JP2003002626A - Reaction apparatus for producing silicon - Google Patents

Reaction apparatus for producing silicon

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JP2003002626A
JP2003002626A JP2001183015A JP2001183015A JP2003002626A JP 2003002626 A JP2003002626 A JP 2003002626A JP 2001183015 A JP2001183015 A JP 2001183015A JP 2001183015 A JP2001183015 A JP 2001183015A JP 2003002626 A JP2003002626 A JP 2003002626A
Authority
JP
Japan
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silicon
cylindrical container
chlorosilanes
cooling
supply pipe
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2001183015A
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Japanese (ja)
Inventor
Kaiko Oda
開行 小田
Hirohiko Nakamura
浩彦 中村
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Tokuyama Corp
Original Assignee
Tokuyama Corp
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Filing date
Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for manufacturing silicon having a silicon precipitation zone and a silicon dropping zone and suitable for recovery of fused silicon liquid as drops from the precipitation zone. SOLUTION: The manufacturing apparatus has the tip part of a dropping zone made of silicon nitride for dropping deposited silicon in a deposition zone, in order to recover fused silicon liquid as drops.

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン生成用反
応装置に関する。さらに詳しくは、シリコンを溶融液滴
として回収するためのシリコン生成用反応装置に関す
る。 【0002】 【従来の技術】従来から、半導体あるいは太陽光発電用
ウェハーの原料として使用されるシリコンを製造する方
法は種々知られており、そのうちのいくつかは既に工業
的に実施されている。例えばその一つはシーメンス法と
呼ばれる方法であり、通電によりシリコンの析出温度に
加熱したシリコン棒をベルジャー内部に配置し、ここに
トリクロロシラン(SiHCl3、以下TCSという)
やモノシラン(SiH4)を、水素等の還元性ガスと共
に接触させてシリコンを析出させる方法である。 【0003】この方法は高純度なシリコンが得られるこ
とが特徴であり、最も一般的な方法として実施されてい
るが、析出がバッチ式であるため、種となるシリコン棒
の設置、シリコン棒の通電加熱、析出、冷却、取り出
し、ベルジャーの洗浄、等の極めて煩雑な手順を行わな
ければならないという問題点がある。別法として、特開
昭59−162117号公報には、シリコンの融点以上
の温度に加熱された窒化珪素粒子からなるマトリックス
を準備し、このマトリックス中に珪素含有ガス混合物を
流して窒化珪素粒子の表面に溶融したシリコンを付着さ
せる方法が開示されている。同公報には、窒化珪素はシ
リコンの融点より高い温度でシリコンを付着させるのに
適した材料であることおよび窒化珪素はシリコンで濡ら
されるので、シリコンは窒化珪素粒子床を通って流下
し、反応器の底部に集めることができることが開示され
ている。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の如き従来法と異なるシリコンの製造方法において用い
られるシリコン生成用反応装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、シリコンの加熱体を備え、そし
て、該加熱体で生成したシリコンを融液として流下さ
せ、液滴として回収するに適したシリコン生成用反応装
置を提供することにある。本発明のさらに他の目的およ
び利点は、以下の説明から明らかになろう。 【0005】本発明によれば、本発明の上記目的および
利点は、クロロシラン類と水素とを反応せしめてシリコ
ンを生成させ、該生成したシリコンを融液として流下さ
せて下端より落下せしめる加熱体を備えたシリコン生成
用反応装置であって、該加熱体の下端部の材質を窒化珪
素としたことを特徴とするシリコン生成用反応装置によ
って達成される。本発明の製造装置は、クロロシラン類
と水素を反応せしめてシリコンを生成させ、生成したシ
リコンを融液として流下せしめ、その下端より落下せし
める加熱体を備えている。 【0006】本発明のシリコン生成用反応装置として
は、例えば、加熱体として筒状容器を使用した、添付図
面の図1に示されているような装置が代表例として挙げ
られる。即ち、図1に示されるシリコン生成用反応装置
は、(1)下端にシリコン取出口となる開口部2を有す
る筒状容器1、(2)上記筒状容器1の下端から任意の
