JP3389619B2 - Manufacturing method of polycrystalline silicon - Google Patents

Manufacturing method of polycrystalline silicon

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JP3389619B2
JP3389619B2 JP28550392A JP28550392A JP3389619B2 JP 3389619 B2 JP3389619 B2 JP 3389619B2 JP 28550392 A JP28550392 A JP 28550392A JP 28550392 A JP28550392 A JP 28550392A JP 3389619 B2 JP3389619 B2 JP 3389619B2
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02Silicon
    • C01B33/021Preparation
    • C01B33/027Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/029Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of monosilane

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、流動層法による多結晶
シリコンの製造方法に関する。 【0002】 【従来の技術】多結晶シリコンの代表的な製造方法とし
てシーメンス法や小松法がある。これらの方法は、ベル
ジャー炉内に配置したシリコンロッドを通電加熱し、そ
こにガス状のクロルシラン(シーメンス法)やモノシラ
ン(小松法)(以下、「シラン類」と称する。)を流通
させるものである。炉内に供給されたシラン類は、熱分
解、還元によりシリコンを生成し、シリコンロッド上に
析出する。シリコンロッドは所定のサイズまで成長した
後に回収して製品とする。 【0003】高純度を維持することが比較的容易である
という特長を有しているため、現在大部分の多結晶シリ
コンはこれらの方法で製造されている。しかしながら、
これらの方法は基本的にバッチ操作であり、生産効率が
悪く、大量生産を行う場合はベルジャーの数を増やして
対処する他になく、設備費用が嵩む欠点を有している。
また反応は1,050〜1,150℃で行うが、壁への
析出を防ぐためにベルジャーを冷却するので、与えるエ
ネルギーは大部分が熱となって放散されてしまう等の欠
点を有している。 【0004】このような状況のもと、最近開発が進めら
れているのが、流動層法による多結晶シリコンの製造で
ある。これは円筒状の流動層反応器内で多結晶シリコン
からなる種粒子(以下「種シリコン粒子」と称する。)
を原料としてその表面上にシリコンの析出を行うもので
ある。この方法では通常、外部ヒーターにより加熱され
た反応器の上方より種シリコン粒子が供給される。下方
より原料であるシラン類を含むガスが供給される。供給
された粒子は、反応器内を上昇するガスにより流動化さ
れて流動層を形成する。原料ガスは反応器内を通過する
間にヒーター及び粒子により加熱され、熱分解してシリ
コンを生成し、流動化している種シリコン粒子の表面に
析出する。 【0005】このような流動層法による多結晶シリコン
の製造は、連続式であり、スケールアップも容易である
ことから工業化に適しているのみならず、断熱した反応
器を使用する事もあって、熱の放散がシーメンス法や小
松法の1/10以下と省エネルギーであり、また顆粒の
表面積はロッドに比較して著しく大きいため生産性の点
でも極めて有利な方法である。 【0006】さらに、この方法で製造された顆粒状の多
結晶シリコンは、シーメンス法や小松法で製造したロッ
ドに比較して運搬、解砕、梱包等の手間が軽減される。
さらに、流動性を有することから、得られた多結晶シリ
コンから単結晶シリコンを製造する時に、坩堝への供給
が容易である。坩堝への充填密度が上げられること、連
続的に供給することも容易であるなど、単結晶製造にお
いても、数々の利点を有している。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら流動層法
で製造された顆粒状の多結晶シリコンは、析出面積が大
きいことから、唯でさえ製品が汚染され易い上に、粒子
が反応器内壁と常時接触しているので一層汚染を受け易
く、製品の純度確保が技術的に大きな課題となってい
る。 【0008】加えて、この方法で多結晶シリコンを製造
するに当たっては、反応を600〜850℃で実施し
て、シラン類を分解しシリコンを生成させるが、この温
度の与え方としては、反応器外部からの加熱や、内部に
発熱体を設置する方法が一般に行われている。このた
め、シリコンを析出させるべき種シリコン粒子より、壁
部や発熱体の方が高温になることは避けられず、従って
それら高温部でシラン類の分解が促進され、壁への析
出、内部の閉塞といった障害が必然であった。 【0009】この析出現象は、円滑な粒子流動を妨げ、
反応に致命的な影響を与えるのみならず次に述べるトラ
