JP2011256099A - 多結晶シリコン製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】利用価値の高い高温の媒体で排熱回収するとともに、反応炉の壁からの不純物を抑制することができる多結晶シリコン製造装置を提供する。
【解決手段】反応炉１内にシリコン化合物を含む原料ガスを供給するとともに、反応炉１内のシリコン芯棒４に通電して発熱させ、シリコン芯棒４の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコン製造装置であって、反応炉１のベルジャ３は周壁３１を冷却するジャケット構造を備えており、空間部３ａ内に冷媒として水と水蒸気との沸騰二相流を流通させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反応炉内で加熱したシリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンのロッドを製造する多結晶シリコン製造装置に関する。

多結晶シリコンの製造装置としては、シーメンス法による製造装置が知られている。この多結晶シリコンの製造装置では、反応炉内に種棒となるシリコン芯棒を多数立設して通電加熱しておき、この反応炉にクロロシラン類などのシリコン化合物と水素ガスとを含む原料ガスを供給して、加熱したシリコン芯棒に接触させ、その表面に原料ガスの熱分解及び水素還元によって生じた多結晶シリコンを析出させ、シリコン芯棒をロッド状に成長させる。

このような多結晶シリコン製造装置においては、反応炉の壁は、従来、石英によって形成されていた。しかしながら、装置の大型化が進むにつれ、特許文献１，２に記載されているように、反応炉の壁はステンレス鋼やニッケル基合金などの金属材料によって形成されるようになってきた。多結晶シリコンの製造時には、反応炉内が１０００℃近い高温に加熱されるため、この金属材料による多結晶シリコンへの不純物の混入を避けるために、反応炉内の雰囲気に接している壁を特定の制限温度、例えば３００℃以下の低い温度に抑える必要がある。

米国特許第４３１１５４５号明細書 特開２００９−１７３４９２号公報 米国特許第３１４２５８４号明細書

このため、従来から、反応炉壁を冷却ジャケットで囲み、冷却ジャケットに冷却水を流す等の方法で反応炉壁の強制冷却が行われているが、反応室内の熱量の多くが冷却水による冷却によって持ち去られてしまう。しかも、このような水で回収する熱は温度が低いために再利用する用途がなく、クーリングタワー等から捨てられているのが現状であり、大きなエネルギーのロスが発生していることから、多結晶シリコンのコストを上げるとともに、大きな環境負荷要因となっている。

一方、特許文献３には、反応炉の冷却に水よりも高温の沸点を持つ冷媒（沸点：１００℃〜７５０℃）を用い、高温で反応炉の床板を冷却してその冷媒を外部の熱交換器で冷却する方法が提案されている。この方法により、床板の温度を高温に保つことにより、ポリマー（高次クロロシラン化合物）の床板への析出を抑えることができる。しかしこの場合、反応炉の内壁の温度が上がり、製造する多結晶シリコンへの不純物の混入が増加するという問題が生じるおそれがあるが、それを回避するための方法に関しては一切言及されていない。

また、冷媒を用いて排熱利用を行うためには、高温の冷媒を用いて反応炉からの熱を回収しなければならないが、高温で熱を回収しようとすると反応炉の内壁の温度が上がり、多結晶シリコンの純度が低下し、純度を保つために冷媒の温度を下げると排熱利用ができないという相反する問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、利用価値の高い高温の媒体で排熱回収するとともに、反応炉の壁からの不純物を抑制することができる多結晶シリコン製造装置を提供することを目的とする。

本発明の多結晶シリコン製造装置は、反応炉内にクロロシラン類を含む原料ガスを供給するとともに、該反応炉内のシリコン芯棒に通電して発熱させ、該シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコン製造装置であって、前記反応炉の反応室を形成する周壁およびこの周壁の外側を覆うジャケットを備え、これら周壁とジャケットとの間に冷媒として水が流通する冷却流路が形成されたベルジャと、前記ベルジャに接続され、前記冷却流路に冷媒を供給する冷媒供給系と、前記ベルジャに接続され、前記冷却流路から冷媒を回収する冷媒回収系と、前記冷却流路内の圧力を制御する圧力制御部と、前記冷媒の流量を制御する流量制御部とを備え、前記圧力および流量を制御することにより前記冷却流路内の冷媒を沸騰二相流として流通させる。

冷却ジャケット（冷却流路）内の冷媒の温度を排熱回収に有利な高い温度にするとともに、製造される多結晶シリコンの純度を維持するため、反応炉の周壁内側（反応室側）の温度を低く抑える必要がある。しかしながら、冷媒として水の単相流を使用すると、水の対流熱伝達の際、水の主流温度と反応炉の周壁との間に大きな温度差が生じてしまうことから、反応炉の周壁内側の温度を特定の制限温度以下の低温に抑えた場合、冷却ジャケット内の冷媒の温度を高くすることには限界がある。

本発明の多結晶シリコン製造装置では、反応炉の周壁を冷却する冷媒を、水と水蒸気との沸騰二相流とすることにより、水の単相流より大きい沸騰熱伝達による熱伝達係数を得ることができる。水（水蒸気）の主流温度と反応炉の周壁外側の温度との温度差は熱伝達係数に反比例して小さくなることから、沸騰熱伝達を利用することにより、反応炉の周壁の温度を低温化することができるとともに、利用価値の高い高温の水蒸気として排熱回収することができる。

