KR20140128300A - 다결정 실리콘 봉의 제조 방법 - Google Patents

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야스시 구로사와
나루히로 호시노
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신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

벨자(1) 내에 배치된 2쌍의 기둥문형의 실리콘 심선(12) 사이에 설치된 회로(16)의 직렬/병렬의 전환은 스위치(S1∼S3)에 의해 행한다. 당해 회로(16)에는, 저주파수 전류를 공급하는 1개의 저주파 전원(15L), 또는 2kHz 이상의 주파수를 갖는 주파수 가변의 고주파 전류를 공급하는 1개의 고주파 전원(15H)으로부터 전류가 공급된다. 스위치(S1)를 닫힘으로 하고 스위치(S2 및 S3)를 열림으로 하여 2쌍의 기둥문형의 실리콘 심선(12)(내지는 다결정 실리콘 봉(11))을 직렬로 연결하고, 스위치(S4)를 고주파 전원(15H)측으로 전환하면, 직렬 접속된 기둥문형의 실리콘 심선(12)(내지는 다결정 실리콘 봉(11))에 2kHz 이상의 주파수의 고주파 전류를 공급하여 통전 가열할 수 있다.

Description

다결정 실리콘 봉의 제조 방법{POLYCRYSTALLINE SILICON ROD MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 고순도 다결정 실리콘을 얻기 위한 다결정 실리콘 봉의 제조 기술에 관한 것이다.
다결정 실리콘은 반도체 디바이스 제조용 단결정 실리콘 기판이나 태양 전지 제조용 실리콘 기판의 원료이다. 일반적으로, 다결정 실리콘의 제조는, 클로로실레인을 포함하는 원료 가스를 가열된 실리콘 심선에 접촉시켜, 당해 실리콘 심선의 표면에 화학 기상 반응법(CVD: Chemical Vapor Deposition)에 의해 다결정 실리콘을 석출시키는 지멘스법에 의해 행해진다.
지멘스법에 의해 다결정 실리콘을 성장시키는 경우, 반응로 내에, 연직 방향으로 2개와 수평 방향으로 1개의 실리콘 심선을 기둥문(鳥居)형으로 조립하여, 이 기둥문형 실리콘 심선의 단부 각각을 심선 홀더에 수용하고, 이들 심선 홀더를 기저판(base plate) 상에 설치한 한 쌍의 금속 전극에 고정한다. 금속 전극을 개재하여 기둥문형 실리콘 심선에 통전시키는 것에 의해 실리콘 심선이 통전 가열되고, 이 실리콘 심선에 원료 가스가 접촉하는 것에 의해 다결정 실리콘의 석출이 생겨, 다결정 실리콘 봉이 얻어진다. 한편, 일반적인 반응로에서는, 기저판 상에 복수 조(組)의 기둥문형 실리콘 심선이 배치되는 구성으로 되어 있다.
반응로에 설치된 돔형의 반응 용기(벨자(bell jar))의 내부 공간은 기저판으로 밀폐되고, 이 밀폐 공간이 다결정 실리콘의 기상 성장 반응 공간이 된다. 기둥문형 실리콘 심선 통전용의 금속 전극은 절연물을 협지해서 기저판을 관통하여, 벨자 하방에 설치된 전원에 접속되거나, 또는 벨자 내에 배치되어 있는 다른 기둥문형 실리콘 심선에의 통전용 금속 전극에 접속된다.
기둥문형 실리콘 심선 이외의 부분에 다결정 실리콘이 석출되는 것을 방지하고, 또한 반응로를 구성하는 부재가 과잉의 고온으로 되어 손상되는 것을 방지하기 위해서, 금속 전극, 기저판 및 벨자는 물 등의 냉매에 의해 냉각된다. 한편, 심선 홀더는 금속 전극을 개재해서 냉각된다.
다결정 실리콘 석출용의 원료 가스로서, 예컨대 트라이클로로실레인과 수소의 혼합 가스를 이용하는 경우, 기둥문형 실리콘 심선 상에 다결정 실리콘을 원하는 직경으로 석출시키기 위해서는, 실리콘 심선의 표면 온도는 900℃∼1300℃의 범위에 있을 필요가 있다. 따라서, 다결정 실리콘의 석출 반응 개시에 앞서, 실리콘 심선의 표면을 900℃∼1300℃의 범위의 온도로 할 필요가 있고, 그를 위해서는, 일반적으로는 실리콘 심선에 단면적당 0.3A/mm2∼4A/mm2의 전류를 흐르게 할 필요가 있다.
다결정 실리콘의 석출 개시 후에는, 통전량을 제어하여 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 상기 900℃∼1300℃의 범위로 유지할 필요가 있다. 이 때, 상용 전원 주파수인 50Hz 내지 60Hz로 통전을 행한 경우에는, 다결정 실리콘 봉의 직경이 두꺼워짐에 따라서 다결정 실리콘 봉의 중심부와 표면측의 온도차가 현저해진다. 이 경향은 다결정 실리콘 봉의 직경이 80mm 이상에서 특히 강해지는데, 이는, 다결정 실리콘 봉의 중심부는 특별한 냉각이 이루어지지 않는 한편, 다결정 실리콘 봉의 표면측은 챔버 내에 공급되는 원료 가스의 접촉에 의해서 냉각을 당하기 때문이다.
실리콘 결정은 온도가 높을수록 전기적 저항이 낮아지는 성질을 갖고 있다. 이 때문에, 상대적으로 온도가 높은 다결정 실리콘 봉의 중심부의 전기 저항은 상대적으로 낮아지고, 상대적으로 온도가 낮은 다결정 실리콘 봉의 표면측의 전기 저항은 상대적으로 높아진다. 이와 같은 다결정 실리콘 봉 내부에서의 전기 저항의 분포가 생기면, 금속 전극으로부터 공급된 전류는 다결정 실리콘 봉의 중심부로 흘러가기 쉬워지는 한편, 표면측으로는 흘러가기 어려워지기 때문에, 다결정 실리콘 봉의 중심부와 표면측의 온도차는 점점 커진다.
이와 같은 상태에서 성장을 계속하여 다결정 실리콘 봉의 직경이 130mm 이상으로 되면, 중심부의 온도와 표면측의 온도의 차는 150℃ 이상이나 되고, 다결정 실리콘의 석출면인 표면측의 온도를 900℃∼1300℃의 범위로 유지하고자 하면 중심부의 온도가 지나치게 높아져, 최악의 경우에는 중심부가 부분적으로 용융되어 실리콘 심선이 도괴(倒壞)되어 버리는 사고도 발생할 수 있다.
이와 같은 문제를 감안하여, 일본 특허공개 소63-74909호 공보(특허문헌 1)에서는, 고주파수의 전류에 의해 생기는 표피 효과를 이용하여 다결정 실리콘 봉의 표면 부근에 상대적으로 많은 전류를 흐르게 한다는 방법이 제안되어 있다.
또한, 일본 특허공표 2002-508294호 공보(특허문헌 2)에서는, 클로로실레인보다도 반응 온도가 낮은 모노실레인을 원료 가스로서 이용하여, 다결정 실리콘의 석출 온도를 850℃ 정도로 하고, 200kHz의 고주파수의 전류를 통전 가열에 이용함으로써 다결정 실리콘 봉의 중심부와 표면측의 온도차를 작게 하는 시도가 보고되어 있으며, 이에 의해 전체 용적에 걸쳐 11MP보다 많지 않은 응력을 갖는 직경 300mm까지의 다결정 실리콘 봉을 얻을 수 있었다고 되어 있다.
일본 특허공개 소63-74909호 공보 일본 특허공표 2002-508294호 공보 일본 특허공개 소55-15999호 공보
결정 성장 중인 다결정 실리콘 봉의 표면측과 중심부 사이에 생기는 온도차를 억제하기 위해서는, 전술한 특허문헌에 개시되어 있는 바와 같이, 다결정 실리콘 봉의 통전 가열에 고주파 전류를 행하여, 그의 표피 효과를 이용하는 것이 유효하다.
그런데, 특허문헌 2에서는 원료 가스로서 일반적인 트라이클로로실레인이 아니라 모노실레인이 이용되고 있다. 트라이클로로실레인을 원료 가스로 한 경우의 석출 온도는 전술한 바와 같이 900℃∼1300℃이어서 보다 높은 온도로까지 다결정 실리콘 봉을 통전 가열할 필요가 있다.
본 발명자들은, 특허문헌 2에 개시된 수법에 따라, 트라이클로로실레인을 원료 가스로 하고, 200kHz의 주파수의 전류를 다결정 실리콘 봉에 통전시켜 표면 온도를 대략 1000℃로 해서 실험을 시도했지만, 다결정 실리콘 봉의 직경이 160mm를 초과한 부근에서부터 기둥문형으로 세운 다결정 실리콘 봉이 붕괴되어 버리는 경우가 다발했다.
이와 같은 다결정 실리콘 봉의 붕괴는, 표면측과 중심부에서의 온도차에 기인하는 것으로 생각되기 때문에, 표피 효과를 높이기 위해서 전류의 주파수를 더욱 올려 실험을 행했지만, 다결정 실리콘 봉의 붕괴 빈도는 오히려 높아져 버린다는 사실이 판명되었다. 본 발명자들은, 이 결과에 대하여, 고주파수의 전류를 이용하여 얻은 표피 효과가 지나치게 강하게 나온 것이 원인이라고 생각하고 있다.
