JPS63143813A

JPS63143813A - 半導体材料の高純度シリコンの製造方法およびその装置

Info

Publication number: JPS63143813A
Application number: JP62272910A
Authority: JP
Inventors: 尹　豊; 金　萬　永; 蘇　源　郁
Original assignee: Korea Research Institute of Chemical Technology KRICT
Current assignee: Korea Research Institute of Chemical Technology KRICT
Priority date: 1986-12-01
Filing date: 1987-10-28
Publication date: 1988-06-16
Also published as: KR880008409A; KR890002965B1

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）本発明は半導体材料である高純度シリコンの製造方法及
びその装置に関するものである。

更に詳しく説明すれば、マイクロ波加熱装置を鐘型反応
器に取り付け、該装置の発生するマイクロ波によりシリ
コンシード（ｓｅｅｄ）を予熱した後、上記マイクロ波
加熱装置を離脱させ、シリコンシードに電流を通じなが
ら気相の化合物である５ｉＨｃｊ！　ｓ、　５ｉｃＪＲ
４，５ｉｈＣＪ！　ｚ、５ｌＨＢｒｓ、５ｉＨ４等のシ
リコン化合物と、水素との混合物を反応器内に供給して
シリコンシードを成長させ、高純度のシリコンを製造す
る方法およびその装置に関するものである。

（従来の技術）一般的に半導体材料であるシリコンを製造するためには
原料である気相シリコン化合物類、即ち５ｉＨｃｕ、、
　５ｔｃｆ、、　ＳｉＨ，ｃｆＬ、、５ｉＨＢｒ、、５
ｉ）１．等（以下シリコン含有反応ガスと称する）と水
素との混合物を反応器内の高純度シリコンシードに供給
する以前、シリコンシードの温度を反応温度まで昇らせ
ておくことが必要である。即ち、高純度シリコンの場合
、常温における比抵抗が５０００Ω・Ｃ１１程度で高い
ためにシリコンシードに直接電気を供給してシリコンシ
ードを加熱しようとすれば数十万ボルト（Ｖ）の高電圧
の電流を供給して必要とする温度まで上昇させることを
要する。

しかし、高純度シリコンシードの温度が反応温度である
６００〜１３００℃程度に上昇すればシリコンの比抵抗
値が０．２〜０．０４Ω・ｃｍ程度まで急激に低下する
ので、反応が進行する間においては、初期にシリコンシ
ードを加熱するのに要する電圧に比して著しく低い電圧
で電気を供給することになる。

以上説明したようにシリコンシードを常温から反応温度
まで上昇させるためには高電圧を使用することを要する
のでこの高電圧によって電力供給装置の費用面にも、安
全面にも望ましくない欠点を有していた。

従って、現在ではシリコンシードを予熱して一定温度ま
で高めその後高純度のシリコンシードに電気を供給する
方法が使用され１いる。

従来、鐘型反応器内に棒状のシリコンシードを設置して
反応器の内部から赤外線加熱装置を挿入し、ついで反応
器内を真空となし、アルゴンのような不活性ガスを導入
し赤外線加熱装置を利用して反応器内のシリコンシード
の温度を５００〜９００℃まで加熱してシリコンシード
の比抵抗が０．４〜Ｇ、０３Ω・ｃｍ程度となるように
なす。

一方、赤外線加熱装置の作動が完了する３０分前からシ
リコンシードに直接電流を供給し始め、供給された電流
によって加熱されたシリコンシードの温度が反応温度ま
で上昇すれば赤外線加熱装置を反応器内から取出し、そ
の際流入した空気を除去した後不活性ガスを導入し、つ
いで反応器と密封して冷却ジャケットを設けたのち、原
料であるシリコン含有反応ガスと水素との混合物を反応
器内に流入させて高純度シリコンシード表面で熱分解さ
せて、半導体の材料である高純度シリコンを製造する方
法が知られていた（「註」アメリカ特許第３，３３０，
２５１号、同第４，１７３，９４４号、日本国特許公告
第６４−４４，０２７号、および８２−１２，２８８号
）（発明が解決しようとする問題点）然し、前述した高純度シリコンの製造方法およびその装
置はシリコンシードを予熱するために赤外線加熱装置を
反応器内部のほとんど底部に近いところまで降下させる
ことを要するために、赤外線加熱装置の周辺に棒状のシ
リコンシードを設置するほかなく、これによって反応器
内でのシリコンシードの配設位置及び配設数が制限され
ることとなる。

