JP3621344B2 - Method for purifying trichlorosilane - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶シリコンの製造に用いられるトリクロロシランの精製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスの素材であるシリコン単結晶の製造原料である高純度の多結晶シリコンは、シーメンス法と呼ばれる気相成長法により製造されている。この製造工程を図1により説明する。
【0003】
まず、金属シリコン、四塩化珪素(STC:SiCl)及び水素ガスを原料として転化炉によりトリクロロシラン(TCS:SiHCl)が製造される。製造されたトリクロロシランは、バージン蒸留系に送られ、ここで複数の蒸留塔に通されて高純度のトリクロロシランに精製される。この高純度のトリクロロシランは、後述する未反応蒸留系で精製された高純度のトリクロロシラン及び水素と共に、還元炉に供給される。
【0004】
還元炉では、トリクロロシラン及び水素を原料とする還元反応により、加熱されたシード表面に多結晶シリコンが気相析出する。この反応に伴って、還元炉からは、未反応のトリクロロシラン及び水素、並びに反応生成物である四塩化珪素からなる排ガスが排出される。この排ガスは、水素回収工程に送られる。この工程では、排ガスを−10℃以下に冷却して、排ガス中のトリクロロシラン及び四塩化珪素を液化し、水素から分離する。この工程で回収された水素は、還元炉に原料ガスとして供給される。
【0005】
一方、液化したトリクロロシラン及び四塩化珪素を主成分とするクロルシラン液は、未反応蒸留系に送られる。未反応蒸留系では、クロルシラン液を蒸留塔に通し、トリクロロシランを四塩化珪素及び不純物から分離する。塔頂部から取り出される高純度のトリクロロシランは、還元炉に原料ガスとして供給される。塔底部から取り出される不純物を含む四塩化珪素は、前出した転化工程に送られる。塔頂部と塔底部の間からサイドカットにより高純度の四塩化珪素を製品として取り出す場合もある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このような多結晶シリコンの製造工程では、未反応蒸留系の蒸留塔から還元炉へ送られる高純度のトリクロロシランには、PCl等の不純物を極力排除した非常に高い品質が要求される。このため、トリクロロシランの品質が管理されるが、要求される不純物濃度が低いために、通常の化学分析法では不純物量を正確に測定することができない。
【0007】
そこで、蒸留塔で精製されたトリクロロシランを、検定炉と呼ばれる小型の還元炉へ定期的に送って実際に多結晶シリコンのサンプル品を製造し、更にそのサンプル品からFZ法により製造したシリコン単結晶の比抵抗を測定することで、トリクロロシランの品質を検査・管理することが行われている。
【0008】
シリコン単結晶の製造に使用される多結晶シリコンの製造原料としてのトリクロロシランに要求される品質は、サンプル製造されたシリコン単結晶の比抵抗で例えばN型3000Ωcm以上である。ところが、未反応蒸留系の蒸留塔で精製されたトリクロロシランに対して、本発明者らが長期の品質調査を継続的に行ったところ、サンプル製造されたシリコン単結晶の比抵抗がN型1500Ωcmを下回るようなレベルまで、トリクロロシランの品質が劣化する場合のあることが明らかになった。
【0009】
このトリクロロシランの品質劣化は不定期に起こり、比較的長い期間生じない場合もあるが、このトリクロロシランを原料として製造される多結晶シリコンの品質への悪影響が無視できないことは言うまでもない。その原因については、未反応蒸留系内で汚染が生じている可能性も考えられるが、原因となる現象との因果関係は明確でない。
【0010】
本発明の目的は、多結晶シリコンの製造工程での未反応蒸留系で精製されるトリクロロシランの品質低下を阻止し、高品質なトリクロロシランの安定供給、ひいては高品質な多結晶シリコンの安定的な製造を可能にするトリクロロシランの精製方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
ところで、気相成長による多結晶シリコンの製造では、通常、複数の還元炉が並列的に使用される。これに対し、トリクロロシランの製造系統(バージン蒸留系)及び回収系統(未反応蒸留系)は、複数の還元炉の間で共用されるのが通例である。本発明者らは、未反応蒸留系で精製されるトリクロロシランの品質が低下する現象の周期等を詳細に調査した結果、還元炉の操業サイクルが、トリクロロシランの品質低下に関連していることを突き止めた。より具体的には、未反応蒸留系の蒸留塔に供給されるクロルシラン液の組成が、複数の還元炉の操業サイクルによる影響を受け、これがトリクロロシランの品質低下の原因になっているのである。
【0012】
即ち、未反応蒸留系では、図2に示すように、トリクロロシラン及び四塩化珪素を主成分とするクロルシラン液が蒸留塔10に供給される。蒸留塔10に供給されたクロルシラン液は、塔底部の蒸発缶11により加熱される。沸点の低いトリクロロシランは、蒸気となって塔頂部から排出され、凝縮器12により液化されて、高純度のトリクロロシラン液となる。このトリクロロシラン液は、塔内の温度制御のために一部が塔頂部に還流され、残りが精製製品として取り出される。精製製品の取り出し液量Dに対する還流液量Rの比(R/D)は還流比と呼ばれ、トリクロロシランの精製度に影響する。
【0013】
一方、沸点の高い四塩化珪素はPClなどの不純物と共に塔底部から抜き取られる。また、塔底部と塔頂部の間からサイドカットにより高純度の四塩化珪素が製品として抜き取られることもある。ちなみに、大気圧下におけるトリクロロシランの沸点は約32℃、四塩化珪素の沸点は約58℃、PClの沸点は約76℃である。
【0014】
他方、未反応蒸留系に接続される複数の還元炉では、数10〜200時間かけて多結晶シリコンが製造される。この還元反応中に各還元炉から排出される排ガス中の四塩化珪素濃度は、反応の進行に伴って変化する。還元炉における排ガス組成(水素を除く)の経時変化を図3に示す。以下の還元炉排ガス組成は、排ガス中の水素を除いた数値である。
【0015】
