JP4805155B2

JP4805155B2 - シリコン製造装置

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Publication number: JP4805155B2
Application number: JP2006531703A
Authority: JP
Inventors: 淳一郎中島; 智若松; 繁樹杉村
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2005-08-10
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-08-10
Also published as: EP1798198A4; EP1798198B1; JPWO2006016626A1; CA2576665A1; WO2006016626A1; CA2576665C; AU2005272378A1; EP1798198A1; US20080041309A1

Description

本発明は、反応管の上部側に設けられたガス供給口からクロロシラン類と水素とを該反応管へ供給し、加熱された該反応管の内壁にシリコンを析出させ、該反応管の下端部開口から析出シリコンを取り出すシリコン製造装置に関する。

従来、半導体、太陽光発電用電池などの原料として使用されるシリコンを製造するための種々の方法が知られており、これらのうちで、幾つかの方法は既に工業的に実施されている。
例えば、その一つはジーメンス法と呼ばれる方法であり、この方法では、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の内部に配置し、このシリコン棒にトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）やモノシラン（ＳｉＨ₄）を、水素等の還元性ガスとともに接触させてシリコンを析出させる。

この方法では高純度なシリコンが得られ、一般的な方法として工業的に実施されているが、バッチ式でシリコンの析出を行うため、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、ベルジャーの洗浄などの一連の過程を、バッチごとに繰り返す必要があり、煩雑な操作を要する。
一方、連続的に多結晶シリコンを製造可能な方法として、図９に示した装置による方法が提案されている（例えば特許文献１、２を参照）。このシリコン製造装置は、密閉容器１内に、炭素材料等を基材とする反応管１１と、この反応管１１の上部側に設置され、クロロシラン類、またはクロロシラン類と水素とを反応管１１の内部へ供給する原料ガス供給口６と、反応管１１の外周に設置した高周波加熱コイル１５とを備えている。

反応管１１は、その外周の高周波加熱コイル１５からの電磁波で加熱され、反応管１１の内面はシリコンの融点以上の温度か、あるいはこれ未満のシリコンが析出可能な温度に加熱される。
そして、この加熱された反応管１１の内面へ、原料ガス供給口６から供給されたクロロシラン類を接触させてシリコンを析出させる。

反応管１１の内面をシリコンの融点以上の温度にしてシリコン析出を行う場合（第１の方法）では、溶融状態で析出したシリコン融液を、反応管１１の下端部１１ａの開口から連続的に落下させて、落下方向に設置された冷却回収室２１で回収する。
また、反応管１１の内面をシリコンが析出可能な融点未満の温度にしてシリコン析出を行う場合（第２の方法）では、反応管１１の内面に一度シリコンを固体として析出させた後、この内面をシリコンの融点以上に加熱して、析出物の一部または全部を溶融させて落下させ、落下方向に設置された冷却回収室２１で回収する。

密閉容器１内におけるシリコンの析出を防止する必要がある領域、例えば反応管１１と原料ガス供給管５との間隙、あるいは反応管１１の外周側領域および反応管１１の下端部１１ａには、シールガス供給口１２，２を設けて水素等のシールガスを供給し、シールガス雰囲気で満たしている。
特開２００３−２６２７号公報特開２００２−２９７２６号公報

しかしながら、従来のこうした反応装置では、反応管１１の下端部１１ａを加熱するための機器、保温材などが設置される反応管１１の外周側領域、および反応管１１の下端部１１ａにシールガスを供給しても、長時間に渡る装置の運転下においてこれらの領域におけるシリコン析出を完全に防止することは難しい。そのため、従来の反応装置では、この領域に設置される機器、部材等には、シリコンの析出を考慮して特殊な部材、構造等を使用することが反応継続の点から望ましい。

また、従来の反応装置では、上記の領域をシールガスで満たすために多量のガスを要していた。
本発明は、上記したような従来技術における問題点を解決するためになされたものであり、反応管の下端部および、その他の反応管内面以外の部分へのシリコン析出を抑制し、これにより長時間に渡る安定的な運転が可能なシリコン製造装置を提供することを目的としている。

また、本発明は、反応管の下端部および、その他の反応管内面以外の部分へのシリコン析出を少ない供給ガス量で抑制可能なシリコン製造装置を提供することを目的としている。

本発明のシリコン製造装置は、筒状の反応管と、該反応管の少なくとも下端部を含む反応領域をシリコンの融点以上に加熱する手段とを備え、前記反応管の上部側に設けられたガス供給管からクロロシラン類と水素とを前記反応管へ供給し、加熱された該反応管の内壁にシリコンを析出させ、該反応管の下端部開口から析出シリコンを取り出すシリコン製造装置であって、
前記反応管の下端部近傍の外周側に、環状のスリットからなり、該下端部に向かってシールガスおよび／またはエッチングガスを供給する第１ガス供給口が設けられ、
前記第１ガス供給口から離間した位置に、第１ガス供給口を形成する部材における第１ガス供給口の外側周囲の壁面に向けてシールガスおよび／またはエッチングガスを供給する第２ガス供給口が設けられていることを特徴とする。

