WO2012004968A1 - 多結晶シリコン棒および多結晶シリコン棒の製造方法 - Google Patents

多結晶シリコン棒および多結晶シリコン棒の製造方法 Download PDF

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silicon rod
frequency
peak frequency
rod
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祢津　茂義
史高 久米
岡田　淳一
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信越化学工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a polycrystalline silicon rod and a method of manufacturing a polycrystalline silicon rod, and more particularly to a technique for easily sorting hard polycrystalline silicon rods.
  • the Siemens method is known as a manufacturing method of the polycrystalline silicon used as the raw material of the single crystal silicon for semiconductor device manufacture, or the silicon for solar cell manufacture.
  • the Siemens method is a method of vapor phase growing polycrystalline silicon on the surface of a silicon core wire by using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method by bringing a source gas containing chlorosilane into contact with a heated silicon core wire.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • two silicon core wires are assembled in a vertical direction and one horizontal direction torii type in a reaction furnace of a vapor phase growth apparatus, and both ends of the torii type silicon core wire are paired It fixes to a pair of metal electrodes arrange
  • a source gas such as a mixed gas of trichlorosilane and hydrogen is introduced into the reactor from a gas nozzle.
  • silicon crystal-grows on the silicon core, and polycrystalline silicon having a desired diameter is formed in an inverted U shape.
  • both ends of the above-mentioned inverted U-shaped polycrystalline silicon are cut to obtain multiple pieces of desired length. It is adjusted to a crystalline silicon rod (cutting step), the outer periphery of this polycrystalline silicon rod is polished to make the diameter uniform in the longitudinal direction (cylindrical polishing step), and one end of this polycrystalline silicon rod is processed to sharpen it Finally, the surface of the polycrystalline silicon rod is etched to remove impurities and strains (etching step).
  • Such polycrystalline silicon rods are likely to have cracks formed inside and outside in the vapor phase growth process or the cooling process after growth along with the recent increase in diameter.
  • a crack is formed on the inside and the outside of the polycrystalline silicon rod, it may be broken in the cutting step, the cylindrical polishing step, the tip processing step, or the etching step described above.
  • the polycrystalline silicon rod may be broken during the growth process of the single crystal silicon ingot by the FZ method. If the polycrystalline silicon rod is broken during these processes, not only the previous process work is wasted, but also the equipment used in the process may be damaged.
  • the additional charge is to melt the silicon block filled in the crucible and then gradually dissolve the polycrystalline silicon rod suspended on the crucible into the melt to increase the amount of melt in the crucible.
  • Recharge means that after pulling up the CZ crystal, the polycrystalline silicon rod suspended on the crucible is gradually dissolved in the residual solution to increase the amount of melt in the crucible.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-21543
  • a polycrystalline silicon block is placed in water or other liquid, and a sound wave of 0.5 to 10 MHz is emitted while scanning the probe above it.
  • a flaw detection method for displaying an abnormal part immediately below a probe in a second order plane is used.
  • JP 2007-218638 A compares the image data of infrared ray transmitted light of a polycrystalline silicon wafer with the image data of infrared ray reflected light, and the difference of brightness or luminance corresponding to the same position.
  • a crack inspection method is disclosed which takes each pixel and determines whether there is a crack inside or outside.
  • the present invention has been made to solve such conventional polycrystalline silicon cracks, and the object of the present invention is to eliminate the need for a large-scale device and to be hard and difficult to break with high accuracy.
  • An object of the present invention is to provide a method for sorting polycrystalline silicon rods, and thus to provide high quality polycrystalline silicon rods.
  • polycrystalline silicon is grown by a vapor phase method, and the polycrystalline silicon is used as a polycrystalline silicon rod having a length of L (m).
  • the frequency analysis of the impact sound obtained by striking the polycrystalline silicon rod is performed to obtain the peak frequency f (Hz) of the impact sound, and the polycrystalline silicon rod satisfying f ⁇ 1471 / L is selected. It is characterized by
  • the upper limit value of the peak frequency f may be f ⁇ 1471 / L + 1000 as a selection criterion of the polycrystalline silicon rod.
  • the ratio R (f 0 / f) of the natural frequency f 0 to the peak frequency f obtained from the waveform of the striking sound is 0.9 ⁇ R ⁇ 1.1. You may do it.
  • the polycrystalline silicon rod of the present invention is a polycrystalline silicon rod having a length of L (m), and the striking sound of the polycrystalline silicon rod has a peak frequency f (Hz) obtained by frequency analysis of f It is characterized by satisfying ⁇ 1471 / L.
  • the peak frequency f may satisfy f ⁇ 1471 / L + 1000.
  • the ratio R (f 0 / f) of the natural frequency f 0 to the peak frequency f determined from the waveform of the striking sound of the polycrystalline silicon rod may be 0.9 ⁇ R ⁇ 1.1. .
  • the polycrystalline silicon rod is obtained, for example, by vapor phase growth by the Siemens method.
  • the present invention includes, for example, a hammer for striking a polycrystalline silicon rod, a voice recorder for recording striking sound, a software and PC (personal computer) used for frequency analysis, and a tape measure for measuring the length of a polycrystalline silicon rod.
  • a hammer for striking a polycrystalline silicon rod for example, a voice recorder for recording striking sound, a software and PC (personal computer) used for frequency analysis, and a tape measure for measuring the length of a polycrystalline silicon rod.
  • a software and PC personal computer
  • FIG. 1 is a schematic view for explaining one aspect of the method for sorting polycrystalline silicon rods of the present invention.
  • reference numeral 100 is a polycrystalline silicon rod to be sorted, and the polycrystalline silicon rod 100 exemplified here is obtained by vapor phase growth by the above-mentioned Siemens method, and has a diameter of about 110 mm, The length is about 1600 mm.
