JP6704031B2 - 粒状材料中のダストを低減するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本願は、２０１３年３月１３日に出願された米国特許出願１３／７９８，７０６に基づく優先権を主張し、その内容の全体は、参照することによりここに組み込まれる。

この技術分野は、粒状材料中のダストに関し、特に、半導体ウエハおよびソーラーウエハの製造に使用する粒状多結晶シリコン中のダストを低減するシステムおよび方法に関する。

気相堆積成長した流動床粒状多結晶シリコンのような粒状多結晶シリコンは、一般には、運送用コンテナ中で結晶成長設備に配達される。従来のコンテナは、３００ｋｇの粒状多結晶シリコンを有する。粒状多結晶シリコンは、一般に、４００μｍと１４００μｍの間の大きさで、１０μｍより小さな粒子は、ダストと考えられる。実際問題として、全てのコンテナは、その中にいくらかのダストを含む。

粒状多結晶シリコンは、コンテナから結晶成長装置の供給システムに運ばれ、ダストもまた供給システムに運ばれる。供給システムから、結晶成長装置のホットゾーンの表面上、特に、先端の「閉じられた（closed）」結晶成長装置のより冷たい表面上に、ダストは積もって集まる。ダストは、結晶／融液界面の近傍の結晶またはシリコン融液と接触しても良い。そのような接触は、高品質半導体結晶中の「ゼロ転位の消失（Loss or Zero Dislocation：ＬＺＤ）」のような望まない欠陥のリスクを著しく増加させる。そのような結晶およびその結晶を成長するのに使用する先端の成長装置は、「ダストに敏感（dust sensitive）」なことが見出された。

従来技術の比較的小さいバッチでは、粒状多結晶シリコンは許容出来る少量のダストを含むが、大量のそのようなダストの少ない多結晶シリコンを得るための、そして新しい連続製造方法を使用するための、信頼できるシステムは無かった。このように、粒状多結晶シリコン中のダストを減らすための改良された方法と装置が必要とされる。

この背景部分は、読者に、本開示の様々な形態に関する技術の様々な形態を紹介することを意図し、本開示は、以下記載され、および／または請求される。この検討は、読者に背景情報を提供して、本開示の様々な形態のより良い理解を容易にすることを助けるものと信じる。このように、それらの意見は、この観点から読まれるべきであり、従来技術の自白として読むべきで無いことを理解すべきである。

第１の形態は、粒状多結晶シリコンからダストを除去する方法である。この方法は、分配器に対向して配置される入口からキャニスタに粒状多結晶シリコンの流れを導入する工程と、分配器により半径方向に外方への流れに、流れの方向を変えることにより、粒状多結晶シリコンの流れを分配する工程と、粒状多結晶シリコンからダストを分離するために、半径方向に外方への流れと接触するように、粒状多結晶シリコンの流れの方向に対向する方向に、気体の反対の流れを導入する工程とを含む。

他の形態は、粒状多結晶シリコンからダストを除去するためのシステムである。システムは、キャニスタ、入口、および分配器を含む。キャニスタは、キャニスタの内部を規定する壁と、内部断面積を有する。入口は、キャニスタに接続されて、粒状多結晶シリコンをキャニスタに導入する。入口は、キャニスタの内部断面積より実質的に小さい入口断面積を有する。分配器は、キャニスタ中に、入口と反対側の位置に配置され、キャニスタの壁に向かって半径方向に外方に、入口を通って導入された粒状多結晶シリコンをまき散らす。

上述の形態に関連して記載される特徴の、様々な改良が存在する。更に、特徴は、上述の形態に組み込まれても良い。それら改良および追加の特徴は、独立してまたは組み合わせで存在しても良い。例えば、記載された具体例のいずれかに関連して以下で検討される様々な特徴は、単独または組み合わせで、上述の形態のいずれかに組み込まれても良い。

