JP6184898B2 - Chlorosilanes, purification method of chlorosilanes, and silicon crystals - Google Patents
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Description
本発明は、トリクロロシランをはじめとするクロロシラン類の精製技術に関し、より詳細には、半導体デバイスの製造に用いられるシリコン結晶の製造原料として好適な高純度のクロロシラン類を製造するための技術に関する。 The present invention relates to a purification technique for chlorosilanes including trichlorosilane, and more particularly to a technique for producing high-purity chlorosilanes suitable as a raw material for producing silicon crystals used in the production of semiconductor devices.
半導体グレードの高純度多結晶シリコンは、通常、水素存在下でトリクロロシランを主成分とするクロロシラン類ガスを原料として「シーメンス法」と呼ばれるCVD法により製造される。従って、高純度多結晶シリコンの原料となるクロロシラン類もまた、その純度は極めて高いものであることが要求される。 Semiconductor grade high-purity polycrystalline silicon is usually produced by a CVD method called a “Siemens method” using a chlorosilane gas mainly containing trichlorosilane in the presence of hydrogen as a raw material. Accordingly, chlorosilanes that are raw materials for high-purity polycrystalline silicon are also required to have extremely high purity.
特に、原料クロロシラン類中に含有されている不純物が、シリコン結晶中でドナーとなるリンやヒ素といった不純物であったり、アクセプタとなるホウ素やアルミニウムといった不純物である場合には、例えこれらの不純物が微量であっても、製造される多結晶シリコンの電気的特性(抵抗率)に著しい影響を与える。このため、原料クロロシラン類中に含有されているドナー不純物およびアクセプタ不純物を効率的に除去して高純度化する技術の提供は、実用的に大きな意義をもつ。 In particular, if the impurities contained in the raw material chlorosilanes are impurities such as phosphorus and arsenic that serve as donors in the silicon crystal, or impurities such as boron and aluminum that serve as acceptors, these impurities are present in trace amounts. Even so, it significantly affects the electrical properties (resistivity) of the polycrystalline silicon produced. For this reason, provision of a technique for efficiently removing the donor impurities and acceptor impurities contained in the raw material chlorosilanes to achieve high purity has great practical significance.
一般に、多結晶シリコン製造用のクロロシラン類は、不純物を比較的多量に含む冶金級シリコン(いわゆる金属グレードシリコンであり、以下では「金属シリコン」と呼ぶ)から公知の方法によってクロロシラン類留出物を得た後に、当該クロロシラン類留出物をさらに蒸留などの手法により精製して高純度化して製造される。 In general, chlorosilanes for producing polycrystalline silicon are chlorosilane distillates obtained from metallurgical grade silicon containing a relatively large amount of impurities (so-called metal grade silicon, hereinafter referred to as “metal silicon”) by a known method. After being obtained, the chlorosilane distillate is further purified by a technique such as distillation to be purified.
しかし、通常、金属シリコン中には、上述したドナー不純物やアクセプタ不純物が原子数比換算で数百ppba〜数百ppmaのオーダーで含まれている。このため、クロロシラン類留出物の精製過程でこれらの不純物が充分には除去されず、最終的に得られたクロロシラン類中にドナー不純物やアクセプタ不純物が残留してしまい、このような残留不純物が多結晶シリコンの品質を低下させてしまうという問題が生じ得る。 However, usually, the above-mentioned donor impurities and acceptor impurities are contained in metal silicon in the order of several hundred ppba to several hundred ppma in terms of atomic ratio. For this reason, these impurities are not sufficiently removed in the purification process of chlorosilane distillates, and donor impurities and acceptor impurities remain in the finally obtained chlorosilanes. The problem of degrading the quality of polycrystalline silicon can arise.
クロロシラン類留出物を得るための方法として、金属シリコンの存在下でテトラクロロシラン(SiCl4)含有物と水素を反応させてトリクロロシラン(SiHCl3)を含むクロロシラン類留出物を得る水素化工程が知られている(例えば、特表2008-532907号公報(特許文献1)、特開昭58-217422号公報(特許文献2)、特開昭58-161915号公報(特許文献3)など参照)。 As a method for obtaining a chlorosilane distillate, a hydrogenation step for obtaining a chlorosilane distillate containing trichlorosilane (SiHCl 3 ) by reacting a tetrachlorosilane (SiCl 4 ) -containing material with hydrogen in the presence of metallic silicon. (For example, see Japanese translations of PCT publication No. 2008-532907 (Patent Document 1), JP-A-58-217422 (Patent Document 2), JP-A-58-161915 (Patent Document 3), etc.) ).
また、クロロシラン類留出物を得るための他の方法として、触媒の存在下で金属シリコンと塩化水素を接触させて塩素化反応を行い、トリクロロシランを含むクロロシラン類留出物を得る塩素化工程も知られている(例えば、特開2005-67979号公報(特許文献4)を参照)。 In addition, as another method for obtaining a chlorosilane distillate, a chlorination step is performed in which metal silicon and hydrogen chloride are brought into contact with each other in the presence of a catalyst to perform a chlorination reaction to obtain a chlorosilane distillate containing trichlorosilane. Is also known (see, for example, JP-A-2005-67979 (Patent Document 4)).
金属シリコンに含まれるドナー不純物やアクセプタ不純物は、粗クロロシラン類を生成する際に同時に水素化や塩素化される等して、粗クロロシラン類中に種々の構造の化合物等の態様として混入すると考えられている。このような粗クロロシラン類を精製して高純度クロロシラン類を得るが、ドナー不純物やアクセプタ不純物の化合物等の沸点がトリクロロシランの沸点と近接している場合には、これらの不純物を一般的な蒸留方法によって分離・除去することは困難である。そして、ドナー不純物およびアクセプタ不純物の除去が不充分なクロロシラン類を原料として多結晶シリコンを製造すると、所望の特性の多結晶シリコンが得られない結果となる。 Donor impurities and acceptor impurities contained in metallic silicon are considered to be mixed in the crude chlorosilanes as various forms of compounds, etc. by being hydrogenated or chlorinated simultaneously with the production of the crude chlorosilanes. ing. Such crude chlorosilanes are purified to obtain high-purity chlorosilanes. If the boiling point of a compound such as a donor impurity or an acceptor impurity is close to that of trichlorosilane, these impurities are removed by general distillation. It is difficult to separate and remove by a method. If polycrystalline silicon is produced using chlorosilanes with insufficient removal of donor impurities and acceptor impurities as raw materials, polycrystalline silicon having desired characteristics cannot be obtained.
