CN103153856A - 多晶硅制造装置以及多晶硅制造方法 - Google Patents

Abstract

[课题]一种多晶硅的制造装置以及制造方法，将锌还原法中的反应器的休止时间抑制为最小限度，藉此可使多晶硅的生产效率提高，从而可比较廉价且大量地制造多晶硅，上述锌还原法是以固体状态来将产生的硅回收。[解决手段]通过锌来对四氯化硅进行还原而制造多晶硅的硅制造装置的特征在于：纵型反应器1包括可上下地分离的反应器上侧本体2与反应器下侧本体3，反应器下侧本体3可沿着上下左右方向移动。

Description

多晶硅制造装置以及多晶硅制造方法

技术领域

本发明是有关于一种多晶硅（silicon）制造装置以及多晶硅制造方法。

背景技术

作为成为半导体用单晶硅的原料的高纯度多晶硅的代表性制造法，可列举西门子法（Siemens Method）。以西门子法制造的多晶硅的纯度极高，但反应速度慢，制造成本中的单位电力使用量（electrical power consumption rate）所占的比例大，而且由于制造设备的运转为批次式运转，因此，制品价格昂贵，上述西门子法并不适合作为需要廉价的销售价格的太阳电池用多晶硅的制造法。

近年来，作为可比西门子法更廉价地进行制造的多晶硅制造法，已提出有锌还原法，该锌还原法是利用金属锌来对四氯化硅进行还原，从而制造高纯度多晶硅。

在专利文献1中揭示有如下的方法，即，每当使高纯度四氯化硅以及高纯度锌分别气化，在900℃～1100℃的气体（gas）环境中进行反应时，将可通电的硅芯或钽芯设置于反应器内部，在芯上促进硅析出，在反应结束之后，将反应器开放，接着将产生的针状及片状（flake shape）硅取出。

另外，在专利文献2中揭示有如下的多晶硅的制造装置，该多晶硅的制造装置是使用纵型反应器，将硅氯化物气体与还原剂气体供给至该反应器内，通过硅氯化物气体与还原剂气体的反应，使硅氯化物气体供给喷嘴（nozzle）的前端部产生多晶硅，然后使上述多晶硅直接在上述喷嘴的前端部的下方成长。上述纵型反应器包括：设置于上部的硅氯化物气体供给喷嘴、还原剂气体供给喷嘴、以及废气排出管（pipe）。

在专利文献2中，成长的多晶硅虽有一部分会自然下落，但通常处于黏着在喷嘴前端的状态。在该情形时，在反应结束之后，由设置于反应器下部或另外设置的冷却·粉碎装置冷却粉碎之后，通过设置于反应器底部或冷却粉碎装置的快门（shutter）型的阀等，将上述多晶硅排出至反应器的系统之外。目前，上述掏出排出作业耗费时间，排出作业危险且困难，炉体亦有可能会损伤，且作业需要长时间。

如此，存在如下的问题，即，之前已提出的以固体状态来将产生的硅回收的锌还原法是批次方式的方法，该批次方式的方法是在反应结束之后，将反应器下部开放，接着将产生的硅取出，因此，反应器的运转休止时间长，结果，生产效率变低，制造成本不易下降。在今后，太阳电池用多晶硅的需求会逐步扩大的状况下，期待实现可廉价地进行制造的多晶硅的大量生产装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4200703号

专利文献2：日本专利特开2007-223822号公报

发明内容

发明解决的问题

本发明是鉴于如上所述的之前的实际情况，本发明的目的在于提供如下的多晶硅的制造装置以及制造方法，该多晶硅的制造装置以及制造方法将锌还原法中的反应器的休止时间抑制为最小限度，藉此可使多晶硅的生产效率提高，从而可比较廉价且大量地制造多晶硅，上述锌还原法是以固体状态来将产生的硅回收。

解决问题的手段

用以实现上述目的的本发明的多晶硅制造装置通过锌来对四氯化硅进行还原而制造多晶硅，该多晶硅制造装置的特征在于：

包括反应器，该反应器包含可上下地分离的反应器上侧本体与反应器下侧本体，锌气体供给配管与四氯化硅气体供给配管连接于上述反应器上侧本体的上部，在上述反应器上侧本体的下部或上述反应器下侧本体的上部设置有废气的排出口，该废气包含反应所产生的氯化锌，上述反应器下侧本体设置为可沿着上下左右方向移动。

