DE4113093C2 - Vorrichtung und Verfahren zum größenmäßigen Separieren von für Halbleiteranwendungen geeigneten Siliciumstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum größen­ mäßigen Separieren von für Halbleiteranwendungen geeigne­ ten Siliciumstücken.

Integrierte Schaltungen hoher Dichte erfordern Halbleiterplättchen aus monokristallinem Silicium hoher Reinheit. Besondere Probleme begründen hierbei Verunreinigungen durch Übergangsmetalle, die u. a. Kup­ fer, Gold, Eisen, Cobalt, Nickel, Chrom, Tantal, Zink und Wolfram einschließen, und Verunreinigungen wie etwa Kohlenstoff, Bor und Phosphor. Diese Verunreinigungen rufen selbst in kleinen Mengen den Einbau von Fehler­ stellen im Halbleitermaterial hervor, die schließlich zu verschlechterten Bauteileigenschaften und zur Be­ grenzung der Schaltungsdichte führen können.

Typischerweise wird polykristallines Silicium hoher Reinheit durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD- Verfahren) eines hochreinen Chlorsilan-Gases auf einem aufgeheizten Substrat erzeugt. Das resultierende Pro­ dukt sind Stangen polykristallinen Siliciums. Zur Er­ zeugung monokristallinen Siliciums, aus dem Silicium- Halbleiterplättchen geschnitten werden kön­ nen, muß das polykristalline Silicium weiterverarbeitet werden.

Ein beträchtlicher Anteil des für die Halbleiterindu­ strie erforderlichen monokristallinen Siliciums wird nach dem wohlbekannten, zuerst durch Czochralski be­ schriebenen Verfahren erzeugt. In einem typischen Czo­ chralski-Verfahren werden Siliciumstücke in einem ge­ eigneten Gefäß geschmolzen und ein Silicium-Impfkri­ stall verwendet, um aus der Schmelze eine monokristal­ line Stange aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium zu ziehen. Die Steuerung dieses Kristallwachs­ tumsprozesses erfordert es, daß die dem die Schmelze enthaltenden Gefäß zugegebenen Siliciumstücke innerhalb einer definierten Größenklasse oder eines definierten Größenbereichs liegen. Daher ist es notwendig, daß die während des CVD-Verfahrens erzeugten polykristallinen Stangen in Stücke gebrochen und diese Stücke in geeig­ nete Größenverteilungen sortiert werden.

Die Erfinder haben erkannt, daß Siebgeräte, die aus herkömmlichen Materialien wie etwa rostfreiem Stahl ge­ bildet sind, eine beachtliche Quelle für die Oberflä­ chenkontamination der größensortierten Stücke sein kön­ nen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine effiziente Vorrichtung zum größenmäßigen Separieren von für Halbleiteranwen­ dungen geeigneten Siliciumstücken anzugeben, bei deren Verwendung die Gefahr einer Berührungsverunreinigung der Siliciumstücke mini­ miert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weiterhin gibt Anspruch 5 ein Verfahren an, mit dem für Halbleitervorrichtungen geeignete Siliciumstücke bei minimaler Gefahr einer Berührungsverunreinigung größenmäßig sor­ tiert werden können.

Die Verwendung von für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium als Material des Siebes kann die Gefahr einer Verunreinigung der zu sortierenden Siliciumstücke durch den Oberflächenkontakt mit dem Sieb auf ein Mindestmaß reduzieren.

Das zylindrische Sieb kann aus parallelen Stangen aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium, das durch ein Standard-CVD-Verfahren hergestellt ist, bestehen. Die parallelen Stangen können beispiels­ weise durch einfache schmale quadratische Abstandshal­ ter aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium, die von größeren polykristallinen Siliciumstangen abge­ trennt oder abgeschnitten sind, voneinander auf Abstand gehalten sein. Eine Spannvorrichtung sichert die Position der parallelen Stangen und dieser inneren Ab­ standshalter. Äußere Abstandshalter sind entlang der Außenseite des zylindrischen Siebs angeord­ net, um die Siebeigenschaften des Siebs weiter zu definieren.

