(57)【要約】【課題】従来の多結晶シリコン製造方法では、製品回収時に、反応器の加熱、冷却の繰り返し（ヒートサイクル）と反応器の解体と組み立ての繰り返しが避けられず、１）ヒートサイクルと反応器の解体と組み立てに、長い時間や日数を必要とするので、多結晶シリコンの生産性とその製造に費やすエネルギーの利用効率が低くなる；２）そのヒートサイクルに伴うセラミック材料の熱膨張や収縮の繰り返しが、セラミック製反応器の寿命を短縮する；などの課題があった。【解決手段】円筒形の反応器を縦方向に貫通孔を備えた台座に据え付け、その台座の貫通孔出口のピストンバルブを閉じて多結晶シリコンを製造した後、反応温度を維持したまま原料ガスを止め、ピストンバルブを開いて、自然または機械的衝撃によりピストンバルブ上に落下した多結晶シリコンを回収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テトラクロロシランガスを亜鉛ガスで還元して多結晶シリコンを製造する装置であって、
反応器、前記反応器を据え付ける台座および前記台座に接続する回収部からなる多結晶シリコン製造装置。
【請求項２】
前記反応器が、頂部に原料ガスとなる前記テトラクロロシランガスと前記亜鉛ガスの容器内への導入管を備え、外周に加熱装置を備えた円筒形の容器である、請求項１に記載の多結晶シリコン製造装置。
【請求項３】
前記加熱装置で反応温度８００〜１２００℃に保たれた前記反応器内に、８００〜１２００℃の温度範囲に過熱された前記テトラクロロシランガスと前記亜鉛ガスを導入して、前記テトラクロロシランガスの導入管の管口に、前記多結晶シリコンの管状集合体を成長させる、請求項１または２に記載の多結晶シリコン製造装置。
【請求項４】
前記台座が、キャスタブルおよび鋼製外皮からなり、前記キャスタブルは、中央部に縦方向の貫通孔を持つ円筒状であって、前記貫通孔の内壁上端に、前記反応器の据え付け部を備え、前記貫通孔の内壁中間部に排ガス口を備え、前記排ガス口下部より前記台座の下端開口部に至るまで前記貫通孔を円錐台状に拡げたピストンバルブの弁座を備え、さらに、前記台座下端の開口部外周に水冷されたＯリングを備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
【請求項５】
前記回収部が、前記ピストンバルブ、押し出し装置、回収容器を備える密閉容器からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
【請求項６】
前記ピストンバルブが、弁体とスクリュージャッキからなり、前記弁体が、円錐台状のキャスタブルとそれを支持する鍔付き円盤からなり、前記キャスタブルの側面にセラミック繊維製の断熱材をリング状に備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
【請求項７】
前記弁体の上面および側面に窒素ガスを噴射して、残留する前記多結晶シリコンを掃い落す窒素ガス噴射装置を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
【請求項８】
前記弁体の鍔付き円盤の鍔面で前記台座の下端開口部の外周に備わる前記Ｏリングを圧縮して、および、前記弁座で前記円錐台状のキャスタブル側面に備わる前記セラミック繊維製の断熱材を圧縮して排ガスを封止する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
【請求項９】
前記キャスタブルは、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3が主成分で、前記セラミック繊維は、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3が主成分で、前記Ｏリングはフッ素ゴムである、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
【請求項１０】
前記回収容器の材質が石英である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
【請求項１１】
