JP5381475B2 - 回収された多結晶シリコンの再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、回収された多結晶シリコンの再生方法に関するものである。

半導体デバイスの製造工程における半導体ウェーハのバックグラインディング工程で発生した研削屑を、導電型の別に拘わらずＰ型とＮ型を混在させた状態で回収し、これに所定の処理を施して太陽電池用シリコン結晶の材料に再利用する方法（特許文献１）が提案されている。

特開２００７−１６１５０５号公報

しかしながら、上記従来の半導体シリコン材料の再生方法では再生工程が多く、また再生されるシリコンの純度が低いという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、高純度のシリコン単結晶を少ない工程で再生する方法を提供することである。

本発明に係る回収された多結晶シリコンの再生方法は、回収された粉末状又は小片状の多結晶シリコンを、少なくとも下面が開口して当該下面がシリコン板で閉塞された石英製筒体に収容する工程と、
前記粉末状又は小片状の多結晶シリコンが収容された石英製筒体をＣＺ引上げ炉内に入れ、所定圧に減圧するとともに不活性ガスを導入する工程と、
前記粉末状又は小片状の多結晶シリコンが収容された石英製筒体を前記ＣＺ引上げ炉の坩堝上に位置させた状態で、前記ＣＺ引上げ炉内の温度を昇温し、前記粉末状又は小片状の多結晶シリコンと前記シリコン板を溶解して前記坩堝に収容する工程と、
前記ＣＺ引上げ炉から前記石英製筒体を取り出す工程と、
前記坩堝内の溶解シリコンをＣＺ法（チョクラルスキー法）により育成し単結晶シリコンを製造する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明では、回収された多結晶シリコンを溶解してＣＺ法によりシリコン単結晶を育成するので高純度のシリコンを得ることができる。

また、回収された粉末状又は小片状の多結晶シリコンは酸素濃度および炭素濃度が高いので減圧下において不活性ガスを流しつつＣＺ育成を行う必要があるが、粉末状や小片状の多結晶シリコンをＣＺ炉内で減圧すると炉内に飛散し、坩堝内で溶解させるのが困難である。

そこで本発明では、少なくとも下面が開口して当該下面がシリコン板で閉塞された石英製筒体に粉末状又は小片状の多結晶シリコンを収容し、この状態で減圧および不活性ガスを流しつつ溶解させるので、粉末状又は小片状の多結晶シリコンがＣＺ炉内に飛散することなく溶解する。その結果、少ない工程で高純度のシリコン単結晶に再生することができる。

本発明の一実施の形態を適用した回収多結晶シリコンの再生方法を示す断面図（その１）である。 本発明の一実施の形態を適用した回収多結晶シリコンの再生方法を示す断面図（その１）である。 本発明の一実施の形態を適用した回収多結晶シリコンの再生方法を示す断面図（その１）である。 本発明の一実施の形態を適用した回収多結晶シリコンの再生方法で用いられる石英製筒体の一例を示す斜視図である。 図４ＡのIVB-IVB線に沿う断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図３は、本発明に係る回収された多結晶シリコンの再生方法が適用されるＣＺ炉１を示す断面図であり、本例のＣＺ炉１は、メインチャンバ１１内に石英製坩堝１２が設けられ、この石英製坩堝１２は黒鉛製サセプタ１３を介して回転自在な下軸１４に取り付けられている。

石英製坩堝１２の周囲には、石英製坩堝１２内のシリコン融液３１（図３参照）の温度を制御するための円筒状のヒータ１５が配置され、このヒータ１５とメインチャンバ１１との間には円筒状の保温筒１６が設けられている。

保温筒１６は、断熱材の表面を黒鉛でコーティングしたものであり、石英製坩堝１２の周囲（ホットゾーン）および石英製坩堝１２の下部（ホットゾーンの下部）に配置されている。

保温筒１６の上面には環状の支持部材１７が取り付けられ、この支持部材１７に整流体１８の係止部１８ａを載せることにより整流体１８がチャンバ１１内に固定される。整流体１８は断熱材の表面を黒鉛でコーティングしたものである。

なお、符号１９は育成中の単結晶を冷却するためのプルチャンバ、図３の符号３１はシリコン融液、符号３２は育成中のシリコン単結晶、符号３３は種結晶、符号１９Ｂは引上げ軸である。引上げ軸１９Ｂは、プルチャンバ１９を通してメインチャンバ１１に対し回転可能及び昇降可能に設けられ、引上げ軸１９Ｂの下端に装着された種結晶３３をシリコン融液３１に浸漬したのち、種結晶３３及び石英製坩堝１２をそれぞれ所定方向に回転させかつ上昇させることにより、種結晶３３の下端からシリコン単結晶３２が引き上げられることになる。

