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JPS6128604B2 - - Google Patents
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JPS6128604B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6128604B2
JPS6128604B2 JP4260578A JP4260578A JPS6128604B2 JP S6128604 B2 JPS6128604 B2 JP S6128604B2 JP 4260578 A JP4260578 A JP 4260578A JP 4260578 A JP4260578 A JP 4260578A JP S6128604 B2 JPS6128604 B2 JP S6128604B2
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JP
Japan
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silicon
producing high
hydrogen
preheated
purity silicon
Prior art date
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Application number
JP4260578A
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Japanese (ja)
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JPS54134024A (en
Inventor
Chaarusu Shuumachaa Josefu
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JEI SHII SHUUMACHAA CO
Original Assignee
JEI SHII SHUUMACHAA CO
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

半導体作業の最近の発展により、半導体用シリ
コンとして知られている極めて高い純度のコスト
の安い単結晶シリコンに対する需要が増大してい
る。半導体用シリコンは、トランジスタ、整流
器、太陽電池等の様な半導体装置の製造に使われ
る。従来、周知のチヨコラルスキ法として知られ
ている様な特別の方法によつて、単結晶の半導体
用シリコンに変換することが出来る半導体用多結
晶シリコンを製造する方法が使われている。 この様な従来の1つの方法では、例えば4沃化
シリコンを結晶化によつて純化し、蒸発させ、そ
の後で蒸気から、タングステンの様な比較的不活
性な金属の熱線の上にシリコンを沈積させる。こ
の従来の方法では、シリコン及び沃素の揮発度に
違いがある為、反応生成物の沃素蒸気が熱線の近
くの場所から遠ざかる様に拡散し、シリコンが熱
線上に沈積されて成長し、結晶状シリコンのかな
りの塊を形成する。成長が或る段階に達した時、
結晶状シリコンの冷却した塊を線状の基体から層
状に切取る。 半導体用多結晶シリコンを調製する従来の別の
方法は、高純度の過熱4塩化シリコンを著しく熱
した亜鉛の蒸気と反応させ、亜鉛蒸気及び4塩化
シリコンの相互作用を行なわせる。加熱したシリ
コン基板を用意し、亜鉛蒸気及び4塩化シリコン
から加熱したシリコン基板の上にシリコン元素を
成長させて、多結晶の元素状シリコンを作る。適
当な条件で、このシリコンの少なくとも一部分は
半導体用のものになる。 従来、炉の中でハロゲン化シリコンを水素で還
元し、この混合物を炉の中に設けた石英硝子の加
熱した管の中にゆつくりと通すことによつても、
半導体用多結晶シリコンが製造されていた。シリ
コンが加熱された管の内面の上に沈積し、この管
を時々炉から取出してシリコンを回収する。 現在、半導体用多結晶シリコンは、米国特許第
3053638号及び同第3240623号に記載される様に、
トリクロロシランSiHCl3又は4塩化シリコン
SiCl4を熱したシリコン基板上で水素で還元する
化学蒸気沈積方法によつて作られている。この方
法では、トリクロロシラン及び4塩化シリコン
が、純度98%程度の商業用又は冶金用シリコンか
ら調製され、分別凝縮によつて純化される。 従来の方法は、ハロシランを水素で還元するこ
とにより、半導体に使える様な品質の高純度の多
結晶シリコンを製造することが技術的にも経済的
にも可能であることを実証した。現在、商業的な
全ての半導体用多結晶シリコンは前述の化学蒸気
沈積方法によつて製造されており、この方法では
ジクロロシラン又はトリクロロシランを水素で還
元し、電気的に加熱したシリコン・フイラメント
基体の上にシリコンを沈積させている。シリコ
ン・フイラメント基体は電気抵抗加熱によつて
1000℃より高い温度に保たれ、フイラメント及び
反応ガスを封入した室の壁は300℃程度の温度に
保つて、その上にシリコンが沈積しない様にして
いる。この方法が進行すると、加熱された基体は
直径が7.62乃至10.15cm程度になるまで太くな
る。そこでその方法を中断し、基体を室から取出
す。基体は長さが121.92cm位まであつてよく、取
出した後、新しい出発材料としての棒にかえる。
これは直径が例えば0.3175乃至1.27cm程度であつ
てもよい。一般的に、従来の方法では、連続蒸気
沈積形反応器の流出ガスを循環させず、適当な手
段によつて処分している。 従来の連続蒸気沈積方法を操業するには、生成
するシリコン1キログラムあたり800乃至1000キ
ロワツト程度の大量の電気エネルギが必要であ
る。多数の反応室及びシリコン基体を必要とする
為、投下資本及び労賃も高い。年間300乃至500メ
ータ・トンの割合で生産する工場に於ける生産コ
ストは、現在では、1キログラムあたり25.00乃
至30.00ドルの範囲である。現在の市価は1キロ
グラムあたり約65.00ドルである。 現在では、半導体業界の需要と供給が釣合つて
いる。最近は著しく品不足になる期間もあり、現
在の半導体業界の需要の何倍以上にもなる様な新
しい大きな需要が生れる可能性を秘めている。こ
の新しい需要は、太陽エネルギを電気エネルギに
光起電力を利用して変換する為に、シリコンの太
陽電池を使うことである。この潜在的な新しい需
要を実現し且つその需要に応える為には、半導体
用シリコンの製造コストを1キログラムあたり
10.00ドルより実質的に下げ、且つ太陽エネルギ
を電気エネルギに変換する効率を高くする様に、
シリコンの品質を保つことが必要である。 この発明の目的としては、前述の需要並びに判
断基準に合う様な方法並びに装置を提供すること
である。この発明は、所要エネルギを著しく減少
し、反応器の流出ガスを回収し、分離して循環す
る様な連続的に操作される方法を提供する。特
に、この発明の方法の副生ハロゲン化水素を循環
して、還元反応器に対する純化したシランの供給
材料を作ると共に、水素も回収して循環させる。
この発明の方法で消費される唯一の原材料はコス
トの安い冶金用シリコンである。 この発明は、反応剤の停留時間が0.01乃至0.1
秒程度という様に短い簡単な連続流還元形反応器
を提供する。反応剤及び核発生剤が効率のよい幅
射形ガス点火式熱交換器で別々に予熱される。生
成物は10乃至100メツシユの範囲内の粒状であ
る。この結果、小さな管状反応器で大きな容積容
量が得られると共に、連続的な操業が出来、且つ
生成物を連続的に取出すことが出来、従来の連続
蒸気沈積方法の場合よりも、投下資本並びに操業
費がずつと安くなる。 この発明の連続流還元方法は、半導体用シリコ
ンを連続的に製造する比較的コストの安い大量生
産手段となる。これから説明する実施例では、下
記の化学反応によつて不純(冶金用)シリコンを
揮発性のハロシラン中間化合物に変換する。
Recent developments in semiconductor work have increased the demand for extremely high purity, low cost, single crystal silicon, known as semiconductor grade silicon. Semiconductor silicon is used in the manufacture of semiconductor devices such as transistors, rectifiers, solar cells, etc. BACKGROUND OF THE INVENTION Hitherto, methods have been used to produce polycrystalline silicon for semiconductors, which can be converted into single crystal silicon for semiconductors, by a special method such as the well-known Cziochoralski method. One such conventional method involves purifying, for example, silicon tetraiodide by crystallization, vaporizing it, and then depositing the silicon from the vapor onto a hot wire of a relatively inert metal such as tungsten. let In this conventional method, due to the difference in the volatility of silicon and iodine, the iodine vapor, the reaction product, diffuses away from the area near the hot wire, and silicon is deposited and grows on the hot wire, forming a crystalline form. Forms significant clumps of silicone. When growth reaches a certain stage,
