多晶矽的製造方法、多晶矽的製造裝置、和多晶矽的製作方法

2023-05-10 16:47:51 1

專利名稱：多晶矽的製造方法、多晶矽的製造裝置、和多晶矽的製作方法
技術領域：
本發明涉及多晶矽的製造方法、多晶矽的製造裝置、和通過該製造方法製造的多晶娃。本申請基於2009年7月15日申請的日本專利申請第2009-167185號要求優先權， 並在這裡引用其內容。
背景技術：
作為多晶矽的製造方法，已知有根據西門子法的製造方法。在該多晶矽的製造方 法中，在反應爐內豎立設置許多成為晶種棒的矽芯棒並預先進行通電加熱，對該反應爐供 給包含氯矽烷(chlorosilane)氣體和氫氣的原料氣體，使原料氣體和加熱後的矽芯棒接 觸。在加熱後的矽芯棒的表面，通過原料氣體的熱分解或氫還原而析出多晶矽，生長為棒 (rod)狀。在該情況下，將矽芯棒2根2根地組合，通過與矽芯棒相同的矽制的連結棒使其 上端部為連結狀態，構築成(上下相反的)反U字狀或Π字狀。在這樣的多晶矽的製造方法中，作為加快多晶矽的生長速度的方法的一種，有使 原料供給量增加的方法。根據日本特開2003-128492號公報，記載了當原料氣體的供給量少時，多晶矽的 析出變得不充分，通過充分地進行原料氣體的供給，能夠提高多晶矽的生長速度。再有， 在日本特開2003-128492號公報中，記載了將棒的每單位表面積的原料氣體供給量管理在 3. 5 XlCT4 9. 0X10_4mol/cm2min 的範圍中。另一方面，當過剩地供給原料氣體時，對多晶矽的析出反應做出貢獻的原料氣體 的比率減少，因此平均原料氣體供給量的多晶矽的生成量(收率)降低，並不優選。因此，考慮在提高反應爐的壓力的條件下使原料氣體供給量增加，一邊抑制收率 的降低，一邊使生長速度增加。在美國專利第4179530號說明書中，記載了在1 16巴、優 選在4 8巴的壓力下製造多晶矽。此外，在日本特表2007-526203號公報中，記載了雖然 不是西門子法，但在1毫巴 100巴(絕對壓)的壓力下進行多晶矽的析出。本發明要解決的課題如上所述，如果在使反應爐內部為高壓的基礎上大量地供給原料氣體的話，能夠 維持收率，並且加快多晶矽的生長速度，可以認為能夠高效率地製造多晶矽。在半導體用單晶矽的製造中使用的CZ(切克勞斯基法)用補給棒(recharge rod)、FZ (浮區法/Floating Zone method)用棒等的多晶矽棒中，棒直徑大的多晶矽棒能 夠有效率地製造單晶矽。因此，要求具有例如IOOmrn以上的直徑的多晶矽棒。進而，優選表 面形狀平滑的多晶矽可是，根據本發明者們的研究，當在使反應爐內部為高壓的基礎上大量地供給原 料氣體時，由於與棒表面接觸的氣體流量增加，所以從矽棒向氣體的對流傳熱變大。這時， 為了將棒的表面溫度維持在適合於矽棒生長的溫度，需要增大電流。通過增大電流，棒的中 心溫度與通常的壓力、流量的情況相比大幅度上升。因此，當棒生長到某種程度時，特別是矽芯棒和連結棒的連接部分變為高溫而發生熔斷，存在不能使棒例如增粗到IOOmm以上的 問題。利用西門子法的多晶矽的製造時成批式，當生長後的棒較細時，生產性下降。為了防止該熔斷，考慮通過調整向矽芯棒通電的電流，來降低棒的表面溫度。可 是，在降低了棒的表面溫度的情況下，棒的生長速度、收率也減少，因此不能高效率地使多 晶矽生長。此外，也有棒的中心溫度和表面溫度的差變大，在生長結束後使棒冷卻到室溫的 階段中，由於熱應力而在棒中容易發生裂縫的問題。

發明內容
本發明正是鑑於這樣的狀況而完成的，其目的在於在多晶矽的製造中，在以高壓 並比現有技術大量地供給原料氣體的條件下維持高生長速度和收率，防止棒的熔斷，使平 滑的表面形狀的棒生長為大直徑。用於解決課題的方案如上述那樣，當在使反應爐內部為高壓的基礎上大量地供給原料氣體時，由於氣 體流量增加，從棒向氣體的對流傳熱變大，棒的中心溫度大幅地上升，因此有在棒中容易發 生熔斷，不能使棒增粗到例如IOOmm以上的問題。如果調整向矽芯棒通電的電流而使棒的 表面溫度降低的話，能夠在防止熔斷的同時使棒生長為大直徑，但在該方法中，生長速度、 收率受到影響。因此，本發明者們發明了以下方法，即，通過控制向矽芯棒的電流和原料氣 體的供給量的雙方，將棒的表面溫度和中心溫度維持在規定的溫度範圍中，由此能夠一邊 維持高生長速度和收率，一邊防止熔斷，並使平滑的表面形狀的棒生長到棒直徑IOOmm以 上。