メインチャンバ１１内にはアルゴンガス等の不活性ガスが流通し、この不活性ガスはプルチャンバ１９の側壁に接続されたガス供給パイプ１９Ａからプルチャンバ１９内に導入され、メインチャンバ１１の下壁に接続されたガス排出パイプ１１Ａからメインチャンバ１１外に排出される。このとき、メインチャンバ１１内のシリコン単結晶３２の外周に設けられた整流体１８により、ヒータ１５の福射熱の照射が遮られるとともに、上述した不活性ガスが整流される。

なお、シリコン融液３１に磁場を印加しながらシリコン単結晶３２を引上げる
ように構成することもできる（ＭＣＺ法）。

次に、回収された多結晶シリコンの再生方法を説明する。

まず本例の再生方法の出発原料は、半導体デバイスの製造工程のうちの半導体ウェーハのバックグラインディング工程で発生したシリコン研削屑や、シリコンウェーハの製造工程のうちのスライス工程や研削工程で発生したシリコン研削屑など、あらゆる多結晶シリコンの回収物質を用いることができる。

こうした回収多結晶シリコンは粉末状や小片状であることが多く、粉末状や小片状の原料は表面積が大きいので、減圧せず且つ不活性ガスを流さないで溶解すると、原料表面における酸化反応や炭素ガスとの反応によってシリコン融液中の酸素濃度および炭素濃度が高くなる。このため、減圧下で不活性ガスを流しつつ溶解する必要があるが、そうするとＣＺ炉内に粉末状又は小片状のシリコン原料が飛散し、ガス排出パイプ１１Ａからシリコン原料が排出されてしまう。

このため、本例では図４Ａおよび図４Ｂに示す石英製筒体２に粉末状又は小片状の多結晶シリコン原料３４を収容する。図４Ａは本例で用いられる石英製筒体２を示す斜視図、図４ＢはIVB-IVB線に沿う断面図であり、石英製筒体２は、上面および下面が開口した円筒状の本体２１を備え、本体２１の上端近傍の内壁には環状鍔部２５が形成され、下端近傍の内壁には環状鍔部２６が形成されている。そして、本体２１の上面の開口を閉塞するシリコンウェーハ２３が環状鍔部２５に載置されるとともに、本体２１の下面の開口を閉塞するシリコンウェーハ２２が環状鍔部２６に載置されている。

粉末状又は小片状の多結晶シリコン原料３４は、シリコンウェーハ２２を環状鍔部２６に載置して本体２１の下面の開口を閉塞した状態で石英製筒体２の内部に入れ、その後、シリコンウェーハ２３を環状鍔部２５に載置して本体２１の上面の開口を閉塞する。これにより、内部がほぼ密閉された石英製筒体２内に粉末状又は小片状の多結晶シリコン原料３４を収容することができる。

なお、図４Ａおよび図４Ｂの符号２４は石英製筒体２を吊り下げるための吊り紐である。

石英製筒体２内に粉末状又は小片状の多結晶シリコン原料３４を収容したら、図１に示すようにプルチャンバ１９の側壁の投入口（不図示）から石英製筒体２をＣＺ炉１内に投入し、吊り紐２４で吊り下げながら坩堝１２まで降下させる。そして、ガス排出パイプ１１ＡからＣＺ炉１内を吸引することで炉内を減圧しながら、ガス供給パイプ１９Ａからアルゴンガスなどの不活性ガスを供給し、ヒータ１５を作動させる。

これにより、石英製筒体２内に収容した粉末状又は小片状の多結晶シリコン原料３４と、石英製筒体２の下面の開口を閉塞するシリコンウェーハ２２と、石英製筒体の上面の開口を閉塞するシリコンウェーハ２３とが溶解し、図２に示すように、これら溶解したシリコンは坩堝１２に落下して収容される。

この溶解工程において、ＣＺ炉１内を減圧しつつ、ＣＺ炉１内に不活性ガスを流すが、粉末状又は小片状の多結晶シリコン原料３４は石英製筒体２内に収容されているのでＣＺ炉１内に飛散することが防止される。そして、酸素濃度および炭素濃度が抑制された状態でシリコン融液が坩堝１２に収容される。

なお、この溶解工程において、坩堝１２内にバルク状のシリコン原料を投入し、同時に溶解してもよい。

石英製筒体２内の粉末状又は小片状の多結晶シリコン原料３４と、石英製筒体２の下面の開口を閉塞するシリコンウェーハ２２と、石英製筒体の上面の開口を閉塞するシリコンウェーハ２３とが溶解して坩堝１２に収容されたら、石英製筒体２の本体２１を引上げ、プルチャンバ１９の投入口からＣＺ炉１外へ取り出す。

