JP2016138021A - Method and apparatus of manufacturing polycrystalline silicon rod - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多結晶シリコンロッドの製造方法と製造装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for manufacturing a polycrystalline silicon rod.
半導体あるいは太陽光発電用ウェハーの原料として使用されるシリコンを製造する方法は種々知られており、そのうちのいくつかは既に工業的に実施されている。その一つの方法はシーメンス法と呼ばれる方法であり、シリコン芯線に通電するための少なくとも一対の電極を設けた底板とカバーとよりなる、所謂、ベルジャー型反応器の内部に、前記電極に接続して配置されたシリコン芯線を、通電によってシリコンの析出温度に加熱し、ここにトリクロロシラン(SiHCl3)やモノシラン(SiH4)等のシラン化合物のガスと水素を供給し、化学気相析出法によりシリコン芯線上にシリコンを析出させる方法である。 Various methods for producing silicon used as a raw material for semiconductors or wafers for photovoltaic power generation are known, some of which have already been industrially implemented. One of the methods is a method called a Siemens method, which is connected to the electrode inside a so-called bell jar type reactor comprising a bottom plate and a cover provided with at least a pair of electrodes for energizing the silicon core wire. The arranged silicon core wire is heated to a silicon deposition temperature by energization, and a gas of a silane compound such as trichlorosilane (SiHCl 3 ) or monosilane (SiH 4 ) and hydrogen are supplied thereto, and silicon is deposited by chemical vapor deposition. In this method, silicon is deposited on the core wire.
ここで、シリコンの析出温度は、約600℃以上であり、一般的には900〜1200℃程度の温度に保持されるように、シリコン芯線が通電加熱される。一方、通電により発生した熱を除熱するために、反応器は、前記底板とカバーにより構成される壁の少なくとも一部が、冷媒を流通するための冷却流路を形成する二重構造となっており、上記冷却通路に低温な冷媒を流して内壁の冷却が行われていた(特許文献1)。 Here, the deposition temperature of silicon is about 600 ° C. or higher, and the silicon core wire is heated by energization so as to be generally maintained at a temperature of about 900 to 1200 ° C. On the other hand, in order to remove heat generated by energization, the reactor has a double structure in which at least a part of the wall constituted by the bottom plate and the cover forms a cooling channel for circulating the refrigerant. The cooling of the inner wall was performed by flowing a low-temperature refrigerant through the cooling passage (Patent Document 1).
従来、上記冷媒による冷却は、析出反応における温度上昇による反応器の劣化、シリコン芯線にシリコンが堆積して得られるシリコンロッドの品質低下を防止するため、反応における最大発熱量を予測してその流量が決定され、上記決定された流量(以下、最大流量ともいう)で終始一定に維持して反応器の冷却が行われていた。 Conventionally, the cooling with the above refrigerant predicts the maximum heat generation amount in the reaction in order to prevent deterioration of the reactor due to temperature increase in the precipitation reaction and deterioration of the quality of the silicon rod obtained by silicon deposition on the silicon core wire. The reactor was cooled while maintaining the constant flow rate at the determined flow rate (hereinafter also referred to as the maximum flow rate).
ところが、前記反応器において、生産性向上を目的として反応器の単位あたりの生産量を増加させるために、大電流を投入して単位時間あたりのシリコンの析出量を増大しようとした場合、以下の問題が生じることが判明した。 However, in the reactor, in order to increase the production amount per unit of the reactor for the purpose of improving the productivity, when trying to increase the deposition amount of silicon per unit time by introducing a large current, It turns out that a problem arises.
即ち、前記反応器への冷媒の供給は、前記したように、シリコンの析出反応における最大発熱量を予測してその流量が決定されるが、上記シリコンの析出量を大幅に増大させた場合、その最大発熱量が増加し、これにより前記決定される冷媒の最大流量も増加することとなり、その結果、従来問題とされていなかった、シリコン芯線の予熱時、更には、反応器内での反応が最大発熱量に達するまでの間において、反応器内部が過度に冷却され、析出部の表面温度を設定温度に保持するための過剰な電力を必要とし、電力原単位が著しく高くなるという問題が発生することが判った。特に、反応器1台あたりの多結晶シリコンロッドの生産量を、平均20kg/時間以上とした場合にかかる問題は顕著である。 That is, as described above, the supply of the refrigerant to the reactor is determined by predicting the maximum heat generation amount in the silicon deposition reaction, and when the silicon deposition amount is greatly increased, The maximum calorific value increases, thereby increasing the maximum flow rate of the refrigerant determined as a result. As a result, during the preheating of the silicon core wire, which has not been a problem in the past, the reaction in the reactor is also performed. Until the maximum heating value is reached, the inside of the reactor is excessively cooled, and excessive power is required to maintain the surface temperature of the precipitation part at the set temperature, resulting in a problem that the power consumption rate becomes extremely high. It was found to occur. In particular, the problem is significant when the average production of polycrystalline silicon rods per reactor is 20 kg / hour or more.
また、従来の研究では、反応器に供給する冷媒の流量は、前記最大流量を採用することが常識となっており、特に、十分低温な冷媒を用いた場合には、反応性が多少ばらついても、冷媒の温度不足で必要な冷却が行われず、前記問題点が抑えきれなくなることも生じ難いため、こうした冷媒の流量を反応器の運転条件に応じて変化させることについては一切検討されていなかったのが現状である。 Further, in the conventional research, it has become common knowledge that the maximum flow rate is adopted as the flow rate of the refrigerant supplied to the reactor. In particular, when a sufficiently low-temperature refrigerant is used, the reactivity varies somewhat. However, since it is difficult for the necessary cooling to be performed due to insufficient refrigerant temperature and the above problems cannot be suppressed, it has not been studied at all to change the flow rate of such a refrigerant according to the operating conditions of the reactor. The current situation.
