JP4692324B2 - High purity polycrystalline silicon production equipment - Google Patents

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Description

本発明は、半導体用シリコンおよび太陽電池用シリコンの原料となる高純度多結晶シリコンの製造装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for producing high-purity polycrystalline silicon that is a raw material for silicon for semiconductors and silicon for solar cells.

多結晶シリコンは、半導体用単結晶シリコンの原料として、また太陽電池用シリコンの原料として使用される。特に近年、太陽電池の普及が大幅に拡大されている状況に伴い、原料の多結晶シリコンの需要も増加している。   Polycrystalline silicon is used as a raw material for single crystal silicon for semiconductors and as a raw material for silicon for solar cells. In particular, in recent years, with the widespread use of solar cells, the demand for polycrystalline silicon as a raw material has also increased.

しかしながら、太陽電池用シリコンの原料となる多結晶シリコンとしては、半導体用単結晶シリコンを引き上げた後のルツボ残さや、単結晶シリコンインゴットの切削屑などのスクラップ品が用いられているというのが現状である。そのため、太陽電池に用いられる多結晶シリコンは、質、量ともに半導体業界の動きに依存する結果、慢性的に不足している状況にある。   However, as the polycrystalline silicon used as the raw material for silicon for solar cells, scrap products such as the crucible residue after pulling up the single crystal silicon for semiconductors and the cutting scrap of the single crystal silicon ingot are currently used. It is. Therefore, polycrystalline silicon used in solar cells is in a chronic shortage as a result of both the quality and quantity depending on the movement of the semiconductor industry.

ここで、半導体用単結晶シリコンの原料となる高純度多結晶シリコンの代表的な製造方法としては、シーメンス法が挙げられる。このシーメンス法においては、トリクロロシラン(HSiCl3)の水素還元によって高純度多結晶シリコンが得られる(例えば、特許
文献1参照)。
Here, the Siemens method is mentioned as a typical manufacturing method of the high purity polycrystalline silicon used as the raw material of the single crystal silicon for semiconductors. In the Siemens method, high-purity polycrystalline silicon is obtained by hydrogen reduction of trichlorosilane (HSiCl 3 ) (see, for example, Patent Document 1).

一般的なシーメンス法では、図6に示した製造装置10のように、水冷したベルジャー型の反応器30の中にシリコンの種棒50を設置し、このシリコンの種棒50に通電して種棒50を1000℃程度に加熱し、反応器30内にトリクロロシラン(HSiCl3
および還元剤の水素(H2)を下方から導入してシリコン塩化物を還元し、生成したシリ
コンが選択的に種棒50の表面に付着することにより、棒状の多結晶シリコンが得られる。このシーメンス法は、原料ガスが比較的低温度で気化するという利点以外にも、反応器30そのものは水冷するため、雰囲気のシールが容易であるという装置上の利点があることから、これまでに広く普及し、採用されてきた。
In the general Siemens method, a silicon seed rod 50 is installed in a water-cooled bell jar type reactor 30 as in the production apparatus 10 shown in FIG. The rod 50 is heated to about 1000 ° C., and trichlorosilane (HSiCl 3 ) is placed in the reactor 30.
Then, hydrogen (H 2 ) as a reducing agent is introduced from below to reduce silicon chloride, and the produced silicon selectively adheres to the surface of the seed rod 50, whereby rod-shaped polycrystalline silicon is obtained. In addition to the advantage that the raw material gas is vaporized at a relatively low temperature, this Siemens method has an advantage on the apparatus that the reactor 30 itself is water-cooled, so that the atmosphere can be easily sealed. Widely spread and adopted.

しかしながら、シーメンス法では通電により種棒50を発熱させるため、多結晶シリコンの付着により棒状シリコンが成長して電気抵抗が次第に低下するにしたがい、加熱のために過大な電気を流す必要がある。そのため、エネルギーコストとのバランスから成長限界が存在し、製造設備の運転は回分式になるため生産効率が悪く、製品の多結晶シリコンの価格に占める電力原単位は大きいという問題がある。   However, in the Siemens method, since the seed rod 50 is heated by energization, the rod-like silicon grows due to the adhesion of polycrystalline silicon and the electrical resistance gradually decreases, so that it is necessary to pass excessive electricity for heating. Therefore, there is a growth limit due to the balance with the energy cost, and the production facility is operated batchwise. Therefore, there is a problem that the production efficiency is poor, and the power unit consumption of the product polycrystalline silicon is large.

また、種棒50についても、作製する際に、専用の反応装置、単結晶引き上げ装置および切り出し装置などの特別な設備と技術が必要となるため、種棒50そのものも高価なものとなっている。   Also, the seed rod 50 itself is expensive because special equipment and techniques such as a dedicated reaction device, a single crystal pulling device, and a cutting device are required when producing the seed rod 50. .

シーメンス法以外の多結晶シリコンの製造方法としては、たとえば、金属還元剤を用いた四塩化珪素(SiCl4)の還元による方法がある(例えば、特許文献2および3参照
)。具体的には、1000℃程度に加熱した石英製の横型反応器の中に、四塩化珪素および亜鉛(Zn)のガスを供給することにより、反応器内に多結晶シリコンを成長させる方法である。
As a method for producing polycrystalline silicon other than the Siemens method, for example, there is a method by reduction of silicon tetrachloride (SiCl 4 ) using a metal reducing agent (see, for example, Patent Documents 2 and 3). Specifically, it is a method of growing polycrystalline silicon in a reactor by supplying silicon tetrachloride and zinc (Zn) gas into a quartz horizontal reactor heated to about 1000 ° C. .

上記方法において、副生する塩化亜鉛(ZnCl2)を、電解等の方法により亜鉛と塩
素に分離し、得られた亜鉛を再び還元剤として用いるとともに、得られた塩素を安価な金
属シリコンと反応させることにより四塩化珪素を合成し、原料ガスとして用いることができれば、循環型のプロセスが構築されるため、多結晶シリコンを安価に製造できる可能性がある。
In the above method, by-product zinc chloride (ZnCl 2 ) is separated into zinc and chlorine by a method such as electrolysis, and the obtained zinc is used again as a reducing agent, and the obtained chlorine is reacted with inexpensive metal silicon. Therefore, if silicon tetrachloride can be synthesized and used as a raw material gas, a circulation type process is established, so that polycrystalline silicon may be manufactured at a low cost.

しかしながら、この方法では、反応により得られる多結晶シリコンは、反応器の器壁から成長するため反応器材質からの汚染の影響を受け易く、さらに、この石英製横型反応器の場合は、反応器そのものが多結晶シリコンとの熱膨張係数の差から破壊してしまう問題点があるほか、多結晶シリコンの生産効率が悪いという問題があった。
特許第2867306号公報 特開2003−34519号公報 特開2003−342016号公報
However, in this method, the polycrystalline silicon obtained by the reaction grows from the reactor wall, so that it is easily affected by contamination from the reactor material. In addition, in the case of this quartz horizontal reactor, the reactor In addition to the problem that it itself breaks due to the difference in thermal expansion coefficient from that of polycrystalline silicon, there is a problem that the production efficiency of polycrystalline silicon is poor.
Japanese Patent No. 2867306 JP 2003-34519 A JP 2003-342016 A

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、高純度多結晶シリコンを、コンパクトな構造で、連続的かつ大量に、しかも比較的安価に製造することができる高純度多結晶シリコンの製造装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and a high-purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus capable of manufacturing high-purity polycrystalline silicon continuously, in large quantities, and relatively inexpensively with a compact structure. It is intended to provide.

本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた。その結果、特定の縦型反応器内に、シリコン塩化物ガスおよび還元剤ガスを供給して、シリコン塩化物ガスの供給ノズルの先端部に多結晶シリコンを生成させ、これを該ノズル先端部から下方に成長させる高純度多結晶シリコンの製造方法により、上記課題が解決されることを見出した。そして、この知見に基づいて、以下の構成からなる本発明を完成した。   The inventors of the present invention have made extensive studies in order to solve the above problems. As a result, a silicon chloride gas and a reducing agent gas are supplied into a specific vertical reactor, and polycrystalline silicon is generated at the tip of the silicon chloride gas supply nozzle, which is supplied from the tip of the nozzle. It has been found that the above problems can be solved by a method for producing high-purity polycrystalline silicon grown downward. And based on this knowledge, this invention which consists of the following structures was completed.

