JP5696063B2 - 多結晶シリコン棒搬出冶具および多結晶シリコン棒の刈取方法 - Google Patents

Description

本発明は、シーメンス法により製造された多結晶シリコン棒を反応炉外へと搬出する際に用いる冶具及びそれを用いた多結晶シリコン棒の刈取方法に関する。

多結晶シリコンは、半導体デバイス製造用単結晶シリコン基板や太陽電池製造用シリコン基板の原料である。一般に、多結晶シリコンの製造は、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、当該シリコン芯線の表面に化学気相反応法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）により多結晶シリコンを析出させるシーメンス法により行われる。

シーメンス法により多結晶シリコンを成長する場合、反応炉内に、鉛直方向に２本と水平方向に１本のシリコン芯線を鳥居型に組み立て、この鳥居型シリコン芯線の端部のそれぞれを芯線ホルダに収容し、これらの芯線ホルダをベースプレート上に設けた一対の金属電極に固定する。金属電極を介して鳥居型シリコン芯線に通電することによりシリコン芯線が通電加熱され、このシリコン芯線に原料ガスが接触することにより多結晶シリコンの析出が生じ、多結晶シリコン棒が得られる。なお、一般的な反応炉では、ベースプレート上に複数組の鳥居型シリコン芯線が配置される構成となっている。

反応炉に設けられたドーム型の反応容器（ベルジャ）の内部空間はベースプレートで密閉され、この密閉空間が多結晶シリコンの気相成長反応空間となる。鳥居型シリコン芯線通電用の金属電極は絶縁物を挟んでベースプレートを貫通し、ベルジャ下方に設けられた電源に接続されるか、若しくは、ベルジャ内に配置されている別の鳥居型シリコン芯線への通電用金属電極に接続される。このような構成は、例えば、特開２０１１−６８５５３号公報（特許文献１）に開示されている。

商業的な反応炉では、内部に、鳥居型シリコン芯線が数十個設けられ、多重環式に配置される。近年では、多結晶シリコンの需要増大に伴い、生産量を高めるための反応炉の大型化が進み、１バッチで多量の多結晶シリコンを析出させる方法が採用されるようになってきている。この傾向に伴い、反応炉内に配置するシリコン芯線の数は多くなり、個々のシリコン芯線も長いものとなっている。

また、大口径化も進行し、現在では直径が１００ｍｍを超える多結晶シリコン棒が製造されるようになってきており、特開２０１１−１９５４４１号公報（特許文献２）には、直径２００ｍｍで長さ３０００ｍｍの多結晶シリコン棒を製造するための方法が開示されている。このようなサイズの多結晶シリコン棒は、鳥居型の状態での重量が４００ｋｇを超え、しかも、反応終了後の多結晶シリコン棒には亀裂が生じていることが多く崩落等の危険性もあるため、反応終了後に反応炉から搬出する作業（刈取作業）を困難かつ危険なものとしている。

このような問題に鑑み、特開２００２−２１０３５５号公報（特許文献３）には、作業者の安全確保の観点から、遠隔操作で多結晶シリコン棒を刈取るための装置（ロッド解体機）の発明が開示されている。

特開２０１１−６８５５３号公報 特開２０１１−１９５４４１号公報 特開２００２−２１０３５５号公報

しかし、上述の特許文献３に開示された装置は、多結晶シリコン棒を数箇所で固定する冶具で保持するものであるため、亀裂に起因する多結晶シリコン棒の崩落等の危険性はなお残されている。

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、シリコン芯線上に多結晶シリコンを析出させて得られた大口径・大重量の多結晶シリコン棒を、簡便且つ安全に反応炉外へと搬出するための冶具およびこれを用いた多結晶シリコン棒の刈取方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る多結晶シリコン棒搬出冶具は、鳥居型に組まれたシリコン芯線上に多結晶シリコンを成長させたシリコン棒を反応炉外に取り出す際に用いる多結晶シリコン棒搬出冶具であって、前記多結晶シリコン棒を内部に収容するための筒状部材と、該筒状部材内に設けられたエアバッグとを備え、前記エアバッグは、内部へのガス注入により膨らんだ状態で、前記鳥居型の両柱部を含む平面に垂直な方向から前記多結晶シリコン棒の側面を押圧して前記筒状部材内にホールドする。

