JP2014141409A - Thermal plasma treatment apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱プラズマ処理装置に関する。 The present invention relates to a thermal plasma processing apparatus.
近年、シリコン(Si)の多結晶体(ポリシリコン)を得る製造方法として、例えば、特許文献1に、CVD法(Chemical Vapour Deposition:化学気相成長法)によりポリシリコン膜を形成する方法が記載されている。また、特許文献2に、四塩化ケイ素と亜鉛(Zn)の気相合成反応による針状結晶性シリコンの製造方法が記載されている。さらに、特許文献3に、塩化亜鉛ガス中で四塩化ケイ素と金属亜鉛との気相反応を行う高純度シリコンの製造方法が記載されている。 In recent years, as a manufacturing method for obtaining a polycrystal (polysilicon) of silicon (Si), for example, Patent Document 1 describes a method of forming a polysilicon film by a CVD method (Chemical Vapor Deposition). Has been. Patent Document 2 describes a method for producing acicular crystalline silicon by a gas phase synthesis reaction of silicon tetrachloride and zinc (Zn). Furthermore, Patent Document 3 describes a method for producing high-purity silicon in which a gas phase reaction between silicon tetrachloride and zinc metal is performed in zinc chloride gas.
ところで、従来のCVD法は、通常、数十〜数百パスカルの減圧下で行われるため、原料ガスの濃度が極めて低く、ポリシリコンの結晶成長速度が遅いという問題がある。また、四塩化ケイ素の還元方法を利用する気相合成反応では、生成物の回収、副生成物の塩化亜鉛の分離が不十分であり、また、得られるポリシリコンの純度が不十分であるという問題がある。
本発明の目的は、高純度のポリシリコンを高速で得る方法を提供することにある。
By the way, the conventional CVD method is usually performed under a reduced pressure of several tens to several hundreds of pascals, so that there is a problem that the concentration of the source gas is extremely low and the crystal growth rate of polysilicon is slow. In addition, in the gas phase synthesis reaction using the silicon tetrachloride reduction method, the recovery of the product and the separation of the by-product zinc chloride are insufficient, and the purity of the resulting polysilicon is insufficient. There's a problem.
An object of the present invention is to provide a method for obtaining high-purity polysilicon at high speed.
本発明によれば、内部に高周波プラズマトーチを備えた反応容器と、前記高周波プラズマトーチ内にハロゲン化ケイ素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、前記原料ガスの熱プラズマ処理により生成した溶融ポリシリコンの液滴を冷却固化する冷却装置と、前記冷却装置により冷却され固化したポリシリコン粒子を回収するシリコン粒子回収装置と、を備えることを特徴とする熱プラズマ処理装置が提供される。
ここで、前記熱プラズマ処理装置は、さらに、前記原料ガスの熱プラズマ処理の際に副生するハロゲン化物を浄化する排気浄化装置を備えることが好ましい。
また、前記熱プラズマ処理装置は、前記高周波熱プラズマトーチと前記冷却装置との間に設けられ、当該高周波熱プラズマトーチにおける熱プラズマ処理により生成し落下する前記溶融ポリシリコンの液滴を受け、下方に流下させる溶融管を備えることが好ましい。
According to the present invention, a reaction vessel provided with a high frequency plasma torch inside, a raw material gas supply device for supplying a raw material gas containing silicon halide in the high frequency plasma torch, and a thermal plasma treatment of the raw material gas. There is provided a thermal plasma processing apparatus comprising: a cooling device that cools and solidifies molten polysilicon droplets; and a silicon particle recovery device that recovers and solidifies polysilicon particles cooled and solidified by the cooling device.
Here, it is preferable that the thermal plasma processing device further includes an exhaust gas purification device that purifies a halide generated as a by-product during the thermal plasma processing of the source gas.