再者，在本说明书中，所谓“左右方向”，是指与上下方向大致垂直的方向。

此处，较佳为在上述反应器下侧本体内设置有收纳容器，该收纳容器收纳上述多晶硅。

另外，在本发明中，较佳为在上述反应器下侧本体设置有台车，该台车的载置面可通过升降设备而沿着上下方向移动，通过包括上述升降设备的台车，上述反应器下侧本体设置为可沿着上下左右方向移动。

或者在本发明中，较佳为包括运送机构，该运送机构能够以将上述收纳容器吊起的状态，沿着上下方向或水平方向来运送上述收纳容器。

另外，在本发明中，较佳为邻接地配置有多晶硅回收设备，该多晶硅回收设备自上述收纳容器回收多晶硅。

而且，本发明是使用上述任一项所述的多晶硅制造装置来制造多晶硅的方法，该方法的特征在于包括如下的步骤：

1）使用将上述反应器上侧本体与上述反应器下侧本体连接而构成的反应器，使四氯化硅气体与锌气体发生反应；

2）使上述反应所产生的硅成长体自上述四氯化硅气体供给喷嘴附近脱离；

3）使上述反应器下侧本体与上述反应器上侧本体分离且下降；

4）使上述反应器下侧本体仅水平地移动规定的距离；以及

5）自上述反应器下侧本体回收多晶硅。

发明的效果

根据本发明的硅制造装置以及硅制造方法，将反应器的休止时间抑制为最小限度，藉此，可使多晶硅的生产效率提高，并且可比较廉价且大量地制造多晶硅。

附图说明

图1是表示本发明的多晶硅制造装置的概略图。

图2是与硅回收设备相关联地表示本发明的硅制造装置的概略图。

图3是与收纳容器的运送机构相关联地表示本发明的硅制造装置的概略图，特别是与将产生的硅取出的步骤一并表示本发明的硅制造装置的概略图。

具体实施方式

以下，一面参照图式，一面对本发明的多晶硅制造装置以及使用该硅制造装置的多晶硅制造方法进行说明。

[反应器]

图1是表示本发明的一个实例的多晶硅制造装置的概略图。

在本实例的多晶硅制造装置中，例如在2层与3层之间采用大致圆筒形状的纵型反应器1。该纵型反应器1包含反应器上侧本体2与反应器下侧本体3两个分割体，反应器上侧本体2固定于承架，并且反应器下侧本体3被设置为在与上侧本体2分离时可移动。另外，为了维持密闭性，反应器上侧本体2与反应器下侧本体3经由耐热性的密封剂（sealant）而上下地连接。

另一方面，在反应器下侧本体3的下表面，设置有包括升降设备31的台车32。而且，当上述反应器下侧本体3与反应器上侧本体2分离时，上述反应器下侧本体3可通过升降设备31而沿着上下方向移动，并且可通过台车32而沿着水平方向移动。

对于包括如上所述的纵型反应器1的硅制造装置而言，当反应器上侧本体2与反应器下侧本体3接合时或分离时，将上述升降设备31启动而使反应器下侧本体3上下移动，藉此，容易进行耐热性密封剂的插入及更换等的作业。

对于反应器上侧本体2与反应器下侧本体3的接合而言，只要将接合凸缘（flange）部2a、接合凸缘部3a分别设置于反应器上侧本体2与反应器下侧本体3，将未图示的多根螺栓（bolt）插通于上述接合凸缘部2a、接合凸缘部3a之间，以上述螺栓来将上述接合凸缘部2a、接合凸缘部3a彼此紧固，则可确实地维持密闭性。

而且，在反应器上侧本体2的外侧具有加热设备（未图示）。

在纵型反应器1的反应器上侧本体2的上部，顶板11一体地安装于反应器上侧本体2的内壁。另外，将上述顶板11的大致中央部贯通而安装锌气体供给喷嘴12，并且以围绕着该锌气体供给喷嘴12的形态，安装有多根四氯化硅气体供给喷嘴14。另外，锌气体供给喷嘴12与四氯化硅气体供给喷嘴14经由各个供给配管，连接于纵型反应器1的外部所配置的未图示的锌蒸发器及四氯化硅气体蒸发器。

