JP2009126773A - 多結晶シリコンの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反応炉の外周部においても他のシリコン芯棒と同じ仕様の電源で品質の高いシリコンロッドの製造を可能にし、コストの削減を図る。
【解決手段】反応炉１の内底部に配設された複数の電極５に、上下方向に延びるシリコン芯棒４をそれぞれ立設しておき、反応炉１内に原料ガスを供給するとともに、シリコン芯棒４に電極５から通電することによりシリコン芯棒４を発熱させて、シリコン芯棒４の表面に原料ガスによって多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコンの製造方法において、複数本のシリコン芯棒４のうち、長さが小さいシリコン芯棒４を反応炉１の外周部に近い位置の電極５に立設し、残りのシリコン芯棒４を他の電極５に立設した状態として、多結晶シリコンを析出させる。
【選択図】図３

Description

本発明は加熱したシリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンのロッドを製造する多結晶シリコンの製造方法及び製造装置に関する。

従来、この種の多結晶シリコンの製造方法としては、シーメンス法によるものが知られており、例えば特許文献１〜３に示されるものがある。これら特許文献に示される多結晶シリコンの製造方法では、密閉された反応炉内にシリコン芯棒からなるシードを多数配設して加熱しておき、この反応炉にクロロシランガスと水素ガスとの混合ガスからなる原料ガスを供給して、加熱したシリコン芯棒に接触させ、その表面に原料ガスの加熱分解によって生じた多結晶シリコンを析出させる構成である。

このような多結晶シリコンの製造方法において、シードとなるシリコン芯棒は、反応炉の内底部に配設した電極に立設状態に固定され、その上端部が、短尺の連結部材によって一対ずつ連結されることにより、全体として鳥居形状となるように固定されている。このシリコン芯棒を保持する電極は、反応炉の内底面のほぼ全域にわたって分散するように複数設けられている。また、原料ガスの供給口は反応炉の内底部に電極の間に適宜の間隔をおいて設けられている。一方、ガスの排出口は、反応炉の外周部に適宜の間隔をおいて配置されている。そして、電極からシリコン芯棒に通電して、その抵抗によってシリコン芯棒を発熱させ、下方から噴出される原料ガスをシリコン芯棒表面に接触させて多結晶シリコンのロッドを形成するようになっている。
特開２００６−２０６３８７号公報 特開２００１−２７８６１１号公報 特開２００２−３３８２２６号公報

ところで、上述した多結晶シリコンの製造方法において、反応炉の外周部に立設されるシリコン芯棒は、その熱が炉壁に逃げ易いため、シリコン芯棒の表面温度を原料ガスの加熱分解温度に維持するためには、他のシリコン芯棒よりも大きな電圧をかける必要があり、そのシリコン芯棒を保持する電極には、電圧を高くできるように強化した電源を接続する必要がある。この場合、外周部の電極に他の電極とは別個に高電圧仕様の電源を接続するのでは、電源の共用化ができなくなり、逆に、外周部に必要な電圧に合わせて全体的に電源を強化したのでは、設備のコストアップを招くという問題があった。

また、この外周部のシリコン芯棒においては、炉壁に熱が逃げることなどに起因して、シリコンロッドの内部の熱歪みが他のロッドに比べて大きく、このため、反応終了後にロッドを取り出す際に割れが生じ易いとともに、ロッドが倒れて反応炉の損傷等が生じる問題があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、反応炉の外周部においても他のシリコン芯棒と同じ仕様の電源で品質の高いシリコンロッドの製造を可能にし、コストの削減を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の多結晶シリコンの製造方法は、反応炉の内底部に配設された複数の電極に、上下方向に延びるシリコン芯棒をそれぞれ立設しておき、反応炉内に原料ガスを供給するとともに、前記シリコン芯棒に前記電極から通電することによりシリコン芯棒を発熱させて、該シリコン芯棒の表面に前記原料ガスによって多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコンの製造方法において、複数本のシリコン芯棒のうち、長さが小さいシリコン芯棒を反応炉の外周部に近い位置の前記電極に立設し、残りのシリコン芯棒を他の電極に立設した状態として、多結晶シリコンを析出させることを特徴とする。

また、本発明の多結晶シリコン製造装置は、反応炉の内底部に配設された複数の電極に、上下方向に延びるシリコン芯棒がそれぞれ立設され、これらシリコン芯棒に前記電極から通電することによりシリコン芯棒を発熱させ、反応炉内に供給した原料ガスによって前記シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコン製造装置において、前記シリコン芯棒は、反応炉の外周部に近い位置に配置されているシリコン芯棒の長さが他のシリコン芯棒よりも小さく設定されていることを特徴とする。

すなわち、反応炉の外周部には、他のシリコン芯棒よりも短いシリコン芯棒を使用するのであり、短いことから抵抗が下がって発熱し易くなり、他のシリコン芯棒と同じ電力で同程度の表面温度を得ることが可能になる。このため、反応炉の各電極に接続される電源を同一仕様のものとすることができ、電源コストの削減が可能になる。また、長さが短くなることにより、内部熱歪みも小さくすることができる。

