JP5096219B2 - Polycrystalline silicon manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン単結晶の製造原料等に使用される高純度の多結晶シリコンの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing high-purity polycrystalline silicon used as a raw material for producing a silicon single crystal.

シリコン単結晶等の製造に使用される高純度の多結晶シリコンは、工業的にはシーメンス法と呼ばれる方法により製造されている。シーメンス法による多結晶シリコンの製造では、ベルジャーと呼ばれる反応炉内にセットされた多数本のシリコン芯棒を通電加熱した状態で、反応炉内にSiHCl3 と水素の混合ガスを供給する。反応炉内では、SiHCl3 の加熱分解によりシリコン芯棒の表面に多結晶シリコンが析出し、その芯棒が成長することにより、製品である所定径の多結晶シリコン棒が製造される。シリコン芯棒は通電加熱のために、2本を1組として逆U字状に形成され、1組の電極上にセットされる。 High-purity polycrystalline silicon used for the production of silicon single crystals and the like is industrially produced by a method called the Siemens method. In the production of polycrystalline silicon by the Siemens method, a mixed gas of SiHCl 3 and hydrogen is supplied into the reaction furnace while energizing and heating a large number of silicon core rods set in a reaction furnace called a bell jar. In the reaction furnace, polycrystalline silicon is deposited on the surface of the silicon core rod by thermal decomposition of SiHCl 3 , and the core rod grows to produce a polycrystalline silicon rod having a predetermined diameter as a product. The silicon core rods are formed in an inverted U shape with two wires as a set for energization heating, and are set on one set of electrodes.

シーメンス法による多結晶シリコンの製造に原料ガスとして使用されるSiHCl3 は、例えは次のような方法により製造され、多結晶シリコンの製造に使用される。すなわち、多結晶シリコンの製造とその原料であるSiHCl3 の製造は、一つの設備内で循環的に行われるのが一般的である。そのような製造フローの従来例を図4に示す。 SiHCl 3 used as a raw material gas for the production of polycrystalline silicon by the Siemens method is produced by the following method, for example, and used for the production of polycrystalline silicon. That is, the production of polycrystalline silicon and the production of SiHCl 3 as a raw material are generally performed cyclically in one facility. A conventional example of such a manufacturing flow is shown in FIG.

図4に示された製造フローでは、SiCl4 ガス、水素ガス及び金属シリコンがSiHCl3 生成工程へ供給される。SiHCl3 生成工程では、流動炉でこれらを反応させることにより、SiHCl3 が生成される。この反応は平衡反応であるため、流動炉からはSiHCl3 の他に、未反応のSiCl4 などの他の硅素塩化物も一緒に排出される。 In the manufacturing flow shown in FIG. 4, SiCl 4 gas, hydrogen gas, and metallic silicon are supplied to the SiHCl 3 generation step. In the SiHCl 3 generation step, SiHCl 3 is generated by reacting them in a fluidized furnace. Since this reaction is an equilibrium reaction, other silicon chlorides such as unreacted SiCl 4 are discharged together with SiHCl 3 from the fluidized furnace.

SiHCl3 生成工程から取り出される硅素塩化物は精留工程へ送られる。精留工程では、多段に直列接続された複数の蒸留塔が使用され、SiHCl3 の精製が行われる。この工程では、SiHCl3 とSiCl4 の分離だけでなく、SiHCl3 からのSiH2 Cl2 (ジクロロシラン)等の他の硅素塩化物の分離除去、更に別の有害なリン、ボロン、炭素などの除去も行われる。不純物のなかで特に問題とされるのは炭素であり、CH3 SiHCl2 (メチルジクロロシラン)、CH3 SiCl3 (メチルトリクロロシラン)のように塩化物として存在する。他の不純物も塩化物の形で存在していると考えられている。 The silicon chloride removed from the SiHCl 3 production process is sent to the rectification process. In the rectification process, a plurality of distillation columns connected in series in multiple stages are used to purify SiHCl 3 . In this process, not only the separation of SiHCl 3 and SiCl 4 , but also the separation and removal of other silicon chlorides such as SiH 2 Cl 2 (dichlorosilane) from SiHCl 3 , further harmful phosphorus, boron, carbon, etc. Removal is also performed. Among the impurities, carbon is particularly problematic and exists as a chloride such as CH 3 SiHCl 2 (methyldichlorosilane) and CH 3 SiCl 3 (methyltrichlorosilane). Other impurities are thought to be present in the form of chloride.

精留工程で得られた高純度のSiHCl3 は多結晶シリコン製造工程へ原料ガスとして送られる。SiHCl3 の精製分離に伴って生じるSiCl4 はSiHCl3 生成工程へ戻される。 High-purity SiHCl 3 obtained in the rectification process is sent as a raw material gas to the polycrystalline silicon manufacturing process. SiCl 4 that occurs with the purification and separation of SiHCl 3 is returned to the SiHCl 3 generating step.

多結晶シリコン製造工程では、前述したとおり、ベルジャーと呼ばれる反応炉内にSiHCl3 と水素の混合ガスが供給され、多結晶シリコンが生成される。これに伴って、反応炉からは未反応のSiHCl3 及び水素、副生物であるSiCl4 などが排出される。反応炉から排出されるガスは水素回収工程へ送られ、水素ガスを分離除去される。分離された水素ガスはSiHCl3 生成工程及び多結晶シリコン製造工程へ送られ、残ったSiHCl3 及びSiCl4 は蒸留工程へ送られる。 In the polycrystalline silicon manufacturing process, as described above, a mixed gas of SiHCl 3 and hydrogen is supplied into a reaction furnace called a bell jar to generate polycrystalline silicon. Along with this, unreacted SiHCl 3 and hydrogen, SiCl 4 as a by-product, and the like are discharged from the reactor. The gas discharged from the reaction furnace is sent to the hydrogen recovery process, where the hydrogen gas is separated and removed. The separated hydrogen gas is sent to the SiHCl 3 production process and the polycrystalline silicon manufacturing process, and the remaining SiHCl 3 and SiCl 4 are sent to the distillation process.

このような多結晶シリコンの製造プロセスに要求される重要課題の一つとして、製造される多結晶シリコン中の不純物濃度を下げることがあり、不純物のなかでも、半導体デバイスへの悪影響が大きい炭素を除去することが重要である。この課題を解決するためには、多結晶シリコン製造工程に供給する高純度SiHCl3 中の炭素量を減らすことが必要となり、このために精留工程では、多段に直列接続された複数の蒸留塔により、SiHCl3 の蒸留精製が繰り替えされる。 One of the important issues required for such a polycrystalline silicon manufacturing process is to lower the impurity concentration in the manufactured polycrystalline silicon. Among impurities, carbon that has a large adverse effect on semiconductor devices is required. It is important to remove. In order to solve this problem, it is necessary to reduce the amount of carbon in the high-purity SiHCl 3 supplied to the polycrystalline silicon production process. For this reason, in the rectification process, a plurality of distillation columns connected in series in multiple stages are required. Thus, the distillation purification of SiHCl 3 is repeated.

精留工程で除去が困難な不純物は、SiHCl3 と沸点が近いCH3 SiHCl2 、CH3 SiCl3 などの炭素塩化物である。特にCH3 SiHCl2 の沸点はSiHCl3 の沸点に極めて近く(前者の大気圧下での沸点は約40℃、後者の同沸点は約32℃)、その除去が困難であり、精留工程で多段の蒸留塔を使用し、大きなエネルギーを費やしているのも、この炭素塩化物を除去するためと言っても過言ではない。ちなみに、炭素の主な混入源は、金属シリコンであるとされている。 Impurities that are difficult to remove in the rectification step are carbon chlorides such as CH 3 SiHCl 2 and CH 3 SiCl 3 that have a boiling point close to that of SiHCl 3 . In particular, the boiling point of CH 3 SiHCl 2 is extremely close to that of SiHCl 3 (the former boiling point is about 40 ° C. and the latter boiling point is about 32 ° C.), which is difficult to remove. It is no exaggeration to say that this carbon chloride is removed because a large amount of energy is consumed using a multi-stage distillation column. Incidentally, it is said that the main source of carbon contamination is metallic silicon.

