JP6384455B2 - シリコン原料洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体用シリコン単結晶の製造に使用されるシリコン原料の表面を酸溶液による洗浄で高純度化する洗浄装置に関する。

チョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶の育成方法は、ルツボ内に高純度のシリコン原料を充填して溶融し、その溶融液に浸漬した種結晶を回転させながら引き上げることにより、種結晶の下端にシリコン単結晶を成長させる方法であり、半導体基板に用いられるシリコン単結晶を製造する方法として広く採用されている。このようにして製造されたシリコン単結晶をワイヤーソーなどによりウェーハ状に切断して粗面ウェーハとし、これを研磨布や薬液を用いて研磨するとポリッシュドウェーハ（ＰＷ）となる。また、トリクロロシランなどを用いてエピタキシャル反応によりＳｉ層を積載するとエピタキシャルウェーハ（ＥＰＷ）となる。

ここで、ＣＺ法には上記のシリコン原料として、粒状もしくは塊状の多結晶シリコン又は単結晶シリコンが用いられる。昨今、半導体用シリコン単結晶はますます高品質のものが要求されており、それに従いシリコン原料も高純度のものが求められている。そのため、半導体用シリコン単結晶の製造に使用されるシリコン原料はバルクのみでなく、その表面も高純度でなくてはならない。

シリコン原料の表面を純化させる手法として、フッ硝酸等の酸溶液によるエッチング（洗浄）が一般的に行われている。シリコン原料のエッチングの際には、ＮＯｘガス等の反応ガスが発生するが、反応ガスが十分に排気できなかった場合、反応ガスがエッチングを行う洗浄装置内に充満し洗浄装置外に漏洩する恐れがある。しかし、単に排気量を増やすだけでは設備投資や稼動コストが増すことが予想される。そこで、可能な限り効率的に洗浄装置内の反応ガスを排気することが求められる。

ここで、従来のシリコン原料洗浄装置を図４に示す。図４に示される従来のシリコン原料洗浄装置１０１は、シリコン原料１０２を充填するためのバスケット１０３、バスケット１０３を揺動及び搬送するためのアーム１０４、シリコン原料１０２の表面を水１０５で洗浄するための水洗槽１０６、シリコン原料１０２の表面を混酸１０７でエッチングするための薬液槽１０８、反応ガスを排気するための排気口１０９、及びバスケット１０３を搬入・搬出するための搬入口・搬出口（不図示）を少なくとも有している。また、バスケット１０３には、取っ手１１２が設けられており、アーム１０４でこの取っ手１１２を掴むことで、次槽へのバスケット１０３の搬送や水洗槽１０６あるいは薬液槽１０８内でのバスケット１０３の揺動を行う。また、従来の洗浄装置では、排気口１０９を洗浄装置上部もしくは背面に設置し、洗浄装置内に拡散・充満した反応ガスを排気する方式が主である。

ここで、図４の従来のシリコン原料洗浄装置１０１において、バスケット１０３を薬液槽１０８内の混酸１０７に浸漬させた状態を図５に示す。図５に示されるように、従来の洗浄装置では、薬液槽１０８で発生した反応ガスが図５中の矢印の方向に進み、洗浄装置上部もしくは背面に設置された排気口１０９から排気されるが、この方式では反応ガスが洗浄装置内に拡散・充満するため、洗浄装置外への反応ガスの漏洩を防止するためには排気量を増やす必要が出てくる。

また、特許文献１では、複数のフッ硝酸水溶液槽（薬液槽）を有し、上流槽から下流槽に向かって順にエッチングを行うシリコン原料洗浄装置において、エッチング後のシリコン原料とエッチング反応によって発生するＮＯｘガスが反応して酸化膜が形成されるのを抑制するために、下流槽から上流槽へ気流を作ることによりＮＯｘガスを下流に流さないようにすることが提案されている。しかし、特許文献１の洗浄装置では、下流槽で発生するＮＯｘガスが上流側に流れるため、上流側で集まったＮＯｘガスを排気するため、上流側の排気量を増大させる必要がある。