ブルを引き起こす。即ち、高純度のシリコンを流動層反
応で得る場合には、反応器壁からの汚染を防ぐ目的で、
石英などのセラミックス材を使用するのが一般的である
が、金属材料などに比較して、強度的に劣るため、熱膨
張率の異なるシリコンの析出により、これらセラミック
スの破損が引き起こされ易い。 【0010】安定な反応継続には、この析出に起因する
破損の防止も大きな課題である。これを回避するため
に、種々の工夫が提案されており、たとえば、特開昭5
9ー45917では、反応器内を内筒と外筒の二重に
し、内筒の下部の分散板により内筒内の種シリコン粒子
を流動化し、ガス流れとともに上昇した粒子を内筒と外
筒の間を落下させ、この際に外筒の外側に設けた加熱器
により粒子に熱を与える。このシリコン粒子の循環を利
用し、反応器内部を反応温度に保ちながら、シリコン含
有ガスを内筒内に供給し、壁部への析出を防ごうとする
ものである。この方法では、粒子は環状部を降下するに
つれて加熱され、内筒と底板の間を通過し循環するが、
接触する分散板の温度上昇を伴うためシリコン含有ガス
が分散板近傍で熱分解する。従って析出シリコンは分散
板に付着し目詰まりを引き起こす可能性がある。また内
筒壁面への析出も無視できない。加えてこのような複雑
な反応器は製造し難いという欠点がある。 【0011】さらに特開平2ー279512号において
は反応器壁のシリコン含有ガス濃度を低減させるため、
反応器の器壁内面に沿って水素を流通させ、その内側に
原料ガスを通過させることで、析出を防ぐ工夫を提案し
ている。ここで用いる反応器は、特開昭59ー4591
7のような複雑な構造の反応器を使用しないものである
が、水素と原料ガスが反応器内で速やかに混合されてし
まうので、水素によるシール効果だけで壁への析出を防
止するには十分とはいえない。 【0012】さらに加えて、こういった方法を用いて
も、流動層内の粒子が凝集してしまう現象を防止するこ
とはできない。この粒子凝集は流動層反応にとっては、
壁へのシリコン析出以上に致命的な問題であり、これま
でこの問題の解決については、何等の知見が示されてい
ない。 【0013】一方、効果的なシリコン製造の面からこの
反応をみると、収率を低下させる最大の原因は、副生す
る微粉によるものである。シランの分解反応は、シリコ
ン粒子表面での反応と、気相での核生成反応が協奏的に
起こっている。この割合は反応温度によって決定される
ものではあるが、流動状態に多大な影響を受けることも
事実である。いかにしてこの微粉副生を抑え、収率向上
を図るかといったことも、流動層法によるシリコン製造
の大きな課題である。 【0014】 【課題を解決するための手段】本発明者らは、この粒子
凝集、及び微粉副生を解決し、かつ製品の純度を高く維
持し得る手段について鋭意検討した結果、以下の方法に
よって両者を解決でき、さらに反応器壁へのシリコンの
析出も防止できることを見出し、本発明を完成するに至
った。 【0015】すなわち本発明は、流動層反応器による高
純度多結晶シリコンの製造において、ガス分散板を介し
てモノシランを含む流動化ガスを流動層内に均一に供給
しつつ、シランを含む流動化ガスの反応器内空塔速度
を、流動層内の粒子の平均粒径と最小流動化速度に対し
て、ある一定範囲の値以内に保つことで、反応器壁への
シリコン析出や、粒子の凝集を防ぐと共に、微粉の副生
も抑制出来、安定した流動層の運転ができるものであ
り、その構成は特許請求の範囲の欄に記載したとおりで
ある。 【0016】以下、図面に即して本発明を詳細に説明す
る。図1は本発明の一実施態様を示す模式図である。円
筒状の反応器1は、上部にガス排出管2と、種シリコン
粒子を反応器内に投入するための投入管3を備えてい
る。反応器の底部は、底板4との間に間隔をあけて設け
られたガス分散板5により二重にされている。底板4に
接続された原料ガス供給管6より原料のモノシランガス
あるいはモノシランと希釈ガスの混合ガスが供給され
ガス分散板5を介してモノシランを含む流動化ガスが流
動層内に均一に供給される。分散板5には、底板4を貫
通して製品抜き出し管7が接続されている。また、ガス
分散板5より上方には、反応器1を包む様に加熱用ヒー
ター8が設けられている。 【0017】反応器1内に所定量の多結晶シリコン粒子
を装入する。多結晶シリコン粒子の粒径は300〜2,
000μmが好ましい。また反応器内圧は常圧〜5気圧
程度が好ましい。容器内をヒーター8で加熱し、原料ガ
ス供給管6より必要により希釈ガスと混合された原料ガ
スが吹き込まれる。多結晶シリコン粒子はこれらのガス
流により、激しく流動して流動層9を形成する。加熱さ
れた原料ガスは分解し粒子表面にシリコンが析出し成長
してゆく。所定の析出反応の終了した多結晶シリコン粒
子は、製品抜き出し管7より反応器外に抜き出される。
抜き出し量、頻度については流動層の高さを一定にすべ
く抜き出す方法が通常であり、その層高測定のための方
法としては、流動層の差圧を測定する方法が簡便で精度
良く利用できる。 【0018】成長する流動層内粒子に補給のため、装入
管3から追加の種シリコン粒子が反応器内に供給され
る。追加の種シリコン粒子はできるだけ小粒径の方が、
製品を得る効率が良いが、流動層の流速が粒子の終末速
