JP2006069888A

JP2006069888A - Method for manufacturing polycrystal silicon rod and manufacturing apparatus

Info

Publication number: JP2006069888A
Application number: JP2005275925A
Authority: JP
Inventors: David W Keck; ダブリュケックデービッド; Kenichi Nagai; 健一永井; Yoshifumi Yatsurugi; 吉文八釼; Hiroshi Morihara; 宏森原; Junji Izawa; 淳二井澤
Original assignee: Advanced Silicon Materials LLC
Current assignee: Advanced Silicon Materials LLC
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2006-03-16
Also published as: KR100406389B1; JPH08169797A; KR960007836A

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for rapidly manufacturing a large diameter, high-purity polycrystal silicon rod for use in a semiconductor by the deposition of silicon from a gas containing a silane compound, and its manufacturing apparatus. <P>SOLUTION: The apparatus includes a reactor vessel which encloses a powder catcher having a cooled surface. Also within the reactor vessel is a cylindrical water jacket which defines multile reaction chambers. The silicon powder generated by the method adheres to the coolest surface of the powder catcher, and is thereby collected. Little of the powder adheres to the walls of the reaction chambers. Furthermore, a fan is provided to increase gas circulation. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体用の高純度棒状多結晶シリコンの製造方法及び製造装置に関する。多結晶シリコンはCZ（チョクラルスキー）法又はFZ（フロートゾーン）法により半導体用の単結晶シリコンを製造する際の原料として使用される。 The present invention relates to a manufacturing method and a manufacturing apparatus for high purity rod-like polycrystalline silicon for semiconductors. Polycrystalline silicon is used as a raw material for producing single crystal silicon for semiconductors by the CZ (Czochralski) method or the FZ (float zone) method.

半導体用の単結晶シリコンを製造する際の原料と使用される多結晶シリコンを製造するための最も一般的な方法は、トリクロロシランのごときハロシラン化合物の熱分解により芯線(starter filament)上にシリコンを析出させ、直径の大きなシリコン棒を製造する方法である。特開昭56-105622号公報には塩化物系シランを使用する反応器であって、円形平板上に多数の電極を配設し、多数のシリコン芯線を逆Ｕ字状又は角型逆Ｕ字状に配設した構造のものが開示されている。 The most common method for producing polycrystalline silicon, which is used as a raw material in the production of single crystal silicon for semiconductors, is to deposit silicon on a starter filament by thermal decomposition of a halosilane compound such as trichlorosilane. This is a method for producing a silicon rod having a large diameter by precipitation. JP-A-56-105622 discloses a reactor using a chloride-based silane, in which a large number of electrodes are arranged on a circular flat plate, and a large number of silicon core wires are formed in an inverted U shape or a rectangular inverted U shape. The thing of the structure arrange | positioned in the shape is disclosed.

しかしながら、この技術はモノシランガス又はジシランガスのごときハロゲン化されていないシラン化合物から工業的規模で多結晶シリコンを製造するのには不適当である。数百度又はそれ以上の温度においてはモノシランガスが分解して微細なシリコン粉末を生成する。かかる粉末の存在は多数の問題を生じ、特に、シリコン棒の生長を著しく阻害し得る。更に、高温のシリコン棒が相互に対向している場合には不規則な表面が形成され、それによって、製品品質が低下する。米国特許第4,150,168号明細書には上記の問題を回避するための方法が開示されている。この方法においては赤熱したシリコン芯線を相互に熱遮蔽することによって気相の温度上昇を防止すると共に、隣接する加熱シリコン棒からの熱的影響を排除し、それによって、均一なシリコン棒を得ている。 However, this technique is not suitable for producing polycrystalline silicon on an industrial scale from unhalogenated silane compounds such as monosilane gas or disilane gas. At temperatures of several hundred degrees or higher, monosilane gas decomposes to produce fine silicon powder. The presence of such powders creates a number of problems, and in particular can significantly inhibit silicon rod growth. Furthermore, irregular surfaces are formed when hot silicon rods are facing each other, thereby reducing product quality. U.S. Pat. No. 4,150,168 discloses a method for avoiding the above problems. In this method, the red silicon cores are thermally shielded from each other to prevent the temperature of the gas phase from rising, and the thermal effects from the adjacent heated silicon rods are eliminated, thereby obtaining a uniform silicon rod. Yes.

しかしながら、シリコン棒をモノシランの熱分解により工業的規模で製造する場合には、上記の方法を用いた場合においてもシリコン粉末の生成を完全に防止することは不可能である。生成したシリコン粉末は反応器の器壁に析出する。シリコン粉末は数mmの厚さまで蓄積すると器壁から自然に落下し、落下した粉末の一部が生長しつつあるシリコン棒と接触し、これに付着する。シリコン棒に付着した粉末部分は粉末の噛み込み(powder intrusion)や異常なデンドライト生長(dendrite growth)を惹起し、不良品を発生させる。 However, when a silicon rod is produced on an industrial scale by thermal decomposition of monosilane, it is impossible to completely prevent the production of silicon powder even when the above method is used. The produced silicon powder is deposited on the wall of the reactor. When silicon powder accumulates to a thickness of several millimeters, it naturally falls from the vessel wall, and a part of the dropped powder comes into contact with and adheres to the growing silicon rod. The portion of the powder adhering to the silicon rod causes powder intrusion and abnormal dendrite growth, resulting in defective products.

特開昭61-101410号公報に開示されている方法は反応器が異なる熱遮蔽構造を有するという点で米国特許第4,150,168号明細書の方法より若干改善された方法である。しかしながら、Hogness等の文献（Hogness,T.R.,Wilson,T.L.,Johnson,W.C.:“The Thermal Decomposition of Silane”，J.Am.Chem.Soc.58:108-112,1936)に記載される理由から、上記の方法はシリコン粉末の生長を抑制するためには反応速度を著しく遅くすることが必要であると予想される。 The method disclosed in JP-A-61-101410 is a slightly improved method from the method of US Pat. No. 4,150,168 in that the reactor has a different heat shielding structure. However, for reasons described in Hogness et al. (Hogness, TR, Wilson, TL, Johnson, WC: “The Thermal Decomposition of Silane”, J. Am. Chem. Soc. 58: 108-112, 1936) In the above method, it is expected that the reaction rate needs to be remarkably slow in order to suppress the growth of silicon powder.

特開昭44-31717号公報にはシリコン粉末を反応器の外部で捕集する技術が開示されている。この技術においては、多結晶シリコン棒を製造する際に発生するシリコン粉末を部分的に消費された反応剤ガスと共に反応器から取出し、シリコン粉末をフィルターにより捕集しついで粉末を除去したガスを反応器に再循環させる。同様の技術が米国特許第4,831,964号明細書に開示されている。しかしながら、これらの技術は、反応器の外部に大きな装置を必要とするという欠点を有する。即ち、これらの方法では部材の数が増大し、その結果、汚染を受ける機会が増大する。更に、かかる部材に付着したシリコン粉末は清掃によって容易に除去できない場所又は清掃をしにくい場所に蓄積する。シリコン粉末は非常に活性であり、従って、静電気等により容易に発火する。更に、空気とシリコン粉末の混合物の発火により爆発が発生し得る。その他に、シリコン粉末はシリコン棒を取出す際、清掃を実施する際等に反応器を外部の装置と分離するのに使用されるバルブのシール性を低下させる。従って、シリコン粉末の取扱いは最小量になるまで行うことがベストである。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 44-31717 discloses a technique for collecting silicon powder outside the reactor. In this technology, silicon powder generated during the production of polycrystalline silicon rods is taken out of the reactor together with the partially consumed reactant gas, and the silicon powder is collected by a filter and then the powder is removed and reacted. Recirculate to vessel. A similar technique is disclosed in US Pat. No. 4,831,964. However, these techniques have the disadvantage of requiring large equipment outside the reactor. That is, these methods increase the number of members and, as a result, increase the chance of contamination. Furthermore, the silicon powder adhering to the member accumulates in a place where it cannot be easily removed by cleaning or a place where cleaning is difficult. Silicon powder is very active and therefore easily ignites due to static electricity and the like. In addition, explosions can occur due to ignition of a mixture of air and silicon powder. In addition, the silicon powder reduces the sealing performance of the valve used to separate the reactor from external devices, such as when removing the silicon rods and when performing cleaning. Therefore, it is best to handle silicon powder until it reaches a minimum.

特開昭52-36490号公報には反応性ガスを反応器内で循環させる特殊な方法が開示されている。この方法では反応器内のモノシランガスの濃度を均一化させるための装置が使用される。この方法においては高濃度のモノシランガス又は純粋なモノシランガスがシリコン芯線の付近の反応器の高温部に到達することを防止し、それによって、シリコン粉末の発生を抑制する。しかしながら、この方法は熱発生部材からの熱の輻射を包含させるための手段が採られていないという欠点を有する。従って、この方法はモノシランガスの熱分解には不適当である。更に、シリコン棒を別個の反応室内で生長させないため、反応性ガスを均一な方法で供給することが困難である。その結果、生長したシリコン棒について高度に円形の断面を得ることが困難であり、棒の直径が棒毎に相違する。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 52-36490 discloses a special method for circulating a reactive gas in a reactor. In this method, an apparatus for homogenizing the concentration of monosilane gas in the reactor is used. In this method, high concentration monosilane gas or pure monosilane gas is prevented from reaching the high temperature part of the reactor in the vicinity of the silicon core, thereby suppressing generation of silicon powder. However, this method has the disadvantage that no means are taken to include the radiation of heat from the heat generating member. Therefore, this method is not suitable for the thermal decomposition of monosilane gas. Furthermore, since the silicon rod is not grown in a separate reaction chamber, it is difficult to supply the reactive gas in a uniform manner. As a result, it is difficult to obtain a highly circular cross-section for the grown silicon rod, and the rod diameter varies from rod to rod.

