WO2016038779A1 - 多結晶シリコンの表面清浄化方法 - Google Patents

多結晶シリコンの表面清浄化方法 Download PDF

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polycrystalline silicon
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inert gas
cleaning
temperature
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秀一 宮尾
祢津　茂義
岡田　淳一
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信越化学工業株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon

Definitions

  • the present invention relates to a method for cleaning the surface of polycrystalline silicon, and more specifically, contamination of organic matter adhered to the surface of a polycrystalline silicon rod or polycrystalline silicon lump used as a raw material for growing a silicon single crystal, etc.
  • the present invention relates to a simple, simple and low cost effective removal method.
  • Single crystal silicon which is indispensable for manufacturing semiconductor devices, is crystal-grown by the CZ method or FZ method, and a polycrystalline silicon rod or a polycrystalline silicon lump is used as a raw material at that time.
  • Such polycrystalline silicon materials are often manufactured by the Siemens method (see Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 37-18861) and the like).
  • the Siemens method is a process in which polycrystalline silicon is vapor-phase grown (deposited) by CVD (Chemical Vapor Deposition) method by bringing a silane source gas such as trichlorosilane or monosilane into contact with a heated silicon core wire. It is a method to make it.
  • polycrystalline silicon requires extremely high surface cleanliness.
  • polycrystalline silicon obtained by crushing a polycrystalline silicon rod is used.
  • chemical cleaning with fluorinated nitric acid or the like is performed, and then packing is performed for final production.
  • a jig or plastic glove that is coated with a resin on the surface of the metal member is used to prevent metal contamination.
  • organic pollutants may adhere. Such organic contaminants increase the carbon concentration on the surface of the polycrystalline silicon, and as a result, the carbon concentration of the single crystal silicon may be increased to deteriorate the quality.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2013-170122 discloses that after polycrystalline silicon is crushed, heat treatment is performed at a temperature of 350 to 600 ° C. in an inert gas atmosphere. An invention for cleaning polycrystalline silicon is disclosed.
  • polycrystalline silicon having a surface carbon concentration of 0.5 to 35 ppbw is obtained by the heat treatment.
  • the inert gas used may be a noble gas or nitrogen.
  • the noble gas used is preferably argon to prevent the formation of silicon nitride, As it is described that “it is not nitrogen”, since the heat treatment temperature is relatively high, it is practically difficult to use inexpensive nitrogen as the atmosphere gas during the heat treatment.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is related to a method of removing more effectively, more simply, and at a lower cost than the method disclosed in Patent Document 2.
  • a method for cleaning the surface of polycrystalline silicon according to the present invention is a method for cleaning the surface of polycrystalline silicon by removing organic contaminants.
  • the inert gas is nitrogen.
  • the inert gas is executed while flowing at a flow rate of 10 liters / minute / kg or less per unit weight (kg) of the polycrystalline silicon.
  • the polycrystalline silicon according to the present invention is polycrystalline silicon whose surface has been cleaned by the above-described method, and has a surface carbon concentration of 10 ppbw or less.
  • Patent Document 2 states that the inert gas used is preferably argon instead of nitrogen in order to prevent the formation of silicon nitride. It can be said that the temperature is high enough to be concerned about the formation of silicon. It can also be said that the silicon nitride formed by heat treatment is a “contaminant” in the sense that it should not be on the surface of polycrystalline silicon. In other words, in the method disclosed in Patent Document 2, the heat treatment for reducing the surface carbon concentration causes new contamination such as silicon nitride.
