JP5512941B2

JP5512941B2 - Silicon purification apparatus and purification method

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Publication number: JP5512941B2
Application number: JP2008218417A
Authority: JP
Inventors: 裕夫大久保; 洋一広瀬; 浩永田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: JP2010052973A

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。 The present invention relates to a silicon purification apparatus and purification method for purifying metal silicon (a base material made of metal silicon) by plasma arc heating.

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。 In the purification of silicon used for solar cells and the like, purification by plasma arc heating is used for oxidation purification for removing boron (B) which is an impurity contained (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). ). Plasma arc furnaces (silicon refiners using plasma arc heating) are roughly classified into transfer types and non-transfer types.

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）。 In the transfer type, a cathode electrode is provided in the plasma torch, only a slight DC voltage is applied to the nozzle part of the plasma torch, and a DC voltage is applied between the two electrodes using the conductive member provided at the bottom of the crucible as the anode electrode. This is applied to generate a plasma arc, and the plasma arc is sprayed from the nozzle portion toward the metal silicon loaded in the crucible to heat the metal silicon (for example, see Patent Document 1).

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）。 In the non-transfer type, a cathode electrode and an anode electrode are provided in the plasma torch, a direct current voltage is applied between both electrodes in the plasma torch to generate a plasma arc, and a nozzle portion that also serves as the anode electrode of the plasma torch. A plasma jet is sprayed toward the metallic silicon loaded in the crucible to heat the metallic silicon (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

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。 Comparing the transfer type and the non-transfer type, the transfer type is more excellent in the heating efficiency of the metal silicon than the non-transfer type because the plasma arc directly hits the object to be heated. In this transfer type, the same amount of metal silicon can be dissolved with an input power (torch output) of 1/2 to 1/3 of the non-transfer type. That is, the heating efficiency of the transfer type is two to three times that of the non-transfer type. In the non-transfer type, the heat load of the nozzle part also serving as the anode electrode is large, a considerable part (50% or more) of energy is wasted and escapes to the cooling water, and thus the heating efficiency is lowered.

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。 However, the non-transfer type has a higher boron removal rate and better silicon purification efficiency in the oxidative purification for removing boron than the transfer type. The purification efficiency of this non-transfer type is 2 to 3 times that of the transfer type. Therefore, the power consumption required for removing boron is almost the same regardless of whether the transfer type or the non-transfer type is used.

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。 In the transfer type, the plasma arc converges due to the so-called pinch effect, so the plasma jet (plasma gas) that hits the molten silicon does not spread. In the non-transfer type, the plasma arc is not injected from the plasma torch, but only the plasma jet is injected. Therefore, the above pinch effect does not work on the molten silicon surface, and the plasma jet that hits the metallic silicon spreads.

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。 Oxidation purification that removes boron, for example, oxidizes boron by spraying a mixed gas obtained by adding water vapor as an oxidizing gas to argon (Ar) gas as an inert gas (plasma working gas) on the surface of molten silicon. Evaporate. In the non-transfer type, it can be considered that the fact that the surface area of the molten silicon to which the plasma jet hits can be increased as described above is useful for expanding the reaction area where boron is oxidized and evaporated.

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 In addition, since the transfer type needs to use an object to be heated as an anode electrode, the insulator cannot be heated. However, since the non-transfer type does not need to use an object to be heated as an anode electrode, it can be used for heating an insulator or solid phase silicon having a large specific resistance.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-203813 JP 2004-125246 A Journal of the Japan Institute of Metals, Vol. 67, No. 10, 2003, 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。 However, although the above-mentioned conventional transfer type plasma arc heating has good heating efficiency, the purification efficiency is inevitably reduced. On the other hand, the above-mentioned conventional non-transfer type plasma arc heating has a good purification efficiency, but the heating efficiency is reduced. Therefore, there is a problem that it is difficult to achieve both improvement in heating efficiency and improvement in purification efficiency.

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。 In the non-transfer type, the nozzle part that also serves as the anode electrode requires maintenance such as replacement due to wear. However, since this nozzle part is a member that constitutes a plasma torch, it takes time and labor for maintenance. There was a problem.

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。 The present invention has been made in order to solve such a conventional problem, and can improve both the heating efficiency and the purification efficiency (reduction of the refined power consumption rate), and can maintain silicon having excellent maintainability. An object of the present invention is to provide a purification apparatus and a purification method.

