JP2020055703A - 多結晶シリコン製造方法及びシード組立体予熱用ヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】シード組立体の予熱に使用するヒータ材質による多結晶シリコンの汚染を低減する。【解決手段】シーメンス法によりクロロシラン含有反応ガスからシード組立体にシリコンを析出させて多結晶シリコンを製造する方法であって、表面が厚み０．１μｍ以上１０００μｍ以下のシリコンコーティング層により被覆されたヒータでシード組立体の予熱を行い、その後、シード組立体を通電発熱させて、該シード組立体表面にシリコンを析出させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、多結晶シリコン製造方法及びその製造方法に用いられるシード組立体を予熱するためのヒータに関する。

多結晶シリコンは半導体デバイス製造用単結晶基板や太陽電池製造用シリコン基板の原料である。
一般に、多結晶シリコンの製造は、クロロシランを含む原料ガスを加熱されたシード組立体（シリコン製）に接触させ、当該シード組立体表面に多結晶シリコンを気相成長させるシーメンス法により行われる。
近年、半導体デバイスなどの性能向上により半導体ウエーハの原料である多結晶シリコンにも品質の向上が求められ、中でも、炭素不純物はデバイス特性に影響を及ぼすことが指摘されている（例えば、特許文献１）。

上述のシーメンス法による多結晶シリコン製造においては、気相成長によるシリコン析出反応が高温雰囲気下で行われることから、反応容器内で用いられる部材に炭素材料を用いることが多い。特に、シリコン析出反応では、シリコン芯線（シード組立体）を通電しては発熱状態とするために、予めシリコン芯線をカーボン製のヒータによる初期加熱により比抵抗を下げてから通電することにより発熱させてシリコン析出が行われていることが開示されている（例えば、特許文献２）。

また、特許文献３では、シリコン芯線の初期加熱のために抵抗性材料（高融点金属や炭素製）からなるヒータを使用すると不純物等でシリコンを汚染することが開示されており、電気抵抗を調整したシリコンによるヒータを使用することでこれらヒータ素材由来の汚染を抑制することができるとされている。

特開２０１５−１１１６１５号公報 特開２０１４−１０１２５６号公報 特開２０１３−１９３９３１号公報

特許文献３による方法では炭素濃度の低い多結晶シリコンが得られるものの、あらかじめ電気抵抗を調整するための不純物の添加（例えば、リン、ヒ素、ホウ素等）を行ったヒータ材料を製作する必要があり、コスト的には不利である。

本発明は、シリコン製のシード組立体の予熱に使用するヒータ材質による多結晶シリコンの汚染を低減することを目的とする。

本発明の多結晶シリコン製造方法は、シーメンス法によりクロロシラン含有反応ガスからシリコン製のシード組立体にシリコンを析出させて多結晶シリコンを製造する方法であって、表面がシリコンコーティング層により被覆されたヒータで前記シード組立体の予熱を行い、その後、前記シード組立体を通電発熱させて、該シード組立体表面にシリコンを析出させる。

この多結晶シリコン製造方法においては、シリコンコーティング層により被覆されたヒータを用いることで、シード組立体の予熱を行う際にヒータ材質由来の不純物を析出反応炉内に飛散させないようにしている。ヒータ用芯線にコーティングするシリコンは高純度のものが好ましい。

多結晶シリコン製造方法の好ましい一つの実施態様として、前記ヒータは、ヒータ用芯線をシリコン析出反応炉内に組み立てた状態で加熱し、前記シリコン析出反応炉内に供給したクロロシラン含有反応ガスから前記ヒータ用芯線の表面にシリコンを析出させて前記シリコンコーティング層を形成することにより作製される。

