多結晶シリコンの製造方法、製造装置及び多結晶シリコン
【課題】高圧かつ原料大量供給の条件で、ロッドの溶断を防ぎつつ高い成長速度と収率でシリコンロッドを大径に成長させる。
【解決手段】反応炉内のシリコン芯棒に通電してシリコン芯棒を発熱させ、シリコン芯棒にクロロシラン類を含む原料ガスを供給することにより、シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造方法において、高圧で原料ガスを大量に供給する条件で、シリコン芯棒への電流の調整により表面温度を所定の範囲に維持すると共に、ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達するまで単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を所定範囲内に維持しながら原料ガスを供給する前半工程と、ロッド径に応じて予め定めておいた電流値に設定するとともに単位表面積当たりの原料ガス供給量を低下させることで、ロッドの表面温度と中心温度を所定温度に維持する後半工程とを有する。
【解決手段】反応炉内のシリコン芯棒に通電してシリコン芯棒を発熱させ、シリコン芯棒にクロロシラン類を含む原料ガスを供給することにより、シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造方法において、高圧で原料ガスを大量に供給する条件で、シリコン芯棒への電流の調整により表面温度を所定の範囲に維持すると共に、ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達するまで単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を所定範囲内に維持しながら原料ガスを供給する前半工程と、ロッド径に応じて予め定めておいた電流値に設定するとともに単位表面積当たりの原料ガス供給量を低下させることで、ロッドの表面温度と中心温度を所定温度に維持する後半工程とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコンの製造方法、多結晶シリコンの製造装置及びその製造方法によって製造された多結晶シリコンに関する。
【背景技術】
【０００２】
多結晶シリコンの製造方法としては、シーメンス法による製造方法が知られている。この多結晶シリコンの製造方法では、反応炉内に種棒となるシリコン芯棒を多数立設して通電加熱しておき、この反応炉にクロロシランガスと水素ガスとを含む原料ガスを供給して、加熱したシリコン芯棒に接触させ、その表面に原料ガスの熱分解もしくは水素還元によって多結晶シリコンを析出させ、ロッド状に成長させる方法である。この場合、シリコン芯棒は２本ずつ組み合わせられ、その上端部が同じシリコン製の連結棒により連結状態とされることにより、逆Ｕ字状又はΠ字状に構築される。
このような多結晶シリコンの製造方法において、シリコンの成長速度を速める方法のひとつに原料供給量を増加させる方法がある。
【０００３】
特許文献１によると、原料ガスの供給量が少ないと多結晶シリコンの析出が不十分になると記載されており、原料ガスの供給を十分に行うことでシリコンの成長速度を高められる。なお、特許文献１では、ロッドの単位表面積当たりの原料ガス供給量を３．５×１０−４〜９．０×１０−４ｍｏｌ／ｃｍ２ｍｉｎの範囲に管理することが記載されている。
一方、原料ガスを過剰に供給すると、多結晶シリコンの析出反応に寄与する原料ガスの割合が減少するので、原料あたりの多結晶シリコンの生成量（収率）が低下し好ましくない。
そこで、反応炉の圧力を上げる条件で原料供給量を増加させ、収率の低下を抑えながら、成長速度を増加させることが考えられる。特許文献２には１〜１６バール、好ましくは４〜８バールの圧力でシリコンを製造することが記載されている。また、特許文献３には、シーメンス法ではないが、シリコンの析出を１ミリバール〜１００バール（絶対圧）の圧力で行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１２８４９２号公報
【特許文献２】米国特許第４１７９５３０号明細書
【特許文献３】特表２００７−５２６２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したように、反応炉内部を高圧にしたうえで原料ガスを大量に供給すれば、収率を維持しつつ、シリコンの成長速度を速めることができ、効率よく多結晶シリコンを製造できると考えられる。
この多結晶シリコンにおいて、半導体用の単結晶シリコン製造で使用されるＣＺ（チョクラルスキー法）用リチャージロッドやＦＺ（フローティングゾーン法）用ロッドは、ロッド径が大きい方が効率的に単結晶シリコンを製造することができることから、例えば１００ｍｍ以上の直径を有する多結晶シリコンのロッドが求められている。さらに表面形状が滑らかな多結晶シリコンが良い。
しかしながら、反応炉内部を高圧にしたうえで原料ガスを大量に供給すると、ロッド表面と接するガス流量が増えることでシリコンのロッドからガスへの対流伝熱が大きくなる。このとき、ロッドの表面温度をシリコンロッド成長に適した温度に維持しようとすると、通電電流を大きくする必要があり、通電電流を大きくすることによって、ロッドの中心温度が通常の圧力や流量の場合に比べて大幅に上昇する。このため、ロッドがある程度成長すると、シリコン芯棒と連結棒との連結部分が特に高温となって溶断が起き、ロッドを例えば１００ｍｍ以上に太らせることができないという問題がある。シーメンス法による多結晶シリコンの製造はバッチ式であり、成長後のロッドが細いと生産性が下がってしまう。
【０００６】
この溶断を防ぐためには、通常、シリコン芯棒へ通電する電流を調整することにより、ロッドの表面温度を下げることが行なわれるが、表面温度を下げた場合は、成長速度や収率が減少してしまうため、効率よく多結晶シリコンを成長させることができない。また、中心温度と表面温度の差が大きくなることで、成長終了後にロッドを室温まで冷却する段階で熱応力によりロッドにクラックが発生し易いという不具合もある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高圧で原料ガスを従来よりも大量に供給する条件で高い成長速度と収率を維持しながら、ロッドの溶断を防ぎつつ、滑らかな表面形状のロッドを大径に成長させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述したように、反応炉内部を高圧にしたうえで原料ガスを大量に供給すると、ガス流量が増えることでロッドからガスへの対流伝熱が大きくなり、ロッドの中心温度が大幅に上昇するため、ロッドに溶断が起き易く、ロッドを例えば１００ｍｍ以上に太らせることができないという問題がある。シリコン芯棒へ通電する電流を調整してロッドの表面温度を下げれば、溶断を防ぎつつロッドを大径に成長させることができるが、この方法では成長速度や収率が損なわれる。そこで、シリコン芯棒への電流と原料ガスの供給量との両方を制御することにより、ロッドの表面温度と中心温度を所定の温度範囲に維持することで、高い成長速度と収率を維持しながら、溶断を防ぎつつ、滑らかな表面形状のロッドをロッド径１００ｍｍ以上に成長させる方法を発明した。
【０００９】
すなわち、本発明の多結晶シリコンの製造方法は、反応炉内のシリコン芯棒に通電してシリコン芯棒を発熱させ、該シリコン芯棒にクロロシラン類を含む原料ガスを供給することにより、シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造方法において、前記反応炉内の圧力が０．４〜０．９ＭＰａであり、前記シリコン芯棒への電流を漸次増大させて前記ロッドの表面温度を所定の範囲に維持すると共に、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達するまで単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内に維持しながら原料ガスを供給する前半工程と、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達した後、ロッド径に応じて予め定めておいた電流値に設定するとともに前記単位表面積当たりの原料ガス供給量を低下させることで、前記ロッドの表面温度と中心温度を所定範囲に維持する後半工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
この製造方法は、反応炉内の圧力が０．４〜０．９ＭＰａで、プロセスの前半では、ロッド径の増大に応じて電流を増加することでロッドの表面温度を所定範囲内に維持し、ロッドの単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を従来よりも大量供給となる２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内に維持する。そして、ロッドの中心温度が融点未満の所定温度に達した後のプロセスの後半では、電流と原料ガス供給量とを制御することで、ロッドの表面温度を所定範囲に維持したままロッドの中心温度の上昇を防止するのである。これにより、プロセスの前半では高圧条件と原料ガスの大量供給によってロッドを短時間で成長させ、プロセスの後半ではロッドの表面温度を所定の範囲に維持することで高い収率を維持しながら、ロッドの中心温度の上昇を抑えることで、溶断を防ぎつつロッドの径を大きくすることができる。
【００１１】
なお、圧力が０．９ＭＰａを超えると、フランジ厚み等が極端に厚くなるなどの耐圧設計上の問題が発生する。一方、圧力が０．４ＭＰａ未満となると、プロセス全体にわたり収率が低下してしまう。また、圧損を考慮するとガスを大量に流すため配管径が大きくなり、反応炉の炉下や基台の構造が複雑になってしまう。
ガス流量については、３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２を超えると前半工程の収率低下が大きくバッチとして収率が低下してしまう。一方、ガス流量が２．０×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２未満になると、シリコンを高速に成長させることができない。また、シリコンロッドの表面に凹凸が形成されるため、滑らかな表面を持つ半導体用単結晶シリコンを製造するのに適した多結晶シリコンを製造することができなくなる。
【００１２】
ここで、シーメンス法では四角形の断面を持ったシリコン芯棒が利用されるが、このシリコン芯棒の断面が成長に伴い丸棒状態になるか否かが最終的に製造されるシリコンロッドの表面状態に大きな影響を及ぼす。丸棒状態にするにはプロセスの前半において原料ガスを十分に供給する必要がある。本発明の多結晶シリコンの製造方法によれば、プロセスの前半工程では原料ガスを大量に供給するので、四角形の断面が十分に丸い断面を持ったシリコンロッドに成長する。プロセス後半工程でガス流量の調整は行われるが、プロセス前半工程において、丸棒状態になるので最終的に製造されるシリコンロッドは表面形状が滑らかであり、半導体用の多結晶シリコンとして適している。
【００１３】
本発明の製造方法において、前記後半工程におけるロッドの中心温度は１２００〜１３００℃の範囲内であるとよい。シリコンの融点未満でできるだけ高い温度に設定するのである。
本発明の製造方法において、前記反応炉の内壁面温度を２５０〜４００℃としてもよい。そうすることでロッド表面から輻射により反応炉の内壁に伝わる熱量を少なくすることができ、前半工程を長く維持することでバッチとしての成長速度を速めることができる。
【００１４】
また、本発明の製造方法において、前記原料ガスを２００〜６００℃に予熱した後に前記反応炉に供給してもよい。そうすることでロッド表面から原料ガスに対流伝熱で逃げる熱量を少なくすることができ、前半工程を長く維持することでバッチとしての成長速度を速めることができる。
この場合、予熱温度を２００〜４００℃にすると、半導体用多結晶シリコンの製造に好適である。
原料ガスの予熱温度が４００℃を超える温度となると、予熱器等の金属材料から不純物が原料ガスに混入し、製造される多結晶シリコンの不純物濃度が増加する。したがって、半導体用途に適した多結晶シリコンを製造するためには加熱温度は２００〜４００℃がよい。一方で原料ガスを４００〜６００℃に加熱した多結晶シリコンであっても、太陽電池用途などに利用することが可能である。
【００１５】
このように原料ガスを予熱する場合、前記反応炉から排出される排ガスと原料ガスとを熱交換させることにより原料ガスを予熱すると効率的である。
さらに、本発明の製造方法は、前記反応炉として、最外周位置のロッドと反応炉の内壁面との間に原料ガス供給用の噴出ノズルを有しないものを使用するとよい。
最外周位置のロッドは反応炉の内壁に直接対向しているため、その面から輻射により反応炉の内壁に伝わる熱量が多く溶断を起こし易い。原料ガス供給用の噴出ノズルをその面側に有しない構造とすれば、それらのロッドからガスへの対流伝熱についてはこれを抑えることにより、溶断を起こし難くすることができる。
【００１６】
そして、以上の製造方法によって製造された多結晶シリコンは、高い成長速度と収率を維持しながら、１００ｍｍ以上の径とすることができる。
【００１７】
