(57)【要約】【課題】シリコンのスライス加工時混入する炭素や酸素などの不純物を低減したリサイクル用シリコン粉を得ること。【解決手段】回転ドラムの中でマイクロ波を照射することにより、水分と有機成分及び炭素を除去した粒を、順テーパ状の突起で区割りされたルツボに入れた状態で、アルゴン風で材料表面をなぞる方向に吹きつけながら焼成することで、炭素成分、酸素成分を除去し、不純物を低減させた純度の高いシリコン粉を収集することができる。【選択図】図１
2014201503.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空維持可能なチャンバーと、
前記チャンバーの内部を加熱するヒータと、
前記チャンバーの内部に不活性ガスを供給するパイプと、
前記チャンバーの内部に配置されるルツボと、からなるシリコンスラッジ焼成炉において、
前記ルツボの内壁面には、順テーパ状の突起が形成されており、前記突起によって、前記ルツボの内部が区切りされてなること、
を特徴とするシリコンスラッジ焼成炉。
【請求項２】
前記順テーパ状の突起は、前記ルツボの底部に形成されてなる、請求項１記載のシリコンスラッジ焼成炉。
【請求項３】
前記順テーパ状の突起の角度は、前記ルツボの底面に対して７５度〜８５度である、請求項１又は２に記載のシリコンスラッジ焼成炉。
【請求項４】
前記順テーパ状の突起の先端は、Ｒ形状又は面取りされた形状である、請求項１〜３の何れか一項に記載のシリコンスラッジ焼成炉。
【請求項５】
真空ポンプと接続される冷却配管をさらに備え、
前記チャンバーは、前記冷却配管と排気管を介して接続されてなり、かつ、前記排気管には保温ヒータが配置されてなる、
請求項１〜４の何れか一項に記載のシリコンスラッジ焼成炉。
【請求項６】
前記保温ヒータは、前記排気管の内壁に設けられる、請求項５記載のシリコンスラッジ焼成炉。
【請求項７】
前記順テーパ状の突起による区割りは、多角形で構成される、請求項１〜６の何れか一項に記載のシリコンスラッジ焼成炉。
【請求項８】
複数のルツボが、重力方向に所定の間隔で配置されてなり、前記複数のルツボの側方にパイプが設けられる、請求項１〜７の何れか一項に記載のシリコンスラッジ焼成炉。
【請求項９】
回転ドラムの中でマイクロ波を照射したシリコン粒を、順テーパ状の突起で区割りされたルツボの中に入れ、前記シリコン粒にアルゴンを吹きつけながら、前記シリコン粒を減圧雰囲気で焼成すること、
を特徴とするシリコンスラッジの焼成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池などを構成するシリコンウエハーを切出す時に生じる加工粉から不純物の少ないシリコン粉を回収する、シリコンスラッジ焼成炉およびシリコンスラッジの焼成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウエハーを切出すためにはマルチワイヤーでインゴットをスライス加工するが、シリコンを接着剤で取り付けているビーム（主に炭素が使用されている）をシリコンと共にスライス加工してしまうので、シリコンの切削粉にはシリコンとともに接着剤とカーボンが不純物として加工後のスラッジに含まれる。
【０００３】
また、シリコンの加工粉は空気中に放置するだけで酸化するため、酸素成分も不純物のひとつとして多量に存在することになる。
【０００４】
そこで従来のシリコン加工粉不純物除去方法としては、シリコンスラッジをフィルタープレスで収集し、ＣＺ炉で焼成することが提唱されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図５は、特許文献１に記載された従来のシリコン加工粉不純物除去方法のフローチャートを示し、図６は焼成炉の構造を示す図である。
【０００６】
図５において、工程Ｓ１０１〜Ｓ１０７で焼結用原料として成形・乾燥された材料は工程Ｓ１０８〜１１０でＣＺルツボに投入され、完全乾燥を施した後焼結することで、酸素を中心とした不純物除去を行い、シリコン原料粉とする方法を示している。
【０００７】
図６において、長径概略５０〜１００ｍｍ程度のブロックで構成される焼成前ブロック状スラッジ１８は、石英などからなるカップ状のルツボ２に収納され、真空に保つことのできるチャンバー３の内部に格納されている。通常、カーボンで構成されるヒータ６によって焼成前ブロック状スラッジ１８は加熱され、焼成されることになる。
