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WO2008059706A1 - Process for production of multicrystal silicon and facility for production of multicrystal silicon - Google Patents

Process for production of multicrystal silicon and facility for production of multicrystal silicon Download PDF

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WO2008059706A1
WO2008059706A1 PCT/JP2007/070943 JP2007070943W WO2008059706A1 WO 2008059706 A1 WO2008059706 A1 WO 2008059706A1 JP 2007070943 W JP2007070943 W JP 2007070943W WO 2008059706 A1 WO2008059706 A1 WO 2008059706A1
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polymer
polycrystalline silicon
hydrogen
distillation column
conversion reactor
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PCT/JP2007/070943
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Masayuki Tebakari
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Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
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Publication date
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    • C08G77/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule
    • C08G77/04—Polysiloxanes
    • C08G77/06—Preparatory processes

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing polycrystalline silicon used for a raw material for pulling growth of single crystal silicon used for a semiconductor and a polycrystalline silicon production facility.
  • a manufacturing method generally called a Siemens method is employed.
  • polycrystalline silicon is converted into trichlorosilane (SiHCl) by the following reaction formulas (1) and (2) and the thermal decomposition reaction.
  • trichlorosilane used as a raw material in this Siemens method is produced by reacting tetrachlorosilane (Si C1: silicon tetrachloride) with hydrogen and converting it by the following reaction formula (3).
  • the reaction product gas contains a high molecular silicon chloride compound called monochlorosilane, dichlorosilane, or polymer in addition to trichlorosilane and tetrachlorosilane. It is known (see Patent Document 1).
  • This polymer includes Si CI, Si CI (trisilicon octachloride), containing two or more silicon atoms,
  • the residual liquid obtained by distilling the polymer contains trisilicon octachloride, which is a kind of trisilane containing 3 silicon atoms, and tetrasilicon tetrachloride, which is a kind of tetrasilane containing 4 silicon atoms. Conventionally, these have been hydrolyzed with water or alkali. It was.
  • Patent Document 2 discloses knowledge relating to a method for decomposing a polymer.
  • Patent Document 1 International Publication Number WO02 / 012122
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 11 253741
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and is a method for producing polycrystalline silicon that can easily decompose a polymer, suppress loss of chlorine source, and maintain the soundness of equipment. And it aims at providing a polycrystalline-silicon manufacturing facility.
  • Production reactor for producing effluent containing silanes or polymers containing tetrasilanes The above effluent and hydrogen are supplied to the inside and heated to 600 to 1400 ° C to convert the tetrachlorosilane to trichlorosilane and the polymer to monosilane. And a reactor.
  • an effluent containing a polymer having at least trisilanes or tetrasilanes and hydrogen are supplied to a conversion reactor at 600 to 1400 ° C.
  • tetrachlorosilane is converted to trichlorosilane and the polymer is converted to monosilanes, so monosilanes such as trichlorosilane and dichlorosilane that are used as raw materials for the production of polycrystalline silicon from the polymer in the conversion reactor.
  • monosilanes such as trichlorosilane and dichlorosilane that are used as raw materials for the production of polycrystalline silicon from the polymer in the conversion reactor.
  • control and equipment associated with hydrolysis are not necessary, and loss of a chlorine source due to alkali or the like can be prevented. Furthermore, since there is no need to treat the polymer with residues, blockage of piping and the like can be suppressed, and power S can be maintained to maintain the soundness of piping and equipment.
  • the method for producing polycrystalline silicon according to the present invention is characterized in that the polymer is supplied to the conversion reactor so that the polymer concentration in the conversion reactor is in the range of 0.01 to 1 mol%. And also, the polycrystalline silicon production facility of the present invention is set to supply the polymer to the conversion reactor so that the polymer concentration in the conversion reactor is in the range of S0.0;! ⁇ 1 mol%! /, Characterized by.
  • the amount of polymer used in the conversion reaction is small compared to the amount of polymer generated from the step of producing the effluent containing the polymer, and therefore most of the polymer is hydrolyzed.
  • the sufficient effect of the invention cannot be obtained.
  • the polymer concentration in the conversion reactor exceeds 1 mol%, there is a risk that the wall of the pipe will adhere to the inlet of the conversion reactor and blockage will occur.
  • the polymer concentration in the conversion reactor is in the range of 0.0;! To 1 mol%.
  • the trickle that is the raw material for producing polycrystalline silicon from the polymer in the conversion reactor Monosilanes such as lorosilane and dichlorosilane can be obtained.
  • the method for producing polycrystalline silicon according to the present invention is characterized in that the supply pipe for supplying the polymer to the conversion reactor is heated in the range of 60 to 300 ° C.
  • the polycrystalline silicon production facility of the present invention includes a supply pipe for supplying the polymer to the conversion reactor,
  • It has a pipe heating mechanism for heating the supply pipe in the range of 60 to 300 ° C.
  • the supply pipe for supplying the polymer to the conversion reactor is heated in the range of 60 to 300 ° C, so that the polymer is deposited in the supply pipe at a low temperature and clogged.
  • the power to prevent this is possible. If the heating temperature is less than 60 ° C, low temperature deposition of the polymer may occur, and if the heating temperature exceeds 300 ° C, the polymer is thermally decomposed, which is preferable.
