TWI518032B - 製作高純度矽之製程 - Google Patents

Description

製作高純度矽之製程

本發明係關於製作高純度矽之製程亦及藉由該製程製作之矽。

術語晶圓係指其上佈置有電子、光電或微機械裝置之薄片或支撐板。該等晶圓通常由多晶或微晶材料、例如多晶矽組成。為製作該等晶圓，將適當原材料之相對較大塊分成、尤其鋸成個別片。材料之該等塊亦稱作錠或磚。

通常借助線鋸、尤其借助多個線鋸實施分離，該等線鋸將塊一次性分成許多晶圓。為實施鋸割，通常將塊佈置於支撐板上，隨後將其緊固於分離或鋸割設備中。

在線鋸鋸割時，通常使用直徑在80 μm至200 μm範圍內之細線作為工具。通常用包含載劑介質及懸浮於其中之研磨介質(亦稱作切割顆粒)的懸浮液(稱作「漿液」)潤濕該線。具體而言，適宜載劑介質係高黏度液體(例如二醇或油)，其由於其流變性質可防止懸浮切割顆粒快速沉降。具體而言，可使用包含金剛石、碳化物及氮化物(例如，碳化矽及立方氮化硼)之硬材料顆粒作為研磨介質。

嚴格而言，在使用該漿液時，該製程並非鋸割製程。在潤濕該線時，僅黏著在線表面上之研磨介質鬆脫。因此，該製程經常稱作分離-研磨(parting-lapping)製程。將線與黏著切割顆粒一起以界定加工速度抽拉穿過欲鋸開之塊的鋸割切口處，其中自欲鋸開之塊撕下極小材料顆粒。撕下之材料顆粒與研磨介質(切割顆粒)混合。材料顆粒、切割顆粒及載劑介質之所得混合物通常難以以經濟方式使用。此係由於因載劑介質具有高黏度而在技術上很難分離載劑介質與其中所存在之固體細顆粒。然而，將所得固體顆粒徹底分為清晰界定之切割顆粒與撕下之材料顆粒之部分甚至更難。

自生態及經濟角度而言，此令人極不滿意。在線鋸鋸割製程中，切掉欲鋸開塊之相當大部分。該等塊本身係在十分耗能且十分昂貴之先前製程中製作。相應地，在線鋸鋸割期間發生之材料損失會以極其不良之方式影響晶圓製程之總體能量及成本平衡。

出於此原因，期望提供技術解決方案以使得可循環利用鋸割製程中獲得之廢漿液、尤其循環利用該等廢漿液中存在之源自經鋸割材料之顆粒。

此目的係藉由具有技術方案1之特徵的製程達成。本發明製程之較佳實施例定義於附屬技術方案2至9中。此外，本發明亦涵蓋可藉由本發明製程製作之具有技術方案10之特徵的產物。藉此將所有申請專利範圍之措辭以引用方式併入本說明中。

本發明之製程用於製作矽、尤其高純度矽，即可在半導體工業中進一步直接加工用於(例如)製作太陽能電池之矽，且該製程總是包含至少以下步驟：

(1)　在通常第一步驟中，提供含矽粉末。

(2)　在又一步驟中，將含矽粉末饋入氣流中。此處重要的是，氣體之溫度高至足以將金屬矽顆粒自固態轉化為液態及/或氣態。因此，金屬矽顆粒應在與氣流接觸後立即熔化，甚至可能至少部分或甚至完全氣化。

(3)　隨後收集液體矽。若氣流含有氣態矽，則預先對其進行至少部分冷凝。

(4)　隨後較佳在澆注模具中冷卻所收集液體矽，以便再次理想地直接製作錠或磚。以此方式製作之錠或磚較佳不進一步加工即直接再次經受線鋸鋸割製程。

在本發明之製程中，所用含矽粉末尤佳係在線鋸鋸割矽塊期間、尤其使用具有黏結切割顆粒之鋸(即鋸中切割顆粒與線牢固黏結且由此成為線之成份)獲得之粉末。因此，本發明之製程可直接在線鋸鋸割製程之後實施。

