(57)【要約】【課題】  多結晶シリコンインゴット用の原料になるシリコンピースを製造する製造装置およびそれを用いたシリコンピース製造方法を提供すること。【解決手段】  シリコンスラリー１２を容器２に注ぐ。シリコンスラリー１２は、シリコンが約０．１質量％に対して水が約９９．９質量％である。次に油回転型真空ポンプ１１を稼動して、シリコンスラリー１２から水を吸引濾過する。濾過経路は、フィルター３、ステンレス網４ａ、４ｂ、フィルター台５の４個の脱水孔１９、ベース７の排気パイプ８、ゴムホース１１そして吸引濾過瓶１２である。ろ過装置１によりろ過した後のシリコンスラリーからの水を分離したシリコンスラリーの含水率は、約２９％であった。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン粉末と水とのシリコンスラリーを、容器に収められたフィルターと真空ポンプによる吸引力により、水をろ過するろ過装置を持つことを特徴とする。
【請求項２】
上記ろ過装置をプレス装置に置き、シリコンスラリーを加圧することを特徴する。
【請求項３】
機械的な圧力が１００Ｋｇ／ｃｍ２以上そして、１０ｔｏｎ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項２の記載の製造方法および製造装置。
【請求項４】
シリコンピース回収装置に、加圧が終了したろ過装置を置き、シリコンピースを回収することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、シリコンの製造方法に関し、特にシリコンウエハや半導体の製造工程において、シリコンウエハを研削・研磨する際に生じるシリコンスラッジを有効に再使用し安価に多結晶シリコンを製造する方法および成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  シリコンウエハや半導体を製造するには、素材であるシリコンインゴットあるいはシリコンウエハを所定のサイズに研削したり、研磨する必要がある。その研削および研磨作業を行うと、当然のことながら多量のシリコン屑が発生する。【０００３】  このシリコン屑は、粒度が０．１〜１０μｍと非常に細かく、且つシリコンウエハを所定のサイズに研削した場合には、シリコン以外にも、イオン注入法によってウエハ表面に不純物として打ち込まれたボロン、リン、タングステン、クロム、チタン、砒素、ガリウム、鉄が含有されている。また、研削、研磨には装置の温度上昇を防いだり、潤滑性を向上させるために、水が利用されるが、この水に油などを添加するので、油などを添加するので、油などの不純物が多く含まれている。さらに水中のシリコン屑を凝集沈殿させる際に添加される凝集剤としてポリ塩化アルミニウムや硫酸バンドも含有されている。【０００４】  このように、シリコンインゴットあるいはシリコンウエハを研削、研磨する際に生じるシリコン屑には、シリコン以外に、多くの金属元素や有機・無機物が含まれているため、これまで適当に再利用方法がなく、所謂「廃スラッジ」として埋め立て処理が行われていた。つまり、シリコン屑から水を分離・除去し、埋め立てて廃棄していたのである。【０００５】  ところが、分離した排水中に含まれるシリコンインゴットあるいはシリコンウエハのシリコン屑は、粒度が０．１〜１０μｍと非常に細かいばかりでなく、その含有量が５０〜３００ｎｇ／リットルと非常に少ないので、この屑を分離・除去するのに多大の費用と時間がかかっていた。また、大量に生成した廃スラッジは、前記したように、再利用の途はなく、埋め立て処理する以外には途は無いが、埋め立て処理するにも、埋め立て処分場の規制があり、無害化処理をしてから行わねばならない。さらに、近年、埋め立て処分場の枯渇という問題が生じていた。【０００６】  そこで特許文献１において、従来、埋め立て処理されていたシリコンの廃スラッジを主原料にして、安価な太陽電池の素材を製造することの可能な太陽電池用多結晶シリコンの製造方法を提案している。【０００７】  以下特許文献１の内容を示す。