１態様では、前記筒状部材の内周面は互いに対向する２平面を少なくとも１対有しており、該２平面の双方に前記エアバッグが設けられている。

また、他の態様では、前記筒状部材の内周面は互いに対向する２平面を少なくとも１対有しており、該２平面の一方に前記エアバッグが設けられている。

この場合、前記２平面の他方には、前記多結晶シリコン棒が前記筒状部材内にホールドされた状態で前記多結晶シリコン棒の側面に接する弾性部材が設けられていることが好ましい。

本発明にかかる多結晶シリコン棒搬出冶具は、内部に前記多結晶シリコン棒をホールドした状態の前記筒状部材を吊上げ移動するための懸垂用治具を備えている態様とすることができる。

また、前記筒状部材の下部に着脱可能な底板が設けられている態様とすることもできる。

本発明に係る多結晶シリコン棒の刈取方法では、上述の多結晶シリコン棒搬出冶具を用い、前記筒状部材の内部に多結晶シリコン棒を収容し、前記エアバッグの内部にガス注入して膨らませて前記多結晶シリコン棒を前記筒状部材内にホールドした状態で前記反応炉外に取り出す。

本発明によれば、シリコン芯線上に多結晶シリコンを析出させて得られた大口径・大重量の多結晶シリコン棒を、簡便且つ安全に反応炉外へと搬出することができる。

本発明により多結晶シリコン棒を製造する際の反応炉の構成の一例を示す断面概略説図である。 析出反応終了後の多結晶シリコン棒１１に認められる亀裂の様子を説明するための図である。 本発明に係る多結晶シリコン棒搬出冶具を用いて多結晶シリコン棒を反応炉外へと取り出す際の様子を説明するための概略図である。 内部に一対の多結晶シリコン棒を収容した状態での筒状部材の長手方向と垂直の断面の形状を例示する図である。 内部に一対の多結晶シリコン棒を収容した状態での筒状部材の長手方向と垂直の断面の形状を例示する図である。 内部に一対の多結晶シリコン棒を収容した状態での筒状部材の長手方向と垂直の断面の形状を例示する図である。 内部に一対の多結晶シリコン棒を収容した状態での筒状部材の長手方向の断面の形状を例示する図である。 内部に一対の多結晶シリコン棒を収容した状態での筒状部材の長手方向の断面の形状を例示する図である。 内部に一対の多結晶シリコン棒を収容した状態での筒状部材の長手方向の断面の形状を例示する図である。 ローラ付き台車の上に筒状部材を横倒しして載置し、内部に収容されている多結晶シリコン棒のみを別途用意された台車上に取り出す様子を説明するための図である。 図８の例示で用いられる筒状部材の構造を説明するための図である。 本体から分離可能な外周面を有する筒状部材の他の構成例を説明するための図である。

以下に、図面を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本発明により多結晶シリコン棒を製造する際の反応炉１００の構成の一例を示す断面概略説図である。反応炉１００は、シーメンス法によりシリコン芯線１２の表面に多結晶シリコンを気相成長させ、多結晶シリコン棒１１を得る装置であり、ベースプレート５とベルジャ１により構成される。

ベースプレート５には、シリコン芯線１２に電流を供給する金属電極１０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９と、排気ガスを排出する反応排ガス出口８が配置されている。

ベルジャ１には、これを冷却するための冷媒入口３と冷媒出口４および内部を目視確認するためののぞき窓２が設けられている。また、ベースプレート５にも、これを冷却するための冷媒入口６と冷媒出口７が設けられている。

金属電極１０の頂部にはシリコン芯線１２を固定するためのカーボン製の芯線ホルダ１４を設置する。シリコン芯線１２乃至多結晶シリコン棒１１は、電力供給回路１６からの通電により加熱される。なお、図１では、ベルジャ１内に２対の鳥居型に組まれたシリコン芯線１２を配置した状態を示したが、シリコン芯線１２の対数はこれに限定されるものではなく、３対以上の複数のシリコン芯線１２を配置してもよい。

