JPS6052082B2 - 液体シリコン流し込み方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体シリコン流し込み方法および装置に関する
ものである。

低価格の太陽電池用シリコンを大量生産するためにアー
ク加熱器を使用する場合に或る種の問題が在り、特に生
産量が時間当り約９０ｋｇ（２００１ｂ）以上の場合に
問題となる。

例えば溶融シリコンをインゴット型に流し込むために流
れを制御し、また機械的に可動な装置の無い流を操作す
る装置を設ける必要がある。更に、流れ操作を高温で行
なうという問題もある。また液体シリコン生産に於ける
副産ガスが塩化ナトリウムである場合、この．ガスが鋳
込まれたシリコンインゴットを汚染せぬようにするとい
う問題もある。本発明の液体シリコン流し込み方法は、
離間した電極を有して反応室と連通するアーク室を形成
するアーク加熱器を用意し、上記電極間の軸方向一間隙
にアークを飛ばし、上記間隙を通して水素ならびに水素
および不活性ガスの混合物のみからなる群から選んだア
ークガスを導入して長いアーク流を形成し、このアーク
流中に金属、水素およびこれらの混合物のみからなる群
から選んだ還元剤を供給し、上記アーク流中にノ和ゲン
化シリコンを供給して上記還元剤と反応させて液体シリ
コンおよび上記還元剤の気体状塩を含む反応生成物を生
成し、上記アークガスおよび上記還元剤の気体状塩から
液体シリコンを分離し、タップ穴を有する捕集受容器内
に上記液体シリコンを捕集し、上記捕集受容器からの液
体シリコンの流れを制御する狭窄装置を上記タップ穴に
設ける工程を備えた″液体シリコン流し込み方法である
。

本発明による液体シリコン流し込み装置は、アーク室を
形成する軸方向に離間した上流側および下流側円筒形電
極を有するアーク加熱器と、上記アーク室外部に設けら
れて上記電極間の空間にアークを発生させる装置と、上
記電極外部に設けられて上記空間を通して上記アーク室
内に気体を注入して上記アーク室内およびその下流側に
延びるアーク流を形成する装置と、上記アーク加熱器に
組合わされて上記アーク流中に還元剤を供給する装置と
、上記アーク室下流側に設けられ反応室内の上記アーク
流内にシリコン化合物を導入して液体元素シリコンおよ
び上記還元剤の塩の混合物を生成する装置と、上記反応
室の下流側に設けられて液体シリコンと塩とを分離する
装置と、液体シリコンを排出するためのタップ穴装置を
有し液体シリコンを受入れる捕集受容器と、上記タップ
穴装置に組合わされて、管状の絞り開口、上記タップ穴
装置内の液体シリコンを凍結させる冷却装置および上記
タップ穴装置内の液体シリコンを溶融させる加熱装置を
有し、上記タップ穴装置を通る液体シリコンの流れを制
御する制御装置とを備えた液体シリコン流し込み装置で
ある。

本発明の一実施例によれば、制御装置はタップ穴内の溶
融液体シリコンを凍結する冷却装置とタップ穴内の溶融
液体シリコンを加熱する加熱装置とを備えている。

別の、実施例では、制御装置が、液体シリコン通過孔を
有し、この通過孔の横断面積は通過孔上の液体シリコン
の高さの関数であり、通過孔を通つて突出する液体シリ
コンの表面張力を静圧が越えたときに液体シリコンが流
れるようにしてある。本発明の方法および装置の利点は
、液体シリコンを排出する可動部の無いバルブが設けら
れることであり、更にこれに関連してはシリコン化合物
原材料の還元により発生する副生ガスから液体シリコン
を隔絶することである。

次に本発明の実施例を添附図面に関連して説明する。

本発明の液体シリコン流し込み方法は、離間した電極を
有して反応室と連通するアーク室を形成するアーク加熱
器を用意し、上記電極間の軸方向間隔にアークを飛ばし
、上記間隙を通して水素ならびに水素および不活性ガス
の混合物のみからなる群から選んだアークガスを導入し
て長いアーク流を形成し、このアーク流中に金属、水素
およびこれらの混合物のみからなる群から選んだ還元剤
を供給し、上記アーク流中にハロゲン化シリコンを供給
して上記還元剤と反応させて液体シリコンおよび上記還
元剤の気体状塩を含む反応生成物を生成し、上記アーク
ガスおよび上記還元剤の気体状塩から液体シリコンを分
離し、タップ穴を有する捕集受容器内に上記液体シリコ
ンを捕集し、上記捕集受容器からの液体シリコンの流れ
を制御する狭窄装置を上記タップ穴に設ける工程を備え
ている。