即，在本發明的多晶矽的製造方法中，對反應爐內的矽芯棒進行通電而使矽芯棒發熱，對該矽芯棒供給包含氯矽烷類的原料氣體，在矽芯棒的表面使多晶矽析出並作為棒而生長，該多晶矽的製造方法的特徵在 於，上述反應爐內的壓力是0. 4MPa以上且0. 9MPa以下，該多晶矽的製造方法包含前半部分工序，使向上述矽芯棒的電流逐漸增大並將上述棒的表面溫度維持在規 定的範圍中，並且在上述棒的中心溫度達到不足多晶矽的熔點的規定溫度之前，一邊將每 單位表面積的氯矽烷類供給量維持在2. OX 10_7mol/sec/mm2以上且3. 5X 10"7mol/sec/mm2 以下的範圍內，一邊供給原料氣體；以及後半部分工序，在上述棒的中心溫度達到不足多晶矽的熔點的規定溫度之後，設 定為對應於棒的直徑而預先決定的電流值，並且使上述每單位表面積的原料氣體供給量降 低，將上述棒的表面溫度和中心溫度維持在各自的規定範圍中。在該製造方法中，反應爐內的壓力是0. 4MPa以上且0. 9MPa以下。在前半部分工序 中，通過對應於棒直徑的增大使電流增加而將棒的表面溫度維持在規定範圍內，將棒的每 單位表面積的氯矽烷類供給量維持在與現有技術相比為大量供給的2. OX 10_7mol/sec/mm2 以上且3.5X10-7mol/sec/mm2以下的範圍內。而且，在棒的中心溫度達到熔點以下的規定 溫度之後的後半部分工序中，通過控制電流和原料氣體的供給量，將棒的表面溫度維持在規定範圍中。由此，在前半部分工序中通過高壓條件和原料氣體的大量供給，使棒在短時間 內生長。在後半部分工序中一邊通過將棒的表面溫度維持在規定的範圍中而維持高收率， 一邊抑制棒的中心溫度的上升，由此在防止熔斷的同時使棒的直徑增大。本申請說明書的棒的中心溫度的「規定的溫度」，指的是不足多晶矽的熔點、且在 矽芯棒和連結棒的連結部分中不發生熔斷的溫度。本發明的棒的表面溫度的「規定的範 圍」，指的是在具有多晶矽的析出的促進果的同時，能夠將棒的中心溫度保持在上述規定的 溫度的範圍。再有，當壓力超過0.9MPa時，發生法蘭(flange)厚度等極端地變厚等的耐壓設計 上的問題。另一方面，當壓力不足0.4MPa時，工藝(process)整體的收率降低。此外，當 考慮壓力損失時，用於使氣體大量流過的配管直徑變大，反應爐的爐下、基臺的結構變得復
ο關於氯矽烷類供給量，當超過3. 5X10-7mol/sec/mm2時，在前半部分工序中獲得的 多晶矽的收率降低增大，作為成批(工藝整體)的收率降低。另一方面，當氣體流量不足 2. 0X10_7mol/sec/mm2時，不能夠使多晶矽高速生長。此外，由於在多晶矽棒的表面形成凹 凸，所以不能夠製造適合於具有平緩的表面的半導體用單晶矽的製造的多晶矽。在西門子法中利用具有四角形的剖面的矽芯棒，但該矽芯棒的剖面伴隨著生長是 否成為圓棒狀態，對最終製造的多晶矽棒的表面狀態造成較大的影響。為了使之成為圓棒 狀態，需要在前半部分工序中充分地供給原料氣體(氯矽烷類)。根據本發明的多晶矽的制 造方法，因為在前半部分工序中大量地供給原料氣體，所以四角形的剖面生長為具有充分 圓的剖面的多晶矽棒。在本發明中，在後半部分工序中進行氣體流量的調整，但在前半部分 工序中，因為變為圓棒狀態所以最終製造的多晶矽棒的表面形狀平滑，適合於作為半導體 用的多晶矽。在本發明的製造方法中，優選在上述後半部分工序中的棒的中心溫度是1200°C以 上且1300°C以下的範圍內。在不足多晶矽的熔點的條件下設定在儘量高的溫度。在本發明的製造方法中，將上述反應爐的內壁面溫度作為250°C以上且400°C以 下也可。當預先提高反應爐的內壁面溫度時，能夠使從棒表面通過輻射而傳遞到反應爐的 內壁的熱量減少。即，通過抑制棒的中心溫度的上升，較長地維持前半部分工序，從而能夠 加快作為成批的(工藝整體的)生長速度。此外，在本發明的製造方法中，在將上述原料氣體預熱到200°C以上且600°C以下 之後向上述反應爐供給也可。當預先加熱原料氣體時，能夠使從棒表面向原料氣體通過對 流傳熱而流失的熱量減少。即，通過抑制棒的中心溫度的上升，較長地維持前半部分工序， 從而能夠加快作為成批的(工藝整體的)生長速度。在該情況下，當使原料氣體的預熱溫度為200°C以上且400°C以下時，適於半導體 用多晶矽的製造。當原料氣體的預熱溫度成為超過400°C的溫度時，雜質從預熱器等的金屬材料混 入原料氣體，製造的多晶矽的雜質濃度增加。因此，為了製造適合於半導體用途的多晶矽， 優選加熱溫度為200°C以上且400°C以下。另一方面，即使是將原料氣體加熱到400°C以上 且600°C以下的多晶矽，也能夠在太陽電池用途等中利用。在像這樣對原料氣體進行預熱的情況下，通過使從上述反應爐排出的排氣與原料
