(57)【要約】【課題】シリコンの精製能の低下を招くことなく連続稼動が可能なシリコン精製装置を提供すること。【解決手段】本発明に係るシリコン精製装置は、減圧容器と、減圧容器内に設けられシリコン収納用開口部を有する坩堝と、減圧容器内に設けられ坩堝と坩堝内のシリコン原料とを加熱する加熱装置とを備える。開口面積がシリコン収納用開口部よりも小さい貫通孔部を有する第１蓋が、シリコン収納用開口部を覆う位置に設けられている。投影面が貫通孔部よりも大きな第２蓋が、貫通孔部の開口を覆う位置と貫通孔部の開口を露出させる位置との間を移動可能に構成されて減圧容器内に設けられている。【選択図】図１
2013116832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧容器内に、シリコン投入用開口部を有する坩堝と、前記坩堝および前記坩堝内のシリコン原料の少なくとも一方を加熱するための加熱装置と、前記シリコン投入用開口部を覆う位置に設けられ、開口面積が前記シリコン投入用開口部よりも小さい貫通孔部を有する第１蓋と、投影面が前記貫通孔部よりも大きな第２蓋とを備え、
前記第２蓋は、前記貫通孔部の開口を覆うことができるとともに前記貫通孔部の前記開口を露出させることができるように設けられているシリコン精製装置。
【請求項２】
前記第２蓋は、前記第１蓋に対して前記坩堝とは反対側に設けられており、前記貫通孔部の前記開口を開閉可能な開閉機構を有する請求項１に記載のシリコン精製装置。
【請求項３】
前記第２蓋が前記貫通孔部の前記開口を覆っているときに前記坩堝に対向する第２蓋の面が黒鉛材料からなる請求項１または２に記載のシリコン精製装置。
【請求項４】
前記坩堝に対向する第１蓋の面および前記貫通孔部の側面が黒鉛材料からなる請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン精製装置。
【請求項５】
前記第１蓋は、前記シリコン投入用開口部を覆うことができるとともに前記シリコン投入用開口部を露出させることができるように設けられている請求項１〜４のいずれかに記載のシリコン精製装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のシリコン精製装置を用いてシリコンを精製する方法であって、
前記坩堝内のシリコン原料を溶融する工程と、
前記減圧容器内を減圧する工程と、
溶融したシリコンを減圧状態にて保持する工程と、
前記坩堝内から溶融されたシリコンを取り出す工程と、
前記貫通孔部、前記坩堝の内部、または前記坩堝に対向する前記第１蓋の面に付着した付着物の少なくとも一部を溶融する工程とを含むシリコン精製方法。
【請求項７】
前記シリコン原料を溶融する工程は、前記第２蓋が前記貫通孔部の前記開口を覆う状態もしくは前記第２蓋が前記貫通孔部の前記開口を露出させる状態で行なわれ、または前記第２蓋が前記貫通孔部の前記開口を覆う状態と前記第２蓋が前記貫通孔部の前記開口を露出させる状態とが繰り返されて行なわれ、
前記付着物を溶融する工程の前に、前記第２蓋によって前記貫通孔部の前記開口を覆う工程をさらに含む請求項６に記載のシリコン精製方法。
【請求項８】
前記付着物を溶融する工程の前に、少なくとも前記坩堝内に希ガスを供給する工程をさらに含む請求項６または７に記載のシリコン精製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン精製装置およびシリコン精製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
世界的な環境保護意識の高まりにより、再生可能エネルギー源としての太陽電池（とりわけ、シリコン系太陽電池）が注目されている。
【０００３】
太陽電池用原料シリコン（Ｓｏｌａｒ  Ｇｒａｄｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ、以下では「ＳＧ−Ｓｉ」と記すことがある）には、一般に純度が９９．９９９９％（６Ｎ）以上で、比抵抗が０．５Ωｃｍ以上のものが求められている。また、太陽電池の普及のさらなる拡大には、太陽電池の製造コストの低減が不可欠であり、太陽電池用シリコンを安価に製造するための技術が求められている。
【０００４】
このような背景の下、純度９９％程度（低純度）の安価な金属級シリコン（Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ  Ｇｒａｄｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ、以下では「ＭＧ−Ｓｉ」と記すことがある）から不純物を除去してＳＧ−Ｓｉを得るという冶金的プロセスが各種提案されている。
【０００５】
これら冶金的プロセスのうち、シリコンよりも蒸気圧の高い不純物元素（このような不純物元素の具体例としては、リンが代表的に挙げられ、リン以外にはアルミニウム、ナトリウム、カルシウム、または銅などが挙げられる）を除去するプロセスとして、真空溶融法がある。
【０００６】