與開篇處闡述之習用製程相反，使用具有黏結切割顆粒之鋸的線鋸鋸割並不利用包含載劑介質及研磨顆粒的懸浮液。相反，較佳在乾燥條件或添加水之條件下實施線鋸鋸割，水可用作冷卻介質且亦可自鋸割切口沖洗撕下之矽顆粒。亦可使用其他液體作為冷卻介質。水或其他液體可含有多種製程添加劑，例如腐蝕抑制劑、分散劑、殺生物劑或抗靜電添加劑。該等添加劑為彼等熟習此項技術者已知且因此不必贅述。

具有黏結切割顆粒之適宜線鋸可參見先前技術。因此，例如，DE 699 29 721闡述包含金屬線及超研磨顆粒之線鋸，該等超研磨顆粒借助硬焊接金屬黏結固定至該線。研磨顆粒通常至少部分埋入金屬基質中。其較佳包含金剛石、立方氮化硼或該等顆粒之混合物。

使用具有黏結切割顆粒之線鋸的關鍵優勢在於在線鋸鋸割期間形成之固體鋸割廢物絕大部分係矽顆粒。該等矽顆粒可能在外部受到以下物質污染：在鋸割期間自線碎裂之切割顆粒或切割顆粒碎屑，或者線中之金屬成份或上文所提及製程添加劑之殘餘物。因此，與在如開篇所述使用黏結切割顆粒之線鋸鋸割製程中形成的混合物相反，所得矽粉塵及粉末顯著更適於再加工。此變得完全不需要分離出高黏度載劑介質。當使用水時，應至少實質上分離出水且應乾燥所得矽粉。

原則上，亦可構想使用在使用包含載劑介質及研磨顆粒之懸浮液之線鋸鋸割期間獲得的矽粉。然而，相比之下，在使用漿液之線鋸鋸割期間形成之材料顆粒、切割顆粒及載劑介質的混合物更難純化。

在線鋸鋸割期間形成之矽顆粒經常僅具有極小粒徑且由於其相應大比表面積而極具反應性。其可與(例如)水反應形成二氧化矽及氫，該水如上文所提及可在線鋸鋸割期間用作冷卻介質。因此，本發明製程之通常第一步驟中提供之含矽粉末不一定必須為純金屬矽顆粒之粉末。此粉末可包含在表面上至少稍微氧化之一定比例之矽顆粒，且亦可由該等顆粒組成。

較佳在將粉末饋入加熱至高溫之氣流之前至少在很大程度上去除所用含矽粉末中存在之雜質。該等預純化可包含化學及機械純化步驟二者。

含矽粉末之化學純化主要用於去除存在之任何金屬雜質並視情況去除表面上之氧化物層。出於此目的，可用(例如)酸或鹼處理矽粉。適宜處理劑包括有機酸亦及(例如)氫氯酸、氫氟酸、硝酸或該等酸之組合，其尤其呈稀釋形式。適宜程序闡述於(例如)DE 29 33 164中。在該處理後，矽通常必須經洗滌不含酸並經乾燥。舉例而言，可借助惰性氣體(例如氮)實施乾燥。乾燥溫度較佳應高於100℃。此外，可有利地在低大氣壓下實施乾燥。此亦已經闡述於DE 29 23 164中。可以此方式基本上去除源自化學處理之任何酸殘餘物或水殘餘物而不留下殘餘物。

此外，化學純化亦可用於去除上文所提及製程添加劑之殘餘物。同樣，可借助上文所提及酸及鹼去除該等殘餘物。另外或相反，亦可利用(例如)有機溶劑或另一純化試劑洗滌所收集矽粉。

自粉末去除上文所提及切割顆粒或切割顆粒碎屑通常比去除金屬雜質更難。一般而言，可僅借助一或多個機械純化步驟去除切割顆粒或切割顆粒碎屑。

舉例而言，由於包含金剛石及立方氮化硼之硬研磨材料顆粒的密度通常顯著高於矽，故可借助(例如)離心分離器將其分離。出於此目的，舉例而言，可根據粒徑分級分離在鋸割製程中獲得且隨後視情況經化學純化之矽粉。在適宜設定下，當將個別部分饋入離心分離器時，較輕矽顆粒可穿過分離器，而較重硬材料顆粒沉澱。基本上，小顆粒之分離比較大顆粒更複雜。因此，較佳可在上文所提及分級分離後丟棄細粒，即具有最小顆粒之部分，並僅將具有較粗顆粒之部分饋入離心分離器中。