すなわち、本発明に係る高純度多結晶シリコンの製造装置は、
外周面に加熱手段が具備された縦型反応器と、
前記縦型反応器の上部から下方に向かって挿入されたシリコン塩化物ガス供給ノズルと、前記縦型反応器の上部から下方に向かって挿入された還元剤ガス供給ノズルと、
前記反応器に接続された排気ガス抜き出しパイプとを備え、
前記シリコン塩化物ガス供給ノズルから導入されたシリコン塩化物ガスと、前記還元剤ガス供給ノズルから導入された還元剤ガスとの気相反応により、前記シリコン塩化物ガス供給ノズルの先端部に多結晶シリコンを順次成長させる高純度多結晶シリコンの製造装置であって、
前記シリコン塩化物ガス供給ノズルを、前記還元剤ガス供給ノズルを囲繞するように、かつ前記反応器の内壁から所定距離離反して、複数本設置することにより、前記反応器内で生成されるシリコン結晶を、前記シリコン塩化物ガス供給ノズルの先端部に付着させた後、下方に向かって、管状に凝集成長させるようにしたことを特徴としている。
That is, the high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus according to the present invention is:
A vertical reactor having heating means on the outer peripheral surface;
A silicon chloride gas supply nozzle inserted downward from the top of the vertical reactor; and a reducing agent gas supply nozzle inserted downward from the top of the vertical reactor;
An exhaust gas extraction pipe connected to the reactor,
Polycrystalline at the tip of the silicon chloride gas supply nozzle by a gas phase reaction between the silicon chloride gas introduced from the silicon chloride gas supply nozzle and the reducing agent gas introduced from the reducing agent gas supply nozzle An apparatus for producing high-purity polycrystalline silicon for sequentially growing silicon,
Silicon is produced in the reactor by installing a plurality of the silicon chloride gas supply nozzles so as to surround the reducing agent gas supply nozzle and at a predetermined distance from the inner wall of the reactor. The crystal is attached to the tip of the silicon chloride gas supply nozzle, and then is cohered and grown in a tubular shape downward.

係る構成による本発明によれば、シリコン塩化物ガス供給ノズルの先端部に成長する多結晶シリコンは、反応器の器壁に接触しない状態で略下方に向かって成長するので、高純度のシリコンを連続的に製造することができる。   According to the present invention having such a structure, the polycrystalline silicon grown at the tip of the silicon chloride gas supply nozzle grows substantially downward without contacting the vessel wall of the reactor. It can be manufactured continuously.

さらに、シリコン塩化物ガス供給ノズルが複数本設置されているので、限定された空間を効率的に用いて、多量の多結晶シリコンを製造することが可能になる。
ここで、前記還元剤ガス供給ノズルの開口端は、前記シリコン塩化物ガス供給ノズルの開口端よりも上方に配置されていることが好ましい。
Furthermore, since a plurality of silicon chloride gas supply nozzles are installed, a large amount of polycrystalline silicon can be manufactured by efficiently using a limited space.
Here, the opening end of the reducing agent gas supply nozzle is preferably disposed above the opening end of the silicon chloride gas supply nozzle.

このような構成であれば、ガスの比重差により還元剤ガスを十分に反応器内に分散することができるので、還元剤ガスをシリコン塩化物ガスに対して効率的に反応させることが
できる。また、シリコン塩化物ガスは還元剤ガス供給ノズル先端まで逆流することがないため、還元剤ガス供給ノズルの開口端に多結晶シリコンを成長させることなくシリコン塩化物ガス供給ノズルの開口端のみにシリコン結晶を管状に凝集成長させることができる。
With such a configuration, the reducing agent gas can be sufficiently dispersed in the reactor due to the difference in specific gravity of the gas, so that the reducing agent gas can be efficiently reacted with the silicon chloride gas. Also, since the silicon chloride gas does not flow back to the tip of the reducing agent gas supply nozzle, silicon does not grow at the opening end of the reducing agent gas supply nozzle, and silicon is not formed at the opening end of the silicon chloride gas supply nozzle. Crystals can be aggregated and grown in a tubular shape.

また、本発明では、前記シリコン塩化物ガス供給ノズルの開口端には、ガス流を下方に導くガス案内手段が加工されていることが好ましい。
このような構成であれば、複数本のノズルから突出されるシリコン塩化物ガスは互いの影響を受けることなく、層流となって真っ直ぐ下方に噴出されるので、管状に凝集した多結晶シリコンを連続的に下方に成長させることができる。
In the present invention, it is preferable that gas guiding means for guiding the gas flow downward is processed at the opening end of the silicon chloride gas supply nozzle.
In such a configuration, the silicon chloride gas protruding from the plurality of nozzles is not affected by each other, and is jetted straight downward as a laminar flow. It can be continuously grown downward.

さらに、前記ガス案内手段は、ノズルの内周面が開口端面に向かう程薄肉に形成されることにより構成されていても良い。
このような構成であれば、ノズルから吐出されるガス流を比較的容易に真っ直ぐ下方に噴出させることができる。
Further, the gas guiding means may be configured such that the inner peripheral surface of the nozzle is formed so as to be thinner toward the opening end surface.
With such a configuration, the gas flow discharged from the nozzle can be ejected straight down relatively easily.

本発明の製造装置によれば、反応器上方に設置されたシリコン塩化物ガス供給ノズルの直下に、管状に凝集した多結晶シリコンを下方に向かって連続的に生成させることができるとともに、シリコンを器壁に接することなく成長させることができる。したがって、器壁を介してのコンタミを防止して高純度の多結晶シリコンを製造することができる。   According to the production apparatus of the present invention, it is possible to continuously produce polycrystalline silicon agglomerated in a tubular shape directly below a silicon chloride gas supply nozzle installed above the reactor, and to form silicon. It can grow without touching the vessel wall. Accordingly, contamination through the vessel wall can be prevented and high-purity polycrystalline silicon can be produced.

また、本発明の製造装置では、多結晶シリコンは下方に向かって管状に凝集成長するため、ノズルの詰まり等が生じることもない。また、本発明によって得られる多結晶シリコンは、適当な長さに成長させた後、振動や掻き取り等の機械的な方法で落とすことも可能である。   Further, in the manufacturing apparatus of the present invention, since polycrystalline silicon agglomerates in a tubular shape downward, nozzle clogging does not occur. The polycrystalline silicon obtained by the present invention can be grown to an appropriate length and then dropped by a mechanical method such as vibration or scraping.

また、本発明の製造装置によれば、多結晶シリコンが反応器の内壁面に接触しない状態で、かつノズルにぶら下がった状態で成長するので、反応器を構成する材質についても制約を受けず、使用温度範囲で耐性を有する材質の中から自由に選ぶことができる。   Further, according to the production apparatus of the present invention, since the polycrystalline silicon grows in a state where it does not contact the inner wall surface of the reactor and is hung from the nozzle, the material constituting the reactor is not restricted, It can be freely selected from materials that are resistant to the operating temperature range.

さらに、上記理由のため、得られる多結晶シリコンは純度が高く、太陽電池用シリコンの原料以外にも、半導体用シリコンの原料としても使用が可能である。
また、還元剤ガス供給ノズルの開口端を、シリコン塩化物ガス供給ノズルの開口端よりも上方に配置することにより、還元剤ガス供給ノズルの開口端に多結晶シリコンを成長させることなく還元剤ガスをシリコン塩化物ガスに対して効率的に反応させることができる。
Furthermore, for the reasons described above, the obtained polycrystalline silicon has a high purity and can be used as a raw material for semiconductor silicon in addition to a raw material for silicon for solar cells.
Further, the reducing agent gas supply nozzle is disposed above the opening end of the silicon chloride gas supply nozzle so that the reducing agent gas does not grow on the opening end of the reducing agent gas supply nozzle. Can be efficiently reacted with silicon chloride gas.

さらに、シリコン塩化物ガス供給ノズルの開口端に、開口端部に近い程薄肉に形成するなどして、シリコン塩化物を下方に導く案内手段を加工すれば、シリコン塩化物ガスが真っ直ぐ下方に向かって流れるように案内されるので、ここに還元ガスが供給された場合に、多結晶シリコンを真っ直ぐ下方に向かって成長させることができる。   Further, if the guide means for guiding the silicon chloride downward is processed by forming the silicon chloride gas supply nozzle so as to be thinner toward the opening end of the silicon chloride gas supply nozzle, the silicon chloride gas is directed downward. When the reducing gas is supplied here, the polycrystalline silicon can be grown straight downward.

以下、本発明の一実施例に係る高純度多結晶シリコンの製造装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明における高純度多結晶シリコンとは、太陽電池用シリコンの原料として、さらには半導体用シリコンの原料として使用可能な純度99.99%以上、好ましくは純度99.999%以上の多結晶シリコンをいう。
Hereinafter, an apparatus for producing high-purity polycrystalline silicon according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The high-purity polycrystalline silicon in the present invention is a polycrystalline silicon having a purity of 99.99% or more, preferably a purity of 99.999% or more, which can be used as a raw material for silicon for solar cells and further as a raw material for semiconductor silicon. Say.

図1は本発明の一実施例に係る高純度多結晶シリコンの製造装置の基本構成を示したも
のである。
本実施例の高純度多結晶シリコンの製造装置10は、図1(a)〜(e)に示したように、略円筒状の縦型反応器1が採用される。
FIG. 1 shows the basic structure of a high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIGS. 1A to 1E, the high purity polycrystalline silicon production apparatus 10 of the present embodiment employs a substantially cylindrical vertical reactor 1.

