JP2008503423A - 粒状材料を製造するための方法およびシステムならびに粒状材料中の粉塵成分を減少させるためおよび測定するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

この発明は、粒状多結晶シリコンを製造する方法、および粒状多結晶シリコンの供給物に関する。この発明は、また、粒状多結晶シリコン中の粉塵成分を測定することおよび除去することの方法および装置にも関する。１つの要旨において、システムは、多結晶シリコンから粉塵成分を吸引するための減圧ポートを有している。この発明のもう１つのシステムは、多結晶シリコンの流れを受容するためのバッフル・チューブを有している。測定システムは、多結晶シリコンの流れから粉塵成分を分離しおよび計量するためのマニホールドおよびフィルターを有している。

Description

この発明は、粒状材料中の粉塵成分（dust）、特に半導体結晶および太陽電池級の結晶を成長させるために用いられる粒状多結晶シリコン材料（granular polysilicon）中の粉塵成分を測定しおよび減少させるための方法および装置に関する。

粒状多結晶シリコン、例えば化学蒸着成長させた（CVD grown）流動床粒状多結晶シリコンは、一般に、移送用コンテナに入れられて結晶成長設備へ送られる。常套のコンテナは３００ｋｇの粒状多結晶シリコンを収容する。粒状多結晶シリコンは、一般に、４００〜１４００ミクロンの範囲の寸法を有しており、１０ミクロン未満の寸法の粒状物は粉塵成分であると考えられている。実際の問題として、すべてのコンテナはその中にある程度の量の粉塵成分を含んでいる。

高品質の半導体結晶の収率に影響し得る粉塵成分の程度を把握することは、従来技術において成功していない。粒状多結晶シリコンに実質的な量の粉塵成分が混合されることは、高品質の半導体結晶において、望ましくない欠陥、例えば「零転位の損失（Loss of Zero Dislocation（ＬＺＤ)）」などの欠陥のリスクを増大させることになる。従来技術における比較的小さいバッチの粒状多結晶シリコンは許容できる程度の低い含量で粉塵成分を含んでいたが、今日の連続的な製造方法を用いて、そのような粉塵成分低含量の多結晶シリコンを大量に得るための信頼できるシステムは存在していない。従って、粉塵成分を測定し、粉塵成分を減少させて、粒状多結晶シリコン中において許容し得る最大の粉塵成分を特定する、改善された方法が必要とされている。

簡単には、この発明の１つの要旨は、流動床プロセスにおける化学気相蒸着によって粒状多結晶シリコンを成形し、サイズによって粒状多結晶シリコンを分級する（classifying）ことを含んでなる、粒状多結晶シリコンを連続的に製造する方法である。粒状多結晶シリコンの中の粉塵成分が、該粒状多結晶シリコン１００ｋｇあたりで３ｍｇ未満の質量（または重量）を有するように、粒状多結晶シリコンから粉塵成分が除去される。粉塵成分を除去した後に、粒状多結晶シリコンはパッケージングされる（例えば、出荷用の包装がなされる）。

この発明のもう１つの要旨は、粒状多結晶シリコンから粉塵成分を除去するためのシステムである。このシステムは、多結晶シリコンから粉塵成分を吸引して分離させるための減圧ソース（vacuum source）と、前記粒状多結晶シリコンを受け入れるためのプロセス容器とを有している。プロセス容器は、対向する第１の端部および第２の端部、粒状多結晶シリコンを通過させるための該第１の端部における多結晶シリコン通路、前記減圧ソースに連絡する減圧ポート（vacuum port）を有している。減圧ポートは、プロセス容器から粒状多結晶シリコンを注いで導入するために、直立した状態からプロセス容器を回転させる際に、粒状多結晶シリコンが減圧ポートを塞ぐことがないように、プロセス容器の第２の端部に隣接して配置されている。システムは、プロセス容器から粒状多結晶シリコンを受け入れるためのコンテナを更に有している。

（発明についてのその他の説明）
もう１つの要旨において、プロセス容器は、粒状多結晶シリコンを受け入れることに適応するように構成されており、対向する第１の端部および第２の端部、粒状多結晶シリコンを通過させるための該第１の端部における多結晶シリコン通路、前記減圧ソースに連絡する減圧ポートを有している。減圧ポートのためのクロージャが存在しており、プロセス容器から粒状多結晶シリコンを注いで導入するために直立した状態からプロセス容器を回転させる際に、粒状多結晶シリコンが減圧ポートを塞ぐことがないように、プロセス容器の第２の端部に隣接して減圧ポートが配置されている。

この要旨のいくつかの態様において、減圧ポートは、プロセス容器の側壁に配置することができる。また、この態様例において、粒状多結晶シリコンは、コンテナに受け入れられた粒状多結晶シリコン１０ｋｇあたり、粉塵成分を３ｍｇ未満で有することができる。多結晶シリコン通路を通る粒状多結晶シリコンの流れを選択的に停止させるように、バルブを多結晶シリコン通路に接続させることもできる。

