JP3984865B2

JP3984865B2 - 多結晶シリコン製造方法

Info

Publication number: JP3984865B2
Application number: JP2002147207A
Authority: JP
Inventors: 三二落合
Original assignee: 住友チタニウム株式会社
Priority date: 2002-05-22
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2022-05-22
Also published as: JP2003335512A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シーメンス法による多結晶シリコンの製造方法に関し、特に、半導体に使用される高純度の多結晶シリコンの製造に適した多結晶シリコン製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体用シリコン単結晶の製造原料等である多結晶シリコンは、従来よりシーメンス法と呼ばれる気相析出法によりバッチ方式で主に製造されている。
【０００３】
この方法では、還元炉、反応炉等と呼ばれるベルジャー式の製造炉内に複数本のシリコン芯体が立設される。複数本のシリコン芯体は、通電加熱のために門型に組み合わされてセットされる。所定本数のシリコン芯体を炉内にセットした後、炉内を不活性ガス雰囲気又は水素ガス雰囲気に置換し、シリコン芯体を所定の温度に通電加熱した状態で、炉内に原料ガスとしてシラン系ガス及び水素ガスを導入する。
【０００４】
水素による還元反応により、シリコン芯体の表面にシリコンが析出し、芯体が成長することにより、多結晶シリコンの製造が行われる。シリコン芯体が所定の直径まで成長すると、原料ガスの供給を停止し、冷却後、炉内からシリコン製品を取り出す。
【０００５】
最近の傾向として、生産性向上のために製造炉の大型化が急速に進み、１バッチ当たりの生産本数は数１０本から百数１０本に及び、操業時間は数日、生産量は数トンに達している。
【０００６】
ところで、半導体用シリコン単結晶の製造原料に使用される多結晶シリコンには、高品質、具体的には不純物が少ないことが要求される。多結晶シリコンの品質は、直接的な検査が不可能であり、通常は製造炉から取り出された製品の一部をサンプリングし、これをＦＺ法により単結晶化して、その比抵抗値を測定したり、フォトルミネッセンス法により不純物濃度を測定することにより評価される。
【０００７】
製造炉で製造される多結晶シリコンの品質を高めるための工夫は従来より多々行われている。その一つは、製造炉に供給される原料ガスの高純度化及び純度管理である。原料ガスの純度測定も多結晶シリコンの品質検査と同様に行われ、具体的には、その原料ガスを事前に小型の評価炉に導入して、多結晶シリコンのサンプルを製造し、そのサンプルをＦＺ法により単結晶化して品質を調査することにより評価される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような原料ガスの純度管理を行っても、実際の多結晶シリコンの製造では、製品に汚染が発生し、規格外の不良品が生じることがある。その最大の原因は、製造炉の開放時に炉内に純度を低下させる汚染源が侵入することであり、この場合は、バッチ単位の製造が終了し、製造炉から製品を取り出して品質を調査するまで、異常を見つけることができない。なぜなら、従来の製造方法では、製造途中に品質異常を見つける手段が存在しないからである。
【０００９】
この結果として、品質異常の影響は１バッチ全体に及ぶことになり、数トン単位の規格外品が発生し、多大の損失が発生することになる。
【００１０】
本発明の目的は、製造途中に品質異常を検査でき、これにより品質異常による損失を最小限に抑制できる経済性に優れた多結晶シリコン製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らはシーメンス法による多結晶シリコンの製造途中に製造炉から排出される排ガスに注目した。この排ガスは、製造炉内での反応に一部が消費されるものの、単結晶の比抵抗に影響を及ぼす副生物の発生がなく、汚染に関しては、製造炉内での反応に使用される原料ガスと同等になる。
【００１２】
即ち、製造炉内に純度を低下させる汚染源があった場合、製造炉に導入される原料ガスにその汚染は反映されないが、製造炉から排出される排ガスにはこの汚染が反映されることになる。このため、製造炉から排出される排ガスの一部を小型の評価炉に導入し、短時間で多結晶シリコンのサンプルを製造して品質検査を行い、排ガス品質を把握すれば、製造炉内で製造される製品の品質が製造終了を待たず、製造途中に正確に検査されることになる。
【００１３】
本発明の多結晶シリコン製造方法は、かかる知見に基づいて開発されたものであり、シーメンス法により製造炉内で多結晶シリコンを製造する際に、前記製造炉から排出される排ガスの一部を小型の評価炉に導入して該評価炉内で多結晶シリコンのサンプル製造を行うものである。
【００１４】
本発明の多結晶シリコン製造方法においては、評価炉内で製造されたシリコンサンプルの品質から、排ガスの品質、ひいては製造炉内で製造される多結晶シリコンの品質を、その製造途中に評価することができる。
【００１５】
バッチ式の製造装置では、製造炉を開放したときに汚染源が侵入することから、製造炉を開放した後の立ち上げ直後の汚染が顕著である。このため、汚染が顕著な製造初期に品質評価を行い、初期汚染レベルを監視するのが、製品汚染を早期にしかも正しく把握でき好ましい。具体的には、製造炉内での多結晶シリコンの析出開始から、シリコンロッド直径が製品直径の２０％に達するまでの製造初期に、評価炉内で品質評価用のサンプル製造を行い、品質評価を行うのが好ましい。
【００１６】
評価炉の規模については、評価結果の点からは限定する必要はないが、評価炉が大きくなると評価に用いるサンプルが大きくなり、経済的なロスが増えるので、大容積のものは好ましくなく、例えば製造炉の数百分の一の程度の容積比のもので問題はない。