頂部に前記テトラクロロシランガスと前記亜鉛ガスを前記容器内へ供給する前記導入管を備え、外周に加熱装置を備えた円筒形の前記反応器を、中央部に縦方向の貫通孔を備え、貫通孔内壁中間部に排ガス口を備える前記台座に据え付け、前記回収容器、前記押し出し装置および前記ピストンバルブからなる回収部を、前記台座の下部に接続し、前記ピストンバルブの弁体を閉じて、前記加熱装置で反応温度８００〜１２００℃に保たれた反応器内に、８００〜１２００℃の温度範囲に過熱された前記テトラクロロシランガスと前記亜鉛ガスを導入して、前記テトラクロロシランガスの導入管の管口に、針状および樹枝状の前記多結晶シリコンの管状凝集体（以下「管状集合多結晶シリコン」という。）を成長させた後、前記反応温度を維持したまま原料ガスの供給を一時停止して、自然にまたは機械的衝撃により前記管口から前記多結晶シリコンを前記ピストンバルブの弁体上に落下させ、前記ピストンバルブの前記弁体を降下して前記台座の下端を開口した後、前記押し出し装置の押し出し面で前記ピストンバルブの前記弁体のキャスタブル上面にある前記多結晶シリコンを押し出して、さらに窒素ガス噴射装置より噴射する前記窒素ガスで前記ピストンバルブの前記弁体からこぼれた前記多結晶シリコンを押し出して、前記回収容器へ回収する多結晶シリコン製造方法。
【請求項１２】
前記ピストンバルブの前記弁体を、前記スクリュージャッキで昇降して前記台座の下端開口部を開閉する、請求項１１の多結晶シリコン製造方法。
【請求項１３】
前記ピストンバルブの前記弁体の鍔付き円盤鍔面で、前記台座の下端開口部外周に備える水冷された前記Ｏリングを圧縮して、および、前記台座の前記弁座で前記ピストンバルブの前記弁体の円錐台状キャスタブル側面にリング状に備える前記セラミック繊維製の断熱材を圧縮して排ガスを封止する、請求項１１または１２の多結晶シリコン製造方法。
【請求項１４】
前記ピストンバルブの前記弁体の上面および側面に窒素ガスを噴射して、残留する前記多結晶シリコンを掃い落す窒素ガス噴射装置を備える、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコン製造装置および製造方法に関する。詳しくは、テトラクロロシランガスを亜鉛ガスで還元する亜鉛還元法によって、管状集合多結晶シリコンを製造して、効率的に回収する多結晶シリコン製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、亜鉛還元法によって、本発明と同様の製品を得る多結晶シリコンの製造法について開示する。特許文献１の多結晶シリコン製造方法は、反応器として縦型の反応器を使用し、反応温度８００〜１２００℃でテトラクロロシランガスを亜鉛ガスで還元して、反応器頂部に設置されたテトラクロロシランガス導入管の直下に、管状集合多結晶シリコンを生成させ、成長して脱落した多結晶シリコンを、特許文献１の図２に開示されている反応器下部、または反応器と併置された冷却・粉砕装置１０で冷却し、必要に応じて粉砕した後、反応器底部または冷却・粉砕装置１０に設けられたシャッター型の弁などによって反応器の系外に排出し、あるいは、反応器下部をシリコンの融点である１４２０℃以上に加熱することにより、シリコンを融解した状態（シリコン融液の状態）で連続的に反応器の系外へ取り出すこともできると開示する。
【０００３】
しかしながら、当該分野の技術者においても実施をすることができる程度に明確かつ十分な開示が無く、具体的な開示としては、実施例１〜４において、四塩化珪素（テトラクロロシラン）ガスおよび亜鉛ガスの供給を停止し、反応器を冷却した後、解体時に内部を観察し、または、反応器下部を開放して四塩化珪素ガスの導入管の管口に付着した多結晶シリコンの生成状況、または、反応器底部への落下を確認したとするに止まる。
【０００４】
一方、特許文献２のシリコン粉製造方法は、本発明の製品が管状集合多結晶シリコンであるのに対し、シリコン粉の製造法であるが、特許文献２の図１に示されるように、亜鉛ガスを鉛直方向に立設された９５０〜１２００℃の反応管１０の側周面に設けられた亜鉛ガス供給口３０ａから、四塩化珪素ガスを亜鉛ガス供給口３０ａよりも下方から反応管１０の中心軸に沿って上方に向かって吐出させてシリコン粉を生成させ、反応管１０内の下部に設けられた上下のゲートバルブ１０２、１０３からなるシリコン粉堆積部１００の下部ゲートバルブ１０３（閉状態）上に落下したシリコン粉の堆積量を検知手段（図示せず）等により確認した後、上部ゲートバルブ１０２を閉鎖状態とし、下部ゲートバルブ１０３を開放状態として、下方のシリコン粉排出口２４から、生成シリコン粉を取り出すことができると開示する。
