(57)【要約】【課題】シリカをシリコンに還元するための方法および反応炉を提供する。【解決手段】シリカを、一酸化炭素を含むが、元素状炭素を含まない還元ガスと反応させることを含むシリコンを生成するための方法。炭素を酸素と反応させて、一酸化炭素を含むが、元素状炭素を含まない還元ガスを発生させるための炭素燃焼室と；元素状炭素を含まない還元ガスをシリカと反応させるための反応室であって、炭素燃焼室と連通する反応室と；反応室の温度を調節するための温度調節器と；シリカを前記反応室に収容するための、反応室と連通しているシリカ取入口と；シリコンを反応室から出すための、反応室と連通しているシリカ排出口とを備えるシリコンを生成するための反応炉。【選択図】図１
2011512314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカを、一酸化炭素を含むが、元素状炭素を含まない還元ガスと反応させることを含む、シリコンを生成するための方法。
【請求項２】
元素状炭素を酸素と反応させることによって還元ガスを発生させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シリカを、加熱された反応室内で前記還元ガスと反応させる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記加熱された反応室の温度が調節される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記シリカを、シリコンの融点より高い温度で前記還元ガスと反応させる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記シリコンが、固化される前に脱気される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記方法によって生じる排出ガスを酸化して、その中に含まれる実質的にすべての一酸化炭素を二酸化炭素に変換し、それによって酸化排出ガスを生成させる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記酸化排出ガスが、前記方法のための原材料を予熱するのに使用される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記シリカが、少なくとも約９９．９重量％の純度である請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法によって生成されるシリコン。
【請求項１１】
シリコンを生成するための反応炉であって、
炭素を酸素と反応させて、一酸化炭素を含むが、元素状炭素を含まない還元ガスを発生させるための炭素燃焼室と、
元素状炭素を含まない前記還元ガスをシリカと反応させるための反応室であって、前記炭素燃焼室と連通する反応室と、
前記反応室の温度を調節するための温度調節器と、
前記シリカを前記反応室に収容するための、前記反応室と連通しているシリカ取入口と、
前記シリコンを前記反応室から出すための、前記反応室と連通しているシリカ排出口とを備えるシリコンを生成するための反応炉。
【請求項１２】
前記シリコンが前記反応室を出た後に前記シリコンを脱気するための脱気装置をさらに備える、請求項１１に記載の反応炉。
【請求項１３】
前記シリカが前記反応室に入る前に前記シリカを予熱するためのシリカ予熱装置をさらに備える、請求項１１または１２に記載の反応炉。
【請求項１４】
前記炭素または前記酸素のいずれかまたは前記炭素と前記酸素の両方を予熱するための少なくとも１つの予熱装置をさらに備える、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の反応炉。
【請求項１５】
前記炭素、前記酸素、および前記シリカのうちの少なくとも１つを予熱するために、前記反応室からの排出ガス、または前記排出ガスの酸化によって得られる酸化排出ガス、またはその両方を前記予熱装置のうちの少なくとも１つに送るための配管を備える、請求項１３または１４に記載の反応炉。
【請求項１６】
前記反応室からの排出ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にし、酸化排出ガスを発生させるための排出ガス燃焼室を備える、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の反応炉。
【請求項１７】
前記炭素、前記酸素、および前記シリカのうちの１つまたは複数の流れを調節するための１つまたは複数の流量調節器をさらに備える、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の反応炉。
【請求項１８】
前記反応室は、蓄熱ユニットと熱的に連通する、請求項１１から１７のいずれか一項に記載の反応炉。
【請求項１９】
シリコンを生成するための方法であって、
炭素を酸素と反応させて、一酸化炭素を含むが、元素状炭素を含まない還元ガスを発生させるための炭素燃焼室と、
元素状炭素を含まない前記還元ガスをシリカと反応させるための反応室であって、前記炭素燃焼室と連通する反応室と、
前記反応室の温度を調節するための温度調節器と、
前記シリカを前記反応室に収容するための、前記反応室と連通しているシリカ取入口と、前記シリコンを前記反応室から出すための、前記反応室と連通しているシリカ排出口とを備える反応炉を提供することと、
酸素と炭素とを前記炭素燃焼室に供給することと、
前記炭素を前記酸素と反応させて、一酸化炭素を含むが、元素状炭素を含まない還元ガスを発生させることと、
前記還元ガスと前記シリカとを前記反応室に供給することと、
前記還元ガスと前記シリカとを反応させて前記シリコンと排出ガスとを生成することとを含むシリコンを生成するための方法。
【請求項２０】
シリコンを生成するための、請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の反応炉の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリカをシリコンに還元するための方法および反応炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業は、高純度のシリコン金属を絶えず必要としている。高純度のシリコンを生産するための現行方法は、ハロゲン化ケイ素、例えば、四塩化ケイ素またはトリクロロシランの還元、シランの酸化、および元素状炭素または水素によるシリカの還元を含む。これらの方法のうちのいくつかには、有毒または汚染副産物を生成するという不利点があり、生成物の廃棄および／または分離が問題となっている。還元剤として水素を使用するには、爆発を引き起こさないよう細心の注意を払って酸素を除去する必要がある。
【発明の概要】
【０００３】
第１の態様では、本発明は、シリカを、一酸化炭素を含むが、元素状炭素を含まない還元ガスと反応させることを含むシリコンを生成するための方法を実現する。
【０００４】
好ましくは、還元ガスは、元素状炭素を酸素と反応させることによって発生する。
【０００５】
好ましくは、シリカを、加熱された反応室内で還元ガスと反応させる。
【０００６】
好ましくは、加熱された反応室の温度が調節され、シリカはシリコンの融点より高い温度で還元ガスと反応させる。
【０００７】
好ましくは、シリコンは、固化される前に脱気される。
【０００８】
