(57)【要約】【課題】反応器壁面等へのシリコン析出を回避し、反応器から排出するガスとともに排出されて回収されないシリコンの量及び未反応の原料ガス損失量を最小化して、一定品質、一定形状の固体シリコンを連続的に量産できるシリコン製造装置を提供する。【解決手段】第１反応器１と、第１反応器の下流において連絡した第２反応器２と、を備え、第１反応器は、珪素化合物を亜鉛で還元して固体シリコンを生成し、第２反応器は、前記第１反応器で生成された固体シリコンのうち、相対的に小さな結晶サイズの固体シリコンを種結晶としながら、珪素化合物を亜鉛で還元して固体シリコンを生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１反応器と、
前記第１反応器に連絡し、珪素化合物ガスを、前記第１反応器内に供給する第１珪素化合物ガス供給系と、
前記第１反応器に連絡し、亜鉛ガスを、前記第１反応器内に供給する第１亜鉛ガス供給系と、
前記第１反応器の下流において第１連絡部で連絡した第２反応器と、
前記第２反応器に連絡し、珪素化合物ガスを、前記第２反応器内に供給する第２珪素化合物ガス供給系と、
前記第２反応器に連絡し、亜鉛ガスを、前記第２反応器内に供給する第２亜鉛ガス供給系と、を備え、
前記第１反応器は、前記第１珪素化合物ガス供給系が供給する前記珪素化合物ガスに含まれる珪素化合物を、前記第１亜鉛ガス供給系が供給する前記亜鉛ガスに含まれる亜鉛で還元して固体シリコンを生成する反応器であり、前記第２反応器は、前記第１反応器で生成された前記固体シリコンのうち、前記第１連絡部を通過して前記第２反応器内に流入した相対的に小さな結晶サイズの固体シリコンを種結晶としながら、前記第２珪素化合物ガス供給系が供給する前記珪素化合物ガスに含まれる珪素化合物を、前記第２亜鉛ガス供給系が供給する前記亜鉛ガスに含まれる亜鉛で還元して固体シリコンを生成する反応器であるシリコン製造装置。
【請求項２】
前記第１反応器及び前記第２反応器の各々は、前記第１反応器及び前記第２反応器の各々の内部の前記固体シリコンを融点付近まで加熱する誘導加熱装器を備える請求項１に記載のシリコン製造装置。
【請求項３】
前記第１珪素化合物ガス供給系及び前記第１亜鉛ガス供給系は、第１反応器に対して、前記珪素化合物ガス及び前記亜鉛ガスを所定モル比の関係に維持して所定流量で供給する制御系であり、前記第２珪素化合物ガス供給系及び前記第２亜鉛ガス供給系は、第２反応器に対して、前記珪素化合物ガス及び前記亜鉛ガスを所定モル比の関係に維持して所定流量で供給する制御系である請求項１又は２に記載のシリコン製造装置。
【請求項４】
前記第１珪素化合物ガス供給系及び前記第２珪素化合物ガス供給系は、珪素化合物ガスを供給ラインに供給するガス供給源と、前記供給ラインを開閉自在なバルブと、前記供給ラインを流れる前記珪素化合物ガスの流量を検出する流量検出器と、前記流量検出器の検出結果に基づいて、前記供給ラインを流れる前記珪素化合物ガスの流量を、前記バルブを介して制御する流量コントローラと、を備える請求項３に記載のシリコン製造装置。
【請求項５】
前記第１亜鉛ガス供給系及び前記第２亜鉛ガス供給系は、液体亜鉛を液体亜鉛だめに供給する液体亜鉛供給源と、非貫通穴が形成されて回転自在に保持された回転部材を有して、フィーダコントローラの制御により、前記回転部材が回転することにより、前記液体亜鉛だめから送液される前記液体亜鉛の流量を制御しながら送液する定量フィーダと、を備え、前記定量フィーダから送液される前記液体亜鉛から亜鉛ガスを生成する請求項３又は４に記載のシリコン製造装置。
【請求項６】
更に、前記第２反応器の下流において第２連絡部で連絡したガス処理装置を備え、前記ガス処理装置は、前記第２連絡部を介して流入する、前記第１反応器で副生成された亜鉛化合物ガス及び前記第２反応器で副生成された亜鉛化合物ガスを液化又は固化して受け入れる処理装置であり、前記亜鉛化合物ガスの受入ガス体積の減少量を制御しながら前記第１反応器及び前記第２反応器を通過するガスの流速を制御自在な制御系を備える請求項１から５のいずれかに記載のシリコン製造装置。
【請求項７】
前記ガス処理装置は、その内部を冷却する空冷コンデンサ及び前記空冷コンデンサに冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を備え、前記冷却媒体供給系は、前記空冷コンデンサの冷却能力を制御する制御系である請求項６に記載のシリコン製造装置。
【請求項８】
前記冷却媒体供給系は、前記空冷コンデンサに連絡する空気ラインと、前記空気ラインを流れる空気を一定温度に保持するクーラと、前記空気ラインを流れる前記一定温度に保持された前記空気を前記空気ラインを介して前記空冷コンデンサに送風する送風ファンと、前記送風ファンの回転動作を制御する変速装置と、を備える請求項７に記載のシリコン製造装置。
【請求項９】
前記ガス処理装置は、更に、前記空冷コンデンサにより液化された溶融亜鉛化合物を受け入れる亜鉛化合物タンクと、前記亜鉛化合物タンクにためられる前記溶融亜鉛化合物の重量を測定するロードセルと、を有し、前記変速装置は、前記ロードセルが測定した前記溶融亜鉛化合物の前記重量の変化量が一定になるように、前記送風ファンの回転動作を制御する請求項８に記載のシリコン製造装置。
【請求項１０】
前記ガス処理装置は、その内部に負圧を発生させるエゼクタ及び前記エゼクタに噴出媒体を供給する噴出媒体供給系を備え、前記噴出媒体供給系は、前記エゼクタの冷却能力を制御する制御系である請求項６に記載のシリコン製造装置。
【請求項１１】
前記噴出媒体供給系は、噴出媒体を供給ラインに供給する噴出媒体供給源と、前記供給ラインを開閉自在なバルブと、前記供給ラインを流れる前記噴出媒体の流量を検出する流量検出器と、前記流量検出器の検出結果に基づいて、前記供給ラインを流れる前記噴出媒体の流量を、前記バルブを介して制御する流量コントローラと、を備える請求項１０に記載のシリコン製造装置。
【請求項１２】
前記ガス処理装置は、更に、前記エゼクタにより固化された固体亜鉛化合物を受け入れる亜鉛化合物ホッパと、前記亜鉛化合物ホッパにためられる前記固体亜鉛化合物の重量を測定するロードセルと、を有し、前記流量コントローラは、前記ロードセルが測定した前記固体亜鉛化合物の前記重量の変化量が一定になるように、前記バルブの開度を制御する請求項１１に記載のシリコン製造装置。
【請求項１３】
前記ガス処理装置は、補助反応器を備え、前記補助反応器は、前記第２連絡部を通過して前記補助反応器に流入した相対的に小さな結晶サイズの固体シリコンを種結晶としながら、前記第２連絡部を通過して前記補助反応器に流入した未反応のガスを用いて固体シリコンを生成可能な反応器である請求項４から１２のいずれかに記載のシリコン製造装置。
【請求項１４】
更に、前記第１反応器及び前記第２反応器の内部の温度を一定に維持するヒータと、前記第１反応器及び前記第２反応器の内部の圧力を一定圧力に制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記第１反応器及び前記第２反応器の内部を前記一定圧力に制御するように、前記第１珪素化合物ガス供給系及び前記第１亜鉛ガス供給系の前記制御系、前記第２珪素化合物ガス供給系及び前記第２亜鉛ガス供給系の前記制御系、又は前記ガス処理装置の前記制御系を制御する請求項３から１３のいずれかに記載のシリコン製造装置。