しかしながら、ここにおける製造フロー、特にSiHCl3 の精留工程で除去される高沸点の不純物については、一種のクローズドサイクルであるため、不純物中の特に炭素不純物が数日、或いは数十日というスパンで経時的に蓄積する傾向がある。不純物が蓄積してくると、精留工程において運転負担を増大しなければならず、精留工程におけるエネルギーコストが更に増大する。 However, the high-boiling impurities removed in the production flow here, particularly the SiHCl 3 rectification process, are a kind of closed cycle, and therefore the carbon impurities in the impurities in particular have a span of several days or tens of days. There is a tendency to accumulate over time. If impurities accumulate, the operation burden must be increased in the rectification process, which further increases the energy cost in the rectification process.

このような精留工程での負担増を回避するための対策は幾つか提案されている。その一つは特許文献1により提示された、製造フロー内を循環している水素中の炭素分の除去であり、今一つは、特許文献2により提示された精留工程への炭素除去装置の付加である。特許文献1により提示された対策では、水素回収工程で活性炭を用いて水素中の炭素分を除去する。また、特許文献2により提示された対策では、蒸留工程の最下流でシリカゲルによりSiHCl3 中の炭素分を分離除去する。 Several measures for avoiding such an increase in burden in the rectification process have been proposed. One of them is the removal of carbon in hydrogen circulating in the production flow presented by Patent Document 1, and the other is the addition of a carbon removal device to the rectification process presented by Patent Document 2. It is. In the countermeasure proposed by patent document 1, the carbon content in hydrogen is removed using activated carbon in a hydrogen recovery process. Further, in the countermeasure presented by Patent Document 2, the carbon content in SiHCl 3 is separated and removed by silica gel at the most downstream side of the distillation step.

特開平11−49509号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-49509 特開2004−149351号公報JP 2004-149351 A

しかしながら、いずれの対策においても炭素分の除去能力には限界がある。加えて、活性炭、シリカゲルといった消耗材コストが別途必要となる。その結果、精留工程におけるエネルギーコストの増大回避が相殺されてしまい、経済的メリットが十分に期待できなくなる。   However, in any of the measures, there is a limit to the carbon removal ability. In addition, the cost of consumables such as activated carbon and silica gel is required separately. As a result, the avoidance of the increase in energy cost in the rectification process is offset, and the economic merit cannot be expected sufficiently.

本発明の目的は、高純度多結晶シリコンの製造において、その製造原料であるSiHCl3 への炭素不純物の経時的蓄積を経済的、効率的に回避、緩和することにより、製品品質の悪化を低コストで回避することができる多結晶シリコン製造方法を提供することにある。 The object of the present invention is to reduce the deterioration of product quality by economically and efficiently avoiding and mitigating the accumulation of carbon impurities over time in SiHCl 3 which is a raw material for the production of high purity polycrystalline silicon. An object of the present invention is to provide a polycrystalline silicon manufacturing method that can be avoided at a cost.

上記目的を達成するために、本発明者は、高純度多結晶シリコンの製造フローのなかの精留工程、そのなかでも特に前段部分における蒸留塔の機能に着目し、ここに課題を解決するための手段のあることを見出した。   In order to achieve the above object, the present inventor paid attention to the rectification step in the production flow of high-purity polycrystalline silicon, in particular, the function of the distillation column in the former part, and to solve the problem here I found that there is a means.

すなわち、ここにおける精留工程は、前述したとおり、上流側のSiHCl3 生成工程から排出される硅素塩化物を、直列に連結された複数段の蒸留塔により順番に処理して、高純度のSiHCl3 を得る。各段の蒸留塔の機能は同じではなく、特に1段目の蒸留塔と2段目以降の蒸留塔とでは機能が大きく異なる。 That is, in the rectification step, as described above, the silicon chloride discharged from the upstream SiHCl 3 generation step is processed in turn by a plurality of stages of distillation columns connected in series to obtain high-purity SiHCl. Get three . The functions of the distillation columns at each stage are not the same, and the functions are particularly different between the first distillation tower and the second and subsequent distillation towers.

1段目の蒸留塔における機能は、前段のSiHCl3 生成工程から送られてくる硅素塩化物(主に生成したSiHCl3 と未反応のSiCl4 との混合物)をSiHCl3 とSiCl4 とに分離することである。より詳しくは、多結晶シリコンの製造に使用するSiHCl3 は塔頂部から抜き出され、それより高沸点のSiCl4 は塔底部から抜き出される。そして、多結晶シリコンの製造に使用されるSiHCl3 を最大量抜き出して下流側へ供給するために、結果として塔底部からはSiCl4 のみが抜き出されるという条件で、1段目の蒸留塔が運転される。この結果、塔頂部から抜き出されたSiHCl3 は、他の硅素塩化物や炭素塩化物等の不純物を含むことになるが、それは2段目以降の蒸留塔による処理で段階的に除去する。これが、精留工程に対する従来の考え方である。 The function of the first distillation column is to separate silicon chloride (mainly a mixture of produced SiHCl 3 and unreacted SiCl 4 ) sent from the previous SiHCl 3 production process into SiHCl 3 and SiCl 4. It is to be. More specifically, SiHCl 3 used for producing polycrystalline silicon is extracted from the top of the column, and SiCl 4 having a higher boiling point is extracted from the bottom of the column. Then, in order to extract the maximum amount of SiHCl 3 used for the production of polycrystalline silicon and supply it to the downstream side, as a result, only the SiCl 4 is extracted from the bottom of the column. Driven. As a result, SiHCl 3 extracted from the top of the column contains impurities such as other silicon chlorides and carbon chlorides, which are removed stepwise by the treatment by the second and subsequent distillation columns. This is the conventional idea for the rectification process.

ところが、このようなSiHCl3 の生産性を優先する従来の精留工程では、2段目以降の蒸留塔によってSiHCl3 を精製する過程で除去された不純物は、1段目の蒸留塔に戻されてその精留工程を循環し、系外へ排出されることはない。その結果、操業の経過と共に、炭素塩化物は精留工程内に蓄積していく。精留工程において炭素塩化物が蓄積すると、その炭素塩化物が下流側の多結晶シリコン製造工程へ流出しないように、2段目以降の蒸留塔における精製能力を高める。2段目以降の蒸留塔でも、SiHCl3 より低沸点の不純物である塩化物はベントガスによって系外へ排出されるので、精留工程においては、SiCl4 及びSiHCl3 を除く一部の多くの塩化物は、クローズドサイクル内に封じ込められることになり、これが、精留工程における負担増大の最大の理由である。 However, in the conventional rectification process to prioritize productivity of such SiHCl 3, by the second and subsequent stages distillation column is removed during the purification of SiHCl 3 impurities is returned to the distillation column of the first stage The rectification process is circulated and is not discharged out of the system. As a result, carbon chloride accumulates in the rectification process as the operation progresses. When carbon chloride accumulates in the rectification step, the purification capacity in the second and subsequent distillation towers is increased so that the carbon chloride does not flow out to the downstream polycrystalline silicon production step. Even in the second and subsequent distillation towers, chlorides, which are impurities having a boiling point lower than that of SiHCl 3 , are discharged out of the system by the vent gas. Therefore, in the rectification process, some of the chlorides except for SiCl 4 and SiHCl 3 are used. Things will be contained within a closed cycle, which is the biggest reason for the increased burden in the rectification process.

これに対し、上流側のSiHCl3 生成工程では、高温又は高圧、或いは高温高圧状態でSiCl4 、水素及び金属シリコンが反応してSiHCl3 が生成される。SiHCl3 より低沸点の化合物は圧抜きにより排ガスとして系外へ排出される。一方、SiCl4 より高沸点の化合物は高沸点不純物処理装置を経て系外へ排出される。すなわち、SiHCl3 生成工程は開放系であり、SiHCl3 の生成原料であるSiCl4 はオープンサイクルで処理される。 In contrast, in the upstream side of the SiHCl 3 generation step, a high temperature or high pressure, or SiCl 4 at a high temperature and a high pressure state, SiHCl 3 is produced by the reaction of hydrogen and silicon metal. A compound having a boiling point lower than that of SiHCl 3 is discharged out of the system as exhaust gas by depressurization. On the other hand, a compound having a boiling point higher than that of SiCl 4 is discharged out of the system through a high boiling point impurity treatment apparatus. That is, the SiHCl 3 generation process is an open system, and SiCl 4 that is a raw material for generating SiHCl 3 is processed in an open cycle.

