JP4150532B2 - Polycrystalline silicon - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶の製造原料に適した多結晶シリコンに関し、特にCZ法によるシリコン単結晶製造プロセスにおける追チャージやリチャージに適した多結晶シリコンに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、半導体デバイスの素材であるシリコン単結晶は、工業的にはもっぱらCZ法により製造されている。CZ法によるシリコン単結晶の製造では、まず石英ルツボ内で塊状の多結晶シリコンを加熱溶融してシリコンの原料融液を形成する。次いで、その原料融液にシリコンの種結晶を漬け、これを回転させながら引き上げることにより種結晶の下方にロッド状のシリコン単結晶を育成する。
【0003】
ここにおけるシリコン単結晶の製造原料としては、シーメンス法により製造された多結晶シリコンがもっぱら使用される。シーメンス法による多結晶シリコンの製造では、周知のとおり、ベルジャーと呼ばれる反応炉に棒状のシリコン種芯を立て、炉内を減圧や加圧により水素ガス雰囲気又はArなどの不活性ガス雰囲気に置換した後、種芯を通電により1000℃前後に加熱する。そして、この状態で反応炉内にクロルシラン類と水素ガスを導入する。これにより、種芯の表面に多結晶シリコンが析出する。種芯は通常、鳥居型に組み合わされ、反応炉内に多数本が一度にセットされる。
【0004】
こうして製造されたロッド状の多結晶シリコンは、次のようにして、CZ法によるシリコン単結晶の製造に使用される。通常は、塊状に破砕されて石英ルツボにチャージされ、加熱溶融されるが、シリコン塊だけだとルツボ内への1チャージ当たりの原料装填量が限られる。このため、ルツボ内に装填されたシリコン塊を溶融した後、ロッド状の多結晶シリコンをルツボ上に吊り下げ、ルツボ内の融液に徐々に溶け込ませて、ルツボ内の融液量を増加させる操作が行われる(特開2000−344594号公報)。この操作を追加チャージ或いは追チャージといい、これに使用されるロッド状の多結晶シリコンを追チャージ用多結晶シリコンと呼ぶ。
【0005】
また、石英ルツボは、これまでは1回の引き上げに1個の割合で消費されていた。このため、単結晶の製造コストに占めるルツボコストの割合が高かった。そこで、単結晶の引き上げ後、ルツボ内に残液を残した状態で、ロッド状の多結晶シリコンをルツボ上に吊り下げ、ルツボ内に残液に徐々に溶け込ませて、ルツボ内に所定量の原料融液を再び形成する操作が行われる(特開2000−344594号公報)。この操作をリチャージといい、これに使用されるロッド状の多結晶シリコンをリチャージ用多結晶シリコンと呼ぶ。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
追チャージやリチャージに使用される多結晶シリコンには、通常の破砕使用される多結晶シリコンと異なり、ロッド状のまま使用する要求があり、且つ、ロッド同士を結合するために、係合部の形成を目的とした機械加工を端部に行う要求がある。しかしながら、その機械加工を行う場合、割れが多発する。この割れのため、多結晶シリコンロッドの端部に機械加工を行ったときの歩留りが上がらないという問題がある。。
【0007】
なお、目的は異なるが、リチャージ用多結晶シリコンが溶融途中に折れて下方のルツボ内に落下するのを防止するために、製造後の多結晶シリコンに熱処理を施して残留歪みを除去する技術はWO97/44277に記載されている。これによると、溶融途中の折損防止という本来の目的は達成される。しかしながら、熱処理を多結晶シリコンの製造後に反応炉外で行う場合は、多結晶シリコンが汚染されないように特殊な装置を必要とし、熱処理を反応炉内で析出に続いて行う場合は、汚染の問題はないものの、多結晶シリコン製造設備において熱処理に伴い大容量の電源が必要になり、設備によっては実施できない問題がある。
【0008】
本発明の目的は、追チャージやリチャージのための機械加工による割れを、熱処理によらずに確実に防止できる多結晶シリコンを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは追チャージ用多結晶シリコンロッドの製造における機械加工での端部割れの原因を詳細に調査した。その結果、ベルジャー炉内で製造された多結晶シリコンロッドの種芯部分と析出シリコン部分の境界部分における品質が、上記の機械加工割れに大きく影響していることを知見した。
【0010】
即ち、シーメンス法による多結晶シリコンの製造では、反応炉でシリコンの種芯を電極にセットし、炉内を水素雰囲気又は不活性ガス雰囲気に置換後、種芯を通電加熱した状態で、炉内にクロルシラン類のガスを供給し、種芯の表面に多結晶シリコンを析出させる。種芯を反応炉内に組み込むとき、種芯の表面に付着した微量の酸化膜や水分により、また反応炉内に残留した微量の酸素により、種芯部分と析出する多結晶シリコン部分との境界部分に酸化物ができる。
【0011】