The thermal plasma processing apparatus is provided between the high-frequency thermal plasma torch and the cooling device, receives the molten polysilicon droplets generated and dropped by the thermal plasma processing in the high-frequency thermal plasma torch, and It is preferable to provide a melting tube that is allowed to flow down.
本発明によれば、高純度のポリシリコンを高速で得ることができる。 According to the present invention, high-purity polysilicon can be obtained at high speed.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するためのものであり、実際の大きさを表すものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention. The drawings used are for explaining the present embodiment and do not represent the actual size.
(熱プラズマ処理装置)
図1は、熱プラズマ処理装置の一例を説明する図である。
図1に示すように、熱プラズマ処理装置Iは、内部に高周波プラズマトーチ10を備えた反応容器100と、反応容器100の底部と連結管60を介して連結され、後述する原料ガスの熱プラズマ処理により生成した溶融ポリシリコンの液滴を冷却する冷却装置70と、冷却装置70により冷却され固化したポリシリコン粒子を回収するシリコン粒回収装置80と、熱プラズマ処理の際に副生するハロゲン化物を浄化する排気浄化装置90と、から構成されている。さらに、熱プラズマ処理装置Iは、高周波プラズマトーチ10内にプラズマ用ガスを供給するガス供給装置40と、熱プラズマ状態の高周波プラズマトーチ10内に原料ガスを供給する原料ガス供給装置50とを備えている。尚、本実施の形態では、反応容器100の内部は、アルゴン等の不活性ガスによりシールされている。
(Thermal plasma processing equipment)
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a thermal plasma processing apparatus.
As shown in FIG. 1, a thermal plasma processing apparatus I is connected to a
高周波プラズマトーチ10は、内部に熱プラズマ(プラズマ焔)11を発生させるプラズマ室12を構成する内管13と、この内管13の外側に取り付けられる高周波発信用コイル14と、この高周波発信用コイル14の外側に設けられ、冷却水(W)によりプラズマ室12を冷却する冷却管15と、この冷却管15のさらに外側に設けられる外管16とを有している。また、プラズマ室12の上部には、プラズマ室12内に原料ガス等を供給するガス供給口17a,17bが設けられている。
The high-
尚、高周波プラズマトーチ10は、内管13と外管16との二重管で、その間に高周波発信用コイル14を配置する構成となっているが、これに限定されない。例えば、高周波発信用コイル14は外管16の外側に券回してもよい。その容量等の大きさも特に制限されない。また、ガス供給口17a,17bから供給される原料ガス等の噴出方向も限定されず、種々の方向に噴出させるようにしてもよい。
In addition, although the high
高周波プラズマトーチ10の内管13と外管16は、例えば、石英ガラス、窒化ケイ素等の耐熱性材料により構成されている。高周波発信用コイル14には、通常、4MHz程度の高周波電流が流れる。内管13と外管16との間に設けられる冷却管15には、冷却水(W)が流される。
The
高周波プラズマトーチ10の下部には、漏斗状部材20が設けられている。漏斗状部材20は、反応容器100外部に設けた冷却装置70と連結管60を介して連結している。プラズマ室12の熱プラズマ処理により生成した溶融ポリシリコン200の液滴は、漏斗状部材20により反応容器100の下部に誘導される。
漏斗状部材20及び反応容器100を構成する材料は、例えば、ステンレス等が挙げられる。本実施の形態では、原料ガスの熱プラズマ処理の際に発生するハロゲンガス等による腐食を考慮し、ニッケルを主成分とし、モリブデン、クロム、鉄等を加えた耐食性合金(例えば、ハステロイC(登録商標))を使用している。
