(57)【要約】太陽電池などに用いる高純度Ｓｉを容易に、高い生産効率で製造する。石英などからなる回転チャンバー（５０）内を減圧してＳｉＦ４又はＳｉＨ４を含む水素・アルゴン雰囲気中でコイル（５１）からの電力投入によりプラズマ領域（６０）を生成し、該プラズマ中でＳｉＦ４又はＳｉＨ４を分解すると共に、チャンバーの回転によってチャンバー内に投入したＳｉ微粉末種結晶を堰（５２）により掬い上げて該プラズマ領域中を自由落下させてＳｉ結晶粉末を該プラズマ中を経由させ、ＳｉＦ４又はＳｉＨ４の分解によって生成したシリコンをそのＳｉ微結晶粉末表面にホモエピタキシアル成長によって堆積させる。
2004525841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＦ４ガス又はＳｉＨ４を含む水素雰囲気中でプラズマを発生させ、該プラズマ中でＳｉＦ４又はＳｉＨ４を分解すると共に、Ｓｉ結晶粉末を該プラズマ中を経由させてＳｉＦ４又はＳｉＨ４の分解によって生成したシリコンをそのＳｉ結晶粉末表面に堆積させることを特徴とする高純度シリコンの製造方法。
【請求項２】
内面に回転軸方向に沿った堰を設けた略円筒形状の回転反応チャンバーを設置し、
該チャンバーを外気と遮断して反応雰囲気を制御する装置を設け、
原料ガスを供給する装置を設け、
水素ガスを供給する装置を設け、
反応生成ガスを排出する装置を設け、
該チャンバー内の領域にプラズマを発生する装置を設け、
さらに該チャンバーにシリコン結晶粉末供給装置及びシリコン結晶粉末の排出装置を設けて、
電力供給により形成したチャンバー内のプラズマ領域に、チャンバーの回転に伴って堰により上方に運ばれたシリコン粉末を自由落下せしめてプラズマ中で分解されたシリコンを該粉末表面に堆積せしめるようにしてなる高純度シリコン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
高純度シリコンの製造方法及び装置に関する。
【０００２】
背景技術
高純度シリコンは、半導体デバイスや太陽電池用素材として多くの需要がある。原料である珪砂（ＳｉＯ２）は、地殻の主成分であってありふれた物質であるが、半導体デバイスや太陽電池用途には高い純度が要求されるため、その還元・精製工程には高度且つ複雑な物理化学プロセスを経ることとなり、生産性は低く、コストも極めて高いものとなる事は避けられなかった。
【０００３】
取り分け太陽電池用途の金属シリコンは、半導体デバイス用に比べて純度に対する要求は若干低いものの、受光面積を広く採る必要から大量生産可能な生産手法が求められ、太陽電池が今後地球の環境保護の観点からも大量の需要が見込まれるところからもその普及のために低コストであることが望まれている。
【０００４】
このため、従来より種々の製造方法が提案され、試みられている。例えば、ＮＥＤＯ（新エネルギー・産業技術総合開発機構）などで開発された方法に依れば、原料硅石から１８００℃の高温でのＣ還元により金属シリコンとした後、電子ビーム溶解によって２０００℃でＰを除去し、方向性凝固によって純度を上げたインゴットを原料として、石英坩堝中でプラズマアーク溶解により２５００℃に加熱してＢを除去し、さらに方向性凝固によって精製することにより、６ナイン程度の高純度インゴットを得ることが出来るとされている。
【０００５】
しかしながら、この方法に依れば、２０００℃以上の高温プロセスであり、このような高温度下での周辺環境からの不純物の混入を防止することが困難であり、精製工程上も処理能力向上が困難であることなどから、コスト高となることが避けられない。
【０００６】
このような従来のシリコン精製法では、何れも原料硅石から高温の還元反応によって得た金属シリコンを精製工程の原料としており、このためＣ還元の際に同時に還元された不純物元素の混入が避けられない。
【０００７】
