JP3958092B2 - Reactor for silicon production - Google Patents

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JP3958092B2
JP3958092B2 JP2002091663A JP2002091663A JP3958092B2 JP 3958092 B2 JP3958092 B2 JP 3958092B2 JP 2002091663 A JP2002091663 A JP 2002091663A JP 2002091663 A JP2002091663 A JP 2002091663A JP 3958092 B2 JP3958092 B2 JP 3958092B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クロロシラン類と水素との反応によってシリコンを製造するためのシリコン生成用反応装置に関する。さらに詳しくは、反応で生成したシリコンを反応性の高いシリコン融液を経由して回収するシリコンの生成用反応装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、半導体あるいは太陽光発電用電池の原料として使用されるシリコンを製造する方法は種々知られており、そのうちのいくつかは既に工業的に実施されている。
例えばその一つはシーメンス法と呼ばれる方法であり、通電によりシリコンの析出温度に加熱したシリコン棒をベルジャー内部に配置し、該シリコン棒にトリクロロシラン(SiHCl3、以下TCSという)やモノシラン(SiH4)を水素等の還元性ガスと共に接触させてシリコンを析出させる方法である。
【0003】
この方法は高純度のシリコンを得られることで特徴があり、最も一般的な方法として実施されているが、析出がバッチ式であるため、種となるシリコン棒の設置、シリコン棒の通電加熱、析出、冷却、取り出し、ベルジャーの洗浄等の極めて煩雑な手順を行わなければならないという問題点がある。
特開昭62−7619号公報には、少なくとも表面が多結晶ケイ素またはSiO2からなる出発材に向けて、ハロゲンと水素との反応火炎を放射させるとともに、この火炎中にケイ素原料化合物を供給して出発材表面にケイ素を析出させ、析出したケイ素を溶融滴下させる、ケイ素の製造法が開示されている。溶融したケイ素は反応性が非常に高いため、同公報には高純度ケイ素を得ようとする場合には、出発材の表面はもちろんのこと、内部からの不純物の拡散も防止して出発材全体を高純度ケイ素製とするのが好ましいことが開示されている。
【0004】
特開昭54−124896号公報には、シリコンの溶融浴に塩化シランと水素の混合物を接触させてシリコンを生成させ、それによってシリコン溶融浴を補給しつつ、溶融浴の底部から凝固状態の多結晶シリコンを棒状に引き出す、高純度多結晶シリコン棒の製造法が開示されている。溶融浴の容器の材料として不透明石英、窒化ケイ素または石英、窒化ホウ素、グラファイト等の表面に窒化ケイ素またはシリコンオキシナイトライドをコーティングしたものが開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、クロロシランと水素とからシリコン融液を経由してシリコンを製造する際に、シリコン融液と接触する部位がシリコン融液と反応性の低い材料からなる、長時間連続運転可能な反応装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、特に高周波誘導加熱によるシリコンの製造装置において、高周波誘導加熱に適し且つシリコン融液との反応性も低い部材を備えた、長時間連続運転可能な反応装置を提供することにある。
本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになろう。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、本発明の上記目的および利点は、クロロシラン類と水素を反応せしめてシリコンを生成せしめ、生成したシリコンをシリコン融液を経由して回収するシリコン生成用反応装置であって、シリコン融液と接触する装置内の内表面が、熱分解炭素からなるシリコン生成用反応装置によって達成される。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明のシリコン反応用装置はクロロシラン類と水素とを出発原料とし、これらを反応せしめてシリコンを生成するための反応装置であれば、いかなるタイプの反応装置であってもよい。本発明の反応装置としては、とりわけ高周波誘導加熱によるものが好ましい。
【0008】
かかる反応装置は、好ましくは、
(1)下端にシリコン取出口となる開口部を有する筒状容器、
(2)上記筒状容器の下端から任意の高さまでの内壁をシリコンの融点以上の温度に加熱することが可能な加熱手段、
(3)上記シリコンの融点以上の温度に加熱された内壁で囲まれた空間内に下方に向かって開口するように設けられ、且つ、内壁をシリコンの析出温度未満に維持する冷却手段を備えたクロロシラン類供給管、および
(4)上記クロロシラン類供給管の開口部より上方の位置で筒状容器内空間にシールガスを供給するシールガス供給管
より構成される。
クロロシラン類と水素との反応により生成したシリコンは筒状容器内壁を一部または全部が溶融した状態で流下し、下端に位置するシリコン取出口から落下する。
【0009】
以下、添付図面を参照しつつさらに詳しく説明する。
図1〜3のシリコン製造装置において、筒状容器1は、シリコン取出口として、後で詳述するように、その内部で析出し、その一部または全部が溶融したシリコンが自然流下により容器外に落下し得る開口部2を有する構造であればよい。従って、筒状容器1の横断面形状は、円状、多角状等の任意の形状を採ることができる。また、筒状容器を大型化する場合、加熱面となる壁面間の距離を増大させず、加熱効率を向上するため、その横断面形状を扁平形とすることは、好ましい態様である。
上記筒状容器1は、製作を容易にするために、図1ないし図3に示すような断面積が各部分で等しい直胴状にすることもできるし、反応ガスの滞在時間を長くしてクロロシラン類のシリコンへの転化率(以下、単に転化率ともいう)を向上させるために、図4に示すような縦断面の一部が他の部分よりも拡大された形状にすることも好適である。
