JP2020132443A - 多結晶シリコン製造装置および多結晶シリコン - Google Patents

Abstract

【課題】電極の損傷やシリコンロッドの汚染を回避することを可能とする技術の提供。【解決手段】芯線ホルダ１４の下端側は、該芯線ホルダ１４に通電する電極部１０の頂部１８と接しており、さらに、上記芯線ホルダ１４の下端側から下方に延びた、電極部１０に固定するための固定部１７が設けられており、その下端部は螺合部１７ａとなっており、当該螺合部１７は芯線ホルダ１４が電極部１０の頂部と接する面よりも下方に位置している。芯線ホルダ１４の下端側が電極部１０の頂部１８と接している面の電気抵抗は、上記螺合部１７ａが締結される部位よりも低くなるように設計されている。【選択図】図２

Description

本発明は、シーメンス法で多結晶シリコンを製造する装置において使用されるカーボン製の芯線ホルダに関する。

半導体用単結晶シリコンあるいは太陽電池用シリコンの原料となる多結晶シリコンの製造方法として、シーメンス法が知られている。シーメンス法は、クロロシランを含む原料ガスを加熱されたシリコン芯線に接触させることにより、該シリコン芯線の表面に多結晶シリコンをＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて気相成長させる方法である。

シーメンス法により多結晶シリコンを気相成長する際の反応炉は、ベルジャと呼ばれる上部構造体とベースプレートと呼ばれる下部構造体（底板）により構成される空間内にシリコン芯線を鉛直方向２本、水平方向１本の鳥居型に組み立て、該鳥居型のシリコン芯線の両端を一対のカーボン製の芯線ホルダを介してベースプレート上に配置した一対の金属製の電極に固定される。この構成は、例えば特許文献１（特開２００９−２５６１９１号公報）に開示されている。

電極は絶縁物を挟んでベースプレートを貫通し、配線を通して別の電極に接続されるか、反応炉外に配置された電源に接続される。気相成長中に多結晶シリコンが析出することを防止するため、又は金属の温度が上昇して多結晶シリコン中の重金属汚染を引き起こさないように、電極とベースプレートとベルジャは水などの冷媒を用いて冷却される。

電極とカーボン製芯線ホルダは嵌め込み等により固定される。カーボン製の芯線ホルダは、電極に直接接続しても良いが、電極の消耗を抑える等の目的でアダプタと呼ばれる構造物を介して接続されても良い。アダプタの材料にはカーボンが使用されることが多く、また、アダプタは電極に嵌め込み等によって固定される。

電極から芯線ホルダを介してシリコン芯線に電流を導通させ、ジュール熱によってシリコン芯線表面を水素雰囲気中で９００℃〜１２００℃程度の温度範囲に加熱しながら、原料ガスとして例えばトリクロロシランと水素の混合ガスをガスノズルから反応炉内に供給することで、シリコン芯線上に高純度のシリコンを気相成長させる。この時、シリコン芯棒は径の増大に伴ってカーボン製芯線ホルダ側にも析出していき、次第にカーボン製芯線ホルダと一体となる。また、シリコンロッドの成長にあわせて抵抗も低下して行くため、シリコンロッド表面を反応温度に維持するためにはシリコン径に伴った電流を所望の直径に形成されるまで上げていく必要がある。

現状、ロッドに加えられる電流は反応終了時点で２０００Ａ〜４０００Ａとなる。シリコン棒の直径が大きくなるに従って、シリコン棒表面からの放熱が大きくなり、反応に必要な温度９００〜１２００℃を保つためにはその放熱に応じた電気エネルギをシリコン棒に加える必要があり、反応中に金属製の電極と多結晶シリコン棒の間を接続しているカーボン製芯線ホルダにはこれらの電流、重量の増加に耐えられる構造および接続方法が要求されることになる。

