JP2001510434A - シリコン保護層を備えた溶融ポット、シリコン保護層を適用する方法及びその使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明はシリコン保護層を有する溶融ポット、このような層を適用する方法及びその使用に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 シリコン保護層を備えた溶融ポット、シリコン保護層を適用する方法及びその 使用 本発明は、シリコン保護層(silicon protective layers)を備えた溶融ポット( melting pots)、シリコン保護層を適用する(apply)方法及びその使用に関する。 半導体技術及び太陽電池用途に使用するための高純度シリコンを処理する過程 において、シリコン溶融物の取り扱いは中心的な役割を演じる。例えば、半導体 技術及び太陽電池用途のための単結晶はチョクラルスキー法を使用してシリコン 溶融物から引っ張られる。更に、シリコン溶融物は、有利な多結晶格子構造を持 ったブロック材料を形成するのに経済的に好ましい方法におけるその後の制御さ れた結晶化を伴うブリッジマン法又はブロックキャスティングを使用する結晶化 により処理することができる。このブロック材料はその後のこ引きされて(sawed )多結晶太陽電池を製造するためのシリコンウエーハを形成する。シリコン溶融 物はシリコンを清浄化するために使用する種々の冶金学的方法、例えば種々の反 応性ガスの吹き込み(bubbling)又はスラグ抽出方法(slag extraction methods) においても重要に役割を果たす。 これらの方法においては、腐食性高温シリコン溶融物による攻撃に耐えそして 同時に超高純度溶融物(ultrapure melt)又はまだ精製されるべき溶融物中に許容 できないいかなる不純物も放出しない材料の使用が本質的に重要である。 通常、超高純度シリコン溶融物を取り扱うために、石英ガラス又は溶 融シリコン(fused-silicon)機器が使用される。しかしながら、或る場合には、 窒化ケイ素又は窒化ケイ素含有セラミックから製造された成形されたセラミック 物品も提唱される。 しかしながら、石英と液体シリコンが接触すると、化学反応が起こってＳｉＯ ガスを形成する。この腐食性攻撃により、溶融物により湿潤された材料は徐々に 溶解され、従って長期の接触時間の場合には破壊されるのみならず、溶融物又は 溶融ポットもしくはモールド中の溶融物残留物の結晶化の場合にも、成形された 物品と固体シリコンとの間の広範な接着及びベーキング(baking)が起こる。石英 とシリコンの熱膨張係数が異なるので、熱応力が生じ、これは結晶化されたシリ コンの冷却期間中決まったようにクラック(cracks)、きず(flaws)又はフレーキ ング(flaking)を生じさせる。太陽電池用途のために更に加工することを意図す る制御された結晶化から生じるシリコンブロックの場合には、この現象は材料の 有意な損失をもたらす。極端な場合には、熱機械応力があまりにも大きくて、ク ラック、きず、フレーキング及びブロック壁上の石英残留物のベーキングされた 固体により全体のシリコンブロックが使用できなくなることがある。 シリコン溶融物と窒化ケイ素又は窒化ケイ素含有セラミックから製造された成 形された物品との接触の場合にも、結晶化されたシリコンとセラミック成形物品 (ceramic shaped article)との間の固体ベーキング(solid baking)が起こる。 ベーキングは使用可能なシリコンの収量の相当な損失をもたらすのみならず、 溶融ポットの再使用も妨害する。更に、ベーキングされた結晶化シリコンブロッ クは、ともかく使用できる材料を得るために相当な出 費を必要とする。従って、このようなベーキングの確実な防止は、結晶性シリコ ンから製造される最終物品の経済的製造のための重要な貢献となる。 シリコン溶融物と成形された石英物品間の接触を回避するために、Ｃｏｎｆ． ＲｅＣ．ｏｆ １５ｔｈ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ．Ｓｐｅｃ．Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃ ｅ １９８１，ｐｐ．