KR20170024609A

KR20170024609A - 다결정 실리콘 봉 제조용의 실리콘 심선 및 다결정 실리콘 봉의 제조 장치

Info

Publication number: KR20170024609A
Application number: KR1020177002477A
Authority: KR
Inventors: 슈지 다나카; 데쓰로 오카다
Original assignee: 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2017-03-07
Also published as: US20170158517A1; WO2016002232A1; CN106470942A; EP3165508A1; EP3165508A4; JP2016016999A

Abstract

심선 홀더(34)(유지 부재)는, 그의 하단부가, 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있다. 한편, 실리콘 심선(100)에 통전하기 위한 금속 전극(30)과 심선 홀더(34)(유지 부재)의 접속에 이용되는 어댑터(33)(지지 부재)는, 심선 홀더(34)(유지 부재)의 하단부를 삽입하는 구멍부의 내면이, 해당 구멍부의 개구측을 상방으로 하고 유지 부재의 하단부 삽입 방향을 하방으로 했을 때에, 테이퍼 각이 플러스인 테이퍼를 갖고 있다. 심선 홀더(34)(유지 부재)의 하단부는, 이 어댑터(33)(지지 부재)의 구멍부에 삽입되어서 실리콘 심선(100)이 고정된다. 이와 같은 구조로 하는 것에 의해, CVD법에 의해 실리콘 심선 상에 다결정 실리콘을 석출시킬 때의, 스파크의 발생 등에 의한 실리콘 심선의 국부적인 용단이나 구조적 대미지가 방지된다.

Description

다결정 실리콘 봉 제조용의 실리콘 심선 및 다결정 실리콘 봉의 제조 장치{SILICON CORE WIRE FOR PRODUCING POLYCRYSTALLINE SILICON ROD, AND DEVICE FOR PRODUCING POLYCRYSTALLINE SILICON ROD}

본 발명은 다결정 실리콘 봉의 제조 기술에 관한 것이고, 보다 상세하게는, CVD 반응에 의해 실리콘 심선 상에 다결정 실리콘을 석출시킬 때의 실리콘 심선의 파손이나 전도 등을 방지해서, 안정적인 다결정 실리콘 봉의 제조를 가능하게 하기 위한 기술에 관한 것이다.

반도체 제조용의 단결정 실리콘 기판이나 태양 전지 제조용의 실리콘 기판의 원료가 되는 다결정 실리콘의 제조 방법으로서, 지멘스법이나 유니언 카바이드법이 알려져 있다.

말할 것도 없이, 지멘스법은, 클로로실레인을 포함하는 원료 가스를, 가열한 실리콘 심선(실리콘 스타터 필라멘트)에 접촉시켜, CVD 반응에 의해 당해 실리콘 심선의 표면에 다결정 실리콘을 기상 성장시키는 방법이다.

유니언 카바이드법은, 모노실레인을 포함하는 가스(실질적으로 클로르 프리의 가스)를 원료로 해서, 지멘스법과 마찬가지로, 가열한 실리콘 심선에 접촉시켜서 CVD 반응에 의해 실리콘 심선 표면에 다결정 실리콘을 기상 성장시키는 방법이다(예를 들면, 일본 특허공개 2010-269994호 공보(특허문헌 1)를 참조).

근년, 다결정 실리콘 봉의 대구경화나 다결정 실리콘의 석출 속도를 높이는 것에 의해, 다결정 실리콘의 제조 비용의 저감의 시도가 이루어져 왔다. 다결정 실리콘의 석출 속도를 높이기 위해서는, 다결정 실리콘의 성장층 표면에 형성되는 「경막」을 현저하게 얇게 하는 것, 및 석출 반응 온도를 높게 하는 것이 필요하다. 여기에서, 「경막」이란, 다결정 실리콘 봉의 표면을 층류 상태로 원료 가스가 흐르고 있는 극박 영역인 것이다.

고속 성장 조건을 만족시키도록 반응로 내로의 원료 가스 공급을 행하는 경우, 필연적으로, 가스의 운동 에너지는 커진다. 실리콘 심선의 직경은 불과 수 밀리라는 사정도 있어, 고속 성장 조건하에서는, 역 U자 형의 실리콘 심선의 단부의 유지 부재인 그래파이트 척과의 접속 부분이 절손되기 쉽다.

또한, 실리콘 심선을 700∼1200℃로 가열하기 위한 통전에는 수천 볼트의 전압이 걸리기 때문에, 실리콘 심선과 그의 유지 부재(그래파이트 척)의 접속부(접촉부)나, 실리콘 심선에 통전하기 위한 금속 전극과 상기 유지 부재의 접속에 이용되는 지지 부재의 접속부(접촉부)에 있어서, 스파크 등이 발생하기 쉽다. 이것은, 상기 실리콘 심선과 유지 부재 내지 유지 부재와 지지 부재의 고유 저항차나 접촉 저항이 클수록 현저해진다.

이와 같은 스파크 등이 발생하면, 실리콘 심선이 국부적으로 용단되거나 구조적으로 대미지를 받는 등 해서, 상호의 접속 강도가 현저하게 저하되어, 최악의 경우에는, 석출 반응의 초기 단계에서 실리콘 심선이 전도되거나 파손되거나 한다.

이와 같은 실리콘 심선의 절손, 전도, 파손이 생기면, 그 후의 다결정 실리콘의 석출 반응은 불가능해지기 때문에, 이러한 문제를 방지하기 위해, 여러 가지의 방법이 제안되고 있다.

