JPH01239013A - 多結晶シリコンの製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、高純度の多結晶シリコンの製造方法及びその
装置に係り、さらに詳しくは、竪型流動層法によりシリ
コン含有ガスから多結晶シリコンを製造する方法及び装
置に関するものである。

［従来の技術］ 半導体用あるいは太陽電池用の高純度多結晶シリコンを
製造する方法として、クロロシランガスを原料として用
い、ペルジャー内でシリコン俸を通電加熱してクロロシ
ランガスを熱分解又は水素還元させ、シリコン棒上にシ
リコンを析出成長させるシーメンス法が、現在工業的に
広く利用されている′。

しかし、このシーメンス法は、固定された棒上にシリコ
ンを析出させるため操作が回分式で、反応容器に比べて
シリコン析出のための表面積が小さく、このため生産速
度を高めることかできない。

また、ペルジャー表面からの熱放散が大きいため電力消
費量が大きく、高純度多結晶シリコンの生産コストがき
わめて高くなるという問題がある。

これに対して、流動層反応器にシリコン含有ガスと水素
ガスとを供給し、流動化状態にあるシリコン粒子にシリ
コンを析出させる竪型流動層法が知られている。この方
法によれば、流動化状態にあるシリコン粒子の表面積は
きわめて大きく、また連続運転が可能であるため、多結
晶シリコンを効率よく安価に製造することができる。

一方、シリコン含有ガスから析出シリコンを得るには、
５００〜１２００℃の温度が必要であるため、竪型流動
層方式の場合、従来は流動層反応器の外部に電気加熱器
を設け、外部から熱を供給する方式が実施されていた。

しかしながら、外部加熱方式の場合、流動層反応器（以
下単に反応器という）の壁の温度が、シリコン含有ガス
の反応に必要なｌＨ度に維持される反応器内の温度より
高くなり、一方、シリコン含有ガスの熱分解又は還元反
応は温度に対して非常に敏感なため、反応器の内壁にシ
リコン析出が生じ、反応を維持すると内壁のシリコン層
厚が増大する。このような反応器内壁へのシリコン析出
は、反応器の有効容積を減少させ、伝熱速度を低下させ
るばかりでなく、遂にはシリコン粒子の安定した流動化
が困難になる。さらに反応器内壁に析出したシリコン層
は反応器の構成材料と熱膨張率か異なるため、昇温又は
冷却時に大きな熱応力が発生し、反応器が破損するおそ
れもある。

上記のように、反応器における内壁へのシリコン析出は
きわめて重要な問題であるため、従来からこれを回避す
るための提案が種々なされている。

その−例として特開昭５９−１０７９１７号公報に開示
された発明がある。この発明は、反応器の内側に多孔質
の内壁を設け、その内壁の小孔を通して反応器内に水素
ガスを流入させるようにしたものである。

この発明においては、反応器の壁の外側に加熱器が設け
られており、反応器の内側には多孔質の内壁が設けられ
ているため反応器内への熱供給か妨げられ、反応器内を
反応に必要な温度条件に維持することか困難で、その結
果反応効率が低いという問題かある。

次に、特開昭５９−４５９’１７号公報に開示された発
明がある。この発明は、反応器内を内筒と外筒とにより
二市筒とし、内筒の下部に設けた分散板により内筒内の
シリコン粒子を流動化させ、ガスの流れに伴って上昇し
たシリコン粒子を内筒と外筒とで形成する環状部を降下
させると共に、外筒の外側に設けた加熱装置により熱を
与え、シリコン粒子の内部循環により反応器内を反応温
度に保ちながらシリコン含有ガスを内筒内に供給するこ
とにより、反応器内壁へのシリコン析出を防止するよう
にしたものである。

この方法では、シリコン粒子は環状部を降下するにつれ
て加熱装置により加熱され、内筒と底阪とで形成する間
隙を経て流動層（内筒内）に流入するが、最も高温とな
ったシリコン粒子が上記間隙を通過することにより、底
板に連なる分散板の温度が”上昇する。このため流入す
るシリコン含有ガスが分散板付近で反応してシリコンか
析出し、生成したシリコンが分散板に付着成長して分散
板の目詰りを生じ、反応器の円滑な運転が不可能になる
ことがある。

