DE102011004916A1

DE102011004916A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Trocknen von Polysilicium

Info

Publication number: DE102011004916A1
Application number: DE102011004916A
Authority: DE
Inventors: Dr. Wochner Hanns
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: DE102011004916B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trocknen von Polysilicium, umfassend eine Prozessschale geeignet zum Aufnehmen von Polysilicium, eine perforierte Luftzerteilungsplatte, die über der Prozessschale angeordnet ist, einen Filter sowie eine Luftzuführung. Verfahren zum Trocknen von Polysilicium, wobei ein Luftstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 bis 3 m/s und einer Temperatur von 20 bis 100°C durch einen Filter geführt wird, anschließend eine perforierte Luftzerteilungsplatte passiert und dann auf eine Prozessschale enthaltend Polysilicium gerichtet wird, um dieses zu trocknen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Trocknen von Polysilicium.
Polykristallines Silicium, kurz Polysilicium, wird heute in großen Mengen industriell hergestellt und dient unter anderem als Rohstoff für Anwendungen in der Photovoltaik und für die Herstellungen von Einkristallen bei Waferherstellern. Bei allen Anwendungen wird eine hohe Reinheit des Rohstoffes gewünscht.
Hochreines Silicium erhält man üblicherweise durch thermische Zersetzung leicht flüchtiger und deshalb einfach über Destillationsverfahren zu reinigender Siliciumverbindungen, wie z. B. Trichlorsilan. Das Silicium wird dabei polykristallin in Form von Stäben mit typischen Durchmessern von 70 bis 300 mm und Längen von 500 bis 2500 mm abgeschieden.
Ein wesentlicher Teil dieser polykristallinen Stäbe wird anschließend mittels Tiegelziehen (Czochralski- oder CZ-Verfahren) zu Einkristallen weiterverarbeitet oder zur Herstellung von polykristallinem Grundmaterial für die Photovoltaik verwendet. In beiden Fällen wird hochreines, schmelzflüssiges Silicium benötigt. Dazu wird festes Silicium in Tiegeln aufgeschmolzen.
Dabei werden die polykristallinen Stäbe vor dem Aufschmelzen zerkleinert, üblicherweise mittels metallischen Brechwerkzeugen, wie Backen- oder Walzenbrechern, Hämmern oder Meißeln.
Beim Zerkleinern wird das hochreine Silicium aber mit Fremdatomen kontaminiert. Dabei handelt es sich insbesondere um Metalicarbid- oder Diamantrückstände sowie um metallische Verunreinigungen.
Daher wird Siliciumbruch für höherwertige Anwendungen wie z. B. für das Einkristallziehen vor der Weiterverarbeitung und/oder der Verpackung meist gereinigt. Dies geschieht üblicherweise in einem oder mehreren chemischen Nassreinigungsschritten.
Dabei kommen Mischungen aus verschiedenen Chemikalien und/oder Säuren zum Einsatz, um insbesondere anhaftende Fremdatome wieder von der Oberfläche zu entfernen.
EP 0 905 796 B1 beansprucht ein Verfahren zur Herstellung von Silicium, das eine niedrige Metallkonzentration aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Silicium in einer Vorreinigung in zumindest einer Stufe mit einer oxidierenden Reinigungslösung gewaschen wird, die die Verbindungen Flurwasserstoffsäure (HF), Chlorwasserstoffsäure (HCl) und Wasserstoffperoxid (H₂O₂) enthält und in einer Hauptreinigung in einer weiteren Stufe mit einer Reinigungslösung gewaschen wird, die Salpetersäure (HNO₃) und Fluorwasserstoffsäure (HF) enthält, und zur Hydrophilierung in einer weiteren Stufe mit einer oxidierenden Reinigungslösung gewaschen wird.
Silicium ist sehr spröde. Daher entsteht durch den Bruchvorgang ein scharfkantiges, zerklüftetes Halbleiterbruchmaterial mit einer Vielzahl feiner Haarrisse, die sich bis in cm-Bereich unter der Oberfläche ausgebreitet haben. Insbesondere in diesen Rissen bildet sich aufgrund der Kapillarwirkung Restfeuchtigkeit (Wasser-, Säurereste), die im Nachhinein zu Verunreinigung (Flecken) d. h. zu Ausschussmaterial oder gar zu Verätzungen führen kann.
Um die hohen Qualitätsanforderungen, die ständig verschärft werden, zu erfüllen, ist eine einwandfreie Trocknung, d. h. säure- und fleckenfreies Halbleiterbruchmaterial, zwingend notwendig.
Die herkömmliche Konvektionstrocknung (das Trocknungsgut wird mit Reinstluft überströmt bzw. durchströmt) bringt nicht den erhofften Erfolg in einer angemessener Zeitspanne, was u. a. an der Färbung von Lackmus-Papier erkennbar ist, es sei denn, dass aufwendige, voluminöse und damit kostspielige Einrichtungen errichtet werden, oder das Gut lagert für einen längeren Zeitraum unverpackt ”im Freien”, wobei das Risiko der verstärkten Staubkontamination sehr hoch ist. Ein weiterer Nachteil der Konvektionstrocknung besteht darin, dass Feuchtigkeit in den feinsten Haarrissen verbleibt und so die Gefahr der nachträglichen Fleckenbildung/Staubbelastung erhöht wird.
Grundsätzlich kann für die Trocknung von Polysiliciumbruch auch eine Strahlungstrocknung z. B. auf der Basis von Infrarotlicht verwendet werden. Bei Experimenten zeigt sich dass vorrangig die obersten Schichten getrocknet werden. Bei der Strahlungstrocknung wird vorrangig die obere Schicht erwärmt, so dass Flächen auf der ”Schattenseite” des Halbleiterbruchmaterials bzw. bei Schüttungen tiefer liegende Schichten nicht ausreichend erfasst werden. Des Weiteren ist eine Säureentfernung aus den Haarrissen nicht einwandfrei gegebenen. Dies führt ebenfalls zur Fleckenbildung, das heißt zu Ausschussmaterial. Außerdem zeigte sich dass die Temperatureinstellung relativ schwierig ist; es kommt häufig zu Überhitzungen. Im schlimmsten Fall kann der Trockner (üblicherweise aus Kunststoff) sogar anfangen zu brennen.
