(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＶＤ反応器の電極保持部を保護するための保護装置であって、
前記保護装置は、電極保持部に設けられておりフィラメントロッドを保持するために形成された電極を有し、
前記電極保持部は導電性材料から成り、かつ、底板の切欠部内に設けられており、
前記電極保持部と前記底板との間のスペースは封止材料によって封止されており、
前記封止材料は、前記電極を環状に包囲するように配置された保護体によって保護されており、
前記保護体は一体形に形成されているか、または複数の部分から成り、
前記保護体の高さは少なくとも局所的に、前記電極保持部に向かうほど増大していき、
前記保護体の最大高さは、前記電極保持部の上端に相当するか、または該上端を超えることを特徴とする、保護装置。
【請求項２】
前記保護体は、前記電極保持部を中心として同心状に配置された複数の部分から構成されている、請求項１記載の保護装置。
【請求項３】
前記保護体の材料は、
半透明の水晶と、
銀と、
単結晶または多結晶のシリコンと、
炭化タングステンと、
炭化シリコンと、
シリコンコーティングされたグラファイトと、
炭素繊維強化炭素複合材料と、
タングステンと、
別の高融点金属とから成る群から選択される、請求項１または２記載の保護装置。
【請求項４】
前記保護体の少なくとも一部は半透明の水晶から成るか、または銀から成る、
請求項１から３までのいずれか１項記載の保護装置。
【請求項５】
前記保護体は複数の部分から構成され、
前記複数の部分のうち少なくとも１つが、半透明の水晶から成るかまたは銀から成る、請求項１から４までのいずれか１項記載の保護装置。
【請求項６】
前記封止材料はさらに、前記電極保持部を環状に囲むように該電極保持部と  前記底板との間のスペース内に配置された保護体によって保護される、請求項１から５までのいずれか１項記載の保護装置。
【請求項７】
多結晶シリコンの製造方法であって、
請求項１から６までのいずれか１項記載の保護装置に設けられた少なくとも１つのフィラメントロッドを有するＣＶＤ反応器内に、シリコンを含む成分と水素とを含有する反応ガスを導入し、
前記電極によって前記フィラメントロッドに給電して電流を直接流すことにより、該フィラメントロッドにシリコンが析出される温度まで該フィラメントロッドを加熱する、ことを特徴とする、多結晶シリコンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＶＤ反応器の電極保持部を保護するための保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高純度の多結晶シリコン（ポリシリコン）は、通常はシーメンス法を用いて製造される。その際には、電流を直接流すことにより加熱される支持体を有する反応器内に、シリコンを含有する１つまたは複数の成分と場合によっては水素とを含む反応ガスを導入し、該支持体にシリコンが固体で析出される。
【０００３】
シリコンを含む化合物としては、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）ないしはこれらの混合物を使用するのが有利である。
【０００４】
各支持体はたいてい少なくとも、２つの細いフィラメントロッドとブリッジとから成り、このブリッジは通常、相互に隣接するロッドの自由端を相互に接続する。前記フィラメントロッドは単結晶シリコンまたは多結晶シリコンから作製されることが最も多く、金属ないしは合金または炭素が使用されることは比較的少ない。フィラメントロッドは、反応器底部に設けられた電極に垂直に差し込まれ、この電極を介して、電極保持部および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され、このことにより、フィラメントロッドおよびブリッジの直径が時間の経過とともに増大する。所望の直径に達すると、上述のプロセスを終了する。
【０００５】
その際には前記シリコンロッドは、ＣＶＤ反応器内において特別な電極によって保持される。この電極は通常、グラファイトから成る。電極保持部において異なる電圧極性を有する細棒がそれぞれ２つずつ、他方の細棒端部においてブリッジに接続されることにより、閉じた電流回路を形成する。電極及びその電極保持部を介して、電気エネルギーが細棒の加熱のために供給される。その際に、細棒の直径が増大する。それと同時に、電極は延びて、その先端から前記シリコンロッドのロッド脚部の内部に侵入していく。シリコンロッドが所望の目標直径に達すると、この析出プロセスは終了され、該シリコンロッドは冷却されて取り出される。