上述の方法に於ては、アルゴン等の不活性ガスと共にあ
るいは不活性ガス無しで水素を導入し、またナトリウム
あるいはマグネシウム等の金属還元剤を使用しているが
、ハロゲン化シリコンを液体シリコン状態に還元するた
めの代替法として金属還元剤あるいは水素を使用するこ
とによりいつかの工程を省略することができる。

しかしながら、望ましい方法は水素と金属還元剤との両
方を用いることであり、これは効率がより高くなるから
である。例えば、金属還元剤無しで水素だけを用いた場
合、極めて大量の水素が必要である。この方法を実施す
るための装置が第１図に概略的に示してあり、反応室即
ち反応炉１３を含む関連構造により支持されたサイクロ
ン分離器１１と、少なくとも一つ、望ましくは複数の三
相アークヒーター１５と、共生ガス用の第一排出口即ち
出口装置１７と、液体シリコン用の第二排出口即ち出口
装置１９とを備えている。アークヒーター１５の入口２
１からアークガスが導入され、アークガスは、ＨＣ′ガ
スあるいは金属塩を含む他の共生物と共に反応炉から出
口装置１７を通つて出て、サイクロン型あるいはコンデ
ンサー型の分離器２３に入つてアークガスがＨＣｅある
いは金属塩から分離される。

アークガスは圧縮機２５を通つて入口２１からアークヒ
ーターに再供給される。ＨＣｅあるいは金属塩は分離器
２３から流れて電解槽３１に導びかれて水素あるいは金
属および塩素に分解される。水素あるいは金属は入口３
５に送られて反応器１３内に導入される。電解槽３１か
らの塩素は塩素注入機３７に供給され、そこでＳｉＯ２
等のシリカ含有材料およびコークス等の炭素含有材料と
反応して四塩化シリコン、不純物塩素、および炭素酸化
物を生成する。、塩素注入機内で生成されたガス混合物
は分離器４３に送られて、入口５１から反応器１３に供
給される四塩化シリコンが精製される。第２図に示す如
く、一つ以上望ましくは３つのアーク加熱器１５は米国
特許第３７６５８７０号に記載されているものと構造お
よび動作が同様である。従つてアーク加熱器１５の説明
はここでは基本的構造と動作について行うに留める。ア
ーク加熱器１５（第２図）は各々、単相自己安定交流装
置であつて、約３５００ＫＷまでの出力レベルあるいは
三相プラントには約１００００ＫＷまでの出力レベルが
得られる。本発明に於ては、３つのアーク加熱器を三相
交流源の各相について１つづつ設けるのが望ましい。ア
ーク加熱器１５は２つの環状銅電極５９および６１を有
し、これら電極は約４ＫＫＶの線周波電力源に適合する
ように約１顛の空間即ち間隙６３で離間している。アー
ク６５はこの間隙６３に発生し、供給される原料ガス６
７がアークを直ちに″間隙からアーク室６９内部に吹込
む。原料ガス６７はシリコンと共存性の良いものでなけ
ればならず、不活性ガス、水素、ハロゲン化シリコンお
よびこれらの混合物からなる群から選んだ一つとするこ
とができる。アーク６５は外部に設けられた界磁コイル
７１および７３により形成された直流磁界とアーク電流
との相互作用によソー秒当り約１０００回転の速度て回
転する。この速度によりこの種の装置では非常に高い、
動作効率が得られ、伸展されたアーク６５はガス流によ
り下流に吹流さノれて反応室１３に、向つてまた多分そ
の中にまで入り込む。原料は入口孔３５および５１を通
して導入されるが、これら入口孔は望ましくは電極６１
の下流にあつて第２図に示す如く原料が伸長されたアー
ク６５中に入るようにしてある。反応材料はシリコンの
ハロゲン化物と、ナトリウムおよびマグネシウム等のア
ルカリあるいはアルカリ土類金属の還元剤金属と、水素
と、あるいはこれらのいずれかである。