【0010】
一方、筒状容器1における開口部2の開口の仕方も、図1に示すように、ストレートに開口した態様でもよいし、下方に向かって徐々に径が減少するように絞り部を形成した態様でもよい。
また、筒状容器1の開口部は、その周縁が水平となるように構成する態様でも問題なく粒子状のシリコンを得るが、図5に示すように周縁が傾斜するように構成する態様、さらには図6に示すように周縁を波状に構成する態様とすることにより、該開口部2の周縁より落下するシリコン融液の液滴が揃い、シリコン粒子の粒径をより均一に調整することができるため好ましい。
【0011】
さらに、上述した何れの開口部周縁の形状においても、溶融したシリコンが落下時の液切れを良くするため、先端部に向かって肉厚が次第に薄くなる刃物状にすることがより好ましい態様である。
上記筒状容器1は、シリコンの融点以上に加熱され、その内部はクロロシラン類やシリコン融液に接触するため、これらの温度条件や接触物に対して耐久性の高い材質を選択することが長期間安定してシリコンの製造を行う上で望ましい。
【0012】
本発明において、シリコン融液と接触する上記筒状容器の内表面は、熱分解炭素からなる。即ち、この材料は、水素、クロロシラン類、およびシリコン融液が共存する高温環境においても耐久性が高く、カーボン基材にシリコン融液が浸透することを効果的に防止し、カーボン基材が破壊されることを防止する。他方、これらの材料は高周波誘導加熱に適した材料とはいえないので、それに適した材料である炭素材料と組合せて使用するのが好ましい。例えば、上記円筒容器をカーボンあるいはグラファイトの如き炭素材料を基材として作成し、その少なくとも内表面を上記材料により被覆する。これらの内表面材料は炭素材料の上にCVD法により直接的に被覆することができるが、円筒容器の内壁に合致するように成形した後、円筒内に挿入して使用することもできる。シリコン融液と接触する内表面は、シリコン融液の透過を考えた場合、内表面材料は1μm以上の厚みを有するのが好ましい。
内表面材料の熱分解炭素は、得られるシリコンの汚染が極めて少ない。
【0013】
上記のシリコン製造装置において、上記筒状容器1には、その下端から任意の高さまでの周壁をシリコンの融点以上の温度に加熱するための加熱手段3が設けられる。上記温度に加熱する幅、すなわち、筒状容器1の下端からの加熱手段3を設ける高さは、筒状容器の大きさや上記加熱温度、さらに、供給されるクロロシラン類の量などを考慮して適宜決定することができる。
この加熱手段3は、筒状容器の内壁をシリコンの融点以上に加熱することができるものであれば、公知の手段が特に制限なく採用される。シリコンの融点については種々の見解があるが、おおむね1,410℃から1,430℃の範囲にあると理解すべきである。
【0014】
具体的な加熱手段を例示すれば、図1に示すように、外部からのエネルギーにより筒状容器内壁を加熱する方法が挙げられる。より具体的には、高周波による方法、電熱線を用いる方法、赤外線を用いる方法等がある。
これらの方法のうち、高周波を用いる方法は、高周波を放出する加熱コイルの形状をシンプルにしながら、筒状容器を均質的な温度に加熱することができるため、好適である。
上記シリコン製造装置において、クロロシラン類供給管5は、シリコンの融点前後に加熱された筒状容器1の内壁によって囲まれた空間4にクロロシラン類11を直接供給するためのものであり、空間4内に下方に向かって開口するように設けられる。
【0015】
クロロシラン類供給管5の開口方向を示す「下方」とは、垂直方向のみに限定されず、供給されたクロロシラン類の大部分が該開口に再度接触しないように開口する態様が全て含まれる。好適な態様は、例えば、供給管5の開口角すなわち供給管5の開口壁が垂直方向断面において垂直方向から上方へ向かう角度が、0〜60°となるように開口しているのが好ましい。
また、クロロシラン類供給管5には、該空間4において管内が加熱され、クロロシラン類の熱分解に伴うシリコンの析出が生じないように、管の内壁をクロロシランの自己分解温度未満に冷却するための冷却手段6を有することが必要である。
【0016】
冷却の態様は、目的を達成することができればどのようなものでもよい。例えば、図1に示すような、内部に水、熱媒油等の冷媒液体を通液可能な流路を設けて冷却する液体ジャケット方法、図示されていないが、クロロシラン類供給管に二重管以上の多重環ノズルを設け、中心部からクロロシラン類を供給し、外環ノズルから冷却ガスをパージして中心ノズルを冷却する空冷ジャケット方式などが挙げられる。
クロロシラン類供給管の冷却温度は、供給するクロロシラン類の自己分解温度未満に設定すればよいが、TCSまたは四塩化ケイ素(SiCl4、以下STCという)を原料として用いる場合は、好ましくは800℃以下、より好ましくは600℃以下、最も好ましくは500℃以下とすることがよい。
クロロシラン類供給管5の材質としては、筒状容器1と同様の材質のほか、石英ガラス、鉄、ステンレス鋼等も使用できる。
【0017】
上記シリコン製造装置のうち、図4に示すように、筒状容器の一部に拡大部を設けた態様においては、上記クロロシラン類供給管の開口部を該拡大部の空間に設けることが加熱された内壁から該開口部を離すことができ、該クロロシラン類供給管でのシリコンの析出を防止するための冷却を一層容易に行うことができ、好ましい。
【0018】
シールガス供給管7は、クロロシラン供給管5の開口位置より上部に存在する空間にシールガスを供給するために設けられる。すなわち、筒状容器に原料として供給されたクロロシラン類が、析出・溶融のための空間に到達するまでの間に該クロロシラン類の熱分解により分解して固体シリコンが筒状容器内に析出するのを防止するため、上記高温の空間にクロロシラン供給管5よりクロロシラン類が直接供給されるが、その際、該クロロシラン類の供給管5の開口位置より上部に位置する壁面では、シリコンの溶融温度からシリコンの析出温度未満の温度に至る温度勾配が存在し、シリコンの析出温度以上に加熱され、且つシリコンの融点以上に加熱されない部分が存在するようになる。そして、該部分で析出したシリコンは、溶融されることなく成長し、シリコン製造装置の長期間の運転において、装置を閉塞するという問題が生じる。