このような事情から、クロロシラン類留出物中のドナー不純物やアクセプタ不純物を除去する方法として、種々の方法が提案されてきた。例えば、クロロシラン類留出物に有機物を添加し、ドナー不純物やアクセプタ不純物との付加物を生成させた後、蒸留精製して高純度クロロシラン類を得る方法が提案されている。 Under such circumstances, various methods have been proposed as methods for removing donor impurities and acceptor impurities in the chlorosilane distillate. For example, a method has been proposed in which an organic substance is added to a chlorosilane distillate to form an adduct with a donor impurity or an acceptor impurity, and then purified by distillation to obtain a high-purity chlorosilane.
具体的には、特開2005-67979号公報(特許文献4)には、クロロシラン類にエーテル類を添加して蒸留精製する方法が開示されている。また、米国特許第3,126,248号明細書(特許文献5)には、ジオキサン、ベンズアルデヒド、メチルエチルケトン、ジメチルグリオキシム、バレロラクトンからなる有機化合物を添加して不純物を除去する方法が開示されている。さらに、特開2009-62213号公報(特許文献6)には、クロロシラン類をベンズアルデヒドの存在下で酸素と反応させて不純物を高沸点化合物に転化させ、当該処理後のクロロシラン類を蒸留等して不純物の高沸点化合物とクロロシラン類とを分離する方法が開示されている。 Specifically, JP-A-2005-67979 (Patent Document 4) discloses a method of distilling and purifying by adding ethers to chlorosilanes. US Pat. No. 3,126,248 (Patent Document 5) discloses a method for removing impurities by adding an organic compound composed of dioxane, benzaldehyde, methyl ethyl ketone, dimethylglyoxime, and valerolactone. Furthermore, JP-A-2009-62213 (Patent Document 6) discloses that chlorosilanes are reacted with oxygen in the presence of benzaldehyde to convert impurities into high-boiling compounds, and the treated chlorosilanes are distilled. A method for separating high-boiling impurities and chlorosilanes is disclosed.
また、クロロシラン類留出物に金属塩化物を添加し、ドナー不純物やアクセプタ不純物との付加物を生成した後、蒸留精製して高純度クロロシラン類を得る方法も提案されている。 In addition, a method has been proposed in which a metal chloride is added to a chlorosilane distillate to produce an adduct with a donor impurity or an acceptor impurity and then purified by distillation to obtain a high-purity chlorosilane.
具体的には、米国特許第2,821,460号明細書(特許文献7)には、クロロシラン類に塩化アルミニウムを添加してAlCl3・PCl5錯体を形成した後に蒸留精製する方法が開示されている。また、特開平4-300206号公報(特許文献8)には、TiCl4等の無機塩水溶液を高濃度に添加し、不純物を加水分解して高沸点化合物とした後に蒸留精製する方法が開示されている。 Specifically, US Pat. No. 2,821,460 (Patent Document 7) discloses a method in which aluminum chloride is added to chlorosilanes to form an AlCl 3 · PCl 5 complex, followed by distillation purification. Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-300206 (Patent Document 8) discloses a method in which an inorganic salt aqueous solution such as TiCl 4 is added at a high concentration to hydrolyze impurities to form a high-boiling compound, followed by distillation purification. ing.
さらに、クロロシラン類に含有されている不純物をアルミナやシリカゲルあるいは活性炭などに吸着させることにより除去する方法も提案されている。 Further, a method for removing impurities contained in chlorosilanes by adsorbing them on alumina, silica gel, activated carbon or the like has been proposed.
具体的には、米国特許第3,252,752号明細書(特許文献9)には、孤立電子対をもつ物質(例えば、窒素原子をもつプロピオニトリルや酸素原子をもつベンズアルデヒドなどの物質)を、活性炭やシリカゲル等の吸着剤に固定化し、これにクロロシラン類ガスを流して不純物を捕捉除去する方法が開示されている。また、ドイツ国特許第1,289,834号明細書(特許文献10)には、クロロシラン類を、液体または蒸気の状態で、活性アルミナと接触させて不純物除去する方法が開示されている。さらに、米国特許第4,112,057号明細書(特許文献11)には、クロロシラン類を、水和したシリカゲルやアルミナゲル等の金属酸化物と接触させて不純物除去する方法が開示されており、特開2001-2407号公報(特許文献12)には、クロロシラン類を、アルカリまたはアルカリ土類フッ化物塩と接触させて不純物除去する方法が開示されている。 Specifically, in US Pat. No. 3,252,752 (Patent Document 9), a substance having a lone electron pair (for example, a substance such as propionitrile having a nitrogen atom or benzaldehyde having an oxygen atom), activated carbon, A method is disclosed in which impurities are trapped and removed by immobilizing on an adsorbent such as silica gel and flowing a chlorosilane gas. German Patent 1,289,834 (Patent Document 10) discloses a method for removing impurities by contacting chlorosilanes with activated alumina in a liquid or vapor state. Further, US Pat. No. 4,112,057 (Patent Document 11) discloses a method for removing impurities by bringing chlorosilanes into contact with a metal oxide such as hydrated silica gel or alumina gel. No.-2407 (Patent Document 12) discloses a method of removing impurities by contacting chlorosilanes with an alkali or alkaline earth fluoride salt.
これらの方法以外にも、高温条件でクロロシラン類に少量の酸素を導入して反応させることによって錯体を形成させ、この錯体とドナー不純物やアクセプタ不純物との反応により新たな錯体を形成させ、これをクロロシラン類の蒸留工程で分離することにより不純物濃度の低いクロロシラン類を得る方法も提案されている(特表昭58-500895号公報(特許文献13)を参照)。 In addition to these methods, a complex is formed by introducing a small amount of oxygen into chlorosilanes and reacting under high temperature conditions, and a new complex is formed by reacting this complex with donor impurities and acceptor impurities. A method of obtaining chlorosilanes having a low impurity concentration by separating them in a distillation step of chlorosilanes has also been proposed (see Japanese Patent Publication No. 58-500895 (Patent Document 13)).