望ましいハロゲン化シリコンは四塩化シリコンであるが
、四臭化シリコン等のハロゲン化物を用いても良い。発
熱反応でアーク加熱器により生成される溶融シリコン生
成物は次の一般式によるものである。

３つのアーク加熱器１５（第２図）を備えた反応装置は
、アーク６５をナトリウムあるいはＨ２等の還元金属あ
るいはガスJモVが望ましくは入口３５から液体噴霧とし
て注入されるプレナム７５に向ける。

プレナム７５内では、金属７７がアーク６５内に入りそ
こで望ましくは水素およびアルゴンの混合物であるアー
ク流ガス６７と結合してそこから下流側（第２図で右側
）に送られる。第３図に示す如く、プレナム７５は反応
室即ち反応炉１３によりサイクロン分離器１１に接続さ
れている。入口孔５１はハロゲン化シリコンを注入する
ためにプレナム７５の下流に設けてある。ハロゲン化シ
リコンは式（１）あるいは（２）に従つてナトリウムあ
るいは水素と結合する。上述の反応による生成物サイク
ロン分離器１１はに接続方向に噴射され、そこから塩化
ナトリウムあるいは塩化水素を含む気体生成物が出口装
置１７を通つて排出される。

液体シリコンはサイクロン分離器内でライナー８７上に
集められ、下端に向つて下方に流れて受容器８９内に捕
集され一る。本発明によれば、受容教器８９は傾斜面９
１と受容器８９のタップ穴装置の作用をする管状絞り開
口９３とを有する底壁を備えている。

ＲＦコイル９７を含み、絞り開口９３内のシリコンを溶
融！させる装置が設けられ、シリコンの温度を融点以上
に上げて受容器８９からシリコンを排出するようにして
ある。ＲＦコイル９７の他に絞り開口９３内のシリコン
の融点より低い温度に冷却するために水冷することもで
きる。第３図に示す如く、シリコンの固定層９９は受容
器の内壁から下方に傾斜面９１を越え絞り開口９３を通
つて延びることがある。シリコンの流し込みの制御は、
水冷コイル９７およびＲＦコイルの操作によつて絞り開
口９３内のシリコンの中央部１０１を凍結あるいは溶融
させることにより行なわれ、液体シリコン９５は受容器
８９からインゴット型（図示してない）に注入即ち供給
される。固体シリコン軸寸法が増大するとカップリング
が良くなりＲＦコイルに対する抵抗が増大する。ＲＦコ
イルは磁力線の集束している凍結シリコンの中央を加熱
し、シリコン流れオリフィスの直径を変化させ、流れを
制御する。開口は常に固体あるいは液体であるが、ｌ下
方に形成されたシリコンインゴットにＮａＣｅ蒸気が到
達するように開放されることはなく、従つて太陽電池用
シリコンの汚染物の悪影響は防ぐことができる。第４図
には本発明の他の実施例を示してあり、同様の部分には
同様の符号が付してある。

円形穴１０７を有する板１０５が管状絞り開口９３の横
断面方向に設けてある。液体シリコンの突出部１０９に
より示す如き溶融シリコン９５の表面張力により、板１
０５上方に液体シリコンの静圧水頭が充分高くなるまで
シリコンが穴１０７を通り抜けるのを防ぐ。この関係を
表わす式は次の通りである。但し、γ＝シリコンの表面
張力 ＲＯ＝穴の半径 ０＝濡れ角度 ρ＝シリコンの密度 ｇ＝重力加速度 ｈ＝静水圧が表面張力を上回りシリコン が流れ始めるときのシリコンの高さ 動作時には、板１０５が液体シリコン９５が開口を通つ
て下方のインゴット型に、流れるのを防ぐ。

上述の臨界高さｈを越えると、液体シリコンは高さが臨
界高さｈよりも低くなるまで流れる。このようにしてＲ
Ｆコイルで維持されて充満した喉部即ち開口内には常に
溶融シリコンの溜りが存在する。従つてＮａＣｅが側路
して汚染することが防がれる。上述のシリコン流し込み
方法および装置に於ては、滑り弁装置等の従来型流れ制
御装置を用いる場合に起こる問題が起こらない。

