JPWO2010134544A1 - シリコン製造装置及びシリコン製造方法 - Google Patents

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Abstract

亜鉛ガス供給口（１８ｂ、１８０ｂ、１８１ｂ、１８２ｂ、１８３ｂ、１８４ｂ、１８５ｂ、２８０ａ）が、四塩化珪素ガス供給口（１６ａ、１６０ａ）よりも上方にあり、加熱器（２２）で、反応器（１０、１００）の一部の温度をシリコンの析出温度範囲に設定しつつ、四塩化珪素ガス供給口から四塩化珪素ガスを反応器内に供給し、亜鉛ガス供給口から亜鉛ガスを反応容器内に供給して、反応器内で四塩化珪素を亜鉛で還元して、反応器内においてシリコンの析出温度範囲に設定された領域に対応した壁部にシリコンが析出したシリコン析出領域（Ｓ）を形成する。

Description

本発明は、シリコン製造装置及びシリコン製造方法に関し、特に、反応器又はその内管にシリコン析出領域を形成するシリコン製造装置及びシリコン製造方法に関するものである。
一般的な高純度シリコンの製造方法としては、粗製シリコンを塩化水素と反応させて得られるトリクロロシラン等のシラン化合物を原料とし、化学的気相成長法によりシリコンを製造するシーメンス法が知られている。シーメンス法によれば、極めて高純度のシリコンを得ることができるが、シリコン生成反応の速度が極めて遅いことのみならず、収率が低いため、一定の製造能力を得るために大規模な設備が必要となることに加えて、製造に必要な電力消費量も高純度シリコン１ｋｇあたり３５０ｋＷｈもの大きな電力が必要とされている。つまり、シーメンス法で製造された高純度シリコンは、１１−ナイン以上の純度を必要とする付加価値の高い高集積化電子デバイス用としては好適であるが、今後、急速に市場が拡大するとされている太陽電池用のシリコンとしては、高コストで過剰品質である。
一方で、四塩化珪素を原料とし、四塩化珪素を高温で金属亜鉛によって還元する亜鉛還元法は、１９５０年代に原理的な実証がなされたとされるが、シーメンス法に匹敵する高純度のシリコンを得ることが難しいものとされていた。しかしながら、近年、太陽電池用のシリコンとしては、６−ナイン程度の純度のシリコンで足りて高集積化電子デバイス用ほどの高純度のものが不要な状況となり、かつ、急速な市場拡大に答えるべく、設備がコンパクトであって消費エネルギーが小さく、低コストでシリコンを得る製造方法として、亜鉛還元法は、再度見直され、再びその製造方法の検討が為されるようになった。もちろん、シーメンス法で製造されたシリコンの端材やオフスペックを太陽電池用途に流用することも可能であるが、シリコンの製造量の確保やコスト削減には一定の限界があり、低コストで製造量の確保ができる亜鉛還元法の開発が急務となっている。
かかる状況下で、亜鉛還元法として、亜鉛ガス導入口から亜鉛ガスを横方向に供給する一方で、亜鉛ガス導入口よりも下方の四塩化珪素ガス導入口から四塩化珪素ガスを横方向へ供給して、亜鉛ガス導入口及び四塩化珪素ガス導入口から横方向に進むに従ってシリコンを生成せんとする構成が提案されている（特許文献１参照）。
また、亜鉛還元法として、加熱された四塩化珪素ガスと亜鉛ガスとを接触させ、固体シリコンを四塩化珪素ガス供給配管の噴出口に析出させる構成が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００４−１９６６４２号公報 特開２００７−１４５６６３号公報
しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１に提案される構成では、亜鉛ガス導入口及び四塩化珪素ガス導入口から横方向に進むに従ってシリコンが生成されるようであるが、具体的な構成が開示されておらず、実用化への途が不明である。
また、特許文献２に提案される構成では、固体シリコンを四塩化珪素ガス供給配管の噴出口に限定して析出させるのみであるので、シリコンの生成領域が狭くその収量には自ずと限界があり、低コストを維持してシリコンの製造量の確保をすることが実現し難い。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、低コストで収率よく多結晶のシリコンを生成することができ、連続的かつ効率的に多結晶のシリコンを回収することも可能にする、又はその構成を実現し得る拡張性のあるシリコン製造装置及びシリコン製造方法を提供することを目的とする。
以上の目的を達成すべく、本発明の第１の局面におけるシリコン製造装置は、鉛直方向に立設する反応器と、前記反応器に連絡して四塩化珪素ガス供給口を有すると共に、前記四塩化珪素ガス供給口から四塩化珪素ガスを前記反応器内に供給する四塩化珪素ガス供給管と、前記反応器に連絡して亜鉛ガス供給口を有すると共に、前記亜鉛ガス供給口から亜鉛ガスを前記反応容器内に供給する亜鉛ガス供給管と、前記反応器を加熱する加熱器と、を備え、前記亜鉛ガス供給口は、前記四塩化珪素ガス供給口よりも前記鉛直方向について上方にあり、前記加熱器で、前記反応器の一部の温度をシリコンの析出温度範囲に設定しつつ、前記四塩化珪素ガス供給口から四塩化珪素ガスを前記反応器内に供給すると共に前記亜鉛ガス供給口から亜鉛ガスを前記反応容器内に供給して、前記反応器内で四塩化珪素を亜鉛で還元して、前記反応器内において前記シリコンの析出温度範囲に設定された領域に対応した壁部にシリコンが析出するシリコン析出領域を形成する構成を有する。
また本発明は、かかる第１の局面に加えて、前記シリコン析出領域は、前記シリコンの析出温度範囲に設定された領域に対応する前記反応器の内壁面であることを第２の局面とする。
また本発明は、かかる第１の局面に加えて、前記反応器の内側に装脱自在に挿入された内管を備え、前記シリコン析出領域は、前記シリコンの析出温度範囲に設定された領域に対応する前記反応器内の前記内管の内壁面であることを第３の局面とする。
また本発明は、かかる第３の局面に加えて、前記四塩化珪素ガス供給口及び前記亜鉛ガス供給口は、前記内管の上端よりも前記鉛直方向について下方にあることを第４の局面とする。
また本発明は、かかる第１から第４のいずれかの局面に加えて、前記反応器に連絡してショックブローガス供給口を有すると共に、前記ショックブローガス供給口からショックブローガスを前記反応器内に供給するショックブローガス供給管を備え、前記ショックブローガス供給口からショックブローガスを前記反応器内に供給して、前記シリコン析出領域に析出したシリコンを剥離することを第５の局面とする。
また本発明は、かかる第５の局面に加えて、前記ショックブローガス供給口は、前記四塩化珪素ガス供給口よりも前記鉛直方向について下方にあることを第６の局面とする。
また本発明は、かかる第５又は第６の局面に加えて、前記反応器の前記鉛直方向についての下方に連絡されたシリコン回収槽を備え、前記シリコン析出領域から剥離されたシリコンは、前記シリコン回収槽に回収されることを第７の局面とする。
また本発明は、かかる第７の局面に加えて、前記反応器と前記シリコン回収槽との間に前記反応器の内部と外部とを遮断自在なバルブを備え、前記シリコン析出領域から剥離されたシリコンは、前記バルブ上に堆積した後、前記バルブを開くことにより前記シリコン回収槽に回収されることを第８の局面とする。
また本発明は、かかる第１から第８のいずれかの局面に加えて、前記加熱器は、前記反応器における前記四塩化珪素ガス供給口から前記鉛直方向について上方の領域を前記シリコンの析出温度範囲を超える温度に加熱する加熱部と、前記反応器における前記四塩化珪素ガス供給口よりも前記鉛直方向について下方の領域を前記シリコンの析出温度範囲の温度に加熱する加熱部と、を有することを第９の局面とする。
また本発明は、かかる第１から第９のいずれかの局面に加えて、前記反応器に前記四塩化珪素ガス供給管と同軸に連絡して不活性ガス供給口を有すると共に、前記不活性ガス供給口から不活性ガスを前記反応器内に供給する不活性ガス供給管を備え、前記不活性ガス供給口は、前記四塩化珪素ガス供給口よりも前記鉛直方向について上方にあることを第１０の局面とする。
また本発明は、かかる第１から第１０のいずれかの局面に加えて、前記亜鉛ガス供給管は、前記反応器の縦壁及び上蓋の少なくとも一方から前記反応器に連絡することを第１１の局面とする。
また本発明は、かかる第１から第１０のいずれかの局面に加えて、前記反応器は、円筒状であり、前記亜鉛ガス供給管は、前記反応器の上蓋を介して前記反応器の内部に連絡して、前記鉛直方向における前記反応器の中心軸と同軸に延在することを第１２の局面とする。
また本発明の別の局面におけるシリコン製造方法は、鉛直方向に立設する反応器と、前記反応器に連絡して四塩化珪素ガス供給口を有すると共に、前記四塩化珪素ガス供給口から四塩化珪素ガスを前記反応器内に供給する四塩化珪素ガス供給管と、前記反応器に連絡して亜鉛ガス供給口を有すると共に、前記亜鉛ガス供給口から亜鉛ガスを前記反応容器内に供給する亜鉛ガス供給管と、前記反応器を加熱する加熱器と、を備え、前記亜鉛ガス供給口は、前記四塩化珪素ガス供給口よりも前記鉛直方向について上方にあるシリコン製造装置を用いてシリコンを製造するシリコン製造方法であって、前記加熱器で、前記反応器の一部の温度をシリコンの析出温度範囲に設定しつつ、前記四塩化珪素ガス供給口から四塩化珪素ガスを前記反応器内に供給すると共に前記亜鉛ガス供給口から亜鉛ガスを前記反応容器内に供給して、前記反応器内で四塩化珪素を亜鉛で還元して、前記反応器内において前記シリコンの析出温度範囲に設定された領域に対応した壁部にシリコンを析出するものである。
本発明の第１の局面におけるシリコン製造装置によれば、亜鉛ガス供給口が、四塩化珪素ガス供給口よりも鉛直方向について上方にあり、加熱器で、反応器の一部の温度をシリコンの析出温度範囲に設定しつつ、四塩化珪素ガス供給口から四塩化珪素ガスを反応器内に供給すると共に亜鉛ガス供給口から亜鉛ガスを反応容器内に供給して、反応器内で四塩化珪素を亜鉛で還元して、反応器内においてシリコンの析出温度範囲に設定された領域に対応した壁部にシリコンが析出したシリコン析出領域を形成するものであるため、低コストで収率よく多結晶のシリコンを生成することができ、連続的かつ効率的に多結晶のシリコンを回収するための拡張性のある構成を実現し得る。また、かかる効果は、本発明の別の局面におけるシリコン製造方法においても同様に得られる。
本発明の第２の局面における構成によれば、シリコン析出領域が、反応器の内壁面であるので、シリコンの収量を確実に増加できる。
本発明の第３の局面における構成によれば、シリコン析出領域が、反応器に装脱自在に挿入した内管の内壁面であるので、シリコンの収量を増加できるとともに、内壁面が劣化した内管を簡便に交換できるので、反応器自体を交換することなくシリコンの製造を継続できる。
