JP4463541B2

JP4463541B2 - シール剤および該シール剤を用いた反応容器の接合方法、反応容器

Info

Publication number: JP4463541B2
Application number: JP2003430357A
Authority: JP
Inventors: 開行小田; 淳一郎中島
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: JP2005187259A

Description

本発明は、シリコン製造用のカーボン製容器の接合部を接合するシール剤、および該シール剤を用いた反応容器の接合方法、反応容器に関する。
を提供する。

多結晶シリコンは、クロロシラン類および水素などの原料ガスから析出させることによって製造されることが知られている。

この製造方法では、反応容器として、クロロシラン類やシリコン溶融液に接触するため、高温耐性、耐薬品性、さらには不純物の混入などの点から炭素材料からなる反応容器が使用されている。

製品の純度面を鑑みると、反応容器として、継ぎめ部分を有さない一体物を用いることが最良の方法である。しかしながら、炭素材料は、脆く、また、加工しにくいという特性を有している。さらに、一体物を成形するためには、それだけ大きな枠型が必要となるので、大型の反応容器を直接作製することが困難であった。

このため、例えば、短円筒状パーツを複数個積み重ねて、直胴状の円筒にしたり、また長方形の板状のパーツが円周を周回するようにして、複数枚配列して円筒形を構成させたりして反応容器が構成されていた。

しかしながら、シリコンは溶融した液体になると、浸透性が高く、パーツの隙間からリークしてしまい、反応効率が低下するとともに、リークした溶融シリコンと接触することで、反応装置の外壁、加熱手段、原料ガス供給管やその冷却手段、断熱材等が損傷したりすることがあった。

また接合部内で、シリコンが固化し、その結果、接合部を破損するなどの問題点があった。

このため、シリコンがリークすると長期間の連続運転ができないという問題点があった。また、このような場合、一旦、製造をとめて、設備を点検する必要が生じてくる。

さらに、製品の純度面からすれば、リークしたシリコンが再び反応器系内に入ってくると、反応装置の外壁、加熱手段、原料ガス供給管やその冷却手段、断熱材等に接触した純度の劣るシリコン析出物が、高純度多結晶シリコンを汚染するという問題点となることもあった。

以上の理由により、溶融シリコンの漏洩を抑制する方法を開発することが課題とされていた。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、カーボン製容器の接合部にシリコン融液に対して濡れにくい材料を含むシール剤を充填しておけば、シリコン融液が進入し漏洩することがないことを見出した。

すなわち、本発明では反応容器の接合に、シリコン融液との接触角が４５°以上であるセラミックス材料の粉末を含むシール剤を使用することを特徴としている。このような接触角を有するセラミックス材料であれば、シリコン融液に対して撥液性を有しているので、シリコンが進入することもない。

このようなセラミックス材料としては窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウムおよびシリカから選ばれる少なくとも1種が好適である。これらのセラミックス材料は、シリコ
ン中に溶け出すことがないので、生成したシリコンを汚染することもない。

本発明に係る反応容器の接合方法は、加熱した反応容器内でクロロシラン類と水素とを含むシリコン原料ガスからシリコンを融液として得るためのカーボン製反応容器の接合部を接合する方法であって、
シリコン融液と接触する反応容器の接合部の接合に、前記シール剤を使用することを特徴とするものである。

また、本発明に係るカーボン製反応容器は、複数のパーツから構成される接合部の間隙に、前記シール剤を充填することにより、各パーツ同士が接合されてなることを特徴としている。反応容器の接合部が、ネジ形状であると本発明の効果はとくに顕現される。

なお、特開２００２−３２１０３７号公報には、鋳型にシリコン融液を注湯して凝固させるシリコン鋳造方法において、鋳型の内面に、窒化珪素、炭化珪素、酸化珪素を含む離型剤を塗布することが開示されている。すなわち、かかる公報に開示された方法は、シリコンインゴットの離型剤として、窒化珪素などが使用されている。しかしながら、本発明のようなシール剤について何ら開示されていない。

本発明によれば、シリコン製造用カーボン製反応容器を構成するパーツ間の接合部を特定のシール剤で接合される。このため、多結晶シリコンを製造する際に、シリコン融液や原料ガスが接合部ではじかれ、進入することもない。

したがって、このような反応容器を使用すると、長時間の析出反応運転が可能になる。また、シール剤が多結晶シリコンに溶出し難いので、純度面においても非常に優れたシリコンを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する。

シール剤
本発明に係るシール剤は、シリコン融液に対し、撥液性（ぬれにくい）特性を有するセラミックス材料の粉末を含む。

本発明では、このような接触角が４５°以上、好ましくは９０°以上のセラミックス材料が使用される。

接触角は、密閉チャンバー内にシール剤として使用されるセラミックスからなる平板を設置し、内部アルゴンガスに置換し１４５０℃に加熱する。この板の上からシリコン液滴の接触角を観察窓から測定する。

