JP2008068255A - ガスを汚染なしに加熱するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高純度のガスを３００〜１２００℃の温度に汚染なしに加熱するための方法を提供する
【解決手段】高純度のガスを０．１〜１０ｂａｒの圧力（絶対圧）で、ガスを汚染しない高純度の固形物を介して案内し、この場合、該固形物が、高純度の容器内に位置しており、該容器の壁が、赤外線放射に対して８５％よりも過度に多く透過性である材料から成っており、容器に赤外線放射によって照射し、これによって、固形物を加熱し、該固形物が、ガスを加熱するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、高純度のガスを３００〜１２００℃の温度に汚染なしに加熱するための方法に関する。

さらに、本発明は、ガスを汚染なしに加熱するための装置であって、ガスに対する流入開口と、加熱されたガスに対する流出開口とを備えた容器と、該容器に赤外線放射によって照射するようになっている加熱放射器とが設けられている形式のものに関する。

高純度の多結晶のシリコンの流動層析出時には、反応器内に、シリコン粒子から成るばら物が提供される。このばら物はガスによって流動化され、適切な装置によって、析出反応のために必要となる温度に加熱される。ガスに含まれたシリコン含有の化合物、一般的にシランまたはハロゲン化シラン（ＳｉＨ_ＸＨｇ_４−Ｘ、Ｈｇ：ハロゲン、Ｘ＝１〜３）が、高温の粒子表面において熱分解反応で分解され、これによって、元素のシリコンが形成される。このシリコンはシリコン粒子の表面に堆積させられ、粒子のサイズ増加に繋がる。この方法は、連続的に成長した粒子が生成物として流動層から導出され、より僅かなサイズの粒子、いわゆる「シリコン種粒子」が流動層に供給される場合に、連続的に運転することができる。このような方法は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４８３９５号明細書に記載されている。

流動層の正味加熱要求は、この方法の場合、大部分、流動層温度と、供給されるガスの温度との間の差から生ぜしめられる。これに対して、ガス相析出の反応エンタルピは二義的である。流動層温度は、熱分解反応のために必要となる反応温度に相当していて、シリコン含有の化合物の種類および濃度に強く関連している。シランまたはクロロシラン、たとえばトリクロロシランの使用時には、通常、さらに、シリコン不含のガス、たとえば水素が希釈のために使用される。析出反応のために少なくとも必要となる流動層温度は、シランから出発して、使用されるシリコン含有の化合物の塩素含有量の増加につれて激しく上昇し、約５００℃〜１２００℃の間にある。

いま、ガスを流動層への流入前に流動層温度に予熱し、これによって、流動層に対する加熱要求を僅かに保つことが考えられる。しかし、このような予熱は、シリコン含有のガスもしくは前記化合物を含有したガス混合物の場合、シリコン含有のガスのその都度の分解温度によって制限されている。シリコン不含の希釈ガス、たとえば水素が別個に流動層内に流入すると、希釈ガスが理論的に流動層温度を上回る温度にまでさえ加熱される恐れがあり、これによって、流動層が加熱される。しかし、特に極めて高い温度の場合には、シリコン含有のガスの予熱時だけでなく、シリコン不含の希釈ガスの予熱時にも、予熱のための装置による潜在的な汚染の危険がある。この危険は、たとえば米国特許第６８２７７８６号明細書、第１８欄、第５７行目以下に流動層析出のための１３００℃への水素の予熱に対して記載されているように、たとえばタンタル、モリブデンまたはカンタル合金から成る金属製の加熱エレメントの使用時に付与されている。この場合、不利には、加熱エレメントの表面との密な接触によって、ガスの汚染が生ぜしめられる。加熱エレメントの表面は、加熱したいガスを汚染する金属から成っている。さらに、加熱エレメントの金属に存在する不純物によっても、加熱したいガスの更なる汚染が生ぜしめられる。ガスの汚染の度合いは、金属製の加熱エレメントの温度の増加につれて上昇する。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４８３９５号明細書 米国特許第６８２７７８６号明細書

本発明の課題は、高純度のガス、有利には、高純度の多結晶のシリコンの流動層析出のために使用されるガスを３００〜１２００℃の温度に汚染なしに加熱するための方法を提供することである。