本発明の目的は、特に大電流を投入して単位時間あたりのシリコンの析出量を増加せしめ、反応器あたりの生産性を向上させる場合に、従来の方法に比べて、電力原単位を効果的に低減させることができる多結晶シリコンロッドの製造方法と製造装置を提供することである。 The object of the present invention is to increase the amount of silicon deposited per unit time by applying a large current and improve the productivity per reactor. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for manufacturing a polycrystalline silicon rod that can be reduced to a low level.
本発明者らは、上記課題を解決するために検討を重ねた結果、従来の方法においては、考えも及ばなかった、冷媒の流量を反応器の運転条件に応じて変化させること、更には、シリコンの析出反応における最大発熱量に至る特定の範囲における冷媒の流量を、通電における冷媒の最大流量よりも少なくなるように調整することにより、反応器内の過度の冷却を防止し、これによりシリコン製造における電力原単位を効果的に低減させることができ、前記目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of repeated studies to solve the above problems, the present inventors have changed the flow rate of the refrigerant according to the operating conditions of the reactor, which was unthinkable in the conventional method, Excessive cooling in the reactor is prevented by adjusting the flow rate of the refrigerant in a specific range up to the maximum heat generation amount in the silicon precipitation reaction to be smaller than the maximum flow rate of the refrigerant in energization. It has been found that the power consumption in production can be effectively reduced and the object can be achieved, and the present invention has been completed.
即ち、本発明は、シリコン芯線に通電するための少なくとも1対の電極を備え、大気圧条件下における沸点以下の温度の冷媒を流通して内壁を冷却するための冷却通路を有する反応器を使用し、前記電極にシリコン芯線を接続して通電しながら、シリコン析出用原料ガスを前記反応器内に供給し、前記シリコン芯線に多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコンロッドの製造方法であって、
前記反応器1台あたりの多結晶シリコンロッドの生産量は、平均20kg/時間以上であり、前記シリコンの析出反応における最大発熱量の少なくとも50%の発熱量に至るまでの前記冷却通路を流通する冷媒の流量を、前記最大発熱量における冷媒の流量(最大流量)よりも少なくなるように調整することを特徴とする。
That is, the present invention uses a reactor having at least one pair of electrodes for energizing the silicon core wire and having a cooling passage for cooling the inner wall by circulating a refrigerant having a temperature equal to or lower than the boiling point under atmospheric pressure conditions. And, while supplying a silicon core wire to the electrode and energizing it, supplying a silicon deposition source gas into the reactor, and producing a polycrystalline silicon rod for depositing polycrystalline silicon on the silicon core wire,
The production amount of polycrystalline silicon rods per reactor is an average of 20 kg / hour or more, and circulates through the cooling passage up to a calorific value of at least 50% of the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction. The refrigerant flow rate is adjusted to be smaller than the refrigerant flow rate (maximum flow rate) at the maximum calorific value.
本発明に係る多結晶シリコンロッドの製造装置は、従来、反応器の運転における冷媒の流量を、一貫して最大流量で実施していたことにより、その機能を有していなかった冷媒の流量を反応器の運転条件に応じて変化させる手段を有することに特徴を有する。 The polycrystalline silicon rod manufacturing apparatus according to the present invention has conventionally performed the flow rate of the refrigerant in the operation of the reactor consistently at the maximum flow rate, thereby reducing the flow rate of the refrigerant that did not have the function. It is characterized by having means for changing according to the operating conditions of the reactor.
即ち、本発明によれば、シリコン芯線に通電するための少なくとも1対の電極を設けた底板と、該底板を覆うカバーとを有し、前記底板とカバーにより構成される壁の少なくとも一部が、冷媒を流通して内壁を冷却するための冷却通路を形成する二重構造となっている反応器と、前記冷却通路を流通する前記冷媒の流量を調整する流量調整手段とを有することを特徴とするシリコンロッド製造装置が提供される。 That is, according to the present invention, there is provided a bottom plate provided with at least one pair of electrodes for energizing the silicon core wire, and a cover that covers the bottom plate, and at least a part of the wall constituted by the bottom plate and the cover is provided. And a reactor having a double structure that forms a cooling passage for circulating the refrigerant to cool the inner wall, and a flow rate adjusting means for adjusting a flow rate of the refrigerant flowing through the cooling passage. A silicon rod manufacturing apparatus is provided.
本発明に係る多結晶シリコンロッドの製造方法および装置によれば、シリコンの析出反応における最大発熱量の少なくとも50%に至るまでの冷媒の流量を、前記最大流量よりも少なくなるように調整することにより、反応器内の過度の冷却を防止し、シリコン析出における電力原単位を低減させ、生産性を向上させることができる。 According to the method and apparatus for manufacturing a polycrystalline silicon rod according to the present invention, the flow rate of the refrigerant up to at least 50% of the maximum heat generation amount in the silicon precipitation reaction is adjusted to be smaller than the maximum flow rate. Thus, it is possible to prevent excessive cooling in the reactor, reduce the power consumption in silicon deposition, and improve productivity.
上記冷媒調整範囲は最大発熱量の少なくとも50%に至るまでであるが、好ましくは少なくとも60%に至るまで、さらに好ましくは少なくとも70%に至るまで、もっとも好ましくは全析出領域に渡って行うことが好ましい。 The refrigerant adjustment range is up to at least 50% of the maximum calorific value, preferably up to at least 60%, more preferably up to at least 70%, most preferably over the entire precipitation region. preferable.
本発明において、前記冷媒の最大流量を決定する、シリコンの析出反応における最大発熱量は、シリコンが析出反応終了時に最終直径に達した時点におけるシリコン表面から放出される熱量として予測される。通常は多結晶シリコンロッドの表面温度、最終直径、長さおよび本数などにより以下の式から計算される。
熱量(Q)=(ε×σ×A×T4 )
A=π×R×H×N
ここで、εは、シリコンの放射率、σは、シュテファン=ボルツマン定数、Tは、シリコンの表面温度(K)、Aは多結晶シリコンロッドの表面積(m2)、Rは、多結晶シリコンロッドの最終直径、Hは、多結晶シリコンロッドの長さ、Nは、多結晶シリコンロッドの本数である。
In the present invention, the maximum heat generation amount in the silicon precipitation reaction, which determines the maximum flow rate of the refrigerant, is predicted as the amount of heat released from the silicon surface when silicon reaches the final diameter at the end of the precipitation reaction. Usually, it is calculated from the following equation depending on the surface temperature, final diameter, length, number of the polycrystalline silicon rods, and the like.
