JP5434698B2 - 多結晶シリコン製造装置 - Google Patents

Description

本発明は加熱したシリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンのロッドを製造する多結晶シリコン製造装置に関する。

一般に、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ードに接触させ、その表面に原料ガスの熱分解および水素還元によって生じた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、密閉した反応炉の炉底に設置された電極に多数のシリコンシードを立設した多結晶シリコン反応炉が用いられている（特許文献１参照）。

従来、反応炉において、シリコンシードは、上下方向に沿って設けられた２本の棒状のシリコン芯棒と、これらシリコン芯棒の上端部同士を接続する連結部材とによりΠ字状に形成されたシード組立体として固定される。このシード組立体は、電極を通じて電流が供給されてジュール熱が発生することにより、高温に加熱される。

シリコン芯棒は、たとえば、溶融状態のシリコン母材から単結晶を引き上げて細長いシリコン芯棒を作る方法や、クロロシランの反応によって形成されたロッド状の多結晶シリコン母材を切断して細長いシリコン芯棒を作る方法などによって製造される。
前者の方法の場合、比較的真っ直ぐな円柱状のシリコン芯棒が得られるが、単結晶シリコン棒の形成に時間を要するので、生産効率が低い。

一方、後者の方法の場合、高純度の多結晶シリコン母材（ロッド）から切り出すので、高純度のシリコン芯棒が得られる。しかしながら、クロロシランの反応によって形成された多結晶シリコンロッドには、たとえば特許文献２に記載されているように、その製造過程で内部に歪みが形成される場合があるため、切断後のシリコン芯棒が撓むおそれがある。

特開平５−２１３６９７号公報 国際公開第９７／４４２７７号公報

シリコン芯棒は、特許文献１に示されるように、導電体からなる保持部を通じて電力を供給されて発熱する。このため、保持部とシリコン芯棒との間の電気抵抗を小さくして、効率よくシリコンシードを加熱することが求められる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、効率よくシリコンシードを加熱し、高品質のシリコン製品を製造できる多結晶シリコン製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、反応炉内で加熱された上下方向に沿うシリコン芯棒に原料ガスを接触させることにより前記シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコン製造装置であって、前記シリコン芯棒の下端部が挿入される保持孔が形成された導電材からなる芯棒保持部を備え、前記シリコン芯棒が断面多角形状に形成されているとともに、前記芯棒保持部において、前記保持孔は前記上下方向に交差する断面が前記シリコン芯棒に対応する多角形であり、前記芯棒保持部の外面から連通するねじ穴が形成されており、このねじ穴に、前記シリコン芯棒の側面を前記保持孔の内面に押圧する固定ねじが螺合されている。

この発明によれば、シリコン芯棒の側面が芯棒保持部の保持孔の内面に面接触するので、シリコン芯棒と芯棒保持部との電気抵抗が小さく、シリコン芯棒に対して効率よく電力を供給することができる。

この多結晶シリコン製造装置において、前記反応炉は炉底を構成する底板部を備え、前記芯棒保持部は前記底板部に対して前記保持孔を中心として回転可能に支持されていることが好ましい。この場合、芯棒保持部を回転させることによってシリコン芯棒の姿勢を大きく調整することができるので、効果的にシリコン芯棒の変形を矯正することができる。

本発明の多結晶シリコン製造装置によれば、シリコン芯棒に効率よく電力供給できるので、多結晶シリコンを安定して製造することができる。

反応炉のベルジャを一部切欠いた斜視図である。 図１に示す反応炉の概略断面図である。 図２に示す反応炉中の電極ユニットおよびシード組立体を示す図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 芯棒保持部の内面に面接触して固定されるシリコン芯棒を示す縦断面図（ａ）および固定ねじの螺合方向に応じた、芯棒保持部に対するシリコン芯棒の姿勢の変化を示す模式図（ｂ）である。 断面三角形のシリコン芯棒および芯棒保持部を示す断面図である。 断面四角形のシリコン芯棒および芯棒保持部を示す断面図である。 電極ユニットに取り付けられたシリコン芯棒を示す模式図である。 電極ユニットに取り付けられたシード組立体を示す模式図である。 芯棒保持部における支持構造の一例を示す部分断面図である。

