JP5859626B2 - 多結晶シリコン製造装置および多結晶シリコンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は多結晶シリコンの製造技術に関し、より詳細には、シーメンス法により多結晶シリコンを製造するための反応炉の原料ガス供給用ノズルとシリコン芯線の固定用電極の底板上での配置に関する。

多結晶シリコンは、半導体デバイス製造用の単結晶シリコン基板や太陽電池製造用基板の原料とされる。多結晶シリコンの製造方法としては、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、これにより、該シリコン芯線の表面に多結晶シリコンをＣＶＤ法により気相成長させてシリコン棒として得る方法である。

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、鉛直方向２本と水平方向１本のシリコン芯線を鳥居型に組み立てる。そして、この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反応炉底板上に配置した一対の金属電極に固定する。反応を起こさせる原料ガスの供給口及び反応排ガスの排気口も、この底板上に配置される。このような構成は、例えば、特開２００６−１５５７８２号公報（特許文献１）に開示されている。

浮遊帯域法（ＦＺ法）により単結晶ロッドの製造を行う際の原料として用いられる多結晶シリコン棒は、特に、その形状が良好であることが要求される。具体的には、多結晶シリコン棒のソリが少なく、横断面の形状の真円度が高い形状であることが求められる。

このため、多結晶シリコン棒の形状改善のための様々な工夫がなされてきており、具体的な手法が、上述の特開２０１０−１５５７８２号公報（特許文献１）、特開２００６−２０６３８７号公報（特許文献２）、特開２０１０−３７１８０号公報（特許文献３）、特開２００９−１０７８８６号公報（特許文献４）などに開示されている。

多結晶シリコン棒の形状を改善するためには、反応中のシリコン芯線周囲の反応ガス温度、反応ガス濃度、反応ガス流速などの環境を一様にする必要がある。従来の技術では、ガス供給ノズルの数を増やすか、またはガス供給ノズルとシリコン芯線の位置関係を工夫してシリコン芯線の周囲環境を一様にし、その結果として多結晶シリコン棒の形状品質を改善しようとしている。

しかし、近年のように、多結晶シリコンが大量生産されるようになると、高速反応により生産性を向上させるべく、炉内の反応圧力を高くし且つ原料であるクロロシランを大量に炉内に供給することが求められるようになってきた（例えば、特開２０１１−３７６９９号公報（特許文献５）を参照）。

特開２０１０−１５５７８２号公報 特開２００６−２０６３８７号公報 特開２０１０−３７１８０号公報 特開２００９−１０７８８６号公報 特開２０１１−３７６９９号公報

上述のように、シーメンス法による多結晶シリコン棒の製造において、生産性向上を目的として高速反応を実現するためには、原料ガスを反応炉中により多く供給する必要があるが、このような環境下で育成される多結晶シリコン棒の形状は均一性が低下したものになり易い。すなわち、多結晶シリコン棒の高速育成と、多結晶シリコン棒の形状（ソリ、断面真円度、断面直径バラツキ等）の改善とは、トレードオフの関係にある。

その理由は、例えば下記のように説明することができる。

炉内の反応ガス流において、温度、濃度、流速といった環境条件が他の箇所都は顕著に異なる箇所は、ガス供給ノズルから吹き出される原料ガスの噴流の部分であると推定される。ガス供給ノズルから供給された原料ガスは、炉内の循環反応ガスよりも高いクロロシラン濃度をもち、噴流となって反応炉内に噴出される。原料ガスは、一般的には、２００℃〜４００℃程度の温度で炉内に供給されるが、この温度は、反応炉内のガス温度４００℃〜６００℃よりも低い。炉内に供給された原料ガスは、噴流速度を弱めながら周囲の循環反応ガスと混合し、析出反応中の多結晶シリコン棒の表面（表面温度は９５０℃〜１１００℃）に接触して４００℃〜６００℃の温度となる。