Amount of heat (Q) = (ε × σ × A × T 4 )
A = π × R × H × N
Where ε is the emissivity of silicon, σ is the Stefan-Boltzmann constant, T is the surface temperature of the silicon (K), A is the surface area (m 2 ) of the polycrystalline silicon rod, and R is the polycrystalline silicon rod , H is the length of the polycrystalline silicon rod, and N is the number of polycrystalline silicon rods.
また、前記最大流量は、析出反応における最大発熱量となった時点で、温度上昇による反応器の劣化、或いはシリコン芯線にシリコンが堆積して得られるシリコンロッドの品質低下を防止しうる最小の流量を基準とし、一般に、その流量の1.05倍〜1.5倍、特に、1.1倍〜1.3倍の流量に設定される。 Further, when the maximum flow rate reaches the maximum heat generation amount in the precipitation reaction, the minimum flow rate that can prevent the deterioration of the reactor due to the temperature rise or the deterioration of the quality of the silicon rod obtained by depositing silicon on the silicon core wire. In general, the flow rate is set to 1.05 to 1.5 times, particularly 1.1 to 1.3 times the flow rate.
例えば、上記多結晶シリコンロッドの反応器に適用される材質は、耐食性に優れるステンレス金属(SUS)が適用されるのが一般的であるが、これを用いても反応器の内壁温度が500℃を超えると、機械的強度が低下するという現象が生じ、反応器を繰り返し使用することが不適切となる。従って、斯様な温度上昇による反応器の劣化防止を目的に、前記最大流量を設定する場合であれば、反応器の内壁温度が500℃を超えない最小の流量として決められれば良い。或いは、多結晶シリコンロッドの析出反応では、反応器の内壁温度が一般に300℃を超えると、反応器炉内で発生する塩化水素などの腐食性ガスにより、内壁が徐々に侵食され、不純物として含有されるリン、ホウ素、砒素などが放出される。これらの不純物は、シリコンに対し、ドーパントとして作用し、その品質を低下させるため、好ましくない。従って、斯様なシリコンロッドの品質低下防止を目的に、前記最大流量を設定する場合であれば、反応器の内壁温度が300℃を超えない最小の流量として決めれば良い。なお、ここで、反応器の内壁温度が上記各設定温度を超えないとは、反応器を構成する内壁(底板上面とカバー内面)の実質的全面がこれを満足すれば足り、温度分布の局所的乱れで、効果に大きく影響しない若干箇所(好適には全内壁面の3%以下)においてその設定温度を超えても、超えないものとして許容される。 For example, stainless steel (SUS), which has excellent corrosion resistance, is generally used as the material for the polycrystalline silicon rod reactor, but the inner wall temperature of the reactor is 500 ° C. even if this is used. If it exceeds the above range, the phenomenon that the mechanical strength is lowered occurs, and it is inappropriate to use the reactor repeatedly. Therefore, if the maximum flow rate is set for the purpose of preventing the deterioration of the reactor due to such a temperature rise, the minimum flow rate may be determined so that the inner wall temperature of the reactor does not exceed 500 ° C. Alternatively, in the precipitation reaction of polycrystalline silicon rods, when the inner wall temperature of the reactor generally exceeds 300 ° C., the inner wall is gradually eroded by corrosive gas such as hydrogen chloride generated in the reactor furnace and contained as impurities. Phosphorus, boron, arsenic, etc. are released. These impurities are not preferable because they act as dopants on silicon and degrade the quality thereof. Therefore, if the maximum flow rate is set for the purpose of preventing such quality deterioration of the silicon rod, the minimum flow rate may be determined so that the inner wall temperature of the reactor does not exceed 300 ° C. Here, the fact that the inner wall temperature of the reactor does not exceed the above set temperatures is sufficient if the substantially entire surface of the inner wall (the upper surface of the bottom plate and the inner surface of the cover) constituting the reactor is satisfied, and the local temperature distribution Even if the set temperature is exceeded at some points (preferably 3% or less of the entire inner wall surface) that do not greatly affect the effect due to mechanical disturbance, it is permissible as not exceeding.
尚、従来は、シリコン芯線を予熱するための電源投入時から析出終了まで、一貫して、かかる最大流量に維持して反応器の冷却が行われていた。 Conventionally, the reactor was cooled by maintaining the maximum flow rate consistently from the time of turning on the power for preheating the silicon core wire to the end of deposition.
上記冷媒の流量調整は最大発熱量における冷媒の流量よりも少なくなるように調整すればよいが、好ましくは析出反応における各時間帯の発熱量よりも高く、各時間帯の発熱量と、その時間帯における除熱量との差が小さくなるように調整することがよい。 The flow rate adjustment of the refrigerant may be adjusted to be smaller than the flow rate of the refrigerant at the maximum calorific value, but is preferably higher than the calorific value of each time zone in the precipitation reaction, It is good to adjust so that the difference with the heat removal amount in a belt | band | zone becomes small.
具体的には前記冷却通路の前記反応器への入口における前記冷媒の温度をT1とし、前記冷却通路の前記反応器からの出口における前記冷媒の温度をT2とし、
前記冷媒の比熱をCとしたとき、
前記シリコン析出反応における最大発熱量の少なくとも50%の発熱量に至るまでの前記冷却通路を流通する冷媒の流量を、前記T1およびT2が、(T2−T1)×C≧9cal/gの関係式を満たすように調整することが好ましい。
Specifically, the temperature of the refrigerant at the inlet of the cooling passage to the reactor is T1, the temperature of the refrigerant at the outlet of the cooling passage from the reactor is T2,
When the specific heat of the refrigerant is C,
The flow rate of the refrigerant flowing through the cooling passage up to a calorific value of at least 50% of the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction, the T1 and T2 being a relational expression of (T2−T1) × C ≧ 9 cal / g It is preferable to adjust so as to satisfy.
