JP2010180097A

JP2010180097A - シリコン製造に用いるカーボンヒータの再生方法

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Publication number: JP2010180097A
Application number: JP2009024873A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Oda; 開行小田; Shinichiro Koyanagi; 信一郎小柳
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2029-02-05
Also published as: JP5393185B2

Abstract

【課題】シリコン製造プロセスにおいて、シリコン芯線の予熱に使用されたカーボンヒータを、製造コストのかかる反応炉などの格別の装置を用いることなく、簡単に短時間で再生し得る方法を提供する。
【解決手段】シランガスと水素ガスとの反応により生成するシリコンを析出させるためのシリコン芯線が立設されている反応器内に取り付けられており、シリコン芯線を通電可能な温度に加熱するためのカーボンヒータ９について、シリコンの析出終了後、カーボンヒータ９を反応器から取り外し、取り外されたカーボンヒータ９を誘導加熱し、カーボンヒータ９に析出しているシリコンを溶融落下させて除去する。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリコン製造に用いるカーボンヒータの再生方法に関するものであり、より詳細には、トリクロロシラン等のシラン化合物を水素ガスで還元して、加熱されたシリコン芯線上にシリコンを析出させることによりシリコンを製造するプロセスに用いるカーボンヒータの再生方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）等のシラン化合物と水素等の還元性ガスとを供給することにより、生成したシリコンをシリコン芯線上に析出させる方法である。この方法は高純度なシリコンが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。

ところで、上記の方法を実施するにあたっては、シリコン芯線を通電可能な温度（具体的には４００℃以上）に予熱することが必要であり、このために、ベルジャー内には、シリコン芯線を予熱するためのヒータがシリコン芯線に対面するように配置されている。また、ベルジャー内は、非常に高温の反応ガス（シランガス及び水素ガス）に曝されるため、ベルジャー内の部材によるシリコンの汚染を防止し、且つヒータの腐食や熱劣化を抑制するために、上記のヒータとしてカーボンヒータが使用されている。

即ち、カーボンヒータによりシリコン芯線を通電可能な温度に予熱した後は、カーボンヒータへの通電を停止し、この後は、シリコン芯線への通電によりシリコン芯線をシリコン析出可能な温度に加熱し、反応ガスをベルジャー内に供給しての還元反応により、シリコン芯線上に析出させて成長させ、ロッド状の多結晶シリコンが得られることとなるわけである。

しかしながら、上記の方法では、シリコンの析出過程で、カーボンヒータがシリコンの析出温度以上に加熱されてしまい、この結果、シリコンがカーボンヒータ上に析出してしまうという問題がある。カーボンヒータ上にシリコンが析出してしまうと、放熱作用が著しく低減してしまうため、その再利用ができなくなってしまう。

これに対して、特許文献１には、半導体シリコンを製造するための還元炉内で使用されたカーボン部品の再生方法が提案されており、このようなカーボン部品の例としてカーボンヒータも記載されている。

特開２００１−２６４８１号

特許文献１で提案されている方法は、カーボン部品の表面に付着した付着物をカーボン母材ごと削り取り、しかる後、流通型反応炉内で塩素ガス処理を行うというものであるが、カーボン部材の表面を削り取らなければならず、このため、電気特性が大きく変化してしまうなどの問題を生じることから、カーボンヒータの再生には実質上適用することができない。また、仮に適用できたとしても、塩素ガス処理を行うための流通型反応炉を必要とし且つ３５時間以上もの長時間の処理を必要とするなど、コスト及び時間がかかりすぎるという問題がある。

従って、従来においては、一度、シリコンの予熱に使用されたカーボンヒータは、得られたシリコンロッドをベルジャーから取り出すと同時に、廃棄されているというのが現状である。

よって本発明の目的は、シリコン製造プロセスにおいて、シリコン芯線の予熱に使用されたカーボンヒータを、製造コストのかかる反応炉などの格別の装置を用いることなく、簡単に短時間で再生し得る方法を提供することにある。