ここでもし、精留工程に封じ込められる炭素塩化物を開放系のSiHCl3 生成工程に戻しても、前述したとおり炭素塩化物はSiHCl3 と沸点が近いので、系外へ排出されることはなく、生成されたSiHCl3 と共に再度、精留工程へ戻っていくため、精留工程からSiHCl3 生成工程への炭素塩化物の返送は無意味と考えられていた。 Even if the carbon chloride contained in the rectification step is returned to the open SiHCl 3 production step, the carbon chloride has a boiling point close to that of SiHCl 3 as described above, so it is not discharged out of the system. , generated again with SiHCl 3, since going back to the rectification process, return of carbon chlorides from the rectification step to SiHCl 3 generating step was considered meaningless.

ところが、本発明者による長年にわたる調査からは、従来の考えと異なり、精留工程からSiHCl3 生成工程へ返送された炭素化合物は、SiHCl3 生成反応の一環として形態が変化し、沸点がSiHCl3 より相当に低い化合物、及び沸点がSiCl4 より相当に高い化合物に変化し、前者は圧抜きにより排ガスとして系外へ排出され、後者は高沸点不純物処理装置を経て系外へ排出されることが判明した。したがって、精留工程からSiHCl3 生成工程へSiCl4 と共に若干量のSiHCl3 を返送するならば、SiHCl3 と沸点の近い炭素塩化物を精留工程から排出でき、精留工程における炭素塩化物の蓄積を防止できることが明らかになった。 However, from a long-term investigation by the present inventor, unlike the conventional idea, the carbon compound returned from the rectification process to the SiHCl 3 production process changes in form as part of the SiHCl 3 production reaction, and the boiling point becomes SiHCl 3. A compound with a considerably lower boiling point and a compound with a boiling point much higher than SiCl 4 is changed, and the former is discharged out of the system as exhaust gas by depressurization, and the latter is discharged out of the system through a high boiling point impurity treatment apparatus. found. Therefore, if a small amount of SiHCl 3 is returned together with SiCl 4 from the rectification process to the SiHCl 3 production process, carbon chloride having a boiling point close to that of SiHCl 3 can be discharged from the rectification process, and carbon chloride in the rectification process It became clear that accumulation could be prevented.

本発明の多結晶シリコン製造方法は、かかる知見を基礎として完成されたものであり、SiHCl3 生成工程から取り出されるSiHCl3 及びSiCl4 を含む硅素塩化物Aを第1精留工程へ送って、SiHCl3 を主成分とする低沸点の硅素塩化物Bと、SiCl4 を主成分とする高沸点の硅素塩化物Cとに分離し、SiHCl3 を主成分とする硅素塩化物Bについては、これを第2精留工程へ送ってSiHCl3 純度を高めた後に、その高純度SiHCl3 を多結晶シリコン製造工程へ製造原料として供給する一方、第2精留工程で不純物として分離された硅素塩化物Dを第1精留工程へ戻し、SiCl4 を主成分とする硅素塩化物Cについては、これをSiHCl3 生成工程へ戻す多結晶シリコン製造方法において、SiHCl3 生成工程へ戻す硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度を0.1モル%以上とするものである。 The polycrystalline silicon production method of the present invention has been completed on the basis of such knowledge, and sends silicon chloride A containing SiHCl 3 and SiCl 4 extracted from the SiHCl 3 production step to the first rectification step, The low-boiling silicon chloride B mainly composed of SiHCl 3 and the high-boiling silicon chloride C mainly composed of SiCl 4 are separated into silicon chloride B mainly composed of SiHCl 3. the after sending enhanced SiHCl 3 purity to the second rectification step, whereas the high purity SiHCl 3 is supplied as a raw material into the polycrystalline silicon manufacturing process, silicon chloride separated as impurities in the second rectification step D back to the first fractionation step, for silicon chloride C mainly composed of SiCl 4, which in the polycrystalline silicon manufacturing method of returning to the SiHCl 3 generation step, to SiHCl 3 generating step The SiHCl 3 concentration in the silicon chloride C to be returned is 0.1 mol% or more.

本発明の多結晶シリコン製造方法においては、SiHCl3 生成工程から取り出される硅素化合物A(主にSiHCl3 とSiCl4 の混合物)が第1精留工程へ送られ、SiHCl3 を主成分とする低沸点の硅素塩化物Bと、SiCl4 を主成分とする高沸点の硅素塩化物Cとに分離される。SiHCl3 を主成分とする低沸点の硅素塩化物Bは、第2精留工程へ送られ、その純度を高めた後で、多結晶シリコン製造工程へ送られる。第2精留工程で主に高沸点の不純物として分離された硅素塩化物Dについては、第1精留工程へ戻され、基本的にクローズドサイクルが形成される。SiCl4 を主成分とする硅素塩化物Cは、SiHCl3 の生成原料として開放系のSiHCl3 生成工程へ戻され、オープンサイクルにより処理される。 In the method for producing polycrystalline silicon according to the present invention, the silicon compound A (mainly a mixture of SiHCl 3 and SiCl 4 ) taken out from the SiHCl 3 production step is sent to the first rectification step, and the low content mainly composed of SiHCl 3 is obtained. It is separated into a boiling point silicon chloride B and a high boiling point silicon chloride C mainly composed of SiCl 4 . The low boiling point silicon chloride B mainly composed of SiHCl 3 is sent to the second rectification process, and after its purity is increased, it is sent to the polycrystalline silicon manufacturing process. The silicon chloride D separated mainly as high-boiling impurities in the second rectification step is returned to the first rectification step, and basically a closed cycle is formed. Silicon chloride C for the SiCl 4 as a main component is returned to the SiHCl 3 generating step an open system as yielding feedstock of SiHCl 3, it is processed by the open cycle.

本発明の多結晶シリコン製造方法は、このような循環式多結晶シリコン製造フローにおいて、第1精留工程においてSiHCl3 を主成分とする低沸点の硅素塩化物Bから分離されたSiCl4 を主成分とする高沸点の硅素塩化物Cを前段のSiHCl3 生成工程へ戻す際に、その硅素塩化物C中に若干量の、SiHCl3 を主成分とする低沸点の硅素塩化物Bを混入させるものである。これにより、硅素塩化物Bの主成分であるSiHCl3 と共に、これに含まれる不純物も、開放系のSiHCl3 生成工程に導入される。そして、導入された不純物は、前述したとおり、SiHCl3 生成反応の一環として形態が変化し、沸点がSiHCl3 より相当に低い化合物、及び沸点がSiCl4 より相当に高い化合物に変化し、前者は例えば圧抜きにより排ガスとして系外へ排出され、後者は例えば高沸点不純物処理装置を経て系外へ排出される。 The method for producing polycrystalline silicon according to the present invention mainly uses SiCl 4 separated from low boiling point silicon chloride B mainly composed of SiHCl 3 in the first rectification step in such a circulating polycrystalline silicon production flow. When returning the high boiling point silicon chloride C as a component to the preceding SiHCl 3 production step, a small amount of low boiling point silicon chloride B mainly composed of SiHCl 3 is mixed in the silicon chloride C. Is. Thereby, together with SiHCl 3 which is the main component of silicon chloride B, impurities contained therein are also introduced into the open SiHCl 3 generation step. As described above, the introduced impurities change in form as part of the SiHCl 3 production reaction, and change into a compound whose boiling point is considerably lower than SiHCl 3 and a compound whose boiling point is significantly higher than SiCl 4. For example, it is discharged out of the system as exhaust gas by depressurization, and the latter is discharged out of the system through, for example, a high boiling point impurity treatment apparatus.