液体シリコンに接触する機械的部分が無いのて塩化ナト
リウムおよび他の汚染物により最終製品が汚染されるの
を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は液体シリコン製造法のフローチャート、第２図
は一部を破断した三相アーク加熱器を示す斜視図、第３
図はアーク加熱器およびサイクロン分離器を示す部分断
両立面図、第４図は本発明の他の実施例を示す垂直断面
図である。 １１・・・分離器、１３・・・反応室、１５・・・アー
ク加熱器、１９・・・受容器、５９，６１・・・電極、
６３・・間隙、６５・・・アーク、６９・・・アーク室
、９３・・・絞り開口、９７・・・冷却装置、加熱装置
、１０５・・・タップ穴。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 離間した電極を有して反応室と連通するアーク室を
   形成するアーク加熱器を用意し、上記電極間の軸方向間
   隙にアークを飛ばし、上記間隙を通して水素ならびに水
   素および不活性ガスの混合物のみからなる群から選んだ
   アークガスを導入して長いアーク流を形成し、このアー
   ク流中に金属、水素およびこれらの混合物のみからなる
   群から選んだ還元剤を供給し、上記アーク流中にハロゲ
   ン化シリコンを供給して上記還元剤と反応させて液体シ
   リコンおよび上記還元剤の気体状塩を含む反応生成物を
   生成し、上記アークガスおよび上記還元剤の気体状塩か
   ら液体シリコンを分離し、タップ穴を有する捕集受容器
   内に上記液体シリコンを捕集し、上記捕集受容器からの
   液体シリコンの流れを制御する狭窄装置を上記タップ穴
   に設ける工程を備えた液体シリコン流し込み方法。 ２ 上記狭窄装置が絞り開口を有し、この絞り開口の横
   断面積を液体シリコンの高さの関数として上記絞り開口
   を通つて突出する液体シリコンの表面張力を静圧が越え
   たときに液体シリコンが流れるようにする特許請求の範
   囲第１項記載の液体シリコン流し込み方法。 ３ 上記狭窄装置にシリコンを液体状態に加熱しまたシ
   リコンを固体状態に冷却する装置を設ける特許請求の範
   囲第１項記載の液体シリコン流し込み方法。 ４ アーク室を形成する軸方向に離間した上流側および
   下流側円筒形電極を有するアーク加熱器と、上記アーク
   室部に設けられて上記電極間の空間にアークを発生させ
   る装置と、上記電極外部に設けられて上記空間を通して
   上記アーク室内に気体を注入して上記アーク室内および
   その下流側に延びるアーク流を形成する装置と、上記ア
   ーク加熱器に組合わされて上記アーク流中に還元剤を供
   給する装置と、上記アーク室下流側に設けられ反応室内
   の上記アーク流内にシリコン化合物を導入して液体元素
   シリコンおよび上記還元剤の塩の混合物を生成する装置
   と、上記反応室の下流側に設けられて液体シリコンと塩
   とを分離する分離装置と、液体シリコンを排出するため
   のタップ穴装置を有し液体シリコンを受入れる捕集受容
   器と、上記タップ穴装置に組合わされて、管状の絞り開
   口、上記タップ穴装置内の液体シリコンを凍結させる冷
   却装置および上記タップ穴装置内の液体シリコンを溶融
   させる加熱装置を有し、上記タップ穴装置を通る液体シ
   リコンの流れを制御する制御装置とを備えた液体シリコ
   ン流し込み装置。 ５ 上記制御装置が、液体シリコン通過孔を有し、この
   通過孔の横断面積は通過孔上の液体シリコンの高さの関
   数であり、上記通過孔を通つて突出する液体シリコンの
   表面張力を静圧が越えたときに液体シリコンが流れるよ
   うにした特許請求の範囲第４項記載の液体シリコン流し
   込み装置。 上記シリコン化合物が四塩化シリコンである特許請求の
   範囲第５項記載の液体シリコン流し込み装置。７ 上記
   還元剤が、アルカリ金属、アルカリ土類金属、水素およ
   びこれらの混合物のみからなる群から選んだものである
   特許請求の範囲第６項記載の流し込み装置。 ８ 上記冷却装置が液冷壁を有する特許請求の範囲第４
   項乃至第７項のいずれか記載の液体シリコン流し込み装
   置。 ９ 上記加熱装置が誘導加熱装置を有する特許請求の範
   囲第４項乃至第８項のいずれか記載の液体シリコン流し
   込み装置。