【０００６】
その際には、底板を貫通する電極保持部の保護と、それを包囲する封止部とが特に重要になる。より短時間の析出サイクルでより長くより太いロッドが得られる傾向になってきているため、電極封止保護体の配置および形状と、保護される対象である封止部の材料こそが重要になる。というのも、最適な配置により、ポリシリコン析出工程中に、歩留まりまたは品質に影響を与える、発生する可能性のある障害を回避できるからである。析出プロセス中に発生する可能性があり歩留まりまたは品質に影響を与える障害にはたとえば、析出中の地絡による電気的な不具合も含まれる。この障害により、プロセスが早期に中断されてしまうため、精錬量が低減する。
【０００７】
そのようにして生成されるシリコンロッドを後にどのように使用するかに応じて、該シリコンロッドおよび析出工程に課される要求は大きく異なり、よって、電極保持部および該電極保持部の保護に課される要求も大きく異なる。たとえば多結晶シリコンを後でシリコン片でソーラーセル用や電子回路用に使用する場合、析出反応器内で析出プロセス中または析出プロセス後にシリコンロッドを倒してはならず、また、たとえば製品に接触する封止材料から漏れ出た不純物によってシリコンロッドが汚染されることがあってはならない。多結晶シリコンロッドが長くて大きいと、析出プロセスの採算性が向上するが、反応器内で転倒するリスクも高くなる。
【０００８】
ＷＯ２０１０／０８３８９９Ａ１に、従来技術の電極保護装置が記載されている。この文献では、グラファイトクランプリングに係合されたグラファイトアダプタ内の細棒について記載されており、グラファイトクランプリング自体は水晶リングを介して、モノシラン法によって多結晶シリコンを製造するためにＣＶＤ反応器の底板と協働する。
【０００９】
従来技術では、電気的な不具合の問題を、底板に貫通された電極の封止および絶縁によって解決する試みがなされている。
【００１０】
ＷＯ２０１０／０８３８９９Ａ１から、水晶から成る保護リングを用いて電極の封止部を熱負荷から遮蔽することが公知となっている。
【００１１】
ＤＥ２３２８３０３Ａ１に、加熱された細長い支持体の周面に気相から該当の半導体材料を析出させることによりシリコン製のロッドおよび管を製造するための装置が記載されている。前記支持体はとりわけシリコンまたはグラファイトから成り、前記装置は、金属から成る底板を有する反応容器を用いて構成され、該反応容器には、前記細長い支持体の一端を保持し該支持体を加熱するのに使用される少なくとも１つの電極が備えられており、該電極は電気的に絶縁され該底板を貫通し封止されている。この装置の特徴は、不活性の絶縁性材料から成る封止層を挿入接合して、金属から成る第１の電極部分が前記底板に固定され、該第１の電極部分は、反応室内に突出する突起部を有し、該突起部に、金属または炭素から成る別の電極部分が交換可能に装着されており、該別の電極部分は自由表面において、前記支持体を固定および保持するための嵌合面を有することである。前記不活性の絶縁性材料は、とりわけテトラフルオロポリエチレンである。
【００１２】
すなわち、前記電極保持部の金属製の第１の部分は、不活性絶縁材料から成る封止層を挿入接合して、前記底板に固定される。
【００１３】
ＪＰ２００９−２２１０５８Ａ２に、特別なジルコニウムセラミックとフレキシブルグラファイトとを使用し、コーティングされたＯリングを封止部として使用して、封止および絶縁を実施することが記載されている。このような材料は耐高温性を有し、これらの材料により、電極と底板との間の空隙を封止することができる。
【００１４】
ＷＯ２０１０／０６８８４９Ａ１に、底板に電極が貫通された領域において、絶縁性の表面コーティングが施された金属体を使用することにより、熱絶縁を改善することが記載されている。
【００１５】
しかし、従来公知の装置では、電極保持部の封止部は十分には保護されなかった。このことにより、腐食作用および地絡に起因して不具合の確率が上昇してしまう。さらに、従来は封止部の腐食防止が不十分であり、ひいては、製品品質に影響を与える物質（とりわけドープ材）の排出物から封止部を十分に保護することは従来は不可能であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】ＷＯ２０１０／０８３８９９Ａ１
