(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な手法で安価に原材料として使用可能なシリコン焼結体を製造する方法を提供する。【解決手段】廃シリコン粉末をクリーン環境下で乾燥し、真空下で、乾燥されたシリコン粉末を１１５０℃〜１３００℃の範囲でかつ面圧０．５ＭＰａ以上でホットプレス処理を行って固体のシリコン焼結体を製造する。又は、廃シリコン粉末を水素雰囲気下で加熱処理し、加熱処理されたシリコン粉末を１１５０℃〜１３００℃の範囲でかつ面圧０．５ＭＰａ以上でホットプレス処理を行ってシリコン焼結体を製造する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃シリコン粉末をクリーン環境下で乾燥し、真空下で、前記乾燥されたシリコン粉末を１１５０℃〜１３００℃の範囲でかつ面圧０．５ＭＰａ以上でホットプレス処理を行ってシリコン焼結体を製造することを特徴とするシリコン焼結体の製造方法。
【請求項２】
廃シリコン粉末を水素雰囲気下で加熱処理し、前記加熱処理されたシリコン粉末を１１５０℃〜１３００℃の範囲でかつ面圧０．５ＭＰａ以上でホットプレス処理を行ってシリコン焼結体を製造することを特徴とするシリコン焼結体の製造方法。
【請求項３】
廃シリコン粉末をクリーン環境下で乾燥し、前記乾燥されたシリコン粉末を金属製カプセル内に充填して真空状態にした後、加熱すると共に、高圧ガスによる加圧によりＨＩＰ処理を行ってシリコン焼結体を製造することを特徴とするシリコン焼結体の製造方法。
【請求項４】
廃シリコン粉末を金属製カプセル内に充填し、前記金属製カプセル内を真空加熱脱気した後、前記金属製カプセル内を真空状態に保って加熱加圧のＨＩＰ処理を行ってシリコン焼結体を製造することを特徴とするシリコン焼結体の製造方法。
【請求項５】
廃シリコン粉末を水素雰囲気下で加熱処理し、前記加熱処理されたシリコン粉末を金属製カプセル内に充填して真空状態にし、真空下で加熱加圧のＨＩＰ処理を行ってシリコン焼結体を製造することを特徴とするシリコン焼結体の製造方法。
【請求項６】
廃シリコン粉末をクリーン環境下で乾燥し、前記乾燥されたシリコン粉末に対して加圧のＣＩＰ成型処理を行い、成型されたＣＩＰ成型シリコンを金属製カプセル内に充填し、真空状態にして加熱加圧のＨＩＰ処理を行ってシリコン焼結体を製造することを特徴とするシリコン焼結体の製造方法。
【請求項７】
廃シリコン粉末に水分を含有させ、前記水分を含有されたシリコン粉末に対して加圧のＣＩＰ成型処理を行い、成型されたＣＩＰ成型シリコンを金属製カプセル内に充填し、前記金属製カプセル内を真空加熱脱気した後、前記金属製カプセル内を真空状態に保持して加熱加圧のＨＩＰ処理を行ってシリコン焼結体を製造することを特徴とするシリコン焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池セルやＩＣチップ等の半導体デバイスの原材料として使用される比較的高純度（４〜５Ｎ程度）なシリコン焼結体に関し、特にシリコンウェハ加工時に排出される廃シリコン粉末を処理して固体化し、原材料として再利用可能なシリコン焼結体を製造するための製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの多くに、シリコン単結晶体が用いられている。シリコンが半導体デバイスに用いられる主な理由は、シリコンが地球上に豊富に存在すること、高純度原料が比較的安価に入手できること、ある種の方法で製造されたシリコンは比較的機械的強度もあり、かつ重金属汚染物を捕獲する能力があること等である。また、単結晶のシリコンを用いるのは、多結晶体の場合には、粒界における電子の挙動が異なって半導体デバイスが設計通り機能しないのに対して、単結晶の場合には、結晶内における電子の挙動が均一になるためである。
【０００３】
