JP4157281B2 - Reactor for silicon production - Google Patents

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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新規な装置を提供する。詳しくは、長期間に亘って高速で且つ安定してシリコンを連続的に製造することが可能であり、しかも、工業的に極めて効率的にシリコンを製造することが可能な、シリコン製造装置を提供する。
【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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
また別の方法として、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。
【0006】
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。
【0007】
上述の既存技術の問題を解決するため、特開昭59−121109公報、特開昭54−124896公報、および特開昭56−63813公報などによって、反応器の温度をシリコンの融点以上に加熱しながら、該反応器内に析出原料としてシラン類を供給し、シリコンを析出・溶融せしめてその融液を貯留し、溶融状態または溶融物を冷却固化した状態で、連続的又は断続的に反応器外に抜出す方法が提案されている。
【0008】
ところが、特にモノシランを用いる方法においては、比較的低温のガス中でも自己分解して微粉状シリコンを生成しやすい性質をもつため、ガス下流域での閉塞が懸念される。
【0009】
また、従来提案されているいずれの方法においても、反応器とシラン類供給管の接続部分またはその周辺部分の部材温度は、溶融温度からシリコンが析出しない温度までの温度勾配をもつ結果、その途中でシリコンが自己分解して析出する温度領域となる箇所が必ず存在し、工業的な実施において析出したシリコンによりかかる部分が閉塞することが懸念される。
【0010】
一方、特開平11−314996号公報には、発熱固体と、該発熱固体の下部表面に対向して配置された高周波コイルと、該コイル面に設けられた少なくとも1個のガス吹き出し口とを備えた装置を用い、前記ガス吹き出し口から前記高周波コイルにより誘導加熱された前記発熱固体の下部表面に析出成分を含む原料ガスを吹き付け、前記発熱固体の底部より滴下或いは下降流出させて結晶、例えば、多結晶シリコンの製造を行う装置が開示されている。
【0011】
しかしながら、この装置を使用して多結晶シリコンを製造する場合、高周波コイルと発熱固体とが近接しているため、機能を維持するために水冷される高周波コイルが該発熱固体の熱を奪う結果となり、エネルギー効率が低いという問題がある。また、かかる公報には、前記溶融面に隣接する低温域での固体結晶の析出を防止する手段についても開示されているが、かかる装置固有の手段に止まるものである。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
従って、シリコンの析出・溶融による連続的製造方法において、シリコンの析出による閉塞が発生せず、工業的に、高純度のシリコンを連続的に製造することができる反応装置の開発が望まれる。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた。そして、シリコンの析出・溶融による連続的製造方法において、シリコンの析出温度に加熱された領域でも原料ガスが存在しなければシリコンは当然に析出せず、また、原料ガスが存在する領域が析出温度に達していなければシリコンは実質的に析出しないという原理に基づき、前記課題の解決手段を検討した結果、
▲1▼原料ガスを前記シリコンの析出・溶融領域内に直接供給すると共に、該原料供給配管の内壁をシリコンの析出温度未満に冷却すること、
▲2▼モノシランに比してシリコンの析出開始温度がシリコンの融点により近いクロロシラン類を使用すること
及び
▲3▼原料ガス供給口より上部の空間に存在する内壁を原料ガスと接触を断つようにパージガスを供給すること
によって、反応装置内での固体シリコンの生成を極めて効果的に抑制しながら、溶融状態のシリコンを連続的に取り出すことが可能となることを見い出した。
【0014】
また、上記シリコンの析出・溶融を筒状の加熱体を加熱し、その内面で行うことにより、高周波コイルの冷却による加熱体への影響を極めて低レベルに抑えることができ、高い熱効率でシリコンを製造することができること、更に、かかる構造において、上記知見に基づき、特定のガスシール構造を採用することにより、長期間に亘り、多結晶シリコンを連続して製造することができ、工業的に極めて有利に多結晶ポリシリコンを製造し得ることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【0015】
即ち、本発明のシリコン製造装置は、
(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加熱手段、
(3)上記筒状容器の内径より小さい外径を有する内管であって、シリコンの融点以上に加熱された内壁により囲まれる空間に該内管の一方の開口を下に向けて設けることにより構成されたクロロシラン類供給管、及び
(4)上記筒状容器の内壁とクロロシラン類供給管の外壁とによって形成される間隙にシールガスを供給する第1シールガス供給管、
場合により、更に、
(5)上記筒状容器内に水素ガスを供給する水素供給管
を具備することを特徴とする多結晶シリコン製造装置である。
【0016】
尚、水素供給管は、前記第1シールガス供給管から水素を供給する場合は、無くても良い。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその代表的な実施態様を示す添付図面に従って説明するが、本発明はこれらの添付図面に一概に限定されるものではない。
【0018】
尚、 図1〜4は、本発明の多結晶シリコン製造装置の基本的な態様を示す概略図であり、図5及び6は、本発明の多結晶シリコン製造装置において使用される筒状容器の代表的な態様を示す断面図である。
【0019】
本発明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・溶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を有する構造であればよい。
【0020】
従って、筒状容器1の断面形状は、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1は、製作を容易にするために、図1〜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。
【0021】
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。
【0022】
また、筒状容器1の開口部2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シリコン融液を液滴として滴下し得るが、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。
【0023】
さらに、上述した何れの開口部周縁の形状においても、溶融シリコンが落下時の液切れをよくするため、先端部に向かって肉厚が次第に薄くなるエッジ状にすることがより好ましい態様である。
【0024】
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。
【0025】
かかる材質としては、例えば、グラファイト等の炭素材料、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素(Si)、窒化ホウ素(BN)および窒化アルミ(AlN)等のセラミックス材料の、単独材料または複合材料が挙げられる。
【0026】
これらの材料のうち、炭素材料を基材として、少なくともシリコン溶融液と接触する部分を窒化ケイ素または窒化ホウ素または炭化ケイ素で被覆することにより、筒状容器の寿命を著しく増大できるため、工業的連続使用において特に好ましい。このうち窒化ケイ素または窒化ホウ素については、これらの材質がシリコン溶融液に対して濡れ性が悪いため、筒状容器からの流下および液切れがよく、最も好ましい。
【0027】
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、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ればよいが、一般に、該加熱手段によってシリコンの融点以上に加熱される筒状容器の範囲が、該筒状容器1の全長に対する下端からの長さが20〜90%、好ましくは、30〜80%の長さとなるように決定する。
