WO2017018366A1 - 多結晶シリコン製造用反応炉及び多結晶シリコンの製造方法 - Google Patents

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heater
core wire
silicon
reactor
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靖志 黒澤
茂義 祢津
成大 星野
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信越化学工業株式会社
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    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/24—Deposition of silicon only

Definitions

  • the present invention relates to a technique for producing polycrystalline silicon, and more particularly, to a technique suitable for reducing the carbon concentration contained in polycrystalline silicon produced by the Siemens method.
  • Polycrystalline silicon is a raw material for a single crystal silicon substrate for manufacturing semiconductor devices and a silicon substrate for manufacturing solar cells.
  • polycrystalline silicon is produced by a Siemens method in which a source gas containing chlorosilane is brought into contact with a heated silicon core wire, and polycrystalline silicon is vapor-grown on the surface of the silicon core wire (CVD: Chemical Vapor Deposition). .
  • the sealed space formed by the base plate and the dome-shaped container (belger) described above becomes a reaction space for vapor-phase growth of polycrystalline silicon.
  • the metal electrode passes through the base plate with an insulator interposed therebetween, and is connected to another metal electrode through wiring or connected to a power source arranged outside the reactor.
  • the base plate and the bell jar are cooled using a coolant such as water or oil.
  • the core wire holder is cooled via the metal electrode.
  • a raw material gas is supplied from a gas nozzle into the reactor while heating the silicon core wire to a temperature range of 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower by supplying a current from the metal electrode and heating the silicon core wire to the reaction furnace, silicon is formed on the silicon core wire. Is vapor-phase grown, and polycrystalline silicon having a desired diameter is formed in an inverted U shape.
  • the source gas for example, a mixed gas of trichlorosilane and hydrogen is used.
  • the reaction pressure in the reactor during the polycrystalline silicon deposition step is generally selected from 0.1 MPa to 0.9 MPa. After the polycrystalline silicon deposition step, the inside of the reaction furnace is cooled and then opened to the atmosphere, and the polycrystalline silicon is taken out from the reaction furnace.
  • the silicon core wire is made of polycrystalline or single crystal silicon or the like, but the silicon core wire used for producing high-purity polycrystalline silicon needs to be high-purity with low impurity concentration. Is required to have a high resistance with a specific resistance of 500 ⁇ cm or more.
  • the energization of such a high resistance silicon core wire generally requires a very high voltage for energization because of its high specific resistance at room temperature (because of its low conductivity). Therefore, it is common to energize using a core with a low specific resistance, or to start energization after initially heating the silicon core wire to 200 to 400 ° C. to lower the specific resistance (increasing conductivity).
  • a carbon heater for initial heating is provided at the center or inner peripheral surface of the reaction furnace, and at the start of the reaction, this carbon heater is first heated by energization, and by the radiant heat generated at that time.
  • the silicon core wire disposed around the carbon heater is heated to a desired temperature (see, for example, Patent Document 3).
  • the surface temperature is maintained by the heat generation of the silicon core wire itself without continuing heating using the carbon heater, so that the precipitation reaction proceeds continuously. Therefore, after the energization of the silicon core wire is started, the power source of the carbon heater is turned off.
  • the process proceeds to the reaction step, where the deposition of polycrystalline silicon on the silicon core wire is continued, but the heating carbon heater is held in the reaction furnace as it is even after the role of initial heating is finished. . Therefore, although the heating carbon heater is no longer used for the reaction, it is exposed to a severe environment (high temperature and high-speed gas flow) in the reaction furnace, and its deterioration is severe. In many cases, it deteriorates by one use (1 batch of precipitation reaction), and it is difficult to use multiple times, which is one of the factors for increasing the cost of manufacturing polycrystalline silicon.
  • the heating carbon heater since the heating carbon heater is left in the deposition space of the polycrystalline silicon, it becomes a carbon contamination source to the deposited polycrystalline silicon.
  • the precipitation reaction proceeds at a high pressure and a high temperature, so that there is a problem that carbon contamination from the heating carbon heater tends to occur.
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 9-2441099
  • Patent Document 5 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-278611
  • the present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to suppress carbon contamination from the carbon heater in the production of polycrystalline silicon by the Siemens method.