  • Reference numeral 110 denotes a roller for mounting the polycrystalline silicon rod 100
  • reference numeral 120 denotes a hammer for striking the polycrystalline silicon rod 100
  • reference numeral 130 denotes sound from the polycrystalline silicon rod 100 generated by striking with the hammer 120.
  • a microphone for picking up, and a code 140 is a recorder for recording the striking sound picked up by the microphone 130.
  • the polycrystalline silicon rod 100 is struck with a hammer 120, and the frequency of the impact sound generated thereby is analyzed to determine the hardness of the polycrystalline silicon rod 100. For this reason, in order to obtain the original hitting sound of the polycrystalline silicon rod 100, it is desirable that the polycrystalline silicon rod 100 is not in contact with other members as much as possible. That is, in order to perform accurate frequency analysis, it is desirable to hold the polycrystalline silicon rod 100 in a state in which the contact area with other members is as narrow as possible. Therefore, in the example shown in FIG. 1, the polycrystalline silicon rod 100 is placed on the two rollers 110.
  • the hammer 120 used to hit the polycrystalline silicon rod 100 is preferably made of a material that hardly causes heavy metal contamination on the polycrystalline silicon rod 100 at the time of impact.
  • a plastic hammer or a tungsten hammer it is desirable to use a plastic hammer or a tungsten hammer.
  • the impact sound from the polycrystalline silicon rod 100 is picked up by the microphone 130 and recorded in the recorder 140.
  • a digital voice recorder for example, is used as the recorder 140, an acoustic signal is converted from analog to digital and recorded.
  • FIG. 2 is a flow chart for explaining the procedure for frequency analysis of the impact sound from the polycrystalline silicon rod in the present invention.
  • the length of the polycrystalline silicon rod 100 is measured with a tape measure (S101).
  • the polycrystalline silicon rod 100 is struck using the hammer 120 (S102), and the impact sound is recorded on the recorder 140 via the microphone 130 (S103).
  • S104 by analyzing the impact sound to calculate the natural frequency f 0 (S104), further, a fast Fourier transform acoustic signals of impact sound (Fast Fourier Transform: FFT) to display the frequency distribution (S105).
  • FFT fast Fourier transform acoustic signals of impact sound
  • FIGS. 3A and 3B respectively show an example of an acoustic signal of a striking sound and an example of a frequency distribution obtained by subjecting the acoustic signal to fast Fourier transform.
  • free software for performing fast Fourier transform on the acoustic signal converted into digital is available on the Internet.
  • the waveform of the striking sound produced when hitting the crack free part of polycrystalline silicon rod 100 with hammer 120 is close to a sine wave, and one or two frequencies showing large loudness observed in the frequency distribution after fast Fourier transform is there.
  • the hammering sound may be obtained as if hitting a plurality of polycrystalline silicon rods with slightly different lengths at once. Will occur. Specifically, a large number of sound waves having slightly different frequencies are formed, and the waveform of the striking sound is a whirlpool having many peaks and valleys in one cycle. For this reason, the period of the waveform becomes long, the frequency becomes low, and the hitting sound can be heard low.
  • the acoustic signal of such a striking sound is subjected to fast Fourier transformation, a frequency distribution in which a large number of frequencies have a relatively large volume is obtained.
  • the peak frequency f showing the largest volume is detected in the frequency distribution after the fast Fourier transform (S106).
  • the peak frequency f is a main frequency that forms the striking sound. If the waveform of the striking sound is formed by a single sine wave, the peak frequency f and the natural frequency f 0 completely match. On the other hand, when a large number of sound waves overlap to form the waveform of the striking sound, the peak frequency f and the natural frequency f 0 are shifted.
  • the natural frequency f 0 is the peak frequency f because the waveform of the striking sound is such that the period of the sine wave is slightly longer. Slightly smaller.
  • the frequency of the beat becomes the peak frequency f.
  • the natural frequency f 0 is larger than the peak frequency f because the period of the beat is longer than the period of the striking sound.
  • the natural frequency f 0 and the peak frequency f were measured for a total of 31 polycrystalline silicon rods, and the relationship with the cracks was investigated. There were 21 polycrystalline silicon rods without cracks. Further, the value (R) obtained by dividing the natural frequency f 0 by the peak frequency f for each of these polycrystalline silicon rods was 0 or more and 2 or less.
  • the R value range is limited to 0.9 or more and 1.1 or less, there are 19 crack-free polycrystalline silicon rods in this R value range, and it is only two less than the total number (21). is there. That is, it can be seen that most of polycrystalline silicon rods without cracks have an R value in the range of 0.9 or more and 1.1 or less. On the other hand, the number of cracked polycrystalline silicon rods in the R value range of 0.9 or more and 1.1 or less is only one, and most of polycrystalline silicon rods with cracks have an R value of 0. Either less than 9 or greater than 1.1.
  • FIG. 4 is a diagram showing the result of finding the relationship between the R value and the peak frequency f for a population of polycrystalline silicon rods other than those summarized in Table 1. Black circles indicate the values of polycrystalline silicon rods without cracks, and white circles indicate the values of polycrystalline silicon rods with cracks.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the length (L) and the peak frequency for polycrystalline silicon rods having an R value of 0.9 or more and 1.1 or less.
  • the horizontal axis is the reciprocal (unit m ⁇ 1 ) of the length (L) of the polycrystalline silicon rod, and the vertical axis is the peak frequency (f: unit Hz).
  • the peak frequency of the polycrystalline silicon rod belonging to the A region is f ⁇ 1471 / L.
  • the peak frequency of the polycrystalline silicon rod belonging to the A region is in the range of f ⁇ 1471 / L + 1000.
  • the peak frequency of the polycrystalline silicon rod belonging to the B region is lower than the peak frequency of the polycrystalline silicon rod belonging to the A region, and the polycrystalline silicon rod belonging to the B region is struck with a hammer And can be split relatively easily.