つまり、ガス供給ノズルから噴出される原料ガスは、炉内の循環反応ガスよりも、流速は高く、温度は低く、クロロシラン濃度は高い。生産性を高めるには、原料ガスの供給量を多くする必要があるが、このような原料ガスを大量に炉内に供給すると、炉内を循環する反応ガスの流れの状態が乱れ易く、多結晶シリコン棒表面の環境を均一で安定な状態に維持することが困難になる。このような条件下では、多結晶シリコン棒はソリが大きくなり易く、断面真円度も低いものとなり易い。

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、ソリが少なく横断面形状の真円度も高い良好な形状を有する多結晶シリコン棒を、生産効率を落とすことなく得ることを可能とする技術を提供することにある。

かかる課題を解決するために、本発明の多結晶シリコン製造装置は、シーメンス法により多結晶シリコンを製造するための多結晶シリコン製造装置であって、ベルジャと円盤状の底板とにより内部が密閉される反応炉を備え、前記底板には、複数のシリコン芯線を保持するとともに該シリコン芯線に通電するための電極対と、前記ベルジャの内部空間に原料ガスを供給するためのガス供給ノズルが複数設けられており、前記電極対は、前記底板の中央に中心を有する仮想同心円であって前記円盤状の底板の面積Ｓ₀の半分の面積Ｓ（＝Ｓ₀／２）を有する半径ｃの仮想の同心円Ｃの内側であって、かつ、該同心円Ｃと中心を同じくし半径ｂが前記半径ｃよりも小さい仮想の同心円Ｂの外側の第１の領域内に配置され、前記ガス供給ノズルは何れも、前記同心円Ｃと中心を同じくし半径ａが前記半径ｂよりも小さい仮想の同心円Ａの内側の第２の領域内に配置されており、前記半径ｂと前記半径ａの差が２０ｃｍ以上で５０ｃｍ以下であり、前記第１の領域よりも外側の領域には、前記電極対が配置されていない、ことを特徴とする。

好ましくは、上記多結晶シリコン製造装置は、前記ベルジャ内部に所望の流量で原料ガスを供給するガス流量制御部を備え、該ガス流量制御部は、前記ガス供給ノズルからの噴出原料ガスを１５０ｍ／ｓｅｃ以上の流速で制御可能である。

本発明の多結晶シリコンの製造方法は、上記多結晶シリコン製造装置を用い、前記ガス供給ノズルから噴出する原料ガスが前記シリコン芯線上に析出する多結晶シリコンの表面に直接当たらないように前記ガス供給ノズルを配置させて多結晶シリコンを析出させる。

また、本発明の多結晶シリコンの製造方法は、上記多結晶シリコン製造装置を用い、前記ガス供給ノズルから１５０ｍ／ｓｅｃ以上の流速で原料ガスを噴出させて前記シリコン芯線の表面に多結晶シリコンを析出させる。

本発明の多結晶シリコン製造装置によれば、電極対を仮想同心円Ｃの内側であって仮想同心円Ｂの外側に配置するとともに、ガス供給ノズルを仮想同心円Ａの内側に配置し、かつ、仮想同心円Ｂの半径ｂと仮想同心円Ａの半径ａの差が２０ｃｍ以上で５０ｃｍ以下であるように設計したので、多結晶シリコン棒は、ガスの混合が充分行われた後の循環流の部分に配置されることとなる。その結果、反応ガス温度、反応ガス濃度、反応ガス流速といった多結晶シリコン棒表面の環境を均一で安定な状態に維持することができ、ソリが少なく横断面形状の真円度も高い良好な形状を有する多結晶シリコン棒を生産効率を落とすことなく得ることが可能となる。

本発明の多結晶シリコン製造用反応炉の構成例を説明するための断面概略図である。 本発明の多結晶シリコン製造装置が備える反応炉に設けられる原料ガス供給ノズルと金属電極（電極対）の配置関係の様子を例示により説明するための底板の上面概略図である。 原料ガス供給ノズルがひとつだけ設けられる場合の様子を例示により説明するための底板の上面概略図である。 ガス供給ノズルから噴出した反応ガスの反応炉内における流れの概略を説明するための図である。 比較例１の底板の様子を説明するための上面概略図である。 ソリ（Δ）を説明するための概念図である。 真円度（ｆ／ｅ）を説明するための概念図である。 テーパ（ｇ／ｈ）を説明するための概念図である。