【0028】
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、すなわち、1,430℃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。
【0029】
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手段が挙げられる。より具体的には、高周波による加熱方法、電熱線を用いる加熱手段、赤外線を用いる加熱手段等がある。
【0030】
これらの方法のうち、高周波を用いる加熱方法は、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。
【0031】
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A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。
【0032】
なお、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該供給管を設ける態様である。
【0033】
また、クロロシラン類供給管5より供給されるクロロシラン類は、他のシリコン原料であるモノシランに比べて熱分解温度が高く、シリコンの融点以上に加熱された筒状容器の空間4において管内が加熱されたとしても、著しく分解することはないが、該供給管の熱による劣化を防止し、また、少量ではあるがクロロシラン類が分解するのを防止するため、該供給管を冷却する冷却手段を備えることが好ましい。
【0034】
冷却手段の具体的態様は、特に制限されないが、例えば、図1に示すような、クロロシラン類供給管の内部に水、熱媒油等の冷媒液体をDから供給し、Dより排出するようにした流路を設けて冷却する液体ジャケット方式、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。
【0035】
クロロシラン類供給管の冷却温度は、供給管を構成する材質が著しく劣化しない程度に冷却されればよく、一般には、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。600℃以下まで冷却することが好ましい。より好ましくは、具体的には、TCSまたは四塩化ケイ素(SiCl、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。
【0036】
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、鉄およびステンレス鋼等も使用できる。
【0037】
本発明の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好ましい。こうすることによって、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る。
【0038】
本発明において、第1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に存在する筒状容器の内壁とクロロシラン類供給管の外壁とによって形成される間隙にシールガスBを供給するために設けられる。すなわち、本発明は、原料として供給されたクロロシラン類が、筒状容器の内壁において、シリコンを析出することはできるが溶融することはできない低温領域と接触して固体シリコンが析出するのを防止するため、シリコンの溶融が起こる高温の空間にクロロシラン類を直接供給する。しかしながら、筒状容器の内壁とクロロシラン類供給管の外壁とによって形成される間隙には同様の低温領域が存在する。
【0039】
そのため、本発明の装置においては、上記間隙にシールガスを供給する第1シールガス供給管7を設けて上記低温領域が存在する間隙にシールガスを満たすことにより、クロロシラン類と水素との混合ガスが侵入して該低温領域で固体シリコンが析出するのを効果的に防止することができる。
【0040】
本発明において、第1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。
【0041】
また、第1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。
【0042】
この場合、シールガスの供給量は、前記温度勾配の存在する空間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る。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。
【0043】
本発明の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を供給するための水素供給管は、クロロシラン類供給管5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ものであれば、特に制限されない。
【0044】
従って、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好ましい。具体的には、図1に示すように、前記第1シールガス供給管7にシールガスとして水素Cを供給する態様が好適である。また、筒状容器1の側壁に水素Cを供給するための水素供給管8を取り付ける態様も挙げられる。勿論、上記2つの態様を併用することも可能である。
【0045】
本発明の多結晶シリコン製造装置は、上述したように、
▲1▼シリコンの析出・溶融を筒状容器の内面で行い、
▲2▼該筒状容器内におけるシリコンの溶融域までクロロシラン類の供給管を挿入しそして
▲3▼該筒状容器とクロロシラン類の供給管との間隙にシールガスを供給する構造を有する。
【0046】
上記▲1▼の構成により、シリコンの析出・溶融を行うための加熱面の熱効率が極めて高くすることができ工業的に非常に有利である。
【0047】
また、▲2▼および▲3▼の組合せにより、装置内で、固体シリコンが析出したまま溶融しないで存在するのを完全に防止することができる。
【0048】
本発明のシリコン製造装置において、その他の構造は、特に制限されるものではないが、好適な態様を例示すれば、下記の態様を挙げることができる。例えば、筒状容器1内で発生する排ガスを効率よく回収するために、また、筒状容器1の開口部2より溶融落下するシリコン融液の液滴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に、該筒状容器の少なくとも下端開口部を、排ガスの排出管12を接続した密閉容器10によって覆う態様が好ましい。これによって高純度のシリコンを工業的に得ることができる。
【0049】
上記密閉容器10の代表的な態様は図3および4に示されている。前記筒状容器1のシリコン取出口に当たる開口部2を覆い、シリコン融液が落下し得る冷却空間15を形成すると共に、排ガスを排出するためのガス排出管12を設けて構成されることが好ましい。
【0050】
上記密閉容器10は、筒状容器1の開口部2の縁部を突出させる状態で該筒状容器の下端部を覆うように設ければよく、例えば、該開口部近辺の筒状容器の外周で接続してもよい。
【0051】
しかしながら、接続箇所から離れた位置の密閉容器の表面において前記固体シリコンが析出する低温領域が存在する可能性が高いため、図3および4に示すように、該開口部を含む高温の領域から離れた筒状容器の上方部の外周で接続するか、あるいは、筒状容器全体を覆うように設けることが好ましい。
【0052】
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、シリコンを析出したとしてもその量は少ない。
【0053】
しかし、密閉容器10においても固体シリコンの析出を可及的に防止するためには、図3および4に示すように、筒状容器の外壁と密閉容器の内壁とによって形成される間隙にシールガスEを供給する第2シールガス供給管11を設ける態様が好適である。
【0054】
上記シールガスの種類、供給量等は前記第1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。
【0055】
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度を、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。
【0056】
密閉容器10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、テフロン、石英ガラス等でライニングを施すことがより好適である。
【0057】
一方、筒状容器1での反応後の排ガスは、密閉容器10に設けられたガス排出管12より取り出される。
【0058】