A cooled mass of crystalline silicon is cut in layers from a linear substrate. Another conventional method for preparing polycrystalline silicon for semiconductors is to react highly purified superheated silicon tetrachloride with extremely hot zinc vapor, resulting in interaction between the zinc vapor and silicon tetrachloride. A heated silicon substrate is prepared, and elemental silicon is grown on the heated silicon substrate from zinc vapor and silicon tetrachloride to produce polycrystalline elemental silicon. Under appropriate conditions, at least a portion of this silicon becomes semiconductor grade. Traditionally, silicon halides were reduced with hydrogen in a furnace and the mixture was slowly passed through a heated quartz glass tube inside the furnace.
Polycrystalline silicon for semiconductors was manufactured. Silicon is deposited on the inner surface of the heated tube, and the tube is removed from the furnace from time to time to recover the silicon. Currently, polycrystalline silicon for semiconductors is covered by a U.S. patent.
As stated in Nos. 3053638 and 3240623,
Trichlorosilane SiHCl 3 or silicon tetrachloride
It is made by a chemical vapor deposition method in which SiCl 4 is reduced with hydrogen on a heated silicon substrate. In this method, trichlorosilane and silicon tetrachloride are prepared from commercial or metallurgical silicon of approximately 98% purity and purified by fractional condensation. Conventional methods have demonstrated that it is technically and economically possible to produce high-purity polycrystalline silicon of a quality suitable for use in semiconductors by reducing halosilane with hydrogen. Currently, all commercial polycrystalline silicon for semiconductors is produced by the chemical vapor deposition method described above, in which dichlorosilane or trichlorosilane is reduced with hydrogen and deposited on an electrically heated silicon filament substrate. Silicon is deposited on top. The silicon filament substrate is heated by electrical resistance heating.
The walls of the chamber, which is kept at a temperature higher than 1000°C and filled with the filament and reaction gas, are kept at a temperature of about 300°C to prevent silicon from depositing on it. As this process progresses, the heated substrate thickens to a diameter of approximately 7.62 to 10.15 cm. The process is then interrupted and the substrate is removed from the chamber. The substrate can be up to 121.92 cm in length, and after being removed it is turned into a rod as a new starting material.
This may have a diameter of, for example, 0.3175 to 1.27 cm. Generally, in conventional processes, the effluent gas of a continuous vapor deposition reactor is not recycled but is disposed of by appropriate means. Conventional continuous steam deposition processes require large amounts of electrical energy to operate, on the order of 800 to 1000 kilowatts per kilogram of silicon produced. Since a large number of reaction chambers and silicon substrates are required, the invested capital and labor costs are also high. Production costs in factories producing at rates of 300 to 500 metric tons per year currently range from $25.00 to $30.00 per kilogram. The current market price is approximately $65.00 per kilogram. Currently, supply and demand in the semiconductor industry are balanced. Recently, there have been periods of severe shortages, and there is a potential for new, large demand to be created that will be many times greater than the current demand in the semiconductor industry. This new demand is the use of silicon solar cells to photovoltaically convert solar energy into electrical energy. In order to realize and meet this potential new demand, the manufacturing cost of silicon for semiconductors must be reduced per kilogram.
substantially less than $10.00 and increase the efficiency of converting solar energy into electrical energy.
