JP4099322B2 - Method for producing silicon - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンの新規な製造方法に関する。詳しくは、シリコンの融点以上に加熱された加熱体を備えた反応装置において、シリコンを生成せしめ、該加熱体からシリコン融液として回収する際、装置内にシリコンが固体で析出する現象を防止することを目的としたシリコンの製造方法である。
【0002】
【従来の技術】
従来から、半導体或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、ここ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。
この方法は高純度なシリコンが得られることが特徴であり、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。
【0003】
上記方法に対して、シリコンを連続的に製造するための方法として、流動層による析出方法がある。この方法は流動層を用い、100μm程度のシリコン微粒子を析出核として供給しながら、上述のシラン類を供給してシリコン微粒子上にシリコンを析出し、1〜2mmのシリコン粒として連続的に抜出す方法である。この方法はシリコンを抜出すために反応停止する必要が無く、比較的長期の連続運転が可能であることが特徴である。
【0004】
しかしながら、この方法で工業的に実施されている態様においては、析出温度の低いモノシランをシリコン原料として使用しているため、比較的低温域においても該モノシランの熱分解による微粉シリコンの生成や、反応器壁へのシリコンの析出等が起こり易く、反応容器の定期的な洗浄または交換が必要となる。また、流動状態にある析出途中のシリコン粒子が長時間に亘って反応器壁と激しく接触して摩擦するために生成シリコンの純度においても問題が残る。
上記流動床による方法における問題を回避し得るシリコンの連続的な製造方法として、加熱体の表面でシリコンを生成、析出せしめ、該シリコンを融液として該加熱体より連続的に回収する方法がある。
【0005】
例えば、特開平11−314996号公報には、発熱体の下部表面に対向して高周波コイルを配置し、該発熱固体を該高周波コイルにより誘導加熱し、そこにシリコン原料ガスを吹き付けてシリコンを析出させかつ溶融液として形成し、シリコン溶融液を滴下ないし流下させシリコン結晶を製造する装置が開示されている。また、上記発熱体の側面の周囲に沿って発熱体を取り囲む外筒を設け、発熱体と外筒の間にシールガスとして不活性ガスを流し、発熱体或いはその周辺の壁においてシリコンの析出温度以上で且つシリコンの融点より低い温度となる部位(以下低温部位ともいう)に原料ガスが回り込むことによる多結晶シリコン析出を防止する工夫も開示されている。
【0006】
この工夫により低温部位における多結晶シリコン析出を少くすることはできるが、シリコンの析出を完全に防止することは困難である。例えば、シールガスの偏流、シールガスの流量の不足等により、該低温部位に原料ガスが回り込み、一旦シリコンが析出するとこれが成長し、原料ガス供給ノズルの閉塞等の問題が生じる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記反応装置の低温部位におけるシリコンの析出を防止し、シリコンを工業的に安定して製造することのできるシリコンの製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的および利点は以下の説明から明らかになろう。
【0008】
【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、シリコンの融点以上に加熱された加熱体を備えた反応装置内で、該加熱体にクロロシラン類と水素とを供給してシリコンを生成せしめ、生成したシリコンを該加熱体から融液として回収するに際し、該装置内においてシリコンの析出温度以上で且つシリコンの融点未満となる部位に、シリコンと反応し得る反応試剤を連続的或いは断続的に導入することを特徴とするシリコンの製造方法によって達成される。
即ち、本発明の方法によれば、低温部位にシリコンが析出した場合も、後述する反応試剤をかかる部位に導入することにより、析出したシリコンの一部又は全部を除去することが可能であり、該低温部位におけるシリコンの析出、成長を効果的に防止することができ、工業的に安定してシリコンを製造することが可能である。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の方法は、シリコンの融点以上に加熱された加熱体を備えた反応装置内で、クロロシラン類と水素とを反応させてシリコンを生成せしめ、生成したシリコンを該加熱体から融液として回収する方法に対して適用することができる。
上記反応装置は、好適な具体例を後に示すが、シリコンの融点以上に加熱される加熱体を備え、該加熱体に対してシリコンを生成するための原料ガスであるクロロシラン類と水素とを供給する手段を有するものが、特に制限なく使用される。
【0010】
また、上記クロロシラン類としては、例えばトリクロロシラン(SiHCl3)、四塩化ケイ素(SiCl4)、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および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を好適なものとして挙げることができる。これらのクロロシラン類は単独でまたはお互いに混合物として使用することができる。
本発明の方法において、原料のクロロシラン類と水素は、上記融点以上の温度に加熱された加熱体に供給され、その表面で反応してシリコンを生成し、該シリコンは加熱体の内壁を溶融状態で流下し、その下端よりら落下して回収される。
【0011】
そして、上記装置を使用してシリコンを製造する場合、該装置内に低温部位が必ず存在する。即ち、装置内壁には、加熱手段によって加熱される部分と加熱されない部分との境が存在し、かかる部分の付近が低温部位となる。通常、このような部位には、シールガスを供給することにより、原料ガスがかかる内壁に接触するのを防止している。しかし、前記したように、何らかの原因により該低温部位へのシールガスの供給が不足し、或いは断たれた場合、原料ガスの回り込みにより、シリコンが析出する場合がある。
そして、この状態で反応装置を長時間運転しつづけると、低温部位での固体シリコンの析出により、クロロシラン類供給管、水素供給管等の原料ガスの供給ラインを閉塞するような不都合が起こり易くなる。
【0012】
本発明では、反応系内の低温部位に生成した固体シリコンと反応し得る反応試剤を反応系内に導入してシリコンを反応試剤と反応させて結果的に固体シリコンが反応器のノズル部等に析出してそれを閉塞するような不都合を回避することができる。
シリコンと反応し得る反応試剤としては、例えば塩化水素(HCl)および四塩化ケイ素を挙げることができる。塩化水素は例えば水素ガスで希釈して、好ましくは塩化水素濃度0.01〜100容積%反応系内に導入され下記反応:
Si+3HCl→SiHCl3+H2
により、固体シリコン(Si)を気体(SiHCl3)に転化する。この反応が円滑に進行するように、反応系内の気体雰囲気中の塩化水素濃度はシリコンの析出速度よりもエッチング速度が大きくなるような濃度に維持される。
【0013】
四塩化ケイ素(SiCl4)は、水素と混合する場合、水素のモル比が大きい時は析出反応の速度が大きく、逆に水素のモル比が小さい場合はエッチング反応の速度が大きくなる。また、その値も反応させる温度によって変化するため、目的によって温度と濃度を使い分けることが望ましい。