このような接触角を有する材料の粉末をシール剤として反応容器の接合部を使用すると、シリコン融液を効果的にはじくことができるので、シリコンが接合部に進入することもない。また、これらのセラミックス材料はシリコン析出用原料ガス（クロロシラン類）も接合部に進入しにくくさせることができる。

このような接触角を有するセラミックス材料としては、窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム、シリカから選ばれる少なくとも１種以上のセラミックス材料が好ましい。これらは2種以上混合して使用してもよく、また2種以上のセラミックスの複合物であってもよい。これらは、シリコン融液に対する撥液性が高く、しかもシリコンを製造する際に、析出した高純度シリコンに不純物として混入することもない。なお、2種以上混合または
複合して使用する場合、混合物・複合物の接触角が上記範囲にあることが望ましい。

セラミックス材料粉末の平均粒子径は、接合部の隙間の大きさに応じて適宜選択されるが、通常、０．００１〜２００μｍ、好ましくは０．００５〜１５０μｍの範囲にあるものが使用される。

なお、本発明では、平均粒子径はコールターカウンター（商品面：コールターエレクロトニクス社製）で測定される。

窒化珪素粉末をシール剤として使用する場合、窒化珪素粉末の平均粒子径は、０．５〜１００μｍの範囲、好ましくは１〜５０μｍの範囲にあることが望ましい。

またシリカ粉末をシール剤として使用する場合、０．００１〜０．１μｍ、好ましくは０．００３〜０．０３μｍの範囲にあることが望ましい。

また、窒化珪素粉末を使用する場合、シリカ微粒子と混合して使用することが好ましい。シリカ微粒子と混合して使用すると、シリカ微粒子が溶融しバインダーとして機能し、窒化珪素粉末をつなぎとめるので、窒化珪素の充填効率が高まるとともに、シール剤中の隙間も埋めることができる。このため、溶融シリコンおよびその反応物が接合部からリークするのを効果的に抑制することができる。また、シリカで窒化珪素粉末が固着されているので、シールされた接合部から、反応容器に内部に窒化珪素粉末が脱離することもない。

本発明に係るシール剤は、前記セラミックス粉末をそのままシール部に噴霧して使用される。

また、必要に応じて、前記セラミックス粉末を溶媒に分散させて、ペースト状にして接合部に塗りこんでもよく、また、液状にしてスプレー噴霧してもよい。

溶媒として、セラミックス粉末が反応せず、またシール剤を充填したときに容易に揮発するものであれば特に制限されない。具体的には、水、メタノール、エタノールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、フェノール、クレゾールなどのフェノール類、などが挙げられる。

分散剤としては、公知のものを特に制限なく使用することが可能であり、具体的にはポ
リビニルアルコール、セルロース、などのシリコン製造時の熱で容易に分解・蒸散するものが好適である。

溶媒に分散させる場合（ペースト状も含む）、その固形分濃度は特に制限されるものではなく、液体として、またはペーストとして取り扱うことができる範囲であればよい。

接合方法
本発明に係る反応容器の接合方法は、シリコン融液と接触する反応容器の接合部の接合に、前記シール剤を使用する。

具体的には、本発明では、図１〜４に示されるように反応容器のパーツ間の接合部の間隙または溝に、前記シール剤を充填することにより、各パーツ同士を接合する。図１〜４中、符号１はパーツ、２は間隙、３はシール剤を示す。

前記シール剤の充填方法としては特に制限されるものではなく、公知の方法を採用することが可能である。

粉末状のシール剤の場合、エアー吹き付け法など公知の方法が採用される。また、ペースト状・液状のシール剤の場合は、刷毛塗り法、浸漬法などの公知の塗布方法が採用される。さらに塗布後、溶媒・分散剤を除去するため加熱処理を施してもよい。

シール剤の充填量は特に制限されるものではなく、接合部にシール剤の粉末が挟まっているだけでも、シリコン融液に対するシール性を充分に維持することが可能である。

反応容器
本発明に係る反応容器としては、複数のパーツから構成され、前記シール剤で接合されているものであれば、その形状は特に制限されるものではない。

図５および図６は本発明で使用される反応容器の代表的な態様を示す部分斜面斜示図である。

図５に示される反応容器は、長方形の板状のパーツ１を長手方向に配列して成る反応器である。また図６に示される反応容器は、円筒型に分割されたパーツを長手方向に配列してなる反応容器である。なお図６に示される円筒パーツは円周方向に分割されていてもよい。（すなわち、長手方向に分割されていてもよい）
反応容器を構成するパーツ１の材質としては、その内部で高純度のシリコンを析出する反応を行うためのものであれば特に制限されないが、通常は炭素材料からなるものが使用される。