  • the polycrystalline silicon rod belonging to the A region is hard and does not break easily even if struck with a hammer. That is, by performing frequency analysis of the impact sound and knowing which of the A region and the B region the peak frequency f belongs to, it can be determined whether the polycrystalline silicon rod is hard and hard to break.
  • the peak frequency with respect to the length of the polycrystalline silicon rod is confirmed based on the principle as described above (S108), and the hardness of the polycrystalline silicon rod and hence the resistance to cracking are judged (S109).
  • FIG. 6 is a flow chart showing an example of steps for selecting hard polycrystalline silicon rods.
  • FIG. 7 is a schematic view showing a configuration example of an apparatus used to manufacture polycrystalline silicon.
  • the polycrystalline silicon manufacturing apparatus 50 is an apparatus for vapor phase growing polycrystalline silicon on the surface of a silicon core wire by the Siemens method, and is roughly configured by the base plate 1 and the reaction vessel 10 and obtained.
  • the polycrystalline silicon 100 is composed of a straight body portion 100a which is vapor grown on the vertical portion 5a of the silicon core wire 5 assembled in a torii type, and a bridge portion 100b which is vapor grown on the horizontal portion (bridge portion 5b).
  • the base plate 1 is provided with a metal electrode 2 for supplying an electric current to the silicon core wire 5, a gas nozzle 3 for supplying a process gas such as nitrogen gas, hydrogen gas or trichlorosilane gas, and an exhaust port 4 for discharging exhaust gas.
  • a metal electrode 2 for supplying an electric current to the silicon core wire 5
  • a gas nozzle 3 for supplying a process gas such as nitrogen gas, hydrogen gas or trichlorosilane gas
  • an exhaust port 4 for discharging exhaust gas.
  • the metal electrode 2 is connected to another metal electrode (not shown) or to a power source disposed outside the reactor, and receives an external power supply.
  • An insulator 7 is provided on the side surface of the metal electrode 2 and penetrates the base plate 1 in a state of being sandwiched by the insulator 7.
  • core wires of two (5a) in the vertical direction and one (5b) in the horizontal direction are formed in a toriiary manner in the reaction furnace 10.
  • the silicon core wire 5 is assembled, and both ends of the vertical direction portion 5a of the silicon core wire 5 are fixed by the core wire holder 20 respectively held by the carbon electrode 30, and the external power supplied to the metal electrode 2 is through the carbon electrode 30.
  • the silicon core wire 5 is energized.
  • the metal electrode 2, the base plate 1 and the reaction furnace 10 are cooled using a refrigerant. Further, both the core holder 20 and the carbon electrode 30 are made of graphite.
  • reverse U-shaped polycrystalline silicon is vapor-phase grown by the Siemens method (S201).
  • the inverted U-shaped polycrystalline silicon is taken out from the reaction furnace 10 and divided into a straight body portion 100a and a bridge portion 100b. However, since cracks often remain at both ends of the polycrystalline silicon rod 100, both ends of the polycrystalline silicon rod 100 are cut (S202).
  • the polycrystalline silicon rod 100 is placed on the roller 110 and struck with a hammer 120, and an impact sound is recorded through the microphone 130. Then, the frequency analysis of the above-mentioned impulsive sound is performed in the same manner as described with reference to FIG. 2, and a value obtained by dividing the natural frequency f 0 by the peak frequency f (S203).
  • the entire polycrystalline silicon rod 100 may be struck with a hammer 120, and only a tapping sound in a relatively low sound area may be recorded and subjected to frequency analysis.
  • a value obtained by dividing the natural frequency f 0 by the peak frequency f is less than 0.9 or more than 1.1, it is considered that a crack is present inside and outside, so the area is cut and removed (S 204 ). In this case, after the cracked area is cut and removed, frequency analysis is performed again (S205). Also, if necessary, repeat steps S204 and S205 multiple times and finally confirm that the value obtained by dividing the natural frequency f 0 by the peak frequency f is 0.9 or more and 1.1 or less in all regions. (S206).
  • the length L of the polycrystalline silicon rod 100 is measured with a tape measure or the like, and with respect to the reciprocal 1 / L of the length L of the polycrystalline silicon rod 100, whether the above peak frequency belongs to the above-mentioned A region or B region It is checked whether it belongs to (S207).
  • the polycrystalline silicon rod 100 belonging to the A region is harder and less likely to break than the one belonging to the B region. That is, by sorting the polycrystalline silicon rods belonging to the A region from the polycrystalline silicon rods belonging to the B region, it is possible to obtain a polycrystalline silicon rod hard and hard to break (S208).
  • Example 1 Both ends of polycrystalline silicon obtained by vapor deposition according to the Siemens method were cut into polycrystalline silicon rods 100 having a length of 1.2 m and a diameter of 121 mm.
  • the polycrystalline silicon rod 100 was struck with a tungsten carbide hammer 120 and the impact sound was recorded on a digital voice recorder 140 attached with a microphone 130.
  • the natural frequency of the recorded impact sound was 1563 Hz.
  • the peak frequency was 1636.5 Hz.
  • a value obtained by dividing the natural frequency by the peak frequency is 0.96.
  • the above-mentioned peak frequency (1636.5 Hz) is higher than this boundary peak frequency. Therefore, the polycrystalline silicon rod 100 was selected as belonging to the A region.
  • Comparative Example 1 The natural frequency and peak frequency of a polycrystalline silicon rod having a length of 1.5 m and a diameter of 122 mm obtained by the Siemens method were measured in the same manner as in Example 1 described above. As a result, the natural frequency was 147 Hz, the peak frequency was 75.4 Hz, and the value obtained by dividing the natural frequency by the peak frequency was 1.96.