特開２０１０−１５０１３０号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、薬液槽におけるシリコン原料のエッチングによって発生する反応ガスを、洗浄装置内に充満させずに効率的に排気できるシリコン原料洗浄装置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、本発明では、シリコン原料を充填するためのバスケット、該バスケットを揺動及び搬送するためのアーム、前記シリコン原料の表面を水洗するための水洗槽、及び前記シリコン原料の表面を混酸でエッチングするための薬液槽を具備するシリコン原料洗浄装置であって、前記薬液槽は、薬液槽の外周上部に設けられ前記シリコン原料と前記混酸の反応によって発生した反応ガスを排気するための排気口と、該排気口の上部に前記薬液槽の外周に沿って外周から内側に向かうように設けられた庇を備えるものであり、前記アームは前記薬液槽の液面上に水平に位置するように設置された板を備えるものであり、前記バスケットを前記薬液槽内の混酸に浸漬させた際に、前記庇と前記板によって前記薬液槽の上部が覆われるものであるシリコン原料洗浄装置を提供する。

このようなシリコン原料洗浄装置であれば、排気口の上部に設けられた庇とアームに設置された板によって、反応ガスを薬液槽の外周上部に設けられた排気口に導くことができるため、反応ガスを洗浄装置内に充満させずに効率的に排気することができる。

また、前記混酸がフッ硝酸であり、前記反応ガスがＮＯｘガスであることが好ましい。

本発明のシリコン原料洗浄装置は、このようにフッ硝酸を用いたエッチングによってＮＯｘガスが発生する場合に好適である。

また、前記庇が、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、及びポリエチレンから選ばれる樹脂からなる厚さ５〜２０ｍｍのものであることが好ましい。

庇がこのようなものであれば、製造が容易であり、またコストを抑えることができる。

また、前記板が、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、及びポリエチレンから選ばれる耐酸性樹脂からなる厚さ５〜２０ｍｍのものであることが好ましい。

板がこのようなものであれば、混酸による腐食の恐れがなく、製造が容易であり、またコストを抑えることができる。

以上のように、本発明のシリコン原料洗浄装置であれば、バスケットを薬液槽内のフッ硝酸等の混酸に浸漬させた際に、排気口の上部に設けられた庇とアームに設置された板によって薬液槽の上部が覆われるため、ＮＯｘガス等の反応ガスを薬液槽の外周上部に設けられた排気口に導くことができ、これにより、反応ガスを洗浄装置内に充満させずに効率的に回収・排気することができる。

本発明のシリコン原料洗浄装置の一例を示す概略図である。 図１のシリコン原料洗浄装置において、バスケットを薬液槽内の混酸に浸漬させた状態を示す概略図である。 本発明のシリコン原料洗浄装置の別の一例において、バスケットを薬液槽内の混酸に浸漬させた状態を示す概略図である。 従来のシリコン原料洗浄装置の一例を示す概略図である。 図４のシリコン原料洗浄装置において、バスケットを薬液槽内の混酸に浸漬させた状態を示す概略図である。

上述のように、薬液槽におけるシリコン原料のエッチングによって発生する反応ガスを、洗浄装置内に充満させずに効率的に排気できるシリコン原料洗浄装置の開発が求められていた。

本発明者らは、薬液槽で発生したＮＯｘガス等の反応ガスを効率的に回収する方法について鋭意検討を重ね、薬液（混酸）直上である薬液槽の縁（外周）の上部に排気口を設置することで、薬液から発生する反応ガスを洗浄装置内に拡散させずに回収・排気することが可能となることを見出した。また、本発明者らは、この排気口の上部に庇を設けることで、反応ガスが排気口より上に逃れるのを防ぎ、反応ガスの回収効率を向上させることが可能となることを見出した。

更に、薬液槽の上面面積（即ち、薬液が雰囲気と接している面積）が大きいほど、薬液槽の中心と薬液槽の縁の距離が遠くなり、薬液槽縁上部にある排気口からの反応ガスの吸入が困難になると考えられることから、本発明者らは、バスケットを次槽へ搬送させるためのアームに板を設けることを考案した。このような板を設けることで、アームで掴まれたバスケットが薬液槽に浸漬される間、アームに設けられた板がバスケットの直上に位置し薬液槽に蓋をするような構造となるため、反応ガスが薬液槽の中心から洗浄装置外の雰囲気中へ逃れるのを防ぎ、排気口へ流れるように誘導することが可能となる。