この発明の更にもう１つの要旨は、１つの端部に粒状多結晶シリコンを排出する多結晶シリコン通路を有しており、および対向する端部にまたはその端部に隣接して、粒状多結晶シリコンから間隔をおいて設けられる減圧ポートを有しているプロセス容器の中に入れられた粒状多結晶シリコンおよび粉塵成分を含む所定量の多結晶シリコン材料から、粉塵成分を除去するための方法に関する。この方法は、所定量の多結晶シリコン材料をプロセス容器からコンテナの中へ注いで導入すること、減圧ポートを通して減圧を適用して、粒状多結晶シリコンの周囲から粉塵成分を吸引すること、および粒状多結晶シリコンの吸引を防止することを含んでなる。

この要旨のいくつかの態様において、粉塵成分がコンテナに受け入れられた粒状多結晶シリコン１０ｋｇあたり３ｍｇ未満となるまで、注ぎ入れる工程および吸引する工程が繰り返される。減圧吸引工程は、水（柱）で大気圧よりも１．３〜５．１ｃｍの範囲で低い圧力にて実施することができる。減圧吸引工程は、水柱で大気圧よりも１．８〜２．３ｃｍの範囲で低い圧力にて実施することもできる。多結晶シリコンは、１０〜１２キログラム／分の流量で注いで導入することができる。

更にもう１つの要旨において、粒状多結晶シリコンの流れから粉塵成分を除去するためのシステムは、粒状多結晶シリコンの流れを受け入れるために、粒状多結晶シリコン供給物と流体が流通するように連絡している上側開口部と、粒状多結晶シリコンを排出するための下側開口部とを有するバッフルチューブを有している。上側開口部の下方には少なくとも１つのバッフルが設けられており、これによって粒状多結晶シリコンの流れの向きを変更させて、粒状多結晶シリコンの中に同伴される粉塵成分を粒状多結晶シリコンから分離させることを促進する。上側開口部には減圧ソースが連絡しており、バッフルチューブの中を通る粒状多結晶シリコンの流れの向きに対して逆向きに、気体に同伴される粉塵成分を吸引する。

この要旨のいくつかの態様において、システムはバッフルチューブが取り付けられているハウジングを更に有することができる。ハウジングは、多結晶シリコンの流れを減圧吸引からシールドするために、バッフルチューブの上方に配置されるファンネルを有することもできる。ハウジングは、減圧ポートを通る多結晶シリコンの吸引を防止するために、バッフルチューブの上側開口部の上方に設けられる減圧ポートを有することもできる。

もう１つ要旨において、粒状多結晶シリコンの流れの中で粉塵成分を測定するためのシステムは、粉塵成分の測定に用いる粉塵成分を捕捉するためのフィルターおよび減圧ソースを有している。マニホールドは、粒状多結晶シリコンを通過させる粉塵成分収集チャンバー、前記チャンバーから延びる出口部であって、前記チャンバーから粉塵成分を吸引するための減圧ソースに流体が流通し得るように連絡する出口部、および前記チャンバーから該システムを包囲する雰囲気へ延びる少なくとも１つのポートを有する空気通路を有している。フィルターは出口部と減圧ソースとの間に配置される。空気通路の１つのポートは、粒状多結晶シリコンの流れの向きに対して逆向きに、チャンバーの中を通して周囲の空気を引き込む（または吸い込む）ために、出口部に隣接して配置され、これによって、粉塵成分は開口部を通ってチャンバーから出て、その後フィルターに捕捉される。

この要旨のいくつかの態様において、空気通路は、出口部の約２．５ｃｍの範囲内に等しい間隔をおいて配置された６つのポートを有することができる。空気通路は出口部の下方に配置することができ、フィルターは紙で形成することができる。出口部は、約０．２５ｃｍ〜約０．３６ｃｍの範囲の寸法を有することができる。

この発明のもう１つの方法において、粒状多結晶シリコンおよび粉塵成分を含む多結晶シリコン材料の流れから、粉塵成分の測定が行われる。この方法は、減圧ソース、多結晶シリコン材料の流れのための粉塵成分収集チャンバーを有するマニホールド、および前記粉塵成分収集チャンバーから延びており、そして減圧ソースと流体が流通し得るように連絡する出口部を有する装置を用いて実施される。出口部と減圧ソースとの間にフィルターが配置され、チャンバーからシステムを包囲する大気へ空気通路が延びている。空気通路は、出口部に隣接するポートを有している。この方法は、最初にフィルターの重量測定を行う工程、および多結晶シリコン材料のストリームが所定の流量でチャンバーの中を流れる際に、所定の時間的周期で減圧ソースを作動させる工程を、その順序で行うことを含んでいる。減圧ソースが動作すると、出口部を通して空気および粉塵成分がフィルターの方へ吸引され、フィルターでは粉塵成分が捕捉されて、空気は減圧ソースへと通過する。その後、減圧ソースの動作が停止され、減圧ソースの動作後の２回目の重量測定がなされ、フィルターによって捕捉された粉塵成分の重量が決定される。

この方法のいくつかの態様において、減圧ソースは、１０ミクロンまたはそれ以下の粉塵成分を吸い込むために、予め決められた流量で動作させることができる。予め決められた時間は約３０秒より長く、約９０秒未満であってよい。予め決められた多結晶シリコンの流量は約１０〜１２ｋｇ／分が好適であり、空気は約２．５リットル／分の流量で空気通路の中に吸引される。