更に、この金属シリコンインゴットを原料とする精製工程に於いて、２０００℃以上の高温度に加熱することによってＰやＢなどの不純物元素を気化させ、またその間の方向性凝固を組合せることによってＦｅなどのその他の不純物を除去すると云う複雑な工程を組合せており、これらの高温プロセスのため処理能力が向上できないばかりでなく、このような高温度での金属シリコンを収容し、取扱う坩堝やチャンバーなどの機器からの不純物混入を避けるための設備上のコスト上昇要因も少なくない。
【０００８】
発明の開示
本発明者は、これらの精製プロセスが、精製原料となる金属シリコンの還元工程から混入した不純物の除去が精製工程上大きな負担となっていること、及び精製工程が高温プロセスによっているため処理能力のみか不純物の混入を防止する上で困難を来しており、またこれらの設備コストをも押し上げていることに鑑みて、これらに依らない新たな製造方法及び製造装置を創出することを目指すもので、精製工程の出発原料を不純物の混入しない弗化物とし、低温度のプラズマ反応により弗化物から直接金属シリコンを得ることにより、高純度金属シリコンを容易に且つ低コストで製造する量産手法を確立する。
【０００９】
本発明の高純度シリコン精製方法は、ＳｉＦ４ガス又はＳｉＨ４を含む水素雰囲気中でプラズマを発生させ、該プラズマ中でＳｉＦ４又はＳｉＨ４を分解すると共に、Ｓｉ結晶粉末を該プラズマ中を経由させてＳｉＦ４又はＳｉＨ４の分解によって生成したシリコンをそのＳｉ結晶粉末表面に堆積させることを特徴とする。
【００１０】
本発明の高純度シリコン製造方法においては、原料硅石から高温の還元反応によって直接金属シリコンを得るのではなく、シリカをフッ酸と反応させてガス状の４弗化シリコンを経由しているため、シリコン以外の遷移金属などの不純物を還元することがなく、これらの不純物は固体状態のままで分離されて４弗化シリコン中に移行しない。また、弗化シリコンは、常温でガス状であり、深冷圧縮法で精製して容易に純度を上げることができるため、精製工程の出発原料として予め高純度の条件を達成することが出来る利点がある。
【００１１】
本発明においては、この４弗化シリコンを水素と混合してなる減圧雰囲気中でプラズマを発生させ、シリコン結晶粉末を自由落下などでそのプラズマ中を経由させるもので、いわゆるプラズマＣＶＤ反応を起こして、プラズマ中で４弗化シリコンから分解されたシリコンがシリコン結晶粉末表面にシリコン結晶としてホモエピタキシアル成長して堆積する。
【００１２】
このシリコン結晶のエピタキシアル成長は、種結晶となるシリコン結晶が微細な粉末状であって、全体の反応面積が極めて大きなものとなり、また、プラズマ中で反応ガスと均等に接触できることから、速やかに進行すると共にその単位時間あたりの堆積量は大きなものとなる。
【００１３】
このようにして、シリコン結晶粉末は急速に成長して大きくなるが、取扱い上適宜の大きさとなった段階で系外に排出して、シリコンウエハーを製造する単結晶などの出発素材とする。
【００１４】
この方法によると、４弗化シリコンの形態で高純度であり、プラズマＣＶＤによるシリコン結晶生成の過程で周囲から不純物が侵入することがないため、容易に６ナイン以上の高純度素材が得られる。また、上記した様に、反応効率が非常に高く、生産性が良い。
【００１５】
この反応過程は、プラズマＣＶＤ反応であるため、反応ガスはプラズマとして励起されていて活性は非常に高いが、反応チャンバー内の雰囲気温度は２００℃程度で低く、反応炉などの設備には格別の耐熱構造は不要であると共に、プラズマ反応領域は反応炉の壁面等の周辺構造と間隔を置く事が出来るため、これらから不純物の侵入は生じない。
【００１６】
また、この反応過程でのエネルギー消費は、主にプラズマ発生と４弗化シリコンの分解の際の吸熱反応に消費するが、この反応は、いわば触媒として４弗化シリコンからフッ素を奪って水素と結合させるため、エネルギー消費は低くすることが出来る。
【００１７】
一方、この反応により生じた弗化水素は、ドライプロセスで閉鎖系で系外に取り出して４弗化シリコン製造の原料などとしてリサイクルすることが出来るから環境に対する負荷は極めて低い。