A funnel-
Examples of the material constituting the
また、漏斗状部材20の中間部分には、熱プラズマ処理により生成し落下する溶融ポリシリコン200の液滴を受け、下方に流下させる溶融管30が設けられている。溶融管30は、所定の保持具(図示せず)により漏斗状部材20の中間部分に保持されている。溶融管30は、所定の加熱装置(図示せず)により、ポリシリコンの融点より高い温度になるように加熱される。本実施の形態では、溶融管30は約1,700K(1,427℃)〜2000K(1,727℃)程度に加熱される。溶融管30上に落下した溶融ポリシリコン200は、溶融管30によりさらに加熱され、溶融状態を保持して下方に流下する。溶融管30を構成する材料は、ポリシリコンの融点より高い温度に保持することが可能であれば特に限定されず、本実施の形態では、高純度グラファイトを使用している。
In addition, a
図2は、溶融管30を説明する図である。図2に示すように、溶融管30は、円錐形の本体部分30aと管状部分30bからなる漏斗状の形状を有している。溶融管30の内部には、炭化ケイ素(SiC)から構成された複数本の電熱線30cが埋め込まれている。溶融管30は、複数本の電熱線30cに所定の電源(図示せず)を用いて通電することにより、ポリシリコンの融点(約1,687K(1,414℃))より高い温度(通常、約1,800K(1,527℃)以上)に保持される。ポリシリコンの融点(約1,687K(1,414℃))より高温の約1,800K(1,527℃)以上の温度に保持された溶融管30上に落下した溶融ポリシリコン200は、溶融状態を保持して本体部分30aと管状部分30bを経由して下方に流下する。
FIG. 2 is a diagram illustrating the
ガス供給装置40からは、プラズマ室12内で熱プラズマを発生させるプラズマ用ガスが供給される。プラズマ用ガスとしては、例えば、アルゴン、ヘリウム等の希ガス、水素、窒素等のガス及びこれらの混合ガスが挙げられる。
From the
原料ガス供給装置50からは、ハロゲン化ケイ素とキャリアガスの混合ガスが高周波プラズマトーチ10中に供給される。本実施の形態で使用するハロゲン化ケイ素化合物としては、例えば、フッ化ケイ素、塩化ケイ素、臭化ケイ素、ヨウ化ケイ素が挙げられる。これらの中でも、塩化ケイ素、臭化ケイ素が好ましい。
塩化ケイ素としては、例えば、四塩化ケイ素(SiCl4)、ヘキサクロルジシラン、オクタクロルトリシラン、デカクロルトリシラン、ドデカクロルペンタシラン等が挙げられる。また、クロルシラン(SiH3Cl)、ジクロルシラン(SiH2Cl2)、トリクロルシラン(SiHCl3)等のシラン誘導体が挙げられる。臭化ケイ素としては、四臭化ケイ素(SiBr4)、六臭化二ケイ素、八臭化三ケイ素、十臭化四ケイ素等が挙げられる。さらに、臭化三塩化ケイ素、二臭化二塩化ケイ素、三臭化塩化ケイ素、ヨウ化三塩化ケイ素、塩化硫化水素ケイ素、ヘキサクロルジシロキサン等も挙げられる。
これらのなかでも、四塩化ケイ素(SiCl4)が特に好ましい。
From the source
Examples of silicon chloride include silicon tetrachloride (SiCl 4 ), hexachlorodisilane, octachlorotrisilane, decachlorotrisilane, dodecachloropentasilane, and the like. Further, silane derivatives such as chlorosilane (SiH 3 Cl), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), and trichlorosilane (SiHCl 3 ) can be given. Examples of silicon bromide include silicon tetrabromide (SiBr 4 ), disilicon hexabromide, trisilicon octabromide, tetrasilicon decabromide and the like. Furthermore, silicon bromide trichloride, silicon dibromide dichloride, silicon tribromide chloride, silicon iodide trichloride, silicon chlorosulfide, hexachlorodisiloxane and the like can be mentioned.
Among these, silicon tetrachloride (SiCl 4 ) is particularly preferable.