本発明の方法によれば、シリコンの析出反応における最大発熱量の少なくとも50%に至るまでの冷媒の流量を、前記最大発熱量における冷媒の流量よりも少なくなるように調整すること、例えば、発生熱量が少ない析出初期やシリコンの成長反応の途中における冷媒の流量を少なくすることにより、析出部の表面温度を設定温度に保持するための過剰な電力を必要とせず、電力原単位を低く抑えることができる。 According to the method of the present invention, the flow rate of the refrigerant up to at least 50% of the maximum heat generation amount in the silicon precipitation reaction is adjusted to be smaller than the flow rate of the refrigerant at the maximum heat generation amount, for example, generation By reducing the flow rate of the refrigerant at the initial stage of deposition where the amount of heat is low or during the growth reaction of silicon, excessive power is not required to keep the surface temperature of the deposition part at the set temperature, and the power consumption is kept low. Can do.
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンロッドの製造装置は、反応器2を有する。本実施形態の多結晶シリコンロッドの製造装置は、工業生産用である。前記反応器2の1台あたりの生産量は平均20kg/時間以上であり、好ましくは20〜50kg/時間であり、より好ましくは50〜80kg/時間である。
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments shown in the drawings.
As shown in FIG. 1, the polycrystalline silicon rod manufacturing apparatus according to one embodiment of the present invention has a
本実施形態では、反応器2は、底板6に対して着脱自在に連結されるベルジャー型のカバー4を有する。本実施形態では、底板6に、少なくとも一対以上の電極12が装着してある。電極12の数は、反応器2の内部に設置されるシリコン製の芯線10の数に対応して決定される。
In the present embodiment, the
反応器2の内部に設置されるシリコン製の芯線10は、一対の電極12を相互に接続するように、逆U字形状に設置され、電極12を介して通電可能になっている。電極は、カーボン、SUS、Cuなどにより形成されている。
The
芯線10は、たとえば多結晶シリコン、単結晶シリコン、溶融凝固シリコンにより製造される。逆U字形状の芯線10は、複数の芯線10を連結して形成しても良い。芯線10の周囲に、多結晶シリコンが析出し、多結晶シリコン製のロッド20が形成される。芯線10の数に対応した数でロッド20が形成される。
The
カバー4は天井部と側面部が一体となっている構造でもよいし、フランジや溶接により結合された構造であってもよい。 The cover 4 may have a structure in which the ceiling part and the side part are integrated, or may have a structure in which the cover 4 is joined by a flange or welding.
カバー4には、反応器2の内部を観察することができる透明で耐熱性の窓部材8が、少なくとも一つ設置してあることが好ましい。窓部材8の外部には、たとえば赤外線温度センサなどの非接触式温度計38が設置してあっても良い。温度計38は、反応器2の内部に配置してあるロッド20の表面温度を計測可能にしてあり、計測された温度信号は、反応器2の外部に配置してある制御装置32に入力される。
The cover 4 is preferably provided with at least one transparent and heat-resistant window member 8 through which the inside of the
原料ガス供給ポート14に原料ガスを供給する供給ラインの途中には、原料ガス供給ポート14から反応器2の内部に供給されるガスの流量を調整するための原料ガス流量制御部が装着してある。原料ガス供給ポート14および原料ガス排出ポート16は、単一の反応器2に複数設けても良い。
In the middle of the supply line for supplying the source gas to the source
カバー4および底板6は、たとえばステンレス金属、炭素鋼、ニッケル系合金、鉄およびそれらのその他の金属との複合材料、石英などの耐熱性部材などの耐熱性部材、特には、ステンレス金属(SUS)で構成されているのが好ましく、内表面と外表面とからなる二重構造となっている。カバー4と底板6のそれぞれの二重構造の内部に冷却通路が形成してあり、カバー4と底板6は、冷媒供給ポート15から冷媒を供給し、冷媒排出ポート17から冷媒を排出する一の冷却通路9により連結される。
The cover 4 and the bottom plate 6 are made of, for example, stainless metal, carbon steel, nickel-based alloy, iron and a composite material thereof with other metals, heat resistant members such as a heat resistant member such as quartz, particularly stainless steel (SUS). Preferably, it has a double structure consisting of an inner surface and an outer surface. A cooling passage is formed inside each of the double structure of the cover 4 and the bottom plate 6. The cover 4 and the bottom plate 6 supply the refrigerant from the
冷媒としては、特に限定されず、水、バーレルサーム(商品名:村松石油株式会社製)の如き熱媒体油など一般に冷却用に使用される液状熱媒体が挙げられるが、そのうち、特に水が好ましい。 The refrigerant is not particularly limited, and includes a liquid heat medium generally used for cooling, such as water, heat medium oil such as Barrel Therm (trade name: manufactured by Muramatsu Oil Co., Ltd.), and of these, water is particularly preferable. .