一つの具体例にかかるダスト除去システムの側面図である。 図１にかかるダスト除去システムの断面図である。 図１〜２にかかるダスト除去システムのノズルセットの正面図である。 図１〜２にかかるダスト除去システムの分配器の正面図である。 ダスト除去後の測定されたダストレベルをプロットするグラフである。 ダスト除去の効率をプロットするグラフである。

対応する参照符号は、図面の様々な図を通して、対応する部分を示す。

図１および図２には、粒状多結晶シリコンからダストを除去するのに使用するためのダスト除去システムが、全体が１００で表される。システムは、一般に、粒状多結晶シリコンＧＰを収容するためのソース容器Ｓ、多結晶シリコンＰＳからダストＤを引き離すための真空シースＶ、および多結晶シリコンを除去し、移動するための収集容器Ｃを含む。ソース容器は、粒状多結晶シリコン（広義には粒状材料）のバルクサプライを収容する。真空ソースは、真空に引くためのポンプ（図示せず）を含む。真空ソースは、また、ダストが、ポンプに入る、またはシステムの周囲の雰囲気に入るのを禁止するためのフィルタ（図示せず）を含んでも良い。

ダスト除去システム１００は、容器１１０、カウル１５０、分配器１７０、およびノズルアレイ１８０を含む。容器１１０は、少なくとも１つの壁１１４、ベース１１６、およびカバー１１８を有するキャニスタ１１２を有する。壁１１４、ベース１１６、およびカバー１１８は、共に、内部チャンバ１２０を形成する。

ベース１１６は、最下部に収集ポート１２２を有する凹型の形状である。凹型ベース１１６は、ダストが除去された粒状多結晶シリコンまたは多結晶シリコンＰＳが、ベースの上に落ちて、集められて、収集ポート１２２を通ってダスト除去システム１００から除去されるのを可能にする。収集ポート１２２は、収集容器Ｃに接続されている。

カウル１５０は、容器１１０の上に配置され、カバー１１８を通って下方に延びる。カウル１５０は、キャニスタ１１２の内部チャンバ１２０に粒状多結晶シリコンＧＰを分配するための入口チューブ１５２と、内部チャンバ中からダストＤを除去するために真空ソースＶに接続されたダスト出口１６０と、を含む。

入口チューブ１５２は、ダスト出口１６０とカバー１１８との双方を通って下方に延びて、内部チャンバ１２０の中に配置されたフード１５４中で終端する。フード１５４は、入口チューブ１５２に接続された第１または入口の開口部１５６と、内部チャンバ１２０中に開口したキャニスタ開口部１５８とを有する。キャニスタ開口部１５８は、実質的に入口開口部１５６より広く、入口チューブ１５２からの粒状多結晶シリコンＧＰが、ダスト出口１６０を通って内部チャンバ１２０から除去されるのを防止する。

ダスト出口１６０は、カバー１１８と一致し、入口チューブ１５２の周囲を上方に延びて、入口チューブはダスト出口１６０の中に少なくとも部分的に隠れる。ダスト出口１６０は、真空ソースＶと接続されて、入口チューブ１５２の周囲の内部チャンバ１２０から、ダストを引っ張る。

ダスト出口１６０は、カバー１１８の上部に接合されたキャニスタ端部１６２を有し、真空ソースＶに接続された真空端部１６４まで、上方に向かう角度で延びる。ダスト出口１６０は、フード１５４と隣り合って、キャニスタ開口部１５８の上に配置され、出口はキャニスタ開口部から空間をあけて、フードはダスト出口と粒状多結晶シリコンＧＰの流れとの間に挟まれる。この方法で、入ってくる粒状多結晶シリコンＧＰの流れが、真空から遮断され、これにより粒状多結晶シリコンの流れが、ダスト出口１６０の中に引っ張られるのを防止する。

真空ソースＶは、粒状多結晶シリコンＧＰが入る流れに対して反対の方向の気体の反対の流れを形成し、気体が運ぶダストのみが真空により吸い出される。フードの主な機能は、粒状多結晶シリコンＧＰを真空から遮断することである。幾つかの具体例では、フードは、図２に示されるドーム型のフードを有するより、むしろ入口チューブの直径より大きな直径を有するチューブで良い。