本発明の多結晶シリコン製造装置において、前記冷媒供給系の上流端と、前記冷媒回収系の下流端とに接続され、前記冷媒回収系を通じて前記冷却流路内から回収された冷媒を気液分離するとともに、分離された液相の冷媒を前記冷却供給系に供給するタンクを備えることが好ましい。この場合、タンクを介して冷媒を循環させながら、タンクで分離した冷媒の気相を廃熱利用のために外部装置に供給できるとともに、液相を冷媒供給系に供給できるので、排熱を効率よく利用しながら反応炉を冷却することができる。

また、この多結晶シリコン製造装置において、前記タンクは、このタンク内の前記冷媒の液面が前記ベルジャの上端よりも上方に位置するように配置されていることが好ましい。このような構成であれば、冷媒を流通させるポンプ等の作用が働かない場合であっても、液面位置が高いことにより、タンク内の冷媒を冷媒供給系、冷却流路および冷媒回収系に流通させることができる。

また、この多結晶シリコン製造装置において、前記タンクの内圧を検知する圧力計と、前記タンクに接続されたスチーム供給流路と、このスチーム供給流路を開閉するスチーム供給バルブとを備え、前記タンク内のスチームを取り出すスチーム供給系と、液相の冷媒を補給する冷媒補給系と、をさらに備え、前記圧力計および前記スチーム供給系が前記圧力制御部を構成することが好ましい。この場合、冷媒を気液分離して外部装置にスチームを給送する構造を用いて、冷却流路の圧力を制御することができる。また、冷媒補給系により、取り出したスチームに相当する重量の液体の冷媒を補給することができる。

また、本発明の多結晶シリコン製造装置において、前記冷媒供給系は、前記ジャケットの下部に周方向に間隔をおいて設けられ、前記冷却流路内に前記冷媒を導入する複数の導入口に接続されており、前記冷媒回収系は、前記ジャケットの上部に設けられ、前記冷却流路内から前記冷媒を導出する導出口に接続されているとよい。

沸騰熱伝達によって反応炉の周壁を冷却する際、ジャケット内の冷媒の流れが不均一になると局所的にドライアウトが発生するおそれがある。ドライアウトが発生した場合、熱伝達係数が急激に小さくなるために、反応炉の周壁の温度が上昇し、不純物の発生を引き起こすおそれがある。

本発明の多結晶シリコン製造装置では、冷媒の導入口をジャケットの下部に複数設けることにより、ジャケット内に冷媒を下部から上部に向けて均一に流すことができるので、ドライアウトの発生を防止することができる。

また、本発明の多結晶シリコン製造装置において、前記冷却流路の少なくとも下部を周方向に複数の小空間に区画する仕切り板が前記周壁と前記ジャケットとの間に設けられ、これら各小空間に連通するように前記導入口が配設されているとよい。

ジャケット内を複数の小空間に分割する仕切り板を設けることにより、冷媒を整流して均一に流すことができ、より確実にドライアウトの発生を防止することができる。

また、この多結晶シリコン製造装置において、前記冷媒供給系は、さらに、前記ジャケットの上部に周方向に間隔をおいて設けられ、前記冷却流路内に前記冷媒を導入する複数の上部導入口に接続されていることが好ましい。この場合、下部よりもドライアウトが発生しやすい周壁の上部に直接冷媒を供給できるので、より効果的にドライアウトの発生を防止できる。

そして、本発明の多結晶シリコン製造装置において、前記周壁は炭素鋼により形成され、前記周壁の内周面にはニッケル層または１６〜２４重量％−Ｃｒ、８〜１５重量％Ｎｉ、０〜５重量％−Ｍｏを含むステンレス鋼層の１種または２種を含む被覆層が設けられているとよい。

一般に、反応炉の周壁にはステンレス鋼等の耐腐食性の高い材料が用いられるが、ステンレス鋼の熱伝導度（約１６Ｗ／（ｍ・Ｋ））は低いために、反応炉からの熱が冷媒に伝わる過程で、周壁に大きな温度差が生じてしまう。かと言って、周壁に熱伝導度の高い材料を用いると、周壁内に生じる温度勾配を小さくすることはできるが、機械的強度が小さいと、耐圧のために必要な板厚が大きくなり、熱伝導度の高い材料を用いても周壁内の温度差を小さくすることは必ずしもできない。

本発明の多結晶シリコン製造装置では、機械的強度が大きく、且つ熱伝導度の高い炭素鋼で周壁を形成することにより、周壁内に生じる温度差を小さくして、反応炉の周壁内側の温度を低くすることができるので、その分、冷媒の温度を高くすることができる。また、周壁の内周面に、耐腐食性の高いニッケル層やステンレス鋼層を含む被覆層を設けることにより、耐腐食性を向上させているので、周壁内側の温度を不純物が発生しない低温に保ちつつ、排熱利用に好適な高温の冷媒で熱を回収することができる。

また、同じ大きさの熱流束が反応炉の内部から反応炉の周壁に与えられており、冷却流路で同じ飽和水蒸気圧（飽和温度）による排熱回収が行われるとした場合、熱伝導度、機械的強度ともにステンレス鋼に優る炭素鋼は、反応炉の周壁内側の温度をステンレス鋼の場合より低くすることができる。言い換えれば、同じ反応炉の周壁内側の温度及び同じ熱流速の条件下では、ステンレス鋼より炭素鋼の方が、高い飽和圧力（飽和温度）の水蒸気を得ることが可能となる。