일본 특허공개 2009-256191호 공보(특허문헌 2)에는, 「실리콘 심봉을 유지하는 전극의 표면에 석출된 다결정 실리콘이, 로드의 자중을 받침과 더불어, 실리콘 심봉으로부터 벗어져 떨어지는 것을 방지할 수 있는 다결정 실리콘 반응로」로서, 「노 내에 마련한 실리콘 심봉을 통전 가열하고, 노 내에 공급한 원료 가스를 반응시켜서, 상기 실리콘 심봉 표면에 다결정 실리콘을 생성시키는 다결정 실리콘 반응로로서, 노의 저판부에, 해당 저판부에 대해서 전기 절연 상태로 마련한 전극 홀더와, 해당 전극 홀더에 연결되어, 상기 실리콘 심봉을 상방을 향하게 해서 유지하는 심봉 유지 전극을 구비하고, 상기 심봉 유지 전극의 외주면에 노 내 분위기에 노정되는 요철부가 마련된 것을 특징으로 하고 있는」 다결정 실리콘 반응로의 발명이 개시되어 있고, 「상기 심봉 유지 전극의 상단부에는, 상방을 향하여 직경 축소되는 테이퍼부가 마련되고, 이 테이퍼부의 테이퍼 각도가 70° 이상 130° 이하인 것」에 의해, 「심봉 유지 전극을 고온으로 유지할 수 있어, 심봉 유지 전극의 외주 측면의 전역에 있어서 다결정 실리콘을 석출하기 쉽게 하는 한편, 경사가 필요 이상으로 급구배로 되어 있지 않기 때문에, 테이퍼부에 석출된 다결정 실리콘이 박리되는 경우는 없다.」고 되어 있다.

일본 특허공개 2010-235438호 공보(특허문헌 3)에는, 「작업성이 우수하고, 고품질의 실리콘 제품을 제조할 수 있는 다결정 실리콘 제조 장치를 제공하는 것을 목적」으로 한 발명으로서, 「반응로 내에서 가열된 상하 방향을 따르는 실리콘 심봉에 원료 가스를 접촉시키는 것에 의해 상기 실리콘 심봉의 표면에 다결정 실리콘을 석출시키는 다결정 실리콘 제조 장치로서, 상기 실리콘 심봉의 하단부가 삽입되는 유지 구멍이 형성된 도전재로 이루어지는 심봉 유지부를 구비하고, 이 심봉 유지부에 있어서, 상기 유지 구멍은 수평 방향을 따르는 단면이 복수의 모서리부를 갖는 형상이며, 2개 이상의 상기 모서리부에, 상기 심봉 유지부의 외면으로부터 연통하는 나사 구멍이 형성되어 있고, 이들 나사 구멍 중 적어도 어느 하나에, 상기 실리콘 심봉을 고정하는 고정 나사가 나합되는」 구성의 다결정 실리콘 제조 장치가 개시되어 있고, 「이 발명에 의하면, 연결 부재가 장착되더라도 한 쌍의 실리콘 심봉의 휘어짐이 충분히 교정되지 않는 경우나, 실리콘 심봉의 유지 구멍에 위치 어긋남이나 기울기 등이 생기고 있는 경우 등에, 고정 나사를 나합하는 나사 구멍을 변경하는 것에 의해, 실리콘 심봉과 유지 구멍의 치수차에 따라서, 실리콘 심봉의 입설 위치나 자세를 조정할 수 있다. 따라서, 연결 부재에 의해 연결된 한 쌍의 실리콘 심봉의 휘어짐을, 고정 나사의 나합 위치를 변경한다는 간이한 작업에 의해 교정할 수 있다.」고 되어 있다.

일본 특허공개 2010-235440호 공보(특허문헌 4)에는, 「유지부와 실리콘 심봉 사이의 전기 저항을 작게 해서, 효율 좋게 실리콘 시드를 가열할 것이 요구된다.」는 사정을 감안하여, 「효율 좋게 실리콘 시드를 가열하여, 고품질의 실리콘 제품을 제조할 수 있는 다결정 실리콘 제조 장치를 제공하는 것을 목적」으로 해서, 「반응로 내에서 가열된 상하 방향을 따르는 실리콘 심봉에 원료 가스를 접촉시키는 것에 의해 상기 실리콘 심봉의 표면에 다결정 실리콘을 석출시키는 다결정 실리콘 제조 장치로서, 상기 실리콘 심봉의 하단부가 삽입되는 유지 구멍이 형성된 도전재로 이루어지는 심봉 유지부를 구비하고, 상기 실리콘 심봉이 단면 다각형상으로 형성되어 있음과 더불어, 상기 심봉 유지부에 있어서, 상기 유지 구멍은 상기 상하 방향에 교차하는 단면이 상기 실리콘 심봉에 대응하는 다각형이고, 상기 심봉 유지부의 외면으로부터 연통하는 나사 구멍이 형성되어 있으며, 이 나사 구멍에, 상기 실리콘 심봉의 측면을 상기 유지 구멍의 내면에 압압하는 고정 나사가 나합되어 있는」 구조의 다결정 실리콘 제조 장치의 발명이 개시되어 있고, 「이 발명에 의하면, 실리콘 심봉의 측면이 심봉 유지부의 유지 구멍의 내면에 면 접촉하므로, 실리콘 심봉과 심봉 유지부의 전기 저항이 작아, 실리콘 심봉에 대해서 효율 좋게 전력을 공급할 수 있다.」고 되어 있다.