【特許文献２】ＤＥ２３２８３０３Ａ１
【特許文献３】ＪＰ２００９−２２１０５８Ａ２
【特許文献４】ＷＯ２０１０／０６８８４９Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の課題は、上述の作用を格段に低減させる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記課題は、ＣＶＤ反応器の電極保持部を保護するための保護装置であって、該ＣＶＤ反応器は、フィラメントロッドを保持するように電極保持部に設けられた電極を有し、該電極保持部は導電性材料から成りかつ底板の切欠部内に設けられており、該電極保持部と該底板との間のスペースは封止材料によって封止されており、該封止材料は、該電極を環状に包囲するように配置された保護体によって保護されており、該保護体は一体形に形成されているかまたは複数の部分から成り、該保護体の高さは少なくとも局所的に、該電極保持部に向かうほど増大していくように構成された保護装置によって解決される。
【００１９】
また前記課題は、上述の保護装置のうちいずれか１つの保護装置に設けられた少なくとも１つのフィラメントロッドを有するＣＶＤ反応器に、シリコンを含む成分と水素とを含有する反応ガスを導入し、前記電極によって該フィラメントロッドに給電して電流を直接流すことにより、該フィラメントロッドにシリコンが析出される温度まで該フィラメントロッドを加熱する、多結晶シリコンの製造方法によっても解決される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】電流供給に必要な、ＣＶＤ反応器の底板の貫通孔と、該貫通孔に対応する電極とを概略的に示す図である。
【図２】保護体を有する電極システムの２つの実施形態２Ａおよび２Ｂを概略的に示す図である。
【図３】同心で配置され複数の部分から成る保護体を備えた電極システムを示す。
【図４】一体形の保護体を有する装置を示す図である。
【図５】保護リングを１つだけ備えた電極システムを示す図である。
【図６】図４と同様の構成の上面を示す図である。
【図７】保護リングが分割された実施形態７Ａ，７Ｂおよび７Ｃを示す。
【図８】高さが増大していく複数のリングと、電極の下に嵌め込まれた半環部とを組み合わせた実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
有利には、ＣＶＤ反応器の動作時に、電極に設けられたフィラメントの下部に反応ガスが導かれるように、本発明の装置の保護体を構成する。以下、前記フィラメントのこの部分をロッド脚部と称する。このことはたとえば、前記保護体が、前記電極を中心として同心に配置された１つまたは複数の保護リングを含み、該保護リングの高さは個々の保護リングごとまたは全体的に該電極に向かって増大していくことにより、前記ＣＶＤ反応器のガス流入口ないしはノズルから流入した反応ガスが、該保護リングの幾何学的構成により前記ロッド脚部まで導かれる構成により実現される。
【００２２】
よって前記保護体の最適な幾何学的構成は、電極保持部の高さと電極の長さとに依存する。電極保護体の有利な寸法は、以下の通りである：
直径：５０〜２５０ｍｍ、特に有利には１００〜１７０ｍｍ
高さ：２０〜１００ｍｍ、特に有利には２０〜７０ｍｍ
厚さ：１０〜１００ｍｍ、特に有利には１０〜５０ｍｍ。
【００２３】
単独または組み合わせて使用される幾何学的な保護体の勾配は、有利には３０°〜６０°であり、特に有利には４０°〜５０°である。
【００２４】
保護体のこのような構成により、ロッド脚部にシリコンを高速かつ均質に成長させることができる。従来技術ではしばしば、シリコンの不均質な成長が見られ、この不均質な成長はフィラメントの転倒の原因となっているが、このようなシリコンの不均質な成長は上述の構成により十分に防げるようになることが判明し、したがって、転倒確率も低減することが判明した。
【００２５】
装入物の転倒は経済的に大きな損失となることが知られており、例えば、シリコンロッドが転倒すると反応器の壁が損傷することがある。その際には、転倒したシリコンロッドは、反応器と接触することによって汚染され、このシリコンロッドの表面を洗浄しなければならなくなる。さらに、バッチが転倒した場合には、このバッチを反応器から取り外す手間が増大してしまう。バッチを取り外す際には、シリコンの表面がさらに汚染される。