また、本発明の多結晶シリコンの製造装置は、反応炉と、反応炉内に設置されシリコン芯棒に通電する複数の電極と、反応炉内にクロロシラン類を含む原料ガスを供給する噴出ノズルと、反応後のガスを反応炉から排出するガス排出口とを備え、前記シリコン芯棒に通電してシリコン芯棒を発熱させ、該シリコン芯棒に前記原料ガスを供給することにより、シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造装置において、前記ロッドの表面の温度を測定する温度計と、前記ロッドの径を測定するロッド径算出器と、前記反応炉の圧力を制御するとともに、前記原料ガスの供給量及び前記電極から前記シリコン芯棒に通電する電流を前記温度計で測定した温度及び前記ロッド径算出器で測定したロッド径を用いて制御する制御手段を有し、前記制御手段は、前記反応炉内の圧力を０．４〜０．９ＭＰａとし、前記シリコン芯棒への電流を漸次増大させて前記ロッドの表面温度を所定の範囲に維持すると共に、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達するまで単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内に維持しながら原料ガスを供給する前半工程と、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達した後、ロッド径に応じて予め定めておいた電流値に設定するとともに前記単位表面積当たりの原料ガス供給量を低下させることで、前記ロッドの表面温度と中心温度を所定範囲に維持する後半工程とを行うようにプログラムされていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、プロセスの前半工程では従来よりも高圧状態と原料ガスの大量供給とにより、ロッドを短時間で成長させ、プロセスの後半工程では、ロッドの中心温度をモニターしながらロッドの表面温度と中心温度を所定の範囲に維持するよう電流と原料ガスの供給量とを制御しているから、ロッドの溶断を防止しつつ、クロロシラン類供給量当たりのシリコン生成量を高く確保した状態で大径の多結晶シリコンロッドを最短の時間で製造することができる。
また、プロセス前半で大量に原料ガスが供給されるので、四角形断面のシリコン芯棒を丸棒状で表面形状が滑らかなロッドに成長させることができ、半導体用に適した多結晶シリコンを製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態の多結晶シリコン製造方法に用いられる製造装置を示す反応炉を断面にした構成図である。
【図２】本発明の製造方法におけるプロセス中の制御内容の変化を示すグラフであり、（ａ）がシリコン芯棒への電流値Ｉ、ロッド単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆ、（ｂ）がロッドの中心温度Ｔｃ及び表面温度Ｔｓについてのロッド径ＲＤに対する変化をそれぞれ示している。
【図３】本発明の製造方法の前半工程における制御の例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の製造方法の後半工程における制御の例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の製造方法におけるプロセス後半におけるロッド径ＲＤと電流値Ｉとの関係を示すグラフである。
【図６】ロッドの熱バランスを説明するために示した模式図である。
【図７】本発明の他の実施形態の多結晶シリコン製造方法に用いられる製造装置を示す図１同様の構成図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態の多結晶シリコン製造方法に用いられる製造装置を示す図１同様の構成図である。
【図９】本発明の実施例Ｅ１〜Ｅ６の製造方法における制御内容の変化を示すグラフであり、（ａ）が単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆ、（ｂ）が電流値Ｉ、（ｃ）がロッド表面温度Ｔｓ及び中心温度Ｔｃについてのロッド径ＲＤに対する変化をそれぞれ示している（以下、図１０〜図１５において同じ）。
【図１０】比較例として電流値及びクロロシラン類供給量の調整をしなかった場合の制御内容の変化を示すグラフである。
【図１１】比較例として電流値のみを調整した場合の制御内容の変化を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例Ｅ７〜Ｅ９の製造方法における制御内容の変化を示すグラフである。
【図１３】実施例Ｅ９に対して、電流値及びクロロシラン類供給量の調整をしなかった比較例Ｃ１３、電流値のみを調整した比較例Ｅ１４の制御内容の変化を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施例Ｅ１０，Ｅ１１の製造方法における制御内容の変化を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施例Ｅ１２，Ｅ１３の製造方法における制御内容の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の多結晶シリコンの製造方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の製造方法において用いられる多結晶シリコン製造装置の全体図であり、この多結晶シリコン製造装置は反応炉を有している。この反応炉１は、炉底を構成する基台２と、この基台２上に取り付けられた釣鐘形状のベルジャ３とを具備している。
基台２上には、図１に示すように、シリコン芯棒４が取り付けられる複数の電極５と、クロロシラン類と水素ガスとを含む原料ガスを炉内に噴出するための噴出ノズル６と、反応後のガスを炉外に排出するためのガス排出口７とがそれぞれ複数設けられている。
【００２１】
各電極５は、ほぼ円柱状に形成されたカーボンからなり、基台２上に一定の間隔をおいてほぼ同心円状に配置されているとともに、それぞれ基台２に垂直に立設されており、反応炉１の外部の電源装置８に接続されている。この電源装置８には電流制御装置３０が備えられており、シリコン芯棒４へ通電する電流量を調整することができるようになっている。また、各電極５の上端部には、その軸心に沿って孔（図示略）が形成され、その孔内に、シリコン芯棒４の下端部が挿入状態に取り付けられている。
また、シリコン芯棒４は、下端部が電極５内に差し込まれた状態に固定されることにより、上方に延びて立設されており、このシリコン芯棒４と同じシリコンによって形成された連結部材（図示略）によって各シリコン芯棒４の上端部が二本ずつを対として連結され、全体として逆Ｕ字状又はΠ字状となるように組み立てられている。
【００２２】
また、原料ガスの噴出ノズル６は、各シリコン芯棒４に対して均一に原料ガスを供給することができるように、反応炉１の基台２の上面のほぼ全域に分散して適宜の間隔をあけながら複数設置されている。これら噴出ノズル６は、反応炉１の外部の原料ガス供給源９に接続され、この原料ガス供給源９には原料ガス調整器１０が備えられ、この原料ガス調整器１０によって噴出ノズル６からの原料ガス供給量及び圧力を調整できるようになっている。また、ガス排出口７は、基台２の外周部付近の上に適宜の間隔をあけて複数設置され、排ガス処理系１１に接続されている。
【００２３】
なお、反応炉１の中心部には加熱装置として、基台２上の電極５に、逆Ｕ字状又はΠ字状に組み立てられて立設されたカーボン製のヒータ１５が設けられている。このヒータ１５は、シリコン芯棒４とほぼ同じ高さとされ、運転初期の段階で中心部付近のシリコン芯棒４を輻射熱で加熱するようになっている。
また、反応炉１には、そのベルジャ３の壁に覗き窓１６が設けられており、外部から放射温度計（温度計）１７によって内部のロッドの表面温度を測定できるようになっている。
なお、反応炉１の基台２及びベルジャ３は二重壁状に構築されており、内部の空間部２ａ，３ａに冷却材が流通し得るようになっている。図１中の符号１８は冷却材供給管、符号１９は冷却材排出管を示している。
また、原料ガス調整器１０によって調整された原料ガス供給量及び排ガス量から後述するようにシリコン芯棒４に析出したロッドの径を算出するロッド径算出器４０が設けられている。そして、原料ガス調整器１０が反応炉１内の圧力を制御しつつ、この原料ガス調整器１０及び電流制御装置３０は、ロッド径算出器４０の算出結果及び放射温度計１７の測定結果をもとに原料ガス供給量及び電極５からの電流量を制御して、後述する前半工程及び後半工程を行うようにプログラムされており、これら原料ガス調整器１０及び電流制御装置３０によって制御手段５０が構成される。
【００２４】
このように構成した多結晶シリコン製造装置を使用して、多結晶シリコンを製造する方法について説明する。
まず、反応炉１の中心に配置されているヒータ１５及び各シリコン芯棒４に接続されている電極５にそれぞれ通電して、これらヒータ１５及びシリコン芯棒４を発熱させる。このとき、ヒータ１５はカーボン製であるためシリコン芯棒４よりも先に発熱して温度上昇し、このヒータ１５の輻射熱によって近傍のシリコン芯棒４が通電可能となる状態までに温度上昇すると、シリコン芯棒４も自身の電極５からの通電によって抵抗発熱状態となり、その熱が反応炉１の半径方向等に次々に伝達して、最終的に反応炉１内の全てのシリコン芯棒４が通電して発熱状態となる。これらシリコン芯棒４が原料ガスの分解温度にまで上昇することにより、噴出ノズル６から噴出した原料ガスがシリコン芯棒４の表面上で多結晶シリコンを析出し、これが径方向に成長して図１の鎖線で示すようにシリコンのロッドＲとなる。多結晶シリコンの析出に供された後の排ガスは、反応炉１の内底部のガス排出口７から排ガス処理系１１に送られる。
【００２５】
この多結晶シリコンの製造プロセスの中で、シリコン芯棒４に通電される電流値、原料ガス中のクロロシラン類の供給量等が制御されるが、プロセスの前半と後半とで分けて制御される。図２（ａ）は、製造プロセス中の電流値ＩとロッドＲの単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆの変化を示しており、図２（ｂ）は、ロッドＲの中心温度Ｔｃと表面温度Ｔｓの変化を示している。プロセスの前半をＡ領域とし、後半をＢ領域とする。以下、このプロセスの前半と後半に分けて、図２を参照しながら制御内容の詳細を説明する。ここで、クロロシラン類は、トリクロロシランが主成分であるが、モノクロロロシラン、ジクロロシラン、四塩化珪素、ポリマー(例えばＳｉ２Ｃｌ６)等を含むものとしてもよい。
【００２６】
＜プロセスの前半工程＞
多結晶シリコンをロッドの表面全体に均等に析出させるため、図２（ａ）のＡ領域で示すように、ロッドの単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆは２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内となるように維持される。これは従来の常圧タイプの反応炉での供給量より多い量である。このため、ロッドＲの径（以下ロッド径という）ＲＤが増大するにしたがって、ロッドＲの周辺に供給される原料ガスの供給量は増加する。反応炉１内の圧力としては、０．４〜０．９ＭＰａ（絶対圧）とされる。この圧力が低過ぎると、プロセス全体にわたり収率が低下してしまう。さらに圧損を考慮するとガスを大量に流すため配管径が大きくなり、反応炉の炉下や基台の構造が複雑になってしまう。また、圧力の上限は、反応炉１の耐圧強度上決められる。
また、この原料ガスの供給量の調整とともに、ロッドＲの表面温度Ｔｓを１０００〜１１００℃の範囲内に維持するように電流値Ｉを調整する。表面温度Ｔｓを高くすると、多結晶シリコンの成長速度を早めることができる。しかし、ロッド径ＲＤの増大に伴って電流値Ｉは増加する。このため、ロッドＲの中心温度Ｔｃは図２（ｂ）のＡ領域に示すようにロッド径ＲＤの増大にしたがって上昇する。この中心温度Ｔｃがシリコンの融点に達しないうちは、原料ガスの大量供給、高圧での製造が可能である。そこで、ロッドＲの中心温度Ｔｃをモニターし、それがシリコンの融点未満の１２００〜１３００℃になるまでは、同様の方法で原料ガス供給量（クロロシラン類供給量Ｆ）と電流値Ｉとを調整する。
【００２７】
なお、このロッドＲの中心温度Ｔｃは、ロッドＲの表面温度Ｔｓ、ロッド径ＲＤ、電流値Ｉ、シリコンの物性値（比抵抗、熱伝導度）を基にして図３に示すフローチャートにしたがって算出される。以下のＳ１〜Ｓ６は図３中の各ステップと対応する。
ロッドＲの表面温度Ｔｓは、反応炉１の覗き窓１６から放射温度計１７で測定する（Ｓ１）。そして、シリコン芯棒４に通電する電流値Ｉを制御することにより、ロッドＲの表面温度Ｔｓを１０００〜１１００℃に維持する（Ｓ２）。
一方、ロッド径算出器４０では、反応炉１からの排ガスをガスクロマトグラフ等で組成分析し、クロロシラン類の供給積算量との関係から、生成されたシリコンの重量を求め、その重量からロッド径ＲＤを算出する（Ｓ３）。そして、そのロッド径ＲＤ及びロッドＲの長さからロッドＲの表面積を求める（Ｓ４）。このロッドＲの表面積と、前述した単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆを基に原料ガスの供給量を求める（Ｓ５）。
【００２８】
そして、これらロッドＲの表面温度Ｔｓ、ロッド径ＲＤ、電流値Ｉ、シリコンの物性値（比抵抗、熱伝導度）を基にして、ロッド内での電流による抵抗発熱量とロッド内での熱伝導（円管の熱伝導）を考慮して、ロッド内の温度分布を算出し、ロッドＲの中心温度Ｔｃを求める（Ｓ６）。この場合、シリコンの物性値である比抵抗、熱伝導度は、温度依存性を有するものであり、一般に知られた数値を用いればよいが、予め温度との関係を調べておいてもよい。
