JP5539292B2

JP5539292B2 - Method for producing polycrystalline silicon

Info

Publication number: JP5539292B2
Application number: JP2011246071A
Authority: JP
Inventors: 靖志黒澤; 茂義祢津
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: JP2013100211A

Description

本発明は、多結晶シリコンの製造技術に関し、より詳細には、シーメンス法により多結晶シリコンを製造する際のシリコン芯線の効率的な加熱を実現し、シリコン芯線へのダメージを軽減するとともに、カーボンヒータの寿命を延ばし得る技術に関する。 The present invention relates to a technique for producing polycrystalline silicon, and more specifically, realizes efficient heating of the silicon core wire when producing polycrystalline silicon by the Siemens method, reduces damage to the silicon core wire, and reduces carbon. The present invention relates to a technology that can extend the life of a heater.

多結晶シリコンは、半導体デバイス製造用単結晶シリコン基板や太陽電池製造用シリコン基板の原料である。一般に、多結晶シリコンの製造は、クロロシランを含む原料ガスを加熱されたシリコン芯線に接触させて当該シリコン芯線の表面に多結晶シリコンを気相成長（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）させるシーメンス法により行われる（例えば、特公昭３７−１８８６１号公報（特許文献１）参照）。 Polycrystalline silicon is a raw material for a single crystal silicon substrate for manufacturing semiconductor devices and a silicon substrate for manufacturing solar cells. In general, polycrystalline silicon is produced by a Siemens method in which a source gas containing chlorosilane is brought into contact with a heated silicon core wire, and polycrystalline silicon is vapor-deposited (CVD: Chemical Vapor Deposition) on the surface of the silicon core wire. (For example, see Japanese Patent Publication No. 37-18861 (Patent Document 1)).

シーメンス法により多結晶シリコンを気相成長する場合、鉛直方向に２本、水平方向に１本のシリコン芯線を、反応炉内に鳥居型に組立て、この鳥居型に組んだシリコン芯線の両端のそれぞれを、カーボン製の芯線ホルダを介してベースプレート上に設けた金属電極に固定する。そして、これらの金属電極から上記鳥居型シリコン芯線に通電することで加熱がなされる。なお、通常は、複数個の鳥居型シリコン芯線がベースプレート上に配置される。なお、芯線ホルダは、電極に直接固定してもかまわないが、電極の損傷を防止する目的から、電極と芯線ホルダの間にカーボン製のアダプタを設けることもある。 When polycrystalline silicon is vapor-phase-grown by the Siemens method, two silicon core wires in the vertical direction and one silicon core wire in the horizontal direction are assembled in a torii type in the reactor, and both ends of the silicon core wire assembled in this torii type are respectively Is fixed to a metal electrode provided on the base plate via a carbon core wire holder. And it heats by supplying with electricity to the said torii type | mold silicon core wire from these metal electrodes. Normally, a plurality of torii type silicon core wires are arranged on the base plate. The core wire holder may be directly fixed to the electrode, but a carbon adapter may be provided between the electrode and the core wire holder for the purpose of preventing damage to the electrode.

反応炉（反応器）内では、上述したベースプレートとドーム型の容器（ベルジャ）で形成される密閉空間が多結晶シリコンを気相成長させるための反応空間となる。金属電極は絶縁物を挟んでベースプレートを貫通し、配線を通して別の金属電極に接続されるか、反応炉外に配置された電源に接続される。反応空間内で多結晶シリコンを気相成長させる際に鳥居型シリコン芯線以外の部分にも多結晶シリコンが析出することを防止し、また装置材料の高温による損傷を防止するために、金属電極とベースプレートおよびベルジャは、水、オイルなどの冷媒を用いて冷却される。芯線ホルダは、金属電極を介して冷却される。 In the reaction furnace (reactor), the sealed space formed by the above-described base plate and dome-shaped container (bell jar) becomes a reaction space for vapor-phase growth of polycrystalline silicon. The metal electrode passes through the base plate with an insulator interposed therebetween, and is connected to another metal electrode through wiring or connected to a power source arranged outside the reactor. In order to prevent polycrystalline silicon from depositing in parts other than the torii type silicon core wire during the vapor phase growth of polycrystalline silicon in the reaction space, and to prevent damage due to high temperature of the device material, The base plate and the bell jar are cooled using a coolant such as water or oil. The core wire holder is cooled via the metal electrode.

反応炉内を水素雰囲気とし、上記金属電極から電流を導通させてシリコン芯線を９００℃以上１２００℃以下の温度範囲に加熱しながら原料ガスをガスノズルから反応炉内に供給すると、シリコン芯線上にシリコンが気相成長し、所望の直径の多結晶シリコンが逆Ｕ字状に形成される。上記原料ガスとしては、例えばトリクロロシランと水素の混合ガスが用いられる。なお、多結晶シリコンの析出工程時の反応炉内の反応圧力は、一般に、０．４ＭＰａ〜０．９ＭＰａが選定される（例えば、特開２０１１−３７６９９号公報（特許文献２）を参照）。多結晶シリコンの析出工程終了後、反応炉内を冷却した後に大気開放し、反応炉から多結晶シリコンを取り出す。 When a raw material gas is supplied from a gas nozzle into the reactor while heating the silicon core wire to a temperature range of 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower by supplying a current from the metal electrode to the hydrogen atmosphere in the reaction furnace, silicon is formed on the silicon core wire. Is vapor-phase grown, and polycrystalline silicon having a desired diameter is formed in an inverted U shape. As the source gas, for example, a mixed gas of trichlorosilane and hydrogen is used. In general, the reaction pressure in the reaction furnace during the polycrystalline silicon deposition step is selected to be 0.4 MPa to 0.9 MPa (see, for example, JP 2011-37699 A (Patent Document 2)). After the polycrystalline silicon deposition step, the inside of the reaction furnace is cooled and then opened to the atmosphere, and the polycrystalline silicon is taken out from the reaction furnace.

