(57)【要約】【課題】シリコンスラッジを有効に再使用し安価に太陽電池用シリコンの原材料として用いることのできるろ過装置およびろ過方法を提供すること。【解決手段】  ろ過装置１は、フッ素系樹脂であるＰＦＡ製のろ過容器２、目開きが約１０μｍのナイロンメッシュのフィルター３、ステンレス網４、脱水孔１３を有するステンレス製フィルター容器５、真空ポンプ１１から構成されている。ろ過容器２とフィルター容器５とは、Ｏリング６を挟んでいる。フィルター容器５にはフッ素樹脂製のＯリング６が取付けられる。フィルター容器５の上面に１００メッシュのステンレス網４が置かれている。そしてその上にフィルター３が置かれている。また、フィルター容器５には、真空ポンプ１１などを接続するための排気パイプ８が取付けられている。そして排気パイプ８はゴムホース９ａを介して吸水装置２３に接続されている。吸水装置１４は、ゴムホース９ｂ、吸引濾過瓶１０、真空ポンプ１１で構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末と水とのスラリーを、真空ポンプによる負圧により、第１のフィルター上に前記粉末を第２のフィルターとすることを特徴とするろ過装置。
【請求項２】
フィルター容器の下側にろ過ケーキを保持することを特徴とする請求項１に記載のろ過装置。
【請求項３】
フィルター容器の側面にろ過ケーキを保持することを特徴とする請求項１に記載のろ過装置。
【請求項４】
スラリーが水とシリコン粉末であることを特徴とする請求項１、２、３に記載のろ過装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、シリコンの製造方法に関し、特にシリコンウエハや半導体の製造工程において、シリコンウエハを研削・研磨する際に生じるシリコンスラッジを有効に再使用し安価に太陽電池用シリコンの原材料として用いることのできる高純度シリコン塊体を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  現在、低炭素エネルギーの要求から太陽光発電が脚光を浴び、低価格発電装置の実用化に向け研究開発が盛んに行われている。このような状況の中で、太陽電池用材料としてシリコンは、最も重要な材料である。【０００３】  太陽電池用材料となりうるシリコンは、純度９９．９９９９％以上で、比抵抗０．５〜１０Ωｃｍという高純度が要求されており、従来の半導体産業で用いられる高純度シリコン、またはＩＣ用の基板を製造したときに発生する規格外品が利用されている。しかし、半導体用高純度シリコンは、高価であり、また規格外品の発生量は少なく、供給が不安定である。【０００４】  今後、太陽電池の需要が急速に拡大することが予測され、太陽電池用シリコン原料の確保が重要な課題となっている。このようなことから太陽電池用シリコンを安価に、かつ、安定して供給する方法が検討され、太陽電池を製造する際に廃棄されているシリコンを再利用する各種方法が提案されている。【０００５】  そこで特許文献１において、従来、埋め立て処理されていたシリコンの廃スラッジを主原料にして、安価な太陽電池の素材を製造することの可能な太陽電池用多結晶シリコンの製造方法を提案している。【０００６】  以下特許文献１の内容を示す。溶融状態にある一方向凝固で精製して、太陽電池仕様を満たすシリコンインゴットとするに際し、前記溶融シリコンを、シリコンウエハ及び半導体の製造においてシリコンインゴットあるいはシリコンウエハを研削、研磨する工程の排水より濾過分離して得たシリコンスラッジだけで形成する太陽電池用多結晶シリコンの製造方法である。【０００７】  この場合、前記排水よりの濾過分離を、該排水に含まれる前記シリコンスラッジを第１のフィルター表面に該シリコンスラッジからなる第２のフィルターを形成させて行うのが好ましい。また、前記溶融状態にあるシリコンに、珪石を電気炉内で炭素還元剤により還元して得られた金属シリコンを添加しても良く、その際、前記金属シリコンの添加量が溶融状態にあるシリコンに対して０．１〜２０質量％であることが好ましい。さらに、前記溶融状態にあるシリコンが、前記シリコンスラッジを乾燥し、不活性雰囲気または真空中で溶解したものであることが好ましい。【０００８】  以上のように特許文献１によれば、従来は埋め立て処理されていたシリコンの廃スラッジを主原料にして、安価な太陽電池の素材を製造することが可能となるとされている。