DE19727441A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Zerkleinern von Halbleitermaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zerkleinern von Halbleitermaterial.

Für die Herstellung von Solarzellen oder elektronischen Bauele­ menten, wie beispielsweise Speicherelementen oder Mikroprozes­ soren, wird hochreines Halbleitermaterial benötigt. Die gezielt eingebrachten Dotierstoffe sind die einzigen Verunreinigungen, die ein derartiges Material im günstigsten Fall aufweisen soll­ te. Man ist daher bestrebt, die Konzentrationen schädlicher Verunreinigungen so niedrig wie möglich zu halten. Häufig wird beobachtet, daß bereits hochrein hergestelltes Halbleitermate­ rial im Verlauf der weiteren Verarbeitung zu den Zielprodukten erneut kontaminiert wird. So werden immer wieder aufwendige Reinigungsschritte notwendig, um die ursprüngliche Reinheit zu­ rückzuerhalten. Fremdmetallatome, die in das Kristallgitter des Halbleitermaterials eingebaut werden, stören die Ladungsvertei­ lung und können die Funktion des späteren Bauteils vermindern oder zu dessen Ausfall führen. Infolgedessen sind insbesondere Kontaminationen des Halbleitermaterials durch metallische Ver­ unreinigungen zu vermeiden. Dies gilt insbesondere für Silici­ um, das in der Elektronikindustrie mit deutlichem Abstand am häufigsten als Halbleitermaterial eingesetzt wird. Hochreines Silicium erhält man beispielsweise durch thermische Zersetzung leicht flüchtiger und deshalb einfach über Destillationsverfahren zu reinigender Siliciumverbindungen, wie beispielsweise Trichlorsilan. Es fällt dabei polykristallin in Form von Stäben mit typischen Durchmessern von 70 bis 300 mm und Längen von 500 bis 2500 mm an. Ein großer Teil der Stäbe wird zur Produktion von tiegelgezogenen Einkristallen, von Rändern und Folien oder zur Herstellung von polykristallinem Solarzellengrundmaterial verwendet. Da diese Produkte aus hochreinem, schmelzflüssigen Silicium hergestellt werden, ist es notwendig, festes Silicium in Tiegeln aufzuschmelzen. Um diesen Vorgang möglichst effektiv zu gestalten, müssen großvolumige, massive Siliciumstücke, wie beispielsweise die erwähnten polykristallinen Stäbe, vor dem Aufschmelzen zerkleinert werden. Dies ist üblicherweise immer mit einer oberflächlichen Verunreinigung des Halbleitermateri­ als verbunden, weil die Zerkleinerung mit metallischen Brechwerkzeugen, wie Backen- oder Walzenbrechern, Hämmern oder Meißeln, erfolgt.

Bei der Zerkleinerung ist sorgfältig darauf zu achten, daß die Oberflächen der Bruchstücke nicht mit Fremdstoffen verunreinigt werden. Insbesondere ist die Kontamination durch Metallatome als kritisch anzusehen, da diese die elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials in schädlicher Weise verändern können. Wird das zu zerkleinernde Halbleitermaterial, wie bisher über­ wiegend üblich, mit mechanischen Werkzeugen, wie beispielsweise stählernen Brechern, zerkleinert, so müssen die Bruchstücke vor dem Aufschmelzen einer aufwendigen und kostenintensiven Ober­ flächenreinigung unterzogen werden.

Gemäß der Offenlegungsschrift DE-28 11 091 A1 und ihrer korre­ spondierenden Patentschrift US-4,871,117 ist es möglich, massi­ ve, großvolumige Siliciumkörper so zu dekompaktieren, daß die mechanische Zerkleinerung schon mit Werkzeugen, deren Arbeits­ flächen aus nicht oder nur gering kontaminierenden Stoffen, wie Silicium, Nitrid- oder Carbidkeramiken, bestehen, gelingt. Die Dekompaktierung wird dadurch erreicht, daß durch Wärmeeinwir­ kung von außen im zu zerbrechenden Siliciumstück ein Tempera­ turgradient erzeugt und eine Oberflächentemperatur von 400 bis 1400°C eingestellt wird, und diese rasch um einen Wert von min­ destens 300° abgesenkt wird, so daß sich der Temperaturgradient zumindest teilweise umkehrt. Zur Erzeugung des Temperaturgra­ dienten muß das massive Gut in einen Ofen gebracht und aufge­ heizt werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß während der Aufheizphase die Diffusion von an der Oberfläche des Halbleitermaterials adsorbierten Fremdstoffen in Gang ge­ setzt und/oder beschleunigt wird. Auf diese Weise gelangen die Fremdstoffe von der Oberfläche in den Kristallverband des Halb­ leitermaterials und entziehen sich dadurch den Reinigungsmaß­ nahmen, die nur oberflächennahe Verunreinigungen zu beseitigen vermögen. Darüber hinaus ist bei dem genannten Verfahren eine Kontamination des Halbleitermaterials durch vom Ofenmaterial während des Aufheizens abgegebene Fremdstoffe praktisch nicht zu vermeiden.

