(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器壁、少なくとも２０本のフィラメントロッド、並びに反応器チャンバー内での反応ガス用のガス取り込み口を有する反応器チャンバーを包含する、多結晶シリコンを析出させるための装置であって、その際、各々のフィラメントロッドには、反応器壁付近のフィラメントロッドを除いて、１５０〜４５０ｍｍの間隔で、更に別の３本の隣接するフィラメントロッドと、１つ乃至３つの隣接するガス取り込み口とが存在し、前記隣接するフィラメントロッド間の間隔と、前記フィラメントロッドから一番近い前記ガス取り込み口との距離が同じであることを特徴とする、多結晶シリコンを析出させるための装置。
【請求項２】
各々のフィラメントロッドには、反応器壁付近のフィラメントロッドを除いて、２５０〜３５０ｍｍの間隔で、更に別の３本の隣接するフィラメントロッドと、１つ乃至３つのガス取り込み口とが存在している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
フィラメントロッドの長さが、隣接するロッド間の間隔の５〜１５倍である、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
ガス取り込み口が、反応器チャンバーの底部プレートに対して垂直に上に向かって取り付けられているノズルである、請求項１から３までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
ガス取り込み口が、１〜１０，０００ｍｍ2の断面積を有する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
反応器チャンバーが、円形の断面又は六角形の断面を有する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
反応器チャンバーの断面に関して中心の少なくとも１つのガス取り込み口が備えられており、その際、１つ以上の排気口が、中心の少なくとも１つのガス取り込み口の周りに隣接して及び／又は反応器壁と該反応器壁付近に存在するフィラメントロッドとの間に置かれている、請求項１から６までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
１つ以上の冷却ボディ及び／又は１つ以上の加熱エレメントが反応器チャンバー内に存在しており、その際、これらはガス取り込み口の上方に配置されているか又は反応器チャンバー内にガス取り込み口に代えて置かれている、請求項１から７までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項に記載の装置において多結晶シリコンをフィラメントロッド上に析出させる方法であって、その際、ガス取り込み口によって、シリコンを含有するガスを反応器チャンバー内に導入し、そしてフィラメントロッドを、シリコンが該フィラメントロッド上で析出する温度に加熱する、多結晶シリコンをフィラメントロッド上に析出させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
高純度多結晶シリコン（ポリシリコン）は、チョクラルスキー（ＣＺ）法又は帯域溶融（ＦＺ）法に従って半導体用の単結晶シリコンを製造するための出発材料、並びに光起電装置用のソーラーセルを製造するための様々の引き上げ法やキャスティング法に従って単結晶シリコン又は多結晶シリコンを製造するための出発材料として役立てられる。
【背景技術】
【０００２】
通常、ポリシリコンは、ジーメンス法により製造される。その際、直接通電加熱された担体を包含する反応器内に、シリコンを含有する１つ以上の成分と、場合によっては水素とを包含する反応ガスが導入され、その際、該担体上にシリコンが固体の形で析出する。シリコンを含有する成分として、有利にはシラン（ＳｉＨ4）、モノクロロシラン（ＳｉＨ3Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ3）、テトラクロロシラン（ＳｉＣｌ4）又は前述の物質の混合物が用いられる。
