WO2013125209A1 - 多結晶シリコンおよび多結晶シリコン製造装置 - Google Patents

多結晶シリコンおよび多結晶シリコン製造装置 Download PDF

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gas
nozzles
polycrystalline silicon
bottom plate
oblique
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Inventor
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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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/035—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds in the presence of heated filaments of silicon, carbon or a refractory metal, e.g. tantalum or tungsten, or in the presence of heated silicon rods on which the formed silicon is deposited, a silicon rod being obtained, e.g. Siemens process

Definitions

  • the present invention relates to a technique for producing polycrystalline silicon, and more particularly to the arrangement of a raw material gas supply nozzle provided in a reaction furnace for producing polycrystalline silicon by the Siemens method.
  • Polycrystalline silicon is used as a raw material for a single crystal silicon substrate for manufacturing semiconductor devices and a substrate for manufacturing solar cells.
  • Monosilane or chlorosilane is used as a raw material gas for the production of polycrystalline silicon.
  • Siemens method a raw material gas containing chlorosilane is brought into contact with a heated silicon core wire, so that polycrystalline silicon is deposited on the surface of the silicon core wire. Silicon rods are obtained by vapor phase growth by CVD. *
  • the major factors affecting the deposition rate in the deposition reaction of polycrystalline silicon are the surface temperature of the silicon rod, the chlorosilane concentration in the reaction gas in the reaction furnace, and the mixed state of the reaction gas in the vicinity of the silicon rod surface. In order to reduce the popcorn caused by unevenness on the surface of the silicon rod and maintain a good surface, it is important to control these factors under an appropriate balance.
  • the productivity is lowered.
  • the gas flow rate on the surface of the silicon rod is maintained while keeping the precipitation reaction rate sufficiently high by keeping the surface of the silicon rod relatively high. It is necessary to improve the mixing state of the reaction gas by increasing the ratio.
  • the surface temperature of the polycrystalline silicon rod during the precipitation reaction is as high as about 900 to 1200.degree. Therefore, if the reaction gas continues to stay locally in the reaction furnace, the temperature of the staying gas rises to near 900 to 1200 ° C. Therefore, in order to keep the reaction gas temperature below about 600 ° C., it is necessary to efficiently cool the reaction gas circulating in the reaction furnace.
  • the present invention has been made in view of the problems as described above.
  • the object of the present invention is to manufacture polycrystalline silicon using a large-sized reactor, while the high-speed precipitation reaction is performed on the surface of the polycrystalline silicon.
  • An object of the present invention is to provide a technique for suppressing the generation of popcorn and preventing the generation of powder due to thermal decomposition of a reaction gas (raw material gas).
  • the present invention speeds up the reaction gas flow by efficiently generating a large amount of circulating flow in the reactor, thereby improving the mixing state of the raw material gas near the surface of the polycrystalline silicon rod.
  • the purpose is to provide a technique for keeping the temperature of the reaction gas uniform in the reactor.
  • the polycrystalline silicon manufacturing apparatus has the following configuration.
  • a polycrystalline silicon manufacturing apparatus for manufacturing polycrystalline silicon by the Siemens method, comprising a reaction furnace whose inside is sealed by a bell jar and a disk-shaped bottom plate, and a silicon core wire is held on the bottom plate And a plurality of gas supply nozzles for supplying reaction gas to the internal space of the bell jar, and a plurality of gas supply nozzles for supplying a reaction gas to the internal space of the bell jar.
  • the reaction gas rises from the center of the bottom plate and forms a circulating flow that descends along the inner wall of the bell jar, and at least one of the plurality of gas supply nozzles One is a virtual circle having a center vector of gas ejection centered at the center of the bottom plate, and the at least one gas supply Position of nozzle is oblique ejection nozzle has a component in the tangential direction of the virtual circle in the circumference.
  • a plurality of the oblique ejection nozzles are provided on the circumference of the virtual circle, and any of the tangential components of the central vector of the gas ejected from the plurality of oblique ejection nozzles is When the virtual circle is viewed from above the bottom plate, it is clockwise or counterclockwise.
  • m (m is an even number) of the oblique ejection nozzles are provided on the circumference of the same imaginary circle, the center of the imaginary circle is sandwiched when viewed from the position of one oblique ejection nozzle.
  • Other oblique jet nozzles are arranged at symmetrical positions.
  • n oblique nozzles are provided on the circumference of the same virtual circle (n is an odd number of 3 or more), the n oblique nozzles are n times symmetrical on the virtual circle. Placed in position.
  • a gas ejection center vector having a component in the vertical direction larger than a component in the horizontal direction with respect to the bottom plate among the plurality of gas supply nozzles.
  • a mode in which all the gas supply nozzles are arranged inside a virtual circle having a center at the center of the bottom plate and having an area S ( S 0/2 ) that is half the area S 0 of the bottom plate It can be.
  • the polycrystalline silicon manufacturing apparatus according to the present invention may be an aspect having the following configuration.
  • a polycrystalline silicon manufacturing apparatus for manufacturing polycrystalline silicon by the Siemens method, comprising a reaction furnace whose inside is sealed by a bell jar and a disk-shaped bottom plate, and a silicon core wire is held on the bottom plate And a plurality of gas supply nozzles for supplying reaction gas to the internal space of the bell jar, and at least one of the gas supply nozzles is a center of gas ejection
  • Each of the vertical ejection nozzles is an imaginary circle having a center at the center of the bottom plate and has an area S that is half of the area S 0 of the bottom plate.
  • the polycrystalline silicon according to the present invention is manufactured using the above-described polycrystalline silicon manufacturing apparatus.
  • the entire agitation is performed by the circulation flow of the reaction gas in the entire reactor formed by the updraft formed in the center of the reactor and the downflow formed in the periphery of the reactor. Is promoted.
  • Such a circulation flow makes the reaction gas mixed well, and as a result, variation in the raw material gas concentration and local stagnation are prevented.
  • not only the popcorn generation on the surface of the polycrystalline silicon is suppressed, but also heavy metal contamination and abnormal precipitation due to the generation of powder are suppressed, and a high-quality polycrystalline silicon rod can be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a configuration of a reaction furnace 100 when a polycrystalline silicon rod is manufactured according to the present invention. It is a figure for demonstrating notionally the mode of circulation of the reaction gas by the natural convection generate
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an arrangement of gas nozzles on a bottom plate in Example 1.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an arrangement of gas nozzles on a bottom plate in Example 2. 6 is a diagram showing the arrangement of gas nozzles on the bottom plate in Comparative Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a reaction furnace 100 when manufacturing a polycrystalline silicon rod according to the present invention.
  • the reaction furnace 100 is an apparatus for obtaining a polycrystalline silicon rod 11 by vapor-phase-growing polycrystalline silicon on the surface of the silicon core wire 12 by the Siemens method, and includes a base plate (bottom plate) 5 and a bell jar (chamber) 1.
  • the base plate 5 has a metal electrode 10 for supplying current to the silicon core wire 12, a gas nozzle (gas supply nozzle) 9 for supplying process gas (reaction gas) such as nitrogen gas, hydrogen gas, trichlorosilane gas, and exhaust gas.
  • a reaction exhaust gas outlet 8 is disposed.
  • FIG. 1 shows a state where two gas nozzles 9 are arranged, the number of gas nozzles 9 is not limited to this, and three or more gas nozzles 9 may be arranged.
