JP2018087126A - Reaction furnace for producing polycrystalline silicon rod and production method thereof and production method of polycrystalline silicon rod using the same - Google Patents

Reaction furnace for producing polycrystalline silicon rod and production method thereof and production method of polycrystalline silicon rod using the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of producing a high-purity polycrystalline silicon rod by preventing discharge of outgas containing impurities such as metal compounds generated from a reaction furnace inner wall when depositing polycrystalline silicon, without largely increasing initial investment to the reaction furnace and the production cost of the polycrystalline silicon.SOLUTION: A reaction furnace for producing a polycrystalline silicon rod is constituted of metallic materials having heat resistance and has a silica coating layer on an inner wall surface. The silica coating layer is formed by coating and curing a silica coating liquid such as a polysilazane solution on the inner wall surface of the reaction furnace, or by controlling an atmosphere in the reaction furnace to a dew point of -30 to -50°C and introducing trichlorosilane, silicon tetrachloride or chlorosilane gas that is a mixture thereof as they are into the reaction furnace, or by introducing chlorosilane gas obtained by diluting the chlorosilane gas with hydrogen or inert gas.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、シーメンス法により高純度の多結晶シリコンロッドを製造するための反応炉及びその製造方法並びにそれを用いた多結晶シリコンロッドの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a reactor for producing a high purity polycrystalline silicon rod by the Siemens method, a method for producing the same, and a method for producing a polycrystalline silicon rod using the same.

半導体機器に用いられる単結晶シリコンの原料となる高純度の多結晶シリコンは、トリクロロシランを蒸留精製し、精製したトリクロロシランと水素との混合ガスを原料として、これを高温雰囲気下で長時間にて還元析出させることにより製造される。この析出反応は、基台上に設置した高純度の多結晶シリコンを種棒として、この種棒に通電加熱し、トリクロロシランと水素の混合ガスを反応炉内に連続的に導入することにより、種棒表面に多結晶シリコンが析出される、シーメンス法が主流となっている。   High-purity polycrystalline silicon, which is a raw material for single-crystal silicon used in semiconductor devices, is obtained by distilling and purifying trichlorosilane and using a mixed gas of purified trichlorosilane and hydrogen as a raw material for a long time in a high-temperature atmosphere. And produced by reduction precipitation. In this precipitation reaction, high purity polycrystalline silicon placed on a base is used as a seed rod, and this seed rod is heated by energization, and a mixed gas of trichlorosilane and hydrogen is continuously introduced into the reaction furnace, The Siemens method, in which polycrystalline silicon is deposited on the surface of the seed rod, is the mainstream.

この反応炉の構成は、特許文献1に開示される。特許文献1に示される反応炉では、反応基体上に析出担体を保持する保持台、反応ガス導入管及び排出管が設けられ、保持台を石英製の釣鐘形状で覆う構造となっている。特許文献1には、この反応炉で更に反応基体上に石英製の補助プレートを配置することにより、反応空間の保温と反応基体表面の清浄化を図り、これにより半導体物質(多結晶シリコン)の汚染原因を除去し、高純度の多結晶シリコンを製造することが示されている。   The configuration of this reactor is disclosed in Patent Document 1. The reaction furnace shown in Patent Document 1 is provided with a holding base for holding a precipitation carrier, a reaction gas introduction pipe and a discharge pipe on a reaction substrate, and the holding base is covered with a quartz bell shape. In Patent Document 1, an auxiliary plate made of quartz is further disposed on the reaction substrate in this reaction furnace to keep the reaction space warm and to clean the surface of the reaction substrate. It has been shown to remove the cause of contamination and produce high purity polycrystalline silicon.

一方、高純度の多結晶シリコンを商用生産する場合、反応炉を大型化する必要がある。この場合、特許文献1のような石英製の釣鐘形状による構造では、脆性材料である石英ガラスはその取扱いにおいて破損のリスクが高いことから、一般的には、鋼製の反応炉が用いられる。しかし、鋼製の反応炉を高温下で使用すると、反応炉の内壁面から不純物ガスが放出して、反応析出中の多結晶シリコンが汚染されることが知られている。   On the other hand, when high-purity polycrystalline silicon is produced commercially, it is necessary to enlarge the reactor. In this case, in a quartz bell-shaped structure as in Patent Document 1, quartz glass, which is a brittle material, has a high risk of breakage in its handling, and therefore a steel reactor is generally used. However, it is known that when a steel reaction furnace is used at a high temperature, impurity gas is released from the inner wall surface of the reaction furnace and the polycrystalline silicon during reaction precipitation is contaminated.

高純度の多結晶シリコンを製造する別の技術として、炉壁面より放出される不純物ガス(以下、アウトガスという。)による多結晶シリコンの汚染を防止するために、外筒の内壁がニッケルを28重量%以上含有する耐熱合金よりなるシラン類の分解・還元反応装置が開示されている(特許文献2参照。)。特許文献2には、この装置を用いた場合、ニッケルを28重量%以上含有する耐熱合金は、その温度が600℃以下ではメタンガス、リン−水素化合物及びホウ素−水素化合物等を成分とするアウトガスをほとんど放出せず、リン(P)やホウ素(B)などに起因する不純物を抑制できることが示されている。   As another technique for producing high-purity polycrystalline silicon, the inner wall of the outer cylinder is 28 wt% of nickel in order to prevent contamination of the polycrystalline silicon by an impurity gas (hereinafter referred to as outgas) released from the furnace wall. An apparatus for decomposing / reducing silanes composed of a heat-resistant alloy containing at least% is disclosed (see Patent Document 2). In Patent Document 2, when this apparatus is used, a heat-resistant alloy containing 28% by weight or more of nickel has an outgas containing methane gas, phosphorus-hydrogen compound, boron-hydrogen compound, etc. as a component at a temperature of 600 ° C. or less. It has been shown that impurities caused by phosphorus (P), boron (B) and the like can be suppressed with little release.

また高純度の多結晶シリコンを製造する更に別の技術として、反応炉の内壁の炉内表面側にクロム(Cr)、ニッケル(Ni)、シリコン(Si)の含有質量をそれぞれ[Cr]、[Ni]、[Si]としたときに、R=[Cr]+[Ni]−1.5[Si]で定義付けられるR値が40%以上となる組成の耐食層が設けられ、反応炉に標準沸点以上の加圧冷却水を循環可能な冷却水流路が配され、耐食層と冷却水流路の間に耐食層よりも高い熱伝導率の熱伝導層が設けられている多結晶シリコン製造用反応炉が開示されている(特許文献3参照。)。特許文献3には、この反応炉を用いた場合、反応炉内で多結晶シリコンを析出させる際に、炉内側表面の温度を一定の温度以下に制御することで、反応炉内壁からのドーパント不純物の混入を低減して高純度の多結晶シリコンを製造することができることが示されている。   As another technique for producing high-purity polycrystalline silicon, the content of chromium (Cr), nickel (Ni), and silicon (Si) on the inner surface side of the inner wall of the reactor is set to [Cr], [ A corrosion-resistant layer having a composition in which the R value defined by R = [Cr] + [Ni] −1.5 [Si] is 40% or more when Ni] and [Si] is used is provided in the reactor. For production of polycrystalline silicon in which a cooling water flow path that can circulate pressurized cooling water with a normal boiling point or higher is arranged, and a heat conduction layer having a higher thermal conductivity than the corrosion resistance layer is provided between the corrosion resistance layer and the cooling water flow path A reactor is disclosed (see Patent Document 3). In Patent Document 3, when this reaction furnace is used, when the polycrystalline silicon is deposited in the reaction furnace, the temperature of the inner surface of the furnace is controlled to be equal to or lower than a certain temperature, so that dopant impurities from the inner wall of the reaction furnace can be obtained. It has been shown that high-purity polycrystalline silicon can be produced with reduced contamination.

また特許文献4には、アルファ−アミノ−官能性アルコキシシランの蒸気により、多結晶シリコン反応炉入口配管のリン含有鋼製表面を不動態化し、析出した多結晶シリコン中のリン含有量を低減することが示されている。   Patent Document 4 also discloses that the phosphorus-containing steel surface of the polycrystalline silicon reactor inlet pipe is passivated with the vapor of alpha-amino-functional alkoxysilane to reduce the phosphorus content in the deposited polycrystalline silicon. It has been shown.