以下、本発明の多結晶シリコン製造装置の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１は本発明が適用される多結晶シリコン製造装置の全体図である。多結晶シリコン製造装置の反応炉１０は、炉底を構成する底板部１２と、この底板部１２上に脱着自在に取り付けられた釣鐘形状のベルジャ１４とを具備している。底板部１２の上面はほぼ平坦な水平面に形成される。ベルジャ１４は、全体として釣鐘形状をしていて、天井がドーム型であって、その内部空間は中央部が最も高く外周部が最も低く形成されている。また、底板部１２及びベルジャ１４の壁はジャケット構造（図示略）とされ、冷却水によって冷却される。

底板部１２には、多結晶シリコンの種棒（シード）となるシリコン芯棒２０が取り付けられる電極ユニット３０と、クロロシランガスと水素ガスとを含む原料ガスを炉内に噴出するための噴出ノズル（ガス供給口）１６と、反応後のガスを炉外に排出するためのガス排出口１８とがそれぞれ複数設けられている。

原料ガスの噴出ノズル１６は、各シリコン芯棒２０に対して均一に原料ガスを供給するように、反応炉１０の底板部１２の上面のほぼ全域に分散して適宜の間隔をあけながら複数設置されている。これら噴出ノズル１６は、反応炉１０の外部の原料ガス供給源５０に接続されている。また、ガス排出口１８は、底板部１２の上の外周部付近に周方向に適宜の間隔をあけて複数設置され、外部の排ガス処理系５２に接続されている。電極ユニット３０には、電源回路５４が接続されている。

シリコン芯棒２０は、下端部が電極ユニット３０内に差し込まれた状態に固定され、上方に延びて立設されている。各シリコン芯棒２０の上端部には、二本のシリコン芯棒２０を対として連結する連結部材２２が取り付けられている。この、連結部材２２は、その両端に形成された円筒状の貫通孔２２ａを、各シリコン芯棒２０の上端に形成された円柱状のボス部２０ａに係合させている（図３参照）。この連結部材２２もシリコン芯棒２０と同じシリコンによって形成されている。二本のシリコン芯棒２０とこれらを連結する連結部材２２とによって、全体としてΠ字状をなすシード組立体２４が構成されている。シード組立体２４は、電極ユニット３０が反応炉１０の中心から同心円状に配置されていることにより、全体としてほぼ同心円状に配置されている。

電極ユニット３０についてより具体的には、図２に示すように、反応炉１０内に、１本のシリコン芯棒２０を保持する電極ユニット３０（３０Ａ）と、２本のシリコン芯棒２０を保持する電極ユニット３０（３０Ｂ）とが配設されている。各シード組立体２４は、複数個の電極ユニット３０Ａ，３０Ｂの間をまたぐように複数組設けられている。これら電極ユニット３０Ａ，３０Ｂは、１個の電極ユニット３０Ａ、複数個の電極ユニット３０Ｂ、１個の電極ユニット３０Ａの順に並べられ、複数のシード組立体２４を直列に接続している。つまり、一つのシード組立体２４の両シリコン芯棒２０は、隣接する異なる電極ユニット３０Ａ，３０Ｂによってそれぞれ保持されている。

つまり、電極ユニット３０Ａにはシード組立体２４の２本のシリコン芯棒２０のうちの１本が保持され、電極ユニット３０Ｂには、２組のシード組立体２４のシリコン芯棒２０が１本ずつ保持されている。そして、列の両端の電極ユニット３０Ａに接続された電源ケーブルを通じて、電流が流れるように構成されている。

このように構成される多結晶シリコン製造装置において、各電極ユニット３０からシリコン芯棒２０に通電することにより、シリコン芯棒２０を電気抵抗による発熱状態とする。さらに、各シリコン芯棒２０は、隣接するシリコン芯棒２０からの輻射熱を受けて加熱される。そして、ジュール熱と輻射熱とが相乗して高温状態となったシリコン芯棒２０の表面で、原料ガスが反応して、多結晶シリコンが析出する。