本発明によれば、シランガスと水素ガスとの反応により生成するシリコンを析出させるためのシリコン芯線が立設されている反応器内に取り付けられており、該シリコン芯線を通電可能な温度に加熱するためのカーボンヒータについて、シリコンの析出終了後、該カーボンヒータを反応器から取り外し、取り外されたカーボンヒータを誘導加熱し、該カーボンヒータに析出しているシリコンを溶融落下させて除去することを特徴とするカーボンヒータの再生方法が提供される。

本発明の再生方法においては、
（１）前記カーボンヒータが、一対のカーボンロッドと、該カーボンロッドの上端同士に着脱自在に電気的に連結されているカーボン製橋絡部材とから構成されており、該カーボンロッドの下端部を反応器の底部基板に設けられた電極に接続することにより、該反応器内に該カーボンヒータが取り付けられること、
（２）前記カーボンヒータのカーボンロッドを、反応容器内に生成するシリコンロッドよりも長く設定しておくこと、
（３）前記一対のカーボンロッドからカーボン製橋絡部材を取り外し、次いで、該カーボンロッドを、反応器の底部基板から取り外し、この後、該カーボンロッド及びカーボン製橋絡部材のそれぞれを高周波加熱すること、
（４）高周波加熱を、高周波コイルを用いて行うこと、
が好適である。

本発明によれば、シリコン芯線の予熱に使用されたカーボンヒータは、シリコン芯線上でのシリコンの析出及び成長により得られたシリコンロッドと共にベルジャー内から取り外されるが、取り外されたカーボンヒータを、高周波コイルなどを用いて誘導加熱することにより、該カーボンヒータに析出したシリコンを容易に溶融落下させて取り除くことができる。即ち、反応炉などの格別の高価な装置を使用することなく、極めて容易に且つ著しく短時間でカーボンヒータの再生を行うことができる。しかも、本発明方法では、研磨などのカーボンヒータを損傷させるような処理を行うことなく、再生できるため、再生されたカーボンヒータは、シリコンの予熱に使用されていないものとほぼ同等の電気特性を示し、何ら支障なく、再びシリコン芯線の予熱に再利用することができる。

再生すべきカーボンヒータが使用されるシリコン製造装置の概略構造を示す側断面。再生すべきカーボンヒータの分解斜視図。カーボンヒータの誘導加熱を説明するための図。

以下、添付図面を用いて、本発明を詳細に説明する。
図１は、再生すべきカーボンヒータが使用されるシリコン製造装置の概略構造を示す側断面であり、
図２は、再生すべきカーボンヒータの分解斜視図であり、
図３は、カーボンヒータの誘導加熱を説明するための図である。

図１において、カーボンヒータが使用されるシリコン製造装置は、全体として１で示されており、耐熱性に優れ且つ化学的に不活性な材料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。また、底壁基板３には、逆Ｕ字型形状のシリコン芯線７が立設されており、このシリコン芯線７の付け根部分は、それぞれ、底壁基板３の設けられている電極（図示せず）に嵌めこまれており、該電極を介して通電されるように構成されている。さらに、立設されているシリコン芯線７に対面して、同様の逆Ｕ字型形状を有しているカーボンヒータ９が立設されており、このカーボンヒータ９も、同様に図示されていない電極に嵌め込まれており、該電極を介して通電されるようになっている。即ち、これらのシリコン芯線７及びカーボンヒータ９を覆うようにしてベルジャー５が閉じられて、反応室Ａが形成されている。

上記のように形成された反応室Ａには、底壁基板３を介してガス管（図示せず）が挿入されており、このガス管を介して、所定の反応ガスが反応室Ａ内に供給され、且つ反応終了後に、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の製造は、以下のようにして行われる。
即ち、始めにカーボンヒータ９に通電し、このカーボンヒータ９からの放熱により、シリコン芯線７を、通電可能な温度（具体的には、４００℃以上）に加熱する。シリコン芯線７が、通電可能な温度に到達した段階で、カーボンヒータ９への通電を停止し、シリコン芯線７への通電を開始し、通電加熱によって、シリコン芯線７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７上にシリコンを迅速に析出されるため、一般的には、１０００〜１１００℃程度の温度に保持されるように、シリコン芯線７を通電加熱するのがよい。