그러나, 전술의 특허문헌 2∼4에 개시된 발명의 것은, 유지 부재(그래파이트 척)의 구조가 복잡하고, 세팅 작업에 필요한 시간도 긴 것에 더하여, 유지 부재를 고정하는 나사의 근소한 느슨해짐이나 치우친 과대한 조임 등에 의해, 국부적으로 과대한 밀도의 전류가 흘러서 스파크되기 쉽다는 결점이 있다.

일본 특허공개 2011-195438호 공보(특허문헌 5)에는, 「종래의 구조 양식의 전극에 비해서 전도 확률이 현격히 저감된 전극을 제공하는 것」을 목적으로 해서, 「원뿔 형상 선단부 또는 각뿔 형상 선단부를 갖는, 탄소로 이루어지는 전극으로서, 당해 전극은, 필라멘트 로드를 수용하는 수단을 갖고 있고, 상기 원뿔 형상 선단부 또는 각뿔 형상 선단부의 측면은, 적어도 1개의, 융기된 가장자리부에 의해 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 전극」의 발명이 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 5에 개시된 것은, 전극 형상이 복잡하기 때문에 고가가 되지 않을 수 없는 것에 더하여, 특허문헌 5에는, 다결정 실리콘의 석출 초기의 전도 등의 방지에 가장 중요해지는, 필라멘트 로드와 전극의 접촉 부분을 어떻게 고안할지에 관해서는 언급이 없다.

일본 특허공개 2011-195439호 공보(특허문헌 6)에는, 「종래의 구조 양식의 전극에 비해서 전도 확률이 현격히 저감된 전극을 제공하는 것」을 목적으로 한 탄소로 이루어지는 전극으로서, 「당해 전극은, 상이한 고유 열전도율을 갖는, 적어도 2개의 상이한 영역으로 이루어지고, 외측의 영역(A)는 전극의 기초 부분을 형성하고, 1개 또는 복수의 내측 영역을 지지하며, 가장 내측의 영역(B)는 상방에서, 영역(A)로부터 돌출되고, 영역(A)보다도 낮은 고유 열전도율을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 전극」의 발명이 개시되어 있다.

그리고, 특허문헌 6에 의하면, 「성장의 개시 시, 나아가서는 로드 직경이 작은 때에는, 로드 각부(脚部)는 우선은, 낮은 열전도율을 갖는 끼워 넣음 부분 상에서만 성장한다. 사용되고 있는 흑연이 낮은 고유 열전도율을 갖고 있으므로, 끼워 넣음 부분(영역 B)을 통한 열도출성이 낮아져, 성장의 개시 시에는, 전극 전체에 걸쳐서, 및 그의 전극 유지부에 걸쳐서 도출되는 열은 근소해서, 아직 로드 직경이 작은 경우라도, 실리콘 로드로 전극의 접속부에서 높은 온도가 얻어진다. 과도하게 낮은 온도 때문에 에칭 프로세스가 생길 수 있는, 로드 각부에서의 차가운 영역은 존재하지 않는다. 이에 의해 로드 각부는 신속히, 또한 실수 없이, 영역(B)에 있어서의 전극 선단부와 합체된다. 이에 의해, 석출 프로세스의 전 또는 동안의 로드 직경이 작은 경우의 전도가 완전히 저지된다.」고 되어 있다.

그러나, 특허문헌 6에 개시된 전극은, 상이한 고유 열전도율을 갖는 영역으로 이루어지기 때문에 복잡한 형상이 되지 않을 수 없고, 특허문헌 5와 마찬가지로, 다결정 실리콘의 석출 초기의 전도 등의 방지에 가장 중요해지는, 필라멘트 로드와 전극의 접촉 부분을 어떻게 고안할지에 관해서는 언급이 없다.

일본 특허 제2671235호 명세서(특허문헌 7)에는, 「길이 치수의 스타터 필라멘트 상에서 가스상 규소 화합물을 열분해하는 것에 의해 다결정 규소 봉을 제조할 때에 상기 스타터 필라멘트를 장착하는 데 적합한 흑연제 척에 있어서, 수소 불투과제 외측 피복층을 갖는 것을 특징으로 하는 흑연제 척」으로서, 「상기 흑연제 척이 상기 스타터 필라멘트를 가열하기 위한 전류를 공급하는 전극 상으로 상기 흑연제 척을 장착하는 데 적합한 하측 홈을 갖는 것을 특징으로 하는」 흑연제 척이 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 7에 개시된 척 구조의 것에서는, 상부의 원뿔 형상 흑연제 척 선단부에 마련된 홈과 스타터 필라멘트의 접촉 저항이 커, 파손이나 전도 확률이 극히 높다.

일본 특허 제3909242호 명세서(특허문헌 8)에는, 「석출 장치의 기판에 도통되고, 고정된 전류 통로와 전극 홀더를 갖고, 이 전극 홀더는 전류 통로 위에 배치되어 있는 하면 및 탄소 전극과 접속되어 있는 상면을 가지며, 이 탄소 전극에 지지체를 끼워 넣을 수 있는 장치에 의해 해결되고, 이 장치는, 탄소 전극이 145W/m·K보다 큰 열전도율을 갖고, 또한 실리콘의 열팽창률에 적합하고 있는 열팽창률을 갖는 것을 특징으로 하는」 반도체 재료를 석출하는 장치의 발명이 개시되어 있다.

그리고, 특허문헌 8에 의하면, 상기 발명에 의해, 「시험 시에, 많은 경우에 봉의 각(脚)의 파쇄에 의해 폴리실리콘 봉이 경도(傾倒)되는 것이 나타났다. 일반적인 탄소 전극과 상기의 재료 특성을 갖는 탄소 전극의 교환에 의해서만 봉 각부의 파쇄의 발생을 현저하게 감소할 수 있었다. 파열된 봉의 각부에 의한 다결정 실리콘 봉의 경도는 본 발명의 장치에 의해 저지된다.」고 되어 있다.