シリコン処理工程の流れは図１に示すようになっており、原料であるＳｉＯ２から成る珪石や珪砂を鉱山から掘削若しくは採掘し、その珪石や珪砂を、カーボン電極を使用したアーク炉で二酸化珪素を還元することにより金属シリコン（純度９８〜９９％程度）を得、更に純度を高めるために塩素と反応させて四塩化珪素とし（ガス化）、これを蒸留して精製して高純度シリコンを得る。高純度多結晶シリコン（ポリシリコン）の用途は大きく２つある。１つは単結晶シリコンの原料としての用途であり、これはシリコンウェハになり、ひいては純度１１Ｎ程度の半導体基板（ＩＣチップ）になり、他の１つは太陽光発電装置（太陽電池）に組み込むセルの原料としての用途であり、５〜６Ｎ程度の純度で利用可能である。
【０００４】
更にトリクロロシランを用いて析出することによって多結晶シリコンを得、リンやボロンを添加してＩＣチップ等の半導体デバイスに使用する純度１１Ｎ以上の超高純度単結晶シリコンを得る。単結晶シリコンの製造方法は、ＦＺ（Floating  Zone）法などのゾーンメルト法とＣＺ（Czochralaski）法などの単結晶成長法とに大別されるが、ゾーンメルト法では融解帯に不純物が濃縮する工程を繰り返すことで高純度のシリコンを得、ＣＺ法では偏析を利用して高純度化するため、原料である多結晶シリコンには非常に純度の高いものが要求される。
【０００５】
シリコンを半導体デバイスに利用するには、基本的に結晶欠陥（転位）のない単結晶が必要なため、ＦＺ法においてもＣＺ法においても単結晶を回転させながら一旦細くし、転位を外に追い出した段階で結晶の径を大きくすることにより、所定の大きさの結晶を得る。ＦＺ法は大口径化に向かないため、産業用に使用されているシリコンウェハの大部分はＣＺ法によって製造されている。現在製品化されているシリコンウェハの径は３００ｍｍまでである。
【０００６】
そして、ＩＣチップ等の高純度シリコン（半導体グレードシリコン）を製造する場合には、多結晶シリコンに単結晶シリコンを得、所定の厚さに切断して単結晶ウェハを製作して、所定の集積加工を行ってＩＣチップを製造する。比較的低純度の太陽電池セル（太陽電池グレードシリコン）を製造する場合には、析出された多結晶シリコンを溶融炉で溶融して所定形状のインゴットにした後、そのインゴットを工具で切断して太陽電池セルを製造し、多数の太陽電池セルを配設して太陽電池モデュールとしている。このように、従来高純度の単結晶シリコンはウェハとして供給され、このウェハから半導体デバイスを製造することが行われている。
【０００７】
ここにおいて、太陽電池には半導体グレードシリコンほどの超高純度は必要なく、５〜６Ｎ程度の純度で済み、また、多結晶でも良い。このため、単結晶シリコンインゴットの端材などが原料にされてきたが、需要の増大に伴い、専用の太陽電池グレードシリコンの製造法として、水ガラス化法及びＮＥＤＯ溶融精製法が開発されている。水ガラス化法は、珪石にソーダ灰を粉砕、混合し、水を加えて沈殿ろ過、濃縮し、水ガラス化する。そして、水ガラスを脱水縮合させてシリカゲルとし、表面不純物を取り除くことで５Ｎ程度のＳｉＯ２とし、炭素を加えて専用炉で還元し、脱炭後に一方向凝固させる方法である。また、ＮＥＤＯ溶融精製法は、金属グレードシリコンを電子ビームやプラズマで溶融させて特定の不純物を除いた後、一方向凝固させる方法である。
【０００８】
一方で、半導体デバイスの中には、ツェナーダイオードのように多結晶でも十分な特性を発揮できる用途がある。従って、この用途には、焼結体から成るシリコン多結晶体を用いることが想定されるが、従来シリコンの焼結体を製造する試みはほとんどなされていなかった。例えば不活性ガス又は中性ガス中で焼結を行う提案がなされているが、この方法ではほとんど密度が上らなかった。かかる高密度なシリコン焼結体を製造する方法として、特開２００３−２８６０２３号公報（特許文献１）、特開２００４−２８９０６５号公報（特許文献２）、特開２００４−２８４９２９号公報（特許文献３）等が知られている。
