DE4119519A1 - Verfahren und vorrichtung zum transport und zur oberflaechenbehandlung von polykristallinem halbleitermaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Transport und zur Oberflächenbehandlung von polykristal­ linem Halbleitermaterial.

Während der Bearbeitung von Halbleitermaterialien fallen häufig hochreine polykristalline Formkörper oder Bruchstücke an, die an ihrer Oberfläche infolge des Einwirkens von kon­ taminierenden Werkzeugteilen verunreinigt sind.

So müssen beispielsweise die durch Abscheiden von flüchtigen Siliciumverbindungen auf erhitzten Trägerkörpern in Stabform gewonnenen Reinstsiliciumstäbe mit typischen Längen zwischen 0.5 m bis 2 m und typischen Durchmessern zwischen 3 cm und 30 cm aus der Abscheideanlage entfernt und zur weiteren Ver­ wendung transportiert werden. Der Kontakt des Halbleiterma­ terials mit Hilfswerkzeugen ist dabei nicht zu vermeiden und verursacht Kontaminationen an den Oberflächen der Werk­ stücke, vornehmlich durch Eisen und andere vom Werkzeug ab­ gegebene Elemente. Die oberflächlichen Verunreinigungen sind besonders ausgeprägt, wenn die Kristallstäbe oder Formkörper zu grobstückigem Material mit einer hohen Gesamtoberfläche gebrochen werden müssen, wie es beispielsweise beim Tiegel­ ziehen von Einkristallen nach Czochralski benötigt wird.

Vor einer Weiterverarbeitung derartiger polykristalliner Materialien, müssen die Kontaminanten unter Vermeidung neu­ erlichen Eintrags von Fremdsubstanzen aus den Oberflächen­ schichten entfernt werden.

Dies geschieht in der Regel im Rahmen einer Oberflächenbe­ handlung durch Ätzen, Beizen und/oder mit Hilfe von Reini­ gungsbädern. Normalerweise müssen verschiedene Prozeßmedien nacheinander - getrennt durch Spülschritte - einwirken. Bis­ her wird diese Aufgabe gelöst, indem das zu reinigende Gut in offenen oder geschlossenen Körben unter Hub- oder Schau­ kelbewegungen in ein das Prozeßmedium enthaltendes Becken getaucht wird oder dadurch, daß das Gut zusammen mit dem Prozeßmedium in runden, eckigen oder vieleckigen Trommeln einfach oder alternierend gegensinnig gedreht wird.

Bei dieser Vorgehensweise fällt infolge von Selbstzerkleine­ rung regelmäßig ein Feinbruch von bis zu 10° (w/w) an und geht als solcher für die vorgesehene Materialverwendung ver­ loren. Ein weiterer Nachteil des beschriebenen Verfahrens liegt darin, daß beim Wechsel von einem Chemikalienbad zu einem nachfolgenden nicht nur adhäsiv gebundene, sondern auch im Zwischenkornvolumen befindliche Flüssigkeit ver­ schleppt wird, es sei denn, man nimmt lange Abtropfzeiten in Kauf.

Die Aufgabe der Erfindung lag deshalb darin, ein Verfahren anzugeben, das die beschriebenen Nachteile bei der herkömm­ lichen Oberflächenbehandlung von polykristallinem Halblei­ termaterial vermeidet.

Gelöst wurde die Aufgabe durch ein Verfahren zum Transport und zur Oberflächenbehandlung (Ätzen, Reinigen, Beizen, Trocknen) von polykristallinem Halbleitermaterial wie bei­ spielsweise Polybruchstücken oder Stabstücken, gekennzeich­ net dadurch, daß mindestens ein endloses Förderband das Halbleitermaterial durch einen mit Prozeßmedium beaufschlag­ ten Reaktionsraum transportiert. Ferner wurde die Aufgabe durch die Bereitstellung einer die Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens erlaubenden Vorrichtung gelöst.

