JP2003020217A - シリコンおよびトリクロロシランの製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコンとトリクロロシランを同一反応装置
内で一緒に製造する方法を提供すること。 【解決手段】 筒状反応炉心と高周波加熱コイルの間に
セラミックス隔壁を有する高周波加熱シリコン析出反応
装置において、筒状反応炉心内においてシラン類と水素
を反応せしめてシリコンを生成する反応を行い、且つ筒
状反応炉心の外周とセラミックス隔壁との間の空間にお
いて、四塩化ケイ素と水素とを反応せしめてトリクロロ
シランを生成する反応を行う、シリコンとトリクロロシ
ランとを同一反応装置で一緒に製造する方法

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明はシリコンおよびトリ
クロロシランの製造法に関する。さらに詳しくは、シリ
コンとトリクロロシランを同一反応装置内で一緒に製造
する方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】円筒状反応炉心と高周波加熱コイルを有
する高周波加熱シリコン析出反応装置は本発明者により
既に提案されている。また、クロロシラン類と水素との
反応によりシリコンを析出させる反応および四塩化ケイ
素と水との反応によりトリクロロシランを生成する反応
も知られている。しかしながら、シリコン析出反応とト
リクロロシラン生成反応とを同一反応装置内で、それぞ
れの反応を行う領域を区分して、一緒に実施する方法は
従来知られていない。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、シリ
コンとトリクロロシランを同一反応装置内で一緒に製造
する方法を提供することにある。本発明の目的は、高い
エネルギー効率で、シリコンとトリクロロシランを一緒
に製造する方法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。 【０００４】本発明によれば、本発明の上記目的および
利点は、筒状反応炉心と高周波加熱コイルの間にセラミ
ックス隔壁を有する高周波加熱シリコン析出反応装置に
おいて、筒状反応炉心内においてシラン類と水素を反応
せしめてシリコンを生成する反応を行い、且つ筒状反応
炉心の外周とセラミックス隔壁との間の空間において、
四塩化ケイ素と水素とを反応せしめてトリクロロシラン
を生成する反応を行うことを特徴とする、シリコンとト
リクロロシランとを同一反応装置で一緒に製造する方法
によって達成される。 【０００５】 【発明の好ましい実施の態様】本発明方法では反応装置
として高周波加熱シリコン析出反応装置が用いられる。
この反応装置は、筒状反応炉心と高周波加熱コイルを備
え、さらに筒状反応炉心と高周波加熱コイルとの間にセ
ラミック隔壁を有している。筒状反応炉心は例えば多角
筒状や円筒状であることができる。円筒状であるのが好
ましい。筒状反応炉心の材質は例えばカーボン、炭化ケ
イ素（ＳｉＣ）等であることができる。また、筒状反応
炉心はシリコン析出反応および四塩化ケイ素の反応雰囲
気に十分な耐久性を持つように種々のセラミックスでコ
ーティングすることができる。かかるセラミックスとし
ては、後述するセラミックス隔壁を形成するためのセラ
ミックスと同じものを用いることができる。 【０００６】筒状反応炉心は高周波加熱コイルにより加
熱され、その中でシラン類と水素とからシリコンを生成
する反応が進行する。高周波加熱には、好ましくは数１
０Ｈｚから１０ＧＨｚの周波数が用いられる。より好ま
しい周波数は、加熱エネルギーの浸透が深くなるよう
に、１００Ｈｚ〜１ＭＨｚであり、さらに好ましい周波
数は５００Ｈｚ〜１００ＫＨｚであり、特に好ましくは
１ＫＨｚ〜５０ＫＨｚである。筒状反応炉心の肉厚、外
径あるいは実際の装置のその他の使用によって、電力効
率が最適となるように、上記周波数から最適なものが選
択される。筒状反応炉心中、シリコン析出反応に用いら
れるシラン類としては、例えばトリクロロシラン（Ｓｉ
ＨＣｌ₃）、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、四塩化
ケイ素（ＳｉＣｌ₄）、ヘキサクロロジシラン（Ｓｉ₂Ｃ
ｌ₆）の如きクロロシラン類；モノシラン（ＳｉＨ₄）、
ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）の如きシラン類を挙げることがで
きる。 【０００７】これらのクロロシラン類またはシラン類
は、単独でまたは混合物として使用することができる。
シラン類として、クロロシラン類を用いる場合、シリコ
ン析出反応をより効率的に行うために、水素を混合して