  • the object is to provide a technique suitable for reducing the concentration of carbon contained.
  • a reactor for producing polycrystalline silicon according to the present invention is a reactor for producing polycrystalline silicon by the Siemens method, and is a space for depositing polycrystalline silicon on a silicon core wire. It is characterized by comprising a precipitation reaction part as a part and a heater storage part as a space part capable of accommodating a carbon heater for initial heating of the silicon core wire.
  • the carbon heater includes a heater driving unit that controls loading from the heater accommodating unit to the deposition reaction unit and unloading from the deposition reaction unit to the heater accommodating unit.
  • an openable / closable shutter is provided that spatially blocks the deposition reaction section and the heater storage section.
  • the heater storage part is made of a bellows.
  • the method for producing polycrystalline silicon according to the present invention is a method for producing polycrystalline silicon by the Siemens method, wherein the silicon core wire is initially heated with a carbon heater prior to the polycrystalline silicon precipitation reaction step, After the temperature reaches a predetermined temperature, the carbon heater is withdrawn from the precipitation reaction space, and then the precipitation reaction step is started.
  • the level of carbon contamination in polycrystalline silicon produced by the Siemens method is reduced, and high-quality polycrystalline silicon can be produced with high efficiency.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the configuration of a conventional reactor 200 for producing polycrystalline silicon.
  • the reaction furnace 200 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 5 and a bell jar 1.
  • the base plate 5 includes a silicon core wire electrode 10 for supplying current to the silicon core wire 12 fixed to the adapter 14, a source gas supply nozzle 9 for supplying process gas such as nitrogen gas, hydrogen gas, trichlorosilane gas, A reaction exhaust gas outlet 8 for discharging exhaust gas to the outside is disposed.
  • What is indicated by reference numeral 13 in the figure is a carbon heater for initial heating of the silicon core wire.
  • current is supplied from the power source 16 for the carbon heater and energization heating is performed, whereby the surface of the silicon core wire 12 has a desired temperature. Until initial heating.
  • the bell jar 1 has an inlet 3 and an outlet 4 for a cooling refrigerant, and has a viewing window 2 for visually confirming the state inside the bell jar.
  • the base plate 5 also has an inlet 6 and an outlet 7 for cooling refrigerant.
  • the reactor is operated in batch. Therefore, after one batch is completed, the bell jar 1 and the base plate 5 are separated, the polycrystalline silicon rod 11 is taken out from the inside of the reaction furnace, and the side reactants adhering to the surfaces of the bell jar 1 and the base plate 5 are removed. Cleaning is performed, and the silicon core wire 12 for the next batch reaction is set. At this time, when the heating carbon heater 13 is severely deteriorated and cannot withstand the next reaction batch, it is replaced with a new one.
  • the bell jar 1 After the setting of the silicon core wire 12, the bell jar 1 is set again on the base plate 5, and first, nitrogen gas replacement inside the reaction furnace is performed. Nitrogen gas is supplied from the source gas supply nozzle 9 into the reaction furnace, and air components are discharged to the outside from the reaction exhaust gas outlet 8. After the completion of this nitrogen gas replacement, the supply gas is switched to hydrogen gas and the inside of the reactor is replaced with hydrogen gas.
  • an airtight test in the reactor is performed.
  • the pressure inside the furnace during this airtight test is approximately equal to the pressure inside the furnace (0.4 to 0.9 MPa) during the polycrystalline silicon precipitation reaction step, and the bottom surface of the bell jar 1 is foamed on the surface in contact with the base plate 5.
  • the presence or absence of gas leakage is confirmed by applying a liquid or using a hydrogen gas detector.
  • the surface temperature of the silicon core wire 12 in the energized and heated state is maintained by the heat generated by the silicon core wire 12 itself, even without the heat radiation by the heating carbon heater 13. Therefore, energization to the carbon heater 13 is stopped after the above-described initial heating process is completed.
  • a chlorosilane gas which is a reaction raw material gas, is supplied from the nozzle 9 using hydrogen gas as a carrier gas, whereby a polycrystalline silicon precipitation reaction step is started.
