[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen von Halbleiterbruchmaterial.
[0002] Für die Herstellung von Solarzellen oder elektronischen Bauelementen, wie beispielsweise
Speicherelementen oder Mikroprozessoren, wird hochreines Halbleitermaterial benötigt.
Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um Halbleitermaterial, wie
Silicium, Indiumphosphid, Germanium, Galliumarsenid oder Galliumphosphid.
[0003] Die gezielt eingebrachten Dotierstoffe sind die einzigen "Verunreinigungen", die
ein derartiges Material im günstigsten Fall aufweisen sollte. Man ist daher bestrebt,
die Konzentrationen schädlicher Verunreinigungen so niedrig wie möglich zu halten.
[0004] Häufig wird beobachtet, daß bereits hochrein hergestelltes Halbleitermaterial im
Verlauf der weiteren Verarbeitung zu den Zielprodukten erneut kontaminiert bzw. verunreinigt
wird. So werden immer wieder aufwendige Behandlungs- / Reinigungsschritte mit anschließendem
Trocknungsvorgang notwendig, um die ursprüngliche Reinheit zurückzuerhalten. Die JP-A-63-302251
offenbart ein Verfahren zum Reinigen und Trocknen von Siliciumscheiben, wobei während
dem Trocknen ein Vakuum angelegt wird.
[0005] Fremdmetallatome, die in das Kristallgitter des Halbleitermaterials eingebaut werden,
stören die Ladungsverteilung und können die Funktion des späteren Bauteils vermindern
oder zu dessen Ausfall führen. Infolgedessen sind insbesondere Kontaminationen des
Halbleitermaterials durch metallische Verunreinigungen zu vermeiden. Aber auch sonstige
Verunreinigungen oder Partikel auf/in der Oberfläche des Halbleiterbruchmaterials
können den nachfolgenden Schmelzprozeß nachhaltig beeinträchtigen und zu Ausschußmaterial
führen.
[0006] Dies gilt insbesondere für Silicium, das in der Elektronikindustrie mit deutlichem
Abstand am häufigsten als Halbleitermaterial eingesetzt wird.
[0007] Hochreines Silicium erhält man durch chemische Umwandlung des Roh-Silicium in eine
flüssige Siliciumverbindung (beispielsweise Trichlorsilan), die mit Hilfe von Destillationsverfahren
in höchstreiner Form aufbereitet werden kann. In einem anschließenden chemischen Abscheideprozess
wird diese hochreine Siliciumverbindung dann in hochreines Silicium übergeführt. Es
fällt dabei als polykristallines Silicium in Form von Stäben als Zwischenprodukt an.
[0008] Analoges gilt für die anderen Halbleitermaterialien. Auch sie werden überwiegend
zunächst als polykristallines Zwischenprodukt hergestellt.
[0009] Der überwiegende Teil des polykristallinen Halbleitermaterials wird zur Produktion
von tiegelgezogenen Einkristallen, von Bändern und Folien oder zur Herstellung von
polykristallinem Solarzellengrundmaterial verwendet.
[0010] Da diese Produkte aus hochreinem, schmelzflüssigem Halbleitermaterial hergestellt
werden, ist es notwendig, festes Halbleitermaterial in Tiegeln aufzuschmelzen.
[0011] Um diesen Vorgang möglichst effektiv zu gestalten, müssen großvolumige, massive Halbleiterstücke
definierter Bruchgrößenverteilung hergestellt werden, wobei aus verfahrenstechnischen
Gründen genau spezifizierte Anforderungen an die Oberflächenreinheit bestehen. Mit
dem Halbleiterbruchmaterial dürfen keine Verunreinigungen in den Tiegel gelangen;
die Oberfläche des Halbleiterbruches muß trocken, staub- und säurefrei sein, da ansonsten
- insbesondere bei der Einkristall- zucht - Fremdpartikel zu Versetzungen und Gitterstörungen
führen und eine erfolgreiche Kristallzucht unmöglich machen.
