CN1033952C - 粉碎半导体材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种无污染半导体材料的粉碎方法及实现该方法的装置。所述的方法包括：至少产生一种液体射流，该射流是通过向液体施加压力而产生并且经由喷嘴喷出；和导引液体射流以高速冲击半导体材料表面。所述的装置包括：用于接收已粉碎的半导体材料的容器；至少一个喷嘴，液体射流通过该喷嘴以高速冲击要被粉碎的半导体材料；推进装置，用于从容器中移走已粉碎的半导体材料；释放和中断液体射流的装置及固定喷嘴及/或推进半导体材料的装置。

Description

粉碎半导体材料的方法

本发明涉及一种无污染粉碎半导体材料的方法，进一步地，本发明涉及一套使该方法得以实施的装置。

在许多生产半导体产品的初始阶段，必需使半导体材料呈熔化状态。大多数情况下，是把半导体材料置于坩埚或类似的器具中熔化。然后，用公知的方法铸模或分离出晶体。这些便是诸如以下产品的基础材料，如太阳能电池、储存器芯片或微处理机。如果要被熔化的半导体材料是大体积的固体，如气相沉积之后的棒形，在坩埚中将其熔化之前必须先粉碎。只有这样才能有效地利用坩埚的容积，并可以省时，节能，减少熔炼次数。这正是把大表面的熔化物粉碎成小颗粒的结果。

在粉碎期间，要十分小心，以保证碎块的表面不被其它杂质污染。尤其是不被金属原子污染，因这将伤害性地改变半导体材料的电性能。如果需要粉碎的半导体材料是用机械工具--比如碎钢机--来粉碎，这是迄今为止最主要、最常用的方法，那么其碎块势必在熔化之前要进行复杂而昂贵的清洁。

根据德国专利申请DE-3811091A1和其相应的美国专利US4,871,117，用下述方法来粉碎固体、大体积硅块是可行的，甚至用机械工具粉碎也是可行的。这种工具的工作表面是由非污染物或极轻微污染物，如硅或氮化物陶瓷或碳化物陶瓷组成的。在要粉碎的硅体内造成一个温度梯度可以达到粉碎的目的，先从硅体外部热幅射使其表面温度达400-1400℃，然后迅速地冷却，使温度至少下降300℃，以便使其温度梯度至少是部分地逆转。为形成温度梯度，要被粉碎的固体需先放入炉中加热。然而这种方法有不利之处，即在加热阶段，会导致或/和加速那些吸附在半导体材料表面的杂质的扩散。这样，杂质便进入半导体材料的内部晶体结构中，结果使那些只能清除表面杂质的清除措施不能清除这些杂质。另外，该方法还涉及一个问题：即在加热期间，炉体材料释放的杂质对半导体材料的污染是不可避免的。

本发明的目的在于提供一种方法，使用该方法可以不必加热，也不用机械工具无污染地粉碎半导体材料。进一步地，本发明的目的还在于提供一种使此方法得以实施的装置。

本发明的目的通过如下方法而完成，该方法是使半导体材料无污染粉碎的方法，其中包括至少产生一种液体射流，该液体射流是通过给液体加压使之通过喷嘴而形成，将该液体射流导向半导体材料，以便以高速冲击半导体材料的表面。进一步地，该目的通过如下装置而完成，该装置是一种用于无污染粉碎半导体材料的装置，其中包括，容器1，用于接收被粉碎的半导体材料；至少一个喷嘴2，液体射流3从该喷嘴中通过以高速导向将要被粉碎的半导体材料4；一个输送装置7，用于从容器1中移走被粉碎的半导体材料；释放或中断液体射流的装置；固定喷嘴2和/或推进半导体材料4的装置。

该方法优选是用于粉碎易碎的且坚硬的半导体材料，如硅、砷化锗或砷化镓。在这一点上，无论是已提前被粉碎的碎块还是铸成形的模体并不重要，比如块状或棒状的半导体材料均可被粉碎。由于应用液体射流来粉碎半导体材料，所以在粉辞过程中选择合适的、极纯净的液体，杂质污染的风险就会显著地降低。优选是用纯水，但也不排除使用水溶液，比如含添加剂的水溶液。所用添加剂具有清除半导体材料表面杂质的效能或是具有表面蚀刻效能。使用有机溶剂或溶剂混合物也是可行的，优选为这些有机溶剂或溶剂混合物的沸点要尽可能低，以便干燥被粉碎的半导体材料时，耗费较低的能量。粉碎半导体材料所必需的能量是在对液体加压使之以高速射出喷嘴形成液体射流所消耗的。

