JP2009107886A - Method for manufacturing polycrystalline silicon - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は太陽電池パネル、シリコン単結晶等の製造に使用される多結晶シリコンの製造方法に関し、特にシーメンス法による多結晶シリコンの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing polycrystalline silicon used for producing solar cell panels, silicon single crystals and the like, and more particularly to a method for producing polycrystalline silicon by the Siemens method.
太陽電池パネル、シリコン単結晶等の製造に使用される多結晶シリコンは、工業的にはシーメンス法と呼ばれる方法により主に製造されている。シーメンス法による多結晶シリコンの製造では、ベルジャーと呼ばれる反応炉内に多数本のシリコン芯棒が立設される。多数本のシリコン芯棒は、反応炉の底部に設置された電極の上に固定され、反応炉内を所定雰囲気に置換した後、通電加熱される。この状態で、反応炉の底部に設けられた複数の原料ガス供給ノズルからシランと水素の混合ガスが供給される。その結果、シランの加熱分解によりシリコン芯棒の表面に多結晶シリコンが析出し、その芯棒が成長することにより、製品である所定径の多結晶シリコン棒が製造される。シリコン芯棒は通電加熱のため、2本を1組として逆U字状に形成され、1組の電極上にセットされる。 Polycrystalline silicon used for manufacturing solar cell panels, silicon single crystals, and the like is mainly manufactured industrially by a method called a Siemens method. In the production of polycrystalline silicon by the Siemens method, a large number of silicon core rods are erected in a reaction furnace called a bell jar. A large number of silicon core rods are fixed on an electrode installed at the bottom of the reaction furnace, and the inside of the reaction furnace is replaced with a predetermined atmosphere, and then heated by energization. In this state, a mixed gas of silane and hydrogen is supplied from a plurality of source gas supply nozzles provided at the bottom of the reaction furnace. As a result, polycrystalline silicon is deposited on the surface of the silicon core rod by thermal decomposition of silane, and the core rod grows, whereby a polycrystalline silicon rod having a predetermined diameter as a product is manufactured. The silicon core rod is formed in an inverted U shape with two wires as a set for energization heating, and is set on a set of electrodes.
このようなシーメンス法による多結晶シリコンの製造では、生産性を高めるために反応炉を大型化し、一度に製造する多結晶シリコンの本数を増加させており、最近では数十本、或いはそれ以上の多結晶シリコン棒が一つの反応炉内で同時に製造されている。 In the production of polycrystalline silicon by the Siemens method, the reactor has been enlarged to increase productivity, and the number of polycrystalline silicon produced at a time has been increased. Recently, several tens or more are produced. Polycrystalline silicon rods are manufactured simultaneously in one reactor.
多結晶シリコンの製造本数を増加させると、様々な問題が生じる。その問題の一つは、シリコンロッドへの原料ガスの均等供給の困難化である。 Increasing the number of polycrystalline silicon produced causes various problems. One of the problems is difficulty in uniformly supplying the raw material gas to the silicon rod.
すなわち、シーメンス法による多結晶シリコンの製造では、シリコン芯棒を均等に成長させる必要がある。なぜなら、多結晶シリコンは半導体であるため、太さによって電気抵抗が変化し、その変化が加熱温度差を助長し、成長差を一層増長させるからである。このため、原料ガスに関しては、反応炉内の全てのシリコンロッドに均等に供給を行う必要がある。 That is, in the manufacture of polycrystalline silicon by the Siemens method, it is necessary to uniformly grow the silicon core rod. This is because, since polycrystalline silicon is a semiconductor, the electrical resistance changes depending on the thickness, and this change promotes the heating temperature difference and further increases the growth difference. For this reason, it is necessary to supply the source gas evenly to all the silicon rods in the reaction furnace.
しかしながら、反応炉が大型化し、シリコンロッドの本数が多くなると、この原料ガスの均等供給が困難になる。このため、反応炉の大型化、多結晶シリコンの製造本数の増加に伴って炉底部の原料ガス供給ノズルの本数を増加させることは勿論、その配置形態にも様々な工夫が講じられている。 However, when the reactor becomes large and the number of silicon rods increases, it becomes difficult to uniformly supply the source gas. For this reason, in addition to increasing the number of raw material gas supply nozzles at the bottom of the furnace with an increase in the size of the reaction furnace and the number of polycrystalline silicon produced, various arrangements have been devised for the arrangement.
原料ガスに関する別の問題としては、原料ガスによるシリコンロッドの冷却がある。これは、原料ガスの加熱分解温度と比べて原料ガスの温度が低いために、原料ガスによってシリコンロッドが冷却される現象であり、これもシリコンロッドの成長差を増長する原因になっている。このため、原料ガス供給ノズルの配置では、この冷却の問題も含めて、工夫が講じられている(例えば特許文献1参照)。 Another problem with the source gas is cooling of the silicon rod with the source gas. This is a phenomenon in which the temperature of the raw material gas is lower than the thermal decomposition temperature of the raw material gas, so that the silicon rod is cooled by the raw material gas, which also increases the growth difference of the silicon rod. For this reason, the arrangement of the raw material gas supply nozzle has been devised including the problem of cooling (see, for example, Patent Document 1).
また、シーメンス法による多結晶シリコンの製造での別の問題として、反応炉内におけるシリコンロッドの倒壊事故がある。これは、製造途中あるいは製造後に炉内で特定のシリコンロッドが倒壊し、これが引き金となって炉内のシリコンロッドの多くが連鎖反応的に倒壊してしまう現象である。これが発生すると、通電中のロッドが接地し、電極と反応容器との間で放電が起こる可能性があるため、設備破壊による危険性及び損失が問題になる。 Another problem in the production of polycrystalline silicon by the Siemens method is the accident of collapse of the silicon rod in the reactor. This is a phenomenon in which a specific silicon rod collapses in the furnace during or after the manufacture, and this triggers many of the silicon rods in the furnace in a chain reaction. When this occurs, the current-carrying rod is grounded, and a discharge may occur between the electrode and the reaction vessel.
