CN102555087A - 生产细硅棒的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生产细硅棒的方法与装置。该方法包括以下步骤：a)提供硅棒；b)接着，采用锯装置从棒切割具有特定厚度的板，其中，在两个连续切割之间分别绕轴线旋转棒90°或180°，使得在四个连续切割中，四个切割中的两个分别成对地在棒的径向相对侧进行，或其中板的切割同时一起在棒的径向相对侧进行；c)将切割的板锯切成具有矩形横截面的细棒。从硅棒通过锯来生产细棒的装置包含：第一单元，包括多重切割工具和用于冷却切割工具的冷却液；第二单元，包括用于引导附加的冷却液进入要加工的工件的切缝的喷嘴，以及第三单元，包括带锯或线锯或包含一个或多个转轴的切割工具。

Description

生产细硅棒的方法与装置
技术领域
本发明涉及一种生产细硅棒的方法与装置。
背景技术
细硅棒被用于沉积多晶硅。
多晶硅(简称多晶硅(polysilicon))作为原料用于生产单晶硅，使用坩埚提拉法(提拉法或CZ法)或区熔法(悬浮区熔法或FZ法)。该单晶硅被切割为晶片，并且经过多重的机械、化学以及化学-机械加工操作后，被用于半导体工业来生产电子元件(芯片)。
尤其地，然而，采用提拉法或熔铸法生产单晶或多晶硅使得对多晶硅的需求呈增加的程度，这种单晶或多晶硅被用来生产光电太阳能电池。
多晶硅，通常简称为多晶硅(polysilicon)，传统的生产方法为西门子法。该种情况下，在钟形反应器(“西门子反应器”)中通入直流电来加热硅的细棒，并且引入包括含硅组分和氢气的反应气。
作为含硅组分，例如硅卤素化合物，如硅氯化合物，尤其地，氯硅烷是合适的。将含硅组分与氢气一起引入反应器中。在高于1000℃的温度下，硅沉积到细棒上。这样最终产生多晶硅构成的棒。DE1105396描述了西门子法的基本原理。
关于细棒的生产，从DE1177119中得知，在硅制的支撑体上沉积硅，然后分离其中的一部分并反过来使用该分离部分作为支撑体来沉积硅。分离的进行可为机械法进行，例如使用锯，或使用液体射流的电解法。在纵向上进行机械分离。剖面可以沿硅棒的几何轴线彼此呈一定角度。还提出也可以采用沿平行于硅棒的轴线向延伸的平行引导切割，来切成带或条，所述带或条作为新沉积工艺中的支撑。这样的平行切割可在单个工作步骤中同时完成。
US2010/0077897A1披露了一种生产细棒的装置，其中可首先将硅棒沿其轴线分离为多重片或板，随后再次沿轴线方向切这些片或板以便减小它们的厚度。该装置也提供了多重的水平设置的锯片，以使得可在一个工作步骤中分离多重的这些板或片。其基本方面是：当锯切板时，在锯切期间通过将其固定在台上并在末端支撑它们来避免弯曲和破坏。
因此，采用各种锯切或切割方法，由预先使用西门子法制备的硅棒来生产细棒为已知的。
传统上，由于适应经济原因，对西门子法中沉积多晶硅的工艺条件进行调整以便获得尽可能高的沉积率。
这种情况下，那么生产了直径大的多晶硅棒，例如大于100mm。然而，这样的棒具有高的热应力，热应力会在进一步机械加工中引起问题。
传统锯切和切割法中不合适的处理方式，可能破坏棒。生产的细棒是变形的，在这种情况下，它们将不适于随后的西门子法中使用。
现有技术中，用于从直径大的、具有明显热应力的多晶硅棒来生产细棒的已知方法，会导致在切割工件或要切割的多晶硅棒中产生破裂。不属于引人瞩目的情况：常常发生的位错同样也是惹人讨厌且因而应该避免的。
WO2010/039570A2描述了可采用热处理方法(退火处理)，来再次除去在西门子法中生产多晶硅棒过程中产生的应力。通过这种途径可成功消除沉积过程中产生的应力，从而采用现有技术中已知的传统锯切和切割法便于将棒进一步加工来生产细棒。
然而，这种方法的缺陷在于，为了准备将切割制成细棒的棒，在能源方面和附加设备上必须支出很大的费用。
