JP5415914B2 - 炭素電極および多結晶シリコン棒の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、多結晶シリコンの製造に用いられる炭素電極およびこれを用いた多結晶シリコン棒の製造装置に関する。

半導体製造用の単結晶シリコンや太陽電池製造用のシリコンの原料となる多結晶シリコンを製造する方法として、シーメンス法が知られている。シーメンス法は、クロロシランを含む原料ガスを加熱されたシリコン芯線に接触させることにより、該シリコン芯線の表面に多結晶シリコンをＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて気相成長させる方法である。

シーメンス法により多結晶シリコンを気相成長する際、気相成長装置の反応炉内にシリコン芯線を鉛直方向２本、水平方向１本の鳥居型に組み立て、該鳥居型のシリコン芯線の両端を一対の芯線ホルダを介してベースプレート上に配置した一対の金属電極に固定する。

次に、金属電極から電流を導通させてシリコン芯線を水素雰囲気中で９００℃以上１２００℃以下の温度範囲に加熱しながら、原料ガスとして例えばトリクロロシランと水素の混合ガスをガスノズルから反応炉内に供給すると、シリコン芯線上にシリコンが気相成長し、所望の直径の多結晶シリコン棒が逆Ｕ字状に形成される。そして反応炉内を冷却後、反応炉から多結晶シリコン棒を取り出す。

近年、多結晶シリコン棒の大口径化に伴い、気相成長中あるいは多結晶シリコン棒の冷却中に該多結晶シリコン棒にクラックあるいは割れが発生し易くなっている。

これは、シーメンス法により多結晶シリコン棒を育成する際、気相成長中あるいは成長終了後にシリコン棒の成長方向（半径方向）に中心と表面温度との温度差が生じ、これにより多結晶シリコン棒の熱膨張または収縮による応力が発生することによるものと考えられる。

多結晶シリコン棒が割れて反応炉内で倒れると、反応炉の内壁並びにベースプレートあるいは金属電極を構成するメタルとの接触に起因して重金属汚染が起こるだけでなく、倒壊した多結晶シリコン棒の収穫及びベースプレートの清掃に時間がかかり操業のサイクルタイムが大幅に伸びるため、生産性が著しく落ちてしまう。

このような多結晶シリコン棒のひびや割れの発生を防止するために、種々の提案が為されている。

例えば特開平８−４５８４７号公報（特許文献１）は、電流リード部（金属電極）と電極ホルダ（芯線ホルダの保持具）との間に配置される少なくとも１つのばね要素を備え、該ばね要素が電流リード部に対する電極ホルダの運動を許容しかつ該運動を吸収することを特徴とするキャリア部材（芯線）の取付具を提案する。

特開２００６−１６２４３号公報（特許文献２）は、カーボン製のシードホルダと金属製の電極とからなるシード保持電極であって、シードホルダと金属製の電極とはテーパー形状とした嵌め合いによる接合構造とし、それらの間に貴金属の板を摺り合わせて接合することを特徴とするシード保持電極を用いることにより、多結晶シリコンの生成後の冷却過程で発生する熱歪みに起因して、多結晶シリコン、またはシード保持電極に使用するカーボン製の部品が破断することを防止することを提案する。

特開２００６−２４０９３４号公報（特許文献３）は、シリコン芯線の端部が、これを保持する導電性のホルダを介して電極と電気的に接続され、かつ、少なくとも一方のホルダが、電極面上を少なくとも逆Ｕ字型のシリコン芯線の両端を結ぶ直線方向の左右何れの方向にも摺動可能である炭素製ホルダを用いることにより、多結晶シリコンロッドのクラック発生を低減することを提案する。

特開平８−４５８４７号公報 特開２００６−１６２４３号公報 特開２００６−２４０９３４号公報

上述したように、従来の一般的なシーメンス法による多結晶シリコンの気相成長プロセスにおいては、鳥居型のシリコン芯線の両端は一対の芯線ホルダを介してベースプレート上に配置した一対の金属電極に固定される。しかし、逆Ｕ字状の多結晶シリコン棒（以下、単に「Ｕロッド」ということがある。）の両端を金属電極に固定すると、Ｕロッドの水平面方向の伸縮が阻害されてしまう。ここで、水平面方向の伸縮とは、例えばＵロッドの両端を結ぶ直線方向の伸縮である。

