(57)【要約】【課題】経済的で再生効率の高い酸化シリコン粉からシリコン塊を製造するシリコン塊製造方法及びその方法を好適に実施することができるアーク炉を提供する。【解決手段】本発明に係るシリコン塊製造方法は、アーク放電により形成された還元性雰囲気領域において、回収シリコンくずに含まれる酸化シリコンを溶融還元することにより実施される。このシリコン塊製造方法は、黒鉛るつぼと黒鉛電極間にアーク放電を生じさせるアーク発生手段と、黒鉛るつぼと黒鉛電極との距離を調整する黒鉛電極移動手段を有する直流式のアーク炉により好適に実施することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク放電により形成された還元性雰囲気領域において、回収シリコンくずに含まれる酸化シリコンを溶融還元し、高純度のシリコン塊を製造するシリコン塊製造方法。
【請求項２】
回収シリコンくずに含まれる酸化シリコンは、質量比で99.9%以上の高純度シリコン由来のものであることを特徴とする請求項１に記載のシリコン塊製造方法。
【請求項３】
回収シリコンくずは、水分が質量比で数%〜10%含まれるものである請求項１又は２に記載のシリコン塊製造方法。
【請求項４】
シリコン塊は、質量比で、C：10ppm以下、B：1ppm以下、P：5ppm以下含まれ、Si:99.9%以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のシリコン塊製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４に記載のシリコン塊を製造するアーク炉であって、黒鉛るつぼと黒鉛電極間にアーク放電を生じさせるアーク発生手段と、黒鉛るつぼと黒鉛電極との距離を調整する黒鉛電極移動手段を有する直流式のアーク炉。
【請求項６】
請求項１〜４に記載のシリコン塊を製造するアーク炉であって、３本の対向する黒鉛電極の先端部にアーク放電空間を形成させるアーク発生手段と黒鉛電極移動手段を有する交流式のアーク炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池、ICチップ等の半導体素子の製造において生ずるシリコンくず中の酸化シリコンを溶融還元して高純度のシリコン塊を製造するシリコン塊製造方法及びその方法を好適に実施することができるアーク炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池、ICチップ等の半導体素子は、シリコン素材を切断してウエハーを作製し、そのウエハーを切断し研磨等を行って製造される。これらの半導体素子に使用されるシリコン量はシリコン素材の半分以下であり、半分以上がシリコンくずとして排出されその多くが廃棄されている。シリコン素材の1/2が切断により廃棄され、さらにその1/2が研磨により廃棄されるとも言われる。
【０００３】
このようなシリコンくずを回収して利用に供しようとする試みが種々になされており、シリコン素材として再利用に供する試みもなされている。例えば、特許文献１に、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液から酸化シリコンを有するシリコン粉を含む粉末を分離する粉末分離工程と、減圧または不活性ガス雰囲気下の加熱容器中において前記粉末をシリコンの融点以上2000℃以下の温度に加熱し、シリコンが溶融した溶湯とする溶融工程と、前記溶湯に含まれる前記加熱容器の内壁または底に付着する粘度の高い酸化シリコンを前記加熱容器に残し、粘度の低いシリコン融液を冷却容器に出湯する出湯工程と、を備えるシリコン精製方法が提案されている。そして、特許文献１には、回収されたシリコン粉は、粒度が0.001〜99.9μmであり、その酸化膜の比率は高く、酸化シリコンの含有量は3〜30wt%であると記載されている。また、回収された粉末が砥粒を含む場合の砥粒含有量は1〜20wt%であると記載されている。
【０００４】
特許文献２に、二酸化珪素と、シリコンカーバイト、シリコンナイトライドまたはダイヤモンドの何れかを粒子状不純物として含む回収シリコンを、加熱してシリコン融液を得る融解工程と；前記シリコン融液を冷却して得られるシリコン塊を粉砕してシリコン粒を得る粉砕工程と；前記シリコン粒を酸溶液で洗浄して二酸化珪素を前記粒子状不純物とともに除去する酸洗浄工程と；を含むことを特徴とするシリコンの精製方法が提案されている。そして、特許文献２には、シリコンカーバイト等の砥粒の大半がスラグに含有される理由は、シリコンを融解する際に融解温度を制御することで、砥粒と二酸化珪素は固体状態でシリコン融液内を流動し、粘性の高いスラグに取り込まれて、該シリコン融液の表面張力によりシリコン融液表面にスラグとして存在するものと推測されると記載されている。
【０００５】
特許文献３に、溶融スラグの基に、酸化珪素を含む回収シリコンくずをアーク放電により再溶解し、シリコンに再生させるシリコン回収方法であって、前記溶融スラグの温度が1750℃以上で再溶解を行うシリコン回収方法が提案されている。そして、特許文献３には、この発明によれば酸化珪素及び炭化珪素を含む回収シリコンくずからシリコンを効率的、経済的に再生シリコンとして回収することができ、炭化珪素粒子の酸化反応を促進させるためには溶融スラグの温度は1850℃以上がよく、さらには2000℃以上がよいと記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2010-47443号公報