It is necessary to maintain the quality of silicon. It is an object of the invention to provide a method and a device which meet the above-mentioned needs and criteria. This invention significantly reduces energy requirements and provides a continuously operated process in which reactor effluent gas is recovered, separated and recycled. In particular, the by-product hydrogen halide of the process of this invention is recycled to produce a purified silane feed to the reduction reactor, and the hydrogen is also recovered and recycled.
The only raw material consumed in the method of this invention is low cost metallurgical silicon. In this invention, the residence time of the reactant is 0.01 to 0.1.
Provides a simple continuous flow reduction reactor that is short, on the order of seconds. The reactants and nucleating agent are preheated separately in an efficient beam-shot gas-fired heat exchanger. The product is in the form of granules ranging from 10 to 100 mesh. This results in a large volumetric capacity in a small tubular reactor, as well as continuous operation and continuous product removal, which requires less capital investment and less time than traditional continuous steam deposition methods. The cost will gradually become cheaper. The continuous flow reduction method of the present invention provides a relatively inexpensive mass production means for continuously producing silicon for semiconductors. In the examples to be described, impure (metallurgical) silicon is converted to a volatile halosilane intermediate compound by the chemical reaction described below.

【表】 この明細書ではハロシランと云う言葉は、
SiX4HSiX3、H2SiX2及びH3SiX3を含むものとし
て使つており、一般式HoSiX(4-o)で表わされ
る。こゝでXはCl、Br又はIである。 ハロゲン化物の形をした不純物は、この発明の
方法でハロシラン中間体から分別凝縮によつて分
離され、排除される。次に純化された揮圧性ハロ
シラン中間体が予熱され、連続流の管状反応器の
中で化学式(2)及び(4)に従つて純化した予熱水素を
用いて還元される。純化された半導体用多結晶シ
リコンが反応ガスと固体の流れから分離されて回
収される。反応生成物としてのハロゲン化水素が
反応ガスの流れから分離されて、一層多くの冶金
用シリコンを粗製中間体としてのシリコン化合物
及び水素に変換する為に循環させられる。この
為、この発明の方法は不純なシリコンを消費し、
純枠なシリコンを生成し、不純物を液体又は固体
のハロゲン化物として排除する。 第1図は、連続流の還元反応器の中で、中間体
の反応温度より高い温度にまで別々に予熱された
ハロシラン中間体及び水素を蒸気相で反応させ、
サイクロン形分離機で、この結果得られたシリコ
ンから反応ガスを分離することによつて、高純度
のシリコンを連続的に製造するこの発明の方法の
1実施例の種々の工程を示す略図である。シリコ
ンは分離機の底から連続的に放出され、反応ガス
は分離機の頂部から放出されて再び使われる。 この発明はハロシランBiHoX4-oを水素H2を用
いて蒸気相で還元することにより、超高純度の多
結晶シリコンを連続的に、大量に、安いコストで
製造する新規な方法並びに反応器を提供する。 この発明の方法によつて製造されたシリコン
は、粒度が一様であつて超高純度である為、集積
回路、太陽電池等を含めて、半導体装置の製造に
使う単結晶シリコンの溶融及び引上げに特に適し
ている。 この発明を実施する時、ハロゲンX2又はハロ
ゲン化水素HXをリフアイナ3で生成し、350乃至
800℃の範囲内の高い温度で、ハロゲン化シリコ
ン生成器5で、少量の不純物を含むシリコンと反
応させ、ハロゲン化シリコンSiX4の様な粗製ハロ
シランSiHoX4-o中間体を生成する。生成器5に
導入されるシリコンは、例えば冶金用シリコンで
ある。 生成器2によつて生成された商業用98.5%シリ
コン又は高純度99.9%のシリコンを使うことが出
来る。生成器2は周知の電熱形シリコン生成器で
あつてよい。分別凝縮により、リフアイナ3で商
業的な製品から純度が一層高いハロゲン化水素
HXが得られる。生成器5からのハロゲン化シリ
コンをリアイナ6で分別凝縮によつて純化する。
このリフアイナで、不純シリコンとしてこのプロ
セスに入り込んだ不純物が、金属ハロゲン化物に
変換され、分別凝縮等によつて除去される。リフ
アイナ6は米国特許第3020128号に詳しく記載さ
れている様な形式のものであつてよい。 精製シリコン中間化合物が予熱器8で900乃至
1100℃の範囲内の高い温度に予熱され、第2図に
示した形式の連続流還元反応器10に注入され
る。これを後で更に詳しく説明する。予熱器8は
ガス点火型であつてよい。 商業的な入手源からの水素H2並びに生成器5
からの循環水素が水素リフアイナ1で普通の方法
によつて高純度に生成される。このリフアイナも
米国特許第3020128号に記載されている形式であ
つてよい。純化した水素が予熱器9で900乃至
1500℃の範囲内の高い温度に予熱される。この予
熱器は予熱器8と同様であつてよく、予熱された
水素が連続流還元反応器10に注入され、そこ
で、瞬時的な化学反応を起す様な形で、生成され
て別個に予熱されたシリコン中間化合物と完全に
混合される。例えばサイクロン形固体−ガス分離
機11から取出された、選ばれた寸法を持つ高純
度の予熱されたシリコン粒子が、これから説明す
る形で水素の流れによつて連続流還元反応器10
に注入される。 シリコン粒子がシリコン中間体の蒸気相の水素
還元に触媒作用をすることがあるが、反応物が連