【０００３】
通常、ジーメンス法は、析出反応器（ジーメンス反応器とも呼ばれる）内で実施される。最も一般的な実施形態において、反応器は、金属ベースプレートと、該ベースプレート上に置かれている冷却可能な鐘形ケーシングとを包含しており、その結果、鐘形ケーシングの内部で反応スペースが生じる。ベースプレートには、１つ以上のガス取り入れ口と、排出する反応ガス用の１つ以上の排気口並びにスペーサー（これにより担体が反応スペース内で保持される）が備わっており、かつ電流がかけられる。
【０００４】
たいてい各々の担体は、２本の細いフィラメントロッドとブリッジとから成り、該ブリッジは、通常、隣接するロッドの自由端を相互につなぎ合わせている。該フィラメントロッドは単結晶シリコン又は多結晶シリコンから最も頻繁に作製され、金属若しくは合金又は炭素が使用されることはめったにない。フィラメントロッドは、反応器底部に設けられている電極に垂直に差し込まれ、該電極を介して電流供給部との接続が行われる。加熱されたフィラメントロッドと水平方向のブリッジとにおいて高純度のポリシリコンが析出し、このことによって、フィラメントロッドとブリッジの直径が時間の経過とともに増大する。所望の直径に達した後に、この処理は終了させられる。
【０００５】
今日の反応器は、１００本まで若しくはそれより本数の多いフィラメントロッドを収容することができる。ロッド数が多いと、反応器の高い生産性が可能となり、そして比エネルギー消費量が減少する。なぜなら、エネルギー損失を、低温反応器壁への放熱によって減少させることができるからである。
【０００６】
従来技術による反応器中では、反応器中のロッドは、底部プレートの中心の周りで同心円状に配置されている。その際、円周の数は、何本のロッドが反応器を囲むかに依存している。
【０００７】
ＵＳ４６８１６５２Ａは、５本、６本、１０本、１２本及び２０本のロッドを有する反応器を開示しており、その際、これらのロッドは、そのつど次の構成に従って２つの同心円上に置かれている：１＋４、２＋４、４＋６、４＋８、８＋１２（最初の数は内周のロッド数を示し、２つ目の数は外周のロッドの数を示す）。
【０００８】
ＵＳ２０１０／００４３９７２Ａ１は、４８本のロッドを有する反応器を開示しており、その際、これらのロッドは３つの円周上に分布されている：８＋１６＋２４。その際、ブリッジはロッドを、ロッド円周内で対になって、形成されたロッド対若しくは担体が同様に３つの同心円を形成するようにつなぎ合わせている。
【０００９】
ブリッジの長さはロッドの長さと比較して短いので、ブリッジの長さは、一般的に本質的な役割を果たさない。
【００１０】
たいてい、１つの円周からの２本の隣接するロッドは１つのブリッジによってつなぎ合わされている（上述のＵＳ２０１０／００４３９７２Ａ１に記載）。
【００１１】
ブリッジが部分的に半径方向に取り付けられており、かつ異なる円周からの２本のロッドが互いにつなぎ合わされている実施形態も公知である。
【００１２】
ＵＳ３０１１８７７Ａには、ロッドが傾けられており、それらの自由端で互いに接触し合うために、ブリッジを全く必要としない反応器が記載されている。そこでは、３本のロッドをつなぎ合わせることが可能であることも記されており、この場合、エネルギーの供給は三相交流により行われる。
【００１３】
ロッドの数が上昇するにつれて、一般に、ロッドが配置される円周の数も増える。
【００１４】
ＵＳ２００９／０１３６４０８Ａ１からは、９８本のロッドを有する反応器が公知であり、その際、これらのロッドは５つの円周上に分布されている（６＋１２＋２２＋２６＋３２）。
【００１５】
（新しい反応ガスを噴入するための）ガス取り込み口は、たいていの場合、反応器の中心（つまり、ロッド内周の内側）及び／又はロッド円周間に置かれている。
【００１６】
排気口も一般に、同様に反応器の中心（つまり、ロッド内周の内側）及び／又は外側のロッド円周と反応器壁との間に備えられている。
【００１７】
