专利名称：减小半导体材料尺寸的装置和方法
技术领域：
本发明涉及减小半导体材料尺寸的装置和方法。
为生产太阳能电池或电子元件(例如存储元件或微处理器)，需要高纯半导体材料。以受控方式引入的掺杂物，是这类材料应以最佳方式包含有的唯一杂质物。为此，期望保持尽可能低的有害杂质浓度。常常发现，甚至已制得的高纯态半导体材料在进一步加工产生最终产品的过程中，再次受到污染。因此，需要一次次艰辛的提纯步骤，以便恢复原有的纯度。进入半导体材料晶格的外来金属原子，干扰电荷分布，会降低以后组件的功能或使其失效。因此，尤其要避免半导体材料受到金属杂质的污染。此点特别适用于硅，硅无疑是电子工业中最为经常使用的半导体材料。举例而言，可以通过有高度挥发性因而易于用蒸馏方法提纯的硅化合物(例如，三氯硅烷)的热分解方法，来制取高纯硅。在这一方法中，制得的硅是多晶态棒型材料，具有的典型直径为70-300mm，长度为500-2500mm。这类硅棒的大部分用来制作坩埚提拉单晶，制作条、片材料或用来制作多晶太阳能电池基板材料。由于这些产品要由高纯熔融硅制作，因此在坩埚中熔融固体硅是不可缺少的步骤。为了使这个方法尽可能有效，大体积的固体硅件(举例而言，诸如上述的多晶硅棒)必须在熔融以前减小其尺寸。通常，这点往往会伴随产生半导体材料的浅表层的污染，原因是减小尺寸是使用金属压碎工具(诸如颚形破碎机，辊式破碎机，锤或凿)进行的。
在进行尺寸减小时，必须十分注意碎片表面不被外来材料所污染。尤其把来自金属原子的污染看作是严重的问题，因为这些原子可以损害半导体材料的电学性质。如果，按照迄今为止一直使用的主要传统方法，用机械工具(举例而言，诸如钢质破碎机)破碎将要被减小尺寸的半导体材料，其后，在熔融前必须要使碎片受到艰辛和昂贵的表面纯化。
按照已公开的说明书DE-3811091A1以及它所对应的专利US-4,871,117，所使用破碎工具的工作表面是由不会引起污染，或仅会引起轻微污染的材料(诸如硅，氮化物陶瓷；或碳化物陶瓷)制作的，使用这一工具进行的机械破碎方式，可以破碎固体及大体积硅体。通过外部的加热作用，在被破碎的硅件中产生一种温度梯度，并且设定的表面温度为400-1400℃，其后快速地降低该温度至少300°，使温度梯度至少部分逆转，以此可以达到破碎化。为了产生温度梯度，必须把固体材料置入一炉中加热，然而这种方法的缺点在于，已被吸附在半导体材料表面的外来物质在加热阶段开始运动和/或受到加速。这样，该外来物质从表面进入半导体晶格，因此会致使洁净措施难以奏效。洁净措施仅能除去位于邻近表面的杂质。加之，在上述方法中，半导体材料在加热期间实际上无法避免受到由炉体释放出外来物质的污染。
因此，本发明的目的将是在现有技术的基础上，提供一种改进的装置和方法，特别是使它可以减小半导体材料的尺寸，而不受到污染，并且不使用高温和机械粉碎工具。借助于本发明可达到这种目的。
本发明的主题是一种用来减小半导体材料尺寸的装置。这种装置至少有两个相隔的电极。该电极是用将要被减小尺寸的半导体材料构成的，每一电极带有一加热装置。
令人惊奇的特点是，使用由半导体材料制作的电极也是可以的，而用由另外材料制作的电极会从该电极和/或从用作接触介质的水引入大量的外来物质。
图1图示出按本发明尺寸减小装置的整个截面图。
图2图示出了按本发明方法从上面观察的立体图。
本发明的装置优选用来减小硬脆性半导体材料1的尺寸，诸如砷化锗或砷化镓，并优选硅。而与是否打算减小尺寸的是已成碎裂化半导体材料还是半导体棒无关。
该装置被设计成至少有两个相隔电极3。该电极是由将要被破碎的半导体材料制作的，所述的半导体材料是砷化锗或砷化镓，并且优选是硅。该电极优选具有的直径是6mm-20mm，特别优选8mm-12mm。这些电极带有一加热装置，可以将其优选地加热到400℃-1200℃的温度。该加热装置优选具有一个内装有电加热器5的加热器盒6。电极3本体优选通过一石墨电极4被连接到高压脉冲发生器8上。优选地，电极3的连结是可以活动的，以便可以沿轴向把它们连同电加热器5一道推出加热盒6，这样就可以把它们推压到将要被减小尺寸的半导体材料(诸如优选的硅棒)上，使它们接触到半导体材料。该电极也可以是活动的，因为它们被刚性地联结到加热装置，并且可以和在一个可替换座7上的加热装置一起移动，该座最好是金属质的。底板2是由耐磨塑料或者优选是由将要被减小尺寸的半导体材料、特别是硅构成的，底板2座落于电极3之间，以便减少外来原子的污染。该装置优选在环境气氛和常压下操作，但也可以在提高断裂强度的气氛中操作，举例而言，在加压或负电性气体(举例而言，在二氧化碳或适当气体混合物)下进行。