【請求項１５】
前記第１反応器に対して、前記第１珪素化合物ガス供給系から供給される前記珪素化合物ガスは、前記第１亜鉛ガス供給系から供給される前記亜鉛ガスよりも上流に供給され、前記第２反応器に対しては、前記第２珪素化合物ガス供給系から供給される前記珪素化合物ガスは、前記第２亜鉛ガス供給系から供給される前記亜鉛ガスよりも上流に供給される請求項１から１４のいずれかに記載のシリコン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン製造装置に関し、特に、第１反応器の下流に第２反応器を設けたシリコン製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、いわゆる亜鉛還元法により四塩化珪素を亜鉛で還元して高純度のシリコンを得る製法は、その設備がコンパクトで消費エネルギーが小さく、かつ６−ナイン以上の高純度のシリコンが得られるものであるため、今後急速に需要が拡大するとされる太陽電池用シリコン等の製法として注目されてきている。亜鉛還元法の反応式は、ＳｉＣｌ４＋２Ｚｎ→Ｓｉ＋２ＺｎＣｌ２で示される。
【０００３】
半導体の原材料として要求されるシリコンの純度は、集積回路用途で８−ナイン以上のより高純度のものが必要とされ、三塩化珪素ガスを水素ガスで還元するシーメンス法と呼ばれる方法で精製されて製造され、このときの端材やオフスペック品が太陽電池用途に流用することも可能であるが、シリコンの製造量の確保やコスト削減には、一定の限界があり、低コストで製造量の確保ができる亜鉛還元法の開発が急務となっている。
【０００４】
かかる状況下で、亜鉛還元法として、９５０℃以上１２００℃以下に加温された四塩化珪素ガスと亜鉛ガスとを接触させ、固体シリコンを四塩化珪素ガス供給配管の噴出口に析出させる構成が開示されている（特許文献１及び２参照）。
【０００５】
また、亜鉛還元法として、反応器内にシリコンの種結晶を入れて、投入する原料ガス及び副生する塩化亜鉛ガスにより流動化させ、この流動床を構成する種結晶の表面にシリコンを析出させる構成が開示されている（特許文献３から５及び非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−１４５６６３号公報
【特許文献２】特開２００７−２２３８２２号公報
【特許文献３】特開２００３−３４２０１６号公報
【特許文献４】特開２００４−１０４７２号公報
【特許文献５】特開平１１−９２１３０号公報
【非特許文献１】Ｎｏ．２１６，Ｖｏｌ．７８  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＯＦ  ＥＮＥＲＧＹ  ＡＮＤ  ＭＥＴＡＬＬＩＣ  ＭＩＮＥＲＡＬＳ  ＡＩＣｈＥ  ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ  ＳＥＲＩＥＳ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１及び２に開示される構成では、四塩化珪素噴出口における圧力損失が変動してシリコン析出の反応を定常状態に保つことが困難であり、かつシリコン回収時の装置停止が必須となるため、一定品質のシリコンを量産する上では改善の余地がある。
【０００７】
また、特許文献３から５及び非特許文献１に開示される構成では、シリコンの種結晶によるコストアップがある他、原料ガスと種結晶との接触を均一化して安定した流動床を形成し維持することは困難であり、複雑な装置を製作するための耐高温であって耐ガス腐食性の材料の選択も困難であることからも、実現性において改善の余地がある。
【０００８】
更なる本発明者の検討によれば、特定の反応条件で反応器壁面等へのシリコン析出を回避して、非密着性の針状又は繊維状シリコンを回収できることが判明した。
【０００９】
具体的には、管状の反応器内で、１１００℃以上に加熱された四塩化珪素ガスと亜鉛ガスとを接触させて、固体シリコンと塩化亜鉛ガスとを得て、析出する固体シリコンを重力で落下させるとともに塩化亜鉛ガスを引抜いて、両者を分離回収する構成である。このとき、析出する固体シリコンのうち、反応器内において、塩化亜鉛を主成分とするガス流に同伴しない大きいサイズの結晶が落下して回収されるが、反応器内の原料ガス密度が大きいほうが、大きい結晶を得られることがわかっている。これは、微細な一次結晶が核となり、その近傍にある原料ガスから生成するシリコンがその表面に堆積し結晶成長すること、及び原料ガス密度が高ければその確率が増えるためと考えられる。なお、この際、反応器内の温度の検出は煩雑なので、反応器の外表面の温度を検出して、その検出温度を反応器内のガス温度として適用している。
【００１０】
ここで、かかる構成においては、反応器に供給される原料ガス成分のモル比、反応器内を流れるガス流の流速、温度等の反応条件が適切に制御されないと、シリコン結晶体が種結晶上にうまく成長できず、Ｓｉ２Ｃｌ６といった中間体が生成されたり、相当量の未反応ガスが生じてしまうため、このような反応条件を最適に制御することが、工業化する上では重要である。
【００１１】
また、この場合の温度条件は１１００℃以上と高温であり、これに耐え、かつ回収されるシリコンを汚染せず、反応器及びその周辺機器の用途として経済的に許容される材質は石英ガラスにほぼ限定され、その構造も単純なものしか製作できない現実もある。
【００１２】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、反応器壁面等へのシリコン析出を回避し、反応器から排出するガスとともに排出されて回収されないシリコンの量及び未反応の原料ガス損失量を最小化するために、反応器内の温度分布、原料ガス濃度分布、ガス流速分布を定常化して、一定品質、一定形状の固体シリコンを連続的に量産でき、かつ１１００℃以上の高温で操業し得る亜鉛還元法によるシリコン製造装置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】
【００１３】
本発明は、かかる事情に鑑み、反応器を複数直列に配置した多段反応装置を構成し、各反応器内で生成した固体シリコンのうち、落下して反応器底部から回収できるものと反応器内のガス流に同伴する微細なものとを分離して処理すれば、その歩留りを改善できることを見出して完成されたものである。すなわち、本発明においては、微細なシリコンを種結晶として、後続する反応器において、その表面に更にシリコンを析出させる構成を完成させたものである。
【００１４】
このとき、回収されるシリコンの形状は、太陽電池の原料として後処理する都合上、直径１ｍｍ程度の針状が良いとされている。そして、このようなシリコン結晶を得るためには、核となる種結晶の近傍に原料ガスがで十分存在する条件で結晶成長させる必要があることが必要である。しかし、このような条件での操業は、反応器に供給された原料ガスを常に１００％、過不足なく反応させるような制御が事実上困難なことから、未反応の原料ガス損失を発生させるが、このときに副生塩化亜鉛ガスとともに排出される原料ガスを、後続する反応器において、新たに供給される原料ガスとともに有効利用すれば、かかる事象も克服される。後続の反応器においては、核になる種微細シリコンの表面に更にシリコンが析出するから、原料ガス密度が希薄であっても、前段の反応器で得られるものと同様の針状シリコン結晶を得ることができる。また、Ｓｉ２Ｃｌ６といった中間体が生成されている場合でも、後続の反応器において有効利用することができる。