この方法によれば、シーメンス法によるシリコン析出の前段階としてヒータ用芯線にシリコンコーティング層を形成し、その後、シード組立体を予熱するという、一連の工程を連続的に行うことができ、作業性がよい。
また、一連のシリコンコーティング層形成からシード組み立て体へのシリコン析出を密閉系で行うことができるので、ヒータ用芯線上のシリコンコーティング層表面の汚染も抑制でき、これによりシリコン析出時の汚染への影響も小さくすることができる。

また、本発明のシード組立体予熱用ヒータは、シーメンス法によりクロロシラン含有反応ガスからシード組立体にシリコンを析出させる際に用いられ、前記シリコンを析出する前に前記シード組立体を予熱するためのヒータであって、ヒータ用芯線の表面がシリコンコーティング層により被覆されている。
この場合、シード組立体予熱用ヒータの好ましい一つの実施態様として、前記ヒータ用芯線は炭素素材であるとよい。

シード組立体予熱用ヒータとして、前記シリコンコーティング層は厚み０．１μｍ以上１０００μｍ以下であるとよい。シード組立体を予熱する際にヒータ用芯線の材質が飛散しない程度にシリコンコーティング層が形成されていればよい。

本発明によれば、シリコンコーティング層により被覆されたヒータを用いることで、ヒータ材質由来の不純物の飛散を防止し、多結晶シリコンの汚染を低減することができる。

本発明の一実施形態で用いるシリコン析出反応炉の概略構成図である。 一実施形態の多結晶シリコン製造方法のフローチャートである。 他の実施形態の多結晶シリコン製造方法のフローチャートである。

以下、本発明に係る多結晶シリコン製造方法に用いられるシリコン析出反応炉の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態のシリコン析出反応炉１００を模式的に表した全体図である。
このシリコン析出反応炉１００は、炉底を構成する基台１と、この基台１上に着脱自在に取り付けられた釣鐘形状のベルジャ２とを備えている。基台１の上面１０は、ほぼ平坦な水平面に形成されており、その上面１０には、シード組立体（シリコン製）３が取り付けられる接続用部材５Ａと、ヒータ４が取り付けられる接続用部材５Ｂ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供給するための原料ガス供給口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。

シード組立体３は、析出される多結晶シリコンの種棒となるものであり、多結晶シリコンにより形成される。このシード組立体３は、基台１０上の接続用部材５Ａに立設される一対のシリコン芯棒３１と、各シリコン芯棒３１の上端部を連結する連結部材３２とからなり、これら一対のシリコン芯棒３１と連結部材３２とにより一組のシード組立体３が構築され、反応炉１００内に複数設けられる。
なお、接続用部材５Ａは電源（図示略）に接続されており、接続用部材５Ａを介して各シード組立体３に電流が流れるようになっている。
また、ヒータ４は、シード組立体３が通電発熱可能な状態となるように、シード組立体３を加熱して比抵抗を下げるために、シリコン析出反応炉１００のシリコン析出前に用いられる。この場合、ヒータ４は、基台１のほぼ中央部に設けられ、ヒータ４よりも基台１の外周側にシード組立体３が複数立設されている。

原料ガス供給口６は、各シード組立体３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、基台１の上面１０のほぼ全域に分散して適宜の間隔をあけて複数設置されており、外部の原料ガス供給源（図示略）に接続されている。また、ガス排出口７は、適宜の間隔をあけて複数設置され、外部の排ガス処理系（図示略）に接続されている。
そして、複数のシード組立体３は、ヒータ４による予熱により徐々に通電状態となり、その後発熱状態となることで実線矢印で示すように炉内に供給した原料ガスをシード組立体３の表面で反応させて、シード組立体３の表面に二点鎖線で示すように多結晶シリコンＳを析出させる。