6氣體進行熱交換來對原料氣體進行預熱，這是有效率的。進而，在本發明的製造方法中，作為上述反應爐，優選使用在最外周位置的棒和反 應爐的內壁面之間不具有原料氣體供給用的噴出噴嘴的反應爐。由於最外周位置的棒與反應爐的內壁直接相向，所以從該面通過輻射而向反應爐 的內壁傳遞的熱量多，容易發生熔斷。如果採用在該面側不具有原料氣體供給用的噴出噴 嘴的結構的話，最外周位置的棒的向氣體的對流傳熱被抑制，難以發生熔斷。而且，通過以上的製造方法製造的多晶矽，能夠在維持高生長速度和收率的同時， 獲得IOOmm以上的直徑。本發明的多晶矽製造裝置，具有反應爐，其具有鐘形罩和對鐘形罩開口部進行封 閉的基臺；多個電極，設置在基臺上表面，並且對設置於電極的矽芯棒供給電流；多個噴出 噴嘴，設置在基臺上表面，並且供給包含氯矽烷類的原料氣體；多個氣體排出噴嘴，設置在 基臺上表面，並且將反應後的氣體排出到爐外；溫度計，對使多晶矽析出到矽芯棒而獲得的 棒的表面溫度進行測定；棒直徑測定機，測定棒的直徑；以及控制部，使用以溫度計測定的 溫度和以算出機算出的棒直徑，對從噴出噴嘴供給的原料氣體的流動和分別在矽芯棒流動 的電流進行控制，控制部被編程，以便進行如下工序1)將反應爐內的壓力控制為0.4MPa以上 且0. 9MPa以下的工序；II)將棒的表面溫度維持在規定的範圍，並且在上述棒的中心溫 度達到不足多晶矽的熔點的規定溫度之前，將每單位表面積的氯矽烷類供給量維持在 2. 0Xl(T7mol/sec/mm2以上且3. 5 X l(T7mol/sec/mm2以下的範圍內的工序；以及III)在上 述棒的中心溫度達到不足多晶矽的熔點的規定溫度之後，對應於棒直徑將電流值設定為預 先決定的值，使每單位表面積的原料氣體供給量下降，將上述棒的表面溫度和中心溫度維 持在各自的規定範圍中的工序。在本發明的多晶矽製造裝置中，具有鐘形罩和基臺具有內部空間部的二重結構， 為了使冷卻劑在二重結構的內部空間部中流通，冷卻劑供給管和冷卻材料排出管連接於鍾 形罩或基臺。在本發明的多晶矽製造裝置中，電極在基臺上沿多個同心圓配置，在同心圓的最 外周位置的電極、和反應爐的壁之間，不設置噴出噴嘴。發明的效果根據本發明的多晶矽的製造方法，通過在前半部分工序中與現有技術相比的高壓 狀態和原料氣體的大量供給，能夠使棒在短時間生長。在後半部分工序中，以一邊監控棒的 中心溫度一邊將棒的表面溫度和中心溫度維持在各自的規定範圍中的方式，對電流和原料 氣體的供給量進行控制。因此，能在防止棒的熔斷的同時，在較高地確保每氯矽烷類供給量 的多晶矽生成量的狀態下，以最短的時間製造大直徑的多晶矽棒。此外，因為在前半部分工序中大量地供給原料氣體，所以能夠使四角形剖面的矽 芯棒生長為圓棒狀的表面形狀為平滑的棒，能夠製造適合於半導體用的多晶矽。


圖1是在本發明的一個實施方式的多晶矽製造方法中使用的製造裝置，是反應爐 的剖面的結構圖。
圖2A 圖2B是表示本發明的製造方法中的前半部分工序和後半部分工序的控制 內容的變化的圖表。圖2A分別表示向矽芯棒的電流值I、和棒的每單位表面積的氯矽烷類 供給量F的相對於棒直徑RD的變化。圖2B分別表示棒的中心溫度Tc、和表面溫度Ts的相 對於棒直徑RD的變化。圖3是表示本發明的製造方法的前半部分工序中的控制的工作的例子的框圖。圖4是表示本發明的製造方法的後半部分工序中的控制的工作的例子的框圖。圖5是表示本發明的製造方法中的後半部分工序中的棒直徑RD和電流值I的關 系的圖表。圖6是為了說明反應爐內的棒的熱平衡而表示的示意圖。圖7是表示在本發明的另一個實施方式的多晶矽製造方法中使用的製造裝置的 結構圖。圖8是表示在本發明的再一個實施方式的多晶矽製造方法中使用的製造裝置的 結構圖。