シリコン芯線７への通電を開始すると同時に、或いはシリコン芯線７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、反応性ガスとしてシランガス及び還元ガスを供給し、これら反応性ガスの反応（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、上記の反応性ガスにおいては、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

上記の反応により生成したシリコン（Ｓｉ）は、シリコン芯線７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７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１０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１０が得られた段階で反応を終了し、シリコン芯線７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１０及びカーボンヒータ９を取り出す。

シリコンロッド１０の取り出しは、例えばシリコンロッド１０の付け根部分を切断して行われ、カーボンヒータ９の取り出しは、これを電極から引き抜くことにより行われる。

ところで、上記のように取り出されたカーボンヒータ９の表面にもシリコンが析出している。即ち、カーボンヒータ９への通電は停止されているが、シリコンロッド１０がある程度の太さになると、その表面からの熱放射によってカーボンヒータ９の表面もシリコンの析出温度以上に加熱されてしまうからである。本発明では、このようなカーボンヒータ９を誘導加熱し、これにより、シリコンの融点以上の温度（一般に１４３０℃以上）に加熱し、析出したシリコンを溶融落下させて除去することにより再生せしめる。

ところで、カーボンヒータ９は、シリコン芯線７の全体を通電可能な温度以上に加熱するため、シリコン芯線７と同様の逆Ｕ字型形状を有している。即ち、図２に示されているように、このカーボンヒータ９は、一対のカーボンロッド１１，１１と、これらロッド１１，１１の上端同士に着脱自在に電気的に連結されているカーボン製橋絡部材１３とから構成されており、全体として逆Ｕ字型形状を有している。

カーボンロッド１１の下端には、電極への差込用突起１１ａが形成されており、この突起１１ａを、前述した底壁基板３に固定されている電極に嵌め込むことにより、カーボンヒータ９が反応室Ａ内に立設されるようになっている。

また、カーボンロッド１１の上端には、外面に螺条を有する螺子突起１１ｂが形成されており、カーボン製橋絡部材１３の両端には、螺子突起１１ｂが貫通する孔１３ａが形成されている。即ち、カーボンロッド１１の上端の螺子突起１１ｂをカーボン製橋絡部材１３の両端の孔１３ａに通し、カーボン製のナット１５により螺子固定することにより、カーボンロッド１１とカーボン製橋絡部材１３とが電気的に接続され、前述した電極からの通電により、ヒータとして機能するように組み立てられるわけである。
尚、カーボン製橋絡部材１３とカーボンロッド１１との連結は、上記のような螺子を用いた手段に限定されるものではなく、種々の手段を採用することができる。例えば、カーボンロッド１１の上端に、螺子のない通常の突起を形成し、これを、カーボン製橋絡部材１３の端部に形成されている孔に嵌め込むことにより、両者を連結することもできる。

本発明において、反応室Ａから取り外されたカーボンヒータ９の誘導加熱は、通常、誘導加熱コイルを用いて、５００Ｈｚ以上の周波数で行われる。例えば、図３に示されているように、取り外されたカーボンヒータ９をカーボンロッド１１とカーボン製橋絡部材１３とに分解し、誘導加熱コイル２０の内部にカーボンロッド１１等を挿入し、この状態で誘導加熱コイル２０により内部のカーボンロッド１１等をシリコンの融点以上の温度に加熱しながら、誘導加熱コイル２０を徐々に移動させることにより、カーボンロッド１１等の表面に析出し、付着しているシリコンを全て溶融落下させて取り除くことができる。

