JPS62123009A - ケイ素の製造方法および製造装置 - 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〉 この発明は、ケイ素（以下、ｒＳＪで表わす。）の製造
方法および製造装置の改良に関し、更に詳しくはＳｉの
微粒子集合体を迅速に生成でき、特に半導体工業の技術
分野に好適なＳｉの製造方法および製造装置に関する。

〈従来の技術分野〉 この種の技術分野におけるＳｉ製造方法および製造装置
として、従来から知られているもののうち主なものに次
の二つがある。

の　そのうちの第１のものは、第３図に示すように、冷
却水流入により冷却可能であり、かつ排気口２、ケイ素
製造原料ガス供給口３、電極４，４を備えた台座５と、
台座５上に取外し自在に設置できろ真空ベルジャ１と、
ベルジャ１内において電極４，４上に取り付けられるＳ
ｉロッド６とからなる製造装置を使用するものである。

すなわち、原料ガス供給口３がらベルジャ１内にケイ素
製造原料ガス（たとえば５ｉＨＣ１＋Ｈ２）を導入する
と共に、台座５内に冷却水を流通させろ。

そして、電極４，４に電流を流し、ケイ素ロッド６を１
，２００℃程度に加熱すると、ベルジャ１内に導入され
たケイ素製造原料ガスはＳｉロッド６の熱によって分解
し、 Ｓ　ｉ　ＨＣ４’３＋Ｈ２Ｓ　ｉ＋３Ｈ（１’−・−ｏ
ｌなる反応によって生成したケイ素（Ｓｌ）が出発ロッ
ド（ケイ素）６の表面に付着、堆積させることができる
とする技術内容のものである。

しかし、この方法によると、出発ロッド６の表面に熱分
解によって生成されたＳｌが付着されるため、出発ロッ
ド６の径が直径が２〜３ｍ径のものを使用すると１０…
ｍ径にするのに通常、１日を要し、さらに直径１００　
ｍｍにするには数日を必要とする欠点があった。また、
Ｓｌの収率が極端に悪く、工程全体を通して１０％に足
しなかった。ざらに、上述した方法によると、生成する
Ｓｉロッドの長さはＳｉ製造装置および出発ロッド６の
寸法に制約される欠点があった。

号の「ケイ素製造装置」がある。この特許第１、１２１
．４２３号において開示された方法が上述した第２の方
法に相当するものである。

第２の方法は第４図に示すように、不活性ガスを入れた
反応容器ｌＯの一方の側に合成燃焼）・−チ１１を配置
し、反応容器１ｏの他方の側には合成燃焼トーチ１１に
向けて出発ロッド１２を突出させかつ装置１６によって
ロッド軸の周りに回転自在、引上げ可能に配置したもの
であって、合成燃焼トーチ１１内には原料ガス導入管１
３およびガス導入管１３より原料ガス（たとえばＳ　ｉ
　Ｈ４）および鶴−ＣＩ！２ガスを合成燃焼トーチ１１
に導き、合成燃焼反応させるようにし、さらに反応容器
ｌ。

内のガス圧を排気調整器１５によって、一定圧に維持す
るようにした装置を使用して実施するものであった。

この装置によると、合成燃焼トーチ１１により、Ｈ，−
Ｃ１２ガスは下記の式（２）のように燃焼し、この発熱
によってＳ　ｉ　Ｈ４は式（３）のように熱分解し、ケ
イ素が生成する。すなわち、１％　＋　Ｃ１２−２８Ｃ
１＋４４．２Ｋｃａｌ−＝・（２１ＳｉＨ，＋２Ｃ１２
−→Ｓｉ＋４ＨＣ１・・・叩・・・・叩（３）このＨ，
−Ｃ１２ガス炎およびケイ素微結晶流１７は装置１６に
接続した出発ロッド１２の先端に付着・堆積してケイ素
多結晶体１８が形成させることができ、ケイ素形成速度
も従来の５倍程度に高くすることができるようになった
。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかし、上述した第２の方法では丸棒状のケイ素多結晶
体を形成させるのがやや難しいという不具合があった。