本発明における好ましい態様では、前記第１ガス供給口は、前記反応管の外周面と、前記反応管の外周側に隣接して設けられた環状部材の内周面との間隙により形成され、
前記第２ガス供給口は、前記環状部材における第１ガス供給口の外側周囲の壁面に向けてシールガスおよび／またはエッチングガスを供給する。
具体的には、例えば、前記第２ガス供給口は、前記環状部材における第１ガス供給口の外側周囲の底面または内周面に向けてシールガスおよび／またはエッチングガスを供給する。

上記の発明では、例えば反応管に巻回された保温部材、反応管の下端部を加熱する加熱装置などが設置される反応管の外周側領域を環状部材等で隔離し、シールガス等を、反応管の下端部近傍の外周に沿って設けられた環状のスリットを通して反応管の下端部へ供給している。
このようにすることで、上記の反応管の外周側領域および反応管の下端部へのシリコン析出を抑制でき、さらに、これらの領域へのシリコン析出を少ない供給ガス量で抑制できる。

そのため、反応管の外周側領域に設置される部材および機器について、シリコン析出に対処するための特殊な部材、構造を用いる必要が無い。
さらに上記の発明では、第１ガス供給口から離間した位置に、第２ガス供給口を設けて、第１ガス供給口を形成する部材における第１ガス供給口の外側周囲の壁面に向けてシールガス等を供給するようにしている。

反応管の下端部におけるシリコンの析出を抑制するために反応管の下端部へシールガス等を供給する第１ガス供給口は、反応管の下端部外周に沿って設けられているので、反応管の外周側に配置され第１ガス供給口のスリットを形成する部材の壁面、例えば、前記環状部材における第１ガス供給口の外側周囲の底面または内周面には、経時でシリコンが析出する。

すなわち、上記部材における第１ガス供給口の外側周囲の壁面は、反応管下端部に近接しているため反応管からの輻射熱等によって高温に加熱され、その結果、反応管内部からの反応ガスによってシリコンが析出する。
しかし、本発明では第２ガス供給口から上記部材における第１ガス供給口の外側周囲の壁面に向けてシールガス等を供給するようにしたので、第１ガス供給口を形成する部材の壁面へのシリコン析出を抑制することができる。そのため、第１ガス供給口の形状は長時間維持され、その間、第１ガス供給口から反応管の下端部へのシールガス等の供給は阻害されない。

このように、上記の第１ガス供給口および第２ガス供給口を設けた本発明の装置によれば、反応管の下端部および、その他の反応管内面以外の部分へのシリコン析出が充分に抑制され、これにより長時間に渡る安定的な運転が可能である。
また、第２ガス供給口からのシールガス等によって、反応管の下端部などへのシリコン析出をさらに抑制する作用を与えることも可能である。

さらに、上記のような第２ガス供給口を設けることによって、第１ガス供給口からのシールガス等の供給量と、第２ガス供給口からのシールガス等の供給量との総量としての、シールガス等の時間あたりの供給量をさらに低減しても、反応管の下端部などへのシリコンの析出を充分に抑制することができ、その結果、より少ない供給ガス量で、長時間に渡る安定的な運転が可能となる。

例えば、製造装置をスケールアップするとともに、第１ガス供給口のスリット幅が充分に狭くなるようにその形成部材を配置することが実際的には困難になるが、第２ガス供給口は、少量で充分な線速のシールガス等を供給できるように充分に細く形成することができる。したがって、この第１ガス供給口からのシールガス等の供給量と、第２ガス供給口からのシールガス等の供給量との総量としての、シールガス等の時間あたりの供給量をさらに低減しても、反応管の下端部などへのシリコンの析出を充分に抑制することができ、その結果、より少ないガス供給量で、長時間に渡る安定的な運転が可能となる。

なお、場合によっては、第１ガス供給口からのシールガス等は、スリット下方からのガスの逆流を防止する程度に供給してもよく、必ずしも反応管の下端部まで流通させる必要はない。
本発明では、第１ガス供給口または第２ガス供給口、あるいはこれらの両方から、エッチングガスを供給することが好ましい。ここで、エッチングガスはシールガスと併用してもよい。この場合、エッチングガスとシールガスとの混合ガスを供給してもよく、エッチングガスの供給とシールガスの供給とを時間的に切り替えるようにしてもよい。エッチングガスを用いることにより、きわめて少ない供給ガス量でシリコンの析出を充分に防止することができる。

本発明のシリコン製造装置によれば、反応管の下端部および、その他の反応管内面以外の部分へのシリコン析出を充分に抑制することができ、長時間に渡る安定的な運転が可能である。
また、本発明のシリコン製造装置によれば、反応管の下端部および、その他の反応管内面以外の部分へのシリコン析出を少ない供給ガス量で充分に抑制できる。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態におけるシリコン製造装置の反応管下端部周辺を示した断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線による断面図である。図２は、本発明の他の実施形態におけるシリコン製造装置の反応管下端部周辺を示した断面図である。図３は、本発明の他の実施形態におけるシリコン製造装置の反応管下端部周辺を示した断面図である。図４は、第１ガス供給口および第２ガス供給口の具体例を示した断面図である。図５は、第１ガス供給口および第２ガス供給口の具体例を示した断面図である。図６は、第１ガス供給口および第２ガス供給口の具体例を示した断面図である。図７は、環状部材の内周側形状の具体例を示した断面図である。図８は、本発明の一実施形態におけるシリコン製造装置の概略構成を示した断面図である。図９は、従来のシリコン製造装置の概略構成を示した断面図である。

