JPWO2011108452A1

JPWO2011108452A1 - 還元反応器

Info

Publication number: JPWO2011108452A1
Application number: JP2012503107A
Authority: JP
Inventors: 大久保　秀一; 秀一大久保; 好喜岩田
Original assignee: JNC Corp; JX Nippon Mining and Metals Corp; Toho Titanium Co Ltd
Current assignee: JNC Corp; JX Nippon Mining and Metals Corp; Toho Titanium Co Ltd
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2013-06-27
Also published as: TW201134545A; WO2011108452A1

Abstract

[課題] 亜鉛還元による多結晶シリコンの製造装置において、石英管反応器の数を増やすことではなく製造能力を大幅に高めることのできる還元反応器を提供する。[解決手段] 反応器本体２ａ内の反応部１０，２０で四塩化珪素を金属亜鉛で還元して多結晶シリコンを製造する還元反応器２において、石英管を軸方向に沿って分割した縦割り分割体６ａを複数用意するとともに、これら複数の縦割り分割体６ａを突き合わせることにより、その断面が略花弁状の反応部１０，２０を構成したことを特徴とする。

Description

本発明は還元反応器に関し、詳しくは縦型還元反応器に関する。

これまでの太陽電池用シリコンの原料となる多結晶シリコンの代表的な製造法としてシーメンス法があげられる。シーメンス法で製造された多結晶シリコンは極めて高純度である。しかしながらその反面、シーメンス法は反応速度が遅く、また製造設備の運転は回分式になるため、製品価格が高価となり、安価な販売価格が望まれる太陽電池用多結晶シリコンの製造法としては不適である。

近年、シーメンス法よりも安価に製造できる多結晶シリコン製造法として、四塩化珪素を金属亜鉛で還元して高純度多結晶シリコンを製造する亜鉛還元法が提案されている。

例えば、特許文献１（特許第４２００７０３号）には、高純度四塩化珪素及び高純度亜鉛をそれぞれ気化させて、９００〜１，１００℃のガス雰囲気において反応を行うにあたり、反応器内部に通電可能なシリコン芯又はタンタル芯を設置し芯上にシリコン析出を促進するものであり、反応終了後に反応器を開放し、生成した針状並びにフレーク状シリコンを取り出す方法が開示されている。

また、特許文献２（特開２００７−２２３８２２）には、上部に設置されたシリコン塩化物ガス供給ノズルと、還元剤ガス供給ノズルと、排気ガス抜き出しパイプを有する縦型反応器を用いて、該反応器内にシリコン塩化物ガスと還元剤ガスを供給し、シリコン塩化物ガスと還元剤ガスとの反応によりシリコン塩化物ガス供給ノズルの先端部に多結晶シリコンを生成させ、更にそのまま下方に成長させる多結晶シリコン製造装置が開示されている。

上記を含むこれまでに公表されている亜鉛還元法によるシリコン製造のための反応器は８００〜１２００℃の高温に耐え、且つ生成した多結晶シリコンの汚染を防ぐため、殆どの反応器において石英部材が採用されている。

また、反応器は製作の容易さ、反応器内部の反応ガスの均一流動性、反応器内部の温度分布均一性などを考慮して、通常円筒形状の石英管が用いられている。

ところで、現在製造されている石英管の直径は製造上の制約から約１０００ｍｍが最大である。

したがって、上記亜鉛還元法による多結晶シリコンの製造において、製造装置の大きさ即ち生産能力は石英管の直径により制限されるため、多結晶シリコン製造工場の生産能力を増大するには、現在最大といわれる直径約１０００ｍｍの石英管反応器の数を増やすことによる方法しかなかった。

ここで、太陽電池用多結晶シリコンの需要が今後ますます拡大すると言われる状況において、安価に製造できる多結晶シリコンの大型製造装置の実現が期待されている。

特許第４２００７０３号特開２００７−２２３８２２号公報

本発明は、亜鉛還元による多結晶シリコンの製造装置において、石英管反応器の数を増やさずに製造能力を大幅に高めることのできる還元反応器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る還元反応器は、
反応器本体内の反応部で四塩化珪素を金属亜鉛で還元して多結晶シリコンを製造する還元反応器において、
石英管を軸方向に分割された縦割り分割体を複数用意するとともに、これら複数の縦割り分割体を突き合わせることにより、その断面が略花弁状の反応部を構成したことを特徴としている。

このような構成であれば、使用する石英管の直径より大型の還元反応器を構成することができる。

ここで、本発明では、１つの反応部を構成する前記縦割り分割体は、３個〜８個のいずれかであることが好ましい。

また、本発明では、１つの反応部を構成する前記縦割り分割体は、４個であることが好ましい。

このような構成の還元反応器によれば、形状バランスが良好で使い勝手のよい還元反応器を作成することができる。

さらに、本発明では、前記複数の縦割り分割体から構成されるその断面が略花弁状の反応部が、上下方向に２〜５段積み重ねて配置されていることが好ましい。

このような構成であれば、所望とする容量の縦型の還元反応器を作成することができる。

また、本発明では、前記複数の縦割り分割体の各々が、その周方向および／またはその上下方向に隣接する縦割り分割体と接着剤によって接合されていることが好ましい。この際、周方向に隣接する縦割り分割体同士を突き合わせできるように、縦割り分割体の突き合わせ面の角度を調整することが好ましい。

