JPS6355112A - 極超短波加熱流動床による高純度多結晶シリコン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】 （産業上の利用分野） 本発明は高純度多結晶シリコンの製造方法およびその装
置に関する。更に詳しくは本発明は超短波によって加熱
される流動床反応器にて、高純度シリコン粒子状にシラ
ン（ＳｉＨ４）、２塩化シラン（ＳｉＨ２０文２）、３
塩化シラン（ＳｉＨＣ文３）、３臭化シラン（ＳｉＨＢ
ｒ３）のシリコン含有ガスの熱分解または水素還元反応
による化学蒸着によってシリコンを析出する高純度多結
晶シリコンの製造方法およびその装置に関する。

（従来の技術） 従来、高純度多結晶シリコンを製造する代表的な方法お
よび装置としては電気抵抗により加熱されたシリコン棒
に３塩化シランまたは２塩化シランの水素還元反応によ
ってシリコンを析出するシメンス工程（Ｓｉｅｍｅｎｓ
　ｐｒｏｃｅｓｓ）　　（参照：米国特許３．２８Ｅｔ
、０８５号）とシランの熱分解反応により析出される小
松工程（Ｋｏｍａｔｓｕ　ｐｒｏｃｅｓｓ）　　（参照
：米国特許第４，１４７，８１４号、同第４，１５０，
１６８号）によって製造されている。

前者はシリコン棒が抵抗加熱により１．０００〜１．２
００℃で加熱され、後者は熱分解温度８００℃で加熱さ
れる。前記両工程に使用される反応器は同一形態の石英
またはステンレスベルザー（ｂｅｌｌｊａｒ）であって
、水または空気等の冷媒によって反応器壁面が３００℃
以下まで冷却され、内壁面にシリコンが析出しない特長
がある反面、これらの工程はバッチ式１程で、シリコン
林を使用するので析出面積が小さく、単位時間当りの析
出量が少ないばかりでなく製造に要する単位出すエネル
ギーの消耗量が多い欠点があった。そこでこの欠点を解
決するため析出面積の大きい粒子状シリコンをシリコン
含有ガスとキャリヤーガスとで流動化させながらシリコ
ン含有ガスのシリコンをシリコン粒子に析出する方法、
即ち流動床反応器を利用する方法が行われた。これらの
流動床を加熱する方法としては一般に抵抗式加熱器等に
よる外部加熱方式が採択（例：米国特許第３，０１２，
８８１号、同第３，０１２，８８２号、同第４，２ｏ７
．ｓａｏ号、同第３．９８３，８３８号、日本国特開昭
５９−４５９１８号、同昭５９−４５９１７号、同昭５
７−１３５７０８号）されるがこれらの方式は被加熱物
より反応器壁面温度が高いので、装置材料の耐熱性およ
び装置外部への放熱量増大に伴う熱量損失が増加するば
かりでなく、限定された伝熱面積を有するので装置の大
型化が困難である。特にシランの熱分解或は３塩化シラ
ンまたは２塩化シランの水素還元反応によって、反応器
の内壁面にシリコンが析出され反応器内部がますます狭
くなり伝熱状態が不良になり、ついには操業を不能にす
る。また反応器の壁面からの汚染を防止するため反応器
を冷却する際、石英反応器と析出したシリコンとの熱膨
張差に因り反応管がこわれる現象（例：米国特許第３．
９１３３．８３８号）が発生する。そこでこの欠点を除
去するため外部が熱方式の代わりに反応器内部に抵抗加
熱器を設置する内部加熱方式が行われている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、この方式も加熱器の表面にシリコンが析出され
るので長持間使用することができず、加熱器の補修、交
換等の構造的な問題点を有する。

特に円管形の流動床は被加熱物の粒子の流動状態を良好
に維持しなければならないので内部に加熱器を設置する
ことは制限を受け、伝熱面積の効果が低下する問題点が
ある。

（問題点を解決するための手段） 本発明者等は前記の欠点等を除去するため鋭意、研究検
討した結果、より効果的な加熱方法として超短波による
直接加熱方法を企図した。即ち１本発明は流動状反応器
を利用し、高純度シリコン粒子状にシラン、２塩化シラ
ン、３塩化シラン、３臭化シランのシリコン含有ガスか
らシリコンを析出して高純度多結晶シリコンを製造する
方法において、流動床反応器内にシリコン種子を注入し
、次いで反応ガス流入管を通じ、反応ガスを注入すると
同時に導波管を通じ、超短波を発振させ加熱した流動状
態のシリコン粒子と接触させてシリコンを析出すること
を特徴とする高純度多結晶シリコンの製造方法を提供す
るものである。