この酸化物が微量のときは問題ないが、多量に生じると、製造された多結晶シリコンロッドの種芯部分と析出シリコン部分の境界部分が容易に分離する芯付き不良という現象が起こる。そして、この芯付き不良の多結晶シリコンロッドに対して追チャージのための機械加工を施すと、加工割れが非常に発生し易いことが判明した。その理由のとして、多結晶シリコン析出後、冷却時に発生する残留応力に、機械加工に伴う応力集中が加わることにより、種芯部分と析出シリコン部分の境界部分で容易に剥離が生じ、これが契機となってロッドの割れに進展することが考えられる。
【0012】
このように、本発明者らの知見によれば、種芯部分と析出シリコン部分の境界部分において比較的多量の酸化物が生じた多結晶シリコンロッドは、追チャージのための機械加工での割れが生じやすく、逆に、その酸化物の生成が抑制された多結晶シリコンロッドでは、この割れが効果的に抑制される。即ち、多結晶シリコンロッドの種芯部分と析出シリコン部分の境界部分において酸化物の生成を抑制すれば、熱処理による応力除去によらず、残留応力を残したままでも、追チャージのための機械加工における割れが防止されるのである。そして、種芯部分と析出シリコン部分の境界部分における酸化物の生成抑制は、種芯への通電開始時における炉内雰囲気の調整、加熱温度の調整等により簡単に実施できる。
【0013】
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、シーメンス法によりクロルシラン類を用いて製造された多結晶シリコンであり、その横断面に対して50%フッ化水素水溶液と70%硝酸水溶液との比率が1:50の混酸溶液により15μmのエッチング処理を行ったときに、前記横断面における種芯部分と析出シリコン部分との境界部分に形成されるエッチング凹みの深さが200μm以下となる多結晶シリコンを要旨とする。
【0014】
また、本発明の多結晶シリコンを製造する方法は以下のとおりである。反応炉内に種芯を組み込んだ後、種芯への通電を開始し、その後、クロルシラン類を供給して析出を開始するシーメンス法による多結晶シリコンの製造方法において、種芯の表面にシリコンを析出させる際に、その表面での酸化膜の生成を抑制する。より具体的には、種芯への通電を開始するときの炉内ガス中の酸素濃度を50ppm以下にし、シリコンを析出させ始めるときの種芯の表面温度を定常温度より高い1100〜1250℃とし、析出開始期が経過した後に表面温度を前記定常温度に下げる。
【0015】
シーメンス法で製造された多結晶シリコンの種芯部分と析出シリコン部分の境界部分における酸化物の生成量は、フッ化水素水溶液と硝酸水溶液の混酸溶液により、エッチング処理を所定量実施したときの、境界部分おけるエッチング深さから評価することができる。
【0016】
即ち、評価すべき多結晶シリコンから輪切りにより切り出したウエーハ状の対象試料をエッチングするに当たり、エッチング液として、フッ化水素水溶液と硝酸水溶液の混酸溶液を用いると、試料表面のシリコン部分は、先ず硝酸により酸化されてSiO2 になり、次いでフッ化水素で溶解される。一方、種芯部分と析出シリコン部分の境界部分に生成した酸化物は、硝酸による酸化反応を経ずに、直接フッ化水素により溶解される。このため、境界部分における酸化物量が多いほど、境界部分におけるエッチング深さが大となり、その深さから酸化物量が定量的に推定されるのである。
【0017】
そして、本発明者らによる詳細な調査の結果、エッチング液として50%フッ化水素水溶液と70%硝酸水溶液との比率が1:50の混酸溶液を用いて析出シリコン部に15μmのエッチング処理を行ったときの、種芯部分と析出シリコン部分との境界部分におけるエッチング深さが200μm以下のとき、追チャージやリチャージのための機械加工を施しても加工割れが発生しない程度に芯付き状態が良好となることが判明した。ここにおける混酸の液温度は25℃である。
【0018】
種芯のすぐ外側の位置に形成される、このエッチングによる凹みは、市販のハンディタイプの表面粗さ測定器により精度よく測定できる。また、ダイヤルゲージにより簡易的に測定できる。そして、測定された凹みの深さが、酸化物の発生量を簡易的に判断できる基準となる。
【0019】
また、エッチング量の測定については、表面積が算出可能な多結晶シリコンのウエーハ状サンプル(基準試料)を準備し、事前に重量を測定する。評価すべき多結晶シリコンから輪切りにより切り出したウエーハ状の対象試料を前記サンプルと一緒にエッチングする。エッチング後、サンプル重量を測定し、減量した重量より体積を求め、表面積で割った値がエッチング量となる。
【0020】
多結晶シリコンの種芯部分と析出シリコン部分の境界部分における酸化物の生成を抑制する方法としては、種芯の表面に多結晶シリコンの析出が開始する時期において、その表面に酸化膜が生成するのを抑制する操作が有効であり、その時期における条件設定が重要となる。具体的には、種芯への通電を開始するときの炉内ガス中の酸素濃度と、反応炉内にクロルシラン類を供給して種芯の表面にシリコンを析出させ始めるときの表面温度とが重要である。
【0021】
即ち、シーメンス法による多結晶シリコンの製造では、反応炉内を減圧や加圧により、水素ガス雰囲気或いは不活性ガス雰囲気に置換後、種芯の加熱を開始し、所定温度に昇温後、クロルシラン類の供給を開始する。前述した種芯部分と析出シリコン部分との境界部分におけるエッチング深さを200μm以下に抑制するためには、まず種芯への通電開始時において炉内ガス中の酸素濃度を50ppm以下に抑制し、好ましくは30ppm以下に抑制するのが有効である。これにより、種芯表面の酸化反応が抑制され、境界部分における酸化物の生成量が減少することになる。
