JP6038625B2 - 多結晶シリコンロッドの製造方法と製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、多結晶シリコンロッドの製造方法と製造装置に関する。

半導体あるいは太陽光発電用ウェハーの原料として使用されるシリコンを製造する方法は種々知られており、そのうちのいくつかは既に工業的に実施されている。その一つの方法はシーメンス法と呼ばれる方法であり、ベルジャー型の反応器内部に配置されたシリコン芯線を通電によってシリコンの析出温度に加熱し、ここにトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３ ）やモノシラン（ＳｉＨ_４ ）等のシラン化合物のガスを供給し、化学気相析出法によりシリコン芯線上にシリコンを析出させる方法である。

このシーメンス法では、一度に多量の多結晶シリコンを析出成長させることにより生産性の向上を図るために、反応器の大型化と反応器内への芯線の本数の増大が図られている。しかしながら、反応器の大型化と反応器内への芯線の本数の増大が進むと、生産性が上がる一方で、得られるロッドの水平断面形状の悪化や外径バラツキを含む形状悪化の問題が発生するおそれがある。

このような問題点を解消するために、たとえば特許文献１に示す技術では、ロッド表面温度の管理と合わせ、原料ガス供給量の制御を行っている。

また、特許文献２に示す技術では、高圧で原料ガスを従来よりも大量に供給する条件で高い成長速度と収率を維持しながら、ロッドの溶断を防ぎつつ、滑らかな表面形状のロッドを大径に成長させることを目的として、ロッドの表面温度と原料供給量とを制御している。

しかしながら従来の技術では、多結晶シリコンロッドにおける結晶粒の粒径などを、ロッドの径方向に沿って積極的に変化させることは行われていなかった。

特許第３６６０６１７号公報 特開２０１１−３７６９９号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、多結晶シリコンロッドにおける結晶粒の粒径などを、ロッドの直径方向に沿って変化させることができる多結晶シリコンロッドの製造方法と製造装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る多結晶シリコンロッドの製造方法は、少なくとも１対の電極を備える反応器内に、両端が前記電極に接続されているシリコン芯線を配置し、前記シリコン芯線に通電しながら、シリコン析出用原料ガスを前記反応器内に供給し、前記シリコン芯線に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンから成るロッドを製造する方法であって、
前記シリコン芯線に通電開始から前記シリコン芯線に対する前記ロッドの径方向析出速度を予測する工程と、
予測された前記ロッドの径方向析出速度が、時間の経過と共に、変化するように、前記シリコン芯線に通電する電力を制御する工程と、を有する。

本発明に係る多結晶シリコンロッドの製造装置は、
少なくとも１対の電極を備える反応器と、
前記反応容器内に配置され、両端が前記電極に接続されているシリコン芯線と、
前記シリコン芯線に通電する電力供給手段と、
前記シリコン析出用原料ガスを前記反応器内に供給するガス供給手段と、を有し、
前記シリコン芯線に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンから成るロッドを製造する製造装置であって、
前記シリコン芯線に通電開始から前記シリコン芯線に対する前記ロッドの径方向析出速度を予測する速度予測手段と、
前記速度算手段により予測された前記ロッドの径方向析出速度が、時間の経過と共に、変化するように、前記シリコン芯線に通電する電力を制御する電力制御手段と、を有する。

本発明に係る多結晶シリコンロッドの製造方法および装置によれば、ロッドの径方向析出速度が、時間の経過と共に、変化するように、シリコン芯線に通電する電力を制御することで、多結晶シリコンロッドにおける結晶粒を、ロッドの直径方向に沿って変化させることができる。

たとえばロッドの径方向析出速度を、析出初期時には、ロッド中心部温度がシリコン融点付近となるように設定し、そこから徐々に速度を低下させ、析出の終了近くでは、シリコン析出条件における下限近くに設定してもよい。その場合には、ロッドの中央付近では、比較的に大きな結晶粒を持ち、ロッドの最外表面近くでは、比較的に小さな結晶粒を持つ多結晶シリコンロッドを製造することができる。

このような多結晶シリコンロッドは、たとえば浮遊帯域法による単結晶ロッド製造工程において、熱伝導の比較的低い外周部はシリコンロッドの形状を保つことができ、中心付近では結晶粒径が大きく熱伝導が高いので、急速に溶融させることができ、欠陥の形成を抑制したまま単結晶生成の速度を高めることができるという利点がある。

