JPH0317769B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、多結晶シリコンの製造法に関し、特
に多結晶シリコンを1100℃以上の高温において高
速度で製造することができる方法に関する。

通常鐘状の蓋体を基板上に密着させて反応炉を
形成し、その中にシリコン担体を設置し、該シリ
コン担体の温度を約1050℃程度に通電加熱しなが
らクロルシランと水素の混合ガスを導入すること
により多結晶シリコンを担体上に析出、製造する
方法が知られている。これは、主としてトリクロ
ロシランの還元や熱分解により多結晶シリコンを
析出させるものである。この反応において、ジク
ロルシランやテトラクロルシランも生成するが、
これらは通常未反応トリクロロシランとともに循
環再使用されるので、反応炉内に導入されるクロ
ルシランは、通常これらの混合物である。

反応炉を形成する蓋体の材料としては石英が用
いられて来たが、近年生産能を高めるために炉の
大型化が求められ、そのため金属製の蓋体が使用
されるようになつて来た。この場合、過熱による
蓋体の溶融を防ぐ必要があるため、通常外側から
冷却が行なわれる。また、反応炉内に設置するシ
リコン担体としては、従来第１図に示すような門
形に屈曲したものが使用されてきた。このシリコ
ン担体は、基板１の上に垂直に立てた脚部２及び
３と、この二本の脚部の上端にわたして接合され
た水平なブリツジ部４から構成されているのが普
通である。このような条件下で反応炉内に導入さ
れたクロルシランは反応炉内で還元され、あるい
は熱分解されてシリコン担体上に多結晶シリコン
として析出する。このとき多結晶シリコンの析出
速度を大きくするためには、(イ)反応炉内へのクロ
ルシランの導入量を増大するか、又は(ロ)熱分解温
度を高くする、という方法が考えられ、例えば特
公昭57−12288号は(イ)の手段を追求した結果、従
来の原料を気体状態で供給するのにかえて一部を
液状として供給する方法を採用したものである。
この方法はたしかに析出速度の増大をもたらしは
するものの、供給される原料中の水素対クロルシ
ランの比率が従来の約10対１（モル比）から４〜
１対１に変化する結果、次の反応により生成する
多結晶シリコン製造工程において付加価値の低い
四塩化珪素が増大するという重大な欠点を避ける
ことができない。

4SiHCl₃→Si＋3SiCl₄＋2H₂ 一方(ロ)の方法も古くから種々検討されており、
例えば特公昭37−18362号には、1150〜1200℃の
実施例が示されている。しかし、このような温度
の下での反応は、装置が大型化し、得られる多結
晶ロツドが大径化するに従つて次に述べる理由で
実用化に至らず、直径80mmを越すロツドの製造に
はたかだか1100℃程度まで高め得るに過ぎなかつ
た。すなわち第１に、門形の担体の接合部、即ち
第１図における脚部２，３とブリツジ部４との角
ばつた接合部５，６において結晶成長が他の部分
のように均一でないために、断面が部分的に小さ
くなる。その結果局部的に異常高温となつて溶断
が起り易い。第２に、多結晶シリコンの直径が大
きくなるにつれ、外縁部と中心部の温度差が無視
できないほど大きくなる。すると、内部蒸歪によ
り反応終了時に多結晶シリコン層にクラツクが生
ずる。反応炉に用いる蓋体がステンレス鋼ででき
ている場合には、前述のように冷却が行われるた
め蓋体を通しての放熱が一層大きいので、この場
合前記の外縁部と中心部の温度差はより大きくな
り、クラツクが一層生じやすい。また、炉内の温
度勾配が大きいため、担体が配置される位置によ
り多結晶シリコンの成長が不均一にもなる。上記
のような新たな問題が生じるために、担体を1100
℃以上に加熱してシリコンの析出速度を高めて
も、実用性のある直径80mm以上の多結晶シリコン
棒を安定して製造することは極めて困難であつ
た。

