JP2008273799A - 多結晶シリコンの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多結晶シリコンの回収効率を向上させる。
【解決手段】本発明の多結晶シリコンの製造方法では、第１の反応炉３において多結晶シリコン粒子を生成する（生成工程）。そして、生成工程において生成された多結晶シリコン粒子と四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを第２の反応炉５に供給する。これにより、生成工程において生成した多結晶シリコン粒子は、第２の反応炉５において生成される多結晶シリコンの成長核として機能する。よって、多結晶シリコン粒子が成長する（成長工程）。続いて、成長工程において成長した多結晶シリコン粒子を溶融させ、溶融した多結晶シリコンを冷却固化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多結晶シリコンの製造方法に関する。

四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを反応させて多結晶シリコン粒子を生成し、生成した多結晶シリコン粒子を冷却固化することによって、多結晶シリコンを製造する方法が知られている（特許文献１参照）。
特開２００４−９９４２１号公報

上記特許文献１に記載の方法では、生成した多結晶シリコン粒子が、反応ガスやキャリアガスと共に反応炉から排気され易い。よって、多結晶シリコンの回収効率が悪い。そこで本発明は、多結晶シリコンの回収効率を向上させることを目的とする。

本発明の多結晶シリコンの製造方法は、第１の反応炉において多結晶シリコン粒子を生成する生成工程と、生成工程において生成された多結晶シリコン粒子と四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを第２の反応炉に供給することにより、多結晶シリコン粒子を成長させる成長工程と、成長工程において成長した多結晶シリコン粒子を溶融させる溶融工程と、溶融工程において溶融した多結晶シリコンを冷却固化する冷却固化工程と、を含む。

本発明の多結晶シリコンの製造方法によれば、第２の反応炉に、生成工程において生成した多結晶シリコン粒子と四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを供給する。これにより、生成工程において生成した多結晶シリコン粒子に、成長工程において四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとの反応により生成される多結晶シリコンが付着する。すなわち、生成工程において生成した多結晶シリコン粒子は、成長核として機能する。第２の反応炉において、多結晶シリコン粒子が成長して、サイズが大きくなることにより、多結晶シリコン粒子が排気されにくくなる。よって、成長した多結晶シリコン粒子は、溶融され、冷却固化されることにより回収され易くなる。従って、多結晶シリコンの回収効率を向上させることができる。

本発明の多結晶シリコンの製造方法によれば、多結晶シリコンの回収効率を向上させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る多結晶シリコンの製造方法について説明する。まず、この方法を実現するために用いる多結晶シリコンの製造装置の構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る多結晶シリコンの製造装置の構成を示す模式図である。図１に示される多結晶シリコンの製造装置１は、第１の反応炉３と、第２の反応炉５と、第１の反応炉３から排気される排気ガスＧ１を第２の反応炉５に供給する連結管７とを備える。

第１の反応炉３では、多結晶シリコン粒子を生成する。第１の反応炉３の炉壁は、加工容易性及びコンタミネーション防止の観点からSiO₂（石英）であることが好ましい。なお、第１の反応炉３の炉壁は、SiC、アルミナ等のセラミックス、カーボン、SiCで被覆されたカーボン等であってもよい。

第１の反応炉３は、鉛直方向に伸びて筒状に形成され、上部の側面に、２つの供給口９，１１が設けられている。供給口９を介して、四塩化ケイ素ガスSiCl₂が第１の反応炉３内に供給される。供給口１１を介して、亜鉛ガスZnが第１の反応炉３内に供給される。

図２は、図１に示される第１の反応炉を上部方向から見た図である。２つの供給口９，１１は、第１の反応炉３の中心軸に対して対称に設けられ、側面の接線方向に延びている。この場合、供給口９から供給される四塩化ケイ素ガスSiCl₂と、供給口１１から供給される亜鉛ガスZnとが第１の反応炉３内において中心軸を中心に渦を形成する。このため、四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを十分に混合することができるので、多結晶シリコン粒子の生成効率を向上させることができる。

図１に戻って、第１の反応炉３の下部には、生成した多結晶シリコンを回収するための漏斗１３が設けられている。漏斗１３の先端側における側面には、水平方向に延びた連結管７の一端が接続されている。連結管７の他端は、第２の反応炉５の上端部に接続されている。

第２の反応炉５では、連結管７を介して供給された第１の反応炉３の排気ガスＧ１に含まれる多結晶シリコン粒子を成長させる。第２の反応炉５の炉壁は、第１の反応炉３の炉壁と同様に、SiO₂、SiC、アルミナ等のセラミックス、カーボン、SiCで被覆されたカーボン等によって形成されている。