본 발명은, 이와 같은 종래 수법의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 클로로실레인류 등의 실레인 화합물, 특히 트라이클로로실레인을 원료로 하여 대구경의 다결정 실리콘 봉을 제조할 때에, 고주파수의 전류를 이용하는 효과를 유효하게 얻으면서, 다결정 실리콘 봉의 붕괴를 방지하고, 대구경 다결정 실리콘 봉을 고효율로 제조하기 위한 기술을 제공하는 것에 있다.
전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법은 하기의 구성을 구비하고 있다.
반응기 중에 실리콘 심선을 배치하고, 상기 반응로 내에 실레인 화합물을 함유하는 원료 가스를 공급하여, 통전에 의해 가열된 상기 실리콘 심선 상에 CVD법에 의해 다결정 실리콘을 석출시켜 다결정 실리콘 봉을 제조하는 방법으로서,
상기 방법은, 주파수 가변의 고주파 전원에 의해, 상기 다결정 실리콘 봉에 2kHz 이상의 주파수를 갖는 전류를 통전시켜 가열하는 고주파 전류 통전 공정을 구비하고 있고,
해당 고주파 전류 통전 공정은, 직렬로 연결된 상기 다결정 실리콘의 석출에 의해 직경이 80mm 이상의 소정값 D0에 도달한 다결정 실리콘 봉에 고주파 전류를 공급하는 공정을 포함하며,
해당 고주파 전류의 공급 공정에서는, 상기 고주파 전류가 상기 다결정 실리콘 봉 중을 흐를 때의 표피 깊이가 13.8mm 이상 80.0mm 이하로 되는 범위 내에서, 상기 고주파 전류의 주파수가 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 변동에 따라 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법은, 상기 고주파 전류의 주파수의 선택은 적어도 2개의 주파수 사이에서 행해지고, 상기 고주파 전류의 공급 공정은, 통전량이 일정한 조건으로 전류 공급되고 있는 상태에서 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 저하의 우려가 생겼을 때에, 상기 고주파 전류의 주파수를 저주파수측으로 전환함과 더불어 상기 통전량을 증가시켜 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 유지하는 공정을 포함하는 태양으로 해도 좋다.
또한, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법은, 상기 고주파 전류의 주파수의 선택은 적어도 2개의 주파수 사이에서 행해지고, 상기 고주파 전류의 공급 공정은, 통전량이 일정한 조건으로 전류 공급되고 있는 상태에서 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 저하의 우려가 생겼을 때에, 상기 통전량은 유지하면서 상기 고주파 전류의 주파수를 고주파수측으로 전환하여 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 유지하는 공정을 포함하는 태양으로 해도 좋다.
나아가, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법에 있어서, 상기 원료 가스로서 트라이클로로실레인을 함유하는 가스를 선택하고, 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 900℃ 이상 1250℃ 이하로 제어하여 다결정 실리콘을 석출시키는 태양으로 해도 좋다.
본 발명에 의해, 클로로실레인류 등의 실레인 화합물, 특히 트라이클로로실레인을 원료로 하여 대구경의 다결정 실리콘 봉을 제조할 때에 발생하기 쉬운 다결정 실리콘 봉의 붕괴를 방지하고, 대구경의 다결정 실리콘 봉을 고효율로 제조하기 위한 기술이 제공된다.
도 1은 본 발명에 의해 다결정 실리콘 봉을 제조할 때의 반응로의 구성의 일례를 나타내는 단면 개략 설명도이다.
도 2는 본 발명에서 이용되는, 2kHz 이상의 주파수 전류를 공급하는 주파수 가변의 고주파 전원의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3a는 3쌍의 실리콘 심선을 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 병렬 접속하는 회로의 제 1 예를 나타낸 블록도이다.
도 3b는 3쌍의 실리콘 심선을 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 직렬 접속하는 회로의 제 1 예를 나타낸 블록도이다.
도 4a는 3쌍의 실리콘 심선을 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 병렬 접속하는 회로의 제 2 예를 나타낸 블록도이다.
도 4b는 3쌍의 실리콘 심선을 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 직렬 접속하는 회로의 제 2 예를 나타낸 블록도이다.
도 5a는 각각이 3쌍의 실리콘 심선으로 이루어지는 2개의 그룹을 반응로 내에 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 병렬 접속하는 회로의 제 1 예를 나타낸 블록도이다.
도 5b는 각각이 3쌍의 실리콘 심선으로 이루어지는 2개의 그룹을 반응로 내에 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 직렬 접속하는 회로의 제 1 예를 나타낸 블록도이다.
도 6a는 각각이 3쌍의 실리콘 심선으로 이루어지는 2개의 그룹을 반응로 내에 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 병렬 접속하는 회로의 제 2 예를 나타낸 블록도이다.
도 6b는 각각이 3쌍의 실리콘 심선으로 이루어지는 2개의 그룹을 반응로 내에 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 직렬 접속하는 회로의 제 2 예를 나타낸 블록도이다.
도 7a는 유도 자계에 의해 생기는 강한 저항을 억제하기 위해서 바람직한 금속 전극쌍의 배치 관계의 제 1 예이다.
도 7b는 유도 자계에 의해 생기는 강한 저항을 억제하기 위해서 바람직한 금속 전극쌍의 배치 관계의 제 2 예이다.
도 7c는 유도 자계에 의해 생기는 강한 저항을 억제하기 위해서 바람직한 금속 전극쌍의 배치 관계의 제 3 예이다.
도 8a는 진원성이 높은 단면 형상의 다결정 실리콘 봉을 얻기 위해서 바람직한 금속 전극쌍의 배치 관계의 제 1 예이다.
도 8b는 진원성이 높은 단면 형상의 다결정 실리콘 봉을 얻기 위해서 바람직한 금속 전극쌍의 배치 관계의 제 2 예이다.
도 8c는 진원성이 높은 단면 형상의 다결정 실리콘 봉을 얻기 위해서 바람직한 금속 전극쌍의 배치 관계의 제 3 예이다.
도 9는 본 발명에 의한 다결정 실리콘 봉의 제조 프로세스예를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10a는 직경이 160mm인 다결정 실리콘 봉에 80kHz의 주파수의 전류를 통전시킨 경우의, 단면 내에서의 전류 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 10b는 도 10a에 나타낸 전류 분포 (Ix/I0)의 (Ix)와 (I0)의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명에서 이용하는 고주파 전류의 적절한 주파수를 검토한 결과를 나타내는 도면이다.
도 12a는 다결정 실리콘 봉의 균열 발생의 양상을 설명하기 위한 도면이다.
도 12b는 다결정 실리콘 봉의 균열 발생의 양상을 설명하기 위한 확대도이다.
도 13은 직경이 160mm인 다결정 실리콘 봉에 80kHz 및 200kHz의 주파수의 전류를 통전시킨 경우의, 단면 내에서의 전류 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 통전량의 변화에 수반하여 고주파 전류의 주파수를 변화시키면서 다결정 실리콘 봉의 직경 확대를 도모하는 공정의 프로세스예를 설명하기 위한 흐름도이다.
우선, 본 발명에 의한 다결정 실리콘 봉의 제조 프로세스에 대하여 설명한다.
도 9는 도 1에 나타낸 구성의 반응로(100)를 이용한 경우의, 본 발명에 의한 다결정 실리콘 봉의 제조 프로세스예를 설명하기 위한 흐름도이다. 반응로(100)의 구성의 상세에 대해서는 도 1을 이용하여 후술한다.
우선, 벨자(챔버)(1)를 기저판(5) 상에 밀착 재치하고, 원료 가스 공급 노즐(9)로부터 질소 가스를 공급하여 챔버(1) 내의 공기를 질소로 치환한다(S101). 챔버(1) 내의 공기와 질소는 배기 가스 출구(8)로부터 챔버(1) 밖으로 배출된다. 챔버(1) 내의 질소 치환 종료 후, 질소 가스 대신에 수소 가스를 원료 가스 공급 노즐(9)로부터 공급하여, 챔버(1) 내를 수소 분위기로 한다(S102).
다음으로, 실리콘 심선(12)의 초기 가열(예비 가열)을 행한다(S103). 도 1에 나타낸 구성의 반응로(100)에서는, 이 초기 가열에는 카본 히터(13)가 이용되지만, 가열한 수소 가스를 챔버(1) 내에 공급하는 것에 의해 행해도 좋다. 이 초기 가열에 의해 실리콘 심선(12)의 온도는 300℃ 이상으로 되고, 실리콘 심선(12)의 전기 저항은 효율적인 통전이 얻어지는 값으로 된다.
계속해서, 금속제의 전극(10)으로부터 전력 공급하여, 심선 홀더(14)를 개재해서 실리콘 심선(12)에 통전시키고, 이 통전에 의해 실리콘 심선(12)을 900℃∼1300℃ 정도까지 가열(본가열)한다(S104). 그리고, 캐리어 가스인 수소 가스와 실레인 화합물을 함유하는 원료 가스인 트라이클로로실레인 가스의 혼합 가스를 비교적 낮은 유량(유속)으로 챔버(1) 내에 공급하여, 실리콘 심선(12) 상에의 다결정 실리콘의 기상 성장을 개시한다(S105). 또한, 실리콘 심선의 초기 가열을 질소 분위기에서 행하는 것도 가능하지만, 이 경우는 트라이클로로실레인 가스를 공급하기 전에 수소 치환이 필요하다.