作為替代方案或另外，亦可使用一或多個旋液分離器來機械純化所收集矽粉。如人們所熟知，旋液分離器係用於液體混合物、尤其用於去除懸浮液中存在之固體顆粒的離心分離器。亦可用於本發明製程中之分離混合物的方法闡述於(例如)DE 198 49 870及WO 2008/078349中。

此外，亦可使用磁性分離器來去除金屬雜質。舉例而言，可使自線鋸鋸割製程產生之水、表面氧化之矽顆粒及來自所用線基質之鋼顆粒的混合物穿過磁性分離器。矽顆粒可不受影響地穿過該磁性分離器。

通常借助電漿生成器加熱向其中餵有矽粉之本發明製程中所用氣流。如人們所熟知，電漿係含有大比例自由電荷載劑(例如離子或電子)之部分離子化氣體。電漿總是係藉由自外部引入能量獲得，其可尤其藉由熱激發、藉由輻射激發或借助靜電場或電磁場之激發來實施。在本發明情形下，後一激發方法尤佳。適當電漿生成器有市售且不必在本申請案中加以進一步闡述。

用於氣流之氣體較佳係氫。在其他較佳實施例中，氣體亦可為惰性氣體(例如稀有氣體)或氫與該惰性氣體(尤其氬)之混合物。在此情形下，惰性氣體較佳以1%至50%之比例存於氣體混合物中。

尤其當所用含矽粉末具有表面經輕微氧化之一定比例矽顆粒時，使用加熱至高溫之含氫氣流、尤其加熱至高溫之氫電漿有利。此表面可在氫氣氛中加以還原以形成水。隨後可去除所得水而無任何問題。

氣體之溫度尤佳經選擇以使其低於3000℃、尤其低於2750℃、尤其低於2500℃。溫度尤佳在1410℃(矽之熔點)至3000℃、尤其1410℃至2750℃範圍內。在此範圍內，1410℃至2500℃之溫度更佳。該等溫度高至足以至少熔化饋入氣流中之矽顆粒。另一方面，硬材料顆粒(例如氮化硼或金剛石之顆粒)在該等溫度下並不熔化。若該等顆粒在前述製程步驟中仍未分離，則其最遲現在可因矽及硬材料顆粒具有不同物質狀態而分離。儘管可自氣流冷凝液體矽，但存在之任何固體微粒可隨氣流一起排出。

在本發明製程之尤佳實施例中，向氣流中不僅引入含矽粉末且亦引入在所提及範圍中之氣體溫度下熱分解的矽化合物。此類型之化合物較佳係矽-氫化合物、尤佳甲矽烷(SiH₄)。原則上亦可使用在室溫下為液體之矽烷，此乃因該等矽烷在引入加熱至高溫之氣流中時最遲氣化。

已知可藉由熱分解矽-氫化合物製作高純度矽；在此上下文中，參考(例如)DE 33 11 650及EP 0181803。一般而言，欲分解之矽化合物源自多階段製程且在分解時產生具有極高純度以致於對許多應用並非絕對必要的矽。添加來自鋸割製程之矽粉塵(如可在本發明製程之較佳實施例中提供)能夠使自矽化合物獲得之矽「拉伸」。視特定情形而定，可基本上隨意設定混合比。

加熱至高溫之氣流中之矽化合物的分解已闡述於尚未公開之德國專利申請案DE 10 2008 059 408.3中。具體而言，此處闡明，分解中有利地使用向其中引入氣流之反應器。

在本發明之較佳實施例中，使用此類型之反應器，向其中引入餵有含矽粉末及視情況欲分解矽化合物之氣流。具體而言，該反應器可用於上文所提及液態及/或氣態矽之收集及(若適當)冷凝。具體而言，提供其來分離載劑氣體、矽(液態及/或氣態)及本發明製程中可能形成之氣態分解產物的混合物。在已將含矽粉末及視情況矽化合物饋入加熱至高溫之氣流後，該氣流不再僅包含適當載劑氣體，且亦包含其他成份。