真空溶融法とは、ＭＧ−Ｓｉを加熱して溶融させ、その溶融されたシリコンを減圧下で一定時間保持する方法をいう。真空溶融法を用いれば、シリコンよりも蒸気圧の高いリンなどが選択的に蒸発するので、シリコンの精製（シリコン中のリン濃度の低下）が可能となる。
【０００７】
このような真空溶融法を用いるシリコン精製装置としては、たとえば特許文献１には、シリコン溶湯表面へのＳｉＣの浮上を抑制することを目的として開口が形成された溶湯表面保温装置を使用することが開示されている。
【０００８】
また、特許文献２には、坩堝の開口部上に不純物凝縮装置を配置したシリコン精製装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２３２６５８号公報
【特許文献２】特開２００５−２３１９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者らは特許文献１に記載のシリコン精製装置を参考にして、開口部を有する蓋が坩堝の開口部上に設置されたシリコン精製装置を製造し、このシリコン精製装置の性能を確認した。その結果、以下のような問題点があることが判明した。
【００１１】
すなわち、真空溶融法においては、リンなどの不純物と共に、シリコン、シリコン酸化物（主にＳｉＯと考えられる）、またはシリコンカーバイドなどが蒸発して、蓋の開口部に付着する。これにより、蓋の開口部が閉塞するため、シリコン精製能が低下する。それだけでなく、ＭＧ−Ｓｉなどのシリコン原料を坩堝内に供給し難くなるため、シリコン精製装置の連続稼動が困難となる。よって、蓋の開口部に付着した付着物を適宜除去する必要がある。
【００１２】
なお、開口部を有する蓋を坩堝の開口部上に設ける代わりに特許文献２に記載の不純物凝縮装置を用いれば、上記付着物の問題は発生しない。しかし、特許文献２に記載の不純物凝縮装置を用いると、特許文献１に効果として記載されているシリコン溶湯表面へのＳｉＣの浮上の抑制を図ることはできない。そればかりでなく、不純物凝縮装置自体および使用する冷媒（水など）にコストがかかる。さらには、不純物凝集装置は必然的に溶融シリコン表面からの熱を吸収するので、シリコン加熱（溶融温度維持）に要するエネルギーが過剰になる。このように、特許文献２に記載の不純物凝縮装置を用いるとコスト的に不利な問題が発生する。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、開口部を有する蓋を坩堝の開口部上に設けた際に生じる問題を簡便な方法により解決したシリコン精製装置およびシリコン精製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るシリコン精製装置は、減圧容器内に、シリコン投入用開口部を有する坩堝と、坩堝および坩堝内のシリコン原料の少なくとも一方を加熱するための加熱装置と、シリコン投入用開口部を覆う位置に設けられ、開口面積がシリコン投入用開口部よりも小さい貫通孔部を有する第１蓋と、投影面が貫通孔部よりも大きな第２蓋とを備える。第２蓋は、貫通孔部の開口を覆うことができるとともに貫通孔部の開口を露出させることができるように設けられている。ここで、シリコン原料は、純度９９％未満のシリコンを意味する。
【００１５】
第２蓋は、第１蓋に対して坩堝とは反対側に設けられていることが好ましく、貫通孔部の開口を開閉可能な開閉機構を有することが好ましい。
【００１６】
第２蓋が貫通孔部の開口を覆っているときに坩堝に対向する第２蓋の面が黒鉛材料からなることが好ましい。
【００１７】
坩堝に対向する第１蓋の面および貫通孔部の側面が黒鉛材料からなることが好ましい。  第１蓋は、シリコン投入用開口部を覆うことができるとともにシリコン投入用開口部を露出させることができるように設けられていることが好ましい。
【００１８】
本発明に係るシリコン精製方法は、本発明に係るシリコン精製装置を用いてシリコンを精製する方法であり、坩堝内のシリコン原料を溶融する工程と、減圧容器内を減圧する工程と、溶融したシリコンを減圧状態にて保持する工程と、坩堝内から溶融されたシリコンを取り出す工程と、貫通孔部、坩堝の内部、または坩堝に対向する第１蓋の面に付着した付着物の少なくとも一部を溶融する工程とを含む。
【００１９】
シリコン原料を溶融する工程は、第２蓋が貫通孔部の開口を覆う状態で行なわれても良いし、第２蓋が貫通孔部の開口を露出させる状態で行なわれても良いし、第２蓋が貫通孔部の開口を覆う状態と第２蓋が貫通孔部の開口を露出させる状態とが繰り返されて行なわれても良い。また、付着物を溶融する工程の前に、第２蓋によって貫通孔部の開口を覆う工程をさらに含むことがこのましい。
【００２０】