半導体グレードのトリクロロシランの品質は、これを原料として合成したシリコン多結晶の抵抗値で評価した場合に、汎用品レベルのトリクロロシランの場合には500Ω−cm以上、高級グレードのトリクロロシランの場合には1000Ω−cm以上が求められ、特に高抵抗が求められることとなるセンサー用、検出器用、高電圧用のシリコン結晶を合成するためのトリクロロシランの場合には、5000Ω−cm以上の値が求められる。 The quality of semiconductor grade trichlorosilane is evaluated by the resistance value of silicon polycrystal synthesized using this as a raw material, 500 Ω-cm or more for general-purpose trichlorosilane, and high grade trichlorosilane. In the case of trichlorosilane for synthesizing silicon crystals for sensors, detectors, and high voltages for which high resistance is required, a value of 5000 Ω-cm or more is required. It is done.
上述した従来の精製方法のうち、クロロシラン類留出物に有機物や金属塩化物を添加してドナー不純物やアクセプタ不純物との付加物を生成する方法は、付加物と主成分であるトリクロロシランとの間で沸点差が生じる場合には、その後の蒸留工程により、クロロシラン類を高純度で精製することが可能である。 Among the conventional purification methods described above, a method of adding an organic substance or a metal chloride to a chlorosilane distillate to produce an adduct with a donor impurity or an acceptor impurity is obtained by combining an adduct with trichlorosilane as a main component. When a difference in boiling point occurs between them, chlorosilanes can be purified with high purity by a subsequent distillation step.
しかし、先に列挙した先行文献にも記載されているように、クロロシラン類留出物に有機物を添加する精製方法において不純物除去に効果を奏する有機物は孤立電子対を保有する元素を含む有機物であるところ、かかる有機物の選定には相当の制限がある。 However, as described in the prior documents listed above, the organic substance that is effective in removing impurities in the purification method of adding an organic substance to a chlorosilane distillate is an organic substance containing an element having a lone pair of electrons. However, there are considerable restrictions on the selection of such organic substances.
例えば、添加される有機物は、精製工程中に極めて容易に分解等するものであってはならず、また、クロロシラン類留出物中の物質との反応等によってクロロシラン類の沸点付近の生成物を生じないことも必要である。特に、孤立電子対を保有する元素を含む有機物が固体の場合は、クロロシラン類留出物の取扱い温度において溶解するかどうかや、取扱い途中の運転条件により析出しないかなどについても検討する必要が生じるし、投入時に水分が混入しないための十分な配慮も必要である。つまり、精製工程の諸条件を勘案した上で、不純物除去に有効な有機物を慎重に選定する必要がある。 For example, the added organic matter should not be decomposed very easily during the purification process, and products near the boiling point of chlorosilanes may be reduced by reaction with substances in the chlorosilane distillate. It is also necessary that it does not occur. In particular, when the organic substance containing an element having a lone pair is a solid, it is necessary to consider whether it dissolves at the handling temperature of the chlorosilane distillate and whether it will precipitate due to operating conditions during handling. However, sufficient consideration is necessary to prevent moisture from being mixed at the time of charging. In other words, it is necessary to carefully select an organic substance effective for removing impurities in consideration of various conditions of the purification process.
ドナー不純物やアクセプタ不純物の除去に有効な孤立電子対を保有する元素を含む有機物としてはベンズアルデヒド(C6H5CHO)が知られている(特許文献5、特許文献6、特許文献9など参照)。ベンズアルデヒドは、添加時の取扱いが容易であり入手も容易であるが、ベンズアルデヒド類は塩化鉄などの金属塩化物などの存在下において、固形の高重合物を形成する。このような高重合物は固形化し、配管や容器中に閉塞物を生成するため、かかる固形物を除去するために製造設備を定期的に停止させる必要がある。 Benzaldehyde (C 6 H 5 CHO) is known as an organic substance containing an element having a lone electron pair effective for removing donor impurities and acceptor impurities (see Patent Document 5, Patent Document 6, Patent Document 9, etc.). . Benzaldehyde is easy to handle at the time of addition and is easily available, but benzaldehydes form a solid high polymer in the presence of a metal chloride such as iron chloride. Since such highly polymerized products are solidified to generate clogs in pipes and containers, it is necessary to periodically stop the production equipment in order to remove the solids.
クロロシラン類留出物に金属塩化物を添加する精製方法は、その取り扱いが容易とは言えず、しかも、廃棄物処理が煩雑である等の問題がある。 The purification method of adding a metal chloride to a chlorosilane distillate is not easy to handle, and there are problems such as complicated waste disposal.
クロロシラン類に含有されている不純物をアルミナやシリカゲルあるいは活性炭などに吸着させることにより除去する方法は、吸着塔などの装置が必要となり設備が複雑になることに加え、吸着物の担持方法が容易でなかったり、破過後の吸着物の取扱いや廃棄物処理が煩雑であったりする等の問題もある。 The method of removing impurities contained in chlorosilanes by adsorbing them on alumina, silica gel, activated carbon, etc. requires an apparatus such as an adsorption tower, which complicates the equipment, and makes it easy to support the adsorbate. There is also a problem that there are no problems, such as handling of adsorbate after breakthrough and waste disposal.
その他の不純物除去方法においても、高温条件でクロロシラン類に少量の酸素を導入して、高温にて反応させることが必要であり、簡便かつ穏やかな条件で操作することができないなど種々の問題を抱えている。 In other impurity removal methods, it is necessary to introduce a small amount of oxygen into chlorosilanes under high temperature conditions, and to react at high temperatures, and thus there are various problems such as inability to operate under simple and gentle conditions. ing.