符号の説明

１密閉容器
２シールガス供給口
３ガス排出口
４上部空間
５原料ガス供給管
６原料ガス供給口
７冷却媒体供給口
８冷却媒体排出口
１１反応管
１１ａ下端部
１２シールガス供給口
１５高周波加熱コイル
１６ａ，１６ｂ冷却ジャケット
１７ａ，１７ｂ冷却媒体供給口
１８ａ，１８ｂ冷却媒体排出口
２１冷却回収室
２２冷却ガス供給口
２３シリコン取出口
２４回収シリコン
３１第１ガス供給口
３２環状部材
３２ａ下面
３２ｂ内周面
３３第２ガス供給口
３４リング状部材
３５筒状部材
３６保温部材
３７シールガスの流れ
３８シールガスの流れ
３９底板
４０第２ガス供給口の形成用部材
４１ガス供給口
４２細孔
４３細孔
５１ａ内側部材
５１ｂ外側部材
５２ガス通路孔

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図８は、本発明の一実施形態におけるシリコン製造装置を示した断面図である。なお、図９に示した従来のシリコン製造装置と同様の構成部材等は同一の符号で示している。図示したように、本実施形態のシリコン製造装置は、密閉容器１内に筒状の反応管１１を備えている。この反応管１１の上部側に配置された原料ガス供給口６からクロロシラン類を供給することにより、高周波加熱コイル１５で加熱された反応管１１の内壁にシリコンが析出される。

反応に使用するクロロシラン類としては、例えば、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃、以下ＴＣＳという）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄、以下ＳＴＣという）を挙げることができ、この他、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、モノクロロシラン（ＳｉＨ₃Ｃｌ）、およびヘキサクロロジシラン（Ｓｉ₂Ｃｌ₆）に代表されるクロロジシラン類、さらにはオクタクロロトリシラン（Ｓｉ₃Ｃｌ₈）に代表されるクロロトリシラン類も好適に使用できる。これらのクロロシラン類は、単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

これらのクロロシラン類のうち、ＴＣＳまたはＳＴＣを主成分とするクロロシランを用いれば、ガス下流域に悪影響を及ぼすシリコン微粉や発火性のある高沸点シラン類（ポリマー）の発生を低減できるため、より長時間安定した運転が可能になる。
クロロシラン類と共に析出反応に供される水素は、例えば、原料ガス供給口６、シールガス供給口１２などから供給される。あるいは、クロロシラン類の供給管とは別途の供給管を反応管１１の適当な位置に接続して供給することも可能である。

反応管１１は、例えば円筒状に形成され、その下端部１１ａの開口から下方へ開放されている。その形成材料としては、高周波による加熱が可能で、シリコンの融点で耐性がある、グラファイトなどの炭素材料が好適に使用される。
また、析出するシリコンと直接接触する管内面を、シリコンの融液に対して比較的耐性の高いもの、例えば、窒化珪素、炭化珪素、熱分解炭素などで被覆することが、反応管１１の耐久性を向上し、シリコン製品の純度を向上する点から好ましい。

反応管１１の断面形状は、好ましくは円状であるが、多角状等の他の形状であってもよい。また、反応管１１は、断面積が各部分で等しい直胴状の他、原料ガスの滞在時間を長くしてクロロシラン類のへの転化率を向上させるために、断面の一部が他の部分よりも拡大された形状であってもよい。
反応管１１の下端部１１ａにおける開口の仕方は、管厚を一定としてストレートに開口した態様でもよく、あるいは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。開口の周縁は、水平である態様の他、周縁が傾斜するように構成するか、あるいは周縁を波状に構成するようにしてもよく、これにより開口周縁からのシリコン液滴の落下が容易となるとともに、シリコン融液の液滴が揃い、シリコン粒子の粒径をより小さく均一に調整することができる。

反応管１１の上部には、原料ガス供給管５が設置され、その原料ガス供給口６から、例えば、クロロシラン類と水素とが同時にもしくは別々に供給される。この原料ガス供給管５は、管の熱劣化を防止し、管内でクロロシラン類が熱分解することを防止するために、原料ガス供給管５を冷却するための冷却手段を備えることが望ましい。この冷却手段としては、例えば、図示したように、水、熱媒油等の冷媒液体を供給する冷媒供給口７から冷媒排出口８への流路を原料ガス供給管５に設けて冷却する液体ジャケット方式、あるいは、原料ガス供給管５の外周に１または２以上のノズルを略同心円状に設置して、原料ガス供給管５およびその外周の各ノズル間の間隙に冷却ガスをパージして空冷で原料ガス供給管５を冷却する空冷ジャケット方式が挙げられる。

原料ガス供給管５の冷却温度は、供給するクロロシラン類の分解温度未満に設定すればよいが、ＴＣＳもしくはＳＴＣを原料として用いる場合は、管内温度は好ましくは８００℃以下、より好ましくは６００℃以下、最も好ましくは５００℃以下である。原料ガス供給管５の材質としては、反応管１１と同様の材質の他、石英ガラス、鉄、ステンレス鋼なども使用できる。

