JP2010052973A - シリコンの精製装置および精製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱効率および精製効率の両立向上（精製電力原単位の低減）を図ることができ、メンテナンス性に優れたシリコンの精製装置および精製方法を提供する。
【解決手段】金属シリコン１８を装填する坩堝１５と、カソード電極１２およびプラズマ作動ガス供給口１１ａを有し、坩堝１５に向けたノズル部１１ｂからプラズマアークを噴射するプラズマトーチ１１と、プラズマアークにより生じたプラズマジェットを通過させて坩堝１５まで誘導する貫通孔１６ａを有し、プラズマトーチ１１および坩堝１５から離間させてプラズマトーチ１１および坩堝１５の間に配置されたグラファイトからなるアノード電極１６と、前記カソード電極１２およびアノード電極１６の間に直流電圧を印加する電源１３と、を少なくとも備えたシリコン精製装置１０を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属シリコン（金属シリコンからなる母材）をプラズマアーク加熱によって精製するシリコンの精製装置および精製方法に関する。

太陽電池等に使用されるシリコンの精製において、プラズマアーク加熱による精製は、含有不純物であるボロン（Ｂ）を除去するための酸化精製等に用いられる（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。プラズマアーク炉（プラズマアーク加熱によるシリコン精製装置）は、移送型と非移送型とに大別される。

移送型は、プラズマトーチ内にカソード電極を設け、プラズマトーチのノズル部には僅かな直流電圧しか印加せず、坩堝の底部に設けた導電性部材をアノード電極として、両電極間に直流電圧を印加してプラズマアークを発生させ、ノズル部から、坩堝内に装填された金属シリコンに向けて、プラズマアークを噴射し、金属シリコンを加熱するものである（例えば、特許文献１参照）。

また、非移送型は、プラズマトーチ内にカソード電極とアノード電極を設け、プラズマトーチ内の両電極間に直流電圧を印加してプラズマアークを発生させ、プラズマトーチのアノード電極を兼ねるノズル部から、坩堝内に装填された金属シリコンに向けて、プラズマジェットを噴射し、金属シリコンを加熱するものである（例えば、特許文献１、２参照）。

移送型と非移送型とを比較すると、移送型は、被加熱物に直接プラズマアークが当たるため、非移送型よりも金属シリコンの加熱効率に優れている。この移送型では、非移送型の１／２〜１／３の投入電力（トーチ出力）で、同量の金属シリコンを溶解することができる。つまり、移送型の加熱効率は、非移送型の２〜３倍となる。非移送型では、アノード電極を兼ねるノズル部の熱負荷が大きく、エネルギーのかなりの部分（５０％以上）が浪費され、冷却水に逃げているため、加熱効率が低下する。

しかしながら、非移送型は、ボロンを除去する酸化精製においては、移送型よりもボロンの除去速度が速く、シリコンの精製効率に優れている。この非移送型の精製効率は、移送型の２〜３倍となる。従って、ボロンの除去に要する電力原単位は、移送型と非移送型のいずれを用いてもほぼ同じになる。

移送型では、いわゆるピンチ効果によってプラズマアークが収束するため、溶湯シリコンに当たるプラズマジェット（プラズマガス）が広がらないが、非移送型では、プラズマアークがプラズマトーチから噴射されず、プラズマジェットのみが噴射されるため、溶湯シリコン表面において上記のピンチ効果が働かず、金属シリコンに当たるプラズマジェットが広がる。

ボロンを除去する酸化精製は、例えば、溶湯シリコン表面に、不活性ガス（プラズマ作動ガス）であるアルゴン（Ａｒ）ガスに酸化性ガスである水蒸気を添加した混合ガスを吹き付けて、ボロンを酸化して蒸発させるものである。非移送型では、上記のようにプラズマジェットの当たる溶湯シリコン表面積を広くできることが、ボロンが酸化されて蒸発する反応面積を広げるのに役立っていると考えられる。

また、移送型は、被加熱物をアノード電極とする必要があるため、絶縁体を加熱することはできない。しかし、非移送型は、被加熱物をアノード電極とする必要がないため、絶縁体や比抵抗の大きな固相のシリコンの加熱にも用いることができる。
特開平１０−２０３８１３号公報 特開２００４−１２５２４６号公報 日本金属学会誌、第６７巻、第１０号、２００３年、ｐ５８３−５８９

しかしながら、上記従来の移送型プラズマアーク加熱では、加熱効率は良いが、精製効率の低下を余儀なくされ、上記従来の非移送型プラズマアーク加熱では、逆に精製効率は良いが、加熱効率の低下を余儀なくされ、加熱効率の向上と精製効率の向上を両立することが困難であるという課題があった。