この倒壊事故の原因は、様々な要因が複合したものと考えられているが、炉内のシリコンロッドの多くが倒壊した後では、連鎖倒壊を引き起こした最初の倒壊ロッドの特定さえ困難であり、その原因の特定は非常に困難とされている。 The cause of this collapse accident is thought to be a combination of various factors, but after many of the silicon rods in the furnace collapse, it is difficult to identify the first collapse rod that caused the chain collapse, The cause is extremely difficult to identify.
本発明の目的は、シーメンス法による多結晶シリコンの製造において、高い生産性を確保しつつシリコンロッドの均等成長を図り、合わせてシリコンロッドの倒壊事故を効果的に防止できる多結晶シリコンの製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to produce polycrystalline silicon by the Siemens method for producing polycrystalline silicon, which can achieve uniform growth of the silicon rod while ensuring high productivity, and can effectively prevent the collapse of the silicon rod. Is to provide.
本発明者らは、大型炉での大量生産で特に大きな問題となるロッドの倒壊事故にも原料ガス供給ノズルの位置が関係していると考え、ノズル位置とロッド倒壊との関係について、様々な視点から調査、解析を行った。その結果、以下の事実が判明した。 The present inventors consider that the position of the source gas supply nozzle is also related to the rod collapse accident, which is a particularly serious problem in mass production in a large furnace, and there are various relations between the nozzle position and the rod collapse. We investigated and analyzed from the viewpoint. As a result, the following facts were found.
反応炉の炉底部における電極と原料ガス供給ノズルの位置関係は、従来はもっぱら平面的な観点から(水平方向について)解析が行われてきた。垂直方向の位置関係も決して無視されているわけではなく、ある種の条件は満足されている。それは、電極の上端位置よりもノズルの上端位置を十分に低くするということである。 Conventionally, the positional relationship between the electrode and the source gas supply nozzle at the bottom of the reactor has been analyzed exclusively from a planar viewpoint (horizontal direction). The vertical positional relationship is never ignored, and certain conditions are satisfied. That is, the upper end position of the nozzle is made sufficiently lower than the upper end position of the electrode.
すわなち、電極の上にセットされたシリコンは、下から上まで均等な太さに成長させる必要がある。原料ガス供給ノズルの上端レベルが電極の上端レベルより下にないと、シリコン芯棒の下から上まで均等に全量ガスを供給することができない。このため、原料ガス供給ノズルの上端レベルは電極の上端レベルより十分に下げられる。しかし、原料ガス供給ノズルの上端レベルが電極の上端レベルより下にあっても、原料ガス供給ノズルが電極から離れると、電極近傍のロッド下部へのガス供給が不足し、シリコンロッドの均一成長が困難となる。このため、原料ガス供給ノズルを電極から遠ざけることができない。 That is, the silicon set on the electrode needs to be grown to a uniform thickness from the bottom to the top. If the upper end level of the source gas supply nozzle is not lower than the upper end level of the electrode, the entire amount of gas cannot be supplied uniformly from the bottom to the top of the silicon core rod. For this reason, the upper end level of the source gas supply nozzle is sufficiently lowered than the upper end level of the electrode. However, even if the upper end level of the source gas supply nozzle is lower than the upper end level of the electrode, if the source gas supply nozzle is separated from the electrode, the gas supply to the lower part of the rod near the electrode is insufficient, and the silicon rod is uniformly grown. It becomes difficult. For this reason, the source gas supply nozzle cannot be moved away from the electrode.
ところが、原料ガス供給ノズルを電極に接近させ過ぎると、そのノズルから噴出される原料ガスがシリコンロッドの下部に直接当たるようになる。原料ガスの温度はロッドの温度(シランガスの加熱分解温度)と比べて極端に低い。このため、原料ガスが衝突するロッド下部にエグレが発生する。シリコンロッド下部における成長不良もこのエグレの発生も共に倒壊原因となる危険性があるのである。 However, when the source gas supply nozzle is brought too close to the electrode, the source gas ejected from the nozzle directly hits the lower part of the silicon rod. The temperature of the raw material gas is extremely lower than the temperature of the rod (the thermal decomposition temperature of silane gas). For this reason, an egre is generated in the lower part of the rod where the source gas collides. Both the poor growth at the bottom of the silicon rod and the occurrence of this aggression are at risk of collapsing.
このため、電極と原料ガス供給ノズルの平面的な配置位置を工夫するだけでは、シリコンロッドの倒壊事故を完全に防止することは困難である。そこで、本発明者は電極上端と原料ガス供給ノズル上端のレベル差に着目し、それのシリコンロッド成長への影響及び倒壊減少との関係を調査した。その結果、以下のことが判明した。 For this reason, it is difficult to completely prevent the collapse of the silicon rod by simply devising the planar arrangement position of the electrode and the source gas supply nozzle. Therefore, the present inventor paid attention to the level difference between the upper end of the electrode and the upper end of the source gas supply nozzle, and investigated the relationship between the influence on the growth of the silicon rod and the decrease in collapse. As a result, the following was found.
ロッド下部に原料ガスを供給するために、電極の近傍に原料ガス供給ノズルを配置することは必要である。しかし、そのノズルを電極に接近させると、前述したとおり、原料ガスがロッド下部に衝突してエグレを発生させる傾向が強まる。しかし、原料ガス供給ノズルを電極に接近させても、それに応じて原料ガス供給ノズルのレベルを上げるならば、ロッド下部におけるエグレの発生が抑制される傾向がある。このような傾向を考慮しつつ設定した領域に少なくとも一つの原料ガス供給ノズルを配置することが必要である。そうすることにより、ロッド下部のエグレの発生を防止しつつその下部に必要な原料ガスを供給することができる。 In order to supply the source gas to the lower part of the rod, it is necessary to arrange a source gas supply nozzle in the vicinity of the electrode. However, when the nozzle is brought close to the electrode, as described above, the tendency of the raw material gas to collide with the lower portion of the rod and to generate an egress is increased. However, even if the source gas supply nozzle is brought closer to the electrode, if the level of the source gas supply nozzle is increased accordingly, the occurrence of the egress at the lower portion of the rod tends to be suppressed. It is necessary to arrange at least one source gas supply nozzle in a region set in consideration of such a tendency. By doing so, it is possible to supply the necessary raw material gas to the lower part of the rod while preventing the occurrence of the egress of the lower part of the rod.
