WO2012098598A1 - 多結晶シリコン製造装置および多結晶シリコンの製造方法 - Google Patents

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gas
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bottom plate
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靖志 黒澤
祢津　茂義
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信越化学工業株式会社
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    • C23C16/24—Deposition of silicon only

Definitions

  • the present invention relates to polycrystalline silicon manufacturing technology, and more particularly, to a source gas supply nozzle installation location of a reactor for producing polycrystalline silicon by the Siemens method and flow velocity control of the raw material gas.
  • Polycrystalline silicon is used as a raw material of a single crystal silicon substrate for manufacturing a semiconductor device and a substrate for manufacturing a solar cell.
  • the Siemens method is known as a method of producing polycrystalline silicon.
  • the Siemens method is a method in which a raw material gas containing chlorosilane is brought into contact with a heated silicon core wire, and thereby polycrystalline silicon is vapor-phase grown on the surface of the silicon core wire by a CVD method to obtain a silicon rod.
  • reaction temperature the temperature of the surface of the silicon rod to moderate the precipitation reaction
  • the major factors that affect the deposition rate in the deposition reaction of polycrystalline silicon are the surface temperature of the silicon rod, the concentration of chlorosilane in the reaction gas in the reactor, and the flow rate of the reaction gas near the surface of the silicon rod. It is important to control these factors under a proper balance in order to reduce unevenness of the silicon rod surface and maintain a good surface. Specifically, it is necessary to increase the gas flow rate on the surface of the silicon rod to reduce the surface unevenness while increasing the surface temperature of the silicon rod to keep the deposition reaction rate high to a certain extent.
  • the local reaction gas temperature exceeds 600 ° C, a large amount of powder may be generated in the furnace due to chlorosilane byproducts, which may cause heavy metal contamination or protrusion-like abnormal growth on the silicon rod surface. It will be.
  • the surface temperature of the polycrystalline silicon rod during the precipitation reaction is as high as about 900 to 1200.degree. Therefore, if the local circulation of the reaction gas in the reactor is continued, the temperature of the reaction gas will rise to about 900 to 1200 ° C., which is the same as the temperature of the silicon rod surface. Therefore, in order to keep the reaction gas temperature at about 600 ° C. or less, it is necessary to efficiently cool the reaction gas during circulation in the reaction furnace.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to efficiently generate a large amount of circulating flow in the reactor and form a high-speed reaction gas flow in the reactor.
  • the reaction gas flow rate near the polycrystalline silicon rod is secured, the local rise of the gas temperature in the reactor is prevented, the popcorn generation on the polycrystalline silicon surface is suppressed even though it is the high speed precipitation reaction, and the powder is generated.
  • An object of the present invention is to provide a technology for obtaining a polycrystalline silicon rod free of heavy metal contamination and protruding abnormal deposition.
  • Raw gas exit can be controlled by the above flow rate 150 meters / sec, and wherein the.
  • the gas supply nozzles other than the gas supply nozzle disposed at the center of the bottom plate are disposed at the apex of a regular polygon inscribed in a second virtual concentric circle having a center at the center of the bottom plate There is.
  • the height of the internal space of the bell jar provided in the reactor is 2 m or more and 5 m or less, and the radius of the second virtual concentric circle is 20 to 70 cm.
  • the regular polygon is a regular n-gon (n is an integer of 3 or more and 8 or less).
  • the diameter of the gas injection hole of the gas supply nozzle is 7 mm ⁇ to 20 mm ⁇ .
  • the raw material gas is ejected from the gas supply nozzle at a flow velocity of 150 m / sec or more using the above-described polycrystalline silicon manufacturing apparatus to deposit polycrystalline silicon on the surface of the silicon core wire.
  • the ejection amount of the source gas per nozzle of the gas supply nozzle is set to 300 kg / hr or more.
  • the circulating flow in the reactor is caused by the source gas ejected from the source gas supply nozzle disposed inside the imaginary concentric circle.
  • the formation of an appropriately high temperature zone due to the generation of a locally closed circulating flow in the reactor is suppressed, because polycrystals are clearly divided and formed into the updraft and downdraft along the inner wall of the reactor.
  • the generation of popcorn on the silicon surface can be suppressed to obtain high quality polycrystalline silicon.
  • the reaction gas flow around the polycrystalline silicon rod can be efficiently maintained at a relatively high speed
  • the high-speed precipitation reaction can be performed by increasing the amount of the source gas without using the high-speed circulation even though the high-speed precipitation reaction is performed. It also becomes possible to solve the problem of the cost increase that the conventional method has.
  • positioning of the source gas supply nozzle and reaction waste-gas port which are provided in the reactor with which the polycrystalline-silicon manufacturing apparatus of invention is equipped by illustration. It is the upper surface schematic of the baseplate for demonstrating the other aspect of arrangement
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a structural example of a reaction furnace provided in a polycrystalline silicon manufacturing apparatus of the present invention.
  • the inside of the reactor 100 is sealed by a bell jar 1 provided with a viewing window 2 for confirming the internal state and a bottom plate 5, and a plurality of silicon core wires 12 assembled in a torii type are arranged in the sealed space.
  • Polycrystalline silicon is deposited on the surface of the silicon core wire (or silicon rod 13).
  • the bottom plate 5 is provided with a core holder 11 and a metal electrode 10 for generating heat by applying electricity from both ends of the silicon core 12, a nozzle 9 for supplying a source gas to the inside of the bell jar 1, and gas after reaction.
  • a reaction exhaust gas outlet 8 for exhausting to the outside is provided.
  • a raw material gas whose flow rate and flow rate are controlled by the gas flow rate control unit 14 is supplied from the blowout port of the nozzle 9. Further, as shown in FIG. 1, although it is preferable to provide a plurality of nozzles 9, it may be a single nozzle.
  • the bottom plate 5 has a disk shape, and in many cases, the metal electrode 10, the nozzle 9, and the reaction exhaust gas port 8 provided on the bottom plate 5 are also arranged concentrically.
