DE112016002950T5

DE112016002950T5 - Reaktor für die Herstellung von polykristallinem Silicium und Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium

Info

Publication number: DE112016002950T5
Application number: DE112016002950.0T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Kurosawa; Shigeyoshi Netsu; Naruhiro Hoshino
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2018-03-15
Also published as: US10858259B2; US20200239321A1; WO2017018366A1; CN107848810A; CN107848810B; US20190002295A1; JP2017030983A; JP6343592B2

Abstract

Ein Reaktor 200 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt, der einen Raumabschnitt bereitstellt, um das Kohlenstoffheizelement für das ursprüngliche Erhitzen von Siliciumkerndrähten aufzunehmen. Ein Kohlenstoffheizelement 13 wird nur dann einem Abscheidungsreaktionsraum 20 im Reaktor 200 zugeführt, wenn dies für das ursprüngliche Erhitzen der Siliciumkerndrähte 12 notwendig ist. Nachdem das ursprüngliche Erhitzen der Siliciumkerndrähte 12 abgeschlossen ist, wird das Kohlenstoffheizelement 13 aus dem Abscheidungsreaktionsraum in einen Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt 30 überführt. Als Folge wird das Kohlenstoffheizelement 13 im Reaktor nicht mehr übermäßig beschädigt und die Verschlechterung seines Zustandes wird reduziert. Zusätzlich wird infolge der verminderten Reaktion mit Wasserstoffgas im Reaktor die Erzeugung von Methan reduziert und damit die Verunreinigung durch Kohlenstoff im polykristallinen Silicium reduziert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zur Herstellung von polykristallinem Silicium, mehr spezifisch eine Technik, die sich zur Verminderung der Konzentration von Kohlenstoff eignet, der in dem über ein Siemensverfahren hergestellten polykristallinen Silicium enthalten ist.
Allgemeiner Stand der Technik
Polykristallines Silicium ist ein Rohmaterial für einkristalline Siliciumsubstrate zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen oder Substraten zur Herstellung einer Solarzelle. Im Allgemeinen wird polykristallines Silicium durch ein Siemensverfahren hergestellt, in dem ein Chlorsilan-haltiges Quellengas in Kontakt mit einem erhitzten Siliciumkerndraht gebracht wird, um hierdurch über chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) polykristallines Silicium auf der Oberfläche des Siliciumkerndrahts abzuscheiden.
Wenn polykristallines Silicium mithilfe des Siemensverfahrens über eine chemische Dampfphasenabscheidung aufgetragen wird, werden in einem Reaktor zwei Siliciumkerndrähte in vertikaler Richtung und ein Siliciumkerndraht in horizontaler Richtung in einer invertierten U-Form zusammengefügt. Beide Enden dieses invertiert U-geformten Siliciumkerndrahtes sind jeweils an jeder der jeweiligen Metallelektroden befestigt, die jeweils mithilfe eines Kohlenstoffkerndrahthalters auf der Bodenplatte platziert sind. Dann werden die oben beschriebenen invertiert U-geformten Siliciumkerndrähte erhitzt, indem aus diesen Metallelektroden Strom an den Siliciumkerndraht abgeleitet wird. In der Regel sind mehrere invertiert U-geformte Siliciumkerndrähte auf der Bodenplatte angeordnet. Dieser Kerndrahthalter kann direkt an der Elektrode befestigt sein; um aber eine Beschädigung der Elektrode zu vermeiden, kann ein Kohlenstoffadapter zwischen der Elektrode und dem Kerndrahthalter bereitgestellt werden (siehe Patentliteratur 1: Japanische Patentschrift Offenlegungsnummer 2006-206387 , Patentliteratur 2: Japanische Patentschrift Offenlegungsnummer 2013-71856 und dergleichen).
Im Reaktor wird ein durch die oben erwähnte Grundplatte und einen kuppelförmigen Behälter (Glocke) geformter, abgedichteter Raum als Reaktionsraum für die chemische Dampfphasenabscheidung von polykristallinem Silicium verwendet. Die Metallelektroden durchdringen die Grundplatte, wobei sich zwischen den Elektroden ein Isolator befindet, und sind entweder mit einer anderen Metallelektrode oder der Stromversorgung außerhalb des Reaktors verdrahtet. Im Falle der chemischen Dampfphasenabscheidung von polykristallinem Silicium im Reaktionsraum, um zu vermeiden dass sich polykristallines Silicium auf anderen Abschnitten als den invertiert U-geformten Siliciumkernstrukturen abscheidet, und um eine Beschädigung der Vorrichtungsmaterialien infolge der hohen Temperatur zu vermeiden, werden die Metallelektroden, die Grundplatte und die Glocke mit Kühlmitteln wie Wasser und Öl gekühlt. Die Kerndrahthalter werden über die Metallelektroden gekühlt.