【００２６】
したがって本発明は、電極保持部において封止および絶縁を行うのに最適な保護体を使用できるようにする。
【００２７】
前記保護体の幾何学的形状、使用される材料および構成は、底板に合わせて最適化されていた。
【００２８】
使用される封止部が直接照射されるのを防ぐための単なる保護機能の他に、封止部およびロッド脚部に対する反応ガス室内のガスの流れに熱的に好ましい影響が及ぼされ、とりわけ、封止部がさらされる温度が低くなる。
【００２９】
このことにより、封止部の寸法がより大きくなっても、封止絶縁体の焼け焦げや、周辺に対する反応器の封止漏れや地絡による不具合が生じる確率、および、システムにドープ材が侵入する確率が低くなる。
【００３０】
さらに、保護リングの表面処理により、地絡の発生頻度も格段に低減することも観察することができた。
【００３１】
本発明を実現するのに重要なのは、電極貫通部と電流を流す電極とを中心として、複数の幾何学的物体を同心で配置することである。
【００３２】
このような構成により、底板に対して電極保持部の封止絶縁体の熱保護が実現されるだけでなく、析出されたポリシリコンロッドのロッド脚部における流れの調整も実現される。
【００３３】
従来技術では、最適化されていない保護体を封止絶縁リングにおいて使用すると腐食作用が見られたが、上述のように最適化された保護体を用いるとこのような腐食作用は生じなくなる。
【００３４】
本発明の一実施形態では、電極保持部を中心として複数のリングを同心状に配置する。その際には、これら複数のリングの半径が大きくなるほど該リングの高さが低減するように、該複数のリングを配置する。さらに、電極と底板との間の切欠部内に付加的な保護リングが設けられ、該付加的な保護リングの半径は他の保護リングの半径より小さい。この付加的な保護リングは、有利には２つの半環部を含む。図７Ａを参照されたい。
【００３５】
また、高さが最大であるリングを電極の近傍に設け、電極の距離が増大するほど他のリングの高さが低減していく構成が有利である。
【００３６】
本発明のこの実施形態では複数のリングが設けられる。すなわち、複数の個別の物体が設けられる。
【００３７】
本発明の第２の実施形態では、幾何学的物体を１つ設け、電極保持部からの距離が大きくなるほどこの１つの物体の高さが低減していくように構成する。
【００３８】
また、幾何学的物体の一端が他端より高い形状であれば、どのような形状の幾何学的物体を使用することも有利である。
【００３９】
使用されるこのようなリングないしは物体は、反応器の底板に載置することができる。
【００４０】
また、前記リングないしは物体を底板に部分的に埋め込むのも有利である。
【００４１】
前記リングないしは物体は有利には、半透明の水晶（３００〜１００００ｎｍの波長に対して最大１％のスペクトル透過率で透過性である水晶）、銀、シリコン（多結晶および／または単結晶）、炭化タングステン、炭化シリコン、シリコンがコーティングされたグラファイト、炭素繊維強化炭素（ＣＦＣ）複合材料、タングステン、または他の高融点金属を含む。
【００４２】
熱負荷が高いため、ＣＶＤプロセス中に保護体の表面に薄いシリコン層が成長するのが特に有利である。前記幾何学的物体の表面全体を未処理状態にするかまたは事前処理するか、または該表面の個々の区分ごとに未処理状態にするかまたは事前処理することができる。粗さ測定を行ったときにＲａ（Ｒａは算術平均値：ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ４２８７に規定された特性量）＝１０〜４０になるように、少なくとも、電極の近傍にあり直径が最小である前記保護リングの面を事前処理するのが有利であることが判明した。
【００４３】
有利なのは、粗さ高さが１５〜３０である保護体を使用することであり、特に有利なのは、１６〜２５のＲａである。
【００４４】
保護体の使用には、銀から成るキャスト部品も含まれる。
【００４５】
成形体は、シーメンス法によって多結晶シリコンを析出させるときに１回または複数回使用することができる。その際には、成形体をブラシ洗浄した状態または湿式洗浄ないしは乾式洗浄した状態で使用することができる。
【００４６】
