[发明专利]多晶硅制造用原料气体的供给方法和多晶硅

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅的制造技术，更详细地，涉及向用于通过西门子法制造多晶硅的反应炉内供给原料气体的方法。

背景技术

多晶硅是半导体器件制造用的单晶硅基板、太阳能电池制造用基板的原料。作为多晶硅的制造方法，已知有西门子法。西门子法为如下方法：使含有氯硅烷的原料气体与加热后的硅芯线接触，由此，使得通过CVD法在该硅芯线的表面上气相生长多晶硅，以硅棒的形式得到多晶硅。

通过西门子法气相生长多晶硅时，在气相生长装置的反应炉内，将垂直方向的两根硅芯线和水平方向的一根硅芯线组装成牌坊型(鳥居型)。而且，将该牌坊型的硅芯线的两端通过一对芯线夹固定到配置在反应炉底板上的一对金属电极上。引起反应的原料气体的供给口以及反应废气的排气口也配置在该底板上。这样的构成例如公开在日本特开2011-231005号公报(专利文献1)中。

通常，在反应炉内设置有数十个固定在配置于底板上的一对金属电极上的牌坊型的硅芯线，并且配置成多重环式。近年来，随着多晶硅需求的增大，为了提高生产量，反应炉的大型化不断发展，采用了在一批次中析出大量多晶硅的方法。伴随着该倾向，配置在反应炉内的硅芯线的数也在增多。

但是，当设置在反应炉内的硅芯线的数量增加时，则产生的问题是，氯硅烷向各多晶硅棒表面的供给不足。这样的原料气体的供给不稳定性，使在硅棒的表面上产生凹凸(爆米花)，其结果是，硅棒的粗细变得不均匀，产生形状不良。另外，当在硅棒表面上产生凹凸时，则多晶硅容易发生异常生长。进一步地，多晶硅装运前清洗时的清洗效果会大幅降低。为了消除硅棒表面的凹凸，可以降低硅棒的表面的温度(反应温度)使析出反应平稳进行，然而在这种情况下，多晶硅的析出速度会变慢，从而使生产率和能量效率显著降低。

鉴于这样的情况，作为用于抑制爆米花的产生且用于改善生产率的提高析出速度的方法，作为将原料气体高效地供给至硅棒表面的方法提出了各种方法。例如在日本特开2011-231005号公报(专利文献1)和日本特开2003-128492号公报(专利文献2)中公开的方法中，通过调整原料气体供给喷嘴形状和供给的原料气体流量，来调整供给至硅棒表面的原料气体的量，使析出反应高效地进行。

这些现有技术文献都是通过调整反应温度和反应炉内的硅棒表面附近的原料气体浓度(供给原料气体的量)来改善生产率，即，将硅多晶的析出速度保持在高的状态，且降低爆米花现象。

与此相对，本发明人等提出的技术是，通过防止原料气体在反应炉内的滞留，来抑制爆米花的产生和硅粉的产生(专利文献3：WO2012/098598号小册子)。

在该技术中，在设定底板的面积为S₀的情况下，在该底板的中央部具有中心且面积S＝S₀/2的假想同心圆的内部中设置全部的原料供给喷嘴，使用这样设计的多晶硅制造用反应炉，从原料气体供给喷嘴的喷出口以150m/sec以上的流速供给原料气体，以反应气体的流动模式(フローパターン)在反应炉中心部呈上升流且在反应炉外壁侧部呈下降流的方式，形成反应炉内的原料气体的整体回流。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-231005号公报

专利文献2：日本特开2003-128492号公报

专利文献3：WO2012/098598号小册子

发明内容

发明所要解决的课题

在多晶硅的制造中，使用作为原料气体的氯硅烷和作为载气的氢气，这些气体依照下式进行反应，当温度上升时则反应速度也会提高。因此，从提高多晶硅的生产率的观点出发，有必要提高反应温度来提高反应速度。

HSiCl₃+H₂→Si+3HCl

HSiCl₃+HCl→SiCl₄+H₂

另一方面，当提高反应温度时，则如日本特开2011-231005号公报(专利文献1)所示，爆米花的产生会变得显著。因此，从抑制爆米花的产生的观点出发，提高反应温度是有界限的。

另外，对于在多晶硅棒表面的反应而言，认为在反应炉内原料气体由其气流(气相)通过多晶硅棒表面附近的边界层而移动(扩散)至多晶硅棒表面(固相)，引起反应、析出；该扩散速度对反应、析出速度影响最大。该扩散速度由气相的原料气体的浓度、边界层厚度、温度、气体种类等决定。