本発明は、以上のような問題を解消するために
なされたものである。

即ち本発明の目的は、1100℃以上の高温におい
て高速度で、実用性の高い均質な多結晶シリコン
を製造することができる、生産性の高い製造法を
提供することにある。

本発明者らがこの目的のために研究を重ねた結
果、次の製造法を完成するに至つた。

本発明によれば、基板と該基板を覆う蓋体とか
らなる密閉した反応炉内にシリコン担体を立設
し、該シリコン担体に通電して加熱しながらクロ
ルシランと水素の混合ガスを反応炉内へ導入する
ことにより該担体上に多結晶シリコンを析出させ
る多結晶シリコンの製造法において、前記反応炉
の蓋体が金属製でその内面が鏡面状態であり、か
つ前記棒状シリコン担体が滑らかな弧状の湾曲部
を有する逆Ｕ字形に屈曲していて、前記担体の表
面温度が1100℃以上に維持されることを特徴とす
る製造法が提供される。

本発明においては、反応炉内面が鏡面化されて
いるために蓋体を通しての放熱が抑制される、そ
の結果炉内での温度勾配が小さくなり、多結晶シ
リコンが太く成長しても外縁部と中心部の温度差
が許容範囲にとどまつてクラツクなどの破損は起
らないだけでなく、50〜70％にも及んだ放射伝熱
による熱ロスが軽減され著しい省エネルギー効果
がもたらされる。反応炉内面、特に蓋体内面を鏡
面状態とするには、蓋体の基材であるステンレス
等の金属の上にニツケル、銀、クロム、等の溶射
又はメツキを施してもよいし、その内面自体を電
解研摩、バフ研摩などの方法により鏡面状態とし
てもよい。1000〜1300℃における放射エネルギー
は、その大部分が0.5〜10μの波長範囲に分布し、
前記鏡面化は反射率として70％以上が好ましく、
上記方法により容易に達成できる。反射率は90％
以上であることが好ましく、＃ 600以上のバフ研
摩を施すことにより比較的容易に達成できる。

第２図は、本発明に用いる逆Ｕ字形シリコン担
体７を、基板８の上に直立させて固定した好まし
い実施例を表す。この図では蓋体は省略されてい
る。図面からも明らかなように、逆Ｕ字形担体
は、滑らかなカーブを描いて曲げられているため
に、第１図の門形担体のような角ばつた部分はな
い。そのため、多結晶シリコンが全体にわたつて
均一に析出、成長する。したがつて、一部が他の
部分よりも細くなつて異常高温になつたりせず、
したがつて溶断が起ることもない。

このように、反応炉内面を鏡面状態とし、かつ
担体を逆Ｕ字形とすることにより、前述した従来
技術の問題点は完全に解消され、担体表面の温度
を1100℃以上に維持して直径80〜120mmの実用性
の高い多結晶シリコン棒を高速度で能率的に製造
することができる。

反応の温度は、担体表面がおよそ1100〜1250℃
の範囲になるように調整することが好ましい。
1100℃未満では製造速度の向上は余り期待できず
約1250℃を超えるとシリコン棒心部が過熱して溶
融するおそれがあるため注意を要する。

約1100℃以上の高温において、何らの支障もな
く、実用性の高い太さの多結晶シリコン棒を高い
速度で製造し得るという本発明の効果は、炉内面
を鏡面状態とし、かつ逆Ｕ字形担体を用いること
によつて初めて達成されたものである。この２つ
のいずれを欠いても、金属壁炉による1100℃以上
での製造は困難である。

ここで再び第２図に戻ると、この実施例で使用
されている逆Ｕ字形担体７は、二個のスリーブ９
及び１０により接合された三つの部分からできて
いる。即ち、基板上の電極１１，１２に下端が固
定され直立している直線状脚部１３，１４と、こ
れら二本の脚部の一方の上端１５から他方の上端
１６にわたる曲線状ブリツジ部１７とが、それぞ
れの対応する端部をスリーブ９，０により滑らか
に連結されている。第３図は、連結部のみを部分
的に示す縦断面図である。脚部１３の上端は上向
きかつ半径方向内向きのテーパー１８が付いてい
て次第に細くなつている。ブリツジ部１７の端に
は下向きかつ半径方向内向きのテーパー１９が付
いていて次第に細くなつている。そしてこれらテ
ーパー付の端部を受けいれるスリーブ９の内面に
は、前記脚部及びブリツジ部の端部のテーパーに
対応して合致するテーパーが付いている。ここに
示したスリーブは一例を示したものであり、種々
のものを使用することができる。スリーブの材料
としては、グラフアイト、タンタル、ニオブ、モ
リブテン、シリコンなどがあげられる。このよう
なスリーブを用いると、反応炉内に逆Ｕ字形担体
を設置することが容易であり、また製造も一体の
担体を製造するよりも容易である。

