JPH03150288A - 多結晶シリコンの加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、流動層法による半導体グレードの多結晶シリ
コンの製造、あるいはベルジャ法や流動層法によって製
造された半導体グレードの多結晶シリコンの熱処理等に
使用される多結晶シリコンの加熱装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の代表的な半導体グレードの多結晶シリコンの製造
法はベルジャ一法である。この製造法では、ベルジャ一
式反応容器の中のシリコン棒を通電加熱し、この状態で
反応容器内に半導体グレードのトリクロロシランと水素
、又は半導体グレードのモノシランと水素等の混合ガス
を通す、そうすると、加熱されたシリコン棒の表面に半
導体グレードのシリコンが析出される。

また、最近では、−流動層法による多結晶シリコンの製
造も開始されている。流動層法による多結晶シリコンの
製造では、０．１〜３曽の多結晶シリコン小片が反応容
器の中に装入され、その状態で反応容器を外部のヒータ
ーで加熱して反応容器内に半導体グレードのトリクロロ
シラン又はモノシラン等を含む反応ガスが導入される。

そうすると、反応容器内のシリコン小片が流動化し、そ
の表面に半導体グレードのシリコンが析出される。

ベルジャ一法や流動層法によって製造された半導体グレ
ードの多結晶シリコンは、例えば単結晶シリコンの素材
とされるが、多結晶シリコンがチックラルスキ一法で単
結晶化される場合には、多結晶シリコンが融解温度まで
加熱された時に破裂して飛散する。この破裂現象は、多
結晶シリコンの急速加熱による熱歪或いは製品中の残留
ガスの膨張によるものとされており、この破裂現象を防
止するために、従来よりベルジャ一法や流動層法で製造
された半導体グレードの多結晶シリコンを６００−１４
００℃で熱処理して、熱歪みや残留ガスを除去すること
が行われている。

この熱処理では、反応容器を外部のヒーターで加熱し、
反応容器内に不活性ガスを流通させながら反応容器内の
半導体グレードの多結晶シリコンを加熱する。これによ
り、多結晶シリコンが６０゜〜１４ｏｏｔｅて麟処理さ
れて熱歪みや残留ガスが除去される。

ここでいう半導体グレードとは、（Ｂ）＜０．５ｐｐｂ
ａ、　　（Ｐｌ　＜０．５ｐｐｂａ、　　（Ｃ）　〈ｏ
、４ｐｐｍａかつトータル重金属濃度＜　３０　ｐｐｂ
ａの不純物濃度を指している。これらの濃度は、チック
ラルスキー法によって製造される半導体単結晶シリコン
の原料として適切と判断される濃度である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところて、多結晶シリコンの製造法であるベルジャ一法
と流動層法とを比較した場合、前者がバッチ式で容器の
組立、解体を必要とするのに対し、後者は連続式で容器
の組立、解体を必要としない。

また、前者が反応容器を冷却するのに対し、後者は反応
容器を冷却しない、更に、反応表面積は前者より後者の
方が大きい、このようなことから、流動層法による製造
は、ベルジャ一法による１１造よりも高能率で、消費電
力も少ないとされている。

ところが、この流動層法による多結晶シリコンの製造で
は、反応容器が直接加熱され、また、その器壁にシリコ
ン小片が直接接触するので、器壁からシリコンへの汚染
が問題になる。同様の問題は、シリコンが反応容器の器
壁に直接接触する多結晶シリコンの熱処理においても生
じる。そして、この問題は、従来の反応容器がグラファ
イト、石英、ＳＩＣ等で製造されていることに起因して
いる。

すなわち、グラファイト製の反応容器では、加熱時に多
結晶シリコンがグラファイト壁に接触するので、グラフ
ァイト壁よりカーボンが多結晶シリコンに侵入してカー
ボン汚染すると共に、グラファイトの気孔率が大きいの
で、反応容器外部の不純物を反応容器内部に充填された
多結晶シリコンに拡散させる恐れがある。

石英製の反応容器では石英自Ｇｏ、　ｉ　ｐ　ｐ　ｍ程
度の不純物を含み、高温では多結晶シリコンの汚染源と
なる。又、流動層法による多結晶シリコンの製造の場合
、反応容器にシリコンが析出付着し、熱膨張係数の違い
により割れを発生する恐れがある。