【特許文献２】特開2010-70425号公報
【特許文献３】特開2012-20920号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
回収シリコンくずに含まれるシリコンは、特許文献１に記載するように表面が酸化されたシリコン粒（酸化シリコン粉末）として存在する。特許文献１又は２に提案されたシリコンの精製方法は、このような酸化シリコン粉末を溶融し未酸化部分をシリコンとして再生させるシリコンの精製方法である。そして、酸化シリコン粉末の酸化部分（二酸化珪素）や砥粒に由来する炭化珪素などをスラグ又は容器付着物として除去する方法である。
【０００８】
一方、特許文献３に記載するシリコン回収方法は、特許文献１又は２に記載のシリコンの精製方法と異なり、回収シリコンくず中の酸化シリコンを還元し未酸化部分と合わせてシリコンに再生する方法である。また、回収シリコンくずに含まれる炭化珪素も含めて還元しシリコンに再生する方法である。
【０００９】
特許文献１又は２に記載するようなシリコン精製方法は、再生効率が低いという問題がある。また、回収シリコンくずから精製されたシリコンを得るために多くの処理・工数を必要とするという問題もある。特許文献３に記載するシリコン再生方法は、酸化シリコンのみならず炭化珪素を含めてシリコンに還元して再生できるという利点はあるが、溶融スラグの調整等の取扱や高温度の処理を要するという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような従来の酸化シリコン粉末の再生に係る問題点に鑑み、回収シリコンくず中の酸化シリコン粉末を溶融還元し、再生されたシリコンからなるシリコン塊を効率的・経済的に製造するシリコン塊製造方法及びその方法を好適に実施することができるアーク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】
【００１１】
本発明に係るシリコン塊製造方法は、アーク放電により形成された還元性雰囲気領域において、回収シリコンくずに含まれる酸化シリコンを溶融還元することにより実施される。
【００１２】
上記発明において、回収シリコンくずに含まれる酸化シリコンは、質量比で99.9%以上の高純度シリコン由来のものであるのがよい。また、回収シリコンくずは、水分が質量比で数%〜10%含まれるものがよい。
【００１３】
上記発明によれば、質量比で、C：10ppm以下、B：1ppm以下、P：5ppm以下含まれ、Si:99.9%以上である高純度のシリコン塊を製造することができる。
【００１４】
上記発明は、黒鉛るつぼと黒鉛電極間にアーク放電を生じさせるアーク発生手段と、黒鉛るつぼと黒鉛電極との距離を調整する黒鉛電極移動手段を有する直流式のアーク炉により好適に実施することができる。
【００１５】
また、上記発明は、３本の対向する黒鉛電極の先端部にアーク放電空間を形成させるアーク発生手段と黒鉛電極移動手段を有する交流式のアーク炉により好適に実施することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るシリコン塊製造方法によれば、回収シリコンくずに含まれる酸化シリコンを効率的に溶融還元し、高純度の再生シリコンを高い回収率で経済的に再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る直流式アーク炉の概要図である。
【図２】本発明に係る交流式アーク炉の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。本発明に係るシリコン塊製造方法は、アーク放電により形成された還元性雰囲気領域において、回収シリコンくずに含まれる酸化シリコンを溶融還元することによって実施される。すなわち、本発明は、回収シリコンくずに含まれる酸化シリコンを溶融還元して回収することに特徴を有する。
【００１９】
回収シリコンくずに含まれる酸化シリコンは、表面が酸化された一般には1mm以下の微細な粉末で、太陽電池、ICチップ等の半導体素子の基となったシリコン素材に由来するものである。本発明は、そのようなシリコン素材から排出された酸化シリコンを還元して回収する。概していわば、本発明は、シリコン素材の排出された部分を取り戻すことを目的とする発明である。従って、回収シリコンくずは、太陽電池、ICチップ等の半導体素子の製造に使用された高純度のシリコン素材由来であるのが好ましい。これにより、得られたシリコン塊はほとんど処理を加えることなくシリコン素材として使用することができ、効率的・経済的にシリコンを再生することができる。
【００２０】
一般に、微細な酸化シリコンは溶融するのが容易でないとされる。例えば、特許文献（特開平11-92129号公報）によると、1mm以下の酸化シリコン粉末は、溶融シリコンの表面に浮遊するだけで溶融シリコンに溶け込まず充分に溶融できないとされる。従って、特許文献１においては、回収された酸化シリコン粒を棒状体やガス吹きつけなどにより機械的に沈めるとされる。本発明においては、このような一般には溶融が困難な微細な酸化シリコンが好ましい。このような粉末状の酸化シリコンは、還元性雰囲気領域において容易に溶融還元されてシリコンの液滴となる。このシリコンの液滴から生成された溶融シリコンを冷却することによりシリコン塊を得ることができる。