上述の方法により求められるロッドＲの中心温度Ｔｃは、表面温度が測定されたロッドとそれにつながる連結部材、ならびにその連結部材と連結している他方のロッドの平均中心温度である。
シリコンロッドの溶断は、例えばシリコンロッドと連結部との連結点のような部位において、局所的に温度が上がりその中心部での温度が融点以上になることで起こる。そこで、上述の方法で求められたロッドの平均中心温度Ｔｃを用いて、ロッドの溶断する温度を監視・制御することで溶断を防ぐ。この場合、連結部位の温度は、平均中心温度Ｔｃよりも高い温度になっている。つまり、この平均中心温度Ｔｃをシリコンの融点１４１０℃よりも低い温度に管理することで溶断を防ぐことができる。溶断を防ぐためには、接合部の接合度合い、シリコン芯棒の形状、使用しているシリコン芯棒の長さなどにより異なるが、１２００〜１３００℃の範囲であるとよい。
このようにしてロッドＲの平均中心温度Ｔｃを算出し、これをモニターしながら、その平均中心温度Ｔｃが１２００〜１３００℃に達するまでは、上記のようにして電流値Ｉと原料ガス供給量（クロロシラン類供給量Ｆ）とを制御し、その温度範囲内にロッドＲの平均中心温度Ｔｃが達した段階からは、次のように制御する。
【００２９】
＜プロセスの後半工程＞
このプロセスの後半の制御内容は図４のフローチャートにまとめた。
プロセスの前半の場合と同様に、反応炉１の排ガスのガスクロマトグラフ等の分析により、ロッド径ＲＤを算出する（Ｓ７）。そして、このロッド径ＲＤに応じて、予め求めておいた電流値Ｉを設定する（Ｓ８）。この電流値Ｉは、維持すべきロッドＲの表面温度Ｔｓ、ロッドＲの平均中心温度Ｔｃ、シリコンの物性値（比抵抗、熱伝導度）から、各ロッド径ＲＤに応じて求められる。例えば、ロッドＲの平均中心温度Ｔｃを１２５０℃、ロッドＲの表面温度Ｔｓを１１００℃にする場合には、各ロッド径ＲＤ（ｍｍ）に応じて図５に示すような電流値Ｉ（Ａ）とする。
また、ロッドＲの表面温度Ｔｓを測定しながら（Ｓ９）、表面温度Ｔｓが１０００〜１１００℃になるように原料ガスの供給量（クロロシラン類供給量Ｆ）を調整する（Ｓ１０）。このとき、ロッドＲの単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆは、図２（ａ）の領域Ｂに示すように、ロッド径ＲＤの増大に伴って減少する。また、この領域Ｂに示すようにロッドＲの表面温度Ｔｓ及び平均中心温度Ｔｃは所定範囲内に維持される。
【００３０】
以上のようにして、ロッドの表面温度と平均中心温度が所望の範囲となるように、原料ガスの供給量と電流値とを制御するのであるが、後半においては、電流値は、ロッドの平均中心温度が溶断温度までに上昇しないようにロッドの径に対して予め決めておいた値を使用し、その電流値とロッドの表面温度に応じた供給量の原料ガスを供給するのである。
そして、このような制御とすることにより、ロッドの平均中心温度を所定範囲内に抑えて溶断を防ぎつつ、表面温度を所定範囲に維持することにより、大径で表面形状も滑らかなロッドを高い収率で製造することができる。
【００３１】
なお、このような原料ガスの供給量（クロロシラン類の供給量Ｆ）及び電流値Ｉを制御することにより、ロッドの表面温度Ｔｓ及び平均中心温度Ｔｃを制御できるのは、次のような理論に基づく、
シリコンのロッドの熱バランスを考えると、図６に模式化して示したように、ロッドＲに電流を流すことによる抵抗発熱量Ｑ１、ロッド表面からの輻射により反応炉の壁（ベルジャ）３へ逃げる熱量Ｑ２、ロッド表面からガスへ対流伝熱で逃げる熱量Ｑ３を考慮する必要があり、これら熱量について、
Ｑ１＝Ｑ２＋Ｑ３ （式１）
の関係が成り立つ必要がある。
【００３２】
また、各熱量はそれぞれ以下の変数で決められる。
Ｑ１＝ｆ（Ｔｓ,Ｔｃ,Ｉ,Ｖ,ＲＤ）
Ｑ２＝ｆ（Ｔｓ,ＲＤ）
Ｑ３＝ｆ（Ｆ,Ａｓ,Ｔｓ）
ここで、Ｔｓ：ロッド表面温度、Ｔｃ：ロッド平均中心温度、Ｉ：電流、Ｖ：電圧、ＲＤ：ロッド径、Ｆ：クロロシラン類供給流量、Ａｓ：ロッド表面積とする。また、ロッドの本数と長さは一定とする。
【００３３】
抵抗発熱量Ｑ１について、Ｑ１＝ｆ（Ｔｓ,Ｔｃ,Ｉ,Ｖ,ＲＤ）の内、表面温度Ｔｓ、ロッド径ＲＤ、その他の平均中心温度Ｔｃ、電流値Ｉ、電圧Ｖのいずれか一つが決まれば、Ｑ１と残った変数の値は決まる。例えば、あるＲＤの状態において、Ｔｓ＝１１００℃の状態に維持したいとして、
（１）Ｔｃ＝１２５０℃としたい場合は、Ｑ１と流すべき電流Ｉとその時の電圧Ｖが決まる。
（２）Ｉ＝３０００Ａとした場合は、Ｔｃ、Ｖ、Ｑ１が決まる。
上記の状態を実際に実現するには（式１）の熱バランスからＱ２とＱ３の合計値がＱ１の熱量と等しくならなくてはならない。
ここで、プロセスの後半で、（１）の条件のように表面温度Ｔｓと平均中心温度Ｔｃを維持したいとする。（１）の条件では、Ｔｓ＝１１００℃、Ｔｃ＝１２５０℃としようとしている。この時に流すべき電流値Ｉとロッドの発熱量Ｑ１の値は一義的に求まる。
また、表面温度Ｔｓとロッド径ＲＤが決まっているので、壁へ逃げる熱量Ｑ２の値は自ずと決まる。対流伝熱で逃げる熱量Ｑ３については、ロッド表面積Ａｓとロッド表面温度Ｔｓが決まっているので、調整可能なのはクロロシラン類供給流量Ｆである。以上のことから、流すべき電流値Ｉを流した状態で、流量Ｆを調整すれば、Ｑ２とＱ３の合計値がＱ１と等しくなる条件で、（１）の表面温度Ｔｓと平均中心温度Ｔｃを維持することができるのである。
【００３４】
図７は本発明の多結晶シリコン製造装置の他の実施形態を示している。この図７に示す多結晶シリコン製造装置は、原料ガスを反応炉１内に供給する前に加熱する予熱器２１が設置されている。
この実施形態の多結晶シリコン製造装置のように、反応炉１に供給される原料ガスを予め加熱しておくことにより、ロッドからガスへの熱損失を減少させ、より高速でロッドを成長させることができる。予熱温度としては２００〜６００℃とすることができる。
なお、図８に示すさらに他の実施形態のように、予熱器２２として、反応炉１に供給される原料ガスと、反応炉１内から排出される高温の排ガスとを熱交換させる構成としてもよい。
これら図７及び図８において、図１と共通部分には同一符号を付して説明は省略する。
【実施例】
【００３５】
次に、具体的な実施例について説明する。
以下の例では、トリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるように水素（Ｈ２）と混合して反応炉へ供給した。そして、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量、圧力を表１及び表２に示すように設定し、ロッド表面温度Ｔｓは１１００℃となるように電流値を調整した。表１が実施例、表２が比較例を示している。なお、原料ガスの供給温度は１００℃とし、反応炉の内壁面温度は２００℃とした。
【００３６】
そして、比較例については、図１０に示すように、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆは一定とし、ロッド径ＲＤの増加に伴って電流値Ｉを図１０（ｂ）に示すように増大させることにより、図１０（ｃ）に示すようにロッドの平均中心温度Ｔｃが変化した。平均中心温度Ｔｃの増加に伴う電流値及びガス流量の調整は行っていない。
この図１０に示すように、比較例においては、ロッド径ＲＤが１００ｍｍに達する前に溶断が発生し、それ以上ロッドを成長させることはできなかった（図１０中×印が溶断を示す）。表２に示した最終ロッド径は、溶断が生じた時点でのロッド径である。また、溶断が発生した時点のロッド平均中心温度は１２５５〜１２６５℃であった。
【００３７】
これに対して、実施例では、図９に示すように、ロッドの平均中心温度Ｔｃが１２５０℃に達した時点から、ロッド表面温度Ｔｓを１１００℃、平均中心温度Ｔｃを１２５０℃に維持するように、クロロシラン類供給量Ｆと水素供給量と電流値Ｉとを調整してロッドを成長させた。水素供給量は図示しないが、Ｈ２／クロロシラン類のモル比８がほぼ変わらないように調整した。いずれの実施例においても、ロッド径が１２５ｍｍを超えた時点で成長反応を終了した。また、反応終了直前の単位表面積当たりのクロロシラン供給量及び水素供給量は、プロセスの前半工程から後半工程へ切り替わる時点の単位面積当たりのクロロシラン供給量及び水素供給量の２分の１〜３分の１程度になっていた。
なお、表１において、収率とは、シリコン生成量と供給したクロロシラン類の量の比率（ｍｏｌ％）である。また、単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量は成長速度を示す値である。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】
以上の結果からわかるように、比較例の場合は、ロッド径が１００ｍｍに達する前に、ロッドの平均中心温度が上昇して溶断が生じたが、ロッドの平均中心温度が１２５０℃に達した後にクロロシラン類供給量Ｆと電流値Ｉとを調整した実施例においては、いずれの場合もロッド径は１００ｍｍ以上に成長させることができた。
【００４１】
次に、プロセス後半でのクロロシラン類供給量Ｆ及び電流値Ｉの調整効果を検証するために、以下の検討を行った。すなわち、表１及び表２の場合と同様、トリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるようにＨ２と混合して反応炉へ供給し、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量、圧力を表２の場合と同様に設定し、プロセスの前半ではロッド表面温度Ｔｓが１１００℃となるように電流値を調整した。そして、図１１に示すように、ロッドの平均中心温度Ｔｃが１２５０℃に達した時点から、平均中心温度Ｔｃが１２５０℃を超えないように電流値Ｉのみを調整した。そして、表１の実施例の場合と同様に、ロッド径が１２５ｍｍを超えた時点で成長反応を終了させた。最終ロッド径と収率、単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量を調べたところ、表３に示す通りであった。なお、原料ガスの供給温度は１００℃とし、反応炉の内壁面温度は２００℃とした。
【００４２】
【表３】
【００４３】
この表３に示す通り、ロッド径については１００ｍｍ以上に成長させることができたが、収率が５〜９ｍｏｌ％、単位時間単位クロロシラン類当たりのＳｉ生成量が比較例Ｃ１１を除いて１．４〜２．７×１０−４［ｇ（Ｓｉ）／ｇ（クロロシラン類）／ｈｒ］と、表１の実施例と比べて悪化している。これは、ロッドの平均中心温度を１２５０℃に維持するために電流のみを調整したことでロッドの表面温度が低下したためである。比較例Ｃ１１については、単位時間単位クロロシラン類当たりのＳｉ生成量は実施例Ｅ１と同じであるが、収率が低くなっている。したがって、収率、成長速度のいずれをも高めるためには、電流値とクロロシラン類供給量（あるいは原料ガス供給量）との両方を調整することが有効である。
【００４４】
次に、実施例Ｅ７，Ｅ８の実験を行った。
実施例Ｅ７，Ｅ８とも、他の例と同様にトリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシランを含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるようにＨ２と混合して反応炉へ供給した。ロッドの表面温度を１１００℃、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を３．１×１０-7ｍｏｌ/ｓｅｃ/ｍｍ２とし、Ｅ７については圧力を０．９ＭＰａ、Ｅ８については圧力を０．６ＭＰａとなるように実施した。またロッドの平均中心温度Ｔｃは、Ｅ７が１２００℃、Ｅ８が１３００℃に達した後にクロロシラン類及び水素のガス供給量と電流値を調整することで、プロセス後半工程においては、ロッド表面温度Ｔｓを１１００℃、平均中心温度ＴｃをそれぞれＥ７１２００℃、Ｅ８で１３００℃に維持した。この場合、Ｅ８については、シリコン芯棒と連結棒との連結部分が１４１０℃近くまで温度が上昇しないように適切な手段（例えば溶接）を施した。
実施例Ｅ７，Ｅ８の結果を表４に示した。また、シリコンロッド径に対する単位表面積当たりのクロロシラン類供給量、電流値、ロッドの表面温度Ｔｓ、ロッドの平均中心温度Ｔｃを図１２に示した。水素供給量は図示しないが、Ｈ２／クロロシラン類のモル比８が変わらないように調整した。
【００４５】
【表４】
【００４６】
表４に示すように、ロッド径を１００ｍｍ以上に成長させることが出来、比較例Ｃ７〜Ｃ１２と比べて高い収率でシリコンを成長させることができた。実施例Ｅ７については同じ単位表面積あたりのクロロシラン類供給量、圧力である比較例Ｃ１２と比べて高い収率、単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量でシリコンを成長させることができた。
【００４７】
また、Ｅ８に対する比較例として、電流値及びガス流量の調整をしない比較例Ｃ１３と、プロセス後半においてロッドの中心温度が１３００℃を超えないように電流値のみを調整した比較例Ｃ１４との実験も行った。他の例と同様にトリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシランを含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるようにＨ２と混合して反応炉へ供給した。ロッドの表面温度を１１００℃、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を３．１×１０-7ｍｏｌ/ｓｅｃ/ｍｍ２とし、圧力を０．６ＭＰａとなるように実施した。Ｃ１３、Ｃ１４とも、実施例Ｅ９の場合と同様に、シリコン芯棒と連結棒との連結部分が１４１０℃近くまで温度が上昇しないように適切な手段（例えば溶接）を施した。