【００１７】
評価炉で製造されるサンプルのサイズは、直径１０〜１８ｍｍ（製造時間で通常８〜１２時間）が好ましい。サンプルの直径が１０ｍｍ未満の場合は評価炉の反応初期の汚染の影響が大きくなり、評価精度が低下する。１８ｍｍを超える場合は判定の時間が長くなり、規格外品発生時のロスが多くなる。
【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方法のフロー図である。
【００１９】
本実施形態では、ベルジャー形式の製造炉１０で多結晶シリコンが製造される。製造炉１０内には、所定本数のシリコン芯体が立設される。所定本数のシリコン芯体は、通電加熱のために２本を１組として門型に組み合わされている。原料ガスＡは、入口ヘッダ２０を介して複数箇所から製造炉１０内に導入される。一方、排ガスＢは、製造炉１０の複数箇所から炉外に排出され、出口ヘッダ３０でまとめられて系外へ排出される。
【００２０】
製造炉１０で製造される多結晶シリコン製品１１の品質を管理するために、原料ガスＡの一部が入口ヘッダ２０から第１の評価炉４０へ送られると共に、排ガスＢの一部が出口ヘッダ３０から第２の評価炉５０へ送られる。評価炉４０，５０は製造炉１０より十分に小型であり、導入される排ガスＢを原料ガスとして多結晶シリコンのサンプル製造を行う。具体的には、タンタルチューブなど、通電加熱された細く短い芯体の表面に多結晶シリコンを析出させる。
【００２１】
操業では、まず製造炉１０を開放し、炉内に所定本数のシリコン芯体をセットした後、製造炉１０を閉じ、炉内を不活性ガス雰囲気又は水素ガス雰囲気に置換する。次いでシリコン芯体を通電加熱し、この状態で炉内に原料ガスＡとしてシラン系ガスと水素ガスの混合ガスを供給する。シリコン芯体の表面にシリコンが気相析出し、シリコン芯体が成長することで、ロッド状の多結晶シリコン１１が製造される。
【００２２】
操業中に入口ヘッダ２０から原料ガスＡの一部を抜き出し、第１の評価炉４０へ供給する。評価炉４０では、不活性ガス雰囲気又は水素ガス雰囲気の状態で芯体を通電加熱し、芯体の表面に薄く多結晶シリコンを析出させる。こうして、操業途中に評価炉４０で多結晶シリコンのサンプル４１を製造し、これを炉外へ取り出して単結晶化し、その比抵抗値を測定したり、フォトルミネッセンス法により不純物濃度を測定することにより、原料ガスＡの品質を評価する。
【００２３】
製造炉１０内の内部汚染源のために、原料ガスＡの品質が維持されても、製造炉１０で製造される多結晶シリコン１１の品質が必ずしも維持されないことは、前述したとおりである。
【００２４】
そこで、本実施形態では、出口ヘッダ３０から排ガスＢの一部を抜き出し、第２の評価炉５０へ供給する。評価炉５０では、不活性ガス雰囲気又は水素ガス雰囲気の状態で芯体を通電加熱し、芯体の表面に薄く多結晶シリコンを析出させる。こうして、操業途中に評価炉５０で多結晶シリコンのサンプル５１を製造し、これを炉外へ取り出して単結晶化し、その比抵抗値を測定したり、フォトルミネッセンス法により不純物濃度を測定することにより、排ガスＢ、ひいては製造炉１０内で製造される多結晶シリコン１１の品質を評価する。
【００２５】
評価炉５０で製造されるサンプル５１の品質から多結晶シリコン１１の品質が評価可能なことは前述したとおりである。そして、サンプル５１の品質が製品規格内であれば、製造炉１０内での多結晶シリコン１１の製造をそのまま続行する。サンプル５１の品質が製品規格外であった場合は、製造炉１０内での多結晶シリコン１１の製造を直ちに停止する。これにより規格外の製品が製造されることによる損失が抑制される。特に、多結晶シリコン１１の製造過程初期にサンプル５１の品質評価を行い、製品汚染を早期にしかも正しく把握して、把握時点で直ちに操業を打ち切ることにより、炉内汚染源による製品汚染に伴う損失が可及的に小さく抑制される。
【００２６】
【実施例】
次に、本発明の効果を明らかにするために、２つの操業例を説明する。
【００２７】
（操業例１）
容積が８ｍ³の製造炉を用い、原料ガスとして三塩化シランと水素の混合ガスを用い、約１４０時間かけてロッド直径が約１３０ｍｍの多結晶シリコン製品を７２本バッチ方式で製造する。生産量は４．２トンである。
【００２８】
この製造の際、容積が０．０２ｍ³の２つの評価炉を用いて、原料ガスの品質チェックと、排ガスの品質チェックを行った。排ガスチェック用の出口側の評価炉では、製造炉から排出される排ガスの一部（２０リットル／分）を評価炉に送り、炉内で通電加熱された直径が約２ｍｍのタンタルチューブからなる芯体の表面に約１０時間かけて多結晶シリコンを約７ｍｍ析出させた。
【００２９】
製造炉での析出開始から３〜１３時間目、４０〜５０時間目、７０〜８０時間目及び１００〜１１０時間目の４回、原料ガスの品質チェック及び排ガスの品質チェックを行った。１３時間目、５０時間目、８０時間目、１１０時間目のロッド径は最終製品径に対する比率で９％、３６％、５７％、７８％であった。各チェックでは、評価炉で製造されたサンプルを炉外へ取り出し、単結晶化して比抵抗値を測定した。また、製造炉で製造を終えた製品から、ガス評価と同時期のサンプルを切り出し、その品質を同様に調査した。結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
製造炉での析出開始から３〜１３時間目、４０〜５０時間目、７０〜８０時間目及び１００〜１１０時間目の何れにおいても原料ガスの品質は高い。排ガス品質は製造初期で若干低下するが、全体として高レベルである。結果、製品品質も全ての期間で規格内に収まった。
【００３２】
ちなみに、ここにおける製品規格値は、単結晶化したときの比抵抗値でＮ−１０００Ωｃｍ以上である。また、この規格値に対応する排ガス品質は、その排ガスから製造されたサンプルを単結晶化したときの比抵抗値でＮ−８００Ωｃｍ以上である。
【００３３】
（操業例２）
同じ条件の別の操業例における結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】

