JP2006008423A - Silicon manufacturing method and silicon manufacturing apparatus - Google Patents
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Abstract
【課題】 シリコンの析出状態を目視的に監視できないシリコン製造装置においても、シリコンの析出量、析出状態および溶融落下状態などを間接的に把握し、効率よく多結晶シリコンを製造する方法および該方法に用いられるシリコン製造装置を提供すること。
【解決手段】 本発明に係るシリコンの製造方法は、加熱したカーボン製筒状反応容器内にクロロシラン類および水素を供給し、該筒状反応容器の内表面にシリコンを析出させ、析出したシリコンの一部または全部を溶融することにより、該筒状反応容器からシリコンを落下させて回収するに際し、該筒状反応容器単独の重量を測定することにより、該筒状反応容器のシリコン付着量をモニタリングし、該シリコン付着量に基づいて運転条件を制御することを特徴とする。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently grasp polycrystalline silicon efficiently by indirectly grasping the amount of deposited silicon, the deposited state, the melted-down state, etc. even in a silicon production apparatus in which the deposited state of silicon cannot be visually monitored, and the method To provide a silicon manufacturing apparatus used for manufacturing.
A method for producing silicon according to the present invention supplies chlorosilanes and hydrogen into a heated carbon cylindrical reaction vessel, deposits silicon on the inner surface of the cylindrical reaction vessel, and deposits silicon. When silicon is dropped or recovered from the cylindrical reaction vessel by melting a part or all of it, the amount of silicon attached to the cylindrical reaction vessel is monitored by measuring the weight of the cylindrical reaction vessel alone. The operation condition is controlled based on the silicon adhesion amount.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、シリコンの製造方法およびシリコン製造装置に関する。より詳しくは、筒状反応容器に析出させたシリコンの量をモニタリングしながら運転条件を制御することを特徴とするシリコンの製造方法および該製造方法に好適に用いられるシリコン製造装置に関する。 The present invention relates to a silicon manufacturing method and a silicon manufacturing apparatus. More specifically, the present invention relates to a silicon manufacturing method characterized by controlling operating conditions while monitoring the amount of silicon deposited in a cylindrical reaction vessel, and a silicon manufacturing apparatus suitably used for the manufacturing method.
現在、様々な分野において利用され、今後さらなる発展および需要が見込まれる半導体や太陽光発電用電池などの原料として、多結晶シリコンが用いられており、高純度の多結晶シリコンを効率良く製造することが求められている。 Polycrystalline silicon is currently used as a raw material for semiconductors and solar power generation batteries, which are currently used in various fields and are expected to develop and demand in the future. Efficiently produce high-purity polycrystalline silicon. Is required.
従来の多結晶シリコンの製造方法としては、たとえば、ベルジャー内部に配置されたシリコン棒の表面を加熱し、これにトリクロロシラン(SiHCl3;以下、TCSともい
う。)やモノシラン(SiH4)などのクロロシラン類と水素等の還元性ガスとを含むシ
リコン析出用原料ガスを接触させて多結晶シリコンを析出させるシーメンス法などが挙げられる。
As a conventional method for producing polycrystalline silicon, for example, the surface of a silicon rod arranged inside a bell jar is heated, and trichlorosilane (SiHCl 3 ; hereinafter also referred to as TCS) or monosilane (SiH 4 ) is used. Examples thereof include a Siemens method in which polycrystalline silicon is deposited by bringing a silicon deposition source gas containing chlorosilanes and a reducing gas such as hydrogen into contact therewith.
上記シーメンス法は、高純度なシリコンが得られることを特徴としており、現在、最も一般的な方法として実施されているが、析出がバッチ式であるため、種となるシリコン棒の設置、通電加熱、析出、冷却、取り出し、ベルジャーの洗浄などの極めて煩雑な手順を行なわなければならないという問題点がある。 The Siemens method is characterized in that high-purity silicon can be obtained, and is currently implemented as the most common method. However, since precipitation is batch-type, it is necessary to install a silicon rod as a seed, and to heat the current. There is a problem that extremely complicated procedures such as precipitation, cooling, taking out, and cleaning of the bell jar must be performed.
このような問題点を解決するために、本出願人は、シリコンを効率的に製造できる方法およびその装置として、シリコンの融点未満の温度に加熱した筒状反応容器内にシリコン析出用原料ガスを供給してシリコンを析出させた後、該筒状反応容器の内表面をシリコンの融点温度以上に加熱して、析出したシリコンの一部または全部を溶融することにより、析出したシリコンを落下させて回収する多結晶シリコンの製造方法および該方法に用いられるシリコン製造装置を提案している(特許文献1参照)。 In order to solve such problems, the present applicant, as a method and apparatus capable of efficiently producing silicon, has introduced a silicon deposition source gas into a cylindrical reaction vessel heated to a temperature below the melting point of silicon. After supplying and precipitating silicon, the inner surface of the cylindrical reaction vessel is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon to melt part or all of the precipitated silicon, thereby dropping the precipitated silicon. A method of manufacturing polycrystalline silicon to be recovered and a silicon manufacturing apparatus used in the method have been proposed (see Patent Document 1).