ヒータ４は、炭素素材を基材としたヒータ用芯線４１の表面にシリコンコーティング層４２が被覆されており、シリコン析出反応炉１００の基台１のほぼ中央部に位置する接続用部材５Ｂに取付けられている。このヒータ４は、近接した周辺のシード組立体３の全体に輻射熱が伝えられるように、シード組立体３の高さに見合う高さに設定されている。
また、ヒータ用芯線４１は、シード組立体３と同様に、基台１０上に立設される一対の棒部材４３と、各棒部材４３の上端部を連結する連結部材４４とから構成される。また、このヒータ用芯線４１が取り付けられる接続用部材５Ｂも電源（図示略）に接続されており、ヒータ用芯線４１に電流が流れるようになっている。
そして、これら棒部材４３及び連結部材４４からなるヒータ用芯線４１の表面に、シリコンコーティング層４２が形成されている。

シリコンコーティング層４２の膜厚は、０．１μｍ以上１０００μｍ以下が望ましい。シリコンコーティング層４２の膜厚が薄すぎると、予熱時にヒータ材質が析出反応炉１００内に飛散し、シード組立体３や析出シリコンＳの汚染を招くおそれがある。ヒータ材質の飛散を防ぐためには、０．１μｍ以下の膜厚でも十分であるが、ヒータ用芯線４１表面の粗さや、立体形状であることによるシリコンコーティング層４２の膜厚の不均質を許容するためには０．１μｍ以上とすることが望ましい。

また、シリコンコーティング層４２の膜厚が１０００μｍを超えると、ヒータ用芯線４１の材質である炭素との熱膨張率の差によってシリコンコーティング層４２が割れやすくなる。また、シリコンコーティング層４２が１０００μｍの膜厚とすれば、ヒータ材質が炉内に飛散することはないため、１０００μｍを超える膜厚とする必要はない。

このように構成されるシリコン析出反応炉１００により多結晶シリコンを析出させるには、図２のフローチャートに示すように、まずヒータ４を通電させて発熱状態とさせ（Ｓ１）、その輻射熱によってヒータ４周辺のシード組立体３を予熱させる（Ｓ２）。この場合、シード組立体３は電源に接続されており、所定の電圧が印加されている。そして、ヒータ４からの輻射熱によってヒータ４周辺のシード組立体３が熱せられると、シード組立体３の比抵抗が徐々に低下し、通電発熱可能な状態となる。これにより、シード組立体３は自己発熱状態となる。そして、反応炉１００の中心部付近でヒータ４の近傍に配置されているシード組立体３の熱が、その外側のシード組立体３に伝わって、そのシード組立体３を通電発熱状態とさせる。
このようにして、反応炉１００の中心部から放射状にシード組立体３に熱が伝わって、すべてのシード組立体３が通電発熱状態となる（Ｓ３）。
そして、反応炉１００内の雰囲気を水素ガスに置換（Ｓ４）した後、原料ガス供給口６から原料ガスを供給（Ｓ５）すると、原料ガスが高温のシード組立体３に接触して、その表面に多結晶シリコンＳが析出し、図１に二点鎖線で示すようにシード組立体３がほぼ全域にわたって略柱状となる（Ｓ６）。

このようにしてシード組立体３を予熱するためのヒータとして、シリコンコーティング層４２により被覆されたヒータ４を用いているので、ヒータ用芯線４１の材質（実施形態では炭素）由来の不純物を炉内に飛散させることがない。したがって、シード組立体３に析出する多結晶シリコンＳに不純物が取り込まれることがないため、汚染が抑制され、高純度の多結晶シリコンＳを析出させることができる。

このヒータ４を製造する場合、シリコン析出反応炉１００にヒータ用芯線４１を立設した状態で、「その場」コーティングによりシリコンコーティング層４２を形成することができる。
通常、カーボン製のヒータを通電発熱させる際は、熱伝導の良い水素雰囲気では熱ロスが大きくなるため、アルゴン雰囲気等にするが、この時、水素・クロロシラン混合ガス雰囲気で通電加熱すれば、カーボン製ヒータ上にシリコンが還元析出してコーティングされ、シリコンコーティング層４２を形成することができる。ただし、この場合、同時にメタンなどの有機ガスも発生するため、シード組立体３の加熱に移行する前に、シリコン析出反応炉１００内雰囲気の置換が必要になる。