圖9A 圖9C是表示本發明的實施例El E6的製造方法中的、前半部分工序和 後半部分工序的控制內容的變化的圖表。圖9A表示平均棒單位表面積的氯矽烷類供給量 F的相對於棒直徑RD的變化。圖9B表示電流值I的相對於棒直徑RD的變化。圖9C分別 表示棒表面溫度Ts和中心溫度Tc的相對於棒直徑RD的變化(以下，在圖IOA 圖10C， 圖IlA 圖11C，圖12A 圖12C，圖13A 圖13C，圖14A 圖14C，和圖15A 圖15C中， 各自的X軸與Y軸的關係與圖9A 圖9C相同)圖IOA 圖IOC是表示作為比較例的沒有調整電流值和氯矽烷類供給量的情況下 的控制內容的變化的圖表。圖IlA 圖IlC是表示作為比較例的僅調整電流值的情況下的控制內容的變化的圖表。圖12A 圖12C是表示本發明的實施例E7 E9的製造方法中的、前半部分工序 和後半部分工序的控制內容的變化的圖表。圖13A 圖13C是表示相對於實施例E8，不調整電流值和氯矽烷類供給量的比較 例C13、僅調整電流值的比較例E14的控制內容的變化的圖表。圖14A 圖14C是表示本發明的實施例E9，E10，E11的製造方法中的、前半部分工 序和後半部分工序的控制內容的變化的圖表。圖15A 圖15C是表示本發明的實施例E12，E13，E14的製造方法中的、前半部分 工序和後半部分工序的控制內容的變化的圖表。附圖標記說明1反應爐2 基臺2a空間部3鐘形罩3a空間部4矽芯棒5 電極
6噴出噴嘴
7氣體排出口
8電源裝置
9原料氣體供給源
10原料氣體調整器
11排氣處理系統
15加熱器
16觀察窗
17放射溫度計
18冷卻材料供給管
19冷卻材料排出管
21預熱器
22預熱器
30電流控制裝置
40棒直徑測定機
R棒
具體實施例方式以下，參照附圖對本發明的多晶矽的製造方法的一個實施方式進行說明。圖1是在本發明的製造方法中使用的多晶矽製造裝置的整體圖，該多晶矽製造裝 置具有反應爐1。該反應爐1具備基臺2，構成爐底；鐘形罩3，是吊鐘形狀，安裝在該基臺 2上。在基臺2上，如圖1所示，分別設置有多個電極5，安裝有矽芯棒4 ；噴出噴嘴6， 用於將包含氯矽烷類和氫氣的原料氣體向路內噴出；以及氣體排出口 7，用於將反應後的 氣體向爐外排出。各電極5由形成為大致圓柱狀的碳構成，在基臺2上隔著一定的間隔配置為大致 同心圓狀，並且分別在基臺2垂直地豎立設置。各電極5經由電流控制裝置30與反應爐1 的外部的電源裝置8連接，能夠調整向矽芯棒4通電的電流量。此外，在各電極5的上端部， 沿著其軸心形成有孔(省略圖示)，在該孔內插入矽芯棒4的下端部，設置矽芯棒4。此外，矽芯棒4被固定為下端部插入電極5內的狀態，向上方延伸而豎立設置。通 過由與該矽芯棒4相同的矽形成的連結構件(省略圖示)，各矽芯棒4的上端部被2根2根 地連結，被組裝成(上下相反的)反U字狀或Π字狀。此外，原料氣體的噴出噴嘴6，以能夠對各矽芯棒4均勻地供給原料氣體的方式， 在反應爐1的基臺2的上表面的大致整個區域中分散並隔開適宜的間隔而配置有多個。這 些噴出噴嘴6與反應爐1的外部的原料氣體供給源9連接，在該原料氣體供給源9中具備 原料氣體調整器10。通過該原料氣體調整器10能夠調整來自噴出噴嘴6的原料氣體供給 量和壓力。此外，氣體排出口 7在基體2的外周部附近上隔開適宜的間隔而設置多個，與排 氣處理系統11連接。原料氣體調製器10和電流控制裝置30是控制部。
再有，在反應爐1的中心部，作為加熱裝置而設置有碳制的加熱器15，該加熱器15 在基體2上的電極5，組裝成(上下相反的)反U字狀或Π字狀而豎立設置。加熱器15是 與矽芯棒4大致相同的高度。加熱器15在運轉初期的階段以輻射熱對中心部附近的矽芯 棒4進行加熱此外，在該鐘形罩3的壁部設置有觀察窗16，能夠從外部通過放射溫度計17 (溫度 計17)對反應爐1內部的棒的表面溫度進行測定。再有，反應爐1的基臺2和鐘形罩3被構築成二重壁狀，冷卻材料能夠在內部的空 間部2a、3a中流通。圖1中的附圖標記18表示冷卻材料供給管，附圖標記19表示冷卻材 料排出管。對使用以該方式構成的多晶矽製造裝置，製造多晶矽的方法進行說明。首先，分別對配置在反應爐1的中心的加熱器15和與各矽芯棒4連接的電極5進 行通電，使該加熱器15和矽芯棒4發熱。這時，由於加熱器15是碳制的，所以比矽芯棒4 先發熱。