Der Reaktor wird mit Wasserstoff gespült. Während die Siliciumkerndrähte auf den Temperaturbereich zwischen 900°C und 1200°C erhitzt werden, in dem Strom aus den oben beschriebenen Metallelektroden durch die Kerndrähte geleitet wird, wird über Gasdüsen ein Quellengas in den Reaktor geleitet. Dann wird Silicium chemisch auf den Siliciumkerndrähten abgeschieden, um polykristallines Silicium mit einem gewünschten Durchmesser in den invertierten U-Formen zu bilden. Als Quellengas wird beispielsweise ein Gasgemisch aus Trichlorsilan und Wasserstoff verwendet. Im Allgemeinen wird im Reaktor während des Abscheidungsschrittes von polykristallinem Silicium als Reaktionsdruck ein Druck von 0,1 MPa bis 0,9 MPa ausgewählt. Nachdem der Abscheidungsschritt von polykristallinem Silicium abgeschlossen ist, wird der Reaktor abgekühlt, zur normalen Atmosphäre geöffnet und das polykristalline Silicium wird aus dem Reaktor entnommen.
Übrigens werden Siliziumkerndrähte mit polykristallinem Silicium, monokristallinem Silicium oder dergleichen hergestellt. Siliciumkerndrähte, die für die Herstellung von hochreinem polykristallinem Silicium verwendet werden, müssen hochreine Kerndrähte mit geringer Konzentration an Verunreinigungen sein, speziell wird verlangt, dass die Kerndrähte einen hohen spezifischen Widerstand von 500 Ωcm oder mehr aufweisen. Zum Durchleiten von Strom durch diese Silicium-Hochwiderstandstdrähte ist eine extrem hohe Spannung erforderlich, da bei normaler Temperatur der spezifische Widerstand in der Regel hoch ist (Leitfähigkeit ist gering). Daher wird üblicherweise ein Kern mit einem geringen spezifischen Widerstand verwendet, um einen Strom durchzuleiten, oder zum Beginn des Durchleitens von Strom, nachdem der spezifische Widerstand reduziert wurde (Leitfähigkeit ist erhöht), in dem die Siliciumkerndrähte vorher zunächst auf 200 bis 400°C erhitzt werden.
Für dieses ursprüngliche Erhitzen wird im Zentrum oder der inneren peripheren Reaktorfläche ein Kohlenstoffheizelement bereitgestellt. Zu Beginn der Reaktion lässt man das Kohlenstoffheizelement zunächst Wärme erzeugen, indem ein Strom durchgeleitet wird. Die erzeugte Strahlungswärme erhitzt in diesem Fall die um das Kohlenstoffheizelement angeordneten Siliciumkerndrähte auf eine gewünschte Temperatur (siehe beispielsweise Patentliteratur 3).
Nachdem das Durchleiten von Strom durch die Siliciumkerndrähte begonnen hat, schreitet die Abscheidungsreaktion kontinuierlich fort, da die Oberflächentemperatur infolge der Wärmeerzeugung der Siliciumkerndrähte selbst aufrechterhalten wird, auch wenn das Erhitzen durch den Kohlenstoffheizelement danach eingestellt wird. Daher wird nach dem Beginn des Durchleitens von Strom durch die oben erwähnten Siliciumkerndrähte die Stromversorgung des Kohlenstoffheizelements abgeschaltet.
