JP2022506060A - 多結晶シリコンの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、化学気相成長反応器で多結晶シリコンを製造する方法であって、反応器の外側で、少なくとも１つの反応器構成要素の少なくとも１つの位置で、反応器の振動を測定装置を用いて測定し、任意に記録する方法を提供する。本発明は、さらに、この方法を実施するための反応器を提供する。
Description
本発明は、化学気相成長反応器で多結晶シリコンを製造する方法に関し、反応器の外側で、少なくとも１つの反応器構成要素の少なくとも１つの位置で、反応器の振動を測定装置を用いて測定し、任意に記録する。本発明はさらに、特に本方法を実施するための反応器を提供する。
多結晶シリコン（ポリシリコン）は、例えば、るつぼ引き上げ（チョクラルスキー法）またはゾーン溶融（フロートゾーンプロセス）によって、単結晶シリコンを製造する際の出発材料として機能する。単結晶シリコンは、スライス（ウェハー）に切断され、さらに多数の処理工程を経て、半導体産業で電子部品（チップ）の製造に使用される。また、ポリシリコンは、ブロックキャスト法などで多結晶シリコンを製造する際の出発材料にもなる。ブロック状になった多結晶シリコンは、太陽電池の製造に使用される。
ポリシリコンは、シーメンス法（化学気相成長法）で得ることができる。シーメンス法とは、ベル型の反応器（シーメンス反応器）内の支持体（通常はポリシリコンからなる）に直接電流を流して加熱し、ケイ素含有成分と水素を含む反応ガスを導入する方法である。ケイ素含有成分は、一般的にモノシラン（ＳｉＨ４）または一般組成ＳｉＨｎＸ４－ｎ（ｎは、０、１、２、または３であり、ＸはＣｌ、Ｂｒ、またはＩである）のハロシランである。典型的には、クロロシランまたはクロロシラン混合物であり、通常はトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３、ＴＣＳ）である。主に、ＳｉＨ４またはＳｉＨＣｌ３が水素との混合物で使用される。典型的なシーメンス反応器の構造は、ＥＰ２０７７２５２Ａ２またはＥＰ２４４４３７３Ａ１に例として記載されている。反応器の底部（底板）には、支持体を収容する電極が設けられている。支持体は、通例、シリコン製の薄いフィラメントロッド（細棒）である。典型的には、２本のフィラメントロッドがブリッジ（シリコン製）を介して接続され、電極を介して回路を形成するペアを形成する。フィラメントロッドの表面温度は、典型的には１０００℃以上である。この温度では、反応ガス中のケイ素含有成分が分解し、元素のケイ素がポリシリコンとして気相から析出する。その結果、フィラメントロッドの直径とブリッジの直径が大きくなる。ロッドが所定の直径に達した後、通常、堆積は停止され、得られたポリシリコン・ロッドは除去される。ブリッジの除去後、ほぼ円筒形のシリコンロッドが得られる。
成長中のポリシリコンロッドは、方法の途中で次第に重くなるので、電極（通常は電極ホルダーと組み合わせたもの）によってのみ保持される。ターゲットの直径（通常は９０～１９０ｍｍ）とフィラメントロッドの長さ（通常は１．５～３．５ｍ）に応じて、ロッドの重量は５０～４００ｋｇ（ロッド１本あたり、ブリッジなし）に達することがある。したがって、２本のロッドとブリッジで構成される支持体の重量は、最新の反応器では１トン近くにもなる。原理的には、より長いフィラメントロッドとより大きなターゲット直径の組み合わせは、バッチあたりの収量を増加させ、したがって一般的には堆積プロセスの経済的実行可能性も増加させる。しかし、支持体が転倒するリスクも高まる。
例えば、今日では２４個の支持体（４８本のロッド）が堆積反応器に配置されているので、たった１つの支持体が倒れるだけでドミノ効果を引き起こす。特に反応器の壁が損傷した場合は、かなりの経済的損失が発生する。転倒したシリコンロッドは一般的に汚染されており、除去した後のバッチは追加の洗浄工程を経る必要があったり、より低い品質クラスに割り当てられたりする。
さらに問題なのは、転倒した支持体を含むバッチの除去に時間がかかり、危険なことである。第１に、反応器ベルジャー（反応器シェル）を持ち上げる際に、転倒した支持体が存在するかどうかを除去前に必ずしも特定することができず、かなりのリスクを伴う。第２に、転倒して破損した可能性のあるシリコンロッドを回収するには、さらなる汚染を避けるために、かなりの装置と時間が必要となる。反応器の洗浄、特にシリコンの破片の除去には、さらに数時間の労力が必要である。全体として、支持体が倒れると、堆積反応器のダウンタイムが増加する。