更にもう１つの要旨では、粒状多結晶シリコンの供給物（supply）が連続的製造方法において製造される。この粒状多結晶シリコンの供給物は半導体級結晶を製造するために好適である。粒状多結晶シリコンは、４００〜１４００ミクロンの範囲の寸法の平均直径または平均幅を有している。粒状多結晶シリコンの供給物は少なくとも約３０００ｋｇの重量を有する。粒状多結晶シリコンの中に含まれている（または粒状多結晶シリコンに同伴する）粉塵成分の粒状物は、１０ミクロン未満の寸法を有しており、多結晶シリコン１００ｋｇあたり３ｍｇ未満の重量を有している。この要旨のいくつかの態様において、供給物は複数のコンテナに含まれている。

本発明のその他の特徴については、一部は明らかであり、一部は明細書の以下の部分に記載する。
添付の図面を参照しながらこの出願の発明について説明するが、図面全体について、同じ参照符号は対応する部材を示している。

（発明の好ましい態様の説明）
図１〜２Ａを参照すると、粒状多結晶シリコンから粉塵成分を除去するためのシステムが、全体として符号１１で示されている。このシステム１１は、一般に、粒状多結晶シリコンＧＰを収容するためのソース容器Ｓ、その粒状多結晶シリコンの中に混入している粉塵成分Ｄ、粒状多結晶シリコンから粉塵成分を引き離す（または吸引する）ための減圧ソースＶ、およびプロセス容器Ｐを有している。この明細書の説明に関して、多結晶シリコン材料が処理される際に、空気中に容易に浮遊し得る程小さい多結晶シリコンの粒状物によって粉塵成分Ｄが形成されている。一般にこれらの粒状物は、１０ミクロンまたはそれ以下の寸法を有している。

ソース容器Ｓは、粒状多結晶シリコンＧＰ（広い意味で、粒状の材料）のバルク供給物を収容している。一般に、ソース容器Ｓは円筒形態の形状を有しており、円錐形態の形状の上側端部２１を有し、その中央部に開口部２３（広い意味で、多結晶シリコン通路）を有している。

プロセス容器Ｐは、ソース容器Ｓと実質的に同一であるが、プロセス容器は、（容器を直立させた場合の下側端部）の容器の側に、容器の第２の端部２７に隣接して、減圧ポート２５を有するように、変更されていることが異なる。この態様において、容器Ｐを転倒させた場合に、ポートが粒状多結晶シリコンによって塞がれないように、ポート２５は粒状多結晶シリコンのレベルよりも上方に設けられている（図２Ａ）。減圧ポート２５には、容器が図１に示すように直立させられた場合に、その内部の粒状多結晶シリコンを保持するためのクロージャ２９を取り付けることができる。減圧ポート２５は、ホースを迅速に接続することができるように、常套のクイック・コネクタ（quick-connector）を有することができる。ポート２５は、容器の他の部分、例えば上側端部に配置することもできるということに注意されたい。ポートは上側の（第１の）端部における第２の開口部から延びることも可能であり、例えば、この開口部から粒状多結晶シリコンを通して隣接する下側の（第２の）端部へ延びるチューブを有することも考えられる。

減圧ソースＶは、真空に引く（または減圧に吸引する）ためのポンプ３１、およびそのポンプを容器Ｐへ接続するための減圧ホース３３を有している。減圧ソースＶは、粉塵成分Ｄがポンプに入ったり、またはシステム１１の周囲の大気に入ったりすることを防止するために、フィルター（図示せず）を有することができる。

ソース容器Ｓ内の多結晶シリコン材料から粉塵成分Ｄを除去する１つの方法において、ソース容器Ｓの開口部２３には、バルブ３７、例えば「安息角」（ＡＯＲ(angle of repose)）バルブなどが取り付けられている。（図１に示すように）ソース容器Ｓは転倒させられて、垂直ポスト４１から延びるアーム３９に取り付けられており、バルブ３７がプロセス容器Ｐに接続されている。バルブが開かれると、粒状多結晶シリコンＧＰおよび粉塵成分Ｄがソース容器からプロセス容器の中に流れ込む。ソース容器Ｓが空になった後、両方の容器の間にバルブ３７が再度取り付けられ、両方の容器は転倒され、２つの容器は図２に示す状態になる。図２の構成は、減圧ホース３３が減圧ポート２５に接続されていることを除いて、図１の構成と同様である。バルブ３７が開かれて、粒状多結晶シリコンＧＰおよび粉塵成分Ｄがソース容器Ｓへ流れて戻される際に、空気中に浮遊し得る粉塵成分Ｄを粒状多結晶シリコンのまわりから減圧によって吸引する。減圧によって、プロセス容器Ｐの開口部２３においてまたはその近くにおいて、気体の逆向きの流れが生成するということに注意されたい。その気体の逆向きの流れは、一般に、開口部においてまたはその近くにおいて、粒状多結晶シリコンＧＰのまわりから空気中に浮遊し得る粉塵成分Ｄを吸引する役割を果たす。空気中に浮遊し得る粉塵成分Ｄは吸引されてプロセス容器Ｐから引き出され、それによって粉塵成分がソース容器Ｓの中に再度進入することが防止される。