反應器通常包含耐熱內部。為使其不受加熱至高溫之氣流破壞，其通常內襯有適當耐高溫材料。適宜材料係(例如)基於石墨或Si₃N₄之襯裏。適宜耐高溫材料已為彼等熟習此項技術者所知。將所形成之任何矽蒸氣轉化為液相之問題尤其在反應器內起較大作用。反應器內壁之溫度自然係此處之重要因子且因此通常高於矽之熔點並低於其沸點。較佳將壁之溫度保持於相對低程度下(較佳在1420℃至1800℃、尤其1500℃至1600℃之範圍內)。出於此目的，反應器可具有適宜絕緣或加熱及/或冷卻構件。

液體矽應能夠收集於反應器底部。反應器內部之底部可具有圓錐形，其中在最低點處具有出口以幫助液體矽之排放。理想地，液體矽之排放應分批或連續實施。因此，反應器較佳具有適於此目的之出口。此外，自然亦需要再次排放引入反應器中之氣體。因此，除用於氣流之饋入管線外，亦應提供用於氣流之適當排放管線。

較佳將氣流以相對高速率引入反應器中以在反應器內達成良好湍流。在反應器中，稍微高於大氣壓、尤其在1013毫巴至2000毫巴範圍內之壓力較佳佔優勢。

在較佳實施例中，反應器內部之至少一截面係基本上圓柱形。可經由通道開口向內部引入氣流。具體而言，此通道之開口佈置於內部之上方區域、較佳在基本上圓柱形截面之上方末端處。

在本發明製程之尤佳實施例中，所收集液體矽在冷卻之前經受真空處理。此使得可去除具有相對高蒸氣壓之金屬雜質、尤其諸如銅、錳及鉻等雜質。當使用反應器時，較佳在自反應器排出液體矽後直接實施真空處理。

此外，較佳可在冷卻期間使所收集液體矽經受直接固化。關於實施此步驟之適宜方法尤其可參考DE 10 2006 027 273及上文所提及DE 29 33 164。在較佳實施例中，可使用DE 29 33 164中所述程序，其中將矽轉移至熔化坩堝且將整個熔化坩堝自加熱區緩慢下降。在此步驟所產生矽塊之最後固化的部分中出現雜質累積。可以機械方式分離出此部分且可視情況將其再次添加至起始材料中。

Claims (10)

1. 一種製作高純度矽之製程，其包含以下步驟提供含矽粉末，將該含矽粉末饋入氣流中，其中該氣體之溫度高至足以將金屬矽之顆粒自固態轉化為液態及/或氣態，收集並視情況冷凝所形成之液態及/或氣態矽，及冷卻所收集之液態及/或冷凝矽，其中該含矽粉末至少部分係在線鋸鋸割矽塊期間獲得的粉末。
2. 如請求項1之製程，其特徵在於該含矽粉末至少部分係使用專用黏結切割顆粒而獲得的粉末。
3. 如請求項1或2之製程，其特徵在於該含矽粉末在饋入該氣流之前經受化學及/或機械純化。
4. 如請求項1之製程，其特徵在於已借助電漿生成器加熱所使用之該氣流。
5. 如請求項1之製程，其特徵在於該氣流係含氫氣流或由氫組成之氣流。
6. 如請求項1之製程，其特徵在於向該氣流中添加在所選氣體溫度下熱分解之矽化合物。
7. 如請求項1之製程，其特徵在於將該氣流引入反應器中，在該反應器中收集並視情況冷凝該液態及/或氣態矽。
8. 如請求項1之製程，其特徵在於所收集之該液態矽在冷卻之前經受真空處理。
9. 如請求項1之製程，其特徵在於所收集之該液態矽在冷 卻期間經受直接固化。
10. 如請求項1之製程，其中該冷卻所收集之液態及/或冷凝矽係在澆注模具中實施。