(57)【要約】【課題】従来よりも処理ムラの発生を抑制してシリコンを純化できるシリコン純化方法を提供することを目的とする。【解決手段】本開示は、シリコン粉体内に構造物を準備する第１工程と、前記シリコン粉体を加熱して焼結させる第２工程と、前記第２工程後の前記シリコン粉体から前記構造物を除外する第３工程と、前記第３工程後に前記シリコン粉体を前記第２工程時よりも高温で加熱する第４工程と、を含むことを特徴とするシリコン純化方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン粉体内に構造物を準備する第１工程と、
前記シリコン粉体を加熱して焼結させる第２工程と、
前記第２工程後の前記シリコン粉体から前記構造物を除外する第３工程と、
前記第３工程後に前記シリコン粉体を前記第２工程時よりも高温で加熱する第４工程と、を含むことを特徴とするシリコン純化方法。
【請求項２】
前記第１工程では、その一部を前記シリコン粉体から露出させた状態で前記構造物を準備する、請求項１に記載のシリコン純化方法。
【請求項３】
前記構造物は、棒状である請求項１又は２に記載のシリコン純化方法。
【請求項４】
前記第１工程では、前記構造物の先端が前記シリコン粉体から露出するように前記構造物を準備する、請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン純化方法。
【請求項５】
前記第２工程は、前記構造物をその主軸を中心に回転させる工程を含む請求項３又は４に記載のシリコン純化方法。
【請求項６】
前記構造物は、規則的に配列された複数の金属を含む、請求項１〜５のいずれか記載のシリコン純化方法。
【請求項７】
前記第４工程は、焼結した前記シリコン粉体から前記構造物を除外することで生じる空間にガスを導入する工程を含む請求項１〜６のいずれか記載のシリコン純化方法。
【請求項８】
前記第２工程で前記シリコン粉体を加熱する温度は９００℃よりも高く且つ１２００℃以下であり、前記第４工程で前記シリコン粉体を加熱する温度は１２５０℃よりも高く且つ１４００℃以下である請求項１〜７のいずれか記載のシリコン純化方法。
【請求項９】
シリコン粉体が配置される容器と、
前記容器の外周に配置されるヒータと、
前記容器内又は外に配置される構造物と、
前記構造物を前記容器の内外に移動可能な駆動機構と、
前記ヒータを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記構造物が前記容器内に位置する場合に前記ヒータを制御して前記容器内の温度を前記シリコン粉体が焼結する第１温度に加熱する第１制御部と、前記構造物が前記容器外に位置する場合に前記ヒータを制御して前記容器内の温度を前記第１温度よりも高い第２温度に加熱する第２制御部と、を有することを特徴とするシリコン純化装置。
【請求項１０】
前記構造物は、棒状である請求項９に記載のシリコン純化装置。
【請求項１１】
前記駆動機構は、前記構造物をその延在方向に移動させる請求項１０に記載のシリコン純化装置。
【請求項１２】
前記構造物をその主軸を中心に回転させる回転機構を更に備える請求項１０又は１１に記載のシリコン純化装置。
【請求項１３】
前記構造物は、規則的に配列された複数の金属を含む請求項９〜１２のいずれか記載のシリコン純化装置。
【請求項１４】
前記第１温度で加熱されることで焼結した前記シリコン粉体から前記構造物を除外した際に生じる空間にガスを導入するガス導入機構を更に備える請求項９〜１３のいずれか記載のシリコン純化装置。
【請求項１５】
前記第１温度は９００℃よりも高く且つ１２００℃以下であり、前記第２温度は１２５０℃よりも高く且つ１４００℃以下である請求項９〜１４のいずれかに記載のシリコン純化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンの純化方法及びシリコン純化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽電池の生産量は世界的に増加しており、太陽電池用基板の原料となるシリコンの需要も伸びているため、シリコンが不足している現状がある。その中で、インゴットから基板を切り出す工程において発生するシリコン切粉には、重量比にすると加工前のインゴットの約半分近い重量のシリコンが混じっているため、これらの再利用が求められている。
【０００３】
しかし、シリコン切粉中に含まれるシリコンには酸化による純度低下が発生しているため、再利用するにはシリコンを純化させる必要がある。
【０００４】