続流還元反応器10の中を流れる間、シリコンの
核発生及び成長を促進するのが主な目的である。
この現象は、シリコン粒子が大きな高温の面を持
つこと、並びに連続流還元反応器内に反応種目の
好ましいギブスの自由エネルギが生ずる為であ
る。 固体とガスの反応物の流れは、連続流還元反応
器10内の適当な停留時間の後、サイクロン形固
体ガス分離後11に直接的に通され、そこでシリ
コン粒子が収集され且つガスの流れから分離さ
れ、その後分離機の底から吐出される。ガスの流
れは普通の方法でサイクロン形分離機11の頂部
から放出され、その後ガス冷却器、凝縮器及びス
クラツパ系統に通される。分離機11からのガス
の流れの中にあつて、反応しなかつたハロシラン
及びHXで構成される凝縮性の材料が、装置14
内で凝縮、吸収及び分別凝縮によつて分離され
る。こうして分離されたハロシランが予熱器8に
循環させられる。こうして分離されたハロゲン化
水素が生成器5に送られ、そこで他の不純シリコ
ンと反応して、更に中間体及び水素を生成する。
生成器5で発生したH2が前に述べた様に水素リ
フアイナ1に循環させられる。分離機11から出
て来るガスの流れの中にある非凝縮性ガスは反応
しなかつた水素H2であり、これは低温のHX液体
中でのスクラツピングの後、水素リフアイナ1に
循環させられる。 サイクロン形分離機11から吐出された熱いシ
リコン粒子の小さな一部分、10%程度は、粒度を
適当に縮小した後、予熱器15に循環し、予熱さ
れた水素の流れによつて連続流還元反応に注入さ
れる。 分離機11から出て来た残りの熱いシリコン粒
子は、分離機の下方に設けられた金属シリコンの
溶融プールに徐々に添加され、このプールから単
結晶シリコンが連続的に引上げられる。別の方法
は、分離機11から出て来るシリコン粒子を冷却
し、それを今の使用に備えて蓄積することであ
る。 使われた原材料に混つてこの発明の方法に導入
される不純物は主に不純シリコン中にあるもので
あるが、前に述べた様に、主として金属ハロゲン
化物に変換され、その後分別蒸溜によつて、粗製
ハロシラン中間体から分離される。金属ハロゲン
化物を含む廃物の流れは、廃棄物として棄てゝも
よいし、或いは普通の方法で処理して、ハロゲン
化物及び不純物を回収してもよい。不純物がどん
な形で最終的に処分されるかは、主にその量とそ
の中に含まれる商業的な価値に関係する。 連続流還元反応器10及びサイクロン形固体ガ
ス分離機11が第2図及び第3図に概略的に示さ
れている。ハロゲン化シリコン予熱器8からの
SiX4が入口11を介して注入混合器20に導入さ
れる。水素予熱器9からの水素の流れが入口22
を介して混合器20に導入される。分離機11か
らのシリコン粒子がホツパ23に送込まれ、ホツ
パの中味が回転弁24を介して水素の流れの中に
注入される。混合器20が管状反応器25に結合
されている。この反応器は、例えば直径が10.16
乃至15.24cmで、長さが609.6乃至1219.2cmであつ
てよい。管状反応器25の反対側の端が公知の構
成のサイクロン形分離機26に結合されている。 第2図の装置は、ハロゲン化シリコン又はハロ
シランを水素を用いて高温で蒸気相で還元するこ
とによつて、多結晶シリコンを連続的に製造する
ものである。この装置は、900℃より高い温度ま
で、ハロゲン化シリコン又はハロシランの蒸気
(第1図の予熱器8)、水素ガス(第1図の水素予
熱器9)及びシリコン粒子(予熱器15)を別々
に予熱する手段を構成する。装置が混合器20を
含む管状反応器25をも持つている。この混合器
は噴射形ノズル混合器であつてよく、反応剤及び
核発生剤が注入され、瞬時的な化学反応を起させ
る様な形で、緊密に混合される。混合器が管状反
応器25に直接的に接続され、こゝでシリコン粒
子の核発生並びに成長が起る。装置がサイクロン
形固体ガス分離機26をも含み、この中に反応ガ
ス及びシリコン粒子を通し、シリコン粒子を収集
してガスの流れから分離する。 この発明の方法で有利に用いる連続流還元反応
器を主な特徴は、反応剤及び核発生剤を900乃至
1200℃の範囲内の高温に別々に予熱し、反応剤及
び核発生用シリコン粒子を高速で注入して混合す
ることである。反応器の設計、温度及び反応剤の
流量は、反応剤、核発生剤及び反応生成物が、実
質的に理論的な最大変換が行なわれ且つシリコン
粒子の寸法の成長が最大になる位の期間の間、反
応区域内にとゞまる様にすることが重要である。
一般的に0.01乃至0.1秒程度の停留時間で十分で
ある。 シリコンの蒸気相からの核発生並びに核発生剤
としてのシリコン粒子の面上での成長を促進する
為に、シリコン粒子を約1200℃の使用し得る最高
温度に予熱することも重要である。噴射形混合ノ
ズル20及び管状反応器25を通る反応物の高速
の乱流により、直径の小さい管状反応器内で大き
な容積流量が得られる。特に管状反応器25を水
平軸線に沿つて配置した時、シリコン粒子を一様
な懸濁状態に保つ為に、ガスの流れの速度が高い
ことが必要である。シリコン粒子は、大きな核発
生用の面となる他に、反応器の内壁を擦つて、シ
リコン粒子がその上に沈積するのを防止するのに
役立つ。核発生剤並びにこの擦り磨き剤としての
2重の目的の為、−10乃至+100メツシユの範囲内
のシリコンの粒度を使うのが有利である。 例 1 連続的な供給源からの高純度の4臭化シリコン
蒸気を毎秒0.49リツトルの割合で予熱器に送込
み、そこで1090℃の温度に加熱し、次に内径25mm
の水平管状反応器6に送込む。この反応器は長さ
6メートルであつて、大体第2図に示す様に、混
合ノズル・ヘツドとサイクロン形固体ガス分離機
を装着してある。連続的な供給源からの高純度の
水素を毎秒8.67リツトルの割合で予熱器に送込
み、そこで1090℃の温度に加熱してから、管状反
応器のヘツドに送込み、そこで予熱された4臭化
シリコン蒸気と緊密に混合されて反応し、シリコ
ン及び臭化水素を生成する。連続的な供給源から
の−10乃至+40メツシユBSSの範囲内の純枠なシ
リコン粒子を1100℃の温度に予熱して、毎秒0.3
グラムの割合で、管状反応器の混合ヘツドに入る
時の加熱された水素の流れの中に送込む。 還元反応にあずかるガスと固体の塊全体が毎秒
100メートル程度の高い速度で管状反応器の中を
連続的に流れて、サイクロン分離機に入る。管状
反応器内の平均の停留時間は約0.06秒である。高
純度のシリコン粒子がガスの流れから分離され、
毎秒0.68グラムの割合で分離機から吐出される。
これによつて正味の収率は毎秒0.38グラムにな
る。 ま と め SiBr4 0.49リツトル/秒 H2 8.67リツトル/秒 核発生剤 Si 0.3 グラム/秒 生成物 Si 0.68グラム/秒 正味 Si 0.38グラム/秒 予熱温度 SiBr4 1090℃ H2 1090℃ Si 1100℃ 反応器の中での速度は100メートル/秒 例 2 例1と同じ形式の装置を使い、連続的な供給源
からの高純度のトリプロムシラン蒸気を予熱器に
送込んで955℃に加熱し、次に毎秒0.49リツトル
の割合で管状反応器に送込む。連続的な供給源か
らの高純度の水素を予熱器に送込んで955℃に加
熱し、次に毎秒8.67リツトルの割合で管状反応器
に送込む。連続的な供給源からの−10乃至+100
メツシユBSSの範囲内の純枠なシリコン粒子を
1100℃の温度に予熱して、毎秒0.1グラムの割合
で、管状反応器の混合ヘツドに入る時の加熱され
た水素の流れの中に送込む。ガスと固体から成る
反応物全体が毎秒100メートル程度の速度で管状
ハウジングを通過してサイクロン形分離機に入