液体射流被控制以30-90°的角度冲击半导体材料表面。优选的角度是60-90°，最优选的是90°。

喷嘴尖端的横截面形状决定离开喷嘴的液体射流的横截面形状，优选是圆形，长方形，正方形或多边形，但也可是其它不同形状。在喷嘴尖端，射离喷嘴的液体射流的截面积优选是0.005-20mm²，更优选的是0.05-3mm²。已经知道，喷嘴可被导向半导体材料，喷嘴尖端甚至触及半导体材料的表面。这样，要避免喷嘴对半导体材料的污染，喷嘴尖端需由一种抗磨损的材料制成，比如用蓝宝石。为了消除由于喷嘴材料而产生的污染，该方法中在半导体材料要发生运输的情况下，更有利于防止污染的措施是使喷嘴尖端距半导体材料表面有一定的距离。喷嘴尖端到半导体材料表面的距离优选为0-150mm，更优选是10-20mm。

使液体射流有足够的动能来粉碎半导体材料的、加在该液体的压力是500-5000巴(bar)，优选是1000-4000巴(bar)。理论上讲，此过程产生的是一种连续不断的液体射流。然而通常是，一旦得到所需要的材料辞块即可阻断液体射流，或是定期地阻断液体流以形成一连串的射流脉冲。非连续地，即有暂时中断地将这种定期阻断的液体射流导向半导体材料也是可行的。液体射流被阻断前所持续的时间(脉冲周期)主要取决于给定装置中半导体材料的厚度和密度。通常把脉冲周期设定到0.5到5秒就有足够的效力，例如把直径为120mm的硅棒粉碎成2块或更多块。

对相当大的半导体块，可以用连续的或者是间断的液体射流或定期阻断的液体射流(这种类型的液体射流用在此后所述的各种不同情况)，冲击其表面的不同点而将其粉碎。在这个过程中喷嘴可以是固定的，例如，当半导体材料向前推进时可把喷嘴固定于预先设置的位置。此方法的进一步改进是实现此步骤的自动化。当然，喷嘴也可以连续地或间歇地瞄准其它新的目标，比如，半导体材料表面的其它部位或其它碎块。

为提高所述方法的效力，可设计为用多个，优选为2到5个液体射流，同时或交错地冲击半导体材料的不同部位。这种情况下，发现较有利的是冲击半导体材料的2个液体射流之间的距离为20到120mm。由此可主要是生产出最大长度为60到120mm的碎块，以便特别适合填充到熔融坩埚中熔化。然而也不排除选择更狭窄或更宽的射流间距(如果是多个射流同时应用)，或者是更窄或更宽的半导体表面目标间距(如果仅使用一个液体射流)，这样便可以得到最大长度更小或更大的碎块。

要粉碎直径为60到250mm的棒型半导体材料，优选的方法是至少有一个液体射流冲击棒的端面，或者至少一个液体射流径向冲击棒的柱面，特别优选的是，一个液体射流冲击端面，一个射流同时或连续地冲击柱面。进一步地，所述方法优选为设计成连续或间歇地改变半导体棒的位置。按预设的距离，沿轴向移动半导体棒到新的加工位置。也可选择沿着纵向轴转动棒体，例如在如下案例中，当液体射流冲击棒的柱面后粉碎功能是不完全的，相当一部分晶体仍连接在棒体上。通常如果转动棒体，液体射流对这部分晶体只是穿透该晶体。所述方法进一步改进是在连续沿纵向轴转动半导体棒体的同时推进棒体沿轴向移动，并且一个或多个液体射流同时或连续地从不同的方向射向棒体。

偶然也发生下述情况：尽管半导体材料已被液体射流粉碎，但碎块间互相钩连堆积，以至于看起来它们仍紧密连接。因为在此案例中将粘连的碎块分开所需的力很小，所以可以用一种机械工具将其分离。这种工具的工作表面是由不产生污染的物质组成的，例如，塑料，陶瓷或半导体材料本身。当然也可再次使用液体射流来分离它们。

用以上所述方法可在无污染情况下将半导体材料切成碎块，而碎块的大小尺寸可根据合适的方法参数的选择而预先确定。进一步地，所述方法非常显著的特点是，粉碎过程中仅产生很少一部分碎末或灰尘。这种粉碎方法不需要添加具有研磨或蚀刻功能的添加剂。粉碎后的物质的清洁不再是绝对必要的，若要求清洁，所需的清洁剂量也显著地减少。