しかしながら、上記のようなシリコン製造方法に用いられる筒状反応容器は、通常、可視光線を透過しない基材、例えばカーボン材などからなるため、内部の析出状況を目視で観察することができない。したがって、反応容器内に実際に析出しているシリコンの量および析出状態を正確に把握することができず、その析出量が過剰または過少となることがあった。 However, since the cylindrical reaction vessel used in the silicon production method as described above is usually made of a base material that does not transmit visible light, such as a carbon material, the internal deposition state cannot be visually observed. Therefore, the amount of silicon actually deposited in the reaction vessel and the state of precipitation cannot be accurately grasped, and the amount of precipitation may be excessive or excessive.
このようにシリコンの析出量が過剰になると、反応容器の固定部が過度の荷重を受けて損傷しやすくなるだけでなく、過剰に析出したシリコンを溶融して落下させた場合、シリコン回収容器の受容量よりも多い量のシリコンが落下して回収容器からあふれる危険性もある。 Thus, when the amount of silicon deposited becomes excessive, not only the fixed part of the reaction vessel is easily damaged by receiving an excessive load, but also when the silicon deposited excessively is melted and dropped, There is also a risk that more than the accepted amount of silicon may fall and overflow from the collection container.
一方、シリコンの析出量が過少になると、生産性や経済性という面で問題があり、また、装置の異常によって析出不良に陥っている場合、それを早期に発見することができずに反応を継続すれば、状況をさらに悪化させて大きなトラブルに至る可能性がある。 On the other hand, if the amount of silicon deposited becomes too small, there is a problem in terms of productivity and economics. Also, if there is a deposition failure due to an abnormality in the equipment, it will not be possible to detect it early and will react. If continued, the situation could be further exacerbated, leading to major troubles.
上記のようなシリコンの析出量に起因するトラブルは、通常状態であれば反応排ガスのガス組成をガスクロマトグラフィーなどで測定し、マスバランスを計算することによって、ある程度把握することができる。しかしながら、この方法は間接的な手法であるため、
ガスクロマトグラフィーで測定できない副生成物の量が変化したり、反応容器外でシリコンの析出が発生するなどの異常事態がある場合には、シリコンの析出量を精度よく把握することが難しくなる。さらに、析出したシリコンの溶融落下状態については、ガスクロマトグラフィーでは全く把握することができない。
The trouble caused by the amount of deposited silicon as described above can be grasped to some extent by measuring the gas composition of the reaction exhaust gas by gas chromatography or the like and calculating the mass balance in the normal state. However, since this method is an indirect method,
When there is an abnormal situation such as the amount of by-products that cannot be measured by gas chromatography or the occurrence of silicon deposition outside the reaction vessel, it is difficult to accurately grasp the silicon deposition amount. Furthermore, the melted and dropped state of the deposited silicon cannot be grasped at all by gas chromatography.
このように析出したシリコンの溶融落下操作時に、シリコンの落下量が把握できないと以下のような問題が生じる。例えば、析出したシリコンが充分に落下せず、反応容器に析出物が残留したままシリコン析出操作を繰り返すことにより、残留析出物が蓄積して正常な析出が困難になることがある。また、残留した析出物によって反応容器内において異常なガス対流が発生して副生成物が増大する可能性がある。さらに、析出したシリコンの溶融落下操作(加熱操作)を過剰に行なった場合、反応容器が過度に高温化して副生成物が増大したり、反応容器に与える負荷が大きくなって反応容器の寿命が低下することがある。 If the amount of silicon falling cannot be grasped during the melting and dropping operation of the deposited silicon, the following problems occur. For example, if the deposited silicon does not fall sufficiently and the silicon deposition operation is repeated while the deposit remains in the reaction vessel, the remaining precipitate may accumulate and normal deposition may be difficult. Further, the residual precipitates may cause abnormal gas convection in the reaction vessel and increase by-products. Furthermore, if the melted and dropped operation (heating operation) of the deposited silicon is performed excessively, the reaction vessel becomes excessively hot and by-products are increased, and the load applied to the reaction vessel is increased, resulting in an increase in the life of the reaction vessel. May decrease.
