JPH0230611A - 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そ
の装置に関するものである。

［従来の技術］ 半導体用或いは太陽電池用の高純度多結晶シリコンを製
造する方法としては、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シーメンス法が、現在工業的
に広く採用されている。

しかしながら、このシーメンス法による多結晶シリコン
の製造方法は、固定されたシリコン棒上にシリコンを析
出させるための操作が回分式で、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極め
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
面積は極めて大きく、また連続運転が可能であるため、
多結晶シリコンを効率良く安価に製造することが出来る
。

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法が実施されていた
。

しかしながら、この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
り高くなる。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、反応を継続すると、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
、つい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、反応器が破損する恐れもある。

上記のように、反応器における内壁へのシリコン析出は
、極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されている。

その１例として特開昭５９−１０７９１７号公報には、
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、多結晶シリコ
ンを製造する装置が開示されている。

この多結晶シリコン製造装置においては、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に、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号公報には、多結晶シリコ
ンの連続的製法が開示されている。

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
隙を経て内筒内の流動層に流入するが、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板の
目詰まりを生じ、反応器の円滑な運転が不可能となるこ
とがある。

さらに特開昭６１−１８３１１３号公報には、多結晶シ
リコンの製造方法及びその装置が開示されている。

この発明は、上記の二重両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品く、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
希釈しているが、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
割合が極めて大きく、従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、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。

この様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、未だ完全な解決に至ってはい
ない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもの
で、反応器の内壁にシリコン析出が生ずる恐れのない多
結晶シリコンの製造方法及び装置を提供することを目的
としたものである。

［課題を解決するための手段］ 即ち、本発明は、円筒状の流動層反応器に、シリコン含
有ガスと水素ガスとの温容ガスを供給して、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、 前記反応器内部に、内筒を設けて二重筒とし、反応器の
底板に前記内筒より小径のリングを設け、該リングの内
側に分散板を配置し、かつ底板上で該リングと内筒間に
環状に、粒子駆動用ガスノズルを設け、シリコン含有ガ
スと水素ガスとの混合ガスを前記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、前記二重筒の環状部
を下降させながら、熱供給装置により前記シリコン粒子
を外部から加熱し、底板に環状に配置された、駆動ガス
ノズルより送られるガスによって、円筒内を移動させ、
加熱されたシリコン粒子を流動させ、該シリコン粒子の
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、これを熱分解又は還元反応させ
て、該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である
。

更に、円筒状の流動層反応器に、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、（ａ）流動層反応器内部に
、同心円状に内筒を設け、該内筒と内壁との間に環状部
を形成し、該内筒と底板との間に間隙を設け、通路を形
成し、（ｂ）前記内筒の内側に同心円状にリングを、内
筒の下端部より高く突出して設け、 （ｃ）前記リング内に原料ガスを整流する分散板を設け
、 （ｄ）前記内筒とリング間に駆動ガスノズルを該すング
周囲に環状に設け、 以上（ａ）〜（ｄ）からなる流動層反応器と該反応器上
部にシリコン装入口とガス排出口を備え、該反応器下部
に原料ガス送入管及び駆動ガス送入管と製品取出し管を
設けたことを特徴とする多結晶シリコンの製造装置であ
る。

［作用］ 以上のように構成された本発明によれば、流動層に接す
る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析出
は皆無であり、また環状部で加熱された高温のシリコン
粒子は分散板に接触しているため、分散板の温度が上昇
してシリコンが析出し、目詰まりを生ずることはない。

さらに、内筒とリング間に環状に配置されたノズルより
ガスを送入することにより、環状部を降下したシリコン
粒子を円滑に流動層内に送ることが出来、またノズルか
らのガス量を適宜調整することにより、加熱された循環
シリコン粒子量を変化させ、流動層内温度を制御出来る
ものである。