結果を比較例Ｃ１３については表５に、比較例Ｃ１４については表６に示した。
また、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆ、電流値Ｉ、ロッド表面温度Ｔｓ及び中心温度Ｔｃについてのロッド径ＲＤに対する変化を図１３に示した。この図１３には、比較のため先の実施例Ｅ８の場合も重ねて表示した。
【００４８】
【表５】
【００４９】
【表６】
【００５０】
比較例Ｃ１３ではロッド径を１００ｍｍ以上に成長させることができず、ロッド径８５ｍｍで溶断が生じた。溶断温度は１３２２℃であった。電流値を調整した比較例Ｃ１４では、ロッド径を１００ｍｍ以上に成長させることはできたが、単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量、収率とも、実施例Ｅ９より劣る結果であった。
【００５１】
次に、反応炉の二重壁の内部空間に流通される冷却材の温度と流量調整を行うことで、反応炉の内壁の温度を２５０℃、３００℃、４００℃に維持して実施例Ｅ９、Ｅ１０、Ｅ１１の実験を行った。他の例と同様にトリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシランを含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるようにＨ２と混合して反応炉へ供給した。ロッドの表面温度を１１００℃、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を３．１×１０-7ｍｏｌ/ｓｅｃ/ｍｍ２とし、圧力を０．６ＭＰａとなるように実施した。
またロッドの平均中心温度Ｔｃが１２５０℃に達した後にクロロシラン類及び水素のガス供給量と電流値を調整することで、プロセス後半工程においては、ロッド表面温度Ｔｓを１１００℃、平均中心温度Ｔｃを１２５０℃に維持した。なお、原料ガスの供給温度は１００℃とした。
結果を表７に示す。また、シリコンロッド径に対する単位表面積当たりのクロロシラン類供給量、電流値、ロッドの表面温度Ｔｓ、ロッドの平均中心温度Ｔｃを図１４に示した。水素供給量は図示しないが、Ｈ２／クロロシラン類のモル比８が変わらないように調整した。
【００５２】
【表７】
【００５３】
表７に示すように、ロッド径を１００ｍｍ以上に成長させることが出来、Ｃ７〜Ｃ１２の比較例に比べ高い収率でシリコンを成長させることができた。
また、反応炉の壁の温度制御を２５０、３００、４００℃としたことで、ロッドからの輻射と対流による熱損失が減少したことで前半工程を長くすることができた。そのため、同じ圧力、ガス条件で反応炉の内壁面温度が２００℃であるＥ４に比べて、高い単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量でシリコンを成長させることができた。
このように反応炉の壁の温度制御をする場合、ロッドからの輻射と対流を抑えるために、反応炉の内壁面の平均温度を２５０〜４００℃に維持するとよい。高温になり過ぎると、壁の構成材から不純物が内部雰囲気に混入する可能性があるので、上限としては４００℃が好ましい。
【００５４】
さらに、図８に示す多結晶シリコン装置を用いて実施例Ｅ１２を実施した。この図８に示す装置では、排ガスとの熱交換によって原料ガスを加熱する予熱器２２が設けられている。
また、図７に示す多結晶シリコン製造装置を用いて実施例Ｅ１３、Ｅ１４の実験を行った。この図７に示す装置では、予熱器２１が、排ガスの熱を利用するのではなく、原料ガス加熱のための熱源を有している。
実施例Ｅ１２〜Ｅ１４においては、他の例と同様にトリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシランを含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるようにＨ２と混合して反応炉へ供給した。図８に示す排ガスとの熱交換による予熱器２２を経由した後の原料ガス温度を２００℃とした場合をＥ１２、図７に示す予熱器２１を経由した後の原料ガス温度を４００℃、６００℃にした場合をぞれぞれＥ１３、Ｅ１４とした。いずれも、ロッドの表面温度１１００℃、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を３．１×１０-7ｍｏｌ/ｓｅｃ/ｍｍ２、圧力を０．６ＭＰａとなるように実施した。またロッドの平均中心温度Ｔｃが１２５０℃に達した後にクロロシラン類及び水素のガス供給量と電流値を調整することで、ロッドの表面温度Ｔｓを１１００℃、平均中心温度Ｔｃを１２５０℃に維持した。なお、反応炉の内壁面温度は２００℃とした。
実施例Ｅ１２〜Ｅ１４の結果を表８に示した。また、シリコンロッド径に対する単位表面積当たりのクロロシラン類供給量、電流値、ロッドの表面温度Ｔｓ、ロッドの平均中心温度Ｔｃを図１５に示した。
【００５５】
【表８】
【００５６】
表８に示すように、ロッド径を１００ｍｍ以上に成長させることができ、比較例と比べて高い収率でシリコンを成長させることができた。
また、炉内に供給される原料ガスの温度を予め加熱したことで、ロッドからガスへの熱損失が減少し前半工程を長く維持することができた。そのため、単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量は同じ圧力、ガス条件で原料ガス供給温度が１００℃である実施例Ｅ４が３．４×１０−４ｇ（Ｓｉ）／ｇ（クロロシラン類）／ｈｒであったのに対し、２００℃に加熱した実施例Ｅ１２及び４００℃に加熱した実施例Ｅ１３では３．５×１０−４ｇ（Ｓｉ）／ｇ（クロロシラン類）／ｈｒ、６００℃に加熱した実施例Ｅ１４では３．６×１０−４ｇ（Ｓｉ）／ｇ（クロロシラン類）／ｈｒと改善し、より高速にロッドを成長させることができた。製造されたロッドの純度を調べたところ、Ｅ１２及びＥ１３については半導体用シリコンに適していたが、Ｅ１４はそれらより純度が低く、半導体用としては適さない純度であった。
【００５７】
このように、原料ガスを予熱する場合、２００〜６００℃に予熱すると、ロッドから雰囲気ガスへの熱損失を効果的に減少させることができる。
【００５８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態ではロッド径をガスクロマトグラフィー等の分析結果から求めるようにしたが、覗き窓から直接ロッド径を測定するようにしてもよい。その場合、ロッドが重なり合って、中心部に配置されるロッドを確認できない場合は、最外周位置に配置されているロッドの径で代表してもよい。
また、特開２００１−１４６４９９号公報に開示の方法も適用可能である。
また、同一条件のバッチ処理を繰り返す場合は、図３と図４に示したフローチャートにしたがってＳ１〜Ｓ１０の各ステップを実施して電流と原料ガス供給量の調整パターンをレシピとして決定し、その後は、そのレシピを用いて処理することができる。その場合、レシピを決定した後はロッド表面温度の測定等が不要になる。
【００５９】
また、反応炉としては、前述したようにシリコン芯棒を保持する電極がほぼ同心状に配置されるが、その最外周位置の電極と反応炉の壁との間に、原料ガス供給用の噴出ノズルを有しない形態とすると、最外周位置のロッドから雰囲気ガスへの対流伝熱が抑えられるのでよい。最外周位置のロッドは反応炉の内壁に直接対向しているため、その内壁面からの輻射により逃げる熱量が多い。最外周位置のロッドの温度を所定温度に維持するには、電流量を多くする必要があり、溶断を起こし易い。原料ガス供給用の噴出ノズルがその面側に有しない構造とすれば、それらのロッドからガスへの対流伝熱についてはこれを抑えることにより、溶断を起こし難くすることができる。
また、原料ガスは水素とクロロシランとを含む。この原料ガスとしては、Ｈ２／クロロシラン類のモル比を８としたが、これに限定されるものではなく、気相中でシリコンが析出してしまわないように、またロッドを速やかに成長させるために、例えばモル比を５〜１０とするとよい。
後半工程で、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を調整する場合、実施例のように単位表面積当たりの水素の量も調整し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比をあまり変化させないことが好ましい。すなわち、後半工程で単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を調整する場合は、単位面積当たりの原料ガスの総量を調整する。さらに、モル比は多結晶シリコンの製造プロセス中に変更してもよい。したがって、ロッド表面温度及び中心温度を所定の範囲に維持しながら、ロッドを成長させることができる。
また、原料ガスにＳｉＨ４やＳｉ２Ｈ６等を含んでいてもよく、シーメンス法以外にも、ＳｉＨ４を主成分とするアシミ（ＡＳｉＭｉ）法による多結晶シリコン製造方法にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１ 反応炉
２ 基台
２ａ 空間部
３ ベルジャ
３ａ 空間部
４ シリコン芯棒
５ 電極
６ 噴出ノズル
７ ガス排出口
８ 電源装置
９ 原料ガス供給源
１０ 原料ガス調整器
１１ 排ガス処理系
１５ ヒータ
１６ 覗き窓
１７ 放射温度計
１８ 冷却材供給管
１９ 冷却材排出管
２１ 予熱器
２２ 予熱器
３０ 電流制御装置
４０ ロッド径算出器
５０ 制御手段
Ｒ ロッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコンの製造方法、多結晶シリコンの製造装置及びその製造方法によって製造された多結晶シリコンに関する。
【背景技術】
【０００２】
多結晶シリコンの製造方法としては、シーメンス法による製造方法が知られている。この多結晶シリコンの製造方法では、反応炉内に種棒となるシリコン芯棒を多数立設して通電加熱しておき、この反応炉にクロロシランガスと水素ガスとを含む原料ガスを供給して、加熱したシリコン芯棒に接触させ、その表面に原料ガスの熱分解もしくは水素還元によって多結晶シリコンを析出させ、ロッド状に成長させる方法である。この場合、シリコン芯棒は２本ずつ組み合わせられ、その上端部が同じシリコン製の連結棒により連結状態とされることにより、逆Ｕ字状又はΠ字状に構築される。
このような多結晶シリコンの製造方法において、シリコンの成長速度を速める方法のひとつに原料供給量を増加させる方法がある。
【０００３】
特許文献１によると、原料ガスの供給量が少ないと多結晶シリコンの析出が不十分になると記載されており、原料ガスの供給を十分に行うことでシリコンの成長速度を高められる。なお、特許文献１では、ロッドの単位表面積当たりの原料ガス供給量を３．５×１０−４〜９．０×１０−４ｍｏｌ／ｃｍ２ｍｉｎの範囲に管理することが記載されている。
一方、原料ガスを過剰に供給すると、多結晶シリコンの析出反応に寄与する原料ガスの割合が減少するので、原料あたりの多結晶シリコンの生成量（収率）が低下し好ましくない。
そこで、反応炉の圧力を上げる条件で原料供給量を増加させ、収率の低下を抑えながら、成長速度を増加させることが考えられる。特許文献２には１〜１６バール、好ましくは４〜８バールの圧力でシリコンを製造することが記載されている。また、特許文献３には、シーメンス法ではないが、シリコンの析出を１ミリバール〜１００バール（絶対圧）の圧力で行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１２８４９２号公報
【特許文献２】米国特許第４１７９５３０号明細書
【特許文献３】特表２００７−５２６２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したように、反応炉内部を高圧にしたうえで原料ガスを大量に供給すれば、収率を維持しつつ、シリコンの成長速度を速めることができ、効率よく多結晶シリコンを製造できると考えられる。
この多結晶シリコンにおいて、半導体用の単結晶シリコン製造で使用されるＣＺ（チョクラルスキー法）用リチャージロッドやＦＺ（フローティングゾーン法）用ロッドは、ロッド径が大きい方が効率的に単結晶シリコンを製造することができることから、例えば１００ｍｍ以上の直径を有する多結晶シリコンのロッドが求められている。さらに表面形状が滑らかな多結晶シリコンが良い。
しかしながら、反応炉内部を高圧にしたうえで原料ガスを大量に供給すると、ロッド表面と接するガス流量が増えることでシリコンのロッドからガスへの対流伝熱が大きくなる。このとき、ロッドの表面温度をシリコンロッド成長に適した温度に維持しようとすると、通電電流を大きくする必要があり、通電電流を大きくすることによって、ロッドの中心温度が通常の圧力や流量の場合に比べて大幅に上昇する。このため、ロッドがある程度成長すると、シリコン芯棒と連結棒との連結部分が特に高温となって溶断が起き、ロッドを例えば１００ｍｍ以上に太らせることができないという問題がある。シーメンス法による多結晶シリコンの製造はバッチ式であり、成長後のロッドが細いと生産性が下がってしまう。
【０００６】