そして、縦型反応器1の上部から下方に向かって、シリコン塩化物ガス供給ノズル2と、還元剤ガス供給ノズル3とがそれぞれ挿入され、反応器1の下部に排気ガス抜き出しパイプ4が接続されている。また、この反応器1内を所定の温度に維持した状態で、シリコン塩化物と還元剤とを各ノズルを介して反応器1内に供給し、この反応器1内で気相反応を行なわせ、シリコン塩化物ガス供給ノズル2の開口端2aに、徐々に管状に凝集した多結晶シリコン20を下方に向かって成長させるものである。なお、特にシリコン塩化物ガス供給ノズル2は、特に器壁1aから所定距離離れた位置に配置される必要がある。   A silicon chloride gas supply nozzle 2 and a reducing agent gas supply nozzle 3 are inserted from the upper part of the vertical reactor 1 downward, and an exhaust gas extraction pipe 4 is connected to the lower part of the reactor 1. ing. In addition, while maintaining the reactor 1 at a predetermined temperature, silicon chloride and a reducing agent are supplied into the reactor 1 through each nozzle, and a gas phase reaction is performed in the reactor 1. The polycrystalline silicon 20 gradually agglomerated in a tubular shape is grown downward at the opening end 2a of the silicon chloride gas supply nozzle 2. In particular, the silicon chloride gas supply nozzle 2 is particularly required to be disposed at a position away from the instrument wall 1a by a predetermined distance.

図1(b)に示したように、還元剤ガス供給ノズル3から反応器1内に供給される還元剤ガスは、比重が小さいため反応器1内で拡散しながら充満される。一方、図1(c)に示したように、シリコン塩化物ガス供給ノズル2から供給されるシリコン塩化物ガスは、比重が大きいので、下方に向かって真っ直ぐに降下され易い。   As shown in FIG. 1B, the reducing agent gas supplied from the reducing agent gas supply nozzle 3 into the reactor 1 is filled while being diffused in the reactor 1 because of its small specific gravity. On the other hand, as shown in FIG. 1 (c), the silicon chloride gas supplied from the silicon chloride gas supply nozzle 2 has a large specific gravity, and is thus easily lowered straight.

このようなシリコン塩化物供給ノズル2の開口端2aと還元剤ガス供給ノズル3の開口端3aとを図1(b)、(c)に示したように、略同一高さに設定してしまうと、還元剤ガス供給ノズル3から吐出される亜鉛などの還元剤の拡散が不十分となり、シリコン塩化物ガスとの反応に十分に使用されず、未反応のまま下方の排出ガス抜き出しパイプ4から反応器1外に排出され易い。   The opening end 2a of the silicon chloride supply nozzle 2 and the opening end 3a of the reducing agent gas supply nozzle 3 are set to substantially the same height as shown in FIGS. Then, the diffusion of the reducing agent such as zinc discharged from the reducing agent gas supply nozzle 3 becomes insufficient, and is not sufficiently used for the reaction with the silicon chloride gas, and remains unreacted from the lower exhaust gas extraction pipe 4. Easily discharged out of the reactor 1.

このような理由により、本実施例の成長装置10では、還元剤ガス供給ノズル3の開口端3aを、図1(d)、(e)に示したように、シリコン塩化物ガス供給ノズル2の開口端2aよりも上方に配置されることが好ましい。   For this reason, in the growth apparatus 10 of this embodiment, the open end 3a of the reducing agent gas supply nozzle 3 is connected to the silicon chloride gas supply nozzle 2 as shown in FIGS. 1 (d) and 1 (e). It is preferable to be disposed above the opening end 2a.

このように各ノズル2,3の高さを設定することにより、亜鉛などの還元剤ガスを、四塩化珪素などのシリコン塩化物ガスに効率良く反応させることが可能となる。
また、還元剤ガスとシリコン塩化物ガスとを反応器1内で気相反応させれば時間の経過とともに、先ずシリコン塩化物供給ノズル2の開口端2aに、反応により得られた多結晶シリコン20が付着し、その後下方に向かって成長し、管状に凝集した多結晶シリコン20(以下、管状凝集多結晶シリコンという)が製造される。なお、この管状凝集多結晶シリコンは、シリコン塩化物ガス供給ノズル2が器壁1aから予め所定距離離反された位置に設置されているため、下方に延びる成長の過程で器壁1aに接触することはない。したがって、器壁1aからのコンタミが防止され、高純度の管状凝集多結晶シリコンを得ることができる。
By setting the heights of the nozzles 2 and 3 in this way, it becomes possible to efficiently react a reducing agent gas such as zinc with a silicon chloride gas such as silicon tetrachloride.
If the reducing agent gas and the silicon chloride gas are reacted in a gas phase in the reactor 1, the polycrystalline silicon 20 obtained by the reaction is first applied to the open end 2 a of the silicon chloride supply nozzle 2 over time. And then grows downward to produce tubular aggregated polycrystalline silicon 20 (hereinafter referred to as tubular aggregated polycrystalline silicon). The tubular agglomerated polycrystalline silicon is in contact with the vessel wall 1a during the growth process extending downward because the silicon chloride gas supply nozzle 2 is installed at a position away from the vessel wall 1a by a predetermined distance in advance. There is no. Therefore, contamination from the vessel wall 1a is prevented, and high purity tubular aggregated polycrystalline silicon can be obtained.

本発明で用いられる縦型反応器1は、還元剤ガスを容器内に満遍なく分散させ、その中にシリコン塩化物ガスをノズルから直線的に降下させるようにガスの流れを制御して、ノズル直下に管状凝集多結晶シリコンを成長させ得るものであれば、特に制限されることなく用いることができる。ただし、ガスの流れの挙動を考慮すれば、円形の天板1bに、シリコン塩化物ガスの供給ノズル2および還元剤ガスの供給ノズル3をそれぞれ備えた縦型反応器、または、天板1bをドーム型とし、そのドーム型の天井1bに各供給ノズル2,3を備えた縦型反応器が好ましい。   In the vertical reactor 1 used in the present invention, the reducing agent gas is evenly dispersed in the container, and the gas flow is controlled so that the silicon chloride gas is linearly lowered from the nozzle. Any material can be used without particular limitation as long as it can grow tubular agglomerated polycrystalline silicon. However, in consideration of the gas flow behavior, a vertical reactor or a top plate 1b provided with a silicon chloride gas supply nozzle 2 and a reducing agent gas supply nozzle 3 respectively on a circular top plate 1b. A vertical reactor having a dome shape and having the supply nozzles 2 and 3 on the dome-shaped ceiling 1b is preferable.

例えば、縦型反応器1において、反応器中を降下するシリコン塩化物ガスは、反応器の長さを長くした場合、降下とともに徐々に拡散し、やがて横に広がりだして流れが乱れるとも考えられる。しかしながら、本実施例においては、管状凝集多結晶シリコンが縦型反応器1の下方に向かって成長するため、ノズルの先端位置が経時的に下方に延長されてい
く場合と同様の効果を奏する。
For example, in the vertical reactor 1, when the length of the reactor is increased, the silicon chloride gas descending in the reactor gradually diffuses as the reactor descends, and eventually spreads laterally to disturb the flow. . However, in this embodiment, since the tubular agglomerated polycrystalline silicon grows downward in the vertical reactor 1, the same effect as in the case where the tip position of the nozzle is extended downward with time is obtained.

本実施例で用いられる縦型反応器1において、シリコン塩化物ガス供給ノズル2の口径、肉厚および反応器内への挿入長さは特に限定されないが、管状集合多結晶シリコンの生成および成長を考慮すれば、図2(a)に例示したように口径Gを10〜100mm、肉厚tを2〜15mm、反応器内への挿入長さHを還元剤ガス供給ノズル先端より0〜500mm長くすることが好ましい。また、ノズルの材質としては、反応器の材質と同様のものを例示することができる。   In the vertical reactor 1 used in this example, the diameter and thickness of the silicon chloride gas supply nozzle 2 and the insertion length into the reactor are not particularly limited. In consideration, as illustrated in FIG. 2A, the diameter G is 10 to 100 mm, the wall thickness t is 2 to 15 mm, and the insertion length H into the reactor is 0 to 500 mm longer than the tip of the reducing agent gas supply nozzle. It is preferable to do. Moreover, as a material of a nozzle, the thing similar to the material of a reactor can be illustrated.