シリコンを純化させる方法としては、例えば特許文献１のような従来の方法が提案されている。従来の方法は、図５に示す処理装置１０１により実施される。従来の方法では、まず、処理容器１０２に充填されたシリコン切粉を前処理室１０３で１００〜５００℃に加熱して水分を除去する工程が実施され、シリコン切粉がシリコン粉体となる。次に、燃焼室１０４内において酸素含有不活性ガス雰囲気中でシリコン粉体を５００〜１０００℃に加熱して残留炭素を燃焼除去する工程が実施される。続いて、真空加熱室１０５内において真空雰囲気中でシリコン粉体を１１００〜１４５０℃に加熱することで脱酸工程を実施する。この脱酸工程は、シリコン粉体中に含まれる酸素成分を一酸化珪素（ＳｉＯ）ガスとしてシリコン粉体より除去することで、実現される。最後に冷却室１０６内においてシリコン粉体を１００℃以下に冷却する工程が実施される。この一連の工程を経ることで、従来の方法では、シリコンを純化させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−６８３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の方法では、脱酸工程中に発生したＳｉＯガスが、シリコン粉体の近傍で滞留し、再びシリコン酸化層となって一部のシリコン粉体に固着する場合があった。シリコン酸化層の固着した場所はシリコンの純化が進行しにくいため、一部に固着したシリコン酸化層が原因となってシリコンの純化の進行度合いにムラが生じていた。すなわち、従来の方法は、いわゆる処理ムラの発生を課題として有していた。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、従来よりも処理ムラの発生を抑制できるシリコン純化方法及び装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明のシリコン純化方法は、シリコン粉体内に構造物を準備する第１工程と、前記シリコン粉体を加熱して焼結させる第２工程と、前記第２工程後の前記シリコン粉体から前記構造物を除外する第３工程と、前記第３工程後に前記シリコン粉体を前記第２工程時よりも高温で加熱する第４工程と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のシリコン純化装置は、シリコン粉体が配置される容器と、前記容器の外周に配置されるヒータと、前記容器内又は外に配置される構造物と、前記構造物を前記容器の内外に移動可能な駆動機構と、前記ヒータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記構造物が前記容器内に位置する場合に前記ヒータを制御して前記容器内の温度を前記シリコン粉体が焼結する第１温度に加熱する第１制御部と、前記構造物が前記容器外に位置する場合に前記ヒータを制御して前記容器内の温度を前記第１温度よりも高い第２温度に加熱する第２制御部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明によれば、従来よりも処理ムラの発生を抑えてシリコンを純化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１におけるシリコン純化装置の概略断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるシリコン純化方法の手順概略図
【図３】本発明の実施の形態２におけるシリコン純化装置の概略説明図
【図４】本発明の実施の形態２におけるシリコン純化装置の他の概略説明図
【図５】従来の方法の概略説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１におけるシリコン純化装置の概略断面図である。
【００１４】
気密性の高いチャンバ１の内部は、排気口７を通して接続された真空排気設備９によって減圧状態で保持されており、容器３の外周に設けられたヒータ２により（真空）加熱が実現される。排気口７と真空排気設備９の間には排ガス捕集装置１１が取り付けられており、シリコン粉体４の加熱時に発生するＳｉＯガスを捕集することができる。
【００１５】
更に、本シリコン純化装置には、チャンバ１の中に不活性ガスを導入するためのガス導入口８が具備されており、チャンバ１内を不活性ガス雰囲気にできる。不活性ガスとして、アルゴンガスや、窒素ガスが採用される。
【００１６】
チャンバ１の床面には容器３が配置されており、その内部にはシリコン粉体４が充填される。シリコン粉体４には、シリコン切粉の状態から水分や有機物カーボン不純物などを熱処理や薬品処理などによって取り除かれたものを用いるとよい。