排ガスが反応器上部における開口部を介して反応器を抜け出す実施形態も公知である。
【００１８】
冷却エレメントが反応スペース内に時として導入される。該冷却エレメントは、ガス室の温度を下げるのに用いられ、そして様々に形成され、かつ位置決めされることができる。
【００１９】
一般に、係る冷却エレメントは、冷却された保護シールドとして、ロッド及び／又はブリッジの周りに構成され、それによってロッドはカプセル化される（例えばＥＰ０５３６３９４Ａ１を参照されたい）。
【００２０】
上から反応器に差し込まれたクーリング・フィンガー（ＤＥ１９５０２８６５Ａ１）又は中央に導入された冷却管（ＤＥ１０２００９００３３６８Ｂ３）を用いた実施形態も公知であり、これは排気口の延長部として構成されている。
【００２１】
多くの場合、反応器スペース内には、固定された加熱エレメントが設けられており、これはフィラメントロッドを点火するためにのみ挿入されている。係る加熱エレメントは、複数のロッド円周を有する反応器の場合には、たいてい反応器の中心に設けられており、つまり、ロッド円周内に置かれている（例えばＵＳ２００９／０１３６４０８Ａ１又はＧＢ１１３１４６２Ａ）。
【００２２】
太い多結晶シリコンロッド（＞１００ｍｍの直径を有する）がジーメンス反応器中で従来技術により製造される場合、該ロッドは非常に粗い表面を有する領域（ポップコーン）を示すことが比較的頻繁に観察される。これらの粗い領域は、残りの材料から切り離されなければならず、残りのシリコンロッドよりずっと安い価格で販売されなければならない。
【００２３】
図５には、平滑な表面を有するシリコンロッドの領域（図５Ａ）と、ポップコーン表面を有するシリコンロッドの領域（図５Ｂ）とを示している。
【００２４】
処理パラメーター（例えばロッドの温度低下）を調整することによって、ポップコーン材料の割合は減らされることができる（ＵＳ５９０４９８１Ａ１を参照されたい）。
【００２５】
しかしながら、係る変化により、処理は、より緩慢に進行し、それにより生産量は低下し、経済性が悪化することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】ＵＳ４６８１６５２Ａ
【特許文献２】ＵＳ２０１０／００４３９７２Ａ１
【特許文献３】ＵＳ３０１１８７７Ａ
【特許文献４】ＵＳ２００９／０１３６４０８Ａ１
【特許文献５】ＥＰ０５３６３９４Ａ１
【特許文献６】ＤＥ１９５０２８６５Ａ１
【特許文献７】ＤＥ１０２００９００３３６８Ｂ３
【特許文献８】ＧＢ１１３１４６２Ａ
【特許文献９】ＵＳ５９０４９８１Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
それゆえ、粗面の割合が低い、高純度シリコンからの多結晶ロッドを、より経済的に製造するという課題が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
この課題は本発明によって解決される。
【００２９】
本発明は、反応器中でのフィラメントロッドとガス取り込み口との位置決定を従来技術とは異なって行うことに基づく。
【００３０】
こうして、それ以外は同じ処理条件で粗面の割合（"ポップコーン"）が意想外にも明らかに減少することがわかった。
【００３１】
それによって、従来技術と比較して、同じロッド品質で明らかにより迅速な析出処理を行うことができ、これは経済性を改善する。
【００３２】
本発明の課題は、反応器壁、少なくとも２０本のフィラメントロッド、並びに反応器チャンバー内での反応ガス用のガス取り込み口を有する反応器チャンバーを包含する、多結晶シリコンを析出させるための装置によって解決され、その際、各々のフィラメントロッドには、反応器壁付近のフィラメントロッドを除いて、１５０〜４５０ｍｍの間隔で、更に別の３本の隣接するフィラメントロッドと、１つ乃至３つの隣接するガス取り込み口とが存在している。
【００３３】
好ましくは、各々のフィラメントロッドには、反応器壁付近のフィラメントロッドを除いて、２５０〜３５０ｍｍの間隔で、更に別の３本のフィラメントロッドと、１つ乃至３つのガス取り込み口とが存在している。