また、シリコンシードを棒状とした場合初期の０．４〜
０．７ｃｍの径を有する高純度のシリコンシードにシリ
コンを蒸着させて太さが１０〜２０ｃ＋ａ程度となれば
成長を中断させ新しいシリコンシードと交替することに
なるが、シリコン棒の太さが大きくなるにつれてシリコ
ン棒から分散する一輻射熱が急激に増大するので反応初
期から反応末期までシリコン８棒に供給される電力の範
囲が広過ぎ、かつ、またシリコン８棒から発散する輻射
エネルギーの大部分が反応器壁を通して外部に発散する
ために電力の損失が大きい。

しかし、従来の赤外線で予熱する方法にあっては、反応
器内のシリコンシードが棒状のもの以外は使用すること
が出来ない。若し、シート状のシリコンシードを使用す
れば予熱に際して均一に熱を受は得ないのでシード自体
がこわれてしまう。

また、このような棒状のシードを使用すれば、シードの
表面積が小さいので、反応器に原料であるシリコン含有
ガスと水素との混合物を反応初期には少く供給するがシ
リコンシードが次第に成長すれば上記混合物の供給を大
幅に増加させることを要する。

そういう理由で反応器内のシリコン化合物の供給範囲が
たいへん広範囲であるためこれに伴って必要な諸般の装
置を斯かる供給範囲を実現できるよう設計しなければな
らず、その結実装置の巨大化、複雑化をまねくという不
利な点を内包している。

それ以外に赤外線加熱装置を利用して高純度シリコンシ
ードを予熱する場合、赤外線がシリコンシード以外の部
分を加熱し、シリコンシード自体を加熱するのに利用さ
れるエネルギーの全体に対する割合が非常に低いために
予熱に要する時間が長く１時間以上になり、且つ赤外線
加熱装置を反応器から抜き取るとき、流入する空気を除
去し、また不活性ガスを更に充填した後、反応器中赤外
線加熱装置の出入口を密封しなければならないために、
その過程があまりにも複雑で非経済的である。

また、１つの問題点は前述したように棒状のシリコンシ
ードに代えてシート状のシードを使用することが出来な
い。何故かといえば、シートのようにがさに比べて表面
積が広い場合、赤外線があたる部分と当たらない部分と
の温度の差が著しく表われてシート状のシリコンシード
がこわれるためにこれを使用することはほとんど不可能
である。

これを可能ならしめるためにはシート状のシリコンシー
ドに赤外線が均一に当たるように設計するほかないとこ
ろ、これは原価が上昇し過ぎて実際において設計するこ
とが不可能である。

従って赤外線加熱装置を使用する時は、棒状のシリコン
シードを赤外線予熱装置より発散される輻射熱が直接吸
収されるよう赤外線予熱装置を中心として同心円状に配
置しなければならない。

（問題点を解決するための手段）本発明は上記赤外線予熱装置の使用に依る非経済的要因
を改善する為に鋭意研究検討した結果として、予熱装置
にマイクロ波発生装置を使用することにより、上記諸般
の問題が一挙に解決されることを企図するものである。

即ち、本発明の方法は、鐘型反応器を利用した半導体材
料である高純度シリコンの製造方法において、マイクロ
波発生装置で発生されるマイクロ波により反応器内のシ
リコンシード（ｓｅｅｄ）を一定温度まで予熱した後、
該シリコンシードに電流を通じながら前記反応器内にシ
リコン含有反応ガスと水素とを導入し、上記シリコンシ
ード表面にシリコンを蒸着、成長させることを特徴とす
る。

