DE102008040231A1 - Polykristalliner Siliciumbruch hoher Reinheit und Reinigungsverfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Abstract
Polysiliciumbruch, bestehend aus einer im Siemensprozess gewachsenen, gleichartigen Struktur, wobei diese Struktur Poren, Fugen, Spalten, Risse und Klüfte enthält, mit einer Bruchgrößenverteilung von 1 bis 250 mm und einer Sphärizität von 0,7 bis 1,0 und einem Breiten zu Längenverhältnis im Bereich von 0,7 bis 1,0, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Oberfläche mit einer Summe an metallischen Verunreinigungen von 1 bis 1000 pptw hat.
Description
- Die Erfindung betrifft einen polykristallinen Siliciumbruch hoher Reinheit und Reinigungsverfahren zu seiner Herstellung
- Polykristallines Silicium (Polysilicium) dient als Ausgangsmaterial zur Herstellung von einkristallinem Silicium für Halbleiter nach dem Czochralski(CZ)- oder Zonenschmelz(FZ)-Verfahren, sowie zur Herstellung von ein- oder multikristallinem Silicium nach verschiedenen Zieh- und Gieß-Verfahren zur Produktion von Solarzellen für die Photovoltaik. Es wird in der Regel mittels des Siemens-Verfahrens hergestellt. Bei diesem Verfahren werden in einem glockenförmigen Reaktor („Siemens-Reaktor") dünne Filamentstäbe aus Silicium durch direkten Stromdurchgang erhitzt und ein Reaktionsgas enthaltend eine siliciumhaltige Komponente und Wasserstoff wird eingeleitet. An den erhitzten Filamentstäben scheidet sich hochreines Polysilicium ab, wodurch der Stabdurchmesser mit der Zeit anwächst. Das Verfahren wird durch die Vorgabe von Stabtemperatur und Reaktionsgasstrom bzw. -zusammensetzung gesteuert. Während bei herkömmlichem Polysilicium dass das Wachstum des Stabdurchmessers in Form gleichmäßiger und lochfreier Schichten erfolgt, d. h. die so erzeugten Siliciumstäbe weitgehend frei von Rissen, Poren, Fugen, Klüften, usw. und damit homogen, dicht und fest sind, offenbart
DE102007047210 einen polykristallinen Siliciumstab aus einer im Siemensprozess gewachsene, gleichartigen Struktur, wobei diese Struktur Poren, Fugen, Spalten, Risse und Klüfte enthält. - Ein derartiger Polysiliciumstab lässt sich leichter zerkleinern und zu Brocken und Chips verarbeiten als ein herkömmlicher Polysiliciumstab. Der erhaltene Polysilicium-Bruch ist durch die Zerkleinerungswerkzeuge weniger verunreinigt als herkömmlicher Polysilicium-Bruch. Dieser Polybruch besitzt eine Bruchgrößenverteilung von 1 bis 250 mm, eine Sphärizität von 0,7 bis 1,0 und ein Breiten zu Längenverhältnis im Bereich von 0,7 bis 1,0.