실리콘 심선(12)은 가늘어서 역학적인 강도는 높다고는 말할 수 없다. 이 때문에, 다결정 실리콘의 기상 성장 반응의 초기에 있어서는, 공급 가스가 챔버(1) 내에 공급될 때의 분출압에 의해서 실리콘 심선(12)이 도괴되는 등의 문제가 발생하기 쉽다. 그래서, 기상 성장 반응의 초기 단계에서의 공급 가스 유량(유속)을 비교적 작게 설정하는 것이 바람직하다(S106).
한편, 다결정 실리콘의 석출 속도(반응 속도)를 크게 하여 수율을 높이기 위해서는, 챔버(1) 내에 공급하는 원료 가스의 벌크 농도(공급 가스 중의 원료 가스의 농도)를 높게 유지할 필요가 있다. 구체적으로는, 다결정 실리콘 봉의 직경이 적어도 15mm(바람직하게는 20mm)로 되기까지의 동안에는, 원료 가스(트라이클로로실레인)의 벌크 농도를 15몰% 이상 40몰% 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 석출 속도를 크게 하기 위해, 실리콘 심선(12)(다결정 실리콘 봉(11))의 도괴 등의 우려가 없어진 후에는, 공급 가스 유량(유속)을 최대값 가까이까지 높이는 것이 바람직하다(S107). 이와 같은 공급 가스 유량(유속) 설정은, 예컨대 다결정 실리콘 봉(11)의 직경이 20mm에 도달한 시점에서 행할 수 있지만, 40mm를 기준으로 해도 좋다. 또한, 이 때의 가스 공급은, 바람직하게는 챔버(1) 내의 압력이 0.3MPa∼0.9MPa로 되도록 행해지고, 원료 가스 공급 노즐(9)의 분출구에서의 유속은 150m/sec 이상인 것이 바람직하다. 또한, 이 동안의 다결정 실리콘 봉(11)의 표면 온도는 1000℃ 이상의 비교적 높은 온도로 유지하는 것이 바람직하고, 예컨대 1000℃∼1250℃의 범위로 제어한다.
더욱 다결정 실리콘 봉의 직경이 커지면, 챔버(1) 내에 원료 가스가 체류되기 쉬운 부위가 생겨 나온다. 이와 같은 상태에서 고농도로 실레인 화합물을 함유하는 원료 가스를 공급하면 실리콘 미(微)분말이 다량 발생할 위험이 있고, 이들 미분말이 다결정 실리콘 봉(11)의 표면에 부착되어 오염 등의 원인이 될 가능성이 있다.
그래서, 늦어도 다결정 실리콘 봉(11)의 직경이 130mm가 되는 단계까지는, 공급 가스 중의 원료 가스의 벌크 농도를 낮추는 것이 바람직하다(S108). 예컨대, 원료 가스(트라이클로로실레인)의 벌크 농도를 30몰% 이상 50몰% 이하의 범위의 값으로부터, 15몰% 이상 45몰% 이하의 범위의 값으로 한다. 바람직하게는, 트라이클로로실레인의 벌크 농도를 20몰% 이상 40몰% 이하로 한다.
그런데, 실리콘 결정은 온도가 높을수록 전기적 저항이 낮아지는 성질을 갖고 있기 때문에, 상용 주파수의 전원을 이용하여 다결정 실리콘 봉의 통전 가열을 행한 경우, 다결정 실리콘 봉의 직경이 일정 이상이 되면, 통전에 의한 가열과 표면 부근에서의 냉각에 의해, 다결정 실리콘 봉의 중심부의 온도가 표면 부근의 온도보다도 높은 상태가 된다. 이 경우, 다결정 실리콘 봉의 중심부의 전기 저항은 표면측의 전기 저항과 비교하여 낮아지고, 이 경향은 직경이 커짐에 따라서 현저해진다.
그리고, 다결정 실리콘 봉에 공급된 전류는 보다 낮은 전기 저항을 나타내는 중심부로 흘러가기 쉽기 때문에, 중심부의 전류 밀도는 높아지는 한편, 표면측의 전류 밀도는 저하되기 때문에, 전술한 온도 불균일은 점점 증폭되게 된다. 예컨대, 다결정 실리콘 봉의 표면 온도가 1000℃ 이상으로 되도록 가열을 행한 경우, 직경이 130mm 이상이면 중심부와 표면측의 온도차는 150℃ 이상이나 된다.
이에 비하여, 고주파 전류는 표피 효과(skin effect)를 나타내고, 도체에 통전시킨 경우에는 표면 근방의 전류 밀도가 높아지는 것은 전술한 바와 같다. 이 표피 효과는 주파수가 높을수록 현저해져, 표면에 전류가 집중되기 쉬워진다. 한편, 그 전류가 흐르는 깊이는 표피 깊이(skin depth) 또는 전류 침투 깊이라고 불린다. 표피 깊이 δ는, 전류의 주파수 f, 다결정 실리콘의 투자율(透磁率) μ, 및 다결정 실리콘의 도전율 k와 δ-1=(π·f·μ·k)1/2의 관계에 있다.
도 10a 및 도 10b는 각각, 직경이 160mm인 다결정 실리콘 봉에 80kHz의 주파수의 전류를 통전시킨 경우의 단면 내에서의 전류 분포의 양상을 설명하기 위한 도면 및 전류 분포(Ix/I0)의 (Ix)와 (I0)의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 전류 분포는, 다결정 실리콘 봉의 표면(반경(R0)=80mm)을 흐르는 전류값(I0)과 다결정 실리콘 봉의 중심(C)으로부터 반경(Rx)의 부위를 흐르는 전류값(Ix)의 비로 규격화하고 있다.
이 도면에 나타내는 바와 같이, 고주파 전류를 통전시키는 것에 의해 다결정 실리콘 봉을 가열하는 것으로 하면, 표면 부근의 우선적인 가열이 가능해지므로, 다결정 실리콘 봉이 직경 확대되었다고 해도, 표면 근방을 우선적으로 가열할 수 있기 때문에, 다결정 실리콘 내부에서의 온도 분포가 제조상의 장애가 될 정도로 커지는 것을 회피할 수 있다.
이와 같은 고주파 전류의 통전은, 다결정 실리콘 봉의 직경이 80φmm 이상의 소정값 D0으로 된 것에 대하여 행하는 것이 바람직하다.
도 11은 본 발명에서 이용하는 고주파 전류의 적절한 주파수를 검토한 결과를 나타내는 도면이다. 주파수는 2kHz부터 200kHz까지 검토했다. 이 도면에 나타낸 결과에 의하면, 주파수가 800kHz인 경우에는, 다결정 실리콘 봉의 표면 온도가 1150℃인 조건 하에서의 침투 깊이 δ는 겨우 4mm 정도이며, 900℃인 경우여도 7mm 정도에 불과하다. 또한, 주파수가 200kHz인 경우, 다결정 실리콘 봉의 표면 온도가 1150℃인 조건 하에서의 침투 깊이 δ는 약 9mm 정도이며, 900℃인 경우여도 13.7mm에 불과하다.
이와 같은 얕은 침투 깊이밖에 얻어지지 않는 경우에는, 특히 기둥문형의 실리콘 심선의 굴곡부에서 전류 밀도가 집중되는 것에 의한 다결정 실리콘의 부분적인 용해가 생겨 버려, 제조상의 지장을 초래할 우려가 있다.
본 발명자들이 행한 실험에 의해서도, 200kHz의 고주파 전류로 통전 가열을 행하여 트라이클로로실레인을 원료 가스로 하는 다결정 실리콘 봉의 육성을 시도한 바, 다결정 실리콘 봉이 직경 160mm 정도로 된 단계에서 붕락(崩落)되어 버린다는 문제가 생겼다. 원인을 확인한 바, 이 다결정 실리콘 봉은 기둥문형으로 세운 실리콘 심선의 굴곡부(상단 각부)에 균열이 발생되어 있었다.
도 12a 및 도 12b는 전술한 다결정 실리콘 봉의 균열 발생의 양상을 설명하기 위한 도면이고, 파선으로 나타낸 부분이 균열의 발생 개소이다.
이와 같은 균열의 발생 원인에 대하여, 본 발명자들은 이른바 「팝콘(popcorn)」의 발생이 관여하고 있는 것으로 생각하고 있다.
트라이클로로실레인을 이용한 다결정 실리콘 봉의 제조를 행하는 경우, 봉의 표면 온도에 따라 결정되는 적절한 원료 가스 공급이 이루어지지 않으면 국소적인 과잉 결정 성장이 일어나, 「팝콘」이라고 불리는 울퉁불퉁한 표면 형상이 되는데(예컨대 특허문헌 3: 일본 특허공개 소55-15999호 공보를 참조), 균열이 생긴 부분에는 팝콘의 발달이 관찰되었다. 또한, 이 팝콘은 크랙 형상의 간극을 수반하고 있었다.
