本发明涉及根据独立权利要求前序部分的、一种用于将尤其是由多晶硅制成的棒状材料片段化的方法、一种用于实施该方法的设备以及一种该设备的应用。
背景技术：
主要使用西门子法来制造高纯度多晶硅，高纯度多晶硅是用于太阳能或电子工业的多晶或单晶衬底的晶体培育的基本材料。借助该方法制造厚度在100mm至150mm之间的范围内的多晶硅棒，这些多晶硅棒必须被破碎成小块才能用在晶体生长炉中。
在此应注意，所述小块应尽可能具有介于10mm至30mm之间的大小，不应小于2mm且不应呈针状，否则这会对流变特性产生不利影响。由于硅具有特殊的晶体结构，因此很难将硅棒破碎成大小且形状尽可能均匀的片段。
此外应注意，高纯度基本材料在破碎时不得因接触杂质而被污染。材料被杂质、尤其是被金属污染是很苛刻的并且应小于5ppb、更优选低于2ppb。
现有技术中公开了各种用于破碎硅棒的方法，在这些方法中，要么通过机械、要么通过热作用、要么通过机械和热作用的结合来破碎棒。也已知通过冲击波来破碎棒。
但所有这些已知方法在运行成本及设备成本、能耗、材料粒度和/或材料污染方面都存在实质性缺点。
技术实现要素：
因此，本发明的任务在于提供不具有或至少部分避免现有技术的缺点的方法和装置。
该任务通过独立权利要求的技术方案得以解决。
相应地，本发明的第一方面涉及一种用于将优选由半导体材料、如多晶硅制成的棒状材料片段化的方法。
在此，将具有两个或更多个电极的电极装置这样设置在待片段化棒状材料的浸入工艺流体、优选水中的区段的区域中，使得所述电极浸入工艺流体中并且不仅相互间具有距离而且分别与棒状材料具有距离。
这样选择所述距离，使得通过给电极装置加载高压脉冲可在所述电极区域中产生穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿。所述距离的大小与工艺流体的导电率、棒状材料的导电率及高压脉冲的大小有关。本领域技术人员可根据具体运行情况通过简单的试验确定适合的距离。
给电极装置加载高压脉冲，使得产生穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿。在产生高压击穿期间，在电极装置和棒状材料之间产生沿棒状材料纵向方向的相对运动，由此穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿的位置在棒状材料的纵向方向上不断变化。
借助本发明方法例如可将棒状半导体材料和尤其是硅棒以较低能耗破碎成大小和形状相对均匀的片段，这些片断最适合于在晶体生长炉内进一步处理。利用该方法也可将杂质污染保持在极低水平。
在该方法的一种优选实施方式中，棒状材料在片段化时完全浸入工艺流体中。在此，棒状材料优选具有大致水平的位置。
在此进一步优选，棒状材料在片段化时容纳在向上开口的盆状或碗状容器中，并且由该棒状材料的片段化产生的片段收集在该容器中并且在完全片段化后与该容器一起被运走。
因此，该方法可在工业批量处理中借助相对简单且没有复杂运输装置的设备来实施。
在该方法的另一种优选实施方式中，棒状材料在片段化时以一个端部浸入工艺流体中，并且棒状材料在此优选具有倾斜位置，在该倾斜位置中，棒状材料的下端部浸入工艺流体中。由此，该方法可以按简单的方式在准连续运行中通过连续将棒状材料供应到被工艺流体灌满的片段化区中来实现。
有利的是，电极装置和棒状材料之间的相对运动至少部分通过使棒状材料沿其纵向方向移动产生。
替代或补充地规定，为了在电极装置和棒状材料之间产生相对运动，使电极装置沿棒状材料的纵向方向移动。
根据设备方案，所述一种或另一种方案或两种方案的组合可以是特别优选的。
在此，在后一种方案中，优选使电极装置与产生高压脉冲的高压发生器一起沿棒状材料的纵向方向移动。由此可弃用电极装置与高压发生器复杂的可动连接。
如果棒状材料在片段化时具有倾斜位置或优选水平位置，并且电极装置的电极在此设置在棒状材料上方、优选相对于棒状材料的纵轴线大致居中，那么由此可实现特别均匀的片段化结果。
优选这样设置电极装置的电极，使得相应电极到棒状材料表面的距离分别处于2mm至40mm的范围内，并且各电极之间的距离处于40mm至100mm之间的范围内。所述范围内的距离已证明是特别适合的。
优选以在100KV至300KV之间的范围内、尤其是以在150KV至200KV之间的范围内的高压脉冲加载电极装置，以便产生穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿。
高压脉冲优选具有在300焦耳至1000焦耳之间、尤其是500焦耳至750焦耳之间的每脉冲功率。
所述电压范围和功率范围已证明是特别适合的。