高さまでの内壁をシリコンの融点以上の温度に加熱する
加熱手段3、(3)上記シリコンの融点以上の温度に加
熱された内壁で囲まれた空間4内に下方に向かって開口
するように設けられたクロロシラン類供給管5、および
(4)上記クロロシラン類供給管5の開口位置より上部
の筒状容器内空間にシールガスを供給するシールガス供
給管7を備えている。筒状容器1は、シリコン取出口と
して、後で詳述するように、その内部で析出・溶融した
シリコンが自然流下により容器外に落下し得る開口部2
を有する構造であればよい。 【0007】従って、筒状容器1の断面形状は、円状、
多角状等の任意の形状を採ることができる。また、筒状
容器1は、製作を容易にするために、図1に示すような
断面積が各部分で等しい直胴状にすることもできるし、
反応ガスの滞在時間を長くしてクロロシラン類のシリコ
ンへの転化率(以下、単に転化率ともいう)を向上させ
るために、断面の一部が他の部分よりも拡大された形状
にすることも好適である。一方、筒状容器1における開
口部2の開口の仕方も、図1に示すように、ストレート
に開口した態様でも良いし、下方に向かって徐々に径が
減少するように絞り部を形成した態様でも良い。 【0008】上記装置において、筒状容器1の開口部2
は加熱体の下端部に相当する。該加熱体は、筒状容器1
の下端から任意の高さまでの内壁をシリコンの融点以上
に加熱して形成され、ここでシリコンが生成して融液と
して流下する。本発明の装置は、上記加熱体の下端部が
窒化珪素からなることを特徴とする。加熱体の下端部を
窒化珪素により構成する態様は、図2に示されるよう
に、筒状容器1の下端部2’を構成する態様、あるいは
図3に示されるように、下端部の内壁2’’のみを構成
する態様などが挙げられる。 【0009】図2の態様では、筒状容器1の下端部2’
より上方部分4’および図3の態様では外壁4’’は窒
化珪素以外の他の適当な素材例えば炭化珪素あるいは炭
素であることができる。加熱体の下端部を、窒化珪素を
素材として形成することにより、加熱体を流下するシリ
コン融液を液切れ良く液滴として落下せしめて回収する
ことができる。 【0010】これらのうち、筒状容器1の下端部2’を
窒化珪素とし、上方部分4’を他の素材とする場合に
は、上方部分4’の壁面でシリコンの析出を促進しそし
て下端部2’から析出したシリコンを溶融液滴として確
実に落下させることができる。また、筒状容器1の開口
部を、図1〜3に示すように、その周縁が水平となるよ
うに構成する態様でも問題なく液滴としてシリコンを得
ることができるが、図4に示すように周縁が傾斜するよ
うに構成する態様、さらには図5に示すように周縁を波
状に構成する態様とすることにより、該開口部2の周縁
よりシリコン液滴が落下するのを一層容易とすることが
できまたシリコン融液の液滴が揃い、シリコン粒子の粒
径をより小さく均一に調整することができるため好まし
い。 【0011】上記筒状容器1の加熱体は1430℃以上
に加熱され、その内壁はクロロシラン類やシリコン溶融
液に接触するため、該筒状容器は、これらの温度条件や
接触物に対して十分に耐える材質を選択することが長期
間の安定してシリコンの製造を行う上で望ましい。かか
る材質としては、一部前述したが、例えば、グラファイ
ト等の炭素材料、炭化珪素(SiC)、窒化珪素(Si
34)、および窒化ホウ素(BN)、窒化アルミ(Al
N)等のセラミックス材料の、単独材料または複合材料
が挙げられる。このうち窒化珪素または窒化ホウ素につ
いては、これらの材質がシリコン融液に対して濡れ性が
悪いため、シリコン融液の流下のし易さが特に良好であ
る。 【0012】図1のシリコン生成用反応装置において、
上記筒状容器1には、その下端から任意の高さまでの周
壁をシリコンの融点以上の温度に加熱して加熱体を形成
するための加熱手段3が設けられる。上記温度に加熱す
る幅、即ち、筒状容器1の下端からの加熱手段3を設け
る高さは、筒状容器の大きさや上記加熱温度、さらに、
供給されるクロロシラン類の量などを考慮して適宜決定
すればよい。この加熱手段3は、筒状容器の内壁をシリ
コンの融点以上、即ち、1430℃以上に加熱すること
ができるものであれば、公知の手段が特に制限なく採用
される。 【0013】具体的な加熱手段としては、図1に示すよ
うに、外部からのエネルギーにより筒状容器内壁を加熱
する方法が挙げられる。より具体的には、高周波による
方法、電熱線を用いる方法、赤外線を用いる方法等があ
る。これらの方法のうち、高周波を用いる方法は、高周
波を放出する加熱コイルの形状をシンプルにしながら、
筒状容器を均質的な温度に加熱することができるため、
好適である。 【0014】図1のシリコン生成用反応装置において、
クロロシラン類供給管5は、筒状容器1の加熱体に存在
する内壁によって囲まれた空間4にクロロシラン類11
を直接供給するためのものであり、空間4内に下方に向
かって開口するように設けられる。クロロシラン類供給
管5の開口方向を示す「下方」とは、垂直方向のみに限
定されず、供給されたクロロシラン類が該開口に再度接
触しないように開口する態様が全て含まれる。しかし、
最も好適な態様は、平面に対して垂直方向に開口する態
様である。また、クロロシラン類供給管5は、該空間4
において管内が加熱され、クロロシラン類の熱分解に伴
うシリコンの析出が生じないように、管の内壁をクロロ
シランの自己分解温度未満に冷却するための冷却手段6
を有することが好ましい。 【0015】冷却の態様は、目的を達成することができ
ればどのようなものでもよい。例えば、図1に示すよう
な、内部に水、熱媒油等の冷媒液体を通液可能な流路6
を設けて冷却する液体ジャケット方法、図示されていな
いが、クロロシラン類供給管に二重管以上の多重管ノズ
ルを設け、中心部からクロロシラン類を供給し、外管ノ
ズルから冷却ガスをパージして中心ノズルを冷却する空
冷ジャケット方式などが挙げられる。クロロシラン類供
給管の冷却温度は、供給するクロロシラン類の分解温度
未満に設定すればよいが、TCSまたは四塩化珪素(S
iCl4、以下STCという)を原料として用いる場合
は、好ましくは800℃以下、より好ましくは600℃
以下、最も好ましくは500℃以下とすることがよい。