【特許文献１】特開２００３−２８６０２３号公報
【特許文献２】特開２００４−２８９０６５号公報
【特許文献３】特開２００４−２８４９２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１〜３の技術はいずれも高密度のシリコン結晶体を製造するものであり、太陽電池グレードシリコンとしてはコストアップになり、不経済である問題がある。また、太陽電池グレードシリコンを製造する従来の水ガラス化法では、ソーダ灰を粉砕、混合したり、沈殿ろ過して濃縮する工程が必要であり、装置も大型化して複雑、煩雑である問題がある。また、従来のＮＥＤＯ溶融精製法では、金属グレードシリコンを電子ビームやプラズマで溶融させて特定の不純物を除くため、装置が大型でコストアップになる問題がある。
【００１０】
更に、従来超高純度単結晶シリコンから成るシリコンウェハの研磨、鏡面加工、切削や研削等で排出される廃シリコン粉末は利用価値がなく、廃棄されているのが現状であり、その再利用化が要請されている。
【００１１】
現在半導体デバイスの製造工程では、１００μｍ〜５０μｍまで研削する研削工程と円筒研削工程では、水（純水）と砥石のみの加工であるために廃シリコンに不純物が混入しにくい工程となっている。これら研削工程と円筒研削工程で排出される廃シリコン粉末を固体化すれば、シリコン純度が比較的高く（４Ｎ〜６Ｎ程度）、容易に半導体デバイスの原料にすることができるにも拘わらず、再利用しないで廃棄しているのが実情である。
【００１２】
また、粉末を一度還元させてからＨＩＰ（熱間等方プレス）やホットプレスを行って固体の焼結体を作製する方法も提案されているが、対象が廃シリコン粉末ではなく、ＨＩＰやホットプレス一段階での焼結によって製造する方法は存在していない。
【００１３】
本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、半導体デバイスの製造工程の研削工程等で排出される廃シリコン粉末から、ホットプレス等の簡易な手法で固体化して安価に原材料として使用可能なシリコン焼結体を製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は固体化されたシリコン焼結体の製造方法に関し、本発明の上記目的は、廃シリコン粉末をクリーン環境下で乾燥し、真空下で、前記乾燥されたシリコン粉末を１１５０℃〜１３００℃の範囲でかつ面圧０．５ＭＰａ以上でホットプレス処理を行ってシリコン焼結体を製造することにより、或いは廃シリコン粉末を水素雰囲気下で加熱処理し、前記加熱処理されたシリコン粉末を１１５０℃〜１３００℃の範囲でかつ面圧０．５ＭＰａ以上でホットプレス処理を行ってシリコン焼結体を製造することにより達成される。
【００１５】
また、本発明の上記目的は、廃シリコン粉末をクリーン環境下で乾燥し、前記乾燥されたシリコン粉末を金属製カプセル内に充填して真空状態にした後、加熱すると共に、高圧ガスによる加圧によりＨＩＰ処理を行ってシリコン焼結体を製造することにより、或いは廃シリコン粉末を金属製カプセル内に充填し、前記金属製カプセル内を真空加熱脱気した後、前記金属製カプセル内を真空状態に保って加熱加圧のＨＩＰ処理を行ってシリコン焼結体を製造することにより、或いは廃シリコン粉末を水素雰囲気下で加熱処理し、前記加熱処理されたシリコン粉末を金属製カプセル内に充填して真空状態にし、真空下で加熱加圧のＨＩＰ処理を行ってシリコン焼結体を製造することにより、或いは廃シリコン粉末をクリーン環境下で乾燥し、前記乾燥されたシリコン粉末に対して加圧のＣＩＰ成型処理を行い、成型されたＣＩＰ成型シリコンを金属製カプセル内に充填し、真空状態にして加熱加圧のＨＩＰ処理を行ってシリコン焼結体を製造することにより、或いは廃シリコン粉末に水分を含有させ、前記水分を含有されたシリコン粉末に対して加圧のＣＩＰ成型処理を行い、成型されたＣＩＰ成型シリコンを金属製カプセル内に充填し、前記金属製カプセル内を真空加熱脱気した後、前記金属製カプセル内を真空状態に保持して加熱加圧のＨＩＰ処理を行ってシリコン焼結体を製造することにより達成される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のシリコン焼結体の製造方法によれば、ホットプレスやＨＩＰ等の比較的簡易な手法若しくは工程で、太陽電池グレードシリコンとして使用可能な固体化されたシリコン焼結体の原料を安価に製造することができる。