JP5346323B2

JP5346323B2 - シリコン片混合物を少なくとも２つのサイズ分布に区分する方法、システム及び分級機

Info

Publication number: JP5346323B2
Application number: JP2010131097A
Authority: JP
Inventors: アーヴィド・ニール・アーヴィドソン; トッド・スタンレー・グラハム; キャスリン・エリザベス・メスナー; クリス・ティム・シュミット; テレンス・リー・ホーストマン
Original assignee: Hemlock Semiconductor Corp
Current assignee: Hemlock Semiconductor Operations LLC
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: EP1683584A2; EP1391252A1; KR100991110B1; US20040035960A1; JP2010189274A; DE60329789D1; US20040251333A1; US6874713B2; JP4585751B2; EP1683584B1; DE60311368D1; US7080742B2; DE60311368T2; EP1391252B1; JP2004091321A; KR20040018176A; EP1683584A3

Description

本発明はシリコン処理方法及び装置に関する。より具体的には、本発明は多結晶シリコンをチョクラルスキー（Czochralski）型プロセスで有用な原料に処理するための方法及び装置に関する。

多結晶シリコンは冷壁ガラス鐘反応器中で化学蒸着（ＣＶＤ）法を用いて調製することができる。典型的には、このプロセスは加熱された基体上での高純度シラン又はクロロシランのＣＶＤによって実施される。得られた生成物はロッド又はリボン等の多結晶シリコンの加工物である。多結晶シリコンは単結晶シリコンを形成するために使用されうる。電子デバイスで使用される大多数の半導体チップはチョクラルスキー型（ＣＺ）プロセスで調製された単結晶シリコンから製造されている。ＣＺプロセスでは、多結晶シリコン原料を石英坩堝中で溶融し、坩堝と原料溶融物を平衡温度で安定化し、原料溶融物中に種結晶を浸漬し、原料溶融物が種結晶上で結晶化して単一の結晶のインゴットを形成するように種結晶を引き下げ、そして、成長したインゴットを引き上げることによって単結晶シリコンのインゴットが製造される。溶融は不活性ガス環境中の低絶対圧下で１４１２℃から１４２０℃の温度で起こる。坩堝は一般に結晶が成長する仮想の軸に沿って継続的に回転される。インゴットを原料溶融物から引き上げる速度は所望の直径を有するインゴットを形成するように選択される。

しかし、多結晶シリコン加工物は、通常、ＣＺプロセスで単結晶シリコンを形成する為に使用される前に処理を受ける。通常、多結晶シリコン加工物は坩堝への装填に好適なサイズに破砕される。坩堝に装填される量を最大とするために異なるサイズ分布のシリコン片混合物が使用されうる。

欧州特許出願公開第５３９０９７号公報英国特許第１３６８２２４号明細書欧州特許第３２９１６３号明細書米国特許第４８７１１１７号明細書米国特許第５４６４１５９号明細書米国特許第６０２４３０６号明細書特開平７−６１８０８号公報米国特許第５１６５５４８号明細書

多結晶シリコン加工物のある処理方法は、人手によるものである。すなわち、クリーンルーム環境中の作業者が多結晶シリコン加工物を低汚染作業表面上に載置し、当該多結晶シリコン加工物に低汚染衝撃器具で打撃を加えて多結晶シリコン片を形成するのである。

次に、作業者は、手作業で多結晶シリコン片を少なくとも２つのサイズ分布に分類し、分類された多結晶シリコン片を高純度バッグ中に詰め込む。このプロセスは重労働と高コストという欠点のために難点がある。更に、このプロセスは各作業者が若干異なったやり方で打撃を加え、分類するかもしれないという欠点を備えており、得られた製品のサイズ分布が作業者によって異なりうるという問題を抱えている。したがって、多結晶シリコン片を調製し分類する改善された方法を求める根強いニーズが存在する。

本発明は、シリコンを処理する方法及び装置に関する。下記の発明は多結晶シリコンに関して詳細に記載されているが、当業者であればここに記載された方法と装置は多結晶シリコン又は単結晶シリコン、或いは、それらの混合物に使用されうることを認識するであろう。

本発明の回転インデント分級機で使用される、凹部を備えたディスク１０２を複数備えたアセンブリ１００の三次元図及びアセンブリ１００の端面の図である。本発明の回転インデント分級機で使用されるシリンダー２００の前面図である。本発明の回転インデント分級機の前面図であり、図１のアセンブリ１００を含む。本発明の回転インデント分級機の前面図であり、図２のシリンダー２００を含む。図４の回転インデント分級機の平面図である。図４の回転インデント分級機の左側面図である。図４の回転インデント分級機の右側面図である。多結晶シリコン加工物加熱用の制御雰囲気マイクロ波炉である。本発明の方法で使用されるクエンチタンクの平面図である。図９のクエンチタンクの断面図である。本発明の方法で使用される機械的分離機の断面図である。図１１の機械的分離機の気圧ハンマー室の上面図である。