カーボン製芯線ホルダや電極は電流密度が上昇していき、電極とカーボン製芯線の接触状態によっては局所的な通電部位ができるため、芯線ホルダおよび電極が想定以上の高温になり多結晶シリコン中の重金属汚染を引き起こす原因となる。さらに、不安定な接続状態でセットされていた場合や、シリコンロッドの重量の増加によって接触面が不安定になっていった場合、芯線ホルダと電極の間で放電が発生し双方を損傷させ多結晶シリコン中の重金属汚染やカーボン汚染を引き起こすことがある。

先行技術によれば、たとえば特許文献２（特開平５-２１３６９７号公報）や特許文献３（特開２０１１−１９５４３９号公報）のように、電極とカーボン製芯線の接続は嵌め合いによって接続されることが多い。この接続方法はセットが簡便といった利点があるが、一方で電極とカーボン製芯線ホルダの接触面の状態は不安定である。すなわち、例えば螺子による接合における「締め付けトルクによる管理」に該当する管理ができないため、接触面に十分な面圧がかかっていることを確かめることができない。また、嵌め合い面の微妙な形状の違いやセット方法、多結晶シリコンロッドの成長の偏りによる芯線ホルダに加えられる力の変化によって、接触面そのものやそこに加えられる圧力の分布が変わってしまうため、接触面と非接触面が曖昧で不安定であり、更には局所的な通電部とそれによる高温部ができやすいといった欠点がある。

特許文献４（特開２０１０−２３５４３８号公報）に開示の手法では、カーボン製芯線ホルダを電極に螺子で固定している。芯線ホルダの機械的な固定は強固であるが、螺子部が通電部となっているため、螺子部に通電された際の放電が起きやすく、また接触面位置を制御できないため電気的な接続は不安定である。

以上のように、先行技術で公知のカーボン製芯線ホルダと電極の接続方法は通電面の安定性が十分ではなく局所的な高温部や放電を発生させてしまう虞があり、放電により炉内部材に損傷が発生すると、事後の処理が極めて厄介である。電極は新品と交換する必要があり、シリコンロッドは汚染される。さらにはベルジャやベースプレートも汚染され、回収・循環する反応排ガス中にも炭化水素化合物が不純物として含まれるため、次バッチ以降の製造にも悪影響を与える。そのため清掃を通常以上に行う必要がでてくる。

特開２００９−２５６１９１号公報 特開平５-２１３６９７号公報 特開２０１１−１９５４３９号公報 特開２０１０−２３５４３８号公報

本特許は、上述した問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、芯線ホルダと電極の間の通電を安定的なものとし、電極の損傷やシリコンロッドの汚染を回避することを可能とする技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、シーメンス法で多結晶シリコンを製造ための装置であって、シリコン芯線を保持するためのカーボン製の芯線ホルダを備え、前記芯線ホルダの下端側は、該芯線ホルダに通電する電極部の頂部と接しており、前記芯線ホルダは、その下方側にのみ前記電極部に固定するための螺合部を有し、前記芯線ホルダが前記電極部の頂部と接する面は、前記螺合部が締結される部位よりも低い電気抵抗とされている、ことを特徴とする。

ある態様では、該螺合部は、該芯線ホルダが前記電極部の頂部と接する面よりも下方に位置している。

また、ある態様では、前記電極部の頂部側にも螺合部が設けられており、前記芯線ホルダおよび前記電極部の螺合部は、絶縁体からなるナット部材により締結されている。

好ましくは、前記電極部の頂部および前記芯線ホルダの前記電極部の頂部との接触面は何れも水平面である。

前記芯線ホルダと前記電極部の頂部との接触面に、導電性の部材が挿入されている態様としてもよい。

本特許により、芯線ホルダと電極の間の通電を安定的なものとなり、電極の損傷やシリコンロッドの汚染を回避することを可能とする技術が提供される。

本発明に係る芯線ホルダを備えた反応炉の一例である概略説明図である。 本発明に係る芯線ホルダが電極に取り付けられている一態様を示す概念図である。 本発明に係る芯線ホルダが電極に取り付けられている他の態様を示す概念図である。 従来技術における、芯線ホルダが電極に取り付けられている一態様を示す概念図である。