その結果、これまではSiHCl3 の精留に伴ってクローズドループで処理されていた炭素塩化物等の不純物の一部が、開放系のSiHCl3 生成工程を経て系外へ排出され、精留工程における不純物の蓄積、これによる精留工程での運転コストの増大が回避されることになる。具体的には、精留工程に炭素塩化物が蓄積した時点でこの操作を行うことにより、炭素塩化物の蓄積傾向が減少傾向に反転し、精留工程における炭素塩化物の蓄積量が急速に減少し、運転コストが下がる。炭素塩化物の蓄積が解消されれば、この操作を停止し、元の条件で操業を行えばよい。 As a result, a part of impurities such as carbon chloride, which has been treated in a closed loop with the rectification of SiHCl 3 until now, is discharged out of the system through an open SiHCl 3 generation process, and the rectification process Accumulation of impurities in this, and thereby an increase in operating costs in the rectification process are avoided. Specifically, when carbon chloride accumulates in the rectification process, this operation reverses the tendency of carbon chloride accumulation to a decreasing trend, and the amount of carbon chloride accumulation in the rectification process rapidly increases. Reduces operating costs. If the accumulation of carbon chloride is eliminated, the operation is stopped and the operation is performed under the original conditions.

懸念される事項として、SiHCl3 生成工程で生成されたSiHCl3 の一部が再度SiHCl3 生成工程へ返送されることによるSiHCl3 生成工程でのSiHCl3 生成効率の低下、及び第1精留工程から第2精留工程へ送られるSiHCl3 量が減少することによる高純度SiHCl3 供給量の減少があるが、硅素塩化物C中にSiHCl3 を混入させる操作は、上述したとおり、精留工程において炭素塩化物が蓄積したときに限定的に行えばよく、必ずしも常時行う必要はない。また、硅素塩化物C中へのSiHCl3 の混入量は少量でよい。これらのため、混入操作による弊害は無視できる程度に軽微である。 As matter of concern, reduction of SiHCl 3 generation efficiency at SiHCl 3 generation step due to the fact that part of the SiHCl 3 generated by the SiHCl 3 generation process is returned again to the SiHCl 3 generating step, and a first rectification step There is a decrease in the amount of high-purity SiHCl 3 supplied due to a decrease in the amount of SiHCl 3 sent to the second rectification process, but the operation of mixing SiHCl 3 in silicon chloride C is as described above. However, it may be performed in a limited manner when carbon chloride accumulates, and is not always necessary. Further, the amount of SiHCl 3 mixed in silicon chloride C may be small. For these reasons, the adverse effects of the mixing operation are negligible.

硅素塩化物CへSiHCl3 を混入するときの硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度は、0.1モル%以上が必要であり、0.3モル%以上が望ましい。問題となる炭素塩化物系の不純物は通常、SiHCl3 より高沸点であるため、この程度の僅かのSiHCl3 濃度でも、十分な量の問題不純物がSiHCl3 生成工程へ返送され、0.3モル%でその不純物返送効果は飽和する傾向を示し始める。0.1モル%という、硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度が、精留工程における問題不純物の蓄積と排出の転換点である。 When SiHCl 3 is mixed into silicon chloride C, the concentration of SiHCl 3 in silicon chloride C needs to be 0.1 mol% or more, preferably 0.3 mol% or more. Since the impurity carbon chloride-based in question is typically a high boiling point than SiHCl 3, even a slight SiHCl 3 concentrations of this order, a sufficient amount of problems impurities is returned to the SiHCl 3 generating step, 0.3 moles %, The impurity return effect begins to saturate. The concentration of SiHCl 3 in silicon chloride C, 0.1 mol%, is the turning point for the accumulation and discharge of problematic impurities in the rectification process.

硅素塩化物CへSiHCl3 を混入するときの硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度の上限は、不純物の滞留解消という観点からは特に必要ないが、その濃度が高いと工程全体の生産効率が低下する。また、前述したとおり、0.3モル%でその不純物返送効果は飽和する傾向を示し始める。この観点から、硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度の上限は低い方がよく、具体的には5モル%以下が望ましく、1モル%以下が更に望ましく、0.5モル%以下が最も望ましい。 The upper limit of the SiHCl 3 concentration in the silicon chloride C when mixing SiHCl 3 into the silicon chloride C is not particularly necessary from the viewpoint of eliminating the retention of impurities, but if the concentration is high, the production efficiency of the entire process decreases. To do. Further, as described above, the impurity return effect begins to saturate at 0.3 mol%. From this viewpoint, the upper limit of the SiHCl 3 concentration in the silicon chloride C is better, specifically, 5 mol% or less is desirable, 1 mol% or less is more desirable, and 0.5 mol% or less is most desirable.

ちなみに、硅素塩化物CへのSiHCl3 の混入操作を間欠的に行う場合、その操作を行わない平常時の硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度は、反応効率の点から少ない方がよく、具体的には従来どおりの0.1モル%未満に管理するのが望ましく、0.05モル%以下が特に望ましい。 Incidentally, when the operation of mixing SiHCl 3 into silicon chloride C is performed intermittently, the concentration of SiHCl 3 in silicon chloride C during normal operation when the operation is not performed should be small in terms of reaction efficiency. Therefore, it is desirable to control it to less than 0.1 mol% as in the prior art, and 0.05 mol% or less is particularly desirable.

SiHCl3 生成工程は、生成されたSiHCl3 と共に、副生又は未反応のSiCl4 を排出するものであればよく、この要件を満たすならば、特にその種類を問わない。代表的なSiHCl3 生成工程は、前述したSiCl4 ガス、水素ガス及び金属シリコンを含む原料を流動反応炉に投入してSiHCl3 を生成する方法によるものであり、この場合、生成されたSiHCl3 と共に未反応のSiCl4 が排出される。また、その水素ガスとしては、多結晶シリコン製造工程の排ガスから分離・精製されたものを使用するのが好ましい。他の方法としては、金属シリコンと塩酸とからSiHCl3 を生成する方法や、金属シリコンを使わずに、SiCl4 ガスと水素ガスとからSiHCl3 を生成するクリーン・コンバージョンと呼ばれる方法もある。前者の方法では、SiCl4 が副生する。後者の方法では、SiHCl3 と共に未反応のSiCl4 が排出される。この方法では、金属シリコンを使用しないので、炭素塩化物の蓄積は少ないが、皆無ではなく、その点において、後者の方法にも本発明は有効である。 The SiHCl 3 generation step is not particularly limited as long as the by-product or unreacted SiCl 4 is discharged together with the generated SiHCl 3 , as long as this requirement is satisfied. A typical SiHCl 3 generation step is based on a method of generating SiHCl 3 by introducing the raw material containing SiCl 4 gas, hydrogen gas and metal silicon described above into a flow reactor, and in this case, the generated SiHCl 3 is generated. At the same time, unreacted SiCl 4 is discharged. Moreover, it is preferable to use what was isolate | separated and refine | purified from the waste gas of a polycrystalline silicon manufacturing process as the hydrogen gas. Other methods include a method of generating SiHCl 3 from metal silicon and hydrochloric acid, and a method called clean conversion in which SiHCl 3 is generated from SiCl 4 gas and hydrogen gas without using metal silicon. In the former method, SiCl 4 is by-produced. In the latter method, unreacted SiCl 4 is discharged together with SiHCl 3 . In this method, since no metallic silicon is used, the accumulation of carbon chloride is small, but it is not at all. In this respect, the present invention is also effective for the latter method.

硅素塩化物C中にSiHCl3 を混入させるタイミングとしては、前述したとおり、操業の全期間を通して連続的に行うことを妨げるものではないが、その必要はない。第2精留工程における不純物、特に炭素塩化物の蓄積レベルを調査し、それが所定のレベルに達した時点で混入を開始し、蓄積が解消レベルに戻れば混入を停止すればよい。例えば数年、或いは10数年に一度、数10日程度行えばよい。また、蓄積を未然に防止するために、数カ月に一度、或いは1年に一度のペースで混入を行ってもよい。混入のタイミングに関係なく、その混入期間を1年間当たりの日数に換算して示せば、1〜50日/年が好ましく、5〜20日/年がより好ましい。10年目に100日間混入を行えば、それは10日/年ということである。硅素塩化物C中にSiHCl3 を必要以上に混入させることは、操業効率の低下に繋がり、その不足は第2精留工程での運転コスト増大に繋がる。 As described above, the timing of mixing SiHCl 3 into silicon chloride C does not preclude continuous operation throughout the entire operation, but is not necessary. The accumulation level of impurities, particularly carbon chloride, in the second rectification step is investigated, and mixing is started when it reaches a predetermined level, and mixing is stopped when the accumulation returns to the elimination level. For example, it may be performed about several tens of days once every several years or ten years. In order to prevent accumulation, mixing may be performed once every several months or once a year. Regardless of the timing of mixing, if the mixing period is converted into the number of days per year, it is preferably 1 to 50 days / year, more preferably 5 to 20 days / year. If it is mixed for 100 days in the 10th year, it means 10 days / year. If SiHCl 3 is mixed in silicon chloride C more than necessary, the operation efficiency is lowered, and the shortage leads to an increase in operating cost in the second rectification step.