また、本発明の多結晶シリコンの製造方法は、反応炉内にクロロシラン類を含む原料ガスを供給するとともに、該反応炉内のシリコン芯棒に通電して発熱させ、該シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造方法であって、前記反応炉の反応室を形成する周壁を水と水蒸気との沸騰二相流による冷媒で冷却して前記周壁を特定の制限温度以下に保つとともに、前記冷媒から水蒸気を回収しながら多結晶シリコンを製造することを特徴とする。

本発明に係る多結晶シリコンの製造装置によれば、水と水蒸気との沸騰二相流による冷媒を用いて反応炉の周壁を冷却することにより、反応炉の周壁内面の温度を低温に維持して多結晶シリコンへの不純物の混入を防ぐことができるとともに、利用価値の高い高温の水蒸気として熱を回収することができる。更に、水蒸気需要の多い工場等においては、熱回収した水蒸気を直接利用することができ、熱ロスを少なく抑えて効率良く排熱回収をすることができる。

本発明の多結晶シリコン製造装置の第１実施形態を示す模式図である。 図１に示す多結晶シリコン製造装置における反応炉を示す縦断面図である。 図１の反応炉の外観図である。 反応炉の温度勾配を説明する図である。 反応炉の周壁とジャケット内の水蒸気圧との関係を示すグラフである。 図５のグラフに材料による条件を示したものであり、（ａ）はステンレス鋼、（ｂ）は炭素鋼を用いた場合の条件を示す。 本発明の多結晶シリコン製造装置に係る別の実施形態における反応炉の要部を示す外観図である。 図７に示す反応炉の要部を示す部分断面図である。

以下、本発明の多結晶シリコンの製造装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

本実施形態の多結晶シリコン製造装置１００は、炉底を構成する基台２およびこの基台２上に取り付けられた釣鐘形状のベルジャ３を備える反応炉１と、ベルジャ３に接続されて反応炉１の冷却流路（空間部）３ａに冷媒を供給する冷媒供給系４０と、ベルジャ３に接続されて冷却流路３ａから冷媒を回収する冷媒回収系４１と、冷却流路３ａ内の圧力を制御する圧力制御部７０と、冷却流路３ａに供給される冷媒の流量を制御する流量制御部５０とを備え、冷媒の圧力および流量を制御することにより冷却流路３ａ内の冷媒を沸騰二相流として流通させることができる。

基台２上には、図２に示すように、生成される多結晶シリコンの種棒となるシリコン芯棒４が取り付けられる複数の電極５と、クロロシラン類と水素ガスとを含む原料ガスを炉内に噴出するための噴出ノズル６と、反応後のガスを炉外に排出するためのガス排出口７とがそれぞれ複数設けられている。

各電極５は、カーボンからなるほぼ円柱状に形成され、基台２上に一定の間隔をおいてほぼ同心円状に配置されているとともに、それぞれ基台２に垂直に立設されており、シリコン芯棒４を保持している。電極５は、反応炉１の外部の電源装置（図示略）に接続され、シリコン芯棒４へ通電する。

シリコン芯棒４は通電されることにより、１０５０℃程度に加熱される。炉内に導入された原料ガスが加熱したシリコン芯棒４に接触して熱分解すると、シリコン芯棒４の表面に多結晶シリコンが析出し、次第に太く成長して十数センチ径の多結晶シリコン棒Ｒとなる。

原料ガスの噴出ノズル６は、各シリコン芯棒４に対して均一に原料ガスを供給することができるように、反応炉１の基台２の上面の全域に分散して適宜の間隔をあけて複数設置されている。ガス排出口７は、基台２の外周部付近に適宜の間隔をあけて複数設置されている。

反応炉１の中心部には、加熱装置として、基台２上の電極５に、シリコン芯棒４と同様に立設されたカーボン製のヒータ１５が設けられている。ヒータ１５は、運転初期の段階で、中心部付近のシリコン芯棒４を輻射熱で加熱する。

シリコン芯棒４の配列および個数、原料ガスの噴出ノズル６およびガス排出口７の位置や個数は、反応炉１の大きさなどに応じて適宜定められる。

この多結晶シリコン製造装置１００における反応炉１の冷却系について説明する。図２に示すように、反応炉１の基台２及びベルジャ３には、熱損傷を防止するため、二重壁状の冷却ジャケット構造が構築されており、内部の空間部（冷却流路）２ａ，３ａに冷媒が流通し得る。すなわち、ベルジャ３は、反応炉１の反応室１０１を形成する周壁３１およびこの周壁３１の外側を覆う外壁（ジャケット）３２を備え、これら周壁３１と外壁３２との間に冷媒が流通する冷却流路３ａが形成されている。基台２の空間部２ａは、反応炉１の内部空間（反応室）１０１に面する上壁２１と、その上壁２１から間隔をあけて設けられる下壁２２との間に形成されている。図２中の符号９，２３は冷媒の導入口、符号１０，２４は冷媒の導出口を示している。

