JP2014076927A

JP2014076927A - 不純物除去炉

Info

Publication number: JP2014076927A
Application number: JP2012226572A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Yamada; 芳生山田; Isamu Aokura; 勇青倉; Shogo Uchiumi; 省吾内海; Yoshihiro Tsuji; 由浩辻
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-05-01

Abstract

【課題】シリコンのスライス加工時に生成するシリコンスラッジから不純物を除去してインゴットを精錬することを目的とする。
【解決手段】本発明の不純物除去炉は、第一のフィルターを備え、シリコンスラッジを格納する第一の坩堝と、前記第一の坩堝を加熱する第一のヒータと、第二のフィルターを備え、前記第一のフィルターを透過したシリコン溶融液を貯留する第二の坩堝と、前記第二の坩堝を加熱する第二のヒータと、前記第二のフィルターを透過したシリコン溶融液を貯留する第三の坩堝と、を備え、前記第一のフィルターの濾過粒度は前記第二のフィルターの濾過粒度よりも大きいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンスラッジから不純物を除去してインゴットを精錬する不純物除去炉に関するものである。

シリコンウエハーは、ワイヤーソーでシリコンインゴットをスライス加工することで作成される。このとき、シリコンインゴットの取り付けられているビーム（主に炭素で構成される）がシリコンインゴットと共にスライス加工されてしまうので、切削粉からなるシリコンスラッジには炭素が不純物として含まれる。シリコンスラッジ中の炭素は、シリコンと反応して、炭化ケイ素（ＳｉＣ）として存在する。

シリコンスラッジをリサイクルしようとする場合、含まれるＳｉＣを除去する必要がある。

ＳｉＣを除去する従来の方法として、フィルターを用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の方法を実施するための装置の模式図である。従来の方法では、まず、シリコンスラッジ１８を第一の坩堝１９に投入し、この第一の坩堝１９をヒータ２１により加熱することで、シリコンスラッジ１８を溶融させる。溶融したシリコンスラッジ１８は、フィルター２０を透過して、更に下部に配置された第二の坩堝２２に透過後シリコン溶融液２３として貯留される。このとき、固体状態のＳｉＣは、フィルター２０にて収集される。

また、ＳｉＣを除去する別の方法として複数のフィルターを用いる方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。図７は、特許文献２に記載された複数のフィルターを用いる方法を実施するための装置を示している。この装置では、溶融した材料２６を流す樋２５の途中に、機能の異なる複数のフィルター２７、２８、２９が配置されている。

特開昭６４−５６３１２号公報特開昭６３−３１３６３９号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の従来の方法において、溶融状態のＳｉＣが、フィルターで収集されずにフィルターを透過後のシリコン溶融液中に含まれる場合があり、このため、これらの従来の方法では、シリコンスラッジに含まれるＳｉＣを高精度に除去できないという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、シリコンスラッジからＳｉＣを従来よりも高精度に除去し、炭素濃度の低いシリコンを精錬できる不純物除去炉を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の不純物除去炉は、第一のフィルターを備え、シリコンスラッジを格納する第一の坩堝と、前記第一の坩堝を加熱する第一のヒータと、第二のフィルターを備え、前記第一のフィルターを透過したシリコン溶融液を貯留する第二の坩堝と、前記第二の坩堝を加熱する第二のヒータと、前記第二のフィルターを透過したシリコン溶融液を貯留する第三の坩堝と、を備え、前記第一のフィルターの濾過粒度は前記第二のフィルターの濾過粒度よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、複数の坩堝と、シリコン溶融液の流れる坩堝には異なる濾過粒度のフィルターが備えられ、フィルターの設けられた坩堝毎に加熱手段を設けることで、シリコンスラッジからＳｉＣを高精度に除去できるので、シリコンスラッジから炭素濃度の低いシリコンインゴットを精錬することができる。

本発明の実施の形態１における不純物除去炉の模式図シリコン（Ｓｉ）とカーボン（Ｃ）の２元系状態図本発明の実施の形態２における不純物除去炉の模式図本発明の実施の形態３における不純物除去炉の模式図本発明の実施の形態４における不純物除去炉の模式図特許文献１に記載の従来の方法を実施するための装置の構成図特許文献２に記載の従来の方法を実施するための装置の構成図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における不純物除去炉の概略構成を示す模式図である。

