JPH01249618A - シリコン棒材から予め大きさを定めた粒子を形成する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発珊矛房卸顧 本発明は多結晶質シリコン棒材を予め定められた粒度範
囲内で、かつ予め定められた粒度分布におＧノる粒子に
破砕する方法に関する。また該破砕方法は鈍い縁端を有
する粒子を形成する。

知月苅佇 多結晶質シリコン棒材ば半導体工業に使用するための単
結晶シリコン棒（１の製造に使用される。

単結晶棒材はシリコンウェーハに加工され、該ウェーハ
から半導体シリコンチップが製造される。

多結晶質シリコン棒材ばケイ素製、又はタングステンも
しくはタンタルのような十分な導電性を有する他の金属
製の、加熱された棒状フィラメン１−　Ｊ二におけるシ
ランのような気体ケイ素化合物の熱分解により製造され
る。シラン熱分解用に設計された現行技術の反応器の基
礎となる原理が米国特許第３．１４７，１．４１号、第
４，１４７，８］、、１号及び第４．１．５０．１６８
号各明細書に記載されている。

ケイ素と水素とを形成するシランの熱分解は多数のシリ
コンフィラメント棒材の入った反応器中において生ずる
。該棒材は概して７〜１．２　ｃｍの間の直径に成長す
る。次いで該棒材を反応器から採取して小片に破砕する
。該小片は公知のツオクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌ
ｓｋｉ）結晶引上げ法にしたがって単結晶に加工するだ
めの、成る粒度分布に対する要求を満足させるように粒
度により選別する。多結晶質粒子に対する粒度分布は該
粒子の充てん密度を最大ならしめる融解るつぼの仕様か
ら定められる。

多結晶質棒材は汚染を回避するように破砕されなυＪれ
ばならない。それぞれの取扱操作により汚染の可能性が
増大する。現在は、各棒材は熟練作業者により注意深く
金属トラフ」−に置かれ、次いでハンマーで打撃される
。該作業者は棒材の長さに沿って選択された位置におい
て十分な力を加えて棒材を予定された粒度範囲内の比較
的に大きな寸法の小片に破砕するように訓練されている
。予め定められた粒度範囲外に該当する粒子は実質的に
安い価格で市場に出さなければならない。経験−ｈ、最
も熟練した作業者でさえもシリコン棒材の、所望の粒度
範囲内の粒子への破砕を調節することが困難であること
がわかる。

現行方法は多くの望ましくない特徴を有する。

該方法は固有的に速度の遅い方法であり、かつ熟練者を
必要とする。棒材の破砕に必要な力の量は作業者の過労
をもたらし、かつ常に健康上の問題が生ずる。現在は実
質的に多数の取扱工程を必要とする。

棒材を破砕するために現在必要とされている物理的な力
の程度はハンマー及びテーブルから微小な摩耗破片を発
生させる傾向もある。これらの微小摩耗粒子は打撃の際
に多結晶質棒材表面に移動して更に汚染の原因となる。

現行破砕方法は過度に鋭い縁端を有する粒子をももたら
す。このことは多くの理由から好ましくない。この鋭い
縁端は粒子の取扱いを非常に困難とし、人の負傷を回避
するのに要する取扱時間を増加させる。たとえ小さな皮
膚の刺し傷でざえもシリコン材料を汚染させることがあ
る。現在、この問題を最小化するために破片粒子を回転
ドラムタンブラ−に供給し、そこで縁端を鈍くする。次
いで該粒子を金属製のふるいを使用して選別し、微粉を
分離する。次いで大きな粒子を所望の粒度分布における
３種の別個の範囲に分離する。

最後に、ハンマーによるポリシリコン棒材の破砕により
、破砕粒子のほかに微細なシリコン粉末か形成される。

該微粉末は破砕された粒子の表面に付着する傾向を有す
る。るつぼ溶解中に溶解物表面−」−に該微粉末が浮遊
し、ツオクラルスキー法を妨害することがある。生成物
から該粉末を除去するために脱イオン水中において該粒
子を洗浄する追加の工程が必要である。

発皿辺贋粉 本発明方法により、多結晶質シリコン棒材が予め定めら
れた粒度を有し、しかも互に関係する予め定められた粒
度分布における粒子に破砕される。

本発明により生成された破砕粒子は鋭い縁端を有してお
らず、かつ粉末が実質的に形成されない。

広義には本発明方法は棒Ｈの内側にミクロ及びマクロの
応力亀裂を誘導することによるポリシリコン棒材の予備
処理を包含する。該予備処理された棒材は次いで該棒材
を最小の力により打撃することにより容易に小片に破砕
される。該予め亀裂された棒材を小片に破壊するのに要
する機械仕事の水準は未処理棒４４を破砕するのに要す
る。