ところで、シリコン芯線は多結晶または単結晶のシリコン等で作製されるが、高純度多結晶シリコン製造のために用いられるシリコン芯線は不純物濃度の低い高純度なものである必要があり、具体的には、比抵抗が５００Ωｃｍ以上の高抵抗のものであることが求められる。このような高抵抗のシリコン芯線の通電は、一般に常温では開始できないため、予めシリコン芯線を２００〜４００℃に初期加熱して比抵抗を下げて（導電性を高めて）から通電する必要がある。 By the way, the silicon core wire is made of polycrystalline or single crystal silicon or the like, but the silicon core wire used for producing high-purity polycrystalline silicon needs to be high-purity with low impurity concentration. Is required to have a high resistance with a specific resistance of 500 Ωcm or more. Since energization of such a high resistance silicon core wire generally cannot be started at room temperature, it is necessary to energize the silicon core wire in advance by initially heating the silicon core wire to 200 to 400 ° C. to lower the specific resistance (increasing conductivity). .

このような初期加熱のために、反応炉の中央または内周面に初期加熱用のカーボンヒータを設けておき、反応開始時には、先ずこのカーボンヒータを通電により発熱させ、その際に発生する輻射熱によってカーボンヒータ周辺に配置されているシリコン芯線を所望の温度にまで加熱するということが行われる（例えば、特許文献２を参照）。なお、ここでの加熱は輻射加熱であるが、シリコン芯線の熱容量は小さいため、ヒータの出力とヒータの表面温度・対流伝熱による放熱でシリコン芯線温度が決定される。このため、他の環境因子に変動がなければ、シリコン芯線温度は、ヒータ出力によって制御される。そして、かかる加熱によりシリコン芯線の表面温度が２００℃〜４００℃程度に達すれば、長さ当たり例えば２．０Ｖ/ｃｍ〜８．０Ｖ/ｃｍの電圧をシリコン芯線印加することにより、シリコン芯線の表面温度を９００℃以上１２００℃以下の範囲に加熱するための、シリコン芯線自体を発熱させるシリコン芯線への通電開始が可能となる。シリコン芯線は一般的に１００ｃｍ以上あるので、印加する電圧としては例えば、１，０００〜３，０００Ｖ程度が必要となる。 For such initial heating, a carbon heater for initial heating is provided at the center or inner peripheral surface of the reaction furnace, and at the start of the reaction, this carbon heater is first heated by energization, and by the radiant heat generated at that time. The silicon core wire disposed around the carbon heater is heated to a desired temperature (see, for example, Patent Document 2). Although heating here is radiant heating, since the heat capacity of the silicon core wire is small, the silicon core wire temperature is determined by the output of the heater and the heat radiation of the heater surface temperature and convection heat transfer. For this reason, if there is no change in other environmental factors, the silicon core temperature is controlled by the heater output. When the surface temperature of the silicon core wire reaches about 200 ° C. to 400 ° C. by such heating, the surface of the silicon core wire is applied by applying a voltage of, for example, 2.0 V / cm to 8.0 V / cm per length. It is possible to start energization of the silicon core wire that heats the silicon core wire itself to heat the temperature in the range of 900 ° C. to 1200 ° C. Since the silicon core wire is generally 100 cm or more, for example, a voltage of about 1,000 to 3,000 V is required as an applied voltage.

一旦シリコン芯線への通電が開始されれば、その後はカーボンヒータを用いた加熱を利用しなくとも、シリコン芯線自身の発熱により表面温度が維持されるため析出反応は持続的に進行する。そのため、上述のシリコン芯線への通電開始後は、カーボンヒータの電源はＯＦＦされる。 Once energization of the silicon core wire is started, the precipitation reaction proceeds continuously since the surface temperature is maintained by the heat generated by the silicon core wire itself without using heating using a carbon heater. Therefore, after the energization of the silicon core wire is started, the power source of the carbon heater is turned off.

カーボンヒータの出力を低く抑えることは、設備コストやランニングコストの観点上有利である。しかし、カーボンヒータの出力を低くすることでシリコン芯線の到達温度が低くなると、シリコン芯線の比抵抗はその分だけ高くなり、シリコン芯線に通電開始するための印加電圧を高く設定する必要がある。ところが、印加電圧を高く設定することは電極（や芯線ホルダ）とシリコン芯線との間での火花放電の発生を誘発し易く、シリコン芯線にダメージを与える原因となる。シリコン芯線がダメージを受けると、析出反応工程中にシリコン芯線が倒壊して工程中断を余儀なくされ、生産性が低下してしまう。 Keeping the output of the carbon heater low is advantageous in terms of equipment cost and running cost. However, when the temperature reached by the silicon core wire is lowered by lowering the output of the carbon heater, the specific resistance of the silicon core wire increases accordingly, and it is necessary to set the applied voltage for starting energization to the silicon core wire high. However, setting the applied voltage high tends to induce the occurrence of spark discharge between the electrode (and core wire holder) and the silicon core wire, and causes damage to the silicon core wire. When the silicon core wire is damaged, the silicon core wire collapses during the precipitation reaction process, and the process is forced to be interrupted, resulting in a decrease in productivity.

特に、バッチ式で析出反応工程が繰り返される反応炉においては、初期のバッチで析出反応工程が中断されてしまうと、生産性低下は甚大であり、しかも、倒壊したシリコン芯線が反応炉内部に設置されたカーボンヒータやガスノズル或いは電極部品などに接触して破損させたるするなど、設備的な被害も大きい。従って、シリコン芯線の通電開始に先立ち、予めシリコン芯線をヒータにより加熱して所望の温度としておくことが、安定的な生産のために極めて重要となる。 In particular, in a reactor where the precipitation reaction process is repeated in batch mode, if the precipitation reaction process is interrupted in the initial batch, the productivity drop is enormous, and a collapsed silicon core wire is installed inside the reaction furnace. The equipment damage is also great, such as damage caused by contact with the carbon heater, gas nozzle or electrode parts. Therefore, prior to the start of energization of the silicon core wire, it is extremely important for stable production that the silicon core wire is heated to a desired temperature in advance by a heater.