  • the bell jar 1 is provided with a refrigerant inlet 3 and a refrigerant outlet 4 for cooling the bell jar 1 and a viewing window 2 for visually confirming the inside.
  • the base plate 5 is also provided with a refrigerant inlet 6 and a refrigerant outlet 7 for cooling it.
  • FIG. 1 shows a state in which two pairs of torii-shaped silicon core wires 12 are arranged in the bell jar 1, but the number of pairs of the silicon core wires 12 is not limited to this, and three or more pairs of silicon core wires 12 are arranged.
  • a plurality of silicon core wires 12 may be arranged.
  • FIG. 1 also shows a carbon heater 13 that is supplied with electric power from a power supply 15 and radiates and heats the surface of the silicon core wire 12 for initial heating of the silicon core wire 12 that is performed prior to the start of the polycrystalline silicon precipitation reaction.
  • the carbon heater 13 is provided for the purpose of reducing the voltage applied to the silicon core wire 12 during initial energization by reducing the resistance of the silicon core wire 12 by radiant heating. After the radiation heating, initial energization of the silicon core wire 12 is started, and when a reaction gas (mixed gas of source gas and carrier gas) is flowed in a state where the surface temperature has reached about 900 to 1200 ° C., the silicon core wire 12 is moved onto the surface. The deposition of polycrystalline silicon begins.
  • a reaction gas mixed gas of source gas and carrier gas
  • FIG. 2 is a diagram for conceptually explaining the state of reaction gas circulation by natural convection generated in the bell jar 1.
  • the trichlorosilane gas is a polycrystalline silicon source gas
  • the surface temperature of the polycrystalline silicon rod during the precipitation reaction is about 900 to 1200 ° C.
  • the temperature of the reaction gas circulating in the bell jar 1 is about 400 to 700. ° C.
  • a remarkable reaction gas temperature difference is generated around the polycrystalline silicon rod.
  • Such a difference in reaction gas temperature causes a difference in reaction gas density, thereby generating an updraft.
  • the reaction is performed by making the reaction gas supply conditions appropriate from the gas nozzle 9 (vertical ejection nozzle) in which the direction (C) of the gas ejection center vector is perpendicular to the bottom plate.
  • the gas nozzle 9 vertical ejection nozzle
  • an ascending air current (F a ) is formed in the inner region of the bottom plate
  • a descending air current (F d ) is formed along the inner wall of the bell jar 1 corresponding to the outer region of the bottom plate.
  • a total circulation flow is created to improve the mixing state of the reaction gas, and variations in the raw material gas concentration and local stagnation are prevented.
  • the reaction gas rises from the central portion of the bottom plate and forms an overall circulation flow that falls along the inner wall of the bell jar.
  • the reaction gas in addition to the reaction gas mixture by the whole circulation flow formed by such natural convection, the reaction gas circulates in the chamber 1 while swirling. In this way, the reaction gas is supplied to improve the mixing state of the reaction gas.
  • FIGS. 3A to 3D show the state of arrangement of the oblique ejection nozzle provided in the present invention on the bottom plate (FIG. 3A), the vector components of the reaction gas ejected from the oblique ejection nozzle (FIG. 3B), and the oblique ejection nozzle, respectively.
  • FIG. 3 is a diagram for conceptually explaining the ejection direction of the reaction gas supplied in the bell jar (FIG. 3C) and the state of the entire circulation flow formed by the reaction gas supplied from the oblique ejection nozzle (FIG. 3D). is there.
  • FIG. 3A shows a state of arrangement of the gas nozzles 9 when viewed from above the bottom plate 5.
  • the six gas nozzles 9 are located at six-fold symmetrical positions on a virtual circle S centered at the center of the bottom plate 5.
  • the four gas nozzles 9v are vertical jet nozzles in which the direction of the center vector of the gas jet is a direction perpendicular to the bottom plate 5, and the two gas nozzles 9c have the center vector of the gas jet in the tangential direction of the virtual circle S.
  • It is an oblique injection nozzle which has a component (arrow in a figure).
  • FIG. 3B shows a vector component of the reaction gas ejected from the above-described oblique ejection nozzle 9c.
  • the reaction gas is ejected from the ejection port of the oblique ejection nozzle 9c with a certain degree of spread.
  • this vector is a component perpendicular to the bottom plate 5, and a component tangential to the imaginary circle S described above.
  • a radial component of the virtual circle S That is, the reaction gas is ejected from the oblique ejection nozzle 9 c in a direction having an inclination with respect to the direction perpendicular to the bottom plate 5.
  • the positive and negative of the three vector components of the central vector C are defined.
  • the component (Vv) in the direction perpendicular to the bottom plate 5 the upper side is positive and the lower side is negative.
  • Vv is practically never negative.
  • the tangential component (Vc) of the virtual circle S when the virtual circle S is viewed from above the bottom plate 5, the clockwise direction is positive and the counterclockwise direction is negative. Therefore, in the embodiment illustrated in FIG. 3A, Vc is negative.
  • the radial component (Vd) of the virtual circle S the direction toward the center of the virtual circle S (the center O of the bottom plate 5) is positive, and the direction toward the inner wall surface of the bell jar 1 is negative.
  • the oblique injection nozzle 9c is required to have a vector component Vc whose magnitude is not zero.
  • the signs of the vector components Vc need to be positive or negative.
  • the center vector of the vertical ejection nozzle 9v is only Vv and does not have the vector component Vc and the vector component Vd.
  • FIG. 3C illustrates the ejection direction of the reactive gas supplied from the above-described oblique ejection nozzle 9 c in the bell jar, and the center vector C of the gas ejection is inclined with respect to the direction perpendicular to the bottom plate 5.
  • an updraft (F a ) is formed in the inner region of the bottom plate in the reaction space, while a downdraft (F d) along the inner wall of the bell jar 1 corresponding to the outer region of the bottom plate. ) Is formed.
  • the vertical ejection nozzle 9v and the state of reaction gas supply from the nozzle are omitted.
  • the reaction gas supplied from the oblique injection nozzle 9c gives a swirl force to the circulation of the reaction gas in the chamber 1 by the component in the tangential direction of the virtual circle S, and the reaction gas swirls in the chamber 1 A state of total circulation is formed (FIG. 3D).
  • the swirl component further improves the mixing state of the reaction gas.
  • the polycrystalline silicon manufacturing apparatus is a polycrystalline silicon manufacturing apparatus for manufacturing polycrystalline silicon by the Siemens method, and the interior is formed by the bell jar 1 and the disc-shaped bottom plate 5.
  • a closed reaction furnace is provided, and a plurality of gas nozzles (gas supply nozzles) 9 for supplying reaction gas to the internal space of the bell jar 1 are provided on the bottom plate 5, and at least of the plurality of gas supply nozzles 9.
  • One is a virtual circle S in which the center vector of gas ejection is centered on the center of the bottom plate 5, and the component is arranged in the tangential direction of the virtual circle S where the position of the at least one gas supply nozzle is on the circumference.
  • the oblique jet nozzle 9c has a configuration.
  • a plurality of such oblique ejection nozzles 9c may be provided.
  • these oblique ejection nozzles 9c are arranged on the circumference of the virtual circle S, and the plurality of oblique ejection nozzles 9c.
  • the components in the tangential direction of the center vector of the gas ejected from the gas are configured to be clockwise or counterclockwise when the virtual circle S is viewed from above the bottom plate 5.
