DE4223458A1 - Verfahren zur Zerkleinerung von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontaminations­ freien Zerkleinerung von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium.

Am Anfang der Herstellung vieler Halbleiterprodukte steht die Notwendigkeit, Halbleitermaterial in schmelzflüssiger Form bereitzustellen. In den meisten Fällen wird das Halb­ leitermaterial zu diesem Zweck in Tiegeln oder ähnlichem aufgeschmolzen. Aus der Schmelze werden dann nach bekannten Verfahren Formkörper gegossen oder Kristalle gezogen. Diese bilden das Grundmaterial für Produkte, wie beispielsweise Solarzellen, Speicherbausteine oder Mikroprozessoren. Liegt das aufzuschmelzende Halbleitermaterial in Form massiver, großvolumiger Körper vor, wie beispielsweise in Stabform nach einer Gasphasenabscheidung, so muß es für den Schmelz­ vorgang im Tiegel zerkleinert werden. Nur so ist es möglich, das Tiegelvolumen effektiv zu nutzen und durch die große Oberfläche des in kleinen Körnungen eingebrachten Schmelz­ gutes kurze und energiesparende Aufschmelzzeiten zu errei­ chen.

Bei der Zerkleinerung ist sorgfältig darauf zu achten, daß die Oberflächen der Bruchstücke nicht mit Fremdstoffen ver­ unreinigt werden. Insbesondere ist die Kontamination durch Metallatome als kritisch anzusehen, da diese die elektri­ schen Eigenschaften des Halbleitermaterials in schädlicher Weise verändern können. Wird das zu zerkleinernde Halblei­ termaterial, wie bisher überwiegend üblich, mit mechanischen Werkzeugen, wie beispielsweise stählernen Brechern, zerklei­ nert, so müssen die Bruchstücke vor dem Aufschmelzen einer aufwendigen und kostenintensiven Oberflächenreinigung unter­ zogen werden.

Gemäß der Offenlegungsschrift DE-38 11 091 A1 und ihrer kor­ respondierenden Patentschrift US-4,871,117 ist es möglich massive, großvolumige Siliciumkörper so zu dekompaktieren, daß die mechanische Zerkleinerung schon mit Werkzeugen, de­ ren Arbeitsflächen aus nicht oder nur gering kontaminieren­ den Stoffen, wie Silicium, Nitrid- oder Carbidkeramiken, be­ steht, gelingt. Die Dekompaktierung wird dadurch erreicht, daß durch Wärmeeinwirkung von außen im zu zerbrechenden Siliciumstück ein Temperaturgradient erzeugt und eine Ober­ flächentemperatur von 400 bis 1400°C eingestellt wird, und diese rasch um einen Wert von mindestens 300°C abgesenkt wird, so daß sich der Temperaturgradient zumindest teilweise umkehrt. Zur Erzeugung des Temperaturgradienten muß das mas­ sive Gut in einen Ofen gebracht und aufgeheizt werden. In der Europäischen Patentanmeldung EP-329 163 A2 wird ein ähn­ liches Verfahren dargestellt, wonach ein polykristalliner Siliciumstab zunächst auf eine Temperatur zwischen 121 und 400°C aufgeheizt und daraufhin in Wasser abgeschreckt wird. Auch hierbei erfolgt eine Dekompaktierung des Halbleiter­ materials, so daß es mit geringem Kraftaufwand zerkleinert werden kann.

Diese unter dem Begriff "Thermisches Brechen" zusammenfaß­ baren Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß sie mit einer langsamen Aufheizphase verbunden sind, während der die Diffusion von an der Oberfläche des Halbleitermaterials adsorbierten Fremdstoffen in Gang gesetzt und/oder beschleu­ nigt wird. Zudem ist eine Kontamination durch vom Ofenmate­ rial während des Aufheizens abgegebene Fremdstoffe praktisch nicht zu vermeiden.

Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Zerkleine­ rung von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, anzuge­ ben, das die genannten Nachteile nicht aufweist.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß des Oberbegriffes des Anspruches 1 gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Halbleitermaterial eine schockartige Wärmebehandlung erfährt.

Überraschenderweise ist die Folge dieser schockartigen Wär­ mebehandlung nicht nur eine Dekompaktierung, sondern über­ wiegend auch der Bruch des Halbleitermaterials. Die Bruch­ stücke und Halbleiterkörper, die nach der schockartigen Wär­ mebehandlung beispielsweise nur Risse zeigen und nicht zer­ kleinert sind, sind bereits soweit dekompaktiert, daß sie ohne großen Kraftaufwand mit Werkzeugen, deren Arbeits­ flächen aus Silicium oder einem anderen nicht-kontaminieren­ den Material bestehen, weiter zerkleinert werden können. Selbstverständlich ist jedoch die weitere Zerkleinerung des Halbleitermaterials durch die wiederholte Anwendung des er­ findungsgemäßen Verfahrens ebenso möglich.