クロロシラン類供給管5の材質としては、筒状容器1と
同様の材質のほか、石英ガラス、鉄、ステンレス鋼等も
使用できる。 【0016】シールガス供給管7は、クロロシラン供給
管5の開口位置より上部に存在する空間にシールガスを
供給するために設けられる。筒状容器に原料として供給
されたクロロシラン類が、析出・溶融のための空間に到
達するまでの間に該クロロシラン類の分解により固体シ
リコンが筒状容器内に析出するのを防止するため、上記
高温の空間にクロロシラン類が直接供給されるが、その
際、該クロロシラン類の供給管5の開口位置より上部に
位置する壁面では、シリコンの溶融温度からシリコンの
析出温度未満の温度に至る温度勾配が存在し、クロロシ
ラン類あるいはクロロシラン類と後記の水素との混合ガ
スがかかる箇所に至ると、シリコンが固体状で析出する
温度となる部分において、シリコンの析出・成長が起こ
り、シリコン生成用反応装置の長期間の運転において、
装置を閉塞するという問題が生じる。 【0017】上記問題に対して、シールガス供給管7を
クロロシラン類供給管5の開口位置より上部に設けるこ
とにより、シールガスが上記温度勾配の存在する空間を
満たし、クロロシラン類あるいはクロロシラン類と後記
の水素との混合ガスの侵入を防止し、前記固体シリコン
の析出を効果的に防止することができる。シールガス供
給管7は、クロロシラン類供給管5の開口位置より上部
であれば特に制限されないが、加熱手段3が存在しない
筒状容器壁面に設けることが好ましい。 【0018】また、シールガス供給管7より供給される
シールガスは、シリコンを生成せず、且つクロロシラン
類が存在する領域においてシリコンの生成に悪影響を与
えないガスが好適である。具体的には、アルゴン、ヘリ
ウム等の不活性ガス、水素等が使用できるが、原料の一
つである水素が好適である。この場合、シールガスの供
給量は、前記温度勾配の存在する空間を常に満たす圧力
を保つ程度に供給されていれば十分であり、かかる供給
量を低減するには、該空間の全体あるいは下部の断面積
を小さくするように、筒状容器1の形状あるいはクロロ
シラン類供給管の外壁の形状等を決定すればよい。 【0019】本発明のシリコン生成用反応装置におい
て、クロロシラン類と共に析出反応に供される水素は、
前記したように、シールガス供給管7から供給するのが
好ましいが、クロロシラン類供給管5と独立して筒状容
器1の前記空間4に供給し得る位置に開口する供給管を
別途設けて供給することも可能である。本発明に用いる
クロロシラン類としては、TCS、STCのほか、ジク
ロロシラン(SiH2Cl2)、モノクロロシラン(Si
3Cl)、およびヘキサクロロジシラン(Si2
6)に代表されるクロロジシラン類、さらにはオクタ
クロロトリシラン(Si3Cl8)に代表されるクロロト
リシラン類も好適に使用できる。これらのクロロシラン
類を単独で、または互いに混合物として使用することも
可能である。 【0020】これらのクロロシラン類のうち、TCSま
たはSTCを主成分とするクロロシランを用いれば、ガ
ス下流域に悪影響を及ぼすシリコン微粉や発火性のある
高沸点シラン類(ポリマー)の発生を低減できるため、
より長時間安定した運転が可能になり、好ましい。図1
のシリコン生成用反応装置において、筒状容器1の下端
の開口部2には、これより溶融落下するシリコン融液を
外気と触れることなく回収するための外気と遮断された
空間からなる落下ゾーンを与える室を有する。 【0021】シリコン融液が落下する空間22には、ガ
ス排出口26、および、必要に応じて、冷却により固化
したシリコンの取出口31を設けた冷却回収室20が接
続されている。上記冷却回収室20は、筒状容器1の開
口部2に直接設けることも可能であるが、かかる接続箇
所から温度勾配が生じ、該冷却回収室の上部で固体シリ
コンが析出する温度となる箇所が存在する可能性が高
い。但し、筒状容器1より排出されるガス中に存在する
クロロシラン類は、もはやそれ以上のシリコンを析出し
ない安定的なガス組成にまで近づいており、析出したと
してもその量は少ない。 【0022】しかし、冷却回収室20においても固体シ
リコンの析出を殆ど防止し、極めて長期間に亘る連続運
転を可能とするためには、図1に示すように、冷却回収
室20の筒状容器1との接続部分を、筒状容器1の加熱
手段3を覆う位置まで上方に設定することにより、加熱
された筒状容器1の下端と該冷却回収室20の内壁とを
離して設けると共に、シールガス供給管21を、筒状容
器1の開口部2の開口位置より上部に存在する空間に設
けてシールガスを供給する態様が好適である。 【0023】上記シールガスの種類、供給量等は前記シ
ールガス供給管7にシールガスを供給する場合と同様に
決定することができる。特にシールガスによる効果を十
分に発揮させるためには、筒状容器1周囲を流通するシ
ールガスの線速は、少なくとも0.01m/s、好まし
くは0.05m/s、最も好ましくは0.1m/s以上と
することがよい。 【0024】冷却回収室20の材質としては、金属材
料、セラミックス材料、ガラス材料等がいずれも好適に
使用できるが、工業装置として頑丈であり、かつ高純度
のシリコンを回収することを両立するために、金属製回
収室の内部を、シリコン、テフロン(登録商標)、石英
ガラス等でライニングを施すことはより好適である。冷
却回収室20の底部にシリコン粒子を敷くこともでき
る。一方、筒状容器1での反応後の排ガスは、ガス排出
口26より取り出される。 【0025】筒状容器1より溶融落下した溶融シリコン
は、冷却回収室20の空間22を落下し冷却されて固化
したシリコン23として、室下部に蓄積され、取り扱い
容易な温度までに冷却される。上記冷却空間を長く設定
すると固化されたシリコンが得られ、該冷却空間が短い
場合は、落下の衝撃により塑性変形した固体シリコンが
得られる。本発明においては、何れの形状でもシリコン
を得ることが可能であるが、取扱い易さから、小さな粒
状で得ることが好ましい。上記冷却を促進するために、
冷却ガスの供給管32を設けることは好適な態様であ
る。 【0026】また、冷却回収室20には、必要に応じ
て、固化したシリコンを連続的あるいは断続的に抜き出
す取出口31を設けることも可能である。また、上記シ