１つの態様において、減圧ソースは、粒状多結晶シリコンＧＰが約１０ｋｇ／分の流量にてプロセス容器Ｐから流出するような減圧を適用するように、設定される。そのような流れを生じさせるのに必要な正確な減圧は、種々のファクター、例えば、開口部２３の寸法およびプロセス容器Ｐの寸法などによって変動することになる。適当な減圧の程度を見出すために好適な方法は、プロセス容器Ｐから粒状多結晶シリコンＧＰが流出しないような圧力にてプロセスを開始し、多結晶シリコン材料中の粉塵成分Ｄを有効に処理しおよび著しく低減させることができるような、十分な流量にて粒状多結晶シリコンＧＰが流れるようになるまで、減圧の程度を降下させて行われる。減圧の程度は、異なるシステムについては変動して、大気圧以下で、水柱約１．３〜５．１ｃｍの範囲で変動し得る。しかしながら、特定のシステムについて適当な圧力が一度決まると、その圧力を変動させる必要はなくなる。

図３を参照すると、粒状多結晶シリコンＧＰから粉塵成分Ｄを除去するためのもう１つのシステム５１は、ファンネル５５、バッフルチューブ５７、および減圧ポート５９が取り付けられているハウジング５３を有して構成されている。ハウジング５３はバルブ３７の下側の位置に取り付けられており、バルブ３７は、図１に示すような形態で、ソース容器Ｓに接続されている。ハウジング５３の上側の部分にファンネル５５が取り付けられている。ファンネル５５は、粒状多結晶シリコンを受け入れるための広い入口６１と、下側部分６３へ向かって狭くなる円錐形態の部分６２とを有している。バッフルチューブ５７は、ファンネル５５の出口部を受ける上側開口部６５と、前記出口部のすぐ下側に配置されているバッフル６７と、粒状多結晶シリコンＧＰをもう１つのコンテナ（図示せず）へ排出するための下側開口部６９とを有している。バッフル６７は、チューブの内壁から下向きに角度付けされて、バッフルチューブ５７を横切ってその中程まで延びている。バッフル６７は、チューブ５７の中を通る粒状多結晶シリコンＧＰの流れの向きを繰り返して変更させるような形状および配置で設けられており、従って、粒状多結晶シリコンの中に同伴されたりまたは粒状物に付着したりする粉塵成分Ｄが、粒状多結晶シリコンから分離して空気中に浮遊することが促進される。空気中を浮遊し得る粉塵成分は、減圧によってバッフルチューブ５７から上向きに吸引される。図では４つのバッフルが示されているが、この発明の範囲には種々の数のバッフルを用いることが含まれる。他のタイプのバッフルも、この発明の範囲内のものであると考えられる。

減圧ポート５９は、ハウジング５３の上側部分に接続される第１の端部７１を有しており、減圧ソースＶからのホース３３を受ける第２の端部７３へ向かって下向きに角度付けされて延びている。減圧ポート５９の第１の端部７１はファンネル５５に隣接して、およびバッフルチューブ５７の上側の開口部６５の上方に配置されており、減圧ポート５９は上側開口部６５から間隔をおいて配置され、ファンネル５５は粒状多結晶シリコンの流れと減圧ポート５９との間に配置されている。このようにして、粒状多結晶シリコンの流れは減圧からシールドされており、それによって粒状物が減圧の中へ吸引されることが防止される。空気中を浮遊し得る粉塵成分Ｄだけが減圧によって吸引されるように、多結晶シリコンの流れの向きと逆向きの空気の向流が減圧によって形成される。減圧ポート５９、ファンネル５５およびバッフルチューブ５７はそれぞれいずれか好適な方法、例えば、溶接したり、あるいは、ワンピースのシステムとしてハウジングの中に一体に形成すること等によって、ハウジング５３に取り付けることができるということに注意されたい。同様に、ファンネル５５の主要な機能は、粒状多結晶シリコンＧＰを減圧からシールドすることであって、ファンネルは、円錐形形態のファンネルの代わりに、チューブまたはチャンネルによって置き換えることも考えられる。

システム５１を使う方法において、減圧ソースＶは活性化される。バルブ３７が開かれると、粒状多結晶シリコンＧＰがファンネル５５とバッフルチューブ５７を通って流れるようになる。粒状多結晶シリコンＧＰのまわりから粉塵成分Ｄの実質的な部分を吸引するように、減圧ソースＶが作動する。大部分の粒状多結晶シリコンにおいて粉塵成分Ｄを減少させるために、この出願の方法は十分である。特に、この配置によれば、以下に説明する方法に従って測定して、排出された粒状多結晶シリコンＧＰが、例えば粒状多結晶シリコン１０キログラムあたりで３ミリグラム未満の粉塵成分であるような粉塵成分特性値を有するように、多結晶シリコンの流れから浮遊し得る粉塵成分の十分な量が取り出される。以下に記載するように、結晶引上げ操作は、このような低いレベルで粉塵成分が存在することによっては、ほとんど影響を受けない。