Die zu behandelnden polykristallinen Halbleitermaterialien sind der Fachwelt hinlänglich bekannt. In erster Linie fal­ len darunter der eingangs erwähnte Bruch von polykristalli­ nem Silicium, der für die Herstellung tiegelgezogener Einkristalle aufbereitet werden muß, aber auch Formkörper mit beispielsweise stab-, rohr- oder brettförmigen Geome­ trien. Der Einfachheit halber wird im weiteren Verlauf die­ ser Ausführungen nur von Halbleitermaterial die Rede sein.

Die Prozeßmedien, die im Zuge einer Oberflächenbehandlung eingesetzt werden, sind dem Fachmann bekannt und reichen von Badlösungen aus Mineralsäuren, Laugen und organischen Basen bis zu wässerigen Spüllösungen. Natürlich sind darunter auch sinnvolle, aus diesen gebildete Gemische zu verstehen. Bevorzugt werden Halogenwasserstoffsäuren - konzentriert bis hin zu Verdünnungen von 0,5 M - eingesetzt, denen häufig fluide Oxidationsmittel wie Salpetersäure, Wasserstoffper­ oxid oder Sauerstoff, gegebenenfalls in Form von Luft beige­ mischt sind.

Weiterhin soll der Begriff Prozeßmedium auch die im Verlauf von Trocknungsvorgängen zugeführte Wärme - beispielsweise über Strahlungs-, Konvektions- oder Mikrowellenbeheizung - umfassen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu behandelnde Halbleitermaterial auf mindestens einem Förderband liegend durch einen mit Prozeßmedium beaufschlagten Reaktionsraum transportiert. Während des Transportes wird das Gut mehrmals auf schonende Weise umgelagert, so daß das Prozeßmedium gleichmäßig auf die Gutoberfläche einwirkt.

Der Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Vorrich­ tungen zur Durchführung dieses Verfahrens werden nachstehend anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen schematisch die Seitenansichten bevorzugter erfindungsgemäßer Ausfüh­ rungsformen von Vorrichtungen, die zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens geeignet sind. Gleiche Merkmale sind mit den selben Bezugsziffern versehen. Selbstverständ­ lich handelt es sich bei den gezeigten Vorrichtungen ledig­ lich um Ausführungsbeispiele, die den Erfindungsgedanken in keiner Weise einschränken sollen.

Das zu behandelnde Halbleitermaterial wird auf ein Trans­ portband (1) gelegt und von diesem durch die das Prozeßme­ dium enthaltende Reaktionskammer (2) befördert. An der Innenseite der Kammerwände befinden sich Wangen (3) auf de­ nen die Antriebs- (4) und Umlenkwellen (5) für das Förder­ band (1) gelagert sind. Die Wellen sind mit Zahnrädern (6) ausgestattet, die an der Bandinnenseite eingreifen. Das För­ derband (1) läßt sich mit steckbaren Mitnehmern (7) und Randabweisern (8) bestücken und bandinnenseitig über Spann­ vorrichtungen (9) spannen. Der Antrieb des Bandes erfolgt über Ketten, Zahnriemen oder Zahnräder (10) mit Hilfe eines außerhalb der Reaktionskammer (2) befindlichen Motors (11). Durch eine abnehmbare Abdeckhaube (12) mit ausgewiesenen Zu- und Abluftanschlüssen (13) wird die Anlage im Bedarfsfall hermetisch verschließbar.

Besteht die Oberflächenbehandlung aus mehreren aufeinander folgenden Ätz-, Beiz-, Reinigungs- oder Trocknungsschritten, wird bevorzugt für jeden Behandlungsschritt ein derartiger Reaktionsraum bereitgestellt. Das zu behandelnde Halbleiter­ material wird in diesem Fall von einer Behandlungsstation zur folgenden transportiert. Es entsteht dann eine aus gleichartigen Modulen aufgebaute Behandlungsstraße, die allerdings beliebig einschränk- oder erweiterbar ist. So wäre es beispielsweise denkbar, jeden gleichartigen Schritt in der Verfahrenskette in ein und demselben Modul auszufüh­ ren und gegebenenfalls zwischendurch gebrauchtes Prozeßme­ dium durch frisches zu ersetzen. In gewissen Fällen kann es sogar opportun sein, mehrere unterschiedliche Behandlungs­ schritte in einem Modul nach zwischenzeitlichem Austausch der jeweiligen Prozeßmedien durchzuführen. Eine Erweiterung der Zahl der bereitgestellten Module über die Zahl der Be­ handlungsschritte hinaus ist selbstverständlich möglich, wenn auch nur bei seltenen Gelegenheiten sinnvoll. Die wei­ teren Aussagen über den Aufbau eines derartigen Moduls und den Ablauf der Oberflächenbehandlung des Halbleitermaterials gelten selbstverständlich auch für eine Anordnung mehrerer Module in einer Behandlungsstraße.

