JP5108354B2 - 高純度シリコンの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンウエハーの生産等から生じるシリコン粉末廃棄物を再利用するための方法に関する。特に、シリコン粉末廃棄物を放電プラズマ法で焼結することにより、高純度シリコンを得る方法に関する。
半導体基板原料のシリコン単結晶は、シリカの還元、モノシランへの転化、水素還元、単結晶シリコン引き上げのプロセス経て製造され、多大なエネルギーを消費している、更に半導体基板であるシリコンチップは、シリコン単結晶をスライスしてシリコンウエハーとして、シリコンウエハーとして、次いでラッピング、ポリッシングの工程を経て、最後にダイシングによって得られるが、シリコン単結晶よりシリコンチップへの収率はわずか３０％であり、残りの７０％はシリコンスラッジとして廃棄物として処理されている。
シリコンスラッジ廃棄物は、現在、埋立地に堆積されるか、あるいは焼却炉で燃やされているが、埋立地にスラッジを堆積すると、オイルやグリコールが土壌中に進出する危険があり、環境問題となっている。また、焼却炉での焼却は、スラッジ中のシリコン粉末が汚染された二酸化ケイ素に変換され、最終的には土壌中に堆積されることになる。このように、シリコン粉末廃棄物は環境汚染への影響と、これに対する対策に絡むコスト高の問題を引き起こしつつある。
したがって、シリコンスラッジ廃棄物の安全な再利方法が特に必要とされている。シリコンスラッジを再利用するためには、シリコン粒子からなる固体フラクションを液体フラクションであるグリコールまたはオイルから分離しなければならない。しかし、通常、固体フラクションを液体フラクションであるグリコールまたはオイルから分離するためには、沈降分離又はろ過などによる分離後さらに沈殿物、ろ過ケーキを加熱しなければならず、プロセスが煩雑である、また、コストも要し、工業的な再利用としては採算性が伴わない。 さらに、シリコンの加工工程において酸化が進んでいることから、シリコンスラッジは酸化物となっており、単純に焼結させただけでは、高純度のシリコンを得ることはできない。
一方、高純度シリコンの需要は、集積回路と太陽電池パネルの需要の高まりと共に、今後ますます高まることが予想される。したがって、シリコン粉末廃棄物を簡易に再利用して、高純度シリコンを得ることができれば、高純度シリコンの旺盛な需要に大きく貢献することができる。
本発明の目的は、シリコン粉末廃棄物を、上記のような分離を行う必要もなく、粉末状態のままから焼結助剤を用いずに、太陽電池、脱酸剤などの原料として再利用する方法を提供することにある。
本発明においては、従来は埋立地に堆積されるか、あるいは焼却炉で燃やされていたシリコン廃棄物を放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法により焼結することにより、驚くべきことに、シリコン廃棄物中の固体フラクションから液体フラクションを事前に分離しなくても、極めて高純度のシリコンを簡易に得ることができることを見出した。また、シリコンスラッジは酸化物となってしまっており、単純に焼結しただけでは高純度のシリコンを得ることができないが、非酸化性雰囲気において、一定温度以上で放電プラズマ焼結法による焼結により、酸化還元反応が起きて、容易に高純度のシリコンを得ることができる。
本発明の構成は次のとおりである。
（１）シリコン粉末廃棄物を、粉末状態のままで放電プラズマ焼結法によって非酸化性雰囲気において高密度に焼結することにより、高純度シリコンを製造する方法。
（２）前記シリコン粉末廃棄物はシリコンウエハーの生産から生じるものである上記（１）に記載の方法。
（３）酸化還元反応が伴う上記（１）又は（２）に記載の方法。
（４）前記非酸化性雰囲気が、真空、窒素ガス、アルゴンガス、水素ガスあるいはこれらの混合ガスのいずれかである上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の方法。
（５）加圧圧力１０〜１００ＭＰａ、加熱・焼結温度を５００〜２０００℃の範囲で行う上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の方法。
（１）シリコン粉末廃棄物を、粉末状態のままで放電プラズマ焼結法によって非酸化性雰囲気において高密度に焼結することにより、高純度シリコンを製造する方法。