【０００８】
また、不純物からなる固体層をシリコン溶融液中に留める方法としてルツボの内部に突起を設ける構造も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
図７は、特許文献２に記載された突起形状を有する従来のルツボ構造である。
【００１０】
図７においてホットゾーン２５で加熱された溶液状シリコン２１は回転自在のワイヤー１９につるされた種結晶２０に引きずられて成長する単結晶２２と不純物を多く含む固化されるシリコン２３に分離される。
【００１１】
この時突起状の構造体２４があることによって、固化された不純物の多いシリコン２３は突起状の構造体２４に物理的にひっかかり、溶融液２１の液面に浮かび上がることはなく、単結晶２２の成長に悪影響を及ぼすことがなくなるという効果を有するとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１０−２６９９９０号公報
【特許文献２】特開平４−３０５０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術は、フィルタープレスで収集したシリコンスラッジの塊は密度が０．６〜０．８ｇ／ｃｍ３程度であり、更に、水分を含んでいると乾燥・焼成した後の材料歩留まりは水分が除去されることにより、１／２〜１／４以下になるという課題を有することになる。
【００１４】
また、固まりが大きい場合には、固まりの表面部分と内部で脱酸の効果に差異を生じ、焼成時の脱酸効果は塊の表面部分は脱酸できても、内部が脱酸できないという状態になる。特に、固まりを圧縮して密度を上げるような場合には、この現象は顕著になる。焼成後のスラッジに酸素や炭素が残っていると、次工程の溶融工程において溶融しない、溶け残りが生じるなどの不具合を生じるという課題を有している。
【００１５】
また、上記特許文献２に記載の技術のように、チョコラルスキー法の溶融炉において、ルツボに突起形状をもたせることで溶融液中の不純物からなる固体層を留め置く方法では、ルツボの中でスラッジが液状になって初めて効果を及ぼすものであり、突起形状は溶融前の状態のスラッジにはなんら影響を及ぼさない。更に突起の形状について接触面積を増やし不純物固体が浮き上がりにくいようにしているが、材料そのものに作用を与えるものではない。
【００１６】
そこで、本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、シリコンを切出す時に生じる加工粉を回収し溶融してインゴットに再生する上で、ビームを切る時に混入する炭素や酸化による酸素などのシリコン以外の不純物を焼成時にある程度除去するシリコンスラッジ焼成炉およびシリコンスラッジの焼成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明のシリコンスラッジ焼成炉は、シリコンスラッジを入れるルツボに所定の間隔で所定のパターンの突起を形成し、その突起形状は順方向に所定の角度と長さで順テーパを形成し、順テーパの先端は概略Ｒ形状に形成するように構成する。
【００１８】
ルツボは、上下方向に多段積みにし、区画表面を不活性ガスがながれるように構成する。
【００１９】
不活性ガスを排出する配管は高温に維持し、気体をトラップする配管は低温に維持しコンダクタンスの大きい構成とする。
【００２０】
本構成によって、積層したシリコンスラッジは焼成時の自己収縮により、ひび割れ分離されることにより所定の大きさのブロックを形成するとともに、不活性ガスの流れる空間が形成され、不純物気体は不活性ガスの流れに乗ってチャンバー外部に排出される。
【００２１】