エッチングを優先させる場合、反応温度1,400℃では、例えば水素ガスで希釈して、好ましくは四塩化ケイ素濃度30〜50容積%の混合ガスとして反応系内に導入され下記反応:
Si+3SiCl4+2H2→4SiHCl3
により、同様にシリコンを気体に転化する。この場合にも、反応が円滑に進行するように、四塩化ケイ素濃度はシリコンの析出速度よりもエッチング速度が大きくなるような濃度に維持される。
【0014】
シリコンと反応し得る反応試剤は、使用濃度や低温部位におけるシリコンの析出速度等を勘案して、反応系内に連続的にまたは断続的に導入される。
また、反応系内に導入する手段は、反応装置に反応試剤を反応系内に導入するための配管を別途設けても良いし、前記低温部位をガスシールするためのシールガス供給配管を利用することも可能である。
また、反応試剤を断続的に供給する場合、析出したシリコンがシールガスの流路を妨げない時期、即ち、反応装置内壁に析出したシリコンの厚みが、10mm、好ましくは2mm、さらに好ましくは0.2mmを超えない時期に反応試剤を導入することが好ましい。
【0015】
本発明で用いられる反応装置の好ましい一実施態様に従って、本発明を更に具体的に説明する。上記の一実施態様を示す添付図面の図1は、
(1)下端にシリコン取出口となる開口部2を有する筒状容器1、
(2)上記筒状容器1よりなる加熱体を融点以上の温度に加熱するための加熱手段3、
(3)上記内壁で囲まれた空間4内に下方に向かって開口するように設けられたクロロシラン類供給管5、および
(4)上記クロロシラン類供給管5の開口位置より上部の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7
より構成された反応装置を示すものである。
【0016】
図1の反応装置において、加熱体である筒状容器1は、シリコン取出口として、後に詳述するように、その内部で析出・融解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。
上記筒状容器1は、1,430℃以上に加熱され、その内部はクロロシラン類やシリコン溶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十分に耐える材質を選択することが長期間の安定したシリコンの製造を行う上で望ましい。
本発明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、即ち、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、更に、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ればよい。
【0017】
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、即ち、1430℃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。
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、筒状容器を均質な温度に加熱することができるため、好適である。
【0018】
本発明のシリコン製造装置において、クロロシラン類供給管5は、シリコンの融点以上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。
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。しかし、最も好適な態様は、平面に対して垂直方向に開口する態様である。
【0019】
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を設けることが好ましい。
上記冷却の態様は、かかる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。
【0020】
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。具体的には、トリクロロシラン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。
原料ガスのクロロシラン類は、筒状容器の高温部位、すなわちシリコンの融点以上の温度になり得る部分に供給するよう、クロロシラン類供給管を開口させる事が好ましい。
【0021】
また、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部分に設けることが好ましい。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か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。
原料ガスの一つである水素は、その一部または前部を前記シールガス供給管7から反応系内に導入することもできる。
【0022】
上記反応装置において、筒状容器の保持部等、反応器壁の末端部分は放熱が大きく温度が下がり易い。このため保持部に近い壁面では、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において低温部位が存在する。そして、クロロシラン類或いはクロロシラン類と後記の水素との混合ガスが、上記シールガスの供給の不足等によりかかる箇所に至ると、シリコンの析出・成長が起こり易く、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。
【0023】
図1に示す装置においては、上記問題は、上記筒状加熱体の内壁とクロロシラン類の供給管の外壁とによって形成される間隙において起こり易い。この場合、かかる部分にシールガスを供給する環状のシールガス供給管7から、シールガスと一緒にあるいはシールガスと独立して、シリコンと反応し得る反応試剤を反応系に導入することにより、シリコンの析出を防止することができる。即ち、反応試剤を上記シールガスに混合して連続的に供給することもできるし、シールガスと切り替えて断続的に供給することができる。
また、上記反応装置において、筒状容器の外部において低温部位が存在する場合、シリコンと反応し得る反応試剤を後述するシールガス供給管21あるいは冷却ガス供給管32から導入することもできる。
【0024】
本発明の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。このような好ましい製造装置は、図1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、及び、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を有する。
【0025】
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1に示すように、冷却回収室20の上方部分すなわち筒状容器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の内壁とを空間的に離して設け、それと共に、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のが好適である。
【0026】
シールガスをシールガス供給管から導入する場合、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0.01m/s、好ましくは0.05m/s、最も好ましくは0.1m/s以上とすることがよい。
