JP3781571B2 - シリコン原料の洗浄装置及びこれに用いる循環ポンプ防護用フィルタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造するための原料である塊状又は粒状の多結晶シリコン（ポリシリコン）、単結晶シリコンを洗浄する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス用のシリコン単結晶は主にチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という。）を用いて製造されている。このＣＺ法は塊状又は粒状の多結晶シリコン又は単結晶シリコンなどのシリコン原料を炉内の石英るつぼ内で融解させ、得られた融液に種結晶を浸漬し、この種結晶を引上げてシリコン単結晶を成長させる方法である。ＣＺ法で所望の引上げを行うことができなかった単結晶シリコンも本発明のシリコン原料となり得る。多結晶シリコン又は単結晶シリコンなどのシリコン原料は活性な性質を有するため、石英るつぼに投入するまで、プラスチック製の袋に入れられ密封される。しかし密封の前後において、空気中の酸素と反応してシリコン原料の表面には酸化膜が形成され易い。この酸化膜はシリコン原料の表面に付着している有機物、微粒子又は金属不純物を含んで形成されたり、或いは酸化膜の形成後に酸化膜の表面に有機物、微粒子又は金属不純物が付着したりする。これらの中で特に微粒子が付着したままシリコン原料を石英るつぼに入れ、融解すると、ＣＺ法で作られたシリコン単結晶の無転位の成長が阻害されて、いわゆるフリー化率（シリコン原料から無転位の単結晶シリコンが得られる割合）が低下する問題がある。
【０００３】
この問題を解決するために、従来、石英るつぼに入れる前にシリコン原料をかごに入れ、このかごをフッ酸と硝酸の混酸が貯えられた洗浄槽に浸漬した後、引上げ、次に超純水が貯えられたリンス槽にかごを浸漬し、引上げることにより、シリコン原料を洗浄している。
この従来の洗浄方法でシリコン原料の入ったかごを繰返し、洗浄槽に浸漬していくと、洗浄液中に微粒子が堆積するようになり、シリコン原料の洗浄効果が低下するため、この洗浄槽を複数設け、新しい洗浄液を定期的に補給し、かつ所定量のシリコン原料を洗浄した後、すべての洗浄液を新しい洗浄液に入換えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法によっても、シリコン原料の洗浄を繰返し行って、新液に入換える前には、微粒子の濃度が高まり、前述したフリー化率の低下を招いていた。そのため、洗浄液を微粒子除去用フィルタでろ過し、これを循環使用することが考えられるが、一般にシリコン原料は脆性であり、塊状でも粒状でも衝撃等により破砕し易い。破砕したシリコン原料を含む液を循環ポンプにより循環させようとすると、シリコン原料の破砕物が循環ポンプを損傷させるおそれがあった。
【０００５】
本発明の目的は、少ない洗浄槽で、微粒子による汚染程度が低いシリコン原料を洗浄する装置及びこれに用いる循環ポンプ防護用フィルタを提供することにある。
本発明の別の目的は、洗浄液を循環させる循環ポンプを損傷させないシリコン原料を洗浄する装置及びこれに用いる循環ポンプ防護用フィルタを提供することにある。
本発明の更に別の目的は、フリー化率を増大させるシリコン原料を洗浄する装置及びこれに用いる循環ポンプ防護用フィルタを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すようにシリコン原料の洗浄液３０が貯えられた洗浄槽１１と、この洗浄槽１１からオーバフローする洗浄液が流下する導管１９と、この導管１９に流下する洗浄液をフィードバック管２０を介して再度洗浄槽１１に戻す循環ポンプ１８と、この循環ポンプ１８の上流側の導管１９に設けられた循環ポンプ防護用フィルタ１４又は４３と、この循環ポンプ防護用フィルタ１４又は４２の下流側の導管１９又はフィードバック管２０に設けられた微粒子除去用フィルタ２２と、超純水３５が貯えられたリンス槽１２とを備えたシリコン原料の洗浄装置である。