【０００９】  しかしながら、特許文献１においては、シリコンインゴットあるいはシリコンウエハを研削、研磨する工程の排水より濾過分離する方法としてフィルターを用いて行っているがこのフィルターによる濾過では、まだ含水率が約８０％であり、濾過した後、このシリコンスラッジを乾燥するために窒素中において９０℃で２４時間の処理が必要であった。【００１０】  したがって、フィルターを用いる濾過では、乾燥するための大きなエネルギーと、そして酸化を防止するための大量の窒素が必要となり製造コストが大きくなるという問題点がある。また、酸化を防止するために窒素を用いても、乾燥前のシリコンスラッジの水分が大きいとどうしても酸化してしまうという問題点もある。【００１１】  また、０．１μｍまでの微粉末を含むスラリーをろ過する装置は、構成が複雑であり、メンテナンスにも時間と費用を要する。そして装置も高価である。したがって、シリコンスラッジを再使用できるコストに収めることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−２３８１３７号  公報
【特許文献２】特開２００２−２９３５２８号  公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】  本明は、上記課題を解決するものであり、シリコンスラリーから高い生産性で太陽電池用シリコン原料を製造するためのろ過装置およびろ過方法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】
【００１４】  本発明は、粉末と水とのスラリーを、真空ポンプによる負圧により、第１のフィルター上に前記粉末を第２のフィルターとするろ過装置とするものである。【００１５】  本発明はまた、フィルター容器の下側にろ過ケーキを保持するものである。【００１６】  本発明はまた、フィルター容器の側面にろ過ケーキを保持するものである。【００１７】  本発明はまた、前記スラリーが水とシリコン粉末とするものである。
【発明の効果】
【００１８】  本発明のろ過装置およびろ過方法により、シリコンスラリーから水を分離した後、安価に太陽電池用シリコン原料を作成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の構成のろ過装置を示す平面図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】ろ過装置と吸引装置の概略を示す図である。
【図４】図１の詳細を示す平面図である。
【図５】図４の側面図である。
【図６】第２のフィルターを説明する概略図である。
【図７】本発明の別の構成ろ過装置を示す平面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線での断面図である。
【図９】フィルター面を示す平面図である。
【図１０】別のフィルター面を示す平面図である。
【図１１】さらに別のフィルター面を示す平面図である。
【図１２】本発明のさらに別の構成のろ過装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】  シリコンウエハ製造で用いられるシリコンインゴットの純度は、９９．９９９９質量％以上と非常に純度が高いので、このシリコンインゴットから生じる研削・研磨屑のシリコン純度も非常に高く、ほとんど不純物が無いシリコンスラッジが得られる。
【００２１】  特許文献２においては、固定砥粒のワイヤソーを用いて、９９．９９９９質量％以上と非常に純度の高いシリコンスラッジを用いてシリコンインゴットを製造する方法が記載されている。しかし、高純度のシリコン粉末を、直接溶融炉に投入するため、粉体として舞い上がり又は溶融したシリコンの上に浮いてしまい、シリコンに投入できないという問題点がある。
【００２２】  また、半導体製造におけるＩＣの製造工程は、使用する技術や装置設備、製造環境によりウエハ製造装置、組立（アセンブル）工程、検査（テスト）工程の３つに大きく分けられる。そのウエハ製造装置では、単結晶シリコンインゴットから切り出され、表面研磨された５〜８インチ径のシリコンウエハ（シリコン基板）上に、不純物注入、薄膜形成、フォトエッチングを繰り返すことでトランジスタや配線等を形成し、チップを完成させている。そしてウエハ製造装置を完了したシリコンウエハ（ＩＣチップ群）は、組立工程で個々のＩＣチップ単位に切断、分離される。従って、半導体の製造においてシリコンウエハを研削・研磨する際に排出されるシリコンスラッジとは、かかるウエハ製造工程及び組立工程で排出されるシリコンスラッジのことである。また、シリコン基板は最初、数百μｍの厚みを有しているが、これは強度を確保するための厚みであり、実際に使用されるシリコンウエハは、組立工程で使用される際に有利なように、その半分の厚さまで研磨により薄くされるので、この研磨だけでも約半分のシリコンが研磨屑として廃棄されている。また、ＩＣチップ単位に切断、分離する際にもシリコン研削、研磨屑が発生している。