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。 A first silicon purification apparatus of the present invention is a silicon purification apparatus for purifying a base material made of metallic silicon by plasma arc heating, and has a crucible for loading the base material, a cathode electrode, and a plasma working gas supply port. And a plasma torch for injecting a plasma arc from a nozzle portion directed toward the crucible, and a through-hole for passing a plasma jet generated by the plasma arc and guiding it to the crucible, and spaced from the plasma torch and the crucible And an anode electrode made of graphite disposed between the plasma torch and the crucible, and a power source for applying a DC voltage between the cathode electrode and the anode electrode. is there.

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。 The second silicon purification apparatus of the present invention is characterized in that, in the first purification apparatus, a heat insulating member is provided on the surface of the anode electrode facing the plasma torch.

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から搬出したときには、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。

The third silicon purification apparatus of the present invention is the above-described first or second purification apparatus, wherein the anode electrode is moved into and out of the space between the plasma torch and the crucible, and the anode electrode when unloaded from the space disconnect the power supply from the anode electrode, connected to the conductive member provided on the bottom of the crucible, when the anode electrode was carried into the space, the conductive member the power And a power source switching means that is connected to the anode electrode and separated from the anode electrode.

また、本発明のシリコンの精製方法は、上記第３の精製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。

Further, the silicon purification method of the present invention is a silicon purification method using the third purification device, wherein the anode electrode is carried into the space and is emitted by a plasma jet emitted through the anode electrode. The step of heating the base material, and the step of heating the base material by a plasma arc ejected from the space and discharging the anode electrode from the space.

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。 According to the first silicon purification apparatus of the present invention, by disposing the anode electrode between the plasma torch and the crucible away from the plasma torch and the crucible, heat generation due to the flow of electrons into the tip inner surface of the torch nozzle is eliminated. Heat loss in the plasma torch can be reduced, and it is not necessary to cool the anode electrode, and the metal silicon can be heated by radiant heat from the anode electrode, so that the heating efficiency can be improved as compared with the non-transfer type. . In addition, since a plasma arc is generated between the plasma torch and the anode electrode, and only the plasma jet spreads from the anode electrode to the metal silicon in the crucible, the purification efficiency can be improved compared to the transfer type. Therefore, it is possible to improve both the heating efficiency and the purification efficiency (reduction of the purified power intensity). Furthermore, since the anode electrode is disposed apart from the plasma torch and the crucible, there is an effect that maintenance of the anode electrode is facilitated.

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。 Further, according to the second silicon purification apparatus of the present invention, by providing a heat insulating member on the surface of the anode electrode on the plasma torch side, it is possible to prevent the radiant heat from the anode electrode from escaping to the plasma torch side, Since this radiant heat can be effectively used for heating the metal silicon, there is an effect that the heating efficiency can be further improved.

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。 Furthermore, according to the third silicon purification apparatus and the silicon purification method of the present invention, the plasma arc heating in which the anode electrode is carried into the space between the plasma torch and the crucible, and the transfer type plasma arc heating are performed. By using properly, there is an effect that the time required for melting metal silicon can be shortened.

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。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

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。 Embodiment 1
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration and operation of the silicon purification apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the silicon purification apparatus 10 according to Embodiment 1 includes a plasma torch 11, a cathode electrode 12, a DC power supply 13, a resistor 14, a crucible 15, and an anode electrode 16. 2A and 2B are schematic views for explaining the anode electrode 16. FIG. 2A is a top view (viewed from the torch 11 side), and FIG. 2B is a cross-sectional view between L1 and L1 in FIG. .

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。 A supply port 11a for supplying a plasma operating gas (inert gas) G1 into the torch is formed in the upper part of the plasma torch 11. Here, argon (Ar) gas is used as the plasma operating gas G1. In addition, the cooling water W circulates in the plasma torch 11.

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。 A cathode electrode 12 is provided inside the plasma torch 11. The cathode electrode 12 is insulated from the plasma torch 11 and is connected to the negative electrode of the DC power source 13, and emits thermoelectrons for generating an arc of the plasma arc P with the anode electrode 16.

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。 A nozzle portion 11 b for injecting a plasma arc P toward the crucible 15 and the anode electrode 16 is formed at the tip of the plasma torch 11. The nozzle portion 11 b is made of a conductive member, and is connected to the positive electrode of the DC power source 13 through the resistor 14. Thus, the plasma torch 11 has the same configuration as the transfer type plasma torch.