キャニスタ１１２の少なくとも１つの壁１１４と、フード１５４のキャニスタ開口部１５８との間の断面積は、フードのキャニスタ開口部の断面積より実質的に大きい出口面積を形成する。ダスト出口１６０は、出口面積より実質的に小さい断面ダクト面積を有する。より広い出口面積は、キャニスタ１１２中で減少した流速を提供し、流れが出口１６０に入るのが制限されるため、ダストＤの除去の助けを増加させる。

１つの具体例では、正確な真空圧力が、ダスト出口のサイズのような因子とともに変化する。適切な真空圧力を見出すための好ましい方法は、粒状多結晶シリコンがキャニスタを通って流れない圧力から開始し、次に多結晶シリコン中で効率的な処理と十分な低減の双方が可能な十分な速度で、キャニスタを通って多結晶シリコンが流れるまで真空圧力を低減する。他の具体例では、真空圧力は、スロットルバルブまたは空気レギュレータのいずれかにより調整され、一方、オペレータは内部チャンバ１２０を視覚的にモニタする。真空圧力は、異なるシステムに対して変化しても良い。幾つかの具体例では、真空圧力は、他の真空圧力を使用しても良いが、約２．２５ｋＰａと約４．０ｋＰａとの間である。

分配器１７０は、入口チューブ１５２の中央の直下に、空間を隔てて配置され、入口チューブ１５２を通って導入された粒状多結晶シリコンＧＰを、キャニスタ１１２の壁１１４に向かって半径方向に外方に分散させる。分配器１７０の形状および位置は、入口チューブ１５２を通って内部チャンバ１２０に入る粒状多結晶シリコンＧＰの流れの方向を複数の方向に変え、これにより、多結晶シリコンＰＳ中に混入する、または粒子に付着したダストＤを、多結晶シリコンＰＳから分離させて気体に運ばれるようにする。気体に運ばれるダストＤは、真空ソースＶにより、内部チャンバ１２０から上方に引き出される。幾つかの具体例では、１つ以上の分配器が使用される。

分配器１７０は円錐形状で、入口チューブ１５２からの粒状多結晶シリコンの流れを、キャニスタ１１２の壁１１４に向かって半径方向に外方に分散させる。粒状多結晶シリコンの方向が変わった流れは、方向が変わった流れが半径方向に外方に延びて円形パターンを形成する。幾つかの具体例では、分配器は、入ってくる粒状多結晶シリコンを、複数の方向に、向きを変えることができる他の形状を有しても良い。それらの具体例では、方向が変えられた流れは、円形でないパターンを形成しても良い。

図３を追加で参照すると、ノズルアレイ１８０は、第１の気体入口１８２と、入って来る粒状多結晶シリコンＧＰの方向とに対向する反対の気体の反対の流れを形成する５つの円錐気体ノズル１８４を含む。第１の気体入口１８２は、第１の気体ソース１８６に接続される。第１の気体は、好適には、窒素または他の不活性ガスである。気体の反対の流れの速度は、粒状多結晶シリコンＧＰからダストＤを分離するのに十分であるが、多結晶シリコンＰＳがベース１１６に落ちるのを防止するのに十分でない大きさである。第１の気体入口１８２は、分配器１７０に隣り合って配置され、入口チューブ１５２の方向に向かう。幾つかの具体例では、多かれ少なかれガスノズルを使用しても良い。幾つかの具体例では、ガスノズルは、分配器の形状を補完する様々なパターンのいずれかに配置されても良い。