ＳＩＣ製の反応容器では、グラファイト製の反応容器を
同様にＳｉＣより多結晶シリコンにカーボンが侵入して
汚染する恐れがある。

また、従来の反応容器では反応容器の機械的強度を増加
させるために、反応容器の外ａに金属製の外筒を嵌め込
み、金属製の外貴の外信から加熱する場合が多く、その
場合には、外筒に含まれる不純物が反応容器を通して反
応容器内の多結晶シリコンを汚染するおそれのあること
も、本発明者からの調査から明らかとなった。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたもので、反応容
器内の半導体グレードの多結晶シリコンの汚染を問題の
ない程度に抑え得る多結晶シリコンの加１！！！ｌｉｉ
ｆを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 本発明の多結晶シリコンの加熱装置は、反応容器に装入
された半導体グレードの多結晶シリコンを該反応容器の
外面側よりヒーターにて直接加熱する多結晶シリコンの
加熱装置であって、前記反応容器が内面を高純度シリコ
ンにてＩＯθミー以上の厚みにコーティングしたグラフ
ァイトからなる点を特徴としている。

〔作　　用〕

グラファイトは高温での割れに強く、反応容器をグラフ
ァイトで構成すれば、その外側に外筒を設けなくても、
十分な機械的強度が確保される。

また、グラファイト（Ｃ）は製造加工時に汚染されても
、高温で塩素ガスにより高純度化することができる。更
に、グラファイトよりなる反応容器の内面に厚みが１０
０＃−以上の高純度シリコンコーティング層を設ければ
、グラファイト自身によるカーボン汚染と、グラファイ
トを通過した汚染自質の反応容器内への侵入とが問題の
ない程度に＊＠される。従って、本発明の加熱装置では
、反応容器内の半導体グレードの多結晶シリコンの汚染
がＨ題のない程度に抑制される。

反応容器内面への高純度シリコンのコーティングは、半
導体グレードのモノシランガスまたはクロルシランガス
もしくはそれらのガスと、半導体グレードの水素ガスと
の混合ガスの熱分解または還元反応によって行うのが良
い、このコーティング法によると、高純度シリコンをグ
ラフアト製反応容器の内面へ簡単かつ強固に被覆させる
ことができる。

反応容器を外面側より加熱するヒーターについては、従
来の加熱装置ではＦｅ−ＣｒヒーターまたはＴａヒータ
ーが多用されている。しかし、本発明者らの調査による
と、これらのメタル系ヒーターは僅かではあるが反応容
器の器壁を通して反応容器内の多結晶シリコンを汚染す
るおそれのあることが判明した。従って、ヒーターは特
に限定しないが、より望ましくはグラファイトヒーター
が適する。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す加熱装置の断面図で、
流動層法による半導体グレードの多結晶シリコン製造装
置を示す。

反応容器ｌは円筒状で、その上部に粒子投入管２とガス
導出管７を有し、下部に多孔質の分散板４を有している
。分散板４には下方より粒子抜出管６が接続されている
。反応容器ｌの器壁は、厚みＩＯ〜５０−程度のグラフ
ァイトの内面に厚み１００〜２０００Ｇａｍ程度の高純
度シリコン層を設けた２層構造になっている。反応容器
ｌの外周側には間隙を空けて円筒環状のグラファイトヒ
ーター５が上下２段に設けられている。そして、反応容
器ｌは、グラファイトヒーター５の外側から金属製力バ
ー８で覆われ、金属製力バー８の下部にはガス導入管３
が接続されている。

第り図の装置においては、粒子投入管２より粒径が０−
１−１論程度の多結晶シリコン小片が反応容器ｌの中に
装入される。また、ガス導入管３からはトリクロロシラ
ンを含む反応ガス（ＨＸバランスで約４０％）が反応容
器ｌ内に送入される。

反応容器ｌ内に送入された反応ガスは分散板４の孔を遁
過して多結晶シリコン小片層内に噴出され、シリコン小
片を流動化し、小片表面にシリコンを析出させた後、ガ
ス出口より反応容器ｌ外に流出する。更に、グラファイ
トヒーター５により反応容器ｌの外周面を直接加熱し、
反応容器ｌ内に装入された流動状態のシリコン小片を、
例えば１０００℃に加熱する。シリコン小片の反応容器
ｌ内の平均滞留時間は反応容器の大きさにもよるが通常
３０時間程度である。この間にシリコン小片表面にシリ
コンが析出する。シリコンを析出させた粒径０．５〜２
論程度の多結晶シリコン小片は小片抜出管６より反応容
器ｌ外へ逐次取り出される。

