JP5633174B2 - 多結晶シリコンロッド - Google Patents

Description

本発明は、多結晶シリコンロッドに関する。

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ある。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に接触させ、その表面に原料ガスの加熱分解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り、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還元炉が用いられている。一般にこのシリコン芯棒は、逆Ｕ字状に形成されており、その両端が反応炉の炉底に設置された電極に固定されている。操業時には、この両端に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（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１３９８９１号公報（図１）

しかしながら、上記従来の多結晶シリコン還元炉には、以下の課題がある。すなわち、上記従来の多結晶シリコン還元炉は、原料ガスを導入する導入口から原料ガスを吹き付けるとこの原料ガスによってシリコン芯棒が冷却されるが、導入口がシリコン芯棒の周囲に偏って配置されているため、シリコン芯棒の表面温度分布に偏りが生じてしまう。ここで、シリコン芯棒及びシリコン芯棒に析出される多結晶シリコンによって構成される多結晶シリコンロッドは温度が高くなるにしたがってその抵抗が小さくなるので、多結晶シリコンロッド内を流れる電流が、温度の高いほうにより流れ易くなる。そして、ジュール熱は流れる電流量の大きいほうにより発生するので、多結晶シリコンロッドの表面温度分布の格差がより顕著になる。

また、多結晶シリコンは、シリコン芯棒の表面温度が高いほどより析出し易くなる。これにより、シリコン芯棒の表面温度分布に偏りが生じると、析出される多結晶シリコンがシリコン芯棒の周方向に均一に析出しなくなる。したがって、周方向で均等に多結晶シリコンが析出されずにソリが発生した多結晶シリコンロッドとなる。
さらに、多結晶シリコンロッドの温度がある閾値を超えると、表面に析出される多結晶シリコンがさらに大きな結晶粒となって成長する。したがって、いわゆるポップコーンのような表面形状不良が生じる。このような表面形状不良によって、多結晶シリコンロッドの表面積が増大するので、不純物が付着しやすくなる。
以上より、多結晶シリコンがシリコン芯棒の表面に周方向で均一に析出されないだけでなく、表面形状不良や凹みなどを発生させるという問題がある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、表面形状不良やソリがないように多結晶シリコンを析出することが容易な多結晶シリコンロッドを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の多結晶シリコンロッドは、シリコン芯棒と、該シリコン芯棒の周面に成長した多結晶シリコン層とを備える多結晶シリコンロッドにおいて、前記多結晶シリコン層の表面に形成された結晶粒径が他の箇所よりも小さな箇所が複数あり、前記結晶粒径の小さな箇所が、前記シリコン芯棒に対して、下記の条件（１）及び（２）のいずれか一方を満たすように配置されていることを特徴とする。（１）前記結晶粒径の小さな箇所が前記多結晶シリコン層の表面に２箇所形成されている場合、該２箇所と前記シリコン芯棒の中心とのなす角度が、１３５°以上である。（２）前記結晶粒径の小さな箇所が前記多結晶シリコン層の表面にＮ箇所（Ｎ≧３）である場合、該Ｎ箇所のいずれか２箇所と前記シリコン芯棒の中心とのなす角度が、１６０°以上である。
この発明によれば、結晶粒径の小さな箇所がシリコン層の表面に２箇所形成されている場合、２箇所とシリコン芯棒の中心とのなす角度を１３５°以上とすることで、表面形状不良や凹みなどが抑制された多結晶シリコンロッドとすることができる。また、結晶粒径の小さな箇所がＮ箇所（Ｎ≧３）である場合、Ｎ箇所のいずれか２箇所とシリコン芯棒の中心とのなす角度を１６０°以上することで、表面形状不良や凹みなどが抑制された多結晶シリコンロッドとすることができる。
このように、多結晶シリコンロッドは、表面形状不良や凹みなどが抑制されているので、表面に不純物が吸着しにくくなる。したがって、この多結晶シリコンロッドを用いて高純度な単結晶シリコンを製造することができる。
なお、本明細書において、「結晶粒径が小さい」とは、周囲の結晶粒径と比較して９０％以下の大きさであることを示している。