なお、Ｕロッドの水平面方向の伸縮は、Ｕロッドの両端を結ぶ直線方向に限定されるものではない。例えば、Ｕロッドの内側に近接して他のＵロッドがあれば、該Ｕロッドからの輻射熱により内側が伸張しやすくなる。また、Ｕロッドの外側が反応炉の炉壁により冷却されていれば、外側が収縮しやすくなる。つまり、Ｕロッドはその環境により水平面方向のあらゆる方位に伸縮しうる。

しかしながら、特許文献１に開示の取付具は、構造が複雑である上に、ばね要素の伸縮方向以外は電極ホルダの運動が許容されないという欠点を有する。また、特許文献２に開示のシード保持電極は、貴金属の板を摺り合わせて使用するので高価である上に、該貴金属が多結晶シリコンに取り込まれやすい。またテーパー形状の嵌合であるため、膨張時にはシードホルダがテーパーを上方に摺動し、電極から抜け出てしまう可能性がある。さらに、特許文献３に開示の炭素製ホルダでは、多結晶シリコンロッドがシリコン芯線の両端を結ぶ直線方向にしか摺動できない。従って、これらの提案によっては、多結晶シリコン棒のひびや割れの発生を抑制するには不充分である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、多結晶シリコン棒の気相成長工程中にあらゆる方位に伸縮しうるＵロッドのひびや割れの発生に対する抑制効果の高い技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る炭素電極は、多結晶シリコン棒の製造に用いられる炭素電極であって、シリコン芯線への通電用外部電極である金属電極上に固定される下部電極と、該下部電極上に載置された上部電極であって上面側に前記シリコン芯線を保持する芯線ホルダの固定部が設けられた上部電極とからなり、前記上部電極は、前記下部電極の上面との接触面である載置面内で全方位に摺動可能であることを特徴とする。

上記炭素電極は、前記上部電極は上面から下面に貫通する孔部を備え、該孔部に挿入された棒状の締結部材の下端部は前記下部電極に固定されており、前記孔部の直径は前記棒状締結部材の直胴部の直径よりも大きく、前記孔部内で前記直胴部との間に間隙が設けられている態様とすることができる。

例えば、前記孔部の直径は前記直胴部の直径よりも１ｍｍ以上大きい。

上記炭素電極は、前記上部電極の下部に設けられた凹状部の内部に前記下部電極の上部に設けられた凸状部が挿入されて前記下部電極上に前記上部電極が載置されており、前記凹状部の内寸は前記凸状部の外寸よりも大きく、前記凹状部と凸状部との間に間隙が設けられている態様とすることもできる。

また、上記炭素電極は、前記上部電極の下部に設けられた凸状部が前記下部電極の上部に設けられた凹状部の内部に挿入されて前記下部電極上に前記上部電極が載置されており、前記凹状部の内寸は前記凸状部の外寸よりも大きく、前記凹状部と凸状部との間に間隙が設けられている態様とすることもできる。

例えば、前記凹状部と凸状部との間隙は１ｍｍ以上である。

好ましくは、前記上部電極と前記下部電極はグラファイト製である。

また、好ましくは、前記上部電極と前記下部電極の接触面における静止摩擦係数が０．３以下である。

本発明に係る多結晶シリコン棒の製造装置は、鳥居型に組み立てたシリコン芯線の両端に一対の金属電極から電力供給して前記シリコン芯線上に多結晶シリコンを気相成長させる多結晶シリコン棒の製造装置であって、前記シリコン芯線の両端はそれぞれ炭素電極に設けられた固定部により保持され、前記炭素電極の少なくとも一方は上述の本発明に係る炭素電極である。

本発明の炭素電極では、例えば、上部電極に孔部を設けて孔部内に棒状の締結部材を挿入する等により下部電極に固定し、かつ、孔部と締結部材の直胴部との間に間隙を設ける等により、上部電極が下部電極の上面との接触面である載置面の面内での全方位の摺動を可能とした。