これらの問題から、本発明の目的が生まれた。具体的には、第１に、転倒したバッチを有する堆積反応器のダウンタイムを短縮することができ、第２に、除去中のリスクを低減することができる方法を提供することである。
この目的は、ポリシリコンを製造する方法によって達成され、当該方法は、水素と、シランおよび／またはハロシランとを含む反応ガスを化学気相成長反応器の反応空間に導入することを含み、この反応空間は、ポリシリコンを形成するために化学気相成長によって元素シリコンが堆積される少なくとも１つの加熱された支持体を備えることを特徴とする。同時に、少なくとも１つの反応器構成要素の少なくとも１つの位置における反応空間の外側で、反応器の振動が測定装置を用いて測定され、任意に記録される。
化学的気相成長反応器は、特に、上述してきたようなシーメンス反応器である。したがって、支持体は、好ましくは、シリコン製の２本のフィラメントロッドを含み、シリコン製のブリッジを介して接続されてロッドペアを形成しており、したがって、ほぼ倒立した「Ｕ」の形をしている。フィラメントロッドの自由端は、反応器の底板の電極に接続されている。反応器内に配置されたシリコンロッド／シリコンロッド対の数は、本発明による方法の実行には一般的に重要ではない。反応器内のシリコンロッドの数の典型的な例は、２４（１２本のロッドペア）、３６（１８本のロッドペア）、４８（２４本のロッドペア）、５４（２７本のロッドペア）、７２（３６本のロッドペア）または９６（４８本のロッドペア）である。シリコンロッドは、近似的に円筒形であると考えることができる。この近似性は、最新のシーメンス社製の反応器が、原理的に堆積の均質性を最大限に確保するように設計されているため、つまり、同一の品質と形状のシリコンロッドを生成するために設計されているため、正当化される。特に、これは反応器内の均一なガスの流れと、ロッドの本質的に対称的な配置によって達成される。フィラメントロッドは、同様に円筒状に構成されているが、他の形状も可能である。
堆積プロセス中の異常は、音／振動測定によって反応器の外で検出できることが分かっている。そのような異常は、特に支持体が倒れる現象である可能性がある。転倒現象は、支持体が反応器底部に完全に倒れる場合と、支持体が他の支持体に対して、または反応器内壁に対して傾く場合とがある。一つの支持体が他の支持体に対して傾くと、多くの場合、さらなる転倒現象の連鎖が引き起こされる（ドミノ効果）。また、そのような異常は、シリコン片の剥がれやブリッジの破損を引き起こすこともある。原則として、機械的な振動を引き起こす全ての現象が対象となる。
振動測定は、これらの異常が発生した直後に検出することを可能にする。特に、測定された信号の強度と持続時間を使って、異常の性質を特定することができる。例えば、支持体が倒れている場合と傾いている場合とを区別することができる。早期発見の結果、直ちに対策を講じたり、導入したりすることができる。例えば、ガスの速度を新しい状況に合わせることができる。また、堆積プロセスを停止して、倒れた支持体を取り除く準備をすぐに開始することができるので、反応器の停止時間を短縮できるだけでなく、反応器のベルジャーを上昇させる際の人員の危険性を最小限に抑えることができる。
測定対象となる振動は、反応器構成要素の構造伝搬音とすることができる。構造伝搬音とは、反応器構成要素（固体）の中を伝搬し、構成要素の表面を加速させる機械的な振動のことである。したがって、測定は基本的に構成要素の表面に接触して行われる。好ましくは、「加速度センサー」という総称でまとめることができる、接触型マイクロフォン、構造体伝搬音用マイクロフォン、および／または構造体伝搬音用ピックアップ（サウンドピックアップ）が、測定に使用される。加速度センサーは、一般的に圧電効果を利用して加速度を電気信号に変換する。
また、測定対象となる振動は、振動する反応器構成要素から発せられる空気中の音でもよい。したがって、空気中の音を電気信号に変換するマイクロフォンを使って測定することができる。一般的には、反応器ホールでは原則避けられないバックグラウンドノイズを排除（またはフィルタリング）するために、ここでは反応器構成要素のすぐ近く（例えば０．５～１０ｃｍ前）で測定を行う。