In einer typischen Anord­ nung ist das zylindrische Sieb schräg angeordnet, so daß die am oberen Ende des zy­ lindrischen Siebs zugegebenen unsortierten Silicium­ stücke sich aufgrund der Schwerkraft entlang des Siebs nach unten bewegen, während das Sieb gedreht wird. Die inneren und äußeren Silicium-Abstandshalter sind derart in oder am zylindrischen Sieb angeordnet, daß unerwünscht kleine Stücke im oberen Bereich durch das rotierende zylindrische Sieb hindurchtreten, wäh­ rend Stücke im gewünschten Größenbereich im unteren Ab­ schnitt durch das rotierende zylindrische Sieb hin­ durchtreten. Zu große Stücke treten am unteren Ende der rotierenden zylindrischen Siebvorrichtung aus. Da die Berührungsoberfläche des zylindrischen Siebs aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium besteht, wird als Ergebnis des Sortiervorgangs eine nur minimale Oberflächenverunreinigung des sortierten Siliciums her­ vorgerufen.

In den Zeichnungen stellt Fig. 1 eine Seitenansicht eines zylindrischen Siebs dar. Fig. 1a zeigt eine Querschnittsansicht des seitlichen Siebs.

In Fig. 1b ist eine Endansicht des zylindrischen Siebs dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine Endansicht eines zylindrischen Siebs 1, wobei ferner die internen Einzelheiten einer Spannvorrichtung 4 und einer Absaug­ haube 10 veranschaulicht sind.

In Fig. 3 ist eine Seitenansicht dargestellt, in der Elemente eines Ausführungsbeispiels vorliegender Erfin­ dung einschließlich einer Drehvorrichtung dargestellt sind.

Genauer gesagt, ist in Fig. 1 der Zeichnungen eine Seitenansicht eines zylindrischen Siebes 1 gezeigt, die die parallele Anordnung radial orientier­ ter, durch innere Abstandshalter 3 getrennter Silici­ umstangen 2 veranschaulicht. Die Siliciumstangen- und Abstandshalter-Anordnung wird durch eine Spannvorrichtung 4 zusammengehalten. Äußere Abstandshalter 23 sind entlang der Siliciumstan­ gen oder -stäbe 2 angeordnet und durch ein umschlingen­ des Band 24 in ihrer Position gehalten. Fig. 1a zeigt eine Querschnittsansicht des zylindrischen Siebes 1. In Fig. 1a ist die Beziehung zwischen dem äußeren Ab­ standshalter 23 und den Siliciumstangen 2 veranschau­ licht. Fig. 1b ist eine Stirnseitenansicht des zylindrischen Siebes 1 und zeigt die Beziehung zwischen den inneren Abstandshaltern 3 und den Siliciumstan­ gen 2.

In Fig. 2 ist eine Stirnansicht des zylindrischen Siebes 1 dargestellt, wobei die inneren Einzelheiten der Spannvorrichtung 4 veranschaulicht sind. Die Spannvorrichtung 4 weist einen inneren Ring 5 mit mehreren Kerben oder Schlitzen auf, in die Spannblöcke 6 eingepaßt sind. Der innere Ring 5 ist vorder- und rückseitig mit einer Deckplatte 8 verkleidet bzw. versehen. Der Spannblock 6 wird mittels einer Einstellschraube 7 eingestellt, um Druck auf die Siliciumstangen 2 und die Abstandshalter 3 für die Beibehaltung ihrer Orientierung auszuüben. Die zusammengebaute Spannvorrichtung 4 sitzt in gerillten Reibantriebsrädern 9. Eine Absaughaube 10 mit Absaugöffnungen 11 umgibt das zylin­ drische Sieb.