反応初期は、反応開始からトリクロロシランの流量を増大させている時間帯である。シードが細く、反応面積が小さいために、還元炉へ供給したトリクロロシランの多くが未反応のまま排ガスとして排出される。排ガス中の四塩化珪素濃度は5〜30%と低い。
【0016】
反応中期は、トリクロロシラン流量が増加を停止し、一定流量となる時間帯である。シードの表面積が大きくなっていくため、還元炉へ供給したトリクロロシランの比較的多くが還元反応に寄与する。排ガス中の四塩化珪素濃度は20〜60%と高くなる。
【0017】
反応終期は、反応中期から反応が終了するまでの時間帯である。反応中期より更にシードの表面積が大きくなっているため、反応中期と同様、還元炉へ供給したトリクロロシランの比較的多くが還元反応に寄与する。排ガス中の四塩化珪素濃度は20〜50%である。
【0018】
複数の還元炉は、未反応蒸留系を共有しているが、多結晶シリコンの生産状況、原料ガス供給能力等の関係から、同期的な操業はされず、位相を違えて操業されるのが普通である。このため、未反応蒸留系へ向かう排ガスの組成は複雑に変動し、その結果、蒸留塔10に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度も5〜60%の範囲内で大きく且つ複雑に変動するが、本発明者らによる詳細な調査によれば、蒸留塔10に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度が低位で推移したときに、蒸留塔10で精製されるトリクロロシランの品質が低下することが明らかになった。
【0019】
即ち、蒸留塔10でのクロルシラン液の供給流量、加熱量は基本的に一定である。このため、クロルシラン液の組成が一定の場合は、トリクロロシラン液の還流比R/Dは、塔内の温度制御に依存してのみ変化し、その変化量は僅かである。しかし、実際には、上述した複数の還元炉での操業状況の影響を受けて、クロルシラン液の組成が変動する。その結果、クロルシラン液中の四塩化珪素濃度が低位で推移することがあり、この場合は、相対的にトリクロロシラン濃度が上昇し、トリクロロシラン液の精製量が増大する。そうすると、トリクロロシラン液の取り出し液量Dが増大し、還流比R/Dは低下する。この還流比R/Dは、トリクロロシランの精製度に影響し、還流比R/Dが低下するほど精製度も低下する。このため、蒸留塔10で精製されるトリクロロシラン液の品質が低下することになる。
【0020】
本発明者らによる調査の結果、このトリクロロシラン液の品質低下を防止するためには、蒸留塔10に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度を、精製操業の実質全期間にわたって30%以上に維持するのが有効であることが知見された。
【0021】
本発明のトリクロロシランの精製方法は、かかる知見に基づいてなされたものであり、気相成長法による多結晶シリコンの製造に伴って還元炉から排出される排ガスから得たトリクロロシラン及び四塩化珪素を主成分とするクロルシラン液を蒸留塔に通して、トリクロロシランを分離するトリクロロシランの精製方法において、前記蒸留塔に供給するクロルシラン液中の四塩化珪素濃度を30%以上に管理することにより、前記蒸留塔で精製されるトリクロロシランの品質低下を阻止し、高品質なトリクロロシラン、ひいては高品質な多結晶シリコンの安定的な製造を可能にする。
【0022】
具体的には、前記蒸留塔を共用する複数の還元炉を、前記蒸留塔に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度が30%以上に維持されるように、反応初期の重複が回避されるパターンで稼働させる。或いは、前記蒸留塔に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度を連続的又は断続的に測定し、測定された四塩化珪素濃度が30%未満に低下したときに、前記蒸留塔からサイドカットによって取り出された四塩化珪素を前記クロルシラン液に加える。
【0023】
なお、本発明では、蒸留塔に流入するクロルシラン液中の四塩化珪素濃度を、精製操業の全期間にわたって30%以上に維持するのが好ましいが、30%を下回るクロルシラン液が蒸留塔へ一時的に短時間(具体的には10時間程度まで)流入することは差し支えない。なぜなら、蒸留塔内の組成変化には通常長時間かかる。そのため、短時間の四塩化珪素濃度低下ならば、組成変化による品質低下の影響が現れる前に、四塩化珪素濃度が回復し、通常の塔内組成に戻っていくため、顕著な品質の低下は発生しない。
【0024】
本発明では又、トリクロロシランがジクロロシラン(SiHCl)を含むことを排除しない。なぜなら、ジクロロシランもトリクロロシランと同様に還元反応の原料として用いられるので、その混在は操業上特に問題とならないからである。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図4は本発明の実施形態を説明するためのトリクロロシラン精製設備の構成図である。
【0026】
本発明の一実施形態では、複数の還元炉1,1・・で気相成長法により多結晶シリコンが製造される。複数の還元炉1,1・・から排出される排ガスは共通配管を通して水素回収工程2へ送られる。排ガスは、未反応のトリクロロシラン及び水素、並びに反応生成物である四塩化珪素等を含んでいる。水素回収工程2は、排ガスを−10℃以下に冷却して、水素以外の物質を液化することにより、水素を分離する。水素と分離した液体は、トリクロロシラン及び四塩化珪素を主成分とするクロルシラン液である。
【0027】
このクロルシラン液は、未反応蒸留系へ送られ、ここでタンク3を経て蒸留塔10へ供給される。蒸留塔10は、クロルシラン液を塔底部の蒸発缶11により加熱し、トリクロロシランと四塩化珪素に分離する。沸点の低いトリクロロシランは、蒸気となって塔頂部から排出され、凝縮器12により液化されて、高純度のトリクロロシラン液となる。このトリクロロシラン液は、塔内の温度制御のために一部が塔頂部に還流され、残りが製品として取り出される。
【0028】
一方、沸点の高い四塩化珪素はPClなどの不純物と共に塔底部から抜き取られる。また、塔底部と塔頂部の間からサイドカットにより高純度の四塩化珪素を製品として抜き取ることもできる。
【0029】