リコンの冷却をより効果的に実施するために、冷却回収
室20に冷却ジャケット24を設けることが好ましい。
冷却ジャケット24の内部に水、熱媒油、アルコール等
の冷媒液体を通液して冷却する。図1に示す態様のよう
に、冷却回収室20を上部に延長し、加熱手段を覆うよ
うにした場合、材質保護のために適宜ジャケット構造に
して熱媒油等の冷却媒27を流通することもできるし、
材質に耐熱性がある場合には熱効果を高めるために断熱
材を施して保温するともできる。 【0027】以上、本発明の装置を筒状の加熱体を形成
する筒状容器を使用した態様について説明したが、本発
明の装置は、加熱体が逆円錐状、棒状、U字状、V字状
等、任意の形状の加熱体を有する装置に対しても適用可
能であり、同等の効果を発揮することは言うまでもな
い。 【0028】本発明のシリコン生成用反応装置を使用し
たシリコンの製造条件は、特に制限されないが、該シリ
コン生成用反応装置にクロロシラン類と水素とを供給
し、該クロロシラン類からシリコンへの転化率が20%
以上、好ましくは30%以上となる条件下でシリコンを
生成せしめるように、クロロシラン類と水素との供給比
率、供給量、滞在時間等を決定することが、冷却回収装
置における固体シリコンの析出をより効果的に防止する
ことができ好ましい。例えば、前供給ガス中のクロロシ
ラン類のモル分率は0.1〜200モル%、好ましくは
5〜50モル%であることが、反応容器の大きさに対し
て経済的なシリコンの製造速度を得るために好ましい。
また、反応圧力は高い方が装置を小型化できるメリット
があるが、0〜1MPaG程度が工業的に実施しやす
く、好ましい。 【0029】滞在時間については、一定容量の反応容器
に対して、圧力と温度の条件によって変化するが、反応
条件下において、反応容器である筒状容器内でのガスの
平均的な滞在時間は0.001〜60秒、好ましくは0.
01〜10秒に設定すれば、十分に経済的なクロロシラ
ン類の転化率を得ることが可能である。 【0030】 【発明の効果】以上の説明より理解されるように、本発
明によれば、加熱体においてシリコンを生成し、生成し
たシリコンを融液としてその下端より、液切れ性良く、
液滴として確実に落下させて回収することが可能であ
り、長期間に亘り安定して、シリコンの連続製造方法を
実施することが可能である。工業的に極めて有用で、そ
の価値は極めて高いものである。 【0031】 【実施例】以下、本発明を詳細に説明するために実施例
を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定さ
れるものではない。 【0032】実施例1 図1に示すシリコン生成用反応装置を下記のように製造
して粒状のシリコンを連続して得た。内径25mm、長
さが50cmで、下部に開口部2を持つ図2に示す断面
構造(加熱体の下端部を含む2’が窒化珪素からなり、
その他の部分4’が炭化珪素からなる。)の筒状容器1
(但し、下端の周縁は図4に示す形状とした。)に、そ
の上部10cmの位置から下端までの周囲に加熱手段3
として高周波加熱コイルを設置した。図1に示す通液可
能なジャケット構造をもつ、外径17mmのステンレス
製のクロロシラン類供給管5を、該筒状容器の上端から
15cmの高さまで挿入した。冷却回収室20は、内径
500mm、長さが3mのステンレス製とした。 【0033】クロロシラン類供給管の冷却ジャケットに
通水して、管の内部を50℃以下に維持すると共に、冷
却回収室20の下部ジャケットにも通水し、筒状容器1
上部の水素ガス供給管7、および冷却回収室20の上部
のシールガス供給管21から水素ガスをそれぞれ5L/
min流通させたのち、高周波加熱装置を起動して、筒
状容器1を1500℃に加熱した。容器内の圧力は、ほ
ぼ大気圧であった。 【0034】クロロシラン類供給管5にトリクロロシラ
ンを、シールガス供給管7より水素をそれぞれ供給して
シリコンを生成させた。上記方法によりシリコンの製造
を行った結果、加熱体の下端から落下する液滴の大きさ
は極めて均一であり、且つ、過度に成長せず、約5mm
の大きさの液滴として落下させることができた。更に、
50時間反応を継続した後、運転を停止して装置内部を
開放観察したところ、シリコンによる閉塞は発生してい
なかった。 【0035】比較例1 実施例1において、筒状容器における加熱体の下端部を
含む2’の材質を窒化珪素から炭化珪素に変更した以外
は、同様にしてシリコンの製造を行った。その結果、加
熱体の下端から落下するシリコン融液の液滴の大きさに
多少のバラツキがあり、しかも、該加熱体の下端で20
mm程度に異常に成長して落下する液滴が見られた。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a reactor for producing silicon. More specifically, the present invention relates to a reactor for producing silicon for recovering silicon as molten droplets. [0002] Conventionally, various methods for producing silicon used as a raw material for semiconductors or wafers for photovoltaic power generation have been known, and some of them have already been industrially practiced. For example, one of them is a method called a Siemens method, in which a silicon rod heated to a deposition temperature of silicon by energization is placed inside a bell jar, and trichlorosilane (SiHCl 3 , hereinafter, referred to as TCS) is placed therein.