第２の反応炉５は、鉛直方向に伸びて筒状に形成され、上部の側面に２組の供給口１５，１７が設けられている。供給口１５を介して、四塩化ケイ素ガスSiCl₂が第２の反応炉５内に供給される。供給口１７を介して、亜鉛ガスZnが第２の反応炉５内に供給される。本実施形態では、供給口１５，１７は、それぞれ３つ形成されている。第２の反応炉５の下部には、生成した多結晶シリコンを回収するための漏斗１９が設けられている。

なお、第２の反応炉５における四塩化ケイ素ガス及び亜鉛ガスの停滞時間を長くするために、第１の反応炉３の容積より第２の反応炉５の容積を大きいことが好ましい。また、第１及び第２の反応炉３，５の側面の周囲には、長手方向に沿って温度が制御できるように、ヒータ（図示せず）が配置されている。

引き続いて、第１実施形態に係る多結晶シリコンの製造方法について説明する。図３は、第１実施形態に係る多結晶シリコンの製造方法を示すフローチャートである。第１実施形態に係る多結晶シリコンの製造方法では、上記の多結晶シリコンの製造装置１を用いて、生成工程Ｓ１、成長工程Ｓ２、溶融工程Ｓ３、冷却固化工程Ｓ４の順に反応を行うことにより、塊状の多結晶シリコンＳｉを製造する。以下、各工程について詳細に説明する。

まず、第１の反応炉３において多結晶シリコン粒子を生成する（生成工程Ｓ１）。第１の反応炉３の炉壁の上部の温度を１１００℃以上とした状態で、供給口９，１１から、第１の反応炉３内に四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを供給する。供給された四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとが反応することにより、多結晶シリコン粒子が生成される。炉壁の温度が１１００℃以上に保たれることにより、供給口９，１１に多結晶シリコン粒子が付着することを防止できる。

第１の反応炉３の中部に設けられた供給口（図示せず）から不活性ガスを供給することにより、多結晶シリコン粒子と、未反応の四塩化ケイ素ガス及び亜鉛ガスとを含む生成ガスを冷却して、多結晶シリコン粒子を成長させる。生成された多結晶シリコン粒子のうち比較的粒径の大きい多結晶シリコン粒子は、重力により落下して漏斗１３の壁面に付着する。

漏斗１３の壁面を多結晶シリコンの融点以上に加熱することにより、漏斗の１３の壁面に付着した多結晶シリコン粒子は溶融する。溶融した多結晶シリコンは、漏斗１３の先端から滴下し、漏斗１３の下方に配置された坩堝（図示せず）内に回収される。坩堝内は、多結晶シリコン粒子の融点より低く保たれ、坩堝内に溜まった多結晶シリコンの溶液は、冷却されて固化する。

気流により漏斗１３の下方に達した排気ガスＧ１は、連結管７に流入する。排気ガスがそのまま漏斗１３の下端から外に出ず、連結管７に流入するように、反応炉３内の気体を排気する。また、漏斗１３の下は蓋で封止してもよい。あるいは、漏斗１３の下端に不活性ガスを供給してガス封止をしてもよい。反応炉３から連結管７へのガス流れを作る。排気ガスＧ１には、第１の反応炉３において生成された多結晶シリコン粒子のうち比較的粒径の小さい多結晶シリコン粒子と、未反応の亜鉛ガスと、反応副産物である塩化亜鉛ガスZnCl₂とが含まれる。

次に、生成工程Ｓ１において生成された多結晶シリコン粒子と四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを第２の反応炉５へ供給することにより、多結晶シリコン粒子を成長させる（成長工程Ｓ２）。第１の反応炉３から連結管７に流入した排気ガスＧ１は、第２の反応炉５の上端部から第２の反応炉５へ供給される。すなわち、排気ガスＧ１に含まれる多結晶シリコン粒子が、第２の反応炉５の上端部から第２の反応炉５へ流入する。

その流入口より下方に設けられた供給口１５，１７からは、四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとが供給されている。この供給口１５，１７付近の炉壁の温度は、１１００℃以上に保たれている。よって、第２の反応炉５へ流入した多結晶シリコン粒子には、四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとの反応により生成された多結晶シリコンが付着する。これにより、第１の反応炉３で生成された多結晶シリコン粒子が、第２の反応炉５において成長する。供給口は三段に限られるものではない。供給口１個当たりのガス流量は、おおよそ限られてくるので供給口を適宜の数設け、ガス流量を調整する。

また、第２の反応炉５の中部に設けられた供給口（図示せず）から不活性ガスを供給することにより、多結晶シリコン粒子と、未反応の四塩化ケイ素ガス及び亜鉛ガスとを含む生成ガスを冷却して、多結晶シリコン粒子をさらに成長させる。成長した多結晶シリコン粒子は、重力により落下して漏斗１９の壁面に付着する。