また、ロッドの径方向析出速度を、析出初期時には、シリコン析出条件における下限近くに設定し、その後に徐々に速度を増大させ、析出の終了近くでは、ロッド中心部温度がシリコン融点付近となるように析出速度を設定してもよい。その場合には、ロッドの中央付近では、比較的に小さな結晶粒を持ち、ロッドの最外表面近くでは、比較的に大きな結晶粒を持つ多結晶シリコンロッドを製造することができる。

このような多結晶シリコンロッドは、たとえばシリコンロッド製造時において中心部が高く、外周部が低くなってしまうロッド内の温度プロファイルを低減でき、析出中のシリコンロッドの熱歪が小さくなるため、大口径のシリコンロッドを安定的に生産できるという利点がある。

あるいは、ロッドの径方向析出速度を、析出初期時には、シリコン析出条件における下限近くに設定し、そこから徐々に速度を増大させ、ロッド中心部温度がシリコン融点付近となるまで速度が増大した後は、徐々に速度を減少させ、析出の終了近くでは、シリコン析出条件における下限近くに設定してもよい。その場合には、ロッドの中央付近では、比較的に小さな結晶粒を持ち、ロッドの外径方向に沿って結晶粒の粒径がいったん大きくなった後に、再び粒径が小さくなり、最外表面近くでは、比較的に小さな結晶粒を持つ多結晶シリコンロッドを製造することができる。

このような多結晶シリコンロッドは、たとえば析出初期の温度を比較的低くすることで、シリコンロッドが細い段階でのシリコンロッド溶融を防止できるという利点がある。なお、シリコンロッドが細い状態である析出初期にシリコンロッドの温度を融点付近に設定すると発熱と除熱のバランスをとることが難しく、シリコンロッドの溶融の恐れがあった。

好ましくは、前記ロッドの表面積当たりの前記シリコン析出用原料ガスの供給速度が所定の範囲内（０．０５５〜０．０７ｍｏｌ／ｃｍ^２ ／ｈ）となるように、前記反応器に供給される前記シリコン析出用原料ガスの供給量を制御する。反応器の内部圧力は、大気圧に対し＋０〜＋７００ｋＰａが好ましい。反応器の内部圧力を所定の範囲内に設定し、原料ガスの供給速度を所定の範囲内にすることで、比較的に大きな結晶粒を直径方向に均一に有する多結晶シリコンロッドを形成し易くなる。

前記ロッドの径方向析出速度を予測するために、
前記反応器に供給される前記シリコン析出用原料ガスの組成と、
前記反応器から排出される前記シリコン析出用原料ガスの組成と、
前記シリコン析出用原料ガスの供給量と、を測定する工程を有しても良い。

また、前記ロッドの径方向析出速度を予測するために、前記反応器内に設置された前記ロッドの表面温度を測定する工程を有してもよい。

さらに、前記ロッドの径方向析出速度を予測するために、前記シリコン芯線に通電する電力を測定する工程を有してもよい。

図１は本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンロッドの製造装置の概略図である。 図２は図１に示す装置による多結晶シリコンロッドの製造方法の例を示す析出速度のタイムチャート図である。 図３（Ａ）は図１に示す装置による多結晶シリコンロッドの製造方法の例を示す電力のタイムチャート図、図３（Ｂ）は図１に示す装置による多結晶シリコンロッドの製造方法の例を示すＦ値のタイムチャート図、図３（Ｃ）は図１に示す装置による多結晶シリコンロッドの製造方法の例を示すロッドの表面温度のタイムチャート図である。 図４はロッド直径方向の析出速度を予測するための計算式の一例を示す計算式である。 図５Ａは図１に示す装置により得られる多結晶シリコンロッドの概略横断面図である。 図５Ｂは本発明の実施例により得られる多結晶シリコンロッドの横断面における結晶観察位置を示す図である。 図５Ｃは図１に示す装置により得られる他の例に係る多結晶シリコンロッドの概略横断面図である。 図５Ｄは図１に示す装置により得られる他の例に係る多結晶シリコンロッドの概略横断面図である。 図６（Ａ）は、本発明の実施例により得られたロッドにおいて、図５Ｂに示した６箇所で結晶観察を実施した内、芯線近傍ａ−１での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）、図６（Ｂ）は同じくａ−２での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）、図６（Ｃ）はａ−３での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）である。 図７（Ａ）は、本発明の他の実施例により得られたロッドにおいて、図５Ｂに示した６箇所で結晶観察を実施した内、芯線近傍ａ−１での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）、図６（Ｂ）は同じくａ−２での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）、図６（Ｃ）はａ−３での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）である。 図８（Ａ）は、本発明の他の実施例により得られたロッドにおいて、図５Ｂに示した６箇所で結晶観察を実施した内、芯線近傍ａ−１での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）、図８（Ｂ）は同じくａ−２での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）、図８（Ｃ）はａ−３での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）である。 図９は本発明の比較例による多結晶シリコンロッドの製造方法の例を示すＦ値および析出速度のタイムチャート図である。 図１０（Ａ）は、本発明の比較例により得られたロッドにおいて、図５Ｂに示した６箇所で結晶観察を実施した内、芯線近傍ａ−１での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）、図１０（Ｂ）は同じくａ−２での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）、図１０（Ｃ）はａ−３での顕微鏡写真（倍率 ２５倍 ）である。