そこでこの発明は上述した従来のケイ素製造方法および
ケイ素製造装置の欠点を除去し、Ｓ１生成が迅速に行う
ことができると共に収集効率が高く、かつ高品質のＳｉ
を製造できるケイ素製造方法および製造装置を提供しよ
うとするものである。

〈問題点を解決するための手段および作用〉上述した目
的を達成するため、この発明のケイ素製造方法は、四塩
化ケイ素（ＳｉＣ１’４）、１−リクロルシラン（Ｓ　
ｉ　ＨＣＩ、）、シラン（Ｓ　ｉ　Ｈ，）およびケイ素
のアルコラード（Ｓ　ｉ　（Ｃ２Ｈ５０）Ｈ。

等）を熱分解又は火災熱分解してＳｉＯおよびＳｉＯ３
の微粒子集合体を作製した後、この工程で作製した３４
０およびＳ　ｉ　Ｏ２の微粒子集合体を２００℃以上の
還元性雰囲気中で１元し、Ｓｉの多結晶体を生成させる
ことを特徴とするものである。

上述したＳｉＯおよび／又は５ｉｎ２の微粒子集合体を
還元する還元性雰囲気ガスの温度が２００℃以下のとき
は還元されず、また１５００℃以上ではこれらの微粒子
集合体や微粒子集合体の被着体が溶解する。

したがって、２００℃〜１５００℃の範囲還元性ガス雰
囲気で還元処理ずろことが好、よしい。

この発明によるケイ素製造方法は、従来のケイ素製造方
法が電流加熱による熱分解あろい＋、ｔｌ（２−ｃｔ２
炎による火炎熱分解によって、Ｓ　ｉ　Ｈ，’　、　Ｓ
　ｉ　ＨＣ／３等から直接ケイ素を生成するのに対し、
一旦ＳｉＯおよび／又は５１０２の微粒子集合体を形成
した後、この微粒子集合体を温度の高い還元性雰囲気中
で還元処理してＳｉの多結晶体を生成させろものであっ
て、製造方法が基本的に異なっている。

この発明のケイ素製造方法の原理（よ次の通りである。

まず、還元性の火炎分解によってたと又はＳｉＨ４を ＳｉＨ４＋（ｏ）　　　　　ＳｉＯ＋　２Ｈ２↑（４）
によってＳｉＯ又は５ｉｎ２の微粒子集合体を生成し、
これを被着体に付着・堆積させる。

次いで、その微粒子集合体を、２００℃以上の温度下で
還元性雰囲気に曝らし、反応ＳｉＯ＋ＣＯ−一→　　Ｓ
　ｉ　＋　Ｃｏ２ｔ　　（５１により　（ただし、ＣＯ
を還元剤とする場合）によってケイ素を生成させるもの
である。

また、ケイ素製造装置は、不活性ガスを充填する反応容
器と、反応容器の一方の側に配設した四塩化ケイ素、ト
リクロンラン、シランおよびケイ素のアルコラードガス
のうちの−［と酸素ガスを合成燃焼トーチと、反応容器
内において合成燃焼１・−手と反対側に配設され該合成
燃焼トーチの方向に向けて突設されかつ中心軸の周りに
回転自在に配設された一酸化ケイ素および／又は二酸化
ケイ素のｊ欺粒子被着体と、反応容器内のガス圧を調整
する排気調整器とからなる一酸化および／又は二酸化ケ
イ素微粒子集合体製造装置と；一酸化ケイ素および／又
は二酸化ケイ素微粒子渠合体被着体をその中心軸の周り
に回転自在に挿入可能の還元性ガスを充填した還元反応
容器と、この還元性ガス充填還元反応容器内還元性ガス
雰囲気を２００℃以上に加熱する加熱手段とからなる還
元処理装置とから構成したことを特徴とするものである
。