즉, 이 크랙 형상의 간극 주변에서 고주파 전류의 표피 효과가 국소적으로 강하게 작용한 결과, 다결정 실리콘의 용융 등이 생겨 균열(붕괴)이 생긴 것으로 추정된다. 이와 같은 고주파 전류에 의한 국소적인 과잉 가열 및 그것이 미치는 제조상의 문제는 지금까지 알려져 있지 않았던 지견이다.
도 13은 직경이 160mm인 다결정 실리콘 봉에 80kHz 및 200kHz의 주파수의 전류를 통전시킨 경우의, 단면 내에서의 전류 분포를 설명하기 위한 도면이다. 한편, 전류 분포(Ix/I0)의 산출은 도 10b에 나타낸 바와 같다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 200kHz의 주파수의 전류를 통전시킨 경우, 다결정 실리콘 봉의 표면으로부터 30mm 이상 중심측에 위치하는 부위에는 거의 전류가 흐르지 않고, 표면측에 집중되어 있다.
따라서, 주파수가 200kHz 이상인 고주파 전류는, 본 발명에서 이용하는 통전 가열용의 전류로서 적절한 것이라고는 말할 수 없다. 바꾸어 말하면, 직경이 160mm를 초과하는 다결정 실리콘 봉을 제조함에 있어서는, 상기 식에 의해 산출되는 침투 깊이(표피 깊이) δ는 적어도 13.7mm를 초과하는 값일 필요가 있다. 이와 같은 이유로부터, 본 발명에서는, 고주파 전류의 주파수를, 다결정 실리콘 봉을 흐를 때의 표피 깊이가 13.8mm 이상 80.0mm 이하의 범위의 원하는 값으로 되도록 설정한다.
고주파 전류의 침투 깊이는 다결정 실리콘 봉의 온도에 의존하지만, 1200℃이면 67.2kHz∼2.0kHz, 1100℃이면 93.7kHz∼2.8kHz, 1000℃이면 137.8kHz∼4.1kHz, 950℃이면 171.1kHz∼5.1kHz, 900℃이면 216.3kHz∼6.4kHz의 주파수의 전류에 의해 상기 범위의 침투 깊이를 얻을 수 있다.
한편, 전술한 팝콘의 발생을 방지하려면, 다결정 실리콘 봉의 표면에 충분한 원료 가스를 공급하면 되지만, 다결정 실리콘 봉이 직경 확대되어 그의 표면적이 커지면 커질수록 원료 가스의 공급이 부족한 상태로 되기 쉽다. 그래서, 다결정 실리콘 봉의 직경이 130φmm 이상으로 된 후에는, 서서히 표면 온도를 낮추어 가는 것이 바람직하다(S109). 예컨대, 직경이 160mm 정도가 된 단계에서는 표면 온도를 950℃ 이상 1000℃ 미만의 범위로 저하시키고, 더욱 직경 확대시키는 경우에는 최종 단계에서의 표면 온도가 900∼980℃의 범위로 되도록 저하시켜 가는 것이 바람직하다.
이와 같은 적절한 침투 깊이가 얻어지는 고주파 전류는 다결정 실리콘 봉의 석출 반응 개시에 앞서는 실리콘 심선의 초기 가열 단계에서부터 이용하는 것도 가능하지만, 반응기 중에 배치된 m개(m은 2 이상의 정수)의 실리콘 심선 상에 다결정 실리콘이 석출되어 직경이 80mm 이상의 소정값 D0에 도달한 n개(n은 2 이상 m 이하의 정수)의 직렬로 연결된 다결정 실리콘 봉에 있어서, 이 n개의 다결정 실리콘 봉에 고주파 전류를 공급하도록 하고, 그 이전은 상용 주파수의 전류(저주파수 전류)를 가열용으로서 이용하도록 해도 좋다.
이 고주파 전류의 통전에는, 주파수 가변의 고주파 전원이 이용된다. 여기서, 「주파수 가변」은 연속적으로 가변이어도 좋고 복수 레벨 사이에서의 단계적 가변이어도 좋다.
주파수 가변의 고주파 전원을 이용하는 이점이란, 예컨대 하기와 같은 것이다. 다결정 실리콘 봉 표면의 온도를 적절히 제어하기 위해서는, 석출 반응의 진행에 수반하는 실리콘 봉의 직경 확대에 맞추어, 다결정 실리콘 봉에의 통전량을 높여 갈 필요가 있다.
그러나, 주파수가 단일의 것인 경우에는, 주파수가 높은 편인 것을 사용하는 쪽이 총 전류량의 억제가 가능해져 경제적이 되지만, 주파수가 높은 편인 것을 사용할수록, 다결정 실리콘 봉의 직경에 따라 주파수를 변경하여 침투 깊이(표피 깊이) δ를 보다 적절히 제어하는 것이 어려워진다.
구체적으로는, 어떤 주파수 f의 전류의 통전량을 늘리면 표면 온도는 오르고 도전율이 올라가기(k가 커지기) 때문에 δ값은 작아지지만, 침투 깊이(표피 깊이) δ가 작아지면 더욱 표면 온도가 올라가는 순환을 만들어 냄으로써 온도 제어가 어려워지고, 전술한 바와 같은 표피 효과가 강하게 나타나는 형상을 가진 영역에서의 실리콘 봉의 용융이나 균열과 같은 사고가 일어나기 쉬워진다.
그래서, 2kHz 이상의 주파수를 복수(예컨대 f1과 f2) 선택할 수 있도록 해두어, 우선 고주파수 f1의 전류에 의한 통전 가열을 행하고, 표면 온도 유지를 위해 통전량을 높일 필요가 생겼을 때에는, 이전의 주파수 f1보다도 낮은 편인 고주파수 f2의 전류 통전으로 전환하여 그의 통전량을 올리는 조작을 행하는 것이 가능하다. 이와 같이 낮은 편인 고주파수 f2에 의해 통전량을 올림으로써, 표피 효과가 지나치게 강하게 나타나는 것을 방지할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법은, 고주파 전류의 주파수의 선택은 적어도 2개의 주파수 사이에서 행해지고, 고주파 전류의 공급 공정은, 통전량이 일정한 조건으로 전류 공급되고 있는 상태에서 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 저하의 우려가 생겼을 때에, 고주파 전류의 주파수를 저주파수측으로 전환함과 더불어 통전량을 증가시켜 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 유지하는 공정을 포함하는 태양으로 할 수 있다.
또한, 낮은 편인 고주파수 f2의 전류 통전을 행하고 있을 때에 표면 온도 유지를 위해 표면 부근에서의 발열량을 올리고 싶은 경우에는, 통전량 일정한 채로 높은 편인 주파수 f1로 전환하여 표피 효과를 높이는 것으로 하면, 통전량을 증가시키지 않아도 표면 부근의 발열량을 올릴 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법은, 고주파 전류의 주파수의 선택은 적어도 2개의 주파수 사이에서 행해지고, 고주파 전류의 공급 공정은, 통전량이 일정한 조건으로 전류 공급되고 있는 상태에서 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 저하의 우려가 생겼을 때에, 통전량은 유지하면서 고주파 전류의 주파수를 고주파수측으로 전환하여 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 유지하는 공정을 포함하는 태양으로 해도 좋다.
이와 같은 주파수의 가변 범위는 2kHz부터 400kHz인 것이 바람직하고, 연속적 내지 선택 가능 주파수가 많을수록 바람직한 것은 말할 필요도 없다.
예컨대, 직경이 160mm 정도이고 그의 표면 온도가 980℃ 정도인 다결정 실리콘 봉의 가열이 100kHz 주파수의 전류에 의해 행해지고 있는 경우, 통전량을 올리는 것에 의해 표면 온도를 1000℃ 정도로 높이고 싶은 경우에는, 전류의 주파수를 100kHz보다 낮은 80kHz로 전환하고, 통전량을 1단계당 10A∼50A씩 서서히 증가시켜 온도의 상승을 관찰한다. 반대로, 80kHz에서 다결정 실리콘 봉의 표면 온도가 내려가기 시작한 경우에는, 통전량을 유지한 채로 전류의 주파수를 100kHz로 끌어올리고, 더욱 표면 온도가 저하되기 시작한 경우에는 통전량을 유지한 채로 120kHz로 끌어올리는 조작을 행하여 온도의 상승을 관찰한다. 상기 조작에 의해서도 표면 온도가 저하되기 시작한 경우에는 주파수를 80kHz로 내리고, 통전량을 10A∼50A씩 서서히 증가시킨다. 이와 같은 통전량 및 전류 주파수의 제어를 교대로 행하는 것에 의해, 지나치게 강한 표피 효과의 발생을 피하고, 다결정 실리콘 봉의 표면부측과 중심부에서의 온도차 발생의 억제에 더하여, 사용 전력량의 억제도 효율적으로 행할 수 있다.
