JPS6077115A - 高純度シリコンの製造方法およびその装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、シラン、クロロシランを熱分解あるいは水素
還元して、高純度多結晶シリコンを製造する方法および
その装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

半導体用あるいは太陽電池用高純度多結晶シリコンを製
造するに際して、現在、取扱いおよび精製の容易性の点
からクロロ７ランまたは（モノ）シランを原料とし、こ
れを熱分解もしくは水素還元させる方法が用いられてい
る。

従来から、この反応にはいわゆるシーメンス法またはデ
ュポン法が行なわれているが、純度の点からシーメンス
法が主流となりでいる。

シーメンス法に従う一般的な製造装置例は第１図に示す
通シである。ｌは水冷金属ベースで、これと石英ペルジ
ャー２とによシ反応器が構成されている。反応器の中央
部には逆Ｖ字状シリコン電極３が配され、黒鉛製電極保
持部材４を介してペース１に対して取付けられている。

シリコン電極３には、電源５からの電流が電極保持部材
４を介して流れされるようになっておシ、シリコン電極
３を抵抗加熱発熱体としである。さらにシリコン電極３
内に臨んで、ガス導入ロアおよびその外部に同心的にガ
ス排出口８が設けられている。

ここで、反応器の壁材としては、製品の不純物の混入を
防止し、炉壁へのシリコン析出を防止するために、石英
やステンレス鋼が用いられ、かっこの炉壁は空気または
水にょシ冷却され炉壁温度が低温度に維持される。その
結果、電極３に与えた熱が炉壁１および２から大量に放
散してしまい、電力原単位の増大を招く。

このような難点を解消し、生産量の増大を企図して、先
行技術１として、特開昭５７−１３５７０８号公報に、
流動層法を用いる方法が、先行技術２として、特開昭５
２−１５１６１７号公報に、反応界面へのシラン、ハロ
ゲン化シランの供給量を増大する方法が提案されている
。

しかし、これら先行技術１，２では基本的に炉壁からの
熱放散量の減少は期待できず、また、先行技術１におい
ては、炉壁にシリコンが析出し反応容積を小さくシ、定
期的なりリーニングを要する等の問題がある。他方、先
行技術２においては、発熱部と水冷炉壁が相対している
ため、発熱体から炉壁へ輻射による熱移動があシ、熱放
散量が大きい欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明は、前記先行技術のいずれもが、熱放散量が大き
く、もって電力原単位の増大をもたらしていた点を一挙
に解決し、熱放散量が大巾に少なく、しかも水素または
不活性がスの予熱が可能なシリコンの製造方法およびそ
の装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

この目的を達成するだめの本発明法は、反応器内部に発
熱部を設け、シラン、クロロシランを熱分解あるいは水
素還元してシリコンを製造する方法において、反応器の
外壁の内側に間隙をもって内壁を設け、前記外壁と内壁
との間に粒状物を充填した断熱層としての充填層を構成
することを特徴とし、更にこの充填層に水素または不活
性ガスを通してこれを予熱し、この予熱したガスを前記
反応器の内壁内に送入することを特徴とするものである
。

また、本発明装置は、反応器内部に発熱部を設け、シラ
ン、クロロシランを熱分解あるいは水素還元してシリコ
ンを製造する装置において、反応器の外壁の内側に間隙
をもって内壁を設け、前記外壁と内壁との間に粒状物を
充填した充填層を構成し、この充填層を断熱層としたこ
とを特徴とするものである。

〔発明の具体例〕

以下本発明を図面に示す具体例によって説明する。

第２図は第１具体例を示したもので、本発明に従って２
重壁構造とされている。すなわち水冷金属ベース１とた
とえば石英製の蓋体１０との間に、石英ペルジャーから
なる外壁１１が設けられ、またこの外壁１１と間隙を置
いて逆向の有底筒状の内壁１２がベース１上に立設され
ている。この内壁１２の素材としては、もしシリコンの
析出があったとき製品として回収できるように、シリコ
ン、黒鉛、石英または炭化ケイ素等で形成するのが望ま
しい。特に好ましいのはシリコンである。

一方、外壁１１と内壁１２との間には、１〜１０陥、好
ましくは３〜５−の粒子の充填層１３が充填される。粒
子としては、不純物混入防止の点から黒鉛、石英、炭化
ケイ素、特にシリコンが好ましい。

この充填層１３は断熱層として機能させるとともに、加
温されるのでその熱を有効利用するだめに、充填層１３
へたとえば下部から水素または不活性ガスがその導入管
１４を介して送入され、これを予熱して、上部から排出
管１５を通して導出し、これをガス導入ロアから吹込む
ことができる。

このように、反応器の壁面を２重構造とすると、従来の
ある程度の断熱性を示す石英ベルツヤ−２に比して、２
重壁の空隙が断熱効果を発揮するとともに、さらにその
空隙に充填した充填層１３も断熱効果を発揮する。充填
層１３を構成するに、シリコンを用いたとしても、シリ
コン自体は熱伝導が大であるけれども、粒子として充填
されているので、全体としての熱伝導はかなシ小さいも
のとなシ、結局従来例と比較して大きな断熱効果を示す
。