また、本発明の装置は、シリコン含有反応ガス流入口及
び流出口を備え、該反応ガス流入・出時に内部のシリコ
ンシードに通電して発熱させ一定温度に保ちつつ該シー
ド表面にシリコンを蒸着、成長させる鐘型反応器を備え
る高純度シリコン製造装置において、前記鐘型反応器壁
部にマイクロ波透過可能な窓部を設けるとともに、前記
窓部にシリコンシード予熱時に取着されるマイクロ波照
射口を備える予熱用マイクロ波発生装置と、前記窓部に
シリコン蒸着時に取着される裏側を研磨した金属板とを
設けたことを特徴とする。

（作用）以下本発明の詳細な説明する。

（１）鐘型反応器にシリコンシード即ち、棒状またはシ
ート状のシードを設置し、上方からマイクロ波を送給す
れば、反応器内のシリコンシード以外はどの部分も超音
波を吸収しないで反射するために、シリコンシードを５
００〜９００℃まで予熱するのに要する時間がたいへん
短く、熱効率もたいへん高い長点がある。

（２）反応器を並列におぎ、マイクロ波加熱装置から発
生するマイクロ波を特定反応器に送って予熱した後、次
の反応ガスをすぐに送り得るために経済的な面から革新
的である。このような利点によって、肯定的に半導体材
料である高純度シリコンの製造原価を大幅に低減させて
、従来の赤外線加熱方法より作業が著しく簡単になる。

かつ、本発明は添付した第１図および第２図に示されて
いるとおり反応開始前に不活性ガスで空気を除去した後
反応器の上部を石英板で塞いだままその石英板の上部か
らマイクロ波を反応器に供給して予熱するから従来の赤
外線装置を使用した時のように予熱が終ったのち更に空
気を除去するための別設の作業を省略し得るために操作
の単純化とシリコンの製造原価を大幅に低減させること
が出来る。

（３）赤外線加熱装置を使用する場合、予熱が不可能な
シート状のシリコンシードを使用することが出来るので
、反応初期から反応終期まで原料であるシリコン含有反
応ガスと水素との混合物の供給範囲が従来の方法に比べ
て非常に狭いために反応装置を効率的に設計することが
出来る。

（４）シリコン蒸着反応の際、反応器壁を通ずる熱の損
失を最小化し得るようシリコンシードの位置および個数
を任意に配列および調整することが出来る。

（実施例）以下本発明を添付した図面に依って詳細に説明すればつ
ぎのとおりである。

第１図（Ａ）は半導体材料である高純度シリコン製造反
応器の概略図でありて符号１は反応器本体であり、その
反応器本体１は口筒状の鐘型反応器壁２と、該反応器壁
２下端の開口を閉塞する水冷金属板３を備える。

上記鐘型反応器壁２は二重であり、中空部を備え該中空
部に流入、流出する冷却媒体に依って冷却され、錆のつ
かないステンレス鋼より形成される。鐘型反応器壁２の
下部と上部には冷却媒体が自然循環されて、流入、流出
するための冷却媒体人・出口４．５を設け、上記鐘型反
応器壁２の上、中、下３箇所に反応器内部の蒸着された
棒状またはシート状のシリコン６の温度を感知するため
の窓フが設置されている。

上記水冷金属板３には銅に銀メッキ又は銀より成る一対
の電極棒１０を設けて、反応器本体１の内部に一対の半
導体シリコンシード１１と電源の供給を容易ならしめる
ためにそれぞれ黒鉛、炭素または硅素からなる締め付は
ブロック１２により上記シリコンシード１１及び電極棒
１０を一体化させる。

第２図は棒状又はシート状の高純度シリコンシード１１
を複数対として設けた例を示し、第２図（Ａ）は棒状の
シリコンシードを所定円周上に１列に、第２図（Ｂ）は
シート状のシリコンシードな２列に設けた例、第２図（
Ｃ）は放射線方向に設置した例である。このように半導
体シリコンシードの複数対を設置する場合には上記締付
はブロック１２と電極棒１０を一対の半導体シリコンシ
ード１１の数に見合うよう設ける。