【0022】
通電開始時において炉内ガス中の酸素濃度を低下させるには、種芯セット後、炉内を不活性ガス、水素ガスに置換するときの加圧置換回数、減圧置換時の真空到達度、不活性ガスや水素ガスのガスパージ量等を操作すればよい。酸素濃度の下限については、酸化抑制の点からは低いほど良いので特に規定しないが、極端な濃度低下は操作を煩雑にするので、実用上は40ppm程度となる。
【0023】
また、酸素濃度の低下と合わせ、シリコン析出開始時における種芯の表面温度を1100℃以上、好ましくは1160℃以上、より好ましくは1210℃以上とするのが有効である。これにより、種芯表面における吸着水分や自然酸化膜等、種芯表面に酸化膜を形成する酸素源が十分に除去され、境界部分における酸化物量が減少する。しかし、種芯は太さが数mmの細い棒体で、長さが1000mm以上あり、温度を上げすぎると、種芯の軟化により曲がりが生じ、最悪の場合は折損が生じる。このため、上限温度は1250℃とする。
【0024】
ちなみに、従来の通電開始時における炉内ガス中の酸素濃度は90ppm程度であり、シリコン析出開始時における種芯の表面温度は1000℃程度である。その結果、50%フッ化水素水溶液と70%硝酸水溶液との比率が1:50の混酸溶液によるエッチング処理を15μm実施したときの、境界部分おけるエッチング深さは300μm程度となり、熱処理などの格別の破裂防止対策を講じなかった場合、数%の確率で加工割れが発生する。
【0025】
なお、クロルシラン類とはSiCl4 、SiHCl3 、SiH2 Cl2 、SiH3 Clをいい、これらを単独又は混合で使用することができる。
【0026】
【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はシーメンス法による多結晶シリコン製造方法の概念図である。
【0027】
シーメンス法による多結晶シリコンの製造では、ベルジャーと呼ばれる反応炉10を開放し、炉底部上に所定本数の種芯20をセットする。種芯20は細い角棒状の多結晶シリコンからなり、門型に組み合わされて炉底部の電極対と接続される。種芯20のセットが終わると、反応炉10を閉じ、炉内は真空引きする。その後、水素ガス或いは不活性ガスにより炉内を加圧し置換する。このとき、置換完了後の炉内ガス中の酸素濃度は50ppm以下、好ましくは30ppm以下に管理する。
【0028】
炉内の雰囲気置換が終わると、炉内にセットされた所定本数の種芯20を同時に通電加熱する。加熱温度は表面温度で1100〜1250℃、好ましくは1160〜〜1250℃、より好ましくは1210〜1250℃とする。この状態で、クロルシラン類と水素の混合ガスを原料ガスとして炉内に供給する。これにより、種芯20の表面への多結晶シリコンの析出が開始される。析出開始期が経過した後の表面温度については、電力量の調整を行い、1000℃前後の定常温度条件にする。
【0029】
析出シリコン30が所定量に達すると、炉内への原料ガスの供給を停止する。また、多結晶シリコンへの通電を停止する。このようにして、ロッド状の多結晶シリコン製品が製造される。
【0030】
製造された多結晶シリコン製品を炉外へ取り出し、両端部を切り落として追チャージ用のロッドとする。そのロッドから輪切りによりウエーハ状の対象試料を採取する。その対象試料の表面に対し、50%フッ化水素水溶液と70%硝酸水溶液との比率が1:50の混酸溶液を用いて15μmのエッチング処理を行う。混酸の液温は25℃である。エッチング後、種芯部分と析出シリコン部分との境界部分におけるエッチング深さを測定し、測定値が200μm以下の製品を、追チャージのための端面機械加工で割れが発生し難い良品、200μm超の製品をこの割れが発生し易い不良品とする。
【0031】
種芯への通電を開始するときの炉内ガス中の酸素濃度を50ppm以下にし、シリコンを析出させ始めるときの種芯の表面温度を1100〜1250℃とすることにより、製品はおしなべて良品となり、不良品の発生は回避される。そして、良品に追チャージのための端面機械加工を施す。
【0032】
【実施例】
次に本発明の実施例を示し、比較例と対比することにより、本発明の効果を明らかにする。
【0033】
実施例1
シーメンス法で多結晶シリコンを製造するときに、反応炉内に多結晶シリコンからなる9mm角の種芯を鳥居型に組み立ててセットした。反応炉内を真空引きにより0.03kPaabsまで減圧した。その後、反応炉内を高純度の水素ガスで220kPaabsまで加圧置換した。このとき、微量酸素濃度計を用いて炉内雰囲気ガス中の酸素濃度を測定したところ29ppmであった。
【0034】
反応炉内の種芯を通電加熱し、反応炉に設けられた監視窓から放射温度計を用いて種芯の表面温度を測定した。その表面温度が1160℃であることを確認して、反応炉内にトリクロロシランと水素を1:6.5の比率で混合した原料ガスを供給し、析出を開始した。原料ガスの供給開始から10分経過後より、通電量の調整によって種芯の表面温度を1160℃から1000℃に120分間かけて変更し、その後は1000℃で析出を継続した。こうして、外径が約135mmの多結晶シリコンロッドを製造した。
【0035】