  • the carbon heater 13 for initial heating of the silicon core wire is retained in the reaction furnace in the precipitation reaction step as in the initial heating step. That is, the carbon heater 13 is no longer used for the precipitation reaction of polycrystalline silicon, but is severe (high temperature and high-speed gas flow) such as continuing to receive radiant heat from polycrystalline silicon in the reaction furnace. ) Exposed to the environment.
  • the carbon heater 13 Since the high-speed circulation flow in the reaction furnace is generated in the reaction furnace by the circulation flow by the reaction gas thermal convection and the gas flow from the gas supply nozzle 9, the carbon heater 13 receives the resistance of the gas flow at a high temperature. Moreover, it is placed in a state where it receives an attack of hydrogen gas. As a result, the deterioration is severe, often in one batch of precipitation reaction, and it is difficult to use multiple times.
  • the carbon heater 13 exposed to such a high temperature reacts with hydrogen gas in the furnace and becomes a generation source of methane (CH 4 ).
  • This methane gas is taken into the deposited polycrystalline silicon and causes carbon contamination.
  • polycrystalline silicon is locally deposited not only on the silicon core wire 12 but also on the carbon heater 13, even if it is not significantly deteriorated and can be reused, it can be used in the next batch. Prior to removing the polycrystalline silicon, an operation must be performed prior to removing the polycrystalline silicon.
  • the carbon heater 13 is loaded into the deposition reaction space only when it is necessary for the initial heating of the silicon core wire 12, and the carbon heater 13 is unloaded from the deposition reaction space after the initial heating of the silicon core wire 12 is completed. adopt.
  • the carbon heater 13 is not damaged more than necessary in the reaction furnace, and the deterioration thereof can be suppressed, and the reaction with hydrogen gas in the furnace is suppressed. Therefore, generation of methane (CH 4 ) is suppressed, and carbon contamination to polycrystalline silicon grown by the precipitation reaction is also suppressed.
  • FIG. 2A and 2B are schematic sectional views showing an example of the configuration of the reactor for producing polycrystalline silicon according to the present invention.
  • FIG. 2A is a diagram for explaining a state in which the carbon heater is unloaded from the precipitation reaction portion to the heater accommodating portion.
  • FIG. 2B is a view for explaining a state in which the carbon heater is loaded from the heater accommodating portion to the precipitation reaction portion.
  • This reaction furnace 100 is different from the reaction furnace 200 having the structure shown in FIG. 1 in that it includes a heater storage portion as a space that can accommodate a carbon heater for initial heating of the silicon core wire.
  • the carbon heater 13 is loaded into the deposition reaction space 20 only when it is necessary for the initial heating of the silicon core wire 12, and after the initial heating of the silicon core wire 12 is completed, the carbon heater 13 is heated from the deposition reaction space. Unloaded to the storage unit 30.
  • reference numeral 17 denotes an openable / closable shutter capable of spatially blocking the precipitation reaction section 20 and the heater storage section 30, and reference numeral 18 denotes a heater driving motor.
  • Reference numeral 19 denotes a heater driving ball screw.
  • the heater housing portion is formed of a bellows, and a heater driving ball screw 19 that is rotated by a heater driving motor 18 constitutes a heater driving portion.
  • the reactor for producing polycrystalline silicon according to the present invention is a reactor for producing polycrystalline silicon by the Siemens method, and includes a precipitation reaction section as a space for depositing polycrystalline silicon on a silicon core wire. And a heater storage portion as a space portion capable of accommodating a carbon heater for initial heating of the silicon core wire.
  • the reaction furnace includes a heater driving unit that controls loading of the carbon heater from the heater housing unit to the deposition reaction unit and unloading from the deposition reaction unit to the heater housing unit, And a shutter that can be opened and closed to spatially block the precipitation reaction section and the heater storage section.
  • the heater storage part is made of, for example, a bellows.
  • the polycrystalline silicon manufacturing method using the reaction furnace having such a structure initially heats the silicon core wire with a carbon heater, and after the silicon core wire reaches a predetermined temperature, A method for producing polycrystalline silicon, wherein the carbon heater is retracted from a deposition reaction space, and then the deposition reaction step is started.
  • Patent Document 6 US Pat. No. 4,179,530
  • FIG. 3 is a graph showing the deposition reaction time dependence of the CH 4 concentration in the exhaust gas.