使用用語の定義
全ての量、比及び百分率は特に断らない限り重量ベースである。以下のものはここで使用される定義のリストである。

本明細書に記載の各名詞は単数又は複数である。

「混合物」又は「組み合わせ」とは何らかの方法で一緒とされた２以上の物品乃至事項である。

「°Ｃ」は摂氏を意味する。

「°Ｆ」は華氏を意味する。

「Ｋ」はケルビンを意味する。

「Ｋｇ」はキログラムを意味する。

「ｍｍ」はミリメートルを意味する。

「ｍ／ｓ」はメートル毎秒を意味する。

「粒子サイズ」は粒子上の２点間で最も長い直線を意味する。例えば、球状粒子では粒子サイズはその直径である。

「ｒ．ｐ．ｍ．」は回転毎秒を意味する。

本発明の方法
本発明は、多結晶シリコンの処理方法に関する。この方法は、ＣＺプロセスでの使用に好適な多結晶シリコン片の異なるサイズ分布を作製することを含む。この方法は、化学蒸着法で多結晶シリコン加工物を調製し、当該多結晶シリコン加工物を破砕して異なるサイズの多結晶シリコン片の混合物とし、異なるサイズを有する多結晶シリコン片の混合物を少なくとも２つのサイズ分布に分類することを含みうる。多結晶シリコン加工物は熱衝撃プロセスで破砕されうる。或いは、その方法は、流動床反応法を用いて異なるサイズの多結晶シリコン片の混合物を調製し、異なるサイズを有する多結晶シリコン片の混合物を少なくとも２つのサイズ分布に分類することを含みうる。本発明の方法では、化学蒸着法又は流動床反応法のいずれかで調製された異なるサイズを有する多結晶シリコン片の混合物が、本発明の回転インデント（indent）分級機等の回転インデント分級機を用いて分類される。

多結晶シリコン加工物の調製
ここに記載される方法で使用されうる多結晶シリコン加工物は、当該分野で知られた方法で調製されうるロッド及びリボンを含む。例えば、多結晶シリコンのロッドは加熱された基体上に高純度のクロロシラン又はシランを化学蒸着させることを含む化学蒸着法で調製されうる（William C. O’Mara, Robert B. Herring及びP. Hunt編「Handbook of Semiconductor Silicon Technology」Noyes Publications社（Park Ridge, New Jersey, U.S.A., 1990）第２章第３９から５８頁参照）。

一方、多結晶シリコンのリボンはChandraらの国際公開第０１／６１０７０号明細書に記載の化学蒸着法で調製されうる。

或いは、多結晶シリコン加工物は米国特許第４０９２４４６号明細書及び米国特許第４２１３９３７号明細書に記載されるような流動床反応法で調製されうる。流動床法で調製される多結晶シリコン加工物は下記の方法及び装置で（複数の）サイズ分布に分類されるために好適なサイズとされうる（例えば、流動床反応法は分類前の破砕が不要な様々なサイズの多結晶シリコン片の混合物を直接製造しうる）。

分類に好適なサイズではない多結晶シリコン加工物は、様々なサイズの多結晶シリコン片の混合物を調製するために破砕されてもよく、そのサイズは下記の方法及び装置での分類に適当なものとされる。

多結晶シリコン加工物の破砕
多結晶シリコン加工物は特許文献１に記載されるような低汚染型衝撃機で打撃を受け破砕されてもよい。或いは、多結晶シリコン加工物は特許文献２及び３に記載されるような熱衝撃プロセスで破砕されてもよい。

或いは、多結晶シリコン加工物は、多結晶シリコン加工物の加熱及び冷却を制御し、それによって多結晶シリコン加工物全体にストレスによるひび割れを生成させることを含む熱衝撃プロセスで破砕されてもよい。ひび割れを広げ、多結晶シリコン加工物を様々なサイズの多結晶シリコン片の混合物へとするために分離機が使用されてもよい。

熱衝撃プロセスでは、多結晶シリコン加工物は所定の温度に加熱され、加熱された多結晶シリコン加工物は流体噴霧で冷却される。多結晶シリコン加工物は３１５から７６０℃（６００〜１４００°Ｆ）、或いは６４８から７６０℃（１２００〜１４００°Ｆ）、或いは３１５から３９９℃（６００〜７５０°Ｆ）、或いは３３２から３９９℃（６３０〜７５０°Ｆ）、或いは３４３から３７１℃（６５０〜７００°Ｆ）の温度に加熱されうる。多結晶シリコン加工物は例えばレーザー、赤外線又はマイクロ波エネルギーで加熱されうる。多結晶シリコン加工物を加熱する方法及び装置は例えば特開昭６３−２８７５６５号公報、米国特許第４５６５９１３号明細書及び特許文献５に記載されるものを含む。

加熱用装置は当該分野で知られており、また、市販されている。例えば、多結晶シリコン加熱用の適当な雰囲気制御マイクロ波炉が図８に示されており、これはMicrowave Materials Technologies社（Oak Ridge, Tennessee, U.S.A.）から市販（１０１型）されている。雰囲気制御マイクロ波炉８００は、制御キャビネット８０２に電気的に接続された制御雰囲気室８０１を含み、当該室８０１内の温度が制御される。マイクロ波供給体８０３は導波アセンブリ８０４を介してマイクロ波エネルギーを制御雰囲気室８０１に供給する。制御雰囲気室８０１は側面８０６とドア８０７に覗き窓８０５を有している。熱電対８０８は制御雰囲気室８０１内の温度測定に使用されうる。

加熱された多結晶シリコン加工物は、例えば気体又は液体等の様々な高純度流体を用いて冷却されうる。好適な気体は、空気、窒素等の不活性ガス、又はこれらの混合物を含む。好適な液体は水又は液化不活性ガスを含む。水が使用される場合は、脱イオン水、蒸留水、又は他の精製水が使用され、使用者に望ましくない不純物のシリコンへの汚染が最小限とされる。或いは、ＨＦ又は水酸化アンモニウムの水溶液が使用されてもよい。