この溶断を防ぐためには、通常、シリコン芯棒へ通電する電流を調整することにより、ロッドの表面温度を下げることが行なわれるが、表面温度を下げた場合は、成長速度や収率が減少してしまうため、効率よく多結晶シリコンを成長させることができない。また、中心温度と表面温度の差が大きくなることで、成長終了後にロッドを室温まで冷却する段階で熱応力によりロッドにクラックが発生し易いという不具合もある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、高圧で原料ガスを従来よりも大量に供給する条件で高い成長速度と収率を維持しながら、ロッドの溶断を防ぎつつ、滑らかな表面形状のロッドを大径に成長させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述したように、反応炉内部を高圧にしたうえで原料ガスを大量に供給すると、ガス流量が増えることでロッドからガスへの対流伝熱が大きくなり、ロッドの中心温度が大幅に上昇するため、ロッドに溶断が起き易く、ロッドを例えば１００ｍｍ以上に太らせることができないという問題がある。シリコン芯棒へ通電する電流を調整してロッドの表面温度を下げれば、溶断を防ぎつつロッドを大径に成長させることができるが、この方法では成長速度や収率が損なわれる。そこで、シリコン芯棒への電流と原料ガスの供給量との両方を制御することにより、ロッドの表面温度と中心温度を所定の温度範囲に維持することで、高い成長速度と収率を維持しながら、溶断を防ぎつつ、滑らかな表面形状のロッドをロッド径１００ｍｍ以上に成長させる方法を発明した。
【０００９】
すなわち、本発明の多結晶シリコンの製造方法は、反応炉内のシリコン芯棒に通電してシリコン芯棒を発熱させ、該シリコン芯棒にクロロシラン類を含む原料ガスを供給することにより、シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造方法において、前記反応炉内の圧力が０．４〜０．９ＭＰａであり、前記シリコン芯棒への電流を漸次増大させて前記ロッドの表面温度を所定の範囲に維持すると共に、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達するまで単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内に維持しながら原料ガスを供給する前半工程と、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達した後、ロッド径に応じて予め定めておいた電流値に設定するとともに前記単位表面積当たりの原料ガス供給量を低下させることで、前記ロッドの表面温度と中心温度を所定範囲に維持する後半工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
この製造方法は、反応炉内の圧力が０．４〜０．９ＭＰａで、プロセスの前半では、ロッド径の増大に応じて電流を増加することでロッドの表面温度を所定範囲内に維持し、ロッドの単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を従来よりも大量供給となる２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内に維持する。そして、ロッドの中心温度が融点未満の所定温度に達した後のプロセスの後半では、電流と原料ガス供給量とを制御することで、ロッドの表面温度を所定範囲に維持したままロッドの中心温度の上昇を防止するのである。これにより、プロセスの前半では高圧条件と原料ガスの大量供給によってロッドを短時間で成長させ、プロセスの後半ではロッドの表面温度を所定の範囲に維持することで高い収率を維持しながら、ロッドの中心温度の上昇を抑えることで、溶断を防ぎつつロッドの径を大きくすることができる。
【００１１】
なお、圧力が０．９ＭＰａを超えると、フランジ厚み等が極端に厚くなるなどの耐圧設計上の問題が発生する。一方、圧力が０．４ＭＰａ未満となると、プロセス全体にわたり収率が低下してしまう。また、圧損を考慮するとガスを大量に流すため配管径が大きくなり、反応炉の炉下や基台の構造が複雑になってしまう。
ガス流量については、３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２を超えると前半工程の収率低下が大きくバッチとして収率が低下してしまう。一方、ガス流量が２．０×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２未満になると、シリコンを高速に成長させることができない。また、シリコンロッドの表面に凹凸が形成されるため、滑らかな表面を持つ半導体用単結晶シリコンを製造するのに適した多結晶シリコンを製造することができなくなる。
【００１２】
ここで、シーメンス法では四角形の断面を持ったシリコン芯棒が利用されるが、このシリコン芯棒の断面が成長に伴い丸棒状態になるか否かが最終的に製造されるシリコンロッドの表面状態に大きな影響を及ぼす。丸棒状態にするにはプロセスの前半において原料ガスを十分に供給する必要がある。本発明の多結晶シリコンの製造方法によれば、プロセスの前半工程では原料ガスを大量に供給するので、四角形の断面が十分に丸い断面を持ったシリコンロッドに成長する。プロセス後半工程でガス流量の調整は行われるが、プロセス前半工程において、丸棒状態になるので最終的に製造されるシリコンロッドは表面形状が滑らかであり、半導体用の多結晶シリコンとして適している。
【００１３】
本発明の製造方法において、前記後半工程におけるロッドの中心温度は１２００〜１３００℃の範囲内であるとよい。シリコンの融点未満でできるだけ高い温度に設定するのである。
本発明の製造方法において、前記反応炉の内壁面温度を２５０〜４００℃としてもよい。そうすることでロッド表面から輻射により反応炉の内壁に伝わる熱量を少なくすることができ、前半工程を長く維持することでバッチとしての成長速度を速めることができる。
【００１４】
また、本発明の製造方法において、前記原料ガスを２００〜６００℃に予熱した後に前記反応炉に供給してもよい。そうすることでロッド表面から原料ガスに対流伝熱で逃げる熱量を少なくすることができ、前半工程を長く維持することでバッチとしての成長速度を速めることができる。
この場合、予熱温度を２００〜４００℃にすると、半導体用多結晶シリコンの製造に好適である。
原料ガスの予熱温度が４００℃を超える温度となると、予熱器等の金属材料から不純物が原料ガスに混入し、製造される多結晶シリコンの不純物濃度が増加する。したがって、半導体用途に適した多結晶シリコンを製造するためには加熱温度は２００〜４００℃がよい。一方で原料ガスを４００〜６００℃に加熱した多結晶シリコンであっても、太陽電池用途などに利用することが可能である。
【００１５】
このように原料ガスを予熱する場合、前記反応炉から排出される排ガスと原料ガスとを熱交換させることにより原料ガスを予熱すると効率的である。
さらに、本発明の製造方法は、前記反応炉として、最外周位置のロッドと反応炉の内壁面との間に原料ガス供給用の噴出ノズルを有しないものを使用するとよい。
最外周位置のロッドは反応炉の内壁に直接対向しているため、その面から輻射により反応炉の内壁に伝わる熱量が多く溶断を起こし易い。原料ガス供給用の噴出ノズルをその面側に有しない構造とすれば、それらのロッドからガスへの対流伝熱についてはこれを抑えることにより、溶断を起こし難くすることができる。
【００１６】
そして、以上の製造方法によって製造された多結晶シリコンは、高い成長速度と収率を維持しながら、１００ｍｍ以上の径とすることができる。
【００１７】
また、本発明の多結晶シリコンの製造装置は、反応炉と、反応炉内に設置されシリコン芯棒に通電する複数の電極と、反応炉内にクロロシラン類を含む原料ガスを供給する噴出ノズルと、反応後のガスを反応炉から排出するガス排出口とを備え、前記シリコン芯棒に通電してシリコン芯棒を発熱させ、該シリコン芯棒に前記原料ガスを供給することにより、シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造装置において、前記ロッドの表面の温度を測定する温度計と、前記ロッドの径を測定するロッド径算出器と、前記反応炉の圧力を制御するとともに、前記原料ガスの供給量及び前記電極から前記シリコン芯棒に通電する電流を前記温度計で測定した温度及び前記ロッド径算出器で測定したロッド径を用いて制御する制御手段を有し、前記制御手段は、前記反応炉内の圧力を０．４〜０．９ＭＰａとし、前記シリコン芯棒への電流を漸次増大させて前記ロッドの表面温度を所定の範囲に維持すると共に、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達するまで単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内に維持しながら原料ガスを供給する前半工程と、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達した後、ロッド径に応じて予め定めておいた電流値に設定するとともに前記単位表面積当たりの原料ガス供給量を低下させることで、前記ロッドの表面温度と中心温度を所定範囲に維持する後半工程とを行うようにプログラムされていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、プロセスの前半工程では従来よりも高圧状態と原料ガスの大量供給とにより、ロッドを短時間で成長させ、プロセスの後半工程では、ロッドの中心温度をモニターしながらロッドの表面温度と中心温度を所定の範囲に維持するよう電流と原料ガスの供給量とを制御しているから、ロッドの溶断を防止しつつ、クロロシラン類供給量当たりのシリコン生成量を高く確保した状態で大径の多結晶シリコンロッドを最短の時間で製造することができる。
また、プロセス前半で大量に原料ガスが供給されるので、四角形断面のシリコン芯棒を丸棒状で表面形状が滑らかなロッドに成長させることができ、半導体用に適した多結晶シリコンを製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態の多結晶シリコン製造方法に用いられる製造装置を示す反応炉を断面にした構成図である。
【図２】本発明の製造方法におけるプロセス中の制御内容の変化を示すグラフであり、（ａ）がシリコン芯棒への電流値Ｉ、ロッド単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆ、（ｂ）がロッドの中心温度Ｔｃ及び表面温度Ｔｓについてのロッド径ＲＤに対する変化をそれぞれ示している。
【図３】本発明の製造方法の前半工程における制御の例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の製造方法の後半工程における制御の例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の製造方法におけるプロセス後半におけるロッド径ＲＤと電流値Ｉとの関係を示すグラフである。
【図６】ロッドの熱バランスを説明するために示した模式図である。
【図７】本発明の他の実施形態の多結晶シリコン製造方法に用いられる製造装置を示す図１同様の構成図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態の多結晶シリコン製造方法に用いられる製造装置を示す図１同様の構成図である。
【図９】本発明の実施例Ｅ１〜Ｅ６の製造方法における制御内容の変化を示すグラフであり、（ａ）が単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆ、（ｂ）が電流値Ｉ、（ｃ）がロッド表面温度Ｔｓ及び中心温度Ｔｃについてのロッド径ＲＤに対する変化をそれぞれ示している（以下、図１０〜図１５において同じ）。
【図１０】比較例として電流値及びクロロシラン類供給量の調整をしなかった場合の制御内容の変化を示すグラフである。
【図１１】比較例として電流値のみを調整した場合の制御内容の変化を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例Ｅ７〜Ｅ９の製造方法における制御内容の変化を示すグラフである。
【図１３】実施例Ｅ９に対して、電流値及びクロロシラン類供給量の調整をしなかった比較例Ｃ１３、電流値のみを調整した比較例Ｅ１４の制御内容の変化を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施例Ｅ１０，Ｅ１１の製造方法における制御内容の変化を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施例Ｅ１２，Ｅ１３の製造方法における制御内容の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の多結晶シリコンの製造方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の製造方法において用いられる多結晶シリコン製造装置の全体図であり、この多結晶シリコン製造装置は反応炉を有している。この反応炉１は、炉底を構成する基台２と、この基台２上に取り付けられた釣鐘形状のベルジャ３とを具備している。
基台２上には、図１に示すように、シリコン芯棒４が取り付けられる複数の電極５と、クロロシラン類と水素ガスとを含む原料ガスを炉内に噴出するための噴出ノズル６と、反応後のガスを炉外に排出するためのガス排出口７とがそれぞれ複数設けられている。
【００２１】
