JP5018156B2 - 多結晶シリコンの製造方法 - Google Patents
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Description
太陽光発電では、シリコンを使った太陽電池を用いて太陽光から電気を得る。太陽電池用シリコンには、主に半導体用シリコンの規格外品が使用されているが、今後、太陽光発電設備が普及し、太陽電池の需要も飛躍的に増大すれば、シリコンの供給量が不足するおそれがある。
(1)シリコン塩化物ガスと還元剤ガスとを反応器中で気相反応させて多結晶シリコンを製造する方法であり、該気相反応で副生する還元剤塩化物ガス及び未反応ガスを含む排気ガスに更に塩素ガスを吹き込み反応させ、排気ガス中に含まれる還元剤塩化物とそれ以外の不純物とを分離し、還元剤塩化物を回収することを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
(2)シリコン塩化物ガスと還元剤ガスとの気相反応が、800〜1200℃の温度で行われる(1)項記載の多結晶シリコンの製造方法。
(3)排気ガスに塩素ガスを吹き込む反応が、400〜1200℃の温度で行われる(1)または(2)項記載の多結晶シリコンの製造方法。
(4)排気ガスに塩素ガスを吹き込む反応が、シリコン塩化物ガスと還元剤ガスとを気相反応させる反応器に接続された塩素化反応装置に設置された塩素ガス導入パイプから、排気ガスに塩素ガスを吹き込んで行われる(1)〜(3)項のいずれか1項記載の多結晶シリコンの製造方法。
(5)排気ガスと塩素ガスとの塩素化反応装置が、反応器から副生ガスを排出する排気ガス抜き出しパイプに塩素ガス導入パイプを接合してなる(4)項記載の多結晶シリコン製造方法。
(6)排気ガスと塩素ガスとの反応により生じた反応ガスを冷却し、生成した還元剤塩化物を液体または固体とすることにより分離回収する(1)〜(5)項のいずれか1項記載の多結晶シリコン製造方法。
(7)排気ガスと塩素ガスとの反応により生じた反応ガスを冷却し、生成した還元剤塩化物を分離回収し、更に該反応ガスから塩素及びシリコン塩化物を分離回収する(1)〜(5)項のいずれか1項記載の製造方法。
(8)シリコン塩化物ガスが、SimHnCl2m+2-n(mは1〜3の整数、nは2m+2を超えない0以上の整数)で表されるクロロシランからなる群より選ばれる少なくとも1種のガスである(1)〜(7)項のいずれか1項記載の多結晶シリコンの製造方法。
(9)シリコン塩化物ガスが、四塩化珪素ガスである(1)〜(7)項のいずれか1項記載の多結晶シリコンの製造方法。
(10)還元剤ガスが、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、亜鉛及び水素からなる群より選ばれる少なくとも1種のガスである(1)〜(9)項のいずれか1項記載の多結晶シリコンの製造方法。
(11)還元剤ガスが亜鉛ガスである(1)〜(9)項のいずれか1項記載の多結晶シリコンの製造方法。
即ち、本発明によれば、未反応還元剤は還元剤塩化物に変化し、排気ガス中の他の還元剤塩化物と共に回収され、電解により塩素と還元剤に電気分解され、塩素は塩素化シリコンの製造原料や排気ガス中の未反応還元剤及び微粉状のシリコンとの反応に、還元剤は還元法によるシリコン製造の原料として利用が可能となる。微粉末シリコンは塩素と反応しシリコン塩化物ガスとなり、還元反応から排出される未反応シリコン塩化物ガスと共に、還元反応の原料ガスとして再利用が可能となる。また、未反応の塩素ガスも同様に分離回収してシリコン塩化物の製造や上記の排気ガス中の未反応還元剤及び微粉状のシリコンとの反応に再使用が可能となる。
