JP3507842B2 - 水冷式反応容器における水漏れ検知方法 - Google Patents

水冷式反応容器における水漏れ検知方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、多結晶シリコンの
製造に使用されるCVD反応炉等における水漏れ検知方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体の製造原料等として使用される多
結晶シリコンは、通常、水素による還元反応により製造
される。この製造方法では、図2に示すように、三塩化
シラン及び水素が原料ガスとしてCVD反応炉1内に導
入される。CVD反応炉1内では、通電加熱された棒状
シードの表面に、水素還元反応により多結晶シリコンが
析出し、同時に四塩化珪素、塩化水素及び水素が副生す
る。これらの副生ガスは未反応の三塩化シラン及び水素
と共にCVD反応炉1外へ排出される。
【0003】ここで、CVD反応炉1は、内部を冷却水
が流通するジャケット構造により、炉体が強制的に水冷
されている。その理由は2つある。一つは、炉内で通電
加熱された棒状シリコンからの輻射熱によって、ステン
レス鋼などの金属でつくられているCVD反応炉1が変
形することを防止するためである。もう一つは、炉体を
低温に保つことにより、CVD反応炉1の内面から多結
晶シリコンへの金属汚染を防止するためである。
【0004】一方、CVD反応炉1内に原料ガスとして
導入される三塩化シランは、水と反応すると、腐食性の
強い物質である塩化水素を生じ、CVD反応炉1を損傷
させる危険がある。このため、CVD反応炉1から炉内
への水漏れを早期に発見する必要がある。
【0005】また、冷却水がプロセス内に侵入すること
により、水中の汚染物質が製品内に取り込まれ、製品の
品質を低下させる危険性がある。特に、半導体用シリコ
ンの製造においては、侵入量が僅かでも水中の不純物
(リン、ボロン等)の混入により、製品の純度(例えば
11N)が低下し、製品化ができなくなる。例えば、反
応開始時から微量の水漏れが発生していた場合には、そ
の製品全体が無駄になってしまう。
【0006】これに加えて、三塩化シランは、水との反
応により、塩化水素を発生すると同時に、二酸化珪素か
らなる固形物も発生する。この固形物は、CVD反応炉
1の出側配管を閉塞させる原因になる。
【0007】これらの点からも、CVD反応炉1から炉
内への水漏れを早期に発見することは重要であり、その
発見のために、従来は、固形物による出側配管の閉塞に
伴う炉内圧力の上昇を検知することが行われていた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の水漏れ検知方法では、その検知までに時間が
かかり、塩化水素によるCVD反応炉1の損傷や製品の
品質低下を十分に防止できない危険がある。また、水漏
れが検知された時点では、出側配管の閉塞が発生してい
るため、この閉塞を解消する作業が必要になる。
【0009】この作業では、CVD反応炉1から出側配
管を取り外さなければならないため生産性が低下する。
また、この作業ではポリマーの存在が問題になる。ここ
で言うポリマーとは、CVD反応炉1内における反応の
副生成物であり、Si2 HCl5 ,Si2 2 Cl4
どのシラン系重合物と考えられている。このポリマーは
粘性が高く、空気中では衝撃などにより簡単に発火して
しまう発火性物質である。配管を閉塞させた固形の二酸
化珪素の内部にはポリマーが一部取り込まれているの
で、閉塞物の除去作業の際にポリマーが発火するおそれ
があり、この作業に危険が伴うという安全上の問題があ
るのである。
【0010】このため、CVD反応炉1内への水漏れ
を、可及的速やかに、しかも漏れ量が僅かの場合も確実
に発見できる技術の開発が待たれている。
【0011】本発明の目的は、多結晶シリコンの製造に
使用されるCVD反応炉のような、水と反応して塩化水
素を発生する反応性ガスを内部に導入し、且つ、内部ガ
スを外部へ排出する手段を有する水冷式反応容器におけ
る水漏れを、高感度で発見できる水漏れ検知方法を提供
することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の水漏れ検知方法は、その水冷式反応容器の
排気側で、排ガス中の塩化水素濃度を測定し、その測定
値の変化によって反応容器内への水漏れを検知するもの
である。
【0013】水と反応して塩化水素を発生する反応性ガ
スを内部に導入し、且つ、内部ガスを外部へ排出する手
段を有する水冷式反応容器において、反応容器内への水
漏れが発生すると、塩化水素が発生し、排ガス中の塩化
水素濃度が上昇する。水冷式反応容器が多結晶シリコン
の製造に使用されるCVD反応炉の場合、排ガスには還
元反応で発生する塩化水素が含まれているが、還元反応
に伴う塩化水素の濃度は殆ど一定であり、急激な変化は
ない。しかし、水漏れが発生すると、その濃度が急増す
る。従って、排ガス中の塩化水素濃度の変化を検知すれ
ば、感度の高い水漏れ検知が可能になる。
【0014】検知感度を更に高めるためには、塩化水素
の濃度測定に分光分析装置を使用するのが好ましい。特
に、排ガスが水素を含む場合は、塩化水素の本来の吸収
波数である2864cm-1と異なる波数3000cm-1
〜2900cm-1について検出を行うのが好ましい(特
開平7−27720号公報)。水素を含まない排ガスか
ら塩化水素を検知する場合は、塩化水素の本来の吸収波
数である2864cm -1を用いればよい。水素を含む排
ガスとはCVD反応炉の排ガスであり、水素を含まない
排ガスとは後述する蒸留塔の塔頂ガスである。
【0015】更に検知感度を高める方法としては、分析
装置前にガス冷却装置或いはトラップを備え付け、塩化
水素ガスと吸収ピークが重なり、分析精度を低下させる
原因になるガス(例えばCVD反応炉の場合、塩化水
素、水素以外のガス)を液化に除去して、分析装置での
塩化水素濃度を高めることが推奨される。
【0016】水と反応して塩化水素を発生する反応性ガ
スとしては、三塩化シランの他、四塩化珪素、二塩化シ
ラン等がある。
【0017】そのような反応性ガスを使用する水冷式反
応容器としては、多結晶シリコンの製造に使用されるC
VD反応炉、CVD反応炉の排ガスを凝縮させる冷却
器、排ガスから三塩化シラン、四塩化珪素等を回収する
蒸留塔の塔頂ガスを凝縮させる冷却器などがある。
【0018】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態を示す多
結晶シリコン製造装置の構成図である。
【0019】本実施形態では、図2に示した従来技術と
同様、原料ガスである三塩化シラン及び水素が、水冷式
反応容器としてのCVD反応炉1内に、入側配管2を通
して導入される。CVD反応炉1内では、通電加熱され
た棒状シードの表面に、水素還元反応により多結晶シリ
コンが析出する。この反応に伴って副生する四塩化珪
素、塩化水素及び水素が、未反応の三塩化シラン及び水
素と共にCVD反応炉1外へ出側配管3を通して排出さ
れる。
【0020】ここで、CVD反応炉1は、内部を冷却水
が流通するジャケット構造により、炉壁が強制的に水冷
されている。排ガスを炉外へ導く出側配管3の途中に
は、サンプリング装置4が介装されている。サンプリン
グ装置4は、出側配管3の断面中心位置から排ガスをサ
ンプリングする。サンプリングされた排ガスは、測定セ
ル5に通される。測定セル5は、内部を流通するサンプ
リングガスに、光源6から発せられる赤外線を照射し、
サンプリングガスを透過した赤外線を赤外線分光光度計
7で受光する構成になっている。
【0021】そして、赤外線分光光度計7の出力を解析
装置8へ送り、塩化水素の本来の吸収波数である286
4cm-1と異なる波数3000cm-1〜2900cm-1
について、吸収ピーク値の積算値を求めることにより、
排ガス中の塩化水素濃度の経時変化を検出する。この経
時変化から、CVD反応炉1の炉壁から炉内への水漏れ
が感度よく検知できることは前述したとおりである。ま
た、上記積算値が、排ガス中の塩化水素濃度に正確に対
応することは、特開平7−277720号公報に説明さ
れているとおりである。
【0022】
【実施例】次に、本発明の水漏れ検知方法の感度につい