另外，退火处理棒时，将造成表面杂质散布进入材料主体并因而污染最终产品的风险。为避免这种情况，直接在退火步骤前附加的清洁步骤(如刻蚀步骤)将是必要的，但这将意味着进一步很大的附加支出。
DE10019601B4描述了一种方法，其中向纵轴线上横切具有热应力的多晶硅棒，这种方法下没有位错或裂纹的产生。此种情况下，用切割工具从外面向长边切割棒时，棒沿它们自己的纵轴线旋转。这种情况下，生产的不是细棒，而是FZ的起始棒或CZ的再加工棒。
发明内容
因此，本发明的目的是避免由硅棒中的热应力引起的细棒生产中的上述缺陷，而不必求助于繁杂的热处理。
该目的通过一种生产细硅棒的方法实现，该方法包括以下步骤：a)提供硅棒；b)接着，采用锯装置从棒切割具有特定厚度的板(slabs)，其中，两个连续切割之间，分别绕轴线旋转棒90°或180°，使得在四个连续切割中，该四个切割中的两个分别成对地在棒的径向相对侧(radiallyopposite sides)进行，或其中板的切割同时一起在棒的径向相对侧进行；c)将切割的板锯切为具有矩形横截面的细棒。
该目的通过另一种生产细硅棒的方法能实现，该方法包括步骤：a)提供硅棒；b)采用第一锯装置在棒的总长度上产生多重垂直切割(切口)，其中各个切割(切口)相互分离的，其中，按照要生产的具有矩形横截面的细棒的所需边长，来形成的切割(切口)的间隔和切割深度；c)采用第二锯装置在棒的纵轴线方向上产生水平切割(切口)，从而从棒中分离出具有矩形横截面的细棒；相继地连续多次进行步骤b)和c)，根据步骤c)，在两个连续切割之间棒分别绕轴线旋转90°或180°，使得根据步骤c)的四个连续切割中，所述四个切割的两个分别成对地在棒的径向相对侧进行。
根据本发明涉及的两种方法都尤其合适于直径大于100mm的单晶或多晶硅棒。
这种情况下，棒会具有很大的热应力，但采用两种方法仍可以被进一步加工形成细棒。优选地，这样的棒在根据本发明方法中使用并送到切割工艺中。
两种方法区别在于，根据本发明的第一种方法中，由棒交替性地切割成板，接着锯切该板形成细棒，而在根据本发明的第二种方法中，首先在棒中形成相互独立的齿状物(indentation)，从而通过水平切割(其对应于根据本发明第一种方法中板的切割)就已经制备了最终的细棒。
本发明第一种方法的描述
首先提供硅棒。优选是多晶硅棒，可以是采用例如西门子法沉积生产。
接着，从该棒切割特定厚度的板。这些棒的厚度优选是对应于所生产的具有矩形(优选正方形)横截面的细棒的一个边长。
本发明的关键为，两个连续切割之间，分别绕轴线90°或180°旋转棒，从而四个连续切割中，所述四个切割中的两个分别成对在棒的径向相对侧进行或板的切割同时一起在棒的径向相对侧进行。
为了最终生产细棒，相应地锯切所切割的板。优选在一个步骤中同时一起进行将板锯切为细棒。
优选地，首先在棒的一侧上切割一个板。接着绕其纵向轴线旋转棒180°。然后在径向相对侧上切割另一个板。最后，再次180°旋转棒，接着再次在相对的径向位置切割板。
可以在不出现问题、不出现可感知的热应力的有害效应下，继续此操作直到最后一个板。这种情况下，最终棒呈中心样式的夹持。
作为替换，也可以在不遭受应力诱导效应下，按照表1旋转棒。分别示出了切割序号和绕纵轴线的旋转角度。
表1
  切割序号   角度
  1   0°
  2   180°
  3   90°
  4   270°
  5   0°
这里，第一次切割后，首先180°旋转棒并切割。接着在相对方向进行了绕棒的纵轴线90°旋转棒，并然后进行了切割3。最后，进行了180°旋转，从而达到的角度相对于起始位置为270°。因此，在棒上的与切割3相对的位置上进行切割4。切割1和2也符合于此。
优选地，继续此操作直到棒的中间或直到形成正方形横截面。此后，角度0°和180°为交替相间。
因此，优选是分别进行两个连续切割，例如位于棒侧面的相对位置(相反位置)的切割1和2，切割3和4，切割5和6等。