上記電極棒１０は水冷金属板３と一体化させるため電極
ナツト１３により固定させ、その電極ナツト１３は電源
線１４に連結接続される。そうして、符号１５．１６は
透明は石英材の原板であり、上記反応器壁１２の上部に
２重に設けられて反応器壁１２上端開口を閉塞している
。また、上記透明原板１５．１６の間に、冷却媒体を流
入、流出するようになすため、両側に冷却媒体の入・出
口１７．１８を設ける。符号１９はマイクロ波発生装置
で、このマイクロ波発生装置１９において発生したマイ
クロ波を、反応器本体１の内部に導入させ、シリコンシ
ード１１を予熱させるため導波管２０とマイクロ波照射
口２１を上記マイクロ波発生装置１９と一体化するよう
になす。

上記マイクロ波照射口２１には、電動機２２によって回
転されるスターク（ｓｔｉｒｒｅｒ）　　２３を設け、
該スターク２３に依りマイクロ波を各方向に反射させ、
ある一部分にだけ伝達されることのないようエネルギー
を分散させる。

そうして、上記マイクロ波照射口２１は反応器本体１の
鐘型反応器壁２の上部に容易に着脱でき得るよう設置さ
れている。

上記導波管２０には同調棒２−４を設け、導波管２０を
通して逆流して入って来る反射波を除去する。そうして
、反応器本体１の内部に設けられたシリコンシード１１
が５００〜９００℃まで予熱されると、第１図（Ｂ）の
ように、上記マイクロ波照射口２１を取りはずした後、
上記石英材原板１５．１６の間に冷却媒体を通過させる
と共に上記マイクロ波照射口２１の位置に裏面を研磨さ
れた金属板２５を設けて輻射熱の損失を最小化する。

上述したとおり、高純度シリコンシード１１の場合、常
温における比抵抗は５０００Ω・Ｃ１１程度に高いので
、シリコンシード１１に電源線１４、電極ナツト１３、
電極棒１０、締め付はブロック１２を通じて直接電気を
供給してシリコンシード１１の温度を反応温度である６
００〜１３００℃程度にまで上昇させにくいので、反応
器１内に設置されたシリコンシード１１に電気を供給す
る以前、マイクロ波発生装置１９から発生したマイクロ
波を導波管２０を通じてマイクロ波照射口２１に伝波移
動させる。

マイクロ波照射口２１では、電動機２２により回転され
るスターク２３に依り、導波管２０を経て伝渡されたマ
イクロ波がいずれか一部分だけに照射されないようにエ
ネルギーを分離させる。

分散されたマイクロ波は石英材透明原板１５゜１６を通
過して反応器１内に設けられている高純度シリコンシー
ド１１を予熱温度である５００〜９００℃に予熱する。

この際、予熱途中に透明原板１５．１６の間から冷却媒
体人・出口４１．５を通じて冷却水を流すとマイクロ波
照射口２１から分散されたマイクロ波が水によって青吸
収されてしまうので、冷却媒体はマイクロ波を吸収しな
い物質、例えば空気、アルゴン、オイル等を選定して使
用するか或いは予熱時間のあいだには冷却媒体を流さな
い方法を選ぶ。

゛　かつ、予熱途中にマイクロ波照射口２１から出てく
るマイクロ波の出力を最大となすために同調棒２４を廻
して導波管２０を逆流して入り込む反射波を除去させる
。

反応器１内に設置された高純度シリコンシード１１の温
度が予熱温度である５００〜９００℃まで上昇すれば電
源線１４を通して電流を供給して電極棒１０と黒鉛締め
付はブロック１２とを通したのち、一対の半導体シリコ
ンシード１１が６００〜１３００℃の温度になるように
加熱する。

上記方法によって、反応器１内に設置されたシリコンシ
ード１１を予熱する場合には、反応器１内においてシリ
コンシード１１だけがマイクロ波に依って加熱されるの
で予熱に必要な時間が短くなり、マイクロ波による予熱
の効率も高くなる。

かつマイクロ波照射口２１が反応器１の外部に設けられ
たままで反応器１の内部に設置された高純度シリコンシ
ード１１を加熱させることが可能であるので予熱に必要
な操作が簡単になる。

予熱が終了すれば、反応器１内に設置されたシリコンシ
ード１１の温度を６００〜１３００”Ｃまで上昇させた
後、透明石英板１５．１６の間から冷却媒体の人・出口
４．５を通じて冷却媒体を流してマイクロ波照射口２１
を反応器１から取りはずす。

