JP2020176034A - シリコン芯線 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易的でコストがかからず、汚染の懸念がなく、倒壊の心配もない、長尺のシリコン芯線を提供すること。
【解決手段】本発明に係る第１の態様のシリコン芯線は、第１のシリコン細棒の一方端に形成された雄螺子部と第２のシリコン細棒の一方端に形成された雌螺子部とが螺合して締結されている。また、本発明に係る第２の態様のシリコン芯線は、第１のシリコン細棒の一方端に形成された螺子部と第２のシリコン細棒の一方端に形成された螺子部とが、両端部に螺子部が形成されたアダプタを介して螺合して締結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、多結晶シリコンを製造する際等に使用されるシリコン芯線の構造に関する。

多結晶シリコンは、半導体製造用の単結晶シリコンあるいは太陽電池製造用のシリコンの原料とされるものである。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おり、この方法は、一般に、シラン系の原料ガスを、加熱されたシリコン芯線（シリコン細棒）に接触させ、該シリコン芯線の表面にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で多結晶シリコンを析出させる方法である。

このシーメンス法では、鉛直方向に２本、水平方向に１本のシリコン細棒を逆Ｕ字型に組み立て、鉛直方向の２本のシリコン細棒の下端部を芯線ホルダに接続し、ベースプレート上に配置した一対の金属製の電極に固定する。一般的には反応炉内には複数組の逆Ｕ字型シリコン芯線を配置した構成となっている。

シリコン芯線を通電により析出温度まで加熱し、原料ガス（例えばトリクロロシランと水素の混合ガス）を供給すると、ＣＶＤ反応によりシリコン芯線の表面に多結晶シリコンが気相成長し、所望の直径の多結晶シリコン棒が逆Ｕ字状に形成される。

ＦＺ法による単結晶シリコン製造に際しては、逆Ｕ字状に形成された多結晶シリコンの鉛直方向２本の多結晶シリコン棒の両端部を切り離して円柱状の多結晶シリコンロッドとし、これを原料として単結晶シリコンの育成を行う。当然ながら、原料である円柱状の多結晶シリコンロッドは長尺であるほうが一度に引き上げられる単結晶シリコン長さが長くなるため好適である。そのためには、上述のシリコン芯線の鉛直方向の長さが十分に長いことが前提となる。

ところで、上述の逆Ｕ字型シリコン芯線を構成するシリコン細棒は、多結晶もしくは単結晶のシリコンロッドから採取されることとなるが、これらのシリコンロッドを反応炉から取り出す際に一部が切除されるため、その分だけ長さが短くなる。その結果、鉛直方向の長さが十分に長いシリコン芯線を得ようとすると、シリコン細棒の長さが十分でない場合が生じ、短尺のシリコン細棒を継ぎ足すことが必要となる。

特許文献１(特開２０１１−１１６６３４号公報)、は、斯かる問題に鑑みてなされた、制御が容易で、欠陥の極めて少ない高品質のシリコンシードを製造することができるシリコンシード製造装置及び製造方法の発明を開示しており、その発明は要するに、２本のシリコン細棒の端部を溶融させて固着させることで１本の長尺シリコン細棒を得るというものである。

このような溶接により２本のシリコン細棒を一体化させる手法は、特許文献２(特開２０１２−６２２４３号公報)や特許文献３(特開２０１８−１２２３４０号公報)にも開示されている。

また、特許文献４（米国特許公開２００３／０１４２０２号公報）には、シリコン細棒の一端をテーパー状に加工して、当該部分をアダプタに設けられた孔部に押し込むことで２本のシリコン細棒を一体化する態様が開示されており、特許文献５（特開２０１１−１９５４４１号公報）には、シリコン材料よりも低い比電気抵抗を有する材料からなるディスクを介して、２本のシリコン細棒を一体化する態様が開示されている。

特開２０１１−１１６６３４号公報 特開２０１２−６２２４３号公報 特開２０１８−１２２３４０号公報 米国特許公開２００３／０１４２０２号公報 特開２０１１−１９５４４１号公報