度を上回ると、流動層内に留まれず、系外に排出されて
しまい有効に作用しなくなる。従って粒径50〜350
μm程度のサイズを使うのが通例である。シリコン析出
反応に使用された後の原料ガス及び希釈ガスは、ガス排
出管2より系外に排出される。この排ガスを、圧縮して
循環使用することは何等差し支えない。また別の系統へ
使用することも問題はない。 【0019】本発明は、モノシランを含む流動化ガス、
一般的にはモノシラン及び水素等の希釈ガスからなる混
合ガスの反応器内空塔速度を、流動層内のシリコン粒子
の体面積平均粒径(以下単に「平均粒径」と称する。)
及び最小流動化速度に対して、次の式で示される値の範
囲内として流動層反応を行うものである。 (400・Dp )1/2 +Umf>U0 >(80・Dp )1/2 +Umf 【0020】ここでUmfは流動層内のシリコン粒子の平
均粒径における最小流動化速度であり、以下の式で示さ
れる。 Umf=(ρp −ρf )・g・Dp2/1650μ Umf ;最小流動化速度(m/s) ρp 、ρf ;シリコン粒子及びガスの密度(kg/m3 ) g ;重力の加速度(m/s2 ) Dp ;シリコン粒子の平均粒径(m) μ ;ガスの粘度(Pa ・s) 【0021】空塔速度は次の式で求められる。 U0 =(QSiH4+QH2+QX )・(Pinitial /Pr
・(Tr /Tinitial )/Ar 0 ;空塔速度(m/s) QSiH4、QH2、QX ;供給時のガス(SiH4、H2、その
他)流量(m3 /s) Pinitial 、Pr ;圧力(供給時、反応器内)(kg/
cm2 ) Tinitial 、Tr ;温度(供給時、反応器内)(K) Ar ;反応器断面積(m2 ) 【0022】シリコン粒子の平均粒径は、Dp =Σw/
Σ(w/dp )で示される体面積平均径である。 Dp ;シリコン粒子の平均粒径(m) w ;質量(kg) dp ;粒径の実測値(m) 【0023】U0 が(80・Dp )1/2 +Umf以下だ
と、反応器流動層内での粒子の凝集や壁への析出が起こ
り易く、一方(400・Dp )1/2 +Umf以上だと、微
粉が発生し易く、いずれも不適当である。参考までに6
50℃、シラン濃度=10%の場合に、平均粒径を種々
変化させた場合の最小流動化速度 (m/s)等の値を表1及
び表2に記す。 【0024】 【表1】【0025】 【表2】 【0026】空塔速度は通常は流動化ガスの供給量によ
り調整する。 【0027】本発明の好ましい反応温度は、600〜8
50℃である。600℃未満では析出反応が殆ど起き
ず、また850℃を超えても反応率の向上は望めず、経
済的に不利なばかりでなく、微粉の生成も増大し好まし
くない。また混合ガス中のシランガスの濃度は5〜40
Vol%が好ましく、更に好ましくは10〜30 Vol%で
ある。5 Vol%未満では種シリコン粒子表面へのシラン
の析出が極めて少なく生産性が悪く、40 Vol%を超え
ると反応器内壁へのシリコン析出が多くなる。反応によ
り得られる顆粒状の多結晶シリコンの粒子径は300〜
3,000μmの範囲が好ましく、この中でも500μ
m以上のものが特に好ましい。希釈ガスとしては、窒
素、アルゴン等の不活性ガスや水素ガスが使用可能であ
るが、該希釈ガスを循環使用する際に、多結晶シリコン
の製造時に発生する水素を分離する必要がないことか
ら、水素ガスの使用が好ましい。 【0028】 【作用】本発明を用いると、粒子の凝集を防ぐのみなら
ず、本来析出することが好ましくない反応器壁面へのシ
リコンの析出を効果的に抑制し、安定した流動層反応の
継続が可能となる。さらに加えて、反応収率を低下させ
る原因である微粉副生も抑制でき、高効率なシリコンの
製造が可能となる。この理由は、本発明の製造方法にお
いて、原料シランを含む流動化ガスの反応器内空塔速度
を、反応器内の粒子の平均粒径及び最小流動化速度に対
して、ある一定範囲の値に保つことで、反応器内の粒子
の運動を臨界値以上に保ち、凝集力に打ち勝つことを可
能にすると共に、その粒子の運動により、壁部への析出
シリコンを適度に剥離させることが可能となるためと推
定される。 【0029】 【実施例】以下、本発明を実施例によって更に具体的に
説明するが、本発明はこの態様に限定されるものではな
い。 (実施例1)図1に示す態様により、下記条件で顆粒状
の多結晶シリコンを製造した。誤って石英製管が破損し
た場合にモノシランが漏洩することを防ぐための内径1
00mm、高さ2,000mmのステンレス製外筒を設けた
内径80mm、高さ1,800mmの石英製反応管からなる
流動層反応器を用いた。加熱ヒーターは外筒の外側に、
分散板より1,000mm上部までの範囲に設置した。モ
ノシランを10Vol%含有する水素混合ガスを供給し流
動化させた。粒子径範囲300〜2,000μmの粒子
で平均粒径750μmの多結晶シリコン粒子を、塔径に
対して静止時の粒子層高の比を1:2となるように石英
製反応管に充填した。反応温度を650℃、原料ガスの
流速(空塔速度)を0.59m/sとして反応させた。
このときの最小流動化速度は0.32m/sであり、
(400・Dp )1/2 +Umfの値は0.87m/sであ
り、(80・Dp )1/2 +Umfの値は0.56m/sで