【0019】
上記問題に対して、シールガス供給管7をクロロシラン類供給管5の開口位置より上部に設け、シリコンの融点以上に加熱されない空間およびその基材表面をシールガスで満たすことによって、クロロシラン類あるいはクロロシラン類と後記の水素との混合ガスの侵入を防止し、前記固体シリコンの析出を効果的に防止することができる。
シールガス供給管7は、クロロシラン類供給管5の開口位置より上部であれば特に制限されないが、加熱手段3が存在しない筒状容器壁面に設けることが好ましい。
また、シールガス供給管7より供給されるシールガスは、シリコンを生成せず、且つクロロシラン類が存在する領域においてシリコンの生成に悪影響を与えないガスが好適である。具体的には、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスや後記の水素等が好適である。
さらに、シールガスの効果をさらに高めるために、シリコンをエッチングし得るガス、例えば塩化水素などをシールガスに適宜混合することもより好ましい態様である。
【0020】
この場合、シールガスの供給量は、シリコンの融点以上に加熱できない空間およびその基材表面を常に満たす圧力を保つ程度に供給されていれば十分であり、かかる供給量を低減するには、該空間の全体あるいは下部の断面積を小さくするように、筒状容器1の形状あるいはクロロシラン類供給管の外壁の形状等を決定すればよい。
上記シリコン製造装置において、クロロシラン類と共に析出反応に供される水素は、クロロシラン類を予め混合して、クロロシラン類供給管5から供給することができ、またそれと独立して筒状容器1前記空間4に供給し得る位置に開口する水素供給管10を設け、そこから供給することもできる。
【0021】
水素供給管10は、シリコン製造装置を構成する筒状容器1の構造、大きさ等を勘案して、クロロシラン類との反応を効率よく行うことのできる箇所に適宜設けることができる。
さらに、シリコンの析出反応に供する水素の一部または全部は、前記シールガスを兼ねて供給することもできる。図2に示すように、前記シールガス供給管を兼ねた水素ガス供給管14として、クロロシラン供給管5の開口位置より上部に設けることができる。
勿論、上記シールガス供給管を兼ねた水素供給管14から供給される水素の量は、反応に必要な量を勘案して適宜決定される。
【0022】
本発明に用いるクロロシラン類としては、TCS、STCのほか、ジクロロシラン(SiH2Cl2)、モノクロロシラン(SiH3Cl)およびヘキサクロロジシラン(Si2Cl6)に代表されるクロロジシラン類、さらにはオクタクロロトリシラン(Si3Cl8)に代表されるクロロトリシラン類も好適に使用できる。これらのクロロシラン類を単独で、または互いに混合物として使用することも可能である。
これらのクロロシラン類のうち、TCSまたはSTCを主成分とするクロロシランを用いれば、ガス下流域に悪影響を及ぼすシリコン微粉や発火性のある高沸点シラン類(ポリマー)の発生を低減できるため、より長時間安定した運転が可能になり、好ましい。
【0023】
上記シリコン製造装置において、筒状容器1の下端の開口部2には、これより溶融落下するシリコン融液を外気と触れることなく冷却固化せしめて回収するための外気と遮断された空間を与える室を接続することが、高純度のシリコンを工業的に得るために好ましい。
すなわち、その代表的な態様を示す図3および図4に記載したように、前記筒状容器1のシリコン取出口に当たる開口部2に、シリコン融液が落下し得る冷却空間22を形成すると共に、ガス排出口26、および、必要に応じて、冷却により固化したシリコンの取出口31を設けた冷却回収室20を接続したシリコン製造装置が好ましい。
【0024】
上記冷却回収室20は、筒状容器1の開口部2に直接設けることも可能であるが、かかる接続箇所から温度勾配が生じ、該冷却回収室の上部で固体シリコンが析出する温度となる箇所が存在する可能性が高い。但し、筒状容器1より排出されるガス中に存在するクロロシラン類は、もはやそれ以上のシリコンを析出しない安定的なガス組成にまで近づいており、析出したとしてもその量は少ない。
【0025】
しかし、冷却回収室20においても固体シリコンの析出を殆ど防止し、極めて長期間に亘る連続運転を可能とするためには、図3および図4に示すように、冷却回収室20の筒状容器1との接続部分を、筒状容器1の加熱手段3を覆う位置まで上方に設定することにより、加熱された筒状容器1の下端と該冷却回収室20の内壁とを離して設けると共に、シールガス供給管21を、筒状容器1の開口部2の開口位置より上部に存在する空間に設けてシールガスを供給する態様が好適である。
【0026】
上記シールガスの種類、供給量等は前記シールガス供給管7にシールガスを供給する場合と同様に決定することができる。
上記態様において、特にシールガスによる効果を十分に発揮させるためには、筒状容器1周囲を流通するシールガスの線速は、少なくとも0.1m/s、好ましくは0.5m/s、最も好ましくは1m/s以上とすることがよい。
冷却回収室20の材質としては、金属材料、セラミックス材料、ガラス材料等がいずれも好適に使用できるが、工業装置として頑丈であり、かつ高純度のシリコンを回収することを両立するために、金属製回収室の内部を、シリコン、耐熱性セラミックス、テフロン(登録商標)、石英ガラス等でライニングを施すことはより好適である。
一方、筒状容器1での反応後の排ガスは、ガス排出口26より取り出される。
【0027】
筒状容器1より一部または全部が溶融し落下したシリコンは、冷却回収室20の冷却空間22を落下するうちに冷却されて固化したシリコン23として、室下部に蓄積され、取り扱い容易な温度までに冷却される。全部が溶融したシリコンの場合、上記冷却空間を長く設定すると粒状化されたシリコンが得られ、該冷却空間が短い場合は、落下の衝撃により塑性変形した固体シリコンが得られる。装置下部に堆積したシリコンは、必要に応じて破砕して粒状物にすることもできる。
尚、溶融したシリコンが落下する際の冷却を促進するために、冷却ガスの供給管32を設けることは好適な態様である。
また、冷却回収室20には、必要に応じて、固化したシリコンを連続的あるいは断続的に抜き出す取出口31を設けることも可能である。
