(57)【要約】【課題】作業性に優れ、高品質の製品を製造できる多結晶シリコン製造装置を提供する。【解決手段】反応炉内で加熱された上下方向に沿うシリコン芯棒２０に原料ガスを接触させることによりシリコン芯棒２０の表面に多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコン製造装置であって、シリコン芯棒２０の下端部が挿入される保持孔３４ａが形成された導電材からなる芯棒保持部３４を備え、この芯棒保持部３４において、保持孔３４ａは水平方向に沿う断面が複数の角部を有する形状であり、２つ以上の前記角部に、芯棒保持部３４の外面から連通するねじ穴３４ｂが形成されており、これらのねじ穴３４ｂの少なくともいずれかに、シリコン芯棒２０を固定する固定ねじ３６が螺合される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉内で加熱された上下方向に沿うシリコン芯棒に原料ガスを接触させることにより前記シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコン製造装置であって、
前記シリコン芯棒の下端部が挿入される保持孔が形成された導電材からなる芯棒保持部を備え、
この芯棒保持部において、前記保持孔は水平方向に沿う断面が複数の角部を有する形状であり、２つ以上の前記角部に、前記芯棒保持部の外面から連通するねじ穴が形成されており、
これらのねじ穴の少なくともいずれかに、前記シリコン芯棒を固定する固定ねじが螺合されることを特徴とする多結晶シリコン製造装置。
【請求項２】
前記反応炉は炉底を構成する底板部を備え、
前記芯棒保持部は、前記底板部に対して、前記保持孔を中心として回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加熱したシリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させて多結晶シリコンのロッドを製造する多結晶シリコン製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体材料となる高純度の多結晶シリコンの製造方法として、シーメンス法が知られている。シーメンス法は、クロロシランと水素との混合ガスからなる原料ガスを加熱したシードに接触させ、その表面に原料ガスの熱分解および水素還元によって生じた多結晶シリコンを析出させる製造方法である。この製造方法を実施する装置として、密閉した反応炉の炉底に設置された電極に多数のシリコン芯棒（スタータフィラメント）を立設した多結晶シリコン反応炉が用いられている（特許文献１参照）。
【０００３】
従来、反応炉において、上下方向に沿って設けられた２本の棒状のシリコン芯棒と、これらシリコン芯棒の上端部同士を接続する連結部材とによりΠ字状に形成されたシード組立体が固定されている。このシード組立体は、電極を通じて電流が供給されてジュール熱が発生することにより、高温に加熱される。
【０００４】
シリコン芯棒は、たとえば、溶融状態のシリコンから単結晶を引き上げて細長いシリコン芯棒を作る方法や、クロロシランの反応によって形成されたロッド状の多結晶シリコン母材を切断して細長いシリコン芯棒を作る方法などによって製造される。
前者の方法の場合、比較的真っ直ぐな円柱状のシリコン芯棒が得られるが、単結晶シリコン棒の形成に時間を要するので、生産効率が低い。
【０００５】
一方、後者の方法の場合、高純度の多結晶シリコン母材（ロッド）から切り出すので、高純度のシリコン芯棒が得られる。しかしながら、クロロシランの反応によって形成された多結晶シリコンロッドには、たとえば特許文献２に記載されているように、その製造過程で内部に歪みが形成される場合があるため、切断後のシリコン芯棒が撓むおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２１３６９７号公報
【特許文献２】国際公開第９７／４４２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
炉内で原料ガスが反応してシリコン芯棒表面に多結晶シリコンが析出する過程においては、反応を継続することによってシリコン芯棒表面に析出した多結晶シリコンの重量は数十ｋｇにも達する。この多結晶シリコンを保持するシリコン芯棒が撓んでいる場合、析出した多結晶シリコンの重量によって電極あるいはシリコン芯棒が折れやすくなる。また、炉内には複数のシリコン芯棒が立設されているため、シリコン芯棒が撓んでいると各シリコン芯棒間距離がばらつき、シリコン芯棒同士が近接している部分では互いの輻射熱によって過熱状態となる。このため、多結晶シリコンの析出量が部位によってばらつき、また多結晶シリコンが凹凸状に析出するなど、製品品質の低下を招くという問題も生じる。したがって、炉内の各シリコン芯棒は、直立させることが望ましい。