  • a source gas a mixed gas of trichlorosilane and hydrogen is often used, and the reaction temperature is also relatively high at 900 ° C. to 1200 ° C. Therefore, the refrigerant inlet 3 and the refrigerant outlet 4 are provided at the lower and upper portions of the bell jar 1, and the refrigerant inlet 6 and the refrigerant outlet 7 are provided at both ends of the bottom plate 5, respectively.
  • a refrigerant is supplied to perform cooling.
  • water is generally used as such a refrigerant
  • the inner surface temperature of the bell jar 1 at the time of the precipitation reaction is approximately 100 ° C. to 400 ° C.
  • FIGS. 2 and 3 are schematic top views of the bottom plate 5 for illustrating the arrangement of the raw material gas supply nozzle 9 and the reaction exhaust gas port 8 provided in the reaction furnace provided in the polycrystalline silicon production apparatus of the present invention. is there.
  • the raw material gas supply nozzle 9 is disposed inside this concentric circle C. Further, an estimated imaginary line indicating the horizontal spread of the jet flow from the gas supply nozzle 9 is indicated by a broken line with a symbol D. From the gas supply nozzle 9, the raw material gas is ejected into the bell jar 1 at a flow velocity of 150 m / sec or more except for the initial stage of the reaction described later.
  • the arrangement position of the reaction exhaust gas port 8 is not particularly limited, but in the aspect shown in FIG. 2 and FIG. 3, it is installed outside the concentric circle C.
  • gas supply nozzle 9 is provided in the example shown in FIG. 2 and four gas supply nozzles 9 are provided in the example shown in FIG. 3, the gas supply nozzle 9 is located inside the concentric circle C in any case. Be placed.
  • the gas supply nozzle 9 is provided at the center of the bottom plate 5.
  • Three gas supply nozzles 9 are disposed.
  • FIG. 4 (A) to 4 (E) are schematic top views of the bottom plate for illustrating another embodiment of the arrangement of the raw material gas supply nozzle and the reaction exhaust gas port provided in the reaction furnace included in the polycrystalline silicon manufacturing apparatus of the invention.
  • FIGS. 4 (A) to 4 (E) there are five (FIG. 4 (A)), six (FIG. 4 (B)), seven (FIG. 4 (C)) gas supply nozzles 9 respectively. ), Eight (FIG. 4 (D)), nine (FIG. 4 (E)) are provided.
  • the raw material gas supply nozzle 9 is disposed inside the concentric circle C, and in addition to the gas supply nozzle 9 provided at the central portion of the bottom plate 5, the central portion gas supply nozzle 9 is The remaining gas supply nozzles 9 are disposed at the positions of the apexes of the regular polygon inscribed in the circumscribed circle E (the second virtual concentric circle) that is the center.
  • FIG. 5 and FIG. 6 are schematic top views of the bottom plate 5 for illustrating another aspect of the arrangement of the raw material gas supply nozzle 9 and the reaction exhaust gas port 8 provided in the reaction furnace as a reference example.
  • the gas supply nozzle 9 is disposed inside the concentric circle C, the gas supply nozzle 9 is not provided at the center of the bottom plate 5 (FIG. 5), or substantially uniformly on the bottom plate 5.
  • the gas supply nozzle 9 is not disposed at the position of the apex of the regular polygon in contact with the circumscribed circle E centered on the gas supply nozzle 9 in the central portion (FIG. 6).
  • FIGS. 2 to 4 an aspect (FIG. 2) of providing the gas supply nozzle 9 at the central part of the bottom plate 5 or In the embodiment (FIGS. 3 to 4) in which the gas supply nozzle 9 is arranged at the position of the apex of the regular polygon in contact with the circumscribed circle E centered on the gas supply nozzle 9 of FIG.
  • FIGS. 3 to 4 an aspect of providing the gas supply nozzle 9 at the central part of the bottom plate 5 or In the embodiment (FIGS. 3 to 4) in which the gas supply nozzle 9 is arranged at the position of the apex of the regular polygon in contact with the circumscribed circle E centered on the gas supply nozzle 9 of FIG.
  • a stable updraft is obtained
  • the peripheral portion of the bottom plate 5 a stable downdraft is obtained.
  • a smooth circulating flow is formed in the bell jar.
  • the reason can be considered as follows. As described above, when the gas supply nozzles 9 are arranged inside the concentric circle C, the high flow velocity source gas spouted from the gas supply nozzles 9 ascends with the surrounding reaction gas. This ascending gas flow collides with the upper inner wall of the bell jar 1 to change the flow downward, and becomes a circulating flow and descends along the inner wall of the bell jar. Then, part of the descending gas flow again rises in the reaction space together with the source gas ejected from the gas supply nozzle 9. In this way, a clear circulating flow is formed by defining the updraft area and the downdraft area throughout the reactor. As a result, the occurrence of a high temperature region in which the temperature of the source gas rises to an inappropriate temperature locally is suppressed.
  • the number of the gas supply nozzles 9 may be one at the center of the bottom plate 5, Alternatively, in addition to one of the central portions of the bottom plate 5, it is preferable to arrange the remaining gas supply nozzle 9 at the position of the apex of a regular polygon having a radius of the circumscribed circle E of 20 to 70 cm.
  • FIGS. 7A and 7B are views for schematically explaining the flow in the bell jar 1 of the raw material gas ejected from the gas supply nozzle 9 arranged in the mode shown in FIGS. 2 and 3, respectively.
  • the outline of the gas flow when the source gas is supplied at 150 m / sec or more is shown.
  • the high flow rate raw material gas spouted from the gas supply nozzle 9 arranged in the above-described manner rises while entraining the surrounding reaction gas, collides with the upper inner wall of the bell jar 1 and descends.
  • the gas supply nozzle 9 As described above, by disposing the gas supply nozzle 9 inside the concentric circle C, the raw material gas with a high flow velocity spouted from the gas supply nozzle 9 ascends with the surrounding reaction gas. Then, the ascending gas flow collides with the upper inner wall of the bell jar 1 to change the flow downward, and becomes a circulating flow and descends along the inner wall of the bell jar 1, and a part of the descending gas flow is supplied again to the gas.