  • Patent Document 4 A gas nozzle in which the center vector of the jet gas has a component in a direction other than vertically above is disclosed in WO 2010/098319 (Patent Document 4).
  • the gas nozzle jets the reaction gas in the horizontal direction (that is, negative according to the above definition) from the center of the bottom plate toward the outside (inside the bell jar inner wall), thereby the silicon core wire. Used to cool the bottom.
  • the use in such a mode results in suppressing the entire circulation of the reaction gas generated in the reaction space in the bell jar. That is, in the gas nozzle disclosed in Patent Document 4, mixing of the reaction gas due to the entire circulation flow is suppressed.
  • the oblique ejection nozzle 9c used in the present invention is completely different in both of its purpose and effect.
  • the arrangement of the oblique ejection nozzles on the bottom plate 5 can be various.
  • FIG. 4A and FIG. 4B are diagrams for explaining the arrangement of the oblique ejection nozzles on the bottom plate 5 by way of example, and show the arrangement of the gas nozzles 9 when viewed from above the bottom plate 5.
  • 7 single gas nozzle 9 is disposed on the bottom plate 5, of which three are a vertical ejection nozzle 9v, 4 one is a vertical ejection nozzle 9c 1 ⁇ 4.
  • One of the three vertical ejection nozzles 9v is disposed at the center of the bottom plate, and the remaining two are disposed on the circumference of the virtual circle S.
  • the four vertical ejection nozzles 9c 1 to 4 are all arranged on the circumference of the virtual circle S in the direction in which Vc is negative.
  • another oblique ejection nozzle is disposed at a symmetrical position across the center of the virtual circle S when viewed from the arrangement position.
  • vertical ejection nozzle 9c 1 and vertical jet nozzle 9c 3 respectively, and vertical jet nozzle 9c 2 vertical ejection nozzle 9c 4 are arranged in the symmetrical position.
  • Figure 4B 7 single gas nozzle 9 in aspect is disposed on the bottom plate 5 shown in a of which one is vertical jet nozzle 9v, the rest of the six is the vertical ejection nozzle 9c 1 ⁇ 6.
  • the vertical ejection nozzle 9v is arranged at the center of the bottom plate, and among the six vertical ejection nozzles 9c 1 to 6 , the vertical ejection nozzles 9c 1 to 3 are arranged on the circumference of the virtual circle S 1 and the vertical ejection nozzles 9c 4 to 6 It is disposed on the circumference of the virtual circle S 2.
  • the six vertical ejection nozzles 9c 1 to 6 are all arranged on the virtual circumference so that Vc is negative.
  • the three oblique ejection nozzles are arranged at three-fold symmetry positions on the virtual circle.
  • m oblique nozzles are provided on the circumference of the same imaginary circle (m is an even number), other symmetric positions sandwiching the center of the imaginary circle as viewed from the position where one oblique nozzle is disposed.
  • the oblique jet nozzle is arranged.
  • n oblique ejection nozzles are provided on the circumference of the same virtual circle (n is an odd number of 3 or more), the n oblique ejection nozzles are n times symmetrical on the virtual circle. Is arranged.
  • the magnitude of the vector component Vc described above is preferably set to be equal to or smaller than the magnitude of the vector component Vv, more preferably 0.7. Is less than double.
  • the magnitude of Vc is 0.05 times or less than the magnitude of Vv, there is a possibility that the turning effect cannot be sufficiently obtained.
  • the gas nozzle In order to efficiently promote the overall circulation of the reaction gas in the chamber 1, the gas nozzle is used so that the magnitudes of the vector components Vv, Vc and Vd of the center vector of the jet gas are appropriate. It is necessary to devise the arrangement of.
  • S h When placing inside the imaginary circle S h, leading to obtaining a finding that the whole circulation of the reaction gas in the chamber 1 is efficiently promoted.
  • the entire circulation of the reaction gas is efficiently promoted.
  • the vertical jet nozzles on the outer side of the imaginary circle S h the circulating flow of the reaction gas in the chamber 1 acts in a direction to be suppressed.
  • vertical jetting nozzle 9v is the imaginary circle S h while disposed diagrams illustrating the manner in which Vd components outside the imaginary circle S h placed the positive oblique ejection nozzle 9d.
  • the gas nozzle arranged outside of the virtual circle is obtained by the oblique ejection nozzle having a component in the direction of the center vector of the gas injection is directed toward the center of the virtual circle S h.
  • the arrangement of the gas nozzles 9 preferable for efficiently promoting the overall circulation in the bell jar formed by the ascending air current in the central region of the bell jar, the descending air flow along the inner wall of the bell jar and the swirling flow is summarized as follows.
  • These gas nozzles 9 may all be vertical ejection nozzles 9v, but at least some of the gas nozzles 9 are virtual circles in which the center vector of the gas ejection is centered at the center of the bottom plate 5, and the arrangement positions of the gas nozzles Is more preferably the oblique ejection nozzle 9c having a component in the tangential direction of the virtual circle on the circumference.
  • the Vc components of all the oblique ejection nozzles 9c are all positive or negative, and the sizes are preferably substantially equal.
  • oblique ejection nozzles 9c it is preferable to arrange such a plurality of oblique ejection nozzles 9c on the circumference of the same imaginary circle. Furthermore, when there are an even number of oblique ejection nozzles 9c, from the position where one oblique ejection nozzle is arranged. Accordingly, other oblique ejection nozzles are arranged at symmetrical positions across the center of the virtual circle, and when the oblique ejection nozzles 9c are an odd number (n) of 3 or more, these oblique ejection nozzles are It is preferable that they are arranged at n-fold symmetrical positions on the virtual circle.
  • magnitude of the vector component Vd of the virtual circle oblique ejection nozzle 9c disposed inside of S h is less than 0.5 times the vector component Vv.
  • the magnitude of the vector component Vc described above is preferably set to be equal to or smaller than the magnitude of the vector component Vv, more preferably 0.7. Is less than double.
  • the magnitude of Vc is 0.05 times or less than the magnitude of Vv, there is a possibility that the turning effect cannot be sufficiently obtained.
  • FIGS. 6A and 6B are cross-sectional examples of the vertical ejection nozzle 9v and the oblique ejection nozzles 9c and 9d, respectively.
  • the ejection port of the vertical ejection nozzle 9v is designed so that the direction of the center vector of the ejection gas is perpendicular to the bottom plate.
  • the jet outlets of the oblique jet nozzles 9c and 9d are designed such that the direction of the center vector of the jet gas has an inclination ⁇ and a direction perpendicular to the bottom plate.
  • the blowing speed of the gas ejected from these gas nozzles is appropriately designed depending on the number of nozzles provided in the bell jar and the arrangement relationship and the direction of the center vector of gas jetting of the gas nozzles arranged. In the case of about 5 m, a strong entrainment force to the surrounding gas can be obtained by setting the gas jet velocity to a value exceeding 150 m / sec.
  • FIG. 7A is a diagram illustrating the arrangement of the gas nozzles 9 on the bottom plate 5 in the first embodiment.
  • Six gas nozzles 9 are installed at symmetrical positions on the circumference of a concentric circle SR / 2 whose radius is half of the radius R of the bottom plate 5, of which four are vertical jet nozzles 9v and two are oblique jet nozzles 9c. It is.