  • the effluent produced in the production step is introduced into a cooler to separate hydrogen and hydrogen chloride, and then! The trichlorosilane is separated, the bottom component of the first distillation column is led to the second distillation column! /, The silicon tetrachloride is separated, and the bottom component of the second distillation column is separated into the third distillation column.
  • the polycrystal is characterized in that the polymer is separated by introducing the polymer and silicon tetrachloride separated in the second distillation column into the conversion reactor and hydrogen is further introduced into the conversion reactor for reaction. It is a manufacturing method of silicon.
  • the polycrystalline silicon production facility of the present invention includes, for example, the production reactor, a cooler that cools the effluent produced in the production step to separate hydrogen and hydrogen chloride, and The first distillation column that separates trichlorosilane by distilling the product gas, the second distillation column that separates silicon tetrachloride by distilling the bottom component of the first distillation column, and the bottom component of the second distillation column A third distillation column for separating the polymer by distilling the polymer, the separated polymer and the silicon tetrachloride separated by the second distillation column, and a conversion reactor for supplying hydrogen to perform the conversion reaction. This is a feature of producing polycrystalline silicon.
  • the effluent obtained in the production step is cooled to separate hydrogen and hydrogen chloride, and trichlorosilane and tetrachlorosilane are further distilled in stages. Therefore, it is possible to increase the efficiency of use by eliminating these disposal losses. Further, since the distilled and separated silicon tetrachloride and the polymer can be easily adjusted when they are introduced into the conversion reactor and reused, the efficiency of the conversion reaction can be increased.
  • an effluent containing a polymer having at least trisilanes or tetrasilanes and hydrogen are supplied to a conversion reactor, and 600 to 1400 °
  • tetrachlorosilane is converted into trichlorosilane and the polymer is converted into monosilanes, so that by reusing the polymer, monosilanes as silicon raw materials can be obtained, and the third distillation column
  • the polymer processing facility by hydrolysis becomes unnecessary and the loss of the chlorine source can be prevented.
  • blockage of piping and the like due to polymer deposition can be suppressed, and the soundness of piping and equipment can be maintained.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a polycrystalline silicon manufacturing facility according to an embodiment of a polycrystalline silicon manufacturing method and a polycrystalline silicon manufacturing facility according to the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method for producing polycrystalline silicon in the present embodiment. Explanation of symbols
  • a polymer containing at least trisilanes or a polymer containing tetrasilanes and a reactor 1 for supplying the effluent and hydrogen to the interior and heating in the range of 600 to 1400 ° C.
  • a conversion reactor 2 for converting chlorosilane to trichlorosilane and converting the polymer to monosilanes.
  • this polycrystalline silicon production facility includes a cooler 3, which is a condenser for cooling the effluent derived from the production reactor 1, a first distillation column 4, a second distillation column 5, and a third distillation column. It has a distillation tower 6.
  • a cooler 3 In the cooler 3, hydrogen and hydrogen chloride are separated and purified, and chlorosilanes and polymers are condensed and collected for separation.
  • trichlorosilane is distilled and separated from the effluent separated by the cooler 3.
  • tetrachlorosilane is distilled and separated from the effluent from which the trichlorosilane was separated in the first distillation column 4.
  • the polymer is distilled and separated from the effluent from which the tetrachlorosilane was separated in the second distillation column 5.
  • the third distillation column 6 and the conversion reactor 2 are connected by a supply pipe 7 for supplying the polymer separated in the third distillation column 6 to the conversion reactor 2.
  • a pipe heating mechanism 8 for heating the supply pipe 7 in the range of 60 to 300 ° C is provided.
  • the amount of polymer supplied from the supply pipe 7 to the conversion reactor 2 is controlled so that the amount of polymer in the conversion reactor is in the range of 0.0;! To 1 mol%.
  • a hydrogen supply pipe is connected to the conversion reactor!
  • the production reactor 1 is a polycrystalline silicon reactor using the Siemens method.
  • a mixed gas of trichlorosilane and hydrogen is used as a raw material, and the mixed gas is heated inside to generate a pyrolysis reaction and hydrogen.
  • the silicon crystal produced by the reduction reaction is deposited on the surface of an internal red hot silicon core rod to grow it into a polycrystalline silicon rod having a large diameter, thereby producing polycrystalline silicon.
  • Some of the hydrogen in the source gas is reused after being separated and refined by the cooler 3.
  • the conversion reactor 2 contains tetrachlorosilane and hydrogen supplied from the second distillation column 5 inside. Introduced into 600 ° C ⁇ ; 1400 ° C, preferably over 800 ° C, more preferably over 1200 ° C to produce a reaction product gas of trichlorosilane and hydrogen chloride.
  • a polymer supplied from the supply pipe 7 is also introduced and used for the reaction. If the conversion reaction temperature is less than 600 ° C, the conversion reaction does not proceed sufficiently, while if it exceeds 1400 ° C, there is a problem that the SiC coating applied to the carbon members constituting the conversion reactor may peel off. I don't like it.
  • the supply pipe heating mechanism 8 heats the supply pipe 7 within the above temperature range by, for example, steam heating, electric heating, gas combustion heating, or the like.