シールガス供給口１２は、原料ガス供給管５の開口位置よりも上部における反応管１１内部の空間にシールガスを供給するために設けられる。ガス供給管５は、反応管１１の内部に挿入され、これにより反応管１１の高温空間にクロロシラン類を直接供給するようにしている。これは、反応管１１に原料として供給されたクロロシラン類が、反応管１１の上部における低温領域で析出するのを防止するためであるが、この際、原料ガス供給管５の開口位置より上部に位置する壁面では、シリコンの溶融温度からシリコンの析出温度未満の温度に至る温度勾配が存在し、クロロシラン類あるいはクロロシラン類と水素との混合ガスがこの箇所に至ると、シリコンが固体状で析出する温度となる位置から上部側において、シリコンの析出・成長が起こり、シリコン製造装置を長期間運転する際に装置を閉塞するという問題が生じる。

上記問題に対して、シールガス供給口１２を原料ガス供給管５の開口位置よりも上部に設けることにより、シールガスが上記温度勾配の存在する空間を満たし、クロロシラン類あるいはクロロシラン類と水素との混合ガスの侵入を防止し、固体シリコンの析出を効果的に防止することができる。
なお、反応管１１の内面をシリコンが析出可能な融点未満の温度にしてシリコンを析出させる方法（前述した第２の方法）でシリコンを製造する場合には、図８のように原料ガス供給口６を反応管１１の内部に設けるのではなく、反応管１１の上面から上に設けてもよい。この場合、反応管１１の上面近傍から別途に水素ガスを供給するようにしてもよい。

シールガスとしては、シリコンを生成せず、且つクロロシラン類が存在する領域においてシリコンの生成に悪影響を与えないガスが好適である。具体的には、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス、水素などが使用できるが、原料の一つである水素が好適である。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充分であり、かかる供給量を低減するには、該空間の全体あるいは下部の断面積を小さくするように、反応管１１の形状あるいは原料ガス供給管５の外壁の形状等を決定すればよい。

原料ガスの一つである水素は、その一部または全部をシールガス供給管１２から反応系内に導入することもできる。
シールガスは、密閉容器１に設置された別途のシールガス供給口２などからも供給され、例えば、反応管１１の外部側の領域や、反応管１１の下端部１１ａ近傍など、密閉容器１内においてシリコンの析出を防止する必要がある領域に供給される。

反応管１１は、その外周の高周波加熱コイル１５からの電磁波（高周波）で加熱され、反応管１１の内面はシリコンの融点以上の温度か、あるいはこれ未満のシリコンが析出可能な温度に加熱される。この加熱領域は通常、下端部１１ａから上方へ、密閉容器１内における反応管１１の全長に対して３０〜９０％の長さの領域である。
反応管１１の内面をシリコンの融点以上の温度にしてシリコン析出を行う方法（前述した第１の方法）では、反応管１１の内面の温度をシリコンの融点（概ね１４１０〜１４３０℃）以上としてシリコンを溶融状態で析出させる。

反応管１１の内面をシリコンが析出可能な融点未満の温度にしてシリコンを析出させる方法（前述した第２の方法）では、反応管２の内面の温度を、好ましくは９５０℃以上、より好ましくは１２００℃以上、さらに好ましくは１３００℃以上としてシリコンを析出させる。
高周波加熱コイル１５は、図示しない電源からコイルへ通電することにより電磁波を発生して反応管１１を加熱する。この電磁波の周波数は、反応管１１等の、加熱対象の材質もしくは形状に応じて適切な値に設定され、例えば、数十Ｈｚ〜数十ＧＨｚ程度に設定される。

なお、反応管１１を外部から加熱する手段としては、高周波加熱の他、電熱線を用いる方法、赤外線を用いる方法等が挙げられる。
反応管１１の内面に析出したシリコンは、反応管１１の下端部１１ａの開口から落下させて、落下方向に設置された冷却回収室２１で回収する。前述した第１の方法では、溶融状態で析出したシリコン融液を、反応管１１の下端部１１ａの開口から連続的に落下させて、落下方向に設置された冷却回収部２１で回収する。この場合、析出したシリコン融液は、反応管１１の内面に沿って下方へ流れ、下端部１１ａから液滴として自由落下して、落下中もしくは落下後に固化する。冷却回収部２１に落下したシリコンは、必要に応じて、シリコン、銅、モリブテン等の固体冷却材、液体四塩化珪素、液体窒素等の液体冷却材、または冷却回収部２１に設けた冷却ガス供給口２２から供給される冷却ガスにより冷却される。

また、前述した第２の方法では、反応管１１の内面に一度シリコンを固体として析出させた後、この内面をシリコンの融点以上となるまで加熱、昇温して、析出物の一部または全部を溶融させて落下させ、落下方向に設置された冷却回収室２１で回収する。
冷却回収室２１の材質としては、金属材料、セラミックス材料、ガラス材料等が使用できるが、工業装置としての頑丈さと、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に、シリコン、テフロン（登録商標）、石英ガラス、タンタル、タングステン、モリブテン等でライニングを施すことが好ましい。冷却回収室２１の底部にシリコン粒子を敷いてもよい。なお、反応管１１での反応後の排ガスは、ガス排出口３より取り出される。