さらに、本発明では、前記接着剤はシリカまたはアルミナを主成分とするものであることが好ましい。

また、本願発明では、前記反応部の外周部に補強用の押さえ部材を介在させることが好ましい。

このように押さえ部材を外周部に介在させることにより、接合部からの漏洩や破損を防止することができる。

本発明に係る還元反応器によれば、従来の石英管からなる円筒形状の反応器と比べて、反応部の容積を大きく設定することができるため、製造能力を大幅に高めることのできる大型の還元反応器を作成することができる。

図１は本発明の一実施例に係る還元反応器の製作過程を示す概略斜視図である。図２は本発明の還元反応器の全体構成を示した構成図である。図３（Ａ）は図１の還元反応器に採用された石英管の分割前の状態を示す斜視図、図３（Ｂ）は図１の還元反応器に採用された石英管を軸方向に分割した縦割り分割体の斜視図である。図４は図３（Ｂ）に示した縦割り分割体の組立て状態を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を説明する。

図１は、本発明の一実施例による大型の還元反応器２の製作過程における概略モデルを示した斜視図である。また、図２は、本発明の還元反応器２の全体構成を示した構成図である。

この還元反応器２では、反応器本体２ａの内部に２つの反応部１０、２０が上下に連通している。また、反応器本体２ａの脚部には円盤状で耐火物からなる受け部材４が載置され、反応器本体２ａの上部には石英製の天板８が設置されている。

天板８及び受け部材４は、還元反応器２の製作過程において一時的に使用するものであって、還元反応器２を多結晶シリコン製造用の還元反応器２として完成させるためには、図２に示したように、反応器本体２ａの上部に四塩化珪素ガス供給管１４と亜鉛ガス供給管１２を設置し、反応器本体２ａの下部に排ガス出口部１６と多結晶シリコン回収部１８を設置する。

上記反応器本体２ａの反応部１０，２０は、以下に示したように、石英管を複数に分割した縦割り分割体から構成されている。

各反応部１０，２０を構成する縦割り分割体は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示したように、円筒状の石英管を軸方向（縦方向）に半分に分割した半割体６ａを例えば、周方向に４個組み合わせることにより構成されている。なお、この分割体は、完全に半分である半割体である必要はない。例えば、円筒を軸方向に分割する切断線を、円筒中心を通る直線（図３（Ｂ）の態様）に代えて、円筒中心を通る直径と平行な２直線で切断することにより得られる分割体であってもよい。このように２直線で切断して得られる分割体は、図３（Ｂ）に示した分割体よりやや小さい断面略円弧状（劣弧状）の２つの分割体となる。

また、分割体は、二分の一の分割体でなく、三分の一の分割体（断面劣弧状）などから形成することもできる。したがって、本発明における分割体とは、円筒を軸方向の直線で半分にした半割体、あるいはこれよりやや小さい略円弧状の半割体、さらには、３分割体、４分割体などを含む。しかしながら、実際には、半割体あるいは略円弧状の半割体を用いることが実際的である。

要は、これら分割体を略花弁状の反応部を構成するように多数組み合わせることにより、切断される前の円筒の断面積より大きくなるように設定すれば良い。

また、石英管の直径及び長さは、例えば、直径は８００〜１０５０ｍｍ（好ましくは８５０〜９５０ｍｍ）、長さは８００〜２０００ｍｍの石英管であるが、本発明はこれに限定されるものではない。また、石英管の肉厚は、１０〜３５ｍｍ（好ましくは２０〜３０ｍｍ）であるが、本発明はこれに限定されるものではない。

本実施例では、図３（Ａ）、（Ｂ）に示したように、円筒状、例えば直径約９００ｍｍ、長さ１０００ｍｍの石英管６を軸方向に２つに分割してなる縦割り分割体６ａ，６ａを予め２組用意する。そして、これら４個の縦割り分割体６ａを、図４に示したように互いに周方向に突き合わせていくことにより、花弁状の反応部１０あるいは反応部２０を別々に形成する。なお、反応部１０あるいは反応部２０を構成する縦割り分割体６ａの接続部は、石英用接着剤により接合されることが好ましい。この際、周方向に隣接する縦割り分割体６ａ，６ａ同士を突き合わせできるように、縦割り分割体の突き合わせ面の角度を調整することが好ましい。

石英用接着剤としては、耐熱性を有し、反応温度において石英ガラスに対して失透原因とならない、石英管と同程度の熱膨張率を有するシリカ、またはアルミナを主成分とする接着剤を選定することが好ましい。さらに、添加剤として石英ウールまたは石英ガラスビーズを添加することにより接着剤の強度を高めることもできる。