构成反应器上侧本体2的材质只要是如下的材质，则无特别的限定，该材质在四氯化硅气体与锌气体进行反应的800℃～1200℃的使用温度范围内具有耐久性。可举起石英、碳化硅、以及氮化硅等作为例子。另外，反应器上侧本体2以及反应器下侧本体3的内壁形状可例示圆筒状、长方体状、多角形体状、或部分地将上述形状加以组合而成的形状等，但形状并无特别的限定。

另外，在反应器上侧本体2的下部设置有排出口6，该排出口6将还原反应所产生的氯化锌气体及未反应的锌以及四氯化硅等的气体排出。

排出口6经由连接配管而连接于氯化锌冷凝装置（未图示），该氯化锌冷凝装置（未图示）邻接地配置于反应器上侧本体2的下方，自排出口6排出的副产物氯化锌气体以及未反应锌气体通过维持于规定温度的氯化锌冷凝装置，主要被分离为以四氯化硅为主体的未反应气体与经冷凝的液体，保持为液体状态的熔融液（melt）根据比重差而分离为氯化锌熔融液与锌熔融液2个层。氯化锌熔融液进一步被送入至电解步骤，通过电解而分离为氯与锌。锌作为锌还原反应的还原剂而再次被使用，另外，氯被用作金属硅的氯化剂以制造四氯化硅，藉此，氯亦可作为锌还原反应的原料而再次被使用。如此构成连续的多晶硅制造系统（system），该连续的多晶硅制造系统制造高纯度的多晶硅，并且反复地再次使用副产品（side product）。

另一方面，通过将反应器上侧本体2与反应器下侧本体3接合而构成的纵型反应器1在进行还原反应期间，通过适当的设备而固定设置于地面承架（floor stand）。反应器下侧本体3的上部开放，当该反应器下侧本体3经由耐热性密封剂而接合于反应器上侧本体2时，反应器下侧本体3的内部空间与反应器上侧本体2的内部空间成为一体，形成纵长的反应空间。在反应器下侧本体3的内侧设置有加热设备。

对于反应器下侧本体3而言，可例示具有侧壁的圆筒状、长方体状、多角形体状、或部分地将上述形状加以组合而成的形状等，但形状并无特别的限定。另外，反应器下侧本体3亦可采用不具有侧壁的盘状、圆锥台状、以及角锥台状的形状。

可将隔热性的耐火物配置于金属外皮的内侧，进而在该隔热性的耐火物的内侧，通过不定形耐火物或石英、碳化硅、以及氮化硅等的材质来形成内衬层（lining layer），从而构成反应器下侧本体3。然而，反应器下侧本体3的构成完全不受实例的限定。反应器下侧本体3只要是坚固的材质，且是不会与反应气体及产生的气体发生反应的耐热性的材质，则可自由地选择，上述坚固的材质可承受反应器上侧本体2的四氯化硅供给喷嘴14附近所产生的硅成长体22的不时的落下冲击。

在反应器下侧本体3的下方配置有台车32，该台车32包括多个车轮33。上述台车32能够沿着图式的左右方向（水平方向），在设置于地面的轨道（rail）上移动。

再者，在上述内容中，已对如下的例子进行了说明，该例子是指在上述反应器上侧本体2的下部设置有排出口6，该排出口6将还原反应所产生的氯化锌气体及锌以及四氯化硅等的未反应气体排出，但本发明并不限定于上述例子。将未反应气体排出的排出口6设置于上述反应器下侧本体3亦为本发明的一个形态。在上述情形时，将排出口6与氯化锌冷凝装置连接的配管可在中途分离。

根据反应器的下游侧所设置的氯化锌冷凝装置在整个机具设备（plant）中的设置状况及机具设备运转条件等，决定将排出口6设置于反应器下侧本体3的下部或反应器上侧本体2的下部。

在纵型反应器1中，在800℃～1200℃的温度范围内，使四氯化硅与锌发生反应。更佳为在自锌的沸点附近的900℃至1100℃的温度范围内，使四氯化硅与锌发生反应。若温度达到1100℃以上，则逆反应会增加，另外，产生的硅中的杂质浓度会增加。

[多晶硅回收机构]