この多結晶シリコン製造装置１００には、冷媒供給系４０の上流端と、冷媒回収系４１の下流端とに接続され、冷媒回収系４１を通じて冷却流路３ａ内から回収された冷媒を気液分離するとともに、分離された液相の冷媒を冷媒供給系４０に供給するタンク（気液分離器）４２が備えられている。すなわち、タンク４２、冷媒供給系４０、冷媒回収系４１およびベルジャ３の冷却流路３ａによって、反応炉１（ベルジャ３）の冷却系が構成されている。

冷媒供給系４０には、冷媒が流通する冷媒供給流路４０ａと、この冷媒供給流路４０ａに設けられて冷媒の流量を制御しながらベルジャ３の冷却流路３ａに送出する流量制御部５０と、冷媒供給流路４０ａと並列に設けられたバイパス流路５２ａと、このバイパス流路５２ａを開閉するバルブ５２とが備えられている。冷媒供給流路４０ａは、上流端がタンク４２の下部に設けられた供給口４２ａに接続され、下流端がベルジャ３の下部に設けられた導入口９に接続されている。

流量制御部５０は、冷媒供給流路４０ａにおいて冷媒を送出するポンプ５１と、このポンプ５１の下流に設けられて冷媒の流量を検出する流量計５３と、これらポンプ５１と流量計５３との間に設けられて冷却流路３ａへの流量を調節する流量調節弁５４を備えている。この流量制御部５０において、ポンプ５１で送り出した冷媒の流量を流量計５３で測定し、流量計５３の信号により流量調節弁５４を制御することにより、冷媒の流量を制御することができる。

タンク４２は、内部に貯留した冷媒の液面がベルジャ３の導出口１０よりも上方に位置するように配置されている。このため、バルブ５２を開放することにより、冷媒供給系４０においてポンプ５１の駆動が妨げられた場合であっても、バイパス流路５２ａを通じて冷媒を流通させ、反応炉１の過熱を防止することができる。

冷媒回収系４１は、上流端がベルジャ３の上部に設けられた導出口１０に接続されているとともに、下流端がタンク４２に設けられた冷媒回収口４２ｂに接続されている冷媒回収流路４１ａを有する。

タンク４２には、冷媒を供給する供給口４２ａおよび冷媒を回収する冷媒回収口４２ｂに加えて、タンク内部の蒸気を排熱利用のために外部装置（図示せず）に供給するスチーム供給系６０が接続されているスチーム供給口４２ｃと、タンク内部に液相の冷媒を補給するための冷媒補給系６３が接続された冷媒補給口４２ｄとが設けられている。

スチーム供給口４２ｃに接続されているスチーム供給系６０は、タンク４２に接続されたスチーム供給流路６１と、このスチーム供給流路６１を開閉するスチーム供給バルブ６２とを備え、タンク４２内のスチームを取り出し、反応炉１から回収した排熱を利用する外部装置（図示せず）へスチームを供給する。

タンク４２には、タンク内圧を検知する圧力計Ｐが備えられている。タンク４２内が冷媒回収流路４１ａを通じて冷却流路３ａと連通していることから、圧力計Ｐの検知結果に応じてスチーム供給バルブ６２を開閉することにより、タンク４２の内圧の内圧、すなわち冷却流路３ａの圧力を制御することができる。つまり、これら圧力計Ｐおよびスチーム供給系６０（スチーム供給流路６１およびスチーム供給バルブ６２）が、この多結晶シリコン製造装置１００における圧力制御部７０を構成している。

タンク４２の冷媒補給口４２ｄには、液相の冷媒をタンク４２に補給する冷媒補給系（冷媒補給流路）６３が接続されている。この冷媒補給流路６３からは、スチーム供給系６０により外部装置に供給されて排熱利用された後の凝縮した冷媒、および新たに追加補給される冷媒が、タンク４２内に補給される。

反応炉１の周壁３１は、熱伝導度３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の炭素鋼（炭素鋼層８Ａ）で形成されており、耐食性を持たせるための被覆層８Ｂが内周面に設けられている。被覆層８Ｂは、ニッケル層または１６〜２４重量％−Ｃｒ、８〜１５重量％Ｎｉ、０〜５重量％−Ｍｏを含むステンレス鋼層の１種または２種を含み、母材である炭素鋼に対してメッキ、溶射等の方法により設けられている。本実施形態の多結晶シリコン製造装置１００における周壁３１は、炭素鋼層８Ａの表面にニッケルの被覆層８Ｂを貼り付けたクラッド材により形成されている。

図２および図３に示すように、反応炉１の外壁３２の下部には、周方向に間隔をおいて、冷却流路３ａに冷媒を導入する複数の導入口９が設けられている。また、周壁３１と外壁３２との間には、冷却流路３ａの少なくとも下部を周方向に複数の小空間３０ａに区画する複数の仕切り板１１が設けられている。また、外壁３２の上部には、冷却流路３ａから冷媒を導出する導出口１０が設けられている。そして、各導入口９に冷媒供給系４０が接続されているとともに、導出口１０には冷媒回収系４１が接続されている。各導入口９から冷却流路３ａに導入された冷媒は、各小空間３０ａを通じてベルジャ３の頂点付近で合流し、ベルジャ３の上部に設けられた導出口１０から冷媒回収系４１へ導出される。

