(57)【要約】化学蒸着（ＣＶＤ）反応器システムは、チャンバの内部に向く内面を有する反応チャンバ壁で包み込まれる反応チャンバを備えている。壁の少なくとも一部は、チャンバを向き、電解析出ニッケルのような材料よりなる熱制御層である。熱制御層は、３００Ｋでの測定で０．１以下の放射率係数および少なくとも３．５Ｍｏｈの硬度を有する。多結晶シリコンは、このようなＣＶＤ反応器システムを使用して、高シリコンガスから生産される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学蒸着反応器システムであって、反応チャンバを画定する内面を有する壁を備え、前記壁の一部は、前記チャンバに面する熱制御層であり、前記熱制御層は、３００Ｋでの測定で０．１以下の放射率係数、および３．５Ｍｏｈの硬度を有する物質よりなることを特徴とする、反応器システム。
【請求項２】
前記熱制御層の厚さが１００ミクロン（１００μｍ）以下であることを特徴とする請求項１の反応器システム。
【請求項３】
前記熱制御層が０．０５以下の放射率係数を有することを特徴とする請求項１の反応器システム。
【請求項４】
前記熱制御層が、タングステン、タンタル、ニッケル、プラチナ、クロムおよびモリブデンからなる群より選択される物質の被膜であることを特徴とする請求項１の反応器システム。
【請求項５】
前記熱制御層がニッケルであることを特徴とする請求項４の反応器システム。
【請求項６】
ニッケルが、電気めっきニッケルであることを特徴とする請求項５の反応器システム。
【請求項７】
前記熱制御層が、比較的純粋である物質よりなることを特徴とする請求項４の反応器システム。
【請求項８】
化学蒸着反応器システムであって、反応チャンバを画定する内面を有する壁を備え、前記壁の一部は、前記チャンバに面する熱制御層であり、前記熱制御層は、電気めっきニッケルであるとともに、５〜７５ミクロン（５〜７５μm）の平均厚さを有していることを特徴とする反応器システム。
【請求項９】
前記熱制御層が比較的純粋である電気めっきニッケルよりなることを特徴とする請求項８の反応器システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の反応器システムの前記反応チャンバ内で、気体状態のシリコン含有物質を、該シリコン含有物質の分解をもたらすのに十分な温度にさらす分解工程を含むことを特徴とするシリコン元素の堆積方法。
【請求項１１】
前記反応チャンバ内に据付け空間配置に、少なくとも１本のフィラメントを位置決めして固定する位置固定工程と、ならびに
反応チャンバ内の状態を、前記シリコン含有物質の分解がシリコン元素を生じさせ、該シリコン元素が前記少なくとも１本のフィラメントに堆積して、前記フィラメントの直径よりも大きい直径を有する少なくとも１本の多結晶シリコンロッドを形成するように維持する工程と
を更に含むことを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記反応チャンバ内の状態を、前記シリコン含有物質の分解が、シリコン粉末の形態でシリコン元素を生じさせるように維持する工程をさらに含む特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の反応器システムの前記反応チャンバ内で、気体状態のシリコン含有物質を、該シリコン含有物質の分解をもたらすのに十分な温度にさらす分解工程を含むシリコン元素の堆積方法。
【請求項１４】
前記反応チャンバ内に据付け空間配置に、少なくとも１本のフィラメントを位置決めして固定する位置固定工程と、ならびに
反応チャンバ内の状態を、前記シリコン含有物質の分解がシリコン元素を生じさせ、該シリコン元素が前記少なくとも１本のフィラメントに堆積して、前記フィラメントの直径よりも大きい直径を有する少なくとも１本の多結晶シリコンロッドを形成するように維持する工程と
を更に含むことを特徴とする請求項１３の方法。
【請求項１５】
前記反応チャンバ内の状態を、前記シリコン含有物質の分解が、シリコン粉末の形態でシリコン元素を生じさせるように維持する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年７月１９日出願の米国仮特許出願第６１／３６５，７５３号の優先権を主張するものであり、その仮出願の全てを本出願に組み込む。
【０００２】