さらに、本発明の課題は、本発明による方法を実施するために適した装置を提供することである。

この課題を解決するために本発明の方法では、高純度のガスを０．１〜１０ｂａｒの圧力（絶対圧）で、ガスを汚染しないと同時にガスと反応しない高純度の固形物を介して案内し、この場合、該固形物が、高純度の容器内に位置しており、該容器の壁が、赤外線放射に対して８５％よりも過度に多く透過性である材料から成っており、容器に赤外線放射によって照射し、これによって、固形物を加熱し、該固形物が、ガスを加熱するようにした。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、固形物が、合計して１００ｐｐｍ（質量）よりも少ない不純物を有するシリコン、ＳｉＣおよびＳｉ_３Ｎ_４のグループから選択されている。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、高純度の多結晶のシリコンを固形物として使用する。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、当該方法を１〜１０ｂａｒの圧力（絶対圧）で実施する。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、加熱したいガスが、シラン、ハロゲン化シランおよび水素のグループから選択されたガスである。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、加熱したいガスが、３００℃〜１２００℃に汚染なしに加熱される水素である。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、加熱したいガスが、水素とトリクロロシランとから成る、３００℃〜４００℃に汚染なしに加熱される混合物である。

本発明の方法の有利な実施態様によれば、ガスの５０〜５００ｍ^３／ｈを容器を通して案内する。

さらに、前述した課題を解決するために本発明の装置では、容器が、高純度の材料から成っており、該材料が、ガスを汚染しないようになっていて、赤外線放射に対して８５％よりも過度に多く透過性であり、容器が、ガスを汚染しない高純度の固形物で充填されており、該固形物が、赤外線放射によって加熱されるようになっているようにした。

本発明の装置の有利な構成によれば、固形物が、それぞれ合計して１００ｐｐｍ（質量）よりも少ない不純物を有するシリコン、ＳｉＣおよびＳｉ_３Ｎ_４のグループから選択されている。

本発明の装置の有利な構成によれば、容器が、０．０１〜０．１ｍ^３の容積を有している。

本発明の装置の有利な構成によれば、容器が、石英ガラスから成る容器である。

本発明の装置の有利な構成によれば、加熱放射器が、８００〜２７００℃の加熱螺旋体温度を備えた赤外線放射器である。

高純度のガスとは、本発明の意味では、ガスが全ての副成分（不純物）の合計として１０ｐｐｍ（体積）よりも少ない副成分を有していると解される。これらの副成分は、たとえば高純度の水素の事例では、一般的に、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、窒素、希ガス（一般的にはＡｒまたはＨｅ）、酸素および湿分（Ｈ_２Ｏ）である。

本発明の意味では、ガスは、固形物の、ガス内に放出される成分が、ガスを添加する後続の反応に損害を与えない、すなわち、後続の反応の反応生成物を汚染しない場合にも汚染されない。特に有利には、ガスは、固形物の成分がガスに放出されない場合に汚染されない。

有利には、固形物は、合計して１００ｐｐｍ（質量）よりも少ない不純物を有するシリコン、合計して１００ｐｐｍ（質量）よりも少ない不純物を有するＳｉＣまたは合計して１００ｐｐｍ（質量）よりも少ない不純物を有するＳｉ_３Ｎ_４である。特に有利には、固形物は、高純度の多結晶のシリコンである。

固形物は１つまたはそれ以上の加熱放射器によって加熱される。有利には、熱エネルギの可能な限り均一な供給を得るために、複数の加熱放射器が容器の全周にわたって均一に分配されている。加熱放射器の温度ひいては波長は、放射エネルギの８５％またはそれ以上が容器壁を通過し、固形物で熱に変換され、放射エネルギの１５％またはそれ以下が容器壁によって吸収されるように選択されている。

ガスの加熱は、０．１〜１０ｂａｒの圧力（絶対圧）、有利には１〜１０ｂａｒの圧力（絶対圧）で行われる。

有利には、ガスを予熱するための本発明による方法は、高純度の多結晶のシリコンを流動層析出するために適している。このようなガスは、たとえばシラン、ハロゲン化シラン、特にクロロシラン、たとえばトリクロロシラン、流動層析出においてキャリヤガスとして働くことができるシリコン不含のガス、たとえば水素ならびにこれらのガスの混合物である。