て、実際に実験した結果を説明する。
【0023】比較のために、CVD反応炉1を想定した
小型の試験炉を用いて、多結晶シリコンを製造する際
に、試験炉の入側配管及び出側配管に、0.001MP
aまで測定が可能な精密圧力計を設置し、固形物による
出側配管の閉塞に伴う差圧の増大から水漏れを検知し
た。具体的には、試験炉内に、三塩化シランと水素の混
合ガス(モル比1:8)を3Nm3 /hrの流量で供給
し、多結晶シリコンの製造を行う際に、水漏れを想定し
て、反応開始より炉内に5cc/minの速度で故意に
水を侵入させた。
【0024】正常時の差圧は0.003MPaであるこ
とを確認した上で、この差圧が0.004MPaに上昇
した時点を水漏れ検知時点とした。しかし、この方法で
は、実際には水漏れは検知できず、テスト終了まで約3
0時間装置を稼働し続けることになった。結果、製造さ
れた多結晶シリコンは、不純物濃度がスペックを満たさ
ず、使用不可能なレベルになった。また、炉内及び出側
配管内には二酸化珪素が多量に析出しており、出側配管
の分解及び配管内の清掃が必要となった。
【0025】これに対し、図1の方法により、排ガスを
出側配管内のガス流れに対して等速で常時サンプリング
した。サンプリング量は10cc/minである。そし
て、分光光度計でNaClセルを用い、波数3000c
-1〜2900cm-1で分析を行った。水の侵入開始か
ら1分後に吸収ピーク値の積算値が上がり始め、これを
水漏れ発生として、反応を停止した。水漏れ発生開始直
後にその水漏れを検知でき、反応開始直後に反応を中止
できたので、不良製品の発生を最小限に抑えることがで
きた。固形物の発生量は少量であったため、配管内の清
掃は必要なく、そのまま継続使用することができた。
【0026】
【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明の水冷式
反応容器における水漏れ検知方法は、水と反応して塩化
水素を発生する反応性ガスを内部に導入し、且つ、内部
ガスを外部へ排出する手段を有する水冷式反応容器の排
気側で、排ガス中の塩化水素濃度を測定し、その測定値
の変化によって反応容器内への水漏れを検知することに
より、その水漏れを可及的速やかに、しかも漏れ量が僅
かの場合も確実に発見できる。従って、塩化水素による
反応炉の損傷や製品の品質低下を最小限に防止できる。
また、固形物による出側配管の閉塞を防止でき、生産性
の低下及び危険な清掃作業を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す多結晶シリコン製造
装置の構成図である。
【図2】多結晶シリコン製造装置の概略構成図である。
【符号の説明】
1 CVD反応炉 2 入側配管 3 出側配管 4 サンプリング装置 5 測定セル 6 光源 7 赤外線分光光度計 8 解析装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01M 3/04 G01M 3/20 G01N 21/35 C01B 33/00 - 33/93 G01M 3/20 H01L 21/205

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水と反応して塩化水素を発生する反応性
    ガスを内部に導入し、且つ、内部ガスを外部へ排出する
    手段を有する水冷式反応容器の排気側で、排ガス中の塩
    化水素濃度を測定し、その測定値の変化によって反応容
    器内への水漏れを検知することを特徴とする水冷式反応
    容器における水漏れ検知方法。
  2. 【請求項2】 塩化水素濃度の測定に分光分析装置を使
    用することを特徴とする請求項1に記載の水冷式反応容
    器における水漏れ検知方法。
  3. 【請求項3】 水冷式反応容器が、多結晶シリコンの製
    造に使用されるCVD反応炉である請求項1又は2に記
    載の水冷式反応容器における水漏れ検知方法。
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