特公昭37−18861号公報(発明の詳細な説明、図面)Japanese Examined Patent Publication No. 37-18861 (Detailed Description of the Invention, Drawing) 特開平8−259211号公報(請求項1、段落[0006]、[0008]、[0044]、図1)JP-A-8-259211 (Claim 1, paragraphs [0006], [0008], [0044], FIG. 1) 特開2011−57526号公報(請求項1、段落[0001]、図2)JP 2011-57526 A (Claim 1, paragraph [0001], FIG. 2) 特表2015−505340号公報Special table 2015-505340 gazette

特許文献2〜4に示される装置及び反応炉によれば、反応炉を構成する材質を耐熱合金や耐食性を有する合金とすることにより、或いは、反応炉入口の原料ガス配管表面を不動態化することにより、高温領域での析出反応時の金属表面から発生するアウトガスの放出に伴うドーパント不純物を低減できるため、その低減効果は大きいと考えられる。しかしながら、アウトガスに含まれる不純物としてドーパント以外の不純物、例えば金属不純物等が考慮されることはなかった。また、反応炉が大型化した場合、特定の組成又は材質の材料を選定して、この材料を反応炉の内壁や耐食層に使用することは、反応炉への初期投資費用が増大し、多結晶シリコンの製造コストの増加に繋がる。   According to the apparatus and the reactor shown in Patent Documents 2 to 4, the material constituting the reactor is made of a heat-resistant alloy or a corrosion-resistant alloy, or the surface of the raw material gas pipe at the inlet of the reactor is passivated. Thus, the dopant impurity accompanying the emission of outgas generated from the metal surface during the precipitation reaction in the high temperature region can be reduced, and the reduction effect is considered to be large. However, impurities other than the dopant, such as metal impurities, are not considered as impurities contained in the outgas. In addition, when the reactor becomes larger, selecting a material with a specific composition or material and using this material for the inner wall or corrosion-resistant layer of the reactor increases the initial investment cost for the reactor and increases the This leads to an increase in the manufacturing cost of crystalline silicon.

一般的にステンレス鋼板は、表面に1〜3nmの厚さの安定な酸化クロムを主成分とする皮膜(不動態皮膜)が形成され、非接触の汚染源となるアウトガスに含まれる金属化合物等は問題にならないと考えられていた。しかし、近年、半導体デバイスの性能向上とともに、多結晶シリコンへの品質要求が益々厳しくなり、0.1ppbw以下の金属不純物量の汚染が問題視されるようになってくると、本発明者が調査した結果、ステンレス鋼材を反応炉の内壁材料として使用し、およそ100℃以上300℃以下の温度範囲に反応炉内壁を冷却して多結晶シリコンの析出反応を行う場合、ステンレス鋼材に形成された不動態皮膜自体から金属化合物等を含むアウトガスが生じ、多結晶シリコンロッドに付着しており、汚染を更に低減した高純度の多結晶シリコンを析出させるためには、十分でないことが明らかになった。   In general, a stainless steel sheet has a surface (passive film) with a stable chromium oxide having a thickness of 1 to 3 nm formed on the surface, and metal compounds and the like contained in outgas, which is a non-contact contamination source, are problematic. It was thought not to be. However, in recent years, the inventors have investigated that the quality requirements for polycrystalline silicon have become more severe as the performance of semiconductor devices has improved, and the contamination of metal impurities below 0.1 ppbw has become a problem. As a result, when the stainless steel material is used as the inner wall material of the reactor and the inner wall of the reactor is cooled to a temperature range of approximately 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower to perform the precipitation reaction of polycrystalline silicon, It became clear that outgas containing a metal compound or the like was generated from the dynamic film itself and adhered to the polycrystalline silicon rod, and it was not sufficient to deposit high-purity polycrystalline silicon with further reduced contamination.

そこで、本発明者は、多結晶シリコンを析出する反応炉を構成するステンレス鋼の不動態皮膜表面からの金属化合物等の不純物を含むアウトガスを低減することを目的に、反応炉の内壁面のコーティングを検討したところ、ポリシラザン溶液のようなシリカコーティング液を用いて形成したコーティング層は、塗布が簡便で緻密かつ耐久性が高く、反応炉の内壁面からの汚染を抑制する効果も大きいこと、反応炉内壁面をコーティングするため、反応炉を構成する材質は耐熱性があれば、ステンレス鋼以外の金属製材料を用いることができること、更に多結晶シリコンの析出直前又は析出する初期段階でクロロシランガスを導入して反応炉内壁面にシリカコーティング層を形成し、そのまま多結晶シリコンの析出を開始するコーティング法(以下、「その場コーティング」又は「その場コーティング法」という。)も実用的でかつ有効であることが判明し、本発明に至った。   Therefore, the present inventor has applied a coating on the inner wall of the reactor for the purpose of reducing outgas including impurities such as metal compounds from the surface of the passive film of stainless steel constituting the reactor for depositing polycrystalline silicon. As a result, the coating layer formed using a silica coating solution such as a polysilazane solution is easy to apply, dense and durable, and has a great effect of suppressing contamination from the inner wall of the reactor. In order to coat the inner wall of the furnace, if the material constituting the reaction furnace is heat resistant, a metal material other than stainless steel can be used, and further, chlorosilane gas is added immediately before or at the initial stage of precipitation of polycrystalline silicon. A coating method that introduces a silica coating layer on the inner wall of the reactor and begins to deposit polycrystalline silicon. Below referred to as "in situ coating" or "in situ coating method".) Also proved to be practical and effective, have completed the present invention.

本発明の目的は、反応炉への初期投資費用及び多結晶シリコンの製造コストを大幅に増加させることなく、多結晶シリコンを析出させる際の反応炉内壁から発生する金属化合物等の不純物を含むアウトガスの放出を防いで高純度の多結晶シリコンロッドを製造する反応炉及びその製造方法並びにそれを用いた多結晶シリコンロッドの製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an outgas containing impurities such as a metal compound generated from the inner wall of a reaction furnace when depositing polycrystalline silicon without significantly increasing the initial investment cost to the reaction furnace and the manufacturing cost of polycrystalline silicon. It is intended to provide a reaction furnace for producing a high purity polycrystalline silicon rod while preventing the release of carbon, a method for producing the same, and a method for producing a polycrystalline silicon rod using the same.

本発明の第1の観点は、反応炉が耐熱性を有する金属製材料により構成された多結晶シリコンロッド製造用反応炉において、前記反応炉の内壁面にシリカコーティング層を有することを特徴とする多結晶シリコンロッド製造用反応炉である。   A first aspect of the present invention is a reaction furnace for producing a polycrystalline silicon rod in which the reaction furnace is made of a heat-resistant metal material, and has a silica coating layer on the inner wall surface of the reaction furnace. This is a reactor for producing polycrystalline silicon rods.

本発明の第2の観点は、反応炉が耐熱性を有する金属製材料により構成された多結晶シリコンロッド製造用反応炉の前記反応炉の内壁面にシリカコーティング層を形成することにより多結晶シリコンロッド製造用反応炉を製造する方法である。   According to a second aspect of the present invention, polycrystalline silicon is formed by forming a silica coating layer on the inner wall surface of the reactor of the polycrystalline silicon rod manufacturing reactor in which the reactor is made of a heat-resistant metal material. This is a method of manufacturing a reactor for manufacturing a rod.

本発明の第3の観点は、第2の観点に基づく発明であって、前記シリカコーティング層の形成が前記反応炉の内壁面にシリカコーティング液を塗布し硬化させることにより行われる多結晶シリコンロッド製造用反応炉の製造方法である。   A third aspect of the present invention is the polycrystalline silicon rod according to the second aspect, wherein the formation of the silica coating layer is performed by applying and curing a silica coating liquid on the inner wall surface of the reaction furnace. It is a manufacturing method of the reactor for manufacture.

本発明の第4の観点は、第3の観点に基づく発明であって、前記シリカコーティング液がポリシラザン溶液である多結晶シリコンロッド製造用反応炉の製造方法である。   A fourth aspect of the present invention is an invention based on the third aspect, and is a method for manufacturing a reactor for manufacturing a polycrystalline silicon rod, wherein the silica coating solution is a polysilazane solution.

本発明の第5の観点は、第2の観点に基づく発明であって、前記シリカコーティング層の形成が前記多結晶シリコンロッド製造用反応炉の炉内の雰囲気を露点−30〜−50℃に制御して前記反応炉内にトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスであるクロロシランガスをそのまま導入するか、或いはトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスを水素又は不活性ガスで希釈したクロロシランガスを導入することにより行われる多結晶シリコンロッド製造用反応炉の製造方法である。   A fifth aspect of the present invention is the invention based on the second aspect, wherein the formation of the silica coating layer sets the atmosphere in the reactor for producing the polycrystalline silicon rod to a dew point of −30 to −50 ° C. Control the chlorosilane gas, which is trichlorosilane, silicon tetrachloride or a mixed gas thereof, as it is, or dilute the trichlorosilane, silicon tetrachloride or the mixed gas with hydrogen or an inert gas. This is a method for producing a reactor for producing a polycrystalline silicon rod, which is carried out by introducing chlorosilane gas.

