JP2010180078A - 多結晶シリコンの製法 - Google Patents

Abstract

【課題】多結晶シリコンロッドの取り出しを容易に行うことができ、生産性が高められた多結晶シリコンの製法を提供する。
【解決手段】少なくとも一対の電極が取り付けられた底壁基板上に立設されたベルジャー内に、両端が該電極に接続されて立設されたＵ字型シリコン芯材を配置し、該シリコン芯材に通電しながら少なくともシランガスを供給しての化学気相析出法によって該シリコン芯材にシリコンを析出させて多結晶シリコンロッドを形成させる多結晶シリコンの製法において、生成した多結晶シリコンロッドのベルジャー内からの取り出しに先立って、該多結晶シリコンロッドに接合している前記電極を冷却し、この後に、該多結晶シリコンロッドを付け根部近傍で破断し、該電極から切り離して取り出すことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応容器内に立設して配置されたシリコン芯線上に化学気相析出法によって多結晶シリコンを析出させることによりロッド形状の多結晶シリコンを得る多結晶シリコンの製法に関するものである。

従来から、半導体あるいは太陽光発電用ウェハーの原料として使用されるシリコンを製造する方法は種々知られており、そのうちのいくつかは既に工業的に実施されている。例えばその一つはシーメンス法と呼ばれる方法であり、ベルジャー内部に配置されたシリコン芯線を通電によってシリコンの析出温度に加熱し、ここにトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）やモノシラン（ＳｉＨ_４）等のシラン化合物のガスを供給し、化学気相析出法によりシリコン芯線上シリコンを析出させる方法である。この方法は高純度な多結晶シリコンがロッドの形態で得られることが特徴であり、最も一般的な方法として実施されている（特許文献１，２参照）。

ところで、上記の方法を実施するにあたって用いられる反応容器は、電極が装着された底壁基板と該底壁基板に取り付けられたステンレススチール製ベルジャーとからなっており、この底壁基板の電極にシリコン芯線が立設された構造を有している。このような構造の反応容器を使用し、電極を介しての通電によりシリコン芯線を加熱し、同時に反応容器内（ベルジャー内）に少なくともシランガスを含む反応ガスを供給することによりシリコン芯線状に多結晶シリコンが析出し、多結晶シリコンロッドが得られ、反応終了後は、ベルジャーを開放して得られた多結晶シリコンロッドが反応容器内から取り出される。

特開２００４−１４９３２４号公報 特開２００５−１１２６６２号公報

しかるに、上記のようにして多結晶シリコンロッドを製造する場合において、生成した多結晶シリコンロッドは、その付け根部が底壁基板に取り付けられている電極に接合しているため、ベルジャーを開放してシリコンロッドを取り出した後に、該付け根部を切断して取り出さなければならず、この切断作業が極めて面倒であるという問題があった。例えば、シリコンロッドの付け根部をＯＤソーやワイヤーソー等のカッターで切断する作業が行われており、生産性を阻害する要因となっている。また、付け根部の切断時にロッドに蓄えられた歪みによりロッド全体が崩壊することもあり、安全上の問題があり、これらの改善が求められているのが実情である。

従って、本発明の目的は、多結晶シリコンロッドより半導体用原料部を安易に選別することができ、且つ、多結晶シリコンロッドの取り出しの生産性、安全性が高められた多結晶シリコンの製法を提供することにある。

本発明によれば、少なくとも一対の電極が取り付けられた底壁基板上に立設されたベルジャー内に、両端が該電極に接続されて立設されたＵ字型シリコン芯材を配置し、該シリコン芯材に通電しながら原料ガスを供給し、化学気相析出法によって該シリコン芯材にシリコンを析出させて多結晶シリコンロッドを形成させる多結晶シリコンの製法において、
生成した多結晶シリコンロッドに接合している前記電極を５００℃以上の任意の温度から強制的に冷却した後、該多結晶シリコンロッドを付け根部近傍で破断し、該電極から切り離すことを特徴とする多結晶シリコンの製法が提供される。