도 14는 이와 같은 통전량의 변화를 수반하여 고주파 전류의 주파수를 변화시키면서 다결정 실리콘 봉의 직경 확대를 도모하는 공정의 프로세스예를 설명하기 위한 흐름도이다. 직경 확대가 진행되면(S201), 실리콘 봉 표면의 온도가 내려간다. 여기서 통전량을 높이면 온도 상승에 수반하여 효율이 내려가 침투 깊이 δ가 얕아지고, 표면 온도가 지나치게 높아질 가능성이 있기 때문에, 고주파 전류의 주파수를 우선 내려 침투 깊이 δ를 깊게 하는 조작(S202) 및 전류량을 증가시키는 조작(S203)을 행한다. 이와 같이 침투 깊이 δ를 미리 깊게 함으로써 안전하게 통전량을 높이고, 이에 의해 표면 온도를 상승시켜 직경 확대시킨다(S204). 직경 확대에 수반하여 실리콘 봉 표면의 온도가 내려갔을 때(S205), 이번에는 고주파 전류의 주파수를 올려 침투 깊이 δ를 얕게 하는 조작을 행하여(S206), 표면 온도를 상승시킨다(S207). 이후에는, 다결정 실리콘 봉 표면의 온도를 적절히 제어하면서 실리콘 봉의 직경 확대를 도모한다(S201).
지금까지의 설명은 다결정 실리콘 봉의 육성 프로세스에 대한 것이었지만, 고주파 전류의 이용은 다결정 실리콘 봉의 육성이 종료된 후의 냉각 공정에서도 유용하다.
클로로실레인류를 원료로 한 경우와 같이, 석출 반응 온도가 높은 프로세스를 거쳐 얻어지는 다결정 실리콘 봉의 내부에는, 표면측과 중심부의 온도차에 기초하는 변형이 축적되기 쉽다. 따라서, 이와 같은 다결정 실리콘 봉을 냉각할 때에도, 되도록이면 표면측과 중심부의 온도차가 작아지는 프로세스 설계가 필요하다.
예컨대, 다결정 실리콘 봉의 육성이 종료된 후의 공정에서, 다결정 실리콘 봉의 표면이 소정의 온도 이하로 되기까지의 동안에는, 2kHz 이상의 주파수를 가지는 전류를 흘려 표면측만을 약간 가열하고, 표면측과 중심부의 온도차가 되도록이면 작아지도록 냉각한다. 이와 같은 냉각 공정용의 고주파 전원은 별도로 준비할 필요는 없고, 전술한 단일 주파수의 또는 주파수 가변의 고주파 전원을 이용하면 된다. 한편, 냉각 공정에서 흘려보내는 고주파 전류의 주파수는 2kHz 이상 100kHz 이하인 것이 바람직하다.
이와 같은 냉각 공정에서의 통전은, 다결정 실리콘 봉의 표면 온도가 예컨대 500℃ 이하로 된 단계에서 종료하는 것으로 해도 좋다. 한편, 냉각 공정 시의 고주파 전류의 통전 시간의 기준은 다결정 실리콘 봉의 직경 등에도 의존하지만, 4시간 정도로 하는 것이 바람직하다.
종래, 직경이 160mm를 초과할 정도의 대구경의 다결정 실리콘 봉의 제조에서는, 육성 후에 반응로 밖으로 취출하기까지 다결정 실리콘 봉이 도괴되거나, 다결정 실리콘 괴(塊)로 가공하는 단계에서도 내부 잔류 변형에 의해서 균열이 생기는 등의 문제가 있었다. 그러나, 전술한 바와 같은 냉각 방법에 의하면, 내부 잔류 변형이 작은 다결정 실리콘 봉을 얻을 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법에서는, 반응기 중에 실리콘 심선을 배치하고, 상기 반응로 내에 실레인 화합물을 함유하는 원료 가스를 공급하여, 통전에 의해 가열된 상기 실리콘 심선 상에 CVD법에 의해 다결정 실리콘을 석출시켜 다결정 실리콘 봉을 제조하는 프로세스 중에, 주파수 가변의 고주파 전원에 의해, 다결정 실리콘 봉에 2kHz 이상의 주파수를 갖는 전류를 통전시켜 가열하는 고주파 전류 통전 공정을 마련한다. 이 고주파 전류 통전 공정은, 직렬로 연결된 다결정 실리콘의 석출에 의해 직경이 80mm 이상의 소정값 D0에 도달한 다결정 실리콘 봉에 고주파 전류를 공급하는 공정을 포함하며, 해당 고주파 전류의 공급 공정에서는, 고주파 전류가 다결정 실리콘 봉 중을 흐를 때의 표피 깊이가 13.8mm 이상 80.0mm 이하로 되는 범위 내에서, 고주파 전류의 주파수가 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 변동에 따라 선택된다.
본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법은, 고주파 전류의 주파수의 선택은 적어도 2개의 주파수 사이에서 행해지고, 고주파 전류의 공급 공정은, 통전량이 일정한 조건으로 전류 공급되고 있는 상태에서 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 저하의 우려가 생겼을 때에, 고주파 전류의 주파수를 저주파수측으로 전환함과 더불어 통전량을 증가시켜 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 유지하는 공정을 포함하는 태양으로 해도 좋다.
또한, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법은, 고주파 전류의 주파수의 선택은 적어도 2개의 주파수 사이에서 행해지고, 고주파 전류의 공급 공정은, 통전량이 일정한 조건으로 전류 공급되고 있는 상태에서 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 저하의 우려가 생겼을 때에, 통전량은 유지하면서 고주파 전류의 주파수를 고주파수측으로 전환하여 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 유지하는 공정을 포함하는 태양으로 해도 좋다.
다음으로, 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 형태에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 의해 다결정 실리콘 봉을 제조할 때의 반응로(100)의 구성의 일례를 나타내는 단면 개략 설명도이다. 반응로(100)는 지멘스법에 의해 실리콘 심선(12)의 표면에 다결정 실리콘을 기상 성장시켜, 다결정 실리콘 봉(11)을 얻는 장치이고, 기저판(5)과 벨자(1)에 의해 구성된다.
기저판(5)에는, 실리콘 심선(12)에 전류를 공급하는 금속 전극(10)과, 질소 가스, 수소 가스, 트라이클로로실레인 가스 등의 프로세스 가스를 공급하는 원료 가스 공급 노즐(9)과, 배기 가스를 배출하는 반응 배기 가스 출구(8)가 배치되어 있다.
벨자(1)에는, 이를 냉각하기 위한 냉매 입구(3)와 냉매 출구(4) 및 내부를 육안 확인하기 위한 관찰창(2)이 설치되어 있다. 또한, 기저판(5)에도, 이를 냉각하기 위한 냉매 입구(6)와 냉매 출구(7)가 설치되어 있다.
금속 전극(10)의 정상부에는 실리콘 심선(12)을 고정하기 위한 카본제의 심선 홀더(14)를 설치한다. 도 1에서는, 벨자(1) 내에 2쌍의 기둥문형으로 세워진 실리콘 심선(12)을 배치한 상태를 나타내었지만, 실리콘 심선(12)의 쌍수는 이것에 한정되는 것은 아니며, 3쌍 이상의 복수의 실리콘 심선(12)을 배치해도 좋다. 그와 같은 태양의 회로에 대해서는 후술한다.
2쌍의 기둥문형의 실리콘 심선(12) 사이에는, 이들을 직렬 또는 병렬로 접속시키는 회로(16)가 설치되어 있다. 이 회로의 직렬/병렬의 전환은 스위치(S1∼S3)에 의해 행한다. 구체적으로는, 스위치(S1)를 닫힘으로 하고 스위치(S2 및 S3)를 열림으로 하면 이들 2쌍의 기둥문형 실리콘 심선(12)은 직렬로 접속되고, 스위치(S1)를 열림으로 하고 스위치(S2 및 S3)를 닫힘으로 하면 이들 2쌍의 기둥문형 실리콘 심선(12)은 병렬로 접속된다.
당해 회로(16)에는, 저주파수 전류(예컨대 상용 주파수인 50Hz 내지 60Hz의 전류)를 공급하는 1개의 저주파 전원(15L), 또는 2kHz 이상의 주파수 가변의 고주파 전류를 공급하는 1개의 고주파 전원(15H)으로부터 전류가 공급된다. 이 경우, 당해 주파수 가변의 고주파 전원은, 주파수를 연속적으로 변경할 수 있는 것이어도 좋고 복수의 레벨 사이에서 변화시킬 수 있는 것이어도 좋다. 한편, 이 저주파 전원(15L)/고주파 전원(15H)의 전환은 스위치(S4)에 의해 행한다.
따라서, 스위치(S1)를 닫힘으로 하고 스위치(S2 및 S3)를 열림으로 하여 2쌍의 기둥문형의 실리콘 심선(12)(내지는 다결정 실리콘 봉(11))을 직렬로 연결하고, 스위치(S4)를 고주파 전원(15H)측으로 전환하면, 직렬 접속된 기둥문형의 실리콘 심선(12)(내지는 다결정 실리콘 봉(11))에 2kHz 이상의 단일 주파수의 고주파 전류를 공급하여 통전 가열할 수 있다.
또한, 다결정 실리콘의 석출 개시 후로부터 다결정 실리콘 봉(11)의 직경이 소정값 D0에 도달할 때까지는 병렬로 접속한 다결정 실리콘 봉에 저주파 전원(15L)으로부터 전류 공급하고, 그 후 다결정 실리콘 봉(11)의 접속을 직렬로 하여 고주파 전원(15H)으로부터 전류 공급하는 것 등도 가능하다.