本発明の多結晶シリコン製造方法は、SiHCl3 生成工程の下流側で、SiHCl3 生成工程からの硅素塩化物Aを、SiHCl3 を主成分とする低沸点の硅素塩化物Bと、SiCl4 を主成分とする高沸点の硅素塩化物Cとに分離する第1精留工程において、上流側のSiHCl3 生成工程へ返送する硅素塩化物C中に微量のSiHCl3 を混入させることにより、第2精留工程における不純物、特に、多結晶シリコン製造工程で問題となる炭素塩化物の蓄積を防止でき、第2精留工程における運転コストを低減することができる。第1精留工程での操作によりこれを行うので、設備コストが不要であり、また硅素塩化物C中に混入させるSiHCl3 も微量でよいので、生産効率に及ぼす悪影響も極めて軽微に抑えることができる。 Polycrystalline silicon manufacturing method of the present invention, downstream of the SiHCl 3 generating step, a silicon chloride A from SiHCl 3 generating step, a silicon chloride B low boiling mainly containing SiHCl 3, the SiCl 4 In the first rectification step of separating into high-boiling silicon chloride C as the main component, a small amount of SiHCl 3 is mixed into silicon chloride C to be returned to the upstream SiHCl 3 production step. Accumulation of impurities in the rectification process, particularly carbon chloride, which is a problem in the polycrystalline silicon production process, can be prevented, and the operating cost in the second rectification process can be reduced. Since this is performed by the operation in the first rectification process, the equipment cost is unnecessary, and since a small amount of SiHCl 3 mixed into the silicon chloride C is sufficient, the adverse effect on the production efficiency can be suppressed to an extremely low level. it can.

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態を示す多結晶シリコン製造方法の製造フロー図、図2は第1精留工程におけるSiCl4 へのSiHCl3 混入操作の説明図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a production flow diagram of a method for producing polycrystalline silicon showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory view of an operation of mixing SiHCl 3 into SiCl 4 in the first rectification step.

本実施形態では、高性能太陽電池パネル、シリコン単結晶等の製造に使用される高純度の多結晶シリコンがシーメンス法により製造され、より詳しくは、図1に示すように、SiHCl3 生成工程、第1精留工程、第2精留工程、多結晶シリコン製造工程、及び水素回収工程を含む循環系により、その多結晶シリコンが製造される。 In the present embodiment, high-performance solar panels, high-purity polycrystalline silicon that is used in the production of silicon single crystal or the like is manufactured by Siemens process, and more particularly, as shown in FIG. 1, SiHCl 3 generation step, The polycrystalline silicon is manufactured by a circulation system including the first rectifying step, the second rectifying step, the polycrystalline silicon manufacturing step, and the hydrogen recovery step.

SiHCl3 生成工程では、金属シリコン(冶金級:98wt%≦)、SiCl4 ガス及び水素ガスが流動炉に供給され、化学式1に示す反応によりSiHCl3 が生成される。このとき、SiHCl3 ガスと共に、未反応のSiCl4 ガスも流動炉から排出される。この硅素塩化物Aが、主に金属シリコンから持ち込まれた金属不純物、リン、ボロン、炭素等の不純物を含んでいることは前述したとおりである。この結果、SiHCl3 生成工程からは、主にSiHCl3 とSiCl4 の混合物からなる硅素塩化物Aが取り出される。 In the SiHCl 3 generation step, metal silicon (metallurgical grade: 98 wt% ≦), SiCl 4 gas and hydrogen gas are supplied to the fluidized furnace, and SiHCl 3 is generated by the reaction shown in Chemical Formula 1. At this time, unreacted SiCl 4 gas is also discharged from the fluidized furnace together with SiHCl 3 gas. As described above, the silicon chloride A contains impurities such as phosphorus, boron, and carbon mainly introduced from metallic silicon. As a result, silicon chloride A mainly composed of a mixture of SiHCl 3 and SiCl 4 is taken out from the SiHCl 3 generation step.

Figure 0005096219
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SiHCl3 生成工程では又、沸点の低い化合物は排ガスとして系外へ排出される。逆に、沸点の高い化合物は高沸点不純物処理装置などを介して系外へ排出される。したがって、SiHCl3 生成工程にこれらの化合物は蓄積しない。この点において、SiHCl3 生成工程は開放系である。 In the SiHCl 3 production step, the compound having a low boiling point is discharged out of the system as exhaust gas. Conversely, a compound having a high boiling point is discharged out of the system through a high boiling point impurity treatment apparatus or the like. Therefore, these compounds do not accumulate in the SiHCl 3 production process. In this respect, the SiHCl 3 generation process is an open system.

SiHCl3 生成工程から生成品として導出されたガス状の硅素塩化物Aは、凝縮器により液化された後、第1精留工程へ送られる。第1精留工程では、液状の硅素塩化物AがSiHCl3 とSiCl4 とに分離される。この分離操作を、図2を参照して詳しく説明する。 The gaseous silicon chloride A derived as a product from the SiHCl 3 production process is liquefied by a condenser and then sent to the first rectification process. In the first rectification step, liquid silicon chloride A is separated into SiHCl 3 and SiCl 4 . This separation operation will be described in detail with reference to FIG.

第1精留工程の蒸留塔(以下、蒸留塔2)での最大の目的は、硅素塩化物Aから最大量のSiHCl3 を分離抽出することである。このためと、SiCl4 より高沸点の塩化物が存在するために、蒸留塔2の塔底部ではSiCl4 の沸点より高温となり、逆に塔頂部ではSiHCl3 の沸点より低沸点の塩化物が存在するため、SiHCl3 の沸点より若干低温となる温度条件で、操業が行われる。その結果、塔頂部からは低沸点のSiHCl3 が余すところなく抜き取られ、塔底部からは高沸点のSiCl4 が最大量抜き取られる。塔頂部で塔頂液の循環が行われることは、一般の蒸留塔と同じである。 The greatest purpose of the distillation column (hereinafter referred to as distillation column 2) in the first rectification step is to separate and extract the maximum amount of SiHCl 3 from silicon chloride A. For this reason, chloride having a boiling point higher than that of SiCl 4 is present, so that the boiling point of the distillation column 2 is higher than the boiling point of SiCl 4 , and conversely, chloride having a boiling point lower than that of SiHCl 3 is present at the top of the column. Therefore, the operation is performed under temperature conditions slightly lower than the boiling point of SiHCl 3 . As a result, the low boiling point SiHCl 3 is withdrawn from the top of the column, and the maximum amount of high boiling point SiCl 4 is withdrawn from the bottom of the column. The circulation of the liquid at the top of the column is the same as in a general distillation column.

更に詳しく説明すると、蒸留塔2では導入塩化物が塔底部から加熱され、下から上へ向かうにつれて温度が低下する。塔底部と塔頂部との間の特定の温度Tのレベルでは、その温度Tに応じてSiHCl3 とSiCl4 の組成比X:Yが決定される。通常は前述した操業条件により、塔内のSiHCl3 とSiCl4 の分布は実線で示すようになり、その結果、塔頂液は、硅素塩化物A中のSiHCl3 及び少量の低沸点系不純物を含む硅素塩化物Bとなる。一方、塔底液は、硅素塩化物A中のSiCl4 及び若干量の高沸点系不純物を含む硅素塩化物Cとなる。 More specifically, in the distillation column 2, the introduced chloride is heated from the bottom of the column, and the temperature decreases from the bottom to the top. At a specific temperature T level between the tower bottom and the tower top, the composition ratio X: Y of SiHCl 3 and SiCl 4 is determined according to the temperature T. Normally, due to the operating conditions described above, the distribution of SiHCl 3 and SiCl 4 in the column is shown by a solid line. As a result, the top liquid contains SiHCl 3 in silicon chloride A and a small amount of low-boiling impurities. Contains silicon chloride B. On the other hand, the column bottom liquid becomes silicon chloride C containing SiCl 4 in silicon chloride A and some high-boiling impurities.