本方法によって生じる排出ガスを酸化することで、その中に含まれる実質的にすべての一酸化炭素を二酸化炭素に変換し、それによって酸化排出ガスを生成させることができる。
【０００９】
酸化排出ガスは、本方法のための原材料の予熱に使用できる。
【００１０】
好ましくは、シリカは、少なくとも約９９．９重量％の純度である。
【００１１】
第２の態様では、本発明は、本発明の第１の態様による方法によって生成されるシリコンを提供する。
【００１２】
第３の態様では、本発明は、シリコンを生成するための反応炉を実現し、この反応炉は、
炭素を酸素と反応させて、一酸化炭素を含むが、元素状炭素を含まない還元ガスを発生させるための炭素燃焼室と、
元素状炭素を含まない還元ガスをシリカと反応させるための反応室であって、炭素燃焼室と連通する反応室と、
反応室の温度を調節するための温度調節器と、
シリカを反応室に収容するための、反応室と連通しているシリカ取入口と、
シリコンを反応室から出すための、反応室と連通しているシリカ排出口とを備える。
【００１３】
好ましくは、反応炉は、シリコンが反応室を出た後にシリコンを脱気するための脱気装置をさらに備える。
【００１４】
好ましくは、反応炉は、シリカが反応室に入る前にシリカを予熱するためのシリカ予熱装置をさらに備える。
【００１５】
好ましくは、反応炉は、炭素または酸素のいずれかまたは炭素と酸素の両方を予熱するための少なくとも１つの予熱装置をさらに備える。
【００１６】
反応炉は、炭素、酸素、およびシリカのうちの少なくとも１つを予熱するために、反応室からの排出ガス、または排出ガスの酸化によって得られる酸化排出ガス、またはその両方を予熱装置のうちの少なくとも１つに送るための配管を備えることができる。
【００１７】
反応炉は、酸化排出ガスを発生させるために、反応室からの排出ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にするための排出ガス燃焼室を備えることができる。
【００１８】
好ましくは、反応炉は、炭素、酸素、およびシリカのうちの１つまたは複数の流れを調節するための１つまたは複数の流量調節器をさらに備えることができる。
【００１９】
好ましくは、反応室は、蓄熱ユニットと熱的に連通する。
【００２０】
第４の態様では、本発明は、シリコンを生成するための方法を提供し、この方法は、
炭素を酸素と反応させて、一酸化炭素を含むが、元素状炭素を含まない還元ガスを発生させるための炭素燃焼室と、
元素状炭素を含まない還元ガスをシリカと反応させるための反応室であって、炭素燃焼室と連通する反応室と、
反応室の温度を調節するための温度調節器と、
シリカを反応室に収容するための、反応室と連通しているシリカ取入口と、
シリコンを反応室から出すための、反応室と連通しているシリカ排出口とを備える反応炉を提供することと、
酸素と炭素とを炭素燃焼室に供給することと、
炭素を酸素と反応させて、一酸化炭素を含むが、元素状炭素を含まない還元ガスを発生させることと、
還元ガスとシリカとを反応室に供給することと、
還元ガスとシリカとを反応させてシリコンと排出ガスとを生成することとを含む。
【００２１】
第５の態様では、本発明は、シリコンを生成するための本発明の第４の態様による反応炉の使用を提供する。
【００２２】
本方法は、元素状炭素を酸素と反応させることによって一酸化炭素を発生させる工程も含むことができる。この場合、炭素対酸素比は、元素状炭素が一酸化炭素中に存在しないような比とすることができる。炭素対酸素比は、酸素全部が消費されるような比であるべきである。本方法は、シリカを還元ガスと反応させる工程の前に還元ガスから元素状炭素を除去することを含みうる。シリカを還元ガスと反応させることで、シリカが生成され、還元ガスが排出ガスに変換される。
【００２３】
本方法によって生じる排出ガスは、本方法において原材料を使用する前に本方法のために原材料を予熱するのに使用できる。本方法によって生じる排出ガスを酸化することで、その中に含まれる一酸化炭素の実質的にすべてを二酸化炭素に変換し、それによって酸化排出ガスを生成することができる。酸化排出ガスは、本方法において原材料を使用する前に本方法のために原材料を予熱するのに使用できる。このようにして、酸化プロセスによって本方法において発生した熱エネルギー、および／または本方法に使用する熱をリサイクルすることで、本方法でのエネルギー消費を低減するか、または最小限度に抑え、および／または本方法でのエネルギー効率を改善することができる。それに加えて、排出ガスを酸化することによって、その有毒性が軽減され、排出ガスは大気中に放出するのにより適したものとなる。
【００２４】
シリカを一酸化炭素と反応させる工程は、加熱された反応室内で実施することができる。加熱された反応室の温度は、調節可能である。この温度は、シリコンの融点より高い温度に調節できる。この温度は、シリコンの沸点より低い温度に調節できる。この温度は、シリコンの融点から沸点までの間の温度に調節できる。加熱された反応室の温度は、約１４００℃から約２３００℃までの間とすることができる。シリカを一酸化炭素と反応させる工程は、シリコンの融点より高い温度で実施することができる。シリコンは、脱気してから、固化させることができる。
【００２５】
反応室からの排出ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にし、酸化排出ガスを発生させるために排出ガス酸化室を備えることができる。反応室は、排出ガス排出口を介して排出ガス酸化室と連通するものとしてよい。炭素、酸素、およびシリカのうちの１つまたは複数の流れを調節するために、１つまたは複数の流量調節器を備えることもできる。
【００２６】
反応室と熱的に連通する蓄熱ユニットを備えることができる。
【００２７】
本明細書全体を通して、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、単語「含む」、「備える」（「comprise」、「comprises」、「comprising」）は、述べられている要素、整数もしくは工程、または要素、整数、もしくは工程のグループを包含することを意味するが、しかし、他の要素、整数もしくは工程、または要素、整数、もしくは工程のグループを除外することを意味していないものと理解される。
【００２８】
本明細書に含まれている文書、活動、材料、デバイス、物品等に関する説明は、本発明の文脈を明らかにすることのみを目的としている。これらのもののいずれかまたはすべてが、従来技術ベースの一部をなすか、または本明細書のそれぞれの請求項の優先日よりも前に存在していたので本発明に関係する分野において周知の事実であったと認めるものとして解釈すべきではない。
【００２９】
本発明を明確に理解されうるように、以下の図面および実施例を参照しつつ好ましい実施形態について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による反応炉のプロセスのマトリクスの線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本明細書では、「シリコン」という用語は、元素状シリコンまたはシリコン金属を指すものと解釈される。「シリコン金属」という用語は、一般的に使われているが、元素状シリコンは、半金属であるとみなすことができ、またときには、メタロイドとも称される。
【００３２】