【0028】
また、上記シリコンの冷却をより効果的に実施するために、冷却回収室20に冷却手段24を設けることが好ましい。かかる冷却の態様は、例えば、図3に示すように、内部に水、熱媒油、アルコール等の冷媒液体を通液可能な流路を設けて冷却する液体ジャケットによる方法が最も好ましい。
図3および図4に示す態様のように、冷却回収室20を上部に延長し、加熱手段を覆うようにした場合、材質保護のために適宜ジャケット構造にして熱媒油等の冷却媒27を流通することもできるし、材質に耐熱性がある場合には熱効果を高めるために断熱材を施して保温するともできる。
【0029】
本発明のシリコン製造装置を使用したシリコンの製造条件は、特に制限されないが、該シリコン製造装置にクロロシラン類と水素とを供給し、該クロロシラン類からシリコンへの転化率が10%以上、好ましくは30%以上となる条件下でシリコンを生成せしめるように、クロロシラン類と水素との供給比率、供給量、滞在時間等を決定することが、冷却回収装置における固体シリコンの析出をより効果的に防止することができ好ましい。例えば、前供給ガス中のクロロシラン類のモル分率は1〜90モル%、好ましくは5〜50モル%であることが、反応容器の大きさに対して経済的なシリコンの製造速度を得るために好ましい。
また、反応圧力は高い方が装置を小型化できるメリットがあるが、0〜1MPaG程度が工業的に実施しやすく、好ましい。
【0030】
滞在時間は、一定容量の反応容器に対して、圧力と温度の条件によって変化するが、反応条件下において、反応容器である筒状容器内でのガスの平均的な滞在時間は0.001〜60秒、好ましくは0.001〜10秒、特に好ましくは0.001〜1秒に設定すれば、十分に経済的なクロロシラン類の転化率を得ることが可能である。
【0031】
【発明の効果】
以上の説明より理解されるように、本発明によれば、長期間連続運転可能な高純度シリコンの製造装置が提供される。この装置は工業的に極めて有用で、その価値は極めて高いものである。
【0032】
【実施例】
以下、本発明を詳細に説明するために実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0033】
実施例1
図3に示すシリコン製造装置を使用した。
CVDにより熱分解炭素を50μmの厚みでコーティングした、内径25mm、長さが50cmで、下部に開口部2を持つ形状のカーボン製筒状容器1に、その上部10cmの位置から下端までの周囲に加熱手段3として高周波加熱コイルを設置した。図2に示す通液可能なジャケット構造をもつ、内径4mm、外径20mmのステンレス製のクロロシラン類供給管5を、該筒状容器の上端から15cmの高さまで挿入した。冷却回収室20は、内径150mm、長さが3mのステンレス製とした。なお、上記筒状容器の下端の周縁は図5に示す形状とした。
【0034】
クロロシラン類供給管5の冷却ジャケット6に通水して、管の内部を50℃以下に維持するとともに、冷却回収室20の下部ジャケット24にも通水し、筒状容器1上部の水素ガス供給管14、および冷却回収室20の上部のシールガス供給管21から水素ガスをそれぞれ5L/min流通させたのち、高周波加熱装置を起動して、筒状容器1を1,500℃に加熱した。容器内の圧力は、ほぼ大気圧であった。
クロロシラン類供給管5に、反応水素とトリクロロシランを、それぞれ20L/minおよび10g/minの速度となるように予め混合して供給したところ、約0.6g/minの速度でシリコンを得た。この場合のトリクロロシランの転化率は約30%であった。50時間反応を継続した後、運転を停止してカーボン製筒状容器を観察したところ、シリコンによる劣化はなかった。
また、熱分解炭素によるシリコンの汚染は1ppm以下と、極めて少ないものであった。
【0035】
比較例1
実施例1の筒状容器にコーティングを施さないカーボン製筒状容器を用い、その他は実施例1と同様の条件で運転を実施した。50時間反応を継続した後、運転を停止してカーボン製筒状容器を観察したところ、劣化により、カーボン製筒状容器の肉厚が数マイクロメートル減少している部分があった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のシリコン製造装置の代表的な態様を示す概念図である。
【図2】本発明のシリコン製造装置の他の代表的な態様を示す概念図である。
【図3】本発明のシリコン製造装置のさらに他の代表的な態様を示す概念図である。
【図4】本発明のシリコン製造装置のさらに他の代表的な態様を示す概念図である。
【図5】本発明のシリコン製造装置の筒状容器下端の周縁の形状を示す概念図である。
【図6】本発明のシリコン製造装置の筒状容器下端の周縁の形状を示す概念図である。
【符号の説明】
1 筒状容器
3 加熱手段
5 クロロシラン類供給管
6 冷却手段
7、21 シールガス供給管
8、14 水素ガス供給管
20 冷却回収室
24 冷却ジャケット
26 ガス排出ライン
31 シリコン取出口
32 冷却ガス供給管
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reactor for producing silicon for producing silicon by reaction of chlorosilanes with hydrogen. More specifically, the present invention relates to a silicon production reactor that recovers silicon produced by a reaction via a highly reactive silicon melt.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various methods for producing silicon used as a raw material for a semiconductor or a battery for photovoltaic power generation are known, some of which have already been industrially implemented.