本発明の第6の観点は、シリコン種棒を組み立て、耐熱性を有する金属製材料により構成された反応炉を密閉した後、前記反応炉内の雰囲気を露点−30〜−50℃に制御し、前記反応炉内にトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスであるクロロシランガスをそのまま導入するか、或いはトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスを水素又は不活性ガスで希釈したクロロシランガスを導入して、前記反応炉の内壁面にシリカコーティング層を形成し、そのまま前記反応炉を開放することなく前記シリコン種棒表面に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンロッドを製造する方法である。   According to a sixth aspect of the present invention, after assembling a silicon seed rod and sealing a reaction furnace composed of a metal material having heat resistance, the atmosphere in the reaction furnace is controlled to a dew point of −30 to −50 ° C. A chlorosilane gas in which trichlorosilane, silicon tetrachloride or a mixed gas thereof is introduced into the reactor as it is, or trichlorosilane, silicon tetrachloride or a mixed gas thereof is diluted with hydrogen or an inert gas. In this method, a silica coating layer is formed on the inner wall surface of the reaction furnace, and polycrystalline silicon is deposited on the surface of the silicon seed rod without opening the reaction furnace. is there.

本発明の第7の観点は、第6の観点に基づく発明であって、前記クロロシランガスを前記シリコン種棒に通電した後に導入する場合に前記多結晶シリコンの析出速度が0.5mm/h以下になるように制御して多結晶シリコンロッドを製造する方法である。   A seventh aspect of the present invention is the invention based on the sixth aspect, wherein when the chlorosilane gas is introduced after energizing the silicon seed rod, the deposition rate of the polycrystalline silicon is 0.5 mm / h or less. This is a method for manufacturing a polycrystalline silicon rod under control.

本発明の第8の観点は、第1の観点の多結晶シリコンロッド製造用反応炉又は第2ないし第4の観点のいずれかの観点の方法により製造された多結晶シリコンロッド製造用反応炉を用いて多結晶シリコンロッドを製造する方法である。   According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a reactor for manufacturing a polycrystalline silicon rod manufactured by the method for manufacturing a polycrystalline silicon rod according to the first aspect or the method according to any one of the second to fourth aspects. This is a method for producing a polycrystalline silicon rod.

本発明の第1の観点の多結晶シリコンロッド製造用反応炉では、耐熱性を有する金属製材料で構成された反応炉の内壁面に有するシリカコーティング層が、多結晶シリコンを析出させる際の反応炉の内壁からの金属化合物等の不純物を含むアウトガスのガスバリア性を有し、この金属製材料に含まれる金属による多結晶シリコンロッドの汚染を抑制する。   In the reaction furnace for producing a polycrystalline silicon rod according to the first aspect of the present invention, the silica coating layer formed on the inner wall surface of the reaction furnace made of a metal material having heat resistance causes reaction when the polycrystalline silicon is precipitated. It has a gas barrier property of outgas containing impurities such as metal compounds from the inner wall of the furnace, and suppresses contamination of the polycrystalline silicon rod by the metal contained in the metal material.

本発明の第2の観点の方法では、反応炉の材料として特別な材質のものを選定しなくても、耐熱性を有する金属製材料で構成された反応炉の内壁面にシリカコーティング層を形成するだけで、多結晶シリコンを析出させる際の反応炉内壁からのアウトガスによる金属化合物等の不純物で多結晶シリコンを汚染させない反応炉を実現できる。   In the method of the second aspect of the present invention, a silica coating layer is formed on the inner wall surface of a reaction furnace made of a metal material having heat resistance without selecting a special material as the reaction furnace material. Thus, it is possible to realize a reaction furnace that does not contaminate the polycrystalline silicon with impurities such as a metal compound due to outgas from the inner wall of the reaction furnace when the polycrystalline silicon is deposited.

本発明の第3の観点の方法では、シリカコーティング層の形成を、反応炉の内壁面にシリカコーティング液を塗布した後、このコーティング液を硬化させるという簡単な作業で行うことができる。   In the method according to the third aspect of the present invention, the silica coating layer can be formed by a simple operation of applying the silica coating liquid to the inner wall surface of the reactor and then curing the coating liquid.

本発明の第4の観点の方法では、シリカコーティング液をポリシラザン溶液とすることにより、スプレーによる塗布及び水蒸気を用いた加水分解反応による硬化を容易に実施できる。   In the method according to the fourth aspect of the present invention, by applying a silica coating solution as a polysilazane solution, application by spraying and curing by a hydrolysis reaction using water vapor can be easily performed.

本発明の第5の観点の方法では、反応炉内の雰囲気を露点−30〜−50℃に制御することにより反応炉内壁面に適量の水分が保持され、この状態で、反応炉内にトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスをそのまま導入するか、或いはトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスを水素又は不活性ガスで希釈したクロロシランガスを導入すると、このクロロシランが上記水分で容易に加水分解され、反応炉内壁面にシリカコーティング層が形成される。   In the method of the fifth aspect of the present invention, an appropriate amount of moisture is retained on the inner wall surface of the reaction furnace by controlling the atmosphere in the reaction furnace to a dew point of −30 to −50 ° C. In this state, When chlorosilane, silicon tetrachloride or a mixed gas thereof is introduced as it is, or when chlorosilane gas obtained by diluting trichlorosilane, silicon tetrachloride or a mixed gas thereof with hydrogen or an inert gas is introduced, the chlorosilane is easily dissolved with the above moisture. And a silica coating layer is formed on the inner wall surface of the reactor.

本発明の第6の観点の方法では、反応炉を密閉した状態で、クロロシランガスを反応炉内に導入して、反応炉内に保持されている微量の水分とクロロシランとを反応させることにより、反応炉の内壁面にシリカコーティング層を形成して、そのまま反応炉を開放することなく析出反応を開始する、その場コーティングを行う。反応炉を開放しないため、外気の汚染物質がシリカコーティング層及び多結晶シリコンロッドに吸着しない。この結果、多結晶シリコンロッドを製造している間、反応炉内壁面からの多結晶シリコンへのアウトガスによる汚染を抑制することができる。   In the method of the sixth aspect of the present invention, in a state where the reaction furnace is sealed, chlorosilane gas is introduced into the reaction furnace, and a small amount of water held in the reaction furnace is reacted with chlorosilane, A silica coating layer is formed on the inner wall surface of the reaction furnace, and in situ coating is performed in which the precipitation reaction is started without opening the reaction furnace as it is. Since the reactor is not opened, contaminants in the outside air are not adsorbed on the silica coating layer and the polycrystalline silicon rod. As a result, while the polycrystalline silicon rod is being manufactured, it is possible to suppress contamination due to outgas from the inner wall surface of the reactor to the polycrystalline silicon.

本発明の第7の観点の方法では、クロロシランガスを導入することにより形成されるシリカコーティング層が上述した効果を発揮するが、その効果を発揮するまでに発生したアウトガス成分が炉外に排出されるまで、多結晶シリコンの析出速度を0.5mm/h以下に制御することにより、反応炉内壁面からのアウトガスに含有する金属不純物を取り込みながらシリコンが析出することを抑制でき、多結晶シリコンへの汚染の低減に繋がる。   In the method according to the seventh aspect of the present invention, the silica coating layer formed by introducing chlorosilane gas exhibits the above-mentioned effects, but the outgas components generated until the effects are exhibited are discharged outside the furnace. By controlling the deposition rate of polycrystalline silicon to 0.5 mm / h or less, it is possible to suppress the deposition of silicon while taking in metal impurities contained in the outgas from the inner wall of the reactor. It leads to reduction of pollution.

本発明の第8の観点の方法により、上述した反応炉を用いて多結晶シリコンを製造すれば、反応炉の内壁からの金属化合物等の不純物を含むアウトガスが抑制され、高純度の多結晶シリコンロッドを製造することができる。また、反応中に発生する塩化水素などが反応炉開放時等に塩酸となり、反応炉内壁を腐食することを抑制できる。また、反応中にクロロシランポリマーが反応炉の内壁面に付着し、腐食することを抑制できる。   If polycrystalline silicon is produced using the reactor described above by the method of the eighth aspect of the present invention, outgas including impurities such as metal compounds from the inner wall of the reactor is suppressed, and high purity polycrystalline silicon is produced. A rod can be manufactured. Moreover, it can suppress that the hydrogen chloride etc. which generate | occur | produce during reaction turn into hydrochloric acid at the time of reaction furnace opening, etc., and corrode the reaction furnace inner wall. Moreover, it can suppress that a chlorosilane polymer adheres to the inner wall face of a reaction furnace during reaction, and corrodes.

本実施形態の多結晶シリコンロッドを製造する装置の縦断面構成図である。It is a longitudinal cross-section block diagram of the apparatus which manufactures the polycrystalline silicon rod of this embodiment. 別の実施形態の内壁と外壁の構造を示す図1のA部拡大断面図である。It is the A section expanded sectional view of Drawing 1 showing the structure of the inner wall of another embodiment, and an outer wall.