図４を参照すると、粒状多結晶シリコンＧＰの流れの中の粉塵成分Ｄを測定するためのシステム８１は、粉末を捕捉するために、全体として符号８３で示されるマニホールドと、全体として符号８５で示されるフィルターアッセンブリとを有して構成される。マニホールド８３は、粒状多結晶シリコン流れを通過させるために、粉塵成分収集チャンバー８７の中を通る流れを有している。チャンバー８７は、上側の容器８９、例えばソース容器Ｓまたはプロセス容器Ｐなどと、流体が流通するように連絡しており、コンテナ９１、例えば供給ホッパー１１７またはその他の容器へ流れを排出する。粉塵成分出口部９３は、粉塵成分収集チャンバー８７からフィルターアセンブリ８５との接合部へ、マニホールド８３の中を通って上向きに延びている。フィルターアッセンブリ８５のフィルターハウジング９７は、全体としてチューブ状の形態を有しており、接合部においてマニホールドの出口部９３を受け入れる第１の端部９９と、減圧ソースＶに接続されるホース１０３を受け入れる第２の端部１０１とを有している。フィルターアッセンブリ８５のフィルター１０５はフィルターハウジング９７の中に保持されており、従って、出口部９３と減圧ソースＶとの間に配置されている。フィルター１０５は円形態の形状を有しており、好適な材料、例えば紙などによって形成されている。好適なフィルターアセンブリは、３７ｍｍ直径のＭＩＬＬＩＰＯＲＥ（登録商標）フィールドモニタフィルター（field monitor filter）である。

マニホールド８３は、粉塵成分収集チャンバー８７から、該マニホールドを取り囲んでいる大気中へ延びる６つのポート１０７（図４には、３つを示している）を含む空気通路を更に有している。ポート１０７は好適な寸法を有しており、例えば、ポートは約０．８９ｍｍ〜約０．１１ｍｍの範囲の内側直径を、１つの態様においては約０．１０ｍｍの内側直径を有している。ポート１０７は粉塵成分収集チャンバー８７のまわりに等しい間隔をおいて配置されており、出口部９３に隣接して（例えば、出口部の下側の約１．２５ｃｍの範囲内であるかまたは出口部から約２．５ｃｍの範囲内に）配置されているので、減圧によって周囲の空気は、該ポートを通しておよび粉塵成分収集チャンバーを通して、粒状多結晶シリコンＧＰの流れの向きに対して逆向きに引き込まれる。従って、減圧によって、粉塵成分Ｄが出口部９３を通ってチャンバー８７を出て、その後フィルター１０５の中に捕捉されることが促進される。

真空ポンプ流量およびマニホールド８３の出口部９３の寸法（ディメンジョン（dimensions))は、シリコン粉塵成分粒状物が出口部を通り、そしてフィルター１０５中へ引き込まれるように選択される。直径が１０ミクロン未満であるシリコン粉塵成分について設定される流量は、約０．６１ｃｍ／秒（ペリーズ・ケミカル・エンジニヤーズ・ハンドブック（Perry's Chemical Engineers' Handbook）、改訂第５版（Revised 5th Ed.）、図５−８０）である。設定流量から、出口部直径は約０．２５〜約０．３６センチメートルの範囲、例えば約０．３０ｃｍの寸法とされ、ポンプ流量は約２．５０リットル／分である。粉塵成分収集チャンバー８７は、約３．８ｃｍの直径を有することが好適であるということに注意されたい。

粒状多結晶シリコンＧＰの流れの中の粉塵成分Ｄの相対的な量を測定する方法において、フィルターアセンブリ８５は重量測定されて、その後、図４に構成が示されているように、マニホールド８３および減圧ソースＶに接続される。フィルター１０５またはフィルターアセンブリ８５のどちらかを重量測定すればよいということに注意されたい。バルブを開いて、粒状多結晶シリコンＧＰの流れに所定の流量でマニホールド８３を通過させ、減圧ソースＶを作動させて粉塵成分をフィルター１０５を通して吸引する。予め決められたサンプリング時間の後で、減圧ソースＶを停止する（多結晶シリコンの流れを停止してもよい）。減圧ソースＶおよびマニホールド８３からフィルターアセンブリ８５を切り離して、２回目の重量測定を行う。２回目の重量測定から第１の重量測定を差し引いて、サンプリング時間内に収集された粉塵成分粒状物の重量を決定する。マニホールド８３を通る粒状多結晶シリコンＧＰの質量流量は既知である。得られる測定値は、粒状多結晶シリコンの重さあたりの粉塵成分の重さ、例えば粒状多結晶シリコン１ｋｇあたりの粉塵成分のｍｇ数の関係（または項）で与えられる。この方法で、粒状多結晶シリコンからすべての粉塵成分が除去されるわけではないので、測定値は粒状の多結晶シリコンＧＰ内の粉塵成分Ｄの相対的な測度値である。出願人は、以下の条件によって粉塵成分の正確な比較測定を行うことができることを見出した：サンプリング時間 １分±５秒、粉塵成分収集チャンバーを通る粒状多結晶シリコンの流量 約１０ｋｇ／分±０．１０、ポンプ流量 約２．５０リットル／分。

この発明の測定方法は、粒状多結晶シリコンＧＰの製造段階、配送段階および使用段階の種々のポイントで用いることができる。特に、この方法は、粒状多結晶シリコンを使用するポイントで、すなわち、結晶引上げ装置で、結晶引上げ設備に入るポイント（「供給時品質保証」(Incoming Quality Assurance(ＩＱＡ))）で、または粒状多結晶シリコンを製造する間に、使用することもできる。この方法は、
（１）結晶収率への粉塵成分Ｄの影響を定量化する際の補助的手段（assist）として、
（２）コンテナ内の粉塵成分に基づいて、コンテナ（容器）に供給される粒状多結晶シリコンを受け入れるかまたは拒否すること、
（３）粉塵成分に対して感受性の高い（または敏感な（dust-sensitive))結晶成長プロセスに用いられる結晶引上げ装置に、所定の特性値以下の粉塵成分を有するものだけが供給されるように受け入れコンテナを分類すること
に用いることができる相対的な粉塵成分測定を提供する。