漏斗１９の壁面を多結晶シリコンの融点以上に加熱することにより、漏斗の１９の壁面に付着した多結晶シリコン粒子を溶融させる（溶融工程Ｓ３）。溶融した多結晶シリコンは、漏斗１９の先端から滴下し、漏斗１９の下方に配置された坩堝（図示せず）内に回収される。坩堝内は、多結晶シリコン粒子の融点より低く保たれ、坩堝内に溜まった多結晶シリコンの溶液は、冷却されて固化する（冷却固化工程Ｓ４）。このようにして、塊状の多結晶シリコンを製造することができる。なお、漏斗１９の先端からは、反応の亜鉛ガスと、反応副産物である塩化亜鉛ガスZnCl₂とを含む排気ガスＧ２が排出される。

本実施形態の多結晶シリコンの製造方法によれば、第２の反応炉５に、生成工程Ｓ１において生成した多結晶シリコン粒子と四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを供給する。これにより、生成工程Ｓ１において生成した多結晶シリコン粒子に、成長工程Ｓ２において四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとの反応により生成される多結晶シリコンが付着する。すなわち、生成工程Ｓ１において生成した多結晶シリコン粒子は、成長核として機能する。第２の反応炉５において、多結晶シリコン粒子が成長して、サイズが大きくなることにより、多結晶シリコン粒子は排気ガスの流れに乗りにくくなるので排気されにくくなる。よって、成長した多結晶シリコン粒子は、溶融され、冷却固化されることにより回収され易くなる。従って、多結晶シリコンの回収効率を向上させることができる。

本実施形態の多結晶シリコンの製造方法では、第２の反応炉５において、上端部から多結晶シリコン粒子を供給し、その供給口の下側から四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを供給する。よって、多結晶シリコン粒子は、第２の反応炉５に流入するとすぐ、第２の反応炉５において生成された多結晶シリコンが付着する。よって、多結晶シリコン粒子を効率良く成長させることができる。

また、本実施形態の多結晶シリコンの製造方法では、第１の反応炉３の容積より第２の反応炉５の容積は大きい。よって、第２の反応炉５内における多結晶シリコン粒子の停滞時間が長くなるので、多結晶シリコン粒子が十分成長できる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る多結晶シリコンの製造方法について説明する。まず、この方法を実現するために用いる多結晶シリコンの製造装置の構成について説明する。図４は、第２実施形態に係る多結晶シリコンの製造装置の構成を示す模式図である。図４に示される多結晶シリコンの製造装置１は、第１の反応炉２３と、第２の反応炉２５と、を備える。

第１の反応炉２３は、成長核となる結晶シリコン粒子を生成するための予備反応室として機能する。第１の反応炉２３は、鉛直方向に伸びて筒状に形成され、上部の側面に、２つの供給口２７，２９が設けられている。供給口２７を介して、四塩化ケイ素ガスSiCl₂が第１の反応炉２３内に供給される。供給口２９を介して、亜鉛ガスZnが第１の反応炉２３内に供給される。第１の反応炉２３の下端部は、第２の反応炉２５の上端部に連結されている。

第２の反応炉２５は、第１の反応炉２３の排気ガスＧ３に含まれる多結晶シリコン粒子を成長させる主の反応室として機能する。第２の反応炉２５は、上部の側面に２組の供給口３１，３３が設けられている。供給口３１を介して、四塩化ケイ素ガスSiCl₂が第２の反応炉２５内に供給される。供給口３３を介して、亜鉛ガスZnが第２の反応炉２５内に供給される。本実施形態では、供給口３１，３３は、それぞれ３つ形成されている。第２の反応炉２５の下部には、生成した多結晶シリコンを回収するための漏斗３５が設けられている。

なお、第２の反応炉２５における四塩化ケイ素ガス及び亜鉛ガスの停滞時間を長くするために、第１の反応炉２３の容積より第２の反応炉２５の容積を大きいことが好ましい。また、第１及び第２の反応炉２３，２５の側面の周囲には、長手方向に沿って温度が制御できるように、ヒータ（図示せず）が配置されている。

引き続いて、第２実施形態に係る多結晶シリコンの製造方法について説明する。第２実施形態に係る多結晶シリコンの製造方法では、上記の多結晶シリコンの製造装置２１を用いて、生成工程Ｓ１、成長工程Ｓ２、溶融工程Ｓ３、冷却固化工程Ｓ４の順に反応を行うことにより、塊状の多結晶シリコンＳｉを製造する。以下、各工程について詳細に説明する。