【００１８】
また、本発明の高純度シリコン製造装置は、内面に回転軸方向に沿った堰を設け略円筒形状の回転反応チャンバーを設置し、該チャンバーを外気と遮断して反応雰囲気を制御可能とすると共に、原料ガスと水素ガスの供給装置及び反応生成ガス排出装置を設け、該チャンバー内の領域にプラズマを発生する装置を設け、さらに該チャンバーにシリコン結晶粉末供給装置及びシリコン結晶粉末の排出装置を設けて、電力供給により形成したチャンバー内のプラズマ領域に、チャンバーの回転に伴って堰により上方に運ばれたシリコン粉末を該プラズマ領域に自由落下せしめてプラズマ中で分解されたシリコンを該粉末表面に堆積せしめるようにしてなる高純度シリコン製造装置である。
【００１９】
この装置に依れば、４弗化シリコンなどの原料ガス及び水素ガスとガス状反応生成物は連続的に供給排出されるため、プラズマ反応領域を一定の反応条件に保って高い効率を維持することが出来る。種結晶となるシリコン粉末は、上記の堰によりチャンバーの回転に伴ってチャンバー上方に運ばれ、プラズマ反応領域に向けて自由落下されるため、プラズマ領域において分解されたシリコンは壁面などに触れることなく、また、それゆえ汚染されることなくシリコン粉末表面に半導体プロセスに見られる様にエピタキシアル成長により効率良く堆積する。この堰の形状は、回転軸に沿って直線状でも良いが、螺旋状や適宜のパターン或いは断面形状を粉末を掬い易いものとしてよい。
【００２０】
この装置においては、プラズマは減圧雰囲気に保たれた反応チャンバーの中心部近傍で形成され、シリコン結晶粉末はチャンバーの回転に伴って器壁面に沿って上方に移行され、チャンバー上方から自由落下してチャンバー中心領域のプラズマ中を経由してチャンバー底部に戻る。したがって、シリコン結晶粉末表面にホモエピタキシアル成長したシリコン結晶は、チャンバーが回転するにつれて繰り返しプラズマ領域を経由して次第に厚く高純度シリコン結晶層を堆積し、所定の堆積量となった段階で、適宜、反応チャンバーをティルトさせることにより反応チャンバー他端から排出される。
【００２１】
また、この装置においては、反応が水素ラジカルの供給量により律速されるため、別途水素ラジカルを発生する機構を設けることにより、更に反応効率を向上することが出来る。
【００２２】
その水素ラジカル発生機構として、周知の例えば、Ａｒ＋Ｈ２ガスをグロー放電で電離、あるいは、ホローカソード電子銃から電子を注入して、水素ガスを効率よく電離させて水素ラジカルを発生させる手法によることができる。
【００２３】
発明を実施するための最良の形態
図１は、本発明のシリコン精製プロセスのフロー図であって、図中、１０は原料珪砂、１１はホッパー、１２は反応槽、１３−１はガスクーラー、１３−２はエバポレーター、１４は回転式圧縮機、１５はタンク、１６は膨張タンク、１７はサージタンク、１８は荒引きポンプ、２０は圧力調整タンク、２１はＳｉＦ４ガスボンベ、２２はＨ２ガスボンベ、２３は荒引きポンプ、３０はプラズマ反応装置、３０−１は反応炉、３１はＳｉ微粉末、３２はホッパー、３３は真空チャンバー、３４は電子ビーム発生器、３５はポリシリコンインゴット、４０はターボ分子ポンプ、４１はルーツポンプ、４２はガスクーラー、４３はタンク、４４は回転式圧縮機、４５は膨張タンク、４６はフッ酸貯蔵タンク、４７は荒引きポンプとする。
【００２４】
本発明のシリコン精製プロセスにおいては、原料珪砂１０をホッパー１１から反応槽１２に投入し、弗化水素と反応させて４弗化シリコン（ＳｉＦ４ガス）とする。この際に荒引きポンプ（真空ポンプ）１８−１により反応槽１２を減圧排気することによりガス化を促進する。ガスクーラー１３−１を用いて水分を除去し、回転式圧縮機１４でＨＦを液化した後、４弗化シリコンガスは膨張タンク１６に送り込まれる。膨張タンクで窒素ガス等の他の不純物ガスを分離して、サージタンク１７に貯蔵される。