シリコン粉末の成形方法および成形装置
【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粉末成形体を製造する成形装置およびそれを用いたシリコン粉末成形方法を提供すること。
【解決手段】 成形装置１は、加圧容器であるダイ４、圧力付与装置の一部である上パンチ２、そして下パンチ３とベース５を一体とした下側の加圧容器などが備えられている。そしてダイ４には、上方に上パンチ２に配置される。上パンチ２は、先端部に有機樹脂製のＯリング６ａを持つ。下パンチ３には有機樹脂製のＯリング６ｂが取付けられる。下パンチ３の上面には濾過シート１３が上に置かれている。下パンチ３及びベース５には、４個の排水路９が形成され、そして排水口１０に繋がっている。そして排水口１０は吸水装置に接続されている。吸水装置７は、吸水管１２、吸引濾過瓶１２そして油回転型真空ポンプ８で構成されている。
【解決手段】 成形装置１は、加圧容器であるダイ４、圧力付与装置の一部である上パンチ２、そして下パンチ３とベース５を一体とした下側の加圧容器などが備えられている。そしてダイ４には、上方に上パンチ２に配置される。上パンチ２は、先端部に有機樹脂製のＯリング６ａを持つ。下パンチ３には有機樹脂製のＯリング６ｂが取付けられる。下パンチ３の上面には濾過シート１３が上に置かれている。下パンチ３及びベース５には、４個の排水路９が形成され、そして排水口１０に繋がっている。そして排水口１０は吸水装置に接続されている。吸水装置７は、吸水管１２、吸引濾過瓶１２そして油回転型真空ポンプ８で構成されている。
【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解したものであることが好ましい。
【０００９】
以上のように特許文献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。
【特許文献１】特開２００３−２３８１３７号公報
【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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本願発明は、上記課題を解決するものであり、シリコンスラリーから水を含水率５質量％以下にする濾過し、さらに取り扱いが容易な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】
【００１４】
本発明は、シリコン粉末と水とからなるシリコンスラリーを、少なくとも加圧容器、圧力付与装置と吸水装置を備えた成形装置を用いて水を分離し、かつシリコン成形体を製作するものである。
【００１５】
本発明はまた、前記の構成でシリコンスラリーと接する面に、有機樹脂製のフィルターを位置させるものとすることである。
【００１６】
本発明はまた、前記の構成で機械的な成形圧力が１００Ｋｇ／ｃｍ２以上そして、１０ｔｏｎ／ｃｍ２以下とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の成形装置を用いた成形により、シリコンスラリーから水を分離して５質量％以下の含水率を持つシリコン粉末の成形体を作成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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から生じる研削・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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【特許文献２】特開２００４−１６９１６６号公報
【００２５】
そこで、本発明者は上記の問題を解決するための成形装置およびこれを用いた成形方法を発案した。
【００２６】
以下、本発明に関わる成形装置１の実施の形態について図１の構造概略図を用いて説明する。成形装置１は、加圧容器であるダイ４、圧力付与装置の一部である上パンチ２、そして下パンチ３とベース５を一体とした下側の加圧容器などが備えられている。なお圧力付与装置は、図示しない油圧による加圧シリンダと上パンチ２とからなる。
【００２７】
鋼製のダイ４は外径５０ｍｍ、内径１０ｍｍそして高さ８０ｍｍである。そしてダイ４には、上方に上パンチ２に配置される。上パンチ２は、鋼製であり外径１０ｍｍ、長さ８０ｍｍであり、先端部に内径６．８ｍｍそして肉厚１．９ｍｍの有機樹脂製のＯリング６ａを持つ。
【００２８】
ベース５と下パンチ３は鋼製で、そして一体で製作される。下パンチ３には有機樹脂製のＯリング６ｂが取付けられる。下パンチ３の上面には濾過シート１３が上に置かれている。濾過シート１３は粒子保持能が２０〜２５μｍの濾紙であり、直径１０ｍｍそして厚さは約０．２ｍｍである。下パンチ３及びベース５には、４個の排水路９が形成され、そして排水口１０に繋がっている。