本開示は、化学蒸着反応プロセスに使用するために適当な装置であって、チャンバ内面に熱制御層を有することで放射率を低減した反応チャンバを備える装置に関する。また、本開示は、多結晶シリコンの生産のための該装置の使用にも関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体産業において、化学蒸着（ＣＶＤ）として知られるプロセスで、高い純度のシリコンを生産することは一般的な方法である。要するに、シリコンを含有する特定の物質が反応チャンバ内で高温に加熱され、気体状態の該物質が分解してシリコン元素を生じる。反応チャンバの構造により、また堆積面をさらに含むか否かにより、シリコン元素は、粉末としてまたはロッドとして収集され得る。このようなシリコンは、しばしばポリシリコンまたは多結晶シリコンと呼ばれる。
【０００４】
ポリシリコン生産に広く実施されている従来の方法の１つは、ＣＶＤ反応器内でのポリシリコンの堆積を経るものであり、また、一般にシーメンス型方法として確認される。この方法で、ポリシリコンは、例えばトリクロロシランまたはモノシラン等のシリコン含有ガスの分解により、ＣＶＤ反応器内で、フィラメントと呼ばれる場合もある、高純度であって、電気的に加熱される細いシリコンロッド上に堆積する。一般に７００〜１１００℃である高温にロッドを維持している間、シリコンはフィラメント上に堆積し、それゆえに、より大きい径のロッドへ成長する。シリコンがロッド上には堆積するが反応壁上には堆積しないようにするため、反応器の壁を冷却してその表面温度を、シリコンの堆積が明らかに生じ得ないレベル未満に、一般に４５０℃以下に維持することが必要である。
【０００５】
このようにしてシリコン元素を生産するプロセスは、エネルギー集中的であり、過去何年にもわたって、全エネルギー消費の低減および反応チャンバからの熱損失の管理を目的として、装置の設計および改造に関するたくさんの提案がなされてきた。エネルギーのかなりの量が、反応チャンバ壁からの放射によって、プロセスより失われる。
【０００６】
反応チャンバ壁の内面に低放射率面を組み入れるよう改良された反応チャンバ壁の使用について、既に検討がなされてきた。例えば、特許文献１に報告されるように、反応チャンバ内側の被膜として、銀を銀めっきの形態で使用することによって、エネルギー消費を低減させることが知られている。特許文献２は、類似する目的のための銀めっきしたスチールの使用を開示する。しかしながら、銀は錆びるので、機器を維持し、正常に作動するためにさらなる保守および再仕上げが強いられる。また、銀は、比較的軟質な金属であり、保守動作中の機械的な摩耗を受けやすく、またはチャンバからポリシリコンロッドを取り除く際に該ロッドが接触すれば損傷を受けやすい。錆および保守に伴う問題を軽減するために、銀の代替として、ＣＶＤ反応チャンバを改良する手段として金が提案されてきた。ＣＶＤプロセスおよび機器に対する金の使用に関連する代表的な教示については、以下の特許文献３〜７を参照されたい。金を使用することで銀のいくつかの欠点に対処することが可能であるが、金もまた比較的軟質な材料であり、それゆえに同様な機械的な不利益を受ける。また、金は、シリコン元素を汚染し、その最終的な使用価値を減少させる影響を受けやすいという懸念がある。他の過去の提案は、例えば、特許文献８に開示されているように研磨されたスチールの使用を含む。
【０００７】
ソーラー産業、および特にエレクトロニクス産業では、シリコンの純度は非常に重要であり、他の元素および金属の汚染レベルが、数十億の１（数ｐｐｂ）の量であっても、生産物の価値を毀損し、追加の後洗浄または後精製を余儀なくし得る。したがって、特に、極めて高純度シリコンを準備する際、ＣＶＤ反応器としての使用に適当な装置であって、向上した機械的な損傷耐性を与え、また同時に、堆積した材料の汚染リスクを抑えつつ、熱損失を低減して、エネルギー消費が許容範囲である装置を提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４１７３９４４号明細書
【特許文献２】英国特許出願公開第９９１１８４号明細書
【特許文献３】米国特許第４５７９０８０号明細書
【特許文献４】米国特許第４９３８８１５号明細書
【特許文献５】国際公開第２００９／１２０８５９号
【特許文献６】特開昭５９−１１１９９７号公報
【特許文献７】特開平０１−２０８３１２号公報
【特許文献８】欧州特許出願公開第９０３２１号公報
【発明の概要】
【０００９】
本願明細書に記載されるように、化学蒸着反応チャンバの内壁を、特定の有用な放射率および硬度特性を有する物質で被覆することが有利である。
【００１０】
第１の形態において、化学蒸着反応器システムは、外面および内面を有する反応チャンバ壁に囲まれた反応チャンバを有しており、前記内面は、前記チャンバの内部に向くように配置され、前記チャンバの前記内壁の少なくとも一部は熱制御層であり、前記熱制御層は、比較的純粋な物質であって、
