DE69200756T2 - Schlagwerkzeug mit geringer Verunreinigung zum Brechen von Silizium. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung ist ein Schlagwerkzeug, das geringe Verunreinigung verursacht und besonders zum Zerkleinern von Silicium von Halbleiterqualität geeignet ist. Das Schlagwerkzeug, das geringe Verunreinigung verursacht, enthält einen Kern, der ein Handgriffteil und ein Kopfteil aufweist, wobei das Kopfteil mit einem Schlagelement aus Wolframcarbidlegierung in Berührung steht. Der Kern ist von einem synthetischen Harz umhüllt.
• Für hochintegrierte, elektronische Schaltkreise werden Wafer aus monokristallinem Silicium von hoher Reinheit benötigt. Ein besonderes Problem stellen die Verunreinigungen durch Übergangsmetalle dar, zu denen unter anderem Kupfer, Gold, Eisen, Cobalt, Nickel, Chrom, Tantal, Zink und Wolfram und Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Bor, Phosphor, Aluminium und Arsen gehören. Diese Verunreinigungen bewirken selbst in kleinen Mengen defekte Stellen bei einem Halbleitersilicium, was letztendlich zu einer Beeinträchtigung der Geräteleistung und zu einer Einschränkung der Schaltkreisdichte führen kann.
• Normalerweise wird ein polykristallines Silicium von hoher Reinheit durch chemische Dampfabscheidung eines hochreinen gasförmigen Chlorsilans auf einem erwärmten Siliciumträger ausgebildet. Dadurch entstehen Stäbe aus polykristallinem Silicium. Die polykristallinen Siliciumstäbe müssen weiter verarbeitet werden, um ein monokristallines Silicium herzustellen, von dem Siliciumwafer abgeschnitten werden können.
• Ein beträchtlicher Anteil des monokristallinen Siliciums, das von der Halbleiterindustrie angefordert wird, wird nach dem bekannten Czochralski-Verfahren hergestellt. Bei einem typischen Kristallziehverfahren nach Czochralski werden Siliciumstücke in einem entsprechenden Behälter geschmolzen und es wird ein monokristalliner Siliciumkeimkristall verwendet, um aus der Schmelze einen monokristallinen Stab aus Silicium mit Halbleiterqualität zu ziehen. Die Steuerung dieses Kristallwachstumsprozesses erfordert, daß die Siliciumstücke, die dem Behälter mit der Schmelze zugesetzt werden, innerhalb eines festgelegten Größenbereichs liegen. Deshalb ist es notwendig, daß die polykristallinen Siliciumstäbe, die während des chemischen Dampfabscheideverfahrens ausgebildet werden, zu Stücken von geeigneter Größe zerkleinert werden.
• Das Schlagwerkzeug, das geringe Verunreinigung verursacht und als vorliegende Erfindung beschrieben wird, ist besonders für das Zerkleinern von Silicium in kleine Stücke geeignet. Die Erfinder haben festgestellt, daß während des Zerkleinerungsverfahrens das Silicium durch den Kontakt mit den Oberflächen des Zerkleinerungsgerätes, einschließlich Griff- und Schlagoberflächen, beträchtlich verunreinigt werden kann. Die vorliegende Erfindung verringert die Verunreinigung, die mit dem Zerkleinerungsgerät verbunden ist, indem sie alle Oberflächen, außer der Schlagoberfläche, mit einem wenig verunreinigten synthetischen Harz überzieht. Die freiliegende Schlagoberfläche wurde aus einer Wolframcarbidlegierung hergestellt, die auch nur gering verunreinigend wirkt.
• Maeda, US-Patent Nr. 4,697,481, herausgegeben am 6. Oktober 1987, beschreibt einen Hammer mit einem Kopf- und einem Griffkern, bei dem Kopf- und Griffkern in ein Harz eingebettet sind, mit Ausnahme des einen Endes des Kopfkerns, das als Schlagoberfläche dient. Maeda schreibt, daß die Schlagoberfläche aus einem Eisenmetall hergestellt ist.
• Porter, US-Patent Nr. 3,640,324, herausgegeben am 8. Februar 1972, beschreibt den geschmiedeten Stahlkopf eines Vorschlaghammers, dessen Schlagfläche mit einer Schicht aus elektrolytisch abgeschiedenem Wolframcarbid versehen ist. Von der Wolframcarbidschicht wird angegeben, daß sie eine rutsch- und verschleißfeste Oberfläche auf der Schlagfläche schafft.