【０００８】
このため、互いに連結される一対のシリコン芯棒において、各シリコン芯棒の変形方向を調整して固定した上で連結部材を取り付けることにより、シリコン芯棒の変形を矯正し、各シリコン芯棒をほぼ直立させる作業が行われる。しかしながら、シリコン芯棒の変形方向を調整して連結部材を取り付けるだけでは、シリコン芯棒を直立させるのが困難である場合もある。この場合、連結部材を再度取り外してシリコン芯棒の向きを変えて固定し直すなどの作業が行われるが、このような作業は手間がかかって生産性を低下させる。また、多数のシード組立体を立設するので、この作業中にシリコン芯棒の破損を招く可能性が高くなる。また、作業に手間がかかることにより、シリコン芯棒が長時間空気に曝されて、シリコン芯棒の表面の汚染を招く可能性も高くなる。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、作業性に優れ、高品質のシリコン製品を製造できる多結晶シリコン製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明は、反応炉内で加熱された上下方向に沿うシリコン芯棒に原料ガスを接触させることにより前記シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコン製造装置であって、前記シリコン芯棒の下端部が挿入される保持孔が形成された導電材からなる芯棒保持部を備え、この芯棒保持部において、前記保持孔は水平方向に沿う断面が複数の角部を有する形状であり、２つ以上の前記角部に、前記芯棒保持部の外面から連通するねじ穴が形成されており、これらのねじ穴の少なくともいずれかに、前記シリコン芯棒を固定する固定ねじが螺合される。
【００１１】
この発明によれば、連結部材が取り付けられても一対のシリコン芯棒の撓みが十分に矯正されない場合や、シリコン芯棒の保持孔に位置ずれや傾き等が生じている場合等に、固定ねじを螺合するねじ穴を変更することにより、シリコン芯棒と保持孔との寸法差に応じて、シリコン芯棒の立設位置や姿勢を調整できる。したがって、連結部材によって連結された一対のシリコン芯棒の撓みを、固定ねじの螺合位置を変更するという簡易な作業によって矯正することができる。
【００１２】
この多結晶シリコン製造装置において、前記反応炉は炉底を構成する底板部を備え、前記芯棒保持部は前記底板部に対して前記保持孔を中心として回転可能に支持されていることが好ましい。この場合、芯棒保持部を回転させることによってシリコン芯棒の姿勢を大きく調整することができるので、より効果的にシリコン芯棒の変形を矯正することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の多結晶シリコン製造装置によれば、多結晶シリコンを析出させるシリコン芯棒の変形を容易に矯正できるので、多結晶シリコン製造の作業性および製品品質の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】反応炉のベルジャを一部切欠いた斜視図である。
【図２】図１に示す反応炉の概略断面図である。
【図３】図２に示す反応炉中の電極ユニットおよびシード組立体を示す図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】固定ねじの螺合方向に応じた、芯棒保持部に対するシリコン芯棒の姿勢の変化を示す模式図である。
【図６】断面三角形のシリコン芯棒を示す断面図である。
【図７】電極ユニットに取り付けられたシリコン芯棒を示す模式図である。
【図８】電極ユニットに取り付けられたシード組立体を示す模式図である。
【図９】芯棒保持部における支持構造の一例を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の多結晶シリコン製造装置の一実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１は本発明が適用される多結晶シリコン製造装置の全体図である。多結晶シリコン製造装置の反応炉１０は、炉底を構成する底板部１２と、この底板部１２上に脱着自在に取り付けられた釣鐘形状のベルジャ１４とを具備している。底板部１２の上面はほぼ平坦な水平面に形成される。ベルジャ１４は、全体として釣鐘形状をしていて、天井がドーム型であって、その内部空間は中央部が最も高く外周部が最も低く形成されている。また、底板部１２及びベルジャ１４の壁はジャケット構造（図示略）とされ、冷却水によって冷却される。