[0012] Zur Herstellung von hochreinem Halbleiterbruchmaterial wird das polykristalline Halbleitermaterial
(wie beispielsweise die erwähnten polykristallinen Siliciumstäbe) aber auch einkristallines
Halbleiter-Recyclingmaterial vor dem Aufschmelzen zerkleinert. Dies ist üblicherweise
immer mit einer oberflächlichen Verunreinigung des Halbleiterbruchmaterials verbunden,
weil die Zerkleinerung überwiegend mit mechanischen Brechwerkzeugen, wie metallischen
oder keramischen Backen- oder Walzenbrechern, Hämmern oder Meißeln, erfolgt. Durch
den Zerkleinerungsvorgang werden Fremdatome (Eisen, Chrom, Nickel, Kupfer etc.) in
die Oberfläche des Halbleitermaterials eingearbeitet oder haften auf der Oberfläche.
Aber auch bei den alternativen Brechverfahren, wie z.B. Wasserstrahlbrechen, Stoßwellenzerkleinerung
etc., läßt sich nicht gänzlich ausschließen, daß derartige Kontaminationen mit Fremdatomen
erfolgen oder daß schädlicher Staub und/oder Partikel auf die Bruchoberfläche gelangen
kann.
[0013] Insbesondere ist die Kontamination durch Metallatome als kritisch anzusehen, da diese
die elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials in schädlicher Weise verändern
können. Staub und/oder Partikel auf der Oberfläche kann nachhaltig den nachfolgenden
Ziehprozeß beeinträchtigen (Versetzungen etc.).
[0014] Um mechanisch bearbeitetes Halbleitermaterial als Ausgangsmaterial für den weiteren
Fertigungsprozeß einsetzen zu können, ist es notwendig, vorab die Konzentration an
Metallionen und Partikel herabzusetzen, die durch den Bearbeitungsvorgang und die
Handhabung auf bzw. in die Oberfläche des mechanisch bearbeiteten Halbleitermaterials
gelangt sind.
[0015] So müssen die Halbleiterbruchstücke vor dem Aufschmelzen einer chemischen Oberflächenbehandlung
mit anschließender Reinigung und Trocknung unterzogen werden, um die spezifizierten
Reinheitswerte der Oberfläche zu erreichen.
[0016] Die Oberfläche des mechanisch bearbeiteten Halbleitermaterials wird dazu mit diversen
Säuren wie zum Beispiel einer Mischung aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure
geätzt. Dieses Verfahren wird weithin angewendet. Danach wird üblicherweise das Halbleiterbruchmaterial,
wie beispielsweise polykristalliner Siliciumbruch, mit Reinstwasser gespült und getrocknet.
Da mit dem Halbleitermaterial keine Verunreinigungen in den Tiegel gelangen dürfen,
muß die Oberfläche/Oberflächenstruktur des Halbleiterbruchmaterial absolut trocken,
staub-, flecken- und säurefrei sein.
[0017] Halbleitermaterial ist in der Regel sehr spröde, daher entsteht durch den Bruchvorgang
ein scharfkantiges, zerklüftetes Halbleiterbruchmaterial mit einer Vielzahl feiner
Haarrisse, die sich bis in cm-Bereich unter der Oberfläche ausgebreitet haben. Insbesondere
in diesen Rissen bildet sich aufgrund der Kapillarwirkung Restfeuchtigkeit (Wasser-,
Säurereste), die im Nachhinein zu Verunreinigung (Flecken) d.h. zu Ausschußmaterial
oder gar zu Verätzungen führen kann. Um die hohen Qualitätsanforderungen, die ständig
verschärft werden, zu erfüllen, ist eine einwandfreie Trocknung, d.h. säure- und fleckenfreies
Halbleiterbruchmaterial, zwingend notwendig.
[0018] Die herkömmliche Konvektionstrocknung (das Trocknungsgut wird mit Reinstluft überströmt
bzw. durchströmt) bringt nicht den erhofften Erfolg in einer angemessener Zeitspanne
(unter einer Stunde), was u.a. an der Färbung von Lackmus-Papier erkennbar ist, es
sei denn, daß aufwendige, voluminöse und damit kostspielige Einrichtungen errichtet
werden, oder das Gut lagert für einen längeren Zeitraum unverpackt "im Freien", wobei
das Risiko der verstärkten Staubkontamination sehr hoch ist. Ein weiterer Nachteil
der Konvektionstrocknung besteht darin, daß Feuchtigkeit in den feinsten Haarrissen
verbleibt und so die Gefahr der nachträglichen Fleckenbildung/Staubbelastung erhöht
wird.
[0019] Dies führt zu einer Qualitätsverschlechterung gegebenenfalls zu Ausschuß.