表2中示出了另一个优选实施方式。
这里，在棒的相对位置进行切割1和3及切割2和4。
表2
  切割序号   角度
  1   0°
  2   90°
  3   180°
  4   270°
  5   0°
优选地，继续此操作直到棒的中间或直到形成正方形横截面。此后，角度0°和180°为交替相间。
另一个更特别优选的实施例，在于采用两个平行切割来无应力分离棒。这种情况下，在相对侧上同时切割另一个板。此在表3中示出。
表3
  切割序号   角度
  1和2   0°和180°
  3和4   90°和270°
这里，在相对侧上平行进行两个切割1和2。接着90°旋转棒。然后同样地在相对侧上进行切割3和4。
优选地，继续此操作直到棒的中间或直到形成正方形横截面。此后，角度0°和180°为交替相间直到材料用尽。
表4示出了另一个实施方式。
这里，总是在相同位置进行平行切割。
表4
  切割序号   角度
  1和2   0°和180°
优选地，在角度0°和180°进行平行切割直到材料用尽。
本发明第二种方法和本发明装置的描述
首先提供硅棒。优选是多晶硅棒，例如采用西门子法中的沉积生产。
第一步骤中，采用第一锯装置在棒的整体长度上进行多重垂直切割。
这种情况下，各个切割(切口)是相互分离的。
对切割的间隔进行选择，使得其对应于要生产的细棒的所需边长度(约5-10mm)。当然，这种情况下应该考虑切割工具的切割宽度。
也要根据要生产细棒的所需边长度对第一步骤中产生的切割的切割深度进行选择。
要生产的细棒具有矩形，优选正方形的横截面。
因此，有效的是，在第一步骤中锯切要生产的细棒的横截面。
下一步骤中，然后采用第二锯装置在棒的纵轴线方向上进行水平切割。
用这种方式，最终从棒中分离出具有矩形横截面的细棒。
根据本发明的关键为，两个连续水平切割之间，分别绕轴线90°或180°旋转棒，从而四个连续水平切割中，每四个切割中的两个分别成对发生在棒的径向相对侧。
根据本发明用于实施该方法的装置的关键为，提供能同时分离切割板的方式。
本发明的目的还由一种通过锯切从多晶硅棒生产细棒的装置来实现，该装置包含：第一单元，包括多重切割工具和用于冷却切割工具的冷却液；第二单元，包括用于引导附加的冷却液进入要加工的工件的锯缝的喷嘴，以及第三单元，包括带锯(band saw)或线锯(wire saw)或包含一个或多个转轴的切割工具。
该装置包括三个单元：第一单元，用于平行切割多个垂直齿状物(indentation)，平行切割沿棒纵向延伸，并且其切割深度稍大于所切割的板的厚度；第二单元，用于传送合适的冷却液进入所切割的齿状物；以及第三单元，用于进行棒的水平纵向切割。
第一单元优选是具有锯片(saw blades)的转轴。
同样优选使用液体引导的激光作为切割工具。
第三单元，可以是含有锯片的单转轴或双转轴锯。
使用这样一个装置，无论平直放置棒还是竖直放置棒都可以实施该方法。
下面考虑平直放置棒来使用装置。借助图1-图6来解释本发明。
附图说明
使用的附图标号列表：
11，12，13，14，15，16：棒/工件
21，23，25：棒支持物
31：转轴
41，42，43，44，45，461和462：锯片
52，54：冷却管
62，64：冷却液
73，74，75，76：带有喷嘴的管
84：高压喷嘴
95：带锯/线锯
图1示出了棒和棒支持物及具有锯片的转轴。
图2示出了棒及锯片和冷却管。
图3示出了棒和棒支持物及包括喷嘴的管。
图4示出了棒和锯片和冷却管及包括高压喷嘴的管。
图5示出了棒和棒支持物及带锯或线锯和包括喷嘴的管。
图6示出了棒和两个锯片和包括喷嘴的管。
具体实施方式
图1示出的尤其是上面置有锯片的转轴。
第一单元包括带有轴向分支锯片41的转轴31，其切割宽度优选位于0.1-5mm之间(特别优选从0.2至0.8mm)。如果使用了液体-引导激光，切割宽度小于0.1mm，例如40-80μm。
