JP5428420B2

JP5428420B2 - 多結晶シリコン反応炉

Info

Publication number: JP5428420B2
Application number: JP2009062559A
Authority: JP
Inventors: 俊秀遠藤; 昌之手計; 敏由記石井; 昌晃坂口
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: EP2108619A2; JP2013151426A; JP2009256191A; JP5648704B2; JP5854113B2; KR101577452B1; KR20090101098A; EP2108619B1; JP2016033112A; US20090238992A1; JP2015044741A; EP2108619A3; CN101538042B; US8703248B2; JP6004076B2; CN101538042A

Description

本発明は、シーメンス法によって多結晶シリコンを製造する際に用いられる多結晶シリコン反応炉に関する。

半導体材料となる高純度の多結晶シリコンの製造方法として、シーメンス法が知られている。シーメンス法は、クロロシランと水素との混合ガスからなる原料ガスを、加熱したシリコン芯棒（シード）に接触させ、その表面に原料ガスの反応によって多結晶シリコンを析出させる製造方法である。この製造方法を実施する装置として、密閉した反応炉に多数のシリコン芯棒を立設した多結晶シリコン反応炉が用いられている。一般にこのシリコン芯棒は、上端で連結部材により連結され、全体としてΠ字状に形成されており、その両下端部が反応炉の炉底に設置された電極に固定されている。

そして、この両端に位置する電極からシリコン芯棒全体に通電し、そのジュール熱によってシリコン芯棒全体を原料ガスの加熱分解温度である、例えば１０５０℃から１１００℃程度に加熱する。炉内に供給された原料ガスは、このように加熱されたシリコン芯棒の表面に接触して熱分解または水素還元され、シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンが析出される。この反応が連続して進行することによって棒状多結晶シリコンに成長する（例えば、特許文献１参照）。

特許第２８６７３０６号公報

ところで、炉内でトリクロロシランなどのクロロシラン類の原料ガスが反応してシリコン芯棒表面に多結晶シリコンが析出される過程においては、反応を継続することによって、電極に析出した多結晶シリコンの重量は数十ｋｇにも達する。このため、自重によって電極から剥がれ落ちることもあり、反応炉の炉底に損傷を与える他、剥がれ落ちた多結晶シリコンが電極と炉底との間を短絡させること等により反応の継続に障害を及ぼすことがあった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、シリコン芯棒を保持する電極の表面に析出した多結晶シリコンが、ロッドの自重を支えるとともに、シリコン芯棒から剥がれ落ちることを防止することができる多結晶シリコン反応炉を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、この発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係る多結晶シリコン反応炉は、炉内に設けたシリコン芯棒を通電加熱し、炉内に供給した原料ガスを反応させて、前記シリコン芯棒表面に多結晶シリコンを生成させる多結晶シリコン反応炉であって、炉の底板部に、該底板部に対して電気絶縁状態に設けた電極ホルダと、該電極ホルダに連結され、前記シリコン芯棒を上方に向けて保持する芯棒保持電極とを備え、前記芯棒保持電極の外周面に炉内雰囲気に露呈する凹凸部が設けられ、前記芯棒保持電極の上端部には、上方に向かって縮径するテーパ部が設けられ、該テーパ部のテーパ角度が７０°以上１３０°以下であることを特徴としている。

芯棒保持電極に凹凸部が形成されたことによって、芯棒保持電極の外周側面の表面積は凹凸部がない場合に比べて大きなものとなっていることから、芯棒保持電極と多結晶シリコンとの接着面を増大させることができ、より強固に芯棒保持電極と多結晶シリコンとを接着させ、多結晶シリコンが芯棒保持電極から剥がれ落ちることを効果的に抑制することができる。

芯棒保持電極の上端部に形成されたテーパ部のテーパ角度が７０°未満の場合には、上方に向けて細く尖った形状をしており、芯棒保持電極を流れる電流によって発生するジュール熱によりこのテーパ部が高温になる。このため、この熱が芯棒保持電極の雄ネジ部の下方にまで伝わり、多結晶シリコンが芯棒保持電極の上下に渡って析出しやすくなり、芯棒保持電極と多結晶シリコンとの接着面が大きくなる。しかしながら、テーパ部の傾斜が急勾配であることから、芯棒保持電極自体の強度が低下してしまうため、反応プロセス中に電極先端部が破損するなどの問題を生じる。