그러나, 특허문헌 8도, 다결정 실리콘의 석출 초기의 전도 등의 방지에 가장 중요해지는, 필라멘트 로드와 전극의 접촉 부분을 어떻게 고안할지에 관해서는 언급이 없다.

일본 특허공표 2012-521950호 공보(특허문헌 9)에는, 「특히 실리콘 증착 반응기 내에서, 가는 실리콘 로드를 조립 실리콘 로드와 전기적으로 접촉시키는 것으로, 가는 실리콘 로드의 일단부를 받치는 로드 홀더를 구비하고, 로드 홀더는, 가는 실리콘 로드를 받치는 지지 스페이스의 주위에 배치된 적어도 3개의 접촉 요소를 구비하며, 각 접촉 요소는, 전기적 기계적으로 가는 실리콘 로드와 접촉하도록 지지 스페이스 방향에 면하는 접촉면을 형성하고, 이웃한 접촉 요소의 접촉면은 간격을 두어서 위치하고 있는」 구성의 접촉형 클램프 장치의 발명이 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 9에 개시된 것은, 클램프 구조가 복잡하기 때문에 고가가 되지 않을 수 없다.

일본 특허공표 2014-504582호 공보(특허문헌 10)에는, 「웰 및 필라멘트 채널을 구비하는 제 1 섹션과, 전극 채널을 갖는 제 2 섹션을 구비하는 척」으로서, 「상기 웰은, 상기 웰의 저부 표면부터 상기 제 1 섹션의 한쪽 단부까지 원주 방향으로 연재(延在)되는 복수의 슬랫에 의해 획정되고」, 「상기 복수의 슬랫의 각각이 윈도에 의해 분리되며, 각 윈도가 인접하는 슬랫의 길이를 적어도 부분적으로 따라서 연재되는」 구성의, 「화학 증착 중에 만들어지는 로드를 지지하는 웰을 갖는 척」의 발명이 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 10에 개시된 척 구조는, 지지되는 실리콘 심선(필라멘트)의 노 내에서의 흔들림에 대한 고려가 이루어져 있지 않아, 대구경화하는 다결정 실리콘 봉의 제조에는 적합하지 않은 것이라고 생각된다.

일본 특허공개 2010-269994호 공보 일본 특허공개 2009-256191호 공보 일본 특허공개 2010-235438호 공보 일본 특허공개 2010-235440호 공보 일본 특허공개 2011-195438호 공보 일본 특허공개 2011-195439호 공보 일본 특허 제2671235호 명세서 일본 특허 제3909242호 명세서 일본 특허공표 2012-521950호 공보 일본 특허공표 2014-504582호 공보

이상 기술한 바와 같이, 종래 기술의 것은 모두, 근년의 다결정 실리콘 봉의 대구경화나 다결정 실리콘의 고속 석출화(예를 들면 13μm/분 이상)의 요구에는 충분히 완전 부응하지 못하는 것이 실정이다.

본 발명은 이와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, CVD법에 의해 실리콘 심선 상에 다결정 실리콘을 석출시킬 때의, 스파크의 발생 등에 의한 실리콘 심선의 국부적인 용단이나 구조적 대미지를 방지하고, 특히 석출 반응의 초기 단계에서의 실리콘 심선의 전도나 파손을 방지해서, 안정된 생산에 기여하는 기술을 제공하는 것에 있다.

상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 실리콘 심선은, CVD 반응에 의해 다결정 실리콘을 석출시키기 위한 시드가 되는 실리콘 심선으로서, 반응로 내에 마련되는 유지 부재에 삽입되는 측의 단부에, 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼부를 갖고 있다.

바람직하게는, 상기 테이퍼부의 테이퍼는 1/100(테이퍼 각 0.5729°) 이상 1/10(테이퍼 각 5.725°) 이하이고, 보다 바람직하게는 1/80(테이퍼 각 0.7162°) 이상 1/20(테이퍼 각 2.864°) 이하이며, 더 바람직하게는 1/60(테이퍼 각 0.9548°) 이상 1/35(테이퍼 각 1.6366°) 이하이다.

또한, 바람직하게는 상기 테이퍼부의 테이퍼 길이는 20mm 이상 100mm 이하이고, 보다 바람직하게는 20mm 이상 80mm 이하이며, 더 바람직하게는 20mm 이상 60mm 이하이다.

또한, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 장치는, CVD 반응에 의해 다결정 실리콘을 석출시키기 위한 시드가 되는 실리콘 심선의 유지 부재를 구비하고, 상기 유지 부재는, 상기 실리콘 심선의 단부를 삽입하는 구멍부의 내면이, 해당 구멍부의 개구측을 상방으로 하고 실리콘 심선의 단부 삽입 방향을 하방으로 했을 때에, 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있다.

상기와 마찬가지로, 바람직하게는 상기 테이퍼부의 테이퍼는 1/100(테이퍼 각 0.5729°) 이상 1/10(테이퍼 각 5.725°) 이하이고, 보다 바람직하게는 1/80(테이퍼 각 0.7162°) 이상 1/20(테이퍼 각 2.864°) 이하이며, 더 바람직하게는 1/60(테이퍼 각 0.9548°) 이상 1/35(테이퍼 각 1.6366°) 이하이다.