本発明の多結晶シリコンの製造方法及び製造装置によれば、反応炉の外周部に他のシリコン芯棒より短いシリコン芯棒を配置したことにより、他のシリコン芯棒に対するものと同じ仕様の電源でも必要な表面温度を得ることができ、また、長さが短いことからロッドの内部熱歪みも小さくすることができる。したがって、反応炉の全域にわたって割れの発生が少ない多結晶シリコンを製造することができ、しかも、電源の仕様を共用化してコスト削減を図ることができる。

以下、本発明の多結晶シリコン製造方法及び製造装置の一実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は本発明が適用される多結晶シリコン製造装置の全体図であって、該多結晶シリコン製造装置の反応炉１は、炉底を構成する基台２と、この基台２上に脱着自在に取り付けられた釣鐘形状のベルジャ３とを具備している。この場合、基台２の上面はほぼ平坦な水平面に形成されるが、ペルジャ３は、全体として釣鐘形状をしていて、天井がドーム型であるので、その内部空間は中央部が最も高く外周部が最も低く形成されている。また、このペルジャ３の壁はジャケット構造（図示略）とされ、冷却水によって冷却されるようになっている。

基台２上には、図１に示すように、生成される多結晶シリコンの種棒（シード）となるシリコン芯棒４が取り付けられる複数対の電極５と、クロロシランガスと水素ガスとを含む原料ガスを炉内に噴出するための噴出ノズル（ガス供給口）６と、、反応後のガスを炉外に排出するためのガス排出口７とがそれぞれ複数設けられている。
この場合、原料ガスの噴出ノズル６は、各シリコン芯棒４に対して均一に原料ガスを供給することができるように、反応炉１の基台２の上面のほぼ全域に分散して適宜の間隔をあけながら複数設置されている。これら噴出ノズル６は、反応炉１の外部の原料ガス供給源８に接続されている。また、ガス排出口７は、基台２の上の外周部付近に周方向に適宜の間隔をあけて複数設置され、外部の排ガス処理系９に接続されている。

各電極５は、カーボンからなるほぼ円柱状に形成され、基台２上に一定の間隔をおいてほぼ同心円状に配置されているとともに、それぞれ基台２に垂直に立設されており、その軸心に沿って孔（図示略）が形成され、その孔内に、シリコン芯棒４の下端部が挿入状態に取り付けられている。これら電極５は、例えば複数個ずつ直列状態でそれぞれ電源（図示略）に接続される。

また、シリコン芯棒４は、下端部が電極５内に差し込まれた状態に固定されることにより、図１及び図３に示すように上方に延びて立設されており、そのうちの二本ずつを対として連結するように、上端部に１本の短尺の連結部材１２が取り付けられている。この連結部材１２もシリコン芯棒４と同じシリコンによって形成される。これら二本のシリコン芯棒４とこれらを連結する連結部材１２とによって、全体として逆U字の鳥居形状となるようにシード組み立て体１３が組み立てられている。

これらシード組み立て体１３は、電極５が反応炉１の中心から同心円状に配置されていることにより、図２に示すように、全体としてほぼ同心円状に配置されているが、必ずしも全てが同心円状でなくてもよく、一部のシード組み立て体１３のシリコン芯棒４を半径方向等に並べて配置したものを含む構成としてもよい。

この場合、各シード組み立て体１３のシリコン芯棒４は、二本ずつ同じ長さのものが組み合わせられており、大部分のシード組み立て体１３のシリコン芯棒４はいずれもほぼ同じ長さに揃えられているが、各図にＡで示す反応炉１の外周部付近に立設されているシード組み立て体１３においては、他の大部分のシード組み立て体１３よりも、長さの小さいシリコン芯棒４が用いられている。このシリコン芯棒４は、比較的径が大きいシリコンのロッドを縦割り状態に切断して製作されるが、そのときに長さの小さいシリコン芯棒４も合せて製作するか、製作時の折損等によって形成された端材を使用してもよい。

なお、反応炉１の中心部には加熱装置２１が設けられている。この実施形態の加熱装置２１は、基台２上の電極５に逆Ｕ字状のカーボンヒータ２２が立設された構成であり、シリコン芯棒４の全長に輻射熱を照射できるように、シリコン芯棒４の全長に見合う高さに設定されている。

このように構成される多結晶シリコン製造装置は、ペルジャ３を基台２に被せる前に、基台２の上方が開放している状態で加熱装置２１及び各シード組み立て体１３を基台２上で組み立てていくことが行われる。このとき、シード組み立て体１３を構成するシリコン芯棒４を多数本用意しておき、これらシリコン芯棒４を二本ずつ対にして電極５に立設する。前述したように、シリコン芯棒４は、その大部分は同じ長さに揃えられているが、一部長さが小さいものが含まれる。そこで、この長さが小さいシリコン芯棒４を基台２の最も外周部に並べられている電極５に立設する。そして、残りの長さが大きいシリコン芯棒４をその内側に立設し、すべてのシード組み立て体１３を立接状態に配置した後、ペルジャ３を被せて密閉する。

