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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Reinst-Silizium für elektrische Halbleitergeräte
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Reinst-Silizium für elektrische Halbleitergeräte, bei welchem das Silizium aus der Gasphase eines Halogenids durch chemische Umsetzung innerhalb eines durchsichtigen Reaktionsgefässes aus Glas oder Quarz auf einem vorzugsweise ebenfalls aus Silizium bestehenden, elektrisch mittels Stromdurchgang erhitzten Trägerkörper abgeschieden wird, und besteht darin, dass die Temperatur des Reaktionsgefässes während der Abscheidung zwischen etwa 3000 und 8000C gehalten wird.
Der Erfindungsgedanke beruht auf den folgenden Beobachtungen und Überlegungen :
Zur Silizium-Gewinnung durch Niederschlagen aus der Gasphase auf einem glühenden Silizium-Trä- ger inAnwesenheit von Wasserstoff wurde häufig-teils wegen Raumersparnis, teils zur Erzielung einer gegebenen Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgemisches ein verhältnismässig enges Reaktionsgefäss mit Wasserkühlung verwendet. Hiebei schlagen sich an der kalten Wandung höhermolekulare Silizium-Halogenide in Gestalt eines Öles nieder, das an der Wandung herunterläuft und für den Prozess verlorengeht.
Damit ist eine Verringerung der Ausbeute verbunden ; denn der Ölniederschlag enthält im Durchschnitt etwa 25% Silizium. Ausserdem ist das Öl stark aggressiv und in der Luft selbstentzündlich, so dass die Bedienung der Vorrichtung insbesondere bei der Entnahme der fertigen Silizium-Stäbe und bei der Säuberung des Gefässes nicht ungefährlich ist.
Ohne Wasserkühlung bildet sich auf der Innenseite eines verhältnismässig engen Gefässes bei sehr hoher Wandtemperatur im Bereich von 10000C ein Silizium-Niederschlag in fester Form als spiegelartiger Belag. Dadurch wird die Gefässwandung undurchsichtig und eine Beobachtung des Prozessverlaufes unmöglich. Ein ebensolcher Siliziumbelag bildet sich auch bei grösserer Weite des verwendeten Gefässes derart, dass die Wandtemperatur unterhalb 3000C bleibt.
Die Beschlagbildung wird vermieden, wenn das Verfahren gemäss der Erfindung mit einer Temperatur der Gefässwandung zwischen 3000C und 8000C durchgeführt wird. Bei einer gegebenen Vorrichtung nimmt die Temperatur der Gefässwandung mit der Dauer des Prozesses zu, weil mit zunehmender Dicke des erzeugten Siliziumkörpers zur Erhaltung seiner günstigsten Behandlungstemperatur von zirka 11000C eine höhere Heizleistung erforderlich ist, von der infolge der Oberflächenvergrösserung des glühenden Körpers ein immer grösserer Betrag abgestrahlt wird. Infolgedessen kann es vorkommen, dass im Laufe eines Prozesses die Gefässtemperatur von einem wesentlich unter 3000C liegenden Anfangswert auf einen wesentlich darüber liegenden Wert ansteigt.
Demgemäss wurde beobachtet, dass in einem ersten Teilabschnitt eines Behandlungsprozesses die Gefässwandung beschlug und undurchsichtig wurde, während im weiteren Verlauf dieser Belag wieder verschwand und das Gefäss dann bis zum Ende des Prozesses klar durchsichtig blieb. Die mangelnde Beobachtungsmöglichkeit ist aber gerade im ersten Teil des Prozesses besonders unangenehm, weil die Gefahr des Durchschmelzen gerade bei noch dünnen Stäben verhältnismässig gross ist und mit ihrer zunehmenden Verdickung geringer wird wegen der damit verbundenen vergrösserten Wärmekapazität der dickeren Stäbe.
Diese Schwierigkeit wird vermieden, wenn die Temperatur des Reaktionsgefässes bereits 1m ersten Stadium des Prozesses auf mindestens 3000C angehoben und während des ganzen Prozesses wenigstens annähernd konstant gehalten wird.
