JPH01239014A - 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］ 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棒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ジ゛−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
度を高めることができない。

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
の反応に必要な温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が異なるため、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が妨げられ、反応器内を
反応に必要な温度条件に維持することが困難で、その結
果反応効率が低いという問題がある。

次に、特開昭５９−４５９１７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
重筒とし、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、内筒と底板とで形成する間
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が析
出し、生成したシリコンが分散板に付着成長して分散数
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ｆｌｉｔ−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有ガスを送入す
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Ｈガスを
希釈しているか、この方法ではシリコン含ａ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。

［発明が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
温度が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、安定した連続運転が困難になるという致
命的な問題があった。

このような問題点を解決するため、従来から前記のよう
な各種の提案がなされているが、流動層反応方式にとっ
て別途新たな問題が発生し、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得ることを目的とした
ものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、流動化したシリコン粒子を内筒を設けて二重
筒とした流動層反応器の上方からこの流動層反応器の内
壁と内筒の間を加熱しながら下降させ、内筒と底板との
間を通過して内筒内に移動したシリコン粒子を上方に流
動させて循環させ、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。

及び底板との間に通路を介して配設された内筒と、この
内筒と同心的に底板に設けられた内筒より小径のリング
と、このリング内に設けられた分散仮とからなる流動層
反応器と、分散仮に開口する製品シリコンの取出管及び
分散板を介して内筒内に混合ガスを送入する送入管と、
流動層反応器の上部に設けられた種シリコンの装入口及
びガス排出口と、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］ 上記のように構成した本発明によれば、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がない
ので、反応器内壁へのシリコンの析出は皆無であり、ま
た導管内で加熱された高温のシリコン粒子は分散仮に接
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、目詰りを生ずることもない。

［発明の実施例］ 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は円筒状の流動層反応器（以下単に反応器という）で
、内部にはこれと同心的に内筒４が設けられており、内
筒４と反応器２の底板３との間には間隙か設けられ、通
路５が形成されている。６は内筒４より小径のリングて
、底板３から内筒４内に突出しており、リング６の内側
には後述の混合ガスを整流する分散板７か配設されてい
る。このリング６の高さｈは、第２図に示すように内筒
４の下端部と底板３間の距離Ωより大、即ちｈ〉Ωであ
ることが望ましい。８は分散仮７に開口する製品シリコ
ンの取出管、９は分散仮７の下方に開口する混合ガスの
送入管、ＩＯは反応器２の上部に設けた種シリコンの装
入口、１１はガス排出口である。１２は反応器２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。

なお、上記の流動層反応器２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、装入口ＩＯ
から反応器２内に所要量の高純度シリコンを装入し、ま
た、あらかじ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、トリクロロシラン、ジクロロシラ
ン、モノクロロシラン、モノシラン等のうち、１種類以
上のガス）と水素ガスとの混合ガスを、送入管９から分
散板７を経て内筒４内へ送入する。この場合、混合ガス
の温、度をシリコン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。

なお、混合ガスの供給量は、内筒２内のシリコン粒子が
流動化して循環するような条件に設定される。

内筒４内（以下流動層ということがある）で流動化状態
にあるシリコン粒子はガスと共に内筒４内を上昇し、ガ
スは排出口１１から系外へ排出される。一方シリコン粒
子は反応器２の内壁と内筒４との間に形成された環状部
１３を移動層を形成して下降し、下降の過程で加熱装置
１２により加熱される。そして、加熱されたシリコン粒
子は、底板３と内筒４との間の通路５及び内筒４とリン
グ６とで形成する堆積部１４を通り、内筒４内に戻され
て循環する。このとき、高温になったシリコン粒子は、
リング６が障害になって上方に移動し、分散板７の直上
に来ることはない。

環状部１３で反応温度以上に加熱されたシリコン粒子は
内筒４内を流動して流動層を形成し、その温度が反応温
度まで低下する際に放出される顕熱で流動層に熱が供給
される。また、分散板７を通った混合ガスは、シリコン
の析出反応温度、即ち５００−１２００℃間の適当な温
度に維持されるシリコン粒子と接触し、還元反応又は熱
分解反応を起してシリコン粒子の表面に新らしいシリコ
ンを析出し、成長を促す。

この間、装入口１０から例えば粒径５０〜５００１１ｍ
の種シリコンの粒子が供給され、前記の作用により１０
００〜２０００−程度に成長した製品シリコンが、取出
口８から系外に取出される。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
び装入口１０から反応器２内に装入される。

上記のような本発明においては、シリコン粒子は環状部
１３及び堆積部１４で移動層を形成するため、内筒４内
よりガスに対する通気抵抗が大きく、混合ガスが環状部
１３や堆積部１４に侵入するおそれはない。また、分散
板７より送入された混合ガスは、リング６によって上方
に整流され、かつリング６は環状部１３から流動層へ流
入するシリコン粒子の堰となるため、堆積部１４でシリ
コン粒子の堆積層が作られ、混合ガスの環状部１３への
侵入を完全に防止することができる。このため、本発明
においては、熱を供給する反応器２の外壁内面に混合ガ
スが触れることがないので、壁面へのシリコン析出は全
くない。