エバポレーター１３−２では温水などで加熱して４弗化シリコンガスにされ、圧力調整タンク２０に送られ、ＳｉＦ４ガスボンベ２１の４弗化シリコンガスと混合されて圧力を調整される。プラズマ反応装置３０においては、４弗化シリコンガスと水素ガスにプラズマを印加して、プラズマ反応によりシリコン粉末を得る。このプロセスでは予め得られたシリコン粉末３１をホッパー３６から供給することにより、これを種結晶として用いてホモエピタキシャル成長を行うことにより高速でかつ結晶性に優れたシリコン粉末を得ることが可能となる。反応後のガスは、ターボ分子ポンプ４０により排気されて、ルーツポンプ４１を通過してガスクーラー４２によりＨＦが液化回収され、次いで回転圧縮機４４により圧縮されて４弗化シリコンガスを液化し、次の膨張タンク４５でＨ２ガスを気化分離して、高純度な４弗化シリコン（液体）を得る。膨張タンク中に蓄えられた４弗化シリコンは高圧ラインを経由してサージタンク１７に送出され、再利用される。
【００２５】
本プロセスで得られたシリコン粉末３１をホッパー３２から電子ビーム溶解装置（真空チャンバー３３及び電子ビーム発生器３４よりなる）に投入し、高純度シリコンのインゴット３５として得ることができる。
【００２６】
図２は、本発明の反応チャンバー（図１に示す反応チャンバー３０−１）の断面構造概略を示す図である。図において、５０は反応チャンバー、５１はコイル、５２は堰、５３は回転支持リングであり、支持ローラ５５により反応チャンバーが回転駆動される。図の例は、プラズマ発生機構は誘導型によっているが、チャンバー内のスペースが取れれば外部電極を配置した容量型でも同様に採用することができる。
【００２７】
反応チャンバー５０内には、コイル５１からの高周波投入により、減圧された４弗化シリコンと水素ガス雰囲気の略中央部がプラズマ化し、プラズマ領域６０が生じる。プラズマの発生領域は図の様に反応器の壁面から離れて略中央部近傍に形成され、プラズマの発生する熱で２００〜４００℃程度になる。
【００２８】
この領域で、原料ガスの４弗化シリコンは水素と反応して次の式によって、シリコンを解離する。
ＳｉＦ４  ＋  ２Ｈ２  →  Ｓｉ  ＋  ４ＨＦ      （１）
この反応は吸熱反応であるが、プラズマが発生する熱により、雰囲気温度は略２００〜３００℃に保たれる。
【００２９】
反応チャンバーの一端から投入されたシリコン結晶粉末６１は、チャンバーの回転に伴って器壁内面に形成された堰５２により掬い上げられてチャンバー上方に運ばれて、堰から零れ落ちてプラズマ領域６０中を自由落下６２する間に解離したシリコンが表面にエピタキシアル成長して堆積する。堰の形状は、上記の例は模式的に示したが、適宜、凸状等の形態でＳｉ粉末を掬い上げることができれば良い。
【００３０】
この雰囲気温度は、比較的低温度であって、低温プラズマであるが、プラズマにより励起された状態でラジカルを形成していて非常に活性であるため、この反応は速やかに進行して、半導体デバイスの製造において良く知られたいわゆるホモエピタキシアルＣＶＤ反応により、プラズマ中を自由落下するシリコン結晶粉末表面に効率良くシリコン結晶層が成長する。
【００３１】
この反応プロセスは、ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ、入力電力：４ＫＷ、ガス圧力：０．１〜３０Ｔｏｒｒで、原料ガス流量を、ＳｉＦ４：０．１〜１リットル／ｍｉｎ、Ｈ２：０．１〜２リットル／ｍｉｎの条件で行うことが出来る。
【００３２】
この反応過程は、シリコン結晶粉末がプラズマ領域中をくまなく撒布する様に自由落下するため、上記の（１）式で生成したシリコンは満遍なくスイープされ、高い生産性が得られる。
【００３３】
このシリコン結晶粉末を撒布する機構としての堰５２は、チャンバーの回転軸に沿って直線状に設けても良いが、螺旋状に形成して、回転につれて粉末の撒布される度合いが滑らかに変化するようにしたり、或いは、粉末の供給量などに合わせて堰の断面形状を変えて調整することが出来る。
【００３４】
具体的反応条件：
