(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉の底板部に配設された複数の電極に、上下方向に延びるシリコン芯棒をそれぞれ立設しておき、反応炉内に原料ガスを供給するとともに、前記シリコン芯棒に前記電極から通電することによりシリコン芯棒を発熱させて、該シリコン芯棒の表面に前記原料ガスによって多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコン製造装置において、
前記複数の電極のうちの少なくとも一部は、前記シリコン芯棒を２本保持する２本用電極とされるとともに、該２本用電極は、前記底板部に形成した貫通孔内に挿入状態に設けられた電極ホルダと、該電極ホルダの上端部に相互間隔をおいて設けられた一対の芯棒保持部とを有し、
前記電極ホルダの内部には、冷却媒体が流通する冷却流路が形成され、前記底板部を貫通する前記電極ホルダの下端部に、前記冷却流路に連通する冷却配管が接続されていることを特徴とする多結晶シリコン製造装置。
【請求項２】
前記シリコン芯棒は、その上端部を２本ずつ連結状態としてなるシード組み立て体として構築されるとともに、前記２本用電極における両芯棒保持部には、２組のシード組み立て体のシリコン芯棒が１本ずつ保持され、これら芯棒保持部の間が前記電極ホルダを経由して電気的接続状態とされることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン製造装置。
【請求項３】
一対の１本用電極と、これら１本用電極の間に配置された前記２本用電極とにより、複数組の前記シード組み立て体が一ユニットとして直列接続状態に支持可能とされるとともに、これらシード組み立て体に電流を供給する電源回路が、前記１本用電極及び２本用電極にそれぞれ接続され、前記一ユニットへの電流供給と該一ユニットを複数に分割してなる分割ユニット毎への電流供給とを切り替え可能とされていることを特徴とする請求項２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】
従来、この種の多結晶シリコン製造装置としては、シーメンス法によるものが知られている。このシーメンス法による多結晶シリコン製造装置では、密閉された反応炉内にシリコン芯棒からなるシードを多数配設して加熱しておき、この反応炉にクロロシランガスと水素ガスとの混合ガスからなる原料ガスを供給して、加熱したシリコン芯棒に接触させ、その表面に原料ガスの熱分解及び水素還元によって多結晶シリコンを析出させる構成とされる。
【０００３】
このような多結晶シリコン製造装置において、シードとなるシリコン芯棒は、反応炉の内底部に配設した電極に立設状態に固定され、該電極からシリコン芯棒に通電して、その抵抗によってシリコン芯棒を発熱させ、下方から噴出される原料ガスをシリコン芯棒表面に接触させて多結晶シリコンのロッドを形成するようになっている。このシリコン芯棒を保持する電極は、反応炉の内底面のほぼ全域にわたって分散するように複数設けられており、特許文献１に記載されるように、反応炉の底板部の貫通孔内に、環状の絶縁材に囲まれた状態で設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１０７０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した多結晶シリコン製造装置において、その生産性を高めるためには、より高い密度でシリコン芯棒を反応炉内に設置することが有利である。しかし、より多くのシリコン芯棒を反応炉内に設置するには、より多くの貫通孔を底板部に設ける必要があり、この貫通孔が多くなる程、底板部の強度が低下し、底板部の変形の原因となり易い。また、個々の電極には、通電用の電源ケーブルや電極内部の冷却用の冷却配管が接続されるが、より多くの電極を反応炉内に設置するということは、反応炉の下方に多くのケーブルや配管が密集することになり、そのメンテナンス時の作業性を損なう原因となる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反応炉の底板部を貫通する電極数を増やすことなく、多くのシリコン芯棒を保持することができる多結晶シリコン製造装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明の多結晶シリコン製造装置は、反応炉の底板部に配設された複数の電極に、上下方向に延びるシリコン芯棒をそれぞれ立設しておき、反応炉内に原料ガスを供給するとともに、前記シリコン芯棒に前記電極から通電することによりシリコン芯棒を発熱させて、該シリコン芯棒の表面に前記原料ガスによって多結晶シリコンを析出させる多結晶シリコン製造装置において、前記複数の電極のうちの少なくとも一部は、前記シリコン芯棒を２本保持する２本用電極とされるとともに、該２本用電極は、前記底板部に形成した貫通孔内に挿入状態に設けられた電極ホルダと、該電極ホルダの上端部に相互間隔をおいて設けられた一対の芯棒保持部とを有し、前記電極ホルダの内部には、冷却媒体が流通する冷却流路が形成され、前記底板部を貫通する前記電極ホルダの下端部に、前記冷却流路に連通する冷却配管が接続されていることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、この多結晶シリコン製造装置においては、１本用電極と２本用電極とを備え