또한, 상기와 마찬가지로, 바람직하게는 상기 테이퍼부의 테이퍼 길이는 20mm 이상 100mm 이하이고, 보다 바람직하게는 20mm 이상 80mm 이하이며, 더 바람직하게는 20mm 이상 60mm 이하이다.

전술의 다결정 실리콘 봉의 제조 장치는, 상기 실리콘 심선에 통전하기 위한 금속 전극과 상기 유지 부재의 접속에 이용되는 지지 부재를 구비하고, 상기 유지 부재는, 하단부가, 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있으며, 상기 지지 부재는, 상기 유지 부재의 하단부를 삽입하는 구멍부의 내면이, 해당 구멍부의 개구측을 상방으로 하고 유지 부재의 하단부 삽입 방향을 하방으로 했을 때에, 테이퍼 각이 플러스인 테이퍼를 갖고 있는 태양으로 해도 된다.

또한, 전술의 다결정 실리콘 봉의 제조 장치는, 상기 실리콘 심선에 통전하기 위한 금속 전극과 상기 유지 부재의 접속에 이용되는 지지 부재를 구비하고, 상기 유지 부재는, 하단부에 마련된 오목부로서, 해당 오목부의 개구측을 하방으로 했을 때에, 그의 내면이 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있으며, 상기 지지 부재는, 상기 유지 부재의 오목부를 받아들이는 볼록부로서, 해당 볼록부의 표면이 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있는 태양으로 해도 된다.

바람직하게는, 상기 유지 부재 및 상기 지지 부재 중 적어도 한쪽이 그래파이트로 이루어진다.

본 발명에서는, 실리콘 심선과 그의 단부를 유지하는 유지 부재의 접촉 부분이, 테이퍼를 갖도록 설계한다. 이와 같은 수용 상태에서는, 나사 등의 외력에 의한 고정은 아니고, 실리콘 심선의 자중에 의해 유지되게 된다. 그 결과, 실리콘 심선과 유지 부재의 재료간의 고유 저항의 차가 큰 경우라도, 실질적인 접촉 저항차가 작아져, 다결정 실리콘을 석출시킬 때의 스파크의 발생 등이 억제되어, 실리콘 심선의 전도나 파손이 방지된다.

도 1(A)는 본 발명에 따른 실리콘 심선의 예를 나타내는 도면이고, 도 1(B)는 테이퍼부의 확대도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 장치인 반응로의 구성의 일례를 나타내는 개략 설명도이다.
도 3(A)는 실리콘 심선을 유지하는 심선 홀더, 및 이 심선 홀더를 재치하는 어댑터의 일 태양예의 도면이고, 도 3(B)는 심선 홀더에 실리콘 심선의 단부를 삽입하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 4(A)는 실리콘 심선을 유지하는 심선 홀더, 및 이 심선 홀더를 재치하는 어댑터의 다른 태양예의 도면이고, 도 4(B)는 심선 홀더에 실리콘 심선의 단부를 삽입하는 모습을 나타내는 도면이다.

이하에, 도면을 참조해서, 본 발명에 따른 실리콘 심선, 및 다결정 실리콘 봉의 제조 장치에 대해서 설명한다.

본 발명자들은, 실리콘 심선과 그의 단부를 유지하는 부재의 접속 부분에 적절한 구배를 마련하는 것이, CVD법에 의해 실리콘 심선 상에 다결정 실리콘을 석출시킬 때의, 스파크의 발생 등에 의한 실리콘 심선의 국부적인 용단이나 구조적 대미지를 방지하는 것에 효과적이다는 지견을 얻기에 이르렀다.

도 1(A)는 본 발명에 따른 실리콘 심선의 예를 나타내는 도면으로, 이 실리콘 심선(100)은 역 U자 형을 갖고, 그의 양단부에 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼부(10a, 10b)를 갖고 있다.

도 1(B)는 상기 테이퍼부(10)의 확대도로, 이 테이퍼부의 테이퍼 길이는 L, 테이퍼 각은 θ이고, 테이퍼는 [(α+1)-α]/L(=1/L)로 정의된다. 테이퍼부(10)의 테이퍼는, 바람직하게는 1/100(테이퍼 각 θ=0.5729°) 이상 1/10(테이퍼 각 5.725°) 이하로 설정되고, 보다 바람직하게는 1/80(테이퍼 각 0.7162°) 이상 1/20(테이퍼 각 2.864°) 이하로 설정되며, 더 바람직하게는 1/60(테이퍼 각 0.9548°) 이상 1/35(테이퍼 각 1.6366°) 이하로 설정된다. 또한, 테이퍼 길이 L은 바람직하게는 20mm 이상 100mm 이하로 되고, 보다 바람직하게는 20mm 이상 80mm 이하로 되며, 더 바람직하게는 20mm 이상 60mm 이하로 된다.

도 2는 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 장치인 반응로(200)의 구성의 일례를 나타내는 개략 설명도이다. 이 도면에 나타낸 반응로(200)는, 지멘스법에 의해 실리콘 심선(100)의 표면에 CVD 반응에 의해 다결정 실리콘을 석출시켜서 다결정 실리콘 봉(120)을 얻기 위한 장치이며, 베이스 플레이트(25)와 벨자(21)에 의해 구성된다.

베이스 플레이트(25)에는, 실리콘 심선(100)에 전류를 공급하는 금속 전극(30)과, 질소 가스, 수소 가스, 트라이클로로실레인 가스 등의 프로세스 가스를 공급하는 가스 노즐(29)과, 배기 가스를 배출하는 배기구(28)가 배치되어 있다. 또한, 베이스 플레이트(25)에는, 자신을 냉각하기 위한 냉매의 입구부(26)와 출구부(27)가 마련되어 있다.