製造された多結晶シリコンロッドから採取したウエーハ状試料の表面を、50%フッ化水素水溶液と70%硝酸水溶液との比率が1:50の混酸溶液(液温25℃)により15μmエッチングした。種芯部分と析出シリコン部分の境界部分における凹みは、目視では確認できなかった。表面粗さ計を用いてこの凹みの深さを測定したところ、幅100μm、深さ50μmで、芯付けが良好なことが確認された。
【0036】
製造された多結晶シリコンロッドをCZ法によるシリコン単結晶製造における追チャージ原料とするため、ロッド端面に機械加工により溝を形成した場合の加工割れの発生率は0.5%であった。
【0037】
実施例2
実施例1において、反応開始時の種芯の表面温度を1210℃にした。他の条件は実施例1と同じとした。
【0038】
実施例1と同じエッチング処理後、種芯部分と析出シリコン部分の境界部分における凹みを目視で観察したが、その凹みを確認できなかった。表面粗さ計を用いてこの凹みの深さを測定したところ、幅50μm、深さ20μmで、芯付け状態が更に良好なことが確認された。
【0039】
製造された多結晶シリコンロッドをCZ法によるシリコン単結晶製造における追チャージ原料にするため、ロッド端面に機械加工により溝を形成した場合の加工割れの発生率は0%であった。
【0040】
比較例1
実施例1において、反応炉内の真空引き後の圧力を0.1kPaabsとし、その後、反応炉内を高純度の水素ガスで220kPaabsまで加圧置換した。このとき、微量酸素濃度計を用いて炉内雰囲気ガス中の酸素濃度を測定したところ85ppmであった。他の条件は実施例1と同じとした。
【0041】
実施例1と同じエッチング処理後、種芯部分と析出シリコン部分の境界部分における凹みを目視で観察した。目視では凹みを確認できなかったが、表面粗さ計を用いて凹みの深さを測定したところ、幅150μm、深さ250μmであり、製造された多結晶シリコンの芯付き状態が不良なことが確認された。
【0042】
製造された多結晶シリコンロッドをCZ法によるシリコン単結晶製造における追チャージ原料にするため、ロッド端面に機械加工により溝を形成した場合の加工割れの発生率は5%であった。
【0043】
比較例2
実施例1において、反応開始時の種芯の表面温度を1000℃にした。他の条件は実施例1と同じとした。
【0044】
実施例1と同じエッチング処理後、種芯部分と析出シリコン部分の境界部分における凹みを目視で観察した。目視では凹みを確認できなかったが、表面粗さ計を用いて凹みの深さを測定したところ、幅300μm、深さ250μmであり、製造された多結晶シリコンの芯付き状態が不良なことが確認された。
【0045】
製造された多結晶シリコンロッドをCZ法によるシリコン単結晶製造における追チャージ原料にするため、ロッド端面に機械加工により溝を形成した場合の加工割れの発生率は6%であった。
【0046】
【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は、種芯部分と析出シリコン部分との境界部分における酸化物の生成が抑制され、芯付き状態が良好であることにより、追チャージ或いはリチャージのための機械加工における割れを、熱処理によらずに確実に防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】シーメンス法による多結晶シリコン製造方法の概念図である。
【符号の説明】
10 反応炉
20 種芯
30 析出シリコン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polycrystalline silicon suitable for a raw material for producing a silicon single crystal relates to a polycrystalline silicon suitable for add charge and recharge, especially in a silicon single crystal manufacturing process by the CZ method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a silicon single crystal, which is a material of a semiconductor device, is industrially manufactured exclusively by the CZ method. In the production of a silicon single crystal by the CZ method, first, bulk polycrystalline silicon is heated and melted in a quartz crucible to form a silicon raw material melt. Next, a silicon seed crystal is immersed in the raw material melt, and is pulled up while rotating to grow a rod-shaped silicon single crystal below the seed crystal.