上記のような問題は、従来のベルジャー容器を用いたシーメンス法では見られなかった問題である。なぜなら、シーメンス法では、シリコンフィラメント上にシリコンを析出させるため、金属製のベルジャー容器であっても該容器にのぞき窓等を設置することにより、析出物の状態を目視で確認するこができ、析出時のトラブルは随時把握することができたからである。また、シーメンス法では、析出したシリコンを全量刈り取り、新規なシリコンフィラメントを再度設置して析出を開始するバッチ式であったため、析出物残留といった回収状態による異常が発生することはありえなかった。 The above problems are problems that have not been observed in the Siemens method using a conventional bell jar container. Because, in the Siemens method, silicon is deposited on the silicon filament, so even if it is a metal bell jar container, it is possible to visually confirm the state of the deposit by installing a viewing window or the like in the container. It is because the trouble at the time of precipitation was able to be grasped at any time. In addition, the Siemens method was a batch type in which the entire amount of precipitated silicon was cut off and a new silicon filament was re-installed to start precipitation. Therefore, an abnormality due to the recovered state such as residual precipitates could not occur.
したがって、上記のような問題は、特許文献1に記載のような、筒状反応容器にシリコンを析出させ、析出したシリコンの一部または全部を溶融することにより、析出したシリコンを落下させて回収する方法において、新たに発生した問題であり、多結晶シリコンの生産効率を高める上で、上記問題を解決することが求められている。
本発明の課題は、シリコンの析出状態を目視的に監視できないシリコン製造装置においても、シリコンの析出量、析出状態および溶融落下状態などを間接的に把握し、効率よく多結晶シリコンを製造する方法および該方法に用いられるシリコン製造装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for efficiently producing polycrystalline silicon by indirectly grasping the amount of deposited silicon, the deposited state, the melted-down state, etc. even in a silicon production apparatus in which the deposited state of silicon cannot be visually monitored. Another object of the present invention is to provide a silicon manufacturing apparatus used in the method.
本発明者らは、上記課題に鑑みて鋭意研究した結果、シリコンを析出させる筒状反応容器単独の重量を測定することにより、シリコン付着量を精度よくモニタリングすることができ、この結果に基づいて運転条件を調整することにより、多結晶シリコンを効率よく製造することができることを見出した。 As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors can accurately monitor the amount of silicon deposited by measuring the weight of a single cylindrical reaction vessel on which silicon is deposited, and based on this result. It has been found that polycrystalline silicon can be produced efficiently by adjusting the operating conditions.
すなわち、本発明に係るシリコンの製造方法は、加熱したカーボン製筒状反応容器内にクロロシラン類および水素を供給し、該筒状反応容器の内表面にシリコンを析出させ、析出したシリコンの一部または全部を溶融することにより、該筒状反応容器からシリコンを落下させて回収するに際し、該筒状反応容器単独の重量を測定することにより、該筒状反応容器のシリコン付着量をモニタリングし、該シリコン付着量に基づいて運転条件を制御することを特徴とする。 That is, in the method for producing silicon according to the present invention, chlorosilanes and hydrogen are supplied into a heated carbon cylindrical reaction vessel, silicon is deposited on the inner surface of the cylindrical reaction vessel, and a part of the deposited silicon is obtained. Alternatively, when silicon is dropped and recovered from the cylindrical reaction vessel by melting the whole, the amount of silicon attached to the cylindrical reaction vessel is monitored by measuring the weight of the cylindrical reaction vessel alone, The operation condition is controlled based on the silicon adhesion amount.
また、本発明に係るシリコンの製造方法は、前記筒状反応容器単独の重量をロードセルによって直接測定することが好ましい。 In the method for producing silicon according to the present invention, it is preferable that the weight of the cylindrical reaction vessel alone is directly measured by a load cell.
上記のようなシリコンの製造方法に用いられる本発明のシリコン製造装置は、金属製密閉容器内に、クロロシラン類と水素とを反応させて内表面にシリコンを析出させるカーボン製筒状反応容器と、該筒状反応容器を支持する支持構造物と、該筒状反応容器の内表面をシリコンの融点温度以上に加熱するための加熱手段と、該筒状反応容器の重量を測定するロードセルと、析出したシリコンの一部または全部を溶融して該筒状反応容器から落下させたシリコンを回収するシリコン回収容器とを備えていることを特徴とする。 The silicon production apparatus of the present invention used for the silicon production method as described above is a carbon cylindrical reaction vessel in which silicon is deposited on the inner surface by reacting chlorosilanes and hydrogen in a metal sealed vessel, A support structure for supporting the cylindrical reaction vessel, a heating means for heating the inner surface of the cylindrical reaction vessel to a melting point of silicon or higher, a load cell for measuring the weight of the cylindrical reaction vessel, and a precipitation And a silicon recovery container for recovering silicon dropped from the cylindrical reaction container by melting part or all of the silicon.