また、テーパ部のテーパ角度が１３０°を超える場合には、テーパ角が小さい場合のように高温とはならないため、芯棒保持電極の先端より下方の部分においては多結晶シリコンが成長しにくくなる。芯棒保持電極と多結晶シリコンの接着面は小さくなり、析出した多結晶シリコンロッドの自重をその少ない面積で保持しなければならないため、結晶成長中に折れなどの問題が生じる。その一方で、傾斜が急勾配とはされていないため、テーパ部に析出する多結晶シリコンはずり落ちにくくなる。

本発明においては、これらを勘案して、芯棒保持電極のテーパ部のテーパ角度が７０°以上１３０°以下に設定されていることによって、芯棒保持電極を高温に保つことができ、芯棒保持電極の外周側面の全域において多結晶シリコンを析出し易くさせる一方で、傾斜が必要以上に急勾配とされていないため、テーパ部に析出した多結晶シリコンが剥離することはない。従って、芯棒保持電極の全域に効果的に多結晶シリコンを析出させながら、多結晶シリコンを芯棒保持電極に確実に保持させることが可能となる。

本発明に係る多結晶シリコン製造方法は、炉内に設けたシリコン芯棒を通電加熱し、炉内に供給した原料ガスを反応させて、前記シリコン芯棒表面に多結晶シリコンを生成させる多結晶シリコン製造方法であって、前記シリコン芯棒を上方に向けて保持する芯棒保持電極の外周面に、炉内雰囲気に露呈する凹凸部を設けるとともに、前記芯棒保持電極の上端部には、上方に向かって縮径するテーパ部を設け、該テーパ部のテーパ角度を７０°以上１３０°以下としておき、この芯棒保持電極を保持する電極ホルダを、炉の底板部に対して電気絶縁状態に設け、前記芯棒保持電極の前記凹凸部にも多結晶シリコンが付着するように、前記シリコン芯棒に多結晶シリコンを析出させることを特徴としている。

芯棒保持電極に凹凸部を設けることにより、多結晶シリコンを芯棒保持電極にしっかりと付着させることができるので、長時間の反応時間でも多結晶シリコンの下端部付近のクラックや剥離の発生を抑制でき、多結晶シリコンを安定して製造することができる。

本発明に係る多結晶シリコン反応炉および多結晶シリコン製造方法によれば、多結晶シリコン反応炉に設置された電極の芯棒保持電極の外周側面全域に凹凸部を設けることによって、芯棒保持電極に析出する多結晶シリコンが、芯棒保持電極から剥がれ落ちることを防止することができる。

第一の実施形態に係る多結晶シリコン反応炉の概略模式図である。第一の実施形態に係る電極の側断面図である。第二の実施形態に係る電極の側断面図である。析出した多結晶シリコンに発生する剥離およびクラックを示す断面模式図である。

以下、本発明の第一の実施の形態である多結晶シリコン反応炉および多結晶シリコン製造方法について図面を参照して説明する。図１は第一の実施形態に係る多結晶シリコン反応炉の概略模式図、図２は第一の実施形態に係る多結晶シリコン反応炉の電極の縦断面図である。

本実施形態に係る多結晶シリコン反応炉１は、図１に示すように、円形に設置された炉底２の上方全域を覆うようにして釣鐘状の形状を有するベルジャ３が設けられており、炉底２及びベルジャ３によって多結晶シリコン反応炉１の内部は密封されている。このように密封された内部には、上端で連結されてほぼΠ字状の形状であって、生成される多結晶シリコンの核となるシリコン芯棒（シード）４が複数本立設されている。シリコン芯棒４の両基端部は、炉底２の電極５に支持されている。

また、炉底２には、多結晶シリコン反応炉１内部のシリコン芯棒４に向かって、クロロシランと水素との混合ガスからなる原料ガスを供給する原料ガス供給口６が設けられている。この原料ガス供給口６は、複数のシリコン芯棒４に対して均一に原料ガスを供給することができるように、適宜間隔を空けながら複数が配置されている。これら原料ガス供給口６は、図示しない原料ガス供給管路に接続されている。原料ガス供給管路は流量調整弁を介して原料ガスの供給源に通じている。従って、原料ガスは、流量調整弁によりその供給量が調整されながら、原料ガス供給管路を経て原料ガス供給口６に送出され、多結晶シリコン反応炉１内部に供給される。

さらに、炉底２には、原料ガス供給口６から供給された原料ガスがシリコン芯棒４と反応した後のガスを排出するための排気口７が設けられている。この排気口７も、反応後のガスを均等に排出することができるよう、適宜間隔を空けながら複数が配置されている。