また、冷却回収室２１には、必要に応じて、固化したシリコンを連続的あるいは断続的に抜き出す取出口２３を設けることも可能である。また、シリコンの冷却をより効果的に行うために、冷却回収室２１に冷却ジャケット１６ｂを設けることが好ましい。冷却ジャケット１６ｂの内部に水、熱媒油、アルコール等の冷媒液体を通液して冷却する。
本実施形態のシリコン製造装置における製造条件は、特に制限されないが、冷却回収装置における固体シリコンの析出をより効果的に防止する点からは、該シリコン製造装置にクロロシラン類と水素とを供給し、該クロロシラン類からシリコンへの転化率が２０％以上、好ましくは３０％以上となる条件下でシリコンを生成させるように、クロロシラン類と水素との供給比率、供給量、滞在時間等を決定することが望ましい。反応容器の大きさに対して経済的なシリコンの製造速度を得るためには、供給ガス中のクロロシラン類のモル分率は、０.１〜９９．９モル％とすることが好ましく、より好ましくは５〜５０モル％である。また、反応圧力は高い方が装置を小型化できるメリットがあるが、０〜１ＭＰａＧ程度が工業的に実施し易い。

ガスの滞在時間については、一定容量の反応容器に対して、圧力と温度の条件によって変化するが、反応条件下において、反応管１１内でのガスの平均的な滞在時間は、０.００１〜６０秒、好ましくは０.０１〜１０秒に設定すれば、充分に経済的なクロロシラン類の転化率を得ることが可能である。
本実施形態では、反応管１１の外周側に、環状部材３２を設置し、この環状部材３２の内周面と反応管１１の外周面との間で形成された環状スリットからなる第１ガス供給口３１を通して反応管１１の下端部１１ａへシールガスを供給している。

そして、環状部材３２の下方に、別途の部材により形成した第２ガス供給口３３を設けて、第２ガス供給口３３から環状部材３２の底面へシールガスを供給している。
環状部材３２の上部空間４は、底板３９等によって仕切られ、密閉容器１内におけるクロロシラン類等の反応ガスが流通する空間とは隔離されている。なお、この上部空間４には、高周波加熱コイル１５のような反応管１１を加熱する装置の他、図示はしないが、反応管１１の温度を維持するための保温部材など、必要に応じて各種の部材、機器等が設置される。

このように本発明では、反応管の外周側領域を環状部材等で隔離し、シールガスを、反応管の下端部近傍の外周に沿って設けられた環状のスリットを通して反応管の下端部へ供給している。
このようにすることで、反応管の外周側領域および反応管の下端部へのシリコン析出を抑制でき、さらに、これらの領域へのシリコン析出を少ない供給ガス量で抑制できる。

さらに、第１ガス供給口から離間した位置に、第２ガス供給口を設けて、第１ガス供給口を形成する部材における第１ガス供給口の外側周囲の壁面に向けてシールガス等を供給するようにしている。
反応管の下端部におけるシリコンの析出を抑制するために反応管の下端部へシールガス等を供給する第１ガス供給口は、反応管の下端部外周に沿って設けられているので、反応管の外周側に配置され第１ガス供給口のスリットを形成する部材の壁面には、経時でシリコンが析出する。

すなわち、上記部材における第１ガス供給口の外側周囲の壁面は、反応管下端部に近接しているため反応管からの輻射熱等によって高温に加熱され、その結果、反応管内部からの反応ガスによってシリコンが析出する。
しかし本発明では、第１ガス供給口の上記部分に第２ガス供給口よりガスが供給されるので、当該部分へのシリコンの析出を効果的に防止できる。しかも、第２ガス供給口は、反応管からの輻射熱を受けるものの、第１ガス供給口ほどには反応管には近接していないため、シリコンの析出が問題となるほどには高温に加熱されにくい。したがって、第２ガス供給口の機能および形状は長時間維持され、それによって、高温に曝される第１ガス供給口の形状も維持され、その結果として、反応管下端部へのシリコン析出も長時間防止できる。

このように、上記の第１ガス供給口および第２ガス供給口を設けた本発明の装置によれば、反応管の下端部および、その他の反応管内面以外の部分へのシリコン析出が充分に抑制され、これにより長時間に渡る安定的な運転が可能である。
第１ガス供給口、第２ガス供給口、またはこれらの両方から、生成した固体シリコンと反応し得るエッチングガス、あるいはシールガスとエッチングガスとの混合ガスを、連続的または断続的に供給してもよい。

シリコンと反応し得るエッチングガスとしては、例えば塩化水素（ＨＣｌ）、塩素（Ｃｌ₂）および四塩化ケイ素を挙げることができる。塩化水素は例えば水素ガスで希釈して、好ましくは塩化水素濃度０.０１〜１００容積％で反応系内に導入され、代表的な反応：Ｓｉ＋３ＨＣｌ→ＳｉＨＣｌ₃＋Ｈ₂により、固体シリコン（Ｓｉ）を気体（ＳｉＨＣｌ₃）に転化する。この他、固体シリコン（Ｓｉ）はＳｉＣｌ₄、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂等にも転化する。これらの反応が円滑に進行するように、反応系内の気体雰囲気中の塩化水素濃度はシリコンの析出速度よりもエッチング速度が大きくなるような濃度に維持される。