また、図１には、多結晶シリコンの析出反応開始に先立って行われるシリコン芯線１２の初期加熱用として、電源１５から電力供給されシリコン芯線１２表面を輻射加熱するためのカーボンヒータ１３を図示した。このカーボンヒータ１３は、輻射加熱によりシリコン芯線１２の抵抗を下げることにより初期通電時のシリコン芯線１２への印加電圧を低く抑えるのを目的に設けられているものである。この輻射加熱の後にシリコン芯線１２の初期通電を開始し、表面温度が９００〜１２５０℃に達した状態で原料ガスを流すと、シリコン芯線１２表面上への多結晶シリコンの析出が始まる。

多結晶シリコンの析出反応が終了した後、通電を停止し、ベルジャ１の内部を窒素などの不活性ガスで置換し、ベルジャ１をクレーンなどにより引き上げ、多結晶シリコン棒１１を外部へと取り出す。なお、芯線ホルダ１４は金属電極１０への差し込みで固定されているだけなので、上方に引き上げることで簡単に引き抜くことができる。

図２は、析出反応終了後の一対の多結晶シリコン棒１１に認められる亀裂の様子を説明するための図で、図中１１ａおよび１１ｂで示した部位を柱部、１１ｃで示した部位を梁部とする。上述したように、反応終了後の多結晶シリコン棒には亀裂が生じていることが多く崩落等の危険性があり、反応炉から搬出する作業（刈取作業）を困難かつ危険なものとしている。このような亀裂は、鳥居型に組まれたシリコン芯線１１の上部両端に対応する部分、および、金属電極１０から電流が流れ込み且つ４００ｋｇ超ともなり得る全重量を支えることとなる両下端部（芯線ホルダ１４）の近傍に発生し易い。

そこで、本発明では、シリコン芯線上に多結晶シリコンを析出させて得られた大口径・大重量の多結晶シリコン棒を簡便且つ安全に反応炉外へと搬出するべく、多結晶シリコン棒を内部に収容するための筒状部材と該筒状部材内に設けられたエアバッグとを備えた治具を用いる。

図３は、本発明に係る多結晶シリコン棒搬出冶具を用いて多結晶シリコン棒を反応炉外へと取り出す際の様子を説明するための概略図である。多結晶シリコン棒１１の刈取作業の際、搬出治具２００の筒状部材２１０を（一対の）多結晶シリコン棒１１に上から被せるなどして内部に収容し、エアバッグ２２０の内部にガスを注入して膨らませると、このエアバッグ２２０が鳥居型の両柱部を含む平面に垂直な方向から多結晶シリコン棒１１の側面を押圧し筒状部材２１０内にホールドする。そして、このホールド状態で、多結晶シリコン棒１１を反応炉外に取り出す。多結晶シリコン棒１１に亀裂が生じていたとしても、外部からの衝撃等はエアバッグ２２０により吸収されるため崩落等が回避される。

この搬出冶具２００には、筒状部材２１０の上部に、多結晶シリコン棒１１をホールドした状態で吊上げ移動するための懸垂用治具としてのワイヤ２３０およびフック２４０が設けられている。この懸垂用治具を利用して、クレーンのような昇降機やロボットアームのような装置により遠隔からの刈取作業を行う。

なお、筒状部材２１０の形状は、その断面が矩形であるこのは必ずしも必要ではない。

図４Ａ〜Ｃは、内部に一対の多結晶シリコン棒１１を収容した状態での筒状部材２１０の長手方向と垂直の断面の形状を例示するものであり、図４Ａの筒状部材２１０の断面形状は楕円であり、図４Ｂの筒状部材２１０の断面形状は矩形であり、図４Ｃの筒状部材２１０の断面形状は角部および短辺部が曲率を有する形状である。

しかし、刈取後の多結晶シリコン棒１１を筒状部材２１０ごと台車等に載せて運搬する際の利便性から、筒状部材２１０の内周面は互いに対向する２平面を少なくとも１対有していることが好ましい。

エアバッグ２２０はこの互いに対向する２平面の双方に設けられていてもよいし、一方にだけ設けられていてもよいが、後者の場合には、エアバッグ２２０が設けられていない平面側にゴムなどの弾性部材が設けることが好ましい。この弾性部材により、エアバッグ２２０によると同様の効果が得られる。