<第1の実施形態>
先ず、本発明の第1の実施形態を図面に基づいて説明する。図1に示すように、多結晶シリコンロッド製造装置10は、反応炉11を有する。反応炉11は、炉底を構成する基台12と、この基台12上に脱着自在に取付けられた釣鐘形状のベルジャ13とを備える。基台12にはガス導入管14及びガス排出管15が貫通して設けられる。また基台12には逆U字状のシリコン種棒16の下端を保持する電極体17、17が貫通して設けられる。種棒16はこれらの電極体17、17に保持されることにより反応炉11の内部に固定される。電極体17、17には給電装置18の出力端子が電気的に接続され、種棒16は給電装置18からの電力により加熱可能に構成される。ガス導入管14からは、例えばトリクロロシラン(SiHCl3)と水素の混合ガスが原料ガスとして反応炉11内に導入され、種棒16の表面に多結晶シリコン析出体19を析出して多結晶シリコンロッドロッド20を製造するように構成される。なお、図1中の符号21は電極体17、17を基台12から電気的に絶縁する絶縁体である。
<First Embodiment>
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the polycrystalline silicon rod manufacturing apparatus 10 includes a reaction furnace 11. The reaction furnace 11 includes a base 12 that forms the furnace bottom, and a bell-shaped bell jar 13 that is detachably attached to the base 12. A gas introduction pipe 14 and a gas discharge pipe 15 are provided through the base 12. The base 12 is provided with electrode bodies 17, 17 that hold the lower end of the inverted U-shaped silicon seed rod 16. The seed bar 16 is fixed to the inside of the reaction furnace 11 by being held by these electrode bodies 17 and 17. An output terminal of a power feeding device 18 is electrically connected to the electrode bodies 17 and 17, and the seed bar 16 is configured to be heated by electric power from the power feeding device 18. From the gas introduction pipe 14, for example, a mixed gas of trichlorosilane (SiHCl 3 ) and hydrogen is introduced into the reaction furnace 11 as a raw material gas, and a polycrystalline silicon precipitate 19 is deposited on the surface of the seed rod 16 to form polycrystalline silicon. It is configured to manufacture the rod rod 20. In addition, the code | symbol 21 in FIG. 1 is an insulator which electrically insulates the electrode bodies 17 and 17 from the base 12. FIG.

第1の実施形態のベルジャ13は、図1のA部拡大図に示すように、内壁23とこの内壁23の外側を覆う外壁24とを有する構造が好ましい。本発明はベルジャが内壁と外壁の複数の炉壁構造で構成されていないベルジャも含む。ベルジャ13は金属製材料で構成される。本実施形態のベルジャ13のうちの内壁23は単一層であって、内壁すべてが金属製材料で構成される。この内壁23と外壁24の間には冷媒25が流れる冷媒流路26が形成される。この冷媒流路26には、冷媒供給系と冷媒回収系が接続される。冷媒供給系では、供給ポンプ27を介して冷媒25が反応炉11の下方から供給され、供給された冷媒25は冷媒流路26を通過した後で反応炉11の頂部から冷媒回収系に排出されるようになっている。また基台12すべてがベルジャ13と同じ金属製材料で構成される。   The bell jar 13 of the first embodiment preferably has a structure having an inner wall 23 and an outer wall 24 that covers the outside of the inner wall 23 as shown in the enlarged view of part A of FIG. The present invention also includes a bell jar in which the bell jar is not composed of a plurality of furnace wall structures of an inner wall and an outer wall. The bell jar 13 is made of a metal material. The inner wall 23 of the bell jar 13 of this embodiment is a single layer, and all the inner walls are made of a metal material. A refrigerant flow path 26 through which the refrigerant 25 flows is formed between the inner wall 23 and the outer wall 24. A refrigerant supply system and a refrigerant recovery system are connected to the refrigerant flow path 26. In the refrigerant supply system, the refrigerant 25 is supplied from below the reaction furnace 11 via the supply pump 27, and the supplied refrigerant 25 passes through the refrigerant flow path 26 and is discharged from the top of the reaction furnace 11 to the refrigerant recovery system. It has become so. All of the base 12 is made of the same metal material as the bell jar 13.

反応炉11を構成する金属製材料は、耐熱性を有する。この金属製材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼が好ましく、例えばSUS304、SUS316、SUS317、SUS309S、SUS347などが挙げられる。その他の金属製材料として、ニッケルクラッド鋼、ニッケルクロム鋼、炭素鋼、インコネル、ハステロイなどの鉄含有金属を用いても良い。   The metal material constituting the reaction furnace 11 has heat resistance. As the metal material, austenitic stainless steel is preferable, and examples thereof include SUS304, SUS316, SUS317, SUS309S, and SUS347. As other metal materials, iron-containing metals such as nickel-clad steel, nickel-chrome steel, carbon steel, Inconel, and Hastelloy may be used.

本発明の特徴ある構成は、金属製材料で構成される反応炉11の内壁面にシリカコーティング層28を有することにある。第1の実施形態では、このシリカコーティング層28は、シリカコーティング液を反応炉11の内壁面に塗布し、硬化させて形成される。シリカコーティング液としては、ポリシラザンを溶媒に溶解したポリシラザン溶液が好ましい。最も単純なポリシラザンとして、「−(SiH2−NH)−」を基本ユニットとする有機溶剤に可溶な無機高分子化合物であり、全ての側鎖が水素であるパーヒドロポリシラザンが挙げられる。パーヒドロポリシラザンは、例えば以下の反応式で表されるように、水(H2O)と反応してアンモニア(NH3)を発生しながら、緻密なシリカガラス膜を生成する。
(−SiH2NH−)+2H2O →(−SiO2−)+NH3+2H2
A characteristic configuration of the present invention is to have a silica coating layer 28 on the inner wall surface of the reactor 11 made of a metal material. In the first embodiment, the silica coating layer 28 is formed by applying a silica coating solution to the inner wall surface of the reaction furnace 11 and curing it. As the silica coating solution, a polysilazane solution in which polysilazane is dissolved in a solvent is preferable. The simplest polysilazane is a perhydropolysilazane which is an inorganic polymer compound soluble in an organic solvent having “— (SiH 2 —NH) —” as a basic unit and all side chains are hydrogen. Perhydropolysilazane, for example, as represented by the following reaction formula, reacts with water (H 2 O) to generate ammonia (NH 3 ), and produces a dense silica glass film.
(-SiH 2 NH -) + 2H 2 O → (-SiO 2 -) + NH 3 + 2H 2

上記溶媒としては、ジブチルエーテル、キシレン等が挙げられる。   Examples of the solvent include dibutyl ether and xylene.

シリカコーティング液中のポリシラザンの量は、金属製材料の表面性に合わせて選択する必要があり、全シリカコーティング液に対する固形分濃度としては、好ましくは1〜20質量%である。   The amount of polysilazane in the silica coating solution needs to be selected according to the surface properties of the metal material, and the solid content concentration with respect to the total silica coating solution is preferably 1 to 20% by mass.

反応炉11の内壁面への塗布方法は、スプレーコートが挙げられる。塗布後のシリカコーティング液の硬化は、例えば80℃以上、より好ましくは100℃以上で行われる。この硬化処理を水蒸気雰囲気で行うと、ポリシラザンを含有した液層からシリカコーティング層への転化が早まり、好ましい結果が得られる。これは、シリカコーティング液中のポリシラザンの加水分解反応が水蒸気との間で加速進行し、実質的なシリカコーティング層が完結形成されるためである。また一方、この硬化処理は、150℃〜450℃の大気中にて1〜3時間放置することにより、シリカコーティング層を得ることもできる。   Examples of the method for applying the inner wall surface of the reaction furnace 11 include spray coating. Curing of the silica coating liquid after application is performed at, for example, 80 ° C. or higher, more preferably 100 ° C. or higher. When this curing treatment is performed in a water vapor atmosphere, the conversion from the liquid layer containing polysilazane to the silica coating layer is accelerated, and preferable results are obtained. This is because the hydrolysis reaction of polysilazane in the silica coating solution accelerates with water vapor, and a substantial silica coating layer is formed completely. On the other hand, this hardening process can also obtain a silica coating layer by leaving to stand in air | atmosphere of 150 to 450 degreeC for 1 to 3 hours.

シリカコーティング層の厚さは、0.05〜5μmの範囲であることが好ましい。この範囲にあると、コーティング層は安定的に金属製材料で構成される反応炉11の内壁面に密着し、コーティング層の剥がれ、クラック、割れ等発生することはない。5μmを超えるとコーティング層に剛性が生じ、ひび割れし易くなる。0.05μm未満であると、本発明の実質的な効果が得られない場合がある。   The thickness of the silica coating layer is preferably in the range of 0.05 to 5 μm. If it exists in this range, a coating layer will closely_contact | adhere to the inner wall face of the reaction furnace 11 comprised with metal materials, and a coating layer will not peel, a crack, a crack, etc. generate | occur | produce. If it exceeds 5 μm, the coating layer becomes rigid and easily cracked. If it is less than 0.05 μm, the substantial effect of the present invention may not be obtained.