And monosilane (SiH 4 ) together with a reducing gas such as hydrogen to precipitate silicon. [0003] This method is characterized in that high-purity silicon can be obtained, and it is practiced as the most general method. However, since the deposition is of a batch type, the seeding silicon rod is installed and the silicon rod is There is a problem that extremely complicated procedures such as heating, deposition, cooling, removal, and cleaning of the bell jar must be performed. As another method, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 59-162117 discloses that a matrix composed of silicon nitride particles heated to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon is prepared, and a silicon-containing gas mixture is flowed into the matrix to form silicon nitride particles. A method for depositing molten silicon on a surface is disclosed. The publication states that silicon nitride is a suitable material for depositing silicon at a temperature higher than the melting point of silicon, and that silicon nitride is wetted by silicon, so that silicon flows down through the silicon nitride particle bed and reacts. It is disclosed that it can be collected at the bottom of the vessel. [0004] An object of the present invention is to provide a silicon production reactor used in a method for producing silicon different from the conventional method as described above.
Another object of the present invention is to provide a reaction apparatus for producing silicon, which is provided with a heating element of silicon, and allows silicon produced by the heating element to flow down as a melt and be recovered as droplets. . Still other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description. According to the present invention, the above object and advantages of the present invention are to provide a heating element that reacts chlorosilanes with hydrogen to produce silicon, and that causes the produced silicon to flow down as a melt and drop from the lower end. The present invention is attained by a silicon production reactor provided with a silicon nitride as a material of a lower end portion of the heating body. The production apparatus of the present invention includes a heating element that reacts chlorosilanes with hydrogen to generate silicon, causes the generated silicon to flow down as a melt, and drops from the lower end thereof. As a typical example of the reaction apparatus for producing silicon of the present invention, an apparatus as shown in FIG. 1 of the accompanying drawings, which uses a cylindrical vessel as a heating element, can be mentioned. That is, the reactor for producing silicon shown in FIG. 1 has (1) a cylindrical container 1 having an opening 2 at the lower end thereof serving as a silicon outlet, and (2) a cylindrical container 1 having an arbitrary height from the lower end of the cylindrical container 1. Heating means 3 for heating the inner wall to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon; (3) chlorosilane provided so as to open downward in a space 4 surrounded by the inner wall heated to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon And a seal gas supply pipe 7 for supplying a seal gas to a space inside the cylindrical container above the opening position of the chlorosilanes supply pipe 5. As will be described in detail later, the cylindrical container 1 has an opening 2 through which silicon precipitated and melted can fall out of the container by natural flow as described later in detail.
What is necessary is just a structure which has. Accordingly, the cross-sectional shape of the cylindrical container 1 is circular,
Any shape such as a polygon can be adopted. In addition, the cylindrical container 1 may be formed in a straight body shape having the same sectional area as shown in FIG.
In order to increase the residence time of the reaction gas and improve the conversion rate of chlorosilanes to silicon (hereinafter, also simply referred to as conversion rate), a part of the cross section may be formed to have a shape larger than other parts. It is suitable. On the other hand, the manner of opening the opening 2 in the cylindrical container 1 may be either a straight opening as shown in FIG. 1 or a narrowed portion formed such that the diameter gradually decreases downward. But it's fine. [0008] In the above device, the opening 2 of the cylindrical container 1
Corresponds to the lower end of the heating element. The heating element is a cylindrical container 1
Is formed by heating the inner wall from the lower end to an arbitrary height above the melting point of silicon, where silicon is generated and flows down as a melt. The apparatus of the present invention is characterized in that a lower end of the heating body is made of silicon nitride. The lower end of the heating element is made of silicon nitride, as shown in FIG. 2, the lower end 2 ′ of the cylindrical container 1, or as shown in FIG. And '' only. In the embodiment shown in FIG. 2, a lower end 2 'of the cylindrical container 1 is provided.
The upper portion 4 'and in the embodiment of FIG. 3 the outer wall 4''can be of any suitable material other than silicon nitride, for example silicon carbide or carbon. By forming the lower end of the heating element using silicon nitride as a raw material, the silicon melt flowing down the heating element can be easily collected and allowed to fall as droplets to be collected. When the lower end 2 'of the cylindrical container 1 is made of silicon nitride and the upper part 4' is made of another material, the deposition of silicon is promoted on the wall surface of the upper part 4 'and the lower end 2' is made of silicon nitride. The silicon precipitated from the portion 2 'can be reliably dropped as a molten droplet. In addition, as shown in FIGS. 1 to 3, silicon can be obtained as droplets without any problem in a mode in which the opening portion of the cylindrical container 1 is configured so that the peripheral edge thereof is horizontal as shown in FIGS. In this embodiment, the peripheral edge is inclined, and further, the peripheral edge is formed in a wavy shape as shown in FIG. 5, thereby making it easier for silicon droplets to fall from the peripheral edge of the opening 2. This is preferable because the droplets of the silicon melt can be aligned and the particle size of the silicon particles can be adjusted to be smaller and more uniform. The heating element of the cylindrical container 1 is heated to 1430 ° C. or higher, and its inner wall comes into contact with chlorosilanes or a silicon melt. It is desirable to select a material that can withstand the above in order to stably produce silicon for a long period of time. Such materials are partially described above. For example, carbon materials such as graphite, silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si
3 N 4 ), boron nitride (BN), aluminum nitride (Al
Single materials or composite materials of ceramic materials such as N). Among these, silicon nitride or boron nitride is particularly good in the ease of flowing down the silicon melt because these materials have poor wettability to the silicon melt. In the reactor for producing silicon shown in FIG.
