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公開番号2025100955
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-04
出願番号2024221261
出願日2024-12-18
発明の名称高純度シリコン粒子状材料および作製方法
出願人ヘムロック・セミコンダクター・オペレーションズ・エルエルシー
代理人弁理士法人浅村特許事務所
主分類C01B 33/037 20060101AFI20250627BHJP(無機化学)
要約【課題】高純度シリコン粒子状材料に関する本発明の生成物および製造方法が開示される。
【解決手段】高純度シリコン粒子状材料は、比較的小さいサイズ、小さい表面積、および比較的滑らかで丸みを帯びた形状を有し、シリコン結晶およびシリコン結晶から製造されるシリコンウエハの製造のための高純度、高性能供給原料として魅力的である。本発明はまた、高純度シリコン粒子状材料を製造する方法に関する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
シリコン粒子状材料を製造するための方法であって、
ａ）シリコンを粉砕してシリコン粒子状材料を生成することと、
ｂ）前記シリコン粒子状材料を脱イオン水ですすぐことと、
ｃ）前記シリコン粒子状材料の表面をクリーニングすることであって、前記クリーニングが、
ｉ）場合により、１０以上のｐＨで苛性洗剤および高純度脱イオン水を含む混合物を含む１つまたは複数のベッセルに浸漬することと、
ｉｉ）１つまたは複数の酸を含む混合物を含む１つまたは複数のベッセルに浸漬することと、
ｉｉｉ）高純度脱イオン水を含む１つまたは複数のベッセルに浸漬することと、
ｉｖ）場合により、オゾンおよび高純度脱イオン水を含む混合物を含むベッセルに浸漬することと、
ｖ）２０℃以上の温度で高純度脱イオン水を含む１つまたは複数のベッセルに浸漬することと、
を含む、前記シリコン粒子状材料を含む有孔ポリマーバスケットを別個のバスに浸漬することを含む、クリーニングすることと、
を含む、方法。
続きを表示（約 780 文字）【請求項２】
前記シリコン粒子状材料を、振動ふるい分けコンベヤに移すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記振動ふるい分けコンベヤを介して前記シリコン粒子状材料を選別することをさらに含み、前記ふるい分けが、前記シリコン粒子状材料を３つのグループに分離させ、前記３つのグループが、１）最小目標サイズを下回る、２）目標サイズウィンドウ内、および３）最大目標サイズを上回るである、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記最小目標サイズを下回る前記シリコン粒子状材料を回収ベッセルに移し、前記最大目標サイズを上回る前記シリコン粒子状材料を保持ベッセルに移し、前記目標サイズウィンドウ内の前記シリコン粒子状材料を所定量のバッチで有孔ポリマーバスケットに移すことをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
真空が適用されて低大気圧を作出するチャンバ内で、前記湿潤シリコン粒子状材料を乾燥させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
制御された相対湿度および制御された気温で供給される強制空気を用いるチャンバ内で、前記シリコン粒子状材料を乾燥させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記シリコンが多結晶シリコンである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記多結晶シリコンが多結晶シリコンロッドである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記多結晶シリコンロッドが、シーメンス法での多結晶シリコンロッドである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記粉砕が、高電圧パルス破砕（ＨＶＰＣ）を使用して行われる、請求項１に記載の方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的小さいサイズ、小さい表面積、および比較的滑らかで丸みを帯びた形状を有し、シリコン結晶およびシリコンウエハの製造で使用するための高純度、高性能供給原料として魅力的な高純度シリコン粒子状材料に関する。本発明はまた、高純度シリコン粒子状材料を製造する方法に関する。
続きを表示（約 4,100 文字）【背景技術】
【０００２】