次に本発明の実施例について述べる。

［実施例コ 第１図は本発明に係る多結晶シリコンの製造装置の一実
施例の説明図、第２図は同じく製造装置の下部詳細説明
図である。

第１図及び第２図において、 １は流動層反応装置、２は反応器、３は底板。

４は内筒、５は通路、６はリング、７は原料ガス分散板
、８は駆動ガスノズル、９は製品シリコンの取出し管、
１０は原料ガス送入管、１１は駆動ガス送入管、１２は
種シリコンの装入口、１３はガス排出口、１４は環状部
、１５は外部加熱器である。

まず第１図に基づき説明する。

流動層反応装置１の円筒状の流動層反応器（以下単に反
応器という）２の内部には、これと同心円状に内筒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
間隙が設けられ、通路５が形成されている。

内筒４の内側に同心円状に、内筒４より小径のリング６
が、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が配設され
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ｇ　（間隙）より大、即ち　ｂ
＞、Ｑであることが望ましい。

駆動ガスノズル８は、内筒４とリング６の間に設けられ
、シリコン粒子の駆動に際し用いられるもので、リング
６の周囲に環状に設置されている。

製品シリコンの取出し管９及び原料ガス送入管１０は、
夫々分散板７の下方に開口している。

また１］は駆動ガス送入管、１２は種シリコンの装入口
、１３はガス排出口である。１５は加熱装置例えば電気
加熱器の如き装置である。

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、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
組合わせによって製作されている。

次に、第１図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。

まず種シリコンの装入口１２から、反応器２内に所定量
の高純度シリコンを装入し、また予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、原料ガス送入管１０から、分散板７を経て、内筒
４内に送入する。

この場合、混合ガスの温度をシリコン反応開始温度、例
えばモノシランガスの場゛合、３５０℃以下程度に予熱
しておくことが望ましい。

なお、混合ガスの供給量は、内筒４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１３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１４を、移動層を形成して下降し、下降
の過程で加熱装置１５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を通り、駆動ガスノズル８より送入される
ガス、例えば水素ガス或いはアルゴンガスによって上方
に運ばれ、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が障害になり上方
に移動し、分散板７の直上に来ることはない。

環状部１４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然で、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
起こして、シリコン粒子の表面に新しいシリコンを析出
し、成長を促す。

この間、種シリコンの装入口１２から例えば粒径５０〜
５００四の種シリコンの粒子が供給され、前記の作用に
より１０００〜２００〇−程度に成長した製品シリコン
が、取出し口９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種シリコンの装入口１２
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１４において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１４に
侵入する恐れはない。

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るため、混合ガスの環状部１４への
侵入を完全に防止することが出来る。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１４で加熱されて高
温と成ったシリコン粒子は、駆動ガスノズル８より流入
するガスにより、上方の流動層へと円滑に移動し、リン
グ６が障害となって分散板上に直接流れず、激しく攪拌
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に触
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。

また本発明では、環状部１４で加熱されたシリコン粒子
の循環量を、駆動ガスノズル８より送るガス量によって
、分散板７より流入する混合ガスとは独立して調整出来
、この作用により流動層内の温度を、駆動ガス送入管よ
り送る駆動ガス量によって制御出来る。

一般に、シリコン含有ガスの分解速度は温度に敏感であ
り、所定の温度以上の条件では気相分解が活発になり、
製品に不適な微粉が急増する。

この流動層形式においても適正な反応温度（例えばモノ
シランを用いた場合は６００〜７００℃）に、装置内を
維持することは非常に重要であるが、本発明による駆動
ガスノズルからのガス量を調整することにより、温度制
御は容易になる。

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

内径１５０＋ａｍ、高さ１４００　ｍ＋＊の石英製の反
応器２を使用し、その中に、内径１００ｍ＋ｓ、高さ１
１００ｍｍ、厚さ５ｍ１ｍの石英製の内筒４を反応器の
内壁と同心円状に配置し、内筒４の下端部と底部３との
距離を３５ｍｍとした。

また石英製の内径５０關、厚さ５■のリング６を、底板
３から６０１１Ｉｍの高さとし、内側の分散板７を底板
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
−６０ｍｍ、（１−３５ｍｒｓである。