ある。また、反応器内の圧力は1.3気圧である。 【0030】流動層反応中の流動層高を一定に保つた
め、反応により増加する重量分の粒子を連続的に系外に
抜き出した。また平均粒子径を初期状態と同様に保つた
め、平均粒子径180μmの種シリコン粒子を断続的に
追加投入した。50時間継続したが流動層内の粒子が凝
集するような現象はまったく生じなかった。反応終了
後、反応器内部の点検を行ったところ、壁部へのシリコ
ン析出は最大で5mm程度であり、反応継続にはなんら障
害が生じないものであった。副生微粉は、全反応モノシ
ランに対して6wt%であった。 【0031】(実施例2〜6)流動層内のシリコン粒子
の平均粒径、空塔速度及び反応時間を表3のとおり変化
させた以外は、実施例1と同じ条件で反応させた。結果
を表3に記す。 【0032】 【表3】 【0033】(実施例7〜11)更に、流動層内のシリ
コン粒子の平均粒径、空塔速度及び反応時間を表4のと
おり変化させ、他は実施例1と同じ条件で反応を行っ
た。結果を表4に記す。 【0034】 【表4】 【0035】(実施例12〜16)更に、流動層内のシ
リコン粒子の平均粒径、静止層高、シラン濃度及び反応
時間を表5のとおり変化させ、その他は実施例1と同じ
条件で反応させた。結果を表5に記す。 【0036】 【表5】 【0037】(比較例1〜5)流動層内のシリコン粒子
の平均粒径、空塔速度及び反応時間を表6のとおりに変
化させ、それ以外は実施例1と同じ条件で反応させた。
なお、反応器流動層内での粒子凝集や壁へのシリコン析
出があり、反応を途中で断念した。結果を表6に記す。 【0038】 【表6】 【0039】(比較例6〜10)更に、流動層内のシリ
コン粒子の平均粒径、空塔速度及び反応時間を表7のと
おりに変化させ、それ以外は実施例1と同じ条件で反応
させた。なお、微粉による反応器上部の閉塞があり、反
応を途中で断念した。結果を表7に記す。 【0040】 【表7】【0041】 【発明の効果】本発明の製造方法は、従来流動層法によ
る多結晶シリコンの製造において、安定運転を妨げるも
っとも大きな要因であった、流動層内での粒子凝集や壁
へのシリコン析出を防止すると共に、生産性向上の最大
の阻害要因である、副生微粉の生成割合を抑制する方法
を提供するものである。 【0042】これにより反応器の閉塞、破損や、析出に
よる流動化不十分といった異常事態に至らず安定した反
応が可能になると共に、副生微粉を抑えることにより、
微粉による閉塞の回避、収率の向上が図れ、安定運転と
高効率運転を両立せしめるものである。また、格別の装
置を要せず容易に実施できることに加えて、反応器内
に、何等の内挿物を入れることなしに、本発明の方法を
実施できるので、それら材質からの汚染を考慮する必要
がなく、高純度のシリコンを得るのにきわめて有利な方
法である。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing polycrystalline silicon by a fluidized bed method. 2. Description of the Related Art There are a Siemens method and a Komatsu method as typical production methods of polycrystalline silicon. These methods energize and heat a silicon rod placed in a bell jar furnace, and distribute gaseous chlorosilane (Siemens method) or monosilane (Komatsu method) (hereinafter, referred to as "silanes") therethrough. is there. The silanes supplied into the furnace generate silicon by thermal decomposition and reduction, and are deposited on a silicon rod. The silicon rod grows to a predetermined size and is recovered to be a product. Currently, most polycrystalline silicon is manufactured by these methods because of the feature that it is relatively easy to maintain high purity. However,
These methods are basically batch operations, have poor production efficiency, and have the disadvantage of increasing the number of bell jars when mass production is required, and increasing equipment costs.