【００２９】
そして排水口１０は吸水装置７に接続されている。吸水装置は、吸水管１１、容量２リットルの吸引濾過瓶１２、排気速度が２０Ｌ／ｍｉｎの油回転型真空ポンプ８で構成されている。
【００３０】
次に本発明の成形装置１を用いたシリコンスラリー１４からの水の分離とシリコン成形体の製造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。
【００３１】
シリコンスラリー１４をダイ４に注ぐ。シリコンスラリー１４は、シリコンが約３０質量％に対して水が約７０質量％である。
【００３２】
次に油回転型真空ポンプ８を稼動して、シリコンスラリー１４から水を吸引濾過する。濾過経路は、濾過シート１３、下パンチ３及びベース５の４個の排水路９、排水口１０、吸水管１１そして吸引濾過瓶１２である。
【００３３】
図示しない加圧シリンダを下降させ、上パンチ２をダイ４の中で下方に押し込む。そしてシリコンスラリー１４に圧力を加え、成形圧が約１．８ｔｏｎ／ｃｍ２になるまで約２分間で加圧する。上パンチ２による加圧中も油回転型真空ポンプ８を稼動しており、加圧され濾過シート１３により分離された水は真空ポンプ８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シリコンスラリー１４は、他の水分離方法では実現不可能な質量５％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。
【００３４】
成形したシリコン成形体と濾紙は密着しており、濾紙をはがしたシリコン成形体の面には、濾紙の破片が付着していた。このため濾紙の破片はナイフを用いて取り除いた。
【００３５】
このように作成したシリコン成形体は直径１０ｍｍ、長さ６．６８ｍｍで質量は約０．６４グラムであった。この成形体の密度は約１．１８ｇ／ｃｍ３である。そしてこ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。その結果約０．６３グラムであり、含水率は約１．６質量％である。
【００３６】
次に成形圧をより小さくすることにした。成形圧を約０．３７ｔｏｎ／ｃｍ２になるまで約２分間で加圧した。上パンチ２による加圧中も油回転型真空ポンプ８を稼動しており、加圧され濾過シート１３により分離された水は真空ポンプ８により吸引される。
【００３７】
成形したシリコン成形体と濾紙は容易に分離できた。そして濾紙を分離したシリコン成形体は直径１０ｍｍ、長さ１０．７６ｍｍで質量は約０．８９グラムであった。この成形体の密度は約１．０２ｇ／ｃｍ３である。そしてこ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。その結果約０．８６グラムであり、含水率は約３．４質量％である。
【００３８】
上記のようにシリコン成形体の含水率は、成形圧が大きくすることにより小さくすることができる。しかし、成形圧が約０．４ｔｏｎ／ｃｍ２と低くても含水率を約３．４質量％にすることができた。したがって、１０トン級の小型の油圧装置により、例えば５０ｍｍ直径のシリコン成形体を得ることができる。
【００３９】
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５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。
【００４０】
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の限界は約５質量％以下である。機械的圧力が高け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。
【００４１】
以上述べた構成は、成形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もっと大型の成形装置にするか、あるいは上に述べたような小型の成形装置を複数台用いる。
【００４２】
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。ここでは真空ポンプによる水の吸引力が作用していることが前提である。
【００４３】
図２は、シリコン粉末成形体と濾紙の付着を防止するための濾紙付近の断面図である。シリコンスラリーと接する面は、有機樹脂フィルター１５であるポリテトラフルオルエチレン製の５０μｍ厚のフィルムである。そして、図３に示すようにフィルムには、ナイフで貫通したスリット１６を設ける。このフィルムは、濾紙の粉末がシリコン粉末に入らないようにするものである。
【００４４】
またこのフィルムでは、厚さ約０．１〜０．２ｍｍの平均孔径３〜４５μｍのポリテトラフルオルエチレン製フィルターフィルムであってもよい。
【００４５】
フィルムの後部には、濾過シート１３が位置している。濾過シート１３は粒子保持能が２０〜２５μｍの濾紙であり、直径１０ｍｍそして厚さは約０．２ｍｍである。