  • Polycrystalline silicon was manufactured under the operating conditions summarized in Table 1 with such a gas nozzle arrangement.
  • the gas ejection rate and ejection speed from each gas nozzle were adjusted to be approximately equal, and the gas ejection speed when the gas supply amount reached the maximum was 170 m / sec.
  • FIG. 7B is a diagram illustrating the arrangement of the gas nozzles 9 on the bottom plate 5 in the second embodiment.
  • Six vertical jet nozzles 9v are arranged at symmetrical positions on the circumference of a concentric circle SR / 2 whose radius is half of the radius R of the bottom plate 5, and four oblique jet nozzles 9d are symmetrically arranged near the inner wall of the bell jar. Arranged.
  • Polycrystalline silicon was manufactured under the operating conditions summarized in Table 1 with such a gas nozzle arrangement.
  • the gas ejection amount and ejection speed from the vertical ejection nozzle 9v are adjusted to be substantially equal, the gas ejection amount from the oblique ejection nozzle 9d is half that of the vertical ejection nozzle 9v, and the gas ejection speed is vertical. It was equal to the ejection nozzle 9v.
  • the total gas supply amount was the same as in Example 1.
  • the gas ejection speed at the time when the gas supply amount reached the maximum was 150 m / sec.
  • FIG. 7C is a diagram showing the arrangement of the gas nozzles 9 on the bottom plate 5 in Comparative Example 1, and 18 vertical ejection nozzles 9v are installed on the bottom plate 5 almost uniformly.
  • Polycrystalline silicon was manufactured under the operating conditions summarized in Table 1 with such a gas nozzle arrangement.
  • the amount of gas ejection from the vertical ejection nozzle 9v and the ejection speed were adjusted to be substantially equal.
  • the total gas supply amount was the same as in Example 1.
  • the gas ejection speed at the time when the gas supply amount reached the maximum was 50 m / sec.
  • the circulation flow of the reaction gas is caused in the entire reaction furnace by the updraft formed in the center of the reaction furnace and the downflow formed in the periphery of the reaction furnace. It is formed.
  • Such a circulation flow provides a favorable reaction gas mixing state, and as a result, variation in the raw material gas concentration and local stagnation are prevented.
  • not only the popcorn generation on the surface of the polycrystalline silicon is suppressed, but also heavy metal contamination and abnormal precipitation due to the generation of powder are suppressed, and a high-quality polycrystalline silicon rod can be obtained.

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Abstract

　６つのガスノズル９が底板５の中央に中心を有する仮想円Ｓ上の６回対称位置に配置されている。このうち、４つのガスノズル９ｖは、ガス噴出の中心ベクトルの方向が底板５に垂直な方向である鉛直噴出ノズルであり、２つのガスノズル９ｃは、ガス噴出の中心ベクトルが仮想円Ｓの接線方向に成分を有している斜方噴出ノズルである。斜方噴出ノズル９ｃから供給される反応ガスは、その仮想円Ｓの接線方向に成分により、チャンバ１内での反応ガスの循環に旋回力を付与し、反応ガスがチャンバ１内を旋回しながら全体循環する状態を形成する。そして、この旋回成分により反応ガスの混合状態は更に良好なものとなる。

Description

多結晶シリコンおよび多結晶シリコン製造装置
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内に設けられる原料ガス供給ノズルの配置に関する。
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にはモノシランやクロロシランが原料ガスとして用いられるが、シーメンス法では、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を得ている。　
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、一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ポップコーンと呼ばれる品質異常を生ずる。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速度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さまざま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さまざま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 ＷＯ２０１０／０９８３１９号パンフレット