そして、固体化されたシリコン焼結体を、従来の半導体デバイス（特に太陽電池）製造工程の中途工程（例えばシリコン溶融工程）に混入（１〜１００％）させることにより、半導体デバイス製造の効率化とコストダウンを図ることができ、半導体製造産業に大きく寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、単結晶シリコンから成るシリコンウェハからＩＣチップ等の半導体デバイスを製造する工程において、水を用いて処理する研削工程や円筒研削工程で排出される混合物のない（若しくは少ない）廃シリコン粉末をホットプレス処理、若しくはＨＩＰ（熱間等方プレス）処理、若しくはＣＩＰ（冷間等方プレス）処理等で加工処理して、太陽電池セル等の半導体デバイスの原材料として使用可能な固体のシリコン焼結体を製造する。半導体デバイスの製造工程では、１００μｍ〜５０μｍまで研削する研削工程と円筒研削工程では、水（純水）と砥石のみの加工であるために廃シリコンに不純物が混入しにくい工程となっている。これら研削工程と円筒研削工程で排出される廃シリコン粉末を固体化すれば、シリコン純度が高く（４Ｎ〜６Ｎ程度）、容易に半導体デバイスの原料にすることができる。半導体デバイス製造工程におけるスライス工程、ラップ工程や研磨工程では、砥粒やグリコール、油、有機物、アルカリ液等の不純物が混入してしまい、本発明ではかかる工程で排出されるシリコン粉末は利用しない。
【００１８】
本発明によれば、従来半導体デバイス製造工程で廃棄されていた廃シリコン粉末から半導体デバイスの原材料を製造するため、半導体製造産業において本発明の利用価値は非常に大きい。
【００１９】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
本発明の第１実施形態では、以下の方法で、廃シリコン粉末から個体のシリコン焼結体を製造する。
【００２１】
先ずシリコンウェハ（単結晶シリコン又は多結晶シリコン）加工時に、シリコンウェハの研削工程と円筒研削工程で排出される廃シリコン粉末を収集し、その廃シリコン粉末を乾燥する。この廃シリコン粉末の乾燥は、風速が０．２０〜０．２５ｍ／ｓに抑えられているクリーンベンチ内のクリーンな環境下で行って、充分に乾燥させる。そして、乾燥したシリコン粉末を図２に示すようなホットプレス装置１０のキャビティ内に投入し、真空下で、１１５０℃〜１３００℃の範囲で加熱すると共に、面圧が０．５ＭＰａ以上（上限値は２１５ＭＰａ程度）となるように加圧し、ホットプレス処理する。ホットプレス処理は図２に示すようなホットプレス装置１０によって行い、下記表１に示す不純物濃度の廃シリコン粉末（密度は２．２ｇ／ｃｍ３）から、図３で示すような条件でシリコン焼結体を製造する。第１実施形態で製造されたシリコン焼結体は図３に示す特性（密度）を有しており、半導体デバイスの原材料として使用可能なものである。
【００２２】
【表１】
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ホットプレス装置１０の外部は断面が円形若しくは矩形で、内部が空洞となっている金属製の容器１１で構成され、容器１１の下部には油圧ポンプにより昇降自在な円柱状の下パンチ１２が配設され、容器１１の上部には着脱自在に、かつ下パンチ１２と対向するようにして円柱状の上パンチ１３が配設されている。容器１１の側面には、容器１１内を真空にするための真空ポンプが連結されている。下パンチ１２及び上パンチ１３に嵌合された円筒状のダイス１４が設けられ、上パンチ１３及び下パンチ１２とダイス１４との空間でキャビティ１５を形成し、ダイス１４の外側の容器１１内には加熱手段としてのヒータ１６が設けられている。