  • the inside of the reaction space is raised together with the raw material gas ejected from the nozzle 9. Such smooth circulating flow of gas suppresses the occurrence of a high temperature region locally.
  • the polycrystalline silicon rod 13 provided in the vicinity of the gas supply nozzle 9 directly receives the upward flow of the raw material gas ejected from the gas supply nozzle 9, but such polycrystalline silicon rod 13 is Only a part of what is installed in the reactor, and many other polycrystalline silicon rods 13 will receive a smooth circulating gas flow consisting of the rising gas flow and the entrained reaction gas flow.
  • the gas supply nozzle is not provided at the central portion of the bottom plate 5, and as a result, in the embodiment in which the distance between the gas supply nozzles is wide, A downward circulation flow is formed.
  • Such downward circulating flow rises again in the reaction space while remaining at a high temperature without being cooled by the inner wall (inner wall temperature 150 to 400 ° C.) of the bell jar 1.
  • Such gas circulation causes the shape abnormality of the polycrystalline silicon rod and the generation of popcorn or powder.
  • the jetted gas does not reach the upper portion of the reactor and circulates only in the lower portion of the reactor.
  • a stagnant part of the reaction gas is generated at the upper part of the reactor.
  • Such stagnation of the reaction gas raises the temperature of the gas, which causes an abnormality in the shape of the polycrystalline silicon rod and generation of popcorn or powder.
  • the flow rate of the gas supplied from the gas supply nozzle 9 at the initial stage of the precipitation reaction is preferably kept relatively low. This is because, since the diameter of the polycrystalline silicon rod 13 at the initial stage of the precipitation reaction is thin, if the gas is supplied at a high speed, the polycrystalline silicon rod 13 may fall over due to the impact. Then, after the diameter of the polycrystalline silicon rod 13 has increased to a certain extent (for example, after becoming a diameter of about 20 mm or more), 150 m / sec to form a smooth circulating flow in the reactor as described above It is preferable to supply the source gas at the above flow rate.
  • a smooth circulating flow is formed by the above-described arrangement of the gas supply nozzles, and a sufficiently fast reaction gas flow is formed in the furnace even with the supply of the source gas at a flow velocity of about 150 m / sec. be able to. That is, according to the present invention in which a large amount of circulating flow is formed in the reaction furnace, a high-speed reaction gas flow can be formed in the furnace even when the supply flow rate of the raw material gas is lower than that in the prior art. As a result, the supply amount of the source gas is suppressed.
  • the raw material gas when supplied at a flow rate of about 150 m / s, it is estimated that the raw material gas is supplied to the surface of any silicon rod installed in the furnace at an average flow rate of about 3 m / s. However, this flow rate is sufficient for realizing high-speed precipitation reaction.
  • the raw material gas is supplied at a flow velocity of 150 m / sec or more, but the width of the internal space of the bell jar 1 of the apparatus used is general (height 2-3 m, diameter 1-3 m Assuming that the reaction pressure is, for example, 0.3 MPa to 0.9 MPa, it is preferable to set the raw material gas injection amount per gas supply nozzle to 300 kg / hr or more.
  • the number of gas supply nozzles is preferably 1 to 9, and the diameter of the nozzle holes (gas injection holes) is preferably 7 mm ⁇ to 20 mm ⁇ .
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of the gas supply nozzle according to the present invention.
  • the material of the nozzle tip 9a is preferably a metal such as SUS, Ni, Cu or the like, or ceramic, carbon or the like.
  • Example 1 a polycrystalline silicon rod was manufactured using one in which the gas supply nozzle 9 was disposed in the manner shown in FIG.
  • Example 2 a polycrystalline silicon rod was manufactured using one in which the gas supply nozzle 9 was disposed in the mode illustrated in FIG. 4C.
  • Comparative Example 1 a polycrystalline silicon rod was manufactured using one in which the gas supply nozzle 9 was disposed in the manner shown in FIG.
  • the gas supply nozzle 9 was disposed in the manner shown in FIG.
  • six gas supply nozzles 9 are provided inside the concentric circle C at equal distances on concentric circles centered on the center of the bottom plate, but no nozzles are arranged at the center of the bottom plate.
  • Comparative Example 2 a polycrystalline silicon rod was manufactured using one in which the gas supply nozzle 9 was disposed in the manner illustrated in FIG.
  • the gas supply nozzles 9 are disposed inside the concentric circle C at substantially even intervals on the substantially entire surface of the bottom plate.
  • a polycrystalline silicon rod was manufactured using the same gas supply nozzle 9 arrangement as in Example 1, but using a nozzle whose diameter was increased to make the ejection flow velocity of the source gas less than 150 m / sec. .
  • a polycrystalline silicon rod was manufactured using the same gas supply nozzle 9 arrangement as in Example 2 but using a nozzle whose diameter was increased to make the ejection flow velocity of the source gas less than 150 m / sec. .
  • Tables 1 to 3 are tables summarizing the deposition reaction conditions of the above-mentioned Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2 and Comparative Examples 3 to 4 and the evaluation results of the obtained polycrystalline silicon rods, respectively. .
  • the reaction temperature, reaction pressure, source gas type, source gas concentration, total feed amount of source material per time, and final polycrystalline silicon rod diameter obtained by production were all the same.
  • the circulating flow in the reaction furnace rises at the center of the reaction furnace by the raw material gas ejected from the raw material gas supply nozzle disposed inside the virtual concentric circle. Since the air flow and the downdraft along the inner wall of the reactor are clearly divided and formed, the formation of an inappropriate high temperature region due to the generation of a circulating flow locally closed in the reactor is suppressed, and the polycrystalline silicon surface is formed. It is possible to obtain high quality polycrystalline silicon by suppressing the generation of popcorn.
  • the reaction gas flow around the polycrystalline silicon rod can be efficiently maintained at a relatively high speed
  • the high-speed precipitation reaction can be performed by increasing the amount of the source gas without using the high-speed circulation even though the high-speed precipitation reaction is performed. It also becomes possible to solve the problem of the cost increase that the conventional method has.