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Man kann allerdings auch als Trägerkörper von vornherein einen Silizium-Stab von solcher Dicke verwenden, dass die von ihm im glühenden Zustand an das Reakticnsgefäss abgegebene Strahlungswärme das letztere mindestens auf etwa 3000C erwärmt, aber die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist höher, wenn man mit einem dünneren Stab beginnt. In diesem Falle kann man von Anfang an die erforderliche Gefässtemperatur durch eine äussere Wärmequelle erreichen, durch welche das Reaktionsgefäss zusätzlich beheizt wird.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein elektrischer Röhrenofen, der verhältnismässig einfach ausgeführt sein kann, über das Reaktionsgefäss gestülpt werden, welcher später wieder entfernt werden kann, wenn die Verdickung des Trägerkörpers soweit fortgeschritten ist, dass die erforderliche Gefässtemperatur durch die vergrösserte Wärmestrahlung allein auch ohne zusätzliche Aussenheizung erreicht wird. Der Ofen kann auch dazu verwendet werden, den oder die Trägerkörper zu Beginn des Prozesses anzuheizen, bis die Leitfähigkeit des festen Siliziums soweit erhöht ist, dass mit der vorhandenen Stromquelle eine weitere Beheizung bis auf die erforderliche Behandlungstemperatur möglich ist.
Dadurch wird eine besondere Stromquelle höherer Spannung erspart, welche sonst erforderlich wäre, um durch die kalten Trägerstäbe einen zur Anheizung ausreichenden Heizstrom zu treiben.
Die Temperatur der Gefässwandung kann aber bei Verwendung dünner Trägerstäbe auch unabhängig von einer äusseren Wärmequelle durch eine verbesserte Ausführung der Vorrichtung erreicht werden, mit der das Verfahren ausgeübt wird. Das Reaktionsgefäss kann beispielsweise aus einem Material mit strahlenabsorbierenden Fremdeinschlüssen in gleichmässiger, die Durchsichtigkeit der Gefässwandung wahrender Verteilung bestehen. Es kann auch ein Reaktionsgefäss aus undurchsichtigem Glas oder Quarz verwendet werden, welches nur eine oder mehrere durchsichtige Stellen aufweist, welche vorteilhaft die Form von schmalen Streifen haben. Diese schmalen Streifen können ringförmig um das Gefäss herum oder auch in seiner Längsrichtung verlaufen. Sie können auch ein Muster bilden.
Die übrigen Teile des Reaktionsgefässes können beispielsweise durch Aufrauhung ihrer Oberfläche undurchsichtig gemacht sein, so dass sie eine erhöhte Absorptionsfähigkeit aufweisen. Das Reaktionsgefäss kann auch mit einem besonderen strahlenabsorbierenden Belag versehen sein, der einen oder mehrere Fenster oder Sehschlitze freilässt.
Ein anderes Mittel zur Anhebung der Temperatur der Gefässwandung bei dünnen Stäben besteht darin, dass auf der Aussenseite des Gefässes ein Reflektor angebracht wird, der die abgestrahlte Wärme teilweise zurückwirft. Beim wiederholten Durchtritt der Wärmestrahlen wird eine entsprechend grössere Wärmemenge von der Wandung absorbiert. Der Reflektor kann das Gefäss rings umschliessen, das Gefäss kann z. B. aussen mit einem Spiegelbelag aus Silber oder Gold versehen sein. Ein oder mehrere Beobachtungsfenster bleiben frei vom Spiegelbelag.
Der Reflektor hat den weiteren Vorteil einer erheblichen Verringerung der Verluste durch Wärmestrahlung in den Raum. Das bedeutet eine Ersparnis an Heizleistung bzw. die Möglichkeit, mit einem ge- gebenen Leistungsaufwand in einer vorhandenen Apparatur dickere Stäbe zu erzeugen als ohne Reflektor.
Schliesslich werden durch die Verminderung der Wärmeabstrahlung auch die Arbeitsbedingungen für das Bedienungs- und Überwachungspersonal verbessert.
Der Reflektor kann auch als besonderes Blech in einigem Abstand von der Gefässwandung angeordnet sein. Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.