  • the CH 4 concentration is through the precipitation reaction step (72 hours), and the exhaust gas methane concentration is below the lower detection limit (less than 0.100 volppm).
  • the lower detection limit less than 0.100 volppm.
  • the CH 4 concentration increases and the maximum exhaust gas methane concentration is 0.213 volppm.
  • the exhaust gas maximum methane concentration is less than 0.100 volppm (below the detection lower limit) and the carbon concentration in the polycrystal is 10 ppba or less.
  • the maximum methane concentration is 0.213 volppm, and the carbon concentration in the polycrystal is 80 ppba. That is, the maximum exhaust gas maximum methane concentration is suppressed to less than half, and as a result, the carbon concentration in the polycrystal is reduced by about one digit.
  • the present invention provides a technique suitable for suppressing carbon contamination from a carbon heater and reducing the concentration of carbon contained in polycrystalline silicon when producing polycrystalline silicon by the Siemens method.

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Abstract

本発明に係る反応炉２００は、シリコン芯線の初期加熱用のカーボンヒータを収容可能な空間部としてのヒータ格納部を備えている。この反応炉２００では、シリコン芯線１２の初期加熱に必要な時だけカーボンヒータ１３が析出反応空間２０にロードされ、シリコン芯線１２の初期加熱終了後にはカーボンヒータ１３が析出反応空間からヒータ格納部３０へとアンロードされる。これにより、カーボンヒータ１３は、反応炉内で必要以上にダメージを受けることが無くなり劣化が抑制されることに加え、炉内での水素ガスとの反応が抑制されるから、メタンの発生が抑制され、多結晶シリコンへのカーボン汚染も抑制される。

Description

多結晶シリコン製造用反応炉及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製造される多結晶シリコン中に含まれる炭素濃度を低減するために好適な技術に関する。
　多結晶シリコンは、半導体デバイス製造用単結晶シリコン基板や太陽電池製造用シリコン基板の原料である。一般に、多結晶シリコンの製造は、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て当該シリコン芯線の表面に多結晶シリコンを気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）させるシーメンス法により行われる。
　シーメンス法により多結晶シリコンを気相成長する場合、鉛直方向に２本、水平方向に１本のシリコン芯線を、反応炉内に鳥居型（逆Ｕ字型）に組立て、この鳥居型に組んだシリコン芯線の両端のそれぞれを、カーボン製の芯線ホルダを介してベースプレート上に設けた金属電極に固定する。そして、これらの金属電極から上記鳥居型シリコン芯線に通電することで加熱がなされる。なお、通常は、複数個の鳥居型シリコン芯線がベースプレート上に配置される。このような芯線ホルダは、電極に直接固定してもかまわないが、電極の損傷を防止する目的から、電極と芯線ホルダの間にカーボン製のアダプタを設けることもある（特許文献１：特開２００６－２０６３８７号公報、特許文献２：特開２０１３－７１８５６号公報などを参照）。