本発明は、シリカを、一酸化炭素を含むが、元素状炭素を含まない還元ガスと反応させることを含むシリコンを生成するための方法を実現する。反応条件下において、炭素があるとシリコンと反応して炭化ケイ素を生成し、シリコンを汚染する可能性があるので、還元ガス中に元素状炭素は実質的に存在しないことが重要である。したがって、還元ガス中の元素状炭素の濃度は、本方法によって生成されるシリコンの望ましい純度に応じて、一酸化炭素に関して１モル当たり約１０ｐｐｍ未満、または約５、２、１、０．５、０．２、０．１、０．０５、０．０２、または０．０１ｐｐｍ未満に維持するとよい。
【００３３】
シリカを還元ガスと反応させることは、必然的に、シリカを還元ガス中の一酸化炭素で還元することを伴いうる。これは、シリカを還元ガスの他の何らかの成分（例えば、還元成分）で還元することも、伴うこともあれば伴わないこともある。還元ガスの一酸化炭素の含有量は、望ましい、ゼロ以外の値、例えば、重量パーセント、体積パーセント、またはモルパーセントで約１から約１００％まで、つまり約１０から１００％まで、２５から１００％まで、５０から１００％まで、または８０から１００％まで、例えば、約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９９、９９．５、９９．９、または１００％とすることができる。還元ガスは、１つまたは複数の他のガス、好ましくは、非酸化ガス、場合により還元ガスおよび／または不活性ガスも含みうる。他の（複数の）ガスとしては、例えば、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ネオン、アルゴンなど、またはこれらのガスの２つまたはそれ以上の混合としてもよい。いくつかの実施態様では、還元ガスは、水素を含まない。還元ガスは、二酸化炭素および一酸化炭素以外の環境汚染物質を実質的に含まない（例えば、純度が約９５、９６、９７、９８、９９、９９．５、または９９．９％より高い）ものとすることができる。いくつかの実施形態では、還元ガスは、二酸化炭素および一酸化炭素のみからなる。他の実施形態では、還元ガスは、二酸化炭素、一酸化炭素、およびキャリアガスのみからなる。キャリアガスは、例えば、窒素、ヘリウム、ネオン、またはアルゴンとすることができる。
【００３４】
本方法は、元素状炭素を酸素と反応させることによって一酸化炭素を発生させる工程も含むことができる。この場合、酸素対炭素比は、元素状炭素が生成されないような比とすることができる。これらの実施形態では、酸素対炭素比は、酸素全部が消費されるような比であるべきである。この比は、約２：１から約１：１まで、または約２：１から１．５：１まで、２：１から１．８：１まで、１．５：１から１：１まで、１．３：１から１：１まで、１．９：１から１．１：１まで、１．９：１から１．５：１まで、１．５：１から１．１：１まで、または１．８：１から１．３：１までの範囲、例えば、１．１：１、１．２：１、１．３：１、１．４：１、１．５：１、１．６：１、１．７：１、１．８：１、１．９：１、または２：１のモル比としてよい。さらに、これらの実施形態において、一酸化炭素を発生させるために使用される炭素は、一酸化炭素およびさらに場合により二酸化炭素への高速な、好ましくは完全な反応を可能にする好適な粒子サイズとすべきである。炭素の平均、または最大粒子サイズは、約１０ミクロンから約５ｍｍまで、または約１ミクロンから約１ｍｍまで、１０から５００ミクロンまで、１０から１００ミクロンまで、１０から５０ミクロンまで、５０ミクロンから５ｍｍまで、１００ミクロンから５ｍｍまで、５００ミクロンから５ｍｍまで、１から５ｍｍまで、１００から１０００ミクロンまで、１００から５００ミクロンまで、または５００から１０００ミクロンまで、例えば、約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００、または９５０ミクロン、あるいは約１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、または５ｍｍであるか、あるいは状況によっては、５ｍｍを超えていてもよい。
【００３５】
本方法は、一酸化炭素を発生させる前に炭素を適当な粒子サイズに変換する追加工程を含むことができる。これは、粉砕、ペレット化、または他の何らかの好適なプロセスを含みうる。炭素は、高純度炭素であることができる。これは、少なくとも約９９％の純度、または少なくとも約９９．５％、９９．９％、９９．９５％、９９．９９％、９９．９９５％、または９９．９９９％の純度、または９９．５から１００％まで、９９．９から１００％まで、９９．９５から１００％まで、９９．９９から１００％まで、９９．９９５から１００％まで、９９．９９９から１００％まで、９９．５から９９．９９９％まで、９９．９から９９．９９９％まで、９９．９５から９９．９９９％まで、９９．９９から９９．９９９％まで、９９．９９５から９９．９９９％までの純度、例えば、約９９、９９．１、９９．２、９９．３、９９．４、９９．５、９９．６、９９．７、９９．８、９９．９、９９．９５、９９．９９、９９．９９５、９９．９９９、９９．９９９５、９９．９９９９、または１００％の純度とすることができる。
【００３６】
酸化室への炭素供給原料は、一般的に好ましい実施形態において、ある種の同伴ガス（entrained gas）を含む。これは、空気であってもよいし、あるいは酸素、二酸化炭素、または炭素貯蔵容器内の炭素を覆うために使用される他のガスとしてもよい。炭素貯蔵容器内のガスは、典型的には好ましい実施形態において、不純物を生成シリコン中に持ち込まない十分な純度を有する。
【００３７】
好ましい実施形態における元素状炭素と酸素との反応生成物は、一酸化炭素を場合により二酸化炭素とともに含む。いくつかの条件下において、これは、ある種の残留元素状炭素も含みうる。この場合、本方法は、シリカを還元ガスと反応させる工程の前に還元ガスから元素状炭素を除去することを含みうる。これは、濾過、精密濾過、遠心分離、沈降、または他の何らかの好適なプロセスを含んでいてもよい。元素状炭素を除去するための装置は、還元ガスの温度に耐えることができなければならない。例えば、焼結した金属またはセラミック（例えば、金属酸化物）フリットまたは他の何らかの高温濾過デバイスを含むことができる。一酸化炭素を生成する炭素と酸素との反応の後、結果として得られるガスを希釈ガスと混合し、還元ガスを発生させることができる。好ましい実施形態における希釈ガスは、酸化ガスを含むべきでないが、還元ガスを含むものとしてよい。好ましい実施形態に適した希釈ガスとしては、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、ネオン、アルゴンなど、またはこれらの混合が挙げられる。希釈ガスは、希釈ガスの約１から約９０％までの範囲の比の炭素と酸素との反応生成物と混合して、結果として還元ガスを得ることができる。この比は、約１から５０体積％まで、１から２０体積％まで、１から１０体積％まで、１０から９０体積％まで、５０から９０体積％まで、１０から５０体積％まで、または２０から５０体積％まで、例えば、約１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、または９０体積％とすることができる。あるいは、一酸化炭素を、その容器、例えば、市販のガスボンベから供給し、場合により希釈ガスと混合して還元ガスを生成することができる。希釈ガスの性質および割合は、上述のとおりとしてよい。容器からの一酸化炭素は、希釈ガスを添加せずに、還元ガスとして直接使用されうる。