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。 The crucible 15 is disposed immediately below the plasma torch 11. The crucible 15 is loaded with metal silicon (a base material made of metal silicon) 18 to be purified by plasma arc heating. Here, a crucible made of graphite (graphite crucible) is used as the crucible 15.

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。 When a plasma jet (plasma gas) J generated by the plasma arc P injected from the plasma torch 11 is sprayed onto the surface of the metal silicon 18 in the crucible 15 and heated, the metal silicon 18 is melted and reaches the region where the plasma jet J hits. A depression 18a is produced. When all of the metal silicon 18 is completely dissolved and the oxidizing gas G2 is sprayed on the surface of the molten metal 18, boron is oxidized mainly by the oxidizing gas G 2 on the surface 18 a of the molten metal 18. , Removed by evaporation. Therefore, the supply means of the oxidizing gas G2 is adjusted so that the oxidizing gas G2 is sprayed on the surface of the recess 18a. Here, water vapor is used as the oxidizing gas G2.

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。 The anode electrode 16 is disposed in a space between the plasma torch 11 and the crucible 15. The anode electrode 16 is made of conductive graphite having excellent characteristics, cost, workability, and the like, and is connected to the positive electrode of the DC electrode 13.

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。 As shown in FIG. 2, the anode electrode 16 has a cylindrical shape (doughnut shape), and a plasma jet J generated by the plasma arc P ejected from the plasma torch 11 is passed in the thickness direction thereof. A through hole 16 a that leads to the crucible 15 is provided. Note that the outer shape of the anode electrode 16 is not necessarily concentric, and may be an ellipse or a polygon.

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。 The anode electrode 16 is disposed so that the central axis of the through hole 16a is coaxial with the central axis of the torch nozzle portion 11b. The anode electrode 16 is supported by a support separate from the plasma torch 11 and the crucible 15, or is supported by a support extending from the plasma torch 11 or the crucible 15, and is separated from the plasma torch 11 and the crucible 15. Is provided. As a result, maintenance work such as replacement when exhausted can be easily performed. Furthermore, vertical position adjustment (height adjustment) is easily possible.

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。 The arc of the plasma arc P injected from the torch nozzle 11b mainly converges on the inner peripheral side surface forming the through hole 16a of the anode electrode 16, and the anode electrode 16 is also heated by this. However, since the anode electrode 16 is disposed away from the plasma torch 11 and is made of graphite, it is not necessary to cool the anode electrode 16. The radiant heat from the anode electrode 16 can be used to heat the metal silicon 18 in the crucible 15. The radiant heat can be used more efficiently as the anode electrode 16 is closer to the crucible 15.

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。 On the other hand, what is guided to the crucible 15 through the through hole 16a of the anode electrode 16 is mainly the plasma jet J, and a depression 18a is formed on the melting surface of the metal silicon 18 to which the plasma jet J hits, and the surface of the depression 18a is mainly formed. In FIG. 3, boron is oxidized, evaporated and removed. The farther the anode electrode 16 is from the crucible 15 (the closer it is to the plasma torch 11), the wider the area where the plasma jet J hits, and efficient purification becomes possible.

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。 Therefore, the optimal position where the improvement of both heating efficiency and purification efficiency (reduction of the refined power consumption rate) can be achieved, the highest position where the desired heating efficiency is obtained, or the lowest position where the desired purification efficiency is obtained Thus, the height of the anode electrode 16 can be easily adjusted.

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。 The anode electrode 16 can also be constituted by a donut-shaped inner ring having a through hole 16a and an outer frame. By adopting such a configuration, the maintenance cost can be reduced because only the inner ring that is more worn out can be replaced during maintenance.

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。 As described above, the silicon purification apparatus 10 according to the first embodiment in which the anode electrode 16 is disposed between the plasma torch 11 and the crucible 15 is similar to the transfer type plasma arc furnace on the plasma torch 11 side (upper side) of the anode electrode 16. It is a semi-transfer type plasma arc furnace that has the same properties as the non-transfer type plasma arc furnace on the crucible 15 side (lower side) of the anode electrode 16. That is, by disposing the anode electrode 16 between the plasma torch 11 and the crucible 15 separately, the plasma torch 11 has the same configuration as the transfer type plasma torch, and operates (behaves) like a non-transfer type plasma arc furnace. be able to. And the plasma arc heating by this semi-transfer type plasma arc furnace is so-called semi-transfer type plasma arc heating.