【００１６】
底板部１２には、多結晶シリコンの種棒（シード）となるシリコン芯棒２０が取り付けられる電極ユニット３０と、クロロシランガスと水素ガスとを含む原料ガスを炉内に噴出するための噴出ノズル（ガス供給口）１６と、反応後のガスを炉外に排出するためのガス排出口１８とがそれぞれ複数設けられている。
【００１７】
原料ガスの噴出ノズル１６は、各シリコン芯棒２０に対して均一に原料ガスを供給するように、反応炉１０の底板部１２の上面のほぼ全域に分散して適宜の間隔をあけながら複数設置されている。これら噴出ノズル１６は、反応炉１０の外部の原料ガス供給源５０に接続されている。また、ガス排出口１８は、底板部１２の上の外周部付近に周方向に適宜の間隔をあけて複数設置され、外部の排ガス処理系５２に接続されている。電極ユニット３０には、電源回路５４が接続されている。
【００１８】
シリコン芯棒２０は、下端部が電極ユニット３０内に差し込まれた状態に固定され、上方に延びて立設されている。各シリコン芯棒２０の上端部には、二本のシリコン芯棒２０を対として連結する連結部材２２が取り付けられている。この、連結部材２２は、その両端に形成された円筒状の貫通孔２２ａを、各シリコン芯棒２０の上端に形成された円柱状のボス部２０ａに係合させている（図３参照）。この連結部材２２もシリコン芯棒２０と同じシリコンによって形成されている。二本のシリコン芯棒２０とこれらを連結する連結部材２２とによって、全体としてΠ字状をなすシード組立体２４が構成されている。シード組立体２４は、電極ユニット３０が反応炉１０の中心から同心円状に配置されていることにより、全体としてほぼ同心円状に配置されている。
【００１９】
電極ユニット３０についてより具体的には、図２に示すように、反応炉１０内に、１本のシリコン芯棒２０を保持する電極ユニット３０（３０Ａ）と、２本のシリコン芯棒２０を保持する電極ユニット３０（３０Ｂ）とが配設されている。各シード組立体２４は、複数個の電極ユニット３０Ａ，３０Ｂの間をまたぐように複数組設けられている。これら電極ユニット３０Ａ，３０Ｂは、１個の電極ユニット３０Ａ、複数個の電極ユニット３０Ｂ、１個の電極ユニット３０Ａの順に並べられ、複数のシード組立体２４を直列に接続している。つまり、一つのシード組立体２４の両シリコン芯棒２０は、隣接する異なる電極ユニット３０Ａ，３０Ｂによってそれぞれ保持されている。
【００２０】
つまり、電極ユニット３０Ａにはシード組立体２４の２本のシリコン芯棒２０のうちの１本が保持され、電極ユニット３０Ｂには、２組のシード組立体２４のシリコン芯棒２０が１本ずつ保持されている。そして、列の両端の電極ユニット３０Ａに接続された電源ケーブルを通じて、電流が流れるように構成されている。
【００２１】
このように構成される多結晶シリコン製造装置において、各電極ユニット３０からシリコン芯棒２０に通電することにより、シリコン芯棒２０を電気抵抗による発熱状態とする。さらに、各シリコン芯棒２０は、隣接するシリコン芯棒２０からの輻射熱を受けて加熱される。そして、ジュール熱と輻射熱とが相乗して高温状態となったシリコン芯棒２０の表面で、原料ガスが反応して、多結晶シリコンが析出する。
【００２２】
ここで、電極ユニット３０（３０Ａ，３０Ｂ）にシリコン芯棒２０を保持する構造について説明する。
電極ユニット３０Ａは、図３に示すように、反応炉１０の底板部１２に形成された貫通孔１２ａ内に挿入状態に設けられたホルダ部３２と、ホルダ部３２の上部に取り付けられてシリコン芯棒２０を保持する芯棒保持部３４とを備えている。同様に、電極ユニット３０Ｂは、反応炉１０の底板部１２に形成された貫通孔１２ａ内に挿入状態に設けられたホルダ部３３と、ホルダ部３３の上部に取り付けられてシリコン芯棒２０を保持する芯棒保持部３４とを備えている。
【００２３】
芯棒保持部３４は、シリコン芯棒２０が挿入される保持孔３４ａが上端部に形成され、外周面に螺条が形成された略円柱状の部材であり、導電材（たとえばカーボン）から形成されている。ホルダ部３２，ホルダ部３３は、導電材から形成され、その上部には芯棒保持部３４を螺合させる雌ネジ穴３２ａ，３３ａが形成されている。この雌ネジ穴３２ａ，３３ａに螺合した芯棒保持部３４に対して、ナット３５が取り付けられている。