前記流体は１又は複数のノズルから加熱された多結晶シリコン加工物上に噴霧されることができる。生成するシリコン片のサイズ及び形状はノズルのタイプ、位置及び配向、並びに、流体の流速に依存する傾向がある。ノズルの間隔は形成されるシリコン片混合物のサイズ分布に影響を与える傾向がある。望ましいサイズの片を生成するために、ノズルは１〜６インチ、或いは２〜４インチ離れて設置することができる。ノズル配向はシリコン片の形状に影響を与える傾向がある。加工物の軸に垂直に配向された平らなファン及びチューブ型のノズルは不規則な形状の片を生成する傾向がある。軸に沿って配向する場合は、均一なくさび型又はパイ型の片を生成する傾向がある。ノズルのタイプ及び噴霧パターンは片の形状に影響を与える傾向がある。コーン型の噴霧パターンは多くの半円形片を生成する傾向がある。平らなファン型の噴霧はくさび型片を生成する傾向がある。当業者であれば、シリコン片のサイズ分布と形状が多結晶シリコン加工物の作製に使用される方法及びそれによって生成した内部ストレスによっても影響を受けることを認識するであろう。当業者は過度の実験をすることなく、ノズルのタイプと配向を選択することができるであろう。

前記流体は多結晶シリコン加工物をひび割れさせるに充分なストレスが生成するように噴霧される。使用される流体の速度は、多結晶シリコン加工物を作製する方法、それによって生成した内部ストレス、使用される流体のタイプ、使用される流体の温度、及び、当該加工物の温度に依存する。例えば、室温の空気が流体として使用される場合、Hemlock Semiconductor社で作製され９７３Ｋに加熱された多結晶シリコン加工物に対しては速度は６０ｍ／ｓを越えうる。室温の空気が流体として使用される場合、Hemlock Semiconductor社で作製され８７３Ｋに加熱された多結晶シリコン加工物に対しては速度は１３０ｍ／ｓを越える。室温の水が流体として使用される場合、Hemlock Semiconductor社で作製され９７３Ｋに加熱された多結晶シリコン加工物に対しては速度は１ｍ／ｓを越える。室温の水が流体として使用される場合、Hemlock Semiconductor社で作製され８７３Ｋに加熱された多結晶シリコン加工物に対しては速度は２．５ｍ／ｓを越える。

加熱された多結晶シリコン加工物はクエンチタンクで冷却されうる。図９は、加熱された多結晶シリコン加工物９０１の冷却に使用可能なクエンチタンク９００の例を示す平面図である。加熱された多結晶シリコン加工物９０１はクエンチタンク９００中の支持体９０２上に載置される。支持体９０２は加熱された多結晶シリコン加工物９０１を全く汚染しない（又はあまり汚染しない）任意の材料から製造されうる。加熱された多結晶シリコン加工物９０１はノズル９０３から液体の噴霧を受ける。液体は入口９０４から出口９０５へと供給される。図１０はクエンチタンク９００の断面図である。図１０は、加熱された多結晶シリコン加工物９０１に関するノズル１００３の組の配向を示している。液体はノズル１００３の１つの組を通して供給されるか、同時に、ノズル１００３の２以上の組を通して供給される。ノズル１００３の組はパイプ１００１に沿って配置されうる。パイプ１００１は加熱された多結晶シリコン加工物９０１に並行に配設されている。パイプ１００１は垂直方向を基準にして６０°、９０°、１８０°及び２７０°の位置に配置されている。しかし、当業者であれば、他のパイプとノズルの配置が使用されてもよいことを認識するであろう。

冷却後、加工物はひび割れるが、そのままの状態を維持するかもしれない。したがって、ひび割れた多結晶シリコン加工物は、ひび割れを広げ、ひび割れた多結晶シリコン加工物を異なるサイズのシリコン片混合物とする分離機を必要とするかもしれない。シリコン片混合物に有意の汚染を引き起こさない任意の分離機が使用されうる。好適な機械的分離機は気圧、電気、磁気又は油（水）圧駆動ハンマー等のハンマーを備えるものである。

図１１は本発明の使用に好適な機械的分離機１１００の断面図を示す。機械的分離機１１００は蓋１１０２を備えた気圧駆動ハンマー室１１０１を有している。ひび割れた多結晶シリコン加工物１１０３は前記室１１０１内のシリコンを全く汚染しない（または、あまり汚染しない）材料製の支持体１１０４上に載置されうる。気圧駆動ハンマー１１０５、１１０６の列は加工物１１０３の長軸に並行に配列されており、水平面から２５°の角度で位置している。図１１の気圧駆動ハンマー室１１０１の平面図である図１２に示すように、１つの列１１０５のハンマーと他の列１１０６のハンマーとをずらしてもよい。しかし、当業者であれば、ハンマーの列は重なっていても、ずらしていてもよく、また、異なった列の配置及び位置が可能であることを認識するであろう。

多結晶シリコン加工物を破砕する別の方法は特許文献４〜７に記載のものを含む。

多結晶シリコン片の分類
異なるサイズの多結晶シリコン片の混合物は様々な方法で少なくとも２つのサイズ分布に分類される。混合物は手で又は機械で分類されうる。例えば、多結晶シリコン片の混合物は、特許文献８に記載される回転シリコン篩い等の当該分野で知られている方法及び装置を用いて分類されてよい。或いは、前記混合物はそれを少なくとも２つのサイズ分布に分類する回転インデント分級機に供給されてもよい。前記混合物は、例えば、ホッパー、シュート、或いは、バケツ、ベルト又は振動コンベア等のコンベア、といった従来の任意の手段で供給されうる。