また、次工程に送る材料の品質を上げることにより各工程から発生する残渣、廃棄物を極力低減することを可能とし、また多くの原料を循環使用することを可能とすることにより、比較的安価に多結晶シリコンを製造することができる。
かかる方法によれば、還元工程から副性する還元剤塩化物と未反応シリコン塩化物を主成分とする排気ガス中に含まれる不純物である未反応の還元剤、微粉状のシリコンをそれぞれ還元剤塩化物、シリコン塩化物に変化させることができ、排気ガスを冷却凝縮して回収する還元剤塩化物中に含まれる不純物の含有量を画期的に減少させることができる。その結果、得られる還元剤塩化物は、次工程となる溶融塩電気分解工程における電気分解の原料として、溶融ろ過法や蒸留法等の精製を行わずに用いることが可能となる。また、シリコン塩化物は排気ガス中に存在する未反応のシリコン塩化物とともに回収され、還元工程の原料として循環できる。
図1は、本発明を適応した場合の多結晶シリコンの製造方法の例を示すフローシートである。図1に示すように、本発明による多結晶シリコンの製造装置は、( i )原料となるシリコン塩化物を還元剤ガスと気相反応させ、多結晶シリコンを生成する反応工程と、(ii)還元反応工程から排出される副生された還元剤塩化物ガス、未反応シリコン塩化物ガス、未反応還元剤ガス、微粉状シリコン等の不純物を含む排気ガスに塩素ガスを吹き込み塩素化する塩素化工程と、(iii)塩素化反応を行った排気ガスを急冷して還元剤塩化物を液体または粉末として回収しシリコン塩化物ガス、未反応の塩素ガスをと分離する工程を含む。
この工程では、シリコン塩化物を還元剤により還元し、多結晶シリコンを生成する。還元はシリコン塩化物ガスと還元剤ガスとの気相反応により行うことができる。具体的には、好ましくは温度800〜1200℃、より好ましくは900〜1100℃の反応器内において、シリコン塩化物ガスと還元剤ガスとを反応させることにより行うことができる。反応温度が前記温度範囲内であればシリコン塩化物ガスと還元剤ガスとの反応は容易であり、反応器の損傷も起こりにくい。また、反応器内の圧力としては、例えば0〜500kPaGが挙げられる。
また、シリコン塩化物ガスと還元剤ガスの供給量(モル比)は、シリコン塩化物ガス:還元剤ガス=1:10〜10:1が好ましく、1:4〜4:1がより好ましい。供給量(モル比)が上記範囲内であれば、多結晶シリコンが安定的に生成可能である。
多結晶シリコンを生成、更に結晶を成長させた後に反応器から排出される排気ガスは、還元剤塩化物ガス、未反応還元剤ガス、微粉状のシリコン及び未反応シリコン塩化物を含む混合ガスである。
反応器の材質としては、使用温度範囲で耐性を有する石英や炭化珪素等を用いることができる。
この工程では、前記還元工程( i )から排出される副生還元剤塩化物ガス、未反応シリコン塩化物ガス、不純物として未反応還元剤ガス、微粉状のシリコン等を含む排気ガスに塩素ガスを吹き込むことにより、未反応還元剤ガスや、微粉状シリコンを塩素化し、副生する還元剤塩化物中の不純物を低下させ、次の分離工程を経て、還元剤塩化物を純度よく取り出すことができる。このことにより未反応還元剤、微粉状シリコン等の不純物を含む還元剤塩化物の溶融ろ過法や蒸留法等の精製工程が不要となり、精製に付随し廃棄されていた還元剤塩化物量も減少することができる。
また、排気ガスに対する塩素ガスの供給量(モル比)は、還元工程の反応器への還元剤ガス供給量に対して、塩素ガス:還元剤ガス=1:10〜10:1が好ましく、1:4〜4:1がより好ましい。供給量(モル比)が上記範囲内であれば、排気ガス中の未反応還元剤や微粉状シリコンの塩素化反応は容易に進行する。
尚、塩素ガス導入パイプを含む塩素化反応装置材質としては、使用温度範囲で耐性を有する石英や炭化珪素等を用いることができる。