【００１５】
一方、反応器内の温度が不均一であれば当然、反応器内ガスの濃淡が発生して析出するシリコンの形状も変化する。しかし、このような温度分布、ガス密度分布も制御目標値を決めて管理できれば好都合に利用できる。つまり、鉛直方向に配置した反応器の内容物を、高さ方向の特定部分を通過するときだけ特定の温度まで冷却して原料ガス密度を上げ、その後また元の温度近辺まで加熱するような構成により、製品回収に都合の良い部分において選択的にシリコン析出反応を促すような制御ができるとともに、原料ガス供給配管や排気配管への閉塞を防ぐことができる。
【００１６】
つまり、以上の知見に基づき、本発明者は、反応器から排出するガスの処理工程において、含有する塩化亜鉛成分を液化又は固化するときの冷却熱量を制御して、各反応器を通過するガス流速を制御するとともに、各反応器内の温度を定常状態とした上で、その圧力が所定の範囲内になるように各反応器への原料ガス供給量を制御して、各反応器におけるシリコン析出を定常化し、一定品質、一定形状の固体シリコンを連続的に量産できる構成を実現したものである。
【００１７】
更に、電磁誘導による導体内部の渦電流損を利用し、反応器自体をその使用限界温度まで加熱せずシリコンのみを、反応器内の特定部分を通過するとき一時的に半溶融状態まで選択加熱し、その表面へのシリコン析出を促すとともに微細な結晶同士を融合させる構成も実現したものである。
【００１８】
つまり、本発明は、第１の局面において、第１反応器と、前記第１反応器に連絡し、珪素化合物ガスを、前記第１反応器内に供給する第１珪素化合物ガス供給系と、前記第１反応器に連絡し、亜鉛ガスを、前記第１反応器内に供給する第１亜鉛ガス供給系と、前記第１反応器の下流において第１連絡部で連絡した第２反応器と、前記第２反応器に連絡し、珪素化合物ガスを、前記第２反応器内に供給する第２珪素化合物ガス供給系と、前記第２反応器に連絡し、亜鉛ガスを、前記第２反応器内に供給する第２亜鉛ガス供給系と、を備え、前記第１反応器は、前記第１珪素化合物ガス供給系が供給する前記珪素化合物ガスに含まれる珪素化合物を、前記第１亜鉛ガス供給系が供給する前記亜鉛ガスに含まれる亜鉛で還元して固体シリコンを生成する反応器であり、前記第２反応器は、前記第１反応器で生成された前記固体シリコンのうち、前記第１連絡部を通過して前記第２反応器内に流入した相対的に小さな結晶サイズの固体シリコンを種結晶としながら、前記第２珪素化合物ガス供給系が供給する前記珪素化合物ガスに含まれる珪素化合物を、前記第２亜鉛ガス供給系が供給する前記亜鉛ガスに含まれる亜鉛で還元して固体シリコンを生成する反応器であるシリコン製造装置である。
である。
【００１９】
また本発明は、かかる第１の局面に加えて、前記第１反応器及び前記第２反応器の各々は、前記第１反応器及び前記第２反応器の各々の内部の前記固体シリコンを融点付近まで加熱する誘導加熱装器を備えることを第２の局面とする。
【００２０】
また本発明は、かかる第１又は２の局面に加えて、前記第１珪素化合物ガス供給系及び前記第１亜鉛ガス供給系は、第１反応器に対して、前記珪素化合物ガス及び前記亜鉛ガスを所定モル比の関係に維持して所定流量で供給する制御系であり、前記第２珪素化合物ガス供給系及び前記第２亜鉛ガス供給系は、第２反応器に対して、前記珪素化合物ガス及び前記亜鉛ガスを所定モル比の関係に維持して所定流量で供給する制御系であることを第３の局面とする。
【００２１】
また本発明は、かかる第３の局面に加えて、前記第１珪素化合物ガス供給系及び前記第２珪素化合物ガス供給系は、珪素化合物ガスを供給ラインに供給するガス供給源と、前記供給ラインを開閉自在なバルブと、前記供給ラインを流れる前記珪素化合物ガスの流量を検出する流量検出器と、前記流量検出器の検出結果に基づいて、前記供給ラインを流れる前記珪素化合物ガスの流量を、前記バルブを介して制御する流量コントローラと、を備えることを第４の局面とする。
【００２２】
また本発明は、かかる第３又は４の局面に加えて、前記第１亜鉛ガス供給系及び前記第２亜鉛ガス供給系は、液体亜鉛を液体亜鉛だめに供給する液体亜鉛供給源と、非貫通穴が形成されて回転自在に保持された回転部材を有して、フィーダコントローラの制御により、前記回転部材が回転することにより、前記液体亜鉛だめから送液される前記液体亜鉛の流量を制御しながら送液する定量フィーダと、を備え、前記定量フィーダから送液される前記液体亜鉛から亜鉛ガスを生成することを第５の局面とする。
【００２３】
また本発明は、かかる第１から５のいずれかの局面に加えて、更に、前記第２反応器の下流において第２連絡部で連絡したガス処理装置を備え、前記ガス処理装置は、前記第２連絡部を介して流入する、前記第１反応器で副生成された亜鉛化合物ガス及び前記第２反応器で副生成された亜鉛化合物ガスを液化又は固化して受け入れる処理装置であり、前記亜鉛化合物ガスの受入ガス体積の減少量を制御しながら前記第１反応器及び前記第２反応器を通過するガスの流速を制御自在な制御系を備えることを第６の局面とする。
【００２４】
また本発明は、かかる第６の局面に加えて、前記ガス処理装置は、その内部を冷却する空冷コンデンサ及び前記空冷コンデンサに冷却媒体を供給する冷却媒体供給系を備え、前記冷却媒体供給系は、前記空冷コンデンサの冷却能力を制御する制御系であることを第７の局面とする。
【００２５】
また本発明は、かかる第７の局面に加えて、前記冷却媒体供給系は、前記空冷コンデンサに連絡する空気ラインと、前記空気ラインを流れる空気を一定温度に保持するクーラと、前記空気ラインを流れる前記一定温度に保持された前記空気を前記空気ラインを介して前記空冷コンデンサに送風する送風ファンと、前記送風ファンの回転動作を制御する変速装置と、を備えることを第８の局面とする。かかる変速装置としては、インバータ装置が例示できる。
【００２６】
また本発明は、かかる第８の局面に加えて、前記ガス処理装置は、更に、前記空冷コンデンサにより液化された溶融亜鉛化合物を受け入れる亜鉛化合物タンクと、前記亜鉛化合物タンクにためられる前記溶融亜鉛化合物の重量を測定するロードセルと、を有し、前記変速装置は、前記ロードセルが測定した前記溶融亜鉛化合物の前記重量の変化量が一定になるように、前記送風ファンの回転動作を制御することを第９の局面とする。
【００２７】
また本発明は、かかる第６の局面に加えて、前記ガス処理装置は、その内部に負圧を発生させるエゼクタ及び前記エゼクタに噴出媒体を供給する噴出媒体供給系を備え、前記噴出媒体供給系は、前記エゼクタの冷却能力を制御する制御系であることを第１０の局面とする。
【００２８】
また本発明は、かかる第１０の局面に加えて、前記噴出媒体供給系は、噴出媒体を供給ラインに供給する噴出媒体供給源と、前記供給ラインを開閉自在なバルブと、前記供給ラインを流れる前記噴出媒体の流量を検出する流量検出器と、前記流量検出器の検出結果に基づいて、前記供給ラインを流れる前記噴出媒体の流量を、前記バルブを介して制御する流量コントローラと、を備えることを第１１の局面とする。
【００２９】