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の混合状態である。シリコン棒表面の凸凹に起因するポップコーン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。　
シリコン棒の表面温度を下げれば表面のポップコーンの発生は抑制されるが、温度低下により析出反応速度も低下するため生産性は低下してしまう。高い生産性を担保しつつシリコン棒表面のポップコーン発生を抑制するためには、シリコン棒の表面を比較的高温にして析出反応速度を十分に高い状態に維持しつつ、シリコン棒表面でのガス流速を高くして反応ガスの混合状態を良好なものとすることが必要となる。　
また、反応装置の大型化に伴い、反応ガスの流れは複雑になり局所的な滞留部が発生しやすくなっている。このような局所的なガス滞留部が生じると炉内ガス濃度のバラツキや局所的な温度の異常上昇が生じ易く、局所的なポップコーンの発生や後述の反応中の粉の発生原因になると考えられる。このような問題を解決するためには、反応炉内に供給される大量のガスが循環流を形成するようにして、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。　
ところで、反応ガスの温度が局所的に６００℃を超えると、クロロシランの副生成物に起因する大量の粉が炉内で発生することが知られている。反応中に生成された粉は、金属製のベルジャの内面に付着した後に剥離してシリコン棒の表面に付着するため、重金属汚染の原因になると考えられている。また、このような粉がシリコン棒表面に付着すると、突起状の異常成長や、多結晶シリコン棒から得られる多結晶シリコン塊の純度低下の原因にもなる。　
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、反応炉内で反応ガスが局部的に滞留を続けると、滞留ガスの温度は９００～１２００℃近くにまで上昇してしまう。従って、反応ガス温度を６００℃程度以下に保つためには、反応炉内で循環する反応ガスを効率よく冷却する必要がある。　
　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、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を抑制し且つ反応ガス（原料ガス）の熱分解に起因する粉の発生を防止する技術を提供することにある。
　より具体的には、本発明は、反応炉内で大量の循環流れを効率的に生じさせることにより反応ガス流れを高速にし、これにより多結晶シリコン棒表面近傍での原料ガスの混合状態を良好なものとするとともに反応炉内での反応ガスの温度を一様に保つ技術の提供を目的としている。
　上記課題を解決するために、本発明に係る多結晶シリコン製造装置は、下記の構成を有する。
　すなわち、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を備え、前記底板には、シリコン芯線を保持するとともに該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反応ガスを供給するためのガス供給ノズルが複数設けられており、前記複数のガス供給ノズルは、前記ベルジャの内部空間において、多結晶シリコンの析出反応中、前記反応ガスが前記底板の中央部から上昇するとともに前記ベルジャの内壁に沿って下降する循環流を形成する配置とされており、前記複数のガス供給ノズルの少なくとも１つは、ガス噴出の中心ベクトルが、前記底板の中央に中心を有する仮想円であって前記少なくとも１つのガス供給ノズルの配置位置が円周上にある仮想円の接線方向に成分を有している斜方噴出ノズルである。
　好ましくは、前記斜方噴出ノズルは前記仮想円の円周上に複数設けられており、該複数の斜方噴出ノズルから噴出されるガスの前記中心ベクトルの前記接線方向の成分は何れも、前記仮想円を前記底板の上方から見た場合に時計方向又は反時計方向である。
　また、好ましくは、前記斜方噴出ノズルが同一仮想円の周上にｍ個（ｍは偶数）設けられている場合に、１つの斜方噴出ノズルの配置位置からみて前記仮想円の中心を挟む対称位置に他の斜方噴出ノズルが配置されている。
　若しくは、前記斜方噴出ノズルが同一仮想円の周上にｎ個（ｎは３以上の奇数）設けられている場合に、該ｎ個の斜方噴出ノズルが、前記仮想円上のｎ回対称位置に配置されている。
　このような多結晶シリコン製造装置は、前記循環流を形成するために、前記複数のガス供給ノズルのうち、前記底板に対して垂直方向の成分が水平方向の成分より大きなガス噴出の中心ベクトルを有するガス供給ノズルを全て、前記底板の中央に中心を有する仮想円であって前記底板の面積Ｓ０の半分の面積Ｓ（＝Ｓ０／２）を有する仮想円の内側に配置されている態様とすることができる。
　本発明に係る多結晶シリコン製造装置は、下記の構成を備える態様でもあり得る。
　すなわち、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を備え、前記底板には、シリコン芯線を保持するとともに該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反応ガスを供給するためのガス供給ノズルが複数設けられており、前記ガス供給ノズルの少なくとも１つは、ガス噴出の中心ベクトルの方向が前記底板に垂直な方向である鉛直噴出ノズルであり、該鉛直噴出ノズルは何れも、前記底板の中央に中心を有する仮想円であって前記底板の面積Ｓ０の半分の面積Ｓ（＝Ｓ０／２）を有する仮想円の内側に配置され、さらに、前記仮想円の外側に斜方噴出ノズルを備え、該斜方噴出ノズルは、ガス噴出の中心ベクトルが前記仮想円の中心に向かう方向に成分を有しているガス供給ノズルである。
　本発明に係る多結晶シリコンは、上述の多結晶シリコン製造装置を用いて製造される。
　本発明に係る多結晶シリコン製造装置では、反応炉中心部に形成される上昇気流と反応炉周辺部に形成される下降気流によって形成される反応炉内全体での反応ガスの循環流れにより全体攪拌が促進される。そして、このような循環流れにより反応ガスの混合状態が良好なものとなり、その結果、原料ガス濃度のばらつき及び局部的滞留が防止される。これにより、多結晶シリコン表面のポップコーン発生が抑制されるだけでなく、粉の発生に起因する重金属汚染や突起状異常析出も抑制され、高品質な多結晶シリコン棒を得ることが可能となる。
本発明により多結晶シリコン棒を製造する際の反応炉１００の構成の一例を示す断面概略図である。 反応炉内で発生する自然対流による反応ガスの循環の様子を概念的に説明するための図である。 本発明が備える斜方噴出ノズルの底板上での配置の様子を概念的に説明するための図である。 斜方噴出ノズルから噴出する反応ガスのベクトル成分を説明するための図である。 斜方噴出ノズルから供給される反応ガスのベルジャ内での噴出方向を概念的に説明するための図である。 斜方噴出ノズルから供給された反応ガスが形成する全体循環流の様子を概念的に説明するための図である。 斜方噴出ノズルの底板上での配置の態様を例示により説明するための図である。 斜方噴出ノズルの底板上での配置の態様を例示により説明するための図である。 ガスノズルを鉛直噴出ノズルのみとし全ての鉛直噴出ノズルを仮想円Ｓｈの内側に配置した態様を示す図である。 鉛直噴出ノズルは仮想円Ｓｈの内側に配置する一方、仮想円Ｓｈの外側にＶｄ成分が正の斜方噴出ノズルを配置した態様を示す図である。 鉛直噴出ノズルの断面図例である。 斜方噴出ノズルの断面図例である。 実施例１における底板上でのガスノズルの配置を示す図である。 実施例２における底板上でのガスノズルの配置を示す図である。 比較例１における底板上でのガスノズルの配置を示す図である。