図１の不純物除去炉には、隔壁Ａを介して第一の温度ゾーン１（第一の空間）と第二の温度ゾーン２（第２の空間）とに分かれるチャンバ５０が備えられている。第一の温度ゾーン１には第一の坩堝３が配置され、その外周に第一のヒータＨ１が配設されている。第一の坩堝３は第一のヒータＨ１で加熱されることで第一の温度に保たれる。

第二の温度ゾーン２には、第二の坩堝４が配置され、その下方に第三の坩堝５が設置されている。第二の坩堝４と第三の坩堝５の側方には第二のヒータＨ２が配置されている。第二及び第三の坩堝４、５は、第二のヒータＨ２で加熱されることで第二の温度に保たれる。なお、第一及び第二の坩堝３、４は固定であるが第三の坩堝５は上下駆動機構１１によって上下に移動できる仕組みになっている。

以下、それぞれの構成要件と具体的な不純物除去の方法について説明する。

太陽電池ウエハの製作過程で生じる不純物を含むシリコンスラッジ８は、第一の坩堝３に格納され、第一の温度ゾーン１で、シリコンの融点（１４１０℃）を十分に超える１５３０℃以上の温度で加熱保持されることで溶融する。

炭素成分を含まないシリコンスラッジの場合、図２に示す状態図のように、約１４１０℃で溶融を始めるが、ＳｉＣとして炭素成分を含む場合、１４１０℃では溶融しない。実験の結果、太陽電池ウエハの製作過程で生じるシリコンスラッジ８の炭素成分の含有量は１ｗ％程度であることが多く、この場合、１５３０℃で溶融が始まることを発明者らは見出している。このため、第一の温度ゾーン１の最低温度を１５３０℃以上とするのが望ましい。

また、第一の温度ゾーン１の最高温度を１６５０℃より低い温度に設定する。第一の温度ゾーン１の温度が１６５０℃以上になると、シリコンスラッジ８中のほとんどのＳｉＣが溶融してしまい、溶融したＳｉＣを除去するのが困難になるためである。つまり、第一の温度ゾーン１を１５３０℃以上かつ１６５０℃未満の温度帯とすることが望ましい。この温度帯であれば、シリコンスラッジ８は溶融しつつ、ＳｉＣは溶融には至らず、溶け残り状態でシリコンスラッジ８の溶融液中にＳｉＣが固形物として存在する。

溶け残り状態のＳｉＣを除去するために、第一のフィルター６が第一の坩堝３の下方に配置されている。溶融したシリコンスラッジ８は、第一のフィルター６を透過して第一の坩堝３の下方に配置された第二の坩堝４に注がれる。このとき、溶け残り状態（固形物）のＳｉＣが第一のフィルター６によって収集される。第一のフィルター６を透過した後の溶融したシリコンスラッジ８を中間シリコン溶融液９とする。

第二の坩堝４に注がれた中間シリコン溶融液９は、第二の温度ゾーン２の中で溶融状態が保持される。第二の温度ゾーン２の温度は、１４５０℃以下に設定する。第二の温度ゾーン２の温度が、１４５０℃を上回ると一部のＳｉＣが溶融を開始してしまい、ＳｉＣを除去する精度が低下するからである。

このとき、第二の温度ゾーン２の温度を１４１０℃以上とする。第一のフィルター６を透過したことで、中間シリコン溶融液９の炭素（ＳｉＣ）の含有量が低下するため、１４１０℃でも中間シリコン溶融液９として溶融状態を保持できることを発明者らは見出している。また、１４１０℃を下回ると、中間シリコン溶融液９が溶融しないことも発明者らは見出している。つまり、第二の温度ゾーン２を１４１０℃以上かつ１４５０℃以下の温度帯とするのが望ましい。この温度帯であれば、中間シリコン溶融液９を溶融させた時、ＳｉＣは溶融には至らず、溶け残り状態で存在する。

第一及び第二の温度ゾーン１、２の温度制御は、制御部３０の制御により実現される。制御部３０が、第一及び第二のヒータＨ１、Ｈ２を個別に制御して、第一及び第二の温度ゾーン１、２の温度制御を実施し、第一の坩堝３の温度を第二の坩堝４の温度よりも高くする。具体的には、制御部３０は、第一の坩堝３の温度を１５３０℃以上かつ１６５０℃未満に制御し、第二の坩堝４の温度を１４１０℃以上かつ１４５０℃以下に制御する。