（実施例） 以下、添付された図面に基づいて本発明の詳細な説明す
る。

第１図は本発明の流動状反応器の新規の加熱方式による
高純度多結晶シリコン製造装置の一実施例を示す、符号
（１）は高温によく耐え、超短波を損失なく反射する金
属、例えばステンレス合金のような金属材の加熱炉であ
り、（２）は加熱炉の中心部に取付けられる円筒形石英
反応器である。石英反応器（２）の上側は加熱炉（１）
の内側上方からガス流出管（３）に接続する。ガス流出
管（３）は加熱炉（１）の外部へ導出され非固定状に設
置し、石英反応器（２）との連結部にはグラファイトガ
スケット（４）を介する。グラファイトガスケット（４
）はガス流出管（３）側に形成されたホルダー（５）に
より位置保全されると同時にホルダー（５）はバネ（６
）により軸方向からの弾発力を受けるので石英反応器（
２）にホルダー（５）を通じバネ（６）の圧力が加わり
多少流動しても連接部が緊密に圧着される。ガス流出管
（３）の内部には種子注入管（７）が挿通され、その種
子注入管（７）の一端を石英反応器（２）の内部に延長
し、その他端を加熱炉（１）の外部に突出させてホッパ
ー（８）に連結する。加熱炉（１）からガス流出管（３
）が貫通設置される部位にはテフロンシル（９）が装設
され、これをガス遮断ホルダー（１０）により保全して
気密が維持される。加熱炉（１）の下側にはガス注入管
（１１）が介設され、このガス注入管（１１）と石英反
応器（２）の下端の間にガス分散板（１２）が介設され
る。ガス分散板（１２）には冷媒通路（１３）を有する
０石英反応器（２）の下側には粒子流出管（１４）が延
通され外部のシリコン収集容器（１５）に延管する。石
英反応器（２）から反応ガスが加熱炉（１）へ漏出する
ことを防止するため、分散板（１２）上にグラファイト
ガスケツ）　（１６）を介する。前記ガス注入管（１１
）の入口側に気化器／予熱器（１７）を装設する。加熱
炉（１）の両側には通常の超短波発生装置（１８）を設
置する。超短波発生装置（１８）から延長された導波管
（１８）は加熱炉（１）の下側の両方に導波管の断面直
四角形がＥコーナ（）とＨコーナ（）にて対向し延通ず
る。導波管（１８）とＥコーナ導波管（２０）およびＨ
コーナ導波管（２１）は超短波発生装置グネトロン（不
図示）から発振する超短波を加熱炉（１）に誘導するた
め超短波の転送損失が極小なアルミニウムのような金属
管を使用することが望ましい。

Ｅコーナ導波管（２０）およびＨコーナ導波管（２１）
の両者の通路の中にはガス遮断膜（２２）が１以上設置
される。このガス遮断ＩＩ＊（２２）は加熱炉（１）か
ら石英反応器（２）の壁面を冷却する冷媒が超短波発生
装置（１８）に逆流することを防Ｉトするため超短波の
透過性が良好な石英、パイレックスガラス（ｐｙｒｅｘ
　ｇｌａｓｓ）或はテフロン等のような材料を採用する
ことが望ましい。

加熱炉（１）の内部上側に超短波遮蔽膜（２３）が設置
される。超短波遮蔽膜（２３）は超短波を反射する金属
にてなり、この膜により加熱炉内の超短波体積が縮まる
ので、その結果浸透密度が高くなり良好な超短波加熱が
行われる。

前記構成の本発明装置によりシリコン種子はホッパ（８
）の種子注入管（７）を通じ石英反応器（２）へ投入供
給されて流動状Ａを形成する。この時、超短波発生装置
（１８）は発振し加熱炉（１）の内部へ超短波を発射す
る。超短波は加熱炉（１）内で石英反応器（２）を透過
しながら流動状Ａを形成しているシリコン種子内に浸透
して電磁気場を形成する。この電磁気場の形成によりシ
リコン種子に分極振動摩擦が発生し反応温度６００〜１
２００℃まで自体加熱される。この際、通常９１５ＭＨ
ｚまたは２４５０ＭＨ２の超短波を利用する。反応ガス
のシリコン含有ガスは水素ガスのようなキャリヤガスと
一緒に気化器／予熱器（１７）を通じ、３００℃程度予
熱された後ガス注入管（１１）を通じ注入される。注入
された反応ガスはガス分散板（１２）により石英反応器
（２）の内部へ拡散され流動状Ａに混入流動化される。

