(57)【要約】　【課題】　珪素金属粒子を球状化する方法を提供する。　【解決手段】　（ａ）不規則なモルホロジーを有する珪素金属粒子をガス流れ中に連行し、（ｂ）連行した粒子を還元性雰囲気を収容するプラズマ反応器に注入し、（ｃ）珪素金属粒子の少なくとも５０重量％を溶融して溶融液滴を形成し、そして（ｄ）液滴を固化して実質上球状の珪素金属粒子を形成することを構成要件とする。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）不規則なモルホロジーを有する珪素金属粒子をガス流れ中に連行し、
（ｂ）連行した粒子を還元性雰囲気を収容するプラズマ反応器に注入し、
（ｃ）珪素金属粒子の少なくとも５０重量％を溶融して溶融液滴を形成し、そして
（ｄ）液滴を固化して実質上球状の珪素金属粒子を形成する、
ことを含む珪素粉末の球状化法。
【請求項２】
実質上球状の珪素金属粒子がＳｉＯの被覆を有する請求項１記載の方法。
【請求項３】
実質上球状の珪素金属粒子が水酸化物溶液で処理される請求項２記載の方法。
【請求項４】
水酸化物溶液のｐＨが約８〜約１１である請求項３記載の方法。
【請求項５】
還元性雰囲気がアルゴンガスと水素ガスとの混合物である請求項１記載の方法。
【請求項６】
処理された粒子が約１０００ｐｐｍ未満の酸素含量を有する請求項３記載の方法。
【請求項７】
（ａ）不規則なモルホロジーを有する珪素金属粒子をガス流れ中に連行し、
（ｂ）連行した粒子を還元性雰囲気を収容するプラズマ反応器に注入し、
（ｃ）珪素金属粒子の少なくとも５０重量％を溶融して溶融液滴を形成し、
（ｄ）液滴を固化して実質上球状の珪素金属粒子を形成し、そして
（ｅ）実質上球状の珪素金属粒子を約８〜約１０のｐＨを有する水酸化ナトリウム溶液で処理する、
ことを含む珪素粉末の球状化法。
【請求項８】
処理された粒子が約１０００ｐｐｍ未満の酸素含量を有する請求項７記載の方法。
【請求項９】
還元性雰囲気がアルゴンと水素との混合物である請求項７記載の方法。
【請求項１０】
不規則な珪素粒子がプラズマ反応器に少なくとも約１０ポンド／Ｈｒの速度で注入される請求項１記載の方法。
【請求項１１】
不規則な珪素粒子がプラズマ反応器に少なくとも約１０ポンド／Ｈｒの速度で注入される請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、一般的には、珪素金属粉末及びかかる粉末の製造法に関する。特に、本発明は、珪素粒子が球状モルホロジーを有するところの珪素金属粉末の製造法に関する。他の面では、本発明は、珪素金属粉末の表面化学を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
　珪素金属は、工業的には電気炉において酸化珪素を炭素熱還元することによって製造される。溶融した珪素は炉から出され、そして通常は珪素金属の大きなブロックの形態で鍛造される。次いで、そのブロックを機械的に圧潰粉砕して不規則形状の粒子を生成することによって珪素粉末が製造される。また、米国特許５１２８１１６に記載されるように還元炉から出された溶融珪素金属を噴霧化することによっても珪素粉末を直接製造することもできる。珪素金属粉末は、半導体、太陽電池、ロケット燃料、高純度合金及び核燃料用途の如き多数の異なる用途において使用される。これらの用途の多くでは、次の特性、即ち、高純度、高結晶度又は球形粒子モルホロジーのうちの１つ又はそれ以上が要求される。
【０００３】
　球状珪素粒子は、多くの方法によって製造されてきた。例えば、１つの方法では、米国特許４６３７８５５は、高温基体の表面上で冶金学的等級珪素のスラリーを加熱することによって珪素球体を製造することについて記載している。基体及び珪素は珪素の融点を超えて加熱され、かくして珪素のビーズが発現される。これらのビーズは珪素の高い凝集力のために球体を形成する。この球体は、それらが晶出するときに冷却され、そして基体表面から除去される。
【０００４】
　他の方法では、米国特許５０６９７４０は、珪素粒子の表面を酸化し次いで粒子を溶解させて不純物を二酸化珪素皮膜中に入れることによって単結晶珪素球体を製造することについて説明している。溶融した粒子は、表面張力のためにより球形になる傾向がある。溶融した球体は冷却され、次いで弗化水素酸でエッチングされて酸化珪素皮膜及びその中に含有される不純物が除去される。次いで、これらの工程を反覆して所望の純度を得る。均一な粒度のものを形成するために中間のショット工程を使用することができる。