また、筒状容器1より溶融落下した溶融シリコンは、密閉容器10の冷却空間15を落下するうちに、あるいは、落下時に底面に存在する冷却材と接触することにより冷却され、固化したシリコン23として容器下部に蓄積され、取り扱い容易な温度までに冷却される。上記冷却空間を十分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。
【0059】
なお、上記冷却を促進するために、冷却ガスHの供給管13を設けることは好適な態様である。また、図には示していないが、密閉容器10の底面に、別途、固体または液体の冷却材を存在させてシリコン融液の液滴をより強力に冷却することも、必要に応じて実施することができる。かかる固体冷却材としてはシリコン、銅、モリブデン等を使用することができ、また、液体の冷却材としては、液体四塩化珪素、液体窒素等を使用することができる。
【0060】
また、密閉容器10には、必要に応じて、固化したシリコンIを連続的あるいは断続的に抜き出す取出口17を設けることも可能である。上記取出口の形式は、シリコンが部分的に融着した凝集状態で得られる場合は、密閉容器の下部が取り替えできる構造を採用することが好ましい。
【0061】
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、密閉容器10に冷却装置14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および4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F11からF12、F21からF22、あるいは、F31からF32に流通させる流路を設けて冷却する液体ジャケット方式によることが最も好ましい。
【0062】
図3および4に示す態様のように、密閉容器10を筒状体の上部で接合した場合、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こともできる。
【0063】
【効果】
以上の説明より理解されるように、本発明の多結晶シリコンの製造装置は、前記多結晶シリコン発泡体の製造方法にも適すると共に、上記以外の形態の多結晶シリコンを含む多結晶シリコンを高速でかつ長期間安定して連続的に製造することが可能である、工業的に極めて有用な装置である。
【0064】
【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。
【0065】
【実施例】
実施例1
下記に示すように、図3と同様な多結晶シリコン製造装置を構成し、多結晶シリコンを連続して製造した。
【0066】
内径25mm、長さが50cmで、下部に開口部2を持つ炭化ケイ素製筒状容器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10mm、外径17mm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。密閉容器10は、内径500mm、長さが3mのステンレス製とした。
【0067】
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。
【0068】
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、密閉容器10の下部ジャケットにも通水し、筒状容器1上部の水素供給管14、および密閉容器10の上部のシールガス供給管11から水素ガスをそれぞれ5L/min流通させたのち、高周波加熱手段を起動して、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。
【0069】
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の速度でほぼ均一な粒径を有する粒状のシリコン液滴が自然落下中に観察された。この場合のトリクロロシランの転化率は約30%であった。
【0070】
該シリコン融液を、筒状容器の開口部から分離落下させた。この時、筒状容器の下部開口部先端は、十分にシリコンで濡れ、表面はシリコンで覆われていた。
【0071】
50時間反応を継続した後、運転を停止して装置内部を開放観察したところ、シリコンによる閉塞は発生していなかった。
【0072】
実施例2
図4に示すシリコン製造装置を下記のように構成し、該装置を使用して下記の方法によりシリコンを連続して得た。
【0073】
クロロシラン類供給管5の挿入部分および開口部2の内径が25mmで、中央部付近が20cmにわたってその内径が50mmに拡大され、かつテーパー部がそれぞれ5cmの長さで形成されている、全長50cmの炭化ケイ素製筒状容器1に、その上端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10mm、外径17mm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1の上端から15cmの高さまで挿入した。密閉容器10は、内径750mm、長さが3mのステンレス製とした。
【0074】
なお、上記筒状容器の下端の周縁は図6に示す形状とした。
【0075】
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、密閉容器の下部ジャケットにも通水し、筒状容器上部の水素供給管14、および密閉容器10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、高周波加熱手段を起動して、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。
【0076】
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1g/minの速度でほぼ均一な粒径を有する粒状のシリコンの液滴が自然落下中に観察された。この場合のトリクロロシランの転化率は約50%であった。
【0077】
50時間反応を継続した後、運転を停止して装置内部を開放観察したところ、シリコンによる閉塞は発生していなかった。
【0078】
比較例1
原料をトリクロロシランからモノシランにかえ、2g/minの速度で供給するほかは、実施例1と同様の装置および条件で運転を実施した。
【0079】
運転開始当初は粒状のシリコンを1.5g/min以上の速度で得ることができたが、冷却回収室内部およびガス排出ライン26に多量のシリコン微粉が堆積し、約5時間で運転継続不能になった。
【0080】
比較例2
実施例1の冷却ジャケット構造6を持つ、内径10mm、外径17mmのステンレス製のクロロシラン類供給管5を、該筒状容器の上部から5cmの高さ(シリコンの融点未満の温度を有する内壁によって囲まれる空間)まで挿入した。その他は実施例1と同様の条件で運転を実施した。
【0081】
運転開始当初は約0.6g/minの速度で粒状のシリコンを得ることができたが、約15時間後にはトリクロロシランおよびシール水素を供給することが困難になった。
【0082】
停止後開放観察したところ、筒状容器1の内部の上部付近がほとんど閉塞していた。閉塞物はシリコンであった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のシリコン製造装置について代表的な態様を示す概念図
【図2】 本発明のシリコン製造装置について他の代表的な態様を示す概念図
【図3】 本発明のシリコン製造装置について他の代表的な態様を示す概念図
【図4】 本発明のシリコン製造装置について他の代表的な態様を示す概念図
【図5】 本発明のシリコン製造装置について筒状容器下端の周縁の形状を示す概念図
【図6】 本発明のシリコン製造装置について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 第1シールガス供給管
11 第2シールガス供給管
8 水素ガス供給管
10 密閉容器
14 冷却ジャケット
12 ガス排出管
17 シリコン取出口
13 冷却ガス供給管
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a novel apparatus for producing silicon by reaction of chlorosilanes with hydrogen. Specifically, a silicon manufacturing apparatus capable of continuously manufacturing silicon stably at high speed over a long period of time and capable of manufacturing silicon extremely efficiently industrially is provided. To do.