- Um die momentan in der Solarindustrie gültigen Reinheitsanforderungen zu erfüllen ist eine Nachreinigung dieses Polysilicium-Bruchs nicht erforderlich. Um das Material aber für elektronische Anwendungen nutzen zu können und da ferner absehbar ist, dass auch die Reinheitsanforderungen für Solaranwendungen steigen werden ist es wünschenswert einen gemäß
DE102007047210 oderDE102006016323 erhaltenen Polybruch auch nachreinigen zu können um ihn in höherer Reinheit zur Verfügung zu haben. Es hat sich allerdings gezeigt, dass herkömmliche Reinigungsverfahren, wie sie beispielsweise ausUS 5,851,303 , (Hemlock), oderUS 4,971,654 , (Wacker Chemie AG) oderEP 0905 796 B1 (entsprichtUS 6,309,467 ) bekannt sind, zur Reinigung dieses Polybruchs ungeeignet sind, da in allen Fällen nur ein mittlerer Eisengehalt von > 1000 pptw erreicht wurde. -
EP 0905 796 B1 beschreibt ein Reinigungsverfahren bestehend aus einer Vorreinigung mit einer oxidierenden Waschlösung und einer Hauptreinigungslösung die Salpetersäure und Flusssäure enthält. Mittels des beschriebenen Verfahrens lässt sich ein Polybruch mit stark zerklüfteter rauer Oberfläche mit Rissen > 0,1 μm welcher mit dem inDE102006016323 beschriebenen Zerkleinerungsverfahren erzeugt wurde bezüglich des mittleren Eisengehalts nicht auf ein Niveau kleiner 1 ppbw reinigen. Ein derartiges Material kann in der Halbleiterindustrie nicht eingesetzt werden, da dort üblicherweise ein Material mit einem mittleren Eisengehalt kleiner 0,1 ppbw eingesetzt wird. - Aufgabe der Erfindung ist es einen Polysiliciumbruch einer Struktur wie in
DE102007047210 beschrieben in einer erhöhten Reinheit zur Verfügung zu stellen. - Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Polysiliciumbruch bestehend aus einer im Siemensprozess gewachsene, gleichartigen Struktur, wobei diese Struktur Poren, Fugen, Spalten, Risse und Klüfte enthält, mit einer Bruchgrößenverteilung von 1 bis 250 mm und einer Sphärizität von 0,7 bis 1,0 und einem Breiten zu Längenverhältnis im Bereich von 0,7 bis 1,0, dadurch ge kennzeichnet, dass er eine Oberfläche mit einer Summe an metallischen Verunreinigungen von 1 bis 1000 pptw hat.
- Vorzugsweise besitzt der Polysiliciumbruch eine Oberfläche mit einer Summe an metallischen Verunreinigungen von 1 bis 100 pptw, besonders bevorzugt 1 bis 10 pptw.
- Vorzugsweise besitzt der Polysiliciumbruch eine Bruchgrößenverteilung von 45 bis 150 mm. Besonders bevorzugt hat der Polysiliciumbruch eine Dichte von 2,0 bis 2,3 g/cm3 und eine Gesamtporosität von 0,01 bis 0,2.
- Eine weitere Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches es ermöglicht, den erfindungsgemäßen Polybruch herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren sollte zudem die Nachteile des Stands der Technik zur Aufreinigung von Polybruch einer Struktur wie in
DE102007047210 beschrieben vermeiden. - Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Siliciumbruch einer Reinigung in mehreren Teilschritten unterzogen wird, wobei in einem Teilschritt a) eine Reinigung des Siliciumbruchs in einer oxidierenden Waschlösung erfolgt welche zu 0,1 bis 39,5 Gew.% aus Salpetersäure oder zu 0,1 bis 37 Gew.% aus Chlorwasserstoffsäure und zu 0,1 bis 20 Gew.% aus Fluorwasserstoffsäure und zu 0,1 bis 20 Gew.% aus Wasserstoffperoxid sowie aus Reinstwasser besteht
und in einem Teilschritt b) eine Reinigung des Siliciumbruchs in einer Waschlösung erfolgt, welche zu 40 bis 99,9 Gew.% aus Salpetersäure und zu 0,1 bis 20 Gew.% aus Flusssäure sowie aus Wasser mit einem elektrischen Widerstand von 0,1 bis 18 Mohm besteht, wobei diese Teilschritte in der Reihenfolge a), b), a), b) oder b), a), b), a) ausgeführt werden. - Die Lösungen im Teilschritt a.) und b.) können auch zwischen 0,01 und 20 Gew.% H2SiF6 und oder die HNO3-haltigen Mischun gen zwischen 0,01 und 3 Gew.% HNO2 (Salpeterige Säure) enthalten.
- Die Prozessfolge im erfindungsgemäßen Verfahren erspart zeitlich langes Beizen und Ätzen oder die Verwendung hoher Ätzkonzentrationen, bzw. hohen Si-Abträgen, durch zeitlich kurze Prozess-Schritte die im Wechsel durchgeführt werden.