ｉ）３００Ｋで測定した放射率係数が０．１以下であり、
ｉｉ）硬度が少なくとも３．５Ｍｏｈである
ことを特徴とする。
【００１１】
他の形態において、化学蒸着反応器システムは、外面および内面を有する反応チャンバ壁に囲まれた反応チャンバを有しており、前記内面は、前記チャンバの内部に向くように配置され、前記チャンバ内の前記内壁の少なくとも一部は熱制御層であり、前記熱制御層は、０．１〜１０ミクロン（０．１〜１０μｍ）の平均厚さを有し、電気めっきニッケルであることを特徴とする。
【００１２】
さらに他の形態において、シリコン元素の堆積方法は、化学蒸着反応器システム内で、気体状態のシリコン含有物質を、該シリコン含有物質の分解をもたらすのに十分な温度にさらす分解工程を含み、前記化学反応蒸着反応器システムが、上記の形態に記載されたような反応チャンバを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】反応器の一部断面側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
化学蒸着装置または反応器は、一般に、外面および内面を有し、内面をチャンバの内腔または内部に向けた反応チャンバ壁によって画定される反応チャンバを含む。反応器は、一般に、ガス注入ノズルおよびガス排出ノズルを備えており、該ノズルは、ガスまたはガス混合物が大気圧以上の圧力でチャンバを通過するのを可能にしている。いくつかの例では、反応チャンバは、開管と同様に、入口および出口に開口が開けられており、また、他の例では、反応チャンバは、基板の取付けによって完全に密閉および封止される。チャンバを通過するガスの反応または化学分解をもたらすために、熱源が必要であり、これには一般に、反応チャンバ内の据付け空間配置に位置決めされ保持される１つ以上のフィラメントを流れる電流が用いられる。さらにまた、装置は、チャンバまたは反応チャンバ壁内の温度を制御するために冷却システムを備えている。
【００１５】
この開示の主題は、反応チャンバ壁の少なくとも一部についての規定、および特に、熱制御層を有する反応チャンバの内腔を向いて配置される内面についての規定である。この開示の目的のため、装置が基板を含む場合、基板は反応チャンバ壁と等価と考えられる。熱制御層は、３００Ｋでの測定で０．１以下、有利には０．０８以下、より有利には０．０５以下の放射率係数を有する比較的純粋な物質であることを特徴とする。熱制御層は、３．５Ｍｏｈ以上、有利には４．０Ｍｏｈ以上、より有利には５．０Ｍｏｈ以上の硬度であり、また、８．０Ｍｏｈ以下、有利には７．０Ｍｏｈ以下の硬度であることを特徴とする。特に有利な実施形態では、熱制御層は、０．１以下の放射率係数および３．５〜７．０Ｍｏｈの硬度を有し、またより有利な実施形態では、熱制御層は、０．０８以下の放射率係数および４．０〜６．８Ｍｏｈの硬度を有する。
【００１６】
熱制御層は、熱制御層の放射率が装置からのエネルギー（熱）の総合損失を低減させ、またこのような熱制御層を設けてない機器と比して、機器のエネルギー消費を減少させるのに、十分な量で存在している。熱制御層は、反応チャンバ壁の内面の領域のうちの少なく一部に存在している。具体的には、内壁の全表面積の、少なくとも１０％、有利には少なくとも３０％、より有利には少なくとも５０％の部分と理解される。
【００１７】
熱制御層の放射率特性は、その厚さによって影響されない。熱制御層の厚さは少なくとも０．１ミクロン（０．１μｍ）、有利には少なくとも０．５ミクロン（０．５μｍ）、より有利には少なくとも５．０ミクロン（５．０μｍ）、またさらにより有利には少なくとも１０ミクロン（１０μｍ）である。厚さは、１００ミクロン（１００μｍ）以下、有利には７５ミクロン（７５μｍ）以下、より有利には５０ミクロン（５０μｍ）以下である。非常に有利な実施形態では、熱制御層は、反応チャンバ内壁の全面領域の少なくとも３０％の量で、かつ、０．５〜７５ミクロン（０．５〜７５μｍ）、有利には５〜７５ミクロン（５〜７５μｍ）の範囲の平均厚さで存在している。
【００１８】
熱制御層は、一般に、比較的純粋な物質、および通常、金属である。「比較的純粋」とは、７５％以上、有利には９０％以上、より有利には９９％以上の元素純度を有する物質であると理解される。また、熱制御層は、その完全性を損なうことなしに、ＣＶＤ反応器の操作温度に耐えることができなければならない。したがって、ＣＶＤ反応器の操作温度を超える融点を持つ金属であることが好ましい。
【００１９】