【００３４】
好ましくは、あるフィラメントロッドと個々の隣接するフィラメントロッド及びガス取り込み口との距離の差は、５０％未満、特に有利には２５％未満、極めて有利には１０％未満である。
【００３５】
好ましくは、あるフィラメントロッドとその隣接するフィラメントロッド及びそのガス取り込み口との方向間の角度は、９０°〜１５０°、有利には１０５°〜１３５°、極めて有利には１１５°〜１２５°である。
【００３６】
好ましくは、フィラメントロッドの長さは、隣接するロッド間の間隔の５倍〜１５倍、有利には８倍〜１２倍である。
【００３７】
好ましくは、ガス取り込み口は、反応器チャンバーの底部プレートに対して垂直に上に向かって取り付けられているノズルである。
【００３８】
好ましくは、ガス取り込み口は、そのつど１〜１０，０００ｍｍ2の断面積を有する。
【００３９】
好ましくは、反応器チャンバーは、円形の断面又は、フィラメントロッドの数と最適な空間利用とに合わせられた、例えば六角形の断面を有する。
【００４０】
好ましくは、さらに本発明による装置は、反応器チャンバーの断面に関して中心の少なくとも１つのガス取り込み口が備えられていることを特徴としており、その際、１つ以上の排気口が、中心の少なくとも１つのガス取り込み口の周りに隣接して及び／又は反応器壁と該反応器壁付近に存在するフィラメントロッドとの間に置かれている。
【００４１】
好ましくは、そのうえまた本発明による装置は、１つ以上の冷却ボディ及び／又は１つ以上の加熱エレメントが反応器チャンバー内に存在していることを特徴とし、その際、これらはガス取り込み口の上方に配置されるか、又はガス取り込み口の代わりに反応器チャンバー内に置かれている。
【００４２】
本発明の課題はまた、前述の装置において多結晶シリコンをフィラメントロッド上に析出させる方法によって解決され、その際、ガス取り込み口によって、シリコンを含有するガスを反応器チャンバー内に導入し、そしてフィラメントロッドを、シリコンが該ロッド上で析出する温度に加熱する。
【００４３】
フィラメントロッドは、好ましくは、細いシリコンロッド（微細ロッド(Duennstaebe)とも呼ばれることが多い）であり、以下では簡略化のためにシリコンロッドと記載する。
【００４４】
本発明による反応器は、係るシリコンロッド少なくとも２０本（該ロッド上に、ジーメンス法の間に多結晶シリコンが析出させられる）、並びにガス取り込み口、例えば、シリコンを含有する反応ガスを反応器中に導入するガス送入ノズル（Zugasduesen）とを包含する。
【００４５】
本発明を成し遂げるのに重要なことは、フィラメントロッドとガス送入ノズルとが、以下のように配置されていることである：
各々のシリコンロッド（反応器壁に隣接するロッドは除外して）は、１５０〜４５０ｍｍの間隔で、更に別の３本のシリコンロッドと、１つ乃至３つのガス送入ノズルとを有していなければならない。これらの更に別の３本のシリコンロッドは、隣接するロッド又は隣接ロッドと呼ぶ。
【００４６】
好ましくは、ノズル及び隣接ロッドからの間隔は２００〜３５０ｍｍである。
【００４７】
隣接するシリコンロッド間若しくはノズル間の個々の間隔は異なっていてよいが、しかしながら、好ましくは、１５０〜４５０ｍｍ、特に有利には２００〜３５０ｍｍである。
【００４８】
好ましくは、個々の隣接するシリコンロッドとガス取り込み口とからの距離の差は、５０％未満、特に有利には２５％未満、極めて有利には１０％未満である。
【００４９】
反応器壁の側のシリコンロッドは、同一間隔で、１本のみ乃至３本までの更に別のシリコンロッドと、１つ乃至３つのガス取り込み口とを有する。
【００５０】
シリコンロッドと隣接ロッドとの方向間の角度及びシリコンロッドと隣接ノズルとの方向間の角度は、好ましくは９０°〜１５０°、特に有利には１０５°〜１３５°、極めて有利には１１５°〜１２５°である。
【００５１】
シリコンロッドの長さは、好ましくは、隣接するロッド間の間隔の５〜１５倍、有利には８〜１２倍である。
【００５２】