この方法変化形では、固形物として、有利には、造粒物または破片の形の高純度の多結晶のシリコンが使用される。ガス、有利には純粋な水素もしくは水素とトリクロロシランとから成る混合物は、３００℃〜１２００℃（純粋な水素）の温度もしくは３００℃〜４００℃（水素とトリクロロシランとから成る混合物）に加熱される。

有利には、前述したガスの５０〜５００ｍ^３／ｈが、シリコン破片またはシリコン造粒物で充填された容器を通って案内される。

本発明による方法によって、シリコン含有のガスまたはシリコン含有のガスを含んだガス混合物をシリコン含有の化合物の分解温度付近にまで汚染なしに加熱することが可能となる。シリコン不含のガス、たとえば水素は、当該方法によって、必要となる流動層温度を上回る最大１２００℃の温度にまでさえ汚染なしに加熱することができる。

固形物は、有利には造粒物、成形体または破片の形で付与される。有利には、容器は固形物造粒物、固形物破片または固形物成形体で完全に充填されており、これによって、固形物が不動に容器内に付与されていて、加熱したいガスが固形物の周りを洗うことができる。この固形物は、ガスを汚染しないと同時にガスと反応しない高純度の材料から成っている。水素の加熱もしくは、高純度の多結晶のシリコンの流動層析出のために必要となるような、水素とクロロシランとから成る混合物の加熱のために、有利には、それぞれ合計して１００ｐｐｍ（質量）よりも少ない不純物を有するシリコン、ＳｉＣまたはＳｉ_３Ｎ_４が使用される。特に有利には、固形物は高純度の多結晶のシリコンである。高純度の多結晶のシリコンとは、本発明の意味では、有利には、多くとも１００ｐｐｂｗの金属性の不純物と、１０００ｐｐｂａの炭素と、５ｐｐｂａのアクセプタ（特にホウ素およびアルミニウム）と、２ｐｐｂａのドナー（特にリンおよびヒ素）とを含有した多結晶のシリコンと解される（ｗは質量割合を表しており、ａは原子の割合を表している）。

有利には、容器は０．０１〜０．１ｍ^３の容積を有している。容器は、有利には、石英ガラス、有利には半導体品質における石英ガラス、たとえばＨｅｒａｅｕｓ社のＨＳＱ−３００から成る容器である。この容器は、有利にはシリンダもしくは管の形状を有している。この場合、加熱放射器が外部に配置されている。別の構成では、容器は、同心的な２つのシリンダもしくは管の間の内室である。この構成では、固形物が、内側のシリンダと外側のシリンダとの間もしくは内側の管と外側の管との間の室内に位置している。この構成では、赤外線放射器が、内側のシリンダもしくは管の内部にかつ／または外側のシリンダもしくは管の外部に配置されている。

加熱放射器として、有利には、８００〜２７００℃、有利には１５００〜２７００℃、特に有利には１８００〜２７００℃の加熱螺旋体温度を備えた赤外線放射器が使用される。２０００℃よりも大きな温度の場合には、放射出力の約９０％が０．３〜３μｍの波長範囲内にある。この波長では、たとえば５ｍｍの厚さの石英管の場合、もはや放射出力の１０％よりも多くが石英管内で熱に変換されない。より大きな割合の９０％（０．３〜３μｍの波長）は石英管を損失なしに貫通し、加熱したい固体で熱に変換される。有利には、個々の加熱放射器が０．５〜１０ｋＷの放射出力を有している。

容器サイズと、規定された加熱出力と、固形物の形状およびサイズとは、ガスのその都度の装入量と、ガスの所要の最終温度とに適合させることができる。直列または並列での本発明による複数のガスヒータの接続も可能である。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、ガス加熱のための本発明による装置の構成が容器の断面図として示してある。赤外線放射器（１）は容器の石英ガラス壁（３）の外部に位置している。この石英ガラス壁（３）は、高純度の多結晶のシリコン（２）から成る破片を赤外線放射器（１）から分離している。高純度のガスは、有利には下方（４）から石英ガラス容器内に流入する。反対の側（５）では、加熱されたガスが流出する。

