多晶硅制造用原料氣體的供給方法和多晶硅的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多晶硅的制造技術(shù)，更詳細(xì)地，涉及向用于通過西門子法制造多晶硅 的反應(yīng)爐內(nèi)供給原料氣體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多晶硅是半導(dǎo)體器件制造用的單晶硅基板、太陽能電池制造用基板的原料。作為 多晶硅的制造方法，已知有西門子法。西門子法為如下方法：使含有氯硅烷的原料氣體與加 熱后的硅芯線接觸，由此，使得通過CVD法在該硅芯線的表面上氣相生長多晶硅，以硅棒的 形式得到多晶硅。
[0003] 通過西門子法氣相生長多晶硅時，在氣相生長裝置的反應(yīng)爐內(nèi)，將垂直方向的兩 根硅芯線和水平方向的一根硅芯線組裝成牌坊型（鳥居型）。而且，將該牌坊型的硅芯線 的兩端通過一對芯線夾固定到配置在反應(yīng)爐底板上的一對金屬電極上。引起反應(yīng)的原料氣 體的供給口以及反應(yīng)廢氣的排氣口也配置在該底板上。這樣的構(gòu)成例如公開在日本特開 2011-231005號公報（專利文獻(xiàn)1)中。
[0004] 通常，在反應(yīng)爐內(nèi)設(shè)置有數(shù)十個固定在配置于底板上的一對金屬電極上的牌坊型 的硅芯線，并且配置成多重環(huán)式。近年來，隨著多晶硅需求的增大，為了提高生產(chǎn)量，反應(yīng)爐 的大型化不斷發(fā)展，采用了在一批次中析出大量多晶硅的方法。伴隨著該傾向，配置在反應(yīng) 爐內(nèi)的硅芯線的數(shù)也在增多。
[0005] 但是，當(dāng)設(shè)置在反應(yīng)爐內(nèi)的硅芯線的數(shù)量增加時，則產(chǎn)生的問題是，氯硅烷向各多 晶硅棒表面的供給不足。這樣的原料氣體的供給不穩(wěn)定性，使在硅棒的表面上產(chǎn)生凹凸 (爆米花），其結(jié)果是，硅棒的粗細(xì)變得不均勻，產(chǎn)生形狀不良。另外，當(dāng)在硅棒表面上產(chǎn)生 凹凸時，則多晶硅容易發(fā)生異常生長。進(jìn)一步地，多晶硅裝運(yùn)前清洗時的清洗效果會大幅降 低。為了消除硅棒表面的凹凸，可以降低硅棒的表面的溫度（反應(yīng)溫度）使析出反應(yīng)平穩(wěn) 進(jìn)行，然而在這種情況下，多晶硅的析出速度會變慢，從而使生產(chǎn)率和能量效率顯著降低。
[0006] 鑒于這樣的情況，作為用于抑制爆米花的產(chǎn)生且用于改善生產(chǎn)率的提高析出速度 的方法，作為將原料氣體高效地供給至硅棒表面的方法提出了各種方法。例如在日本特開 2011-231005號公報（專利文獻(xiàn)1)和日本特開2003-128492號公報（專利文獻(xiàn)2)中公開 的方法中，通過調(diào)整原料氣體供給噴嘴形狀和供給的原料氣體流量，來調(diào)整供給至硅棒表 面的原料氣體的量，使析出反應(yīng)高效地進(jìn)行。
[0007] 這些現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)都是通過調(diào)整反應(yīng)溫度和反應(yīng)爐內(nèi)的硅棒表面附近的原料氣 體濃度（供給原料氣體的量）來改善生產(chǎn)率，即，將硅多晶的析出速度保持在高的狀態(tài)，且 降低爆米花現(xiàn)象。
[0008] 與此相對，本發(fā)明人等提出的技術(shù)是，通過防止原料氣體在反應(yīng)爐內(nèi)的滯留，來抑 制爆米花的產(chǎn)生和硅粉的產(chǎn)生（專利文獻(xiàn)3 :W02012/098598號小冊子）。
