JP2009096678A - トリクロロシラン製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トリクロロシラン製造装置において、熱効率が高く、転換率の向上を図ることができると共に、不純物の発生を防ぐこと。
【解決手段】 溶融シリコンＳを貯留する容器１と、容器１内の溶融シリコンＳを加熱する加熱機構２と、テトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを溶融シリコンＳ中に吹き出すガス供給部３とを備えている。これにより、加熱された高温の溶融シリコン中に供給ガスが気泡状態で放出されることで、効率的に加熱されて転換反応し、高い転換率でトリクロロシランが得られる。また、生成反応ガス中のトリクロロシランから還元反応及び熱分解反応によって生成されたシリコンが溶融シリコンＳに溶け込むため、溶融シリコンＳを増加させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、テトラクロロシランをトリクロロシランに転換するトリクロロシラン製造装置に関する。

高純度のシリコン（Ｓｉ：珪素）を製造するための原料として使用されるトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）は、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ_４：四塩化珪素）を水素と反応させて転換することで製造することができる。

すなわち、シリコンは、以下の反応式（１）（２）によるトリクロロシランの還元反応と熱分解反応で生成され、トリクロロシランは、以下の反応式（３）による転換反応で生成される。

ＳｉＨＣｌ_３＋Ｈ_２ → Ｓｉ＋３ＨＣｌ ・・・（１）
４ＳｉＨＣｌ_３ → Ｓｉ＋３ＳｉＣｌ_４＋２Ｈ_２ ・・・（２）
ＳｉＣｌ_４＋Ｈ２ → ＳｉＨＣｌ_３＋ＨＣｌ ・・・（３）
このトリクロロシランの製造方法として、種々の手法が提案されているが、例えば特許文献１には、グラファイト、シリコン又はシリコンカーバイドで形成された発熱体にテトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを吹き付けてトリクロロシランへ転換させる技術が開示されている。この製造技術では、吹き付けられた供給ガスが発熱体に接触することで、加熱されて転換反応によりトリクロロシランを含む反応生成ガスを得るものである。
特開昭５３−９７９９６号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。

すなわち、上記特許文献１の技術では、供給ガスをグラファイト、シリコン又はシリコンカーバイドで形成された発熱体に吹き付けて反応生成ガスを得ているが、発熱体の内壁に接触した際の短時間の加熱であるため、熱効率があまり高くなく、トリクロロシランへの転換率の向上が難しいという不都合があった。また、グラファイトで形成された発熱体を用いた場合、カーボンと供給ガス及び反応生成ガス中の水素、クロロシラン及び塩化水素とが反応してメタン、メチルクロロシラン、炭化珪素等が生成されて不純物となる不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱効率が高く、転換率の向上を図ることができると共に、さらに不純物の発生を防ぐことができるトリクロロシラン製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のトリクロロシラン製造装置は、溶融シリコンを貯留する容器と、前記容器内の前記溶融シリコンを加熱する加熱機構と、テトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを前記溶融シリコン中に吹き出すガス供給部とを備えていることを特徴とする。

このトリクロロシラン製造装置では、テトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを溶融シリコン中に吹き出すガス供給部を備えているので、加熱された高温の溶融シリコン中
に供給ガスが気泡状態で放出されることで、効率的に加熱されて転換反応し、高い転換率でトリクロロシランが得られる。また、生成反応ガス中のトリクロロシランから還元反応及び熱分解反応によってシリコンが生成され、このシリコンが溶融シリコンに溶け込むため、溶融シリコンを増加させることができる。

また、本発明のトリクロロシラン製造装置は、前記容器が、石英で形成され、前記ガス供給部が、前記溶融シリコン中に先端が差し込まれて前記供給ガスを吹き出す石英製ノズルを備えていることを特徴とする。すなわち、このトリクロロシラン製造装置では、石英（ＳｉＯ２）製ノズルが、石英製の容器内の溶融シリコン中に先端が差し込まれて供給ガスを吹き出すので、容器及びノズルに起因する不純物の生成が無く、反応生成ガス中に不純物が混入することを防ぐことができる。

石英製容器としては、単結晶シリコンの引き上げ生成に用いられるルツボが好適に使用できる。

また、本発明のトリクロロシラン製造装置は、前記ガス供給部には、供給ガスを前記溶融シリコン中に吹き出す前に加熱する予熱機構が備えられていることを特徴とする。すなわち、供給ガスを予熱した状態で溶融シリコン中に吹き出させることにより、溶融シリコンの熱負荷を小さくすることができるとともに、シリコンを溶融状態に維持することも容易であり、装置の小型化を図ることが可能になる。