- Die Verfahrensschritte a) bzw. b) werden vorzugsweise jeweils für 1 Sekunde bis zu 3 Stunden durchgeführt. Vorzugsweise werden sie bei einer Temperatur von 0°C bis 100°C besonders bevorzugt von 10 bis 30°C durchgeführt. Besonders bevorzugt ist eine Durchführung der Teilschritte für jeweils 1,5 bis 3 Minuten bei einer Temperatur von 10 bis 30°C, insbesondere bevorzugt für jeweils 2 Minuten bei 15°C.
- Unter Reinstwasser ist vorzugsweise Wasser mit einem elektrischen Widerstand von 0,1 bis 18 Megaohm zu verstehen. Eine bevorzugte Waschlösung für Teilschritt a) besteht vorzugsweise aus 1 Gew.% HF, 5 Gew.% HCl und 0,5 Gew.% H2O2. sowie aus Reinstwasser.
- Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert die Reinheit des Endproduktes ohne den Siliciumabtrag zu erhöhen. Damit ermöglicht diese Verfahren eine weitere Kostenreduzierung bei der Siliciumherstellung, denn es ermöglicht den Einsatz des wirtschaftlichen Abscheideprozesses aus
DE102007047210 auch zur Herstellung von hochreinem Polybruch. Ferner spielen die Verunreinigungen beim Brechen des Polystabes keine große Rolle mehr, was ein kostengünstigeres Brechen ermöglicht. Das Verfahren ermöglicht ferner die Aufreinigung von Nebenanfällen im gesamten Polysilicium Herstellungsprozess, d. h. auch Polysilicium mit einer rauhen Oberfläche oder mit Löchern kann aufgereinigt werden. Aufgrund der effektiveren Reinigungswirkung kommt es zu einem geringen Säureverbrauch. - Wenn im Verfahren ein Polsiliciumbruch mit einer im Siemensprozess gewachsene, gleichartigen Struktur, wobei diese Struk tur Poren, Fugen, Spalten, Risse und Klüfte enthält, mit einer Bruchgrößenverteilung von 1 bis 250 mm und einer Sphärizität von 0,7 bis 1,0 und einem Breiten zu Längenverhältnis im Bereich von 0,7 bis 1,0 eingesetzt wird, so ermöglicht dieses Verfahren die Herstellung des erfindungsgemäßen hochreinen porösen Polysiliciumbruchs. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht jedoch auch die Reinigung von herkömmlichem glatten Polybruch oder von Polybruch mit Haarrissen mit einem Durchmesser < 0,1 μm auf Metalloberflächenwerte < 100 pptw.
- Überraschenderweise wurde festgestellt, dass eine zweimalige Wiederholung des in
EP 0905 796 B1 beschriebenen zweistufigen Reinigungsprozesses bei einem Gesamtabtrag von > 50 μm signifikant reineren Polybruch liefert, als er durch einmalige Durchführung des Verfahrens gemäßEP 0905 796 B1 erhalten wird. - Offensichtlich sind die Metallpartikel bei einer stark zerklüfteten Si-Oberfläche mit Fugen, Spalten Rissen > 0,1 μm und auch einer glatten Oberfläche mit Haarrissen < 0,1 μm so stark in die Risse eingelagert, dass bei der ersten Durchfahrt der Vorreinigungslösung (Teilschritt a)), die für den hohen Metallangriff verantwortlich ist, diese Partikel nicht erreicht werden. Durch den nach dem Teilschritt a) durchgeführten Teilschritt b) mit dem hohen Si-Abtrag werden die Partikel freigelegt. Damit können beim zweiten Durchfahren die Metallpartikel von der Waschlösung mit dem hohen Metallangriff im Teilschritt a) aufgelöst werden. Nach dem zweiten Durchgang vom Teilschritt a) erfolgt der zweite Durchgang von Teilschritt b). Diese Verfahrensschritte können mehrfach, auch in umgekehrter Reihenfolge, wiederholt werden.