本発明者らは、上記構造により、シリコン原料のフッ硝酸等の酸によるエッチングの際に発生するＮＯｘガス等の反応ガスを洗浄装置内に充満させることなく、効率的に回収・排気することが可能となることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、シリコン原料を充填するためのバスケット、該バスケットを揺動及び搬送するためのアーム、前記シリコン原料の表面を水洗するための水洗槽、及び前記シリコン原料の表面を混酸でエッチングするための薬液槽を具備するシリコン原料洗浄装置であって、前記薬液槽は、薬液槽の外周上部に設けられ前記シリコン原料と前記混酸の反応によって発生した反応ガスを排気するための排気口と、該排気口の上部に前記薬液槽の外周に沿って外周から内側に向かうように設けられた庇を備えるものであり、前記アームは前記薬液槽の液面上に水平に位置するように設置された板を備えるものであり、前記バスケットを前記薬液槽内の混酸に浸漬させた際に、前記庇と前記板によって前記薬液槽の上部が覆われるものであるシリコン原料洗浄装置である。

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１は、本発明のシリコン原料洗浄装置の一例を示す概略図である。図１に示されるシリコン原料洗浄装置１は、シリコン原料２を充填するためのバスケット３、バスケット３を揺動及び搬送するためのアーム４、シリコン原料２の表面を水５で洗浄するための水洗槽６、及びシリコン原料２の表面を混酸７でエッチングするための薬液槽８を具備する。薬液槽８は、薬液槽８の外周上部に設けられシリコン原料２と混酸７の反応によって発生した反応ガスを排気するための排気口９と、排気口９の上部に薬液槽８の外周に沿って外周から内側に向かうように設けられた庇１０を備えている。また、アーム４は薬液槽８の液面上に水平に位置するように設置された板１１を備えている。また、バスケット３には、例えば前後又は左右に取っ手１２が設けられており、アーム４でこの取っ手１２を掴むことで、次槽へのバスケット３の搬送や水洗槽６あるいは薬液槽８内でのバスケット３の揺動を行う。

以下、本発明のシリコン原料洗浄装置の各構成部材について、更に詳しく説明する。
［バスケット］
バスケット３は、シリコン原料２を水洗槽６及び薬液槽８に浸漬するための入れ物である。このバスケット３には、水洗槽６や薬液槽８に浸漬してバスケット３内でシリコン原料２が洗浄できるように複数の穴が設けられている。

バスケット３は耐酸性樹脂製のものが好ましく、樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、及びポリエチレン（ＰＥ）などが好ましい。

［アーム］
アーム４は、バスケット３を揺動及び搬送するためのものである。なお、図１では、バスケット３に設けられた２つの取っ手１２を２本のアーム４で掴む構造が例示されているが、本発明におけるバスケットの取っ手やアームの数はこれに限定されるものではない。

また、本発明において、アーム４は、薬液槽８の液面上に水平に位置するように設置された板１１を備えている。これにより、バスケット３をアーム４が掴んだ際に、図１に示されるように、バスケット３の直上に板１１が配置され、バスケット３に蓋をするような構造となる。

板１１は耐酸性樹脂製のものが好ましく、樹脂としては、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＰＶＣ、ＰＰ、ＰＥなどが好ましい。また、板１１は厚さ５〜２０ｍｍのものとすることが好ましい。このようなものであれば、混酸による腐食の恐れがなく、製造が容易であり、またコストを抑えることができる。なお、板１１は、例えば樹脂製のねじでアーム４に固定することで設置することができる。

［水洗槽］
水洗槽６は、シリコン原料２の表面を水５で洗浄するためのものである。水洗槽６は樹脂製のものが好ましく、樹脂としては、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＰＶＣ、ＰＰ、ＰＥなどが好ましい。なお、水洗槽の数は１つ以上であればよく、特に限定されないが、後述のように前水洗工程とリンス工程を行う場合は、水洗槽を２つ以上とするのが好ましい。

［薬液槽］
薬液槽８は、シリコン原料２の表面を混酸７でエッチングするためのものである。薬液槽８は耐酸性樹脂製のものが好ましく、樹脂としては、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＰＶＣ、ＰＰ、ＰＥなどが好ましい。