この混入流動化反応ガスはシリコン種子と接触しながら
熱分解または水素還元反応が行われ析出されるシリコン
が種子表面で化学蒸着して次第に成長する。十分に成長
した粒子は粒子流出管（１４）を通じシリコン収集容器
（１５）に収集される。

前記工程でシリコン種子および反応ガスは連続的に供給
することが出来るのでシリコン粒子は連続的に製造する
ことが出来る。また前記反応により生成される副生ガス
或は未反応ガスはガス流出管（３）を通じ流出され回収
装置（不図示）により回収、再使用される。

この反応が進行する間、高温のシリコン粒子から伝導さ
れる熱量によりガス分散板（１２）が加熱され、この分
散板を通ずる反応ガスに因りガス分散板（１２）の表面
にシリコンが蒸着し流動床Ａのシリコン粒子を正常に流
動化することができない。本発明はこの問題点を冷媒通
路（１３）に水または窒素のような冷媒を循環しガス分
散板（１２）の温度を４００℃以下に冷却することによ
り解決する８石英反応器（２）にも前記現象が発生し内
壁面にシリコンが蒸着することに因り内部空間が狭くな
る場合もある。これを防止するため加熱炉（＋、　）の
内壁と石英反応器（２）の外壁の間に形成された冷却通
路（２５）に冷媒を注入循項させて石英反応器（２）の
内壁面をシリコン含有ガスの反応温度以下に冷却させる
。石英反応器（２）は２重管形態の別の冷却通路（２６
）を有していてもよい。シリコン種子が石英反応器（２
）内部で超短波により加熱されると石英反応器（２）は
伝導される熱量により加熱され熱膨張するが加熱炉（１
）は熱膨張しないので石英反応器（２）が破砕する憂れ
がある０本発明は石英反応器（２）が熱膨張に因り伸張
するとガス流出管（３）のホルダー（５）を支持するバ
ネ（６）が圧縮し石英反応器（２）は破砕されることが
防止される。

前記の本発明装置の実施例では超短波を加熱炉（１）の
側部から投射する構成であるので均一な加熱を期するた
めに少なくとも１対以上の超短波加熱装置（１８）を要
する。しかし超短波を加熱炉（１）の上方から投射する
際には単一の超短波発生装置だけを要する。

第２図は加熱炉（１）にＥコーナ導波管（２０）および
Ｈコーナ導波管（２１）が通管する構成を示す、Ｅコー
ナ導波管（２０）およびＨコーナ導波管（２１）は断面
が直四角をなし、これらは反応器（２）の両側に相互対
向設置した態様に通管するので、これらの通管部から加
熱炉（１）へ流入する超短波モード（２４）は相互長さ
方向に対向し相互超短波が逆流することがない、従って
、Ｅコーナ導波管（２ｏ）およびＨコーナ導波管（２１
）が対向し設置されることに因り加熱炉（１）内部へ効
率良く超短波拡散が行われるので超短波発生装置（１８
）の容量を小さく、エネルギーの節約を図ることができ
る。

本発明の高純度多結晶シリコンを多量に製造するため大
容量の反応管を使用する際には複数のＥコーナ導波管お
よび複数のＨコーナ導波管を対向配設、または同一モー
ド即ち、Ｅコーナ導波管或はＨコーナ導波管のいずれか
の一種だけをジグザグ状に複数個設置して超短波を同時
に多数の部位から透過させることによって短時間で多量
のシリコンを製造することが出来る。

第３図は本発明の他の実施例で、加熱炉（１）の上方か
ら超短波を投射する構成を例示する。第３図には前記実
施例と同一部分に対しては同一の符号を付ける。

導波管（１８）は加熱炉（１）の上方に通管し接続する
。導波管は通常断面直四角形または円筒形の形態となり
円筒状導波管形態の加熱炉（１）には接続管（１９０）
を使用し地道ずる。ガス流出管（３）とその内部の種子
注入管（７）は導波管（１９）を貫通し加熱炉（１）内
へ進入し石英反応器（２）と延着する。

特に石英反応器（２）の上部はガス流出管（３）と直通
延管され、下部は反応ガスが加熱炉（１）へ漏出しない
構造を有する。即ち、加熱炉（１）の下側フランジ（１
００）と石英反応器（２）のフランジ（２００）との間
に０リング状になるグラファイトガスケット（３００）
を介し、フランジ（２００）とガス分散板（１２）との
間にグラファイトガスケツ）　（４００）を介して完全
に密封する。