前記シリコン製造装置において、前記筒状反応容器の上端がフランジ形状であり、該フランジ部分で前記支持構造物に支持させることにより、該筒状反応容器が吊り下げられていることが好ましい。 In the silicon manufacturing apparatus, it is preferable that an upper end of the cylindrical reaction vessel has a flange shape, and the cylindrical reaction vessel is suspended by being supported by the support structure at the flange portion.
また、前記筒状反応容器が、前記ロードセルを介して前記支持構造物に支持されていることが望ましい。 Moreover, it is desirable that the cylindrical reaction vessel is supported by the support structure via the load cell.
本発明によれば、シリコンの析出状況などを目視で監視できない製造装置においても、反応容器中のシリコン付着量を精度よく把握することができるため、析出反応の異常を早期に発見して対処することができるとともに、多結晶シリコンの製造効率を向上することができる。 According to the present invention, even in a manufacturing apparatus in which the deposition state of silicon and the like cannot be visually monitored, the amount of silicon deposited in the reaction vessel can be accurately grasped, so that an abnormality in the precipitation reaction is detected early and dealt with. In addition, the production efficiency of polycrystalline silicon can be improved.
以下、本発明に係るシリコンの製造方法および該製造方法に好適に用いられるシリコン製造装置について詳細に説明する。 Hereinafter, a silicon manufacturing method and a silicon manufacturing apparatus suitably used for the manufacturing method according to the present invention will be described in detail.
<シリコン製造方法>
本発明に係るシリコンの製造方法は、シリコンの融点温度未満に加熱したカーボン製の筒状反応容器内に、クロロシラン類および水素を供給してシリコンを析出させ、次いで、該筒状反応容器の内表面をシリコンの融点温度以上に加熱して、析出したシリコンの一部または全部を溶融することにより、該筒状反応容器からシリコンを落下させて回収する際に、該筒状反応容器単独の重量を測定して、筒状反応容器内のシリコン付着量をモニタリングしながら運転条件、例えば筒状反応容器の加熱温度を制御することを特徴とする。
<Silicon manufacturing method>
In the method for producing silicon according to the present invention, a chlorosilane and hydrogen are supplied into a cylindrical reaction vessel made of carbon heated to a temperature lower than the melting point temperature of silicon to deposit silicon, and then the inside of the cylindrical reaction vessel When the silicon is dropped from the cylindrical reaction vessel and recovered by heating the surface above the melting point temperature of silicon and melting part or all of the deposited silicon, the weight of the cylindrical reaction vessel alone And measuring the operating conditions, for example, the heating temperature of the cylindrical reaction vessel, while monitoring the silicon adhesion amount in the cylindrical reaction vessel.
一般的によく行なわれる、装置全体の重量を測定してプロセス制御する方法では、シリコンの析出量に対して装置全体の重量は100倍以上も重いため、析出時の重量増加は把握できたとしても、反応容器に付着しているシリコンの重量と、シリコン回収容器に回収されたシリコンの重量とを精度よく判別することが難しい。そのため、装置全体の重量を測定する方法では、溶融落下操作時における反応容器のシリコン残留量を把握することは実質的に不可能である。 In general, the method of controlling the process by measuring the weight of the entire device, the weight of the entire device is more than 100 times heavier than the deposited amount of silicon. However, it is difficult to accurately determine the weight of silicon adhering to the reaction container and the weight of silicon recovered in the silicon recovery container. Therefore, in the method of measuring the weight of the entire apparatus, it is practically impossible to grasp the silicon residual amount in the reaction vessel during the melting and dropping operation.
しかしながら、本発明のように反応容器単独の重量を測定することにより、測定誤差を小さくすることができるとともに、反応容器に付着しているシリコンの重量と、落下させたシリコンの重量、すなわちシリコン回収容器に回収されたシリコンの重量とを精度よく把握することができる。なお、反応容器単独の重量を測定する方法としては、速い応答速度で精度よく、かつ、経時的に測定することができることから、ロードセルを用いて直接測定する方法が好ましい。 However, by measuring the weight of the reaction vessel alone as in the present invention, the measurement error can be reduced, and the weight of silicon adhering to the reaction vessel and the weight of the dropped silicon, that is, silicon recovery It is possible to accurately grasp the weight of silicon collected in the container. In addition, as a method for measuring the weight of the reaction vessel alone, a method of directly measuring using a load cell is preferable because it can be measured with a high response speed with high accuracy over time.