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製造装置が備える反応炉の構成例を説明するための断面概略図である。反応炉１００は、内部の状態を確認するためののぞき窓２を備えたベルジャ１と底板５とにより内部が密閉され、当該密閉空間内に鳥居型に組んだシリコン芯線１２を複数配置させてこのシリコン芯線（またはシリコン棒１３）の表面に多結晶シリコンを析出させる。底板５には、シリコン芯線１２の両端から通電して発熱させるための芯線ホルダ１１及び金属電極１０と、ベルジャ１内部に原料ガスを供給するためのノズル９と、反応後のガスをベルジャ１の外部に排出するための反応排ガス口８が設置されている。なお、ノズル９の吹出口からは、ガス流量制御部１４により流速・流量が制御された原料ガスが供給される。また、図１には、ノズル９はひとつのみ図示したが、ノズル９は複数個設けることとしてもよい。

通常、底板５は円盤状をしており、この底板５に設けられる金属電極１０、ノズル９、反応排ガス口８も、同心円上に設置されることが多い。原料ガスとしてはトリクロロシランと水素の混合ガスが使用されることが多く、反応温度も９００℃〜１２００℃と比較的高温である。このため、ベルジャ１の下部と上部にはそれぞれ冷媒入口３と冷媒出口４が、底板５の両端にも冷媒入口６と冷媒出口７が設けられており、ベルジャ１および底板５それぞれの冷媒路に冷媒が供給されて冷却がなされる。なお、このような冷媒としては、一般に水が用いられる。また、析出反応時のベルジャ１の内表面温度は、概ね１００℃〜４００℃である。

図２は、本発明の多結晶シリコン製造装置が備える反応炉に設けられる原料ガス供給ノズル９と金属電極（電極対）１０の配置関係の様子を例示により説明するための底板５の上面概略図である。

これらの図中、符号Ｃを付した一点鎖線は、円盤状底板５の中央に中心を有する仮想の同心円（半径ｃ）であり、面積Ｓ₀の底板５の半分の面積Ｓ＝Ｓ₀／２を有している。また、符号Ａおよび符号Ｂを付した一点鎖線はそれぞれ、同心円Ｃと中心を同じくする半径ａおよび半径ｂ（ａ＜ｂ＜ｃ）の仮想の同心円である。

本発明では、電極対１０は上述の仮想の同心円Ｃの内側であって仮想の同心円Ｂの外側に配置され、ガス供給ノズル９は何れも上述の仮想の同心円Ａの内側に配置される。

なお、図１に図示したように、ガス供給ノズル９がひとつだけ設けられる態様もあり得るが、その場合でも上述の配置関係は維持される。

図３は、ガス供給ノズル９がひとつだけ設けられる態様での、原料ガス供給ノズル９と金属電極（電極対）１０の配置関係の様子を例示により説明するための底板５の上面概略図で、この場合には、ガス供給ノズル９は円盤状底板５の中央に設けられるが、この態様は、仮想の同心円Ａの半径がゼロ（ａ＝０）の場合であるとして理解することができる。

多結晶シリコンの製造工程において、ガス供給ノズル９から噴出する原料ガスがシリコン芯線１２上に析出する多結晶シリコン１３の表面に直接当たらないように工夫することが好ましい。このため、原料ガスノズル９と電極対１０の接近の度合いの指標となる仮想同心円Ｂと仮想同心円Ａの半径の差（ｂ−ａ）を適切な範囲に設計することが重要となる。当該適切な半径差は、ガス供給ノズル９の形状等にもよるが、常用されるノズルを用いた場合には、（ｂ−ａ）の値を２０ｃｍ以上とすることが好ましい。また、反応炉内のスペースを有効に利用する観点からは、（ｂ−ａ）の値は５０ｃｍ以下とすることが好ましい。