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。 The silicon purification procedure by the silicon purification apparatus 10 according to the first embodiment will be described below. First, metal silicon (a base material made of metal silicon) 18 is loaded into the crucible 15. Then, as shown in FIG. 1, Ar gas G1 which is a plasma working gas (inert gas) is supplied to the plasma torch 11 to generate a plasma arc P, and the metal silicon 18 is heated by semi-transfer type plasma arc heating. . The torch output of the silicon purification apparatus 10 at this time is set within a range of 3 kW / kg to 30 kW / kg, for example.

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。 Next, when it is confirmed that all of the metal silicon 18 is completely dissolved, thereafter, the molten metal of the metal silicon 18 is heated on the surface of the melt of the metal silicon 18 while being heated by a semi-transfer type plasma arc for a predetermined time. Steam G2 is sprayed to oxidize and purify the metal silicon 18.

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。 Here, for example, when the temperature of the metal silicon 18 is 1420 ° C. or higher and the massive silicon disappears, it is determined that the metal silicon 18 is completely dissolved. In addition, the temperature of the molten silicon during oxidation purification is desirably maintained at 1500 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower. This is because when the temperature is 1500 ° C. or lower, the film is easily covered with a silica (SiO ₂ ) film due to the influence of water vapor sprayed for oxidative purification, and the deboronization rate decreases. On the other hand, since the deboronization rate decreases even if the molten metal temperature is too high, the temperature is preferably set to 1700 ° C. or lower. The flow rate of the water vapor G2 to be added is preferably in the range of 1% to 15% of the flow rate of the Ar gas G1. This is because if it is 1% or less, the deboronization rate decreases, and if it is 15% or more, it is likely to be covered with a silica film, and the deboronization rate is also decreased. Moreover, it is desirable to set the torch output after the addition of the water vapor G2 within the range of 3 kW / kg to 30 kW / kg.

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。 Thereby, boron which is an impurity contained in the metal silicon 18 is oxidized and removed by the water vapor G2, and the metal silicon 18 is oxidized and purified.

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。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, the anode electrode 16 made of graphite is disposed between the plasma torch 11 and the crucible 15 so as to be spaced apart from the plasma torch 11 and the crucible 15. Thus, the cooling of the plasma torch is not required, so that heat loss in the plasma torch can be reduced, and the metal silicon 18 can be heated by the radiant heat of the heated anode electrode 16 without the need to cool the anode electrode 16. Heating efficiency can be improved as compared with the transfer type.

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。 Moreover, since the plasma jet J induced on the surface of the metal silicon 18 has a smaller pinch effect than the transfer type plasma arc, the plasma jet J spreads on the surface of the molten metal silicon 18 and can improve the purification efficiency over the transfer type. .

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。 And the position (height) of the anode electrode 16 between the plasma torch 11 and the crucible 15 can be easily adjusted, and this enables adjustment of heating efficiency and purification efficiency. Can be improved (reduction of the refined power intensity).

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。 Furthermore, since the anode electrode 16 is disposed away from the plasma torch 11 and the crucible 15, maintenance of the anode electrode 16 is facilitated, and a silicon purification apparatus having excellent maintainability can be obtained.

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。 Embodiment 2
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration and operation of the silicon refining device according to Embodiment 2 of the present invention, and the same components as those in FIG. In FIG. 3, the silicon purification apparatus 20 according to the second embodiment includes a plasma torch 11, a cathode electrode 12, a DC power supply 13, a resistor 14, a crucible 15, an anode electrode 16, and a heat insulating member 26. It is configured. 4 is a schematic diagram for explaining the heat insulating member 26 provided on the anode electrode 16. FIG. 4A is a top view (viewed from the torch 11 side), and FIG. It is sectional drawing between L2.

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。 The silicon purification apparatus 20 according to the second embodiment is the same as the silicon purification apparatus 10 according to the first embodiment, except that the heat insulating member 26 is provided on the anode electrode 16. As the heat insulating member 26, it is desirable to use a carbon fiber heat insulating material that is less affected by the contamination of the metal silicon 18 or a silicon nitride ceramic.

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。 As shown in FIG. 4, the heat insulating member 26 is provided so as to cover the surface (upper surface) and the outer surface of the anode electrode 16 on the plasma torch 11 side. The anode electrode 16 is disposed so that the central axis of the through-hole 16a is coaxial with the central axis of the torch nozzle portion 11b, the arc in the plasma arc P converges, and the plasma jet (plasma gas) J is generated. Since it passes through the through hole 16a, it is heated to a considerably high temperature.

