WO2012076139A1 - Verfahren zum zerteilen und/oder zerkleinern von siliziumblöcken, siliziumplatten oder siliziumstäben - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for cutting and / or crushing silicon blocks, silicon plates or silicon rods along a dicing line or crushing line.
- silicon When silicon is melted, both in the semiconductor industry and in the photovoltaic industry, silicon is also used in the form of plates (recycling material) or rods.
- So-called polysilicon which was produced in the Siemens reactor, is obtained in the form of rods with a diameter of 100 to 250 mm and a length of about 2 m.
- the head and foot ends of the round, cylindrical single crystals must be cut off.
- the remaining central rod piece is cut into 200 to 800 mm long sections.
- silicon ingots are produced when cutting the "ingots", which can then be melted down again.
- slurry saws or diamond belt or diamond wire saws are used for the above-described division, the cutting speed of such saws being between 2 and 15 mm / min, so that this separation process is time-consuming.
- the present invention has for its object to provide a method by which silicon blocks, silicon plates or silicon rods can be inexpensively divided and crushed without or, if at all, with small, impurities.
- This object is achieved by a method for cutting and / or crushing silicon blocks, silicon plates or silicon rods along a dicing line or comminution line, which is characterized in that in the region of at least part of the dicing line or the dicing point a concentrated heat input, in particular by thermal radiation , with a heat output of at least 0.5 watts / millimeter in length along the dicing line or crushing line.
- a concentrated heat input is made along the dicing line or the dicing point, without touching the silicon block, the silicon plate or the silicon rod.
- the silicon material is heated in the region of the dicing line or the dicing point. This results in a suitable heating of the silicon material, so that builds up a compressive stress within the material. This compressive stress then increases in the crystal structure of the silicon up to a limit at which a spontaneous break of the crystal structure occurs.
- the breakage formed here is substantially perpendicular to the irradiated silicon surface.
- the heat input can be done in different ways.
- the heat input by means of a laser or a high-power lamp can be done.
- the thermal radiation or heat output, in particular the radiation of a laser can be directed to the dicing line or crushing line in a defined manner. A focus of this radiation in the form of a line-shaped cross-section, which is aligned in the direction of the course of the dicing line or dicing.
- an electron beam is used, or on the dicing line or comminution line, concentrating or focusing induction coils are used to introduce heat.
- An induction coil also offers the advantage that the material part, for example a rod or a tube (but also a plate or a block) can be introduced into such an induction coil, so that a heat input evenly from all sides into the part along the dicing line is reached.
- the heat input can be done by means of a high energy lamp.
- An electron beam could be advantageous if electrically conductive material, for example doped silicon, is to be cut or reduced. But it is also possible to crush undoped material in this way. It is also possible to carry out the heat input by means of a directed microwave radiation.
- the heat input can be from different directions along the dicing line or the dicing location; such a measure should always be applied if the part to be cut or shredded is dimensioned accordingly large.
- Such a heat input can be made from opposite directions, but also from two directions offset by 90 °.
- Figure 1 shows schematically in a cross-sectional view an arrangement with which a silicon plate is divisible
- Figure 2 shows a silicon rod in longitudinal section along its longitudinal axis with a head and a foot.
- the silicon plate designated by the reference numeral 1, which is shown in cross-section in Figure 1, is to be cut along a dicing line 2 perpendicular to the surface.
- heat radiation 4 is directed onto the surface of the silicon plate 1 by a heat source 3.
- the radiant power in the area of the surface should be at least 0.5 W / mm, viewed in the longitudinal direction of the dicing line.
- the heat propagates along the indicated heat affected zone 5 in the direction of the dicing line 2.
- a compressive stress builds up within the material whose size, as a function of the propagation of the heat-affected zone in the direction of the dicing line 2, is indicated by vector arrows 6 of different lengths.