　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、本発明により多結晶シリコン棒を製造する際の反応炉１００の構成の一例を示す断面概略図である。反応炉１００は、シーメンス法によりシリコン芯線１２の表面に多結晶シリコンを気相成長させ、多結晶シリコン棒１１を得る装置であり、ベースプレート（底板）５とベルジャ（チャンバ）１により構成される。
　ベースプレート５には、シリコン芯線１２に電流を供給する金属電極１０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（反応ガス）を供給するガスノズル（ガス供給ノズル）９と、排気ガスを排出する反応排ガス出口８が配置されている。なお、図１では、ガスノズル９を２つ配置した状態を示したが、ガスノズル９の数はこれに限定されるものではなく、３つ以上配置してもよい。
　ベルジャ１には、これを冷却するための冷媒入口３と冷媒出口４および内部を目視確認するためののぞき窓２が設けられている。また、ベースプレート５にも、これを冷却するための冷媒入口６と冷媒出口７が設けられている。
　金属電極１０の頂部にはシリコン芯線１２を固定するためのカーボン製の芯線ホルダ１４を設置する。シリコン芯線１２乃至多結晶シリコン棒１１は、電力供給回路１６からの通電により加熱される。なお、図１では、ベルジャ１内に２対の鳥居型に組まれたシリコン芯線１２を配置した状態を示したが、シリコン芯線１２の対数はこれに限定されるものではなく、３対以上の複数のシリコン芯線１２を配置してもよい。
　また、図１には、多結晶シリコンの析出反応開始に先立って行われるシリコン芯線１２の初期加熱用として、電源１５から電力供給されシリコン芯線１２表面を輻射加熱するためのカーボンヒータ１３を図示した。このカーボンヒータ１３は、輻射加熱によりシリコン芯線１２の抵抗を下げることにより初期通電時のシリコン芯線１２への印加電圧を低く抑えるのを目的に設けられているものである。この輻射加熱の後にシリコン芯線１２の初期通電を開始し、表面温度が９００～１２００℃程度に達した状態で反応ガス（原料ガスおよびキャリアガスの混合ガス）を流すと、シリコン芯線１２表面上への多結晶シリコンの析出が始まる。
　図２は、ベルジャ１内で発生する自然対流による反応ガスの循環の様子を概念的に説明するための図である。トリクロロシランガスが多結晶シリコンの原料ガスである場合、析出反応時の多結晶シリコン棒の表面温度は９００～１２００℃程度であり、ベルジャ１内を循環している反応ガスの温度は概ね４００～７００℃である。このため、多結晶シリコン棒の周囲では顕著な反応ガス温度差が生じている。このような反応ガス温度の差は反応ガス密度の差を生じさせ、これにより上昇気流が発生する。
　ベルジャ１内では、多結晶シリコン棒の近傍では上昇気流（Ｆａ）が顕著であり、多結晶シリコン棒から離れた場所では下降気流（Ｆｄ）が顕著となり、これらの気流により循環流が形成される。この循環流は上述の反応ガス温度差に起因して生じた自然対流である。
　図２に示した例では、ガス噴出の中心ベクトルの方向（Ｃ）が底板に垂直な方向であるガスノズル９（鉛直噴出ノズル）からの反応ガスの供給条件を適切なものとすることにより、反応空間において、底板の内側の領域では上昇気流（Ｆａ）が形成される一方、底板の外側の領域に相当するベルジャ１の内壁に沿って下降気流（Ｆｄ）が形成され、ベルジャ１内において全体循環流を作り出して反応ガスの混合状態を良好なものとするとともに原料ガス濃度のばらつき及び局部的滞留を防止している。
　このような多結晶シリコン製造装置では、反応ガスが底板の中央部から上昇するとともにベルジャの内壁に沿って下降する全体循環流を形成するために、ベルジャ内に設けられる複数のガス供給ノズルのうち、底板に対して垂直方向の成分が水平方向の成分より大きなガス噴出の中心ベクトルを有するガス供給ノズルを全て、底板の中央に中心を有する仮想円であって底板の面積Ｓ０の半分の面積Ｓ（＝Ｓ０／２）を有する仮想円の内側に配置されている態様とすることができる。このような配置によれば、上記全体循環流を形成するための、各ガス供給ノズル毎のガス噴出量の複雑な調整が不要となる。
　本発明に係る第１の態様の多結晶シリコン製造装置では、このような自然対流により形成される全体循環流による反応ガスの混合に加え、更に、チャンバ１内で反応ガスが旋回しながら循環するように反応ガスの供給を行って反応ガスの混合状態を更に良好なものとする。
　また、本発明に係る第２の態様の多結晶シリコン製造装置では、ガスノズル９（鉛直噴出ノズル）を底板上に最適配置した上、さらにガス噴出の中心ベクトルが底板中心方向の成分を持つ斜方噴出ノズルを追加することにより、上述の全体循環流による反応ガスの混合を更に効率的なものとする。
　［第１の態様の多結晶シリコン製造装置］
　先ず、反応ガスがチャンバ１内を旋回しながら全体循環する態様について説明する。
　図３Ａ～Ｄはそれぞれ、本発明が備える斜方噴出ノズルの底板上での配置の様子（図３Ａ）、斜方噴出ノズルから噴出する反応ガスのベクトル成分（図３Ｂ）、斜方噴出ノズルから供給される反応ガスのベルジャ内での噴出方向（図３Ｃ）、斜方噴出ノズルから供給された反応ガスが形成する全体循環流の様子（図３Ｄ）、を概念的に説明するための図である。
　図３Ａは、底板５の上方から見た場合のガスノズル９の配置の様子を示しており、この例では６つのガスノズル９が底板５の中央に中心を有する仮想円Ｓ上の６回対称位置に配置されている。このうち、４つのガスノズル９ｖは、ガス噴出の中心ベクトルの方向が底板５に垂直な方向である鉛直噴出ノズルであり、２つのガスノズル９ｃは、ガス噴出の中心ベクトルが仮想円Ｓの接線方向に成分（図中の矢印）を有している斜方噴出ノズルである。
　図３Ｂには、上述の斜方噴出ノズル９ｃから噴出する反応ガスのベクトル成分が示されている。反応ガスは斜方噴出ノズル９ｃの噴射口からある程度の広がりをもって噴出するが、その中心ベクトルに着目すると、このベクトルは、底板５に垂直な方向の成分、上述の仮想円Ｓの接線方向の成分、および、仮想円Ｓの半径方向の成分を有している。つまり、斜方噴出ノズル９ｃからは、底板５に垂直な方向に対して傾きを有する方向へと反応ガスが噴出する。
　ここで、便宜上、上記中心ベクトルＣの３つのベクトル成分の正負を定義しておく。底板５に垂直な方向の成分（Ｖｖ）については、上方を正とし下方を負とするが、ガスノズル９は底板５に設けられるものであるから、事実上、Ｖｖが負となることはない。また、仮想円Ｓの接線方向の成分（Ｖｃ）については、仮想円Ｓを底板５の上方から見た場合に時計方向を正とし反時計方向を負とする。従って、図３Ａに例示した態様のものでは、Ｖｃは何れも負である。さらに、仮想円Ｓの半径方向の成分（Ｖｄ）については、仮想円Ｓの中心（底板５の中央Ｏ）に向かう方向を正としベルジャ１の内壁面に向かう方向を負とする。
　反応ガスの全体循環流に旋回力を付与するためには、斜方噴出ノズル９ｃには、ベクトル成分Ｖｃの大きさが０でないことが求められる。また、斜方噴出ノズル９ｃが複数設けられる場合には、ベクトル成分Ｖｃの符号は何れも正であるか何れも負である必要がある。上述の定義付けに照らすと、鉛直噴出ノズル９ｖの中心ベクトルはＶｖのみであり、ベクトル成分Ｖｃおよびベクトル成分Ｖｄを有していないことになる。
　図３Ｃには、上述の斜方噴出ノズル９ｃから供給される反応ガスのベルジャ内での噴出方向が例示されており、ガス噴出の中心ベクトルＣは、底板５に垂直な方向に対して傾きを有する方向を有しており、反応空間において、底板の内側の領域では上昇気流（Ｆａ）が形成される一方、底板の外側の領域に相当するベルジャ１の内壁に沿って下降気流（Ｆｄ）が形成される。なお、この図では、鉛直噴出ノズル９ｖおよび当該ノズルからの反応ガス供給の様子は省略した。