く実　施　例〉 次に、本発明のケイ素製造方法の実施に使用するケイ素
製造装置の具体例に基づいて、本発明のケイ素製造方法
の実施例を説明する。

第１図および第２図は本発明のケイ素製造方法を実施す
るとき？こ使用する製造装置である。このケイ素製造装
置は、第１図に示すＳｉＯおよび／又はＳ　ｉ　Ｏ２＠
粒子集合体製造装置２０−Ｊと、第２図に示す還元処理
装置２０−■とからなっている。

第１図のＳｉＯおよび／又はＳ　ｉ　０２ｆａ粒子集合
体製造装置２０〜丁は反応器２１−１の上部にｏ−ｇジ
グ２６を介して合成燃焼１・−チ２２が、また反応器ｉ
２１．−１の下部に３　ｉ　０　＃３よび／又はｓ　ｉ
　０２ｆｆｉ粒子集合体を堆積させろ出（非図示）によ
ってロッド軸の周りに回転可能、上下に移動自在に設 けられている。

さらに上記反応容器２１−１には不活性ガス導入口２７
およびガス排出口２８が設けられ、排気調整器２９によ
って反応容器２１−１内のガス圧を一定に維持すべく、
導入ガス量およびガス排気量がｙＪ整される。

この他、合成燃焼トーチ２２には酸、水素ガス供給管２
２ａおよびケイ素原料ガス（たと又はＳｉ（，１４）供
給管２２ｂが配設されている。この合成燃焼トーチ２２
は横断面図である第１図（ｂｌに示すようにケイ素原料
ガス吹き出し口２２０、水素ガス吹き出し口２２１およ
び酸素ガス吹き出し口２２２を有し、合成燃焼１、−チ
ク２先端から酸水素炎によってケイ素原料を熱分解し、
出発ロッド２５にＳｉＯおよび／又はＳｉＯ２微粒子集
合体を堆積させる。

すなわち、合成燃焼トーチ２２へＳｉＨ４ガス、１（、
ガス、０２ガスを供給し、それぞれ吹き出し口２２０，
２２１，２２２から吹き出す。このとき、鳴ガスの供給
量を０２ガスの供給量より多くし、火炎を還元性とする
。

この結果、前記式（４）の反応式に示されろように、火
炎中でＳｉＯの微粒子（粒径１００人〜１０００人）が
合成され、出発ロッド２５の先端に付着・堆積し微粒子
集合体２４が得られる。そして出発ロッド２５を回転さ
せながら引き下げると、付着・堆積する微粒子集合体２
４は丸棒状となる。また、反応容器２１−１内は流入口
２７より導入した不活性ガス雰囲気とし、容器内ガス圧
を排気調整器２９によってコントロールする。

たとえば、第１図において、合成燃焼トーチ２２に、Ｓ
　ｉ　Ｈ４ガスを毎分２１Ｎ（２ガスを毎分２０１．０
２ガスを毎分１０ｅ１の割合でそれぞれ供給し、火炎流
内でＳｉＯを合成し、約１００閣φの微粒子集合体３４
を合成した。また、流入口３７からはＡｒガスを流入し
、反応容器２１−１内を不活性ガス雰囲気とした。

作製した微粒子集合体２４の一部より試料を採集し、分
析した結果、９９．９％がＳｉＯであり０．１％が８１
０２であった。また、本実施例におけるＳｉの収率は８
０％〜９０％程度と非常に高かった。

次に、第２図の還元処理装置２０−■は還元反応容器２
１−２の下部に、第１図（ａｌの装置２０−■によって
３４０および／又はＳｉＯ２黴粒子集合体２４を？！！
！着した出発ロッド２５を、Ｏ−リング２６を介して取
り付けると共に、還元反応容器２１−２の外周に加熱器
３２を配置したものであって、還元反応容器２１−２に
はガス導入口３０からたとえばＣｏ１馬などの還元性ガ
スを入れ、反応容器内において生成したガスおよび還元
性ガスは排出口３１から反応容器外へ排出する構造にな
っている。