四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）は、水素と混合する場合、水素のモル比が大きい時は析出反応の速度が大きく、逆に水素のモル比が小さい場合はエッチング反応の速度が大きくなる。また、その値も反応させる温度によって変化するため、目的によって温度と濃度を使い分けることが望ましい。エッチングを優先させる場合、反応温度１,４００℃では、例えば水素ガスで希釈して、好ましくは四塩化ケイ素濃度３０〜５０容積％の混合ガスとして反応系内に導入され、代表的な反応：Ｓｉ＋３ＳｉＣｌ₄＋２Ｈ₂→４ＳｉＨＣｌ₃により、同様にシリコンを気体に転化する。この他、固体シリコン（Ｓｉ）はＳｉＣｌ₄、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂等にも転化する。この場合にも、反応が円滑に進行するように、四塩化ケイ素濃度はシリコンの析出速度よりもエッチング速度が大きくなるような濃度に維持される。

エッチングガスを用いることにより、反応管の下端部におけるシリコン析出防止のためのガス量をさらに低減することができると共に、ガス流れに偏りがあってもシリコン析出による運転阻害が発生しにくい。
以下、具体的な実施形態を挙げながら本発明のシリコン製造装置における第１ガス供給口および第２ガス供給口について説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態におけるシリコン製造装置の反応管下端部の周辺を示した断面図、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ線による断面図である。図示したように、反応管１１の外周側には環状部材３２が設けられており、保温部材３６、高周波加熱コイル１５等が設置された反応管１１の外側領域は、環状部材３２および底板３９等によって、その下方の空間から離隔されている。

環状部材３２の内周面と反応管１１の外周面との間で形成された環状スリットからなる第１ガス供給口３１を通して、シールガス３７が反応管１１の下端部１１ａへ供給される。
ここで、反応管１１の下端部１１ａとは、同図の破線で囲った領域内における管表面のことを示している。

環状部材３２の下方には、リング状部材３４が配置されている。リング状部材３４には周状の第２ガス供給口３３が設けられ、外部に連通するガス供給管等が接続されている。リング状部材３４の第２ガス供給口３３から環状部材３２の底面に向けてシールガス３８が供給され、これにより、環状部材３２の底面へのシリコン析出を抑制している。
図２は、本発明の他の実施形態におけるシリコン製造装置の反応管下端部の周辺を示した断面図である。図示したように、反応管１１の外周側には環状部材３２が設けられており、保温部材３６、高周波加熱コイル１５等が設置された反応管１１の外側領域は、環状部材３２等によって、その下方の空間から離隔されている。

環状部材３２の内周面と反応管１１の外周面との間で形成された環状スリットからなる第１ガス供給口３１を通して、シールガス３７が反応管１１の下端部１１ａへ供給される。
環状部材３２には多数の細孔４２が設けられており、これらの細孔４２の出口は環状部材３２の内周面に、周に沿って配置されている。これらの細孔４２によって第２ガス供給口３３が構成され、第２ガス供給口３３から環状部材３２における第１ガス供給口３１の外側周囲の壁面（細孔４２の出口の上部側における内周面）に向けてシールガス３８が供給され、これにより、該壁面へのシリコン析出を抑制している。

図３は、本発明の他の実施形態におけるシリコン製造装置の反応管下端部の周辺を示した断面図である。図示したように、反応管１１の外周側には環状部材３２が設けられており、保温部材３６、高周波加熱コイル１５等が設置された反応管１１の外側領域は、環状部材３２および底板３９等によって、その下方の空間から離隔されている。
環状部材３２の内周面と反応管１１の外周面との間で形成された環状スリットからなる第１ガス供給口３１を通して、シールガス３７が反応管１１の下端部１１ａへ供給される。

環状部材３２の下方には、筒状部材３５によって形成された周状の間隙による第２ガス供給口３３が設けられ、第２ガス供給口３３から環状部材３２の底面に向けてシールガス３８が供給され、これにより、環状部材３２の底面へのシリコン析出を抑制している。
本発明において、環状部材は、反応管との間にスリット状の第１ガス供給口を形成する構造であれば、その形状は特に限定されない。環状部材の形成材料としては、例えば、窒化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどを含有するセラミックス材料、あるいは石英ガラスなどが挙げられる。

環状部材は、第１ガス供給口の出口が、反応管の下端部近傍に位置するように配置されることが好ましい。第１ガス供給口の出口が反応管１１の下端部よりもあまり上側になると、第１ガス供給口からのシールガスにより反応管の下端部のシリコン析出を防止するために多量のシールガスを要することがある。
環状部材を設ける位置は、第１ガス供給口の出口が、反応管の下端部を基準として上方に０〜１００ｍｍの範囲内となるような位置であることが、反応管の下端部へのシリコン析出を有効に防止する点から好ましい。また、第１ガス供給口の幅は、例えば２．５〜２５ｍｍとされる。

第１ガス供給口からのシールガス、エッチングガス、あるいはこれらの混合ガスの線速は、好ましくは０．０５ｍ／ｓ以上である。なお、図８のシールガス供給口１２からのシールガスは、原料ガスであるクロロシラン類等の流量が大きい場合、シールガスの流れに乱れを生じ、シールガス線速によっては充分なシール効果が得られないことがあるが、第１ガス供給口３１からのシールガスは、原料ガスであるクロロシラン類等の流量が大きい場合であっても小さい線速で充分なシール効果が得られる。