第１実施形態
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る多結晶シリコンロッドの製造装置は、反応器２を有する。本実施形態では、反応器２は、底板６に対して着脱自在に連結されるベルジャー型のカバー４を有する。本実施形態では、底板６に、少なくとも一対以上の電極１２が装着してある。電極１２の数は、反応器２の内部に設置されるシリコン製の芯線１０の数に対応して決定される。

反応器２の内部に設置されるシリコン製の芯線１０は、一対の電極１２を相互に接続するように、逆Ｕ字形状に設置され、電極１２を介して通電可能になっている。電極は、カーボン、ＳＵＳ、Ｃｕなどにより形成されている。

芯線１０は、たとえば別途製造された多結晶シリコンロッドから棒状の部材を切り出し、これを逆Ｕ字状になるように連結して構成される。芯線１０の短手方向の断面形状は、円状、楕円状、略方形状、あるいは多角形状のいずれであってもよい。たとえば、芯線１０の断面が略方形の場合、方形断面の一辺の長さは、５〜１５ｍｍ程度である。逆Ｕ字形状の芯線１０は、単一の芯線でも良いが、複数の芯線１０を連結して形成しても良い。芯線１０の周囲に、多結晶シリコンが析出し、多結晶シリコン製のロッド２０が形成される。芯線１０の数に対応した数でロッド２０が形成される。

カバー４には、反応器２の内部を観察することができる透明で耐熱性の窓部材８が、少なくとも一つ設置してあっても良い。窓部材８の外部には、たとえば赤外線温度センサなどの非接触式温度計３８が設置してあっても良い。温度計３８は、反応器２の内部に配置してあるロッド２０の表面温度を計測可能にしてあり、計測された温度信号が、反応器２の外部に配置してある制御装置３２に入力されるようになっていても良い。

カバー４または底板６には、原料ガスのためのガス供給ポート１４とガス排出ポート１６が接続してあり、供給ポート１４から原料ガスを反応器２の内部に供給し、排出ポート１６から排出するようになっている。供給ポート１４に原料ガスを供給する供給ラインの途中には、入口側組成分析装置３４が装着してあっても良い。また、排出ポート１６から排出された反応器２の内部ガスが通る排出ラインには、出口側組成分析装置３６が装着してあっても良い。組成分析装置３４，３６としては、たとえばガスクロマトグラフィが用いられる。

組成分析装置３４では、供給ポート１４から反応器２の内部に供給されるガス組成が分析される。また、組成分析装置３６では、排出ポート１６から排出されるガス組成が分析される。これらの分析結果は、制御装置３２に送信可能になっている。

供給ポート１４に原料ガスを供給する供給ラインの途中には、入口側組成分析装置３４の他に、供給ポート１４から反応器２の内部に供給されるガスの流量を調整するための流量制御部４０が装着してある。流量制御部４０は、制御装置３２により制御され、たとえば電磁弁、空気作動弁、油圧作動弁、電動弁などにより構成される。 供給ポート１４および排出ポート１６は、単一の反応器２に複数設けても良い。

カバー４および底板６は、たとえばステンレス金属、炭素鋼、ニッケル系合金、およびこれらの材料とその他の金属との複合材料などの耐熱性部材で構成してあり、内部に冷却通路が形成してあり、冷却液供給ポート１５から冷却液を供給し、冷却液排出ポート１７から冷却液を排出するようになっている。

冷却液としては、特に限定されないが、冷却水が好ましい。冷却水の温度は、特に限定されず、供給ポート１５において、３０〜１５０°Ｃである。排出ポート１７では、５０〜３００°Ｃである。供給ポート１５から供給される冷却液の流量は、制御装置３２により制御される電磁弁４２および４４の開度にて変化可能である。

排出ポート１７から排出された冷却液は、図示省略してある熱交換機により再冷却され温度調節されて供給ポート１５に戻るように構成してあることが好ましいが、戻らせることなく、加熱された冷却液を、他の用途に用いても良い。

芯線１０に接続してある電極１２には、電力供給手段３０が接続してある。電力供給手段としては、特に限定されず、たとえば変圧器、バッテリー、サイリスタ、ＩＧＢＴなどで構成される。電力供給手段３０は、制御装置３２により制御される。