  • the present invention efficiently generates a large amount of circulating flow in the reactor to form a high-speed reaction gas flow in the reactor, thereby securing the flow velocity of the reactant gas in the vicinity of the polycrystalline silicon rod, and the gas temperature in the reactor
  • the present invention provides a technology for obtaining a polycrystalline silicon rod without heavy metal contamination due to powder generation and protrusion-like abnormal deposition, while preventing the local rise of and suppressing the generation of popcorn on the surface of polycrystalline silicon even with high-speed precipitation reaction.

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Abstract

【課題】高速析出反応でありながらも多結晶シリコン表面のポップコーン発生を抑制、粉の発生による重金属汚染、突起状異常析出の無い多結晶シリコン棒を得る技術を提供すること。 【解決手段】原料のガス供給ノズル９は、円盤状底板５の中央に中心を有する仮想の同心円（面積Ｓ０の底板５の半分の面積Ｓ）の内側に配置される。ガス供給ノズル９からは、原料ガスが１５０ｍ／秒以上の流速でベルジャ１内に噴出される。図３に示した例ではガス供給ノズル９は４つ設けられているが、何れの場合も、ガス供給ノズル９は同心円Ｃの内側に配置される。図３に示した例では、底板５の中央部に設けられたガス供給ノズル９に加え、当該中央部のガス供給ノズル９を中心とする外接円Ｅに接する正３角形の頂点の位置に、３つのガス供給ノズル９が配置されている。このようなガス供給ノズル配置により、反応炉内でスムーズな循環流れが形成される。

Description

多結晶シリコン製造装置および多結晶シリコンの製造方法
本発明は多結晶シリコンの製造技術に関し、より詳細には、シーメンス法により多結晶シリコンを製造するための反応炉の原料ガス供給用ノズルの設置場所及び供給原料ガスの流速制御に関する。
多結晶シリコンは、半導体デバイス製造用の単結晶シリコン基板や太陽電池製造用基板の原料とされる。多結晶シリコンの製造方法としては、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、これにより、該シリコン芯線の表面に多結晶シリコンをＣＶＤ法により気相成長させてシリコン棒として得る方法である。　
シーメンス法により多結晶シリコンを気相成長する際、気相成長装置の反応炉内に、鉛直方向２本と水平方向１本のシリコン芯線を鳥居型に組み立てる。そして、この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反応炉底板上に配置した一対の金属電極に固定する。反応を起こさせる原料ガスの供給口及び反応排ガスの排気口も、この底板上に配置される。このような構成は、例えば、特開２００６－２０６３８７号公報（特許文献１）に開示されている。　
一般に、反応炉内には、底板上に配置した一対の金属電極に固定された鳥居型のシリコン芯線が数十個設けられ、多重環式に配置される。近年では、多結晶シリコンの需要増大に伴い、生産量を高めるための反応炉の大型化が進み、１バッチで多量の多結晶シリコンを析出させる方法が採用されるようになってきている。この傾向に伴い、反応炉内に配置するシリコン芯線の数も多くなってきている。　
ところが、反応炉内に設置するシリコン芯線の数が増えてくると、各シリコン棒の表面に原料ガスを安定に供給するのが困難になる。このような原料ガスの供給不安定性はシリコン棒の表面に凸凹（ポップコーン）を発生させ、その結果、シリコン棒の太さが不均一となり形状不良が生じる。また、シリコン棒表面に凸凹が発生すると多結晶シリコンが異常成長し易くなる。さらに、多結晶シリコンの出荷前洗浄の際の洗浄効果が大幅に低下してしまう。シリコン棒表面の凸凹を無くすには、シリコン棒の表面の温度（反応温度）を低くして析出反応を穏やかにすれば良いが、この場合には、多結晶シリコンの析出速度が遅くなり生産性とエネルギ効率を著しく低下させることになる。　
このような事情から、原料ガスを効率よくシリコン棒表面に供給するための方法として様々な手法が提案されている。例えば、特開２０１０－１５５７８２号公報（特許文献２）や特開２００２－２４１１２０号公報（特許文献３）に開示されている手法では、原料ガス供給ノズルと反応排ガスの排気口の位置を様々に工夫することにより析出反応が効率良く進むようにしている。　
　しかし、従来の方法はいずれも、原料供給ノズルから反応炉内に供給された原料ガスが反応排ガスの排気口から１パスに近い状態で排出される態様のものであり、反応炉が大型の場合には、原料ガスの供給量が必然的に増大することとなり、製造コストを高めてしまう。
特開２００６－２０６３８７号公報 特開２０１０－１５５７８２号公報 特開２００２－２４１１２０号公報
多結晶シリコンの析出反応において析出速度に影響を与える大きな要因は、シリコン棒の表面温度と反応炉内の反応ガス中クロロシラン濃度およびシリコン棒表面近傍の反応ガス流速である。シリコン棒表面の凸凹を低減して良好な表面を保つためにはこれらの要因を適正なバランスの下で制御することが重要である。具体的には、シリコン棒の表面温度を上げて析出反応速度をある程度高い状態に保ちつつ、シリコン棒表面でのガス流速を高くして表面凸凹を低減させることが必要となる。　