【０００５】
　米国特許５８１７１７３に記載される更に他の方法では、珪素結晶ベース上に一体的に形成された突起の先端を溶解させることによって球状の珪素結晶が形成されている。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５１２８１１６号明細書
【特許文献２】米国特許第４６３７８５５号明細書
【特許文献３】米国特許第５０６９７４０号明細書
【特許文献４】米国特許第５８１７１７３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
　本発明の目的は、従来技術の不利益を軽減することである。
【０００８】
　本発明の他の目的は、低い酸素含量を有する実質上球状の珪素金属粒子の製造法を提供することである。
【０００９】
　本発明の更に他の目的は、珪素金属粒子を高い処理量で球状化する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明の概要
　本発明の１つの目的に従えば、
　（ａ）不規則なモルホロジーを有する珪素金属粒子をガス流れ中に連行し、
　（ｂ）連行した粒子を還元性雰囲気を収容するプラズマ反応器に注入し、
　（ｃ）珪素金属粒子の少なくとも５０重量％を溶融して溶融液滴を形成し、そして
　（ｄ）液滴を固化して実質上球状の珪素金属粒子を形成する、
ことを含む珪素粉末の球状化法が提供される。
【００１１】
　本発明の他の目的に従えば、不規則珪素金属粒子は、プラズマ反応器に少なくとも約１０ポンド／Ｈｒの速度で注入される。
【００１２】
　本発明の他の目的に従えば、この方法は、約１０００ｐｐｍ未満の酸素含量を有する実質上球状の珪素金属粒子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】
発明の具体的な説明
　本発明を他の目的及び更に他の目的と一緒に、またその利益及び能力と一緒によりよく理解するためには、以下に添付の図面と関連させて以下の説明及び特許請求の範囲を参照されたい
【００１４】
　米国特許４８１６０６７に記載される如き高温プラズマ加工処理によって微細な球状金属粉末を製造することができる。必要ならば、該米国特許を参照されたい。しかしながら、プラズマ加工処理を適用して球状珪素金属粉末を製造することは知られていなかった。ここに本発明において、高温プラズマ加工処理を適用して、実質上球状のモルホロジー及び低い酸素含量を有する粒子からなる珪素金属粉末を製造することができることが見い出された。
【００１５】
　本発明の方法は、不規則珪素金属粒子をキャリヤガス中に連行しそして連行した粒子及びキャリヤガスを粉末導入口を経てプラズマ反応器の高温帯域に導入することを含む。反応器には珪素の酸化を最小限にするために還元性雰囲気が維持される。反応器内の正圧は酸素が入り込むのを防止し、そして更に珪素粒子の酸化を制限する。不規則珪素粒子は、典型的には１２，０００℃〜２０，０００℃の高温帯域中に、重量比で粒子の少なくとも約５０％を溶解させるのに十分な時間の間維持される。溶融した液滴は、プラズマ反応器を出るときにアルゴン充填受け器において冷却されて実質上球状の珪素金属粒子を形成する。この態様で生成された球状化粒子は、一般的には、その表面上に厚さ約１５０ｎｍの薄いＳｉＯ被覆を有する。この薄いＳｉＯ表面被覆は、粒子を弱水酸化物溶液、好ましくは約８〜約１１のｐＨを有するＮａＯＨ溶液で処理することによって少なくとも一部分除去することができる。加えて、水酸化物溶液とＳｉＯとの反応（ＳｉＯ＋２ＮａＯＨ→Ｎａ2ＳｉＯ3＋Ｈ2）はＨ2を発生させるが、これが珪素金属粒子を更なる酸化に対して安定化すると考えられる。弱水酸化物溶液の使用は、珪素金属粒子からＳｉＯ2被覆を除去するためにＨＦのような強酸を使用する従来の方法とは実質上異なる。珪素金属は酸に対して比較的非反応性であるが、しかしアルカリによっては攻撃される。しかしながら、本発明の方法では、粒子表面を浄化するのに弱水酸化物溶液を使用することができる。何故ならば、球状化中に極めて薄いＳｉＯ被覆が形成されるだけであるからである。本発明を十分に例示するために、次の実施例を提供するが、これらは本発明を限定するものではない。