仕事の、わずかに何分の１かである。棒材１１］にミク
ロ及びマクロの亀裂を誘導するための好ましい実施態様
は該棒材を約２５０’ｌｉ”から７５０°Ｆまでの間の
予め定めた温度範囲内に加熱し、次いで比較的に迅速に
冷却することである。棒材にミクロ及びマクロの亀裂を
誘導するだめの別の実施態様は、衝突体とポリシリコン
棒材との間に０．０５から１までの間の好ましい質量比
を有せしめると共に、該棒材の一端において１０〜１５
フィート／秒の間の高速圧縮波を導入することである。

オー発朋沙泪勇 高純度多結晶質シリコン棒材を予め定めた粒度分布にお
いて予め定めた粒度を有する粒子に破砕する方法を提供
することが本発明の主要な目的である。高純度多結晶質
シリコン棒材を、なんらの鋭い縁端をも示さない粒子に
破砕する方法を提供することが本発明の更にもう一つの
目的である。

本発明のこれらの、及びその他の目的及び利点は図面を
参照して下記の発明の詳細な記載を読むことにより明ら
かとなるであろう。

発〃］の一庄鞭刈起淑− 単結晶シリコン金属は高純度多結晶質シリコンから形成
される。高純度シリコン棒材はまず熱分解反応炉におけ
るシ゛ランガスの熱分解によって形成される。棒材が例
えば７〜１２ｃｍの所望の直径に成長したならばそれら
を採取し、破砕し、次いで選別して予め定められた大き
さの粒子とする。

大きさが２〜４インチの間の粒子は、慣用のツオクラル
スキー結晶引上げ法を使用して、るつぼ内で融解させて
単結晶シリコン金属を形成するのに好ましい。

先行技術方法を使用して破砕された多結晶質シリコン棒
材からの粒子の分布が、上述のツオクラルスキー結晶引
上げ法を使用して単結晶シリコン棒材を形成するための
最適粒度分布上に重ね合わされた第１図に示される。大
きさが０インチから４インチまり實子間の最適粒度分布
が陰影を付した箱を使用して示される。したがって大き
さが２インチから４インチまでの間の粒子に対する最適
粒度範囲は破砕粒子全体の６０ないし９０％の間である
べきであり、１インチから２インチまでの間の粒子に対
する最適粒度範囲は全体の１０ないし３８％の間である
べきである。大きさが１７２インチ以下の粒子は望まし
くなく、１／２インチから１インチまでの間の粒度範囲
の粒子は全体の３％以下であるべきである。先行技術方
法を使用して生成された粒子間の分布ｉｌｌ典型的には
２インチないし４インチにおいて最大２７％、１インチ
ないし２インチの粒度範囲において最大６１％となる。

先行技術方法ににより生成した粒子ば１／２ないし１イ
ンチの範囲において典型的には全体の９％が存在し、全
粒度分布の３％以上が大きさ１／２インチ以下に該当す
る。

対照的に第２図に示されるように本発明方法ばまざに最
適粒度範囲内に該当する粒度分布をもたらす。典型的に
は粒子の７７％までが好ましい２〜４インチの粒度範囲
に入り、１７％が１インチと２インチとの間の大きさに
入る。粒子の４％が大きさ１／２ないし１インチの間に
、そして２％以下が大きさ半インチ以下に該当する。

本発明方法番Ｊ８　シリコン出発物質（ｓｔａｒｔｅｒ
）棒材を入れた反応容器内のシランガスの熱分解により
多結晶質シリコン棒材を形成させ；反応容器内に形成さ
れた棒材を予備処理して実質的なミクロ及びマクロの応
力亀裂を導入し、次いで該応力を受のだ棒Ｈを、実質数
の断片に破砕することより成る。棒材の予備処理は多結
晶質棒材の制御された加熱及び冷却により、又は衝撃荷
重による棒材の予備破砕により行うことができる。

熱処理は好ましくは棒材を炉内に入れ、炉内の温度を、
引続いての急冷中にミクロ及びマクロの亀裂をもたらす
実質的な熱応力を導入するのに十分に高い水準に上げる
ことにより達成される。加えられた熱処理温度と、棒材
が冷却され、破砕された後において得られた粒度分布と
の間に関係があることがわかった。大きさが１７２イン
チ以下の粒度と、特に微粒粉とは廃棄物として分類され
る。

第３図は相当する熱処理温度における熱処理後に棒材を
破砕した際に生ずる過小粒子の％のプロットを示す。過
小粒子の１００分率は２５０°Ｆと７５０°Ｆとの間の
熱処理温度範囲内において実質的に降下し、最適熱処理
温度範囲は４００°Ｆと６２５°Ｆとの間に存在する。