また、非移送型においては、アノード電極を兼ねたノズル部は消耗により交換等のメンテナンスが必要となるが、このノズル部はプラズマトーチを構成する部材であるので、メンテナンスに手間と時間がかかるという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、加熱効率および精製効率の両立向上（精製電力原単位の低減）を図ることができ、メンテナンス性に優れたシリコンの精製装置および精製方法を提供することを目的とするものである。

本発明の第１のシリコンの精製装置は、金属シリコンからなる母材をプラズマアーク加熱によって精製するシリコンの精製装置において、前記母材を装填する坩堝と、カソード電極およびプラズマ作動ガス供給口を有し、前記坩堝に向けたノズル部からプラズマアークを噴射するプラズマトーチと、前記プラズマアークにより生じたプラズマジェットを通過させて前記坩堝まで誘導する貫通孔を有し、前記プラズマトーチおよび前記坩堝から離間させて前記プラズマトーチおよび前記坩堝の間に配置されたグラファイトからなるアノード電極と、前記カソード電極および前記アノード電極の間に直流電圧を印加する電源と、を少なくとも備えたことを特徴とするものである。

本発明の第２のシリコンの精製装置は、上記第１の精製装置において、前記プラズマトーチと対向する前記アノード電極の面に、断熱部材を設けたことを特徴とするものである。

本発明の第３のシリコンの精製装置は、上記第１または第２の精製装置において、前記アノード電極を、前記プラズマトーチおよび前記坩堝の間の空間に搬入出する移動手段と、前記アノード電極を前記空間に搬出したときには、前記電源を前記アノード電極から切り離して、前記坩堝の底部に設けられた導電性部材に接続し、前記アノード電極を前記空間に搬入したときには、前記電源を前記導電性部材から切り離して、前記アノード電極に接続する電源切換手段と、をさらに備えたことを特徴とするものである。

また、本発明のシリコンの精製方法は、上記第３の製造装置を用いたシリコンの精製方法であって、前記アノード電極を前記空間に搬入し、前記アノード電極を介して放射されるプラズマジェットによって前記母材を加熱する工程と、前記アノード電極を前記空間から搬出し、前記プラズマトーチから噴射されるプラズマアークによって前記母材を加熱する工程と、を含むことを特徴とするものである。

本発明の第１のシリコンの精製装置によれば、プラズマトーチおよび坩堝から離間させてプラズマトーチと坩堝の間にアノード電極を配置することにより、トーチノズル先端内面への電子の流れ込みによる熱発生が無くなりプラズマトーチでの熱損失を低減でき、アノード電極を冷却する必要もなくなってアノード電極からの輻射熱によっても金属シリコンを加熱できるので、非移送型よりも加熱効率を向上させることができるという効果がある。また、プラズマアークがプラズマトーチとアノード電極間に生じ、アノード電極から坩堝内の金属シリコンにはプラズマジェットのみが広がって当たるので、移送型よりも精製効率を向上させることができるという効果がある。従って、加熱効率と精製効率の両立向上（精製電力原単位の低減）を図ることができる。さらに、アノード電極はプラズマトーチおよび坩堝から離間させて配置されるので、アノード電極のメンテナンスが容易になるという効果がある。

また、本発明の第２のシリコンの精製装置によれば、アノード電極のプラズマトーチ側の面に、断熱部材を設けたことにより、アノード電極からの輻射熱がプラズマトーチ側に逃げるのを防止でき、この輻射熱を金属シリコンの加熱に有効利用できるので、加熱効率をさらに向上できるという効果がある。

さらに、本発明の第３のシリコンの精製装置および本発明のシリコンの精製方法によれば、プラズマトーチと坩堝の間の空間にアノード電極を搬入したプラズマアーク加熱と、移送型プラズマアーク加熱とを使い分けることにより、金属シリコンの溶解にかかる時間を短縮できるという効果がある。

以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１のシリコン精製装置の構成および動作を説明する模式的断面図である。図１において、実施の形態１のシリコン精製装置１０は、プラズマトーチ１１と、カソード電極１２と、直流電源１３と、抵抗１４と、坩堝１５と、アノード電極１６とを備えて構成されている。また、図２はアノード電極１６を説明する模式図であり、（ａ）は上面図（トーチ１１側から見た図）、（ｂ）は（ａ）においてのＬ１−Ｌ１間の断面図である。

プラズマトーチ１１の上部には、プラズマ動作ガス（不活性ガス）Ｇ１をトーチ内に供給するための供給口１１ａが形成されている。プラズマ動作ガスＧ１として、ここではアルゴン（Ａｒ）ガスを使用する。また、プラズマトーチ１１には、冷却水Ｗが循環している。

プラズマトーチ１１の内部には、カソード電極１２が設けられている。このカソード電極１２は、プラズマトーチ１１とは絶縁され、直流電源１３の負極に接続されており、アノード電極１６との間にプラズマアークＰのアークを発生させるための熱電子を放出する。