[0020] Bei der Strahlungstrocknung wird vorrangig die obere Schicht erwärmt, so daß Flächen
auf der "Schattenseite" des Halbleiterbruchmaterials bzw. bei Schüttungen tiefer liegende
Schichten nicht ausreichend erfaßt werden. Des weiteren ist eine Säureentfernung aus
den Haarrißen nicht einwandfrei gegebenen. Dies führt ebenfalls zur Fleckenbildung,
das heißt zu Ausschußmaterial.
[0021] Wird die Strahlungsintensität verstärkt, d.h. die Oberflächentemperatur wird auf
über 100 °C erhöht, dann diffundieren bei zunehmender Temperatur nicht abgereinigte
Metallionen in die Oberfläche des Halbleiterbruchmaterials und kontaminieren nachhaltig
das reine Halbleitermaterial. Dies führt zu einer Qualitätsverschlechterung gegebenenfalls
zu Ausschuß.
[0022] Analoges gilt für die Trocknung mit Hilfe von Mikrowellen. Auch hier muß, aufgrund
der Erwärmung des Materials, mit der Eindiffusion von schädlichen Metallionen d.h.
mit Ausschußmaterial gerechnet werden.
[0023] Auch die Trommeltrocknung ist nicht praktikabel, da durch die Bewegung des Stückgutes
einerseits zwischen Halbleiterbruchmaterial und Prozeßtrommel bzw. andererseits zwischen
den Halbleiterbruchstücken selber nachhaltig Trommelabrieb bzw. Halbleiter-Feinbruch/-Staub
entsteht, wodurch der nachfolgende Ziehprozeß stark beeinträchtigt wird (hohe Versetzungsrate)
und ebenfalls zu Ausschußmaterial führt.
[0024] Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden,
insbesondere ein staub-, flecken- und säurefreies Trocknen von Halbleiterbruchmaterial
zu ermöglichen, wobei dies in einer effizienten und wirtschaftlichen Weise erfolgt.
[0025] Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Der Gegenstand der Erfindung ist ein
Verfahren zur Trocknung von Halbleiterbruchmaterial mittels Vakuum, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß die Trocknung durch mehrmaliges Anlegen eines Vakuums im Wechsel mit dem
Fluten mit Reinstluft und /oder inertisierenden Gasen erfolgt.
[0026] Bei dem erfindungsgemäßen Verfähren zur Trocknung von Halbleiterbruchmaterial wird
das aus der Endreinigung mit vorzugsweise 80 °C heißem Reinstwasser vorgewärmte Halbleiterbruchmaterial
in vorzugsweise einer oben beschriebenen Vakuumtrockenkammer getrocknet. Diese Vakuumtrockenkammer
wird mit Hilfe einer Vakuumpumpe hoher Saugleistung vorzugsweise auf einen Druck von
10
-2 mbar bis 10
-5. mbar, bevorzugt 10
-3 bis 10
-4 mbar evakuiert, wobei die Saugleistung von 30 m
3/h bis 250 m
3/h, bevorzugt 100 bis 200 m
3/h reicht (die Saugleistung ist u.a. abhängig von der Anzahl der zu trocknenden Aufnahmevorrichtungen
(Prozeßschalen) und der darin zu trocknenden Menge an Halbleiterbruchmaterial (dem
Produktdurchsatz), der Materialschichtung (einschichtig oder mehrschichtig) bzw. der
Halbleiterbruchstruktur/-größe; d.h. der sich daraus ergebenden Vakuumtrockenkammergröße).
Insbesondere durch diesen Evakuierungsvorgang läßt sich bevorzugt die Restfeuchte
aus den sogenannten Haarrissen der Halbleiterbruchmaterialien entfernen. Nachdem die
Vakuumtrockenkammer eväkuiert ist, wird sie mit trokkener Reinstluft mit einer relativen
Feuchtigkeit kleiner 20 % oder reinen, inertisierenden Gasen (z.B. Stickstoff, Argon
etc.) bei einer Temperatur von 20 bis 90 °C bevorzugt ca. 80 °C und einem Gas-Volumenstrom
von vorzugsweise 2 bis 20 m
3/h geflutet. Das Wechselspiel aus Evakuieren und das Fluten mit Reinstluft und /oder
reinem Inertgas erfolgt vorzugsweise 1 bis 3 mal u.a. abhängig von der Bruchgröße
und/oder der Bruchstruktur. Dadurch daß die Aufnahmevorrichtung auf einer Dichtleiste
in der Vakuumtrockenkammer aufsitzt, wird das Halbleiterbruchmaterial beim Fluten
bzw. Evakuieren zwangsweise durchströmt; dies fördert die Feuchtigkeitsaufnahme der
Reinstluft und/oder des Inertgases und beschleunigt und verstärkt den Trocknungsvorgang.