第４図は、本発明に用いる湾曲部を有する逆Ｕ
字形担体の別の実施例を示したものである。この
逆Ｕ字形担体２０はブリツジ部の頂部２１が部分
的に水平な直線状であり、脚部２２，２３の上端
に近い部分２４，２５で曲線状になつて滑らかに
脚部２２，２３へ連なつている。本発明書で「逆
Ｕ字形」と称するものには、このような形状も包
含される。

次に、実施例、比較例により、本発明を具体的
に説明する。

実施例 第２図に示した形の逆Ｕ字形シリコン担体を基
板上に設置した。脚部１３，１４には７mm□ のシ
リコン棒で上端が直径５mm，11.4゜のテーパー付
のものを使用した。円孤状ブリツジ部１７には曲
率半径が約50mmで、両端が直径５mm、11.4゜のテ
ーパー付のものを使用した。直径10mm、長さ20mm
の円柱状シリコンの両端から直径５mm、11.4゜の
テーパー付貫通孔を形成してスリーブ９を作り、
これを用いて脚部１３，１４とブリツジ部１７を
隙間なく連結した。次に内壁がステンレス鋼から
なり、＃ 600バフ研摩により反射率92％の鏡面に
仕上げられた鐘状蓋体をシリコン担体に被せて基
板に密着させ、反応炉を形成した。電極を介して
各々の逆Ｕ字形担体に通電し加熱し、その表面温
度を1150℃に維持しながら、水素−トリクロロシ
ランからなる混合ガスを平均390m³／時の流量で
流し、80時間後に直径100mmとなつた時点で反応
を停止した。析出速度は毎時5.37Kg，収率は13％
であつた。また電力原単位は130KWH／Kgであ
つた。これは1050℃での従来条件と比べて析出速
度で２倍速く、電力原単位として約40％改善され
た。

比較例 １ 基板上に７mm□ のシリコン棒を使用した直線状
担体２本を立て、別の７mm□ の直線状シリコン棒
の両端に５mmの穴をあけた水平なブリツジにより
門型担体を構成し、実施例と同じく反射率92％の
鏡面に仕上げた鐘状蓋体を基板に密着しておいた
反応炉に電極を介して門型担体を加熱通電し、そ
の表面温度を1150℃に維持しながら、水素−トリ
クロロシランからなる混合ガスを平均毎時122m³
の割合で流したところ42時間後、門型の連結部か
ら溶断した。

比較例 ２ 基板上に逆Ｕ字形担体を実施例と同様に立て、
HNO₃−HF混合溶液による洗滌面をもつ鐘状蓋
体を基板に密着しておいて反応炉を形成した。電
極を介して逆Ｕ字形担体に通電加熱し、その表面
温度を1150℃に維持しながら水素−トリクロロシ
ランから成る混合ガスを平均毎時382m³の割合で
流したところ78時間後、直径96mmで反応を停止し
た。析出速度は毎時5.07Kg、収率は12.7％、電力
原単位は170KWH／Kgであつたが、切削加工の
時、クラツクにより析れが多数発生し通常の使用
に耐えなかつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の門形のシリコン担体を表す図
で、第２図は、本発明に用いる逆Ｕ字形のシリコ
ン担体を表す図で、第３図は、本発明に用いる逆
Ｕ字形シリコン担体の一部の縦断面であつて、ス
リーブにより担体を接合した部分を表し、そして
第４図は、本発明に用いる逆Ｕ字形シリコン担体
の別の態様を表す図である。 ２，３……脚部、４……ブリツジ部、７……逆
Ｕ字形シリコン担体、１３，１４……脚部、１７
……ブリツジ部、９，１０……スリーブ、２０…
…逆Ｕ字形シリコン担体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 基板と該基板を覆う蓋体とからなる密閉した
   反応炉内にシリコン担体を立設し、該シリコン担
   体に通電して加熱しながらクロルシランと水素の
   混合ガスを反応炉内へ導入することにより該担体
   上に多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコン
   の製造法において、前記反応炉の蓋体が金属製で
   その内面が鏡面状態であり、かつ前記棒状シリコ
   ン担体が滑らかな弧状の湾曲部を有する逆Ｕ字形
   に屈曲していて、前記担体の表面温度が1100℃以
   上に維持されることを特徴とする製造法。