プラズマトーチ１１の先端部には、坩堝１５およびアノード電極１６に向けてプラズマアークＰを噴射するためのノズル部１１ｂが形成されている。このノズル部１１ｂは、導電性部材からなり、抵抗１４を介して、直流電源１３の正極に接続されている。このように、プラズマトーチ１１は、移送型プラズマトーチと同様の構成である。

坩堝１５は、プラズマトーチ１１の直下に配置されている。この坩堝１５内には、プラズマアーク加熱によって精製される金属シリコン（金属シリコンからなる母材）１８が装填される。この坩堝１５として、ここでは、黒鉛（グラファイト）からなる坩堝（黒鉛坩堝）を使用する。

プラズマトーチ１１から噴射されたプラズマアークＰにより生じたプラズマジェット（プラズマガス）Ｊを、坩堝１５内の金属シリコン１８表面に吹き付けて加熱すると、金属シリコン１８は溶解し、プラズマジェットＪが当たる領域に窪み１８ａを生じる。そして、金属シリコン１８が全て完全に溶解し、この金属シリコン１８の溶湯表面に酸化性ガスＧ２を吹き付けると、主に金属シリコン１８の溶湯の窪み１８ａ表面において、ボロンが酸化性ガスＧ２によって酸化され、蒸発して除去される。従って、酸化性ガスＧ２が、窪み１８ａ表面に吹き付けられるように、酸化性ガスＧ２の供給手段を調整する。ここでは、酸化性ガスＧ２として、水蒸気を使用する。

アノード電極１６は、プラズマトーチ１１と坩堝１５との間の空間に配置されている。このアノード電極１６は、特性、価格、加工性等に優れた導電性の黒鉛（グラファイト）からなり、直流電極１３の正極に接続されている。

図２に示すように、アノード電極１６は、円筒形状（ドーナツ形状）をなしており、その厚さ方向には、プラズマトーチ１１から噴射されたプラズマアークＰにより生じたプラズマジェットＪを通過させて坩堝１５に誘導する貫通孔１６ａが設けられている。なお、アノード電極１６の外形は、必ずしも同心円である必要はなく、楕円や多角形とすることも可能である。

アノード電極１６は、その貫通孔１６ａの中心軸が、トーチノズル部１１ｂの中心軸と同軸になるように配置される。また、アノード電極１６は、プラズマトーチ１１および坩堝１５とは別個の支持体によって支持され、あるいはプラズマトーチ１１または坩堝１５から延設された支持体によって支持され、プラズマトーチ１１および坩堝１５から離間させて設けられている。これにより、消耗した場合の交換等のメンテナンス作業が容易に可能となる。さらに、垂直方向の位置調整（高さ調整）が容易に可能である。

トーチノズル１１ｂから噴射されたプラズマアークＰのアークは、主としてアノード電極１６の貫通孔１６ａを形成している内周側面に収束し、これによってアノード電極１６も加熱される。しかし、アノード電極１６は、プラズマトーチ１１から離間させて配置されており、グラファイトからなるため、アノード電極１６の冷却は不要である。そして、アノード電極１６からの輻射熱は、坩堝１５内の金属シリコン１８の加熱に利用できる。この輻射熱の利用は、アノード電極１６が坩堝１５に近いほど、アノード電極１６からの輻射熱の効率的な利用が可能となる。

一方、アノード電極１６の貫通孔１６ａを通過して坩堝１５に誘導されるのは主としてプラズマジェットＪであり、プラズマジェットＪが当たる金属シリコン１８の溶解表面に窪み１８ａが形成され、主として窪み１８ａ表面において、ボロンの酸化・蒸発・除去がなされる。アノード電極１６が坩堝１５から遠いほど（プラズマトーチ１１に近いほど）、プラズマジェットＪの当たる領域は広くなり、効率的な精製が可能となる。

従って、加熱効率と精製効率の両立向上（精製電力原単位の低減）を図ることができる最適な位置、あるいは所望の加熱効率が得られる最も高い位置、または所望の精製効率が得られる最も低い位置になるように、容易にアノード電極１６の高さを調整できる。

なお、アノード電極１６を、貫通孔１６ａを有するドーナツ形状の内リングと外枠とによって構成することも可能である。このような構成とすることにより、メンテナンス時に、消耗がより激しい内リングの交換のみで対応できるため、メンテナンスコストを低減できる。

