专利名称：用于生产细硅棒的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生产细硅棒的方法。
背景技术：
细硅棒用于沉积多晶硅。多晶硅(polycrystalline silicon ；polysilicon)用作起始材料，通过坩埚提拉 (crucible pulling) (Czochralski法或CZ法)或通过区域熔融(浮区法或FZ法)来生产单晶硅。单晶硅被切成晶片并在机械、化学、和化学-机械加工的多重操作后用于在半导体工业中制造电子元件(芯片)。然而，更特别地，在增大的范围内需要多晶硅，用于通过提拉或浇铸法来生产单晶硅或多晶硅，这种单晶硅或多晶硅用于制造用于光伏(应用)的太阳能电池。多晶硅(经常简称为polysilicon)常规通过西门子方法(Siemens process)进行生产。在这种情况下，细硅棒通过钟形反应器(“西门子反应器”)中的直流通路加热，并引入包括含硅组分以及氢的反应气体。通常，该细硅棒的边缘长度(edge length)为3至15mm。作为含硅组分，例如，硅-卤素化合物，如硅-氯化合物，特别是氯硅烷，是合适的。 含硅组分与氢一起被引入反应器中。在高于1000°C的温度下，将硅沉积在细棒上。这最终提供了含多晶硅的棒。DE 1105396描述了西门子方法的基本原理。关于细棒的生产，由DE 1177119可得知在由硅制成的支撑体(=细棒)上沉积硅，然后分离其中的一部分，并转而利用分离的该部分作为用于沉积硅的支撑体。分离可例如通过锯割机械地进行，或者通过液体喷射电解地进行。然而，在机械分离细棒的过程中，它们的表面会被金属以及硼、磷、铝和砷化合物所污染。表面的金属污染，例如在机械分离后可达90，000至160，OOOpptw(万亿分之一重量份，parts per trillion by weight)。B、P、A1 和 As 的平均污染范围为 60 至 700ppta (万亿分之一原子数，parts per trillion atomic)。因此，在细棒可用于硅沉积之前，通常有必要对其表面进行清洗。关于这一点，DE 1177119披露了机械清洗例如通过喷砂，或通过蚀刻的化学清洗。在由低污染材料(例如塑料)制成的浸蚀槽中通过利用HF和HNO3的混合物处理细棒，可明显减少表面污染金属可减少至低达300pptw或更低，且B、P、A1和As可减少至低于 15pptWoEP 0548504A2说明了用HF和HNO3清洗硅的方法。另一种清洗方法从DE 19529518A1获知。在这种情况下，首先使用王水(HCl和 HNO3的混合物)清洗多晶硅，然后使其另外用HF清洗。EP 0905796A1披露了一种用于生产具有低金属浓度的半导体材料的方法，其特征在于，在至少一个阶段中使用氧化清洗液对多晶硅进行预清洗，在进一步的阶段中使用含願03和冊的清洗液进行主清洗，并且在另一个阶段的亲水化过程中使用氧化清洗液进行清洗。通过此种清洗方法，硅表面上的铁和/或铬含量可从1.332 X 10_8g/cm2(在使用金属工具处理之后)减少至低于6. 66X lO—ng/cm2。为了提高硅沉积中的产量(成品率，yield)，同样值得期望的是，能够使用较长的细棒。原则上可通过焊接较短的细棒来生产较长的细棒。WO 02/070184A1描述了一种方法，其中，两个硅工件通过焊接被无缝地连接在一起。首先，优选地在由硅制成的加热板上，将工件加热到至少600°C的温度。然后，例如通过电气、等离子或激光焊接将工件连接在一起。然而，对于细工件，这种方法则难以操作。此外，在焊接过程中硅工件持续地与空气直接接触，这在污染方面是不利的。US 6573471B1同样描述了一种通过焊接将两个硅工件连接在一起的方法。该方法与根据WO 02/070184A1的方法的本质区别在于在两个工件连接前设定减压为至多0. 05 托。