図４を追加に参照すると、ノズルアレイ１８０は、第２の気体入口１９２と、分配器１７０の下方の周りで間隔をあけた複数の気体ポート１９４とを含み、第１の気体入口１８２からの気体と反対の流れに直交する方向に気体のカーテン／クロスフロー（直交流）を形成する。第２の気体入口１９２は、窒素または他の不活性ガスの第２の気体ソース１９６に接続される。気体のクロスフローは、キャニスタ１１２の乱流を増加させる。幾つかの具体例では、第１の気体ソースと第２の気体ソースは同じソースである。

第２の気体入口１９２は、キャニスタ中の位置から、キャニスタ１１２の少なくとも１つの壁１１４に向かっても良い。幾つかの具体例では、第２の気体入口１９２は、分配器１７０に向かって、方向を変えられた流れの方向と反対方向のクロスフローを形成する。

方法
ソース容器Ｓ中の粒状多結晶シリコンＧＰからダストを除去する方法では、粒状多結晶シリコンは、ソース容器から、入口チューブ１５２を通って、入口チューブと対向する位置に配置された分配器１７０を有するキャニスタ１１２の中に運ばれる。粒状多結晶シリコンＧＰは、長手方向を有する流れとして、キャニスタ１１２の内部チャンバ１２０の中に導入される。粒状多結晶シリコンＧＰは、内部チャンバ１２０の周りに、分配器１７０により分散する。

分配器１７０は、キャニスタ１１２の壁１１４に向かう半径方向に外方の流れに、長手方向の流れの向きを変える。半径方向に外方に向かう流れは、円形パターンを有する。

気体の反対の流れは、分配器１７０の下に配置されたノズルアレイ１８０の第１の気体入口から、内部チャンバ１２０中に導入される。気体の反対の流れは、キャニスタ１１２に入る粒状多結晶シリコンＧＰの長手方向の流れの方向と、逆の方向である。

真空ソースＶは、ダスト出口１６０に接続されて、気体の反対の流れを助ける。幾つかの具体例では、気体の反対の流れは、真空ソースまたはノズルアレイのいずれかにより形成される。ダスト出口１６０は、入口チューブ１５２の上に配置される。入口チューブ１５２は、フード１５４の中で終端して、内部チャンバ１２０の中に粒状多結晶シリコンが導入された場合に、入口チューブ１５２からの粒状多結晶シリコンＧＰの逆流が、ダスト出口１６０を通って除去されるのを防止する。

粒状多結晶シリコンＧＰの半径方向に外方への流れを通って気体が流れる場合に、気体の反対の流れは、多結晶シリコンＰＳからダストＤを分離する。真空ソースＶは真空を形成して、ダスト出口１６０を通って分離されたダストを引っ張ることにより、内部チャンバ１２０からのダストＤの除去を助ける。

内部チャンバ１２０中の乱流は、分配器１７０の下方に配置され、分配器１７０の周囲で半径方向に外方に向く第２の気体入口１９２から気体のクロスフローを導入することにより増加する。気体のクロスフローは、ダストが、分配器１７０の下の、キャニスタ１１２のベース１１６中に配置された収集ポート１２２を通って内部チャンバ１２０から出るのを防止する。

気体の反対の流れは、粒状多結晶シリコンＧＰからダストＤを分離するために選択され、一方ダストが除去された多結晶シリコンＰＳはそこを通れるように選択された流速を有する。気体の反対の流れの中を多結晶シリコンＰＳが通った後に、多結晶シリコンは、キャニスタ１１２のベース１１６に落ちる。ベース１１６は、凹型形状を有し、収集ポート１２２に接続される。多結晶シリコンＰＳは、続いて、ベース１１６に沿って移動し、収集ポート１２２を通ってキャニスタ１１２から除去される。多結晶シリコンＰＳが除去された場合、除去された多結晶シリコンの粒子が測定され、気体の反対の流れが調整されて、キャニスタ１１２を通る多結晶シリコンの大きさが調整される。多結晶シリコンＰＳは、次に、ダストが除去された後に収集容器Ｃの中に梱包される。