本発明は、上述したような従来のクロロシラン類の精製方法の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、クロロシラン類留出物中からドナー不純物であるリン(P)およびアクセプタ不純物であるボロン(B)を同時に除去して、精製工程を複雑化することなく、高純度クロロシラン類の製造を可能とする技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the problems of the conventional purification method of chlorosilanes as described above, and the object thereof is phosphorus (P) and acceptor which are donor impurities from distillates of chlorosilanes. An object of the present invention is to provide a technology that enables the production of high-purity chlorosilanes without complicating the purification process by removing boron (B) as an impurity at the same time.
上述の課題を解決するために、本発明に係るクロロシラン類の精製方法は、三塩化リン(PCl3)および三塩化ボロン(BCl3)を不純物として含むトリクロロシランを、不均化反応触媒としての陰イオン交換樹脂に流通させ、前記三塩化リン(PCl3)および三塩化ボロン(BCl3)を不均化せしめてホスフィン(PH3)とボラン(BH3)の複合物(PH3−BH3)を生成させる第1工程を備えている。 In order to solve the above-mentioned problems, the purification method of chlorosilanes according to the present invention uses trichlorosilane containing phosphorus trichloride (PCl 3 ) and boron trichloride (BCl 3 ) as impurities as a disproportionation reaction catalyst. It is circulated to the anion exchange resin, the phosphorus trichloride (PCl 3) and three composites phosphine, boron chloride (BCl 3) and allowed to disproportionation (PH 3) and borane (BH 3) (PH 3 -BH 3 ) Is generated.
本発明に係るクロロシラン類の精製方法は、前記第1工程後のクロロシラン類から、前記複合物(PH3−BH3)を蒸留分離して、前記トリクロロシランからリン不純物とボロン不純物を同時に除去する第2工程を備えている。 In the method for purifying chlorosilanes according to the present invention, the composite (PH 3 -BH 3 ) is distilled and separated from the chlorosilanes after the first step, and phosphorus impurities and boron impurities are simultaneously removed from the trichlorosilane. A second step is provided.
本発明に係るクロロシラン類の精製方法は、前記第2工程後のクロロシラン類をさらに蒸留して、精製されたジクロロシラン、トリクロロシラン、若しくは、テトラクロロシランの少なくとも一種のクロロシラン類を分離する第3工程を備えている態様とすることができる。 In the purification method of chlorosilanes according to the present invention, the chlorosilanes after the second step are further distilled to separate the purified dichlorosilane, trichlorosilane, or tetrachlorosilane at least one chlorosilane. It can be set as the aspect provided with.
例えば、前記陰イオン交換樹脂は、第三級アミンを交換基とする弱塩基性陰イオン交換樹脂である。 For example, the anion exchange resin is a weakly basic anion exchange resin having a tertiary amine as an exchange group.
また、例えば、前記陰イオン交換樹脂は、トリメチルアンモニウムを交換基とするI型強塩基性陰イオン交換樹脂である。 For example, the anion exchange resin is a type I strongly basic anion exchange resin having trimethylammonium as an exchange group.
本発明に係るシリコン結晶は、上述の精製方法により得られたトリクロロシランなどのクロロシラン類を原料として育成されたシリコン結晶であって、リンの不純物濃度が0.03ppba未満でボロンの不純物濃度が0.01ppba未満である。 The silicon crystal according to the present invention is a silicon crystal grown using chlorosilanes such as trichlorosilane obtained by the above-described purification method as a raw material, wherein the impurity concentration of phosphorus is less than 0.03 ppba and the impurity concentration of boron is 0. Less than .01 ppba.
本発明に係るクロロシラン類の精製方法では、精製対象であるトリクロロシランを、不均化反応触媒としての陰イオン交換樹脂に流通させることにより、トリクロロシランに含まれている三塩化リン(PCl3)および三塩化ボロン(BCl3)を不均化せしめてホスフィン(PH3)とボラン(BH3)の複合物(PH3−BH3)を生成させる工程を設けることとした。 In the method for purifying chlorosilanes according to the present invention, phosphorus trichloride (PCl 3 ) contained in trichlorosilane is obtained by circulating trichlorosilane to be purified through an anion exchange resin as a disproportionation reaction catalyst. And a step of disproportionating boron trichloride (BCl 3 ) to produce a composite of phosphine (PH 3 ) and borane (BH 3 ) (PH 3 -BH 3 ).
そして、上記工程後のクロロシラン類から複合物(PH3−BH3)を蒸留分離することとすれば、精製工程を複雑化することなく、トリクロロシランからリン不純物とボロン不純物を同時に除去することが可能となる。 If the composite (PH 3 -BH 3 ) is distilled and separated from the chlorosilanes after the above steps, phosphorus impurities and boron impurities can be simultaneously removed from trichlorosilane without complicating the purification step. It becomes possible.
以下に、図面を参照して、本発明に係るクロロシラン類の精製方法を具体的に説明する。 Below, with reference to drawings, the purification method of chlorosilanes concerning the present invention is explained concretely.
図1は、本発明に係るクロロシラン類の精製方法を説明するためのフローチャートである。 FIG. 1 is a flowchart for explaining a method for purifying chlorosilanes according to the present invention.
先ず、金属ケイ素と塩酸からトリクロロシランを合成する(S101)。このトリクロロシランにはリン化合物とボロン化合物が不純物として多量に含まれているため、従来の方法により蒸留精製して半導体グレードのトリクロロシランを得ておく(S102)。 First, trichlorosilane is synthesized from metallic silicon and hydrochloric acid (S101). Since this trichlorosilane contains a large amount of phosphorus compounds and boron compounds as impurities, it is purified by distillation by a conventional method to obtain semiconductor grade trichlorosilane (S102).
この蒸留精製後のトリクロロシランには、僅かではあるが、三塩化リン(PCl3)および三塩化ボロン(BCl3)が不純物として含まれている。そこで、このトリクロロシランを、不均化反応触媒としての陰イオン交換樹脂に流通させる(S103)。この陰イオン交換樹脂への流通により、三塩化リン(PCl3)と三塩化ボロン(BCl3)を不均化させ、ホスフィン(PH3)とボラン(BH3)の複合物(PH3−BH3)が生成する。 The trichlorosilane after the distillation purification contains, to a small extent, phosphorus trichloride (PCl 3 ) and boron trichloride (BCl 3 ) as impurities. Therefore, this trichlorosilane is passed through an anion exchange resin as a disproportionation reaction catalyst (S103). Through distribution to this anion exchange resin, phosphorus trichloride (PCl 3 ) and boron trichloride (BCl 3 ) are disproportionated, and a phosphine (PH 3 ) and borane (BH 3 ) complex (PH 3 -BH) 3 ) Generate.