Die Aufgabe der Erfindung bestand deshalb darin, eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das den Stand der Technik verbessert und es insbesondere ermöglicht, Halblei­ termaterial kontaminationsfrei und unter Verzicht auf hohe Tem­ peraturen und mechanische Brechwerkzeuge zu zerkleinern. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Zerkleinern von Halbleitermaterial, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie mindestens zwei beabstandete Elektroden aufweist, die aus dem zu zerkleinernden Halbleitermaterial bestehen und jeweils eine Heizvorrichtung aufweisen.

Überraschenderweise lassen sich auch Elektroden aus Halbleiter­ material verwenden, während Elektroden aus einem anderen Mate­ rial einen erheblichen Eintrag von Fremdmaterial aus den Elek­ troden beziehungsweise aus dem zur Kontaktierung verwendeten Wasser aufweisen.

In Fig. 1 wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zerklei­ nern schematisch im Querschnitt gezeigt.

Fig. 2 zeigt schematisch in einer perspektivischen Draufsicht das erfindungsgemäße Verfahren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise dazu ge­ nutzt, sprödhartes Halbleitermaterial, wie Germanium oder Gal­ liumarsenid und vorzugsweise Silicium zu zerkleinern. Es spielt dabei keine Rolle, ob bereits Bruchstücke oder Halbleiterstäbe zerkleinert werden sollen.

Die Vorrichtung ist so aufgebaut, daß sie mindestens zwei beab­ standete Elektroden 3 aufweist, die aus dem zu zerkleinernden Halbleitermaterial bestehen, wobei es sich um Germanium oder Galliumarsenid und vorzugsweise Silicium handelt. Die Elektro­ den haben vorzugsweise einen Durchmesser von 6 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt von 8 mm bis 12 mm. Diese Elektroden weisen eine Heizvorrichtung auf, die sie auf Temperaturen von vorzugs­ weise 400°C bis 1200°C erwärmen kann. Diese Heizvorrichtung weist vorzugsweise eine Heizkassette 6 mit vorzugsweise elek­ trischen Heizern 5 auf. Die Elektroden 3 selbst sind vorzugs­ weise über eine Graphitelektrode mit einem Hochspannungsimpuls­ generator 8 verbunden. Vorzugsweise sind die Elektroden 3 be­ weglich angeschlossen, so daß sie axial aus der Heizkassette 6 mit den elektrischen Heizern 5 geschoben werden können und so an das zu zerkleinernde Halbleitermaterial, wie vorzugsweise einen Siliciumstab, geschoben werden können, so daß sie mit dem Halbleitermaterial im Kontakt stehen. Die Elektroden können auch beweglich sein, indem sie starr mit der Heizvorrichtung verbunden sind, indem die Elektroden mit der Heizvorrichtung zusammen auf einer verschiebbaren Halterung 7 bewegt werden, die vorzugsweise aus Metall besteht. Zwischen den Elektroden 3 befindet sich eine Unterlage 2, die aus abriebfestem Kunststoff oder vorzugsweise aus dem zu zerkleinernden Halbleitermaterial, vorzugsweise Silicium, besteht, um eine Kontamination mit Fremdatomen zu vermindern. Die Vorrichtung arbeitet vorzugswei­ se unter Umgebungsluft, bei Normaldruck, sie kann jedoch auch in einer Atmosphäre mit erhöhter elektrischer Durchschlagsfe­ stigkeit betrieben werden, wie zum Beispiel unter erhöhtem Druck oder unter einem elektronegativem Gas, wie z. B. CO₂, oder einem Gemisch entsprechender Gase.

Es besteht auch die Möglichkeit die Vorrichtung derart zu ge­ stalten, daß eine Reihe von sich jeweils zwei gegenüberstehen­ den Elektroden 3 angeordnet werden, so daß zum Beispiel ein Stab aus Halbleitermaterial auf einmal zerkleinert werden kann.

Auf diese Weise können die Elektroden in Abständen von vorzugs­ weise 1 cm bis 20 cm je nach Länge des Halbleitermaterials, das in einem Arbeitsgang zerkleinert werden soll, angeordnet werden.