また、本発明の多結晶シリコンロッドは、シリコン芯棒と、該シリコン芯棒の周面に成長した多結晶シリコン層とを備える多結晶シリコンロッドにおいて、前記シリコン芯棒と、前記多結晶シリコン層の表面との距離が他の箇所よりも小さな箇所が複数あり、前記距離の小さな箇所が、前記シリコン芯棒に対して、下記の条件（３）及び（４）のいずれか一方を満たすように配置されていることを特徴とする。（３）前記距離の小さな箇所が前記多結晶シリコン層の表面に２箇所形成されている場合、該２箇所と前記シリコン芯棒の中心とのなす角度が、１３５°以上である。（４）前記距離の小さな箇所が前記多結晶シリコン層の表面にＮ箇所（Ｎ≧３）である場合、該Ｎ箇所のいずれか２箇所と前記シリコン芯棒の中心とのなす角度が、１６０°以上である。
この発明によれば、距離の小さな箇所がシリコン層の表面に２箇所形成されている場合、２箇所とシリコン芯棒の中心とのなす角度を１３５°以上とすることで、表面形状不良や凹みなどが抑制された多結晶シリコンロッドとすることができる。また、距離の小さな箇所がＮ箇所（Ｎ≧３）である場合、Ｎ箇所のいずれか２箇所とシリコン芯棒の中心とのなす角度を１６０°以上することで、表面形状不良や凹みなどが抑制された多結晶シリコンロッドとすることができる。
したがって、上述と同様に、この多結晶シリコンロッドを用いて高純度な単結晶シリコンを製造することができる。

本発明の多結晶シリコンロッドによれば、表面形状不良や凹み、ソリなどの発生がなく、不純物の吸着が抑制される。

本発明の一実施形態における多結晶シリコン還元炉の部分切欠斜視図である。 図１の多結晶シリコン還元炉の縦断面図である。 図１の炉底を示す平面図である。 図３のシリコン芯棒と導入口との配置を示す部分拡大図である。

以下、本発明による多結晶シリコン還元炉の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態における多結晶シリコン還元炉（以下、還元炉と省略する）１は、図１及び図２に示すように、炉台１１と、釣鐘形状を有して炉台１１を覆うベルジャ１２とを備えている。
炉台１１には、図１から図３に示すように、シリコン芯棒１３を保持する電極１４、原料ガスを還元炉１の内部に導入する導入口１５及び反応後のガスを還元炉１の外部に排出する排気口１６が複数設けられている。

シリコン芯棒１３は、上端で連結されてほぼ逆Ｕ字状に形成されており、電極１４に保持されている。そして、図３に示すように、３対のシリコン芯棒１３によって第１シリコン芯棒群２１が構成され、同様に６対のシリコン芯棒１３によって第２シリコン芯棒群２２が、８対のシリコン芯棒１３によって第３シリコン芯棒群２３がそれぞれ構成される。
第１から第３シリコン芯棒群２１〜２３を構成するシリコン芯棒１３は、それぞれ同心円状に周方向に等間隔で配置されている。

導入口１５は、炉台１１に１８箇所設けられており、第１シリコン芯棒群２１と第２シリコン芯棒群２２との間に配置された６箇所の導入口１５により第１導入口群２５が構成され、第２シリコン芯棒群２２と第３シリコン芯棒群２３との間とに配置された１２箇所の導入口１５により第２導入口群２６が構成される。
第１導入口群２５を構成する導入口１５は、それぞれ第１から第３シリコン芯棒群２１〜２３と共に同心円状に周方向に等間隔で配置されている。
また、第２導入口群２６を構成する導入口１５は、それぞれ第１導入口群２５と共に同心円状であって、周方向において１つおきに配置されたもの同士が周方向で等間隔となるように配置されている。

ここで、図３及び図４に示すように、シリコン芯棒１３と導入口１５とは、以下のように配置されている。
すなわち、図４（ａ）に示すように、第１シリコン芯棒群２１を構成するシリコン芯棒１３と、このシリコン芯棒１３と隣接して配置された第１導入口群２５を構成する導入口１５のうちの２箇所との間において、導入口１５ａの中心とシリコン芯棒１３ａの中心と導入口１５ｂの中心とのなす角度θ１が１３５°以上となるように配置されている。
なお、第１シリコン芯棒群２１を構成するシリコン芯棒１３及び第１導入口群２５を構成する導入口１５は、共に周方向に等間隔で配置されている。したがって、第１シリコン芯棒群２１を構成する他のシリコン芯棒１３においても、図４（ａ）と同様の配置となる。
ここで、本明細書において、「隣接する」とは、対象となるシリコン芯棒に対して、周囲のシリコン芯棒のうちで最近接のシリコン芯棒との距離よりも内側に存在していることを示している。