回転インデント分級機は外周縁に沿って（複数の）凹部を有するディスク又はシリンダーを備えうる。シリンダーの外周縁に沿った凹部はシリンダーの第１の端部から当該シリンダーの第２の端部へ大きさが増大しうる。シリンダーは中実でも中空でもよい。或いは、分級機は外周縁に沿って（複数の）凹部を有する１以上のディスクを備えた２以上のアレイを含むアセンブリを備えてもよい。ディスクによって、或いは、アレイによって、凹部は異なる大きさを有してよい。

凹部は所定のサイズ又はそれ以下のシリコン片を捕捉し、当該所定のサイズより大きいサイズのシリコン片を排除する大きさとされている。分級機は、等しい大きさの凹部を外周縁に有する単一のディスク又はシリンダーを備え、当該大きさが所定のサイズ以下のシリコン片を捕捉し、当該所定のサイズを越えるシリコン片を排除するものであってもよい。これは２つのサイズ分布を形成する。

或いは、複数のディスクを備えたアセンブリが使用されてもよく、この場合は、ディスク群は、異なるサイズの凹部を異なるディスクに有する。このディスク群は、シリコン片混合物が、最も小さい凹部を有するディスクを最初に通過し、そして、凹部のサイズが増大する順に、凹部を有する次のディスクを順次通過するように配列される。

複数のディスク１０１を含むそのようなアセンブリ１００の例が図１に示されている。図１では、アセンブリ１００は、その外周縁１０４に沿って凹部１０３を有するディスク１０１の４つのアレイ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ及び１０２ｄを有する。複数の凹部を備えたディスク１０１はシャフト１０５に沿って配設されてアレイ１０２ａ−ｄを形成し、各アレイの末端はプレート１０６でブロックされている。複数の凹部ディスク１０１及びプレート１０６は、アセンブリ１００の長軸方向に延びる固定ロッド１０７によって互い違いの位置にシャフト１０５上に保持されている。

各ディスク１０１の外周縁における凹部１０３の数はシリコン片混合物の効率的な分離を促進するように最大化されうる。各アレイ１０２ａ−ｄを形成するディスク１０１は所定のサイズ以下のシリコン片を捕捉し、当該所定のサイズを越えるシリコン片を排除する大きさとされる。各凹部１３の深さは、同一のベースで、当該凹部の幅の４０〜７０％、或いは５５〜６５％でありうる。各ディスク１０１の厚さは、同一のベースで、凹部の長さが当該凹部の幅の１００〜１２０％、或いは１００〜１１０％となるように選択されうる。各凹部１０３は半円筒形（例えば、円筒をその長軸を通るように切断した形状）である。

或いは、外周縁に沿って形成された凹部を有するシリンダーが使用されてもよく、そこでは、シリンダーの第１の端部から当該シリンダーの第２の端部へと大きさが増大するように（複数の）凹部がシリンダーの長軸方向に沿って位置している。この（複数の）凹部は、シリコン片混合物がシリンダーの長軸方向に通過すると、その分別をもたらす。

そのようなシリンダーの例を図２に示す。図２では、シリンダー２００は第１の端部２１０、第２の端部２２０、及びそれらの間の外周縁２３０を有する。第１の端部２１０では、シリンダー２００は、シリンダー２００の外周縁に沿って配列された凹部２０１の第１の組を有している。各凹部２０１はシリンダー２００の表面で１／２インチの直径を備えており、各凹部２０１は半楕円体の形状で内側へのびている。凹部２０１は１５列ある。凹部２０１の列は互いにずらしてある。次に、シリンダー２００は凹部２０１の第１の組に隣接して凹部２０２の第２の組を有している。各凹部２０２はシリンダー２００の表面で１インチの直径を備えており、各凹部２０２は半楕円体の形状で内側へのびている。凹部２０２は５列ある。凹部２０２の列は互いにずらしてある。シリンダー２００は凹部２０２の第２の組に隣接して凹部２０３の第３の組を有している。各凹部２０３はシリンダーの表面で１．５インチの直径を備えており、各凹部２０３は半楕円体の形状で内側へのびている。凹部２０３は５列ある。凹部２０３の列は互いにずらしてある。シリンダー２００は凹部２０３の第３の組に隣接して凹部２０４の第４の組を有している。各凹部２０４はシリンダーの表面で２インチの直径を備えており、各凹部２０４は半楕円体の形状で内側へのびている。凹部２０４は５列ある。凹部２０４の列は互いにずらしてある。シリンダー２００は凹部２０４の第４の組に隣接して凹部２０５の第５の組を有している。各凹部２０５はシリンダーの表面で２．５インチの直径を備えており、各凹部２０５は半楕円体の形状で内側へのびている。凹部２０５は５列ある。凹部２０５の列は互いにずらしてある。シリンダー２００は凹部２０５の第５の組に隣接して凹部２０６の第６の組を有している。各凹部２０６はシリンダーの表面で３インチの直径を備えており、各凹部２０６は半楕円体の形状で内側へのびている。凹部２０６は５列ある。凹部２０６の列は互いにずらしてある。シリンダー２００は凹部２０６の第６の組に隣接して凹部２０７の第７の組を有している。各凹部２０７はシリンダー２００の表面で３．５インチの直径を備えており、各凹部２０７は半楕円体の形状で内側へのびている。凹部２０７は５列ある。凹部２０７の列は互いにずらしてある。凹部の各組は凹部の次の組から１／２インチ離れている。