一方で、このようなシリコン芯線の予備加熱（初期加熱）のために用いられるカーボンヒータは、消耗品としては高価なものであるため、コスト面からは容易に能力アップを図ることは賢明ではなく、効率的なシリコン芯線加熱が求められる。加えて、カーボンヒータはシリコン芯線加熱後にヒータ電源がＯＦＦされた後も反応炉内部に設置されたままであるため傷みやすく、一般には２〜１０バッチ毎に新しいカーボンヒータに交換しているが、このような高い頻度でのカーボンヒータの交換はコストを高めることとなることから、カーボンヒータの寿命を延ばす使用条件の検討も重要な課題である。 On the other hand, carbon heaters used for preheating (initial heating) of such silicon core wires are expensive as consumables, so it is not wise to easily increase the capacity in terms of cost. Efficient silicon core wire heating is required. In addition, the carbon heater is easily damaged because it remains installed inside the reactor even after the heater power is turned off after the silicon core wire is heated. In general, the carbon heater is replaced with a new carbon heater every 2 to 10 batches. Since replacement of the carbon heater at such a high frequency increases the cost, it is also an important issue to examine use conditions for extending the life of the carbon heater.

特公昭３７−１８８６１号公報Japanese Patent Publication No. 37-18861 特開２０１１−３７６９９号公報JP 2011-37699 A

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シーメンス法により多結晶シリコンを製造する際のシリコン芯線の効率的な加熱を実現し、シリコン芯線へのダメージを軽減しつつ、カーボンヒータの寿命を延ばし得る技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to realize efficient heating of the silicon core wire when producing polycrystalline silicon by the Siemens method. An object of the present invention is to provide a technology capable of extending the life of a carbon heater while reducing damage.

上述の課題を解決するために、本発明に係る多結晶シリコンの製造方法は、シーメンス法による多結晶シリコンの製造方法であって、多結晶シリコンの析出反応工程に先立ち、該析出反応工程時の圧力よりも低い炉内圧力下でシリコン芯線を加熱用カーボンヒータにより加熱し、該加熱の後に前記シリコン芯線への通電を開始する初期加熱工程を備えていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a method for producing polycrystalline silicon according to the present invention is a method for producing polycrystalline silicon by a Siemens method, and prior to the precipitation reaction step of polycrystalline silicon, An initial heating step of heating the silicon core wire with a heating carbon heater under a furnace pressure lower than the pressure and starting energization of the silicon core wire after the heating is provided.

好ましくは、前記初期加熱工程時の炉内圧力を０．０５ＭＰａ〜０．００１ＭＰａの範囲に設定する。 Preferably, the pressure in the furnace at the time of the initial heating step is set in a range of 0.05 MPa to 0.001 MPa.

また、好ましくは、前記初期加熱工程時の前記加熱用カーボンヒータの出力を８０ＫＷ〜１００ＫＷの範囲に設定する。 Preferably, the output of the heating carbon heater in the initial heating step is set in a range of 80 KW to 100 KW.

また、好ましくは、前記シリコン芯線への通電開始時の印加電圧を１５００Ｖ〜１９００Ｖの範囲に設定する。 Preferably, the applied voltage at the start of energization to the silicon core wire is set in the range of 1500V to 1900V.

また、好ましくは、前記加熱用カーボンヒータの出力を８０ＫＷ〜１００ＫＷの範囲に設定し、前記シリコン芯線を通電開始可能な温度とするための炉内圧力（Ｐ_S）を求め、前記初期加熱工程時の炉内圧力（Ｐ_I）を、前記炉内圧力Ｐ_S以下で且つ前記多結晶シリコンの析出反応工程時の圧力（Ｐ_P）よりも低く設定する。 In a preferred embodiment, the output of the heating carbon heater was set in the range of 80KW～100KW, seeking inner pressure (P _S) for the silicon cores to energization can be started temperatures, during the initial heating step The furnace pressure (P _I ) is set to be equal to or lower than the furnace pressure P _S and lower than the pressure (P _P ) during the polycrystalline silicon precipitation reaction step.

さらに、好ましくは、前記通電開始可能な温度は、前記シリコン芯線を１５００Ｖ〜１９００Ｖの範囲の電圧で通電可能とする温度である。 Further preferably, the temperature at which the energization can be started is a temperature at which the silicon core wire can be energized with a voltage in the range of 1500V to 1900V.

本発明によれば、シーメンス法により多結晶シリコンを製造する際のシリコン芯線の効率的な加熱を実現し、シリコン芯線へのダメージを軽減しつつ、カーボンヒータの寿命を延ばし得る技術を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a technology capable of extending the life of a carbon heater while realizing efficient heating of a silicon core wire when producing polycrystalline silicon by the Siemens method, reducing damage to the silicon core wire. Is possible.

本発明の多結晶シリコン製造のための反応炉の構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the structure of the reaction furnace for the polycrystalline silicon manufacture of this invention.

以下に、図面を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。なお、以降の説明では、原料としてトリクロロシランを用いる場合について説明するが、モノシランやジクロロシランを用いる場合においても、本発明は、有用に適用し得る。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the case where trichlorosilane is used as a raw material will be described. However, the present invention can be effectively applied even when monosilane or dichlorosilane is used.

図１は、本発明の多結晶シリコン製造のための反応炉１００の構成の一例を示す概略断面図である。反応炉１００は、シーメンス法によりシリコン芯線１２の表面に多結晶シリコンを気相成長させ、多結晶シリコン棒１１を得るための装置であり、ベースプレート５とベルジャ１を備えている。 FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a configuration of a reaction furnace 100 for producing polycrystalline silicon according to the present invention. The reactor 100 is an apparatus for obtaining a polycrystalline silicon rod 11 by vapor-phase growing polycrystalline silicon on the surface of the silicon core wire 12 by the Siemens method, and includes a base plate 5 and a bell jar 1.