第２図は本発明の他の実施例を示す加熱装置の断面図で
、多結晶シリコンの熱処理装置を示す。

反応容器ｌは直筒部とその下部の漏斗状接続部とよりな
る。反応容器ｌの上部には粒子投入管９とガス導出管ｌ
ｌが接続され、下部にはガス導入管１０をもつ粒子抜出
管１２が接続されている。

反応容器ｌの器壁は厚みｌθ〜５０鵬程度のグラファイ
トの内面に厚みｌＯＯ〜２００００ａｍ程度の高純度シ
リコン層を設けた２Ｎ構造である。

反応容器ｌの外周には間隙を空けて円筒環状のグラファ
イトヒーター５が設けられている。反応容器ｌはグラフ
ァイトヒーター５の外側から金属製力バー１３で覆われ
ている。

粒子取入管９より粒径Ｏ，ｔ　５〜２閤程度の多結晶シ
リコン小片が反応容器ｌの中に投入される一方、ガス導
入管１Ｇからはアルゴンガスが例えば流速ｆｏｅｓ／ｓ
程度で吹込まれる。反応容器ｌ内に吹込まれたアルゴン
ガスは反応容器Ｉ内の多結晶シリコン小片を移動層状態
にし、ガス導出管１１より排出される。同時に、グラフ
ァイトヒーター５は反応容器ｌの外周を直接加熱し、反
応容器ｌ内の移動層状態のシリコン小片を例えば１１０
０℃程度に加熱する。シリコン小片は反応容器ｌ内に通
常１時間程度滞留し、この間に熱処理される。熱処理さ
れたシリコン小片は粒子抜出管１２より逐次反応容器ｌ
外に取り出される。

なお、前述した第１図の装置は、ガス導入管３よりアル
ゴンガス等を吹込むことにより、多結晶シリコンの熱処
理装置としても利用できる。

次に、本発明の加熱装置における反応容器の製作方法お
よびその方法により製作された反応容器を使用した加熱
装置の使用結果を具体的に数値を挙げて説明する。

第３図に示す内径１０ｃｍ、厚みｌｃ箇、管長１２０ｃ
ｍのグラファイト管ｌ′を、その外面倒から全長５０１
の２本のグラファイトヒーター５．５により加熱した。

グラフアイト管ｌ′の軸方向中央部の外面温度を熱電対
１５により測定し、その測定温度が８７０℃に維持され
るようにグラファイトヒータ５．５の出力を調節した。

この状態で、グラファイト管ｌ′の一端より管内に半導
体グレードのトリクロロシランと半導体グレードの水素
ガスとの混合ガスを送入した。ガス送入量は８７０℃に
おけるガス流速が３０Ｃ１１／５になるように調節した
。また、混合ガス中のトリクロロシラン濃度は、気相て
のトリクロロシランガスの熱分解を抑制するために体積
割合にてｌＯ％とした。

グラファイト管ｌ′に上記混合ガスを１５時間流通させ
た後、グラファイト管ｌ′を冷却して軸方向に切断し、
その管壁断面を観察してシリコンコーティング層の軸方
向厚み分布を測定した。ガス入口端から１０ｃｍの部分
では、シリコンコーティング層の厚みは約１００＃ＩＩ
であったが、一部グラファイト層あるいは炭化ケイ素層
と判断される箇所がシリコンコーティング層表面に現れ
ていた。逆に、ガス出口端から１０ｃｍの部分では、シ
リコンコーティング層の厚みは５０〜１００　ａｍであ
ったが、シリコンコーティング層表面にグラファイト層
あるは炭化ケイ素層と認められる部分は現れなかった。

これらの両端部を除いた部分では、シリコンコーティン
グ層の厚みは２５０〜３００〃曽であり、シリコンコー
ティング層表面にグラファイト層あるいは炭化ケイ素層
と判断される部分は認められなかった。

上記方法でシリコンコーティングを行ったグラファイト
管を反応容器としｔ、第１図に示す本発明加熱装置を構
成し、その加熱装置により、高純度多結晶シリコン粒子
３ｋｇを高純度アルゴンガスにより流動化状態に保持し
、１０００℃×１０時間の熱処理を行った。シリコンコ
ーティングで使用したトリクロロシランガスは、チック
ラルスキ一法によって製造する半導体用単結晶シリコン
の原料として実際に使用している高純度多結晶シリコン
製造用の半導体グレード高純度トリクロロシランガスと
した。また、比較のために、比較装置Ａ−Ｅによる熱処
理も行った。