【０００５】
しかしながら、シリコン粉堆積部１００が、９５０〜１２００℃に及ぶ反応管の輻射熱や酸性の反応ガス等にさらされる環境下であるにも拘わらず、ゲートバルブ１０２、１０３の材質、構造、サイズ、耐熱性、開閉方法、ゲートバルブ１０３上のシリコン粉堆積量の検知手段、シリコン粉回収方法等について、当該分野の技術者においても実施をすることができる程度の明確かつ十分な開示が無い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１４５６６３号公報
【特許文献２】特開２００９−１０７８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のとおり、特許文献１に、テトラクロロシランガスを亜鉛ガスで還元して多結晶シリコンを製造する縦型反応器から多結晶シリコンを回収する装置および回収する方法が開示されている。特許文献１の多結晶シリコン製造方法によれば、セラミック材料（石英または炭化珪素製）の縦型反応器を用いて、反応温度８００〜１２００℃でテトラクロロシランガスを亜鉛ガスで還元して、管状集合多結晶シリコンを製造することができるが、その製品を回収するには、原料ガスの導入を止め、縦型反応器を外気温まで冷却した後、解体または反応器下部を開放する（以降、解体と表現する）必要があった。
【０００８】
すなわち、特許文献１の多結晶シリコン製造方法では、反応器の加熱、冷却の繰り返し（ヒートサイクル）と反応器の解体と組み立ての繰り返しが避けられず、
１）ヒートサイクルと反応器の解体と組み立てに、長い時間や日数を必要とするので、多結晶シリコンの生産性とその製造に費やすエネルギーの利用効率が低くなる。
２）そのヒートサイクルに伴うセラミック材料の熱膨張や収縮の繰り返しが、セラミック製反応器の寿命を短縮する。
などの課題があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、反応器の加熱と冷却を繰り返すヒートサイクル、および反応器の解体と組み立てを繰り返しで生じる機会損失を回避して、
１）多結晶シリコンの生産性を改善し、
２）製造エネルギーの利用効率を改善し、
３）セラミック製反応器の寿命を延ばす、
多結晶シリコン製造装置および製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた。その結果、円筒形の反応器を、縦方向に貫通孔を備えた台座に据え付け、その台座の貫通孔の下端開口部にピストンバルブを備えて、多結晶シリコンを製造することで、上記課題が解決されることを見出した。すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
【００１１】
［１］テトラクロロシランガスを亜鉛ガスで還元して多結晶シリコンを製造する装置であって、反応器、前記反応器を据え付ける台座および前記台座に接続する回収部からなる多結晶シリコン製造装置。
［２］前記反応器が、頂部に原料ガスとなる前記テトラクロロシランガスと前記亜鉛ガスの容器内への導入管を備え、外周に加熱装置を備えた円筒形の容器である、［１］に記載の多結晶シリコン製造装置。
［３］前記加熱装置で反応温度８００〜１２００℃に保たれた前記反応器内に、８００〜１２００℃の温度範囲に過熱された前記テトラクロロシランガスと前記亜鉛ガスを導入して、前記テトラクロロシランガスの導入管の管口に、管状集合多結晶シリコンを成長させる、［１］または［２］に記載の多結晶シリコン製造装置。
【００１２】
［４］前記台座が、キャスタブルおよび鋼製外皮からなり、前記キャスタブルは、中央部に縦方向の貫通孔を持つ円筒状であって、前記貫通孔の内壁上端に、前記反応器の据え付け部を備え、前記貫通孔の内壁中間部に排ガス口を備え、前記排ガス口下部より前記台座の下端開口部に至るまで前記貫通孔を円錐台状に拡げたピストンバルブの弁座を備え、さらに、前記台座下端の開口部外周に水冷されたＯリングを備える、［１］〜［３］のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