上記のようにして反応容器単独の重量を測定して、反応容器のシリコン付着量をモニタリングし、析出したシリコンが一定量付着したことを確認して、反応容器の内表面をシリコンの融点温度以上に加熱することにより、シリコンを落下させて回収することができる
。さらに、落下して回収されたシリコンの重量も容易に把握することができるため、シリコン回収容器から回収されたシリコンがあふれることを防止することができる。
Measure the weight of the reaction vessel alone as described above, monitor the amount of silicon adhered to the reaction vessel, confirm that a certain amount of deposited silicon has adhered, and make the inner surface of the reaction vessel above the melting point temperature of silicon. By heating to, silicon can be dropped and recovered. Furthermore, since the weight of the silicon recovered by dropping can be easily grasped, it is possible to prevent the silicon recovered from the silicon recovery container from overflowing.
また、反応容器単独の重量をモニタリングすることにより、反応容器に析出して付着していたシリコンが完全に落下した後においても、加熱を継続するということを防止することができるため、無駄な加熱時間および加熱コストを低減することができる。このように、反応容器単独の重量を測定してシリコン付着量をモニタリングし、その結果に基づいて運転条件を制御することにより、効率的かつ経済的に多結晶シリコンを製造することができる。 In addition, by monitoring the weight of the reaction vessel alone, it is possible to prevent the heating from continuing even after the silicon that has deposited and adhered to the reaction vessel has completely dropped. Time and heating costs can be reduced. In this way, polycrystalline silicon can be produced efficiently and economically by measuring the weight of the reaction vessel alone to monitor the silicon adhesion amount and controlling the operating conditions based on the result.
シリコン付着量に基づく運転条件の制御方法としては、加熱手段の出力を調節する方法、分割され独立に制御し得る加熱手段の加熱出力バランスを調節する方法、原料ガス供給量を調節する方法、供給ガス温度を調節する方法、およびこれらの複数の方法を適切に組み合わせる方法などが挙げられる。 The operating condition control method based on the silicon adhesion amount includes a method of adjusting the output of the heating means, a method of adjusting the heating output balance of the heating means which can be divided and controlled independently, a method of adjusting the feed gas supply amount, Examples thereof include a method for adjusting the gas temperature and a method for appropriately combining these plural methods.
このようにして筒状反応容器の重量を監視しながら、該反応容器の温度や温度分布を所望の状態に制御することにより、シリコン析出操作時においては、シリコン生産量を最大効率にすることができ、また、溶融落下操作時においては、過度の昇温による反応容器の材質劣化を防止するとともに、溶融不充分による残留シリコンの防止や閉塞物の解消を効果的に達成することができる。なお、加熱温度を制御する際には、筒状反応容器の外周部などにおける温度を、放射温度計や熱電対などで数箇所測定し、加熱の制御状態を監視することがより好ましい態様である。 By controlling the temperature and temperature distribution of the reaction vessel to a desired state while monitoring the weight of the cylindrical reaction vessel in this manner, the silicon production amount can be maximized during the silicon deposition operation. In addition, during the melting and dropping operation, it is possible to prevent the deterioration of the material of the reaction vessel due to excessive temperature rise, and to effectively prevent the residual silicon due to insufficient melting and the elimination of the clogging. When controlling the heating temperature, it is a more preferable aspect to measure the temperature in the outer peripheral portion of the cylindrical reaction vessel at several locations with a radiation thermometer, a thermocouple, etc. and monitor the heating control state. .
また、上記のようにして反応容器単独の重量を測定することにより、析出反応または装置の異常が発生した場合にも、反応時間に対するシリコンの析出量を、安定時の析出量と比較することにより、早期に異常を検知することができ、発生した異常に対して適切な対処を施せば大きなトラブルを未然に防ぐことができる。 In addition, by measuring the weight of the reaction vessel alone as described above, even when a precipitation reaction or an abnormality of the apparatus occurs, the amount of silicon deposited relative to the reaction time is compared with the amount deposited at the time of stability. An abnormality can be detected at an early stage, and a large trouble can be prevented beforehand if an appropriate countermeasure is taken against the abnormality that has occurred.
<シリコン製造装置>
上記のような本発明のシリコン製造方法に用いられるシリコン製造装置を、図1および図2に例示した装置構造の概略図に基づいて説明する。なお、本発明のシリコン製造装置は、図1および図2に示した態様に限定されるものではない。
<Silicon manufacturing equipment>
A silicon manufacturing apparatus used in the above-described silicon manufacturing method of the present invention will be described with reference to schematic views of the apparatus structure illustrated in FIGS. In addition, the silicon manufacturing apparatus of this invention is not limited to the aspect shown in FIG. 1 and FIG.