Das Reaktionsgefäss besteht hienach aus einer Quarzglocke 2, die beispielsweise einen Durchmesser von 8 cm und eine Höhe von 40 cm hat und unten durch einen Haltekopf 10 gasdicht abgeschlossen ist. An dem Haltekopf 10 sind die aus Reinst-Silizium bestehenden Trägerstäbe 3 mittels geeigneter Haltevorrichtungen 4 und 4a befestigt, von denen der eine gegen den Haltekopf 10, der beispielsweise aus versilbertem Messing besteht, isoliert hindurchgeführt und mit einer der beiden Stromzuleitungen 11 verbunden ist, während die andere Stromzuleitung an den Haltekopf angeschlossen ist. An ihren oberen Enden sind die Trägerstäbe 3 durch eine stromleitende Brücke 5, z. B. aus Graphit, miteinander verbunden.
Eine Zuführungsdüse für das Gasgemisch und ein Austrittsstutzen sind ebenfalls in den Haltekopf eingelassen, jedoch der Deutlichkeit halber in der Zeichnung nicht dargestellt. Das Reaktionsgefäss ist von einem rohrförmigen Reflektor 7 aus blankem Aluminium umschlossen. Er hat beispielsweise eine Höhe von 24 cm und einen Durchmesser von 16 cm, steht auf drei Füssen 8 und hat auf der einen Seite einen Längsspalt von z. B. 20 mm Breite, der während des Prozesses die Beobachtung der glühenden SiliziumStäbe 3 ermöglicht. Der Reflektor 7 wird oben durch einen aufklappbaren Aluminium-Deckel 9 verschlossen. Durch Öffnung dieses Deckels lässt sich eine Luftkühlung durch Kaminwirkung erreichen und so eine Überhitzung des Luftmantels, der die Quarzglocke umgibt, und damit auch der Quarzglocke 2 selbst vermeiden.
Der Konvektionsströmungsquerschnitt kann dadurch verstellt werden, dass der Deckel 9 nur teilweise und verschieden geöffnet wird.
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Process and device for the production of pure silicon for electrical semiconductor devices
The invention relates to a method for producing high-purity silicon for electrical semiconductor devices, in which the silicon is obtained from the gas phase of a halide by chemical conversion within a transparent reaction vessel made of glass or quartz on a carrier body which is preferably also made of silicon and is electrically heated by means of a current passage is deposited, and consists in that the temperature of the reaction vessel is kept between about 3000 and 8000C during the deposition.
The idea of the invention is based on the following observations and considerations:
To obtain silicon by depositing it from the gas phase on a glowing silicon carrier in the presence of hydrogen, a relatively narrow reaction vessel with water cooling was often used, partly to save space and partly to achieve a given flow rate of the reaction mixture. High molecular weight silicon halides precipitate on the cold wall in the form of an oil, which runs down the wall and is lost for the process.
This is associated with a reduction in the yield; because the oil precipitate contains on average around 25% silicon. In addition, the oil is very aggressive and self-igniting in the air, so that the operation of the device is not without danger, especially when removing the finished silicon rods and when cleaning the vessel.
Without water cooling, a solid silicon precipitate forms as a mirror-like coating on the inside of a relatively narrow vessel at a very high wall temperature in the range of 10000C. This makes the vessel wall opaque and it is impossible to observe the course of the process. A silicon coating of the same type is formed even if the vessel used is larger, so that the wall temperature remains below 3000C.
The formation of fog is avoided if the method according to the invention is carried out with a temperature of the vessel wall between 3000C and 8000C. With a given device, the temperature of the vessel wall increases with the duration of the process, because with increasing thickness of the silicon body produced, a higher heating power is required to maintain its most favorable treatment temperature of around 11000C, of which an ever greater amount is radiated as a result of the surface enlargement of the glowing body becomes. As a result, it can happen that in the course of a process the vessel temperature rises from an initial value significantly below 3000C to a value significantly higher.