［５］前記回収部が、前記ピストンバルブ、押し出し装置、回収容器を備える密閉容器からなる、［１］〜［４］のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
［６］前記ピストンバルブが、弁体とスクリュージャッキからなり、前記弁体が、円錐台状のキャスタブルとそれを支持する鍔付き円盤からなり、前記キャスタブルの側面にセラミック繊維製の断熱材をリング状に備える、［１］〜［５］のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
［７］前記弁体の上面および側面に窒素ガスを噴射して、残留する前記多結晶シリコンを掃い落す窒素ガス噴射装置を備える、［１］〜［６］のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
【００１３】
［８］前記弁体の鍔付き円盤鍔面で前記台座の下端開口部外周に備えられた前記Ｏリングを圧縮して、および、前記弁座で前記円錐台状のキャスタブル側面に備えられた前記セラミック繊維製の断熱材を圧縮して排ガスを封止する、［１］〜［７］のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
［９］前記キャスタブルは、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3が主成分で、前記セラミック繊維は、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3が主成分で、前記Ｏリングはフッ素ゴムである、［１］〜［８］のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
［１０］前記回収容器の材質が石英である、［１］〜［９］のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
【００１４】
［１１］頂部に前記テトラクロロシランガスと前記亜鉛ガスを前記容器内へ供給する前記導入管を備え、外周に加熱装置を備えた円筒形の前記反応器を、中央部に縦方向の貫通孔を備え、貫通孔内壁中間部に排ガス口を備える前記台座に据え付け、前記回収容器、前記押し出し装置および前記ピストンバルブからなる回収部を、前記台座の下部に接続し、前記ピストンバルブの弁体を閉じて、前記加熱装置で反応温度８００〜１２００℃に保たれた反応器内に、８００〜１２００℃の温度範囲に過熱された前記テトラクロロシランガスと前記亜鉛ガスを導入して、前記テトラクロロシランガスの導入管の管口に、針状および樹枝状の管状集合多結晶シリコンを成長させた後、前記反応温度を維持したまま前記原料ガスの供給を一時停止して、自然にまたは機械的衝撃により前記管口から前記多結晶シリコンを前記ピストンバルブの前記弁体上に落下させ、前記ピストンバルブの前記弁体を、スクリュージャッキにて降下して前記台座の下端を開口させた後、前記押し出し装置の押し出し面で前記ピストンバルブの前記弁体のキャスタブル上面にある前記多結晶シリコンを押し出して、さらに前記窒素ガス噴射装置より噴射する窒素ガスで前記ピストンバルブの前記弁体からこぼれた前記多結晶シリコンを押し出して、前記回収容器へ回収する多結晶シリコン製造方法。
【００１５】
［１２］前記ピストンバルブの前記弁体を、前記スクリュージャッキで昇降して台座の下端開口部を開閉する、請求［１１］の多結晶シリコン製造方法
［１３］前記ピストンバルブ弁体の鍔付き円盤鍔面で、前記台座の下端開口部外周に備える水冷された前記Ｏリングを圧縮して、および、前記台座の前記弁座で前記ピストンバルブの前記弁体の円錐台状キャスタブル側面にリング状に備える前記セラミック繊維製の断熱材を圧縮して排ガスを封止する、［１１］または［１２］の多結晶シリコン製造方法。