また断熱効果の増大のためには、充填層１３へ水素また
は不活性ガスを流すのが望ましく、特に水素ガスを送入
し予熱を行えば、通常約３００℃程度の不純物の混入し
ない水素ガスが得られ、還元用水素ガスとして有効に利
用できる。

一方、内壁１２としては、密閉壁とする必要は必らずし
もなく、第４図のように好ましくは８〜１０簡φのシリ
コン製の棒１２′、板、管等を充填粒子を保持できる適
当なピッチで配設してもよい。

この場合、ピッチ間隙を通して充填粒子にシリコンの析
出が生じることがある。もし生じるようであれば、回収
する上で、充填粒子としてシリコンが最適である。

第３図は流動層方式の第２具体例である。

すなわち、水素供給箱２０を仕切る整流板２１上に、シ
リコン粒または石英粒からなる流動化しない充填層２２
が設けられ、その上部がシリコン粒の流動層２３となっ
ている。寸だ流動層２３内には、上部からシリコン電極
２４が挿入され、黒鉛電極保持部材４を介して電源５に
連っている。

２５はシラン、クロロシラン導入口で、水素また設けら
れている。

かかる構造のものが望ましいのは次の理由による。

一般に、この種の流動層反応器による場合、炉壁および
ガス吹込ロヘシリコンが析出し、反応器内が狭隘化した
り、吹込ノズルの閉塞を招く問題点がある。その結果、
クリーニングを度々行なわなければならず生産能率が低
くなり、また純度の低下を招く。

そこで、シランまたはクロロシランガスと水素とを分離
吹込みする方法が試みられているが、十分な改善効果が
得られない。またシリコン析出防止のために、炉壁温度
およびガス吹込口温度を７００℃以下にする方法もある
が、７００℃以下ではＳ　ＩＨＣＬ５の還元・分解反応
が生じ離層。さらに炉壁部のガス中のシラン、クロロシ
ラン濃度を低くする方法もあるが、シリコン析出量の減
少を招くＯ シリコン粒の流動化には、供給ガスの吹込エネルギーに
よって行なうが、この場合、均一な流動化のために整流
板を介してガス吹込みを行なうことが望ましい。この場
合、整流板上１０〜２０闘以下では、その温度がそれ以
上の流動層の温度よシ低いものであると従来からされて
きた。しかし、本発明者によって、実際には高温の流動
粒子が流動に伴って整流板に衝突し、整流板を直接的に
加熱し、整流板の吹込口においてシリコンの析出を生じ
させることが見出された。この問題点の解決策としては
、整流板上に粒子の充填層を設け、その上にシリコンの
流動層を構成することが望ましいことが判った６粒子の
充填層は、流動化がスの整流効果を生じ、流動層内の流
動粒子が直接整流板に接触することを防止し、整流板を
低温化する効果をもたらす。充填層を構成する粒子とし
ては、不純物の混入防止、あるいは操業上の変化に伴っ
て万一シリコン析出が生じた場合でも製品として回収で
きることのために、シリコン粒子が望ましい。その粒径
は、流動層を構成する粒子が０．５〜０、８　ｍｎなの
で、５〜１０ｍ程度とするのが好ましい。

他方、流動化兼用の原料ガスを反応器内に送入する場合
、シランガスもしくはクロロシランガスと水素ガスもし
くは不活性ガスとを予め混合したものを送入することも
できるが、これらを分離して吹込む方がシリコンの析出
防止からもならびに次の理由からも望ましい。すなわち
、電力原単位の低減のためには、供給するガスを予熱す
ることが有効であるが、シランガスもしくはクロロシラ
ンガスは５００〜７００℃以上でシリコンを析出するの
で、これらの単独ガスあるいは水素ガスもしくは水活性
ガスとの混合ガスを予熱すると、吹込用配管あるいは吹
込口にシリコンを析出させてしまう。そこで、水素がス
もしくは不活性ガスを予熱し、シランガスもしくはクロ
ロシランガスは予熱しないあるいは予熱するとしても５
００℃未満とするとともに、これらを分離吹込みするこ
とが、シリコンの析出を防止しつつ電力原単位の低減を
図る上で有効であるからである。また従来の流動層方式
では予熱は困難とされていたが、上記方法を採用するこ
とによシ、ガス導入部およびシリコン充填層での析出が
実際化じないことが明らかとなった。しかし、水素ガス
もしくは不活性ガスを８００℃以上に予熱すると、その
送入量にもよるが、局部的にシリコンの析出が生じるの
で避けるべきである。

ところで従来の流動層は、前記特開昭５７−１３５７０
８号公報記載のように、反応器外部に加熱装置を設ける
外部加熱式であったが、このために炉壁温度が炉内温度
よシ５０〜１００Ｔ：程度高く、炉内よシ炉壁の方が析
出が促進される。そこで、本発明では、外部加熱方式に
代えて、内部加熱方式とし、炉壁よシ炉内温度を高くす
ることによシ、炉壁へのシリコン析出を防止せんとする
ものである。