附图的简要说明

附图为实施本发明方法的装置。

下面参考附图对实施本发明方法的装置进行描述。

附图所示的装置被认为是一说明性的实施方案，仅示出那些有助于更好理解本发明的装置特点。

本发明装置包括：容器1，用于接收被粉碎的半导体材料；至少一个喷嘴2(附图中只示出了一个喷嘴，实际上可以有多个喷嘴)，液体射流3通过该喷嘴被射向要被粉碎的半导体材料4。如有必要，容器1在操作期间通常至少充入一部分液体，以避免液体射流直接撞击容器的底部。附图中所示的半导体材料4是“U”型半导体材料棒。当然半导体材料可以是其它任何形状，而且均可以被所示装置粉碎。实施方案中显示，喷嘴2的设计是可动的，其可通过控制装置5，由人工操作或自动地在三维空间范围内移动定位，而半导体材料4处于静止状态并位于在容器1上的支撑面6上。支撑面6是由不污染半导体材料的材料制成，优选设计成格子形，以便被液体射流从棒上分离出的碎块能通过它而落入容器1中。一种数字控制装置可以用来控制喷嘴的位置。当然，所述装置也可以设计为附加有半导体材料推进功能的装置。在本实施例中，喷嘴被设置在一个固定的位置上。容器1内装有一个输送装置7，其可以连续地或间歇地输送被粉碎的半导体材料。粉碎过程中产生的碎末在容器1中与其它碎块分离开来，例如通过连续不断地循环容器1中的液体并且通过由此而产生的水流排出碎末。在本实施方案中，输送装置7包括一个塑料制成的链形(link)输送器或固定在塑料链上的盘(trays)，该盘是由塑料或半导体材料制成的。也可以在容器1中设置一个采集篮(附图中没有示出)，采集篮也是用塑料或半导体材料制成，如果需要，采集篮可以从容器1移走粉碎的半导体材料。附图上还示出了辅助篮8，用于收集被污染的半导体材料棒尖(rodtips)，这是由于在将半导体材料制成半导体棒时，棒尖与由其它材料制成的电极相连而被污染。在粉碎方法的开始阶段，半导体材料棒放置在支撑面6上，以便棒尖在辅助篮8的上面。棒尖被液体射流粉碎并分离，其碎块能落入辅助篮8中。附图中没有示出给喷嘴2提供液体的部件，即一个能给液体施加必要工作压力的泵，能释放或阻断液体射流。进一步地还可以安装一种机械工具用于分散已被粉碎但还连在一起的半导体材料碎块。所述的一整套粉碎装置可以安放在一个吸音罩里。

参照下述实施例对本发明的粉碎半导体材料的方法进行进一步描述。

实施例

一个长1米，直径为120mm，重26kg的硅棒，用附图所示的装置加以粉碎。其中液体采用施加有3600巴压力的高纯度的水，水从蓝宝石喷嘴压出产生一个水射流，所述喷嘴尖端为圆形。射离喷嘴尖端的水射流的横截面积约为0.05mm²。单个水射流脉冲周期为1秒，冲击硅棒的柱面。喷嘴设定的位置使水流沿硅棒半径旋转而冲击棒的柱面。喷嘴尖端距硅棒表面10mm。每次水射流脉冲冲击硅棒后，喷嘴沿硅棒纵向轴平行移动50mm。所得硅块的多数其最大长度为40到120mm。

Claims (10)

1、一种无污染粉碎半导体材料的方法，所述的材料包括一个表面，该方法包括至少产生一种液体射流，该液体射流是通过给液体加压，使之通过喷嘴而得到的；

将该半导体材料置于一支撑面上；

将此液体射流导向半导体材料，以便以高速冲击半导体材料的表面；且，

其中，该半导体材料选自硅、砷化锗或砷化镓。

2、如权利要求1所述的方法，其中施加于液体的压力是500-5000巴。

3、如权利要求2所述的方法，其中施加于液体的压力是1000-4000巴。

4、如权利要求1所述的方法，其中被导向半导体材料的液体射流是以30-90°的角度冲击半导体材料的表面。

5、如权利要求1所述的方法，其中离开喷嘴的液体射流的横截面积是0.005-20mm²。

6、如权利要求1所述的方法，其中所述的液体射流被间歇性地被阻断，射流脉冲周期为0.5-5秒。

7、如权利要求1所述的方法，其中液体射流发出的部位与半导体材料间有一定的距离，此距离不超过150mm。

8、如权利要求1所述的方法，其中，液体射流为水，清洁性或蚀刻性的水溶液，或一种有机溶剂或溶剂混合物。

9、如权利要求1所述的方法，其中2到5种液体射流从不同方向被导向半导体材料。

10、如权利要求1所述的方法，其中棒形半导体材料或小块、大块的半导体材料被粉碎。

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