図１は、本発明に係るカーボン製芯線ホルダが用いられる多結晶シリコン製造装置の反応炉の構成の概略を説明する図である。反応炉１００は、ベルジャ１の下部に設けられたベースプレート５上に、ベースプレート５から絶縁された電極１０を備えており、該電極１０にシリコン芯線１３が保持されたカーボン製の芯線ホルダ１４が固定される。該芯線ホルダ１４は電極１０に直接接合されるかまたは治具（不図示）によって固定され、該芯線ホルダ１４と電極１０が接触する面から、電極１０から供給される電流の殆どが芯線ホルダ１４へと流れるように接続され、原料ガスの反応によりシリコン芯線１３上に多結晶シリコン１５が析出する。

なお、図中、符号２はのぞき窓、符号３および４はそれぞれベルジャ１の冷却のための冷媒の入口および出口であり、符号６および７はそれぞれベースプレート５の冷却のための冷媒の入口および出口であり、符号１１および１２はそれぞれ電極１０の冷却のための冷媒の入口および出口である。また、符号９は原料ガスの供給ノズルであり、符号８は反応排ガスの出口である。

芯線ホルダ１４を電極１０に固定する方法に特に制限はないが、JISなどの規格があるために作製が容易であるため、螺子による螺合であることが好ましい。なお、この固定のために工具を使用しても良く、たとえばトルクレンチを使用することで、芯線ホルダ１４の下端側が電極部１０の頂部と接する面に所望の圧力（接触面圧）を付与することが可能となる。この場合、トルク値を管理することによってバッチ間での接触面圧の変動を抑制することが容易化される。また、芯線ホルダ１４と電極１０の間（すなわち、芯線ホルダ１４と電極部１０の頂部との接触面）に、カーボン製のシートのような、不純物レベルの低い導電性の部材を挿入させて、電気的接続の補助としても良い。

芯線ホルダ１４が電極１０に固定された後、釣鐘型のベルジャ１によって炉内は密閉され、内部を窒素で置換した後に水素で置換する。その後、電極１０から電流を供給して、芯線ホルダ１４を介してシリコン芯線１３へと通電させると、ジュール熱によりシリコン芯線１３の表面が９００〜１２００℃程度に発熱される。そこにトリクロロシランや水素から成る原料ガスを吹き付けることで高純度の多結晶シリコン１５をシリコン芯線１３の表面に析出させる。

多結晶シリコン１５の表面温度を反応に必要な温度に維持するために、多結晶シリコン１５の成長にあわせて電流を増大させていく必要がある。このため、芯線ホルダ１４および該芯線ホルダと電極１０の接触面へのシリコンロッドの重量の増加による機械的な負荷が増加するとともに、電流密度の増加による電気的な負荷も増加する。この場合、通電面となる接触面が水平面であると、多結晶シリコン１５の重量増大に従って接触面圧が上がり接触抵抗が下がるため、より電気的に安定な接触面となる。よって、電極部１０の頂部および芯線ホルダ１４の電極部頂部との接触面は何れも水平面であることが好ましい。

図２は、本発明に係るシーメンス法で多結晶シリコンを製造ための装置が備える芯線ホルダの構成の一態様を説明するための概念図である。この図に示したとおり、芯線ホルダ１４の下端側は、該芯線ホルダ１４に通電する電極部１０の頂部１８と接しており、さらに、上記芯線ホルダ１４の下端側から下方に延びた、電極部１０に固定するための固定部１７が設けられており、その下端部は螺合部１７ａとなっており、当該螺合部１７は芯線ホルダ１４が電極部１０の頂部と接する面よりも下方に位置している。なお、上記螺合部１７ａは、芯線ホルダ１４の下方側にのみ設けられている。

なお、芯線ホルダ１４の下端側が電極部１０の頂部１８と接している面の電気抵抗は、上記螺合部１７ａが締結される部位よりも低くなるように設計されており、芯線ホルダ１４を介してシリコン芯線１３へと流れる電流の殆どは、芯線ホルダ１４の下端側が電極部１０の頂部１８と接している面を通って流れることになる。これにより、特別に絶縁体治具を使用しなくとも構造的にも電気的にも安定した接続を得ることができる。

