JP2005343780A

JP2005343780A - スクラップシリコンのリサイクル方法

Info

Publication number: JP2005343780A
Application number: JP2004194723A
Authority: JP
Inventors: Norichika Yamauchi; 則近山内; Katsuhiko Shimada; 雄彦島田
Original assignee: IIS MATERIALS KK
Current assignee: IIS MATERIALS KK
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2005-12-15
Also published as: US7842118B2; DE102005025435A1; US20060016289A1

Abstract

【課題】シリコンウエーハ等のシリコン製品の製造に伴って発生するスクラップシリコンのリサイクルをビジネスとして行えるようにする。
【解決手段】スクラップシリコンの購入価格、精錬コスト、及びシリコン製品の販売予想価格等を考慮して、採算の取れるスクラップシリコンのみを選択的に回収し、この回収したスクラップシリコンを精錬してシリコン材料として販売できるシリコンを製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンウエーハ等のシリコン製品の製造に伴って発生する、不純物元素を含有したスクラップシリコンから高純度のシリコンを製造するスクラップシリコンのリサイクル方法に関する。

シリコン原料の利用率を高める観点から、シリコンインゴットからシリコンウエハを製造する際に発生するスクラップ（以下、「スクラップシリコン」と呼ぶ）を再利用することが望まれているが、スクラップシリコンには不純物が含まれているため、これを再利用するためには、純度を高めなければならない。

下記特許文献１には、太陽電池用シリコンの製造工程の途中で発生するスクラップを回収して再度精錬工程に戻して、シリコンの歩留りを向上させることが記載されている。

特開平１０−２４５２１６号公報

しかしながら、上記特許文献１には、太陽電池用シリコンの製造においてシリコンの歩留りを向上させる技術が開示されているに過ぎない。

本発明は、シリコンウエーハ等のシリコン製品の製造に伴って発生するスクラップシリコンのリサイクルをビジネスとして行えるようにすることを目的とするものである。

シリコン製品の製造に伴って発生するスクラップシリコンには、ボロン、リン、ヒ素、アンチモン等の異なる不純物元素を含有した種々のものがある。これらの不純物元素の内、例えば、ボロンは、活量が小さく気化除去は困難であり（蒸気圧が低いため単純な真空除去はできない、また偏析係数も小さいため凝固精錬も期待できない。従って、ボロンを不純物元素とし含有するスクラップシリコンを回収してもリサイクルが不可能であり、仮に精錬が可能であっても精錬コストのために採算が取れず、ビジネスとしては成り立たない。

本発明者らは、上記の点に鑑み、ビジネスとして成り立つスクラップシリコンのリサイクル方法を提供するものであり、スクラップシリコンの購入価格、精錬コスト及びシリコン製品の販売予想価格等を考慮して、採算の取れるスクラップシリコンのみを選択的に回収し、この回収したスクラップシリコンを精錬してシリコン材料として販売できるシリコン（以下、製品シリコンと呼ぶ）を製造することを特徴とするものである。なお、「採算が取れる」とは、シリコン製品の販売予想価格が、スクラップシリコンの購入価格と精錬コストの合計を上回っていることを意味する。

ヒ素、アンチモン又はリンを不純物元素として含有するＮ型スクラップシリコンのみを選択的に回収することが好ましい。中でも、蒸発し易い（精製し易い）ヒ素又はアンチモンを含有するＮ型スクラップシリコンのみを選択的に回収することが好ましく、次いで、リンを含有するＮ型スクラップシリコンのみを選択的に回収することが好ましい。また、回収したスクラップシリコンを真空容器内に置き、電子ビームを照射して溶融させて不純物元素を蒸発させ、得られた溶融シリコンを凝固させて製品シリコンを製造することが好ましい。

特にアンチモン、ヒ素は真空中での蒸気圧が高いため、上記の精錬方法を用いることによって比較的低コストで純度の高い製品シリコンを製造でき、収益性が高いビジネスが成立する。