尚、本実施の形態において、原料として使用するハロゲン化ケイ素化合物が固体の場合、予め、原料を所定の溶媒に溶解させた溶液を調製し、この溶液をガス化した状態で反応容器100に供給することもできる。使用可能な溶媒は、ハロゲン化ケイ素化合物を溶解するものであれば特に限定されない。具体例としては、例えば、3フッ化メタン(フルオロホルム)、エタン、プロパン、ブタン、ベンゼン、メチルエーテル、クロロホルム等が挙げられる。
また、キャリアガスは、原料として使用するハロゲン化ケイ素化合物に対し不活性であるものが好ましく、例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン等が挙げられる。本実施の形態では、キャリアガスとしてアルゴンを使用している。
In the present embodiment, when the silicon halide compound used as a raw material is solid, a solution in which the raw material is dissolved in a predetermined solvent is prepared in advance, and this solution is gasified and supplied to the
The carrier gas is preferably inert to the silicon halide compound used as a raw material, and examples thereof include helium, neon, and argon. In this embodiment, argon is used as the carrier gas.
(ポリシリコンの製造方法)
次に、上述した熱プラズマ処理装置Iを用いてポリシリコンを製造する方法について説明する。本実施の形態では、ハロゲン化ケイ素化合物として四塩化ケイ素(SiCl4)を使用し、キャリアガスとしてアルゴンを使用し、ポリシリコンを製造する例について説明する。
(Polysilicon production method)
Next, a method for manufacturing polysilicon using the above-described thermal plasma processing apparatus I will be described. In this embodiment, an example in which silicon tetrachloride (SiCl 4 ) is used as a silicon halide compound and argon is used as a carrier gas to produce polysilicon will be described.
先ず、プラズマ用ガスが、ガス供給装置40から供給管41を介し、ガス供給口17aから高周波プラズマトーチ10のプラズマ室12中に供給される。プラズマ室12中に供給されたプラズマ用ガスは、所定の高周波(RF)電源(図示せず)から高周波電圧が印加された高周波発信用コイル14によってプラズマ化され、高周波プラズマトーチ10のプラズマ室12内に熱プラズマ11を形成する。ガス供給口17から供給されるプラズマ用ガスの供給量は、プラズマ室12の容量、熱プラズマ11の性状、原料ガスの処理量等に応じて適宜選択され、特に限定されない。
First, plasma gas is supplied from the
高周波発信用コイル14に印加される高周波電圧の高周波(周波数)及び電圧(または電力)は、熱プラズマ11の温度等の性状に応じて適宜選択され、特に限定されない。本実施の形態では、高周波発信用コイル14に印加される高周波電圧の高周波(周波数)は4MHzであり、消費電力は35kWである。
プラズマ室12内で形成される熱プラズマ11の温度は、特に限定されないが、本実施の形態では、例えば、6,000℃〜10,000℃程度の範囲に達している。
The high frequency (frequency) and voltage (or power) of the high frequency voltage applied to the high
Although the temperature of the
次に、四塩化ケイ素(SiCl4)とアルゴンからなる原料ガスが、原料ガス供給装置50から供給管51を介し、ガス供給口17bから高周波プラズマトーチ10のプラズマ室12中に供給される。四塩化ケイ素(SiCl4)はキャリアガスのアルゴンと共に、プラズマ室12内に形成された熱プラズマ11中に導入される(原料ガス導入工程)。
熱プラズマ11中に導入された四塩化ケイ素(SiCl4)は、熱プラズマ処理され、熱プラズマ11の熱によって加熱され、一瞬の内に分解し、溶融ポリシリコンが生成する(熱プラズマ工程)。
Next, a source gas composed of silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and argon is supplied from the source