ベースプレート５には、シリコン芯線１２に電流を供給するためのシリコン芯線用電極１０と、窒素ガス、水素ガス、トリクロロシランガスなどのプロセスガスを供給する原料ガス供給ノズル９と、排気ガスを外部に排出する反応排ガス出口８が配置されている。 The base plate 5 has a silicon core wire electrode 10 for supplying current to the silicon core wire 12, a source gas supply nozzle 9 for supplying a process gas such as nitrogen gas, hydrogen gas, and trichlorosilane gas, and exhaust gas is discharged to the outside. A reaction exhaust gas outlet 8 is disposed.

図中に符号１４で示したものはカーボンヒータであり、カーボンヒータ用電極１３から電流供給されて通電加熱がなされ、これによりシリコン芯線１２の表面が加熱される。 What is indicated by reference numeral 14 in the figure is a carbon heater, which is supplied with current from the carbon heater electrode 13 and is heated by energization, whereby the surface of the silicon core wire 12 is heated.

ベルジャ１は、冷却用冷媒の入口３と出口４を有しており、ベルジャ内部の状態を目視で確認するためののぞき窓２を有している。ベースプレート５もまた、冷却用冷媒の入口６と出口７を有している。 The bell jar 1 has an inlet 3 and an outlet 4 for cooling refrigerant, and has a viewing window 2 for visually confirming the state inside the bell jar. The base plate 5 also has an inlet 6 and an outlet 7 for cooling refrigerant.

実際の多結晶シリコンの製造プロセスでは、反応炉は複数バッチで運転される。従って、ひとつのバッチが終了した後には、ベルジャ１とベースプレート５は切り離され、反応炉内部からのシリコン棒１１の取り出しがされ、ベルジャ１とベースプレート５の表面に付着した副反応物を除去するための清掃が行われて、次バッチの反応のためのシリコン芯線１２がセットされる。 In the actual polycrystalline silicon manufacturing process, the reactor is operated in multiple batches. Therefore, after one batch is completed, the bell jar 1 and the base plate 5 are separated, the silicon rod 11 is taken out from the inside of the reaction furnace, and the side reactants attached to the surfaces of the bell jar 1 and the base plate 5 are removed. The silicon core wire 12 for the next batch reaction is set.

このシリコン芯線１２のセットの後、ベースプレート５上にベルジャ１が再びセットされ、先ず、反応炉内部の窒素ガス置換が行われる。窒素ガスは原料ガス供給ノズル９から反応炉内に供給されて、空気成分は反応排ガス出口８から外部に排出される。この窒素ガス置換の完了の後、供給ガスは水素ガスに切り替えられて反応炉内部が水素ガスで置換される。水素ガス置換の完了後、反応炉内の気密テストが行われる。この気密テスト時の炉内圧力は、多結晶シリコンの析出反応工程時の炉内圧力（０．４〜０．９ＭＰａ）に概ね等しく、ベルジャ１の底面がベースプレート５に接触している面に発泡液をかけたり、水素ガス検知器などを用いるなどの手法によりガス漏洩の有無が確認される。 After the setting of the silicon core wire 12, the bell jar 1 is set again on the base plate 5, and first, nitrogen gas replacement inside the reaction furnace is performed. Nitrogen gas is supplied from the source gas supply nozzle 9 into the reaction furnace, and air components are discharged to the outside from the reaction exhaust gas outlet 8. After the completion of this nitrogen gas replacement, the supply gas is switched to hydrogen gas, and the inside of the reaction furnace is replaced with hydrogen gas. After completion of the hydrogen gas replacement, an airtight test in the reactor is performed. The pressure in the furnace during the airtight test is approximately equal to the pressure in the furnace (0.4 to 0.9 MPa) during the polycrystalline silicon precipitation reaction step, and the bottom surface of the bell jar 1 is foamed on the surface in contact with the base plate 5. The presence or absence of gas leakage is confirmed by applying a liquid or using a hydrogen gas detector.

従来の多結晶シリコンの製造プロセスであれば、上述の水素ガス気密テストが完了した後に、当該気密テスト時の炉内圧力下において、すなわち、多結晶シリコンの析出反応工程時の炉内圧力（０．４〜０．９ＭＰａ）に概ね等しい圧力下で、シリコン芯線の加熱のためのカーボンヒータ１４への通電が開始される。 In the case of a conventional polycrystalline silicon manufacturing process, after the hydrogen gas hermetic test is completed, the pressure in the furnace (0 Energization of the carbon heater 14 for heating the silicon core wire is started under a pressure substantially equal to .4 to 0.9 MPa).

これに対して、本発明においては、水素ガス気密テスト完了後に、水素ガスの一部を反応排ガス出口８から排気することにより一旦炉内圧力を所定の値にまで下げ、多結晶シリコンの析出反応工程時の圧力よりも低い炉内圧力下でシリコン芯線を通電加熱する初期加熱工程を設け、この初期加熱工程の後に、多結晶シリコンの析出反応工程に移行する。 On the other hand, in the present invention, after the hydrogen gas hermetic test is completed, a part of the hydrogen gas is exhausted from the reaction exhaust gas outlet 8 so that the pressure in the furnace is once lowered to a predetermined value, and the polycrystalline silicon precipitation reaction An initial heating step of energizing and heating the silicon core wire under a furnace pressure lower than the pressure during the step is provided, and after this initial heating step, the process proceeds to a polycrystalline silicon precipitation reaction step.