る。高純度のシリコン粒子がガスの流れから分離
され、サイクロン形分離機から毎秒0.48グラムの
割合で吐出される。この為、正味の収率は毎秒
0.38グラムである。 ま と め HSiBr3 0.49リツトル/秒 H2 8.67リツトル/秒 核発生剤 Si 0.1 グラム/秒 生成物 Si 0.48グラム/秒 正味 Si 0.38グラム/秒 例 3 この場合は温度は例2と同じであり、反応器の
中での速度は100メートル/秒である。 HSiCl3 29.4リツトル/分 H2 520 リツトル/分 核発生剤 Si 60 グラム/分 生成物 Si 87.6グラム/分 正味 Si 27.6グラム/分 例 4 温度は例1と同じであり、反応器の中での速度
は200メートル/秒である。 HSiCl3 58.8リツトル/分 H2 1040 リツトル/分 核発生剤 Si 120 グラム/分 生成物 Si 147.8グラム/分 正味 Si 27.8グラム/分 この発明の方法の特定の実施例を例示したが、
いろいろな変更が出来ることは云う迄もない。特
許請求の範囲の記載は、この発明の範囲内で可能
な全ての変更を包括するものと承知されたい。
[Table] In this specification, the term halosilane means
It is used as containing SiX 4 HSiX 3 , H 2 SiX 2 and H 3 SiX 3 and is represented by the general formula H o SiX (4-o) . Here, X is Cl, Br or I. Impurities in the form of halides are separated and eliminated from the halosilane intermediate by fractional condensation in the process of this invention. The purified volatile halosilane intermediate is then preheated and reduced with purified preheated hydrogen according to formulas (2) and (4) in a continuous flow tubular reactor. Purified semiconductor grade polycrystalline silicon is separated from the reactant gas and solids streams and recovered. Hydrogen halide as a reaction product is separated from the reaction gas stream and recycled to convert more metallurgical silicon to crude intermediate silicon compounds and hydrogen. Therefore, the method of this invention consumes impure silicon,
Pure silicon is produced and impurities are eliminated as liquid or solid halides. FIG. 1 shows reacting in the vapor phase a halosilane intermediate and hydrogen that have been separately preheated to a temperature above the reaction temperature of the intermediate in a continuous flow reduction reactor;
2 is a schematic diagram illustrating the various steps of an embodiment of the method of the invention for continuously producing high purity silicon by separating the reaction gas from the resulting silicon in a cyclone separator; FIG. . The silicon is continuously released from the bottom of the separator, and the reactant gas is released from the top of the separator and used again. This invention describes a novel method and reaction method for continuously producing ultra-high purity polycrystalline silicon in large quantities at low cost by reducing halosilane BiH o x 4-o with hydrogen H 2 in the vapor phase. Provide utensils. Silicon produced by the method of this invention has uniform particle size and ultra-high purity, so it can be used for melting and pulling single crystal silicon used in the production of semiconductor devices, including integrated circuits, solar cells, etc. Particularly suitable for When carrying out this invention, halogen X 2 or hydrogen halide HX is produced in refiner 3, and
At elevated temperatures in the range of 800° C., the silicon halide generator 5 reacts with silicon containing small amounts of impurities to produce crude halosilane SiH o x 4-o intermediates, such as silicon halide SiX 4 . The silicon introduced into the generator 5 is, for example, metallurgical silicon. Commercial 98.5% silicon produced by generator 2 or high purity 99.9% silicon can be used. Generator 2 may be a well-known electrothermal silicon generator. By fractional condensation, hydrogen halides of higher purity are obtained from commercial products in Refineer 3.