このように、アノード電極１６をプラズマトーチ１１と坩堝１５の間に配置した実施の形態１のシリコン精製装置１０は、アノード電極１６のプラズマトーチ１１側（上側）では移送型プラズマアーク炉と同様の性質を有し、アノード電極１６の坩堝１５側（下側）では非移送型プラズマアーク炉と同様の性質を有する、言わば半移送型プラズマアーク炉である。つまり、アノード電極１６をプラズマトーチ１１と坩堝１５の間に個別に配置することにより、プラズマトーチ１１を移送型プラズマトーチと同様の構成として、非移送型プラズアーク炉のような動作（振る舞い）をさせることができる。そして、この半移送型プラズマアーク炉によるプラズマアーク加熱は、言わば半移送型プラズマアーク加熱である。

この実施の形態１のシリコン精製装置１０によるシリコン精製手順について、以下に説明する。まず、金属シリコン（金属シリコンからなる母材）１８を坩堝１５内に装填する。そして、図１のように、プラズマ作動ガス（不活性ガス）であるＡｒガスＧ１をプラズマトーチ１１に供給して、プラズマアークＰを発生させ、半移送型プラズマアーク加熱によって金属シリコン１８を加熱する。このときのシリコン精製装置１０のトーチ出力は、例えば、３ｋＷ／ｋｇ〜３０ｋＷ／ｋｇの範囲内に設定する。

次に、金属シリコン１８が全て完全に溶解したことを確認したら、その後、所定時間、金属シリコン１８の溶湯を半移送型プラズマアーク加熱しながら、金属シリコン１８の溶湯表面に、酸化性ガスである水蒸気Ｇ２を吹き付け、金属シリコン１８を酸化精製する。

ここで、例えば、金属シリコン１８の温度が１４２０℃以上で、塊状のシリコンが消失したら、完全に溶解したと判断する。また、酸化精製時のシリコンの溶湯の温度は１５００℃以上１７００℃以下に保つのが望ましい。温度が１５００℃以下では、酸化精製のために吹き付ける水蒸気の影響でシリカ（ＳｉＯ_２）の被膜に覆われやすく、脱ボロン速度が低下するからである。一方、シリコンの溶湯温度は高過ぎても脱ボロン速度は低下するため１７００℃以下とするのが望ましい。また、添加する水蒸気Ｇ２の流量は、ＡｒガスＧ１の流量の１％〜１５％の範囲内とすることが望ましい。１％以下であると脱ボロン速度が低下し、１５％以上にするとシリカの被膜に覆われやすく、やはり脱ボロン速度が低下するからである。また、水蒸気Ｇ２の添加後のトーチ出力は、３ｋＷ／ｋｇ〜３０ｋＷ／ｋｇの範囲内に設定することが望ましい。

これにより、金属シリコン１８の含有不純物であるボロンは、水蒸気Ｇ２によって酸化されて除去され、金属シリコン１８の酸化精製がなされる。

以上のように本発明の実施の形態１によれば、プラズマトーチ１１および坩堝１５から離間させてプラズマトーチ１１と坩堝１５の間に、グラファイトからなるアノード電極１６を配置することにより、非移送型のようなプラズマトーチの冷却が不要となってプラズマトーチでの熱損失を低減でき、アノード電極１６を冷却する必要もなくなって加熱されたアノード電極１６の輻射熱によっても金属シリコン１８を加熱できるため、移送型よりも加熱効率を向上させることができる。

また、金属シリコン１８の表面に誘導されるプラズマジェットＪは、移送型のプラズマアークよりもピンチ効果が小さいものとなるため、金属シリコン１８の溶湯表面で広がり、移送型よりも精製効率を向上できる。

そして、プラズマトーチ１１と坩堝１５の間においてのアノード電極１６の位置（高さ）は容易に調整することができ、これにより加熱効率と精製効率の調整が可能となるので、加熱効率と精製効率の両立向上（精製電力原単位の低減）を図ることができる。

さらに、アノード電極１６は、プラズマトーチ１１および坩堝１５から離間させて配置されるので、アノード電極１６のメンテナンスが容易になり、メンテナンス性に優れたシリコン精製装置が得られる。

実施の形態２
図３は本発明の実施の形態２のシリコン精製装置の構成および動作を説明する模式断面図であり、図１と同様のものには同じ符号を付してある。図３において、実施の形態２のシリコン精製装置２０は、プラズマトーチ１１と、カソード電極１２と、直流電源１３と、抵抗１４と、坩堝１５と、アノード電極１６と、断熱部材２６とを備えて構成されている。また、図４はアノード電極１６に設けられた断熱部材２６を説明する模式図であり、（ａ）は上面図（トーチ１１側から見た図）、（ｂ）は（ａ）においてのＬ２−Ｌ２間の断面図である。

この実施の形態２のシリコン精製装置２０は、上記実施の形態１のシリコン精製装置１０において、アノード電極１６に断熱部材２６を設けたものである。この断熱部材２６としては、金属シリコン１８の汚染の影響が少ない炭素繊維質の断熱材や、窒化珪素質のセラミックス等を使用することが望ましい。