  • the heat treatment temperature should be set low. Conventionally, however, to what extent the heat treatment temperature can be lowered, it is possible to remove organic contamination. There were no examples. Therefore, the present inventors examined various conditions for removing organic contaminants and removed organic substances adhering to the surface of the polycrystalline silicon even by heat treatment at a temperature lower than that disclosed in Patent Document 2. I got the knowledge that I could do it.
  • Tenax-TA is a weakly polar porous polymer bead based on 2,6-diphenyl-p-phenylene oxide, having a surface area of 35 m 2 / g, a pore area of 2.4 cm 2 / g, an average pore size of 200 nm, The specific gravity is 0.25 g / cm 3 .
  • FIG. 1 is an example of a chromatogram obtained by this analysis.
  • the peaks indicated by reference numerals 1 to 10 in the figure correspond to the components (1 to 10) summarized in Table 3, and the source of the peaks is the most. It is presumed that it is described in the right column.
  • the total amount (total concentration) of organic components 1 to 10 was 0.9 to 3.4 ppbw.
  • the heat treatment temperature is 180 ° C. or higher, the organic substance removing effect is sufficient.
  • the heat treatment temperature need not be set higher than 350 ° C. That is, polycrystalline silicon is heat-treated in an inert gas atmosphere at a temperature in the range of 180 to 350 ° C. 1 to 10 organic components can be sufficiently removed.
  • the heat treatment temperature is 350 ° C. or lower, there is no possibility that silicon nitride is formed on the polycrystalline silicon surface even if nitrogen is used as the inert gas.
  • the flow rate of the inert gas during the heat treatment is sufficient to be 10 liters / minute / kg or less per unit weight (kg) of polycrystalline silicon.
  • the surface carbon concentration of the polycrystalline silicon can be reduced to 10 ppbw or less.
  • the container was heated in a furnace.
  • the atmosphere is argon, helium, or nitrogen, and the gas flow rate is 1 to 10 liter / min / kg per unit weight (kg) of polycrystalline silicon in the example, and the unit of polycrystalline silicon in the comparative example 10 to 15 liters / minute / kg per weight (kg).
  • the heat treatment was performed in the temperature range of 180 to 350 ° C. for the example and 150 ° C. for the comparative example.
  • Table 4 summarizes the surface carbon concentrations before and after heating for each of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 as measured by the above-mentioned method together with the respective conditions.
  • the surface carbon concentration before cleaning is 13 ppbw
  • the removal effect by heat treatment is recognized even at a low temperature of 180 ° C.
  • the value of the surface carbon concentration of 13 ppbw means that the cleanliness of the polycrystalline silicon after chemical cleaning with normal hydrofluoric acid is quite high, but even with such highly clean polycrystalline silicon, The cleaning effect by heat treatment can be confirmed sufficiently.
  • Example 4 the cleaning effect of Example is sufficiently obtained even with a small gas flow rate of 1 liter / min / kg per unit weight (kg) of polycrystalline silicon.
  • polycrystalline bulk (ppbw) in Table 4 is the carbon concentration of the polycrystalline silicon other than the surface (that is, the carbon concentration in the bulk), and is a method defined in ASTM F1391-93. In accordance with the infrared absorption method.
  • the item “single crystal bulk (ppbw)” in Table 4 is a single crystal obtained by growing polycrystalline silicon treated under the conditions of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 as raw materials. This is the bulk carbon concentration in silicon. In all of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, the carbon concentration in the bulk of the polycrystalline silicon is less than 21 ppbw. However, when single crystallized, all of the examples are less than 21 ppbw. In contrast, all of the comparative examples show higher bulk carbon concentrations. This result can be understood to be due to the difference in carbon concentration on the surface of the polycrystalline silicon. That is, the difference in surface carbon concentration means that the difference in bulk carbon concentration when single crystallized.