The reaction is carried out at 1,050 to 1,150 ° C., but the bell jar is cooled in order to prevent deposition on the wall, so that it has a drawback that most of the applied energy is dissipated as heat. . Under these circumstances, the development of polycrystalline silicon by a fluidized bed method has been recently developed. This is a seed particle made of polycrystalline silicon in a cylindrical fluidized bed reactor (hereinafter referred to as "seed silicon particle").
Is used as a raw material to deposit silicon on the surface. In this method, seed silicon particles are usually supplied from above a reactor heated by an external heater. A gas containing silanes as a raw material is supplied from below. The supplied particles are fluidized by the gas rising in the reactor to form a fluidized bed. The raw material gas is heated by the heater and the particles while passing through the reactor, thermally decomposes to generate silicon, and precipitates on the surface of the fluidized seed silicon particles. [0005] The production of polycrystalline silicon by the fluidized bed method is continuous and is easy to scale up, so it is not only suitable for industrialization but also uses an insulated reactor. The heat dissipation is 1/10 or less of that of the Siemens method or Komatsu method, which is energy saving, and the surface area of the granules is remarkably large as compared with the rods. In addition, the granular polycrystalline silicon produced by this method requires less time for transportation, crushing, packing, etc., compared to the rod produced by the Siemens method or the Komatsu method.
Furthermore, since it has fluidity, it can be easily supplied to a crucible when monocrystalline silicon is produced from the obtained polycrystalline silicon. There are many advantages in single crystal production, such as the ability to increase the packing density in the crucible and the ease of continuous supply. However, the granular polycrystalline silicon produced by the fluidized bed method has a large deposition area, so that even the product is apt to be contaminated, and the particles are formed in the reactor. Since it is in constant contact with the inner wall, it is more susceptible to contamination, and ensuring the purity of the product is a major technical issue. In addition, when polycrystalline silicon is produced by this method, the reaction is carried out at 600 to 850 ° C. to decompose silanes to produce silicon. Heating from the outside and a method of installing a heating element inside are generally performed. Therefore, it is inevitable that the temperature of the wall and the heating element becomes higher than that of the seed silicon particles from which silicon is to be deposited. Obstacles such as obstruction were inevitable. This precipitation phenomenon prevents smooth particle flow,
Not only has the fatal effect on the reaction, but also causes the following troubles. That is, when high-purity silicon is obtained by a fluidized bed reaction, in order to prevent contamination from the reactor wall,
It is common to use a ceramic material such as quartz, but since it is inferior in strength to a metal material or the like, it is easy for these ceramics to be damaged by precipitation of silicon having a different coefficient of thermal expansion. [0010] For stable continuation of the reaction, prevention of breakage due to the precipitation is also a major problem. In order to avoid this, various devices have been proposed.
In 9-45917, the inside of the reactor is doubled of an inner cylinder and an outer cylinder, and the seed silicon particles in the inner cylinder are fluidized by the dispersion plate at the lower part of the inner cylinder, and the particles that have risen with the gas flow are dispersed in the inner cylinder and the outer cylinder. In this case, particles are heated by a heater provided outside the outer cylinder. By utilizing the circulation of the silicon particles, a silicon-containing gas is supplied into the inner cylinder while keeping the inside of the reactor at the reaction temperature to prevent the deposition on the wall. In this method, the particles are heated as they descend the annulus and pass through and circulate between the inner cylinder and the bottom plate,
Since the temperature of the contacting dispersion plate is increased, the silicon-containing gas is thermally decomposed near the dispersion plate. Therefore, the deposited silicon may adhere to the dispersion plate and cause clogging. Precipitation on the inner cylinder wall surface cannot be ignored. In addition, there is a disadvantage that such a complicated reactor is difficult to manufacture. Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-279512, in order to reduce the silicon-containing gas concentration on the reactor wall,
A proposal has been made to prevent deposition by allowing hydrogen to flow along the inner surface of the reactor wall and passing the source gas through the inside. The reactor used here is described in JP-A-59-4591.
Although it does not use a reactor with a complicated structure such as 7, hydrogen and the raw material gas are rapidly mixed in the reactor. Therefore, to prevent deposition on the wall only by the sealing effect of hydrogen. Not enough. In addition, even if such a method is used, it is not possible to prevent a phenomenon in which particles in the fluidized bed aggregate. This particle agglomeration is important for the fluidized bed reaction.