図４に示すように、断熱部材２６は、アノード電極１６のプラズマトーチ１１側の面（上面）および外側面を被覆するように設けられている。アノード電極１６は、その貫通孔１６ａの中心軸が、トーチノズル部１１ｂの中心軸と同軸になるように配置されており、プラズマアークＰ中のアークが収束するとともに、プラズマジェット（プラズマガス）Ｊが貫通孔１６ａを通過するので、かなり高温に加熱される。

アノード電極１６のプラズマトーチ１１側の面に断熱部材２６を設けることにより、アノード電極１６からの輻射熱がプラズマトーチ１１側に逃げてプラズマトーチ１１のノズル部１１ｂを加熱することを防止するとともに、金属シリコン１８の溶湯表面からの輻射熱がアノード電極１６を介してプラズマトーチ１１側に逃げることを防止して、アノード電極１６からの輻射熱によって金属シリコン１８をさらに効率良く加熱することができる。

なお、この実施の形態２のシリコン精製装置によるシリコン精製手順は、例えば上記実施の形態１のシリコン精製手順と同様である。また、アノード電極１６のプラズマトーチ１１側の面にのみ断熱部材２６を設けた構成とすることも可能である。

以上のように本発明の実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果が得られることに加え、アノード電極１６のプラズマトーチ１１側に断熱部材２６を配置したことにより、アノード電極１６からの輻射熱および金属シリコン１８の溶湯表面からの輻射熱がプラズマトーチ１１側に逃げてノズル部１１ｂを加熱することを防止でき、金属シリコン１８を効率良く加熱できるので、加熱効率をさらに向上させることができる。

実施の形態３
図５は本発明の実施の形態３のシリコン精製装置の構成を説明する模式的断面図であり、図１と同様のものには同じ符号を付してある。図５において、実施の形態３のシリコン精製装置３０は、プラズマトーチ１１と、カソード電極１２と、直流電源１３と、抵抗１４と、坩堝３５と、アノード電極１６と、電源切換手段３３と、アノード電極移動手段３６とを備えて構成されている。

この実施の形態３のシリコン精製装置３０は、上記実施の形態１のシリコン精製装置１０において、坩堝１５を坩堝３５に変更し、電源切換手段３３およびアノード電極移動手段３６を設けたものであり、上記実施の形態１の半移送型プラズマアーク加熱と、移送型プラズマアーク加熱とを切り換えられる構成としたものである。

坩堝３５は、上記実施の形態１の坩堝１５において、移送型プラズマアーク加熱をするときにアノード電極となる導電性部材３５ａを底部に設けたものである。

アノード電極移動手段３６は、アノード電極１６を水平方向に移動可能とし、半移送型プラズマアーク加熱をするときには、図５（ａ）のように、アノード電極１６をプラズマトーチ１１と坩堝３５の間に搬入し、移送型プラズマアーク加熱をするときには、図５（ｂ）のように、アノード電極１６をプラズマトーチ１１と坩堝３５の間から搬出する。

電源切換手段３３は、アノード電極１６を搬入して半移送型プラズマアーク加熱をするときには、アノード電極１６を電源１３の正極に接続して、導電性部材３５ａを電源１３の正極から切り離し、アノード電極１６を搬出して移送型プラズマアーク加熱をするときには、導電性部材３５ａを電源１３の正極に接続して、アノード電極１６を電源１３の正極から切り離す。

この実施の形態３のシリコン精製装置３０によるシリコン精製手順について、以下に説明する。まず、金属シリコン（金属シリコンからなる母材）１８を坩堝３５内に装填する。そして、図５（ａ）のようにアノード電極１６を搬入するとともに、プラズマ作動ガス（不活性ガス）であるＡｒガスＧ１をプラズマトーチ１１に供給して、カソード電極１２とアノード電極１６の間にプラズマアークＰを発生させ、半移送型プラズマアーク加熱によって金属シリコン１８を加熱する。このときのシリコン精製装置３０のトーチ出力は、例えば、３ｋＷ／ｋｇ〜３０ｋＷ／ｋｇの範囲内に設定する。

固相の金属シリコンの比抵抗は室温付近では極めて大きいので、溶解時間の短い移送型プラズマアーク加熱で最初から加熱することは難しい。このため、移送型プラズマアーク加熱が可能となるまで、図５（ａ）の半移送型プラズマアーク加熱によって金属シリコン１８を加熱してその温度を上昇させる。