多晶硅制造装置中包括回收机构，该回收机构用以将产生的硅回收。

以下，对用以将纵型反应器1内所产生的硅回收的回收机构进行说明。

例如，如图2所示，产生的硅的回收机构包括：收纳产生的硅的收纳容器20、包括升降设备31的台车32、第1多晶硅回收设备41、以及利用真空吸入器等的第2多晶硅回收设备42等，上述第1多晶硅回收设备41包括邻接于纵型反应器1而设置的抓持夹具。升降设备31较佳为包含气缸（cylinder）机构或波纹管（bellows）机构等。

因四氯化硅与锌的还原反应而形成于四氯化硅气体供给喷嘴14的附近的硅成长体在反应结束之后，通过导入至反应器1内的机械设备（未图示）而脱离四氯化硅气体供给喷嘴14，接着被捕集至反应器下侧本体3内所设置的收纳容器20内。然后，位于反应器下侧本体3下方的升降设备31的臂部（arm）朝上方延伸，升降设备31的头部与反应器下侧本体3的底部发生接触，对反应器下侧本体3进行支持。

反应器下侧本体3的底部受到支持之后，将反应器上侧本体2与反应器下侧本体3接合的凸缘部2a、凸缘部3a之间的螺栓被拔出，另外，通过适当的设备而固定设置于地面承架的反应器下侧本体3的固定部分被拆除。

接着，通过升降设备31来使反应器下侧本体3下降，反应器上侧本体2与反应器下侧本体3分离。接着，包括升降设备31的台车32在未图示的轨道上水平地移动至规定位置为止，上述升降设备31承载有收纳着硅成长体的收纳容器20。通过包括抓持夹具的第1多晶硅回收设备41，将收纳容器20内的硅成长体自收纳容器20依序抓出，接着收集至回收容器43。残留于收纳容器20的粒状以及粉状的硅被真空吸入器等的第2硅回收设备42完全回收。

收纳容器20的内表面材质较佳为使用不会与硅发生反应的石英、碳化硅、以及氮化硅等的材料。这些材料中，石英尤佳。收纳容器20可与反应器下侧本体3的侧壁内壁密着地配置，或亦可在收纳容器20与反应器下侧本体3的侧壁内壁之间设置间隙，从而设置收纳容器20。

另外，如图3所示，亦可设置对上述收纳容器20进行吊起运送的收纳容器运送机构51，通过该收纳容器运送机构51来使上述收纳容器20移动至其他场所之后，将上述硅成长体回收。

当使用吊起式的收纳容器运送机构51来使上述收纳容器20移动至其他场所时，对于多晶硅的回收设备而言，可使上述收纳容器20倾倒，从而将上述硅成长体取出，或者亦可采用如图2所示的包括抓持夹具的第1回收设备或利用真空吸入器等的第2回收设备。

为了将收纳容器20吊起，较佳为将运送机构51的挂钩（hook）钩挂于收纳容器外壁所安装的多个把手或收纳容器底部所安装的支持棒，从而将上述收纳容器20吊起。

在上述说明中，对如下的例子进行了说明，即，在将收纳容器20设置于反应器下侧本体3内的状态下，直接进行还原反应，但亦可采用如下的形态，即，不将收纳容器20设置于反应器下侧本体3内而进行反应。在该情形时，按照以下的顺序来将硅成长体回收。

亦即，还原反应结束之后，通过设置于台车32的升降设备31来使反应器下侧本体3与反应器上侧本体2分离，接着使已分离的反应器下侧本体3仅下降规定距离，然后沿着水平方向仅移动规定距离。接着，通过另外的附带台车的升降设备，使空的收纳容器移动至反应器上侧本体2的下部为止，将该空的收纳容器固定配置于反应器下侧本体3所处的位置。此时，通过导入至反应器内的机械设备（未图示），使四氯化硅气体供给喷嘴14的附近所形成的硅成长体22脱离，将该硅成长体22捕集至收纳容器20。

与上述已说明的顺序同样地进行以后的操作。

实例

以下，对使用上述已说明的多晶硅制造装置来制造高纯度多晶硅的方法进行说明，但本发明丝毫不限定于这些实例。

[实例1]

1）将一根内径为120mm的锌气体供给喷嘴12设置于内径为900mm的纵型反应器1的顶板11的中心，以围绕上述锌气体供给喷嘴12的形式，设置20根内径为30mm的四氯化硅气体供给喷嘴14，该20根四氯化硅气体供给喷嘴14彼此的间隔相等。