それに伴い、測定装置は、少なくとも１つの加速度センサーおよび／または少なくとも１つのマイクロフォンを含むことが好ましい。構造伝搬音の測定と空気伝搬音の測定は、特に好ましく組み合わされる。したがって、空気伝搬音と構造伝搬音は、反応器構成要素の１つまたは複数の位置で測定されることが好ましい。また、複数の反応器構成要素を測定装置に備え付けることもできる。
振動が測定される反応器構成要素は、好ましくは、反応器シェル、底板、ガス供給用導管、ガス除去用導管、および電極ホルダーからなる群から選択される。これは一般的に、測定装置が外部から取り付け可能な任意の反応器構成要素であってよい。本発明による堆積反応器は、図１に示されており、以下に説明される。
また、測定装置は、記録システムを構成することができる。特に、これは、電気信号に変換された音をグラフィカルに描写し、任意に一定期間にわたって記録するソフトウェアの一部である。
測定装置は、好ましくは、プロセス制御ステーションに結合される。この結合は、特に記録システムを介して行われる。記録システムは、オプションとして、すでにプロセス制御ステーションに組み込まれていてもよい。このような結合により、測定信号の発生時に直接行動を起こすことができる。例えば、反応器シェルの視界窓から、転倒現象が発生したかどうかを最初に確認することができる。
振動は、好ましくは、堆積が完了するまで、特に反応器の開放（一般的には反応器シェルを上昇させること）まで、測定および記録される。記録の開始は、好ましくは、支持体の設置後に反応器が閉じられたとき、すなわち、反応器シェルが反応器の底板上に下げられたときである。このようにして、堆積作業の間中、異常を検出することができ、任意に対策を直ちに講じることができる。
プロセスの全期間にわたって音を記録した結果、堆積プロセスまたは反応器の音または周波数スペクトルが得られる。この種の音やスペクトルは、異なる堆積プロセスを比較する可能性をもたらし、例えば、実際に発生する前であっても、転倒現象を示す繰り返しパターンを特定することができる。このようにして、支持体の転倒を未然に防ぐことができる。
測定された振動の閾値を超えた場合には、堆積を中断または終了することができる。そのような値を超えた場合、最初にアラーム信号をトリガーすることもできる。例えば、極端な転倒現象（例えば、複数の支持体が転倒した場合）を示す閾値を定義することができる。このような場合に堆積を継続することは、特に転倒によるポリシリコンの汚染を考慮すると、通常は不経済である。
特に、測定された振動の持続時間と強度によって、１つまたは複数の支持体の転倒を区別することが可能である。これは、例えば、基準となる測定値と比較することで可能となる。
本発明のさらなる態様は、ポリシリコンを堆積するための化学気相成長反応器、特にシーメンス反応器に関するものであり、反応器構成要素として、底板、底板上に配置された反応器シェル、ガス供給用の少なくとも１つの導管、ガス除去用の少なくとも１つの導管、およびポリシリコンが堆積される少なくとも１つの加熱可能な支持体用の電極ホルダーを含むものである。反応器は、振動を測定するための少なくとも１つの測定装置をさらに備えており、この測定装置は、反応器の構成要素の１つ以上に取り付けられている。
この反応器は、本発明による方法を実施するのに特に適している。
測定装置の構成については、上記の記述を参照することができる。
図１は、金属製の底板３の上に反応器シェル２を配置した化学気相成長反応器１を示す。反応器シェル２は、通常、同様に金属製であり、水冷式である。また、底板３も冷却することができる。視界窓６は、反応器シェル２の上端および側面に設けられており、反応空間およびその中に配置された支持体を見ることができる。ガス供給用の導管４とガス除去用の導管５が、底板３の下に示されている。導管４は、通常、反応器の内部に設けられた複数のガス導入ノズルに接続されたガス分配器の構成要素である。また、電源９に接続された電極ホルダー８が示されている。電極ホルダー８は、底板３を介して導かれ、支持体のフィラメントロッドに接続されている。分かり易くするために、さらなる電極ホルダーの図示は省略している。加速度センサー７は、反応器シェル２、底板３、および導管５に取り付けられ、そのデータを記録システムに中継する。