付着物を溶融する工程の前に、少なくとも坩堝内に希ガスを供給する工程をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るシリコン精製装置およびシリコン精製方法では、シリコン精製能を低下させることなく真空溶融法によるシリコン精製の連続稼動が可能となり、太陽電池用シリコン原料を安価に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るシリコン精製装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】投影面の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るシリコン精製方法を工程順に示すフロー図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るシリコン精製方法の一工程におけるシリコン精製装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るシリコン精製方法の別の工程におけるシリコン精製装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係るシリコン精製方法を工程順に示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明のシリコン精製およびシリコン精製方法について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００２４】
＜シリコン精製装置＞
本発明のシリコン精製装置について、図１を用いて説明する。図１は、本発明に係るシリコン精製装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。図１に示すシリコン精製装置１００は、減圧容器１内に、坩堝２と、加熱装置３と、第１蓋４と、第２蓋５とが設けられて構成されており、第１蓋４に設けられた貫通孔部４１、坩堝２の内部、または坩堝２に対向する第１蓋４の面（以下では「第１蓋４の対向面」と記す）４Ａなどに蓄積された付着物８（図４および図５参照）の少なくとも一部を溶融させるように構成されている。好ましくは、図１に示すシリコン精製装置１００は、第１蓋４に設けられた貫通孔部４１に蓄積された付着物８を溶融させるように構成されている。以下、本発明におけるシリコン溶融装置の各部材について説明する。
【００２５】
＜減圧容器＞
本発明における減圧容器１の構成は特に限定されない。減圧容器１は、たとえば真空ポンプ６が接続されることにより内部が減圧可能となるように、且つ減圧容器１内に設けられた坩堝２にてシリコン原料を溶融できる耐熱性を有するように構成されていれば、いかなるものであっても良い。
【００２６】
また、減圧容器１には、減圧容器１内に窒素またはアルゴンなどの不活性ガスを導入するためのガス供給装置が設けられていても良い。
【００２７】
＜真空ポンプ＞
本発明における減圧容器１には、真空ポンプ６が接続されていることが好ましい。本発明における真空ポンプ６は、減圧容器１内を減圧（たとえば１０Ｐａ以下、好ましくは１Ｐａ以下）できるものであれば良く、油回転ポンプ、または油拡散ポンプなどであれば良い。ターボ分子ポンプ、またはメカニカルブースターポンプなどが真空ポンプ６として追加的に設けられても良い。
【００２８】
＜坩堝＞
本発明における坩堝２は、その内部においてシリコン原料を溶融させるものである。そのため、坩堝２は、シリコン原料を収納可能に構成されていれば良く、たとえばシリコン投入用開口部２ａを有していれば良く、その形状および大きさなどは、図１などに記載の形状および大きさなどに限定されない。
【００２９】
坩堝２を構成する材料としては、シリコン原料の融点以上（シリコン原料の融点は一般に１４５０℃〜１６００℃程度とされている）において溶融することなく使用可能なものであれば、いかなるものであってもよい。坩堝２としては、たとえば、黒鉛製坩堝、シリカ製坩堝（シリカが９０重量％以上含まれている）、ムライト質製坩堝（アルミナ６９〜７０重量％とシリカ３０重量％との混合物からなる）、またはアルミナ製坩堝（アルミナが９０重量％以上含まれている）などを用いることができる。これらのうち、黒鉛製坩堝は真空下においてシリコンとの反応性が低いので、シリコン精製装置においては特に好ましく使用できる。
【００３０】
不図示であるが、坩堝２には、溶融されたシリコンを坩堝２から取り出すための機構が設けられていることが好ましい。また、坩堝２は、保持部材（不図示）などを介して減圧容器１内に設けられていれば良い。
【００３１】
＜加熱装置＞
本発明における加熱装置３は、坩堝２および坩堝２内のシリコン原料の少なくとも一方をシリコン原料の融点以上に加熱できるのであればどのような構成を有していても良い。抵抗加熱装置を簡便な加熱装置３として挙げることができる。また、坩堝２の外周にコイルを配置して誘導電流による加熱を行う誘導加熱装置も加熱装置３の好ましい一例である。
【００３２】
＜第１蓋＞
本発明における第１蓋４は、シリコン投入用開口部２ａを覆う位置に設けられている。これにより、シリコン原料の溶融時および溶融されたシリコンの減圧下での保持時には、熱が坩堝２内から逃げることを防止できるとともに、シリコン原料から蒸発する不純物元素（シリコンよりも蒸気圧の高いもの、たとえばリン）を坩堝２内から逃がすことができる。ここで、「第１蓋４は、シリコン投入用開口部２ａを覆う位置に設けられている」とは、図１に示すように第１蓋４の一部分がシリコン投入用開口部２ａの一部分を覆うことを意味しており、第１蓋４によりシリコン投入用開口部２ａの全部が覆われる（第１蓋４によりシリコン投入用開口部２ａが完全に蓋される）ことを意味していない。