以上のように構成された多結晶シリコン装置１００において、冷媒に用いられる水は、冷却系中の圧力が高圧（たとえば本実施形態では０．１５ＭＰａ）に維持されつつ、ベルジャ３の冷却流路３ａにおいて加熱されることにより、水と水蒸気との沸騰二相流となる。すなわち、冷媒は、高圧に維持されたベルジャ３の冷却流路３ａに、飽和温度（圧力０．１５Ｍａにおいては１２７℃）に近い温度の液相の水の状態で導入されると、冷却流路３ａを通る間に反応炉１内に面する周壁３１を冷却するとともに加熱され、水と水蒸気との沸騰二相流となる。

この際、冷媒の温度は一定（飽和温度）に保たれるので、排熱回収利用に有利な高温になっているが、反応炉１の内部空間１０１に面する周壁３１の内側の温度は制限温度、例えば３００℃以下の低温に抑えることができる。この沸騰二相流を導出口１０から導出した後、気液分離器（タンク）４０で分離して水蒸気を必要な他の工程へ送ることにより、有効に排熱を利用することができる。なお、基台２は、冷媒供給系４０とは別の供給系から空間部２ａに液相の冷媒（水）が導入口２３を通じて供給され、導出口２４から導出されることにより冷却される。

冷却流路３ａ中における冷媒の沸騰状態は、冷媒（冷却水）の流量と周壁３１を貫通する熱量により変化する。貫通する熱量は、多結晶シリコンの成長状態や反応炉１に供給されるクロロシランや水素などの原料ガスの流量により時間変化する。したがって、ポンプ５１を用いて冷却水の流量を制御することにより、冷却流路３ａ中における冷媒の沸騰状態を制御できる。冷却水の流量は、この貫通熱量の変化に対応させて増減させてもよいが、一定とすると制御が容易である。冷却水流量を一定とした場合、供給した冷却水に対する冷却流路３ａ出口（導出口１０）での沸騰二相流中の水蒸気の重量割合（クオリティ）は時間とともに変化するが、クオリティの最大値の好ましい範囲は０．５％から２０％である。

クオリティの最大値を０．５％よりも小さくしようとすると、冷却流路３ａに供給する冷却水量が大きくなるため、冷却水を供給するためのポンプ５１や沸騰二相流から水蒸気を分離するための気液分離器（タンク）４２が大きくなりすぎ、熱ロスも増加するため熱回収の効率が下がる。一方、クオリティの最大値を２０％よりも大きくしようとすると、沸騰二相流中の水蒸気の体積割合が大きくなり、反応炉１の周壁３１の一部がドライアウトして局所的な温度上昇を起こすことがあるため、好ましくない。

より好ましいクオリティの最大値の範囲は１％から１０％である。この範囲のクオリティが得られるように冷却水の流量を調節することで、過度に大型の冷却設備を必要とせず、安定した沸騰二相流による周壁３１の冷却を行うことができる。

図４は、反応炉１の内部空間１０１とベルジャ３との温度勾配を示したものである。曲線Ｔは、反応炉１の内部空間１０１からベルジャ３の冷媒が流通する空間部３ａにかけての温度勾配を示している。曲線Ｔ上のａ点は空間部３ａを流れる冷媒の温度、ｂ点は周壁３１を構成する炭素鋼層８Ａにおける空間部３ａ側の面３１ｂの温度、ｃ点は周壁３１における炭素鋼層８Ａと被覆層８Ｂとの界面３１ｃの温度を示している。

本実施形態の多結晶シリコン製造装置１００では、周壁３１に、機械的強度が大きく、熱伝導度が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の炭素鋼を用いることで、周壁３１（炭素鋼層８Ａ）内の温度差（図４に示すｔ１）を小さくすることにより被覆層８Ｂの温度上昇を抑え、周壁３１の内側を低温に保ちつつ、排熱利用に適した高温の冷媒を回収することができる。この場合、周壁３１の内側を低温に保つために、被覆層８Ｂの厚さは０．５ｍｍ〜５ｍｍに設定される。

つまり、図４に示すように、炭素鋼層８Ａにおいて、空間部３ａ側の面３１ｂ（ｂ点）から反応炉１の内部空間１０１側の界面３１ｃ（ｃ点）にかけての温度勾配を緩やかにできる。すなわち、周壁３１内の炭素鋼層８Ａにおける温度差ｔ１を小さくすることができ、その分、冷媒の温度を高くすることができる。

従来のように周壁３１にステンレス鋼を用いた場合、ステンレス鋼の熱伝導度は約１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低いために、反応炉１からの熱が冷媒に伝わる過程で、周壁３１の内部空間１０１側と空間部３ａ側とに炭素鋼の場合より大きな温度差が生じてしまう。この場合、ｂ点からｃ点にかけての温度勾配は、炭素鋼を用いた場合よりも急勾配となるため、炭素鋼の場合より低温の冷媒を用いて冷却せざるを得ない。よって周壁３１にステンレス鋼を用いた場合には、炭素鋼を用いた場合より低い温度で熱回収を行うことになる。

本実施形態の多結晶シリコン製造装置１００では、熱伝導度の高い炭素鋼を用いることで、周壁３１内の温度差をステンレス鋼の場合の半分以下に小さくして、その分、高温の冷媒を用いることができる。

一方、冷媒に、水と水蒸気との沸騰二相流を用いることにより、空間部３ａ内の冷媒の温度（ａ点）と周壁３１の空間部３ａ側の面３１ｂの温度（ｂ点）との温度差（図４に示すｔ２）を小さくできる。