しかし、特許文献１〜３に開示されているような溶接による一体化を行った場合、溶接時の汚染が懸念される。また、特許文献４に記載されているようなアダプタを介しての固定では、シリコン細棒をアダプタの孔部に強く押し込む必要があるためにカケが発生したり、接続部が不安定なために逆Ｕ字状に組んだ際に倒壊が生じることがある。さらに、特許文献４や特許文献５のようにシリコン部材とは異なる部材を用いて一体化すると、シーメンス法により多結晶シリコンを析出させる工程中での汚染が懸念される。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡易的でコストがかからず、汚染の懸念がなく、倒壊の心配もない、長尺のシリコン芯線（シリコン細棒）を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る第１の態様のシリコン芯線は、第１のシリコン細棒の一方端に形成された雄螺子部と第２のシリコン細棒の一方端に形成された雌螺子部とが螺合して締結されている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る第２の態様のシリコン芯線は、第１のシリコン細棒の一方端に形成された螺子部と第２のシリコン細棒の一方端に形成された螺子部とが、両端部に螺子部が形成されたアダプタを介して螺合して締結されている、ことを特徴とする。

好ましくは、前記アダプタはシリコン部材からなる。

前記第１および第２のシリコン細棒は、例えば、多結晶シリコンロッドもしくは単結晶シリコンロッドから採取されたシリコン細棒である。

本発明により、簡易的でコストがかからず、汚染の懸念がなく、倒壊の心配もない、長尺のシリコン芯線（シリコン細棒）が提供される。

本発明に係る第１の態様のシリコン芯線を説明するための図である。 本発明に係る第２の態様のシリコン芯線の第１の例を説明するための図である。 本発明に係る第２の態様のシリコン芯線の第２の例を説明するための図である。 比較例１のシリコン芯線を説明するための図である。 比較例２のシリコン芯線を説明するための図である。

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、本発明に係る第１の態様のシリコン芯線を説明するための図で、図１（Ａ）は一体化前の様子を、図１（Ｂ）は一体化後の様子を示している。この図に示したように、第１のシリコン細棒１０の一方端には雄螺子部１５が形成され、第２のシリコン細棒２０の一方端には雌螺子部２５が形成されており、これらの螺子部が螺合して締結されて一体化され、一本のシリコン芯線１００とされている。

これらのシリコン細棒は、例えば、多結晶シリコンロッドもしくは単結晶シリコンから採取される。なお、シリコン細棒の断面形状に特別な制限はないが、一般的には矩形である。

シリコン細棒の螺子部は機械加工により形成されるが、汚染除去のために、加工後のシリコン細棒はエッチング処理して清浄化される。なお、このエッチング処理により螺子部のシリコンが僅かに除去されるから、エッチング後の螺子部が螺合するように、エッチング処理時の取り代を勘案して螺子部の機械加工が行われる。

このような螺子部を利用した一体化によれば、面接触により螺合するために確実な固定が可能となり、シリコン芯線への通電も安定的に行われるから、螺合部での異常発熱などは発生し難い。

図２は、本発明に係る第２の態様のシリコン芯線の第１の例を説明するための図で、図２（Ａ）は一体化前の様子を、図２（Ｂ）は一体化後の様子を示している。この態様では、第１のシリコン細棒１０の一方端には雄螺子部１５が形成され、第２のシリコン細棒２０の一方端にも雄螺子部２５が形成されており、これらの螺子部が、両端部に螺子部が形成されたアダプタ３０を介して、螺合して締結されて一体化され、一本のシリコン芯線１００とされている。

図３は、本発明に係る第２の態様のシリコン芯線の第２の例を説明するための図で、図３（Ａ）は一体化前の様子を、図３（Ｂ）は一体化後の様子を示している。この態様では、第１のシリコン細棒１０の一方端には雌螺子部１５が形成され、第２のシリコン細棒２０の一方端にも雌螺子部２５が形成されており、これらの螺子部が、両端部に螺子部が形成されたアダプタ３０を介して、螺合して締結されて一体化され、一本のシリコン芯線１００とされている。

ここで、アダプタ３０の直胴部の厚み（幅）ａは、シリコン芯線１００の全体の長さを勘案して設定されるが、ゼロでもよい。ａ＝０の場合、第１のシリコン細棒１０と第２のシリコン細棒２０の長さの和がシリコン芯線１００の全体の長さとなる。アダプタ３０の直動部の厚みａがゼロの場合、アダプタ３０に使う部材の使用量が少なくて済むこと、係合箇所が２箇所から１箇所となるため、シリコン芯線の剛性を高め、製造時にシリコン芯線が曲がりにくくなるという利点がある。