具体的には、図３のフローチャートに示すように、シリコン析出反応炉１００内にヒータ用芯線４１及びシード組立体３をそれぞれ立設した状態で取り付けておき（Ｓ１１）、反応炉１００内に多結晶シリコン析出用の原料ガスを供給し（Ｓ１２）、その後、ヒータ用芯線４１を通電発熱させる。ヒータ用芯線４１が一定温度以上になると、表面に多結晶シリコンが析出する。そして、ヒータ用芯線４１の表面に十分にシリコンコーティング層４２が形成されたら（Ｓ１３）、反応炉１００内の雰囲気をアルゴンガス等を導入して置換（Ｓ１４）した後、ヒータ４を通電発熱させる（Ｓ１５）ことにより、周囲のシード組立体３を予熱し（Ｓ１６）、シード組立体３を通電発熱可能な状態にする。
シード組立体３が通電発熱状態となった（Ｓ１７）以降は、反応炉１００内の雰囲気をアルゴンガス等から水素ガスに置換し（Ｓ１８）、前述と同様にして原料ガスを供給し（Ｓ１９）、シード組立体３の表面に多結晶シリコンＳを析出させる（Ｓ２０）。
シード組立体３の温度が上昇し、シード組立体３への通電が開始されたら、ヒータ４に接続されている電源を遮断する。なお、通電発熱時のヒータ４の温度は、シリコン溶融温度以下に維持してシード組立体３の予熱を行うことが望ましい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、適宜変更可能である。
例えば、シリコンコーティング４２層は、シリコン析出反応炉１００とは別の装置にて予め施しておくこともできる。また、コーティング方法としては、スパッタリング法等を用いることもできる。その場合、シリコンコーティング層４２は高純度のシリコンであることが望ましい。
また、ヒータ用芯線として炭素素材を基材として用いたが、通電加熱可能な抵抗性材料であれば炭素素材以外の、例えばタングステン等も用いることができる。ただし、シリコン析出反応炉１００内雰囲気の汚染が少なく、かつ高温領域において安定した加熱ができることから、ヒータ用芯線としては炭素素材を基材とするのが好適である。

１ 基台
２ ベルジャ
３ シード組立体
４ ヒータ
５Ａ 接続用部材
５Ｂ 接続用部材
６ 原料ガス供給口
７ ガス排出口
１０ 上面
３１ シリコン芯棒
３２ 連結部材
４１ ヒータ用芯線
４２ シリコンコーティング層
４３ 棒部材
４４ 連結部材
１００ 析出反応炉

Claims (5)

1. シーメンス法によりクロロシラン含有反応ガスからシード組立体にシリコンを析出させて多結晶シリコンを製造する方法であって、表面がシリコンコーティング層により被覆されたヒータで前記シード組立体の予熱を行い、その後、前記シード組立体を通電発熱させて、該シード組立体表面に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製造方法。
2. 前記ヒータは、ヒータ用芯線をシリコン析出反応炉内に組み立てた状態で加熱し、前記シリコン析出反応炉内に供給したクロロシラン含有反応ガスから前記ヒータ用芯線の表面にシリコンを析出させて前記シリコンコーティング層を形成することにより作製され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方法。
3. シーメンス法によりクロロシラン含有反応ガスからシード組立体にシリコンを析出させる際に用いられ、前記シリコンを析出する前に前記シード組立体を予熱するためのヒータであって、ヒータ用芯線の表面がシリコンコーティング層により被覆されていることを特徴とするシード組立体予熱用ヒータ。
4. 前記ヒータ用芯線は炭素素材であることを特徴とする請求項３記載のシード組立体予熱用ヒータ。
5. 前記シリコンコーティング層は厚み０．１μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項３又は４記載のシード組立体予熱用ヒータ。
   
   

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