  • the effluent that has been supplied with trichlorosilane and hydrogen and produced by reaction in the production reactor 1 is sent to the cooler 3 to produce hydrogen and hydrogen chloride. Is separated and purified (cooling condensation step: S2). Furthermore, the effluent from which hydrogen and the like have been separated in the cooler 3 is sent to the first distillation column 4, where trichlorosilane (boiling point: about 33 ° C) is distilled and separated (trichlorosilane (TCS) distillation separation step). : S3).
  • the column top temperature is set to the distillation temperature of trichlorosilane, and the distilled trichlorosilane is recovered. Since tetrachlorosilane has a boiling point higher than that of trichlorosilane, in this distillation step, it is derived from the column bottom together with other effluents.
  • the effluent from which trichlorosilane has been separated in the first distillation column 4 is sent to the second distillation column 5 where tetrachlorosilane (boiling point: about 57 ° C.) is distilled and separated (tetrachlorosilane).
  • STC Distillation separation step: S4).
  • the column top temperature is set to the distillation temperature of tetrachlorosilane, and the distilled tetrachlorosilane is recovered.
  • tetratarosilane is distilled, while tetrachlorosilane containing a high-boiling polymer remains in the liquid.
  • the bottom bottom effluent of the second distillation column 5 from which the tetrachlorosilane has been separated is introduced into the third distillation column 6.
  • the third distillation column 6 separates the liquid containing tetrachlorosilane and polymer, distills tetrachlorosilane containing a small amount of polymer from the top of the column, and tetrachlorosilane containing a large amount of polymer from the column bottom. Rosilane is separated (polymer distillation recovery step: S5).
  • the polymer-containing tetratarosilane at the top of the column is introduced into the conversion reactor 2 through the supply pipe 7.
  • tetrachlorosilane containing a large amount of polymer from the bottom effluent is treated by hydrolysis or the like in the residue treatment process.
  • distillation is performed in the range of 60 to 300 ° C.
  • the polymer separated in the third distillation column 6 contains Si HCI, SiCI, trisilane and the like. Of these, Si C1 is recovered
  • the boiling point of 3 is 212 ° C.
  • the separated polymer is introduced into the conversion reactor 2 through the supply pipe 7. At this time, the amount of the polymer supplied to the conversion reactor 2 is adjusted so that the polymer concentration in the conversion reactor is 0.01 to; Note that disilane such as Si C1 is used as a semiconductor raw material.
  • the polymer concentration range can be set from the material balance of the polycrystalline silicon manufacturing process.
  • the supply pipe heating mechanism 8 heats the supply pipe 7 in the range of 60 to 300 ° C. Further, the tetrachlorosilane silane distilled in the second distillation column 5 is also supplied to the conversion reactor 2 as a part of the raw material.
  • trichlorosilane is generated by the conversion reaction of tetrachlorosilane and hydrogen, and monosilanes such as trichlorosilane (TCS) and dichlorosilane (DCS) are generated by the conversion reaction of the polymer. (Conversion step: S6).
  • TCS trichlorosilane
  • DCS dichlorosilane
  • conversion step S6 conversion step: S6.
  • the chlorine source can be used effectively, and monosilanes (dichlorosilane and trichlorosilane) that contribute to the production of polycrystalline silicon can be used. Increase).
  • the reaction product gas containing monosilanes such as trichlorosilane generated in the conversion reactor 2 is sent to the production reactor 1 to be used for the production reaction of polycrystalline silicon.
  • the residue from which the polymer is separated in the third distillation column 6 is separately sent to the residue treatment step (S7) and processed, for example.
  • the effluent containing a polymer having at least trisilanes or tetrasilanes and hydrogen are supplied to the conversion reactor 2, and are heated to 600 to 1400 ° C under heating.
  • conversion reactor 2 can be used as a raw material for the production of polycrystalline silicon from the polymer.
  • polycrystalline silicon is actually produced by the polycrystalline silicon production facility of the above embodiment, and the polymer decomposition process at that time will be specifically described with reference to examples.
  • the technical scope of the present invention is not limited to the scope of the above embodiment or the following examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • the liquid obtained by condensing the effluent from the production reactor 1 in the cooler 3 has a composition of SiH CI: 3%, SiHCl: 50%, SiCl: 43%, and polymer: 2%.
  • ⁇ ⁇ 1 and No.5 are comparative examples, and ⁇ ⁇ 2 to ⁇ ⁇ 4 are examples.
  • the polymer decomposition rate is (number of moles of polymer before conversion reaction times number of moles of polymer after conversion reaction) / number of moles of polymer before conversion reaction.
  • TCS conversion rate is the conversion rate of SiCl to SiHCl,
  • the pipe temperature is the temperature of the supply pipe 11.