反応系中に供給することがより好ましい。水素：クロロ
シランの混合比率（モル比）は、好ましくは１：１から
１００：１、より好ましくは１：１から５０：１、さら
に好ましくは１：１から２０：１の範囲である。 【０００８】反応温度は、シリコンが工業的に十分な速
度で析出する８００℃以上であればよいが、反応炉心外
周部で起こる。後述する四塩化ケイ素の還元反応速度、
および反応炉心の耐久性を考慮すると、好ましくは８０
０℃以上１７００℃以下、より好ましくは１０００℃以
上１６００℃以下である。本発明で用いられる高周波加
熱シリコン析出反応装置は、上記の如く、筒状反応炉心
と高周波加熱コイルとの間にセラミック隔壁を有してお
り、筒状反応炉心の外周とセラミック隔壁との間の空間
において、四塩化ケイ素と水素を反応せしめてトリクロ
ロシランを生成する反応が行われる。 【０００９】隔壁のセラミックスとしては、クロロシラ
ン類に対し耐食性を示すものであればよく、好ましくは
高周波エネルギーを効率よく反応炉心に伝達するため
に、実質的に、２５℃で比抵抗が１０，０００Ω・ｃｍ
を超えるものが用いられる。比抵抗が１０，０００Ω・
ｃｍ以下のセラミックスはそれ自体が高周波によって加
熱されやすいため、エネルギー伝達効率が低下し易くな
る。かかるセラミックスとしては、例えば窒化ケイ素、
ジルコニア、マグネシア、クロミア、シリカを主成分と
するセラミックスが挙げられる。隔壁は一体物であって
もよいし、分割されたものを積み重ねたものでもよい。
積み重ねたものを使用する場合には、耐熱性接着剤で継
ぎ目を接合するか、継ぎ目を通して加熱コイル側から隔
壁内部に向けてガスを流通させることが好ましい。 【００１０】隔壁は、高周波エネルギーを有効に反応炉
心に伝送するために、上記の如き高周波により直接加熱
されにくい材質からなり、そして周回的に不連続として
高周波で加熱されにくい構造をもつことが好ましい。ま
た、隔壁は、反応炉心と同じ温度あるいはそれに近い温
度まで上昇するが、それらに使用される上記の如き材料
は反応炉心の温度条件において著しく劣化することもな
い。本発明で用いられる高周波加熱シリコン析出反応装
置は、セラミックス隔壁から外周部への放熱を防止し、
消費エネルギーを低減するため、好ましくはセラミック
ス隔壁の周囲を覆うように断熱材を有することが好まし
い。 【００１１】断熱材としては、繊維状のものまたは気泡
を含む成型済みのセラミックス（断熱性のセラミック
ス）が断熱性能に優れており好ましい。これらを単独で
または組み合わせて用いることができる。また、断熱材
内部は反応炉心から離れるほど温度が低下するので、電
力消費量を効果的に低減させる、より効果的な放熱防止
措置すなわちその温度に応じて使用可能な断熱材または
保温材を適宜選択して組み合わせて使用するのがより好
ましい。一例として、窒化ケイ素隔壁の周囲にジルコニ
アファイバーやアルミナファイバーの断熱材を数mm巻
き、さらにその外側に石英ウール、ケイカルエース、ロ
ックウールなどを数mm巻くことが挙げられる。 【００１２】さらに、本発明で用いられる反応装置で
は、隔壁および断熱材は、一体物として成型して用いる
ことができ、また種々のピースに分割されものを組み合
わせ、必要に応じそれらを熱接着剤等で接合部を接着さ
せたものとして用いることもできる。また、隔壁とし
て、上述した気泡など断熱性の高い成分を含有した、高
断熱化された成型済みセラミックスを用いれば、隔壁と
断熱材を兼ねることができるため、シンプルな構造とす
ることができ好ましい。このとき、四塩化ケイ素と水素
の反応を行う空間に面する断熱材の表面を密にする構造
的な傾斜材料とすれば、耐食性や気密性が向上するた
め、より好ましい。 【００１３】四塩化ケイ素と水素の反応は、四塩化ケイ
素１モルに対し水素を好ましくは０．１〜１０モル、よ
り好ましくは０．５〜５モル、特に好ましくは１〜３モ
ルで用いて行われる。水素が０．１モルより少ないと四
塩化ケイ素の反応率が低くなり、温度にもよるが、１０
モルより大きいとシリコンを析出する反応が優位となっ
て不本意な部位に析出物が発生する可能性が生ずる。四
塩化ケイ素と水素の反応は好ましくは５００〜１７００
℃、より好ましくは８００〜１６００℃、特に好ましく
は１０００〜１６００℃で行われる。 【００１４】反応の際、高周波加熱コイルに、原料であ
る四塩化ケイ素および生成物であるトリクロロシランが
できるだけ接触するのを避けるようにするのが、高周波
加熱コイルの保護のため望ましい。そのため、コイルと
反応雰囲気を、一体物として成型されたセラミックスの
隔壁あるいは分割されたセラミックスピースを組合わ
せ、隙間を耐熱接着剤等で埋めた隔壁で、空間的に完全
に遮断するか、あるいは分割されたセラミックスピース
を組合わせ、反応雰囲気ガスが加熱コイル側に侵入しに