さらに、本発明のトリクロロシラン製造装置は、前記溶融シリコン中で前記供給ガスから生成されたトリクロロシランと塩化水素とを含む反応生成ガスを、前記容器の上部に配されたガス導出口から外部に導出するガス回収機構を備えていることを特徴とする。すなわち、このトリクロロシラン製造装置では、容器の上部に配されたガス導出口から外部に導出するガス回収機構を備えているので、溶融シリコンから放出された反応生成ガスを容器上部のガス導出口から効率的に回収することができる。

また、本発明のトリクロロシラン製造装置は、前記容器の外側表面を覆うように支持する支持部材を備えていることを特徴とする。すなわち、このトリクロロシラン製造装置では、支持部材で容器の外側表面を覆うように支持しているので、高温時に石英製容器が軟化しても容器を支持部材が周囲から支持することで容器の形状変化等を防ぐことができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。

すなわち、本発明に係るトリクロロシラン製造装置によれば、テトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを溶融シリコン中に吹き出すガス供給部を備えているので、溶融シリコンの中で気泡状態となった供給ガスと溶融シリコンとの接触により効率的に加熱されることで、高い転換率でトリクロロシランが得られる。また、生成反応ガス中のトリクロロシランの一部から還元反応及び熱分解反応によって生成されたシリコンが溶融シリコンに溶け込むため、溶融シリコンを増加させることができる。さらに、カーボン材を用いずに石英を用いて容器やガス供給部のノズルを構成することで、不純物の発生を防ぐことができる。したがって、高い転換率で純度の高いトリクロロシランが得られると共に、シリコンも同時に生成することができる。

以下、本発明に係るトリクロロシラン製造装置の一実施形態を、図１を参照しながら説明する。

本実施形態のトリクロロシラン製造装置は、図１に示すように、溶融シリコンＳを貯留する石英（ＳｉＯ_２）製の容器１と、容器１内の溶融シリコンＳを加熱する加熱機構２と、テトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを溶融シリコンＳ中に吹き出すガス供給部３と、溶融シリコンＳ中で供給ガスから生成されたトリクロロシランと塩化水素とを含む反応生成ガスを、容器１の上部に配されたガス導出口４から外部に導出するガス回収機構５とを備えている。

上記容器１は、図示例の場合、単結晶シリコンの引き上げ生成に用いられる石英製ルツボが使用されており、内底面が円弧状凹面１ａに形成されるとともに、円弧状凹面１ａから連続する筒状内面１ｂが上部に形成されている。

上記ガス供給部３は、溶融シリコンＳ中に先端が差し込まれて供給ガスを吹き出す石英製ノズル６と、この石英製ノズル６に接続され供給ガスを加圧供給する加圧ポンプＰ１と、この加圧ポンプＰ１に接続された供給ガスの供給源（図示略）と、供給ガスを溶融シリコンＳ中に吹き出す前に加熱する予熱機構１１とを備えている。

石英製ノズル６は、容器１の上方から鉛直下方に向けて差し込まれており、ノズル６の先端を閉塞する端板６ａには複数の吹き出し口６ｂが形成され、これら吹き出し口６ｂから溶融シリコンＳ中に供給ガスを吹き出すようになっている。吹き出された供給ガスは溶融シリコンＳ中に気泡状となって分散される。

石英製ノズル６の外側には、該石英製ノズル６と同軸に配された外筒部材８が上記容器１の上部に固定されている。そして、石英製ノズル６と外筒部材８との間は、反応生成ガスの導出流路とされ、下端開口部がガス導出口４となる。すなわち、石英製ノズル６と外筒部材８とは、２重管構造となっている。この場合、外筒部材８は、上記容器１の上端部にリング状閉塞部材１２を介して固定されている。

また、上記ガス回収機構５は、ガス導出口４に接続され反応生成ガスを吸引する排気用ポンプＰ２を備えているが、この反応生成ガスを圧力差で排出可能な場合には排気用ポンプは省略可能である。