Danach wird im Reaktionsschritt die Abscheidung von polykristallinem Silicium auf den Siliciumkerndrähten fortgesetzt. Das Kohlenstoffheizelement zum Erhitzen verbleibt nach Beenden seiner Funktion des ursprünglichen Erhitzens im Reaktor. Dementsprechend wird das Kohlenstoffheizelement im Reaktor zum Erhitzen einer rauen Umgebung ausgesetzt (hohe Temperatur und Hochgeschwindigkeits-Gasfluss), obwohl der Reaktor für die Reaktion nicht mehr verwendet wird, und sein Zustand verschlechtert sich ernsthaft. Der Zustand des Heizelements verschlechtert sich oftmals nach einmaligem Gebrauch (eine Charge einer Abscheidungsreaktion). Es ist schwierig das Heizelement mehrere Male zu verwenden, was ein Faktor des Kostenanstiegs bei der Herstellung von polykristallinem Silicium ist.
Zusätzlich verbleibt das Kohlenstoffheizelement zum Erhitzen im Abscheidungsraum für polykristallines Silicium, und daher kann das Heizelement eine Quelle einer Verunreinigung durch Kohlenstoff für das abzuscheidende Silicium darstellen. Insbesondere auf der Oberfläche eines Reaktors, der für eine hocheffektive Abscheidungsreaktion ausgelegt ist, besteht ein Problem, da es wahrscheinlich ist, das eine Verunreinigung durch Kohlenstoff infolge des Kohlenstoffheizelements für das Erhitzen auftreten wird, da die Abscheidungsreaktion bei hohem Druck und hoher Temperatur fortschreitet.
Angesichts dieses Problems wurde ein Verfahren ausgearbeitet, umfassend das Erhitzen von Siliciumkerndrähten mit Infrarotbestrahlungsmitteln anstelle eines Kohlenstoffheizelements zum Erhitzen. Dieses Verfahren, das ein Verfahren zum Erhitzen von außerhalb des Reaktors darstellt, hat beispielsweise die folgenden Nachteile: Verwendung einer speziellen und teuren Vorrichtung ist erforderlich (Patentliteratur 4: Japanische Patentschrift, Offenlegungsnr. 9-241099 ; und es ist erforderlich, dass ein Abschnitt der Reaktorwand mit transparentem Quarz von einer Festigkeit hergestellt wird, die niedriger ist als die von Stahl) Patentliteratur 5: Japanische Patentschrift, Offenlegungsnummer 2001-278611 ). Dies ist ein Problem, da es aus Sicherheitsgründen für einen Reaktor zum Ausführen einer Reaktion unter einem hohen Druck nicht bevorzugt ist.
Zitatliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1 Japanische Patentschrift, Offenlegungsnummer 2006-206387
Patentliteratur 2 Japanische Patentschrift, Offenlegungsnummer 2013-71856
Patentliteratur 3 Japanische Patentschrift, Offenlegungsnummer 2011-37699
Patentliteratur 4 Japanische Patentschrift, Offenlegungsnummer 9-241099
Patentliteratur 5 Japanische Patentschrift, Offenlegungsnummer 2001-278611
Patentliteratur 6 US Patentschrift, Nr. 4179530

Kurzdarstellung der Erfindung
Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden sollen
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts eines solchen Problems erstellt und es ist eine Aufgabe der Erfindung eine geeignete Technik bereitzustellen, um die Verunreinigung durch Kohlenstoff in polykristallinem Silicium infolge eines Kohlenstoffheizelements in einem Siemensverfahren bei der Herstellung von polykristallinem Silicium zu reduzieren.
Mittel zur Lösung der Probleme
Um das oben genannte Problem zu lösen, ist der Reaktor für die Herstellung von polykristallinem Silicium gemäß der vorliegenden Erfindung ein Reaktor zur Herstellung von polykristallinem Silicium durch ein Siemensverfahren, umfassend einen Abscheidungsreaktionsabschnitt als einen Raumabschnitt, in dem polykristallines Silicium auf Siliciumkerndrähten abgeschieden wird und einem Heizelementaufbewahrungsabschnitt, der ein Kohlenstoffheizelement für das ursprüngliche Erhitzen der Siliciumkerndrähte aufnehmen kann.
Der Reaktor umfasst bevorzugt einen Heizelement-Antriebsabschnitt zur Steuerung der Zuführung des Kohlenstoffheizelements aus dem Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt zum Abscheidungsreaktionsabschnitt und des Abführens vom Abscheidungsreaktionsabschnitt in den Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt.
Der Reaktor umfasst bevorzugt auch einen öffenbaren und verschließbaren Verschluss, um den Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt räumlich von dem Abscheidungsreaktionsabschnitt abzutrennen.