具有锯片41的转轴31的所需切割深度优选是稍大于最终细棒的边长(优选边长5-10mm)。
锯深度应该稍大于最大的所需板厚度。
在棒的纵轴线方向进行切割。
可以在相同方向或相反方向进行切割工艺。由于较好的冷却和应力性质，特别优选的是相同方向。
锯片41的间隔而不是切割宽度决定了将来细棒的宽度。
例如，锯的过程中，硅棒11是被固定在两个端面(棒支持物21)上。
图2示出为锯片42供应冷却液62的设置。
在切割过程中，分别供应冷却液62给所使用的锯片42，从而冷却液62能进入锯片42行进方向上的锯缝，以冷却棒12和同时带走形成的锯浆。
在这种情况下，可以通过喷嘴管的方式来供应冷却液62，喷嘴管对准每个锯片或可替换地具有宽喷口喷嘴。
用于冷却液供应的另一可能方式包括施加冷却液的管52，且锯片突入到管52中。
令人惊奇地，这样一种开槽的管52(锯片42进入管52的槽(狭槽))实现了最好的冷却效果。这种情况下，优选是开槽的冷却槽稍宽于使用的切割片。例如，如果切割片厚度为约8mm，则冷却槽应该具有的宽度为约8.5mm。
图3示出了在轴线方向通过高压喷嘴的方式来供应冷却液。
图3中示出的第二单元，保证了附加的冷却液被引入形成的切割槽。
一方面，这种附加的冷却液供应装置的目的是，进一步清洁从切割槽形成的锯浆，并另一方面，为了第三单元进行的水平切割来冷却棒。
最简单的情况是，第二单元构造为管73，其中一侧设有具有间隔d的孔，从而在压力下将水从管73转移到切割槽。
该间隔d优选是与第一单元的锯片43的间隔相对应。
为了使管73具有避免压力损失的功能，优选在管73多个位置上供应冷却液。
在这种情况下，冷却液优选是沿垂直于棒13的轴线流进槽。然后，洗涤效果相当低。
图4示出了在管74上的高压喷嘴84，其将冷却液以几乎90°的角度射入锯槽，并因此保证了优化的洗涤。
发现在管74的每个开口使用高压喷嘴84特别有利。
这些高压喷嘴84可被弯曲最多90°，从而冷却液的流动可以平行于棒14的纵轴线被引导。然后，因此在没有消弱冷却效果下，锯浆洗涤被优化。
采用多个供应管线的方式从上面(未示出)为管74供应液体。
图5示出了引导带锯(或线锯)沿工件进行水平切割。
第三单元沿棒15的轴线方向进行水平切割。
这种情况下优选调整切割宽度，使得其稍小于第一单元的切割深度。
这种情况下，例如，第三单元构造为传统的带锯95。
因优选调整带锯95的切割宽度使其小于第一单元的切割深度，锯切的过程中在锯片45形成渠道。第二单元喷洒的冷却液，可流过渠道。此流动保证优化的冷却以及，综上所述，带走形成的锯浆。
在棒15的中间方向的锯片45之间，形成了渠道，冷却液可流动通过渠道并因此带走形成的锯浆。
使用上述装置一旦纵向地切割棒15之后，则细棒为自由的且彼此之间仅由粘附力互相支持。
它们通过真空吸力装置的方式来捡起并从棒15一起移出。
然而，粘附力也在细棒与剩余工件之间起作用。不过，因为通过渠道的液体交换，这些粘附力被大幅度降低。(否则将需使用的)分离楔，因此是不必要的。
为了避免细棒的振动，在锯切过程中，细棒仅在一边被固定，需要注意的是，单元之间的距离很小而不允许共鸣。
不是仅有单转轴31，多个转轴也可能被用于第一单元中。
对于第一单元，作为转轴31上多个锯片41的替代，也可以使用多个激光，激光通过合适的液体来分别引导。水优选是作为用于引导激光的液体。特别优选是使用超纯水，为惯常用于半导体工业的纯度。
另外的降低切割宽度到40-80μm，例如到60μm，是因此可以的，其是有利的。
作为替换，第一单元和第三单元的切割顺序也可以反过来，因为对于液体引导激光切割，激光需要的液体的流走提高了切割性能。
另外，第二单元中供应冷却液将需要通过锯片进行，因为缺少因此对于其必不可少的渠道。
使用冷却液要求液体的表面张力非常小，以便保证工件的湿润。