[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.
[0003]
For example, one of them is a method called a Siemens method, in which a silicon rod heated to a silicon deposition temperature by energization is placed inside a bell jar, and trichlorosilane (SiHCl) is placed therein. Three Hereafter referred to as TCS) and monosilane (SiH Four ) In contact with a reducing gas such as hydrogen to deposit silicon.
[0004]
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.
[0005]
As another method, there is a deposition method using a fluidized bed. 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.
[0006]
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.
[0007]
In order to solve the above-mentioned problems of the existing technology, the temperature of the reactor is heated above the melting point of silicon according to JP-A-59-121109, JP-A-54-124896, and JP-A-56-63813. However, in the reactor, silanes are supplied as deposition raw materials, silicon is deposited and melted, the melt is stored, and the reactor is continuously or intermittently in a molten state or in a state where the melt is cooled and solidified. A method of pulling out has been proposed.
[0008]
However, in particular, the method using monosilane has the property of being easily decomposed even in a relatively low temperature gas to easily generate finely divided silicon, and therefore there is a concern about blockage in the gas downstream region.
[0009]
Further, in any of the conventionally proposed methods, the temperature of the member at the connection part of the reactor and the silane supply pipe or the peripheral part thereof has a temperature gradient from the melting temperature to a temperature at which silicon does not precipitate. In this case, there is always a temperature region where silicon is self-decomposed and deposited, and there is a concern that such a portion may be blocked by the deposited silicon in industrial implementation.
[0010]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-314996 includes a heat generating solid, a high frequency coil arranged to face the lower surface of the heat generating solid, and at least one gas outlet provided on the coil surface. The raw material gas containing a precipitation component is sprayed from the gas outlet to the lower surface of the exothermic solid that has been induction-heated by the high-frequency coil from the gas outlet, and drops or descends and flows out from the bottom of the exothermic solid to form crystals, for example, An apparatus for producing polycrystalline silicon is disclosed.
[0011]
However, when polycrystalline silicon is produced using this apparatus, the high frequency coil and the heat generating solid are close to each other, so that the high frequency coil that is water-cooled to maintain the function takes the heat of the heat generating solid. There is a problem of low energy efficiency. In addition, in this publication, although means for preventing the precipitation of solid crystals in a low temperature region adjacent to the melting surface is also disclosed, it is limited to means unique to such an apparatus.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, it is desired to develop a reaction apparatus that can continuously produce high-purity silicon industrially without causing clogging due to silicon precipitation in a continuous production method by silicon precipitation / melting.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has intensively studied to solve the above problems. In the continuous manufacturing method by silicon deposition / melting, silicon is naturally not deposited even if the source gas is not present even in the region heated to the silicon deposition temperature, and the region where the source gas is present is the deposition temperature. Based on the principle that silicon does not substantially precipitate unless it has reached, as a result of investigating the means for solving the above problems,
(1) Supplying the raw material gas directly into the silicon precipitation / melting region and cooling the inner wall of the raw material supply pipe below the silicon precipitation temperature;
(2) Use chlorosilanes whose silicon deposition start temperature is closer to the melting point of silicon than monosilane.
as well as
(3) Supply purge gas so that the inner wall existing in the space above the source gas supply port is disconnected from the source gas.
Thus, it has been found that it is possible to continuously take out molten silicon while suppressing the production of solid silicon in the reactor extremely effectively.
[0014]
In addition, the deposition and melting of the silicon is performed on the inner surface of the cylindrical heating body and the influence on the heating body due to the cooling of the high-frequency coil can be suppressed to an extremely low level. In addition, it is possible to manufacture polycrystalline silicon continuously over a long period of time by adopting a specific gas seal structure based on the above knowledge in such a structure. It has been found that polycrystalline polysilicon can be advantageously produced, and the present invention has been completed.
[0015]
That is, the silicon manufacturing apparatus of the present invention is
(1) A cylindrical container having an opening serving as a silicon outlet at the lower end;
(2) A heating means for 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) An inner tube having an outer diameter smaller than the inner diameter of the cylindrical container, wherein one opening of the inner tube is provided downward in a space surrounded by an inner wall heated to a melting point of silicon or higher. Constructed chlorosilanes supply pipe, and
(4) a first seal gas supply pipe for supplying a seal gas to a gap formed by the inner wall of the cylindrical container and the outer wall of the chlorosilane supply pipe;
In some cases,
(5) Hydrogen supply pipe for supplying hydrogen gas into the cylindrical container
It is a polycrystalline silicon manufacturing apparatus characterized by comprising.
[0016]
The hydrogen supply pipe may not be provided when hydrogen is supplied from the first seal gas supply pipe.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings showing typical embodiments thereof, but the present invention is not limited to these accompanying drawings.
[0018]
1 to 4 are schematic views showing a basic aspect of the polycrystalline silicon production apparatus of the present invention, and FIGS. 5 and 6 are views of a cylindrical container used in the polycrystalline silicon production apparatus of the present invention. It is sectional drawing which shows a typical aspect.
[0019]
In the silicon manufacturing apparatus of the present invention, the cylindrical container 1 has, as a silicon outlet, an opening 2 through which silicon deposited and dissolved in the inside can fall out of the container due to natural flow, as will be described in detail later. Any structure can be used.
[0020]
Therefore, the cross-sectional shape of the cylindrical container 1 can take arbitrary shapes, such as circular shape and polygonal shape. In order to facilitate manufacture, the cylindrical container 1 can be formed in a straight cylinder shape having the same cross-sectional area in each part 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 to form a part of the cross section as shown in FIG. 4 larger than the other part. is there.