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Abstract

　多結晶シリコンを、不活性ガス雰囲気中で、１８０～３５０℃の範囲の温度で熱処理する。熱処理温度は１８０℃以上であれば、有機物の除去効果は充分である。また、熱処理温度は３５０℃よりも高く設定する必要はない。熱処理温度が３５０℃以下であれば、不活性ガスとして窒素を用いても、多結晶シリコン表面に窒化ケイ素が形成されるおそれはない。熱処理時の不活性ガスの流量は、多結晶シリコンの単位重量（ｋｇ）当たり、１０リットル／分／ｋｇ以下で十分である。このような熱処理により、多結晶シリコンの表面炭素濃度を１０ｐｐｂｗ以下とすることができる。

Description

多結晶シリコンの表面清浄化方法
　本発明は、多結晶シリコンの表面清浄化方法に関し、より詳細には、シリコン単結晶育成用の原料等として用いられる多結晶シリコン棒や多結晶シリコン塊の表面に付着した有機物系の汚染を、簡易・簡便でしかも低コストで効果的に除去する方法に関する。
　半導体デバイス等の製造に不可欠な単結晶シリコンは、ＣＺ法やＦＺ法により結晶育成され、その際の原料として多結晶シリコン棒や多結晶シリコン塊が用いられる。このような多結晶シリコン材料は、多くの場合、シーメンス法により製造される（特許文献１（特公昭３７－１８８６１号公報）等参照）。シーメンス法とは、トリクロロシランやモノシラン等のシラン原料ガスを加熱されたシリコン芯線に接触させることにより、該シリコン芯線の表面に多結晶シリコンをＣＶＤ（Chemical　Vapor　Deposition）法により気相成長（析出）させる方法である。
　言うまでもなく、このような多結晶シリコンには、極めて高い表面清浄度が求められるため、例えば、多結晶シリコン塊を製品化する際には、多結晶シリコン棒を破砕して得られた多結晶シリコン塊（ナゲット）の表面に付着した汚染物を取り除くために、フッ硝酸等による薬液洗浄が行われ、その後、最終製品化のために梱包が行われる。
　この梱包工程において多結晶シリコン塊をハンドリングする際、金属汚染させないために、金属部材の表面に樹脂をコーティングした治具やプラスチック製の手袋が用いられるが、このハンドリングにより、多結晶シリコン塊の表面に、有機系の汚染物が付着することがある。このような有機系の汚染物は、多結晶シリコン表面の炭素濃度を高め、その結果、単結晶シリコンの炭素濃度を高めて品質を低下させてしまうおそれがある。
　このような背景のもと、特許文献２（特開２０１３－１７０１２２号公報）には、多結晶シリコンを破砕した後に、不活性ガス雰囲気中で、３５０～６００℃の温度で熱処理を行うことにより多結晶シリコンをクリーニングする発明が開示されている。
特公昭３７－１８８６１号公報 特開２０１３－１７０１２２号公報）
　特許文献２に記載の方法によれば、上記熱処理により、表面炭素濃度が０．５～３５ｐｐｂｗの多結晶シリコンが得られるとされる。
　しかし、特許文献２の段落００６８～００６９に「使用される不活性ガスは、貴ガス又は窒素であってよい。使用される貴ガスは、好ましくは、窒化ケイ素の形成を防ぐためにアルゴンであり、窒素ではない。」と記載があるように、熱処理温度が比較的高いために、安価な窒素を熱処理時の雰囲気ガスとすることは実用上、難しい。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、特許文献２に開示の方法よりも、さらに簡易・簡便でしかも低コストで効果的に除去する方法に関する。
　かかる課題を解決するために、本発明に係る多結晶シリコンの表面清浄化方法は、有機汚染物を除去して多結晶シリコンの表面を清浄化する方法であって、前記多結晶シリコンを、不活性ガス雰囲気中で、１８０～３５０℃の範囲の温度で熱処理する工程を備えている。
　好ましくは、前記不活性ガスは窒素である。
　例えば、前記不活性ガスを、前記多結晶シリコンの単位重量（ｋｇ）当たり、１０リットル／分／ｋｇ以下の流量で流しながら実行する。
