JP2009221058A - 多結晶シリコン製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反応炉の底板部と電極との熱膨張差を吸収できるとともに、良好な絶縁性を維持する。
【解決手段】反応炉の底板部２に、シリコン芯棒４を上下方向に沿って立設する複数の電極５が配設されており、その電極５は、底板部２に形成した貫通孔２１内に挿入状態に設けられ内部に冷却媒体が流通する電極ホルダ２２と、電極ホルダ２２の上端部に設けられシリコン芯棒４を保持する芯棒保持部２３とを有し、貫通孔２１の内周面と電極ホルダ２２との間に貫通孔２１内で電極ホルダ２２の周りを囲む環状絶縁材３４が設けられ、反応炉の底板部２上に、環状絶縁材３４の上端部よりも大径の遮熱リング４１が電極ホルダ２２を囲むように設けられている。
【選択図】図２

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製造装置に関する。

従来、この種の多結晶シリコン製造装置としては、シーメンス法によるものが知られている。このシーメンス法による多結晶シリコン製造装置では、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熱分解及び水素還元によって生じた多結晶シリコンを析出させる構成とされる。

このような多結晶シリコン製造装置において、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、該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。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おり、特許文献１に記載されるように、反応炉の底板部の貫通孔内に、環状の絶縁材に囲まれた状態で設けられている。
特開２００７−１０７０３０号公報

ところで、上述した多結晶シリコン製造装置において、反応炉内の温度は５００〜６００℃と高温になるため、シリコン芯棒を保持する電極は、内部に冷却水を流通させて冷却するようにしているが、反応炉の底板部との間に設けられる絶縁材は直接冷却することができず、反応炉内の熱を受けて形状が損なわれ易く、絶縁機能の劣化の原因となり易い。この場合、セラミックス系の絶縁材を使用するのでは、反応炉の底板部と電極との熱膨張差を吸収することができずに破損に至るおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反応炉の底板部と電極との熱膨張差を吸収できるとともに、良好な絶縁性を維持することができる多結晶シリコン製造装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために本発明の多結晶シリコン製造装置は、反応炉の底板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製造装置において、前記電極は、前記底板部に形成した貫通孔内に挿入状態に設けられ内部に冷却媒体が流通する電極ホルダと、該電極ホルダの上端部に設けられ前記シリコン芯棒を保持する芯棒保持部とを有し、前記貫通孔の内周面と前記電極ホルダとの間に前記貫通孔内で電極ホルダの周りを囲む環状絶縁材が設けられ、前記反応炉の底板部上に、前記環状絶縁材の上端部よりも大径の遮熱リングが前記電極ホルダを囲むように設けられていることを特徴とする。

つまり、反応炉の底板部に挿入状態とされている環状絶縁材は、その上端部の上面が反応炉の内部に向けられることになるので、貫通孔の内周面と電極ホルダとの間から反応炉内に露出した状態のままであると、反応炉内のシリコン芯棒等からの輻射熱が貫通孔の内周面と電極ホルダとの間を経由して環状絶縁材の上端部に直接作用することになる。この発明では、環状絶縁材の上端部よりも大径の遮熱リングを反応炉の底板部の上に設けて、この遮熱リングによって電極ホルダを囲ったことにより、反応炉内からの輻射熱が遮熱リングに遮られて、環状絶縁材に直接作用することが防止される。また、同時に、底板部の上で遮熱リングがガスの流れを遮断するので、環状絶縁材に向かう対流伝熱をも抑制することができる。

また、本発明の多結晶シリコン製造装置において、前記底板部の上面には前記貫通孔の開口部を拡径した座ぐり部が形成され、該座ぐり部内に前記遮熱リングが設けられていることを特徴とする。
反応炉の底板部に座ぐり部を設けたことにより、この座ぐり部の深さの範囲においては、遮熱リングの外周面が座ぐり部の内周面に対向することになる。したがって、その部分では、反応炉からの輻射熱が座ぐり部の内壁によって遮られることになり、遮熱リングに到達する輻射熱が低減される結果、環状絶縁材を輻射熱からより有効に保護することができる。

また、本発明の多結晶シリコン製造装置において、前記電極ホルダには、前記環状絶縁材の上端部の上面に接触する拡径部が形成されていることを特徴とする。
貫通孔の内周面と電極ホルダとの間で反応炉の内部に向けられた環状絶縁材の上端部の上面が電極ホルダの拡径部により少なくとも一部分覆われた状態となるので、この上面に向かう輻射熱を電極ホルダが負担することになり、環状絶縁材に直接作用する輻射熱を少なくすることができる。しかも、この電極ホルダには冷却媒体が流通していることから、環状絶縁材の冷却効果も高めることができる。