HX is obtained. The silicon halide from the generator 5 is purified by fractional condensation in the rear iner 6.
In this refiner, impurities that have entered the process as impure silicon are converted into metal halides and removed by fractional condensation or the like. The refiner 6 may be of the type described in detail in US Pat. No. 3,020,128. Purified silicon intermediate compound is heated to 900 to 900 in preheater 8.
It is preheated to an elevated temperature in the range of 1100°C and is injected into a continuous flow reduction reactor 10 of the type shown in FIG. This will be explained in more detail later. Preheater 8 may be of the gas-ignited type. Hydrogen H2 from commercial sources as well as generator 5
The recycled hydrogen from the hydrogen refiner 1 is produced in high purity by conventional methods. This refiner may also be of the type described in US Pat. No. 3,020,128. Purified hydrogen is heated to 900 to
Preheated to a high temperature within the range of 1500℃. This preheater may be similar to preheater 8, in which preheated hydrogen is injected into continuous flow reduction reactor 10, where it is produced and separately preheated in such a way as to cause an instantaneous chemical reaction. The mixture is thoroughly mixed with the silicon intermediate compound. High purity preheated silicon particles of selected dimensions, e.g. removed from a cyclone solid-gas separator 11, are transferred to a continuous flow reduction reactor 10 by a flow of hydrogen in the manner described hereinafter.
injected into. Although the silicon particles may catalyze hydrogen reduction of the vapor phase of the silicon intermediate, they primarily promote silicon nucleation and growth while the reactants flow through the continuous flow reduction reactor 10. It is a purpose.
This phenomenon is due to the large hot surface of the silicon particles and the favorable Gibbs free energy of the reactants in the continuous flow reduction reactor. The solid and gaseous reactant stream, after a suitable residence time in the continuous flow reduction reactor 10, is passed directly to a cyclonic solid gas separation 11 where silicon particles are collected and removed from the gas stream. It is separated and then discharged from the bottom of the separator. The gas stream is discharged from the top of the cyclone separator 11 in the conventional manner and then passed through a gas cooler, condenser and scraper system. In the gas stream from separator 11, condensable material consisting of unreacted halosilanes and HX is transferred to device 14.
Separated by condensation, absorption and fractional condensation. The halosilane thus separated is circulated to the preheater 8. The hydrogen halide thus separated is sent to the generator 5, where it reacts with other impure silicon to further produce intermediates and hydrogen.
The H 2 generated in the generator 5 is circulated to the hydrogen refiner 1 as previously described. The non-condensable gas in the gas stream exiting the separator 11 is unreacted hydrogen H2 , which is recycled to the hydrogen refiner 1 after scraping in cold HX liquid. A small portion (approximately 10%) of the hot silicon particles discharged from the cyclone separator 11 is appropriately reduced in particle size and then circulated to the preheater 15 where it is subjected to a continuous flow reduction reaction by the flow of preheated hydrogen. Injected. The remaining hot silicon particles coming out of the separator 11 are gradually added to a molten pool of metallic silicon provided below the separator, from which monocrystalline silicon is continuously pulled. Another method is to cool the silicon particles coming out of the separator 11 and store it for current use. The impurities introduced into the process of this invention in the raw materials used are mainly those found in impure silicon, which, as mentioned earlier, is mainly converted into metal halides and then processed by fractional distillation. , separated from the crude halosilane intermediate. The waste stream containing metal halides may be disposed of as waste or treated in conventional manner to recover the halides and impurities. How the impurities are ultimately disposed of depends primarily on their quantity and the commercial value they contain. A continuous flow reduction reactor 10 and a cyclone solid gas separator 11 are shown schematically in FIGS. 2 and 3. From silicon halide preheater 8
SiX 4 is introduced into the injection mixer 20 via the inlet 11. Hydrogen flow from the hydrogen preheater 9 enters the inlet 22
is introduced into the mixer 20 via. The silicon particles from separator 11 are fed into hopper 23 and the contents of the hopper are injected into the hydrogen stream via rotary valve 24. A mixer 20 is connected to the tubular reactor 25. This reactor has a diameter of e.g.