• FR-A-2337612 beschreibt einen Handhammer mit freiliegenden metallischen Schlagoberflächen aus Stahl, wo der übrige Teil des Hammers mit einer einheitlichen elastischen Hülle bedeckt ist.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein Schlagwerkzeug, das geringe Verunreinigung verursacht und das besonders zum Zerkleinern von Silicium von Halbleiterqualität geeignet ist. Das Schlagwerkzeug, das geringe Verunreinigung verursacht und zum Zerkleinern von Silicium geeignget ist, enthält:
• a) einen Kern, der ein Handgriffteil und ein Kopfteil aufweist,
• b) eine den Kern umhüllende Schale aus synthetischem Harz und
• c) ein einziges Schlagelement aus Wolframcarbidlegierung mit einer einzigen freiliegenden Schlagoberfläche, wobei das Schlagelement an einem Ende mit dem Kopfteil des Kerns in Berührung steht und das synthetische Harz einen Teil des Schlagelementes umgreift, um das Schlagelement aus Wolframcarbidlegierung in Kontakt mit dem Kopfteil an diesem zu befestigen.
• Das bevorzugte synthetische Harz ist Polyurethan. Abb. 1 zeigt den Querschnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Die vorliegende Erfindung ist ein Schlagwerkzeug, das geringe Verunreinigung verursacht. Das Werkzeug ist speziell für das Zerkleinern von Silicium mit Halbleiterqualität in Stücke ausgelegt, ohne daß die Stücke dadurch beträchtlich verunreinigt werden. Das Schlagwerkzeug, das geringe Verunreinigung verursacht, enthält: (A) einen Kern, der ein Handgriffteil und ein Kopfteil aufweist, (B) ein Schlagelement aus Wolframcarbidlegierung, dessen eines Ende mit dem Kopfteil des Kerns in Berührung steht und (C) eine den Kern umhüllende Schale aus synthetischem Harz.
• Um das Konzept der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen, wird eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die als Abb. 1 bezeichnete Zeichnung beschrieben.
• Das Schlagwerkzeug, das geringe Verunreinigung verursacht, enthält einen Kern, der aus einem Handgriffteil 1 und einem Kopfteil 2 besteht. Der Kern kann aus irgendeinem Metall, einer Metallegierung, einem Kunststoff oder einem Verbundstoff von ausreichender Steifigkeit und Festigkeit, um einen Schlag auf eine Oberfläche auszuüben, geformt sein. Es wird bevorzugt, daß der Kern aus einem Metall oder einer Metallegierung ausgebildet ist, z.B. Kohlenstoffstahl, rostfreier Stahl, Inconel, Monel oder Hastelloy. Besser ist es, wenn der Kern aus einem kaltgewalzten Stahl, AISI 1018, ausgebildet ist.
• Die Größe des Kerns ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch. Den Fachleuten ist klar, daß der Kern eine ausreichende Querschnittsfläche haben muß, um ein Verbiegen und Zerbrechen des Kerns während der Verwendung des Schlagwerkzeugs, das geringe Verunreinigung verursacht, als Zerkleinerungsgerät zu vermeiden. Die erforderliche Querschnittsfläche hängt sowohl von dem Material, aus dem der Griff hergestellt ist, als auch von der Länge des Griffteils 1 ab. Wenn kaltgewalzter Stahl, AISI 1018, als Material für die Herstellung des Kerns verwendet wird, und das Schlagwerkzeug, das geringe Verunreinigung verursacht, zum Zerkleinern von Silicium verwendet werden soll, ist eine Länge von etwa 203,2 mm bis 304,8 mm (8 Zoll bis 12 Zoll) für das Handgriffteil 1 und ein Querschnittsdurchmesser von etwa 10,2 mm bis 12,7 mm (0,4 Zoll bis 0,5 Zoll) für das Handgriffteil 1 günstig.
• Das Kopfteil 2 kann aus dem gleichen oder einem anderen Material wie das Handgriffteil 1 gefertigt sein. Es wird bevorzugt, daß das Kopfteil 2 aus dem gleichen Material wie das Griffteil 1 gefertigt ist.