Beispielsweise besteht der Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt aus Faltenbälgen.
Das Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium durch ein Siemensverfahren, in dem Siliciumkerndrähte zunächst durch ein Kohlenstoffheizelement erhitzt werden, vor einem Abscheidungsreaktionsschritt des polykristallinen Siliciums; nachdem die Siliciumkerndrähte eine vorbestimmte Temperatur erreicht haben, wird das Kohlenstoffheizelement dem Abscheidungsreaktionsraum entzogen und danach wird der Abscheidungreaktionsschritt gestartet.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Ausmaß der Verunreinigung durch Kohlenstoff in polykristallinem Silicium, das durch das Siemensverfahren hergestellt wird, reduziert und qualitativ hochwertiges polykristallines Silicium mit hoher Wirksamkeit hergestellt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Konfiguration eines konventionellen Reaktors zur Herstellung von polykristallinem Silicium darstellt.
2A ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Konfiguration eines Reaktors für die Herstellung von polykristallinem Silicium gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, und einen Zustand veranschaulicht, in dem ein Kohlenstoffheizelement von einem Abscheidungsreaktionsabschnitt in einen Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt abgeführt wird.
2B ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Konfiguration eines Reaktors für die Herstellung von polykristallinem Silicium gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, und einen Zustand veranschaulicht, in dem ein Kohlenstoffheizelement aus dem Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt in den Abscheidungsreaktionsabschnitt abgeführt ist.
3 ist ein Diagramm, das die Zeitabhängigkeit der Abscheidungsreaktion von einer CH₄-Konzentration im Abgas darstellt.
Modus zum Ausführen der Erfindung
Ein Modus zum Ausführen der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Konfiguration eines konventionellen Reaktors 200 für die Herstellung von polykristallinem Silicium darstellt. Der Reaktor 200 ist eine Vorrichtung zur Dampfphasenabscheidung von polykristallinem Silicium auf der Oberfläche von Siliciumkerndrähten 12 mithilfe eines Siemensverfahren, um dadurch polykristalline Siliciumstäbe 11 zu erhalten, umfassend eine Grundplatte 5 und eine Glocke 1.
Auf der Grundplatte 5 sind Elektroden für Siliciumkerndrähte 10 zur Stromabgabe an die Siliciumkerndrähte 12 an den Adapter 14 befestigt, Quellengas-Zufuhrdüsen 9 zur Versorgung mit Prozessgas, wie Stickstoffgas, Wasserstoffgas und Trichlorsilangas sowie Reaktionsabgasausgänge 8 zur Ableitung von Abgas nach außen angeordnet.
Ein mit 13 gekennzeichnetes Element in der Figur ist ein Kohlenstoffheizelement zum ursprünglichen Erhitzen der Siliciumkerndrähte. Das Kohlenstoffheizelement 13 wird beim ursprünglichen Erhitzen elektrisch über die Stromzufuhr von einer Kohlenstoffheizelement-Stromversorgung 16 erhitzt, um dadurch zunächst die Oberfläche der Siliciumkerndrähte 12 auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen.
Die Glocke 1 hat einen Eingang 3 und einen Ausgang 4 für die Kühlflüssigkeit und ein Beobachtungsfenster 2 für die visuelle Prüfung des Zustands innerhalb der Glocke. Die Grundplatte 5 hat ebenfalls einen Eingang 6 und einen Ausgang 7 für die Kühlflüssigkeit.
In einem tatsächlichen Herstellungsprozess von polykristallinem Silicium wird der Reaktor im Chargenmodus betrieben. Demnach wird die Glocke 1 nach Beendigung einer Charge von der Grundplatte 5 getrennt, die polykristallinen Siliciumstäbe 11 werden aus dem Innern des Reaktors entnommen, die Oberfläche der Glocke 1 und der Grundplatte 5 wird von anhaftenden Nebenprodukt gesäubert und die Siliciumkerndrähte 12 werden für die nächste Charge eingelegt. Wenn sich der Zustand des Kohlenstoffheizelements zum Erhitzen 13 stark verschlechtert und zu diesem Zeitpunkt für die nächste Reaktionscharge nicht mehr akzeptabel ist, wird das Kohlenstoffheizelement 13 durch ein neues ausgetauscht.