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。 By providing the heat insulating member 26 on the surface of the anode electrode 16 on the plasma torch 11 side, the radiant heat from the anode electrode 16 is prevented from escaping to the plasma torch 11 side and heating the nozzle portion 11b of the plasma torch 11 and metal The radiant heat from the molten metal surface of the silicon 18 is prevented from escaping to the plasma torch 11 side through the anode electrode 16, and the metal silicon 18 can be heated more efficiently by the radiant heat from the anode electrode 16.

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。 The silicon purification procedure by the silicon purification apparatus of the second embodiment is the same as the silicon purification procedure of the first embodiment, for example. It is also possible to employ a configuration in which the heat insulating member 26 is provided only on the surface of the anode electrode 16 on the plasma torch 11 side.

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。 As described above, according to the second embodiment of the present invention, in addition to obtaining the same effect as in the first embodiment, the heat insulating member 26 is disposed on the plasma torch 11 side of the anode electrode 16, so that the anode It is possible to prevent the radiant heat from the electrode 16 and the radiant heat from the molten metal surface of the metal silicon 18 from escaping to the plasma torch 11 side and heating the nozzle portion 11b, and the metal silicon 18 can be efficiently heated, thereby further improving the heating efficiency. be able to.

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。 Embodiment 3
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the silicon refining device according to the third embodiment of the present invention, and the same components as those in FIG. 5, the silicon purification apparatus 30 according to the third embodiment includes a plasma torch 11, a cathode electrode 12, a DC power supply 13, a resistor 14, a crucible 35, an anode electrode 16, power supply switching means 33, an anode, The electrode moving means 36 is provided.

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。 The silicon purification apparatus 30 according to the third embodiment is the same as the silicon purification apparatus 10 according to the first embodiment except that the crucible 15 is changed to a crucible 35 and a power source switching means 33 and an anode electrode moving means 36 are provided. The configuration is such that the semi-transfer type plasma arc heating and the transfer type plasma arc heating of the first embodiment can be switched.

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。 The crucible 35 is provided with a conductive member 35a at the bottom of the crucible 15 of the first embodiment, which serves as an anode electrode when performing transfer plasma arc heating.

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。 The anode electrode moving means 36 can move the anode electrode 16 in the horizontal direction, and when performing semi-transfer type plasma arc heating, the anode electrode 16 is placed between the plasma torch 11 and the crucible 35 as shown in FIG. When carrying in and carrying out transfer type plasma arc heating, the anode electrode 16 is carried out from between the plasma torch 11 and the crucible 35 as shown in FIG.

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。 When the anode switch 16 is carried in and the semi-transfer type plasma arc heating is performed, the power source switching unit 33 connects the anode electrode 16 to the positive electrode of the power source 13 and disconnects the conductive member 35 a from the positive electrode of the power source 13. When carrying out transfer type plasma arc heating by unloading 16, the conductive member 35 a is connected to the positive electrode of the power source 13 and the anode electrode 16 is disconnected from the positive electrode of the power source 13.

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。 The silicon purification procedure by the silicon purification apparatus 30 of the third embodiment will be described below. First, metal silicon (a base material made of metal silicon) 18 is loaded into the crucible 35. Then, as shown in FIG. 5A, the anode electrode 16 is carried in, and an Ar gas G 1 that is a plasma working gas (inert gas) is supplied to the plasma torch 11, and the cathode electrode 12 and the anode electrode 16 are interposed. A plasma arc P is generated, and the metal silicon 18 is heated by semi-transfer type plasma arc heating. The torch output of the silicon refining device 30 at this time is set within a range of 3 kW / kg to 30 kW / kg, for example.

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。 Since the specific resistance of solid-state metallic silicon is extremely high near room temperature, it is difficult to heat from the beginning by transfer-type plasma arc heating with a short melting time. For this reason, until the transfer type plasma arc heating becomes possible, the metal silicon 18 is heated by the semi-transfer type plasma arc heating of FIG.

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。 Next, when the temperature of the metal silicon 18 rises and a part of the metal silicon 18 starts to melt and the transfer type plasma arc heating becomes possible, the anode electrode 16 is moved horizontally and carried out as shown in FIG. At the same time, the connection of the positive electrode of the power source 13 is switched to the conductive member 35a of the crucible 35, a plasma arc P is generated between the cathode 12 and the metal silicon 18, and the metal silicon 18 is heated and melted by transfer type plasma arc heating. To do. The torch output of the silicon refining device 30 at this time is set within a range of 3 kW / kg to 30 kW / kg, for example.