各ディスク又はシリンダー外周の凹部の数は重要ではないが、シリコン片混合物の効率的な分離を促進するために最大化されてよい。凹部の列をずらして凹部の数を最大とすることができる。凹部の形状は例えば立方形、円筒形、半円筒形、楕円形、半楕円形又はくさび形でありうる。各凹部の深さは外周縁で測定して、同じベースで、凹部の幅の４０〜７０％、或いは５５〜６５％であってよい。当業者であれば、凹部の数、大きさ、間隔、並びに、凹部の組又は列の数を過度の実験を行うことなく変更することができるであろう。

図３は図１に示したアセンブリ１００を含む回転インデント分級機を示す。シャフト１０５の端部は基部１０９上に設けられている支持体１０８に回転可能に固定されている。支持体１０８にシャフト１０５を回転可能に接続する手段は標準的なベアリングであってよい。アセンブリ１００は、アセンブリ１００が水平面から５〜２０度、或いは１０〜１２度の傾斜となるように支持体１０８内に位置しうる。アセンブリ１００の傾斜はスライド板１１０に沿ってシリコン片混合物が重力で移動することを促進するように位置づけられている。支持体１０８は傾斜の変更を容易とするように高さを調節可能であってよい。シャフト１０５の上端部に取り付けられているのはアセンブリ１００に回転エネルギーを与える駆動機構１１１である。回転エネルギーは電気モーター、気圧又は油（水）圧駆動等の任意の都合のよい手段で供給されうる。駆動機構１１１はシャフト１０５に直接連結されてよく、或いは、ベルト、チェーン、減速ギアボックス又はこれらの組み合わせ等の任意の都合の良い手段で連結されてもよい。アセンブリ１００はタンジェント速度が１５〜３２センチ／秒となるために十分な速度で回転されてよい。

供給分配器１１２がアセンブリ１００の上端部に配置される。シリコン片混合物は供給分配器１１２によってアレイ１０２ａに供給されて分離プロセスが開始される。供給分配機１１２の形状は重要ではなく、図３に示すようなシュート、或いは、これらに限定されるものではないが、ホッパー、コンベア、スライド板、又はこれらの組み合わせ等の回転するアセンブリに材料片を供給するために都合の良い任意の他のデザインであってよい。

図３では、アセンブリ１００が外壁１１４及び区画壁１１５を備えた収集コンテナ１１３内に位置して示されている。区画壁１１５は各アレイ１１２ａ−ｄで捕捉されたシリコン片を隔離する幾つかの部屋に収集コンテナ１１３を区画するものである。収集コンテナ内に、軸がシャフト１０５に平行となるように位置するものはスライド板１１０である。スライド板１１０はアセンブリ１００の各サイドに位置しうる。スライド板１１０はアセンブリ１００の長手方向に沿ってシリコン片の混合物が重力で移動することを許容するように機能する。スライド板は静的に固定され、或いは、その長手下方へシリコン片が移動するのを促進する振動又は動作を許容する態様で保持されうる。当業者は、アセンブリ１００が図示されるような一体的なコンテナ装置内に配置される必要はなく、各アレイ１０２ａ−ｄの下方に位置する別個の複数の収集コンテナを有してよいことを認識するであろう。コンテナ底壁１１４及び基部１９は、分類されたシリコン片を上記部屋から除去する遮蔽可能な孔１１６をその中に備えている。

図４、５、６及び７は図２のシリンダー２００を含む回転インデント分級機４００を示す。図４は回転インデント分級機４００の前面図である。図５は回転インデント分級機４００の平面図である。図６は回転インデント分級機４００の左側面図である。図７は回転インデント分級機４００の右側面図である。シリンダー２００は当該シリンダー２００の長手方向の中心を通って延びるシャフト４０３を有している。シリンダー２００はシャフト４０３によって支持体４０１上に回転可能に設置されている。支持体４０１は基部４０２上に配設されている。シャフト４０３を支持体４０１に回転可能に接続する手段は標準的なベアリングであってよい。シリンダー２００は、シリンダー２００の傾斜が水平面上０〜２０度、或いは５〜１２度の傾斜となるように支持体４０１内に位置している。シリンダー２００の傾斜はシリコン片混合物がコンベア４０４に沿って移動するのを容易とするように位置づけされている。支持体４０１は傾斜の変更を容易とするように高さを調節可能であってよい。シャフト４０３の第１の端部４０５には駆動機構４０７が接続され回転エネルギーをシリンダー２００に与える。回転エネルギーは、電気モーター、或いは、気圧又は油（水）圧駆動等の任意の都合のよい手段で供給されうる。駆動機構４０７はシャフト４０３に直接連結されてよく、或いは、ベルト、チェーン、減速ギアボックス又はこれらの組み合わせ等の任意の都合の良い手段で連結されてもよい。或いは、当業者は、駆動機構は上記したような任意の都合の良い手段でシリンダに直接接続されてもよいことを認識するであろう。シリンダー２００はタンジェント速度が１５〜３２センチ／秒となるために十分な速度で回転されてよい。

コンベア４０４はシリンダー２００の第１の端部２１０で始まり、シリンダー２００の第２の端部２２０に向けて作動する。シリコン片混合物はコンベア４０４によってシリンダー２００の第１の端部２１０へ供給されて分離プロセスが開始される。コンベア４０４はシリンダー２００に隣接して長手方向に作動し、シリコン片混合物をシリンダー２００の長手方向に沿って第１の端部２１０から第２の端部２２０に向けて運搬する。コンベア４０４のタイプは重要ではなく、図４に示すような振動コンベア、又は、これらに限定されるものではないが、バケツコンベア又はベルトコンベアを含む、他の任意の、回転アセンブリに材料片を供給するのに都合のよいデザインであってよい。当業者であれば、ホッパー、シュート、スライド板又はこれらの組み合わせ等の、シリンダー２００の長手方向に沿ってシリコン片混合物を運搬するための他のデザインが使用可能であることを認識するであろう。