Nachdem diese Siliciumkerndrähte 12 platziert wurden, wird die Glocke 1 wieder auf die Grundplatte 5 gestellt und das Innere des Reaktors zunächst mit Stickstoffgas gespült. Stickstoffgas wird aus den Quellengas-Zufuhrdüsen 9 in den Reaktor geleitet und die Luftkomponente wird aus den Reaktionsabgas-Ausgängen 8 nach außen abgeleitet. Nachdem Abschluss des Spülvorgangs mit Stickstoffgas wird das Zufuhrgas auf Wasserstoffgas umgeschaltet und das Innere des Reaktors mit Wasserstoffgas gespült.
Nachdem Abschluss des Spülvorgangs mit Wasserstoffgas wird das Innere des Reaktors auf seine Luftdichtheit geprüft. Der Druck im Innern des Reaktors während des Tests auf Luftdichtheit ist in etwa äquivalent zum Druck im Innern des Reaktors während des Abscheidungsreaktionsschrittes von polykristallinem Silicium (0,4 bis 0,9 MPa). Der Reaktor wird auf Gasdichtheit geprüft, beispielsweise durch ein Verfahren wie Gießen einer schäumenden Flüssigkeit auf die Oberfläche, wobei die Grundfläche der Glocke 1 mit der Grundplatte 5 in Kontakt ist, und durch Verwenden eines blasserstoffgasdetektors.
Nachdem der zuvor genannte Test auf Luftdichtheit mit Wasserstoffgas abgeschlossen ist, wird das Durchleiten von Strom durch das Kohlenstoffheizelement 13 gestartet, um die Siliciumkerndrähte 12 zu erhitzen. Durch das Durchleiten von Strom werden die Siliciumkerndrähte 12 erhitzt. Ein Temperaturanstieg der Siliciumkerndrähte 12 reduziert den spezifischen elektrischen Widerstand der Siliciumkerndrähte 12 und legt an die Siliciumkerndrähte 12 eine Spannung von einer Siliciumkerndrähte-Stromversorgung 15 an, wodurch der Strom durch die Drähte fließen kann.
Die Siliciumkerndrähte 12, die in einen elektrisch erhitzten Zustand überführt wurden, behalten infolge der Wärmeerzeugung durch die Siliciumkerndrähte 12 selbst ihre Oberflächentemperatur bei, selbst ohne die Wärmestrahlung des Kohlenstoffheizelements zum Erhitzen 13. Daher wird die Durchleitung von Strom durch das Kohlenstoffheizelement 13 angehalten, nachdem der zuvor genannte ursprüngliche Erhitzungsschritt abgeschlossen ist.
Nachdem der ursprüngliche Erhitzungsschritt abgeschlossen ist, wird zusammen mit Wasserstoffgas als Trägergas Chlorsilangas als Reaktionsquellengas von den Düsen 9 zugeführt, um dadurch den Abscheidungsreaktionsschritt für polykristallines Silicium zu starten.
In einer herkömmlichen Vorrichtung mit einer Konstruktion wie in 1 dargestellt, verbleibt das Kohlenstoffheizelement 13 zum ursprünglichen Erhitzen der Siliciumkerndrähte auch während dieser Abscheidungsreaktion im Reaktor, wie im ursprünglichen Erhitzungsschritt. Das bedeutet, obwohl das Kohlenstoffheizelement 13 nicht mehr für die Abscheidungsreaktion von polykristallinem Silicium verwendet wird, das Kohlenstoffheizelement 13 einer rauen Umgebung ausgesetzt ist (hohe Temperatur und Hochgeschwindigkeits-Gasfluss), beispielsweise der kontinuierlichen Exposition gegenüber Wärmestrahlung des polykristallinen Siliciums im Reaktor.
Im Reaktor wird eine mit hoher Geschwindigkeit umlaufende Strömung im Reaktor durch die vom Reaktionsgas verursachte thermische Konvektion und den Gasfluss der Gaszufuhrdüsen 9 verursacht. Daher wird das Kohlenstoffheizelement 13 in einen Zustand gesetzt, in dem das Kohlenstoffheizelement 13 dem Gasflusswiderstand bei hoher Temperatur unterworfen ist und außerdem vom Wasserstoffgas angegriffen wird. Als Folge hiervon verschlechtert sich der Zustand des Heizelements 13 enorm. In vielen Fällen verschlechtert sich der Zustand des Kohlenstoffheizelements 13 innerhalb einer Charge der Abscheidungsreaktion, und es ist schwierig das Kohlenstoffheizelement 13 mehrere Male zu verwenden.