冷媒供給ポート15における入口冷媒温度T1は,冷却効率の高さから、大気圧条件下における沸点以下であることが必要であり、さらに、冷媒の流量を最大流量よりも少なく調整しても、温度制御し易く反応器の劣化が抑制できることから、100℃以下であることが必要であり、好ましくは、30〜90℃である。
The inlet refrigerant temperature T1 in the
冷媒供給ポート15に冷媒を供給する供給ラインの途中には、冷媒供給ポート15から反応器2の内部に供給される冷媒流量を調整するための冷媒流量制御部42が装着してある。冷媒流量制御部42は制御装置32により制御され、たとえば、電磁弁、空気作動弁、油圧作動弁、電動弁により構成される。
In the middle of the supply line for supplying the refrigerant to the
冷媒供給ポートに冷媒を供給する供給ラインの途中には、冷媒供給ポート15から反応器2の内部に供給される冷媒の温度を検出するための温度検出部50が装着してある。また、冷媒排出ポート17から排出された冷媒が通る排出ラインにも温度検出部52が装着してあり、反応器2から冷媒排出ポート17に排出される冷媒の温度を検出することができる。
A
検出された温度信号は、反応器2の外部に配置してある制御装置32に入力される。
The detected temperature signal is input to the
冷媒排出ポート17から排出された冷媒は、図示省略してある熱交換機により再冷却され温度調節されて冷媒供給ポート15に戻るように構成してあることが好ましいが、戻らせることなく、加熱された冷媒を、他の用途に用いても良い。
It is preferable that the refrigerant discharged from the
芯線10に接続してある電極12には、電力供給手段30が接続してある。電力供給手段としては、特に限定されず、たとえば変圧器、バッテリー、サイリスタ、IGBTなどで構成される。電力供給手段30は、制御装置32により制御される。
A power supply means 30 is connected to the
上述した装置を用いて多結晶シリコン製のロッド20を製造するには、以下のようにして行われる。すなわち、電極12を介して芯線10への通電を開始し、通電加熱によって、芯線10の温度をシリコンの析出温度以上に加熱する。シリコンの析出温度は、約600℃以上であるが、芯線10上にシリコンを迅速に析出させるため、一般的には、900〜1200℃程度の温度に保持されるように、シリコン芯線10が通電加熱される。
Production of the
芯線10への通電を開始すると同時に、あるいは芯線10の温度がシリコンの析出温度以上に達した時点で、反応器2内に、原料ガス供給ポート14から、原料ガスとしてシランガスおよび還元ガスを供給し、これら原料ガスの反応(シランの還元反応)によってシリコンを生成させる。
At the same time as the energization of the
原料ガス供給ポート14から供給されるシランガスとしては、モノシラン、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、モノクロロシラン、ジクロロシランなどのシラン化合物のガスが使用され、一般的には、トリクロロシランガスが好適に使用される。また、還元ガスとしては、通常、水素ガスが使用される。トリクロロシランガスと水素ガスを用いた場合を例に取ると、この還元反応は、下記式で表される。
As the silane gas supplied from the raw material
SiHCl3 +H2 → Si + 3HCl SiHCl 3 + H 2 → Si + 3HCl
なお、上記の原料ガスにおいては、一般に還元性ガス(水素ガス)が過剰に使用される。 In addition, in said raw material gas, generally reducing gas (hydrogen gas) is used excessively.
また、上記の還元反応と共に、下記のように、トリクロロシランの熱分解によってもシリコンが生成する。 In addition to the above reduction reaction, silicon is also generated by thermal decomposition of trichlorosilane as described below.
4SiHCl3 → Si+ 3SiCl4 + 2H2 4SiHCl 3 → Si + 3SiCl 4 + 2H 2
また、原料ガスとして、還元ガスを用いず、モノシラン(SiH4 )のみを供給し、下記式に示されるモノシランの熱分解によってシリコンを生成することも可能である。 Moreover, it is also possible to produce silicon by thermal decomposition of monosilane represented by the following formula by supplying only monosilane (SiH 4 ) as a source gas without using a reducing gas.
SiH4 → Si+2H2 SiH 4 → Si + 2H 2
上記の反応により生成したシリコン(Si)は、芯線10上に析出し、この反応を継続して行っていくことにより、芯線10上のシリコンが成長し、最終的に多結晶シリコンからなるロッド20が得られることとなる。
Silicon (Si) generated by the above reaction is deposited on the
上記のようにして、一定の厚みのロッド20が得られた段階で反応を終了し、芯線10への通電を停止し、反応器2内から未反応のシランガス、水素ガスおよび副生した四塩化ケイ素や塩化水素等を排気した後、ベルジャー型のカバー4を開放し、ロッド20が取り出される。
As described above, when the
本実施形態では、シリコンの析出反応における最大発熱量の少なくとも50%に至るまでの冷媒の流量を、前記最大発熱量における冷媒の流量よりも少なくなるように調整される。 In the present embodiment, the flow rate of the refrigerant up to at least 50% of the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction is adjusted to be smaller than the refrigerant flow rate at the maximum calorific value.
前記冷媒調節範囲は最大発熱量の少なくとも50%に至るまでであるが、好ましくは少なくとも60%に至るまで、さらに好ましくは少なくとも70%に至るまで、もっとも好ましくは全析出領域に渡って行うことが好ましい。 The refrigerant adjustment range is up to at least 50% of the maximum heating value, preferably up to at least 60%, more preferably up to at least 70%, most preferably over the entire precipitation region. preferable.
また、好ましくは、前記シリコンの析出反応における最大発熱量の少なくとも50%に至るまでの冷媒の流量を、冷媒供給ポート15における入口冷媒温度T1と、冷媒排出ポート17における出口冷媒温度T2と、溶媒の比熱Cとが、(T2−T1)×C≧9cal/gの関係を満たすように調整される。
Preferably, the flow rate of the refrigerant up to at least 50% of the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction is set such that the inlet refrigerant temperature T1 in the
図2に示すように、通電による発生熱量は経過時間とともに上昇し、所望のロッドに成長し、シリコン析出用の原料ガスの供給を停止する直前(析出の終了時)において最大発熱量に達する。従来は、シリコン芯線の予熱時、更には、反応器内での反応が最大発熱量に達するまでの間において、冷媒の流量調整がなされていなかった。このため、図2に示すように、シリコン析出反応において必要とされる最大の除熱能力に合わせて冷媒の流量を一定にした運転がなされていた。しかしながら、このような運転では、析出初期において過剰の冷媒が供給される結果、反応器内の熱ロスが過大となる。上記の通り、シリコン芯線は、シリコン析出温度である900〜1200℃に保持するように通電加熱されるが、熱ロスが多いと、目標温度に保持するためにより多くの電力を要する。 As shown in FIG. 2, the amount of heat generated by energization rises with time, grows to a desired rod, and reaches the maximum heating value immediately before stopping the supply of the raw material gas for silicon deposition (at the end of deposition). Conventionally, the flow rate of the refrigerant has not been adjusted during the preheating of the silicon core wire and further until the reaction in the reactor reaches the maximum calorific value. For this reason, as shown in FIG. 2, an operation was performed in which the flow rate of the refrigerant was made constant in accordance with the maximum heat removal capability required in the silicon precipitation reaction. However, in such an operation, as a result of supplying an excessive amount of refrigerant in the initial stage of precipitation, heat loss in the reactor becomes excessive. As described above, the silicon core wire is energized and heated so as to be maintained at 900 to 1200 ° C., which is the silicon deposition temperature. However, if the heat loss is large, more power is required to maintain the target temperature.