大型の反応炉内で上記状態を実現するためには、炉内における反応ガスの循環流れを形成することが好適な方法である。クロロシランと水素による化学反応はその反応率が低い。このため、反応炉には比較的大量の新しい原料ガスを供給す必要があるため、反応炉内で反応ガスの循環流れを形成して反応を行っても析出反応に悪影響を及ぼすことは少ない。　
特に、反応装置の大型化に伴い、反応ガスの流れも複雑になり局所的な滞留部が発生しやすくなっており、このような局所的な滞留部の存在は炉内ガス濃度のバラツキや局所的な温度の異常上昇の原因ともなり、局所的なポップコーンの発生や重金属汚染の原因になっていると考えられる。そのため、大量の反応ガスの循環流を形成して、反応炉内において局所的な滞留部を発生させないことが効果的である。　
また、局部的な反応ガス温度が６００℃を超えると、クロロシランの副生成物により大量の粉が炉内で発生する恐れがあり、重金属汚染の原因やシリコン棒表面での突起状異常成長の原因ともなる。　
通常、析出反応中の多結晶シリコン棒の表面温度は９００～１２００℃程度と高温である。従って、反応ガスの反応炉内での局部的な循環を継続してゆくと、反応ガスの温度はシリコン棒表面の温度と同じ９００～１２００℃近くまで上昇してしまうことになる。そのため、反応ガス温度を６００℃程度以下に保つためには、反応炉内での循環中に反応ガスを効率よく冷却することが必要になる。　
析出反応速度を上げるためには、通常、原料ガス中のクロロシランガス濃度を上げる方法がとられるが、この場合は反応ガス温度上昇に伴う粉の発生が助長されるため、この観点からも、反応炉内における反応ガスの温度を低く抑えることが求められる。　
　このように、大型の反応炉を用いた多結晶シリコンの製造において、高速析出反応でありながらも多結晶シリコン表面のポップコーン発生の抑制および熱分解による粉の発生を防止するためには、反応炉内で効率良く大量の循環流れを起こして炉内に高速の反応ガス流れを形成することが必要となる。
　本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、反応炉内で大量の循環流れを効率よく発生させ炉内に高速の反応ガス流れを形成し、これにより、多結晶シリコン棒近傍の反応ガス流速を確保し、反応炉内ガス温度の局所的な上昇を防止し、高速析出反応でありながらも多結晶シリコン表面のポップコーン発生を抑制、粉の発生による重金属汚染、突起状異常析出の無い多結晶シリコン棒を得る技術を提供することにある。
　本発明の多結晶シリコン製造装置は、シーメンス法により多結晶シリコンを製造するための多結晶シリコン製造装置であって、ベルジャと円盤状の底板とにより内部が密閉される反応炉と、前記ベルジャ内部に所望の流量で原料ガスを供給するガス流量制御部とを備え、前記底板には、複数のシリコン芯線に通電するための電極対と、前記ベルジャの内部空間に原料ガスを供給するためのガス供給ノズルが少なくとも１つ設けられており、前記ガス供給ノズルは、前記底板の中央に中心を有する仮想同心円であって前記円盤状の底板の面積Ｓ０の半分の面積Ｓ（＝Ｓ０／２）を有する仮想の同心円の内側に配置され、且つ、前記ガス供給ノズルの１つは前記底板の中央に配置されており、前記ガス流量制御部は、前記ガス供給ノズルからの噴出原料ガスを１５０ｍ／ｓｅｃ以上の流速で制御可能である、ことを特徴とする。
　ある態様では、前記底板の中央に配置されているガス供給ノズルを除くガス供給ノズルは、前記底板の中央に中心を有する第２の仮想同心円に内接する正多角形の頂点の位置に配置されている。
　例えば、前記反応炉が備えるベルジャの内部空間の高さは２ｍ以上５ｍ以下であり、前記第２の仮想同心円の半径は２０～７０ｃｍである。
　また、例えば、前記正多角形は正ｎ角形（ｎは３以上で８以下の整数）である。
　さらに、例えば、前記ガス供給ノズルのガス噴出孔の直径は７ｍｍφ～２０ｍｍφである。
　本発明の多結晶シリコンの製造方法は、上述の多結晶シリコン製造装置を用い、前記ガス供給ノズルから１５０ｍ／ｓｅｃ以上の流速で原料ガスを噴出させて前記シリコン芯線の表面に多結晶シリコンを析出させる。このとき、例えば、前記ガス供給ノズルの１本当たりの原料ガスの噴出量を３００ｋｇ／ｈｒ以上とする。
　上述の反応炉を有する本発明の多結晶シリコン製造装置を用いることにより、仮想同心円の内側に配置された原料ガス供給ノズルから噴出された原料ガスにより、反応炉内の循環流れが反応炉中心部の上昇気流と反応炉内壁に沿った下降気流とに明確に区分され形成されるため、反応炉内に局部的に閉じた循環流の発生による不適切な高温域の形成が抑制され、多結晶シリコン表面のポップコーン発生を抑制して高品質な多結晶シリコンを得ることができる。
　また、多結晶シリコン棒周辺の反応ガス流れを効率よく比較的高速に保つことが可能となるため、高速析出反応でありながらも、高速循環を用いずに原料ガスの増量により高速析出反応を行う従来方法が抱えているコスト上昇という問題も解決することが可能となる。
本発明の多結晶シリコン製造装置が備える反応炉の構成例を説明するための断面概略図である。 発明の多結晶シリコン製造装置が備える反応炉に設けられる原料ガス供給ノズルと反応排ガス口の配置の様子を例示により説明するための底板の上面概略図である。 発明の多結晶シリコン製造装置が備える反応炉に設けられる原料ガス供給ノズルと反応排ガス口の配置の様子を例示により説明するための底板の上面概略図である。 発明の多結晶シリコン製造装置が備える反応炉に設けられる原料ガス供給ノズルと反応排ガス口の配置の様子を例示により説明するための底板の上面概略図である。 反応炉に設けられる原料ガス供給ノズルと反応排ガス口の配置の他の態様を参考例として説明するための底板の上面概略図である。 反応炉に設けられる原料ガス供給ノズルと反応排ガス口の配置の他の態様を参考例として説明するための底板の上面概略図である。 図２に示した態様で配置されたガス供給ノズルから噴出した原料ガスのベルジャ内での流れを模式的に説明するための図である。 図３に示した態様で配置されたガス供給ノズルから噴出した原料ガスのベルジャ内での流れを模式的に説明するための図である。 ガス供給ノズルを底板の中央部に設けずガス供給ノズルの間隔が広くなっている態様を示す図である。 ガス供給ノズルからの噴出ガスの速度が遅く噴出量も少ない態様を示す図である。 本発明に係るガス供給ノズルの一例を示す概略断面図である。