その一方、ロッド下部に原料ガスを供給するために、原料ガス供給ノズルの上端レベルを電極の上端レベルより低くすることは必要であるが、低すぎる位置にノズルを配置すると、水平方向の位置関係に関係なく、原料ガスがロッド下部に衝突し、エグレを発生させる危険がある。このため、低すぎる位置に原料ガス供給ノズルを配置することは避けなければならない。この位置も、原料ガス供給ノズル上端と電極上端の水平方向の位置関係の影響を受ける。 On the other hand, in order to supply the source gas to the lower part of the rod, it is necessary to make the upper end level of the source gas supply nozzle lower than the upper end level of the electrode. Regardless of the source gas, there is a danger that the source gas will collide with the lower part of the rod and generate an egress. For this reason, it is necessary to avoid disposing the source gas supply nozzle at a position that is too low. This position is also affected by the horizontal positional relationship between the upper end of the source gas supply nozzle and the upper end of the electrode.
他方、原料ガス供給ノズルを電極に極端に接近させると、垂直方向の位置関係に関係なく、原料ガスがロッド下部に衝突し、エグレを発生させる危険がある。このため、接近し過ぎた位置に原料ガス供給ノズルを配置することも避けなければならない。反面、電極から遠く離れた位置、上すぎる位置、極端に低い位置などの原料ガス供給ノズルは、ロッド形状に影響を与えない。換言すれば、これらの位置においては、原料ガス供給ノズルは存在してもしなくてもよいといことである。 On the other hand, if the source gas supply nozzle is extremely close to the electrode, the source gas may collide with the lower portion of the rod regardless of the vertical positional relationship, and there is a risk of causing an egress. For this reason, it is also necessary to avoid disposing the source gas supply nozzle at a position that is too close. On the other hand, the source gas supply nozzles such as a position far from the electrode, a position that is too high, and an extremely low position do not affect the rod shape. In other words, at these positions, the source gas supply nozzle may or may not exist.
本発明の多結晶シリコンの製造方法はかかる知見を基礎として完成されたものであり、反応炉の底部に設けられた複数本の電極上にシリコン芯棒を固定し、それらのシリコン芯棒を通電加熱した状態で、前記底部に設けられた複数の原料ガス供給ノズルから原料ガスを反応炉内に供給することにより、各シリコン芯棒に多結晶シリコンを析出させるシーメンス法による多結晶シリコンの製造方法において、電極の頂部中心をA点、原料ガス供給ノズルの頂部中心をB点とし、電極中心線からの水平方向の離間距離をD、A点レベルから下方へのレベル差をLとしたとき、前記複数本の電極の全てが下記の条件1、2、3を共に満足するものである。
The method for producing polycrystalline silicon according to the present invention has been completed on the basis of such knowledge, and a silicon core is fixed on a plurality of electrodes provided at the bottom of the reactor, and these silicon cores are energized. A method for producing polycrystalline silicon by a Siemens method in which polycrystalline silicon is deposited on each silicon core rod by supplying a raw material gas into a reaction furnace from a plurality of raw material gas supply nozzles provided at the bottom in a heated state , The top center of the electrode is A point, the top center of the source gas supply nozzle is B point, the distance in the horizontal direction from the electrode center line is D, and the level difference from the A point level downward is L, All of the plurality of electrodes satisfy both the following
条件1:D=80〜450mmを満足する電極回りの領域A1 内で、且つD/L=6を満足する電極回りの面Xより下でD/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 より上の領域B1 内(面X及び面Y1 を含む)に少なくとも1個のB点が存在する。
条件2:D=80〜450mmを満足する電極回りの領域A1 内で、且つD/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 より下でL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域C1 内(面Y1 を含まず面Zを含む)にB点が存在しない。
条件3:D=80mm未満を満足する電極回りの領域D内で、且つL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域E内(面Zを含む)にB点が存在しない。
Condition 1: Within the area A 1 around the electrode satisfying D = 80 to 450 mm and below the surface X around the electrode satisfying D / L = 6, around the electrode satisfying D / L = 0.8 At least one of the B point exists within region B 1 above the plane Y 1 (including the surface X and the plane Y 1).
Condition 2: In the area A 1 around the electrode satisfying D = 80 to 450 mm and below the surface Y 1 around the electrode satisfying D / L = 0.8, the surface around the electrode satisfying L = 600 mm There is no point B in the region C 1 above Z (including the surface Y 1 but not the surface Z).
Condition 3: There is no point B in the region D around the electrode satisfying D = less than 80 mm and in the region E (including the surface Z) above the surface Z around the electrode satisfying L = 600 mm.
より好ましくは、前記複数本の電極の全てが下記の条件1’、2’、3’を共に満足する。 More preferably, all of the plurality of electrodes satisfy both the following conditions 1 ', 2' and 3 '.
条件1’:D=80〜350mmを満足する電極回りの領域A2 内で、且つD/L=6を満足する電極回りの面Xより下でD/L=1.15を満足する電極回りの面Y2 より上の領域B2 内(面X及び面Y2 を含む)に少なくとも1個のB点が存在する。
条件2’:D=80〜350mmを満足する電極回りの領域A2 内で、且つD/L=1.15を満足する電極回りの面Y2 より下でL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域C2 内(面Y2 を含まず面Zを含む)にB点が存在しない。
条件3’:D=80mm未満を満足する電極回りの領域D内で、且つL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域E内(面Zを含む)にB点が存在しない(条件3と同じ)。
Condition 1 ′: Around the electrode satisfying D / L = 1.15 in the area A 2 around the electrode satisfying D = 80 to 350 mm and below the surface X around the electrode satisfying D / L = 6 There is at least one B point in the region B 2 above the surface Y 2 (including the surface X and the surface Y 2 ).
Condition 2 ′: within the region A 2 around the electrode satisfying D = 80 to 350 mm and below the surface Y 2 around the electrode satisfying D / L = 1.15, around the electrode satisfying L = 600 mm There is no point B in the region C 2 above the surface Z (not including the surface Y 2 but including the surface Z).