各電極５は、ほぼ円柱状に形成されたカーボンからなり、基台２上に一定の間隔をおいてほぼ同心円状に配置されているとともに、それぞれ基台２に垂直に立設されており、反応炉１の外部の電源装置８に接続されている。この電源装置８には電流制御装置３０が備えられており、シリコン芯棒４へ通電する電流量を調整することができるようになっている。また、各電極５の上端部には、その軸心に沿って孔（図示略）が形成され、その孔内に、シリコン芯棒４の下端部が挿入状態に取り付けられている。
また、シリコン芯棒４は、下端部が電極５内に差し込まれた状態に固定されることにより、上方に延びて立設されており、このシリコン芯棒４と同じシリコンによって形成された連結部材（図示略）によって各シリコン芯棒４の上端部が二本ずつを対として連結され、全体として逆Ｕ字状又はΠ字状となるように組み立てられている。
【００２２】
また、原料ガスの噴出ノズル６は、各シリコン芯棒４に対して均一に原料ガスを供給することができるように、反応炉１の基台２の上面のほぼ全域に分散して適宜の間隔をあけながら複数設置されている。これら噴出ノズル６は、反応炉１の外部の原料ガス供給源９に接続され、この原料ガス供給源９には原料ガス調整器１０が備えられ、この原料ガス調整器１０によって噴出ノズル６からの原料ガス供給量及び圧力を調整できるようになっている。また、ガス排出口７は、基台２の外周部付近の上に適宜の間隔をあけて複数設置され、排ガス処理系１１に接続されている。
【００２３】
なお、反応炉１の中心部には加熱装置として、基台２上の電極５に、逆Ｕ字状又はΠ字状に組み立てられて立設されたカーボン製のヒータ１５が設けられている。このヒータ１５は、シリコン芯棒４とほぼ同じ高さとされ、運転初期の段階で中心部付近のシリコン芯棒４を輻射熱で加熱するようになっている。
また、反応炉１には、そのベルジャ３の壁に覗き窓１６が設けられており、外部から放射温度計（温度計）１７によって内部のロッドの表面温度を測定できるようになっている。
なお、反応炉１の基台２及びベルジャ３は二重壁状に構築されており、内部の空間部２ａ，３ａに冷却材が流通し得るようになっている。図１中の符号１８は冷却材供給管、符号１９は冷却材排出管を示している。
また、原料ガス調整器１０によって調整された原料ガス供給量及び排ガス量から後述するようにシリコン芯棒４に析出したロッドの径を算出するロッド径算出器４０が設けられている。そして、原料ガス調整器１０が反応炉１内の圧力を制御しつつ、この原料ガス調整器１０及び電流制御装置３０は、ロッド径算出器４０の算出結果及び放射温度計１７の測定結果をもとに原料ガス供給量及び電極５からの電流量を制御して、後述する前半工程及び後半工程を行うようにプログラムされており、これら原料ガス調整器１０及び電流制御装置３０によって制御手段５０が構成される。
【００２４】
このように構成した多結晶シリコン製造装置を使用して、多結晶シリコンを製造する方法について説明する。
まず、反応炉１の中心に配置されているヒータ１５及び各シリコン芯棒４に接続されている電極５にそれぞれ通電して、これらヒータ１５及びシリコン芯棒４を発熱させる。このとき、ヒータ１５はカーボン製であるためシリコン芯棒４よりも先に発熱して温度上昇し、このヒータ１５の輻射熱によって近傍のシリコン芯棒４が通電可能となる状態までに温度上昇すると、シリコン芯棒４も自身の電極５からの通電によって抵抗発熱状態となり、その熱が反応炉１の半径方向等に次々に伝達して、最終的に反応炉１内の全てのシリコン芯棒４が通電して発熱状態となる。これらシリコン芯棒４が原料ガスの分解温度にまで上昇することにより、噴出ノズル６から噴出した原料ガスがシリコン芯棒４の表面上で多結晶シリコンを析出し、これが径方向に成長して図１の鎖線で示すようにシリコンのロッドＲとなる。多結晶シリコンの析出に供された後の排ガスは、反応炉１の内底部のガス排出口７から排ガス処理系１１に送られる。
【００２５】
この多結晶シリコンの製造プロセスの中で、シリコン芯棒４に通電される電流値、原料ガス中のクロロシラン類の供給量等が制御されるが、プロセスの前半と後半とで分けて制御される。図２（ａ）は、製造プロセス中の電流値ＩとロッドＲの単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆの変化を示しており、図２（ｂ）は、ロッドＲの中心温度Ｔｃと表面温度Ｔｓの変化を示している。プロセスの前半をＡ領域とし、後半をＢ領域とする。以下、このプロセスの前半と後半に分けて、図２を参照しながら制御内容の詳細を説明する。ここで、クロロシラン類は、トリクロロシランが主成分であるが、モノクロロロシラン、ジクロロシラン、四塩化珪素、ポリマー(例えばＳｉ２Ｃｌ６)等を含むものとしてもよい。
【００２６】
＜プロセスの前半工程＞
多結晶シリコンをロッドの表面全体に均等に析出させるため、図２（ａ）のＡ領域で示すように、ロッドの単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆは２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内となるように維持される。これは従来の常圧タイプの反応炉での供給量より多い量である。このため、ロッドＲの径（以下ロッド径という）ＲＤが増大するにしたがって、ロッドＲの周辺に供給される原料ガスの供給量は増加する。反応炉１内の圧力としては、０．４〜０．９ＭＰａ（絶対圧）とされる。この圧力が低過ぎると、プロセス全体にわたり収率が低下してしまう。さらに圧損を考慮するとガスを大量に流すため配管径が大きくなり、反応炉の炉下や基台の構造が複雑になってしまう。また、圧力の上限は、反応炉１の耐圧強度上決められる。
また、この原料ガスの供給量の調整とともに、ロッドＲの表面温度Ｔｓを１０００〜１１００℃の範囲内に維持するように電流値Ｉを調整する。表面温度Ｔｓを高くすると、多結晶シリコンの成長速度を早めることができる。しかし、ロッド径ＲＤの増大に伴って電流値Ｉは増加する。このため、ロッドＲの中心温度Ｔｃは図２（ｂ）のＡ領域に示すようにロッド径ＲＤの増大にしたがって上昇する。この中心温度Ｔｃがシリコンの融点に達しないうちは、原料ガスの大量供給、高圧での製造が可能である。そこで、ロッドＲの中心温度Ｔｃをモニターし、それがシリコンの融点未満の１２００〜１３００℃になるまでは、同様の方法で原料ガス供給量（クロロシラン類供給量Ｆ）と電流値Ｉとを調整する。
【００２７】
なお、このロッドＲの中心温度Ｔｃは、ロッドＲの表面温度Ｔｓ、ロッド径ＲＤ、電流値Ｉ、シリコンの物性値（比抵抗、熱伝導度）を基にして図３に示すフローチャートにしたがって算出される。以下のＳ１〜Ｓ６は図３中の各ステップと対応する。
ロッドＲの表面温度Ｔｓは、反応炉１の覗き窓１６から放射温度計１７で測定する（Ｓ１）。そして、シリコン芯棒４に通電する電流値Ｉを制御することにより、ロッドＲの表面温度Ｔｓを１０００〜１１００℃に維持する（Ｓ２）。
一方、ロッド径算出器４０では、反応炉１からの排ガスをガスクロマトグラフ等で組成分析し、クロロシラン類の供給積算量との関係から、生成されたシリコンの重量を求め、その重量からロッド径ＲＤを算出する（Ｓ３）。そして、そのロッド径ＲＤ及びロッドＲの長さからロッドＲの表面積を求める（Ｓ４）。このロッドＲの表面積と、前述した単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆを基に原料ガスの供給量を求める（Ｓ５）。
【００２８】
そして、これらロッドＲの表面温度Ｔｓ、ロッド径ＲＤ、電流値Ｉ、シリコンの物性値（比抵抗、熱伝導度）を基にして、ロッド内での電流による抵抗発熱量とロッド内での熱伝導（円管の熱伝導）を考慮して、ロッド内の温度分布を算出し、ロッドＲの中心温度Ｔｃを求める（Ｓ６）。この場合、シリコンの物性値である比抵抗、熱伝導度は、温度依存性を有するものであり、一般に知られた数値を用いればよいが、予め温度との関係を調べておいてもよい。
上述の方法により求められるロッドＲの中心温度Ｔｃは、表面温度が測定されたロッドとそれにつながる連結部材、ならびにその連結部材と連結している他方のロッドの平均中心温度である。
シリコンロッドの溶断は、例えばシリコンロッドと連結部との連結点のような部位において、局所的に温度が上がりその中心部での温度が融点以上になることで起こる。そこで、上述の方法で求められたロッドの平均中心温度Ｔｃを用いて、ロッドの溶断する温度を監視・制御することで溶断を防ぐ。この場合、連結部位の温度は、平均中心温度Ｔｃよりも高い温度になっている。つまり、この平均中心温度Ｔｃをシリコンの融点１４１０℃よりも低い温度に管理することで溶断を防ぐことができる。溶断を防ぐためには、接合部の接合度合い、シリコン芯棒の形状、使用しているシリコン芯棒の長さなどにより異なるが、１２００〜１３００℃の範囲であるとよい。
このようにしてロッドＲの平均中心温度Ｔｃを算出し、これをモニターしながら、その平均中心温度Ｔｃが１２００〜１３００℃に達するまでは、上記のようにして電流値Ｉと原料ガス供給量（クロロシラン類供給量Ｆ）とを制御し、その温度範囲内にロッドＲの平均中心温度Ｔｃが達した段階からは、次のように制御する。
【００２９】
＜プロセスの後半工程＞
このプロセスの後半の制御内容は図４のフローチャートにまとめた。
プロセスの前半の場合と同様に、反応炉１の排ガスのガスクロマトグラフ等の分析により、ロッド径ＲＤを算出する（Ｓ７）。そして、このロッド径ＲＤに応じて、予め求めておいた電流値Ｉを設定する（Ｓ８）。この電流値Ｉは、維持すべきロッドＲの表面温度Ｔｓ、ロッドＲの平均中心温度Ｔｃ、シリコンの物性値（比抵抗、熱伝導度）から、各ロッド径ＲＤに応じて求められる。例えば、ロッドＲの平均中心温度Ｔｃを１２５０℃、ロッドＲの表面温度Ｔｓを１１００℃にする場合には、各ロッド径ＲＤ（ｍｍ）に応じて図５に示すような電流値Ｉ（Ａ）とする。
また、ロッドＲの表面温度Ｔｓを測定しながら（Ｓ９）、表面温度Ｔｓが１０００〜１１００℃になるように原料ガスの供給量（クロロシラン類供給量Ｆ）を調整する（Ｓ１０）。このとき、ロッドＲの単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆは、図２（ａ）の領域Ｂに示すように、ロッド径ＲＤの増大に伴って減少する。また、この領域Ｂに示すようにロッドＲの表面温度Ｔｓ及び平均中心温度Ｔｃは所定範囲内に維持される。
【００３０】
以上のようにして、ロッドの表面温度と平均中心温度が所望の範囲となるように、原料ガスの供給量と電流値とを制御するのであるが、後半においては、電流値は、ロッドの平均中心温度が溶断温度までに上昇しないようにロッドの径に対して予め決めておいた値を使用し、その電流値とロッドの表面温度に応じた供給量の原料ガスを供給するのである。
そして、このような制御とすることにより、ロッドの平均中心温度を所定範囲内に抑えて溶断を防ぎつつ、表面温度を所定範囲に維持することにより、大径で表面形状も滑らかなロッドを高い収率で製造することができる。
【００３１】
なお、このような原料ガスの供給量（クロロシラン類の供給量Ｆ）及び電流値Ｉを制御することにより、ロッドの表面温度Ｔｓ及び平均中心温度Ｔｃを制御できるのは、次のような理論に基づく、
シリコンのロッドの熱バランスを考えると、図６に模式化して示したように、ロッドＲに電流を流すことによる抵抗発熱量Ｑ１、ロッド表面からの輻射により反応炉の壁（ベルジャ）３へ逃げる熱量Ｑ２、ロッド表面からガスへ対流伝熱で逃げる熱量Ｑ３を考慮する必要があり、これら熱量について、
Ｑ１＝Ｑ２＋Ｑ３ （式１）
の関係が成り立つ必要がある。
【００３２】
また、各熱量はそれぞれ以下の変数で決められる。
Ｑ１＝ｆ（Ｔｓ,Ｔｃ,Ｉ,Ｖ,ＲＤ）
Ｑ２＝ｆ（Ｔｓ,ＲＤ）
Ｑ３＝ｆ（Ｆ,Ａｓ,Ｔｓ）
ここで、Ｔｓ：ロッド表面温度、Ｔｃ：ロッド平均中心温度、Ｉ：電流、Ｖ：電圧、ＲＤ：ロッド径、Ｆ：クロロシラン類供給流量、Ａｓ：ロッド表面積とする。また、ロッドの本数と長さは一定とする。
【００３３】
抵抗発熱量Ｑ１について、Ｑ１＝ｆ（Ｔｓ,Ｔｃ,Ｉ,Ｖ,ＲＤ）の内、表面温度Ｔｓ、ロッド径ＲＤ、その他の平均中心温度Ｔｃ、電流値Ｉ、電圧Ｖのいずれか一つが決まれば、Ｑ１と残った変数の値は決まる。例えば、あるＲＤの状態において、Ｔｓ＝１１００℃の状態に維持したいとして、
（１）Ｔｃ＝１２５０℃としたい場合は、Ｑ１と流すべき電流Ｉとその時の電圧Ｖが決まる。
（２）Ｉ＝３０００Ａとした場合は、Ｔｃ、Ｖ、Ｑ１が決まる。
上記の状態を実際に実現するには（式１）の熱バランスからＱ２とＱ３の合計値がＱ１の熱量と等しくならなくてはならない。
ここで、プロセスの後半で、（１）の条件のように表面温度Ｔｓと平均中心温度Ｔｃを維持したいとする。（１）の条件では、Ｔｓ＝１１００℃、Ｔｃ＝１２５０℃としようとしている。この時に流すべき電流値Ｉとロッドの発熱量Ｑ１の値は一義的に求まる。
また、表面温度Ｔｓとロッド径ＲＤが決まっているので、壁へ逃げる熱量Ｑ２の値は自ずと決まる。対流伝熱で逃げる熱量Ｑ３については、ロッド表面積Ａｓとロッド表面温度Ｔｓが決まっているので、調整可能なのはクロロシラン類供給流量Ｆである。以上のことから、流すべき電流値Ｉを流した状態で、流量Ｆを調整すれば、Ｑ２とＱ３の合計値がＱ１と等しくなる条件で、（１）の表面温度Ｔｓと平均中心温度Ｔｃを維持することができるのである。
【００３４】
図７は本発明の多結晶シリコン製造装置の他の実施形態を示している。この図７に示す多結晶シリコン製造装置は、原料ガスを反応炉１内に供給する前に加熱する予熱器２１が設置されている。
この実施形態の多結晶シリコン製造装置のように、反応炉１に供給される原料ガスを予め加熱しておくことにより、ロッドからガスへの熱損失を減少させ、より高速でロッドを成長させることができる。予熱温度としては２００〜６００℃とすることができる。