冷却回収室20の材質としては、例えば金属材料、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。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、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。
【0027】
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。
筒状容器1より溶融落下した溶融シリコンは、冷却回収室20の冷却空間22を落下する間および堆積物23上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。本発明においては、何れの形状でもシリコンを得ることが可能であるが、取扱い易さから、粒状で得ることが好ましい。
上記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である。
【0028】
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或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。
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1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】
【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。
【0030】
実施例1
図1に示すシリコン製造装置を使用した。
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。通液可能なジャケット構造6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50mm、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2に示す形状とした。
【0031】
クロロシラン類供給管の冷却ジャケットに通水して、管の内部を50℃以下に維持すると共に、冷却回収室20の下部ジャケットにも通水し、筒状容器1上部の水素ガス供給管7から水素ガス5L/minおよび塩化水素ガス0.03L/minを混合して流通させたのち、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にトリクロロシランを10g/minの速度で供給したところ、約0.6g/minの速度でシリコンを得た。この場合トリクロロシランの転化率は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の外側を観察したところ、シリコンの析出は無かった。
【0032】
比較例1
実施例1の水素ガス供給管7から塩化水素ガスの供給を止めたこと以外は、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の外側を観察したところ、シリコンの析出が観察された。
【0033】
実施例2
実施例1の水素ガス供給管7から水素と塩化水素ガスの代わりに、四塩化ケイ素と水素の混合ガス(四塩化ケイ素1容積%、水素99容積%)を流し、またクロロシラン粒供給管5から水素ガス15L/minとトリクロロシランを混合して供給した以外は、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の外側を観察したところ、シリコンの析出は無かった。
【0034】
実施例3
比較例1と同様の反応を行った後、Si除去ガス供給管21から供給している水素ガスに塩化水素ガスを10容積%添加して5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の外側を観察したところ、シリコンの析出は認められなかった。
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば、反応装置のノズル部位が、クロロシラン類と水素との反応によって生成されたシリコンによって閉塞するのを防止してシリコンを工業的に円滑に製造しつづけることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施に用いられるシリコン製造装置の代表的な態様を示す概念図
【図2】 本発明における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
【図3】 本発明における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
【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
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 novel method for producing silicon. Specifically, in a reactor equipped with a heating body heated to a melting point of silicon or more, when silicon is generated and recovered as a silicon melt from the heating body, silicon is prevented from being precipitated as a solid in the apparatus. This is a silicon manufacturing method for this purpose.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various methods for producing silicon used as a raw material for semiconductors or photovoltaic power generation batteries 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, where trichlorosilane (SiHCl 3 , hereinafter referred to as TCS) or monosilane (SiH 4 ). Is deposited with a reducing gas such as hydrogen to deposit silicon.
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, the 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.
[0003]
In contrast to the above method, there is a deposition method using a fluidized bed as a method for continuously producing silicon. In this method, a fluidized bed is used, while supplying silicon fine particles of about 100 μm as precipitation nuclei, supplying the above-mentioned silanes to deposit silicon on the silicon fine particles, and continuously extracting the silicon particles as 1-2 mm. Is the method. This method is characterized in that it is not necessary to stop the reaction in order to extract silicon, and a relatively long continuous operation is possible.