本発明の第４の局面における構成によれば、四塩化珪素ガス供給口及び亜鉛ガス供給口が、内管の上端よりも鉛直方向について下方にあることにより、四塩化珪素ガス及び亜鉛ガスが混合しながら拡散して、反応器の縦内壁と内管の縦外壁との間に不要に侵入することを効果的に抑制でき、四塩化珪素を亜鉛で還元する還元反応をより効率的に実行してより収率よく多結晶のシリコンを生成することができる。
本発明の第５の局面における構成によれば、ショックブローガス供給口からショックブローガスを反応器内に供給することにより、反応器や内管の内壁面に直接触れることなく、シリコン析出領域に析出したシリコンを剥離することができる。
本発明の第６の局面における構成によれば、ショックブローガス供給口が、四塩化珪素ガス供給口よりも鉛直方向について下方にあるため、ショックブローガスをシリコン析出領域に確実に当てることができ、シリコン析出領域に析出したシリコンを確実に剥離することができる。
本発明の第７の局面における構成によれば、シリコン析出領域から剥離されたシリコンは、自重によりシリコン回収槽に落下するため、シリコンを確実にシリコン回収槽に回収することができる。
本発明の第８の局面における構成によれば、シリコン析出領域から剥離されたシリコンは、自重で落下してバルブ上に堆積するので、かかるバルブを開くことにより、シリコンは、自重によりシリコン回収槽に落下して回収され得る。この際、反応時には、バルブにより反応器の内部と外部とが遮断されているため、高温の反応環境を維持したまま安定的に反応を継続することができる。ついで、ショックブローによりバルブ上に所定量のシリコンが堆積したならば、バルブを開けて常温のシリコン回収槽内にシリコンを落下させた後バルブを閉じ、シリコン回収槽内のシリコンを回収するので、反応器内が不要に汚染されることなくシリコンを回収して次回の反応へと移行することができ、安定した連続稼働が簡便かつ確実に可能となる。
本発明の第９の局面における構成によれば、加熱器は、反応器における四塩化珪素ガス供給口から鉛直方向について上方の領域をシリコンの析出温度範囲を超える温度に加熱する一方で、反応器における四塩化珪素ガス供給口よりも鉛直方向について下方の領域をシリコンの析出温度範囲の温度に加熱することにより、反応器の内壁面又は内管の内壁面を選択的かつ確実にシリコン析出領域とすることができる。
本発明の第１０の局面における構成によれば、反応器に四塩化珪素ガス供給管と同軸に連絡して、四塩化珪素ガス供給口よりも鉛直方向について上方にある不活性ガス供給口を有すると共に、不活性ガス供給口から不活性ガスを反応器内に供給する不活性ガス供給管を備えることにより、コンパクトな構成で、反応器内に必要に応じた不活性ガスを確実に供給することができる。
本発明の第１１の局面における構成によれば、亜鉛ガス供給管が、反応器の縦壁及び上蓋の少なくとも一方から反応器に連絡するものであるため、他の構成要素の配置とバランスをとりながら、所望の亜鉛ガスの拡散状態を実現することができる。
本発明の第１２の局面における構成によれば、反応器が、円筒状であり、亜鉛ガス供給管が、反応器の上蓋を介して反応器の内部に連絡して、鉛直方向における反応器の中心軸と同軸に延在することにより、装置全体の構成をよりコンパクトにしながら、相対的に沸点が高い亜鉛から成るために高温に維持する必要があり、かつ通常は多くのガス量を必要とする亜鉛ガスを確実に反応器内の径方向の中央部に集中的に導入すると共に、四塩化珪素ガスをその周囲に分散的に導入し得て、四塩化珪素を亜鉛で還元する還元反応をより効率的に実行してより収率よく多結晶のシリコンを生成することができる。
本発明の第１の実施形態におけるシリコン製造装置の模式的縦断面図である。 本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的横断面図であり、図１のＡ−Ａ断面図に相当する。 本実施形態におけるシリコン製造装置の変形例を示す模式的縦断面図である。 本実施形態におけるシリコン製造装置の別の変形例を示す模式的縦断面図である。 本実施形態におけるシリコン製造装置の別の変形例を示す模式的縦断面図である。 本実施形態におけるシリコン製造装置の別の変形例を示す模式的縦断面図である。 本実施形態におけるシリコン製造装置の別の変形例を示す模式的縦断面図である。 本実施形態におけるシリコン製造装置の別の変形例を示す模式的縦断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるシリコン製造装置の模式的縦断面図である。 本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的横断面図であり、図５のＢ−Ｂ断面図に相当する。 本発明の第３の実施形態におけるシリコン製造装置の模式的縦断面図である。 本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的横断面図であり、図７のＣ−Ｃ断面図に相当する。 本発明の第４の実施形態におけるシリコン製造装置の模式的縦断面図である。 本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的横断面図であり、図９のＤ−Ｄ断面図に相当する。 本実施形態におけるシリコン製造装置の亜鉛ガス供給管の模式的拡大横断面図であり、図９のＥ−Ｅ断面図に相当する。 本実施形態におけるシリコン製造装置の四塩化珪素ガス供給管の模式的拡大横断面図であり、図９のＦ−Ｆ断面図に相当する。
以下、図面を適宜参照して、本発明の各実施形態におけるシリコン製造装置及び方法につき詳細に説明する。なお、図中、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は、３軸直交座標系を成し、ｚ軸は、縦方向である鉛直方向を示し、ｚ軸の負方向を下方であって下流側とする。
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態におけるシリコン製造装置及び方法につき、図１及び図２を参照して、詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態におけるシリコン製造装置の模式的縦断面図である。図２は、本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的横断面図であり、図１のＡ−Ａ断面図に相当する。
図１及び図２に示すように、シリコン製造装置１は、ｚ軸に平行な中心軸Ｃと同軸で鉛直方向に延在する典型的には円筒状で、その内部で四塩化珪素が亜鉛で還元される還元反応が生じる反応器１０を備える。かかる反応器１０は、石英製であり、その縦壁に挿通孔１０ａ及び挿通孔１０ａよりも下方に位置する挿通孔１０ｂが形成される。また、反応器１０の上方開放端は、それに固設された石英製で典型的には円板状の上蓋１２で閉じられ、反応器１０の下方開放端は、それに対して装脱自在な石英製で典型的には円板状の底板１３で閉じられる。
ここで、シリコン製造装置１においては、反応器１０が、その径Ｄよりも、上蓋１２への合わせ面と底板１３への合わせ面との長さＬが長い寸法を有する縦型の反応器であり、反応器の１０の内部において、亜鉛ガスを四塩化珪素ガスよりも上方（上流側）で供給し、適宜反応器１０の温度を設定しながら、還元反応を生じて、シリコンを析出する析出領域を四塩化珪素ガスが供給される部位よりも下方（下流側）に画成し、反応器１０のより下方（より下流側）から、シリコンを回収し得るものである。
具体的には、反応器１０の上方開放端を閉じる上蓋１２に、中心軸Ｃと同軸の挿通孔１２ａが形成される。かかる挿通孔１２ａには、図示を省略する不活性ガス供給源に連絡して石英製である不活性ガス供給管１４が挿通されて固定され、不活性ガス供給管１４は、反応器１０の内部に侵入して、中心軸Ｃと同軸で鉛直下方に延在する。また、不活性ガス供給管１４の内部には、図示を省略する四塩化珪素ガス供給源に連絡して石英製である四塩化珪素ガス供給管１６が配設されて、四塩化珪素ガス供給管１６は、反応器１０の内部に侵入して、中心軸Ｃと同軸で鉛直下方に延在する。
また、不活性ガス供給管１４は、反応器１０の内部に位置する端部において、不活性ガスを吐出自在な不活性ガス供給口１４ａを有し、四塩化珪素ガス供給管１６は、反応器１０の内部における端部において、四塩化珪素ガスを吐出自在な四塩化珪素ガス供給口１６ａを有する。なお、四塩化珪素ガス供給管１６は、必要に応じて図示を省略する不活性ガス供給源に連絡可能である。
ここで、不活性ガス供給口１４ａは、反応器１０の上蓋１２への合わせ面からの長さＬ１の位置で、反応器１０の内部に開口する。また、四塩化珪素ガス供給口１６ａは、反応器１０の上蓋１２への合わせ面からの長さＬ２（Ｌ２＞Ｌ１）の位置で、反応器１０の内部に開口する。つまり、不活性ガス供給口１４ａの開口位置は、四塩化珪素ガス供給口１６ａの開口位置よりも、上方にある。
一方で、反応器１０の縦壁に設けられた挿通孔１０ａには、図示を省略する亜鉛ガス供給源に連絡して石英製である亜鉛ガス供給管１８が挿通される。具体的には、亜鉛ガス供給管１８は、反応器１０に沿って鉛直方向に延在する部分に加え、中心軸Ｃに直交する方向に延在する連絡部１８ａを有し、かかる連絡部１８ａが、反応器１０の挿通孔１０ａに挿通されて固定される。なお、反応器１０の径Ｄが大きく、上蓋１２の径が大きく設定できるような場合には、亜鉛ガス供給管１８は、上蓋１２を介して反応器１０の内部に連絡してもよい。
もちろん、亜鉛ガス供給源は、亜鉛ガス供給管１８における反応器１０に沿って鉛直方向に延在する部分に対して、独立した亜鉛ガス供給装置として設けることもできるし、かかる亜鉛ガス供給管１８の鉛直方向に延在する部分に亜鉛線を導入して、詳細は後述する加熱器で亜鉛線を沸点以上に加熱して気化する構成を採用してもよい。また、必要に応じて、亜鉛ガス供給管１８には、図示を省略する不活性ガス源から不活性ガスを混入可能である。
かかる亜鉛ガス供給管１８は、反応器１０の挿通孔１０ａで溶着され、反応器１０と一体構成されることが耐久上好ましい。また、亜鉛ガス供給管１８の反応器１０側の端部、つまり連絡部１８ａの端部は、反応器１０の縦壁の内壁面と面一に開口して亜鉛ガスを吐出自在な亜鉛ガス供給口１８ｂを有して、亜鉛ガス供給管１８は反応器１０の内部に連絡する。
ここで、亜鉛ガス供給口１８ｂの開口位置、つまり亜鉛ガス供給口１８ｂの鉛直方向における中心位置は、反応器１０の上蓋１２への合わせ面からの長さＬ３（Ｌ３＜Ｌ２）の位置にある。