Die Art des Materials, aus dem die Innenwände der Reaktions­ kammer sowie alle Bestandteile des Förderbandes gefertigt sind, sollte auf die besonderen Ansprüche der Verarbeitung von Halbleitermaterialien, die speziellen Erfordernisse beim Einwirken agressiver Chemikalien und die vorherrschenden Temperaturverhältnisse abgestimmt sein. Vorzugsweise finden deshalb Kunststoffe oder metallische Werkstoffe Verwendung, die einerseits der Einwirkung der Prozeßmedien widerstehen und zum anderen das Halbleitermaterial nicht kontaminieren. Als besonders geeignet erweisen sich Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Polyvinyliden­ fluorid(PVDF) auf Seiten der bevorzugten Kunststoffe und Silicium auf Seiten der bevorzugten metallischen Werkstof­ fe.

Die Reaktionskammer (2) wird vorteilhaft als Becken oder Wanne mit rechteckigem oder quadratischem Grundriß ausge­ führt. Als besonders geeignet erweisen sich Kammern mit einer Länge und Breite zwischen 1 m und 10 m, vorzugsweise 1 m breit und 2 m bis 4 m lang, sowie einer Höhe zwischen 0,1 m und 1 m, vorzugsweise 0,5 m. Selbstverständlich sind auch Kammern mit größeren Abmessungen im Sinne der Erfindung geeignet. Mit Vorteil wird der Inhalt des Beckens durch eine Abdeckhaube (12) von der Umgebung hermetisch abgeschlossen, wenn auch eine Behandlung des Halbleitermaterials im offenen Becken grundsätzlich vorstellbar ist. Die geschlossene Aus­ führungsform gestattet jedoch eine Verfahrensdurchführung im Reinstraum, weil die infolge der Oberflächenbehandlung des transportierten Gutes in den Gasraum eines Moduls gelangen­ den Verunreinigungen - für jedes Modul getrennt - abgesaugt werden können. Zu diesem Zweck sind in der Abdeckhaube An­ schlüsse vorgesehen, über die die während der Oberflächenbe­ handlung des Halbleitermaterials entstehenden Partikel stetig aus dem Reaktionsraum, beispielsweise durch Spülen mit Inertgas, ausgetragen werden. Die Anschlüsse sind gege­ benenfalls auch dazu benutzbar, um verbrauchtes Reaktions­ medium durch frisches zu ersetzen.

Der Transport des Halbleitermaterials geschieht auf einem endlosen Förderband (1). Dieses ist vorzugsweise als Glie­ derband oder als perforierte Kunststoffbahn ausgeführt und hat günstigerweise eine Breite von 0,1 m bis 2 m, sowie eine Länge von 0,1 m bis 10 m, besonders vorteilhaft 1 m bis 3 m. Die Längenangaben beziehen sich auf die bei horizontaler Bandlage meßbare Strecke zwischen den Drehachsen der äußeren Wellen, die je nach Ausführungsform als Umlenkwellen (5) oder als Antriebswellen (4) fungieren.

Gemäß der in Fig. 1 schematisch dargestellten, besonders vor­ teilhaften Ausführungsform kann die Bandebene aus der Hori­ zontalen in Transportrichtung geneigt sein, beispielsweise wenn die gedachte Verbindungslinie zwischen den außenliegen­ den Wellen nicht horizontal verläuft oder wenn das Band über eine oder mehrere innenliegende Umlenkwellen geführt wird, deren Verbindung keine horizontal verlaufende Linie ergibt.