なお、上記実施形態では、内壁23のすべてが金属製材料の単一層で構成される形態を説明したが、本発明は、この形態以外に、図2に示すように、内壁23が二層構造であって、炉内側の内層23aと外壁側の外層23bで構成される場合には、外層23bには、反応炉11内の熱を内壁から冷媒流路26に効率的に伝導させるため、内層23aよりも熱伝導率の高い金属製材料の熱伝導層が挙げられる。   In the above embodiment, the form in which all of the inner wall 23 is composed of a single layer of metal material has been described. However, in the present invention, the inner wall 23 has a two-layer structure as shown in FIG. When the inner layer 23a on the inner side of the furnace and the outer layer 23b on the outer wall side are configured, the outer layer 23b has an inner layer for efficiently conducting heat in the reaction furnace 11 from the inner wall to the refrigerant flow path 26. Examples thereof include a heat conductive layer made of a metal material having a higher heat conductivity than 23a.

このように構成された多結晶シリコンロッド製造装置10を用いて多結晶シリコンロッド20を製造する方法を説明する。予め多結晶シリコンからなる種棒16を作製しておく。種棒16は、使用前に酸の薬液で洗浄することが好ましい。これにより、種棒16の表面に付着した不純物などを除去できるため、汚染の少ない高純度の多結晶シリコンロッド20が得られる。   A method of manufacturing the polycrystalline silicon rod 20 using the polycrystalline silicon rod manufacturing apparatus 10 configured as described above will be described. A seed rod 16 made of polycrystalline silicon is prepared in advance. The seed bar 16 is preferably washed with an acid chemical before use. Thereby, impurities and the like attached to the surface of the seed rod 16 can be removed, so that a high-purity polycrystalline silicon rod 20 with little contamination can be obtained.

先ず、種棒16を反応炉11に配置する。この種棒16の配置は、基台12に設けられた電極体17、17に種棒16の下端を保持させることにより行われる。そして炉内ヒータなどで種棒16を予熱した後、給電装置18により電極体17、17を介して通電して種棒16を加熱する。加熱温度は約1000〜1300℃の範囲内の所定の温度(例えば、約1100℃)である。種棒16の加熱に合わせて、トリクロロシランと水素との混合ガスをガス導入管14から原料ガスとして反応炉11内に導入する。この導入されたガスは、加熱された高温の種棒16により加熱されている反応炉11の内部を上昇し、ガスが対流している間に、次の式(1)及び(2)に示すように、トリクロロシラン(TCS:SiHCl3)が熱分解し又は水素により還元され、種棒16の表面に多結晶シリコン析出体19が形成される。多結晶シリコンの析出に使用された反応炉11内のガスはガス排出管15から排出される。
4SiHCl3 → Si + 3SiCl4+ 2H2 (1)
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl (2)
First, the seed rod 16 is placed in the reaction furnace 11. The arrangement of the seed bar 16 is performed by holding the lower ends of the seed bar 16 on the electrode bodies 17, 17 provided on the base 12. Then, after preheating the seed rod 16 with an in-furnace heater or the like, the seed rod 16 is heated by energization through the electrode bodies 17 and 17 by the power feeding device 18. The heating temperature is a predetermined temperature within a range of about 1000 to 1300 ° C. (for example, about 1100 ° C.). As the seed rod 16 is heated, a mixed gas of trichlorosilane and hydrogen is introduced from the gas introduction pipe 14 into the reaction furnace 11 as a raw material gas. The introduced gas rises inside the reaction furnace 11 heated by the heated high temperature seed rod 16 and is expressed by the following equations (1) and (2) while the gas is convection. As described above, trichlorosilane (TCS: SiHCl 3 ) is thermally decomposed or reduced by hydrogen, and a polycrystalline silicon precipitate 19 is formed on the surface of the seed rod 16. The gas in the reaction furnace 11 used for the deposition of polycrystalline silicon is discharged from the gas discharge pipe 15.
4SiHCl 3 → Si + 3SiCl 4 + 2H 2 (1)
SiHCl 3 + H 2 → Si + 3HCl (2)

種棒16の表面に多結晶シリコン析出体19が形成されている間、冷媒供給系の供給ポンプ27から冷媒25が冷媒流路26に供給される。1000℃を超える温度にて加熱しながら多結晶シリコン析出体19が形成されている間において、反応炉11の内壁面はシリカコーティング層28で被覆されているため、反応炉11の内壁面の金属製材料からは、金属化合物等の不純物を含むアウトガスが抑制される。このシリカコーティング層28が形成された反応炉11により、各々の不純物量が0.1ppbw未満の高純度の多結晶シリコンロッド20を製造することができる。前記不純物濃度は、誘導結合プラズマ質量分析(ICP−MS)により求めることが可能である。その方法としては、分析試料となる多結晶シリコン片をフッ化水素酸と硝酸の混酸液中で溶解させた後に蒸発乾固させ、その残渣をフッ化水素酸と硝酸の混酸液中で溶解させた水溶液中の鉄、クロム、ニッケルの濃度をICP−MSを用いて分析する。   While the polycrystalline silicon precipitate 19 is formed on the surface of the seed rod 16, the coolant 25 is supplied from the supply pump 27 of the coolant supply system to the coolant channel 26. Since the inner wall surface of the reaction furnace 11 is covered with the silica coating layer 28 while the polycrystalline silicon precipitate 19 is formed while heating at a temperature exceeding 1000 ° C., the metal on the inner wall surface of the reaction furnace 11 Outgas including impurities such as metal compounds is suppressed from the manufacturing material. By the reaction furnace 11 in which the silica coating layer 28 is formed, a high-purity polycrystalline silicon rod 20 in which each impurity amount is less than 0.1 ppbw can be manufactured. The impurity concentration can be determined by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). As a method, a polycrystalline silicon piece as an analysis sample is dissolved in a mixed acid solution of hydrofluoric acid and nitric acid, evaporated to dryness, and the residue is dissolved in a mixed acid solution of hydrofluoric acid and nitric acid. The concentration of iron, chromium, and nickel in the aqueous solution is analyzed using ICP-MS.

<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態を説明する。第2の実施形態では、図1に示される反応炉11の内壁面に形成されるシリカコーティング層28が反応炉11内の雰囲気を露点−30〜−50℃に制御して反応炉11内にクロロシランガスを導入することにより行われる。反応炉内にクロロシランガスの導入方法としては、第一にトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスであるクロロシランガスをそのまま反応炉に導入する方法と、第二にトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスを水素又は不活性ガスで希釈したクロロシランガスを反応炉に導入する方法がある。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the silica coating layer 28 formed on the inner wall surface of the reaction furnace 11 shown in FIG. 1 controls the atmosphere in the reaction furnace 11 to a dew point of −30 to −50 ° C. This is done by introducing chlorosilane gas. As a method for introducing chlorosilane gas into the reaction furnace, firstly, a method of introducing chlorosilane gas, which is trichlorosilane, silicon tetrachloride or a mixed gas thereof, into the reaction furnace as it is, and secondly, trichlorosilane, silicon tetrachloride or There is a method of introducing a chlorosilane gas obtained by diluting the mixed gas with hydrogen or an inert gas into a reaction furnace.

第2の実施形態で形成されるシリカコーティングは、第1の実施形態でポリシラザン溶液を用いて形成されるシリカコーティングよりは若干効果が落ちるけれども、本発明の目的を達成する上で、クロロシランガスを用いた前述した「その場コーティング法」も、実用的でかつ有効なコーティング方法である。   Although the silica coating formed in the second embodiment is slightly less effective than the silica coating formed using the polysilazane solution in the first embodiment, chlorosilane gas is used to achieve the object of the present invention. The aforementioned “in-situ coating method” used is also a practical and effective coating method.

