JP5244500B2 - シリコン精製方法およびシリコン精製装置 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン精製方法、シリコン精製装置および再生砥粒に関する。
ＩＣチップや太陽電池用として広く用いられるシリコン単結晶又は多結晶からなる薄板（以下、「シリコンウェハ」と呼ぶ。）の製造工程において、原料シリコンの約６０％が切断、面取り又は研磨等により廃液中のシリコン粉となっている。このため、製品に対するコスト負荷ならびに廃棄処分（この廃液は濃縮処理や一部材料の回収の後、埋め立て処分されるのが一般的である）に伴う環境への負荷が大きな問題となっている。
また、特に近年、太陽電池の生産量は増加の一途をたどっており、原料シリコンの需要も急激な伸びが見られる。このため太陽電池用シリコンの不足が顕在化している。
そこで切断又は研磨といったシリコンウェハの製造時に発生する廃液からシリコンを回収する方法が望まれている。しかし、廃液に含まれている砥粒の成分であるシリコンカーバイト、シリコンナイトライド、ダイヤモンドなどは化学的に不活性であるため、化学反応を利用した除去は困難である。このため、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液に含まれているシリコンを再利用することが困難となっている。そこで、上記の切断又は研磨といったシリコンウェハの製造時に発生する廃液からシリコンを回収する方法が提案されている。
また、特に近年、太陽電池の生産量は増加の一途をたどっており、原料シリコンの需要も急激な伸びが見られる。このため太陽電池用シリコンの不足が顕在化している。
そこで切断又は研磨といったシリコンウェハの製造時に発生する廃液からシリコンを回収する方法が望まれている。しかし、廃液に含まれている砥粒の成分であるシリコンカーバイト、シリコンナイトライド、ダイヤモンドなどは化学的に不活性であるため、化学反応を利用した除去は困難である。このため、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液に含まれているシリコンを再利用することが困難となっている。そこで、上記の切断又は研磨といったシリコンウェハの製造時に発生する廃液からシリコンを回収する方法が提案されている。
たとえば特許文献１においては、砥粒を分散剤に分散させてなるスラリーを供給しながらシリコンの単結晶または多結晶からなるインゴットを金属製の切断手段により切断する処理にて排出される廃スラリーから砥粒を回収し、有機溶剤洗浄工程と分離工程とを行うシリコンの回収方法が開示されている。有機溶剤洗浄工程では、分散剤を除去した後のスラッジを用い、このスラッジを有機溶剤により洗浄し、スラッジに含まれる分散剤を除去している。分離工程では、分散剤の除去が行われた後の固形分から金属分、酸化シリコン及び砥粒を除去して、シリコンを主成分とする粉体を得ている。
すなわち、特許文献１においては廃スラリーから分散剤と砥粒を除去したスラッジを原料としているにも関わらず、さらに分級による分離工程にて砥粒を除去している。
すなわち、特許文献１においては廃スラリーから分散剤と砥粒を除去したスラッジを原料としているにも関わらず、さらに分級による分離工程にて砥粒を除去している。
また、特許文献２には、研磨又は切断加工に使用した研磨材（砥粒）をメカノケミカル的に、あるいはコロイド化学的に担磁させて磁気分離により回収するという、非常に複雑な工程が開示されている。
特開２００１−２７８６１２号公報
特開２００２−２９２５６５号公報
しかし、特許文献１および特許文献２では、シリコン粉と砥粒の混合粉末から砥粒を除去するために複雑な工程が必要である。また、特許文献１では、２重量％の炭化珪素が回収したシリコン粉に含まれている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液から従来よりも簡便な手法にて不純物の除去が可能となるシリコン精製方法、および本精製方法に好ましく使用できるシリコン精製装置を提供するものである。
さらに本発明は、本発明のシリコン精製方法により回収された、従来よりも結晶性の良い再生砥粒を提供するものである。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液から従来よりも簡便な手法にて不純物の除去が可能となるシリコン精製方法、および本精製方法に好ましく使用できるシリコン精製装置を提供するものである。
さらに本発明は、本発明のシリコン精製方法により回収された、従来よりも結晶性の良い再生砥粒を提供するものである。
本発明のシリコン精製方法は、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。
本発明では、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液から取得した酸化シリコンを有するシリコン粉を含む粉末を収納工程により、加熱容器に収納する。その後、溶融工程により、シリコンの融点以上２０００℃以下の温度に加熱し、加熱容器内で溶湯とする。この溶湯内において、シリコンは、溶融しており粘度の低いシリコン融液である。また、シリコン粉に含まれていた酸化シリコンは、粘度が高く水飴状である。この溶湯が加熱容器内の対流により攪拌されることにより、粘度の高い酸化シリコンは、加熱容器の内壁または底に粘着する。この結果、出湯工程により、粘度の高い酸化シリコンを加熱容器に残留させたまま、加熱容器から粘度の低いシリコン融液を冷却容器に出湯することができる。この冷却容器のシリコン融液を固化させることにより、精製された高純度シリコンを得ることができる。
また、本発明では、前記粉末が前記機械加工に用いる固定砥粒または遊離砥粒から発生する砥粒を含む場合も、精製された高純度シリコンを得ることができる。
つまり、前記粉末に砥粒が含まれる場合、前記溶湯に砥粒が含まれる。この固定砥粒または遊離砥粒から生じる砥粒は、溶湯内において固体であり、密度がシリコン融液より大きい。その結果、砥粒は、溶湯の加熱容器内の対流により、加熱容器内の内壁または底に付着した粘度の高い酸化シリコンに付着する。その結果、出湯工程により、砥粒を粘度の高い酸化シリコンと共に加熱容器に残留させたまま、加熱容器から粘度の低いシリコン融液を冷却容器に出湯することができる。
つまり、前記粉末に砥粒が含まれる場合、前記溶湯に砥粒が含まれる。この固定砥粒または遊離砥粒から生じる砥粒は、溶湯内において固体であり、密度がシリコン融液より大きい。その結果、砥粒は、溶湯の加熱容器内の対流により、加熱容器内の内壁または底に付着した粘度の高い酸化シリコンに付着する。その結果、出湯工程により、砥粒を粘度の高い酸化シリコンと共に加熱容器に残留させたまま、加熱容器から粘度の低いシリコン融液を冷却容器に出湯することができる。
このように酸化シリコンを有するシリコン粉含む粉末、または酸化シリコンを有するシリコン粉及び砥粒を含む粉末について溶融工程および出湯工程を行うことにより、従来よりも簡便な手法にて酸化シリコンまたは酸化シリコンおよび砥粒を除去しシリコンを精製することが可能となる。また、太陽電池などに使用するシリコン材料として好ましく使用できるレベルにまで簡便に精製された高純度シリコンを得ることができる。このため、太陽電池用シリコンの不足の解消を図ることができ、さらに廃棄物量の削減を図ることができる。
また、加熱容器に付着した酸化シリコンおよび砥粒から砥粒を回収することにより、結晶化が促進され強度が高く、約１μｍやサブミクロンの粒径の再生砥粒を得ることができる。
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。
また、加熱容器に付着した酸化シリコンおよび砥粒から砥粒を回収することにより、結晶化が促進され強度が高く、約１μｍやサブミクロンの粒径の再生砥粒を得ることができる。
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。
前記固定砥粒または前記遊離砥粒は、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を含んでもよい。
前記機械加工は、シリコンの円筒研削、切断、研磨またはウェハスライスであってもよい。
前記粉末分離工程は、（１）前記廃液をフィルターまたは遠心分離機を用いて固体分を捕捉し乾燥させることにより固体部分を取得する方法、（２）前記廃液を回収し加熱または蒸留することにより固体部分を取得する方法および（３）前記廃液に対して凝集剤を用いて固体部分を取得する方法のうち少なくとも１つを含む工程である固体部分分離工程を含んでもよい。
前記粉末分離工程は、前記固体部分分離工程により取得した前記固体部分を水、酸溶液、アルカリ溶液および有機溶剤のうち少なくとも１つを用いて洗浄する洗浄工程をさらに含んでもよい。
前記出湯工程において出湯されなかった部分である残留部を回収する残留部回収工程をさらに備えてもよい。
前記粉末は、前記機械加工に用いる固定砥粒または遊離砥粒から発生する砥粒を含み、かつ前記砥粒を含む前記残留部と酸溶液またはアルカリ溶液とを混合し、前記砥粒を分離する砥粒回収工程をさらに備えてもよい。
前記砥粒回収工程により得られた前記砥粒をふるい分けまたは分級する分級工程をさらに備えてもよい。
本発明は、前記砥粒回収工程または前記分級工程により得られた再生砥粒も提供する。
前記機械加工は、シリコンの円筒研削、切断、研磨またはウェハスライスであってもよい。
前記粉末分離工程は、（１）前記廃液をフィルターまたは遠心分離機を用いて固体分を捕捉し乾燥させることにより固体部分を取得する方法、（２）前記廃液を回収し加熱または蒸留することにより固体部分を取得する方法および（３）前記廃液に対して凝集剤を用いて固体部分を取得する方法のうち少なくとも１つを含む工程である固体部分分離工程を含んでもよい。
前記粉末分離工程は、前記固体部分分離工程により取得した前記固体部分を水、酸溶液、アルカリ溶液および有機溶剤のうち少なくとも１つを用いて洗浄する洗浄工程をさらに含んでもよい。
前記出湯工程において出湯されなかった部分である残留部を回収する残留部回収工程をさらに備えてもよい。
前記粉末は、前記機械加工に用いる固定砥粒または遊離砥粒から発生する砥粒を含み、かつ前記砥粒を含む前記残留部と酸溶液またはアルカリ溶液とを混合し、前記砥粒を分離する砥粒回収工程をさらに備えてもよい。
前記砥粒回収工程により得られた前記砥粒をふるい分けまたは分級する分級工程をさらに備えてもよい。
本発明は、前記砥粒回収工程または前記分級工程により得られた再生砥粒も提供する。