Der Winkel mit dem das Band in Transportrichtung aus der Horizontalen ansteigt oder abfällt, hat bevorzugt einen Wert von 0° bis 50°, vorteilhaft 25° bis 35°, am günstigsten 30°.

Bei einer Bandführung, bei der sich der Neigungswinkel des Bandes in Transportrichtung periodisch ändert, wird eine stetige Umlagerung des transportierten Halbleitermaterials erzwungen.

Auf dem Förderband (1) sind in regelmäßigen Abständen Mit­ nehmer (7) aufgesteckt, die ein Vor- oder Zurückrollen des Gutes verhindern. Ebenfalls einsteckbare Randabweiser (8) vermeiden, daß das Gut während der Behandlung seitlich vom Band fallen kann. Das Förderband wird durch einen, vorzugs­ weise außerhalb der Reaktionskammer befindlichen Antriebs­ motor (11), vorteilhaft einem Elektromotor, bewegt. Die Kraftübertragung erfolgt über korrosionsfeste Kunststoffket­ ten, Zahnriemen oder Zahnräder (10) auf bandinnenseitig ein­ greifende Zahnräder (6), die auf runden oder eckigen Antriebswellen (4) montiert sind. Antriebswellen und Umlenk­ wellen (5) werden vorteilhaft an den Innenseiten der Reak­ tionskammer auf vorgesehenen Kunststoffwangen gelagert (3).

In einem Becken lassen sich ein oder mehrere der beschriebe­ nen Förderbänder unterbringen. Die günstigste Anzahl hängt von der Art der Oberflächenbehandlung ab und muß für jeden Fall durch Versuche ermittelt werden. Im Hinblick auf die empfohlenen Kammergeometrien stellen 20 Bandvorrichtungen in einem Becken eine vernünftige Obergrenze dar. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Anzahl von 2 bis 4 Bändern. Ihre Anordnung in der Reaktionskammer ist frei gestaltbar. So kann der Materialtransport im Kreis oder auf gewundenen Wegen zurück zur Aufgabestelle oder an eine beliebige andere Austragsstelle an den Beckenseiten geführt werden. Beim Übergang von einem Band auf das nächstfolgende wird das transportierte Gut zwangsläufig umgelagert, so daß auch dadurch die Gutoberfläche gleichmäßig über den Behandlungs­ zeitraum dem Prozeßmedium ausgesetzt ist.

In Fig. 2 und Fig. 3 sind zwei bevorzugte Bänderanordnungen, bei denen die Gutumlagerung ausschließlich durch einen Band­ wechsel innerhalb des Reaktionsraumes erfolgt, schematisch wiedergegeben. Bei beiden Varianten wird das Halbleiterma­ terial über vier Förderbänder durch den Reaktionsraum trans­ portiert. Die Bänder sind so angeordnet, daß das transportierte Gut vom Bandende des einen Bandes auf den Bandanfang des folgenden hinunterfällt und dabei umgelagert wird. Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung bilden drei kurze, schräg angeordnete Bänder eine Bänderkaskade, inner­ halb derer das Gut immer wieder auf ein höheres Niveau transportiert wird, um auf das Folgeband fallen zu können. Gemäß der in Fig. 3 beschriebenen Bänderanordnung fällt das Halbleitermaterial beim Transport durch die Kaskade über Zwischenstufen von einem hohen Niveau auf ein niedriges. Das vierte Band dient in beiden Vorrichtungen dem Transport des Halbleitermaterials aus dem Reaktionsraum.

In einer besonderen Ausführungsform, die sich gerade dann empfiehlt, wenn das Gut besonders intensiv umgelagert werden soll, erfolgt die Umlagerung über eine Bedüsung mit Prozeß­ flüssigkeit. Die notwendigen Düsen werden seitlich oder ober- bzw. unterhalb der Bandebene angebracht. Selbstver­ ständlich sind auch Kombinationen der beschriebenen Möglich­ keiten zur Gutumlagerung realisierbar. In jedem Fall wird die gesamte Gutoberfläche gleichmäßig dem Prozeßmedium aus­ gesetzt, wobei lediglich ein minimaler Feinbruch infolge von Selbstzerkleinerung anfällt.