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。 As described above, when the temperature of the metal silicon 18 rises to a temperature at which the transfer type plasma arc heating is possible, the melting time of the metal silicon 18 is shortened by switching from the semi-transfer type plasma arc heating to the transfer type plasma arc heating. be able to.

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。 At the time of switching from the semi-transfer type plasma arc heating to the transfer type plasma arc heating, most of the metal silicon 18 still maintains a solid phase, and only a part thereof starts to melt. Therefore, the operator can easily determine this switching time by visually observing the surface of the metal silicon 18. Note that it is possible to determine the switching time using a sensor such as an optical thermometer.

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。 Next, when it is confirmed that all of the metal silicon 18 is completely dissolved, the anode electrode 16 is horizontally moved and loaded again as shown in FIG. 5A, and the positive electrode of the power source 13 is switched to the anode electrode 16. Then, resume the semi-transfer type plasma arc heating. For example, when the temperature of the metal silicon becomes 1420 ° C. or higher and the lump silicon disappears, it is determined that the silicon is completely dissolved, and the transfer plasma heating is switched to the semi-transfer plasma heating. Alternatively, the switching may be performed after the temperature of the molten silicon is raised to 1500 ° C. or higher. Further, the torch output of the silicon purification apparatus 30 at this time is set within a range of 3 kW / kg to 30 kW / kg, for example.

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。 Then, water vapor G2, which is an oxidizing gas, is sprayed on the surface of the molten metal while heating the molten metal of the metal silicon 18 by a semi-transfer type plasma arc for a predetermined time. At this time, the electric power is adjusted so that the molten metal temperature of the silicon is maintained at 1500 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower, and the flow rate of the water vapor G2 is, for example, in the range of 1% to 15% of the flow rate of the Ar gas G1.

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。 Thereby, boron which is an impurity contained in the metal silicon 18 is oxidized and removed by the water vapor G2, and the metal silicon 18 is oxidized and purified.

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。 As described above, according to the third embodiment of the present invention, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the semi-transfer type plasma arc heating and the transfer type plasma arc heating can be selectively used. In the silicon purification procedure, when strong heating by transfer plasma arc heating is required, switching to this can shorten the heating time, further improving the heating efficiency and saving power. . Further, since the anode electrode 16 and the conductive member 35a are properly used, the consumption of the anode 16 can be reduced.

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。 In the silicon purification apparatus 30 of the third embodiment, the heat insulating member 26 can be disposed on the anode electrode 16 as in the second embodiment. Moreover, in the silicon purification apparatus 30 of the third embodiment, it is of course possible to carry out the silicon purification procedure described in the first embodiment without horizontally moving the anode electrode 16 while being carried in.

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。 Example 1
Metallic silicon was purified using the silicon purification apparatus 10 of FIG.
First, 10 kg of metallic silicon (boron concentration: 6 ppm) was charged in a graphite crucible (step S1).
Then, the torch output is set to 100 kW, Ar gas is supplied to the plasma torch at a flow rate of 100 liters / minute to generate a semi-transfer type plasma arc, and metal silicon is heated by this semi-transfer type plasma gas (step S2). ).
Next, it was confirmed that the metal silicon was completely dissolved, and heating was continued until the molten metal temperature of the metal silicon reached 1550 ° C. (step S3). The time required for the molten metal temperature to reach 1550 ° C. after starting the metal silicon heating was 80 minutes.
Thereafter, the torch output was set to 70 kW, and water vapor having a flow rate corresponding to 10% of the Ar gas flow rate was added (step S4).
Then, after the addition of water vapor, oxidation purification was performed for 1 hour (step S5).
Thereafter, the purified silicon of Example 1 from which boron was removed by the above-described oxidation purification was sampled, and the boron concentration was measured. The results and the time required to dissolve the silicon and heat it to 1550 ° C. are shown in Table 1 below.