第２図の還元処理装置２０−［によって、ＳｉＯおよび
／又はＳｉＯ２微粒子集合体２４を還元処理するときは
、ＳｉＯおよび／又はＳ　ｉ　ｏ２黴粒子集合体２４を
Ｉ１１積した出発ロッド２５を還元反応容器２１−２内
に挿入し設置した後、反応容器２１−２を密閉し、当該
還元反応容昭２１−２内に、ガス導入口３０より＋（２
ガスまたはＣｏガスを導入すると共に、加熱器３２によ
って反応容器２１−２内還元性ガスを流入口３０より鳴
ガスまたはＣｏガスを流入すると共に、加熱器３２によ
って２００℃以上に加熱し、該微粒子集合体を還元し、
ケイ素の集合体３３とした。排気口３１からは、反応に
よって生成した）（２０，Ｃ０２と比、Ｃｏガスがそれ
ぞれ排出された。

たとえば、第２図の装置において、第１図の装置で作製
したＳｉＯの微粒子集合体を還元反応容器２１−２内に
設置し、流入口３０より、Ｃｏガスを毎分１０４’の割
合で流入すると共に、加熱器３２によって、８００℃に
加熱し、該微粒子集合体を還元処理した。この結果、約
３時間の処理（はって、ＳｉＯの微粒子集合体はケイ素
（Ｓｌ）の多結晶体３３となった。さらに、こうして製
造したケイ素の多結晶体を分析し、酸素の残留量を測定
したところ、１０−９モル％以下であった。

また、本実施例の第２図において、鳴ガス、ＣＯガス等
による還元処理を行なった後、加熱温度を１４００℃程
度まで上昇し、ケイ素の多結晶体を焼結し、密度の高い
集合体とすれば、残留酸素量をさらに低減化できる。

以上、実施例のケイ素製造装置構成において、第１図の
微粒子集合体製造装置２０−■の下方に第２図の還元処
理装置２０−■を設け、各々の部分を密閉しながら接続
する装置構成とすれば、装置の上部においてＳｉＯ等の
微粒子集合体を作製し、装置下部において該集合体を１
元処理することができる。この装置構成によれば、ケイ
素の多結晶体を連続して製造することが可能となる。

また、本実施例では、原料として、ＳｉＨ４のみ使用し
た場合を記述したが、５ＲＣＩ４．５ｉＨＣｊ４、アル
コラード、等を使用した場合にも、上記同様にＳｉＯ及
び５１０２の微粒子集合体を形成できる。

また、火炎用ガスについて、馬、０□の場合のみ示した
が、ＣＨ，−０２炎、Ｃ，Ｈ８−０２炎、等も使用でき
る。さらに、還元処理に際して、馬を含む雰囲気ガスを
使用した場合、ケイ素の集合体中に微量の１（２が添加
される事実が認められた。

また、還元処理雰囲気中のＨ２２量を変えることによっ
て、ケイ素体中に添加する１（２量を変えることが出来
る。

なお、本実施例のＳｉＯおよび／又は５１０２徹粒子集
合体製造装置２０−１および還元処理装置２０−■の反
応容器２１−１．２１−２の出発ロッド２５の挿入側底
部を第１図ｔａｒおよび第２図に示すごとく取外し、取
り付は自在に形成した底板ＡおよびＢを設けることによ
って、出発ロッド２５を、反応容器２０−１および還元
反応容器２０−２内に容易に出入させることができる。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように、この発明にかかるケイ
素製造方法は、一旦Ｓ１０．５１０２等の微粒子集合体
を作製した後、当該５ｉＯ１Ｓ１０２徹粒子集会体を還
元処理してケイ素微結晶集合体を生成させるため、 ■　高品質のケイ素を収率よく製造することができる。