また本発明は、かかる第１１の局面に加えて、前記ガス処理装置は、更に、前記エゼクタにより固化された固体亜鉛化合物を受け入れる亜鉛化合物ホッパと、前記亜鉛化合物ホッパにためられる前記固体亜鉛化合物の重量を測定するロードセルと、を有し、前記流量コントローラは、前記ロードセルが測定した前記固体亜鉛化合物の前記重量の変化量が一定になるように、前記バルブの開度を制御することを第１２の局面とする。
【００３０】
また本発明は、かかる第４から１２のいずれかの局面に加えて、前記ガス処理装置は、補助反応器を備え、前記補助反応器は、前記第２連絡部を通過して前記補助反応器に流入した相対的に小さな結晶サイズの固体シリコンを種結晶としながら、前記第２連絡部を通過して前記補助反応器に流入した未反応のガスを用いて固体シリコンを生成可能な反応器である
ことを第１３の局面とする。
【００３１】
また本発明は、かかる第３から１３のいずれかの局面に加えて、更に、前記第１反応器及び前記第２反応器の内部の温度を一定に維持するヒータと、前記第１反応器及び前記第２反応器の内部の圧力を一定圧力に制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記第１反応器及び前記第２反応器の内部を前記一定圧力に制御するように、前記第１珪素化合物ガス供給系及び前記第１亜鉛ガス供給系の前記制御系、前記第２珪素化合物ガス供給系及び前記第２亜鉛ガス供給系の前記制御系、又は前記ガス処理装置の前記制御系を制御することを第１４の局面とする。
【００３２】
また本発明は、かかる第１から１４のいずれかの局面に加えて、前記第１反応器に対して、前記第１珪素化合物ガス供給系から供給される前記珪素化合物ガスは、前記第１亜鉛ガス供給系から供給される前記亜鉛ガスよりも上流に供給され、前記第２反応器に対しては、前記第２珪素化合物ガス供給系から供給される前記珪素化合物ガスは、前記第２亜鉛ガス供給系から供給される前記亜鉛ガスよりも上流に供給されることを第１５の局面とする。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、１１００℃以上の高温の腐食性ガスプロセスに対する極めて限定された装置設計条件の下で、亜鉛による四塩化珪素の還元反応を定量的に実施するための諸条件を制御できる。よって、反応器壁面等へのシリコン析出を回避し、反応器から排出するガスとともに排出し回収されないシリコンの量と未反応の原料ガス損失量を最小化するために反応器内の温度分布、原料ガス濃度分布、ガス流速分布を定常化して、一定品質、一定形状の固体シリコンを連続的に量産する、亜鉛還元法によるシリコン製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図面を適宜参照して、本発明の実施形態におけるシリコン製造装置につき詳細に説明する。なお、図中、ｚ軸は、鉛直方向を示す。
【００３５】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態におけるシリコン製造装置につき、図１から４を参照して、詳細に説明する。
【００３６】
図１は、本実施形態におけるシリコン製造装置の模式的構成図である。図２は、本実施形態における四塩化珪素ガス供給系の模式的構成図である。図３は、本実施形態における亜鉛ガス供給系の模式的構成図である。図４は、本実施形態における温風供給系の模式的構成図である。
【００３７】
図１に示すように、シリコン製造装置Ｓ１は、第１反応器１と、第１反応器１の下流に連結された第２反応器２と、第２反応器２の下流に連結されたガス処理装置３と、を備える。ここに、第１反応器１、第２反応器２及びガス処理装置３（具体的には、詳細は後述する補助反応器６０）の周囲は、図示しない温度検出器を有し制御機能を有する外部ヒータＨで囲われ、これらの内部が９００℃以上１３００℃以下の一定温度、より好適には、１１００℃以上１３００℃以下の一定温度になるようにフィードバック制御されて加熱されている。なお、ヒータＨとしては、限定的なものではないが抵抗加熱器等が使用でき、第１反応器１及び第２反応器２の温度としては、構成の便宜上、各反応器の外表面温度を検出してその検出温度が代表的に用いられる。また、第１反応器１、第２反応器２及びガス処理装置３は、いずれも石英ガラス製の管状容器であり、第１反応器１及び第２反応器２は、直管状でｚ軸に平行に立設され、ｚ軸の負方向が、重力の方向である。また、下流とは、シリコン製造装置Ｓ内で流れるガス流についての下流を意味する。
【００３８】
かかる第１反応器１の供給口部４ａには、第１反応器１に対して珪素化合物ガスである四塩化珪素ガスを供給する四塩化珪素ガス供給系４が連絡される。更に、第１反応器１の供給口部５ａには、第１反応器１に対して亜鉛ガスを供給する亜鉛ガス供給系５が連絡される。ここに、四塩化珪素ガスが供給される供給口部４ａの第１反応容器１側の端部にシリコンが析出することを防ぐため、亜鉛ガスが供給される供給口部５ａが、四塩化珪素ガスが供給される供給口部４ａよりも下流側（ｚ軸の正方向側）に設けられる。
【００３９】
四塩化珪素ガス供給系４は、より具体的には図２に示すように、四塩化珪素ガス供給源１０と第１反応器１の供給口部４ａとの間を連通する供給ライン１１及び供給ラインに１１に設けられたバルブ１２を有し、更に、供給ライン１１には、バルブ１２の下流（図２中では右方向）に流量検出器１３が設けられ、流量検出器１３は、供給ライン１１を流れる四塩化珪素ガスの流量を検出する。
【００４０】
かかる流量検出器１３の流量検出信号は、流量コントローラ１４に送出され、流量コントローラ１４は、入力された流量検出信号に基づいて、バルブ１２の開度を調節して、供給ライン１１を流れる四塩化珪素ガスの流量を設定された流量に制御する。つまり、流量コントローラ１４は、供給ライン１１を流れる四塩化珪素ガスの流量をモニタしながら、その流量を所定流量に制御するものであり、このように所定流量に制御された四塩化珪素ガスが、第１反応器１の供給口部４ａに供給されることになる。また、かかる制御は、フィードバック制御である。
【００４１】
また、図３に示すように、亜鉛ガス供給系５は、液体亜鉛供給源２０と第１反応器１の供給口部５ａとの間を液体亜鉛をガス化して連絡するものであり、液体亜鉛供給源２０には、液体亜鉛だめ２１が連絡され、液体亜鉛だめ２１には、定量フィーダ２２が連絡される。かかる定量フィーダ２２は、閉じた穴（非貫通穴）が形成されて所定の回転軸Ｒの周りに回転自在に保持された回転球２２ａを有し、フィーダコントローラ２２ｂの制御により、回転球２２ａが回転して、その閉じた穴（非貫通穴）にたまった液体亜鉛を送液することにより、液体亜鉛だめ１４から送液される液体亜鉛を設定された所定流量に計量しながら更に送液するものである。また、かかる制御は、フィードバック制御である。なお、定量フィーダ２２の回転球２２ａは、形状的には球状に限定されるものではなく、回転軸Ｒの周りに回転自在のものであれば、円柱状部材等であってもよい。
【００４２】
更に、定量フィーダ２２の下方（ｚ軸の負方向）には、定量フィーダ２２から所定流量に制御されて送液されてきた液体亜鉛が供給される亜鉛加熱器２３が連絡される。かかる亜鉛加熱器２３は、ヒータ２３ａを有し、ヒータ２３ａは、このように供給される液体亜鉛を、その沸点以上まで加熱してガス化させるものである。更に、亜鉛加熱器２３には、ベーパセパレータ２４及びミストセパレータ２５が連絡され、亜鉛加熱器２３で生成された亜鉛ガスは、ベーパセパレータ２４及びミストセパレータ２５において、その液滴成分が除去され、不要な液滴の同伴なしに第１反応器１の供給口部５ａに供給されることになる。