本発明において、薬液槽８は、薬液槽８の外周上部に設けられた排気口９及び排気口９の上部に薬液槽８の外周に沿って外周から内側に向かうように設けられた庇１０を備えている。排気口９及び庇１０は樹脂製のものが好ましく、樹脂としては、ＰＶＣ、ＰＰ、ＰＥなどが好ましい。また、庇１０は厚さ５〜２０ｍｍのものとすることが好ましい。このようなものであれば、製造が容易であり、またコストを抑えることができる。なお、庇１０は、例えば樹脂製のねじで排気口９上部に固定することで設置することができる。

また、エッチングに使用する混酸７としては、フッ硝酸（フッ酸と硝酸の混酸）の水溶液が好ましい。このようにフッ硝酸を用いてエッチングを行うと反応ガスとしてＮＯｘガスが発生するが、本発明のシリコン原料洗浄装置は、このような場合に好適である。ただし、混酸はこれに限定されるものではなく、フッ酸や過酸化水素水等の混酸を用いてもよい。

なお、薬液槽の数は１つ以上であればよく、特に限定されない。薬液槽を２つ以上有するものとし、それらの薬液槽にシリコン原料を充填したバスケットを順次浸漬させながらエッチングを行う場合は、すべての薬液槽を上記のような庇と排気口を有するものとするのが好ましい。

また、ここで、図１のシリコン原料洗浄装置１において、バスケット３を薬液槽８内の混酸７に浸漬させた状態を図２に示す。図２に示されるように、本発明のシリコン原料洗浄装置では、バスケット３を薬液槽８内の混酸７に浸漬させた際に、庇１０と板１１によって薬液槽８の上部が覆われ、薬液槽８に蓋がされた状態になる。これにより、薬液槽８で発生した反応ガスが板１１及び庇１０に沿って図２中の矢印の方向に進み排気口９に導かれるため、反応ガスを薬液槽８の外周上部に設けられた排気口９から効率的に回収・排気することができる。

また、本発明のシリコン原料洗浄装置の別の一例において、バスケットを薬液槽内の混酸に浸漬させた状態を図３に示す。図３に示されるように、本発明のシリコン原料洗浄装置の薬液槽８は、薬液槽８の外側に混酸７の循環や冷却を目的とした外槽１３を備えたものとしてもよい。この場合、外槽１３の上部に排気口９を設け、反応ガスを回収するものとする。

上述のような本発明のシリコン原料洗浄装置を用いてシリコン原料を洗浄する際には、例えば、純水による前水洗工程、混酸によるエッチング工程、及び水洗により混酸を除去するリンス工程の順で行うことが好ましい。以下に、より具体的な作業手順を示すが、本発明のシリコン原料洗浄装置を用いたシリコン原料の洗浄方法は、これに限定されるものではない。

まず、粒状又は塊状のシリコン原料をバスケットに充填し、シリコン原料を充填したバスケットを本発明のシリコン原料洗浄装置内に投入する。次に、バスケットを第一の水洗槽に搬送して第一の水洗槽内の純水に浸漬させ、前水洗工程を行う。次に、第一の水洗槽から出したバスケットを薬液槽に搬送して薬液槽内の混酸に浸漬させ、エッチング工程を行う。このとき、フッ硝酸等の混酸に浸漬されたシリコン原料はエッチング反応により、ＮＯｘガス等の反応ガスを発生させる。発生した反応ガスは薬液槽の上方へ流れようとするが、薬液槽の縁（外周）近くの混酸表面から発生した反応ガスはそのまま排気口へ吸い込まれる、あるいは排気口上部の庇にぶつかり、排気口へ吸い込まれる。一方、薬液槽の中心の混酸表面で発生した反応ガスはアームに設けられた板にぶつかり、それより上へは流れずに水平方向に流れて排気口へ吸い込まれる。最後に、薬液槽から出したバスケットを第二の水洗槽に搬送して第二の水洗槽内の純水に浸漬させ、リンス工程を行う。なお、この前水洗工程、エッチング工程、及びリンス工程では、アームでバスケットを掴んだ状態のまま、次槽へのバスケットの搬送と各槽でのバスケットの搖動を行う。このときアームは各槽固有のものであり、薬液槽のアームにのみ板が設けられている。各槽固有のアームは、次槽へのバスケットの搬送が終わったら、元の位置に戻って次のバスケットの取っ手を掴むようになっている。