[0004]
However, in an embodiment that is industrially implemented by this method, since monosilane having a low precipitation temperature is used as a silicon raw material, generation of fine silicon by thermal decomposition of the monosilane or reaction even at a relatively low temperature range Silicon deposition or the like tends to occur on the vessel wall, and it is necessary to periodically clean or replace the reaction vessel. In addition, since the silicon particles in the middle of precipitation in a fluidized state violently contact and rub against the reactor wall for a long time, there remains a problem in the purity of the produced silicon.
As a continuous silicon production method capable of avoiding problems in the fluidized bed method, there is a method in which silicon is generated and deposited on the surface of a heating body, and the silicon is continuously recovered from the heating body as a melt. .
[0005]
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-314996, a high frequency coil is disposed opposite to the lower surface of a heating element, the heat generating solid is induction-heated by the high frequency coil, and silicon source gas is blown thereto to deposit silicon. And an apparatus for producing silicon crystals by forming a molten liquid and dropping or flowing a silicon molten liquid. In addition, an outer cylinder surrounding the heating element is provided along the periphery of the side surface of the heating element, an inert gas is allowed to flow as a sealing gas between the heating element and the outer cylinder, and the silicon deposition temperature on the heating element or its surrounding wall There has also been disclosed a device for preventing polycrystalline silicon precipitation caused by a raw material gas flowing around a portion (hereinafter also referred to as a low temperature portion) having a temperature lower than the melting point of silicon.
[0006]
Although this technique can reduce the precipitation of polycrystalline silicon at low temperature sites, it is difficult to completely prevent silicon precipitation. For example, due to the drift of the seal gas and the insufficient flow rate of the seal gas, the raw material gas circulates to the low temperature region, and once silicon is deposited, it grows, causing problems such as blocking of the raw material gas supply nozzle.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method for producing silicon that can prevent silicon from being deposited in a low temperature region of the reactor and can produce silicon industrially and stably.
Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the above objects and advantages of the present invention are to produce silicon by supplying chlorosilanes and hydrogen to the heating body in a reactor equipped with a heating body heated to a melting point of silicon or higher. When the produced silicon is recovered as a melt from the heating body, a reaction agent capable of reacting with silicon is continuously or intermittently applied to a portion of the apparatus that is higher than the silicon deposition temperature and lower than the melting point of silicon. It is achieved by a method for producing silicon characterized in that it is introduced.