つまり、亜鉛ガス供給口１８ｂの開口位置は、四塩化珪素ガス供給口１６ａの開口位置よりも上方にある。なお、亜鉛ガス供給口１８ｂの開口位置が、四塩化珪素ガス供給口１６ａの開口位置よりも上方にある限りにおいて、四塩化珪素ガス供給管１６や亜鉛ガス供給管１８の反応器１０への連絡は、反応器１０の縦壁や上蓋１２等に対して適宜設定可能である。
また、反応器１０の縦壁に設けられた挿通孔１０ｂには、図示を省略する排気ガス処理装置に連絡して石英製である排気管２０が挿通される。かかる排気管２０は、反応器１０の挿通孔１０ｂで溶着され、反応器１０と一体構成されることが耐久上好ましい。また、排気管２０の反応器１０側の端部は、反応器１０の縦壁の内壁面と面一に開口する排気導入口２０ａを有する。
更に、反応器１０の縦壁は、その外部から加熱器２２で囲われる。かかる加熱器２２は、中心軸Ｃと同軸な典型的には円筒状の電気炉であり、鉛直下方に向かって、第１加熱部２２ａ、第２加熱部２２ｂ及び第３加熱部２２ｃを順次有し、第３加熱部２２ｃには、排気管２０が貫通する貫通孔２２ｄが設けられる。
より詳しくは、第１加熱部２２ａは、シリコンが析出する析出温度を超える温度（例えば、１２００℃）を呈するように加熱して維持可能な加熱部であり、不活性ガス供給口１４ａを有する不活性ガス供給管１４、四塩化珪素ガス供給口１６ａを有する四塩化珪素ガス供給管１６及び亜鉛ガス供給口１８ｂを有する亜鉛ガス供給管１８の連絡部１８ａが配された反応器１０の縦壁及びその内部、並びに亜鉛ガス供給管１８の鉛直方向に延在する部分の一部を囲って、かかる領域をシリコンが析出する析出温度を超える温度に加熱して維持する。
ここで、シリコンが析出する析出温度の範囲としては、９５０℃以上１１００℃以下の範囲が好適な温度範囲として評価できる。というのは、反応器１０の縦壁及びその内部の温度が９５０℃未満であると、四塩化珪素が亜鉛で還元される還元反応の反応速度が遅くなってしまう一方で、反応器１０の縦壁及びその内部の温度が１１００℃を超えると、シリコンが固体で存在するよりも四塩化珪素という化合物の気体として存在することが安定なためかかる還元反応自体が起こらないと考えられるからである。また、亜鉛の沸点は９１０℃であるので、かかるシリコンが析出する析出温度の範囲自体は、亜鉛の沸点を超えた温度範囲である。
また、第２加熱部２２ｂ及びその鉛直下方に連続的に設けられた第３加熱部２２ｃは、シリコンの析出温度範囲にある温度を呈するように加熱して維持可能な加熱部であり、不活性ガス供給管１４、四塩化珪素ガス供給管１６及び亜鉛ガス供給管１８が配されない反応器１０の縦壁及びその内部の下部を上下に連続して覆って、かかる領域をシリコンが析出する析出温度に加熱して維持する。
ここで、第２加熱部２２ｂは、シリコンが析出する析出温度の範囲内である温度（例えば、１１００℃）で反応器１０の下部の縦壁及びその内部を加熱可能な加熱部であって、第３加熱部２２ｃは、シリコンが析出する析出温度の範囲内であるが第２加熱部２２ｂの加熱温度よりは低い温度（例えば１０００℃）で反応器１０の第２加熱部２２ｂが加熱する部分よりも下方の縦壁及びその内部を加熱可能な加熱部である。
かかる第２加熱部２２ｂは、第１加熱部２２ａの加熱温度と第３加熱部２２ｃの加熱温度とをつなぐ中間の加熱温度を呈するものであるが、必要に応じて省略可能であり、いずれにせよ、四塩化珪素ガス供給口１６ａを有する四塩化珪素ガス供給管１６及び亜鉛ガス供給口１８ｂを有する亜鉛ガス供給管１８の連絡部１８ａが配される部分の反応器１０の縦壁及びその内部等をシリコンが析出する析出温度を超える温度で加熱する第１加熱部２２ａの鉛直下方において、かかる四塩化珪素ガス供給管１６及び亜鉛ガス供給管１８の連絡部１８ａが配されない部分の反応器１０の縦壁及びその内部をシリコンが析出する析出温度範囲で加熱するような加熱部を設ければよい。なお、第２加熱部２２ｂは、第１加熱部２２ａの加熱温度と第３加熱部２２ｃの加熱温度との差が過大にならないように調整する機能もあり、反応器１０の壁面等の温度変化が過大になることを抑制できる。
なお、加熱器２２における第１加熱部２２ａ、第２加熱部２２ｂ及び第３加熱部２２ｃの加熱温度の全ては、いずれも亜鉛の沸点である９１０℃を超えていることになる。
ついで、以上の構成のシリコン製造装置１を用いて、多結晶のシリコンを製造するシリコンの製造方法につき、詳細に説明する。なお、かかるシリコンの製造方法の一連の工程は、各種センサからの検出データを参照しながら各種データベース等を有するコントローラで自動制御してもよいし、一部又は全部を手動で行ってもよい。
まず、反応器１０の下端に底板１３を装着して、反応器１０の内部と外部とを遮断した状態で、反応器１０の内部に、不活性ガス供給口１４ａから不活性ガスを所定時間供給して、反応器１０の内部の反応雰囲気を整える。この際、必要に応じて、四塩化珪素ガス供給口１６ａ及び亜鉛ガス供給口１８ｂからも、不活性ガスを所定時間供給してもかまわない。
次に、加熱器２２における第１加熱部２２ａにより、不活性ガス供給口１４ａを有する不活性ガス供給管１４、四塩化珪素ガス供給口１６ａを有する四塩化珪素ガス供給管１６及び亜鉛ガス供給口１８ｂを有する亜鉛ガス供給管１８の連絡部１８ａが配された反応器１０の縦壁の上部、並びに亜鉛ガス供給管１８の鉛直方向に延在する部分の一部を加熱し、かかる反応器１０の縦壁の上部及びその内部や亜鉛ガス供給管１８の鉛直方向に延在する部分をシリコンの析出温度を超える温度に加熱して維持する。同時に、加熱器２２における第２加熱部２２ｂ及び第３加熱部２２ｃにより、かかる不活性ガス供給管１４、四塩化珪素ガス供給管１６及び亜鉛ガス供給管１８が配されない反応器１０の縦壁の下部を加熱し、かかる反応器１０の縦壁の下部及びその内部をシリコンの析出温度範囲に加熱して維持する。
次に、かかる温度条件を維持して、還元反応工程を実施する。具体的には、反応器１０の内部に、四塩化珪素ガス供給口１６ａから四塩化珪素ガスを供給し、かつ亜鉛ガス供給口１８ｂから亜鉛ガスを供給する。この際、必要に応じて、不活性ガス供給口１４ａから不活性ガスを供給していてもかまわない。
すると、反応器１０の内部で、四塩化珪素が亜鉛で還元される還元反応が生じ得ることになる。しかし、ここで、四塩化珪素ガスは、その比重が亜鉛ガスの比重の２．６倍程度である相対的に重いガスなので、四塩化珪素ガス供給口１６ａの開口位置よりも上方にある亜鉛ガス供給口１８ｂまでは実質拡散できず、反応器１０の内部における四塩化珪素ガス供給口１６ａの近傍かそれよりも下方領域で、還元反応が生じて、固体のシリコンと塩化亜鉛ガスとが生成することになる。
更に、ここで、不活性ガス供給管１４、四塩化珪素ガス供給管１６及び亜鉛ガス供給管１８が配されない反応器１０の縦壁の下部は、第２加熱部２２ｂ及び第３加熱部２２ｃにより、シリコンの析出温度範囲の温度を呈するように加熱され維持されているため、還元反応により生成されたシリコンは、かかる反応器１０の下部の縦壁、つまり反応器１０の内壁面における四塩化珪素ガス供給口１６ａよりも下方であって排気導入口２０ａよりも上方である領域である析出領域Ｓに針状結晶として析出していく。この際、四塩化珪素ガス供給口１６ａや亜鉛ガス供給口１８ｂには、シリコンが析出することはなく、かかる供給口がシリコンで閉塞されることもない。
更にこのように、反応器１０の内壁面の下部における析出領域Ｓでは、針状結晶のシリコンが順次析出されていくと共に、その析出されたシリコンを種結晶としてシリコンが結晶成長していくため、十分な厚みの多結晶シリコンが堆積されることになる。ここでは、このような析出のプロセス及びそれに関連する結晶成長のプロセスを含めて、析出と呼ぶことにする。
次に、かかる還元反応を所定時間継続した後、反応の原料である四塩化珪素ガスと亜鉛ガスとの供給を停止すると共に、加熱器２２の通電を停止して、不活性ガスのみを供給した状態で、残存する四塩化珪素ガスや亜鉛ガスや副生した塩化亜鉛ガスを排気管２０から排気しつつ、常温まで冷却する。
そして、反応器１０の底板１３を外し、反応器１０の下方開放端から剥離部材を侵入させて、反応器１０の内壁面の下部における析出領域Ｓに堆積した多結晶シリコンを機械的に剥離して回収し、今回のシリコンの製造方法の一連の工程は終了する。なお、かかる多結晶シリコンは、振動を印加することにより剥離して回収することも可能である。
さて、以上の構成のシリコン製造装置１における亜鉛ガス供給管の構成には、反応器１０の縦壁からその内部に侵入させたり、上蓋１２を介して反応器１０に連絡する等の種々の変形例が考えられる。そこで、次に、かかる亜鉛ガス供給管の変形例につき、図３及び図４をも参照して、詳細に説明する。なお、各変形例では、シリコン製造装置１に対して、亜鉛ガス供給管の構成が異なることが主たる相違点であり、残余の構成は同一である。よって、各変形例では、かかる相違点に着目して説明することとし、同一な構成については同一の符号を付して適宜説明を簡略化又は省略する。
図３Ａから図４Ｃは、本実施形態におけるシリコン製造装置の各種変形例を示す模式的縦断面図であり、位置的には図１に対応する。
具体的には、図３Ａに示すシリコン製造装置１ａの構成では、亜鉛ガス供給管１８０の連絡部１８０ａが、反応器１０の内部へ突出しており、反応器１０の内部へ侵入した位置で亜鉛ガス供給口１８０ｂが開口する。また、図３Ｂに示すシリコン製造装置１ｂの構成では、亜鉛ガス供給管１８１の連絡部１８１ａが、反応器１０の内部へ突出するのみならず鉛直下方に向いて屈曲しており、反応器１０の内部の鉛直下方に向いて亜鉛ガス供給口１８１ｂが開口する。一方で、図３Ｃに示すシリコン製造装置１ｃの構成では、亜鉛ガス供給管１８２の連絡部１８２ａが、反応器１０の内部へ突出するのみならず鉛直上方に向いて屈曲しており、反応器１０の内部の鉛直上方に向いて亜鉛ガス供給口１８２ｂが開口する。
以上の変形例では、亜鉛ガスの吐出位置や吐出方向を適宜設定でき、反応器１０の内部における亜鉛ガスの所望の拡散状態を得ながら、設計自由度の高い亜鉛ガス供給管の構成を実現できる。
次に、図４Ａに示すシリコン製造装置１ｄの構成では、反応器１００の縦壁には挿通孔１０ａが形成されておらず、更に、反応器１００の上方開放端を塞ぐ石英製の上蓋１２０には不活性ガス供給管１４が挿通される挿通孔１２ａに加えて、それに隣接する挿通孔１２ｂが形成されている。つまり、亜鉛ガス供給管１８３が、反応器１００の縦壁に挿通されるのではなく、上蓋１２０において不活性ガス供給管１４が挿通される挿通孔１２ａに隣接する挿通孔１２ｂに挿通されて固定され、反応器１００の内部に突出した端部において亜鉛ガス供給口１８３ｂが開口する。また、図４Ｂに示すシリコン製造装置１ｅの構成では、亜鉛ガス供給管１８４が、反応器１００の内部に突出するのみならず、径方向の内側に向いて屈曲しており、反応器１００の内部における径方向の内側に向いて亜鉛ガス供給口１８４ｂが開口する。一方で、図４Ｃに示すシリコン製造装置１ｆの構成では、亜鉛ガス供給管１８５が、反応器１００の内部に突出して径方向の内側に向いて屈曲するのみならず鉛直上方に向いて屈曲し、反応器１００の内部の鉛直上方に向いて亜鉛ガス供給口１８５ｂが開口する。なお、図４Ａに示す構成では、亜鉛ガス供給管１８３が、反応器１００の内部に突出しているが、このように突出させずに、亜鉛ガス供給口１８３ｂが上蓋１２０の下面と面一になるように設定することも可能である。
