JP3909242B2 - 半導体材料を析出する装置、多結晶シリコン棒の製造方法、前記製造方法のための炭素電極の使用 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、決められた材料特性を有する炭素電極を使用して多結晶シリコン棒を製造する装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品および太陽電池を製造するための出発物質としての高純度多結晶シリコン（ポリシリコン）は、一般に析出ガスの熱分解または水素還元により得られる。その際析出ガスとして一般にクロロシラン、例えばトリクロロシランを使用する。還元性水素が関与するトリクロロシランの熱分解および引き続く薄いシリコン棒への高純度シリコンの析出は“ジーメンス法”の名称で知られている。この方法によりポリシリコンは世界的にポリシリコン析出装置で製造される。
【０００３】
最も一般的に用いられる構成においては、これらの装置は、主に金属の基板およびこの基板上に配置される冷却可能な鐘状物からなり、鐘状物の内部に閉鎖された反応空間が形成される。析出装置は気密に閉鎖可能でなければならない、それというのも析出ガスは腐食性に作用し、空気との混合物で自然発火する傾向があるからである。基板はホルダーを備えており、これにより支持体が反応空間内に保持される。支持体として一般に薄いシリコン棒が用いられ、この棒は直接的な電流の導通により必要な析出温度に加熱される。一般に２つの隣接する棒が、保持される脚の端部と向かい合う自由な端部に、橋により結合し、Ｕ形の支持体を形成する。電流の供給は、Ｕ形の支持体の棒の脚部を保持するホルダーの対により行う。
【０００４】
ホルダーには電流通路が属し、この通路は、基板に導通され、析出装置の外側で電源に接続している。析出装置の内側で、電流通路は、電極ホルダーとして形成されるか、または分離した電極ホルダーと強固に結合している。電極ホルダー上に炭素電極が配置され、この炭素電極は反応空間に向かって配列されている。炭素電極は一般に上方に間隙を有し、この間隙に支持体の棒の脚部がはめ込まれている。ホルダーは、保持された支持体が固定され、かつ動くことができないように形成されている。電流通路および場合により電極ホルダーは冷却される。これにより半導体材料が支持体のホルダーに析出することが回避される。
【０００５】
大きな多結晶シリコン棒を製造する場合は、析出の最終段階でまたは析出後の冷却段階の間にシリコン棒がホルダーから傾倒する（転倒する）および／または棒の脚の端部の領域が損傷することを、かなり頻繁に監視しなければならない。この現象は、主に電子工業で必要な製品を生じる半導体の引き続く処理を遅らせるだけでなく、大きな経済的な損害を生じる、それというのも傾倒したシリコン棒はもはや計画されたように引き続き処理することができないからである。
【０００６】
この問題を解決するために、米国特許第５５９３４６５号明細書において、電流通路と電極ホルダーの間に少なくとも１個のスプリング部材を配置し、この部材により電流通路に対して相対的に電極ホルダーが動き、この運動のクッションとなることが提案されている。しかしながらこの解決手段は多くの技術的な費用、従ってかなりの費用と結びついている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、通常の析出装置での費用のかかる改造手段を使用せずに前記の欠点を十分に阻止する、加熱した支持体に半導体材料を析出する装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、析出装置の基板に導通され、固定された電流通路と電極ホルダーを有し、この電極ホルダーは電流通路の上に配置されている下面および炭素電極と接続されている上面を有し、この炭素電極に支持体をはめ込むことができる装置により解決され、この装置は、炭素電極が１４５Ｗ／ｍ・Ｋより大きい熱伝導率を有し、かつシリコンの熱膨張率に適合している熱膨張率を有することを特徴とする。
【０００９】
炭素電極の熱伝導率は、生じる引張り応力−圧縮応力が棒の脚部で減少するように、できるだけ大きく選択する。有利には熱伝導率は１４５Ｗ／ｍ・Ｋより大きい。特に熱伝導率は１６５Ｗ／ｍ・Ｋより大きく、特に有利には熱伝導率は１７０Ｗ／ｍ・Ｋである。１７０Ｗ／ｍ・Ｋの値は今まで試験できるすべての種類の炭素のうち最も高い熱伝導率を有する炭素電極に相当する。この炭素電極を使用して今まで最もよい結果が達成された。しかしながら更に高い熱伝導率を有する炭素電極を使用して更によい結果が達成できることが考えられる。
【００１０】