Landscapes
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerteilen und/oder Zerkleinern von Siliziumblöcken, Siliziumplatten (1) oder Siliziumstäben (7) entlang einer Zerteilungslinie (2) oder Zerkleinerungslinie, das dadurch gekennzeichnet ist, dass im Bereich zumindest eines Teils der Zerteilungslinie oder der Zerteilungsstelle ein Wärmeeintrag mit einer Wärmeleistung von mindestens 0,5 W/mm entlang der Zerteilungslinie oder Zerkleinerungslinie erfolgt.
Description
"Verfahren zum Zerteilen und/oder Zerkleinern von Siliziumblöcken, Siliziumplatten oder Siliziumstäben"
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerteilen und/oder Zerkleinern von Siliziumblöcken, Siliziumplatten oder Siliziumstäben entlang einer Zerteilungsli- nie oder Zerkleinerungslinie.
Beim Einschmelzen von Silizium sowohl in der Halbleiterindustrie als auch in der Photovoltaikindustrie wird auch Silizium in Form von Platten (Receyclingmaterial) oder Stäben verwendet.
Sogenanntes Polysilizium, das im Siemensreaktor hergestellt wurde, fällt in Form von Stäben mit einem Durchmesser von 100 bis 250 mm und einer Länge von ca. 2 m an.
Beim Verarbeiten von monokristallinem Silizium in Solar-Wafern müssen von den runden, zylinderförmigen Einkristallen die Kopf- und Fußenden abgeschnitten werden. Zur Verarbeitung zu Wafer wird das verbleibende zentrale Stabstück in 200 bis 800 mm lange Abschnitte zerteilt.
Zusätzlich werden von einem runden Einkristallstab vier Sektoren abgeschnitten, damit ein sogenannter„semi square" Wafer hergestellt werden kann. Die abgeschnittenen Teile stellen hochwertiges Silizium dar, das wieder eingeschmolzen werden kann.
Beim Herstellen von multikristallinem Silizium in der Photovoltaik- Industrie fallen beim Zerteilen der„Ingots" Siliziumplatten an, die wieder eingeschmolzen werden können.
BESTÄTIGUNGSKOPIE
Um einen Schmelztiegel besser beladen zu können, werden diese Platten oder Stäbe für die verschiedenen Zwecke zerschnitten oder in sonstiger Weise zerkleinert.
Für die vorstehend beschriebene Zerteilung werden sogenannte„Slurrysägen" oder Diamantband- bzw. Diamantdrahtsägen eingesetzt. Die Schnittgeschwindigkeit solcher Sägen liegt dabei zwischen 2 und 15 mm/min, so dass dieses Trennverfahren zeitaufwändig ist.
Zusätzlich geht bei Anwendung der Sägeverfahren ein bestimmter Anteil des hochwertigen Materials in Form von Sägespänen verloren.
Grundsätzlich sind die Kosten beim Trennen durch Sägen aufgrund der benötigten Verbrauchsmaterialien und der benötigten Bearbeitungszeit sehr hoch. Für Slurrysägen werden SiC und Glykol benötigt; beim Sägen mit Draht oder auch Sägeblättern sind solche erforderlich, die mit Diamant beschichtet sind.
Ein weiterer Aspekt, der zu beachten ist, ist derjenige, dass durch die vorstehenden Trennverfahren das Silizium aufgrund der eingesetzten Materialien und des Abriebs verunreinigt werden. Von besonderem Nachteil sind hierbei Metallabriebe.