以上の変形例では、反応器と加熱炉との間隔が狭い場合の亜鉛ガス供給管の取り回し性や、亜鉛ガス供給管を反応器に一体化する際の煩雑さも考慮して、設計自由度の高い亜鉛ガス供給管の構成を実現できる。なお、以上の各変形例の構成は、適宜組み合わせて採用し得ることももちろんである。
以上の変形例を含む本実施形態の構成によれば、亜鉛ガス供給口が、四塩化珪素ガス供給口よりも鉛直方向について上方にあり、加熱器で、反応器の一部の温度をシリコンの析出温度範囲に設定しつつ、四塩化珪素ガス供給口から四塩化珪素ガスを反応器内に供給し、亜鉛ガス供給口から亜鉛ガスを反応容器内に供給して、反応器内で四塩化珪素を亜鉛で還元して、反応器内においてシリコンの析出温度範囲に設定された領域に対応した壁部にシリコンが析出したシリコン析出領域を形成するものであるため、低コストで収率よく多結晶のシリコンを生成することができ、連続的かつ効率的に多結晶のシリコンを回収するための拡張性のある構成を実現し得るものである。
また、シリコン析出領域が、反応器の内壁面であるので、シリコンの収量を増加できるものである。
また、加熱器は、反応器における四塩化珪素ガス供給口から鉛直方向について上方の領域をシリコンの析出温度範囲を超える温度に加熱する一方で、反応器における四塩化珪素ガス供給口よりも鉛直方向について下方の領域をシリコンの析出温度範囲の温度に加熱することにより、反応器の内壁面又は内管の内壁面を選択的かつ確実にシリコン析出領域とすることができるものである。
また、反応器に四塩化珪素ガス供給管と同軸に連絡して、四塩化珪素ガス供給口よりも鉛直方向について上方にある不活性ガス供給口を有すると共に、不活性ガス供給口から不活性ガスを反応器内に供給する不活性ガス供給管を備えることにより、コンパクトな構成で、反応器内に必要に応じた不活性ガスを供給することができるものである。
また、亜鉛ガス供給管が、反応器の縦壁及び上蓋の少なくとも一方から反応器に連絡するものであるため、他の構成要素の配置とバランスをとりながら、所望の亜鉛ガスの拡散状態を実現することができるものである。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態におけるシリコン製造装置及び方法につき、図５及び図６をも参照して、詳細に説明する。
図５は、本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的縦断面図である。また、図６は、本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的横断面図であり、図５のＢ−Ｂ断面図に相当する。
本実施形態のシリコン製造装置２においては、第１の実施形態のシリコン製造装置１に対して、ショックブローガス供給管が付加され、対応してシリコン回収槽が設けられることが主たる相違点であり、残余の構成は同一である。よって、本実施形態においては、かかる相違点に着目して説明することとし、同一な構成については同一の符号を付して適宜説明を簡略化又は省略する。
図５及び図６に示すように、シリコン製造装置２においては、第１の実施形態におけるシリコン製造装置１の構成に対して、更に、反応器１０の上方開放端を塞ぐ石英製で円板状の上蓋１３０において不活性ガス供給管１４が挿通される挿通孔１２ａに加えて、それに隣接した挿通孔１２ｃが形成される。かかる挿通孔１２ｃには、図示を省略する高圧の不活性ガス供給源に連絡して石英製であるショックブローガス供給管２００が挿通されて固定される。かかるショックブローガス供給管２００は、反応器１０の内部に侵入して、反応器１０の内壁面に沿って鉛直下方に延在する。また、ショックブローガス供給管２００は、反応器１０の内部における端部において、ショックブローガス供給口２００ａを有する。
ここで、ショックブローガス供給管２００は、ショックブローガス供給口２００ａから高圧の不活性ガスを反応器１０の内壁面の下部における析出領域Ｓに堆積した多結晶シリコンに当てて、かかる多結晶シリコンを剥離するためのものである。
よって、ショックブローガス供給管２００は、反応器１０の内部においてその内壁面に沿うように、中心軸Ｃについて軸対称となるように複数個（図６中では４個）配設されることが好ましい。かかる場合、上蓋１３０においては、複数個（図６中では４個）の挿通孔１２ｃが対応して形成されることになる。また、ショックブローガス供給口２００ａは、反応器１０の上蓋１３０への合わせ面からの長さＬ４の位置で、反応器１０の内部に開口するものであるが、かかるショックブローガス供給口２００ａの開口位置は、ショックブローガス供給口２００ａから反応器１０の内壁面の下部における析出領域Ｓに対して高圧の不活性ガスを吐出する必要があるため、析出領域Ｓに近接しつつそれよりも上方に位置することが好ましく、そうすると典型的には、四塩化珪素ガス供給口１６ａの開口位置よりも下方にあり（Ｌ４＞Ｌ２）、かつ析出領域Ｓよりも上方に位置することが好ましい。なお、ショックブローガス供給管２００の取り回しは複雑になるが、ショックブローガス供給口２００ａの開口位置を析出領域Ｓよりも下方に位置させて、高圧の不活性ガスを上方に吐出することもできる。
また、ショックブローの条件としては、ショックブローガス供給口２００ａから吐出される不活性ガスの圧力及びブロー時間が挙げられる。かかる圧力は、低すぎると析出領域Ｓに析出したシリコンを十分に剥離することができず、一方で、高すぎると反応器１０の縦壁やショックブローガス供給管２００が破損する傾向があるため、０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下の範囲が好ましく、実用上は０．３ＭＰａ以上０．６ＭＰａ以下の範囲がより好ましい。ブロー時間としては、短すぎると析出領域Ｓに析出したシリコンを十分に剥離できず、一方で、長すぎるとショックブロー用の不活性ガスの導入量が多くなり、反応器１０の温度が低下したり、剥離されたシリコンが排気ガスとともに排出され回収できなくなる傾向があるので、０．１秒以上３．０秒以下の範囲が好ましく、更に、かかるブロー時間のショックブローを複数回所定の間隔で周期的に繰り返してもよい。なお、ショックブローガス供給管２００やショックブローガス供給口２００ａの径は、反応器１０の径やショックブローの圧力等を考慮して適宜設定可能である。
更に、シリコン製造装置２においては、ショックブローガス供給口２００ａから高圧の不活性ガスを反応器１０の内壁面の下部における析出領域Ｓに当てると、そこに堆積した多結晶シリコンが剥離されて自重で下方に落下することになるので、反応器１０の下方には、順次、連結部材２１０、連絡管２２０、バルブ装置２３０及びシリコン回収槽２４０が設けられる。
具体的には、シリコン製造装置２においては、第１の実施形態におけるシリコン製造装置１の底板１３の替わりに、反応器１０の下部と連絡管２２０とを連結する連結部材２１０が設けられ、連絡管２２０とシリコン回収槽２４０との間には、バルブ装置２３０が設けられる。
かかるバルブ装置２３０は、反応器１０の内部の環境と外部の環境とを遮断自在なバルブ２３０ａを備える。反応器１０の内部とシリコン回収槽２４０との連通を遮断するためにバルブ２３０ａを閉じた状態では、ショックブローガス供給口２００ａからの高圧の不活性ガスが析出領域Ｓに当てられることにより剥離されて自重により落下してくる多結晶シリコンを、バルブ２３０ａ上に堆積自在である。一方で、バルブ２３０ａを開いた状態では、反応器１０の内部とシリコン回収槽２４０とが連通し、バルブ２３０ａ上に堆積した多結晶シリコンをシリコン回収槽２４０に自重で落下させて回収自在である。
また、かかるシリコン回収槽２４０は、加熱器２２の加熱領域外の常温雰囲気中に設置されており、シリコン製造装置２に対して装脱自在である。
ついで、以上の構成のシリコン製造装置２を用いて多結晶のシリコンを製造するシリコンの製造方法につき、詳細に説明する。ここで、本実施形態におけるシリコンの製造方法は、反応器１０の底板１３を外して反応器１０の下方開放端から剥離部材を侵入させ、反応器１０の内壁面の下部における析出領域Ｓに堆積したシリコンを機械的に剥離して多結晶シリコンを回収する工程の替わりに、ショックブローガス供給口２００ａからショックブローガスを供給することにより、かかる析出領域Ｓに堆積したシリコンを剥離して回収する工程を採用したことが、第１の実施形態における製造方法に対する主たる相違点であり、析出領域Ｓに析出した多結晶シリコンを剥離する工程以降の工程が実質的に異なるものであるので、かかる相違点に着目して説明する。
具体的には、反応器１０の内部を外部から遮断するためにバルブ装置２３０のバルブ２３０ａを閉じた状態で、反応器１０の内部に不活性ガスを供給した後、加熱器２２で加熱しながら反応器１０の内部で四塩化珪素が亜鉛で還元される還元反応が所定時間継続されて、反応器１０の内壁面の下部における析出領域Ｓに十分な厚みの多結晶シリコンが堆積されたならば、四塩化珪素ガス及び亜鉛ガスの供給を停止する。そして、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａ等から不活性ガスを反応器１０の内部に供給して、反応器１０の内部の雰囲気を不活性ガスで置換する。
次に、ショックブローガス供給口２００ａから高圧の不活性ガスを反応器１０内の析出領域Ｓに当てるショックブロー工程を、所定の圧力、時間及び周期で実施すると、析出領域Ｓに堆積した多結晶シリコンが剥離されて自重で下方に落下する。この際、バルブ２３０ａは、反応器１０の内部と外部とを遮断すべく閉じられているから、落下してきたシリコンはバルブ２３０ａ上に堆積していく。
そして、かかるショックブロー工程が終了したならば、バルブ２３０ａを開いてバルブ２３０ａ上に堆積した多結晶シリコンを自重でシリコン回収槽２４０に落下させた後、反応器１０の内部を外部から遮断すべくバルブ２３０ａを再び閉じる一方で、シリコン回収槽２４０内の多結晶シリコンを取り出して回収して、今回のシリコンの製造方法の一連の工程は終了し、必要に応じて連続的に、次回のシリコンの製造方法の一連の工程に入る。ここで、シリコン回収槽２４０は、シリコン製造装置２に対して装脱自在であるので、シリコンが落下し終わったならば、バルブ２３０ａを閉じた後に、シリコン回収槽２４０をシリコン製造装置２から取り外して所定の保管場所に移動して、シリコン回収槽２４０の内部の多結晶シリコンを取り出すことも可能となる。