　反応炉（反応器）内では、上述したベースプレートとドーム型の容器（ベルジャ）で形成される密閉空間が多結晶シリコンを気相成長させるための反応空間となる。金属電極は絶縁物を挟んでベースプレートを貫通し、配線を通して別の金属電極に接続されるか、反応炉外に配置された電源に接続される。反応空間内で多結晶シリコンを気相成長させる際に鳥居型シリコン芯線以外の部分にも多結晶シリコンが析出することを防止し、また装置材料の高温による損傷を防止するために、金属電極とベースプレートおよびベルジャは、水、オイルなどの冷媒を用いて冷却される。芯線ホルダは、金属電極を介して冷却される。
　反応炉内を水素雰囲気とし、上記金属電極から電流を導通させてシリコン芯線を９００℃以上１２００℃以下の温度範囲に加熱しながら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気相成長し、所望の直径の多結晶シリコンが逆Ｕ字状に形成される。上記原料ガスとしては、例えばトリクロロシランと水素の混合ガスが用いられる。なお、多結晶シリコンの析出工程時の反応炉内の反応圧力は、一般に、０．１ＭＰａ～０．９ＭＰａが選定される。多結晶シリコンの析出工程終了後、反応炉内を冷却した後に大気開放し、反応炉から多結晶シリコンを取り出す。
　ところで、シリコン芯線は多結晶または単結晶のシリコン等で作製されるが、高純度多結晶シリコン製造のために用いられるシリコン芯線は不純物濃度の低い高純度なものである必要があり、具体的には、比抵抗が５００Ωｃｍ以上の高抵抗のものであることが求められる。このような高抵抗のシリコン芯線の通電は、一般に常温では比抵抗が高いため（導電性が低いため）通電するには非常に高い電圧が必要である。そこで　比抵抗の低い芯を使用して通電するか、予めシリコン芯線を２００～４００℃に初期加熱して比抵抗を下げて（導電性を高めて）から通電開始することが一般的である。
　このような初期加熱のために、反応炉の中央または内周面に初期加熱用のカーボンヒータを設けておき、反応開始時には、先ずこのカーボンヒータを通電により発熱させ、その際に発生する輻射熱によってカーボンヒータ周辺に配置されているシリコン芯線を所望の温度にまで加熱するということが行われる（例えば、特許文献３を参照）。
　一旦シリコン芯線への通電が開始されれば、その後はカーボンヒータを用いた加熱を継続しなくとも、シリコン芯線自身の発熱により表面温度が維持されるため析出反応は持続的に進行する。そのため、上述のシリコン芯線への通電開始後は、カーボンヒータの電源はＯＦＦされる。
　その後、反応工程に移ってシリコン芯線上への多結晶シリコンの析出が継続されるが、加熱用カーボンヒータは、初期加熱という役割が終了した後もそのままの状態にて反応炉内に保持される。そのため、加熱用カーボンヒータは、最早、反応には用いられることがないにもかかわらず、反応炉内の過酷（高温且つ高速ガス流）な環境中に晒されることとなり、その劣化が激しい。多くの場合、１度の使用（１バッチの析出反応）で劣化してしまい、複数回の使用は難しく、多結晶シリコン製造のコストアップの要因のひとつとなっている。
　加えて、多結晶シリコンの析出空間内に加熱用カーボンヒータが放置されたままの状態であるため、析出する多結晶シリコンへのカーボン汚染源ともなる。特に、析出反応の高効率化を図った設計の反応炉内では、高圧かつ高温での析出反応が進行するため、加熱用カーボンヒータからのカーボン汚染が生じ易いという問題がある。
　このような問題に鑑みて、加熱用カーボンヒータの代替として、赤外線照射手段によってシリコン芯線を加熱する方法なども考案されているが、この方法は反応炉外部からの加熱方法であるため、特殊且つ高価な装置を用いる必要があること（特許文献４：特開平９－２４１０９９号公報）や、反応炉壁の一部を鋼に比べて強度の弱い透明石英で製作する必要があること（特許文献５：特開２００１－２７８６１１号公報）などの難点があり、高圧下での反応を行う炉としては、安全上好ましくないという問題がある。
特開２００６－２０６３８７号公報 特開２０１３－７１８５６号公報 特開２０１１－３７６９９号公報 特開平９－２４１０９９号公報 特開２００１－２７８６１１号公報 米国特許第４１７９５３０号明細書
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シーメンス法により多結晶シリコンを製造するに際し、カーボンヒータからの炭素汚染を抑制し、多結晶シリコン中に含まれる炭素濃度を低減するために好適な技術を提供することにある。