［１４］前記ピストンバルブの前記弁体の上面および側面に窒素ガスを噴射して、残留する前記多結晶シリコンを掃い落す窒素ガス噴射装置を備える、［１１］〜［１３］のいずれか１項に記載の多結晶シリコン製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、反応器の加熱、冷却を繰り返すヒートサイクルと反応器の解体と組み立ての繰り返しを回避して、
１）多結晶シリコンの生産性を改善し、
２）製造エネルギーの利用効率を改善し、
３）セラミック製反応器の寿命を延ばす、
多結晶シリコン製造装置および製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明に係る多結晶シリコン製造装置および製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、テトラクロロシランガスを亜鉛ガスで還元して多結晶シリコンを製造する装置および方法であって、縦方向に、順次、反応器３、反応器３を据え付ける台座１０およびその台座１０に接続する回収部４０を備える多結晶シリコン製造装置および製造方法に関する。
【００１９】
本発明に係る多結晶シリコン製造装置の特徴は、製品回収時に反応器解体を伴う従来型の製造方式を改良して、高生産性、省エネルギーを達成したことにある。また、本発明に係る多結晶シリコン製造装置は、大きく分類すれば、反応器３、台座１０、回収部４０の３パーツからなり、必要に応じ、各パーツの分解と組み立てが可能である。組み立て時の気密は、反応器３と台座１０の接続の場合、据え付け部の隙間に、例えば、金属線補強セラミック繊維のパッキンを埋め込んで、また、台座１０と回収部４０の接続の場合、台座１０の鋼製外皮１５と回収部４０の外皮４５との機械的接続によって維持される。
以下、図１を参照しながら、本発明を詳細に説明する。
【００２０】
本発明の反応器３は、頂部に原料ガスとなるテトラクロロシランガスＡと亜鉛ガスＢの容器内への導入管１、２を備え、下部が開放された円筒形の反応器３であって、その外周に電気式の加熱装置４を備える。また、随意に反応器３の頂部または側面に、多結晶シリコンＣに機械的な衝撃を加える装置（図示しない）を備えることができる。
【００２１】
多結晶シリコンＣが、８００〜１２００℃の高温に曝される反応器３の部材から発生する不純物で汚染されないように、反応器３および付属する導入管１、２の材質は、炭化珪素、窒化珪素、石英等から選択されるのが好ましく、石英がより好ましい。
【００２２】
台座１０は、大きく分類すれば、キャスタブル１１、鋼製外皮１５からなり、キャスタブル１１は、その中央部に縦方向の貫通孔を持つ円筒状であって、貫通孔の内壁上端に、反応器の据え付け部１２を備え、貫通孔の内壁中間に排ガス口１３を備え、排ガス口１３の下部より台座１０の下端に至るまで、貫通孔を円錐台状に拡げたピストンバルブの弁座１４を備える。キャスタブル１１の側面と下端には、鋼製外皮１５を備え、さらに、台座１０の下端開口部外周に、水冷装置１７にて冷却されたＯリング１６を備える。
【００２３】
キャスタブル１１の材質は、多結晶シリコンＣが部材由来の不純物で汚染されない限りにおいて特定されないが、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3が主成分であるのが好ましい。
鋼製外皮１５の材質は、本発明の目的を達成する限りにおいて特定されないが、鋼製であることが好ましい。
【００２４】
回収部４０は、外皮４５で囲われた容器内に、ピストンバルブの弁体２０およびスクリュージャッキ２４、多結晶シリコンＣの押し出し装置３０の押し出し面３１、多結晶シリコンＣの回収容器５０を備え、さらにピストンバルブの弁体２０に残留する多結晶シリコンＣの粉末を掃い落す窒素ガス噴射装置３２を備える。
【００２５】
回収部４０の材質は、本発明の目的を達成する限りにおいて特定されないが、台座１０の下端開口部を開放した際、回収部４０が反応器３からの輻射熱に晒される時間が短く、反応温度下の多結晶シリコンＣの滞留時間も短いため、回収部４０の内壁（外皮４５の内側）、押し出し装置３０の押し出し面３１、および窒素ガス噴射装置３２の温度は、一連の回収作業中において３００℃を越えることが無い。
【００２６】