以上の本実施形態の構成によれば、ショックブローガス供給口からショックブローガスを反応器内に供給することにより、反応器や内管の内壁面に直接触れることなく、シリコン析出領域に析出したシリコンを剥離することができるものである。
また、ショックブローガス供給口が、四塩化珪素ガス供給口よりも鉛直方向について下方にあるため、ショックブローガスをシリコン析出領域に確実に当てることができ、シリコン析出領域に析出したシリコンを確実に剥離することができるものである。
また、シリコン析出領域から剥離されたシリコンは、自重によりシリコン回収槽に落下するため、シリコンを確実にシリコン回収槽に回収することができるものである。
また、シリコン析出領域から剥離されたシリコンは、自重で落下してバルブ上に堆積するので、かかるバルブを開くことにより、シリコンは、自重によりシリコン回収槽に落下して回収され得る。この際、反応時には、バルブにより反応器の内部と外部とが遮断されているため、高温の反応雰囲気を維持したまま安定的に反応を継続することができる。ついで、ショックブローによりバルブ上に所定量のシリコンが堆積したならば、バルブを開けて常温のシリコン回収槽内にシリコンを落下させた後バルブを閉じ、シリコン回収槽内のシリコンを回収するので、反応器内が不要に汚染されることなくシリコンを回収して次回の反応へと移行することができ、安定した連続稼働が簡便に可能となるものである。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態におけるシリコン製造装置及び方法につき、図７及び図８をも参照して、詳細に説明する。
図７は、本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的縦断面図である。また、図８は、本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的横断面図であり、図７のＣ−Ｃ断面図に相当する。
本実施形態のシリコン製造装置３においては、第２の実施形態のシリコン製造装置２に対して、反応器１０の内部に内管２５０が付加されて、内管２５０の内壁面が、多結晶シリコンが析出する析出領域Ｓとなることが主たる相違点であり、残余の構成は同一である。よって、本実施形態においては、かかる相違点に着目して説明することとし、同一な構成については同一の符号を付して適宜説明を簡略化又は省略する。
図７及び図８に示すように、シリコン製造装置３においては、第２の実施形態におけるシリコン製造装置２の構成に対して、更に、反応器１０の内壁に沿って、中心軸Ｃと同軸で延在する典型的には円筒状の内管２５０が挿入される。かかる内管２５０は、石英製であって、反応器１０に対して装脱自在である。
具体的には、内管２５０の上端２５０ａは、開放端であって反応器１０の上蓋１３０への合わせ面からの長さＬ５の位置にあり、その位置は、亜鉛ガス供給管１８の亜鉛ガス供給口１８ｂよりは下方で、四塩化珪素ガス供給管１６の四塩化珪素ガス供給口１６ａやショックブローガス供給管２００のショックブローガス供給口２００ａよりも上方にある（Ｌ３＜Ｌ５＜Ｌ２＜Ｌ４）。かかる上端２５０ａの位置は、四塩化珪素ガス供給口１６ａの下方領域でシリコンが析出する可能性があるため、内管２５０の内壁面に析出領域Ｓが確実に画成され、かつ、内管２５０ａと反応器１０との隙間にシリコンが析出するのを防ぐために、四塩化珪素ガス供給口１６ａよりも上方にあることが好ましく、かつ不要に亜鉛ガス供給口１８ｂを塞がないように、亜鉛ガス供給口１８ｂよりも下方にあることが好ましいことを考慮して設定したものである。
また、内管２５０は、その下端が連結部材２１０で支持されていた方が安定であるので排気管２０を超えて下方に延在するから、不要に排気管２０の排気導入口２０ａを塞がないように、反応器１０の挿通孔１０ｂに対応する位置に挿通孔２５０ｂを有している。つまり、排気管２０は、反応器１０の縦壁に設けられた挿通孔１０ｂ及び内管２５０の縦壁に設けられ挿通孔２５０ｂに挿通されて固定される。
また、内管２５０は、加熱器２２における第２加熱部２２ｂ及び第３加熱部２２ｃにより、１０００℃以上１１００℃以下の温度のような高温に加熱されて維持されるため、その外壁面が反応器１０の内壁面と接していると、互いに固着して取り外せなくなる可能性があることを考慮して、所定の間隙を介して反応器１０に対して並置されている。なお、かかる間隙を安定的に維持するには、石英製のスペーサを設置することも好ましい。
以上の構成のシリコン製造装置３を用いて多結晶のシリコンを製造するシリコンの製造方法においては、還元反応工程で、内管２５０の内壁面に画成される析出領域Ｓに多結晶シリコンを堆積させた後、ショックブロー工程で、析出領域Ｓの多結晶シリコンを剥離してバルブ装置２３０のバルブ２３０ａ上に堆積させ、このように堆積したシリコンをバルブ２３０ａを開いてシリコン回収槽２４０に落下させて回収することになる。
ここで、かかるシリコンの製造方法を一連の工程を何回か繰り返すと、内管２５０の内壁面が劣化してくるため、繰り返し回数が規準回数を超えた内管２５０については、反応器１０から取り外して、新たな内管２５０に交換することになる。
以上の本実施形態の構成によれば、シリコン析出領域が、反応器に装脱自在に挿入した内管の内壁面であるので、シリコンの収量を増加できるとともに、内壁面が劣化した内管を簡便に交換できるので、反応器自体を交換することなくシリコンの製造を継続できるものである。
なお、第３の実施形態における内管２５０は、底板１３を設けた第１の実施形態の構成に適用可能であり、かかる場合には、内管２５０の下端を底板１３の上に載置して固定することになり、底板１３を反応器１０から取り外すことにより、内管２５０も反応器１０から取り外すことが可能である。
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態におけるシリコン製造装置につき、図９から図１１Ｂをも参照して、詳細に説明する。
図９は、本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的縦断面図である。図１０は、本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的横断面図であり、図９のＤ−Ｄ断面図に相当する。図１１Ａは、本実施形態におけるシリコン製造装置の亜鉛ガス供給管の模式的拡大横断面図であり、図９のＥ−Ｅ断面図に相当する。また、図１１Ｂは、本実施形態におけるシリコン製造装置の四塩化珪素ガス供給管の模式的拡大横断面図であり、図９のＦ−Ｆ断面図に相当する。
本実施形態のシリコン製造装置４においては、第３の実施形態のシリコン製造装置３に対して、反応器１００の縦壁には挿通孔１０ａが形成されておらず、更に、反応器１００の上方開放端を塞ぐ石英製で円板状の上蓋１４０に対して、その中央に亜鉛ガス供給管２８０が挿通され、亜鉛ガス供給管２８０に隣接して、四塩化珪素ガス供給管１６０を内包する不活性ガス供給管１４及びショックブローガス供給管２００が配設されていることが主たる相違点であり、残余の構成は同一である。よって、本実施形態においては、かかる相違点に着目して説明することとし、同一な構成については同一の符号を付して適宜説明を簡略化又は省略する。
図９及び図１０に示すように、石英製の反応器１００は、図４Ａから図４Ｃに示す第１の実施形態の変形例におけるものと同一であり、図１及び図２に示す反応器１０の縦壁から亜鉛供給管１８を挿通する挿通孔１８ａを削除した構成、つまり挿通孔１８ａが形成されていない構成を有する。
反応器１００の上方開放端を閉じる石英製の上蓋１４０には、中心軸Ｃと同軸の１個の挿通孔１２ｄ、並びにそれにそれぞれ隣接して複数個の挿通孔１２ｅ及び複数個の１２ｆが形成される。
１個の挿通孔１２ｄには、図示を省略する亜鉛ガス供給源に連絡して石英製である１本の亜鉛ガス供給管２８０が挿通されて固定される。かかる亜鉛ガス供給管２８０は、反応器１００の内部に侵入して、中心軸Ｃと同軸で鉛直下方に延在すると共に、その縦壁の下端に開口する亜鉛ガス供給口２８０ａを有する一方で、その鉛直方向の先端は閉じられている。
複数の挿通孔１２ｅは、典型的には中心軸Ｃから等距離であって上蓋１４０の周方向に１２０°の等間隔で３個設けられている。かかる各挿通孔１２ｅには、図示を省略する不活性ガス供給源に連絡して石英製である１本の不活性ガス供給管１４が挿通されて固定される。また、不活性ガス供給管１４の内部には、図示を省略する四塩化珪素ガス供給源に連絡して石英製である１本の四塩化珪素ガス供給管１６０が配設されて、四塩化珪素ガス供給管１６０は、反応器１００の内部に侵入して、中心軸Ｃと同軸で鉛直下方に延在する。かかる四塩化珪素ガス供給管１６０は、その縦壁の下端に開口する四塩化珪素ガス供給口１６０ａを有する一方で、その鉛直方向の先端は閉じられている。
複数の挿通孔１２ｆは、典型的には中心軸Ｃから等距離であって上蓋１４０の周方向に１２０°の等間隔で、かつ対応する挿通孔１２ｅを挟むように３個設けられている。かかる各挿通孔１２ｆには、図示を省略する高圧の不活性ガス供給源に連絡して石英製である１本のショックブローガス供給管２００が挿通されて固定される。
このように上蓋１４０の中央に１本の亜鉛ガス供給管２８０を挿通して反応器１００内を延在させると共に、その周囲に複数の不活性ガス供給管１４に内包される四塩化珪素ガス供給管１６０を配設する構成を採用した理由は、沸点が９１０℃の亜鉛ガスは、沸点が５９℃の四塩化珪素ガスよりも高温に加熱された状態で反応器１００に導入される必要があるため、反応器１００や上蓋１４０の径が若干大きくなる傾向にはあるものの、装置全体の構成をよりコンパクトにしながら、相対的に高温に維持した亜鉛ガスを確実に反応器１００内の径方向の中央部に集中的に導入すると共に、四塩化珪素ガスをその周囲に分散的に導入し得る利便性を考慮したためである。なお、反応器１００や上蓋１４０の径を更に大型化できる場合には、亜鉛ガス供給管２８０を複数個設けてもかまわない。
ここで、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａ、四塩化珪素ガス供給管１６０の四塩化珪素ガス供給口１６０ａ、亜鉛ガス供給管２８０の亜鉛ガス供給口２８０ａ及びショックブローガス供給管２００のショックブローガス供給口２００ａは、それぞれ反応器１００の上蓋１４０への合わせ面から長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４の位置で開口する一方で、内管２５０の上端２５０ａは、反応器１００の上蓋１４０への合わせ面から長さＬ５の位置にあり、これらの長さ間の関係は、Ｌ１＜Ｌ５＜Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ４の関係にある。