For example, one of them is a method called a Siemens method, in which a silicon rod heated to the deposition temperature of silicon by energization is placed inside a bell jar, and trichlorosilane (SiHCl 3 , hereinafter referred to as TCS) or monosilane (SiH 4 ) is placed on the silicon rod. ) In contact with a reducing gas such as hydrogen to deposit silicon.
[0003]
This method is characterized in that high-purity silicon can be obtained, and is implemented as the most general method, but since precipitation is batch-type, the installation of a silicon rod as a seed, current heating of the silicon rod, There is a problem that extremely complicated procedures such as precipitation, cooling, taking out, and cleaning of a bell jar must be performed.
In JP-A-62-2619, a reaction flame of halogen and hydrogen is emitted toward a starting material having at least a surface of polycrystalline silicon or SiO 2 , and a silicon raw material compound is supplied into the flame. A method for producing silicon is disclosed in which silicon is deposited on the surface of a starting material, and the deposited silicon is melted and dropped. Since molten silicon has a very high reactivity, in this publication, when trying to obtain high-purity silicon, not only the surface of the starting material but also the diffusion of impurities from the inside is prevented to prevent the entire starting material. Is preferably made of high purity silicon.
[0004]
In Japanese Patent Laid-Open No. 54-124896, silicon is formed by bringing a silicon molten bath into contact with a mixture of silane chloride and hydrogen, thereby replenishing the silicon molten bath, while the solidified state is increased from the bottom of the molten bath. A method for producing a high-purity polycrystalline silicon rod, in which crystalline silicon is drawn into a rod shape, is disclosed. As a material for a molten bath container, a material such as opaque quartz, silicon nitride or quartz, boron nitride, graphite or the like coated with silicon nitride or silicon oxynitride is disclosed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is to enable continuous operation for a long period of time, when a silicon is produced from chlorosilane and hydrogen via a silicon melt, and the portion in contact with the silicon melt is made of a material having low reactivity with the silicon melt. Is to provide a simple reaction apparatus.
Another object of the present invention is to provide a reaction apparatus capable of continuous operation for a long time, including a member suitable for high-frequency induction heating and having low reactivity with a silicon melt, particularly in a silicon production apparatus using high-frequency induction heating. There is.
Still other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the above-mentioned objects and advantages of the present invention are a reactor for generating silicon that reacts chlorosilanes with hydrogen to generate silicon, and recovers the generated silicon via a silicon melt, inner surface of the device in contact with the silicon melt is achieved by thermal decomposition coal hydrogenation Ranaru silicon generation reactor.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The silicon reaction apparatus of the present invention may be any type of reaction apparatus as long as it is a reaction apparatus for producing silicon by reacting chlorosilanes and hydrogen as starting materials. As the reaction apparatus of the present invention, an apparatus using high frequency induction heating is particularly preferable.
[0008]
Such a reactor is preferably
(1) A cylindrical container having an opening serving as a silicon outlet at the lower end;
(2) A heating means capable of heating the inner wall from the lower end of the cylindrical container to an arbitrary height to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon,
(3) Provided with a cooling means provided so as to open downward in a space surrounded by the inner wall heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the silicon, and maintaining the inner wall below the silicon deposition temperature. A chlorosilane supply pipe, and (4) a seal gas supply pipe for supplying a seal gas to the space inside the cylindrical container at a position above the opening of the chlorosilane supply pipe.
Silicon produced by the reaction of chlorosilanes and hydrogen flows down in a state where a part or all of the inner wall of the cylindrical container is melted, and falls from a silicon outlet located at the lower end.
[0009]
Hereinafter, it will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
In the silicon manufacturing apparatus of FIGS. 1 to 3, the cylindrical container 1 is deposited as the silicon outlet, as will be described in detail later. What is necessary is just a structure which has the opening part 2 which can fall in. Therefore, the cross-sectional shape of the cylindrical container 1 can take arbitrary shapes, such as circular shape and polygonal shape. Moreover, when enlarging a cylindrical container, in order to improve heating efficiency without increasing the distance between the wall surfaces used as a heating surface, it is a preferable aspect to make the cross-sectional shape flat.
In order to make the cylindrical container 1 easy to manufacture, the cylindrical container can be formed in a straight cylinder shape with the same cross-sectional area as shown in FIGS. 1 to 3, and the residence time of the reaction gas can be increased. In order to improve the conversion rate of chlorosilanes to silicon (hereinafter, also simply referred to as conversion rate), it is also preferable that a part of the longitudinal cross section as shown in FIG. 4 is made larger than the other part. is there.
[0010]
On the other hand, the opening method of the opening 2 in the cylindrical container 1 may be a mode in which the opening is straight as shown in FIG. 1 or a mode in which the throttle portion is formed so that the diameter gradually decreases downward. But you can.
In addition, the opening of the cylindrical container 1 obtains particulate silicon without any problem even in a configuration in which the periphery is horizontal, but in a configuration in which the periphery is inclined as shown in FIG. As shown in FIG. 6, it is possible to adjust the particle size of the silicon particles more uniformly by arranging the silicon melt droplets falling from the periphery of the opening 2 by arranging the periphery in a wave shape. This is preferable because it is possible.
[0011]
Furthermore, in any of the shapes of the peripheral edge of the opening described above, it is a more preferable embodiment that the melted silicon has a blade shape that gradually decreases in thickness toward the tip in order to improve the liquid drainage at the time of dropping. .
Since the cylindrical container 1 is heated to a temperature higher than the melting point of silicon and the inside thereof is in contact with chlorosilanes and silicon melt, it is long to select a material having high durability against these temperature conditions and contact objects. This is desirable for stable silicon production.