５７６ ｅｔ ｓｅｑ．及びＳｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ９，３３７−３４５（１９８３）は針状又はウイスカ状粒 子形態を示す窒化ケイ素粉末で石英物品をコーティングすることを提唱した。 しかしながら、このようなコーティングは、主として、液体シリコンと成形物 品との全接触区域にわたり溶融物と成形物品との長い接触時間で相対的に多量の 溶融物を取り扱う場合に、石英又はセラミック部品とシリコンとの接着を確実に 防止することはできず、前記した負の結果を伴う。これに加えて、安全技術に関 する支出の増加を伴ってのみ、職業衛生に関して、窒化ケイ素ウイスカの処理を 安全に可能とする毒物学的問題がある。この支出の増加はコストを増加させる。 更に、Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ９４（１９８９）ｐ．６２は、シ リコン溶融物又は結晶化しつつあるシリコンと溶融ポットとの接触を、該シリコ ンと該溶融ポットとの間にアルカリ土類金属ハロゲン化物溶融物フイルムを形成 することにより防止し、このようにしてベーキングを回避することを提唱した。 しかしながら、この方法の欠点は、２０ｋｇ以上のブロックコート(block court )による大型のブロックの結晶化の場合に技術的に不可欠である、シリコン溶融 物と溶融ポットとの長い接触時間の場合にアルカリ土類金属ハロゲン化物溶融物 による主 として石英るつぼの腐食である。これに加えて、高純度シリコンにおけるアルカ リ土類金属による不純物の寄与が不可避である。更に、アルカリ土類金属ハロゲ ン化物からの不純物によるシリコンの望まれない汚染を回避するために高純度の 高価なアルカリ土類金属ハロゲン化物を使用することが絶対に必要である。最後 に、全体のプロセスはシリコンとるつぼ壁との間のアルカリ土類金属ハロゲン化 物溶融物フイルムの安定性に非常に鋭敏に依存しており、溶融物フイルムの引裂 又は不十分な厚さの場合には、るつぼを破壊する程度に広範なベーキングが避け がたい。 これらの欠点を回避する１つの可能な方法は米国特許第５４３１８６９号に与 えられている。この文献では、グラファイトるつぼを最初に窒化ケイ素粉末でコ ーティングし、次いでアルカリ土類金属ハロゲン化物溶融物フイルムを窒化ケイ 素粉末コーティングとシリコン溶融物との間に更に形成する。しかしながら、こ の方法は、不利に高い作業支出と関連しており、同様にシリコン溶融物を望まし くない方法でアルカリ土類金属で汚染し、そして場合により、使用されたアルカ リ土類金属ハロゲン化物混合物からの他の不純物により汚染する。更に、アルカ リ土類金属ハロゲン化物溶融物は窒化ケイ素を腐食し（Ｇｍｅｌｉｎ Ｈａｎｄ ｂｏｏｋ Ｓｉ Ｓｕｐｐｌ．Ｖｏｌ．Ｂ５ｄ２，ｐ．２１４参照）、その結果 アルカリ土類金属ハロゲン化物溶融物と窒化ケイ素コーティングとの長い接触時 間の場合には−−大型シリコンブロックの結晶化の場合に避け難いのだが−−保 護るつぼコーティングは破断することがある。アルカリ土類金属ハロゲン化物溶 融物と石英るつぼが直接接触する場合には、相当なるつぼの腐食に加えて、石英 るつぼはシリコン結晶化が完了する前ですら失透する(devitrify)ことがあり、 そしてこの方法にお いて破壊されることがあるという危険がある。これは、溶融物の制御されていな い流出によるるつぼの破壊の危険を増加させ、その場合に溶融している系は損傷 を受けることがあり、そして結晶化されたシリコンは更なる加工のために使用で きなくなることがある。従って、石英るつぼに関するアルカリ土類金属ハロゲン 化物溶融物の保護フイルムはシリコン溶融物の取り扱いには不適当と思われる。 グラファイトるつぼにアルカリ土類金属ハロゲン化物溶融物フイルムを使用す る場合には、結晶化されたシリコンブロックの形成が使用されたアルカリ土類金 属ハロゲン化物の融点より上でのみ可能であるという欠点がある。しかしながら 、大型シリコンブロックの製造のためには、これは問題を起こしやすい長ったら しい骨が折れる方法である。 