また、シリコン塩化物ガス供給ノズル2の本数は、隣り合うノズルから放出されるガス同士が干渉して流れを乱すことがない限り特に制限はなく、1本であっても、2本以上であってもよい。また、ノズル2が途中から分岐して二股またはそれ以上の分岐を有するもの、または、二股以上で異なるノズル径の組み合わせを有するものであっても、経時的にみれば、いずれのノズルにも多結晶シリコンが同様に生成して成長する。そのため、ノズル2の本数は、ノズルの分岐やノズル径の組み合わせによって制限されることはなく、成長させる多結晶シリコンの大きさと反応器の大きさとを考慮して、ノズルの本数および間隔を適宜設定すればよい。図3は、シリコン塩化物ガス供給ノズル2を4本、還元剤ガス供給ノズル3を1本設置した場合の、各ノズル2,3の配設位置を例示したものである。   Further, the number of silicon chloride gas supply nozzles 2 is not particularly limited as long as the gases released from adjacent nozzles do not interfere with each other and disturb the flow. May be. Further, even if the nozzle 2 is branched from the middle and has two or more branches, or has two or more branches and a combination of different nozzle diameters, there are many nozzles when viewed over time. Crystalline silicon is similarly produced and grown. Therefore, the number of nozzles 2 is not limited by the combination of nozzle branching and nozzle diameter, and the number and interval of nozzles are appropriately set in consideration of the size of polycrystalline silicon to be grown and the size of the reactor. do it. FIG. 3 exemplifies the arrangement positions of the nozzles 2 and 3 when four silicon chloride gas supply nozzles 2 and one reducing agent gas supply nozzle 3 are installed.

すなわち、図3に示したように、還元剤供給ノズル3を反応器1の径方向略中心部に配置するとともに、この還元剤ガス供給ノズル3を囲繞するように、かつ円筒状の反応器1の内壁1aから所定距離離反するように、シリコン塩化物ガス供給ノズル2が放射状に設置されている。シリコン塩化物ガス供給ノズル2をこのように設置すれば、ノズルの開口端2aに成長する管状凝集多結晶シリコンを器壁1aに接することなく、4本同時に下方に向かって成長させることができる。   That is, as shown in FIG. 3, the reducing agent supply nozzle 3 is arranged at a substantially central portion in the radial direction of the reactor 1, and the reducing agent gas supply nozzle 3 is surrounded by the cylindrical reactor 1. The silicon chloride gas supply nozzles 2 are radially arranged so as to be separated from the inner wall 1a by a predetermined distance. If the silicon chloride gas supply nozzle 2 is installed in this way, four tubular agglomerated polycrystalline silicon grown on the opening end 2a of the nozzle can be grown downward simultaneously without contacting the vessel wall 1a.

さらに、本実施例では、図2に示したように、シリコン塩化物ガス供給ノズル2の開口端2aに、シリコン塩化物のガス流を下方に導くガス案内手段Iが加工されている。
ここで、ガス案内手段Iは、具体的には、図2(a)に示したように、開口端2aの内周面を薄肉テーパ状にしたり、または図2(b)に示したように、開口端縁を丸みを帯びるように形成したりして構成されている。このように、ノズル2の開口端2aに適宜なガス案内手段Iを加工すれば、先端部を直角に切断した図2(c)の場合に比べて、より真っ直ぐにガス流を下方に案内することができ、管状凝集多結晶シリコンが成長し易くなる。
Further, in this embodiment, as shown in FIG. 2, the gas guide means I for processing the silicon chloride gas flow downward is processed at the open end 2a of the silicon chloride gas supply nozzle 2.
Here, specifically, the gas guiding means I has a thin tapered inner peripheral surface of the opening end 2a as shown in FIG. 2 (a), or as shown in FIG. 2 (b). The opening edge is formed so as to be rounded. Thus, if an appropriate gas guiding means I is processed at the opening end 2a of the nozzle 2, the gas flow is guided downward more straightly than in the case of FIG. Therefore, the tubular aggregated polycrystalline silicon can be easily grown.

シリコン塩化物ガス供給ノズル2から供給されるシリコン塩化物ガスの供給速度は、乱流とならない速度であれば特に限定されないが、管状集合多結晶シリコンの生成および成長を考慮すれば、供給ノズル2の吐出口口径が50mmの場合、流速が2400mm/s以下であることが好ましい。   The supply rate of the silicon chloride gas supplied from the silicon chloride gas supply nozzle 2 is not particularly limited as long as it does not cause turbulent flow. However, in consideration of the generation and growth of tubular aggregated polycrystalline silicon, the supply nozzle 2 When the discharge port diameter is 50 mm, the flow rate is preferably 2400 mm / s or less.

なお、本発明で用いられる縦型反応器の大きさは特に限定されないが、前述した管状凝集多結晶シリコンの生成および成長の観点から、幅と奥行きが250mm以上で、高さは管状凝集多結晶シリコンの落下衝撃による縦型反応器の損傷を防止するため、500〜5000mmであることが好ましい。   The size of the vertical reactor used in the present invention is not particularly limited. From the viewpoint of the production and growth of tubular aggregated polycrystalline silicon described above, the width and depth are 250 mm or more, and the height is tubular aggregated polycrystalline. In order to prevent damage to the vertical reactor due to the drop impact of silicon, the thickness is preferably 500 to 5000 mm.

また、シリコン塩化物ガス供給ノズルは、管状凝集多結晶シリコンの生成および成長の観点から、反応器上部から垂直に、かつ、その垂線と反応器の器壁との距離が50mm以上となるように挿入設置されることが好ましい。   In addition, the silicon chloride gas supply nozzle is perpendicular to the upper part of the reactor from the viewpoint of generation and growth of tubular agglomerated polycrystalline silicon, and the distance between the perpendicular and the reactor wall is 50 mm or more. It is preferable to be installed.

さらに、本実施例で用いられる縦型反応器1において、還元剤ガス供給ノズル3の口径
、肉厚および反応器内への挿入長さは特に限定されず、図2に示したシリコン塩化物ガス供給ノズル2の場合と略同様に設定すれば良い。但し、還元剤ガス供給ノズル3の挿入長さは、図1(d)に示したようにシリコン塩化物ガス供給ノズル2の挿入長さに比べて、150mm程度短く挿入されていることが好ましい。また、ノズルの材質としては、反応器の材質と同様のものを例示することができる。
Furthermore, in the vertical reactor 1 used in this example, the diameter, thickness, and insertion length of the reducing agent gas supply nozzle 3 into the reactor are not particularly limited, and the silicon chloride gas shown in FIG. What is necessary is just to set substantially the same as the case of the supply nozzle 2. FIG. However, the insertion length of the reducing agent gas supply nozzle 3 is preferably about 150 mm shorter than the insertion length of the silicon chloride gas supply nozzle 2 as shown in FIG. Moreover, as a material of a nozzle, the thing similar to the material of a reactor can be illustrated.

また、還元剤ガス供給ノズル3の取り付け位置および本数は、還元剤ガスを容器内に充分に拡散させることが可能であれば特に制限されず、反応器上部の天板1bにあっても、反応器1の側面または底面にあってもよく、1本であっても、2本以上であってもよい。但し、取り扱いなどを考慮すれば天板1bから下方に垂下して設置することが好ましい。   Further, the attachment position and the number of the reducing agent gas supply nozzles 3 are not particularly limited as long as the reducing agent gas can be sufficiently diffused into the container. It may be on the side surface or the bottom surface of the vessel 1 and may be one or two or more. However, in consideration of handling and the like, it is preferable to install it by dropping downward from the top plate 1b.

本実施例で用いられる縦型反応器1において、還元剤ガス供給ノズル3から供給される還元剤ガスの供給速度は反応器内におけるシリコン塩化物ガスの流れを乱さない速度であれば特に限定されないが、反応器1内におけるシリコン塩化物ガスの流れを乱さない観点から、供給ノズル出口の流速が1500mm/s以下であることが好ましい。   In the vertical reactor 1 used in the present embodiment, the supply rate of the reducing agent gas supplied from the reducing agent gas supply nozzle 3 is not particularly limited as long as it does not disturb the flow of the silicon chloride gas in the reactor. However, from the viewpoint of not disturbing the flow of the silicon chloride gas in the reactor 1, the flow velocity at the outlet of the supply nozzle is preferably 1500 mm / s or less.

本実施例の縦型反応器1の下部に設置される排気ガス抜き出しパイプ4の形状および口径は、シリコン塩化物ガスの流れを意図的に乱すことなく、排気ガスを十分に排出することができれば特に限定されない。また、排気ガス抜き出しパイプ4は、一般的には、縦型反応器下部の中心または偏芯した位置などに取り付けられるが、シリコン塩化物ガスの流れを意図的に乱すものでなければ、反応器の側面や天板に取り付けてもよい。また、排気ガス抜き出しパイプ4の本数についても同様に、シリコン塩化物ガスの流れを意図的に乱すものでなければ特に制限されず、1本であっても、2本以上であってもよい。   If the shape and the diameter of the exhaust gas extraction pipe 4 installed at the lower part of the vertical reactor 1 of this embodiment can sufficiently exhaust the exhaust gas without intentionally disturbing the flow of the silicon chloride gas, There is no particular limitation. Further, the exhaust gas extraction pipe 4 is generally attached to the center of the lower part of the vertical reactor or an eccentric position, but if the reactor does not intentionally disturb the flow of silicon chloride gas, the reactor It may be attached to the side or top plate. Similarly, the number of the exhaust gas extraction pipes 4 is not particularly limited as long as it does not intentionally disturb the flow of the silicon chloride gas, and may be one or two or more.