本発明の両実施形態は、電極および封止部を良好に遮蔽し、ガス通流の局所的な最適化を実現できることを特徴とする。
【００４７】
基本的に、使用される成形体は扱いやすい。
【００４８】
反応器は、多結晶シリコンを析出して付着させるための複数のＵ字形フィラメントを含む。
【００４９】
シリコンの析出を行うためには、シリコンを含む化合物を含有する反応ガスをノズルによって反応器内に導入する。電圧端子を用いて前記フィラメントに電流が供給され、該フィラメントは析出温度まで加熱される。
【００５０】
前記反応器は反応器底部を有する。この反応器底部に、前記フィラメントを保持するための多数の電極が取り付けられている。
【００５１】
本発明の装置は有利には、ＣＶＤ反応器内のポリシリコンの析出に使用される。
【００５２】
電極保持部は導電性の金属から成り、有利には、真鍮と銀と銅とこれらの材料の組み合わせとから成る群から選択された１つまたは複数の材料から成る。
【実施例】
【００５３】
以下、図面を参照して本発明を説明する。
【００５４】
図１に、反応器の金属底板１１と電極保持部２１とを示す。
【００５５】
底板１１にはスルーホールが設けられており、該スルーホールはスリーブ３１によって覆われ、電極保持部２１が該スルーホールに気密に貫通され嵌合されている。
【００５６】
電極保持部２１と底板１１との間のスペースは封止部４１によって封止されており、該封止部４１は有利にはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から成る。スリーブ３１も、有利にはＰＴＦＥから成る。
【００５７】
封止部４１の材料として適しているのは、ＰＴＦＥ封止材、ＰＴＦＥコーティングが施された雲母封止材、二酸化シリコンを３０〜４０％の割合で含むＰＴＦＥ封止材であることが判明した。特に適しているのは、再構築されたＰＴＦＥ封止材料から成る封止材であることが判明した。
【００５８】
電極保持部２１は有利には、真鍮と銀と銅とから成る群から選択された１つまたは複数の材料を含む。
【００５９】
図２に、保護リングの取付の２つの実施形態を示す。
【００６０】
５２は、電極保持部２２を包囲するように配置された水晶製の保護リングを示す。
【００６１】
２Ａは保護リング５２１を示し、該保護リング５２１は底板１２上に載置されている。
【００６２】
２Ｂは、底板１２に部分的に埋め込まれた保護リング５２２を示す。
【００６３】
図３は複数の保護リング５３１を示しており、これらの保護リング５３１は有利には、電極保持部２３を中心として同心に配置されている。保護リング５３１は底板１３上に載置されている。
【００６４】
図４に、一体形の保護リングが設けられた実施形態を示す。
【００６５】
電極保持部２４の隣に配置された保護リング５４１の高さは、電極保持部２４からの距離が増大するほど低減していく。保護リング５４１の最大高さは、電極保持部２４の上端にほぼ相当するか、または該上端より僅かに超える。保護リング５４１は底板１４上に載置されている。４４は、保護される対象である封止部を示す。
【００６６】
図５は、底板１５と電極２５との間に嵌め込まれた保護リング５５を示す。保護リング５５は一体形に形成されており、底板１５上に載置されている。
【００６７】
図６は、図４に相当する電極システムの他に、該電極システムの上面を示す。同図では、環状配置になっているのが分かる。
【００６８】
１６は、保護リング５６１が載置された底板を示す。
【００６９】
図７も、電極システムの３つの実施形態の上面を示す。２７は電極保持部を示し、５７はそれぞれ各保護リングを示す。
【００７０】
各保護リング５７がそれぞれ分割されている。
【００７１】
７Ａは、２つに分割された保護リング５７を示しており（角度１８０°）、７Ｂは、３つに分割された保護リング５７を示しており（角度１２０°）、７Ｃは、４つに分割された保護リング５７を示している（角度９０°）。
【００７２】
図８は、高さが増大していく複数のリング５８１と、電極保持部２８の下に嵌め込まれた半環部とを組み合わせた実施形態を示す。
【符号の説明】
【００７３】
１  底板
２  電極保持部
３  スリーブ
４  封止部
５  保護体
【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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