한편, 기둥문형의 실리콘 심선(12)이 3쌍 이상 배치되어 있는 경우에는, 기둥문형의 실리콘 심선(12)(내지는 다결정 실리콘 봉(11))을 순차적으로 직렬로 연결해 가도록 하는 것도 가능하다.
도 1에는, 다결정 실리콘의 석출 반응 개시에 앞서 행해지는 실리콘 심선(12)의 초기 가열용으로서, 전원(15C)으로부터 전력 공급되어 실리콘 심선(12) 표면을 복사 가열하기 위한 카본 히터(13)를 도시했다. 이 카본 히터(13)는, 복사 가열에 의해 실리콘 심선(12)의 저항을 낮추는 것에 의해 초기 통전 시의 실리콘 심선(12)에의 인가 전압을 낮게 억제하는 것을 목적으로 설치되어 있는 것이지만, 이러한 카본 히터(13)를 대체하거나 또는 이와 병용하는 태양으로, 저주파 전원(15L) 내지 고주파 전원(15H)을 이용해도 좋다. 예컨대, 실리콘 심선(12)을 병렬로 연결하고 저주파 전원(15L)으로부터 전류 공급하거나, 또는 순차적으로 직렬로 접속되는 실리콘 심선(12)에 저주파 전원(15L)으로부터 전류 공급하거나, 나아가 순차적으로 직렬로 접속되는 실리콘 심선(12)에 고주파 전원(15H)으로부터 전류 공급하는 것에 의해 통전 가열을 행할 수도 있다.
도 2는 이와 같은 주파수 가변의 고주파 전원(15H)의 구성예를 설명하기 위한 블록도이고, 도면 중에 부호로 나타낸 것은 수전(受電)부(151), 저압 기중 차단기(ACB)(152), 전원 변압기(153), 출력 제어부(154), 출력부(155), 출력 변압기(156), 주파수 변환기(157)이다. 이와 같은 주파수 가변의 고주파 전원(15H)을 이용하는 것으로 하면, 다결정 실리콘 봉에 공급하는 고주파 전류의 주파수를 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 변동에 따라 변화시켜, 다결정 실리콘 봉의 직경에 따라 표피 깊이를 제어하는 것이 용이해진다.
도 1에 나타낸 태양에서는, 벨자(1) 내에 2쌍의 기둥문형으로 세워진 실리콘 심선(12)이 배치되어 있지만, 3쌍 이상의 복수의 실리콘 심선(12)을 배치해도 좋다.
도 3a 및 도 3b는 3쌍의 실리콘 심선(12A∼C)을 배치할 때의, 실리콘 심선(12)끼리를 접속하는 회로의 제 1 예를 나타낸 블록도이다.
도 3a에 나타낸 태양에서는, 6개의 스위치(S1∼S6)로 회로를 구성하고 있으며, 스위치(S1 및 S2)가 열림이 되고, 스위치(S3, S4 및 S5)가 닫힘이 되어 3쌍의 실리콘 심선(12A∼C)이 병렬로 접속되고, 스위치(S6)가 저주파 전원(15L)측으로 전환되어 상기 병렬 접속 회로에 전류가 공급되는 상태에 있다. 또한, 스위치(S1 및 S2)를 닫힘으로 하고, 스위치(S3, S4 및 S5)를 열림으로 하면, 저주파 전원(15L)에 의해 직렬 접속에서의 전류 공급 상태가 된다.
도 3b에 나타낸 태양에서는, 스위치(S1 및 S2)가 닫힘이 되고, 스위치(S3, S4 및 S5)가 열림이 되어 3쌍의 실리콘 심선(12A∼C)이 직렬로 접속되고, 스위치(S6)가 고주파 전원(15H)측으로 전환되어 상기 직렬 접속 회로에 전류가 공급되는 상태에 있다.
도 4a 및 도 4b는 3쌍의 실리콘 심선(12A∼C)을 배치할 때의, 실리콘 심선(12)끼리를 접속하는 회로의 제 2 예를 나타낸 블록도이다.
도 4a에 나타낸 태양에서는, 3개의 스위치(S1∼S3)로 회로를 구성하고 있으며, 스위치(S1, S2 및 S3)가 닫힘이 되어 3쌍의 실리콘 심선(12A∼C)이 병렬로 접속되고, 스위치(S4)가 저주파 전원(15L)측으로 전환되어 상기 병렬 접속 회로에 전류가 공급되는 상태에 있다. 또한, 이 상태로부터 스위치(S1 및 S2)를 열림으로 하면, 저주파 전원(15L)에 의해 직렬 접속에서의 전류 공급 상태가 된다.
도 4b에 나타낸 태양에서는, 스위치(S1 및 S2)가 열림이 되어 3쌍의 실리콘 심선(12A∼C)이 직렬로 접속되고, 스위치(S3)가 고주파 전원(15H)측으로 전환되어 상기 직렬 접속 회로에 전류가 공급되는 상태에 있다.
한편, 지금까지 설명해 온 접속 관계를 갖는 복수(m개: m은 2 이상의 정수)의 실리콘 심선의 그룹(제 1 그룹)과 함께, 다른 그룹(제 2 그룹)을 이루는 복수(M개: M은 2 이상의 정수)의 실리콘 심선을 동일한 반응로 내에 설치하는 태양으로 해도 좋다.
즉, 반응기 중에, 제 1 그룹을 이루는 m개의 실리콘 심선에 더하여, 추가로 제 2 그룹을 이루는 M개의 실리콘 심선을 배치하고, 상기 제 1 그룹에 대응되어 설치되는 고주파 전원과는 별개로, 제 2 그룹에 대응되는 2kHz 이상의 주파수 전류를 공급하는 고주파 전원을 설치하는 것으로 하여, 상기 제 2 그룹을 이루는 M개의 실리콘 심선 상에의 다결정 실리콘의 석출을, 전술한 제 1 그룹을 이루는 실리콘 심선 상에의 다결정 실리콘의 석출과 마찬가지로 행하도록 해도 좋다.
도 5a는 각각이 3쌍의 실리콘 심선으로 이루어지는 2개의 그룹(m=3, M=3)을 반응로 내에 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 병렬 접속하는 회로의 제 1 예를 나타낸 블록도이다. 도 3a에 나타낸 태양과 마찬가지로, 모든 그룹에 있어서 6개의 스위치(S1∼S6, S1'∼S6')로 회로를 구성하고 있으며, 스위치(S1 및 S2), (S1' 및 S2')가 열림이 되고, 스위치(S3, S4 및 S5), (S3', S4' 및 S5')가 닫힘이 되어 3쌍의 실리콘 심선(12A∼C, 12A'∼C')이 병렬로 접속되고, 스위치(S6, S6')가 저주파 전원(15L, 15L')측으로 전환되어 상기 병렬 접속 회로에 전류가 공급되는 상태에 있다.
도 5b는 각각이 3쌍의 실리콘 심선으로 이루어지는 2개의 그룹(m=3, M=3)을 반응로 내에 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 직렬 접속하는 회로의 제 1 예를 나타낸 블록도이다. 도 3b에 나타낸 태양과 마찬가지로, 모든 그룹에 있어서 스위치(S1 및 S2), (S1' 및 S2')가 닫힘이 되어 3쌍의 실리콘 심선(12A∼C, 12A'∼C')이 직렬로 접속되고, 스위치(S6, S6')가 고주파 전원(15H, 15H')측으로 전환되어 상기 직렬 접속 회로에 전류가 공급되는 상태에 있다.
도 6a는 각각이 3쌍의 실리콘 심선으로 이루어지는 2개의 그룹(m=3, M=3)을 반응로 내에 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 병렬 접속하는 회로의 제 2 예를 나타낸 블록도이다. 도 4a에 나타낸 태양과 마찬가지로, 모든 그룹에 있어서 스위치(S1, S2 및 S3), (S1', S2' 및 S3')가 닫힘이 되어 3쌍의 실리콘 심선(12A∼C, 12A'∼C')이 병렬로 접속되고, 스위치(S4, S4')가 저주파 전원(15L, 15L')측으로 전환되어 상기 병렬 접속 회로에 전류가 공급되는 상태에 있다.
도 6b는 각각이 3쌍의 실리콘 심선으로 이루어지는 2개의 그룹(m=3, M=3)을 반응로 내에 배치할 때의 실리콘 심선끼리를 직렬 접속하는 회로의 제 2 예를 나타낸 블록도이다. 도 4b에 나타낸 태양과 마찬가지로, 모든 그룹에 있어서 스위치(S1 및 S2), (S1' 및 S2')가 열림이 되어 3쌍의 실리콘 심선(12A∼C, 12A'∼C')이 직렬로 접속되고, 스위치(S3, S3')가 고주파 전원(15H, 15H')측으로 전환되어 상기 직렬 접속 회로에 전류가 공급되는 상태에 있다.
