[发明专利]硅的精制方法以及精制装置

说明书

技术领域

本发明涉及硅的精制方法及精制装置，特别是从原料硅依照冶金的方法，高效率高收益率地除去磷、硼等的杂质，制造高纯度硅的方法及装置。 

背景技术

高纯度硅，被用于半导体设备用及太阳能电池，不过为了满足这些用途所需的高纯度硅精制起来非常困难。要满足这样的高纯度要求精制过程既要有高生产效率，同时也要有高收益率。 

对太阳能电池用硅(SolarGradeSilicon：SOG-Si)的纯度要求是Si：99.9999％(6N)以上，虽然较半导体设备用的Si：99.999999999％(11N)以上纯度的要求相对比较低，但降低成本被认为是一大课题。 

用于这些用途的硅的原始原料是通过冶金方法而制造的市售的金属硅(MG-Si)，纯度在99.5％左右，含多种杂质，需要多种精制过程。金属硅含有的杂质中，铝、铁、钛等杂质，可以通过利用固液分配系数的差异采用单向凝固法除去；碳如果是炭化硅的状态，可在熔融后凝固时浮出表面时分离掉，如果是碳单体的状态就采用氧化等方法，可以比较容易地除去。 

与此相对，金属硅中含有的杂质磷及硼的去除就很困难，需要经过高温汽化处理或者氧化工序。其结果，因高温处理不仅投入大量能源，而且在处理过程中硅的损失量也很大，因此在提高纯度的同时，降低成本和提高效率也就成为课题。 

由市售的金属硅到批量生产太阳能电池用硅的冶金式的制作过程，被新能源·产业技术综合开发机构(NEDO)开发出来并且成果已经公开。 

作为现有技术的例子，非专利文献1所记载的是将市售的金属硅作为原始原料，首先在真空的氛围中从熔融的硅中将比硅蒸气压高的磷蒸发除去，然后使用掺水蒸气等离子或通过低压氧等离子熔解，使熔融状态的硅中的硼氧化，利用氧化硼与硅或者氧化硅之间仅有的一点儿的蒸气压差以氧化硼的形式将 硼除去的工序。 

按照图对这些的工序加以说明。 

在图4中，真空室101被真空吸引成10^-2托以下(譬如，10^-3托左右)的高真空状态，通过送料斗102将块状的原料硅(金属硅)送到配置在真空室内的保持容器(坩埚)103中，用电子枪104加热原料硅使其熔融。因为在此时加热温度下，磷的蒸气压比硅的要高，所以磷从熔融表面蒸发而被除去。 

磷被除去后的熔液硅，被送入单向凝固用铸模106，一边从上方由电子枪105加热，一边使其从下方凝固。凝固后切掉浓缩了杂质的最后部位，就得到了包含硼但磷及其他杂质被除去后的精制硅锭。 

接着，将在上述工序中得到的精制硅锭粉碎、洗净之后，送入图5所示的保持着略比大气压低(200-400托左右)的真空室111内的保持容器113，用等离子喷枪114进行掺水蒸气等离子弧加热，或者进行低压氧等离子弧加热，熔融同时硼被氧化，利用高温下氧化硼的蒸气压比硅或氧化硅的蒸气压微高的特性，将氧化硼由熔融表面蒸发除去。 

硼被除去后的熔液硅，按照与上述相同的方法，送入单向凝固用铸模106，一边从上方由电子枪115加热，一边使其从下方凝固。凝固后切掉浓缩了杂质的最后部位，就得到了高纯度的精制硅锭。 

通过这些工序所得到的高纯度硅，其纯度如下面的表1所示。 

表1 

(单位：质量ppm)