WO2006016626A1 - シリコン製造装置 - Google Patents

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WO2006016626A1
WO2006016626A1 PCT/JP2005/014694 JP2005014694W WO2006016626A1 WO 2006016626 A1 WO2006016626 A1 WO 2006016626A1 JP 2005014694 W JP2005014694 W JP 2005014694W WO 2006016626 A1 WO2006016626 A1 WO 2006016626A1
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WO
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reaction tube
gas supply
silicon
gas
supply port
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/014694
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English (en)
French (fr)
Inventor
Junichirou Nakashima
Satoru Wakamatsu
Shigeki Sugimura
Original Assignee
Tokuyama Corporation
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Publication date
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Priority to JP2006531703A priority patent/JP4805155B2/ja
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Priority to AU2005272378A priority patent/AU2005272378A1/en
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
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    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/03—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of silicon halides or halosilanes or reduction thereof with hydrogen as the only reducing agent
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
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    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure

Definitions

  • the present invention provides gas supply locachlorosilanes and hydrogen provided on the upper side of a reaction tube to the reaction tube, deposits silicon on the inner wall of the heated reaction tube,
  • the opening force at the lower end also relates to a silicon manufacturing apparatus that takes out precipitated silicon.
  • Siemens method a method called the Siemens method.
  • a silicon rod heated to the deposition temperature of silicon by energization is placed inside a bell jar, and trichlorosilane (SiHCl) or monosilane (SiH) is placed on the silicon rod.
  • a reducing gas such as hydrogen.
  • This silicon production apparatus is installed in a closed vessel 1 with a reaction tube 11 made of a carbon material or the like as a base material, and an upper side of the reaction tube 11, and a reaction tube containing chlorosilanes or chlorosilanes and hydrogen.
  • 11 is provided with a raw material gas supply port 6 to be supplied to the inside of the reactor 11, and a high-frequency heating coil 15 installed on the outer periphery of the reaction tube 11.
  • the reaction tube 11 is heated by an electromagnetic wave from the high-frequency heating coil 15 on the outer periphery thereof, and the inner surface of the reaction tube 11 is heated to a temperature force equal to or higher than the melting point of silicon or a temperature at which less silicon can be deposited. Then, chlorosilanes supplied from the source gas supply port 6 are brought into contact with the heated inner surface of the reaction tube 11 to deposit silicon.
  • silicon deposition is performed with the inner surface of the reaction tube 11 at a temperature lower than the melting point at which silicon can be deposited (second method)
  • silicon is once deposited on the inner surface of the reaction tube 11 as a solid, Is heated above the melting point of silicon, and a part or all of the precipitate is melted and dropped, and recovered in the cooling recovery chamber 21 installed in the dropping direction.
  • seal gas supply ports 12 and 2 are provided to supply a seal gas such as hydrogen and fill it with a single gas atmosphere.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-2627
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-29726
  • the present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and suppresses silicon deposition on the lower end portion of the reaction tube and other portions other than the inner surface of the reaction tube, thereby increasing the length.
  • Providing silicon manufacturing equipment capable of stable operation over time The purpose is to.
  • Another object of the present invention is to provide a silicon production apparatus capable of suppressing silicon deposition on the lower end portion of the reaction tube and other portions other than the inner surface of the reaction tube with a small amount of supply gas. .
  • the silicon production apparatus of the present invention comprises a cylindrical reaction tube and means for heating a reaction region including at least the lower end portion of the reaction tube to a melting point of silicon or higher, on the upper side of the reaction tube.
  • a first gas supply port is provided on the outer peripheral side in the vicinity of the lower end portion of the reaction tube.
  • the first gas supply port is provided with an annular slit and supplies seal gas and Z or etching gas toward the lower end portion.
  • a second gas supply port for supplying seal gas and Z or etching gas toward the outer peripheral wall surface of the first gas supply port in the member forming the first gas supply port is provided at a position apart from the force. It is characterized by that.
  • the first gas supply port is formed by a gap between the outer peripheral surface of the reaction tube and the inner peripheral surface of an annular member provided adjacent to the outer peripheral side of the reaction tube.
  • the second gas supply port supplies seal gas and z or etching gas toward a wall surface around the outside of the first gas supply port in the annular member.
  • the second gas supply port supplies seal gas and Z or etching gas toward the bottom surface or the inner peripheral surface of the annular member around the outside of the first gas supply port.
  • the outer peripheral side region of the reaction tube in which the heat retaining member wound around the reaction tube, the heating device for heating the lower end of the reaction tube, and the like are installed is isolated by the annular member, etc. Are supplied to the lower end of the reaction tube through an annular slit provided along the outer periphery in the vicinity of the lower end of the reaction tube.
  • the second gas supply roller is provided at a position where the first gas supply locker is also separated from the first gas supply port, and toward the wall surface around the outside of the first gas supply port in the member forming the first gas supply port. Supply seal gas.
  • a first gas supply port for supplying helium gas or the like at the lower end of the reaction tube in order to suppress silicon precipitation at the lower end of the reaction tube is provided along the outer periphery of the lower end of the reaction tube. Therefore, the wall surface of the member disposed on the outer peripheral side of the reaction tube and forming the slit of the first gas supply port, for example, the bottom surface or the inner peripheral surface of the annular member around the outer side of the first gas supply port, Precipitates.
  • the wall surface around the outside of the first gas supply port in the member is close to the lower end portion of the reaction tube, and is heated to a high temperature by radiant heat from the reaction tube. As a result, from the inside of the reaction tube Silicon is deposited by this reaction gas.
  • the seal gas and the like are supplied toward the wall surface of the outer periphery of the first gas supply port in the above-described member, the member that forms the first gas supply port Silicon deposition on the wall surface can be suppressed. Therefore, the shape of the first gas supply port is maintained for a long time, and during that time, the supply of seal gas or the like to the lower end of the first gas supply loca reaction tube is not hindered.
  • silicon is deposited on the lower end portion of the reaction tube and other portions other than the inner surface of the reaction tube. Is sufficiently suppressed, and stable operation over a long time is possible.
  • the second gas supply port as described above, the total amount of the supply amount of seal gas and the like from the first gas supply port and the supply amount of seal gas and the like at the second gas supply port force Even if the supply amount of sealing gas, etc. per hour is further reduced, As a result, stable operation over a long period of time can be achieved with a smaller amount of supply gas.
  • the second gas supply port Can be made sufficiently thin so that a small amount of sealing gas having a sufficient linear velocity can be supplied. Therefore, the supply amount of seal gas, etc. per hour as a total amount of the supply amount of seal gas, etc. from the first gas supply port and the supply amount of seal gas, etc. with the power of the second gas supply port is further reduced. Even so, silicon deposition on the lower end of the reaction tube can be sufficiently suppressed, and as a result, stable operation over a long period of time can be achieved with a smaller amount of gas supply.
  • the seal gas or the like of the first gas supply loca may be supplied to the extent that the back flow of gas from the lower part of the slit is prevented. Absent.
  • the etching gas is preferably supplied from the first gas supply port, the second gas supply port, or both of them.
  • the etching gas may be used in combination with a seal gas.
  • the etching gas supply and the sealing gas supply may be switched over time by supplying a mixed gas of the etching gas and the sealing gas.
  • silicon deposition on the lower end portion of the reaction tube and other portions other than the inner surface of the reaction tube can be sufficiently suppressed, and a stable operation for a long time can be achieved. Is possible.
  • silicon deposition on the lower end portion of the reaction tube and other portions other than the inner surface of the reaction tube can be sufficiently suppressed with a small amount of supply gas.
  • FIG. 1 (a) is a cross-sectional view showing the periphery of the lower end portion of a reaction tube of a silicon production apparatus in one embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 (b) is a cross-sectional view taken along line AA in Fig. 1 (a).
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the periphery of the lower end of a reaction tube of a silicon production apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the periphery of the lower end of a reaction tube of a silicon production apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a specific example of a first gas supply port and a second gas supply port.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a specific example of a first gas supply port and a second gas supply port.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a specific example of a first gas supply port and a second gas supply port.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a specific example of the inner peripheral side shape of the annular member.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a silicon manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional silicon manufacturing apparatus.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a silicon manufacturing apparatus in one embodiment of the present invention. Components similar to those of the conventional silicon manufacturing apparatus shown in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals.
  • the silicon production apparatus of this embodiment includes a cylindrical reaction tube 11 in a sealed container 1. By supplying chlorosilanes from the source gas supply port 6 arranged on the upper side of the reaction tube 11, silicon is formed on the inner wall of the reaction tube 11 heated by the high-frequency heating coil 15. It is deposited.
  • chlorosilanes used in the reaction include trichlorosilane (SiHCl, hereinafter referred to as TC).
  • STC tetra-salt silicate
  • Oral rotrisilanes can also be suitably used. These chlorosilanes may be used alone or in combination of two or more.
  • chlorosilanes mainly composed of TCS or STC reduces the generation of high-boiling silanes (polymers) that have an adverse effect on the gas downstream area and that have an adverse effect on the gas downstream area. This makes it possible to operate stably for a longer time.
  • Hydrogen supplied to the precipitation reaction together with the chlorosilanes is also supplied with power such as a raw material gas supply port 6 and a seal gas supply port 12.
  • a supply pipe separate from the supply pipe for chlorosilanes may be connected to an appropriate position of the reaction pipe 11 for supply.
  • the reaction tube 11 is formed, for example, in a cylindrical shape, and is opened downward from the opening of the lower end 11a thereof.
  • a carbon material such as graphite, which can be heated by high frequency and has resistance at the melting point of silicon, is preferably used.
  • the cross-sectional shape of the reaction tube 11 may be another shape such as a polygonal force, preferably a circular shape.
  • the reaction tube 11 has a straight cylindrical shape with the same cross-sectional area in each part, and a part of the cross-section is different in order to increase the residence time of the source gas and improve the conversion rate to chlorosilanes.
  • the shape may be larger than the portion.
  • the opening at the lower end portion 11a of the reaction tube 11 may be a straight opening with a constant tube thickness or a narrowing portion formed so that the diameter gradually decreases as it is directed downward.
  • the peripheral edge of the opening may be configured so that the peripheral edge is inclined in addition to the horizontal aspect, or the peripheral edge may be formed in a wave shape. This makes it easy to drop the silicon droplet from the peripheral edge of the opening. Along with the silicon melt droplets, silicon particles The particle size can be adjusted to be smaller and more uniform.