溶融状態にある一方向凝固で精製して、太陽電池仕様を満たすシリコンインゴットとするに際し、前記溶融シリコンを、シリコンウエハ及び半導体の製造においてシリコンインゴットあるいはシリコンウエハを研削、研磨する工程の排水より濾過分離して得たシリコンスラッジだけで形成する太陽電池用多結晶シリコンの製造方法である。【０００８】  この場合、前記排水よりの濾過分離を、該排水に含まれる前記シリコンスラッジを第１のフィルタ表面に該シリコンスラッジからなる第２のフィルタを形成させて行うのが好ましい。また、前記溶融状態にあるシリコンに、珪石を電気炉内で炭素還元剤により還元して得られた金属シリコンを添加しても良く、その際、前記金属シリコンの添加量が溶融状態にあるシリコンに対して０．１〜２０質量％であることが好ましい。さらに、前記溶融状態にあるシリコンが、前記シリコンスラッジを乾燥し、不活性雰囲気または真空中で溶斛したものであることが好ましい。【０００９】  以上のように特許���献１によれば、従来は埋め立て処理されていたシリコンの廃スラッジを主原料にして、安価な太陽電池の素材を製造することが可能となるとされている。【００１０】  しかしながら、特許文献１においては、シリコンインゴットあるいはシリコンウエハを研削、研磨する工程の排水より濾過分離する方法としてフィルターを用いて行っているがこのフィルターによる濾過では、まだ含水率が約８０％であり、濾過した後、このシリコンスラッジを乾燥するために窒素中において９０℃で２４時間の処理が必要であった。【００１１】  したがって、フィルターを用いる濾過では、乾燥するための大きなエネルギーと、そして酸化を防止するための大量の窒素が必要となり製造コストが大きくなるという問題点がある。また、酸化を防止するために窒素を用いても、乾燥前のシリコンスラッジの水分が大きいとどうしても酸化してしまうという問題点もある。【００１２】  さらに、フィルターにより濾過した後、乾燥したシリコンスラッジは、粉体状、または脆い塊であり、後の不活性雰囲気または真空下での溶解工程において、粉体状、または脆い塊が溶融したシリコンに投入する際に、粉体として舞い上がり又は溶融したシリコンの上に浮いてしまい、シリコンに投入できないという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】  特開２００３−２３８１３７号  公報
【特許文献２】  特開２００４−１６９１６６号  公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】  本明は、上記課題を解決するものであり、シリコンスラリーから高い生産性でシリコン粉末の成形体を製造する方法および成形装置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】
【００１５】  本発明は、シリコン粉末と水とのシリコンスラリーを、容器に収められたフィルターと真空ポンプによる吸引力により、水をろ過するろ過装置を持つものである。【００１６】  上記ろ過装置をプレスに置き、シリコンスラリーを加圧するプレス装置を持つものである。【００１７】  上記プレス装置によりシリコンスラリーに加える機械的な圧力が１００Ｋｇ／ｃｍ２以上そして、１０ｔｏｎ／ｃｍ２以下とするものである。【００１８】  シリコンピース回収装置に、加圧が終了したろ過装置を置き、シリコンピースを回収するものである。
【発明の効果】
【００１９】  本発明のシリコンピースの製造方法および製造装置により、シリコンスラリーから水を分離して２０質量％以下の含水率を持つシリコンピースを作成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の構成のろ過装置を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線での断面図である。
【図３】ろ過装置と吸引装置の概略を示す図である。
【図４】本発明の構成のプレス装置を示す側面図である。
【図５】本発明の構成のシリコンピース回収装置を示す側面図である。