図４では、シリンダー２００は、外壁４０９と区画壁４１０を備えた収集コンテナ４０８の背後に位置している。区画壁４１０は凹部２０１−２０７の各組で捕捉されたシリコン片を隔離する幾つかの部屋に収集コンテナ４０８を区画するものである。当業者であれば、これに代えて、シリンダー２００は凹部２０１−２０７の各組の下方に位置する別個の（複数の）収集コンテナを備えてよいことを認識するであろう。

本発明の方法及び装置は様々な大きさのシリコン片の混合物を２以上のサイズ分布に分類するために有用である。この方法は、例えば、高純度単結晶シリコンを製造するチョクラルスキー型プロセスで使用される半導体グレードのシリコン片を分類するのに好適である。本発明の方法及び装置で分類されるシリコン片の形状は、これらに限定されるものではないが、チャンク（chunk）、チップ（chip）、フレーク（flake）、ビーズ（bead）、グラニュール（granular）及びパウダー（powder）を含む。

本方法を用いて分離されるべき、異なるサイズのシリコン片の混合物の粒子サイズ及び重量分布は、シリコン片混合物の作製に流動床反応法が使用されたか、多結晶シリコン加工物の調製に化学蒸着法が使用されたか、多結晶シリコン加工物の破砕に使用された方法、及び、分類されたシリコン片の最終的な用途を含む様々な要素に依存する。しかし、シリコン片の９０％までが０．１〜１５０ｍｍの粒径を有するシリコン片混合物が使用されうる。１５０ｍｍを越える粒径を有するシリコン片は分級機に供給又は再供給される前に更に破砕にかけられてよい。

シリコン片混合物が区分されるサイズ分布の数はシリコン片の最終用途の要求に依存する。シリコン片混合物は少なくとも２つのサイズ分布に区分されるか、或いは、少なくとも３つのサイズ分布に区分される。例えば、シリコン片混合物は下記の如く少なくとも７つのサイズ分布に区分されうる：１０ｍｍ未満、１０〜２５ｍｍ、２５〜４５ｍｍ、４５〜７５ｍｍ、７５〜１００ｍｍ、１００〜１５０ｍｍ、及び、１５０ｍｍを越えるもの。任意に、１以上のサイズ分布にある片が使用者の要求を満たすために任意の比で組み合わされうる。

ここに開示される装置は標準的なエンジニアリング材料で構築されうる。シリコンと接触しない部品はステンレス鋼、鉄、アルミニウム及びプラスチック等の適当な材料で構築されうる。シリコンを接触する部品は全く又はあまりシリコンに表面汚染を与えない。したがって、本方法の任意の部分でシリコンに接触する部品は超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）、ポリプロピレン、パーフルオロアルコキシ樹脂（PFA）、ポリウレタン（PU）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、テフロン（登録商標）、タングステンカーバイド、シリコン及びセラミック等の低汚染材料で構築されうる。凹部を備えたディスク及びシリンダーはPVDF、UHMWPE又はシリコンでもよい。

任意のクリーニングプロセス
上記の方法では、シリコンは、当該分野で知られている方法で任意に１回以上クリーニングを受けてよい。例えば、シリコン加工物は破砕の前後のいずれか、様々なサイズのシリコン片混合物を異なるサイズ分布に分類する前後のいずれかで浄化されてよく、又は、その組み合わせもありうる。

例えば、シリコン片は米国特許第５８５１３０３号明細書に記載の方法で浄化されてよく、そこでは、シリコン片を、連続的に、ガス状フッ化水素と接触させ、次に、少なくとも０．５％の過酸化水素水溶液と接触させ、その後、破壊されたロッドを乾燥する。或いは、シリコン片はカナダ特許第９５４４２５号明細書又は米国特許第４９７１６５４号明細書に記載された異方性エッチングで表面浄化されてよい。他のシリコン浄化方法は米国特許第５７５３５６７号明細書、米国特許第５８２０６８８号明細書及び米国特許第６３０９４６７号明細書に記載のものを含む。

これらの実施例は本発明を当業者に例証することを意図しており、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

実施例１
多結晶シリコンロッドが化学蒸着法で調製された。このロッドはほぼ円筒形で１５〜２５ｋｇである。ロッドは図８に示す上記のマイクロ波室（Knoxville, Tennessee, U.S.A.のMicrowave Materials Technologies社）中で３６５〜３７７℃（６９０〜７１０゜Ｆ）の温度に加熱された。加熱されたロッドは図９及び１０に示す上記の噴霧クエンチ装置に移された。加熱されたロッドは室温で複数のノズルから脱イオン水を噴霧された。加熱されたロッドは１〜５分噴霧を受け、表面温度は５１〜７９℃（１２５〜１７５゜Ｆ）に減少した。ロッドはひび割れたがその形状を維持していた。ひび割れたロッドは図１１及び１２に示す機械的分離機に移された。機械的分離機は気圧ハンマー室を備えていた。ひび割れた多結晶シリコンロッドは複数の気圧ハンマーで打撃され破砕された。得られたシリコン片混合物は振動コンベアに移された。