次に、金属シリコン１８の温度が上昇してその一部が溶解を開始し、移送型プラズマアーク加熱が可能になったら、図５（ｂ）のようにアノード電極１６を水平移動して搬出するとともに、電源１３の正極の接続を坩堝３５の導電性部材３５ａに切り換えて、カソード１２と金属シリコン１８の間にプラズマアークＰを発生させ、移送型プラズマアーク加熱によって金属シリコン１８を加熱して溶解する。このときのシリコン精製装置３０のトーチ出力は、例えば、３ｋＷ／ｋｇ〜３０ｋＷ／ｋｇの範囲内に設定する。

このように、金属シリコン１８の温度が、移送型プラズマアーク加熱が可能な温度まで上昇したら、半移送型プラズマアーク加熱から移送型プラズマアーク加熱に切り換えることにより、金属シリコン１８の溶解時間を短縮することができる。

この半移送型プラズマアーク加熱から移送型プラズマアーク加熱に切り換える時点では、金属シリコン１８の大部分はまだ固相を維持し、ほんの一部が溶解し始めている。従って、作業者は、金属シリコン１８の表面を目視観察することにより、容易にこの切り換え時期を判断できる。なお、光温度計等のセンサを用いて、上記切換時期の判断をすることも可能である。

次に、金属シリコン１８が全て完全に溶解したことを確認したら、図５（ａ）のようにアノード電極１６を水平移動して再び搬入するとともに、電源１３の正極の接続をアノード電極１６に切り換えて、半移送型プラズマアーク加熱を再開する。例えば、金属シリコンの温度が１４２０℃以上となり塊状のシリコンが消失したら、完全に溶解したと判断して、移送型プラズマ加熱から半移送型プラズマ加熱に切り換える。あるいは、シリコンの溶湯温度が１５００℃以上に昇温してから切り換えても良い。また、このときのシリコン精製装置３０のトーチ出力は、例えば、３ｋＷ／ｋｇ〜３０ｋＷ／ｋｇの範囲内に設定する。

そして、所定時間、金属シリコン１８の溶湯を半移送型プラズマアーク加熱しながら、溶湯表面に、酸化性ガスである水蒸気Ｇ２を吹き付ける。このとき、シリコンの溶湯温度は１５００℃以上１７００℃以下に保たれるように電力を調整し、水蒸気Ｇ２の流量は、例えば、ＡｒガスＧ１の流量の１％〜１５％の範囲内とする。

これにより、金属シリコン１８に含有された不純物であるボロンは、水蒸気Ｇ２によって酸化されて除去され、金属シリコン１８の酸化精製がなされる。

以上のように本発明の実施の形態３によれば、上記実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、半移送型プラズマアーク加熱と、移送型プラズマアーク加熱とを使い分けることができるので、シリコン精製手順において、移送型プラズマアーク加熱による強力な加熱が必要なときにこれに切り換えることにより、加熱時間を短縮することができるので、さらに加熱効率を向上させることができ、省電力化が図れる。また、アノード電極１６と、導電性部材３５ａを使い分けることになるので、アノード１６の消耗を低減することができる。

なお、上記実施の形態３のシリコン精製装置３０において、アノード電極１６に、上記実施の形態２のように断熱部材２６を配置することも可能である。また、上記実施の形態３のシリコン精製装置３０において、アノード電極１６を搬入したまま水平移動させず、上記実施の形態１で説明したシリコン精製手順を実施することも、勿論可能である。

実施例１
図１のシリコン精製装置１０を使用して、金属シリコンを精製した。
まず、金属シリコン（ボロン濃度６ｐｐｍ）１０ｋｇを黒鉛坩堝に装填した（ステップＳ１）。
そして、トーチ出力を１００ｋＷに設定し、Ａｒガスを流量１００リットル／分でプラズマトーチに供給して、半移送型プラズマアークを発生させ、この半移送型プラズマガスによって金属シリコンを加熱した（ステップＳ２）。
次に、金属シリコンが完全に溶解したことを確認し、さらに金属シリコンの溶湯温度が１５５０℃に達するまで加熱を継続した（ステップＳ３）。金属シリコン加熱開始後、溶湯温度が１５５０℃に到達するまでに要した時間は８０分であった。
その後、トーチ出力を７０ｋＷに設定し、Ａｒガス流量の１０％に相当する流量の水蒸気を添加した（ステップＳ４）。
そして、水蒸気の添加後、１時間、酸化精製した（ステップＳ５）。
その後、上記の酸化精製によりボロンを除去した実施例１の精製シリコンをサンプリングし、そのボロン濃度を測定した。この結果と、シリコンを溶解し１５５０℃までに加熱するのに要した時間を、下記の表１に示す。