以下の例は、本発明をさらに詳しく説明するために役立つ。

１１４ｍｍの内径を備えた石英ガラス管内に、１５ｍｍ〜３０ｍｍのサイズの超高純度シリコン破片から成るばら物１５．６ｋｇが提供された。石英管を取り囲んで、２６ｋＷの最大の総出力を備えた短波の複数のＩＲランプ（１８００〜２４００℃の螺旋体温度）が配置された。ばら物を通して、７５Ｎｍ^３／ｈの超高純度水素の通過が生ぜしめられた。この超高純度水素は１２０℃の温度で石英管内に流入した。システム圧（絶対圧）は２．９ｂａｒであった。赤外線放射器がステップ式に最大出力にまで高められた。最終温度として、石英管から流出する水素が９３６℃に達した。こうして予熱された水素が、多結晶の超高純度シリコン造粒物を製造するための流動層反応器に供給された。水素の予熱によって、反応器加熱を２１ｋＷだけ減らすことができた。生成されたシリコン造粒物の品質データにつき、多結晶の超高純度シリコン造粒物の製造に対するガス予熱の不利な影響を排除することができた。

本発明による装置を示す図である。

符号の説明

１ 赤外線放射器、 ２ シリコン、 ３ 石英ガラス壁、 ４ 下方、 ５ 側

Claims (13)

1. 高純度のガスを３００〜１２００℃の温度に汚染なしに加熱するための方法において、高純度のガスを０．１〜１０ｂａｒの圧力（絶対圧）で、ガスを汚染しない高純度の固形物を介して案内し、この場合、該固形物が、高純度の容器内に位置しており、該容器の壁が、赤外線放射に対して８５％よりも過度に多く透過性である材料から成っており、容器に赤外線放射によって照射し、これによって、固形物を加熱し、該固形物が、ガスを加熱することを特徴とする、高純度のガスを汚染なしに加熱するための方法。
2. 固形物が、合計して１００ｐｐｍ（質量）よりも少ない不純物を有するシリコン、ＳｉＣおよびＳｉ_３Ｎ_４のグループから選択されている、請求項１記載の方法。
3. 高純度の多結晶のシリコンを固形物として使用する、請求項１または２記載の方法。
4. 当該方法を１〜１０ｂａｒの圧力（絶対圧）で実施する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 加熱したいガスが、シラン、ハロゲン化シランおよび水素のグループから選択されたガスである、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 加熱したいガスが、３００℃〜１２００℃に汚染なしに加熱される水素である、請求項３から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 加熱したいガスが、水素とトリクロロシランとから成る、３００℃〜４００℃に汚染なしに加熱される混合物である、請求項３から５までのいずれか１項記載の方法。
8. ガスの５０〜５００ｍ^３／ｈを容器を通して案内する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. ガスを汚染なしに加熱するための装置であって、ガスに対する流入開口と、加熱されたガスに対する流出開口とを備えた容器と、該容器に赤外線放射によって照射するようになっている加熱放射器とが設けられている形式のものにおいて、容器が、高純度の材料から成っており、該材料が、ガスを汚染しないようになっていて、赤外線放射に対して８５％よりも過度に多く透過性であり、容器が、ガスを汚染しない高純度の固形物で充填されており、該固形物が、赤外線放射によって加熱されるようになっていることを特徴とする、ガスを汚染なしに加熱するための装置。
10. 固形物が、それぞれ合計して１００ｐｐｍ（質量）よりも少ない不純物を有するシリコン、ＳｉＣおよびＳｉ_３Ｎ_４のグループから選択されている、請求項９記載の装置。
11. 容器が、０．０１〜０．１ｍ^３の容積を有している、請求項９または１０記載の装置。
12. 容器が、石英ガラスから成る容器である、請求項９から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 加熱放射器が、８００〜２７００℃の加熱螺旋体温度を備えた赤外線放射器である、請求項９から１２までのいずれか１項記載の装置。

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