よって、回収部４０の内壁（外皮４５の内側）、押し出し装置３０の押し出し面３１、および窒素ガス噴射装置３２の材質は鋼製であってもよいが、さらに金属部材との接触による多結晶シリコンＣの汚染を避けるには、回収部４０の内壁、押し出し装置３０の押し出し面３１を、ＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3が主成分のキャスタブル、炭化珪素、窒化珪素、または石英等を内張りした鋼製とするが好ましい。
【００２７】
また、多結晶シリコンＣの回収容器５０の材質は、多結晶シリコンＣの容器からの汚染を避けるため、炭化珪素、窒化珪素、石英等から選択されるのが好ましく、石英がより好ましい。
【００２８】
ピストンバルブは、弁体２０、スクリュージャッキ２４、およびその駆動部２５からなり、スクリュージャッキ２４の伸縮によって、弁体２０は上昇および下降して台座１０の下端開口部の開閉を行う。
【００２９】
本発明のピストンバルブの弁体２０は、円錐台状のキャスタブル２１とそれを支持する鍔付き円盤２２からなり、さらに、キャスタブル２１の側面にリング状に複数配したセラミック繊維製の断熱材２３を備える。
【００３０】
ピストンバルブ各部の材質は、本発明の目的を達成する限りにおいて特定されないが、８００〜１２００℃の反応温度に曝される弁体２０のキャスタブル２１の材質は、十分に断熱効果を持ったＳｉＯ2およびＡｌ2Ｏ3が主成分であるのが好ましい。
【００３１】
また、キャスタブル２１を支持する鍔付き円盤２２の温度は、反応温度下の多結晶シリコンＣ回収作業中においても３００℃を越えることが無く、またスクリュージャッキ２４の温度は、反応温度下の多結晶シリコンＣ回収作業においても、弁体２０により反応器３からの輻射熱が遮られるため１００℃を越えることが無いので、これらの材質は、回収部４０の部材と同様に、鋼製であってよい。
【００３２】
回収部４０の外に置かれるスクリュージャッキ２４の駆動部２５は常温下かであるため、鋼製であってよい。
反応中における台座１０下端開口部の気密維持は、ピストンバルブの弁体２０の閉止とそれに伴う複数の補助手段によって達成される。
【００３３】
補助手段のひとつは、鍔付き円盤２２の鍔面によるＯリング１６の圧縮による気密維持であり、さらに、補助手段のひとつは、弁座１４の逆円錐形状の内壁による、弁体２０の円錐台状キャスタブル２１側面に複数備えるリング状セラミック繊維製の断熱材２３の圧縮による気密維持である。
【００３４】
台座１０の下端開口部外周にＯリング１６を備えることで、反応器３からの輻射熱に直接曝されることがなく、かつ水冷装置１７で水冷されるため、Ｏリング１６の温度は１００℃を越えることは無い。
【００３５】
Ｏリング１６の材質は、本発明の目的を達成する限りにおいて特定されないが、例えば、常温で２０５℃、突発的温度上昇で３１５℃の耐熱性および耐酸性を備えたバイトン（商標）フッ素ゴムが好ましい。
【００３６】
セラミック繊維製の断熱材２３の材質は、本発明の目的を達成する限りにおいて特定されないが、ＳｉＯ2、および、Ａｌ2Ｏ3が主成分の耐熱性および耐酸性を備えたセラミック繊維が好ましく、Ａｌ2Ｏ3の含有量が４０％以上の、１０００℃〜１５００℃の耐熱性を備えたリフラクトリーセラミックファイバー、または、Ａｌ2Ｏ3の含有量が７０％以上の、１０００℃〜１７００℃の耐熱性を備えたアルミナ繊維から選ばれるのがより好ましい。
【００３７】
多結晶シリコン製造装置のピストンバルブの弁体２０で台座１０の下端開口部を封じ、加熱装置４で反応器３を反応器内温度が反応温度８００〜１２００℃になるまで加熱し、排ガスＤを排ガス口１３で排気しながら、同じく８００〜１２００℃に過熱された原料ガスのテトラクロロシランガスＡと亜鉛ガスＢを反応器３内に導入して、テトラクロロシランガスＡの導入管１の管口に、多結晶シリコンＣを成長させる。
【００３８】
反応時の原料ガスの流れは、原料ガス導入圧力および排ガスＤの排気量を制御して、層流とするのが好ましい。反応によって生じる排ガスには、原料ガスの一部と反応ガスおよびシリコン微粒子が含まれる。
【００３９】