也可以把该装置设计成配置有多个均为两个相互对置电极3系列的装置，以便(举例而言)使半导体材料棒可在一次操作中被减小尺寸。按此，配置的电极的距离优选可以为1cm-20cm，具体的距离依赖于在一个单次操作中将被减小尺寸的半导体材料的长度。
本发明的再一个主题是用来减小半导体材料尺寸的方法，其中，用直接通过包含有高压脉冲的电流的方法来减小半导体材料的尺寸，所使用的电极是由将被减小尺寸的半导体材料制作的，并被升达可导电的温度。
在按本发明的方法中，优选使用上述装置来实现。半导体材料，诸如优选的砷化锗、砷化镓、特别是硅，被推入到底板上。该底板优选是塑料质的，或者更优选的是由将被减小尺寸的半导体材料构成的，以便减少因外来原子引起的污染。在一个优选的方法中，棒型半导体材料、优选是直径为60mm-250mm和长度为100mm-250mm的硅棒，逐步地优选按1cm-20cm的间隔、尤为优选地按3cm-8cm间隔推到底板上。这点也依赖于打算由该尺寸减小产生的碎块的尺寸有多大。这种尺寸可以被定在5mm-180mm范围的任何所需要的级别。
根据所需要的碎块尺寸，该半导体材料最好被推到超过至少两个电极的距离为3cm-8cm处。其后，该两电极3向该半导体材料移动，使它们与其接触，由将要被减小尺寸的半导体材料制作的两个电极3装有加热装置，该加热装置有一加热器盒6，和优选有一电加热器5，把电极加热到它们可以导电的温度。该温度优选为400℃-1200℃。一旦电极和该半导体材料相接触，高压脉冲发生器8被用来产生至少一次电流冲击，高压脉冲发生器优选的电压范围为20kV-300kV，尤其优选30kV-150kV；电流强度范围为1kA-20kA，特别优选3kA-10kA；脉冲持续时间为10nsec-50msec，尤其优选1msec-30msec；脉冲频率为0.1Hz-10Hz，特别优选0.5Hz；给定的棒的直径为60mm。其后，该棒型半导体材料再次沿轴向前移动一个相应距离，重复上述过程。该棒型半导体材料也可以被推入一种配置有多个优选相间隔1cm-20cm的两个电极(对)的装置中，装置电极同时地和棒型半导体材料相接触，以便借助于至少一次电流冲击同时减小尺寸，如上所述。
按本发明的方法，可被用来减小多晶态半导体材料和单晶态半导体材料的尺寸。
按照本发明方法的优点是，根据脉冲数、电压值、脉冲持续时间以及在半导体材料上触点之间的几何距离的情况，有可能加工制得从大晶片到细碎块的任何形状体。优选的是具有最大尺寸100mm的硅碎块。另外，按照本发明的方法是成本—效益方法，因为不会产生废水，是极为有益环境的。
权利要求
1.一种用来减小半导体材料的尺寸的装置，该装置至少有两个相间隔的电极，电极是由将要被减小尺寸的半导体材料构成的，并且每个电极有一加热装置。
2.如权利要求1中所要求的装置，其中，电极是由硅构成的。
3.一种减小半导体材料的尺寸的方法，其中，用直接通过包含有高压脉冲电流方法来减小半导体材料的尺寸，所用电极是由尺寸将要被减小的半导体材料制作的，将其升温到它们具有导电性的温度。
4.如权利要求3中所要求的方法，其中，用作电极的半导体材料是硅。
全文摘要
描述了一种用来减小半导体材料尺寸的新型装置,该装置至少有两个相间隔电极,电极是由将要被减小尺寸的半导体材料构成的,并且,每一个电极装有一个加热装置。
文档编号B28D5/00GK1209034SQ9810265
公开日1999年2月24日 申请日期1998年6月24日 优先权日1997年6月27日
发明者弗朗茨·克普尔, 保罗·富克斯 申请人:瓦克化学有限公司