以下、上記のような構成からなる多結晶シリコン反応炉１における電極５についてさらに詳細に説明する。
図２に示すように電極５は概略多段円柱状の形状を有し、その最下部には、図示しない電源から直接的に電流が通電される電極ホルダ１０が位置している。
この電極ホルダ１０は、ステンレス・ハステロイ（登録商標）等の耐食性材料からなる略円柱形状を有し、多結晶シリコン反応炉１の炉底２を貫通するように配設されている。
電極ホルダ１０の外周側面１０ａと炉底２の貫通穴の内壁面２ａとの間には、略筒状をなす絶縁材１３が、上記電極ホルダ１０の外周側面１０ａに外嵌されるようにして設けられている。また、この電極ホルダ１０には、絶縁材１３の上端面と接触する張り出し部１０ｃが形成されており、張り出し部１０ｃのさらに上部には第一雄ネジ部１０ｂが形成されている。
なお、炉底２の貫通穴の周囲には、炉底２の表面から一段低くされるようにして、電極ホルダ１０及び貫通孔と同一の中心を有する円形の窪部２ｂが設けられている。

上記電極ホルダ１０の上部には、雌ネジ部材１２が配設されている。この雌ネジ部材１２は外径略円柱状をなしており、その下端面には有底状の第一雌ネジ孔１２ａが、その上端面には同じく有底状の第二雌ネジ孔１２ｂがそれぞれ開口されている。
そして、第一雌ネジ孔１２ａが電極ホルダ１０の第一雄ネジ部１０ｂと螺合することによって、雌ネジ部材１２と電極ホルダ１０とが中心軸線を一致させられて強固に固定一体化されている。

そして、上記雌ネジ部材１２の上側には、その上端部にシリコン芯棒４を保持する芯棒保持電極１５が固定されている。
この芯棒保持電極１５はカーボン等からなる略円柱形状をなしており、その外周側面全域には第二雄ネジ部（凹凸部）１５ｂが形成されている。また、芯棒保持電極１５の上端側には、端部に向かうほど縮径するテーパ部１５ａが形成されている。
そして、上記第二雄ネジ部１５ｂの下端側が、雌ネジ部材１２の第二雌ネジ孔１２ｂに螺合することによって、芯棒保持電極１５が雌ネジ部材１２と強固に固定一体化されている。
なお、本実施形態においては、テーパ部１５ａのテーパ角度θは７０°以上１３０°以下に設定されている。

また、このように芯棒保持電極１５が雌ネジ部材１２に固定された状態では、芯棒保持電極１５の第二雄ネジ部１５ｂの下端側一部のみが雌ネジ部材１２の第二雌ネジ孔１２ｂに挿入、螺合されているため、芯棒保持電極１５の大部分は雌ネジ部材１２の上方から突出されており、その外周側面には第二雄ネジ部１５ｂが露呈している。

さらに、この芯棒保持電極１５のテーパ部１５ａの先端には、一定深さの開口部１５ｃが開口されており、開口部１５ｃにシリコン芯棒４の一端が保持されている。なお、テーパ部１５ａの側方に設けられたネジ孔から止めネジ１６が嵌挿されており、止めネジ１６によって、シリコン芯棒４は側方から押圧されて芯棒保持電極１５に強固に保持されている。

そして、雌ネジ部材１２の上側には、雌ネジ部材１２と内径を同一とした円筒形状のロックナット１７が装着され、芯棒保持電極１５を固定している。

上記のような電極５においては、芯棒保持電極１５に通電された電流によって、シリコン芯棒４が通電加熱され、多結晶シリコンの生成反応が行われる。なお、これら雌ネジ部材１２及び芯棒保持電極１５は全てカーボンで構成されているため炉内の汚染は抑制される。
また、芯棒保持電極１５の第二雄ネジ部１５ｂが雌ネジ部材１２の第二雌ネジ孔１２ｂに螺合されることにより強固に固定されているため、芯棒保持電極１５が雌ネジ部材１２から不用意に抜けることはない。

そして、芯棒保持電極１５に第二雄ネジ部１５ｂによる凹凸部が形成されたことによって、芯棒保持電極１５の外周側面の表面積は凹凸部がない場合に比べて大きなものとなっている。このことから、芯棒保持電極１５と多結晶シリコンとの接着面を増大させることができ、より強固に芯棒保持電極１５と多結晶シリコンとを接着させ、多結晶シリコンが芯棒保持電極１５から剥がれ落ちることを効果的に抑制することができる。