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。 Example 2
Metallic silicon was purified using the silicon purification apparatus 20 (the anode electrode 16 provided with the heat insulating member 26) in FIG.
10 kg of metallic silicon (boron concentration: 6 ppm) was charged in a graphite crucible, and steps S2 to S5 of Example 1 were performed to purify metallic silicon. Since the heat insulating member 26 was provided on the anode electrode 16, the time required for the molten metal temperature to reach 1550 ° C. after starting the heating of the metal silicon was shorter than that of Example 1 and was 70 minutes.
Then, the purified silicon obtained in Example 2 was sampled and its boron concentration was measured. The results and the time required to dissolve the silicon and heat it to 1550 ° C. are shown in Table 1 below.

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。 Example 3
Metallic silicon was purified using the silicon purification apparatus 30 of FIG.
First, 10 kg of metallic silicon (boron concentration: 6 ppm) was charged in a graphite crucible (step S1).
Next, with the anode electrode 16 attached as shown in FIG. 5A, the torch output is set to 100 kW, Ar gas is supplied to the plasma torch at a flow rate of 100 liters / minute, and a semi-transfer type plasma arc is generated. The metal silicon was heated by this semi-transfer type plasma gas (step S2a).
Next, after confirming that a part of the metal silicon 18 started to melt, the plasma heating was once interrupted. Thereafter, as shown in FIG. 5B, the anode electrode 16 is moved horizontally and carried out, and the positive electrode of the power source 13 is switched to the conductive member 35 a of the crucible 35, and plasma is generated between the cathode 12 and the metal silicon 18. An arc P was generated, and the metal silicon 18 was heated and melted by transfer plasma arc heating. The torch output at this time was set to 100 kW, and the Ar gas flow rate was set to 100 liters / minute (step S2b).
Furthermore, heating was continued until the molten metal temperature of metal silicon reached 1550 ° C. (step S3a). The time required for the molten metal temperature to reach 1550 ° C. after starting the metal silicon heating was 55 minutes.
Next, as shown in FIG. 5A, the anode electrode 16 is moved horizontally and carried in again, and the positive electrode of the power source 13 is switched to the anode electrode 16 to resume the semi-transfer type plasma arc heating (step S3b). ).
Thereafter, the torch output was set to 70 kW, and water vapor having a flow rate corresponding to 10% of the Ar gas flow rate was added (step S4).
Then, after the addition of water vapor, oxidation purification was performed for 1 hour (step S5).
Thereafter, the purified silicon of Example 1 from which boron was removed by the above-described oxidation purification was sampled, and the boron concentration was measured. Table 1 below shows the results and the time required to dissolve the silicon and heat it to 1550 ° C.

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。 As described above, according to the third embodiment, when the silicon is melted, the heating and melting time can be shortened by switching to an efficient heating method by the transfer type plasma arc heating, so that further power saving can be achieved.

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。 Comparative Example 1
The silicon silicon was purified using the silicon purification apparatus 40 using the non-transfer type plasma power source and the non-transfer type plasma torch shown in FIG. In FIG. 6, the same reference numerals are given to the same components as those in FIG. 1, and the silicon purification apparatus 40 includes a plasma torch 41, a cathode electrode 12, a DC power source 13, and a crucible 15. Yes. This silicon purification apparatus 40 is a non-transfer type plasma arc furnace, and a nozzle portion 41 b made of a conductive member of a plasma torch 41 also serves as an anode electrode and is connected to the positive electrode of the DC power supply 13.

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。 In Comparative Example 1, 10 kg of metal silicon (boron concentration: 6 ppm) was charged in a graphite crucible, and Steps S2 to S5 of Example 1 were performed to purify the metal silicon. However, the time required for the molten metal temperature to reach 1550 ° C. after starting the heating of the metal silicon was 170 minutes, which was more than twice that of Example 1. Then, to maintain the molten metal temperature at 1550 ° C. or higher, the torch output had to be 95 kW.
Then, the purified silicon obtained in Comparative Example 1 was sampled and its boron concentration was measured. The results and the time required to dissolve the silicon and heat it to 1550 ° C. are shown in Table 1 below.

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。 Comparative Example 2
An attempt was made to dissolve and purify silicon metal using the silicon purifier 50 using the transfer type plasma power source and transfer type plasma torch shown in FIG. In FIG. 7, the same components as those in FIG. 1 or FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and the silicon purifier 50 includes a plasma torch 11, a cathode electrode 12, a DC power supply 13, a resistor 14, and a crucible 35. And is configured. This silicon purification apparatus 50 is a transfer type plasma arc furnace, and a conductive member 35 a provided at the bottom of the crucible 35 serves as an anode electrode and is connected to the positive electrode of the DC power supply 13.