本発明は、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液から分離され、かつ酸化シリコンを有するシリコン粉を含む粉末を溶湯とする加熱容器、前記加熱容器を加熱する加熱手段および前記溶湯に含まれるシリコン融液を出湯する出湯手段を有する溶融炉と、前記溶湯に含まれる粘度の低いシリコン融液を収納し冷却する冷却容器と、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含む残留部を収納する残留部容器とを備え、前記溶融炉、前記冷却容器および前記残留部容器は、減圧可能な減圧容器の内部にあるシリコン精製装置も提供する。
前記粉末は、前記機械加工に用いる固定砥粒または遊離砥粒から発生する砥粒を含んでもよい。
前記機械加工は、シリコンの円筒研削、切断、研磨またはウェハスライスであってもよい。
前記加熱容器の内壁または底に付着した酸化シリコンを含む前記残留部を物理的な方法で掻き出し、前記残留部容器に移動させる残留部回収機構をさらに備えてもよい。
前記粉末は、前記機械加工に用いる固定砥粒または遊離砥粒から発生する砥粒を含み、かつ前記砥粒を含む前記残留部と酸溶液またはアルカリ溶液とを混合し、前記砥粒を分離する洗浄機構をさらに備えてもよい。
前記洗浄機構により分離された前記砥粒をふるい分けまたは分級する分粒機構をさらに備えてもよい。
ここで示した種々の実施形態は、互いに組み合わせることができる。
前記粉末は、前記機械加工に用いる固定砥粒または遊離砥粒から発生する砥粒を含んでもよい。
前記機械加工は、シリコンの円筒研削、切断、研磨またはウェハスライスであってもよい。
前記加熱容器の内壁または底に付着した酸化シリコンを含む前記残留部を物理的な方法で掻き出し、前記残留部容器に移動させる残留部回収機構をさらに備えてもよい。
前記粉末は、前記機械加工に用いる固定砥粒または遊離砥粒から発生する砥粒を含み、かつ前記砥粒を含む前記残留部と酸溶液またはアルカリ溶液とを混合し、前記砥粒を分離する洗浄機構をさらに備えてもよい。
前記洗浄機構により分離された前記砥粒をふるい分けまたは分級する分粒機構をさらに備えてもよい。
ここで示した種々の実施形態は、互いに組み合わせることができる。
以下、本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
図１は、本発明の一実施形態のシリコン精製方法のフローチャートである。
また、図２は、本発明の一実施形態のシリコン精製方法に用いるシリコン精製装置の概略断面図である。
本発明の一実施形態のシリコン精製方法では、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液１について、まずシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３を得る粉末分離工程を行う。粉末分離工程では、廃液１中の液体部分を除去する固体部分分離工程を行うことができ、固体部分分離工程により固体部分２を得ることができる。なお、固体部分２は粉末３と同一である場合がある。また、粉末分離工程では、固体部分２の金属成分などを除去する洗浄工程を行うことができ、洗浄工程によりシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３を得ることもできる。その後、粉末３について、シリコン精製装置２４を用いて収納工程、溶融工程および出湯工程を行うことにより高純度シリコン６を得ることができる。また、残留部回収工程、砥粒回収工程、分級工程を行うことにより、再生砥粒８を得ることもできる。
以下、本実施形態について説明する。
また、図２は、本発明の一実施形態のシリコン精製方法に用いるシリコン精製装置の概略断面図である。
本発明の一実施形態のシリコン精製方法では、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液１について、まずシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３を得る粉末分離工程を行う。粉末分離工程では、廃液１中の液体部分を除去する固体部分分離工程を行うことができ、固体部分分離工程により固体部分２を得ることができる。なお、固体部分２は粉末３と同一である場合がある。また、粉末分離工程では、固体部分２の金属成分などを除去する洗浄工程を行うことができ、洗浄工程によりシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３を得ることもできる。その後、粉末３について、シリコン精製装置２４を用いて収納工程、溶融工程および出湯工程を行うことにより高純度シリコン６を得ることができる。また、残留部回収工程、砥粒回収工程、分級工程を行うことにより、再生砥粒８を得ることもできる。
以下、本実施形態について説明する。
１．シリコンの精製方法および精製装置
１−１．シリコンの機械加工
シリコン単結晶又は多結晶からなる薄板（シリコンウェハ）の製造工程などシリコンの加工工程において、シリコンについて様々な機械加工が行われる。シリコンの機械加工は、特に限定されないが、たとえばシリコンの円筒研削、切断、研磨、ウェハスライス、ダイシング切断および外周切削などである。これらのシリコンの機械加工に用いられるものはそれぞれの機械加工により異なるが、たとえば、水、潤滑油、切断刃、ワイヤー、遊離砥粒および固定砥粒などのうち１つ以上が用いられる。
なお、遊離砥粒とは、粉末状の砥粒であり、一般的に水、潤滑油中に遊離した状態で使用される。また、固定砥粒とは、結合剤などで固定された砥粒である。
また、遊離砥粒および固定砥粒は、特に限定されないが、たとえば、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を１つ以上含むものが用いられる。
１−１．シリコンの機械加工
シリコン単結晶又は多結晶からなる薄板（シリコンウェハ）の製造工程などシリコンの加工工程において、シリコンについて様々な機械加工が行われる。シリコンの機械加工は、特に限定されないが、たとえばシリコンの円筒研削、切断、研磨、ウェハスライス、ダイシング切断および外周切削などである。これらのシリコンの機械加工に用いられるものはそれぞれの機械加工により異なるが、たとえば、水、潤滑油、切断刃、ワイヤー、遊離砥粒および固定砥粒などのうち１つ以上が用いられる。
なお、遊離砥粒とは、粉末状の砥粒であり、一般的に水、潤滑油中に遊離した状態で使用される。また、固定砥粒とは、結合剤などで固定された砥粒である。
また、遊離砥粒および固定砥粒は、特に限定されないが、たとえば、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を１つ以上含むものが用いられる。
これらのシリコンの機械加工による廃液１には、それぞれの加工により異なるが、一般に下記のようなものが含まれる。
（１）水分
（２）シリコンが削られることのより生じるシリコン粉４。このシリコン粉４は、表面に酸化膜（酸化シリコン）を有する。また、このシリコン粉４は、粒度が０．００１μｍ〜９９．９μｍである。また、このシリコン粉４は、酸化膜（ＳｉＯx）の比率が高い。
（３）機械加工に使用した固定砥粒、遊離砥粒から生じる砥粒５。
（４）切断刃、ワイヤー等から生じる金属成分
（５）潤滑油のオイル成分
（１）水分
（２）シリコンが削られることのより生じるシリコン粉４。このシリコン粉４は、表面に酸化膜（酸化シリコン）を有する。また、このシリコン粉４は、粒度が０．００１μｍ〜９９．９μｍである。また、このシリコン粉４は、酸化膜（ＳｉＯx）の比率が高い。
（３）機械加工に使用した固定砥粒、遊離砥粒から生じる砥粒５。
（４）切断刃、ワイヤー等から生じる金属成分
（５）潤滑油のオイル成分
１−２．粉末分離工程
粉末分離工程において、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液１からシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３を取得する。粉末分離工程は、固体部分分離工程を含むことができる。また、粉末分離工程は、洗浄工程を含むこともできる。
また、図３は、本発明の一実施形態のシリコンの各機械加工についての粉末分離工程のフローチャートである。
粉末分離工程において、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液１からシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３を取得する。粉末分離工程は、固体部分分離工程を含むことができる。また、粉末分離工程は、洗浄工程を含むこともできる。
また、図３は、本発明の一実施形態のシリコンの各機械加工についての粉末分離工程のフローチャートである。
１−２−１．固体部分分離工程
固体部分分離工程により、廃液１から固体部分２を得ることができる。なお、固体部分２は粉末３と同一の場合がある。固体部分分離工程は、（１）廃液１をフィルターまたは遠心分離機を用いて固体分を捕捉し乾燥させることにより固体部分２を取得する方法、（２）廃液１を回収し加熱または蒸留することにより固体部分２を取得する方法及び（３）廃液１に対して凝集剤を用いて固体部分２を取得する方法のうち少なくとも１つを含む工程である。
なお、この固体部分２には、オイル成分および金属成分が含まれている場合がある。また、固体部分２は、粉末３である場合もある。
固体部分分離工程は特に限定されないが、以下に、具体的なシリコンの機械加工を行った際に発生する廃液１についての固体部分分離工程の一例について説明する。
固体部分分離工程により、廃液１から固体部分２を得ることができる。なお、固体部分２は粉末３と同一の場合がある。固体部分分離工程は、（１）廃液１をフィルターまたは遠心分離機を用いて固体分を捕捉し乾燥させることにより固体部分２を取得する方法、（２）廃液１を回収し加熱または蒸留することにより固体部分２を取得する方法及び（３）廃液１に対して凝集剤を用いて固体部分２を取得する方法のうち少なくとも１つを含む工程である。
なお、この固体部分２には、オイル成分および金属成分が含まれている場合がある。また、固体部分２は、粉末３である場合もある。
固体部分分離工程は特に限定されないが、以下に、具体的なシリコンの機械加工を行った際に発生する廃液１についての固体部分分離工程の一例について説明する。
１−２−１−１．シリコンの外周切削、切断加工、研削加工を行った場合
シリコンの機械加工は、たとえば円筒研削盤、バンドソー、平面研削盤、ロータリー研削盤、マルチワイヤソーなどを用いて行うことができる。潤滑材には、水またはオイルを用いることができる。これらのシリコンの機械加工により発生する廃液１について、固体部分分離工程を行うことができる。たとえば、水またはオイルを循環させる際にフィルターろ過または遠心分離で切断屑を捕集すること、切断後の水またはオイルをフィルタープレス等で絞って切断屑を回収すること、または凝集剤を用いて切断屑を回収することなどにより固体部分２を得ることができる。
また、凝集剤は、たとえばアニオン、カチオン系の高分子凝集剤が適用可能である。ただし、後工程において使用した凝集剤に対して可溶性を示す有機溶剤等を用いて凝集剤を除去することが必要となる場合がある。