【００３３】
第１蓋４は、加熱装置３、加熱装置３により加熱された坩堝２、およびシリコン（溶融されたシリコンを含む）などからの輻射熱に耐え得る材料からなれば良く、第１蓋４の材料および第１蓋４の外形は、特に制限されない。一般に、第１蓋４は、黒鉛材料からなることが好ましい。黒鉛材料は、シリコン、シリコン酸化物、またはシリコンカーバイドなどとの反応性が低い。また、第１蓋４の材料として黒鉛材料を用いれば、シリコンを主成分とする付着物８（図４および図５参照）の剥離が容易である。これらのことから、第１蓋４のうち付着物８が蓄積すると考えられる領域、つまり第１蓋４の対向面４Ａおよび貫通孔部４１の側面を黒鉛製とすることが好ましい。さらに、黒鉛材料の中でも耐衝撃性に優れたＣＣ（カーボンコンポジット（carbon  composite））材を用いることが特に好ましく、第１蓋４はＣＣ材およびカーボン材が順不同に積層された構造を有していても良い。
【００３４】
また、第１蓋４は、一般に、上記材料からなる平面視多角形または平面視円形の板状部材であり、板状部材の好ましい厚みの範囲としては、たとえば１ｍｍ〜１００ｍｍを挙げることができる。
【００３５】
第１蓋４には、第１蓋４の厚み方向に貫通する貫通孔部４１が形成されている。貫通孔部４１の開口面積は坩堝２のシリコン投入用開口部２ａの開口面積よりも小さく、好ましくはシリコン投入用開口部２ａの開口面積の１％以上９０％以下であり、さらに好ましくは６０％以上８０％以下である。貫通孔部４１の開口面積がシリコン投入用開口部２ａの開口面積の１％未満であれば、蒸発した不純物元素（たとえばリン）が坩堝２の外へ逃げ難くなり、よって所望の純度を有するシリコンが得られないことがある。一方、貫通孔部４１の開口面積がシリコン投入用開口部２ａの開口面積の９０％を超えると、坩堝２内に熱を溜めることが難しくなり、よって、シリコン精製能の低下を招くことがある。ここで、「貫通孔部４１の開口面積」は、第１蓋４の対向面４Ａにおける貫通孔部４１の開口面積であっても良いし、対向面４Ａとは反対側に位置する面における貫通孔部４１の開口面積であっても良いが、両開口面積の大きさが異なる場合には小さい方の開口面積を意味する。
【００３６】
第１蓋４における貫通孔部４１の位置は特に限定されない。しかし、貫通孔部４１がシリコン投入用開口部２ａに連通するように第１蓋４に形成されていれば、蒸発したリンなどの不純物元素を効率良く坩堝２の外へ逃がすことができる。よって、貫通孔部４１は、図１に示すように第１蓋４のうちシリコン投入用開口部２ａの真上に形成されていることが好ましい。
【００３７】
第１蓋４は、シリコン投入用開口部２ａを覆うことができるとともにシリコン投入用開口部２ａを露出させることができるように設けられていることが好ましい。これにより、シリコン原料の溶融時および溶融されたシリコンの減圧下での保持時には、第１蓋４でシリコン投入用開口部２ａを覆うことができるので、坩堝２内からの熱の逃げを防止しつつリンなどの不純物元素を坩堝２の外へ逃がすことができる。なお、シリコン原料の供給時または溶融されたシリコンの取り出し時には、第１蓋４を開けてシリコン投入用開口部２ａを露出させても良いし、第１蓋４を開けずに閉じたままでも良い。ここで、第１蓋４でシリコン投入用開口部２ａを覆ったとき、第１蓋４は坩堝２に接しても良いし、シリコン投入用開口部２ａの上方であってシリコン投入用開口部２ａから例えば１〜１００ｍｍ程度離れる位置に配置されていても良い。また、第１蓋４を開けてシリコン投入用開口部２ａを露出させたとき、第１蓋４がシリコン投入用開口部２ａの上方から外れる位置に配置されていれば良い。
【００３８】
第１蓋４の移動方向は特に限定されず、第１蓋４の移動方向を例えば第１蓋４の面内方向（図１における方向Ｓ１）とすることができる。なお、第１蓋４を移動させる構成は特に限定されず、たとえばモーターまたは油圧機構などの駆動装置が第１蓋４に接続されていれば良い。
【００３９】
本発明では、第１蓋４は、図１に示すように坩堝２と別体に設けられていても良いが、坩堝２に一体成形されていても良い。
【００４０】
＜第２蓋＞
本発明における第２蓋５は、第１蓋４に対して坩堝２とは反対側に設けられており、貫通孔部４１の開口４１ａ（対向面４Ａとは反対側に位置する第１蓋４の面における貫通孔部４１の開口）を覆うことができるとともに貫通孔部４１の開口４１ａを露出させることができるように設けられている。第２蓋５で貫通孔部４１の開口４１ａを覆えば、坩堝２内の熱の逃げを防止できる。よって、付着物８（図４および図５参照）の溶融時には第２蓋５で貫通孔部４１の開口４１ａを覆うことが好ましい。また、第２蓋５を開けて貫通孔部４１の開口４１ａを露出させれば、坩堝２のシリコン投入用開口部２ａが露出する。よって、シリコン原料の供給時には、第２蓋５を開けて貫通孔部４１の開口４１ａを露出させることが好ましい。第２蓋５で貫通孔部４１の開口４１ａを覆ったとき、第２蓋５は第１蓋４に接しても良いし、貫通孔部４１の開口４１ａの上方であって貫通孔部４１の開口４１ａから例えば１〜１００ｍｍ程度離れる位置に配置されていても良い。また、第２蓋５を開けて貫通孔部４１の開口４１ａを露出させたとき、第２蓋５は貫通孔部４１の開口４１ａの上方から外れる位置に配置されていれば良い。このように、第２蓋５は、貫通孔部４１の開口４１ａを覆う状態（第２蓋５が貫通孔部４１の開口４１ａの上部に被さるような状態）と貫通孔部４１の開口４１ａを露出する状態との間で可動である。