反応器１上部のマイクロ波照射口２１を取りはずした位
置には第１図（Ｂ）のように輻射熱の損失を防ぐために
よく研磨した金属板２５を設けて輻射熱の損失を最小化
する。

反応器１内のシリコンシード１１の温度が反応温度であ
る６００〜１３００℃まで上昇すれば、反応器本体１の
内部圧力を１〜ｌＯ気圧に維持させて反応器本体１の入
口８を通じて原料であるシリコン含有化合物と水素との
混合物を流入させてシリコンシード１１上に高純度のシ
リコンが次第に成長して高純度のシリコン６が製造され
ることになる。

蒸着反応中または反応後の未反応ガスおよび望ましくな
い生成物はガスの出口９を通じて反応器の外部に流出す
る。流出されたガスは公知の方法によって回収、再使用
される。

上記説明は本発明の理解を助けるためであり、本発明の
思想或いは範囲が上記説明に局限されるものではない。

以下に実例を示して本発明を更に具体的に説明する。

五■ユ本実例に使用した反応器本体１の諸元は直径４０ｃｍ、
高さ９０ｃ＋＋＋である鏡型ステンレス鋼材であり鐘型
反応器壁３と水冷金属板２とより構成されている０反応
器本体１の内部には高純度多結晶体硅素インゴットを幅
５　ｃ＋ｍ、長さ７０ｃｍ、圧さ３ＩＩＩ１１の薄板に
切断し、第２図の（Ｂ）のような方法で４対のシート状
の高純度のシリコンシード１１を２列縦隊に設置した。

この際、互いに平行に対向するシリコンシード１１間の
距離は５ｃｍであった０反応器本体１内部に高純度硅素
薄板１１の設置が完了すれば反応器本体１内部の空気を
除去したのち、出力１０に一周波数２４５０ＭＨｚのマ
イクロ波発生装置１９を作動させ、導波管２０を通じて
マイクロ波照射装置２１にマイクロ波を送る。

この時同調ｊ＠　２４を廻して反射波を最小とする。加
熱が始まった後１０分が経通すれば反応器内部に設置さ
れたシリコン薄板１１の温度が６０Ｑ℃まで上昇する。

シリコンシート１１の温度が６００℃以上に上昇すれば
、予熱作業を中止し電源線１４を通じて１１に電気を直
接通じてシート状のシリコンシード１１の温度が反応温
度である１１００℃となるよう加熱し反応器本体１上部
の透明石英板１５．１６の間に温度７０℃の冷却水を流
すとともに、マイクロ波加熱装置２１を反応器１から分
離したのち、上部透明石英板１５上によく研磨された金
属板を被覆する。

その後反応器本体１の注入口４を通じて反応気体である
トリクロロシランと水素とのモル比を０．２５となし、
初期には上記反応気体の注入速度を時間当り５２ｋｇと
し、この注入速度を３３時間目には時間当り１０８ｋｇ
注入するよう一定して増加させ注入、蒸着させた。３３
時間後に生成した高純度シリコン６の量は４７．８ｋｇ
であった。

五■ユ実例！において使用した反応器内に直径０．７ｃｍ、長
さ７０ｃｍの棒状の高純度シリコンシード１１を直径２
０Ｃ亀の同心円状に４対設置した。

実例１において使用したマイクロ波加熱装置２１の出力
を下げて予熱を実施した結果、加熱が始まりた後７分程
経過すれば反応器内部に設置されたシリコンシード１１
の温度が予熱温度である６００℃以上に上昇した。

その後実例１と同一の操作を経て、反応器体の注入口を
通じてトリクロロシランを反応ガスであるトリクロロシ
ランと水素（モル比０．２５）の混合気体を初期には時
間当り０．８ｋｇ注入しこの反応ガスの注入速度を一定
して増加させ３３時間目には時間当り６８ｋｇとした。