[0012]
In the present invention, the inner surface of the tubular container in contact with the silicon melt, pyrolysis coal hydrogenation Ranaru. That is, this material has high durability even in a high temperature environment where hydrogen, chlorosilanes, and silicon melt coexist, effectively preventing the silicon melt from penetrating into the carbon base material, and destroying the carbon base material. To prevent it. On the other hand, these materials are not suitable materials for high-frequency induction heating, and are preferably used in combination with a carbon material which is a suitable material. For example, the cylindrical container is made using a carbon material such as carbon or graphite as a base material, and at least an inner surface thereof is covered with the material. These inner surface materials can be directly coated on the carbon material by the CVD method. However, the inner surface material can be used by being inserted into the cylinder after being molded to match the inner wall of the cylindrical container. In consideration of permeation of the silicon melt, the inner surface material in contact with the silicon melt preferably has a thickness of 1 μm or more.
Pyrolytic carbon of the inner surface material, contamination of the silicon obtained is not very small.
[0013]
In the silicon manufacturing apparatus, the cylindrical container 1 is provided with heating means 3 for heating the peripheral wall from the lower end to an arbitrary height to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon. The width to be heated to the above temperature, that is, the height at which the heating means 3 is provided from the lower end of the cylindrical container 1 takes into account the size of the cylindrical container, the heating temperature, and the amount of chlorosilanes to be supplied. It can be determined as appropriate.
Any known means can be used as the heating means 3 as long as the inner wall of the cylindrical container can be heated to the melting point of silicon or higher. There are various views on the melting point of silicon, but it should be understood that it is generally in the range of 1410 ° C to 1430 ° C.
[0014]
As a specific example of the heating means, as shown in FIG. 1, there is a method of heating the inner wall of the cylindrical container with energy from the outside. More specifically, there are a method using high frequency, a method using heating wire, a method using infrared rays, and the like.
Among these methods, a method using high frequency is preferable because the cylindrical container can be heated to a uniform temperature while simplifying the shape of the heating coil that emits high frequency.
In the silicon manufacturing apparatus, the chlorosilanes supply pipe 5 is for directly supplying the chlorosilanes 11 to the space 4 surrounded by the inner wall of the cylindrical container 1 heated before and after the melting point of silicon. Are provided so as to open downward.
[0015]
The “downward direction” indicating the opening direction of the chlorosilane supply pipe 5 is not limited to the vertical direction, and includes all modes in which most of the supplied chlorosilanes are opened so as not to contact the opening again. In a preferred embodiment, for example, the opening angle of the supply pipe 5, that is, the opening wall of the supply pipe 5 is preferably opened so that the angle from the vertical direction upward in the vertical cross section is 0 to 60 °.
The chlorosilanes supply pipe 5 is provided for cooling the inner wall of the pipe below the chlorosilane self-decomposition temperature so that the inside of the pipe is heated in the space 4 and silicon deposition due to thermal decomposition of the chlorosilanes does not occur. It is necessary to have the cooling means 6.
[0016]
Any cooling mode may be used as long as the object can be achieved. For example, as shown in FIG. 1, a liquid jacket method for cooling by providing a flow path through which a refrigerant liquid such as water or heat transfer oil can be passed inside, although not shown, a chlorosilanes supply pipe is a double pipe An air cooling jacket system in which the above-described multiple ring nozzle is provided, chlorosilanes are supplied from the center, and a cooling gas is purged from the outer ring nozzle to cool the center nozzle.
Cooling temperature of the chlorosilane feed pipe, but determined to be less than the self-decomposition temperature of the supplied chlorosilanes, when using TCS or silicon tetrachloride (SiCl 4, hereinafter referred to as STC) as a raw material, preferably not more than 800 ° C. More preferably, it is 600 ° C. or less, and most preferably 500 ° C. or less.
As a material of the chlorosilanes supply pipe 5, in addition to the same material as the cylindrical container 1, quartz glass, iron, stainless steel, and the like can be used.
[0017]
In the silicon manufacturing apparatus, as shown in FIG. 4, in the aspect in which the enlarged portion is provided in a part of the cylindrical container, it is heated to provide the opening of the chlorosilanes supply pipe in the space of the enlarged portion. It is preferable because the opening can be separated from the inner wall, and cooling for preventing silicon deposition in the chlorosilane supply pipe can be performed more easily.
[0018]
The seal gas supply pipe 7 is provided to supply seal gas to a space existing above the opening position of the chlorosilane supply pipe 5. That is, the chlorosilanes supplied as raw materials to the cylindrical container are decomposed by thermal decomposition of the chlorosilanes until reaching the space for precipitation and melting, and solid silicon is deposited in the cylindrical container. In order to prevent this, chlorosilanes are directly supplied from the chlorosilane supply pipe 5 to the high-temperature space. At this time, on the wall surface located above the opening position of the chlorosilane supply pipe 5, the melting temperature of silicon is increased. There is a temperature gradient that reaches a temperature below the silicon deposition temperature, and there is a portion that is heated above the silicon deposition temperature and not heated above the melting point of silicon. Then, the silicon deposited in the portion grows without being melted, and there is a problem that the device is blocked during the long-term operation of the silicon manufacturing device.
[0019]
To solve the above problem, the seal gas supply pipe 7 is provided above the opening position of the chlorosilanes supply pipe 5, and the space that is not heated above the melting point of silicon and the surface of the base material are filled with the seal gas. It is possible to prevent the mixed gas of hydrogen and hydrogen, which will be described later, from entering, and to effectively prevent the precipitation of the solid silicon.
The seal gas supply pipe 7 is not particularly limited as long as it is above the opening position of the chlorosilane supply pipe 5, but is preferably provided on the wall surface of the cylindrical container where the heating means 3 does not exist.
The seal gas supplied from the seal gas supply pipe 7 is preferably a gas that does not generate silicon and does not adversely affect the generation of silicon in the region where chlorosilanes are present. Specifically, an inert gas such as argon or helium, hydrogen described later, or the like is preferable.