본 발명에서는, 전술한 바와 같은 구성의 반응 시스템을 이용하여, 반응기 중에 2개 이상의 실리콘 심선을 배치하고, 반응로 내에 실레인 화합물을 함유하는 원료 가스를 공급하여, 통전에 의해 가열된 실리콘 심선 상에 CVD법에 의해 다결정 실리콘을 석출시켜 다결정 실리콘 봉을 제조한다. 그리고, 다결정 실리콘의 제조 프로세스 중에, 다결정 실리콘 봉에 2kHz 이상의 주파수를 갖는 전류를 통전시켜 가열하는 고주파 전류 통전 공정을 마련하여, 고주파 전류에 의한 표피 효과를 적절히 이용하는 것에 의해, 다결정 실리콘 봉의 국부적인 이상 가열을 억제하여, 대구경의 다결정 실리콘 봉을 안정적으로 제조하는 것을 가능하게 하고 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 2kHz 이상의 주파수를 갖는 고주파 전류의 공급 전원으로서는, 주파수를 연속적으로 변경할 수 있는 것이어도 좋고, 복수의 레벨 사이에서 변화시킬 수 있는 것이어도 좋다.
이와 같은 주파수 가변의 고주파 전원을 이용하는 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법은 하기의 구성으로 할 수 있다.
반응기 중에 실리콘 심선을 배치하고, 상기 반응로 내에 실레인 화합물을 함유하는 원료 가스를 공급하여, 통전에 의해 가열된 상기 실리콘 심선 상에 CVD법에 의해 다결정 실리콘을 석출시켜 다결정 실리콘 봉을 제조하는 프로세스 중에, 주파수 가변의 고주파 전원에 의해, 다결정 실리콘 봉에 2kHz 이상의 주파수를 갖는 전류를 통전시켜 가열하는 고주파 전류 통전 공정을 마련한다. 이 고주파 전류 통전 공정은, 직렬로 연결된 다결정 실리콘의 석출에 의해 직경이 80mm 이상의 소정값 D0에 도달한 다결정 실리콘 봉에 고주파 전류를 공급하는 공정을 포함하며, 해당 고주파 전류의 공급 공정에서는, 고주파 전류가 다결정 실리콘 봉 중을 흐를 때의 표피 깊이가 13.8mm 이상 80.0mm 이하로 되는 범위 내에서, 고주파 전류의 주파수가 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 변동에 따라 선택된다.
본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법은, 고주파 전류의 주파수의 선택은 적어도 2개의 주파수 사이에서 행해지고, 고주파 전류의 공급 공정은, 통전량이 일정한 조건으로 전류 공급되고 있는 상태에서 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 저하의 우려가 생겼을 때에, 고주파 전류의 주파수를 저주파수측으로 전환함과 더불어 통전량을 증가시켜 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 유지하는 공정을 포함하는 태양으로 해도 좋다.
또한, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법은, 고주파 전류의 주파수의 선택은 적어도 2개의 주파수 사이에서 행해지고, 고주파 전류의 공급 공정은, 통전량이 일정한 조건으로 전류 공급되고 있는 상태에서 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 저하의 우려가 생겼을 때에, 통전량은 유지하면서 고주파 전류의 주파수를 고주파수측으로 전환하여 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 유지하는 공정을 포함하는 태양으로 해도 좋다.
이들 태양 모두에 있어서, 별도 저주파수 전류 전원을 설치하고, 저주파수 전류 내지 고주파 전류의 통전에 의해 실리콘 심선의 가열 개시를 행하여, 해당 실리콘 심선의 표면이 원하는 온도로 된 후에 다결정 실리콘의 석출을 개시하는 것으로 해도 좋다.
이 때, 실리콘 심선의 가열 개시를, m개의 실리콘 심선을 병렬로 연결하고, 저주파수 전류를 공급하는 1개의 저주파 전원으로부터의 병렬 연결된 실리콘 심선에의 전류 공급에 의해 행하는 것으로 해도 좋다.
또한, 실리콘 심선의 가열 개시를, m개의 실리콘 심선끼리를 1번째부터 m번째로 순차적으로 직렬로 연결하고, 1개의 저주파 전원 또는 1개의 고주파 전원으로부터의 직렬 연결된 실리콘 심선에의 전류 공급에 의해 행하는 것으로 해도 좋다.
본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 방법은, 다결정 실리콘의 석출 개시 후로부터 다결정 실리콘 봉의 직경이 소정값 D0에 도달할 때까지는, 다결정 실리콘 봉의 가열을, m개의 다결정 실리콘 봉을 병렬로 연결하고, 저주파수 전류를 공급하는 1개의 저주파 전원으로부터의 병렬 연결된 다결정 실리콘 봉에의 전류 공급에 의해 행하는 태양으로 해도 좋다.
또한, 반응기 중에 추가로 M개(M은 2 이상의 정수)의 실리콘 심선을 배치하고, 1개의 고주파 전원과는 별개로 설치된 고주파 전원으로서 2kHz 이상의 단일 고주파 전류를 공급하는 1개의 고주파 전원 또는 2kHz 이상의 주파수 전류를 공급하는 주파수 가변의 1개의 고주파 전원을 이용하여, M개의 실리콘 심선 상에의 다결정 실리콘의 석출을 M개의 실리콘 심선 상에의 다결정 실리콘의 석출과 마찬가지로 행하는 태양으로 해도 좋다.
나아가, 원료 가스로서 트라이클로로실레인을 함유하는 가스를 선택하고, 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 900℃ 이상 1250℃ 이하로 제어하여 다결정 실리콘을 석출시키는 태양으로 해도 좋다.
한편, 금속 전극(10)은 챔버(1) 내에 배치되는 기둥문형 실리콘 심선(12)쌍과 동일 수 또는 동일 수 미만의 쌍만큼 설치되게 되지만, 이들 금속 전극(10)쌍은, 고주파 전류를 흐르게 했을 때에, 근접한 금속 전극쌍에 유지되어 있는 기둥문형 실리콘 심선(12) 내지는 다결정 실리콘 봉(11)에 의해 형성되는 유도 자계에 의해서 강한 저항이 생기지 않는 상호 배치 관계로 하는 것이 바람직하다. 또는, 고주파 전류의 위상 조정에 의해, 유도 자계에 의해 생기는 강한 저항을 억제하도록 해도 좋다.
도 7a∼c는 이와 같은 금속 전극쌍의 배치 관계를 예시에 의해 설명하기 위한, 상방향으로부터 바라본 상태의 도면이고, 도면 중에 나타낸 화살표는 실리콘 심선에의 통전에 의해 형성되는 자기장 방향이다.
도 7a에 나타낸 태양에서는, 기둥문형 실리콘 심선(12)의 2개의 기둥부와 이들 기둥부를 잇는 대들보부로 형성되는 직사각형의 면이, 인근에 배치된 기둥문형 실리콘 심선(12)의 상기 직사각형의 면과 부분적으로도 대향하지 않도록 배치되어 있다.
도 7b에 나타낸 태양에서는, 기둥문형 실리콘 심선(12)의 2개의 기둥부와 이들 기둥부를 잇는 대들보부로 형성되는 직사각형의 면이, 근접한 기둥문형 실리콘 심선(12)의 상기 직사각형의 면과 직교하도록 배치되어 있다.
도 7c에 나타낸 태양에서는, 기둥문형 실리콘 심선(12)의 2개의 기둥부와 이들 기둥부를 잇는 대들보부로 형성되는 직사각형의 면이, 근접한 기둥문형 실리콘 심선(12)의 상기 직사각형의 면과 평행하게 배치되어 있고, 이들 실리콘 심선(12)에는, 각 실리콘 심선(12)이 형성하는 자기장의 방향이 역방향으로 되도록 위상 조정된 전류(ia, ib)가 통전되고 있다.
또한, 진원성이 높은 단면 형상의 다결정 실리콘 봉을 얻기 위해서는, 기저판의 중앙을 중심으로 하는 동심원 상에 실리콘 심선을 배치하는 것이 바람직하다.
도 8a∼c는 이와 같은 금속 전극쌍의 배치 관계를 예시하는 것으로, 도면 중에 나타낸 파선은 기저판의 중앙을 중심으로 하는 동심원이다.
도 8a에 나타낸 태양에서는, 상기 동심원 상에, 예컨대 4쌍의 실리콘 심선(12)이 배치되어 있다.
챔버 내에 다수의 실리콘 심선(12)을 배치하는 경우에는, 예컨대 8쌍의 실리콘 심선(12)을 상이한 직경의 2개의 동심원 상에 4쌍씩 배치하는 등으로 하는 것이 바람직하고, 도 8b에 나타낸 태양에서는, 내측의 동심원 상에 배치되는 실리콘 심선(12)의 상기 직사각형의 면과 외측의 동심원 상에 배치된 인근의 실리콘 심선(12)의 직사각형의 면이 부분적으로도 대향하지 않도록 배치되어 있다.
또한, 도 8c에 나타낸 태양에서는, 내측의 동심원 상에 배치되는 실리콘 심선(12)의 상기 직사각형의 면과 외측의 동심원 상에 배치된 인근의 실리콘 심선(12)의 직사각형의 면은 대향하고는 있지만, 도 7c에서 나타낸 것과 마찬가지로, 이들 실리콘 심선(12)에는, 각 실리콘 심선(12)이 형성하는 자기장의 방향이 역방향으로 되도록 위상 조정된 전류(ia, ib)가 통전되고 있다.