【００４６】
図４は、図２の構成で濾紙が破損するのを防止するための断面図である。シリコンスラリーと接する面は、有機樹脂フィルター１５であるポリテトラフルオルエチレン製の１００μｍ厚のフィルムである。このフィルムは、平均孔径２０μｍの孔を多数持つ。このフィルムは、濾紙の粉末がシリコン粉末に入らないようにするものである。このフィルムは、キャップ状になっており、下パンチに嵌める構成になっている。
【００４７】
有機樹脂フィルター１５であるフィルムの後部には、濾過シート１３が位置している。濾過シート１３は粒子保持能が２０〜２５μｍの濾紙であり、直径１０ｍｍそして厚さは約０．２ｍｍである。そして、さらにその後部に、ステンレス製のメッシュフィルター１７が位置している。ステンレス製のメッシュフィルター１７は、濾紙に均一な圧力を与えるためのものである。下パンチに直接濾紙を載せると、下パンチに設けられた穴の位置の濾紙に大きな圧力が加わり、濾紙が破損する虞がある。
【００４８】
このような構造にすることで、濾紙からシリコン粉末への不純物の混入を防ぐことができる。そして、シリコン粉末と濾紙との付着を防ぐことができる。また、濾紙の破損を防ぐこともできる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のシリコンスラリーを原料とするシリコン粉末の成形方法は、多結晶シリコンインゴット用の原料になるシリコン粉末成形体の製造に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の構成の成形装置を示す構造概略図である。
【図２】本発明の構成のスラリーと接する下パンチ付近の断面図である。
【図３】図２の有機樹脂フィルターの表面を示す図である。
【図４】本発明の構成のスラリーと接する別の下パンチ付近の断面図である。
【図５】図４の有機樹脂フィルターの表面を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 成形装置
２ 上パンチ
３ 下パンチ
４ ダイ
５ ベース
６ Ｏリング
７ 吸水装置
８ 真空ポンプ
９ 排水路
１０ 排水口
１１ 吸水管
１２ 吸引濾過瓶
１３ 濾過シート
１４ シリコンスラリー
１５ 有機樹脂フィルター
１６ スリット
１７ メッシュフィルター
【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解したものであることが好ましい。
【０００９】
以上のように特許文献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。
【特許文献１】特開２００３−２３８１３７号公報
【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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本願発明は、上記課題を解決するものであり、シリコンスラリーから水を含水率５質量％以下にする濾過し、さらに取り扱いが容易な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】
【００１４】
本発明は、シリコン粉末と水とからなるシリコンスラリーを、少なくとも加圧容器、圧力付与装置と吸水装置を備えた成形装置を用いて水を分離し、かつシリコン成形体を製作するものである。
【００１５】
本発明はまた、前記の構成でシリコンスラリーと接する面に、有機樹脂製のフィルターを位置させるものとすることである。
【００１６】
本発明はまた、前記の構成で機械的な成形圧力が１００Ｋｇ／ｃｍ２以上そして、１０ｔｏｎ／ｃｍ２以下とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の成形装置を用いた成形により、シリコンスラリーから水を分離して５質量％以下の含水率を持つシリコン粉末の成形体を作成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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から生じる研削・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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【特許文献２】特開２００４−１６９１６６号公報
【００２５】
そこで、本発明者は上記の問題を解決するための成形装置およびこれを用いた成形方法を発案した。
【００２６】
以下、本発明に関わる成形装置１の実施の形態について図１の構造概略図を用いて説明する。成形装置１は、加圧容器であるダイ４、圧力付与装置の一部である上パンチ２、そして下パンチ３とベース５を一体とした下側の加圧容器などが備えられている。なお圧力付与装置は、図示しない油圧による加圧シリンダと上パンチ２とからなる。