[0021]
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.
[0022]
Moreover, the opening part 2 of the cylindrical container 1 can dripping a silicon melt as a droplet without a problem also in the aspect comprised so that the periphery may become horizontal, but as shown in FIG. By configuring the configuration, and further, the configuration in which the periphery is configured in a wave shape as shown in FIG. 6, the particle diameter of the silicon melt droplet falling from the periphery of the opening 2 can be more uniformly adjusted. This is preferable because it is possible.
[0023]
Further, in any of the shapes of the peripheral edges of the openings described above, it is more preferable to use an edge shape in which the thickness gradually decreases toward the tip in order to improve the liquid drainage when the molten silicon falls.
[0024]
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.
[0025]
Examples of such materials include carbon materials such as graphite, silicon carbide (SiC), and silicon nitride (Si 3 N 4 ), Boron nitride (BN) and aluminum nitride (AlN) or other ceramic materials such as single materials or composite materials.
[0026]
Of these materials, a carbon material is used as a base material, and at least a portion in contact with the silicon melt is coated with silicon nitride, boron nitride, or silicon carbide, so that the life of the cylindrical container can be remarkably increased. Particularly preferred for use. Among these, silicon nitride or boron nitride is most preferable because these materials have poor wettability with respect to the silicon melt, so that the material flows down from the cylindrical container and drains well.
[0027]
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. Generally, the range of the cylindrical container heated above the melting point of silicon by the heating means is 20 to 90% from the lower end with respect to the entire length of the cylindrical container 1, preferably, The length is determined to be 30 to 80%.
[0028]
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, 1,430 ° C. or higher.
[0029]
As a specific example of the heating means, as shown in FIG. 1, there is a means for heating the inner wall of the cylindrical container by energy from the outside. More specifically, there are a heating method using high frequency, a heating means using a heating wire, a heating means using infrared rays, and the like.
[0030]
Among these methods, the heating 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.
[0031]
In the silicon production apparatus of the present invention, the chlorosilanes supply pipe 5 is for directly supplying the chlorosilanes A 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.
[0032]
Note that “downward” indicating the opening direction of the chlorosilane 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 opening again. However, the most preferable embodiment is an embodiment in which the supply pipe is provided in a direction perpendicular to the plane.
[0033]
Also, chlorosilanes supplied from the chlorosilane supply pipe 5 have a higher thermal decomposition temperature than monosilane, which is another silicon raw material, and the inside of the pipe is heated in the space 4 of the cylindrical container heated above the melting point of silicon. In order to prevent degradation of the supply pipe due to heat and to prevent the chlorosilanes from being decomposed in a small amount, a cooling means for cooling the supply pipe is provided. It is preferable.
[0034]
Although the specific aspect of a cooling means is not restrict | limited in particular, For example, as shown in FIG. 1 Supplied from D 2 A liquid jacket system for cooling by providing a flow path designed to discharge more, although not shown, a multi-ring nozzle more than a double pipe is provided in the chlorosilane supply pipe, chlorosilanes are supplied from the center, and the outer ring For example, an air-cooling jacket system in which cooling gas is purged from the nozzle to cool the central nozzle.
[0035]
The cooling temperature of the chlorosilanes supply pipe only needs to be cooled to such an extent that the material constituting the supply pipe does not deteriorate significantly, and in general, it may be set below the self-decomposition temperature of the supplied chlorosilanes. It is preferable to cool to 600 ° C. or lower. More preferably, specifically, TCS or silicon tetrachloride (SiCl 4 , Hereinafter referred to as STC) is preferably 800 ° C. or less, more preferably 600 ° C. or less, and most preferably 500 ° C. or less.
[0036]
As a material of the chlorosilane 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.
[0037]
In the silicon manufacturing apparatus of the present invention, as shown in FIG. 4, in an aspect in which an enlarged portion is provided in a part of a cylindrical container, the opening of the chlorosilanes supply pipe may be provided in the space of the enlarged portion. preferable. By doing so, the opening can be separated from the heated inner wall, and cooling for preventing the deposition of silicon in the chlorosilane supply pipe can be performed more easily.
[0038]
In the present invention, the first seal gas supply pipe 7 supplies the seal gas B to a gap formed by the inner wall of the cylindrical container existing above the opening position of the chlorosilane supply pipe 5 and the outer wall of the chlorosilane supply pipe. To be provided. That is, the present invention prevents chlorosilanes supplied as a raw material from depositing solid silicon on the inner wall of a cylindrical container in contact with a low temperature region where silicon can be precipitated but cannot be melted. Therefore, chlorosilanes are directly supplied to a high-temperature space where silicon melting occurs. However, a similar low temperature region exists in the gap formed by the inner wall of the cylindrical container and the outer wall of the chlorosilane supply pipe.
[0039]
Therefore, in the apparatus of the present invention, a mixed gas of chlorosilanes and hydrogen is provided by providing the first seal gas supply pipe 7 for supplying seal gas to the gap and filling the gap in which the low temperature region exists with the seal gas. Can effectively prevent solid silicon from being deposited in the low temperature region.
[0040]
In the present invention, the first 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 it is preferable to provide the first seal gas supply pipe 7 on the wall surface of the cylindrical container where the heating means 3 does not exist.
[0041]
The seal gas supplied from the first 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.
[0042]
In this case, it is sufficient that the seal gas is supplied to such an extent that the pressure that always fills the space where the temperature gradient exists is maintained. In order to reduce the supply amount, the shape of the cylindrical container 1 or the shape of the outer wall of the chlorosilanes supply pipe may be determined so as to reduce the entire space or the sectional area of the lower part.
[0043]
In the silicon production apparatus of the present invention, the hydrogen supply pipe for supplying hydrogen to be used for the precipitation reaction together with the chlorosilanes is located at a position where it can be supplied to the cylindrical container 1 and the space 4 independently of the chlorosilanes supply pipe 5. If it opens, it will not restrict | limit in particular.