この反応プロセスは、ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ、入力電力：４ＫＷ、ガス圧力：０．１〜３０Ｔｏｒｒで、原料ガス流量を、ＳｉＦ４：０．１〜１リットル／ｍｉｎ、Ｈ２：０．１〜２リットル／ｍｉｎ、の条件で行うことが出来る。
【００３５】
エピタキシアルシリコン結晶生成の核となる種結晶は、このプロセスで得られたＳｉ粉末を用いた。このプロセスによるシリコン微粉末結晶の堆積速度は、０．５〜５ｇ／ｈであった。
なお、原料ガスとして、上記のほか、ＳｉＨ４を添加してもよい。
【００３６】
本発明においては、平面的な多結晶膜を得ることが目的ではないから、反応条件によっては不規則に形成されたり、あるいは生成した結晶が分離して微粉状となっても支障はなく、さらにこのようにして形成された微粉状の堆積物はそれ自体をこのプロセスの種結晶として利用することもできる。
【００３７】
種結晶としては、このほか既存のＳｉウエハを破砕したものでも良い。
この反応は、原子状水素又は水素ラジカルの供給量で、得られるシリコンの量、生成速度が決まる。
【００３８】
したがって、シリコン粉末表面にシリコン結晶を生成される条件として、ＳｉＦ４の供給量を一定としておくと、分解反応は水素ラジカルの供給量により律速される。
【００３９】
そこで、更に、装置の生産効率を向上するため、水素ラジカルを効率的に生成する方法として、次の方法を用いることが出来る。
（１）反応チャンバーの他に、水素ラジカルを発生させる反応室を別途設けて、効率的に水素ラジカルを供給する。
（２）半導体プロセスにおいて広く行われているが、触媒となる金属フィラメント（Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ等）を１５００〜２０００℃に加熱して水素ラジカルを発生させるホットワイヤーセル法。
（３）プラズマ中にニュートラライザーにより電子を注入する、或いはホロ−カソードで電子を注入する方法により水素ラジカルを効率良く発生させる。
【００４０】
以上の説明では、低温プラズマを用いてＳｉＦ４をＨラジカルで分解して、Ｓｉ粉末を得ているが、ＳｉＨ４を分解して高速でＳｉの多結晶薄膜を得る熱プラズマＣＶＤによる太陽電池用Ｓｉ薄膜の堆積手法が知られており、同様にして原料ガスをＳｉＦ４におきかえることにより、熱プラズマにより高速でＳｉＦ４を分解してＳｉ粉末微結晶を得ることができる。堆積条件は、均一一様な多結晶薄膜を得るよりもはるかに容易であり、エネルギーも少なくて済む。
【００４１】
その堆積条件は、多結晶膜を形成する場合と基本的に変わらず、例えば次のような条件で実施することができる。
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多結晶膜の成長メカニズムは、ＳｉＦ４供給律速であるが、堆積速度は、投入電力１０ＫＷでＳｉＦ４流量が０．１ｍ３／ｍｉｎの場合０．３ｇ／ｓｅｃ，同じく１ｍ３／ｍｉｎの場合、５ｇ／ｓｅｃ程度であるが、成膜条件にかかわらず粉末でも良いことから堆積速度はさらに高くすることが可能で、１０ｍ３／ｍｉｎの場合に、１５０ｇ／ｓｅｃ程度が見込まれる。
【００４２】
また、以上の説明で明かなように、これらの反応プロセスは原理的にＳｉＦ４とＳｉＨ４とで共通に行うことが出来るものであるから、以上の実施例でＳｉＦ４ガスを出発原料として説明した高純度Ｓｉの製造方法及び装置は、ＳｉＦ４に替えてＳｉＨ４を用いても同様に行うことが可能であって、以上に説明した基本的な反応条件などは変わらない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の高純度シリコン製造方法の工程を示すフロー図である。
【図２】
本発明の高純度シリコン製造装置の反応チャンバー断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004525841.tif 000026