上記した板状、円筒型のパーツ以外にも、反応容器の形状に応じて種々のパーツを組み合わせることが可能である。

たとえば、前記図５に示した長方形の板状のパーツが8枚接合された八角柱状の反応容
器が挙げられる。長方形の板状パーツは6枚接合されれば六角柱状の反応容器が形成され
る。また、板状パーツの枚数を増やせば、円筒状に近づけることができる。

さらに、長方形の板状パーツの代わりに、台形の板状パーツを使用すれば、図７のように八角錐状の反応容器を形成できる。

また、図８のように長方形パーツは長手方向に継ぎ目を設け、長手方向を複数枚の長方
形で形成すれば、長手方向に延びた反応容器を作成することができる。

パーツ間の接合部の形状としては、前記図１〜４に示すように嵌め合わせ形状（図１）、嵌め込み形状(図２)、ネジ形状(図３および４)などが挙げられるが、これらに特に制限されるものではない。

本発明ではパーツ間の隙間に上記シール剤が充填される。また、接合部で接合されるパーツ１の一方または双方の端面の一部を切り欠くことによって、シール剤充填用の溝を形成してもよい。

また原料ガス、シリコン融液に対するシール効果が発現できるのであれば、カーボン部材同士の接合に限定されるものではない。したがって、カーボン部材と他の部材とからなる反応容器を接合させる際に、本発明に係るシール剤を使用してもよい。

他の部材としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、アルミナなどからなる部材が例示される。

本発明によれば、複数に分割されたパーツよりなり、該パーツ間の接合部を特定のシール剤で接合されている。このため、多結晶シリコンの製造に使用した場合、シリコン融液が接合部ではじかれ、進入することもない。このため、反応効率が低下することもなく、リークした溶融シリコンが反応装置の外壁、加熱手段、原料ガス供給管やその冷却手段、断熱材等と接触することもない。さらには、接合部内で、シリコンが固化することもないので、接合部を破損することもない。このため、長期間安定して高純度シリコンの析出を行うことができる。
［実施例］
以下、本発明を実施例により説明するが、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１〜６、比較例１〜３
円筒形で長さ方向に分割され、これをネジ形状で接合しうるカーボン製管状反応容器のネジ状接合部に、下記材質からなるシール剤を充填した。シール剤の充填は、（粉体噴霧）で行った。シール剤の充填後、反応容器を接合した。（なお、比較例３はシール剤を使用せずにそのまま反応容器を嵌合させた。

こうして接合された反応容器を多結晶シリコン製造装置に装着し、トリクロロシランと水素との混合ガス（原料ガス）を反応容器内部に流通させ、外部加熱手段によって反応容器を1450℃以上に昇温させ、多結晶シリコンを100時間析出させた。反応後、反応装置か
ら反応容器を取り出し、接合部におけるシリコンの漏れの有無を確認した。

結果を表１に示す。

実施例７
シール剤として、表２に示す混合粉末を使用した以外は上記実施例１〜６と同様にして、反応容器の接合を行い、シリコンの漏れの有無を確認した。

結果を表２に示す。

本発明のシール部の要部を示す概略図。本発明のシール部の要部を示す概略図。本発明のシール部の要部を示す概略図。本発明のシール部の要部を示す概略図。本発明の反応容器の代表的な態様を示す斜視図。本発明の反応容器の代表的な態様を示す斜視図。本発明の反応容器の代表的な態様を示す斜視図。本発明の反応容器の代表的な態様を示す斜視図。

符号の説明

１パーツ
２間隙
３接合部（シール剤）

Claims

加熱した反応容器内でクロロシラン類と水素とを含むシリコン原料ガスからシリコンを融液として得るためのカーボン製反応容器の接合部を接合する方法であって、
シリコン融液と接触する反応容器の接合部の接合に、シリコン融液との接触角が４５°以上であるセラミックス材料の粉末を含むシール剤を使用する反応容器の接合方法。
前記セラミックス材料が窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウムおよびシリカから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
反応容器の接合部が、ネジ形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の接合方法。
複数のパーツから構成される接合部の間隙に、シリコン融液との接触角が４５°以上であるセラミックス材料の粉末を含むシール剤を充填することにより、各パーツ同士が接合されてなることを特徴とするカーボン製反応容器。
前記セラミックス材料が窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウムおよびシリカから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項４に記載のカーボン製反応容器。
各パーツが円筒形であり、その接合部がネジ形状を成すことを特徴とする請求項４または５に記載のカーボン製反応容器。