上記のように本発明では内部加熱方式を採る。

この場合、不純物の混入防止および炉壁へのシリコン析
出の問題を回避するために、シリコンを用いて加熱する
のが望ましい。そして反応器内の温度制御は高純度製品
を得るに当って重要な要素であるので、その制御性の点
で、シリコン電極を流動層内に設けて、抵抗加熱または
誘電加熱を行なう方法が好ましい。

シリコン電極としては、棒状まだは板状等の適宜のもの
を使用できる。その数および配設態様は、所望の器内の
温度分布に応じて適宜決定される。

ただし、電極を炉壁に近づけた場合、炉壁温度自体は冷
却によって低くすることはできるけれども、シリコン粒
の流動化のためにがス気泡が生じ、輻射伝熱によシ局部
加熱が起）、結局炉壁へのシリコン析出を防止できない
。これに対して、炉壁と電極との距離を３０５ｗ以上離
以上中れば、不均一加熱を防止できる。

一方、炉壁保護のために１炉壁部ヘシラン、クロロシラ
ンの供給を行なわないようにすると好適であるが、従来
の外部加熱方式では、炉壁からの伝熱を確保するため良
好な流動状態を確保するため、多量の不活性ガス、水素
がスを流す必要がある。これに対して、本発明の内部加
熱方式ではシラン等の供給が不要であシ炉壁保護の上で
効果的である。また、炉壁に近い電極の壁側のシリコン
析出成長を防止することは、電極へのシリコンの析出に
伴なう電極と炉壁間隔の減少によシ、炉壁の温度向上あ
るいは炉壁へのシリコン析出防止のために望ましいけれ
ども、このことは、内部加熱方式の下に、炉壁部へシラ
ン、クロロシランを供給しない方法によれば、容易に達
成できる。

また、内部加熱用電極を設ける場合、その電極をシリコ
ン粒子充填層に近づけると、電極から与えられる熱が流
動層粒子を介して熱伝導し、充填層粒子あるいはガス吹
込口にシリコンの析出を生じるので、電極はシリコン粒
子充填層上から３０目以上離すのが好ましい。

〔実施例〕

次に実施例を示す。

（実施例１） 従来のシーメンス炉を改造し、シリコン管で作成した内
筒をペルジャニ内に設置（第２図）し、Ｈ２／’Ｊ　１
）ｉＣ４５を６７１で投入し、５ｉＨＣｔ３を１６ＯＮ
７７Ｍｉ　ｎで投入した。１時間の析出量は従来のシー
メンス決算法いずれも大体３０．９であった。

シリコン内壁と外壁間に３箇〜５ｆｉの石英粒よシなる
充填層を３０５ｍの厚さで形成した。本方式の電力原単
位は、従来法の１７３と々った。

本実施例では、シリコン管を使用した場合、炉壁部に流
したＨ２は、純粋なもので、これを還元用水素として使
用する場合、予熱ができ（排出ガスは３００℃であった
）、この場合更に電力原単位が低減できた。

第４図に示すように８〜１０鱈のシリコン棒を並べ隔壁
を形成した場合も結果は同様であった。

（実施例２） 第１表に示す仕様の設備（第３図）を用い試験を行なっ
た。従来例に比し拳法は、炉壁によるシリコン析出によ
シ連続操業可能な時間は短かくなる可能性が見られたが
、少くとも１００時間の連続操業では何等問題は々かっ
た。本発明では従来法の１／２以下の電力原単位が達成
できる見通しを得た。

〔発明の効果〕

以上の通シ、本発明は、反応器の壁構造として２重壁構
造とし、かつそれらの間に充填層を構成するものである
ため、断熱効果の大巾な向上を達成でき、電力源単位の
低減が可能となる。さらに、特に本発明によれば反応器
内への吹込みガスの予熱を行うことによシ、一層の電力
原単位の低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の概略縦断面図、第２図は本発明に係
る第１具体例の縦断面図、第３図は第２具体例の縦断面
図、第４図は態様を異にする内壁例の横断面図である。 ３・・・シリコン電極、５・・・電源、１１・・・外壁
、１２　、１２’・・・内壁、１３・・・充填層、２２
・・・充填層、２３・・・流動層、２４・・・電極 第１図 第２図 第３図 第４図 第１頁の続き ０発　明　者　南　良　平　尼崎市西長洲オ央技術研究
所に

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応器内部に発熱部を設け、シラン、クロロシラ
   ンを熱分解あるいは水素還元してシリコンを製造する装
   置において、反応器の外壁の内側に間隙をもって内壁を
   設け、前記外壁と内壁との間に粒状物を充填した充填層
   を構成し、この充填層を断熱層としたことを特徴とする
   高純度シリコンの製造装置。
2. （２）反応器内部に発熱部を設け、シラン、クロロシラ
   ンを熱分解あるいは水素還元してシリコンを製造する方
   法において、反応器の外壁の内側に間隙をもって内壁を
   設け、前ｉ己外壁と内壁との間に粒状物を充填した断熱
   層としての充填層を構成し、この充填層に水素または不
   活性ガスを通してこれを予熱し、この予熱したガスを前
   記反応器の内壁内に送入することを特徴とする高純度シ
   リコンの製造方法。