Fig. 3 zeigt eine Blockbilddarstellung zur Veranschau­ lichung der Beziehung bzw. gegenseitigen Lage der Ele­ mente. Das zylindrische Sieb 1 mit der Spann­ vorrichtung 4 sitzt auf den Reibantriebsrädern 9. Die Reibantriebsräder 9 sind über eine durch eine Stütz­ platte 13 laufende Welle 12 mit einer Riemenscheibe 14 verbunden. Die Stützplatte 13 ist an ei­ nem Gehäuse 15 einer Antriebsanordnung angebracht. Die Antriebsanordnung enthält das Gehäuse 15, an dem ein mit einer Welle 17 verbundener Motor 16 angebracht ist. Eine Riemenscheibe 18 ist an der Welle 17 in Ausrichtung mit der Riemenscheibe 14 angeordnet. Die Riemenscheiben 14 und 18 sind über einen Riemen 19 miteinander verbunden. Die Drehbewegung des Motors 16 wird mittels der Riemenscheiben- und Riemen-Kombination auf die Reibantriebsräder 9 übertragen, die gegenüber der Spannvorrichtung bzw. den Spannringen 4 drehen und hierdurch das zylindrische Sieb 1 zur Drehung veranlas­ sen. Das Gehäuse 15 ist an einer Ba­ sis 20 befestigt, an der eine Niveaueinstelleinrichtung 21 angebracht ist. Die Absaughaube 10 ist am Gehäuse 15 der Antriebsanordnung befestigt und um­ gibt im wesentlichen das zylindrische Sieb 1. Eine Zu­ führrutsche 22 ist am Gehäuse 15 angebracht und derart angeordnet, daß Siliciumstücke in die innere Öffnung des zylindrischen Siebs 1 eingeführt wer­ den können. Ein Behälter 25 zum Sammeln der durch das zylindrische Sieb 1 hindurchtretenden Siliciumstücke ist unterhalb des zylindrischen Siebes 1 und auf dem Gehäuse 15 angeordnet.

Bei der Zuführrutsche sind vorzugsweise alle Kontaktoberflächen aus für Halbleiteranwendun­ gen geeignetem Silicium.

Für die Zwecke dieser Erfindung ist das für Halbleiter­ anwendungen geeignete Silicium als Siliciummetall mit einer Reinheit von mehr als 99,99% definiert. Die Si­ liciumstücke, die durch die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren separiert bzw. sortiert werden können, können beispielsweise die Form von Broc­ ken, Chips, Flocken oder Schuppen, Partikeln, Körnchen, Pulver oder Pellets haben. Die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren haben sich als besonders wirksam beim Separieren von Silicium­ stücken gezeigt, die beim Zerbrechen polykristalliner Siliciumstäbe durch Schlageinwirkung bzw. in Gesteins­ prallmühlen anfallen.

Die Berührungsoberfläche des zylindrischen Siebs muß aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium sein. Die Berührungsoberfläche umfaßt alle Oberflächen des zylindrischen Siebs, mit denen die Siliciumstücke wäh­ rend des separiervorgangs in Berührung gelangen. Auch wenn es nicht notwendig ist, daß alle Berührungsober­ flächen aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Sili­ cium bestehen, muß berücksichtigt werden, daß Oberflä­ chen aus nicht für Halbleiteranwendungen geeignetem Si­ licium eine Verunreinigungsquelle für das separierte Material sein können. Daher sollte ein wesentlicher Be­ reich der Kontaktoberfläche aus für Halbleiteranwendun­ gen geeignetem Silicium bestehen. Wesentlich bedeutet hier mehr als 90% des freiliegenden Oberflächenbe­ reichs. Die für Halbleiteranwendungen geeignete Ober­ fläche kann durch Komponenten aus festem bzw. massivem, für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium, aus Ba­ sismaterialien, die mit für Halbleiteranwendungen ge­ eignetem Silicium überzogen sind oder aus einer Kombi­ nation hieraus gebildet werden.