　斜方噴出ノズル９ｃから供給される反応ガスは、その仮想円Ｓの接線方向に成分により、チャンバ１内での反応ガスの循環に旋回力を付与し、反応ガスがチャンバ１内を旋回しながら全体循環する状態を形成する（図３Ｄ）。そして、この旋回成分により反応ガスの混合状態は更に良好なものとなる。
　つまり、本発明に係る第１の態様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１と円盤状の底板５とにより内部が密閉される反応炉を備えており、底板５にはベルジャ１の内部空間に反応ガスを供給するためのガスノズル（ガス供給ノズル）９が複数設けられており、この複数のガス供給ノズル９の少なくとも１つは、ガス噴出の中心ベクトルが、底板５の中央に中心を有する仮想円Ｓであって上記少なくとも１つのガス供給ノズルの配置位置が円周上にある仮想円Ｓの接線方向に成分を有している斜方噴出ノズル９ｃである構成を有している。
　このような斜方噴出ノズル９ｃは複数個設けられていてもよく、その場合には、これらの斜方噴出ノズル９ｃは仮想円Ｓの円周上に配置され、該複数の斜方噴出ノズル９ｃから噴出されるガスの中心ベクトルの接線方向の成分は何れも、仮想円Ｓを底板５の上方から見た場合に時計方向又は反時計方向である構成とされる。
　なお、噴出ガスの中心ベクトルが鉛直上方以外の方向に成分を有するガスノズルは、ＷＯ２０１０／０９８３１９号パンフレット（特許文献４）に開示がある。特許文献４に開示の発明では、上記ガスノズルは、底板の中央から外側（ベルジャ内壁側）に向けて水平方向（すなわち、上記定義によれば負）に反応ガスを噴出させ、これによりシリコン芯線の下部の冷却を行うために用いられている。しかし、このような態様での使用は、ベルジャ内の反応空間で生じる反応ガスの全体循環を抑制する結果となる。つまり、特許文献４に開示のガスノズルでは、全体循環流による反応ガスの混合は抑制されてしまう。この点において、本発明で用いられる斜方噴出ノズル９ｃとは、その目的および効果の何れにおいても全く異なる。
　なお、斜方噴出ノズルの底板５上での配置の態様は様々なものがあり得る。
　図４Ａおよび図４Ｂは、斜方噴出ノズルの底板５上での配置の態様を例示により説明するための図で、底板５の上方から見た場合のガスノズル９の配置の様子を示している。
　図４Ａに示した態様では、７つのガスノズル９が底板５上に配置されており、そのうち３つが鉛直噴出ノズル９ｖであり、４つが鉛直噴出ノズル９ｃ１～４である。３つの鉛直噴出ノズル９ｖのうち１つは底板の中央に配置され、残りの２つは仮想円Ｓの周上に配置されている。なお、４つの鉛直噴出ノズル９ｃ１～４は何れもＶｃが負となる向きで、仮想円Ｓの周上に配置されている。このとき、１つの斜方噴出ノズルに着目すると、その配置位置からみて仮想円Ｓの中心を挟む対称位置に他の斜方噴出ノズルが配置されている。具体的には、鉛直噴出ノズル９ｃ１と鉛直噴出ノズル９ｃ３、鉛直噴出ノズル９ｃ２と鉛直噴出ノズル９ｃ４はそれぞれ、上記対称位置に配置されている。
　図４Ｂに示した態様でも７つのガスノズル９が底板５上に配置されており、そのうち１つが鉛直噴出ノズル９ｖであり、残りの６つが鉛直噴出ノズル９ｃ１～６である。鉛直噴出ノズル９ｖは底板の中央に配置され、６つの鉛直噴出ノズル９ｃ１～６のうち、鉛直噴出ノズル９ｃ１～３は仮想円Ｓ１の周上に配置され、鉛直噴出ノズル９ｃ４～６は仮想円Ｓ２の周上に配置さている。なお、６つの鉛直噴出ノズル９ｃ１～６は何れもＶｃが負となる向きで、仮想円周上に配置されている。このとき、同一の仮想円の周上に配置されている斜方噴出ノズルに着目すると、３個の斜方噴出ノズルは仮想円上の３回対称位置に配置されている。
　このような配置関係は、下記のように一般的に表現することができる。
　すなわち、斜方噴出ノズルが同一仮想円の周上にｍ個（ｍは偶数）設けられている場合には、１つの斜方噴出ノズルの配置位置からみて仮想円の中心を挟む対称位置に他の斜方噴出ノズルが配置されている。
　もしくは、斜方噴出ノズルが同一仮想円の周上にｎ個（ｎは３以上の奇数）設けられている場合には、該ｎ個の斜方噴出ノズルが、仮想円上のｎ回対称位置に配置されている。
　なお、なるべく少ないガスノズル数で効率的に全体循環を促進するためには、上述したベクトル成分Ｖｃの大きさをベクトル成分Ｖｖの大きさの１倍以下とすることが好ましく、より好ましくは０．７倍以下である。一方、Ｖｃの大きさをＶｖの大きさの０．０５倍以下とした場合には、旋回効果を十分には得られない可能性がある。
　［第２の態様の多結晶シリコン製造装置］
　次に、鉛直噴出ノズルを底板上に最適配置することにより、自然対流により形成される全体循環流による反応ガスの混合を更に効率的なものとする態様について説明する。
　チャンバ１内での反応ガスの全体循環を効率的に促進するためには、噴出ガスの中心ベクトルのベクトル成分Ｖｖ、Ｖｃ、およびＶｄの其々の大きさが適切なものとなるように、ガスノズルの配置を工夫する必要がある。
　本発明者らは、この点につき検討を重ね、ガスノズル９を、底板５の中央に中心を有する仮想円であって底板５の面積Ｓ０の半分の面積Ｓ（＝Ｓ０／２）を有する仮想円Ｓｈの内側に配置することとすると、チャンバ１内での反応ガスの全体循環が効率的に促進されるという知見を得るに至った。このような配置とした場合には、仮にすべてのガスノズル９が鉛直噴出ノズルであっても、反応ガスの全体循環は効率的に促進される。これとは逆に、上記仮想円Ｓｈの外側に鉛直噴出ノズルを配置してしまうと、チャンバ１内での反応ガスの循環流は抑制される方向に作用する。
　仮想円Ｓｈの外側にガスノズルを配置する場合には、これを斜方噴出ノズル９ｄとし、Ｖｖ成分を小さくするとともにＶｄ成分を正とすると、反応ガスの全体循環を促進させることができる。また、上記仮想円Ｓｈの内側にガスノズルを配置するに際し、仮想円Ｓｈの周寄りに配置されるものについてはそのＶｄ成分を正とすると、反応ガスの全体循環の促進に効果的である。
　図５Ａおよび図５Ｂはそれぞれ、ガスノズル９を鉛直噴出ノズル９ｖのみとし、全ての鉛直噴出ノズルを上記仮想円Ｓｈの内側に配置した態様、および、鉛直噴出ノズル９ｖは上記仮想円Ｓｈの内側に配置する一方、仮想円Ｓｈの外側にＶｄ成分が正の斜方噴出ノズル９ｄを配置した態様を例示する図である。つまり、図５Ｂに示した態様のものは、仮想円Ｓｈの内側に配置されたガスノズルに加え、仮想円Ｓｈの外側にガスノズルを備えることとし、該仮想円の外側に配置されたガスノズルを、ガス噴出の中心ベクトルが仮想円Ｓｈの中心に向かう方向に成分を有している斜方噴出ノズルとしたものである。
　ベルジャ中央領域の上昇気流とベルジャ内壁に沿う下降気流および旋回流によって形成されるベルジャ内全体循環を効率的に促進するために好ましいガスノズル９の配置について要約すると、下記のとおりである。
　全てのガスノズル９を、底板５の中央に中心を有する仮想円であって底板５の面積Ｓ０の半分の面積Ｓ（＝Ｓ０／２）を有する仮想円Ｓｈの内側に配置する。
　これらのガスノズル９は全てが鉛直噴出ノズル９ｖであってもよいが、少なくとも一部のガスノズル９を、ガス噴出の中心ベクトルが底板５の中央に中心を有する仮想円であって当該ガスノズルの配置位置が円周上にある仮想円の接線方向に成分を有している斜方噴出ノズル９ｃであることがより好ましい。
　斜方噴出ノズル９ｃを複数設ける場合には、全ての斜方噴出ノズル９ｃのＶｃ成分は何れも正若しくは負であり、さらに、その大きさはほぼ等しいことが好ましい。
　また、このような複数の斜方噴出ノズル９ｃは同一仮想円の周上に配置することが好ましく、さらに、斜方噴出ノズル９ｃが偶数個の場合には１つの斜方噴出ノズルの配置位置からみて仮想円の中心を挟む対称位置に他の斜方噴出ノズルが配置されているようにし、斜方噴出ノズル９ｃが３以上の奇数個（ｎ個）の場合にはこれらの斜方噴出ノズルが仮想円上のｎ回対称位置に配置されているようにすることが好ましい。
　仮想円Ｓｈの内側に配置される斜方噴出ノズル９ｃのベクトル成分Ｖｄの大きさはベクトル成分Ｖｖの０．５倍以下であることが好ましい。