當通過該加熱器15的輻射熱，附近的(反應爐中心部附近的)矽芯棒4溫度上升 到變為能夠通電的狀態時，矽芯棒4也通過來自自身的電極5的通電而成為電阻發熱狀態。 熱從反應爐中心部附近的矽芯棒4向反應爐1的半徑方向等陸續傳遞，最終反應爐1內的 全部矽芯棒4進行通電而成為發熱狀態。通過這些矽芯棒4上升到原料氣體的分解溫度， 從噴出噴嘴6噴出的原料氣體在矽芯棒4的表面上進行熱分解或氫還原反應，在矽芯棒4 的表面上析出多晶矽。析出的多晶矽在直徑方向上生長，如圖1的虛線所示的那樣，成為多 晶矽的棒R。供多晶矽的析出之後的排氣，從反應爐1的內底部的氣體排出口 7送至排氣處 理系統11。在該多晶矽的製造工藝中，控制對矽芯棒4通電的電流值、原料氣體中的氯矽烷 類的供給量等，但在本發明中，分為前半部分工序和後半部分工序進行控制。圖2A表示制 造工藝中的電流值I、和棒R的每單位表面積的氯矽烷類供給量(氯矽烷總供給量(mol/ sec) /棒R的總表面積mm2))F的變化。圖2B表示棒R的中心溫度Tc和表面溫度Ts的變 化。將前半部分工序作為A區域，將後半部分工序作為B區域。以下，分為前半部分工序和 後半部分工序，一邊參照圖2A和圖2B—邊說明控制內容的詳細。在這裡，氯矽烷類的主成 分是三氯矽烷，但也可以包含一氯甲矽烷、二氯甲矽烷、四氯化矽、聚合物(例如312(16等)。為了在棒的表面整體均等地使多晶矽析出，如在圖2A的A區域中所示那樣，在 2. 0X10_7mol/sec/mm2以上且3. 5X 10_7mol/sec/mm2以下的範圍內，以棒的每單位表面積 的氯矽烷類供給量(氯矽烷總供給量(mol/sec)/棒R總表面積(mm2))F成為大致一定的 方式進行維持。這是比現有的常壓式的反應爐中的供給量多的量。因此，隨著棒R的直徑 RD (以下稱為棒直徑RD)增大，供給到棒R的周邊的原料氣體的供給量，以及氯矽烷的供給 量增加。作為反應爐1內的壓力，採用0. 4MPa以上且0. 9MPa以下(絕對壓)。該壓力從前 半部分工序到後半部分工序被維持。當該壓力太低時，工藝整體的收率降低。進而，當考慮 壓力損失時，為了使氣體大量流過而配管直徑變大，所以反應爐的爐下、基臺的結構變得復 雜。此外，壓力的上限根據反應爐1的耐壓強度而被決定。此外，在該原料氣體的供給量的調整的同時，以將輥R的表面溫度Ts在1000°C以上且iioo°c以下的範圍內維持為大致一定的方式，調整電流值I。當增高表面溫度Ts時，能夠提高多晶矽的生長速度。可是，伴隨著棒直徑RD的增 大，電流值I增加。因此，棒R的中心溫度Tc (平均中心溫度Tc)如在圖2B的A區域中所 示的那樣，隨著棒直徑RD的增大而上升。表面溫度Ts考慮到多晶矽的析出的促進效果、和 棒R的中心溫度Tc、最終棒直徑等，優選選擇上述範圍。在中心溫度Tc沒有達到多晶矽的熔點時，能夠實現原料氣體的大量供給、在高壓 下的製造。因此，監控棒R的中心溫度Tc，在其成為不足多晶矽的熔點的、1200°C以上且 1300°C以下之前，以同樣的方法調整原料氣體供給量(氯矽烷類供給量F)和電流值I。再有，該棒R的中心溫度Tc基於棒R的表面溫度Ts、棒直徑RD、電流值I、多晶矽 的物性值(比電阻、熱傳導度)，按照圖3所示的流程圖計算。以下的Sl S6與圖3中的 各步驟對應。棒R的表面溫度Ts，從反應爐1的觀察窗16以放射溫度計17來測定(Si)。然 後，通過控制(調整)對矽芯棒4通電的電流值I，將棒R的表面溫度Ts在1000°C以上且 1100°C以下的範圍內維持為大致一定(S2)。逐漸調整電流值I，將表面溫度Ts維持為一定 的電流值I，作為用於求取後述的棒R的中心溫度Tc的一個參數而使用。另一方面，使用棒直徑測定機40計算棒直徑RD。在棒直徑測定機40中，例如， 將來自反應爐1的排氣以氣相色譜儀等進行組成分析，根據與氯矽烷類的供給累積量的關 系，求取生成的多晶矽的重量，根據該重量計算棒直徑RD (S3)。根據該棒直徑RD和棒R的 長度(一定值)，求取棒R的表面積(S4)。基於該棒R的表面積、和上述的每單位表面積的 氯矽烷類供給量F，求取原料氣體的供給量(S5)。然後，基於這些棒R的表面溫度Ts、棒直徑RD、電流值I、多晶矽的物性值(比電 阻、熱傳導度)，考慮棒內的電流引起的電阻發熱量和棒內的熱傳導(圓管的熱傳導)，計 算棒內的溫度分布，求取棒R的中心溫度Tc(S6)。