Das zylindrische Sieb kann beispielsweise aus einer parallelen An­ ordnung aus mit Öffnungen oder Löchern versehenen Plat­ ten aus massivem, für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium oder aus mit Öffnungen oder Löchern versehenen Platten bestehen, die mit für Halbleiteranwendungen ge­ eignetem Silicium beschichtet sind. Das zylindrische Sieb kann beispielsweise auch eine einstückige Röhre aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium mit Öff­ nungen sein.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung ist das zylindrische Sieb aus parallelen, durch innere Abstandshalter getrennten Siliciumstangen aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium ge­ bildet. Die internen Abstandshalter bewirken eine Beabstandung der parallelen Siliciumstangen oder -stäbe aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium. "Stangen" bzw. "Stäbe" bezeichnen langge­ streckte Komponenten, bei denen das Verhältnis des ma­ ximalen Querschnittsdurchmessers zum minimalen Durch­ messer kleiner als 2 ist, beispielsweise kreisförmige, quadratische, rechteckige oder hexagonale Querschnitts­ gestaltungen. Siliciumstangen mit rundem Querschnitt sind bevorzugt, da sie durch Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren (CVD-Verfahren) einfach hergestellt werden können.

Entlang der parallelen Siliciumstangen bzw. -stäbe aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium können äußere Abstandshalter angeordnet werden, die zur Steue­ rung der Größe der Siliciumstücke, die durch den durch die internen Abstandshalter geschaffenen Spalt durch­ treten können, beihelfen. Die inneren und äußeren Ab­ standshalter können aus jedem beliebigen Standard-Kon­ struktionsmaterial oder aus jedem beliebigen derarti­ gen, mit für Halbleiteranwendungen geeignetem silicium beschichteten Material bestehen. Es ist jedoch bevor­ zugt, daß die Abstandshalter aus massivem, für Halblei­ teranwendungen geeignetem Silicium bestehen. Die Ab­ standshalterkonfiguration kann ähnlich oder gleich der­ jenigen sein, wie sie für die Stangen oder Stäbe be­ schrieben wurde. Die optimale Anordnung und Größe der Abstandshalter hängt von den Separierungs­ anforderungen des jeweiligen zy­ lindrischen Siebs ab.

Die äußeren Abstandshalter werden in der gewünschten Lage durch ein umschlingendes Band gehalten. Das um schlingende Band kann beispielsweise ein elastischer O- Ring sein und kann aus solchen Materialien wie Butyl­ kautschuk, Siliconkautschuk oder Urethankautschuk be­ stehen.

Wenn massives, für Halbleiteranwendungen geeignetes Si­ licium als Fertigungsmaterial verwendet wird, ist es bevorzugt, daß das Material bei einer Temperatur von 800°C bis 1.350°C geglüht ist. Das Ausglühen verleiht dem Material größere Festigkeit und führt zu einem haltbaren, abnutzungsfesten zylindri­ schen Sieb.

Das zylindrische Sieb ist mit einer Drehvorrichtung versehen. Fig. 3 zeigt eine solche Drehvorrichtung. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß als Quelle für die Drehenergie auch eine Handkurbel, ein Wechselstrom- oder Gleichstrommotor oder ein Äquivalent dienen kann. Die Drehenergiequelle kann mit dem zylindrischen Sieb über Reibräder, Zahnräder oder dergleichen verbunden sein, und zwar entweder direkt oder über eine Verbin­ dungseinrichtung wie etwa einen Riemen oder eine Kette.

Ein zusätzliches Element vorliegender Erfindung kann in einer Zuführrutsche bestehen, bei der alle Kontaktober­ flächen aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Sili­ cium bestehen. Die Zuführrutsche erleichtert das Ein­ bringen der Siliciumstücke in das zylindrische Sieb und verringert Kontaktverunreinigungen der Siliciumstücke während dieses Vorgangs auf ein Mindestmaß. Die Ober­ fläche aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Sili­ cium kann in gleicher Weise gebildet sein, wie dies zu­ vor für das zylindrische Sieb beschrieben wurde.