図４は、上述の関係を満足するように配置されたガス供給ノズル９から噴出した反応ガスのベルジャ１内における流れの概略を説明するための図である。なお、この図では、ガス供給ノズル９がひとつのみ設けられており、このガス供給ノズル９から原料ガスを１５０ｍ／秒以上で供給した場合のガス流れの概要を示している。

この図に示すとおり、上述した態様で配置されたガス供給ノズル９から噴出した速い流速の原料ガスは、周囲の反応ガスを同伴しながら上昇し、ベルジャ１の上頭内壁に衝突して下方に流れを変え、循環流となってベルジャ内側壁に沿って下降し、下降ガス流の一部は、再度、ガス供給ノズル９から噴出された原料ガスと一緒に反応空間内を上昇して、反応炉内全体で上昇気流域と下降気流域が明確となりスムーズな循環流れが形成される。

また、この図に示したように、本発明では、ガス供給ノズル９から噴出する原料ガスがシリコン芯線１２上に析出する多結晶シリコン１３の表面に直接当たらないようにガス供給ノズル９を配置する。ベルジャ１の頂部まで上昇した原料ガスは天井部に当たって広がるが、途中で周囲の炉内を循環している反応ガスとよく混合されることで、混合されたガスはほぼ一様な温度になって下降流となり反応炉下部に向かう。そして、多結晶シリコン棒１３の設置領域に廻り込み、再び原料ガスと混合される。このようなガス流れは、ガス供給ノズル９が複数設けられた場合でも同様である。

すなわち電極対１０を仮想同心円Ｃの内側であって仮想同心円Ｂの外側に配置するとともに、ガス供給ノズルを仮想同心円Ａの内側に配置し、かつ、仮想同心円Ｂの半径ｂと仮想同心円Ａの半径ａの差が２０ｃｍ以上で５０ｃｍ以下であるように設計した本発明の多結晶シリコン製造装置では、反応中の反応炉内での反応ガスの流れをベルジャの上方から底板５上に投影して観察した場合、仮想同心円Ａの内部では上昇気流を生じており、仮想同心円Ｃの内部では平均して上昇気流が生じ、仮想同心円Ｃの外部では平均して下降気流が生じている。そして、多結晶シリコン棒１３はこのガスの混合が充分行われた後の循環流の部分に配置されることとなるため、反応ガス温度、反応ガス濃度、反応ガス流速といった多結晶シリコン棒表面の環境を均一で安定な状態に維持することができる。

なお、炉内での循環ガスの良好な混合状態を維持するためには、ガス供給ノズル９からの原料ガスの噴出流速を１５０ｍ／秒以上とすることが好ましい。

このような構成の多結晶シリコン製造装置を用いれば、原料ガスを大量に炉内に供給しても、炉内を循環する反応ガスの流れの状態が乱れ難く、多結晶シリコン棒表面の環境を均一で安定な状態に維持することが容易となり、多結晶シリコン棒のソリの発生や断面真円度の低下を抑制することができる。

実施例１として、図３に図示した態様（ガス供給ノズル数＝１）の配置であって、仮想同心円Ｂの半径が２０ｃｍの態様で多結晶シリコン棒の育成を行った。

また、実施例２として、図２に図示した態様（ガス供給ノズル数＝４）の配置であって、仮想同心円ＡおよびＢの半径がそれぞれａ＝２０ｃｍおよびｂ＝４５ｃｍの態様（ｂ−ａ＝２５ｃｍ）で多結晶シリコン棒の育成を行った。

さらに、比較例１として、図５に図示した態様（ガス供給ノズル数＝４）の配置であって、仮想同心円ＡおよびＢの半径がそれぞれａ＝４５ｃｍおよびｂ＝５５ｃｍの態様（ｂ−ａ＝１０ｃｍ）で多結晶シリコン棒の育成を行った。

なお、これらの多結晶シリコン棒の育成は、ガス供給ノズルと電極対の配置関係以外の条件は全て同じとした。表１および表２に、多結晶シリコン棒の育成条件および得られた多結晶シリコン棒の形状等の評価結果を纏めた。なお、表２に示した値は、各配置関係につき、反応中に割れや崩れが発生して有効長さ（１．８ｍ）を確保できなかったものを除き全ての多結晶シリコン棒を測定した結果の中から最も形状の悪いものについて得られた値である。