벨자(21)는, 자신을 냉각하기 위한 냉매의 입구부(23)와 출구부(24)를 갖고, 추가로, 외부로부터 내부를 육안으로 확인하기 위한 관찰창(22)을 갖고 있다.

금속제의 전극(30)은 실리콘 심선(100)에 통전하기 위한 것으로, 자신을 냉각하기 위한 냉매의 입구(31)와 출구(32)를 갖고 있고, 절연물(35)을 개재해서 베이스 플레이트(25)에 장착되어 있고, 상부에는, 이 금속 전극(30)과, 실리콘 심선(100)의 단부(10)를 유지하는 심선 홀더(유지 부재)(34) 사이에 마련되는 어댑터(심선 홀더(34)의 지지 부재)(33)를 재치할 수 있는 구조로 되어 있다.

즉, 어댑터(33)의 상부에는 심선 홀더(34)가 고정되고, 이 심선 홀더(34)에 실리콘 심선(100)의 단부(10)가 고정되며, 금속제의 전극(30)으로부터의 실리콘 심선(100)으로의 통전은, 어댑터(33) 및 심선 홀더(34)를 개재해서 이루어지게 된다.

도 3(A)는 실리콘 심선(100)을 유지하는 심선 홀더(34), 및 이 심선 홀더(34)를 재치하는 어댑터(33)의 일 태양예의 도면이고, 도 3(B)은 심선 홀더(34)에 실리콘 심선(100)의 단부(10)를 삽입하는 모습을 나타내는 도면이다.

실리콘 심선의 유지 부재인 심선 홀더(34)에는, 실리콘 심선의 단부(10)를 삽입하는 구멍부가 마련되어 있고, 그의 내면은, 해당 구멍부의 개구측을 상방으로 하고 실리콘 심선의 단부(10)의 삽입 방향을 하방으로 했을 때에, 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있다.

이 테이퍼는, 전술의 실리콘 심선의 단부(10)를 받아들이도록, 상기와 마찬가지로, 바람직하게는 1/100(테이퍼 각 0.5729°) 이상 1/10(테이퍼 각 5.725°) 이하로 되고, 보다 바람직하게는 1/80(테이퍼 각 0.7162°) 이상 1/20(테이퍼 각 2.864°) 이하로 되며, 더 바람직하게는 1/60(테이퍼 각 0.9548°) 이상 1/35(테이퍼 각 1.6366°) 이하로 된다.

테이퍼 길이도, 상기와 마찬가지로, 바람직하게는 20mm 이상 100mm 이하로 되고, 보다 바람직하게는 20mm 이상 80mm 이하로 되며, 더 바람직하게는 20mm 이상 60mm 이하로 된다.

이 도면에 나타낸 태양에서는, 심선 홀더(34)(유지 부재)는, 그의 하단부가, 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있다. 한편, 실리콘 심선(100)에 통전하기 위한 금속 전극(30)과 심선 홀더(34)(유지 부재)의 접속에 이용되는 어댑터(33)(지지 부재)는, 심선 홀더(34)(유지 부재)의 하단부를 삽입하는 구멍부의 내면이, 해당 구멍부의 개구측을 상방으로 하고 유지 부재의 하단부 삽입 방향을 하방으로 했을 때에, 테이퍼 각이 플러스인 테이퍼를 갖고 있다. 심선 홀더(34)(유지 부재)의 하단부는, 이 어댑터(33)(지지 부재)의 구멍부에 삽입되어서 실리콘 심선(100)이 고정된다.

이들 테이퍼(테이퍼 각) 및 테이퍼 길이는, 실리콘 심선을 홀딩하는 심선 홀더(34)를 강고하게 유지하기에 충분한 범위로 설정된다.

도 4(A)는 실리콘 심선(100)을 유지하는 심선 홀더(34), 및 이 심선 홀더(34)를 재치하는 어댑터(33)의 다른 태양예의 도면이고, 도 4(B)는 심선 홀더(34)에 실리콘 심선(100)의 단부(10)를 삽입하는 모습을 나타내는 도면이다.

이 태양에 있어서도, 실리콘 심선의 유지 부재인 심선 홀더(34)에는, 실리콘 심선의 단부(10)를 삽입하는 구멍부가 마련되어 있고, 그의 내면은, 해당 구멍부의 개구측을 상방으로 하고 실리콘 심선의 단부(10)의 삽입 방향을 하방으로 했을 때에, 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있다.

이 테이퍼도 또한, 전술의 실리콘 심선의 단부(10)를 받아들이도록, 상기와 마찬가지로, 바람직하게는 1/100(테이퍼 각 0.5729°) 이상 1/10(테이퍼 각 5.725°) 이하로 되고, 보다 바람직하게는 1/80(테이퍼 각 0.7162°) 이상 1/20(테이퍼 각 2.864°) 이하로 되며, 더 바람직하게는 1/60(테이퍼 각 0.9548°) 이상 1/35(테이퍼 각 1.6366°) 이하로 된다.

도 4(A)에 도시한 태양에서는, 심선 홀더(34)(유지 부재)는, 그의 하단부에 오목부가 마련되어 있고, 해당 오목부의 개구측을 하방으로 했을 때에, 그의 내면이 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있다.

한편, 실리콘 심선(100)에 통전하기 위한 금속 전극(30)과 심선 홀더(34)(유지 부재)의 접속에 이용되는 어댑터(33)(지지 부재)의 상부에는, 심선 홀더(34)(유지 부재)의 오목부를 받아들이는 볼록부를 갖고 있고, 해당 볼록부의 표면은 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있다. 심선 홀더(34)(유지 부재)의 하단부의 오목부가 어댑터(33)(지지 부재)의 볼록부를 받아들여서, 실리콘 심선(100)이 고정된다.