优选以具有在0.5Hz至40Hz之间的范围内、尤其是在1Hz至5Hz之间的范围内的脉冲频率的高压脉冲加载电极装置，以便产生穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿。
优选这样进行电极装置和棒状材料之间的相对运动和/或给电极装置加载高压脉冲，使得电极装置每毫米相对运动被加载0.5至1.0个脉冲、尤其是0.1至2.0个脉冲。
这种脉冲频率和每毫米相对运动的脉冲加载已证明是特别适合的。
优选以工艺流体冲刷在电极装置的电极和棒状材料之间的区域，该区域被灌满工艺流体。通过这种方式可从处理区中去除细料并且确保处理区中的工艺流体的恒定质量，这有利于稳定的工艺控制。
在本方法的一种优选实施方式中，电极装置的所述至少两个电极的第一电极被加载高压脉冲，而所述电极的第二电极位于固定电位、尤其是被接地，以便产生穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿。
在本方法的另一种优选实施方式中，同时以具有不等于地电位的不同电位的脉冲加载电极装置的所述至少两个电极，以便产生穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿。
根据所使用的高压脉冲源的类型和结构，可以优选所述一种或另一种方案。
本发明的第二方面涉及一种用于实施根据本发明第一方面的方法的设备。该设备包括可用工艺流体、优选水填充的处理室，并且棒状材料或其区段可这样设置在处理室中，使得棒状材料或棒状材料区段在处理室用工艺流体填充的情况下被工艺流体包围。
此外，所述设备包括具有至少两个电极的电极装置，所述电极在处理室用工艺流体填充并且正常容纳棒状材料或容纳棒状材料区段的情况下可为正常运行这样设置在棒状材料或容纳棒状材料的所述区段的区域中，使得所述电极浸入工艺流体中并且在此相互间具有距离并且分别与棒状材料具有距离，所述距离允许在正常运行中通过给电极装置加载高压脉冲来在所述电极区域中产生穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿。
如上所述，所述距离与工艺流体的导电率、棒状材料的导电率及高压脉冲的大小有关。本领域技术人员可根据具体运行情况通过简单的试验来确定适合的距离。
所述设备还包括用于给电极装置加载高压脉冲以便产生穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿的器件以及用于在正常运行中产生高压击穿期间在电极装置和棒状材料之间这样产生沿棒状材料纵向方向的相对运动的器件，使得穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿的位置在该材料的纵向方向上不断变化，棒状材料在该位置上始终被工艺流体包围并且电极在该位置上始终浸入工艺流体中。
借助本发明设备可以按简单方式实施根据本发明第一方面的方法。
在一种优选实施方式中，所述设备包括用于容纳棒状材料的装置、优选用于容纳棒状材料的向上开口的盆状或碗状容器。借助该容器，棒状材料可在正常运行中在处理室中完全被工艺流体包围，更确切地说优选处于水平位置中。
在此，另外优选这样构造该设备，使得所述盆状或碗状容器在正常的片段化运行后可与位于其中的由片段化产生的棒状材料片段一起被从设备中取出。
由此可为工业批量处理提供无复杂运输装置的相对简单的设备。
在另一种优选实施方式中，所述设备包括用于容纳棒状材料的装置，借助该装置可这样保持棒状材料，使得该棒状材料在处理室中以一个端部浸入工艺流体中，尤其是这样浸入工艺流体中，使得棒状材料在此具有倾斜位置并且其下端部浸入处理室内的工艺流体中。由此可以按简单的方式实现准连续设备，在该准连续设备中，棒状材料连续地、尤其是通过重力输送被供应到被工艺流体灌满的片段化区中并且在其中被片段化。
在设备的一种优选实施方式中，所述用于在电极装置和棒状材料之间产生相对运动的器件构造成用于使棒状材料沿其纵轴线移动。
替代或附加地，所述器件构造成用于使电极装置沿棒状材料的纵轴线移动。
根据设备方案，所述一种方案或另一种方案或两种方案的组合可以是特别优选的。
在此，在后一种方案中优选，所述用于给电极装置加载高压脉冲的器件包括高压脉冲发生器，并且所述用于在电极装置和棒状材料之间产生相对运动的器件构造成用于使电极装置与高压脉冲发生器一起沿棒状材料的纵轴线移动。由此可弃用电极装置与高压脉冲发生器复杂的可动连接。
优选这样构造所述设备，使得电极装置的所述至少两个电极在正常情况下可设置在棒状材料上方、优选相对于棒状材料的纵轴线大致居中。借助这种设备可实现特别均匀的片段化结果。
优选可这样设置电极装置的电极，使得各电极与棒状材料表面的距离分别处于2mm至40mm的范围内，并且所述电极之间的距离处于40mm至100mm之间的范围内。这种距离已证明是特别适合的。