US 685^52B1描述了一种通过电弧焊将两个硅工件连接在一起的方法。为此，在两个电极之间生成等离子体，并且使待连接的硅工件相互靠近。该方法优选地在氩气气氛中进行。然而，根据US 685^52B1的方法也较复杂，并且不利于细硅棒的焊接。另一种可能的方法涉及感应焊接。借助此方法，通常可在空气气氛中焊接塑料和金属部件。由于高于1500°C的高温，硅与周围空气中的氮反应，使得利用感应焊接来连接硅工件会导致形成SiN层。由于SiN不溶于硅熔体，并作为颗粒在单晶体中导致位移，所以此类多晶硅不适用于通过坩埚提拉或区域熔融来生产硅单晶。对于较长的细棒，目前可用的浸蚀槽构成了进一步的问题。这是因为用于清洗系统的、由纯塑料制成的浸蚀槽的尺寸受到设计限制。超过浸蚀槽的某一特定尺寸，系统将变得不稳定。附加的钢支柱可允许扩大浸蚀槽。但是，钢的使用却很危险，因为不能排除由于应力裂纹酸从钢支柱附近的浸蚀槽中逸出以及酸受金属污染的可能性。
发明内容
因此，本发明的一个目的是避免上述缺点并改进现有技术。通过一种用于生产细硅棒(1)的方法，实现了此目的，该方法包括以下步骤a)提供多晶硅棒，从该多晶硅棒分离至少两个相对于该多晶硅棒具有减小横截面的细棒(11、12)；b)通过使用材料腐蚀性液体介质(material-eroding liquid medium)进行处理， 清洗所述至少两个分离的细棒(11、12)；c)焊接所述至少两个经清洗的细棒(11、12)以形成较长的细棒(1)；d)在管状膜(100)中包装(封装，packaging)该较长的细棒(1)。优选的实施方式在以下限定。优选地，在焊接所述至少两个细棒(11、12)以形成较长的细棒(1)之后且在包装所述较长的细棒(1)之前，进行第二清洗，在所述第二清洗中，用材料腐蚀性液体介质处理所述较长的细棒(1)。优选地，根据步骤b)以及在对所述较长的细棒(1)的所述第二清洗中，用于处理所述细棒(11、12)的液体介质包含HF和HNO3。优选地，在根据步骤b)清洗之后，进行所述细棒(11、1幻的亲水化，且在所述第二清洗后，通过臭氧进行所述较长的细棒(1)的亲水化。优选地，在用材料腐蚀性液体介质处理所述较长的细棒(1)中，材料腐蚀小于 10 μ m。优选地，在根据步骤b)通过用材料腐蚀性液体介质处理所述细棒(11、1 的清洗中，材料腐蚀分别为至少 ο μ m。优选地，对所述较长的细棒(1)的所述第二清洗在包含材料腐蚀性液体介质的槽 (5)中进行，所述槽( 在两个端面上分别具有开口(51)和(52)，所述较长的细棒(1)逐渐通过所述开口以对其进行清洗，沿着所述较长的细棒(1)通过所述开口(51)和(52)流出的材料腐蚀性液体介质收集在布置于所述槽( 下方的收集槽(7)中，并泵回到所述槽 (5)中。优选地，在所述较长的细棒(1)通过所述槽( 且在干燥所述较长的细棒(1)之后，将其引入膜管(100)中进行包装。优选地，焊接经分离的所述至少两个细棒(11、1幻以形成较长的细棒(1)，在惰性气氛中通过感应焊接进行。优选地，布置在石英封装的碳管(4)上方的感应线圈( 分别加热所述细棒(11) 和(12)的一端至高于硅的熔融温度，由此形成硅液滴，并且在几分钟后关闭所述感应线圈 (3)，所述细棒(11)和(12)熔合形成所述较长的细棒(1)。本方法的起点是通过在细棒上沉积硅(优选通过西门子方法)而生产的多晶硅棒。该多晶硅棒材料被切成细棒。优选通过锯割机械地进行细棒的分离。然后，化学地清洗所分离的细棒。优选地，正是在焊接细棒之前，进行一次清洗步骤。该清洗步骤优选在洁净室100级或较低级(根据ISO 14644-1替代的US FED STD 209E)洁净室中进行。在100级洁净室(ISO 5)中，每升可含有最多3. 5个、最大直径为0. 5 μ m的颗粒。优选利用HF/HN03混合物进行化学清洗。然后焊接细硅棒。焊接经清洗的细硅棒，优选在惰性气体中进行。优选通过感应法(induction method)进行焊接。