条件1、2、3及び条件1’、2’、3’の限定理由は後で詳しく説明する。
The reasons for limiting
本発明の多結晶シリコンの製造方法は、反応炉1基あたりの電極の本数が多い場合、具体的には30本以上の場合に特に有効である。なぜなら、電極の本数が多くなると、電極上のシリコン芯棒への原料ガスの均一供給が容易ではなくなるため、シリコンロッドの均等な成長が難しくなると共に、倒壊が発生した場合の損害も大きくなるからである。なお、万が一倒壊した場合の損害を抑制するためには、電極の本数は200本以下が望ましい。 The method for producing polycrystalline silicon according to the present invention is particularly effective when the number of electrodes per reactor is large, specifically, when the number is 30 or more. Because, if the number of electrodes increases, uniform supply of the source gas to the silicon core rod on the electrodes becomes difficult, so that uniform growth of the silicon rods becomes difficult and damage caused when collapse occurs increases. It is. Note that the number of electrodes is desirably 200 or less in order to suppress damage in the event of a collapse.
本発明の多結晶シリコンの製造方法は又、原料ガス供給ノズルが鉛直上向きの直管型ガスノズルの場合に特に有効である。このノズルは、原料ガスを真上に勢いよく吹き出すノズルであって、多結晶シリコン製造炉に多用されており、特に大型炉においてシリコンロッドの上部付近の空間まで原料ガスを十分に供給するのに適する。
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The method for producing polycrystalline silicon according to the present invention is also particularly effective when the source gas supply nozzle is a straight pipe type gas nozzle that is vertically upward. This nozzle is a nozzle that blows out the source gas vigorously right above, and is often used in polycrystalline silicon manufacturing furnaces, especially for supplying the source gas sufficiently to the space near the top of the silicon rod in large furnaces. Suitable.
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本発明の多結晶シリコンの製造方法は、反応炉内の全ての電極について、電極回りの原料ガス供給ノズルとの位置関係を、水平方向及び垂直方向の両方向について規定することにより、炉内のシリコンロッドが多本数の場合も各ロッドに原料ガスを均等、均一に供給することができる。しかも、炉内でのシリコンロッドの倒壊事故を効果的に防止することができ、これらにより生産性の向上に寄与する。 The method for producing polycrystalline silicon according to the present invention defines the positional relationship between the raw material gas supply nozzles around the electrodes for all the electrodes in the reaction furnace in both the horizontal direction and the vertical direction. Even when there are a large number of rods, the source gas can be supplied uniformly and uniformly to each rod. In addition, a silicon rod collapse accident in the furnace can be effectively prevented, thereby contributing to improvement in productivity.
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態を示す反応炉の概略構成図、図2は反応炉内の電極及び原料ガスノズルの概略構成図、図3は反応炉内の電極と原料ガスノズルの適正な位置関係を説明するための模式図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a reaction furnace showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an electrode in the reaction furnace and a raw material gas nozzle, and FIG. 3 is an appropriate positional relationship between the electrode in the reaction furnace and the raw material gas nozzle. It is a schematic diagram for demonstrating.
本実施形態では、図1に示すように、高性能太陽電池パネル、シリコン単結晶等の製造に使用される高純度の多結晶シリコンがシーメンス法により製造される。その製造に使用される反応炉10は、円盤状の炉底部11に釣り鐘状をしたジャケット構造の炉本体12を被せたベルジャー炉である。炉底部11には、2本を1組とする多数本の電極14が分散して設置されている。各電極14は垂直な導電性ロッドであり、その上にシリコン芯棒13を垂直に固定し、電気的に接続するようになっている(図2参照)。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, high-purity polycrystalline silicon used for manufacturing a high-performance solar cell panel, a silicon single crystal or the like is manufactured by the Siemens method. The
シリコン芯棒13は、多結晶シリコンからなる細長いロッドであって、通電加熱のために、隣接する2本を1組として直列に接続されており、より詳しくは、上部同士が水平ロッドにより接続された門型(逆U字状)に形成されて、その1組が前述した1組の電極13上に固定されている。
The
炉底部11には又、多数本の原料ガス供給ノズル15が、電極14と干渉しないように分散して設けられると共に、複数のガス排出孔16が炉底部11の最外周部に位置して設けられている。原料ガス供給ノズル15は、図2に示すように、鉛直上向きの直管型ガスノズルであり、周囲の電極14から水平方向に中心間距離D’で離間しており、その頂部レベル(炉底部11の表面からの高さ)は電極14の頂部レベルよりL’低く設定されている。
The furnace bottom 11 is also provided with a large number of source
シリコン芯棒13の本数は例えば30本(15組)、或いはそれ以上であり、原料ガス供給ノズル15の本数は、例えばシリコン芯棒13の本数のおおよそ半分である。
The number of
操業では、反応炉10内にシリコン芯棒13をセットし、反応炉10を密閉し、真空置換により炉内の大気を排出した後、炉内をH2 ガス又は不活性ガスにより所定の加圧雰囲気に維持する。この状態で、全てのシリコン芯棒13をシランガスの分解温度以上(通常1000℃前後)に加熱し、原料ガス供給ノズル15から原料ガスを反応炉10内に導入する。原料ガスはシラン(通常はトリクロロシラン)と水素の混合ガスであり、原料ガス供給ノズル15から真上に強く吹き上げられる。
In operation, the
炉底部各所の原料ガス供給ノズル15から噴出される原料ガスは、炉本体12の天井面に衝突し、その天井面に沿って周囲へ下降して、炉底部11の最外周部に設けられたガス排出孔15から排出される。この過程で、原料ガスは、高温のシリコン芯棒13と接触し、シリコン芯棒13の表面でシランが加熱分解することにより、その表面に多結晶シリコンを析出させ、シリコン芯棒13を成長させることにより、電極14上にシリコンロッド20を形成する。
The raw material gas ejected from the raw material
こうして、本実施形態の多結晶シリコンの製造方法では、シーメンス法により多数本の多結晶シリコン棒が同時に製造される。 Thus, in the polycrystalline silicon manufacturing method of the present embodiment, a large number of polycrystalline silicon rods are simultaneously manufactured by the Siemens method.