This is a more serious problem than the deposition of silicon on a wall, and no knowledge has been shown on solving this problem. On the other hand, in view of this reaction from the viewpoint of effective silicon production, the largest cause of the decrease in yield is due to fine powder produced as a by-product. In the decomposition reaction of silane, a reaction on the surface of silicon particles and a nucleation reaction in a gas phase occur in concert. Although this ratio is determined by the reaction temperature, it is also true that the ratio is greatly affected by the flow state. How to suppress the by-product of fine powder and improve the yield is also a major issue in silicon production by the fluidized bed method. Means for Solving the Problems The present inventors have intensively studied means for solving this particle aggregation and fine powder by-product and maintaining a high purity of the product. They have found that both can be solved and that the deposition of silicon on the reactor wall can be prevented, and the present invention has been completed. That is, the present invention provides a method for producing high-purity polycrystalline silicon using a fluidized-bed reactor through a gas dispersion plate.
To supply the fluidized gas containing monosilane uniformly into the fluidized bed
While maintaining the superficial velocity of the fluidized gas containing silane in the reactor within a certain range with respect to the average particle diameter and the minimum fluidization velocity of the particles in the fluidized bed, the reactor wall In addition to preventing precipitation of silicon on the surface and aggregation of particles, by-products of fine powder can be suppressed, and stable operation of the fluidized bed can be performed. The configuration is as described in the claims. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of the present invention. The cylindrical reactor 1 is provided with a gas discharge pipe 2 at the upper part and a feed pipe 3 for feeding seed silicon particles into the reactor. The bottom of the reactor is doubled by a gas distribution plate 5 provided at a distance from the bottom plate 4. A raw material monosilane gas or a mixed gas of monosilane and a diluent gas is supplied from a raw material gas supply pipe 6 connected to the bottom plate 4 ,
The fluidizing gas containing monosilane flows through the gas distribution plate 5.
Ru is uniformly supplied to the dynamic layer. A product extraction pipe 7 is connected to the dispersion plate 5 through the bottom plate 4. A heating heater 8 is provided above the gas dispersion plate 5 so as to surround the reactor 1. A predetermined amount of polycrystalline silicon particles is charged into the reactor 1. The particle size of the polycrystalline silicon particles is 300 to 2,
000 μm is preferred. The pressure inside the reactor is preferably from normal pressure to about 5 atm. The inside of the container is heated by a heater 8, and a source gas mixed with a diluent gas is blown from a source gas supply pipe 6 as necessary. The polycrystalline silicon particles flow violently by these gas flows to form a fluidized bed 9. The heated raw material gas is decomposed and silicon is deposited on the particle surface and grows. The polycrystalline silicon particles for which a predetermined precipitation reaction has been completed are withdrawn from the reactor through a product withdrawing pipe 7.
Withdrawal amount and frequency are usually extracted in order to keep the height of the fluidized bed constant. As a method for measuring the bed height, a method of measuring the differential pressure of the fluidized bed can be used simply and accurately. . To supply the growing particles in the fluidized bed, additional seed silicon particles are supplied from the charging tube 3 into the reactor. The additional seed silicon particles should be as small as possible,
Although the efficiency of obtaining the product is high, if the flow velocity of the fluidized bed exceeds the terminal velocity of the particles, the product is not retained in the fluidized bed and is discharged out of the system, so that it does not work effectively. Therefore, a particle size of 50 to 350
It is customary to use a size of about μm. The raw material gas and the diluent gas after being used for the silicon deposition reaction are discharged out of the system through the gas discharge pipe 2. The exhaust gas may be compressed and circulated for use. There is no problem in using it for another system. The present invention provides a fluidizing gas containing monosilane,
Generally, the superficial velocity in the reactor of a mixed gas comprising a diluent gas such as monosilane and hydrogen is determined by the body area average particle size of the silicon particles in the fluidized bed (hereinafter simply referred to as “average particle size”).
The fluidized bed reaction is performed within the range of the value shown by the following equation with respect to the minimum fluidization rate. (400 · Dp) 1/2 + Umf > U 0> (80 · Dp) 1/2 + Umf [0020] Here Umf is the minimum fluidizing velocity in the average particle size of the silicon particles in the fluidized bed, the following equation Indicated by Umf = (ρp -ρf) · g · Dp 2 / 1650μ Umf; minimum fluidization velocity (m / s) .rho.p, .rho.f; density of the silicon particles and the gas (kg / m 3) g; gravitational acceleration (m / s 2 ) Dp; average particle diameter of silicon particles (m) μ; viscosity of gas (Pa · s) The superficial velocity is obtained by the following equation. U 0 = (Q SiH4 + Q H2 + Q X ) · (P initial / P r )
(T r / T initial ) / A r U 0 ; superficial velocity (m / s) Q SiH4 , Q H2 , Q X ; gas (SiH 4 , H 2 , etc.) flow rate at supply (m 3 / s) ) P initial , Pr ; pressure (at the time of supply, inside the reactor) (kg /
cm 2) T initial, T r ; temperature (as supplied, reactor) (K) A r; average particle diameter of the reactor cross-sectional area (m 2) [0022] Silicon particles, Dp =? w /
It is the body area average diameter indicated by Σ (w / dp). Dp: average particle size (m) of silicon particles w; mass (kg) dp: measured value of particle size (m) If U 0 is less than (80 · Dp) 1/2 + Umf, the reactor fluidized bed Aggregation and precipitation on the wall are liable to occur, while if it is more than (400.Dp) 1/2 + Umf, fine powder is liable to be generated, and both are unsuitable. For reference 6
Tables 1 and 2 show values such as the minimum fluidization speed (m / s) when the average particle size is variously changed at 50 ° C. and a silane concentration of 10%. [Table 1] [Table 2] The superficial velocity is usually adjusted by the supply amount of the fluidizing gas. The preferred reaction temperature of the present invention is from 600 to 8
50 ° C. If the temperature is lower than 600 ° C., a precipitation reaction hardly occurs, and if the temperature exceeds 850 ° C., an improvement in the reaction rate cannot be expected, which is not only economically disadvantageous but also increases the generation of fine powder, which is not preferable. The concentration of the silane gas in the mixed gas is 5 to 40.