Silicon tetrachloride (SiCl 4 ) introduced into the
ガス供給口17bから供給される原料ガスの供給量、キャリアガスの供給量は、プラズマ室12の容量、熱プラズマ11の性状、原料ガスの処理量等に応じて適宜選択され、特に限定されない。また、本実施の形態では、四塩化ケイ素(SiCl4)は、反応容器100に供給される前に、所定の温度に加熱されることが好ましい。加熱される四塩化ケイ素の温度は特に限定されないが、本実施の形態では、通常、300K(27℃)〜570K(297℃)、好ましくは、330(57℃)〜520K(247℃)の範囲である。
The supply amount of the source gas supplied from the
また、反応容器100に供給する原料ガス中の四塩化ケイ素(SiCl4)とアルゴンとの割合は特に限定されないが、通常、アルゴン50mlに対し、四塩化ケイ素(SiCl4)0.1ml〜100,000ml、好ましくは、10ml〜5,000ml、より好ましくは、10ml〜200mlである。アルゴンに対する四塩化ケイ素(SiCl4)の割合が過度に小さいと、ポリシリコンの生成速度が遅くなる傾向がある。アルゴンに対する四塩化ケイ素(SiCl4)の割合が過度に大きいと、熱プラズマ11の形成が不安定となる傾向がある。
Moreover, the ratio of silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and argon in the raw material gas supplied to the
本実施の形態では、高周波プラズマトーチ10のプラズマ室12中に、四塩化ケイ素(SiCl4)を含む原料ガスを導入する際、同時に水素をプラズマ室12中に供給することが好ましい。プラズマ室12中に水素を供給することにより、熱プラズマ処理によって分解した四塩化ケイ素(SiCl4)から発生する塩素を捕捉することが可能となる。プラズマ室12中に供給する水素の量は、四塩化ケイ素(SiCl4)の供給量に応じ適宜選択され、特に限定されない。本実施の形態では、四塩化ケイ素(SiCl4)1モルに対し、水素2モル以上、好ましくは、4モル以上、より好ましくは8モル以上がプラズマ室12中に供給される。
In the present embodiment, it is preferable to supply hydrogen into the
また、高周波プラズマトーチ10を含む反応容器100の圧力は適宜調整され、特に限定されないが、本実施の形態では、通常、3MPa〜20MPa、好ましくは、5MPa〜10MPaの範囲で調整する。
本実施の形態では、反応容器100の圧力を調整し、四塩化ケイ素(SiCl4)とアルゴンとの混合ガスの超臨界流体状態において熱プラズマ処理を行うこともできる。ここで超臨界流体状態とは、物質固有の気液の臨界温度を超えた非凝縮性流体と定義される。即ち、密閉容器内に気体と液体とが存在すると、温度上昇とともに液体は熱膨張しその密度は低下する。一方、気体は、蒸気圧の増加によりその密度が増大する。そして最後に、両者の密度が等しくなり、気体とも液体とも区別の付かない均一な状態になる。物質の温度−圧力線図(図示せず)では、このような状態になる点を臨界点といい、臨界点の温度を臨界温度(Tc)、臨界点の圧力を臨界圧力(Pc)という。超臨界流体状態とは、物質の温度及び圧力が臨界点を超えた状態にあることをいう。
Moreover, the pressure of the
In the present embodiment, the thermal plasma treatment can be performed in a supercritical fluid state of a mixed gas of silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and argon by adjusting the pressure of the
本実施の形態では、四塩化ケイ素の臨界温度(Tc)は506.75K(233.6℃)、臨界圧力(Pc)は3.73MPaである。また、アルゴンの臨界温度(Tc)は87.45K(−185.7℃)、臨界圧力(Pc)は4.86MPaである。
四塩化ケイ素とアルゴンとの混合物の場合、混合物の臨界温度(Tc)と臨界圧力(Pc)とは、四塩化ケイ素とアルゴンの組成により、それぞれの物質の臨界温度(Tc)と臨界圧力(Pc)との間で適宜調整することができる。
In the present embodiment, silicon tetrachloride has a critical temperature (Tc) of 506.75 K (233.6 ° C.) and a critical pressure (Pc) of 3.73 MPa. The critical temperature (Tc) of argon is 87.45K (-185.7 ° C.), and the critical pressure (Pc) is 4.86 MPa.