That is, according to the method of the present invention, even when silicon is deposited at a low temperature site, it is possible to remove a part or all of the deposited silicon by introducing a reaction reagent described later into the site, Silicon precipitation and growth at the low temperature region can be effectively prevented, and silicon can be produced industrially stably.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the method of the present invention, silicon is produced by reacting chlorosilanes with hydrogen in a reaction apparatus including a heating body heated to a melting point of silicon or higher, and the produced silicon is recovered as a melt from the heating body. It can be applied to the method to do.
The reactor is provided with a specific example which will be described later, and includes a heating body heated to a melting point of silicon or higher, and supplies the heating body with chlorosilanes and hydrogen, which are source gases for generating silicon. Those having the means to do are used without particular limitation.
[0010]
Examples of the chlorosilanes include trichlorosilane (SiHCl 3 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), monochlorosilane (SiH 3 Cl), and hexachlorodisilane (Si 2 Cl 6 ). Preferable examples include chlorodisilanes represented by chlorodisilanes and octachlorotrisilane (Si 3 Cl 8 ). These chlorosilanes can be used alone or as a mixture with one another.
In the method of the present invention, the raw material chlorosilanes and hydrogen are supplied to a heating body heated to a temperature equal to or higher than the melting point, and react with the surface to produce silicon, and the silicon melts the inner wall of the heating body. Then, it falls from the lower end and is collected.
[0011]
And when manufacturing silicon using the above-mentioned device, a low-temperature site always exists in the device. That is, the boundary between the part heated by the heating means and the part not heated exists on the inner wall of the apparatus, and the vicinity of this part becomes a low temperature part. Usually, a seal gas is supplied to such a portion to prevent the raw material gas from coming into contact with the inner wall. However, as described above, when the supply of the seal gas to the low temperature portion is insufficient or cut off due to some cause, silicon may be deposited due to the wraparound of the raw material gas.
If the reaction apparatus is operated for a long time in this state, a problem such as blocking of the supply lines for the source gas such as the chlorosilanes supply pipe and the hydrogen supply pipe is likely to occur due to the deposition of solid silicon at a low temperature site. .
[0012]
In the present invention, a reaction reagent capable of reacting with the solid silicon produced at a low temperature site in the reaction system is introduced into the reaction system to cause the silicon to react with the reaction reagent, and as a result, the solid silicon enters the nozzle portion of the reactor. Inconveniences such as deposition and clogging can be avoided.
Examples of the reaction agent that can react with silicon include hydrogen chloride (HCl) and silicon tetrachloride. Hydrogen chloride is diluted with, for example, hydrogen gas, and preferably introduced into a reaction system having a hydrogen chloride concentration of 0.01 to 100% by volume, and the following reaction:
Si + 3HCl → SiHCl 3 + H 2
To convert solid silicon (Si) into gas (SiHCl 3 ). In order for this reaction to proceed smoothly, the hydrogen chloride concentration in the gas atmosphere in the reaction system is maintained at a concentration such that the etching rate is greater than the silicon deposition rate.
[0013]
When silicon tetrachloride (SiCl 4 ) is mixed with hydrogen, the rate of precipitation reaction is high when the hydrogen molar ratio is large, and the rate of etching reaction is high when the hydrogen molar ratio is low. Moreover, since the value also changes depending on the reaction temperature, it is desirable to use the temperature and the concentration properly depending on the purpose.
In the case of giving priority to etching, at a reaction temperature of 1,400 ° C., for example, diluted with hydrogen gas, and preferably introduced into the reaction system as a mixed gas having a silicon tetrachloride concentration of 30 to 50% by volume, the following reaction:
Si + 3SiCl 4 + 2H 2 → 4SiHCl 3
Similarly, silicon is converted into a gas. Also in this case, the silicon tetrachloride concentration is maintained at such a concentration that the etching rate is higher than the silicon deposition rate so that the reaction proceeds smoothly.