Die Verweildauer des Transportgutes im Reaktionsraum und da­ mit die Einwirkzeit der jeweiligen Prozeßmedien auf das Halbleitermaterial hängen wesentlich von den Bandumlaufge­ schwindigkeiten ab. Bevorzugterweise werden die Bänder mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min bis 10 000 mm/min ange­ trieben, besonders vorteilhaft mit 50 mm/min bis 200 mm/min. Damit sind Behandlungszeiten von einigen Sekunden bis hin zu mehreren Stunden erreichbar. Prinzipiell sind auch Bänder­ anordnungen möglich, die das zu behandelnde Halbleitermate­ rial solange im Reaktionsraum in einer Endlosschleife transportieren, bis über einen Steuermechanismus dessen Aus­ schleusung verfügt wird. Ein derartiges Vorgehen ist einfach über eine Bandverzweigung durchführbar. Dem Betreiber der Anlage steht es somit offen, das Verfahren kontinuierlich oder absatzweise durchzuführen.

Wie eingangs bereits erwähnt, können auch Trocknungsvorgänge in der erfindungsgemäßen Reaktionskammer stattfinden. Die beschriebene Materialwahl der Innenauskleidung der Reak­ tionskammer und der Transportvorrichtungen erlaubt einen Be­ reich möglicher Prozeßtemperaturen von -40°C bis 200°C, mit besonderem Vorteil von 10°C bis 40°C.

Vorteilhafterweise fällt bei der Oberflächenbehandlung von polykristallinem Halbleitermaterial unter Verwendung der er­ findungsgemäßen Vorrichtung nur noch wenig unerwünschter Feinbruch an. Desweiteren beschränkt sich das Maß der Chemi­ kalienverschleppung beim Übergang von einem Reinigungs­ schritt zum nächsten lediglich auf die Menge adhäsiv gebundener Flüssigkeiten, so daß insgesamt eine wesentliche Prozeßkosteneinsparung erzielt wird. Schließlich bedingt der modulare Aufbau der Anlage ein hohes Automationspotential, das sich in der Produktqualität und in den Herstellungsko­ sten positiv niederschlägt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Transport und zur Oberflächenbehandlung - Ätzen, Reinigen, Beizen, oder Trocknen - von polykri­ stallinem Halbleitermaterial wie beispielsweise Poly­ bruchstücken oder Stabstücken, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein endloses Förderband das Halbleiter­ material durch einen mit Prozeßmedium beaufschlagten Reaktionsraum transportiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das transportierte Halbleitermaterial stetig umgelagert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Halbleitermaterial durch einen oder mehrere Reaktionsräume transportiert wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß als Prozeßmedium Badlösungen aus Mineral­ säuren oder deren Gemischen, oder aus Laugen oder deren Gemischen, oder aus organischen Basen oder deren Ge­ mischen, oder aus wässerigen Spüllösungen, oder Wärme von Strahlungs-, Konvektions- oder Mikrowellenbeheizung verwendet werden.

5. Vorrichtung zum Transport und zur Oberflächenbehandlung - Ätzen, Reinigen, Beizen oder Trocknen - von polykri­ stallinem Halbleitermaterial wie beispielsweise Poly­ bruchstücken oder Stabstücken, gekennzeichnet durch einen Reaktionsraum mit mindestens einem das Halbleiter­ material transportierenden, endlosen Förderband.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß das Förderband ein Gliederband oder ein perforiertes Kunststoffband ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Bandebene des Förderbandes in Trans­ portrichtung mit einem Winkel von 0° bis 50° aus der Horizontalen geneigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Reaktionsraum ein mit einer Abdeckhaube hermetisch verschließbares Becken ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß ein Reaktionsraum eine Funktionseinheit (Modul) bildet, welche alleine oder als Element einer aus mehreren Modulen bestehenden Anordnung fungiert.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Bestandteile des Förderbandes sowie das Innenwandmaterial des Reaktionsraumes aus unter Prozeß­ bedingungen inerten Kunststoffen wie Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder Polyvi­ nylidenfluorid (PVDF), oder aus das Halbleitermaterial nicht kontaminierenden metallischen Werkstoffen wie Si­ licium gefertigt sind.