【００４１】
第２蓋５は、加熱装置３、加熱装置３により加熱された坩堝２、およびシリコン（溶融されたシリコンを含む）などからの輻射熱に耐え得る材料からなれば良く、第２蓋５の材料および第２蓋５の外形は、特に制限されない。第２蓋５は、黒鉛材料からなることが好ましい。黒鉛材料は、シリコン、シリコン酸化物、またはシリコンカーバイドなどとの反応性が低い。また、第２蓋５の材料として黒鉛材料を使用すれば、シリコンを主成分とする付着物８（図４および図５参照）の剥離が容易である。これらのことから、第２蓋５のうち付着物８が蓄積すると考えられる領域、つまり第２蓋５が第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを覆っているときに坩堝２に対向する面（以下「第２蓋５の対向面」と記す）５Ａを黒鉛製とすることが好ましい。さらに、黒鉛材料の中でも耐衝撃性に優れたＣＣ（カーボンコンポジット）材を用いることが特に好ましく、第２蓋５はＣＣ材およびカーボン材が順不同に積層された構造を有していても良い。
【００４２】
また、第２蓋５は、上記材料からなる平面視多角形または平面視円形の板状部材であれば良く、板状部材の好ましい厚みの範囲としては、例えば１ｍｍ〜１００ｍｍを挙げることができる。
【００４３】
上述のように第２蓋５は貫通孔部４１の開口４１ａを覆うことができるとともに貫通孔部４１の開口４１ａを露出させることができるように設けられているが、第２蓋５の移動方向は特に限定されず、一端５１を支点とする図１における方向Ｒ１であっても良いし、図１における方向Ｓ１であっても良い。しかし、下記＜シリコンの精製方法＞で示すように、付着物８（図４および図５参照）が第１蓋４の貫通孔部４１などに蓄積してから、第２蓋５で貫通孔部４１の開口４１ａを覆う。そのため、多量の付着物８が貫通孔部４１に蓄積した時には、多量の付着物８により第２蓋５の水平方向（図１における方向Ｓ１）への移動が妨げられるため、第２蓋５で貫通孔部４１の開口４１ａを覆うことは難しい。一方、多量の付着物８が貫通孔部４１に蓄積した時であっても、一端５１を支点として第２蓋５を図１における方向Ｒ１に移動させて貫通孔部４１の開口４１ａを覆うことは可能である。したがって、第２蓋５は、一端５１を支点として図１における方向Ｒ１に移動することが好ましい。
【００４４】
第２蓋５を移動させる構成（貫通孔部４１の開口４１ａを開閉可能な開閉機構）は特に限定されない。第２蓋５を図１における方向Ｒ１に移動させる場合には、第２蓋５は開閉機構として蝶番（不図示）を有していれば良い。また、図示していないが、たとえばモーターまたは油圧機構などの駆動装置が第２蓋５に接続されて開閉機構を制御しても良い。
【００４５】
第２蓋５は、第１蓋４の貫通孔部４１よりも大きな投影面を有する。これにより、付着物８（図４および図５参照）の溶融時において坩堝２内の熱が逃げることを防止できる。これについては、図２を用いて説明する。図２は、投影面の説明図である。
【００４６】
「第２蓋５が第１蓋４の貫通孔部４１よりも大きな投影面を有する」とは、図２に示すように、第１蓋４および第２蓋５のそれぞれが「蓋」として機能するときに、水平面に対する第２蓋５の投影面Ｐ２が水平面に対する第１蓋４の貫通孔部４１の投影面Ｐ１よりも大きいことを意味する。ここで、第１蓋４が「蓋」として機能するときは、第１蓋４がシリコン投入用開口部２ａを覆うときであり、第２蓋５が「蓋」として機能するときは、第１蓋４が蓋として機能している状態において第２蓋５が第１蓋４の貫通孔部４１を覆うときである。また、上記「水平面」は、実際には、坩堝２内において溶融されたシリコンの表面である。また、水平面に対する第１蓋４の貫通孔部４１の投影面Ｐ１とは、第１蓋４を水平面に投影したときに影で囲まれた領域の境界を意味する。
【００４７】
第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａの形状と第２蓋５の対向面５Ａにおける第２蓋５の外形とは相似関係にあることが望ましい。これにより、第２蓋５にて第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを覆う際に、第１蓋４と第２蓋５との間に存在する隙間からの熱の逃げを有効に防止できる。なお、貫通孔部４１の開口４１ａの形状および第２蓋５の対向面５Ａにおける第２蓋５の外形は図２に示す形状に限定されない。たとえば、開口４１ａの形状は矩形以外の多角形であっても良いし、円形であっても良いし、多角形の一部分が円弧で置換された形状であっても良い。また、第２蓋５の対向面５Ａにおける第２蓋５の外形は多角形であっても良いし、多角形の一部分が円弧で置換された形状であっても良い。