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Description

明 細 書
多結晶シリコンの製造方法および多結晶シリコン製造設備
技術分野
[0001] 本発明は、半導体に用いられる単結晶シリコンの引き上げ成長の原料に用いられ る多結晶シリコンの製造方法および多結晶シリコン製造設備に関する。
本願は、 2006年 11月 14曰に日本に出願された、特願 2006— 308477、ならびに 2007年 10月 22曰に曰本に出願された、特願 2007— 273546に基づき優先権を 主張し、その内容をここに援用する。
背景技術
[0002] 半導体用の単結晶シリコンの原料とされる高純度の多結晶シリコンは、一般にシー メンス法と呼ばれる製造方法が採用されている。このシーメンス法では、多結晶シリコ ンが以下の反応式 (1)、（2)に示すトリクロロシラン（SiHCl )の還元反応と熱分解反応
3
によって生成される。
[0003] SiHCl +H→ Si + 3HC1 · · · (1)
3 2
4SiHCl→ Si+ 3SiCl + 2H · · · (2)
3 4 2
[0004] また、このシーメンス法で原料として用いるトリクロロシランは、テトラクロロシラン（Si C1：四塩化珪素）を水素と反応させて以下の反応式 (3)によって転換することで製造
4
すること力 Sでさる。
SiCl +H→ SiHCl +HC1 · · · (3)
4 2 3
[0005] 従来、シーメンス法による多結晶シリコンの製造工程では、反応生成ガス中にトリク ロロシラン、テトラクロロシランの他にもモノクロロシラン、ジクロロシランあるいはポリマ 一と呼ばれる高分子塩化珪素化合物が含まれていることが知られている（特許文献 1 参照）。このポリマーとは、シリコン 2原子以上を含む Si CI、 Si CI (八塩化三珪素）、
2 6 3 8
Si H C1等の高次シリコン化合物（高分子塩化珪素化合物）の総称である。
[0006] このポリマーを蒸留した残留液分には、シリコン 3原子を含むトリシランの一種である 八塩化三珪素やシリコン 4原子を含むテトラシランの一種である十塩化四珪素等が含 まれており、従来、これらを水やアルカリ等で加水分解するなどの処理が行われてい た。例えば、特許文献 2には、ポリマーの分解方法に関する知見が開示されている。 特許文献 1：国際公開番号 WO02/012122
特許文献 2：特開平 11 253741号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 従来のシーメンス法における多結晶シリコンの製造工程では、発生するポリマーを 加水分解するなどの処理が行われているが、加水分解では発熱し、かつ水素が発生 するため、これに対応した高度な制御および設備が必要であった。また、ポリマー中 の塩素分がアルカリなどと反応して除去されるため、プラント系内の塩素源が減少し、 その分、プラントの外部から塩素源を補給する必要があった。さらに、シリコンの重合 度が高まると共に沸点が上昇し、ポリマーが配管壁面に付着して閉塞の原因になる など配管や機器の健全性に不都合が生じるおそれもある。特に、トリシランやテトラシ ランは、スチームで加熱する通常の設備では付着による閉塞の発生を解消できない おそれがあった。
[0008] 本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ポリマーを容易に分解処理できる と共に塩素源の損失の抑制および機器の健全性を維持することができる多結晶シリ コンの製造方法および多結晶シリコン製造設備を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明は、上記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明 の多結晶シリコンの製造方法は、トリクロロシランと水素とを反応させ、シリコンとテトラ クロロシランを含むモノシラン類（式 SiH CI : n = 0〜4)と少なくともトリシラン類また
n 4-n
はテトラシラン類を含むポリマーとを含む流出物を生成する工程と、上記流出物と水 素とを転換反応器に供給して 600〜； 1400°Cの範囲で加熱することで上記テトラクロ ロシランをトリクロロシランへ転換反応させると共に上記ポリマーをモノシラン類へ転換 反応させる工程とを有して!/、ることを特徴とする。
[0010] また、本発明の多結晶シリコン製造設備は、トリクロロシランと水素とを反応させ、シ リコンとテトラクロロシランを含むモノシラン類（式 SiH CI : n = 0〜4)と少なくともトリ
n 4-n
シラン類またはテトラシラン類を含むポリマーとを含む流出物を生成する生成反応器 と、上記流出物と水素とを内部に供給して 600〜； 1400°Cの範囲で加熱することで上 記テトラクロロシランをトリクロロシランへ転換反応させると共に上記ポリマーをモノシラ ン類へ転換反応させる転換反応器とを備えていることを特徴とする。