The cylindrical container 1 is provided with a heating means 3 for heating the peripheral wall from the lower end to an arbitrary height to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon to form a heating body. The width for heating to the above temperature, that is, the height at which the heating means 3 is provided from the lower end of the cylindrical container 1 depends on the size of the cylindrical container, the heating temperature, and
What is necessary is just to determine suitably considering the amount of chlorosilanes supplied, etc. As the heating means 3, any known means can be employed without particular limitation as long as it can heat the inner wall of the cylindrical container to the melting point of silicon or more, that is, 1430 ° C. or more. As a specific heating means, as shown in FIG. 1, there is a method of heating the inner wall of the cylindrical container by external energy. More specifically, there are a method using a high frequency, a method using a heating wire, a method using an infrared ray, and the like. Of these methods, the method using high frequency is simple while simplifying the shape of the heating coil that emits high frequency.
Because the cylindrical container can be heated to a uniform temperature,
It is suitable. In the reactor for producing silicon shown in FIG.
The chlorosilanes supply pipe 5 is provided in the space 4 surrounded by the inner wall existing in the heating body of the cylindrical container 1.
And is provided so as to open downward in the space 4. The term “downward” indicating the opening direction of the chlorosilanes supply pipe 5 is not limited to the vertical direction, but includes all modes in which the supplied chlorosilanes are opened so as not to come into contact with the opening again. But,
The most preferred embodiment is an embodiment that opens in a direction perpendicular to a plane. The chlorosilanes supply pipe 5 is provided in the space 4.
Cooling means 6 for cooling the inner wall of the tube to a temperature lower than the self-decomposition temperature of the chlorosilane so that the inside of the tube is heated so that silicon is not deposited due to thermal decomposition of the chlorosilane.
It is preferable to have The cooling mode may be any mode as long as the object can be achieved. For example, as shown in FIG. 1, a flow path 6 through which a refrigerant liquid such as water or heat transfer oil can pass.
A liquid jacket method of providing and cooling, not shown, a double pipe nozzle or more is provided in the chlorosilanes supply pipe, a chlorosilane is supplied from the center, and a cooling gas is purged from the outer pipe nozzle. An air-cooled jacket system that cools the center nozzle is exemplified. The cooling temperature of the chlorosilanes supply pipe may be set to a temperature lower than the decomposition temperature of the chlorosilanes to be supplied.
When iCl 4 (hereinafter referred to as STC) is used as a raw material, it is preferably 800 ° C. or less, more preferably 600 ° C.
The temperature is most preferably set to 500 ° C. or less.
As the material of the chlorosilanes supply pipe 5, in addition to the same material as that of the cylindrical container 1, quartz glass, iron, stainless steel, or the like can be used. The seal gas supply pipe 7 is provided for supplying a seal gas to a space above the opening position of the chlorosilane supply pipe 5. The chlorosilanes supplied as a raw material to the cylindrical container are used to prevent solid silicon from being deposited in the cylindrical container due to decomposition of the chlorosilanes before reaching the space for precipitation and melting. The chlorosilanes are directly supplied to the high-temperature space. At this time, the temperature gradient from the melting temperature of silicon to a temperature lower than the deposition temperature of silicon on the wall surface located above the opening position of the supply pipe 5 for the chlorosilanes. When chlorosilanes or a mixed gas of chlorosilanes and hydrogen described below is reached, silicon precipitates and grows at a temperature where silicon is deposited in a solid state, and a silicon production reactor In long-term operation of
The problem of closing the device arises. To solve the above problem, the seal gas is provided above the opening position of the chlorosilanes supply pipe 5 so that the seal gas fills the space where the temperature gradient exists, and the chlorosilanes or chlorosilanes are described later. Of mixed gas with hydrogen can be prevented, and the deposition of the solid silicon can be effectively prevented. The sealing gas supply pipe 7 is not particularly limited as long as it is above the opening position of the chlorosilanes supply pipe 5, but is preferably provided on the wall surface of the cylindrical container where the heating means 3 does not exist. The seal gas supplied from the seal gas supply pipe 7 is preferably a gas that does not produce silicon and does not adversely affect the production of silicon in a region where chlorosilanes exist. Specifically, an inert gas such as argon or helium, hydrogen, or the like can be used, but hydrogen, which is one of the raw materials, is preferable. In this case, it is sufficient that the supply amount of the sealing gas is such that the pressure that always fills the space where the temperature gradient exists is maintained. To reduce the supply amount, the entire space or the lower part of the space is required. The shape of the cylindrical container 1 or the shape of the outer wall of the chlorosilane supply pipe may be determined so as to reduce the cross-sectional area. In the reactor for producing silicon of the present invention, hydrogen provided for a precipitation reaction together with chlorosilanes is
As described above, the supply is preferably performed from the seal gas supply pipe 7, but a supply pipe is provided separately from the chlorosilanes supply pipe 5, which is opened at a position where the supply can be performed to the space 4 of the cylindrical container 1. It is also possible. The chlorosilanes used in the present invention include TCS, STC, dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), monochlorosilane (Si
H 3 Cl) and hexachlorodisilane (Si 2 C)
chlorodisilanes typified by l 6), more chlorotrimethylsilane silanes represented by octa chlorotrifluoroethylene silane (Si 3 Cl 8) can be suitably used. These chlorosilanes can be used alone or as a mixture with one another. Of these chlorosilanes, the use of chlorosilanes containing TCS or STC as a main component can reduce the generation of silicon fine powder and ignitable high-boiling silanes (polymers) which adversely affect the gas downstream region. ,
This is preferable because stable operation can be performed for a longer time. FIG.