ここで、電極ユニット３０（３０Ａ，３０Ｂ）にシリコン芯棒２０を保持する構造について説明する。
電極ユニット３０Ａは、図３に示すように、反応炉１０の底板部１２に形成された貫通孔１２ａ内に挿入状態に設けられたホルダ部３２と、ホルダ部３２の上部に取り付けられてシリコン芯棒２０を保持する芯棒保持部３４とを備えている。同様に、電極ユニット３０Ｂは、反応炉１０の底板部１２に形成された貫通孔１２ａ内に挿入状態に設けられたホルダ部３３と、ホルダ部３３の上部に取り付けられてシリコン芯棒２０を保持する芯棒保持部３４とを備えている。

芯棒保持部３４は、シリコン芯棒２０が挿入される保持孔３４ａが上端部に形成され、外周面に螺条が形成された略円柱状の部材であり、導電材（たとえばカーボン）から形成されている。ホルダ部３２，ホルダ部３３は、導電材から形成され、その上部には芯棒保持部３４を螺合させる雌ネジ穴３２ａ，３３ａが形成されている。この雌ネジ穴３２ａ，３３ａに螺合した芯棒保持部３４に対して、ナット３５が取り付けられている。

図４に示すように、芯棒保持部３４の保持孔３４ａは、上下方向に対して交差する水平方向の断面が四つの角部を有する矩形である。この保持孔３４ａにおいて対向する２つの角部に、外面から連通するねじ穴３４ｂが保持孔３４ａに直交して形成されている。これら２つのねじ穴３４ｂのうちの一方に、シリコン芯棒２０を固定する固定ねじ３６が螺合されている。固定ねじ３６は芯棒保持部３４と同じくカーボン製であり、その一端部に＋形状または−形状のドライバー工具溝が形成されている。

保持孔３４ａに挿入されるシリコン芯棒２０は、保持孔３４ａよりも小さい略矩形断面を有する棒状部材である。したがって、シリコン芯棒２０は、芯棒保持部３４に対して、保持孔３４ａとの寸法差の範囲で移動可能であり、図４および図５（ａ）に示すように、固定ねじ３６が締め込まれて固定ねじ３６の先端部が芯棒保持部３４の角部（稜線）を押圧することにより、固定ねじ３６に対向する保持孔３４ａの符号Ｆ，Ｇで示す２面に押しつけられて固定され、この２面の接触によってシリコン芯棒２０と芯棒保持部３４とが電気的に導通する。

固定ねじ３６は、いずれのねじ穴３４ｂにも螺合することができ、どちらのねじ穴３４ｂに螺合させるかによって、シリコン芯棒２０の保持位置および姿勢を変更させることができる。固定ねじ３６によるシリコン芯棒２０の押圧方向と保持孔３４ａにおけるシリコン芯棒２０の保持位置および姿勢との関係の一例を模式的に図５（ｂ）に示す。この図に示すように、シリコン芯棒２０が撓んでいる場合、矢印Ａのように右方から固定ねじ３６を締め込むことにより、実線で示すようにシリコン芯棒２０の上端が保持孔３４ａの中心軸から図の左方へとずれることがある。このような場合に、固定ねじ３６を一旦外してもう一方のねじ穴３４ｂに螺合させ、矢印Ｂのように左方から固定ねじ３６を締め込むことにより、鎖線で示すようにシリコン芯棒２０の姿勢を変化させ、保持孔３４ａの中心軸に沿うように調整することができる。

なお、シリコン芯棒２０の断面形状は矩形に限定されず、三角形、六角形、八角形等の多角形状であってもよく、固定ねじに押圧されて、この固定ねじに対向する側面が保持孔の内面に面接触して固定される形状であればよい。たとえば図６に示すように、シリコン芯棒２０の断面形状が三角形である場合、芯棒保持部３４の保持孔３４ｃはシリコン芯棒２０よりも大きな三角形断面を有するように形成される。この保持孔３４ｃの各角部に、芯棒保持部３４の外面から連通するねじ穴３４ｄが形成されている。