  • the above mentioned peak frequency (75.4 Hz) is much lower than this boundary peak frequency. Therefore, this polycrystalline silicon rod was classified as belonging to the B region.
  • the present invention it is possible to easily detect the hardness of the polycrystalline silicon rod, and hence the hardness of the crack, and based on this method, it is possible to sort out the polycrystalline silicon rod which is hard to be cracked to obtain high quality. It is possible to manufacture various polycrystalline silicon rods.

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Abstract

　本発明は、硬い多結晶シリコン棒を簡易的に選別することにより、割れ難い高品質な多結晶シリコン棒を提供する。多結晶シリコン棒（１００）の長さを巻尺で測定し、次に、ハンマー（１２０）で多結晶シリコン棒（１００）の打撃を行い、この打撃音をマイク（１３０）を介して録音器（１４０）に収録する。そして、打撃音の音響信号を高速フーリエ変換して周波数分布を表示させる。さらに、高速フーリエ変換後の周波数分布の中で、最も大きな音量を示すピーク周波数ｆを検出する。多結晶シリコン棒の長さ（Ｌ）とピーク周波数ｆの関係を求め、ピーク周波数ｆがｆ≧１４７１／Ｌの領域（Ａ領域）に属するか否かで、多結晶シリコン棒の硬さを判断する。

Description

多結晶シリコン棒および多結晶シリコン棒の製造方法
　本発明は多結晶シリコン棒および多結晶シリコン棒の製造方法に関し、より詳細には、硬い多結晶シリコン棒を簡易的に選別する技術に関する。
　半導体デバイス製造用単結晶シリコンあるいは太陽電池製造用シリコンの原料となる多結晶シリコンの製造方法として、シーメンス法が知られている。シーメンス法は、クロロシランを含む原料ガスを加熱されたシリコン芯線に接触させることにより、該シリコン芯線の表面に多結晶シリコンをＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて気相成長させる方法である。
　シーメンス法により多結晶シリコンを成長する際、気相成長装置の反応炉内にシリコン芯線を鉛直方向２本、水平方向１本の鳥居型に組み立て、該鳥居型のシリコン芯線の両端を一対の芯線ホルダを介してベースプレート上に配置した一対の金属電極に固定する。
　次に、金属電極から電流を導通させてシリコン芯線を水素雰囲気中で９００℃以上１２００℃以下の温度範囲で加熱しながら、トリクロロシランと水素の混合ガスなどの原料ガスをガスノズルから反応炉内に供給すると、シリコン芯線上にシリコンが結晶成長し、所望の直径の多結晶シリコンが逆Ｕ字状に形成される。
　シーメンス法により気相成長させた多結晶シリコンを用いてＦＺ（Floating　Zone）法により単結晶シリコンを製造する場合、上記逆Ｕ字状の多結晶シリコンの両端を切断して所望の長さの多結晶シリコン棒に調整し（切断工程）、この多結晶シリコン棒の外周を研磨して直径を長手方向に表面を均一化し（円筒研磨工程）、さらにこの多結晶シリコン棒の一端を加工して尖らせ（先端加工工程）、最後に多結晶シリコン棒の表面をエッチングして不純物および歪を除去する（エッチング工程）などの処理が施される。
　このような多結晶シリコン棒は、近年の大口径化に伴い、その気相成長過程や成長後の冷却過程において、内外部にひび割れ（クラック）が形成され易くなっている。
　多結晶シリコン棒の内外部にひび割れが形成されていると、上述した切断工程、円筒研磨工程、先端加工工程、あるいはエッチング工程において折れてしまうことがある。また、最悪の場合には、ＦＺ法による単結晶シリコンインゴットの育成工程中に、多結晶シリコン棒が割れてしまうこともある。これらの工程中に多結晶シリコン棒が割れてしまうと、それまでの工程作業が無駄になるばかりか、工程で使用している機器が破損されることもある。
　また、多結晶シリコン棒を、ＣＺ（Czochralski）法による単結晶シリコンインゴットの育成工程における追チャージ材やリチャージ材として用いる場合、多結晶シリコン棒の内外部にひび割れがあると、棒状のままで使用するための機械加工の際や高温に加熱されたＣＺ炉内のルツボへの降下の際にひび割れを起点にして多結晶シリコン棒が破断して落下し、シリコン融液を飛散させたりルツボを破壊したりすることがある。
　ここで、追チャージとは、ルツボ内に充填したシリコン塊を溶融後、ルツボ上に吊り下げた多結晶シリコン棒を融液に徐々に溶け込ませてルツボ内の融液量を増加させることである。また、リチャージとは、ＣＺ結晶を引上げた後に、ルツボ上に吊り下げた多結晶シリコン棒を残液に徐々に溶け込ませてルツボ内の融液量を増加させることである。