好ましくは、ノズルは垂直に上に向かって取り付けられている。
【００５３】
好ましくは、ノズルは、そのつど１〜１０，０００ｍｍ2の断面積を有する。
【００５４】
特に有利には、ノズルは、円形の断面並びに３〜１００ｍｍの直径を有する。
【００５５】
上向きのノズルに加えて、付加的に、反応器上部における下向き若しくは横向きのノズルも同様に有利である。
【００５６】
反応器自体は、円形の断面又は、シリコンロッドの周囲の長さに合わせられた断面、例えば六角形の断面を有していてもよい。
【００５７】
１つ以上の排気口は、有利には、反応器の真ん中で中心ノズルの周りにか又は中心ノズルの側に置かれるか、及び／又は反応器壁と外側のシリコンロッドとの間に置かれる。
【００５８】
１つ以上の冷却ボディを反応器中に導入する場合、それらは１つ以上のノズルの上方にか又は１つ以上のノズル代わりに置かれることができる。
【００５９】
１つ以上の加熱エレメントを反応器中に導入する場合、それらは１つ以上のノズルの上方にか又は１つ以上のノズルの代わりに置かれることができる。
【００６０】
多結晶シリコンロッドを、係る本発明による析出反応器中で製造すると、これらは著しく少なくいポップコーンを有することになる。
【００６１】
ロッドの品質は変わらずに、（例えばＳｉロッドのより高い温度に基づき）明らかにより迅速に、かつ、それによってより経済的に析出処理を行うことができる。
【００６２】
本発明による方法を、以下で図１〜４を手がかりにして説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】ロッド及びガス取り込み口を有する反応器の断面を概略的に示す図
【図２】ロッド及びガス取り込み口を有する反応器の断面を概略的に示す図
【図３】ロッド及びガス取り込み口を有する反応器の断面を概略的に示す図
【図４】ロッド及びガス取り込み口を有する反応器の断面を概略的に示す図
【図５】平滑な表面を有するシリコンロッドの領域、図５Ａと、ポップコーン表面を有するシリコンロッドの領域図５Ｂとを示す図
【００６４】
図１は、２４本のシリコンロッド１１、ガス取り込み口２１及び反応器壁を有する慣用のジーメンス反応器の構造を概略的に示す。
【００６５】
破線は、シリコンロッドが配置されている円周を示している。
【００６６】
図２は、２４本のシリコンロッド、ガス取り込み口２２及び反応器壁３２を有する本発明による反応器を概略的に示す。
【００６７】
破線は、各々のシリコンロッド１２を、３つの隣接するロッド１２とつなぎ合わせる。
【００６８】
この場合、例外として生じるのは、反応器壁３２の側にあり、更に別の２本のロッド１２のみを隣接領域に有するシリコンロッド１２である。
【００６９】
図３は、４８本のシリコンロッド１３、ガス取り込み口２３及び反応器壁３３を有する従来技術に従ったジーメンス反応器を示す。破線は、シリコンロッド１３が分布されている円周を示している。
【００７０】
図４は、５４本のシリコンロッド１４、ガス取り込み口２４及び反応器壁３４を有する本発明による反応器を概略的に示す。破線は、各々のシリコンロッド１４を、３つの隣接するロッド１４とつなぎ合わせる。この場合、例外として生じるのは、反応器壁３４の側にあり、更に別の２本のロッド１４のみを隣接領域に有するシリコンロッド１４である。
【００７１】
この場合、六角形の断面を有する反応器が表されている。図２でのような円形の断面も同様に可能であり、かつ有利である。
【実施例】
【００７２】
例と比較例
ロッドの様々の配置を有するジーメンス反応器中で同じ析出処理を行った：
反応ガスは、そのつどトリクロロシラン（ＴＣＳ）と水素とから成っており、その際、ＴＣＳの割合は常に２０モル％であった。
【００７３】
析出の間のガス供給は、ＴＣＳの流量が、ロッド面積１ｍ2当たりかつ１時間当たり０．５キロモルとなるように、そのつど制御した。
【００７４】
ロッドの温度は、ロッドの直径が毎時１ｍｍの均一の速度で成長するように、そのつど制御した。
【００７５】