Analoges gilt für die Trocknung mit Hilfe von Mikrowellen. Auch hier muss, aufgrund der Erwärmung des Materials, mit der Eindiffusion von schädlichen Metallionen, d. h. mit Ausschussmaterial gerechnet werden. Bei der Mikrowellentrocknung zeigte sich, dass die Mikrowelle am Silicium ankoppelt und nach ca. 20 Sekunden das Silicium sich bis zur Rotglut erhitzt hat. Ein solches Verfahren ist aus Sicherheitsgründen zum Trocknen von chemisch gereinigtem Polybruch nicht geeignet. Zusätzlich zeigte sich, dass mit der Mikrowellen – wie bei der Strahlungstrocknung üblicherweise nur die obersten Schichten getrocknet werden.
Auch die Trommeltrocknung ist nicht praktikabel, da durch die Bewegung des Stückgutes einerseits zwischen Halbleiterbruchmaterial und Prozesstrommel bzw. andererseits zwischen den Halbleiterbruchstücken selber nachhaltig Trommelabrieb bzw. Halbleiter-Feinbruch/-Staub entsteht, wodurch der nachfolgende Kristallziehprozess stark beeinträchtigt wird (hohe Versetzungsrate) und ebenfalls zu Ausschussmaterial führt.
EP 0 924 487 A2 offenbart eine Vorrichtung zum Trocknen von Halbleiterbruchmaterial, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung zumindest eine vakuumdichte Vorrichtung mit zumindest einer Aufnahmevorrichtung für Halbleiterbruchmaterial aufweist und dass in der Vorrichtung ein Vakuum herrschen kann.
Bei der Vakuumtrocknung besteht grundsätzlich das Risiko dass durch die Verdunstung sich der Polybruch bis unter 0 Grad abkühlt und sich damit Eis bildet. Zum Verdampfen größerer Wassermengen aus einem Schüttgut ist die Vakuumtrocknung weniger geeignet.
Aus der beschriebenen Problematik ergab sich die Aufgabenstellung der Erfindung.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch Vorrichtung zum Trocknen von Polysilicium, umfassend eine Prozessschale geeignet zum Aufnehmen von Polysilicium, eine perforierte Luftzerteilungsplatte, die über der Prozessschale angeordnet ist, einen Filter sowie eine Luftzuführung.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Ummantelung aus Kunststoff, ganz besonders bevorzugt aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Perfluoralkoxylalkan (PFA).
PTFE ist auch unter dem Markennamen Teflon^® der Fa. DuPont bekannt.
Vorzugsweise ist die perforierte Luftzerteilungsplatte in einem Abstand von 0,1 mm bis 50 cm oberhalb der Prozessschale angeordnet.
Die Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Trocknen von Polysilicium, wobei ein Luftstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 bis 3 m/s und einer Temperatur von 20 bis 100°C durch einen Filter geführt wird, anschließend eine perforierte Luftzerteilungsplatte passiert und dann auf eine Prozessschale enthaltend Polysilicium gerichtet wird, um dieses zu trocknen.
Vorzugsweise handelt es sich beim Filter um einen Reinstfilter der Reinraumklasse 100 oder besser (nach US FED STD 209E, abgelöst durch ISO 14644-1), z. B. mit Reinraumklasse 100. Bei Klasse 100 (ISO 5) dürfen max. 3,5 Partikel von max. 0,5 μm Durchmesser pro Liter enthalten sein.
Der Filter darf unter keinen Umständen aus Glasfaser bestehen, zumal diese bis zu 11 Gew.-% Bor enthält.
Vorzugsweise umfassen die Filter PTFE.
Vorzugsweise umfasst der Filter eine Membran enthaltend PTFE.
Wesentlich für das Gelingen der Erfindung ist der Einbau einer Luftzerteilungsplatte in einen Luftstrom einer Temperatur von 20 bis 100°C.
Dadurch lassen sich die Trocknungszeiten, die Zahl der Trocknerstationen und damit die Trocknerlänge deutlich reduzieren, wie später gezeugt wird.
Taktzeit entspricht der Trocknungszeit pro Trocknungsstation.
Die Strömungsgeschwindigkeit im Trockner liegt besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 0,9 m/s.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Vorfilter aus Kunststoffmatten ohne Glasfaseranteil.
Die perforierte Luftzerteilungsplatte ist vorzugsweise in einem Abstand von 2 bis 10 cm oberhalb der Prozessschale angebracht.
Die Luftzerteilungsplatte umfasst vorzugweise Löcher mit einem Durchmesser von 2 bis 20 mm, besonders bevorzugt 5 bis 15 mm und ganz besonders bevorzugt 8 bis 12 mm.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung mehrere Prozessschalen, vorzugsweise 2 bis 6 Prozessschalen.
Vorzugsweise wird der zu trocknende Polysiliciumbruch vor der erfindungsgemäßen Trocknung einer chemischen Reinigung gemäß EP 0 905 796 B1 unterzogen.
Nach der chemischen Reinigung erfolgen ein Spülen mit Reinstwasser und anschließend ein Trocknen des Polysiliciums. getrocknet werden.
Vorzugsweise wird der Polysiliciumbruch vor dem Versand in 5 kg oder 10 kg Beuteln verpackt.
Das Verpacken erfolgt vorzugsweise über ein automatisches Abfüllsystem, beispielsweise unter Verwendung einer Siliciumrutsche.
Vorzugsweise werden beim erfindungsgemäßen Verfahren 5 kg oder 10 kg an Polysiliciumbruch getrocknet.
Der Mindestdurchsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt vorzugsweise wenigstens 500 kg pro Stunde.
Die Oberfläche des erfindungsgemäß getrockneten Polysiliciums weist vorzugsweise einen Dotierstoff- und Metallgehalt von weniger als 10¹¹ cm² auf.
Die Trocknungszeit beträgt vorzugsweise unabhängig von der Verteilung der Bruchgrößen weniger als 1 Stunde.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht einen Batchbetrieb mit einer 5 kg Prozessschale. Dies ist bei herkömmlichen Trocknern nicht der Fall, was nachteilig ist.
Zwischen Luftzerteilungsplatte und Prozessschale mit Polysilicium besteht ein bestimmter Abstand. Dies hat den Vorteil, dass kein Kunststoffabrieb erfolgen kann, was bei herkömmlichen Trocknern der Fall sein kann und nachteilig wäre.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt sich ein besserer Trocknungseffekt, was sich durch eine Vergrößerung der Turbulenzen oberhalb des Schüttguts erklären lässt. Turbulente Strömungen transportieren mehr Feuchtigkeit ab als laminare Strömungen.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bezugszeichenliste