ノズル径は５φの駆動ガスノズル８を、リング６と内筒
４の間に、環状に等間隔に１０個所設けた。

次いで、反応器２内に平均粒度６５０１Ｊｆｆｉの高純
度シリコンを１０ｋｇ装入し、シリコン含有ガスとして
、モノシラン４ＯＮＮ／ａ＋Ｉｎと水素ガス６０Ｎ、Ｑ
／ｗｉｎを、予め混合して約３００”Ｃに予熱し、送入
管１０から、分散板７を介して、内筒４内に吹込むと共
に、加熱装置１５に通電し、かつ駆動ガス送入管１０よ
り、駆動ガスノズル８を通して、水素ガスを送り、内筒
４内の平均温度が６５０℃になるように、加熱装置の発
熱量および駆動ガスの水素ガス量を調整した。

そして装入口１２より、平均粒径２００Ｉ！１ｍの種シ
リコンを１００ｇ／ｈｒで供給したところ、取出口９よ
り平均粒径１０００ｎの製品シリコンを、２−　７ｋｇ
／ｈｒで取出すことが出来た。

以上の装置を連続２００時間運転を行い、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、シリコンの析出は全く見られなかっ
た。

以上述べたように、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、か
つ底板上で該リングと内筒間に、環状に、粒子駆動用ガ
スノズルを設けたちので、シリコン含有ガスと水素ガス
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、底板に環状に配置された、駆動ガスノズルよ
り送られるガスによって、円筒内に円滑に移動させ、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。

従って、分散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まり
を生ずることはない。

さらに駆動ガスノズルより、吹込まれるガスによって、
環状部を降下したシリコン粒子は、円滑に流動層内に移
動し、その駆動ガス量を調節することにより、加熱され
たシリコン粒子の循環量を制御出来、流動層内の温度を
、シリコン析出に適した反応温度に、容易に制御可能で
ある。

［発明の効果］ 以上のように、本発明の多結晶シリコンの製造方法及び
装置によれば、安定して多結晶シリコンを製造出来、従
来の方法及び装置に比べて、生産性の向上、所要熱量の
低減が図れる等、その効果は甚だ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の説明図、第２図は同じく製
造装置の下部詳細説明図である。 図において、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：原料ガス分散板、８：駆動ガスノズル、９：製品シ
リコンの取出し管、１０：原料ガス送入管、１１：駆動
ガス送入管、１２：種シリコンの装入口、１３：ガス排
出口、１４：環状部、１５：外部加熱器。 尚各図中間−符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）円筒状の流動層反応器に、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、前記反応器内部に、内筒を
   設けて二重筒とし、反応器の底板に前記内筒より小径の
   リングを設け、該リングの内側に分散板を配置し、かつ
   底板上で該リングと内筒間に環状に、粒子駆動用ガスノ
   ズルを設け、シリコン含有ガスと水素ガスとの混合ガス
   を前記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、前記二重筒の環状部を下降させながら、熱供給
   装置により前記シリコン粒子を外部から加熱し、底板に
   環状に配置された、駆動ガスノズルより送られるガスに
   よって、円筒内を移動させ、加熱されたシリコン粒子を
   流動させ、該シリコン粒子の顕熱で、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、こ
   れを熱分解又は還元反応させて、該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）円筒状の流動層反応器に、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、（ａ）流動層反応器内部に
   、同心円状に内筒を設け、該内筒と内壁との間に環状部
   を形成し、該内筒と底板との間に間隙を設け、通路を形
   成し、（ｂ）前記内筒の内側に同心円状にリングを、内
   筒の下端部より高く突出して設け、 （ｃ）前記リング内に原料ガスを整流する分散板を設け
   、 （ｄ）前記内筒とリング間に駆動ガスノズルを該リング
   周囲に環状に設け、 以上（ａ）〜（ｄ）からなる流動層反応器と該反応器上
   部にシリコン装入口とガス排出口を備え、該反応器下部
   に原料ガス送入管及び駆動ガス送入管と製品取出し管を
   設けたことを特徴とする多結晶シリコンの製造装置。