実施例１および２のものは何れも、比較例１のものに比べてソリが小さく、断面真円度も良好である。仮想同心円ＡとＢの半径差が２０〜５０ｃｍの範囲内にある実施例２のものと当該範囲にない比較例１のものとの比較から、上記半径差が多結晶シリコン棒の形状に影響することが確認できる。これは、当該半径差が上記範囲にない場合には、ガス供給ノズルから噴出される原料ガスが直接多結晶シリコン棒表面に当たるため、当該部分の反応温度が低下して多結晶シリコンの成長が抑制され、その結果として多結晶シリコン棒の形状が悪化していることによる。

なお、図６〜８は、上述したソリ（Δ）、真円度（ｆ／ｅ）、テーパ（ｇ／ｈ）を説明するための概念図である。

本発明の多結晶シリコン製造装置を用いれば、原料ガスを大量に炉内に供給しても、炉内を循環する反応ガスの流れの状態が乱れ難く、多結晶シリコン棒表面の環境を均一で安定な状態に維持することが容易となり、多結晶シリコン棒のソリの発生や断面真円度の低下を抑制することができる。

１００ 反応炉
１ ベルジャ
２ のぞき窓
３ 冷媒入口（ベルジャ）
４ 冷媒出口（ベルジャ）
５ 底板
６ 冷媒入口（底板）
７ 冷媒出口（底板）
８ 反応排ガス出口
９ ガス供給ノズル
１０ 電極
１１ 芯線ホルダ
１２ シリコン芯線
１３ 多結晶シリコン棒
１４ ガス流量制御部
Ａ、Ｂ、Ｃ 仮想同心円
ａ 仮想同心円Ａの半径
ｂ 仮想同心円Ｂの半径
ｃ 仮想同心円Ｃの半径

Claims (4)

1. シーメンス法により多結晶シリコンを製造するための多結晶シリコン製造装置であって、
   ベルジャと円盤状の底板とにより内部が密閉される反応炉を備え、
   前記底板には、複数のシリコン芯線を保持するとともに該シリコン芯線に通電するための電極対と、前記ベルジャの内部空間に原料ガスを供給するためのガス供給ノズルが複数設けられており、
   前記電極対は、前記底板の中央に中心を有する仮想同心円であって前記円盤状の底板の面積Ｓ₀の半分の面積Ｓ（＝Ｓ₀／２）を有する半径ｃの仮想の同心円Ｃの内側であって、かつ、該同心円Ｃと中心を同じくし半径ｂが前記半径ｃよりも小さい仮想の同心円Ｂの外側の第１の領域内に配置され、
   前記ガス供給ノズルは何れも、前記同心円Ｃと中心を同じくし半径ａが前記半径ｂよりも小さい仮想の同心円Ａの内側の第２の領域内に配置されており、
   前記半径ｂと前記半径ａの差が２０ｃｍ以上で５０ｃｍ以下であり、
   前記第１の領域よりも外側の領域には、前記電極対が配置されていない、
   ことを特徴とする多結晶シリコン製造装置。
2. 前記ベルジャ内部に所望の流量で原料ガスを供給するガス流量制御部を備え、
   該ガス流量制御部は、前記ガス供給ノズルからの噴出原料ガスを１５０ｍ／ｓｅｃ以上の流速で制御可能である、請求項１に記載の多結晶シリコン製造装置。
3. 請求項１又は２に記載の多結晶シリコン製造装置を用い、前記ガス供給ノズルから噴出する原料ガスが前記シリコン芯線上に析出する多結晶シリコンの表面に直接当たらないように前記ガス供給ノズルを配置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。
4. 請求項２に記載の多結晶シリコン製造装置を用い、前記ガス供給ノズルから１５０ｍ／ｓｅｃ以上の流速で原料ガスを噴出させて前記シリコン芯線の表面に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。