シリコンの外周切削、切断加工を行った場合、金属不純物を含む場合があり、また、シリコン粉４の酸化膜の比率が高い場合がある。
シリコンの機械加工は、たとえば円筒研削盤、バンドソー、平面研削盤、ロータリー研削盤、マルチワイヤソーなどを用いて行うことができる。潤滑材には、水またはオイルを用いることができる。これらのシリコンの機械加工により発生する廃液１について、固体部分分離工程を行うことができる。たとえば、水またはオイルを循環させる際にフィルターろ過または遠心分離で切断屑を捕集すること、切断後の水またはオイルをフィルタープレス等で絞って切断屑を回収すること、または凝集剤を用いて切断屑を回収することなどにより固体部分２を得ることができる。
また、凝集剤は、たとえばアニオン、カチオン系の高分子凝集剤が適用可能である。ただし、後工程において使用した凝集剤に対して可溶性を示す有機溶剤等を用いて凝集剤を除去することが必要となる場合がある。
シリコンの外周切削、切断加工を行った場合、金属不純物を含む場合があり、また、シリコン粉４の酸化膜の比率が高い場合がある。
１−２−１−２．シリコンの研磨、ダイシング切断を行った場合
シリコンの機械加工は、たとえば研磨装置、ダイシングソーなどを用いて加工を行うことができる。潤滑材には、水が用いられることが多い。これらのシリコンの機械加工により発生する廃液１について、固体部分分離工程を行うことができる。たとえば、廃液１をフィルタープレス、遠心分離機等を用いて切断屑として固体部分２を回収することができる。
シリコンの研磨で用いられる研磨パッドやダイシング切断で用いられるダイシングブレードには、固定砥粒としてダイヤモンドを分散させているものが用いられることが多い。このため、回収された固体部分２には、砥粒５としてダイヤモンドが含まれる場合が多い。また、シリコン粉４の酸化膜の比率が大きい場合がある。
シリコンの機械加工は、たとえば研磨装置、ダイシングソーなどを用いて加工を行うことができる。潤滑材には、水が用いられることが多い。これらのシリコンの機械加工により発生する廃液１について、固体部分分離工程を行うことができる。たとえば、廃液１をフィルタープレス、遠心分離機等を用いて切断屑として固体部分２を回収することができる。
シリコンの研磨で用いられる研磨パッドやダイシング切断で用いられるダイシングブレードには、固定砥粒としてダイヤモンドを分散させているものが用いられることが多い。このため、回収された固体部分２には、砥粒５としてダイヤモンドが含まれる場合が多い。また、シリコン粉４の酸化膜の比率が大きい場合がある。
１−２−１−３．シリコンウェハの製造を行った場合
シリコンの機械加工は、マルチワイヤソーを用いて加工を行うことができる。潤滑材には、水溶性または油性のオイルが用いられることが多い。具体的には、潤滑材中にシリコンカーバイト、シリコンナイトライドなどの遊離砥粒を混合してスラリーを製造し、金属ワイヤーを走行させながらシリコンに送りを与えて切断を行うことができる。
例えば、切断後のスラリーを回収し、これをフィルタープレス、遠心分離などの方法を用いて切断屑として固体部分２を回収することができる。
この方法で回収した固体部分２は、オイル成分、ワイヤー起因の金属粉、シリコンカーバイト、シリコンナイトライド等の砥粒５が含まれる場合が多い。また、シリコン粉４の酸化膜の比率が大きい場合がある。
また、具体的には、マルチワイヤソーを用い、潤滑材に水、水溶性または油性のオイルを用い、金属ワイヤー中にダイヤモンド等の固定砥粒を固着させたワイヤーを走行させながらシリコンに送りを与えて切断を行うこともできる。
たとえば、水またはオイルを循環させる際にフィルターろ過または遠心分離で切断屑を捕集すること、または切断後の水またはオイルをフィルタープレス等で絞って切断屑を回収することなどにより固体部分２を得ることができる。
この方法で回収した固体部分２は、ワイヤー起因の金属粉、ダイヤモンド等の砥粒５が比較的多く含まれる場合が多い。また、シリコン粉４の酸化膜の比率が大きい場合がある。また、潤滑材に水溶性または油性のオイルを用いた場合、オイル成分も含まれる。
シリコンの機械加工は、マルチワイヤソーを用いて加工を行うことができる。潤滑材には、水溶性または油性のオイルが用いられることが多い。具体的には、潤滑材中にシリコンカーバイト、シリコンナイトライドなどの遊離砥粒を混合してスラリーを製造し、金属ワイヤーを走行させながらシリコンに送りを与えて切断を行うことができる。
例えば、切断後のスラリーを回収し、これをフィルタープレス、遠心分離などの方法を用いて切断屑として固体部分２を回収することができる。
この方法で回収した固体部分２は、オイル成分、ワイヤー起因の金属粉、シリコンカーバイト、シリコンナイトライド等の砥粒５が含まれる場合が多い。また、シリコン粉４の酸化膜の比率が大きい場合がある。
また、具体的には、マルチワイヤソーを用い、潤滑材に水、水溶性または油性のオイルを用い、金属ワイヤー中にダイヤモンド等の固定砥粒を固着させたワイヤーを走行させながらシリコンに送りを与えて切断を行うこともできる。
たとえば、水またはオイルを循環させる際にフィルターろ過または遠心分離で切断屑を捕集すること、または切断後の水またはオイルをフィルタープレス等で絞って切断屑を回収することなどにより固体部分２を得ることができる。
この方法で回収した固体部分２は、ワイヤー起因の金属粉、ダイヤモンド等の砥粒５が比較的多く含まれる場合が多い。また、シリコン粉４の酸化膜の比率が大きい場合がある。また、潤滑材に水溶性または油性のオイルを用いた場合、オイル成分も含まれる。
１−２−１−４．水溶性または油性のオイルを使用した場合
水溶性または油性のオイルを使用した場合、オイルの再利用も考慮し、切断後のスラリーを回収し、蒸留を行い、固体を回収することにより、固体部分２を回収することも可能である。この方法により得られた固体部分２はオイル成分の含有量が比較的少ない。また、蒸留により得られた液体はオイルとして再利用することも可能である。このことにより、廃棄物量の削減が可能である。
水溶性または油性のオイルを使用した場合、オイルの再利用も考慮し、切断後のスラリーを回収し、蒸留を行い、固体を回収することにより、固体部分２を回収することも可能である。この方法により得られた固体部分２はオイル成分の含有量が比較的少ない。また、蒸留により得られた液体はオイルとして再利用することも可能である。このことにより、廃棄物量の削減が可能である。
１−２−２．洗浄工程
洗浄工程において、固体部分分離工程により分離された固体部分２を水、酸溶液、アルカリ溶液および有機溶剤のうち少なくとも１つを用いて洗浄することができる。洗浄工程により、たとえば固体部分２に含まれるオイル成分および金属成分などを除去することができる。なお、シリコンの酸化膜である酸化シリコンは、酸洗浄により除去される場合があるが、放置している間に自然酸化膜のようなかたちで酸化膜が再度形成される場合がある。
洗浄工程は、特に限定されないが、以下に固体部分２からオイル成分および金属成分を除去した洗浄工程の一例について説明する。
洗浄工程において、固体部分分離工程により分離された固体部分２を水、酸溶液、アルカリ溶液および有機溶剤のうち少なくとも１つを用いて洗浄することができる。洗浄工程により、たとえば固体部分２に含まれるオイル成分および金属成分などを除去することができる。なお、シリコンの酸化膜である酸化シリコンは、酸洗浄により除去される場合があるが、放置している間に自然酸化膜のようなかたちで酸化膜が再度形成される場合がある。
洗浄工程は、特に限定されないが、以下に固体部分２からオイル成分および金属成分を除去した洗浄工程の一例について説明する。
１−２−２−１．固体部分からのオイル成分の除去方法
固体部分分離工程により得られた固体部分２のうち、水溶性または油性のオイルを用いるシリコンの切断加工の廃液１から回収した固体部分２は、オイル成分が２％〜５０％の高い成分で残留している場合がある。
このオイル成分を除去するために洗浄工程を行うことができる。たとえば、固体部分２をオイルの沸点以上に加熱することにより潤滑油のオイル成分を除去することができる。また、たとえば固体部分２を酸溶液または有機溶剤により洗浄することによりオイル成分を除去するができる。
固体部分２をオイルの沸点以上に加熱する方法は、特に限定されないが、たとえば、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気中でオイルの沸点以上に加熱することにより、オイル成分をたとえば１％以下とすることができる。
また、固体部分２を洗浄する酸溶液は、特に限定されないが、たとえば、塩酸、硫酸などである。また、固体成分２を洗浄する有機溶剤は、特に限定されないが、たとえば、イソプロピルアルコール、エタノール、アセトンなど、低分子であり、オイル成分に対して可溶性の有機溶剤などである。
固体部分２の回収に凝集剤を使用した場合、凝集剤に対して可溶な有機溶剤を用いて固体部分２の洗浄を行う場合がある。
固体部分分離工程により得られた固体部分２のうち、水溶性または油性のオイルを用いるシリコンの切断加工の廃液１から回収した固体部分２は、オイル成分が２％〜５０％の高い成分で残留している場合がある。
このオイル成分を除去するために洗浄工程を行うことができる。たとえば、固体部分２をオイルの沸点以上に加熱することにより潤滑油のオイル成分を除去することができる。また、たとえば固体部分２を酸溶液または有機溶剤により洗浄することによりオイル成分を除去するができる。
固体部分２をオイルの沸点以上に加熱する方法は、特に限定されないが、たとえば、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気中でオイルの沸点以上に加熱することにより、オイル成分をたとえば１％以下とすることができる。
また、固体部分２を洗浄する酸溶液は、特に限定されないが、たとえば、塩酸、硫酸などである。また、固体成分２を洗浄する有機溶剤は、特に限定されないが、たとえば、イソプロピルアルコール、エタノール、アセトンなど、低分子であり、オイル成分に対して可溶性の有機溶剤などである。
固体部分２の回収に凝集剤を使用した場合、凝集剤に対して可溶な有機溶剤を用いて固体部分２の洗浄を行う場合がある。
１−２−２−２．固体部分からの金属成分の除去方法
固体部分分離工程により得られた固体部分２は金属成分を含んでいる場合がある。特にシリコンウェハの製造した際に発生する廃液１から得られた固体部分２は金属成分を例えば０．０１ｗｔ％〜９．９ｗｔ％で含んでいる場合がある。
この金属成分を除去するために洗浄工程を行うことができる。たとえば、固体部分２を酸溶液で洗浄することにより金属成分を除去することができる。また、固体部分２から金属成分を偏析などにより除去することもできる。