  • a raw material gas supply pipe 5 is installed on the upper part of the reaction tube 11, and, for example, chlorosilanes and hydrogen are supplied simultaneously or separately from the raw material gas supply port 6.
  • the source gas supply pipe 5 desirably includes a cooling means for cooling the source gas supply pipe 5 in order to prevent thermal degradation of the pipe and to prevent chlorosilanes from being thermally decomposed in the pipe.
  • a cooling means for example, as shown in the figure, a flow path from the coolant supply port 7 for supplying a coolant liquid such as water or heat transfer oil to the coolant discharge port 8 is provided in the raw material gas supply pipe 5 for cooling.
  • Liquid jacket method or one or more nozzles are installed almost concentrically on the outer periphery of the source gas supply pipe 5, and the cooling gas is purged in the gap between the source gas supply pipe 5 and each nozzle on the outer periphery. Then, an air cooling jacket method in which the source gas supply pipe 5 is cooled by air cooling can be mentioned.
  • the cooling temperature of the raw material gas supply pipe 5 may be set to be lower than the decomposition temperature of the chlorosilanes to be supplied.
  • the temperature in the pipe is preferably 800 ° C or lower, more preferably. Is 600 ° C or less, most preferably 500 ° C or less.
  • quartz glass, iron, stainless steel, etc. can be used as the material of the source gas supply pipe 5, in addition to the same material as the reaction pipe 11, quartz glass, iron, stainless steel, etc. can be used.
  • the seal gas supply port 12 is provided to supply seal gas to the space inside the reaction tube 11 above the opening position of the source gas supply tube 5.
  • the gas supply pipe 5 is inserted into the reaction pipe 11 so that chlorosilanes are directly supplied to the high temperature space of the reaction pipe 11. This is a force for preventing the chlorosilanes supplied as a raw material to the reaction tube 11 from precipitating in the low temperature region in the upper part of the reaction tube 11.
  • the position force that is the deposition temperature also causes silicon deposition and growth on the upper side, which causes a problem of blocking the apparatus when the silicon manufacturing apparatus is operated for a long period of time.
  • the seal gas fills the space where the temperature gradient exists, and chlorosilanes or chlorosilanes are provided. Prevents intrusion of mixed gas of hydrogen and hydrogen Can be effectively prevented.
  • the source gas is used as shown in FIG.
  • the supply port 6 may be provided above the upper surface of the reaction tube 11 instead of being provided in the reaction tube 11. In this case, hydrogen gas may be separately supplied from the vicinity of the upper surface of the reaction tube 11.
  • the seal gas a gas that does not generate silicon and does not adversely affect the generation of silicon in a region where chlorosilanes are present is preferable.
  • hydrogen which is one of powerful raw materials that can use an inert gas such as argon or helium, hydrogen or the like, is preferable.
  • the supply amount of the sealing gas is sufficient to maintain a pressure that always fills the space where the temperature gradient exists.
  • Hydrogen which is one of the source gases, can be partially or wholly introduced into the reaction system through the seal gas supply pipe 12.
  • the sealing gas is also supplied from a separate sealing gas supply port 2 installed in the sealed container 1, for example, a sealed container 1 such as a region outside the reaction tube 11 or the vicinity of the lower end 11a of the reaction tube 11. It is supplied to an area where it is necessary to prevent silicon deposition.
  • the reaction tube 11 is heated by electromagnetic waves (high frequency) from the high-frequency heating coil 15 on the outer periphery thereof, and the inner surface of the reaction tube 11 has a temperature force equal to or higher than the melting point of silicon, or a temperature at which less silicon can be analyzed.
  • This heating region is usually a region having a length of 30 to 90% with respect to the total length of the reaction tube 11 in the sealed container 1 upward from the lower end portion 11a.
  • the temperature of the inner surface of the reaction tube 11 is set to the melting point of silicon (approximately 1410 to 1430 ° C) or higher. Silicon is deposited in a molten state.
  • the temperature of the inner surface of the reaction tube 2 is preferably 950 ° C. More preferably, silicon is deposited at 1200 ° C or higher, more preferably 1300 ° C or higher. Make it.
  • the high-frequency heating coil 15 heats the reaction tube 11 by generating electromagnetic waves by energizing the coil with a power source (not shown).
  • the frequency of this electromagnetic wave is set to an appropriate value according to the material or shape of the object to be heated, such as the reaction tube 11, and is set to about several tens Hz to several tens GHz, for example.
  • the means for heating the reaction tube 11 from the outside includes, in addition to high-frequency heating, a method using a heating wire, a method using infrared rays, and the like.
  • the silicon deposited on the inner surface of the reaction tube 11 is dropped by the opening force at the lower end 11a of the reaction tube 11 and recovered in the cooling recovery chamber 21 installed in the dropping direction.
  • the silicon melt deposited in the molten state is continuously dropped by the opening force of the lower end portion 11a of the reaction tube 11, and recovered by the cooling recovery unit 21 installed in the dropping direction.
  • the deposited silicon melt flows downward along the inner surface of the reaction tube 11 and freely falls as droplets from the lower end portion 11a and solidifies during or after the fall.
  • the silicon that has fallen into the cooling recovery unit 21 is supplied with a solid coolant such as silicon, copper, molybdenum, etc., a liquid coolant such as liquid silicon tetrachloride, liquid nitrogen, or a cooling gas supply provided in the cooling recovery unit 21 as necessary. Cooled by the cooling gas supplied from the port 22.
  • a solid coolant such as silicon, copper, molybdenum, etc.
  • a liquid coolant such as liquid silicon tetrachloride, liquid nitrogen, or a cooling gas supply provided in the cooling recovery unit 21 as necessary. Cooled by the cooling gas supplied from the port 22.
  • the inner surface is heated and heated to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon. Some or all of them are melted and dropped and recovered in the cooling recovery chamber 21 installed in the dropping direction.
  • the material of the cooling recovery chamber 21 metal materials, ceramic materials, glass materials, etc. can be used.
  • the interior of the metal recovery chamber must be lined with silicon, Teflon (registered trademark), quartz glass, tantalum, tungsten, molybdenum, etc. Is preferred. Silicon particles may be laid on the bottom of the cooling recovery chamber 21. The exhaust gas after reaction in the reaction tube 11 is taken out from the gas outlet 3.
  • the cooling recovery chamber 21 may be provided with an outlet 23 for continuously or intermittently extracting the solidified silicon, if necessary. Also, more effective cooling of silicon Therefore, it is preferable to provide the cooling recovery chamber 21 with a cooling jacket 16b. Cooling liquid is passed through the cooling jacket 16b, such as water, heat transfer oil, or alcohol.
  • the production conditions in the silicon production apparatus of the present embodiment are not particularly limited, but in terms of more effectively preventing the precipitation of solid silicon in the cooling recovery apparatus, chlorosilanes and hydrogen are supplied to the silicon production apparatus, The supply ratio, supply amount, residence time, etc. of chlorosilanes and hydrogen are adjusted so that silicon is generated under the condition that the conversion rate to silicon is 20% or more, preferably 30% or more. It is desirable to decide.
  • the molar fraction of chlorosilanes in the feed gas is preferably 0.1-99.9 mol%, more preferably. Is 5 to 50 mol%.
  • the higher the reaction pressure there is a merit that the apparatus can be downsized.
  • 0 to about LMPaG is easy to implement industrially.
  • the gas residence time varies depending on the pressure and temperature conditions for a certain volume of the reaction vessel, but under the reaction conditions, the average gas residence time in the reaction tube 11 is 0.001 to 60 seconds, preferably 0.01 to 10 seconds, a sufficiently economical conversion rate of black silanes can be obtained.
  • annular member 32 is installed on the outer peripheral side of the reaction tube 11, and a first gas supply comprising an annular slit formed between the inner peripheral surface of the annular member 32 and the outer peripheral surface of the reaction tube 11.
  • a sealing gas is supplied to the lower end 11 a of the reaction tube 11 through the port 31.
  • a second gas supply port 33 formed by a separate member is provided below the annular member 32, and seal gas is supplied from the second gas supply port 33 to the bottom surface of the annular member 32.
  • the upper space 4 of the annular member 32 is partitioned by a bottom plate 39 and the like, and is isolated from the space in which the reaction gas such as chlorosilanes circulates in the sealed container 1.
  • the upper space 4 includes a heat retaining member for maintaining the temperature of the reaction tube 11, although not shown. Various members and equipment will be installed accordingly.
  • the outer peripheral side region of the reaction tube is isolated by an annular member or the like, and the lower end of the reaction tube is passed through the annular slit provided along the outer periphery in the vicinity of the lower end of the reaction tube.
  • Supply to the department silicon deposition on the outer peripheral region of the reaction tube and the lower end of the reaction tube can be suppressed, and further silicon deposition on these regions can be suppressed with a small amount of supply gas.
  • the second gas supply port is provided at a position where the first gas supply rocker is also separated, and the seal is directed toward the outer peripheral wall surface of the first gas supply port in the member forming the first gas supply port. Gas is supplied.
  • the first gas supply port for supplying helium gas or the like at the lower end of the reaction tube in order to suppress silicon deposition at the lower end of the reaction tube is provided along the outer periphery of the lower end of the reaction tube. Silicon deposits over time on the wall surface of the member that is disposed on the outer peripheral side of the tube and forms the slit of the first gas supply port.
  • the wall surface around the outside of the first gas supply port in the member is close to the lower end portion of the reaction tube, and is heated to a high temperature by radiation heat from the reaction tube. As a result, from the inside of the reaction tube Silicon is deposited by this reaction gas.
  • the gas is supplied from the second gas supply port to the portion of the first gas supply port, it is possible to effectively prevent silicon from being deposited on the portion.
  • the second gas supply port receives radiant heat from the reaction tube, it is not as close to the reaction tube as the first gas supply port, and is heated to such a high temperature that silicon deposition becomes a problem. Hateful. Therefore, the function and shape of the second gas supply port are maintained for a long time, thereby maintaining the shape of the first gas supply port exposed to a high temperature, and as a result, the lower end of the reaction tube is maintained. Silicon deposition can also be prevented for a long time.
  • silicon is deposited on the lower end portion of the reaction tube and other portions other than the inner surface of the reaction tube. Is sufficiently suppressed, and stable operation over a long time is possible.
  • An etching gas that can react with the generated solid silicon or a mixed gas of a seal gas and an etching gas is supplied continuously or intermittently from the first gas supply port, the second gas supply port, or both of them. May be.