次に、第2の実施形態のシリカコーティング層を形成するまでの経緯を詳述する。四塩化ケイ素(SiCl4)やトリクロロシラン(SiHCl3)などのクロロシランは、水分と接触すると、容易に加水分解される。この加水分解反応は、理想的には、次の式(3)の反応が予想される。しかし現実には次の式(4)及び(5)の脱塩素反応と、脱水縮合反応が行われる。
SiCl4 + 2H2O → SiO2 + 4HCl (3)
Si−Cl + H2O → SiOH + HCl (4)
Si−OH + Si−OH → Si−O−Si +H2O (5)
Next, the process up to the formation of the silica coating layer of the second embodiment will be described in detail. Chlorosilanes such as silicon tetrachloride (SiCl 4 ) and trichlorosilane (SiHCl 3 ) are easily hydrolyzed when in contact with moisture. Ideally, this hydrolysis reaction is expected to be a reaction of the following formula (3). However, in reality, the dechlorination reaction and the dehydration condensation reaction of the following formulas (4) and (5) are performed.
SiCl 4 + 2H 2 O → SiO 2 + 4HCl (3)
Si-Cl + H 2 O → SiOH + HCl (4)
Si—OH + Si—OH → Si—O—Si + H 2 O (5)

式(4)及び(5)の反応の結果として、一部はSi−OH結合も残った、不完全なシリカが形成される。なお、式(4)における「Si−Cl」及び式(5)における「Si−OH」は、クロロシラン又はシリカの末端構造を示す。そのため、空気に触れさせると、汚染を吸着しやすく、品質悪化につながるが、ある程度の厚さがあればステンレス鋼等の金属製材料の表面に対する皮膜としてはアウトガスの発生を抑制する作用があるために、皮膜形成後、反応炉を開放せずに析出反応を開始させる「その場コーティング法」によりシリカコーティング層を形成すれば、多結晶シリコンロッドの汚染低減の効果が得られる。   As a result of the reactions of formulas (4) and (5), incomplete silica is formed, with some Si-OH bonds remaining. In addition, "Si-Cl" in Formula (4) and "Si-OH" in Formula (5) show the terminal structure of chlorosilane or silica. Therefore, when exposed to air, it is easy to adsorb contamination and lead to deterioration of quality, but if it has a certain thickness, it acts as a coating on the surface of metallic materials such as stainless steel, which suppresses the generation of outgas In addition, if the silica coating layer is formed by the “in-situ coating method” in which the precipitation reaction is started without opening the reaction furnace after the film is formed, the effect of reducing the contamination of the polycrystalline silicon rod can be obtained.

式(3)に示されるクロロシランの加水分解反応を起こさせるためには水分が必要であり、第1の実施形態と同様に、反応炉内壁面に0.05〜5μmの厚さのシリカコーティング層を形成させるには、適量の十分な水分がある状態でクロロシランガスを導入することが必要である。このために、この反応炉内の雰囲気を露点−30〜−50℃に制御する。露点が−30℃を超えた状態で、クロロシランガスを導入すると、気相で反応が起こって微粉末を生じ、シリカコーティング層が反応炉内壁面全体に形成されにくくなる。一方で、露点が−50℃を下回った状態でクロロシランガスを導入すると、反応炉内壁面に十分な厚さのシリカコーティング層が形成されない部分が残る。   In order to cause the hydrolysis reaction of chlorosilane represented by the formula (3), moisture is required, and the silica coating layer having a thickness of 0.05 to 5 μm is formed on the inner wall surface of the reaction furnace as in the first embodiment. In order to form the chlorosilane gas, it is necessary to introduce chlorosilane gas in a state where there is a sufficient amount of sufficient moisture. For this purpose, the atmosphere in the reactor is controlled to a dew point of −30 to −50 ° C. When chlorosilane gas is introduced in a state where the dew point exceeds −30 ° C., a reaction occurs in the gas phase to produce fine powder, and a silica coating layer is hardly formed on the entire inner wall surface of the reaction furnace. On the other hand, when chlorosilane gas is introduced in a state where the dew point is lower than −50 ° C., a portion where a silica coating layer having a sufficient thickness is not formed on the inner wall surface of the reaction furnace remains.

第2の実施形態で多結晶シリコンロッドを製造する方法について説明する。第1の実施形態と同様に、シリコン種棒を用意し、反応炉の内底部に配設された電極体にシリコン種棒を組み立てる。第1の実施形態と同じ金属製材料により構成されたベルジャを第1の実施形態と同じ金属製材料により構成された反応炉の基台に配置して反応炉を密閉する。続いて、この反応炉内の雰囲気を露点−30〜−50℃に制御し、反応炉内にトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスであるクロロシランガスをそのまま導入するか、或いはトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスを水素又は不活性ガスで希釈したクロロシランガスを導入する。これにより反応炉の内壁面にシリカコーティング層が形成される。この状態で、そのまま反応炉を開放することなく析出反応を開始させて、その場コーティングを行い、シリコン種棒表面に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンロッドを製造する。   A method for manufacturing a polycrystalline silicon rod in the second embodiment will be described. Similar to the first embodiment, a silicon seed rod is prepared, and the silicon seed rod is assembled to the electrode body disposed on the inner bottom of the reactor. The bell jar made of the same metal material as in the first embodiment is placed on the base of the reaction furnace made of the same metal material as in the first embodiment to seal the reaction furnace. Subsequently, the atmosphere in the reactor is controlled to a dew point of −30 to −50 ° C., and chlorosilane gas, which is trichlorosilane, silicon tetrachloride or a mixed gas thereof, is introduced into the reactor as it is, or trichlorosilane, A chlorosilane gas obtained by diluting silicon tetrachloride or a mixed gas thereof with hydrogen or an inert gas is introduced. Thereby, a silica coating layer is formed on the inner wall surface of the reactor. In this state, the deposition reaction is started without opening the reactor as it is, and in-situ coating is performed to deposit polycrystalline silicon on the surface of the silicon seed rod to produce a polycrystalline silicon rod.

上記クロロシランガスの導入は、シリコン種棒への通電前でも、通電後でもよい。通電後の高温の種棒は、アウトガスに含有する金属不純物を吸収するため、通電前の方が、品質的には好ましい。通電後にクロロシランガスを導入する場合には、多結晶シリコンの析出速度を0.5mm/h以下に制御することによって、種棒に取り込まれる不純物を最小限に抑制することができる。   The introduction of the chlorosilane gas may be performed before or after energization to the silicon seed rod. Since the high temperature seed rod after energization absorbs metal impurities contained in the outgas, it is preferable in terms of quality before energization. When the chlorosilane gas is introduced after energization, the impurities taken into the seed rod can be minimized by controlling the deposition rate of polycrystalline silicon to 0.5 mm / h or less.

反応炉内壁面にシリカコーティング層を、シリコン種棒への通電前に形成するか、又はシリコン種棒への通電後の多結晶シリコンロッドを製造する初期段階で形成することにより、多結晶シリコンロッド製造中に反応炉内壁面からの多結晶シリコンへのアウトガスによる汚染を抑制することができる。   By forming a silica coating layer on the inner wall of the reactor before energizing the silicon seed rod, or by forming it in the initial stage of manufacturing the polycrystalline silicon rod after energizing the silicon seed rod, the polycrystalline silicon rod Contamination due to outgas from the inner wall of the reaction furnace to the polycrystalline silicon during the production can be suppressed.

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。   Next, examples of the present invention will be described in detail together with comparative examples.

<実施例1>
第1の実施形態に基づきシリカコーティング層を形成した。即ち、内壁がオーステナイト系ステンレス鋼で構成された反応炉の内壁面すべてにわたって、ポリシラザン濃度10質量%のジブチルエーテル溶液(サンワ化学社製)からなるシリカコーティング液を20cc/m2の塗布量で、硬化後シリカコーティング層の厚さが1μmとなるよう、均一にスプレーコートした。スプレーコート後、大気圧下、120℃の温度で1時間保持し、更に湿度80%、温度90℃にて3時間保持して、シリカコーティング液を硬化させシリカコーティング層を形成した。
<Example 1>
A silica coating layer was formed based on the first embodiment. That is, a silica coating solution composed of a dibutyl ether solution having a polysilazane concentration of 10% by mass (manufactured by Sanwa Chemical Co., Ltd.) is applied at a coating amount of 20 cc / m 2 over the entire inner wall surface of the reactor whose inner wall is made of austenitic stainless steel. After curing, spray coating was uniformly performed so that the thickness of the silica coating layer was 1 μm. After spray coating, it was kept at a temperature of 120 ° C. for 1 hour under atmospheric pressure, and further kept at a humidity of 80% and a temperature of 90 ° C. for 3 hours to cure the silica coating solution to form a silica coating layer.

一方、洗浄したシリコン種棒を用意し、この種棒を反応炉の内底部に配設された電極体にそれぞれ立設し、これらの種棒の上端部間を連結部材で繋いで鳥居型に組立てた。内壁面にシリカコーティング層を形成したベルジャを内壁面にシリカコーティング層を形成した反応炉の基台に配置した。   On the other hand, a cleaned silicon seed rod is prepared, and this seed rod is erected on the electrode body disposed on the inner bottom portion of the reaction furnace, and the upper ends of these seed rods are connected by a connecting member to form a torii type. Assembled. A bell jar with a silica coating layer formed on the inner wall surface was placed on the base of a reactor having a silica coating layer formed on the inner wall surface.

