DD147118A1

DD147118A1 - METHOD FOR THE HEAT TREATMENT OF POLYCRYSTALLINE SILIUM

Info

Publication number: DD147118A1
Application number: DD21665579A
Authority: DD
Inventors: Roland Gruetze; Siegmund Rueger; Peter Stuendl; Olaf Weinhold
Original assignee: Roland Gruetze; Siegmund Rueger; Peter Stuendl; Olaf Weinhold
Priority date: 1979-11-05
Filing date: 1979-11-05
Publication date: 1981-03-18

Abstract

Das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, um eine Riszbildung in polykristallinem Silizium waehrend dessen mechanischer Bearbeitung zu verhindern, wird dadurch erreicht, dasz das polykristalline Silizium auszerhalb der Herstellungs-bzw. Schmelzapparatur von einer mechanischen Bearbeitung bei 773 K bis 1173 K 1 bis 5 h lang waermebehandelt und anschlieszend abgekuehlt wird. Die Waermebehandlung erfolgt dabei vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphaere und in einem Siliziumrohr. Die Abkuehlung des waermebehandelten polykristallinen Siliziums erfolgt sowohl innerhalb als auch auszerhalb der Waermebehandlungsapparatur. Die Aufheiz- und Abkuehlgeschwindigkeit betraegt 60 K bis 1 K min &exp-1!. Die Abkuehlung des waermebehandelten polykristallinen Siliziums kann auszerhalb der Waermebehandlungsapparatur an der stehenden Luft oder in einer Abkuehlvorrichtung durchgefuehrt werden.The aim of the invention to develop a method to prevent the formation of cracks in polycrystalline silicon during its mechanical processing is achieved by the fact that the polycrystalline silicon outside the manufacturing or. Melting apparatus from a mechanical processing at 773 K to 1173 K for 1 to 5 hours thermo treated and anschlieszend cooled. The heat treatment is preferably carried out in a protective gas atmosphere and in a silicon tube. The Abkuehlung the heat-treated polycrystalline silicon takes place both inside and outside of the heat treatment apparatus. The heating and Abkuehlgeschwindigkeit is 60 K to 1 K min & exp-1 !. The cooling of the heat-treated polycrystalline silicon can be carried out outside the heat treatment apparatus in the still air or in a cooling device.

Description

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a) Titel der Erfindunga) Title of the invention

Verfahren zur Wärmebehandlung von polykristallinem. Silizium.Process for the heat treatment of polycrystalline. Silicon.

b) Anwendungsgebiet der Erfindungb) Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von polykristallinem Silizium insbesondere zur Herstellung von Silizium-Einkristallen nach dem. IPloatingverfahren.The invention relates to a method for heat treatment of polycrystalline silicon, in particular for the production of silicon single crystals after. IPloatingverfahren.

c) Charakteristik der bekannten technischen Lösungenc) Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß Siliziumeinkristalle zur Schaffung bestimmter elektrophysikalischer Eigenschaften einer thermischen Behandlung unterzogen werden können. Eine thermische Behandlung zur Beeinflussung von mechanischen Spannungszuständen im. Einkristall ist durch definierte Abkühlbedingungen in der Schmelzapparatur und vom Scheibenmaterial her bekannt. Diese thermischen Behandlungen erfolgen alle nach dem Einkristallzüchtungsprozeß und haben als Ziel die Erhöhung der Ausbeute aus dem einkristallinem Material· Weiter ist bekannt, daß polykristallines Material, .welches als Vorlaufmaterial für die Kristallzüchtung nach dem. Verfahren der tiegelfreien, vertikalen Zonenschmelze dient* einer formgebenden mechanischen Bearbeitung unterzogen werden muß. Dabei wird beobachtet , daß die polykristallinen Siliziumstäbe mit zunehmendem Durchmesser zur mikroskopischen und makroskopischen Rißbildung neigen. Derartige Risse beeinflussen inIt is known that silicon single crystals can be subjected to a thermal treatment to provide certain electrophysical properties. A thermal treatment for the influence of mechanical stress states in the. Single crystal is known by defined cooling conditions in the melting apparatus and the disk material forth. These thermal treatments are all carried out after the single crystal growth process and aim to increase the yield of the monocrystalline material. Further, it is known that polycrystalline material, which is used as a precursor for crystal growth after the crystal growth. Method of crucible-free, vertical zone melt serves * must be subjected to a shaping mechanical processing. It is observed that the polycrystalline silicon rods tend to microscopic and macroscopic cracking with increasing diameter. Such cracks influence in

starkem Maße die Aufwachsrate der aus den polykristallinen Siliziumstäben zu züchtenden Einkristalle. Polykristalline Siliziumstäbe mit einem Durchmesser größer 60 mm lassen sich mit den üblichen Verfahren ohne Beseitigung der makroskopischen Risse^ nicht mehr weiter bearbeiten und sind demzufolge Ausschuß.strongly, the growth rate of the single crystals to be grown from the polycrystalline silicon rods. Polycrystalline silicon rods with a diameter greater than 60 mm can no longer be processed by the usual methods without removal of the macroscopic cracks ^ and are therefore scrap.