【図６】本発明の構成の別のシリコンピース回収装置を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】  シリコンウエハ製造で用いられるシリコンインゴットの純度は、９９．９９９９質量％以上と非常に純度が高いので、このシリコンインゴットがら生じる研削・研磨屑のシリコン純度も非常に高く、ほとんど不純物が無いシリコンスラッジが得られる。
【００２２】  また、半導体製造におけるＩＣの製造工程は、使用する技術や装置設備、製造環境によりウエハ製造装置、組立（アセンブル）工程、検査（テスト）工程の３つに大きく分けられる。そのウエハ製造装置では、単結晶シリコンインゴットから切り出され、表面研磨された５〜８インチ径のシリコンウエハ（シリコン基板）上に、不純物注入、薄膜形成、フォトエッチングを繰り返すことでトランジスタや配線等を形成し、チップを完成させている。そしてウエハ製造装置を完了したシリコンウエハ（ＩＣチップ群）は、組立工程で個々のＩＣチップ単位に切断、分離される。従って、半導体の製造においてシリコンウエハを研削・研磨する際に排出されるシリコンスラッジとは、かかるウエハ製造工程及び組立工程で排出されるシリコンスラッジのことである。また、シリコン基板は最初、数百μｍの厚みを有しているが、これは強度を確保するための厚みであり、実際に使用されるシリコンウエハは、組立工程で使用される際に有利なように、その半分の厚さまで研磨により薄くされるので、この研磨だけでも約半分のシリコンが研磨屑として廃棄されている。また、ＩＣチップ単位に切断、分離する際にもシリコン研削、研磨屑が発生している。
【００２３】  以上述べたように、現在入手可能なシリコンスラッジは、シリコンウエハ製造で得られるものと、半導体製造で得られるものの２種類あるが、シリコンウエハ製造で得られるシリコンスラッジは、シリコン純度が高く、不純物をほとんど含まないのに対し、半導体製造で得られるシリコンスラッジは、シリコン以外にボロン、リン、タングステン、クロム、チタン、砒素、ガリウム、鉄の不純物元素や、凝集剤、油等の無機、有機物が多く含まれている。
【００２４】  特許文献１によれば、シリコンインゴットからのシリコンスラッジからは、太陽電池用シリコンの原料にできるシリコン粉末を製造することが可能であることはもちろんであるが、半導体製造工程で得られる不純物を含むシリコンスラッジからも様々な処理をすることで太陽電池用シリコンの原料にできるシリコン粉末を製造することが可能であると記載されている。
【００２５】  しかし、フィルターを用いる濾過では、乾燥するための大きなエネルギーと、そして酸化を防止するための大量の窒素が必要となり製造コストが大きくなるという問題点がある。また、酸化を防止するために窒素を用いても、乾燥前のシリコンスラッジの水分が大きいとどうしても酸化してしまうという問題点もある。
【００２６】  また、フィルターにより濾過した後、乾燥したシリコンスラッジは、粉体状、または脆い塊であり、後の不活性雰囲気または真空下での溶解工程において、粉体状、または脆い塊が溶融したシリコンに投入する際に、粉体として舞い上がり又は溶融したシリコンの上に浮いてしまい、溶融シリコンに投入できないという問題点がある。
【００２７】  以上の問題点を解決することができれば、さらに安価なシリコンを太陽電池用シリコンの原料として提供できる。また、特許文献２に記載のように製鉄用副原料として提供できる。
【００２８】  そこで、本発明者は上記の問題を解決するためのシリコンピース製造装置およびこれを用いたシリコンピース製造方法を発案した。本発明は、３段階からなっており、第１の処理ステップは、濾過工程であり、第２の処理ステップは、プレス工程であり、そして第３の処理ステップは、シリコンピース回収工程である。
【００２９】  以下、本発明に関わる一連のシリコンスラリーを原料とするシリコンピースの製造装置及び製造方法について説明する。まず濾過装置およびろ過方法について図１、図２、図３を用いて説明する。濾過装置１は、容器２、フィルター３、脱水孔１９を有するフィルター台５、真空ポンプ１１に接続したベース７から構成されている。フィルター台５とベース７は、Ｏリング６ｂを挟んで、図示しないボルトを用いて接合している。