【００２７】
鋼製のダイ４は外径５０ｍｍ、内径１０ｍｍそして高さ８０ｍｍである。そしてダイ４には、上方に上パンチ２に配置される。上パンチ２は、鋼製であり外径１０ｍｍ、長さ８０ｍｍであり、先端部に内径６．８ｍｍそして肉厚１．９ｍｍの有機樹脂製のＯリング６ａを持つ。
【００２８】
ベース５と下パンチ３は鋼製で、そして一体で製作される。下パンチ３には有機樹脂製のＯリング６ｂが取付けられる。下パンチ３の上面には濾過シート１３が上に置かれている。濾過シート１３は粒子保持能が２０〜２５μｍの濾紙であり、直径１０ｍｍそして厚さは約０．２ｍｍである。下パンチ３及びベース５には、４個の排水路９が形成され、そして排水口１０に繋がっている。
【００２９】
そして排水口１０は吸水装置７に接続されている。吸水装置は、吸水管１１、容量２リットルの吸引濾過瓶１２、排気速度が２０Ｌ／ｍｉｎの油回転型真空ポンプ８で構成されている。
【００３０】
次に本発明の成形装置１を用いたシリコンスラリー１４からの水の分離とシリコン成形体の製造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。
【００３１】
シリコンスラリー１４をダイ４に注ぐ。シリコンスラリー１４は、シリコンが約３０質量％に対して水が約７０質量％である。
【００３２】
次に油回転型真空ポンプ８を稼動して、シリコンスラリー１４から水を吸引濾過する。濾過経路は、濾過シート１３、下パンチ３及びベース５の４個の排水路９、排水口１０、吸水管１１そして吸引濾過瓶１２である。
【００３３】
図示しない加圧シリンダを下降させ、上パンチ２をダイ４の中で下方に押し込む。そしてシリコンスラリー１４に圧力を加え、成形圧が約１．８ｔｏｎ／ｃｍ２になるまで約２分間で加圧する。上パンチ２による加圧中も油回転型真空ポンプ８を稼動しており、加圧され濾過シート１３により分離された水は真空ポンプ８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シリコンスラリー１４は、他の水分離方法では実現不可能な質量５％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。
【００３４】
成形したシリコン成形体と濾紙は密着しており、濾紙をはがしたシリコン成形体の面には、濾紙の破片が付着していた。このため濾紙の破片はナイフを用いて取り除いた。
【００３５】
このように作成したシリコン成形体は直径１０ｍｍ、長さ６．６８ｍｍで質量は約０．６４グラムであった。この成形体の密度は約１．１８ｇ／ｃｍ３である。そしてこ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。その結果約０．６３グラムであり、含水率は約１．６質量％である。
【００３６】
次に成形圧をより小さくすることにした。成形圧を約０．３７ｔｏｎ／ｃｍ２になるまで約２分間で加圧した。上パンチ２による加圧中も油回転型真空ポンプ８を稼動しており、加圧され濾過シート１３により分離された水は真空ポンプ８により吸引される。
【００３７】
成形したシリコン成形体と濾紙は容易に分離できた。そして濾紙を分離したシリコン成形体は直径１０ｍｍ、長さ１０．７６ｍｍで質量は約０．８９グラムであった。この成形体の密度は約１．０２ｇ／ｃｍ３である。そしてこ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。その結果約０．８６グラムであり、含水率は約３．４質量％である。
【００３８】
上記のようにシリコン成形体の含水率は、成形圧が大きくすることにより小さくすることができる。しかし、成形圧が約０．４ｔｏｎ／ｃｍ２と低くても含水率を約３．４質量％にすることができた。したがって、１０トン級の小型の油圧装置により、例えば５０ｍｍ直径のシリコン成形体を得ることができる。
【００３９】
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５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。
【００４０】
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の限界は約５質量％以下である。機械的圧力が高け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。
【００４１】
以上述べた構成は、成形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もっと大型の成形装置にするか、あるいは上に述べたような小型の成形装置を複数台用いる。
【００４２】
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。ここでは真空ポンプによる水の吸引力が作用していることが前提である。
【００４３】