なお、トリクロロシランが流通する際に、陰イオン交換樹脂に三塩化リン(PCl3)および三塩化ボロン(BCl3)が吸着する可能性が考えられるため、当該吸着の有無について確認したところ、樹脂への吸着は全く認められなかった。この事実は、上記流通に用いる陰イオン交換樹脂の再生処理が不要であることを意味しており、樹脂の再生処理操作が不要である点は実用上、極めて重要な利点である。このように、本発明によれば、精製工程を複雑化することがなく、低コストでの精製が可能である。 In addition, when trichlorosilane circulates, there is a possibility that phosphorus trichloride (PCl 3 ) and boron trichloride (BCl 3 ) may be adsorbed on the anion exchange resin. Adsorption to was not observed at all. This fact means that the regeneration treatment of the anion exchange resin used for the above distribution is unnecessary, and the fact that the resin regeneration treatment operation is unnecessary is a very important advantage in practice. As described above, according to the present invention, the purification process can be performed at low cost without complicating the purification process.
上記複合物(PH3−BH3)の生成理由について、本発明者らは下記のように理解している。陰イオン交換樹脂表面にある窒素(N)原子はプラスの分極性を有する一方、Cl原子はその電気陰性度によりマイナスの分極性を有している。このため、上記分極の効果により、プラスに分極した陰イオン交換樹脂表面の窒素(N)に、三塩化リン(PCl3)と三塩化ボロン(BCl3)が引き付けられる。このとき同時に、トリクロロシランの不均化反応(−Hと−Clの交換反応)も同時に進行する。三塩化リン(PCl3)と三塩化ボロン(BCl3)は、上記トリクロロシランの不均化反応により生成する水素源から−Hの供給を受け、ホスフィン(PH3)とボラン(BH3)の複合物(PH3−BH3)を形成する。そして、上述のように、この複合物(PH3−BH3)は陰イオン交換樹脂表面には吸着しないため、トリクロロシランと一緒に流出される。 The present inventors understand the reason why the composite (PH 3 —BH 3 ) is formed as follows. Nitrogen (N) atoms on the anion exchange resin surface have a positive polarizability, while Cl atoms have a negative polarizability due to their electronegativity. Therefore, due to the polarization effect, phosphorus trichloride (PCl 3 ) and boron trichloride (BCl 3 ) are attracted to nitrogen (N) on the surface of the anion exchange resin that is positively polarized. At the same time, the disproportionation reaction of trichlorosilane (exchange reaction of -H and -Cl) proceeds simultaneously. Phosphorus trichloride (PCl 3 ) and boron trichloride (BCl 3 ) are supplied with —H from the hydrogen source generated by the above-mentioned disproportionation reaction of trichlorosilane, and phosphine (PH 3 ) and borane (BH 3 ) to form a composite (PH 3 -BH 3). As described above, the composite (PH 3 -BH 3) because it does not adsorb to the anion exchange resin surface, and flows out together with the trichlorosilane.
上記トリクロロシランの流通は、具体的には下記のように行う。陰イオン交換樹脂を円筒の管に充填し、エタノールで十分に洗浄を行い、エタノール中の水分が10ppm以下になるまで洗浄を繰り返す。次いで、トルエンを通液し、トルエン中のエタノールが50ppm以下になるまで洗浄を繰り返す。上記洗浄後の陰イオン交換樹脂を55〜60℃の温度範囲に制御し、例えば4kg/分の速度(線速度2.8mm/秒)でトリクロロシランを流通(通液)し、トリクロロシランを主成分とした液を得る。 The distribution of the trichlorosilane is specifically performed as follows. An anion exchange resin is filled into a cylindrical tube, thoroughly washed with ethanol, and the washing is repeated until the water content in ethanol becomes 10 ppm or less. Next, toluene is passed through and the washing is repeated until the ethanol in the toluene is 50 ppm or less. The anion exchange resin after washing is controlled to a temperature range of 55 to 60 ° C., and for example, trichlorosilane is circulated (liquid flow) at a rate of 4 kg / min (linear velocity of 2.8 mm / sec), and trichlorosilane is mainly used. A component liquid is obtained.
なお、陰イオン交換樹脂は、弱塩基性陰イオン交換樹脂でも強塩基性陰イオン交換樹脂でもよい。好ましくは、弱塩基性陰イオン交換樹脂としては、第三級アミンを交換基とする弱塩基性陰イオン交換樹脂を選択し、強塩基性陰イオン交換樹脂としては、トリメチルアンモニウムを交換基とするI型強塩基性陰イオン交換樹脂を選択する。 The anion exchange resin may be a weak basic anion exchange resin or a strong basic anion exchange resin. Preferably, as the weak base anion exchange resin, a weak base anion exchange resin having a tertiary amine as an exchange group is selected, and as the strong base anion exchange resin, trimethyl ammonium is used as an exchange group. A type I strongly basic anion exchange resin is selected.
陰イオン交換樹脂への通液後の液を蒸留フラクション別に分析すると、トリクロロシラン側のPとBの量は極めて少なく、不均化反応の結果として生成したジクロロシラン側に多く存在することが確認された。このことから、複合物(PH3−BH3)は低沸点のものであると結論付けられる。また、GC−FPD(Flame Photometric Detector:炎光光度検出器)、および、GC−MSによる定性分析の結果、この低沸点成分は、PH3−BH3であると結論付けた。 When the liquid after passing through the anion exchange resin is analyzed by distillation fraction, the amount of P and B on the trichlorosilane side is extremely small, and it is confirmed that it exists on the dichlorosilane side produced as a result of the disproportionation reaction. It was done. From this, it can be concluded that the composite (PH 3 -BH 3 ) has a low boiling point. Moreover, as a result of qualitative analysis by GC-FPD (Flame Photometric Detector) and GC-MS, it was concluded that this low boiling point component was PH 3 -BH 3 .