[0009] 在該技術(shù)中，在設(shè)定底板的面積為Stl的情況下，在該底板的中央部具有中心且面 積S = /2的假想同心圓的內(nèi)部中設(shè)置全部的原料供給噴嘴，使用這樣設(shè)計的多晶硅制造 用反應(yīng)爐，從原料氣體供給噴嘴的噴出口以150m/sec以上的流速供給原料氣體，以反應(yīng)氣 體的流動模式（7 口一- >)在反應(yīng)爐中心部呈上升流且在反應(yīng)爐外壁側(cè)部呈下降流 的方式，形成反應(yīng)爐內(nèi)的原料氣體的整體回流。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0011] 專利文獻(xiàn)
[0012] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2011-231005號公報
[0013] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2003-128492號公報
[0014] 專利文獻(xiàn)3 :W02012/098598號小冊子

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 發(fā)明所要解決的課題
[0016] 在多晶硅的制造中，使用作為原料氣體的氯硅烷和作為載氣的氫氣，這些氣體依 照下式進(jìn)行反應(yīng)，當(dāng)溫度上升時則反應(yīng)速度也會提高。因此，從提高多晶硅的生產(chǎn)率的觀點(diǎn) 出發(fā)，有必要提高反應(yīng)溫度來提高反應(yīng)速度。
[0017] HSiCl3+H2-Si+3HC1
[0018] HSiCl3+HCl - SiCl4+H2
[0019] 另一方面，當(dāng)提高反應(yīng)溫度時，則如日本特開2011-231005號公報（專利文獻(xiàn)I) 所示，爆米花的產(chǎn)生會變得顯著。因此，從抑制爆米花的產(chǎn)生的觀點(diǎn)出發(fā)，提高反應(yīng)溫度是 有界限的。
[0020] 另外，對于在多晶娃棒表面的反應(yīng)而目，認(rèn)為在反應(yīng)爐內(nèi)原料氣體由其氣流（氣 相）通過多晶硅棒表面附近的邊界層而移動（擴(kuò)散）至多晶硅棒表面（固相），引起反應(yīng)、 析出；該擴(kuò)散速度對反應(yīng)、析出速度影響最大。該擴(kuò)散速度由氣相的原料氣體的濃度、邊界 層厚度、溫度、氣體種類等決定。
[0021] 但是，以往雖然可以見到通過調(diào)整反應(yīng)溫度、氣相氣體濃度來控制上述擴(kuò)散速度 的反應(yīng)設(shè)計，但是通過調(diào)整邊界層的厚度來控制擴(kuò)散速度的反應(yīng)設(shè)計卻幾乎沒有見到。在 這樣的以往的反應(yīng)設(shè)計中，從通過高溫（1000~1200°C )的硅棒表面和低溫（400°C~ 700°C )的氣相原料氣體的溫度差而產(chǎn)生的硅棒表面的上升流（自然對流），得到原料氣體 的流動。
[0022] 另一方面，本發(fā)明人在專利文獻(xiàn)3中提出的多晶硅的制造方法為根據(jù)原料氣體所 攜帶的能量來改變反應(yīng)爐內(nèi)的氣體流動狀態(tài)，從而形成反應(yīng)爐內(nèi)的原料氣體的整體回流的 方法。本發(fā)明人認(rèn)為，如果采用該方法，在將原料氣體供給至反應(yīng)爐內(nèi)時能夠利用強(qiáng)制對 流，通過該強(qiáng)制對流能夠調(diào)整在硅棒表面上產(chǎn)生的邊界層厚度。
[0023] 本發(fā)明是基于上述考慮而完成的，其目的在于，使在用于通過西門子法制造多晶 硅的反應(yīng)爐內(nèi)產(chǎn)生原料氣體的強(qiáng)制對流，通過該強(qiáng)制對流所攜帶的能量，控制在氣相和固 相之間形成的邊界層（原料氣體的擴(kuò)散層）的厚度，從而抑制爆米花的產(chǎn)生。
[0024] 用于解決課題的手段