さらに、本発明においては、環状部１３で加熱されて高
温となったシリコン粒子は、リング６が障害となって分
散板上に直接流れず、激しく撹拌されている流動層へと
流れてその顕熱を直ちに流動層へ与える。このため分散
板７は、混合ガスの反応温度（例えばシリコン含有ガス
としてモノシランを用いた場合は、６００〜８００℃）
以上に加熱されたシリコン粒子に直接触れることがない
ので、混合ガスが分散板７の付近で分解してシリコンが
分散板７に析出し、目詰りを生ずることはない。

また、シリコン粒子は球状で流動性に富み、環状部１３
及び堆積部１４における動きは円滑で閉塞するおそれは
なく、さらに堆積部１４に堆積したシリコン粒子は、流
動層の激しい撹拌作用で流動層にまき込まれ、流動層内
に円滑に流入する。

なお、本発明においては、反応器２の外部から熱が加え
られるが、環状部１３で熱が吸収され、内筒４の温度が
シリコンの析出反応温度以上に上昇することはない。

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

反応器２は石英製で、内径１５０ｍｍ、高さ１４００　
ｍｍのものを使用し、内筒４は石英製で、内径１００ｍ
ｍ。

高さ１１００ｍｍ、厚さ５　ｍｍとし、内筒４の下端部
と底板３との距離を３５ｍｍとした。また、リング６は
石英製で、底板３からの高さ６０ｍｍ、内径５０ｍ＋＊
、厚さ５　ｍｍとし、内側の分散板７は底板３と同じレ
ベルに設けた。なお、リング６の寸法を第２図によって
説明すれば、ｈ＝８０ｍＩｌｓΩ−３５ｍｍである。

ついで、反応器２内に平均粒度Ｇ　５０　ｌＪｍの高純
度シリコンを１０ｋｇ装入し、シリコン含有ガスとじて
モノシラン　４ＯＮΩ／　ｍ　ｊｎと水素ガス　５５Ｎ
Ω／ｍｉｎとを′　予め混合して約３００℃に予熱し、
送入管９から分散板７を介して内筒４内に吹込むと共に
、内筒内の平均温度が６５０°Ｃになるように加熱装置
１２を調整した。そして、装入口ＩＯより平均粒径２０
０μｍの種シリコンを１００　ｇ／　ｈ　ｒで供給して
操業したところ、取出口８より平均粒径１０５０μｍの
製品シリコンを２．８ｋｇ／ｈｒで取出すことができた
。

連続２００時間の運転を行い、運転停止後装置内を点検
したが、反応器２の内壁、内筒４の内外壁及び分散板７
にはシリコン析出は全くみられなかった。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明は、反応器の内
部に内筒を設けて二重筒とし、反応器の底板に内筒より
小径のリングを設けてこのリングの内側に分散板を配置
したもので、シリコン含何ガスと水素ガスとの混合ガス
を分散板を介して内筒内に流入させ、内筒内のシリコン
粒子を流動化させてガスと共に上昇したシリコン粒子を
、二重筒の環状部を下降させながら熱供給装置により外
部から加熱し、加熱されたシリコン粒子を流動させてそ
の顕熱で流動層に熱を供給すると共に、流入したシリコ
ン含有ガスと接触させてこれを熱分解反応又は還元反応
させて製品シリコンを得るようにしたものである。

したがって、分解板より流入した混合ガスは、リングの
遮蔽効果とシリコン粒子の移動層によってシリコンの析
出反応温度より高温の反応器外壁の内面には全く接触せ
ず、反応器内壁にシリコンが析出することはない。また
環状部でシリコンの析出反応温度以上に加熱されたシリ
コン粒子は、リングに阻止されて分散板に触れることが
ないので、分散板にシリコンが析出して目詰りを生ずる
こともない。

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、所要熱量の低減がはかれる等、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図はその要部の説
明図である。 １：流動層反応装置、２：反応器、３：底板、４：内筒
、５　通路、６：リング、７：分散板、８・製品シリコ
ンの取出管、９：混合ガスの送入管、１０１種シリコン
の装入口、１１：ガス排出口、１２・加熱装置、１３・
環状部、１４：堆積部。

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、 前記流動化したシリコン粒子を内筒を設けて二重筒とし
   た流動層反応器の上方から該流動層反応器の内壁と前記
   内筒の間を加熱しながら下降させ、前記内筒と底板との
   間を通過して内筒内に移動したシリコン粒子を上方に流
   動させて循環させ、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、 底板との間に通路を介して配設された内筒と、該内筒と
   同心的に前記底板に設けられた内筒より小径のリングと
   、該リング内に設けられた分散板からなる流動層反応器
   と、 前記分散板に開口する製品シリコンの取出管及び前記分
   散板を介して前記内筒内に混合ガスを送入する送入管と
   、 前記流動層反応器の上部に設けられた種シリコンの装入
   口及びガス排出口と、 前記流動反応器の外周に設けられた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。