此外，优选所述设备包括用于尤其是自动调节相应电极与棒状材料的距离的器件、优选在设备正常运行期间进行调节。
所述用于给电极装置加载高压脉冲的器件有利地构造成用于以在100KV至300KV之间的范围内、尤其是150KV至200KV之间的范围内的高压脉冲加载电极装置，该高压脉冲具有在300焦耳至1000焦耳之间的范围内、尤其是500焦耳至750焦耳之间的范围内的每脉冲功率和在0.5Hz至40Hz之间、尤其是在1Hz至5Hz之间的范围内的脉冲频率。
这些参数范围已证明是特别适合的。
此外优选的是，这样构造所述用于在电极装置和棒状材料之间产生沿棒状材料纵向方向的相对运动的器件或用于给电极装置加载高压脉冲的器件，使得在片段化运行中电极装置每毫米相对运动可被加载0.5至1.0个脉冲、尤其是0.1至2.0个脉冲。这种每毫米相对运动的脉冲频率已证明是特别适合的。
在另一种优选实施方式中，所述设备包括用于在片段化运行期间用工艺流体冲刷在电极装置的电极与棒状材料之间的区域的器件。这种器件例如包括一个或多个供应喷嘴，通过所述喷嘴可将新鲜或再生的工艺液体喷入在电极和棒状材料之间的区域中。由此可从该区域去除细粒并且保持该区域中工艺液体的导电性恒定，这有利于稳定的工艺控制。
在设备的另一种优选实施方式中，电极装置的所述至少两个电极的第一电极可被加载高压脉冲，而所述至少两个电极的另一电极则处于固定电位、尤其是被接地，以便产生穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿。
在设备的另一种优选实施方式中，电极装置的所述至少两个电极可同时被加载具有不等于地电位的不同电位的脉冲，以便产生穿过棒状材料和/或沿棒状材料表面的高压击穿。
根据电极装置和所使用的高压脉冲发生器，可以优选所述一种或另一种实施方式。
此外优选的是，本发明设备还包括设备控制装置，借助该设备控制装置优选可在片段化运行期间有利地根据在正常运行中确定的设备参数和/或工艺参数优选自动调节和/或控制高压脉冲的能量、高压脉冲的频率、电极装置和棒状材料之间的相对速度、电极与棒状材料之间的距离和/或特定设备参数。
本发明的第三方面涉及一种根据本发明第二方面的设备的应用，即用于将由半导体材料、优选由多晶硅制成的棒状物片段化。对于设备的这种应用而言，本发明的优点尤为显著地显现。
附图简述
本发明的其它方案、优点和应用由从属权利要求和参考图1的下述说明给出。该图示出本发明设备的局部剖视图。
本发明的实施方式
图1以剖视图示出根据本发明的用于根据本发明第一方面的方法将多晶硅棒1片段化的设备的一部分，该剖视图横向于设置在该设备中的待片段化硅棒1的纵向方向。
如可看出那样，该设备包括沿硅棒1纵向方向延伸的槽池9，该槽池形成符合要求的处理室8，该处理室用工艺流体2、在当前情况下是水2填充。
待片段化硅棒1设置在处理室8内的盆状容器7中，该容器的内壁由聚氨酯垫10制成，所述聚氨酯垫向下支承在由PE(聚乙烯)制成的衬垫11上。所述待片段化硅棒在此具有水平位置并且完全被工艺流体2包围。盆状容器7这样构造并且支承在处理室8中，使得该容器可在硅棒1被完全片段化后与由此产生的硅棒1片段(其作为散料设置在容器中)一起被从处理室8中取出。
此外，该设备包括具有两个电极5、6的电极装置4，所述电极相对于硅棒1的纵轴线大致居中设置在该硅棒上方。两个电极5、6浸入工艺流体2中，并且左侧电极5在片段化运行中被同样属于该设备的高压脉冲发生器(未示出)加载高压脉冲，而右侧电极6接地。两个电极5、6之间的距离远大于其各自到硅棒1的距离。这样选择所述距离，使得在通过高压脉冲发生器给左侧电极5加载高压脉冲时，在电极5、6区域中产生穿过硅棒1以及沿硅棒1表面的高压击穿，这种高压击穿导致硅棒1片段化。在当前情况下，硅棒1的直径约为120mm，其长度约为2m。电极5、6到硅棒1表面的距离约为8mm。电极5、6之间的距离约为60mm。可借助高压脉冲发生器产生的高压脉冲具有约200KV的电压并且被以5Hz的脉冲频率产生。每脉冲功率约为700焦耳。
在此，电极装置4在产生高压击穿时可与高压脉冲发生器一起在(未示出的)滑座上在硅棒1的纵向方向上沿其移动，从而使穿过硅棒1或沿硅棒1表面的高压击穿的位置在硅棒的纵向方向上不断变化，且在此电极5、6与硅棒1的距离不明显改变。在正常运行中，电极装置4以每秒6mm至10mm之间的范围内的速度沿硅棒1移动。
所述设备还包括设备控制装置，借助该设备控制装置可在片段化运行期间调节电极5、6和硅棒1之间的距离以及电极装置4的移动速度。
在此应明确指出，本申请所描述的优选实施方式对本发明不构成限制，并且本发明也可以按其它方式在现在所附权利要求的范围内被实施。