その特徴ある構成は、洗浄槽１１に洗浄液３０の温度を検出する温度センサ３１が設けられ、フィードバック管２０の途中に切換弁２１を介して洗浄槽１１に接続されたバイパス管２３が設けられ、バイパス管２３の途中に洗浄液クーラー２４が設けられ、温度センサ３１が検出する温度に基づいて切換弁２１を切換えるコントローラ３２とを備え、洗浄液クーラー２４の冷却媒体がリンス槽１２に供給される超純水３５であることにある。
フィルタ１３によりシリコン原料の破砕片を除去し、これにより循環ポンプ１８を損傷させない。またフィルタ２２により洗浄液３０に微粒子が堆積せず、この装置により洗浄したシリコン原料から単結晶シリコンを育成したときにそのフリー化率を増大させることができる。また超純水でリンスすることにより、シリコン原料の洗浄度を高める。またシリコン原料の洗浄により洗浄液３０の温度が所定温度を超えるときにはコントローラ３２は切換弁２１を切換えることにより、洗浄液クーラー２４により洗浄液を冷却してバイパス管２３より洗浄槽１１に戻す。これにより洗浄槽の洗浄液の温度が一定値以下に保たれる。更にリンス槽に供給される超純水を冷却媒体に用いることにより、洗浄液の冷却コストを低減する。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、シリコン原料の洗浄液３０がフッ酸と硝酸の混合溶液である洗浄装置である。
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、シリコン原料の洗浄液３０がフッ酸と溶存オゾン水溶液の混合溶液である洗浄装置である。
フッ酸と硝酸を洗浄液に用いることにより、比較的短時間の洗浄が可能であり、フッ酸と溶存オゾン水溶液を用いることにより、高純度の洗浄液の使用が可能でり、両者ともシリコン原料の表面に付着した微粒子、不純物等を除去することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、シリコン原料を洗浄した洗浄液を循環させる循環ポンプ１８の上流側の流路に取外し可能に設けられた循環ポンプ防護用フィルタ１３，４３であって、メッシュサイズが０．１〜１．０ｍｍの耐薬品性の網１４，４４が、この流路の上流側に設けられ上記メッシュサイズより大きな孔１６ａ，４６ａを有する耐薬品性の第１有孔部材１６，４６と、この流路の下流側に設けられ上記メッシュサイズより大きな孔１７ａ，４７ａを有する耐薬品性の第２有孔部材１７，４７とにより挟持され、第２有孔部材４７がその一面に流路に連通する孔４７ｂを有する箱であって、第１有孔部材４６が網を介して第２有孔部材４７を被包する箱であることを特徴とする循環ポンプ防護用フィルタである。
網のメッシュサイズを０．１〜１．０ｍｍにすることにより、シリコン原料の破砕片を捕集でき、下流の循環ポンプをシリコン原料の破砕片から保護することができる。この網を第１及び第２有孔部材で挟持することにより、網の緊張が保たれかつ網が補強される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
図１に示すように、この実施の形態ではシリコン原料の洗浄装置はそれぞれ単一の洗浄槽１１とリンス槽１２を有する。これらの槽の上部には全周にわたってオーバフローした液を受ける回収槽１１ａ及び排水槽１２ａがそれぞれ設けられる。排水槽１２ａにはオーバフローした超純水を図示しない排水施設に流下させる排水口１２ｂが設けられる。この回収槽１１ａ内には排液口１１ｂを覆うように板状の循環ポンプ防護用フィルタ１３が回収槽全周にわたって取外し可能に設けられる。この実施の形態では、回収槽１１ａの幅より長い短辺を有する長方形状のフィルタ１３がオーバフローしてくる液を受けるように傾斜して回収槽１１ａ内に置かれる。