本発明の多結晶シリコン製造装置によれば、底板部上に設けた遮熱リングが、シリコン芯棒から環状絶縁材に至る輻射熱を遮断するとともに、ガスの対流による伝熱も遮断するので、環状絶縁材を反応時の熱から有効に保護することができ、環状絶縁材の絶縁性を良好に維持することができる。したがって、この環状絶縁材として合成樹脂等を使用することが可能であり、底板部と電極との間の絶縁を確保しつつ熱膨張差を吸収し得るなど、装置全体の健全性を維持することができる。

以下、本発明の多結晶シリコン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、炉底を構成する底板部２と、この底板部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、底板部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、底板部２及びペルジャ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。

底板部２には、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の底板部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、底板部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。なお、図２中符号１０は、ジャケット構造とされた底板部２内の冷却流路を示す。

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、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、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、全体としてほぼ同心円状に配置されている。

このシリコン芯棒４を保持している各電極５は、反応炉１の底板部２に形成した貫通孔２１内に挿入状態に設けられた電極ホルダ２２と、該電極ホルダ２２の上端部に設けられシリコン芯棒４を保持する芯棒保持部２３とから構成されている。

電極ホルダ２２は、全体として棒状に形成され、貫通孔２１内に上下方向に沿って挿入されたストレート状のロッド部２４の上端部に、該ロッド部２４よりも径の大きい拡径部２５と、該拡径部２５の上面からさらに上方に突出するねじ軸部２６とが一体に形成されている。この場合、ロッド部２４から拡径部２５にかけて、内部に冷却媒体を流通させる冷却流路２７が形成されており、また、ロッド部２４の下部外周にはおねじ部２８が形成されている。

一方、この電極ホルダ２２を挿入状態としている底板部２の貫通孔２１は、下部がストレート部３１、上部が上方に向けて漸次拡径するテーパ部３２とされている。そのストレート部３１の内径は、電極ホルダ２２のロッド部２４の外径よりも大きく形成され、該ロッド部２４の周囲にリング状に空間を形成している。また、テーパ部３２は、例えば垂直軸に対して５〜１５°の傾斜角に形成されている。また、テーパ部３２の上端開口部には、このテーパ部３２の最大内径よりもさらに拡径した座ぐり部３３が形成されている。

そして、この貫通孔２１の内周面と電極ホルダ２２のロッド部２４との間に環状絶縁材３４が電極ホルダ２２を囲むように設けられている。この環状絶縁材３４は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦA）に代表されるフッ素系樹脂等の高融点の絶縁樹脂により形成され、貫通孔２１のストレート部３１に挿入されるつば付きスリーブ３５と、貫通孔２１のテーパ部３２に配置されるコーン部材３６との二つの部材から構成されている。コーン部材３６は、その外面が貫通孔２１のテーパ部３２の内周面と同じ傾斜角度のテーパ状に形成され、底板部２の上方から貫通孔２１に挿入されてそのテーパ部３２の内面に当接させられている。また、このコーン部材３６の上端部の上面には電極ホルダ２２の拡径部２５の下面が当接している。この場合、コーン部材３６の最大外径の方が電極ホルダ２２の拡径部２５の外径よりもわずかに大きく設定されている。

一方、つば付きスリーブ３５は、その下端部につば部３７が一体に形成され、該つば部３７が反応炉１の底板部２の裏面に当接され、電極ホルダ２２のおねじ部２８にねじ込まれたナット３８によりつば部３７の下面が支持された状態とされている。そして、このナット３８を締め付けることにより、拡径部２５とナット３８との間に、環状絶縁部材３４が挟持されるとともに、その挟持力によって貫通孔２１のテーパ部３２の内周面にコーン部材３６の外周面が押し付けられ、これら環状絶縁材３４と電極ホルダ２２とが底板部２に一体的に固定される構成である。

この固定状態において、環状絶縁材３４のコーン部材３６の上端部は、貫通孔２１のテーパ部３２よりわずかに上方に突出して座ぐり部３３内に臨ませられており、その上端部を囲むように座ぐり部３３内に遮熱リング４１が設けられている。この遮熱リング４１は、座ぐり部３３の深さよりも大きい高さの石英からなる帯状の円弧板４２が例えば３個組み合わせられることにより、リング状に構成されるものであり、その下端部で環状絶縁材３４の上端部を囲むとともに、上端部で電極ホルダ２２の拡径部２５の大部分を囲った状態としている。例えば、座ぐり部３３の深さが５〜３０ｍｍとされ、この座ぐり部３３の深さよりも遮熱リング４１は５〜２０ｍｍ高く設定される。

一方、芯棒保持部２３は、電極ホルダ２２のねじ軸部２６にねじ込まれるめねじ部４３を有する全体として円柱状に形成され、その上端部にシリコン芯棒４を挿入状態に固定する孔４４が軸心に沿って形成されたものであり、カーボン等によって形成される。