さらに、特開昭６１−１８３１１３号公報に開示された
発明は、上記の三重筒方式の反応器において、分散板を
経て水素ガスを送入すると共に、内筒の下端よりやや上
方に位置するノズルよりシリコン含′ａガスを送入する
ようにしたものである。

一般に高濃度のシリコン含有ガスからのシリコン析出は
、所定の析出反応温度で気相分解を生じ易く、このため
シリコン粒子を製造する際に不適当な微粉を発生し易い
。これを避けるため通常水素ガスでシリコン含有ガスを
希釈しているか、この方法ではシリコン含有ガスは希釈
されることなく、ノズルからそのまま反応温度に維持さ
れている流動層内に送入されるため、気相分解する割合
がきわめて大きく、したがって微粉の発生量が増大し、
好ましくない。

［発明か解決しようとする課題］ 以上のように、流動層反応器による多結晶シリコンの製
造は、製造コスト上有利な点を備えているが、通常、外
部加熱方式が用いられており、反応器の壁を通して外部
からの熱伝達によって加熱しているため、反応器の内壁
温度か反応器内の流動層の温度より上昇して内壁にシリ
コンが析出し、安定した連続運転か困難になるという致
命的な問題かあった。

このような問題点を解決するため、従来から前記のよう
な各種の提案かなされているが、流動層反応方式にとっ
て別途新たな問題か発生し、いまた完全な解決にはなっ
ていない。

本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたもので、
反応器の内壁にシリコン析出が生ずるおそれのない多結
晶シリコンの製造方法及び装置を１りることを［１的と
したものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、シリコン粒子を流動層反応器の上部からこの
流動層反応器の外側に設けた導管を通して加熱しながら
移動させて流動層反応器に戻し、流動層反応器内の上昇
流で循環させてシリコン粒子の表面にシリコンを析出、
成長させるようにした多結晶シリコンの製造方法、及び 上部に種シリコンの装入口を有し、下部に分散板とこの
分散仮に開口する製品シリコンの取出管及び分散板の下
方に設けられた混合ガスの送入管を有する流動層反応器
と、この流動層反応器の上部に連結され、上部にガス排
出口をまた下部にシリコン粒子の流出口を何する固気分
散装置と、−端がこの固気分散装置の流出口に連結され
、他端か流動層反応器の分散板の上方に連結された導管
と、この導管を外部から加熱する加熱装置とを備え、流
動層反応器の外周に設けられた加熱装置とを備えた多結
晶シリコンの製造装置に関するものである。

〔作　用１ 上記のように構成した本発明によれば、混合ガスは流動
層反応器の内壁に触れることがないので内壁へのシリコ
ン折山は皆無てあり、また高温に加熱されたシリコン粒
子は分散板に接触しないため、分散板の温度が上昇して
シリコンが析出し、目詰りを生することもない。

［実施例〕 第１図は本発明に係る多結晶シリコンの製造装置の実施
例の説明図である。図において、１は流動層反応装置、
２は円筒状の反応器で、その上部には連通管３か設けら
れ、連通管３は固気分離袋（近４に接続されている。５
は一端か固気分離装置４の流出口４ａに連結され、他端
か反応器２の下部（後述の分散仮７のやや上方）に連結
された導管、６は導管５の周囲に設けられた例えば電気
加熱器の如き加熱装置である。７は反応器２の下部に設
けられ、送入される混合ガスを整流するための分散板、
８は分散仮７に開口する製品シリコンの取出管、９は分
散板７の下方に開口するガス送入管である。１０は反応
器２の上部に設けた種シリコンの装入口、１１は固気分
離装置４に設けたガス排出口である。１２は反応器２の
下部外周に設けられた補助電気加熱器であるか、本発明
に必須のものではない。

なお、上記の流動層反応装置１は、製品シリコンの用途
に応じて、高純度の石英、炭化珪素、窒化珪素、ステン
レス、インコネル、ハステロイ等の材料のうち、１種類
又はこれらの組合せによって製作されている。