図２に詳しく示すように、循環ポンプ防護用フィルタ１３はメッシュサイズが０．１〜１．５ｍｍ、好ましくは０．３〜１．２ｍｍの耐薬品性の網１４が第１有孔部材１６と第２有孔部材１７とにより挟持されて構成される。この実施の形態では網１４は厚さ０．１〜１．０ｍｍであって、メッシュサイズ１．０ｍｍである。また有孔部材１６と１７は同形同大であって、それぞれ３〜５ｍｍの厚さを有し、直径約５〜５０ｍｍの孔１６ａ，１７ａを有する。網１４も有孔部材１６，１７もそれぞれ耐薬品性のポリテトラフルオロエチレン（商品名：テフロン）により形成される。
【００１７】
図１に戻って、回収槽１１ａの排液口１１ｂには導管１９の一端が接続され、導管１９の他端は循環ポンプ１８の吸込み口に接続される。この循環ポンプ１８の吐出口にはフィードバック管２０の一端が接続され、フィードバック管２０の他端は洗浄槽１１の槽底部に接続される。フィードバック管２０の途中には微粒子除去用フィルタ２２及び切換弁２１が設けられる。切換弁２１は三方弁により構成される。この切換弁２１には更にバイパス管２３の一端が接続され、バイパス２３の他端は洗浄槽１１の槽底部に接続される。バイパス管２３の途中には洗浄液クーラー２４が設けられる。微粒子除去用フィルタ２２は耐薬品性のポリテトラフルオロエチレン（商品名：テフロン）のメッシュサイズが０．０５〜１０μｍの網２２ａが内蔵される。この実施の形態では網２２ａのメッシュサイズは０．１μｍである。洗浄液クーラー２４の冷却媒体にはリンス槽１２の超純水が使用される。具体的には超純水がポンプ２７で、或いはポンプ２７を用いることなく超純水のライン圧でクーラー２４内を通って導管２８を介して槽底部からリンス槽１２内に圧送される。
洗浄槽１１の内部には洗浄液３０の温度を検出する温度センサ３１が設けられ、この温度センサ３１の検出出力はコントローラ３２に接続される。コントローラ３２の制御出力は切換弁２１に接続される。コントローラ３２は温度センサ３１により洗浄液３０の温度が所定の温度を超えると判断するときには洗浄槽１１のオーバフロー液をバイパス管２３に流すように切換弁２１を切換える。
【００１８】
このような構成の洗浄装置を用いてシリコン原料を洗浄する方法について説明する。予め洗浄槽１１にはフッ酸と硝酸の混酸からなる洗浄液３０が貯えられ、リンス槽１２には超純水が貯えられる。循環ポンプ１８を運転して洗浄液３０を洗浄槽１１とフィルタ１３，２２との間を循環させ、ポンプ２７を運転して、或はポンプ２７を用いずに超純水のライン圧により、超純水からなるリンス液３５をリンス槽１２に圧送する。
この状態で、プラスチック製の袋から取出された塊状の多結晶シリコン又はＣＺ法で所望の引上げが行われなかった単結晶シリコンの塊状物などのシリコン原料３３をプラスチック製のかご３４に入れる。図示しない昇降装置によりこのかご３４を洗浄槽１１内に静かに降ろし洗浄液３０に浸漬する。洗浄液３０に浸漬すると、先ずシリコン原料の０．１〜０．８ｍｍ程度の大きさの細かい破砕片が液中に浮遊する。またシリコン原料の表面に形成された酸化膜が洗浄液によりエッチング除去され、酸化膜中又は酸化膜表面に付着していた微粒子等が洗浄液３０に分散する。オーバフローした洗浄液３０は循環ポンプ防護用フィルタ１３でろ過され、細かい破砕片はこのフィルタ１３で捕集される。これにより循環ポンプ１８にはシリコン原料の破砕片が到来せず、この循環ポンプ１８が損傷することはない。フィルタ１３を通過した洗浄液は導管１９及び微粒子除去用フィルタ２２を通り、このフィルタ２２で上記微粒子が捕集される。これにより微粒子のない清浄化した洗浄液が洗浄槽１１に戻される。洗浄液の循環により、塊状のシリコン原料の間を洗浄液が通過し洗浄効果を高める。