固体部分２を洗浄する酸溶液は、特に限定されないが、たとえば、塩酸、硫酸、フッ酸などである。なお、固体部分２に含まれる金属成分は、単一粒として存在しているため、酸溶液による洗浄により除去が容易である。
なお、高濃度で金属成分を含有している固体部分２を高温で溶融すると合金を形成する場合がある。合金の形成後、偏析で除去することは困難である場合が多い。
固体部分分離工程により得られた固体部分２は金属成分を含んでいる場合がある。特にシリコンウェハの製造した際に発生する廃液１から得られた固体部分２は金属成分を例えば０．０１ｗｔ％〜９．９ｗｔ％で含んでいる場合がある。
この金属成分を除去するために洗浄工程を行うことができる。たとえば、固体部分２を酸溶液で洗浄することにより金属成分を除去することができる。また、固体部分２から金属成分を偏析などにより除去することもできる。
固体部分２を洗浄する酸溶液は、特に限定されないが、たとえば、塩酸、硫酸、フッ酸などである。なお、固体部分２に含まれる金属成分は、単一粒として存在しているため、酸溶液による洗浄により除去が容易である。
なお、高濃度で金属成分を含有している固体部分２を高温で溶融すると合金を形成する場合がある。合金の形成後、偏析で除去することは困難である場合が多い。
１−２−３．粉末
固体部分分離工程および洗浄工程を経て回収、洗浄されたシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３は、オイル成分、金属成分は少ないが、シリコン粉４の酸化膜の割合が大きい。また一般にシリコンカーバイト、シリコンナイトライド、ダイヤモンド等からなる砥粒５を含む場合が多く、そのままでは太陽電池などに使用するシリコン材料としては好ましいものではない。
粉末３が砥粒５を含む場合、砥粒５の含有量は、特に限定されないが、たとえば１〜２０ｗｔ％（たとえば１、２、３、４、５、６、８、１０、１２、１４、１６、１８および２０ｗｔ％の何れか２つの間の範囲）である。
また、シリコン粉４は、粒度が０．００１μｍ〜９９．９μｍ（たとえば０．００１、０．０１、０．０５、０．１、０．５、１、２、３、４、５、７、１０、３０、５０、７０、および９９．９μｍの何れか２つの間の範囲）であり、酸化膜（ＳｉＯx）の比率が高い。シリコン粉中の酸化シリコンの含有量は、たとえば３ｗｔ％〜３０ｗｔ％（たとえば、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９および３０ｗｔ％の何れか２つの間の範囲）である。
よって、粉末分離工程を経て回収、洗浄されたシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３は、シリコン精製装置２４を用いる収納工程、溶融工程および出湯工程を経ることによって、太陽電池などに使用するシリコン材料として好ましく使用できるレベルにまで簡便に精製できる。
固体部分分離工程および洗浄工程を経て回収、洗浄されたシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３は、オイル成分、金属成分は少ないが、シリコン粉４の酸化膜の割合が大きい。また一般にシリコンカーバイト、シリコンナイトライド、ダイヤモンド等からなる砥粒５を含む場合が多く、そのままでは太陽電池などに使用するシリコン材料としては好ましいものではない。
粉末３が砥粒５を含む場合、砥粒５の含有量は、特に限定されないが、たとえば１〜２０ｗｔ％（たとえば１、２、３、４、５、６、８、１０、１２、１４、１６、１８および２０ｗｔ％の何れか２つの間の範囲）である。
また、シリコン粉４は、粒度が０．００１μｍ〜９９．９μｍ（たとえば０．００１、０．０１、０．０５、０．１、０．５、１、２、３、４、５、７、１０、３０、５０、７０、および９９．９μｍの何れか２つの間の範囲）であり、酸化膜（ＳｉＯx）の比率が高い。シリコン粉中の酸化シリコンの含有量は、たとえば３ｗｔ％〜３０ｗｔ％（たとえば、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９および３０ｗｔ％の何れか２つの間の範囲）である。
よって、粉末分離工程を経て回収、洗浄されたシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３は、シリコン精製装置２４を用いる収納工程、溶融工程および出湯工程を経ることによって、太陽電池などに使用するシリコン材料として好ましく使用できるレベルにまで簡便に精製できる。
１−３．シリコン精製装置
溶融工程および出湯工程について説明する前に、これらの工程で用いる図２に示したシリコン精製装置２４について説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
本発明の一実施形態であるシリコン精製装置２４は、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液１から分離され、かつ酸化シリコンを有するシリコン粉４を含む粉末３を溶湯２１とする加熱容器１０、加熱容器１０を加熱する加熱手段１１および溶湯２１に含まれるシリコン融液を出湯する出湯手段１２を有する溶融炉１３と、溶湯２１に含まれる粘度の低いシリコン融液を収納し冷却する冷却容器１４と、加熱容器１０の内壁または底に付着する粘度の高い酸化シリコンを含む残留部を収納する残留部容器１５とを備え、溶融炉１３、冷却容器１４および残留部容器１５は、減圧可能な減圧容器９の内部にある。
また、本発明の一実施形態のシリコン精製法に用いるシリコン精製装置２４は、残留部回収機構２０、搬送機構１６、粉末収納機構１９、洗浄機構および分粒機構を備えてもよい。
以下、本発明の一実施形態のシリコン精製装置２４の各構成要素について説明する。
溶融工程および出湯工程について説明する前に、これらの工程で用いる図２に示したシリコン精製装置２４について説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
本発明の一実施形態であるシリコン精製装置２４は、シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液１から分離され、かつ酸化シリコンを有するシリコン粉４を含む粉末３を溶湯２１とする加熱容器１０、加熱容器１０を加熱する加熱手段１１および溶湯２１に含まれるシリコン融液を出湯する出湯手段１２を有する溶融炉１３と、溶湯２１に含まれる粘度の低いシリコン融液を収納し冷却する冷却容器１４と、加熱容器１０の内壁または底に付着する粘度の高い酸化シリコンを含む残留部を収納する残留部容器１５とを備え、溶融炉１３、冷却容器１４および残留部容器１５は、減圧可能な減圧容器９の内部にある。
また、本発明の一実施形態のシリコン精製法に用いるシリコン精製装置２４は、残留部回収機構２０、搬送機構１６、粉末収納機構１９、洗浄機構および分粒機構を備えてもよい。
以下、本発明の一実施形態のシリコン精製装置２４の各構成要素について説明する。
１−３−１．減圧容器
減圧容器９は、溶融炉１３、冷却容器１４および残留部容器１５を内部に納めることができ、内部を減圧または不活性ガス雰囲気にすることができれば、特に限定されない。また、残留部回収機構２０、搬送機構１６、および粉末収納手段１９などを備える場合は、これらを内部に納めること、または備えることができる。また、減圧容器９の内部圧力は、たとえば１〜７６０Ｔｏｒｒとすることができることが望ましい。また、不活性ガスは、たとえば、アルゴン、ヘリウムまたは窒素を含むガスである。
減圧容器９は、溶融炉１３、冷却容器１４および残留部容器１５を内部に納めることができ、内部を減圧または不活性ガス雰囲気にすることができれば、特に限定されない。また、残留部回収機構２０、搬送機構１６、および粉末収納手段１９などを備える場合は、これらを内部に納めること、または備えることができる。また、減圧容器９の内部圧力は、たとえば１〜７６０Ｔｏｒｒとすることができることが望ましい。また、不活性ガスは、たとえば、アルゴン、ヘリウムまたは窒素を含むガスである。
１−３−２．溶融炉
溶融炉１３は、加熱手段１１、加熱容器１０および出湯手段１２を有する。
溶融炉１３は、加熱手段１１、加熱容器１０および出湯手段１２を有する。
１−３−２−１．加熱手段
加熱手段１１は、シリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３をシリコンが溶融した溶湯２１とすることができる温度まで加熱することができれば特に限定されないが、たとえば、抵抗加熱ヒーター、誘導加熱、アーク溶融またはプラズマ溶融である。
加熱手段１１は、シリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３をシリコンが溶融した溶湯２１とすることができる温度まで加熱することができれば特に限定されないが、たとえば、抵抗加熱ヒーター、誘導加熱、アーク溶融またはプラズマ溶融である。
１−３−２−２．加熱容器
加熱容器１０は、シリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３をシリコンが溶融した溶湯２１とすることができる容器であれば、特に限定されない。
加熱容器１０の材質は、たとえば、カーボン、ムライト、アルミナ、マグネシアまたは水冷銅鋳型などである。また、加熱容器１０は、アーク溶融、プラズマ溶融のように、局所的に大きな温度が印加されるような加熱手段１１を用いる場合、水冷銅鋳型が好ましく、抵抗加熱ヒーター、誘導加熱を用いる場合、カーボン坩堝が望ましい。
また、加熱容器１０は、出湯手段１２を備えてもよい。
加熱容器１０は、シリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３をシリコンが溶融した溶湯２１とすることができる容器であれば、特に限定されない。
加熱容器１０の材質は、たとえば、カーボン、ムライト、アルミナ、マグネシアまたは水冷銅鋳型などである。また、加熱容器１０は、アーク溶融、プラズマ溶融のように、局所的に大きな温度が印加されるような加熱手段１１を用いる場合、水冷銅鋳型が好ましく、抵抗加熱ヒーター、誘導加熱を用いる場合、カーボン坩堝が望ましい。
また、加熱容器１０は、出湯手段１２を備えてもよい。
１−３−２−３．出湯手段
出湯手段１２は、加熱容器１０内の溶湯２１に含まれるシリコン融液部２２を出湯するための手段である。なお、シリコン融液部２２とは、溶湯２１に含まれるシリコン融液からなる部分である。出湯手段１２は、シリコン融液部２２を出湯することができれば特に限定されないが、たとえば、加熱容器１０を傾けることができる傾動手段である。
また、たとえば加熱容器１０に出湯手段１２を設けることもできる。
図４は、本発明の一実施形態の出湯手段１２を有する加熱容器１０の斜視図である。
たとえば、図４（ａ）に示すように加熱容器１０の上面に出湯手段１２を設けること、または図４（ｂ）に示すように加熱容器１０の側面／下面の任意の位置に出湯手段１２を設けることもできる。図４（ｂ）の出湯手段１２を設ける場合、開閉可能な構造とする必要がある。