次に上記のような流動層反応装置を使用した多結晶シリ
コンの製造方法について説明する。先ず、種シリコンの
装入口１０から反応器２内に所要量の高純度シリコン粒
子を装入し、また、あらかしめ準備された析出用のシリ
コン含有ガス（例えば、四塩化珪素、トリクロロンラン
、ジクロロシラン、モノクロロシラン、モノンラン等の
うち、１種以上のガス）と水素ガスとの混合ガスを、装
入管９から分散板７を経て反応器２内に送入する。この
場合、混合ガスの温度をシリコンの反応開始温度である
゛３５０℃以下、例えば３００℃程度に予熱しておくこ
とが望ましい。ついで送入口１０より種シリコンを供給
する。なお、シリコン含有ガスと水素ガスとの混合ガス
の供給量は、反応器２内のシリコン粒子が流動化するよ
うな条件に設定される。

反応器２内で流動化状態にあるシリコン粒子１３のうち
、反応器２の上部まで達したシリコン粒子１３と反応後
の混合ガスは、連通管３を経て固気分離装置４に流入す
る。そして固気分離装置４内でガスとシリコン粒子１３
とに分離され、シリコン粒子１３は固気分離装置４の下
部に集まり、混合ガスは排出口１１から系外に排出され
る。固気分離装置４の下部に沈降したシリコン粒子１３
は、流出口４ａから導管５内を移動層を形成しながら下
降し、再び反応器２内に移動し、流動する。このとき、
導管５内を通過するシリコン粒子１３は、加熱装置６に
よりシリコンの析出反応温度より高い温度まで加熱され
る。

一方、分散板７を通って反応器２内に送入された混合ガ
スは、導管５内で加熱されたシリコン粒子１３と反応器
２内（以下流動層ということがある）で接触し、熱分解
あるいは還元されてシリコン粒子１３の表面にシリコン
を析出する。この場合、シリコンの析出反応に必要な流
動層の温度条件は、導管５内で加熱されたシリコン粒子
１３の顕熱によって作られる。若し、析出反応に必要な
温度条件が、導管５内でシリコン粒子に加えられた熱の
みでは維持できないときは、反応器２の内壁にシリコン
が析出しない程度に、補助電気加熱器１２により反応器
２の外壁を加熱すればよい。

上記のようにシリコン粒子１３を循環させて粒径を増大
し、製品シリコンに適した粒径に成長したシリコン粒子
は、取出管８から系外に取出される。

そして取出された製品シリコンは別途分級され、小粒子
は分離されて種シリコンとして再び装入管ｌＯから反応
器２内に装入される。

第２図は本発明の別の実施例の要部を示すちので、導管
６の上部に下方に向けてノズル１４を設け、このノズル
１４からさらに水素ガスを送入して導管６内のシリコン
粒子の移動を一層円滑にしたものである。

上記のような本発明に係る多結晶シリコンの製造方法に
おいては、反応器２の内壁の温度をシリコン析出反応温
度より上昇させることなく、シリコン粒子１３の表面の
にのみシリコンを析出させることができる。また、導管
５内のシリコン粒子は移動層を形成しているため通気抵
抗が大きいので、反応器２内の混合ガスが導管５内に流
入することはなく、したがって導管５の加熱部でシリコ
ン析出を生じるおそれはない。なお、第２図の実施例の
ように、導管５内へ水素ガスを吹込めば、シリコン粒子
の移動を円滑にするばかりでなく、導管５内への混合ガ
スの侵入防止をさらに確実にする作用もある。

また、本発明の方法によれば、高温のシリコン粒子が導
管５から反応器２内に移動するが、反応器２を導管５と
の連結部は分散板７よりやや上方に設けられており、高
温のシリコン粒子は直接分散板７に触れることはないの
で分散板７が加熱されることはなく、分散板７へのシリ
コン析出は生じない。

さらに、反応器２自体にシリコン粒子に対して分級作用
があるため、連通管３を通して固気分離装置４には主に
小粒子が導入される。このことは、小粒子を優先的に加
熱してシリコン析出を促進することになり、結果として
製品シリコンの粒径が整い、後工程で製品シリコンを扱
う上で好ましいことになる。