図2はGC−FPDの測定例で、この測定では、検出器に水素−酸素の燃焼炎によるリン(P)の発光による検出を行い、リン(P)の発光のみを透過させる光学フィルタ(526nm)を使用して選択的な検出を図った。用いた装置は、島津製作所(株)製のGC−2010FPDである。 FIG. 2 shows a measurement example of GC-FPD. In this measurement, an optical filter (526 nm) that detects only phosphor (P) emission by a hydrogen-oxygen combustion flame and transmits only phosphor (P) emission. ) For selective detection. The apparatus used is GC-2010FPD manufactured by Shimadzu Corporation.
GCの分離カラムには、感度を確保するために、多くの試料を注入できるパックドカラムを使用した。液相には信越化学工業(株)製のKF−96H(1,000,000cps)を使用し、担体にはテフロン(登録商標)PTFEを破砕した粒子を使用し、低沸点成分の分離を上げるためにカラム温度を10℃に設定した。 As the GC separation column, a packed column capable of injecting many samples was used in order to ensure sensitivity. For the liquid phase, KF-96H (1,000,000 cps) manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. is used, and particles obtained by crushing Teflon (registered trademark) PTFE are used for the carrier, thereby increasing the separation of low-boiling components. Therefore, the column temperature was set to 10 ° C.
図3はGC−MSの測定例で、GC−MSの測定には、アジレント社製のAgilent 5975 MSD を使用した。また、分離カラムは、DB−1ms(60m×0.53mm径、液相1.5μm)を使用した。なお、質量分析は、EIモード(電子衝撃イオン化)とし、印加電圧が+200Vの条件で行った。 FIG. 3 shows an example of GC-MS measurement. An Agilent 5975 MSD manufactured by Agilent was used for the GC-MS measurement. The separation column used was DB-1 ms (60 m × 0.53 mm diameter, liquid phase 1.5 μm). Note that mass spectrometry was performed in an EI mode (electron impact ionization) and an applied voltage of + 200V.
上記流通により生成した複合物(PH3−BH3)の沸点は、−85℃〜−87.5の間にあると考えられる。これは、GC測定において、溶出時間が沸点順に溶出する無極性のシリコーンオイル系の上述のGC用分離カラムを使用した時に、沸点−85℃のHClと沸点−87.5のB2H6の間に溶出することによる。 The boiling point of the composite (PH 3 —BH 3 ) produced by the above flow is considered to be between −85 ° C. and −87.5. This is because, in GC measurement, when the above-mentioned GC separation column of nonpolar silicone oil type in which the elution time is eluted in the order of the boiling point is used, HCl having a boiling point of −85 ° C. and B 2 H 6 having a boiling point of −87.5 By eluting in between.
複合物(PH3−BH3)の沸点がこのような低温領域にあれば、沸点32℃のトリクロロシランとの分離は容易であり、トリクロロシランの不均化反応により生成したテトラクロロシラン(沸点57℃)との分離は更に容易である。また、トリクロロシランの不均化反応によりジクロロシラン(沸点8℃)も生成するが、ジクロロシランと複合物(PH3−BH3)の分離も困難ではない。 If the boiling point of the composite (PH 3 -BH 3 ) is in such a low temperature region, separation from trichlorosilane having a boiling point of 32 ° C. is easy, and tetrachlorosilane (boiling point 57) generated by the disproportionation reaction of trichlorosilane. Is more easily separated. Further, dichlorosilane (boiling point 8 ° C.) is also generated by the disproportionation reaction of trichlorosilane, but it is not difficult to separate dichlorosilane and the composite (PH 3 —BH 3 ).
そこで、PH3−BH3の蒸留分離(S104)を行い、分離されたPH3−BH3を除去する。このとき、蒸留時の還流比を高めに設定すると、ppbwレベルまで分離することができる。 Therefore, PH 3 -BH 3 is separated by distillation (S104), and the separated PH 3 -BH 3 is removed. At this time, if the reflux ratio at the time of distillation is set high, it can be separated to the ppbw level.
因みに、PCl3の沸点は76℃であり、BCl3の沸点は12℃である。つまり、三塩化リン(PCl3)および三塩化ボロン(BCl3)が不均化により複合物(PH3−BH3)となった結果、低沸点化合物へと誘導され、クロロシラン類との分離が容易なものとなったことになる。 Incidentally, the boiling point of PCl 3 is 76 ° C., and the boiling point of BCl 3 is 12 ° C. In other words, phosphorus trichloride (PCl 3 ) and boron trichloride (BCl 3 ) are disproportionated to form a composite (PH 3 -BH 3 ), resulting in a low-boiling compound, which is separated from chlorosilanes. It became easy.
上述の如く、トリクロロシランの不均化反応により、テトラクロロシラン(沸点57℃)およびジクロロシラン(沸点8℃)が生成しているから、これらのクロロシラン類を更に蒸留分離して、精製されたジクロロシラン、トリクロロシラン、若しくは、テトラクロロシランの少なくとも一種のクロロシラン類を分離することができる。図1に示した例では、このクロロシラン類の蒸留分離を2段で行い、ステップS106の蒸留工程の前に、ステップS105の粗蒸留の工程を設けている。 As described above, tetrachlorosilane (boiling point 57 ° C.) and dichlorosilane (boiling point 8 ° C.) are produced by the disproportionation reaction of trichlorosilane, and these chlorosilanes are further separated by distillation and purified dichlorosilane. At least one chlorosilane of chlorosilane, trichlorosilane, or tetrachlorosilane can be separated. In the example shown in FIG. 1, the chlorosilanes are separated by distillation in two stages, and the rough distillation process in step S105 is provided before the distillation process in step S106.
なお、ステップ106で得られたトリクロロシランを、ステップS103に戻し、その後の工程を繰り返して更なる精製を行うようにしてもよいことは言うまでもない。 Needless to say, the trichlorosilane obtained in step 106 may be returned to step S103 and the subsequent steps may be repeated for further purification.