이들 테이퍼(테이퍼 각) 및 테이퍼 길이도 또한, 실리콘 심선을 홀딩하는 심선 홀더(34)를 강고하게 유지하기에 충분한 범위로 설정된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 봉의 제조 장치는, CVD 반응에 의해 다결정 실리콘을 석출시키기 위한 시드가 되는 실리콘 심선(100)의 유지 부재(34)를 구비하고 있고, 이 유지 부재(34)는, 실리콘 심선(100)의 단부(10)를 삽입하는 구멍부의 내면이, 해당 구멍부의 개구측을 상방으로 하고 실리콘 심선(100)의 단부 삽입 방향을 하방으로 했을 때에, 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있다는 특징을 갖는다.

한편, 상기 유지 부재(34) 및 지지 부재(33)는 금속성의 것이어도 되지만, 적어도 한쪽은 그래파이트로 이루어지는 것이 바람직하다.

실시예

[실시예 1]

도 3에 나타낸 태양에서, 실리콘 심선(100)을 반응로(200) 내에 세팅했다. 실리콘 심선(100)의 높이(길이)는 1850mm이고, 단면은 한 변이 7mm인 직사각형을 갖고 있다. 이 실리콘 심선(100)의 단부(10)에는, 테이퍼가 1/50(테이퍼 각 1.1459°)이고 테이퍼 길이가 45mm인 테이퍼부가 마련되어 있다.

실리콘 심선(100)의 단부(10)를 수용하는 심선 홀더(34)의 개구부의 단면은 직사각형으로 되고, 당해 개구부는, 테이퍼가 1/50(테이퍼 각 1.1459°)이고 테이퍼 길이가 40mm인 테이퍼 형상으로 가공되어 있으며, 실리콘 심선(100)은 그의 자중에 의해 유지되게 된다.

반응로(200) 내를 수소로 치환한 후, 실리콘 심선(100)에 2000V의 전압을 인가해서 통전(점화)했다. 그 후, 트라이클로로실레인을 수소로 희석한 원료 가스를 노 내에 공급하고, 실리콘 심선(100)의 표면 온도를 1100℃로 유지하고, 석출 속도 13μm/분으로 다결정 실리콘을 석출시켜, 직경이 45mm인 다결정 실리콘 봉(120)을 제조했다.

상기 조건에서 10배치의 다결정 실리콘 봉의 제조를 행했지만, 스파크의 발생 등에 의한 실리콘 심선의 국부적인 용단이나 구조적 대미지는 확인되지 않고, 실리콘 심선(100)의 전도나 파손은 없었다.

[실시예 2]

석출 속도 15μm/분으로 다결정 실리콘을 석출시킨 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지의 조건에서, 직경이 45mm인 다결정 실리콘 봉(120)의 제조를 10배치 행했지만, 스파크의 발생 등에 의한 실리콘 심선의 국부적인 용단이나 구조적 대미지는 확인되지 않고, 실리콘 심선(100)의 전도나 파손은 없었다.

[비교예 1]

이용한 실리콘 심선은, 높이(길이)가 1850mm이고, 단면은 한 변이 7mm인 직사각형을 갖고 있다. 이 실리콘 심선은 종래대로, 단부에 테이퍼부는 마련되어 있지 않다. 이 실리콘 심선의 단부를 심선 홀더의 개구부에 삽입하고, 가로 방향에서 나사 고정해서 고정했다. 한편, 이 심선 홀더의 개구부도, 실시예 1과 마찬가지로, 단면이 직사각형인 개구부는, 테이퍼가 1/50(테이퍼 각 1.1459°)이고 테이퍼 길이가 40mm인 테이퍼 형상으로 가공되어 있다.

반응로(200) 내를 수소로 치환한 후, 실리콘 심선에 2000V의 전압을 인가해서 통전(점화)했다. 그 후, 트라이클로로실레인을 수소로 희석한 원료 가스를 노 내에 공급하고, 실리콘 심선의 표면 온도를 1100℃로 유지하고, 석출 속도 13μm/분으로 다결정 실리콘을 석출시켜, 직경이 45mm인 다결정 실리콘 봉을 제조했다.

상기 조건에서 복수 배치의 다결정 실리콘 봉의 제조를 행한 바, 스파크의 발생에 의한 실리콘 심선의 국부적인 용단에 의해, 5배치째에서 실리콘 심선의 전도가 생겼다.

[비교예 2]

석출 속도 15μm/분으로 다결정 실리콘을 석출시킨 것 이외에는 비교예 1과 마찬가지의 조건에서, 직경이 45mm인 다결정 실리콘 봉의 제조를 복수 배치 행한 바, 스파크의 발생에 의한 실리콘 심선의 국부적인 용단에 의해, 8배치째에서 실리콘 심선의 전도가 생겼다.

[실시예 3]

도 3에 나타낸 태양에서, 실리콘 심선(100)을 반응로(200) 내에 세팅했다. 실리콘 심선(100)의 높이(길이)는 2000mm이고, 단면은 한 변이 7mm인 직사각형을 갖고 있다. 이 실리콘 심선(100)의 단부(10)에는, 테이퍼가 1/50(테이퍼 각 1.1459°)이고 테이퍼 길이가 45mm인 테이퍼부가 마련되어 있다.