このようにして組み立てた多結晶シリコン製造装置において、加熱装置２１及び各シリコン芯棒４に接続されている電極５にそれぞれ通電して、これら加熱装置２１及びシリコン芯棒４を発熱させる。このとき、加熱装置２１はカーボンヒータ２２であるためシリコン芯棒４よりも先に発熱して温度上昇し、このカーボンヒータ２２の輻射熱が近傍位置のシリコン芯棒４に伝えられ、これを外面から加熱し、このシリコン芯棒４が通電可能となる状態までに温度上昇すると、自身の電極５からの通電によって抵抗発熱状態となり、その熱が隣接する周囲のシリコン芯棒４に伝わって、これらシリコン芯棒４を加熱し、その伝熱現象が反応炉１の半径方向等に次々に伝播して、最終的に反応炉１内の全てのシリコン芯棒４が通電して発熱状態となる。これらシリコン芯棒４が原料ガスの分解温度にまで上昇することにより、噴出ノズル６から噴出した原料ガスがシリコン芯棒４の表面上に多結晶シリコンを析出するのである。

この場合、最外周部のシリコン芯棒４は、その外側のペルジャ３がジャケット構造とされて冷却されているため、このペルジャ３に熱を奪われ、中央部のシリコン芯棒４に比べて温度低下し易い環境であるが、中央部のシリコン芯棒４よりも長さが小さいので抵抗値も小さく、発熱し易い状態にある。このため、この外周部のシリコン芯棒４用に高い電圧としなくても、中央部の他のシリコン芯棒４と同じ電圧で同程度の表面温度を得ることができ、多結晶シリコン析出のために必要な温度に維持することができる。

したがって、外周部のシリコン芯棒４であっても、多結晶シリコンを有効に析出させることができ、また、高温に維持できるため、ペルジャ３への放熱に対するシリコンロッドの温度低下は小さくて済み、長さも短いことからロッドの内部熱歪みも小さくすることができる。

さらに、噴出ノズル６から噴出された原料ガスは、ペルジャ３の天井に衝突した後、ペルジャ３の内面に沿って外側に流れ、基台２の外周部に配置されているガス排出口７から外部に排出される。このペルジャ３は天井がドーム型に形成されていて、中央部よりも外周部の方が高さが低く形成されていることから、この外周部付近のシリコン芯棒４の高さが中央部と同じ程度であると、天井近くまでシリコン芯棒４が突出することになってガスの流れが阻害されるが、外周部に配置されているシリコン芯棒４は長さが小さいため、図３に示すように、ペルジャ３の天井との間に、ガスを流通させる十分な間隔が開けられ、排ガスの流れも円滑になる。

このように、反応炉１の中央部に比べて製造条件が劣る外周部であっても、シリコン芯棒４に短いものを使用したことにより、他のシリコン芯棒４に対するものと同じ電圧で必要な発熱量を得ることができるとともに、原料ガスも上端まで十分に供給することができ、しかも、温度低下が少なくなることから熱歪みも小さくなることに加え、その周囲のガスの流れも安定して、品質の高い多結晶シリコンを得ることができるのである。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

反応炉のベルジャを一部切欠いた斜視図である。 図１に示す反応炉の横断面図である。 図１の反応炉の縦断面図である。

符号の説明

１ 反応炉
２ 基台
３ ベルジャ
４ シリコン芯棒
５ 電極
６ 噴出ノズル
７ 排気口
８ 原料ガス供給源
９ 排ガス処理系
１２ 連結部材
１３ シード組み立て体
２１ 加熱装置
２２ カーボンヒータ

Claims (2)

1. 反応炉の内底部に配設された複数の電極に、上下方向に延びるシリコン芯棒をそれぞれ立設しておき、反応炉内に原料ガスを供給するとともに、前記シリコン芯棒に前記電極から通電することによりシリコン芯棒を発熱させて、該シリコン芯棒の表面に前記原料ガスによって多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコンの製造方法において、
   複数本のシリコン芯棒のうち、長さが小さいシリコン芯棒を反応炉の外周部に近い位置の前記電極に立設し、残りのシリコン芯棒を他の電極に立設した状態として、多結晶シリコンを析出させることを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
2. 反応炉の内底部に配設された複数の電極に、上下方向に延びるシリコン芯棒がそれぞれ立設され、これらシリコン芯棒に前記電極から通電することによりシリコン芯棒を発熱させ、反応炉内に供給した原料ガスによって前記シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコン製造装置において、
   前記シリコン芯棒は、反応炉の外周部に近い位置に配置されているシリコン芯棒の長さが他のシリコン芯棒よりも小さく設定されていることを特徴とする多結晶シリコン製造装置。

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