ここで、芯棒保持電極１５の上端部に形成されたテーパ部１５ａのテーパ角度θが７０°未満の場合には、上方に向けて細く尖った形状をしており、芯棒保持電極１５を流れる電流により発生するジュール熱によりテーパ部１５ａが高温になる。このため、この熱が芯棒保持電極１５の雄ネジ部１５ｂの下方にまで伝わり、多結晶シリコンが芯棒保持電極１５の上下に渡って析出しやすくなり、芯棒保持電極１５と多結晶シリコンとの接着面が大きくなる。その一方で、テーパ部１５ａの傾斜が急勾配であるため、テーパ部１５ａに析出した多結晶シリコンは剥離し易くなってしまう。

また、テーパ部１５ａのテーパ角度θが１３０°を超える場合には、テーパ角度θが小さい場合に比べて高温とはならないため、芯棒保持電極１５の下方においては多結晶シリコンが成長しにくくなり、芯棒保持電極１５と多結晶シリコンの接着面は小さくなる。また、芯棒保持電極１５と多結晶シリコンとの接着面が小さくなるため、より小さい面積で多結晶シリコンを保持しなければならず、反応中や反応終了後の冷却中に、芯棒保持電極１５近傍でクラックが生じやすくなる。

これらを勘案して、本実施形態における多結晶シリコン反応炉１においては、芯棒保持電極１５のテーパ部１５ａのテーパ角度θが７０°以上１３０°以下に設定されているため、芯棒保持電極１５を高温に保ち、芯棒保持電極１５の外周側面に形成された雄ネジ部１５ｂの全域において多結晶シリコンを析出しやすくさせる一方で、傾斜が必要以上に急勾配とされていないため、テーパ部１５ａに析出した多結晶シリコンが剥離することはない。従って、芯棒保持電極１５の全域に効果的に多結晶シリコンを析出させながら、多結晶シリコンを芯棒保持電極１５に確実に保持させることが可能となる。

本発明の製造方法は、原料ガスとしてトリクロロシランおよび水素を炉内に供給し、この原料ガスを種棒となるシリコン芯棒４上で反応させて多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコンの製造方法である。シリコン芯棒４は、外周面に凹凸部１５ｂを設けた芯棒保持電極１５により支持されている。芯棒保持電極１５を備える電極ホルダ１０は、底板部（炉底）２に設けられ、この炉底２からは電気絶縁されている。図４に示すように、析出した多結晶シリコンＳは、シリコン芯棒４だけでなく芯棒保持電極１５の凹凸部１５ｂにまで付着する。このように芯棒保持電極１５の凹凸部１５ｂに多結晶シリコンＳがしっかりと付着しているので、長時間の反応時間でも多結晶シリコンＳの下端部付近のクラックが少なくなり、剥離も抑制される。結果として多結晶シリコンを安定して製造することが可能となる。

ここで、テーパ部１５ａのテーパ角度θの大きさが異なる芯棒保持電極１５を用いた実施例１〜４、比較例１，２、および外周面に凹凸部が形成されていない芯棒保持電極を用いた比較例３において、図４に示すように析出した多結晶シリコンＳに発生したクラックＣおよび剥離Ｂの割合について説明する。各実施例および比較例においては、いずれも多結晶シリコン反応炉１を用いて、表１に示す製造条件で多結晶シリコンＳを析出させた。そして、芯棒保持電極１５付近での多結晶シリコンＳの付着状況を観察し、剥離ＢおよびクラックＣの発生の有無を確認した。各実施例および比較例における多結晶シリコンＳの剥離ＢおよびクラックＣの発生割合を表２に示す。

表２に示すように、テーパ部１５ａの角度θを７０°〜１３０°とした実施例１〜４と比較して、テーパ部１５ａの角度θを５０°とした比較例１では、クラック発生割合および剥離発生割合が高かった。また、テーパ部１５ａの角度を１５０°とした比較例２では、剥離発生割合は比較的低いものの、クラック発生割合が高かった。この結果から、テーパ部１５ａの好ましい角度は７０°〜１３０°であることが確認できた。

また、外周面に凹凸部が設けられていない芯棒保持電極を用いた比較例３では、クラックおよび剥離の発生割合が高かった。この結果から、クラックおよび剥離の発生を防止するために、凹凸部を設けることが効果的であることが確認できた。