上述した装置を用いての多結晶シリコン製のロッド２０を製造するには、以下のようにして行われる。
すなわち、電極１２を介して芯線１０への通電を開始し、通電加熱によって、芯線１０の温度をシリコンの析出温度以上に加熱する。シリコンの析出温度は、約６００℃以上であるが、芯線１０上にシリコンを迅速に析出させるため、一般的には、９００〜１１００℃程度の温度に保持されるように、シリコン芯線１０が通電加熱される。

芯線１０への通電を開始すると同時に、あるいは芯線１０の温度がシリコンの析出温度以上に達した時点で、反応器２内に、供給ポート１４から、原料ガスとしてシランガスおよび還元ガスを供給し、これら原料ガスの反応（シランの還元反応）によってシリコンを生成させる。反応器の内部圧力は、大気圧に対し＋０〜＋７００ｋＰａである。

供給ポート１４から供給されるシランガスとしては、モノシラン、モノクロロシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、四塩化ケイ素などのシラン化合物のガスが使用され、一般的には、トリクロロシランガスが好適に使用される。また、還元ガスとしては、通常、水素ガスが使用される。

また、原料ガスとして、還元ガスを用いず、モノシランのみを供給し、モノシランの熱分解によってシリコンを生成することも可能である。

反応により生成したシリコンは、芯線１０上に析出し、この反応を継続して行っていくことにより、芯線１０上のシリコンが成長し、最終的に多結晶シリコンからなるロッド２０が得られることとなる。

上記のようにして、一定の厚みのロッド２０が得られた段階で反応を終了し、芯線１０への通電を停止し、反応器２内から未反応のシランガス、水素ガスおよび副生した四塩化ケイ素や塩化水素等を排気した後、ベルジャー型のカバー４を開放し、ロッド２０が取り出される。

なお、本実施形態では、一般的に、「アニール」処理を行うことが特に好ましい。これにより、生成したロッド２０の内部に生成した歪を有効に解消することができる。

本実施形態では、図１に示す電力供給手段３０からの芯線１０への電力供給を図２に示すように、ロッド直径方向の析出速度（直径方向成長速度）Ｖが、時間の経過と共に、変化するように供給する。たとえば図２に示す変化線（曲線でも良い）Ｖａに示すように、析出速度Ｖは、析出の初期では、上限Ｖｍａｘに近い値Ｖ１であり、その後に、経過時間に反比例して析出速度が減少し、析出工程の終期では、下限Ｖｍｉｎに近い値Ｖ２となる。変化の度合いを示すＶ２／Ｖ１は、好ましくは１．５以上、さらに好ましくは２．０〜３．０である。十分な変化量に設定することにより、径方向の結晶粒径変化を大きくすることができ、用途に応じた特性を持つ多結晶シリコンロッドを製造しやすくなる利点を有する。

ロッド直径方向の析出速度の上限Ｖｍａｘおよび下限Ｖｍｉｎは、図１に示す反応器２の内部に配置されたロッド２０の表面温度Ｔｓ、反応器２の内部圧力Ｐｉｎ、原料ガス供給量Ｑｉｎ、供給原料ガス組成Ｃｉｎにより主として変化する。本実施形態では、ロッド直径方向の析出速度の上限Ｖｍａｘは３．５ｍｍ／時間までが可能であり、下限Ｖｍｉｎは、経済性、電源能力などから決定され、０．１ｍｍ／時間である。

ロッド直径方向の析出速度Ｖを一定の規則に従って変化させるように制御するために、本実施形態では、以下に示す制御を行う。すなわち、ロッド直径方向の析出速度（直径成長速度）Ｖは、図４に示すロッドの析出成長モデルに従い、図４に示す数式（２）から所定時間ｔ経過後の析出速度Ｖを予測する。数式（２）に示すように、直径成長速度Ｖは、元の直径Ｒと、元の直径Ｒからの経過時間ｔと、パラメータθの関数で表せる。

パラメータθは、図４における数式（１）に示すように、原料ガス供給量Ｑｉｎと、供給原料ガス組成Ｃｓｉ（ｉｎ）と、排出原料ガス組成Ｃｓｉ（ｏｕｔ）とを変数とする関数で表せる。