出湯手段１２は、加熱容器１０内の溶湯２１に含まれるシリコン融液部２２を出湯するための手段である。なお、シリコン融液部２２とは、溶湯２１に含まれるシリコン融液からなる部分である。出湯手段１２は、シリコン融液部２２を出湯することができれば特に限定されないが、たとえば、加熱容器１０を傾けることができる傾動手段である。
また、たとえば加熱容器１０に出湯手段１２を設けることもできる。
図４は、本発明の一実施形態の出湯手段１２を有する加熱容器１０の斜視図である。
たとえば、図４（ａ）に示すように加熱容器１０の上面に出湯手段１２を設けること、または図４（ｂ）に示すように加熱容器１０の側面／下面の任意の位置に出湯手段１２を設けることもできる。図４（ｂ）の出湯手段１２を設ける場合、開閉可能な構造とする必要がある。
１−３−３．冷却容器
冷却容器１４は、溶湯２１に含まれるシリコン融液部２２を収納することができ、シリコン融液部２２を冷却することができる容器であれば特に限定されないが、たとえば、シリカ坩堝や砂を焼結した坩堝など安価な使い捨てのものを用いることが望ましいが、カーボン鋳型や水冷銅鋳型などに出湯し、鋳型を再利用してもよい。
冷却容器１４は、溶湯２１に含まれるシリコン融液部２２を収納することができ、シリコン融液部２２を冷却することができる容器であれば特に限定されないが、たとえば、シリカ坩堝や砂を焼結した坩堝など安価な使い捨てのものを用いることが望ましいが、カーボン鋳型や水冷銅鋳型などに出湯し、鋳型を再利用してもよい。
１−３−４．残留部容器
残留部容器１５は、加熱容器１０に粘着した粘着部２３を残留部７として収納することができる容器であれば、特に限定されないが、たとえば、シリカ坩堝や砂を焼結した坩堝など安価な使い捨てのもの、カーボン鋳型や水冷銅鋳型のような冷却容器と同様のもの、ステンレスや耐熱ボードなどのような簡易的なもののいずれを用いてもよい。なお、粘着部２３とは、溶湯２１に含まれる酸化シリコン又は酸化シリコンおよび砥粒５が加熱容器１０に粘着した部分である。
また、本実施形態のシリコン精製装置２４は、残留部容器１５の位置と冷却容器１４の位置とを移動させることができる運搬機構１６を備えてもよい。また、運搬機構１６は、減圧容器９内を不活性ガス雰囲気または減圧状態を保持したまま、冷却容器１４と残留部容器１５を回転台やベルトコンベア等の搬送機構１６を用いて搬送可能にすることで位置を交代できることが望ましく、減圧容器９外へ搬出できることがさらに望ましい。
残留部容器１５は、加熱容器１０に粘着した粘着部２３を残留部７として収納することができる容器であれば、特に限定されないが、たとえば、シリカ坩堝や砂を焼結した坩堝など安価な使い捨てのもの、カーボン鋳型や水冷銅鋳型のような冷却容器と同様のもの、ステンレスや耐熱ボードなどのような簡易的なもののいずれを用いてもよい。なお、粘着部２３とは、溶湯２１に含まれる酸化シリコン又は酸化シリコンおよび砥粒５が加熱容器１０に粘着した部分である。
また、本実施形態のシリコン精製装置２４は、残留部容器１５の位置と冷却容器１４の位置とを移動させることができる運搬機構１６を備えてもよい。また、運搬機構１６は、減圧容器９内を不活性ガス雰囲気または減圧状態を保持したまま、冷却容器１４と残留部容器１５を回転台やベルトコンベア等の搬送機構１６を用いて搬送可能にすることで位置を交代できることが望ましく、減圧容器９外へ搬出できることがさらに望ましい。
１−３−５．粉末収納機構
粉末収納機構１９は、加熱容器１０に粉末３を投入し、その粉末３を溶湯２１にすることができれば、特に限定されない。粉末収納機構１９は、減圧容器９内を不活性ガス雰囲気または減圧状態を保持したまま、粉末３を投入することができることが望ましい。
粉末収納機構１９は、たとえば、減圧容器９が備える粉末投入口１７、棒状体１８、ガス吹き付け口などである。棒状体１８の材料は特に限定されないが、たとえばカーボンまたはモリブデン等の高融点金属である。
粉末収納機構１９は、加熱容器１０に粉末３を投入し、その粉末３を溶湯２１にすることができれば、特に限定されない。粉末収納機構１９は、減圧容器９内を不活性ガス雰囲気または減圧状態を保持したまま、粉末３を投入することができることが望ましい。
粉末収納機構１９は、たとえば、減圧容器９が備える粉末投入口１７、棒状体１８、ガス吹き付け口などである。棒状体１８の材料は特に限定されないが、たとえばカーボンまたはモリブデン等の高融点金属である。
１−３−６．残留部回収機構
残留部回収機構２０は、加熱容器１０に粘着した粘着部２３を残留部７として残留部容器１５に移動させることができる手段であれば、特に限定されないが、たとえば、ヘラ状の掻き出し棒などである。また、残留部回収機構２０の材料は、加熱容器１０に粘着した粘着部２３を残留部容器１５に移動させることができれば特に限定されないが、たとえばカーボンまたはモリブデン等の高融点金属である。
残留部回収機構２０は、加熱容器１０に粘着した粘着部２３を残留部７として残留部容器１５に移動させることができる手段であれば、特に限定されないが、たとえば、ヘラ状の掻き出し棒などである。また、残留部回収機構２０の材料は、加熱容器１０に粘着した粘着部２３を残留部容器１５に移動させることができれば特に限定されないが、たとえばカーボンまたはモリブデン等の高融点金属である。
１−３−７．洗浄機構
本発明の一実施形態のシリコン精製装置２４は、さらに残留部７と酸溶液またはアルカリ溶液とを混合し、残留部７に含まれる砥粒５を分離する洗浄機構をさらに備えることができる（図示せず）。この洗浄機構は、「１−６」に記載の砥粒回収工程において使用することができる。なお、この洗浄機構は、残留部７が砥粒５を含まない場合、使用されない。
本発明の一実施形態のシリコン精製装置２４は、さらに残留部７と酸溶液またはアルカリ溶液とを混合し、残留部７に含まれる砥粒５を分離する洗浄機構をさらに備えることができる（図示せず）。この洗浄機構は、「１−６」に記載の砥粒回収工程において使用することができる。なお、この洗浄機構は、残留部７が砥粒５を含まない場合、使用されない。
１−３−８．分粒機構
本発明の一実施形態のシリコン精製装置２４は、さらに前記洗浄機構により分離された前記砥粒をふるい分けまたは分級する分粒機構をさらに備えることができる（図示せず）。この分粒機構は、「１−７」に記載の分級工程において使用することができる。
本発明の一実施形態のシリコン精製装置２４は、さらに前記洗浄機構により分離された前記砥粒をふるい分けまたは分級する分粒機構をさらに備えることができる（図示せず）。この分粒機構は、「１−７」に記載の分級工程において使用することができる。
１−４．粉末から酸化シリコンの除去又は酸化シリコンおよび砥粒の除去
以下に、シリコン精製装置２４を用いる粉末３から酸化シリコン又は酸化シリコンおよび砥粒５を除去し、高純度シリコン６を得る方法を説明する。
なお、この方法は、溶融工程および出湯工程からなる。また、収納工程を備えることもできる。これらの工程は、減圧容器９の内の雰囲気が減圧または不活性ガスで行われる。不活性ガスは、特に限定されないが、たとえばアルゴン、ヘリウムまたは窒素を含むガスである。また、減圧雰囲気での減圧容器９の内部圧力は、たとえば１Ｔｏｒｒ以上７６０Ｔｏｒｒ以下（たとえば、１、１０、５０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、７６０Ｔｏｒｒのいずれか二つの間の範囲）である。
この条件で行うことにより、より高純度のシリコンを得ることができる。
以下に、シリコン精製装置２４を用いる粉末３から酸化シリコン又は酸化シリコンおよび砥粒５を除去し、高純度シリコン６を得る方法を説明する。
なお、この方法は、溶融工程および出湯工程からなる。また、収納工程を備えることもできる。これらの工程は、減圧容器９の内の雰囲気が減圧または不活性ガスで行われる。不活性ガスは、特に限定されないが、たとえばアルゴン、ヘリウムまたは窒素を含むガスである。また、減圧雰囲気での減圧容器９の内部圧力は、たとえば１Ｔｏｒｒ以上７６０Ｔｏｒｒ以下（たとえば、１、１０、５０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、７６０Ｔｏｒｒのいずれか二つの間の範囲）である。
この条件で行うことにより、より高純度のシリコンを得ることができる。
１−４−１．収納工程
収納工程において、粉末分離工程を経たシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３をシリコン精製装置２４の減圧容器９内の加熱容器１０に収納することができる。収納方法は特に限定されないが、溶融炉１３を減圧容器９内に入れる前に収納することもできる。また、粉末収納手段１９を使用して収納することもできる。
収納工程において、粉末分離工程を経たシリコン粉４を含む粉末３又はシリコン粉４および砥粒５を含む粉末３をシリコン精製装置２４の減圧容器９内の加熱容器１０に収納することができる。収納方法は特に限定されないが、溶融炉１３を減圧容器９内に入れる前に収納することもできる。また、粉末収納手段１９を使用して収納することもできる。
１−４−２．溶融工程
溶融工程において、加熱手段１１により加熱容器１０内の粉末３をシリコンの融点以上２０００℃以下に加熱し、粉末３に含まれるシリコンをシリコン融液とした溶湯２１とする。加熱温度は、たとえば１４１２℃以上２０００℃以下（たとえば、１４１２、１４５０、１５００、１５５０、１６００、１８００、１９００および２０００℃のいずれか二つの間の範囲）、望ましくは１６００℃以上１８００℃以下とする。
シリコン粉４には酸化膜としての酸化シリコンが多く含まれるため、粉末３をシリコンの融点である１４１２℃近傍に加熱しても溶湯２１の形成に時間を要する場合が多い。このため、粉末３を１６００℃以上の温度に加熱することが望ましい。加熱温度を上げすぎるとシリコンの蒸発が促進される場合があるため、２０００℃以下、望ましくは１８００℃以下とすることが好ましい。
また、溶融工程において粉末収納機構１９により粉末３の追加収納を行ってもよい。また、粉末３は、溶湯２１に含まれるシリコン融液に対して浮く傾向があるため、たとえば棒状体１８やガス吹き付けなどで物理的に粉末３を沈めることもできる。このことにより、加熱容器１０内の溶湯２１を十分な量とすることができる。
溶融工程において、加熱手段１１により加熱容器１０内の粉末３をシリコンの融点以上２０００℃以下に加熱し、粉末３に含まれるシリコンをシリコン融液とした溶湯２１とする。加熱温度は、たとえば１４１２℃以上２０００℃以下（たとえば、１４１２、１４５０、１５００、１５５０、１６００、１８００、１９００および２０００℃のいずれか二つの間の範囲）、望ましくは１６００℃以上１８００℃以下とする。
