JPH11180709A

JPH11180709A - 高純度シリコンインゴットの製法

Info

Publication number: JPH11180709A
Application number: JP34930397A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yokoyama; 敬志横山
Original assignee: Daido Hoxan Inc
Current assignee: Daido Hoxan Inc
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 1999-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単かつ安価に多結晶の高純度シリコンインゴ
ットを製造することのできる方法を提供する。【解決手段】シリコン原料として使用済石英ルツボの粉
砕品を準備するとともに、還元剤として黒鉛黒皮の粉砕
品を準備し、上記シリコン材料と還元剤をアーク炉内に
装填し、還元反応を生起させて溶融シリコン４３を得た
のち上記溶融シリコン４３を鋳型２４内で一方向性凝固
させ、鋳型２４内から脱型して不純物集合部位を切断除
去するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多結晶シリコンか
らなる高純度シリコンインゴットの製法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】半導体用シリコンウェーハをつくるため
のシリコンインゴットは、一般に、つぎのようにして製
造されている。すなわち、まずシリコン原料として珪石
を用い、これを、木炭等の還元剤とともに、図７に示す
アーク炉内に投入する。図において、１は珪石と木炭等
の混合物、２は電柱、３は電柱ペーストである。また、
４はＳＵＳチャンバ、５は断熱材である。そして、アー
ク熱を利用して、上記珪石を還元して溶融シリコン６
（金属シリコン、純度９８％程度）を得、これを流出口
７から取り出す。

【０００３】つぎに、上記溶融シリコン６を微粉化し、
図８に示すように、ホッパー８内から窒素ガス（Ｎ₂）
とともに炉流動層９内に供給して塩酸（ＨＣｌ）と反応
させ、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）とする。そし
て、これを、フィルタ１０，冷却器１１を経由させて精
留塔１２内に導入して純度を高める。通常、この時点
で、炭素以外の不純分が１ｐｐｂａ（ｐａｒｔｓｐｅ
ｒｂｉｌｌｉｏｎａｔｏｍｉｃ：５×１０¹³／ｃｍ
³）の高純度品が得られる。

【０００４】つぎに、上記トリクロロシランを、高純度
水素とともにＣＶＤ炉１３内に導入し、還元および熱分
解反応により、シリコン心棒１４の周囲に、高純度の多
結晶シリコン１５を析出させる（シーメンス法）。そし
て、得られた多結晶シリコンを、ＣＺ単結晶引き上げ装
置，ＦＺ結晶製造装置等にかけて単結晶化することによ
り、半導体ウェーハ用の単結晶シリコンインゴットを得
ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高純度
の単結晶シリコンインゴットを得るには、上記のよう
に、非常に複雑かつ高価な工程を経由するため、インゴ
ットが高価とならざるを得ず、その低コスト化が強く望
まれている。

【０００６】そこで、より簡単かつ安価に多結晶シリコ
ンを得たのち単結晶化する技術、あるいは多結晶シリコ
ンを高純度化して多結晶のまま半導体や太陽電池に利用
する技術等の開発が進められているが、画期的な低コス
ト化技術は実現されていないのが実情である。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、従来のような複雑かつ高価な工程を経ることな
く、簡単かつ安価に多結晶の高純度シリコンインゴット
を製造することのできる方法の提供をその目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の高純度シリコンインゴットの製法は、シリ
コン原料として使用済石英ルツボの粉砕品を準備する工
程と、還元剤として黒鉛黒皮の粉砕品を準備する工程
と、上記シリコン材料と還元剤をアーク炉内に装填し、
還元反応を生起させて溶融シリコンを得る工程と、上記
溶融シリコンを型内で一方向性凝固させる工程と、上記
凝固したシリコンを脱型して不純物集合部位を切断除去
する工程とを備えたことを第１の要旨とする。

【０００９】また、上記高純度シリコンインゴットの製
法のなかでも、特に、上記還元剤として、硼素濃度が
０．１ｐｐｍ以下に設定されたものを用いる方法を第２
の要旨とし、そのなかでも特に、上記還元剤として、塩
化水素と接触させながら加熱処理することによりカーボ
ン純度を高めたものを用いる方法を第３の要旨とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を詳
しく説明する。