所定時間浸漬した後、図示しない昇降装置によりかご３４を引上げ、リンス槽１２に所定時間浸漬する。ポンプ２７又はライン圧で圧送されたリンス液３５は塊状のシリコン原料の間を通過して洗浄液及び残留する微粒子等を洗い流す。かご３４は再び引上げられ、図示しない希フッ酸からなる洗浄液が貯えられた槽に浸漬され、引続いて超純水が貯えられた槽に浸漬してシリコン原料がリンスされた後、乾燥工程に送られ、かごの中のシリコン原料は乾燥される。希フッ酸が貯えられた槽及びこの槽の後の超純水が貯えられた槽は、図１に示した洗浄槽１１とリンス槽１２とそれぞれ同様に構成され、希フッ酸の洗浄槽には循環ポンプ防護フィルタ及び微粒子除去用フィルタが設けられる。乾燥したシリコン原料は図示しない石英るつぼに入れられ、単結晶育成装置で融解される。
【００１９】
洗浄槽１１にシリコン原料３３の入ったかご３４を繰返し浸漬して洗浄を行うと、エッチング反応による発熱で洗浄液３０の温度が上昇する。高温の洗浄液は原料であるシリコンの表面に異常な酸化膜を形成してその品質に悪影響を及すため、この実施の形態では洗浄液３５℃を超えるとコントローラ３２は温度センサ３１の検出出力により切換弁２１を切換え、循環ポンプ１８で圧送された洗浄液をバイパス管２３及び洗浄液クーラー２４に通し、このクーラー２４で冷却した後、洗浄槽１１に戻す。クーラー２４で洗浄液は冷却される。これにより所定の温度以下で微粒子のない洗浄液が常に循環するようになる。フィルタ２２は微粒子の捕集量が増大したときには新しいフィルタと交換する。交換時にはフィルタを交換しない導管１９又はバイパス管２３に洗浄液を通すようにする。
【００２０】
次に本発明の別の実施の形態について説明する。
図３〜図５に示すように、この実施の形態の特徴ある点は、循環ポンプ防護用フィルタ４３の構成にある。図３において、先の実施の形態と同一の構成部品は図１と同一の符号で示す。図４に詳しく示すように、このフィルタ４３では第２有孔部材４７がその一面に流路に連通する孔４７ｂを有する箱に形成され、第１有孔部材４６が網４４を介して第２有孔部材４７を被包する箱に形成される。孔４７ｂに続いて排液管４７ｃが一体的に形成される。この排液管４７ｃは導管１９の一端に接続される。この実施の形態では網４４は厚さ０．５ｍｍであって、メッシュサイズ０．５ｍｍである。また有孔部材１６と１７はそれぞれ１０ｍｍの厚さを有し、底面を除く５つの面に直径約２０ｍｍの孔４６ａ，４７ａを有する。各面に１６個、合計４８個の孔を有する。網４４も有孔部材４６，４７もそれぞれ耐薬品性のポリテトラフルオロエチレン（商品名：テフロン）により形成される。
このような構造のフィルタ４３は、前述したフィルタ１３と比べて、より堅ろうであって、回収槽１１ａへの取付け、取外しが容易で、シリコン原料の破砕片をより確実に捕集することができる。このフィルタ４３を取付けた状態でのシリコン原料の洗浄方法は前記実施の形態と同様であるので、繰返しの説明を省略する。
【００２１】
なお、上記実施の形態では洗浄液としてフッ酸と硝酸の混酸を用いたが、フッ酸と溶存オゾン水溶液の混合液を洗浄液としてもよい。前者の混酸はエッチング速度が速く洗浄時間が短時間で済む利点があるが、後者の混合液はそれぞれ高純度のフッ酸及び溶存オゾン水溶液の入手が容易で洗浄液自体の純度を高くすることができ、洗浄効果に優れる。またフッ酸と硝酸の混酸で洗浄し、超純水でリンスした後、希フッ酸で洗浄し、超純水でリンスしたが、希フッ酸の洗浄はなくてもよい。
また、上記実施の形態では塊状のシリコン原料を用いたが、粒状でもよい。
また、上記実施の形態では洗浄槽とリンス槽がそれぞれ１つの場合を示したが、洗浄槽とリンス槽をそれぞれ更に１つ又は２つずつ加えて洗浄装置を構成してもよい。