これに対し、本実施形態は、シリコンの析出反応における最大発熱量の少なくとも50%に至るまでの冷媒流量を、前記最大発熱量における冷媒の流量よりも少なくなるように調整する。これにより、図3に示すように、発生熱量が少ない析出初期においては、冷媒の流量を少なくすることで、除熱能力を低く抑えることができるとともに、時間の経過とともに発生熱量が多くなるに従って冷媒の流量を増加させることで、除熱能力を高めることができる。その結果、熱ロスを低減させつつ安全な運転が可能となる。また、析出初期における熱ロスが少ないため、目標温度に保持するための過剰な電力を必要とせず、電力原単位を抑えることができる。 In contrast, in the present embodiment, the refrigerant flow rate up to at least 50% of the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction is adjusted to be smaller than the refrigerant flow rate at the maximum calorific value. As a result, as shown in FIG. 3, in the initial stage of precipitation when the amount of generated heat is small, the heat removal capacity can be kept low by reducing the flow rate of the refrigerant, and the refrigerant increases as the amount of generated heat increases with time. The heat removal capability can be increased by increasing the flow rate of. As a result, safe operation is possible while reducing heat loss. Moreover, since there is little heat loss at the initial stage of deposition, excessive power for maintaining the target temperature is not required, and the power consumption can be suppressed.
上記効果を十分に発揮させるためには、前記シリコンの析出反応における最大発熱量に至るまでの冷媒の流量は、最大流量を決定した、反応器の劣化防止やシリコンロッドの品質低下防止のために求められる、反応器の内壁温度の条件を満足していることが望ましい。多結晶シリコン製のロッドの製造において、シリコン析出反応における最大発熱量の際の冷媒の流量を1としたときの、反応器にシリコン析出原料ガスを供給して析出反応を開始した当初の冷媒の流量が0.5以下であるのが好ましいが、上記理由から、この当初の冷媒の流量は、0.2〜0.4であるのがより好ましい。さらに、上記リコン析出反応における最大発熱量の際の冷媒の流量を1としたときの、最大発熱量の50%に至るまでの冷媒の平均流量が0.4〜0.7であるのが好ましく、さらには最大発熱量の70%に至るまでの冷媒の平均流量が上記範囲であるのが好ましく、特には全析出領域に渡る冷媒の平均流量が上記範囲であるのが好ましい。 In order to fully exhibit the above effects, the flow rate of the refrigerant up to the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction is determined in order to prevent the deterioration of the reactor and the deterioration of the quality of the silicon rod. It is desirable that the required condition of the inner wall temperature of the reactor is satisfied. In the manufacture of a rod made of polycrystalline silicon, when the flow rate of the refrigerant at the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction is 1, the silicon precipitation raw material gas is supplied to the reactor to start the precipitation reaction. The flow rate is preferably 0.5 or less, but for the above reason, the initial flow rate of the refrigerant is more preferably 0.2 to 0.4. Furthermore, it is preferable that the average flow rate of the refrigerant up to 50% of the maximum calorific value is 0.4 to 0.7 when the flow rate of the refrigerant at the maximum calorific value in the recon precipitation reaction is 1. Furthermore, the average flow rate of the refrigerant up to 70% of the maximum calorific value is preferably in the above range, and the average flow rate of the refrigerant over the entire precipitation region is preferably in the above range.
なお、「最大発熱量における冷媒の流量」とは、例えば、図3においては流量Pを意味する。 Note that “the flow rate of the refrigerant at the maximum calorific value” means, for example, the flow rate P in FIG.
さらに、本実施形態は、析出初期における熱ロスが少ないことにより、析出初期における反応器内部の温度が従来に比べて高くなるため、ロッドの成長速度が高くなる。これにより、図4に示すように、所定の大きさのロッドを製造するための所要時間を従来に比べて短縮でき、その結果、生産性が向上する。また、ロッドの生産に要する時間が短縮されることも、電力原単位の低減に寄与する。 Furthermore, in this embodiment, since the heat loss in the initial stage of precipitation is small, the temperature inside the reactor in the initial stage of precipitation becomes higher than that in the conventional case, so the growth rate of the rod is increased. Thereby, as shown in FIG. 4, the time required for manufacturing a rod of a predetermined size can be shortened compared to the conventional case, and as a result, productivity is improved. Moreover, shortening the time required for the production of the rod also contributes to the reduction of the power consumption.
また、通電前の前記芯線の表面には酸化膜が形成されているが、品質面から該酸化膜は除去されていることが好ましい。本実施形態によれば、上記の通り、析出初期における反応器内部の温度が従来に比べて高くなるため、反応器内部を水素雰囲気にすることで前記酸化膜の優れた除去作用を得ることができる。 Further, an oxide film is formed on the surface of the core wire before energization, but it is preferable that the oxide film is removed from the viewpoint of quality. According to the present embodiment, as described above, the temperature inside the reactor at the initial stage of deposition becomes higher than the conventional temperature, so that an excellent removal action of the oxide film can be obtained by making the inside of the reactor a hydrogen atmosphere. it can.