• Kopfteil 2 und Griffteil 1 sind verbunden. Die Verbindung kann erreicht werden, indem der Kern als einzelnes Element, z.B. durch Spritzgießen, Gießen, Stanzen, Fräsen oder spanende Bearbeitung, je nach dem, aus welchem Material er hergestellt ist, ausgebildet wird. Alternativ dazu können das Kopfteil 2 und das Griffteil 1 separat ausgebildet und z.B. durch Verkeilen, Schweißen, Hartlöten, Aufschmelzen, Verschrauben oder andere Standardverfahren zum Verbinden von zwei festen Gegenständen verbunden werden. Wenn der Kern aus kaltgewalztem Stahl, AISI 1018, hergestellt wurde, wird bevorzugt, Kopfteil 2 und Griffteil 1 getrennt auszubilden und durch Schweißen zu verbinden.
• Die Größe des Kopfteils 2 wird bestimmt vom Material, aus dem es hergestellt wurde, der Größe des Griffteils 1, der Art der Befestigung des Schlagelements 4 und der Größe des Schlagelements 4. Wenn das Griffteil 1 und das Kopfteil 2 aus kaltgewalztem Stahl, AISI 1018, hergestellt wurden, wird im allgemeinen bevorzugt, daß das Kopfteil 2 eine Länge von etwa 25,4 mm bis 50,8 mm (1 Zoll bis 2 Zoll) und einen Durchmesser von etwa 12,7 mm bis 25,4 mm (0,5 Zoll bis 1 Zoll) hat.
• Das Kopfteil 2 wird in Berührung mit dem Schlagelement 4 befestigt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Schlagelement 4 in Berührung mit dem Kopfteil 2 während des Umhüllens des Kerns mit einem synthetischen Harz befestigt. Wie in Abb. 1 dargestellt, hält das synthetische Harz das Schlagelement 4 in der richtigen Lage. Der Vorteil dieser Methode zur Befestigung des Schlagelements 4 besteht darin, daß das Schlagelement leicht zurückgewonnen und wiederverwendet werden kann, wenn der Rest des Schlagwerkzeugs, das geringe Verunreinigung verursacht, kaputt ist.
• Das Schlagelement 4 ist aus einer Wolframcarbidlegierung, bei der Kobalt das Legierungsmetall ist. Es wird eine Wolframcarbidlegierung mit einem Gehalt von etwa 8 bis 15 Gew.-% Kobalt bevorzugt. Besser ist es, wenn die Wolframcarbidlegierung etwa 10 bis 13 Gew.-% Kobalt enthält. Im allgemeinen ist die Form des Schlagelementes 4 für die vorliegende Erfindung nicht kritisch. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedoch hat das Schlagelement 4 eine im allgemeinen zylindrische Form mit einem schmaleren Mittelteil. Das schmalere Mittelteil hilft, das Schlagelement 4 in Berührung mit dem Kopfteil 2 zu befestigen, wenn ein synthetisches Harz als Befestigungsmittel verwendet wird. Das Mittelteil kann etwa 1 bis 30 % schmaler als der Durchmesser des Schlagelements 4 sein. Es wird bevorzugt, wenn das Mittelteil etwa 5 bis 20 % schmaler als der Durchmesser des Schlagelementes 4 ist.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt der Durchmesser des Schlagelementes 4 im Bereich von etwa 12,7 mm bis 25,4 mm (0,5 Zoll bis 1 Zoll).
• Das Schlagelement 4 hat eine Schlagfläche 5. Der Radius der Krümmung der Kante der Schlagfläche 5 ist wichtig für die Verringerung des Ausbrechens von Teilchen aus dem Schlagelement 4 während des Gebrauchs. Ein Radius von etwa 0,76 mm bis 6,35 mm (0,03 Zoll bis 0,25 Zoll) wird als günstig angesehen. Bevorzugt wird ein Radius von etwa 1,8 mm bis 3,05 mm (0,07 Zoll bis 0,12 Zoll).
• Der Kern ist in einem synthetischen Harz eingekapselt, das die Hülle 3 ausbildet. Der Zweck der Einkapselung des Kerns in das synthetische Harz besteht darin zu verhindern, daß das zu zerkleinernde Material mit dem Schlagwerkzeug, das geringe Verunreinigung verursacht, in Berührung kommt. Das synthetische Harz wird so ausgewählt, daß das zu zerkleinernde Material so wenig wie möglich verschmutzt wird. Mit "synthetischem Harz" sind stark vernetzte, polymere Werkstoffe gemeint, die in der Natur nicht vorkommen. Das synthetische Harz kann z.B. Polyurethan, Polypropylen, Polyethylen oder Polycarbonat sein. Polyurethan wird als synthetisches Harz bevorzugt. Besser ist es, wenn das synthetische Harz ein Polyurethan mit einer Shore-Härte A von etwa 90 bis 97 ist.