第1精留工程の蒸留塔2から塔底液として抜き出された硅素塩化物Cは、SiCl4 を多量に含むので、前段のSiHCl3 生成工程へ生成原料として戻される。一方、第1精留工程の蒸留塔2から塔頂液として抜き出された硅素塩化物Bは、少量含まれる不純物を除去するために第2精留工程へ送られ、高純度のSiHCl3 とされる。 Since the silicon chloride C extracted as the bottom liquid from the distillation column 2 in the first rectification step contains a large amount of SiCl 4 , it is returned to the preceding SiHCl 3 production step as a production raw material. On the other hand, the silicon chloride B extracted from the distillation column 2 of the first rectification step as the top liquid is sent to the second rectification step to remove impurities contained in a small amount, and high purity SiHCl 3 and Is done.

第2精留工程では、SiHCl3 の高純度化のために、直列に接続された複数基の蒸留塔3が使用される。硅素塩化物Bを複数の蒸留塔3へ順番に通すことにより、硅素塩化物B中のSiHCl3 純度が順次高まる。かくして、第2精留工程において純度が例えば10N(99.99999999%)以上の高純度SiHCl3 が生成される。生成された高純度SiHCl3 は、多結晶シリコン製造工程へ送られる。SiHCl3 を蒸留精製する過程で除去され、系外へ排出されなかった炭素塩化物を含む各種不純物は、第1精留工程へ戻される。SiHCl3 を蒸留精製する過程で除去された不純物のうち、SiHCl3 より低沸点の不純物である塩化物はベントガスとして系外へ排出されるが、これ以外の不純物は、第1精留工程及び第2精留工程においてクローズドサイクルを形成し、順次蓄積される。 In the second rectification step, a plurality of distillation towers 3 connected in series are used in order to increase the purity of SiHCl 3 . By passing the silicon chloride B through the plurality of distillation columns 3 in order, the purity of SiHCl 3 in the silicon chloride B is sequentially increased. Thus, high-purity SiHCl 3 having a purity of, for example, 10 N (99.99999999%) or higher is generated in the second rectification step. The produced high purity SiHCl 3 is sent to the polycrystalline silicon manufacturing process. Various impurities including carbon chloride which are removed during the purification process of SiHCl 3 and are not discharged out of the system are returned to the first rectification step. Among impurities removed in the process of distilling and purifying SiHCl 3 , chloride which is an impurity having a boiling point lower than that of SiHCl 3 is discharged out of the system as a vent gas. Other impurities are removed from the first rectification step and the first rectification step. In the rectification process, a closed cycle is formed and sequentially accumulated.

多結晶シリコン製造工程では、シリコン単結晶等の製造に使用される高純度の多結晶シリコンがシーメンス法と呼ばれる方法により製造される。シーメンス法による多結晶シリコンの製造では、第2精留工程から送られてくる高純度SiHCl3 と水素の混合ガスが使用される。 In the polycrystalline silicon manufacturing process, high-purity polycrystalline silicon used for manufacturing a silicon single crystal or the like is manufactured by a method called a Siemens method. In the production of polycrystalline silicon by the Siemens method, a mixed gas of high-purity SiHCl 3 and hydrogen sent from the second rectification step is used.

多結晶シリコン製造工程からは、未反応のSiHCl3 、副生物であるSiCl4 及び水素などが排出される。この排ガスは水素回収工程へ送られる。水素回収工程では、多結晶シリコン製造工程から導入された排ガス中の水素が分離される。分離された水素は多結晶シリコン製造工程、或いは更にSiHCl3 生成工程へ原料ガスとして供給される。一方、分離された硅素塩化物Eは、第1精留工程及び第2精留工程を含む蒸留工程へ戻され、循環使用される。 Unreacted SiHCl 3 , by-products SiCl 4, hydrogen, and the like are discharged from the polycrystalline silicon manufacturing process. This exhaust gas is sent to the hydrogen recovery process. In the hydrogen recovery process, hydrogen in the exhaust gas introduced from the polycrystalline silicon manufacturing process is separated. The separated hydrogen is supplied as a raw material gas to the polycrystalline silicon manufacturing process or further to the SiHCl 3 generation process. On the other hand, the separated silicon chloride E is returned to the distillation step including the first rectification step and the second rectification step and is recycled.

このような多結晶シリコン製造方法においては、第2精留工程でのSiHCl3 の蒸留精製操作に伴って除去される不純物の一部が第1精留工程へ戻され、操業の継続にしたがって精留工程に蓄積され増加してくる。第2精留工程は、不純物が増えれば運転能力を高め、所定純度のSiHCl3 を多結晶シリコン製造工程へ供給し続ける。このため、操業の経過に伴って第2精留工程での運転コストが増加する。 In such a polycrystalline silicon manufacturing method, a part of the impurities removed by the distillation purification operation of SiHCl 3 in the second rectification step is returned to the first rectification step, and the refinement is performed as the operation continues. It accumulates in the distillation process and increases. In the second rectification process, if the impurities increase, the operation capacity is increased and SiHCl 3 having a predetermined purity is continuously supplied to the polycrystalline silicon manufacturing process. For this reason, the operation cost in a 2nd rectification process increases with progress of operation.

本実施形態では、この運転コスト増加の問題を解決するために、精留工程において炭素塩化物濃度を監視する。例えば第2精留工程における1段目の蒸留塔3の塔底液中の炭素濃度を監視する。そして、精留工程における炭素塩化物濃度が許容値を超えた時点で、第1精留工程からSiHCl3 生成工程へ戻される硅素塩化物C(主にSiCl4 )中へ、SiHCl3 を強制的に混入する。具体的にはSiHCl3 生成工程へ送られる硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度が0.1モル%以上、好ましくは0.3モル%以上となる条件で蒸留塔2を運転する。この運転操作を図2により説明する。 In the present embodiment, the carbon chloride concentration is monitored in the rectification process in order to solve the problem of the increase in operating cost. For example, the carbon concentration in the bottom liquid of the first distillation column 3 in the second rectification step is monitored. When the carbon chloride concentration in the rectification process exceeds the allowable value, SiHCl 3 is forced into silicon chloride C (mainly SiCl 4 ) returned from the first rectification process to the SiHCl 3 production process. Mixed in. Specifically, the distillation column 2 is operated under the condition that the SiHCl 3 concentration in the silicon chloride C sent to the SiHCl 3 production step is 0.1 mol% or more, preferably 0.3 mol% or more. This driving operation will be described with reference to FIG.

前述したとおり、蒸留塔2における通常の運転条件では、塔内のSiHCl3 とSiCl4 の濃度分布は実線で示すものとなる。具体的には、蒸留塔2では塔底部で加熱が行われているので、塔内を下から上へ向かうにつれて塔内温度が低下する。特定温度TのレベルにおけるSiHCl3 とSiCl4 の比率(X:Y)は一定である。通常の運転条件では、蒸留塔2の塔底液であるSiCl4 中にSiHCl3 は含まれないが、ここで、例えば塔内A点の温度を下げると、SiHCl3 とSiCl4 の濃度分布は破線で示すようにシフトする。その結果、塔底液である硅素塩化物C中にSiHCl3 が混入し、硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度が上昇する。 As described above, under normal operating conditions in the distillation column 2, the concentration distributions of SiHCl 3 and SiCl 4 in the column are shown by solid lines. Specifically, since the distillation tower 2 is heated at the bottom of the tower, the temperature in the tower decreases as it goes from the bottom to the top. The ratio (X: Y) of SiHCl 3 and SiCl 4 at the level of the specific temperature T is constant. Under normal operating conditions, SiCl 4 which is the bottom liquid of the distillation column 2 does not contain SiHCl 3, but when the temperature at point A in the column is lowered, for example, the concentration distribution of SiHCl 3 and SiCl 4 is Shift as shown by the dashed line. As a result, SiHCl 3 is mixed into silicon chloride C, which is the tower bottom liquid, and the SiHCl 3 concentration in silicon chloride C increases.