上記抜き出しパイプの反応器内部への突き出し長さは、シリコン塩化物ガスまたは還元剤ガスのショートパスを防止する上である程度必要となるが、前述したようにシリコン塩化物ガスの流れを制御する上で大きな影響を及ぼすことがないかぎり、特に限定されるものではない。   The length of the extraction pipe protruding into the reactor is required to some extent to prevent a short path of silicon chloride gas or reducing agent gas. However, as described above, it is necessary to control the flow of silicon chloride gas. There is no particular limitation as long as there is no significant influence.

なお、本発明で用いられる縦型反応器には、窒素ガスなどのキャリアーガスを供給するためのノズルを設置してもよい。
本発明の縦型反応器を使用した高純度多結晶シリコンの製造装置の基本構成は,上記のようであるが、以下にさらに実際的な製造ラインに組み込まれる場合について説明する。
The vertical reactor used in the present invention may be provided with a nozzle for supplying a carrier gas such as nitrogen gas.
The basic configuration of the high purity polycrystalline silicon production apparatus using the vertical reactor of the present invention is as described above, but the case where it is further incorporated into a practical production line will be described below.

図4は、本発明に係る高純度多結晶シリコンの製造装置が組み込まれた多結晶シリコン製造設備の一例を示す模式図である。しかしながら、本発明は、これらの記載に限定されるものではなく、いわゆる当業者が本明細書全体の記載に基づいて適宜改変等を加えることができる範囲をも包含するものである。   FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a polycrystalline silicon manufacturing facility in which the high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus according to the present invention is incorporated. However, the present invention is not limited to these descriptions, and includes a range in which a person skilled in the art can appropriately modify and the like based on the description of the entire specification.

図4に示したように、還元剤Aを溶融炉5および蒸発炉6等によってガス化するとともに、シリコン塩化物Bを気化装置8等によってガス化する。なお、溶融炉5等は、用いる原料の種類および形態などによっては不要となる場合もある。ガス化された還元剤Aおよびガス化されたシリコン塩化物Bは、反応器1前段の過熱炉7により還元反応に適した温度である800〜1200℃に加熱した後、反応器加熱炉9によって800〜1200℃に加熱された反応器1に供給する。なお、原料ガス加熱ゾーンが設けられた反応器を用いる場合には、前記温度より低い温度で供給し、内部で反応に適する温度にまで加温することも可能である。   As shown in FIG. 4, the reducing agent A is gasified by the melting furnace 5 and the evaporation furnace 6 and the like, and the silicon chloride B is gasified by the vaporizer 8 and the like. The melting furnace 5 or the like may be unnecessary depending on the type and form of the raw material used. The gasified reducing agent A and the gasified silicon chloride B are heated to 800 to 1200 ° C., which is a temperature suitable for the reduction reaction, by the superheated furnace 7 in the previous stage of the reactor 1, and then are heated by the reactor heating furnace 9. Feed to reactor 1 heated to 800-1200 ° C. In addition, when using the reactor provided with the source gas heating zone, it is also possible to supply at a temperature lower than the said temperature and to heat up to the temperature suitable for reaction inside.

シリコン塩化物ガス供給ノズル2から反応器1内に供給されたシリコン塩化物ガスは、還元剤ガス供給ノズル3から供給された還元剤ガスによって速やかに還元されてシリコン
となる。生成したシリコンは、即座にシリコン塩化物ガス供給ノズル2の先端に付着し、そこを起点にシリコン結晶が管状に凝集しながらノズル下方に成長していく。この管状凝集多結晶シリコンがある程度の長さに成長すると、自重または機械的なショックにより、ノズルから脱落して反応器下部に落下する。その後、さらに原料を連続的に供給し続けると、シリコン塩化物ガス供給ノズル2には新たな管状凝集多結晶シリコンが成長する。
The silicon chloride gas supplied into the reactor 1 from the silicon chloride gas supply nozzle 2 is quickly reduced to silicon by the reducing agent gas supplied from the reducing agent gas supply nozzle 3. The generated silicon immediately adheres to the tip of the silicon chloride gas supply nozzle 2, and the silicon crystal grows below the nozzle while agglomerating into a tubular shape starting from the silicon chloride gas supply nozzle 2. When this tubular agglomerated polycrystalline silicon grows to a certain length, it drops off from the nozzle and falls to the bottom of the reactor due to its own weight or mechanical shock. Thereafter, when the raw material is further continuously supplied, new tubular agglomerated polycrystalline silicon grows on the silicon chloride gas supply nozzle 2.

なお、上記実施例の製造装置では、反応器1の内部に、シリコン塩化物ガス供給ノズル2と還元剤ガス供給ノズル3とが一本づつ挿入されているように示されているが、実際には、図3に示したように、1本の還元剤ガス供給ノズル3の周囲に複数本のシリコン塩化物ガス供給ノズル2が設置されている。   In the production apparatus of the above embodiment, the silicon chloride gas supply nozzle 2 and the reducing agent gas supply nozzle 3 are shown to be inserted one by one in the reactor 1, but actually As shown in FIG. 3, a plurality of silicon chloride gas supply nozzles 2 are installed around one reducing agent gas supply nozzle 3.

さらに、本実施例では、反応器1内に直接、シリコン塩化物ガス供給ノズル2と還元剤ガス供給ノズル3とが独立して挿入されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、シリコン塩化物ガス供給ノズル2を複数本設ける場合に、図5に示したように上流側部分2aを共通とし、下流側部分2bのみを複数に分岐することもできる。すなわち、図5の例では、反応器1の上部に仕切り壁1cにより小部屋1Aを画成し、この小部屋1A内にシリコン塩化物ガス供給ノズル2の上流側部分2aを開口させるとともに、仕切り壁1c下方の反応室1B内に複数本の下流側部分2bが開口されている。なお、この下流側部分2bは、還元剤ガス供給ノズル3に対して図3に示したように放射状に配置されたものである。   Furthermore, in this embodiment, the silicon chloride gas supply nozzle 2 and the reducing agent gas supply nozzle 3 are inserted directly into the reactor 1 independently, but the present invention is not limited to this. For example, when a plurality of silicon chloride gas supply nozzles 2 are provided, as shown in FIG. 5, the upstream portion 2a can be shared, and only the downstream portion 2b can be branched into a plurality. That is, in the example of FIG. 5, a small chamber 1A is defined at the top of the reactor 1 by a partition wall 1c, and an upstream portion 2a of the silicon chloride gas supply nozzle 2 is opened in the small chamber 1A. A plurality of downstream portions 2b are opened in the reaction chamber 1B below the wall 1c. The downstream portion 2b is arranged radially with respect to the reducing agent gas supply nozzle 3 as shown in FIG.

このように、シリコン塩化物ガス供給ノズル2の下流側が分岐して独立された構造であっても、シリコン塩化物ガス供給ノズル2の下流側部分2bの先端部に、管状凝集多結晶シリコンを製造することができる。   In this way, even if the downstream side of the silicon chloride gas supply nozzle 2 is branched and independent, tubular agglomerated polycrystalline silicon is produced at the tip of the downstream portion 2b of the silicon chloride gas supply nozzle 2. can do.

反応器1内で成長して脱落した多結晶シリコンCは、反応器下部または冷却・粉砕装置10で冷却され、必要に応じて粉砕された後、反応器底部または冷却・粉砕装置10に設けられたシャッター型の弁などによって反応器の系外に排出することができる。または、反応器下部をシリコンの融点である1420℃以上に加熱することにより、シリコンを融解した状態(シリコン融液の状態)で反応器の系外へ取り出すこともできる。   The polycrystalline silicon C grown and dropped in the reactor 1 is cooled in the lower part of the reactor or in the cooling / pulverizing apparatus 10 and pulverized as necessary, and then provided in the bottom of the reactor or in the cooling / pulverizing apparatus 10. It can be discharged out of the reactor by a shutter-type valve. Alternatively, by heating the lower part of the reactor to 1420 ° C. or higher, which is the melting point of silicon, the silicon can be taken out of the reactor in a molten state (silicon melt state).

排気ガス抜き出しパイプ4から抜き出された排気ガス中には、還元剤の塩化物(たとえば、塩化亜鉛など)、未反応のシリコン塩化物および還元剤、排気ガス抜き出し経路で生成した多結晶シリコンなどが含まれている。そのため、これらを、たとえば還元剤塩化物回収タンク11、シリコン塩化物凝縮装置(1)12、シリコン塩化物凝縮装置(2)13などを用いて、還元剤塩化物Dや未反応シリコン塩化物Eを回収して再利用等し、再利用できない排気ガス等については排ガス処理設備Fなどで適切に処理する。   The exhaust gas extracted from the exhaust gas extraction pipe 4 includes a reducing agent chloride (for example, zinc chloride), unreacted silicon chloride and a reducing agent, polycrystalline silicon generated in the exhaust gas extraction path, and the like. It is included. Therefore, these are used for reducing agent chloride D and unreacted silicon chloride E using, for example, reducing agent chloride recovery tank 11, silicon chloride condensing device (1) 12, silicon chloride condensing device (2) 13 and the like. The exhaust gas that cannot be reused is appropriately treated by the exhaust gas treatment facility F or the like.