従って、最初に液体シリコンそして後に再結晶しつつあるシリコンと接触する 部品のためのコーティングであって、相対的に多量の溶融物の取り扱い中でさえ 接着又はベーキングを確実に防止しそして長い接触時間にわたり相対的に大きい 部品面積に対する液体シリコンの作用を確実に防止するコーティングを提供する 必要がある。更に、コーティングは形成するのに簡単で且つ経済的であるべきで あり、そしてシリコン冶金学に重要な材料石英、セラミック及びグラファイトに 対して同等に容易に使用できるべきである。 驚くべきことに、この目的は、０．３重量％乃至５重量％のＯ₂含有率を有し そして長さ対直径（ｌ／ｄ）比が＜１０である粉末粒子を有する窒化ケイ素粉末 から成る窒化ケイ素保護層を備えた石英、グラファイト又はセラミック溶融ポッ トにより達成された。特に好ましい態様では、使用された窒化ケイ素粉末が更に ５重量％の最大Ｏ₂含有率、低い値に 限定されたアルカリ金属、アルカリ土類金属、フッ化物、塩化物及び全炭素含有 率、並びに低い値に限定された鉄、クロム、コバルト、ニッケル、タングステン 及びチタン含有粒子含有率を有する、窒化ケイ素粉末層は、驚くべきことに特に 信頼性があることが証明された。 本発明の範囲の溶融ポットという用語はシリコン溶融物、ブロック、ロッド及 びウエーハを製造するのに使用されるキャスティングモールド及び他のモールド も包含する。 従って、本発明は溶融ポットと固化しつつある(solidifying)非鉄(non-ferrou s)溶融物との接触の後溶融ポットと非鉄金属との接着を回避するために窒化ケイ 素保護層を備えた石英、グラファイト又はセラミック溶融ポットであって、該層 は粒子を含んで成る窒化ケイ素粉末から成り、そして該窒化ケイ素粉末は０．３ 重量％乃至５重量％の酸素含有率を有しそしてその長さ対直径比が＜１０である ことを特徴とする溶融ポットに関する。長さ対直径比はこの場合に走査型電子顕 微鏡を使用して決定された。 非鉄溶融物としては、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇｅ、及び／又はＴｉ溶融物がこの場合に 好ましく、これらはモールド内に又は合金として存在する。シリコン溶融物はこ の場合に特に好ましい。 本発明の好ましい態様では、窒化ケイ素保護層を備えた溶融ポットは好ましく は０．３乃至２％、極めて特に好ましくは０．３乃至１．５％の酸素含有率、各 場合に１０００ｐｐｍ以下、特に好ましくは１乃至１００ｐｐｍのアルカリ金属 含有率及びアルカリ土類金属含有率、２０００ｐｐｍ以下、特に好ましくは１０ 乃至１０００ｐｐｍのフッ化物含有率、２０００ｐｐｍ以下、特に好ましくは３ ０乃至１０００ｐｐｍの塩 化物含有率、２０００ｐｐｍ以下、特に好ましくは５０乃至１５００ｐｐｍの全 炭素含有率、及び、各場合に、窒化ケイ素粉末１ｇ当たり１００粒子以下の鉄、 クロム、コバルト、ニッケル、タングステン及び／又はチタン含有率を有する。 外来粒子の数はこの場合に元素分布曲線と組み合わせて走査型電子顕微鏡写真に よって決定される。この場合に、特に０．０５μｍ以上のサイズを有する粒子が ピックアップされる。 窒化ケイ素層の粒子は好ましくは球状(globular)又はふし状(nodular)構造を 有する。 好ましくは、窒化ケイ素粒子の平均粒子径(mean particle size)は５０μｍ以 下、特に好ましくは０．６乃至６μｍである。本発明の特に好ましい態様では、 窒化ケイ素粉末は０．３乃至１．５重量％の酸素含有率、０．６乃至６μｍの平 均粒子径、１０００ｐｐｍ以下のフッ化物及び全炭素含有率及び２乃至１００％ 、好ましくは５乃至１００％の割合の結晶学的β相(β crystallogrphic phase )を有する。 本発明の他の態様では、球状又はふし状窒化ケイ素粉末は無定形である。 この場合に、外来元素のレベルは好ましくは結晶学的β相について前記したレ ベルと同じである。 この場合に、上記の規格値(specification)を有する窒化ケイ素粉末は、ドイ ツ、ゴスラー(Gosler)のエイチ・シー・シュタールク社（Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ ）により販売されており又はドイツ公開公報第３５３６９３３号（ＤＥ−Ａ３， ５３６，９３３）に記載の方法を用いて製造することができる。 