このような構造によれば、ねじ穴３４ｄに対向する保持孔３４ｃの内面Ｈにシリコン芯棒２０の側面が押圧されるので、シリコン芯棒２０と芯棒保持部３４とを面接触により低抵抗で導通させることができるとともに、各ねじ穴３４ｄに対して螺合させた各固定ねじ３６をそれぞれどの程度締め込むかに応じて、シリコン芯棒２０の保持位置および姿勢を変化させ、固定することができる。

また、図７に示すように、シリコン芯棒２０の断面形状が矩形である場合に、固定ねじ３６のねじ穴３４ｅを保持孔３４ｆの内面Ｊに対向するように設けてもよい。この場合も、シリコン芯棒２０と芯棒保持部３４とが面接触するので、シリコン芯棒２０と芯棒保持部３４との接触抵抗を抑え、高効率で電力をシリコン芯棒２０に供給することができる。

つぎに、このように構成された芯棒保持部３４を用いて、シリコン芯棒２０を立設する際の作業について説明する。
まず、図８に示すように、連結部材２２によって連結する一対のシリコン芯棒２０の上端が互いに離れるように、各シリコン芯棒２０の向きを調整して芯棒保持部３４に立設する。このようにシリコン芯棒２０を立設すると、連結部材２２を取り付けるだけで、各シリコン芯棒２０の撓みが矯正され、図８に鎖線で示すようにシード組立体２４をほぼ直立させることができる場合もある。この場合、シリコン芯棒２０の側面と芯棒保持部３４の内面とを面接触させるように固定ねじ３６を螺合する。

しかしながら、連結部材２２を取り付けても各シリコン芯棒２０の撓みを矯正しきれず、たとえば図９に鎖線で示すようにシード組立体２４全体が撓んでしまう場合がある。このような場合に、連結部材２２を取り付けたまま、シード組立体２４を構成するシリコン芯棒２０のいずれかまたは両方について、固定ねじ３６を一旦外し、対向するねじ穴３４ｂに螺合させることにより、シリコン芯棒２０の姿勢を変化させ、シード組立体２４をほぼ直立させることができる。

なお、シード組立体２４におけるシリコン芯棒２０は、円柱状のボス部２０ａと貫通孔２２ａとの係合によって連結部材２２に連結されているので、ホルダ部３２，ホルダ部３３に螺合している芯棒保持部３４を回転させることによって、連結部材２２を取り付けたままシリコン芯棒２０を回転させることができる。この場合、連結部材２２で連結された一対のシリコン芯棒２０同士の姿勢が相対的に変化するので、これによりシード組立体２４におけるシリコン芯棒２０の撓み矯正を図ることができる。

以上説明したように、本発明の多結晶シリコン製造装置によれば、芯棒保持部に形成された矩形の保持孔に、シリコン芯棒を固定する固定ねじを螺合させるねじ穴が２カ所以上設けられているので、固定ねじを螺合させるねじ穴を変更することにより、芯棒保持部に対するシリコン芯棒の押圧方向を変化させることができる。これにより、シリコン芯棒（シード組立体）をほぼ直立させ、析出した多結晶シリコンの重量によるシリコン芯棒の破損や、シリコン芯棒間の距離のばらつきによる多結晶シリコンの品質低下を防止できる。すなわち、固定ねじの取り付け位置を変更するという簡易な作業によってシリコン芯棒の撓みを矯正できるので、作業性に優れ、このためシリコン芯棒の組立時の破損の可能性を低減でき、さらに空気に曝される時間を短くできるのでシリコン芯棒の表面汚染も低減でき、したがって高品質の多結晶シリコンを製造できる装置が実現される。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。たとえば、ねじ穴は前記実施形態のように対向する２カ所に限らず、保持孔の角部全て（４カ所）にねじ穴が設けられていてもよい。また、各ねじ穴は、前記実施形態のように同一高さ位置に設けてもよいが、上下にずらして形成してもよい。この場合、シリコン芯棒の押圧方向を複数方向に変更できるので、シリコン芯棒の姿勢の微妙な変更が可能となり、シード組立体を直立させる作業が容易になる。また、前記実施形態ではシリコン芯棒自体に撓みがある場合について説明したが、本発明によれば、シリコン芯棒の保持孔に位置ずれや傾き等がある場合にもシード組立体を直立させることが可能である。