本発明のシリコン製造装置は、金属製密閉容器1に覆われている。ここで、密閉とは、プロセスガス(シリコン析出用原料ガス等)は流通しているが、外部の雰囲気からは遮断されていることを意味する。
The silicon production apparatus of the present invention is covered with a metal sealed
また、本発明のシリコン製造装置は、上記密閉容器1内に、シリコンを析出させるカーボン製の筒状反応容器2を有し、該反応容器内にクロロシラン類と水素ガスとを含むシリコン析出用原料ガスを供給するための原料ガス供給管3を具備する。ここで、原料ガスとして用いられるクロロシラン類としては、公知の各種クロロシラン類が挙げられ、具体的には、モノシラン、ジクロロシラン(DCS)、トリクロロシラン(TCS)、四塩化ケイ素(STC)などが挙げられる。これらの中では、モノシランまたはTCSが工業的に高純度のものを大量に入手可能であることから好ましい。
In addition, the silicon production apparatus of the present invention has a carbon
さらに、本発明のシリコン製造装置は、上記密閉容器1内に、上記筒状反応容器2を支持する支持構造物4と、該反応容器2の内表面をシリコンの融点温度以上に加熱するための加熱手段5と、該加熱手段5と該反応容器2との間に設けられた断熱材6と、該反応容器2の重量を測定するためのロードセル7と、反応排ガスを排出するためのガス排出管8と、析出したシリコンの一部または全部を溶融して該反応容器2から落下させたシリコン
を回収するシリコン回収容器9とを備えている。
Furthermore, the silicon production apparatus of the present invention is provided in the
なお、上記反応容器2の外壁と密閉容器1の内壁とによって形成される間隙には、シールガス供給管(図示せず)を設けて、窒素、水素、アルゴンなどのシールガスを供給してもよい。
Note that a seal gas supply pipe (not shown) is provided in the gap formed by the outer wall of the
上記筒状反応容器2は、その内部で析出し、加熱により一部または全部を溶融状態にしたシリコンが自然流下により落下しうる開口部10を下端に有する。また、上記反応容器2の上端は、フランジ形状であることが好ましい。このフランジ部分で上記支持構造物4に支持させることにより、上記反応容器2を吊り下げられた構造とすることができる。なお、上記反応容器2は、上記ロードセル7を介して上記支持構造物4に支持されていることが好ましい。また、上記反応容器2の断面形状や開口部10の形状などは、シリコンの生産効率を阻害することにならなければ、特に制限されない。
The
上記のように反応容器2の上端をフランジ形状とし、該フランジ部分でロードセル7を介して支持構造物4に支持させて、外反応容器2を吊り下げられた構造とすることにより、該反応容器単独の重量をロードセル7で精度よく直接測定することができ、しかも、シリコンの析出および落下による重量変化を速い応答速度で測定することができる。
As described above, the upper end of the
本発明のシリコン製造装置は、原料ガスが上記反応容器2と密閉容器1との間隙にリークしないようにするために、上記筒状反応容器2を固定設置する部分、例えば、上記ロードセル6と支持構造物4との間、あるいは上記反応容器2の上端と金属製密閉容器1との間などに、図2に示すようにシール材11、12等を設けて気密構造としてもよい。気密構造は、例えば、面シール、ガスケット、O−リングなどのシール方法によって形成することができる。
In order to prevent the raw material gas from leaking into the gap between the
上記加熱手段5は、上記反応容器2の内壁をシリコンの融点温度(おおよそ1410〜1430℃)以上に加熱することができるものであれば特に制限されないが、エネルギー効率などを考慮すると、高周波コイルを用いることが好ましい。
The heating means 5 is not particularly limited as long as the inner wall of the
上記ガス排出管8は、反応排ガスを系外に排出するためのものであり、該ガス排出管8にガスクロマトグラフィーなどの分析装置を接続することにより、反応排ガスのガス組成を測定してもよい。このように、反応排ガスのガス組成を測定してマスバランスを算出することによって、析出反応の状態や反応効率などをより詳細に把握することができる。
The
したがって、上述したロードセルによる反応容器単独の重量のモニタリングと、ガスクロマトグラフィーなどによる分析とを併用することにより、反応温度やガス供給量などの運転条件をより高度に制御することができ、その結果、多結晶シリコンの生産効率を改善することができるとともに、早期に異常を検知して大きなトラブルを未然に防ぐことができる。 Therefore, by combining the monitoring of the weight of the reaction vessel with the load cell described above and the analysis with gas chromatography etc., the operating conditions such as the reaction temperature and the gas supply amount can be controlled to a higher degree. In addition to improving the production efficiency of polycrystalline silicon, abnormalities can be detected at an early stage to prevent major troubles.