図５〜７は、内部に一対の多結晶シリコン棒１１を収容した状態での筒状部材２１０の長手方向の断面の形状を例示するものである。図５に示した例では、筒状部材２１０の内周面の互いに対向する２平面の双方にエアバッグ２２０Ａ、２２０Ｂが設けられており、これら２つのエアバッグが膨らんだ状態で、両柱部を含む平面に垂直な方向から多結晶シリコン棒１１の側面を押圧して筒状部材２１０内にホールドしている。

また、図６に示した態様のものでは、筒状部材２１０の内周面の互いに対向する２平面の一方にエアバッグ２２０が設けられており、他方の平面にはゴムなどの板状の弾性部材２５０が挿入されて多結晶シリコン棒１１を筒状部材２１０内にホールドしている。

図７に示したものは、図６に示した態様のものの下部に、多結晶シリコン棒１１の落下防止用の板部材（底板２６０）が着脱可能に設けられている（図７Ａ）。この底板２６０には、多結晶シリコン棒１１を柱部の下端部から支えるための切り込みが設けられている（図７Ｂ）。

筒状部材２１０は、エアバック２２０にガスを注入して膨らませた際に十分な強度を有する必要があるため、その材料としては、例えば、ステンレス、樹脂ライニングされたステンレス、鉄板等を例示することができる。十分に強度が確保できる限り、部分的にであれば木材等であってもよい。筒状部材２１０の材料としてステンレス等の金属を用いる場合、内壁に多結晶シリコン棒１１が触れると金属汚染されてしまうため、これを避けるべく、筒状部材２１０の内部に汚染防止用の樹脂袋等を入れておき、これを多結晶シリコン棒１１に被せた状態で筒状部材２１０内に収容することが好ましい。

なお、エアバッグ２２０は、筒状部材の取付内壁面の前面に設ける必要はなく部分的に設けてもよいが、少なくとも、図２に示したように亀裂が発生し易い部位である鳥居型に組まれたシリコン芯線１１の上部両端に対応する部分および全重量を支えることとなる両下端部の近傍に対応する領域には設けられるべきである。多結晶シリコン棒１１のホールド安定性確保ならびに作業効率を高めるためには、筒状部材の取付内壁面の前面に設けることが好ましい。

エアバッグ２２０の材質には、充分な強度と伸縮性を併せもつものが求められ、例えば、天然ゴムや合成ゴム材料を用いることができる。天然ゴムを選択した場合には、金属やイオウ等による汚染を生じないように、多結晶シリコン棒１１に触れる表面側に、洗浄が容易なテフロン(登録商標)やポリエチレンといった材料から成る被覆を形成しておくことが好ましい。なお、上述した汚染防止用の樹脂袋等をポリエチレンなどの清浄化が容易なものとすればこれによっても汚染を回避することができる。

エアバッグ２２０へのガスの注入圧力は、刈り取る多結晶シリコン棒１１の重量にもよるが、一般には０．０１ＭＰａ〜０．０５ＭＰａであり、好ましくは０．０１ＭＰａ〜０．０３ＭＰａである。

なお、エアバック２２０には、耐圧チューブを介してガス注入がなされるが、当該チューブは常設のものであっても、ジョイントカプラー等により本体から取り外しが可能なものであってもよい。

多結晶シリコン棒１１を刈り取って筒状部材２１０の内部に収容した後に加工作業等のために多結晶シリコン棒１１を別の場所へと移動させる際には、ローラ付きの台車等を用いるのがよい。

図８は、ローラ付き台車３００の上に筒状部材２１０を横倒しして載置し、内部に収容されている多結晶シリコン棒１１のみを台車３００上に取り出す様子を例示により説明するための図である。

図９は、図８の例示で用いられる筒状部材２１０の構造を説明するための図で、筒状部材２１０の４側平面（外周面）のうちの１面が本体から分離（抜き差し）可能な板状部材２７０となっており、筒状部材２１０を台車３００に載置した際、台車３００の上部に設けられたローラ３１０上には板状部材２７０が載せられる。
板状部材２７０を抜き差しするための挿入部２７５のクリアランスは、板状部材２７０が下方からローラ３１０で押されることで容易に本体からの抜き出しができる値に設計されている。なお、板状部材２７０の多結晶シリコン棒１１を支持する面には、ゴムなどの弾性部材が貼付されていてもよい。