熱膨張率はポリシリコンの熱膨張率に適合している。従って熱膨張率は有利には２×１０^−６〜６×１０^−６である。特に熱膨張率は３.０×１０^−６〜３.６×１０^−６であり、特に有利には熱膨張率は３.３×１０^−６である。
【００１１】
試験の際に、多くの場合に棒の脚の破砕によりポリシリコン棒が傾倒することが示された。一般的な炭素電極と前記の材料特性を有する炭素電極との交換によってのみ棒脚部の破砕の発生を著しく減少することができた。破裂した棒の脚部による多結晶シリコン棒の傾倒は本発明の装置により阻止される。
【００１２】
本発明は、更に本発明の装置で自体公知の形式および方法で実施する、多結晶シリコン棒の製造方法に関する。
【００１３】
この方法は、一般的なジーメンス法により１４５Ｗ／ｍ・Ｋより大きい熱伝導率およびシリコンの熱膨張率に適合している熱膨張率を有する炭素電極を使用することを特徴とする。
【００１４】
この方法は技術水準で一般的なように実施する。支持体材料として、薄いシリコン棒が用いられ、この棒は直接的な電流の導通により有利には９００〜１２００℃の析出温度範囲に加熱する。クロロシランの量は有利には１０〜１４００ｋｇ／ｈ以上であり、水素の量は有利には１０〜８００ｍ^３／ｈ以上である。使用する場合に棒の脚部が部分的に破砕する、熱伝導率７５Ｗ／ｍ・Ｋおよび熱膨張率４×１０^−６を有する従来の炭素電極と異なり、本発明の熱伝導率および本発明の熱膨張率を有する炭素電極は、棒の脚部での引張り応力−圧縮応力を減少するために使用する。
【００１５】
本発明の方法は以下の理由から従来のジーメンス法より経済的である。
【００１６】
時間の節約（より少ない人件費）
安全性の危険の回避（作業災害の減少）
生産量の向上（チャージ交換時間の減少）
収率の向上（ポリシリコン廃棄物の減少、ポリシリコンの微細な破片の減少）。
【００１７】
本発明は更に、すでに記載された材料特性を有する炭素電極の多結晶シリコンを製造するための使用に関する。
【００１８】
これらの炭素電極は、例えばＳｃｈｕｎｋ Ｋｏｈｌｅｎｓｔｏｆｆｔｅｃｈｎｉｋ社（Ｄ−３５３３９、ギーセン）またはＳＧＬ Ｃａｒｂｏｎ グループ（ＳＧＬ ＣＡＲＢＯＮ社、Ｗｅｒｋ Ｒｉｎｇｓｄｏｒｆ、Ｄｒａｃｈｅｎｂｕｒｇｓｔｒａｓｓｅ １，Ｄ−５３１７０、ボン）から入手できる。
【００１９】
本発明は、特に１４５Ｗ／ｍ・Ｋより大きい熱伝導率およびシリコンの熱膨張率に適合している熱膨張率を有する炭素電極の、ジーメンス法により多結晶シリコンを製造するための使用に関する。
【００２０】
【実施例】
以下の実施例により本発明を詳細に説明する。
【００２１】
実施例
多結晶シリコン棒を製造するために、従来の黒鉛電極および熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋおよび熱膨張率３.３×１０^−６を有する黒鉛電極を用いて、その他は同じ条件で交互に１４回印加して運転した（析出温度範囲９００〜１２００℃、クロロシランの量１０〜１４００ｋｇ／ｈおよび水素の量１０〜８００ｍ^３／ｈ）。通常の装置を使用して生じた９８回のプロセスチャージの間に１５回目のチャージで傾倒したが、本発明の装置を使用して生じた９８回のプロセスチャージでは全く傾倒しなかった。

Claims (7)

1. 析出装置の基板に導通され、固定された電流通路と電極ホルダーを有し、この電極ホルダーは電流通路の上に配置されている下面および炭素電極と接続されている上面を有し、この炭素電極に支持体をはめ込むことができる、加熱した支持体に半導体材料を析出する装置において、炭素電極が１４５Ｗ／ｍ・Ｋより大きい熱伝導率を有し、かつ３ . ０×１０ ^−６ 〜３ . ６×１０ ^−６ である熱膨張率を有することを特徴とする、半導体材料を析出する装置。
2. 炭素電極の熱伝導率が１４５Ｗ／ｍ・Ｋより大きい請求項１記載の装置。
3. 炭素電極の熱伝導率が１６５Ｗ／ｍ・Ｋより大きい請求項１記載の装置。
4. 炭素電極の熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋである請求項１記載の装置。
5. 熱膨張率が３.３×１０^−６である請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 一般的なジーメンス法で１４５Ｗ／ｍ・Ｋより大きい熱伝導率を有し、かつシリコンの熱膨張率に適合している熱膨張率を有する炭素電極を使用することを特徴とする多結晶シリコン棒の製造方法。
7. １４５Ｗ／ｍ・Ｋより大きい熱伝導率を有し、かつシリコンの熱膨張率に適合している熱膨張率を有する炭素電極の、多結晶シリコンを製造するための使用。