【００３８】
好ましい実施形態では、一酸化炭素を生成するための炭素と酸素との反応の条件は、激しい燃焼または爆発が生じないような条件とすべきである。炭素の制御酸化が生じるような条件であってよい。酸化は、燃焼、好ましくは、制御燃焼とすることができる。この目的を達成するように調節されるべき条件としては、温度、圧力、炭素と酸素との比（量または流量）、炭素の粒子サイズ、希釈ガスの存在および量または流量、酸化室の設計などが挙げられる。
【００３９】
シリカを還元ガスと反応させることで、シリコンが生成され、好ましい実施形態では、還元ガスが排出ガスに変換される。したがって、この場合、反応は、シリコンへのシリカの還元を表し、また還元ガス、特に、還元ガス中の一酸化炭素を酸化して排出ガス中に二酸化炭素を出すことを表す。排出ガスは、好ましくは、二酸化炭素を含み、またシリカと反応していない一酸化炭素も含みうる。排出ガスの一酸化炭素含有量は、還元ガスの一酸化炭素含有量、還元ガス流量と反応炉内へのシリカの投入速度との比、反応炉内の条件（温度、圧力など）、および他の因子に依存する。これは、約１から約９０体積％まで、または約１から８０体積％まで、１から７０体積％まで、１から６０体積％まで、１から５０体積％まで、１から２０体積％まで、１から１０体積％まで、１０から９０体積％まで、５０から９０体積％まで、１０から５０体積％まで、または２０から５０体積％まで、例えば、１、２、３、４、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、または９０体積％とすることができる。
【００４０】
本方法によって生じる排出ガスは、本方法において原材料を使用する前に本方法のために原材料を予熱するのに使用できる。排出ガスによる予熱は、原材料を本方法で使用するのに望ましい温度まで高めるのに十分であるか、またはそれより低い温度まで高めてもよい。後者の場合、原材料を望ましい温度にするために、追加加熱、例えば、電気加熱を使用することができる。本方法によって生じる排出ガスを酸化する、例えば、燃やすことで、その中に含まれる一酸化炭素の実質的にすべてを二酸化炭素に変換し、それによって酸化排出ガスを生成することができる。酸化排出ガスは、大気中に放出するのに適したものである、つまり、一酸化炭素含有量に対する環境基準を満たしていればよい。酸化排出ガスの一酸化炭素含有量は、毒性量より低いものとすることができる。酸化排出ガスの一酸化炭素含有量は、約１００ｐｐｍ未満または約５０、２０、または１０ｐｐｍ未満、例えば、約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、または１００ｐｐｍとすることができる。
【００４１】
酸化排出ガスは、本方法において原材料を使用する前に本方法のために原材料の１つまたは複数を少なくとも部分的に予熱するために使用できる。
【００４２】
好ましい実施形態において原材料を予熱するために排出ガスおよび／または酸化排出ガスを使用すると、一酸化炭素の生成またはシリカの還元を目的として原材料を適切な反応温度にするためにシステムに投入される必要のあるエネルギーの量が低減される。
【００４３】
シリカを一酸化炭素と反応させる工程は、加熱された反応室内で実施することができる。加熱された反応室の温度を調節することができ、これは、シリコンの融点より高い温度（１６８３Ｋ、１４１９℃）に調節することができる。温度は、シリコンが蒸発するほどの高さであってはならない。シリコンの沸点は、３１７３Ｋ（２９００℃）である。温度は、シリカを一酸化炭素で還元してシリコンを形成するのに十分な高さであるべきである。シリカを還元するための温度は、例えば、約１４００から約２３００℃まで、または約１４００から２０００℃まで、１４００から１７００℃まで、１４００から１５００℃まで、１５００から２３００℃まで、２０００から２３００℃まで、１５００から２２００℃まで、１５００から２０００℃まで、または１５００から１８００℃まで、例えば、約１４００、１４１０、１４２０、１４３０、１４４０、１４５０、１４６０、１４７０、１４８０、１４９０、１５００、１５５０、１６００、１６５０、１７００、１７５０、１８５０、１９００、１９５０、２０００、２０５０、２１００、２１５０、２２００、２２５０、または２３００℃とすることができる。シリコンの還元は、一般的に、約１気圧下で、または周囲圧力下で実行されうるが、場合によっては、他の何らかの圧力、例えば、約０．５から１０気圧まで、または約０．５から５気圧まで、０．５から２気圧まで、０．５から１気圧まで、１から１０気圧まで、２から１０気圧まで、５から１０気圧まで、１から５気圧まで、または１から２気圧まで、例えば、約０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、６、７、８、９、または１０気圧、または他の何らかの圧力としてもよい。
【００４４】
還元ガスが反応室内に流れ込む流量は、シリカをシリコンに完全に還元するのに十分な流量であるべきである。還元ガスは、シリカに対する還元成分（一酸化炭素および還元ガスの他の還元成分）の反応モル比が少なくとも約１．１、または少なくとも約１．２、１．３、１．４、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、６、７、８、９、または１０、あるいは約１．１から約１０まで、または約１．１から５まで、１．１から２まで、１．５から１０まで、２から１０まで、３から１０まで、４から１０まで、５から１０まで、１．５から５まで、または２から５まで、例えば、約１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、６、７、８、９、または１０であるものとすることができるか、または状況によっては、１０を超えるか、または１から１．１までであるものとすることができるような量（または流量）で使用することができる。上で参照されている反応モル比を決定する際に、シリカの酸素含有量を考慮する必要がある。したがって、シリカ（ＳｉＯ２）は、シリカ１モルに対して酸素２モルを含む。そこで、還元ガスの還元成分としての一酸化炭素に対し、シリカと還元成分との実際のモル比は、反応モル比の２倍となり（シリカ１モルにつき酸素２モルに相当する）、反応モル比２は、モル比４を表す。これは、一酸化炭素の炭素原子１個は、二酸化炭素１モルを生成するのに酸素原子１個を必要とするからである。これは、シリカの場合に
ＳｉＯ２＋２ＣＯ→Ｓｉ＋２ＣＯ２
として示すことができる。
【００４５】
シリコンは、固化させる前に脱気することができる。脱気のプロセスは、少なくとも部分的な真空に溶融シリコンを曝すことを含みうる。この少なくとも部分的な真空は、約５００ミリバール未満、または約４００、３００、２００、１００、５０、２０、１０、５、２もしくは１ミリバール、または約１、２、３、４、５、６、７、９、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０もしくは５００ミリバールの絶対圧力を有するものとしてよい。脱気は、溶融シリコンをポンプで汲み上げ、例えば、溶融シリコンを反応炉から除去することを含むことができ、その際に、ポンプで汲み上げるために使用されるポンプは、ポンプで汲み上げられる液体を少なくとも部分的な真空に曝すタイプのものである。
【００４６】