排出原料ガス組成Ｃｓｉ（ｏｕｔ）は、図１に示す反応器２の内部圧力、ロッド２０の表面温度Ｔｓ、原料供給量Ｑｉｎ、供給原料ガス組成Ｃｓｉ（ｉｎ）に応じて主として変化する。ロッドの表面温度Ｔｓは、電力供給手段３０によりロッド２０に対して供給される電力Ｐに応じて変化する。このとき、原料ガス供給量Ｑｉｎと供給原料ガス組成Ｃｓｉ（ｉｎ）とが、経過時間と共に一定、あるいは経過時間と共に予め予測されている変化を行うとすると、パラメータθは、排出原料ガス組成Ｃｓｉ（ｏｕｔ）のみの関数となる。

すなわち、排出原料ガス組成Ｃｓｉ（ｏｕｔ）は、ロッド表面積当たりの電力Ｐに応じて変化することから、パラメータθ、すなわち析出速度Ｖは、電力Ｐに応じて変化する。

また、電力Ｐが、経過時間と共に予め予測されている変化を行うとすると、パラメータθ、すなわち析出速度Ｖは、原料供給量Ｑｉｎおよび供給原料ガス組成Ｃｓｉ（ｉｎ）に応じて変化する。原料供給量Ｑｉｎおよび供給原料ガス組成Ｃｓｉ（ｉｎ）とから以下の数式（３）によってシリコンロッド２０の表面積当たりのシリコン析出用原料ガスの供給速度（Ｆ値）を定義すると、析出速度Ｖは、Ｆ値に応じて変化する。

そこで、本実施形態では、図２に示すように、経過時間に従って析出速度Ｖを速度Ｖ１からＶ２に変化する変化線Ｖａのタイムチャートをたどるように、図３Ａに示すように、電力Ｐを、析出開始時より、予め定められたカーブで、図１に示す制御装置３２により電力供給手段３０を制御し、同時に図３Ｂに示すように、Ｆ値を、析出開始時より、略一定となるように、制御装置３２により流量制御部４０を制御する。

なお、本実施形態では、Ｆ値が所定の範囲内（０．０５５〜０．０７ｍｏｌ／ｃｍ^２ ／ｈ）で一定（±１５％の誤差は許容）となるように、反応器２に供給ポート１４から供給されるシリコン析出用原料ガスの供給量を制御する。具体的には、制御装置３２からの制御信号に基づき、たとえば流量制御部４０を制御し、供給量を変化させる。芯線１０への析出初期においては、ロッド２０の表面積が小さいので、供給量を少なく制御し、析出終期においては、ロッド２０の表面積が大きくなるので、供給量を多く制御する。

Ｆ値が０．０５５〜０．０７ｍｏｌ／ｃｍ^２ ／ｈであることが好ましい理由は、次に示す通りである。例えば、Ｆ値が、０．０５５ｍｏｌ／ｃｍ^２ ／ｈよりも少なくなると、シリコンロッド表面における、シリコンの成長核が不足するため、均一なシリコン成長が起きにくくなり、本実施形態の目的とする結晶粒径の制御を行いにくくなる傾向にあるばかりでなく、更に少なすぎると、析出速度が著しく低下してしまい、経済的な生産に適さなくなる可能性があるからである。また、Ｆ値が０．０７ｍｏｌ／ｃｍ^２ ／ｈよりも多すぎると、文献２に記載の通り、シリコンロッド表面と接するガス流量が増加し、ロッドの表面温度を成長に適した温度に維持しようとすると、通電電流が大きくなり、ロッド中心温度が上昇し、溶断を起こしやすくなる、傾向にあるからである。

本実施形態によれば、図５Ａに示すように、ロッド２０における芯線１０との界面からロッド１０の最外径部まで、結晶の平均粒径ｄを、ロッドの直径方向に沿って徐々に小さくし、粗大結晶粒子の数を少なくすることが可能になる。

ここで、粗大結晶粒子とは、ロッドの軸方向に対して略垂直な切断面において観察される結晶粒子の長径が ５０μｍ以上の粒子をいう。粗大結晶粒子１１の切断面において観察される形状は特に限定はされず、針状、球状、方形状、その他の異形形状であってもよい。粗大結晶の長径とは、例えば、異型状粒子の場合、観察面における長手方向の結晶長であり、円形状の場合にはその直径に相当する。

粗大結晶の平均粒径およびその面積割合は、以下のようにして求めることができる。まず、多結晶シリコンロッドを軸方向に対して略垂直に切断し、円盤形状のシリコンウエハを得る。次いで、観察面を研磨し、平滑面を得る。研磨に続いて必要に応じてエッチング処理することで、観察面の平滑性がさらに向上し、観察面における撮影画像のコントラストが鮮明になる。画像の撮影は、コンピュータに接続されたカメラにより行ってもよく、別途撮影された画像データをコンピュータに入力してもよい。得られた画像データを、コントラスト比などに基づいて、コンピュータソフトを用いて演算することで、結晶の平均粒径が得られる。