실리콘 심선(100)의 단부(10)를 수용하는 심선 홀더(34)의 개구부의 단면은 직사각형으로 되고, 당해 개구부는, 테이퍼가 1/50(테이퍼 각 1.1459°)이고 테이퍼 길이가 45mm인 테이퍼 형상으로 가공되어 있으며, 실리콘 심선(100)은 그의 자중에 의해 유지되게 된다.

반응로(200) 내를 수소로 치환한 후, 실리콘 심선(100)에 2000V의 전압을 인가해서 통전(점화)했다. 그 후, 트라이클로로실레인을 수소로 희석한 원료 가스를 노 내에 공급하고, 실리콘 심선(100)의 표면 온도를 1100℃로 유지하고, 직경 45mm까지는 석출 속도 15μm/분으로, 그 후는 석출 속도 14μm/분으로 유지해서 직경이 145mm인 다결정 실리콘 봉(120)을 제조했다.

[실시예 4]

실리콘 심선(100)의 테이퍼부의 테이퍼를 1/35(테이퍼 각 1.6366°)로 한 것 이외에는 실시예 3과 마찬가지의 조건에서, 직경이 145mm인 다결정 실리콘 봉(120)의 제조를 10배치 행했지만, 스파크의 발생 등에 의한 실리콘 심선의 국부적인 용단이나 구조적 대미지는 확인되지 않고, 실리콘 심선(100)의 전도나 파손은 없었다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서는, 실리콘 심선과 그의 단부를 유지하는 유지 부재의 접촉 부분이, 테이퍼를 갖도록 설계한다. 이와 같은 수용 상태에서는, 나사 등의 외력에 의한 고정은 아니고, 실리콘 심선의 자중에 의해 유지되게 된다. 그 결과, 실리콘 심선과 유지 부재의 재료간의 고유 저항의 차가 큰 경우라도, 실질적인 접촉 저항차가 작아져, 다결정 실리콘을 석출시킬 때의 스파크의 발생 등이 억제되어, 실리콘 심선의 전도나 파손이 방지된다.

본 발명은 CVD법에 의해 실리콘 심선 상에 다결정 실리콘을 석출시킬 때의, 스파크의 발생 등에 의한 실리콘 심선의 국부적인 용단이나 구조적 대미지를 방지하고, 특히 석출 반응의 초기 단계에서의 실리콘 심선의 전도나 파손을 방지해서, 안정된 생산에 기여하는 기술을 제공한다.

10: 단부
21: 벨자
22: 관찰창
23, 26, 31: 냉매의 입구부
24, 27, 32: 냉매의 출구부
25: 베이스 플레이트
28: 배기구
29: 가스 노즐
30: 금속 전극
33: 어댑터(지지 부재)
34: 심선 홀더(유지 부재)
35: 절연물
100: 실리콘 심선
120: 다결정 실리콘 봉
200: 반응로

Claims

CVD 반응에 의해 다결정 실리콘을 석출시키기 위한 시드가 되는 실리콘 심선으로서, 반응로 내에 마련되는 유지 부재에 삽입되는 측의 단부에, 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼부를 갖고 있는, 다결정 실리콘 봉 제조용의 실리콘 심선.
제 1 항에 있어서,
상기 테이퍼부의 테이퍼가 1/100(테이퍼 각 0.5729°) 이상 1/10(테이퍼 각 5.725°) 이하인, 실리콘 심선.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 테이퍼부의 테이퍼 길이가 20mm 이상 100mm 이하인, 실리콘 심선.
다결정 실리콘 봉의 제조 장치로서,
CVD 반응에 의해 다결정 실리콘을 석출시키기 위한 시드가 되는 실리콘 심선의 유지 부재를 구비하고,
상기 유지 부재는, 상기 실리콘 심선의 단부를 삽입하는 구멍부의 내면이, 해당 구멍부의 개구측을 상방으로 하고 실리콘 심선의 단부 삽입 방향을 하방으로 했을 때에, 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있는, 다결정 실리콘 봉의 제조 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 테이퍼부의 테이퍼가 1/100(테이퍼 각 0.5729°) 이상 1/10(테이퍼 각 5.725°) 이하인, 다결정 실리콘 봉의 제조 장치.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 테이퍼부의 테이퍼 길이가 20mm 이상 100mm 이하인, 다결정 실리콘 봉의 제조 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 실리콘 심선에 통전하기 위한 금속 전극과 상기 유지 부재의 접속에 이용되는 지지 부재를 구비하고,
상기 유지 부재는, 하단부가, 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있으며,
상기 지지 부재는, 상기 유지 부재의 하단부를 삽입하는 구멍부의 내면이, 해당 구멍부의 개구측을 상방으로 하고 유지 부재의 하단부 삽입 방향을 하방으로 했을 때에, 테이퍼 각이 플러스인 테이퍼를 갖고 있는, 다결정 실리콘 봉의 제조 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 실리콘 심선에 통전하기 위한 금속 전극과 상기 유지 부재의 접속에 이용되는 지지 부재를 구비하고,
상기 유지 부재는, 하단부에 마련된 오목부로서, 해당 오목부의 개구측을 하방으로 했을 때에, 그의 내면이 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있으며,
상기 지지 부재는, 상기 유지 부재의 오목부를 받아들이는 볼록부로서, 해당 볼록부의 표면이 플러스의 테이퍼 각이 되는 테이퍼를 갖고 있는, 다결정 실리콘 봉의 제조 장치.
제 4 항, 제 5 항, 제 7 항 및 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유지 부재 및 상기 지지 부재 중 적어도 한쪽이 그래파이트로 이루어지는, 다결정 실리콘 봉의 제조 장치.