[0003]
As the raw material for producing the silicon single crystal here, polycrystalline silicon produced by the Siemens method is exclusively used. In the production of polycrystalline silicon by the Siemens method, as is well known, a rod-shaped silicon seed core is set up in a reaction furnace called a bell jar, and the inside of the furnace is replaced with a hydrogen gas atmosphere or an inert gas atmosphere such as Ar by depressurization or pressurization. Thereafter, the seed core is heated to around 1000 ° C. by energization. In this state, chlorosilanes and hydrogen gas are introduced into the reaction furnace. Thereby, polycrystalline silicon precipitates on the surface of the seed core. The seed core is usually combined in a torii type, and a large number of seed cores are set in the reactor at once.
[0004]
The rod-shaped polycrystalline silicon thus manufactured is used for manufacturing a silicon single crystal by the CZ method as follows. Normally, it is crushed into a lump, charged into a quartz crucible, and heated and melted. However, if only a lump of silicon is used, the amount of raw material charged per charge in the crucible is limited. For this reason, after melting the silicon lump loaded in the crucible, the rod-shaped polycrystalline silicon is suspended on the crucible and gradually melted into the melt in the crucible to increase the amount of melt in the crucible. The operation is performed (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-344594). This operation is called additional charge or additional charge, and the rod-shaped polycrystalline silicon used for this operation is called additional charge polycrystalline silicon.
[0005]
In addition, the quartz crucible has been consumed at a rate of one for each pulling up to now. For this reason, the ratio of the crucible cost to the manufacturing cost of the single crystal was high. Therefore, after pulling up the single crystal, with the residual liquid left in the crucible, the rod-shaped polycrystalline silicon is suspended on the crucible, and gradually dissolved in the residual liquid in the crucible, and a predetermined amount in the crucible. An operation of forming the raw material melt again is performed (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-344594). This operation is called recharging, and the rod-shaped polycrystalline silicon used for this operation is called recharging polycrystalline silicon.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Polycrystalline silicon used for recharging and recharging is required to be used in the form of rods, unlike polycrystalline silicon used for normal crushing, and in order to connect the rods together, There is a need to perform machining at the end for forming purposes. However, when the machining is performed, cracks frequently occur. Due to this cracking, there is a problem that the yield does not increase when machining the end of the polycrystalline silicon rod. .
[0007]
Although the purpose is different, in order to prevent the polycrystalline silicon for recharging from being broken in the middle of melting and falling into the lower crucible, a technique for removing residual strain by subjecting the polycrystalline silicon after manufacture to heat treatment is It is described in WO97 / 44277. According to this, the original purpose of preventing breakage during melting is achieved. However, when the heat treatment is performed outside the reaction furnace after the production of polycrystalline silicon, a special apparatus is required so that the polycrystalline silicon is not contaminated, and when the heat treatment is performed in the reaction furnace following the deposition, there is a problem of contamination. However, there is a problem that a large-capacity power source is required for heat treatment in the polycrystalline silicon manufacturing facility and cannot be implemented depending on the facility.
[0008]
An object of the present invention is to provide polycrystalline silicon that can reliably prevent cracking due to machining for recharging or recharging without using heat treatment.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventors have investigated in detail the cause of the end crack in machining in the manufacture of the polycrystalline silicon rod for additional charge. As a result, it was found that the quality at the boundary between the seed core portion and the deposited silicon portion of the polycrystalline silicon rod produced in the bell jar furnace has a great influence on the above-mentioned machining crack.
[0010]
That is, in the production of polycrystalline silicon by the Siemens method, the silicon seed core is set to an electrode in a reaction furnace, the furnace interior is replaced with a hydrogen atmosphere or an inert gas atmosphere, and the seed core is energized and heated in the furnace. Is supplied with a gas of chlorosilanes to deposit polycrystalline silicon on the surface of the seed core. When the seed core is incorporated into the reactor, the boundary between the seed core portion and the deposited polycrystalline silicon portion due to a small amount of oxide film or moisture adhering to the surface of the seed core, or a small amount of oxygen remaining in the reactor. An oxide is formed in the part.