解析には旭化成エンジニアリング株式会社製「A像くん」を使用し、実施例に記載の方法で粒子解析を行う。

本実施形態の製法によれば、図５Ａに示すように ロッドの中央付近では、比較的に大きな結晶粒を持ち、ロッドの最外表面近くでは、比較的に小さな結晶粒を持つ多結晶シリコンロッドを製造することができる。

このような多結晶シリコンロッドは、たとえば 浮遊帯域法による単結晶ロッド製造工程において、熱伝導の比較的低い外周部はシリコンロッド形状を保つことができ、中心付近では結晶粒径が大きく熱伝導が高いので、急速に溶融させることができ、欠陥の形成を抑制したまま単結晶生成の速度を高めることができるという利点がある。

第２実施形態
第２実施形態では、以下に示す以外は、第１実施形態と同様であり、共通する事項の説明は省略する。

本実施形態では、図２の変化線Ｖｂに示すように、ロッドの径方向析出速度Ｖを、析出初期時には、シリコン析出条件における下限近くのＶ２に設定し、その後に速度を増大させ、析出の終了近くでは、ロッド中心部温度がシリコン融点付近となるような析出速度Ｖ１に設定する。この実施形態の場合には、図５Ｃに示すように、ロッドの中央付近では、比較的に小さな結晶粒を持ち、ロッドの最外表面近くでは、比較的に大きな結晶粒を持つ。

このような多結晶シリコンロッドは、たとえばシリコンロッド製造時において中心部が高く、外周部が低くなってしまうロッド内の温度プロファイルを低減でき、析出中のシリコンロッドの熱歪が小さくなるため、大口径のシリコンロッドを安定的に生産できるという利点がある。

第３実施形態
第３実施形態では、以下に示す以外は、第１実施形態と同様であり、共通する事項の説明は省略する。

本実施形態では、図２の変化線Ｖｃに示すように、ロッドの径方向析出速度Ｖを、析出初期時には、シリコン析出条件における下限近くの速度Ｖ２に設定し、そこから速度を増大させ、ロッド中心部温度がシリコン融点付近となる速度Ｖ１まで増大した後は、徐々に速度を減少させ、析出の終了近くでは、シリコン析出条件における下限近くの速度Ｖ２に設定する。この実施形態では、図５Dに示すように、ロッドの中央付近では、比較的に小さな結晶粒を持ち、ロッドの外径方向に沿って結晶粒の粒径がいったん大きくなった後に、再び粒径が小さくなり、最外表面近くでは、比較的に小さな結晶粒を持つ多結晶シリコンロッドを製造することができる。

このような多結晶シリコンロッドは、たとえば発熱と除熱のバランスをとることが難しく、シリコンロッドの溶融の恐れのある析出初期の温度を比較的低くでき、シリコンロッドが細い段階でのシリコンロッド溶融を防止できるという利点がある。

その他の実施形態
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

たとえば上述した実施形態では、原料ガス供給量Ｑｉｎと供給原料ガス組成Ｃｓｉ（ｉｎ）とが、経過時間と共に予め予測されている変化を行うとする、または電力Ｐが、経過時間と共にあらかじめ予測されている変化を行うとすると仮定して制御しており、図１に示す入口側組成分析装置３４、出口側組成分析装置３６および非接触式温度計３８を用いることなく制御している。

本発明では、たとえばロッドの径方向析出速度Ｖを予測するために、反応器２に供給されるシリコン析出用原料ガスの組成を入口側組成分析装置３４により測定し、反応器２から排出されるシリコン析出用原料ガスの組成を、出口側組成分析装置３６により測定しても良い。また、ロッド２０の表面温度を、非接触式温度計３８により測定しても良い。そして、これらの測定データを制御装置３２に送り、制御装置３２により、図４に示す数式（２）に基づき直径方向成長速度Ｖを予測（計算含む）し、Ｖが所定の変化を行うように、電力供給手段３０を制御しても良い。

さらに、たとえば反応器２から排出されるシリコン析出用原料ガスの組成が経過時間と共に一定、あるいは経過時間と共に予め予測されている変化を行っていると仮定できる場合には、ロッドの径方向析出速度は、シリコン芯線に通電する電力のみにより決定されるために、そのシリコン芯線に通電する電力を測定することのみにより、直径方向成長速度Ｖを予測（計算含む）し、Ｖが所定の変化をたどるように、電力供給手段３０を制御しても良い。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