各還元炉1から排出される排ガス中の四塩化珪素濃度は、ここでは、反応初期で5〜30%、反応中期及び反応終期で20〜60%である。複数の還元炉1,1・・の全てで反応初期が重なると、タンク3があるとはいえ、蒸留塔10に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度は30%未満となり、蒸留塔10で生成されるトリクロロシラン液の品質が低下する。
【0030】
そこで、本実施形態では、蒸留塔10に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度が30%以上に維持されるように、2以上の還元炉1,1・で反応初期が重ならないパターンで、複数の還元炉1,1・・を稼働させる。即ち、1つの還元炉1が反応初期のとき、他の還元炉1,1・の1以上が反応中期又は反応終期となるパターンで、複数の還元炉1,1・・を稼働させる。
【0031】
これにより、反応初期の還元炉1から排出される、四塩化珪素が低濃度の排ガスと、反応中期又は反応終期の1以上の還元炉1・から排出される、四塩化珪素が高濃度の排ガスとが混合され、その結果として、蒸留塔10に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度が30%以上に維持される。かくして、蒸留塔10で生成されるトリクロロシラン液の品質低下が回避される。
【0032】
なお、蒸留塔10に供給されるクロルシラン液は、事前にタンク3を通り、ここに一時的に滞留することにより、その濃度変動が多少緩和される。このため、反応初期の90%程度以上が反応中期又は反応終期と重なっていれば、蒸留塔10に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度は30%以上に維持される。また、仮に四塩化珪素濃度が30%を下回るクロルシラン液が蒸留塔10へ一時的に流入しても問題のないことは前述のとおりである。
【0033】
本発明の他の実施形態では、蒸留塔10へクロルシラン液を供給する管路に、クロルシラン液中の四塩化珪素濃度を測定する測定器4を設ける。測定器4は、タンク3と蒸留塔10の間に設置されている。蒸留塔10からサイドカットにより取り出される四塩化珪素液をタンク3の上流側に導く管路を設け、この管路に設けた流量制御弁5を測定器4の出力により制御する。
【0034】
具体的には、測定された四塩化珪素濃度が30%以上のときは、流量制御弁5を閉状態に維持する。測定された四塩化珪素濃度が30%未満になると、流量制御弁5を開き、タンク3内のクロルシラン液中の四塩化珪素液濃度を高める。これにより、蒸留塔10に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度が30%以上に維持され、蒸留塔10で生成されるトリクロロシラン液の品質低下が回避される。
【0035】
なお、蒸留塔10に供給されるクロルシラン液は、事前にタンク3を通り、ここに一時的に滞留するので、反応全期間の90%程度以上で、四塩化珪素濃度の測定値が30%以上に維持されていれば、蒸留塔10に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度は30%以上に維持される。また、仮に四塩化珪素濃度が30%を下回るクロルシラン液が蒸留塔10へ一時的に流入しても問題のないことは前述のとおりである。
【0036】
図5は蒸留塔に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度と、蒸留塔で生成されるトリクロロシラン液の品質との関係について調査した結果を示すグラフである。
【0037】
トリクロロシラン液の品質は、蒸留塔で精製されたトリクロロシランを検定炉へ送って多結晶シリコンを製造し、更にその多結晶シリコンからFZ法により製造したシリコン単結晶の比抵抗で表している。トリクロロシラン液の品質は、この比抵抗でN型3000Ωcm以上が望ましい。
【0038】
図5から分かるように、蒸留塔に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度が上昇するに従って、蒸留塔で精製されるトリクロロシラン液の品質が向上し、その四塩化珪素が30%以上で、N型3000Ωcm以上の品質が確保される。
【0039】
本発明の実施前は、蒸留塔で精製されるトリクロロシランの品質が前記比抵抗でN型1500Ωcmを下回る状況が、6ヵ月間で12%の期間発生していた。しかるに、本発明を実施することにより、このような品質低下は1%まで低減した。
【0040】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のトリクロロシランの精製方法は、蒸留塔に供給するクロルシラン液中の四塩化珪素濃度を30%以上に管理することにより、蒸留塔で精製されるトリクロロシランの品質低下を阻止し、高品質なトリクロロシランを製造できる。これにより、このトリクロロシランを原料として製造される多結晶シリコンの品質を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】気相成長法による多結晶シリコンの製造フロー図である。
【図2】未反応蒸留系に使用される蒸留塔の構成図である。
【図3】還元炉における反応の推移を、排ガス組成の経時変化により示すグラフである。
【図4】本発明の実施形態を説明するためのトリクロロシラン精製設備の構成図である。
【図5】蒸留塔に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度と蒸留塔で生成されるトリクロロシラン液の品質との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 還元炉
2 水素回収工程
3 タンク
4 測定器
5 流量制御弁
10 還元炉
11 蒸発缶
12 凝縮器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for purifying trichlorosilane used in the production of polycrystalline silicon.
[0002]
[Prior art]