本実施例の高純度多結晶シリコンの製造装置では、上記縦型反応器1内に、シリコン塩化物ガス供給ノズル2からシリコン塩化物ガスと、還元剤ガス供給ノズル3から還元剤ガスとを供給する。そして、これらの反応によりシリコン塩化物ガス供給ノズル2の先端部2aに、シーメンス法で用いられるような種棒などを用いることなく、管状凝集多結晶シリコンを生成させ、さらに管状凝集多結晶シリコンをノズル先端部から下方に成長させる。   In the high purity polycrystalline silicon production apparatus of this embodiment, silicon chloride gas is supplied from the silicon chloride gas supply nozzle 2 and reducing agent gas is supplied from the reducing agent gas supply nozzle 3 into the vertical reactor 1. To do. Then, by these reactions, the tubular agglomerated polycrystalline silicon is generated at the tip 2a of the silicon chloride gas supply nozzle 2 without using a seed rod used in the Siemens method. Grow downward from the nozzle tip.

本実施例において、多結晶シリコンは、図1(e)および図5に例示すように、シリコン結晶が管状に凝集し、シリコン塩化物ガス供給ノズル2にぶら下がる格好で成長する。したがって、反応器の内壁面1aに接触することなく、管状凝集多結晶シリコンを成長させることができる。そのため、反応器材質からの汚染を受けることがなく、高純度の多結晶シリコンを得ることができる。また、前記理由により、反応器を構成する材質およびシ
ール材質と構成材質の組合せに大きな制約を受けないという利点がある。なお、反応器の材質としては、使用温度範囲で耐性を有する材質、たとえば、石英や炭化珪素などを用いることができる。
In this embodiment, the polycrystalline silicon grows in such a manner that the silicon crystals are aggregated in a tubular shape and hang from the silicon chloride gas supply nozzle 2 as shown in FIG. 1 (e) and FIG. Therefore, the tubular agglomerated polycrystalline silicon can be grown without contacting the inner wall surface 1a of the reactor. Therefore, high purity polycrystalline silicon can be obtained without being contaminated by the reactor material. For the above reasons, there is an advantage that the material constituting the reactor and the combination of the seal material and the constituent material are not greatly restricted. In addition, as a material of a reactor, the material which has tolerance in a use temperature range, for example, quartz, silicon carbide, etc. can be used.

本発明における高純度多結晶シリコンとは、太陽電池用シリコンの原料として、さらには半導体用シリコンの原料として使用可能な多結晶シリコンをいう。
本発明の製造方法において、多結晶シリコンの結晶成長方向の面方位は(111)面となる。このように、単結晶化した結晶が、特定の面方向に異方性を持って成長することにより、シリコン中の不純物が結晶界面(表面)に偏析することも、高純度の多結晶シリコンが得られる要因になっていると考えられる。
The high-purity polycrystalline silicon in the present invention refers to polycrystalline silicon that can be used as a raw material for solar cell silicon and further as a raw material for semiconductor silicon.
In the manufacturing method of the present invention, the plane orientation in the crystal growth direction of polycrystalline silicon is the (111) plane. In this way, when the crystallized single crystal grows with anisotropy in a specific plane direction, impurities in silicon segregate at the crystal interface (surface). This is considered to be a factor that can be obtained.

上記のようにして成長した管状凝集多結晶シリコンは、成長するにつれて重くなり、自重によってシリコン塩化物ガス供給ノズル2から外れて落下するため、ノズル2の詰まりなどが生じることはない。また、適当な長さに成長した管状凝集多結晶シリコンを、振動や掻き取り等の機械的な方法で落下させることも可能である。落下した多結晶シリコンCは、反応器下部に設けられた冷却ゾーンで冷却した後、または、反応器下部をシリコンの融点以上の温度に加熱することにより融解してシリコン融液とした後、反応器底部から連続的に反応器の系外に取り出すことができる。これにより、運転を止めることなく、連続的に高純度多結晶シリコンを得るプロセスの構築が可能となり、安価な高純度多結晶シリコンを安定的に大量に製造することが可能となる。   The tubular agglomerated polycrystalline silicon grown as described above becomes heavier as it grows and falls off the silicon chloride gas supply nozzle 2 by its own weight, so that the nozzle 2 is not clogged. It is also possible to drop tubular aggregated polycrystalline silicon grown to an appropriate length by a mechanical method such as vibration or scraping. The dropped polycrystalline silicon C is cooled in a cooling zone provided at the lower part of the reactor, or melted by heating the lower part of the reactor to a temperature higher than the melting point of silicon to form a silicon melt, and then reacted. It can be continuously taken out from the reactor bottom. This makes it possible to construct a process for continuously obtaining high-purity polycrystalline silicon without stopping operation, and to stably manufacture a large amount of inexpensive high-purity polycrystalline silicon.

本発明で用いられるシリコン塩化物ガスとしては、SimnCl2m+2-n(mは1〜3の整数、nは2m+2を超えない0以上の整数)で表される表1に記載のクロロシランなどのガスを用いることができ、これらの中では四塩化珪素ガスが入手の容易さおよび複雑な副生成物が生成せず回収が容易なことからことから好ましい。また、還元剤ガスとしては、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)などの金属還元剤ガスや、水素ガス(H2)を用いることができ、これらの中では亜鉛ガスが比較
的酸素との親和性が低く安全に取り扱えることからことから好ましい。
The silicon chloride gas used in the present invention is described in Table 1 represented by Si m H n Cl 2m + 2-n (m is an integer of 1 to 3, and n is an integer of 0 or more not exceeding 2m + 2). Gases such as chlorosilane can be used, and among these, silicon tetrachloride gas is preferable because it is easily available and can be easily recovered without generating complicated by-products. As the reducing agent gas, metal reducing agent gas such as sodium (Na), potassium (K), magnesium (Mg), zinc (Zn), or hydrogen gas (H 2 ) can be used. Then, zinc gas is preferable because it has a relatively low affinity with oxygen and can be handled safely.

Figure 0004692324
Figure 0004692324

本発明の製造方法におけるシリコン塩化物ガスおよび還元剤ガスの供給量は、還元反応が十分に進行する量であれば特に限定されないが、たとえば、モル比でシリコン塩化物ガス:還元剤ガス=1:10〜10:1、好ましくは1:4〜4:1である。前記範囲内の比でシリコン塩化物ガスと還元剤ガスとを供給することにより、多結晶シリコンを安定的に生成および成長させることができる。   The supply amount of the silicon chloride gas and the reducing agent gas in the production method of the present invention is not particularly limited as long as the reduction reaction is sufficiently advanced. For example, silicon chloride gas: reducing agent gas = 1 in terms of molar ratio. : 10 to 10: 1, preferably 1: 4 to 4: 1. By supplying the silicon chloride gas and the reducing agent gas at a ratio within the above range, polycrystalline silicon can be stably generated and grown.

シリコン塩化物ガスと還元剤ガスとの反応は、800〜1200℃、好ましくは850〜1050℃の範囲で行われる。したがって、前記温度範囲となるように加熱および制御された反応器内に、前記温度範囲に加熱されたシリコン塩化物ガスおよび還元剤ガスを供給することが好ましい。   The reaction between the silicon chloride gas and the reducing agent gas is performed in the range of 800 to 1200 ° C, preferably 850 to 1050 ° C. Therefore, it is preferable to supply the silicon chloride gas and the reducing agent gas heated to the temperature range in the reactor heated and controlled to be in the temperature range.

[実施例]
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
[Example]
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.

得られた製品シリコンの純度分析は、HF/HNO3でシリコンを分解除去した後の溶
液中の金属元素(17元素:Zn、Al、Ca、Cd、Cr、Cu、Co、Fe、Mn、Mo、Na、Ni、Pb、Sn、Ti、P、B)を高周波誘導プラズマ発光分光法(ICP-AES:機種、日本ジャーレルアッシュ、形式、IRIS−AP)で定量し、100
%からその17元素の定量値の和を減算することで求めた。
Purity analysis of the obtained product silicon was conducted by analyzing metal elements (17 elements: Zn, Al, Ca, Cd, Cr, Cu, Co, Fe, Mn, Mo in the solution after silicon was decomposed and removed with HF / HNO 3. , Na, Ni, Pb, Sn, Ti, P, B) are quantified by high frequency induction plasma emission spectroscopy (ICP-AES: model, Nippon Jarrel Ash, model, IRIS-AP), 100
It was determined by subtracting the sum of the quantitative values of the 17 elements from%.