在該情況下，作為多晶矽的物性值的比 電阻、熱傳導度具有溫度依賴性，使用一般所知的數值即可，但在覆蓋製造時的表面溫度Ts 和中心溫度Tc的範圍中，預先調查多晶矽的比電阻、熱傳導度和溫度的關係也可。通過上述方法求取的棒R的中心溫度Tc，是被測定了表面溫度的棒和與其連結的 連結構件、和與該連結構件連結的其它棒的平均中心溫度。多晶矽棒的熔斷，例如在多晶矽棒和連結部的連結點這樣的部位中，由於溫度局 部地上升並在其中心部的溫度成為熔點以上而發生。因此，通過使用以上述方法求取的棒 的平均中心溫度Tc，監視/控制棒的熔斷的溫度，從而防止熔斷。在該情況下，連結部位的 溫度成為比平均中心溫度Tc高的溫度。也就是說，通過將該平均中心溫度Tc管理成比多 晶矽的熔點1410°C低的溫度，從而能夠防止熔斷。為了防止熔斷，雖然根據接合部的接合程 度、矽芯棒的形狀、使用的矽芯棒的長度等而不同，但優選平均中心溫度Tc是1200°C以上 且1300°C以下的範圍像這樣計算棒R的平均中心溫度Tc，一邊對其進行監控，一邊在該平均中心溫度 Tc達到1200°C以上且1300°C以下之前，如上述那樣對電流值I和原料氣體供給量(氯矽烷 類供給量F)進行控制。從平均中心溫度Tc在上述溫度範圍內達到棒T的平均中心溫度Tc的階段起，以 下述方式進行控制。
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〈後半部分工序〉在圖4的流程圖中總結了該後半部分工序的控制內容。與前半部分工序的情況同樣地，通過反應爐1的排氣的氣相色譜儀等的分析，計 算棒直徑RD (S7)。然後，設定對應於該棒直徑RD，預先求取的電流值I(SS)。該電流值I 根據應該維持的棒R的表面溫度Ts、棒R的平均中心溫度Tc、多晶矽的物性值(比電阻， 熱傳導度)，對應於各棒直徑TD來求取。例如，在將棒R的平均中心溫度Tc作為1250°C、 棒R的表面溫度Ts作為1100°C的情況下，對應於各棒直徑RD(mm)採用圖5所示那樣的電 流值I (A)。雖然不特別限定最終的棒直徑RD，但考慮到半導體用的單晶矽製造用的多晶矽 棒的棒直徑越大越能夠有效率地製造單晶矽，多晶矽製造時的生長速度等，在棒直徑RD為 IOOmm以上且150mm以下時，能夠結束多晶矽的製造。此外，一邊測定棒R的表面溫度Ts (S9)，一邊以表面溫度Ts在1000°C以上且 iioo°c以下的範圍中成為大致一定的方式，對原料氣體的供給量(氯矽烷類供給量F)進行 調整(S10)。這時，棒R的每單位表面積的氯矽烷類供給量F如圖2A的區域B所示那樣，伴 隨著棒直徑RD的增大而減少。此外，如在該區域B中所示那樣，將棒R的表面溫度Ts和平 均中心溫度Tc維持在規定範圍內。如上所述，以棒的表面溫度和平均中心溫度成為所希望的範圍的方式，對原料氣 體的供給量和電流值進行控制。即，在後半部分工序中，電流值以棒的平均中心溫度不上升 到熔斷溫度的方式，使用相對於棒的直徑預先決定的值，供給與該電流值和棒的表面溫度 對應的供給量的原料氣體。而且，通過採用這樣的控制，能夠將棒的平均中心溫度抑制在規定範圍內而防止 熔斷，並且將表面溫度維持在規定範圍中，由此能夠以高收率製造大直徑且表面形狀也平 滑的棒。再有，通過像這樣控制原料氣體的供給量(氯矽烷類的供給量F)和電流值I，從而 能夠控制棒的表面溫度Ts和平均中心溫度Tc，這是基於如下的理論。當考慮多晶矽的棒的熱平衡時，如圖6示意地表示的那樣，需要考慮在棒R中流過 電流引起的電阻發熱量Q1、通過來自棒表面的輻射而向反應爐的壁部(鐘形罩)3流失的熱 量Q2、從棒表面以對流傳熱向氣體流失的熱量Q3。關於這些熱量，需要Ql = Q2+Q3 (式1)的關係成立。此外，各熱量分別以如下的變量決定。Ql = f (Ts, Tc, I, V, RD)Q2 = f (Ts, RD)Q3 = f (F, As, Ts)在這裡，假設Ts 棒表面溫度，Tc 棒平均中心溫度，I 電流，V 電壓，RD 棒直徑， F 氯矽烷類供給流量(或原料氣體供給量)，As 棒表面積。此外，假設棒的根數和長度為一定。關於電阻發熱量Q1，在Ql = f(Ts，Tc，I，V，RD)內，只要表面溫度Ts、以及棒直徑 RD、和其它的平均中心溫度Tc、電流值I、電壓V中任一個被決定的話，Ql和剩餘的變量的 值決定。例如，假設在某個RD的狀態下，希望維持為Ts = 1100°C的狀態，(1)在希望作為Tc = 1250°C的情況下 Ql和應該流過的電流I和這時的電壓被決定。(2)在希望作為I = 3000A的情況下，Tc、V、Ql被決定。根據為了實際上實現上述狀態(式1)的熱平衡，Q2和Q3的合計值必須與Ql的