特開昭63-123806号公報には反応性ガスの流速を増大させる技術が開示されており、この技術によれば反応器の頂部又は底部に攪拌機が設けられる。しかしながら、この技術は、シリコン粉末が生成されかつ攪拌機により分散されるため、非ハロゲン化シラン化合物を使用する場合には不適当である。 Japanese Patent Laid-Open No. 63-123806 discloses a technique for increasing the flow rate of a reactive gas. According to this technique, a stirrer is provided at the top or bottom of the reactor. However, this technique is unsuitable when using non-halogenated silane compounds because silicon powder is produced and dispersed with a stirrer.

上記したごとき欠点の他に、従来の技術はこれらに共通した欠点を有する：即ち、気相均一反応によって生成するシリコン粉末がシリコン棒の周囲及び反応器天井の壁面に堆積することを防止するための手段を備えていないことである。反応器から剥離したシリコン粉末が付着することにより不良品が生ずる。シリコン棒に付着したシリコン粉末は溶解させることが困難であり、従って、単結晶化を困難にせしめる。従って、シリコン粉末が付着したシリコン棒はCZ法又FZ法のいずれにも不適当である。 In addition to the drawbacks described above, the prior art has a common disadvantage: to prevent silicon powder produced by the gas phase homogeneous reaction from depositing around the silicon rod and on the reactor ceiling wall. It is that it does not have the means of. A defective product is produced by the adhesion of the silicon powder peeled from the reactor. Silicon powder adhering to the silicon rod is difficult to dissolve, thus making single crystallization difficult. Therefore, a silicon rod to which silicon powder is attached is not suitable for either the CZ method or the FZ method.

更に、反応器の構造により生長中の多結晶シリコン棒の周囲の壁面及び反応器天井部分の壁面でのシリコン粉末の堆積が促進される場合には、多結晶シリコンの析出速度は低いと考えられる。 Furthermore, when the deposition of silicon powder on the wall surface of the growing polycrystalline silicon rod and the wall surface of the reactor ceiling is promoted by the reactor structure, the deposition rate of polycrystalline silicon is considered to be low. .

CZ法又はFZ法による単結晶シリコンの製造においては、棒の形又はこの棒を粉砕して得られ粉砕物(chunk)の形の多結晶シリコンが広く使用されている。半導体用の多結晶シリコン棒については高い純度と低い競合可能な価格が特に要求されている。これらの要求は、年々、厳しさを増している。本発明は従来の技術における上記したごとき問題点に着目してなされたものである。 In the production of single crystal silicon by the CZ method or FZ method, polycrystalline silicon in the form of a rod or a chunk obtained by grinding this rod is widely used. High purity and low competitive price are particularly required for polycrystalline silicon rods for semiconductors. These demands are getting stricter year by year. The present invention has been made paying attention to the above-described problems in the prior art.

従って、直径の大きい多結晶シリコン棒を短時間に製造することが可能でかつ非ハロゲン化シラン化合物を含有するガス原料を効率的に使用することが可能な方法と装置を提供することが要求されている。 Therefore, it is required to provide a method and apparatus capable of producing a polycrystalline silicon rod having a large diameter in a short time and capable of efficiently using a gas raw material containing a non-halogenated silane compound. ing.

本発明によれば、モノシラン又はジシランのごとき非ハロゲン化シランを含有する高度に精製された反応剤ガスの熱分解により半導体用の棒の形の多結晶シリコンを製造するための方法と装置が提供される。 In accordance with the present invention, there is provided a method and apparatus for producing polycrystalline silicon in the form of semiconductor rods by pyrolysis of a highly purified reactant gas containing a non-halogenated silane such as monosilane or disilane. Is done.

反応器(reactor vessel)内の壁により多結晶シリコンを棒の形で生長させるための多数の反応室が形成されまたシラン化合物の熱分解中に生成するシリコン粉末を捕集するためのパウダーキャッチャー（粉末捕集器)(powder catcher)が提供される。パウダーキャッチャーの壁により、反応室から分離されているがこの反応室と連絡している少なくとも１個のパウダーキャッチャー室が形成される。反応室とパウダーキャッチャー室とにより反応剤ガスのための流通路が形成される。 A powder catcher for collecting silicon powder generated during thermal decomposition of silane compounds, in which many reaction chambers for growing polycrystalline silicon in the form of rods are formed by the walls in the reactor vessel. A powder catcher is provided. The wall of the powder catcher forms at least one powder catcher chamber which is separated from the reaction chamber but is in communication with the reaction chamber. A flow path for the reactant gas is formed by the reaction chamber and the powder catcher chamber.

第１の態様においては反応器は垂直に伸長しているかつ同心的に配列された円筒状水冷ジャケットからなる多数のパウダーキャッチャーと、パウダーキャッチャーを包囲する外部円筒状水冷ジャケットによって画定される円筒状チャンネルである多数の反応室とを含有している。パウダーキャッチャー室と反応室は外部水冷ジャケットの上部と下部に形成されているスペースを介して連絡している。パウダーキャッチャー室の全断面積は反応室の全断面積より大きいことが望ましく、パウダーキャッチャー壁の全表面積は反応室を形成する壁の全表面積より大きいことが望ましい。反応剤ガス流を制御する目的で、反応室の下方端部とパウダーキャッチャー室の上方又は下方端部に抵抗板(resisitant baffle plate)が設けられている；金属板又はセラミック板が断熱板(heat shield plate)として反応器の上方部分に設けられている；そして、モノシランガスを反応器に供給するための多数のノズルがパウダーキャッチャー室の上方帯域にかつパウダーキャッチャーに対して円周方向に向けて設けられている。 In a first embodiment, the reactor has a cylindrical shape defined by a number of powder catchers consisting of vertically extending and concentrically arranged cylindrical water cooling jackets, and an external cylindrical water cooling jacket surrounding the powder catchers. It contains a number of reaction chambers that are channels. The powder catcher chamber and the reaction chamber communicate with each other through spaces formed in the upper and lower portions of the external water cooling jacket. The total cross-sectional area of the powder catcher chamber is preferably larger than the total cross-sectional area of the reaction chamber, and the total surface area of the powder catcher wall is preferably larger than the total surface area of the walls forming the reaction chamber. For the purpose of controlling the reactant gas flow, a resistive baffle plate is provided at the lower end of the reaction chamber and the upper or lower end of the powder catcher chamber; a metal plate or a ceramic plate is a heat insulating plate (heat plate). shield plate) in the upper part of the reactor; and a number of nozzles for supplying monosilane gas to the reactor in the upper zone of the powder catcher chamber and in the circumferential direction with respect to the powder catcher It has been.

更に、半導体用の棒の形の多結晶シリコンを製造するために上記の装置を使用して多結晶シリコンを製造する方法においては、T2≦T1≦T3の関係が保持される；ここで、T1は反応室の壁温であり、T2はパウダーキャッチャーの壁温であり、T3は反応器天井の壁温である。最適な結果を得るためには、T1が25℃又はそれ以上であり、T2が25℃又はそれ以下であり、T3が70℃又はそれ以上であるように温度制御が行われる。 Further, in the method of manufacturing polycrystalline silicon using the above apparatus for manufacturing polycrystalline silicon in the form of a semiconductor rod, the relationship of T2 ≦ T1 ≦ T3 is maintained; Is the wall temperature of the reaction chamber, T2 is the wall temperature of the powder catcher, and T3 is the wall temperature of the reactor ceiling. For optimal results, temperature control is performed so that T1 is 25 ° C. or higher, T2 is 25 ° C. or lower, and T3 is 70 ° C. or higher.

他の態様においては、パウダーキャッチャーは反応室の上方の高い位置に設けられる。パウダーキャッチャーは熱交換器の配列体(array)を包含することが最も有利であり、水平に片寄らせる(offset)ことによりチューブが反応室のすぐ上方に設置されないようすることが好ましい。チューブは反応室からのガス流がチューブ配列体を経て流動し、ここでチューブによって提供される冷却表面上に粉末が析出するように配置される。チューブを通過する反応剤ガスの少なくとも一部は反応室に再循環させる。 In another embodiment, the powder catcher is provided at a high position above the reaction chamber. Most advantageously, the powder catcher includes an array of heat exchangers and preferably is horizontally offset so that the tube is not placed directly above the reaction chamber. The tube is positioned so that the gas flow from the reaction chamber flows through the tube array, where the powder is deposited on the cooling surface provided by the tube. At least a portion of the reactant gas passing through the tube is recirculated to the reaction chamber.