　従来より、多結晶シリコン内外部のひび割れを検出するために種々の手法が提案されている。例えば、特開２００１－２１５４３号公報（特許文献１）には、水中またはその他の液体中に多結晶シリコン塊を置き、その上方で探触子を走査させながら０．５～１０ＭＨｚの音波を発信および受信し、探触子直下における異常部を二次平面的に表示させる探傷方法が開示されている。
　また、特開２００７－２１８６３８号公報（特許文献２）には、多結晶シリコンウエハの赤外線透過光による画像データと赤外線反射光による画像データとを比較し、同じ位置に対応する明度または輝度の差分を画素毎にとり、内外部にクラックがあるかどうかを判断する割れ検査方法が開示されている。
特開２００１－２１５４３号公報 特開２００７－２１８６３８号公報
　しかし、特許文献１および特許文献２に開示の探傷方法や割れ検査方法は、検査装置が大掛かりなものとならざるを得ない。また、従来より作業員の打音による割れ検査も行われているが、この打音検査は官能検査であるため、必然的に、作業員毎の判断のバラツキが生じてしまう。
　本発明は、このような従来の多結晶シリコンのひび割れ（クラック）を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、大掛かりな装置を必要とせず且つ高い精度で硬くて割れにくい多結晶シリコン棒を選別する手法を提供し、ひいては、高品質な多結晶シリコン棒を提供することにある。
　上述の課題を解決するために、本発明の多結晶シリコン棒の製造方法は、気相法により多結晶シリコンを成長させ、該多結晶シリコンを長さがＬ（ｍ）の多結晶シリコン棒とし、該多結晶シリコン棒を打撃して得られた打撃音の周波数分析を行い、該打撃音のピーク周波数ｆ（Ｈｚ）を求め、ｆ≧１４７１／Ｌを満足する多結晶シリコン棒を選別することを特徴とする。
　前記多結晶シリコン棒の選別基準として、前記ピーク周波数ｆの上限値を、ｆ≦１４７１／Ｌ＋１０００とすることとしてもよい。
　また、前記選別される多結晶シリコン棒は、打撃音の波形から求めた固有周波数ｆ０と前記ピーク周波数ｆとの比Ｒ（ｆ０／ｆ）が０．９≦Ｒ≦１．１であることとしてもよい。
　本発明の多結晶シリコン棒は、長さがＬ（ｍ）の多結晶シリコン棒であって、該多結晶シリコン棒の打撃音は、周波数分析して得られるピーク周波数ｆ（Ｈｚ）が、ｆ≧１４７１／Ｌを満足することを特徴とする。
　前記ピーク周波数ｆは、ｆ≦１４７１／Ｌ＋１０００を満足することとしてもよい。
　また、前記多結晶シリコン棒の打撃音の波形から求めた固有周波数ｆ０と前記ピーク周波数ｆとの比Ｒ（ｆ０／ｆ）が０．９≦Ｒ≦１．１であることとしてもよい。
　前記多結晶シリコン棒は、例えば、シーメンス法による気相成長で得られたものである。
　本発明は、例えば、多結晶シリコン棒を打撃するハンマーと、打撃音を録音するボイスレコーダと、周波数分析に用いるソフトおよびＰＣ（パソコン）と、多結晶シリコン棒の長さを測定する巻尺があれば実施できるので、大掛かりな装置を必要とすることなく簡易に行うことができる。
　本発明によれば、硬くて割れにくい多結晶シリコン棒を選別することにより、高品質な多結晶シリコン棒を製造することが可能となる。
　また、内外部のひび割れの有無を一義的に判断できるので、官能検査などのようなバラツキが生じない。
本発明の多結晶シリコン棒の選別方法の一態様を説明するための概略図である。 本発明において多結晶シリコン棒からの打撃音を周波数分析する手順を説明するためのフローチャートである。 打撃音の音響信号の一例を示す図である。 打撃音の音響信号を高速フーリエ変換して得られた周波数分布の一例を示す図である。 多結晶シリコン棒について、固有周波数をピーク周波数で除した値とピーク周波数の関係を求めた結果を示す図である。 Ｒ値が０．９以上１．１以下の多結晶シリコン棒につき、その長さとピーク周波数の関係を示すグラフである。 内外部にひび割れの無い多結晶シリコン棒を選別するための工程例を示すフローチャートである。 多結晶シリコン棒の製造に用いる装置の構成例を示す概略図である。
　以下に、図面を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。
　図１は、本発明の多結晶シリコン棒の選別方法の一態様を説明するための概略図である。図中、符号１００は選別対象である多結晶シリコン棒であり、ここで例示した多結晶シリコン棒１００は、上述したシーメンス法による気相成長により得られたもので、直径は約１１０ｍｍであり、長さは約１６００ｍｍである。また、符号１１０はこの多結晶シリコン棒１００を載せるコロであり、符号１２０は多結晶シリコン棒１００を叩くハンマーであり、符号１３０はハンマー１２０による打撃により発生する多結晶シリコン棒１００からの音を拾うためのマイクであり、符号１４０はマイク１３０で拾った打撃音を記録する録音機である。
　本発明の選別方法では、多結晶シリコン棒１００をハンマー１２０で叩き、これにより生じた打撃音の周波数を解析して多結晶シリコン棒１００の硬さを判断する。このため、多結晶シリコン棒１００の本来の打撃音を得るためには、多結晶シリコン棒１００はなるべく他の部材と接触していないことが望ましい。つまり、正確な周波数解析を行うためには、他部材との接触面積が可能な限り狭くなる状態で多結晶シリコン棒１００を保持することが望ましい。そこで、図１に示した例では、２つのコロ１１０の上に多結晶シリコン棒１００を載置している。