次に、第１図に示した流動層反応装置を用いて本発明を
実施した具体的な例について説明する。

反応器２は石英製で、内系１２０＋ｏｎ、高さｌ　Ｏ０
０ｍｍのものを用い、加熱装置６として６ＫＷの電気加
熱器を使用し、補助電気加熱器１２は使用しなかった。

先ず送入口ｌＯから反応器２内に平均粒径６５０μｍの
高純度シリコン粒子を１２ｋｇ送入し、モノシラン５０
　ＮΩ／ｍｉｎと水素ガス８０　ＮΩ／ｍｉｎを混合し
、３００°Ｃに予熱した混合ガスを送入管９から分散仮
７を経て反応器２内に吹込み、反応器２内の平均温度か
６５０°Ｃになるように加熱装置６を：Ｊ！］整した。

この状部で装入口１０より平均粒径４００ＩＩｍ種シリ
コンを　１２０ｇ／ｈｒの割合で供給したところ、取出
口８より平均粒径１ｌ１００ＩＪの製品シリコンを３．
１Ｋｇ／ｈｒて取出すことかできた。

連続２００時間の運転を行い、運転停止後流動層反応装
置１内を点検したが、反応器２の内面及び分散板７には
シリコン析出は全くみられなかった。

また製品シリコンの粉度分布も調べたが、７００〜１５
００μｍの間にあり、均一な分布が得られた。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明は、シリコン粒
子を反応器の上部から、この反応器の外側に設けた導管
を通して加熱しながら移動させて再び反応器に戻し、反
応器内の上昇流で循環させてシリコン粒子の表面にシリ
コンを析出、成長させるようにしたものであり、さらに
これを実施するための装置に関するしのである。

したかって、反応器の内壁温度がシリコンの析出反応温
度以上に上昇することかなく、このため反応器内壁への
シリコン析出か皆無であり、長時間の連続運転か可能と
なった。また、導管内で加熱された直後の高温のシリコ
ン粒子は分散板に直接触れないので、分散板の温度か上
昇せず、したかって分散板へのシリコン析出もなく、シ
リコン含有ガスと水素ガスとの混合ガスの通過を妨げる
おそれもない。

さらに反応器は分級作用を有するため、これを利用して
小径のシリコン粒子を優先的に成長させることが可能で
あり、製品シリコンの粒度の均一化をはかることができ
る。

これらのことから、本発明によれば安定して多結晶シリ
コンを製造することができ、従来の方法及び装置に比べ
て生産性の向上、所要の熱量の低減かはかれる等、実施
による効果大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の説明図、第２図は他の実施例の
要部説明図である。 １　流動層反応装置、２１反応器、３．連通管、４　固
気分離装置、５．導管、６：加熱装置、７　分散板、８
、製品シリコンの取出管、９：混合ガスの送入管、１０
：種シリコンの装入口、１１：ガス排出口、１２．補助
電気加熱器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）流動層反応器にシリコン含有ガスと水素ガスとの
   混合ガスを供給して前記流動層反応器内のシリコン粒子
   を流動化し、粒状の多結晶シリコンを連続的に製造する
   方法において、 前記シリコン粒子を流動層反応器の上部から該流動層反
   応器の外側に設けた導管を通して加熱しながら移動させ
   て前記流動層反応器に戻し、該流動層反応器内の上昇流
   で循環させて前記シリコン粒子の表面にシリコンを析出
   、成長させることを特徴とする多結晶シリコンの製造方
   法。
2. （２）流動層反応器にシリコン含有ガスと水素ガスとの
   混合ガスを供給して前記流動層反応器内のシリコン粒子
   を流動化し、粒状の多結晶シリコンを連続的に製造する
   装置において、 上部に種シリコンの装入口を有し、下部に分散板と該分
   散板に開口する製品シリコンの取出管及び前記分散板の
   下方に設けられた前記混合ガスの送入管を有する流動層
   反応器と、該流動層反応器の上部に連結され、上部にガ
   ス排出口をまた下部にシリコン粒子の流出口を有する固
   気分離装置と、 一端が該固気分離装置の流出口に連結され、他端が前記
   流動層反応器の分散板の上方に連結された導管と、 該導管を外部から加熱する加熱装置とを備えたことを特
   徴とする多結晶シリコンの製造装置。