Vol% is preferred, and more preferably 10 to 30 Vol%. If the amount is less than 5 Vol%, the deposition of silane on the surface of the seed silicon particles is extremely small, resulting in poor productivity. If the amount exceeds 40 Vol%, the amount of silicon deposited on the inner wall of the reactor increases. The particle diameter of the granular polycrystalline silicon obtained by the reaction is 300 to
It is preferably in the range of 3,000 μm, of which 500 μm
m or more are particularly preferred. As the diluent gas, an inert gas such as nitrogen or argon or a hydrogen gas can be used.However, when the diluent gas is circulated and used, it is not necessary to separate hydrogen generated during the production of polycrystalline silicon. The use of hydrogen gas is preferred. The use of the present invention not only prevents the agglomeration of particles, but also effectively suppresses the deposition of silicon on the reactor wall, which is not preferably deposited, and maintains a stable fluidized bed reaction. Becomes possible. In addition, fine powder by-products that cause a reduction in the reaction yield can be suppressed, and highly efficient silicon can be produced. The reason for this is that, in the production method of the present invention, the superficial velocity in the reactor of the fluidized gas containing the raw material silane is set to a value within a certain range with respect to the average particle diameter and the minimum fluidization velocity of the particles in the reactor. By keeping the particle motion in the reactor above the critical value, it is possible to overcome the cohesive force, and the motion of the particles makes it possible to exfoliate the silicon deposited on the wall appropriately. It is estimated that EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these embodiments. Example 1 According to the embodiment shown in FIG. 1, granular polycrystalline silicon was produced under the following conditions. Inner diameter 1 to prevent monosilane from leaking if quartz tube is accidentally damaged
A fluidized bed reactor comprising a quartz reaction tube having an inner diameter of 80 mm and a height of 1,800 mm provided with a stainless steel outer cylinder having a thickness of 00 mm and a height of 2,000 mm was used. The heater is outside the outer cylinder,
It was installed in a range up to 1,000 mm above the dispersion plate. A hydrogen mixed gas containing 10% by volume of monosilane was supplied and fluidized. Polycrystalline silicon particles having an average particle diameter of 750 μm in a particle diameter range of 300 to 2,000 μm were filled in a quartz reaction tube such that the ratio of the particle layer height at rest to the tower diameter was 1: 2. . The reaction was performed at a reaction temperature of 650 ° C. and a flow rate (superficial velocity) of the raw material gas of 0.59 m / s.
The minimum fluidization speed at this time is 0.32 m / s,
The value of (400 · Dp) 1/2 + Umf is 0.87 m / s, and the value of (80 · Dp) 1/2 + Umf is 0.56 m / s. The pressure inside the reactor is 1.3 atm. In order to keep the height of the fluidized bed constant during the fluidized bed reaction, particles of increasing weight due to the reaction were continuously taken out of the system. In order to keep the average particle diameter the same as in the initial state, seed silicon particles having an average particle diameter of 180 μm were intermittently added. Although it continued for 50 hours, no phenomenon such as aggregation of particles in the fluidized bed occurred. After the completion of the reaction, the inside of the reactor was inspected. As a result, silicon deposition on the wall was about 5 mm at the maximum, and there was no obstacle to the continuation of the reaction. The by-product fine powder was 6% by weight based on the total reacted monosilane. Examples 2 to 6 The reaction was carried out under the same conditions as in Example 1 except that the average particle diameter of the silicon particles in the fluidized bed, the superficial velocity and the reaction time were changed as shown in Table 3. The results are shown in Table 3. [Table 3] (Examples 7 to 11) Further, the reaction was carried out under the same conditions as in Example 1 except that the average particle diameter, the superficial velocity and the reaction time of the silicon particles in the fluidized bed were changed as shown in Table 4. . The results are shown in Table 4. [Table 4] (Examples 12 to 16) Further, the average particle size of the silicon particles in the fluidized bed, the height of the stationary layer, the silane concentration and the reaction time were changed as shown in Table 5, and the other conditions were the same as in Example 1. I let it. The results are shown in Table 5. [Table 5] (Comparative Examples 1 to 5) The reaction was carried out under the same conditions as in Example 1 except that the average particle diameter, the superficial velocity and the reaction time of the silicon particles in the fluidized bed were changed as shown in Table 6.