実施例１
ロッド１０本（逆Ｕ字型５対）立ての反応器にて、高さ２０００ｍｍの逆Ｕ字型のシリコン芯線に通電し、その温度を約１０００℃に加熱し、同時にトリクロロシランと水素の混合ガスを反応器に供給し、直径１２０ｍｍとなるまで多結晶シリコンを析出させた。

その後に、析出を完了させた後、アニールを行い、アニール終了時にシリコン芯線への通電を停止した。この後、カバー４を開放し、ロッド２０を取り出した。

芯線への析出工程では、析出初期では、ロッド直径方向の析出速度ＶをＶ１＝１．５ｍｍ／時間となるように制御し、しかも析出終期では、Ｖ２＝０．７ｍｍ／時間となるように、図２に示す変化線Ｖａに示すように速度を変化させた。変化の度合いを示すＶ２／Ｖ１は、１．５以上であった。
Ｆ値は０．０５５〜０．０７ｍｏｌ／ｃｍ^２ ／ｈの範囲内で、図３Ｂに示すように略一定に制御した。ロッドの表面温度は、９８０〜１１００°Ｃの範囲で、図３Ｃに示すように変化した。

得られたロッドについて、以下のようにして、ロッドの断面を観察すると共に、ロッドの中心から最外径部に向けて、粗大結晶の平均粒径およびその面積割合を測定した。

切断面の結晶観察および結晶撮影はシリコンロッド外皮部とシリコン芯線を通る任意の直線に対し、図５Ｂに示した通りの６箇所（ａ−１〜ａ−３とｂ−１〜ｂ−３）について実施した。観察箇所をコンピュータに接続した光学顕微鏡下、視野範囲を３．５ｍｍ×２．５ｍｍとして撮影し、画像データを得た。得られた画像データを画像解析ソフトにより解析し、粒子解析データを得た。画像解析ソフトには、旭化成エンジニアリング株式会社製「A像くん」を使用した。コントラスト設定は、画像を濃淡２５６階調に分割し、濃度１６０階調を二値化の閾値に決定し、閾値より明るい部分を粒子と判定した。この粒子の領域より、ノイズ排除及び微細粒子排除のために、５０μｍ未満の領域を除外し、残る領域を粗大粒子として粒度解析を実施した。粒度解析により、粗大粒子の長径、および粗大粒子の占める面積割合を求めた。

表１に示すように、ロッドの中央付近では、比較的に大きな結晶粒を持ち、ロッドの最外表面近くでは、比較的に小さな結晶粒を持つ多結晶シリコンロッドが得られることが確認できた。そのことは、図６（Ａ）、図６（Ｂ）および図６（Ｃ）に示す写真からも明らかであった。

実施例２
芯線への析出工程では、Ｆ値を０．０５５〜０．０７ｍｏｌ／ｃｍ^２／ｈの範囲内の０．０６ｍｏｌ／ｃｍ^２／ｈに制御し、図２に示す速度Ｖが変化線Ｖｂに沿って変化するように制御した以外は、実施例１と同様にしてロッドを製造した。変化の度合いを示すＶ２／Ｖ１は、１．５以上であった。

得られたロッドについて、実施例１と同様にして、ロッドの断面を観察した。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）および図７（Ｃ）に示すように、ロッドの中央付近では、比較的に小さな結晶粒を持ち、ロッドの最外表面近くでは、比較的に大きな結晶粒を持つ多結晶シリコンロッドが得られることが確認できた。

実施例３
芯線への析出工程では、Ｆ値を０．０５５〜０．０７ｍｏｌ／ｃｍ^２／ｈの範囲内の０．０６ｍｏｌ／ｃｍ^２／ｈに制御し、図２に示す速度Ｖが変化線Ｖｃに沿って変化するように制御した以外は、実施例１と同様にしてロッドを製造した。変化の度合いを示すＶ２／Ｖ１は、１．５以上であった。

得られたロッドについて、実施例１と同様にして、ロッドの断面を観察した。

図８（Ａ）、図８（Ｂ）および図８（Ｃ）に示すように、ロッドの中央付近では、比較的に小さな結晶粒を持ち、ロッドの外径方向に沿って結晶粒の粒径がいったん大きくなった後に、再び粒径が小さくなり、最外表面近くでは、比較的に小さな結晶粒を持つ多結晶シリコンロッドが得られることが確認できた。

比較例１
芯線への析出工程では、Ｆ値を０．０２〜１．０ｍｏｌ／ｃｍ^２ ／ｈの範囲で図９に破線で示すように制御し、ロッドの表面温度は、１０５０°Ｃで、略一定となるように制御した。ロッド直径方向の析出速度Ｖは、図９に実線で示すように、多少ばらついたが、その変化の度合いを示すＶの最大／Ｖの最小は、１．５未満であり、実施例ほどの変化はなかった。