[0027] Das Evakuieren und Fluten der Vakuumtrockenkammer dauert vorzugsweise 5 bis 60 min.
bei einem Durchsatz von 250 kg/h (u.a. abhängig von der Vakuumkammergröße, der Bruchgröße
und/oder der Bruchstruktur). Der Reinstluft-/Gas-Volumenstom liegt bevorzugt in einem
Bereich von 2 bis 20 m
3/h.
[0028] Bei Bedarf kann der Vakuumtrocknung u.a. abhängig von der Bruchgröße und/oder Bruchstruktur
(als Vortrocknung) noch eine herkömmliche Konvektionstrocknung vorausgehen, bei der
die Aufnahmevorrichtung ebenfalls zwangsweise vorzugsweise mit trockener Reinstluft
mit einer relativen Feuchtigkeit von kleiner 20 % und einer Temperatur von 20 bis
90 °C bevorzugt von 60 bis 90 °C durchströmt wird. Der Zustrom der Reinstluft erfolgt
vorzugsweise über eine Laminarairflowdecke.
[0029] Falls die Vakuumtrocknung allein erfolgt, beträgt sie vorzugsweise 10 min bis 60
min. Falls eine Konvektionstrocknung voraus, beträgt die gesamte Trocknungszeit vorzugsweise
20 min bis 120 min. Diese Zeiten beziehen sich auf einen Durchsatz von Halbleiterbruchmaterial
von vorzugsweise 250 kg/h.
[0030] Nach der erfindungsgemäßen Trocknung wird das Halbleiterbruchmaterial über eine sich
anschließende abgeschottete Transportstrecke, die vorzugsweise eine herkömmliche Laminarflowdecke
der Reinraum-Klasse 10 bis 1000 aufweist, auf eine maximale Temperatur von 30 °C abgekühlt,
bevor es in einer Verpackungsvorrichtung in Folie eingeschweißt wird.
[0031] Zur Verminderung von Kontamination während der einzelnen Prozeßschritte ist die Prozeßstraße
vorzugsweise mit einer Laminarairflowdecke, zum Beispiel der RR - Klasse 100, überbaut.
[0032] Der Vorteil der Vakuumtrocknung besteht gegenüber einem Trocknen mittels der üblichen
Konvektions-/Strahlungstrocknung darin, daß eine vollständige Trocknung des Halbleiterbruchmaterials
bei Temperaturen unter 100 °C möglich ist. Insbesondere verbleibt keine Restfeuchtigkeit
(Wasser-/Säurereste) in der Mikrostruktur, wie den feinen Haarrissen der Oberfläche
des Halbleiterbruchmaterials, um so die Gefahr der nachträglichen Fleckenbildung und/oder
Verätzung oder Staubbelastung zu vermindern. Des weiteren, da keine Temperaturen über
100 °C erforderlich sind, tritt der nachteilige Diffusionsvorgang von fremden Metallionen
in das Halbleitermaterial - wie bei der Strahlungstrocknung - so gut wie nicht ein.
Es kann somit ein Halbleiterbruchmaterial erzeugt werden, was den höchsten Qualitätsanforderungen
genügt.
[0033] Ferner kann der anlagentechnische Aufwand, insbesondere die Größe (räumliche Abmessung),
der Trocknungseinrichtung deutlich reduziert werden, wodurch Produktionsfläche eingespart
wird. (z.B. umfaßt eine herkömmliche Konvektionstrocknung mehrere Meter, wohingegen
eine Vakuumtrocknung im Meterbereich liegt. Hierbei lassen sich auch Größe und Umfang
der Klimatechgnischen und Reinraum-technischen Einrichtungen dementsprechend deutlich
reduzieren, wodurch insbesondere Investitionskosten aber auch laufende Betriebs-/Energiekosten
eingespart werden können.