また、反応剤ガスが流動する位置、特に、パウダーキャッチャーの下方の位置にファンを設けてファンの回転速度に基づいて反応器内の反応剤ガスの循環を制御する。反応性ガス流をファンを通過させるために、シュラウドを設けてパウダーキャッチャーと反応室を分離し得る。 In addition, a fan is provided at a position where the reactant gas flows, particularly below the powder catcher, and the circulation of the reactant gas in the reactor is controlled based on the rotational speed of the fan. A shroud may be provided to separate the powder catcher and the reaction chamber in order to pass the reactive gas stream through the fan.

上記の装置により下記の利点の一つ又はそれ以上が提供される：(1)多結晶シリコンを棒の形に生長させるための多数の反応室とシリコン粉末を捕集するための１個又はそれ以上のパウダーキャッチャーとが共通の反応容器内に反応剤ガスの流路に沿って伸長しかつ相互に分離して配置されている構造を有するため、従来の方法に比較して、反応条件の設定の自由度が増大する。反応室とパウダーキャッチャーが相互に分離されておりかつ同一の反応器内に設けられているため、そのそれぞれの機能について最適な条件を得ることができる。即ち、パウダーキャッチャーの冷却温度を反応室の冷却温度より低くすることにより、下降ガスの流速が増大し、その結果、反応室内のガス流の上昇速度が増大し、それによって、反応剤ガスの供給速度を増大させ、直径の大きい多結晶シリコンを短時間に製造しそして製造コストを低減させることができる。 The above apparatus provides one or more of the following advantages: (1) Multiple reaction chambers for growing polycrystalline silicon into rods and one or more for collecting silicon powder. Since the above powder catcher has a structure that extends along the flow path of the reactant gas and is separated from each other in a common reaction vessel, setting reaction conditions compared to conventional methods The degree of freedom increases. Since the reaction chamber and the powder catcher are separated from each other and are provided in the same reactor, optimum conditions can be obtained for their respective functions. That is, by lowering the cooling temperature of the powder catcher below the cooling temperature of the reaction chamber, the flow rate of the descending gas increases, and as a result, the rising speed of the gas flow in the reaction chamber increases, thereby supplying the reactant gas. The speed can be increased, large diameter polycrystalline silicon can be produced in a short time and the production cost can be reduced.

(2)パウダーキャッチャー又はガス還送通路の壁面が垂直でありかつ垂直パウダーキャッチャー又はガス還送通路の総空間断面積(total space cross-sectional area)が反応室の総空間断面積より大きい場合には、反応剤ガスの下降流についての抵抗が減少し、それによって、反応室内を上方に流動するガスの流速が増大する。従って、多量の反応剤ガスを供給することが可能であり、それによって多結晶シリコン棒の生長速度が増大する。更に、シリコン粉末の反応室壁への付着を大幅に防止し得る。 (2) When the wall surface of the powder catcher or gas return passage is vertical and the total space cross-sectional area of the vertical powder catcher or gas return passage is larger than the total space cross-sectional area of the reaction chamber Reduces the resistance to the downflow of the reactant gas, thereby increasing the flow rate of the gas flowing upward in the reaction chamber. Therefore, a large amount of reactant gas can be supplied, thereby increasing the growth rate of the polycrystalline silicon rod. Furthermore, it is possible to greatly prevent the silicon powder from adhering to the reaction chamber wall.

(3)パウダーキャッチャーの全表面積を反応室壁の全表面積より大きくすることにより、パウダーキャッチャーによるシリコン粉末の捕集が促進される。 (3) By making the total surface area of the powder catcher larger than the total surface area of the reaction chamber wall, the collection of silicon powder by the powder catcher is promoted.

(4)反応室の上方端部及び/又は垂直パウダーキャッチャー室の上方又は下方端部に反応剤ガス流制御用の抵抗板を設けた場合には、反応室へのガスの供給を調節し、かつ、それによって所定の均一な流率を得ることが可能である（抵抗板を設けない場合には、反応室内でガス流のパターンに若干の不規則性が生ずるであろう）。その結果、反応室内のガス流が均一化され、多結晶シリコン棒の生長条件が最適なものになる。 (4) When a resistance plate for controlling the reactant gas flow is provided at the upper end of the reaction chamber and / or the upper or lower end of the vertical powder catcher chamber, the gas supply to the reaction chamber is adjusted, In addition, it is possible to obtain a predetermined uniform flow rate (if there is no resistance plate, there will be some irregularities in the gas flow pattern in the reaction chamber). As a result, the gas flow in the reaction chamber is made uniform, and the growth conditions of the polycrystalline silicon rod are optimized.

(5)反応室の上方に熱遮蔽板を設けた場合には、反応容器の天井部分を高温に保持することが可能であり、それによって、反応容器の天井部分へのシリコン粉末の付着をより確実に防止し得る。 (5) When a heat shielding plate is provided above the reaction chamber, it is possible to keep the ceiling portion of the reaction vessel at a high temperature, thereby further preventing silicon powder from adhering to the ceiling portion of the reaction vessel. It can be surely prevented.

(6)反応剤ガスの一部を反応器に供給するための多数の供給ノズルを垂直パウダーキャッチャー室の上方帯域に対応する高さにかつパウダーキャッチャーに対して円周方向に向けて設けた場合には、新しい反応剤ガスをパウダーキャッチャー室内の下降流に対して90°の角度で水平に噴出し得る。これにより循環ガスが攪拌され、シリコン化合物ガスの全体の濃度がより均一になる。この方法で混合を促進することにより、多量の反応剤ガスを、最適なガス分配条件下で供給し得る。従って、多結晶シリコン棒の生長速度が増大する。 (6) When many supply nozzles for supplying a part of the reactant gas to the reactor are provided at a height corresponding to the upper band of the vertical powder catcher chamber and in the circumferential direction with respect to the powder catcher For example, fresh reactant gas can be ejected horizontally at an angle of 90 ° with respect to the downflow in the powder catcher chamber. As a result, the circulating gas is agitated and the overall concentration of the silicon compound gas becomes more uniform. By promoting mixing in this manner, a large amount of reactant gas can be supplied under optimal gas distribution conditions. Accordingly, the growth rate of the polycrystalline silicon rod is increased.

(7)反応室壁面温度T1が25℃又はそれ以上であり、パウダーキャッチャー壁面温度T2が25℃又は以下であり、反応器天井壁面温度T3が70℃又はそれ以上であるように温度調節を行うことが可能であるため、パウダーキャッチャー壁面に沿って下方に流動するモノシランガスの速度が増大し、それによって、反応室内を上方に流動するガスの速度が増大する。このことにより、反応剤ガスを速い速度で反応室に供給し、それによって直径の大きいシリコン棒を短時間に製造し得る。更に、ガス流速度の増大の結果として、ガスは反応室内に滞留せず、従って、シリコン粉末の反応室壁面への付着が防止される。パウダーキャッチャー壁面の温度は反応器内の他の表面の温度より低く設定されているので、シリコン粉末捕集効果は顕著に増大する。 (7) Adjust the temperature so that the reaction chamber wall surface temperature T1 is 25 ° C or higher, the powder catcher wall surface temperature T2 is 25 ° C or lower, and the reactor ceiling wall surface temperature T3 is 70 ° C or higher. This increases the speed of the monosilane gas that flows downward along the powder catcher wall, thereby increasing the speed of the gas flowing upward in the reaction chamber. As a result, the reactant gas can be supplied to the reaction chamber at a high speed, whereby a silicon rod having a large diameter can be manufactured in a short time. In addition, as a result of the increased gas flow rate, the gas does not stay in the reaction chamber, thus preventing the silicon powder from sticking to the reaction chamber wall. Since the temperature of the powder catcher wall surface is set lower than the temperature of the other surfaces in the reactor, the silicon powder collecting effect is remarkably increased.

(8)パウダーキャッチャーの下方にファンを設けそしてシュラウドによりパウダーキャッチャー又はガス還送通路を反応室から分離した場合には、ファンの回転速度を調節することにより反応室に供給されるガスの流速を調節することができかつ反応室に供給される反応剤ガスの流速を更に増大させ得る。ファン速度を調節することによりガス流率を最適なものにし、それによって、多結晶シリコン棒の生長を増大させ得る。 (8) When a fan is installed under the powder catcher and the powder catcher or gas return passage is separated from the reaction chamber by the shroud, the flow rate of the gas supplied to the reaction chamber is adjusted by adjusting the rotational speed of the fan. The flow rate of the reactant gas that can be adjusted and fed to the reaction chamber can be further increased. By adjusting the fan speed, the gas flow rate can be optimized, thereby increasing the growth of the polycrystalline silicon rod.

現在使用されている反応器の多くは装置費用、管理、安全性等を考慮して金属により製造されている。本発明の製造装置においては、腐食性の大きい塩化物系シランガスの代わりに非ハロゲン化シランガスが使用される。従って、反応器の腐食による多結晶シリコンの二次的な汚染が回避される。更に、非ハロゲン化シラン化合物ガスの熱分解はシリコン粉末の生成を伴う反応である気相均一分解を伴っているため、塩化物系シランガスの熱分解とは著しく相違する。従って、ハロゲン化シランガスを使用する反応器と同一の形態の反応器を使用した場合には、反応速度が遅くかつ収率が低下するであろう。 Many of the reactors currently used are made of metal in consideration of equipment cost, management, safety and the like. In the production apparatus of the present invention, a non-halogenated silane gas is used in place of the highly corrosive chloride-based silane gas. Thus, secondary contamination of the polycrystalline silicon due to reactor corrosion is avoided. Furthermore, the thermal decomposition of the non-halogenated silane compound gas is accompanied by the vapor phase homogeneous decomposition, which is a reaction accompanied by the generation of silicon powder, and thus is significantly different from the thermal decomposition of the chloride-based silane gas. Therefore, if a reactor having the same form as that using a halogenated silane gas is used, the reaction rate will be slow and the yield will be reduced.