【００２３】  以上述べたように、現在入手可能なシリコンスラッジは、シリコンウエハ製造で得られるものと、半導体製造で得られるものの２種類あるが、シリコンウエハ製造で得られるシリコンスラッジは、シリコン純度が高く、不純物をほとんど含まないのに対し、半導体製造で得られるシリコンスラッジは、シリコン以外にボロン、リン、タングステン、クロム、チタン、砒素、ガリウム、鉄の不純物元素や、凝集剤、油等の無機、有機物が多く含まれている。
【００２４】  特許文献１によれば、シリコンインゴットからのシリコンスラッジからは、太陽電池用シリコンの原料にできるシリコン粉末を製造することが可能であることはもちろんであるが、半導体製造工程で得られる不純物を含むシリコンスラッジからも様々な処理をすることで太陽電池用シリコンの原料にできるシリコン粉末を製造することが可能であると記載されている。
【００２５】  そこで、本発明者は上記の問題を解決するために第１のフィルターと第２のフィルターと真空ポンプを用いてシリコンスラリーをろ過するろ過装置とろ過方法を発案した。
【００２６】  以下、本発明に関わる一連のシリコンスラリーを原料とする太陽電池用シリコン原料のろ過装置およびろ過方法について説明する。まずろ過装置１およびろ過方法について図１、図２、図３を用いて説明する。さらに図４、図５は、ろ過容器２、フィルター３そしてフィルター容器５の詳細を示す。ろ過装置１は、ろ過容器２、フィルター３、ステンレス網４、脱水孔１３を有するフィルター容器５、真空ポンプ１１から構成されている。ろ過容器２とフィルター容器５とは、Ｏリング６を挟んでいる。
【００２７】  フッ素系樹脂であるＰＦＡ製のろ過容器２は内面の長さが６０ｍｍ、幅２０ｍｍ、そして高さが２００ｍｍである。フィルター容器５はステンレス製である。フィルター容器５にはフッ素樹脂製のＯリング６が取付けられる。フィルター容器５の上面に１００メッシュのステンレス網４が置かれている。そしてその上に目開きが約１０μｍのナイロンメッシュのフィルター３が置かれている。なお、１００メッシュのステンレス網４は、ナイロンメッシュが脱水孔１３に吸われて、ナイロンメッシュに穴が生じるのを防ぐためのものである。
【００２８】  フィルター容器５には、多数の脱水孔１３が形成されている。また、フィルター容器５には、真空ポンプ１１などを接続するための排気パイプ８が取付けられている。
【００２９】  そして排気パイプ８はゴムホース９ａを介して吸水装置２３に接続されている。吸水装置１４は、ゴムホース９ｂ、吸引濾過瓶１０、真空ポンプ１１で構成されている。
【００３０】  次に本発明のろ過装置１を用いたシリコンスラリー１２からの水の分離方法について説明する。先ず真空ポンプ１１を稼動して、次にシリコンスラリー１２をろ過容器２に注入して、シリコンスラリー１２から水を吸引濾過する。シリコンスラリー１２は、シリコンが約１質量％に対して水が約９９質量％である。
【００３１】  濾過経路は、フィルター３、ステンレス網４、フィルター容器５の脱水孔１３、排気パイプ８、ゴムホース９そして吸引濾過瓶１０である。シリコンスラリー１２に真空力を作用させて、水を分離すると、水を分離する速度は、向上する。さらにシリコンスラリーの含水率を低下させることができる。ここでの分離した水は、純水ではなく、フィルターを通り抜けたシリコン微粉末そして微量の金属、無機物、有機物の少なくとも１つ以上を含む。
【００３２】  ここで本発明者は、真空ポンプ１１を入れ、その後シリコンスラリー１２を注入すると急速に目開きが約１０μｍのナイロンメッシュのフィルター３面にシリコン粉末によるフィルター層が形成されることを発見した。このシリコン粉末によるフィルター層が形成されると、ほぼ完全にシリコン粉末と水を分離できる。なお、シリコン粉末は０．１μｍ〜３０μｍまでの粒度分布を持っているので、シリコン粉末によるフィルター層が形成されないとシリコン粉末と水を分離できない。