この工程では、前記塩素化工程(ii)で処理された後の排気ガスから、還元剤塩化物、シリコン塩化物ガス及び未反応塩素ガスを分離回収する。分離方法としては、処理後の排気ガスを冷却し目的成分を凝縮させ分離させる方法、目的成分を選択的に吸着分離させる方法等が単独でまたは組み合わせて用いられる。例えば、亜鉛を還元剤に、四塩化珪素をシリコン塩化物に用いた場合、前記処理後の排気ガスを好ましくは400℃以下、より好ましくは200℃以下に冷却することにより、塩化亜鉛は溶液または粉体となり、四塩化珪素ガス、未反応塩素ガスから分離し回収される。回収された還元剤塩化物は、例えば塩化亜鉛の場合、純度が99.9重量%以上であり、溶融塩電気分解の原料とするのに十分な品質である。
このように、本発明では回収された還元剤塩化物が不純物を含まないため、溶融塩電気分解の原料とするための精製設備、例えば、溶融ろ過法・蒸留法等を必要とせず、また、溶融ろ過や蒸留から出る不純物に起因する残渣がなくなるため、廃棄物の減少化が達成される。
更に、還元剤塩化物の精製処理に伴って生じる損失も無くなり、循環使用量の減少を防ぐことができる。
尚、還元剤塩化物から分離されたシリコン塩化物ガス、及び未反応塩素ガスは更に分離回収され、シリコン塩化物ガスは還元工程で、塩素ガスは塩素化工程やシリコン塩化物の製造で再利用される。また、シリコン塩化物ガスと未反応塩素ガスを分離せずそのままシリコン塩化物の製造工程に利用することもできる。
尚、回収塩化亜鉛の溶融塩電気分解試験は、以下のように実施した。
長さ400mm、内径22mmの石英製試験管に回収塩化亜鉛60gを仕込み窒素置換しながら500℃まで昇温後溶融し、直径6mmの炭素電極棒2本を接触しないように試験管に装着した。その後、3アンペアの一定電流で3時間電気分解を行い亜鉛と塩素に分解した。
図2に模式的に構成される石英製試験装置を作成し発明を検証した。上部に内径6mm、長さ50mmの石英製シリコン塩化物ガス供給ノズル2及び内径6mm、長さ25mmの石英製還元剤ガス供給ノズル3を、下部側面に内径20mmの石英製排気ガス抜き出しパイプ4を持つ内径80mm、長さ1000mmの縦型円筒形の石英製反応器1を用いた。また、排気ガス抜き出しパイプ4には内径8mmの石英製塩素ガス導入用パイプ13を挿入し、更に冷却装置にて冷却した還元剤塩化物回収タンク11を接続させた。還元剤塩化物回収タンク11には更にガス成分を分離し排出させるパイプを設け、その先をガス処理装置に導いた。反応器1を反応器加熱炉により全体が約950℃となるように加熱した。次いで、この反応器1内に、シリコン塩化物ガス供給ノズル2から950℃の四塩化珪素ガスを供給し、反応器の内部を充分に四塩化珪素ガスにて置換後、更に還元剤ガスノズル3から950℃の亜鉛ガスの供給を開始した。供給するガスのモル比は四塩化珪素:亜鉛=2.3:1となるように流量をコントロールした。また、亜鉛ガスの供給開始とともに,800℃に加熱保持した排気ガス抜き出しパイプ4に塩素ガスを塩素ガス導入パイプ13より、供給する亜鉛ガスとのモル比で塩素:亜鉛=2.1:1となるように供給した。また、計算の結果、四塩素化珪素ガスのノズル出口の流速は230mm/s、亜鉛ガスのノズル出口の流速は99mm/s、塩素ガスの流速は108mm/sであった。3時間反応を継続した後、四塩化珪素ガス、亜鉛ガス、塩素ガスの供給を停止し、反応器1を冷却した。反応器1を開放して多結晶シリコン2.7gを収得した。この多結晶シリコンの純度は99.999重量%以上であった。また、還元剤塩化物回収タンクを開放し、白色の塩化亜鉛35.7gを得た。この塩化亜鉛には未反応亜鉛は含まれず、純度は99.94重量%、水不溶解物は0.06重量%であった。この回収塩化亜鉛は、なんら精製処理を行うことなく、そのまま溶融塩電気分解の原料として使用することができた。尚、多結晶シリコンの純度及び塩化亜鉛の純度は高周波誘導プラズマ発光分析法(ICP−AES)により求めた。