【００２１】
粉末状の酸化シリコンを溶融還元するには、黒鉛電極を備えるアーク炉を使用するのがよい。これにより、回収シリコンくず中の酸化シリコンを溶融還元するための還元性雰囲気領域を容易に形成することができる。還元温度は、2000℃以下、1850〜1700℃が好ましい。これにより、酸化シリコンを溶融還元することができるとともに、還元が容易でない炭化珪素をスラグとして除去することができ、また、砥粒として使用されたアルミナなどもスラグとして除去することができる。
【００２２】
黒鉛電極は、溶融還元された溶融シリコンへの不純物の混入を防止するために、純度の高いものが好ましい。また、溶融シリコンを回収するるつぼも同様に純度の高いものが好ましい。
【００２３】
本発明は、図１又は図２に示すアーク炉により好適に実施することができる。図１は直流式アーク炉を示し、図２は交流式アーク炉を示す。図１又は図２に示すように、アーク炉10は、るつぼ11に対向して黒鉛電極13が設けられており、回収シリコンくず30を投入する粉末投入手段15を有する。回収シリコンくず30は、黒鉛電極13の50mm以内の範囲に投入されるようになっている。
【００２４】
黒鉛電極13には電源14より直流又は交流電流が供給されるようになっている。黒鉛電極13は、図に矢印で示すように移動可能になっている。すなわち、黒鉛電極13とるつぼ14との距離を調整することができる黒鉛電極移動手段20を有している（図１）。なお、交流式アーク炉の場合の黒鉛電極13は、３本の傾斜する黒鉛電極13により先端部に円形状の還元性雰囲気領域が形成されるようになっており、この還元性雰囲気領域の大きさは黒鉛電極13間の距離を調整することができる黒鉛電極移動手段により制御できるようになっている。
【００２５】
るつぼ11には冷却手段17が設けられている。冷却手段17は、空冷式又は水冷式とすることができ、図２に示すように冷却水をシャワー状に噴射する方式にすることができる。
【００２６】
回収シリコンくず中の酸化シリコンの溶融還元は、先ずアーク放電を行うことにより始まる。アーク放電は、直流式アーク炉の場合（図１）は、黒鉛電極13をるつぼ11に近づけてアークを発生させる。次に、回収シリコンくず30をアーク中またはその周辺に投入すると、回収シリコンくず30が溶融して導電性が発現し、黒鉛電極13と溶融シリコン間でアーク放電が始まりアーク放電が安定する。これにより、黒鉛電極13とるつぼ11の間でアークを発生させる時間を短くすることができ、るつぼ11の損傷を抑えることができる。
【００２７】
一方、交流式アーク炉の場合（図２）は、100〜200Vの電圧で３本の黒鉛電極13の先端部を近づけて先ずアークを発生させる。次に、回収シリコンくず30をアーク中またはその周辺に投入すると、回収シリコンくず30が溶融して導電性が発現するから、黒鉛電極13の先端部を互いに遠ざけるとともに電圧を下げて溶融シリコンを通してアークを発生させ、アーク放電を安定させる。上記アーク放電において、回収シリコンくず30に含まれる酸化シリコンは、シリコンに還元され液滴になってるつぼ11の底部に落下回収され、溶融シリコンの液溜まり35が形成される。
【００２８】
直流式アーク炉は、酸化シリコンの純度が高く再生する量が少ない場合に適しており、交流式アーク炉は、酸化シリコンの純度が低く再生する量が大量である場合に適している。
【００２９】
アーク炉に投入する回収シリコンくずは、特別の処理を要しないが、水分量は質量比で数%〜10%含有するものがよい。水分量が多いと水蒸気爆発を生じる危険性があり、少ないと浮遊して作業環境を害するからである。すなわち、回収シリコンくずは、適度の湿り気を有するものがよい。なお、回収シリコンくず中にウエハーの切断や研磨に使用された潤滑材が含まれていてもよい。
【実施例１】
【００３０】
図１に示す直流式アーク炉に基づく試験アーク炉により、回収シリコンくず中の酸化シリコンを溶融還元し、シリコン塊を製造する試験を行った。回収シリコンくずは、半導体用シリコンウエハを研磨した研磨粉であった。試験アーク炉の溶融還元温度は、1750℃であった。
【００３１】
表１に、再生されたシリコン塊（実施例）と太陽電池の製造に用いられたシリコン素材（素材）の特性を示す。表１に示すように、実施例と素材の抵抗率は同じである。実施例と素材の炭素濃度は同等である。抵抗率は、シリコン純度に依存するから、実施例の再生シリコンは素材同等のシリコン純度であることが分かる。
【００３２】
【表１】
2013245129.tif 000003
【符号の説明】
【００３３】
10    アーク炉
11    るつぼ
13    黒鉛電極
14    電源
15    粉末投入手段
17    冷却手段
20    黒鉛電極移動手段
30    回収シリコンくず
35    溶融シリコンの液溜まり
【図１】
2013245129.tif 000004
【図２】
2013245129.tif 000005