図２は、ポリシリコン製造のための堆積プロセスにおいて、加速度センサー（ＰＣＢ社製、３軸加速度計、１００ｍＶ／ｇ、ＩＣＰ（登録商標）（ＩＥＰＥ）、２Ｈｚ～５ｋＨｚ）を用いて測定された周波数スペクトルの抜粋である。このケースでは、振動強度（ｉｎｔｅｎｓ．）を堆積時間（ｔ）に対してプロットしている。振動の強さは、通常、加速度センサーでは［ｍ／ｓ］および／または［ｍ／ｓ２］で示される。しかし，今回は強度の無次元化のために、この値を正規化している。センサーは底板に設置した。
堆積開始から約１時間後にスペクトルの抜粋が始まり、最初は右端の２つのピークが検出されるまでの約２０分間を示している。最初のピークは、後続のピークよりもやや幅が広く、強度も高いため、傾く現象であり、その直後に転倒していることがわかる。これは目視で確認できた。この数分後には、ある支持体が別の支持体に対して傾く現象が発生しており、これも同様に目視で確認できた。
この例では、特に転倒イベントが、周波数スペクトルによって堆積反応器内で特定できることが確認された。また、異なる現象を区別することも可能である。
Claims (14)
- 多結晶シリコンを製造する方法であって、水素と、シランおよび／またはハロシランとを含む反応ガスを化学気相成長反応器の反応空間に導入することを含み、前記反応空間が、多結晶シリコンを形成するために化学気相成長法によって元素シリコンが堆積される少なくとも１つの加熱された支持体を備え、少なくとも１つの反応器構成要素の少なくとも１つの位置における反応空間の外側で、反応器の振動を測定装置を用いて測定し、任意に記録することを特徴とする、多結晶シリコンの製造方法。
- 前記振動が、前記反応器構成要素の構造伝搬音であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記振動が、空気伝搬音であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記測定装置が、少なくとも１つの加速度センサーおよび／または少なくとも１つのマイクロフォンを含むことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反応器構成要素が、反応器シェル、底板、ガス供給またはガス除去用の導管、および電極ホルダーからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記測定装置が、記録システムを含むことを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記測定装置が、プロセス制御ステーションに連結されていることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
- 振動を、堆積の完了まで、好ましくは反応器の開放まで、測定および記録することを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
- 測定された振動の閾値を超えた場合、堆積を中断または終了することを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
- １つまたは複数の支持体の転倒の事例が、測定された振動の持続時間および強度によって決定されることを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
- 多結晶シリコンの堆積用の反応器であって、反応器構成要素として、底板、底板上に配置された反応器シェル、ガス供給用の少なくとも１つの導管、ガス除去用の少なくとも１つの導管、および少なくとも１つの加熱可能な支持体用の電極ホルダーを含み、反応器の振動を決定するための少なくとも１つの測定装置が、反応器構成要素のうちの１つまたは複数に取り付けられていることを特徴とする、反応器。
- 前記測定装置が、加速度センサーおよび／またはマイクロフォンを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の反応器。
- 前記測定装置が、記録システムを含むことを特徴とする、請求項１１または１２に記載の反応器。
- 前記測定装置が、前記反応器を制御するためのプロセス制御ステーションに結合されていることを特徴とする、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の反応器。
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