このため、多結晶シリコン棒の気相成長工程中にあらゆる方位に伸縮しうるＵロッドのひびや割れの発生に対する抑制効果の高い技術の提供が可能となる。

本発明の多結晶シリコン棒の製造装置の構成例を示す概略図である。 本発明の炭素電極の構成例を示す概略図である。 本発明の炭素電極の他の構成例を示す概略図である。 図３に示した炭素電極の変形例を示す概略図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の多結晶シリコン棒の製造装置１００の構成例を示す概略図である。この製造装置１００は、シーメンス法によりシリコン芯線の表面に多結晶シリコンを気相成長させて多結晶シリコン棒を製造するための装置であり、ベースプレート１と反応容器１０により概略構成され、得られる多結晶シリコン棒は、鳥居型に組み立てたシリコン芯線５の鉛直部分５ａに気相成長する直胴部６と水平部分（ブリッジ部５ｂ）に気相成長するブリッジ部８からなる。

ベースプレート１には、シリコン芯線５に電流を供給する金属電極２と、窒素ガス、水素ガス、トリクロロシランガスなどのプロセスガスを供給するガスノズル３と、排気ガスを排出する排気口４が配置される。

金属電極２は、不図示の別の金属電極に接続されるか或いは反応炉外に配置された電源に接続され、外部からの電力供給を受ける。この金属電極２の側面には絶縁物７が設けられており、この絶縁物７に挟まれた状態でベースプレート１を貫通している。

図１に示したように、多結晶シリコンを気相成長させる際には、反応炉１０内に、鉛直方向に２本（５ａ）と水平方向に１本（５ｂ）の芯線を鳥居型に組み立ててシリコン芯線５とし、シリコン芯線５の鉛直方向部分５ａの両端部をそれぞれ炭素電極３０に保持された芯線ホルダ２０により固定し、金属電極２に供給された外部電力を、炭素電極３０を介してシリコン芯線へと通電させる。

なお、金属電極２とベースプレート１と反応炉１０は、冷媒を用いて冷却される。また、芯線ホルダ２０と炭素電極３０は共にグラファイト製である。

炭素電極３０の少なくとも一方は、後述の本発明に係る炭素電極であり、図中の水平面内で全方位に摺動可能な構造とされている。

図２は、本発明の炭素電極３０の構成例を示す概略図である。この炭素電極３０は、シリコン芯線５への通電用外部電極である金属電極２の上に固定された下部電極３２と、該下部電極３２の上に載置された上部電極３１とからなる。上部電極３１の上面側には、シリコン芯線５ａを保持する芯線ホルダ２０の固定部が設けられている。

また、上部電極３１には、上面３３から下面３４に貫通する孔部（貫通孔）３５が設けられており、棒状の締結部材であるボルト３６がワッシャ３７を介して上部電極３１の上面３３から該孔部３５に挿入され、下部電極３２でネジ止めされて固定されている。

図２に示したように、孔部３５内においてボルト３６の直胴部との間に間隙５１が生じるように、孔部３５の直径はボルト３６の直胴部の直径よりも大きく形成されている。なお、ワッシャ３７は、その外径が孔部３５の口径の約２倍のものが用いられ、ボルト３６が孔部３５内に入り込むことを防止する。

孔部３５内におけるボルト３６の直胴部との間の間隙５１は、上部電極３１が下部電極３２の上面との接触面である載置面（図２では上部電極３１の下面３４と接する下部電極３２の上面）の面内での全方位の摺動を可能とするため、気相成長工程中にあらゆる方位に伸縮しうるＵロッドのひびや割れの発生に対する抑制効果を奏することとなる。

載置面内での全方位の摺動を確実なものとするためには、孔部３５の直径は、ボルト３６の直胴部の直径よりも１ｍｍ以上大きく形成されることが好ましい。また、ボルト３６の本数は２本以上であることが望ましい。

図３は、本発明の炭素電極３０の他の構成例を示す概略図である。この炭素電極３０は、上部電極３１の下部に設けられた凹状部の内部に、下部電極３２の上部に設けられた凸状部が挿入されるかたちで下部電極３２上に上部電極３１が載置されている。

図３に示したように、上部電極３１の凹状部３８の内寸は、下部電極３２の凸状部３９の外寸よりも大きく、その結果、凹状部３８と凸状部３９との間に間隙５２が設けられている。