[0011] これらの多結晶シリコンの製造方法および多結晶シリコン製造設備では、少なくとも トリシラン類またはテトラシラン類を有するポリマーを含む流出物と水素とを転換反応 器に供給して 600〜； 1400°Cの範囲で加熱することでテトラクロロシランをトリクロロシ ランへ転換反応させると共にポリマーをモノシラン類へ転換反応させるので、転換反 応器でポリマーから多結晶シリコン製造の原料となるトリクロロシランゃジクロロシラン 等のモノシラン類を得ることができる。
[0012] また、図 1に示す構成例において、加水分解に伴う制御や設備が不要になると共に 、アルカリ等による塩素源の損失を防ぐことができる。さらに、ポリマーを残留物処理 する必要が無くなるので、配管などの閉塞を抑制でき、配管や機器の健全性を維持 すること力 Sでさる。
[0013] また、本発明の多結晶シリコンの製造方法は、転換反応器内のポリマー濃度が 0.0 1〜1モル％の範囲になるように上記ポリマーを上記転換反応器に供給することを特 徴とする。また、本発明の多結晶シリコン製造設備は転換反応器内のポリマー濃度 力 S0.0；!〜 1モル％の範囲になるように上記ポリマーを上記転換反応器に供給するよ うに設定されて!/、ることを特徴とする。
[0014] 転換反応器内のポリマー濃度が 0.01モル％未満であると、上記トリクロロシランと水 素とを反応させてシリコンとテトラクロロシランを含むモノシラン類（式 SiH C1 ： n = 0 n 4-n
〜4)とポリマーとを含む流出物を生成する工程から発生するポリマーの量に比べて 転換反応に使用するポリマー量が少ないため、上記ポリマーの大部分を加水分解処 理することになり、本発明の充分な効果を得ることができない。一方、転換反応器内 のポリマー濃度が 1モル％を超えると、転換反応器入口付近で配管壁面に付着が生 じて閉塞が発生する虞れがある。
[0015] 従って、本発明の多結晶シリコンの製造方法および製造設備では、転換反応器内 のポリマー濃度が 0.0；!〜 1モル％の範囲になるようにポリマーを供給するのが好まし い。この場合には、転換反応器でポリマーから多結晶シリコン製造の原料となるトリク ロロシラン、ジクロロシラン等のモノシラン類を得ることができる。また転換反応器入口 付近における配管の閉塞等を防ぐことができる。
[0016] 転換反応器内のポリマー濃度が 0.0；!〜 1モル％の範囲になるようにポリマーを供 給するには、図 1に示す例において、第 2蒸留塔の塔頂からのテトラクロロシランと第 3蒸留塔塔頂からのポリマーの混合比率を調整して供給すればよい。
[0017] また、本発明の多結晶シリコンの製造方法は上記ポリマーを上記転換反応器に供 給する供給配管を 60〜300°Cの範囲で加熱することを特徴とする。また、本発明の 多結晶シリコンの製造設備は上記ポリマーを上記転換反応器に供給する供給配管と
、上記供給配管を 60〜300°Cの範囲で加熱する配管加熱機構を有することを特徴 とする。
[0018] 上記シリコン製造方法および製造設備では、ポリマーを転換反応器に供給する供 給配管を 60〜300°Cの範囲で加熱することによって、供給配管内にポリマーが低温 で堆積して閉塞させることを防止すること力 Sできる。なお、加熱温度が 60°C未満であ ると、ポリマーの低温堆積が生じる虞があり、また加熱温度が 300°Cを超えるとポリマ 一が熱分解するので好ましくなレ、。
[0019] 本発明の多結晶シリコンの製造方法は、例えば、上記生成工程で生成した流出物 を冷却器に導!/、て水素および塩化水素を分離し、次!/、で第 1蒸留塔に導レ、てトリクロ ロシランを分離し、第 1蒸留塔の塔底成分を第 2蒸留塔に導!/、て四塩化珪素を分離 し、第 2蒸留塔の塔底成分を第 3蒸留塔に導いてポリマーを分離し、このポリマーお よび第 2蒸留塔で分離した四塩化珪素を転換反応器に導入し、さらに水素を転換反 応器に導入して反応させることを特徴とする多結晶シリコンの製造方法である。
[0020] また、本発明の多結晶シリコンの製造設備は、例えば、上記生成反応器と、上記生 成工程で生成した流出物を冷却して水素および塩化水素を分離する冷却器と、冷却 後の生成ガスを蒸留してトリクロロシランを分離する第 1蒸留塔と、第 1蒸留塔の塔底 成分を蒸留して四塩化珪素を分離する第 2蒸留塔と、第 2蒸留塔の塔底成分を蒸留 してポリマーを分離する第 3蒸留塔と、分離した上記ポリマーと第 2蒸留塔で分離した 上記四塩化珪素と、さらに水素を供給して転換反応を行う転換反応器とを有すること を特徴とする多結晶シリコンの製造設備である。 [0021] 上記多結晶シリコンの製造方法および製造設備によれば、生成工程で得た流出物 を冷却して水素および塩化水素を分離し、さらにトリクロロシランおよびテトラクロロシ ランを段階的に蒸留して分離して再利用するので、これらの廃棄ロスを無くして使用 効率を高めることができる。また蒸留分離した四塩化珪素およびポリマーは、これらを 転換反応器に導入して再利用する際に、これらの濃度調整を容易に行うことができる ので、転換反応の効率を高めることができる。
発明の効果
[0022] 本発明に係る多結晶シリコンの製造方法および製造設備によれば、少なくともトリシ ラン類またはテトラシラン類を有するポリマーを含む流出物と水素とを転換反応器に 供給して 600〜； 1400°Cの範囲で加熱することでテトラクロロシランをトリクロロシラン へ転換反応させると共にポリマーをモノシラン類へ転換反応させるので、ポリマーの 再利用により、シリコン原料のモノシラン類を得ることができると共に、第 3蒸留塔の運 転条件を調整すれば、加水分解によるポリマー処理設備が不要になり、さらに塩素 源の損失を防ぐことができる。また、ポリマー堆積による配管などの閉塞を抑制でき、 配管や機器の健全性を維持することができる。