本発明のスクラップシリコンのリサイクル方法においては、スクラップシリコンの購入価格、精錬コスト、及びシリコン製品の販売予想価格等を考慮して、採算の取れるスクラップシリコンのみを選択的に回収して精錬を行ない、これによって製品シリコンを製造するため、シリコンウエハを製造する際に発生するスクラップシリコンを再利用したいという産業界の要望に応えることができるだけでなく、スクラップシリコンのリサイクルをビジネスとして行うことが可能である。

以下、本発明の実施形態によるスクラップシリコンのリサイクル方法を添付の図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態によるスクラップシリコンのリサイクル方法は、採算の取れるスクラップシリコンのみを選択的に回収する工程Ａ、この回収したスクラップシリコンを精錬して製品シリコンを製造する工程Ｂ、製造した製品シリコンを販売する工程Ｃとから成る。次に、回収工程Ａと製造（精錬）工程Ｂを詳細に説明する。

回収工程Ａ：
先ず、スクラップシリコンの購入価格、精錬コスト、及びシリコン製品の販売価格等に基づき、採算の取れるスクラップシリコンを選定する。具体的には、スクラップシリコンに含まれる不純物元素に適した精錬方法（最も低コストで精錬できる方法）を選定し、この選定した精錬方法を採用した場合の精錬コストを見積もる。そして、見積もられた精錬コストと、スクラップシリコンの購入価格と、シリコン製品の販売価格等に基づいて採算性を判断する。例えば、アンチモン、ヒ素又はリンを含有したＮ型スクラップシリコンのみを業者から購入するか、係るスクラップシリコンを選別して（以下、これらを総称して「回収」と呼ぶ）、これを以下に述べる電子ビームを用いた精錬方法を用いて精錬を行った場合、スクラップシリコンの購入価格や製品シリコンの販売価格にもよるが、充分に採算がとれる。特に、アンチモン、ヒ素は真空中での蒸気圧が高いため、下記の電子ビームを用いた精錬方法によって効率良く除去でき、アンチモン、ヒ素を不純物元素として含有するスクラップシリコンを選択的に回収することが好ましい。

製造（精錬）工程Ｂ：
上記のようにして選択的に回収したスクラップシリコンを電子ビームを用いて精錬する。この精錬方法は、破砕工程、溶融工程、凝固工程からなる。これらの工程を順次説明する。

〔破砕工程〕
この工程では、選択したスクラップシリコン（以下、「原料シリコン」と呼ぶ）を、次の溶融工程に適した大きさに破砕する工程である。図３は破砕工程の詳細を示す。先ず、ガスバーナ、電気炉、高周波加熱等の方法によって原料シリコンを加熱し、その後、水冷又は空冷によって急速に冷却する。なお、上記の加熱手段の内、高周波加熱を用いることが特に好ましい。何故なら、加熱中における汚染を防ぐことができ、設備も比較的簡単でよいためである。また、原料シリコンの加熱は、耐火煉瓦や酸化シリコン上で行い、金属不純物の原料シリコンへの付着を防止している。上記の加熱・冷却工程により、原料シリコンが脆くなり、破砕し易くなる。その後、原料シリコン同士を打ちつけて破砕する。この破砕を手作業で行う場合、ポリエチレン等のプラスチック製のトレー上で、両方の手に原料シリコンを持ち、それらを互いに打ちつけて破砕させる。その結果、破砕した原料シリコン（以下、「粒状スクラップシリコン」と呼ぶ）がトレーにより受けられる。トレーはプラスチック製であるため、粒状スクラップシリコンへ金属不純物が付着することがない。なお、この破砕工程は、上記の手作業による破砕と同等の操作を実現する破砕機を用いて行ってもよい。

〔溶融工程〕
上記の破砕工程で得られた粒状スクラップシリコンを、例えば、１０^−４ｔｏｒｒ以下に減圧した真空容器内に設置されたハース内に入れ、その後、この粒状スクラップシリコンに電子ビームを照射して溶融し、例えば、１５００℃以上の温度に加熱された溶融シリコン（以下、「溶湯」と呼ぶ）を得る。