つまり、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａの開口位置は、内管２５０の上端２５０ａよりも上方にある一方で、四塩化珪素ガス供給管１６０の四塩化珪素ガス供給口１６０ａ、亜鉛ガス供給管２８０の亜鉛ガス供給口２８０ａ及びショックブローガス供給管２００のショックブローガス供給口２００ａの各開口位置は、内管２５０の上端２５０ａよりも下方にある。また同時に、亜鉛ガス供給口２８０ａの開口位置は、四塩化珪素ガス供給口１６０ａの開口位置よりも上方にある。
このように、四塩化珪素ガス供給管１６０の四塩化珪素ガス供給口１６０ａの開口位置に加えて、亜鉛ガス供給管２８０の亜鉛ガス供給口２８０ａの開口位置が、内管２５０の上端２５０ａよりも下方になるように設定したのは、上蓋１４０の中央に亜鉛ガス供給管２８０を挿通して反応器１００内を延在させる構成を採用したことで、内管２５０の縦壁に挿通孔を設けることなく簡便な構成で亜鉛ガス供給口２８０ａを下方に配置することが可能となったことのみならず、四塩化珪素ガスに加えて亜鉛ガスもが内管２５０の内部で吐出されることにより、反応器１００の縦内壁と内管２５０の縦外壁との隙間でかかるガスが不要に拡散して侵入してしまう現象を確実に抑制できることを考慮したためである。
また、図１１Ａに示すように、亜鉛ガス供給管２８０の亜鉛ガス供給口２８０ａは、複数個備えられることが好ましく、典型的には中心軸Ｃに軸対称に１２０°の等間隔で、その縦壁の下端に３個開口することが好ましい。これは、亜鉛ガスが反応器１００の内部に水平方向で吐出されてより確実に均等に拡散し、亜鉛ガスと四塩化珪素ガスとの混合性がより良好に行われ得るためである。なお、もちろん、亜鉛ガスと四塩化珪素ガスとが良好に混合する場合には、亜鉛ガス供給管２８０の亜鉛ガス供給口２８０ａは、１個のみ設けてもよいし、亜鉛ガス供給管２８０の鉛直方向の先端を開放して設けてもよい。
また、図１１Ｂに示すように、四塩化珪素ガス供給管１６０の四塩化珪素ガス供給口１６０ａは、その縦壁の下端において任意の位置及び任意の個数で開口すれば足りる（図中では、一例として、内管２５０の内壁に対向して１個のみ開口するものを示す）。これは、亜鉛ガスと四塩化珪素ガスとの混合性の観点からは、四塩化珪素ガスが水平方向に吐出されるものであれば足りるからである。
以上の構成のシリコン製造装置４を用いて多結晶のシリコンを製造するシリコンの製造方法においては、還元反応工程で、内管２５０の内壁面に画成される析出領域Ｓに多結晶シリコンを堆積させた後、ショックブロー工程で、析出領域Ｓの多結晶シリコンを剥離してバルブ装置２３０のバルブ２３０ａ上に堆積させ、このように堆積したシリコンをバルブ２３０ａを開いてシリコン回収槽２４０に落下させて回収することになる。そして、かかるシリコンの製造方法を一連の工程を何回か繰り返し、その繰り返し回数が規準回数を超えた内管２５０については、反応器１００から取り外して、新たな内管２５０に交換することになる。
以上の本実施形態の構成によれば、反応器が、円筒状であり、亜鉛ガス供給管が、反応器の上蓋を介して反応器の内部に連絡して、鉛直方向における反応器の中心軸と同軸に延在することにより、装置全体の構成をよりコンパクトにしながら、相対的に沸点が高い亜鉛から成るために高温に維持する必要があり、かつ通常は多くのガス量を必要とする亜鉛ガスを確実に反応器内の径方向の中央部に集中的に導入すると共に、四塩化珪素ガスをその周囲に分散的に導入し得て、四塩化珪素を亜鉛で還元する還元反応をより効率的に実行してより収率よく多結晶のシリコンを生成することができる。
また、四塩化珪素ガス供給口及び亜鉛ガス供給口が、内管の上端よりも鉛直方向について下方にあることにより、四塩化珪素ガス及び亜鉛ガスが混合しながら拡散して、反応器の縦内壁と内管の縦外壁との間に不要に侵入することを効果的に抑制でき、四塩化珪素を亜鉛で還元する還元反応をより効率的に実行してより収率よく多結晶のシリコンを生成することができる。
なお、第４の実施形態における亜鉛ガス供給管２８０及び四塩化珪素ガス供給管１６０を内包する不活性ガス供給管１４の配設構成は、第１の実施形態の構成や第２の実施形態の構成に適用可能であることはもちろんである。
また、以上の各実施形態において、反応器、上蓋、底板、不活性ガス供給管、四塩化珪素ガス供給管、亜鉛ガス供給管、排気管、ショックブローガス供給管及び内管等の各構成要素の材質としては、９５０℃以上もの高温において、原料の四塩化珪素ガスや亜鉛ガス、副生する塩化亜鉛ガス等に耐える材質でなければならないので、石英、炭化珪素、窒化珪素等が挙げられるが、析出したシリコン中への炭素や窒素の混入を避ける見地からは、石英、具体的には石英ガラスが最も好ましい。
また、以上の各実施形態において、不活性ガスとしては、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｒｎガス等の希ガスや窒素ガス等が挙げられるが、析出したシリコン中への窒素の混入を避ける見地からは希ガスが好ましく、中でも低価格であるＡｒガスが最も好ましい。
さて、以下、各実施形態に対応する実験例について、詳細に説明する。
（実験例１）
本実験例では、第１の実施形態のシリコン製造装置１を用いて、多結晶シリコンを製造した。
具体的には、シリコン製造装置１において、石英製の反応器１０は、外径Ｄを５６ｍｍ（肉厚は２ｍｍで、内径は５２ｍｍ）及び長さＬを２０５０ｍｍに設定し、石英製の不活性ガス供給管１４は、外径を１６ｍｍ（肉厚は１ｍｍで、内径は１４ｍｍ）に設定し、不活性ガス供給口１４ａの開口位置（不活性ガス供給管１４の反応器１０内における端部位置）は、反応器１０の上蓋１２への合わせ面からの長さＬ１が１０ｍｍになるように設定し、石英製の四塩化珪素ガス供給管１６は、外径を９ｍｍ（肉厚は１ｍｍで、内径は７ｍｍ）に設定し、四塩化珪素ガス供給口１６ａの開口位置（四塩化珪素ガス供給管１６の反応器１０内における端部位置）は、反応器１０の上蓋１２への合わせ面からの長さＬ２が７５０ｍｍになるように設定し、石英製の亜鉛ガス供給管１８は、外径を２０ｍｍ（肉厚は２ｍｍで、内径は１６ｍｍ）に設定し、亜鉛ガス供給口１８ｂの開口位置（亜鉛ガス供給管１８の反応器１０内における端部位置）は、反応器１０の上蓋１２への合わせ面からの長さＬ３が５５０ｍｍになるように設定し、反応器１０の下部に連絡する排気導入口２０ａを有する石英製の排気管２０は、外径を５６ｍｍ（肉厚は２ｍｍで、内径は５２ｍｍ）に設定した。
以上の具体的構成において、まず、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａより１．５６ＳＬＭの流量のＡｒガス、四塩化珪素ガス供給管１６の四塩化珪素ガス供給口１６ａより０．５０ＳＬＭの流量のＡｒガス、及び亜鉛ガス供給管１８の亜鉛ガス供給口１８ｂより２．０４ＳＬＭの流量のＡｒガス（計４．１０ＳＬＭの流量のＡｒガス）を反応器１０の内部に吐出した。
次に、このようにＡｒガスを反応器１０の内部に供給している状態で、加熱器２２を通電して、第１加熱部２２ａにより反応器１０の対応する縦壁及びその内部の領域が１２００℃になるように昇温して維持し、第２加熱部２２ｂにより反応器１０の対応する縦壁及びその内部の領域が１１００℃になるように昇温して維持し、第３加熱部２２ｃにより反応器１０の対応する縦壁及びその内部の領域が１０００℃になるように昇温して維持した。
次に、このように加熱器２２を通電して、第１加熱部２２ａ、第２加熱部２２ｂ及び第３加熱部２２ｃが、反応器１０の各々対応する縦壁及びその内部の領域を加熱して維持した状態で、亜鉛ガス供給管１８にＡｒガスに加えて亜鉛ガスをも供給すべく、１．９３ｇ/ｍｉｎの速度で亜鉛線を導入してガス化し、亜鉛ガス供給口１８ｂより２．０４ＳＬＭの流量のＡｒガスに加えて亜鉛ガスを混合した混合ガスを反応器１０の内部に吐出した。同時に、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａより１．５６ＳＬＭの流量のＡｒガスを反応器１０の内部に吐出しながら、四塩化珪素ガス供給管１６のガスをＡｒガスから四塩化珪素ガスに切り替えて、四塩化珪素ガス供給口１６ａより０．３３ＳＬＭの流量の四塩化珪素ガスを反応器１０の内部に吐出して、１５分の間、反応させた。
次に、このように１５分間反応させた後、反応の原料である四塩化珪素ガス及び亜鉛ガスの供給を停止すると共に、加熱器２２の通電を停止して、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａ等から不活性ガスのみを供給する状態で、残存する四塩化珪素ガスや亜鉛ガスや副生した塩化亜鉛ガスを排気管２０から排気しつつ、常温まで冷却した。
そして、反応器１０に装着した底板１３を取り外し、反応器１０の内壁面を観察したところ、四塩化珪素ガス供給口１６ａの開口位置（四塩化珪素ガス供給管１６の反応器１０内における端部位置）の下方４００ｍｍあたりから排気導入口２０ａ直上あたりに至る反応器１０の内壁面の領域において生成された析出層が確認でき、これは剥離部材で剥離することができて、剥離物を確認したところ針状の多結晶シリコンであった。
（実験例２）
本実験例では、第２の実施形態のシリコン製造装置２を用いて、多結晶シリコンを製造した。
具体的には、シリコン製造装置２において、反応器１０、不活性ガス供給管１４、四塩化珪素ガス供給管１６、亜鉛ガス供給管１８、排気管２０及び加熱器２２の構成は、実験例１におけるシリコン製造装置１のものと同じであり、反応器１０の内部にＡｒガスを供給して、反応器１０の縦壁及びその内部を加熱器２２で加熱して維持した後、四塩化珪素を亜鉛で還元する還元反応を実施する各工程も、実施例１のものと同じである。但し、本実験例で用いるシリコン製造装置２は、ショックブローガスを供給するものであるので、これに関連する構成や工程が異なっている。
つまり、中心軸Ｃについて軸対称に４個設けられる石英製のショックブローガス供給管２００は、外径を６ｍｍ（肉厚は１ｍｍで、内径は４ｍｍ）に設定し、ショックブローガス供給口２００ａの開口位置（ショックブローガス供給管２００の反応器１０内における端部位置）は、反応器１０の上蓋１３０への合わせ面からの長さＬ４が１０５０ｍｍになるように設定した。