High-purity polycrystalline silicon, which is a raw material for producing a silicon single crystal, which is a material for semiconductor devices, is manufactured by a vapor phase growth method called a Siemens method. This manufacturing process will be described with reference to FIG.
[0003]
First, trichlorosilane (TCS: SiHCl 3 ) is manufactured in a conversion furnace using metal silicon, silicon tetrachloride (STC: SiCl 4 ), and hydrogen gas as raw materials. The produced trichlorosilane is sent to a virgin distillation system, where it is passed through a plurality of distillation columns to be purified into high-purity trichlorosilane. This high-purity trichlorosilane is supplied to a reduction furnace together with high-purity trichlorosilane and hydrogen purified by an unreacted distillation system described later.
[0004]
In the reducing furnace, polycrystalline silicon is vapor-deposited on the heated seed surface by a reduction reaction using trichlorosilane and hydrogen as raw materials. Along with this reaction, exhaust gas composed of unreacted trichlorosilane and hydrogen and silicon tetrachloride as a reaction product is discharged from the reduction furnace. This exhaust gas is sent to the hydrogen recovery process. In this step, the exhaust gas is cooled to −10 ° C. or lower, and trichlorosilane and silicon tetrachloride in the exhaust gas are liquefied and separated from hydrogen. The hydrogen recovered in this step is supplied as a raw material gas to the reduction furnace.
[0005]
On the other hand, the chlorosilane liquid mainly composed of liquefied trichlorosilane and silicon tetrachloride is sent to an unreacted distillation system. In the unreacted distillation system, the chlorosilane liquid is passed through a distillation column to separate trichlorosilane from silicon tetrachloride and impurities. High-purity trichlorosilane taken out from the top of the column is supplied as a raw material gas to the reduction furnace. Silicon tetrachloride containing impurities taken out from the bottom of the column is sent to the conversion step described above. In some cases, high-purity silicon tetrachloride is taken out as a product by side-cutting between the tower top and the tower bottom.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In such a manufacturing process of polycrystalline silicon, a very high quality in which impurities such as PCl 3 are eliminated as much as possible is required for high-purity trichlorosilane sent from an unreacted distillation column to a reduction furnace. For this reason, although the quality of trichlorosilane is controlled, since the required impurity concentration is low, the amount of impurities cannot be accurately measured by a normal chemical analysis method.