  • etching gases that can react with silicon include, for example, sodium chloride hydrogen (HC1), chlorine (C1)
  • Hydrogen chloride is diluted with, for example, hydrogen gas, Preferably, it is introduced into the reaction system at a sodium chloride hydrogen concentration of 0.01 to 100% by volume, and solid silicon (Si) is converted into a gas (SiHCl 3) by a typical reaction: Si + 3HCl ⁇ SiHCl + H.
  • the hydrogen chloride concentration in the gaseous atmosphere in the reaction system is maintained at a concentration such that the etching rate is greater than the silicon deposition rate.
  • Tetrachlorosilane (SiCl 3) has a large hydrogen molar ratio when mixed with hydrogen!
  • the reaction rate is large and the molar ratio of hydrogen is small, the etching reaction rate is large.
  • the value varies depending on the reaction temperature, it is desirable to use different temperatures and concentrations depending on the purpose.
  • the etching is prioritized, at a reaction temperature of 1,400 ° C, for example, it is diluted with hydrogen gas and is preferably introduced into the reaction system as a mixed gas having a tetra-salt-silicon concentration of 30 to 50% by volume. Reaction: Si + 3SiCl + 2H ⁇ 4SiHCl
  • silicon is converted to gas in the same way.
  • solid silicon (Si) is SiCl, SiH CI
  • the silicon tetrachloride concentration is maintained at a concentration such that the etching rate is higher than the silicon deposition rate so that the reaction proceeds smoothly.
  • the amount of gas for preventing silicon precipitation at the lower end of the reaction tube can be further reduced, and even if the gas flow is uneven, operation failure due to silicon deposition occurs. Difficulty to ,.
  • FIG. 1 (a) is a cross-sectional view showing the periphery of the lower end of the reaction tube of the silicon production apparatus according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 1 (b) is a cross-sectional view taken along the line AA.
  • an annular member 32 is provided on the outer peripheral side of the reaction tube 11, and the outer region of the reaction tube 11 in which the heat retaining member 36, the high-frequency heating coil 15, etc. are installed includes the annular member 32 and the bottom plate 39. It is separated from the space below it by etc.
  • Seal gas 37 is supplied to the lower end portion 11a of the reaction tube 11 through the first gas supply port 31 formed of an annular slit formed between the inner peripheral surface of the annular member 32 and the outer peripheral surface of the reaction tube 11.
  • the lower end portion 11a of the reaction tube 11 is the tube surface in the region surrounded by the broken line in FIG. It shows that.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the periphery of the lower end of a reaction tube of a silicon production apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • annular member 32 is provided on the outer peripheral side of the reaction tube 11, and the outer region of the reaction tube 11 in which the heat retaining member 36, the high-frequency heating coil 15 and the like are installed is formed by the annular member 32 and the like. It is separated from the space below it.
  • Seal gas 37 is supplied to the lower end portion 11a of the reaction tube 11 through the first gas supply port 31 formed of an annular slit formed between the inner peripheral surface of the annular member 32 and the outer peripheral surface of the reaction tube 11.
  • the annular member 32 is provided with a large number of pores 42, and the outlets of these pores 42 are arranged on the inner peripheral surface of the annular member 32 along the circumference.
  • the second gas supply port 33 is constituted by these pores 42, and the outer peripheral wall surface of the first gas supply port 31 in the annular member 32 from the second gas supply port 33 (the inner side of the upper side of the outlet of the pore 42).
  • a seal gas 38 is supplied toward the peripheral surface), thereby suppressing silicon deposition on the wall surface.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the periphery of the lower end of the reaction tube of the silicon production apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • an annular member 32 is provided on the outer peripheral side of the reaction tube 11, and the outer region of the reaction tube 11 in which the heat retaining member 36, the high-frequency heating coil 15, etc. are installed is the annular member 32 and the bottom plate 39. And so on.
  • a seal gas 37 is supplied to the lower end portion 11a of the reaction tube 11 through a first gas supply port 31 formed of an annular slit formed between the inner peripheral surface of the annular member 32 and the outer peripheral surface of the reaction tube 11.
  • a second gas supply port 33 with a circumferential gap formed by the cylindrical member 35 is provided, and the second gas supply port 33 faces the bottom surface of the annular member 32.
  • Seal gas 38 is supplied, thereby suppressing silicon deposition on the bottom surface of the annular member 32.
  • the shape of the annular member is not particularly limited as long as it is a structure that forms a slit-shaped first gas supply port between the annular member and the reaction tube.
  • the material for forming the annular member include a ceramic material containing silicon nitride, silicon carbide, aluminum oxide, zirconium oxide, or quartz glass.
  • the annular member is arranged so that the outlet of the first gas supply port is positioned in the vicinity of the lower end of the reaction tube. If the outlet of the first gas supply port is far above the lower end of the reaction tube 11, a large amount of sealing gas is added to prevent silicon deposition at the lower end of the reaction tube due to the seal gas from the first gas supply port. It may take.
  • the position where the annular member is provided should be such that the outlet of the first gas supply port is in the range of 0 to LOOmm above the lower end of the reaction tube. Force to the lower end of the reaction tube Point power for effectively preventing silicon deposition is also preferable.
  • the width of the first gas supply port is, for example,
  • the linear velocity of the seal gas, the etching gas, or the mixed gas thereof from the first gas supply port is preferably 0.05 mZs or more. Note that the seal gas from the seal gas supply port 12 in FIG. 8 is disturbed in the flow of the seal gas when the flow rate of the raw material gas such as chlorosilanes is large. Force that may not be obtained
  • the sealing gas from the first gas supply port 31 has a large flow rate of chlorosilanes or the like as the raw material gas, and even if it is small, a sufficient sealing effect can be obtained at a linear velocity. It is done.
  • the position where the second gas supply port is provided is within a range of 0 to 200 mm downward from the lower end of the annular member. It is also preferable to have a point that effectively suppresses silicon deposition on the bottom surface of the annular member and effectively prevents silicon deposition on the lower end of the reaction tube.
  • the second gas supply port can be formed to have a width of, for example, 1 to LOmm, and can be formed to be sufficiently thin so that a small amount of seal gas having a sufficient linear velocity can be supplied. Therefore, the seal gas supply amount from the second gas supply port and the seal gas supply from the first gas supply port Even if the supply amount of the sealing gas per hour as a total amount with respect to the amount is significantly reduced as compared with the conventional case, silicon deposition at the lower end of the reaction tube can be sufficiently suppressed.
  • the aspect in which the seal gas and Z or etching gas from the second gas supply port are brought into contact with the wall surface around the outside of the first gas supply port in the annular member is
  • the gas which may be due to natural convection, may be sprayed onto the wall surface.
  • FIG. 4 (a) to (c) are sectional views showing specific examples of the first gas supply port and the second gas supply port.
  • the reaction tube 11 is shown only in the vicinity of the lower end of the one-side cross section, and the flow of the seal gas and Z or etching gas (hereinafter referred to as seal gas, etc.!) Is indicated by dotted arrows.
  • the second gas supply port 33 is provided circumferentially below the annular member 32, and seal gas or the like is supplied toward the bottom surface 32a of the annular member 32. ing. If the lower member forming the second gas supply port 33 becomes hot due to radiant heat from the lower end portion 11a of the reaction tube 11 and silicon may be deposited on the member, see Fig. 4 (c).
  • a gas supply port 41 is further provided below the member 40 forming the second gas supply port 33, and seal gas or the like is supplied around the outside of the second gas supply port 33 in the member 40. May be.
  • the annular member 32 is provided with a large number of pores 42, and the outlets of these pores 42 are arranged on the bottom surface of the annular member 32 along the circumference.
  • the second gas supply port 33 is configured by the outlets of the pores 42, and seal gas or the like is supplied from the second gas supply port 33 toward the bottom surface 32a of the annular member 32.
  • a sealing gas or the like is also supplied to the slit, which is the gap force between the reaction tube 11 and the annular member 32, and the outlet of many pores 43 in the annular member 32 is connected to the annular member.
  • sealing gas or the like is supplied also from these pores 43, and these gases are ejected from the outlet of the first gas supply port 31.
  • a second gas supply port 33 is provided circumferentially below the annular member 32, and seal gas or the like is supplied toward the bottom surface 32 a of the annular member 32.
  • FIG. 5 (c) the sealing gas is supplied to the first gas supply port 31 through the gas passage hole 52 formed by the inner member 51a and the outer member 51b.
  • Figure 5 (d) shows the horizontal direction of these members.
  • gas passage holes 52 are formed between a large number of recesses formed at predetermined intervals on the outer periphery of the inner member 51a and the inner peripheral surface of the outer member 5 lb.
  • the outer member 51b can move integrally with the annular member 32 in accordance with the movement of the reaction tube 11.
  • the outer member 51b and the annular member 32 may be fixed to each other, or may be integrally formed of the same member.
  • the length of the reaction tube 11 increases, and the reaction tube 11 and the annular member 32 may be misaligned in the vicinity of the lower end portion of the reaction tube 11. Then, the slit width between the reaction tube 11 and the annular member 32 does not become uniform, and the reaction tube 11 and the annular member 32 may contact each other in some cases. Thus, if the slit width is not uniform, the desired performance due to the provision of the first gas supply port may deteriorate.
  • the outer member 51b is fixed to the annular member 32, and the inner member 51a is sandwiched between the reaction tube 11 and the outer member 5 lb so that the reaction tube 11 and the annular member are annular.
  • the slit width with the member 32 can always be kept uniform. That is, the inner member 51a and the outer member 51b provide a centering function for matching the center of the reaction tube 11 with the center of the annular member 32.
  • the annular member 32 is provided with a large number of pores 42, and the outlets of these pores 42 are on the inner peripheral surface of the annular member 32 along the circumference. Has been placed.
  • a second gas supply port 33 is formed by the outlets of these pores 42, and the outlet force of the slit-like first gas supply port 31 that also serves as a gap force between the reaction tube 11 and the annular member 32 is also the outer periphery of the annular member 32. Seal gas or the like is supplied from the second gas supply port 33 toward the inner peripheral surface 32b.
  • the jet direction of the seal gas or the like from the outlet of the pore 42 may be an upward or downward inclined direction other than the horizontal direction toward the center, or the outlet of the pore 42 may be a base point.
  • the direction force toward the center of the annular member 32 may also be a direction inclined in the inner circumferential tangent direction of the annular member 32, that is, a direction along the circumferential direction of the annular member 32.
  • FIG. 7 is a diagram showing a specific example of the inner peripheral shape of the annular member. In the figure, the wall surface at the position surrounded by the dotted line is the place where silicon deposition should be prevented by the seal gas from the second gas supply port.
  • specific examples of the cross-sectional shape on the inner periphery of the annular member include a linear shape substantially parallel to the outer peripheral surface of the reaction tube 11 as shown in FIG. 7 (a) and a curved shape as shown in FIG. 7 (b). 7 (c) and 7 (d), a long straight line extending downward from the lower end 11a of the reaction tube 11 as shown in FIG. 7 (e), and FIG. 7 (f). Such as sharp edges.
  • the relative position between the lower end portion 11a of the reaction tube 11 and the annular member 32 is not limited to that shown in the figure, and is appropriately arranged depending on the case.
  • a reaction tube 11 made of carbon, cylindrical and having an outer diameter of 100 mm, an inner diameter of 70 mm, and a length of 1000 mm was attached to a polycrystalline silicon production apparatus (see FIGS. 8 and 9). Then, as shown in FIG. 3, an annular member 32 and a cylindrical member 35 were installed. Thus, the first gas supply port 31 is formed by the slit between the reaction tube 11 and the annular member 32, and the second gas is formed by the circumferential gap between the bottom surface of the annular member 32 and the cylindrical member 35. Supply port 33 was formed. In addition, as a material for the annular member 32 and the cylindrical member 35, silicon nitride ceramics is used.
  • a mixed gas of 20 kg / H of trichlorosilane and 40 Nm 3 / H of hydrogen is allowed to flow inside the reaction tube 11, and the reaction tube 11 is heated to 1450 ° C. or higher by high-frequency heating to precipitate polycrystalline silicon in a molten state I let you.
  • the reaction was carried out for 50 hours, and the surface condition (silicon adhesion amount) of the reaction tube 11 immediately above the annular member 32 was observed to confirm the sealing effect.
  • the conditions such as the width of the first gas supply port 31 and the second gas supply port 33, the type of seal gas, the supply amount and linear velocity, the concentration of the etching gas (HC1), and the results of the surface condition are shown. Shown in Table 1 [0066] In Examples 1 to 14, silicon adhesion to the bottom surface of the annular member 32 was hardly observed.
  • a continuous reaction was carried out under the same conditions as in Example 1 except that the second gas supply port was not provided and the linear velocity of nitrogen gas from the first gas supply port was 1.6 NmZs. After completion of the reaction, the surface state of the reaction tube 11 immediately above the annular member 32 was observed to confirm the sealing effect. As a result, the amount of silicon adhered to the surface of the reaction tube 11 was 0.1 mmZH.
  • the gap width of the outer peripheral space of the reaction tube 11 was set to 50 mm, and the linear velocity from this gap was set to 5 NmZS.
  • a continuous reaction was carried out under the same conditions as in Example 1 except that. After completion of the reaction, the surface state of the reaction tube 11 immediately above the annular member 32 was observed to confirm the sealing effect. As a result, the amount of silicon adhering to the surface of the reaction tube 11 was 0.2 mmZH.
  • Example 1 10 Desired 0.16 0 2 Hydrogen 6.5 0 0.03 Example 2 3.5 0.16 0 2 Hydrogen 6.5 0 0.03 Example 3 20 Nitrogen 0.16 0 2 Hydrogen 6.5 0 0.03 Example 4 10 Nitrogen 0.05 0 2 Hydrogen 6.5 0 0.03 Example 5 10 Nitrogen 0.5 0 2 Hydrogen 6.5 0 0.025 Example 6 10 Nitrogen 0.16 0 2 Hydrogen 0.06 0 0.025 Example 7 10 Desired 0.16 0 2 Hydrogen 0.66 0 0.024 Example 8 10 Nitrogen 0.16 0 2 Hydrogen 10 0 0,020 Example 9 10 Nitrogen 0.16 1.5 2 Hydrogen 6.5 1.5 0.0001 Example 10 10 g3 ⁇ 4 0.16 5 2 Hydrogen 6.5 5 0.0001 Example 11 10 Nitrogen 0.16 10 2 Hydrogen 6.5 10 0.0001 Example 12 10 Hydrogen 0.16 5 2 Nitrogen 6.5 1.5 0.0001 Example 13 10 Nitrogen 0.16 5 2 ⁇ 3 ⁇ 4 6.5 1.5 0.0001 Example 14 10 Hydrogen 0.16 5 2 Hydrogen 6.5 1.5 0.0001
  • Example 15 Nitride-containing ceramics Nitride-containing ceramics 0.0001
  • Example 16 Fluoride-containing ceramics Fluoride-containing ceramics 0.0001
  • Example 17 Quartz is lath Quartz strength 'lass 0.0001
  • Example 18 Aluminum oxide contained Ceramics-containing ceramic containing aluminum oxide 0.0001
  • Example 19 Ceramics containing y-conium oxide Ceramics containing silicon-oxide 0.0001

Abstract

　加熱された反応管の内壁に反応ガスを導入してシリコンを析出させ、該反応管の下端部開口から析出シリコンを取り出すシリコン製造装置において、反応管の下端部および、その他の反応管内面以外の部分へのシリコン析出を抑制し、これにより長時間に渡る安定的な運転が可能なシリコン製造装置を提供する。 　反応管１１の下端部近傍の外周側に、環状のスリットからなり、該下端部に向かってシールガスおよび／またはエッチングガスを供給する第１ガス供給口３１を設けるとともに、第１ガス供給口３１から離間した位置に第２ガス供給口３３を設けて、第１ガス供給口３１を形成する部材における第１ガス供給口３１の外側周囲の壁面に向けて第２ガス供給口３３からシールガスおよび／またはエッチングガスを供給するようにした。                                                                                 

Description

明 細 書
シリコン製造装置
技術分野
[0001] 本発明は、反応管の上部側に設けられたガス供給ロカ クロロシラン類と水素とを 該反応管へ供給し、加熱された該反応管の内壁にシリコンを析出させ、該反応管の 下端部開口力も析出シリコンを取り出すシリコン製造装置に関する。
背景技術
[0002] 従来、半導体、太陽光発電用電池などの原料として使用されるシリコンを製造する ための種々の方法が知られており、これらのうちで、幾つかの方法は既に工業的に 実施されている。
例えば、その一つはジーメンス法と呼ばれる方法であり、この方法では、通電により シリコンの析出温度に加熱したシリコン棒をベルジャーの内部に配置し、このシリコン 棒にトリクロロシラン (SiHCl )やモノシラン (SiH )を、水素等の還元性ガスとともに接
3 4
触させてシリコンを析出させる。
[0003] この方法では高純度なシリコンが得られ、一般的な方法として工業的に実施されて いるが、ノ ツチ式でシリコンの析出を行うため、種となるシリコン棒の設置、シリコン棒 の通電加熱、析出、冷却、取り出し、ベルジャーの洗浄などの一連の過程を、 ッチ ごとに繰り返す必要があり、煩雑な操作を要する。
一方、連続的に多結晶シリコンを製造可能な方法として、図 9に示した装置による 方法が提案されている (例えば特許文献 1、 2を参照)。このシリコン製造装置は、密 閉容器 1内に、炭素材料等を基材とする反応管 11と、この反応管 11の上部側に設 置され、クロロシラン類、またはクロロシラン類と水素とを反応管 11の内部へ供給する 原料ガス供給口 6と、反応管 11の外周に設置した高周波加熱コイル 15とを備えて 、 る。
[0004] 反応管 11は、その外周の高周波加熱コイル 15からの電磁波で加熱され、反応管 1 1の内面はシリコンの融点以上の温度力、あるいはこれ未満のシリコンが析出可能な 温度に加熱される。 そして、この加熱された反応管 11の内面へ、原料ガス供給口 6から供給されたクロ ロシラン類を接触させてシリコンを析出させる。
[0005] 反応管 11の内面をシリコンの融点以上の温度にしてシリコン析出を行う場合 (第 1 の方法)では、溶融状態で析出したシリコン融液を、反応管 11の下端部 11aの開口 力 連続的に落下させて、落下方向に設置された冷却回収室 21で回収する。
また、反応管 11の内面をシリコンが析出可能な融点未満の温度にしてシリコン析出 を行う場合 (第 2の方法)では、反応管 11の内面に一度シリコンを固体として析出させ た後、この内面をシリコンの融点以上に加熱して、析出物の一部または全部を溶融さ せて落下させ、落下方向に設置された冷却回収室 21で回収する。
[0006] 密閉容器 1内におけるシリコンの析出を防止する必要がある領域、例えば反応管 1 1と原料ガス供給管 5との間隙、あるいは反応管 11の外周側領域および反応管 11の 下端部 11aには、シールガス供給口 12, 2を設けて水素等のシールガスを供給し、シ 一ノレガス雰囲気で満たして!/、る。
特許文献 1：特開 2003 - 2627号公報
特許文献 2：特開 2002— 29726号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] し力しながら、従来のこうした反応装置では、反応管 11の下端部 11aを加熱するた めの機器、保温材などが設置される反応管 11の外周側領域、および反応管 11の下 端部 11aにシールガスを供給しても、長時間に渡る装置の運転下においてこれらの 領域におけるシリコン析出を完全に防止することは難しい。そのため、従来の反応装 置では、この領域に設置される機器、部材等には、シリコンの析出を考慮して特殊な 部材、構造等を使用することが反応継続の点から望ま Uヽ。
[0008] また、従来の反応装置では、上記の領域をシールガスで満たすために多量のガス を要していた。
本発明は、上記したような従来技術における問題点を解決するためになされたもの であり、反応管の下端部および、その他の反応管内面以外の部分へのシリコン析出 を抑制し、これにより長時間に渡る安定的な運転が可能なシリコン製造装置を提供す ることを目的としている。
[0009] また、本発明は、反応管の下端部および、その他の反応管内面以外の部分へのシ リコン析出を少な ヽ供給ガス量で抑制可能なシリコン製造装置を提供することを目的 としている。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明のシリコン製造装置は、筒状の反応管と、該反応管の少なくとも下端部を含 む反応領域をシリコンの融点以上に加熱する手段とを備え、前記反応管の上部側に 設けられたガス供給管からクロロシラン類と水素とを前記反応管へ供給し、加熱され た該反応管の内壁にシリコンを析出させ、該反応管の下端部開口力 析出シリコンを 取り出すシリコン製造装置であって、
前記反応管の下端部近傍の外周側に、環状のスリットからなり、該下端部に向かつ てシールガスおよび Zまたはエッチングガスを供給する第 1ガス供給口が設けられ、 前記第 1ガス供給口力 離間した位置に、第 1ガス供給口を形成する部材における 第 1ガス供給口の外側周囲の壁面に向けてシールガスおよび Zまたはエッチングガ スを供給する第 2ガス供給口が設けられて 、ることを特徴とする。
[0011] 本発明における好ましい態様では、前記第 1ガス供給口は、前記反応管の外周面 と、前記反応管の外周側に隣接して設けられた環状部材の内周面との間隙により形 成され、
前記第 2ガス供給口は、前記環状部材における第 1ガス供給口の外側周囲の壁面 に向けてシールガスおよび zまたはエッチングガスを供給する。
具体的には、例えば、前記第 2ガス供給口は、前記環状部材における第 1ガス供給 口の外側周囲の底面または内周面に向けてシールガスおよび Zまたはエッチングガ スを供給する。
[0012] 上記の発明では、例えば反応管に卷回された保温部材、反応管の下端部を加熱 する加熱装置などが設置される反応管の外周側領域を環状部材等で隔離し、シー ルガス等を、反応管の下端部近傍の外周に沿って設けられた環状のスリットを通して 反応管の下端部へ供給して 、る。
このようにすることで、上記の反応管の外周側領域および反応管の下端部へのシリ コン析出を抑制でき、さら〖こ、これらの領域へのシリコン析出を少ない供給ガス量で 抑制できる。
[0013] そのため、反応管の外周側領域に設置される部材および機器について、シリコン析 出に対処するための特殊な部材、構造を用いる必要が無 、。
さらに上記の発明では、第 1ガス供給ロカも離間した位置に、第 2ガス供給ロを設 けて、第 1ガス供給口を形成する部材における第 1ガス供給口の外側周囲の壁面に 向けてシールガス等を供給するようにして 、る。
[0014] 反応管の下端部におけるシリコンの析出を抑制するために反応管の下端部ヘシ一 ルガス等を供給する第 1ガス供給口は、反応管の下端部外周に沿って設けられて 、 るので、反応管の外周側に配置され第 1ガス供給口のスリットを形成する部材の壁面 、例えば、前記環状部材における第 1ガス供給口の外側周囲の底面または内周面に は、経時でシリコンが析出する。
[0015] すなわち、上記部材における第 1ガス供給口の外側周囲の壁面は、反応管下端部 に近接しているため反応管からの輻射熱等によって高温に加熱され、その結果、反 応管内部からの反応ガスによってシリコンが析出する。
しかし、本発明では第 2ガス供給口力 上記部材における第 1ガス供給口の外側周 囲の壁面に向けてシールガス等を供給するようにしたので、第 1ガス供給口を形成す る部材の壁面へのシリコン析出を抑制することができる。そのため、第 1ガス供給口の 形状は長時間維持され、その間、第 1ガス供給ロカ 反応管の下端部へのシールガ ス等の供給は阻害されない。
[0016] このように、上記の第 1ガス供給口および第 2ガス供給口を設けた本発明の装置に よれば、反応管の下端部および、その他の反応管内面以外の部分へのシリコン析出 が充分に抑制され、これにより長時間に渡る安定的な運転が可能である。
また、第 2ガス供給ロカものシールガス等によって、反応管の下端部などへのシリコ ン析出をさらに抑制する作用を与えることも可能である。
[0017] さらに、上記のような第 2ガス供給口を設けることによって、第 1ガス供給口からのシ ールガス等の供給量と、第 2ガス供給口力 のシールガス等の供給量との総量として の、シールガス等の時間あたりの供給量をさらに低減しても、反応管の下端部などへ のシリコンの析出を充分に抑制することができ、その結果、より少ない供給ガス量で、 長時間に渡る安定的な運転が可能となる。
[0018] 例えば、製造装置をスケールアップするとともに、第 1ガス供給口のスリット幅が充分 に狭くなるようにその形成部材を配置することが実際的には困難になるが、第 2ガス 供給口は、少量で充分な線速のシールガス等を供給できるように充分に細く形成す ることができる。したがって、この第 1ガス供給口からのシールガス等の供給量と、第 2 ガス供給口力ものシールガス等の供給量との総量としての、シールガス等の時間あ たりの供給量をさらに低減しても、反応管の下端部などへのシリコンの析出を充分に 抑制することができ、その結果、より少ないガス供給量で、長時間に渡る安定的な運 転が可能となる。
[0019] なお、場合によっては、第 1ガス供給ロカものシールガス等は、スリット下方からの ガスの逆流を防止する程度に供給してもよぐ必ずしも反応管の下端部まで流通させ る必要はない。
本発明では、第 1ガス供給口または第 2ガス供給口、あるいはこれらの両方から、ェ ツチングガスを供給することが好ましい。ここで、エッチングガスはシールガスと併用し てもよい。この場合、エッチングガスとシールガスとの混合ガスを供給してもよぐエツ チングガスの供給とシールガスの供給とを時間的に切り替えるようにしてもょ 、。エツ チングガスを用いることにより、きわめて少ない供給ガス量でシリコンの析出を充分に 防止することができる。
発明の効果
[0020] 本発明のシリコン製造装置によれば、反応管の下端部および、その他の反応管内 面以外の部分へのシリコン析出を充分に抑制することができ、長時間に渡る安定的 な運転が可能である。
また、本発明のシリコン製造装置によれば、反応管の下端部および、その他の反応 管内面以外の部分へのシリコン析出を少ない供給ガス量で充分に抑制できる。 図面の簡単な説明
[0021] [図 1]図 1 (a)は、本発明の一実施形態におけるシリコン製造装置の反応管下端部周 辺を示した断面図である。図 1 (b)は、図 1 (a)の A— A線による断面図である。 [図 2]図 2は、本発明の他の実施形態におけるシリコン製造装置の反応管下端部周 辺を示した断面図である。
[図 3]図 3は、本発明の他の実施形態におけるシリコン製造装置の反応管下端部周 辺を示した断面図である。
[図 4]図 4は、第 1ガス供給口および第 2ガス供給口の具体例を示した断面図である。
[図 5]図 5は、第 1ガス供給口および第 2ガス供給口の具体例を示した断面図である。
[図 6]図 6は、第 1ガス供給口および第 2ガス供給口の具体例を示した断面図である。
[図 7]図 7は、環状部材の内周側形状の具体例を示した断面図である。
[図 8]図 8は、本発明の一実施形態におけるシリコン製造装置の概略構成を示した断 面図である。
[図 9]図 9は、従来のシリコン製造装置の概略構成を示した断面図である。
符号の説明
1 密閉容器
2 シールガス供給口
3 ガス排出口
4 上部空間
5 原料ガス供給管
6 原料ガス供給口
7 冷却媒体供給口
8 冷却媒体排出口
11 反応管
11a 下端部
12 シールガス供給口
15 高周波加熱コイル
16a, 16b 冷却ジャケット
17a, 17b 冷却媒体供給口
18a, 18b 冷却媒体排出口
21 冷却回収室 22 冷却ガス供給口
23 シリコン取出口
24 回収シリコン
31 第 1ガス供給口
32 環状部材
32a 下面
32b 内周面
33 第 2ガス供給口
34 リング状部材
35 筒状部材
36 保温部材
37 シールガスの流れ
38 シールガスの流れ
39 底板
40 第 2ガス供給口の形成用部材
41 ガス供給口
42 細孔
43 細孔
51a 内側部材
51b 外側部材
52 ガス通路孔
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図 8は、本発明 の一実施形態におけるシリコン製造装置を示した断面図である。なお、図 9に示した 従来のシリコン製造装置と同様の構成部材等は同一の符号で示している。図示した ように、本実施形態のシリコン製造装置は、密閉容器 1内に筒状の反応管 11を備え て 、る。この反応管 11の上部側に配置された原料ガス供給口 6からクロロシラン類を 供給することにより、高周波加熱コイル 15で加熱された反応管 11の内壁にシリコンが 析出される。
[0024] 反応に使用するクロロシラン類としては、例えば、トリクロロシラン (SiHCl、以下 TC
3
Sという）、四塩ィ匕ケィ素（SiCl、以下 STCという）を挙げることができ、この他、ジクロ
4
ロシラン（SiH C1 )、モノクロロシラン（SiH C1)、およびへキサクロロジシラン（Si C1 )
2 2 3 2 6 に代表されるクロロジシラン類、さらにはォクタクロロトリシラン (Si C1 )に代表されるク
3 8
口ロトリシラン類も好適に使用できる。これらのクロロシラン類は、単独で用いてもよぐ 2種以上を組み合わせて用いてもょ 、。
[0025] これらのクロロシラン類のうち、 TCSまたは STCを主成分とするクロロシランを用い れば、ガス下流域に悪影響を及ぼすシリコン微粉ゃ発火性のある高沸点シラン類 (ポ リマー）の発生を低減できるため、より長時間安定した運転が可能になる。
クロロシラン類と共に析出反応に供される水素は、例えば、原料ガス供給口 6、シー ルガス供給口 12など力も供給される。あるいは、クロロシラン類の供給管とは別途の 供給管を反応管 11の適当な位置に接続して供給することも可能である。
[0026] 反応管 11は、例えば円筒状に形成され、その下端部 11aの開口から下方へ開放さ れている。その形成材料としては、高周波による加熱が可能で、シリコンの融点で耐 性がある、グラフアイトなどの炭素材料が好適に使用される。
また、析出するシリコンと直接接触する管内面を、シリコンの融液に対して比較的耐 性の高いもの、例えば、窒化珪素、炭化珪素、熱分解炭素などで被覆することが、反 応管 11の耐久性を向上し、シリコン製品の純度を向上する点力 好ましい。
[0027] 反応管 11の断面形状は、好ましくは円状である力 多角状等の他の形状であって もよい。また、反応管 11は、断面積が各部分で等しい直胴状の他、原料ガスの滞在 時間を長くしてクロロシラン類のへの転ィ匕率を向上させるために、断面の一部が他の 部分よりも拡大された形状であってもよい。
反応管 11の下端部 11aにおける開口の仕方は、管厚を一定としてストレートに開口 した態様でもよぐあるいは下方に向力つて徐々に径が減少するように絞り部を形成 した態様でもよい。開口の周縁は、水平である態様の他、周縁が傾斜するように構成 するか、あるいは周縁を波状に構成するようにしてもよぐこれにより開口周縁からの シリコン液滴の落下が容易となるとともに、シリコン融液の液滴が揃い、シリコン粒子 の粒径をより小さく均一に調整することができる。
[0028] 反応管 11の上部には、原料ガス供給管 5が設置され、その原料ガス供給口 6から、 例えば、クロロシラン類と水素とが同時にもしくは別々に供給される。この原料ガス供 給管 5は、管の熱劣化を防止し、管内でクロロシラン類が熱分解することを防止する ために、原料ガス供給管 5を冷却するための冷却手段を備えることが望ましい。この 冷却手段としては、例えば、図示したように、水、熱媒油等の冷媒液体を供給する冷 媒供給口 7から冷媒排出口 8への流路を原料ガス供給管 5に設けて冷却する液体ジ ャケット方式、あるいは、原料ガス供給管 5の外周に 1または 2以上のノズルを略同心 円状に設置して、原料ガス供給管 5およびその外周の各ノズル間の間隙に冷却ガス をパージして空冷で原料ガス供給管 5を冷却する空冷ジャケット方式が挙げられる。
[0029] 原料ガス供給管 5の冷却温度は、供給するクロロシラン類の分解温度未満に設定 すればよいが、 TCSもしくは STCを原料として用いる場合は、管内温度は好ましくは 800°C以下、より好ましくは 600°C以下、最も好ましくは 500°C以下である。原料ガス 供給管 5の材質としては、反応管 11と同様の材質の他、石英ガラス、鉄、ステンレス 鋼なども使用できる。
[0030] シールガス供給口 12は、原料ガス供給管 5の開口位置よりも上部における反応管 1 1内部の空間にシールガスを供給するために設けられる。ガス供給管 5は、反応管 11 の内部に挿入され、これにより反応管 11の高温空間にクロロシラン類を直接供給す るようにしている。これは、反応管 11に原料として供給されたクロロシラン類が、反応 管 11の上部における低温領域で析出するのを防止するためである力 この際、原料 ガス供給管 5の開口位置より上部に位置する壁面では、シリコンの溶融温度力 シリ コンの析出温度未満の温度に至る温度勾配が存在し、クロロシラン類あるいはクロ口 シラン類と水素との混合ガスがこの箇所に至ると、シリコンが固体状で析出する温度と なる位置力も上部側において、シリコンの析出'成長が起こり、シリコン製造装置を長 期間運転する際に装置を閉塞するという問題が生じる。
[0031] 上記問題に対して、シールガス供給口 12を原料ガス供給管 5の開口位置よりも上 部に設けることにより、シールガスが上記温度勾配の存在する空間を満たし、クロロシ ラン類あるいはクロロシラン類と水素との混合ガスの侵入を防止し、固体シリコンの析 出を効果的に防止することができる。
なお、反応管 11の内面をシリコンが析出可能な融点未満の温度にしてシリコンを析 出させる方法 (前述した第 2の方法)でシリコンを製造する場合には、図 8のように原 料ガス供給口 6を反応管 11の内部に設けるのではなく、反応管 11の上面から上に 設けてもよい。この場合、反応管 11の上面近傍カゝら別途に水素ガスを供給するように してちよい。
[0032] シールガスとしては、シリコンを生成せず、且つクロロシラン類が存在する領域にお いてシリコンの生成に悪影響を与えないガスが好適である。具体的には、アルゴン、 ヘリウム等の不活性ガス、水素などが使用できる力 原料の一つである水素が好適で ある。この場合、シールガスの供給量は、前記温度勾配の存在する空間を常に満た す圧力を保つ程度に供給されていれば充分であり、力かる供給量を低減するには、 該空間の全体ある 、は下部の断面積を小さくするように、反応管 11の形状ある 、は 原料ガス供給管 5の外壁の形状等を決定すればょ 、。
[0033] 原料ガスの一つである水素は、その一部または全部をシールガス供給管 12から反 応系内〖こ導入することもできる。
シールガスは、密閉容器 1に設置された別途のシールガス供給口 2などからも供給 され、例えば、反応管 11の外部側の領域や、反応管 11の下端部 11a近傍など、密 閉容器 1内においてシリコンの析出を防止する必要がある領域に供給される。
[0034] 反応管 11は、その外周の高周波加熱コイル 15からの電磁波（高周波）で加熱され 、反応管 11の内面はシリコンの融点以上の温度力、あるいはこれ未満のシリコンが析 出可能な温度に加熱される。この加熱領域は通常、下端部 11aから上方へ、密閉容 器 1内における反応管 11の全長に対して 30〜90%の長さの領域である。
反応管 11の内面をシリコンの融点以上の温度にしてシリコン析出を行う方法 (前述 した第 1の方法)では、反応管 11の内面の温度をシリコンの融点 (概ね 1410〜1430 °C)以上としてシリコンを溶融状態で析出させる。
[0035] 反応管 11の内面をシリコンが析出可能な融点未満の温度にしてシリコンを析出さ せる方法 (前述した第 2の方法)では、反応管 2の内面の温度を、好ましくは 950°C以 上、より好ましくは 1200°C以上、さらに好ましくは 1300°C以上としてシリコンを析出さ せる。
高周波加熱コイル 15は、図示しない電源力もコイルへ通電することにより電磁波を 発生して反応管 11を加熱する。この電磁波の周波数は、反応管 11等の、加熱対象 の材質もしくは形状に応じて適切な値に設定され、例えば、数十 Hz〜数十 GHz程 度に設定される。
[0036] なお、反応管 11を外部から加熱する手段としては、高周波加熱の他、電熱線を用 いる方法、赤外線を用いる方法等が挙げられる。
反応管 11の内面に析出したシリコンは、反応管 11の下端部 11aの開口力 落下さ せて、落下方向に設置された冷却回収室 21で回収する。前述した第 1の方法では、 溶融状態で析出したシリコン融液を、反応管 11の下端部 11aの開口力 連続的に落 下させて、落下方向に設置された冷却回収部 21で回収する。この場合、析出したシ リコン融液は、反応管 11の内面に沿って下方へ流れ、下端部 11aから液滴として自 由落下して、落下中もしくは落下後に固化する。冷却回収部 21に落下したシリコンは 、必要に応じて、シリコン、銅、モリブテン等の固体冷却材、液体四塩化珪素、液体 窒素等の液体冷却材、または冷却回収部 21に設けた冷却ガス供給口 22から供給さ れる冷却ガスにより冷却される。
[0037] また、前述した第 2の方法では、反応管 11の内面に一度シリコンを固体として析出 させた後、この内面をシリコンの融点以上となるまで加熱、昇温して、析出物の一部ま たは全部を溶融させて落下させ、落下方向に設置された冷却回収室 21で回収する 冷却回収室 21の材質としては、金属材料、セラミックス材料、ガラス材料等が使用 できるが、工業装置としての頑丈さと、高純度のシリコンを回収することを両立するた めに、金属製回収室の内部に、シリコン、テフロン (登録商標）、石英ガラス、タンタル 、タングステン、モリブテン等でライニングを施すことが好ましい。冷却回収室 21の底 部にシリコン粒子を敷いてもよい。なお、反応管 11での反応後の排ガスは、ガス排出 口 3より取り出される。
[0038] また、冷却回収室 21には、必要に応じて、固化したシリコンを連続的あるいは断続 的に抜き出す取出口 23を設けることも可能である。また、シリコンの冷却をより効果的 に行うために、冷却回収室 21に冷却ジャケット 16bを設けることが好ましい。冷却ジャ ケット 16bの内部に水、熱媒油、アルコール等の冷媒液体を通液して冷却する。 本実施形態のシリコン製造装置における製造条件は、特に制限されないが、冷却 回収装置における固体シリコンの析出をより効果的に防止する点からは、該シリコン 製造装置にクロロシラン類と水素とを供給し、該クロロシラン類力もシリコンへの転ィ匕 率が 20%以上、好ましくは 30%以上となる条件下でシリコンを生成させるように、クロ ロシラン類と水素との供給比率、供給量、滞在時間等を決定することが望ましい。反 応容器の大きさに対して経済的なシリコンの製造速度を得るためには、供給ガス中の クロロシラン類のモル分率は、 0.1〜99. 9モル％とすることが好ましぐより好ましくは 5〜50モル％である。また、反応圧力は高い方が装置を小型化できるメリットがあるが 、 0〜： LMPaG程度が工業的に実施し易い。
[0039] ガスの滞在時間については、一定容量の反応容器に対して、圧力と温度の条件に よって変化するが、反応条件下において、反応管 11内でのガスの平均的な滞在時 間は、 0.001〜60秒、好ましくは 0.01〜10秒に設定すれば、充分に経済的なクロ口 シラン類の転ィ匕率を得ることが可能である。
本実施形態では、反応管 11の外周側に、環状部材 32を設置し、この環状部材 32 の内周面と反応管 11の外周面との間で形成された環状スリットからなる第 1ガス供給 口 31を通して反応管 11の下端部 11 aへシールガスを供給して 、る。
[0040] そして、環状部材 32の下方に、別途の部材により形成した第 2ガス供給口 33を設 けて、第 2ガス供給口 33から環状部材 32の底面へシールガスを供給して 、る。 環状部材 32の上部空間 4は、底板 39等によって仕切られ、密閉容器 1内における クロロシラン類等の反応ガスが流通する空間とは隔離されている。なお、この上部空 間 4には、高周波加熱コイル 15のような反応管 11を加熱する装置の他、図示はしな いが、反応管 11の温度を維持するための保温部材など、必要に応じて各種の部材、 機器等が設置される。
[0041] このように本発明では、反応管の外周側領域を環状部材等で隔離し、シールガスを 、反応管の下端部近傍の外周に沿って設けられた環状のスリットを通して反応管の 下端部へ供給している。 このようにすることで、反応管の外周側領域および反応管の下端部へのシリコン析 出を抑制でき、さらに、これらの領域へのシリコン析出を少ない供給ガス量で抑制で きる。
[0042] さらに、第 1ガス供給ロカも離間した位置に、第 2ガス供給口を設けて、第 1ガス供 給口を形成する部材における第 1ガス供給口の外側周囲の壁面に向けてシールガス 等を供給するようにしている。
反応管の下端部におけるシリコンの析出を抑制するために反応管の下端部ヘシ一 ルガス等を供給する第 1ガス供給口は、反応管の下端部外周に沿って設けられて 、 るので、反応管の外周側に配置され第 1ガス供給口のスリットを形成する部材の壁面 には、経時でシリコンが析出する。
[0043] すなわち、上記部材における第 1ガス供給口の外側周囲の壁面は、反応管下端部 に近接しているため反応管からの輻射熱等によって高温に加熱され、その結果、反 応管内部からの反応ガスによってシリコンが析出する。
しかし本発明では、第 1ガス供給口の上記部分に第 2ガス供給口よりガスが供給さ れるので、当該部分へのシリコンの析出を効果的に防止できる。し力も、第 2ガス供給 口は、反応管からの輻射熱を受けるものの、第 1ガス供給口ほどには反応管には近 接していないため、シリコンの析出が問題となるほどには高温に加熱されにくい。した がって、第 2ガス供給口の機能および形状は長時間維持され、それによつて、高温に 曝される第 1ガス供給口の形状も維持され、その結果として、反応管下端部へのシリ コン析出も長時間防止できる。
[0044] このように、上記の第 1ガス供給口および第 2ガス供給口を設けた本発明の装置に よれば、反応管の下端部および、その他の反応管内面以外の部分へのシリコン析出 が充分に抑制され、これにより長時間に渡る安定的な運転が可能である。
第 1ガス供給口、第 2ガス供給口、またはこれらの両方から、生成した固体シリコンと 反応し得るエッチングガス、あるいはシールガスとエッチングガスとの混合ガスを、連 続的または断続的に供給してもよい。
[0045] シリコンと反応し得るエッチングガスとしては、例えば塩ィ匕水素 (HC1)、塩素（C1 )
2 および四塩ィ匕ケィ素を挙げることができる。塩化水素は例えば水素ガスで希釈して、 好ましくは塩ィ匕水素濃度 0.01〜 100容積％で反応系内に導入され、代表的な反応： Si+ 3HCl→SiHCl +H〖こより、固体シリコン（Si)を気体（SiHCl )に転化する。こ
3 2 3
の他、固体シリコン（Si)は SiCl、 SiH CI等にも転化する。これらの反応が円滑に進
4 2 2
行するように、反応系内の気体雰囲気中の塩ィヒ水素濃度はシリコンの析出速度より もエッチング速度が大きくなるような濃度に維持される。
[0046] 四塩ィ匕ケィ素（SiCl )は、水素と混合する場合、水素のモル比が大き!/ヽ時は析出
4
反応の速度が大きぐ逆に水素のモル比が小さい場合はエッチング反応の速度が大 きくなる。また、その値も反応させる温度によって変化するため、目的によって温度と 濃度を使い分けることが望ましい。エッチングを優先させる場合、反応温度 1,400°C では、例えば水素ガスで希釈して、好ましくは四塩ィ匕ケィ素濃度 30〜50容積％の混 合ガスとして反応系内に導入され、代表的な反応： Si+ 3SiCl + 2H→4SiHClに
4 2 3 より、同様にシリコンを気体に転化する。この他、固体シリコン（Si)は SiCl、 SiH CI
4 2 2 等にも転化する。この場合にも、反応が円滑に進行するように、四塩化ケィ素濃度は シリコンの析出速度よりもエッチング速度が大きくなるような濃度に維持される。
[0047] エッチングガスを用いることにより、反応管の下端部におけるシリコン析出防止のた めのガス量をさらに低減することができると共に、ガス流れに偏りがあってもシリコン析 出による運転阻害が発生しにく 、。
以下、具体的な実施形態を挙げながら本発明のシリコン製造装置における第 1ガス 供給口および第 2ガス供給口について説明する。図 1 (a)は、本発明の一実施形態 におけるシリコン製造装置の反応管下端部の周辺を示した断面図、図 1 (b)はその A —A線による断面図である。図示したように、反応管 11の外周側には環状部材 32が 設けられており、保温部材 36、高周波加熱コイル 15等が設置された反応管 11の外 側領域は、環状部材 32および底板 39等によって、その下方の空間から離隔されて いる。
[0048] 環状部材 32の内周面と反応管 11の外周面との間で形成された環状スリットからな る第 1ガス供給口 31を通して、シールガス 37が反応管 11の下端部 11aへ供給される ここで、反応管 11の下端部 11aとは、同図の破線で囲った領域内における管表面 のことを示している。
[0049] 環状部材 32の下方には、リング状部材 34が配置されている。リング状部材 34には 周状の第 2ガス供給口 33が設けられ、外部に連通するガス供給管等が接続されてい る。リング状部材 34の第 2ガス供給口 33から環状部材 32の底面に向けてシールガス 38が供給され、これにより、環状部材 32の底面へのシリコン析出を抑制している。 図 2は、本発明の他の実施形態におけるシリコン製造装置の反応管下端部の周辺 を示した断面図である。図示したように、反応管 11の外周側には環状部材 32が設け られており、保温部材 36、高周波加熱コイル 15等が設置された反応管 11の外側領 域は、環状部材 32等によって、その下方の空間から離隔されている。
[0050] 環状部材 32の内周面と反応管 11の外周面との間で形成された環状スリットからな る第 1ガス供給口 31を通して、シールガス 37が反応管 11の下端部 11aへ供給される 環状部材 32には多数の細孔 42が設けられており、これらの細孔 42の出口は環状 部材 32の内周面に、周に沿って配置されている。これらの細孔 42によって第 2ガス 供給口 33が構成され、第 2ガス供給口 33から環状部材 32における第 1ガス供給口 3 1の外側周囲の壁面（細孔 42の出口の上部側における内周面）に向けてシールガス 38が供給され、これにより、該壁面へのシリコン析出を抑制している。
[0051] 図 3は、本発明の他の実施形態におけるシリコン製造装置の反応管下端部の周辺 を示した断面図である。図示したように、反応管 11の外周側には環状部材 32が設け られており、保温部材 36、高周波加熱コイル 15等が設置された反応管 11の外側領 域は、環状部材 32および底板 39等によって、その下方の空間から離隔されている。 環状部材 32の内周面と反応管 11の外周面との間で形成された環状スリットからな る第 1ガス供給口 31を通して、シールガス 37が反応管 11の下端部 11aへ供給される
[0052] 環状部材 32の下方には、筒状部材 35によって形成された周状の間隙による第 2ガ ス供給口 33が設けられ、第 2ガス供給口 33から環状部材 32の底面に向けてシール ガス 38が供給され、これにより、環状部材 32の底面へのシリコン析出を抑制している 本発明において、環状部材は、反応管との間にスリット状の第 1ガス供給口を形成 する構造であれば、その形状は特に限定されない。環状部材の形成材料としては、 例えば、窒化珪素、炭化珪素、酸ィ匕アルミニウム、酸化ジルコニウムなどを含有する セラミックス材料、ある 、は石英ガラスなどが挙げられる。
[0053] 環状部材は、第 1ガス供給口の出口が、反応管の下端部近傍に位置するように配 置されることが好ま U、。第 1ガス供給口の出口が反応管 11の下端部よりもあまり上 側になると、第 1ガス供給口からのシールガスにより反応管の下端部のシリコン析出を 防止するために多量のシールガスを要することがある。
環状部材を設ける位置は、第 1ガス供給口の出口が、反応管の下端部を基準とし て上方に 0〜： LOOmmの範囲内となるような位置であること力 反応管の下端部への シリコン析出を有効に防止する点力も好ましい。また、第 1ガス供給口の幅は、例えば
2. 5〜25mmとされる。
[0054] 第 1ガス供給口からのシールガス、エッチングガス、あるいはこれらの混合ガスの線 速は、好ましくは 0. 05mZs以上である。なお、図 8のシールガス供給口 12からのシ ールガスは、原料ガスであるクロロシラン類等の流量が大きい場合、シールガスの流 れに乱れを生じ、シールガス線速によっては充分なシール効果が得られな 、ことがあ る力 第 1ガス供給口 31からのシールガスは、原料ガスであるクロロシラン類等の流 量が大き 、場合であっても小さ 、線速で充分なシール効果が得られる。
[0055] また、第 2ガス供給ロカものシールガスを、反応管の下端部にも供給することで、反 応管の下端部へのシリコン析出も同時に抑制できる。この場合、第 2ガス供給口から のシールガスの流れ方向を反応管の下端部へ向けることが好ましい。
第 2ガス供給口を設ける位置は、例えば図 1または図 3のように環状部材の底面へ ガスを供給する場合には、環状部材の下端部を基準として、下方に 0〜200mmの範 囲内であることが、環状部材の底面へのシリコン析出を有効に抑制し、反応管の下端 部へのシリコン析出を有効に防止する点力も好ましい。
[0056] 第 2ガス供給口は、例えば 1〜： LOmmの幅で形成することができ、少量で充分な線 速のシールガスを供給できるように充分に細く形成することができる。したがって、こ の第 2ガス供給口からのシールガス供給量と、第 1ガス供給口からのシールガス供給 量との総量としての、シールガスの時間あたりの供給量を従来よりも大幅に低減して も、反応管の下端部におけるシリコンの析出を充分に抑制することができる。
[0057] 本発明にお!/、て、第 2ガス供給口からのシールガスおよび Zまたはエッチングガス を、環状部材における第 1ガス供給口の外側周囲の壁面に接触させる態様は、当該 ガスの自然対流によるものであってもよぐ当該ガスを壁面へ噴き付けるようにしても よい。
図 4〜図 6は、第 1ガス供給口および第 2ガス供給口の具体例を示した断面図であ る。なお、これらの図では、反応管 11は片側断面の下端部近傍のみ示し、シールガ スおよび Zまたはエッチングガス（以下、シールガス等と!、う）の流れを点線矢印で示 している。図 4 (a)〜（c)では、図 3と同様に環状部材 32の下方に周状に第 2ガス供 給口 33を設け、環状部材 32の底面 32aに向けてシールガス等を供給している。第 2 ガス供給口 33を形成する下側の部材が反応管 11の下端部 11aからの輻射熱等で 高温になり、当該部材にシリコンが析出するおそれがある場合には、図 4 (c)に示した ように、第 2ガス供給口 33を形成する部材 40の下方にさらにガス供給口 41を設けて 、この部材 40における第 2ガス供給口 33の外側周囲にシールガス等を供給するよう にしてもよい。
[0058] 図 5 (a)では、環状部材 32に多数の細孔 42が設けられており、これらの細孔 42の 出口は環状部材 32の底面に、周に沿って配置されている。これらの細孔 42の出口 によって第 2ガス供給口 33が構成され、第 2ガス供給口 33から環状部材 32の底面 3 2aに向けてシールガス等を供給するようにして!/、る。
図 5 (b)では、反応管 11と環状部材 32との間隙力 なるスリットに対して、スリット上 方力もシールガス等を供給すると共に、環状部材 32における多数の細孔 43の出口 を環状部材 32の内周面に周に沿って多段に配置し、これらの細孔 43からもシール ガス等を供給して、これらのガスを第 1ガス供給口 31の出口から噴き出すようにして いる。そして、環状部材 32の下方に周状に第 2ガス供給口 33を設け、環状部材 32 の底面 32aに向けてシールガス等を供給している。
[0059] 図 5(c)では、内側部材 51aと外側部材 51bにより形成されたガス通路孔 52を通して 第 1ガス供給口 31へシールガスを供給して 、る。図 5 (d)は、これらの部材の水平方 向の部分断面図である。図示したように、内側部材 51aの外周に所定間隔を置いて 形成された多数の凹部と、外側部材 5 lbの内周面との間でガス通路孔 52が形成さ れる。外側部材 51bは、反応管 11の動きに応じて環状部材 32と一体に移動できるよ うになつている。外側部材 51bと環状部材 32は、互いに固定されていてもよぐこれら を同一部材で一体に形成してもよ 、。
[0060] 製造装置をスケールアップすると、反応管 11の長さが大きくなり、反応管 11の下端 部近傍において反応管 11と環状部材 32とが位置ズレする場合がある。すると、反応 管 11と環状部材 32とのスリット幅が均一にならなくなり、場合によっては反応管 11と 環状部材 32が接触することもある。このようにスリット幅が均一でないと、第 1ガス供給 口を設けたことによる所望の性能が低下することがある。
[0061] そこで、図 5 (c)のように、外側部材 51bを環状部材 32に固定し、内側部材 51aを 反応管 11と外側部材 5 lbとの間に挟むことによって、反応管 11と環状部材 32とのス リット幅が常に均一となるように維持することができる。すなわち、内側部材 51aと外側 部材 51bとによって、反応管 11の中心と環状部材 32の中心とを一致させるセンタリン グ機能が与えられる。
[0062] 図 6 (a)〜（c)では、環状部材 32に多数の細孔 42が設けられており、これらの細孔 42の出口は環状部材 32の内周面に、周に沿って配置されている。これらの細孔 42 の出口によって第 2ガス供給口 33が構成され、反応管 11と環状部材 32との間隙力も なるスリット状の第 1ガス供給口 31の出口力も外側の周囲における環状部材 32の内 周面 32bに向けて第 2ガス供給口 33からシールガス等を供給するようにしている。
[0063] 図 6 (a)〜（c)のように、第 2ガス供給口 33から送り出すシールガス等を細孔 42から 供給する場合、細孔 42の出口が配置された周方向に沿ってスリットを形成し、このス リットの凹部に細孔 42の出口が配置されるようにしてもよい。
また、細孔 42の出口からのシールガス等の噴出方向は、中心へ向かう水平方向以 外に、上方もしくは下方への傾斜方向であってもよぐあるいは、細孔 42の出口を基 点として環状部材 32の中心へ向力 方向力も環状部材 32の内周接線方向に傾斜し た方向、すなわち環状部材 32の周方向に沿った方向であってもよい。
[0064] 図 6 (a)〜（c)のように細孔 42の出口を周状に配列した第 2ガス供給口 33を設けた 環状部材 32の形成材料としては、反応管 11の加熱手段により異なるが、電磁波を用 V、る加熱方式の場合には、例えばセラミックス多孔板などを挙げることができる。 図 7は、環状部材の内周形状の具体例を示した図である。なお、同図において、点 線で囲った位置における壁面が第 2ガス供給口からのシールガス等によってシリコン 析出を防止すべき箇所である。図示したように、環状部材の内周における断面形状 の具体例としては、図 7 (a)のような反応管 11の外周面と略平行な直線状、図 7 (b) のような曲面状、図 7 (c)、（d)のような角度を有する先鋭状、図 7 (e)のような反応管 1 1の下端部 11aよりも下方へ延びる長い直線状、図 7 (f)のような山切り先鋭状などが 挙げられる。なお、反応管 11の下端部 11aと、環状部材 32との相対位置は、同図に 限定されず場合に応じて適切に配置される。
実施例
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるも のではない。
[実施例 1〜14]
材質がカーボンであり、円筒形で寸法が外径 100mm、内径 70mm、長さ 1000m mである反応管 11を多結晶シリコン製造装置（図 8および図 9を参照）に装着した。そ して、図 3に示したように環状部材 32および筒状部材 35を設置した。これにより、反 応管 11と環状部材 32との間のスリットで第 1ガス供給口 31を形成すると共に、環状 部材 32の底面と筒状部材 35との間の周状の隙間によって第 2ガス供給口 33を形成 した。なお、環状部材 32および筒状部材 35の材質として窒化ケィ素セラミックスを使 し/こ。
トリクロロシラン 20kg/Hと水素 40Nm3/Hとの混合ガスを反応管 11の内部に流 通させ、高周波加熱によって反応管 11を 1450°C以上に昇温させ、多結晶シリコンを 溶融状態で析出させた。 50時間の反応を行い、環状部材 32の直上における反応管 11の表面状態 (シリコン付着量)を観察しシール効果を確認した。各実施例における 第 1ガス供給口 31および第 2ガス供給口 33の幅の寸法、シールガスの種類、供給量 および線速、エッチングガス (HC1)の濃度等の条件と、表面状態の結果を表 1に示し [0066] なお、実施例 1〜14では環状部材 32の底面へのシリコン付着はほとんど観察され なかった。
[実施例 15〜19]
環状部材 32および筒状部材 35の材質として、表 2に示した材質を使用した以外は 、実施例 10と同条件で連続反応を行い、反応管 11の表面状態 (シリコン付着量)を 観察しシール効果を確認した。その結果を表 2に示した。
[0067] なお、実施例 15〜19では環状部材 32の底面へのシリコン付着はほとんど観察さ れなかった。
[比較例 1]
第 2のガス供給口を設けず、第 1ガス供給口からの窒素ガスの線速を 1. 6NmZsと した以外は実施例 1と同じ条件で連続反応を行った。反応終了後、環状部材 32の直 上における反応管 11の表面状態を観察しシール効果を確認したところ、反応管 11 の表面へのシリコン付着量は 0. ImmZHであった。
[0068] なお、比較例 1では、反応終了後の環状部材 32の底面に相当量のシリコンが付着 しており、シリコンが析出していることが確認された。
[比較例 2]
第 1ガス供給口 31となるスリットを形成する環状部材 32と、筒状部材 35とを用いず 、反応管 11の外周側空間の間隙幅を 50mmとし、この間隙からの線速を 5NmZSと した以外は、実施例 1と同条件で連続反応を行った。反応終了後、環状部材 32の直 上における反応管 11の表面状態を観察しシール効果を確認したところ、反応管 11 の表面へのシリコン付着量は 0. 2mmZHであった。
[0069] [表 1] 第 ΙΛ'ス 第 1がス 第 1力'ス 第 1力'ス 第 2力'ス 第 2力'ス 第 2力'ス 第 2力'ス 反応管 11 供給口 (31)供給口 (31)供給口 (31)供給口 (31)供給口 (33)供給口 (33)供給口 (33)供給口 (33) への の寸法 からの からの からの の寸法 からの からの からの シリコン付着量 (mm) 力'スの種類 力八線 is 力'ス中の (mm) 力'スの種類 力'ス線速 力'ス中の (mm/H) S0007 (Nm/S) HCI濃度 (Nm/S) HCI濃度
(vol%) (vol%)
実施例 1 10 望素 0.16 0 2 水素 6.5 0 0.03 実施例 2 3.5 0.16 0 2 水素 6.5 0 0.03 実施例 3 20 窒素 0.16 0 2 水素 6.5 0 0.03 実施例 4 10 窒素 0.05 0 2 水素 6.5 0 0.03 実施例 5 10 窒素 0.5 0 2 水素 6.5 0 0.025 実施例 6 10 窒素 0.16 0 2 水素 0.06 0 0.025 実施例 7 10 望素 0.16 0 2 水素 0.66 0 0.024 実施例 8 10 窒素 0.16 0 2 水素 10 0 0,020 実施例 9 10 窒素 0.16 1.5 2 水素 6.5 1.5 0.0001 実施例 10 10 g¾ 0.16 5 2 水素 6.5 5 0.0001 実施例 11 10 窒素 0.16 10 2 水素 6.5 10 0.0001 実施例 12 10 水素 0.16 5 2 窒素 6.5 1.5 0.0001 実施例 13 10 窒素 0.16 5 2 ^¾ 6.5 1.5 0.0001 実施例 14 10 水素 0.16 5 2 水素 6.5 1.5 0.0001
環状部材 32の材質 筒状部材 35の材質 反応管 11への シリコンの付着量
(mm/H) 実施例 15 窒化ケィ素含有セラミックス 窒化ケィ素含有セラミックス 0.0001 実施例 16 化ケィ素含有セラミックス 化ケィ素含有セラミックス 0.0001 実施例 17 石英がラス 石英力'ラス 0.0001 実施例 18 酸化アルミニウム含有セラミツウス 酸化アルミニウム含有セラミ'リクス 0.0001 実施例 19 酸化 yルコニゥム含有セラミックス 酸化シ'ルコニゥム含有セラミックス 0.0001

Claims

請求の範囲
[1] 筒状の反応管と、該反応管の少なくとも下端部を含む反応領域をシリコンの融点以 上に加熱する手段とを備え、前記反応管の上部側に設けられたガス供給管からクロ ロシラン類と水素とを前記反応管へ供給し、加熱された該反応管の内壁にシリコンを 析出させ、該反応管の下端部開口力 析出シリコンを取り出すシリコン製造装置であ つて、
前記反応管の下端部近傍の外周側に、環状のスリットからなり、該下端部に向かつ てシールガスおよび Zまたはエッチングガスを供給する第 1ガス供給口が設けられ、 前記第 1ガス供給口力 離間した位置に、第 1ガス供給口を形成する部材における 第 1ガス供給口の外側周囲の壁面に向けてシールガスおよび Zまたはエッチングガ スを供給する第 2ガス供給口が設けられて 、ることを特徴とするシリコン製造装置。
[2] 前記第 1ガス供給口は、前記反応管の外周面と、前記反応管の外周側に隣接して 設けられた環状部材の内周面との間隙により形成され、
前記第 2ガス供給口は、前記環状部材における第 1ガス供給口の外側周囲の壁面 に向けてシールガスおよび Zまたはエッチングガスを供給することを特徴とする請求 項 1に記載のシリコン製造装置。
[3] 前記第 2ガス供給口は、前記環状部材における第 1ガス供給口の外側周囲の底面 または内周面に向けてシールガスおよび Zまたはエッチングガスを供給することを特 徴とする請求項 1に記載のシリコン製造装置。
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