　以下に、図面を参照して、本発明の実施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製造装置が備える反応炉の構成例を説明するための断面概略図である。反応炉１００は、内部の状態を確認するためののぞき窓２を備えたベルジャ１と底板５とにより内部が密閉され、当該密閉空間内に鳥居型に組んだシリコン芯線１２を複数配置させてこのシリコン芯線（またはシリコン棒１３）の表面に多結晶シリコンを析出させる。底板５には、シリコン芯線１２の両端から通電して発熱させるための芯線ホルダ１１及び金属電極１０と、ベルジャ１内部に原料ガスを供給するためのノズル９と、反応後のガスをベルジャ１の外部に排出するための反応排ガス口８が設置されている。なお、ノズル９の吹出口からは、ガス流量制御部１４により流速・流量が制御された原料ガスが供給される。また、図１に示したように、ノズル９は複数個設けることが好ましいが、単一のノズルとしてもよい。
　通常、底板５は円盤状をしており、この底板５に設けられる金属電極１０、ノズル９、反応排ガス口８も、同心円上に設置されることが多い。原料ガスとしてはトリクロロシランと水素の混合ガスが使用されることが多く、反応温度も９００℃～１２００℃と比較的高温である。このため、ベルジャ１の下部と上部にはそれぞれ冷媒入口３と冷媒出口４が、底板５の両端にも冷媒入口６と冷媒出口７が設けられており、ベルジャ１および底板５それぞれの冷媒路に冷媒が供給されて冷却がなされる。なお、このような冷媒としては、一般に水が用いられる。また、析出反応時のベルジャ１の内表面温度は、概ね１００℃～４００℃である。
　図２および図３は、本発明の多結晶シリコン製造装置が備える反応炉に設けられる原料ガス供給ノズル９と反応排ガス口８の配置の様子を例示により説明するための底板５の上面概略図である。
　これらの図中、符号Ｃを付した一点鎖線は、円盤状底板５の中央に中心を有する仮想の同心円であり、面積Ｓ０の底板５の半分の面積Ｓ＝Ｓ０／２を有している。原料のガス供給ノズル９はこの同心円Ｃの内側に配置される。また、ガス供給ノズル９からの噴流の水平方向の広がりを示す推定仮想線を符号Ｄを付した破線で示した。ガス供給ノズル９からは、後述する反応初期を除き、原料ガスが１５０ｍ／秒以上の流速でベルジャ１内に噴出される。ここで、反応排ガス口８の配置位置は特に制限されないが、図２および図３に示した態様では、同心円Ｃの外側に設置されている。
　図２に示した例ではガス供給ノズル９は１つ、図３に示した例ではガス供給ノズル９は４つ設けられているが、何れの場合も、ガス供給ノズル９は同心円Ｃの内側に配置される。図２に示した例では、ガス供給ノズル９は底板５の中央部に設けられている。また、図３に示した例では、底板５の中央部に設けられたガス供給ノズル９に加え、当該中央部のガス供給ノズル９を中心とする外接円Ｅに接する正３角形の頂点の位置に、３つのガス供給ノズル９が配置されている。
　ガス供給ノズル９の配置の態様には、図２および図３に例示した態様の他にも、種々のものがあり得る。
　図４（Ａ）～（Ｅ）は、発明の多結晶シリコン製造装置が備える反応炉に設けられる原料ガス供給ノズルと反応排ガス口の配置の他の態様を例示により説明するための底板の上面概略図である。なお、これらの図では、金属電極１０は不図示としている。
　図４（Ａ）～（Ｅ）に示した態様では、それぞれ、ガス供給ノズル９が、５つ（図４（Ａ））、６つ（図４（Ｂ））、７つ（図４（Ｃ））、８つ（図４（Ｄ））、９つ（図４（Ｅ））、設けられている。これらの何れの態様においても、原料のガス供給ノズル９は同心円Ｃの内側に配置されており、底板５の中央部に設けられたガス供給ノズル９に加え、当該中央部のガス供給ノズル９を中心とする外接円Ｅ（第２の仮想同心円）に内接する正多角形の頂点の位置に、その余のガス供給ノズル９が配置されている。
　図５および図６は、反応炉に設けられる原料ガス供給ノズル９と反応排ガス口８の配置の他の態様を参考例として説明するための底板５の上面概略図である。これらの態様では、ガス供給ノズル９は同心円Ｃの内側に配置されてはいるが、底板５の中央部にガス供給ノズル９が設けられていなかったり（図５）、底板５の上に概ね均等に配置されており、中央部のガス供給ノズル９を中心とする外接円Ｅに接する正多角形の頂点の位置にガス供給ノズル９が配置されてはいない（図６）。
　従来はこのようなガス供給ノズル９の配置も採用されていたが、図２～４に例示したように、底板５の中央部にガス供給ノズル９を設ける態様（図２）、或いは、中央部のガス供給ノズル９を中心とする外接円Ｅに接する正多角形の頂点の位置にガス供給ノズル９を配置する態様（図３～４）とした場合には、ベルジャ内での反応ガスの流れが、底板５の中央部においては安定した上昇気流となり、底板５の周辺部においては安定した下降気流となる。その結果、ベルジャ内におけるスムーズな循環流が形成される。
　その理由は、下記のようなものであると考えることができる。上述したように同心円Ｃの内側にガス供給ノズル９を配置すると、これらのガス供給ノズル９から噴出した速い流速の原料ガスは、周囲の反応ガスを同伴しながら上昇する。この上昇ガス流は、ベルジャ１の上頭内壁に衝突して下方に流れを変え、循環流となってベルジャ内側壁に沿って下降する。そして下降ガス流の一部は、再度、ガス供給ノズル９から噴出された原料ガスと一緒に反応空間内を上昇する。このようにして、反応炉内全体で上昇気流域と下降気流域が明確となることによりスムーズな循環流れが形成される。その結果、局部的な不適切な温度まで原料ガスの温度が上昇する高温領域が生じることが抑制される。