[0011]
There is no problem when this oxide is in a very small amount, but if it is produced in a large amount, a phenomenon of a core failure in which the boundary portion between the seed core portion and the deposited silicon portion of the manufactured polycrystalline silicon rod is easily separated occurs. Then, it was found that if the polycrystalline silicon rod with a poor core is subjected to machining for additional charging, processing cracks are very likely to occur. The reason for this is that, after the polycrystalline silicon is deposited, the residual stress generated during cooling is added to the stress concentration that accompanies the machining, so that separation easily occurs at the boundary between the seed core portion and the precipitated silicon portion. It can be considered that the rod progresses to crack.
[0012]
As described above, according to the knowledge of the present inventors, the polycrystalline silicon rod in which a relatively large amount of oxide is generated at the boundary portion between the seed core portion and the deposited silicon portion is cracked by machining for additional charging. On the contrary, in the polycrystalline silicon rod in which the generation of the oxide is suppressed, this crack is effectively suppressed. In other words, if the generation of oxide is suppressed at the boundary between the seed core portion and the deposited silicon portion of the polycrystalline silicon rod, the machining for additional charging is possible without removing the stress by heat treatment and leaving the residual stress. This prevents cracks in And the production | generation suppression of the oxide in the boundary part of a seed core part and a deposited silicon part can be easily implemented by adjustment of the furnace atmosphere at the time of the energization start to a seed core, adjustment of heating temperature, etc.
[0013]
The present invention has been made on the basis of such findings, and is polycrystalline silicon manufactured using chlorosilanes by the Siemens method. The cross-section of the present invention includes a 50% hydrogen fluoride aqueous solution and a 70% nitric acid aqueous solution. Polycrystal with an etching recess depth of 200 μm or less formed at the boundary between the seed core portion and the deposited silicon portion in the cross section when an etching treatment of 15 μm is performed with a mixed acid solution having a ratio of 1:50 The gist is silicon.
[0014]
The method for producing the polycrystalline silicon of the present invention is as follows. In the method for producing polycrystalline silicon by the Siemens method, in which energization of the seed core is started after the seed core is incorporated in the reaction furnace and then chlorosilanes are supplied to start precipitation, silicon is added to the surface of the seed core. when precipitating, to suppress the formation of an oxide film on its surface. More specifically, the oxygen concentration in the furnace gas when starting energization to the seed core is 50 ppm or less, and the surface temperature of the seed core when starting to precipitate silicon is 1100 to 1250 ° C., which is higher than the steady temperature. The surface temperature is lowered to the steady temperature after the elapse of the precipitation start period .
[0015]
The amount of oxide produced at the boundary between the seed core part of polycrystalline silicon produced by the Siemens method and the precipitated silicon part is a mixed acid solution of a hydrogen fluoride aqueous solution and a nitric acid aqueous solution when a predetermined amount of etching treatment is performed. It can be evaluated from the etching depth at the boundary portion.
[0016]
That is, when a wafer-like target sample cut from a polycrystalline silicon to be evaluated is etched, if a mixed acid solution of a hydrogen fluoride aqueous solution and a nitric acid aqueous solution is used as an etching solution, the silicon portion on the surface of the sample first becomes nitric acid. Is oxidized to SiO 2 and then dissolved with hydrogen fluoride. On the other hand, the oxide generated at the boundary between the seed core portion and the deposited silicon portion is dissolved directly by hydrogen fluoride without undergoing an oxidation reaction with nitric acid. For this reason, the larger the amount of oxide at the boundary portion, the larger the etching depth at the boundary portion, and the amount of oxide is quantitatively estimated from the depth.
[0017]
As a result of detailed investigations by the present inventors, a 15 μm etching process was performed on the deposited silicon portion using a mixed acid solution having a ratio of 50% hydrogen fluoride aqueous solution and 70% nitric acid aqueous solution of 1:50 as an etchant. When the etching depth at the boundary portion between the seed core portion and the deposited silicon portion is 200 μm or less, the cored state is good enough to prevent processing cracks even if machining for recharging or recharging is performed. Turned out to be. The liquid temperature of the mixed acid here is 25 ° C.
[0018]
The indentation due to this etching formed at a position just outside the seed core can be accurately measured by a commercially available handy type surface roughness measuring instrument. Moreover, it can be easily measured with a dial gauge. Then, the measured depth of the dent is a reference for easily determining the amount of oxide generated.