【００３５】
製造炉での析出開始から３〜１３時間目、４０〜５０時間目、７０〜８０時間目及び１００〜１１０時間目の何れにおいても原料ガス品質は高い。ところが、排ガス品質は炉体開放時に侵入した炉内汚染源のため反応初期に極端に低下し、製品品質は規格外となった。他の時期では、排ガス品質は基準値以上であり、製品品質は規格内である。製品全体としては反応初期に析出した内周部が規格外であるので、規格外の不良品となる。
【００３６】
従来は原料ガスの品質しか評価していないので、反応初期の製品汚染が認識されず、その結果、１４０時間の操業が続行され、４．２トンの製品が規格外品となる。これに対し、排ガス品質のチェックを行う本実施形態では、反応初期の製品汚染が、操業開始から約１３時間目に検知される。この時点で操業を打ち切ることにより、製品ロスは０．１５トンで済み、従来の３．５％に低減される。
【００３７】
このように、予め製品品質の規格値に対応する排ガス品質をしきい値として調査しておき、操業中に評価する排ガス品質がこのしきい値を下回った時点で操業を停止することにより、製造炉内の汚染源に起因する規格外品の発生が、操業終了を待たず早期に把握され、製造炉内の汚染源に起因する製品ロスの発生量が大幅に低減される。いずれの品質も単結晶品質で評価されることは前述のとおりである。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、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製造炉内で多結晶シリコンを製造する際に、前記製造炉から排出される排ガスの一部を小型の評価炉に導入して該評価炉内でシーメンス法による多結晶シリコンのサンプル製造を行い、そのサンプルの品質から、排ガスの品質、ひいては反応炉内で製造される多結晶シリコンの品質を、その製造途中に評価することができる。これにより、製造途中に品質異常を検査でき、品質異常による損失を最小限に抑制できる。
【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方法のフロー図である。
【符号の説明】
１０製造炉
１１多結晶シリコン（製品）
２０，３０ヘッダ
４０，５０評価炉
４１，５１サンプル
Ａ原料ガス
Ｂ排ガス

Claims

シーメンス法により製造炉内で多結晶シリコンを製造する際に、前記製造炉から排出される排ガスの一部を小型の評価炉に導入して該評価炉内で多結晶シリコンのサンプル製造を行うことを特徴とする多結晶シリコン製造方法。
前記評価炉内で製造されたサンプルの品質から、製造炉内で製造される多結晶シリコンの品質を、その製造途中に評価することを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン製造方法。
前記製造炉内での多結晶シリコンの析出開始から、シリコンロッド直径が製品直径の２０％に達するまでの製造初期に、前記評価炉内で品質評価用のサンプル製造を行い、品質評価を行うことを特徴とする請求項２に記載の多結晶シリコン製造方法。