【００１１】本発明の高純度シリコンインゴットの製法
では、シリコン原料として、使用済石英ルツボの粉砕品
を用いる。上記石英ルツボは、従来からシリコン単結晶
製造に汎用されているＣＺ単結晶引き上げ装置におい
て、引き上げ原料となるシリコンを貯留するのに用いら
れるもので、通常、２〜３回引き上げ作業を行ったの
ち、産業廃棄物として、粉砕され処分されるものであ
る。しかし、この使用済石英ルツボは、たとえ使用済で
あっても、非常に高い純度を保っているため、従来のシ
リコン原料である珪石に比べて品質的にはるかに優れて
いる。なお、本発明において、「使用済石英ルツボ」と
いう場合、「使用済」を厳密に解釈する必要はなく、実
際には使用に供されてなくても、欠損品である等の事情
で廃棄された石英ルツボ等をも含む趣旨である。

【００１２】上記使用済石英ルツボは、取り扱いやすい
程度に粉砕されていればどの程度の粒度に粉砕されてい
ても差し支えはないが、通常、平均粒子径１０〜５０ｍ
ｍ程度の粒子に粉砕されることが望ましい。

【００１３】そして、上記使用済石英ルツボは、粉砕
後、洗浄することが好ましく、その場合、アセトン→ア
ルコール→酸→水、というように、複数種類の洗浄液を
組み合わせて洗浄することが望ましい。すなわち、粉砕
時や運搬時，保管時等に表面に付着した不純物を効果的
に除去することができるからである。

【００１４】また、本発明の高純度シリコンインゴット
の製法では、還元剤として、黒鉛黒皮を用いる。このも
のは、カーボンメーカーにおいて、一般黒鉛を成形する
際に不要部分として除去される、黒鉛の外層部であり、
通常、産業廃棄物として処分されているものである。

【００１５】上記黒鉛黒皮も、取り扱いやすい程度に粉
砕されていればどの程度の粒度に粉砕されていても差し
支えはないが、通常、平均粒子径１０〜５０ｍｍ程度の
粒子に粉砕されることが望ましい。

【００１６】なお、太陽電池用の高純度シリコンインゴ
ットを製造する場合、上記黒鉛黒皮として、硼素濃度が
０．１ｐｐｍ以下に設定されたものを用いることが望ま
しい。ただし、通常の黒鉛黒皮には、各種不純物が４０
０ｐｐｍ程度混入しており、硼素も３ｐｐｍ程度混入し
ている場合が多い。そこで、これらの不純物を除去して
硼素濃度を０．１ｐｐｍ以下に下げるには、上記黒鉛黒
皮の粉砕品を塩化水素と接触させながら加熱処理するこ
とが好適である。なお、この処理では、加熱温度を１０
００〜２０００℃に設定することが好適である。

【００１７】本発明によれば、上記使用済石英ルツボと
黒鉛黒皮を用い、例えばつぎのようにして高純度シリコ
ンインゴットを製造することができる。

【００１８】まず、図１において模式的に示される構成
の装置を組む。すなわち、この装置は、図２に示すよう
に、水平方向に延びるＳＵＳチャンバ２０内に、断熱材
２１を介してヒータ２２を設け、この中にローラコンベ
ア２３を通したもので、これにより、上流側から下流側
に向かって、シリコン凝固用の鋳型２４を移動させ、各
工程の処理部ごとに停止させて所定の処理を行うように
なっている。上記装置（図１に戻る）には、順に、鋳型
導入部２５、予備加熱部２６、一方向性凝固部２７、冷
却部２８、取り出し部２９が設けられている。そして、
上記一方向性凝固部２７の上方に、還元反応を行うアー
ク炉部３０が設けられ、その上に、原料チャージ部３１
が設けられている。

【００１９】より詳しく説明すると、上記ＳＵＳチャン
バ２０の最も上流端部に設けられた鋳型導入部２５は、
鋳型供給ライン（図示せず）と接続されており、ＳＵＳ
チャンバ２０内の気密性を損なうことなく、ＳＵＳチャ
ンバ２０内のローラコンベア２３上に、自動的に鋳型２
４が導入されるようになっている。

【００２０】上記鋳型導入部２５に続く予備加熱部２６
では、図２に示すように、空の鋳型２４に対し、予備加
熱が与えられる。予備加熱温度は、通常、１０００〜１
５００℃、特に１２００〜１４００℃に設定することが
好適である。