【００４３】
ここにおいて、第１反応器１の供給口部４ａに供給される四塩化珪素ガスと、第１反応器１の供給口部５ａに供給される亜鉛ガスとの間には、亜鉛の四塩化珪素に対するモル比が２となるような量的関係に維持されている。
【００４４】
このように第１反応器１に供給された四塩化珪素ガスと亜鉛ガスとは、混合されて接触し、亜鉛ガスと接触した四塩化珪素ガスは還元されて、固体シリコンと副成的な亜鉛化合物ガスである塩化亜鉛ガスとを生成する。ここに、第１反応器１内のガスは、かかる副生的な塩化亜鉛に加えて、未反応のままの四塩化珪素や亜鉛、中間体等を含み、上方（ｚ軸の正方向）に向かう流れとなる。また、生成された固体シリコンは、かかるガスの流れに抗して重力でｚ軸の負方向に落下する結晶体と、かかるガスの流れと同伴して上昇して落下しない相対的に大きさが小さい微細結晶体と、を含む。また、第１反応器１における亜鉛ガスの供給口部５ａの上方（ｚ軸の正方向）の一部に、ヒータＨに加えて、誘導加熱器Ｈａを局所的に設けて、第１反応器１に誘導加熱ゾーン１ａを画成することにより、ここを通過する固体シリコンを選択的に融点付近まで誘導加熱して、その周囲に更に固体シリコンを析出しやすくし、生成されるシリコン結晶体のサイズの大型化を促進している。なお、かかる局所的な加熱をするヒータは、誘導加熱器Ｈａに限定されるものではなく、ヒータＨによる加熱温度よりも５０℃程度高く加熱できるものならば、局所的に設けられた抵抗加熱器等であってもよい。
【００４５】
ここで、第１反応器１においては、四塩化珪素ガスが供給される供給口部４ａよりも下方（ｚ軸の負方向）の端部には、筐体３０ａで覆われた結晶排出装置３０が設けられている。結晶排出装置３０は、筐体３０ａ内において、定量フィーダ２２と同様に、閉じた穴（非貫通穴）が形成されて回転自在に保持された回転球３０ｂを備え、筐体３０ａの上部にはアルゴンガス供給系３１に連絡する供給口部３１ａを有し、かつ、その下部にもアルゴンガス供給系３２に連絡する供給口部３２ａを有する。アルゴンガス供給系３１、３２から供給されるアルゴンガスにより、結晶排出装置３０の箱体の上部空間及び下部空間は、アルゴンガス雰囲気となる。更に、結晶排出装置３０には、固体シリコン排出系３３が連絡され、それを介して生成された固体シリコンが排出されて回収される。なお、アルゴンガス供給系３１、３２は、共通のアルゴンガス源を有していてもよい。また、結晶排出装置３０の回転球３０ｂは、定量フィーダ２２の回転球２２ａと同様に、形状的には球状に限定されるものではなく、円柱状部材等であってもよい。
【００４６】
また、四塩化珪素ガスが供給される供給口部４ａと結晶排出装置３０との間には、結晶排出装置３０の、特に、回転球３０ｂ及びその関連部材を冷却する冷却装置Ｃが設けられている。かかる冷却装置Ｃは、水冷式、空冷式のいずれでもよい。
【００４７】
更に、四塩化珪素ガスが供給される供給口部４ａと冷却装置Ｃとの間には、第１反応器１内の圧力を検出して第１反応器１内の圧力を制御する圧力コントローラ３５が連絡する。圧力コントローラ３５は、第１反応器１内の圧力を検出する圧力検出器を有する。
【００４８】
かかる構成において、生成された固体シリコンのうち重力でｚ軸の負方向に落下するシリコン結晶体は、第１反応器１の下方端部から結晶排出装置３０に至り、アルゴンガス雰囲気内において、回転球３０ａの回転を介して、設定された一定量のシリコン結晶体が定期的に固体シリコン排出系３３から排出されて回収される。ここにおいて、結晶排出装置３０の箱体の上部空間及び下部空間は、アルゴンガス雰囲気であるので、不要な反応ガスや大気が混入されることが防止される。
【００４９】
一方で、ｚ軸の負方向に落下しない微細なシリコン結晶体は、第１反応器１内において、未反応であった四塩化珪素や亜鉛、中間体等及び副生的な塩化亜鉛を含むガスの流れと同伴して上昇する。ここにおいて、第１反応器１における上方（ｚ軸の正方向）の端部は、連絡部４０を介して、下流側の第２反応器２に連通しているから、かかる微細なシリコン結晶体は、塩化亜鉛を含むガスの流れと同伴して第２反応器２内に流入する。ここで、第２反応器２の基本構成は、第１反応器１のものと同様であり、第１反応器１の構成要素と同一なものには同じ符号を付して、その説明は適宜簡略化又は省略する。なお、第２反応器２に供給される四塩化珪素ガス及び亜鉛ガスは、第１反応器１のものよりも希薄化してもよい。また、第１反応器１に連絡する圧力コントローラ３５は、第２反応器２に対しても同様に連絡しており、第２反応器２内の圧力を検出する。また、第１反応器１及び第２反応器２に各々連絡する四塩化珪素ガス供給系４及び亜鉛ガス供給系５は、共通化してもよい。また、第２反応器２にも誘導加熱ゾーン２ａを同様に画成する。
【００５０】
このように第２反応器２に流入した微細なシリコン結晶体は、第１反応器１内において未反応であった四塩化珪素や亜鉛、中間体等及び副生的な塩化亜鉛を含むガスに加え、第１反応器１と同様に第２反応器２に供給される四塩化珪素ガス及び亜鉛ガスとも混合されて、これらにおける四塩化珪素ガス及び亜鉛ガスと接触し、かかる微細なシリコン結晶体の表面には新たにシリコンが析出していくことになる。つまり、このように、第２反応器２内において、第１反応器１から供給される微細なシリコン結晶体を種結晶として用いて、その周囲に新たにシリコンを析出させていくことができ、結果的により大きなサイズのシリコン結晶体を生成することができることになる。
【００５１】
かかる構成の第２反応器２においても、生成された固体シリコンのうち重力でｚ軸の負方向に落下するシリコン結晶体は、第１反応器におけるものよりも大きなサイズのシリコン結晶体として、第２反応器２の下方端部から結晶排出装置３０に至り、固体シリコン排出系３３から排出されて収量よく回収される。
【００５２】
一方で、ｚ軸の負方向に落下しない微細なシリコン結晶体は、第２反応器２内において、未反応であった四塩化珪素や亜鉛、中間体等及び副生的な塩化亜鉛を含むガスの流れと同伴して上昇する。ここにおいて、第２反応器２における上方（ｚ軸の正方向）の端部は、連絡部５０を介して、下流側のガス処理装置３に連絡しているから、かかる微細なシリコン結晶体は、塩化亜鉛を含むガスの流れと同伴してガス処理装置３内に流入する。ここで、第２反応器２においては、第１反応器１から供給される微細なシリコン結晶体を種結晶として用いて大きなサイズのシリコン結晶体を生成するものであるため、四塩化珪素の還元反応はより効率的になされており、未反応であった四塩化珪素や亜鉛、中間体、更には微細なシリコン結晶体の割合は、副生的な塩化亜鉛を含むガスに対して減少しているものと評価できる。
【００５３】
かかるガス処理装置３は、連絡部５０を介して第２反応器２に連絡する補助反応器６０と、補助反応器６０の下流に設けられたガス処理部７０と、を備える。かかるガス処理装置３の補助反応器６０は、流入する微細なシリコン結晶体や未反応のガス等が存在する可能性を考慮して、直管状でｚ軸に平行に立設されているもので、その構成は、四塩化珪素ガス供給系４及び亜鉛ガス供給系５が連絡されていない点を除き、第１反応器１及び第２反応器２のものと同様であり、それらの構成要素と同一なものには同じ符号を付して、その説明は省略する。また、補助反応器６０において上方に向けて流れるガスは、補助反応器６０で四塩化珪素ガスを還元する残余的な反応は実質的に終了していると評価できるので、実質的に、副生的な塩化亜鉛を含むガスのみとなっていると考えてよい。なお、第１反応器１及び第２反応器２に連絡する圧力コントローラ３５は、補助反応器６０に対しても同様に連絡してもよく、かかる場合、補助反応器６０内の圧力を検出する。