なお、アダプタ３０はこれらの態様のものに限定されず、例えば、一方端に雄螺子部が形成されている一方、他方端に雌螺子部が形成されている態様のものでもよい。また、上述のアダプタ３０は、汚染防止等の観点から、シリコン部材からなることが好ましい。さらに、螺合をスムースに行う等の観点から、エアー抜き用として、アダプタ３０に小さな孔部を設けるようにしてもよい。

[実施例１]
単結晶のシリコン細棒を準備し、一方端に雄螺子部を形成した。また、図２に示したような、内部を雌螺子としたアダプタを準備した。なお、このアダプタには、エアー抜き用として、小さな孔部を設けた。このようなシリコン細棒２本とアダプタ１個を１組として１０組を用意し、これらの部材をエッチング処理して清浄化した。

上記シリコン細棒２本をアダプタを介して一体化し、総計１０本の長尺のシリコン芯線を得た後、これらを用いて５つの逆Ｕ字型シリコン芯線を組み立てた。

得られた逆Ｕ字型シリコン芯線を反応炉内にセットし、シーメンス法により、直径１３０mmまでの多結晶シリコン棒の成長を行ったところ、異常成長や破損といっ
た事故を起こすことなく、プロセスを終了した。また、エアー抜き用として孔部を設けたことにより、螺合部内部のガスも置換が行われるとともに反応ガスが孔部に流入して内部で多結晶シリコンの成長が進行し、螺合部の接続がより強固なものとなっていた。

[比較例１]
図４に示したように、一方端面を凸テーパー加工５５、６５を施した単結晶のシリコン細棒５０、６０を準備する一方、凹テーパーの加工を両端面に施したアダプタ７０を準備した。このようなシリコン細棒２本とアダプタ１個を１組として１０組を用意し、これらの部材をエッチング処理して清浄化した。

上記シリコン細棒２本をアダプタを介して一体化し、総計１０本の長尺のシリコン芯線を得た後、これらを用いて５つの逆Ｕ字型シリコン芯線を組み立てたが、そのうち１組については組み立て作業中にテーパー部が破損した。

組み立てで得られた４つの逆Ｕ字型シリコン芯線を反応炉内にセットし、シーメンス法により、直径１３０mmまでの多結晶シリコン棒の成長を行ったところ、１つ
の逆Ｕ字型シリコン芯線で、通電時に傾きが生じた。その原因を調べたところ、異常発熱に起因すると思われる、テーパー部での溶融が認められた。

[比較例２]
図５に示したように、２本の単結晶のシリコン細棒８０、９０を準備し、エッチングによる清浄化の後、溶接により一体化した。溶接で一体化されたシリコン細棒を再度エッチングしたものを１０本用意し、これらを用いて５つの逆Ｕ字型シリコン芯線を組み立てた。

これら５つの逆Ｕ字型シリコン芯線を反応炉内にセットし、シーメンス法により、直径１３０mmまでの多結晶シリコン棒の成長を行ったところ、１つの逆Ｕ字型シ
リコン芯線で、通電時に破損が発生した。その原因を調べたところ、溶接部の破断が確認された。溶接時に高温化した部位に歪が残留していたことによる現象であると思われる。

本発明により、簡易的でコストがかからず、汚染の懸念がなく、倒壊の心配もない、長尺のシリコン芯線（シリコン細棒）が提供される。

１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０ シリコン細棒
１５ 雄螺子部
２５ 雌螺子部
３０、７０ アダプタ
５５、６５ テーパー部
１００、２００、３００ 長尺シリコン芯線

Claims (4)

1. 第１のシリコン細棒の一方端に形成された雄螺子部と第２のシリコン細棒の一方端に形成された雌螺子部とが螺合して締結されている、シリコン芯線。
2. 第１のシリコン細棒の一方端に形成された螺子部と第２のシリコン細棒の一方端に形成された螺子部とが、両端部に螺子部が形成されたアダプタを介して螺合して締結されている、シリコン芯線。
3. 前記アダプタはシリコン部材からなる、請求項２に記載のシリコン芯線。
4. 前記第１および第２のシリコン細棒は、多結晶シリコンロッドもしくは単結晶シリコンロッドから採取されたシリコン細棒である、請求項１〜３に記載のシリコン芯線。