混合物は振動コンベア４０４で図４〜７の回転インデント分級機に供給された。振動供給機はシリコン片混合物の供給速度を制御するために、シリコン片混合物の共鳴振動数、及び、より低い振動数で間欠的に振動を提供した。シリンダー２００は５〜１０r.p.mの速度で回転した。シリコン片混合物は５つのサイズ分布に分類され、（複数の）収集ビン４０８で収集された。

１００：アセンブリ、１０１：ディスク、１０２ａ：ディスク列、１０２ｂ：ディスク列、１０２ｃ：ディスク列、１０２ｄ：ディスク列、１０３：凹部、１０４：ディスクの外周縁、１０５：シャフト、１０６：プレート、１０７：固定ロッド、１０８：支持体、１０９：基部、１１０：スライド板、１１１：駆動機構、１１２：供給分配器、１１３：収集コンテナ、１１４：外壁、１１５：区画壁、１１６：孔、２００：シリンダー、２０１：凹部の第１の組、２０１：凹部の第１の組、２０２：凹部の第２の組、２０３：凹部の第３の組、２０４：凹部の第４の組、２０５：凹部の第５の組、２０６：凹部の第６の組、２０７：凹部の第７の組、２１０：シリンダー２００の第１の端部、２２０：シリンダー２００の第２の端部、２３０：シリンダーの外周縁、４００：回転インデント分級機、４０１：支持体、４０２：基部、４０３：シャフト、４０４：コンベア、４０５：シャフト４０３の第１の端部、４０７：駆動機構、４０８：収集コンテナ、４０９：外壁、４１０：区画壁、８００：マイクロ波炉、８０１：制御雰囲気室、８０２：制御キャビネット、８０３：マイクロ波供給部、８０４：導波アセンブリ、８０５：覗き窓、８０６：サイド、８０７：ドア、８０８：熱電対、９００：クエンチタンク、９０１：加工物、９０２：支持体、９０３：ノズル、９０４：入口、９０５：出口、１００１：パイプ、１００３：ノズルの組、１１００：機械的分離機、１１０１：気圧ハンマー室、１１０２：蓋、１１０３：ひび割れた多結晶シリコン加工物、１１０４：支持体、１１０５：気圧ハンマーの列、１１０６：気圧ハンマーの列