上記シリコン回収容器9は、上記反応容器2から落下するシリコン融液または部分溶融した固体シリコンを収容し冷却する容器である。このようなシリコン回収容器は、回収作業などを悪化させることがなければ特に限定されず、従来から用いられている回収容器を用いることができる。
The
上記のような構造を有することにより、ロードセルで反応容器単独の重量を測定しながら、筒状反応容器内にプロセスガスを流通させることができ、上述した本発明に係るシリコン製造方法によって多結晶シリコンを効率的かつ経済的に製造することができる。なお、本発明のシリコン製造装置に、従来のシリコン製造装置で行なわれていた改善措置、例
えば、原料ガスの攪拌を促進して反応効率を高めるために、反応容器の内面に突起物を設ける手段などを、本発明の目的を損なわない範囲で適宜施してもよい。
By having the structure as described above, the process gas can be circulated in the cylindrical reaction vessel while measuring the weight of the reaction vessel alone with the load cell, and polycrystalline silicon is produced by the above-described silicon production method according to the present invention. Can be produced efficiently and economically. In addition, in the silicon manufacturing apparatus of the present invention, improvement measures that have been performed in the conventional silicon manufacturing apparatus, for example, means for providing protrusions on the inner surface of the reaction vessel in order to increase the reaction efficiency by promoting stirring of the source gas Etc. may be appropriately applied within a range not impairing the object of the present invention.
〔実施例〕
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
〔Example〕
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
[実施例1]
以下、図2の概略図に従って説明する。
[Example 1]
Hereinafter, description will be made with reference to the schematic diagram of FIG.
筒状反応容器2として、上部がフランジ加工された等方性グラファイト製の円筒状容器(内径210mm、胴部の肉厚25mm、フランジ部の肉厚55mm、全長4000mm)を用いた。筒状反応容器2を、金属製密閉容器1内の支持構造物4の上に、繊維強化された樹脂製のシール材11およびロードセル7を介して設置した。また、筒状反応容器2の上部と金属製密閉容器1との間にも、テフロン(登録商標)製のシール材12を設置した。さらに、上記金属製密閉容器1、シール材11および12、ロードセル7ならびに筒状反応容器2のそれぞれの接触部には、ガス気密性ペーストを塗布した。
As the
上記筒状反応容器2の内面には、ガス攪拌を促進して反応効率およびシリコン収率を高めるために、鉛直方向での断面が三角形で高さが70mmのオリフィス状突起物(図示せず)を等間隔で6ヶ所設置した。また、加熱手段5としては、筒状反応容器2上部の補助反応部と、それより下部の主反応部とを、それぞれ独立に制御することができる5kHzの高周波加熱手段5を設置した。さらに、筒状反応容器2と加熱手段5との間にはカーボン繊維断熱材6を設置した。
On the inner surface of the
筒状反応容器2の主反応部の内表面温度が1200〜1400℃になるように、主反応部および補助反応部の加熱手段5の加熱出力を各々制御し、原料ガス供給管3から水素1000Nm3/Hおよびトリクロロシラン600kg/Hの混合ガスを供給して反応を開
始し、筒状反応容器2の内表面に固体状シリコンを析出させた。このときの反応圧力は約50kPaGであった。
The heating output of the heating means 5 of the main reaction part and the auxiliary reaction part is controlled so that the inner surface temperature of the main reaction part of the
上記の条件で2時間反応させた後、トリクロロシランの供給を停止し、水素の供給量を半減し、さらに主反応部および補助反応部の加熱手段5の加熱出力を各々上昇させて筒状反応容器2のシリコン析出部を30分間1450〜1700℃に昇温・制御することにより、筒状反応容器2に析出したシリコンを溶融落下させた。このような析出(2時間)−溶融落下(30分間)のサイクルで運転を継続したところ、徐々にロードセル7によって示される重量値が上昇してきた。
After the reaction for 2 hours under the above conditions, the supply of trichlorosilane is stopped, the supply amount of hydrogen is halved, and the heating output of the heating means 5 of the main reaction part and the auxiliary reaction part is increased and the tubular reaction By heating and controlling the silicon precipitation part of the
そこで、運転開始5日後にロードセル7による重量値を監視しながら、加熱出力、主反応部と補助反応部との加熱出力のバランス、ガス供給量および溶融落下時間を適宜制御し、反応容器のクリーニング運転を行なった。その結果、ガス供給量をさらに減少させることによって、筒状反応用器2の最高温度を1800℃以内に抑えながら、筒状反応容器2の重量をほぼ元の数値に戻すことができた。その後は、当初の運転サイクルに戻しても特に問題なく運転を継続することができ、適宜クリーニング運転を実施することにより30日以上連続運転することができた。
Accordingly, while monitoring the weight value by the
このようにロードセル7によって付着物の残留状況を把握することができたため、クリーニング運転の効果を確認しながら、適切なクリーニング操作条件を設定することができた。すなわち、本発明に係るシリコン製造装置および該装置を用いたシリコン製造方法は、多結晶シリコンの生産性向上および装置類の保護に貢献することが確認された。
Thus, since the
[比較例1]
ロードセルを設置しなかったこと以外は、実施例1と同様な反応装置および操作条件にて多結晶シリコンの製造運転を行った。
[Comparative Example 1]
A polycrystalline silicon production operation was carried out under the same reactor and operating conditions as in Example 1 except that no load cell was installed.