　本発明に係る多結晶シリコンは、上述の方法で表面清浄化された多結晶シリコンであって、表面炭素濃度が１０ｐｐｂｗ以下である。
　本発明によれば、簡易・簡便でしかも低コストで効果的に、多結晶シリコン表面の有機物を除去する方法が提供される。
フッ硝酸による薬液洗浄後の多結晶シリコン塊から離脱した有機物成分のクロマトグラムである。
　特許文献２では、多結晶シリコンの有機物による汚染の一因は、機械的作業の間の有機ポリマー又はプラスチックから作られた部品とのシリコンの接触であり、これは、完全に回避することはできないとの認識の下、かかる有機物による汚染を除去するために、３５０～６００℃の温度範囲での不活性ガス雰囲気中での熱処理を採用し、表面の炭素濃度を０．５～３５ｐｐｂｗとする発明を開示している。
　しかし、特許文献２に、使用される不活性ガスは、窒化ケイ素の形成を防ぐために、窒素ではなくアルゴンとすることが好ましいとされているように、３５０～６００℃という温度範囲は表面における窒化ケイ素の形成を懸念せざるを得ない程度の「高温」であるということができる。そして、熱処理により形成される窒化ケイ素が、本来は多結晶シリコンの表面にあるべきでないものという意味において、「汚染物」であるということもできる。換言すれば、特許文献２に開示の方法では、表面の炭素濃度を低減させるための熱処理は、窒化ケイ素等の新たな汚染を生じさせてしまうのである。
　このような不都合を回避するためには、上記熱処理温度を低く設定すればよいことは明らかであるが、従来は、どの程度まで熱処理を低温化しても有機物汚染の除去が可能であるかを検討した例はなかった。そこで、本発明者らは、有機物汚染除去のための諸条件につき検討を行ったところ、特許文献２に開示の条件よりも低温の熱処理であっても、多結晶シリコン表面に付着した有機物を除去し得るとの知見を得た。
　具体的には、以下のような検討を行った。
　［有機物汚染種と除去容易度の確認］
　フッ硝酸による薬液洗浄後の多結晶シリコン塊を加熱し、加熱により離脱した有機物成分を吸着剤（Ｔｅｎａｘ－ＴＡ）に吸着させた。この吸着剤を加熱して、離脱した成分をＧＣ－ＭＳ（四重極質量分析型のガスクロマトグラフィ）装置に導入し、成分の定性分析を行った。なお、Ｔｅｎａｘ－ＴＡは、２，６－ジフェニル－ｐ－フェニレンオキサイドをベースにした弱極性のポーラスポリマービーズであり、表面積が３５ｍ２/ｇ、ポア面積２．４ｃｍ２/ｇ、平均ポアサイズ２００ｎｍ、比重は０．２５ｇ/ｃｍ３である。
　上記吸着剤への吸着条件およびＧＣ－ＭＳ測定条件を、表１および表２に示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図１は、この分析で得られたクロマトグラムの一例であり、図中に符号１～１０で示したピークは、表３に纏めた成分（１～１０）に対応し、その発生源は最右列に記載したものであると推定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　なお、上記多結晶シリコン塊を再度加熱して有機物の離脱の有無を確認したところ、何れの有機物成分についても検出されなかった。
　このような測定を複数の多結晶シリコン塊について繰返したところ、上記Ｎｏ．１～１０の有機物成分の総量（合計濃度）は、０．９～３．４ｐｐｂｗであった。
　また、フッ硝酸による薬液洗浄の前後で有機物の検出量の比較を行ったところ、上記Ｎｏ．１～１０の有機物のうち、Ｎｏ．１～４は、フッ硝酸による薬液洗浄の前後で検出量に明確な差は認められなかった。このことは、Ｎｏ．１～４の有機物は、フッ硝酸による薬液洗浄を行っても除去されないか、又は、薬液洗浄後のハンドリング中に汚染されている可能性を示唆していると理解する余地がある。
　一方、上記Ｎｏ．１～１０の有機物のうち、Ｎｏ．５～１０は、フッ硝酸による薬液洗浄の後に検出量の減少が認められたが、完全には除去されていないことが確認された。
　［有機物汚染種の除去条件］