Claims

（１）多結晶シリコン加工物を破砕して異なるサイズを有する多結晶シリコン片の混合物とし；そして、
（２）前記多結晶シリコン片の混合物を回転インデント分級機を用いて少なくとも２つのサイズ分布に分類する方法であって、
前記回転インデント分級機は外周縁に沿って複数の凹部を有するディスク又はシリンダーを備え、該シリンダーの前記外周縁に沿った前記凹部は、前記シリンダーの一方の端部から他方の端部へ大きさが増大し、前記ディスクの前記外周縁に沿った前記凹部を有する前記ディスクは、前記混合物が最も小さい凹部を最初に通過して凹部のサイズが増大する順に凹部を通過するように配列され、前記凹部は、前記ディスク又はシリンダーの前記外周縁から内側に向かってのび、前記凹部は、所定のサイズ又はそれ以下のシリコン片を捕捉し、該所定のサイズより大きいサイズのシリコン片を排除する大きさとされている、方法。
前記工程（１）が
（ｉ）前記多結晶シリコン加工物を３１５から７６０℃（６００から１４００゜Ｆ）の温度に加熱し、
（ｉｉ）前記工程（ｉ）の生成物にノズルから流体を噴霧し、そして、
（ｉｉｉ）前記工程（ｉｉ）の生成物のひび割れを分離機で拡張する
工程によって行われる、請求項１記載の方法。
前記工程（１）の破砕の前後のいずれか、前記工程（２）の複数のサイズ分布への分類の前後のいずれか、或いは、これらを組み合わせたタイミングで、シリコンを洗浄する洗浄工程（３）を更に含む、請求項１記載の方法。
前記回転インデント分級機が、所定のサイズ以下のシリコン片を捕捉し、該所定のサイズより大きいサイズのシリコン片を排除するサイズとされた１以上の凹部を外周縁に有する回転ディスクを備えた、請求項１記載の方法。
前記回転インデント分級機が、シリンダーの第１の端部から該シリンダーの第２の端部へサイズが増大するように配列された複数の凹部であって、所定のサイズ以下のシリコン片を捕捉し、該所定のサイズより大きいサイズのシリコン片を排除するサイズとされた凹部を有する外周縁を有する回転シリンダーを備えた、請求項１記載の方法。
前記シリンダーの前記第１の端部に多結晶シリコン片の混合物を供給し、そして、前記シリンダーの長手方向に沿って搬送して、前記混合物を複数のサイズ分布に区分する、請求項５記載の方法。
（１）多結晶シリコン加工物を破砕して異なるサイズを有する多結晶シリコン片の混合物とし；そして、
（２）前記多結晶シリコン片の混合物を少なくとも２つのサイズ分布に分類する方法であって、
前記工程（１）が、
（ｉ）前記多結晶シリコン加工物を３１５から７６０℃（６００から１４００゜Ｆ）の温度に加熱し、
（ｉｉ）前記工程（ｉ）の生成物に複数のノズルから流体を噴霧し、そして、
（ｉｉｉ）前記工程（ｉｉ）の生成物のひび割れを分離機で拡張する
を含むプロセスで行われる方法であって、
前記工程（２）が回転インデント分級機を用いて行われ、該回転インデント分級機は外周縁に沿って複数の凹部を有するディスク又はシリンダーを備え、該シリンダーの前記外周縁に沿った前記凹部は、前記シリンダーの一方の端部から他方の端部へ大きさが増大し、前記ディスクの前記外周縁に沿った前記凹部を有する前記ディスクは、前記混合物が最も小さい凹部を最初に通過して凹部のサイズが増大する順に凹部を通過するように配列され、前記凹部は、前記ディスク又はシリンダーの前記外周縁から内側に向かってのび、前記凹部は、所定のサイズ又はそれ以下のシリコン片を捕捉し、該所定のサイズより大きいサイズのシリコン片を排除する大きさとされている、方法。
前記多結晶シリコン片混合物が３以上のサイズ分布に分類され、更に、使用者の要求を満たす新たなサイズ分布を形成するために該サイズ分布の２以上が混合される工程（３）を含む、請求項７記載の方法。
（１）化学蒸着法で多結晶シリコン加工物を調製し、
（２）工程（１）の生成物を破砕して異なるサイズの多結晶シリコン片の混合物とし、そして、
（３）工程（２）の生成物を少なくとも２つのサイズ分布に分類する
ことを含む方法であって、但し、
（Ａ）工程（２）は
（ｉ）工程（１）の生成物を３１５から７６０℃（６００から１４００゜Ｆ）の温度に加熱し、
（ｉｉ）前記工程（ｉ）の生成物に複数のノズルから流体を噴霧し、そして、
（ｉｉｉ）前記工程（ｉｉ）の生成物のひび割れを分離機で拡張する
ことを含むプロセスで行われ、
（Ｂ）工程（３）は回転インデント分級機を用いて行われ、
該回転インデント分級機は外周縁に沿って複数の凹部を有するディスク又はシリンダーを備え、該シリンダーの前記外周縁に沿った前記凹部は、前記シリンダーの一方の端部から他方の端部へ大きさが増大し、前記ディスクの前記外周縁に沿った前記凹部を有する前記ディスクは、前記混合物が最も小さい凹部を最初に通過して凹部のサイズが増大する順に凹部を通過するように配列され、前記凹部は、前記ディスク又はシリンダーの前記外周縁から内側に向かってのび、前記凹部は、所定のサイズ又はそれ以下のシリコン片を捕捉し、該所定のサイズより大きいサイズのシリコン片を排除する大きさとされている、方法。
（１）流動床反応法で多結晶シリコン加工物を調製し、
（２）工程（１）の生成物を回転インデント分級機を用いて少なくとも２つのサイズ分布に分類する
ことを含み、
該回転インデント分級機は外周縁に沿って複数の凹部を有するディスク又はシリンダーを備え、該シリンダーの前記外周縁に沿った前記凹部は、前記シリンダーの一方の端部から他方の端部へ大きさが増大し、前記ディスクの前記外周縁に沿った前記凹部を有する前記ディスクは、前記混合物が最も小さい凹部を最初に通過して凹部のサイズが増大する順に凹部を通過するように配列され、前記凹部は、前記ディスク又はシリンダーの前記外周縁から内側に向かってのび、前記凹部は、所定のサイズ又はそれ以下のシリコン片を捕捉し、該所定のサイズより大きいサイズのシリコン片を排除する大きさとされている、方法。
複数の凹部を表面に有する回転体の該表面上で異なるサイズのシリコン片の混合物を移動させることを含む、シリコン片混合物の分級方法。
前記表面における各凹部の開口面積が前記移動方向に向けて増大する請求項１１記載の方法。
シリコン加工物を３１５から７６０℃（６００〜１４００°Ｆ）の温度に加熱する装置と、
前記シリコン加工物に液体を噴霧するノズルと、
前記シリコン加工物のひび割れを広げて異なるサイズのシリコン片混合物とする分離機と、
前記シリコン片混合物を少なくとも２つのサイズに分類する分級機と
を備えるシステムであって、
前記分級機は、
（ｉ）シリンダーの第１の端部から該シリンダーの第２の端部へサイズが増大するように配列された複数の凹部であって、所定のサイズ以下のシリコン片を捕捉し、該所定のサイズより大きいサイズのシリコン片を排除するサイズとされた半楕円体形の各凹部を有する外周縁を有する回転シリンダーと、
（ｉｉ）前記シリンダーの長手方向に隣接して作動するコンベアと、
（ｉｉｉ）前記シリンダーに回転可能に設置された駆動機構と
を備えるシステム。
前記加熱する装置は、レーザーヒーター、赤外線ヒーター、マイクロ波ヒーターから選択される、請求項１３に記載のシステム。
前記分離機は、機械的、音波又は振動分離機から選択される、請求項１３に記載のシステム。
複数のディスクを備えた分級機であって、
前記ディスクは、その外周縁に、所定のサイズ又はそれ以下のシリコン片を捕捉する複数の凹部を有し、異なるディスクには異なるサイズの凹部が設けられ、
前記シリコン片の混合物が、最も小さい凹部を有するディスクを最初に通過し、そして、凹部のサイズが増大する順に、凹部を有する次のディスクを順次通過するように、前記複数のディスクが配列され、
前記シリコン片に接触する前記分級機の部品は、前記シリコン片に全く又はあまり表面汚染を与えない、分級機。
シリコン加工物を３１５から７６０℃（６００〜１４００°Ｆ）の温度に加熱する装置と、
前記シリコン加工物に液体を噴霧するノズルと、
前記シリコン加工物のひび割れを広げて異なるサイズのシリコン片混合物とする分離機と、
前記シリコン片混合物を少なくとも２つのサイズに分類する請求項１６に記載の分級機と
を備えるシステム。