熱量相等。在這裡，假設在後半部分工序中，希望如⑴的條件那樣維持表面溫度Ts和平均 中心溫度Tc。在(1)的條件中，假設希望Ts = IlOO0C, Tc = 1250°C。這時應該流過的電 流值I和棒的發熱量Ql的值被唯一地求取。此外，因為表面溫度Ts和棒直徑RD已決定，所以向壁部流失的熱量Q2的值也自 動決定。關於以對流傳熱而流失的熱量Q3，因為棒表面積As和棒表面溫度Ts已決定，所以 能夠調整的是氯矽烷類供給量(或原料氣體供給量)F。如上所述，在流過應該流過的電流 值I的狀態下，如果調整氯矽烷類供給流量(或原料氣體供給量)F的話，在Q2和Q3的合 計值與Ql相等的條件下，能夠維持(1)的棒表面溫度Ts和棒平均中心溫度Tc。圖7表示本發明的多晶矽製造裝置的其它實施方式。在該圖7所示的多晶矽製造 裝置中，設置有在將原料氣體對反應爐1內供給之前進行加熱的預熱器21。如該實施方式的多晶矽製造裝置那樣，通過對供給到反應爐1的原料氣體預先進 行加熱，能夠使從棒向氣體的熱損失減少，能夠更高速地使棒生長。作為預熱溫度能夠作為 200°C以上且600°C以下。再有，如圖8所示的其它實施方式那樣，作為預熱器22，也可以採用使向反應爐1 供給的原料氣體、和從反應爐1內排出的高溫的排氣進行熱交換的結構。在該圖7和圖8中，對與圖1共同的部分賦予同一附圖標記，省略說明。[實施例]接著，針對具體的實施例進行說明。在以下的多晶矽的製造工藝的例子中，使用將三氯矽烷作為主成分並包含 4.5mol%的二氯甲矽烷(SiH2Cl2)的氯矽烷類，以H2/氯矽烷類的摩爾比為8的方式與氫 (H2)進行混合，將混合後的原料氣體向反應爐供給。而且，以表1和表2所示方式設定每單 位表面積的氯矽烷類供給量、壓力，以棒表面溫度Ts成為1100°C的方式調整電流值。表1 表示實施例，表2表示比較例。再有，將原料氣體的供給溫度作為100°C，將反應爐的內壁面 溫度作為200°C。而且，關於比較例，如圖IOA所示，將每單位表面積的氯矽烷類供給量F作為一定， 以圖IOB所示方式使電流值I伴隨著棒直徑RD的增加而增大。這時，如圖IOC所示方式， 棒的平均中心溫度Tc變化。不進行伴隨平均中心溫度Tc的增加的電流值和氣體流量的調整。如該圖IOA 圖IOC所示，在比較例中，在棒直徑RD達到IOOmm之前發生熔斷， 不能使棒在此以上生長(圖IOA 圖IOC中X標記表示熔斷)。表2中表示的最終棒直 徑是在發生熔斷的時刻的棒直徑。此外，熔斷髮生時刻的棒平均中心溫度是1255°C以上且 1265°C 以下。相對於此，在實施例中，如圖9A 圖9C所示，在棒的平均中心溫度Tc達到1250°C 的時刻起，以將棒表面溫度Ts維持在1100°C，將平均中心溫度Tc維持在1250°C的方式，對 氯矽烷類供給量F、氫供給量、和電流值I進行調整，使棒生長，雖然沒有圖示氫供給量，但以H2/氯矽烷類的摩爾比8大致不變的方式進行調整。在任一個實施例中，均在棒直徑超 過125mm的時刻使生長反應結束。此外，在反應結束稍前的每單位表面積的氯矽烷類供給 量和氫供給量，是從工藝的前半部分工序向後半部分工序切換的時刻的每單位表面積的氯 矽烷類供給量和氫供給量的2分之1 3分之1左右。再有，在表1中，收率指的是，多晶矽生成量和供給的氯矽烷類的量的比率 (mol % )(多晶矽總生成量(mol) /氯矽烷類總供給量(mol))。此外，每單位時間單位氯矽烷 類的多晶矽生成量(多晶矽(Si)總生成量(g)/(氯矽烷類總供給量(g)/製造時間(hr))) 是表示生長速度的值。[表1]
權利要求