[実施例1]エピタキシャル膜の比抵抗
図4は、上述の複合物(PH3−BH3)の蒸留分離工程(S104)後に得られたクロロシラン類をさらに蒸留分離(S105、S106)して得られた各ガスを原料として用いてエピタキシャル成長させて得られたシリコン結晶の比抵抗値を比較した図(深さ方向マッピング)である。
Example 1 Resistivity of Epitaxial Film FIG. 4 is obtained by further distilling and separating (S105, S106) chlorosilanes obtained after the above-described composite (PH 3 -BH 3 ) distillation separation step (S104). It is the figure (depth direction mapping) which compared the specific resistance value of the silicon crystal obtained by carrying out the epitaxial growth using each obtained gas as a raw material.
試料1A〜1Eは、それぞれ、ステップS105で蒸留分離されたジクロロシラン(1A)、ステップS106で蒸留分離されたジクロロシラン(1B)、ステップS106で蒸留分離されたジクロロシランを更に精密蒸留して得られたジクロロシラン(1C)、ステップS106で蒸留分離されたトリクロロシラン(1D)、ステップS106で蒸留分離されたテトラクロロシラン(1E)を原料として用いてエピタキシャル成長させて得られたシリコン結晶である。尚、エピタキシャル基板には、何れの試料についても、ノンドープ(n型)の比抵抗990Ω−cmのシリコン基板(10mm×5mm、厚さ0.75mm)を使用した。 Samples 1A to 1E were obtained by further subjecting dichlorosilane (1A) distilled and separated in step S105, dichlorosilane (1B) distilled and separated in step S106, and dichlorosilane distilled and separated in step S106 to precision distillation, respectively. Silicon crystals obtained by epitaxial growth using the obtained dichlorosilane (1C), trichlorosilane (1D) distilled and separated in step S106, and tetrachlorosilane (1E) distilled and separated in step S106 as raw materials. As an epitaxial substrate, a non-doped (n-type) silicon substrate having a specific resistance of 990 Ω-cm (10 mm × 5 mm, thickness 0.75 mm) was used for each sample.
エピタキシャル膜の成長には、石英製の透明反応管を使用し、その外側から赤外線ランプの光を集光し加熱させ、サセプタには高純度グラッシーカーボンを使用した。シリコン基板の表面温度は放射温度計でモニタし、1120〜1126℃に制御した。 For the growth of the epitaxial film, a transparent reaction tube made of quartz was used, the light from the infrared lamp was condensed and heated from the outside, and high purity glassy carbon was used for the susceptor. The surface temperature of the silicon substrate was monitored with a radiation thermometer and controlled at 1120 to 1126 ° C.
試料1A(ステップS105で蒸留分離されたジクロロシラン)についてみると、平均比抵抗値は1,152Ω−cm(n型)と比較的低抵抗であり、このことから、PH3−BH3は、トリクロロシランやテトラクロロシランよりも、相対的に低沸点のジクロロシランのフラクション側により高濃度で残存することが分かる。 Looking at sample 1A (dichlorosilane distilled and separated in step S105), the average specific resistance value is relatively low at 1,152 Ω-cm (n-type), and from this, PH 3 -BH 3 is It can be seen that it remains at a higher concentration on the fraction side of dichlorosilane having a relatively low boiling point than trichlorosilane or tetrachlorosilane.
また、基板表面とエピタキシャル膜の界面において、局所的に比抵抗値が高い領域が認められる。この現象は、ジクロロシランに残存するPH3−BH3が源となり、PとBがエピタキシャル膜中に取り込まれ、それぞれがドナーおよびアクセプタとなって補償し合う結果であると考えられる。しかし、エピタキシャル成長を続けると、比抵抗値は1,100Ω−cm程度の一定値を示す。これは、上述したようにPH3−BH3の沸点は低いため、ジクロロシランを充填した容器(10リットル)のバルブを開けた瞬間から気化が始まり徐々に濃度が低下してしまうことによる。 In addition, a region having a high specific resistance value is recognized locally at the interface between the substrate surface and the epitaxial film. This phenomenon is considered to be a result of PH 3 —BH 3 remaining in dichlorosilane being used as a source, P and B being taken into the epitaxial film, and compensating each other as a donor and an acceptor. However, if the epitaxial growth is continued, the specific resistance value shows a constant value of about 1,100 Ω-cm. This is because, since the boiling point of PH 3 -BH 3 is low as described above, vaporization starts from the moment the valve of the container (10 liters) filled with dichlorosilane is opened, and the concentration gradually decreases.
次に、試料1B(ステップS106で蒸留分離されたジクロロシラン)および試料1C(ステップS106で蒸留分離されたジクロロシランを更に精密蒸留して得られたジクロロシラン)についてみると、試料Aよりも高抵抗のものとなっており、試料1Bの平均比抵抗値は1,503Ω−cm(n型)、試料1Cの平均比抵抗値は1,751Ω−cm(n型)である。つまり、蒸留によりジクロロシラン中のPH3−BH3含有量が低減している。 Next, the sample 1B (dichlorosilane obtained by distillation separation in step S106) and the sample 1C (dichlorosilane obtained by further precision distillation of the dichlorosilane obtained by distillation separation in step S106) are higher than the sample A. Sample 1B has an average specific resistance of 1,503 Ω-cm (n-type), and sample 1C has an average specific resistance of 1,751 Ω-cm (n-type). That is, the PH 3 —BH 3 content in dichlorosilane is reduced by distillation.
試料1D(ステップS106で蒸留分離されたトリクロロシラン)および試料1E(ステップS106で蒸留分離されたテトラクロロシラン)についてみると、平均比抵抗値はそれぞれ、7,484Ω−cm(n型)および6,495Ω−cm(n型)であり、高抵抗のエピタキシャルシリコン膜が得られていることが確認できた。 As for sample 1D (trichlorosilane distilled and separated in step S106) and sample 1E (tetrachlorosilane distilled and separated in step S106), the average specific resistance values are 7,484 Ω-cm (n-type) and 6, respectively. It was confirmed that an epitaxial silicon film having a high resistance of 495 Ω-cm (n-type) was obtained.
上記の結果を、表1に纏めた。 The above results are summarized in Table 1.