The length may be between 609.6 and 1219.2 cm. The opposite end of the tubular reactor 25 is connected to a cyclone separator 26 of known construction. The apparatus shown in FIG. 2 continuously produces polycrystalline silicon by reducing silicon halide or halosilane with hydrogen at high temperatures in the vapor phase. This device separates silicon halide or halosilane vapor (preheater 8 in Figure 1), hydrogen gas (hydrogen preheater 9 in Figure 1) and silicon particles (preheater 15) to temperatures above 900°C. It constitutes a means for preheating. The apparatus also has a tubular reactor 25 containing a mixer 20. The mixer may be a jet nozzle mixer, into which the reactants and nucleating agent are injected and intimately mixed in such a way that an instantaneous chemical reaction occurs. A mixer is connected directly to the tubular reactor 25, where nucleation and growth of silicon particles takes place. The apparatus also includes a cyclone solid gas separator 26 through which the reactant gas and silicon particles are passed to collect and separate the silicon particles from the gas stream. The main feature of the continuous flow reduction reactor advantageously used in the process of this invention is that the reactants and nucleating agent are
It is preheated separately to a high temperature within the range of 1200°C, and the reactants and nucleating silicon particles are injected and mixed at high speed. The reactor design, temperature, and flow rate of the reactants are such that the reactants, nucleating agent, and reaction products are maintained for a period of time such that substantially the theoretical maximum conversion takes place and maximum dimensional growth of the silicon particles occurs. It is important to remain within the reaction zone during this time.
Generally, a residence time of about 0.01 to 0.1 seconds is sufficient. It is also important to preheat the silicon particles to the highest usable temperature of about 1200° C. in order to promote nucleation of the silicon from the vapor phase and growth of the silicon particles on the surface as a nucleating agent. The high velocity, turbulent flow of reactants through the jet mixing nozzle 20 and the tubular reactor 25 provides high volumetric flow rates within the small diameter tubular reactor. Particularly when the tubular reactor 25 is arranged along a horizontal axis, high gas flow velocities are necessary to keep the silicon particles in uniform suspension. In addition to providing a large nucleation surface, the silicon particles serve to scrub the inner walls of the reactor and prevent silicon particles from depositing thereon. Because of its dual purpose as a nucleating agent as well as this abrasive agent, it is advantageous to use silicon particle sizes in the range of -10 to +100 mesh. Example 1 High purity silicon tetrabromide vapor from a continuous source is fed at a rate of 0.49 liters per second into a preheater where it is heated to a temperature of 1090°C and then heated to a temperature of 25 mm i.d.
into a horizontal tubular reactor 6. The reactor is 6 meters long and is equipped with a mixing nozzle head and a cyclone solid gas separator approximately as shown in FIG. High purity hydrogen from a continuous source is pumped at a rate of 8.67 liters per second into a preheater where it is heated to a temperature of 1090°C before being pumped into the head of a tubular reactor where it When mixed intimately with silicon oxide vapor, it reacts to produce silicon and hydrogen bromide. Pure frame silicon particles in the range of -10 to +40 mesh BSS from a continuous source are preheated to a temperature of 1100 °C and 0.3 m/s
grams into the heated hydrogen stream as it enters the mixing head of the tubular reactor. The entire mass of gas and solids participating in the reduction reaction is
It flows continuously through a tubular reactor at a high velocity of about 100 meters and enters a cyclone separator. The average residence time in the tubular reactor is approximately 0.06 seconds. High purity silicon particles are separated from the gas stream,
It is discharged from the separator at a rate of 0.68 grams per second.
This gives a net yield of 0.38 grams per second. Summary SiBr 4 0.49 liters/second H 2 8.67 liters/second Nucleating agent Si 0.3 grams/second Product Si 0.68 grams/second Net Si 0.38 grams/second Preheating temperature SiBr 4 1090℃ H 2 1090℃ Si 1100℃ Reaction The velocity in the vessel is 100 m/s.Example 2 Using the same type of equipment as in Example 1, high purity tripromsilane vapor from a continuous source is fed into a preheater and heated to 955°C. It is then pumped into a tubular reactor at a rate of 0.49 liters per second. High purity hydrogen from a continuous source is pumped into a preheater to heat it to 955°C and then pumped into a tubular reactor at a rate of 8.67 liters per second. -10 to +100 from continuous source
Pure silicon particles within the range of mesh BSS
It is preheated to a temperature of 1100°C and fed at a rate of 0.1 grams per second into the heated hydrogen stream as it enters the mixing head of the tubular reactor. The entire reactant, consisting of gases and solids, passes through a tubular housing at a velocity of the order of 100 meters per second and enters a cyclone separator. High purity silicon particles are separated from the gas stream and expelled from a cyclone separator at a rate of 0.48 grams per second. Therefore, the net yield is