d) Ziel der Erfindung 'd) Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das eine rißfreie mechanische Bearbeitung von polykristallinem Silizium gewährleistet.The aim of the invention is to develop a method which ensures a crack-free mechanical processing of polycrystalline silicon.

e) Darlegung des Wesens der Erfindunge) Presentation of the essence of the invention

Das Ziel der Erfindung wird dadurch erreicht, indem polykristallines Silizium vor dessen mechanischer Bearbeitung bei einer Temperatur von 773 K - 1173 K 1-5 Stunden außerhalb der Herstellungs- beziehungsweise der Schmelzapparatur wärmebehandelt und anschließend abgekühlt wird. Durch die thermische Behandlung werden die hohen mechanischen Eigenspannungen des polykristallinen Siliziums abgebaut, die durch starke Anisotropie der physikalischen Größen des Siliziumgitters in Verbindung mit der sehr grobkristallinen Struktur der Siliziumstäbe hervorgerufen werden. Bei einer mechanischen Bearbeitung des polykristallinen Siliziums entstehen durch die damit verbundenen zusätzlichen Spannungen und der Störung des Kristallgitters an der Bearbeitungsstelle mikroskopische und makroskopische Risse. Entsprechend dem Exponentialgesetz D=D exp (- U/K . T), worin U die betreffende Anregungsenergie, K der Boltzmannfaktor, T die absolute Temperatur und D eine Konstante darstellen, lassen sich die Diffusionsvorgänge mit zunehmender Temperatur beschleunigen. Bei hohen Temperaturen tritt aber gleichzeitig eine Diffusion der Verunreinigungen von der Oberfläche in das VoIu-The object of the invention is achieved by heat-treating polycrystalline silicon outside of the production or melting apparatus at a temperature of 773 K-1173 K for 1-5 hours before it is mechanically processed, and then cooling it. The thermal treatment degrades the high internal mechanical stresses of the polycrystalline silicon, which are caused by strong anisotropy of the physical sizes of the silicon lattice in conjunction with the very coarsely crystalline structure of the silicon rods. In a mechanical processing of the polycrystalline silicon caused by the associated additional stresses and the disturbance of the crystal lattice at the processing point microscopic and macroscopic cracks. According to the exponential law D = D exp (- U / K · T), where U represents the relevant excitation energy, K the Boltzmann factor, T the absolute temperature and D a constant, the diffusion processes can be accelerated with increasing temperature. At high temperatures, however, diffusion of the contaminants from the surface into the bulk occurs at the same time.

men des Siliziumstabes auf. Die Wärmebehandlung und die Abkühlung der polykristallinen Siliziumstabe erfolgt außerhalb der Herstellungs- beziehungsweise der Schmelzapparatur. Dabei werden die Siliziumstäbe unterhalb eines kritischen Wertes der Aufheizgeschwindigkeit auf eine Temperatur gebracht, bei der vorwiegend die Diffusion von Leerstellen stattfindet. Die polykristallinen Siliziumstäbe werden so lange auf dieser Temperatur gehalten, bis die mechanischen Spannungen ausreichend abgebaut sind. Eine Diffusion von Fremdstoffen wird dadurch weitgehendst vermieden. Das Abkühlen des wärmebehandeIten polykristallinen Siliziums erfolgt mit einer Ablcühlgeschwindigkeit, die unterhalb eines kritischen Wertes liegt. Zusätzlich kann die thermische Behandlung des polykristallinen Siliziums in einem Siliziumrohr und in Schutzgasatmosphäre erfolgen. Dies trägt zusätzlich zu einer Vermeidung einer Fremdstoffdiffusion bei.on the silicon rod. The heat treatment and the cooling of the polycrystalline silicon rod takes place outside the production or the melting apparatus. The silicon rods are brought below a critical value of the heating rate to a temperature at which predominantly the diffusion of vacancies takes place. The polycrystalline silicon rods are held at this temperature until the mechanical stresses are sufficiently reduced. Diffusion of foreign substances is thereby largely avoided. The cooling of the heat-treated polycrystalline silicon takes place at a cooling rate which is below a critical value. In addition, the thermal treatment of the polycrystalline silicon can take place in a silicon tube and in a protective gas atmosphere. This also contributes to avoiding impurity diffusion.