Zum Zerkleinern ist auch der Einsatz von mechanischen Zerkleinerungsapparaten, wie z.B. Backenbrechern, denkbar, allerdings wird auch hier das hochreine Silizium mit Metallen stark verunreinigt, so dass danach ein chemischer Prozess zum Entfernen der Verunreinigungen notwendig wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Siliziumblöcke, Siliziumplatten oder Siliziumstäbe kostengünstig und ohne, wenn überhaupt mit geringen, Verunreinigungen zerteilt oder zerkleinert werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Zerteilen und/oder Zerkleinern von Siliziumblöcken, Siliziumplatten oder Siliziumstäben entlang einer Zerteilungsli- nie oder Zerkleinerungslinie, das dadurch gekennzeichnet ist, dass im Bereich zumindest eines Teils der Zerteilungslinie oder der Zerteilungsstelle ein konzentrierter Wärmeeintrag, insbesondere durch Wärmestrahlung, mit einer Wärmeleistung von
mindestens 0,5 Watt/Millimeter bezogen auf die Länge entlang der Zerteilungslinie oder Zerkleinerungslinie erfolgt. Bei diesem Verfahren wird entlang der Zerteilungslinie oder der Zerteilungsstelle ein konzentrierter Wärmeeintrag vorgenommen, ohne dass hierbei der Siliziumblock, die Siliziumplatte oder der Siliziumstab berührt wird. Es hat sich gezeigt, dass bei einer Wärmeleistung von mindestens 0,5 W/mm, vorzugsweise mit 20 W/mm oder höher, im Bereich der Zerteilungslinie oder der Zerteilungsstelle eine Erwärmung des Siliziummaterials erfolgt. Hierdurch ergibt sich eine geeignete Aufheizung des Siliziummaterials, so dass sich innerhalb des Materials eine Druckspannung aufbaut. Diese Druckspannung erhöht sich dann in dem Kri- stallgefüge des Siliziums bis zu einem Grenzwert, bei dem ein spontaner Bruch des Kristallgefüges auftritt. Die Bruchstelle, die hierbei gebildet wird, verläuft im Wesentlichen senkrecht zu der bestrahlten Siliziumoberfläche.
Der Wärmeeintrag kann auf verschiedene Arten erfolgen. Beispielsweise kann der Wärmeeintrag mittels eines Lasers oder einer Hochleistungslampe erfolgen. Die Wärmestrahlung bzw. Wärmeleistung, insbesondere die Strahlung eines Lasers, kann definiert auf die Zerteilungslinie oder Zerkleinerungslinie gerichtet werden. Bevorzugt ist eine Fokussierung dieser Strahlung in Form eines linienförmigen Querschnitts, der in Richtung des Verlaufs der Zerteilungslinie oder Zerteilungsstelle ausgerichtet wird.
Bei Silizium wird vorzugsweise ein Elektronenstrahl eingesetzt oder auf die Zerteilungslinie oder Zerkleinerungslinie werden konzentrierende oder fokussierende Induktionsspulen zur Wärmeeinbringung genutzt. Eine Induktionsspule bietet darüber hinaus den Vorteil, dass das Materialteil, beispielsweise ein Stab oder ein Rohr (aber auch eine Platte oder ein Block), in eine solche Induktionsspule eingebracht werden kann, so dass ein Wärmeeintrag gleichmäßig von allen Seiten in das Teil entlang der Zerteilungslinie erreicht wird.
Auch kann der Wärmeeintrag mittels einer Hochenergielampe erfolgen.
Ein Elektronenstrahl könnte dann von Vorteil sein, wenn elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise dotiertes Silizium, zerteilt oder verkleinert werden soll. Es ist aber auch möglich, auf diese Weise undotiertes Material zu zerkleinern.
Es ist auch möglich, den Wärmeeintrag mittels einer gerichteten Mikrowellen- Strahlung vorzunehmen.
Der Wärmeeintrag kann aus verschiedenen Richtungen entlang der Zerteilungslinie oder der Zerteilungsstelle erfolgen; eine solche Maßnahme sollte immer dann angewandt werden, wenn das zu zerteilende oder zu zerkleinernde Teil entsprechend groß dimensioniert ist.
Ein solcher Wärmeeintrag kann aus gegenüberliegenden Richtungen erfolgen, aber auch aus zwei um 90° versetzten Richtungen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer entsprechenden Vorrichtung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen ersichtlich. In der Zeichnung zeigt
Figur 1 schematisch in einer Querschnittsdarstellung eine Anordnung, mit der eine Siliziumplatte zerteilbar ist, und
Figur 2 einen Siliziumstab im Längsschnitt entlang dessen Längsachse mit einem Kopf- und einem Fußende.