ここで重要なのは、炉底部11の各所に設けられた電極14と、その周囲に配置された原料ガス供給ノズル15との、水平方向及び垂直方向の位置関係である。この位置関係を図3により詳しく説明する。
What is important here is the positional relationship in the horizontal and vertical directions between the
電極14の頂部中心をA点とし、原料ガス供給ノズル15の頂部中心をB点とする(図2参照)。また、電極12の中心線からの水平方向離間距離をDとし、A点レベルから下方へのレベル差をLとする。Lが大きいところ、すなわちA点から相当下にB点があると、その原料ガス供給ノズル15から吹き出される原料ガスが電極12上のシリコンロッド20の下部にも供給され、垂直方向で均一なガス供給が行われる。反対に、原料ガス供給ノズル15のレベルが上がる(Lが小さくなる)と、シリコンロッド20の下部への原料ガスの供給が不足し、この部分が細くなって倒壊の危険性が生じる。これが従来の垂直方向における考え方である。
The center of the top of the
ところが、A点からの水平方向距離Dが小さい領域では、レベル差Lが大きくても、下から吹き上がる原料ガスがシリコンロッド20の下部に直接衝突する危険性が生じる。原料ガスの温度はロッド温度よりも極端に低いので、原料ガスが直接衝突した場合はその衝突部分にエグレができ、このロッド下部のエグレも倒壊原因となる。そして、水平方向距離Dが小さい領域では、逆にレベル差Lを小さくする(ノズルレベルを上げる)ことにより、倒壊の危険性が低下する。これから判るように、シリコンロッド20の倒壊にはDとLの両方が深く関与しており、D/Lが重要な判定因子となる。
However, in the region where the horizontal distance D from the point A is small, even if the level difference L is large, there is a risk that the source gas blown from below directly collides with the lower part of the
D/LはA点からの俯角を表し、これが大きいと俯角は小さく、反対に小さいと俯角は大きい。また、D/Lが負の値は仰角を表す。そして、D/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 より下の領域にB点が存在すると、その原料ガス供給ノズル15は電極12上のシリコンロッド20の下部に原料ガスを直接衝突させ、倒壊原因をつくる。したがって、D/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 より下の領域にB点が存在しないことが必要となる。D/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 とは、D/L=0.8を満足する下降傾斜直線を電極中心線回りに回転させて形成される円錐面である。
D / L represents a depression angle from point A. If this is large, the depression angle is small, and conversely, if it is small, the depression angle is large. A negative value of D / L represents an elevation angle. When point B exists in a region below the surface Y 1 around the electrode that satisfies D / L = 0.8, the source
ただし、Dが大きい領域、すなわち電極12から水平方向に離れた領域、及びLが大きい領域、すなわち電極12から下方へ大きく下がった領域では、シリコンロッド20に対する原料ガス供給ノズル15の位置の影響は小さくなるので、D/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 より下にB点が存在してもよい。具体的には、D>450mm又はL>600mmを満足するならば、D/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 より下にB点が存在してもよい。
However, in the region where D is large, that is, the region which is separated from the
一方、電極12上のシリコンロッド20に下から上まで均一に原料ガスを供給するためには、原料ガス供給ノズル15は依然として電極14の上端より下方に位置することが必要であり、これもDの影響を受ける。この観点から、D/L=6を満足する電極回りの面Xより下でD/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 より上の領域B1 で、且つD≧450mmを満足する領域内に少なくとも一つはB点が存在することが必要である。D/L=6を満足する電極回りの面Xとは、D/L=6を満足する下降傾斜直線を電極中心線回りに回転させて形成される円錐面である。
On the other hand, in order to supply the raw material gas uniformly from the bottom to the top to the
ただし、この条件を満足しても、電極12に極端に近い領域からは原料ガス供給ノズル15を排除することが必要である。ぜならば、電極12に極端に近い原料ガス供給ノズル15は、そのレベルLに実質関係なく、電極12上のシリコンロッド20の下部にエグレを発生させ、倒壊原因をつくるからである。電極近傍であれば、D/L=6を満足する電極回りの面Xより上であっても、ロッド下部から中段部にかけての部分にエグレを発生させる。ただし、B点が極端に下方に存在する場合は悪影響は緩和される。この観点から、D<80mm未満を満足する電極回りの領域(D)で、且つL≧600mmを満足する電極回りの領域、すなわちL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域(E)内にB点は存在してはならない。
However, even if this condition is satisfied, it is necessary to exclude the source
D>450mmを満足する電極回りの領域、L>600mmを満足する電極回りの領域、すなわちL=600mmを満足する電極回りの面Zより下の領域、及びD/L=6を満足する電極回りの面Xより上の領域(D<80mmを満足する領域を除く)においては、ガス拡散などの影響により、B点の存在は電極14上のシリコンロッドの欠陥発生の原因にならないが、その代わり健全な成長に寄与することもない。
The area around the electrode that satisfies D> 450 mm, the area around the electrode that satisfies L> 600 mm, that is, the area below the surface Z around the electrode that satisfies L = 600 mm, and the area around the electrode that satisfies D / L = 6 In the region above the surface X (except for the region satisfying D <80 mm), the presence of the point B does not cause a defect of the silicon rod on the
以上を整理すると、D=80〜450mmを満足する電極回りの領域A1 内で、且つD/L=6を満足する電極回りの面Xより下でD/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 より上の領域B1 内(面X及び面Y1 を含む)に少なくとも1個のB点が存在すること(条件1)、D=80〜450mmを満足する電極回りの領域A1 内で、且つD/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 より下でL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域C1 内(面Y1 を含まず面Zを含む)にB点が存在しないいこと(条件2)、及びD=80mm未満を満足する電極回りの領域D内で、且つL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域E内(面Zを含む)にB点が存在しないこと(条件3)が必要である。 In summary, the electrode satisfying D / L = 0.8 in the area A 1 around the electrode satisfying D = 80 to 450 mm and below the surface X around the electrode satisfying D / L = 6. An area around the electrode satisfying D = 80 to 450 mm, that at least one B point exists in the area B 1 (including the face X and the face Y 1 ) above the surrounding face Y 1 (Condition 1) in the a 1, and does not include a D / L = 0.8 satisfactory electrodes around the surface Y 1 satisfies L = 600 mm below the electrode around the upper region C within 1 from the surface Z (the surface Y 1 The point B is not present (including the surface Z) (condition 2), and the region around the electrode D that satisfies D = less than 80 mm and the region above the surface Z around the electrode that satisfies L = 600 mm It is necessary that point B does not exist in E (including plane Z) (condition 3).