不純物気体は冷却された配管にトラップされ析出するが十分大きなコンダクタンスをもっているので、配管途中が閉塞することはなくチャンバー内の圧力を上昇させることはない。これによってチャンバー内の不純物気体の分圧は常に低く抑えられるので、脱炭、脱酸効果を維持することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明のシリコンスラッジ焼成炉およびシリコンスラッジの焼成方法によれば、スラッジが自己収縮して、固まりになっているスラッジ内にひび割れを形成し、そのひび割れを通じて炭素や酸素がスラッジの外に逃げることになる。その結果、スライス加工後のスラッジから通常では分離の難しい炭素や酸素などの不純物を効果的に除去することができるので、次の溶融工程で溶融に必要な条件となる不純物含有量を実現したシリコン粒を効率的に生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態におけるシリコンスラッジ焼成炉の概略説明図
【図２】本発明の実施の形態におけるマイクロ波乾燥・燃焼炉の概略説明図
【図３】本発明の実施の形態におけるルツボの順テーパ仕切り部の構成説明図
【図４】本発明の実施の形態におけるルツボの仕切り区画の構成例を示す図
【図５】従来のシリコン加工粉不純物除去方法のフローチャートを示す図
【図６】従来のシリコン加工粉不純物除去方法でのＣＺ炉構成説明図
【図７】突起形状をもつ従来のルツボ構造説明図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態におけるシリコンスラッジ焼成炉の概略構成図である。図２は、本発明の実施の形態におけるマイクロ波乾燥・燃焼炉の概略説明図である。
【００２６】
図２において、シリコンウエハーを切出す時に生じる加工粉２１を回転ドラム１２に入れて、マイクロ波発生装置１３から発生するマイクロ波を照射しながら回転させることによって、シリコンスラッジ１の加工粉に含まれる炭素がマイクロ波のエネルギーを吸収し自己発熱し燃焼する。
【００２７】
これによって粉の水分と有機成分は蒸発し、ある程度凝集することで０．１〜４ｍｍ程度の乾燥された粒に成長する。これと同時に、炭素は４００〜７００℃程度に加熱され、雰囲気中の酸素と結合し、ＣＯ２となって燃焼し炭素の量を激減させることができる。
【００２８】
この時、マイクロ波はシリコン成分にも作用するが、周波数と出力と時間を調整することによって、シリコンの加熱より炭素の加熱を高めることができ、シリコンの燃焼は押さえ、炭素の燃焼のみを選択的に行うことができる。
【００２９】
このようにして作成されたシリコンスラッジ１を、図１に示す燃焼炉で溶融寸前の温度で焼成することによって、更なる脱炭と脱酸を行うことができる。
【００３０】
図１において、シリコンスラッジ１は、後述する突起状の区画で区割りのできるルツボ２に格納され、所定の隙間、例えば２０〜５０ｍｍを空けて多段に積み重ねている。その隙間にアルゴンの風が流れるように所定の間隔で吹き出し口を設けたアルゴン供給パイプ４をルツボ２の片側に配置し、アルゴンを所定量例えば１５〜３０Ｌ／ｍｉｎを流す。
【００３１】
アルゴンの風は、シリコンスラッジ１の表面を流れ、反対側に到達した後、排気口５から外部に放出される。炉の内部は、チャンバー３によって気密が保持され、所定の減圧雰囲気、例えば４０〜４００Ｐａに維持されるとともに、ヒータ６によってシリコンの溶融温度直前の温度、例えば１３８０℃に保持される。
【００３２】
排気口５には高温例えば１０００℃に維持する排気管保温ヒータ７が設置されるため、不純物の気体は排出口ではトラップされず、空冷もしくは水冷された低温の冷却配管８にトラップされることになる。アルゴンガスは、フィルター９を通った後、メカニカルブースター真空ポンプ１０、ロータリー真空ポンプ１１によって焼成炉外に排出されることになる。
【００３３】
図３は、図１で用いたルツボ２を詳細に説明する図である。
【００３４】
図３（ａ）において、１４は順テーパ突起であり、順テーパ突起１４を斜めから立体的に描いた図であり、所定の高さと所定のテーパ角度で形成されている様子を示している。焼成する材料は、１５はルツボ２の底面であり、ルツボ２の底部に敷き詰められ、順テーパ突起１４は、ルツボ２の底面１５から上面に向けてのびて形成されている。
【００３５】
また、図３（ｂ）は、焼成前にルツボ２の中に焼成前スラッジ１６を所定の高さまで敷き詰めた状態を示している。更に、図３（ｃ）は、焼成後スラッジ１７が自己収縮してブロックに分割される様子を示したものである。
【００３６】
シリコンスラッジは焼成することによって、次の反応式で炭素成分や酸素成分は気体となってスラッジより空間に放出することになる。
【００３７】
Ｓｉ（固体）＋Ｃ（固体）→ＳｉＣ（気体）