[0007]
Therefore, trichlorosilane purified in a distillation column is periodically sent to a small reduction furnace called a test furnace to actually produce a sample sample of polycrystalline silicon, and a silicon single piece produced from the sample product by the FZ method. The quality of trichlorosilane is inspected and controlled by measuring the specific resistance of the crystal.
[0008]
The quality required for trichlorosilane as a raw material for producing polycrystalline silicon used for the production of a silicon single crystal is, for example, N-type 3000 Ωcm or more in terms of the specific resistance of the sampled silicon single crystal. However, when the present inventors continuously conducted a long-term quality survey on trichlorosilane purified in an unreacted distillation column, the resistivity of the silicon single crystal produced as a sample was N-type 1500 Ωcm. It has become clear that the quality of trichlorosilane may be degraded to a level that is lower than.
[0009]
Although the quality degradation of the trichlorosilane occurs irregularly and may not occur for a relatively long period of time, it goes without saying that the adverse effect on the quality of the polycrystalline silicon produced using the trichlorosilane as a raw material cannot be ignored. As for the cause, there is a possibility that contamination occurs in the unreacted distillation system, but the causal relationship with the causal phenomenon is not clear.
[0010]
The object of the present invention is to prevent the deterioration of the quality of trichlorosilane purified by an unreacted distillation system in the production process of polycrystalline silicon, to stably supply high quality trichlorosilane, and to stabilize the quality of polycrystalline silicon. Another object of the present invention is to provide a method for purifying trichlorosilane that enables easy production.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
By the way, in the production of polycrystalline silicon by vapor phase growth, a plurality of reduction furnaces are usually used in parallel. On the other hand, a trichlorosilane production system (virgin distillation system) and a recovery system (unreacted distillation system) are usually shared among a plurality of reduction furnaces. As a result of detailed investigations on the cycle of the phenomenon in which the quality of trichlorosilane purified by an unreacted distillation system deteriorates, the present inventors have found that the operation cycle of the reduction furnace is related to the quality deterioration of trichlorosilane. I found out. More specifically, the composition of the chlorosilane liquid supplied to the unreacted distillation column is affected by the operation cycles of a plurality of reduction furnaces, and this causes the quality of trichlorosilane to deteriorate.
[0012]
That is, in the unreacted distillation system, as shown in FIG. 2, a chlorosilane liquid mainly composed of trichlorosilane and silicon tetrachloride is supplied to the distillation column 10. The chlorosilane liquid supplied to the distillation column 10 is heated by the evaporator 11 at the bottom of the column. The trichlorosilane having a low boiling point is discharged as a vapor from the top of the column and is liquefied by the condenser 12 to become a high purity trichlorosilane liquid. A part of this trichlorosilane liquid is refluxed to the top of the column for temperature control in the column, and the rest is taken out as a purified product. The ratio (R / D) of the reflux liquid amount R to the purified product take-out liquid amount D is called the reflux ratio and affects the degree of purification of trichlorosilane.
[0013]
On the other hand, silicon tetrachloride having a high boiling point is extracted from the bottom of the column together with impurities such as PCl 3 . Further, high-purity silicon tetrachloride may be extracted as a product by side-cutting between the tower bottom and the tower top. By the way, the boiling point of trichlorosilane under atmospheric pressure is about 32 ° C., the boiling point of silicon tetrachloride is about 58 ° C., and the boiling point of PCl 3 is about 76 ° C.
[0014]
On the other hand, in a plurality of reduction furnaces connected to the unreacted distillation system, polycrystalline silicon is produced over several 10 to 200 hours. During this reduction reaction, the concentration of silicon tetrachloride in the exhaust gas discharged from each reduction furnace varies with the progress of the reaction. FIG. 3 shows changes with time in the exhaust gas composition (excluding hydrogen) in the reduction furnace. The following reduction furnace exhaust gas composition is a numerical value excluding hydrogen in the exhaust gas.
[0015]
The initial stage of the reaction is a time zone in which the flow rate of trichlorosilane is increased from the start of the reaction. Since the seed is thin and the reaction area is small, most of the trichlorosilane supplied to the reduction furnace is discharged as exhaust gas without being reacted. The concentration of silicon tetrachloride in the exhaust gas is as low as 5 to 30%.