（２）前記シリコン粉末廃棄物はシリコンウエハーの生産から生じるものである上記（１）に記載の方法。
（３）酸化還元反応が伴う上記（１）又は（２）に記載の方法。
（４）前記非酸化性雰囲気が、真空、窒素ガス、アルゴンガス、水素ガスあるいはこれらの混合ガスのいずれかである上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の方法。
（５）加圧圧力１０〜１００ＭＰａ、加熱・焼結温度を５００〜２０００℃の範囲で行う上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の方法。
本発明において使用する放電プラズマ焼結法（以下、ＳＰＳ法と略記する）は、圧粉体にオン−オフ直流パルス電圧・電流を印加し、粉体粒子間隙で起こる放電現象により焼結体を作製する方法であり、従来よりも短時間、低温度で、金属、セラミックスなどを緻密に焼結することができる。焼結は主に、黒鉛型を抵抗体とする発熱によって行われるが、パルス電場は、イオン、空孔及び転位の移動・拡散を促進するため、通常の方法では焼結できない粉体でも焼結することができる。
シリコン廃棄物は従来の方法では、焼結することができず、これまで埋立地に堆積されるか、あるいは焼却炉で燃やされていた。本発明においては、従来再利用が困難とされていたシリコン廃棄物を、固体フラクションから液体フラクションを分離することなく、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）法により焼結することにより極めて高純度のシリコンを簡易に得ることができる。
本発明の高純度シリコンの製造における焼結に際しては、特に、焼結助剤を必要としない。
本発明によれば、シリコン廃棄物を、固体フラクションから液体フラクションを分離することなく、放電プラズマ焼結法により焼結することにより、極めて簡便にかつ低コストで高純度シリコンを製造することができる。
本発明においては、放電プラズマ焼結装置（ＳＰＳシンテックス（株）製ＳＰＳ−５２０）を用いて焼結した。図１に、ＳＰＳ焼結のプロセス基本構成図を示す。また、焼結ダイスには、グラファイト製の内径約２０ｍｍ、高さ４０ｍｍのものを使用し、ダイスと粉末の剥離に厚さ０．２ｍｍのカーボンシートを用いた。
シリコンウエハーの生産工程から回収されたシリコン廃棄物を、固体フラクションから液体フラクションを分離することなく、そのまま上記ダイスに収容し、ダイスのパンチを通じて加圧した状態で、さらにパルス電流を通電して８００℃まで昇温して行い、ここで５分間保持したのち電流を切って冷却した。焼結の際の焼結室の真空度は約３Ｐａであった。
以上の方法により、純度４０％程度の酸化されたシリコン粉末から、放電プラズマ焼結によって、純度７０％以上の高純度シリコンが得られることが確認され、太陽電池原料、脱酸剤、合金原料などへの応用が可能であることがわかった。
上記方法では、真空中で焼結を行ったが、窒素ガス、アルゴンガス、水素ガスあるいはこれらに混合ガス等の非酸化性雰囲気中で行うことができる。
１ パルス電源
２ 上部パンチ電極
３ 下部パンチ電極
４ 上部パンチ
５ 下部パンチ
６ 焼結ダイ
８ 粉末
９ 水冷真空チャンバー
Ｐ 荷重
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Claims (5)
- シリコン粉末廃棄物を、粉末状態のままで放電プラズマ焼結法によって非酸化性雰囲気において高密度に焼結することにより、高純度シリコンを製造する方法。
- 前記シリコン粉末廃棄物はシリコンウエハーの生産から生じるものである請求項１に記載の方法。
- 酸化還元反応が伴う請求項１又は２に記載の方法。
- 前記非酸化性雰囲気が、真空、窒素ガス、アルゴンガス、水素ガスあるいはこれらの混合ガスのいずれかである請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
- 加圧圧力１０〜１００ＭＰａ、加熱・焼結温度を５００〜２０００℃の範囲で行う請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
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