得られたロッドについて、実施例１と同様にして、ロッドの断面を観察した。

図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）および図１０（Ｃ）に示すように、ロッドの中央付近からロッドの外径方向に沿って最外表面近くまで粗大結晶の粒径が略一定である結晶粒を持つ多結晶シリコンロッドが得られることが確認できた。

２… 反応器
４… カバー
６… 底板
１０… 芯線
１２… 電極
１４… 原料ガス供給ポート
１６… 原料ガス排出ポート
２０… ロッド
３０… 電力供給手段
３２… 制御装置
３４… 入口側組成分析装置
３６… 出口側組成分析装置
３８… 非接触式温度計
４０… 流量制御部

Claims (8)

1. 少なくとも１対の電極を備える反応器内に、両端が前記電極に接続されているシリコン芯線を配置し、前記シリコン芯線に通電しながら、シリコン析出用原料ガスを前記反応器内に供給し、前記シリコン芯線に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンから成るロッドを製造する方法であって、
   前記シリコン芯線に通電開始から前記シリコン芯線に対する前記ロッドの径方向析出速度を予測する工程と、
   予測された前記ロッドの径方向析出速度が、時間の経過と共に、変化するように、前記シリコン芯線に通電する電力を制御する工程と、を有し、
   予測された前記ロッドの径方向析出速度が、時間の経過と共に増大し、しかも前記径方向析出速度の変化の度合いを（Ｖ最大／Ｖ最小）と表した場合に、前記（Ｖ最大／Ｖ最小）が１．５以上となるように、前記シリコン芯線に通電する電力を制御する多結晶シリコンロッドの製造方法。
2. 前記ロッドの表面積当たりの前記シリコン析出用原料ガスの供給速度が０．０５５〜０．０７ｍｏｌ／ｃｍ ^２ ／ｈとなるように、前記反応器に供給される前記シリコン析出用原料ガスの供給量を制御する請求項１に記載の多結晶シリコンロッドの製造方法。
3. 前記ロッドの径方向析出速度を予測するために、
   前記反応器に供給される前記シリコン析出用原料ガスの組成と、
   前記反応器から排出される前記シリコン析出用原料ガスの組成と、
   前記シリコン析出用原料ガスの供給量と、を測定する工程を有する請求項１または２に記載の多結晶シリコンロッドの製造方法。
4. 前記ロッドの径方向析出速度を予測するために、
   前記反応器内に設置された前記ロッドの表面温度を測定する工程を有する請求項１〜３のいずれかに記載の多結晶シリコンロッドの製造方法。
5. 前記ロッドの径方向析出速度を予測するために、
   前記シリコン芯線に通電する電力を測定する工程を有する請求項１〜４のいずれかに記載の多結晶シリコンロッドの製造方法。
6. 予測された前記ロッドの径方向析出速度が、時間の経過と共に増大した後に減少し、しかも前記径方向析出速度の変化の度合いを（Ｖ最大／Ｖ最小）と表した場合に、前記（Ｖ最大／Ｖ最小）が１．５以上となるように、前記シリコン芯線に通電する電力を制御する請求項１〜５のいずれかに記載の多結晶シリコンロッドの製造方法。
7. 少なくとも１対の電極を備える反応器と、
   前記反応器内に配置され、両端が前記電極に接続されているシリコン芯線と、
   前記シリコン芯線に通電する電力供給手段と、
   シリコン析出用原料ガスを前記反応器内に供給するガス供給手段と、を有し、
   前記シリコン芯線に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンから成るロッドを製造する製造装置であって、
   前記シリコン芯線に通電開始から前記シリコン芯線に対する前記ロッドの径方向析出速度を予測する速度予測手段と、
   前記速度予測手段により予測された前記ロッドの径方向析出速度が、時間の経過と共に増大し、しかも前記径方向析出速度の変化の度合いを（Ｖ最大／Ｖ最小）と表した場合に、前記（Ｖ最大／Ｖ最小）が１．５以上となるように、前記シリコン芯線に通電する電力を制御する電力制御手段と、を有する多結晶シリコンロッドの製造装置。
8. 前記電力制御手段は、前記速度予測手段により予測された前記ロッドの径方向析出速度が、時間の経過と共に増大した後に減少し、しかも前記径方向析出速度の変化の度合いを（Ｖ最大／Ｖ最小）と表した場合に、前記（Ｖ最大／Ｖ最小）が１．５以上となるように、前記シリコン芯線に通電する電力を制御する請求項７に記載のシリコンロッドの製造装置。

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