以上のように、本発明のシリコン原料洗浄装置であれば、バスケットを薬液槽内のフッ硝酸等の混酸に浸漬させた際に、排気口の上部に設けられた庇とアームに設置された板によって薬液槽の上部が覆われるため、ＮＯｘガス等の反応ガスを薬液槽の外周上部に設けられた排気口に導くことができ、これにより、反応ガスを洗浄装置内に充満させずに効率的に回収・排気することができる。

以下、実施例及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
図１に示される、薬液槽８の外周上部に設けられた排気口９と、排気口９の上部に設けられた庇１０と、アーム４に設置された板１１を備えた本発明のシリコン原料洗浄装置１を用いて、シリコン原料２の洗浄を行い、洗浄装置のバスケット搬入口（不図示）付近（洗浄装置外）におけるＮＯｘガスの濃度を測定した。なお、洗浄装置の容量は２０ｍ^３、排気量は２０ｍ^３／ｍｉｎ、薬液槽容量は１５０Ｌ、混酸はフッ硝酸（硝酸濃度６４質量％、フッ酸濃度１質量％）、シリコン原料の総処理量は１，０００ｋｇ、総反応時間は６時間とした。

［比較例１］
図４に示される、排気口１０９が洗浄装置の背面に設けられた従来のシリコン原料洗浄装置１０１（即ち、上記の図１中の排気口９、庇１０、及び板１１を備えていないもの）を用いて、シリコン原料１０２の洗浄を行い、洗浄装置のバスケット搬入口（不図示）付近（洗浄装置外）におけるＮＯｘガスの濃度を測定した。なお、実施例１と同様、洗浄装置の容量は２０ｍ^３、排気量は２０ｍ^３／ｍｉｎ、薬液槽容量は１５０Ｌ、混酸はフッ硝酸（硝酸濃度６４質量％、フッ酸濃度１質量％）、シリコン原料の総処理量は１，０００ｋｇ、総反応時間は６時間とした。

上記のようにして測定した実施例１のＮＯｘガス濃度は０ｐｐｍａであり、比較例１のＮＯｘガス濃度は０．１２ｐｐｍａであった。上記結果から、従来のシリコン原料洗浄装置を使用した比較例１では、洗浄装置内に充満したＮＯｘガスが洗浄装置外まで漏洩しているのに対し、本発明のシリコン原料洗浄装置を使用した実施例１では、洗浄装置内に充満させずに効率的にＮＯｘガスを回収・排気できているため、洗浄装置外へのＮＯｘガスの漏洩がないことが分かる。

以上のことから、本発明のシリコン原料洗浄装置であれば、薬液槽におけるシリコン原料のエッチングによって発生するＮＯｘガス等の反応ガスを、洗浄装置内に充満させずに効率的に回収・排気できることが明らかとなった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…シリコン原料洗浄装置、 ２…シリコン原料、 ３…バスケット、 ４…アーム、
５…水、 ６…水洗槽、 ７…混酸、 ８…薬液槽、 ９…排気口、 １０…庇、
１１…板、 １２…取っ手、 １３…外槽。

Claims (4)

1. シリコン原料を充填するためのバスケット、該バスケットを揺動及び搬送するためのアーム、前記シリコン原料の表面を水洗するための水洗槽、及び前記シリコン原料の表面を混酸でエッチングするための薬液槽を具備するシリコン原料洗浄装置であって、
   前記薬液槽は、薬液槽の外周上部に設けられ前記シリコン原料と前記混酸の反応によって発生した反応ガスを排気するための排気口と、該排気口の上部に前記薬液槽の外周に沿って外周から内側に向かうように設けられた庇を備えるものであり、前記アームは前記薬液槽の液面上に水平に位置するように設置された板を備えるものであり、
   前記バスケットを前記薬液槽内の混酸に浸漬させた際に、前記庇と前記板によって前記薬液槽の上部が覆われるものであることを特徴とするシリコン原料洗浄装置。
2. 前記混酸がフッ硝酸であり、前記反応ガスがＮＯｘガスであることを特徴とする請求項１に記載のシリコン原料洗浄装置。
3. 前記庇が、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、及びポリエチレンから選ばれる樹脂からなる厚さ５〜２０ｍｍのものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン原料洗浄装置。
4. 前記板が、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、及びポリエチレンから選ばれる耐酸性樹脂からなる厚さ５〜２０ｍｍのものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシリコン原料洗浄装置。

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