更に、循環ポンプ防護用フィルタ４３を立方体の形状で示したが、本発明のフィルタ４３の形状はこれに限らず、回収槽１１ａの長さ、幅、高さに応じて直方体状の箱等に形成してもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の洗浄方法によれば、洗浄により洗浄液中に入り込んだシリコン原料の破砕片を循環ポンプ防護用フィルタにより捕集し、また微粒子を微粒子除去用フィルタにより捕集するので、循環ポンプを損傷させることなく、常に清浄化された洗浄液を循環使用することができる。この結果、少ない洗浄槽で洗浄後の表面に微粒子のないシリコン原料が得られる。このシリコン原料を用いてシリコン単結晶を育成した場合に、単結晶が無転位で成長し、フリー化率を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコン原料の洗浄装置の構成図。
【図２】本発明の循環ポンプ防護用フィルタの部分拡大断面図。
【図３】本発明の別の循環ポンプ防護用フィルタを使用した洗浄槽の構成図。
【図４】本発明の別の循環ポンプ防護用フィルタの部分拡大断面図。
【図５】その外観斜視図。
【符号の説明】
１１ 洗浄槽
１２ リンス槽
１３，４３ 循環ポンプ防護用フィルタ
１４，４４ 網
１６，４６ 第１有孔部材
１７，４７ 第２有孔部材
１８ 循環ポンプ
１９，２８ 導管
２０ フィードバック管
２１ 切換弁
２２ 微粒子除去用フィルタ
２３ バイパス管
２４ 洗浄液クーラー
３０ 洗浄液
３１ 温度センサ
３２ コントローラ
３３ シリコン原料
３４ かご
３５ リンス液

Claims (4)

1. シリコン原料の洗浄液(30)が貯えられた洗浄槽(11)と、
   前記洗浄槽(11)からオーバフローする洗浄液が流下する導管(19)と、
   前記導管(19)に流下する洗浄液をフィードバック管(20)を介して再度前記洗浄槽(11)に戻す循環ポンプ(18)と、
   前記循環ポンプ(18)の上流側の導管(19)に設けられた循環ポンプ防護用フィルタ(13,43)と、
   前記循環ポンプ防護用フィルタ(13,43)の下流側の導管(19)又はフィードバック管(20)に設けられた微粒子除去用フィルタ(22)と、
   超純水 (35) が貯えられたリンス槽 (12) と
   を備えたシリコン原料の洗浄装置であって、
   前記洗浄槽 (11) に洗浄液 (30) の温度を検出する温度センサ (31) が設けられ、
   前記フィードバック管 (20) の途中に切換弁 (21) を介して前記洗浄槽 (11) に接続されたバイパス管 (23) が設けられ、
   前記バイパス管 (23) の途中に洗浄液クーラー (24) が設けられ、
   前記温度センサ (31) が検出する温度に基づいて前記切換弁 (21) を切換えるコントローラ (32) と
   を備え、
   前記洗浄液クーラー (24) の冷却媒体が前記リンス槽 (12) に供給される超純水 (35) であることを特徴とするシリコン原料の洗浄装置。
2. シリコン原料の洗浄液(30)がフッ酸と硝酸の混合溶液である請求項１記載のシリコン原料の洗浄装置。
3. シリコン原料の洗浄液(30)がフッ酸と溶存オゾン水溶液の混合溶液である請求項１記載のシリコン原料の洗浄装置。
4. シリコン原料を洗浄した洗浄液を循環させる循環ポンプ(18)の上流側の流路に取外し可能に設けられた循環ポンプ防護用フィルタ(13,43)であって、
   メッシュサイズが０．１〜１．０ｍｍの耐薬品性の網(14,44)が、前記流路の上流側に設けられ前記メッシュサイズより大きな孔(16a,46a)を有する耐薬品性の第１有孔部材(16,46)と、前記流路の下流側に設けられ前記メッシュサイズより大きな孔(17a,47a)を有する耐薬品性の第２有孔部材(47)とにより挟持され、
   前記第２有孔部材 (47) がその一面に流路に連通する孔 (47b) を有する箱であって、前記第１有孔部材 (46) が網を介して前記第２有孔部材 (47) を被包する箱であることを特徴とする循環ポンプ防護用フィルタ。

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