この初期加熱工程時の炉内圧力は、例えば、０．０５ＭＰａ〜０．００１ＭＰａの範囲に設定する。シリコン芯線１２のバルク温度は、カーボンヒータ１４からの輻射熱量、シリコン芯線１２から雰囲気ガスへの対流伝熱量、シリコン芯線ホルダへの伝導伝熱量、ベルジャ１やベースプレート５への輻射熱量等のバランスによって決まる。従って、入熱量が不変でも出熱量が低下すればシリコン芯線１２のバルク温度は上昇する。本発明においては、シリコン芯線１２の表面から対流により奪われる熱量（対流伝熱量）を抑えるため、初期加熱工程時の炉内圧力を多結晶シリコンの析出反応工程時の圧力よりも低く設定することとしている。 The furnace pressure at the time of this initial heating process is set in the range of 0.05 MPa to 0.001 MPa, for example. The bulk temperature of the silicon core wire 12 depends on the balance of the amount of radiant heat from the carbon heater 14, the amount of convective heat transfer from the silicon core wire 12 to the ambient gas, the amount of heat transferred to the silicon core holder, the amount of radiant heat to the bell jar 1 and the base plate 5. Determined. Therefore, even if the heat input is unchanged, the bulk temperature of the silicon core wire 12 increases if the heat output decreases. In the present invention, the furnace pressure during the initial heating step is set lower than the pressure during the polycrystalline silicon precipitation reaction step in order to suppress the amount of heat (convection heat transfer amount) taken away from the surface of the silicon core wire 12 by convection. It is said.

初期加熱工程では、カーボンヒータ１４に接続されているカーボンヒータ用電極１３を通して通電してカーボンヒータ１４を抵抗発熱（通電加熱）させる。カーボンヒータ１４が通電加熱されると、その輻射熱により、シリコン芯線１２が加熱され、シリコン芯線１２の電気的抵抗が低下する。この時、炉内圧力が上述のように低く設定されるため、カーボンヒータ１４による加熱効率が高まる。その結果、カーボンヒータ１４の出力を、析出反応工程時の炉内圧力下でカーボンヒータ加熱を行う場合に比較して低く設定しても、シリコン芯線を十分に加熱することができる。例えば、炉内圧力を０．０５ＭＰａ〜０．００１ＭＰａとした場合には、ヒータ出力を７０％以下に設定しても、シリコン芯線１２の温度を通電に必要な値とすることができる。具体的には、常用のカーボンヒータを使用した場合、ヒータ出力を８０ＫＷ〜１００ＫＷの範囲に設定してもシリコン芯線１２の通電に必要な温度とすることができる。 In the initial heating step, the carbon heater 14 is energized through the carbon heater electrode 13 connected to the carbon heater 14 to cause the carbon heater 14 to generate resistance heat (energized heating). When the carbon heater 14 is energized and heated, the silicon core wire 12 is heated by the radiant heat, and the electrical resistance of the silicon core wire 12 decreases. At this time, since the furnace pressure is set low as described above, the heating efficiency by the carbon heater 14 is increased. As a result, the silicon core wire can be sufficiently heated even if the output of the carbon heater 14 is set lower than when the carbon heater is heated under the pressure in the furnace during the precipitation reaction step. For example, when the furnace pressure is 0.05 MPa to 0.001 MPa, the temperature of the silicon core wire 12 can be set to a value necessary for energization even if the heater output is set to 70% or less. Specifically, when a normal carbon heater is used, even if the heater output is set in the range of 80 KW to 100 KW, the temperature required for energization of the silicon core wire 12 can be achieved.

なお、シリコン芯線への通電開始時には、通電開始後よりも高い電圧が印加されるが、通電開始時の印加電圧が高すぎると上述のような放電によるシリコン芯線へのダメージが生じる。そこで、シリコン芯線への通電開始時の印加電圧は１５００Ｖ〜１９００Ｖの範囲に設定することが好ましい。本発明では、初期加熱工程時の炉内圧力を従来法に比較して低く設定することとしているため、上記電圧範囲での通電開始が容易になる。 In addition, when energization to the silicon core wire is started, a higher voltage is applied than after the start of energization. However, if the applied voltage at the start of energization is too high, damage to the silicon core wire due to discharge as described above occurs. Therefore, it is preferable to set the applied voltage at the start of energization to the silicon core wire in the range of 1500V to 1900V. In the present invention, since the pressure in the furnace during the initial heating step is set to be lower than that in the conventional method, it is easy to start energization in the voltage range.

なお、通常は、反応炉内には複数のシリコン芯線１２がセットされている。このため、カーボンヒータ１４の近くにセットされたシリコン芯線１２ほど早く所定のバルク温度となり易い。そこで、全てのシリコン芯線を同時に通電開始する場合には、反応炉内にセットされた全てのシリコン芯線１２が通電加熱状態となった時点で、初期加熱工程が完了する。しかし、通電開始するために必要な温度に到達したシリコン芯線から順番に通電を開始するようにしてもよい。この場合には、先に通電が開始されたシリコン芯線からの輻射熱が後で通電開始されるシリコン芯線の加熱に利用されるという利点がある。この場合には、最先の通電開始までが初期加熱工程となる。なお、このような場合でも、加熱効率を高めるためには炉内圧力が低い方が好ましいから、全てのシリコン芯線に通電開始されるまでは炉内圧力を高くしないことが好ましい。 Normally, a plurality of silicon core wires 12 are set in the reaction furnace. For this reason, the silicon core wire 12 set near the carbon heater 14 tends to reach a predetermined bulk temperature earlier. Therefore, in the case where all the silicon core wires are energized at the same time, the initial heating process is completed when all the silicon core wires 12 set in the reaction furnace are energized and heated. However, the energization may be started in order from the silicon core wire that has reached the temperature required to start energization. In this case, there is an advantage that the radiant heat from the silicon core wire that has been energized first is used for heating the silicon core wire that is energized later. In this case, the initial heating step is until the earliest energization start. Even in such a case, since it is preferable that the furnace pressure is low in order to increase the heating efficiency, it is preferable not to increase the furnace pressure until all the silicon core wires are energized.