くいように、各ピースの隙間から低温のガス（水素また
は不活性ガス）を隔壁外部空間（加熱コイル側）から高
温の反応炉心側に流通させて流通的に遮断することが好
ましい。 【００１５】添付図面の図１に本発明で用いられる高周
波加熱シリコン析出反応装置の一態様の概略説明図が開
示されている。図１において、１はカーボン製円筒状反
応炉心である。水素およびシラン類供給ノズル６は反応
炉心１中に上方から深く導入されている。供給ノズル６
から供給された水素およびシラン類は、高周波加熱コイ
ル３により加熱され、反応炉心１中で反応してシリコン
を析出する。析出したシリコンは、反応炉心の内壁を伝
って落下し、生成シリコン冷却回収室９に蓄積されたの
ち回収される。供給ノズルは冷却水により冷却されて該
ノズル内で水素およびシラン類の反応が起こるのを防止
することができる。また、該ノズル６の外周壁と筒状反
応炉心の内壁との間の空間には、水素供給ノズルから水
素が導入され、該空間内にシラン類が侵入するのを防止
して該空間内で水素とシラン類の反応が起こるのを防止
することができる。 【００１６】一方、筒状反応炉心１の外周壁と高周波加
熱コイル３との間の空間にはセラミック隔壁４および断
熱材５が設けられている。筒状反応炉心１の外周壁とセ
ラミック隔壁４の間の空間には、ノズル１１から水素と
四塩化炭素が供給され、そこで反応しトリクロロシラン
を生成する。高周波加熱コイル３を収納するステンレス
製容器２のある箇所に設けられたノズル１０から水素あ
るいは不活性ガスが導入される。導入された水素あるい
は不活性ガスは隔壁の空隙を通過し、該空隙を通して反
応原料あるいは排ガスが高周波加熱コイル３の方へ侵入
するのを防止している。反応系からの排ガスはノズル８
から排出される。 【００１７】 【実施例】以下、実施例により本発明を詳述する。本発
明は実施例により何ら制限されるものではない。 【００１８】実施例１ 図１に示す型の反応装置を用いた。内径２５ｍｍ、外径
５５ｍｍ、長さが５０ｃｍで、下部に開口部を持つ筒状
のカーボン製反応炉心１の外側に、内径７５ｍｍ、外径
９５ｍｍ、長さが１ｍで、窒化ケイ素セラミックス製の
隔壁４を配置し、該セラミックス隔壁４の外周部にジル
コニアファイバー製の断熱材を介して設置された高周波
加熱コイル３でカーボン炉心を約１５００℃に加熱し
た。水素供給ノズル７からは水素を５ＮＬ／ｍｉｎ、ガ
ス供給ノズル１０からも水素を１０ＮＬ／ｍｉｎ流通さ
せながら、該カーボン炉心１の内部に水素およびシラン
類供給ノズル６からトリクロロシランガス２ＮＬ／ｍｉ
ｎと水素２０ＮＬ／ｍｉｎを混合して供給し、シリコン
の析出反応を行った。 【００１９】また、カーボン製反応炉心１とセラミック
ス隔壁４の間に、四塩化ケイ素および水素供給ノズル１
１から水素と四塩化ケイ素をそれぞれ２０ＮＬ／ｍｉ
ｎ、１０ＮＬ／ｍｉｎで流通させた。反応圧力はほぼ大
気圧であった。その結果、シリコンを約０．６ｇ／ｍｉ
ｎで得る一方、四塩化ケイ素の反応率は約２５％で、そ
のうちトリクロロシランへの選択率は約９０％であっ
た。また、本反応実施中の消費電力は約１６ｋWであ
り、８時間以上問題なく反応を行うことができた。ま
た、上記方法は、反応装置に四塩化珪素と水素とを供給
せず、別途の反応器を使用して四塩化珪素と水素とより
トリクロロシランを製造する方法と比較して、電力消費
量を約半分にすることができた。 【００２０】 【発明の効果】本発明によれば、高周波加熱シリコン析
出装置を用いて、シリコンの析出とトリクロロシランの
生成とを同じ装置内で一緒に高収率で安定して生成しつ
づけることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明で用いられる高周波加熱シリコン析出反
応装置の一態様の概略説明図。 【符号の説明】 １ カーボン製筒状反応炉心 ２ ステンレス製容器 ３ 高周波加熱コイル ４ セラミックス隔壁 ５ 断熱材 ６ 水素およびシラン類供給ノズル ７ 水素供給ノズル ８ 反応排ガス排出ノズル ９ 生成シリコン冷却回収室 １０ ガス供給ノズル １１ 四塩化ケイ素および水素供給ノズル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 筒状反応炉心と高周波加熱コイルの間に
   セラミックス隔壁を有する高周波加熱シリコン析出反応
   装置において、筒状反応炉心内においてシラン類と水素
   を反応せしめてシリコンを生成する反応を行い、且つ筒
   状反応炉心の外周とセラミックス隔壁との間の空間にお
   いて、四塩化ケイ素と水素とを反応せしめてトリクロロ
   シランを生成する反応を行うことを特徴とする、シリコ
   ンとトリクロロシランとを同一反応装置で一緒に製造す
   る方法。