比較装置Ａは、シリコンコーティングにおいてＰおよび
Ｂを１〜５　ｐｐｂａ、　Ｃを１〜５　ｐｐａａ、重金
属を５０−ｐｐｂａを含む太陽電池グレードのトリクロ
ロシランガスを使用した装置、同Ｂはシリコンコーティ
ング層なし、同Ｃはシリコンコーティング層なしでステ
ンレスｓｉＩｌ外筒あり、同りは高純度シリコンコーテ
ィング層およびステンレス鋼製外筒ありの装置である。

また、比較装置ｆＥは反応容器としてグラファイトの代
わりにＳｉＣを用い、ステンレス鋼製外筒がない装置で
ある。

第　　１　　表 １　　１　　　　装　　置　　の　　構　　成　　　　
　１較 ＊）　ＰおよびＢ　０．５　ｐｐ−未満、ＣＧ−５ｐｇ
ｍ未満。

重金属成度３０ｐｐｂａ未糞 ＊本）ｐおよびＢ　１〜５　ｐｐｂａ、　Ｃ１〜５　ｐ
ｐ＠ａ。

重金属５０〜ｐｐｂａ。

第　　２　　表 １　　　　　１　　Ｗ１品顆粒中の不純物濃度　　１１
　　　　　　１　ｐｐｂａ　ｌ　ｐｐｂａ　ｌ　Ｐｐ＆
１１　　　ｐｐｂａ　　　ｌｌ熱処理前１０．１２し、
ｏｅ０．１３１　　＜１０　　１１　　　　　　１　（
０，２３）　　（０，１９）　　（０，２２）　ｌ　　
　（２５）　　　ｌそれぞれの加熱装置の構成を第１表
に示し、熱処理前後における高純度多結晶シリコン粒子
の不純物濃度を第２表に示す、いずれの装置もヒーター
はグラファイトヒーターとＦｅ−Ｃｒヒーターとを使用
し、Ｆｅ−Ｃｒヒーターを使用した場合の結果を（）内
に示す。

第２表から明らかなように、本発明装置では、熱処理後
の多結晶シリコン粒子中の不純物濃度が半導体グレード
に達しているのに対し、比較装置では、熱処理後の多結
晶シリコン粒子の汚染が著しい。

また、上記コーティング法において、コーティング時間
を変化させてグラファイト管両端１５ｃ■を除く部分に
おけるシリコンコーティング層の最小厚みを変化させた
。得られた各種グラファイト管を反応容器として上記熱
処理を行った結果を第４図に示す、熱処理後の高純度多
結晶シリコン粒子に、カーボン以外の不純物濃度の変化
は殆ど認められなかったので、第４図にはカーボン濃度
のみを表示した。第４図から明らかなように、シリコン
コーティング層の厚みが１００７フー以上でカーボン濃
度を９．４　ｐｐｍｍ以下に抑えることができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明の加熱装置は、
流動層法による多結晶シリコンの製造や、多結晶シリコ
ンの熱処理等において、装置から反応容器内の多結晶シ
リコンへの不純物汚染をなくし、これにより例えば単結
晶シリコンの生産性向上および品質向上に大きな効果を
発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

ｌＩｔ図および第２図は本発明の実施例を示す加熱装置
の縦断面図、第３図はグラファイト管のコーティング説
明図、第４図はシリコンコーティング層の層厚とカーボ
ン濃度との関係を示すグラフである。 ｌ：反応容器、１′　ニゲラファイト管、２゜９：粒子
投入管、３．１０：ガス導入管、４：分散板、５：ヒー
ター、６．１２：粒子板出資、７．１１：ガス導出管、
８．１３：金属製カバー。 第　　ｌ　　図 フ ー【 第２図 フ 第３図 層へｖフイ 第４図 １　。 シリコン層ＦＪ（，ｕａＩ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応容器に装入された半導体グレードの多結晶シ
   リコンを該反応容器の外面側よりヒーターにて直接加熱
   する多結晶シリコンの加熱装置であって、前記反応容器
   が内面を高純度シリコンにて１００μｍ以上の厚みにコ
   ーティングしたグラファイトからなることを特徴とする
   多結晶シリコンの加熱装置。
2. （２）前記反応容器内面への高純度シリコンのコーティ
   ングが、半導体グレードのモノシランガスまたはクロル
   シランガスもしくはそれらのガスと、半導体グレードの
   水素ガスとの混合ガスの熱分解または還元反応によって
   行われることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリ
   コンの加熱装置。
3. （３）前記反応容器を外面側より加熱するヒーターがグ
   ラファイトヒーターであることを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載の多結晶シリコンの加熱装置。