[0014]
The reaction reagent capable of reacting with silicon is continuously or intermittently introduced into the reaction system in consideration of the concentration used, the deposition rate of silicon at low temperature sites, and the like.
The means for introducing the reaction system into the reaction system may be provided with a separate pipe for introducing the reaction reagent into the reaction system in the reaction apparatus, or a seal gas supply pipe for gas-sealing the low-temperature part. It is also possible.
Further, when the reaction reagent is intermittently supplied, the time when the deposited silicon does not interfere with the flow path of the sealing gas, that is, the thickness of the silicon deposited on the inner wall of the reaction apparatus is 10 mm, preferably 2 mm, more preferably 0. It is preferable to introduce the reaction reagent at a time not exceeding 2 mm.
[0015]
The present invention will be described in more detail according to a preferred embodiment of the reactor used in the present invention. FIG. 1 of the accompanying drawings showing one embodiment of the above,
(1) A cylindrical container 1 having an opening 2 serving as a silicon outlet at the lower end;
(2) Heating means 3 for heating the heating body made of the cylindrical container 1 to a temperature equal to or higher than the melting point;
(3) A chlorosilanes supply pipe 5 provided so as to open downward in the space 4 surrounded by the inner wall, and (4) the inside of the cylindrical container above the opening position of the chlorosilanes supply pipe 5 Seal gas supply pipe 7 for supplying seal gas to the space
The reactor comprised from more is shown.
[0016]
In the reactor shown in FIG. 1, a cylindrical container 1 serving as a heating body has, as a silicon outlet, an opening 2 through which silicon deposited and melted can fall out of the container due to natural flow, as will be described in detail later. Have
Since the cylindrical container 1 is heated to 1,430 ° C. or more and the inside thereof is in contact with chlorosilanes or silicon melt, it is long to select a material that can sufficiently withstand these temperature conditions and contact objects. It is desirable for manufacturing silicon with a stable period.
In the silicon manufacturing apparatus of the present invention, 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. What is necessary is just to determine suitably.
[0017]
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, that is, 1430 ° C. or higher.
As an example of a specific 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, the 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.
[0018]
In the silicon manufacturing apparatus of the present invention, 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 to the melting point of silicon or more. 4 is provided so as to open downward.
The “downward direction” indicating the opening direction of the chlorosilanes supply pipe 5 is not limited to the vertical direction, and includes all modes in which the supplied chlorosilanes are opened so as not to contact the openings again. However, the most preferable mode is a mode in which the aperture opens in the direction perpendicular to the plane.
[0019]
The chlorosilanes supply pipe 5 is cooled to cool the inner wall of the pipe below the self-decomposition temperature of chlorosilane so that the inside of the pipe is heated in the space 4 and silicon does not precipitate due to the thermal decomposition of the chlorosilanes. Means 6 are preferably provided.
Any mode of cooling 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.
[0020]
What is necessary is just to set the cooling temperature of a chlorosilanes supply pipe | tube below the self-decomposition temperature of the chlorosilanes supplied. Specifically, when trichlorosilane or silicon tetrachloride (SiCl 4 , hereinafter referred to as STC) is used as a raw material, it is preferably 800 ° C. or lower, more preferably 600 ° C. or lower, and most preferably 500 ° C. or lower. .
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.
It is preferable to open the chlorosilanes supply pipe so that the chlorosilanes of the raw material gas are supplied to a high temperature portion of the cylindrical container, that is, a portion where the temperature can be higher than the melting point of silicon.
[0021]
The seal gas supply pipe 7 is not particularly limited as long as it is above the opening position of the chlorosilanes 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 a region where chlorosilanes are present. Specifically, an inert gas such as argon or helium, hydrogen described later, or the like is preferable.
A part or a front part of hydrogen which is one of the source gases can be introduced into the reaction system from the seal gas supply pipe 7.