なお、図８に示すさらに他の実施形態のように、予熱器２２として、反応炉１に供給される原料ガスと、反応炉１内から排出される高温の排ガスとを熱交換させる構成としてもよい。
これら図７及び図８において、図１と共通部分には同一符号を付して説明は省略する。
【実施例】
【００３５】
次に、具体的な実施例について説明する。
以下の例では、トリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるように水素（Ｈ２）と混合して反応炉へ供給した。そして、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量、圧力を表１及び表２に示すように設定し、ロッド表面温度Ｔｓは１１００℃となるように電流値を調整した。表１が実施例、表２が比較例を示している。なお、原料ガスの供給温度は１００℃とし、反応炉の内壁面温度は２００℃とした。
【００３６】
そして、比較例については、図１０に示すように、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆは一定とし、ロッド径ＲＤの増加に伴って電流値Ｉを図１０（ｂ）に示すように増大させることにより、図１０（ｃ）に示すようにロッドの平均中心温度Ｔｃが変化した。平均中心温度Ｔｃの増加に伴う電流値及びガス流量の調整は行っていない。
この図１０に示すように、比較例においては、ロッド径ＲＤが１００ｍｍに達する前に溶断が発生し、それ以上ロッドを成長させることはできなかった（図１０中×印が溶断を示す）。表２に示した最終ロッド径は、溶断が生じた時点でのロッド径である。また、溶断が発生した時点のロッド平均中心温度は１２５５〜１２６５℃であった。
【００３７】
これに対して、実施例では、図９に示すように、ロッドの平均中心温度Ｔｃが１２５０℃に達した時点から、ロッド表面温度Ｔｓを１１００℃、平均中心温度Ｔｃを１２５０℃に維持するように、クロロシラン類供給量Ｆと水素供給量と電流値Ｉとを調整してロッドを成長させた。水素供給量は図示しないが、Ｈ２／クロロシラン類のモル比８がほぼ変わらないように調整した。いずれの実施例においても、ロッド径が１２５ｍｍを超えた時点で成長反応を終了した。また、反応終了直前の単位表面積当たりのクロロシラン供給量及び水素供給量は、プロセスの前半工程から後半工程へ切り替わる時点の単位面積当たりのクロロシラン供給量及び水素供給量の２分の１〜３分の１程度になっていた。
なお、表１において、収率とは、シリコン生成量と供給したクロロシラン類の量の比率（ｍｏｌ％）である。また、単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量は成長速度を示す値である。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】
以上の結果からわかるように、比較例の場合は、ロッド径が１００ｍｍに達する前に、ロッドの平均中心温度が上昇して溶断が生じたが、ロッドの平均中心温度が１２５０℃に達した後にクロロシラン類供給量Ｆと電流値Ｉとを調整した実施例においては、いずれの場合もロッド径は１００ｍｍ以上に成長させることができた。
【００４１】
次に、プロセス後半でのクロロシラン類供給量Ｆ及び電流値Ｉの調整効果を検証するために、以下の検討を行った。すなわち、表１及び表２の場合と同様、トリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるようにＨ２と混合して反応炉へ供給し、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量、圧力を表２の場合と同様に設定し、プロセスの前半ではロッド表面温度Ｔｓが１１００℃となるように電流値を調整した。そして、図１１に示すように、ロッドの平均中心温度Ｔｃが１２５０℃に達した時点から、平均中心温度Ｔｃが１２５０℃を超えないように電流値Ｉのみを調整した。そして、表１の実施例の場合と同様に、ロッド径が１２５ｍｍを超えた時点で成長反応を終了させた。最終ロッド径と収率、単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量を調べたところ、表３に示す通りであった。なお、原料ガスの供給温度は１００℃とし、反応炉の内壁面温度は２００℃とした。
【００４２】
【表３】
【００４３】
この表３に示す通り、ロッド径については１００ｍｍ以上に成長させることができたが、収率が５〜９ｍｏｌ％、単位時間単位クロロシラン類当たりのＳｉ生成量が比較例Ｃ１１を除いて１．４〜２．７×１０−４［ｇ（Ｓｉ）／ｇ（クロロシラン類）／ｈｒ］と、表１の実施例と比べて悪化している。これは、ロッドの平均中心温度を１２５０℃に維持するために電流のみを調整したことでロッドの表面温度が低下したためである。比較例Ｃ１１については、単位時間単位クロロシラン類当たりのＳｉ生成量は実施例Ｅ１と同じであるが、収率が低くなっている。したがって、収率、成長速度のいずれをも高めるためには、電流値とクロロシラン類供給量（あるいは原料ガス供給量）との両方を調整することが有効である。
【００４４】
次に、実施例Ｅ７，Ｅ８の実験を行った。
実施例Ｅ７，Ｅ８とも、他の例と同様にトリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシランを含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるようにＨ２と混合して反応炉へ供給した。ロッドの表面温度を１１００℃、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を３．１×１０-7ｍｏｌ/ｓｅｃ/ｍｍ２とし、Ｅ７については圧力を０．９ＭＰａ、Ｅ８については圧力を０．６ＭＰａとなるように実施した。またロッドの平均中心温度Ｔｃは、Ｅ７が１２００℃、Ｅ８が１３００℃に達した後にクロロシラン類及び水素のガス供給量と電流値を調整することで、プロセス後半工程においては、ロッド表面温度Ｔｓを１１００℃、平均中心温度ＴｃをそれぞれＥ７１２００℃、Ｅ８で１３００℃に維持した。この場合、Ｅ８については、シリコン芯棒と連結棒との連結部分が１４１０℃近くまで温度が上昇しないように適切な手段（例えば溶接）を施した。
実施例Ｅ７，Ｅ８の結果を表４に示した。また、シリコンロッド径に対する単位表面積当たりのクロロシラン類供給量、電流値、ロッドの表面温度Ｔｓ、ロッドの平均中心温度Ｔｃを図１２に示した。水素供給量は図示しないが、Ｈ２／クロロシラン類のモル比８が変わらないように調整した。
【００４５】
【表４】
【００４６】
表４に示すように、ロッド径を１００ｍｍ以上に成長させることが出来、比較例Ｃ７〜Ｃ１２と比べて高い収率でシリコンを成長させることができた。実施例Ｅ７については同じ単位表面積あたりのクロロシラン類供給量、圧力である比較例Ｃ１２と比べて高い収率、単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量でシリコンを成長させることができた。
【００４７】
また、Ｅ８に対する比較例として、電流値及びガス流量の調整をしない比較例Ｃ１３と、プロセス後半においてロッドの中心温度が１３００℃を超えないように電流値のみを調整した比較例Ｃ１４との実験も行った。他の例と同様にトリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシランを含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるようにＨ２と混合して反応炉へ供給した。ロッドの表面温度を１１００℃、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を３．１×１０-7ｍｏｌ/ｓｅｃ/ｍｍ２とし、圧力を０．６ＭＰａとなるように実施した。Ｃ１３、Ｃ１４とも、実施例Ｅ９の場合と同様に、シリコン芯棒と連結棒との連結部分が１４１０℃近くまで温度が上昇しないように適切な手段（例えば溶接）を施した。
結果を比較例Ｃ１３については表５に、比較例Ｃ１４については表６に示した。
また、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量Ｆ、電流値Ｉ、ロッド表面温度Ｔｓ及び中心温度Ｔｃについてのロッド径ＲＤに対する変化を図１３に示した。この図１３には、比較のため先の実施例Ｅ８の場合も重ねて表示した。
【００４８】
【表５】
【００４９】
【表６】
【００５０】
比較例Ｃ１３ではロッド径を１００ｍｍ以上に成長させることができず、ロッド径８５ｍｍで溶断が生じた。溶断温度は１３２２℃であった。電流値を調整した比較例Ｃ１４では、ロッド径を１００ｍｍ以上に成長させることはできたが、単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量、収率とも、実施例Ｅ９より劣る結果であった。
【００５１】
次に、反応炉の二重壁の内部空間に流通される冷却材の温度と流量調整を行うことで、反応炉の内壁の温度を２５０℃、３００℃、４００℃に維持して実施例Ｅ９、Ｅ１０、Ｅ１１の実験を行った。他の例と同様にトリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシランを含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるようにＨ２と混合して反応炉へ供給した。ロッドの表面温度を１１００℃、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を３．１×１０-7ｍｏｌ/ｓｅｃ/ｍｍ２とし、圧力を０．６ＭＰａとなるように実施した。
またロッドの平均中心温度Ｔｃが１２５０℃に達した後にクロロシラン類及び水素のガス供給量と電流値を調整することで、プロセス後半工程においては、ロッド表面温度Ｔｓを１１００℃、平均中心温度Ｔｃを１２５０℃に維持した。なお、原料ガスの供給温度は１００℃とした。
結果を表７に示す。また、シリコンロッド径に対する単位表面積当たりのクロロシラン類供給量、電流値、ロッドの表面温度Ｔｓ、ロッドの平均中心温度Ｔｃを図１４に示した。水素供給量は図示しないが、Ｈ２／クロロシラン類のモル比８が変わらないように調整した。
【００５２】
【表７】
【００５３】
表７に示すように、ロッド径を１００ｍｍ以上に成長させることが出来、Ｃ７〜Ｃ１２の比較例に比べ高い収率でシリコンを成長させることができた。
また、反応炉の壁の温度制御を２５０、３００、４００℃としたことで、ロッドからの輻射と対流による熱損失が減少したことで前半工程を長くすることができた。そのため、同じ圧力、ガス条件で反応炉の内壁面温度が２００℃であるＥ４に比べて、高い単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量でシリコンを成長させることができた。
このように反応炉の壁の温度制御をする場合、ロッドからの輻射と対流を抑えるために、反応炉の内壁面の平均温度を２５０〜４００℃に維持するとよい。高温になり過ぎると、壁の構成材から不純物が内部雰囲気に混入する可能性があるので、上限としては４００℃が好ましい。
【００５４】
さらに、図８に示す多結晶シリコン装置を用いて実施例Ｅ１２を実施した。この図８に示す装置では、排ガスとの熱交換によって原料ガスを加熱する予熱器２２が設けられている。
また、図７に示す多結晶シリコン製造装置を用いて実施例Ｅ１３、Ｅ１４の実験を行った。この図７に示す装置では、予熱器２１が、排ガスの熱を利用するのではなく、原料ガス加熱のための熱源を有している。
実施例Ｅ１２〜Ｅ１４においては、他の例と同様にトリクロロシランを主成分として４．５ｍｏｌ％のジクロロシランを含むクロロシラン類を使用し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比が８となるようにＨ２と混合して反応炉へ供給した。図８に示す排ガスとの熱交換による予熱器２２を経由した後の原料ガス温度を２００℃とした場合をＥ１２、図７に示す予熱器２１を経由した後の原料ガス温度を４００℃、６００℃にした場合をぞれぞれＥ１３、Ｅ１４とした。いずれも、ロッドの表面温度１１００℃、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を３．１×１０-7ｍｏｌ/ｓｅｃ/ｍｍ２、圧力を０．６ＭＰａとなるように実施した。またロッドの平均中心温度Ｔｃが１２５０℃に達した後にクロロシラン類及び水素のガス供給量と電流値を調整することで、ロッドの表面温度Ｔｓを１１００℃、平均中心温度Ｔｃを１２５０℃に維持した。なお、反応炉の内壁面温度は２００℃とした。
実施例Ｅ１２〜Ｅ１４の結果を表８に示した。また、シリコンロッド径に対する単位表面積当たりのクロロシラン類供給量、電流値、ロッドの表面温度Ｔｓ、ロッドの平均中心温度Ｔｃを図１５に示した。
【００５５】
【表８】
【００５６】
表８に示すように、ロッド径を１００ｍｍ以上に成長させることができ、比較例と比べて高い収率でシリコンを成長させることができた。