本発明の製法においては、
（１）前記電極の冷却開始温度が８００℃以上であり、且つ、強制的な冷却を２０℃／秒以上の冷却速度で行い、該冷却開始温度より２００℃以上低下させること、
（２）前記原料ガスがシランガスと水素ガスとを含むこと、
が好適である。

本発明においては、多結晶シリコンロッドの取り出しに先立って行われる電極の冷却により、該シリコンロッドの付け根部と上方部分との間の温度差（熱膨張差）に起因して、この付け根部にクラックが生成し、この結果、カッターでの切断などの作業を全く必要とせず、単にハンマーで付け根部を叩くことにより、付け根部がきれいに割れ、従って、底壁基板に取り付けられた電極から分離して多結晶シリコンロッドを取り出すことができる。

本発明によれば、多結晶シリコンロッドの反応容器からの取り出し作業が極めて容易に行われるため、多結晶シリコンの生産性、安全性が向上する。

本発明で用いるシリコン製造装置の概略構造を示す側断面図である。 本発明で用いるシリコン製造装置の他の概略構造を示す側断面図である。

図１において、本発明で用いるシリコン製造装置は、全体として１で示されており、ステンレス等で形成された底壁基板３をベルジャー５で覆うことによって形成された反応室Ａを備えている。このベルジャー５は、ボルト締め等により、開閉可能に底壁基板３に取り付けられている。また、底壁基板３には電極７が設けられており、この電極７に接続して逆Ｕ字型形状のシリコン芯線９が立設され、電極７を介してシリコン芯線９に通電されるように構成されている。
尚、電極は、カーボン、ＳＵＳ、Ｃｕなどにより形成されている。

尚、図１では、シリコン芯線９は１個しか示されていないが、このシリコン芯線９は、通常、反応室Ａ（ベルジャー５）の容積に応じて複数設けられており、シリコン芯線９のそれぞれが電極７に接続して立設され、各シリコン芯線９に通電されるようになっている。

また、図１に示す態様において、電極７にはその内部には冷却管１４が挿入されており、この冷却管に水等の冷却媒体を循環して供給することにより、電極７を冷却し得るような構造になっている。また、他の態様として、図２に示すように、底壁基板３の内部に挿入された冷却管１３を経由して電極７が冷却媒体により冷却される構造によって電極７の冷却を行なう態様も挙げることができる。

さらに、ベルジャー５は、一般に、ステンレススチールにより形成されており、このベルジャー５の外面は、冷却ジャケット（図示せず）で覆われている。

上記のように形成された反応室Ａには、底壁基板３を介してガス供給管１５及びガス排出管１７が挿入されており、ガス供給管１５を介して、所定の反応ガスが反応室Ａ内に供給され、且つ未反応ガスや副生する化合物のガスが反応室Ａから排気されるようになっている。

上記のシリコン製造装置１を用いての多結晶シリコンロッドの製造は、以下のようにして行われる。

即ち、電極７を介してシリコン芯線９への通電を開始し、通電加熱によって、シリコン芯線９の温度をシリコンの析出温度以上に加熱する。シリコンの析出温度は、約６００℃以上であるが、シリコン芯線９上にシリコンを迅速に析出されるため、一般的には、９００〜１１００℃程度の温度に保持されるように、シリコン芯線９が通電加熱される。

シリコン芯線９への通電を開始すると同時に、或いはシリコン芯線９の温度がシリコンの析出温度以上に達した時点で、反応室Ａ内に、原料ガスとしてシランガス及び還元ガスを供給し、これら原料ガスの反応（シランの還元反応）によってシリコンを生成させる。シランガスとしては、モノシラン、トリクロロシラン、テトラクロロシラン、モノクロロシラン、ジクロロシランなどのシラン化合物のガスが使用され、一般的には、トリクロロシランガスが好適に使用される。また、還元ガスとしては、通常、水素ガスが使用される。トリクロロシランガスと水素ガスを用いた場合を例に取ると、この還元反応は、下記式で表される。
ＳｉＨＣｌ_３ ＋Ｈ_２ → Ｓｉ ＋ ３ＨＣｌ
尚、上記の原料ガスにおいては、一般に還元性ガス（水素ガス）が過剰に使用される。
また、上記の還元反応と共に、下記のように、トリクロロシランの熱分解によってもシリコンが生成する。
４ＳｉＨＣｌ_３ → Ｓｉ＋ ３ＳｉＣｌ_４ ＋ ２Ｈ_２