上記石英製の容器１は、その外表面を覆うようにカーボン製支持部材７によって支持されている。

上記カーボン製支持部材７は、容器１を収納してその外表面全体に接触する内表面を有する支持部本体７ａと、該支持部本体７ａの下部に設けられた支持柱部７ｂを備えている。

上記加熱機構２は、容器１の周囲に容器１を囲うように配され発熱部であるヒータ部２ａと、該ヒータ部２ａの下部に接続されヒータ部２ａに電流を流すための電極部２ｂと、容器１の下方に配された円環状の底部ヒータ部９とを備えている。この電極部２ｂは、図示しない電源に接続されている。上記底部ヒータ部９は、カーボン製支持部材７の支持柱部７ｂが挿通された状態で支持部本体７ａの下方に設置されている。なお、底部ヒータ部９にも、図示しない電極部が接続されている。

また、加熱機構２は、容器１内の溶融シリコンＳが溶融温度である１４２０℃になるように加熱制御を行う。なお、１２００℃以上に供給ガスが加熱されるので、転換率が向上する。また、供給ガスにジシラン類を導入し、シラン類を取り出してもよい。

このトリクロロシラン製造装置では、石英製ノズル６から溶融シリコンＳ内に供給ガスを吹き込むと、高温状態の溶融シリコンＳと気泡状態の供給ガスとが接触して転換反応し反応生成ガスが生成される。また、この際、反応生成ガスに含まれるトリクロロシランの一部から、さらに還元反応及び熱分解反応によりシリコンが生成され、このシリコンが溶融シリコンに溶け込む。残った反応生成ガスは、溶融シリコンＳから上方に放出され、容器１上部のガス導出口４から外部に導出されて回収される。

このように本実施形態では、テトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを溶融シリコンＳ中に吹き出すガス供給部３を備えているので、加熱された高温の溶融シリコンＳ中に供給ガスが気泡状態で放出されることで、効率的に加熱されて転換反応し、高い転換率でトリクロロシランが得られる。また、生成反応ガス中のトリクロロシランから還元反応及び熱分解反応によってシリコンが生成され、このシリコンが溶融シリコンＳに溶け込むため、溶融シリコンＳを増加させることができる。

さらに、石英製ノズル６が、石英製の容器１内の溶融シリコンＳ中に先端が差し込まれて供給ガスを吹き出すので、容器１及び石英製ノズル６に起因する不純物の生成が無く、反応生成ガス中に不純物が混入することを防ぐことができる。

また、容器１の上部に配されたガス導出口４から外部に導出するガス回収機構５を備えているので、溶融シリコンＳから放出された反応生成ガスを容器１上部のガス導出口
４から効率的に回収することができる。

また、カーボン製支持部材７で容器１の周囲を支持しているので、高温時に石英製容器１が軟化しても容器１をカーボン製支持部材７が周囲から支持することで容器１の形状変化等を防ぐことができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、加熱機構２としてヒータ部２ａによる輻射熱で容器１内の溶融シリコンＳを加熱しているが、高周波誘導加熱等の他の方法で溶融シリコンＳを加熱しても構わない。

また、上記実施形態では、１本の石英製ノズル６を用いているが、複数本の石英製ノズル６を採用しても構わない。この場合、上記実施形態では端板に吹き出し口を形成したが、各ノズルの径を小さくすることにより、ノズルの開口から供給ガスを直接吹き出す構成としてもよい。

本発明に係るトリクロロシラン製造装置の一実施形態を示す簡略的な断面図である。

符号の説明

１…容器、２…加熱機構、３…ガス供給部、４…ガス導出口、５…ガス回収機構、６…石英製ノズル、６ａ…吹き出し口、７…カーボン製支持部材、８…外筒部材、１１…予熱機構、Ｓ…溶融シリコン

Claims (5)

1. 溶融シリコンを貯留する容器と、
   前記容器内の前記溶融シリコンを加熱する加熱機構と、
   テトラクロロシランと水素とを含む供給ガスを前記溶融シリコン中に吹き出すガス供給部とを備えていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
2. 請求項１に記載のトリクロロシラン製造装置において、
   前記容器が、石英で形成され、
   前記ガス供給部が、前記溶融シリコン中に先端が差し込まれて前記供給ガスを吹き出す石英製ノズルを備えていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
3. 請求項１又は２に記載のトリクロロシラン製造装置において、
   前記ガス供給部には、供給ガスを前記溶融シリコン中に吹き出す前に加熱する予熱機構が備えられていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のトリクロロシラン製造装置において、
   前記溶融シリコン中で前記供給ガスから生成されたトリクロロシランと塩化水素とを含む反応生成ガスを、前記容器の上部に配されたガス導出口から外部に導出するガス回収機構を備えていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のトリクロロシラン製造装置において、
   前記容器の外側表面を覆うように支持する支持部材を備えていることを特徴とするトリクロロシラン製造装置。

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