棒材は強制対流型又は輻射型の駆ｚ解がまの炉内で加熱
することができる。該炉は不活性ガス又はその他のガス
によるシール（ｂｌａｎｋｅｔｉｎｇ）技術を使用して
生成物の汚染を防止することができる。その他の加熱形
式としては誘導、マイクロウェーブ及びジュール加熱（
電気的）が包含される。

棒材が加熱された後、それらを炉から取り出して冷却す
る。任意の慣用の冷却方法を使用することができる。好
ましい冷却方法は棒材を水中において象、冷することで
ある。棒材を象、冷するのに脱イオン水を使用すること
ができ、あるいはその代りに強制対流を利用して空気中
又はその他の気体冷却剤中において冷却することができ
る。棒材を水中において冷却する場合は常にバチバチと
いう音が消され、表面上に大きな亀裂（ｍａｃｒｏｃｒ
ａｃｋ）が観察できることがある。

熱処理の代りとして、棒材の一端において、好ましくは
棒材を吊るして、急激に荷重を加えることにより予備亀
裂（ｐｒｅｃｒａｃｋ）させることができる。

衝撃体とポリシリコン体との間の好ましい質量比は０．
０５ないし１０間であるべきであり、かつ衝撃荷重に対
する衝撃速度は１０フ一ト／秒と１．５０フ一１〜／秒
との間の値を有すべきである。衝撃体は多結晶質シリコ
ン体の打撃される末端において圧縮波を形成し、該圧縮
波は多結晶質シリコン体を通って反対側末端に進行する
。最初の衝撃末端の反対側末端から反射テンション波（
ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｗａｖｅ）が逆
進して来る。圧縮波の速度は全く高く、約１８，０００
フー］・７秒であること、及びこの圧縮波により生ずる
応力水準もまた非常に高いことがあることに注目するこ
とが重要である。

工学的機械学にお＆ｊる当業者により容易に定めること
のできる実際的な重量と速度との組合せによｌ／１Ｉ（
１，０００〜３０，０００ボンド／平方インチの間、又
はそれ以上でさえもある応力値に到達することができる
。応力波が棒材中を進行するにつれて該応力波は内部的
に閉じこめられた応力と結合し、かつ応力の大きさ及び
方向に基づきテンション波が棒材中に亀裂を生じさせる
。亀裂の伝播速度は応力波速度の約３分の１であるので
進行する応力波は背後に破砕帯域の跡（ｔｒａｉｌ）を
残す。応力は成る場合には、通常には衝撃末端の反対側
末端付近において、棒材を完全に破砕するのに十分に高
くさえもある。このような予備破砕された棒材が吊るさ
れ、打撃された場合、該棒材は鳴り響くことなく鈍い音
を発し、存在する微小亀裂に起因する高度の内部減衰（
ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｄａｍｐｉｎｇ）を示す。

このような予備破砕された棒材はいまや、取手付ハンマ
ーにより、又は空気ハンマーにより容易に破砕すること
ができる。圧縮波を施こず場合には棒材を吊るずことが
好ましいけれど、それは必須ではない。棒材は自由端を
衝撃する間にその長さに沿ってＶ型、Ｕ型又はその他の
適当な形状の開放止め金番こおいて支持することもでき
る。圧縮波を生じさせるためには空気ハンマー、もしく
は磁気駆動ハンマーまたは任意の同様な機構を、あるい
は簡単に振子を使用することができる。

本発明によるポリシリコン棒材の予備処理は破砕の特性
及び性質をも変える。破砕の幾何学的形状はより一層貝
殻状破面となり、何間平面は鈍角を形成する。この貝殻
状破面ばより大きな粒度の発生をも促進する。

ポリシリコン棒材内の内部応力を形成するための熱処理
の使用についての有意の利点は鋭い縁端の排除である。

第４Ａ図は先行技術方法により形成されたポリシリコン
粒子の破砕縁端の断面の顕微鏡写真を示し、これに対し
第４Ｂ図は本発明による熱処理にしたがって形成された
同様な粒子の同様な顕微鏡写真を示す。