[0034] Die Vakuumtrocknung läßt sich aufgrund ihrer kleinen räumlichen Abmessungen vorteilhaft
in Modulbauweise errichten und somit relativ einfach in die bestehenden Fertigungsabläufe
einbauen.
[0035] Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vorrichtung zweckmäßig,
die zumindest eine vakuumdichte Vorrichtung mit zumindest einer Aufnahmevorrichtung
für Halbleiterbruchmaterial aufweist und daß in der Vorrichtung ein Vakuum herrschen
kann.
[0036] Die Vorrichtung zum Trocknen von Halbleiterbruchmaterial weist zumindest eine vakuumdichte
Vorrichtung auf, die eine Vakuumtrockenkammer sein kann, die einen Deckel aufweist,
der geöffnet werden kann, um das Halbleiterbruchmaterial einzubringen und die vakuumdicht
verschließbar ist, wobei die Vakuumtrokkenkammer vorzugsweise wandbeheizt ist. Vorzugsweise
im oberen Bereich-der Vakuumtrockenkammer befindet sich eine Öffnung, durch die trockene
Reinstluft mit einer relativen Feuchtigkeit von kleiner 20 % oder vorzugsweise reine,
inertisierende Gase (z.B. Stickstoff, Argon etc.) bei einer Temperatur von 20 °C bis
90°C bevorzugt ca. 80 °C und einem Gas-Volumenstrom von vorzugsweise 2 bis 20 m
3/h einströmen können. Im unteren Bereich befindet sich eine Vakuum-Pumpe hoher Saugleistung,
die einen Druck von 10
-2 bis 10
-5 mbar, bevorzugt 10
-3 bis 10
-4 mbar erzeugt und eine Saugleistung von 30 m
3/h bis 250 m
3/h, bevorzugt 100 m
3/h bis 200 m
3/h aufweist (die Saugleistung ist u.a. abhängig von der Anzahl der zu trocknenden
Aufnahmevorrichtungen (Prozeßschalen) und der darin zu trocknenden Menge an Halbleiterbruchmaterial
(dem Produktdurchsatz), der Materialschichtung (einschichtig oder mehrschichtig) bzw.
der Halbleiterbruchstruktur/-größe; d.h. der sich daraus ergebenden Vakuumtrockenkammergröße).
In diese Vakuumtrockenkammer wird vorzugsweise eine Aufnahmevorrichtung, die vorzugsweise
Öffnungen aufweist, wobei diese Öffnungen vorzugsweise im Boden (Lochboden) sind,
eingesetzt, in der sich das Halbleiterbruchmaterial befindet, das vorzugsweise eine
Korngrößenverteilung von 2 mm bis 150 mm aufweist. Diese Vakuumtrockenkammer ist vorzugsweise
ein Behälter aus VA-2 oder VA-4 Stahl, der entweder elektropoliert wird oder mit reinraumtauglichen
und temperaturbeständigen Materialien wie vorzugsweise Silicium oder die Kunststoffe
Teflon und PFA ausgekleidet ist. Die eingesetzte Aufnahmevorrichtung (Prozeßschale)
sitzt auf einer Dichtleiste auf, so daß die Aufnahmevorrichtung d.h. das Halbleiterbruchmaterial
zwangsweise über den Lochboden mit erwärmter Reinstluft und/oder reinem Inertgas durchströmt
wird. Die Zykluszeit liegt hierbei vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 10 min.
(u.a. abhängig von Bruchstruktur, -größe, Saugleistung der Vakuumpumpe, Einsatzmenge
und des Gas-Volumenstromes).
[0037] Dieser Vakuumtrockenkammer kann (gleichsam zur Vortrocknung) auch noch eine übliche
Vorrichtung zur Konvektionstrocknung vorausgehen, wobei diese Vorrichtung eine Kammer
ist, durch die von oben durch vorzugsweise eine temperaturbeständige Laminarairflow-Decke
trockene Reinstluft mit einer Luftfeuchtigkeit kleiner 20% und mit einer Temperatur
von 60 bis 100 °C, vorzugsweise von 70 bis 90 °C einströmen kann. Deren Einsatz und
die Trocknungszeit sind abhängig von der Menge und Art des Materials (Bruchgröße/-struktur)
und beträgt bei einem Durchsatz von 250 kg/h vorzugsweise 0 min bis 1 h.