また、炉内に供給される原料ガスの温度を予め加熱したことで、ロッドからガスへの熱損失が減少し前半工程を長く維持することができた。そのため、単位時間単位クロロシラン類当たりのシリコン生成量は同じ圧力、ガス条件で原料ガス供給温度が１００℃である実施例Ｅ４が３．４×１０−４ｇ（Ｓｉ）／ｇ（クロロシラン類）／ｈｒであったのに対し、２００℃に加熱した実施例Ｅ１２及び４００℃に加熱した実施例Ｅ１３では３．５×１０−４ｇ（Ｓｉ）／ｇ（クロロシラン類）／ｈｒ、６００℃に加熱した実施例Ｅ１４では３．６×１０−４ｇ（Ｓｉ）／ｇ（クロロシラン類）／ｈｒと改善し、より高速にロッドを成長させることができた。製造されたロッドの純度を調べたところ、Ｅ１２及びＥ１３については半導体用シリコンに適していたが、Ｅ１４はそれらより純度が低く、半導体用としては適さない純度であった。
【００５７】
このように、原料ガスを予熱する場合、２００〜６００℃に予熱すると、ロッドから雰囲気ガスへの熱損失を効果的に減少させることができる。
【００５８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態ではロッド径をガスクロマトグラフィー等の分析結果から求めるようにしたが、覗き窓から直接ロッド径を測定するようにしてもよい。その場合、ロッドが重なり合って、中心部に配置されるロッドを確認できない場合は、最外周位置に配置されているロッドの径で代表してもよい。
また、特開２００１−１４６４９９号公報に開示の方法も適用可能である。
また、同一条件のバッチ処理を繰り返す場合は、図３と図４に示したフローチャートにしたがってＳ１〜Ｓ１０の各ステップを実施して電流と原料ガス供給量の調整パターンをレシピとして決定し、その後は、そのレシピを用いて処理することができる。その場合、レシピを決定した後はロッド表面温度の測定等が不要になる。
【００５９】
また、反応炉としては、前述したようにシリコン芯棒を保持する電極がほぼ同心状に配置されるが、その最外周位置の電極と反応炉の壁との間に、原料ガス供給用の噴出ノズルを有しない形態とすると、最外周位置のロッドから雰囲気ガスへの対流伝熱が抑えられるのでよい。最外周位置のロッドは反応炉の内壁に直接対向しているため、その内壁面からの輻射により逃げる熱量が多い。最外周位置のロッドの温度を所定温度に維持するには、電流量を多くする必要があり、溶断を起こし易い。原料ガス供給用の噴出ノズルがその面側に有しない構造とすれば、それらのロッドからガスへの対流伝熱についてはこれを抑えることにより、溶断を起こし難くすることができる。
また、原料ガスは水素とクロロシランとを含む。この原料ガスとしては、Ｈ２／クロロシラン類のモル比を８としたが、これに限定されるものではなく、気相中でシリコンが析出してしまわないように、またロッドを速やかに成長させるために、例えばモル比を５〜１０とするとよい。
後半工程で、単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を調整する場合、実施例のように単位表面積当たりの水素の量も調整し、Ｈ２／クロロシラン類のモル比をあまり変化させないことが好ましい。すなわち、後半工程で単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を調整する場合は、単位面積当たりの原料ガスの総量を調整する。さらに、モル比は多結晶シリコンの製造プロセス中に変更してもよい。したがって、ロッド表面温度及び中心温度を所定の範囲に維持しながら、ロッドを成長させることができる。
また、原料ガスにＳｉＨ４やＳｉ２Ｈ６等を含んでいてもよく、シーメンス法以外にも、ＳｉＨ４を主成分とするアシミ（ＡＳｉＭｉ）法による多結晶シリコン製造方法にも本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１ 反応炉
２ 基台
２ａ 空間部
３ ベルジャ
３ａ 空間部
４ シリコン芯棒
５ 電極
６ 噴出ノズル
７ ガス排出口
８ 電源装置
９ 原料ガス供給源
１０ 原料ガス調整器
１１ 排ガス処理系
１５ ヒータ
１６ 覗き窓
１７ 放射温度計
１８ 冷却材供給管
１９ 冷却材排出管
２１ 予熱器
２２ 予熱器
３０ 電流制御装置
４０ ロッド径算出器
５０ 制御手段
Ｒ ロッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉内のシリコン芯棒に通電してシリコン芯棒を発熱させ、該シリコン芯棒にクロロシラン類を含む原料ガスを供給することにより、シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造方法において、
前記反応炉内の圧力が０．４〜０．９ＭＰａであり、前記シリコン芯棒への電流の調整によりロッドの表面温度を所定の範囲に維持すると共に、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達するまで単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内に維持しながら原料ガスを供給する前半工程と、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達した後、ロッド径に応じて予め定めておいた電流値に設定するとともに前記単位表面積当たりの原料ガス供給量を低下させながら前記ロッドの表面温度と中心温度を所定範囲に維持する後半工程とを有することを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
【請求項２】
前記後半工程におけるロッドの中心温度は１２００〜１３００℃の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項３】
前記反応炉の内壁面温度を２５０〜４００℃とすることを特徴とする請求項１又は２記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項４】
前記原料ガスを２００〜６００℃に予熱した後に前記反応炉に供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項５】
前記原料ガスを２００〜４００℃に予熱した後に前記反応炉に供給することを特徴とする請求項４記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項６】
前記反応炉から排出される排ガスと原料ガスとを熱交換することにより原料ガスを予熱することを特徴とする請求項５記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項７】
前記反応炉として、最外周位置のロッドと反応炉の内壁面との間に原料ガス供給ノズルを有しないものを使用することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された直径１００ｍｍ以上の多結晶シリコン。
【請求項９】
反応炉と、反応炉内に設置されシリコン芯棒に通電する複数の電極と、反応炉内にクロロシラン類を含む原料ガスを供給する噴出ノズルと、反応後のガスを反応炉から排出するガス排出口とを備え、前記シリコン芯棒に通電してシリコン芯棒を発熱させ、該シリコン芯棒に前記原料ガスを供給することにより、シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造装置において、
前記ロッドの表面の温度を測定する温度計と、前記ロッドの径を測定するロッド径算出器と、前記反応炉の圧力を制御するとともに、前記原料ガスの供給量及び前記電極から前記シリコン芯棒に通電する電流を前記温度計で測定した温度及び前記ロッド径算出器で測定したロッド径を用いて制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、前記反応炉内の圧力を０．４〜０．９ＭＰａとし、前記シリコン芯棒への電流を漸次増大させて前記ロッドの表面温度を所定の範囲に維持すると共に、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達するまで単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内に維持しながら原料ガスを供給する前半工程と、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達した後、ロッド径に応じて予め定めておいた電流値に設定するとともに前記単位表面積当たりの原料ガス供給量を低下させることで、前記ロッドの表面温度と中心温度を所定範囲に維持する後半工程とを行うようにプログラムされていることを特徴とする多結晶シリコンの製造装置。
【請求項１】
反応炉内のシリコン芯棒に通電してシリコン芯棒を発熱させ、該シリコン芯棒にクロロシラン類を含む原料ガスを供給することにより、シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造方法において、
前記反応炉内の圧力が０．４〜０．９ＭＰａであり、前記シリコン芯棒への電流の調整によりロッドの表面温度を所定の範囲に維持すると共に、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達するまで単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内に維持しながら原料ガスを供給する前半工程と、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達した後、ロッド径に応じて予め定めておいた電流値に設定するとともに前記単位表面積当たりの原料ガス供給量を低下させながら前記ロッドの表面温度と中心温度を所定範囲に維持する後半工程とを有することを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
【請求項２】
前記後半工程におけるロッドの中心温度は１２００〜１３００℃の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項３】
前記反応炉の内壁面温度を２５０〜４００℃とすることを特徴とする請求項１又は２記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項４】
前記原料ガスを２００〜６００℃に予熱した後に前記反応炉に供給することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項５】
前記原料ガスを２００〜４００℃に予熱した後に前記反応炉に供給することを特徴とする請求項４記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項６】
前記反応炉から排出される排ガスと原料ガスとを熱交換することにより原料ガスを予熱することを特徴とする請求項５記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項７】
前記反応炉として、最外周位置のロッドと反応炉の内壁面との間に原料ガス供給ノズルを有しないものを使用することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の多結晶シリコンの製造方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の製造方法によって製造された直径１００ｍｍ以上の多結晶シリコン。
【請求項９】
反応炉と、反応炉内に設置されシリコン芯棒に通電する複数の電極と、反応炉内にクロロシラン類を含む原料ガスを供給する噴出ノズルと、反応後のガスを反応炉から排出するガス排出口とを備え、前記シリコン芯棒に通電してシリコン芯棒を発熱させ、該シリコン芯棒に前記原料ガスを供給することにより、シリコン芯棒の表面に多結晶シリコンを析出させロッドとして成長させる多結晶シリコンの製造装置において、
前記ロッドの表面の温度を測定する温度計と、前記ロッドの径を測定するロッド径算出器と、前記反応炉の圧力を制御するとともに、前記原料ガスの供給量及び前記電極から前記シリコン芯棒に通電する電流を前記温度計で測定した温度及び前記ロッド径算出器で測定したロッド径を用いて制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、前記反応炉内の圧力を０．４〜０．９ＭＰａとし、前記シリコン芯棒への電流を漸次増大させて前記ロッドの表面温度を所定の範囲に維持すると共に、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達するまで単位表面積当たりのクロロシラン類供給量を２．０×１０−７〜３．５×１０−７ｍｏｌ／ｓｅｃ／ｍｍ２の範囲内に維持しながら原料ガスを供給する前半工程と、前記ロッドの中心温度がシリコンの融点未満の所定温度に達した後、ロッド径に応じて予め定めておいた電流値に設定するとともに前記単位表面積当たりの原料ガス供給量を低下させることで、前記ロッドの表面温度と中心温度を所定範囲に維持する後半工程とを行うようにプログラムされていることを特徴とする多結晶シリコンの製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−３７６９９（Ｐ２０１１−３７６９９Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６０１０５（Ｐ２０１０−１６０１０５）
【出願日】平成２２年７月１４日（２０１０．７．１４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１４日（２０１０．７．１４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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