凹状部３８と凸状部３９との間の間隙５２は、上部電極３１が下部電極３２の上面との接触面である載置面の面内での全方位の摺動を可能とするため、気相成長工程中にあらゆる方位に伸縮しうるＵロッドのひびや割れの発生に対する抑制効果を奏することとなる。

なお、載置面内での全方位の摺動を確実なものとするためには、凹状部３８と凸状部３９との間の間隙５２は、１ｍｍ以上であることが好ましい。

図４は、図３に示した炭素電極３０の変形例を示す概略図である。すなわち、図３に示した態様のものでは上部電極３１の下部に設けられた凹状部の内部に下部電極３２の上部に設けられた凸状部が挿入されるかたちで下部電極３２上に上部電極３１を載置させているのに対し、上部電極３１の下部に設けられた凸状部４１を下部電極３２の上部に設けられた凹状部４２の内部に挿入するかたちで下部電極３２上に上部電極３１を載置させている。

この態様においても、図４に示したように、下部電極３２の凹状部４２の内寸は、上部電極３１の凸状部４１の外寸よりも大きく、その結果、凹状部４２と凸状部４１との間に間隙５３が設けられ、当該間隙５３は、上部電極３１が下部電極３２の上面との接触面である載置面の面内での全方位の摺動を可能とする。なお、載置面内での全方位の摺動を確実なものとするためには、凹状部３８と凸状部３９との間の間隙５３は、１ｍｍ以上であることが好ましい。

図３及び図４において、凸状部と凹状部４２を１組設けた態様について説明したが、複数組も受ける態様としてもよい。この場合でも、各組の凹状部と凸状部の間に間隙が形成されていれば、その間隙の範囲内で上部電極が全方位に摺動することができる。

以下に、本発明の多結晶シリコン棒の製造装置を用いた気相成長工程について説明する。

先ず、金属電極２にシリコン芯線５を接続し、反応容器１０をベースプレート１上に密着載置し、ガスノズル３から窒素ガスを供給して反応容器１０内の空気を窒素に置換する。このとき、反応容器１０内の空気と窒素は、排気口４から排出される。反応容器１０内を窒素雰囲気に置換終了後、窒素ガスに代えてガスノズル３から水素ガスを供給し、反応容器１０内を水素雰囲気にする。

次に、図示しないヒータを用いてシリコン芯線５を２５０℃以上の温度に予備加熱し、電流が効率的に流れるほどの導電性にする。続いて、金属電極２からシリコン芯線５に電流を供給し、シリコン芯線５を９００℃以上に加熱する。さらに、水素ガスとともにトリクロロシランガスを原料ガスとして供給し、シリコン芯線５上に多結晶シリコンを９００℃以上１２００℃以下の温度範囲で気相成長させる。未反応ガスと副生成ガスは、排気口４から排出される。

シリコン芯線５上に多結晶シリコンを気相成長させるため温度を上げると、シリコン芯線５のブリッジ部５ｂには膨張による伸びが発生し、その状態で多結晶シリコンの気相成長が進む。また、多結晶シリコン棒の直胴部６およびブリッジ部８の直径が大きくなるに従い、これらの部分の直径方向に温度分布が形成される。

ここで、多結晶シリコン棒の直胴部６について、例えばＵロッドを構成する１対の直胴部６の向かい合う面は互いに輻射加熱しあうため膨張し、相互の間隔が広がる方向に芯線ホルダ２０と上部電極３１が移動する。また、Ｕロッドの外側は反応容器１０により冷却されるためＵロッドの内側よりも温度が低くなり、Ｕロッドが外側に反る方向に芯線ホルダ２０と上部電極３１が移動する。

多結晶シリコン棒の直胴部６及びブリッジ部８が所望の直径まで成長後、原料ガスの供給と電流供給をこの順に停止し、続いて反応容器１０内の温度を低下させる。この時、成長中に間隔が広がっていたＵロッドでは、ブリッジ部８の間隔が縮小する方向に芯線ホルダ２０と上部電極３１が移動する。また、成長中に外側の温度が低かったＵロッドは、反応容器１０の中心に向かって芯線ホルダ２０と上部電極３１が移動する。