Accordingly, it was observed that in a first section of a treatment process the vessel wall became fogged up and opaque, while in the further course this coating disappeared again and the vessel then remained clearly transparent until the end of the process. The lack of observation is particularly unpleasant in the first part of the process, because the risk of melting through is relatively high with rods that are still thin and decreases with their increasing thickening due to the associated increased heat capacity of the thicker rods.
This difficulty is avoided if the temperature of the reaction vessel is raised to at least 3000C in the first stage of the process and is kept at least approximately constant during the entire process.
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However, a silicon rod of such thickness can also be used as the carrier body from the outset that the radiant heat it emits to the reaction vessel in its glowing state heats the latter to at least about 3000C, but the efficiency of the process is higher if one is thinner Baton begins. In this case, the required vessel temperature can be achieved from the start by means of an external heat source by which the reaction vessel is additionally heated.
For this purpose, for example, an electric tube furnace, which can be made relatively simple, can be slipped over the reaction vessel, which can be removed again later when the thickening of the carrier body has progressed so far that the required vessel temperature due to the increased heat radiation alone, even without additional Outside heating is achieved. The furnace can also be used to heat the support body (s) at the beginning of the process until the conductivity of the solid silicon is increased to such an extent that further heating to the required treatment temperature is possible with the existing power source.
This saves a special power source of higher voltage, which would otherwise be required to drive a heating current sufficient for heating through the cold support rods.
The temperature of the vessel wall can, however, also be achieved independently of an external heat source when using thin support rods through an improved design of the device with which the method is carried out. The reaction vessel can, for example, consist of a material with radiation-absorbing foreign inclusions in a uniform distribution that preserves the transparency of the vessel wall. It is also possible to use a reaction vessel made of opaque glass or quartz, which has only one or more transparent places, which advantageously have the shape of narrow strips. These narrow strips can run in a ring around the vessel or in its longitudinal direction. You can also make a pattern.
The remaining parts of the reaction vessel can be made opaque, for example by roughening their surface, so that they have an increased absorption capacity. The reaction vessel can also be provided with a special radiation-absorbing coating that leaves one or more windows or viewing slits free.
Another means of raising the temperature of the vessel wall in the case of thin rods is to attach a reflector on the outside of the vessel, which partially reflects the radiated heat. When the heat rays pass through repeatedly, a correspondingly larger amount of heat is absorbed by the wall. The reflector can enclose the vessel all around, the vessel can, for. B. be provided on the outside with a mirror coating made of silver or gold. One or more observation windows remain free from the mirror coating.
The reflector has the further advantage of a considerable reduction in the losses due to thermal radiation in the room. This means a saving in heating power or the possibility of producing thicker rods with a given power expenditure in an existing apparatus than without a reflector.
Finally, the reduction in heat radiation also improves the working conditions for the operating and monitoring personnel.
The reflector can also be arranged as a special sheet metal at some distance from the vessel wall. An exemplary embodiment is shown schematically in the drawing.
The reaction vessel then consists of a quartz bell 2 which, for example, has a diameter of 8 cm and a height of 40 cm and is sealed gas-tight at the bottom by a holding head 10. On the holding head 10, the carrier rods 3 made of pure silicon are fastened by means of suitable holding devices 4 and 4a, one of which is passed through insulated from the holding head 10, which consists for example of silver-plated brass, and is connected to one of the two power supply lines 11, while the other power line is connected to the holding head. At their upper ends, the support rods 3 are connected by a conductive bridge 5, for. B. made of graphite, interconnected.
A feed nozzle for the gas mixture and an outlet nozzle are also let into the holding head, but not shown in the drawing for the sake of clarity. The reaction vessel is enclosed by a tubular reflector 7 made of bare aluminum. For example, it has a height of 24 cm and a diameter of 16 cm, stands on three feet 8 and on one side has a longitudinal gap of z. B. 20 mm width, which enables the glowing silicon rods 3 to be observed during the process. The reflector 7 is closed at the top by a hinged aluminum cover 9. By opening this cover, air cooling can be achieved by the chimney effect and thus overheating of the air jacket which surrounds the quartz bell and thus also of the quartz bell 2 itself can be avoided.
The convection flow cross section can be adjusted in that the cover 9 is opened only partially and in different ways.