この筒状部材２１０の内部に多結晶シリコン棒１１を収容した状態で、台車３００の上部に筒状部材２１０を横倒し、板状部材２７０側を下にしてローラ３１０上に載置する（図８Ａ）。この時、エアバック２２０はガス抜き（開放）されており、板状部材２７０はローラ３１０によって上述のクリアランス分だけ持ちあ上げられ、筒状部材２１０のその他の部分は台車３００の本体に直接載っている状態になる。この状態で第２の台車３０５を準備し、台車３００から台車３０５へと板状部材２７０を引き出すと、多結晶シリコン棒１１を載せたまま、抜き差し可能な板状部材２７０のみが筒状部材２１０本体から引き出される。このような方法であれば、大重量の多結晶シリコン棒であっても、安全に搬送することができる。

なお、本体から分離可能な外周面を有する筒状部材２１０の構成は、例えば図１０に例示したように、筒状部材２１０の４側平面（外周面）のうちの１面がバックル２９０により取り外し可能な板状部材２８０となっている態様でもよい。

本発明によれば、シリコン芯線上に多結晶シリコンを析出させて得られた大口径・大重量の多結晶シリコン棒を簡便且つ安全に反応炉外へと搬出する技術が提供される。

１ ベルジャ
２ のぞき窓
３ 冷媒入口
４ 冷媒出口
５ ベースプレート
６ 冷媒入口
７ 冷媒出口
８ 反応排ガス出口
９ ガスノズル
１０ 金属電極
１１ 多結晶シリコン棒
１１ａ、１１ｂ 柱部
１１ｃ 梁部
１２ シリコン芯線
１３ カーボンヒータ
１４ 芯線ホルダ
１５ 電源
１６ 電力供給回路
１００ 反応炉
２００ 搬出治具
２１０ 筒状部材
２２０ エアバッグ
２３０ ワイヤ
２４０ フック
２５０ 板状の弾性部材
２６０ 底板
２７０ 板状部材
２７５ 板状部材の挿入部
２８０ 板状部材
２９０ バックル
３００、３０５ ローラ付き台車
３１０ ローラ

Claims (7)

1. 鳥居型に組まれたシリコン芯線上に多結晶シリコンを成長させたシリコン棒を反応炉外に取り出す際に用いる多結晶シリコン棒搬出冶具であって、
   前記多結晶シリコン棒を内部に収容するための筒状部材と、
   該筒状部材内に設けられたエアバッグと、を備え、
   前記エアバッグは、内部へのガス注入により膨らんだ状態で、前記鳥居型の両柱部を含む平面に垂直な方向から前記多結晶シリコン棒の側面を押圧して前記筒状部材内にホールドする、多結晶シリコン棒搬出冶具。
2. 前記筒状部材の内周面は互いに対向する２平面を少なくとも１対有しており、該２平面の双方に前記エアバッグが設けられている、請求項１に記載の多結晶シリコン棒搬出冶具。
3. 前記筒状部材の内周面は互いに対向する２平面を少なくとも１対有しており、該２平面の一方に前記エアバッグが設けられている、請求項１に記載の多結晶シリコン棒搬出冶具。
4. 前記２平面の他方には、前記多結晶シリコン棒が前記筒状部材内にホールドされた状態で前記多結晶シリコン棒の側面に接する弾性部材が設けられている、請求項３に記載の多結晶シリコン棒搬出冶具。
5. さらに、内部に前記多結晶シリコン棒をホールドした状態の前記筒状部材を吊上げ移動するための懸垂用治具を備えている、請求項１乃至４の何れか１項に記載の多結晶シリコン棒搬出冶具。
6. 前記筒状部材の下部に着脱可能な底板が設けられている、請求項１乃至５の何れか１項に記載の多結晶シリコン棒搬出冶具。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の多結晶シリコン棒搬出冶具を用い、
   前記筒状部材の内部に多結晶シリコン棒を収容し、前記エアバッグの内部にガス注入して膨らませて前記多結晶シリコン棒を前記筒状部材内にホールドした状態で前記反応炉外に取り出す、多結晶シリコン棒の刈取方法。

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