次に、本発明の第二の実施の形態における電極２０について図面を参照して説明する。図３は第二の実施形態に係る多結晶シリコン反応炉の電極２０の縦断面図である。本実施形態の電極２０は、第一の実施形態における電極５が単一のシリコン芯棒４を支持しているのに対し、二つのシリコン芯棒４を支持するいわゆるダブルホルダー型の電極２０である点で第一の実施形態とは相違する。
なお、図３においては、図２に示した第一の実施形態と同様の構成要素については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

電極ホルダ３０は、ステンレス・ハステロイ（登録商標）等の耐食性材料から構成されており、鉛直方向に延びる立設部３１と、立設部３１の上端部において立設部３１の水平方向に延びる支持部３２とを有し、全体として側面視Ｔ字状をなしている。

立設部３１は、多結晶シリコン反応炉１の炉底２を貫通するように配設され、その最下端において電源から直接的に通電されるようになっている。
立設部３１の外周側面３１ａと炉底２の貫通穴の内壁面２ａとの間には、略筒状をなす絶縁材１３が、上記電極ホルダ３０の外周側面３１ａに外嵌されるようにして設けられている。また、この立設部３１には、絶縁材１３の上端面と接触する張り出し部３１ｂが形成されている。

上記支持部３２の長手方向両端部付近には、それぞれ鉛直方向に貫通する雌ネジ孔３２ａが開口されている。そして、それぞれの雌ネジ孔３２ａに挿入、螺合されるようにして、芯棒保持電極１５の第二雄ネジ部１５ｂが固定されている。これによって支持部３２上方には、一対の芯棒保持電極１５が水平方向に一定間隔を空けて平行に配設されている。

そして、第一の実施形態と同様に、芯棒保持電極１５にはロックナット１７が装着され、芯棒保持電極１５を支持部３２に強固に固定している。

このような第二の実施形態の電極２０においても、第一の実施形態の電極５と同様の作用・効果を奏する。また、電極ホルダ３０がＴ字状に形成され二つの芯棒保持電極１５を支持することができるため、炉内のスペースを有効活用して効率よくシリコン芯棒４を設置することが可能となる。

以上、本発明である多結晶シリコン反応炉および多結晶シリコン製造方法の実施形態ついて説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。たとえば、芯棒保持電極のテーパ部は、前記実施形態では平滑な円錐面としたが、第二雄ネジ部１５ｂと同様の凹凸形状が設けられていてもよい。また、凹凸部は、前記実施形態の第二雄ネジ部１５ｂのような三角ネジ状に限らず、矩形、波状の曲線等によって形成された凹凸形状であってもよい。

１多結晶シリコン反応炉
２炉底（底板部）
４シリコン芯棒
５電極
１０電極ホルダ
１５芯棒保持電極
１５ａテーパ部
１５ｂ第二雄ネジ部（凹凸部）
θ テーパ角度
２０電極
３０電極ホルダ
Ｂ剥離
Ｃクラック
Ｓ多結晶シリコン

Claims

炉内に設けたシリコン芯棒を通電加熱し、炉内に供給した原料ガスを反応させて、前記シリコン芯棒表面に多結晶シリコンを生成させる多結晶シリコン反応炉であって、
炉の底板部に、該底板部に対して電気絶縁状態に設けた電極ホルダと、
該電極ホルダに連結され、前記シリコン芯棒を上方に向けて保持する芯棒保持電極とを備え、
前記芯棒保持電極の外周面に炉内雰囲気に露呈する凹凸部が設けられ、前記芯棒保持電極の上端部には、上方に向かって縮径するテーパ部が設けられ、該テーパ部のテーパ角度が７０°以上１３０°以下であることを特徴とする多結晶シリコン反応炉。
炉内に設けたシリコン芯棒を通電加熱し、炉内に供給した原料ガスを反応させて、前記シリコン芯棒表面に多結晶シリコンを生成させる多結晶シリコン製造方法であって、
前記シリコン芯棒を上方に向けて保持する芯棒保持電極の外周面に、炉内雰囲気に露呈する凹凸部を設けるとともに、前記芯棒保持電極の上端部には、上方に向かって縮径するテーパ部を設け、該テーパ部のテーパ角度を７０°以上１３０°以下としておき、
この芯棒保持電極を保持する電極ホルダを、炉の底板部に対して電気絶縁状態に設け、
前記芯棒保持電極の前記凹凸部にも多結晶シリコンが付着するように、前記シリコン芯棒に多結晶シリコンを析出させることを特徴とする多結晶シリコン製造方法。