以下将借助附图对本发明进行阐释。图1示意性示出了焊接两个细棒的方式。图2示意性示出了在浸蚀槽(蚀刻槽，etching tank)中处理经焊接的细棒的方式。
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使用的附图标记1经焊接的细棒12第二细棒2石英管4 碳管51 开口6蚀刻液8 泵9干燥单元
11第一细棒 13焊接的接点 3感应线圈
5浸蚀(蚀刻，etching)容器/槽 52开口
7收集槽(料槽，trough) 81管线 100膜管。
具体实施例方式在一种装置中进行短的细硅棒11和12的焊接，其中，首先在保护气体中(尤其优选氩气)使两个细棒11和12接触。感应线圈3加热棒11和12的两端至高于硅的熔融温度(> 1412°C )并且形成通过表面张力维持其形状的硅液滴。最多4至5分钟后，两个棒末端的硅变为液体，且感应线圈3关闭。两个棒11和12熔合在一起。感应线圈3布置在碳(石墨)的石英封装管4上方。感应线圈3中产生的交变磁场首先耦合至由碳构成的管4中并对其进行加热。随后，热辐射加热硅棒。超过特定温度时，交变磁场也可直接耦合至硅中，并对其进一步加热。 现在可开始实际的焊接工艺。碳管4中设定大幅超过1000°C的温度。因此有必要确保该管与外部空气隔离。将其适当地封装于石英中。为了使热硅也与外部空气隔离，用石英管2包封(密封，enclose) 整个装置。一方面，石英具有耐高温的特性。另一方面，石英是透明的，从而使得可以观察焊接过程。石英管2内部的高温形成由底部向上相对较强的对流。此处如果不采取特殊措施，那么将吸入外部空气并将其传送至焊接位点。然而，这伴随产生两个缺点-焊接位点的额外污染，以及-与空气(氮和氧)的化学反应。在所有情况下，都应特别避免与氮发生反应，因为该反应会形成SiN，其在随后的晶体提拉(crystal pulling)工艺中产生问题。因此，提供石英管，在其下方具有保护气体 (惰性气体，氩气)。作为保护气体，特别优选氩气。但是，原则上也可使用其他惰性气体。保护气体可再次从上部开口逸出。由硅的高温导致的对流确保了环境空气基本上不会与热硅接触。随后将焊接的细棒包装入管状袋100中。经焊接细棒的包装(packaging)优选在超纯PE的管状膜中进行。所使用的(包装)袋理想地由厚度为40至100 μ m的高纯PE构成。在焊接工艺过程中，Si表面在整个细棒长度上很容易被杂质所污染。
已经发现，通过本方法获得的细棒可用于生产多晶硅，用于半导体工业(CZ)和太阳能工业。在以这种方式生产的细棒上通过沉积法而沉积的多晶硅，可进一步通过区域熔融法(FZ)处理以形成单晶体。然而，由于仍然存在的杂质，对于小于1000 Ω · cm(ohm· cm)的电阻(电阻率， resistance)，提拉产量(提拉成品率，pulling yield)仅为低于50%，这是不利的。但是，由于越来越需要高阻抗材料，因而优选提高产量(成品率，yield)。为了实现该目的，有必要减少Si表面上和所使用的细棒本体中的金属浓度，从约IO12原子/ cm2(at/cm2)减少至约 IO11 原子 /cm2。已知的诸如铁、铜和镍的杂质可显著缩短硅中少数载荷子(，charge carriers) 的寿命。这对于在半导体应用(在此种情况下，必须使用附加的吸金属剂(getters for metals))以及太阳能应用(载荷子的寿命对太阳能电池的效率具有主要影响)中的应用， 产生不良的后果。因此，优选恰好在包装之前，进行附加的清洗步骤。该附加的清洗步骤也优选在洁净室100级或较低级的洁净室中进行。第二(次)化学清洗也优选利用HF/HN03进行。如果在焊接之后再清洗一次经焊接的细棒，则可去除焊接过程中累积在细棒硅表面上的杂质。表1示出了焊接后在不进行第二清洗步骤的情况下以PPtw计的表面金属污染。表 权利要求