[0025] 為了解決上述課題，本發(fā)明的多晶硅制造用原料氣的供給方法為向用于通過西門 子法制造多晶硅的反應(yīng)爐中供給原料氣體的方法，其特征在于，使用配置有一個以上原料 氣體供給噴嘴的反應(yīng)爐，使得反應(yīng)爐內(nèi)的所述原料氣體的流動模式在反應(yīng)爐中心部呈上升 流且在反應(yīng)爐外壁側(cè)部呈下降流；在0. 25MPa~0. 9MPa的反應(yīng)壓力下進(jìn)行多晶硅的析出反 應(yīng)時，在所述原料氣體供給噴嘴的氣體供給口處的原料氣體的流速設(shè)為u (m/sec)、原料氣 體供給量設(shè)為Q(kg/SeC)、所述反應(yīng)爐的內(nèi)部容積設(shè)為V(m3)時，以使得值QXuVV的合計 2(QXu 2/V)為2500(kg/m*sec3)以上的方式設(shè)定所述原料氣體供給噴嘴各自的u和Q值。
[0026] 優(yōu)選地，設(shè)置在所述反應(yīng)爐中的所述一個以上原料氣體供給噴嘴都設(shè)置在如下假 想同心圓的內(nèi)側(cè)，該假想同心圓是在所述反應(yīng)爐的底板的面積設(shè)為S tl時在該底板的中央部 具有中心且面積S為/2的假想同心圓。
[0027] 另外，優(yōu)選地，將在0. 25MPa~0. 9MPa的反應(yīng)壓力下進(jìn)行多晶硅的析出反應(yīng)時的 反應(yīng)溫度設(shè)定在980 °C~1150 °C的范圍。
[0028] 優(yōu)選地，在以使得所述合計Σ (QXu2/V)為2500(kg/m · sec3)以上的方式得到 所述原料氣體流速u時，將供給至所述原料氣體供給噴嘴的原料氣體壓力設(shè)定為IMPa~ 2MPa〇
[0029] 另外，可以將所述IMPa~2MPa的原料氣體壓力的設(shè)定基于由原料氣體壓縮機(jī)提 供的壓縮升壓或者液體原料在高溫下的氣化中的至少一者來設(shè)定。
[0030] 發(fā)明的效果
[0031] 在本發(fā)明的方法中，通過調(diào)整供給至反應(yīng)爐中的原料氣體的動能（原料氣體供給 噴嘴噴出口處的原料氣體的流速和供給量），能夠控制爆米花的產(chǎn)生率。因此，如果利用本 發(fā)明的方法供給原料氣體并通過西門子法來制造多晶娃，可抑制爆米花的產(chǎn)生。而且，上述 原料氣體的動能也成為進(jìn)行反應(yīng)爐的規(guī)模放大時的指標(biāo)。
【附圖說明】
[0032] 圖1為用于說明本發(fā)明的多晶硅制造用反應(yīng)爐的構(gòu)成例的截面示意圖，圖中的箭 頭為預(yù)想的由在多晶硅棒周邊產(chǎn)生的自然對流而產(chǎn)生的反應(yīng)爐內(nèi)循環(huán)流。
[0033] 圖2A為表示實(shí)施例中使用的反應(yīng)爐1的爐內(nèi)循環(huán)流的圖。
[0034] 圖2B為表示實(shí)施例中使用的反應(yīng)爐2的爐內(nèi)循環(huán)流的圖。
[0035] 圖3為將實(shí)施例的各批次中得到的多晶硅棒的爆米花的產(chǎn)生率和指標(biāo)Σ (QXu2/ V)的值之間的關(guān)系制圖之后所得的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 以下參照附圖，對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0037] 圖1為用于說明本發(fā)明的多晶硅制造用反應(yīng)爐100的構(gòu)成例的截面示意圖。反應(yīng) 爐100為通過西門子法使多晶硅在硅芯線12的表面上氣相生長而得到多晶硅棒13的裝 置，通過具有用于確認(rèn)內(nèi)部狀態(tài)的窺視窗2的鐘罩1和底板5而將內(nèi)部密閉，在該密閉空間 內(nèi)配置多個組成牌坊型的硅芯線12,從而使多晶硅在該硅芯線（或硅棒13)的表面上析出。
[0038] 在底板5上設(shè)置：用于從硅芯線12的兩端通電而使其生熱的芯線夾11和金屬電 極10,向鐘罩1內(nèi)部供給氮?dú)?、氫氣、三氯硅烷氣體等工藝氣體的供給噴嘴9,用于將反應(yīng)后 的氣體排出至鐘罩1的外部的反應(yīng)排氣口 8。需要說明的是，雖然在圖1中圖示了 3個噴嘴 9,但是只要噴嘴9為1個以上即可。
[0039] 通常，底板5為圓盤狀，設(shè)置在該底板5上的金屬電極10、噴