このようにして３３時時間桁出された高純度シリコン６
の量は２３．１ｋｇであった。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば高純度シリコンシ
ードを利用して、シリコンを製造することにより、エネ
ルギーの低減および高純度シリコン製造の生産性を向上
させることができるとともに、マイクロ波加熱装置を利
用して高純度シリコン芯棒或いは薄板を予熱することに
より、予熱作業の単純化を図ることが出来、しかも予熱
時間が他の方法に較べて短縮されるので、電流の消耗を
効果的に防止し得る上、予熱効率が高いので窮局的に高
純度シリコンの製造原価を大幅に低下させ得るという頗
る実用的な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明の高純度シリコンの製造反応器と
マイクロ波加熱装置の概略的断面図第１図（Ｂ）は本発
明のマイクロ波加熱装置を除去した位置に金属板を設置
した断面図第２図（Ａ）は従来と同様の棒状シリコンシ
ードの配置を示した本発明の一実施例の平断面図第２図
（Ｂ）はシート状シリコンシードの配置状態を示した本
発明の他の実施例の平断面図第２図（Ｃ）はシート状シ
リコンシードの配置状態を示した本発明の更に他の実施
例の平断面図である。図面中の主要部分に対する符号の説明１：反応器本体２二鐘型反応器の壁３：水冷金属板６：析出されたシリコン（棒状またはシート状）１１：棒状またはシート状シリコンシード１５．１６：
透明石英材原板１９：マイクロ波発生装置２０：導波管２１：マイクロ波照射口２４：同調棒

Claims

【特許請求の範囲】

（１）鐘型反応器を利用した半導体材料である高純度シ
リコンの製造方法において、マイクロ波発生装置で発生
されるマイクロ波により反応器内のシリコンシード（ｓ
ｅｅｄ）を一定温度まで予熱した後、該シリコンシード
に電流を通じながら前記反応器内にシリコン含有反応ガ
スと水素とを導入し、上記シリコンシード表面にシリコ
ンを蒸着、成長させることを特徴とする高純度シリコン
の製造方法。
（２）前記反応ガスがシラン、ジクロロシラン、トリク
ロロシラン、トリブロモシランから成る群から選択され
る１種或いは２種以上の混合物であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載の高純度シリコンの製造方
法。
（３）前記シリコン含有反応ガスを反応器に導入する前
のシリコンシードのマイクロ波による予熱温度が５００
〜９００℃であることを特徴とする特許請求の範囲第１
項に記載の高純度シリコンの製造方法。
（４）前記シリコンシードが棒状であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載の高純度シリコンの製造
方法。
（５）前記シリコンシードがシート状であることを特徴
とする特許請求の範囲第１項に記載の高純度シリコンの
製造方法。
（６）シリコン含有反応ガス流入口及び流出口を備え、
該反応ガス流入・出時に内部のシリコンシードに通電し
て発熱させ一定温度に保ちつつ該シード表面にシリコン
を蒸着、成長させる鐘型反応器を備える高純度シリコン
製造装置において、前記鐘型反応器壁部にマイクロ波透過可能な窓部を設け
るとともに、前記窓部にシリコンシード予熱時に取着されるマイクロ
波照射口を備える予熱用マイクロ波発生装置と、前記窓部にシリコン蒸着時に取着される裏側を研磨した
金属板とを設けたことを特徴とする高純度シリコン製造
装置。
（７）前記マイクロ波照射口内には、マイクロ波を均一
化させるスターラが設けられることを特徴とする特許請
求の範囲第６項に記載の高純度シリコンの製造装置。
（８）前記窓部は、２枚の透明石英板を所定の間隔を介
して重ねて成り、該石英板間に導入される冷媒により冷
却されることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載
の高純度シリコンの製造装置。
（９）前記反応器壁部が、外側壁部と内側壁部とを所定
の間隔を介して重ねて成り、該外側壁部と内側壁部との
間に導入される冷媒により冷却されることを特徴とする
特許請求の範囲第６項に記載の高純度シリコンの製造装
置。
（１０）前記反応器壁部の内側壁部が金属製且つ反応器
内側表面を研磨されたものであることを特徴とする特許
請求の範囲第９項に記載の高純度シリコンの製造装置。
（１１）前記反応器壁部の前記内側壁部がマイクロ波透
過可能な透明石英製であり、前記外側壁部が、金属製且
つ反応器内側表面を研磨されたものであることを特徴と
する特許請求の範囲第９項に記載の高純度シリコンの製
造装置。