1.一种用于生产细硅棒(1)的方法，包括以下步骤a)提供多晶硅棒，从所述多晶硅棒分离至少两个细棒(11、12)，所述细棒与所述多晶硅棒相比具有减小的横截面；b)通过用材料腐蚀性液体介质处理，清洗经分离的所述至少两个细棒(11、12)；c)焊接经清洗的所述至少两个细棒(11、12)以形成较长的细棒(1)；d)将所述较长的细棒(1)包装在管状膜(100)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在焊接所述至少两个细棒(11、1幻以形成较长的细棒(1)之后且在包装所述较长的细棒(1)之前，进行第二清洗，在所述第二清洗中，用材料腐蚀性液体介质处理所述较长的细棒(1)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据步骤b)以及在对所述较长的细棒(1) 的所述第二清洗中，用于处理所述细棒(11、12)的液体介质包含HF和ΗΝ03。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在根据步骤b)清洗之后，进行所述细棒(11、 12)的亲水化，且在所述第二清洗后，通过臭氧进行所述较长的细棒(1)的亲水化。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，在用材料腐蚀性液体介质处理所述较长的细棒(1)中，材料腐蚀小于ΙΟμπι。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在根据步骤b)通过用材料腐蚀性液体介质处理所述细棒(11、12)的清洗中，材料腐蚀分别为至少ΙΟμπι。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，对所述较长的细棒(1)的所述第二清洗在包含材料腐蚀性液体介质的槽(5)中进行，所述槽( 在两个端面上分别具有开口(51)和(52)，所述较长的细棒(1)逐渐通过所述开口以对其进行清洗，沿着所述较长的细棒(1)通过所述开口(51)和(5 流出的材料腐蚀性液体介质收集在布置于所述槽(5) 下方的收集槽(7)中，并泵回到所述槽(5)中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述较长的细棒(1)通过所述槽( 且在干燥所述较长的细棒(1)之后，将其引入膜管(100)中进行包装。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，焊接经分离的所述至少两个细棒 (11、12)以形成较长的细棒(1)，在惰性气氛中通过感应焊接进行。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，布置在石英封装的碳管(4)上方的感应线圈 (3)分别加热所述细棒(11)和(1 的一端至高于硅的熔融温度，由此形成硅液滴，并且在几分钟后关闭所述感应线圈(3)，所述细棒(11)和(1 熔合形成所述较长的细棒(1)。
全文摘要
本发明涉及一种用于生产细硅棒(1)的方法，包括以下步骤a)提供多晶硅棒，从该多晶硅棒分离至少两个细棒(11、12)，所述细棒与所述多晶硅棒相比具有减小的横截面；b)通过用材料腐蚀性液体介质处理，清洗经分离的所述至少两个细棒(11、12)；c)焊接经清洗的所述至少两个细棒(11、12)以形成较长的细棒(1)；d)将所述较长的细棒(1)包装在管状膜(100)中。
文档编号C01B33/035GK102432018SQ20111027430
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者汉斯·沃赫纳, 沃尔特·哈克尔 申请人:瓦克化学股份公司