第５図は任意の破砕粒子に対する縁端特性を示すグラフ
図である。縁端のカッティング（ｃｕｔｔｉｎｇ）特性
は縁端角度と縁端半径との両方の関数である。

平らな表面は鋭利でないことば明らかである。他の極端
な場合において、紙状物は十分薄くて縁端半径が小さい
場合においてのみ鋭利である。これらの境界条件を、中
間条件に対して算定された曲線を以って第５図のグラフ
に示ず。ずなわち縁端角度３０°、縁端半径１．０ミル
以上において鋭利でない鈍い縁端が生ずることが評価さ
れる。本発明の目的に対して、シリコン粒子の手動取扱
いに関連してカッティングが使用されていることに注目
すべきである。このような取扱いはツオクラルスキー祁
解るつぼ中へのシリコンの手動添加に対して使用される
。グラフに示される個々の点は本発明を使用して、又は
使用せずにシリコン棒材の破砕から得られた実際のシリ
コン材料について、及びゼロの縁端角度の場合における
紙状物についての測定に基づく。有用な粒度材料のみが
考慮され、したがって粉末及び微粒物は包含されない。

熱的に予備亀裂された＋Ｊ　ｌ’ｌはカッティングする
ことなく容易に取扱うことかでき、これに対し別の態様
では破砕断片の鋭い切断縁端に起因して表皮カッティン
グ（ｓｋｉｎ　ｃｕｔｔｉｎｇ）が生ずることが明らか
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は単結晶シリコン棒材を形成するための多結晶質
シリコン棒材の破砕粒子の最適粒度分布と、それに重ね
合わされた、先行技術の破砕方法を使用してのポリシリ
コン粒子の典型的な分布とを示すグラフ図である。 第２図では単結晶シリコン棒材を形成するための破砕粒
子の最適粒度分布上に重ね合わされた、本発明方法を使
用して破砕された多結晶質棒材の粒度分布を示すグラフ
図である。 第３図は熱予備処理のために適用した温度と、相当する
予備処理温度における棒材の破砕により生じた片粒子の
１００分率との間の関係を示すグラフ図である。 第４Ａ図は破砕された先行技術の多結晶質シリコン粒子
の顕微鏡写真である。 第４Ｂ図は本発明方法により製造された、破砕多結晶質
シリコン粒子の顕微鏡写真である。 第５図ば縁端半径と縁端角度との間の関係を基準とする
鋭さと鈍さを比較する破砕粒子に対する縁端特性を示す
グラフ図である。 特許出願人　ユニオン、カーノ’　”Ｔ　’Ｆ”ｔコー
ｙｉｅ　ｌ／−ジョン嗜 「０ Ｑ 一 （％）叫申ψ （’Ｉ／ミ）仏ム索盟）１ （％）　助　（を （％）　助　くクー ｉ″　Ｉ（１）、４ｔ：＄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固体多結晶質シリコン棒材から、予め定められた粒
   度分布において予め定められた粒度を有するシリコン粒
   子を形成する方法において、該固体多結晶質棒材を予備
   処理して実質的なミクロ及びマクロの応力亀裂を導入す
   る工程と、前期予備処理した棒材を比較的に低い衝撃力
   により実質数の断片に破砕する工程とを包含して成る前
   記方法。 ２、棒材を２５０〜７５０°Ｆの間の温度範囲内におい
   て熱処理し、次いで該熱処理された棒材を冷却すること
   により応力亀裂を誘導する請求項１記載の方法。 ３、熱処理を４００〜６００°Ｆの間の温度範囲内にお
   いて行う請求項２記載の方法。 ４、棒材を、水中において急冷することにより冷却する
   請求項３記載の方法。 ５、棒材を１０〜１５０フィート／秒の間の衝撃速度に
   おいて、その一端を荷重と衝突させることにより前記棒
   材を予備処理する請求項１記載の方法。 ６、棒材と荷重との間の質量比が０．０５〜１である請
   求項５記載の方法。 ７、予め定められた粒度分布において予め定められた粒
   度を有する多結晶質シリコン粒子を形成する方法におい
   て、 反応容器内におけるシランガスの熱分解により多結晶質
   シリコン棒材を形成する工程；及び前記反応容器におい
   て形成された棒材を予備処理して実施的なミクロ及びマ
   クロの応力亀裂を導入し、次いで該応力を受けた棒材を
   、比較的に低い衝撃力により実質数の断片に破砕する工
   程；を包含して成る前記方法。 ８、棒材を２５０〜７５０°Ｆの間の温度範囲内におい
   て熱処理し、次いで該熱処理された棒材を冷却すること
   により応力亀裂を誘導する請求項７記載の方法。 ９、熱処理を４００〜６００°Ｆの間の温度範囲におい
   て行う請求項８記載の方法。 １０、棒材を、水中において急冷することにより冷却す
   る請求項８記載の方法。 １１、棒材を１０〜１５０フィート／秒の間の衝撃速度
   において、その一端を荷重と衝突させることにより前記
   棒材を予備処理する請求項７記載の方法。 １２、棒材と荷重との間の質量比が０．０５〜１である
   請求項１１記載の方法。