[0022]
In the above reaction apparatus, the terminal part of the reactor wall such as the holding part of the cylindrical container has a large heat dissipation and the temperature tends to decrease. For this reason, on the wall surface close to the holding part, there is a low temperature region in a temperature gradient from the melting temperature of silicon to a temperature lower than the deposition temperature of silicon. And, when the mixed gas of chlorosilanes or chlorosilanes and hydrogen described later reaches such a location due to insufficient supply of the sealing gas, etc., silicon is likely to precipitate and grow, and in the long-term operation of the silicon production apparatus The problem of blocking the device arises.
[0023]
In the apparatus shown in FIG. 1, the problem is likely to occur in a gap formed by the inner wall of the cylindrical heating body and the outer wall of the chlorosilane supply pipe. In this case, by introducing into the reaction system a reaction reagent capable of reacting with silicon from the annular seal gas supply pipe 7 for supplying the seal gas to such a portion together with the seal gas or independently of the seal gas. Precipitation can be prevented. That is, the reaction reagent can be mixed with the sealing gas and continuously supplied, or can be intermittently supplied by switching to the sealing gas.
In the above reaction apparatus, when a low temperature site exists outside the cylindrical container, a reaction reagent capable of reacting with silicon can be introduced from a seal gas supply pipe 21 or a cooling gas supply pipe 32 described later.
[0024]
In the silicon manufacturing apparatus of the present invention, the opening 2 at the lower end of the cylindrical container 1 has a space that is shut off from the outside air for recovering by cooling and solidifying the silicon melt that melts and falls without coming into contact with the outside air. It is preferable to connect the feeding chambers in order to obtain high-purity silicon industrially. As shown in FIG. 1, such a preferable manufacturing apparatus forms a cooling space 22 in which the silicon melt can fall in the opening 2 corresponding to the silicon outlet of the cylindrical container 1, and a gas discharge port 26. And the cooling recovery chamber 20 which provided the extraction port 31 of the silicon | silicone solidified by cooling as needed is provided.
[0025]
In order to prevent the precipitation of solid silicon in the cooling recovery chamber 20 and to enable continuous operation over an extremely long period of time, as shown in FIG. The connecting portion is set upward to a position that covers the heating means 3 of the cylindrical container 1, so that the lower end of the heated cylindrical container 1 and the inner wall of the cooling recovery chamber 20 are spatially separated from each other, At the same time, it is preferable to supply the seal gas by providing the seal gas supply pipe 21 in a space above the opening position of the opening 2 of the cylindrical container 1.
[0026]
When the seal gas is introduced from the seal gas supply pipe, in order to fully exhibit the effect of the seal gas, the linear velocity of the seal gas flowing around the cylindrical container 1 is at least 0.01 m / s, preferably 0.05 m / s, most preferably 0.1 m / s or more.
As a material of the cooling recovery chamber 20, for example, any of a metal material, a ceramic material, a glass material, and the like can be suitably used. It is more suitable to line the inside of the metal recovery chamber with silicon, Teflon (registered trademark), quartz glass, etc. in order to achieve both robustness as industrial equipment and recovery of high-purity silicon. is there.
[0027]
On the other hand, the exhaust gas after the reaction in the cylindrical container 1 is taken out from the gas outlet 26.
The molten silicon melted and dropped from the cylindrical container 1 is accumulated in the lower part of the chamber as the silicon 23 cooled and solidified while falling in the cooling space 22 of the cooling recovery chamber 20 and to a temperature at which it can be easily handled. To be cooled. In the present invention, silicon can be obtained in any shape, but it is preferable to obtain it in a granular form for ease of handling.
In order to promote the cooling, it is preferable to provide a cooling gas supply pipe 32.
[0028]
In addition, the cooling recovery chamber 20 can be provided with an outlet 31 for continuously or intermittently extracting the solidified silicon, if necessary.
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 FIG. 1, when the cooling recovery chamber 20 is extended upward to cover the heating means, a cooling medium 27 such as heat transfer oil is circulated in an appropriate jacket structure to protect the material. If the material is heat resistant, heat insulation can be applied to keep the heat effective.
[0029]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[0030]
Example 1
The silicon manufacturing apparatus shown in FIG. 1 was used.
A high-frequency heating coil was installed as a heating means 3 around a carbon cylindrical container 1 having an inner diameter of 25 mm and a length of 50 cm and having an opening 2 in the lower part, from the position of the upper part 10 cm to the lower end. 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 6 capable of passing liquid 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 50 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.
