粉碎半導體材料的方法和裝置的製作方法

2023-05-11 17:40:36

專利名稱：粉碎半導體材料的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無汙染粉碎半導體材料的方法，進一步地，本發明涉及一套使該方法得以實施的裝置。
在許多生產半導體產品的初始階段，必需使半導體材料呈容化狀態。大多數情況下，是把半導體材料置於坩鍋或類似的器具中熔化。然後，用公知的方法鑄模或分離出晶體。這些便是諸如以下產品的基礎材料，如太陽能電池、儲存器晶片或微處理機。如果要被熔化的半導體材料是大體積的固體，如氣相沉積之後的棒形，在坩鍋中將基熔化之前必須先粉碎。只有這樣才能有效地利用坩鍋的容積，並可以省時，節能，減少熔煉次數。這正是把大表面的熔化物粉碎成小顆粒的結果。
在粉碎期間，要十分小心，以保證碎塊的表面不被其它雜質汙染。尤其是不被金屬原子汙染，因這將傷害性地改變半導體材料的電性能。如果需要粉碎的半導體材料是機械工具--比如碎鋼機--來粉碎，這是迄今為止最主要、最常用的方法，那麼其碎塊勢必在熔化之前要進行複雜而昂貴的清潔。
根據德國專利申請DE-3811091A1和其相應的美國專利US4，871，117，用下述方法來粉碎固體、大體積矽塊是可行的，甚至用機械工具粉碎也查可行的。這種工具的工作表面是由非汙染物或極輕微汙染物，如矽或氮化物陶瓷或碳化物陶瓷組成的。在要粉碎的矽體內造成一個溫度梯度可以達到粉碎的目的，先從矽體外部熱幅射使其表面溫度達400-1400℃，然後迅速地冷卻，使溫度至少下降300℃，以便使其溫度梯度至少是部分地逆轉。為形成溫度梯度，要被粉碎的固體需先放入爐中加熱。為形成溫度梯度，要被粉碎的固體需先放入爐中加熱。然而這種方法有不利之外，即在加熱階段，會導致或/和加速那些吸附在半導體材料表面的雜質的擴散。這燕，雜質便進入半導體材料的內部晶體結構中，結果使那些只能清除表面雜質的清除措施不能清除這些雜質。另外，該方法還涉及一個問題即在加熱期間，爐體材料釋放的雜質對半導體材料的汙染是不可避免的。
本發明的目的在於提供一種方法，使用該方法可以不必加熱，也不用機械工具無汙染地粉碎半導體材料。進一步地，本發明的目的地還在於提供一種使此方法得以實施的裝置。
本發明的目的通過如下方法而完成，該方法是使半導體材料無汙染粉碎的方法，其中包括至少產生一種液體射流，該液體射流是通過給液體加壓使之通過噴嘴而形成，將該液體射流半導體材料，以便以高速衝擊半導體材料的表面。進一步地，該目的通過如下裝置而完成，該裝置是一種用於無汙染粉碎半導體材料的裝置，其中包括，容器1，用於接收被粉碎半導體材料；至少一個噴嘴2，液體射流3從該噴嘴中通過以高速導向將要被粉碎的半導體材料4；一個輸送裝置7，用於從容器1中移走被粉碎的半導體材料；釋放或中斷液體射流的裝置；固定噴嘴2和/或推進半導體材料4的裝置。
該方法優選於是用於粉碎易碎的且堅硬的半導體材料，如矽、砷化鍺或砷化鎵。在這一點上，無論是已提前被粉碎的碎塊還是鑄成形的模體並不重要，比如塊狀或棒狀的半導體材料均可被粉碎。由於應用液體射流來粉碎半導體材料，所以在粉碎過程中選擇合適的、極純淨的液體，雜質汙染的風險就會顯著地降低。優選是用純水，但也不排除使用水溶液，比如含添加劑的水溶液。所用添加劑具有清除半導體材料表面雜質的效能或是具有表面蝕該效能。使用有機溶劑或溶劑混合物也是可行的，優選為這些有機溶劑或溶劑混合物的沸點可儘可能低，以便乾燥被粉碎的半導體材料時，耗費較低的能量。粉碎半導體材料所必需的能量是在對液體加壓使之以高速射出噴嘴形成液體射流所消耗的。
液體射流被控制以30-90°的角度衝擊半導體材料表面。優選的角度60-90°，最優選的是90°。
噴嘴尖端的橫截面形狀決定離開噴嘴的液體射流的橫截面形狀，優選是圓形，長方形，正方形或式邊形，但也可是其它不同形狀。在噴嘴尖端，射離噴嘴的液體射流的截面積優選是0.005-20mm2。更優選的是0.05-3mm2。已經知道，噴嘴可被導向半導體材料，噴嘴尖端甚至觸及半導體材料的表面。這樣，要避免噴嘴對半導體材料的汙染，噴嘴尖端需由一種抗磨損的材料製成，比如用藍寶石。為了消除由於噴嘴材料而產生的汙染，該方法中在半導體材料要發生運輸的情況下，更有利於防止汙染的措施是使噴嘴尖端距半導體材料表面有一定的距離。噴嘴尖端到半導體材料表面的距離優選為0-150mm，更優選是10-20mm。