運転7日目前後から徐々に副生成物であるシリコン微粉の発生量が増大し、また反応装置の差圧も上昇してきた。その後も同条件で運転を継続したが、10日目には反応装置の入口圧力がガス供給設備の制限圧力まで上昇したため、反応容器のクリーニング運転を行なった。クリーニング運転は、差圧を監視し、最高温度を1800℃に抑制しながら、加熱出力、加熱出力バランスおよびガス供給量を制御して行なった。その結果、差圧はほぼ回復したため通常の運転操作を再開したが、シリコン微粉の副生量はあまり減少しなかった。 The amount of silicon fine powder, which is a by-product, gradually increased from about the seventh day of operation, and the differential pressure in the reactor also increased. Thereafter, the operation was continued under the same conditions, but on the 10th day, the reaction vessel cleaning operation was performed because the inlet pressure of the reactor rose to the limit pressure of the gas supply facility. The cleaning operation was performed by monitoring the differential pressure and controlling the heating output, the heating output balance, and the gas supply amount while suppressing the maximum temperature to 1800 ° C. As a result, the differential pressure almost recovered and normal operation was resumed, but the amount of silicon fine powder by-produced did not decrease much.
そこで、運転を停止して装置を開放し、筒状反応容器を切断して観察したところ、筒状反応容器内部において、補助反応部よりやや上部、ならびに、上方に位置するオリフィスの先端部付近に依然として固体シリコンが残留していた。 Therefore, when the operation was stopped, the apparatus was opened, and the cylindrical reaction vessel was cut and observed, the inside of the cylindrical reaction vessel was slightly above the auxiliary reaction unit and near the tip of the orifice located above. Solid silicon remained.
このように差圧測定では、反応状態に悪影響を及ぼすシリコン付着物の残留状況を充分に把握することができなかったため、クリーニング運転の適切な操作条件を設定することができず、ひいては多結晶シリコンの生産性を低下させる結果となった。 Thus, in the differential pressure measurement, the residual state of silicon deposits that adversely affect the reaction state could not be sufficiently grasped, so that it was not possible to set appropriate operating conditions for the cleaning operation. As a result, productivity decreased.
1・・・金属製密閉容器
2・・・筒状反応容器
3・・・原料ガス供給管
4・・・支持構造物
5・・・加熱手段
6・・・断熱材
7・・・ロードセル
8・・・ガス排出管
9・・・シリコン回収容器
10・・・開口部
11・・・シール材
12・・・シール材
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該筒状反応容器単独の重量を測定することにより、該筒状反応容器のシリコン付着量をモニタリングし、該シリコン付着量に基づいて運転条件を制御することを特徴とするシリコンの製造方法。 Supplying chlorosilanes and hydrogen into a heated carbon cylindrical reaction vessel, precipitating silicon on the inner surface of the cylindrical reaction vessel, and melting part or all of the deposited silicon, the cylindrical reaction When collecting silicon by dropping it from the container,
A method for producing silicon, characterized in that the amount of silicon attached to the cylindrical reaction vessel is monitored by measuring the weight of the cylindrical reaction vessel alone, and the operating conditions are controlled based on the amount of silicon attached.
クロロシラン類と水素とを反応させて内表面にシリコンを析出させるカーボン製筒状反応容器と、
該筒状反応容器を支持する支持構造物と、
該筒状反応容器の内表面をシリコンの融点温度以上に加熱するための加熱手段と、
該筒状反応容器の重量を測定するロードセルと、
析出したシリコンの一部または全部を溶融して該筒状反応容器から落下させたシリコンを回収するシリコン回収容器と
を備えていることを特徴とするシリコン製造装置。 In a metal sealed container,
A carbon cylindrical reaction vessel in which chlorosilanes and hydrogen are reacted to deposit silicon on the inner surface;
A support structure for supporting the cylindrical reaction vessel;
Heating means for heating the inner surface of the cylindrical reaction vessel to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon;
A load cell for measuring the weight of the cylindrical reaction vessel;
A silicon production apparatus comprising: a silicon collection container for collecting a part or all of the deposited silicon and collecting silicon dropped from the cylindrical reaction container.
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