　多結晶シリコン棒１００の打撃に用いるハンマー１２０は、打撃時に多結晶シリコン棒１００への重金属汚染が殆ど無い材質のものであることが望ましい。例えば、プラスチックハンマーやタングステンハンマーを用いることが望ましい。
　多結晶シリコン棒１００をハンマー１２０で叩くと、１００Ｈｚ～５０００Ｈｚの打撃音がする。多結晶シリコン棒１００が長尺になるほど打撃音の周波数は低くなる。また、多結晶シリコン棒１００の内外部にひび割れがあると、打撃音の周波数は低くなる。
　多結晶シリコン棒１００からの打撃音は、マイク１３０により拾われ、録音器１４０に収録される。録音器１４０として、例えばデジタルボイスレコーダーを用いると、音響信号がアナログからデジタルに変換されて録音される。
　図２は、本発明において、多結晶シリコン棒からの打撃音を周波数分析する手順を説明するためのフローチャートである。先ず、多結晶シリコン棒１００の長さを巻尺で測定する（Ｓ１０１）。次に、ハンマー１２０を用いて多結晶シリコン棒１００の打撃を行い（Ｓ１０２）、この打撃音をマイク１３０を介して録音器１４０に収録する（Ｓ１０３）。そして、この打撃音を解析して固有周波数ｆ０を算出し（Ｓ１０４）、さらに、打撃音の音響信号を高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）して周波数分布を表示させる（Ｓ１０５）。
　図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、打撃音の音響信号の一例および当該音響信号を高速フーリエ変換して得られた周波数分布の一例である。
　図３Ａに示した打撃音の音響信号波形の山から次の山（あるいは谷から次の谷）までの時間、すなわち周期をまず読み取り、その値の逆数を固有周波数ｆ０として得る。続いて、図３Ｂに示したように、音響信号の高速フーリエ変換により周波数分布を得る。なお、デジタルに変換された音響信号を高速フーリエ変換するフリーソフトは、インターネットで入手可能である。
　ハンマー１２０で多結晶シリコン棒１００のひび割れの無い部位を叩いた際に生じる打撃音の波形は正弦波に近く、高速フーリエ変換後の周波数分布において認められる大きな音量を示す周波数は１つか２つである。
　これに対し、多結晶シリコン棒１００のひび割れがある部位をハンマー１２０で叩くと、恰も、長さが少しずつ異なる複数の多結晶シリコン棒を一度に叩いたときに得られるかのような打撃音が生じる。具体的には、振動数がごく僅か異なる多数の音波が形成され、打撃音の波形は１周期内に多数の山と谷を有する唸りのような波形となる。このため、波形の周期は長くなり、周波数は低くなって打撃音が低く聞こえるようになる。このような打撃音の音響信号を高速フーリエ変換すると、多数の周波数が比較的大きな音量をもつ周波数分布が得られる。
　そこで、本発明では、高速フーリエ変換後の周波数分布の中で、最も大きな音量を示すピーク周波数ｆを検出する（Ｓ１０６）。このピーク周波数ｆは打撃音を形成する主な周波数であり、打撃音の波形が仮に単一の正弦波により形成されている場合は、ピーク周波数ｆと固有周波数ｆ０が完全に一致する。一方、多数の音波が重なって打撃音の波形を形成している場合は、ピーク周波数ｆと固有周波数ｆ０がずれてくる。
　そこで、固有周波数ｆ０とピーク周波数ｆを比較する（Ｓ１０７）。
　打撃音の波形を形成する音波の数が比較的少なく、それらの周波数の差が小さい場合には、打撃音の波形は正弦波の周期が少し長くなる程度なので、固有周波数ｆ０はピーク周波数ｆよりやや小さくなる。
　これに対して、打撃音の波形を形成する音波の数が多くなり、唸りの波形がはっきり認められるようになると、唸りの周波数がピーク周波数ｆとなる。このとき、唸りの周期は打撃音の周期よりも長いので、固有周波数ｆ０はピーク周波数ｆより大きくなる。
　発明者らの検討によれば、総計３１本の多結晶シリコン棒について固有周波数ｆ０とピーク周波数ｆを測定してひび割れとの関係を調査したところ、ひび割れを有する多結晶シリコン棒が１０本、ひび割れの無い多結晶シリコン棒が２１本あった。また、これらの多結晶シリコン棒のそれぞれにつき固有周波数ｆ０をピーク周波数ｆで除した値（Ｒ）を求めたところ、０以上２以下であった。
　次に、固有周波数ｆ０をピーク周波数ｆで除した値（Ｒ）の上限値を徐々に下げ下限値を徐々に上げて範囲を次第に限定していき、その限定範囲内に属するひび割れ有りの多結晶シリコン棒の本数とひび割れ無しの多結晶シリコン棒の本数を調べた。その結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、固有周波数ｆ０をピーク周波数ｆで除した値（Ｒ）を０．５以上１．５以下に限定したときは、ひび割れ有りの１０本の多結晶シリコン棒のうちの７本、すなわち７０％が、ひび割れ無しの多結晶シリコン棒と区別できなかった。しかし、Ｒ値の範囲を０．９以上１．１以下に限定すると、ひび割れ無しの多結晶シリコン棒と区別できないひび割れ有りの多結晶シリコン棒は僅かに１本のみとなった。
　Ｒ値の範囲を０．９以上１．１以下に限定した場合、このＲ値範囲にあるひび割れ無しの多結晶シリコン棒は１９本であり、全体の本数（２１本）から２本少ないだけである。つまり、ひび割れ無しの多結晶シリコン棒の殆どは、そのＲ値が０．９以上１．１以下の範囲にあることがわかる。これに対し、０．９以上１．１以下のＲ値範囲にあるひび割れ有りの多結晶シリコン棒の本数は１本のみであり、ひび割れ有りの多結晶シリコン棒の殆どは、そのＲ値が０．９未満であるか１．１を超えているかの何れかである。