【００３３】  次にろ過容器２にシリコンスラリー１２を注入し、その後真空ポンプ１１を入れると、最初の数秒間目開き約１０μｍのナイロンメッシュのフィルター３面からシリコン粉末が通過してしまうが、その後、シリコン粉末によるフィルター層が形成されると、ほぼ完全にシリコン粉末と水を分離できるようになる。
【００３４】  さらにろ過容器２にシリコンスラリー１２を注入し、真空ポンプ１１を稼動させないと、目開き約１０μｍのナイロンメッシュのフィルター３面からシリコン粉末が通過してしまう。かつ、ろ過スピードが格段に遅くなる。
【００３５】  以上の現象は、真空ポンプ１１による負圧により目開き約１０μｍのナイロンメッシュにシリコンスラリー１２に含まれる粒度分布が０．１μｍ〜３０μｍそして、平均粒子径が約３μｍのシリコン粉末が、急激にナイロンメッシュの孔に集中し、シリコン粉末のブリッジができてしまい、ナイロンメッシュを通過できなくなると考えられる。また、ブリッジの上方から例えば約１トン／ｃｍ２の圧力を加えるとブリッジが破壊され、シリコン粉末がナイロンメッシュを通過してしまう。
【００３６】  以上の結果より、真空ポンプ１１によりフィルター３面に負圧を加えると、フィルター３面に急速にシリコン粉末によるフィルター層が形成され、最も微粉末である０．１μｍのシリコン粉末まで水と分離できる。また、別の実験で目開き約２０μｍのナイロンメッシュ製のフィルター３を用いたところ、シリコン粉末によるフィルター層が形成され、ほぼ完全にシリコン粉末と水を分離できることを確認した。
【００３７】  また、フィルター３面に形成されるシリコンケーキ層の厚さが大きくなると当然ろ過抵抗が増し、ろ過速度が遅くなる。実際に実用できるシリコンケーキ層の厚さは３０ｍｍ以下であると考えられる。
【００３８】  ろ過装置１によりろ過した後のシリコンスラリー１２からの水を分離したシリコンケーキの含水率は、約４４．２％であった。本発明の真空ポンプ１１によりフィルター３面に負圧を加え、フィルター２面にシリコン粉末によるフィルター層を作成方法により、含水率を簡単に５０％以下のシリコン成形体を得ることができる。このことにより乾燥中のシリコンの酸化を低減でき、かつ乾燥エネルギーも小さくできる。
【００３９】  次の工程として容器より長さ６０ｍｍ、幅２０ｍｍそして厚さ１５ｍｍのシリコンケーキを取り出し、窒素雰囲気中で電気炉に投入し、１１０℃の温度で乾燥する。なお乾燥方法は真空乾燥など他の方法もある。
【００４０】  第３の工程として熱処理工程がある。この熱処理は、シリコン塊体から粉末が飛散しないこと、そして取り扱いを容易にするために強度を向上させるためのものである。熱処理温度はアルゴン雰囲気中で、１３００℃でかつキープ時間を３０分とした。熱処理後は、シリコン塊体からの粉末の飛散はなく、かつ手で触れても粉末は手に付着しなかった。また、熱処理温度を１１００℃以下にすると、シリコン塊体に触れると粉末は手に付着した。このことから取り扱い中にシリコン塊体から粉末が飛散する虞がある。
【００４１】  第３の工程の熱処理工程は、他に高周波炉による方法など様々な熱処理方法があるが、熱処理後のシリコン塊体から粉末が飛散しないことが求められる。
【００４２】  熱処理したシリコン塊体をアルゴン雰囲気下で１６００℃で溶解した後に、所謂「一方向凝固法」で凝固させてシリコンインゴットを得た。そして、そのインゴットの上部にある不純物濃縮部を分離除去したところ、得られたシリコンは、鉄０．１ｐｐｍ以下、酸素０．１ｐｐｍ以下、ボロンが０．１ｐｐｍ以下、リン０．１ｐｐｍ以下で太陽電池の仕様を満たしていた。
【００４３】  以上述べたように、本発明は、従来の問題を解決して、シリコンスラッジから太陽電池用シリコンの原材料を製造することができる。
【００４４】  ここで、ろ過作業効率を高めるための図７の平面図、図７のＡ−Ａ線での断面図である図８に示すろ過装置１を構成した。本ろ過装置１によるとろ過ケーキ１７をろ過容器２から簡単に取り出せるためにろ過作業の効率が大幅に高まる。
【００４５】  ろ過装置１は、ろ過容器２に、ろ過面を下向きにし、ろ過液を上方に取り出す構成になっている。フィルター容器５に、１００メッシュのステンレス網を数枚重ね、その下にさらに目開きが約１０μｍのナイロンメッシュのフィルター３を置く。そして、ろ過ケーキ１７を保持するためのろ過ケーキシリンダー１６を持つ。また、ステンレス網４とステンレス製のフィルター容器５は溶接により一体化することもある。ここでは、ステンレス網４とステンレス製のフィルター容器５を用いたが、もちろんフッ素樹脂製の網及びフィルター容器５を用いても良い。
