<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zum Herstellen von Halbleitermaterial
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleitermaterial, insbesondere von Sili- zium, durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und Nieder- schlagen des Halbleitermaterials auf einer Vielzahl von durch direkten Stromdurchgang erhitzten, stab- förmigen Trägern aus dem gleichen Halbleitermaterial (DAS 1061593).
Bei diesem Verfahren weisen die aus hochreinem Halbleitermaterial bestehenden Träger in kaltem
Zustand einen sehr hohen spezifischen Widerstand auf. Um die Träger durch direkten Stromdurchgang auf der zur Zersetzung des Halbleitermaterials notwendigen Temperatur zu halten, müssen daher die Träger zunächst vorerwärmt werden.
Erfindungsgemäss wird die zur Herabsetzung des spezifischen Widerstandes notwendige Erwärmung der
Träger dadurch erzielt, dass in dem mit einem die Wärme gut leitenden Schutzgas, insbesondere Wasserstoff, gefullten Reaktionsgefäss Heizelemente möglichst nahe an wenigstens einen Teil der Träger herangeführt werden und dass, nachdem wenigstens ein Teil der Träger durch die Erwärmung eine genügend grosse Leitfähigkeit aufweist, die Heizelemente abgeschaltet und vor dem Einbringen der zu zersetzenden gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials aus dem Reaktionsgefäss heraus, in einen mit Luft oder Schutzgas gefüllten Behälter gefahren werden und der Reaktionsraum dicht verschlossen wird.
Beim Herstellen von Halbleitermaterial aus der Gasphase wurde die zur Herabsetzung des spezifischen Widerstandes der Träger notwendige Erwärmung bisher durch ausserhalb des aus Quarz bestehenden Reaktionsgefässes befindliche Infrarotstrahler durchgeführt.
Demgegenüber hat das Verfahren gemäss der Erfindung vor allem die folgenden Vorteile : Zunächst erfolgt die Wärmeübertragung nicht nur durch Strahlung, sondern auch durch Wärmeleitung, so dass die Träger auf die für eine gute Stromleitung notwendige Temperatur in einer viel kürzeren Zeit aufgeheizt werden können. Ausserdem kann das Reaktionsgefäss beliebig gross ausgebildet werden, da es nun nicht mehr notwendig ist, ein Quarzgefäss, das nur bis zu Durchmessern von 180 mm herstellbar ist, zu verwenden, sondern auch die Verwendung eines Metallgefässes, das gekühlt wird, möglich ist. Damit kann beim Verfahren gemäss der Erfindung das Halbleitermaterial auf einer sehr grossen Zahl von Trägern (zirka 100) gleichzeitig abgeschieden werden. Es können also grosse Mengen von hochreinem Halbleitermaterial in einem Arbeitsgang gewonnen werden.
Weiter hat es sich gezeigt, dass die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens mit der Anzahl der Träger zunimmt, da dann pro Träger viel weniger Strom gebraucht wird und ausserdem ein besserer Wirkungsgrad der Ausbeute des zugeführten Reaktionsgases erreicht wird.
Beim Verfahren gemäss der Erfindung genügt es auch, nur einen Teil der Träger durch die Heizelemente vorzuwärmen. Von diesen Trägern wird dann die Wärme durch Strahlung oder Leitung auf den andern Teil der Träger übertragen und dieser Teil, wenn die Träger in genügend geringem Abstand angeordnet sind, auf die für eine gute Stromleitung notwendige Temperatur erhitzt.
Eine nähere Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand einiger besonders günstiger Ausfuhrungsbeispiele gegeben.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung dargestellt. Auf einem Tragring 12 werden zunächst die stabförmigen Träger, von denen zwei (11 und 11') in der Figur dargestellt sind, in geringem Abstand nebeneinander angeordnet und untereinander durch eine Brücke aus dem gleichen Werkstoff verbunden. Dies ist in Fig. 8 für zwei nebeneinander angeordnete Träger 81 und
<Desc/Clms Page number 2>
82 dargestellt, die Brücke, die aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Träger besteht, ist mit 23 bezeichnet. Der den unteren Teil des Reaktionsgefässes dicht verschliessende Deckel 13 läuft in einer Führung 14 und weist auf seiner Unterseite ebenfalls ringförmig angeordnete, in vorliegendem Falle als Stäbe ausgebildete Heizelemente auf, von denen zwei in Fig. 1 dargestellt und mit 16 und 16'bezeichnet sind.
Das Heizelement kann aber auch z. B. durch in ein Metallrohr eingebaute Heizwicklungen gebildet werden. Gegebenenfalls können auf der Oberseite des Deckels 13, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, auch noch weitere ringförmig und konzentrisch zu den äusseren Trägern angeordnete Trägerkörper, von denen zwei, 15 und 15', dargestellt sind, vorhanden sein.
Während des Abscheidens tauchen die Heizelemente in einen Kessel 17, der mit dem Tragring 12 ) gasdicht verbunden ist. Zwischen dem Tragring 12 und dem Deckel 13, die beide mit einer nicht dargestellten Kühleinrichtung versehen sind, liegt eine Dichtung 18, so dass während des Abscheidens ein hermetischer Abschluss des Reaktionsraumes zum Kessel 17 gewährleistet ist.