上述したように、従来技術は、粉塵成分Ｄが高い品質の半導体結晶の収率に影響を及ぼす程度、および進行する結晶成長装置へ粉塵成分が影響を及ぼす程度を把握することに成功しなかった。粒状多結晶シリコンＧＰをコンテナから結晶成長装置のフィーダシステムへ移す場合に、粉塵成分もフィーダシステムへ送られる。粉塵成分Ｄは、フィーダシステムから、結晶成長装置のホットゾーンの表面に、特に、改良された「閉じた」結晶成長装置の中のより冷たい表面に、集まりおよび定着する。その後、粉塵成分Ｄは、結晶／融液の界面の近くで、結晶またはシリコン融液に接触することになり得る。そのような接触は、高品質の半導体結晶において望ましくない欠陥、例えば「零転位の損失（ＬＺＤ）」などの欠陥のリスクを著しく増大させることになる。そのような結晶、およびその結晶を成長させるために用いられる改良された結晶成長装置は、「粉塵成分に感受性（dust-sensitive）」であることが見出されている。

出願人は、結晶成長に用いられる粒状多結晶シリコンの中の粉塵成分レベルが、粒状多結晶シリコン１０ｋｇあたり３ｍｇ未満の特性値に一貫して維持される場合に、図５に示すように、「零転位」（または無転位）結晶の歩留まり（または収量（yield)）が予想以上に大きく増加することを見出した。図５において、歩留まりは、３００ｍｍの結晶長さについて、零転位が存在する部分のものである。図５は、特性値を使用する前（「粉塵成分テスト」の項に先行する７つの項におけるデータ）に、歩留まりについて一貫して著しい変動があったことを示している。すなわち、約３０個の結晶のサンプルについて、各結晶において成長した零転位結晶の長さは、約０〜約７６．２ｃｍのいずれかの範囲で変動していた。例えば、第７の項のサンプルでは、約３２個の結晶のサンプルについて、０〜約７６．２ｃｍの範囲で歩留まりは変動した。特性値（粉塵成分テスト項）を使用すると、約２９個の結晶のサンプルについて、歩留まりは約７１〜約７９ｃｍの範囲であった。粉塵成分テストの間、結晶成長に関するその他の変数は変わらなかった。従って、出願人は、その特性値の範囲内の粒状多結晶シリコンを用いることによって、歩留まりのこの驚くべき増大が生じたと考える。

結晶引上げ装置へ供給される粒状多結晶シリコンの品質を確保するために、上述した粉塵成分除去工程と測定方法のいずれか、またはそれらの組み合わせを採用することができる。例えば、ソース容器内の粉塵成分Ｄを、粉塵成分測定方法に従って測定して、分類することができる。最も低い粉塵成分を有する容器を最も粉塵成分に対して感受性の高い結晶引上げ用途に用いることができる。別法として、特性値を越える粉塵成分Ｄを有する容器を、上記の方法を用いて「粉塵成分除去された（de-dusted）」ものとすることができる。更に、集粉塵成分法の方法のいずれかを製造段階において実施することによって、結晶引上げ設備に供給されたソース容器の実質的に全体が粉塵成分特性値以下であることを確保することもできる。

以下に説明するように、粉塵成分除去方法は、粒状多結晶シリコン製造について一般的に用いられる「気体分級（gas classification）」方法よりも効果的であるということがわかった。出願人は、気体分級方法が粉塵成分Ｄの十分な量を更に濾過して取り除くものではないということを見出した。粉塵成分は、移送用コンテナ（容器）を満たすための製造の間に用いられる大きなホッパーの一部にしばしば偏析（または偏在）する。そのような偏析は、コンテナが充填されたときに、ホッパーがほとんどいっぱいであったか、またはほとんど空であったかどうかということに応じて、いくつかのコンテナは比較的低レベルの粉塵成分を有することとなる一方で、他のコンテナは相対的に高いレベルの粉塵成分をを有することを生じ得る。１つのサンプル周期の間に、結晶成長設備に受け入れられたコンテナの約２５％は、上述した特性値を越える粉塵成分を有していた。粒状多結晶シリコンのかなり高い割合のものが粉塵成分特性値の範囲内に入ることを確保するためには、この発明の新しい粉塵成分収集方法によれば十分であるということが見出された。この結果は、図５に示すより高いＺＤ結晶歩留まり（または収量）によって示されている。