[0016]
The middle period of the reaction is a time period in which the flow rate of trichlorosilane stops increasing and becomes a constant flow rate. Since the surface area of the seed increases, a relatively large amount of trichlorosilane supplied to the reduction furnace contributes to the reduction reaction. The concentration of silicon tetrachloride in the exhaust gas is as high as 20 to 60%.
[0017]
The end of the reaction is a time period from the middle of the reaction to the end of the reaction. Since the surface area of the seed is larger than that in the middle of the reaction, a relatively large amount of trichlorosilane supplied to the reduction furnace contributes to the reduction reaction as in the middle of the reaction. The concentration of silicon tetrachloride in the exhaust gas is 20 to 50%.
[0018]
Multiple reduction furnaces share an unreacted distillation system, but due to the production status of polycrystalline silicon, raw material gas supply capacity, etc., they are not operated synchronously and are operated in different phases. It is normal. For this reason, the composition of the exhaust gas toward the unreacted distillation system fluctuates in a complicated manner. As a result, the concentration of silicon tetrachloride in the chlorosilane liquid supplied to the distillation column 10 also fluctuates greatly and complicatedly within a range of 5 to 60%. However, according to a detailed investigation by the present inventors, when the concentration of silicon tetrachloride in the chlorosilane solution supplied to the distillation column 10 is low, the quality of trichlorosilane purified in the distillation column 10 is low. It became clear that it fell.
[0019]
That is, the supply flow rate and heating amount of the chlorosilane liquid in the distillation column 10 are basically constant. For this reason, when the composition of the chlorosilane liquid is constant, the reflux ratio R / D of the trichlorosilane liquid changes only depending on the temperature control in the column, and the amount of change is slight. However, in practice, the composition of the chlorosilane liquid varies under the influence of the operating conditions in the plurality of reduction furnaces described above. As a result, the silicon tetrachloride concentration in the chlorosilane solution may shift to a low level. In this case, the trichlorosilane concentration relatively increases and the amount of the purified trichlorosilane solution increases. If it does so, the taking-out liquid amount D of a trichlorosilane liquid will increase, and reflux ratio R / D will fall. This reflux ratio R / D affects the degree of purification of trichlorosilane, and the degree of purification decreases as the reflux ratio R / D decreases. For this reason, the quality of the trichlorosilane liquid refine | purified with the distillation tower 10 will fall.
[0020]
As a result of the investigation by the present inventors, in order to prevent the quality deterioration of the trichlorosilane liquid, the concentration of silicon tetrachloride in the chlorosilane liquid supplied to the distillation column 10 is set to 30% or more over the substantially entire period of the refining operation. It has been found that it is effective to maintain the above.
[0021]
The method for purifying trichlorosilane of the present invention has been made based on such knowledge, and trichlorosilane and silicon tetrachloride obtained from exhaust gas discharged from a reduction furnace accompanying the production of polycrystalline silicon by the vapor phase growth method. In a method for purifying trichlorosilane by separating a trichlorosilane by passing a chlorosilane liquid containing as a main component through a distillation tower, by controlling the silicon tetrachloride concentration in the chlorosilane liquid supplied to the distillation tower to 30% or more, The degradation of the quality of trichlorosilane purified in the distillation column is prevented, and stable production of high-quality trichlorosilane and, consequently, high-quality polycrystalline silicon is made possible.
[0022]
Specifically, duplication at the initial stage of the reaction is avoided so that a plurality of reduction furnaces sharing the distillation tower can maintain a silicon tetrachloride concentration of 30% or more in the chlorosilane liquid supplied to the distillation tower. Operate in a pattern. Alternatively, the silicon tetrachloride concentration in the chlorosilane solution supplied to the distillation column is measured continuously or intermittently, and when the measured silicon tetrachloride concentration is reduced to less than 30%, the side cut from the distillation column is performed. Is added to the chlorosilane solution.
[0023]
In the present invention, the concentration of silicon tetrachloride in the chlorosilane liquid flowing into the distillation column is preferably maintained at 30% or more over the entire period of the refining operation. For a short time (specifically, up to about 10 hours). This is because it usually takes a long time to change the composition in the distillation column. Therefore, if the silicon tetrachloride concentration decreases for a short time, the silicon tetrachloride concentration recovers and returns to the normal composition in the tower before the effect of quality deterioration due to composition change appears, so there is no significant quality deterioration. Does not occur.
[0024]
The present invention also does not exclude that the trichlorosilane contains dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ). This is because dichlorosilane is also used as a raw material for the reduction reaction in the same manner as trichlorosilane, and its mixture does not cause any problem in operation.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a configuration diagram of a trichlorosilane purification facility for explaining an embodiment of the present invention.