Unter schockartiger Wärmebehandlung ist zu verstehen, daß innerhalb einer kurzen Zeitspanne eine hohe Temperaturdiffe­ renz zwischen dem zu zerkleinernden Halbleitermaterial und seiner Umgebung hergestellt wird. Die Temperaturdifferenz wird so eingestellt, daß ein Wärmeübergang auf das Halblei­ termaterial erfolgt und dieses dabei schockartig erhitzt wird.

In der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zu zerkleinernde Halbleitermaterial in einer Zerkleinerungskammer mit gesättigtem und überhitztem Wasserdampf beaufschlagt. Der Wasserdampf wird zweckmäßiger­ weise aus Reinstwasser, wie es bei der Halbleiterherstellung verwendet wird, erzeugt. Um die Temperaturdifferenz zum Wasserdampf möglichst groß zu gestalten, kann das Halblei­ termaterial gegebenenfalls auch vorgekühlt werden. Gesättig­ ter und überhitzter Wasserdampf besitzt einen genügend hohen Druck, um schlagartig, beispielsweise durch das Öffnen eines Ventils, in die Zerkleinerungskammer eingetragen werden zu können. Damit ist der für die erfindungsgemäße Zerkleinerung notwendige, abrupte Temperatursprung in der Umgebung des Halbleitermaterials gewährleistet. Es hat sich als vorteil­ haft herausgestellt, die Zerkleinerungskammer auf unter 1% des ursprünglich vorhandenen Gasvolumens zu evakuieren, be­ vor das Halbleitermaterial mit dem überhitzten Wasserdampf beaufschlagt wird. Auf diese Weise wird der Eintrag des Was­ serdampfes in die Zerkleinerungskammer noch beschleunigt. Bei der beschriebenen Vorgehensweise kondensiert sofort nach dem Dampfeintrag Wasser auf dem Halbleitermaterial aus und heizt es schockartig auf. Dies führt überwiegend zum Bruch und auf jeden Fall auch zur Dekompaktierung des Halbleiter­ materials. Der Vorgang dauert vom Eintrag des Dampfes bis zum überwiegenden Zerbrechen des Halbleitermaterials nur we­ nige Sekunden, typischerweise 2 bis 8 Sekunden.

Die Temperaturführung wird, wie bereits erwähnt, so gestal­ tet, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Halbleiter­ material und dem Wasserdampf beim Eintrag des Dampfes in die Zerkleinerungskammer möglichst groß ist. Vorteilhafterweise wird das Halbleitermaterial mit einer Temperatur von -20 bis 20°C, bevorzugt -10 bis -5°C, vorgelegt und mit gesättigtem und überhitztem Wasserdampf mit einer Temperatur von 160 bis 210°C, besonders bevorzugt 200°C, beaufschlagt.

Das Halbleitermaterial muß nur für kurze Zeit der durch die Beaufschlagung mit Wasserdampf verursachten erhöhten Umge­ bungstemperatur ausgesetzt bleiben. Da bereits vorzugsweise 20 Sekunden bis 1 Minute nach dem Eintrag des Wasserdampfes das Halbleitermaterial beziehungsweise die Bruchstücke davon wieder abgekühlt werden können, wird das Ingangsetzen und/oder Beschleunigen der Diffusion an der Oberfläche ad­ sorbierter Verunreinigungen ins Innere des Halbleitermate­ rials vermieden. Die Kühlung nach der Aufheizphase kann ebenfalls schockartig erfolgen, jedoch ist dies nicht zwin­ gend vorgeschrieben. Als Kühlmedien kommen beispielsweise Inertgase, Luft oder Wasser in Betracht.