シリコン粉４には酸化膜としての酸化シリコンが多く含まれるため、粉末３をシリコンの融点である１４１２℃近傍に加熱しても溶湯２１の形成に時間を要する場合が多い。このため、粉末３を１６００℃以上の温度に加熱することが望ましい。加熱温度を上げすぎるとシリコンの蒸発が促進される場合があるため、２０００℃以下、望ましくは１８００℃以下とすることが好ましい。
また、溶融工程において粉末収納機構１９により粉末３の追加収納を行ってもよい。また、粉末３は、溶湯２１に含まれるシリコン融液に対して浮く傾向があるため、たとえば棒状体１８やガス吹き付けなどで物理的に粉末３を沈めることもできる。このことにより、加熱容器１０内の溶湯２１を十分な量とすることができる。
図５は、本発明の一実施形態の溶湯２１を有する加熱容器１０の概略断面図である。
溶湯２１に含まれるシリコン粉４に起因するシリコンは、溶融してシリコン融液として存在する。
溶湯２１は、シリコン融液が主成分である。しかし、シリコン粉４の酸化膜に起因する酸化シリコン２５が存在する。また、固定砥粒または遊離砥粒に起因する砥粒５が存在する場合がある。
酸化シリコン２５は、１４１２℃以上２０００℃以下の溶湯２１においてシリコン融液より高い粘度を持った状態で存在する。一般的に言われているシリコン融液の粘度は０．５ｍＰａ・ｓで水状であるが、酸化シリコン２５の粘度は１６００℃で１０7〜１０9ｍＰａ・ｓ、１８００℃で１０6〜１０8ｍＰａ・ｓで水飴状であり、顕著な差がある。
溶湯２１全体は対流等により攪拌されるため、粘度の高い酸化シリコン２５は、加熱容器１０の内壁または底へ粘着する。
溶湯２１に含まれるシリコン粉４に起因するシリコンは、溶融してシリコン融液として存在する。
溶湯２１は、シリコン融液が主成分である。しかし、シリコン粉４の酸化膜に起因する酸化シリコン２５が存在する。また、固定砥粒または遊離砥粒に起因する砥粒５が存在する場合がある。
酸化シリコン２５は、１４１２℃以上２０００℃以下の溶湯２１においてシリコン融液より高い粘度を持った状態で存在する。一般的に言われているシリコン融液の粘度は０．５ｍＰａ・ｓで水状であるが、酸化シリコン２５の粘度は１６００℃で１０7〜１０9ｍＰａ・ｓ、１８００℃で１０6〜１０8ｍＰａ・ｓで水飴状であり、顕著な差がある。
溶湯２１全体は対流等により攪拌されるため、粘度の高い酸化シリコン２５は、加熱容器１０の内壁または底へ粘着する。
砥粒５は、固定砥粒または遊離砥粒に起因するため、たとえばシリコンカーバイト、シリコンナイトライド、ダイヤモンドなどの粒子である。表１にシリコン、シリコンカーバイト、シリコンナイトライドおよびダイヤモンドの密度および融点、沸点または昇華点を示す。溶湯２１の温度が１４１２℃以上２０００℃以下であるため、砥粒５は、溶湯２１で固体の粒子として存在する。なお、砥粒５がシリコンナイトライドであり、溶湯２１の温度が１９００℃以上である場合、シリコンナイトライドは、昇華し溶湯２１に含まれない場合がある。また、これらの砥粒５は、シリコン融液より密度が大きい。
溶湯２１に砥粒５が含まれる場合、固体で存在する砥粒５は、シリコン融液の対流により攪拌される。砥粒５は、攪拌されながら多くは加熱容器１０の内壁および底に粘着した酸化シリコン２５に粘着し捕捉される。
溶湯２１の主成分はシリコン融液であり、加熱容器１０の内壁および底に酸化シリコン２５が粘着する。さらに溶湯２１に砥粒が含まれる場合、酸化シリコン２５にさらに砥粒が付着する。
なお、粉末３に含まれるシリコン粉４は、粒度が０．００１μｍ〜９９．９μｍ程度であり、酸化膜（ＳｉＯｘ）の比率が高い。このため、溶湯２１に含まれる砥粒５のすべてが粘着するために必要な酸化シリコン２５は十分に存在すると考えられる。
溶湯２１の主成分はシリコン融液であり、加熱容器１０の内壁および底に酸化シリコン２５が粘着する。さらに溶湯２１に砥粒が含まれる場合、酸化シリコン２５にさらに砥粒が付着する。
なお、粉末３に含まれるシリコン粉４は、粒度が０．００１μｍ〜９９．９μｍ程度であり、酸化膜（ＳｉＯｘ）の比率が高い。このため、溶湯２１に含まれる砥粒５のすべてが粘着するために必要な酸化シリコン２５は十分に存在すると考えられる。
また、粉末３に含まれるシリコン粉４に起因するシリコンが完全に溶融し溶湯２１が形成された後、溶湯２１の温度を、シリコンの融点以上、溶湯２１を形成した温度以下とすることにより、酸化シリコン２５の粘度をより大きくすることもできる。酸化シリコン２５の粘度を大きくすることにより、酸化シリコン２５を加熱容器２の内壁または底により粘着するようにすることができる。また、溶湯２１に砥粒５含まれる場合、砥粒５も酸化シリコン２５により付着するようにすることができる。また、後述の出湯工程においてシリコン融液部２２だけを出湯することが容易となる。
このように、加熱容器１０内において粉末３から溶湯２１を形成し、溶湯２１を対流させることにより、加熱容器１０に粘着した酸化シリコン２５又は加熱容器１０に粘着した酸化シリコン２５および酸化シリコン２５に粘着した砥粒５からなる粘着部２３と、シリコンが溶融したシリコン融液部２２とに分離することができる。
このように、加熱容器１０内において粉末３から溶湯２１を形成し、溶湯２１を対流させることにより、加熱容器１０に粘着した酸化シリコン２５又は加熱容器１０に粘着した酸化シリコン２５および酸化シリコン２５に粘着した砥粒５からなる粘着部２３と、シリコンが溶融したシリコン融液部２２とに分離することができる。
１−４−３．出湯工程
出湯工程において、加熱容器１０内のシリコン融液部２２を冷却容器１４に出湯する。出湯方法は、シリコン融液部２２が出湯されれば、特に限定されないが、出湯手段１２を用いることもできる。たとえば、出湯手段１２である傾動手段を用い加熱容器１０を傾けることにより加熱容器１０内のシリコン融液部２２を冷却容器１４に出湯することができる。
図６は、傾動手段を用い加熱容器１０を傾けシリコン融液部２２を冷却容器１４に出湯した場合の本発明の一実施形態のシリコン精製装置２４の概略断面図である。
また、図４（ａ）に示すように、加熱容器１０の上面に出湯手段１２を設けることにより、加熱容器１０内のシリコン融液部２２を出湯することもできる。また、図４（ｂ）に示すように、加熱容器１０の側面／下面の任意の位置に出湯手段１２を設けることにより、加熱容器１０内のシリコン融液部２２を出湯することもできる。図４（ｂ）の出湯手段１２を設ける場合、開閉可能な構造とする必要がある。
出湯工程において、加熱容器１０内のシリコン融液部２２を冷却容器１４に出湯する。出湯方法は、シリコン融液部２２が出湯されれば、特に限定されないが、出湯手段１２を用いることもできる。たとえば、出湯手段１２である傾動手段を用い加熱容器１０を傾けることにより加熱容器１０内のシリコン融液部２２を冷却容器１４に出湯することができる。
図６は、傾動手段を用い加熱容器１０を傾けシリコン融液部２２を冷却容器１４に出湯した場合の本発明の一実施形態のシリコン精製装置２４の概略断面図である。
また、図４（ａ）に示すように、加熱容器１０の上面に出湯手段１２を設けることにより、加熱容器１０内のシリコン融液部２２を出湯することもできる。また、図４（ｂ）に示すように、加熱容器１０の側面／下面の任意の位置に出湯手段１２を設けることにより、加熱容器１０内のシリコン融液部２２を出湯することもできる。図４（ｂ）の出湯手段１２を設ける場合、開閉可能な構造とする必要がある。
加熱容器１０内のシリコン融液部２２は、粘度が低いため出湯手段１２を用い容易に出湯することができる。しかし、酸化シリコン２５又は酸化シリコン２５と酸化シリコン２５に付着した砥粒５からなる粘着部２３は、加熱容器１０に粘着しているため、出湯せずに加熱容器１０内部に残留させることができる。
すなわち、冷却容器１４に出湯されたシリコン融液部２２は、加熱容器１０で形成した溶湯２１から不純物である酸化シリコン２５又は酸化シリコン２５と砥粒５からなる粘着部２３が除去された精製された高純度のシリコンである。このシリコン融液部２２を冷却容器１４で冷却することにより高純度シリコン６の塊を得ることができる。この高純度シリコン６は、太陽電池の製造に使用するシリコン材料として使用できるため、太陽電池用シリコン不足の解消を図ることができ、また、廃棄物量を削減することができる。
また、この冷却容器１４を搬送機構１６により減圧容器９外に移動することもできる。
以上の収納工程、溶融工程および出湯工程を繰り返すことにより、粉末３から連続して精製された高純度シリコン６を得ることができる。なお、この工程を繰り返すには、出湯工程後に加熱容器１０から粘着部２３を残留部容器１５に回収することが必要である。
すなわち、冷却容器１４に出湯されたシリコン融液部２２は、加熱容器１０で形成した溶湯２１から不純物である酸化シリコン２５又は酸化シリコン２５と砥粒５からなる粘着部２３が除去された精製された高純度のシリコンである。このシリコン融液部２２を冷却容器１４で冷却することにより高純度シリコン６の塊を得ることができる。この高純度シリコン６は、太陽電池の製造に使用するシリコン材料として使用できるため、太陽電池用シリコン不足の解消を図ることができ、また、廃棄物量を削減することができる。
また、この冷却容器１４を搬送機構１６により減圧容器９外に移動することもできる。
以上の収納工程、溶融工程および出湯工程を繰り返すことにより、粉末３から連続して精製された高純度シリコン６を得ることができる。なお、この工程を繰り返すには、出湯工程後に加熱容器１０から粘着部２３を残留部容器１５に回収することが必要である。
１−５．残留部回収工程
出湯工程において出湯されなかった部分である残留部を回収する残留部回収工程をさらに行うこともできる。
図７は、傾動手段を用い加熱容器１０を傾け加熱容器１０に粘着した粘着部２３を残留部７として残留部容器１５に移動した場合の本発明の一実施形態のシリコン精製装置２４の概略断面図である。
たとえば、残留部回収機構２０を用いて、加熱容器１０に粘着した粘着部２３および出湯できなかったシリコン融液を物理的な方法で掻き出し残留部７として残留部容器１５に移動することができる。なお、残留部７は、粘着部２３およびシリコン融液の一部を含む。
また、この残留部７を収納した残留部容器１５を搬送機構１６により減圧容器９外に移動することもできる。
なお、残留部７は、酸化シリコン２５及びシリコン、又は酸化シリコン２５、砥粒５及びシリコンを含む。残留部７が砥粒５を含む場合、粉末３と比較すると、砥粒５の割合が多い。
なお、残留部回収工程を行うことにより、加熱容器１０内は、空または空に近い状態とすることができる。このため、上記残留部回収工程、収納工程、溶融工程および出湯工程は、加熱容器１０の寿命（長期使用による消耗などによる）範囲において繰り返し行うことができる。
出湯工程において出湯されなかった部分である残留部を回収する残留部回収工程をさらに行うこともできる。
図７は、傾動手段を用い加熱容器１０を傾け加熱容器１０に粘着した粘着部２３を残留部７として残留部容器１５に移動した場合の本発明の一実施形態のシリコン精製装置２４の概略断面図である。