以下においては、本発明による半導体用の高純度多結晶シリコン棒の製造方法と製造装置の好ましい態様を図面を参照しながら説明する。 In the following, preferred embodiments of a method and apparatus for producing a high-purity polycrystalline silicon rod for semiconductors according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図１−３に示す装置においては、ベルジャータイプの蓋(verger-type cover)又はベル(bell)１と円形基板２とにより反応器(reactor vessel)が形成される。蓋１と基板２によって画定される(define)円筒形空間内に、熱交換器又は水冷ジャケットでありかつ多数の反応室３を画定するための形状を有する円筒形隔壁部材(partition member)４が設けられている。円筒形パウダーキャッチャー５及び６が隔壁部材４内に同心的に配列されている。水冷ジャケット４とパウダーキャッチャー５及び６は、これらの間に環状パウダーキャッチャー室が形成され、パウダーキャッチャー６の中央に円筒形パウダーキャッチャー室が形成されるような大きさと間隙とを有する。パウダーキャッチャー室はガス降下通路として働きをする。反応室３は水冷ジャケット４の外周付近に等間隔で配列された円筒形空間からなる。完全に生長した多結晶シリコン棒を引出すことを可能にするために、水冷ジャケット４の外周から反応室３に通じる開口４aが設けられている。 In the apparatus shown in FIGS. 1-3, a reactor vessel is formed by a bellger-type cover or bell 1 and a circular substrate 2. Within the cylindrical space defined by the lid 1 and the substrate 2 is a cylindrical partition member 4 which is a heat exchanger or a water cooling jacket and has a shape for defining a number of reaction chambers 3. Is provided. Cylindrical powder catchers 5 and 6 are concentrically arranged in the partition member 4. The water cooling jacket 4 and the powder catchers 5 and 6 have a size and a gap such that an annular powder catcher chamber is formed between them and a cylindrical powder catcher chamber is formed at the center of the powder catcher 6. The powder catcher chamber acts as a gas descending passage. The reaction chamber 3 is formed of a cylindrical space arranged at equal intervals near the outer periphery of the water cooling jacket 4. In order to be able to withdraw a fully grown polycrystalline silicon rod, an opening 4a leading from the outer periphery of the water cooling jacket 4 to the reaction chamber 3 is provided.

蓋１とパウダーキャッチャー５及び６は少なくとも一部分は中空であり、水冷熱交換器又は冷却ジャケットしての働きをする。蓋１は上方蓋部分１aと下方蓋部分１bとを結合させることにより形成される。上方蓋部分１aの下方表面は反応容器の天井としての働きをする。上方蓋部分１aには冷却水入口１cと冷却水出口１dが設けられている。下方蓋部分１bには冷却水入口１eと冷却水出口１fが設けられている。冷却水は、入口１cから出口１dに移動する際に、蓋の内壁と外壁の間の空間を流動する。水冷ジャケット４及びパウダーキャッチャー５及び６の底部に冷却水供給パイプ7a，7b、7c及び7dが連結されており、これらのパイプは基板２を経て下方から伸長している。パイプ7bと7dは冷却水をパウダーキャッチャー５及び６の内部の空間に供給し、そしてこの空間から排出させるのに使用される。電極９が基板２の下方から絶縁部材８を経て伸びており、反応室３の中央に対応する位置に配設されている。電極９の先端にはチャック10が取付けられている。水冷ジャケット内を流動する水は他の流動性の冷却又は加熱媒体で置換し得る。更に、パウダーキャッチャーは、パイプの束であるか又はコイル状であり得る。 The lid 1 and the powder catchers 5 and 6 are at least partially hollow and serve as a water-cooled heat exchanger or cooling jacket. The lid 1 is formed by joining an upper lid portion 1a and a lower lid portion 1b. The lower surface of the upper lid portion 1a serves as the ceiling of the reaction vessel. The upper lid portion 1a is provided with a cooling water inlet 1c and a cooling water outlet 1d. The lower lid portion 1b is provided with a cooling water inlet 1e and a cooling water outlet 1f. When the cooling water moves from the inlet 1c to the outlet 1d, the cooling water flows in the space between the inner wall and the outer wall of the lid. Cooling water supply pipes 7 a, 7 b, 7 c and 7 d are connected to the bottom of the water cooling jacket 4 and the powder catchers 5 and 6, and these pipes extend from below through the substrate 2. Pipes 7b and 7d are used to supply cooling water to the space inside the powder catchers 5 and 6 and to discharge it from this space. An electrode 9 extends from below the substrate 2 through the insulating member 8 and is disposed at a position corresponding to the center of the reaction chamber 3. A chuck 10 is attached to the tip of the electrode 9. The water flowing in the water cooling jacket can be replaced by other fluid cooling or heating media. Further, the powder catcher can be a bundle of pipes or coiled.

図１の態様においては、反応器内のガスの循環を促進しかつ制御するために、パウダーキャッチャー６の下方に再循環ファン20及びシュラウド21が設けられている。例示されているシュラウド21はパウダーキャッチャーの付近の反応剤ガスの全てを再循環ファンを経て通過するような位置に設けられている。再循環ファンを通過したガスは反応室３に流入する。 In the embodiment of FIG. 1, a recirculation fan 20 and a shroud 21 are provided below the powder catcher 6 to facilitate and control the circulation of gas in the reactor. The illustrated shroud 21 is provided in such a position that all of the reactant gas in the vicinity of the powder catcher passes through the recirculation fan. The gas that has passed through the recirculation fan flows into the reaction chamber 3.

本発明の反応器はシリコンをモノシラン、ジシラン又はこれらの化合物の混合物のごとき非ハロゲン化シランの形で含有する反応剤ガスを使用するのに特に適している。かかる化合物又はその混合物を含有する反応剤ガスは、しばしば、“シランガス”と総称される。 The reactor of the present invention is particularly suitable for using a reactant gas containing silicon in the form of a non-halogenated silane, such as monosilane, disilane, or a mixture of these compounds. Reactant gases containing such compounds or mixtures thereof are often collectively referred to as “silane gases”.

シランガス供給パイプ11が基板２の下方から伸長して、パウダーキャッチャー５及び６の間を上方に伸長している。シランガス供給パイプ11の上方端部に環状ヘッダー12が連結されており、環状ヘッダー12に同一の円周方向に開口している多数のガスノズル13が連結されている。かくして、ノズルは反応剤ガスをパウダーキャッチャー５及び６に沿って噴射する働きを行い、その結果、反応剤ガスはパウダーキャッチャー５及び６の壁面に沿ってその周囲を移動する。ガスノズル13からシランガスを均一に噴射させるために、これらのノズルの各々の内部に毛管又はオリフィスが設けられている。 A silane gas supply pipe 11 extends from below the substrate 2 and extends upward between the powder catchers 5 and 6. An annular header 12 is connected to the upper end of the silane gas supply pipe 11, and a number of gas nozzles 13 that are open in the same circumferential direction are connected to the annular header 12. Thus, the nozzle serves to inject the reactant gas along the powder catchers 5 and 6 so that the reactant gas moves around the powder catchers 5 and 6 along its periphery. In order to uniformly inject the silane gas from the gas nozzle 13, a capillary or an orifice is provided inside each of these nozzles.

反応器の内部には適当な間隔で抵抗板14が設けられている。この抵抗板はガス流を調節するために、ガスが降下する通路を横断して伸びている。例示されている態様においては、流体抵抗板14はパウダーキャッチャー５及び６の上方端部に固定されている。かかる抵抗板は水冷ジャケット４及び/又はパウダーキャッチャー５及び６の下方端部に固定すること及び/又はパウダーキャッチャー５及び６の上方のヘッダー12の結合することもできる。水冷ジャケット４の上方の空間に熱遮蔽板15が設けられている。排気パイプ16が基板２を貫通して伸長しており、使用ずみの反応ガスを除去するのに使用し得る。シランガス供給パイプ11a によりシランガスを水冷ジャケット４上の任意の位置13aで各々の反応室に均一に噴射し得る。 Resistance plates 14 are provided in the reactor at appropriate intervals. The resistance plate extends across the passage through which the gas descends to regulate the gas flow. In the illustrated embodiment, the fluid resistance plate 14 is fixed to the upper ends of the powder catchers 5 and 6. Such a resistance plate can also be fixed to the lower end of the water cooling jacket 4 and / or the powder catchers 5 and 6 and / or the header 12 above the powder catchers 5 and 6 can be joined. A heat shielding plate 15 is provided in the space above the water cooling jacket 4. An exhaust pipe 16 extends through the substrate 2 and can be used to remove spent reaction gas. Silane gas can be uniformly injected into each reaction chamber at an arbitrary position 13a on the water cooling jacket 4 by the silane gas supply pipe 11a.