以上の具体的構成において、反応器１０の内部を外部から遮断するために、バルブ装置２３０のバルブ２３０ａを閉じた状態で、反応器１０の内部にＡｒガスを供給して、反応器１０の縦壁及びその内部を加熱器２２で加熱して維持した後、四塩化珪素を亜鉛で還元する還元反応を実施したならば、加熱状態を維持した状態で、亜鉛ガス供給管１８に対する亜鉛線の導入及び四塩化珪素ガス供給管１６に対する四塩化珪素ガスの供給を共に停止した。その後、再び、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａより１．５６ＳＬＭの流量のＡｒガスを反応器１０の内部に吐出すると共に、四塩化珪素ガス供給管１６の四塩化珪素ガス供給口１６ａより０．５０ＳＬＭの流量のＡｒガス及び亜鉛ガス供給管１８の亜鉛ガス供給口１８ｂより２．０４ＳＬＭの流量のＡｒガスを反応器１０の内部に吐出して、反応器１０の内部をＡｒガスで５分間置換した。
次に、このようにＡｒガスで置換した後、ショックブローガス供給管２００のショックブローガス供給口２００ａよりＡｒガスを高圧で吐出して、ショックブローを行った。この際のショックブローの条件は、Ａｒガスの圧力を０．４ＭＰａとして１回のショックブロー時間を０．５秒に設定し、次のショックブローまでの間隔を３．０秒間空けて、合計２０回のショックブローを実行したものである。
そして、以上の１５分間の反応、５分間のＡｒガスによる置換及びＡｒガスによる２０回のショックブローの一連の工程を合計４回繰り返した後で、反応器１０の下方で連絡するバルブ装置２３０のバルブ２３０ａを開けて、シリコン回収槽２４０にバルブ２３０ａ上の堆積物を落下させ、シリコン回収槽２４０の中の回収物を確認したところ、針状の多結晶シリコンであった。これは、反応器１０の内壁面にシリコンが析出した後、ショックブローによって剥離されてバルブ装置２３０のバルブ２３０ａ上に堆積したものが回収されたものと考えられる。また、かかる針状の多結晶シリコンの重量を計測したところ８．７ｇであり、反応に供した四塩化珪素ガスの反応率は３５％であった。
（実験例３）
本実験例では、第２の実施形態のシリコン製造装置２を用いて、多結晶シリコンを製造したことは実施例２と同様であるが、実験例２に対して、ショックブローガス供給管２００を短くしてショックブローガス供給口２００ａの開口位置（ショックブローガス供給管２００の反応器１０内における端部位置）は、反応器１０の上蓋１３０への合わせ面からの長さＬ４が８００ｍｍになるように設定し、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａより供給されるＡｒガスの流量を０．１２ＳＬＭに設定し、かつ、反応時間を３０分に設定して、３０分間の反応、５分間のＡｒガスによる置換及びＡｒガスによる２０回のショックブローの一連の工程を合計２回繰り返したことが相違する。
以上の具体的構成において、一連の工程を行って、シリコン回収槽２４０にバルブ２３０ａ上の堆積物を落下させ、シリコン回収槽２４０の中の回収物を確認したところ、針状の多結晶シリコンであった。また、かかる針状の多結晶シリコンの重量を計測したところ１１．１ｇであり、反応に供した四塩化珪素ガスの反応率は４５％であった。
（実験例４）
本実験例では、第２の実施形態のシリコン製造装置２を用いて、多結晶シリコンを製造したことは実施例３と同様であるが、実験例３に対して、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａからはＡｒガスを供給せず、反応時に四塩化珪素ガス供給管１６の四塩化珪素ガス供給口１６ａより供給される四塩化珪素ガスの流量を０．６６ＳＬＭに設定し、亜鉛ガス供給管１８の亜鉛ガス供給口１８ｂより供給されるＡｒガスの流量を０．２２ＳＬＭに設定し、亜鉛ガス供給管１８にＡｒガスに加えて亜鉛ガスをも供給すべく亜鉛線の導入速度を３．８５ｇ/ｍｉｎに設定してガス化し、かつ、反応時間を１５分に設定して、１５分間の反応、５分間のＡｒガスによる置換及びＡｒガスによる２０回のショックブローの一連の工程を合計４回繰り返したことが相違する。
以上の具体的構成において、一連の工程を行って、シリコン回収槽２４０にバルブ２３０ａ上の堆積物を落下させ、シリコン回収槽２４０の中の回収物を確認したところ、針状の多結晶シリコンであった。また、かかる針状の多結晶シリコンの重量を計測したところ２９．７ｇであり、反応に供した四塩化珪素ガスの反応率は６０％であった。
（実験例５から実験例７）
実験例２から実験例４の条件で、第３の実施形態のシリコン製造装置３を用いて、多結晶シリコンを製造するための一連の工程を行い、シリコン回収槽２４０にバルブ２３０ａ上の堆積物を落下させ、シリコン回収槽２４０の中の回収物を確認したところ、針状の多結晶シリコンであり、それらの回収率も実験例２から実験例４に対応して同等であった。これは、反応器１０に装着された内管２５０の内壁面に多結晶シリコンが析出した後、ショックブローによって剥離されてバルブ装置２３０のバルブ２３０ａ上に堆積したものが、回収されたものと考えられる。
（実験例８）
本実験例では、第４の実施形態のシリコン製造装置４を用いて、多結晶シリコンを製造した。
具体的には、シリコン製造装置４において、石英製の反応器１００は、外径Ｄを２２６ｍｍ（肉厚は３ｍｍで、内径は２２０ｍｍ）及び長さＬを２３３０ｍｍに設定し、石英製の内管２５０は、外径を２０６ｍｍ（肉厚は３ｍｍで、内径は２００ｍｍ）及び反応器１００の上蓋１４０への合わせ面からの端部２５０ａの長さＬ５を５０ｍｍに設定し、石英製の亜鉛ガス供給管２８０は、外径を４２ｍｍ（肉厚は３ｍｍで、内径は３６ｍｍ）に設定し、亜鉛ガス供給管２８０の下端を塞いで縦壁のみに中心軸Ｃについて１２０°の等間隔になるように径１６ｍｍで３個設けた亜鉛ガス供給口２８０ａの開口位置（開口の中心位置）は、反応器１００の上蓋１４０への合わせ面からの長さＬ３が３００ｍｍになるように設定し、かつ、反応器１００の下部に連絡する排気導入口２０ａを有する石英製の排気管２０は、外径を５６ｍｍ（肉厚は２ｍｍで、内径は５２ｍｍ）に設定した。
また、石英製の不活性ガス供給管１４及びその内部に配設される石英製の四塩化珪素ガス供給管１６０は、中心軸Ｃから８５ｍｍの距離で１２０度の均等な間隔で３個配設し、石英製のショックブローガス供給管２００は、３個の不活性ガス供給管１４を対応して挟んで中心軸Ｃから８５ｍｍの距離で１２０°の均等な間隔で３個配設した。
ここで、各不活性ガス供給管１４は、外径を１６ｍｍ（肉厚は１ｍｍで、内径は１４ｍｍ）に設定し、不活性ガス供給口１４ａの開口位置（不活性ガス供給管１４の反応器１００内における端部位置）は、反応器１００の上蓋１４０への合わせ面からの長さＬ１が１０ｍｍになるように設定し、各四塩化珪素ガス供給管１６０は、外径を９ｍｍ（肉厚は１ｍｍで、内径は７ｍｍ）に設定し、四塩化珪素ガス供給管１６０の下端を塞いで縦壁のみに径４ｍｍで内管２５０の内壁に対向するように１個設けた四塩化珪素ガス供給口１６０ａの開口位置（開口の中心位置）は、反応器１００の上蓋１４０への合わせ面からの長さＬ２が５００ｍｍになるように設定し、かつ、各ショックブローガス供給管２００は、外径を９ｍｍ（肉厚は１ｍｍで、内径は７ｍｍ）に設定し、ショックブローガス供給口２００ａの開口位置（ショックブローガス供給管２００の反応器１００内における端部位置）は、反応器１００の上蓋１４０への合わせ面からの長さＬ４が６００ｍｍになるように設定した。
以上の具体的構成において、反応器１００の内部を外部から遮断するために、バルブ装置２３０のバルブ２３０ａを閉じた状態で、まず、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａより０．８３ＳＬＭの流量のＡｒガス、四塩化珪素ガス供給管１６０の四塩化珪素ガス供給口１６０ａより１．００ＳＬＭの流量のＡｒガス、及び亜鉛ガス供給管２８０の亜鉛ガス供給口２８０ａより０．８４ＳＬＭの流量のＡｒガス（計２．６７ＳＬＭの流量のＡｒガス）を反応器１００の内部に吐出した。
次に、このようにＡｒガスを反応器１００の内部に供給している状態で、加熱器２２を通電して、第１加熱部２２ａにより反応器１００の対応する縦壁及びその内部の領域が１２００℃になるように昇温して維持し、第２加熱部２２ｂにより反応器１００の対応する縦壁及びその内部の領域が１１００℃になるように昇温して維持し、第３加熱部２２ｃにより反応器１００の対応する縦壁及びその内部の領域が１０００℃になるように昇温して維持した。
次に、このように加熱器２２を通電して、第１加熱部２２ａ、第２加熱部２２ｂ及び第３加熱部２２ｃが、反応器１００の各々対応する縦壁及びその内部の領域を加熱して維持した状態で、Ａｒガスに加えて流量が１０．００ＳＬＭの亜鉛ガスを混合した混合ガスを１０．８４ＳＬＭの流量で亜鉛ガス供給管２８０の亜鉛ガス供給口２８０ａより反応器１００の内部に吐出した。同時に、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａより０．８３ＳＬＭの流量のＡｒガスを反応器１００の内部に吐出しながら、四塩化珪素ガス供給管１６０のガスをＡｒガスから四塩化珪素ガスに切り替えて、四塩化珪素ガス供給口１６０ａより５．００ＳＬＭの流量の四塩化珪素ガスを反応器１００の内部に吐出して、１００分の間、反応させた。
次に、このように１００分間反応させた後、加熱器２２の通電を維持した状態で、反応の原料である四塩化珪素ガス及び亜鉛ガスの供給を停止した。その後、再び、不活性ガス供給管１４の不活性ガス供給口１４ａより２００ＳＬＭの流量のＡｒガス、四塩化珪素ガス供給管１６０の四塩化珪素ガス供給口１６０ａより２００ＳＬＭの流量のＡｒガス、亜鉛ガス供給管２８０の亜鉛ガス供給口２８０ａより２００ＳＬＭの流量のＡｒガスを、反応器１００の内部にそれぞれ吐出して、反応器１００の内部をＡｒガスで５分間置換した。
次に、このようにＡｒガスで置換した後、ショックブローガス供給管２００のショックブローガス供給口２００ａよりＡｒガスを高圧で吐出して、ショックブローを行った。この際のショックブローの条件は、Ａｒガスの圧力を０．４ＭＰａとして１回のショックブロー時間を０．５秒に設定し、次のショックブローまでの間隔を３．０秒間空けて、合計１５回のショックブローを実行したものである。
そして、以上の１００分間の反応、５分間のＡｒガスによる置換及びＡｒガスによる１５回のショックブローの一連の工程を合計２回繰り返した後で、反応器１００の下方で連結するバルブ装置２３０のバルブ２３０ａを開けて、シリコン回収槽２４０にバルブ２３０ａ上の堆積物を落下させ、シリコン回収槽２４０の中の回収物を確認したところ、針状の多結晶シリコンであった。これは、反応器１００内の内管２５０の内壁面にシリコンが析出した後、ショックブローによって剥離されてバルブ装置２３０のバルブ２３０ａ上に堆積したものが回収されたものと考えられる。かかる針状の多結晶シリコンの重量を計測したところ、６１９．８ｇであり、反応に供した四塩化珪素ガスの反応率は５０％であった。