また、溶け残り状態のＳｉＣを除去するために、第二のフィルター７が第二の坩堝４の下方に配置されている。中間シリコン溶融液９は第二のフィルター７を通して第三の坩堝５に注がれる。このとき、溶け残り状態のＳｉＣが第二のフィルター７によって収集される。

ここで、第一及び第二のフィルター６、７について説明する。

第一及び第二のフィルター６、７は、アルミナ、ＳｉＣなどのセラミックで構成される。

第一のフィルター６の濾過粒度（除去可能な粒子の直径を示す公称値ＪＩＳ−Ｂ８３５６による）を、１ｍｍ以上かつ５ｍｍ以下に設定すると、ＳｉＣを高精度に除去できる。第一のフィルター６の濾過粒度を１ｍｍ未満で構成すると、ＳｉＣが目詰まりを起こして中間シリコン溶融液９をほとんど得られないこととなり、逆に濾過粒度を５ｍｍよりも大きく設定すると、ＳｉＣが透過してしまい、フィルターで留めることができないためである。

一方、第二のフィルター７の濾過粒度を０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下とする。第二の温度ゾーン２にて析出するＳｉＣは、０．５ｍｍを上回る大きさ（直径）であることが実験的に求められており、この大きさのＳｉＣを収集できるように、第二のフィルター７の濾過粒度を設定する。このとき、第一のフィルター６にて、ある程度のＳｉＣを除去できているため、第二のフィルター７の濾過粒度を０．５ｍｍ以下にしても目詰まりの発生する可能性は低い。また、より小さい濾過粒度の第二のフィルター７を採用することで、より高精度にＳｉＣを除去できる。但し、第二のフィルター７の濾過粒度を０．１ｍｍ未満に設定すると、目詰まりが発生することを発明者らは見出している。

このため、本実施の形態では、第一のフィルター６の濾過粒度は第二のフィルター７の濾過粒度よりも大きくなるように設計されている。そして、第一のフィルター６の濾過粒度は１ｍｍ以上かつ５ｍｍ以下が好ましく、第二のフィルター７の濾過粒度は０．１ｍｍ以上かつ０．５ｍｍ以下が望ましい。

このような第一及び第二のフィルター６、７を採用することで、シリコンスラッジ８から高精度にＳｉＣを除去できる。

第二のフィルター７を透過した中間シリコン溶融液９を最終シリコン溶融液１０とする。本実施の形態により、最終シリコン溶融液１０の炭素濃度を、約６ｐｐｍａ程度にできる。従来の方法を用いた場合、最終的に得られるシリコン溶融液の炭素濃度は約３０ｐｐｍａであったことから、本実施の形態に係る不純物除去炉を採用することで、炭素成分であるＳｉＣを従来よりも高精度に除去できることが見出されている。

本実施の形態では、更に、この最終シリコン溶融液１０を貯留する第三の坩堝５を第二のヒータＨ２の加熱範囲を出るまで下降させることで、いわゆる一方向凝固を実施する。この一方向凝固によりシリコンインゴットが形成され、概略では炭素の偏析係数０．０７を掛けた値までシリコンインゴット中の炭素濃度を低減できる。こうして、本実施の形態により、シリコンインゴットに含まれる炭素濃度を例えば１ｐｐｍａ以下にできる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る不純物除去炉である。実施の形態１とは第一及び第二のフィルター６、７の取り付け位置が異なる。第一及び第二フィルター６、７を第一及び第二の坩堝３、４の側面に配置することにより、溶け残り状態のＳｉＣが各フィルターを塞ぐのを防止できる（目詰まり防止）。その結果、第二の坩堝４や第三の坩堝５に流れ出る溶融液の量が増加し、実施の形態１に比べ、効率良く最終シリコン溶融液１０を貯留できる。