[実施例2]エピタキシャル膜の比抵抗
表2は、ステップS102後(ステップS103前)のトリクロロシラン、ステップS106後のジクロロシラン、トリクロロシラン、およびテトラクロロシランを原料ガスとして用いてエピタキシャル成長させたシリコン結晶の比抵抗、PおよびB濃度([P]および[B])等の評価結果を纏めた表である。
[Example 2] Specific resistance of epitaxial film Table 2 shows silicon crystals epitaxially grown using trichlorosilane after step S102 (before step S103), dichlorosilane, trichlorosilane, and tetrachlorosilane after step S106 as source gases. It is the table | surface which put together evaluation results, such as specific resistance, P and B density | concentration ([P] and [B]).
トリクロロシランの流通に用いた陰イオン交換樹脂は何れもローム・アンド・ハース社製のものであり、実施例2Aでは弱塩基性(アンバーリストB20)、実施例2Bでは強塩基性(アンバーライトIRA400J)、比較例では強酸性(アンバーライトIR120B)である。 The anion exchange resins used for the distribution of trichlorosilane were all manufactured by Rohm and Haas, and were weakly basic (Amberlyst B20) in Example 2A and strongly basic (Amberlite IRA400J in Example 2B). In the comparative example, it is strongly acidic (Amberlite IR120B).
比抵抗測定は2探針による広がり抵抗測定法による(装置:日本SSM(株)製SSM−150)。また、エピタキシャルシリコン膜中のPとBの濃度は、JISH0615(1996)に則り、フォトルミネッセンス法により定量した。 The specific resistance is measured by a spread resistance measurement method using two probes (apparatus: SSM-150 manufactured by Nippon SSM Co., Ltd.). The concentrations of P and B in the epitaxial silicon film were quantified by a photoluminescence method in accordance with JISH0615 (1996).
蒸留分離工程において、沸点の低いPH3−BH3は、相対的に沸点の低いジクロロシラン側に混ざり易い。一方、沸点の高いPOCl3は、相対的に沸点の高いテトラクロロシラン側に混ざり易い。このため、沸点がジクロロシランとテトラクロロシランの中間となるトリクロロシランにはPとBの不純物が取り込まれ難くなる。 In the distillation separation process, PH 3 —BH 3 having a low boiling point is likely to be mixed on the dichlorosilane side having a relatively low boiling point. On the other hand, POCl 3 having a high boiling point is likely to be mixed with the tetrachlorosilane side having a relatively high boiling point. For this reason, it is difficult for impurities of P and B to be taken into trichlorosilane having a boiling point between dichlorosilane and tetrachlorosilane.
その結果、本発明により精製されたトリクロロシランを原料としてシリコン結晶を育成すると、実施例2A、2Bに示したように、リンの不純物濃度が0.03ppba未満でボロンの不純物濃度が0.01ppba未満といった、十分に純度の高いものを得ることができる。 As a result, when silicon crystals are grown using trichlorosilane purified according to the present invention as a raw material, as shown in Examples 2A and 2B, the impurity concentration of phosphorus is less than 0.03 ppba and the impurity concentration of boron is less than 0.01 ppba. A sufficiently high purity can be obtained.
上述したように、本発明に係るクロロシラン類の精製方法では、精製対象であるトリクロロシランを、不均化反応触媒としての陰イオン交換樹脂に流通させることにより、トリクロロシランに含まれている三塩化リン(PCl3)および三塩化ボロン(BCl3)を不均化せしめてホスフィン(PH3)とボラン(BH3)の複合物(PH3−BH3)を生成させる工程を設けることとした。 As described above, in the method for purifying chlorosilanes according to the present invention, trichlorosilane to be purified is circulated through an anion exchange resin as a disproportionation reaction catalyst, whereby trichlorosilane contained in trichlorosilane is contained. was the provision of the step of generating a phosphorus (PCl 3) and tertiary phosphines, boron chloride (BCl 3) and allowed to disproportionation (PH 3) and composites of borane (BH 3) (PH 3 -BH 3).
そして、上記工程後のクロロシラン類から複合物(PH3−BH3)を蒸留分離することとすれば、精製工程を複雑化することなく、トリクロロシランからリン不純物とボロン不純物を同時に除去することが可能となる。 If the composite (PH 3 -BH 3 ) is distilled and separated from the chlorosilanes after the above steps, phosphorus impurities and boron impurities can be simultaneously removed from trichlorosilane without complicating the purification step. It becomes possible.
本発明は、クロロシラン類留出物中からドナー不純物であるリン(P)およびアクセプタ不純物であるボロン(B)を同時に除去して、精製工程を複雑化することなく、高純度クロロシラン類の製造を可能とする技術を提供する。 In the present invention, phosphorus (P), which is a donor impurity, and boron (B), which is an acceptor impurity, are simultaneously removed from distillates of chlorosilanes, so that high-purity chlorosilanes can be produced without complicating the purification process. Provide the technology that makes it possible.
Claims (3)
前記第1工程後のクロロシラン類から、前記複合物(PH 3 −BH 3 )を蒸留分離して、前記トリクロロシランからリン不純物とボロン不純物を同時に除去する第2工程と、
前記第2工程後のクロロシラン類をさらに蒸留して、精製されたトリクロロシランを分離する第3工程を備えている、クロロシラン類の精製方法。 Phosphorus trichloride (PCl 3) and three-trichlorosilane comprising boron chloride (BCl 3) as an impurity, it is circulated to the anion-exchange resin as a disproportionation reaction catalyst, the phosphorus trichloride (PCl 3) and boron trichloride (BCl 3 ) is disproportionated to form a composite of phosphine (PH 3 ) and borane (BH 3 ) (PH 3 -BH 3 ) having a boiling point between −85 ° C. and −87.5 a first step of producing a
A second step of simultaneously removing phosphorus impurities and boron impurities from the trichlorosilane by distillation separation of the composite (PH 3 -BH 3 ) from the chlorosilanes after the first step ;
A method for purifying chlorosilanes, comprising a third step of further distilling the chlorosilanes after the second step to separate the purified trichlorosilane.
The method for purifying chlorosilanes according to claim 1 , wherein the anion exchange resin is a type I strongly basic anion exchange resin having trimethylammonium as an exchange group.
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