〔実施例1〕
図4に例示した模式図で構成されるフローにおいて、予め、シリコン塩化物ガス供給ノズルの開口端内周面を、図2(a)のように薄肉とする加工を施した。そして、天井部に内径55mm、肉厚5mm、挿入長さ100mmの石英製のシリコン塩化物ガス供給ノズルが2本、還元剤ガス供給ノズルが1本設置され、下部壁面に排気ガス抜き出しパイプが設置された、内径800mm、長さ1800mmの縦型円筒形の炭化珪素(SiC)製反応器を用いた。この反応器を、電気炉により全体が約950℃となるように加熱した。次いで、この反応器内に、シリコン塩化物ガスとして950℃の四塩化珪素ガスと、還元剤ガスとして950℃の亜鉛ガスとを、モル比で四塩化珪素:亜鉛=0.7:1となるように、各供給ノズルから供給して7.5時間反応を行った。また、計算の結果、四塩化珪素ガスのノズル出口1本当たりの流速は500〜700mm/s、亜鉛ガスのノズル出口の流速は800〜1200mm/sであった。
[Example 1]
In the flow constituted by the schematic diagram illustrated in FIG. 4, the inner peripheral surface of the open end of the silicon chloride gas supply nozzle was previously processed to be thin as shown in FIG. Two quartz silicon chloride gas supply nozzles and one reducing agent gas supply nozzle with an inner diameter of 55 mm, a wall thickness of 5 mm, and an insertion length of 100 mm are installed on the ceiling, and an exhaust gas extraction pipe is installed on the lower wall surface. A vertical cylindrical silicon carbide (SiC) reactor having an inner diameter of 800 mm and a length of 1800 mm was used. The reactor was heated by an electric furnace so that the whole was about 950 ° C. Next, in this reactor, silicon tetrachloride gas of 950 ° C. as silicon chloride gas and zinc gas of 950 ° C. as reducing agent gas are in a molar ratio of silicon tetrachloride: zinc = 0.7: 1. Thus, it supplied from each supply nozzle and reacted for 7.5 hours. As a result of calculation, the flow rate per nozzle outlet of silicon tetrachloride gas was 500 to 700 mm / s, and the flow rate of zinc gas nozzle outlets was 800 to 1200 mm / s.

四塩化珪素ガスおよび亜鉛ガスの供給を停止し、反応器を冷却した後、反応器下部を開放したところ、生成した多結晶シリコンは、シリコン塩化物ガス供給ノズルから自重で剥がれ落ち、反応器底板の上に乗っていた。なお、反応器の器壁への多結晶シリコンの付着はごくわずかであった。得られた多結晶シリコンの重量は5.9kgであり、純度は99.999%以上であった。   After the supply of silicon tetrachloride gas and zinc gas was stopped and the reactor was cooled, the lower part of the reactor was opened, and the generated polycrystalline silicon was peeled off by its own weight from the silicon chloride gas supply nozzle, and the reactor bottom plate I was on the top. The amount of polycrystalline silicon adhering to the reactor wall was negligible. The weight of the obtained polycrystalline silicon was 5.9 kg, and the purity was 99.999% or more.

〔実施例2〕
実施例1と同じ反応器を用い、該反応器内に、シリコン塩化物ガスとして1000℃の四塩化珪素ガスと、還元剤ガスとして1000℃の亜鉛ガスとを、モル比で四塩化珪素:亜鉛=1.4:1となるように、各供給ノズルから供給して8時間反応を行わせたこと以外は、実施例1と同様に実施した。
[Example 2]
The same reactor as in Example 1 was used, and in the reactor, silicon tetrachloride gas at 1000 ° C. as a silicon chloride gas and zinc gas at 1000 ° C. as a reducing agent gas in a molar ratio of silicon tetrachloride: zinc = It was carried out in the same manner as in Example 1 except that the reaction was carried out for 8 hours by supplying from each supply nozzle so as to be 1.4: 1.

四塩化珪素ガスおよび亜鉛ガスの供給を停止し、反応器を冷却した後、反応器下部を開放したところ、管状凝集多結晶シリコンが各々2本の四塩化珪素ガスの供給ノズルに付着して垂れ下がっている様子が確認された。なお、反応器の器壁への多結晶シリコンの付着はごくわずかであった。得られた多結晶シリコンの重量は5.7kgであり、純度は99.999%以上であった。
〔実施例3〕
天井部に内径25mmの石英シリコン塩化物供給ノズル6本が、図2(b)のように先端を丸みとする加工を施され、内径35mmの還元ガス供給ノズル1本を中心に距離が
175mmの円周上に均等配置され、下部壁面に排気ガス抜き出しパイプが設置された、内径500mm、長さ1500mmの縦型円筒形の石英製反応器を950℃になるように加熱した。次いでこの反応器内にシリコン塩化物として950℃の四塩化珪素ガスと、還元ガスとして950℃の亜鉛ガスとを、モル比で四塩化珪素:亜鉛=0.8:1となるように供給して3時間の反応を行った。また計算の結果、四塩化珪素ガスのノズル出口1本当たりの流速は800〜1000mm/s、亜鉛のノズル出口の流速は300〜500mm/sであった。
After the supply of silicon tetrachloride gas and zinc gas was stopped and the reactor was cooled, the lower part of the reactor was opened, and tubular agglomerated polycrystalline silicon adhered to the two silicon tetrachloride gas supply nozzles and hung down. It was confirmed. The amount of polycrystalline silicon adhering to the reactor wall was negligible. The weight of the obtained polycrystalline silicon was 5.7 kg, and the purity was 99.999% or more.
Example 3
Two quartz silicon chloride supply nozzles with an inner diameter of 25 mm are processed to have a rounded tip as shown in FIG. 2B on the ceiling, and the distance is 175 mm around one reducing gas supply nozzle with an inner diameter of 35 mm. A vertical cylindrical quartz reactor having an inner diameter of 500 mm and a length of 1500 mm, which was evenly arranged on the circumference and provided with an exhaust gas extraction pipe on the lower wall surface, was heated to 950 ° C. Next, 950 ° C. silicon tetrachloride gas as silicon chloride and 950 ° C. zinc gas as reducing gas were fed into the reactor so that the molar ratio was silicon tetrachloride: zinc = 0.8: 1. For 3 hours. As a result of the calculation, the flow rate per nozzle outlet of silicon tetrachloride gas was 800 to 1000 mm / s, and the flow rate of zinc nozzle outlet was 300 to 500 mm / s.

四塩化珪素ガスおよび亜鉛ガスの供給を停止し、反応器を冷却した後、反応器の下部を開放したところ、管状凝集多結晶シリコンが各々6本、四塩化珪素ガスの供給ノズルに650〜700mm程度の長さに付着して垂れ下がっている様子が確認された。なお、反応
壁への多結晶シリコンの付着はごくわずかであった。得られた多結晶シリコンの重量は4.1kgであり、純度は99.999%以上であった。
After the supply of the silicon tetrachloride gas and the zinc gas was stopped and the reactor was cooled, the lower part of the reactor was opened. As a result, 6 pieces of tubular agglomerated polycrystalline silicon each were supplied to the silicon tetrachloride gas supply nozzle at 650 to 700 mm. It was confirmed that it was attached to a certain length and was hanging down. Note that the adhesion of polycrystalline silicon to the reaction wall was negligible. The weight of the obtained polycrystalline silicon was 4.1 kg, and the purity was 99.999% or more.

〔比較例1〕
一方の端部に内径20mm、厚さ5mm、挿入長さ100〜400mmの石英製のシリコン塩化物ガス供給ノズルおよび還元剤ガス供給ノズルが、それぞれ1本ずつ設置され、他方の端部に排気ガス抜き出しパイプが設置された、内径310mm、長さ2835mmの横型円筒形の石英製反応器を用いた。この反応器を、電気炉により全体が950℃となるように加熱した。次いで、反応器内に、シリコン塩化物ガスとして950℃の四塩化珪素ガスと、還元剤ガスとして950℃の亜鉛ガスとを、モル比で四塩化珪素:亜鉛=0.7:1となるように、各供給ノズルから供給して80時間反応を行った。
[Comparative Example 1]
A quartz silicon chloride gas supply nozzle and a reducing agent gas supply nozzle made of quartz each having an inner diameter of 20 mm, a thickness of 5 mm, and an insertion length of 100 to 400 mm are installed at one end, and exhaust gas is provided at the other end. A horizontal cylindrical quartz reactor having an inner diameter of 310 mm and a length of 2835 mm, in which an extraction pipe was installed, was used. The reactor was heated by an electric furnace so that the whole became 950 ° C. Next, in the reactor, silicon tetrachloride gas at 950 ° C. as silicon chloride gas and zinc gas at 950 ° C. as reducing agent gas so that the molar ratio is silicon tetrachloride: zinc = 0.7: 1. The reaction was carried out for 80 hours by supplying from each supply nozzle.