また、前記実施形態の電極ユニット３０Ａにおいては、芯棒保持部３４はホルダ部３２の雌ネジ穴３２ａに螺合してナット３５を取り付けられることにより支持されているが、芯棒保持部の支持構造はこのようなものに限定されない。
たとえば、図１０に示す芯棒保持部４０は、前記実施形態と同様にシリコン芯棒２０が挿入される保持孔４０ａが上部４０ｂに形成されているが、前記実施形態とは異なり外周面に螺条が形成されておらず、下部４０ｃの外径が上部４０ｂの外径よりも大きい段付円柱状に形成さている。なお、保持孔４０ａは前記実施形態の保持孔３４ａと同様の形状であって、シリコン芯棒２０を移動可能に保持している。このため、芯棒保持部４０においても、固定ねじ３６を締め込むねじ穴４０ｄを変えることによって、シリコン芯棒２０の姿勢を変化させることができる。

この芯棒保持部４０を支持するホルダ本体４１は、芯棒保持部４０の下部４０ｃが回転可能な状態で挿入保持される円筒状の保持孔４１ａを有し、外周面には雄ねじが形成されている。この雄ねじに螺合するナット部材４２は、内向きフランジ４２ａを上端部に有している。この内向きフランジ４２ａの中心に形成された貫通孔４２ｂは、芯棒保持部４０の上部４０ｂを通過させるが下部４０ｃを通過させない内径を有している。なお、ホルダ本体４１の保持孔４１ａは、芯棒保持部４０の下部４０ｂの高さよりも深さが小さく、芯棒保持部４０の上端部をホルダ本体４１の上端面から突出させるように形成されている。

つまり、図１０に示す構造によれば、ホルダ本体４１の保持孔４１ａに芯棒保持部４０の下部４０ｃを挿入し、ナット部材４２をホルダ本体４１に締結することにより、芯棒保持部４０を底板部１２に対して回転可能に支持させることができる。

１０ 反応炉
１２ 底板部
１２ａ 貫通孔
１４ ベルジャ
１６ 噴出ノズル（ガス供給口）
１８ ガス排出口
２０ シリコン芯棒
２０ａ ボス部
２２ 連結部材
２２ａ 貫通孔
２４ シード組立体
３０（３０Ａ，３０Ｂ） 電極ユニット
３２ ホルダ部
３３ ホルダ部
３２ａ，３３ａ 雌ネジ穴
３４，４０ 芯棒保持部
３４ａ，３４ｃ，３４ｆ，４０ａ 保持孔
３４ｂ，３４ｄ，３４ｅ，４０ｄ ねじ穴
３５ ナット
３６ 固定ねじ
４０ｂ 上部
４０ｃ 下部
４１ ホルダ本体
４１ａ 保持孔
４２ ナット部材
４２ａ 内向きフランジ
４２ｂ 貫通孔
５０ 原料ガス供給源
５２ 排ガス処理系
５４ 電源回路
Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｊ 内面

Claims (2)

1. 反応炉内で加熱された上下方向に沿うシリコン芯棒に原料ガスを接触させることにより前記シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコン製造装置であって、
   前記シリコン芯棒の下端部が挿入される保持孔が形成された導電材からなる芯棒保持部を備え、
   前記シリコン芯棒が断面多角形状に形成されているとともに、前記芯棒保持部において、前記保持孔は前記上下方向に交差する断面が前記シリコン芯棒に対応する多角形であり、前記芯棒保持部の外面から連通するねじ穴が形成されており、このねじ穴に、前記シリコン芯棒の側面を前記保持孔の内面に押圧する固定ねじが螺合されていることを特徴とする多結晶シリコン製造装置。
2. 前記反応炉は炉底を構成する底板部を備え、
   前記芯棒保持部は、前記底板部に対して、前記保持孔を中心として回転可能に支持されてい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装置。

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