DE10019601B4

DE10019601B4 - Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Siliciumstabes

Info

Publication number: DE10019601B4
Application number: DE10019601A
Authority: DE
Inventors: Heinz Kraus; Matthäus Schantz; Peter Niedermeier
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: JP2002028921A; US6350313B2; DE10019601A1; US20010032583A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Siliciumstabes, der durch Abscheiden von Silicium auf einem Trägerstab, Abkühlen des Stabes unter Ausbildung von Zug- und Druckspannungen und Zuschneiden eines dabei entstehenden Formkörpers erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der polykristalline Siliciumstab mit einem Trennwerkzeug durchgeschnitten wird, wobei das Trennwerkzeug eine Trennschleifscheibe oder ein mit Druck beaufschlagter Flüssigkeitsstrahl, der einen Abrasivstoff enthält, ist und wobei der polykristalline Siliciumstab um seine Längsachse gedreht wird, wobei mindestens ein Stabende entsteht, das frei von Rissen und Abplatzungen ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Siliciumstabes, der durch Abscheiden von Silicium auf einem Trägerstab und Zuschneiden eines dabei entstehenden Formkörpers erhalten wird.
Ein solchermaßen hergestellter Siliciumstab eignet sich insbesondere als Vorstab (feed rod) bei der Herstellung eines Einkristalls durch Zonenziehen (FZ-Verfahren, zone pulling) oder als Nachchargierstab für das Tiegelziehen (CZ-Verfahren). Voraussetzung dafür ist allerdings, daß der Siliciumstab mindestens ein Stabende aufweist, das frei von Rissen und Abplatzungen ist.
Zur Herstellung des Formkörpers werden dünne Trägerstäbe aus Silicium, sogenannte Dünnstäbe, in einem Abscheidereaktor verbunden und durch direkten Stromdurchgang elektrisch auf Reaktionstemperatur beheizt. Beim Abscheiden von Silicium zersetzen sich halogenhaltige Siliciumverbindungen oder Silan aus der Gasphase an der Oberfläche der Dünnstäbe. Dabei wächst der Durchmesser der Dünnstäbe. Nach Erreichen eines gewünschten Durchmessers wird die Abscheidung beendet und der entstandene Formkörper auf Umgebungstemperatur abgekühlt und aus dem Reaktor ausgebaut. Der Formkörper ist üblicherweise U-förmig ausgebildet, mit zwei polykristallinen Stäben als Schenkel und einer die Schenkel verbindenden Brücke aus polykristallinem Silicium. Die Schenkel sind an ihren Enden mit den Elektroden für die Stromzuführung verwachsen.
Die Temperaturunterschiede im sich abkühlenden Formkörper sind umso größer, je größer der Durchmesser der Stäbe ist. Die höchste Temperatur herrscht in der Querschnittsmitte der Stäbe, die niedrigste im Randbereich der Stäbe. Aufgrund dieses Temperaturprofils entstehen während des Abkühlens des Formkörpers Zug- und Druckspannungen in den Stäben. Ebenen mit gleicher Spannung liegen zylindrisch um die Längsachsen der Stäbe.
Bei einem üblichen Sägeverfahren werden die Stäbe fixiert und mit einer Säge mit vertikalem Vorschub senkrecht zu den Spannungsebenen durchgeschnitten und dabei von den Elektroden und der Brücke getrennt. Dabei ist insbesondere bei Stäben mit großem Durchmesser die Gefahr beträchtlich, daß sich die in den Stäben vorhandene Spannung durch Bildung von Rissen und Abplatzungen löst. Beim Auftreten von Rissen und Abplatzungen muss der Sägeschnitt an einer anderen Stabposition wiederholt werden, und zwar so lange bis eine Schnittfläche erhalten wird, die frei von Rissen und Abplatzungen ist. Mit jedem Sägeschnitt wird der verbleibende Stab kürzer und die Ausbeute geringer. Die beim Sägen anfallenden rissigen Stabstücke haben mindere Qualität, weil sie nicht als Vorstäbe für das Zonenziehen oder als Nachchargierstäbe für das Tiegelziehen eingesetzt werden können.
Aus US 4712535 , US 4084354 und US 6024080 sind zwar Verfahren zum Zerkleinern von Stäben aus monokristallinem Silicium bekannt, bei denen der Stab gedreht wird, da aber monokristallines Silicium aufgrund des unterschiedlichen Herstellungsverfahrens keine inneren Spannungen aufweist, bieten diese Schriften dem Fachmann keinen Hinweis zur Lösung des Problems, einen verspannten Polysiliciumstab zu zersägen, ohne dass es zu Rissen und Abplatzungen am Stabende kommt.
Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem ein polykristalliner Siliciumstab mit mindestens einem Stabende, das frei von Rissen und Abplatzungen ist, mit hoher Ausbeute und kostengünstig erhalten werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Siliciumstabes, der durch Abscheiden von Silicium auf einem Trägerstab, Abkühlen des Stabes unter Ausbildung von Zug- und Druckspannungen und Zuschneiden eines dabei entstehenden Formkörpers erhalten wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der polykristalline Siliciumstab mit einem Trennwerkzeug durchgeschnitten wird, wobei das Trennwerkzeug eine Trennschleifscheibe oder ein mit Druck beaufschlagter Flüssigkeitsstrahl, der einen Abrasivstoff enthält, ist und wobei der polykristalline Siliciumstab um seine Längsachse gedreht wird, wobei mindestens ein Stabende entsteht, das frei von Rissen und Abplatzungen ist. Der rotierende Stab kann an einer Position oder gleichzeitig an mehreren Positionen durchtrennt werden.