In the reactor for producing silicon of the above, the opening 2 at the lower end of the cylindrical container 1 is provided with a drop zone composed of a space cut off from the outside air for recovering the silicon melt that melts and falls without contacting the outside air. Has a room to give. The space 22 into which the silicon melt falls is connected to a gas discharge port 26 and, if necessary, a cooling recovery chamber 20 provided with an outlet 31 for the silicon solidified by cooling. The cooling / recovering chamber 20 can be provided directly at the opening 2 of the cylindrical container 1. However, a temperature gradient is generated from such a connection point, and a point where the temperature at which solid silicon is deposited at the upper part of the cooling / recovering chamber is reached. Is likely to be present. However, the chlorosilanes present in the gas discharged from the cylindrical container 1 are approaching a stable gas composition in which no more silicon is deposited, and the amount of chlorosilanes even if deposited is small. However, in order to almost completely prevent solid silicon from being deposited in the cooling recovery chamber 20 and to enable continuous operation for an extremely long period of time, as shown in FIG. By setting the connection portion to the upper part to a position covering the heating means 3 of the cylindrical container 1, the lower end of the heated cylindrical container 1 and the inner wall of the cooling and collecting chamber 20 are provided apart from each other, It is preferable that the seal gas supply pipe 21 is provided in a space above the opening position of the opening 2 of the cylindrical container 1 to supply the seal gas. The type and supply amount of the sealing gas can be determined in the same manner as when the sealing gas is supplied to the sealing gas supply pipe 7. In particular, in order to sufficiently exert the effect of the seal gas, the linear velocity of the seal gas flowing around the cylindrical container 1 is at least 0.01 m / s, preferably 0.05 m / s, and most preferably 0.1 m / s. / S or more. As the material of the cooling / recovering chamber 20, any of metal, ceramic, glass and the like can be suitably used. Further, it is more preferable that the inside of the metal recovery chamber is lined with silicon, Teflon (registered trademark), quartz glass or the like. Silicon particles can be spread on the bottom of the cooling and recovery chamber 20. On the other hand, the exhaust gas after the reaction in the cylindrical container 1 is taken out from the gas outlet 26. The molten silicon that has melted and dropped from the cylindrical container 1 falls down in the space 22 of the cooling / recovery chamber 20, accumulates as silicon 23 that has been cooled and solidified, and is accumulated in the lower part of the chamber, and is cooled to a temperature that is easy to handle. When the cooling space is set to be long, solidified silicon is obtained, and when the cooling space is short, solid silicon plastically deformed by the impact of drop is obtained. In the present invention, it is possible to obtain silicon in any shape, but it is preferable to obtain silicon in a small particle form for ease of handling. In order to promote the above cooling,
Providing a cooling gas supply pipe 32 is a preferred embodiment. The cooling and recovery chamber 20 may be provided with an outlet 31 for extracting solidified silicon continuously or intermittently as required. In order to more effectively cool the silicon, it is preferable to provide a cooling jacket 24 in the cooling recovery chamber 20.
Cooling is performed by passing a coolant liquid such as water, heat medium oil, or alcohol through the cooling jacket 24. When the cooling recovery chamber 20 is extended to the upper part to cover the heating means as in the embodiment shown in FIG. 1, the cooling medium 27 such as a heat transfer oil may be circulated in an appropriate jacket structure to protect the material. You can also
If the material has heat resistance, a heat insulating material may be provided to keep the temperature in order to enhance the heat effect. While the apparatus of the present invention has been described above with respect to the embodiment using a cylindrical container forming a cylindrical heating element, the apparatus of the present invention has an inverted conical, rod, U-shaped, V-shaped heating element. The present invention can be applied to a device having a heating element having an arbitrary shape such as a letter shape, and it is needless to say that the same effect is exerted. The silicon production conditions using the silicon production reactor of the present invention are not particularly limited, but chlorosilanes and hydrogen are supplied to the silicon production reactor, and the conversion of the chlorosilanes to silicon is increased. Is 20%
As described above, the supply ratio, supply amount, residence time, and the like of chlorosilanes and hydrogen are determined so as to generate silicon under a condition of preferably 30% or more. It can be effectively prevented and is preferable. For example, the molar fraction of the chlorosilanes in the feed gas is 0.1 to 200 mol%, preferably 5 to 50 mol%, so that the economical silicon production rate with respect to the size of the reaction vessel can be improved. Preferred to obtain.