Furthermore, in order to further enhance the effect of the sealing gas, it is a more preferable aspect that a gas capable of etching silicon, such as hydrogen chloride, is appropriately mixed with the sealing gas.
[0020]
In this case, it is sufficient that the seal gas is supplied to such an extent that the space that cannot be heated to the melting point of silicon or higher and the pressure that always fills the surface of the base material is maintained. What is necessary is just to determine the shape of the cylindrical container 1, the shape of the outer wall of a chlorosilanes supply pipe | tube, etc. so that the cross-sectional area of the whole space or the lower part may be made small.
In the silicon manufacturing apparatus, hydrogen used for the precipitation reaction together with the chlorosilanes can be supplied from the chlorosilanes supply pipe 5 by mixing the chlorosilanes in advance and independently from the cylindrical container 1 in the space 4. It is also possible to provide a hydrogen supply pipe 10 that opens at a position where it can be supplied to and supply from there.
[0021]
The hydrogen supply pipe 10 can be appropriately provided at a place where the reaction with the chlorosilane can be efficiently performed in consideration of the structure, size, etc. of the cylindrical container 1 constituting the silicon production apparatus.
Furthermore, part or all of the hydrogen used for the silicon deposition reaction can also be supplied as the sealing gas. As shown in FIG. 2, the hydrogen gas supply pipe 14 also serving as the seal gas supply pipe can be provided above the opening position of the chlorosilane supply pipe 5.
Of course, the amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply pipe 14 also serving as the seal gas supply pipe is appropriately determined in consideration of the amount necessary for the reaction.
[0022]
As chlorosilanes used in the present invention, in addition to TCS and STC, chlorodisilanes represented by dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), monochlorosilane (SiH 3 Cl) and hexachlorodisilane (Si 2 Cl 6 ), Chlorotrisilanes represented by octachlorotrisilane (Si 3 Cl 8 ) can also be suitably used. These chlorosilanes can also be used alone or as a mixture with one another.
Among these chlorosilanes, the use of chlorosilanes mainly composed of TCS or STC can reduce the generation of silicon fine powder and ignitable high-boiling silanes (polymers) that adversely affect the gas downstream region. Time stable operation is possible, which is preferable.
[0023]
In the silicon manufacturing apparatus, the opening 2 at the lower end of the cylindrical container 1 is a chamber that provides a space that is shut off from outside air for recovering by cooling and solidifying the silicon melt that melts and falls without touching the outside air. Is preferable for industrially obtaining high-purity silicon.
That is, as described in FIG. 3 and FIG. 4 showing a typical aspect thereof, the cooling space 22 in which the silicon melt can fall is formed in the opening 2 corresponding to the silicon outlet of the cylindrical container 1, A silicon manufacturing apparatus to which the gas discharge port 26 and, if necessary, a cooling recovery chamber 20 provided with a silicon outlet 31 that is solidified by cooling is connected is preferable.
[0024]
The cooling recovery chamber 20 can be directly provided in the opening 2 of the cylindrical container 1, but a temperature gradient is generated from the connection location, and a temperature at which solid silicon is deposited at the upper portion of the cooling recovery chamber. Is likely to exist. However, the chlorosilanes present in the gas discharged from the cylindrical container 1 are approaching a stable gas composition that no longer deposits silicon, and even if deposited, the amount is small.
[0025]
However, in order to substantially prevent solid silicon from being deposited in the cooling recovery chamber 20 and to enable continuous operation over an extremely long period of time, as shown in FIGS. 3 and 4, the cylindrical container of the cooling recovery chamber 20 is used. 1 is set upward to a position that covers the heating means 3 of the cylindrical container 1, thereby providing the lower end of the heated cylindrical container 1 and the inner wall of the cooling recovery chamber 20 apart from each other, A mode in which the seal gas is supplied by providing the seal gas supply pipe 21 in a space above the opening position of the opening 2 of the cylindrical container 1 is preferable.
[0026]
The type, supply amount, and the like of the seal gas can be determined in the same manner as when the seal gas is supplied to the seal gas supply pipe 7.
In the above aspect, in order to sufficiently exhibit the effect of the seal gas, the linear velocity of the seal gas flowing around the cylindrical container 1 is at least 0.1 m / s, preferably 0.5 m / s, most preferably Is preferably 1 m / s or more.
As the material of the cooling recovery chamber 20, any of metal materials, ceramic materials, glass materials, and the like can be suitably used. However, in order to achieve both robustness as industrial equipment and recovery of high-purity silicon, It is more preferable to line the inside of the recovery chamber with silicon, heat-resistant ceramics, Teflon (registered trademark), quartz glass, or the like.
On the other hand, the exhaust gas after the reaction in the cylindrical container 1 is taken out from the gas outlet 26.
[0027]
The silicon that has been partially or wholly melted and dropped from the cylindrical container 1 is accumulated in the lower part of the chamber as the silicon 23 that is cooled and solidified while falling in the cooling space 22 of the cooling recovery chamber 20, and reaches a temperature that is easy to handle. To be cooled. In the case of silicon that is completely melted, granulated silicon is obtained when the cooling space is set long, and solid silicon that is plastically deformed by the impact of dropping is obtained when the cooling space is short. The silicon deposited on the lower part of the apparatus can be crushed into a granular material as necessary.
In order to promote cooling when the molten silicon falls, it is preferable to provide a cooling gas supply pipe 32.
Further, the cooling recovery chamber 20 may be provided with an outlet 31 for extracting the solidified silicon continuously or intermittently as required.
[0028]
In order to cool the silicon more effectively, it is preferable to provide a cooling means 24 in the cooling recovery chamber 20. As the cooling mode, for example, as shown in FIG. 3, a method using a liquid jacket that cools by providing a flow path through which a refrigerant liquid such as water, heat transfer oil, alcohol, etc. can be passed is most preferable.