水の単相流の熱伝達係数を約１０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）とすると、沸騰二相流の熱伝達係数は約４０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）以上である。また、水（水蒸気）の主流温度と周壁３１の外側との温度差は熱伝達係数に反比例して小さくなる。したがって、熱伝達係数が大きい沸騰熱伝達によって、水の主流温度と周壁３１の外側との間の温度差を水の単相流の場合の１／４以下とすることができる。

以上のように、ｂ点，ｃ点の温度差ｔ１及びａ点，ｂ点の温度差ｔ２のいずれも小さくできるので、周壁３１の内面温度が高くなり過ぎることを抑制しつつ、冷媒を高い温度に保持することができ、周壁３１の内側を不純物の発生が防止できる制限温度以下の低温に保持することと、排熱利用に適した高い温度の冷媒の回収とを両立させることができる。

このように、沸騰熱伝達を利用することにより、反応炉１の内部空間１０１に面する周壁３１の温度を制限温度以下の低温に保ちつつ、冷媒の温度を高くすることができ、反応炉１通過後の冷媒から、利用価値の高い高温の熱を水蒸気として回収することができる。

冷媒に沸騰二相流を用いる場合、空間部３ａ内の冷媒の流れが不均一になると局所的にドライアウトが発生するおそれがあり、ドライアウトが発生すると、熱伝達係数が急激に小さくなるために、反応炉１の周壁３１の温度が上昇し、不純物の発生を引き起こすおそれがある。しかしながら、本実施形態の多結晶シリコン製造装置１００では、ベルジャ３の空間部３ａに、ベルジャ３の下部から冷媒を導入する導入口９を周方向に間隔をおいて配設するとともに、ベルジャ３の上部から冷媒を導出する導出口１０を配設し、空間部３ａを周方向に複数の小空間３０ａに区画する仕切り板１１を設けているので、冷媒をベルジャ３の下部から上部に向けて均一に流すことができ、空間部３ａ内の周壁３１上にドライアウトが発生するのを防ぐことができる。

なお、この多結晶シリコン製造装置１００において、排熱を冷却ジャケット（冷却流路３ａ）から水蒸気として回収しつつ、周壁３１の内側の温度を制限温度以下とすることができる周壁３１の厚さは、反応炉１の周壁３１を構成する材料の機械的強度や熱伝導度により求めることが可能であり、例えば、以下の（１）式に基づいて構成することができる。

この場合、反応炉の周壁に用いる材料の熱伝導度をλ（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、周壁の厚さをＬ（ｍ）、ジャケット内に流通する沸騰二相流の飽和水蒸気圧（ゲージ圧）をＰｓａｔ（ＭＰａ）、周壁内側に許容される最大温度である制限温度をＴ_in（℃）とする。ただし、飽和水蒸気圧Ｐｓａｔは、０＜Ｐｓａｔ≦０．７（ＭＰａ）の範囲とする。また、周壁内側の制限温度Ｔ_inは、製造する多結晶シリコンの純度によって異なる。例えば、半導体に用いる純度の高い多結晶シリコンを製造する場合は、周壁から不純物が発生するのを抑制するために、太陽電池に用いるシリコンを製造する場合に比べて制限温度Ｔ_inを低く抑える必要がある。

図５及び図６は、例えば、周壁内側の制限温度Ｔ_inを３００℃とした場合の（１）式と、周壁の材料の熱伝導度λ、周壁の厚さＬ、ジャケット内の飽和水蒸気圧Ｐｓａｔの三つのパラメータとの関係を示している。

図５及び図６の曲線Ａは、「（１）式の左辺＝１．５」となる条件を示している。この曲線Ａ上では、反応炉の周壁内側の温度が３００℃となる。また、図５に示す曲線Ａの右側の領域Ｂは「（１）式の左辺＜１．５」、曲線Ａの左側の領域Ｃは「（１）式の左辺＞１．５」となる条件である。

曲線Ａ上と領域Ｃが示す範囲が、反応炉の周壁内側の温度を３００℃以下に抑えつつ、Ｐｓａｔの水蒸気で熱回収が可能な温度条件を満たす組合せである。

周壁は水蒸気を含む沸騰二相流の圧力に耐え得る厚さが必要であるが、その厚さは、材料、構造体の形状及び大きさによって変化する。例えば、炭素鋼とステンレス鋼とでは機械的強度が異なるため、同じ形状でベルジャを構成した場合、飽和水蒸気圧Ｐｓａｔに対して必要になる厚さが異なる。

図５及び図６の破線Ｘ，Ｙは、飽和水蒸気圧Ｐｓａｔと、この飽和水蒸気圧Ｐｓａｔに対して必要となるベルジャの周壁の厚さＬとの、周壁材料の熱伝導度に応じた関係を示している。破線Ｘは炭素鋼、破線Ｙはステンレス鋼の場合を示している。

ステンレス鋼でベルジャを構成した場合、周壁温度を３００℃以下にできる領域は、上述したように図５の曲線Ａ上と曲線Ａより左側の領域Ｃとで示す範囲であるが、その範囲内でさらに機械的強度によるパラメータを加えると、ステンレス鋼のベルジャとして要件を満たすことができる周壁の厚さＬ及び水蒸気圧Ｐを示す範囲は、図６（ａ）に示す破線Ｙの下方の領域Ｄとなる。このとき、ステンレス鋼製の周壁が許容できる最大の水蒸気圧（飽和水蒸気圧Ｐｓａｔ）は、ゲージ圧で０．３６ＭＰａ（点ｐ１）である。