- Mit dem erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren werden auch bessere Ergebnisse bezüglich der Metalloberflächenwerte bei Polysiliciumbruch mit glatter Oberfläche oder einer Oberfläche die kleinere Haarrisse mit einem Durchmesser kleiner 0,1 μ enthält erzielt, denn durch die zweimalige Wiederholung der Prozessschritte a) und b) konnten die Metalloberflächenwerte im Mit tel nochmals um ca. 5 bis 10 pptw pro Element abgesenkt werden.
- Bei Polybruch mit stark zerklüfteter Oberfläche mit Rissen > 0,1 μm wurde durch eine zweimalige Wiederholung der Prozessschritte a) und b) die Metalloberflächenwerte bezüglich Eisen auf Werte < 1000 pptw (bevorzugt < 100 und besonders bevorzugt < 10 pptw) abgesenkt werden.
- Vorzugsweise erfolgt im Anschluss an das erfindungsgemäße Verfahren eine Hydrophilierung, wie sie beispielsweise aus
EP 0905796 B bekannt ist. Die Hydrophilierung erfolgt dabei vorzugsweise in einer weiteren Stufe mit einer oxidierenden Waschlösung. Die oxidierende Reinigungslösung besteht dabei beispielsweise aus einem ozonhaltigen Wasser mit einem Ozongehalt zwischen 0,1 bis 100 ppm oder aus Chlorwasserstoffsäure (0,1 bis 37 Gew.%) und Wasserstoffperoxid (0,01 bis 10 Gew.%) in Reinstwasser. - Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
- Beispiel 1: Generelle Verfahrensbeschreibung
- Nach
DE102007047210 abgeschiedene poröse Poly-Si-Stäbe (Vergleichsbeispiele 1 und 2) bzw. glatte Stäbe (Vergleichsbeispiele 3 und 4) aus einem Standardabscheideverfahren (worunter Stäbe mit glatter Oberfläche, bzw. mit Rissen mit einem Durchmesser < 0,1 μm zu verstehen sind), wurden wie inDE102006016323 undDE102006016324 (Vergleichsbeispiele 1 bis 4) beschrieben gebrochen, sortiert, der erhaltene poröse bzw. glatte Bruch wie im den folgenden Beispielen beschrieben gereinigt und anschließend in FE-Beutel verpackt. - Von diesem Material wurden ca. 100 g schwere Proben für die Oberflächen-Analytik genommen. Die Polysiliciumprobe wurde in einem Teflontrichter mit einer Lösung aus HF und HNO3 in Reinstwasser abgespritzt. Die Lösung wurde in einem Teflonbecher aufgefangen, die Säure wurde abgedampft und der Rückstand in Wasser aufgenommen. Der Metallgehalt der wässrigen Lösung wurde mittels ICP-AES (Induktiv- gekoppeltes Innenplasma-Atomemissionsspektroskop) bestimmt. Aus den gemessenen Werten wurde der Metallgehalt der Polyoberfläche berechnet.
- Vergleichsbeispiel 1: Reinigung von porösem Polybruch aus Bsp. 1 mit dem in
EP 0905 796 B1 beschriebenen Verfahren (poröses Si und Standard Reinigung) - 5 kg poröser Polybruch mit einer mittleren Kantenlänge von 70 mm (bzw. einer maximalen Kantenlänge der Bruchstücke von ca. 50 mm bis 120 mm) wurden wie in
EP 0905 796 B1 beschriebenen in einer Prozessschale aus Kunststoff wie folgt behandelt: - 1. Vorreinigung: 20 Min Beizen mit 20 000 ml einer Lösung aus 1 Gew.% HF, 4 Gew.% HCl und 3 Gew% H2O2 in Reinstwasser bei 15 +/– 5°C; Ätzabtrag: ca. 0,01 μm
- 2. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 3 m3/Std bei 22oC
- 3. Hauptreinigung: Ätzen 15 Min bei 18°C in 20 000 ml einer HF/HNO3-Lösung (1 Gew% HF und 65 Gew% HNO3 in Reinstwasser; Ätzabtrag: ca. 60 μm
- 4. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 2 m3/Std 22°C
- 5. 5 Min Hydrophilierung in HCl/H2O2 in Reinstwasser (4 Gew.% HCl/4 Gew.% H2O2) bei 28°C
- 6. Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm bei 22 Grad 1 m3/Std.