Die Absaug­ haube, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, kann hohlen, ebenen Aufbau besitzen, der das zylindrische Sieb im wesentlichen einschließt. Die Absaug­ haube hat an ihrem einen Ende einen langgestreckten Sammelanschluß, der sich über die Länge des zylindrischen Siebs erstreckt und in enger Nähe zum zylindrischen Sieb angeordnet ist. Mehrere Absaugöff­ nungen sind an der Innenoberfläche der Absaug­ haube angeordnet. Am entgegengesetzten Ende des Staub­ sammlers ist eine Auslaßöffnung angeordnet. Die Auslaß- oder Absaugöffnung ist mit einer Standard-Absaug- und Filtervorrichtung zum Sammeln und Entfernen von Parti­ keln verbunden.

Das zylindrische Sieb ist auf einer Schräge von 5 bis 30°C bzw. schräg in einem Winkel von 5° bis 30° ange­ ordnet, wobei die Siliciumstücke am höheren Ende des zylindrischen Siebs zugeführt werden. Die Silicium­ stücke bewegen sich aufgrund der Schwerkraft in Verbin­ dung mit der Sieb-Drehbewegung längs des zylindrischen Siebs nach unten.

Die äußeren Abstandshalter sind derart entlang des Siebs angeordnet, daß kleinere Siliciumstücke mit einem Durchmesser von weniger als 1/2 Zoll (weniger als ca. 12 mm) in den oberen 25 bis 50% der Länge des zylin­ drischen Siebs entfernt werden, während Siliciumstücke mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Zoll (ca. 63 mm) im verbleibenden Längenabschnitt des zylindri­ schen Siebs entfernt werden. Siliciumstücke, die größer als 2,5 Zoll (ca. 63 mm) sind, treten am unteren Ende aus dem Sieb aus. Die ausgeschlossenen bzw. nicht durch das Sieb hindurchgetretenen Siliciumstücke können, falls gewünscht, für einen weiteren Siebvorgang wieder­ verarbeitet werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum größenmäßigen Separieren von für Halbleiteranwendungen geeigneten Siliciumstücken, mit einem zylindrischen Sieb (1), das mit einer Vorrichtung (9, 12, 14, 16 bis 19) zum Drehen des zylindrischen Siebes (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Siliciumstücken in Berührung kommenden Oberflächen des Siebes im wesentlichen aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicum bestehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das zylindrische Sieb (1) parallele, durch innere Abstandshalter (3) getrennte Stangen oder Stäbe (2) aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicum aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Vorrichtung (9, 12, 14, 16 bis 19) zum Drehen des zylindrischen Siebes eine Drehenergie-Erzeugungseinrichtung ist, mit

• A) einer Basis (20) die die Drehenergie-Erzeugungseinrich­ tung (9, 12, 14, 16 bis 19) trägt, die ihrerseits mit dem zylin­ drischen Sieb (1) in Berührung steht,
• B) äußeren Abstandshaltern (23), die entlang der parallelen Stangen oder Stäbe (2) angeordnet sind,
• C) einer Zuführrutsche (22), die durch die Basis (20) abge­ stützt oder von dieser gehalten wird und so angeordnet ist, daß sie sich in ein Ende des zylindrischen Siebes (1) entleert, wobei die Berührungsoberflächen der Zuführrutsche (22) aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicum bestehen, und
• D) einer Absaugkappe oder -haube (10), die das zylin­ drische Sieb (1) im wesentlichen umgibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen oder Stäbe (2) und die austauschbaren inneren Abstands­ halter (3) durch eine Spannvorrichtung (4) in ihrer Position gehalten sind.

5. Verfahren zum größenmäßigen Separieren von Stücken aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicium, bei dem die Stücke aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicum durch ein zylindrisches Sieb (1) geführt werden, dessen Kontaktoberfläche aus für Halbleiteranwendungen geeignetem Silicum besteht.