As shown in FIGS. 3 and 4, when the cooling recovery chamber 20 is extended upward to cover the heating means, a cooling medium 27 such as a heat transfer oil is appropriately provided with a jacket structure for protecting the material. If the material has heat resistance, it can be kept warm by applying a heat insulating material to enhance the heat effect.
[0029]
The silicon production conditions using the silicon production apparatus of the present invention are not particularly limited, but chlorosilanes and hydrogen are supplied to the silicon production apparatus, and the conversion rate from the chlorosilanes to silicon is 10% or more, preferably Determining the supply ratio, supply amount, residence time, etc. of chlorosilanes and hydrogen so that silicon is generated under conditions of 30% or more effectively prevents the precipitation of solid silicon in the cooling recovery device This is preferable. For example, the molar fraction of chlorosilanes in the pre-feed gas is 1 to 90 mol%, preferably 5 to 50 mol% in order to obtain an economical silicon production rate with respect to the size of the reaction vessel. Is preferable.
Moreover, although the one where reaction pressure is higher has the merit that an apparatus can be reduced in size, about 0-1 MPaG is easy to implement industrially and preferable.
[0030]
The residence time varies depending on the pressure and temperature conditions with respect to a certain volume of the reaction vessel. Under the reaction conditions, the average residence time of the gas in the cylindrical vessel as the reaction vessel is 0.001 to 0.001. By setting the time to 60 seconds, preferably 0.001 to 10 seconds, particularly preferably 0.001 to 1 second, a sufficiently economical conversion rate of chlorosilanes can be obtained.
[0031]
【The invention's effect】
As understood from the above description, according to the present invention, an apparatus for producing high-purity silicon capable of continuous operation for a long period of time is provided. This device is extremely useful industrially and its value is extremely high.
[0032]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[0033]
Example 1
The silicon manufacturing apparatus shown in FIG. 3 was used.
A carbon tubular container 1 coated with pyrolytic carbon with a thickness of 50 μm by CVD, having an inner diameter of 25 mm, a length of 50 cm, and a shape having an opening 2 in the lower part is placed around the upper 10 cm position to the lower end. A high frequency heating coil was installed as the heating means 3. A stainless steel chlorosilane supply pipe 5 having an inner diameter of 4 mm and an outer diameter of 20 mm having a jacket structure capable of passing liquid as shown in FIG. 2 was inserted from the upper end of the cylindrical container to a height of 15 cm. The cooling recovery chamber 20 was made of stainless steel having an inner diameter of 150 mm and a length of 3 m. In addition, the periphery of the lower end of the said cylindrical container was made into the shape shown in FIG.
[0034]
Water is supplied to the cooling jacket 6 of the chlorosilane supply pipe 5 to maintain the inside of the pipe at 50 ° C. or lower, and is also supplied to the lower jacket 24 of the cooling recovery chamber 20 to supply hydrogen gas at the upper part of the cylindrical container 1. Hydrogen gas was circulated at 5 L / min from the pipe 14 and the seal gas supply pipe 21 at the top of the cooling recovery chamber 20, respectively, and then the high-frequency heating device was started to heat the cylindrical container 1 to 1,500 ° C. The pressure in the container was almost atmospheric pressure.
Reactive hydrogen and trichlorosilane were mixed and supplied to the chlorosilanes supply pipe 5 at a rate of 20 L / min and 10 g / min, respectively. As a result, silicon was obtained at a rate of about 0.6 g / min. In this case, the conversion rate of trichlorosilane was about 30%. After the reaction was continued for 50 hours, the operation was stopped and the carbon cylindrical container was observed, and there was no deterioration due to silicon.
Moreover, the contamination of silicon by pyrolytic carbon was extremely low at 1 ppm or less.
[0035]
Comparative Example 1
The operation was carried out under the same conditions as in Example 1 except that a carbon cylindrical container without coating was used on the cylindrical container of Example 1. After the reaction was continued for 50 hours, the operation was stopped and the carbon cylindrical container was observed. As a result, there was a portion where the thickness of the carbon cylindrical container was reduced by several micrometers due to deterioration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a typical embodiment of a silicon manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing another typical aspect of the silicon manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing still another representative aspect of the silicon manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing still another typical aspect of the silicon manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing the shape of the periphery of the lower end of the cylindrical container of the silicon manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing the shape of the periphery of the lower end of the cylindrical container of the silicon production apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylindrical container 3 Heating means 5 Chlorosilane supply pipe 6 Cooling means 7, 21 Seal gas supply pipe 8, 14 Hydrogen gas supply pipe 20 Cooling recovery chamber 24 Cooling jacket 26 Gas discharge line 31 Silicon outlet 32 Cooling gas supply pipe

Claims (4)

クロロシラン類と水素を反応せしめてシリコンを生成せしめ、生成したシリコンをシリコン融液を経由して回収するシリコン生成用反応装置であって、シリコン融液と接触する装置内の内表面が、熱分解炭素からなるシリコン生成用反応装置。Reactor for generating silicon by reacting chlorosilanes and hydrogen to generate silicon, and recovering the generated silicon via the silicon melt, and the inner surface of the device in contact with the silicon melt is thermally decomposed. coal hydrogenation Ranaru silicon generation reactor. 内表面がカーボン基材の表面上に成形される請求項1に記載の装置。  The apparatus of claim 1, wherein the inner surface is molded onto the surface of the carbon substrate. 内表面を構成する熱分解炭素の厚みが1μm以上である請求項1に記載の装置。The apparatus of claim 1 the thickness of the pyrolytic carbon-containing constituting the inner surface is 1μm or more. 内表面がCVD法により成形されたものである請求項1に記載の装置。  The apparatus according to claim 1, wherein the inner surface is formed by a CVD method.
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