反応時間が所定の時間を経ると、多結晶シリコンＣは、自然にまたは反応中の機械的衝撃により、テトラクロロシランガスＡの導入管１の管口から離脱して、反応器３の下部および台座１０の貫通孔を通って、上限位置にあるピストンバルブの弁体２０のキャスタブル２１上に落下する。
【００４０】
多結晶シリコンＣの落下後、反応器３の反応温度を８００〜１２００℃に保ったまま、排ガスＤを排気しながら、原料ガスの供給を停止し、ピストンバルブの弁体２０をスクリュージャッキ２４で回収部内の下限位置まで降下させる。次に、押し出し装置３０の押し出し面３１で、ピストンバルブの弁体２０上の多結晶シリコンＣを押し出して、回収容器５０へ回収する。さらに、ピストンバルブの弁体２０からこぼれた多結晶シリコンＣを、複数の噴射口を備えた窒素ガス噴射装置３２からの窒素ガスＦで、回収容器５０へ押出す。回収の後、再び、ピストンバルブの弁体２０をスクリュージャッキ２４で上限位置まで上昇させ、原料ガスを供給して反応を再開する。
【００４１】
多結晶シリコンＣの回収後、ピストンバルブの弁体２０は、スクリュージャッキ２４で移動させながら、複数の噴射口を備えた窒素ガス噴射装置３２から窒素ガスＦをキャスタブル２１の上面および側面、さらに鍔付き円盤２２の鍔面に噴射して、ピストンバルブの弁体２０に残留する多結晶シリコンＣを掃い落す。
【００４２】
また、ピストンバルブの弁体２０から床面にこぼれた多結晶シリコンもまた窒素ガス噴射装置３２で回収容器５０に回収する。
窒素ガスＦの圧力は０．５〜０．７ＭＰａの範囲にあるのが好ましい。
【００４３】
本発明によれば、反応器の加熱と冷却を繰り返すヒートサイクル、および反応器の解体と組み立ての繰り返しで生じる機会損失を回避して、
１）多結晶シリコンの生産性を改善し、
２）製造エネルギーの利用効率を改善し、
３）セラミック製反応器の寿命を延ばす、
多結晶シリコン製造装置および製造方法を提供することができる。
【００４４】
［実施例１］
図１に示す、多結晶シリコン製造装置を用いて、多結晶シリコンの回収実験を行った。反応器３には、内径５００ｍｍ、高さ１５００ｍｍの石英製の円筒容器を用いた。
【００４５】
反応器３の天井の中心に、内径３５ｍｍの石英製の亜鉛ガスの導入管２が１本、さらに亜鉛ガスの導入管２を中心として半径１７５ｍｍの円周を等間隔に分割する位置に内径３５ｍｍの石英製のテトラクロロシランガスの導入管１が６本取り付けられている。
【００４６】
図１に示す、多結晶シリコン製造装置において、テトラクロロシランガス導入管１、排ガス口１３および弁座１４を閉じ、亜鉛ガス導入管２から空気を吹き込んで、多結晶シリコン製造装置の気密試験を行った。その結果、台座１０に付属する圧力計５を用いて、反応器３が規定（０．５ｋPa）の気密を維持できることを確認した。
【００４７】
弁座１４の閉鎖は、スクリュージャッキ２４によってピストンバルブの弁体２０を、押付け力約２ｔで、台座１０下端および弁座１４に押付けて、台座１０下端開口部の外周に備えるＯリング１６、および弁体２０のキャスタブル２１側面の２箇所に備えられたリング状のセラミック繊維製の断熱材２３を圧縮して行った。
【００４８】
予め、図１の多結晶シリコン製造装置を使って、原料を入れずに、反応器を反応器の加熱装置４で９５０℃に３時間に渡って加熱して、ピストンバルブの弁体２０の各部他に熱電対を配置して温度分布を測定した。
【００４９】
３時間後の、ピストンバルブの弁体２０の上面は、反応温度の影響で約９００℃であった。ピストンバルブの弁体２０の側面には、上面から側面に至って約９００〜１００℃の温度勾配が形成されていた。
【００５０】
また、台座１０の下端に備わるＯリング１６の水冷装置１７の徐熱量を制御して、反応器の９５０℃加熱時においても、ピストンバルブの弁体２０の鍔付き円盤２２の温度が、約８０℃になるように設定した。
【００５１】
外部のテトラクロロシラン気化器および亜鉛気化器で、それぞれ９５０℃に加熱されたテトラクロロシランガスＡおよび亜鉛ガスＢを原料ガスとして、それぞれ時間当たり１７０Ｋｇおよび１３０Ｋｇの割合で、反応器の加熱装置４で９５０℃に加熱された反応器３内に送り込んで、多結晶シリコンＣを生成させる亜鉛還元反応を実施した。
【００５２】