通電加熱状態となったシリコン芯線１２は、カーボンヒータ１４による熱輻射がなくても、シリコン芯線自身の発熱によりその表面温度が維持される。そのため、上述の初期加熱工程の完了後は、カーボンヒータ１４への通電は停止される。 Even if there is no heat radiation by the carbon heater 14, the surface temperature of the silicon core wire 12 in the energized and heated state is maintained by the heat generated by the silicon core wire itself. Therefore, energization to the carbon heater 14 is stopped after the above-described initial heating process is completed.

初期加熱工程が完了した後に、反応炉内に水素ガスが供給され、多結晶シリコンの反応反応に必要な圧力（一般的には０．４〜０．９ＭＰａ）にまで加圧され、さらに、水素ガスをキャリアガスとして反応原料ガスであるクロロシランガスがノズル９から供給されることにより、多結晶シリコンの析出反応工程が開始される。 After the initial heating step is completed, hydrogen gas is supplied into the reaction furnace, and the pressure is increased to a pressure (generally 0.4 to 0.9 MPa) required for the reaction reaction of polycrystalline silicon. A chlorosilane gas, which is a reaction raw material gas, is supplied from the nozzle 9 using a gas as a carrier gas, whereby a polycrystalline silicon precipitation reaction step is started.

本発明のように、多結晶シリコンの析出反応工程に先立ち、該析出反応工程時の圧力よりも低い炉内圧力下でシリコン芯線を通電加熱することとすると、析出反応工程時の圧力下でシリコン芯線を通電加熱する場合に比較して、カーボンヒータ１４への負荷を軽減させることができる。換言すれば、本発明では、同じ供給電力で、シリコン芯線１２の温度をより効率的に高めることができる。また、カーボンヒータ１４への負荷が軽減される結果、カーボンヒータ１４の寿命が延びることとなる。 As in the present invention, prior to the precipitation reaction step of polycrystalline silicon, if the silicon core wire is energized and heated under a pressure in the furnace lower than the pressure during the precipitation reaction step, the silicon under the pressure during the precipitation reaction step The load on the carbon heater 14 can be reduced as compared with the case where the core wire is heated by energization. In other words, in the present invention, the temperature of the silicon core wire 12 can be increased more efficiently with the same supply power. Moreover, as a result of reducing the load on the carbon heater 14, the life of the carbon heater 14 is extended.

本発明で採用する上述の手法によれば、シリコン芯線１２のバルク温度をより効率的に高めることができるため、多結晶シリコンの析出反応工程時の炉内圧力（０．４〜０．９ＭＰａ）に概ね等しい圧力下でシリコン芯線の加熱のためのカーボンヒータ１４への通電を開始する場合に比較して、加熱時間等のその他の条件を変更することなく、初期加熱工程時の通電加熱のヒータ出力を３０〜４０％程度低減させる（６０〜７０％程度の範囲に設定する）ことができる。 According to the above-mentioned method adopted in the present invention, the bulk temperature of the silicon core wire 12 can be increased more efficiently, so that the furnace pressure (0.4 to 0.9 MPa) during the polycrystalline silicon precipitation reaction step Compared to the start of energization of the carbon heater 14 for heating the silicon core wire under a pressure approximately equal to the above, the heater for the energization heating in the initial heating step without changing other conditions such as the heating time The output can be reduced by about 30 to 40% (set to a range of about 60 to 70%).

また、本発明の効果は、予め適切な初期加熱工程時の炉内圧力を求めた上で実施することによっても得ることができる。具体的には、加熱用カーボンヒータの出力を８０ＫＷ〜１００ＫＷの範囲に設定し、予めシリコン芯線を通電開始可能な温度とするための炉内圧力（Ｐ_S）を求めておき、初期加熱工程時の炉内圧力（Ｐ_I）を、上記炉内圧力Ｐ_S以下で且つ多結晶シリコンの析出反応工程時の圧力（Ｐ_P）よりも低く設定する。この場合、シリコン芯線の通電開始に用いる電圧は１５００Ｖ〜１９００Ｖの範囲であることが好ましい。 Moreover, the effect of this invention can be acquired by implementing, after calculating | requiring the pressure in a furnace in the time of an appropriate initial heating process previously. Specifically, the output of the heating carbon heater was set in the range of 80KW～100KW, to previously obtain a pre-reactor pressure for the silicon cores to energization can be started temperature (P _S), during the initial heating step The furnace pressure (P _I ) is set to be equal to or lower than the furnace pressure P _S and lower than the pressure (P _P ) during the polycrystalline silicon precipitation reaction step. In this case, the voltage used to start energization of the silicon core wire is preferably in the range of 1500V to 1900V.

［実施例１］
本実施例では、シリコン芯線への電圧印加後からシリコン芯線への通電有無のモニタを開始し、通電開始時のカーボンヒータ出力とカーボンヒータ表面温度につき、シリコン芯線の初期加熱工程時の炉内圧力が０．００３ＭＰａ、０．５０ＭＰａ、および、０．８０ＭＰａの３水準（各水準とも５バッチ）について調べた。反応炉内に、７ｍｍ□の１８００ｍｍ長さのシリコン芯線を３６本設置した。各炉内圧力条件ともカーボンヒータによるシリコン芯線の初期加熱を１０分間行い、その後、シリコン芯線に２０００Ｖの電圧を印加した。電圧印加後からシリコン芯線への通電有無のモニタを開始し、通電開始時のカーボンヒータ出力（供給電力）とカーボンヒータ表面温度を記録した。反応炉に供給するガスは水素ガスのみであり、流量は制御弁の開度１％（水素ガス流量にして約２０Ｎｍ³／ｈｒ程度）とした。なお、カーボンヒータの表面温度は、のぞき窓を通して温度パイロメータにより測定した。その結果を表１〜３に示す。 [Example 1]
In this example, after the voltage application to the silicon core wire, monitoring of the presence or absence of energization to the silicon core wire is started, and the furnace pressure during the initial heating process of the silicon core wire with respect to the carbon heater output and the carbon heater surface temperature at the start of energization Of 0.003 MPa, 0.50 MPa, and 0.80 MPa (5 batches for each level). Thirty-six 1800 mm long silicon core wires were installed in the reaction furnace. Under each furnace pressure condition, initial heating of the silicon core wire with a carbon heater was performed for 10 minutes, and then a voltage of 2000 V was applied to the silicon core wire. After the voltage application, monitoring of the presence or absence of energization to the silicon core wire was started, and the carbon heater output (supply power) and the carbon heater surface temperature at the start of energization were recorded. The gas supplied to the reactor was only hydrogen gas, and the flow rate was 1% of the control valve opening (the hydrogen gas flow rate was about 20 Nm ³ / hr). The surface temperature of the carbon heater was measured with a temperature pyrometer through an observation window. The results are shown in Tables 1-3.