[0019]
For the measurement of the etching amount, a polycrystalline silicon wafer-like sample (reference sample) capable of calculating the surface area is prepared, and the weight is measured in advance. A wafer-like target sample cut from a polycrystalline silicon to be evaluated by cutting is etched together with the sample. After etching, the sample weight is measured, the volume is obtained from the reduced weight, and the value divided by the surface area is the etching amount.
[0020]
As a method of suppressing the formation of oxide at the boundary between the seed core portion and the deposited silicon portion of the polycrystalline silicon, an oxide film is formed on the surface of the seed core at the start of the deposition of polycrystalline silicon. The operation for suppressing the above is effective, and the condition setting at that time is important. Specifically, the oxygen concentration in the in-furnace gas when starting energization to the seed core and the surface temperature at which chlorosilanes are supplied into the reaction furnace and silicon starts to precipitate on the seed core surface are determined. is important.
[0021]
That is, in the production of polycrystalline silicon by the Siemens method, the inside of the reaction furnace is replaced with a hydrogen gas atmosphere or an inert gas atmosphere by depressurization or pressurization, heating of the seed core is started, and after raising the temperature to a predetermined temperature, The supply of the kind is started. In order to suppress the etching depth at the boundary portion between the seed core portion and the deposited silicon portion to 200 μm or less, first, the oxygen concentration in the furnace gas is suppressed to 50 ppm or less at the start of energization to the seed core, It is effective to suppress it to 30 ppm or less. As a result, the oxidation reaction on the seed core surface is suppressed, and the amount of oxide produced at the boundary portion is reduced.
[0022]
In order to reduce the oxygen concentration in the furnace gas at the start of energization, after the seed core setting, the number of times of pressure replacement when replacing the interior of the furnace with inert gas or hydrogen gas, the degree of vacuum reached during vacuum replacement, The gas purge amount of the active gas or hydrogen gas may be manipulated. The lower limit of the oxygen concentration is not particularly specified because it is better from the viewpoint of suppressing oxidation, but an extremely low concentration makes the operation complicated, and is practically about 40 ppm.
[0023]
It is also effective to set the surface temperature of the seed core at the start of silicon deposition to 1100 ° C. or higher, preferably 1160 ° C. or higher, more preferably 1210 ° C. or higher, along with the decrease in oxygen concentration. As a result, oxygen sources that form an oxide film on the surface of the seed core such as adsorbed moisture and natural oxide film on the surface of the seed core are sufficiently removed, and the amount of oxide at the boundary portion is reduced. However, the seed core is a thin rod having a thickness of several millimeters, a length of 1000 mm or more, and if the temperature is raised too much, the seed core softens and bends, and in the worst case, breakage occurs. For this reason, upper limit temperature shall be 1250 degreeC.
[0024]
Incidentally, the oxygen concentration in the in-furnace gas at the start of conventional energization is about 90 ppm, and the surface temperature of the seed core at the start of silicon deposition is about 1000 ° C. As a result, the etching depth at the boundary portion when the etching treatment with a mixed acid solution having a ratio of 50% hydrogen fluoride aqueous solution and 70% nitric acid aqueous solution of 1:50 is 15 μm is about 300 μm. If no measures to prevent bursting are taken, processing cracks occur with a probability of several percent.
[0025]
Incidentally, refer to SiCl 4, SiHCl 3, SiH 2 Cl 2, SiH 3 Cl and chlorosilane compounds, it is possible to use them alone or mixed.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram of a method for producing polycrystalline silicon by the Siemens method.
[0027]
In the production of polycrystalline silicon by the Siemens method, the
[0028]
When the atmosphere replacement in the furnace is finished, a predetermined number of
[0029]
When the deposited
[0030]
The manufactured polycrystalline silicon product is taken out of the furnace, and both ends are cut off to form a recharging rod. A wafer-like target sample is collected from the rod by round cutting. An etching process of 15 μm is performed on the surface of the target sample using a mixed acid solution having a ratio of 50% hydrogen fluoride aqueous solution and 70% nitric acid aqueous solution of 1:50. The liquid temperature of the mixed acid is 25 ° C. After etching, the etching depth at the boundary portion between the seed core portion and the deposited silicon portion is measured, and a measured value of 200 μm or less is a non-defective product that is less likely to be cracked by end face machining for additional charging, exceeding 200 μm. The product is a defective product that is prone to cracking.
[0031]
By setting the oxygen concentration in the furnace gas when starting energization to the seed core to 50 ppm or less and setting the surface temperature of the seed core when starting to deposit silicon to 1100 to 1250 ° C., the product is generally good. Generation of defective products is avoided. Then, end face machining for recharging is performed on the non-defective product.
[0032]
【Example】
Next, examples of the present invention will be shown, and the effects of the present invention will be clarified by comparing with comparative examples.