실시예
반응로(100)의 챔버(1) 내에 고순도 다결정 실리콘으로 이루어지는 실리콘 심선(12)을 세팅했다. 카본 히터(13)를 이용하여, 실리콘 심선(12)을 370℃까지 초기 가열한 후, 실리콘 심선(12)에 인가 전압 2000V, 상용 주파수인 50Hz의 저주파 전류의 통전을 개시했다.
실리콘 심선(12) 상에의 다결정 실리콘의 석출 반응은, 실리콘 심선(12)에 1050V의 전압을 인가하여 표면 온도를 1160℃로 하고, 캐리어 가스인 수소 가스와 원료 가스인 트라이클로로실레인의 혼합 가스의 공급에 의해 개시했다.
그 후, 다결정 실리콘의 직경이 82mm로 될 때까지는 상기 통전 조건 하에서 석출 반응을 계속하고, 그 후 주파수 80kHz의 고주파 전류로 전환하여 통전시켜, 다결정 실리콘 봉이 직경 163mm가 될 때까지 반응을 계속했다. 한편, 반응 종료 시점, 즉 다결정 실리콘 봉의 직경이 163mm로 된 시점에서의 공급 전력은 363kW였다.
혼합 가스의 공급을 정지하여 석출 반응을 종료한 후, 주파수 80kHz의 고주파 전류의 통전을 유지한 채로, 다결정 실리콘 봉의 표면 온도가 600℃로 저하되기까지의 동안에 서서히 통전량을 내리면서 냉각하고, 그 후에는 통전을 정지했다. 다결정 실리콘 봉(11)의 표면 온도가 45℃로 될 때까지 챔버(1) 내에서 방치한 후에 취출을 행했다.
얻어진 다결정 실리콘 봉에 크랙의 발생은 확인되지 않았다.
[비교예 1]
반응로(100)의 챔버(1) 내에 고순도 다결정 실리콘으로 이루어지는 실리콘 심선(12)을 세팅했다. 카본 히터(13)를 이용하여, 실리콘 심선(12)을 340℃까지 초기 가열한 후, 실리콘 심선(12)에 인가 전압 2000V, 상용 주파수인 50Hz의 저주파 전류의 통전을 개시했다.
실리콘 심선(12) 상에의 다결정 실리콘의 석출 반응은, 실리콘 심선(12)에 1050V의 전압을 인가하여 표면 온도를 1130℃로 하고, 캐리어 가스인 수소 가스와 원료 가스인 트라이클로로실레인의 혼합 가스의 공급에 의해 개시했다.
그 후, 다결정 실리콘의 직경이 80mm로 될 때까지는 상기 통전 조건 하에서 석출 반응을 계속하고, 그 후에도 주파수 50Hz의 저주파 전류의 통전을 계속시켜, 다결정 실리콘 봉이 직경 156mm가 될 때까지 반응을 계속했다. 한편, 반응 종료 시점, 즉 다결정 실리콘 봉의 직경이 156mm로 된 시점에서의 공급 전력은 428kW였다.
혼합 가스의 공급을 정지하여 석출 반응을 종료한 후, 주파수 50Hz의 저주파 전류의 통전을 유지한 채로, 다결정 실리콘 봉의 표면 온도가 600℃로 저하되기까지의 동안에 서서히 통전량을 내리면서 냉각하고, 그 후에는 통전을 정지했다.
다결정 실리콘 봉(11)은 이 냉각 공정 중에 챔버(1) 내에서 도괴되었다. 도괴 원인은 크랙의 발생으로 추정된다.
[비교예 2]
반응로(100)의 챔버(1) 내에 고순도 다결정 실리콘으로 이루어지는 실리콘 심선(12)을 세팅했다. 카본 히터(13)를 이용하여, 실리콘 심선(12)을 355℃까지 초기 가열한 후, 실리콘 심선(12)에 인가 전압 2000V, 상용 주파수인 50Hz의 저주파 전류의 통전을 개시했다.
실리콘 심선(12) 상에의 다결정 실리콘의 석출 반응은, 실리콘 심선(12)에 1010V의 전압을 인가하여 표면 온도를 1100℃로 하고, 캐리어 가스인 수소 가스와 원료 가스인 트라이클로로실레인의 혼합 가스의 공급에 의해 개시했다.
그 후, 다결정 실리콘의 직경이 80mm로 될 때까지는 상기 통전 조건 하에서 석출 반응을 계속하고, 그 후에도 주파수 50Hz의 저주파 전류의 통전을 계속시켜 직경 확대시켰지만, 다결정 실리콘 봉은 직경 159mm가 된 시점에서 도괴되어 버렸다. 한편, 다결정 실리콘 봉의 직경이 159mm로 된 시점에서의 공급 전력은 448kW였다.
다결정 실리콘 봉(11)의 도괴 원인은 동일하게 크랙의 발생으로 추정된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 클로로실레인류 등의 실레인 화합물, 특히 트라이클로로실레인을 원료로 하여 대구경의 다결정 실리콘 봉을 제조할 때에 발생하기 쉬운 다결정 실리콘 봉의 붕괴를 방지하고, 대구경의 다결정 실리콘 봉을 고효율로 제조하기 위한 기술이 제공된다.
1: 벨자(챔버)
2: 관찰창
3: 냉매 입구(벨자)
4: 냉매 출구(벨자)
5: 기저판
6: 냉매 입구(기저판)
7: 냉매 출구(기저판)
8: 반응 배기 가스 출구
9: 원료 가스 공급 노즐
10: 전극
11: 다결정 실리콘 봉
12: 실리콘 심선
13: 카본 히터
14: 심선 홀더
15L, H, C: 전원
16: 직렬/접속 전환 회로
100: 반응로
151: 수전부
152: 저압 기중 차단기(ACB)
153: 전원 변압기
154: 출력 제어부
155: 출력부
156: 출력 변압기
157: 주파수 변환기

Claims (3)

  1. 반응기 중에 실리콘 심선을 배치하고, 상기 반응로 내에 실레인 화합물을 함유하는 원료 가스를 공급하여, 통전에 의해 가열된 상기 실리콘 심선 상에 CVD법에 의해 다결정 실리콘을 석출시켜 다결정 실리콘 봉을 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은, 주파수 가변의 고주파 전원에 의해, 상기 다결정 실리콘 봉에 2kHz 이상의 주파수를 갖는 전류를 통전시켜 가열하는 고주파 전류 통전 공정을 구비하고 있고,
    해당 고주파 전류 통전 공정은, 직렬로 연결된 상기 다결정 실리콘의 석출에 의해 직경이 80mm 이상의 소정값 D0에 도달한 다결정 실리콘 봉에 고주파 전류를 공급하는 공정을 포함하며,
    해당 고주파 전류의 공급 공정에서는, 상기 고주파 전류가 상기 다결정 실리콘 봉 중을 흐를 때의 표피 깊이가 13.8mm 이상 80.0mm 이하로 되는 범위 내에서, 상기 고주파 전류의 주파수가 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 변동에 따라 선택되고,
    상기 원료 가스로서 트라이클로로실레인을 함유하는 가스를 선택하고, 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 900℃ 이상 1250℃ 이하로 제어하여 다결정 실리콘을 석출시키는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 봉의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 전류의 주파수의 선택은 적어도 2개의 주파수 사이에서 행해지고,
    상기 고주파 전류의 공급 공정은, 통전량이 일정한 조건으로 전류 공급되고 있는 상태에서 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 저하의 우려가 생겼을 때에, 상기 고주파 전류의 주파수를 저주파수측으로 전환함과 더불어 상기 통전량을 증가시켜 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 유지하는 공정을 포함하는 다결정 실리콘 봉의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 전류의 주파수의 선택은 적어도 2개의 주파수 사이에서 행해지고,
    상기 고주파 전류의 공급 공정은, 통전량이 일정한 조건으로 전류 공급되고 있는 상태에서 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도 저하의 우려가 생겼을 때에, 상기 통전량은 유지하면서 상기 고주파 전류의 주파수를 고주파수측으로 전환하여 상기 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 유지하는 공정을 포함하는 다결정 실리콘 봉의 제조 방법.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6418778B2 (ja) * 2014-05-07 2018-11-07 信越化学工業株式会社 多結晶シリコン棒、多結晶シリコン棒の製造方法、および、単結晶シリコン
JP6314097B2 (ja) * 2015-02-19 2018-04-18 信越化学工業株式会社 多結晶シリコン棒
CN114150372A (zh) * 2022-02-10 2022-03-08 杭州中欣晶圆半导体股份有限公司 一种横向磁场变频电流控制系统及单晶生长缺陷控制方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2831816A1 (de) 1978-07-19 1980-01-31 Siemens Ag Verfahren zum abscheiden von silicium in feinkristalliner form
JPS6374909A (ja) 1986-09-19 1988-04-05 Shin Etsu Handotai Co Ltd 大直径多結晶シリコン棒の製造方法
WO1999031013A1 (en) * 1997-12-15 1999-06-24 Advanced Silicon Materials, Inc. Chemical vapor deposition system for polycrystalline silicon rod production
RU2499768C2 (ru) * 2008-03-10 2013-11-27 Аег Пауэр Солюшнс Б.В. Устройство и способ равномерного электропитания кремниевого стержня

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200144062A (ko) * 2019-06-17 2020-12-28 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 다결정 실리콘 로드의 제조 방법

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