シリコン芯線への通電開始時のカーボンヒータの表面温度は、シリコン芯線の初期加熱工程時の炉内圧力が高いほど高い。また、カーボンヒータ出力は、シリコン芯線の初期加熱工程時の炉内圧力に伴って顕著に高くなる。何れの条件においても、シリコン芯線への通電開始時にはシリコン芯線のバルク温度（と比抵抗）は概ね同レベルにあると考えられるから、上記結果は、シリコン芯線のバルク温度を同レベルにするために必要とされるカーボンヒータへの供給電力が、シリコン芯線の初期加熱工程時の炉内圧力が高いほど顕著に高くなることを示している。 The surface temperature of the carbon heater at the start of energization of the silicon core wire is higher as the furnace pressure during the initial heating process of the silicon core wire is higher. Further, the carbon heater output becomes significantly higher with the furnace pressure during the initial heating process of the silicon core wire. Under any conditions, the bulk temperature (and specific resistance) of the silicon core wire is considered to be at the same level at the start of energization to the silicon core wire. It shows that the power supplied to the required carbon heater becomes significantly higher as the furnace pressure during the initial heating process of the silicon core wire is higher.

つまり、シリコン芯線の初期加熱工程時の炉内圧力を低く設定するほどカーボンヒータからの輻射熱によるシリコン芯線の加熱が効率的になされ、カーボンヒータへの負荷が軽減する。その結果、カーボンヒータの寿命が延びることになる。炉内圧力が０．００３ＭＰａの場合、初期加熱工程時の通電加熱のヒータ出力は１００ＫＷ以下である。ヒータ出力が低いほどヒータへの負荷も小さくなるから、実用的には、８０ＫＷ〜１００ＫＷの範囲に設定するのが好ましい。 That is, the lower the furnace pressure during the initial heating process of the silicon core wire, the more efficiently the silicon core wire is heated by the radiant heat from the carbon heater, and the load on the carbon heater is reduced. As a result, the life of the carbon heater is extended. When the pressure in the furnace is 0.003 MPa, the heater output for energization heating in the initial heating step is 100 KW or less. The lower the heater output, the smaller the load on the heater. Therefore, in practice, it is preferable to set in the range of 80 KW to 100 KW.

〔実施例２〕
実施例１と同様に、カーボンヒータによるシリコン芯線の初期加熱を１０分間行い、その後、シリコン芯線に印加する電圧を徐々に上げていき、電流値が上昇し始めたときの電圧を通電開始電圧として記録した。シリコン芯線の初期加熱工程時の炉内圧力は０．００５ＭＰａの１水準（３バッチ）である。シリコン芯線への通電開始後は、シリコン芯線に１０Ａの電流が流れるように印加電圧を調整した。通電開始より１５分後にシリコン芯線への電力供給を停止し、シリコン芯線を取りだしてシリコン芯線に発生したキズの有無を目視観察するとともに、キズの深さを表面粗さ測定器により測定した。その結果を、表４に示す。 [Example 2]
As in Example 1, the silicon core wire was initially heated with a carbon heater for 10 minutes, and then the voltage applied to the silicon core wire was gradually increased, and the voltage when the current value started to increase was defined as the energization start voltage. Recorded. The pressure in the furnace during the initial heating process of the silicon core wire is one level (3 batches) of 0.005 MPa. After energization of the silicon core wire was started, the applied voltage was adjusted so that a current of 10 A would flow through the silicon core wire. After 15 minutes from the start of energization, the power supply to the silicon core wire was stopped, the silicon core wire was taken out and visually observed for the presence or absence of scratches on the silicon core wire, and the depth of the scratches was measured with a surface roughness measuring instrument. The results are shown in Table 4.

この結果によれば、通電開始電圧（シリコン芯線の電流値が上昇し始めたときの電圧）が低いほど、放電起因のキズ（放電痕）の発生が抑制される傾向が認められる。この結果によれば、シリコン芯線の初期加熱工程時のシリコン芯線への印加電圧は、１９００Ｖ以下とすることが好ましく、実用的には、１５００Ｖ〜１９００Ｖの範囲に設定することが好ましい。 According to this result, it is recognized that the lower the energization start voltage (the voltage when the current value of the silicon core wire starts to rise), the more the generation of scratches (discharge marks) due to discharge is suppressed. According to this result, the voltage applied to the silicon core wire during the initial heating step of the silicon core wire is preferably set to 1900 V or less, and practically set to a range of 1500 V to 1900 V.