• Die Hülle 3 kann um den Kern und das Schlagelement 4 ausgebildet werden, indem das synthetische Harz in die Aushöhlung einer Form gespritzt oder gegossen wird, die die gleiche Form wie die äußere Form der Umhüllung 3 hat. In der bevorzugten Ausführungsform wird der Kern in die Form gelegt, das Schlagelement 4 wie in Abb. 1 dargestellt angeordnet und das synthetische Harz eingespritzt und gehärtet, wodurch das Schlagelement 4 mit dem Kopfteil 2 in Berührung befestigt wird.
Beispiel 1: (Außerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung)
• Es wurden Siliciumproben durch Zerkleinern eines polykristallinen Siliciumstabes mit einem Schlagwerkzeug ohne eingekapselten Griff hergestellt, dessen Kopf aus kaltgewalztem Stahl, AISI 1018, ausgebildet ist. Am Kopf des Schlagwerkzeuges wurde ein Schlagelement aus einer Wolframcarbidlegierung befestigt. Die Wolframcarbidlegierung enthielt etwa 12 Gew.-% Kobalt. Während des Zerkleinerungsverfahrens wurde darauf geachtet, daß jedes Stück Silicium mit dem Griff des Schlagwerkzeuges in Berührung kam. Die Oberflächen der Proben von den Siliciumstücken wurden durch Atomabsorptions- bzw. Photolumineszenzverfahren im Graphitofen auf ihre Verunreinigung durch Eisen und Phosphor untersucht. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 vorgestellt. Tabelle 1 Verunreinigung der Siliciumstücke durch Berührung mit dem unbeschichteten Griff des Schlagwerkzeuges Proben-Nr. Mittelwert
Beispiel 2
• Es wurden Siliciumproben durch Zerkleinern eines polykristallinen Siliciumstabes mit einem Schlagwerkzeug hergestellt, bei dem Griff und Kopf in einem Polyurethan eingekapselt sind. Griff und Kopf wurden aus kaltgewalztem Stahl, AISI 1018, hergestellt. Die Polyurethanbeschichtung wurde aus einer auf Polyether basierenden Flüssigkeit und einem Prepolymer mit endständigem Isocyanat hergestellt, wobei (4,4'-Methylen-bis(orthochloroanilin)) als Katalysator beim Härten verwendet wurde. Das gehärtete Polyurethan hatte eine Shore-Härte A von etwa 95.
• Das Schlagelement aus Wolframcarbidlegierung wurde durch Einpressen in das Polyurethan am Kopf des Schlagwerkzeuges befestigt. Die Wolframcarbidlegierung war die gleiche wie in Beispiel 1. Während des Zerkleinerungsverfahrens wurde darauf geachtet, daß jede Siliciumprobe mit dem mit Urethan beschichteten Griff des Schlagwerkzeuges in Berührung kam. Die Siliciumproben wurden wie in Beispiel 1 beschrieben analysiert, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2 Verunreinigung von Siliciumstücken durch Berührung mit dem mit Polyurethan beschichteten Griff des Schlagwerkzeuges Proben-Nr. Mittelwert
• Wenn man die in Tabellle 2 aufgeführten Werte denen von Tabelle 1 gegenüberstellt, ist zu erkennen, welche Verunreinigung bei Siliciumstücken auftreten kann, wenn sie mit dem nicht umhüllten Griff des Schlagwerkzeuges in Berührung kommen.

Claims (1)

1. Schlagwerkzeug zum Zerkleinern von Silizium, das geringe Verunreinigung verursacht, mit

(a) einem Kern, der ein Handgriffteil (1) und ein Kopfteil (2) aufweist,

(b) einer den Kern umhüllenden Schale (3) aus synthetischem Harz und

(c) einem einzigen Schlagelement (4) aus Wolframcarbidlegierung mit einer einzigen freiliegenden Schlagoberfläche (5), wobei das Schlagelement (4) an einem Ende mit dem Kopfteil (2) des Kerns in Berührung steht und das synthetische Harz (3) einen Teil des Schlagelementes (4) umgreift, um das Schlagelement (4) aus Wolframcarbidlegierung in Kontakt mit dem Kopfteil (2) an diesem zu befestigen.