たとえば、残留部回収機構２０を用いて、加熱容器１０に粘着した粘着部２３および出湯できなかったシリコン融液を物理的な方法で掻き出し残留部７として残留部容器１５に移動することができる。なお、残留部７は、粘着部２３およびシリコン融液の一部を含む。
また、この残留部７を収納した残留部容器１５を搬送機構１６により減圧容器９外に移動することもできる。
なお、残留部７は、酸化シリコン２５及びシリコン、又は酸化シリコン２５、砥粒５及びシリコンを含む。残留部７が砥粒５を含む場合、粉末３と比較すると、砥粒５の割合が多い。
なお、残留部回収工程を行うことにより、加熱容器１０内は、空または空に近い状態とすることができる。このため、上記残留部回収工程、収納工程、溶融工程および出湯工程は、加熱容器１０の寿命（長期使用による消耗などによる）範囲において繰り返し行うことができる。
１−６．砥粒回収工程
残留部７に砥粒５が含まれる場合、砥粒回収工程において、残留部７を酸溶液またはアルカリ溶液で残留部７に含まれるシリコンおよび酸化シリコン２５を溶解し、砥粒５を分離することができる。たとえば、残留部７に含まれる酸化シリコン２５およびシリコンをフッ酸、硝酸などの酸溶液、または、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ溶液で溶解、除去し、砥粒５を回収することができる。たとえば、残留部７および酸などを、残留部７：フッ酸（４６％）：硝酸（７０％）：水＝５：２０：１０：７０の割合で混合することができる。これを攪拌しながら１時間保持することができる。その後、遠心分離機により、砥粒５を回収することができる。この回収された砥粒５は、シリコンの機械加工などにおいて再生砥粒８として再利用することができる。このため、コスト削減を図ることができ、さらに廃棄物量の削減が可能である。
残留部７に砥粒５が含まれる場合、砥粒回収工程において、残留部７を酸溶液またはアルカリ溶液で残留部７に含まれるシリコンおよび酸化シリコン２５を溶解し、砥粒５を分離することができる。たとえば、残留部７に含まれる酸化シリコン２５およびシリコンをフッ酸、硝酸などの酸溶液、または、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ溶液で溶解、除去し、砥粒５を回収することができる。たとえば、残留部７および酸などを、残留部７：フッ酸（４６％）：硝酸（７０％）：水＝５：２０：１０：７０の割合で混合することができる。これを攪拌しながら１時間保持することができる。その後、遠心分離機により、砥粒５を回収することができる。この回収された砥粒５は、シリコンの機械加工などにおいて再生砥粒８として再利用することができる。このため、コスト削減を図ることができ、さらに廃棄物量の削減が可能である。
１−７．分級工程
砥粒回収工程により得られた砥粒５をふるい分けまたは分級する分級工程をさらに備えることができる。砥粒回収工程により回収された砥粒５は、様々な粒径のものを含んでいる。たとえば、切断加工の際に用いられたものであれば、その際の粒径と同じものも含まれ、切断加工の際に砕かれたより小さい粒径のものも含まれる。これをふるい、あるいは分級すれば、所望の粒径の再生砥粒８を得ることができる。その粒径に適したシリコンの機械加工について、この再生砥粒８を再利用することができる。
砥粒回収工程により得られた砥粒５をふるい分けまたは分級する分級工程をさらに備えることができる。砥粒回収工程により回収された砥粒５は、様々な粒径のものを含んでいる。たとえば、切断加工の際に用いられたものであれば、その際の粒径と同じものも含まれ、切断加工の際に砕かれたより小さい粒径のものも含まれる。これをふるい、あるいは分級すれば、所望の粒径の再生砥粒８を得ることができる。その粒径に適したシリコンの機械加工について、この再生砥粒８を再利用することができる。
２．再生砥粒
砥粒回収工程、分級工程で得られる再生砥粒８は、たとえば、シリコンカーバイト、シリコンナイトライド、ダイヤモンドなどからなる。また、再生砥粒８は、シリコンの機械加工の際に砕かれた固定砥粒または遊離砥粒から生じる。このため、この再生砥粒８には、およそ１μｍの粒径の再生砥粒８やサブミクロンの粒径（＃１００００以上）の再生砥粒８が多く含まれる。このような粒径の小さい砥粒は、通常の生産では粉砕加工などに非常に手間を要する。従って、再生砥粒８は、粒径の小さい砥粒が得られるため、経済的な利点も有する。
また、溶融工程において、砥粒５は、１４１２℃以上に加熱され結晶化が促進される。このため、再生砥粒８は、結晶化が促進された非常に大きい強度を有する。
砥粒回収工程、分級工程で得られる再生砥粒８は、たとえば、シリコンカーバイト、シリコンナイトライド、ダイヤモンドなどからなる。また、再生砥粒８は、シリコンの機械加工の際に砕かれた固定砥粒または遊離砥粒から生じる。このため、この再生砥粒８には、およそ１μｍの粒径の再生砥粒８やサブミクロンの粒径（＃１００００以上）の再生砥粒８が多く含まれる。このような粒径の小さい砥粒は、通常の生産では粉砕加工などに非常に手間を要する。従って、再生砥粒８は、粒径の小さい砥粒が得られるため、経済的な利点も有する。
また、溶融工程において、砥粒５は、１４１２℃以上に加熱され結晶化が促進される。このため、再生砥粒８は、結晶化が促進された非常に大きい強度を有する。
３．効果実証実験
次に本発明の効果実証実験について説明する。ここでは、シリコンの切断加工を行った際に発生する廃液１に含まれるシリコンを精製する実験およびこの廃液１に含まれる砥粒５から再生砥粒２５を得る実験を行った。
次に本発明の効果実証実験について説明する。ここでは、シリコンの切断加工を行った際に発生する廃液１に含まれるシリコンを精製する実験およびこの廃液１に含まれる砥粒５から再生砥粒２５を得る実験を行った。
３−１．シリコンの機械加工および固体部分分離工程
マルチワイヤソーを用いてシリコンの切断加工を行った。潤滑材には水溶性オイル（大智化学製、ルナクーラント）を用い、遊離砥粒はシナノ製のシリコンカーバイトＧＣ＃１０００（平均粒径約１１μｍ）を用いた。この切断加工により発生した廃液１は、砥粒およびオイル成分が多いため、遠心分離機で砥粒、鉄分を主とする高密度の固体分と、シリコン粉、オイルを主とする低密度成分に分離した。その後、更に固体分を２００℃、７６Ｔｏｒｒで真空蒸留した。得られた固体部分２の組成を調べた結果を表２に示す。なお、固体部分２が含有する鉄粉の量の分析は、ＩＣＰ発光分析により行った。また、固体部分２が含有する砥粒の量の分析は、固体部分２をフッ酸と硝酸の混合液および苛性ソーダを用いて溶解し、残留物の重量を測定することにより行った。固体部分２が含有するオイルの量の分析は、固形物熱重量測定器を用いて、室温から５００℃まで加熱した後の重量変化を測定することにより行った。
固体部分２には、シリコンが削られた結果生じるシリコン粉４、マルチワイヤソーから発生する鉄粉、遊離砥粒から生じる砥粒５および潤滑材であるオイルが含まれ、不純物である鉄粉およびオイル成分が多く含まれることがわかった。
マルチワイヤソーを用いてシリコンの切断加工を行った。潤滑材には水溶性オイル（大智化学製、ルナクーラント）を用い、遊離砥粒はシナノ製のシリコンカーバイトＧＣ＃１０００（平均粒径約１１μｍ）を用いた。この切断加工により発生した廃液１は、砥粒およびオイル成分が多いため、遠心分離機で砥粒、鉄分を主とする高密度の固体分と、シリコン粉、オイルを主とする低密度成分に分離した。その後、更に固体分を２００℃、７６Ｔｏｒｒで真空蒸留した。得られた固体部分２の組成を調べた結果を表２に示す。なお、固体部分２が含有する鉄粉の量の分析は、ＩＣＰ発光分析により行った。また、固体部分２が含有する砥粒の量の分析は、固体部分２をフッ酸と硝酸の混合液および苛性ソーダを用いて溶解し、残留物の重量を測定することにより行った。固体部分２が含有するオイルの量の分析は、固形物熱重量測定器を用いて、室温から５００℃まで加熱した後の重量変化を測定することにより行った。
固体部分２には、シリコンが削られた結果生じるシリコン粉４、マルチワイヤソーから発生する鉄粉、遊離砥粒から生じる砥粒５および潤滑材であるオイルが含まれ、不純物である鉄粉およびオイル成分が多く含まれることがわかった。
３−２．洗浄工程
固体部分２から、鉄粉とオイル成分を除去するために、塩酸で洗浄を行った。
まず、固体部分２などを、固体部分２：塩酸（３５％）：水＝１：２：２の割合で混合した。その後、混合したものを攪拌しながら１時間保持した。その後、フィルタープレスを用いて固形分を回収し、リンス水を流して酸を除去した。その後、回収された固形分を振動乾燥機を用いて乾燥を行い、シリコン粉４および砥粒５を含む粉末３が得られた。
乾燥後の粉末３の組成を調べた結果を表３に示す。なお、測定方法は、表２の場合と同様である。また、シリコン粉の酸化分は、ＥＤＡＸ製の蛍光Ｘ線を用いて分析を行った。
粉末３は、シリコン粉４を主成分とし、砥粒５を含んでいた。鉄分およびオイルは洗浄工程によりほとんど除去されたことがわかった。
固体部分２から、鉄粉とオイル成分を除去するために、塩酸で洗浄を行った。
まず、固体部分２などを、固体部分２：塩酸（３５％）：水＝１：２：２の割合で混合した。その後、混合したものを攪拌しながら１時間保持した。その後、フィルタープレスを用いて固形分を回収し、リンス水を流して酸を除去した。その後、回収された固形分を振動乾燥機を用いて乾燥を行い、シリコン粉４および砥粒５を含む粉末３が得られた。
乾燥後の粉末３の組成を調べた結果を表３に示す。なお、測定方法は、表２の場合と同様である。また、シリコン粉の酸化分は、ＥＤＡＸ製の蛍光Ｘ線を用いて分析を行った。
粉末３は、シリコン粉４を主成分とし、砥粒５を含んでいた。鉄分およびオイルは洗浄工程によりほとんど除去されたことがわかった。
３−３．粉末から酸化シリコンおよび砥粒の除去
シリコン精製装置２４により粉末３から酸化シリコン２５および砥粒５の除去を行い、シリコンの精製を行った。溶融炉１３は、加熱手段１１として誘導加熱することができるものを用い、加熱容器１０としてカーボン坩堝を用いた。また、減圧容器９の内部は、アルゴンガス雰囲気で、内部圧力を７６０Ｔｏｒｒとした。
シリコン精製装置２４により粉末３から酸化シリコン２５および砥粒５の除去を行い、シリコンの精製を行った。溶融炉１３は、加熱手段１１として誘導加熱することができるものを用い、加熱容器１０としてカーボン坩堝を用いた。また、減圧容器９の内部は、アルゴンガス雰囲気で、内部圧力を７６０Ｔｏｒｒとした。
３−３−１．収納工程
洗浄工程で得られた粉末３を減圧容器９内部の加熱容器１０内に収納した。具体的には、粉末投入口１７から粉末３を加熱容器１０内に投入した。
洗浄工程で得られた粉末３を減圧容器９内部の加熱容器１０内に収納した。具体的には、粉末投入口１７から粉末３を加熱容器１０内に投入した。
３−３−２．溶融工程