　なお、なるべく少ないガスノズル数で効率的に全体循環を促進するためには、上述したベクトル成分Ｖｃの大きさをベクトル成分Ｖｖの大きさの１倍以下とすることが好ましく、より好ましくは０．７倍以下である。一方、Ｖｃの大きさをＶｖの大きさの０．０５倍以下とした場合には、旋回効果を十分には得られない可能性がある。
　図６Ａおよび図６Ｂはそれぞれ、鉛直噴出ノズル９ｖおよび斜方噴出ノズル９ｃ、９ｄの断面図例である。鉛直噴出ノズル９ｖの噴出口は噴出ガスの中心ベクトルの方向が底板に垂直な方向となるように設計されている。一方、斜方噴出ノズル９ｃ、９ｄの噴出口は噴出ガスの中心ベクトルの方向が底板に垂直な方向と傾きθを有するように設計されている。
　これらのガスノズルから噴出されるガスの吹出速度は、ベルジャ内に設けられるノズル数や配置関係および配置されたガスノズルのガス噴出の中心ベクトルの方向により適宜設計されるが、ベルジャの高さが２～５ｍ程度である場合には、ガスの噴出流速を１５０ｍ／秒を超える値とすると、周囲のガスへの強い同伴力が得られる。
　［実施例１］
　図７Ａは、実施例１における底板５上でのガスノズル９の配置を示す図である。半径が底板５の半径Ｒの半分である同心円ＳＲ／２の周上の対称位置に、６つのガスノズル９を設置し、そのうち、４つは鉛直噴出ノズル９ｖ、２つは斜方噴出ノズル９ｃである。これら２つの斜方噴出ノズル９ｃは同心円ＳＲ／２の中心に対して対称な位置に配置されており、ガスの噴出角度は反時計廻りに３０°で各ベクトル成分の比はＶｃ：Ｖｄ：Ｖｖ＝－０．５８：０：１である。
　このようなガスノズルの配置により表1に纏めた運転条件で多結晶シリコンの製造を行った。なお、各ガスノズルからのガスの噴出量および噴出速度をほぼ等しくなるように調整し、ガス供給量が最大となった時点でのガス噴出速度は１７０ｍ／ｓｅｃであった。
　このような条件下で直径１２０ｍｍφの多結晶シリコン棒が得られ、その形状は良好であった。なお、多結晶シリコン棒のポップコーン発生率は２．１％であった。
　［実施例２］
　図７Ｂは、実施例２における底板５上でのガスノズル９の配置を示す図である。半径が底板５の半径Ｒの半分である同心円ＳＲ／２の周上の対称位置に６つの鉛直噴出ノズル９ｖを配置し、さらに、ベルジャ内壁の近傍に４つの斜方噴出ノズル９ｄを対称に配置した。
　このようなガスノズルの配置により表1に纏めた運転条件で多結晶シリコンの製造を行った。なお、鉛直噴出ノズル９ｖからのガスの噴出量および噴出速度をほぼ等しくなるように調整し、斜方噴出ノズル９ｄからのガスの噴出量は鉛直噴出ノズル９ｖの半分とし、ガスの噴出速度は鉛直噴出ノズル９ｖと等しくした。また、全ガス供給量は実施例１と等しくした。ガス供給量が最大となった時点でのガス噴出速度は１５０ｍ／ｓｅｃであった。
　このような条件下で直径１２０ｍｍφの多結晶シリコン棒が得られ、その形状は良好であった。なお、多結晶シリコン棒のポップコーン発生率は３．８％であった。
　［比較例１］
　図７Ｃは、比較例１における底板５上でのガスノズル９の配置を示す図で、１８個の鉛直噴出ノズル９ｖが底板５上に概ね均一に設置されている。
　このようなガスノズルの配置により表1に纏めた運転条件で多結晶シリコンの製造を行った。なお、鉛直噴出ノズル９ｖからのガスの噴出量および噴出速度をほぼ等しくなるように調整した。また、全ガス供給量は実施例１と等しくした。ガス供給量が最大となった時点でのガス噴出速度は５０ｍ／ｓｅｃであった。
　このような条件下で直径１２０ｍｍφの多結晶シリコン棒が得られ、その形状は良好であった。なお、多結晶シリコン棒のポップコーン発生率は７５．３％であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　以上説明したように、本発明に係る多結晶シリコン製造装置では、反応炉中心部に形成される上昇気流と反応炉周辺部に形成される下降気流によって反応炉内全体に反応ガスの循環流れが形成される。このような循環流れにより反応ガスの混合状態が良好なものとなり、その結果、原料ガス濃度のばらつき及び局部的滞留が防止される。これにより、多結晶シリコン表面のポップコーン発生が抑制されるだけでなく、粉の発生に起因する重金属汚染や突起状異常析出も抑制され、高品質な多結晶シリコン棒を得ることが可能となる。
１　ベルジャ（チャンバ）
２　のぞき窓
３　冷媒入口
４　冷媒出口
５　ベースプレート（底板）
６　冷媒入口
７　冷媒出口
８　反応排ガス出口
９　ガスノズル
１０　金属電極
１１　多結晶シリコン棒
１１ａ、１１ｂ　柱部
１１ｃ　梁部
１２　シリコン芯線
１３　カーボンヒータ
１４　芯線ホルダ
１５　電源
１６　電力供給回路

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を備え、
    　前記底板には、シリコン芯線を保持するとともに該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反応ガスを供給するためのガス供給ノズルが複数設けられており、
    　前記複数のガス供給ノズルは、前記ベルジャの内部空間において、多結晶シリコンの析出反応中、前記反応ガスが前記底板の中央部から上昇するとともに前記ベルジャの内壁に沿って下降する循環流を形成する配置とされており、
    　前記複数のガス供給ノズルの少なくとも１つは、ガス噴出の中心ベクトルが、前記底板の中央に中心を有する仮想円であって前記少なくとも１つのガス供給ノズルの配置位置が円周上にある仮想円の接線方向に成分を有している斜方噴出ノズルである、ことを特徴とする多結晶シリコン製造装置。
  2. 　前記斜方噴出ノズルは前記仮想円の円周上に複数設けられており、該複数の斜方噴出ノズルから噴出されるガスの前記中心ベクトルの前記接線方向の成分は何れも、前記仮想円を前記底板の上方から見た場合に時計方向又は反時計方向である、請求項１に記載の多結晶シリコン製造装置。
  3. 　前記斜方噴出ノズルが同一仮想円の周上にｍ個（ｍは偶数）設けられている場合に、１つの斜方噴出ノズルの配置位置からみて前記仮想円の中心を挟む対称位置に他の斜方噴出ノズルが配置されている、請求項２に記載の多結晶シリコン製造装置。
  4. 　前記斜方噴出ノズルが同一仮想円の周上にｎ個（ｎは３以上の奇数）設けられている場合に、該ｎ個の斜方噴出ノズルが、前記仮想円上のｎ回対称位置に配置されている、請求項２に記載の多結晶シリコン製造装置。
  5. 　前記循環流を形成するために、前記複数のガス供給ノズルのうち、前記底板に対して垂直方向の成分が水平方向の成分より大きなガス噴出の中心ベクトルを有するガス供給ノズルを全て、前記底板の中央に中心を有する仮想円であって前記底板の面積Ｓ０の半分の面積Ｓ（＝Ｓ０／２）を有する仮想円の内側に配置されている、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. 　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を備え、
    　前記底板には、シリコン芯線を保持するとともに該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反応ガスを供給するためのガス供給ノズルが複数設けられており、
    　前記ガス供給ノズルの少なくとも１つは、ガス噴出の中心ベクトルの方向が前記底板に垂直な方向である鉛直噴出ノズルであり、該鉛直噴出ノズルは何れも、前記底板の中央に中心を有する仮想円であって前記底板の面積Ｓ０の半分の面積Ｓ（＝Ｓ０／２）を有する仮想円の内側に配置され、
    　さらに、前記仮想円の外側に斜方噴出ノズルを備え、該斜方噴出ノズルは、ガス噴出の中心ベクトルが前記仮想円の中心に向かう方向に成分を有しているガス供給ノズルである、多結晶シリコン製造装置。　
  7. 　請求項１乃至４又は６の何れか１項に記載の多結晶シリコン製造装置を用いて製造された多結晶シリコン。
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