【００４６】  このろ過装置１の動作について説明する。先ずろ過容器２にスラリー１９をスラリー注入パイプ１８より供給する。次いで図示しない真空ポンプを稼動し、その後フィルター３などを持つフィルター容器５をろ過容器２のスラリー１９中に移動する。
【００４７】  真空ポンプ１１の吸引力により、スラリー１９中の粉末により第１の目開きが約１０μｍのナイロンメッシュのフィルター３上に第２の粉末によるフィルターができる。そして、第２のフィルター上にろ過ケーキ１７が堆積する。
【００４８】  ろ過ケーキ１７が目標の厚さになったら、フィルター容器５を上方に移動して、さらに横方向に移動して、真空ポンプ１１を停止する。その後、空気を導入して、ろ過ケーキ１７を下に取り出す。その後、ろ過容器２の真上にフィルター容器５を移動して、真空ポンプを稼動して、スラリー１９に向かって移動する。このサイクルを繰り返す。
【００４９】  上記のように、フィルター容器５を移動できること、そしてフィルター３面の下にろ過ケーキ１７を保持することにより、簡単にろ過ケーキ１７を下方向に取り出すことができる。このような構成することにより、ろ過作業効率は大幅に高くなる。
【００５０】  図９、図１０、図１１はろ過面の平面図であり、取り出すろ過ケーキが大きすぎる場合は、図１０、図１１のように仕切り板２０を入れてろ過ケーキ１７を細分化する。さらにろ過面は図１１のように矩形状にしてもよい。
【００５１】  ろ過効率を向上させるためには、ろ過面積を大きくすればよい。図７、図８に示したろ過装置１では、フィルター容器５の下面にフィルター３があった。ここで、フィルター容器５の側面にもフィルター３を設ければ、ろ過面積が増加してろ過能力が高くなる。
【００５２】  図１２にフィルター容器５の下面および側面にフィルター３を設けたろ過装置１の断面図を示す。フィルター容器５は、側面及び下面に直径約２ｍｍの脱水孔１３を多数持つ。そしてそのフィルター容器５の上に１００メッシュのステンレス網を２枚重ねる。さらに、その上に目開きが約２０μｍのナイロンメッシュのフィルター３を置く。また、フィルター容器５は、ステンレス網４から直接スラリー１９が入らないようにするゴム板を置く。
【００５３】  次に、ろ過装置１の動作について説明する。先ずろ過容器２にスラリー１９をスラリー注入パイプ１８より供給する。次いで図示しない真空ポンプを稼動し、その後フィルター３などを持つフィルター容器５をろ過容器２のスラリー１９中に移動する。
【００５４】  真空ポンプの吸引力により、スラリー中の粉末により第１の目開きが約２０μｍのナイロンメッシュのフィルター上に第２の粉末によるフィルターができる。そして、第２のフィルター上にろ過ケーキが堆積する。
【００５５】  ろ過ケーキ１７が目標の厚さになったら、フィルター容器５を上方に移動して、さらに横方向に移動して、真空ポンプを停止する。その後、空気を導入して、ろ過ケーキ１７を下に取り出す。その後、ろ過容器２の真上にフィルター容器５を移動して、真空ポンプを稼動して、スラリーに向かって移動する。このサイクルを繰り返す。なお、ろ過ケーキを下に取り出す際には、振動、スクレイパーなどによることもある。
【００５６】  上記のように、フィルター容器を移動できること、そしてフィルター容器の下面及び側面にろ過ケーキを保持することにより、簡単にろ過ケーキを下方向に取り出すことができる。このような構成することにより、ろ過作業効率は大幅に高くなる。
【００５７】  上記のようにシリコンウエハを研削・研磨する際に生じるシリコンスラッジを本発明を用いてろ過することにより安価に太陽電池用シリコンの原材料として用いることのできる高純度シリコン塊体を製造することができる。
【符号の説明】
【００５８】１    ろ過装置２    ろ過容器３    フィルター４    ステンレス網５    フィルター容器６    Ｏリング７    ゴム板８    排気パイプ９    ゴムホース１０  吸引濾過瓶１１  真空ポンプ１２  シリコンスラリー１３  脱水孔１４  吸水装置１５  シリコン粉末１６  ろ過ケーキシリンダー１７  ろ過ケーキ１８  スラリー注入パイプ１９  スラリー２０  仕切り板
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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