このように、ステンレス鋼でベルジャを構成した場合、得られる水蒸気圧は最大０．３６ＭＰａ（点ｐ１）で、その場合の周壁の内側温度は３００℃となり、（１）式より周壁の厚さは３０ｍｍと算出できる。また、図６（ａ）に示す点ｐ２の条件では、周壁は冷媒の水蒸気圧に耐え得る厚さを有しているが、周壁の内側温度が３００℃を超える領域にあるため、使用できない。

一方、炭素鋼でベルジャを構成した場合、炭素鋼はステンレス鋼よりも機械的強度が大きく、熱伝導度も高いため、ベルジャとして要件を満たすことができる周壁の厚さＬ及び水蒸気圧Ｐを示す領域はステンレス鋼の場合の領域Ａより広くなり、図６（ｂ）に示すように、破線Ｘと曲線Ａとで挟まれる領域Ｄを含む領域Ｅとなる。すなわち、炭素鋼による周壁は、０．７ＭＰａ（ゲージ圧）の水蒸気圧を許容することができるため、ステンレス鋼の場合より高温の水蒸気を得ることができる。

例えば、水蒸気圧０．３６ＭＰａを保持できる周壁は、炭素鋼を用いる場合には、ステンレス鋼を用いる場合に比べて厚さＬを設定可能な範囲が広く、最小で２０ｍｍ（点ｐ３）まで薄くすることが可能であるとともに、周壁の内側温度を３００℃（点ｐ１）より大幅に低い約２００℃まで下げることができる。これにより、周壁から反応炉内への不純物の発生をより確実に抑えることができる。

以上説明したように、この多結晶シリコン製造装置１００によれば、反応炉１の周壁３１の内側を３００℃以下の低温に冷却して製造される多結晶シリコンへの不純物の混入を防ぐとともに、利用価値の高い高温の水蒸気を得て有効に排熱利用することができる。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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。たとえば、前記実施形態では冷却流路内の沸騰二相流を０．１５ＭＰａ、１２７℃等としたが、沸騰二相流の圧力および温度はこれに限定されず、反応炉内を適切な温度に冷却でき、効率よく排熱利用が可能であるように設定すればよい。

また、ベルジャの周壁の被覆層は、ニッケル層、または１６〜２４％−Ｃｒ、８〜１５％−Ｎｉ、０〜５％−Ｍｏを含むステンレス鋼層の１種または２種を含むとよい。ステンレス鋼の例としては、ＳＵＳ３０４Ｌ（１８Ｃｒ−８Ｎｉ），ＳＵＳ３１６Ｌ（１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−２．５Ｍｏ），ＳＵＳ３１７Ｌ（１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−３．５Ｍｏ），ＳＵＳ３０９Ｓ（２２Ｃｒ−１２Ｎｉ），ＳＵＳ３４７（１８Ｃｒ−９Ｎｉ−Ｎｂ）などが挙げられる。被覆層がニッケル層およびステンレス鋼層の両方を含む場合には、炭素鋼の表面とステンレス鋼層との間にニッケル層が形成されていることが好ましい。

また、冷媒補給系からの冷媒の補給箇所は、前記実施形態ではタンク４２としたが、冷媒供給系、冷媒回収系、冷却流路など、冷媒が通る部分であればどこでもよい。

また、前記実施形態ではベルジャの冷却流路に冷媒を導入する導入口がベルジャの下部にのみ設けられているが、周壁３１からの放熱が大きい場合、たとえば多量のシリコン芯棒４を仕込む場合や、太い多結晶シリコン棒Ｒを製造する場合には、図７に示すように、冷却流路３ａ内に冷媒を導入する複数の上部導入口１６が、ジャケット３２の上部に周方向に間隔をおいて設けられていてもよい。この場合、図８に示すように、ジャケット３２の下部に設けられた導入口９から導入された冷媒が上方へ向かって流れるのに対して、上部導入口１６から導入された冷媒は、沸騰二相流を通過して周壁３１の表面に到達して、周壁３１の表面を伝って流下し、周壁３１を冷却する。

反応室１０１から周壁３１を通じた冷媒に対する放熱は各所一定ではなく、特に上部において放熱量が大きい。また、冷却流路３ａの下部から導入された冷媒は、水蒸気の気泡の体積率が冷却流路３ａの下部よりも上部において高くなるため、ドライアウトが発生しやすい。この傾向は、多量のシリコン芯棒４を仕込む場合や、太い多結晶シリコン棒Ｒを製造する場合にさらに顕著となる。そのため、ドライアウトしやすい冷却流路３ａの上部において冷媒を供給することにより、効果的にドライアウトを防止できる。

上部導入口１６は、図８に示すように、扇形もしくは円錐形に冷媒を分散させるスプレーノズルを備えることが望ましい。このようなスプレーノズルを用いることにより、液状の冷媒を周壁３１の表面に直接、広範囲に供給できる。また、これらノズルは下向きに設けるのがより望ましい。ノズルを下向きとすることにより、周壁３１の表面での冷媒の流下を促進し、さらに広範囲でドライアウトを防ぐことができる。