次いで、図３に示すように一般的なＣＺ法の条件にしたがってＣＺ炉１内を減圧しつつ不活性ガスを供給し、引上げ軸１９Ｂの下端に装着した種結晶３３をシリコン融液３１に浸漬したのち、種結晶３３及び石英製坩堝１２をそれぞれ所定方向に回転させかつ所定速度で上昇させる。これにより、種結晶３３の下端からシリコン単結晶３２が引き上げられる。

以下、より具体的な実施例およびその比較例を挙げて本発明を説明する。

［実施例１］
図１に示すようにＣＺ炉１内に設置した黒鉛製サセプタ１３に石英製坩堝１２をセットし、その中にシリコン原料を１０ｋｇ充填し、その直上に石英製筒体１の上下両端の開口をシリコンウェーハ２２，２３で蓋をし、内部に３０ｋｇのシリコンの微粉末を充填した。

そして、２０torrまで減圧してアルゴンガスを流し、ヒータ１５によりシリコンを溶解した。石英製坩堝１２に充填したシリコンが溶解したところで、その直上にセットした石英製筒体２の下側のシリコンウェーハ２２が溶けて、図２に示すように内部に充填してあったシリコン微粉末３４が石英坩堝１２内に投下され、溶解した。

次いで、図３に示すように合計４０ｋｇのシリコン融液から、直径１５０ｍｍで長さ５００ｍｍの単結晶シリコンの育成を行った。

この結果、３回に１回の有転位化が発生したが、４０ｋｇのシリコンメルトから、直径１５０ｍｍで長さが５００ｍｍのシリコン単結晶が育成できた。

［実施例２］
実施例１に対し、石英製坩堝１２にセットするシリコン原料を４０ｋｇとしたこと以外は実施例１と同じ条件とし、直径１５０ｍｍで長さ９００ｍｍの単結晶シリコンの育成を行った。その結果、７０ｋｇのシリコン融液から直径が１５０ｍｍで長さが９００ｍｍのシリコン単結晶が育成できた。

［比較例１］
ＣＺ炉１内に設置した黒鉛製サセプタ１３内に石英製坩堝１２をセットし、その中にシリコン微粉末を４０ｋｇ充填した。そして、２０torrへ減圧してアルゴンガスを流したところ、微粉末がＣＺ炉１内に一部飛散したが、溶解することはできた。ただし、溶解時に細かい粉末が溶解メルト表面に浮遊する現象が観察された。

次いで、４０ｋｇのシリコン融液から直径が１５０ｍｍ直径で長さが５００ｍｍのシリコン単結晶の育成を行ったが、有転位化が発生し、シリコン単結晶は得られなかった。

１…ＣＺ炉
１１…メインチャンバ
１１Ａ…ガス排出パイプ
１２…坩堝
１３…サセプタ
１４…下軸
１５…ヒータ
１６…保温筒
１７…支持部材
１８…整流体
１９…プルチャンバ
１９Ａ…ガス供給パイプ
１９Ｂ…引上げ軸
２…石英製筒体
２１…本体
２２，２３…シリコンウェーハ（シリコン板）
２４…吊り紐
２５，２６…環状鍔部
３１…シリコン融液
３２…シリコン単結晶
３３…種結晶
３４…粉末状又は小片状の多結晶シリコン原料

Claims (2)

1. 回収された粉末状又は小片状の多結晶シリコンを、上面および下面が開口して当該上面および下面のそれぞれがシリコン板で閉塞された石英製筒体に収容する工程と、
   前記粉末状又は小片状の多結晶シリコンが収容された石英製筒体をＣＺ引上げ炉内に入れ、所定圧に減圧するとともに不活性ガスを導入する工程と、
   前記粉末状又は小片状の多結晶シリコンが収容された石英製筒体を前記ＣＺ引上げ炉の坩堝上に位置させた状態で、前記ＣＺ引上げ炉内の温度を昇温し、前記粉末状又は小片状の多結晶シリコンと前記シリコン板を溶解して前記坩堝に収容する工程と、
   前記ＣＺ引上げ炉から前記石英製筒体を取り出す工程と、
   前記坩堝内の溶解シリコンをＣＺ法により育成し単結晶シリコンを製造する工程と、を備える回収された多結晶シリコンの再生方法。
2. 回収された粉末状又は小片状の多結晶シリコンを前記石英製筒体に収容する工程は、
   上面および下面が開口した石英製筒体の前記下面を一のシリコン板により閉塞したのち、
   前記回収された粉末状又は小片状の多結晶シリコンを前記石英製筒体の内部に入れ、
   前記石英製筒体の前記上面を他のシリコン板により閉塞する請求項１に記載の回収された多結晶シリコンの再生方法。

Images