次に、上記の装置を使用する多結晶シリコン棒の製造方法を説明する。シリコン芯線17を反応室３内に設置し、チャック10で保持する。水冷ジャケット４の段付き部(stepped section) 4bの各々の上方で、一対のシリコン芯線17の上端をシリコンブリッジ18により連結する。冷却水を蓋１、水冷ジャケット４及びパウダーキャッチャー５及び６を経て循環させる。シリコン芯線17を電極９から直接通電することにより加熱する。 Next, a method for manufacturing a polycrystalline silicon rod using the above apparatus will be described. A silicon core wire 17 is installed in the reaction chamber 3 and held by the chuck 10. The upper ends of the pair of silicon core wires 17 are connected to each other by a silicon bridge 18 above each of the stepped sections 4b of the water cooling jacket 4. Cooling water is circulated through the lid 1, the water cooling jacket 4 and the powder catchers 5 and 6. The silicon core wire 17 is heated by applying current directly from the electrode 9.

シランガスを含有する反応剤ガスを反応剤ガス供給パイプ11、ヘッダー12及びガスノズル13を経て反応器に供給する。円周方向に水平に噴射される反応剤ガスはパウダーキャッチャー５及び６の壁面に沿って発生する下降流により攪拌される。ガス流は種々の方向に移動するため、これらのガス流は混合されかつ攪拌されて、シリコン含有化合物の濃度の均一な混合反応剤ガスが形成される。ついで、ガス流はシリコン芯線17により加熱されている反応室３の内部を上昇する間に反応してシリコン芯線17上に多結晶シリコン19を形成する。ついで、反応室３から上方に吹上げられた反応剤ガスはパウダーキャッチャー５及び６の壁面に沿って下降しついで反応室３に還送される。反応剤ガスを速い流速で循環させることにより、シリコン粉末がパウダーキャッチャーの冷却表面に到達するまで該粉末を反応剤ガスにより連行させることが有利である。操作を速い流速で行うためには、反応剤ガスは１種又はそれ以上の非ハロゲン化シラン化合物と水素ガス又は不活性ガス例えばヘリウム又はアルゴンのごとき稀釈剤とを含有する混合物からなり得る。これとは逆に、反応剤ガス中のシリコン含有化合物の濃度を低下させた場合には、シリコン棒上に所望の速度でシリコンを析出させるためには、ガス流の速度を増大させるべきである。稀釈剤ガスは、反応剤ガスを反応器に噴射する前に、所望の比率を保持するためにマスフローコントローラーを使用してシラン含有ガスと混合することが好ましい。しかしながら、稀釈剤ガスを噴射するための噴射ノズルの別のセット（図示せず）を使用することが可能である。 Reactant gas containing silane gas is supplied to the reactor through the reactant gas supply pipe 11, the header 12, and the gas nozzle 13. The reactant gas sprayed horizontally in the circumferential direction is agitated by the downward flow generated along the wall surfaces of the powder catchers 5 and 6. As the gas stream moves in various directions, these gas streams are mixed and stirred to form a mixed reactant gas with a uniform concentration of silicon-containing compounds. The gas flow then reacts while rising inside the reaction chamber 3 heated by the silicon core wire 17 to form polycrystalline silicon 19 on the silicon core wire 17. Next, the reactant gas blown upward from the reaction chamber 3 is lowered along the wall surfaces of the powder catchers 5 and 6 and then returned to the reaction chamber 3. Advantageously, the reactant gas is entrained by the reactant gas until the silicon powder reaches the cooling surface of the powder catcher by circulating the reactant gas at a high flow rate. In order to operate at a high flow rate, the reactant gas may consist of a mixture containing one or more non-halogenated silane compounds and a diluent such as hydrogen gas or an inert gas such as helium or argon. Conversely, if the concentration of silicon-containing compounds in the reactant gas is reduced, the gas flow rate should be increased to deposit silicon at the desired rate on the silicon rod. . The diluent gas is preferably mixed with the silane-containing gas using a mass flow controller to maintain the desired ratio before injecting the reactant gas into the reactor. However, it is possible to use another set of injection nozzles (not shown) for injecting diluent gas.

種々の高さでの多結晶シリコン棒の直径の不均一な生長を防止するために、反応剤ガス供給パイプ11aとガスノズル13aとを経て補充の反応剤ガス流を供給し得る。添加されたガスにより反応室３内を上方に移動する反応剤ガスからのシランの減損(depletion)が補償される。 In order to prevent non-uniform growth of the diameter of the polycrystalline silicon rods at various heights, a supplementary reactant gas stream can be supplied via the reactant gas supply pipe 11a and the gas nozzle 13a. The added gas compensates for silane depletion from the reactant gas moving upward in the reaction chamber 3.

パウダーキャッチャー５及び６はシリコン粉末の捕集と熱交換の実施という２つの作用を行う。従って、反応室３内の温度を別個に調節して、多結晶シリコン棒についての最適の生長条件を得ることができる。 The powder catchers 5 and 6 perform two actions of collecting silicon powder and performing heat exchange. Therefore, the temperature in the reaction chamber 3 can be adjusted separately to obtain the optimum growth conditions for the polycrystalline silicon rod.

パウダーキャッチャー５及び６の周囲の帯域を反応器内の他の帯域の温度より低い温度に冷却した場合には、パウダーキャッチャー５及び６に沿って移動する下降ガス流の速度が増大し、その結果、反応室３内の上昇流の速度が増大する。その結果、大容量のシリコン含有ガスを反応室３内に循環させ得る。更に、浮遊シリコン粉末がパウダーキャッチャー５及び６の壁面のごとき冷却表面で捕集されるため、反応室３の壁面及び反応器の天井部分の壁面上へのシリコン粉末の堆積を大幅に防止し得る。 When the zone around the powder catchers 5 and 6 is cooled to a temperature lower than the temperature of the other zones in the reactor, the speed of the descending gas stream moving along the powder catchers 5 and 6 increases, and as a result The speed of the upward flow in the reaction chamber 3 increases. As a result, a large volume of silicon-containing gas can be circulated in the reaction chamber 3. Furthermore, since the floating silicon powder is collected on the cooling surface such as the wall surfaces of the powder catchers 5 and 6, the deposition of the silicon powder on the wall surfaces of the reaction chamber 3 and the ceiling portion of the reactor can be largely prevented. .

パウダーキャッチャーの水平方向の構造が多層構造であるため、冷却効果とシリコン粉末の捕集とを増大させ、しかも下降ガス流に対する抵抗を抑制し得る。しかしながら、多数のパウダーキャッチャーを設置ししかもその同心性を高度に保持することは困難である。パウダーキャッチャーの間の間隙が均一でない場合には、反応剤ガスが反応器の種々の部分に均一に流動することができない。不均一な間隙について補償するために、抵抗板又はバッフル14を水冷ジャケット４の底部及びパウダーキャッチャー５及び６の頂部又は底部に設置してガス流を制御し得る。抵抗板14の幅、長さ及び設置角度は最適な結果が得られるように選択される。抵抗板14は強度条件を満足させるために水冷ジャケット４又はパウダーキャッチャー５及び６に取付けられる支持部材又はこれと同様の構造体によって発生するガス流の乱れを制御するのにも使用し得る。 Since the horizontal structure of the powder catcher is a multilayer structure, the cooling effect and the collection of silicon powder can be increased, and the resistance to the descending gas flow can be suppressed. However, it is difficult to install a large number of powder catchers and maintain high concentricity. If the gap between the powder catchers is not uniform, the reactant gas cannot flow uniformly to the various parts of the reactor. In order to compensate for non-uniform gaps, a resistor plate or baffle 14 can be placed at the bottom of the water cooling jacket 4 and the top or bottom of the powder catchers 5 and 6 to control gas flow. The width, length and installation angle of the resistor plate 14 are selected to obtain optimum results. The resistor plate 14 can also be used to control gas flow turbulence generated by a support member or similar structure attached to the water cooling jacket 4 or powder catchers 5 and 6 to satisfy strength requirements.

T2≦T1≦T3の関係を保持することが特に重要である；ここで、T1は反応室３の壁温であり、T2はパウダーキャッチャー５及び６の壁温であり、T3はベルジャータイプの蓋１の上方部分の壁温である。反応器天井部分の壁面温度T3を高くすることにより、天井部分へのシリコン粉末の付着が更に減少する。 It is particularly important to maintain the relationship T2 ≦ T1 ≦ T3; where T1 is the wall temperature of the reaction chamber 3, T2 is the wall temperature of the powder catchers 5 and 6, and T3 is a bell jar type lid. 1 is the wall temperature of the upper part of 1. By increasing the wall surface temperature T3 of the reactor ceiling, the adhesion of silicon powder to the ceiling is further reduced.