　図４は、表１に纏めたものとは別の多結晶シリコン棒の母集団について、上記Ｒ値とピーク周波数ｆの関係を求めた結果を示す図である。なお、黒丸はひび割れが無い多結晶シリコン棒の値を示し、白丸はひび割れが有る多結晶シリコン棒の値を示している。
　図４に示すように、ひび割れが有る多結晶シリコン棒（白丸）は、その殆どが０．９未満または１．１超のＲ値を示すが、中には、０．９以上１．１以下の範囲のＲ値を示すものがある。
　図５は、Ｒ値が０．９以上１．１以下の多結晶シリコン棒につき、その長さ（Ｌ）とピーク周波数の関係を示すグラフである。横軸は多結晶シリコン棒の長さ（Ｌ）の逆数（単位ｍ－１）であり、縦軸はピーク周波数（ｆ：単位Ｈｚ）である。
　図５に示した結果から、概ね同じＲ値を示す多結晶シリコン棒であっても、相対的に高いピーク周波数の領域（Ａ領域）と相対的に低い周波数の領域（Ｂ領域）の何れかに分類される傾向を明瞭に読み取ることができる。また、何れの領域においても、多結晶シリコン棒が長尺になるほど、すなわち横軸の値が小さいほど、ピーク周波数（ｆ）が低くなる傾向が認められる。
　上述のＡ領域に属する多結晶シリコン棒のピーク周波数は、概ね、ｆ＝１４７１／Ｌ＋５８３の関係を有している。また、Ｂ領域に属する多結晶シリコン棒のピーク周波数は、概ね、ｆ＝１４７１／Ｌ－５８３の関係を有している。従って、Ａ領域とＢ領域の境界を上記２つの関係式の中間として定義付けると、境界線はｆ＝１４７１／Ｌとなる。
　つまり、Ａ領域に属する多結晶シリコン棒のピーク周波数はｆ≧１４７１／Ｌとなる。但し、発明者らの検討したところによれば、Ａ領域に属する多結晶シリコン棒のピーク周波数は、ｆ≦１４７１／Ｌ＋１０００の範囲にある。
　図５に示したように、Ｂ領域に属する多結晶シリコン棒のピーク周波数は、Ａ領域に属する多結晶シリコン棒のピーク周波数に比較して低く、Ｂ領域に属する多結晶シリコン棒をハンマーで叩くと比較的容易に割ることができる。これに対して、Ａ領域に属する多結晶シリコン棒は硬く、ハンマーで叩いても割れにくい。すなわち、打撃音の周波数解析を行い、ピーク周波数ｆが上述したＡ領域とＢ領域の何れに属するかを知ることにより、多結晶シリコン棒が硬くて割れにくいかどうかを判断することができる。
　そこで本発明では、上述したような原理に基づき、多結晶シリコン棒の長さに対するピーク周波数の確認を行い（Ｓ１０８）、多結晶シリコン棒の硬さ、ひいては割れにくさを判断する（Ｓ１０９）。
　図６は、硬い多結晶シリコン棒を選別するための工程例を示すフローチャートである。また、図７は、多結晶シリコンの製造に用いる装置の構成例を示す概略図である。
　図７を参照すると、多結晶シリコンの製造装置５０は、シーメンス法によりシリコン芯線の表面に多結晶シリコンを気相成長させるための装置であり、ベースプレート１と反応容器１０により概略構成され、得られる多結晶シリコン１００は、鳥居型に組み立てたシリコン芯線５の鉛直部分５ａに気相成長する直胴部１００ａと水平部分（ブリッジ部５ｂ）に気相成長するブリッジ部１００ｂからなる。
　ベースプレート１には、シリコン芯線５に電流を供給する金属電極２と、窒素ガス、水素ガス、トリクロロシランガスなどのプロセスガスを供給するガスノズル３と、排気ガスを排出する排気口４が配置される。
　金属電極２は、不図示の別の金属電極に接続されるか或いは反応炉外に配置された電源に接続され、外部からの電力供給を受ける。この金属電極２の側面には絶縁物７が設けられており、この絶縁物７に挟まれた状態でベースプレート１を貫通している。
　図７に示したように、多結晶シリコン１００を気相成長させる際には、反応炉１０内に、鉛直方向に２本（５ａ）と水平方向に１本（５ｂ）の芯線を鳥居型に組み立ててシリコン芯線５とし、シリコン芯線５の鉛直方向部分５ａの両端部をそれぞれ炭素電極３０に保持された芯線ホルダ２０により固定し、金属電極２に供給された外部電力を、炭素電極３０を介してシリコン芯線５へと通電させる。
　なお、金属電極２とベースプレート１と反応炉１０は、冷媒を用いて冷却される。また、芯線ホルダ２０と炭素電極３０は共にグラファイト製である。
　先ず、図７で例示した構成の装置で、シーメンス法により逆Ｕ字状の多結晶シリコンを気相成長する（Ｓ２０１）。
　多結晶シリコンの気相成長終了後、反応炉１０から逆Ｕ字状の多結晶シリコンを取り出し、直胴部１００ａとブリッジ部１００ｂに分ける。ただし、多結晶シリコン棒１００の両端にはひび割れが残存していることが多いので、多結晶シリコン棒１００の両端は切断する（Ｓ２０２）。
　次に、図１に示したように、多結晶シリコン棒１００をコロ１１０の上に載せてハンマー１２０で叩き、マイク１３０を介して打撃音を収録する。そして、図２を参照して説明した要領で上記衝撃音の周波数分析を行い、固有周波数ｆ０をピーク周波数ｆで除した値が全ての領域で０．９以上１．１以下であるかどうかを確認する（Ｓ２０３）。
　なお、簡便法として、多結晶シリコン棒１００全体をハンマー１２０で叩き、音が比較的低い領域の打音のみを収録し、周波数分析してもよい。
　固有周波数ｆ０をピーク周波数ｆで除した値が０．９未満、もしくは１．１超の領域がある場合は内外部にひび割れが存在するものと思われるため、その領域は切断除去する（Ｓ２０４）。なお、この場合、ひび割れ領域を切断除去した後に再び周波数分析を行う（Ｓ２０５）。また、必要に応じ、ステップＳ２０４とＳ２０５を複数回繰り返して、最終的に、固有周波数ｆ０をピーク周波数ｆで除した値が全ての領域で０．９以上１．１以下であることを確認する（Ｓ２０６）。