1: Luftzerteilungsplatte
2: Prozessschale mit Polysiliciumbruch
3: Luftzuführung
4: Teflonfilter
5: Vorfilter
6: Abluft

1 zeigt die erfindungsgemäß im Trockner vorgesehene Luftzerteilungsplatte. Dies ist über der Prozessschale 2 angeordnet.
In der Prozessschale 2 befindet sich während des Betriebs Polysilicium in Form von Bruchstücken.
4 zeigt einen Filter, bevorzugt einen Teflonfilter, der die über Luftzuführung 3 zugeführte Luft filtert.
6 zeigt ein Element zum Abführen von Abluft.
5 zeigt einen Vorfilter, der gegebenenfalls die Luft filtert, bevor sie über Luftzuführung 3 und Filter 4 über Luftzerteilungsplatte 1 auf die Prozessschale 2 mit dem zu trocknenden Polysilicium geführt wird.
Vergleichsbeispiel
Im Vergleichsbeispiel wurden Versuche mit Vorrichtungen ohne Verwendung einer Luftzerteilungsplatte durchgeführt. Das Polysilicium befindet sich auf einer Prozessschale, während warme Reinstluft zur Prozessschale geströmt wird.
Bei einer Trocknungstemperatur von 90°c und einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,8 m/s ergeben sich die in Tabelle 1 dargestellten Trocknungszeiten. Diese sind in die Bruchgrößen 1 bis 5 unterteilt, die durch unterschiedliche mittlere Kantenlängen der Silicium-Bruchstücke definiert sind. Tabelle 1