反応室３の壁温T1は25℃又はそれ以上であることが望ましい。更に、反応室３に対向する下方蓋部分1bの温度も25℃又はそれ以上に設定される。30℃〜40℃の温度の冷却水は冷却塔のごとき装置を利用して容易に得ることができる。パウダーキャッチャー５及び６の壁温T2は25℃又はそれ以下であることが望ましい。この点に関して、10℃〜15℃の温度の冷却水は井戸から汲上げた水を直接利用することにより容易に得ることができる。約５℃の温度の冷却水はチラーのごとき装置を利用して容易に得ることができる。 The wall temperature T1 of the reaction chamber 3 is preferably 25 ° C. or higher. Furthermore, the temperature of the lower lid portion 1b facing the reaction chamber 3 is also set to 25 ° C. or higher. Cooling water having a temperature of 30 ° C. to 40 ° C. can be easily obtained using an apparatus such as a cooling tower. The wall temperature T2 of the powder catchers 5 and 6 is desirably 25 ° C. or lower. In this regard, cooling water having a temperature of 10 ° C. to 15 ° C. can be easily obtained by directly using the water pumped from the well. Cooling water having a temperature of about 5 ° C. can be easily obtained using an apparatus such as a chiller.

循環しているシリコン粉末は温度の最も低い表面に最も多く付着し、堆積することが実験的に確認されている。温度が低ければ低い程、付着量が増大する。粉末除去効率の点からは、パウダーキャッチャー５及び６については冷却水温度が約５℃であることが望ましい。反応器天井部分の壁温、即ち、上方蓋部分1aの温度T3は70℃又はそれ以上であることが望ましい。水を使用した場合には、条件に応じて、約85℃の平均水温で沸騰現象が生起し、従って、85℃又はそれ以上の温度が使用される場合には水以外の加熱媒体を使用することがより望ましい。温度T1とT3の差が約30℃又はそれ以上になる場合には、反応器天井部分へのシリコン粉末の付着を防止する効果が顕著に増大する。要約すれば、最適な結果は温度をT1≧25℃、T2≦25℃、T3≧70℃に保持することにより得られる。 It has been experimentally confirmed that the circulating silicon powder adheres most and deposits on the surface having the lowest temperature. The lower the temperature, the greater the amount deposited. From the viewpoint of powder removal efficiency, it is desirable for the powder catchers 5 and 6 that the cooling water temperature is about 5 ° C. The wall temperature of the reactor ceiling portion, that is, the temperature T3 of the upper lid portion 1a is desirably 70 ° C. or higher. When water is used, depending on conditions, boiling occurs at an average water temperature of about 85 ° C. Therefore, when a temperature of 85 ° C or higher is used, a heating medium other than water is used. It is more desirable. When the difference between the temperatures T1 and T3 is about 30 ° C. or higher, the effect of preventing the silicon powder from adhering to the ceiling portion of the reactor is remarkably increased. In summary, optimal results are obtained by maintaining the temperature at T1 ≧ 25 ° C., T2 ≦ 25 ° C., T3 ≧ 70 ° C.

反応室３の上方の反応器の頂部に熱遮蔽板15を設置しかつシリコン粉末を付着させるべきでない反応室３の上方の帯域の壁を高温に保持した場合には、この帯域にはシリコン粉末は少量しか付着しない。熱遮蔽板15は反応室内に存在するガスが反応容器の天井の方向に直接流動することを防止する。熱遮蔽板15は高い反射率を有する研磨した金属板、例えば、耐熱性と耐食性に優れているステンレススチール板からなり得る。石英ガラス板のごとき耐熱性に優れたセラミック板も熱遮蔽板15として使用し得る。熱遮蔽板15は環状であるか一連の別個のプレートであり得る。 When a heat shielding plate 15 is installed at the top of the reactor above the reaction chamber 3 and the wall of the zone above the reaction chamber 3 where the silicon powder should not be adhered is kept at a high temperature, this zone contains silicon powder. Only adheres in small amounts. The heat shielding plate 15 prevents the gas existing in the reaction chamber from flowing directly toward the ceiling of the reaction vessel. The heat shielding plate 15 may be made of a polished metal plate having high reflectivity, for example, a stainless steel plate having excellent heat resistance and corrosion resistance. A ceramic plate excellent in heat resistance such as a quartz glass plate can also be used as the heat shielding plate 15. The heat shield 15 can be annular or a series of separate plates.

上記した態様においては、反応室３は水冷ジャケット４の外周表面に亘って開口している垂直な開口であって、生長した多結晶シリコン棒を引出すための開口を有する円筒形空間として形成されているが、この構造に限定されるべきではない。反応室を上記したごとき開口を有していない完全に円筒形の空間として形成し、生長した多結晶シリコン棒を反応室から上方に引張ることにより引出すことも可能である。更に、反応室を水冷ジャケット４の外周及び内周表面に設けることも可能である。或いは、反応室を設けた水冷ジャケットを反応器の中央帯域に設け、パウダーキャッチャーを水冷ジャケットの周辺に配設することも可能である。 In the above-described embodiment, the reaction chamber 3 is a vertical opening that opens over the outer peripheral surface of the water-cooling jacket 4, and is formed as a cylindrical space having an opening for drawing out the grown polycrystalline silicon rod. However, it should not be limited to this structure. It is also possible to form the reaction chamber as a completely cylindrical space having no opening as described above, and pull the grown polycrystalline silicon rod upward from the reaction chamber. Furthermore, reaction chambers can be provided on the outer and inner peripheral surfaces of the water cooling jacket 4. Alternatively, a water cooling jacket provided with a reaction chamber may be provided in the central zone of the reactor, and a powder catcher may be disposed around the water cooling jacket.

ファン20を使用する場合には、その回転駆動シャフトは基板２を貫通して伸長させ、駆動モーター（図示せず）に連結させる。空気と接触した際に自然に発火する傾向があるシランガスの散逸を防止するために、シャフトシール又は絶縁物が設けられる。かかる密閉は磁気シールのごとき既知の装置を使用して容易に行い得る。回転速度は粉末が生長中のシリコン棒上に落下する(slough off)位置において粉末の堆積を最小にするガス流が提供されるように選択される。最適速度は反応器の大きさと形状及び循環ガスの組成に応じて変動する。即ち、所与の反応器については最適速度は実験的に決定される。 When the fan 20 is used, its rotary drive shaft extends through the substrate 2 and is connected to a drive motor (not shown). A shaft seal or insulator is provided to prevent the dissipation of silane gas that tends to ignite spontaneously when in contact with air. Such sealing can be easily performed using a known device such as a magnetic seal. The rotational speed is selected to provide a gas flow that minimizes powder deposition at the point where the powder sloughs off the growing silicon rod. The optimum rate will vary depending on the size and shape of the reactor and the composition of the circulating gas. That is, for a given reactor, the optimum speed is determined experimentally.

図４に示す態様においては、ベルジャー型蓋又はベル101と円形基板102によって反応室が形成されている。熱交換器又は水冷ジャケットでありかつ多数の反応室103を画定するための形状を有する円筒状隔壁部材103が、蓋101と基板102によって画定されている円筒形空間に設けられている。パウダーキャッチャー105は反応室103の上方の高い位置に設けられている。例示されているパウダーキャッチャーは同心的に配列された熱交換チューブ130の円筒形配列体である。この配列体は中央垂直通路132を有するデイスクの形状のものである。パウダーキャッチャーによって提供される冷却表面の面積を増大させるために、多数の薄いフィン（図示せず）をチューブ130に取付けることが可能である。例示されているパウダーキャッチャー105は、反応室103の直ぐ上に存在しないように設置されている。この配置により凝集した粉末がパウダーキャッチャーから反応室の一つに落下する僅かな可能性も減少する。また、この配置により反応室の上方に遮断されていない帯域(unobstructed region)133が提供され、その結果、加熱されたガスが速い速度で上昇し、生長中のシリコン棒から離れるという利点が得られる。 In the embodiment shown in FIG. 4, a reaction chamber is formed by a bell jar type lid or bell 101 and a circular substrate 102. A cylindrical partition member 103 which is a heat exchanger or a water cooling jacket and has a shape for defining a plurality of reaction chambers 103 is provided in a cylindrical space defined by the lid 101 and the substrate 102. The powder catcher 105 is provided at a high position above the reaction chamber 103. The illustrated powder catcher is a cylindrical array of heat exchange tubes 130 arranged concentrically. This array is in the form of a disk having a central vertical passage 132. A number of thin fins (not shown) can be attached to the tube 130 to increase the area of the cooling surface provided by the powder catcher. The illustrated powder catcher 105 is installed so as not to exist immediately above the reaction chamber 103. This arrangement also reduces the slight possibility that agglomerated powder will fall from the powder catcher into one of the reaction chambers. This arrangement also provides an unobstructed region 133 above the reaction chamber, resulting in the advantage that the heated gas rises at a fast rate and leaves the growing silicon rod. .

水冷ジャケット104及びパウダーキャッチャー105は、反応室103の頂部から流出するガスがチューブ130の配列体を経て、通路132に流入するような間隔で設置される。通路132は、水冷ジャケット104によって画定される中央通路134と共にガス下降通路としての働きをする。反応室103は水冷ジャケット104の外周付近に等間隔に配置された円筒形空間からなる。完全に生長した多結晶シリコン棒を引出すことを可能にするために、水冷ジャケット104の外周から反応室103まで伸長している開口が設けられている。 The water cooling jacket 104 and the powder catcher 105 are installed at such an interval that the gas flowing out from the top of the reaction chamber 103 flows into the passage 132 through the array of tubes 130. The passage 132 serves as a gas descending passage with the central passage 134 defined by the water cooling jacket 104. The reaction chamber 103 is formed of a cylindrical space arranged at equal intervals near the outer periphery of the water cooling jacket 104. An opening extending from the outer periphery of the water-cooled jacket 104 to the reaction chamber 103 is provided in order to be able to draw a fully grown polycrystalline silicon rod.