Ein weiter Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Zer­ kleinerung von Halbleitermaterial, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zerkleinerung des Halbleitermaterials durch direk­ ten Stromdurchgang mit Hochspannungsimpulsen erfolgt, wobei als Elektroden solche aus dem zu zerkleinernden Halbleitermaterial verwendet werden, die auf eine Temperatur gebracht werden, bei der sie stromleitend sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, das vorzugsweise mit der oben beschriebenen Vorrichtung ausgeführt wird, wird Halblei­ termaterial, wie vorzugsweise Germanium, Galliumarsenid und be­ vorzugt Silicium, auf eine Unterlage geschoben, die vorzugswei­ se aus Kunststoff oder besonders bevorzugt aus dem Halbleiter­ material besteht, das zerkleinert werden soll, damit eine Kontamination mit Fremdatomen vermindert wird. Bei einem bevor­ zugten Verfahren wird das stabförmige Halbleitermaterial, vor­ zugsweise ein Siliciumstab von 60 mm bis 250 mm Durchmesser und einer Länge von 100 mm bis 250 mm, sukzessive auf die Unterlage in Abständen von vorzugsweise 1 cm bis 20 cm, besonders bevor­ zugt von 3 cm bis 8 cm, geschoben. Dies richtet sich auch da­ nach, wie groß die Korngröße bei der Zerkleinerung sein soll. Diese kann stufenlos auf 5 mm bis 180 mm eingestellt werden.

Das Halbleitermaterial wird, je nachdem, welche Korngröße er­ wünscht ist, vorzugsweise zwischen 3 cm bis 8 cm über minde­ stens zwei Elektroden hinaus geschoben. Sodann werden die zwei Elektroden 3 auf das Halbleitermaterial so zubewegt, daß sie in Kontakt mit diesem treten, wobei die zwei Elektroden 3, die aus dem zu zerkleinernden Halbleitermaterial bestehen, und mit ei­ ner Heizvorrichtung versehen sind, die eine Heizkassette 6 und vorzugsweise einen elektrischen Heizer 5 aufweist, der die Elektroden auf eine Temperatur erwärmt, bei der sie stromlei­ tend sind. Diese Temperatur beträgt vorzugsweise 400°C bis 1200°C. Sobald die Elektroden in Kontakt mit dem Halbleiterma­ terial stehen, wird über einen Hochspannungsimpuls-Generator 8 zumindest ein Stromstoß abgegeben, der vorzugsweise eine Span­ nung von 20 kV bis 300 kV, besonders bevorzugt von 30 kV bis 150 kV, einer Stromstärke von 1 kA bis 20 kA, besonders bevorzugt von 3 kA bis 10 kA, eine Impulsdauer von 10 nsec bis 50 msec, besonders bevorzugt von 1 msec bis 30 msec und einer Pulsfrequenz von 0,1 Hz bis 10 Hz, besonders bevorzugt von 0,5 Hz aufweist, bei einem Stabdurchmesser von 60 mm. Danach wird das stabförmige Halbleitermaterial wieder ein entsprechendes Stück axial vorgeschoben und der oben beschriebene Vorgang wie­ derholt sich. Das stabförmige Halbleitermaterial kann auch in eine Vorrichtung geschoben werden, bei der jeweils eine Reihe von jeweils 2 Elektroden vorzugsweise in Abständen von 1 cm bis 20 cm angeordnet sind, die gleichzeitig mit dem stabförmigen Halbleitermaterial in Kontakt treten, um es gleichzeitig mit zumindest einem Stromstoß, wie oben beschrieben, zu zerkleinern.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann Halbleitermateri­ al in polykristalliner und monokristalliner Form zerkleinert werden.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren ist es, daß in Ab­ hängigkeit von der Anzahl der Impulse, der Höhe der Spannung, der Impulsdauer und dem geometrischen Abstand der Kontaktpunkte auf dem Halbleitermaterial große Scheiben bis feiner Bruch her­ gestellt werden können. Bevorzugt ist ein Siliciumbruch mit ei­ ner größten Abmessung von 100 mm. Des weiteren ist das erfin­ dungsgemäße Verfahren dadurch kostengünstig und äußerst umwelt­ verträglich, weil keine Abwässer entstehen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Zerkleinern von Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei beabstandete Elektroden aufweist, die aus dem zu zerkleinernden Halbleitermaterial be­ stehen und die jeweils eine Heizvorrichtung aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Silicium bestehen.

3. Verfahren zur Zerkleinerung von Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerkleinerung des Halbleitermaterials durch direkten Stromdurchgang mit Hochspannungsimpulsen er­ folgt, wobei als Elektroden solche aus dem zu zerkleinernden Halbleitermaterial verwendet werden, die auf eine Temperatur gebracht werden, bei der sie stromleitend sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial für die Elektroden Silicium verwendet wird