本発明は、例えば、半導体産業において使用するための、高純度シリコン金属の生産に特に適している。この目的を達成するために、高純度試薬を使用する必要がある。特に、シリカは高純度である必要がある。「Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃａ」という表題の同時係属国際出願番号ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０６４３８３では、シリカを加水分解性シリコン種、例えば、四フッ化ケイ素ガスに変換し、加水分解性シリコン種を精製し、精製された加水分解性シリコン種を加水分解して精製シリカを生成することによってこの目的を達成するための方法を提供している。この方法で使用されるシリカは、純度が少なくとも約９９．９重量％であるか、または純度が少なくとも９９．９５、９９．９９、９９．９９５、または９９．９９９重量％であるものとしてよく、また純度が約９９．９、９９．９１、９９．９２、９９．９３、９９．９４、９９．９５、９９．９６、９９．９７、９９．９８、９９．９９、９９．９９１、９９．９９２、９９．９９３、９９．９９４、９９．９９５、９９．９９６、９９．９９７、９９．９９８、９９．９９９、９９．９９９５、または９９．９９９９重量％であるものとしてよい。それに加えて、シリカをシリコンに還元する条件（温度、還元ガスのＣＯ濃度、還元ガスの流量、シリカの投入速度、シリカの粒子サイズなど）は、シリカをシリコンに完全に還元するのに十分でなければならない。
【００４７】
したがって、本発明で使用する高純度シリカを生成するための好適な方法は、
ａ）シリカを四フッ化ケイ素に変換する工程と、
ｂ）四フッ化ケイ素を精製する工程と、
ｃ）場合によりフルオロケイ酸が不安定になる温度で、四フッ化ケイ素を加水分解して精製シリカを生成する工程とを含むことができる。
【００４８】
工程ａ）は、シリカをフッ化水素酸とフルオロケイ酸との混合物と反応させてそれを四フッ化ケイ素に変換する工程を含むことができる。工程ｂ）は、四フッ化ケイ素を精製剤に接触させる工程を含むことができる。本方法は、向流方式で複数の工程にわけて実行することができる。精製剤は、フルオロケイ酸を含むことができる。
【００４９】
この方法は、それに加えて、
ｄ）工程ｂ）から得られた四フッ化ケイ素の一部を加水分解して、フルオロケイ酸とシリカを生成し、工程ｂ）のフルオロケイ酸を使用する工程を含むことができる。工程ｃ）およびｄ）から得られるシリカを組み合わせて、精製シリカ生成物を形成することができる。
【００５０】
四フッ化ケイ素を精製剤に接触させる工程の後に精製剤から不純物を取り除くことができる。精製剤は、フルオロケイ酸を含むことができ、四フッ化ケイ素をフルオロケイ酸に接触させる工程の後に、フルオロケイ酸をフッ化水素と四フッ化ケイ素に変換することができ、これにより、工程ａ）でフッ化水素が使用される。四フッ化ケイ素は、工程ａ）で使用するフルオロケイ酸を生成するために、または工程ａ）で生成された加水分解性シリコン種を補うために、またはその両方のために使用されうる。工程ｃ）では、好ましくは、高純度蒸気を使用する。
【００５１】
この方法は、それに加えて、
ｅ）精製シリカを洗浄する工程と、
ｆ）精製シリカを乾燥させる工程とのうちの一方または両方を含むことができる。
【００５２】
工程ｃ）では、精製シリカを、高温加水分解装置に加えることができ、そこで工程ｃ）が実行される。シリカは、本方法の工程ａ）の前に乾燥させることができる。
【００５３】
したがって、本発明で使用するための精製シリカを生成するための方法の一実施形態において、
ｉ）工程ａ）は、フッ化水素酸とフルオロケイ酸の混合物の使用を含むことができ、
ｉｉ）工程ｂ）は、四フッ化ケイ素をフルオロケイ酸に接触させる工程を含むことができ、
ｉｉｉ）工程ｃ）は、蒸気を使用して工程ｂ）から得られた四フッ化ケイ素の第１の部分を加水分解して精製シリカを生成する工程を含むことができ、
ｉｖ）この方法は、加えて、以下の工程を含むことができる：
工程ｂ）から得られた四フッ化ケイ素の第２の部分を加水分解して、フルオロケイ酸と精製シリカとを生成し、このフルオロケイ酸が工程ｂ）で使用される、工程と、
工程ｂ）から得られたフルオロケイ酸をフッ化水素と四フッ化ケイ素とに変換し、フッ化水素と四フッ化ケイ素を乾燥させる工程であって、これにより、フッ化水素は、工程ａ）で使用されるフッ化水素酸を生成するために使用され、四フッ化ケイ素は、工程ａ）で使用するフルオロケイ酸を生成するか、または工程ａ）で生成される四フッ化ケイ素を補うか、またはその両方のために使用される工程。
【００５４】
本発明の好ましい実施形態で使用されるシリカの粒子サイズは、一般的に、直径約１０から約２０００ミクロンまでの範囲内である。一般的には、シリカ粒子は、球状ではない。したがって、この文脈において、「直径」は、最大粒子横断寸法を指すか、または最小粒子横断寸法を指すか、または平均粒子横断寸法を指すか、または流体力学的寸法を指すものとしてよい。直径は、約１０から約２０００ミクロンまで、または約１０から１０００まで、１０から５００まで、１０から２００まで、１０から１００まで、１０から５０まで、１０から２０まで、５０から２０００まで、１００から２０００まで、５００から２０００まで、１０００から２０００まで、１５００から２０００まで、５０から１０００まで、５０から５００まで、５０から２００まで、１００から１０００まで、１００から５００まで、または５００から１０００までのミクロンの範囲、例えば、約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、または２０００ミクロンであるか、あるいは約２０００ミクロンより大きいものとしてもよい。本明細書で説明されている直径は、平均（数平均または重量平均）直径または最大直径を表すものとしてよい。
【００５５】
反応室へのシリカ供給原料は、好ましい実施形態では、一般的に、ある種の同伴ガスを含み、これは、シリカ貯蔵容器内のシリカを覆うために使用されるガスである。酸化ガスが存在すると、シリカの還元中に余分な還元ガスを消費するので、このガスは、非酸化ガスであることが好ましい。したがって、シリカ貯蔵容器は、非酸化、場合により還元ガス、例えば、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、アルゴン、ヘリウム、またはこれらの何らかの組合せで覆われうる。シリカがその場で生成され、貯蔵ではなく生成されるものとして使用される場合、上記の非酸化、場合により還元ガスは、シリカを反応室に搬送するために使用されうる。
【００５６】
本発明は、本発明の方法によって生成されるシリコンも提供する。シリコンは、少なくとも約９９．９重量％の純度を有するものとしてよい。純度は、少なくとも約９９．９重量％であるか、または少なくとも９９．９５、９９．９９、９９．９９５、または９９．９９９重量％であるものとしてよく、また約９９．９、９９．９１、９９．９２、９９．９３、９９．９４、９９．９５、９９．９６、９９．９７、９９．９８、９９．９９、９９．９９１、９９．９９２、９９．９９３、０９．９９４、９９．９９５、９９．９９６、９９．９９７、９９．９９８、９９．９９９、９９．９９９５、または９９．９９９９重量％であるものとしてよい。これは、半導体産業で使用するのに十分高い純度でありうる。この純度を達成するために、シリカが適度に高い純度のものであることを保証する必要があるだけでなく、シリコンを生成するための反応炉が、いったん生成されたシリコンを汚染することのない材料から作られることを保証する必要がある。これらの材料は、反応炉によって生成されるシリコンを汚染しえない金属、例えば、鋼鉄、ステンレス鋼、チタンなどを含むことができる。これらの材料に対して、前処理、例えば、洗浄、加熱などを施して、潜在的汚染物質を除去または低減することができる。