　なお、反応炉の反応空間の高さ、すなわちベルジャ１の内部空間の高さが２ｍ以上５ｍ以下である場合には、ガス供給ノズル９の配置は、底板５の中央部に１つとするか、若しくは、底板５の中央部の１つに加えて上述の外接円Ｅの半径が２０～７０ｃｍの正多角形の頂点の位置にその余のガス供給ノズル９を配置することが好ましい。
　図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、図２および図３に示した態様で配置されたガス供給ノズル９から噴出した原料ガスのベルジャ１内での流れを模式的に説明するための図である。なお、これらの図では、原料ガスを１５０ｍ／秒以上で供給した場合のガス流れの概要を示している。これらの図に示すとおり、上述した態様で配置されたガス供給ノズル９から噴出した速い流速の原料ガスは、周囲の反応ガスを同伴しながら上昇し、ベルジャ１の上頭内壁に衝突して下方に流れを変え、循環流となってベルジャ内側壁に沿って下降し、下降ガス流の一部は、再度、ガス供給ノズル９から噴出された原料ガスと一緒に反応空間内を上昇して、反応炉内全体で上昇気流域と下降気流域が明確となりスムーズな循環流れが形成される。
　上述したとおり、同心円Ｃの内側にガス供給ノズル９を配置することにより、ガス供給ノズル９から噴出した速い流速の原料ガスが、周囲の反応ガスを同伴しながら上昇する。そして、この上昇ガス流は、ベルジャ１の上頭内壁に衝突して下方に流れを変え、循環流となってベルジャ内側壁に沿って下降し、下降ガス流の一部は、再度、ガス供給ノズル９から噴出された原料ガスと一緒に反応空間内を上昇する。このようなガスのスムーズな循環流れにより、局部的に高温領域が生じることが抑制される。
　なお、ガス供給ノズル９の近傍に設けられている多結晶シリコン棒１３は、直接、ガス供給ノズル９から噴出する原料ガスの上昇流を受けることになるが、そのような多結晶シリコン棒１３は反応炉内に設置されるものの一部に過ぎず、それ以外の多くの多結晶シリコン棒１３は、上昇ガス流と同伴反応ガス流からなるスムーズな循環ガス流れを受けることになる。
　これに対し、例えば、図８Ａに示したような、ガス供給ノズルを底板５の中央部に設けず、その結果、ガス供給ノズルの間隔が広くなっている態様では、反応炉の中心部近傍に下降循環流が形成されてしまう。このような下降循環流はベルジャ１の内壁（内壁温度１５０～４００℃）によって冷却されることなく高温のままで再度、反応空間内を上昇する。このようなガス循環は、多結晶シリコン棒の形状異常やポップコーンあるいは粉の発生原因となる。
　また、例えば、図８Ｂに示したような、ガス供給ノズルからの噴出ガスの速度が遅く噴出量も少ない態様では、噴出ガスが反応炉の上部まで到達することなく反応炉の下部のみで循環流を形成することになってしまう結果、反応炉上部に反応ガスの滞留部が生じてしまう。このような反応ガスの滞留はそのガス温度を上昇させ、多結晶シリコン棒の形状異常やポップコーンあるいは粉の発生原因となる。
　多結晶シリコン棒を製造する工程において、析出反応初期におけるガス供給ノズル９からの供給ガスの流速は、比較的低く抑えることが好ましい。これは、析出反応初期の多結晶シリコン棒１３の径は細いため、ガスを高速で供給してしまうと、その衝撃により多結晶シリコン棒１３が転倒等するおそれがあるためである。そして、多結晶シリコン棒１３の径がある程度太くなった後（例えば２０ｍｍφ程度以上の径となった後）に、上述したような反応炉内でのスムーズな循環流れを形成すべく、１５０ｍ／秒以上の流速で原料ガスを供給するようにすることが好ましい。
　従来は、反応炉内で高速の反応ガス流を形成しようとした場合には、反応ガスを大量に供給すると同時に大量にガス排気する必要があった。これに対し、本発明では、上述したガス供給ノズルの配置により、スムーズな循環流れが形成され、１５０ｍ／秒程度の流速の原料ガス供給でも、充分に高速な反応ガス流れを炉内に形成することができる。つまり、反応炉内に大量の循環流れを形成させる本発明によれば、原料ガスの供給流速が従来よりも低い場合でも炉内に高速の反応ガス流れを形成することができる。その結果、原料ガスの供給量が抑制される。なお、１５０ｍ／秒程度の流速の原料ガス供給を行った場合、炉内に設置された何れのシリコン棒の表面にも平均３ｍ／秒程度の流速で原料ガスが供給されているものと推測されるが、この程度の流速であれば高速析出反応の実現には充分である。
　このように、本発明によれば、製造コストを高くすることなく、多結晶シリコンの高速析出反応を維持しながら、しかも、多結晶シリコン棒の形状異常やポップコーンあるいは粉の発生を抑制することができる。
　上述したように、本発明では、原料ガスを１５０ｍ／秒以上の流速で供給するが、用いる装置のベルジャ１の内部空間の広さが一般的なもの（高さ２～３ｍ、直径１～３ｍ）であるとすると、反応圧力を例えば０．３ＭＰａ～０．９ＭＰａであるとして、ガス供給ノズル一本当たりの原料ガス噴出量を３００ｋｇ／ｈｒ以上とすることが好ましい。また、ガス供給ノズルの個数を１～９とし、ノズル孔（ガス噴出孔）の直径を７ｍｍφ～２０ｍｍφとすることが好ましい。さらに、図４（Ｄ）や図４（Ｅ）に示すようにガス供給ノズルの数が多い場合は、底板の中央部に設けたガス供給ノズルから噴出するガス量を、他のガス供給ノズルから噴出するガス量よりも多くし、噴出ガスの流れに空間的な不均一が生じないように工夫してもよい。
　図９は、本発明に係るガス供給ノズルの一例を示す概略断面図である。孔径ｄを適正な値に維持するために、ノズルチップ９ａの材質は、ＳＵＳ、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属、あるいは、セラミック、カーボンなどを使用することが好ましい。