熱制御層としての配置に適当な金属物質としては、バナジウム、タンタル、ニッケル、プラチナ、クロム、モリブデン、およびこれらの金属の２つ以上の合金または混合物を例示することができる。ニッケルは、熱制御層として使用するために特に適当であると考えられる。ニッケルは、放射率および硬度が望ましいことに加えて、ＣＶＤ反応器の運転と運転の間にＣＶＤ反応器を洗浄する際に使用される、例えば化学薬品などの材料に対する良好な耐薬品性を表すためである。
【００２０】
ＣＶＤ反応器が、例えばトリクロロシランまたはモノシラン（ＳｉＨ４）などの高シリコンガスから多結晶シリコンを製造するために使用される場合、結果物であるシリコンの純度は極めて重要であり、また、微量な他の元素による汚染のリスクを回避することが強く望まれる。これらの操作では、大部分の反応器壁が、クロムおよび／またはニッケル（２０％以下）を含むスチールより作られることが一般的である。したがって、多結晶シリコンを生成する際の他の元素の汚染源の導入を避けるため、有利には、熱制御層の物質は、装置の元素のフィンガープリントに既に存在するような元素、この場合では、クロムまたは特にニッケルである。
【００２１】
熱制御層は、冶金、金属めっきまたは金属被膜の技術分野の当業者にとって公知の手法のいずれによっても得ることができる。
【００２２】
ニッケルが熱制御層である場合のこの例では、電気めっき法により、または非電気めっき法、化学、無電気めっき法およびブラシめっき法を含む方法により達成することができる。直接的に、あるいは銅接着層の上からの間接的に、電解析出により、スチールなどの表面にめっきされたニッケルは、特に低い放射率係数を有することが知られている。したがって、有利な実施形態では、熱制御層は、電解析出ニッケルであるか、または他の方法として電気めっきニッケルが参照される。
【００２３】
公開された文献に報告されるように、いくつかの物質の放射率係数および硬度を表１に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
一例として、ＣＶＤ反応器１０は、図１に示すように、楕円形の断面形状を有するとともに、外殻基礎部材１２を含み、外殻基礎部材１２には、外壁１５と、反応チャンバ２０を画定する内面を有する内壁１６とにより画定される二重壁構造を有するベルジャー形状を持つ外殻１４が取り付けられる。反応チャンバ２０は、熱分解およびシリコン堆積操作を収容するように構成される。壁１６の一部は、チャンバ２０に面する熱制御層２３である。
【００２６】
外壁１５および内壁１６は、互いに離間して隙間空間１７を形成している。水等の冷却剤は、壁１５にある、隙間空間１７内への注入ポート１８を通過して、出口ポート１９から出る。
【００２７】
複数の電極２１が、チャンバ２０の底に設けられる。それぞれの電極２１は、基礎部材１２に付けられた熱シールド２２に垂直に取り付けられる。シリコンスタータフィラメント２５がそれぞれの電極２１上に取り付けられ、フィラメントが、チャンバ２０内で据付け空間配置に保持される。電極２１の配列は、対応する偶数本のスタータフィラメント２５に接続する偶数本よりなっている。それぞれのシリコンスタータフィラメント２５は、実質的に同じ距離で離間するとともに、覆い１４の内壁１６から実質的に同じ距離で、半径方向に隔てられている。
【００２８】
それぞれの電極２１は、基礎部材１２の下方へ延び、それぞれが従来のＡＣ電源（図示せず）に接続される。使い捨て可能なカーボンチャック２７は、それぞれのスタータフィラメント２５と接触してそれぞれの電極２１の上端に取り付けられる。カーボンチャック２７は、熱分解操作が終了した後、反応器１０から仕上がったシリコンロッドの抜き出しを簡易にする。また、シリコンフィラメント２５は、基礎部材１２と関連して実質的に垂直方位に保持される。
【００２９】
電気回路が、２つのシリコンフィラメント２５からなる組のそれぞれの間で、好ましくはフィラメント２５と同じ組成のコネクタ３５を介して、完結される。シリコンフィラメント２５はいくつかの対に形成され、各対は、好ましくは、コネクタ３５に相当する架橋部分を有する蹄鉄状に構成される。このようにして、フィラメント２５のそれぞれの蹄鉄状対が、ロッド２５が取り付けられた電極２１を通じて電気回路を完結する。多結晶シリコンの高純度均一堆積は、それぞれの直立したシリコンフィラメント２５上に形成される。
【００３０】