Zusätzlich ist bekannt, dass ein Kohlenstoffheizelement 13, das hohen Temperaturen ausgesetzt ist, mit dem Wasserstoffgas im Reaktor reagiert und eine Quelle für die Methanerzeugung (CH₄) darstellt. Dieses Methangas wird im abscheidenden polykristallinen Silicium eingefangen und verursacht dabei eine Verunreinigung durch Kohlenstoff.
Des Weiteren wird polykristallines Silicium zusätzlich zur Abscheidung auf den Siliciumkerndrähten 12 lokal auf dem Kohlenstoffheizelement 13 abgeschieden. Selbst wenn sich der Zustand des Kohlenstoffheizelements nicht ernsthaft verschlechtert und das Heizelement nochmals verwendet werden kann, muss daher vor Verwendung in der nächsten Charge polykristallines Silicium entfernt werden.
Dann wendet die vorliegende Erfindung eine Konfiguration an, in der, nur falls zum ursprünglichen Erhitzen der Siliciumkerndrähte 12 notwendig, das Kohlenstoffheizelement 13 in den Abscheidungsreaktionsraum überführt wird, und nachdem das ursprüngliche Erhitzen der Siliciumkerndrähte 12 abgeschlossen ist, das Kohlenstoffheizelement 13 aus dem Abscheidungsreaktionsraum abgeführt wird.
Das Kohlenstoffheizelement 13 mit dieser Konfiguration wird im Reaktor nicht mehr übermäßig beschädigt. Zusätzlich zur geringeren Zustandsverschlechterung wird die Reaktion mit Wasserstoffgas im Reaktor reduziert, wodurch infolgedessen die Erzeugung von Methan (CH₄) reduziert wird. Somit wird auch die Verunreinigung von polykristallinem Silicium durch Kohlenstoff reduziert, das durch die Abscheidungsreaktion gewachsen ist.
Des Weiteren wird kein polykristallines Silicium auf dem Kohlenstoffheizelement 13 abgeschieden und dadurch ist das Entfernen von polykristallinem Silicium vor der erneuten Verwendung bei der nächsten Charge nicht notwendig.
2A und B sind schematische Querschnittsansichten, die ein Beispiel der Konfiguration eines Reaktors für die Herstellung von polykristallinem Silicium gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. 2A veranschaulicht einen Zustand, in dem ein Kohlenstoffheizelement aus dem Abscheidungsreaktionsabschnitt in den Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt abgeführt ist, und 2B veranschaulicht einen Zustand, in dem das Kohlenstoffheizelement aus dem Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt in den Abscheidungsreaktionsabschnitt überführt wurde.
Dieser Reaktor 100 unterscheidet sich vom Reaktor 200 mit der in 1 dargestellten Konstruktion, indem der Reaktor 100 einen Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt hat, der ein Kohlenstoffheizelement für das ursprüngliche Erhitzen von Siliciumkerndrähten aufnehmen kann. In einem Reaktor mit dieser Konstruktion wird ein Kohlenstoffheizelement 13 nur dann in einen Abscheidungsreaktionsraum 20 überführt, wenn dies zum ursprünglichen Erhitzen der Siliciumkerndrähte 12 erforderlich ist. Nachdem das ursprüngliche Erhitzen der Siliciumkerndrähte 12 abgeschlossen ist, wird das Kohlenstoffheizelement 13 aus dem Abscheidungsreaktionsraum in einen Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt 30 abgeführt.
In diesen Figuren ist ein mit 17 gekennzeichnetes Element ein öffenbarer und verschließbarer Verschluss, der den Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt 30 räumlich vom Abscheidungsreaktionsabschnitt 20 trennen kann, ein mit 18 gekennzeichnetes Element ist ein Motor für den Heizelementantrieb, ein mit 19 gekennzeichnetes Element ist ein Kugelgewinde für den Heizelementantrieb. In dem in diesen Figuren gezeigten Beispiel besteht der Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt aus Faltenbälgen, und das Kugelgewinde für den Heizelementantrieb 19, das durch den Motor für den Heizelementantrieb 18 gedreht wird, stellt den Heizelementantriebsabschnitt dar.