In addition, there was agglomeration of particles in the fluidized bed of the reactor and silicon deposition on the wall, and the reaction was abandoned halfway. The results are shown in Table 6. [Table 6] (Comparative Examples 6 to 10) Furthermore, the average particle size of the silicon particles in the fluidized bed, the superficial velocity and the reaction time were changed as shown in Table 7, and the reaction was carried out under the same conditions as in Example 1 except for that. Was. In addition, the upper part of the reactor was blocked by fine powder, and the reaction was abandoned halfway. The results are shown in Table 7. [Table 7] According to the production method of the present invention, in the conventional production of polycrystalline silicon by the fluidized bed method, the most important factors that hinder stable operation are particle aggregation in the fluidized bed and silicon on the wall. An object of the present invention is to provide a method of preventing precipitation and suppressing the rate of generation of by-product fine powder, which is the greatest inhibitor of productivity improvement. Thus, a stable reaction can be achieved without causing an abnormal situation such as blockage or breakage of the reactor or insufficient fluidization due to precipitation, and by suppressing by-product fine powder,
It is possible to avoid clogging by fine powder and improve the yield, and to achieve both stable operation and high efficiency operation. In addition to the fact that the method of the present invention can be carried out easily without requiring any special device, and that the method of the present invention can be carried out without inserting any insert into the reactor, contamination from those materials is taken into consideration. This is a very advantageous method for obtaining high-purity silicon without the necessity.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施態様を示す模式図である。 【符号の説明】 1 反応器 2 ガス排出管 3 種シリコン粒子投入管 4 底板 5 ガス分散板 6 原料ガス供給管 7 製品抜き出し管 8 加熱用ヒーター 9 流動層[Brief description of the drawings] FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of the present invention. [Explanation of symbols] 1 reactor 2 Gas exhaust pipe Three kinds of silicon particle injection tube 4 Bottom plate 5 Gas dispersion plate 6 Source gas supply pipe 7 Product extraction tube 8 heater for heating 9 Fluidized bed

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 正明 神奈川県川崎市川崎区千鳥町3番1号東 燃化学株式会社技術開発センター内 (72)発明者 高綱 和敏 神奈川県川崎市川崎区千鳥町3番1号東 燃化学株式会社技術開発センター内 (72)発明者 猿渡 康裕 神奈川県川崎市川崎区千鳥町3番1号東 燃化学株式会社技術開発センター内 (56)参考文献 特開 昭63−225516(JP,A) 特開 平2−279512(JP,A) 特開 平2−6392(JP,A) 特開 平2−31833(JP,A) 特開 昭63−69708(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01B 33/00 - 39/54 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Masaaki Ishii 3-1, Chidori-cho, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Inside the R & D Center (72) Inventor Kazutoshi Takazuna Chidori, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa No.3-1, Tonencho Co., Ltd. Technology Development Center (72) Inventor Yasuhiro Saruwatari No.3-1, Chidori-cho, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Pref. 63-225516 (JP, A) JP-A-2-279512 (JP, A) JP-A-2-6392 (JP, A) JP-A-2-31833 (JP, A) JP-A-63-69708 (JP, A A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C01B 33/00-39/54

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】モノシランを用いた流動層法による顆粒状
の多結晶シリコンの製造方法において、ガス分散板を介
してモノシランを含む流動化ガスを流動層内に均一に供
給しつつ、流動化ガスの反応器内空塔速度U0 (m/s)
を、流動層内のシリコン粒子の体面積平均粒径Dp (m)
及び最小流動化速度Umf (m/s) に対して、 (400・Dp )1/2+Umf>U0>(80・Dp )1/2+Umf の範囲にすることを特徴とする多結晶シリコンの製造方
法。
(57) [Claim 1] In a method for producing granular polycrystalline silicon by a fluidized bed method using monosilane, a method comprising the steps of:
The fluidized gas containing monosilane uniformly in the fluidized bed.
While supplying , the superficial velocity U 0 (m / s) of the fluidized gas in the reactor
Is the average particle diameter Dp (m) of the body area of the silicon particles in the fluidized bed.
And the minimum fluidization speed U mf (m / s), the range is (400 · Dp) 1/2 + U mf > U 0 > (80 · Dp) 1/2 + U mf. Manufacturing method of crystalline silicon.
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