【００２１】上記予備加熱部２６に続く一方向性凝固部
２７には、その上方に、アーク炉部３０が設けられてい
る。このアーク炉部３０におけるアーク炉３０ａは、図
３に示すように、通常のアーク炉と同様、ＳＵＳチャン
バ４０と、断熱材４１と、電柱４２を備えたもので、原
料チャージ部３１（図１参照）から供給される使用済石
英ルツボと黒鉛黒皮を還元反応させることにより、溶融
シリコン４３が得られるようになっている。ただし、溶
融シリコン４３を受ける下部電柱４４にはロート部４５
が形成されており、溶融シリコン滴４３ａが逐次落下し
て、図４に示すように、ＳＵＳチャンバ２０内の一方向
性凝固部２７に位置決めされた鋳型２４内に、溜められ
るようになっている。なお、図３において、４６は原料
供給口、４７は銅電柱である。

【００２２】上記一方向性凝固部２７では、内部におい
て、上面のヒータ２２ａよりも下面のヒータ２２ｂの方
が、所定温度だけ低く設定されており（例えば上面ヒー
タ２２ａを１４５０〜１５００℃、下面ヒータ２２ｂを
１２００〜１４００℃に設定）、鋳型２４内に溜められ
た溶融シリコン４３が、一方向（底部）から徐々に固化
するようになっている。図において、５０が固化したシ
リコンである。この方法によれば、結晶内に応力が残留
せず、クラックの生じない高品質の結晶を成長させるこ
とができる。そして、結晶が最後に固化する部分に、不
純物を集めることができるため、最後に固化した部分を
一定の厚みで除去することにより、高純度の結晶を得る
ことができるという利点を有する。

【００２３】上記一方向性凝固部２７に続く冷却部２８
では、図５に示すように、一方向性凝固によって完全に
固化したシリコン５０を、通常、室温まで冷却するよう
になっている。このとき、冷却速度は、通常、１〜５０
℃／分、なかでも１０〜２０℃／分となるよう設定する
ことが好適である。すなわち、冷却速度が遅すぎると、
他の処理部における処理速度との兼ね合い上、好ましく
ないのであり、逆に、急激に冷却しすぎると、固化した
シリコン５０にクラックが生じるおそれがあり、好まし
くない。

【００２４】上記冷却部２８における冷却方法として
は、ヒータ２２の加熱温度を所定の割合で下げていく方
法の外、低温に設定されたガス（Ａｒ，Ｈｅ等）を吹き
つける等の方法を用いることができる。

【００２５】上記冷却部２８に続く取り出し部２９（図
１参照）では、ＳＵＳチャンバ２０内の気密性を損なう
ことなく、自動的に、冷却されたシリコン５０を鋳型２
４ごと、ＳＵＳチャンバ２０の外に取り出すようになっ
ている。

【００２６】取り出されたシリコン５０は、鋳型２４か
ら脱型され、図６に示すように、例えば破線Ｘで示す部
分を切断線とし、その上の、全体に対し約１割の部分が
切断除去される。すなわち、前記一方向性凝固により、
シリコン５０の上部は、不純物が高濃度で集まった状態
で固化しているからである。このようにして不純物集合
部が除去されたシリコン５０は、通常、不純物濃度が１
ｐｐｍ以下、特に硼素濃度が０．１ｐｐｍ以下の高純度
であり、高純度多結晶シリコンインゴットとして、その
まま太陽電池材料として用いることができる。

【００２７】なお、さらに高純度のシリコンが要求され
るような用途に用いる場合には、上記シリコン５０を、
溶解炉において再度溶融したのち一方向性凝固を行い、
不純物集合部を切断除去する。これにより、さらに高純
度（通常、不純物濃度が０．１ｐｐｍ以下）の多結晶シ
リコンインゴットを得ることができる。

【００２８】このように、上記製法によれば、従来、産
業廃棄物として処分されていた使用済石英ルツボと黒鉛
黒皮を原料として用いるため、原料コストが殆どかから
ず、また両者とも従来の原料（珪石および木炭）に比べ
て純度が高いため精製工程を簡略化することができるこ
とから、非常に安価かつ簡単に、高純度シリコンインゴ
ットを製造することができる。そして、工程が簡略化さ
れているため、全工程に必要な消費電力も大幅に低減す
ることができ、エネルギーコストが安いという利点も有
する。