なお、上部導入口１６から供給される冷媒には、下部の導入口９から供給される冷媒と同じ水を用いることができる。たとえば、スチーム供給系により外部装置に供給されて排熱利用された後の凝縮した冷媒や、新たに追加補給される冷媒、すなわち導入口９から供給される冷媒よりも温度が低い冷媒を用いることにより、より高い冷却効果を得ることができる。

１ 反応炉
２ 基台
２ａ，３ａ 空間部（冷却流路）
３ ベルジャ
４ シリコン芯棒
５ 電極
６ 噴出ノズル
７ ガス排出口
８Ａ 炭素鋼層
８Ｂ 被覆層
９，２３ 導入口
１０，２４ 導出口
１１ 仕切り板
１５ ヒータ
１６ 上部導入口
２１ 上壁
２２ 下壁
３０ａ 小空間
３１ 周壁
３１ｂ 面
３１ｃ 界面
３２ 外壁（ジャケット）
４０ 冷媒供給系
４０ａ 冷媒供給流路
４１ 冷媒回収系
４１ａ 冷媒回収流路
４２ タンク（気液分離器）
４２ａ 供給口
４２ｂ 冷媒回収口
４２ｃ スチーム供給口
４２ｄ 冷媒補給口
５０ 流量制御部
５１ ポンプ（流量制御部）
５２ バルブ
５２ａ バイパス流路
５３ 流量計
５４ 流量調節弁
６０ スチーム供給系（圧力制御部）
６１ スチーム供給流路（圧力制御部）
６２ スチーム供給バルブ（圧力制御部）
６３ 冷媒補給流路（冷媒補給系）
７０ 圧力制御部
１００ 多結晶シリコン製造装置
１０１ 内部空間（反応室）
Ｐ 圧力計（圧力制御部）
Ｒ 多結晶シリコン棒

Claims (9)

1. 反応炉内にクロロシラン類等のシリコン化合物を含む原料ガスを供給するとともに、該反応炉内のシリコン芯棒に通電して発熱させ、該シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコン製造装置であって、
   前記反応炉の反応室を形成する周壁およびこの周壁の外側を覆うジャケットを備え、これら周壁とジャケットとの間に冷媒として水が流通する冷却流路が形成されたベルジャと、
   前記ベルジャに接続され、前記冷却流路に冷媒を供給する冷媒供給系と、
   前記ベルジャに接続され、前記冷却流路から冷媒を回収する冷媒回収系と、
   前記冷却流路内の圧力を制御する圧力制御部と、
   前記冷媒の流量を制御する流量制御部と
   を備え、前記圧力および流量を制御することにより前記冷却流路内の冷媒を沸騰二相流として流通させることを特徴とする多結晶シリコン製造装置。
2. 前記冷媒供給系の上流端と、前記冷媒回収系の下流端とに接続され、前記冷媒回収系を通じて前記冷却流路内から回収された冷媒を気液分離するとともに、分離された液相の冷媒を前記冷却供給系に供給するタンクを備えることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン製造装置。
3. 前記タンクは、このタンク内の前記冷媒の液面が前記ベルジャの上端よりも上方に位置するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の多結晶シリコン製造装置。
4. 前記タンクの内圧を検知する圧力計と、
   前記タンクに接続されたスチーム供給流路と、このスチーム供給流路を開閉するスチーム供給バルブとを備え、前記タンク内のスチームを取り出すスチーム供給系と、
   液相の冷媒を補給する冷媒補給系と、
   をさらに備え、
   前記圧力計および前記スチーム供給系が前記圧力制御部を構成することを特徴とする請求項２または３に記載の多結晶シリコン製造装置。
5. 前記冷媒供給系は、前記ジャケットの下部に周方向に間隔をおいて設けられ、前記冷却流路内に前記冷媒を導入する複数の導入口に接続されており、
   前記冷媒回収系は、前記ジャケットの上部に設けられ、前記冷却流路内から前記冷媒を導出する導出口に接続されている
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の多結晶シリコン製造装置。
6. 前記冷却流路の少なくとも下部を周方向に複数の小空間に区画する仕切り板が前記周壁と前記ジャケットとの間に設けられ、これら各小空間に連通するように前記導入口が配設されていることを特徴とする請求項５記載の多結晶シリコン製造装置。
7. 前記冷媒供給系は、さらに、前記ジャケットの上部に周方向に間隔をおいて設けられ、前記冷却流路内に前記冷媒を導入する複数の上部導入口に接続されていることを特徴とする請求項５または６に記載の多結晶シリコン製造装置。
8. 前記周壁は炭素鋼により形成され、前記周壁の内周面にはニッケル層または１６〜２４重量％−Ｃｒ、８〜１５重量％Ｎｉ、０〜５重量％−Ｍｏを含むステンレス鋼層の１種または２種を含む被覆層が設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の多結晶シリコン製造装置。
9. 反応炉内にクロロシラン類を含む原料ガスを供給するとともに、該反応炉内のシリコン芯棒に通電して発熱させ、該シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造方法であって、前記反応炉の反応室を形成する周壁を、水と水蒸気との沸騰二相流による冷媒で冷却して前記周壁を特定の制限温度以下に保つとともに、前記冷媒から水蒸気を回収しながら多結晶シリコンを製造することを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。

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