【００５４】
ここにおいて、ガス処理装置３の補助反応器６０における上方（ｚ軸の正方向）の端部に連絡するガス処理部７０は、補助反応器６０から送出される塩化亜鉛ガスを液化する処理を行う。かかるガス処理部７０は、補助反応器６０の上方の端部に連通し、下流に向かって下方（ｚ軸の負方向）に斜行する直管状部７１ａと、その周囲を囲う箱状部７１ｂと、を備えた空冷コンデンサ７１を備え、空冷コンデンサ７１は、温風供給系８０から供給される温風により間接冷却されて、その内部で流入した塩化亜鉛ガスを液化する。空冷コンデンサ７１に供給される温風は、温風供給系８０から空冷コンデンサ７１の箱状部７１ｂに設けられた供給口部７１ｃに供給され、空冷コンデンサ７１の直管状部７１ａの周囲を通過した後、空冷コンデンサ７１の箱状部７１ｂに設けられた排出口部７１ｄから排出されるもので、その温度は、塩化亜鉛ガスを冷却すべく塩化亜鉛の沸点よりも充分に低く設定される。
【００５５】
更に、ガス処理装置３においては、ガス処理部７０の下流であって下方（ｚ軸の負方向）に、ガス処理部７０で液化された溶融塩化亜鉛をためる塩化亜鉛タンク９０が連絡する。塩化亜鉛タンク９０は、そこにためられる溶融塩化亜鉛の重量を測定するロードセル９１を有する。また、塩化亜鉛タンク９０は、窒素ガス供給系９５に連絡する供給口部９０ａを有し、ガス処理部７０の下流部分を液封して外気とを遮断し、さらにその内部空間は窒素ガスで置換される。塩化亜鉛タンク９０内の溶融塩化亜鉛は、塩化亜鉛排出系９６から排出されて回収され、塩化亜鉛タンク９０内の不凝縮ガスは、排出口部９０ｂから排出される。
【００５６】
温風供給系８０は、具体的には図４に示すように、空冷コンデンサ７１の箱状部７１ｂにおける供給口部７１ｃと排出口部７１ｄとを連絡し、空気が流れる空気ライン８１を有し、空気ライン８１には、供給口部７１ｃ側に送風ファン８２が設けられ、排出口部７１ｄ側にはクーラ８３が設けられる。かかる送風ファン８２は、インバータ装置８４で回転動作が制御され、クーラ８３は、温度コントローラ８５により、空気ライン８１における温風の温度が検出されつつその検出された温風の温度が設定された一定温度になるように、その冷却量がフィードバック制御される。空冷コンデンサ７０へ供給される冷却用の温風は、空気ライン８１を流れつつ、温度コントローラ８５で制御されたクーラ８３により一定温度に制御された後、インバータ装置８４で回転動作が所定状態に制御された送風ファン８２で設定された流量でもって送風されることにより、空冷コンデンサ７１の供給口部７１ｃへ供給され、空冷コンデンサ７１の直管状部７１ａを冷却したあと、空冷コンデンサ７１の排出口部７１ｄから排出され、空気ライン８１に戻る。
【００５７】
具体的には、ガス処理装置３においては、ガス処理部７０における空冷コンデンサ７１へ冷却用の温風を送風する送風ファン８２用のインバータ装置８４は、塩化亜鉛タンク９０にためられる熔融塩化亜鉛の重量における単位時間当たりの変化が一定になるように、ロードセル９１からの信号に基づいて送風ファン８２の回転動作を制御している。これにより空冷コンデンサ７１の塩化亜鉛ガスに対する冷却能力（負荷）が制御されて、空冷コンデンサ７１における塩化亜鉛凝縮量が制御され、対応してガス処理装置３への塩化亜鉛ガスの受入ガス体積の減少量が制御されることとなって、結果として、ガス処理装置３を流れるガスの流速のみならず、第１反応器１及び第２反応器２を通過するガスの流速が制御されることとなる。なお、かかる制御は、塩化亜鉛タンク９０にためられる熔融塩化亜鉛の重量の変化が一定になるように、送風ファン８２の回転動作を制御することに起因した制御であるので、フィードバック制御である。
【００５８】
さて、安定した品質で一定形状の固体シリコンを連続的に量産するには、各反応器内の温度外乱を排するように各反応器内の温度を定常状態とした上で、各反応器を通過するガス流速が定常状態となるように制御するとともに、各反応器内の圧力が定常状態になるように各反応器への原料ガスの供給量を制御して、各反応器において固体シリコンの析出状態を定常化する必要がある。
【００５９】
ここにおいて、第１反応器１、第２反応器２及びガス処理装置３の補助反応器６０の周囲は、ヒータＨで囲われ、これらの内部が１１００℃以上の一定温度になるように外部から加熱され、ヒータＨが有するコントローラによりその温度が維持されるように制御している。
【００６０】
かかる条件下で、まず、第１反応器１及び第２反応器２への原料ガス（四塩化珪素ガス及び亜鉛ガス）供給量の制御設定値は一定にしておき、塩化亜鉛タンク９０にためられる熔融塩化亜鉛の重量の変化、つまり塩化亜鉛タンク９０に受け入れる単位時間あたり塩化亜鉛重量の制御設定値が、第１反応器１内及び第２反応器２内の圧力が一定になるように制御されるように構成してもよい。
【００６１】
具体的には、第１反応器１内及び第２反応器２内の圧力が、各反応器１、２に連絡した圧力コントローラ３５により検出されて、その圧力検出信号に対応したインバータ装置８４用の制御設定値を示す信号がインバータ装置８４に送られ、インバータ装置８４は、圧力コントローラ３５の下で、第１反応器１内及び第２反応器２内の圧力が一定になるように、送風ファン８２の回転動作をカスケード制御して、ガス処理装置３への塩化亜鉛ガスの受入ガス体積の減少量や第１反応器１及び第２反応器２を通過するガスの流速を制御する。なお、圧力コントローラ３５は、検出した反応器１、２の各圧力を所定の演算式に従って演算して、各反応器１、２全体の圧力値を求め、その演算値に対応した制御設定値を求めている。また、圧力コントローラ３５が、補助反応器６０の圧力も検出している場合には、補助反応器６０の圧力をも考慮して各反応器１、２、６０全体の圧力値を求めてもよい。
【００６２】
一方で、塩化亜鉛タンク９０に受け入れる単位時間あたり塩化亜鉛重量の制御設定値は一定にしておき、第１反応器１及び第２反応器２への原料ガス（四塩化珪素ガス及び亜鉛ガス）供給量の制御設定値が、第１反応器１内及び第２反応器２内の圧力が一定になるように制御されるように構成してもよい。
【００６３】
具体的には、四塩化珪素ガス導入系４においては、流量コントローラ１４が、流量検出器１３の流量検出信号に基づいて、バルブ１２の開度を調節して、供給ライン１１を流れる四塩化珪素ガスの流量を設定された所定流量に制御しながら、第１反応器１内及び第２反応器２内の圧力が、各反応器１、２に連絡する圧力コントローラ３５により検出されて、その圧力検出信号に対応した流量コントローラ１４用の制御設定値を示す信号が流量コントローラ１４に送られ、流量コントローラ１４は、圧力コントローラ３５下で、第１反応器１内及び第２反応器２内の圧力が一定になるようにバルブ１２の開度を調節するカスケード制御をする。ここでも、圧力コントローラ３５は、検出した反応器１、２の各圧力を所定の演算式に従って演算して、各反応器１、２全体の圧力値を求め、その演算値に対応した制御設定値を求めている。また、補助反応器６０の圧力をも考慮して各反応器１、２、６０全体の圧力値を求めてもよい。なお、かかる制御は、第２反応器２においても、同様である。
