[发明专利]多晶硅制造用反应炉、多晶硅制造装置、多晶硅的制造方法、以及多晶硅棒或多晶硅块

说明书

本发明提供多晶硅制造用反应炉、多晶硅制造装置、多晶硅的制造方法、以及多晶硅棒或多晶硅块。本发明涉及的多晶硅制造用反应炉按照具有以与反应炉的直筒部垂直的该反应炉的内截面积(S₀)和通过多晶硅的析出而培育的多晶硅棒的截面积的总和(S_R)定义的反应空间截面积比(S＝[S₀‑S_R]/S_R)在多晶硅棒的直径为140mm以上的情况下满足2.5以上的炉内反应空间的方式设计。这样的反应炉即使多晶硅棒的直径扩大也具有充分的炉内反应空间，因此，保持了反应炉内的气体的适宜的循环。其结果是，即使在多晶硅棒的直径扩大的情况下，也能够将硅析出边界层内的反应气体浓度和气体温度控制为适宜的范围。

本申请是申请日为2015年7月29日、申请号为201580044611.9(国际申请号为PCT/JP2015/003820)、发明名称为“多晶硅制造用反应炉、多晶硅制造装置、多晶硅的制造方法、以及多晶硅棒或多晶硅块”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及多晶硅的制造技术，更详细而言，涉及用于利用西门子法制造多晶硅的反应炉的结构和使用了该反应炉的多晶硅的制造方法。

背景技术

多晶硅是半导体器件制造用单晶硅基板、太阳能电池制造用硅基板的原料。通常，多晶硅的制造是通过西门子法进行的，在该西门子法中，使含有氯硅烷的原料气体与加热后的硅芯线接触，通过化学气相沉积法(CVD：Chemical Vapor Deposition)使多晶硅在该硅芯线的表面析出。

在利用西门子法制造多晶硅的情况下，在穹顶型的反应容器(钟形罩)内，将铅直方向的两根硅芯线和水平方向的一根硅芯线组装成牌坊型(倒U字型)，将该牌坊型硅芯线的端部分别收纳于芯线夹，并且将这些芯线夹固定于基板上所设置的一对金属电极上。通过经由金属电极进行通电，硅芯线被通电加热，通过使原料气体与该硅芯线接触，由此发生多晶硅的析出，得到多晶硅棒。需要说明的是，在通常的反应炉中，形成在基板上配置有多组牌坊型硅芯线的构成。

钟形罩的内部空间被基板密闭，该密闭空间成为多晶硅的气相生长反应空间。硅芯线通电用的金属电极夹着绝缘物贯通基板，与设置于钟形罩下方的电源连接、或者与用于对配置在钟形罩内的其它牌坊型硅芯线进行通电的金属电极连接。

为了防止在牌坊型硅芯线以外的部分析出多晶硅，并且防止构成反应炉的构件变得过度高温而损伤，金属电极、基板以及钟形罩通过水等冷介质和油等热介质而被冷却。需要说明的是，芯线夹通过金属电极而被冷却。

但是，近年来，随着多晶硅的需求增大，用于提高生产量的反应炉的大型化推进，开始采用以一个批次析出大量多晶硅的方法。伴随这种倾向，配置在反应炉内的硅芯线的数量也越来越多。这样的大型反应炉的构成例如在日本特开2006-206387号公报(专利文献1)中有公开。

另外，对多晶硅的高品质化的要求也逐年越来越严格，除了进一步低杂质化的要求以外，还要求控制晶体特性。

设置在钟形罩内的硅芯线的数量增多时，难以向在炉内培育中的各个多晶硅棒的表面稳定地供给原料气体。原料气体的供给变得不均匀时，在硅棒的表面产生凸凹，其结果是硅棒的粗细变得不均匀而产生形状不良。另外，在硅棒表面生成的微小凸凹会助长多晶硅的异常生长而产生所谓的爆米花，招致品质降低。

为了抑制这样的爆米花的产生，在降低硅棒的表面温度的同时降低作为硅原料供给的硅烷的浓度是有效的。但是，这种情况下存在如下问题：晶体析出边界层内的硅烷浓度容易变得不均匀，难以控制结晶粒径分布，不仅如此，多晶硅的析出速度变慢，招致生产率的降低。

为了提高生产率、并且使结晶粒径变得更致密而实现高品质化，提高所供给的原料气体的浓度是有效的，但如果打算利用现有构成的反应容器(反应炉)来实现上述条件，则炉内的气体温度上升而发生过度的气相分解反应，在腔室内产生硅粉，成为多晶硅棒的品质降低的原因。