[0026]
In an embodiment of the present invention, polycrystalline silicon is produced by a plurality of reduction furnaces 1, 1. The exhaust gas discharged from the plurality of reduction furnaces 1, 1... Is sent to the hydrogen recovery process 2 through a common pipe. The exhaust gas contains unreacted trichlorosilane and hydrogen, and reaction products such as silicon tetrachloride. The hydrogen recovery step 2 separates hydrogen by cooling the exhaust gas to −10 ° C. or lower and liquefying substances other than hydrogen. The liquid separated from hydrogen is a chlorosilane liquid mainly composed of trichlorosilane and silicon tetrachloride.
[0027]
This chlorosilane liquid is sent to the unreacted distillation system, and is supplied to the distillation column 10 through the tank 3 here. The distillation tower 10 heats the chlorosilane liquid with an evaporator 11 at the bottom of the tower and separates it into trichlorosilane and silicon tetrachloride. The trichlorosilane having a low boiling point is discharged as a vapor from the top of the column and is liquefied by the condenser 12 to become a high purity trichlorosilane liquid. A part of this trichlorosilane liquid is refluxed to the top of the column for temperature control in the column, and the rest is taken out as a product.
[0028]
On the other hand, silicon tetrachloride having a high boiling point is extracted from the bottom of the column together with impurities such as PCl 3 . Further, high-purity silicon tetrachloride can be extracted as a product by side-cutting between the tower bottom and the tower top.
[0029]
Here, the concentration of silicon tetrachloride in the exhaust gas discharged from each reduction furnace 1 is 5 to 30% at the beginning of the reaction, and 20 to 60% at the middle of the reaction and at the end of the reaction. If the reaction initial stage overlaps in all of the plurality of reduction furnaces 1, 1..., The silicon tetrachloride concentration in the chlorosilane liquid supplied to the distillation column 10 is less than 30% even though there is the tank 3. The quality of the trichlorosilane liquid produced in the process is reduced.
[0030]
Therefore, in the present embodiment, the initial reaction is not overlapped in two or more reduction furnaces 1, 1 · so that the silicon tetrachloride concentration in the chlorosilane liquid supplied to the distillation column 10 is maintained at 30% or more. A plurality of reduction furnaces 1, 1,. That is, when one reducing furnace 1 is in the initial stage of reaction, a plurality of reducing furnaces 1, 1,... Are operated in a pattern in which one or more of the other reducing furnaces 1, 1,.
[0031]
Thereby, silicon tetrachloride exhausted from the reduction furnace 1 at the initial stage of the reaction, and silicon tetrachloride exhausted from the one or more reduction furnaces 1 in the middle or final stage of the reaction. As a result, the silicon tetrachloride concentration in the chlorosilane liquid supplied to the distillation column 10 is maintained at 30% or more. Thus, quality degradation of the trichlorosilane liquid produced in the distillation column 10 is avoided.
[0032]
In addition, the chlorosilane liquid supplied to the distillation column 10 passes through the tank 3 in advance and temporarily stays therein, so that the concentration fluctuation is somewhat relaxed. For this reason, if about 90% or more of the initial stage of the reaction overlaps with the middle stage of the reaction or the end of the reaction, the silicon tetrachloride concentration in the chlorosilane solution supplied to the distillation column 10 is maintained at 30% or more. Further, as described above, there is no problem even if a chlorosilane liquid having a silicon tetrachloride concentration of less than 30% temporarily flows into the distillation column 10.
[0033]
In another embodiment of the present invention, a measuring device 4 that measures the concentration of silicon tetrachloride in the chlorosilane solution is provided in a pipe that supplies the chlorosilane solution to the distillation column 10. The measuring device 4 is installed between the tank 3 and the distillation tower 10. A pipe for guiding the silicon tetrachloride liquid taken out from the distillation column 10 by side cut to the upstream side of the tank 3 is provided, and the flow rate control valve 5 provided in the pipe is controlled by the output of the measuring device 4.
[0034]
Specifically, when the measured silicon tetrachloride concentration is 30% or more, the flow control valve 5 is kept closed. When the measured silicon tetrachloride concentration is less than 30%, the flow control valve 5 is opened, and the silicon tetrachloride solution concentration in the chlorosilane solution in the tank 3 is increased. Thereby, the silicon tetrachloride density | concentration in the chlorosilane liquid supplied to the distillation tower 10 is maintained at 30% or more, and the quality fall of the trichlorosilane liquid produced | generated in the distillation tower 10 is avoided.