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。 In Comparative Example 2, 10 kg of metal silicon (boron concentration: 6 ppm) was charged in a graphite crucible, and steps S2 to S5 of Example 1 were performed to try to dissolve and purify metal silicon. However, silicon in a low temperature state has a high electric resistance, and the plasma does not fly stably in the transfer type plasma torch, so that heating and melting cannot be performed.

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。 In Table 1, compared with Comparative Example 1 (transfer type plasma arc heating) in which the plasma torch output at the time of melting heating is the same 100 kW, in Examples 1 to 3, the molten metal temperature reached 1550 ° C., and water vapor was added. It can be seen that the time until the start of de-B purification is as short as ½ or less, and the time can be greatly shortened. Therefore, the power consumption can be reduced.

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。 Further, in comparison between Example 1 and Example 2 using the semi-transfer type plasma arc heating through heating and de-B refining, Example 2 in which the heat insulating member 26 is provided on the external anode electrode 16 is more efficient. Excellent, melting and heating time is shortened. In Example 3 in which the transfer type plasma arc heating method is used at the time of melting and heating, the required melting time is further shortened compared to Example 2.

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。 Thus, by using the apparatus / method using the plasma arc heating method of the present invention, the time required for melting and heating can be greatly shortened, and power saving can be achieved. As for the B concentration after refining, all of Examples 1 to 3 are stably reduced to 0.3 ppm. In contrast, Comparative Example 1 is as high as 0.5 ppm.

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。It is a schematic cross section explaining the configuration and operation of the silicon purification apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. 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。It is a schematic diagram explaining the anode electrode provided in the silicon refinement | purification apparatus of FIG. 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。It is a schematic cross section explaining the structure of the silicon | silicone refinement apparatus of Embodiment 2 of this invention. 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。It is a schematic diagram explaining the heat insulation member arrange | positioned at the anode electrode provided in the silicon refinement | purification apparatus of FIG. 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。It is a schematic cross section explaining the structure and operation | movement of the silicon | silicone purification apparatus of Embodiment 3 of this invention. 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。6 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration and operation of a silicon purification apparatus (non-transfer type plasma arc furnace) used in Comparative Example 1. FIG. 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。6 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration and operation of a silicon purification apparatus (transfer type plasma arc furnace) used in Comparative Example 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Silicon refiner, 11 Plasma torch, 11a Plasma operation gas (inert gas) supply port, 11b Nozzle part, 12 Cathode electrode, 13 DC power supply, 14 Resistance, 15 Crucible, 16 Anode electrode, 16a Through-hole, 18 Metal silicon , 18a depression, 20 silicon purification device, 26 heat insulation member, 30 silicon purification device, 33 power source switching means, 35 crucible, 36 anode electrode moving means, 35a conductive member, G1 plasma operating gas (inert gas), G2 oxidizing property Gas, J plasma jet (plasma gas), P plasma arc, W cooling water.

Claims

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。 In a silicon refining device that purifies a base material made of metallic silicon by plasma arc heating,
A crucible for loading the base material;
A plasma torch having a cathode electrode and a plasma working gas supply port, for injecting a plasma arc from a nozzle portion directed toward the crucible;
An anode electrode made of graphite having a through hole for passing a plasma jet generated by the plasma arc and guiding it to the crucible, and being spaced from the plasma torch and the crucible and disposed between the plasma torch and the crucible When,
A power source for applying a DC voltage between the cathode electrode and the anode electrode;
An apparatus for purifying silicon, comprising:

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。 The silicon purification apparatus according to claim 1, wherein a heat insulating member is provided on a surface of the anode electrode facing the plasma torch.

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から搬出したときには、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。 Moving means for carrying the anode electrode into and out of the space between the plasma torch and the crucible;
When unloading the anode electrode from said space, disconnect the power supply from the anode electrode, connected to the conductive member provided on the bottom of the crucible, when the anode electrode was carried into the space, the power supply Power supply switching means for disconnecting from the conductive member and connecting to the anode electrode;
The silicon purifier according to claim 1, further comprising:

請求項３に記載のシリコンの精製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。 A silicon purification method using the silicon purification apparatus according to claim 3,
Carrying the anode electrode into the space and heating the base material with a high-temperature plasma jet radiated through the anode electrode;
Unloading the anode electrode from the space and heating the base material by a plasma arc injected from the plasma torch;
A method for purifying silicon, comprising: