JP2008285343A - Preparation method of polycrystalline silicon - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多結晶シリコンの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing polycrystalline silicon.
四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを反応させてシリコンを生成させ、生成されたシリコンを冷却固化することによって、多結晶シリコンを製造する方法が知られている(特許文献1参照)。この方法では、反応炉内部の温度が1000〜1500℃に保持される。
上記特許文献1に記載の方法では、生成した多結晶シリコン粒子が、反応ガスやキャリアガスと共に反応炉から排気され易い。よって、多結晶シリコンの回収効率が悪い。そこで本発明は、多結晶シリコンの回収効率を向上させることを目的とする。 In the method described in Patent Document 1, the generated polycrystalline silicon particles are easily exhausted from the reaction furnace together with the reaction gas and the carrier gas. Therefore, the recovery efficiency of polycrystalline silicon is poor. Accordingly, an object of the present invention is to improve the recovery efficiency of polycrystalline silicon.
本発明の多結晶シリコンの製造方法は、反応炉において温度が1100℃以上の炉壁部分に形成された第1及び第2の供給口から、四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとをそれぞれ反応炉内に供給して反応させることにより、多結晶シリコン粒子を生成する工程と、反応炉内の炉壁に沿って温度勾配をつけることにより、生成された多結晶シリコン粒子を反応炉内の炉壁の温度の低い部分に付着させる工程と、付着した多結晶シリコン粒子を溶融させて融液を得る工程と、融液を冷却固化して多結晶シリコンを得る工程と、を含む。 In the method for producing polycrystalline silicon according to the present invention, silicon tetrachloride gas and zinc gas are respectively introduced into the reactor from the first and second supply ports formed in the furnace wall portion having a temperature of 1100 ° C. or higher in the reactor. The process of producing polycrystalline silicon particles by supplying to the reactor and reacting with the furnace wall in the reactor by forming a temperature gradient along the furnace wall in the reactor. A step of attaching to a low temperature portion, a step of melting the attached polycrystalline silicon particles to obtain a melt, and a step of cooling and solidifying the melt to obtain polycrystalline silicon.
本発明の多結晶シリコンの製造方法では、反応炉内の炉壁に沿って温度勾配をつけるので、生成した多結晶シリコン粒子が、サーモフォレシス効果により、反応炉内の炉壁の温度の低い部分へ流れて付着する。これにより、生成した多結晶シリコン粒子が、反応ガスやキャリアガスと共に反応炉から排気されることを抑制できる。そして、炉壁に付着した多結晶シリコンを溶融後、冷却固化するので、多結晶シリコンの回収効率を向上させることができる。 In the method for producing polycrystalline silicon according to the present invention, a temperature gradient is provided along the furnace wall in the reaction furnace, so that the generated polycrystalline silicon particles are part of the furnace wall in the reaction furnace where the temperature is low due to the thermophoresis effect. To flow and adhere. Thereby, it can suppress that the produced | generated polycrystalline silicon particle is exhausted from a reaction furnace with reaction gas and carrier gas. And since the polycrystalline silicon adhering to the furnace wall is melted and cooled and solidified, the recovery efficiency of polycrystalline silicon can be improved.
好ましくは、炉壁を加熱する加熱手段を反応炉に沿って移動させることにより、反応炉の炉壁に対する温度分布を変化させる。この場合、炉壁において多結晶シリコン粒子が付着した部分に加熱手段を移動させることにより、付着した多結晶シリコン粒子を容易に溶融させることができる。また、反応炉の炉壁に沿って多結晶シリコン粒子を付着させることができる。よって、効率的に多結晶シリコンの付着及び溶融を行い、多結晶シリコンの回収効率を更に向上させることができる。 Preferably, the temperature distribution with respect to the furnace wall of the reaction furnace is changed by moving heating means for heating the furnace wall along the reaction furnace. In this case, the adhered polycrystalline silicon particles can be easily melted by moving the heating means to the portion where the polycrystalline silicon particles are adhered on the furnace wall. Further, the polycrystalline silicon particles can be attached along the furnace wall of the reaction furnace. Therefore, the polycrystalline silicon can be efficiently attached and melted, and the recovery efficiency of the polycrystalline silicon can be further improved.
好ましくは、多結晶シリコン粒子を生成する工程と多結晶シリコン粒子を付着させる工程との間に、四塩化ケイ素ガスと亜鉛ガスとを反応させることにより生成された多結晶シリコン粒子を含む生成ガスを冷却する工程を更に含む。この場合、生成ガスに含まれる多結晶シリコン粒子を核として多結晶シリコンが結晶成長する。成長した多結晶シリコン粒子は、重力によって落下し易くなるので、多結晶シリコン粒子が排気されることを抑制することができる。よって、生成した多結晶シリコンの収率が向上する。 Preferably, a produced gas containing polycrystalline silicon particles produced by reacting silicon tetrachloride gas and zinc gas between the step of producing polycrystalline silicon particles and the step of attaching polycrystalline silicon particles is preferably used. The method further includes a step of cooling. In this case, polycrystalline silicon grows with the polycrystalline silicon particles contained in the generated gas as nuclei. Since the grown polycrystalline silicon particles are easily dropped by gravity, it is possible to prevent the polycrystalline silicon particles from being exhausted. Therefore, the yield of the produced polycrystalline silicon is improved.
本発明の多結晶シリコンの製造方法によれば、多結晶シリコンの回収効率を向上させることができる。 According to the method for producing polycrystalline silicon of the present invention, the recovery efficiency of polycrystalline silicon can be improved.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明
において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are used for the same or equivalent elements, and duplicate descriptions are omitted.
図1は、第1実施形態に係る多結晶シリコンの製造装置を模式的に示す図である。図1にはxyz空間座標系が示されている。図1に示される多結晶シリコンの製造装置10は、筐体12と、筐体12内に収容された反応炉Rとを備える。反応炉Rは、鉛直方向と平行なz軸方向に沿って延びている。これにより、重力を利用して反応炉Rの下端から多結晶シリコンを効率的に回収することができる。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a polycrystalline silicon manufacturing apparatus according to the first embodiment. FIG. 1 shows an xyz space coordinate system. The polycrystalline
炉壁14は、例えばSiO2(石英)、SiC、アルミナ等のセラミックス製、又はカーボン製であることが好ましい。加工容易性及びコンタミネーションの防止等の観点からはSiO2が好ましい。また、炉壁14は、SiCで被覆されたカーボンからなってもよい。
The
反応炉Rの炉壁14は、z軸に沿って順に配列された上部14a(第1の部分)、中部14b及び下部14c(第2の部分)を有する。上部14aは、下部14cよりも上流側に位置する。
The
炉壁14の上部14aには、四塩化ケイ素ガスG1を反応炉R内に供給するための供給口18a及び亜鉛ガスG2を反応炉R内に供給するための供給口16aが形成されている。供給口16aには、第1の配管16が接続されており、配管16には第2の配管22が印篭継手(接続部20)により接続されていることが好ましい。配管22には、亜鉛供給源24が接続されている。亜鉛供給源24内には、例えば亜鉛融液26が収容されており、亜鉛融液26の液面上には例えば仕切り板28が設けられている。亜鉛ガスG2は亜鉛融液26から生成される。一方、供給口18aには、配管18を介して四塩化ケイ素供給源30が接続されている。上部14aでは、四塩化ケイ素ガスG1と亜鉛ガスG2とが反応して多結晶シリコン粒子を含む生成ガスG3が生成される。
A
上部14aの周囲には、上部14aを加熱するためのヒータH1が設けられていることが好ましい。これにより、上部14aの温度を制御することができる。上部14aの温度は1100℃以上に制御される。これにより、供給口16a及び供給口18aに多結晶シリコンが付着することを抑制できる。さらに、上部14aの温度は1350℃以下に制御されることが好ましい。
A heater H1 for heating the
中部14bには、例えば、不活性ガスG4を反応炉R内に供給するための供給口36aが形成されている。この場合、不活性ガスG4により生成ガスG3を冷却することができるので、生成ガスG3に含まれる多結晶シリコン粒子を結晶成長させることができる。多結晶シリコン粒子の粒径が大きくなると重力によって落下し易くなるので、多結晶シリコン粒子を回収し易くなる。不活性ガスG4は、例えばHe,Ar,Xe等の希ガスである。生成ガスG3の冷却効率を向上させる観点から、不活性ガスG4の温度は1000℃以下であることが好ましい。供給口36aには、配管36を介して不活性ガス供給源38が接続されている。なお、供給口36aは、上部14aに形成されていてもよい。
In the
中部14bの周囲には、中部14bを加熱するためのヒータH2,H3が設けられていることが好ましい。これにより、中部14bの温度を制御することができる。ヒータH2,H3により、中部14bの温度は1100℃以上1350℃以下の範囲で上部14aよりも低い温度に制御されることが好ましい。ただし、下げすぎると、この部分で多結晶シリコン粒子が炉壁に析出してしまうので、上部14aの温度よりも低い温度であって1100℃以上の温度として、析出しない範囲で核成長を促すために必要十分な温度勾配を持たせる。上部14aを加熱するためのヒータの温度と中部14bを加熱するためのヒータの温度との温度差は10〜100℃とすることが好ましい。
It is preferable that heaters H2 and H3 for heating the
下部14cには、シリコン融液SI1を収集するための漏斗32が設けられていることが好ましい。下部14cの周囲には、下部14cを加熱するためのヒータH4(加熱手段)が設けられている。ヒータH4は、下部14cにおいて、反応炉Rに沿って移動する。ヒータH4は、z軸方向に沿って上下に移動する。このヒータH4は、例えば、モータにより移動させ、位置を制御可能に構成される。
The
ヒータH4が、下部14cにおける上側の位置aに位置しているときは、反応炉Rの炉壁14の下部14cに沿って、上側の温度が高く下側の温度が低い温度勾配ができる。ヒータH4が、下部14cにおける中央の位置bに位置しているときは、反応炉Rの炉壁14の下部14cに沿って、中部の温度が高く下側の温度が低い温度勾配ができる。このように、ヒータH4によって、反応炉Rの炉壁14の下部14cに沿って温度勾配が形成され、ヒータH4が反応炉Rに沿って移動することにより、温度分布が変化する。
When the heater H4 is located at the upper position a in the
漏斗32には、重力により落下した多結晶シリコン粒子が付着すると共に、温度勾配が形成されることによるサーモフォレシス効果によっても多結晶シリコン粒子が付着する。つまり、漏斗32の温度をその上部の温度よりも低くすることにより、シリコン粒子が漏斗に向かって移動して付着する。下部14cでは、付着した多結晶シリコン粒子を溶融させてシリコン融液SI1が得られる。
The polycrystalline silicon particles dropped due to gravity adhere to the
シリコン融液SI1は、漏斗32の先端32aから容器34内に滴下される。容器34は、漏斗32の先端32aに対向配置されている。容器34としては、例えば、るつぼ等が挙げられる。容器34の温度は、例えば900℃に制御される。シリコン融液SI1が容器34内で冷却固化されることにより、多結晶シリコンSI2が得られる。多結晶シリコンSI2は、高純度であるので、例えば太陽電池に使用される。
The silicon melt SI1 is dropped into the
反応炉Rは、上述のように、炉壁14を加熱するための複数段のヒータH1〜H4(加熱装置)を備えることが好ましい。これにより、反応炉R内において鉛直方向に温度勾配を付与することができる。加熱装置としては、ヒータH1〜H4自身が発熱するものを用いてもよいし、炉壁14を誘導加熱するためのコイルを用いてもよい。炉壁14を誘導加熱するためには、炉壁14はカーボン又はジルコニアからなることが好ましい。また、炉壁14がSiCからなり、炉壁14の周囲にカーボン又はジルコニアからなる発熱体を配置してもよい。誘導加熱の場合、ヒータH1〜H4自身が発熱する場合に比べて、炉壁14の温度の応答性が良好である。
As described above, the reaction furnace R preferably includes a plurality of heaters H1 to H4 (heating devices) for heating the
多結晶シリコンの製造装置10は、上部14aの温度を1100℃以上に制御可能なヒータH1を有するので、供給口16a及び供給口18aに多結晶シリコンが付着することを抑制できる。よって、反応炉R内に四塩化ケイ素ガスG1及び亜鉛ガスG2を安定的に供給することができる。また、多結晶シリコンを反応炉R外に連続的に取り出すことができると共に多結晶シリコンSI2の収率を向上させることができる。
Since the polycrystalline
図2は、図1に示される反応炉Rをz軸方向から見た図である。反応炉Rの炉壁14はz軸に平行な中心軸Axを取り囲んでいる。供給口16aは、z軸方向から見て中心軸Axに関して供給口18aと対称な位置に形成されていることが好ましい。この場合、供給口18aから供給される四塩化ケイ素ガスG1と、供給口16aから供給される亜鉛ガスG2とが反応炉R内において中心軸Axを中心に渦を形成する。このため、四塩化ケイ素ガスG1と亜鉛ガスG2とを十分に混合することができるので、多結晶シリコンSI2の収率を向上させることができる。
FIG. 2 is a view of the reactor R shown in FIG. 1 as viewed from the z-axis direction. The
図3は、第1実施形態に係る多結晶シリコンの製造方法を示すフローチャートである。本実施形態に係る多結晶シリコンの製造方法は、多結晶シリコンの製造装置10を用いて実施されることが好ましい。以下の工程S1〜工程S5を順に実施することが好ましい。これにより、多結晶シリコンSI2が製造される。なお、工程S2を実施しなくてもよい。
FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing polycrystalline silicon according to the first embodiment. It is preferable that the polycrystalline silicon manufacturing method according to the present embodiment is performed using the polycrystalline
(多結晶シリコン粒子の生成)
反応炉Rの炉壁14の上部14aの温度を1100℃以上として、供給口18a及び供給口16aから、反応炉R内に四塩化ケイ素ガスG1と亜鉛ガスG2とを供給して反応させることにより、多結晶シリコン粒子を生成する(工程S1)。工程S1では、多数の多結晶シリコン粒子が生成される。このとき、四塩化ケイ素ガスG1と亜鉛ガスG2との反応により、多結晶シリコン粒子を含む生成ガスG3が得られる。生成ガスG3には、例えば、シリコンガス、シリコン液滴、反応副生成物としてのZnCl2等が含まれている。
(Production of polycrystalline silicon particles)
By making the temperature of the
(生成ガスの冷却)
生成ガスG3を冷却する(工程S2)。冷却により、上部14aの温度よりも低い温度であって1100℃以上の温度として、析出しない範囲で核成長を促すために必要十分な温度勾配を持たせる。これにより、生成ガスG3に含まれる多結晶シリコン粒子を核として多結晶シリコンが結晶成長するので、多結晶シリコン粒子を回収し易くなる。多結晶シリコン粒子の粒径が大きくなると、重力により落下して漏斗32に付着する。よって、多結晶シリコン粒子が反応炉R外に放出され難くなり、製造される多結晶シリコンSI2の収率が向上する。生成ガスG3を冷却する際には、生成ガスG3に不活性ガスG4を供給することが好ましい。この場合、生成ガスG3を冷却する際に炉壁14の温度の低下を抑制することができる。これにより、多結晶シリコン粒子が炉壁14に付着することに起因する多結晶シリコンSI2の収率の低下を抑制できる。
(Cooling of generated gas)
The product gas G3 is cooled (step S2). By cooling, the temperature is lower than the temperature of the
(多結晶シリコン粒子の付着及び溶融)
ヒータH4によって反応炉R内における炉壁14の下部14cに沿って温度勾配をつけることにより、生成された多結晶シリコン粒子を下部14cの温度の低い部分に付着させる(工程S3)。下部14cの温度は、Znの沸点(907℃)以上する。中部14bを加熱するためのヒータの温度と下部14cを加熱するためのヒータの温度との温度差を100℃以上の温度差とすることが好ましい。反応炉R内の炉壁14の下部14cに沿って、ヒータH4に近い部分は温度が高く、ヒータH4から遠い部分は温度が低くなるので、下部14cにおいて鉛直方向に温度勾配ができる。温度勾配ができると、上述の工程において生成された多結晶シリコン粒子が、サーモフォレシス効果により、炉壁14の下部14cにおいて温度の低い部分へ流れて付着する。
(Adhesion and melting of polycrystalline silicon particles)
By applying a temperature gradient along the
また、ヒータH4を少しずつ移動させことにより、炉壁14の下部14cに対する温度分布が変化する。これにより、下部14cに沿って多結晶シリコン粒子を付着させる。また、多結晶シリコン粒子の付着した部分の温度が高くなると、付着した多結晶シリコンが溶融し、シリコン溶液SI2が得られる(工程S4)。
Moreover, the temperature distribution with respect to the
上記工程S3及び工程S4について、より詳細に説明する。まず、ヒータH4を下部14cにおける上側の位置aに移動する。すると、炉壁14の下部14cに沿って、上側の温度が高く下側の温度が低い温度勾配ができる。このとき、上方において生成された多結晶シリコン粒子が、下部14cにおける漏斗32のくびれた部分32bに付着する。
The steps S3 and S4 will be described in more detail. First, the heater H4 is moved to the upper position a in the
続いて、ヒータH4を少しずつ下方へ移動させる。すると、多結晶シリコン粒子が付着する位置が下方に少しずつ移動する。 Subsequently, the heater H4 is moved downward little by little. Then, the position where the polycrystalline silicon particles adhere moves little by little.
ヒータH4が、漏斗32のくびれた部分32bの側面側に位置すると、炉壁14の下部14cに沿って、中部の温度が高く下側の温度が低い温度勾配ができる。このとき、漏斗32の先端部分32c付近に多結晶シリコン粒子が付着する。一方、漏斗32のくびれた部分32bの温度が高くなるので、くびれた部分32bに付着していた多結晶シリコンが溶融する。
When the heater H4 is positioned on the side surface side of the
くびれた部分32bに付着していた多結晶シリコンが溶融すると、シリコン融液SI1は、漏斗32の内壁をつたって下方へ流れる。漏斗32の下方に付着している多結晶シリコンは、上方から流れてきた高温のシリコン融液SI1によって溶融し、上方から流れてきたシリコン融液SI1と共に下方へ流れ、漏斗32の先端から滴下する。
When the polycrystalline silicon adhering to the
続いて、ヒータH4を位置aまで少しずつ上方へ移動させる。すると、多結晶シリコン粒子が付着する位置が上方に少しずつ移動する。ヒータH4が再び位置aに位置すると、上述した手順が繰返され、多結晶シリコン粒子の付着と付着した多結晶シリコンの溶融とを連続的に行うことができる。
(融液の冷却固化)
Subsequently, the heater H4 is moved upward little by little to the position a. As a result, the position where the polycrystalline silicon particles adhere gradually moves upward. When the heater H4 is again positioned at the position a, the above-described procedure is repeated, and the deposition of polycrystalline silicon particles and the melting of the deposited polycrystalline silicon can be performed continuously.
(Cooled solidification of melt)
シリコン融液SI1を冷却固化して多結晶シリコンSI2を得る(工程S5)。漏斗32を用いてシリコン融液SI1を反応炉Rから取り出して、容器34内でシリコン融液SI1を冷却固化することが好ましい。
The silicon melt SI1 is cooled and solidified to obtain polycrystalline silicon SI2 (step S5). It is preferable to take out the silicon melt SI1 from the reaction furnace R using the
本実施形態の多結晶シリコンの製造方法では、反応炉R内における炉壁14の下部14cに沿って温度勾配をつけるので、生成した多結晶シリコン粒子が、サーモフォレシス効果により、下部14cにおける温度の低い部分へ流れて付着する。これにより、生成した多結晶シリコン粒子が、反応ガスやキャリアガスと共に反応炉Rから排気されることを抑制できる。そして、炉壁14に付着した多結晶シリコンを溶融後、冷却固化するので、多結晶シリコンの回収効率を向上させることができる。
In the polycrystalline silicon manufacturing method of the present embodiment, a temperature gradient is provided along the
また、炉壁14を加熱するヒータH4を反応炉Rに沿って移動させることにより、下部14cに対する温度分布を変化させるので、下部14cの各位置に多結晶シリコン粒子を付着させると共に、付着した多結晶シリコン粒子を容易に溶融させることができる。
Moreover, since the temperature distribution with respect to the
特に、本実施形態では、反応炉Rを鉛直方向に配置し、ヒータH4を上下に移動させるので、ヒータH4の移動によって次々に溶融する多結晶シリコンが下方へ流れ、容易に回収することができる。また、ヒータH4の往路及び復路において、サーモフォレシス効果により、ヒータH4の下方の炉壁14には次々に多結晶シリコンが付着する。よって、効率的に多結晶シリコンの付着及び溶融を行うことができる。
In particular, in this embodiment, since the reactor R is arranged in the vertical direction and the heater H4 is moved up and down, the polycrystalline silicon that melts one after another by the movement of the heater H4 flows downward and can be easily recovered. . Further, in the forward path and the return path of the heater H4, polycrystalline silicon adheres to the
また、炉壁14の上部14aの温度が1100℃以上であるので、当該温度が1100℃未満の場合に比べて、四塩化ケイ素ガスG1の供給口18a及び亜鉛ガスG2の供給口16aに多結晶シリコンが付着することを抑制できる。よって、反応炉R内に四塩化ケイ素ガスG1及び亜鉛ガスG2を安定的に供給することができる。また、多結晶シリコンを反応炉R外に連続的に取り出すことができると共に多結晶シリコンSI2の収率を向上させることができる。
Moreover, since the temperature of the
上部14aの温度は1350℃以下であることが好ましい。この温度が1350℃を超えると、製造される多結晶シリコンSI2の収率が低下する傾向にある。この原因の一つとして、例えば生成ガスG3に含まれる多結晶シリコン粒子が、微小なためガス化することによって、排ガスとして反応炉R外に排気されてしまうことが考えられる。
The temperature of the
また、供給口16aの下端から上部14aの下端までの距離は、供給口16aの径の10倍以上であることが好ましい。この場合、供給口16aに多結晶シリコンが付着することを更に抑制できる。また、供給口18aの下端から上部14aの下端までの距離は、供給口18aの径の10倍以上であることが好ましい。この場合、供給口18aに多結晶シリコンが付着することを更に抑制できる。
Moreover, it is preferable that the distance from the lower end of the
10…多結晶シリコンの製造装置、14…炉壁、16a…供給口(第1の供給口)、18a…供給口(第2の供給口)、32…漏斗、G1…四塩化ケイ素ガス、G2…亜鉛ガス、G3…生成ガス、H4…ヒータ(加熱手段)、R…反応炉、SI1…シリコン融液、SI2…多結晶シリコン。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記反応炉内の炉壁に沿って温度勾配をつけることにより、生成された前記多結晶シリコン粒子を前記反応炉内の炉壁の温度の低い部分に付着させる工程と、
付着した前記多結晶シリコン粒子を溶融させて融液を得る工程と、
前記融液を冷却固化して多結晶シリコンを得る工程と、
を含む、多結晶シリコンの製造方法。 By supplying silicon tetrachloride gas and zinc gas into the reaction furnace from the first and second supply ports formed in the furnace wall portion having a temperature of 1100 ° C. or higher in the reaction furnace, the reaction is performed. Producing crystalline silicon particles;
Attaching the generated polycrystalline silicon particles to a low temperature portion of the furnace wall in the reactor by creating a temperature gradient along the furnace wall in the reactor;
Melting the adhered polycrystalline silicon particles to obtain a melt;
Cooling and solidifying the melt to obtain polycrystalline silicon;
A method for producing polycrystalline silicon.
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