Das bedeutet, dass der Reaktor für die Herstellung von polykristallinem Silicium gemäß der vorliegenden Erfindung ein Reaktor zur Herstellung von polykristallinem Silicium durch ein Siemensverfahren ist, umfassend einen Abscheidungsreaktionsabschnitt als einen Raumabschnitt, in dem polykristallines Silicium auf Siliciumkerndrähten abgeschieden wird, und einen Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt, der ein Kohlenstoffheizelement für das ursprüngliche Erhitzen der Siliciumkerndrähte aufnehmen kann.
Dieser Reaktor umfasst einen Heizelementantriebsabschnitt, der das überführen des Kohlenstoffheizelements vom Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt in den Abscheidungsreaktionsabschnitt sowie das Überführen des Heizelements vom Heizelement-Abscheidungsreaktionsabschnitt in den Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt steuert, und zusätzlich einen öffenbaren und verschließbaren Verschluss umfasst, der den Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt räumlich vom Abscheidungsreaktionsabschnitt abtrennt.
Der vorstehend beschriebene Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt besteht beispielsweise aus Faltbälgen.
Das Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium unter Verwendung eines Reaktors mit dieser Konstruktion ist ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, in dem Siliciumkerndrähte vor einem Abscheidungreaktionsschritt des polykristallinen Siliciums zunächst durch ein Kohlenstoffheizelement erhitzt werden, nachdem die Siliciumkerndrähte eine vorbestimmte Temperatur erreicht haben das Kohlenstoffheizelement aus dem Abscheidungsreaktionsraum entnommen wird und danach der Abscheidungreaktionsschritt gestartet wird.
Als ein Verfahren zur Lösung des durch einen Reaktor mit der zuvor beschriebenen konventionellen Konstruktion hervorgerufenen Problems, ist ein Ansatz bekannt, um das Kohlenstoffheizelement 13 aus dem Reaktor nach außen zu bringen, indem der Reaktor nach Abschluss der Zündung zum Starten des Abscheidungsreaktionsschrittes von polykristallinem Silicium oben geöffnet wird (Patentliteratur 6: US Patentschrift, Nr. 4179530 ).
In diesem Verfahren ist es jedoch nicht möglich die Zündung unter einer Wasserstoffatmosphäre durchzuführen. Daher wird das Spülen des Abscheidungsreaktionsraums mit einem Inertgas notwendig, und es wird ein zusätzlicher Aufwand in dem Schritt erforderlich. Im Gegensatz hierzu liegt in der vorliegenden Erfindung keine Notwendigkeit vor, den Abscheidungsreaktionsraum mit einem Inertgas zu spülen.
Beispiele
Im vorliegenden Beispiel, in dem polykristallines Silicium mithilfe eines Reaktors mit der in 2A bis 2B dargestellten Konstruktion abgeschieden wurde, wurde (a) die Konzentration von Methan gemessen, die während der Reaktion im Abgas enthalten war, und b) die Konzentration von Kohlenstoff gemessen, die im gewachsenen polykristallinen Silicium enthalten war (Beispiel: Charge 1). Zum Vergleich, im Fall, in dem polykristallines Silicium mithilfe eines Reaktors mit der in 1 dargestellten Konstruktion abgeschieden wurde, wurde (a) die Konzentration von Methan gemessen, die während der Reaktion im Abgas enthalten war, und b) auch die Konzentration von Kohlenstoff gemessen, die im gewachsenen polykristallinen Silicium enthalten war (Beispiel: Charge 2).
3 ist ein Diagramm, das die Zeitabhängigkeit der Abscheidungsreaktion von einer CH₄-Konzentration im Abgas darstellt Hinsichtlich des Beispiels war im Verlauf des Abscheidungsschrittes (72 Stunden) die Methankonzentration im Abgas äquivalent zu oder geringer als die untere Nachweisgrenze (unter 0,100 vol.-ppm. Im Gegensatz hierzu nimmt im Vergleichsbeispiel mit dem Fortschreiten des Reaktionsschrittes die CH₄-Konzentration zu und die maximale Methankonzentration im Abgas erreicht 0,213 vol.-ppm.