実施例２
図３のシリコン精製装置２０（アノード電極１６に断熱部材２６を設けたもの）を使用して、金属シリコンを精製した。
金属シリコン（ボロン濃度６ｐｐｍ）１０ｋｇを黒鉛坩堝に装填し、上記実施例１のステップＳ２〜Ｓ５を実施して、金属シリコンを精製した。なお、アノード電極１６に断熱部材２６を設けているため、金属シリコンの加熱開始後、溶湯温度が１５５０℃に達するまでに要した時間は実施例１より短く７０分であった。
そして、得られた実施例２の精製シリコンをサンプリングし、そのボロン濃度を測定した。この結果と、シリコンを溶解し１５５０℃までに加熱するのに要した時間を、下記の表１に示す。

実施例３
図５のシリコン精製装置３０を使用して、金属シリコンを精製した。
まず、金属シリコン（ボロン濃度６ｐｐｍ）１０ｋｇを黒鉛坩堝に装填した（ステップＳ１）。
次に、図５（ａ）のようにアノード電極１６を装着した状態で、トーチ出力を１００ｋＷに設定し、Ａｒガスを流量１００リットル／分でプラズマトーチに供給して、半移送型プラズマアークを発生させ、この半移送型プラズマガスによって金属シリコンを加熱した（ステップＳ２ａ）。
次に、金属シリコン１８の一部が溶解を開始したのを確認して、いったんプラズマ加熱を中断した。その後、図５（ｂ）のようにアノード電極１６を水平移動して搬出するとともに、電源１３の正極の接続を坩堝３５の導電性部材３５ａに切り換えて、カソード１２と金属シリコン１８の間にプラズマアークＰを発生させ、移送型プラズマアーク加熱によって金属シリコン１８を加熱して溶解した。このときのトーチ出力は１００ｋＷに設定し、Ａｒガスを流量１００リットル／分とした（ステップＳ２ｂ）。
さらに、金属シリコンの溶湯温度が１５５０℃に達するまで加熱を継続した（ステップＳ３ａ）。金属シリコン加熱開始後、溶湯温度が１５５０℃に到達するまでに要した時間は５５分であった。
次に、図５（ａ）のようにアノード電極１６を水平移動して再び搬入するとともに、電源１３の正極の接続をアノード電極１６に切り換えて、半移送型プラズマアーク加熱を再開した（ステップＳ３ｂ）。
その後、トーチ出力を７０ｋＷに設定し、Ａｒガス流量の１０％に相当する流量の水蒸気を添加した（ステップＳ４）。
そして、水蒸気の添加後、１時間、酸化精製した（ステップＳ５）。
その後、上記の酸化精製によりボロンを除去した実施例１の精製シリコンをサンプリングし、そのボロン濃度を測定した。この結果と、シリコンを溶解し１５５０℃までに加熱するのに要した時間を、下記の表１に示す。

以上のように実施例３によれば、シリコン溶解時に、移送型プラズマアーク加熱による効率の良い加熱方式に切り換えることにより、加熱溶解時間を短縮することができるので、さらに省電力化が図れる。

比較例１
図６の非移送型プラズマ電源および非移送型プラズマトーチによるシリコン精製装置４０を使用して、金属シリコンを精製した。図６において、図１と同様のものには同じ符号を付してあり、シリコン精製装置４０は、プラズマトーチ４１と、カソード電極１２と、直流電源１３と、坩堝１５とを備えて構成されている。このシリコン精製装置４０は、非移送型プラズマアーク炉であり、プラズマトーチ４１の導電性部材からなるノズル部４１ｂがアノード電極を兼ねており、直流電源１３の正極に接続されている。

この比較例１では、金属シリコン（ボロン濃度６ｐｐｍ）１０ｋｇを黒鉛坩堝に装填し、上記実施例１のステップＳ２〜Ｓ５を実施して、金属シリコンを精製した。但し、金属シリコンの加熱開始後、溶湯温度が１５５０℃に達するまでに要した時間は１７０分と実施例１の２倍以上要した。それから、溶湯温度を１５５０℃以上に保つためにトーチ出力は９５ｋＷとする必要があった。
そして、得られた比較例１の精製シリコンをサンプリングし、そのボロン濃度を測定した。この結果と、シリコンを溶解し１５５０℃までに加熱するのに要した時間を、下記の表１に示す。

比較例２
図７の移送型プラズマ電源および移送型プラズマトーチによるシリコン精製装置５０を使用して、金属シリコンを溶解精製を試みようとした。図７において、図１または図５と同様のものには同じ符号を付してあり、シリコン精製装置５０は、プラズマトーチ１１と、カソード電極１２と、直流電源１３と、抵抗１４と、坩堝３５とを備えて構成されている。このシリコン精製装置５０は、移送型プラズマアーク炉であり、坩堝３５の底部に設けた導電性部材３５ａがアノード電極になっており、直流電源１３の正極に接続されている。