使液體射流有足夠的動能來粉碎半導體材料的、加在該液體的壓力是500-5000巴(bar)，優選是1000-4000巴(bar)理論上講，此過程產生的是一種連續不斷的液體射流。然而通常是，一旦得到所需要的材料碎塊即可阻斷液體射流，或是它期地阻斷液體流以形成一連串的射流脈衝。非連續地，即有暫時中斷地將這種定期阻斷的液體射流導向半導體材料也是可行的。液體射流被阻斷前所持續的時間(脈衝周期)主要取決於給定裝置中半導體材料的厚度和密度。通常把脈衝周期設定到0.5到5秒就有足夠的效力，例如把直徑為120mm的矽棒粉碎成2塊或更多塊。
對相當大的半導體塊，可以用連續的或者是間斷的液體射流或定期阻斷的液體射流(這種類型的液體射流用在此後所述的各種不同情況)，衝擊其表面的不同點而將其粉碎。在這個過程中噴嘴可以是固定的，例如，當半導體材料向前推進時可把噴嘴固定於預先設置的位置。此方法的進一步改進是實現此步驟的自動化。當然，噴嘴也可以連續地間歇地瞄準其它新的目標，比如，半導體材料表面的其它部位或其它碎塊。
為提高所述方法的效力，可設計為用多個，優選為2到5個液體射流，同時或交錯地衝擊半導體材料的不同部位。這種情況下，發現較有利的是衝擊半導體材料的2個液體射流之間的距離為20到120mm。由此可主要是生產出最大長度為60到120mm的碎塊，以便特別適合填充到熔融坩堝內熔化。然而也不排除選擇更狹窄或更寬的半導體表面目標間距(如是僅使用一個液體射流)，這樣便可以得到最大長度更小或更大的碎塊。
要粉碎直徑為60到250mm的棒型半導體材料，優選的方法是至少有一個液體射流衝擊棒的端面，或者至少一個液體射流徑向衝擊棒的柱面，特別優選的是，一個液體射流衝擊端面，一個射流同時或連續地衝擊柱面。進一步地，所述方法優選設計成連續或間歇地改變半導體棒的位置。按預設的距離，沿軸向移動半導體棒到新的加工位置。也可選擇沿著縱向軸轉動的棒體，例如在如下案例中，當液體射流衝擊棒的柱面後粉碎功能是不完全的，相當一部分仍連接在棒體上。通常如果轉動棒體，液體射流對這部分晶體只是穿透該晶體。所述方法進一步改進是在連續沿縱向軸轉動半導體棒體的同時推進棒體沿軸移動，並且一個或多個液體射流同時或連續地從不同的方向射向棒體。
偶然也發生下述情況儘管半導體材料已被液體射流粉碎，但碎塊間互相鉤連堆積，以至於看起來它們仍緊密連接。因為中此案例中將粘連的碎塊分開所需的力很少，所以可以用一種機械工具將其分離。這種工具的工作表面是由不產生汙染的物質組成的，例如，塑料，陶瓷或半導體材料本身。當然也可再次使用液體射流來分離它們。
用以上所述方法可在無汙染情況下將半導體材料切成碎塊，而碎塊的大小尺寸可根據合適的方法參數的選擇而預選確定。進一步地，所述方法非常顯著的特點是，粉碎過程中僅產生很少一部分碎末或灰塵。這種粉碎方法不需要添加具有研磨或蝕該功能的添加劑。粉碎後的物質的清潔不再是絕對必要的，若要求清潔，所需的清潔劑量也顯著地減少。
附圖
的簡要說明附圖為實施本發明方法裝置。
下面參考附圖對實施本發明方法的裝置進行描述。
附圖所示的裝置被認為是一說明性的實施方案的，僅示出那引起有助於更好理解本發明的裝置特點。
本發明裝置包括容器1，用於接收被粉碎的半導體材料，至少一人噴嘴2(附圖中只示出了一個噴嘴，實際上可以有多個噴嘴)，液體射流3通過該噴嘴被射向要被粉碎的半導體材料4。如有必要，容器1在操作期間通常至少充入一部分液體，以避免液體射流直接撞擊容器的底部。附圖中所示的半導體材料4是「U」型半導體材料棒。當然半導體材料可以是其它任何形狀，而且均可以被所示裝置粉碎。實施方案中顯示，噴嘴2的設計是可動的，其可通過控制裝置5，由人工操作或自動地在三維空間範圍內移動定位，而半導體材料4處於靜止狀態並位於在容器1上的支撐面6上。支撐面6是由不汙染半導體材料的材料製成，優選設計成格子形，以便被液體射流從棒上分離出的碎塊能通過它而落入容器1中。一種數字控制裝置可以用來控制噴嘴的位置。當然，所述裝置也可以設計為附加有半導體材料推進功能的裝置。在本實施例中，噴嘴被設置在一個固定的位置上。容器1內裝有一個輸送裝置7，其可以連續地或間歇地輸送被粉碎的半導體材料。