四塩化珪素ガスおよび亜鉛ガスの供給を停止し、反応器を徐冷した後、反応器端部を開放したところ、管状凝集多結晶シリコンの生成は認められず、針状の多結晶シリコンが反応器の内部一面に成長していた。多結晶シリコンの石英反応器壁への付着強度は高く、多結晶シリコンを引き剥がしたところ、石英表面がチッピングを起こし、回収した高純度シリコンには石英の破片が多数混入した。得られた多結晶シリコンの重量は12.5kgであった。   After the supply of silicon tetrachloride gas and zinc gas was stopped, the reactor was slowly cooled, and the reactor end was opened. Formation of tubular agglomerated polycrystalline silicon was not observed, and acicular polycrystalline silicon reacted. It grew up inside the vessel. The adhesion strength of polycrystalline silicon to the quartz reactor wall was high, and when the polycrystalline silicon was peeled off, the quartz surface was chipped, and many pieces of quartz were mixed in the recovered high-purity silicon. The weight of the obtained polycrystalline silicon was 12.5 kg.

なお、本比較例では実験終了後、付着した多結晶シリコンと石英の熱膨張係数の差から、石英反応器が破壊してしまった。   In this comparative example, after the experiment was completed, the quartz reactor was destroyed due to the difference in thermal expansion coefficient between the deposited polycrystalline silicon and quartz.

図1は本発明の一実施例に係る高純度多結晶シリコンの製造装置の基本構成を示した概略図で、図1(a)は縦型反応器の模式図、図1(b)は、反応器内における還元剤ガスの流れを示す模式図、図1(c)はシリコン塩化物ガスの流れを示す摸式図、図1(d)は還元剤ガスとシリコン塩化物ガスの反応を示した模式図、図1(d)は、管状凝集多結晶シリコンが製造されていく過程を示した模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic configuration of a high purity polycrystalline silicon production apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a schematic view of a vertical reactor, and FIG. FIG. 1 (c) is a schematic diagram showing the flow of the silicon chloride gas, and FIG. 1 (d) shows the reaction of the reducing agent gas with the silicon chloride gas. FIG. 1D is a schematic diagram showing a process in which tubular aggregated polycrystalline silicon is manufactured. 図2は、図1に示した実施例で採用されたシリコン塩化物供給ノズルの開口端部に設けられたガス案内手段を示したもので、図2(a)は、開口端面の肉厚を薄肉状に形成することにより構成された案内手段の断面図、図2(b)は丸みを帯びるようにして構成された案内手段の模式図、図2(c)は、案内手段が特に構成されていない場合のノズル先端部の模式図である。FIG. 2 shows the gas guiding means provided at the opening end of the silicon chloride supply nozzle employed in the embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 2 (a) shows the thickness of the opening end face. FIG. 2 (b) is a schematic view of the guide means configured to be rounded, and FIG. 2 (c) is a schematic illustration of the guide means. It is a schematic diagram of the nozzle tip portion when not. 図3は、還元剤ガス供給ノズルに対してシリコン塩化物ガス供給ノズルの設置態様の一例を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing an example of an installation mode of the silicon chloride gas supply nozzle with respect to the reducing agent gas supply nozzle. 図4は、図1に示した本実施例の製造装置が具備された製造設備の概略構成図である。FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a manufacturing facility provided with the manufacturing apparatus of the present embodiment shown in FIG. 図5は、本発明に係る多結晶シリコン製造装置の他の実施例を示した要部断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of an essential part showing another embodiment of the polycrystalline silicon manufacturing apparatus according to the present invention. 図6は従来から広く行なわれているシーメンス法による製造装置の概略図である。FIG. 6 is a schematic view of a manufacturing apparatus based on the Siemens method which has been widely used conventionally.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・縦型反応器
1a・・・器壁
1c・・・仕切り壁
1A・・・小部屋
1B・・・反応室
2・・・シリコン塩化物ガス供給ノズル
2a・・・開口端
3・・・還元剤ガス供給ノズル
3a・・・開口端
4・・・排気ガス抜き出しパイプ
5・・・溶融炉
6・・・蒸発炉
7・・・過熱炉
8・・・気化装置
9・・・反応器加熱炉
10・・・冷却・粉砕装置
11・・・還元剤塩化物回収タンク
12・・・シリコン塩化物凝縮装置(1)
13・・・シリコン塩化物凝縮装置(2)
20・・・管状凝集多結晶シリコン
40・・・製造装置
A・・・還元剤
B・・・シリコン塩化物
C・・・脱落した多結晶シリコン
D・・・還元剤塩化物
E・・・未反応シリコン塩化物
F・・・排ガス処理設備
G・・・口径
H・・・挿入長さ
I・・・案内手段
t・・・肉厚
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vertical type reactor 1a ... Wall 1c ... Partition wall 1A ... Small room 1B ... Reaction room 2 ... Silicon chloride gas supply nozzle 2a ... Open end 3. .... Reducing agent gas supply nozzle 3a ... Open end 4 ... Exhaust gas extraction pipe 5 ... Melting furnace 6 ... Evaporating furnace 7 ... Superheated furnace 8 ... Vaporizer 9 ... Reaction Reheating furnace 10 ... Cooling and grinding device 11 ... Reducing agent chloride recovery tank 12 ... Silicon chloride condenser (1)
13 ... Silicon chloride condenser (2)
20 ... Tubular agglomerated polycrystalline silicon 40 ... Manufacturing equipment A ... Reducing agent B ... Silicon chloride C ... Dropped polycrystalline silicon D ... Reducing agent chloride E ... Not yet Reactive silicon chloride F ... Exhaust gas treatment equipment G ... Diameter H ... Insertion length I ... Guide means t ... Thickness

Claims (4)

外周面に加熱手段が具備された縦型反応器と、
前記縦型反応器の上部から下方に向かって挿入されたシリコン塩化物ガス供給ノズルと、前記縦型反応器の上部から下方に向かって挿入された還元剤ガス供給ノズルと、
前記反応器に接続された排気ガス抜き出しパイプとを備え、
前記シリコン塩化物ガス供給ノズルから導入されたシリコン塩化物ガスと、前記還元剤ガス供給ノズルから導入された還元剤ガスとの気相反応により、前記シリコン塩化物ガス供給ノズルの先端部に多結晶シリコンを順次成長させる高純度多結晶シリコンの製造装置であって、
前記シリコン塩化物ガス供給ノズルを、前記還元剤ガス供給ノズルを囲繞するように、かつ前記反応器の内壁から所定距離離反して、複数本設置することにより、前記反応器内で生成されるシリコン結晶を、前記シリコン塩化物ガス供給ノズルの先端部に付着させた後、下方に向かって、管状に凝集成長させるようにしたことを特徴とする高純度多結晶シリコンの製造装置。
A vertical reactor having heating means on the outer peripheral surface;
A silicon chloride gas supply nozzle inserted downward from the top of the vertical reactor; and a reducing agent gas supply nozzle inserted downward from the top of the vertical reactor;
An exhaust gas extraction pipe connected to the reactor,
Polycrystalline at the tip of the silicon chloride gas supply nozzle by a gas phase reaction between the silicon chloride gas introduced from the silicon chloride gas supply nozzle and the reducing agent gas introduced from the reducing agent gas supply nozzle An apparatus for producing high-purity polycrystalline silicon for sequentially growing silicon,
Silicon is produced in the reactor by installing a plurality of the silicon chloride gas supply nozzles so as to surround the reducing agent gas supply nozzle and at a predetermined distance from the inner wall of the reactor. An apparatus for producing high-purity polycrystalline silicon, characterized in that a crystal is attached to the tip of the silicon chloride gas supply nozzle and then is coagulated and grown downward in a tubular shape.
前記還元剤ガス供給ノズルの開口端は、前記シリコン塩化物ガス供給ノズルの開口端よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の高純度多結晶シリコンの製造装置。   2. The high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus according to claim 1, wherein an opening end of the reducing agent gas supply nozzle is disposed above an opening end of the silicon chloride gas supply nozzle. 前記シリコン塩化物ガス供給ノズルの開口端には、ガス流を下方に導くガス案内手段が加工されていることを特徴とする請求項1または2に記載の高純度多結晶シリコンの製造装置。   The high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus according to claim 1 or 2, wherein gas guide means for guiding a gas flow downward is processed at an opening end of the silicon chloride gas supply nozzle. 前記ガス案内手段は、ノズルの内周面が開口端面に向かう程薄肉に形成されていることにより構成されていることを特徴とする請求項3に記載の高純度多結晶シリコンの製造装置。   4. The high purity polycrystalline silicon manufacturing apparatus according to claim 3, wherein the gas guiding means is configured such that the inner peripheral surface of the nozzle is formed so as to be thinner toward the opening end surface.
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