より簡単な方法としては、蒸留塔2に供給される硅素塩化物Aの量、すなわちフィード量を多くする。蒸留塔2の塔頂部から第2精留工程へ送られる硅素塩化物Bの量は一定であるのに対し、蒸留塔2の塔底部からSiHCl3 生成工程へ戻される硅素塩化物Cの量はフィード量の増大に伴って増加するから、フィード量の増大に伴って蒸留塔2内のSiHCl3 量が増大し、前述した温度操作の場合と同様に、SiHCl3 とSiCl4 の濃度分布は実線から破線へシフトし、その結果、塔底液である硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度が上昇する。更に別の方法として、蒸留塔2での塔頂液の還流量を増加させることがあり、この場合も蒸留塔2内のSiHCl3 量が増大し、SiHCl3 とSiCl4 の濃度分布が実線から破線へシフトすることにより、硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度が上昇する。 As a simpler method, the amount of silicon chloride A supplied to the distillation column 2, that is, the feed amount is increased. The amount of silicon chloride B sent from the top of the distillation column 2 to the second rectification step is constant, whereas the amount of silicon chloride C returned from the bottom of the distillation column 2 to the SiHCl 3 production step is Since the feed amount increases as the feed amount increases, the amount of SiHCl 3 in the distillation column 2 increases as the feed amount increases, and the concentration distribution of SiHCl 3 and SiCl 4 is a solid line as in the case of the temperature operation described above. As a result, the concentration of SiHCl 3 in silicon chloride C, which is the bottom liquid, increases. As another method, the reflux amount of the top liquid in the distillation column 2 is increased. In this case as well, the amount of SiHCl 3 in the distillation column 2 increases, and the concentration distribution of SiHCl 3 and SiCl 4 from the solid line. By shifting to the broken line, the concentration of SiHCl 3 in silicon chloride C increases.

これらの方法は組み合わせて使用してもよいことは言うまでもない。   Needless to say, these methods may be used in combination.

このような方法により、硅素塩化物C中にSiHCl3 が混入すると、SiHCl3 より若干高沸点である炭素塩化物も硅素塩化物Cに混入し、上流側のSiHCl3 生成工程へ送られる。SiHCl3 生成工程は、前述したとおりSiCl4 より高沸点の化合物及びSiHCl3 より低沸点の化合物を排出する開放系であり、しかも、SiHCl3 生成工程へ返送された炭素塩化物は、前述したとおり、SiHCl3 生成反応の一環として形態が変化し、沸点がSiHCl3 より相当に低い化合物、及び沸点がSiCl4 より相当に高い化合物に変化し、SiHCl3 より沸点の低い化合物は排ガスとして系外へ排出される。逆に、SiCl4 より沸点の高い化合物は高沸点不純物処理装置などを介して系外へ排出される。その結果、精留工程における炭素不純物濃度が徐々に低下する。 When SiHCl 3 is mixed into silicon chloride C by such a method, carbon chloride having a slightly higher boiling point than SiHCl 3 is also mixed into silicon chloride C and sent to the SiHCl 3 generation step on the upstream side. The SiHCl 3 generation step is an open system that discharges a compound having a boiling point higher than SiCl 4 and a compound having a lower boiling point than SiHCl 3 as described above, and the carbon chloride returned to the SiHCl 3 generation step is as described above. As a part of the SiHCl 3 formation reaction, the form changes, the compound has a boiling point considerably lower than SiHCl 3 , and the boiling point changes to a compound much higher than SiCl 4 , and the compound having a boiling point lower than SiHCl 3 goes out of the system as exhaust gas. Discharged. On the contrary, a compound having a boiling point higher than that of SiCl 4 is discharged out of the system through a high boiling point impurity treatment apparatus or the like. As a result, the carbon impurity concentration in the rectification step gradually decreases.

精留工程における炭素塩化物濃度が元に戻ると、蒸留塔2での運転条件を元に戻し、硅素塩化物CへのSiHCl3 の混入を停止する。これにより、第2精留工程へ送られるSiHCl3 量も回復する。 When the carbon chloride concentration in the rectification process is restored, the operating conditions in the distillation column 2 are restored, and mixing of SiHCl 3 into the silicon chloride C is stopped. Thereby, the amount of SiHCl 3 sent to the second rectification process is also recovered.

操業期間中にこれを繰り返すことにより、第2精留工程での不純物の蓄積に伴う運転コストの増大が回避される。   By repeating this during the operation period, an increase in operating cost due to accumulation of impurities in the second rectification step is avoided.

次に、本発明の有効性を具体例をもって明らかにする。   Next, the effectiveness of the present invention will be clarified with specific examples.

図1に示した多結晶シリコン製造フローにより半導体級多結晶シリコンを製造した。製造期間中、第2精留工程における1段目の蒸留塔の塔底液中の炭素濃度を測定し、炭素不純物の蓄積具合を監視した。当初5〜7ppmであった炭素濃度が1年経過後に8〜10ppmになり、2年経過後に10〜12ppmとなった。   Semiconductor grade polycrystalline silicon was produced according to the polycrystalline silicon production flow shown in FIG. During the production period, the carbon concentration in the bottom liquid of the first distillation column in the second rectification step was measured to monitor the accumulation of carbon impurities. The carbon concentration, which was initially 5-7 ppm, became 8-10 ppm after 1 year, and 10-12 ppm after 2 years.

精留工程における炭素不純物の蓄積量は、第2精留工程における1段目の蒸留塔の塔底液中の炭素濃度で表して10ppm以下が好ましく、1ppm以下がより好ましい。この蓄積量が増加すると、第2精留工程における運転コストが増大する。   The amount of carbon impurities accumulated in the rectification step is preferably 10 ppm or less, more preferably 1 ppm or less, expressed as the carbon concentration in the bottom liquid of the first distillation column in the second rectification step. When this accumulation amount increases, the operating cost in the second rectification process increases.

本実施例では、この炭素濃度が15ppm以上に達した時点で、第1精留工程における蒸留塔2の運転条件を、蒸留塔2へ供給する硅素塩化物Aの量(フィード量)の増加により図2のように変化させ、この蒸留塔2からSiHCl3 生成工程へ返送される硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度を0.1モル%未満から0.3モル%へ大きくした。この操作開始後の炭素濃度の経時的変化を図3中に実線で示す。横軸は経過日数、縦軸は第2精留工程における1段目の蒸留塔の塔底液中の炭素濃度を、運転条件を変化させたときの炭素濃度を100として示す。 In this example, when the carbon concentration reaches 15 ppm or more, the operating condition of the distillation column 2 in the first rectification process is determined by increasing the amount (feed amount) of silicon chloride A supplied to the distillation column 2. 2, the concentration of SiHCl 3 in silicon chloride C returned from the distillation column 2 to the SiHCl 3 production step was increased from less than 0.1 mol% to 0.3 mol%. The change over time in the carbon concentration after the start of this operation is shown by a solid line in FIG. The horizontal axis indicates the number of days elapsed, and the vertical axis indicates the carbon concentration in the bottom liquid of the first distillation column in the second rectification step, and the carbon concentration when the operating conditions are changed as 100.

参考までに、第1精留工程における蒸留塔の運転条件を変化させずに操業を続けたときの炭素濃度の経時変化を図3中に破線で示す。徐々にではあるが、硅素塩化物C中の炭素濃度は増加し続ける。   For reference, the change over time in the carbon concentration when the operation is continued without changing the operating conditions of the distillation column in the first rectification step is shown by a broken line in FIG. Gradually, the carbon concentration in silicon chloride C continues to increase.