蓋101とパウダーキャッチャー105のチューブ130は少なくとも一部分は中空であり、水冷熱交換器としての働きをする。蓋101は上方蓋部分101a と下方蓋部分101bとを結合させることにより形成される。上方蓋部分101aの下方表面は反応容器の天井としての働きをする。上方蓋部分101aには冷却水入口101cと冷却水出口101dが設けられている。下方蓋部分101bには冷却水入口101eと冷却水出口101fが設けられている。冷却水は入口101cから出口101dに移動する際に、蓋の内壁と外壁の間の空間を流動する。水冷ジャケット104の底部に冷却水供給パイプ107a及び107cが連結されており、これらのパイプは基板102を経て下方から伸長している。上方蓋部分101aを貫通して水供給パイプ107bが伸長しており、このパイプはチューブ130に分配するためのマニフォールド136に冷却水を供給する。チューブ130からの加熱された水は、同様に上方蓋部分101aを貫通して伸長している排出パイプ107dを経て除去される。水冷ジャケット104及びチューブ130を流動させる水は他の流動性の冷却又は加熱媒体で置換し得る。 At least a portion of the lid 101 and the tube 130 of the powder catcher 105 is hollow and serves as a water-cooled heat exchanger. The lid 101 is formed by joining the upper lid portion 101a and the lower lid portion 101b. The lower surface of the upper lid portion 101a serves as the ceiling of the reaction vessel. The upper lid portion 101a is provided with a cooling water inlet 101c and a cooling water outlet 101d. The lower lid portion 101b is provided with a cooling water inlet 101e and a cooling water outlet 101f. When the cooling water moves from the inlet 101c to the outlet 101d, it flows in the space between the inner wall and the outer wall of the lid. Cooling water supply pipes 107 a and 107 c are connected to the bottom of the water cooling jacket 104, and these pipes extend from below through the substrate 102. A water supply pipe 107b extends through the upper lid portion 101a, and this pipe supplies cooling water to a manifold 136 for distribution to the tube. The heated water from the tube 130 is removed via a discharge pipe 107d that extends through the upper lid portion 101a. The water that flows through the water cooling jacket 104 and the tube 130 can be replaced by other fluid cooling or heating media.

電極109が基板102の下方から絶縁部材108を経て伸長しており、反応室103の中央に対応する位置に配設されている。電極109の先端にチャック110が取付けられている。 An electrode 109 extends from below the substrate 102 through the insulating member 108 and is disposed at a position corresponding to the center of the reaction chamber 103. A chuck 110 is attached to the tip of the electrode 109.

図１〜３の態様について述べたごとく、抵抗板（図示せず）を反応器内に適当な間隔で設置し得る。抵抗板はガス流を調節するためにガス下降通路を横切って伸長している。水冷ジャケット104の上方の空間に熱遮蔽/屈折板115が設けられている。熱遮蔽板115は反応室103から上昇するガスがパウダーキャッチャー105に流入するように設置される。 As described in the embodiment of FIGS. 1-3, resistance plates (not shown) can be placed in the reactor at appropriate intervals. The resistance plate extends across the gas descending passage to regulate the gas flow. A heat shield / refractive plate 115 is provided in a space above the water cooling jacket 104. The heat shielding plate 115 is installed so that the gas rising from the reaction chamber 103 flows into the powder catcher 105.

排出パイプ116が基板102を貫通して伸長しており、使用ずみのガスを除去するのに使用し得る。反応剤ガス供給パイプ111aにより、水冷ジャケット104の表面の開口113aを経て反応室の各々に反応剤ガスを均一に噴射し得る。ガスの分配を均一にするために、開口は多数の場所及び種々の高さに設けられる。高い位置で添加されたガスにより、反応室103内を上昇する反応剤ガスからのシリコンの源損が補償される。 A discharge pipe 116 extends through the substrate 102 and can be used to remove spent gas. By the reactant gas supply pipe 111a, the reactant gas can be uniformly injected into each of the reaction chambers through the openings 113a on the surface of the water cooling jacket 104. In order to make the gas distribution uniform, the openings are provided at a number of locations and at various heights. The gas added at a high position compensates for the source loss of silicon from the reactant gas rising in the reaction chamber 103.

図４に示す装置においては、多結晶シリコン棒の製造は反応室103内にシリコン芯線117を設置しかつこれをチャック110で保持することにより行われる。一対のシリコン芯線117をその上方端部でシリコンブリッジ118により連結する。冷却水を、蓋101、水冷ジャケット104及びパウダーキャッチャー105を経て循環させる。シリコン芯線117を電極109から直接、電気を供給することにより加熱する。ついで、シリコン含有反応剤ガスを、反応剤ガス供給パイプ111a及びガスノズル113aを経て反応器に供給する。ついで、シリコン芯線117によって加熱されている反応室103内を上昇させながら、反応剤ガスを反応させ、シリコン芯線117上に多結晶シリコン119を堆積させる。ついで、層状対流(laminar convection flow)の状態で反応室内を上方に移動した反応剤ガスを熱交換チューブ配列体を経てかつパウダーキャッチャーチューブ130の壁面に沿って通過させ、通路132及び134を下降させついで反応室103に還送する。ファン機構（図示せず）を通路134内又はその下方に設置し得る。 In the apparatus shown in FIG. 4, the polycrystalline silicon rod is manufactured by installing a silicon core wire 117 in the reaction chamber 103 and holding it with the chuck 110. A pair of silicon core wires 117 are connected by a silicon bridge 118 at their upper ends. Cooling water is circulated through the lid 101, the water cooling jacket 104 and the powder catcher 105. The silicon core wire 117 is heated by supplying electricity directly from the electrode 109. Next, the silicon-containing reactant gas is supplied to the reactor through the reactant gas supply pipe 111a and the gas nozzle 113a. Next, while raising the inside of the reaction chamber 103 heated by the silicon core wire 117, the reactant gas is reacted to deposit polycrystalline silicon 119 on the silicon core wire 117. Next, the reactant gas that has moved upward in the reaction chamber in the state of laminar convection flow is passed through the heat exchange tube array and along the wall of the powder catcher tube 130, and the passages 132 and 134 are lowered. Subsequently, it is returned to the reaction chamber 103. A fan mechanism (not shown) may be installed in or below the passage 134.

パウダーキャッチャー105はシリコン粉末を捕集する機能と熱交換を行う機能の二つの機能を有する。従って、反応室103内の温度を別個に調節して、多結晶シリコン棒についての最適の生長条件を得ることができる。浮遊シリコン粉末はパウダーキャッチャーチューブ130の壁面のごとき冷却表面で捕集されるため、反応室103の壁面及び反応器の天井部分の壁面上へのシリコン粉末の堆積を大幅に防止し得る。 The powder catcher 105 has two functions: a function of collecting silicon powder and a function of performing heat exchange. Therefore, the temperature in the reaction chamber 103 can be adjusted separately to obtain optimum growth conditions for the polycrystalline silicon rod. Since the floating silicon powder is collected on the cooling surface such as the wall surface of the powder catcher tube 130, the deposition of silicon powder on the wall surface of the reaction chamber 103 and the wall surface of the ceiling portion of the reactor can be largely prevented.

図５に示すごとき別の態様は図４に示す態様と近似しており、同一の部材は同様の番号が付されているが、図５においては図４の番号より100増加している。図５の装置においては、反応剤ガスは反応室203からパウダーキャッチャー205のチューブ配列体へ上昇し、ここでガスは冷却され、粉末が析出する。冷却されたガスは中央通路を経て反応器の底部に還送されずに、パウダーキャッチャーから下方に移動し、水冷ジャケット204の冷却壁240に沿って下降する。ガスを反応室203の上方の帯域に外側に向けて逆行させるために、頂部板242が水冷ジャケット204の頂部に設けられている。必要に応じ、使用ずみのガスを除去するために、排出パイプ216が基板202及び頂部板242を貫通して伸長している。 Another embodiment as shown in FIG. 5 is similar to the embodiment shown in FIG. 4 and the same members are given the same numbers, but in FIG. 5, the number is increased by 100 from the numbers in FIG. In the apparatus of FIG. 5, the reactant gas rises from the reaction chamber 203 to the tube array of the powder catcher 205, where the gas is cooled and the powder is deposited. The cooled gas does not return to the bottom of the reactor via the central passage, moves downward from the powder catcher, and descends along the cooling wall 240 of the water cooling jacket 204. A top plate 242 is provided at the top of the water-cooling jacket 204 in order to reverse the gas outwardly to the zone above the reaction chamber 203. A discharge pipe 216 extends through the substrate 202 and the top plate 242 to remove spent gas as needed.