【００４８】
第２蓋５は、第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａの真上に配置されているのが望ましい。これにより、第２蓋５にて第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを覆う際に、第１蓋４と第２蓋５との間に存在する隙間からの熱の逃げを有効に防止できる。
【００４９】
水平面に対する第２蓋５の投影面Ｐ２の面積は、水平面に対する第１蓋４の貫通孔部４１の投影面Ｐ１の面積の１倍以上であることが好ましく、より好ましくは１．１倍以上１．５倍以下である。水平面に対する第２蓋５の投影面Ｐ２の面積が水平面に対する第１蓋４の貫通孔部４１の投影面Ｐ１の面積の１倍未満であれば、付着物８（図４および図５参照）の溶融時において坩堝２内の熱が逃げるおそれがあり、シリコンの精製能の低下を招くことがある。なお、水平面に対する第２蓋５の投影面Ｐ２の面積が大きいと、第２蓋５に付着する付着物８の量が多くなり、また第２蓋５自体も重くなるため、第２蓋５をたとえばモータなどにより移動させることが困難になるおそれがある。このことを考慮すれば、水平面に対する第２蓋５の投影面Ｐ２の面積は水平面に対する第１蓋４の貫通孔部４１の投影面Ｐ１の面積の１．５倍以下であることが好ましい。
【００５０】
ただし、第２蓋５が第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを覆っているときに第２蓋５が第１蓋４に対して平行に配置されているのであれば、投影面Ｐ１および投影面Ｐ２を考える必要はなく、第２蓋５の対向面５Ａにおける第２蓋５の外形が貫通孔部４１の開口４１ａよりも大きければ良い。
【００５１】
以上説明したように、シリコン精製装置１００の第２蓋は、貫通孔部４１の開口４１ａを覆うことができるとともに貫通孔部４１の開口４１ａを露出させることができるように設けられている。第２蓋５で貫通孔部４１の開口４１ａを覆うと、熱が坩堝２の外へ逃げることを防止できるので、付着物８（図４および図５参照）が熱せられて溶融される。このようにシリコン精製装置１００では、シリコンの精製中に付着物８を除去することができるので、第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａ（開口４１ａからは溶融されたシリコン中の不純物が排出される）を確保できる。よって、シリコン精製能の低下を防止できる。それだけでなく、貫通孔部４１が付着物８で閉塞した場合にはシリコン原料の投入が困難になるが、図１に示すシリコン精製装置１００ではシリコンの精製中に付着物８を除去することができるのでシリコン精製装置の連続稼動が容易となる。
【００５２】
＜シリコンの精製方法＞
本発明のシリコン精製方法は、たとえば図１に示すシリコン精製装置１００を用いて行なうことができ、シリコン原料を溶融する工程と、減圧容器内を減圧する工程と、溶融したシリコンを減圧状態にて保持する工程と、溶融されたシリコンを取り出す工程と、付着物を溶融する工程とを備えている。これにより、付着物の蓄積に起因するシリコン精製能の低下を防止することができる。以下、図３〜図５を用いて本発明のシリコン精製方法を説明する。図３は、本発明に係るシリコン精製方法を工程順に示すフロー図である。図４および図５は、それぞれ、本発明に係るシリコン精製方法の一工程におけるシリコン精製装置の構成を模式的に示す断面図である。
【００５３】
まず、工程Ｓ１０において、減圧容器１の内部を減圧状態（たとえば１０Ｐａ以下）とする。
【００５４】
次に、工程Ｓ１１において、シリコン原料たとえばＭＧ−Ｓｉをシリコン投入用開口部２ａから坩堝２内に供給する。このとき、第１蓋４は、図４および図５に示すようにシリコン投入用開口部２ａを覆っていても良いし、シリコン投入用開口部２ａを露出させていても良い。一方、第２蓋５は、図４に示すように第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを露出させることが好ましい。これにより、第２蓋５が邪魔となることなくシリコン原料を坩堝２内へ供給することができる。
【００５５】
次に、工程Ｓ１２において、坩堝２内のシリコン原料を溶融させる。具体的には、加熱装置３によって坩堝２内のシリコン原料を加熱する。
【００５６】
次に、工程Ｓ１３において、溶融されたシリコンを減圧状態にて保持する。これにより、シリコンよりも蒸気圧が高い不純物元素（主にリン）がシリコンよりも優先的に蒸発する。蒸発した不純物元素は坩堝２内から貫通孔部４１を通って坩堝２の外へ放出される。よって、シリコンが精製される。
【００５７】
工程Ｓ１３では、第１蓋４は、図４および図５に示すようにシリコン投入用開口部２ａを覆うことが好ましい。これにより、溶融されたシリコン７の表面または坩堝２の内壁からの輻射による抜熱が起きることを防止できる。よって、加熱装置３に余分なエネルギー（電力）が必要となることを防止でき、したがって、減圧容器１の内部の温度が非常に上昇するなどの不都合が生じることを防止できる。