システムで扱われる粒状多結晶シリコンの汚染を避けるために、高速の粒状多結晶シリコンと接触する全てのシステムの構成は、システムの汚染しない動作を維持するために選択された材料からなり、その材料で形成され、またはその材料でコーティングされる。そのような材料が、これに限定されるものでは無いが、石英コーティング、シリコンコーティング、固体シリコン、および固体炭化シリコンを含む。一般に、コーティングは、ステンレス鋼基板に適用される。汚染の無い動作に適した他の材料は、また、本発明の範囲内であると考えられる。

装置の低速部分では、テフロン（登録商標）コーティングまたはテフゼル（登録商標）コーティング（米国、デラウエア、ウイルミントンのＥ．Ｉ．デュ・ポン・ド・ヌムール社から入手可能）が、許容できる汚染の無い動作を提供する。キャニスタ１１２の壁１１４は、テフゼルでコーティングされても良い。上述の具体例の使用は、ダスト除去に費やす時間を大きく縮小でき、例えば、粒状多結晶シリコンのダスト除去に必要な時間を、少なくとも２５％、少なくとも５０％、または７５％さえも低減できる。更に、ここに記載したシステムの使用は、高いダスト除去効率を提供する。このダスト粒子の低減と改良された効率は、結晶形成システムの全体の製造を増加するだけでなく、全体の操作コストの低減にもなる。

粒状多結晶シリコンの流れ中のダストの相対量を測定する方法では、混合コンテナの清潔度が、混合コンテナ中で５０ｍｌの水を揺らして、次に水をサンプルチューブに移して、濁度を測定して確認される。濁度は、サンプルでどれだけ光が散乱されるかの測定である。結果として、サンプルチューブは清潔で、傷無しに保たれる。エレクトロニクスの損傷を避けるために、サンプルがウエルの中に配置される前にサンプルチューブが乾燥される。サンプルチューブ中にサンプルが配置された後に、部屋からの光をブロックするためにウェルキャップがサンプルチューブの上に配置され、道具を用いた干渉からブロックされる。

濁度の値が２ＮＴＵより大きい場合、標準を用いて、および／または混合コンテナを再洗浄して、較正が確認される。一旦、濁度が２ＮＴＵより低くなるように確認されれば、２．０グラムの粒状多結晶シリコンと５０ミリリットルの綺麗な水とが混合コンテナに加えられる。サンプルは、１０秒間、積極的に揺すられる。サンプル溶液の外観がチェックされる。サンプル溶液が、１０ｍｇのダスト標準より暗かった場合、サンプルは高濃度過ぎて、適当には読めない。この場合、より低い重さの多結晶シリコンを有するサンプル溶液が準備される。

いくらかの水が、清潔な測定チューブに注がれる。乾燥した測定チューブが、サンプルウエル中に配置され、１０秒後に濁度が記録される。ＮＴＵは、サンプル中のダストのレベルを検出するための、ダスト較正カーブを較正するために使用される。もし、ＮＴＵが４０より小さいか、または２５０より大きい場合、較正カーブの直線部分になるように、異なるサンプルの重さが選択される。ダスト除去の効率は、ダスト除去プロセスの前と後において、サンプルのダストレベルを測定することにより特定できる。

従来技術は、ダストが高品質の半導体結晶の収率に影響する程度、およびダストが先端の結晶成長装置に影響する程度について認識が欠けていた。粒状多結晶シリコンが結晶成長装置のコンテナから供給システムに運ばれる場合、ダストもまた供給システムに運ばれる。供給システムから、ダストは結晶成長装置のホットゾーンの表面上に、特に先端の「閉じた」結晶成長装置の冷たい表面上に積もって集まる。ダストは、続いて、結晶／融液界面近傍の結晶またはシリコン融液に接触するかも知れない。そのような接触は、高品質半導体結晶中の「ゼロ転位の消失（ＬＺＤ）」のような、望まない欠陥のリスクを著しく増加させる。そのような結晶、および結晶を成長するために使用される先端の成長装置は、「ダストに敏感（dust sensitive）」であることが見出された。