【００２３】
このような構成において、上パンチ１３を取り外した状態でキャビティ１５内に焼結の対象物である乾燥したシリコン粉末を投入し、上パンチ１３を装着して密封した後、真空ポンプで容器１１内（キャビティ１５も含めて）を真空にする。かかる真空下で、ダイス１４の外周に配置されたヒータ１６によって１１５０℃〜１３００℃に加熱すると共に、油圧ポンプで稼動される下パンチ１２によって、キャビティ１５内のシリコン粉末に０．５ＭＰａ以上（ただし、ｘｘＭＰａ以下）の１軸加圧を付与してホットプレス処理を行う。その結果、図３に示されるようなシリコン焼結体を製造することができる。
【００２４】
なお、本例ではホットプレス装置１０を用いてホットプレス処理を行う例を説明したが、真空下で、１１５０℃〜１３００℃の加熱と０．５ＭＰａ以上の加圧を実施できれば良い。
【００２５】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００２６】
上記第１実施形態と同様に先ずシリコン加工時の廃シリコン粉末を収集し、その廃シリコン粉末を充分に乾燥する。シリコン粉末の乾燥は、風速が０．２０〜０．２５ｍ／ｓに抑えられているクリーンベンチ内のクリーンな環境下で行って充分に乾燥させる。そして、乾燥したシリコン粉末を図４に示すようなＨＩＰ処理（熱間等方プレス）装置２０の金属製カプセル２１内に充填してＨＩＰ処理を行うことによって、半導体デバイスの原材料となる固体のシリコン焼結体を製造する。
【００２７】
ＨＩＰ処理装置２０は断面円形又は矩形の金属製カプセル２１で構成され、カプセル２１の底部は下蓋２２Ａ、上部は上蓋２２Ｂで密封され、上蓋２２Ｂには、カプセル２１内を真空にするための真空ポンプに連結された真空通路２２Ｂ１と、高圧ガスをコンプレッサから導入するガス通路２２Ｂ２とが設けられている。また、カプセル２１内の上蓋２２Ａ上には炉床台２３が配設され、内部空間を形成して更に断熱塔２４及びヒータ２５が設けられている。ＨＩＰ処理すべきシリコン粉末２６は炉床台２３上の空間に集積されて充填される。また、カプセル２１の外側には装置の過熱を防止するために水冷ジャケット２７が配設されており、冷却水入口２８Ａから冷却水が導入され、循環して熱を回収した冷却水が出口２８Ｂから排出されるようになっている。
【００２８】
このような構成において、クリーン環境下で乾燥したシリコン粉末２６をカプセル２１内の炉床台２３に充填し、真空ポンプでカプセル２１内を真空状態にする。その後、ヒータ２５で１１５０〜１３００℃に加熱すると共に、不活性ガスの高圧ガスによる加圧（０．５ＭＰａ以上）によりＨＩＰ処理を行ってシリコン焼結体を製造する。
【００２９】
なお、本例ではＨＩＰ処理装置２０を用いてＨＩＰ処理を行う例を説明したが、高温下で高圧ガスの圧力をかける処理を実施できれば良い。
【００３０】
本発明の第３実施形態では、以下の方法でシリコン焼結体を製造する。
【００３１】
第３実施形態では、先ずシリコンウェハ加工時に排出されるシリコン粉末を収集し、そのシリコン粉末を上述したようなＨＩＰ処理装置２０の金属製カプセル２１内の炉床台２３上に投入して充填する。そして、金属製カプセル２１内を真空ポンプで真空化すると共に、ヒータ２５で１１５０〜１３００℃に加熱して加熱脱気してシリコン粉末を乾燥させる。その後、金属製カプセル２１内を真空状態に保ったままでＨＩＰ処理することによりシリコン焼結体を製造する。本実施形態で製造された
また、本発明の第４実施形態では、以下の方法で低密度シリコン焼結体を製造する。
【００３２】