このように、本実施形態の多結晶シリコンロッドの製造方法によれば、電力原単位を低減させ、生産性を向上させることができる。なお、前記シリコンの析出反応における最大発熱量の少なくとも50%に至るまでの冷媒の流量は、冷媒供給ポート15における入口冷媒温度T1と、冷媒排出ポート17における出口冷媒温度T2と、冷媒の比熱Cとが、(T2−T1)×C≧9cal/gの関係を満たすように調整されることが好ましく、より好ましくは10cal/g≦(T2−T1)×C≦50cal/gの関係を満たすように調整され、さらに好ましくは20cal/g≦(T2−T1)≦40cal/gの関係を満たすように調整される。(T2−T1)×Cをこの範囲内にすることで、運転の安全性をより保ちつつ、電力原単位を低減させ、生産性を向上させることができる。
なお、最大発熱量に達する析出の終了時において、(T2−T1)×Cは、反応器の劣化を防止する必要性から10〜45cal/gに設定されるのが一般的である。
Thus, according to the method for manufacturing a polycrystalline silicon rod of the present embodiment, the power consumption can be reduced and the productivity can be improved. Note that the flow rate of the refrigerant up to at least 50% of the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction is as follows: the inlet refrigerant temperature T1 at the
In general, (T2-T1) × C is set to 10 to 45 cal / g at the end of the precipitation that reaches the maximum calorific value because of the necessity of preventing deterioration of the reactor.
また、本実施形態では、通電時における(T2−T1)×Cが所定の範囲内で一定であることが好ましい。これにより、冷媒供給量の変動を低く抑えることができる。前記所定の範囲内としては、好ましくは、通電時における(T2−T1)×Cの最大値と最小値の差が4〜10cal/gである。 In the present embodiment, it is preferable that (T2−T1) × C during energization is constant within a predetermined range. Thereby, the fluctuation | variation of a refrigerant | coolant supply amount can be suppressed low. Within the predetermined range, the difference between the maximum value and the minimum value of (T2−T1) × C during energization is preferably 4 to 10 cal / g.
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified within the scope of the present invention.
たとえば、上述した実施形態では、冷却通路9は底板6を流通した後、カバー4を流通する1経路であるが、本発明の他の実施形態としては、図5に示すように、冷却通路9がカバー4を流通する経路と底板6を流通する経路の2経路に分かれていてもよい。図5の場合、カバー4の入口冷媒温度T1aは、温度検出部50aにより検出される温度であり、出口冷媒温度T2aは、温度検出部52aにより検出される温度である。また、基板6の入口冷媒温度T1bは温度検出部50bにより検出される温度であり、出口冷媒温度T2bは、温度検出部52bにより検出される温度である。この場合においても、前記シリコンの析出反応における最大発熱量の少なくとも50%に至るまでの冷媒の流量を、前記最大発熱量における冷媒の流量よりも少なくなるように調整することで、電力原単位を低減させ、生産性を向上させることができる。
For example, in the embodiment described above, the
また、カバー4と底板6のそれぞれに複数の冷却通路を備えていてもよい。この場合においては、それぞれの冷却通路において、前記シリコンの析出反応における最大発熱量の少なくとも50%に至るまでの冷媒の流量を、前記最大発熱量における冷媒の流量よりも少なくなるように調整することで、上記の効果を得ることができる。 Further, each of the cover 4 and the bottom plate 6 may be provided with a plurality of cooling passages. In this case, in each cooling passage, the flow rate of the refrigerant up to at least 50% of the maximum heat generation amount in the silicon precipitation reaction is adjusted to be smaller than the flow rate of the refrigerant in the maximum heat generation amount. Thus, the above effect can be obtained.
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。 Hereinafter, although this invention is demonstrated based on a more detailed Example, this invention is not limited to these Examples.
実施例1〜4
ロッド10本(逆U字型5対)立ての反応器2にて、高さ2000mmの逆U字型のシリコン芯線10に通電し、その温度を約1000℃に加熱し、同時にシリコン析出用原料ガス(トリクロロシランと水素の混合ガス)を反応器2に供給し、カバー4と底板6に備えられた冷却通路を流通する冷媒により反応器2を冷却しながら直径120mmとなるまで多結晶シリコンを析出させた。上記反応器2の材質は、ステンレス金属(SUS)であった。
Examples 1-4
In a
冷媒は、水であり、比熱は1cal/g・℃であり、入口冷媒温度T1は、全ての冷却通路において、30℃とした。このシリコンの析出反応における最大発熱量は、前述の予測式から884kWと予測された。最大発熱量に対応した最大流量は、反応器の内壁温度が300℃を超えない最小の流量が30.4m3/hとして求められたため、冷却通路において、その1.1倍の流量として設定した。 The refrigerant was water, the specific heat was 1 cal / g · ° C., and the inlet refrigerant temperature T1 was 30 ° C. in all the cooling passages. The maximum calorific value in this silicon precipitation reaction was predicted to be 884 kW from the above prediction formula. The maximum flow rate corresponding to the maximum calorific value was determined as a flow rate 1.1 times that in the cooling passage because the minimum flow rate at which the inner wall temperature of the reactor did not exceed 300 ° C. was determined as 30.4 m 3 / h. .
全ての冷却通路において、シリコンの析出反応における最大発熱量の50%に至るまでの冷媒の流量を、析出を開始する時点では、表1に示した初期流量とし、最大発熱量の50%となった時点で最大流量の1.1倍となるよう一定の割合で増加させ、以後、析出反応の終了まで同じ流量で冷媒を供給した。さらに、最大発熱量の際の冷媒の流量を1としたときの、最大発熱量の50%に至るまでの冷媒の平均流量も表1に示した。
また、(T2−T1)×Cは、析出の開始時点は表1に示した値であり、その後一定の割合で増加させた。最大発熱量に達する析出の終了時において、(T2−T1)×Cはいずれも25cal/gであった。 Further, (T2−T1) × C is the value shown in Table 1 at the start of precipitation, and then increased at a constant rate. At the end of the precipitation reaching the maximum calorific value, (T2−T1) × C was 25 cal / g.