【００６４】
また、かかる四塩化珪素ガス導入系４の制御に併せ、亜鉛ガス供給系５においては、フィーダコントローラ２２ｂが、第１反応器１に供給される四塩化珪素ガスと、第１反応器１に供給される亜鉛ガスとの間には、亜鉛の四塩化珪素に対するモル比が２となるような量的関係に維持するように、フィーダコントローラ２２ｂが、回転球２２ａの回転動作を制御して、液体亜鉛だめ１４から送液される液体亜鉛を所定流量で供給する制御をしながら、フィーダコントローラ２２ｂは、圧力コントローラ３５下で、第１反応器１内及び第２反応器２内の圧力が一定になるように、四塩化珪素ガス導入系４の流量コントローラ１４に与えられた制御設定値に連動した比例制御で、回転球２２ａの回転動作をカスケード制御する。なお、かかる制御は、第２反応器２においても、同様である。
【００６５】
このように、通常のフィードバック制御に加え、このフィードバック制御に制御設定値を与えるカスケード制御を行うことにより、第１反応器１内及び第２反応器２内、ひいてはガス処理装置３の補助反応器６０内の温度を一定に維持した上で、第１反応器１及び第２反応器２を通過してガス処理装置３に至るガスの流速を制御しながら、第１反応器１内及び第２反応器２内、ひいてはガス処理装置３の補助反応器６０内の圧力を一定に制御して、第１反応器１において、固体シリコンを安定した品質で一定形状の連続的に製造するのみならず、第２反応器２において、第１反応器１から供給される微細なシリコン結晶体を種結晶として用いて大きなサイズのシリコン結晶体を生成することを可能とし、安定した品質で一定形状の固体シリコンを収量よく連続的に量産する。また、補助反応器６０からも、補助的に、安定した品質で一定形状の固体シリコンを得ることができる。
【００６６】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態におけるシリコン製造装置につき、図５をも参照して、詳細に説明する。
【００６７】
図５は、本実施形態における窒素ガス供給系の模式的構成図である。
【００６８】
本実施形態のシリコン製造装置Ｓ２は、第１の実施形態のシリコン製造装置１に対して、ガス処理装置３がガス処理装置１００に変更されていることが主たる相違点であり、第１反応器及び第２反応器等の残余の構成は同一である。よって、本実施形態においては、かかる相違点に着目して説明することとし、同一な構成については同一の符号を付して適宜説明を簡略化又は省略する。
【００６９】
図５に示すように、本実施形態のシリコン製造装置Ｓ２におけるガス処理装置１００は、連絡部５０を介して第２反応器２に連絡する補助反応器６０と、補助反応器６０の下流に設けられたガス処理部１１０と、を備える。かかるガス処理装置１００の補助反応器６０の構成は、第１の実施形態のものと同一である。
【００７０】
ここにおいて、ガス処理装置１００の補助反応器６０における上方（ｚ軸の正方向）の端部に連絡するガス処理部１１０は、補助反応器６０から送出される塩化亜鉛ガスを固化する処理を行う。かかるガス処理部１１０は、補助反応器６０の上方の端部に連通し、下流に向かって下方（ｚ軸の負方向）に斜行する直管状部１１１の下流部における減径部１１１ａに対して設けられたエゼクタ１１２を備える。かかるエゼクタ１１２は、ノズル部１１２ａを有し、ノズル部１１２ａに対して窒素ガス供給系１２０から供給される窒素ガスによって駆動され、ノズル部１１２ａの端部１１２ｂ近傍に発生する負圧により、直管状部１１１を流れてきた塩化亜鉛ガスを吸引して固化させる。ここに、直管状部１１１は、その下流部の減径部１１１ａに向かって漸近的に減径し、その後拡開する。また、ノズル部１１２ａの端部１１２ｂは、直管状部１１１の減径部１１１ａを臨むように上流側に位置される。なお、ヒータＨは、エゼクタ１１２の上流に位置する直管状部１１１の周囲まで囲って設けられ、直管状部１１１まで加熱する。
【００７１】
更に、ガス処理装置１００においては、ガス処理部１１０の下流であって下方（ｚ軸の負方向）に、ガス処理部１１０で固化された個体塩化亜鉛をためる塩化亜鉛ホッパ１３０が連絡する。塩化亜鉛ホッパ１３０は、そこにためられる個体塩化亜鉛の重量を測定するロードセル１３１を有する。また、塩化亜鉛ホッパ１３０は、窒素ガス供給系１２０からエゼクタ１１２を介して供給される窒素ガスにより、その内部空間が置換されて外気と遮断されている。塩化亜鉛ホッパ１３０内の個体塩化亜鉛は、塩化亜鉛ホッパ１３０に連絡する塩化亜鉛排出系１３５から排出されて回収され、塩化亜鉛ホッパ１３０内の不凝縮ガスは、塩化亜鉛ホッパ１３０に連絡するバグフィルタ１３７を介して、その排出口部１３７ａから排出される。
【００７２】
窒素ガス供給系１２０は、窒素ガス供給源１４０とガス処理部１１０におけるエゼクタ１１２のノズル部１１２ａとを連絡する供給ライン１２１及び供給ラインに１２１に設けられたバルブ１２２を有し、更に、供給ライン１２１には、バルブ１２２の下流（窒素ガス供給源１４０からノズル部１１２ａを向く方向）に流量検出器１２３が設けられ、流量検出器１２３は、供給ライン１２１を流れる四塩化珪素ガスの流量を検出する。
【００７３】
かかる流量検出器１２３の流量検出信号は、流量コントローラ１２４に送出され、流量コントローラ１２４は、入力された流量検出信号に基づいて、バルブ１２２の開度を調節して、供給ライン１２１を流れる四塩化珪素ガスの流量を設定された流量に制御する。つまり、流量コントローラ１２４は、供給ライン１１を流れる四塩化珪素ガスの流量をモニタしながら、その流量を所定流量に制御するものであり、このように所定流量に制御された高圧の窒素ガスが、エゼクタ１１２のノズル部１１２ａに供給され、ノズル部１１２ａから噴出することになる。
【００７４】
具体的には、ガス処理装置１００においては、ガス処理部１１０におけるエゼクタ１１２のノズル部１１２ａへ供給される窒素ガスの流量を制御する流量コントローラ１２４は、塩化亜鉛ホッパ１３０にためられる個体塩化亜鉛の重量における単位時間当たりの変化が一定になるように、ロードセル１３１からの信号に基づいてバルブ１２２の開度を制御している。これによりエゼクタ１１２の吸引能力（負荷）が制御されて、エゼクタ１１２における塩化亜鉛固化量が制御され、対応してガス処理装置１００への塩化亜鉛ガスの受入ガス体積の減少量が制御されることとなって、結果として、ガス処理装置１００を流れるガスの流速のみならず、第１反応器１及び第２反応器２を通過するガスの流速が制御されることとなる。なお、かかる制御は、塩化亜鉛ホッパ１３０にためられる固体塩化亜鉛の重量の変化が一定になるように、バルブ１２２の開度を制御することに起因した制御であるので、フィードバック制御である。
【００７５】
さて、本実施形態においても、安定した品質で一定形状の固体シリコンを連続的に量産するには、各反応器内の温度外乱を排するように各反応器内の温度を定常状態とした上で、各反応器を通過するガス流速が定常状態となるように制御するとともに、各反応器内の圧力が定常状態になるように各反応器への原料ガスの供給量を制御して、各反応器において固体シリコンの析出状態を定常化する必要があることは、第１の実施形態と同様である。
【００７６】