【００２４】
図４に示すように、芯棒保持部３４の保持孔３４ａは、上下方向に対して交差する水平方向の断面が四つの角部を有する矩形である。この保持孔３４ａにおいて対向する２つの角部に、外面から連通するねじ穴３４ｂが保持孔３４ａに直交して形成されている。これら２つのねじ穴３４ｂのうちの一方に、シリコン芯棒２０を固定する固定ねじ３６が螺合されている。固定ねじ３６は芯棒保持部３４と同じくカーボン製であり、その一端部に＋形状または−形状のドライバー工具溝が形成されている。
【００２５】
保持孔３４ａに挿入されるシリコン芯棒２０は、保持孔３４ａよりも小さい略矩形断面を有する棒状部材である。したがって、シリコン芯棒２０は、芯棒保持部３４に対して、保持孔３４ａとの寸法差の範囲で移動可能であり、図４に示すように、固定ねじ３６が締め込まれて固定ねじ３６の先端部がシリコン芯棒２０の角部（稜線）を押圧することにより、固定ねじ３６に対向する保持孔３４ａの符号Ｆ，Ｇで示す２面に押しつけられて固定され、この２面の接触によってシリコン芯棒２０と芯棒保持部３４とが電気的に導通する。
【００２６】
固定ねじ３６は、いずれのねじ穴３４ｂにも螺合することができ、どちらのねじ穴３４ｂに螺合させるかによって、シリコン芯棒２０の保持位置および姿勢を調整させることができる。固定ねじ３６によるシリコン芯棒２０の押圧方向と保持孔３４ａにおけるシリコン芯棒２０の保持位置および姿勢との関係の一例を模式的に図５に示す。この図に示すように、シリコン芯棒２０が撓んでいる場合、矢印Ａのように右方から固定ねじ３６を締め込むことにより、実線で示すようにシリコン芯棒２０の上端が保持孔３４ａの中心軸から図の左方へとずれることがある。このような場合に、固定ねじ３６を一旦外してもう一方のねじ穴３４ｂに螺合させ、矢印Ｂのように左方から固定ねじ３６を締め込むことにより、鎖線で示すようにシリコン芯棒２０の姿勢を変化させ、保持孔３４ａの中心軸に沿うように調整することができる。
【００２７】
なお、シリコン芯棒２０の断面形状は矩形に限定されず、三角形、六角形、八角形等の多角形状であってもよく、固定ねじに角部（稜線）を押圧されて、この角部に対向する側面が保持孔の内面に接触して固定される形状であればよい。たとえば図６に示すように、シリコン芯棒２０の断面形状が三角形である場合、芯棒保持部３４の保持孔３４ｃはシリコン芯棒２０よりも大きな三角形断面を有するように形成される。この保持孔３４ｃの各角部に、芯棒保持部３４の外面から連通するねじ穴３４ｄが形成されている。そして、ねじ穴３４ｄに螺合させた固定ねじ３６を締め込むことにより、側面Ｈが保持孔３４ｃの内面に押圧されて、シリコン芯棒２０が固定される。このような構造によれば、各ねじ穴３４ｄに対して螺合させた固定ねじ３６をそれぞれどの程度締め込むかに応じて、シリコン芯棒２０の保持位置および姿勢を調整し、固定することができる。
【００２８】
つぎに、このように構成された芯棒保持部３４を用いて、シリコン芯棒２０を立設する際の作業について説明する。
まず、図７に示すように、連結部材２２によって連結する一対のシリコン芯棒２０の上端が互いに離れるように、各シリコン芯棒２０の向きを調整して芯棒保持部３４に立設する。このようにシリコン芯棒２０を立設すると、連結部材２２を取り付けるだけで、各シリコン芯棒２０の撓みが矯正され、図７に鎖線で示すようにシード組立体２４をほぼ直立させることができる場合もある。
【００２９】
しかしながら、連結部材２２を取り付けても各シリコン芯棒２０の撓みを矯正しきれず、たとえば図８に鎖線で示すようにシード組立体２４全体が撓んでしまう場合がある。このような場合に、連結部材２２を取り付けたまま、シード組立体２４を構成するシリコン芯棒２０のいずれかまたは両方について、固定ねじ３６を一旦外し、対向するねじ穴３４ｂに螺合させることにより、シリコン芯棒２０の姿勢を調整し、シード組立体２４をほぼ直立させることができる。
【００３０】
なお、シード組立体２４におけるシリコン芯棒２０は、円柱状のボス部２０ａと貫通孔２２ａとの係合によって連結部材２２に連結されているので、ホルダ部３２，ホルダ部３３に螺合している芯棒保持部３４を回転させることによって、連結部材２２を取り付けたままシリコン芯棒２０を回転させることができる。この場合、連結部材２２で連結された一対のシリコン芯棒２０同士の姿勢が相対的に変化するので、これによりシード組立体２４におけるシリコン芯棒２０の撓み矯正を図ることができる。