ダスト除去方法は、製造中に、結晶引き上げ設備に運ばれる全てのソース容器が、ダストの仕様以下になることを確実にする。ダスト除去方法は、粒状多結晶シリコンの製造で一般に使用される「気体分類」より効果的であることが立証された。出願人は、気体分類は、十分な量のダストを排除できないことを見出した。

例
例では、粒状多結晶シリコンが、従来のダスト除去システムと、上述の具体例のダスト除去システムとの双方を用いて、何度もダストが除去された。上述の具体例のダスト除去システムの、１回のダスト除去サイクルの後の多結晶シリコンのダストレベルは、従来のダスト除去システムで３回のサイクルを行った後のダストが除去された多結晶シリコンと同じである。この結果は、図５に示されるダストレベルから照明される。図６は、ダスト除去効率は、従来のダスト除去システムより、上述の具体例のダスト除去システムにおいて、著しく高いことを示す。

本開示またはその具体例の要素を紹介する場合に、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「当該（ｓａｉｄ）」は、１またはそれ以上の要素があることを意味する。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」の用語は、包括的であることを意図し、列挙した要素以外の追加の要素があっても良いことを意味する。特定の配置を表す用語（例えば「上（ｔｏｐ）」、「下（ｂｏｔｔｏｍ）」、「横（ｓｉｄｅ）」等）の使用は、記載の便宜のためであり、記載されたものの特定の配置を要求するものではない。

本発明の範囲から離れることなく、上述の構造や方法において様々な変更を行うことができ、上述の記載に含まれ、添付した図面に示された全ての事項は、例示的であり、限定する意味では無いと解釈されるべきであることが意図される。

Claims (5)

1. 粒状多結晶シリコンからダストを除去するためのシステムであって、このシステムは、
   キャニスタの内部と、内部断面積とを形成する少なくとも１つの壁を有するキャニスタであって、対向流の気体のためにキャニスタの中に配置された気体入口と、キャニスタ中でキャニスタの中心軸から半径方向に外方への流れの乱流を増加させるための気体のクロスフローを提供するために、キャニスタの中に配置された第２の気体入口とを含むキャニスタと、
   キャニスタの中に粒状多結晶シリコンを導入するために、キャニスタを通って下方に延びキャニスタに接続された入口であって、入口は入口断面積を有し、キャニスタの内部断面積は入口の入口断面積より実質的に大きく、入口からダスト出口への粒状多結晶シリコンの流れの逆流を防止するために、キャニスタ中に配置されたドーム型のフードに接続された入口と、
   入口を通って導入された粒状多結晶シリコンを、キャニスタの少なくとも１つの壁に向かって半径方向に外方に分散させるために、入口に対向する位置のキャニスタの中に配置された分配器であって、気体入口は分配器と第２の気体入口の下に配置されて、入口に向かって配置され、第２気体入口は分配器の下に配置されて、分配器の下側の周りに配置された複数の気体ポートを含み、入口とドーム型のフードは分配器、気体入口、および第２気体入口の上に配置される分配器と、を含むシステム。
2. システムは、入口を通って導入された粒状多結晶シリコンに対向する気体の対向流を用いて、粒状多結晶シリコンからダストを引っ張るための真空ソースを含む請求項１に記載のシステム。
3. 粒状多結晶シリコンを導入するための入口が、ドーム型のフードを介してキャニスタの内部に接続され、ドーム型のフードは、入口開口部とキャニスタ開口部を有し、入口開口部はキャニスタ開口部より実質的に小さい請求項１に記載のシステム。
4. キャニスタの少なくとも１つの壁とドーム型のフードのキャニスタ開口部との間の断面積は、ドーム型のフードのキャニスタ開口部の断面積より実質的に大きい請求項３に記載のシステム。
5. 第２の気体入口は、キャニスタの中から、キャニスタの少なくとも１つの壁に向けられる請求項１に記載のシステム。

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