前記直径にロッドが成長した後に、反応ガスの供給を停止し且つ廃ガスを反応室内から排出せしめて析出を完了させた後、1050℃で1時間続行してアニールを行い、アニール終了時にシリコン芯線への通電を停止した。この後、カバー4を開放し、ロッド20を取り出した。
After the rod grows to the diameter, the supply of the reaction gas is stopped and the waste gas is exhausted from the reaction chamber to complete the precipitation, and then the annealing is continued at 1050 ° C. for 1 hour. The power supply to was stopped. Thereafter, the cover 4 was opened and the
得られたロッドについて、単位時間当たりの生産量(生産性)と電力原単位を算出した。結果を表1に示した。 About the obtained rod, the production amount per unit time (productivity) and the electric power basic unit were calculated. The results are shown in Table 1.
比較例1
実施例1において、全ての冷却通路において、通電開始から通電終了にかかるすべての時間において、冷媒の流量を最大流量とした以外は、実施例1と同様にして、多結晶シリコンを析出させた。なお、(T2−T1)×Cは、析出の開始時点は2cal/gであり、その後一定の割合で増加させた。最大発熱量に達する析出の終了時において、(T2−T1)×Cはいずれも25cal/gであった。結果を表1に示した。
Comparative Example 1
In Example 1, polycrystalline silicon was deposited in the same manner as in Example 1 except that the flow rate of the refrigerant was set to the maximum flow rate in all the cooling passages from the start of energization to the end of energization. Note that (T2−T1) × C is 2 cal / g at the start of precipitation, and then increased at a constant rate. At the end of the precipitation reaching the maximum calorific value, (T2−T1) × C was 25 cal / g. The results are shown in Table 1.
実施例5〜8
上記実施例1において、冷媒の流量を、前記最大発熱量における冷媒の流量よりも少なくなるように調整する期間を、シリコンの析出反応における最大発熱量の70%に至るまでにとし、最大発熱量に達する析出の終了時において、(T2−T1)×Cはいずれも28cal/gとする以外、同様の多結晶シリコンの析出を実施した。結果を表2に示した。
In Example 1, the period for adjusting the refrigerant flow rate to be smaller than the refrigerant flow rate at the maximum calorific value is 70% of the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction, and the maximum calorific value. At the end of the precipitation to reach, the same polycrystalline silicon was precipitated except that (T2-T1) × C was 28 cal / g. The results are shown in Table 2.
シリコンの析出反応における最大発熱量の50%に至るまでの冷媒の平均流量がシリコンの析出反応における最大発熱量の際の冷媒の流量よりも少ない場合(実施例1〜4)、及び、シリコンの析出反応における最大発熱量の70%に至るまでの冷媒の平均流量がシリコンの析出反応における最大発熱量の際の冷媒の流量よりも少ない場合(実施例5〜8)は、通電時の冷媒の流量が一定だった場合(比較例1)に比べて、電力原単位が低くなることが確認できた。 When the average flow rate of the refrigerant up to 50% of the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction is smaller than the flow rate of the refrigerant at the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction (Examples 1 to 4), When the average flow rate of the refrigerant up to 70% of the maximum heat generation amount in the precipitation reaction is smaller than the flow rate of the refrigerant at the maximum heat generation amount in the silicon precipitation reaction (Examples 5 to 8), It was confirmed that the power consumption rate was lower than when the flow rate was constant (Comparative Example 1).
2… 反応器
4… カバー
401… カバーの内表面
402… カバーの外表面
6… 底板
8… 窓部材
9… 冷却通路
10… 芯線
12… 電極
14… 原料ガス供給ポート
16… 原料ガス排出ポート
15、15a、15b… 冷媒供給ポート
17、17a、17b… 冷媒排出ポート
20… ロッド
30… 電力供給手段
32… 制御装置
38… 非接触式温度計
42,42a,42b… 冷媒流量制御部
50,50a,50b,52,52a,52b… 温度検出部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記反応器1台あたりの多結晶シリコンロッドの生産量は、平均20kg/時間以上であり、前記シリコンの析出反応における最大発熱量の少なくとも50%の発熱量に至るまでの前記冷却通路を流通する冷媒の流量を、前記最大発熱量における冷媒の流量よりも少なくなるように調整することを特徴とする多結晶シリコンロッドの製造方法。 A reactor having at least one pair of electrodes for energizing the silicon core wire and having a cooling passage for cooling the inner wall by circulating a refrigerant having a temperature equal to or lower than the boiling point under atmospheric pressure is used. A method for producing a polycrystalline silicon rod, wherein a silicon deposition source gas is supplied into the reactor while a core wire is connected and energized, and polycrystalline silicon is deposited on the silicon core wire,
The production amount of polycrystalline silicon rods per reactor is an average of 20 kg / hour or more, and circulates through the cooling passage up to a calorific value of at least 50% of the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction. A method for producing a polycrystalline silicon rod, wherein the flow rate of the refrigerant is adjusted to be smaller than the flow rate of the refrigerant at the maximum calorific value.
前記冷却通路の前記反応器からの出口における前記冷媒の温度をT2とし、
前記冷媒の比熱をCとしたとき、
前記シリコンの析出反応における最大発熱量の少なくとも50%の発熱量に至るまでの前記冷却通路を流通する冷媒の流量を、前記T1およびT2が、(T2−T1)×C≧9cal/gの関係式を満たすように調整することを特徴とする請求項1に記載の多結晶シリコンロッドの製造方法。 The temperature of the refrigerant at the inlet of the cooling passage to the reactor is T1,
T2 is the temperature of the refrigerant at the outlet of the cooling passage from the reactor,
When the specific heat of the refrigerant is C,
The flow rate of the refrigerant flowing through the cooling passage up to a calorific value of at least 50% of the maximum calorific value in the silicon precipitation reaction is such that T1 and T2 are (T2−T1) × C ≧ 9 cal / g. It adjusts so that Formula may be satisfy | filled, The manufacturing method of the polycrystalline silicon rod of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
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