2）将已加热至1100℃的四氯化硅气体以150kg/Hr的供给速度，且将已加热至950℃的锌气体以100kg/Hr的供给速度，供给至包含反应器上侧本体2与反应器下侧本体3的纵型反应器1内，从而进行反应。

3）自反应开始起经过7小时之后，反应结束。然后，将氮气喷入至纵型反应器1内，藉此，使内部开始降温。

4）确认纵型反应器1内的整体温度已下降至500℃左右为止，为了将反应器上侧本体2的四氯化硅气体供给喷嘴14附近所成长的硅成长体回收，将捣棒（未图示）插入至反应器内，且使该捣棒前后左右地摇动，藉此，使四氯化硅气体供给喷嘴14附近所形成的硅成长体脱离，将该硅成长体捕集至反应器下侧本体3内所设置的收纳容器20中。

5）使位于反应器下侧本体3下方的升降设备31的臂部朝上方延伸，使升降设备31的头部与反应器下侧本体3底部发生接触，对反应器下侧本体3进行支持。接着，拔出将反应器上侧本体2与反应器下侧本体3接合的凸缘部的螺栓，另外，将固定于地面承架的反应器下侧本体3的固定部分拆除。

通过升降设备31来使反应器下侧本体3下降，使反应器上侧本体2与反应器下侧本体3分离，通过台车32来使上述反应器下侧本体3水平地移动至规定位置为止。通过包括抓持夹具的多晶硅回收设备41，将收纳容器20内的硅成长体自收纳容器20依序抓出，接着收集至回收容器43。通过硅回收设备42的真空吸入器来完全将针状、粒状或粉状的硅回收，回收整体约为70Kg的多晶硅。

符号说明

1：   纵型反应器

2：   反应器上侧本体

3：   反应器下侧本体

6：   排出口

11：  顶板

12：  锌气体供给喷嘴

14：  四氯化硅气体供给喷嘴

20：  收纳容器

22：  硅成长体

31：  升降设备

32：  台车

41：  第1多晶硅回收设备

42：  第2多晶硅回收设备

43：  回收容器

51：  收纳容器运送机构

Claims (6)

1.一种多晶硅制造装置，通过锌来对四氯化硅进行还原而制造多晶硅，其特征在于包括：

反应器，所述反应器包含可上下地分离的反应器上侧本体与反应器下侧本体，锌气体供给配管与四氯化硅气体供给配管连接于所述反应器上侧本体的上部，在所述反应器上侧本体的下部或所述反应器下侧本体的上部设置有废气的排出口，所述废气包含反应所产生的氯化锌，所述反应器下侧本体设置为可沿着上下左右方向移动。

2.根据权利要求1所述的多晶硅制造装置，其特征在于，

在所述反应器下侧本体内设置有收纳容器，所述收纳容器收纳所述多晶硅。

3.根据权利要求1或2所述的多晶硅制造装置，其特征在于，

在所述反应器下侧本体设置有台车，所述台车的载置面可通过升降设备而沿着上下方向移动，通过包括所述升降设备的所述台车，所述反应器下侧本体设置为可沿着上下左右方向移动。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的多晶硅制造装置，其特征在于包括：

运送机构，所述运送机构能够以将所述收纳容器吊起的状态，沿着上下方向或水平方向来运送所述收纳容器。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的多晶硅制造装置，其特征在于，

多晶硅回收设备与所述反应器邻接地配置，所述多晶硅回收设备自所述收纳容器回收多晶硅。

6.一种多晶硅制造方法，其是使用如权利要求1-5中任一项所述的多晶硅制造装置来制造多晶硅的方法，其特征在于包括：

1）使用将所述反应器上侧本体与所述反应器下侧本体连接而构成的反应器，使四氯化硅气体与锌气体发生反应的步骤；

2）使所述反应所产生的硅成长体自所述四氯化硅气体供给喷嘴附近脱离的步骤；

3）使所述反应器下侧本体与所述反应器上侧本体分离且下降的步骤；

4）使所述反应器下侧本体仅水平地移动规定的距离的步骤；以及

5）自所述反应器下侧本体回收多晶硅的步骤。

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