[0035]
In addition, since the chlorosilane liquid supplied to the distillation tower 10 passes through the tank 3 in advance and temporarily stays there, the measured value of the silicon tetrachloride concentration is 30% or more in about 90% or more of the whole reaction period. If maintained, the concentration of silicon tetrachloride in the chlorosilane solution supplied to the distillation column 10 is maintained at 30% or more. Further, as described above, there is no problem even if a chlorosilane liquid having a silicon tetrachloride concentration of less than 30% temporarily flows into the distillation column 10.
[0036]
FIG. 5 is a graph showing the results of investigating the relationship between the concentration of silicon tetrachloride in the chlorosilane solution supplied to the distillation column and the quality of the trichlorosilane solution produced in the distillation column.
[0037]
The quality of the trichlorosilane solution is represented by the specific resistance of a silicon single crystal produced by sending trichlorosilane purified by a distillation column to a test furnace to produce polycrystalline silicon and further producing the polycrystalline silicon from the polycrystalline silicon by the FZ method. The quality of the trichlorosilane liquid is preferably N-type 3000 Ωcm or more in this specific resistance.
[0038]
As can be seen from FIG. 5, as the concentration of silicon tetrachloride in the chlorosilane liquid supplied to the distillation tower increases, the quality of the trichlorosilane liquid purified by the distillation tower improves, and the silicon tetrachloride is 30% or more. The quality of N-type 3000 Ωcm or higher is ensured.
[0039]
Prior to the practice of the present invention, the situation in which the quality of trichlorosilane purified by a distillation column was lower than the N-type 1500 Ωcm in terms of the specific resistance occurred for a period of 12% over 6 months. However, by implementing the present invention, such quality degradation was reduced to 1%.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, the method for purifying trichlorosilane according to the present invention reduces the quality of trichlorosilane purified in the distillation column by controlling the silicon tetrachloride concentration in the chlorosilane solution supplied to the distillation column to 30% or more. And high quality trichlorosilane can be produced. Thereby, the quality of the polycrystalline silicon manufactured using this trichlorosilane as a raw material can be stabilized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a production flow diagram of polycrystalline silicon by a vapor phase growth method.
FIG. 2 is a configuration diagram of a distillation column used in an unreacted distillation system.
FIG. 3 is a graph showing the transition of the reaction in the reduction furnace as the exhaust gas composition changes with time.
FIG. 4 is a configuration diagram of a trichlorosilane purification facility for explaining an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the concentration of silicon tetrachloride in the chlorosilane solution supplied to the distillation column and the quality of the trichlorosilane solution produced in the distillation column.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reduction furnace 2 Hydrogen recovery process 3 Tank 4 Measuring device 5 Flow control valve 10 Reduction furnace 11 Evaporator 12 Condenser

Claims (3)

気相成長法による多結晶シリコンの製造に伴って還元炉から排出される排ガスから得たトリクロロシラン及び四塩化珪素を主成分とするクロルシラン液を蒸留塔に通して、トリクロロシランを分離するトリクロロシランの精製方法において、前記蒸留塔に供給するクロルシラン液中の四塩化珪素濃度を30%以上に管理することを特徴とするトリクロロシランの精製方法。Trichlorosilane which separates trichlorosilane by passing chlorosilane liquid mainly composed of trichlorosilane and silicon tetrachloride obtained from exhaust gas discharged from the reduction furnace in the vapor phase growth method through the distillation tower. The method for purifying trichlorosilane, characterized in that the concentration of silicon tetrachloride in the chlorosilane liquid supplied to the distillation column is controlled to 30% or more. 前記蒸留塔を共用する複数の還元炉を、前記蒸留塔に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度が30%以上に維持されるように、反応初期の重複が回避されるパターンで稼働させることを特徴とする請求項1に記載のトリクロロシランの精製方法。A plurality of reduction furnaces sharing the distillation column are operated in a pattern that avoids duplication in the initial reaction so that the silicon tetrachloride concentration in the chlorosilane liquid supplied to the distillation column is maintained at 30% or more. The method for purifying trichlorosilane according to claim 1. 前記蒸留塔に供給されるクロルシラン液中の四塩化珪素濃度を連続的又は断続的に測定し、測定された四塩化珪素濃度が30%未満に低下したときに、前記蒸留塔からサイドカットによって取り出された四塩化珪素を前記クロルシラン液に加えることを特徴とする請求項1に記載のトリクロロシランの精製方法。The silicon tetrachloride concentration in the chlorosilane liquid supplied to the distillation column is measured continuously or intermittently, and when the measured silicon tetrachloride concentration is reduced to less than 30%, the silicon tetrachloride concentration is taken out from the distillation column by side cut. The method for purifying trichlorosilane according to claim 1, wherein the silicon tetrachloride is added to the chlorosilane solution.
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