以上の各実験例からは、反応器１０、１００の内壁面や反応器１０、１００の内部に装着された内管２５０の内壁面にシリコンが多結晶の状態で析出することが確認でき、更に実験例２から実験例８では、反応器１０、１００の内壁面や反応器１０、１００の内部に装着された内管２５０の内壁面に析出したシリコンをショックブローで剥離して、バルブ装置２３０のバルブ２３０ａを介しシリコン回収槽２４０に、十分な収量で回収できることが確認できた。
なお、本発明においては、部材の種類、配置、個数等は前述の実施形態に限定されるものではなく、その構成要素を同等の作用効果を奏するものに適宜置換する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはもちろんである。
以上のように、本発明においては、低コストで収率よく多結晶のシリコンを生成することができ、連続的かつ効率的に多結晶のシリコンを生成して回収することも可能にする、又はその構成を実現し得る拡張性があるシリコン製造装置及びシリコン製造方法を提供することができるものであり、その汎用普遍的な性格から、太陽電池用シリコン等の製造装置に広範に適用され得るものと期待される。

Claims (13)

  1. 鉛直方向に立設する反応器と、
    前記反応器に連絡して四塩化珪素ガス供給口を有すると共に、前記四塩化珪素ガス供給口から四塩化珪素ガスを前記反応器内に供給する四塩化珪素ガス供給管と、
    前記反応器に連絡して亜鉛ガス供給口を有すると共に、前記亜鉛ガス供給口から亜鉛ガスを前記反応容器内に供給する亜鉛ガス供給管と、
    前記反応器を加熱する加熱器と、
    を備え、
    前記亜鉛ガス供給口は、前記四塩化珪素ガス供給口よりも前記鉛直方向について上方にあり、前記加熱器で、前記反応器の一部の温度をシリコンの析出温度範囲に設定しつつ、前記四塩化珪素ガス供給口から四塩化珪素ガスを前記反応器内に供給すると共に、前記亜鉛ガス供給口から亜鉛ガスを前記反応容器内に供給して、前記反応器内で四塩化珪素を亜鉛で還元して、前記反応器内において前記シリコンの析出温度範囲に設定された領域に対応した壁部にシリコンが析出するシリコン析出領域を形成するシリコン製造装置。
  2. 前記シリコン析出領域は、前記シリコンの析出温度範囲に設定された領域に対応する前記反応器の内壁面である請求項１に記載のシリコン製造装置。
  3. 前記反応器の内側に装脱自在に挿入された内管を備え、前記シリコン析出領域は、前記シリコンの析出温度範囲に設定された領域に対応する前記反応器内の前記内管の内壁面である請求項１に記載のシリコン製造装置。
  4. 前記四塩化珪素ガス供給口及び前記亜鉛ガス供給口は、前記内管の上端よりも前記鉛直方向について下方にある請求項３に記載のシリコン製造装置。
  5. 前記反応器に連絡してショックブローガス供給口を有すると共に、前記ショックブローガス供給口からショックブローガスを前記反応器内に供給するショックブローガス供給管を備え、前記ショックブローガス供給口からショックブローガスを前記反応器内に供給して、前記シリコン析出領域に析出したシリコンを剥離する請求項１に記載のシリコン製造装置。
  6. 前記ショックブローガス供給口は、前記四塩化珪素ガス供給口よりも前記鉛直方向について下方にある請求項５に記載のシリコン製造装置。
  7. 前記反応器の前記鉛直方向についての下方に連絡されたシリコン回収槽を備え、前記シリコン析出領域から剥離されたシリコンは、前記シリコン回収槽に回収される請求項５に記載のシリコン製造装置。
  8. 前記反応器と前記シリコン回収槽との間に前記反応器の内部と外部とを遮断自在なバルブを備え、前記シリコン析出領域から剥離されたシリコンは、前記バルブ上に堆積した後、前記バルブを開くことにより前記シリコン回収槽に回収される請求項７に記載のシリコン製造装置。
  9. 前記加熱器は、前記反応器における前記四塩化珪素ガス供給口から前記鉛直方向について上方の領域を前記シリコンの析出温度範囲を超える温度に加熱する加熱部と、前記反応器における前記四塩化珪素ガス供給口よりも前記鉛直方向について下方の領域を前記シリコンの析出温度範囲の温度に加熱する加熱部と、を有する請求項１に記載のシリコン製造装置。
  10. 前記反応器に前記四塩化珪素ガス供給管と同軸に連絡して不活性ガス供給口を有すると共に、前記不活性ガス供給口から不活性ガスを前記反応器内に供給する不活性ガス供給管を備え、前記不活性ガス供給口は、前記四塩化珪素ガス供給口よりも前記鉛直方向について上方にある請求項１に記載のシリコン製造装置。
  11. 前記亜鉛ガス供給管は、前記反応器の縦壁及び上蓋の少なくとも一方から前記反応器に連絡する請求項１に記載のシリコン製造装置。
  12. 前記反応器は、円筒状であり、前記亜鉛ガス供給管は、前記反応器の上蓋を介して前記反応器の内部に連絡して、前記鉛直方向における前記反応器の中心軸と同軸に延在する請求項１に記載のシリコン製造装置。
  13. 鉛直方向に立設する反応器と、
    前記反応器に連絡して四塩化珪素ガス供給口を有すると共に、前記四塩化珪素ガス供給口から四塩化珪素ガスを前記反応器内に供給する四塩化珪素ガス供給管と、
    前記反応器に連絡して亜鉛ガス供給口を有すると共に、前記亜鉛ガス供給口から亜鉛ガスを前記反応容器内に供給する亜鉛ガス供給管と、
    前記反応器を加熱する加熱器と、
    を備え、前記亜鉛ガス供給口は、前記四塩化珪素ガス供給口よりも前記鉛直方向について上方にあるシリコン製造装置を用いてシリコンを製造するシリコン製造方法であって、
    前記加熱器で、前記反応器の一部の温度をシリコンの析出温度範囲に設定しつつ、前記四塩化珪素ガス供給口から四塩化珪素ガスを前記反応器内に供給すると共に前記亜鉛ガス
    供給口から亜鉛ガスを前記反応容器内に供給して、前記反応器内で四塩化珪素を亜鉛で還元して、前記反応器内において前記シリコンの析出温度範囲に設定された領域に対応した壁部にシリコンを析出するシリコン製造方法。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014040330A (ja) * 2010-12-22 2014-03-06 Asahi Glass Co Ltd シリコン製造装置及びシリコン製造方法
JP2012132522A (ja) * 2010-12-22 2012-07-12 Asahi Glass Co Ltd 高温用バルブ装置
TWI456682B (zh) * 2012-09-20 2014-10-11 Motech Ind Inc 半導體擴散機台

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56114815A (en) * 1980-02-08 1981-09-09 Koujiyundo Silicon Kk Preliminary washing method of reaction furnace for preparing polycrystalline silicon
JP2004002138A (ja) * 2001-10-19 2004-01-08 Tokuyama Corp シリコンの製造方法
JP2004196642A (ja) * 2002-12-19 2004-07-15 Yutaka Kamaike シリコンの製造装置および方法
JP2005008430A (ja) * 2003-06-16 2005-01-13 Tokuyama Corp シリコンの製造方法
JP2007145663A (ja) * 2005-11-29 2007-06-14 Chisso Corp 高純度多結晶シリコンの製造方法
JP2008184349A (ja) * 2007-01-29 2008-08-14 Kyocera Corp 筒状部材およびこれを用いたシリコン析出用装置
JP2008230871A (ja) * 2007-03-19 2008-10-02 Chisso Corp 多結晶シリコンの製造方法
JP2008285343A (ja) * 2007-05-15 2008-11-27 Sumitomo Electric Ind Ltd 多結晶シリコンの製造方法
WO2009054117A1 (ja) * 2007-10-23 2009-04-30 Kinotech Solar Energy Corporation シリコン製造装置及び方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100677839B1 (ko) * 2001-06-06 2007-02-05 가부시끼가이샤 도꾸야마 실리콘의 제조방법

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56114815A (en) * 1980-02-08 1981-09-09 Koujiyundo Silicon Kk Preliminary washing method of reaction furnace for preparing polycrystalline silicon
JP2004002138A (ja) * 2001-10-19 2004-01-08 Tokuyama Corp シリコンの製造方法
JP2004196642A (ja) * 2002-12-19 2004-07-15 Yutaka Kamaike シリコンの製造装置および方法
JP2005008430A (ja) * 2003-06-16 2005-01-13 Tokuyama Corp シリコンの製造方法
JP2007145663A (ja) * 2005-11-29 2007-06-14 Chisso Corp 高純度多結晶シリコンの製造方法
JP2008184349A (ja) * 2007-01-29 2008-08-14 Kyocera Corp 筒状部材およびこれを用いたシリコン析出用装置
JP2008230871A (ja) * 2007-03-19 2008-10-02 Chisso Corp 多結晶シリコンの製造方法
JP2008285343A (ja) * 2007-05-15 2008-11-27 Sumitomo Electric Ind Ltd 多結晶シリコンの製造方法
WO2009054117A1 (ja) * 2007-10-23 2009-04-30 Kinotech Solar Energy Corporation シリコン製造装置及び方法

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