また、図４（ｂ）に示すように、第２シリコン芯棒群２２を構成するシリコン芯棒１３と、このシリコン芯棒１３と隣接して配置された第１または第２導入口群２５、２６を構成する導入口１５のうちの２箇所との間において、導入口１５ａの中心とシリコン芯棒１３ｂの中心と導入口１５ｃの中心とのなす角度θ２と、導入口１５ｃの中心とシリコン芯棒１３ｂの中心と導入口１５ｄの中心とのなす角度θ３と、導入口１５ｄの中心とシリコン芯棒１３ｂの中心と導入口１５ａの中心とのなす角度θ４とが、すべて８０°以上１６０°以下となるように配置されている。

また、図４（ｃ）に示すように、第２シリコン芯棒群２２を構成するシリコン芯棒１３と、このシリコン芯棒１３と隣接して配置された第１または第２導入口群２５、２６を構成する導入口１５のうちの２箇所との間において、導入口１５ｂの中心とシリコン芯棒１３ｃの中心と導入口１５ｄの中心とのなす角度θ５と、導入口１５ｄの中心とシリコン芯棒１３ｃの中心と導入口１５ｅの中心とのなす角度θ６と、導入口１５ｅの中心とシリコン芯棒１３の中心と導入口１５ｂの中心とのなす角度θ７とのうちの角度θ７が、１６０°以上となるように配置されている。
なお、第２シリコン芯棒群２２を構成するシリコン芯棒１３及び第１導入口群２５を構成する導入口１５は、周方向に等間隔で配置され、第２導入口群２６を構成する導入口１５は、周方向で１つおきに等間隔で配置されている。したがって、第２シリコン芯棒群２２を構成する他のシリコン芯棒１３においても、図４（ｂ）あるいは図４（ｃ）と同様の配置となる。

以上より、第１及び第２シリコン芯棒群２１、２２を構成するシリコン芯棒１３は、以下の条件式（Ａ）〜（Ｃ）のうちの少なくとも１つを満足するように配置されている。
（Ａ）シリコン芯棒１３に隣接する導入口１５が２箇所の場合、この２箇所の導入口１５の各中心とシリコン芯棒１３の中心とのなす角度が、１３５°以上である。
（Ｂ）シリコン芯棒１３に隣接する導入口１５が３箇所の場合、この３箇所の導入口１５のうちのいずれか２箇所の導入口１５の各中心とシリコン芯棒１３の中心とのなす角度が、１６０°以上である。
（Ｃ）シリコン芯棒１３に隣接する導入口１５が３箇所の場合、この３箇所の導入口１５のうちの互いに隣り合う２箇所の導入口１５の各中心とシリコン芯棒１３の中心とのなす角度が、どの組み合わせにおいても８０°以上１６０°以下となっている。このようにすることで、なす角度が均等でなくても、なす角度の違いが−４０°〜４０°の範囲であれば、同様の効果を得ることができる。

排気口１６は、炉台１１に６箇所設けられており、第３シリコン芯棒群２３の外周に、周方向に等間隔でシリコン芯棒１３と同心円状となるように配置されている。
そして、ベルジャ１２の外周には、熱損傷を防止するための水冷ジャケットなどの冷却手段（図示略）が設けられている。

以上のように構成された還元炉１を用いた多結晶シリコンロッドの製造方法について説明する。
まず、電極１４に電流を流し、シリコン芯棒１３を通電させることでジュール熱を発生させてシリコン芯棒を１１００℃まで加熱する。そして、導入口１５から１１Ｎ（９９．９９９９９９９９９％）の純度を有するトリクロロシラン（ＴＣＳ：ＳｉＨＣｌ_３）と水素との混合気体である原料ガスを導入する。
導入された原料ガスは、過熱したシリコン芯棒１３に接触することで加熱分解され、シリコン芯棒１３の表面に多結晶シリコンが析出することで多結晶シリコン層２７を形成し、次第に太く成長して直径数十センチの多結晶シリコンロッド２８になる。ここで、各シリコン芯棒１３に対して導入口１５から導入される原料ガスが、シリコン芯棒１３の周囲に均等に吹き付ける。なお、反応後のガスは、排気口１６から外部に排気される。以上のようにして、多結晶シリコンロッド２８を製造する。