In the case of a mixture of silicon tetrachloride and argon, the critical temperature (Tc) and critical pressure (Pc) of the mixture depend on the composition of silicon tetrachloride and argon, and the critical temperature (Tc) and critical pressure (Pc) of each substance. ) Can be adjusted accordingly.
上述したように、四塩化ケイ素(SiCl4)は熱プラズマ処理により分解し、生成した溶融ポリシリコン200は、液滴となって反応容器100の漏斗状部材20内に設けた溶融管30の表面に落下する。溶融管30は、前述したように、内部に埋め込んだ複数本の電熱線30c(図2参照)に通電することにより、ポリシリコンの融点(約1,687K(1,414℃))より高温の約1,800K以上の温度に保持されている。このため、溶融管30の表面に落下した溶融ポリシリコン200は、液体状態のまま溶融管30の上部の円錐形の本体部分30a(図2参照)と管状部分30b(図2参照)を経由して下方に流下する。
As described above, silicon tetrachloride (SiCl 4 ) is decomposed by the thermal plasma treatment, and the generated
続いて、溶融管30の下方に流下した溶融ポリシリコン200の液滴は、漏斗状部材20と連結する連結管60を介し、反応容器100の外部に設けた冷却装置70において冷却固化する(冷却工程)。なお、冷却装置70は冷却水(W)により冷却されている。
冷却装置70により冷却されたポリシリコンは、本実施の形態では、通常、径0.5mm〜1mm程度の粒状となり、シリコン粒回収装置80中に回収される。
さらに、四塩化ケイ素(SiCl4)の熱プラズマ処理により分解した塩素は、所定の排気浄化装置90により回収され、アルゴン等のキャリアガスは排気(B)される。さらに、未反応の四塩化ケイ素(SiCl4)は、所定の回収装置(図示せず)により回収され、原料ガス供給装置40へリサイクルされる。
Subsequently, the droplets of the
In the present embodiment, the polysilicon cooled by the cooling
Further, chlorine decomposed by thermal plasma treatment of silicon tetrachloride (SiCl 4 ) is recovered by a predetermined
尚、シリコン粒回収装置80中に回収された粒状のポリシリコンは、例えば、坩堝等の所定の耐熱容器内に移され、ポリシリコンの融点(約1,687K(1,414℃))より高温の約1,800K以上の温度で融解され、例えば、インゴッドに成形される。
以上詳述したように、本実施の形態では、四塩化ケイ素(SiCl4)を熱プラズマ処理することにより、高純度のポリシリコンが高速で形成される。
The granular polysilicon recovered in the silicon
As described above in detail, in this embodiment, high-purity polysilicon is formed at high speed by performing thermal plasma treatment on silicon tetrachloride (SiCl 4 ).
10…高周波プラズマトーチ、11…熱プラズマ、12…プラズマ室、13…内管、14…高周波発信用コイル、15…冷却管、16…外管、17a,17b…ガス供給口、20…漏斗状部材、30…溶融管、40…ガス供給装置、50…原料ガス供給装置、60…連結管、70…冷却装置、80…シリコン粒回収装置、90…排気浄化装置、100…反応容器、200…溶融ポリシリコン
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記高周波プラズマトーチ内にハロゲン化ケイ素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、
前記原料ガスの熱プラズマ処理により生成した溶融ポリシリコンの液滴を冷却固化する冷却装置と、
前記冷却装置により冷却され固化したポリシリコン粒子を回収するシリコン粒子回収装置と、
を備えることを特徴とする熱プラズマ処理装置。 A reaction vessel with a high frequency plasma torch inside;
A source gas supply device for supplying a source gas containing silicon halide in the high-frequency plasma torch;
A cooling device for cooling and solidifying molten polysilicon droplets generated by thermal plasma treatment of the source gas;
A silicon particle recovery device for recovering and solidifying polysilicon particles cooled and solidified by the cooling device;
A thermal plasma processing apparatus comprising:
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