多結晶シリコンＣの落下時において、反応器３内部の圧力および温度トレンドに多結晶シリコンＣの落下を示す瞬時ピークおよび変化が現れるので、あらましの多結晶シリコンの落下回数を予測することができた。１時間毎に回収操作を入れながら約３時間に渡って反応を終了した。
【００５３】
１時間毎の回収操作は、次のように行った。まず、反応器の頂部設けられた掻き取り装置によりテトラクロロランガスの導入管に残存する多結晶シリコンを掻き落とし、次に、原料ガスの供給を止め、さらに、反応器の加熱装置４を停止した後、ピストンバルブの弁体２０を開放して、多結晶シリコンＣの回収を実施した。スクリュージャッキ２４にて、ピストンバルブの弁体２０を閉止（上限）位置から下限位置まで降下させる所要時間は、約２分であった。
【００５４】
ピストンバルブの弁体２０が下限位置まで降下した後、回収部４０の外皮４５に設置した覘き窓から回収部を目視で確認したところ、ピストンバルブの弁体２０の降下過程で、多結晶シリコンＣの約１/３がピストンバルブの弁体２０よりこぼれていた。
【００５５】
押し出し装置３０の駆動部２５を作動して、押し出し面３１で弁体２０の上面のポリシリコンを、約１分で回収容器５０へ回収した。
押し出し装置３０の押し出し面３１を、約１分で壁面の待機位置まで移動させたのち、窒素ガス噴射装置３２を用いて、弁体２０よりこぼれたポリシリコンを、窒素ガス噴射により約２分で回収容器へ全量回収した。同時に、ピストンバルブの弁体２０のキャスタブル２１側面、および鍔付き円盤２２の付着物の払い落としを実施した。
【００５６】
開放されたピストンバルブの弁体２０の観察では、排ガスのうち、亜鉛ガス（沸点９０８℃、融点４１９℃）および塩化亜鉛ガス（沸点７３２℃、融点２７５°）は、ピストンバルブの弁体２０の側面で固化し、セラミック繊維製の断熱材２３より下部への侵入が見られなかった。
【００５７】
排ガスのうち、テトラクロロシランガス（沸点５７℃、）もまた、鍔付き円盤２２の温度がテトラクロロシランの沸点（５７℃）温度以上、すなわち約８０℃に維持されているので、ピストンバルブの弁体２０より下部への侵入が見られなかった。
【００５８】
回収作業に伴う、上面温度が約９００℃であるピストンバルブの弁体２０からの輻射により、回収部４０内の温度は約９０℃に上昇したが、スクリュージャッキ２４にて弁体２０を上限位置まで上昇させた時間約２分を加え、一連の回収作業に要した時間が合計約８分間であったために、回収部４０の外皮４５温度は５０℃以上に上昇することは無かった。さらに、弁体２０の傘下に位置するスクリュージャッキ２４の温度は外気温度に近い温度であった。
【００５９】
多結晶シリコンＣの回収作業を終了した後、反応器３内部を窒素ガスで一定時間置換したのち、所定の手順で原料ガスの供給を開始し、多結晶シリコンＣの製造を再開した。
反応時間が１時間に及ぶ度に上記の回収作業を繰り返し、３時間に渡った反応を終了した後、ピストンバルブの閉止を確認して、回収部４０内を空気で置換し、フランジ４１を切離して多結晶シリコンＣの取り出しを行った。
【００６０】
取り出された多結晶シリコンＣの量から、本実験では、反応単位時間当たり約２３Ｋｇの多結晶シリコンＣが製造されていたことが分かった。
【符号の説明】
【００６１】
Ａ    テトラクロロシランガス
Ｂ    亜鉛ガス
Ｃ    多結晶シリコン
Ｄ    排ガス
Ｅ    排ガス
Ｆ    窒素ガス
Ｇ    空気
１    テトラクロロシランガスの導入管
２    亜鉛ガスの導入管
３    反応器
４    反応器の加熱装置
５    圧力計
６    温度計
１０  台座
１１  台座のキャスタブル
１２  反応器の据え付け部
１３  排ガス口
１４  弁座
１５  鋼製外皮
１６  Ｏリング
１７  Ｏ−リングの水冷装置
２０  ピストンバルブの弁体
２１  弁体のキャスタブル
２２  弁体の鍔付き円盤
２３  セラミック繊維製の断熱材
２４  スクリュージャッキ
２５  スクリュージャッキの駆動部
３０  押し出し装置
３１  押し出し面
３２  窒素ガス噴射装置
４０  回収部
４１  フランジ
４２  排ガス出口
４３  空気入口
４４  Ｏリング
４５  外皮
５０  回収容器
【図１】
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