- 7. Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm bei 80 Grad 4 m3/Std.
- 8. 120 Min Trocknen mit 50 Grad mit Reinstluft Klasse 100
- Es wurde ein Polybruch mit im Mittel folgenden Metalloberflächenwerten enthalten: Angabe in pptw
Element Wert in pptw Fe 1203 Cr 6 Ni 0,5 Na 65 Zn 15 Al 95 Cu 5 Mo 1 Ti 45 W 12 K 42 Co 0,2 Mn 0,7 Ca 82 Mg 15 V 0,1 Ag 0,3 - Beispiel 2: Reinigung von porösem Polybruch aus Bsp. 1 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
- 5 kg poröser Polybruch mit einer mittleren Kantenlänge von 70 mm (wie in Vergleichsbeispiel 1) wurden in einer Prozessschale aus Kunststoff wie folgt behandelt:
- 1. Teilschritt a): 20 Min Beizen mit 20 000 ml einer Lösung aus 1 Gew% HF, 4 Gew% HCl und 0,5 Gew% H2O2 in Reinstwasser bei 15 +/– 5°C; Ätzabtrag: ca. 0,005 μm
- 2. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 3 m3/Std bei 22°C
- 3. Teilschritt b): Ätzen 8 Min bei 18°C in 20 000 ml einer HF/HNO3-Lösung (1 Gew% HF und 65 Gew% HNO3 in Reinstwasser); Ätzabtrag: ca. 30 μm
- 4. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 2 m3/Std 22°C
- 5. Teilschritt a): 20 Min Beizen mit 20000 ml einer Lösung aus 1 Gew% HF, 4 Gew% HCl und 0,5 Gew% H2O2 in Reinstwasser bei 15 +/– 5°C; Ätzabtrag: ca. 0,005 μm
- 6. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 3 m3/Std bei 22°C
- 7. Teilschritt b): Ätzen 8 Min bei 18°C in 20000 ml einer HF/HNO3-Lösung (1 Gew% HF und 65 Gew% HNO3 in Reinstwasser); Ätzabtrag: ca. 30 μm
- 8. 10 Min Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm 2 m3/Std 22 Grad
- 9. 10 Min Hydrophilierung in HCl/H2O2 (4 Gew% HCl/0,5 Gew% H2O2 in Reinstwasser) bei 22°C.
- 10. Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm bei 22°C 1 m3/Std
- 11. Spülen mit Reinstwasser 18 Mohm bei 80 Grad 4 m3/Std
- 12. 120 Min Trocknen mit 50 Grad Reinstluft Klasse 100
- Es wurde ein Polybruch mit folgenden Metalloberflächenwerten erhalten: Angabe in pptw
Element Wert in pptw Fe 42 Cr 2 Ni 0,2 Na 24 Zn 5 Al 34 Cu 1 Mo 1 Ti 5 W 2 K 22 Co 0,1 Mn 0,3 Ca 44 Mg 11 V 0,1 Ag 0,1 - Vergleichsbeispiel 2: Reinigung von glattem Polybruch mit dem in
EP 0905 796 B beschriebenen Verfahren (Standard Poly Si und Standard Reinigungsverfahren) - 5 kg glatter Polybruch mit einer mittleren Kantenlänge von 70 mm (wie in Beispiel 1) wurden wie in
EP 0905 796 B1 , bzw. wie in Vergl.-Bsp. 1 beschrieben behandelt, der Ätzabtrag entsprach dabei den Angaben wie in Vergl.-Bsp 1. - Hierbei wurde ein Polybruch mit folgenden Metalloberflächenwerten enthalten: Angabe in pptw
Element Wert in pptw Fe 18 Cr 2 Ni 0,5 Na 55 Zn 14 Al 85 Cu 4 Mo 1 Ti 42 W 11 K 40 Co 0,1 Mn 0,6 Ca 75 Mg 12 V 0,1 Ag 0,2 - Beispiel 3: Reinigung von glattem Polybruch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren (Standard Poly Si und neues Reinigungsverfahren)