　上述の課題を解決するために、本発明に係る多結晶シリコン製造用反応炉は、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であって、シリコン芯線上に多結晶シリコンを析出させる空間部としての析出反応部と、前記シリコン芯線の初期加熱用のカーボンヒータを収容可能な空間部としてのヒータ格納部とを備えていることを特徴とする。
　好ましくは、前記カーボンヒータの、前記ヒータ収容部から前記析出反応部へのロードと前記析出反応部から前記ヒータ収容部へのアンロードを制御するヒータ駆動部を備えている。
　また、好ましくは、前記析出反応部と前記ヒータ格納部を空間的に遮断する開閉可能なシャッタを備えている。
　例えば、前記ヒータ格納部はベローズから成る。
　また、本発明に係る多結晶シリコンの製造方法は、シーメンス法による多結晶シリコンの製造方法であって、多結晶シリコンの析出反応工程に先立ち、カーボンヒータでシリコン芯線を初期加熱し、該シリコン芯線が所定の温度に達した後は前記カーボンヒータを析出反応空間から退避させ、その後に前記析出反応工程を開始することを特徴とする。
　本発明によれば、シーメンス法により製造される多結晶シリコン中の炭素汚染レベルが低減され、高品質の多結晶シリコンを高効率で製造することが可能となる。
従来の多結晶シリコン製造用反応炉の構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る多結晶シリコン製造用反応炉の構成の一例を示す概略断面図で、カーボンヒータを析出反応部からヒータ収容部へアンロードした状態を説明するための図である。 本発明に係る多結晶シリコン製造用反応炉の構成の一例を示す概略断面図で、カーボンヒータをヒータ収容部から析出反応部へロードした状態を説明するための図である。 排ガス中のＣＨ４濃度の析出反応時間依存性を示すグラフである。
　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、従来の多結晶シリコン製造用反応炉２００の構成の一例を示す概略断面図である。反応炉２００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を得るための装置であり、ベースプレート５とベルジャ１を備えている。
　ベースプレート５には、アダプタ１４に固定されたシリコン芯線１２に電流を供給するためのシリコン芯線用電極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を供給する原料ガス供給ノズル９と、排気ガスを外部に排出する反応排ガス出口８が配置されている。
　図中に符号１３で示したものはシリコン芯線初期加熱用のカーボンヒータであり、初期加熱時にはカーボンヒータ用電源１６から電流供給されて通電加熱がなされ、これによりシリコン芯線１２の表面が所望の温度まで初期加熱される。
　ベルジャ１は、冷却用冷媒の入口３と出口４を有しており、ベルジャ内部の状態を目視で確認するためののぞき窓２を有している。ベースプレート５もまた、冷却用冷媒の入口６と出口７を有している。
　実際の多結晶シリコンの製造プロセスでは、反応炉はバッチ運転される。従って、ひとつのバッチが終了した後には、ベルジャ１とベースプレート５は切り離され、反応炉内部からの多結晶シリコン棒１１の取り出しがされ、ベルジャ１とベースプレート５の表面に付着した副反応物を除去するための清掃が行われて、次バッチの反応のためのシリコン芯線１２がセットされる。この際、加熱用カーボンヒータ１３の劣化が激しく、次の反応バッチに耐えられない状況にある場合には、新品の物に交換される。
　このシリコン芯線１２のセットの後、ベースプレート５上にベルジャ１が再びセットされ、先ず、反応炉内部の窒素ガス置換が行われる。窒素ガスは原料ガス供給ノズル９から反応炉内に供給されて、空気成分は反応排ガス出口８から外部に排出される。この窒素ガス置換の完了の後、供給ガスは水素ガスに切り替えられて反応炉内部が水素ガスで置換される。
　水素ガス置換の完了後、反応炉内の気密テストが行われる。この気密テスト時の炉内圧力は、多結晶シリコンの析出反応工程時の炉内圧力（０．４～０．９ＭＰａ）に概ね等しく、ベルジャ１の底面がベースプレート５に接触している面に発泡液をかけたり、水素ガス検知器などを用いるなどの手法によりガス漏洩の有無が確認される。
　上述の水素ガス気密テストが完了した後に、シリコン芯線１２の加熱のためのカーボンヒータ１３への通電が開始される。これにより、シリコン芯線１２が加熱されて、シリコン芯線１２の温度上昇によりシリコン芯線１２の電気比抵抗が低下し、シリコン芯線１２へシリコン芯線用電源１５から電圧を与えることにより、電流が流れるようになる。