Durch die Rotation des Siliciumstabes erfolgt der Eingriff des Trennwerkzeuges so, daß die Spannungsebenen nacheinander durchschnitten werden. Ein Spannungsabbau durch Rißbildung wird dadurch vermieden.
Das Verfahren sieht vor, daß der polykristalline Siliciumstab zunächst aus einem Formkörper geschnitten wird, der durch Gasphasenabscheidung von Silicium auf Trägerstäben in einem Abscheidereaktor gewachsen ist. Dabei werden die Elektroden und die Brücke vorzugsweise mit einer Säge mit vertikalem Vorschub vom fixierten Formkörper abgetrennt. Anschließend erfolgt die erfindungsgemäße mechanische Bearbeitung des Siliciumstabes, wodurch der Siliciumstab an der durchtrennten Position ein Stabende erhält, das frei von Rissen und Abplatzungen ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird als Trennwerkzeug eine Trennschleifscheibe eingesetzt.
Diese Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend an Hand einer Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch einen polykristallinen Siliciumstab 1, der um seine eigene Achse gedreht wird. Beim Eingriff des ebenfalls rotierenden Trennwerkzeuges 2 in den rotierenden Siliciumstab entsteht eine rotationssymetrische Schnittfläche 3 an einem Ende des Siliciumstabes, die frei von Rissen und Abplatzungen ist. Beim Drehen wird der Siliciumstab beispielsweise an zwei Auflagern gehalten. Die Vorschubgeschwindigkeit des Trennwerkzeuges beträgt vorzugsweise 1 bis 100 mm/min, besonders bevorzugt 10 bis 30 mm/min. Hinsichtlich der Rotationsgeschwindigkeit des Trennwerkzeuges sind Geschwindigkeiten von 20 bis 80 m/s, insbesondere 30 bis 40 m/s bevorzugt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Stabes beträgt vorzugsweise 1 bis 200 Umdrehungen/min, besonders bevorzugt 30 bis 100 U/min. Die Drehrichtungen des Siliciumstabes und des Trennwerkzeugs können gleich oder entgegengesetzt sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Trennwerkzeug ein mit Druck beaufschlagter Flüssigkeitsstrahl, der einen Abrasivstoff enthält. Der Flüssigkeitsstrahl, besonders bevorzugt ist ein Wasserstrahl, wird unter einem Druck von vorzugsweise 2000 bis 5000 bar, besonders bevorzugt 3500 bis 4000 bar, auf den rotierenden Stab gerichtet. Die Rotationsgeschwindigkeit des Stabs liegt vorzugsweise zwischen 1 und 200 Umdrehungen/min, besonders bevorzugt 30 bis 100 Umdrehungen/min. Der Flüssigkeitsdurchfluß liegt vorzugsweise zwischen 0,5 bis 7 Liter/min, besonders bevorzugt 2 bis 3 Liter/min. Der Strahldurchmesser, der die Breite des Schnitts bestimmt, beträgt bevorzugt 0,2 mm bis 2,0 mm, besonders bevorzugt 0,6 mm bis 1,2 mm. Damit mit diesem Flüssigkeitsstrahl der Stab durchschnitten werden kann, enthält die Flüssigkeit einen körnigen Abrasivstoff. Der Durchsatz von Abrasivstoff in der Flüssigkeit beträgt vorzugsweise 0,1 bis 0,5 kg/min. Als Abrasivstoffe eignen sich alle körnigen Schneidmittel wie zum Beispiel Schlackenwerkstoffe, Korundwerkstoffe, Granatsand, Carbide, Nitride und Olivin. Besonders bevorzugt wird reiner Quarzsand (Siliciumdioxid) verwendet, weil auf diese Weise die Schnittflächen der Siliciumstäbe nicht mit artfremden Stoffen verunreinigt werden. Die Korngröße des Abrasivstoffs beträgt vorzugsweise 0,1 bis 1 mm, besonders bevorzugt 0,1 bis 0,3 mm.
Die Erfindung eignet sich zur Herstellung eines polykristallinen Siliciumstabes, der an mindestens einem Ende eine rissfreie und abplatzungsfreie Schnittfläche aufweisen muß, beispielsweise weil er beim Zonenziehen als Vorstab oder beim Tiegelziehen als Nachchargierstab oder als Stabstück zur Optimierung des Füllgrads eines Tiegels verwendet wird.
Ein nach dem Verfahren erhaltener Siliciumstab kann durch Wiederholen des Trennvorgangs mit rotierendem Werkstück auch in kürzere Einheiten, bis hin zu Scheiben aus polykristallinem Silicium zerteilt werden. Solche Scheiben eignen sich insbesondere als Grundlage für die Herstellung von Solarzellen oder als Testwafer für Verfahren, bei denen einkristalline Halbleiterscheiben eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Siliciumstabes, der durch Abscheiden von Silicium auf einem Trägerstab, Abkühlen des Stabes unter Ausbildung von Zug- und Druckspannungen und Zuschneiden eines dabei entstehenden Formkörpers erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der polykristalline Siliciumstab mit einem Trennwerkzeug durchgeschnitten wird, wobei das Trennwerkzeug eine Trennschleifscheibe oder ein mit Druck beaufschlagter Flüssigkeitsstrahl, der einen Abrasivstoff enthält, ist und wobei der polykristalline Siliciumstab um seine Längsachse gedreht wird, wobei mindestens ein Stabende entsteht, das frei von Rissen und Abplatzungen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliciumstab mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 200 Umdrehungen pro Minute gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliciumstab mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1 bis 100 mm/min durchgeschnitten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Siliciumstab Siliciumscheiben abgetrennt werden.