Beide Vergleichsbeispiele sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Tabelle 11

	Beispiel: Charge 1	[Vergleichsbeispiel: Charge 2
Reaktionstemperatur	1.160°C	1.160°C
Reaktionsdruck	0,5 MPa	0,5 MPa
Silanquelle	Trichlorsilan	Trichlorsilan
Endgültiger Durchmesser	121 mmϕ	120 mmϕ
Reaktionsdauer	72 Stunden	72 Stunden
Maximale Methankonzentration im Abgas	Weniger als 0,100 vol.-ppm	0,213 vol.-ppm
Kohlenstoffkonzentration im Polykristall	10 ppba oder weniger	80 ppba

Gemäß den in Tabelle 1 dargestellten Ergebnissen liegt im Beispiel die maximale Methankonzentration im Abgas unter 0,100 vol.-ppm (äquivalent zu oder niedriger als die untere Nachweisgrenze) und die Kohlenstoffkonzentration im Polykristall beträgt 10 ppba oder weniger, wohingegen im Vergleichsbeispiel die maximale Methankonzentration im Abgas bei 0,213 vol.-ppm liegt und die Kohlenstoffkonzentration im Polykristall 80 ppba beträgt. Das bedeutet, dass die maximale Methankonzentration im Abgas auf die Hälfte oder weniger des Vergleichsbeispiels reduziert ist. Infolgedessen wird die Kohlenstoffkonzentration im Polykristall um eine Größenordnung abgesenkt.
Industrielle Verwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung stellt eine geeignete Technik bereit, um die Verunreinigung durch Kohlenstoff in polykristallinem Silicium infolge eines Kohlenstoffheizelements zu reduzieren, und um die Konzentration von Kohlenstoff in polykristallinem Silicium zu reduzieren, das bei der Herstellung von polykristallinem Silicium durch ein Siemensverfahren hergestellt wird.
Bezugszeichenliste

1: Glocke
2: Beobachtungsfenster
3: Kühlmitteleingang (Glocke)
4: Kühlmittelausgang (Glocke)
5: Bodenplatte
6: Kühlmitteleingang (Bodenplatte)
7: Kühlmittelausgang (Bodenplatte)
8: Ausgang des Reaktionsabgases
9: Zufuhrdüse Quellengas
10: Elektrode für Siliciumkerndraht
11: polykristalliner Siliciumstab
12: Siliciumkerndraht
13: Kohlenstoffheizelement
14: Adapter für Siliciumkerndraht
15: Stromversorgung für Siliciumkerndraht
16: Stromversorgung für Kohlenstoffheizelement
17: öffenbarer und verschließbarer Verschluss
18: Motor für Antrieb von Heizelement
19: Kugelgewinde für Antrieb von Heizelement
20: Abscheidungsreaktionsraum
30: Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt
100, 200: Reaktor

Claims

Reaktor zum Herstellen von polykristallinem Silicium durch ein Siemensverfahren, umfassend: einen Abscheidungsreaktionsabschnitt als einen Raumabschnitt, in dem polykristallines Silicium auf einem Siliciumkerndraht abgeschieden wird, und einen Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt als einen Raumabschnitt, der ein Kohlenstoffheizelement für das ursprüngliche Erhitzen des Siliciumkerndrahts aufnehmen kann.
Reaktor für die Herstellung von polykristallinem Silicium gemäß Anspruch 1, umfassend einen Antriebsabschnitt eines Heizelements zur Steuerung der Zuführung des Kohlenstoffheizelements aus dem Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt zum Abscheidungsreaktionsabschnitt und der Abführung des Heizelements vom Abscheidungsreaktionsabschnitt in den Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt.
Reaktor für die Herstellung von polykristallinem Silicium gemäß Anspruch 1 oder 2, umfassend einen öffenbaren und verschließbaren Verschluss, um den Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt räumlich vom Abscheidungsreaktionsabschnitt abzutrennen.
Reaktor für die Herstellung von polykristallinem Silicium gemäß Anspruch 1 oder 2, worin der Heizelement-Aufbewahrungsabschnitt Faltenbälge umfasst.
Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium durch ein Siemensverfahren, worin ein Siliciumkerndraht zunächst durch ein Kohlenstoffheizelement vor einem Abscheidungreaktionsschritt des polykristallinen Siliciums erhitzt wird, nachdem der Siliciumkerndraht eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, das Kohlenstoffheizelement aus dem Abscheidungsreaktionsraum entnommen wird und danach der Abscheidungreaktionsschritt gestartet wird.