It is 0.38 grams. Summary HSiBr 3 0.49 liters/second H 2 8.67 liters/second Nucleating agent Si 0.1 grams/second Product Si 0.48 grams/second Net Si 0.38 grams/second Example 3 In this case, the temperature is the same as Example 2, The speed in the reactor is 100 meters/second. HSiCl 3 29.4 liters/minute H 2 520 liters/minute Nucleating agent Si 60 grams/minute Product Si 87.6 grams/minute Net Si 27.6 grams/minute Example 4 The temperature is the same as in Example 1; The speed is 200 meters/second. HSiCl 3 58.8 liters/min H 2 1040 liters/min Nucleator Si 120 grams/min Product Si 147.8 grams/min Net Si 27.8 grams/min Having illustrated a particular embodiment of the process of this invention,
Needless to say, many changes can be made. It is to be understood that the following claims are intended to cover all possible modifications within the scope of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はこの発明の方法の1実施例を示す略図
第2図はこの発明の方法を実施するのに使うこと
が出来る連続流還元用管状反応器並びに関連した
サイクロン形分離機の略図、第3図は第2図の分
離機の平面図である。 主な符号の説明、8……ハロゲン化シリコン予
熱器、9……水素予熱器、10……連続流還元反
応器。
FIG. 1 is a schematic representation of one embodiment of the process of the invention; FIG. FIG. 3 is a plan view of the separator shown in FIG. 2. Explanation of main symbols, 8...Silicon halide preheater, 9...Hydrogen preheater, 10...Continuous flow reduction reactor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 水素を500℃より高い温度まで予熱し、ハロ
ゲン化シリコン及びハロシランから成る群から選
ばれた中間体を500℃より高い温度に予熱して、
該温度で予熱された中間体が予熱された水素と蒸
気相で反応する様にし、予熱された中間体及び予
熱された水素を混合し、連続流環元方式によつて
予熱された中間体を予熱された水素で還元して蒸
気からシリコンを分離する工程から成る高純度シ
リコンの製法。 2 特許請求の範囲1に記載した高純度シリコン
の製法に於て、還元工程の間、該工程中に生成す
るシリコンの核として作用するシリコン粒子の流
れを導入する工程を含む高純度シリコンの製法。 3 特許請求の範囲1に記載した高純度シリコン
の製法に於て、前記中間体がトリブロムシラン
SiHBr3である高純度シリコンの製法。 4 特許請求の範囲1に記載した高純度シリコン
の製法に於て、前記中間体が4臭化シリコン
SiBr4である高純度シリコンの製法。 5 特許請求の範囲1に記載した高純度シリコン
の製法に於て、プロセスの反応ガスを回収し、プ
ロセスで再び使う為に反応ガスを分離する工程を
含む高純度シリコンの製法。 6 特許請求の範囲1に記載した高純度シリコン
の製法に於て、ハロゲン又はハロゲン酸を冶金用
シリコンと反応させて前記中間体を形成する工程
を含む高純度シリコンの製法。 7 特許請求の範囲6に記載した高純度シリコン
の製法に於て、前記ハロゲンが臭素である高純度
シリコンの製法。 8 特許請求の範囲6に記載した高純度シリコン
の製法に於て、前記ハロゲン酸が臭化水素酸HBr
である高純度シリコンの製法。 9 特許請求の範囲1に記載した高純度シリコン
の製法に於て、予熱された中間体及び予熱された
水素を管状反応器の中に急速に導入し、該反応器
内で反応剤を急速に且つ緊密に混合して反応を行
なわせる高純度シリコンの製法。 10 特許請求の範囲1に記載した高純度シリコ
ンの製法に於て、ハロゲン化水素を冶金用シリコ
ンと反応させて前記中間体を形成する工程を含む
高純度シリコンの製法。 11 特許請求の範囲1に記載した高純度シリコ
ンの製法に於て、水素を約900乃至1200℃の範囲
内の温度に予熱し、ハロシラン中間体を、約900
乃至1200℃の範囲内の温度まで予熱し、別々に予
熱された中間体及び水素を連続的な流れとして混
合器に注入して混合する工程から成る高純度シリ
コンの製法。 12 特許請求の範囲2に記載した高純度シリコ
ンの製法に於て、シリコン粒子の流れを導入する
工程が、予熱された水素の共通の流れに該粒子を
注入することを含む高純度シリコンの製法。
[Claims] 1. Preheating hydrogen to a temperature higher than 500°C, preheating an intermediate selected from the group consisting of silicon halides and halosilanes to a temperature higher than 500°C,
The preheated intermediate is allowed to react with the preheated hydrogen in the vapor phase, the preheated intermediate and the preheated hydrogen are mixed, and the preheated intermediate is reacted with the preheated intermediate by a continuous flow recirculation method. A method for producing high-purity silicon that consists of a process in which silicon is separated from steam by reduction with preheated hydrogen. 2. A method for producing high-purity silicon according to claim 1, which includes a step of introducing a flow of silicon particles that act as nuclei of silicon generated during the reduction step during the reduction step. . 3. In the method for producing high-purity silicon recited in claim 1, the intermediate is tribromosilane.
A method for producing high-purity silicon, SiHBr 3 . 4 In the method for producing high-purity silicon described in claim 1, the intermediate is silicon tetrabromide.
A method for producing high-purity silicon, which is SiBr 4 . 5. A method for producing high-purity silicon according to claim 1, which includes a step of recovering a reaction gas from the process and separating the reaction gas for reuse in the process. 6. A method for producing high-purity silicon according to claim 1, which includes a step of reacting a halogen or a halogen acid with metallurgical silicon to form the intermediate. 7. The method for producing high-purity silicon according to claim 6, wherein the halogen is bromine. 8 In the method for producing high-purity silicon described in claim 6, the halogen acid is hydrobromic acid HBr.
A manufacturing method for high-purity silicon. 9. In the method for producing high-purity silicon as claimed in claim 1, a preheated intermediate and preheated hydrogen are rapidly introduced into a tubular reactor, and a reactant is rapidly introduced into the reactor. A method for manufacturing high-purity silicon that involves intimate mixing and reaction. 10. A method for producing high-purity silicon according to claim 1, which includes a step of reacting hydrogen halide with metallurgical silicon to form the intermediate. 11 In the method for producing high-purity silicon described in claim 1, hydrogen is preheated to a temperature within the range of about 900 to 1200°C, and the halosilane intermediate is heated to a temperature of about 900°C to 1200°C.
A process for producing high purity silicon comprising preheating to a temperature in the range from 1200°C to 1200°C and injecting and mixing the separately preheated intermediate and hydrogen in a continuous stream into a mixer. 12. A method for producing high-purity silicon as claimed in claim 2, wherein the step of introducing a stream of silicon particles comprises injecting the particles into a common stream of preheated hydrogen. .
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