Die Siliziumplatte, mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, die im Querschnitt in Figur 1 dargestellt ist, soll entlang einer Zerteilungslinie 2 senkrecht zur Oberfläche zerteilt werden. Hierzu wird von einer Wärmequelle 3 Wärmestrahlung 4 auf die Oberfläche der Siliziumplatte 1 gerichtet. Die Strahlungsleistung im Bereich der Oberfläche sollte mindestens 0,5 W/mm, in Längsrichtung der Zerteilungslinie gesehen, betragen. Die Wärme breitet sich entlang der angedeuteten Wärmeeinflusszone 5 in Richtung der Zerteilungslinie 2 aus. Hierdurch baut sich innerhalb des Materials eine Druckspannung auf, deren Größe, in Abhängigkeit von der Ausbreitung der Wärmeeinflusszone in Richtung der Zerteilungslinie 2, durch unterschiedlich lange Vektorpfeile 6 angegeben ist. Durch diese sich aufbauende Druckspannung innerhalb des Materials werden Spannungen erreicht, die dann dazu führen, dass das Siliziummaterial entlang der Zerteilungslinie 2 bricht. Versuche haben gezeigt, dass die Bruchlinien der geteilten Siliziumplatten entlang der Wärmeeinflusszone verlaufen.
Das vorstehend anhand der Figur 1 beschriebene Verfahren wird vorzugsweise auch dazu verwendet, an Stäben aus Siliziumeinkristallen oder Polysiliziumkristallstäben die beiden Enden abzutrennen. Ein solcher Siliziumeinkristall 7 ist in Figur 2 gezeigt. Im Ausgangszustand weist dieser Siliziumeinkristall 7, fertigungsbedingt, einen Kopf 8 und einen Fuß 9 auf. Um sowohl den Kopf 8 als auch den Fuß 9 von dem mittleren, rohrförmigen Teil abzutrennen, wird Wärmestrahlung in Richtung der beiden Pfeile 10 auf die Oberfläche des Siliziumeinkristalls gerichtet.
Claims
1. Verfahren zum Zerteilen und/oder Zerkleinern von Siliziumblöcken, Siliziumplatten oder Siliziumstäben entlang einer Zerteilungslinie oder Zerkleinerungslinie, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zumindest eines Teils der Zerteilungslinie oder der Zerteilungsstelle ein Wärmeeintrag mit einer Wärmeleistung von mindestens 0,5 W/mm entlang der Zerteilungslinie oder Zerkleinerungslinie erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag mittels eines Lasers erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag mittels einer Hochenergielampe erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag mittels eines Elektronenstrahls erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag mittels einer Induktionsspule erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag mittels einer gerichteten Mikrowellen-Strahlung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag aus verschiedenen Richtungen entlang der Zerteilungslinie oder der Zerteilungsstelle erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag aus gegenüber liegenden Richtungen erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag aus zwei zueinander um 90° versetzten Richtungen erfolgt.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE201010053712 DE102010053712A1 (de) | 2010-12-07 | 2010-12-07 | Verfahren zum Zerteilen und/oder Zerkleinern von Siliziumblöcken, Siliziumplatten oder Siliziumstäben |
| DE102010053712.8 | 2010-12-07 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=45418600
Family Applications (1)
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Country Status (2)
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Citations (2)
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| DD248544A1 (de) * | 1986-05-02 | 1987-08-12 | Freiberg Spurenmetalle Veb | Verfahren zum trennen von halbleitereinkristallen |
| EP0448168A1 (de) * | 1990-03-21 | 1991-09-25 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Verfahren zum Spalten einer spröden Platte sowie Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens |
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2010
- 2010-12-07 DE DE201010053712 patent/DE102010053712A1/de not_active Withdrawn
-
2011
- 2011-12-05 WO PCT/EP2011/006074 patent/WO2012076139A1/de not_active Ceased
Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| IKEDA T ET AL: "WATER-JET-GUIDED LASER PROCESSING FOR WAFER", WELDING IN THE WORLD, ELSEVIER / INTERNATIONAL INSTITUTE OF WELDING, ROISSY, FR, vol. 47, no. 1/02, 1 January 2003 (2003-01-01), pages 3 - 06, XP001167890, ISSN: 0043-2288 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102010053712A1 (de) | 2012-06-21 |
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