なお、多結晶シリコン層２７において、導入口１５と近接する箇所は、導入口１５と近接しない箇所に比べ、その表面の結晶粒径が小さくなっている。ここで、シリコン芯棒１３と導入口１５とが、上述した（Ａ）〜（Ｃ）のうちの少なくとも１つを満足するように配置されているので、多結晶シリコン層２７も以下に示す（Ｄ）〜（Ｆ）のうちの少なくとも１つを満足するように形成される。
（Ｄ）結晶粒径の小さな箇所が多結晶シリコン層２７の表面に２箇所形成されている場合、２箇所とシリコン芯棒１３の中心とのなす角度が、１３５°以上である。
（Ｅ）結晶粒径の小さな箇所が多結晶シリコン層２７の表面にＮ箇所（Ｎ≧３）である場合、Ｎ箇所のいずれか２箇所とシリコン芯棒１３の中心とのなす角度が、１６０°以上である。
（Ｆ）結晶粒径の小さな箇所が多結晶シリコン層２７の表面にＮ箇所（Ｎ≧３）である場合、Ｎ箇所のうちの互いに隣り合う２箇所とシリコン芯棒１３の中心とのなす角度が、すべての組み合わせで２４０／Ｎ°以上４８０／Ｎ°以下である。

また、導入口１５との距離が短いことで、多結晶シリコンの析出速度が遅くなるので、多結晶シリコン層２７の表面においてシリコン芯棒１３との距離が、その周囲と比較して小さくなるように形成されている。ここで、シリコン芯棒１３と導入口１５とが、上述した（Ａ）〜（Ｃ）のうちの少なくとも１つを満足するように配置されているので、多結晶シリコン層２７も以下に示す（Ｇ）〜（Ｉ）のうちの少なくとも１つを満足するように形成される。
（Ｇ）距離の小さな箇所が多結晶シリコン層２７の表面に２箇所形成されている場合、２箇所とシリコン芯棒１３の中心とのなす角度が、１３５°以上である。
（Ｈ）距離の小さな箇所が多結晶シリコン層２７の表面にＮ箇所（Ｎ≧３）である場合、Ｎ箇所のいずれか２箇所とシリコン芯棒１３の中心とのなす角度が、１６０°以上である。
（Ｉ）距離の小さな箇所が多結晶シリコン層２７の表面にＮ箇所（Ｎ≧３）である場合、Ｎ箇所のうちの互いに隣り合う２箇所とシリコン芯棒１３の中心とのなす角度が、すべての組み合わせで２４０／Ｎ°以上４８０／Ｎ°以下である。

このように製造された多結晶シリコンロッド２８から、これをルツボ内で溶融して引き上げるＣＺ（チョクラルスキー）法によって単結晶シリコンインゴットが製造される。

このように構成された還元炉１によれば、第１及び第２シリコン芯棒群２１、２２を構成するシリコン芯棒１３が上述した条件（Ａ）〜（Ｃ）のいずれかを満足するように配置されているので、第１及び第２シリコン芯棒群２１、２２を構成するシリコン芯棒１３の表面温度分布にムラが生じにくくなる。これにより、シリコン芯棒１３及び析出した多結晶シリコンによって構成される多結晶シリコンロッド２８の表面にポップコーンや凹み、ソリなどの表面形状不良が抑制される。
また、均等に通電加熱することができるので、シリコン芯棒１３に流す電流量を高く設定して多結晶シリコンの析出速度を向上させることや、導入口１５から導入する原料ガスの流量を高く設定することができる。したがって、表面形状不良のない多結晶シリコンロッド２８を効率よく製造することができる。