また、原料ガスとして、還元ガスを用いず、モノシラン（ＳｉＨ_４）のみを供給し、下記式に示されるモノシランの熱分解によってシリコンを生成することも可能である。
ＳｉＨ_４ → Ｓｉ＋２Ｈ_２

上記の反応により生成したシリコン（Ｓｉ）は、シリコン芯線９上に析出し、この反応を継続して行っていくことにより、シリコン芯線９上のシリコンが成長し、最終的に多結晶シリコンからなるシリコンロッド２０が得られることとなる。

上記のようにして、一定の厚みのシリコンロッド２０が得られた段階で反応を終了し、シリコン芯線９への通電を停止し、反応室Ａ内から未反応のシランガス、水素ガス及び副生した四塩化ケイ素や塩化水素等を排気した後、ベルジャー５を開放し、シリコンロッド２０が取り出される。

シリコンロッド２０は、上記のように自然冷却された後、電極７に繋がった状態でベルジャーより取り出した後に付け根部分を切断して行われるわけであるが、本発明においては、生成した多結晶シリコンロッドに接合している前記電極７を５００℃以上の任意の温度から強制的に冷却することが必要である。上記強制的な冷却は、前記電極の冷却開始温度が８００℃以上、特に、９００℃以上、シリコンの融点未満であり、且つ、冷却速度を２５℃／秒以上、特に、３０℃／秒以上で行い、該冷却開始温度より２００℃以上、特に３００〜５００℃低下させるように、冷却条件を調整することが好ましい。

このように、電極７を強制的に冷却することにより、シリコンロッド２０の付け根部と上方部分との間に温度差が生じ、この温度差、即ち熱膨張差によりシリコンロッド２０の付け根部の近傍に大きい歪或いはクラックが生成することとなる。従って、この付け根部或いはその近傍をハンマー等で叩くことにより、この部分で容易に破断し、電極７からシリコンロッド２０が切り離されることとなる。

尚、上記破断は、ベルジャー内で行なってもよいし、電極７に繋がった状態でベルジャーより取り出した後に行なってもよい。また、前記破断の作業は、電極からの汚染がなく半導体原料として使用できる、カーボン濃度が０．０５ｐｐｍａ以上のシリコンを含まない、高純度の領域（即ち、不純物であるカーボン濃度が０．０５ｐｐｍ未満である高純度シリコン領域）と、それ以外の領域との境界域を分ける位置にて行うことが好ましく、かかる位置で破断を行なうように、前記冷却条件を適宜調整することが好ましい。

本発明において、前記した電極７の強制的な冷却は、その条件を満たす範囲であれば、反応ガスを反応室Ａ内に供給してシリコンの析出を行っている段階から行なっても良いし、シリコンの析出終了時、例えば、反応ガスの供給を停止し且つ反応室Ａ内から廃ガスを排出した後に行なってもよい。一般は、シリコンの析出終了時に行なうことが好ましい。

また、本発明においては、シリコンの析出終了後、直ちにシリコン芯線９への通電を停止することもできるが、一般的には、原料ガスの供給を停止した状態でシリコン芯線９への通電を続行する、「アニール」を行うことが特に好ましい。このアニールは、通常、シリコンの析出温度よりも２０〜１００℃高い温度で０．５〜５時間程度行われ、これにより、生成したシリコンロッド２０の全体が一定温度以上に加熱保持されることとなり、シリコンロッド２０の内部に生成した歪を有効に解消することができる。そして、本発明の前記電極の強制的な冷却は、上記いずれの態様においても、問題なく適用することができる。