これに対し、硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度を0.1モル%未満から0.3モル%へ変化させたときは、第2精留工程における炭素不純物の蓄積量は、その操作開始時点から、増加傾向が急激な減少傾向へ反転し、約20日で半減し、約50日で1/10となり、70日前後でほぼ元のレベルに戻る。本実施例では、この状態を約半年間継続した。その結果、第2精留工程における1段目の蒸留塔の塔底液中の炭素濃度は、操作開始時の1/100以下になり、精留工程全体におけるエネルギー原単位を従来の70%以下に減じることができた。 On the other hand, when the concentration of SiHCl 3 in silicon chloride C is changed from less than 0.1 mol% to 0.3 mol%, the amount of carbon impurities accumulated in the second rectification step is the point at which the operation starts. Therefore, the increasing trend reverses to a sharp decreasing trend, halves in about 20 days, becomes 1/10 in about 50 days, and almost returns to the original level in about 70 days. In this example, this state was continued for about half a year. As a result, the carbon concentration in the bottom liquid of the first distillation column in the second rectification process is 1/100 or less at the start of the operation, and the energy intensity in the entire rectification process is 70% or less than the conventional unit. Could be reduced to

また、第1精留工程からSiHCl3 生成工程へ返送される硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度を0.1モル%未満から0.5モル%へ大きくしたときの炭素濃度の経時的変化を図3中に一点鎖線で示す。この場合は、約10日で炭素濃度が半減し、約40日で1/10となり、60日前後でほぼ元のレベルに戻る。この状態を約3カ月間継続した結果、第2精留工程における1段目の蒸留塔の塔底液中の炭素濃度は、操作開始時の1/100以下になり、精留工程全体におけるエネルギー原単位を従来の70%以下に減じることができた。 In addition, the change over time in the carbon concentration when the SiHCl 3 concentration in the silicon chloride C returned from the first rectification step to the SiHCl 3 production step is increased from less than 0.1 mol% to 0.5 mol%. This is indicated by a one-dot chain line in FIG. In this case, the carbon concentration is halved in about 10 days, becomes 1/10 in about 40 days, and returns to the original level around 60 days. As a result of continuing this state for about three months, the carbon concentration in the bottom liquid of the first distillation column in the second rectification step is 1/100 or less at the start of operation, and the energy in the entire rectification step is reduced. The basic unit could be reduced to 70% or less.

また、第1精留工程からSiHCl3 生成工程へ返送される硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度を0.1モル%未満から0.15モル%へ大きくしたときの炭素濃度の経時的変化を図3中に二点鎖線で示す。この場合は、約50日で炭素濃度が半減し、約150日で1/10となり、200日前後でほぼ元のレベルに戻る。この状態を約1年間継続した結果、第2精留工程における1段目の蒸留塔の塔底液中の炭素濃度は、操作開始時の1/100以下になり、精留工程全体におけるエネルギー原単位を従来の70%以下に減じることができた。 In addition, the change over time in the carbon concentration when the SiHCl 3 concentration in the silicon chloride C returned from the first rectification step to the SiHCl 3 production step is increased from less than 0.1 mol% to 0.15 mol%. This is indicated by a two-dot chain line in FIG. In this case, the carbon concentration is halved in about 50 days, becomes 1/10 in about 150 days, and returns to the original level around 200 days. As a result of continuing this state for about one year, the carbon concentration in the bottom liquid of the first distillation column in the second rectification step is 1/100 or less at the start of the operation, and the energy source in the entire rectification step is The unit could be reduced to 70% or less than the conventional unit.

第1精留工程からSiHCl3 生成工程へ返送される硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度が0.1〜0.2モル程度と低い場合、炭素不純物の減少傾向は緩慢であるが、炭素塩化物の蓄積予防のために定常的にこの操作を行う場合のSiHCl3 濃度は0.1〜0.2モルで十分である。 When the SiHCl 3 concentration in the silicon chloride C returned from the first rectification process to the SiHCl 3 production process is as low as about 0.1 to 0.2 mol, the decrease in carbon impurities is slow, The concentration of SiHCl 3 in the case of carrying out this operation regularly for preventing the accumulation of substances is sufficient to be 0.1 to 0.2 mol.

本発明の一実施形態を示す多結晶シリコン製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the polycrystalline silicon manufacturing method which shows one Embodiment of this invention. 第1精留工程におけるSiCl4 へのSiHCl3 混入操作の説明図である。Is an illustration of SiHCl 3 mixed operation to SiCl 4 in the first rectification step. 混入操作開始からの炭素不純物量の減少傾向を示すグラフである。It is a graph which shows the decreasing tendency of the carbon impurity amount from mixing operation start. 従来の多結晶シリコン製造方法のフロー図である。It is a flowchart of the conventional polycrystalline silicon manufacturing method.

符号の説明Explanation of symbols

1 高沸点不純物処理装置
2,3 蒸留塔
1 High boiling point impurity treatment equipment 2, 3 Distillation tower

Claims (5)

SiHCl3 生成工程から取り出されるSiHCl3 及びSiCl4 を含む硅素塩化物Aを第1精留工程へ送って、SiHCl3 を主成分とする低沸点の硅素塩化物Bと、SiCl4 を主成分とする高沸点の硅素塩化物Cとに分離し、
SiHCl3 を主成分とする硅素塩化物Bについては、これを第2精留工程へ送ってSiHCl3 純度を高めた後に、その高純度SiHCl3 を多結晶シリコン製造工程へ製造原料として供給する一方、第2精留工程で不純物として分離された硅素塩化物Dを第1精留工程へ戻し、
SiCl4 を主成分とする硅素塩化物Cについては、これをSiHCl3 生成工程へ戻す多結晶シリコン製造方法において、
SiHCl3 生成工程へ戻す硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度を0.1モル%以上とすることを特徴とする多結晶シリコン製造方法。
The silicon chloride A containing SiHCl 3 and SiCl 4 taken out from the SiHCl 3 production step is sent to the first rectification step, and low boiling point silicon chloride B mainly composed of SiHCl 3 and SiCl 4 as the main component. Separating into high boiling silicon chloride C,
The silicon chloride B to the SiHCl 3 as a main component, which after enhanced SiHCl 3 Purity sent to the second rectification step, while supplying a raw material for producing the high purity SiHCl 3 into the polycrystalline silicon manufacturing process The silicon chloride D separated as an impurity in the second rectification step is returned to the first rectification step,
For silicon chloride C mainly composed of SiCl 4 , in the polycrystalline silicon manufacturing method for returning this to the SiHCl 3 production step,
A method for producing polycrystalline silicon, wherein the concentration of SiHCl 3 in silicon chloride C returned to the SiHCl 3 production step is 0.1 mol% or more.
請求項1に記載の多結晶シリコン製造方法において、SiHCl3 生成工程へ戻す硅素塩化物C中のSiHCl3 濃度を、操業期間中に通常濃度である0.1モル%未満から0.1モル%以上へ高くすることにより、第2精留工程における炭素塩化物の蓄積傾向を低下傾向へ反転させる多結晶シリコン製造方法。 2. The method for producing polycrystalline silicon according to claim 1, wherein the SiHCl 3 concentration in the silicon chloride C returned to the SiHCl 3 production step is changed from a normal concentration of less than 0.1 mol% to 0.1 mol% during the operation period. The polycrystalline silicon manufacturing method which reverses the accumulation tendency of carbon chloride in the 2nd rectification process to a decreasing tendency by making it high above. 請求項1又は2に記載の多結晶シリコン製造方法において、SiHCl3 生成工程は、SiHCl3 より低沸点の化合物、及びSiCl4 より高沸点の化合物を系外へ排出する開放系である多結晶シリコン製造方法。 3. The method for producing polycrystalline silicon according to claim 1, wherein the SiHCl 3 generation step is an open system in which a compound having a lower boiling point than SiHCl 3 and a compound having a higher boiling point than SiCl 4 are discharged out of the system. Production method. 請求項1〜3のいずれかに記載の多結晶シリコン製造方法において、SiHCl3 生成工程では、SiCl4 ガス、水素ガス及び金属シリコンを含む原料を流動反応炉に投入してSiHCl3 を生成する多結晶シリコン製造方法。 4. The method for producing polycrystalline silicon according to claim 1, wherein in the SiHCl 3 generation step, a raw material containing SiCl 4 gas, hydrogen gas and metal silicon is introduced into a fluidized reactor to generate SiHCl 3. Crystalline silicon manufacturing method. 請求項4に記載の多結晶シリコン製造方法において、水素ガスは多結晶シリコン製造工程の排ガスから分離・精製された水素ガスである多結晶シリコン製造方法。   5. The method for producing polycrystalline silicon according to claim 4, wherein the hydrogen gas is hydrogen gas separated and purified from the exhaust gas in the polycrystalline silicon production process.
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