更に別の態様が図６に示されている。この態様は図５に示す態様と近似しており、同一の部材は同様の番号が付されているが、図６においては図５の番号より100増加している。図６の装置においては、反応剤ガスは反応室303から上昇して、二つの同心チューブ配列体を有するパウダーキャッチャー305に移動する。内部配列体350は図４及び５のチューブ配列体に類似している。外部チューブ配列体352は内部配列体350を同心的に包囲している。外部チューブ配列体352により粉末を析出させるための追加の表面が提供される。内部及び外部配列体が相互に流体で連絡されており、単一の供給源からの冷却水を二つの配列体に供給し得ることが最も便利である。例示されている態様においては、冷却水供給パイプ307bと冷却水排出パイプ307dの両者が同一の開口から反応器に挿入されている。二つのパイプは、それぞれ、マニフォールド356b及び356dにより二つの配列体に連結されており、この配列体においてガスが冷却され、析出する。 Yet another embodiment is shown in FIG. This embodiment is similar to the embodiment shown in FIG. 5, and the same members are given the same numbers, but in FIG. 6, they are increased by 100 from the numbers in FIG. In the apparatus of FIG. 6, the reactant gas rises from the reaction chamber 303 and moves to a powder catcher 305 having two concentric tube arrays. The internal array 350 is similar to the tube array of FIGS. The outer tube array 352 concentrically surrounds the inner array 350. The outer tube array 352 provides an additional surface for depositing the powder. Most conveniently, the internal and external arrays are in fluid communication with each other and cooling water from a single source can be supplied to the two arrays. In the illustrated embodiment, both the cooling water supply pipe 307b and the cooling water discharge pipe 307d are inserted into the reactor through the same opening. The two pipes are connected to the two arrays by manifolds 356b and 356d, respectively, in which the gas is cooled and deposited.

上記で例示したごとき本発明はその原理の範囲内で変更し得る。例えば上記したごとき反応器内で使用されているパウダーキャッチャーは、冷却チューブ、冷却板及び/又は冷却壁面の幾つかの組合せを包含する種々の構造に構築し得る。 As exemplified above, the present invention may be modified within the scope of its principle. For example, the powder catchers used in the reactor as described above can be constructed in a variety of structures including several combinations of cooling tubes, cooling plates and / or cooling walls.

半導体用高純度多結晶シリコン棒を製造するための、本発明の第１の反応器を示す垂直断面図である。1 is a vertical sectional view showing a first reactor of the present invention for producing a high-purity polycrystalline silicon rod for semiconductors. FIG. 冷却ジャケット及び該冷却ジャケットにより画定される反応室の頂部を示す部分斜視図である。FIG. 2 is a partial perspective view showing a cooling jacket and a top of a reaction chamber defined by the cooling jacket. 図１の線３−３に沿って切断した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view cut | disconnected along line 3-3 of FIG. 本発明の第２の反応器を示す垂直断面図である。It is a vertical sectional view showing the second reactor of the present invention. 本発明の第３の反応器を示す垂直断面図である。It is a vertical sectional view showing the third reactor of the present invention. 本発明の第４の反応器を示す垂直断面図である。It is a vertical sectional view showing the fourth reactor of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

図１−３:１--蓋；１a--上方蓋部分;１b--下方蓋部分;２--基板；３--反応室；４--水冷ジャケット；５及び６--パウダーキャッチャー；９--電極；10--チャック；12--環状ヘッダー；14--抵抗板；15--熱遮蔽板；17--シリコン芯線；19--シリコン棒
図４:101--蓋；101a--上方蓋部分;101b--下方蓋部分;102--基板；103--反応室；104--水冷ジャケット；105--パウダーキャッチャー；109--電極；110--チャック；12--環状ヘッダー；111a--反応剤ガス供給パイプ；115--熱遮蔽板；117--シリコン芯線；119--シリコン棒；130--熱交換チューブ
図５:201a--上方部蓋部分;201b--下方蓋部分;202--基板；203--反応室；204--水冷ジャケット；205--パウダーキャッチャー；209--電極；210--チャック；211a--反応剤ガス供給パイプ；215--熱遮蔽板；217--シリコン芯線；219--シリコン棒；230--熱交換チューブ
図６:301a--上方蓋部分;301b--下方蓋部分;302--基板；303--反応室；305--パウダーキャッチャー；309--電極；310--チャック；311a--反応剤ガス供給パイプ；317--シリコン芯線；319--シリコン棒；350--内部チューブ配列体；352--外部チューブ配列体 Fig. 1-3: 1--Lid; 1a--Upper lid part; 1b--Lower lid part; 2--Substrate; 3--Reaction chamber; 4--Water-cooled jacket; 5 and 6--Powder catcher; --Electrode; 10--Chuck; 12--Ring header; 14--Resistance plate; 15--Heat shield; 17--Silicon core wire; 19--Silicon rod Figure 4: 101--Lid; Upper lid part; 101b--lower lid part; 102--substrate; 103--reaction chamber; 104--water cooling jacket; 105--powder catcher; 109--electrode; 110--chuck; 111a--reactant gas supply pipe; 115--heat shield; 117--silicon core wire; 119--silicon rod; 130--heat exchange tube Figure 5: 201a--upper lid part; 201b--lower lid Part; 202--Substrate; 203--Reaction chamber; 204--Water cooling jacket; 205--Powder catcher; 209--Electrode; 210--Chuck; 211a--Reactant gas supply pipe; 217--silicon core wire; 219--silicon rod; 230--heat exchange tube Figure 6: 301a- -Upper lid part; 301b-Lower lid part; 302-- Substrate; 303-- Reaction chamber; 305-- Powder catcher; 309-- Electrode; 310-- Chuck; 311a-- Reactant gas supply pipe; -Silicon core; 319-Silicon rod; 350-Inner tube array; 352-Outer tube array

Claims

床、壁及び天井を包含する内部表面を有する反応器であって、該反応器は(a)多数の反応室を有し、(b)上記反応室から隔離されたかつ冷却壁を有するパウダーキャッチャーと、(c)パウダーキャッチャーと反応室との間に設けられた再循環ファンとを有する反応器を準備し；多結晶シリコン棒を生長させるべき反応室の各々に芯線を設置し；芯線を加熱し；シリコン担持反応剤ガスを反応室に送入して、反応剤ガス中のシランガス−このシランガスはモノシラン、ジシラン及びその混合物からなる群から選ばれる−の熱分解により芯線上に多結晶シリコンを析出させかつシリコン粉末を生成させ；反応剤ガスを、連行されるシリコン粉末と共に反応室からパウダーキャッチャーに通送してパウダーキャッチャーの冷却壁と接触させ；そして再循環ファンを作動させることによりパウダーキャッチャーの付近からの反応剤ガスを反応室に還送することを特徴とする、シリコン担持ガスからの多結晶シリコン棒の製造方法。 A powder catcher having an internal surface including a floor, walls and ceiling, wherein the reactor has (a) a number of reaction chambers, and (b) is isolated from the reaction chamber and has a cooling wall And (c) a reactor having a recirculation fan provided between the powder catcher and the reaction chamber; a core wire is installed in each of the reaction chambers where the polycrystalline silicon rod should be grown; and the core wire is heated A silicon-supported reactant gas is introduced into the reaction chamber, and polycrystalline silicon is deposited on the core by thermal decomposition of a silane gas in the reactant gas, which is selected from the group consisting of monosilane, disilane, and mixtures thereof. Depositing and producing silicon powder; reactant gas is passed along with the entrained silicon powder from the reaction chamber to the powder catcher to contact the cooling wall of the powder catcher; and recirculation Characterized by Drying the reactant gas from the vicinity of the powder catcher to the reaction chamber by operating a § emissions, method of manufacturing a polycrystalline silicon rod from a silicon-bearing gas.

熱交換チューブ配列体の形のパウダーキャッチャーを設ける、請求項１に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein a powder catcher in the form of a heat exchange tube array is provided.

床、壁及び天井を具備する内部表面を有する反応器を具備し、該反応器は(a)多数の反応室及び(b)該反応器室を通して供給されるガスの流通速度を制御するために配置された再循環フアンを具備し、多結晶シリコン棒を生長させる芯線を各反応室内に配置し、該芯線を過熱し、多結晶シリコンを該芯線上に析着し、かつシリコン粉末を反応剤ガス中のシランガスの熱分解によって生成するように反応室を通してシリコン担持反応剤ガスを通し、該シランガスはモノシラン、ジシラン及びそれらの混合ガスからなる群から選んだものであり、反応室群を通過するシリコン担持反応剤ガスの流率を増加するために、該ガスの通過時に再循環フアンを作動させることを特徴とする、シリコン担持ガスからの多結晶シリコン棒の製造方法。 A reactor having an interior surface comprising a floor, walls and ceiling, the reactor comprising (a) a number of reaction chambers and (b) controlling the flow rate of gas fed through the reactor chambers. A recirculating fan is disposed, a core wire for growing a polycrystalline silicon rod is disposed in each reaction chamber, the core wire is superheated, polycrystalline silicon is deposited on the core wire, and silicon powder is added as a reactant. A silicon-supported reactant gas is passed through the reaction chamber so as to be generated by thermal decomposition of the silane gas in the gas, and the silane gas is selected from the group consisting of monosilane, disilane, and mixed gas thereof, and passes through the reaction chamber group. A method for producing a polycrystalline silicon rod from a silicon-supported gas, wherein the recirculation fan is activated when the gas passes to increase the flow rate of the silicon-supported reactant gas.