また、第２ガス供給口からのシールガスを、反応管の下端部にも供給することで、反応管の下端部へのシリコン析出も同時に抑制できる。この場合、第２ガス供給口からのシールガスの流れ方向を反応管の下端部へ向けることが好ましい。
第２ガス供給口を設ける位置は、例えば図１または図３のように環状部材の底面へガスを供給する場合には、環状部材の下端部を基準として、下方に０〜２００ｍｍの範囲内であることが、環状部材の底面へのシリコン析出を有効に抑制し、反応管の下端部へのシリコン析出を有効に防止する点から好ましい。

第２ガス供給口は、例えば１〜１０ｍｍの幅で形成することができ、少量で充分な線速のシールガスを供給できるように充分に細く形成することができる。したがって、この第２ガス供給口からのシールガス供給量と、第１ガス供給口からのシールガス供給量との総量としての、シールガスの時間あたりの供給量を従来よりも大幅に低減しても、反応管の下端部におけるシリコンの析出を充分に抑制することができる。

本発明において、第２ガス供給口からのシールガスおよび／またはエッチングガスを、環状部材における第１ガス供給口の外側周囲の壁面に接触させる態様は、当該ガスの自然対流によるものであってもよく、当該ガスを壁面へ噴き付けるようにしてもよい。
図４〜図６は、第１ガス供給口および第２ガス供給口の具体例を示した断面図である。なお、これらの図では、反応管１１は片側断面の下端部近傍のみ示し、シールガスおよび／またはエッチングガス（以下、シールガス等という）の流れを点線矢印で示している。図４（ａ）〜（ｃ）では、図３と同様に環状部材３２の下方に周状に第２ガス供給口３３を設け、環状部材３２の底面３２ａに向けてシールガス等を供給している。第２ガス供給口３３を形成する下側の部材が反応管１１の下端部１１ａからの輻射熱等で高温になり、当該部材にシリコンが析出するおそれがある場合には、図４（ｃ）に示したように、第２ガス供給口３３を形成する部材４０の下方にさらにガス供給口４１を設けて、この部材４０における第２ガス供給口３３の外側周囲にシールガス等を供給するようにしてもよい。

図５（ａ）では、環状部材３２に多数の細孔４２が設けられており、これらの細孔４２の出口は環状部材３２の底面に、周に沿って配置されている。これらの細孔４２の出口によって第２ガス供給口３３が構成され、第２ガス供給口３３から環状部材３２の底面３２ａに向けてシールガス等を供給するようにしている。
図５（ｂ）では、反応管１１と環状部材３２との間隙からなるスリットに対して、スリット上方からシールガス等を供給すると共に、環状部材３２における多数の細孔４３の出口を環状部材３２の内周面に周に沿って多段に配置し、これらの細孔４３からもシールガス等を供給して、これらのガスを第１ガス供給口３１の出口から噴き出すようにしている。そして、環状部材３２の下方に周状に第２ガス供給口３３を設け、環状部材３２の底面３２ａに向けてシールガス等を供給している。

図５(ｃ)では、内側部材５１ａと外側部材５１ｂにより形成されたガス通路孔５２を通して第１ガス供給口３１へシールガスを供給している。図５（ｄ）は、これらの部材の水平方向の部分断面図である。図示したように、内側部材５１ａの外周に所定間隔を置いて形成された多数の凹部と、外側部材５１ｂの内周面との間でガス通路孔５２が形成される。外側部材５１ｂは、反応管１１の動きに応じて環状部材３２と一体に移動できるようになっている。外側部材５１ｂと環状部材３２は、互いに固定されていてもよく、これらを同一部材で一体に形成してもよい。

製造装置をスケールアップすると、反応管１１の長さが大きくなり、反応管１１の下端部近傍において反応管１１と環状部材３２とが位置ズレする場合がある。すると、反応管１１と環状部材３２とのスリット幅が均一にならなくなり、場合によっては反応管１１と環状部材３２が接触することもある。このようにスリット幅が均一でないと、第１ガス供給口を設けたことによる所望の性能が低下することがある。

そこで、図５（ｃ）のように、外側部材５１ｂを環状部材３２に固定し、内側部材５１ａを反応管１１と外側部材５１ｂとの間に挟むことによって、反応管１１と環状部材３２とのスリット幅が常に均一となるように維持することができる。すなわち、内側部材５１ａと外側部材５１ｂとによって、反応管１１の中心と環状部材３２の中心とを一致させるセンタリング機能が与えられる。

図６（ａ）〜（ｃ）では、環状部材３２に多数の細孔４２が設けられており、これらの細孔４２の出口は環状部材３２の内周面に、周に沿って配置されている。これらの細孔４２の出口によって第２ガス供給口３３が構成され、反応管１１と環状部材３２との間隙からなるスリット状の第１ガス供給口３１の出口から外側の周囲における環状部材３２の内周面３２ｂに向けて第２ガス供給口３３からシールガス等を供給するようにしている。

図６（ａ）〜（ｃ）のように、第２ガス供給口３３から送り出すシールガス等を細孔４２から供給する場合、細孔４２の出口が配置された周方向に沿ってスリットを形成し、このスリットの凹部に細孔４２の出口が配置されるようにしてもよい。
また、細孔４２の出口からのシールガス等の噴出方向は、中心へ向かう水平方向以外に、上方もしくは下方への傾斜方向であってもよく、あるいは、細孔４２の出口を基点として環状部材３２の中心へ向かう方向から環状部材３２の内周接線方向に傾斜した方向、すなわち環状部材３２の周方向に沿った方向であってもよい。