そして、一体化されたこれら２つの反応部１０，２０を、図１に示した受け部材４を基台としてその上部に上下方向に積み重ねて配置する。なお、反応部１０，２０同士の接合部も、上記と同様の接着剤により互いに接合されることが好ましい。さらに、図２に示したように、反応器本体２ａの最上部に四塩化珪素ガス供給管１４及び亜鉛ガス供給管１２を設置し、反応器本体２ａの下部に排ガス出口部１６及び多結晶シリコン回収部１８を設置することにより、断面略花弁状の還元反応器２が構成される。

これにより、上記実施例で得られた還元反応器２の反応器本体２ａは、単に円筒状の石英管を用いる場合に比べて断面積すなわち反応部の容積を大きく設定することができる。

したがって、本発明では、現在最大級といわれる直径１０００ｍｍの石英反応器より大型の石英反応器を構成することができる。

以上、本発明の一実施例に係る還元反応器２について説明したが、本発明の還元反応器は、上記実施例に何ら限定されない。

例えば、上記実施例では、１つの反応部１０あるいは反応部２０を構成するにあたり、それぞれ４個の縦割り分割体６ａを用いて１つの反応部１０あるいは２０を構成し、かつこれらを上下二段に重ね合わせているが、本発明はこれに限定されない。縦割り分割体６ａの周方向の組合わせ個数あるいは反応部の上下方向の重ね段数は、８００〜１２００℃の高温に耐える強度を確保することを考慮して適宜選定することができる。本発明においては、分割体６ａが半割体である場合、その縦割り分割体６ａを３〜８個を組み合わせて１つの反応部を形成し、この反応部を２〜５段重ね合わせることにより１つの連通した反応管を形成することができる。この範囲内であれば、８００〜１２００℃の高温において、十分気密性および強度を保つことができる。

一例として、直径９００ｍｍ、長さ１０００ｍｍの石英管を縦方向に切断した縦割り分割体６ａを４個用い、これを接着剤で接合した断面花弁型反応部を２個作成し、これを二段に重ね合わせて接合して、反応器本体２ａを作成した。この反応器本体２ａにおける最も大きい部分の直径は約１６５０ｍｍであった。

なお、上記と同じ縦割り分割体６ａを３個用いた場合の直径は約１２６０ｍｍであり、その断面積は上記石英管の断面積の約２．１倍となる。また、縦割り分割体６ａを８個用いた場合の直径は約３０６０ｍｍであり、その断面積は上記石英管の断面積の約１０．４倍となる。

この反応器本体２ａの上部に還元用の亜鉛ガス供給管１２と原料の四塩化珪素ガス供給管１４を取り付け、また反応器本体２ａの下部には反応排ガスである塩化亜鉛ガスの排ガス出口部１６を取り付け、還元反応器２を完成した。

このような還元反応器２を使用して、亜鉛ガス及び四塩化珪素ガスを反応器本体２ａの上部から供給し、１０００℃で６時間反応させて多結晶シリコンを製造した。還元反応器２は、反応中のガス漏れもなく気密性は良好で耐圧・耐熱強度も十分であった。

なお、反応器本体２ａの強度維持のため、反応器本体２ａの外側周囲（花弁型の弁頂部に相当する部分４箇所）を複数のセラミックスや石英などで構成される押さえ部材などで外側から押さえ付けて反応器本体２ａを補強することもできる。

このような押さえ部材を、反応部１０の周囲に張り巡らすように設置すれば、反応部１０を多段に重ね合わせていく場合の足場として使用することもでき、これにより、重ね合わせ作業を容易に行うことができる。

２還元反応器
２ａ反応器本体
４受け部材
６ａ分割体
１２亜鉛ガス供給管
１４四塩化珪素ガス供給管
１６排ガス出口部１６
１８多結晶シリコン回収部
１０，２０反応部

Claims

反応器本体内の反応部で四塩化珪素を金属亜鉛で還元して多結晶シリコンを製造する還元反応器において、
石英管を軸方向に分割された縦割り分割体を複数用意するとともに、これら複数の縦割り分割体を突き合わせることにより、その断面が略花弁状の反応部を構成したことを特徴とする還元反応器。
１つの反応部を構成する前記縦割り分割体は、３個〜８個のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の還元反応器。
１つの反応部を構成する前記縦割り分割体は、４個であることを特徴とする請求項２に記載の還元反応器。
前記複数の縦割り分割体から構成される略花弁状の反応部が、上下方向に２〜５段積み重ねて配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の還元反応器。
前記複数の縦割り分割体の各々が、その周方向および／またはその上下方向に隣接する縦割り分割体と接着剤によって接合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の還元反応器。
前記接着剤はシリカまたはアルミナを主成分とするものであることを特徴とする請求項５に記載の還元反応器。
前記反応部の外周部に補強用の押さえ部材を介在したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の還元反応器。