【００５７】
本発明は、いくつかの態様においても、本発明の方法を実行するのに適した反応炉を提供する。反応炉は、好ましくは、炭素酸化室、および炭素酸化室と連通する反応室を備える。反応室は、反応室内の温度を調節するための温度調節器を装着され、シリカ取入口とシリコン排出口とを有する。
【００５８】
炭素酸化室は、炭素および／または酸素を取り入れるための取入口を備え、炭素と酸素用に別々の取入口を有することができる。また、希釈ガスを炭素酸化室に取り入れるための取入口、または他の設備も備えることができる。あるいは、希釈ガス用の取入口は、もし存在するとすれば、希釈ガスを炭素酸化室内で炭素と酸素から得られる酸化生成物と組み合わせられるように配設されうる。炭素酸化室を加熱することで、その中にある炭素とシリカが一酸化炭素に変換するのを促進することができる。よって、反応炉は、炭素酸化室を加熱するための加熱装置を備えることができる。これは、炭素酸化室の温度を調節するための調節器を備えることができる。いくつかの実施形態では、炭素酸化室は、少なくとも部分的に反応室を取り囲む。そのような構成では、炭素を部分酸化で一酸化炭素にすることによって酸化室内に発生する熱を利用して、反応室を加熱することができるが、その際に、場合により、グラファイトなどの介在する蓄熱材料を用いる。蓄熱材料としてのグラファイトの利点は、その融点が高く、また熱容量も高く、温度が上昇するにつれ熱容量も高まるという点である。他の熱容量の高い材料も使用できることは理解されるであろう。酸素室の外側は、輻射による熱損失を最小限に抑えるために十分に絶縁されることが好ましい。こうすることで、反応炉の安全性も向上する。適切な好ましい構成では、円環形のコア内の反応室を取り囲む円環状断面を有する酸化室を伴う。したがって、酸化室は、反応室を収納する中空コアを有するシリンダであってもよい。酸化室の断面は、正方形、矩形、五角形、六角形などの形状で、反応室用のコア領域を有するものとすることができることは理解されるであろう。
【００５９】
炭素酸化室の温度を調節するための温度調節器は、反応室の内側の温度を調節するための調節器と同じものであってもよい。反応室は、加熱装置ブロック内に配置されるか、または部分的に加熱装置ブロック内に配置されうる。炭素酸化室は、加熱装置ブロック内に配置されるか、または部分的に加熱装置ブロック内に配置されることができ、この加熱装置ブロックは反応室が配置されている加熱装置ブロックと同じでも異なってもよい。そこで、一実施形態では、反応室と炭素酸化室は両方とも、加熱装置ブロック内に配置される。加熱装置ブロックは、加熱装置ブロックの温度を調節するための、したがってそれにより、反応室内および炭素酸化室内の温度を調節するための温度調節器を有することができる。加熱装置ブロックの温度は、例えば、サーモスタット、電気的加熱エレメント、非電気的加熱デバイス、および／または他のコンポーネントを備えることができる、加熱装置ブロック調節器によって調節されうる。加熱装置ブロックは、蓄熱媒体として炭素、例えば、グラファイトを備えると都合がよい。
【００６０】
反応炉は、シリカを反応室に供給するためのシリカ供給システムを備えることができる。シリカ供給システムは、反応室のシリカ取入口と連通するものとしてよい。シリカ供給システムは、シリカ貯蔵容器、またはシリカ生成装置、例えば、高純度シリカ生成装置もしくはシリカ精製装置を備えることができる。好適な高純度シリカ精製装置は、「Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃａ」という表題の同時係属国際出願番号ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０６４３８３において説明されている。シリカ供給システムは、場合により、本方法のための供給原料として働くのに適したサイズに合わせてシリカの粒子サイズを縮小するための粒子サイズ縮小装置（例えば、粉砕装置、圧砕装置、グラインダーなど）を備えることができる。シリカ供給システムは、シリカ予熱装置も備えることもできる。予熱装置用のエネルギーは、反応室からの高温排出ガス、または排出ガス酸化室からの高温酸化排出ガス、またはその両方から供給されうる。シリカ供給システムは、シリカをシリカ供給源からシリカ予熱装置へ、そしてシリカ予熱装置から反応室へ搬送するために、必要ならば、１つまたは複数の好適なコンベヤーを備えることもできる。コンベヤーは、好適なパイプ、チューブ、および搬送手段を備えることができる。搬送手段としては、コンベヤーベルト、ネジコンベヤー、および／または他の好適な手段が挙げられる。
【００６１】
反応室のシリコン排出口は、反応室内で生成されるシリコンを回収するためのシリコン回収室と連通するものとすることができる。都合よくは、シリコン排出口が反応室の底部に、または底部近くに配置され、シリコン回収室がシリコン排出口の下に配置されることであり、これにより、反応室内で生成された溶融シリコンは、重力下でシリコン排出口を通ってシリコン回収室に移動することができる。シリコン回収室は、シリコンを溶融状態または液状に保つために、シリコンの融点または融点より高い温度に維持することができる。これは、その温度に維持するために加熱装置および／または好適な絶縁材を装着することができる。
【００６２】
反応炉は、シリコンが反応室を出た後にシリコンを脱気するための脱気装置を備えることもできる。脱気装置は、シリコンを液状のまま脱気するために、シリコン回収室に取り付けられうる。都合よくは、脱気装置は、液体シリコンをシリコン回収室から、例えば、固化装置に移送して脱気された溶融シリコンを固体シリコンに変換するプロセスにおいて液体シリコンに加わる圧力を低減するポンプを備えることができる。
【００６３】
反応炉は、シリカが反応室に入る前にシリカを予熱するためのシリカ予熱装置、および／または炭素もしくは酸素もしくはその両方を予熱するための少なくとも１つの予熱装置を備えることもできる。これらの、またはいずれかの、または両方の予熱装置が、排出ガスおよび／または酸化排出ガスから熱をシリカおよび／または炭素および／または酸素に伝えるための熱交換器を備えることができる。反応炉は、反応室からの排出ガス、または排出ガスの酸化によって得られる酸化排出ガスをこれらの予熱装置のうちの少なくとも１つに送るための好適な配管を備えることができる。酸素を予熱するための予熱装置は、炭素を酸化して一酸化炭素にするのに適した温度に酸素を加熱するか、または炭素の酸化温度よりも低い温度に酸素を加熱することができるものとしてよい。これは、酸素を約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、または約１００℃、を超え、炭素の酸化温度より低い温度に加熱することができる。同様に、炭素を予熱するための予熱装置は、炭素を酸化して一酸化炭素にするのに適した温度に炭素を加熱するか、または炭素の酸化温度よりも低い温度に炭素を加熱することができるものとしてよい。これは、炭素を約１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００℃、または約１００℃を超え、炭素の酸化温度より低い温度に加熱することができる。シリカを予熱するための予熱装置は、シリコンを生成するためのシリカと一酸化炭素の反応に必要な温度、または約１０℃、２０℃、３０℃、４０℃、５０℃、６０℃、７０℃、８０℃、９０℃、１００℃、または約１００℃より高く、その温度より低い温度に予熱することができるものとしてよい。