[0031]
Water is passed through the cooling jacket of the chlorosilane supply pipe to maintain the inside of the pipe at 50 ° C. or lower, and is also passed through the lower jacket of the cooling recovery chamber 20 from the hydrogen gas supply pipe 7 at the upper part of the cylindrical container 1. After mixing and circulating hydrogen gas 5 L / min and hydrogen chloride gas 0.03 L / min, the high-frequency heating apparatus was started and the cylindrical container 1 was heated to 1,500 ° C. The pressure in the container was almost atmospheric pressure.
When trichlorosilane was supplied to the chlorosilanes supply pipe 5 at a rate of 10 g / min, silicon was obtained at a rate of about 0.6 g / min. In this case, the conversion of trichlorosilane was 30%.
After the reaction was continued for 50 hours, the operation was stopped and the outside of the carbon cylindrical container was observed. As a result, no silicon was deposited.
[0032]
Comparative Example 1
The operation was performed under the same conditions as in Example 1 except that the supply of hydrogen chloride gas from the hydrogen gas supply pipe 7 of Example 1 was stopped. After the reaction was continued for 50 hours, the operation was stopped and the outside of the carbon cylindrical container was observed. As a result, silicon deposition was observed.
[0033]
Example 2
Instead of hydrogen and hydrogen chloride gas, a mixed gas of silicon tetrachloride and hydrogen (1% by volume of silicon tetrachloride, 99% by volume of hydrogen) is allowed to flow from the hydrogen gas supply pipe 7 of Example 1 and from the chlorosilane particle supply pipe 5 The operation was performed under the same conditions as in Example 1 except that 15 L / min of hydrogen gas and trichlorosilane were mixed and supplied. After the reaction was continued for 50 hours, the operation was stopped and the outside of the carbon cylindrical container was observed. As a result, no silicon was deposited.
[0034]
Example 3
After performing the same reaction as in Comparative Example 1, 10 volume% of hydrogen chloride gas was added to the hydrogen gas supplied from the Si removal gas supply pipe 21 and the reaction was continued for 5 hours. When the outside of the cylindrical container was observed, no silicon deposition was observed.
[0035]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to prevent the nozzle part of the reaction apparatus from being blocked by silicon generated by the reaction between chlorosilanes and hydrogen, and to continue to manufacture silicon smoothly industrially.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a typical aspect of a silicon manufacturing apparatus used in the practice of the present invention. FIG. 2 is a conceptual diagram showing the shape of the peripheral edge of a cylindrical container at the bottom of a silicon manufacturing apparatus according to the present invention. Schematic diagram showing the shape of the periphery of the lower end of the cylindrical container of the silicon manufacturing apparatus in the present invention
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylindrical container 3 Heating means 5 Chlorosilane supply pipe 6 Cooling means 7, 21 Seal gas supply pipe 20 Cooling recovery chamber 24 Cooling jacket 26 Gas discharge line 31 Silicon outlet 32 Cooling gas supply pipe

Claims (2)

シリコンの融点以上に加熱された加熱体を備えた反応装置内で、該加熱体にクロロシラン類と水素とを供給してシリコンを生成せしめ、生成したシリコンを該加熱体から融液として回収するに際し、該装置内においてシリコンの析出温度以上で且つシリコンの融点未満となる部位に、シリコンと反応し得る反応試剤を連続的或いは断続的に導入することを特徴とするシリコンの製造方法。In a reactor equipped with a heating body heated to a melting point of silicon or higher, chlorosilanes and hydrogen are supplied to the heating body to generate silicon, and the generated silicon is recovered as a melt from the heating body. A method for producing silicon, wherein a reaction reagent capable of reacting with silicon is continuously or intermittently introduced into a portion of the apparatus that is not lower than the silicon deposition temperature and lower than the melting point of silicon. シリコンと反応し得る反応試剤が塩化水素または四塩化ケイ素である請求項1に記載の方法。The method according to claim 1, wherein the reaction agent capable of reacting with silicon is hydrogen chloride or silicon tetrachloride.
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