Die Abkühlung des wärmebehandeIten polykristallinen Siliziums kann sowohl innerhalb als auch außerhalb der Y/ärmebehandlungsapparatur durchgeführt werden. Außerhalb der Y/är me be hand lungs ap ρ ar a tür kann die Abkühlung sowohl an der stehenden luft als auch in einer speziellen Abkühlvorrichtung erfolgen. !lach der mechanischen Bearbeitung des polykristallinen Siliziums erfolgt ein Abtragsätzen der Oberfläche.The cooling of the heat-treated polycrystalline silicon can be carried out both inside and outside the heat treatment apparatus. Outside the spray gun door, cooling can take place both in stagnant air and in a special cooling device. After the mechanical processing of the polycrystalline silicon, a removal of the surface takes place.

21 6 6 55 ~ *- 21 6 6 55 ~ * -

Die Erfindung soll an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert vrerden: .The invention will be explained in more detail with reference to two exemplary embodiments:

1. Polykristalline Siliziumstäbe mit einem Durchmesser von 50 mm werden auf eine Stabablage gebracht und in das auf eine Temperatur T « 973 K vorgeheizte Keramikrohr gebracht. In einer Inertgasatmosphäre H₂ erfolgt eine 120 Minuten lange thermische Behandlung, wonach die polykristallinen Siliziumstäbe der Anlage entnommen werden und an der stehenden Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt v/erden. Danach werden die polykristallinen Siliziumstäbe der mechanischen Bearbeitung zugeführt. Durch dieses Verfahren treten keine Risse bei der mechanischen Bearbeitung von polykristallinen Siliziumstäben auf.1. Polycrystalline silicon rods with a diameter of 50 mm are placed on a rod tray and placed in the preheated to a temperature T «973 K ceramic tube. In an inert gas atmosphere H ₂ , a thermal treatment is carried out for 120 minutes, after which the polycrystalline silicon rods are removed from the system and cooled down to room temperature in the still air. Thereafter, the polycrystalline silicon rods are fed to mechanical processing. By this method, no cracks occur in the machining of polycrystalline silicon rods.

2. Polykristalline Silisiumstäbe mit einem Durchmesser von 68 mm werden auf eine Stabablage gebracht und in ein auf eine Temperatur T =573 K vorgeheiztes Siliziumrohr der Anlage zur thermischen Behandlung eingeführt. Unter Inertgasatmosphäre H₂ wird die Temperatur mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 3 K/min auf T « 1073 K erhöht. Anschließend werden die polykristallinen Siliziumstäbe t = 180 min getempert. Die nachfolgende Abkühlung erfolgt mit einer AbkUhlgeschwindigkeit von 3 K/min bis zu einer Temperatur T = 573 K, bei der die polykristallinen Siliziumstäbe der Anlage zur thermischen Behandlung entnommen werden, wonach sie in einer Abkühlvorrichtung bis auf Raumtemperatur abkühlen. Danach v/erden die Stäbe einer mechanischen Bearbeitung zugeführt. Durch dieses Verfahren treten keine Risse bei der mechanischen Bearbeitung der polykristallinen Siliziumstäbe auf.2. Polycrystalline silicon rods with a diameter of 68 mm are placed on a rod rack and introduced into a pre-heated to a temperature T = 573 K silicon tube of the thermal treatment plant. Under inert gas atmosphere H ₂ , the temperature is raised to T 1073 K at a heating rate of 3 K / min. Subsequently, the polycrystalline silicon rods t = 180 min annealed. The subsequent cooling is carried out at a cooling rate of 3 K / min up to a temperature T = 573 K, in which the polycrystalline silicon rods are removed from the thermal treatment plant, after which they cool down to room temperature in a cooling device. Thereafter, the rods are subjected to mechanical processing. By this method, no cracks occur in the mechanical processing of the polycrystalline silicon rods.

Claims

claim

1. A process for the heat treatment of polycrystalline silicon, characterized in that the silicon before its mechanical processing at a temperature of 773 E -, 1173 K for 1-5 hours long outside the Berstellungs- or the melting apparatus is heat treated and then cooled.

2. A method for heat treatment of polycrystalline silicon according to item 1, characterized in that the heat treatment is preferably carried out in a protective gas atmosphere.

3. A process for the heat treatment of polycrystalline silicon according to claim 1, wherein the heat treatment is preferably carried out in a silicon tube.

4. A method for heat treatment of polycrystalline silicon according to item 1, d ^ xforch characterized in that the heating and Ablcühlgeschwindigkeit the polycrystalline silicon 60 K - 1 K min.

5. A process for the treatment of polycrystalline silicon according to item 1, characterized in that the cooling of the heat-treated polycrystalline silicon takes place inside or outside the heat treatment apparatus.

6. Process for the heat treatment of polycrystalline silicon according to item 1 and item 5, characterized in that the cooling of the heat-treated polycrystalline silicon takes place outside the heat treatment apparatus in the stationary air or in a cooling apparatus.