すなわち、電極１０には一般に銅やＳＵＳなどのような電気抵抗率の低い材料が用いられ、その電気抵抗率はカーボン製の芯線ホルダ１４と比べて桁違いに低い。そのため、螺合部１７ａよりも上記電極部１０の頂部１８（接触面）の位置が高くなるように設計することで、螺合部１７ａを介する経路よりも接触面を介する経路のほうが低電気抵抗となる。その結果、電流のほとんどは接触面（１８）を介してシリコン芯線１３へと流れる一方で、螺合部１７ａを介しての通電量はほぼ無視できるレベルになる。

本発明に係る芯線ホルダの構成は、図２に示した態様のものに限られない。

図３は、本発明に係るシーメンス法で多結晶シリコンを製造ための装置が備える芯線ホルダの構成の他の態様を説明するための概念図である。この図に示した態様では、芯線ホルダ１４の下端側が、該芯線ホルダ１４に通電する電極部１０の頂部１８と接しており、芯線ホルダ１４は、電極部１０に固定するための螺合部１７ａを有し、芯線ホルダ１４が電極部の頂部１８と接する面が、螺合部１７ａが締結される部位よりも低い電気抵抗とされている点において図２に示した態様のものと同じであるが、電極部１０の頂部側にも螺合部１７ａが設けられており、芯線ホルダ１４および電極部１０の螺合部１７ａが、固定治具である絶縁体からなるナット部材１６により締結されている点において相違している。

このような設計としても、絶縁体であるナット部材１６を介して電流が流れることはないため、電流のほとんどは接触面（１８）を介してシリコン芯線１３へと流れる。

本発明に係る芯線ホルダ１４を用いることにより、十分な固定力を担保しつつ、安定的な通電を保つことができる。このため、局所的な高温化や放電の発生が抑制され、重金属やカーボンといった不純物による多結晶シリコンの汚染が防止される。

特許文献１に開示のものでは、本発明の螺合部１７ａに相当する部分が、芯線ホルダ１４の側面全面に設けられているため、その凹凸部において偶発的に放電等が生じる虞がある。しかし、本発明に係る芯線ホルダでは、螺合部１７ａが下端側にのみ設けられているため、斯かる放電等の発生の抑制が図られる。

特許文献２に開示のものは、いわゆる嵌め込み式の芯線ホルダとなっているため、電極への固定が不安定となり、偶発的に放電等が生じる虞がある。しかし、本発明に係る芯線ホルダでは、螺合部１７ａによる固定がなされるため、斯かる放電等の発生の抑制が図られる。

特許文献３に開示のものも同様に、いわゆる嵌め込み式の芯線ホルダとなっているため、電極への固定が不安定となり、偶発的に放電等が生じる虞がある。しかし、本発明に係る芯線ホルダでは、螺合部１７ａによる固定がなされるため、斯かる放電等の発生の抑制が図られる。

特許文献４に開示のものは、一見、本発明に係る第２の態様の芯線ホルダに類似している。しかし、下部の外径が上部の外径よりも大きい段付円柱状に形成されており、電流はの凹凸部である螺合部を介しても流れるため、偶発的に放電等が生じる虞がある。しかし、本発明に係る芯線ホルダでは、螺合部１７ａによる固定がなされるため、斯かる放電等の発生の抑制が図られる。

シーメンス法による多結晶シリコン製造装置の反応器内でシリコン芯線上に多結晶シリコンを析出させ、１対の多結晶シリコンロッドが１２５〜２００ｋｇとなるまで成長させた、反応終了後に多結晶シリコンロッドを収穫し、電極および芯線ホルダに放電痕や異常発熱による変色などの異常がないかの確認を行った。

［実施例１］
図２に示した態様の芯線ホルダを、８０Ｎｍのトルクで電極に固定した。１対の多結晶シリコンロッドが約１２５ｋｇとなるまで成長させる析出反応を２バッチ行ったが、何れのバッチにおいても、放電痕および変色などの異常は確認できなかった。