【００１７】
図１において、シリコン粉体４は、規則的に配列された複数の空間６が形成された焼結体として示される。空間６は構造物５を用いて形成されたものである。内部に構造物５が埋め込まれた状態のシリコン粉体４を加熱して焼結し、シリコン粉体４が焼結体となった後に構造物５を除外することで空間６が形成される。詳細は後述するが、空間６の作用により、処理ムラの発生を抑えてシリコンを純化することができる。
【００１８】
焼結とは、互いに接触している粉体粒子が、表面張力を駆動力として、表面積を最小にする方向に移動することで粉体粒子間に結合が生じ、粉体が緻密体となる現象のことである。シリコンは、９００℃を超えてから焼結が起こりはじめ、焼結反応が進むと、粒子同士の結合が三次元的に広がり、シリコン粉体４がひとつの固体（焼結体）としてその形状を保持するようになる。この特性を利用して空間６が形成されている。
【００１９】
シリコン粉体４に空間６を形成できれば構造物５の形状や大きさに制限はないが、構造物５の形状を棒状にするとシリコン粉体４に対して出し入れが容易となる。特に、断面が円形の棒状構造物を構造物５に採用すると、シリコン粉体４との摩擦を抑えてよりスムーズな出し入れが可能となる。また、構造物５の先端部を円錐状に尖らせてシリコン粉体４に挿入しやすくすると更に良い。また、構造物５の根元側よりも先端側の径を小さくし、テーパーをつけてもよい。
【００２０】
棒状の構造物５の断面径は、細すぎると強度不足となり、太すぎるとシリコン粉体４への挿入時の圧力が高まり過ぎることから、好ましくは５ｍｍ〜２０ｍｍである。
【００２１】
構造物５を複数設ける場合は、複数の構造物５を等間隔に配列すると良い。空間６を等間隔に形成できるため、シリコン純化時の処理ムラを更に抑制できる。この場合、空間６間の中心距離を統一するために複数の構造物５を格子状に配列にすることが好ましい。空間６間の中心距離を統一することで、より処理ムラの発生を抑えることができる。
【００２２】
複数の構造物５の配列のピッチとしては、狭すぎすると構造物の本数が多くなり過ぎて全体の体積が大きくなり、また挿入時の抵抗も高くなってしまう。一方、広すぎると後述する脱酸の効率が悪くなってしまう。好ましくは複数の構造物５の配列ピッチを２０ｍｍ〜１００ｍｍのピッチとする。
【００２３】
また、構造物５を耐熱性の高い金属で構成する。具体的には、シリコンを焼結させる温度よりも高い温度耐性の材料を採用する。コンタミネーションの発生を防止するためである。構造物５に採用される金属としては、耐熱性に加えて、強度や耐腐食性を考慮して、モリブデンやタングステン、合金系の耐熱鋼等が好ましい。
【００２４】
駆動機構１０は、容器３内又は外に配置される構造物５を容器３の内外に移動可能な機構である。より詳細には、モーターや油圧プレスなどの動力源によってネジ式のシャフトを回転させ、構造物５と一体化した金属板を上下に駆動可能な機構である。この機構により複数の棒状の構造物５を同じスピードで移動できる。構造物５の挿入時に大きな動力が必要であれば、油圧プレスを用いるのが良い。
【００２５】
駆動機構１０には、棒状の構造物５をその主軸を中心に回転させる回転機構１０ａが備わる。構造物５を回転させることで、シリコン粉体４内外への移動時に、シリコン粉体４から受ける抵抗を小さくできる。また、焼結したシリコン粉体４が構造物５に固着した際にも、回転機構１０ａにより構造物５を回転させることで、固着したシリコン粉体４を構造物５から剥離できる。
【００２６】
制御部１２は、構造物５が容器３内に位置する場合にヒータ２を制御して容器３内の温度を第１温度に加熱する第１制御部１２ａと、構造物５が容器３外に位置する場合にヒータ２を制御して容器３内の温度を第１温度よりも高い第２温度に加熱する第２制御部１２ｂと、を有する。第１温度と第２温度とについては、後述する。
【００２７】
ここで、本実施の形態に係るシリコン純化方法について図２を用いて説明する。なお、工程をわかりやすくするために図１に比べ図２を簡略化している。
【００２８】
図２（ａ）は、シリコン粉体４内に構造物５を準備する工程（第１工程）を示す図である。ここでは、構造物５を容器３の上面から鉛直方向に下げて容器３内に挿入する構成が採用されている。構造物５が容器３底面に接触する手前まで挿入され、その位置で保持される。
【００２９】