この比較例２では、金属シリコン（ボロン濃度６ｐｐｍ）１０ｋｇを黒鉛坩堝に装填し、上記実施例１のステップＳ２〜Ｓ５を実施して、金属シリコンの溶解精製を試みた。しかしながら、低温状態のシリコンは電気抵抗が高く、移送型プラズマトーチではプラズマが安定して飛ばず、加熱溶解を行うことはできなかった。

表１において、溶解加熱時のプラズマトーチ出力が同じ１００ｋＷである比較例１（移送型プラズマアーク加熱）と比べて、実施例１〜実施例３では、溶湯温度が１５５０℃に達し、水蒸気を添加し脱Ｂ精製を開始し始めるまでの時間が１／２以下と短く、大幅な時間の短縮が可能であり、したがって電力原単位の低減が可能であることが分かる。

さらに、加熱時と脱Ｂ精錬時を通して半移送型プラズマアーク加熱を用いた実施例１と実施例２との比較では、外部アノード電極１６に断熱部材２６を設けた実施例２の方が熱効率に優れ、溶解加熱時間が短縮されている。なお、溶解加熱時に移送型プラズマアーク加熱方式を併用した実施例３では、溶解所要時間が実施例２よりさらに短縮されている。

このように、本発明のプラズマアーク加熱方式を用いた装置・方法を用いることにより、溶解加熱に要する時間の大幅な短縮が可能であり、省電力化を図ることができる。精錬後のＢ濃度については、実施例１〜実施例３のいずれも０．３ｐｐｍと安定して低減されている。それに比べて比較例１では０．５ｐｐｍと高めである。

本発明の実施の形態１のシリコン精製装置の構成および動作を説明する模式断面図である。 図１のシリコン精製装置に設けたアノード電極を説明する模式図である。 本発明の実施の形態２のシリコン精製装置の構成を説明する模式断面図である。 図３のシリコン精製装置に設けたアノード電極に配置した断熱部材を説明する模式図である。 本発明の実施の形態３のシリコン精製装置の構成および動作を説明する模式断面図である。 比較例１に使用したシリコン精製装置（非移送型プラズマアーク炉）の構成および動作を説明する模式断面図である。 比較例２に使用したシリコン精製装置（移送型プラズマアーク炉）の構成および動作を説明する模式断面図である。

符号の説明

１０ シリコン精製装置、 １１ プラズマトーチ、 １１ａ プラズマ動作ガス（不活性ガス）供給口、 １１ｂ ノズル部、 １２ カソード電極、 １３ 直流電源、 １４ 抵抗、 １５ 坩堝、 １６ アノード電極、 １６ａ 貫通孔、 １８ 金属シリコン、 １８ａ 窪み、 ２０ シリコン精製装置、 ２６ 断熱部材、 ３０ シリコン精製装置、 ３３ 電源切換手段、 ３５ 坩堝、 ３６ アノード電極移動手段、 ３５ａ 導電性部材、 Ｇ１ プラズマ動作ガス（不活性ガス）、 Ｇ２ 酸化性ガス、 Ｊ プラズマジェット（プラズマガス）、 Ｐ プラズマアーク、 Ｗ 冷却水。

Claims (4)

1. 金属シリコンからなる母材をプラズマアーク加熱によって精製するシリコンの精製装置において、
   前記母材を装填する坩堝と、
   カソード電極およびプラズマ作動ガス供給口を有し、前記坩堝に向けたノズル部からプラズマアークを噴射するプラズマトーチと、
   前記プラズマアークにより生じたプラズマジェットを通過させて前記坩堝まで誘導する貫通孔を有し、前記プラズマトーチおよび前記坩堝から離間させて前記プラズマトーチおよび前記坩堝の間に配置されたグラファイトからなるアノード電極と、
   前記カソード電極および前記アノード電極の間に直流電圧を印加する電源と、
   を少なくとも備えたことを特徴とするシリコンの精製装置。
2. 前記プラズマトーチと対向する前記アノード電極の面に、断熱部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載のシリコンの精製装置。
3. 前記アノード電極を、前記プラズマトーチおよび前記坩堝の間の空間に搬入出する移動手段と、
   前記アノード電極を前記空間に搬出したときには、前記電源を前記アノード電極から切り離して、前記坩堝の底部に設けられた導電性部材に接続し、前記アノード電極を前記空間に搬入したときには、前記電源を前記導電性部材から切り離して、前記アノード電極に接続する電源切換手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のシリコンの精製装置。
4. 請求項３に記載のシリコンの製造装置を用いたシリコンの精製方法であって、
   前記アノード電極を前記空間に搬入し、前記アノード電極を介して放射される高熱プラズマジェットによって前記母材を加熱する工程と、
   前記アノード電極を前記空間から搬出し、前記プラズマトーチから噴射されるプラズマアークによって前記母材を加熱する工程と、
   を含むことを特徴とするシリコンの精製方法。

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