[0044]
Therefore, it is preferable to appropriately provide a portion where the reaction with the chlorosilane can be efficiently performed in consideration of the structure, size, and the like of the cylindrical container 1 constituting the silicon manufacturing apparatus. Specifically, as shown in FIG. 1, a mode in which hydrogen C is supplied as a seal gas to the first seal gas supply pipe 7 is suitable. Moreover, the aspect which attaches the hydrogen supply pipe | tube 8 for supplying hydrogen C to the side wall of the cylindrical container 1 is also mentioned. Of course, the above two modes can be used in combination.
[0045]
As described above, the polycrystalline silicon manufacturing apparatus of the present invention has
(1) Precipitate and melt silicon on the inner surface of the cylindrical container,
(2) Insert a supply pipe for chlorosilanes into the melting zone of silicon in the cylindrical container, and
(3) It has a structure for supplying a sealing gas into a gap between the cylindrical container and a supply pipe for chlorosilanes.
[0046]
With the configuration of (1) above, the thermal efficiency of the heating surface for depositing and melting silicon can be made extremely high, which is industrially very advantageous.
[0047]
Further, the combination of (2) and (3) makes it possible to completely prevent solid silicon from being deposited and not melted in the apparatus.
[0048]
In the silicon production apparatus of the present invention, other structures are not particularly limited, but the following embodiments can be given as examples of preferred embodiments. For example, in order to efficiently recover the exhaust gas generated in the cylindrical container 1, the silicon melt droplets melted and dropped from the opening 2 of the cylindrical container 1 are cooled and solidified without contact with the outside air. In order to do this, an embodiment in which at least the lower end opening of the cylindrical container is covered with the sealed container 10 connected to the exhaust gas exhaust pipe 12 is preferable. Thereby, high purity silicon can be obtained industrially.
[0049]
A representative embodiment of the sealed container 10 is shown in FIGS. It is preferable that the opening 2 corresponding to the silicon outlet of the cylindrical container 1 is covered to form a cooling space 15 in which the silicon melt can fall, and a gas discharge pipe 12 for discharging exhaust gas is provided. .
[0050]
The sealed container 10 may be provided so as to cover the lower end of the cylindrical container in a state in which the edge of the opening 2 of the cylindrical container 1 protrudes. For example, the outer periphery of the cylindrical container in the vicinity of the opening You may connect with.
[0051]
However, since there is a high possibility that there is a low temperature region where the solid silicon is deposited on the surface of the closed container at a position away from the connection point, as shown in FIGS. 3 and 4, it is separated from the high temperature region including the opening. It is preferable that the connection is made on the outer periphery of the upper portion of the cylindrical container, or the entire cylindrical container is covered.
[0052]
Chlorosilanes present in the gas discharged from the cylindrical container 1 are approaching a stable gas composition in which no more silicon is deposited, and even if silicon is deposited, the amount is small.
[0053]
However, in order to prevent the precipitation of solid silicon as much as possible in the sealed container 10, as shown in FIGS. 3 and 4, as shown in FIG. 3 and FIG. A mode in which the second seal gas supply pipe 11 for supplying E is provided is preferable.
[0054]
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 first seal gas supply pipe 7.
[0055]
In the above embodiment, 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 0.1 m / s, preferably 0.5 m / s, most preferably Is preferably 1 m / s or more.
[0056]
Metal materials, ceramic materials, glass materials, etc. can be suitably used as the material of the sealed container 10, but in order to achieve both robustness and high-purity silicon recovery as industrial equipment, metal recovery is possible. More preferably, the interior of the chamber is lined with silicon, Teflon, quartz glass or the like.
[0057]
On the other hand, the exhaust gas after the reaction in the cylindrical container 1 is taken out from a gas discharge pipe 12 provided in the sealed container 10.
[0058]
Further, the molten silicon melted and dropped from the cylindrical container 1 is cooled and solidified as silicon 23 is cooled by falling in the cooling space 15 of the sealed container 10 or by contacting with the coolant present on the bottom surface at the time of dropping. Accumulated at the bottom of the container and cooled to a temperature that is easy to handle. When the cooling space is set sufficiently long, granulated silicon can be obtained, and when the cooling space is short, solid silicon plastically deformed by a drop impact can be obtained.
[0059]
In order to promote the cooling, it is a preferable aspect to provide the supply pipe 13 for the cooling gas H. In addition, although not shown in the drawing, a solid or liquid coolant is separately provided on the bottom surface of the sealed container 10 to cool the silicon melt droplets more powerfully as necessary. be able to. Silicon, copper, molybdenum, or the like can be used as the solid coolant, and liquid silicon tetrachloride, liquid nitrogen, or the like can be used as the liquid coolant.
[0060]
In addition, the closed container 10 may be provided with an outlet 17 for continuously or intermittently extracting the solidified silicon I as necessary. As for the form of the outlet, it is preferable to adopt a structure in which the lower part of the hermetic container can be replaced when silicon is obtained in an agglomerated state where the silicon is partially fused.
[0061]
In order to cool the silicon more effectively, it is preferable to provide a cooling device 14 in the sealed container 10. For example, as shown in FIGS. 3 and 4, the cooling mode is such that a coolant liquid such as water, heat transfer oil, alcohol, etc. 11 To F 12 , F 21 To F 22 Or F 31 To F 32 It is most preferable to use a liquid jacket system in which a flow path is provided for cooling and cooling.
[0062]
As shown in FIGS. 3 and 4, when the sealed container 10 is joined at the upper part of the cylindrical body, a cooling medium such as heat medium oil can be circulated in an appropriate jacket structure for material protection, If the material has heat resistance, it can be kept warm by applying a heat insulating material in order to enhance the thermal effect.
[0063]
【effect】
As can be understood from the above description, the polycrystalline silicon manufacturing apparatus of the present invention is suitable for the method of manufacturing the polycrystalline silicon foam, and at the same time, converts polycrystalline silicon containing polycrystalline silicon in a form other than those described above at high speed. In addition, it is an industrially extremely useful apparatus that can be stably and continuously manufactured for a long period of time.