別法では、粒状多結晶シリコンの粉塵成分除去は、製造およびパッケージングプロセスの一部として行われる。図６を参照すると、製造およびパッケージングを行うシステム１０９が示されており、このシステム１０９は、常套の流動床リアクター１１１、常套の気体分級装置１１３、常套の脱水素化装置１１５および粉塵成分収集方法システム５１を有して構成されている。このシステム１０９は、連続的製造方法において使用される。この方法の第１の工程は、常套の化学蒸着法（chemical vapor decomposition process（ＣＶＤ))であって、そこでは、多結晶シリコン・シードが定期的にリアクター１１１の中に導入される。より具体的には、ＳｉＨ_４をＨ_２気体とＳｉとに分解させるのに適当な温度で、ＳｉＨ_４＋Ｈ_２の流れる気体混合物の中にシードが供給される。Ｓｉが多結晶シリコンシード上に析出して粒状多結晶シリコンＧＰが生成し、これはその後、リアクター１１１から取り出される。粒状多結晶シリコンは、好適な手段（例えばポータブルなホッパー）によって、粒子寸法による分級のための気体選別装置１１３へ移送される。粒状多結晶シリコンはその後、脱水素化装置１１５において脱水素化に付される。粒状多結晶シリコンは、また脱水素化の前および／または後において、複数回で気体選別装置に付することもあり得る。

蒸着と脱水素化の間に、粒状物が相互に衝突したり、リアクター１１１および脱水素化装置１１５のそれぞれの内部壁に衝突したりすることによって、粉塵成分Ｄが発生する。粉塵成分は、ＳｉＨ_４分解の間における、粒状物の核生成および成長によっても、リアクター１１１内で発生し得る。粉塵成分Ｄを除去するために、上述した方法に従って、粒状多結晶シリコンを粉塵成分除去システム５１に接続されたホッパー１１７の中に配置して、粒状多結晶シリコンから粉塵成分が除去される。システム５１は、粉塵成分の除去された粒状多結晶シリコンを、ソース容器Ｓの中に供給する。この方法は、粉塵成分除去された粒状多結晶シリコンの相当な量、例えば少なくとも３０００ｋｇを複数のソース容器（例えば移送用コンテナ）へ供給するために用いることに好適である。これによって粒状多結晶シリコンは、実質的に粉塵成分を含まない（またはダストフリーな(dust-free))形態でパッケージされて、需要者へ向けて出荷準備がなされる。この方法では、各ソース容器は指定された量よりも少ない粉塵成分を有することになるので、使用時の粉塵成分除去を必要とはしない。

この発明のシステム５１の代わりに、またはこれに加えて、他の粉塵成分除去システムを用いることもできるということが理解されるであろう。例えば、システム１１を用いて、粉塵成分Ｄが粒状多結晶シリコンのまわりから吸引されるように、プロセス容器Ｐと同様となるように、ホッパー１１７に変更を加えることもできる。また、製造方法において異なる工程どうしの間で、例えば脱水素化工程の前に、粉塵成分除去システムを採用することもできる。

（実施例）
２つの３００キログラムのソース容器（または、出荷用ドラム）が、結晶成長設備に到着した。ＡＯＲバルブの下側に図４の粉塵成分測定システムの付加が取り付けられている、図１に示す構成のプロセス容器の中に、ソース容器の内容物を入れた。各容器における粉塵成分のレベルを上記の方法を用いて測定した。第１の容器についての粉塵成分のレベルは４．９ｍｇ／１０ｋｇであり、第２の容器についての粉塵成分のレベルは７．５ｍｇ／１０ｋｇであった（すなわち、特性値の範囲外である）と測定された。

図２のシステム１１を用いて容器から粉塵成分Ｄを除去し、ＡＯＲバルブの下側に、図４の測定システムを再度取り付けた。大気圧よりも水柱で１．８〜２．３ｃｍの範囲で低い圧力にて減圧工程を実施し、その際、粒状多結晶シリコンを約１０ｋｇ／分の比較的有効な流量で流れさせた。第１の容器の中の粉塵成分は０．８ｍｇ／１０ｋｇに減少し、第２の容器の中の粉塵成分は１．０ｍｇ／１０ｋｇに減少した。ソース容器からプロセス容器へ粒状多結晶シリコンを移動注入させる操作、およびその反対にプロセス容器からソース容器へ粒状多結晶シリコンを移動注入させる操作を行うのに、約２時間を要した。

図７に示すもう１つの例では、結晶成長設備に受け入れた１２の３００キログラムソース容器について、図２の「転倒させたコンテナ」システムを用いて、「粉塵成分除去」の操作を行った。上述した方法の設備へ供給する際に測定すると、全ての容器は図７に示すように、３ｍｇ／ｌ０ｋｇ特性値よりも高い粉塵成分値を有していた。１回の粉塵成分除去サイクルの後では、各容器の中の粉塵成分値は上記特性値よりも低かった。図８に示すもう１つの例では、結晶成長設備に受け入れたいくつかの３００キログラムソース容器について、図２の「転倒させたコンテナ」システムを用いて、「粉塵成分除去」の操作を行った。上述した方法に従って測定すると、図８に示すように、設備へ供給する際に、容器の約２７％は３ｍｇ／ｌ０ｋｇ特性値よりも高い粉塵成分値を有していた。１回の粉塵成分除去サイクルの後では、各容器内の粉塵成分値は上記特性値よりも低かった。