Bruchgröße Mittlere Kantenlänge in mm Trocknungszeit in Minuten

5 130 25

4 70 35

3 30 45

2 6 70

1 2 120
Auf der Basis der ermittelten Trocknungszeiten für die einzelnen Bruchgrößen und dem gewünschten Durchsatz pro Stunde kann die Anzahl der Trocknerstationen, die Taktzeit und die Trocknerlänge berechnet werden. Zur Berechnung wird Bruchgröße 1 herangezogen, die – wie Tabelle 1 zu entnehmen ist – die längste Trocknungszeit erfordert.
Tabelle 2 zeigt die benötigte Anzahl an hintereinander angeordneten Trocknungsstationen in Abhängigkeit vom gewünschten Durchsatz in kg pro Stunde. Ebenefalls dargestellt sind Taktzeit in Minuten und Trocknerlänge. Tabelle 2

Durchsatz in kg/Stunde Anzahl der Stationen Taktzeit in Minuten Trocknerlänge in m

500 25 4,8 7,5

750 38 3 11,25

1000 50 2,4 15
Die Ergebnisse zeigen, dass für einen akzeptablen Durchsatz von 1000 kg/Stunde sich ein relativ großer Trockner mit einer Länge von ca. 15 m errechnet.
Beispiel
Im Beispiel wurden Versuche mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen unter Verwendung einer Luftzerteilungsplatte durchgeführt.
Bei einer Trocknungstemperatur von 85°c und einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,6 m/s ergeben sich die in Tabelle 3 für das Beispiel dargestellten Trocknungszeiten in Abhängigkeit von der Bruchgröße. Zum Vergleich sind die Werte des Vergleichsbeispiels aus Tabelle 1 ebenfalls aufgeführt. Tabelle 3

Bruchgröße Trocknungszeit in Minuten Vergleichsbeispiel Trocknungszeit in Minuten Beispiel Mittlere Kantenlänge in mm

5 25 3 130

4 35 4 70

3 45 6 30

2 70 8 6

1 120 30 2
Es zeigt sich, dass bei Verwendung einer Luftzerteilungsplätte die Trocknungszeiten für alle Bruchgrößen wenigstens um 75% niedriger sind.
Bei 5 kg Portionen und folgenden Bedingungen folgende Anzahl an Trocknungsstationen die für das Trocknen von Bruchgröße 1 notwendig sind:
Jede Trocknerstation umfasst 4 Prozessschalen zu je 5 kg.
Tabelle 4 zeigt Durchsatz, Anzahl der Trocknerstationen, Taktzeit sowie Trocknerlänge für den Fall, dass keine Luftzerteilungsplatte verwendet wird. Tabelle 4 Vergleichsbeispiel – Ohne Luftzerteilungsplatte

Durchsatz in kg/Stunde Anzahl der Stationen Taktzeit in Minuten Trocknerlänge in m

500 25 4,8 7,5

750 38 3 11,25

1000 50 2,4 15
Tabelle 5 zeigt Durchsatz, Anzahl der Trocknerstationen, Taktzeit sowie Trocknerlänge für den Fall, dass eine Luftzerteilungsplatte verwendet wird. Tabelle 5 Beispiel – Mit Luftzerteilungsplatte.

Durchsatz in kg/Stunde Anzahl der Stationen Taktzeit in Minuten Trocknerlänge in m

500 8 4,8 2

750 10 3 2,5

1000 25 2,4 4
Dies zeigt einen weiteren überraschenden Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sie ermöglicht eine deutlich kompaktere Bauweise der Trocknerstationen, obwohl mit der Luftzerteilungsplatte zunächst ein zusätzliches Element vorgesehen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0905796 B1 [0009, 0036]
EP 0924487 A2 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 14644-1 [0024]
ISO 5 [0024]

Claims

Vorrichtung zum Trocknen von Polysilicium, umfassend eine Prozessschale geeignet zum Aufnehmen von Polysilicium, eine perforierte Luftzerteilungsplatte, die über der Prozessschale angeordnet ist, einen Filter sowie eine Luftzuführung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die mit Kunststoff ummantelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, wobei die perforierte Luftzerteilungsplatte in einem Abstand von 0,1 mm bis 50 cm oberhalb der Prozessschale angeordnet ist.
Verfahren zum Trocknen von Polysilicium, wobei ein Luftstrom mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 bis 3 m/s und einer Temperatur von 20 bis 100°C durch einen Filter geführt wird, anschließend eine perforierte Luftzerteilungsplatte passiert und dann auf eine Prozessschale enthaltend Polysilicium gerichtet wird, um dieses zu trocknen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Filter eine Membran enthaltend Polytetrafluorethylen umfasst.