[0033]
Example 1
When producing polycrystalline silicon by the Siemens method, a 9 mm square seed core made of polycrystalline silicon was assembled in a torii type and set in a reaction furnace. The inside of the reaction furnace was depressurized to 0.03 kPaabs by evacuation. Thereafter, the inside of the reactor was pressurized and replaced to 220 kPaabs with high-purity hydrogen gas. At this time, when the oxygen concentration in the atmosphere gas in the furnace was measured using a trace oxygen concentration meter, it was 29 ppm.
[0034]
The seed core in the reaction furnace was energized and heated, and the surface temperature of the seed core was measured using a radiation thermometer from a monitoring window provided in the reaction furnace. After confirming that the surface temperature was 1160 ° C., a raw material gas in which trichlorosilane and hydrogen were mixed at a ratio of 1: 6.5 was supplied into the reaction furnace to start precipitation. After 10 minutes from the start of supply of the raw material gas, the surface temperature of the seed core was changed from 1160 ° C. to 1000 ° C. over 120 minutes by adjusting the amount of energization, and then the precipitation was continued at 1000 ° C. Thus, a polycrystalline silicon rod having an outer diameter of about 135 mm was manufactured.
[0035]
The surface of the wafer-like sample collected from the manufactured polycrystalline silicon rod was etched by 15 μm with a mixed acid solution (liquid temperature 25 ° C.) having a 1:50 ratio of 50% aqueous hydrogen fluoride and 70% aqueous nitric acid. The dent in the boundary part between the seed core part and the precipitated silicon part could not be confirmed visually. When the depth of this dent was measured using a surface roughness meter, it was confirmed that the centering was good with a width of 100 μm and a depth of 50 μm.
[0036]
Since the manufactured polycrystalline silicon rod was used as an additional charge raw material in the production of a silicon single crystal by the CZ method, the rate of occurrence of work cracks was 0.5% when grooves were formed on the rod end face by machining.
[0037]
Example 2
In Example 1, the surface temperature of the seed core at the start of the reaction was 1210 ° C. Other conditions were the same as in Example 1.
[0038]
After the same etching treatment as in Example 1, a dent at the boundary between the seed core portion and the deposited silicon portion was visually observed, but the dent could not be confirmed. When the depth of this dent was measured using a surface roughness meter, it was confirmed that the centering state was even better with a width of 50 μm and a depth of 20 μm.
[0039]
In order to use the manufactured polycrystalline silicon rod as an additional charge raw material in the manufacture of a silicon single crystal by the CZ method, the rate of occurrence of work cracks was 0% when grooves were formed on the rod end face by machining.
[0040]
Comparative Example 1
In Example 1, the pressure after evacuation in the reaction furnace was set to 0.1 kPaabs, and then the pressure in the reaction furnace was increased to 220 kPaabs with high-purity hydrogen gas. At this time, when the oxygen concentration in the atmosphere gas in the furnace was measured using a trace oxygen concentration meter, it was 85 ppm. Other conditions were the same as in Example 1.
[0041]
After the same etching treatment as in Example 1, the dent at the boundary between the seed core portion and the deposited silicon portion was visually observed. Although the dent could not be confirmed by visual observation, when the depth of the dent was measured using a surface roughness meter, the width was 150 μm and the depth was 250 μm, and the manufactured polycrystalline silicon had a poor cored state. confirmed.
[0042]
In order to use the manufactured polycrystalline silicon rod as an additional charge raw material in the production of a silicon single crystal by the CZ method, the rate of occurrence of work cracks was 5% when grooves were formed on the end face of the rod by machining.
[0043]
Comparative Example 2
In Example 1, the surface temperature of the seed core at the start of the reaction was 1000 ° C. Other conditions were the same as in Example 1.
[0044]
After the same etching treatment as in Example 1, the dent at the boundary between the seed core portion and the deposited silicon portion was visually observed. Although the dent could not be confirmed by visual observation, when the depth of the dent was measured using a surface roughness meter, the width was 300 μm and the depth was 250 μm, and the manufactured polycrystalline silicon had a poor cored state. confirmed.
[0045]
In order to use the manufactured polycrystalline silicon rod as an additional charge raw material in silicon single crystal manufacturing by the CZ method, the rate of occurrence of processing cracks was 6% when grooves were formed on the rod end face by machining.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, the polycrystalline silicon according to the present invention suppresses the generation of oxide at the boundary between the seed core portion and the deposited silicon portion, and has a good core state, so that it can be recharged or recharged. There is an effect that cracks in machining can be reliably prevented without depending on heat treatment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a method for producing polycrystalline silicon by a Siemens method.
[Explanation of symbols]
10
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