【実施例】
【００１６】
例１
　ＰＭＩプラズマガンにおいて５７．４ｋＷ（７００Ａ、８２Ｖ）の入力及び２２０ｓｃｆｈのアルゴンと８ｓｃｆｈの水素との混合ガス流れを使用してアルゴン−水素プラズマ火炎を発生させた。図１に示される如き不規則モルホロジー及び約１００μｍの平均粒度を有する珪素金属粉末をプラズマガンに供給装置系を経て約１０ポンド／Ｈｒの速度で供給した。粒子を連行させるためのキャリヤガスとして、アルゴンを７０ｓｃｆｈの流量で使用した。不規則形状の珪素粒子は飛行中に溶融し、そしてプラズマを去るときに急速に固化した。次いで、粒子をアルゴン雰囲気下にホッパーに集めた。プラズマ反応器内の正圧は酸素が反応器に入らないように作用するけれども、反応器を酸素を含まない状態に保つのは極めて困難である。従って、球状化珪素粉末はいくらかの大きな凝集したＳｉＯ2粒子を含有し、これらは６０メッシュの篩で篩い分けすることによって除去することが必要であった。珪素金属粒子の９９．５重量％よりも多くがこの６０メッシュの篩を通過した。
【００１７】
　図２は、球状化Ｓｉ金属粒子の篩い分け後のＳＥＭ顕微鏡写真である。得られる珪素金属粒子は図２に示される如き実質上球状のモルホロジーを有し、そして薄いＳｉＯの被覆で覆われていた。ＳｉＯ被覆は、ＳＥＭ顕微鏡写真において粒子に白っぽい外観を与えている。粉末の酸素含量は４６００ｐｐｍであった。
【００１８】
例２
　例１からの篩い分けした４００ｇ量の粉末を４リットルのＮａＯＨ溶液（ｐＨ１０）と一緒にし、そして混合機で１５分間撹拌した。混合機を停止し、固形物を沈降させ、そして上澄み液を除去した。容器の底部にある固形物に３回の５分間濯ぎを施した。固形物が沈降した後、液体をデカンテーションによって除去した。最終濯ぎの後、固形物をろ過によって分離しそして１１０℃で乾燥させた。処理した粉末の酸素含量は３０００ｐｐｍであった。
【００１９】
例３
　例１における如くしてプラズマ反応器を使用して、球状化珪素金属粉末の約１．６ｋｇの他のバッチを調製した。球状化粉末中の測定された酸素含量は１７００ｐｐｍであった。この粉末の４００ｇ量を例２おける如くしてＮａＯＨ溶液（ｐＨ１０）で処理した。粉末の酸素含量は９８０ｐｐｍに減少された。
【００２０】
例４
　ＮａＯＨ溶液とＳｉＯ被覆との反応を更に理解するために、溶液のｐＨの時間依存性を研究した。反応式ＳｉＯ＋２ＮａＯＨ→Ｎａ2ＳｉＯ3＋Ｈ2に従ってＮａＯＨが消費されるにつれて、溶液のｐＨが低下する。ここで、３０００ｐｐｍの酸素を含有する球状化Ｓｉ金属粉末を、１０．５の初期ｐＨを有するＮａＯＨ溶液中に浸漬した。図４で分かるように、反応は徐々に進行した。この結果は、ＮａＯＨ溶液中で費やされる時間を増大させるか、又は粉末を僅かにより濃厚のＮａＯＨ溶液（１０．５のｐＨ〜１１のｐＨ）で処理することによって球状化珪素金属粉末の表面からの酸素の除去を達成することができることを示している。ＮａＯＨ処理済み粉末の回収効率は約９７％である。約１１よりも高いｐＨを有するＮａＯＨ溶液は、珪素の損失を増大させる可能性がある。
【００２１】
　現時点で本発明の好ましい具体例と考えられるものについて例示記載したけれども、当業者には、特許請求の範囲によって規定される如き本発明の範囲から逸脱せずに幾多の変更修正をなし得ることが明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の方法において供給材料として使用される不規則珪素金属粒子の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図２】本発明の方法によって作られた球状化珪素金属粒子の弱水酸化物溶液での処理前のＳＥＭである。
【図３】本発明の方法によって作られた球状化珪素金属粒子の弱水酸化物溶液での処理後のＳＥＭである。
【図４】球状化珪素金属粒子上のＳｉＯ被覆の除去中のＮａＯＨ溶液のｐＨ変動を示すプロットである。
【図４】
2004035398.tif 000002
【図１】
2004035398.tif 000003
【図２】
2004035398.tif 000004
【図３】
2004035398.tif 000005