　通電加熱状態となったシリコン芯線１２は、加熱用カーボンヒータ１３による熱輻射がなくても、シリコン芯線１２自身の発熱によりその表面温度が維持される。そのため、上述の初期加熱工程の完了後は、カーボンヒータ１３への通電は停止される。
　初期加熱工程が完了した後に、水素ガスをキャリアガスとして反応原料ガスであるクロロシランガスがノズル９から供給されることにより、多結晶シリコンの析出反応工程が開始される。
　図１に示したような構造の従来の装置では、この析出反応工程においても、シリコン芯線初期加熱用のカーボンヒータ１３は初期加熱工程と同じく、反応炉内に留め置かれる。つまり、カーボンヒータ１３は、最早、多結晶シリコンの析出反応には用いられることがないにもかかわらず、反応炉内で多結晶シリコンからの輻射熱を受けて続ける等の過酷（高温且つ高速ガス流）な環境中に晒される。
　反応炉内は反応ガスの熱対流による循環流とガス供給ノズル９からのガス流によって反応炉内の高速な循環流が発生しているので、カーボンヒータ１３は高温状態でガス流の抵抗を受け、しかも、水素ガスのアタックを受けるという状態に置かれることとなる。その結果、劣化が激しく、多くの場合１バッチの析出反応で劣化してしまい、複数回の使用は難しい。
　また、このような高温に晒されたカーボンヒータ１３は、炉内で水素ガスと反応し、メタン（ＣＨ４）の発生源となることが知られている。そして、このメタンガスは、析出中の多結晶シリコンへ取り込まれ、カーボン汚染の原因となる。
　加えて、シリコン芯線１２だけでなく、カーボンヒータ１３上にも多結晶シリコンが局部的に析出してしまうから、仮に劣化が顕著ではなく再使用が可能であっても、次バッチでの使用に先立ち多結晶シリコンを除去する作業を行わなければならない。
　そこで、本発明では、シリコン芯線１２の初期加熱に必要な時だけカーボンヒータ１３を析出反応空間にロードし、シリコン芯線１２の初期加熱終了後にはカーボンヒータ１３を析出反応空間からアンロードする構成を採用する。
　このような構成とすることにより、カーボンヒータ１３は、反応炉内で必要以上にダメージを受けることが無くなり、その劣化を抑制することができることに加え、炉内での水素ガスとの反応が抑制されるから、メタン（ＣＨ４）の発生が抑制され、析出反応により育成される多結晶シリコンへのカーボン汚染も抑制される。
　さらに、カーボンヒータ１３上への多結晶シリコンの析出が生じないから、次バッチでの使用に先立ち多結晶シリコンを除去する必要もない。
　図２Ａ～Ｂは、本発明に係る多結晶シリコン製造用反応炉の構成の一例を示す概略断面図で、図２Ａはカーボンヒータを析出反応部からヒータ収容部へアンロードした状態を説明するための図であり、図２Ｂはカーボンヒータをヒータ収容部から析出反応部へロードした状態を説明するための図である。
　この反応炉１００は、図１に示した構造の反応炉２００と、シリコン芯線の初期加熱用のカーボンヒータを収容可能な空間部としてのヒータ格納部を備えている点において異なる。このような構造の反応炉では、シリコン芯線１２の初期加熱に必要な時だけカーボンヒータ１３が析出反応空間２０にロードされ、シリコン芯線１２の初期加熱終了後にはカーボンヒータ１３が析出反応空間からヒータ格納部３０へとアンロードされる。
　なお、これらの図中、符号１７で示したものは析出反応部２０とヒータ格納部３０を空間的に遮断し得る開閉可能なシャッタであり、符号１８で示したものはヒータ駆動用モータであり、符号１９で示したものはヒータ駆動用ボールネジである。この図に示した例では、ヒータ格納部はベローズから成り、ヒータ駆動用モータ１８により回転するヒータ駆動用ボールネジ１９がヒータ駆動部を構成している。
　つまり、本発明に係る多結晶シリコン製造用反応炉は、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であって、シリコン芯線上に多結晶シリコンを析出させる空間部としての析出反応部と、前記シリコン芯線の初期加熱用のカーボンヒータを収容可能な空間部としてのヒータ格納部とを備えている。
　そして、この反応炉は、前記カーボンヒータの、前記ヒータ収容部から前記析出反応部へのロードと前記析出反応部から前記ヒータ収容部へのアンロードを制御するヒータ駆動部を備えており、さらに、前記析出反応部と前記ヒータ格納部を空間的に遮断する開閉可能なシャッタを備えている。
　上記ヒータ格納部は、例えば、ベローズから成る。