【００６４】
反応室からの排出ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にし、酸化排出ガスを発生させるために排出ガス酸化室を備えることができる。炭素、酸素、およびシリカのうちの１つまたは複数の流れを調節するために、１つまたは複数の流量調節器を備えることもできる。反応室と熱的に連通する蓄熱ユニットを備えることができる。
【００６５】
本発明の好ましい実施形態による、非常に高い純度の二酸化ケイ素および炭素をともに使用することによって、シリコンの溶融温度程度で直接還元を行い、比較的高い純度のシリコン金属を生成することが可能である。
【００６６】
したがって、本発明によりシリカを生成するための反応炉は、それに加えて、「Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃａ」という表題の同時係属国際出願番号ＰＣＴ／ＥＰ２００７／０６４３８３によるシリカを精製するためのシステムを備えることができる。よって、これは、シリカを精製するためのシステムであって、
ａ）シリカを四フッ化ケイ素に変換するための反応炉と、
ｂ）精製剤を使用して四フッ化ケイ素を精製するための第１の精製装置と、
ｃ）場合によりフルオロケイ酸が不安定になる温度で、四フッ化ケイ素を加水分解して精製シリカを生成するための加水分解装置（例えば、高温加水分解装置）とを備えるシステムを備えることができる。
【００６７】
このシステムは、加えて、
ｄ）第１の精製装置からの精製加水分解性シリコン種の一部を加水分解して精製剤とシリカとを生成するための低温加水分解装置と、
ｅ）精製加水分解性シリコン種のその一部を低温加水分解装置に迂回させるための迂回装置とを備えることができる。
【００６８】
第１の精製装置は、多段向流精製装置とすることができる。このシステムは、精製剤から不純物を取り除くための第２の精製装置、例えば、蒸留装置を備えることもできる。第２の精製装置は、水分除去装置も備えることができる。第２の精製装置からの精製された産出物を反応炉に送るための精製装置リサイクルシステムを備えることもできる。このシステムは、加えて、高純度蒸気を生成するための高純度蒸気精製装置を備えることができ、高純度蒸気生成装置は高純度蒸気を高温加水分解装置に供給するために高温加水分解装置と連通する。さらにこれは、第２の加水分解装置からの精製剤を第１の精製装置に送るための精製剤供給システムを備えることができる。
【００６９】
このシステムは、それに加えて、
ｄ）精製シリカを洗浄するための洗浄装置と、
ｅ）精製シリカを乾燥させるための乾燥装置とのうちの一方または両方を備えることができる。
【００７０】
高温加水分解装置は、シリカ取入口を備えることができる。シリカが反応炉内に入る前にシリカを予乾燥するための予乾燥装置を備えることができる。このシステムは、それに加えて、
第１の精製装置からの精製四フッ化ケイ素の第２の部分を加水分解してフルオロケイ酸とシリカとを生成するための低温加水分解装置と、
精製四フッ化ケイ素のその一部を低温加水分解装置に迂回させるための迂回装置と、
第１の精製装置からのフルオロケイ酸から不純物を取り除き、フルオロケイ酸をフッ化水素と四フッ化ケイ素とに変換するための蒸留装置と、
蒸留装置からのフッ化水素と四フッ化ケイ素とから水分を取り除くための乾燥装置と、
乾燥装置からのフッ化水素と四フッ化ケイ素とを反応炉に送るための精製装置リサイクルシステムとを備えることができる。
【実施例】
【００７１】
本発明の好ましい一実施形態によるシリコンを生成するための好適な反応炉が図１に示されている。図１において、反応炉１０は、反応室３０と連通している、炭素酸化室２０を備える。酸化室２０には、酸素取入口３５および炭素取入口４０が装着されている。反応室３０には温度調節器５０が装着され、熱伝達材料を調節器５０との間でやり取りして反応室３０の温度を調節するための取入管路５５および排出管路６０を有する。回収室３０は、シリカ取入口７０、シリコン排出口７５、および排出ガス排出口８０も有する。シリコン排出口７５は、シリコン回収室９０と連通している。回収室９０には、ポンプ１００が装着されており、このポンプは、反応室３０を出た後の溶融シリコンを脱気し、さらに、反応炉１０から（つまり、反応炉１０の回収室９０から）ポンプで排出するために使用されうる。酸化室２０、反応室３０、および回収室９０は、すべて、これらの室内の温度を維持するために、加熱ブロック１１０（都合よくは、炭素のブロック）内に配置される。ブロック１１０は、調節器５０によって温度調節される。炭素は、熱伝導率が高く、温度とともに熱容量が増大するので、加熱ブロック１１０で使用するための好ましい材料として特に適している。
【００７２】
反応炉１０は、シリカ供給システム１２０も備える。供給システム１２０は、シリカ貯蔵容器１２５とシリカ予熱装置１３０とを、容器１２５からシリカを予熱装置１３０へ、予熱装置１３０から取入口７０へそれぞれ搬送するためのコンベヤー１３５および１４０と一緒に備える。コンベヤー１３５および１４０は、ネジ型コンベヤーであると都合がよく、これにより、シリカを容器１２５から反応室３０に搬送することができ、しかも、例えば、大気中からの汚染物質への曝露を最小限に抑えられる。同様に、貯蔵容器１２５は、容器内の高純度の原料シリカの汚染を回避するように設計される。本発明のいくつかの実施形態では、貯蔵容器１２５は、高純度シリカの生成用の装置で置き換えることができ、これによって、シリカは、生成と同時に供給システム１２０に連続的に供給される。
【００７３】
反応炉１０は、炭素を炭素予熱装置１７０に供給するように配設されている、炭素貯蔵容器１６０を備えた炭素供給システム１５０も備える。酸素供給システム１８０は、酸素を酸素予熱装置２００に供給するように配設されている酸素供給源１９０を備える。酸素供給源１９０は、酸素容器であるか、または酸素発生装置、例えば、膜ベースもしくは化学薬品ベースの酸素発生装置であってもよい。
【００７４】
反応炉１０は、反応室３０からの排出ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にし、酸化排出ガスを発生させるための排出ガス酸化室２１０をさらに備える。
【００７５】
本発明の一実施形態の態様は、以下のとおりである。
【００７６】
Ｉ  無煙炭を精錬して極めて高い純度にすることができる。クリーンなシステム内で取り扱い、貯蔵するという条件の下で、本発明の還元プロセスにおいて使用することができる。これは、炭素貯蔵容器１６０内に貯蔵することができる。
【００７７】
ＩＩ  極めて高い純度の乾燥シリコン結晶を用意することが可能である。これらの結晶は研磨性を有するので、貯蔵および取り扱いは慎重でなければならない。純粋な二酸化ケイ素が、シリカ貯蔵容器１２５内に貯蔵される。シリカは、「Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃａ」という表題の同時係属出願の方法を使用して生成することが可能である。