前記実施例は単一の超短波加熱装置（１日）を要するの
で設置費、補修管理およびエネルギーの節減効果を得る
ことができる。

また、石英反応器（２）の代わりに高純度シリコン反応
器を使用することが出来る。このとき反応器上部（３０
）を石英材または超短波を透過することが出来る材料を
使用しなければならない。

以下に本発明によって製造される高純度多結晶シリコン
の製造方法の実施例を示す。

（実施例１） ４８ｍｍＩＤ、厚さ２．５ｍｍ　、高さ１０００ｍｍの
石英反応器が第１図の加熱炉内部に取付けられ、加熱源
の超短波はｅＯ／　１００メツシユのシリコン粒子が内
蔵された流動床に石英反応器壁面を通じ供給され、シリ
コンの分極振動摩擦によって流動状は７００℃で維持さ
れる。一方、反応ガスはシラン２０モル部と水素８０モ
ル部とが混合され常温にて１３．３４１　／分の速度で
予熱器を通じ３００℃に予熱された後、水で冷却される
分散板を通じ流動状に供給される。この際、加熱炉内部
に適当な量の窒素ガスを注入し石英反応管壁面を冷却す
る。流動床の高さを約１５０Ｈに維持しながらシリコン
の蒸着により増加されるシリコン量は流出管を通じ間歇
的に流出される。１０時間の操業で約１８２．５ｇ／時
の速度で多結晶シリコンが得られ、石英反応器の壁面に
はシリコン蒸着が無い。

（実施例２） 実施例１の装置を使用して、反応ガスだけをシラン１０
モル部と水素９０モル部と混合し常温で１３．９文／分
速度で予熱器を通ずることなく直接分散板を通じ流動床
に供給する他は実施例１と同様にして１０時間操業した
結果平均８２９ｇ／時の速度で多結晶シリコンを得た。

（実施例３） 実施例１の装置を使用して４０／　８０メツシユの粒径
を有するシリコンを内蔵し、流動床の高さを約１５０ｍ
ｍに維持しなからシラン２０モル部と水素７８モル部と
の混合ガスを３６．４文／分にて供給し、予熱器を通じ
、　３００℃で予熱して流動状に供給する他は実施例１
と同様にして１０時間操業した結果平均２８８、１ｇ／
時の速度で高純度多結晶シリコンを得た。

（実施例４） 実施例１の装置を使用して４０／　８０メツシユの粒径
を有するシリコンを内蔵し、流動床の高さを１５０ｍｍ
に維持しながらシラン１０モル部と水素９０モル部との
混合ガスを１１．５文／分の速度で予熱器を通ずること
なく流動状に供給する他は実施例１と同様にして２０時
間操業した結果６３ｇ／時の速度で高純度多結晶シリコ
ンを得た。

（実施例５） ９０ｍｍＩＤ１厚さ３．０ｍｍ　、高さ１５００ｍｍの
石英反応器を第３図の加熱炉の円筒形導波管内部に取付
け。

加熱源の超短波の流動状上部から供給する。

８０／１００メツシユの粒径を有するシリコン２４００
ｇが種子注入管を通じ石英反応器に注入され流動床を形
成し、流動状の温度を６７０℃で維持する。ここにシラ
７１０モル部と水素８０モル部との混合ガスを常温で２
２．８文／分の速度で予熱器を通じて流動状内部へ供給
する０石英反応器の壁面は窒素により冷却される。１時
間操業後１５１ｇの多結晶シリコンを得た０石英反応器
の内壁面にシリコン蒸着は無い。

（実施例６） 実施例５の反応器を使用して、反応器内部に８０／１０
０メツシユの粒径を有するシリコン３２００ｇを加え、
流動状を形成した後流動床の温度を７００℃で維持する
。シラン２０モル部と水素８０モル部との混合ガスを常
温で３１．９１　／分の速度で予熱器を通じて流動状内
部へ供給する。１時間操業後３５５ｇの多結晶シリコン
を得た０石英反応器壁面に冷却ガスによる冷却は行われ
ず若干のシリコンが蒸着することが確認された。

（実施例７） 実施例５の反応器を使用して、反応器内部に４０／　８
０メツシユの粒径を有するシリコン３，２００ｇを加え
流動状を形成し、流動床の温度を７００℃で維持する。

シラン１０モル部と水素９０モル部との混合反応ガスを
常温で４２．４１／分の速度で予熱器を通じて３５０℃
で予熱し反応器内の流動状へ供給する０石英反応器の壁
面は窒素により冷却される。