つまり、本実施形態においても、第１反応器１及び第２反応器２、並びにガス処理装置３の補助反応器６０及び直管状部１１１の周囲は、ヒータＨで囲われ、これらの内部が１１００℃以上の一定温度になるように外部から加熱され、ヒータＨが有するコントローラによりその温度が維持されるように制御している。
【００７７】
かかる条件下で、まず、第１反応器１及び第２反応器２への原料ガス（四塩化珪素ガス及び亜鉛ガス）供給量の制御設定値は一定にしておき、塩化亜鉛ホッパ１３０にためられる固体塩化亜鉛の重量の変化、つまり塩化亜鉛ホッパ１３０に受け入れる単位時間あたりの固体塩化亜鉛重量の制御設定値が、第１反応器１内及び第２反応器２内の圧力が一定になるように制御されるように構成してもよい。
【００７８】
具体的には、ガス処理装置１１０においては、塩化亜鉛ホッパ１３０にためられる個体塩化亜鉛の重量の変化が一定になるように、流量コントローラ１２４により、バルブ１２２の開度をフィードバック制御して、ガス処理装置１００への塩化亜鉛ガスの受入ガス体積の減少量や第１反応器１及び第２反応器２を通過するガスの流速を制御しながら、第１反応器１内及び第２反応器２内の圧力が、各反応器１、２に設けられた圧力コントローラ３５により検出されて、その圧力検出信号に対応した流量コントローラ１２４用の制御設定値を示す信号が流量コントローラ１２４に送られ、流量コントローラ１２４は、圧力コントローラ３５の下で、第１反応器１内及び第２反応器２内の圧力が一定になるように、バルブ１２２の開度をカスケード制御して、ガス処理装置１１０への塩化亜鉛ガスの受入ガス体積の減少量や第１反応器１及び第２反応器２を通過するガスの流速を制御する。なお、圧力コントローラ３５は、検出した反応器１、２の各圧力を所定の演算式に従って演算して、各反応器１、２全体の圧力値を求め、その演算値に対応した制御設定値を求めている。また、補助反応器６０の圧力をも考慮して各反応器１、２、６０全体の圧力値を求めてもよい。
【００７９】
一方で、本実施の形態においても、第１の実施形態と同様、塩化亜鉛タンク９０に受け入れる単位時間あたり塩化亜鉛重量の制御設定値は一定にしておき、第１反応器１及び第２反応器２への原料ガス（四塩化珪素ガス及び亜鉛ガス）の供給量が、第１反応器１内及び第２反応器２内の圧力が一定になるように制御されるように構成してもよい。
【００８０】
このように、本実施形態においても、通常のフィードバック制御に加え、このフィードバック制御に制御設定値を与えるカスケード制御を行うことにより、第１反応器１内及び第２反応器２内、ひいてはガス処理装置１００の補助反応器６０内の温度を一定に維持した上で、第１反応器１及び第２反応器２を通過してガス処理装置１００に至るガスの流速を一定に制御しながら、第１反応器１内及び第２反応器２内、ひいてはガス処理装置１００の補助反応器６０内の圧力を一定に制御して、安定した品質で一定形状の固体シリコンを連続的に製造するのみならず、第２反応器２において、第１反応器１から供給される微細なシリコン結晶体を種結晶として用いて大きなサイズのシリコン結晶体を生成することを可能とし、安定した品質で一定形状の固体シリコンを収量よく連続的に量産する。また、補助反応器６０からも、補助的に、安定した品質で一定形状の固体シリコンを得ることができる。
【００８１】
なお、以上の各実施形態においては、ガス処理装置の上流に第１反応器及び第２反応器という２個の反応器を有する構成につき説明したが、もちろん反応器の数は２個に限定されるものではなく、製造すべき個体シリコンの収量等のかね合いで、３個以上の反応器を設けることも可能である。
【００８２】
また、以上の各実施形態においては、流量コントローラ、フィーダコントローラ、インバータ装置、圧力コントローラ等の制御機能を有する機器を別体なものとして説明したが、もちろんこれらを統合化して一体化されたコントローラとして構成してもかまわない。
【００８３】
なお、本発明においては、部材の種類、配置、個数等は前述の実施形態に限定されるものではなく、その構成要素を同等の作用効果を奏するものに適宜置換する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上のように、本発明においては、反応器壁面等へのシリコン析出を回避し、反応器から排出するガスとともに排出されて回収されないシリコンの量及び未反応の原料ガス損失量を最小化するために、反応器内の温度分布、原料ガス濃度分布、ガス流速分布を定常化して、一定品質、一定形状の固体シリコンを連続的に量産でき、かつ１１００℃以上の高温で操業し得る亜鉛還元法によるシリコン製造装置を提供することができるものであり、その汎用普遍的な性格から太陽電池用シリコン等の製造装置に広範に適用され得るものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるシリコン製造装置の模式的構成図である。
【図２】本実施形態における四塩化珪素ガス供給系の模式的構成図である。
【図３】本実施形態における亜鉛ガス供給系の模式的構成図である。
【図４】本実施形態における温風供給系の模式的構成図である。
【図５】本発明の第２の実施形態におけるシリコン製造装置の窒素ガス供給系の模式的構成図である。
【符号の説明】
【００８６】
Ｓ１……シリコン製造装置
１………第１反応器
１ａ……誘導加熱ゾーン
２………第２反応器
２ａ……誘導加熱ゾーン
３………ガス処理装置
Ｈ………外部ヒータ
４………四塩化珪素ガス供給系
４ａ……供給口部
５………亜鉛ガス供給系
５ａ……供給口部
Ｃ………冷却装置
１０……四塩化珪素ガス供給源
１１……供給ライン
１２……バルブ
１３……流量検出器
１４……流量コントローラ
２０……液体亜鉛供給源
２１……液体亜鉛だめ
２２……定量フィーダ
２２ａ…回転球
２２ｂ…フィーダコントローラ
２３……亜鉛加熱器
２３ａ…ヒータ
２４……ベーパセパレータ
２５……ミストセパレータ
Ｈａ……誘導加熱器
３０……結晶排出装置
３０ａ…筐体
３０ｂ…回転球
３１……アルゴンガス供給系
３１ａ…供給口部
３２……アルゴンガス供給系
３２ａ…供給口部
３３……固体シリコン排出系
３５……圧力コントローラ
４０……連絡部
５０……連絡部
６０……補助反応器
７０……ガス処理部
７１……空冷コンデンサ
７１ａ…直管状部
７１ｂ…箱状部
７１ｃ…供給口部
７１ｄ…排出口部
８０……温風供給系
８１……空気ライン
８２……送風ファン
８３……ヒータ
８４……インバータ装置
８５……温度コントローラ
９０……塩化亜鉛タンク
９０ａ…供給口部
９０ｂ…排出口部
９１……ロードセル
９５……窒素ガス供給系
９６……塩化亜鉛排出系
Ｓ２……シリコン製造装置
１００…ガス処理装置
１１０…ガス処理部
１１１…直管状部
１１１ａ…減径部
１１２…エゼクタ
１１２ａ…ノズル部
１１２ｂ…端部
１２０…窒素ガス供給系
１２１…供給ライン
１２２…バルブ
１２３…流量検出器
１２４…流量コントローラ
１３０…塩化亜鉛ホッパ
１３１…ロードセル
１３５…塩化亜鉛排出系
１３７…バグフィルタ
１３７ａ…排出口部
１４０…窒素ガス供給源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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