　本発明者らの検討によれば、熱処理温度は１８０℃以上であれば、有機物の除去効果は充分である。また、熱処理温度は３５０℃よりも高く設定する必要はない。つまり、多結晶シリコンを、不活性ガス雰囲気中で、１８０～３５０℃の範囲の温度で熱処理することで、上述のＮｏ．１～１０の有機物成分は充分に除去可能である。
　しかも、上記熱処理温度は３５０℃以下であるため、不活性ガスとして窒素を用いても、多結晶シリコン表面に窒化ケイ素が形成されるおそれはない。
　熱処理時の不活性ガスの流量は、多結晶シリコンの単位重量（ｋｇ）当たり、１０リットル／分／ｋｇ以下で十分である。
　このような熱処理により、多結晶シリコンの表面炭素濃度を１０ｐｐｂｗ以下とすることができる。
　フッ硝酸による薬液洗浄後に、ポリエチレンの手袋を装着し、表面を把持、接触させた多結晶シリコン塊（ＣＺ用）若しくは多結晶シリコン棒（ＦＺ用）を、内壁を全て金でメッキしたステンレス製容器に収容し、この容器を炉内で加熱した。雰囲気はアルゴン、ヘリウム、窒素の何れかとし、ガス流量は、実施例のものは多結晶シリコンの単位重量（ｋｇ）当たり１～１０リットル／分／ｋｇ、比較例のものは多結晶シリコンの単位重量（ｋｇ）当たり１０～１５リットル／分／ｋｇとした。また、実施例のものは１８０～３５０℃の温度範囲で、比較例のものは１５０℃で、熱処理を行った。
　表４は、上述の手法により測定した、実施例１～６および比較例１～２についての、加熱前後の表面炭素濃度を各条件とともに纏めたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　この表に示したように、クリーニング前の表面炭素濃度が１３ｐｐｂｗの濃度レベルにおいては、１８０℃の低温においても熱処理による除去効果が認められる。この１３ｐｐｂｗという表面炭素濃度の値は、通常のフッ硝酸による薬液洗浄後の多結晶シリコンの清浄度としてはかなり高いことを意味するが、このような清浄度の高い多結晶シリコンであっても、十分に、熱処理によるクリーニング効果が確認できる。
　また、実施例４のように、実施例のものは多結晶シリコンの単位重量（ｋｇ）当たり１リットル／分／ｋｇという少量のガス流量でも、十分にクリーニング効果が得られている。
　なお、表４中の項目「多結晶バルク（ppbw）」は、上記多結晶シリコンの、表面以外の炭素濃度（すなわち、バルク中の炭素濃度）であり、ＡＳＴＭのＦ１３９１－９３に定められた手法に則り、赤外線吸収法により測定した値である。
　一方、表４中の項目「単結晶バルク（ppbw）」は、実施例１～６および比較例１～２の其々の条件で処理した多結晶シリコンを原料として育成して得られた単結晶シリコン中のバルクの炭素濃度である。実施例１～６および比較例１～２のものは何れも、多結晶シリコンのバルク中の炭素濃度は２１ｐｐｂｗ未満であるが、単結晶化した場合には、実施例のものは何れも２１ｐｐｂｗ未満の炭素濃度となっているのに対し、比較例のものは何れもこれより高いバルク炭素濃度を示している。この結果は、多結晶シリコンの表面の炭素濃度の差に起因するものと理解できる。つまり、表面の炭素濃度の差が、単結晶化した際のバルク炭素濃度の差を生むことを意味している。
　本発明により、簡易・簡便でしかも低コストで効果的に、多結晶シリコン表面の有機物を除去する方法が提供される。

 

Claims (4)

  1. 　有機汚染物を除去して多結晶シリコンの表面を清浄化する方法であって、
    　前記多結晶シリコンを、不活性ガス雰囲気中で、１８０～３５０℃の範囲の温度で熱処理する工程を備えている、多結晶シリコンの表面清浄化方法。
  2. 　前記不活性ガスは窒素である、請求項１に記載の多結晶シリコンの表面清浄化方法。
  3. 　前記不活性ガスを、前記多結晶シリコンの単位重量（ｋｇ）当たり、１０リットル／分／ｋｇ以下の流量で流しながら実行する、請求項１または２に記載の多結晶シリコンの表面清浄化方法。
  4. 　請求項１または２に記載の方法で表面清浄化された多結晶シリコンであって、表面炭素濃度が１０ｐｐｂｗ以下である、多結晶シリコン。
     

     
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