本発明は、シリコン結晶の製造、典型的にはシリコン結晶の低コストで大量の製造に使用されるシリコン粒子状材料の作出に関する。
【０００３】
シリコン結晶およびシリコン結晶から製造されるウエハは、集積回路、パワーデバイス（ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ）、マイクロ電子デバイス、および太陽電池の製造のための主要な供給原料である。シリコン結晶は、機械加工、スライス、および研磨されて結晶シリコンウエハを生成し、ウエハは、集積回路、パワーデバイス、および太陽電池を生成する製造プロセスで使用される。シリコン結晶は、結晶欠陥をほとんど含まない必要があり、ニッケル、鉄、銅、クロムなどの金属性不純物、および炭素をほとんど含まない（百万分率（ｐｐｍ）～一兆分率（ｐｐｔ）の範囲）必要がある。不純物、具体的には金属性不純物は、それらが電気的効力を低下させるので、集積回路を生成する際に問題となる。クロム、コバルト、鉄、ニッケル、および銅などの金属汚染物質は、太陽電池の効率を低下させる。汚染物質は、製造プロセスの任意の時点でシリコン粒子状材料に導入される可能性があり、したがって、汚染を防止するためのステップならびに汚染物質を除去するためのステップが行われる必要がある。
【０００４】
多結晶（Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）シリコンは、シリコンウエハの製造に必要な単結晶または多結晶（ｍｕｌｔｉｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）シリコンインゴットを生成するための供給原料である。高品質多結晶シリコン（ポリシリコンとも呼ばれる）は、光起電力パネル用の効率的な太陽電池用のウエハおよび半導体デバイス用の高性能シリコンウエハを調製するために必要とされる。さらに、高度に純粋なシリコン粒子状供給原料は、例えば、より大きいインゴットの生成を可能にすることによって、結晶化プロセスにおいてより高い収率を提供し、これは生産コストを低減し、最終的にウエハ当たりのコストを低減する。
【０００５】
シリコン結晶およびウエハを製造することはコストのかかるプロセスであり、製造コストを低減し、かつウエハの性能品質を向上させるための、シリコンウエハのユーザからの継続的な圧力がある。ウエハの性能品質の重要な要素としては、金属汚染および表面欠陥が挙げられる。鉄などの金属性不純物は、結晶シリコンウエハの電気特性に影響を与える可能性があり、一方、ニッケルなどの金属性不純物は、表面欠陥（半導体デバイスの故障をもたらす可能性がある欠陥）をもたらす可能性がある。シリコン結晶およびシリコンウエハの製造業者は、製造コストを低減しながら、結晶成長およびウエハ製造における不純物を低減することによって、コストを低減し、かつこれらの製品の性能を改善するために、継続的に研究しなければならない。シリコンウエハ中の金属性不純物は、シリコン結晶を製造するための供給原料として使用されるシリコン金属に由来する。金属不純物は半導体デバイスの性能に有害であるため、半導体デバイスの製造業者からのシリコンウエハ中の金属不純物を低減するための継続的な圧力が存在し、したがって、次世代の高度なデバイス設計は、さらにより低いレベルの金属不純物を含むシリコン粒子／粒子状物質を必要とする。
【０００６】
シリコン結晶およびシリコンウエハの製造業者は、シリコン結晶の成長プロセスの均一性を最大にするために、高純度シリコン粒子状物質を作製するための仕様を標準化している。シリコン粒子状物質は、純度、サイズ、およびパッケージングの要件に適合しなければならない。低い製造コストで高純度シリコン粒子状物質を使用してシリコン結晶を生成する方法は、直径３００～４５０ｍｍの結晶を作出すること、大きい質量の結晶（＞３５０ｋｇ）を作出すること、および容器、典型的にはるつぼの内容物に、るつぼが溶融材料を依然として含む間に、シリコン粒子状物質を補充する（再充填として知られる）方法を使用することを含む。
【０００７】
流動床還元およびシーメンス法を含む、高度に純粋な多結晶シリコンを生成するための複数の方法が存在する。シーメンス法によって生成される多結晶シリコンは、集積回路用途および太陽電池の両方の用途に適した十分な純度を有する。シーメンス法は、化学蒸着（ＣＶＤ）法であり、プロセスベッセルに、基板として作用するいくつかの平行で、長く（メートル）、かつ薄い（ｍｍの直径または断面）シリコンフィラメントが取り付けられ、シリコンフィラメントの２つ以上が上部でシリコンブリッジと接続されて、ほぼＵ字形（Ｕロッド）を形成する。プロセスベッセルを閉じ、不活性ガスでパージし、次いで、水素とクロロシランガス（典型的には、トリクロロシラン（ＨＳｉＣｌ
３
）または四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ
４
））との混合物をプロセスベッセルに送る。「クロロシラン」は、ケイ素に結合した１つまたは複数の塩素原子によって特徴付けられるシランの任意の種を指すことができ、モノクロロシラン（Ｈ
３
ＳｉＣｌ）、ジクロロシラン（Ｈ
２
ＳｉＣｌ
２
）、トリクロロシラン（ＨＳｉＣｌ
３
）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ
４
）、ならびにヘキサクロロジシラン（（ＳｉＣｌ
３
）
２
）およびペンタクロロジシラン（ＨＣｌ
５
Ｓｉ
２
）などの様々な塩素化ジシランを含むが、これらに限定されない。シリコン結晶における不純物が極めて低いことが要求されるため、クロロシランガスは、典型的にはｐｐｂ～ｐｐｔの範囲の金属性不純物濃度を有する。次いで、フィラメントに電流を印加して、クロロシランガスの供給流を分解するのに十分高い温度である８００～１２００℃の範囲の目標温度までそれらを加熱し、フィラメント上へのシリコンの堆積およびコーティングされたフィラメントの直径の成長をもたらす。十分な時間の後、プロセスは終了し、ここでは「ロッド」と称される、コーティングされたフィラメントが取り出される。各シリコンロッドの重量は、典型的には１００～２５０ｋｇの範囲であり、直径は、典型的には１００～２００ｍｍの範囲である。
【０００８】
供給原料のクロロシランガス中の不純物レベルが非常に低いため、生成されるシリコンは、クロロシランガス以下の金属性不純物レベルを有する。この方法によって生成されるポリシリコンは、しばしば、世界で最も純粋な人工材料と称される。バルク不純物と称される、このシリコンロッド材料における鉄、ニッケル、および銅の不純物の合計濃度は、１兆重量部当たりの部（ｐｐｔｗ）で測定して、４０ｐｐｔｗ、３０ｐｐｔｗ、２０ｐｐｔｗ、または１０ｐｐｔｗ以下である必要がある。炭素不純物の濃度は１０ｐｐｂｗ（重量一兆分率）未満である。
【０００９】
シリコンロッドにおけるバルクドナーおよびアクセプタ不純物レベル（例えば、リン、ヒ素、ホウ素およびアルミニウム）ならびに金属性不純物の検証は、参照により本明細書に組み込まれるＳＥＭＩＭＦ１７２３で定義される方法を含む、当技術分野で公知の方法によって行われる。金属不純物レベルの検証は、ＳＥＭＩＭＦ１７２３の方法から結晶のフリーズアウトセクション（フロートゾーンプロセス中に誘導コイルによって結晶性材料の表面の一方の端部から他方の端部まで溶融および掃引された固化した不純物）を取り出し、それをＨＦ／ＨＮＯ
３
を使用して溶解し、ＩＣＰ－ＭＳ法による試験に適したサンプルを作出することによって行われる。不純物レベルが非常に低いため、ＩＣＰ－ＭＳ試験は、＜１０ｐｐｔａまたは＜１ｐｐｔａの金属汚染物質の最小元素濃度検出限界で操作しなければならない。シリコンにおけるバルク炭素の検証は、二次イオン質量分析によって、またはＭ．Ｐｏｒｒｉｎｉら、ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＰｈｅｎｏｍｅｎａＶｏｌｓ．１０８－１０９（２００５）ｐｐ．５９１－５９６（参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に見出されるサンプル調製を使用するフーリエ変換赤外分光法によって測定され得る。
【００１０】
そして、シーメンス法によって生成された高度に純粋な多結晶シリコンを使用して、様々な方法、例えばチョクラルスキー法（ＣＺ法）によって、高度に純粋な単結晶シリコンを調製することができる。実際、ＣＺ法で使用されるほとんどのシリコン粒子状材料は、シーメンス法を使用して生成される。ＣＺ法では、一般にポリシリコン（シリコンの多結晶形態）と称されるシリコンの粒子状物質が、炉内に配置された石英るつぼ内で溶融される。次いで、シード結晶と称される、小径円筒の形態のシリコンの小さい結晶を、溶融シリコンのるつぼに浸し、次いで不活性周囲環境に維持された長い円筒形の垂直チャンバにゆっくりと引き出す。るつぼは垂直軸で連続的に回転し、同時にシード結晶を反対方向に回転し、シード結晶を、るつぼからゆっくりと引き出す（引っ張る）。るつぼ内の溶融したシリコンは、引っ張られるシード結晶上で固化し、シードよりもはるかに大きい直径を有する単結晶インゴットを形成する。このプロセス中、インゴットは制御された速度で溶融物から引き出されて、所望の直径を有するインゴットを形成し、溶融シリコンの体積が消費される。そのような結晶は純度が高いため、電気デバイスおよびソーラーパネルに用いられる半導体チップの大部分は、チョクラルスキー法によって生成される単結晶シリコンから作製される。
（【００１１】以降は省略されています）

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