　このような構造の反応炉を用いた多結晶シリコンの製造方法は、多結晶シリコンの析出反応工程に先立ち、カーボンヒータでシリコン芯線を初期加熱し、該シリコン芯線が所定の温度に達した後は前記カーボンヒータを析出反応空間から退避させ、その後に前記析出反応工程を開始する、ことを特徴とする多結晶シリコンの製造方法である。
　上述した従来構造の反応炉が抱える問題を解決するための方法として、多結晶シリコンの析出工程を開始する際の点火完了後に、反応炉の上部を開放してカーボンヒータ１３を炉外に抜き出す手法も知られている（特許文献６：米国特許第４１７９５３０号明細書）。
　しかし、この方法では、上記点火を水素雰囲気下で行うことができない。そのため、析出反応空間を不活性ガスでパージする必要が生じ、工程上の手間がかかる。これに対し、本発明では、析出反応空間を不活性ガスでパージする必要は生じない。
　本実施例では、図２Ａ～Ｂに示した構造の反応炉を用いて多結晶シリコンを析出させた際の、（ａ）反応中の排ガスに含まれるメタンの濃度、および、（ｂ）育成された多結晶シリコン中に含まれるカーボン濃度を測定した（実施例：バッチ１）。また、比較のため、図１に示したような従来構造の反応炉を用いて育成した際の、（ａ）反応中の排ガスに含まれるメタンの濃度、および、（ｂ）育成された多結晶シリコン中に含まれるカーボン濃度も測定した（比較例：バッチ２）。
　図３は、排ガス中のＣＨ４濃度の析出反応時間依存性を示すグラフである。実施例のものは、ＣＨ４濃度は析出反応工程を通じて（７２時間）、排ガスメタン濃度は検出下限以下（０.１００volppm未満）である。これに対し、比較例のものは、析出反応工程が進むにつれてＣＨ４濃度は高くなり、最大排ガスメタン濃度は０．２１３volppmとなっている。
　両者の比較結果を表１に纏めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示した結果によれば、実施例では、排ガス最大メタン濃度が０.１００volppm未満（検出下限以下）であり、多結晶中カーボン濃度が１０ppba以下であるのに対し、比較例では、排ガス最大メタン濃度が０．２１３volppmであり、多結晶中カーボン濃度が８０ppbaとなっている。つまり、排ガス最大メタン濃度は半分以下に抑えられ、その結果、多結晶中カーボン濃度は一桁程度低減されている。
　本発明は、シーメンス法により多結晶シリコンを製造するに際し、カーボンヒータからの炭素汚染を抑制し、多結晶シリコン中に含まれる炭素濃度を低減するために好適な技術を提供する。
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　ベースプレート
６　冷媒入口（ベースプレート）
７　冷媒出口（ベースプレート）
８　反応排ガス出口
９　原料ガス供給ノズル
１０　シリコン芯線用電極
１１　多結晶シリコン棒
１２　シリコン芯線
１３　カーボンヒータ
１４　シリコン芯線用アダプタ
１５　シリコン芯線用電源
１６　カーボンヒータ用電源
１７　開閉式シャッタ
１８　ヒータ駆動用モータ
１９　ヒータ駆動用ボールネジ
２０　析出反応空間
３０　ヒータ格納部
１００、２００　反応炉

Claims (5)

  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反応炉であって、
    　シリコン芯線上に多結晶シリコンを析出させる空間部としての析出反応部と、
    　前記シリコン芯線の初期加熱用のカーボンヒータを収容可能な空間部としてのヒータ格納部とを備えている、多結晶シリコン製造用反応炉。
  2. 　前記カーボンヒータの、前記ヒータ収容部から前記析出反応部へのロードと前記析出反応部から前記ヒータ収容部へのアンロードを制御するヒータ駆動部を備えている、請求項１に記載の多結晶シリコン製造用反応炉。
  3. 　前記析出反応部と前記ヒータ格納部を空間的に遮断する開閉可能なシャッタを備えている、請求項１または２に記載の多結晶シリコン製造用反応炉。
  4. 　前記ヒータ格納部はベローズから成る、請求項１または２に記載の多結晶シリコン製造用反応炉。
  5. 　シーメンス法による多結晶シリコンの製造方法であって、
    　多結晶シリコンの析出反応工程に先立ち、カーボンヒータでシリコン芯線を初期加熱し、該シリコン芯線が所定の温度に達した後は前記カーボンヒータを析出反応空間から退避させ、その後に前記析出反応工程を開始する、ことを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
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