ており、この２本用電極によってシリコン芯棒を２本ずつ保持している分、すべてを１本ずつ保持する構造に比べて反応炉の底板部を貫通する電極数を少なくすることができ、反応炉の底板部に形成すべき貫通孔やその下方に設けられる電源ケーブル及び冷却配管も少なくすることができる。
【０００９】
また、本発明の多結晶シリコン製造装置において、前記シリコン芯棒は、その上端部を２本ずつ連結状態としてなるシード組み立て体として構築されるとともに、前記２本用電極における両芯棒保持部には、２組のシード組み立て体のシリコン芯棒が１本ずつ保持され、これら芯棒保持部の間が前記電極ホルダを経由して電気的接続状態とされることを特徴とする。
【００１０】
この多結晶シリコン製造装置においては、２本用電極において、２組のシード組み立て体のシリコン芯棒を１本ずつ保持させることにより、これら両シード組み立て体が電極ホルダを経由して直列に接続されることになる。残りのシリコン芯棒は、それぞれ１本用電極に保持させてもよいし、新たに２本用電極を経由して他のシード組み立て体を接続してもよい。このように、複数のシード組み立て体を直列状態に接続する際の中継点として２本用電極を利用することにより、その中継点となる電極には電源ケーブルが不要になり、底板部の下方の電源ケーブルをさらに少なくすることができる。
【００１１】
また、本発明の多結晶シリコン製造装置において、一対の１本用電極と、これら１本用電極の間に配置された前記２本用電極とにより、複数組の前記シード組み立て体が一ユニットとして直列接続状態に支持可能とされるとともに、これらシード組み立て体に電流を供給する電源回路が、前記１本用電極及び２本用電極にそれぞれ接続され、前記一ユニットへの電流供給と該一ユニットを複数に分割してなる分割ユニット毎への電流供給とを切り替え可能とされている構成としてもよい。
低温時には抵抗が大きいシリコン芯棒に対して、その成長状態に応じて通電するユニットを切り替えるなどの制御が可能であり、迅速かつ効率的に加熱することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の多結晶シリコン製造装置によれば、２本用電極を備えたことにより、すべてのシリコン芯棒を１本ずつ保持する構造に比べて反応炉の底板部を貫通する電極数を少なくすることができ、反応炉の底板部に形成すべき貫通孔を少なくすることができる。したがって、底板部を剛構造に維持したまま、多くのシリコン芯棒を立設することが可能になり、多結晶シリコンの生産性を高めることができる。また、反応炉の下方に設けられる電源ケーブルや冷却配管も少なくすることができるので、そのメンテナンス作業性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の多結晶シリコン製造装置の実施形態における電極部分の断面図である。
【図２】図１の電極を用いてシリコン芯棒を直列接続した状態を示すモデル図である。
【図３】多結晶シリコン製造装置の一実施形態における全体構成を示す縦断面図である。
【図４】図３の多結晶シリコン製造装置における底板部上の電極の配置例を示す平面図である。
【図５】本発明の他の実施形態における全体構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の多結晶シリコン製造装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。
図３は本発明が適用される多結晶シリコン製造装置の一実施形態を示す全体図である。この多結晶シリコン製造装置の反応炉１は、炉底を構成する底板部２と、この底板部２上に脱着自在に取り付けられた釣鐘形状のベルジャ３とを具備している。この場合、底板部２の上面はほぼ平坦な水平面に形成されるが、ベルジャ３は、全体として釣鐘形状をしていて、天井がドーム型に形成されている。また、底板部２及びベルジャ３の壁はジャケット構造とされ、冷却水によって冷却されるようになっている。
【００１５】
底板部２には、生成される多結晶シリコンの種棒（シード）となるシリコン芯棒４が取り付けられる複数の電極５Ａ，５Ｂ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）６と、反応後のガスを炉外に排出するためのガス排出口７とがそれぞれ複数設けられている。
【００１６】