図面の簡単な説明
[0023] [図 1]本発明に係る多結晶シリコンの製造方法および多結晶シリコン製造設備の一実 施形態にぉレ、て、多結晶シリコン製造設備を示すブロック図である。
[図 2]本実施形態において、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。 符号の説明
[0024] 1 · · ·生成反応器、 2· · ·転換反応器、 3· · ·冷却器、 4· · ·第 1蒸留塔、 5· · ·第 2蒸留塔、 6 …第 3蒸留塔、 7· · ·供給配管、 8· · ·供給配管加熱機構、 S 1…多結晶シリコン生成ェ 程、 S2' 冷却凝縮工程、 S3…トリクロロシラン蒸留分離工程、 S4' テトラクロロシラ ン蒸留分離工程、 S5〜ポリマー蒸留回収工程、 S6〜転換工程、 S7〜残留物処理 工程
発明を実施するための最良の形態
[0025] 以下、本発明に係る多結晶シリコンの製造方法および多結晶シリコン製造設備の 一実施形態を図 1および図 2に基づいて説明する。
[0026] 本実施形態の多結晶シリコン製造設備は、図 1に示すように、トリクロロシランと水素 とを反応させ、シリコンとテトラクロロシランを含むモノシラン類（式 SiH CI : n = 0〜4 n 4-n
)と少なくともトリシラン類またはテトラシラン類を含むポリマーとを含む流出物を生成 する生成反応器 1と、流出物と水素とを内部に供給して 600〜； 1400°Cの範囲で加熱 することでテトラクロロシランをトリクロロシランへ転換反応させると共にポリマーをモノ シラン類へ転換反応させる転換反応器 2とを備えて!/、る。
[0027] また、この多結晶シリコン製造設備は、生成反応器 1から導出される流出物を冷却 するコンデンサである冷却器 3と、第 1蒸留塔 4と、第 2蒸留塔 5と、第 3蒸留塔 6とを備 えている。冷却器 3では水素および塩化水素が分離精製されると共に、クロロシラン 類およびポリマーが凝縮捕集されて分離処理される。第 1蒸留塔 4では冷却器 3で分 離処理した流出物からトリクロロシランが蒸留して分離される。第 2蒸留塔 5では第 1 蒸留塔 4でトリクロロシランを分離された流出物からテトラクロロシランが蒸留して分離 される。第 3蒸留塔 6では、第 2蒸留塔 5でテトラクロロシランを分離した流出物からポ リマーが蒸留して分離される。
[0028] 上記第 3蒸留塔 6と転換反応器 2とは、第 3蒸留塔 6で分離したポリマーを転換反応 器 2に供給する供給配管 7によって接続されている。また、供給配管 7を 60〜300°C の範囲で加熱する配管加熱機構 8が設けられている。
[0029] なお、供給配管 7から転換反応器 2に供給されるポリマーの量は、転換反応器内の ポリマー量が 0.0；!〜 1モル％の範囲になるように制御されている。さらに、転換反応 器には水素の供給管が接続して!/、る。
[0030] 上記生成反応器 1は、シーメンス法を用いた多結晶シリコンの反応炉であり、トリクロ ロシランと水素との混合ガスを原料とし、この混合ガスを内部で加熱して熱分解反応 および水素還元反応によって生じたシリコン結晶を、内部の赤熱したシリコン芯棒の 表面に析出させることによって、径の太い多結晶シリコン棒に成長させて多結晶シリ コンを製造させるものである。なお、原料ガスの水素の一部は、冷却器 3で分離、精 製されたものが再利用される。
[0031] 上記転換反応器 2は、第 2蒸留塔 5から供給されるテトラクロロシランと水素とを内部 に導入し、 600°C〜； 1400°C、好ましくは 800°C以上、より好ましくは 1200°Cを超えて 加熱して転換反応させることによって、トリクロロシランと塩化水素との反応生成ガスを 生成する転化炉であり、本実施形態では、テトラクロロシランおよび水素に加えて供 給配管 7から供給されるポリマーも導入されて反応に供される。転換反応温度が 600 °C未満では十分に転換反応が進行せず、一方、 1400°Cを上回ると転換反応器を構 成しているカーボン部材に施してある SiCコーティングが剥れる問題があるので好ま しくない。
[0032] 上記供給配管加熱機構 8は、例えばスチーム加熱、電気加熱、ガス燃焼加熱など により供給配管 7を上記温度範囲内で加熱するものである。
[0033] 次に、本実施形態の多結晶シリコン製造設備を用いて多結晶シリコンの製造方法 を、図 2を参照して説明する。
[0034] まず、トリクロロシランと水素とが供給されて生成反応器 1で反応生成（多結晶シリコ ン生成工程： S1)された流出物は、冷却器 3に送られて、水素と塩化水素とが分離、 精製される（冷却凝縮工程: S2)。さらに、冷却器 3で水素等が分離された流出物は、 第 1蒸留塔 4に送られ、トリクロロシラン (沸点約 33°C)が蒸留されて分離される（トリク ロロシラン (TCS)蒸留分離工程： S3)。