【００３１】
以上説明したように、本発明の多結晶シリコン製造装置によれば、芯棒保持部に形成された矩形の保持孔に、シリコン芯棒を固定する固定ねじを螺合させるねじ穴が２カ所以上設けられているので、固定ねじを螺合させるねじ穴を変更することにより、芯棒保持部に対するシリコン芯棒の押圧方向を変化させることができる。これにより、シリコン芯棒（シード組立体）をほぼ直立させ、析出した多結晶シリコンの重量によるシリコン芯棒の破損や、シリコン芯棒間の距離のばらつきによる多結晶シリコンの品質低下を防止できる。すなわち、固定ねじの取り付け位置を変更するという簡易な作業によってシリコン芯棒の撓みを矯正できるので、作業性に優れ、このためシリコン芯棒の組立時の破損の可能性を低減でき、さらに空気に曝される時間を短くできるのでシリコン芯棒の表面汚染も低減でき、したがって高品質の多結晶シリコンを製造できる装置が実現される。
【００３２】
なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。たとえば、ねじ穴は前記実施形態のように対向する２カ所に限らず、保持孔の角部全て（４カ所）にねじ穴が設けられていてもよい。また、各ねじ穴は、前記実施形態のように同一高さ位置に設けてもよいが、上下にずらして形成してもよい。この場合、シリコン芯棒の押圧方向を複数方向に変更できるので、シリコン芯棒の姿勢の微妙な調整が可能となり、シード組立体を直立させる作業が容易になる。また、前記実施形態ではシリコン芯棒自体に撓みがある場合について説明したが、本発明によれば、シリコン芯棒の保持孔に位置ずれや傾き等がある場合にもシード組立体を直立させることが可能である。
【００３３】
また、前記実施形態の電極ユニット３０Ａにおいては、芯棒保持部３４はホルダ部３２の雌ネジ穴３２ａに螺合してナット３５を取り付けられることにより支持されているが、芯棒保持部の支持構造はこのようなものに限定されない。
たとえば、図９に示す芯棒保持部４０は、前記実施形態と同様にシリコン芯棒２０が挿入される保持孔４０ａが上部４０ｂに形成されているが、前記実施形態とは異なり外周面に螺条が形成されておらず、下部４０ｃの外径が上部４０ｂの外径よりも大きい段付円柱状に形成されている。なお、保持孔４０ａは前記実施形態の保持孔３４ａと同様の形状であって、シリコン芯棒２０を移動可能に保持している。このため、芯棒保持部４０においても、固定ねじ３６を締め込むねじ穴４０ｄを変えることによって、シリコン芯棒２０の姿勢を調整することができる。
【００３４】
この芯棒保持部４０を支持するホルダ本体４１は、芯棒保持部４０の下部４０ｃが回転可能な状態で挿入保持される円筒状の保持孔４１ａを有し、外周面には雄ねじが形成されている。この雄ねじに螺合するナット部材４２は、内向きフランジ４２ａを上端部に有している。この内向きフランジ４２ａの中心に形成された貫通孔４２ｂは、芯棒保持部４０の上部４０ｂを通過させるが下部４０ｃを通過させない内径を有している。なお、ホルダ本体４１の保持孔４１ａは、芯棒保持部４０の下部４０ｃの高さよりも深さが浅く、芯棒保持部４０の上端部をホルダ本体４１の上端面から突出させるように形成されている。
【００３５】
つまり、図９に示す構造によれば、ホルダ本体４１の保持孔４１ａに芯棒保持部４０の下部４０ｃを挿入し、ナット部材４２をホルダ本体４１に締結することにより、芯棒保持部４０を底板部１２に対して回転可能に支持させることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  反応炉
１２  底板部
１２ａ  貫通孔
１４  ベルジャ
１６  噴出ノズル（ガス供給口）
１８  ガス排出口
２０  シリコン芯棒
２０ａ  ボス部
２２  連結部材
２２ａ  貫通孔
２４  シード組立体
３０（３０Ａ，３０Ｂ）  電極ユニット
３２  ホルダ部
３３  ホルダ部
３２ａ，３３ａ  雌ネジ穴
３４，４０  芯棒保持部
３４ａ，３４ｃ，４０ａ  保持孔
３４ｂ，３４ｄ，４０ｄ  ねじ穴
３５  ナット
３６  固定ねじ
４０ｂ  上部
４０ｃ  下部
４１  ホルダ本体
４１ａ  保持孔
４２  ナット部材
４２ａ  内向きフランジ
４２ｂ  貫通孔
５０  原料ガス供給源
５２  排ガス処理系
５４  電源回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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