DE102011004916B4

DE102011004916B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Trocknen von Polysilicium

Info

Publication number: DE102011004916B4
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: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: DE102011004916A1

Abstract

Vorrichtung zum Trocknen von Polysilicium, umfassend wenigstens eine Prozessschale geeignet zum Aufnehmen von Polysilicium, eine perforierte Luftzerteilungsplatte, die über der Prozessschale angeordnet ist und eine turbulente Luftströmung oberhalb des Polysiliciums erzeugt, einen über der perforierten Luftzerteilungsplatte angeordneten Filter sowie eine Luftzuführung.

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 Metallcarbid- 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.
US 5 133 136 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen von Gegenständen, wobei über den Gegenständen eine Platte mit Lufteingangsöffnungen angeordnet ist. Dadurch soll ein gleichmäßiger Luftstrom gewährleistet werden.
EP 1 067 061 A1 offenbart einen Behälter zur Aufbewahrung von Halbleitermaterialien, wobei die zirkulierende Luft mittels eines PTFE-Filters rein gehalten wird und eine Diffusorplatte eine gleichmäßige Anströmung der aufbewahrten Gegenstände sicherstellt.
US 5 454 756 A offenbart eine Reinraumlüftungsanlage mit einer Diffusorscheibe an einer Deckenkonstruktion, mit einem Filterelement, das oberhalb der Platte angeordnet ist.
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 wenigstens eine Prozessschale geeignet zum Aufnehmen von Polysilicium, eine perforierte Luftzerteilungsplatte, die über der Prozessschale angeordnet ist und eine turbulente Luftströmung oberhalb des Polysiliciums erzeugt, einen über der perforierten Luftzerteilungsplatte angeordneten 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, die eine turbulente Luftströmung oberhalb des Polysiliciums erzeugt, und dann auf wenigstens 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.

Claims

Vorrichtung zum Trocknen von Polysilicium, umfassend wenigstens eine Prozessschale geeignet zum Aufnehmen von Polysilicium, eine perforierte Luftzerteilungsplatte, die über der Prozessschale angeordnet ist und eine turbulente Luftströmung oberhalb des Polysiliciums erzeugt, einen über der perforierten Luftzerteilungsplatte angeordneten Filter sowie eine Luftzuführung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend eine Ummantelung mit Kunststoff.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, wobei die perforierte Luftzerteilungsplatte Löcher mit einem Durchmesser von 2 bis 20 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die perforierte Luftzerteilungsplatte in einem Abstand von 0,1 mm bis 50 cm oberhalb der Prozessschale angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Filter eine Membran enthaltend Polytetrafluorethylen umfasst.
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, die eine turbulente Luftströmung oberhalb des Polysiliciums erzeugt, und dann auf wenigstens eine Prozessschale enthaltend Polysilicium gerichtet wird, um dieses zu trocknen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Filter eine Membran enthaltend Polytetrafluorethylen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6 oder nach Anspruch 7, umfassend eine Ummantelung mit Kunststoff.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die perforierte Luftzerteilungsplatte Löcher mit einem Durchmesser von 2 bis 20 mm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die perforierte Luftzerteilungsplatte in einem Abstand von 0,1 mm bis 50 cm oberhalb der Prozessschale angeordnet ist.