図２は、シリコン粉末成形体と濾紙の付着を防止するための濾紙付近の断面図である。シリコンスラリーと接する面は、有機樹脂フィルター１５であるポリテトラフルオルエチレン製の５０μｍ厚のフィルムである。そして、図３に示すようにフィルムには、ナイフで貫通したスリット１６を設ける。このフィルムは、濾紙の粉末がシリコン粉末に入らないようにするものである。
【００４４】
またこのフィルムでは、厚さ約０．１〜０．２ｍｍの平均孔径３〜４５μｍのポリテトラフルオルエチレン製フィルターフィルムであってもよい。
【００４５】
フィルムの後部には、濾過シート１３が位置している。濾過シート１３は粒子保持能が２０〜２５μｍの濾紙であり、直径１０ｍｍそして厚さは約０．２ｍｍである。
【００４６】
図４は、図２の構成で濾紙が破損するのを防止するための断面図である。シリコンスラリーと接する面は、有機樹脂フィルター１５であるポリテトラフルオルエチレン製の１００μｍ厚のフィルムである。このフィルムは、平均孔径２０μｍの孔を多数持つ。このフィルムは、濾紙の粉末がシリコン粉末に入らないようにするものである。このフィルムは、キャップ状になっており、下パンチに嵌める構成になっている。
【００４７】
有機樹脂フィルター１５であるフィルムの後部には、濾過シート１３が位置している。濾過シート１３は粒子保持能が２０〜２５μｍの濾紙であり、直径１０ｍｍそして厚さは約０．２ｍｍである。そして、さらにその後部に、ステンレス製のメッシュフィルター１７が位置している。ステンレス製のメッシュフィルター１７は、濾紙に均一な圧力を与えるためのものである。下パンチに直接濾紙を載せると、下パンチに設けられた穴の位置の濾紙に大きな圧力が加わり、濾紙が破損する虞がある。
【００４８】
このような構造にすることで、濾紙からシリコン粉末への不純物の混入を防ぐことができる。そして、シリコン粉末と濾紙との付着を防ぐことができる。また、濾紙の破損を防ぐこともできる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のシリコンスラリーを原料とするシリコン粉末の成形方法は、多結晶シリコンインゴット用の原料になるシリコン粉末成形体の製造に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の構成の成形装置を示す構造概略図である。
【図２】本発明の構成のスラリーと接する下パンチ付近の断面図である。
【図３】図２の有機樹脂フィルターの表面を示す図である。
【図４】本発明の構成のスラリーと接する別の下パンチ付近の断面図である。
【図５】図４の有機樹脂フィルターの表面を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 成形装置
２ 上パンチ
３ 下パンチ
４ ダイ
５ ベース
６ Ｏリング
７ 吸水装置
８ 真空ポンプ
９ 排水路
１０ 排水口
１１ 吸水管
１２ 吸引濾過瓶
１３ 濾過シート
１４ シリコンスラリー
１５ 有機樹脂フィルター
１６ スリット
１７ メッシュフィルター
【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に、機械的な圧力と真空ポンプによる吸引力を同時に与えることにより、水を分離しかつシリコン粉末の成形を行うことを特徴とする成形方法および成形装置。
【請求項２】
シリコンスラリーと接する面に、有機樹脂製のフィルターを位置させていることを特徴とする請求項１の記載の成形方法および成形装置。
【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１の記載の成形方法および成形装置。
【請求項１】
シリコン粉末と水とのシリコンスラリーに、機械的な圧力と真空ポンプによる吸引力を同時に与えることにより、水を分離しかつシリコン粉末の成形を行うことを特徴とする成形方法および成形装置。
【請求項２】
シリコンスラリーと接する面に、有機樹脂製のフィルターを位置させていることを特徴とする請求項１の記載の成形方法および成形装置。
【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１の記載の成形方法および成形装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２０１７０９（Ｐ２０１１−２０１７０９Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３１３９４（Ｐ２００８−３３１３９４）
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（５００２２２０２１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（５００２２２０２１）
【Ｆターム（参考）】
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