石英、グラファイト又はセラミック上の窒化ケイ素保護層は好ましく は５０乃至５０００μｍの厚さである。 本発明は溶融ポットに窒化ケイ素保護層を適用する方法であって、窒化ケイ素 粉末を溶媒、好ましくは水又は水と親水性有機溶媒の混合物に分散させ、次いで 、懸濁液、スリップ(slip)の又は粉末としてのブラッシング(brushing)、噴霧(s praying)、噴出(squirting)、浸漬(immersion)により又は静電塗布(electrostat ic application)により基材に塗布し、次いで乾燥することを特徴とする方法に も関する。 塗布された層の接着力を改良するために、有機シラン類、ケイ酸エステル類、 ポリオール類、ポリビニルアルコール類、アクリレート類及び同様な化合物のよ うな接着促進剤を分散剤(dispersing agent)に加えることができる。同様に、液 化剤(liquefier)（例えばアミノアルコール類）又は増稠剤(thickner)（例えば セルロース誘導体）のような媒体剤(medium agent)を分散液に加えてレオロジー 挙動を選ばれたコーティング方法に合わせる(match)ことができる。 層を適用する方法及びその後に行われることがあるその後の乾燥は、クラック 及びフレーキングのない、均質な、均一に形成された層が生成されるようなもの でなければならない。乾燥は室温で行うことができる。しかしながら、１００℃ 以上の温度が好ましい。 層を乾燥させた後、適当ならば、有機剤を除去するために他の熱処理を行うこ とができる。コーティングされた部品(components)を短時間５００乃至１０００ ℃、好ましくは５００乃至７００℃に空気中で加熱することは一般にこの目的に 対して十分である。短時間という用語はこの場合に２分乃至１０時間の時間間隔 を包含することを意図する。このようにしてコーティングされた部品は、液体と の接触及び続いてシリコン を固化させた後、結晶化したシリコンを部品から簡単に破壊なしに取り外すこと を可能とする。 本発明は、液体シリコンを保持しそして液体シリコンを結晶化させてシリコン ブロック、ロッド又はビレット(billets)及びシリコンウエーハ及びシリコング ラニュール(silicon granules)を形成するための、シリコン溶融物の製造のため の窒化ケイ素保護層を備えた溶融ポットの使用にも関する。 下記実施例は本発明を説明するためのものであり、本発明を限定するものでは ない。 例示的態様 実施例１ １．３％の酸素含有率、６ｐｐｍのフッ化物含有率、８００ｐｐｍの塩化物含 有率、７００ｐｐｍの全炭素含有率及び、窒化ケイ素粉末１ｇ当たり２粒子の鉄 粒子含有率(iron particle content)を有し、１０％の結晶学的β相含有率を有 する窒化ケイ素粉末から、３０％の固体含有率を有する水性分散液を生成させた 。ポリビニルアルコール０．５％の添加の後、この分散液を噴霧するこにより石 英るつぼをコーティングした。コーティングを１５０℃で乾燥しそして有機添加 物を空気中で９００℃に加熱することにより焼いた後、このようにしてコーティ ングされたるつぼに液体シリコン１００ｋｇを供給した。コーティングされたる つぼとシリコン溶融物との３時間の接触時間の後、溶融物全量(melt volume)を 結晶化させた。室温に冷却した後、石英ガラスの結晶化から生じるるつぼ断片を ブロック状に結晶化したシリコンの壁から困難なく除去することができた。るつ ぼとシリコン間のベーキング又は接着は全る つぼ−シリコン接触ゾーンにわたって観察されなかった。ブロック状に結晶化し たシリコンはクラックなしに固化し、そして例えば太陽電池用途のシリコンウエ ーハの製造に全部使用することができた。 実施例２（比較） ６％の酸素含有率、２５００ｐｐｍのフッ化物含有率、３０００ｐｐｍの塩化 物含有率、２７００ｐｐｍの全炭素含有率、窒化ケイ素粉末１ｇ当たり１５０粒 子の鉄粒子含有率及び８０％の結晶学的β相含有率を有する窒化ケイ素粉末から 、実施例１に記載の如くして水性分散液を製造し、そして石英るつぼをそれでコ ーティングした。