領域A1 内で、且つ領域B1 内に1個のB点も存在しない場合、すなわち条件1が満足されない場合は、シリコンロッド20の下部への原料ガスの供給が不足し、その下部が細くなり、倒壊の危険性が生じる。領域A1 内で、且つ領域C1 内にB点が存在した場合、すなわち条件2が満足されない場合は、シリコンロッド20の下部乃至その上に原料ガスが直接衝突し、その下部にエグレが発生して、倒壊や品質不良の危険性が生じる。領域D内で、且つ領域E内にB点が存在した場合、すなわち条件3が満足されない場合は、シリコンロッド20の下部からその上にかけて原料ガスが直接衝突し、ロッド下部等にエグレが発生して、倒壊や品質不良の危険性が生じる。
When there is no B point in the region A 1 and in the region B 1 , that is, when the condition 1 is not satisfied, the supply of the raw material gas to the lower portion of the
条件1を支配する領域A1 内で、且つ領域B1 内とは、図3中の太破線で囲まれた領域を電極中心線回りに回転させて形成される円環状領域であり、条件2を支配する領域A1 内で、且つ領域C1 内とは、その円環状領域の下の底面が水平な円環状領域領域である。また、D≧80mmを満足する領域とは、D=80mmの垂直線を電極中心線回りに回転させて形成される円筒面より外側の領域である(円筒面は含む)。同様に、D≦450mmを満足する領域とは、D=450mmの垂直線を電極中心線回りに回転させて形成される円筒面より内側の領域である(円筒面は含む)。 Within the region A 1 governing the condition 1 and within the region B 1 is an annular region formed by rotating the region surrounded by the thick broken line in FIG. The region A 1 that dominates the region and the region C 1 is an annular region where the bottom surface below the annular region is horizontal. The region satisfying D ≧ 80 mm is a region outside a cylindrical surface formed by rotating a vertical line of D = 80 mm around the electrode center line (including the cylindrical surface). Similarly, the region satisfying D ≦ 450 mm is a region inside a cylindrical surface formed by rotating a vertical line of D = 450 mm around the electrode center line (including the cylindrical surface).
より望ましくは、D=80〜350mmを満足する電極回りの領域A2 内で、且つD/L=6を満足する電極回りの面Xより下でD/L=1.15を満足する電極回りの面Y2 より上の領域B2 内(面X及び面Y2 を含む)に少なくとも1個のB点が存在すること(条件1’)、D=80〜350mmを満足する電極回りの領域A2 内で、且つD/L=1.15を満足する電極回りの面Y2 より下でL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域C2 内(面Y2 を含まず面Zを含む)にB点が存在しないこと(条件2’)、及びD=80mm未満を満足する電極回りの領域D内で、且つL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域E内(面Zを含む)にB点が存在しないこと〔条件3’(条件3と同じ)〕が必要である。
More preferably, in the region A 2 around the electrode satisfying D = 80 to 350 mm and below the surface X around the electrode satisfying D / L = 6, the electrode periphery satisfying D / L = 1.15 At least one of the point B is present (condition 1 '), D = electrode around the region satisfying the 80~350mm on area B within 2 from the surface Y 2 (including the surface X and the plane Y 2) of the in the a 2, and free of D / L = 1.15 satisfies electrodes around the surface Y 2 from the lower by L = 600 mm above the inner region C 2 from the electrode around the surface Z that satisfies the (surface Y 2 B point does not exist (including surface Z) (condition 2 '), and within region D around electrode satisfying D = less than 80 mm, and above region Z around electrode satisfying L = 600 mm It is necessary that point B does not exist in E (including plane Z) [
条件1’を支配する領域A2 内で且つ領域B2 内とは、図3中の太実線で囲まれた領域を電極中心線回りに回転させて形成される円環状領域であり、条件2’を支配する領域A2 内で且つ領域C2 内とは、その円環状領域の下の、上面が傾斜面、底面が水平面である円環状領域領域である。 Within the region A 2 governing the condition 1 ′ and within the region B 2 is an annular region formed by rotating the region surrounded by the thick solid line in FIG. The region A 2 that dominates “and the region C 2 is an annular region under the annular region in which the upper surface is an inclined surface and the bottom surface is a horizontal surface.
次に、本発明の有効性を具体例をもって明らかにする。 Next, the effectiveness of the present invention will be clarified with specific examples.
シリコン芯棒が垂直な1本で、上下の電極間にセットされる小型実験炉を使用して、下電極と原料ガス供給ノズルの位置関係がシリコンロッドの成長に及ぼす影響度を、水平方向の位置関係及び垂直方向の位置関係について調査した。すなわち、電極周囲に配置される原料ガス供給ノズルの水平方向位置及び垂直方向位置を様々に変更して、上下の電極間に形成されるシリコンロッドの性状を調査した。 Using a small experimental furnace set between the upper and lower electrodes with a single silicon core rod, the influence of the positional relationship between the lower electrode and the source gas supply nozzle on the growth of the silicon rod is measured in the horizontal direction. The positional relationship and the vertical positional relationship were investigated. That is, the properties of the silicon rod formed between the upper and lower electrodes were investigated by changing the horizontal position and the vertical position of the source gas supply nozzles arranged around the electrodes.