この場合、原料ガスの噴出ノズル６は、各シリコン芯棒４に対して均一に原料ガスを供給することができるように、反応炉１の底板部２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おり、それぞれ反応炉１の外部の原料ガス供給源８に接続されている。また、ガス排出口７は、底板部２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９に接続されている。なお、図３中符号１０は電極５Ａ，５Ｂに接続された電源回路を示す。
【００１７】
また、シリコン芯棒４は、下端部が電極５Ａ，５Ｂ内に差し込まれた状態に固定される
ことにより、上方に延びて立設されており、そのうちの二本ずつを対として連結するように、上端部に１本の短尺の連結部材１２が取り付けられている。この連結部材１２もシリコン芯棒４と同じシリコンによって形成される。これら二本のシリコン芯棒４とこれらを連結する連結部材１２とによって、全体として逆U字状又はΠ字状となるようにシード組み立て体１３が組み立てられ、これらシード組み立て体１３は、電極５Ａ，５Ｂが反応炉１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。
【００１８】
このシリコン芯棒４を保持している電極５Ａ，５Ｂとしては、図２に示すように、１本のシリコン芯棒４を保持する１本用電極５Ａと、２本のシリコン芯棒４を保持する２本用電極５Ｂとが配設されている。
１本用電極５Ａは、反応炉１の底板部２に形成した貫通孔２１内に挿入状態に設けられた電極ホルダ２２と、該電極ホルダ２２の上端部に設けられた芯棒保持部２３とを備える構成とされている。電極ホルダ２２はステンレス鋼等の導電材から形成され、芯棒保持部２３はカーボン等により形成されている。これら電極ホルダ２２及び芯棒保持部２３はそれぞれ棒状に形成されており、電極ホルダ２２の上端部に芯棒保持部２３が同軸上に螺合し、ナット部材２４によって一体に固定されている。
【００１９】
２本用電極５Ｂは、図１に拡大して示すように、反応炉１の底板部２に形成した貫通孔２５内に挿入状態に設けられた電極ホルダ２６と、該電極ホルダ２６の上端部に設けられた芯棒保持部２７とを備える構成とされている点は、１本用電極５Ａと同様の構成であるが、電極ホルダ２６が上端部で二股状に分岐しており、その両端部にそれぞれ芯棒保持部２７が設けられている。
電極ホルダ２６は、ステンレス鋼等の導電材により形成され、全体として棒状をなすロッド部３１と、該ロッド部３１の上端に直交するアーム部３２とが一体に形成された構成とされている。ロッド部３１は、その長さ方向の途中位置に拡径部３３が一体に形成されるとともに、該拡径部３３の下方位置の外周にはおねじ部３４が形成されている。
【００２０】
一方、この電極ホルダ２６を挿入状態としている底板部２の貫通孔２５には、該貫通孔２５の上端開口部に座ぐり部３６が形成されている。その座ぐり部３６の下方に、上方に向けて漸次拡径するテーパ部３５が形成される。そして、この貫通孔２５の内周面と電極ホルダ２６のロッド部３１との間に環状絶縁材３７が電極ホルダ２６を囲むように設けられ、ロッド部３１の拡径部３３とおねじ部３４に螺合したナット部材３８との間で締め付けられることにより底板部２に固定されている。
また、アーム部３２は、ロッド部３１の上端から左右方向にそれぞれ水平に延びることにより、ロッド部３１に対して直交し、該ロッド部３１とともに全体としてＴ字をなすように形成されており、その左右両端部にそれぞれめねじ孔３９が垂直に形成されている。このロッド部３１とアーム部３２とがＴ字状をなしていることにより、底板部２に支持されるロッド部３１と芯棒保持部２７とが水平方向に離間し、その間の応力を緩和し得るようになっている。また、この電極ホルダ２６内は、そのロッド部３１からアーム部３２のめねじ孔３９の周囲を経由するように冷却媒体を流通させる冷却流路４０が形成されている。
【００２１】
一方、芯棒保持部２７は、カーボン等によって全体として円柱状に形成され、その外周部に電極ホルダ２６のめねじ孔３９に螺合するおねじ部４１が形成され、上端部にシリコン芯棒４を挿入状態に固定する孔４２が軸心に沿って形成されている。そして、おねじ部４１が電極ホルダ２６のめねじ孔３９に螺合し、ナット部材４３によって固定されるようになっており、上端部の孔４２に挿入されたシリコン芯棒４を止めねじ４４によって固定する構成である。
【００２２】
そして、これら１本用電極５Ａと２本用電極５Ｂとは、図２に示すように、例えば３組のシード組み立て体１３を一つのユニットとして直列に接続するように、そのユニットの列の端から、１個の１本用電極５Ａ、２個の２本用電極５Ｂ、１個の１本用電極５Ａの順