一種多晶矽的製造方法，其中，對反應爐內的矽芯棒進行通電而使矽芯棒發熱，對該矽芯棒供給包含氯矽烷類的原料氣體，在矽芯棒的表面使多晶矽析出並作為棒而生長，該多晶矽的製造方法的特徵在於，所述反應爐內的壓力是0.4MPa以上且0.9MPa以下，該多晶矽的製造方法，具有前半部分工序，通過向所述矽芯棒的電流的調整而將棒的表面溫度維持在規定的範圍中，並且在所述棒的中心溫度達到不足多晶矽的熔點的規定溫度之前，一邊將每單位表面積的氯矽烷類供給量維持在2.0×10 7mol/sec/mm2以上且3.5×10 7mol/sec/mm2以下的範圍內，一邊供給原料氣體；以及後半部分工序，在所述棒的中心溫度達到不足多晶矽的熔點的規定溫度之後，設定為對應於棒的直徑而預先決定的電流值，並且使所述每單位表面積的原料氣體供給量降低，將所述棒的表面溫度和中心溫度維持在各自的規定範圍中。
2.根據權利要求1所述的多晶矽的製造方法，其中，所述後半部分工序中的棒的中心 溫度是1200°C以上且1300°C以下的範圍內。
3.根據權利要求1所述的多晶矽的製造方法，其中，將所述反應爐的內壁面溫度定為 250°C以上且400°C以下。
4.根據權利要求1所述的多晶矽的製造方法，其中，將所述原料氣體在預熱到200°C以 上且600°C以下之後，向所述反應爐供給。
5.根據權利要求4所述的多晶矽的製造方法，其中，將所述原料氣體在預熱到200°C以 上且400°C以下之後，向所述反應爐供給。
6.根據權利要求5所述的多晶矽的製造方法，其中，通過從所述反應爐排出的排氣和 原料氣體的熱交換，對原料氣體進行預熱。
7.根據權利要求1所述的多晶矽的製造方法，其中，作為所述反應爐，使用在最外周位 置的棒與反應爐的內壁面之間不具有原料氣體供給噴嘴的反應爐。
8.一種多晶矽，直徑為IOOmm以上，通過權利要求1所述的製造方法而被製造。
9.一種多晶矽製造裝置，具有反應爐，其具有鐘形罩和對鐘形罩開口部進行封閉的基臺； 多個電極，設置在基臺上表面，並且對設置於電極的矽芯棒供給電流； 多個噴出噴嘴，設置在基臺上表面，並且供給包含氯矽烷類的原料氣體； 多個氣體排出噴嘴，設置在基臺上表面，並且將反應後的氣體排出到爐外； 溫度計，對使多晶矽析出到矽芯棒而獲得的棒的表面溫度進行測定； 棒直徑測定機，測定棒的直徑；以及控制部，使用以溫度計測定的溫度和以算出機算出的棒直徑，對從噴出噴嘴供給的原 料氣體的流動和分別在矽芯棒中流過的電流進行控制， 控制部被編程，以便進行如下工序I)將反應爐內的壓力控制為0.4MPa以上且0. 9MPa以下的工序；II)將棒的表面溫度維持在規定的範圍，並且在上述棒的中心溫度達到不足多晶矽的 熔點的規定溫度之前，將每單位表面積的氯矽烷類供給量維持在2.0X10_7mol/sec/mm2以上且3. 5 X 10"7mol/sec/mm2以下的範圍內的工序；以及III)在上述棒的中心溫度達到不足多晶矽的熔點的規定溫度之後，對應於棒直徑將電 流值設定為預先決定的值，使所述每單位表面積的原料氣體供給量下降，將上述棒的表面 溫度和中心溫度維持在各自的規定範圍中的工序。
10.根據權利要求9所述的多晶矽製造裝置，其中， 鐘形罩和基臺具有二重結構，為了使冷卻劑在二重結構的內部空間部中流通，冷卻劑供給管和冷卻材料排出管連接 於鐘形罩或基臺。
11.根據權利要求9所述的多晶矽製造裝置，其中， 電極在基臺上沿多個同心圓配置，在同心圓的最外周位置的電極、和反應爐的壁之間，不設置噴出噴嘴。
全文摘要
本發明涉及多晶矽的製造方法，其中，對反應爐內的矽芯棒進行通電而使矽芯棒發熱，通過對矽芯棒供給包含氯矽烷類的原料氣體，從而在矽芯棒的表面使多晶矽析出，作為棒而生長。該多晶矽的製造方法具有前半部分工序，在以高壓大量地供給原料氣體的條件下，通過調整向矽芯棒的電流而將表面溫度維持在規定範圍中，並且在棒的中心溫度達到多晶矽的熔點以下的規定溫度之前，一邊將每單位表面積的原料氣體供給量維持規定範圍內，一邊供給原料氣體；以及後半部分工序，通過設定為與棒直徑對應地預先決定的電流值，並且使每單位表面積的氯矽烷類供給量降低，從而將棒的表面溫度和中心溫度維持在規定溫度。
文檔編號C30B29/06GK101956232SQ20101022976
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月13日 優先權日2009年7月15日
發明者水島一樹, 漆原誠 申請人:三菱綜合材料株式會社