【００３０】  鋼製の容器２は外径５２ｍｍ、内径３５ｍｍである。フィルター台５は鋼製である。フィルター台５には有機樹脂製のＯリング６ａが取付けられる。フィルター台５の上面にはフィルター３が上に置かれている。フィルター３は目開きが約１０μｍのナイロンメッシュであり、その下には、１００メッシュのステンレス網４ａ、４ｂが２枚置かれている。この１００メッシュのステンレス網４は、ナイロンメッシュが脱水孔１９に吸われて、ナイロンメッシュに孔が生じるのを防ぐためのものである。
【００３１】  フィルター台５には、４個の脱水孔１９が形成されている。ベース７には凹み部１７を持ち、凹み部１７と真空ポンプ１１などを接続するための排気パイプ８が取付けられている。フィルター台５とベース７は有機樹脂製のＯリング６ｂを介して図示しないボルトにより接合されている。Ｏリング６ｂよりフィルター台５とベース７の界面からの流体の漏れはない。また、フィルター台５とベース７を一体にした構成でもちろんよい。
【００３２】  そして排気パイプ８はゴムホース９ａを介して吸水装置２３に接続されている。吸水装置２３は、ゴムホース９ｂ、吸引濾過瓶１０、油回転型真空ポンプ１１で構成されている。
【００３３】  次に本発明のろ過装置１を用いたシリコンスラリー１２からの水の分離方法について説明する。ここでの分離した水は、純水ではなく、濾紙を通り抜けたシリコン微粉末そして微量の金属、無機物、有機物の少なくとも１つ以上を含む。
【００３４】  シリコンスラリー１２を容器２に注ぐ。シリコンスラリー１２は、シリコンが約０．１質量％に対して水が約９９．９質量％である。シリコンスラリー濃度が０．１％であるような薄いスラリーを処理するには、容器２の体積が大きくなってしまうが、スラリーを容器２に注ぐ流量を小さくすることにより、ろ過により水が容器２から排出されるため容器を小さくできる。
【００３５】  次に油回転型真空ポンプ１１を稼動して、シリコンスラリー１２から水を吸引濾過する。濾過経路は、フィルター３、ステンレス網４ａ、４ｂ、フィルター台５の４個の脱水孔１９、ベース７の排気パイプ８、ゴムホース１１そして吸引濾過瓶１２である。シリコンスラリーに真空力を作用させて、水を分離すると、水を分離する速度は、向上する。さらにシリコンスラリーの含水率を低下させることができる。
【００３６】  ろ過装置１によりろ過した後のシリコンスラリーからの水を分離したシリコンスラリーの含水率は、約２９％であった。またこの段階でのシリコンスラリーの強度は弱く、取り扱いは困難であった。
【００３７】  また、容器の形状、シリコンスラリー中のシリコン粉末の粒度、シリコンスラリーの濃度によっては、ろ過時間が１０分を超えることがある。そのため、シリコンピースを生産するには複数のろ過装置が必要になる。
【００３８】  次にプレス工程について図４を用いて説明する。ろ過工程が終了したろ過装置１をそのままプレス装置１３にセットする。そして排気パイプ８を吸水装置２３に接続する。シリンダー１４を下降させ、容器２の中で下方に押し込む。そしてろ過工程で濃縮されたシリコンスラリー１２に圧力を加え、成形圧が約１．０ｔｏｎ／ｃｍ２になるまで加圧する。シリンダー１４による加圧中も油回転型真空ポンプ１１を稼動しており、フィルター３により分離された水は真空ポンプにより吸引される。この機械的圧力と真空ポンプによる吸引力の相乗効果によりろ過工程で濃縮されたシリコンスラリーは、他の水分離方法では実現不可能な質量２０％以下の含水率まで達成できる。つまり、非圧縮性の流体である水を真空ポンプで脱水することにより、シリコン粉末同志に機械的圧力を加えることができ、シリコン粉末を成形できるのである。
【００３９】  このように作成したシリコンピースの含水率を測定するために、乾燥器で１１０℃、２４時間乾燥して質量を測定した。その結果含水率は約１４質量％である。すなわち、ろ過工程での含水率を、プレス工程により約半分以下にすることができた。また、シリコンスラリーに圧力を加えることでシリコン成形体の強度を高めることができた。