システム１１および５１によって処理する粒状多結晶シリコンＧＰの汚染を防止するために、高速の粒状多結晶シリコンと接触するすべてのシステム要素は、システムの汚染しない性能を維持するために選ばれた材料によってコーティングされるかまたはそのような材料によって形成される。そのような材料には、石英被覆材料、シリコン被覆材料、固体のシリコン材料および固体の炭化ケイ素材料が含まれるが、これらに限定されるものではない。一般に、被覆はステンレス鋼基材に適用される。汚染防止特性値について好適なその他の材料も、本発明の範囲内のものとして考えられる。装置の低速の部分については、イー・アイ・デュポン（E. I. du Pont de Nemours and Company（ウィルミントン、デラウェア州、米国))から入手可能であるテフロン（ＴＥＦＬＯＮ）（登録商標）またはテフゼル（ＴＥＦＺＥＬ）（登録商標）のコーティングによって、許容できる汚染防止特性値を与えることができる。また、結晶成長設備に供給される際に、粒状多結晶シリコンの純度を維持するために、ソース容器には非汚染性のアルゴンが入れられているが、湿度が制御された環境では、一般に、アルゴンは必ずしもそこに保持される必要はない。

本発明の要素またはその好ましい態様例の要素について、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」および「前記（ｓａｉｄ）」という記載は、１又はそれ以上の要素があることを意味している。「含んでなる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という語句は、包括的な意味であって、言及した要素以外の要素が存在してもよいことを意味することを意図している。

上述の構成、生成物および方法については、本発明の範囲を離れることなく、種々の変更を加えることができることから、明細書に記載した事項および添付図面に示す事項はすべて、例を示すことを意図するものであって、それらに限定することを意図するものではない。

図１は、プロセス容器、バルブおよびソース容器を示す斜視図であって、ソース容器はバルブを通してプロセス容器の中に粒状多結晶シリコンを導入するために、上下方向について転倒された状態で示されている。 図２は、プロセス容器とソース容器との位置が反対となっており、粒状多結晶シリコンから粉塵成分を除去するための減圧ソースを模式的に示していること以外は、図１と同様の斜視図である。 図２Ａは、図２における２Ａ−２Ａ線に沿って観察したプロセス容器の模式的断面図である。 図３は、粒状多結晶シリコンから粉塵成分を除去するためのもう１つのシステムの一部を示す模式的断面図である。 粉塵成分を計量するためのシステムの一部を示す模式的断面図である。 図５は、零転位結晶の歩留まりを示すグラフである。 図６は、粒状多結晶シリコンの製造およびパッケージング・システムの模式図である。 図７は、ソース容器のサンプルの中に含まれている粉塵成分のグラフである。 図８は、ソース容器のサンプルの中に含まれている粉塵成分のグラフである。

Claims (10)

1. 流動床プロセスにおいて化学気相蒸着によって粒状多結晶シリコンを形成する工程；
   前記粒状多結晶シリコンを寸法によって分級する工程；
   前記粒状多結晶シリコン中の粉塵成分が、多結晶シリコン１００ｋｇあたり３ｍｇ未満の質量を有するように、前記粒状多結晶シリコンから粉塵成分を除去する工程；
   粉塵成分を除去した後で、粒状多結晶シリコンをパッケージングする工程
   を含んでなる、粒状多結晶シリコンを連続的に製造する方法。
2. 粉塵成分除去工程が、粒状多結晶シリコン及び粉塵成分を含む多結晶シリコン材料をバッフルチューブへ送ることを含んでなる請求項１に記載の方法。
3. 粉塵成分除去工程が、バッフルチューブに減圧を適用して、多結晶シリコン材料から粉塵成分を吸引することを含んでなる請求項２記載の方法。
4. 粉塵成分を除去する前に多結晶シリコン材料をホッパーへ移す工程を更に含んでなり、前記粉塵成分除去工程は、ホッパー内において多結晶シリコン材料に減圧を適用してそこから粉塵成分を除去することを含んでなる請求項２に記載の方法。
5. 粒状多結晶シリコン材料を脱水素化する工程を更に含んでなる請求項４に記載の方法。
6. 粒状多結晶シリコンから粉塵成分を引き離すための減圧ソース；
   粒状多結晶シリコンを受け入れることに適合化されているプロセス容器であって、対向する第１の端部および第２の端部、粒状多結晶シリコンを通過させるための前記第１の端部における多結晶シリコン通路、および前記減圧ソースに連絡する減圧ポートを有してなるプロセス容器；ならびに
   前記プロセス容器からの粒状多結晶シリコンを受け入れるためのコンテナ
   を有してなる粒状多結晶シリコンから粉塵成分を除去するためのシステムであって、
   前記プロセス容器から粒状多結晶シリコンを注ぐために前記プロセス容器を直立した状態から回転させる際に、粒状多結晶シリコンが前記減圧ポートを塞ぐことがないように、前記減圧ポートは前記プロセス容器における第２の端部に隣接して配置されているシステム。
7. 前記減圧ポートが前記プロセス容器の側壁に配置されている請求項６に記載のシステム。
8. 前記コンテナ内に受け入れた粒状多結晶シリコン１０ｋｇあたり３ｍｇ未満で粉塵成分が存在する粒状多結晶シリコンと組み合わせられた請求項６に記載のシステム。
9. 多結晶シリコン通路を通る粒状多結晶シリコンの流れを選択的に停止させるために、多結晶シリコン通路に連絡するバルブを更に有してなる請求項６に記載のシステム。
10. バルブが安息角バルブである請求項９に記載のシステム。

Images