また、このように構成された多結晶シリコンロッド２８によれば、上述した条件（Ｄ）〜（Ｆ）のいずれかを満足しており、表面形状不良や凹みなどが抑制されているので、表面に不純物が吸着しにくくなる。したがって、この多結晶シリコンロッドを用いて高純度な単結晶シリコンを製造することができる。

次に、本発明かかる還元炉１を用いて多結晶シリコンロッドを製造した。
シリコン芯棒１３に対して導入口１５を上述した（Ａ）から（Ｃ）のそれぞれの条件を満足するように配置したものと、（Ａ）から（Ｃ）のいずれの条件も満足しないように配置したものとでシリコン芯棒１３の表面に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンロッドを製造した。
それぞれの多結晶シリコンロッド２８において、表面形状を観察した。この結果を表１から３に示す。なお、表面から見て凹部分の底が明確に確認でき、隙間が観察されない表面状態を「ポップコーンなし」とし、凹部分の底が明確に確認できず、隙間が観察されるが、結晶粒として独立していない表面状態を「表面あれ」とし、表面から見て結晶粒として独立している状態を「ポップコーン」とした。

表１から３より、上述した（Ａ）から（Ｃ）のそれぞれの条件を満足するようにシリコン芯棒１３と導入口１５とを配置することによって、表面形状の不良が抑制された多結晶シリコンロッドを効率よく製造することができることを確認した。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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。
例えば、上記実施形態において、排気口１６と隣り合う第３シリコン芯棒群２３を除いた他のシリコン芯棒１３のすべてに対して上述した条件を満足するように導入口１５を配置しているが、排気口１６と隣接するシリコン芯棒１３を除いた他のシリコン芯棒１３のうちの８０％（望ましくは９０％以上）が上述した（Ａ）〜（Ｃ）のうちの少なくとも１つを満足できれば、他の位置に配置されてもよい。
また、排気口１６を第３シリコン芯棒群２３の外周に設けているが、排気口１６と隣り合うシリコン芯棒１３を除いたもののうちの８０％以上（望ましくは９０％以上）が上述した（Ａ）〜（Ｃ）のうちの少なくとも１つを満足するように配置されていれば、排気口１６が他の場所に配置されてもよい。

１ 還元炉（多結晶シリコン還元炉）
１１ 炉台（底部）
１３ シリコン芯棒
１５ 導入口
１６ 排気口
２３ 第３シリコン芯棒群
２７ 多結晶シリコン層
２８ 多結晶シリコンロッド

Claims (2)

1. シリコン芯棒と、該シリコン芯棒の周面に成長した多結晶シリコン層とを備える多結晶シリコンロッドにおいて、
   前記多結晶シリコン層の表面に形成された結晶粒径が他の箇所よりも小さな箇所が複数あり、前記結晶粒径の小さな箇所が、前記シリコン芯棒に対して、下記の条件（１）及び（２）のいずれか一方を満たすように配置されていることを特徴とする多結晶シリコンロッド。
   （１）前記結晶粒径の小さな箇所が前記多結晶シリコン層の表面に２箇所形成されている場合、該２箇所と前記シリコン芯棒の中心とのなす角度が、１３５°以上である。
   （２）前記結晶粒径の小さな箇所が前記多結晶シリコン層の表面にＮ箇所（Ｎ≧３）である場合、該Ｎ箇所のいずれか２箇所と前記シリコン芯棒の中心とのなす角度が、１６０°以上である。
2. シリコン芯棒と、該シリコン芯棒の周面に成長した多結晶シリコン層とを備える多結晶シリコンロッドにおいて、
   前記シリコン芯棒と、前記多結晶シリコン層の表面との距離が他の箇所よりも小さな箇所が複数あり、前記距離の小さな箇所が、前記シリコン芯棒に対して、下記の条件（３）及び（４）のいずれか一方を満たすように配置されていることを特徴とする多結晶シリコンロッド。
   （３）前記距離の小さな箇所が前記多結晶シリコン層の表面に２箇所形成されている場合、該２箇所と前記シリコン芯棒の中心とのなす角度が、１３５°以上である。
   （４）前記距離の小さな箇所が前記多結晶シリコン層の表面にＮ箇所（Ｎ≧３）である場合、該Ｎ箇所のいずれか２箇所と前記シリコン芯棒の中心とのなす角度が、１６０°以上である。