■　また、ガス供給量を増やすことによってケイ素の製
造速度を向上させることができる。

■　さらに、ケイ素製造に要する電力消費が少いため、
ケイ素の製造価格を下げろことができ、製造技術分野に
おける経済上の利点も、ある。

■　また、本方法によって製造した微結晶ケイ素集合体
を用い、ケイ素の単結晶を製造すれば、極めて高品質の
単結晶ケイ素が得られる ■　さらに、還元処理雰囲気ガス組成を変えることによ
って、鳴等を添加してケイ素体を製造することができ、
また、水素を添加したアモルファスシリコンを製造でき
る利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図ｔａ＋は本発明の実施例のケイ素製造装置を構成
する一酸化ケイ素および／又は二酸化ケイ素微粒子集合
体製造装置の構成を示す要部断面図、第１図（ｂｌは第
１図（，１の一酸化ケイ素およよび第４図は従来のケイ
素製造装置の構成を示す要部断面図である。 図　　面　　中、 １２・・従来方法で使用する出発ロッド、１５．２９・
・排気Ｗ！Ｊ整器、 １８・・従来方法により作製したケイ素多結晶体、２０
−■・ＳｉＯおよび／又はＳｉＯ２徹粒子集会体製造装
置、２０−■・・・還元処理装置、 ２１−１・・反応容器、 ２１−２・・還元反応容器、 ２２・合成燃焼１・−チ（本発明）、 ２４　・・ＳｉＯおよび／又はＳｉＯ２黴粒子集合体、
２５・・・本発明で使用する出発ロッド、２６・・・Ｏ
−リング、 ２７・・・不活性ガス導入口（反応容器２Ｏ−１）、２
８・・・ガス排出口（反応容器２Ｏ−１）、３０・・・
ガス流入口（還元反応容器）、３１・・・ガス排出口（
還元反応容器）、３２・・・加熱器。 特　　許　　出　　願　　人 日本電信電話株式会社 代　　　　理　　　　人

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）四塩化ケイ素、トリクロルシラン、シランおよび
   ケイ素のアルコラードを熱分解又は火炎熱分解して一酸
   化ケイ素および／又は二酸化ケイ素の微粒子集合体を生
   成する工程と、この工程によって作製された一酸化ケイ
   素および／又は二酸化ケイ素の微粒子集合体を２００℃
   以上の還元性雰囲気中で還元し、ケイ素の多結晶体を生
   成させる工程とから成ることを特徴とするケイ素の製造
   方法。
2. （２）不活性ガスを充填する反応容器と、反応容器の一
   方の側に配設した四塩化ケイ素、トリクロンラン、シラ
   ンおよびケイ素のアルコラートガスのうちの一種と酸素
   ガスを合成燃焼させるトーチと、反応容器内において合
   成燃焼トーチと反対側に配設され該合成燃焼トーチの方
   向に向けて突設されかつ中心軸の周りに回転自在に配設
   された一酸化ケイ素および／又は二酸化ケイ素の微粒子
   被着体と、反応容器内のガス圧を調整する排気調整器と
   からなる一酸化および／又は二酸化ケイ素微粒子集合体
   製造装置と；一酸化ケイ素および／又は二酸化ケイ素微
   粒子集合体被着体をその中心軸の周りに回転自在に挿入
   可能の還元性ガスを充填した還元反応容器と、この還元
   性ガス充填還元反応容器内還元性ガス雰囲気を２００℃
   以上に加熱する加熱手段とからなる還元処理装置とから
   なることを特徴とするケイ素製造装置。
3. （３）前記ケイ素製造装置において、一酸化ケイ素およ
   び／又は二酸化ケイ素微粒子集合体製造装置の下方に、
   一酸化ケイ素および／又は二酸化ケイ素微粒子集合体の
   還元処理装置をそれぞれ各装置を密閉しながら接続した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載のケイ
   素製造装置。