　実施例１として、図３に図示した態様でガス供給ノズル９を配置したものを用い、多結晶シリコン棒の製造を行った。
　また、実施例２として、図４（Ｃ）に図示した態様でガス供給ノズル９を配置したものを用い、多結晶シリコン棒の製造を行った。
　これらの実施例では、何れのガス供給ノズル９も、底板５の中央に中心を有する仮想の同心円であって面積Ｓ０の底板５の半分の面積Ｓ＝Ｓ０／２を有している同心円Ｃの内側に配置されている。
　比較例として、下記の比較例１～４を実施した。
　比較例１として、図５に図示した態様でガス供給ノズル９を配置したものを用い、多結晶シリコン棒の製造を行った。この比較例では、ガス供給ノズル９は同心円Ｃの内側に底板の中央を中心とする同心円上に等距離に６個設けられているが、底板の中央にはノズルは配置されていない。
　比較例２として、図６に図示した態様でガス供給ノズル９を配置したものを用い、多結晶シリコン棒の製造を行った。この比較例では、ガス供給ノズル９は同心円Ｃの内側に、ほぼ均等な間隔で底板の概ね全面に配置されている。
　比較例３として、実施例１と同じガス供給ノズル９配置ではあるものの、ノズル口径を大きくして原料ガスの噴出流速を１５０ｍ／秒未満としたものを用い、多結晶シリコン棒の製造を行った。
　比較例４として、実施例２と同じガス供給ノズル９配置ではあるものの、ノズル口径を大きくして原料ガスの噴出流速を１５０ｍ／秒未満としたものを用い、多結晶シリコン棒の製造を行った。
　表１～３は、それぞれ、上述の実施例１～２、比較例１～２、および、比較例３～４の析出反応条件および得られた多結晶シリコン棒の評価結果を纏めた表である。なお、反応温度、反応圧力、原料ガス種類、原料ガス濃度、原料の時間当たり総供給量、および、生産により得られた最終的な多結晶シリコン棒直径は何れも同じとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
表１～３に示す結果から明らかなとおり、比較例１～４では何れもポップコーンの発生率が高くしかも析出反応中の粉の発生が認められているのに対し、実施例１～２ではポップコーンの発生率が大幅に低下しておりしかも析出反応中の粉の発生は認められなかった。
　このように、本発明の多結晶シリコン製造装置を用いることにより、仮想同心円の内側に配置された原料ガス供給ノズルから噴出された原料ガスにより、反応炉内の循環流れが反応炉中心部の上昇気流と反応炉内壁に沿った下降気流とに明確に区分され形成されるため、反応炉内に局部的に閉じた循環流の発生による不適切な高温域の形成が抑制され、多結晶シリコン表面のポップコーン発生を抑制して高品質な多結晶シリコンを得ることができる。
　また、多結晶シリコン棒周辺の反応ガス流れを効率よく比較的高速に保つことが可能となるため、高速析出反応でありながらも、高速循環を用いずに原料ガスの増量により高速析出反応を行う従来方法が抱えているコスト上昇という問題も解決することが可能となる。
　本発明は、反応炉内で大量の循環流れを効率よく発生させ炉内に高速の反応ガス流れを形成し、これにより、多結晶シリコン棒近傍の反応ガス流速を確保し、反応炉内ガス温度の局所的な上昇を防止し、高速析出反応でありながらも多結晶シリコン表面のポップコーン発生を抑制、粉の発生による重金属汚染、突起状異常析出の無い多結晶シリコン棒を得る技術を提供する。
１００　反応炉
１　ベルジャ
２　のぞき窓
３　冷媒入口（ベルジャ）
４　冷媒出口（ベルジャ）
５　底板
６　冷媒入口（底板）
７　冷媒出口（底板）
８　反応排ガス出口
９　ガス供給ノズル
９ａ　ノズルチップ
１０　電極
１１　芯線ホルダ
１２　シリコン芯線
１３　多結晶シリコン棒
１４　ガス流量制御部

Claims (7)

  1. 　シーメンス法により多結晶シリコンを製造するための多結晶シリコン製造装置であって、
    ベルジャと円盤状の底板とにより内部が密閉される反応炉と、
    前記ベルジャ内部に所望の流量で原料ガスを供給するガス流量制御部と、を備え、
    前記底板には、複数のシリコン芯線に通電するための電極対と、前記ベルジャの内部空間に原料ガスを供給するためのガス供給ノズルが少なくとも１つ設けられており、
    前記ガス供給ノズルは、前記底板の中央に中心を有する仮想同心円であって前記円盤状の底板の面積Ｓ０の半分の面積Ｓ（＝Ｓ０／２）を有する仮想の同心円の内側に配置され、且つ、前記ガス供給ノズルの１つは前記底板の中央に配置されており、
    前記ガス流量制御部は、前記ガス供給ノズルからの噴出原料ガスを１５０ｍ／ｓｅｃ以上の流速で制御可能である、
    ことを特徴とする多結晶シリコン製造装置。
  2. 前記底板の中央に配置されているガス供給ノズルを除くガス供給ノズルは、前記底板の中央に中心を有する第２の仮想同心円に内接する正多角形の頂点の位置に配置されている、
    請求項１に記載の多結晶シリコン製造装置。
  3. 　前記反応炉が備えるベルジャの内部空間の高さは２ｍ以上５ｍ以下であり、
    前記第２の仮想同心円の半径は２０～７０ｃｍである、
    請求項２に記載の多結晶シリコン製造装置。
  4. 　前記正多角形は正ｎ角形（ｎは３以上で８以下の整数）である、請求項２に記載の多結晶シリコン製造装置。
  5. 　前記ガス供給ノズルのガス噴出孔の直径は７ｍｍφ～２０ｍｍφである、請求項１乃至４の何れか１項に記載の多結晶シリコン製造装置。
  6. 　請求項１乃至４の何れか１項に記載の多結晶シリコン製造装置を用い、前記ガス供給ノズルから１５０ｍ／ｓｅｃ以上の流速で原料ガスを噴出させて前記シリコン芯線の表面に多結晶シリコンを析出させる、多結晶シリコンの製造方法。
  7. 　前記ガス供給ノズルの１本当たりの原料ガスの噴出量を３００ｋｇ／ｈｒ以上とする、請求項６に記載の多結晶シリコンの製造方法。
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