１時間操業後２７０ｇの多結晶シリコンが得られ、石英
反応器の内壁面にはシリコン蒸着の痕跡は無い。

（発明の効果） 以上の説明から明らかな如く、本発明によれば超短波に
より形成される電磁気場において被加熱部の分極振動に
より発生する分子間の摩擦に因り自体熱が発生する反面
、石英反応器は超短波を透過して自体熱が発生しないの
で、反応器壁面の温度を被加熱物より低下させることが
できる特長がある。

また加熱炉内部へ冷媒を注入することも出来るので反応
器壁面の温度を所望の温度まで冷却して内壁面にシリコ
ン析出を防止することが出来る。

更に超短波は流動床反応器内部の被加熱物に直接浸透し
、電磁気場を形成するので広い伝熱面積を形成し装置の
大型化並び長期運転が可能であり、連続大量に高純度多
結晶シリコンを製造することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具現する製造装置の一実施例の概略図 第２図は第１図の要部抜粋図 第３図は本発明を具現する製造装置の他の実施例を例示
する概略図 １・・・加熱炉、２・・・反応器、３・・・ガス流出管
、５・・・ホルダー、６・・・バネ、１２・・・ガス分
散板、１７・・・気化器／予熱器、１８・・・超短波発
生装置、１９．２０．２１・・・導波管、２３・・・超
短波遮蔽膜。 特　許　出　願　人　財団法人　韓国化学研究所代　　
理　　人　　弁理士　　　　下　　　１）　　容一部間
　　　弁理士　　　大　　橋　　邦　　産量　　　弁理
士　　　小　　山　　　　右同　　　弁理士　　　野　
　１）　　　茂手続補正書（自発） 昭和６１年１０月１６日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）流動状反応器を利用し、高純度シリコン粒子状に
   シラン、２塩化シラン、３塩化シラン、３臭化シランの
   シリコン含有ガスからシリコンを析出して高純度多結晶
   シリコンを製造する方法において、流動床反応器内にシ
   リコン種子を注入し、次いで反応ガス流入管を通じ、反
   応ガスを注入すると同時に導波管を通じ、超短波を発振
   させ加熱した流動状態のシリコン粒子と接触させてシリ
   コンを析出することを特徴とする高純度多結晶シリコン
   の製造方法。
2. （２）前記高純度多結晶シリコン粒子を超短波で加熱す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項の方法。
3. （３）反応器内部の上部に超短波遮蔽膜が取付けられ、
   中央には石英反応器を配設した加熱炉からなり、加熱炉
   の周辺には超短波発生装置から延長された導波管を延通
   し、これらの導波管には１以上のガス遮断膜が取付けら
   れ、前記石英反応器の上方はバネの圧力を受けるガス流
   出管のホルダーに圧接延管されると同時に、下部は気化
   器／予熱器から延長されるガス注入管がガス分散板を介
   して延通されたことを特徴とする高純度多結晶シリコン
   の製造装置。
4. （４）前記加熱炉の内壁と石英反応器の外壁とによって
   形成された冷却通路を有し、冷却通路を通じたガス分散
   板を通ずる通路を保持することを特徴とする特許請求の
   範囲第３項の装置。
5. （５）前記石英反応器において、その外壁に沿って石英
   にてなる２重管形態の別の冷却通路を有することを特徴
   とする特許請求の範囲第３項の装置。
6. （６）前記導波管は断面直四角形態がＥコーナ、Ｈコー
   ナに反応器の両側に対向設置したことを特徴とする特許
   請求の範囲第３項の装置。
7. （７）前記導波管は複数の導波管にてなり、これらの導
   波管の断面直四角形がＥコーナ、Ｈコーナに反応器の両
   側に相互対向設置したことを特徴とする特許請求の範囲
   第３項の装置。
8. （８）前記導波管が同一モードにてなり、これらの導波
   管がジグザグ状に反応器の両側に配設したことを特徴と
   する特許請求の範囲第３項の装置。
9. （９）接続管に延通され、石英反応器が中央に配設され
   た円筒状導波管形態の加熱炉にてなり、加熱炉上部には
   超短波発生装置から延長された導波管が延通し、この導
   波管にはガス遮断膜が取付けられ、石英反応器の上方は
   ガス流出管と直通延管されると同時に下方には気化器／
   予熱器から延長されるガス注入管がガス分散板を介して
   延通されたことを特徴とする高純度多結晶シリコン製造
   装置。
10. （１０）前記反応器は石英反応器の代わりに上部が石英
    にてなる高純度シリコン反応器または高純度シリコンカ
    ーバイド反応器を使用することを特徴とする特許請求の
    範囲第９項の装置。