　次に、多結晶シリコン棒１００の長さＬを巻尺等で測定し、当該多結晶シリコン棒１００の長さＬの逆数１／Ｌに対し、上記ピーク周波数が上述したＡ領域に属するかＢ領域に属するかを確認する（Ｓ２０７）。Ａ領域に属する多結晶シリコン棒１００は、Ｂ領域に属するものよりも硬くて割れにくい。すなわち、打撃音がＡ領域に属する多結晶シリコン棒をＢ領域に属する多結晶シリコン棒から選別することにより、硬くて割れにくい多結晶シリコン棒を得ることができる（Ｓ２０８）。
　［実施例１］シーメンス法による気相成長によって得られた多結晶シリコンの両端を切断して、長さ１．２ｍ、直径１２１ｍｍの多結晶シリコン棒１００とした。この多結晶シリコン棒１００をタングステンカーバイド製のハンマー１２０で叩き、その打撃音をマイク１３０の付属したデジタルボイスレコーダー１４０に収録した。収録された打撃音の固有周波数は１５６３Ｈｚであった。
　続いて、この打撃音の音響信号を高速フーリエ変換して周波数分布を表示させたところ、ピーク周波数は１６３６．５Ｈｚであった。このとき、固有周波数をピーク周波数で除した値は０．９６である。また、上述のＡ領域とＢ領域の境界線となる式（ｆ＝１４７１／Ｌ）に当該多結晶シリコン棒の長さ１．２ｍを代入すると、境界ピーク周波数は約１２２６Ｈｚ（＝１４７１／１．２）となるが、上述のピーク周波数（１６３６．５Ｈｚ）はこの境界ピーク周波数よりも高い。従って、多結晶シリコン棒１００はＡ領域に属するものとして選別した。
　この多結晶シリコン棒１００を蛍光灯下で目視検査したところ、ひび割れは全く無かった。そして、多結晶シリコン棒１００の両端を切断し、円筒研磨、先端加工、及びエッチングを施し、ＦＺ法による単結晶インゴットの育成を行ったが、これらの一連の工程中において、多結晶シリコン棒１００に割れが発生することは無かった。
　［比較例１］上述した実施例１と同様に、シーメンス法により得られた長さ１．５ｍ、直径１２２ｍｍの多結晶シリコン棒の固有周波数とピーク周波数を測定した。その結果は、固有周波数が１４７Ｈｚ、ピーク周波数が７５．４Ｈｚ、固有周波数をピーク周波数で除した値が１．９６であった。
　上述のＡ領域とＢ領域の境界線となる式（ｆ＝１４７１／Ｌ）に当該多結晶シリコン棒の長さ１．５ｍを代入すると、境界ピーク周波数は約９８１Ｈｚ（＝１４７１／１．５）となるが、上述のピーク周波数（７５．４Ｈｚ）はこの境界ピーク周波数よりも遥かに低い。従って、この多結晶シリコン棒はＢ領域に属するものとして分別した。
　また、この多結晶シリコン棒を蛍光灯下で目視検査したところ、ひび割れが多くあり、ＦＺシリコンインゴット育成用の多結晶シリコン棒としての加工は行わなかった。
　このように、本発明によれば、多結晶シリコン棒の硬さ、ひいては割れにくさを簡易的に検知することが可能となり、この手法に基づいて割れ難い多結晶シリコン棒を選別して高品質な多結晶シリコン棒を製造することが可能となる。
　本発明により、硬く割れにくい多結晶シリコン棒のみを選別することが可能となり、ＦＺ法やＣＺ法によるシリコン単結晶の育成に用られる多結晶シリコン棒の工程内での割れの発生を抑制することができる。
１　ベースプレート
２　金属電極
３　ガスノズル
４　排気口
５　シリコン芯線
５ａ　鉛直方向部分
５ｂ　ブリッジ部
１０　反応容器
２０　芯線ホルダ
３０　炭素電極
３１　上部電極
３２　下部電極
５０　多結晶シリコンの製造装置
１００　多結晶シリコン棒
１１０　コロ
１２０　ハンマー
１３０　マイク
１４０　録音器

Claims (8)

  1. 　長さがＬ（ｍ）の多結晶シリコン棒であって、該多結晶シリコン棒の打撃音は、周波数分析して得られるピーク周波数ｆ（Ｈｚ）が、ｆ≧１４７１／Ｌを満足することを特徴とする多結晶シリコン棒。
  2. 　前記ピーク周波数ｆは、ｆ≦１４７１／Ｌ＋１０００を満足することを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン棒。
  3. 　前記多結晶シリコン棒の打撃音の波形から求めた固有周波数ｆ０と前記ピーク周波数ｆとの比Ｒ（ｆ０／ｆ）が０．９≦Ｒ≦１．１であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多結晶シリコン棒。
  4. 　前記多結晶シリコン棒はシーメンス法による気相成長で得られたものである請求項１又は２に記載の多結晶シリコン棒。
  5. 　気相法により多結晶シリコンを成長させ、該多結晶シリコンを長さがＬ（ｍ）の多結晶シリコン棒とし、該多結晶シリコン棒を打撃して得られた打撃音の周波数分析を行い、該打撃音のピーク周波数ｆ（Ｈｚ）を求め、ｆ≧１４７１／Ｌを満足する多結晶シリコン棒を選別することを特徴とする多結晶シリコン棒の製造方法。
  6. 　前記多結晶シリコン棒の選別基準として、前記ピーク周波数ｆの上限値を、ｆ≦１４７１／Ｌ＋１０００とすることを特徴とする請求項５に記載の多結晶シリコン棒の製造方法。
  7. 　前記選別される多結晶シリコン棒は、打撃音の波形から求めた固有周波数ｆ０と前記ピーク周波数ｆとの比Ｒ（ｆ０／ｆ）が０．９≦Ｒ≦１．１であることを特徴とする請求項５又は６に記載の多結晶シリコン棒の製造方法。
  8. 　前記気相法はシーメンス法である請求項５又は６に記載の多結晶シリコン棒の製造方法。
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