このように構成される多結晶シリコン製造装置において、各電極５からシリコン芯棒４に通電してシリコン芯棒４を抵抗発熱状態とするとともに、各シリコン芯棒４どうしの間でも、隣接するシリコン芯棒４からの輻射熱を受けて加熱され、それらが相乗して高温状態となり、この高温状態のシリコン芯棒４の表面に接触した原料ガスが反応して多結晶シリコンを析出するのである。

このシリコン芯棒４からの輻射熱は反応炉１の底板部２上の各電極５にも作用し、熱に弱い環状絶縁材３４も、上端部の一部が露出しているために熱の影響を受けることが考えられるが、この環状絶縁材３４の上端部の上面には図２に示すように電極ホルダ２２の拡径部２５が覆い被さるように配置されているので、この上端面に直接作用する輻射熱は少なくなる。しかも、電極ホルダ２２は内部を流通する冷却媒体によって冷却されていることから、環状絶縁材３４も有効に冷却される。

また、反応炉１の底板部２の座ぐり部３３内に遮熱リング４１が配置されていることから、この遮熱リング４１が、その内側の環状絶縁材３４と隣接するシリコン芯棒４との間に介在して、該シリコン芯棒４から環状絶縁材３４に至る輻射熱（図２に実線矢印で示している）を有効に遮断することができる。この場合、この遮熱リング４１は、底板部２の座ぐり部３３内に落とし込まれるように配置されて、その外周面が座ぐり部３３の内周面に対向していることから、遮熱リング４１の外周面に直接到達する輻射熱が座ぐり部３３の内壁によって遮られ、その分、遮熱リング４１の負担が軽減され、該遮熱リング４１の内側の環状絶縁材３４を輻射熱から有効に保護することができる。

また、この遮熱リング４１は、座ぐり部３３の上面から立ち上がるようにして、環状絶縁材３４の周りを囲っているので、この遮熱リング４１の厚さ方向に流れるガス流（図２の破線矢印で示す）をも遮断することができ、対流による伝熱も有効に抑制することができる。このように、遮熱リング４１は、隣接するシリコン芯棒４からの輻射熱と対流による伝熱との両方を遮断して環状絶縁材３４を保護することができるものである。したがって、この環状絶縁材３４としては、前述のフッ素系の合成樹脂としての性能低下を防止することができ、底板部２と電極５との間の絶縁を確保し、しかも両者の熱膨張差を吸収し得るなど、装置全体の健全性を長期に維持することができる。なお、この遮熱リング４１は石英によって形成されているので、反応炉１内を汚染することはない。

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。例えば、遮熱リングの各円弧板は、図２では遮熱リング４１の円周を３個に分割した円弧長さのものとしているが、それよりも長く形成して、相互に重なり合ってリング状となる円弧長さのものでもよい。

反応炉のベルジャを一部切欠いた斜視図である。 図１に示す反応炉の電極部分を示す拡大断面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う平断面図である。

符号の説明

１ 反応炉
２ 底板部
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
１０ 冷却流路
１２ 連結部材
１３ シード組み立て体
２１ 貫通孔
２２ 電極ホルダ
２３ 芯棒保持部
２４ ロッド部
２５ 拡径部
２６ ねじ軸部
２７ 冷却流路
２８ おねじ部
３１ ストレート部
３２ テーパ部
３３ 座ぐり部
３４ 環状絶縁材
３５ つば付きスリーブ
３６ コーン部材
３７ つば部
３８ ナット
４１ 遮熱リング
４２ 円弧板
４３ めねじ部
４４ 孔

Claims (4)

1. 反応炉の底板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製造装置において、
   前記電極は、前記底板部に形成した貫通孔内に挿入状態に設けられ内部に冷却媒体が流通する電極ホルダと、該電極ホルダの上端部に設けられ前記シリコン芯棒を保持する芯棒保持部とを有し、前記貫通孔の内周面と前記電極ホルダとの間に前記貫通孔内で電極ホルダの周りを囲む環状絶縁材が設けられ、前記反応炉の底板部上に、前記環状絶縁材の上端部よりも大径の遮熱リングが前記電極ホルダを囲むように設けられていることを特徴とする多結晶シリコン製造装置。
2. 前記底板部の上面には前記貫通孔の開口部を拡径した座ぐり部が形成され、該座ぐり部内に前記遮熱リングが設けられていることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン製造装置。
3. 前記電極ホルダには、前記環状絶縁材の上端部の上面に接触する拡径部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の多結晶シリコン製造装置。
4. 前記遮熱リングは石英からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の多結晶シリコン製造装置。

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