Ｓｉ（固体）＋ＳｉＯ２（固体）→２ＳｉＯ（気体）
この反応は、溶融直前温度で最も活発になるが、発生した気体の量はそれぞれの飽和蒸気圧に支配されている。そのため、アルゴンなどの不活性ガスを媒体として、スラッジ周辺からＳｉＣ（気体）、ＳｉＯ（気体）を取り去ることで、スラッジ周辺の各気体の蒸気圧は下がり、炭素や酸素を取り去る反応が活発になり、スラッジからのＳｉＣ（気体）、ＳｉＯ（気体）の放出が加速され、よりスラッジの純度を上げることができる。
【００３８】
ルツボ２に入れるスラッジの高さ方向の厚みが５０ｍｍを越えると越えた部分の脱炭素量、脱酸素量は少なくなり、その部分の浄化効果がなくなる。生産性の問題からスラッジの積層量は多くとることが望ましいので、スラッジの厚みはより分厚くしたい。そのためには厚みを増加させた分、放出できる表面積を増加させる必要がある。
【００３９】
スラッジは高温での焼成によって自己収縮を始めるが、順テーパのついた仕切りをルツボの底面に設置すると、仕切りの上部から自己収縮によってスラッジに亀裂が表層まで入りスラッジの厚み方向に空間が生じることになる。一旦、亀裂が起こるとその部分から加速的に空間が広がり、アルゴン気体が通過できる空間が生じることになる。
【００４０】
側面にのみテーパを設けると、スラッジを分割するように亀裂を成長させることはない。順テーパにする理由は、縦方向・横方向の収縮による応力のベクトルが材料の表面に向かって働くため、表面に向かって亀裂を生じやすくなるという効果があることによる。
【００４１】
テーパが０の場合、すなわち、単に突き出した状態の場合、くさび効果がでないため、亀裂の発生及び成長に効果が大幅に低減される。テーパの角度が少ないと亀裂の成長が悪くなり、角度が大きいと突起部の容量が大きくなり、焼成量が減少することになる。現実的には５度から１５度のテーパ角度が望ましい。言い換えると、図３（ａ）において、角度α（ルツボ２の底面に対する角度）が７５度から８５度であることが望ましい。
【００４２】
テーパ状の突起の長さは、積層深さの１／４〜１／２であると良い。例えば１００ｍｍ積層する場合は２５〜５０ｍｍ前後の長さが適当。また、テーパの先端はとがっている方が効果は高いが、製造上の理由と取り扱い上で欠けや割れが生じないように、Ｒで形成または角を面取りすることが望ましい。
【００４３】
図４は、図３の突起部で形成される区割りの様子を上面から見た図である。図４において、２２は突起部を示し、２１は底面部を示している。
【００４４】
図４（ａ）は、図３で示した形態と同じ四角形状態を示す。図４（ｂ）は、六角形ハニカム構造を示したものであり、図４（ｃ）は、三角形構造を示した実施例である。
図４（ａ）の六角形ハニカム構造は、六角形が最も円形に近く、生じた亀裂空間から内部までの距離が短くなるのでブロック全体に渡って均一な脱酸ができる。図４（ｂ）の四角形は、外周まで形状を同一にでき面積効率が最も高い。図４（ｃ）の三角形構造は、リブ強度が最も高くなり、ルツボの変形が少なくなる。各辺長は５０〜１００ｍｍ程度が望ましい。突起はルツボと一体で成形されても良いし、突起部分のみ別の部材で形成し、ルツボの底部に敷いて使用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明のシリコンスラッジ焼成炉は、純度の高いシリコン粉を回収する効果を有し、半導体ウエハー等のスライス加工時のシリコン粉回収の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１  シリコンスラッジ
２  ルツボ
３  チャンバー
４  アルゴン供給パイプ
５  排気口
６  ヒータ
７  排気管保温ヒータ
８  冷却配管
９  フィルター
１０  メカニカルブースター真空ポンプ
１１  ロータリー真空ポンプ
１２  回転ドラム
１３  マイクロ波発生装置
１４  順テーパ突起
【図１】
2014201503.tif 000003
【図２】
2014201503.tif 000004
【図３】
2014201503.tif 000005
【図４】
2014201503.tif 000006
【図５】
2014201503.tif 000007
【図６】
2014201503.tif 000008
【図７】
2014201503.tif 000009