[0035] この第 1蒸留塔 4では、塔頂温度がトリクロロシランの蒸留温度に設定され、留出し たトリクロロシランが回収される。なお、テトラクロロシランは、トリクロロシランよりも沸点 が高いので、この蒸留工程では、塔底より他の流出物と共に導出される。
[0036] 次に、第 1蒸留塔 4でトリクロロシランが分離された流出物は、第 2蒸留塔 5に送られ 、テトラクロロシラン (沸点約 57°C)が蒸留されて分離される（テトラクロロシラン (STC) 蒸留分離工程： S4)。この第 2蒸留塔 5では、塔頂温度がテトラクロロシランの蒸留温 度に設定され、留出したテトラクロロシランが回収される。この蒸留工程では、テトラタ ロロシランが留出する一方、高沸分のポリマーを含むテトラクロロシランが液分に残る
〇
[0037] テトラクロロシランが分離された第 2蒸留塔 5の塔底流出物は第 3蒸留塔 6に導入さ れる。第 3蒸留塔 6は、テトラクロロシランとポリマーを含む液を分離して、塔頂からポリ マーを少量含むテトラクロロシランを留出させ、塔底からポリマーを多く含むテトラクロ ロシランを分離する（ポリマー蒸留回収工程： S 5)。塔頂成分のポリマー含有テトラタ ロロシランは供給配管 7を通じて転換反応器 2に導入される。一方、塔底流出物のポ リマーを多く含むテトラクロロシランは、残留物処理工程にて加水分解等で処理され
[0038] 蒸留塔の運転条件を変えることによりテトラクロロシラン中のポリマー濃度を調節す ること力 Sできる。第 3蒸留塔 6の運転条件を調節するとともに、第 2蒸留塔 5の塔頂成 分のテトラクロロシランと、第 3蒸留塔 6の塔頂成分のポリマー含有テトラクロロシランと の比率を調整して、転換反応器内のポリマー濃度を 0.0；!〜 lmol%に調整することが できる。
[0039] この第 3蒸留塔 6では、 60〜300°Cの範囲で留出を行う。第 3蒸留塔 6で分離され たポリマーには、 Si H CI、 Si CI、トリシラン等を含んでいる。このうち Si C1は回収
2 2 4 2 6 2 6 して半導体原料として用いることもできる。なお、トリシランのうち最も沸点の高い Si C1
3 の沸点は 212°Cである。
8
[0040] 分離したポリマーは、供給配管 7を通じて転換反応器 2に導入される。このとき、転 換反応器 2に供給するポリマーの量は、転換反応器内のポリマー濃度が 0.01〜；!モ ル％になるように調整される。なお、 Si C1等のジシランを全量半導体原料として回
2 6
収し、残ったトリシランの 25%のみを転換反応器に入れれば、約 0.01モル％のポリ マーが得られ、ジシランその他のポリマーを全て転換反応器 2に入れ、テトラクロロシ ランの約 25%を転換に使用すれば、ポリマーが 1モル％得られる。このように、多結 晶シリコン製造工程の物質収支からポリマーの濃度範囲を設定可能である。
[0041] さらに、ポリマー供給の際、供給配管加熱機構 8により、供給配管 7が 60〜300°C の範囲で加熱される。また、転換反応器 2には、第 2蒸留塔 5で留出したテトラクロ口 シランも原料の一部として供給される。
[0042] 転換反応器 2では、テトラクロロシランと水素との転換反応によりトリクロロシランが生 成されると共に、ポリマーの転換反応によって、トリクロロシラン (TCS)ゃジクロロシラ ン (DCS)等のモノシラン類が生成される（転換工程： S6)。また、トリシラン等を含むポ リマーが転換反応器 2に導入されることによって、塩素源の有効利用を図ることができ ると共に、多結晶シリコン製造に寄与するモノシラン類 (ジクロロシランやトリクロロシラ ン）の増加が図られる。
[0043] 転換反応器 2で発生したトリクロロシラン等のモノシラン類を含む反応生成ガスは、 生成反応器 1に送られ、多結晶シリコンの生成反応に供される。一方、第 3蒸留塔 6 でポリマーが分離された残留物は、例えば、別途、残留物処理工程（S7)に送られて 処理される。
[0044] このように本実施形態では、少なくともトリシラン類またはテトラシラン類を有するポリ マーを含む流出物と水素とを転換反応器 2に供給し、 600〜； 1400°Cの加熱下で、テ トラクロロシランをトリクロロシランに転換反応させると共に、ポリマーをモノシラン類へ 転換反応させるので、転換反応器 2でポリマーから多結晶シリコン製造の原料となるト
[0045] また、加水分解を行わな!/、ため、加水分解に伴う制御や設備が不要になると共に、 アルカリ等による塩素源の損失を防ぐことができる。さらに、ポリマーを残留物処理す る必要が無くなると共に、ポリマー堆積による配管などの閉塞を抑制でき、配管や機 器の健全性を維持することができる。特に、ポリマーを転換反応器 2に供給する供給 配管 7を 60〜300°Cの範囲で加熱することで、供給配管 7内にポリマーが低温で堆 積して閉塞させることを防止すること力 Sできる。また、ポリマーを 0.01〜；!モル％の範 囲で転換反応器 2に供給するので、加水分解処理が不要で、かつ、転換反応器 2入 口付近における配管の閉塞等を防ぐことができる。
実施例
[0046] 次に、上記実施形態の多結晶シリコン製造設備により実際に多結晶シリコンを製造 し、その際のポリマーの分解処理について、実施例によって具体的に説明する。なお 、本発明の技術範囲は上記実施形態ないし以下の実施例の範囲に限定されるもの ではなぐ本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能 である。