まず、第１の反応炉２３において多結晶シリコン粒子を生成する（生成工程Ｓ１）。第１の反応炉２３の炉壁の上部の温度を１１００℃以上とした状態で、供給口２７，２９から、第１の反応炉２３内に四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを供給する。供給された四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとが反応することにより、多結晶シリコン粒子が生成される。

次に、生成工程Ｓ１において生成された多結晶シリコン粒子と四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを第２の反応炉２５へ供給することにより、多結晶シリコン粒子を成長させる（成長工程Ｓ２）。

第１の反応炉２３における排気ガスＧ３が、下方に流れて第２の反応炉２５へ流入する。排気ガスＧ３には、第１の反応炉２３において生成された多結晶シリコン粒子と、未反応の亜鉛ガスと、反応副産物である塩化亜鉛ガスZnCl₂とが含まれる。これにより、生成工程Ｓ１において生成された多結晶シリコン粒子が第２の反応炉２５へ上端部から供給される。

その上端部の下側に設けられた供給口３１，３３からは、四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとが供給されている。この供給口３１，３３付近の炉壁の温度は、１１００℃以上に保たれている。よって、第２の反応炉２５へ流入した多結晶シリコン粒子には、四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとの反応により生成された多結晶シリコンが付着する。これにより、第１の反応炉２３で生成された多結晶シリコン粒子が、第２の反応炉２５の上部において成長する。
第２の反応炉２５の中部に設けられた供給口（図示せず）から不活性ガスを供給することにより、成長した多結晶シリコン粒子と、未反応の四塩化ケイ素ガス及び亜鉛ガスとを含む生成ガスを冷却して、多結晶シリコン粒子をさらに成長させる。成長した多結晶シリコン粒子は、重力により落下して漏斗３５の壁面に付着する。

漏斗３５の壁面を多結晶シリコンの融点以上に加熱することにより、漏斗の３５の壁面に付着した多結晶シリコン粒子を溶融させる（溶融工程Ｓ３）。溶融した多結晶シリコンは、漏斗３５の先端から滴下し、漏斗３５の下方に配置された坩堝（図示せず）内に回収される。坩堝内は、多結晶シリコン粒子の融点より低く保たれ、坩堝内に溜まった多結晶シリコンの溶液は、冷却されて固化する（冷却固化工程Ｓ４）。このようにして、塊状の多結晶シリコンを製造することができる。なお、漏斗３５の先端からは、反応の亜鉛ガスと、反応副産物である塩化亜鉛ガスZnCl₂とを含む排気ガスＧ４が排出される。

本実施形態の多結晶シリコンの製造方法によれば、第２の反応炉２５に、生成工程Ｓ１において生成した多結晶シリコン粒子と四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを供給する。これにより、生成工程Ｓ１において生成した多結晶シリコン粒子に、成長工程Ｓ２において四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとの反応により生成される多結晶シリコンが付着する。すなわち、生成工程Ｓ１において生成した多結晶シリコン粒子は、成長核として機能する。第２の反応炉２５において、多結晶シリコン粒子が成長して、サイズが大きくなることにより、多結晶シリコン粒子が排気されにくくなる。よって、成長した多結晶シリコン粒子は、溶融され、冷却固化されることにより回収され易くなる。従って、多結晶シリコンの回収効率を向上させることができる。

また、多結晶シリコンの製造装置２１では、第１の反応炉２３と第２の反応炉２５とが連結管なしに直接接続されているので、連結管が詰まる心配がない。よって、容易に工業化が可能となる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記第１及び第２実施形態では、２段の反応炉を用いて多結晶シリコン粒子を成長させたが、２段に限らず３段以上であってもよい。

第１実施形態に係る多結晶シリコンの製造装置の構成を示す模式図である。 図１に示される第１の反応炉を上部方向から見た図 第１実施形態に係る多結晶シリコンの製造方法を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る多結晶シリコンの製造装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１，２１…多結晶シリコンの製造装置、３，２３…第１の反応炉、５，２５…第２の反応炉、Ｓ１…生成工程、Ｓ２…成長工程、Ｓ３…溶融工程、Ｓ４…冷却固化工程。

Claims (1)

1. 第１の反応炉において多結晶シリコン粒子を生成する生成工程と、
   前記生成工程において生成された多結晶シリコン粒子と四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを第２の反応炉に供給することにより、前記多結晶シリコン粒子を成長させる成長工程と、
   前記成長工程において成長した多結晶シリコン粒子を溶融させる溶融工程と、
   前記溶融工程において溶融した多結晶シリコンを冷却固化する冷却固化工程と、
   を含む、多結晶シリコンの製造方法。

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