［実施例２］
図２に示した態様の芯線ホルダを、８０Ｎｍのトルクで電極に固定した。１対の多結晶シリコンロッドが約２００ｋｇとなるまで成長させる析出反応を３バッチ行ったが、何れのバッチにおいても、放電痕は確認できなかった。なお、１６．７％の電極にカーボン芯線ホルダの一部が固着していた。

［実施例３］
図２に示した態様の芯線ホルダを、該芯線ホルダと電極の間に高純度黒鉛(Na＜0.05，Cu＜0.08，Fe，Ni＜0.1，Zn＜0.1)で作られたシート状の部材を挿入した状態で、８０Ｎｍのトルクで電極に固定した。１対の多結晶シリコンロッドが約２００ｋｇとなるまで成長させる析出反応を３バッチ行ったが、何れのバッチにおいても、放電痕および変色などの異常は確認できなかった。

［比較例１］
図４に図示したカーボン製の芯線ホルダ１４を、電極１０にねじり込むように（嵌合させて）固定した。１対の多結晶シリコンロッドが約１２５ｋｇとなるまで成長させる析出反応を２バッチ行ったところ、放電痕は認められなかったものの、４．２％の電極がカーボン芯線ホルダとの接触面で黒色に変色しており、２９．２％の電極にカーボン芯線ホルダの一部が固着していた。

［比較例２］
図４に図示したカーボン製の芯線ホルダ１４を、電極１０にねじり込むように（嵌合させて）固定した。１対の多結晶シリコンロッドが約２００ｋｇとなるまで成長させる析出反応を３バッチ行ったところ、１６．７％の電極において芯線ホルダの接触面に放電痕が認められた。また、２５．０％の電極において芯線ホルダとの接触面で黒色に変色しており、４１．７％の電極において芯線ホルダの一部が固着していた。

本特許により、芯線ホルダと電極の間の通電を安定的なものとなり、電極の損傷やシリコンロッドの汚染を回避することを可能とする技術が提供される。

１ ベルジャ
２ のぞき窓
３ 冷媒入口（ベルジャ）
４ 冷媒出口（ベルジャ）
５ ベースプレート
６ 冷媒入口（ベースプレート）
７ 冷媒出口（ベースプレート）
８ 反応排ガス出口
９ 原料ガス供給ノズル
１０ 電極
１１ 冷媒入口（電極）
１２ 冷媒出口（電極）
１３ シリコン芯線
１４ 芯線ホルダ
１５ 多結晶シリコン
１６ ナット部材
１７ 固定部
１７ａ 螺合部
１８ 電極部の頂部
１９ 嵌合部
１００ 反応炉

Claims (6)

1. シーメンス法で多結晶シリコンを製造ための装置であって、
   シリコン芯線を保持するためのカーボン製の芯線ホルダを備え、
   前記芯線ホルダの下端側は、該芯線ホルダに通電する電極部の頂部と接しており、
   前記芯線ホルダは、その下方側にのみ前記電極部に固定するための螺合部を有し、
   前記芯線ホルダが前記電極部の頂部と接する面は、前記螺合部が締結される部位よりも低い電気抵抗とされている、
   ことを特徴とする多結晶シリコン製造装置。
2. 該螺合部は、該芯線ホルダが前記電極部の頂部と接する面よりも下方に位置している、請求項１に記載の多結晶シリコン製造装置。
3. 前記電極部の頂部側にも螺合部が設けられており、
   前記芯線ホルダおよび前記電極部の螺合部は、絶縁体からなるナット部材により締結されている、請求項１に記載の多結晶シリコン製造装置。
4. 前記電極部の頂部および前記芯線ホルダの前記電極部の頂部との接触面は何れも水平面である、請求項１〜３の何れか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
5. 前記芯線ホルダと前記電極部の頂部との接触面に、導電性の部材が挿入されている、請求項１〜４の何れか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の多結晶シリコン製造装置により製造された多結晶シリコン。