下電極の頂部中心をA点とし、その電極周囲に配置された原料ガス供給ノズルのB点位置を図4中にa〜yで示す。また、それらのB点位置のD値及びD/L値、並びに所属する領域を表1に示す。また、原料ガス供給ノズルの配置条件とシリコンロッド性状との関係も合わせて表1に示す。 The center of the top of the lower electrode is defined as point A, and the position of point B of the source gas supply nozzle disposed around the electrode is indicated by a to y in FIG. In addition, Table 1 shows the D value and D / L value of these B point positions, and the region to which they belong. Table 1 also shows the relationship between the arrangement conditions of the source gas supply nozzle and the silicon rod properties.
表1中のD判定は80mm≦D≦350mmなら「◎」、350mm<D≦450mmなら「○」、D<80mm又はD>450mmなら「×」とした。L判定はL>600mmなら「○」、L≦600mmなら「×」とした。D/L判定は1.15≦D/L≦6なら「◎」、0.8≦D/L<1.15なら「○」、D/L<0.8又はD/L>6なら「×」とした。 The D judgment in Table 1 is “◎” if 80 mm ≦ D ≦ 350 mm, “◯” if 350 mm <D ≦ 450 mm, and “x” if D <80 mm or D> 450 mm. The L judgment was “◯” when L> 600 mm, and “X” when L ≦ 600 mm. The D / L judgment is “◎” if 1.15 ≦ D / L ≦ 6, “◯” if 0.8 ≦ D / L <1.15, ““ ”if D / L <0.8 or D / L> 6. × ”.
なお、ノズル本数が複数の場合、それらの原料ガス供給ノズルは、電極中心線回りに等角配置され、2本の場合は電極中心線を挟んで対称配置となる。 When there are a plurality of nozzles, the source gas supply nozzles are arranged equiangularly around the electrode center line, and in the case of two nozzles, they are arranged symmetrically across the electrode center line.
試験1では、B点は電極近傍の領域DかつE内のa位置であり、シリコンロッド下部のエグレが顕著であった。試験2、7、12、18では、B点は面Xより上のb、g、l、r位置にあり、シリコンロッド下部への原料ガスの供給が不足したため、根元が細くなった。試験6、11、17では、B点は面Y1 より下の領域A1 かつC1 内のf、k、q位置にあるため、シリコンロッド下部に顕著なエグレが生じた。
In Test 1, the point B was a position in the region D and E in the vicinity of the electrode, and the egress under the silicon rod was remarkable. In
試験3、4、8、9、13、14、15では、B点は領域A2 かつB2 内のc、d、h、i、m、n、o位置にあり、シリコン下部のエグレも析出不足も生じなかった。試験5、10、16では、B点は面Y2 より下であるものの領域A1 かつB1 内のe,j,p位置にあるため、シリコンロッド下部に僅かのエグレが発生する程度で、致命的な問題に至らなかった。試験19、20、21では、B点はD=350mm円筒面より外であるものの領域A1 かつB1 内のs,t,u位置にあるため、シリコンロッドの根元が若干細い程度で、特段の問題はなかった。試験22、23では、B点は領域A1 かつB1 内ではあるが、面Y2 より下のv、w位置であるため、シリコンロッドの根元が若干細く、僅かなエグレが生じたが、致命的な問題には至らなかった。
In tests 3, 4, 8, 9, 13, 14, and 15, point B is located at positions c, d, h, i, m, n, and o in region A 2 and B 2 , and an aglet below the silicon is also deposited. There was no shortage. In tests 5, 10, and 16, the point B is below the plane Y 2 but at the positions e, j, and p in the area A 1 and B 1 . It did not lead to a fatal problem. In
試験24、25では、B点は面Zの下やD=450mm円筒面の外のx,y位置であるため、単独ではシリコンロッドへの原料ガス供給が不足し、特にロッドの根元の細さが問題となった。 In Tests 24 and 25, point B is at the x and y positions below the surface Z and outside the cylindrical surface of D = 450 mm. Therefore, the supply of the raw material gas to the silicon rod alone is insufficient, and the base of the rod is particularly thin. Became a problem.
試験26、28では、B点は領域A2 かつB2 内のh位置と、領域DかつE内のa位置、領域A1 かつC1 内のk位置の2箇所にある。a位置やk位置による影響のために、シリコンロッド下部に顕著なエグレが生じた。 In the tests 26 and 28, the point B is at two positions, the h position in the areas A 2 and B 2 , the a position in the areas D and E, and the k position in the areas A 1 and C 1 . Due to the influence of the position a and the position k, significant aggression occurred at the bottom of the silicon rod.
試験27、29、30では、B点は領域A2 かつB2 内のh位置と、面Xより上のl位置、領域A1 かつB1 内のt位置、D=450mm円筒面の外のy位置の2箇所にあるが、l、t、y位置が悪影響を与えないために、問題は生じなかった。同様に、試験31では、B点は領域A2 かつB2 内のh位置と、面Zより下のx位置の2箇所にあるが、x位置が悪影響を与えないために、問題は生じなかった。 In tests 27, 29 and 30, point B is located at h position in areas A 2 and B 2 , l position above surface X, t position in areas A 1 and B 1 , D = 450 mm outside cylindrical surface. Although there are two positions in the y position, no problem occurred because the positions of l, t, and y do not adversely affect. Similarly, in the test 31, the point B is at two positions, the h position in the areas A 2 and B 2 and the x position below the plane Z. However, since the x position does not adversely affect, there is no problem. It was.
以上の試験から次のことがわかる。シリコンロッドの下部から上部にかけて均一に多結晶シリコンを析出させるために、B点の少なくとも一つは、領域A1 かつB1 、望ましくは領域A2 かつB2 に存在することが必要である。同時に、シリコンロッドの下部に原料ガスが直接衝突することによるエグレの発生を防止する観点から、電極近傍の領域DかつEからB点を排除することが必要である。これと共に、領域A1 かつB1 より下の領域A1 かつC1 、望ましくは領域A2 かつB2 より下の領域A2 かつC2 からもB点を排除することが必要である。 The following can be understood from the above test. In order to deposit polycrystalline silicon uniformly from the lower part to the upper part of the silicon rod, at least one of the B points needs to exist in the regions A 1 and B 1 , preferably in the regions A 2 and B 2 . At the same time, it is necessary to eliminate the points B from the regions D and E in the vicinity of the electrode from the viewpoint of preventing the occurrence of an escaping due to the source gas directly colliding with the lower part of the silicon rod. At the same time, the area A 1 and the area A 1 and C 1 below B 1, preferably it is necessary to eliminate the point B from the area A 2 and the area A 2 and C 2 below the B 2.