取り出した後、ロッドの粗面部分（ポップコーン）を測定した。その際、Ｓｉロッドを透明なフィルムで巻き付け、そしてポップコーン表面を有する範囲（図５において右側）に印を付けた。引き続き、印を付けたフィルム面を測定し、ロッドの全面積を基準としてポップコーン表面積の割合に換算した。平滑な表面とポップコーン表面との間の移行部分は常に非常にはっきりしているわけではないので、得られた数はあまり正確ではない。しかし、それらの数は、テストした種々の反応器タイプ相互の信頼できる定性比較を示す。
【００７６】
比較例１
この例では、上述の処理を、２４本のロッド（それぞれ２．５ｍの長さ）を有する慣例のジーメンス反応器（内径１５００ｍｍ）内で行った。
【００７７】
これらは２つの円周内にあった：直径５００ｍｍを有する１つ目の円周内には８本のロッド及び直径１０００ｍｍを有する２つ目の円周内には１６本のロッド（図１を参照されたい）。
【００７８】
円周内でロッドは均一に分布されていた。
【００７９】
ガス送入ノズルは、反応器の真ん中（１個）とロッドの円周の間（８個）とに設けられていた。
【００８０】
１５０ｍｍのロッド直径になるまで析出を行った。
【００８１】
平均して、この場合、粗面の割合は１５％であった。
【００８２】
例１
第二の例では、同じ析出処理を本発明による反応器（図２を参照されたい）内で行った。
【００８３】
反応器（内径１５００ｍｍ）は、２４本のロッド（それぞれ２．５ｍ）と７つのノズルとを有していた。
【００８４】
隣接するロッド間の間隔と、ロッドから一番近いノズルまでの距離とは全て同じであり、かつ２２０ｍｍであった。
【００８５】
そのためロッドと隣接ロッドとの方向間でと、ロッドと隣接ノズルとの方向間で１２０℃の同じ角度が生じた。
【００８６】
この場合、１５０ｍｍに析出させられたロッドの粗面（ポップコーン）は、約５％のみの割合となった。
【００８７】
比較例２
この例では、上述の処理を、４８本のロッド（それぞれ２．５ｍの長さ）を有する慣例のジーメンス反応器（内径２０００ｍｍ）内で行った。
【００８８】
これらは３つの円周を形成していた：直径５００ｍｍを有する１つ目の円周内には８本のロッド、直径１０００ｍｍを有する２つ目の円周内には１６本のロッド及び直径１５００ｍｍを有する３つ目の円周内には２４本のロッド（図３を参照されたい）。
【００８９】
これらの円周内にはロッドが均一に分布されていた。ガス送入ノズルは、反応器の真ん中（１個）、内側のロッドの円周と真ん中のロッドの円周との間（８個）、並びに真ん中のロッドの円周と外側のロッドの円周との間（１６個）に設けられていた。
【００９０】
１５０ｍｍのロッド直径になるまで析出を行った。
【００９１】
この場合、析出させられたロッドのポップコーンの割合は平均して２０％であった。
【００９２】
例２
この例では、５４本のロッド（それぞれ２．５ｍ）、六角形の断面（内辺長 １０００ｍｍ）及び１９のガス取り込み口（ノズル）を有する本発明による反応器を使用した（図４を参照されたい）。
【００９３】
隣接するロッド間の間隔と、ロッドから一番近いノズルまでの距離は全て同じであり、かつ２２０ｍｍであった。
【００９４】
そのためロッドと隣接ロッドとの方向間でと、ロッドと隣接ノズルとの方向間で１２０℃の同じ角度が生じた。
【００９５】
この場合、１５０ｍｍに析出させられたロッドのポップコーン割合は、平均して約５％のみの割合であった。
【符号の説明】
【００９６】
１１  フィラメントロッド若しくはシリコンロッド、  ２１  ガス取り込み口、  ３１  反応器壁、  １２  フィラメントロッド若しくはシリコンロッド、  ２２  ガス取り込み口、  ３２  反応器壁、  １３  フィラメントロッド若しくはシリコンロッド、  ２３  ガス取り込み口、  ３３  反応器壁、  １４  フィラメントロッド若しくはシリコンロッド、  ２４  ガス取り込み口、  ３４  反応器壁
【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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