- 5 kg glatter Polybruch mit einer mittleren Kantenlänge von 70 mm (wie in Beispiel 1) wurden in einer Prozessschale aus Kunststoff zweimal hintereinander wie in Bsp. 2 beschrieben behandelt, der Ätzabtrag entsprach dabei den Angaben in Bsp. 2 Hierbei wurde ein Polybruch mit folgenden Metalloberflächenwerten erhalten: Angabe in pptw
Element Wert in pptw Fe 8 Cr 0,5 Ni 0,1 Na 12 Zn 2 Al 8 Cu 0,1 Mo 0,1 Ti 2 W 1 K 12 Co 0,1 Mn 0,1 Ca 12 Mg 15 V 0,05 Ag 0,05 - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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Claims (8)
- Polysiliciumbruch bestehend aus einer im Siemensprozess gewachsene, gleichartigen Struktur, wobei diese Struktur Poren, Fugen, Spalten, Risse und Klüfte enthält, mit einer Bruchgrößenverteilung von 1 bis 250 mm und einer Sphärizität von 0,7 bis 1,0 und einem Breiten zu Längenverhältnis im Bereich von 0,7 bis 1,0, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Oberfläche mit einer Summe an metallischen Verunreinigungen von 1 bis 1000 pptw hat.
- Polysiliciumbruch, gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass er eine Bruchgrößenverteilung von 45 bis 150 mm besitzt.
- Polysiliciumbruch gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass er eine Dichte von 2,0 bis 2,3 g/cm3 und einer Gesamtporosität von 0,01 bis 0,2 besitzt.
- Verfahren zur Herstellung von Siliciumbruch bei dem ein Siliciumbruch einer Reinigung in mehreren Teilschritten unterzogen wird, wobei in einem Teilschritt a) eine Reinigung des Siliciumbruchs in einer oxidierenden Waschlösung erfolgt welche zu 0,1 bis 39,5 Gew.% aus Salpetersäure oder zu 0,1 bis 37 Gew.% aus Chlorwasserstoffsäure und zu 0,1 bis 20 Gew.% aus Fluorwasserstoffsäure und zu 0,1 bis 20 Gew.% aus Wasserstoffperoxid sowie aus Reinstwasser besteht und in einem Teilschritt b) eine Reinigung des Siliciumbruchs in einer Waschlösung erfolgt, welche zu 40 bis 99,9 Gew.% aus Salpetersäure und zu 0,1 bis 20 Gew.% aus Flusssäure sowie aus Wasser mit einem elektrischen Widerstand von 0,1 bis 18 Mohm besteht, dadurch gekennzeichnet, dass diese Teilschritte in der Reihenfolge a), b), a), b) oder b), a), b), a) ausgeführt werden.
- Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte a) bzw. b) jeweils für 1 Sekunde bis zu 3 Stunden durchgeführt werden.
- Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet dass die Verfahrensschritte a.) bzw. b.) zusätzlich H2SiF6 zwischen 0,01 und 20 Gew.% und/oder die HNO3-haltigen Lösungen in den beiden Verfahrenschritten zwischen 0,01 und 3 Gew.% HNO2 (Salpetrige Säure) enthalten.
- Verfahren gemäß Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte a) bzw. b) bei einer Temperatur zwischen 0°C und 100°C durchgeführt werden.
- Verfahren gemäß Anspruch 4, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Polybruch abschließend in einem weiteren Teilschritt einer Hydrophilierung mit einer oxidierenden Waschlösung unterzogen wird.
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