すなわち、条件1、2、3の有効性、その条件内でも特に、条件1’、2’、3’の有効性の高いことが明らかである。条件1、2、3と関係ない領域におけるB点は、シリコンロッドの成長に不可欠ではないものの、ロッド下部の問題原因にもならないため、存在してもしなくても可である。
That is, it is clear that the effectiveness of the
次に、以上の試験結果を操業炉に反映させた。操業炉の電極本数は64本(32組)である。従来は、領域A1 内で且つ領域C1 内にB点が存在する電極が数本あり、具体的には、表1中の「f」にB点が存在する電極が数本あった。すなわち、条件2を満たさない電極が数本存在した。更に領域A1 内で且つ領域B1 内にB点が存在しない電極も数本あった。すなわち、条件1を満たさない電極も数本存在した。 Next, the above test results were reflected in the operating furnace. The number of electrodes in the operating furnace is 64 (32 sets). Conventionally, there are several electrodes in which the point B exists in the region A 1 and in the region C 1 , and specifically, there are several electrodes in which the point B exists in “f” in Table 1. That is, there were several electrodes that did not satisfy the condition 2. Furthermore, there were several electrodes in which the point B does not exist in the region A 1 and in the region B 1 . That is, there were several electrodes that did not satisfy Condition 1.
そこで、全ての電極が条件1、2、3を満足する配置に変更したところ、従来の倒壊頻度を1とすれば、配置変更後の倒壊頻度は1/10となった。更に、全ての電極が条件1’、2’、3’を満足する配置に変更したところ、倒壊は発生しなくなった。
Therefore, when all the electrodes were changed to the arrangement satisfying the
10 反応炉
11 炉底部
12 炉本体
13 シリコン芯棒
14 電極
15 原料ガス供給ノズル
16 ガス排出孔
20 シリコンロッド
DESCRIPTION OF
Claims (4)
電極の頂部中心をA点、原料ガス供給ノズルの頂部中心をB点とし、電極中心線からの水平方向の離間距離をD、A点レベルから下方へのレベル差をLとしたとき、前記複数本の電極の全てが下記の条件1、2、3を共に満足することを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
条件1:D=80〜450mmを満足する電極回りの領域A1 内で、且つD/L=6を満足する電極回りの面Xより下でD/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 より上の領域B1 内(面X及び面Y1 を含む)に少なくとも1個のB点が存在する。
条件2:D=80〜450mmを満足する電極回りの領域A1 内で、且つD/L=0.8を満足する電極回りの面Y1 より下でL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域C1 内(面Y1 を含まず面Zを含む)にB点が存在しない。
条件3:D=80mm未満を満足する電極回りの領域D内で、且つL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域E内(面Zを含む)にB点が存在しない。 A silicon core rod is fixed on a plurality of electrodes provided at the bottom of the reactor, and the source gas is reacted from a plurality of source gas supply nozzles provided at the bottom in a state where the silicon core rod is energized and heated. In the method for producing polycrystalline silicon by the Siemens method of depositing polycrystalline silicon on each silicon core rod by supplying it into the furnace,
When the top center of the electrode is point A, the top center of the source gas supply nozzle is point B, the horizontal separation distance from the electrode center line is D, and the level difference from the point A level downward is L, the plurality A method for producing polycrystalline silicon, wherein all of the electrodes satisfy both of the following conditions 1, 2, and 3.
Condition 1: Within the area A 1 around the electrode satisfying D = 80 to 450 mm and below the surface X around the electrode satisfying D / L = 6, around the electrode satisfying D / L = 0.8 At least one of the B point exists within region B 1 above the plane Y 1 (including the surface X and the plane Y 1).
Condition 2: In the area A 1 around the electrode satisfying D = 80 to 450 mm and below the surface Y 1 around the electrode satisfying D / L = 0.8, the surface around the electrode satisfying L = 600 mm There is no point B in the region C 1 above Z (including the surface Y 1 but not the surface Z).
Condition 3: There is no point B in the region D around the electrode satisfying D = less than 80 mm and in the region E (including the surface Z) above the surface Z around the electrode satisfying L = 600 mm.
条件1’:D=80〜350mmを満足する電極回りの領域A2 内で、且つD/L=6を満足する電極回りの面Xより下でD/L=1.15を満足する電極回りの面Y2 より上の領域B2 内(面X及び面Y2 を含む)に少なくとも1個のB点が存在する。
条件2’:D=80〜350mmを満足する電極回りの領域A2 内で、且つD/L=1.15を満足する電極回りの面Y2 より下でL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域C2 内(面Y2 を含まず面Zを含む)にB点が存在しない。
条件3’:D=80mm未満を満足する電極回りの領域D内で、且つL=600mmを満足する電極回りの面Zより上の領域E内(面Zを含む)にB点が存在しない。 2. The method for producing polycrystalline silicon according to claim 1, wherein all of the plurality of electrodes satisfy both of the following conditions 1 ′, 2 ′, and 3 ′.
Condition 1 ′: Around the electrode satisfying D / L = 1.15 in the area A 2 around the electrode satisfying D = 80 to 350 mm and below the surface X around the electrode satisfying D / L = 6 There is at least one B point in the region B 2 above the surface Y 2 (including the surface X and the surface Y 2 ).
Condition 2 ′: within the region A 2 around the electrode satisfying D = 80 to 350 mm and below the surface Y 2 around the electrode satisfying D / L = 1.15, around the electrode satisfying L = 600 mm There is no point B in the region C 2 above the surface Z (not including the surface Y 2 but including the surface Z).
Condition 3 ′: The point B does not exist in the region D around the electrode satisfying D = less than 80 mm and in the region E (including the surface Z) above the surface Z around the electrode satisfying L = 600 mm.
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