〔凝固工程〕
その後、ハースに隣接して配置した水冷るつぼ内に溶湯を注ぎ、その後冷却する。

次に、上記の精錬方法の実施に用いられる精錬装置について説明する。
精錬装置の全体構成を示す概略図である図４に示すように、精錬装置は、真空容器１、この真空容器１内に設置された原料供給装置２、真空容器１内に設置され、原料供給装置２から供給される粒状スクラップシリコンをシュータ３を介して収容するハース４と、このハース４内の粒状スクラップシリコンに電子ビームを照射して溶融させる電子銃５と、ハース４から溶湯が供給されるるつぼ６と、このるつぼ６内の溶湯に電子ビームを照射する電子銃７とを備えている。

先ず、破砕工程において得られた粒状スクラップシリコンを原料供給装置２のホッパ内に充填する。その後、原料供給装置２を作動させると、ホッパ内の粒状スクラップシリコンが所定の速度でシュータ３上に排出され、シュータ３を介してハース４に供給される。所定量の粒状スクラップシリコンがハース４に供給されると、電子銃５を作動させて電子ビームをハース４内の粒状スクラップシリコンに照射して溶融させ、所定温度の溶湯を得る。真空中での蒸気圧が高いアンチモンのみを不純物元素して含むスクラップシリコンを選択した場合、不純物元素は溶融工程において短時間の内に蒸発し、高い純度のシリコン溶湯が得られる。その後、図示しない溶湯供給機構により、ハース４内の溶湯をるつぼ６に注ぐ。るつぼ６内の溶湯が凝固する前に、るつぼ６上に配置された電子銃７を作動させて電子ビームをるつぼ６内の溶湯に照射し、溶湯に含まれる不純物元素を更に蒸発させる。その後、るつぼ６内の溶湯を冷却し、高純度のシリコン塊を得る。

シリコンウエーハ等のシリコン製品の製造に伴って発生する、不純物元素を含有したスクラップシリコンから高純度のシリコンを製造するスクラップシリコンのリサイクル事業に適用できる。

本発明の実施形態によるスクラップシリコンのリサイクル方法を示す流れ図。本発明の実施形態によるスクラップシリコンのリサイクル方法で使用される電子ビーム精錬方法を示す流れ図。図１に示す破砕工程の詳細を示す流れ図。本発明の実施形態による精錬装置の全体構成を示す概略図。

符号の説明

１真空容器
２原料供給装置
３シュータ
４ハース
５、７電子銃
６るつぼ

Claims

シリコン製品の製造に伴って発生する、不純物元素を含有したスクラップシリコンを精製して高純度のシリコンを製造するスクラップシリコンのリサイクル方法であって、
スクラップシリコンの購入価格、精錬コスト、及びシリコン製品の販売予想価格等を考慮して、採算の取れるスクラップシリコンのみを選択的に回収し、この回収したスクラップシリコンを精錬してシリコン材料として販売できるシリコンを製造することを特徴とする方法。
請求項１に記載のスクラップシリコンのリサイクル方法であって、前記採算の取れるスクラップシリコンは、Ｎ型スクラップシリコンであることを特徴とする方法。
請求項２に記載のスクラップシリコンのリサイクル方法であって、回収したスクラップシリコンを真空容器内に置き、電子ビームを照射して溶融させて不純物元素を蒸発させ、得られた溶融シリコンを凝固させて精錬を行うものであることを特徴とする方法。
請求項１に記載のスクラップシリコンのリサイクル方法であって、前記採算の取れるスクラップシリコンは、不純物元素としてアンチモンを含むスクラップシリコンであり、回収したスクラップシリコンを真空容器内に置き、電子ビームを照射して溶融させて不純物元素を蒸発させ、得られた溶融シリコンを凝固させて精錬を行うものであることを特徴とする方法。