已知的，一种可能的最小化表面张力的途径，包括添加合适的洗涤剂(detergent)。
然而就硅加工来说，选择合适的物质是非常受限的，尤其如果它们粘附于工件并可能引起工件的污染。尤其地，表面活性添加剂如润湿剂和表面活性剂是合适的，正如半导体工业使用的，例如作为抛光剂中的添加剂。
作为一个选择，使棒与清洁水一起升高温度，例如约80℃，因此具有较高温度的表面张力可被降低。然而，由于增加的费用，这个不是优选。
第三单元优选构造为带锯95。
然而，也可以使用线锯，其供应有含有磨料颗粒(abrasive particles)的锯液(浆)。
同样地，可使用线锯，其中的磨蚀作用粒子(abrasively acting particles)附着于线锯。特别优选使用金刚石线(锯)。
当在第一单元采用液体引导的激光切割时，使用线锯是特别有利的。
原则上，绳锯(rope saw)也可以采用，虽然由于低的锯力它不是优选。
再者，第三单元的切割同样地可以使用锯片45或使用在相对转轴上的多个锯片进行。
图6示出了两个锯片461和462的设置，其沿棒16进行水平切割。
分别于棒16的中间方向的锯片461或462之间，形成渠道，来自于管76的冷却液能流动通过渠道，并因此带走形成的锯浆。

Claims (10)

1.一种生产细硅棒的方法，所述方法包括以下步骤：a)提供硅棒；b)接着，采用锯装置从所述棒切割具有特定厚度的板，其中，在两个连续切割之间分别绕轴线旋转所述棒90°或180°，使得在四个连续切割中，所述四个切割中的两个分别成对地在所述棒的径向相对侧进行，或其中所述板的切割同时一起在所述棒的径向相对侧进行；c)将切割的所述板锯切成具有矩形横截面的细棒。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述锯装置是带锯或线锯或包括一个或多个转轴的切割工具。
3.一种生产细硅棒的方法，包括步骤：a)提供硅棒；b)采用第一锯装置在所述棒的总长度上产生多重垂直切割，其中，所述各个切割是相互分离的，其中，按照待生产的具有矩形横截面的细棒的所需边长，来形成所述切割的间隔和切割深度；c)采用第二锯装置在所述棒的纵轴线方向上产生水平切割，从而从所述棒中分离出具有矩形横截面的细棒；其中，相继地连续多次进行步骤b)和c)，根据步骤c)，两个连续切割之间所述棒分别绕轴线旋转90°或180°，使得根据步骤c)的四个连续切割中，所述四个切割的两个分别成对地在所述棒的径向相对侧进行。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一锯装置包括一个或多个具有锯片的转轴。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一锯装置包括液体中引导的多个激光。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，所述第二锯装置包括带锯或线锯或包含一个或多个转轴的切割工具。
7.从硅棒通过锯切来生产细棒的装置，包含：第一单元，包括多重切割工具和用于冷却所述切割工具的冷却液；第二单元，包括用于引导附加的冷却液进入要加工的工件的锯缝的喷嘴，以及第三单元，包括带锯或线锯或包含一个或多个转轴的切割工具。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第一单元中的冷却系统包括开槽的管，所述切割工具进入所述管的槽中。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其中，所述第一单元的所述切割工具包括安装于一个或多个转轴上的锯片。
10.根据权利要求7所述的装置，其中，所述第一单元的所述切割工具包括液体中引导的多个激光。
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