図２（ｂ）は、シリコン粉体４をヒータ２で加熱して焼結させる工程（第２工程）を示す図である。シリコン粉体４を加熱する温度を、９００℃より高く且つ１２００℃以下（第１温度）とする。この第１温度は、シリコン粉体４を焼結可能な温度である。シリコン粉体４が未焼結の状態で構造物５を除外すると、その部分に未焼結のシリコン粉体４が流れ込み、空間６を形成できないことから、シリコン粉体４が焼結反応を起こす最低温度の９００℃よりも第１温度を高く設定する。一方、加熱温度が１２００℃を超えると、焼結反応が進みすぎてシリコン内部の酸素が閉じ込められたまま表面が凝集し、その後の脱酸反応で酸素が除去されにくくなる。よって、第１温度として９００℃より高く且つ１２００℃以下の温度帯を設定することで、シリコン粉体４に対して適度に焼結反応のみを起こさせて次工程で空間６を形成できる。
【００３０】
なお、第２工程では、ガス導入口８からアルゴンガスを導入し、排気口７から排気することで、減圧下かつアルゴン雰囲気下で加熱が実行される。この加熱によりシリコン粉体４に残留していた水分や有機物などの不純物を除去できる。シリコン粉体４の置かれる雰囲気の圧力は、概ね１００Ｐａ〜５００００Ｐａの間である。なお、シリコン粉体４の不純物濃度によっては必ずしも減圧である必要はなく、一度真空状態にした後は、アルゴンガスによって大気圧まで復圧した状態で加熱してもよい。また、焼結反応が進むと、シリコン粉体４は収縮を起す。このため、構造物５とシリコン粉体４との間に隙間が生じる場合がある。
【００３１】
図２（ｃ）は、第２工程後のシリコン粉体４から構造物５を除外する工程（第３工程）と、構造物５の除外後にシリコン粉体４を第２工程時よりも高温で加熱する工程（第４工程）とを示す図である。第３工程にて構造物５を除去しても、第２工程でシリコン粉体４が焼結しているため、空間６の形状は保持されたままである。そして、第４工程では、第２工程と同様にガス導入口８からアルゴンガスを導入し、且つ排気口７から排気することによって、減圧下でのアルゴン雰囲気で（真空）加熱を行っている。第３工程におけるシリコン粉体４の加熱温度を１２５０℃よりも高く且つ１４００℃以下（第２温度）とするのが好ましい。１２５０℃以下だとシリコン粉体４に脱酸反応は殆ど起こらず、１４００℃を超えるとシリコン粉体４が溶融するためである。
【００３２】
第４工程により、シリコン（Ｓｉ）と酸化シリコン（ＳｉＯ２）との間で反応が起こる。この反応式はＳｉ＋ＳｉＯ２→２ＳｉＯで表され、酸化シリコンがＳｉＯとしてガス化することでシリコン粉体４の脱酸反応が生じる。このとき、発生したＳｉＯガスがシリコン粉体４内部で滞留を起こすと、局所的にガス分圧が高くなり、飽和状態となってそれ以上ガス化が進行せず、脱酸反応の停滞が懸念される。また、発生したＳｉＯガスが再度シリコン粉体４に固着して、その部分で脱酸反応が停滞し、処理ムラとなることも懸念される。これらの懸念事項に対して、本実施の形態では、第２工程及び第３工程を経ることにより、空間６を形成している。空間６がＳｉＯガスの通り道となって、ガスの滞留を抑制でき、ガス分圧の分散、及び、ＳｉＯガスの再固着を防止できる。更に、空間６の分だけ表面積が大きくなるため、シリコン粉体４の内部への熱の伝わりが均一化され、加熱ムラの発生を抑制できる。なお、チャンバ１内の圧力は１００Ｐａ〜１０００Ｐａの間であることが好ましい。これは、発生するＳｉＯガスの飽和蒸気圧が低いため、チャンバ１内の圧力が高いと脱酸反応が進まないからである。これらのため、本実施の形態により、処理ムラの発生を抑制しつつ、高純度なシリコンを得ることが可能となる。
【００３３】
なお、第１工程において、図２（ａ）に示すように、構造物５の一部をシリコン粉体４から露出させた状態で容器３内に構造物５とシリコン粉体４とを準備するのが望ましい。第１工程で構造物５をシリコン粉体４から露出させることで、形成される空間６を容器３内の雰囲気と連通でき、発生するＳｉＯガスが空間６内に滞留するのを抑制できる。また、構造物５が棒状の場合、その先端がシリコン粉体４から露出するように第１工程を実施するのが望ましい。発生するＳｉＯガスが空間６内に滞留するのを更に抑制することができる。
【００３４】
なお、第３工程において、構造物５を容器３の外に移動させるのは、図１の駆動機構１０である。駆動機構１０による構造物５の移動方向は、棒状の構造物５の延在方向である。この方向に移動させることで、少ないエネルギで縦長の空間６を形成でき、縦長の空間６の作用により、より効率よくＳｉＯガスの滞留を抑制できる。
【００３５】
また、図２（ｃ）で説明した第３工程において、棒状の構造物５をその主軸を中心に回転させる工程を含むことが望ましい。構造物５に付着したシリコン粉体４（の焼結体）を回転によって剥離させることができる。これにより、容易に構造物５を容器３外へ除外することができる。構造物５をその主軸を中心に回転させる工程は、図１の回転機構１０ａの機能により実現される。