[0047] 〔実施例;!〜 3〕
生成反応器 1からの流出物を冷却器 3で凝縮した液が、 SiH CI : 3%、 SiHCl : 50 %、 SiCl : 43%、ポリマー： 2%の組成であり、この流出物を上記各蒸留工程後にポ
4
リマー供給量が 0.01モル％になるよう転換反応器 2へ導入した。なお、転換反応器 2 の温度は 1300°Cに設定し、液流量 40L/min、水素流量 16m3/minに設定した。また 、供給配管 7の温度は 230°Cに設定した。この条件で実施した SiClの SiHClへの
4 3 転換率は 20%であり、ポリマーの分解率は 90%以上であり、いずれも良好な結果が 得られた。
[0048] 〔実施例 2〜3〕
ポリマー供給量を表 1に示すように変えた以外は実施例 1と同様にして上記流出物 を各蒸留工程後に転換反応器 2へ導入した。この結果を表 1に示した。
[0049] 〔比較例;!〜 2〕
ポリマー供給量を表 1に示すように変えた以外は実施例 1と同様にして上記流出物 を各蒸留工程後に転換反応器 2に導入した。この結果を表 1に示した。
[0050] [表 1]
Figure imgf000012_0001
表 1において、 Νο· 1、 No.5は比較例、 Νο·2〜Νο·4は実施例である。ポリマー分 解率は、（転換反応前のポリマーのモル数一転換反応後のポリマーのモル数） /転 換反応前のポリマーのモル数、である。 TCS転換率は SiClの SiHClへの転換率、
4 3
配管温度は供給配管 11の温度である。

Claims

請求の範囲
[1] トリクロロシランと水素とを反応させ、シリコンとテトラクロロシランを含むモノシラン類（ 式 SiH CI : n = 0〜4)と少なくともトリシラン類またはテトラシラン類を含むポリマーと n 4-n
を含む流出物を生成する工程と、上記流出物と水素とを転換反応器に供給して 600 〜； 1400°Cの範囲で加熱することで上記テトラクロロシランをトリクロロシランへ転換反 応させると共に上記ポリマーをモノシラン類へ転換反応させる工程とを有していること を特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
[2] 請求項 1に記載の多結晶シリコンの製造方法において、転換反応器内のポリマー 濃度が 0.0；!〜 1モル％の範囲になるように上記ポリマーを上記転換反応器に供給す ることを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
[3] 請求項 1または請求項 2に記載の多結晶シリコンの製造方法において、上記ポリマ 一を上記転換反応器に供給する供給配管を 60〜300°Cの範囲で加熱することを特 徴とする多結晶シリコンの製造方法。
[4] 上記生成工程で生成した流出物を冷却器に導!/、て水素および塩化水素を分離し、 次いで第 1蒸留塔に導いてトリクロロシランを分離し、第 1蒸留塔の塔底成分を第 2蒸 留塔に導!/、て四塩化珪素を分離し、第 2蒸留塔の塔底成分を第 3蒸留塔に導!/、てポ リマーを分離し、このポリマーおよび第 2蒸留塔で分離した四塩化珪素を転換反応器 に導入し、さらに水素を転換反応器に導入して反応させることを特徴とする請求項 1 〜請求項 3の何れかに記載する多結晶シリコンの製造方法。
[5] トリクロロシランと水素とを反応させ、シリコンとテトラクロロシランを含むモノシラン類（ 式 SiH CI : n = 0〜4)と少なくともトリシラン類またはテトラシラン類を含むポリマーと n 4-n
を含む流出物を生成する生成反応器と、上記流出物と水素とを内部に供給して 600 〜； 1400°Cの範囲で加熱することで上記テトラクロロシランをトリクロロシランへ転換反 応させると共に上記ポリマーをモノシラン類へ転換反応させる転換反応器とを備えて いることを特徴とする多結晶シリコン製造設備。
[6] 請求項 5に記載する多結晶シリコン製造設備において、転換反応器内のポリマー 濃度が 0. 0；!〜 1モル％の範囲になるように上記ポリマーを上記転換反応器に供給 するように設定されていることを特徴とする多結晶シリコン製造設備。
[7] 請求項 5または請求項 6に記載する多結晶シリコン製造設備において、上記ポリマ 一を上記転換反応器に供給する供給配管と、上記供給配管を 60〜300°Cの範囲で 加熱する配管加熱機構を有することを特徴とする多結晶シリコン製造設備。
[8] 上記生成反応器と、上記生成工程で生成した流出物を冷却して水素および塩化水 素を分離する冷却器と、冷却後の生成ガスを蒸留してトリクロロシランを分離する第 1 蒸留塔と、第 1蒸留塔の塔底成分を蒸留して四塩化珪素を分離する第 2蒸留塔と、 第 2蒸留塔の塔底成分を蒸留してポリマーを分離する第 3蒸留塔と、分離した上記ポ リマーと第 2蒸留塔で分離した上記四塩化珪素と、さらに水素を供給して転換反応を 行う転換反応器とを有することを特徴とする請求項 5〜請求項 7の何れかに記載する 多結晶シリコンの製造設備。
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