本発明において、多結晶シリコンロッドを製造するに際し、シリコンの析出反応中は、ベルジャー５の外面を被覆している冷却ジャケットに冷却水を供給し、ベルジャー５の加熱を防止するが、この場合においても、冷却水温度を５０℃程度に調整し、ベルジャー５の内面温度を７０℃以上に維持することにより、シリコンポリマーの析出を防止することが好適である。

上述した本発明においては、生成した多結晶シリコンのロッド２０を、カッターでの切断等の作業を行うことなく、シリコンロッドの電極への付け根部或いはその近傍をハンマー等で叩くことにより、この部分で容易に破断できるため、反応室Ａ内から容易に電極７と切り離して取り出すことも可能であり、これにより、生産効率を向上させることができる。

本発明の優れた効果を、次の実施例で説明する。

＜実施例１＞
ロッド１０本（逆Ｕ字型５対）立ての反応器にて、高さ２０００ｍｍの逆Ｕ字型のシリコン芯線に通電し、その温度を約１０００℃に加熱し、同時にトリクロロシランと水素の混合ガスを反応器に供給し、直径１２０ｍｍとなるまで多結晶シリコンを析出させた。尚、上記の析出反応に際しては、底壁基板に設けた冷却管への水の供給は行わなかった。

反応ガスの供給を停止し且つ廃ガスを反応室内から排出せしめて析出を完了させた後、１０５０℃で１時間続行してアニールを行い、アニール終了時にシリコン芯線への通電を停止すると同時に冷却管１４に５０℃の冷却水を１．０ｍ^３／ｈにて５時間供給して、シリコンロッドに接合している電極を冷却した。上記冷却は、１５秒で５５０℃まで行なった。
尚、廃ガスを反応室内から排出させるのは、水素もしくはアルゴン等の不活性ガスが適しており、本実施例においては水素を用いて実施した。

この後、ベルジャーを開放し、シリコンロッドの付け根部をハンマーで叩いたところ、この付け根部がきれいに割れ、カーボン濃度が０．０５ｐｐｍａ以上のシリコンを含まないシリコンロッドが電極から切り離された。

＜比較例１＞
底壁基板に設けられた冷却管に冷却水を流さず、シリコンロッドに接合している電極の冷却を全く行わなかった以外は、上記と全く同様の操作により、シリコンロッドを製造した。この際、アニール終了時の１０５０℃から５５０℃まで自然冷却した結果、５００℃下がるのに２３秒を要した。
生成したシリコンロッドの付け根部分をハンマーで叩いたが、この付け根部分に割れは生ぜず、これを電極と切り離して取り出すために、カッターでシリコンロッドの付け根部を切断することが必要であった。

３：底壁基板
５：ベルジャー
７：電極
９：シリコン芯線
１３：冷却管
２０：シリコンロッド

Claims (4)

1. 少なくとも一対の電極が取り付けられた底壁基板上に立設されたベルジャー内に、両端が該電極に接続されて立設されたＵ字型シリコン芯材を配置し、該シリコン芯材に通電しながら原料ガスを供給し、化学気相析出法によって該シリコン芯材にシリコンを析出させて多結晶シリコンロッドを形成させる多結晶シリコンの製造法において、生成した多結晶シリコンロッドに接合している前記電極を５００℃以上の任意の温度から強制的に冷却した後、該多結晶シリコンロッドを付け根部近傍で破断し、該電極から切り離すことを特徴とする多結晶シリコンの製法。
2. 前記電極の冷却開始温度が８００℃以上であり、且つ、強制的な冷却を２０℃／秒以上の冷却速度で行い、該冷却開始温度より２００℃以上低下させる請求項１に記載の多結晶シリコンの製法。
3. 前記原料ガスがシランガスと水素ガスとを含む請求項１または２に記載の多結晶シリコンの製法。
4. 前記多結晶シリコンロッドの付け根部近傍での破断位置が、カーボン濃度が０．０５ｐｐｍａ以上のシリコンを含まない領域と、それ以外の領域との境界である請求項１に記載の多結晶シリコンの製法。

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