第４実施形態では、先ずシリコンウェハ加工時に排出されるシリコン粉末を水素雰囲気下で、１１００〜１２５０℃で加熱処理する。加熱処理されたシリコン粉末を上述したようなホットプレス装置１０のキャビティ１５に投入し、ヒータ１６で１１５０℃〜１３００℃の範囲で加熱すると共に、油圧ポンプで面圧０．５ＭＰａ以上に加圧するホットプレス処理によりシリコン焼結体を製造する。
【００３３】
更に本発明の第５実施形態では、以下の方法によってシリコン焼結体を製造する。
【００３４】
先ずシリコンウェハ加工時に排出されるシリコン粉末を水素雰囲気下で、１１００〜１２５０℃で加熱処理する。加熱処理されたシリコン粉末を図４で説明したようなＨＩＰ処理装置２０の金属製カプセル２１内に充填し、真空ポンプによってカプセル２１内を真空状態にし、真空状態を保持しながらヒータ２５で１１５０℃〜１３００℃に加熱すると共に、０．５ＭＰａ以上に加圧してＨＩＰ処理によりシリコン焼結体を製造する。
【００３５】
更にまた、本発明の第６実施形態では、以下の方法でシリコン焼結体を製造する。
【００３６】
上記実施形態と同様に、シリコンウェハ加工時に排出されるシリコン粉末を収集し、クリーンな環境下で充分に乾燥する。乾燥したシリコン粉末を図５に示すようなＣＩＰ成型処理装置３０でＣＩＰ処理して後、成型されたＣＩＰ成型シリコンを図４に示すようなＨＩＰ処理装置２０の金属製カプセル２１内に充填し、真空状態にしてＨＩＰ処理してシリコン焼結体を製造する。
【００３７】
ＣＩＰ成型処理装置３０は図５に示すように、その外部は断面が円形若しくは矩形で、内部が空洞となっている硬化合成樹脂で成る容器３１で構成され、容器３１の下部には油圧ポンプにより昇降自在な円柱状の下パンチ３２が配設され、容器３１の上部には着脱自在に、かつ下パンチ３２と対向するようにして円柱状の上パンチ３３が配設されている。下パンチ３２及び上パンチ３３に嵌合された円筒状のダイス３４が設けられ、上パンチ３３及び下パンチ３２とダイス３４との空間でキャビティ３５を形成している。
【００３８】
このような構成において、上パンチ２３を取り外した状態でキャビティ２５内に焼結の対象物である乾燥したシリコン粉末を投入し、上パンチ２３を装着した後、油圧ポンプで稼動される下パンチ２２によって、キャビティ２５内のシリコン粉末に０．５ＭＰａ以上の１軸加圧を付与してＣＩＰ成型処理を行う。こうして成型されたＣＩＰ成型シリコンをＨＩＰ処理装置２０の金属製カプセル２１内に充填し、真空ポンプでカプセル２１内を真空状態にし、加熱加圧のＨＩＰ処理を行う。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】シリコン処理工程の流れ例を示す図である。
【図２】ホットプレス装置の一例を示す断面構造図である。
【図３】シリコン粉末の焼結条件及び密度の例を示す特性図である。
【図４】ＨＩＰ処理装置の一例を示す断面構造図である。
【図５】ＣＩＰ成型処理装置の一例を示す断面構造図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０            ホットトプレス装置
１１、３１      容器
１２、３２      下パンチ
１３、３３      上パンチ
１４、３４      ダイス
１５、３５      キャビティ
１６、２５      ヒータ
２０            ＨＩＰ処理装置
２１            金属製カプセル
２２Ａ          下蓋
２２Ｂ          上蓋
２３            炉床台
２４            断熱塔
２６            シリコン粉末
２７            水冷ジャケット
３０            ＣＩＰ成型処理装置
【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１】
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