図６（ａ）〜（ｃ）のように細孔４２の出口を周状に配列した第２ガス供給口３３を設けた環状部材３２の形成材料としては、反応管１１の加熱手段により異なるが、電磁波を用いる加熱方式の場合には、例えばセラミックス多孔板などを挙げることができる。
図７は、環状部材の内周形状の具体例を示した図である。なお、同図において、点線で囲った位置における壁面が第２ガス供給口からのシールガス等によってシリコン析出を防止すべき箇所である。図示したように、環状部材の内周における断面形状の具体例としては、図７（ａ）のような反応管１１の外周面と略平行な直線状、図７（ｂ）のような曲面状、図７（ｃ）、（ｄ）のような角度を有する先鋭状、図７（ｅ）のような反応管１１の下端部１１ａよりも下方へ延びる長い直線状、図７（ｆ）のような山切り先鋭状などが挙げられる。なお、反応管１１の下端部１１ａと、環状部材３２との相対位置は、同図に限定されず場合に応じて適切に配置される。
実施例
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[実施例１〜１４]
材質がカーボンであり、円筒形で寸法が外径１００ｍｍ、内径７０ｍｍ、長さ１０００ｍｍである反応管１１を多結晶シリコン製造装置（図８および図９を参照）に装着した。そして、図３に示したように環状部材３２および筒状部材３５を設置した。これにより、反応管１１と環状部材３２との間のスリットで第１ガス供給口３１を形成すると共に、環状部材３２の底面と筒状部材３５との間の周状の隙間によって第２ガス供給口３３を形成した。なお、環状部材３２および筒状部材３５の材質として窒化ケイ素セラミックスを使用した。

トリクロロシラン２０ｋｇ／Ｈと水素４０Ｎｍ³／Ｈとの混合ガスを反応管１１の内部に流通させ、高周波加熱によって反応管１１を１４５０℃以上に昇温させ、多結晶シリコンを溶融状態で析出させた。５０時間の反応を行い、環状部材３２の直上における反応管１１の表面状態（シリコン付着量）を観察しシール効果を確認した。各実施例における第１ガス供給口３１および第２ガス供給口３３の幅の寸法、シールガスの種類、供給量および線速、エッチングガス（ＨＣｌ）の濃度等の条件と、表面状態の結果を表１に示した。

なお、実施例１〜１４では環状部材３２の底面へのシリコン付着はほとんど観察されなかった。
[実施例１５〜１９]
環状部材３２および筒状部材３５の材質として、表２に示した材質を使用した以外は、実施例１０と同条件で連続反応を行い、反応管１１の表面状態（シリコン付着量）を観察しシール効果を確認した。その結果を表２に示した。

なお、実施例１５〜１９では環状部材３２の底面へのシリコン付着はほとんど観察されなかった。
[比較例１]
第２のガス供給口を設けず、第１ガス供給口からの窒素ガスの線速を１．６Ｎｍ／ｓとした以外は実施例１と同じ条件で連続反応を行った。反応終了後、環状部材３２の直上における反応管１１の表面状態を観察しシール効果を確認したところ、反応管１１の表面へのシリコン付着量は０．１ｍｍ／Ｈであった。

なお、比較例１では、反応終了後の環状部材３２の底面に相当量のシリコンが付着しており、シリコンが析出していることが確認された。
[比較例２]
第１ガス供給口３１となるスリットを形成する環状部材３２と、筒状部材３５とを用いず、反応管１１の外周側空間の間隙幅を５０ｍｍとし、この間隙からの線速を５Ｎｍ／Ｓとした以外は、実施例１と同条件で連続反応を行った。反応終了後、環状部材３２の直上における反応管１１の表面状態を観察しシール効果を確認したところ、反応管１１の表面へのシリコン付着量は０．２ｍｍ／Ｈであった。

Claims

筒状の反応管と、該反応管の少なくとも下端部を含む反応領域をシリコンの融点以上に加熱する手段とを備え、前記反応管の上部側に設けられたガス供給管からクロロシラン類と水素とを前記反応管へ供給し、加熱された該反応管の内壁にシリコンを析出させ、該反応管の下端部開口から析出シリコンを取り出すシリコン製造装置であって、
前記反応管の下端部近傍の外周側に、環状のスリットからなり、該下端部に向かってシールガスおよび／またはエッチングガスを供給する第１ガス供給口が設けられ、
前記第１ガス供給口から離間した位置に、第１ガス供給口を形成する部材における第１ガス供給口の外側周囲の壁面に向けてシールガスおよび／またはエッチングガスを供給する第２ガス供給口が設けられていることを特徴とするシリコン製造装置。
前記第１ガス供給口は、前記反応管の外周面と、前記反応管の外周側に隣接して設けられた環状部材の内周面との間隙により形成され、
前記第２ガス供給口は、前記環状部材における第１ガス供給口の外側周囲の壁面に向けてシールガスおよび／またはエッチングガスを供給することを特徴とする請求項１に記載のシリコン製造装置。
前記第２ガス供給口は、前記環状部材における第１ガス供給口の外側周囲の底面または内周面に向けてシールガスおよび／またはエッチングガスを供給することを特徴とする請求項２に記載のシリコン製造装置。