【００５８】
しかし、第１蓋４がシリコン投入用開口部２ａを覆った状態でシリコン原料の溶融を継続すると、貫通孔部４１、坩堝２の内部、または第１蓋４の対向面４Ａなどに付着物８が蓄積する（図４参照）。付着物８の組成としては、シリコン、シリコン酸化物、またはシリコン炭化物などが考えられる。貫通孔部４１に付着物８が蓄積すると、貫通孔部４１が付着物８で塞がれるので、シリコン精製能の低下を招く。よって、付着物８を適宜取り除く必要がある。そこで、本発明では、工程Ｓ１４を行なってから工程Ｓ１５および工程Ｓ１６を行なう。
【００５９】
溶融されたシリコンを減圧状態にて一定時間保持したら、溶融されたシリコン７を坩堝２から取り出す（工程Ｓ１４）。溶融されたシリコン７の取り出し方法は特に限定されず、シリコン精製方法において公知の取り出し方法であれば良く、例えば坩堝２の側壁に設けられた出湯口から溶融されたシリコン７を取り出すことができる。これにより、精製されたシリコンが得られる。
【００６０】
続いて、工程Ｓ１５において、図５に示すように第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを第２蓋５で覆う。
【００６１】
続いて、工程Ｓ１６において、付着物８が溶融される。このとき、工程Ｓ１５では第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａが第２蓋５で覆われているので、坩堝２内に存在していた溶融されたシリコン７からの輻射によって付着物８の温度が上昇する。よって、付着物８の一部（シリコンと考えられる）が再溶融し、再溶融された付着物８が坩堝２内へ落下する。これにより、第１蓋４の貫通孔部４１、坩堝２の内部、または第１蓋４の対向面４Ａに付着した付着物８の少なくとも一部、特に貫通孔部４１に付着した付着物８の少なくとも一部が除去される。
【００６２】
続いて、工程Ｓ１７において、第２蓋５を開けて第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを露出させる。その後、工程Ｓ１１に戻って、工程Ｓ１２〜工程Ｓ１７を順に行なっても良い。このとき、２回目の工程Ｓ１１では、新たなシリコン原料を、再溶融された付着物８が落下した坩堝２内へ供給する。しかし、２回目の工程Ｓ１１の後には工程Ｓ１２を行なうため、２回目の工程Ｓ１２では新たに供給されたシリコン原料とともに坩堝２内へ落下した付着物８も精製されると考えられる。よって、シリコン精製中に付着物８によりシリコンが再汚染されることを防止できる。
【００６３】
以上説明したように、本発明のシリコン精製方法によれば、シリコン精製工程を停止することなく付着物８を除去できる。よって、シリコンの精製能が向上し、さらにはシリコン精製装置を連続稼動させてシリコン原料を精製できる。したがって、太陽電池用シリコン原料を安価に製造できる。
【００６４】
なお、本発明のシリコン精製方法は、上記方法に限定されない。たとえば、減圧容器１の内部を減圧する工程Ｓ１０とシリコン原料を坩堝２内に供給する工程Ｓ１１とシリコン原料を溶融する工程Ｓ１２との順序は図３に記載の順序に限定されない。
【００６５】
また、図６に示す工程Ｓ２４を備えていても良い。図６は、本発明の別の実施形態に係るシリコン精製方法を工程順に示すフロー図である。図６に示すシリコン精製方法では、図３に示す工程Ｓ１１〜Ｓ１４を順に行なってから、希ガスを供給する工程Ｓ２４を行なう。
【００６６】
工程Ｓ２４では、減圧容器１内に希ガスを供給する。このとき、希ガスを少なくとも坩堝２内に供給することが好ましい。これにより、坩堝２内の熱が希ガスを介して付着物８へ伝達されることとなる。よって、希ガスを供給する工程Ｓ２４を行なわない場合に比べて、付着物８の溶融が容易となる。したがって、シリコン精製能の更なる向上、およびシリコン精製装置の連続稼動の更なる容易性を図ることができる。
【００６７】
希ガスとしては、たとえば、アルゴンガスまたはヘリウムガスなどを単独で用いても良いし、これらのガスを混合して用いても良いが、アルゴンガスを単独で用いることが好ましい。また、希ガスの供給量は、坩堝２の温度などに依存するため一概に言えないが、坩堝２の内部空間の５０％以上がこの希ガスで充填される量であれば良く、好ましくは坩堝２の内部空間の１００％がこの希ガスで充填される量である。
【００６８】
希ガスを供給する工程が終了すれば、図３に示す工程Ｓ１５、工程Ｓ１６および工程Ｓ１７を順に行なう。なお、図６に示すシリコン精製方法においては、工程Ｓ１５〜工程Ｓ１７を繰り返し行っても良い。
【００６９】