粉碎過程中產生的碎末在容器1中與其它碎塊分離開來，例如通過連續不斷地循環容器1中的液體並且通過由此而產生的水流排出碎末。在本實施方案中，輸送裝置7包括一個塑料製成的鏈形(link)輸送器或固定在塑料鏈上的盤(trays)，該盤是由塑料或半導體材料製成的。也可以在容器1中設置一個採集籃(附圖中沒有示出)，採集藍也是用塑料或半導體材料製成，如果需要，採集籃可以從容器1移走粉碎的半導體材料。附圖上還示出了輔助籃8，用於收集被汙染的半導體材料棒尖(rodtips)，這是由於在將半導體材料製成半導體棒時，棒尖與由其它材料製成的電極相連而被汙染。在粉碎方法的開始階段，半導體材料棒放置在支撐面6上，以便棒尖在輔助籃8中，附圖中沒有示出給噴嘴2提供液體的部件，即一個能給液體施加必要工作壓力的泵，能釋放或阻斷液體射流。進一步地還可以安裝一種機械工具用於分散已被粉碎但還連在一起的半導體材料碎塊。所述的一整套粉碎裝置可以安放在一個吸間罩裡。
參照下述實施例對本發明的粉碎半導體材料的方法進行進一步描述。
實施例一個長1 米，直徑為120mm，重26kg的矽棒，用附圖所示的裝置加以粉碎。其中液體採用施加有3600巴壓力的高純度的水，水從藍寶石嘴尖端的水射流的橫截面積約為0.05mm2。單個水射流脈衝周期為1 秒，衝擊矽棒的柱面。噴嘴設定的位置使水流沿棒半徑旋轉而衝擊棒的柱面。噴嘴尖端距矽棒表面10mm。每次水射流脈衝衝擊矽棒後，噴嘴沿矽棒縱向平行移動50mm。所得矽塊的多數其最大長度為40到120mm。
權利要求
1.一種無汙染粉碎半導體材料的方法，其中包括至少產生一種液體射流，該液體射流是通過給液體加壓，使之通過噴嘴而得到的，將此液體射流導向半導體材料，以便以高速衝擊半導體材料的表面。
2.如權利要求1所述的方法，其中施加於液體的壓力是500-5000巴(bar)。優選為1000-4000巴。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中波導向半導體材料的液體射流是以30-90°的角度衝擊半導體材料的表面。
4.如權利要求1 到3 之一所述的方法，其中離開噴嘴的液體射流的橫截面積是0.005-20mm2。
5.如權利要求1到4之一所述的方法，其中所述的液體射流被間歇性地被阻斷，射流脈衝周期為0.5-5秒。
6.如權利要求1到5之一所述的方法，其中液體射流發出的部位與半導體材料間有一定的距離，此距離不超過150mm。
7.如權利要求1到6之一所述的方法，其中，液體射流為水，清潔性或蝕性的水溶液，或一種有機溶劑或溶劑混合物。
8.如權利要求1到7之一所述的方法，其中2到5種液體射流從不同方向被導向半導體材料。
9.如權利要求1到8之一所述的方法，其中棒形半導體材料或小塊、大塊的半導體材料被粉碎。
10.一種用於無汙染粉碎半導體材料的裝置，包括容器(1)，用於接收被粉碎的半導體材料；至少一個噴嘴(2)，液體射流(3)從該噴嘴中通過以高速導向將要粉碎的半導體材料(4)；一個輸送裝置(7)，用於從容器(1)中移走被粉碎的半導體材料；釋放或中斷液體射流的裝置；固定嘴(2)和/或推進半導體材料(4)的裝置。
11.如權利要求11所述的裝置，其中包括一種機械工具，該機械工具能把已經被粉碎的半導體材料和已粉碎但還粘合在一起的半導體材料分離成單個碎塊。
12.如權利要求10或11所述的裝置，其中包括一個輔助籃，用於接收已粉碎的棒形半導體材料的尖(tips)。
13.如權利要求10到12之一所述的裝置，其中包括一個鏈形輸送器，用於從容器(1)中移去已粉碎的半導體材料。
全文摘要
一種無汙染半導體材料的粉碎方法及實現該方法的裝置。所述的方法包括至少產生一種液體射流，該射流是通過向液體施加壓力而產生並且經由噴嘴噴出；和導引液體射流以高速衝擊半導體材料表面。所述的裝置包括用於接收已粉碎的半導體材料的容器；至少一個噴嘴，液體射流通過該噴嘴以高速衝擊要被粉碎的半導體材料；推進裝置，用於從容器中移走已粉碎的半導體材料；釋放和中斷液體射流的裝置及固定噴嘴及/或推進半導體材料的裝置。
文檔編號B02C19/06GK1100671SQ9410573
公開日1995年3月29日 申請日期1994年5月18日 優先權日1993年5月18日
發明者弗蘭茨·科普爾, 馬託斯·尚茨 申請人:瓦克化學電子工業原料有限公司