このとき、第一及び第二フィルター６、７を、第一及び第二の坩堝３、４の底面から１ｍｍ以上の位置に配置すると、溶け残り状態のＳｉＣが第一及び第二フィルター６、７を塞ぐのをより防止できる。一方、第一及び第二フィルター６、７を、第一及び第二の坩堝３、４の底面から５ｍｍより高い位置に配置すると、第一及び第二フィルター６、７から流れ出ない溶融液（中間シリコン溶融液９、最終シリコン溶融液１０）の量が増えるため、第一及び第二フィルター６、７を、第一及び第二の坩堝３、４の底面から５ｍｍ以下の位置に配置する。すなわち、第一及び第二フィルター６、７を、第一及び第二の坩堝３、４の底面から１ｍｍ以上、かつ、５ｍｍ以下の位置に配置するのが望ましい。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に伴うシリコン不純物除去炉である。実施の形態２の構造に加え、第一〜第三の坩堝３〜５が同一の回転ベース台１２に設置されている。回転ベース台１２は、回転機構１３と接続されている。回転ベース台１２が回転することで、各坩堝３〜５の中にある溶融液に遠心力が加わり溶融液は壁側に押出される力を受ける。これによって回転させない場合に比べて、溶融液がフィルターを通過しやすくなり、生産性が向上する。

（実施の形態４）
図５は、実施の形態４に係る不純物除去炉である。第一の坩堝３の上方より不活性ガス（例えばアルゴン（Ａｒ））を噴出する噴出口１５がチャンバ５０の上部に配置されている。噴出口１５にはガスボンベ１４が接続されている。ガスボンベ１４から供給された不活性ガスは、噴出口１５を通して第一の坩堝３のシリコンスラッジ８に噴射される。

噴射された不活性ガスは、ガス排出パイプ１７よりチャンバ５０外に放出される。このとき真空ポンプ１６を用いて、チャンバ５０（第一及び前記第二の坩堝３、４の配置された空間）内の圧力を減圧し、低真空（４０〜１００００Ｐａ）に保つ。これにより、シリコンスラッジ８に含まれる炭素成分がシリコンスラッジ８に含まれる酸素成分と結合しＣＯガスとなってチャンバ５０内から抜けるのを促進できる。このため、精製するシリコンインゴットの炭素濃度をより減少させることができる。

なお、前記の様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明の不純物除去炉は、シリコンウエハー等のスライス加工時のシリコンスラッジからのシリコンインゴット精製回収の用途にも適用できる。

１第一の温度ゾーン
２第二の温度ゾーン
３第一の坩堝
４第二の坩堝
５第三の坩堝
６第一のフィルター
７第二のフィルター
８シリコンスラッジ
９中間シリコン溶融液
１０最終シリコン溶融液
１１上下駆動機構
１２回転ベース台
３０制御部
５０チャンバ
Ａ隔壁
Ｈ１第一のヒータ
Ｈ２第二のヒータ

Claims

第一のフィルターを備え、シリコンスラッジを格納する第一の坩堝と、
前記第一の坩堝を加熱する第一のヒータと、
第二のフィルターを備え、前記第一のフィルターを透過したシリコン溶融液を貯留する第二の坩堝と、
前記第二の坩堝を加熱する第二のヒータと、
前記第二のフィルターを透過したシリコン溶融液を貯留する第三の坩堝と、を備え、
前記第一のフィルターの濾過粒度は前記第二のフィルターの濾過粒度よりも大きいことを特徴とする不純物除去炉。
前記第一又は第二のフィルターは、前記第一又は第二の坩堝の側面に備わる、請求項１記載の不純物除去炉。
前記第三の坩堝を移動させる移動機構を備える請求項１又は２記載の不純物除去炉。
前記第一及び第二の坩堝を回転させる回転機構を更に備える、請求項１〜３のいずれか記載の不純物除去炉。
前記第一の坩堝の上部に不活性ガスを噴出する噴出口と、
前記第一及び前記第二の坩堝の配置されたチャンバ内を低真空にするポンプと、を備える、請求項１〜４のいずれか記載の不純物除去炉。
前記第一のフィルターの濾過粒度は、１ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１〜５のいずれか記載の不純物除去炉。
前記第二のフィルターの濾過粒度は、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、請求項１〜６のいずれか記載の不純物除去炉。
前記第一及び第二のヒータを制御して、前記第一の坩堝の温度を前記第二の坩堝の温度よりも高くする制御部を備える、請求項１〜７のいずれか記載の不純物除去炉。
前記制御部は、前記第一の坩堝の温度を１５３０℃以上かつ１６３０℃未満に、前記第二の坩堝の温度を１４１０℃以上かつ１４５０℃以下に制御する、請求項８記載の不純物除去炉。
前記第一の坩堝は第一の温度ゾーンに配置され、前記第二の坩堝は第二の温度ゾーンに配置される、請求項１〜９のいずれか記載の不純物除去炉。