【００７８】
ＩＩＩ  シリカ予熱装置１３０は、炭化ケイ素または他の何らかの好適な耐熱材料で裏張りすることができる。予熱装置１３０を、反応室３０からの排出ガスを燃焼させることで加熱し、反応室３０内に注入する純粋なシリカを予熱することができる。
【００７９】
ＩＶ  酸素予熱装置１３０は、必要な燃焼酸素を予熱するように設計された熱交換ユニットである。これは、都合よくは、反応室３０から出る排出ガスによって加熱されうる。
【００８０】
Ｖ  炭素予熱装置１７０は、滑らかな炭化ケイ素または他の耐熱材料で裏張りされた蓄熱システムであり、反応室３０からの排出ガスの酸化で生じる燃焼廃熱によって加熱される。予熱装置１７０は、酸化室２０内に注入する前に純粋な炭素材料を予熱するように設計されている。
【００８１】
ＶＩ  酸化室２０は、燃焼サイクルにおいてＣＯ２を発生するのに酸素が不十分であり、また遊離炭素が存在しないことを保証するために、予熱された炭素と予熱された酸素ガスとの間のバランスが調節されるシステムの、重要な部分である。酸化室２０は、反応室３０を取り囲み、その熱を燃焼室と反応炉室との間の蓄熱材料に伝える。したがって、酸化室３０は、円環状であるか、または類似の形状であることができ、ただし、矩形、正方形、五角形、六角形、または類似の断面を持つものとすることができる。
【００８２】
ＶＩＩ  反応室３０は、蓄熱システムによって約１４１０℃の温度に合わせて温度調節される。反応室３０では、ある温度の還元ガスがＣＯを含む。ＣＯが反応してＳｉＯ２からＯ２を除去してＣＯ２を形成して、高純度で遊離しているシリコンを後に残し、これは排出口７５を介して回収室９０内に液体として落下する。
【００８３】
ＶＩＩＩ  反応室３０内の温度を反応に対する正しい温度に調節するために、グラファイト蓄熱ユニット２２０が使用される。このユニットは、酸化室２０内で酸素によって炭素を酸化しＣＯにすることによって加熱され、その熱は、温度調節器５０によって正確に調節される。
【００８４】
ＩＸ  熱を保持するために、酸化室２０を取り囲む外面２３０を十分に絶縁する。
【００８５】
Ｘ  本方法において生成されるシリコンは、反応室３０の下にある回収室９０内に回収される。
【００８６】
ＸＩ  シリコンの構造内にある程度のＣＯまたはＣＯ２が存在する場合があるので、すべてのガスを除去するために、中間でポンプ動作を行う、真空ガス採取器１００が用いられる。
【００８７】
ＸＩＩ  本発明の方法は、二酸化ケイ素と反応する純粋な高温一酸化炭素に基づいて動作するので、反応室３０から排出されるＣＯ２中に過剰な一酸化炭素が存在する。熱交換器２１０内では、空気または酸素をさらに加えてＣＯと反応させＣＯ２を形成し、それと同時に、熱を酸化排出ガスに加え、次いで、これを、本方法において使用されるシリカ／炭素／酸素を予熱するために使用することができる。
【００８８】
ＸＩＩＩ  温度調節器５０は、反応室３０に熱的に結合され、必要に応じて管路５５および６０を通過し、冷却する利用可能な水を有する熱調節システムである。
【００８９】
ＸＩＶ  本方法により純粋な生成物を生成するために、酸化室２０、反応室３０、および回収室９０の内側ライニングを、高い熱伝達特性を有し、熱伝達を効率よく行えるように蓄熱ユニット２２０に接着される構造を持たなければならない高品質の表面炭化ケイ素で裏張りする。
【００９０】
図１の反応炉は、以下のように操作されることができる。供給源１９０から予熱装置２００に酸素を供給し、そこから取入口３５を通じて酸化室２０に送る。粉末状または粒状の高純度炭素を容器１６０内に貯蔵し、予熱装置１７０を介して容器１６０から取入口４０を通して酸化室２０に送る。説明されているように、コンベヤー、例えば、ネジ型コンベヤーを使用して炭素を搬送することができる。予熱装置１７０および２００が、炭素および酸素をそれぞれ適当な温度まで加熱し、室２０内での反応を高速にすることができる。室２０内では、炭素を部分酸化して、もっぱら一酸化炭素からなる還元ガスを形成するが、ある程度の二酸化炭素も存在しうる。酸素および炭素を室２０に送る供給速度については、好ましくは、炭素が完全に変換されて、反応室３０に元素状炭素が送られないように、またさらに、炭素の部分酸化によって室２０内に発生する還元ガスが遊離酸素を含まないように調節する。室２０内の酸化反応は、熱エネルギーをもたらし、これは、蓄熱ユニット２２０を通して伝達され、反応室３０を加熱する。また、室２０内で生成される還元ガスは、反応室３０の下側部分に送り込まれる。
【００９１】
高純度シリカを、汚染物質から保護されている、容器１２５内に貯蔵する。これは、そこからシリカ予熱装置１３０に入り、その温度を上昇させて還元を促進する。次いで、これは、コンベヤー１４０を使って、取入口７０を通り、反応室３０の上側部分に入る。したがって、室３０内で、還元ガスは上方に進むが、シリカは還元ガスと対向する流れで下方に移動する。シリカは、反応室３０を下るときに、還元ガスによってシリコンに還元される。反応室３０は、好ましくは、シリカの融点からシリコンの融点までの間の温度に維持される。これは、必要ならば調節器５０によって行われる冷却と併せて、室２０内の酸化反応によってもたらされる熱によって達成されうる。したがって、シリコンが液体として形成されて、室３０の底部に沈殿し、排出口７５を通って回収室９０内に流れ込む。次いで、ポンプ１００が、液体シリコンを貯蔵場所（図１に示されている注記を参照）に送り、そうする際に、液体シリコンを脱気して、残留一酸化炭素および／または二酸化炭素を取り除く。この方法で生成されたシリコンは高純度であり、生成物の下流汚染を回避するよう注意しなければならない。
【００９２】
還元ガスがシリカをシリコンに還元すると、それ自体は酸化され、二酸化炭素を発生する。そこで、室３０を出る排出ガスは、二酸化炭素と未反応一酸化炭素との混合を含む。このガスは、高温であり、予熱装置２００に送られ、そこで、その熱エネルギーの一部が、酸化室２０に供給される酸素に伝達される。次いで、排出ガスが、空気または酸素取入口も備える排出ガス酸化室２１０に送られる。したがって、室２１０では、排出ガスが酸化され、未反応一酸化炭素を二酸化炭素に変換する。これにより、余分な熱エネルギーが発生し、酸化排出ガスを加熱する。次いで、酸化排出ガスは、シリカ予熱装置１３０に入り、反応室３０に供給される高純度シリカを加熱する。次いで、酸化排出ガスは、炭素予熱装置１７０に入り、そこで、酸化室２０に供給される炭素を加熱するために使用される。その結果得られる酸化排出ガスは、非常に低い一酸化炭素濃度を有し、また比較的中程度の温度になっており、したがって、大気中に排出するのに適している。
【００９３】
当業者であれば、広い意味で説明されているように本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく特定の実施形態において示されているようなさまざまな変更形態および／または修正形態を本発明に加えられることを理解するであろう。したがって、本発明の実施形態は、すべての点で、説明のみを目的としており、限定することを目的としていないと考えるべきである。
【図１】
2011512314.tif 000003
【国際調査報告】
2011512314.tif 000004
2011512314.tif 000005
2011512314.tif 000006
2011512314.tif 000007
2011512314.tif 000008