加熱容器１０と粉末３を誘導加熱により加熱した。粉末３を１７００℃まで加熱することにより粉末３に含まれるシリコンが溶融し、粉末３は、溶湯２１となった。その後、粉末３を加熱容器１０内が溶湯２１で満タンになるまで粉末投入口１７から随時投入を行った。粉末３は、溶湯２１に対して浮く傾向があるため、カーボン製の棒状体１８を用いて物理的に粉末３を沈めた。
加熱容器１０と粉末３を誘導加熱により加熱した。粉末３を１７００℃まで加熱することにより粉末３に含まれるシリコンが溶融し、粉末３は、溶湯２１となった。その後、粉末３を加熱容器１０内が溶湯２１で満タンになるまで粉末投入口１７から随時投入を行った。粉末３は、溶湯２１に対して浮く傾向があるため、カーボン製の棒状体１８を用いて物理的に粉末３を沈めた。
３−３−３．出湯工程
溶融工程後の加熱容器１０を出湯手段１２である傾動手段を用いて傾動することにより、加熱容器１０内のシリコン融液部２２をカーボン鋳型の冷却容器１４に出湯した。この冷却容器１４内のシリコン融液部２２を冷却することにより高純度シリコン６を得ることができた。
溶融工程後の加熱容器１０を出湯手段１２である傾動手段を用いて傾動することにより、加熱容器１０内のシリコン融液部２２をカーボン鋳型の冷却容器１４に出湯した。この冷却容器１４内のシリコン融液部２２を冷却することにより高純度シリコン６を得ることができた。
３−４．高純度シリコン中の砥粒成分および酸化シリコン成分の測定
上記の出湯工程により得られた冷却容器１４内の高純度シリコン６の砥粒５成分および酸化シリコン２５成分の測定を行った。
表４に、高純度シリコン６中の砥粒５成分であるシリコンカーバイト濃度を測定した結果を示す。測定は高純度シリコン６を前洗浄し、表面の有機物（シリコンカーバイト以外のカーボン不純物）を除去した後、堀場製作所製の固体中炭素分析装置ＥＭＩＡで行った。その後、測定されたＣ濃度を分子量からＳｉＣ換算して求めた。この結果より、粉末３では５％であったシリコンカーバイトの濃度が収納工程、溶融工程および出湯工程を経ることにより３００ｐｐｍまで減少していることがわかった。
上記の出湯工程により得られた冷却容器１４内の高純度シリコン６の砥粒５成分および酸化シリコン２５成分の測定を行った。
表４に、高純度シリコン６中の砥粒５成分であるシリコンカーバイト濃度を測定した結果を示す。測定は高純度シリコン６を前洗浄し、表面の有機物（シリコンカーバイト以外のカーボン不純物）を除去した後、堀場製作所製の固体中炭素分析装置ＥＭＩＡで行った。その後、測定されたＣ濃度を分子量からＳｉＣ換算して求めた。この結果より、粉末３では５％であったシリコンカーバイトの濃度が収納工程、溶融工程および出湯工程を経ることにより３００ｐｐｍまで減少していることがわかった。
表５に、高純度シリコン６中の酸素濃度を測定した結果を示す。測定はＥＤＡＸ製の蛍光Ｘ線を用いた。この結果より、粉末３では５〜１０％であった酸素濃度が収納工程、溶融工程および出湯工程を経ることにより、検出限界以下（０．１％以下）まで減少したことがわかった。この結果から、高純度シリコン６には、酸化シリコンがほとんど含まれていないことがわかった。
この結果から、得られた高純度シリコン６は、太陽電池などに使用するシリコン材料として好ましく使用できるレベルにまで精製されたことがわかった。
３−５．残留部回収工程
出湯工程において出湯されなかった部分である残留部を回収する残留部回収工程を行った。
まず、加熱容器１０内に残留した酸化シリコン２５および砥粒５からなる粘着部２３を残留部回収機構２０であるカーボン製のヘラを用いて物理的に掻き出し、カーボン製の残留部容器１５に残留部７として回収した。
出湯工程において出湯されなかった部分である残留部を回収する残留部回収工程を行った。
まず、加熱容器１０内に残留した酸化シリコン２５および砥粒５からなる粘着部２３を残留部回収機構２０であるカーボン製のヘラを用いて物理的に掻き出し、カーボン製の残留部容器１５に残留部７として回収した。
３−６．砥粒回収工程
残留部容器１５内に回収された残留部７を坩堝から取り出し、砥粒５を回収し再生砥粒８を得た。
まず、残留部７および水酸化ナトリウムなどを残留部７：水酸化ナトリウム：水＝５：２０：８０の割合で混合した。これを攪拌しながら５０℃程度の温度に１時間保持した。その後、遠心分離機により、砥粒５を回収し再生砥粒８を得た。
残留部容器１５内に回収された残留部７を坩堝から取り出し、砥粒５を回収し再生砥粒８を得た。
まず、残留部７および水酸化ナトリウムなどを残留部７：水酸化ナトリウム：水＝５：２０：８０の割合で混合した。これを攪拌しながら５０℃程度の温度に１時間保持した。その後、遠心分離機により、砥粒５を回収し再生砥粒８を得た。
３−７．分級工程
砥粒回収工程により回収された砥粒５を分粒機構により分級し、０．２μｍ以下と０．３μｍ以上の砥粒５を分離した。その結果、粒径が０．２〜０．３μｍの再生砥粒８、０．２μｍ以下の再生砥粒８、０．３μｍ以上の再生砥粒８を得た。
砥粒回収工程により回収された砥粒５を分粒機構により分級し、０．２μｍ以下と０．３μｍ以上の砥粒５を分離した。その結果、粒径が０．２〜０．３μｍの再生砥粒８、０．２μｍ以下の再生砥粒８、０．３μｍ以上の再生砥粒８を得た。
３−８．再生砥粒の分析
３−８−１．再生砥粒の結晶性
砥粒回収工程により得られた再生砥粒８の写真の撮影を行った。また、比較例として、砥粒回収工程と同じ条件を用いて粉末３をアルカリ溶液で処理し、得られた砥粒の写真の撮影を行った。
図８は、砥粒回収工程により得られた再生砥粒８の写真である。
図９は、粉末３をアルカリ溶液で洗浄し、シリコン粉４を除去した砥粒５の写真である。
これらの写真から、粉末３から得られた砥粒５は、再結晶化されていないが、砥粒回収工程により得られた再生砥粒８は、溶融工程における加熱により再結晶化が促進され、強度の高いグリーンカーボン（ＧＣ）化されていることがわかった。
３−８−１．再生砥粒の結晶性
砥粒回収工程により得られた再生砥粒８の写真の撮影を行った。また、比較例として、砥粒回収工程と同じ条件を用いて粉末３をアルカリ溶液で処理し、得られた砥粒の写真の撮影を行った。
図８は、砥粒回収工程により得られた再生砥粒８の写真である。
図９は、粉末３をアルカリ溶液で洗浄し、シリコン粉４を除去した砥粒５の写真である。
これらの写真から、粉末３から得られた砥粒５は、再結晶化されていないが、砥粒回収工程により得られた再生砥粒８は、溶融工程における加熱により再結晶化が促進され、強度の高いグリーンカーボン（ＧＣ）化されていることがわかった。
３−８−２．再生砥粒の粒径分布
砥粒回収工程により得られた再生砥粒８の粒径分布の測定を行った。
図１０は、各粒子径の再生砥粒８の粒子量（％）および相対粒子量（％）を示す図である。０．２μｍ以上０．３μｍ以下の粒径の再生砥粒８が最も多いことがわかった。
砥粒回収工程により得られた再生砥粒８の粒径分布の測定を行った。
図１０は、各粒子径の再生砥粒８の粒子量（％）および相対粒子量（％）を示す図である。０．２μｍ以上０．３μｍ以下の粒径の再生砥粒８が最も多いことがわかった。
１：廃液 ２：固体部分 ３：粉末 ４：シリコン粉 ５：砥粒 ６：高純度シリコン ７：残留部 ８：再生砥粒 ９：減圧容器 １０：加熱容器 １１：加熱手段 １２：出湯手段 １３：溶融炉 １４：冷却容器 １５：残留部容器 １６：搬送機構 １７：粉末収納口 １８：棒状体 １９：粉末収納機構 ２０：残留部回収機構 ２１：溶湯 ２２：シリコン融液部 ２３：粘着部 ２４：シリコン精製装置 ２５：酸化シリコン
Claims (15)
- 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。 - 前記粉末は、前記機械加工に用いる固定砥粒または遊離砥粒から発生する砥粒を含む請求項１に記載の方法。
- 前記固定砥粒または前記遊離砥粒は、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を含む請求項２に記載の方法。
- 前記機械加工は、シリコンの円筒研削、切断、研磨またはウェハスライスである請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
- 前記粉末分離工程は、（１）前記廃液をフィルターまたは遠心分離機を用いて固体分を捕捉し乾燥させることにより固体部分を取得する方法、（２）前記廃液を回収し加熱または蒸留することにより固体部分を取得する方法および（３）前記廃液に対して凝集剤を用いて固体部分を取得する方法のうち少なくとも１つを含む工程である固体部分分離工程を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
- 前記粉末分離工程は、前記固体部分分離工程により取得した前記固体部分を水、酸溶液、アルカリ溶液および有機溶剤のうち少なくとも１つを用いて洗浄する洗浄工程をさらに含む請求項５に記載の方法。
- 前記出湯工程において出湯されなかった部分である残留部を回収する残留部回収工程をさらに備える請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
- 前記粉末は、前記機械加工に用いる固定砥粒または遊離砥粒から発生する砥粒を含み、かつ前記砥粒を含む前記残留部と酸溶液またはアルカリ溶液とを混合し、前記砥粒を分離する砥粒回収工程をさらに備える請求項７に記載の方法。
- 前記砥粒回収工程により得られた前記砥粒をふるい分けまたは分級する分級工程をさらに備える請求項８に記載の方法。
- シリコンの機械加工を行った際に発生する廃液から分離され、かつ酸化シリコンを有するシリコン粉を含む粉末を溶湯とする加熱容器、前記加熱容器を加熱する加熱手段および前記溶湯に含まれるシリコン融液を出湯する出湯手段を有する溶融炉と、
前記溶湯に含まれる粘度の低いシリコン融液を収納し冷却する冷却容器と、
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含む残留部を収納する残留部容器とを備え、
前記溶融炉、前記冷却容器および前記残留部容器は、減圧可能な減圧容器の内部にあるシリコン精製装置。 - 前記粉末は、前記機械加工に用いる固定砥粒または遊離砥粒から発生する砥粒を含む請求項１０に記載の装置。
- 前記機械加工は、シリコンの円筒研削、切断、研磨またはウェハスライスである請求項１０または請求項１１に記載の装置。
- 前記加熱容器の内壁または底に付着した酸化シリコンを含む前記残留部を物理的な方法で掻き出し、前記残留部容器に移動させる残留部回収機構をさらに備える請求項１０〜１２のいずれか１つに記載の装置。
- 前記粉末は、前記機械加工に用いる固定砥粒または遊離砥粒から発生する砥粒を含み、かつ前記砥粒を含む前記残留部と酸溶液またはアルカリ溶液とを混合し、前記砥粒を分離する洗浄機構をさらに備える請求項１０〜１３のいずれか１つに記載の装置。
- 前記洗浄機構により分離された前記砥粒をふるい分けまたは分級する分粒機構をさらに備える請求項１４に記載の装置。
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