実施例1と同じ試験装置を用い、亜鉛ガスの供給開始とともに排気ガス抜き出しパイプへの塩素ガスの供給を行わなかったこと、モル比で四塩化珪素:亜鉛=0.8:1となるように各供給ノズルから供給し、5時間反応を行わせたこと以外は、実施例1と同様に実施した。四塩化珪素ガス及び亜鉛ガスの供給を停止し、反応器を冷却した後、反応器及び還元剤塩化物回収タンクを開放したところ、純度99.999重量%以上の多結晶シリコン2.5gを得た。還元剤塩化物回収タンク11からは亜鉛塊12.4gと黒色微粉を含む灰色の塩化亜鉛24.1gが得られた。得られた塩化亜鉛の純度は98.5重量%で水不溶解物は1.46重量%であった。この水不溶物は電子顕微鏡−エネルギー分散型蛍光X線分析装置(SEM−EDX)により主成分はシリコンと亜鉛の微粉であった。この回収塩化亜鉛はそのまま過熱し溶融すると透明層、懸濁層と亜鉛粒層の3層に分かれ、溶融塩電気分解の原料としてそのまま用いると電流効率が悪くなるため、懸濁層と亜鉛粒層を分離除去する精製処理を施したのち電気分解を行う必要があった。
2 シリコン塩化物ガス供給ノズル
3 還元剤ガス供給ノズル
4 排気ガス抜き出しパイプ
5 溶融炉
6 蒸発炉
7 過熱炉
8 気化装置
9 反応器加熱炉
10 冷却・粉砕装置
11 還元剤塩化物回収タンク
12 シリコン塩化物凝縮装置
13 塩素ガス導入パイプ
A 還元剤
B シリコン塩化物
C 回収多結晶シリコン
D 回収還元剤塩化物
E 回収シリコン塩化物
F ガス回収装置
G 回収塩素ガス
H 多結晶シリコン
Claims (9)
- シリコン塩化物ガスと亜鉛ガスとを反応器中で気相反応させて多結晶シリコンを製造する方法であり、該気相反応で副生する塩化亜鉛ガス及び未反応ガスを含む排気ガスに更に塩素ガスを吹き込み反応させ、塩化亜鉛とそれ以外の不純物とを分離し、塩化亜鉛を回収することを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
- シリコン塩化物ガスと亜鉛ガスとの気相反応が、800〜1200℃の温度で行われる請求項1記載の多結晶シリコンの製造方法。
- 排気ガスに塩素ガスを吹き込む反応が、400〜1200℃の温度で行われる請求項1または2記載の多結晶シリコンの製造方法。
- 排気ガスに塩素ガスを吹き込む反応が、シリコン塩化物ガスと亜鉛ガスとを気相反応させる反応器に接続された塩素化反応装置に設置された塩素ガス導入パイプから、排気ガスに塩素ガスを吹き込んで行われる請求項1〜3のいずれか1項記載の多結晶シリコンの製造方法。
- 排気ガスと塩素ガスとの塩素化反応装置が、反応器から排気ガスを排出する排気ガス抜き出しパイプに塩素ガス導入パイプを接合してなる請求項4記載の多結晶シリコン製造方法。
- 排気ガスと塩素ガスとの反応により生じた反応ガスを冷却し、生成した塩化亜鉛を液体または固体とすることにより分離回収する請求項1〜5記載のいずれか1項記載の多結晶シリコン製造方法。
- 排気ガスと塩素ガスとの反応により生じた反応ガスを冷却し、生成した塩化亜鉛を分離回収し、更に該反応ガスから塩素及びシリコン塩化物を分離回収する請求項1〜5のいずれか1項記載の製造方法。
- シリコン塩化物ガスが、SimHnCl2m+2-n(mは1〜3の整数、nは2m+2を超えない0以上の整数)で表されるクロロシランからなる群より選ばれる少なくとも1種のガスである請求項1〜7のいずれか1項記載の多結晶シリコンの製造方法。
- シリコン塩化物ガスが、四塩化珪素ガスである請求項1〜7のいずれか1項記載の多結晶シリコンの製造方法。
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