続いて、種棒をヒーターで予熱した後に通電して約1100℃に昇温した後、トリクロロシラン(TCS)と水素の原料ガスを約100時間反応炉内に供給した。種棒の表面上にシリコンを析出成長させて、直径約110mmの多結晶シリコンロッドを製造した。   Subsequently, after the seed rod was preheated with a heater and energized to raise the temperature to about 1100 ° C., trichlorosilane (TCS) and hydrogen source gas were supplied into the reactor for about 100 hours. Silicon was deposited and grown on the surface of the seed rod to produce a polycrystalline silicon rod having a diameter of about 110 mm.

<比較例1>
内壁面にシリカコーティング層を形成していないベルジャを内壁面にシリカコーティング層を形成していない反応炉の基台に配置し、実施例1と同様にして、多結晶シリコンロッドを製造した。
<Comparative Example 1>
A bellows in which no silica coating layer was formed on the inner wall surface was placed on the base of a reaction furnace in which no silica coating layer was formed on the inner wall surface, and a polycrystalline silicon rod was produced in the same manner as in Example 1.

<実施例2>
第2の実施形態に基づきシリカコーティング層を形成した。即ち、実施例1と同じオーステナイト系ステンレス製の内壁面がコーティングされていないベルジャを、種棒を組み立てた後に、実施例1と同じオーステナイト系ステンレス製の内壁面がコーティングされていない反応炉の基台に配置して反応炉を密閉した。この例では、反応炉は内容積が約15m3で内壁表面積が約30m2であった。水封ポンプ及び油回転ポンプにて反応炉を減圧するとともに、炉内の空気を窒素で置換した。これを3回繰り返して反応炉内の露点を計測したところ、−32℃であった。再び油回転ポンプにて減圧(−0.1MPaG)してから、四塩化ケイ素(液)を入口配管に0.5Lを投入した。四塩化ケイ素液が気化して炉内圧は次第に上昇した。この操作により、炉内に万遍なく四塩化ケイ素ガスが供給されるため、反応炉の内壁面全体にシリカコーティング層が形成される。10分後、炉内圧を示す圧力計の針がわずかに振れたところで窒素ガスを0.02MPaGまで導入し、再び水封ポンプにて残った四塩化ケイ素(ガス)を排出してから炉内をアルゴンガスで置換した。引き続いて、炉内ヒータにより種棒を予熱後、種棒に通電し、その後、反応炉内を水素で置換して、トリクロロシラン(TCS)と水素の原料ガスを供給し、析出反応を開始した。種棒の表面上にシリコンを析出成長させて、直径約110mmの多結晶シリコンロッドを製造した。
<Example 2>
A silica coating layer was formed based on the second embodiment. That is, the same austenite stainless steel inner wall surface coated with a bellows as in Example 1 was assembled, and after assembling the seed rod, the same austenitic stainless steel inner wall surface as in Example 1 was coated with a reactor. The reactor was sealed on the stage. In this example, the reactor had an inner volume of about 15 m 3 and an inner wall surface area of about 30 m 2 . The reactor was depressurized with a water ring pump and an oil rotary pump, and the air in the furnace was replaced with nitrogen. It was -32 degreeC when this was repeated 3 times and the dew point in a reaction furnace was measured. After reducing the pressure again (−0.1 MPaG) with an oil rotary pump, 0.5 L of silicon tetrachloride (liquid) was charged into the inlet pipe. The silicon tetrachloride solution was vaporized and the furnace pressure gradually increased. By this operation, silicon tetrachloride gas is uniformly supplied into the furnace, so that a silica coating layer is formed on the entire inner wall surface of the reaction furnace. After 10 minutes, when the pressure gauge needle showing the pressure in the furnace slightly swings, nitrogen gas is introduced to 0.02 MPaG, and the remaining silicon tetrachloride (gas) is discharged again by the water ring pump, and then the inside of the furnace is discharged. Replaced with argon gas. Subsequently, after preheating the seed rod with the in-furnace heater, the seed rod was energized, and then the inside of the reaction furnace was replaced with hydrogen, and the raw material gas of trichlorosilane (TCS) and hydrogen was supplied to start the precipitation reaction. . Silicon was deposited and grown on the surface of the seed rod to produce a polycrystalline silicon rod having a diameter of about 110 mm.

<実施例3>
第2の実施形態に基づきシリカコーティング層を形成した。即ち、実施例2と同様に種棒を組み立てた後に、実施例2と同じベルジャを実施例2と同じ反応炉の基台に配置して反応炉を密閉した。水封ポンプにて反応炉を減圧するとともに、炉内の空気を窒素で置換した。これを3回繰り返して反応炉内の露点を計測したところ、−48℃であった。引き続いて、反応炉内をアルゴンで置換して、種棒に通電した。この状態で、四塩化ケイ素に対して約8倍の水素をキャリアガスとした混合ガスを供給し、30分間継続した。その後、反応炉を開放することなく、反応炉内にトリクロロシラン(TCS)と水素の原料ガスを供給し、析出反応を開始した。上記四塩化ケイ素と水素の混合ガスを30分間導入する前後の多結晶シリコンロッドをのぞき窓からそれぞれ写真撮影した。上記混合ガスの導入前後の多結晶シリコンの外径の差から、上記混合ガス導入の30分間における多結晶シリコンの成長量は0.1mm以下であった。引き続き、反応炉を開放することなく、上記原料ガスを供給して、析出反応を続け、種棒の表面上にシリコンを析出成長させて、直径約110mmの多結晶シリコンロッドを製造した。
<Example 3>
A silica coating layer was formed based on the second embodiment. That is, after assembling the seed rod in the same manner as in Example 2, the same bell jar as in Example 2 was placed on the same reactor base as in Example 2 to seal the reaction furnace. The reactor was depressurized with a water ring pump, and the air in the furnace was replaced with nitrogen. It was -48 degreeC when this was repeated 3 times and the dew point in a reactor was measured. Subsequently, the inside of the reactor was replaced with argon, and the seed rod was energized. In this state, a mixed gas using about 8 times as much hydrogen as the carrier gas relative to silicon tetrachloride was supplied and continued for 30 minutes. Thereafter, the raw material gas of trichlorosilane (TCS) and hydrogen was supplied into the reaction furnace without opening the reaction furnace, and the precipitation reaction was started. The polycrystalline silicon rods before and after introducing the mixed gas of silicon tetrachloride and hydrogen for 30 minutes were photographed from the observation windows. From the difference in the outer diameter of the polycrystalline silicon before and after the introduction of the mixed gas, the growth amount of the polycrystalline silicon in 30 minutes after the introduction of the mixed gas was 0.1 mm or less. Subsequently, the raw material gas was supplied without opening the reaction furnace, the precipitation reaction was continued, and silicon was deposited and grown on the surface of the seed rod to produce a polycrystalline silicon rod having a diameter of about 110 mm.

<比較例2>
第2の実施形態に基づき、実施例2と同じベルジャ及び基台を用いて、実施例2と同様に反応炉内に四塩化ケイ素(液)を導入することより、シリカコーティング層を形成した。シリカコーティング層を形成したところで、一旦ベルジャを外して反応炉を開放し、反応炉内壁面にシリカコーティング層が形成されているかを確認した。予め反応炉の基台及びベルジャ内壁面にそれぞれ貼り付けておいたテストピースを回収し、これらのテストピースの表面を電子顕微鏡で観察したところ、約0.5μmのシリカコーティング層が形成されていることが確認できた。再びベルジャを反応炉の基台に配置して反応炉を密閉し、それ以降、実施例2と同様にして種棒の表面上にシリコンを析出成長させて、直径約110mmの多結晶シリコンロッドを製造した。
<Comparative example 2>
Based on the second embodiment, a silica coating layer was formed by introducing silicon tetrachloride (liquid) into the reaction furnace in the same manner as in Example 2 using the same bell jar and base as in Example 2. When the silica coating layer was formed, the bell jar was once removed and the reaction furnace was opened, and it was confirmed whether the silica coating layer was formed on the inner wall surface of the reaction furnace. The test pieces previously attached to the reactor base and the inner wall of the bell jar were collected, and the surface of these test pieces was observed with an electron microscope. As a result, a silica coating layer of about 0.5 μm was formed. I was able to confirm. The bell jar was again placed on the base of the reactor, and the reactor was sealed. Thereafter, silicon was deposited and grown on the surface of the seed rod in the same manner as in Example 2 to obtain a polycrystalline silicon rod having a diameter of about 110 mm. Manufactured.

<評価その1>
実施例1と比較例1で得られた2種類の多結晶シリコンロッドから試料をそれぞれ切り出した。試料に含まれる不純物の濃度をICP−MSを用いて測定した。具体的には、各ロッドから3個の試料を採取して、試料毎に鉄(Fe)、クロム(Cr)及びニッケル(Ni)の各濃度を測定し、その平均値を求めた。その結果を表1に示す。
<Evaluation 1>
Samples were cut from the two types of polycrystalline silicon rods obtained in Example 1 and Comparative Example 1, respectively. The concentration of impurities contained in the sample was measured using ICP-MS. Specifically, three samples were collected from each rod, and the concentrations of iron (Fe), chromium (Cr), and nickel (Ni) were measured for each sample, and the average value was obtained. The results are shown in Table 1.