Die schockartige Wärmebehandlung erfolgt zweckmäßigerweise in einer evakuierbaren Zerkleinerungskammer, deren Innenwän­ de bevorzugt aus einem Werkstoff bestehen, der das Halblei­ termaterial unter den Verfahrensbedingungen nicht kontami­ niert. Besonders geeignete Werkstoffe sind temperaturstabile Kunststoffe, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP), Polychlortrifluorethylen (PCTFE) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF). Vorzugsweise wird die Zerkleinerungskammer nach au­ ßen hin ausreichend isoliert, damit möglichst wenig Wärme vom eingespeisten Wasserdampf über die Kammerwände verloren geht. Es ist außerdem zweckmäßig, eine Unterlage bereitzu­ stellen, auf die das Halbleitermaterial während des Zerklei­ nerungsvorgangs gelegt werden kann. Die Unterlage ist vor­ zugsweise ebenfalls aus einem der genannten Kunststoffe gefertigt oder besteht, wenn eine Verunreinigungsgefahr durch die Unterlage vollkommen ausgeschlossen werden soll, aus gleichartigem Material wie das Zerkleinerungsgut. In letzterem Fall muß die Unterlage gegebenenfalls von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die erzeugten Halbleiterbruchstücke beispielsweise bis zum Unterschreiten einer Grenzgröße erfindungsgemäß weiterzerkleinert. Zu diesem Zweck kann die Kühlung der Bruchstücke beispielsweise durch Fluten der Zerkleinerungskammer mit Wasser als Kühl­ medium beschleunigt werden. Danach wird das Wasser abgelas­ sen, die Zerkleinerungskammer evakuiert und erneut mit gesättigtem und überhitztem Dampf beaufschlagt. Die Abtren­ nung ausreichend kleiner Bruchstücke kann beispielsweise mit Hilfe eines temperaturbeständigen Kunststoffsiebes erfolgen. Der Zerkleinerungszyklus, bestehend aus dem Evakuieren der Zerkleinerungskammer, dem Eintrag des Wasserdampfes und der Abkühlphase, wird zweckmäßigerweise solange wiederholt, bis der überwiegende Teil der Bruchstücke die Grenzgröße unter­ schritten hat. Bruchstücke, die für die weitere Verwendung noch zu groß geblieben sind, sind derartig dekompaktiert, daß sie ohne besonderen Kraftaufwand mit geeigneten Werkzeu­ gen praktisch kontaminationsfrei weiterzerkleinert werden können. Selbstverständlich ist es auch möglich, sie in der Zerkleinerungskammer zu belassen, unzerkleinertes Halblei­ termaterial zu ergänzen und nach dem erfindungsgemäßen Zer­ kleinerungsprozeß fortzufahren.

In einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die schockartige Wärmebehandlung des Halbleitermaterials mit Hilfe mindestens einer Knallgas­ flamme, die in der Zerkleinerungskammer gezündet und kurz zeitig gegen das Halbleitermaterial gerichtet wird. Bei die­ ser Verfahrensvariante ist die Zerkleinerung auch mit beson­ ders kurzen Aufheizzeiten, die unter denen der Behandlung mit Wasserdampfliegen können, erfolgreich.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt zur Zerkleine­ rung von polykristallinem Silicium verwendet. Durch die thermische Zersetzung siliciumhaltiger Gase fällt es zu Be­ ginn der Herstellung elektronischer Bauelemente oder von So­ larzellen in Form von Stäben an. Diese Stäbe müssen zerklei­ nert werden, wenn der folgende Prozeßschritt ein Aufschmel­ zen des Siliciums in einem Tiegel erfordert. Das Zerkleine­ rungsverfahren ist jedoch nicht auf polykristallines Silici­ um beschränkt. Auch monokristalline Formstücke, wie bei­ spielsweise die konisch verjüngten Spitzen von Einkristal­ len oder ganze Einkristalle, die aus Qualitätsgründen nicht wie vorgesehen weiterverarbeitet werden können, lassen sich durch die schockartige Wärmebehandlung in Bruchstücke zer­ kleinern. Selbstverständlich ist das Verfahren auch auf an­ dere Halbleitertypen, wie beispielsweise Germanium, anwend­ bar.

Die besonderen Vorteile des beanspruchten Verfahrens liegen darin, daß das Halbleitermaterial während des Zerkleine­ rungsvorganges hauptsächlich mit Wasser, aber keinesfalls mit kontaminierenden Stoffen, in Berührung kommt und daß die Diffusion oberflächenadsorbierter Verunreinigungen ins Inne­ re des Halbleitermaterials als Folge langer Aufheizzeiten vermieden wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Zerkleinerung von Halbleitermaterial, ins­ besondere Silicium, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eine schockartige Wärmebehandlung erfährt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schockartige Wärmebehandlung darin besteht, daß das Halbleitermaterial kurzzeitig mit gesättigtem und über­ hitztem Wasserdampf beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schockartige Wärmebehandlung darin besteht, daß kurzzeitig eine Knallgasflamme gegen das zu zerkleinern­ de Halbleitermaterial gerichtet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial in einer evakuierten Kammer zerkleinert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Silicium zerkleinert wird.