断熱材３７は、それぞれのフィラメントに断熱を与えるために、従来の様式で基礎部材１２上に取り付けられる。また、断熱材３７は、それぞれのフィラメント周辺で循環ガス流を制御する手段としても使用される。断熱材３７は、垂直に、基礎部材１２上に取り付けられ、またはそれに支持される。また、断熱材３７は、仕切り壁３８を含み、仕切り壁３８は、それぞれのスタータフィラメント２５の反対側に延びることで、それぞれのフィラメント２５を実質的に囲む細長のチャンバ４０を形成する。チャンバ４０は、循環したガスの分配を、それぞれのフィラメント２５周辺で均一にガイドするために機能する。フィラメント２５が、好ましくはそれぞれのチャンバ４０の対称形の中心に位置する。仕切り壁３８は、基礎部材１２上に直接的に取り付けられ、または基礎部材１２に比較的接近して取り付けられ、また、シリコンフィラメント２５に架橋しているコネクタ３５に可能な限り接近するように垂直に上へ延びている。
【００３１】
シリコン含有物質、特にモノシランガスは、供給パイプ４１を通って反応器１０の中へ導入され、供給パイプ４１は、基礎部材１２および断熱材３７の中心を通って複数の排出口４３へ延びている。あるいは、モノシランガスは、反応器１０に再度入る前に、循環ガス供給パイプ４４内に導入されることも可能である。反応チャンバ２０内で、モノシランガスの分解がシリコン元素を生じさせ、該シリコン元素がフィラメント上に堆積して、フィラメントの直径よりも大きい直径を有する多結晶シリコンロッドを形成するような状態に維持される。特に、モノシランガスは、モノシランガスの分解およびシリコン元素の堆積をもたらすために十分な温度にさらされる。
【００３２】
排気ガスは、出口ポート４５を通って反応器１０から回収される。排気ガスは、熱交換器４６、フィルタ４７を通り、ブロワ４８内へ送り込まれ、それが、供給パイプ４４を通って反応器１０内に制御された流量で再循環される。弁Ｖは、排気ラインに、好ましくは出口ポート４５に隣接した排気ラインに接続され、排気ガスの一部を放出し、シランの回収およびシランの分解により形成された過剰な水素の除去を可能とする。熱交換器４６は、排気ガスを冷却して、反応器１０への再導入温度を制御するように機能する。フィルタ４７は、排気ガス中に存在する同伴したシリコン粉末を取り除くために機能する。熱交換器４６、フィルタ４７およびブロワ４８は、全て従来の装置である。
【００３３】
循環した排気ガスは、ブロワ４８により、分配網５０を通って反応器１０内に送られる。分配網５０は、制御された様式で、循環ガスを分配し、多結晶シリコンの均一な成長をもたらす。分配網５０は、マニホールド５２、フィーダライン５３、第２マニホールド５４および複数の分配環５５を含む。マニホールド５４は、基礎部材１２上に取り付けられている。外殻１４は、マニホールド５４上に据え付けられ、また、複数の耳状のリブ５６を含んでいる。複数の耳状のリブ５６は外殻１４から突出しており、外殻１４を基礎部材１２へ取り付けるための取付ネジ５７がこれを貫通している。
【００３４】
本願明細書において述べられる図示の反応器１０の操作は、シラン（ＳｉＨ４）の分解によるシリコンの堆積に関連した具体例である。ポリシリコン（ＳｉＨ２ｎ＋２）、クロロシラン、ブロモシラン、およびヨードシランなど、また例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、シリコンテトラクロライド（ＳｉＣｌ４）、ジブロモシラン（ＳｉＨ２Ｂｒ２）、トリブロモシラン（ＳｉＨＢｒ３）、シリコンテトラブロマイド（ＳｉＢｒ４）、ジヨードシラン（ＳｉＨ２Ｉ２）、トリヨードシラン（ＳｉＨＩ３）、シリコンテトラヨージド（ＳｉＩ４）、およびそれらの混合物などの、他の公知のシリコン含有物質（前駆体ガス）に対しては、類似した装置および方法を使用することができる。
【００３５】
いくつかの反応器では、生成物のシリコンは、反応チャンバ内で状態を維持することにより得られる粉末形状であり、シリコン含有物質の分解がシリコン粉末の形態でシリコン元素を生じさせる。この開示の目的で、シリコン粉末は、１５μｍ以下の最大断面寸法（直径）を有する高純度シリコンである。
【００３６】
本発明は、向上した省エネルギー性、低下した操作温度、低下した維持費、および汚染の危険性の低減などのような利点を達成することができる。
【００３７】
本発明では、有利な実施形態に関して説明してきたが、当業者には、容易に変更または修正を加え、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく行うことができることを理解するだろう。開示された方法の原理を適用することができる多くの可能な実施形態に鑑みて、教示はあくまで一例であり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことを認識すべきである。
【図１】
2013535390.tif 000004
【国際調査報告】
2013535390.tif 000005
2013535390.tif 000006