に並べられている。この場合、各シード組み立て体１３は、４個の電極５Ａ，５Ｂの間をまたぐように３組設けられており、一つのシード組み立て体１３の両シリコン芯棒４は、隣接状態の異なる電極によってそれぞれ保持されている。つまり、１本用電極５Ａにはシード組み立て体１３の２本のシリコン芯棒４のうちの１本が保持され、２本用電極５Ｂには、２組のシード組み立て体１３のシリコン芯棒４が１本ずつ保持されている。そして、列の両端の１本用電極５Ａに電源ケーブル４５が接続され、図２の鎖線矢印で示すように電流が流れるようになっており、このとき、２本用電極５Ｂにおいては、両芯棒保持部２７の間がアーム部３２を経由して電流が流れる構成である。
なお、図１において、符号４６はジャケット構造とされた底板部２の冷却流路を示し、図２において、符号４７は電極ホルダ内の冷却流路に冷却水を供給する給水管、符号４８は電極ホルダ内を経由した冷却水の排水管を示している。
【００２３】
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５Ａ，５Ｂからシリコン芯棒４に通電してシリコン芯棒４を抵抗発熱状態とするとともに、各シリコン芯棒４どうしの間でも、隣接するシリコン芯棒４からの輻射熱を受けて加熱され、それらが相乗して高温状態となり、この高温状態のシリコン芯棒４の表面に接触した原料ガスが反応して多結晶シリコンを析出するのである。
【００２４】
この場合に、電極を２種類とし、シリコン芯棒４を２本ずつ保持する２本用電極５Ｂを設けたことにより、すべてを１本ずつ保持する場合に比べて、反応炉１の底板部２を貫通する電極数を少なくすることができ、その分、反応炉１の底板部２に形成される貫通孔も少なくすることができ、底板部２を剛構造に維持することができる。逆に言えば、少ない電極数で多くのシリコン芯棒４を保持することができるので、反応炉１内に多くのシリコン芯棒４を設置することができ、生産性を高めることができる。また、電極数が少ないことから、底板部２の下方に配置される冷却配管４７，４８や電源ケーブル４５も少なくすることができ、そのメンテナンス作業性が向上するものである。
図４は、反応炉１の底板部２上での各電極の配置例を示したものであり、１本用電極５Ａ及び２本用電極５Ｂとも３２本ずつ配置され、これら電極５Ａ，５Ｂにより、合計９６本のシリコン芯棒が保持されるようになっている。これら電極５Ａ，５Ｂを挿入する貫通孔は、底板部２に６４個形成されることになる。これに対して、すべてを１本用電極５Ａとした場合は、９６個の貫通孔が必要になり、２本用電極５Ｂを組み合わせることにより、貫通孔の数は３分の２に減少する。また、底板部２の下方で各電極の下端部に配置される冷却配管等の数も削減される。
【００２５】
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。例えば、図２に示す例では、１本用電極と２本用電極とを２個ずつ用いて、３組のシード組み立て体を直列接続して１ユニットとしたが、中間位置の２本用電極を多くして、４組のシード組み立て体以上で１ユニットを構成するようにしてもよい。また、上記実施形態では２本用電極には電源ケーブルを接続しない例としたが、図５に示す他の実施形態のように、２本用電極５Ｂにも電源ケーブル４５を接続し、１ユニットを複数（図５の例では二つ）に分割して電気的接続状態としてもよい。この場合、シリコン芯棒４は、運転初期は電気抵抗が大きく、シリコン芯棒４の径が増大する程、電気抵抗が下がるので、そのシリコン芯棒４の径の増大に応じて電源回路５０で電流の供給経路を切り替えられるように構成し、１ユニットをすべて直列状態で電流を供給する形態、複数に分割して、その分割ユニット毎に電流を供給する形態のいずれかを選択することができるようにしてもよい。
本発明では、上記一実施形態における１本用電極、図５に示す他の実施形態の１本用電極及び２本用電極のようにシリコン芯棒に外部から電流を供給する部分だけでなく、一実施形態における２本用電極のようにシリコン芯棒どうしを電気的に接続する部分も含めて電極と称している。
【符号の説明】
【００２６】
１  反応炉
２  底板部
３  ベルジャ
４  シリコン芯棒
５Ａ  １本用電極
５Ｂ  ２本用電極
６  噴出ノズル
７  ガス排出口
８  原料ガス供給源
９  排ガス処理系
１０  電源回路
１２  連結部材
１３  シード組み立て体
２１  貫通孔
２２  電極ホルダ
２３  芯棒保持部
２４  ナット部材
２５  貫通孔
２６  電極ホルダ
２７  芯棒保持部
３１  ロッド部
３２  アーム部
３３  拡径部
３４  おねじ部
３５  テーパ部
３６  座ぐり部
３７  環状絶縁材
３８  ナット部材
３９  めねじ孔
４０  冷却流路
４１  おねじ部
４２  孔
４３  ナット部材
４４  止めねじ
４５  電源ケーブル
４６  冷却流路
４７  給水管
４８  排水管
５０  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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