尚、上記のようにして誘導加熱を行う場合、コイル幅が長い（加熱ゾーンが長い）誘導加熱コイルを使用し、該コイルを移動させることなく、カーボンロッド１１等の全体を同時にシリコンの融点以上の温度に加熱することも可能であるが、装置が大がかりになるなどの問題を生じるため、上記のようにコイル幅が短く、加熱ゾーンの短い誘導加熱コイル２０を用い、加熱ゾーンを順次移動させることにより加熱することが、最も簡便であり、コストもかからないという点で好適である。

また、上述した本発明においては、カーボンロッド１１の長さを長く設定し、図１に示されているように、カーボンヒータ９の高さが、生成するシリコンロッド１０よりも高くなるようにすることが好適である。即ち、カーボンヒータ９の高さをシリコンロッド１０よりも高くすることにより、シリコンロッド１０（或いはシリコン芯線７）からの放射によるカーボンロッド１１の上端部分の加熱を低減させると同時に、該上端部分での放熱による徐熱を増大させ、カーボンロッド１１の上端部分でのシリコンの析出を抑制することができる。この結果、カーボンヒータ９の分解（ナット１５の取り外しなど）を容易に行うことができ、誘導加熱コイル２０による加熱作業を容易に行うことが可能となり、且つカーボンロッド１１（カーボンヒータ）の再使用が可能となる。カーボンロッド１１の上端部分でシリコンが多く析出すると、ナット１５の取り外し作業が困難となり、場合によっては、カーボンヒータ９を分解せずに、そのままの形態で誘導加熱を行わなければならなくなり、加熱作業が非常に面倒なものとなってしまうが、カーボンヒータ９の高さをシリコンロッド１０よりも高くなるように設定することにより、このような不都合を有効に回避することが可能となる。

尚、カーボンロッド１１の上端部分でのシリコンの析出を効果的に抑制するためには、立設されるカーボンヒータ９（カーボンロッド１１）とシリコン芯線７との間隔によっても異なるが、一般的には、カーボンヒータ９の高さを、１００乃至２００ｍｍ以上、カーボンロッド１１の上端（螺子突起１１ｂの先端）が生成するシリコンロッド１０よりも高くなるようにするのがよい。

上記のようにして再生が行われる本発明では、研磨などのヒータを損傷する処理を全く行わず、また、単にシリコンを加熱して溶融落下させて除去するだけの作業であるため、著しく短時間での処理でよく、実用性の点で極めて有利である。
このようにして再生されたカーボンヒータ９は、再び反応室Ａ内に立設されて、次のシリコンロッドの生産に再利用される。

７：シリコン芯線
９：カーボンヒータ
１０：シリコンロッド
１１：カーボンロッド
１３：カーボン製橋絡部材

Claims

シランガスと水素ガスとの反応により生成するシリコンを析出させるためのシリコン芯線が立設されている反応器内に取り付けられており、該シリコン芯線を通電可能な温度に加熱するためのカーボンヒータについて、シリコンの析出終了後、該カーボンヒータを反応器から取り外し、取り外されたカーボンヒータを誘導加熱し、該カーボンヒータに析出しているシリコンを溶融落下させて除去することを特徴とするカーボンヒータの再生方法。
前記カーボンヒータが、一対のカーボンロッドと、該カーボンロッドの上端同士に着脱自在に電気的に連結されているカーボン製橋絡部材とから構成されており、該カーボンロッドの下端部を反応器の底部基板に設けられた電極に接続することにより、該反応器内に該カーボンヒータが取り付けられる請求項１に記載の再生方法。
前記カーボンヒータのカーボンロッドを、反応容器内に生成するシリコンロッドよりも長く設定しておく請求項１または２に記載の再生方法。
前記一対のカーボンロッドからカーボン製橋絡部材を取り外し、次いで、該カーボンロッドを、反応器の底部基板から取り外し、この後、該カーボンロッド及びカーボン製橋絡部材のそれぞれを高周波加熱する請求項３に記載の再生方法。
高周波加熱を、高周波コイルを用いて行う請求項１乃至４の何れかに記載の再生方法。