【００２９】ちなみに、従来の製法では、アーク炉にお
ける消費電力が約１５ｋＷ（シリコン１ｋｇ当たり、以
下同じ）、炉流動層における消費電力が約１．２ｋＷ、
精留塔における消費電力が約１５０ｋＷ、ＣＶＤ炉にお
ける消費電力が約１５０ｋＷ、単結晶引き上げ装置にお
ける消費電力が約１５０ｋＷで、合計約４６６．２ｋＷ
必要であるのに対し、本発明の上記方法によれば、アー
ク炉３０ａにおいて約１５ｋＷ、一方向性凝固部２７に
おいて約１５０ｋＷ、合計約１６５ｋＷを要するだけで
ある。これに、鋳型搬送用の電力と、固化シリコン５０
の一部切断除去用の電力が加わるが、これらの値はごく
小さいものであり、本発明の方法により大幅な省エネを
達成できることがわかる。

【００３０】なお、前記の例において、ＳＵＳチャンバ
２０内は、通常、大気圧でよいが、揮発性不純物（例え
ばＰ等）が多い場合は、不純物を除去する目的で、６０
０Ｔｏｒｒ〜１ｍｍＴｏｒｒ、なかでも１０〜１Ｔｏｒ
ｒ程度の真空に設定することが好適である。ただし、真
空度が高くなりすぎると、溶融シリコン４３の蒸発量が
多くなるため、好ましくない。

【００３１】また、前記の例では、シリコン凝固用の鋳
型２４を、各工程の処理部ごとに停止させて処理を行う
ようにしているが、一方向性凝固部２７における処理の
みを、鋳型２４を停止させて行い、その前の予備加熱部
２６における処理と、その後の冷却部２８における処理
は、鋳型２４を移動させながら行うようにしても差し支
えはない。

【００３２】さらに、図１に示すように、一連の処理部
を直線的に並べ、鋳型２４をローラコンベア２３で送っ
て処理を連続的に行うよう設定したが、装置の構成は、
前記の例に限らず、どのような構成であっても差し支え
はない。例えば、各処理をバッチ式で行うようにしても
よい。

【００３３】つぎに、本発明の実施例について説明す
る。

【００３４】

〔処理条件〕

・ＳＵＳチャンバ２０内の圧力：大気圧・目的とするインゴットの形状：１００×１００×５０ｍｍの直方体状・予備加熱温度：１４００℃ ・アーク炉３０ａにおけるアーク熱：１４５０℃以上・一方向性凝固温度：上部加熱温度１５００℃ 下部加熱温度１２００℃ ・冷却速度：１０℃／分

【００３５】このようにして得られたシリコンインゴッ
トを、脱型し、上部の不純物集合部を切断除去すること
により、目的とする高純度シリコンインゴットが得られ
た。このものは、不純物濃度が１ｐｐｍであり、特に硼
素濃度が０．１ｐｐｍと、非常に高純度のものであっ
た。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明は、従来、産業廃
棄物として処分されていた使用済石英ルツボと黒鉛黒皮
を原料として用いており、原料コストが殆どかからな
い。また両者とも従来の原料（珪石および木炭）に比べ
て純度が高いため、精製工程を簡略化することができ
る。したがって、本発明によれば、非常に安価かつ簡単
に、高純度シリコンインゴットを製造することができ
る。しかも、工程が簡略化されているため、全工程に必
要な消費電力も大幅に低減することができ、エネルギー
コストが安いという利点も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる装置の一例を示す模式的な構成
図である。

【図２】上記装置の予備加熱部の説明図である。

【図３】上記装置のアーク炉部の説明図である。

【図４】上記装置の一方向性凝固部の説明図である。

【図５】上記装置の冷却部の説明図である。

【図６】本発明によって得られたシリコンの説明図であ
る。

【図７】従来の高純度シリコンインゴットの製法の説明
図である。

【図８】従来の高純度シリコンインゴットの製法の説明
図である。

【符号の説明】

２４鋳型４３溶融シリコン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン原料として使用済石英ルツボの
粉砕品を準備する工程と、還元剤として黒鉛黒皮の粉砕
品を準備する工程と、上記シリコン材料と還元剤をアー
ク炉内に装填し、還元反応を生起させて溶融シリコンを
得る工程と、上記溶融シリコンを型内で一方向性凝固さ
せる工程と、上記凝固したシリコンを脱型して不純物集
合部位を切断除去する工程とを備えたことを特徴とする
高純度シリコンインゴットの製法。
【請求項２】上記還元剤として、硼素濃度が０．１ｐ
ｐｍ以下に設定されたものを用いる請求項１記載の高純
度シリコンインゴットの製法。
【請求項３】上記還元剤として、塩化水素と接触させ
ながら加熱処理することによりカーボン純度を高めたも
のを用いる請求項２記載の高純度シリコンインゴットの
製法。