下部電極３２上で上部電極３１をスムーズに移動させるには、上部電極３１と下部電極３２の面接触部における摩擦が小さいものを用いる必要がある。本発明者らの試行錯誤の検討の結果、上部電極３１と下部電極３２の面接触部における静止摩擦係数が０．３以下の炭素電極を用いると、下部電極３２上で上部電極３１がスムーズに移動することが判明した。

［実施例１］
図１に示したように、反応炉１０内にシリコン芯線５を鳥居型に組み立て、該鳥居型のシリコン芯線５の両端を共にグラファイト製の一対の芯線ホルダ２０と炭素電極３０とを介してベースプレート１上に配置した一対の金属電極２に固定する。炭素電極３０の一方は、図２に示す型の上部電極３１と下部電極３２とを有する。貫通孔３５の内径は１０ｍｍ、ボルト３６の直径は６ｍｍである。

シリコン芯線５上に９００℃以上１１００℃以下の温度範囲で直径約１２０ｍｍの多結晶シリコン６及び８を気相成長させたところ、上部電極３１は多結晶シリコン棒の間隔が広がる方向に１．５ｍｍ移動していた。Ｕロッドを刈り取りした後に検出された割れの発生は、２箇所であった。

［実施例２］
炭素電極３０の一方として、図３に示す型の上部電極３１と下部電極３２とを有するものを使用した以外は、実施例１と同様の条件で多結晶シリコンを気相成長させた。凹形状３８の内径は８２ｍｍ、凸形状３９の外径は７４ｍｍである。気相成長終了後、上部電極３１は多結晶シリコン棒の間隔が狭くなるとともにＵロッドが外側に反る方向に３．０ｍｍ移動していた。Ｕロッドを刈り取りした後に検出された割れの発生は、２箇所であった。

［比較例１］
炭素電極３０として電極の移動しないものを使用した以外は、実施例１と同様の条件で多結晶シリコンを気相成長させた。Ｕロッドを刈り取りした後に検出された割れの発生は、５箇所であった。

本発明によれば、多結晶シリコン棒の気相成長工程中にあらゆる方位に伸縮しうるＵロッドのひびや割れの発生に対する抑制効果の高い技術を提供することができる。

１ ベースプレート
２ 金属電極
３ ガスノズル
４ 排気口
５ シリコン芯線
５ａ 鉛直方向部分
５ｂ ブリッジ部
６ 多結晶シリコン棒の直胴部
８ 多結晶シリコン棒のブリッジ部
１０ 反応容器
２０ 芯線ホルダ
３０ 炭素電極
３１ 上部電極
３２ 下部電極
３３ 上部電極３１の上面
３４ 上部電極３１の下面
３５ 貫通孔
３６ ボルト
３７ ワッシャ
３８、４２ 凹形状部
３９、４１ 凸形状部
５１、５２、５３ 間隙
１００ 多結晶シリコン棒の製造装置

Claims (5)

1. 多結晶シリコン棒の製造に用いられる炭素電極であって、シリコン芯線への通電用外部電極である金属電極上に固定される下部電極と、該下部電極上に載置された上部電極であって上面側に前記シリコン芯線を保持する芯線ホルダの固定部が設けられた上部電極とからなり、前記上部電極は、前記下部電極の上面との接触面である載置面内で全方位に摺動可能であり、
   前記上部電極は上面から下面に貫通する孔部を備え、該孔部に挿入された棒状の締結部材の下端部は前記下部電極に固定されており、前記孔部の直径は前記棒状締結部材の直胴部の直径よりも大きく、前記孔部内で前記直胴部との間に間隙が設けられていることを特徴とする炭素電極。
2. 前記孔部の直径は前記直胴部の直径よりも１ｍｍ以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の炭素電極。
3. 前記上部電極と前記下部電極はグラファイト製であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素電極。
4. 前記上部電極と前記下部電極の接触面における静止摩擦係数が０．３以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の炭素電極。
5. 鳥居型に組み立てたシリコン芯線の両端に一対の金属電極から電力供給して前記シリコン芯線上に多結晶シリコンを気相成長させる多結晶シリコン棒の製造装置であって、前記シリコン芯線の両端はそれぞれ炭素電極に設けられた固定部により保持され、前記炭素電極の少なくとも一方は請求項１乃至４の何れか１項に記載の炭素電極であることを特徴とする多結晶シリコン棒の製造装置。