【００４０】  以上述べたように簡単な装置で、シリコン成形体の含水率を２０質量％以下にでき、且つ取り扱いが容易な成形体にできるので従来の水を分離する方法での含水率の問題、およびシリコンスラッジの取り扱いの問題を解決できる。
【００４１】  参考までに、脱水能力の最も高いと云われているフィルタープレスのシリコンスラッジの含水率の限界は約３０質量％であるといわれている。これは、フィルタープレスに用いられるフィードポンプが、圧力が高くても約１０Ｋｇ／ｃｍ２であり本発明の方法と比較して１桁以上圧力が低いこと、かつ通常真空ポンプを用いていないからである。これに比較して本発明の成形装置の脱水能力は約２０質量％以下である。機械的圧力をさらに高めれば、もちろんほとんど水分を含まない状態までにできる。これは、成形装置の加圧力がフィルタープレスに比較して大きいことと、そして吸水装置を持っていることによるものである。
【００４２】  以上述べた構成は、プレス装置の作用を説明するのが容易なように小型のものについてであった。しかし、実際は、多量のシリコンスラリーを処理するためには、ろ過時間がプレス時間よりも長いことからプレス装置１台に対して複数のろ過装置を用いる必要がある。
【００４３】  また、成形圧力は、シリコン粉末同志を密着させるために、少なくとも１００Ｋｇ／ｃｍ２以上の圧力が必要であり、そして、成形圧力が高すぎると成形面積が小さくなるために処理能力が小さくなるために１０ｔｏｎ／ｃｍ２以下で十分である。
【００４４】  第３の処理ステップであるシリコンピースを回収する工程を、図５を用いて説明する。プレス工程が終了したろ過装置１を、上下を逆にしてシリコンピース回収装置１５にセットする。そして回収シリンダー１６を上昇させ、容器２の中のシリコンピース、フィルター台そしてベースと共に上昇させる。シリコンピースが完全に容器から出たところでシリコンピースを所定の場所に移動する。
【００４５】  別のシリコンピース回収装置１５を、図６を用いて説明する。プレス工程が終了したろ渦装置１を、上下を逆にしてシリコンピース回収装置１５にセットする。そしてエアコンプレッサー２４を作動し、容器２の中のシリコンピースに空気圧を与え、容器内を移動させ、下に位置するスポンジマットの上に落下させる。
【００４６】  プレス工程と回収工程を分離することで、プレス工程の時間を短くできる。プレス装置の運動をシンプルにできるので、プレス装置の維持点検が容易になる。
【００４７】  シリコンスラリー中のシリコンの粒度を上記の実施例に比較して大きいものを同じ方法を用いてシリコンピースを作成した。その結果、ろ過装置１によりろ過した後のシリコンスラリーからの水を分離したシリコンスラリーの含水率は、約７．４％であった。そして、プレス工程後のシリコンピースの含水率は、約３．１％であった。
【００４８】  このように、シリコン粉末の粒度により、ろ過工程後、プレス工程後の含水率は変わるが、プレス工程により含水率が半分以下になることがわかる。
【００４９】  上記のようにシリコンスラリーをろ過装置を、プレス工程そしてシリコンピース回収工程に送ることで効率的にシリコンピースを生産することができる。
【符号の説明】
【００５０】１    ろ過装置
２    容器
３    フィルター
４    ステンレス網
５    フィルター台
６    Ｏリング
７    ベース
８    排気パイプ
９    ゴムホース
１０  吸引濾過瓶
１１  真空ポンプ
１２  シリコンスラリー
１３  プレス装置
１４  シリンダー
１５  シリコンピース回収装置
１６  回収シリンダー
１７  凹み部
１８  油圧装置
１９  脱水孔
２０  エアシリンダ
２１  プレス台
２２  フレーム支柱
２３  吸水装置
２４  エアコンプレッサー
２５  スポンジマット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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