面である主反射鏡と、
を有し、
前記耐火物製容器内に、原料として、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物を供給し、前記シリカと前記炭化ケイ素及び／又は前記グラファイトとの還元反応により、中間生成物としてＳｉＯガスが生成し、このＳｉＯガスを前記ハウジング内から離散させずに、このＳｉＯガスを、シリカ、グラファイト及び／又は炭化ケイ素と、接触させるようにして、気体−固体還元反応により、シリカを還元して溶融シリコンを連続的に生成することを特徴とするマイクロ波還元炉。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明に係るマイクロ波によるシリコンの製造方法は、
シリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器内に、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物からなる原料を、供給する工程と、
前記容器内の前記原料に、マイクロ波を照射する工程と、
前記容器内から、溶融シリコンを排出する工程と、
を有し、
前記マイクロ波照射工程においては、
前記マイクロ波の照射により、前記グラファイト粉末がマイクロ波エネルギを吸収して昇温し、昇温後において、前記シリカと前記炭化ケイ素及び／又は前記グラファイトとの還元反応により、中間生成物としてＳｉＯガスが生成し、このＳｉＯガスを前記耐火物製容器内から離散させずに、このＳｉＯガスを、シリカ、グラファイト及び／又は炭化ケイ素と、接触させるようにして、気体−固体還元反応により、シリカを還元し、
前記溶融シリコンを連続的に生成することを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に係るマイクロ波還元炉は、
原料を貯留すると共に発生ガスの離散を防止できるシリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器を備えた反応炉と、
前記容器内に前記原料を供給する供給部と、
前記容器内から還元後の溶融シリコンを排出する排出部と、
この反応炉内の前記耐火物製容器に向けてヘリカルアンテナ又は導波管による指向性をもってマイクロ波を照射するマイクロ波発振器と、を有し、
前記耐火物製容器内に、原料として、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物を供給し、前記シリカと前記炭化ケイ素及び／又は前記グラファイトとの還元反応により、中間生成物としてＳｉＯガスが生成し、このＳｉＯガスを前記耐火物製容器内から離散させずに、このＳｉＯガスを、シリカ、グラファイト及び／又は炭化ケイ素と、接触させるようにして、気体−固体還元反応により、シリカを還元して溶融シリコンを連続的に生成することを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明に係る他のマイクロ波還元炉は、
原料を貯留するためのシリカ又は炭化ケイ素からなる耐火物製容器を備えた反応炉と、
この反応炉の周囲を取り囲むマイクロ波窓と、
このマイクロ波窓に支持されて、前記耐火物製容器を、発生ガスの離散を防止するように覆う溶解炉天板と、
前記溶解炉天板を通して、前記容器内に前記原料を供給する供給部と、
前記容器内から還元後の溶融シリコンを排出する排出部と、
前記耐火物製容器を取り囲む円周面の内面上に配置され、前記マイクロ波窓を介して、前記耐火物製容器内の特定点に向けてマイクロ波ビームを放射するマイクロ波ユニットと、
前記耐火物製容器の上方に配置され、前記特定点を焦点とする放物面がマイクロ波の反射面である主反射鏡と、
を有し、
前記耐火物製容器内に、原料として、シリカの粉末及びグラファイトの粉末の混合物か、又はシリカの粉末、炭化ケイ素の粉末及びグラファイトの粉末の混合物を供給し、前記シリカと前記炭化ケイ素及び／又は前記グラファイトとの還元反応により、中間生成物としてＳｉＯガスが生成し、このＳｉＯガスを前記ハウジング内から離散させずに、このＳｉＯガスを、シリカ、グラファイト及び／又は炭化ケイ素と、接触させるようにして、気体−固体還元反応により、シリカを還元して溶融シリコンを連続的に生成することを特徴とする。