[0064]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
[0065]
【Example】
Example 1
As shown below, a polycrystalline silicon manufacturing apparatus similar to that shown in FIG. 3 was constructed, and polycrystalline silicon was continuously manufactured.
[0066]
A high-frequency heating coil was installed as a heating means 3 around the cylindrical container 1 made of silicon carbide having an inner diameter of 25 mm and a length of 50 cm and having an opening 2 at 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 10 mm and an outer diameter of 17 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 sealed container 10 was made of stainless steel having an inner diameter of 500 mm and a length of 3 m.
[0067]
In addition, the periphery of the lower end of the said cylindrical container was made into the shape shown in FIG.
[0068]
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 sealed container 10. After flowing hydrogen gas through the seal gas supply pipe 11 at the upper part of the container 10 at a rate of 5 L / min, the high frequency heating means was activated to heat the cylindrical container 1 to 1,500 ° C. The pressure in the container was almost atmospheric pressure.
[0069]
When trichlorosilane was supplied to the chlorosilanes supply pipe 5 at a rate of 10 g / min, granular silicon droplets having a substantially uniform particle size at a rate of about 0.6 g / min were observed during natural fall. In this case, the conversion rate of trichlorosilane was about 30%.
[0070]
The silicon melt was separated and dropped from the opening of the cylindrical container. At this time, the tip of the lower opening of the cylindrical container was sufficiently wet with silicon, and the surface was covered with silicon.
[0071]
After the reaction was continued for 50 hours, the operation was stopped and the inside of the apparatus was observed open. As a result, no clogging with silicon occurred.
[0072]
Example 2
The silicon production apparatus shown in FIG. 4 was configured as follows, and silicon was continuously obtained by the following method using the apparatus.
[0073]
The inner diameter of the insertion part of the chlorosilanes supply pipe 5 and the opening 2 is 25 mm, the inner part is enlarged to 50 mm over 20 cm in the vicinity of the center, and the tapered part is formed with a length of 5 cm, respectively. A high-frequency heating coil was installed as a heating means 3 around the cylindrical container 1 made of silicon carbide around the upper end 10 cm to the lower end. A stainless steel chlorosilane supply pipe 5 having an inner diameter of 10 mm and an outer diameter of 17 mm having a jacket structure capable of passing liquid as shown in FIG. 2 was inserted from the upper end of the cylindrical container 1 to a height of 15 cm. The sealed container 10 was made of stainless steel having an inner diameter of 750 mm and a length of 3 m.
[0074]
In addition, the periphery of the lower end of the said cylindrical container was made into the shape shown in FIG.
[0075]
Water is passed through the cooling jacket of the chlorosilanes supply pipe to maintain the inside of the pipe at 50 ° C. or lower, and is also passed through the lower jacket of the sealed container. After flowing hydrogen gas through the seal gas supply pipe 21 at the upper part of each, 5 L / min, the high frequency heating means was started and the cylindrical container 1 was heated to 1,500 ° C. The pressure in the container was almost atmospheric pressure.
[0076]
When trichlorosilane was supplied to the chlorosilanes supply pipe 5 at a rate of 10 g / min, granular silicon droplets having a substantially uniform particle size at a rate of about 1 g / min were observed during spontaneous fall. In this case, the conversion rate of trichlorosilane was about 50%.
[0077]
After the reaction was continued for 50 hours, the operation was stopped and the inside of the apparatus was observed open. As a result, no clogging with silicon occurred.
[0078]
Comparative Example 1
The operation was carried out under the same apparatus and conditions as in Example 1 except that the raw material was changed from trichlorosilane to monosilane and supplied at a rate of 2 g / min.
[0079]
At the beginning of operation, granular silicon could be obtained at a rate of 1.5 g / min or more, but a large amount of silicon fine powder accumulated in the cooling recovery chamber and the gas discharge line 26, making it impossible to continue operation in about 5 hours. became.
[0080]
Comparative Example 2
The stainless steel chlorosilanes supply pipe 5 having the cooling jacket structure 6 of Example 1 and having an inner diameter of 10 mm and an outer diameter of 17 mm is 5 cm high from the upper part of the cylindrical container (by an inner wall having a temperature lower than the melting point of silicon). Inserted up to the enclosed space). The other operation was performed under the same conditions as in Example 1.
[0081]
At the beginning of operation, granular silicon could be obtained at a rate of about 0.6 g / min, but after about 15 hours it became difficult to supply trichlorosilane and seal hydrogen.