〔実施例３〕
シリコン芯線の初期加熱工程時の炉内圧力以外の条件を実施例１と同様として、カーボンヒータの寿命を比較した。寿命の判断は、１２０ｍｍφの多結晶シリコン棒の成長バッチを３０バッチ実施し、その間におけるカーボンヒータの交換回数から平均値を求めた。また、カーボンヒータの平均温度も、３０バッチの平均値である。なお、カーボンヒータの交換の要否は、ヒータの曲がり、折れ、変形、電源地絡発生などにより判断した。その結果を、表５に示す。 Example 3
The life of carbon heaters was compared under the same conditions as in Example 1 except for the pressure in the furnace during the initial heating process of the silicon core wire. For the determination of the life, 30 batches of 120 mmφ polycrystalline silicon rod growth batches were carried out, and the average value was obtained from the number of carbon heater replacements during that period. The average temperature of the carbon heater is also an average value of 30 batches. The necessity of replacing the carbon heater was determined based on the bending, bending, deformation, power supply ground fault, etc. of the heater. The results are shown in Table 5.

シリコン芯線を通電加熱する初期加熱工程時の炉内圧力が析出反応工程時の圧力と同レベル（０．５００ＭＰａ）である比較例ではカーボンヒータの寿命は２．５バッチであるのに対し、シリコン芯線を通電加熱する初期加熱工程時の炉内圧力が析出反応工程時の圧力よりも低い０．００３ＭＰａの実施例では５．２バッチとなっており、２倍程度に寿命が延びている。 In the comparative example in which the pressure in the furnace during the initial heating process for energizing and heating the silicon core wire is the same level (0.500 MPa) as the pressure during the precipitation reaction process, the lifetime of the carbon heater is 2.5 batches, whereas silicon In the example of 0.003 MPa in which the pressure in the furnace at the initial heating step of energizing and heating the core wire is lower than the pressure at the precipitation reaction step, it is 5.2 batches, and the life is extended by about twice.

本発明によれば、シーメンス法により多結晶シリコンを製造する際のシリコン芯線の効率的な加熱を実現し、シリコン芯線へのダメージを軽減するとともに、カーボンヒータの寿命を延ばし得る技術を提供することが可能となる。 According to the present invention, there is provided a technique capable of realizing efficient heating of a silicon core wire when manufacturing polycrystalline silicon by the Siemens method, reducing damage to the silicon core wire, and extending the life of the carbon heater. Is possible.

１ベルジャ
２のぞき窓
３冷媒入口（ベルジャ）
４冷媒出口（ベルジャ）
５ベースプレート
６冷媒入口（ベースプレート）
７冷媒出口（ベースプレート）
８反応排ガス出口
９原料ガス供給ノズル
１０シリコン芯線用電極
１１シリコン芯線
１２シリコン棒
１３カーボンヒータ用電極
１４カーボンヒータ
１００反応炉 1 Berja 2 Peep window 3 Refrigerant inlet (Berja)
4 Refrigerant outlet (Berja)
5 Base plate 6 Refrigerant inlet (base plate)
7 Refrigerant outlet (base plate)
8 Reaction exhaust gas outlet 9 Source gas supply nozzle 10 Silicon core wire electrode 11 Silicon core wire 12 Silicon rod 13 Carbon heater electrode 14 Carbon heater 100 Reaction furnace

Claims

シーメンス法による多結晶シリコンの製造方法であって、
多結晶シリコンの析出反応工程に先立ち、該析出反応工程時の圧力よりも低い炉内圧力下でシリコン芯線を加熱用カーボンヒータにより加熱し、該加熱の後に前記シリコン芯線への通電を開始する初期加熱工程を備えている、
ことを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。 A method for producing polycrystalline silicon by the Siemens method,
Prior to the deposition reaction step of polycrystalline silicon, the silicon core wire is heated by a heating carbon heater under a furnace pressure lower than the pressure at the time of the precipitation reaction step, and the energization of the silicon core wire is started after the heating. Equipped with a heating step,
A method for producing polycrystalline silicon.

前記初期加熱工程時の炉内圧力を０．０５ＭＰａ〜０．００１ＭＰａの範囲に設定する、請求項１に記載の多結晶シリコンの製造方法。 The manufacturing method of the polycrystalline silicon of Claim 1 which sets the pressure in the furnace at the time of the said initial heating process to the range of 0.05MPa-0.001MPa.

前記初期加熱工程時の前記加熱用カーボンヒータの出力を８０ＫＷ〜１００ＫＷの範囲に設定する、請求項２に記載の多結晶シリコンの製造。 The production of polycrystalline silicon according to claim 2, wherein an output of the heating carbon heater in the initial heating step is set in a range of 80 KW to 100 KW.

前記シリコン芯線への通電開始時の印加電圧を１５００Ｖ〜１９００Ｖの範囲に設定する、請求項２または３に記載の多結晶シリコンの製造方法。 The manufacturing method of the polycrystalline silicon of Claim 2 or 3 which sets the applied voltage at the time of the energization start to the said silicon core wire to the range of 1500V-1900V.

前記加熱用カーボンヒータの出力を８０ＫＷ〜１００ＫＷの範囲に設定し、前記シリコン芯線を通電開始可能な温度とするための炉内圧力（Ｐ_S）を求め、前記初期加熱工程時の炉内圧力（Ｐ_I）を、前記炉内圧力Ｐ_S以下で且つ前記多結晶シリコンの析出反応工程時の圧力（Ｐ_P）よりも低く設定する、請求項１に記載の多結晶シリコンの製造方法。 Wherein the output of the heating carbon heater was set in the range of 80KW～100KW, the silicon cores determined pressure inside the furnace to a power distribution start possible temperature (P _S), the furnace pressure during the initial heating step ( 2. The method for producing polycrystalline silicon according to claim 1, wherein P _I ) is set to be equal to or lower than the furnace pressure P _S and lower than the pressure (P _P ) during the polycrystalline silicon precipitation reaction step.

請求項５に記載の多結晶シリコンの製造方法において、前記通電開始可能な温度は、前記シリコン芯線を１５００Ｖ〜１９００Ｖの範囲の電圧で通電可能とする温度である、多結晶シリコンの製造方法。 6. The method for producing polycrystalline silicon according to claim 5, wherein the temperature at which the energization can be started is a temperature at which the silicon core wire can be energized at a voltage in the range of 1500V to 1900V.