A higher reaction pressure has the advantage that the apparatus can be reduced in size, but a reaction pressure of about 0 to 1 MPaG is preferable because it is easy to carry out industrially. The residence time varies depending on the conditions of pressure and temperature for a reaction vessel having a fixed volume. Under the reaction conditions, the average residence time of the gas in the cylindrical vessel which is the reaction vessel is as follows. 0.001 to 60 seconds, preferably 0.1 to 60 seconds.
If the time is set to 01 to 10 seconds, a sufficiently economical conversion rate of chlorosilanes can be obtained. As will be understood from the above description, according to the present invention, silicon is generated in a heating element, and the generated silicon is used as a melt to improve liquid drainage from the lower end thereof.
Drops can be reliably dropped and collected as droplets, and a method for continuously producing silicon can be stably performed over a long period of time. It is extremely useful industrially and its value is extremely high. EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. Example 1 The reactor for producing silicon shown in FIG. 1 was manufactured as described below to continuously obtain granular silicon. A cross-sectional structure shown in FIG. 2 having an inner diameter of 25 mm, a length of 50 cm, and an opening 2 in the lower part (2 ′ including the lower end of the heating body is made of silicon nitride,
Other portions 4 'are made of silicon carbide. ) Cylindrical container 1
(However, the periphery of the lower end was formed as shown in FIG. 4).
A high-frequency heating coil was installed. A stainless steel chlorosilanes supply pipe 5 having an outer diameter of 17 mm and having a jacket structure capable of passing liquid as shown in FIG. 1 was inserted to a height of 15 cm from the upper end of the cylindrical container. The cooling recovery chamber 20 was made of stainless steel having an inner diameter of 500 mm and a length of 3 m. Water is passed through the cooling jacket of the chlorosilanes supply pipe to maintain the inside of the pipe at a temperature of 50 ° C. or lower, and water is also passed through the lower jacket of the cooling and recovery chamber 20.
5 L of hydrogen gas was supplied from the hydrogen gas supply pipe 7 at the upper part and the seal gas supply pipe 21 at the upper part of the cooling / recovery chamber 20 respectively.
After the circulation, the high-frequency heating device was activated to heat the cylindrical container 1 to 1500 ° C. The pressure in the vessel was approximately atmospheric. Trichlorosilane was supplied to the chlorosilane supply pipe 5 and hydrogen was supplied from the seal gas supply pipe 7 to produce silicon. As a result of the production of silicon by the above method, the size of the droplet falling from the lower end of the heating element is extremely uniform, and does not grow excessively, and is approximately 5 mm.
Droplets of the size Furthermore,
After the reaction was continued for 50 hours, the operation was stopped and the inside of the apparatus was observed open. As a result, no clogging with silicon occurred. Comparative Example 1 Silicon was produced in the same manner as in Example 1 except that the material of 2 ′ including the lower end of the heating element in the cylindrical container was changed from silicon nitride to silicon carbide. As a result, there is some variation in the size of the silicon melt droplet that falls from the lower end of the heating body,
Droplets which grew abnormally to about mm and fell were observed.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明のシリコン生成用反応装置の代表的な態
様を示す概念図。 【図2】本発明のシリコン生成用反応装置の筒状容器の
下端部分の断面構造の代表的な態様を示す概念図。 【図3】本発明のシリコン生成用反応装置の筒状容器の
下端部の断面構造の他の代表的な態様を示す概念図。 【図4】本発明のシリコン生成用反応装置の筒状容器下
端の周縁の形状を示す概念図。 【図5】本発明のシリコン生成用反応装置の筒状容器下
端の周縁の形状を示す概念図。 【符号の説明】 1 筒状容器 3 加熱手段 5 クロロシラン類供給管 6 冷却手段 7、21 シールガス供給管(水素ガス供給管) 20 冷却回収室 24 冷却ジャケット 26 ガス排出ライン 31 シリコン取出口 32 冷却ガス供給管
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conceptual diagram showing a typical embodiment of a reactor for producing silicon of the present invention. FIG. 2 is a conceptual diagram showing a typical mode of a cross-sectional structure of a lower end portion of a cylindrical container of the reactor for producing silicon of the present invention. FIG. 3 is a conceptual diagram showing another representative embodiment of the cross-sectional structure of the lower end of the cylindrical container of the reactor for producing silicon of the present invention. FIG. 4 is a conceptual diagram showing a shape of a peripheral edge of a lower end of a cylindrical container of the reactor for producing silicon of the present invention. FIG. 5 is a conceptual diagram showing a shape of a peripheral edge of a lower end of a cylindrical container of the reactor for producing silicon of the present invention. [Description of Signs] 1 Cylindrical container 3 Heating means 5 Chlorosilane supply pipe 6 Cooling means 7, 21 Seal gas supply pipe (hydrogen gas supply pipe) 20 Cooling recovery chamber 24 Cooling jacket 26 Gas exhaust line 31 Silicon outlet 32 Cooling Gas supply pipe

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 クロロシラン類と水素とを反応せしめて
シリコンを生成させ、該生成したシリコンを融液として
流下させて下端より落下せしめる加熱体を備えたシリコ
ン生成用反応装置であって、該加熱体の下端部の材質を
窒化珪素としたことを特徴とするシリコン生成用反応装
置。
Claims: 1. A reaction apparatus for producing silicon comprising a heating element for reacting chlorosilanes with hydrogen to produce silicon, flowing down the produced silicon as a melt, and dropping it from a lower end. A reaction apparatus for producing silicon, wherein a material of a lower end portion of the heating body is silicon nitride.
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