[0082]
When the opening was observed after the stop, the vicinity of the upper part inside the cylindrical container 1 was almost closed. The occlusion was silicon.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a typical embodiment of a silicon manufacturing apparatus according to 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 another typical aspect of the silicon manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing another typical aspect of the silicon manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing the shape of the peripheral edge of the lower end of a cylindrical container in 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 a cylindrical container in the silicon manufacturing apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 cylindrical container
3 Heating means
5 Chlorosilane supply pipe
6 Cooling means
7 First seal gas supply pipe
11 Second seal gas supply pipe
8 Hydrogen gas supply pipe
10 Airtight container
14 Cooling jacket
12 Gas exhaust pipe
17 Silicon outlet
13 Cooling gas supply pipe

Claims (8)

(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加熱手段、(3)上記筒状容器の内径より小さい外径を有する内管であって、シリコンの融点以上に加熱された内壁により囲まれる空間に該内管の一方の開口を下に向けて設けることにより構成されたクロロシラン類供給管、及び(4)上記筒状容器の内壁とクロロシラン類供給管の外壁とによって形成される間隙にシールガスを供給する第1シールガス供給管を具備することを特徴とする多結晶シリコン製造装置。  (1) A cylindrical container having an opening serving as a silicon outlet at the lower end, (2) a heating means for 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) An inner tube having an outer diameter smaller than the inner diameter of the cylindrical container, wherein one opening of the inner tube is provided downward in a space surrounded by an inner wall heated to a melting point of silicon or higher. A polycrystal comprising: a chlorosilane supply pipe; and (4) a first seal gas supply pipe for supplying a seal gas to a gap formed by an inner wall of the cylindrical container and an outer wall of the chlorosilane supply pipe. Silicon manufacturing equipment. (5)上記筒状容器内に水素ガスを供給する水素ガス供給管を更に有する請求項1に記載の装置。(5) The apparatus according to claim 1, further comprising a hydrogen gas supply pipe for supplying hydrogen gas into the cylindrical container. 筒状容器が炭素材料を基材とし、少なくともシリコン溶融液と接触する内壁が窒化ケイ素、窒化ホウ素又は炭化ケイ素で被覆されている、請求項1又は2記載のシリコン製造装置。  The silicon manufacturing apparatus according to claim 1 or 2, wherein the cylindrical container is made of a carbon material as a base material, and at least an inner wall in contact with the silicon melt is coated with silicon nitride, boron nitride, or silicon carbide. 加熱手段が、筒状容器の外周に高周波コイルを設けて形成された請求項1〜3のいずれかに記載のシリコン製造装置。  The silicon manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the heating means is formed by providing a high-frequency coil on the outer periphery of the cylindrical container. 上記筒状容器の少なくとも下端部を覆い、且つ、該筒状容器の下方に空間を形成する密閉容器を有し、該密閉容器にはガス排出用配管が設けられた請求項1〜4のいずれかに記載のシリコン製造装置。  Any one of Claims 1-4 which has the airtight container which covers the at least lower end part of the said cylindrical container, and forms a space under the said cylindrical container, The said exhaust pipe was provided with piping for gas discharge | emission A silicon manufacturing apparatus according to claim 1. 上記筒状容器の外壁と密閉容器の内壁とによって形成される間隙にシールガスを供給する第2シールガス供給管が設けられた請求項5に記載のシリコン製造装置。The silicon manufacturing apparatus according to claim 5, further comprising a second seal gas supply pipe that supplies a seal gas to a gap formed by an outer wall of the cylindrical container and an inner wall of the sealed container. クロロシラン類供給管を冷却する冷却手段を備えた請求項1〜6のいずれかに記載のシリコン製造装置。  The silicon production apparatus according to claim 1, further comprising a cooling unit that cools the chlorosilanes supply pipe. 請求項1〜7のいずれかに記載の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25%以上となる条件下でシリコンを生成せしめることを特徴とするシリコンの製造方法。A chlorosilane and hydrogen are supplied to the silicon production apparatus according to any one of claims 1 to 7 , and silicon is generated under a condition that a conversion rate from the chlorosilane to silicon is 25% or more. To manufacture silicon.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012077677A1 (en) 2010-12-10 2012-06-14 株式会社トクヤマ Method for detecting water leak, device for chlorosilane hydrogen reduction reaction and production method using said device

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2418703C (en) 2001-06-06 2008-04-29 Tokuyama Corporation Method for producing silicon
JP4639004B2 (en) * 2001-06-21 2011-02-23 株式会社トクヤマ Silicon manufacturing apparatus and manufacturing method
JP4639005B2 (en) * 2001-07-03 2011-02-23 株式会社トクヤマ Method for producing silicon and trichlorosilane
AU2003241712A1 (en) 2002-06-18 2003-12-31 Tokuyama Corporation Reaction apparatus for producing silicon
AU2004265173B2 (en) * 2003-08-13 2010-05-27 Tokuyama Corporation Tubular reaction vessel and process for producing silicon therewith
AU2004266934B2 (en) * 2003-08-22 2010-03-11 Tokuyama Corporation Silicon manufacturing apparatus
WO2005123584A1 (en) * 2004-06-22 2005-12-29 Tokuyama Corporation Cylindrical container made of carbon and method for producing silicon
AU2005257313B2 (en) * 2004-06-23 2009-05-21 Tokuyama Corporation Tubular container made of carbon
JP4545505B2 (en) * 2004-07-22 2010-09-15 株式会社トクヤマ Method for producing silicon
DE102004038717A1 (en) * 2004-08-10 2006-02-23 Joint Solar Silicon Gmbh & Co. Kg Production process for reactor for the decomposition of gases
EP1798198B1 (en) * 2004-08-11 2013-12-25 Tokuyama Corporation Silicon manufacturing apparatus
WO2006019110A1 (en) * 2004-08-19 2006-02-23 Tokuyama Corporation Reactor for chlorosilane compound
US7727483B2 (en) 2004-08-19 2010-06-01 Tokuyama Corporation Reactor for chlorosilane compound
JP5205776B2 (en) * 2007-03-12 2013-06-05 Jnc株式会社 Method and apparatus for producing solid product
WO2008134568A2 (en) * 2007-04-25 2008-11-06 Kagan Ceran Deposition of high-purity silicon via high-surface area gas-solid or gas-liquid interfaces and recovery via liqued phase
JP5258339B2 (en) * 2008-03-24 2013-08-07 株式会社トクヤマ Silicon manufacturing process
JP5334490B2 (en) * 2008-08-06 2013-11-06 株式会社トクヤマ Silicon production equipment
DE102010055706A1 (en) * 2010-12-22 2012-06-28 Tridelta Gmbh Device for cooling a free-flowing or flowable product
KR101626645B1 (en) * 2013-08-14 2016-06-01 주식회사 엘지화학 Apparatus for producing polysilicon and preparation of polysilicon using same
JPWO2017183487A1 (en) * 2016-04-21 2019-03-07 株式会社トクヤマ Method for producing metal powder

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012077677A1 (en) 2010-12-10 2012-06-14 株式会社トクヤマ Method for detecting water leak, device for chlorosilane hydrogen reduction reaction and production method using said device

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