Figure 2018087126
Figure 2018087126

表1から明らかなように、Fe濃度に関して、比較例1では0.15ppbwであったものが、実施例1では0.08ppbwに低減した。またCr濃度及びFe濃度に関して、比較例1ではそれぞれ0.08ppbwであったものが、実施例1ではそれぞれ0.02ppbwに低減した。このことから、シリカコーティング層による金属化合物等を含むアウトガスの抑制が顕著に現れていて、高純度の多結晶シリコンロッドが得られることを確認した。   As is clear from Table 1, the Fe concentration was 0.15 ppbw in Comparative Example 1, but was reduced to 0.08 ppbw in Example 1. Further, regarding the Cr concentration and the Fe concentration, those in Comparative Example 1 were 0.08 ppbw, but in Example 1, each was reduced to 0.02 ppbw. From this, it was confirmed that suppression of outgas including a metal compound or the like by the silica coating layer was remarkably exhibited, and a high-purity polycrystalline silicon rod was obtained.

<評価その2>
実施例2、3と比較例2で得られた3種類の多結晶シリコンロッドから試料をそれぞれ切り出した。試料に含まれる不純物の濃度をICP−MSを用いて測定した。具体的には、各ロッドから3個の試料を採取して、試料毎に鉄(Fe)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、ボロン(B)及びリン(P)の各濃度を測定し、その平均値を求めた。その結果を表2に示す。
<Evaluation 2>
Samples were cut from the three types of polycrystalline silicon rods obtained in Examples 2 and 3 and Comparative Example 2, respectively. The concentration of impurities contained in the sample was measured using ICP-MS. Specifically, three samples are taken from each rod, and the concentrations of iron (Fe), chromium (Cr), nickel (Ni), boron (B), and phosphorus (P) are measured for each sample. The average value was obtained. The results are shown in Table 2.

Figure 2018087126
Figure 2018087126

表1と表2の結果を比較すると、鉄(Fe)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)の各不純物濃度に関して、実施例2及び3では、実施例1よりも僅かに高めであったが、表2から明らかなように、Cr濃度を除いて、実施例2及び3では、不純物濃度は比較例2よりも低く、不純物汚染を抑制する効果が見られることが判った。特に、比較例2においては、鉄(Fe)、クロム(Cr)のほかに、ボロン(B)及びリン(P)についても、それらの濃度は実施例2、3よりも高めであった。これは、ベルジャを外して反応炉を一旦開放したことによって空気中からシリカコーティング層が不純物成分を吸着したためと推定された。   Comparing the results of Table 1 and Table 2, in Examples 2 and 3, the impurity concentrations of iron (Fe), chromium (Cr), and nickel (Ni) were slightly higher than those in Example 1. As is apparent from Table 2, it was found that in Examples 2 and 3, except for the Cr concentration, the impurity concentration was lower than that of Comparative Example 2 and the effect of suppressing impurity contamination was observed. In particular, in Comparative Example 2, in addition to iron (Fe) and chromium (Cr), the concentrations of boron (B) and phosphorus (P) were higher than those in Examples 2 and 3. This was presumed to be because the silica coating layer adsorbed impurity components from the air by removing the bell jar and opening the reactor once.

本発明の多結晶シリコンロッド製造用反応炉は、半導体機器に利用される単結晶シリコンを製造するための原料となる高純度の多結晶シリコンロッドを製造するのに利用することができる。   The reactor for producing a polycrystalline silicon rod of the present invention can be used for producing a high-purity polycrystalline silicon rod as a raw material for producing single crystal silicon used in semiconductor equipment.

10 多結晶シリコンロッド製造装置
11 反応炉
13 ベルジャ
20 多結晶シリコンロッド
23 内壁
24 外壁
28 シリカコーティング層
10 Polycrystalline silicon rod production apparatus 11 Reactor 13 Berja 20 Polycrystalline silicon rod 23 Inner wall 24 Outer wall 28 Silica coating layer

Claims (8)

反応炉が耐熱性を有する金属製材料により構成された多結晶シリコンロッド製造用反応炉において、前記反応炉の内壁面にシリカコーティング層を有することを特徴とする多結晶シリコンロッド製造用反応炉。   A reaction furnace for producing a polycrystalline silicon rod, wherein the reaction furnace is made of a metal material having heat resistance, and has a silica coating layer on an inner wall surface of the reaction furnace. 反応炉が耐熱性を有する金属製材料により構成された多結晶シリコンロッド製造用反応炉の内壁面にシリカコーティング層を形成することにより多結晶シリコンロッド製造用反応炉を製造する方法。   A method of manufacturing a reactor for manufacturing a polycrystalline silicon rod by forming a silica coating layer on an inner wall surface of a reactor for manufacturing a polycrystalline silicon rod, wherein the reactor is made of a heat-resistant metal material. 前記シリカコーティング層の形成が前記反応炉の内壁面にシリカコーティング液を塗布し硬化させることにより行われる請求項2記載の多結晶シリコンロッド製造用反応炉の製造方法。   The method for producing a reactor for producing a polycrystalline silicon rod according to claim 2, wherein the formation of the silica coating layer is performed by applying a silica coating solution to an inner wall surface of the reaction furnace and curing it. 前記シリカコーティング液がポリシラザン溶液である請求項3記載の多結晶シリコンロッド製造用反応炉の製造方法。   4. The method for producing a polycrystalline silicon rod reactor according to claim 3, wherein the silica coating solution is a polysilazane solution. 前記シリカコーティング層の形成が前記多結晶シリコンロッド製造用反応炉の炉内の雰囲気を露点−30〜−50℃に制御して前記反応炉内にトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスであるクロロシランガスをそのまま導入するか、或いはトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスを水素又は不活性ガスで希釈したクロロシランガスを導入することにより行われる請求項2記載の多結晶シリコンロッド製造用反応炉の製造方法。   In the formation of the silica coating layer, the atmosphere in the reactor for producing the polycrystalline silicon rod is controlled to a dew point of −30 to −50 ° C., and the reactor is filled with trichlorosilane, silicon tetrachloride or a mixed gas thereof. 3. The polycrystalline silicon rod manufacturing method according to claim 2, wherein a certain chlorosilane gas is introduced as it is or a chlorosilane gas obtained by diluting trichlorosilane, silicon tetrachloride or a mixed gas thereof with hydrogen or an inert gas is introduced. A method for manufacturing a reactor. シリコン種棒を組み立て、耐熱性を有する金属製材料により構成された反応炉を密閉した後、前記反応炉内の雰囲気を露点−30〜−50℃に制御し、前記反応炉内にトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスであるクロロシランガスをそのまま導入するか、或いはトリクロロシラン、四塩化ケイ素又はそれらの混合ガスを水素又は不活性ガスで希釈したクロロシランガスを導入して、前記反応炉の内壁面にシリカコーティング層を形成し、そのまま前記反応炉を開放することなく前記シリコン種棒表面に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンロッドを製造する方法。   After assembling a silicon seed rod and sealing a reaction furnace made of a metal material having heat resistance, the atmosphere in the reaction furnace is controlled to a dew point of −30 to −50 ° C., and trichlorosilane is contained in the reaction furnace. The chlorosilane gas which is silicon tetrachloride or a mixed gas thereof is introduced as it is, or a chlorosilane gas obtained by diluting trichlorosilane, silicon tetrachloride or a mixed gas thereof with hydrogen or an inert gas is introduced. A method for producing a polycrystalline silicon rod by forming a silica coating layer on an inner wall surface and depositing polycrystalline silicon on the surface of the silicon seed rod without opening the reactor as it is. 前記クロロシランガスを前記シリコン種棒に通電した後に導入する場合に前記多結晶シリコンの析出速度が0.5mm/h以下になるように制御して多結晶シリコンロッドを製造する請求項6記載の方法。   The method according to claim 6, wherein when introducing the chlorosilane gas after energizing the silicon seed rod, a polycrystalline silicon rod is manufactured by controlling the deposition rate of the polycrystalline silicon to be 0.5 mm / h or less. . 請求項1記載の多結晶シリコンロッド製造用反応炉又は請求項2ないし4いずれか1項に記載の方法により製造された多結晶シリコンロッド製造用反応炉を用いて多結晶シリコンロッドを製造する方法。   A method for producing a polycrystalline silicon rod using the reactor for producing a polycrystalline silicon rod according to claim 1 or the reactor for producing a polycrystalline silicon rod produced by the method according to any one of claims 2 to 4. .
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