【００３６】
また、図２（ａ）で説明した第１工程において、先に容器３内に充填されたシリコン粉体４に対して後から構造物５を挿入するのが望ましい。これにより作業性が向上する。但し、作業性は劣るが、容器３内に先に構造物５を挿入した後に、シリコン粉体４を容器３に充填することで第１工程を実施しても良い。
【００３７】
また、図２（ｃ）で説明した第４工程において、焼結されたシリコン粉体４から構造物５を除去することで生じる空間６に（不活性）ガスを導入する工程を含むことが望ましい。導入される（不活性）ガスにより、発生したＳｉＯガスの滞留を抑制し、シリコン粉体４からのＳｉＯガスの除去、すなわち、シリコン粉体４の脱酸反応を促進できる。導入する（不活性）ガスとしては、アルゴンなどの不活性ガスを採用する。また、図１のガス導入口８が、（不活性）ガスを導入するガス導入機構として機能する。
【００３８】
なお、図２（ｂ）における第２工程でシリコン粉体４を加熱する（容器３内の）温度は、シリコン粉体４が焼結する温度であり、具体的には９００℃よりも高く且つ１２００℃以下（第１温度）である。図２（ｃ）の第４工程でシリコン粉体４を加熱する温度は、第１温度よりも高い温度（第２温度）であり、具体的には１２５０℃よりも高く且つ１４００℃以下である。図１の第１制御部１２ａによりヒータ２を制御することで容器３内の温度が第１温度となるように加熱される。また、第２制御部１２ｂによりヒータ２を制御することで容器３内の温度が第２温度となるように加熱される。
【００３９】
（実施の形態２）
ここで実施の形態２について説明する。上述の実施の形態１と共通する構成については共通の符号を付してその説明を省略する。
【００４０】
図１、図２では、構造物５を容器３の上方に移動することで容器３から除外する例を示したが、実施の形態２として図３及び図４に示すように、構造物５を容器３の下方に移動することで容器３から除外しても良い。図３は、図１（ａ）で説明した第１工程に相当する状態を示す。図４は、図１（ｃ）で説明した第３工程及び第４工程に相当する状態を示す。
【００４１】
図３、図４に示すように、構造物５を容器３の下方に移動させることで、容器３の上方を広く開けることができる。容器３の上方を広く開けることで、ＳｉＯガスをより効率よくシリコン粉体４から除去することが可能である。
【００４２】
また、図３、図４に示すように、容器３の下方からその内部に連通するガス導入口８ａを更に設けることで、より効率よくＳｉＯガスをシリコン粉体４から除去することができる。この場合、シリコン粉体４中における構造物５の移動経路を（不活性）ガスの流路とすることで、より多くの（不活性）ガスが空間６を流れ、ＳｉＯガスの除去を促進できる。
【００４３】
なお、実施の形態２のように、構造物５を容器３の下方に移動する構成とする場合は、容器３内に構造物５を挿入した後にシリコン粉体４を容器３に充填すると良い。構造物５を容器３内に挿入するための孔からシリコン粉体４が零れるのを防止するためである。この場合、容器３の上方は広く保たれているため、シリコン粉体４を充填する際の作業性は低下しない。また、第３工程時において、シリコン粉体４は焼結しているため、構造物５を容器３から除去しても、容器３に設けられた孔からシリコン粉体４はほとんど零れない。なお、構造物５を容器３内に挿入するための孔の径を構造物５の径と一致させると、シリコン粉体４が容器３から零れるのをより抑制できる。
【００４４】
以上説明したように、実施の形態１及び２により、処理ムラの発生を軽減してシリコンを純化することが可能となる。
【００４５】
なお、上記実施の形態１及び２のうちの任意の構成を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、太陽電池用シリコン原料を得るのに利用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１      チャンバ
２      ヒータ
３      容器
４      シリコン粉体
５      構造物
６      空間
７      排気口
８、８ａ      ガス導入口
９      真空排気設備
１０    駆動機構
１１    排ガス捕集装置
１２    制御部
１２ａ  第１制御部
１２ｂ  第２制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014218395.tif 000007