なお、図６に示すシリコン精製方法では、第２蓋５で第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを覆う工程Ｓ１５の後で希ガスを供給する工程Ｓ２４を行なっても良い。しかし、第２蓋５で第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを覆う工程Ｓ１５の前に希ガスを供給する工程Ｓ２４を行なえば、希ガスを坩堝２内へ供給し易い。よって、図６に示すように、希ガスを供給する工程Ｓ２４は、第２蓋５で第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを覆う工程Ｓ１５の前に行なわれることが好ましい。
【実施例】
【００７０】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７１】
＜実施例１＞
実施例１では、図１に示すシリコン精製装置１００を用いてシリコン原料を精製した。本実施例で用いたシリコン精製装置１００には、１７２０ｍｍ×１４５０ｍｍ×２７５０ｍｍの容積を有する減圧容器１が設けられていた。この減圧容器１には、１台の油拡散ポンプ、１台のメカニカルブースターポンプ、および２台のロータリーポンプが接続されていた。減圧容器１内には、坩堝２と、加熱装置３と、第１蓋４と、第２蓋５とが設けられていた。坩堝２は、高純度の黒鉛製であり、内径が７００ｍｍであり、且つ凹部の深さが６９０ｍｍである円筒形であった。この坩堝２には、出湯口が形成されていた。出湯口は内径が５０ｍｍの開口であり、出湯口には高純度黒鉛製のパイプ状の誘導路（内径は出湯口の内径と同じ）が配置されていた。第１蓋４は、黒鉛断熱材料の積層構造からなる直径１０００ｍｍのリングであり、坩堝２の上方に配置されていた。第１蓋４には貫通孔部４１（開口４１ａの大きさは２６９２７０ｍｍ2）が形成されており、貫通孔部４１が坩堝２のシリコン投入用開口部２ａに連通するように第１蓋４は配置されていた。第２蓋５は、黒鉛断熱材料からなり、面５１Ａの面積が３０１９０８ｍｍ2である多角形形状を有し、第１蓋４の開口を開閉自在となるように第１蓋４の上方に配置されていた。
【００７２】
まず、上述のポンプを運転させて減圧容器１の内圧を１Ｐａ以下とした。金属級シリコン原料を坩堝２内に供給してから、加熱装置３によって坩堝２内のシリコン原料を加熱した。これにより、坩堝２内のシリコン原料は溶融された。その後、１Ｐａ以下の減圧状態にて、溶融されたシリコンを１３．５時間維持した。
【００７３】
次に、溶融されたシリコンを坩堝２の出湯口から取り出してから、第２蓋５で第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを覆った。第１蓋４の貫通孔部４１に蓄積した付着物８の溶融が確認されたら（約２時間経過後）、第２蓋５を開けて第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを露出させた。その後、２回目の精製を行なった。
【００７４】
なお、本実施例のシリコン精製は、加熱し過ぎなどに起因する坩堝２の割れを防止するために、シリコン精製中に亘って第２蓋５を１０分ごとに開閉させ、坩堝２内の圧力および坩堝２内の熱を定期的に逃がして行なった。
【００７５】
＜実施例２＞
実施例２では、溶融されたシリコンを坩堝２内から取り出した後、アルゴンガスを減圧容器１内に供給してから第２蓋５で第１蓋４の貫通孔部４１の開口４１ａを覆ったことを除いては上記実施例１に記載の方法にしたがって、シリコン原料を精製した。ＩＣＰ（Inductively  Coupled  Plasma）により得られたシリコン中のリンの濃度を測定すると、そのリンの濃度は０．０５ｐｐｍＷであった。
【００７６】
＜比較例＞
比較例では、第２蓋が設けられていないシリコン精製装置を用いてシリコン原料を精製した。しかし、比較例では、付着物８が第１蓋４の貫通孔部４１に蓄積したために、新たなシリコン原料を坩堝２内に投入することが出来なかった（連続稼働において９回目のシリコン精製を行なうことができなった）。
【００７７】
以上より、実施例１または実施例２に記載の方法にしたがってシリコン原料を精製すれば、シリコンの精製能を低下させることなくシリコン精製装置を連続稼動させることができた。また、実施例２に記載の方法にしたがってシリコン原料を精製すれば、太陽電池のシリコン材料として使用可能な純度を有するシリコンが得られることが分かった。
【００７８】
一方、比較例に記載の方法にしたがってシリコン原料を精製した場合には、シリコンの精製能が低下するために、太陽電池のシリコン材料として使用可能な純度を有するシリコンを得にくいことが分かった。
【００７９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８０】
１  減圧容器、２  坩堝、２ａ  シリコン投入用開口部、３  加熱装置、４  第１蓋、４Ａ  対向面、５  第２蓋、５Ａ  対向面、６  真空ポンプ、７  シリコン、８  付着物、４１  貫通孔部、４１ａ  開口、５１  一端、１００  シリコン精製装置。
【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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