石英るつぼに液体シリコン１００ｋｇを供給し、モールドとコ ーティングされたるつぼとの３時間の接触時間及びその後の溶融物全量の結晶化 の後、るつぼと結晶化したシリコン間の塊状ベーキング(massive baking)が観察 された。シリコンブロックからるつぼ残留物を除去する際に、広範な噴出(exten sive eruption)及びフレーキング(flaking)がブロック上で起こり、それ故これ は材料の相当な損失をもたらした。ブロック状に結晶化したシリコンには、多数 の目で見える長い(visible extended)クラック及び毛のような微小クラック(hai rline microcracks)も走っており(permeated)、該シリコンは経済的な更なる加 工（例えば太陽電池用途のシリコンウエーハの製造のため）には不適当であった 。 実施例３ ０．８％の酸素含有率、検出限界以下のフッ化物含有率、１１０ｐｐｍの塩化 物含有率、１００ｐｐｍの全炭素含有率、１０μｍの平均粒子径及び検出限界以 下の鉄粒子含有率及び９８％の結晶学的β相含有率を有する窒化ケイ素粉末を使 用して、実施例２に記載の方法を実施した。 ブロック状に結晶化したシリコンはるつぼの結晶化した石英断片を困難なく除去 されることができ、結晶化したシリコンにおけるクラック及びるつぼ断片のベー キングは起こらなかった。結晶化したシリコンは更なる加工（例えば太陽電池用 途のシリコンウエーハの製造のため）に十分に適していた。 実施例４ ０．４の酸素含有率、検出限界以下のフッ化物含有率、４０００ｐｐｍの塩化 物含有率、３００ｐｐｍの全炭素含有率、０．１μｍの平均粒子径及び検出限界 以下の鉄粒子含有率を有する無定形窒化ケイ素粉末を使用してグリコールジメチ ルエーテル中の３０％固体含有率を有する分散液を生成させた。接着促進剤とし てポリビニルアルコール０．５％をこの分散液に加えた。次いで実施例１に記載 の方法を実施した。ブロック状に結晶化したシリコンはクラックなしに固化しそ して全部を使用することができ（例えば太陽電池用途のシリコンウエーハの製造 のため）、結晶化した石英断片へのベーキングは観察されなかった。石英るつぼ の断片は結晶化したシリコンから容易に且つ困難なく取り外すことができた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．溶融ポットと固化しつつある非鉄溶融物との接触の後溶融ポットと非鉄金 属との接着を回避するために窒化ケイ素保護層を備えた石英、グラファイト又は セラミック溶融ポットであって、該層は、０．３重量％乃至５重量％の酸素含有 率を有しそして長さ（ｌ）対直径（ｄ）比が＜１０である窒化ケイ素粉末を含ん で成ることを特徴とする溶融ポット。 ２．該溶融ポットは、各場合に１０００ｐｐｍ以下のアルカリ金属含有率及び アルカリ土類金属含有率、２０００ｐｐｍ以下のフッ化物含有率、２０００ｐｐ ｍ以下の塩化物含有率、２０００ｐｐｍ以下の全炭素含有率及び、各場合に、窒 化ケイ素粉末１ｇ当たり１００粒子以下の鉄、クロム、コバルト、ニッケル、タ ングステン及び／又はチタン含有率を有することを特徴とする請求の範囲１に記 載の窒化ケイ素保護層を備えた溶融ポット。 ３．窒化ケイ素粉末の平均粒子径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求 の範囲１又は２に記載の窒化ケイ素保護層を備えた溶融ポット。 ４．窒化ケイ素粉末の２乃至１００％が結晶学的β相から成ることを特徴とす る請求の範囲１〜３の１つ又は１つより多くに記載の窒化ケイ素保護層を備えた 溶融ポット。 ５．窒化ケイ素粉末が無定形であることを特徴とする請求の範囲１〜３の１つ 又は１つより多くに記載の窒化ケイ素保護層を備えた溶融ポット。 ６．窒化ケイ素粉末を溶媒に分散させ、次いで、懸濁液、スリップの又は粉末 としての、ブラッシング、噴霧、噴出、浸漬により、又は静電塗布により基材に 塗布し、次いで乾燥することを特徴とする請求の範囲 １〜５の１つ又はそれより多くに記載の窒化ケイ素保護層を適用する方法。 ７．液体シリコンを保持しそして液体シリコンを結晶化させてシリコンブロッ ク、ロッド又はビレット及びシリコンウエーハ又はシリコングラニュールを形成 するための、シリコン溶融物の製造のための請求の範囲１〜５の１つ又はそれよ り多くに記載の窒化ケイ素保護層を備えた溶融ポットの使用。