Nach dem Einsetzen der Träger bzw. der Heizelemente in die Ringe 12 und 13 wird die mit Kühlschlangen 22 versehene wassergekühlte Haube 21 abgesenkt und der Innenraum der Haube 21 mit einem i Schutzgas, z. B. Wasserstoff, gefüllt. Die dafür ebenso wie die zur Zuleitung des Reaktionsgases und zur Ableitung der Restgase notwendigen Gaszu-und-abführungen sind der Übersichtlichkeit wegen in der Zeichnung nicht dargestellt. Zu Beginn des Verfahrens wird die Führung 14 in die in Fig. 2 dargestellte Stellung verschoben. Der Kessel 17 ist vorteilhafterweise mit dem gleichen Gas gefüllt, das sich auch im eigentlichen Reaktionsgefäss befindet. Es. liegt dann die Reihe der Heizstäbe dicht an den Reihen der äusseren, z. B. aus Silizium bestehenden Träger. Nun werden die Heizstäbe, die mit in der Zeichnung nicht dargestellten Stromzuführungen versehen sind, aufgeheizt.
Durch die von den Heizstäben ausgehende Wärme werden die Träger durch Wärmestrahlung und, da als Gasfüllung erfindungsgemäss ein die Wärme gut leitendes Gas, z. B. Wasserstoff, verwendet wird, auch durch Wärmeleitung aufgeheizt. Die Träger sind mit in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten Stromzuführungen versehen, die mit einer Spannungsquelle verbunden sind. Wenn der durch den Träger fliessende Strom einen solchen Wert erreicht hat, dass er in der Lage ist, die Träger allein, d. h. ohne zusätzliche Erwärmung durch die Heizkörper, weiter aufzuheizen, werden die Heizstäbe abgeschaltet und der Deckel 13 in der Führung 14 nach unten abgesenkt, so dass der Reaktionsraum 32 vom Raum 17 hermetisch getrennt ist, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
Befinden sich auf der Oberseite des Deckels 13 weitere ringförmig und konzentrisch zu den äusseren Trägern angeordnete Trägerkörper, so werden durch Wärmeübertragung auch diese innen liegen- den, ebenfalls ringförmig angeordneten Träger leitend und glühen mit der gleichen Temperatur wie die äusseren Stäbe.
Nun wird die zu zersetzende gasförmige Halbleiterverbindung, z. B. Siliziumehloroform, eingeleitet und auf den erhitzten Trägern unter Bildung des Halbleiterstoffes, also z. B. unter Bildung von Silizium, zersetzt, das radial und insbesondere einkristallin auf den aus Silizium bestehenden Trägern aufwächst.
In Fig. 4 ist eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung dargestellt. Bei dieser ist der untere Kessel 17 nicht nötig. Die ringförmig angeordneten Heizstäbe sind wieder nach unten hängend auf einer Platte 13 montiert. Die Haube 21 trägt eine massive Scheidewand 41, bei der im hochgefahrenen Zustand durch eine Dichtung an den Heizstäben ein hermetischer Abschluss des Reaktionsraumes 46 vom oberen Raum 47 erfolgt. Die Träger sind in der Platte 42 in zwei konzentrischen Ringen 43 und 44, also auf konzentrischen Kreisen nebeneinander angeordnet.
Zum Anfahren, also zum Vorerwärmen der Träger, wird der Deckel 13 mit den daran befestigten Heizelementen abgesenkt, so dass sich die Heizstäbe zwischen den zwei Trägerreihen befinden und beide konzentrisch angeordnete Trägerreihen gleichzeitig auf die für eine gute Stromleitung notwendige Temperatur erhitzt werden.
In Fig. 5 ist ein Teil einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt, um die hermetische Abdichtung des Reaktionsgefässes durch mit den Heizelementen verbundene Verschlusselemente zu veranschaulichen. Mehrere Heizstäbe sind zu einem parallelen Bündel 51 zusammengefasst und im Haltering 52 befestigt. Der federnde Kegel 53 ist elastisch auf einer Stange 66 gelagert und verschliesst beim Absenken des Halteringes 52 die konischen Bohrungen in der Platte 54, welche die Halterung 55 für die Träger enthält, von denen zwei (56 und 56') in Fig. 5 dargestellt sind.
Fig. 6 zeigt die Anheizstellung für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit fünf in konzentrischen Ringen angeordneten Reihen von HalbleiterstÅaben. Der Haltering 52 ist hochgefahren und erwärmt die Reihen der Stäbe 63 und 64. Nach dem Zünden dieser Stäbe wird der Tragring 52 abgesenkt und die Dichtung des Reaktionsraumes erfolgt nach der in Fig. 5 dargestellten Anordnung. Um den Eintritt von Luft oder eines andern Gases während des Absenkens der Heizstäbe zu verhindern und zur Ver-
<Desc/Clms Page number 3>
hinderung des Lufteintritts bei Undichtwerden des Kegelverschlusses 53 wird zweckmässig ein Kessel 72 vorgesehen, in welchem auch die Führung 73 gedichtet wird.
In Fig. 7 ist die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit abgesenktem Tragring 52 darge- stellt. Durch Wärmeübertragung auf die inneren Reihen der Stäbe 61 und 62 und die äussere Reihe 65 werden alle Träger auf die für eine gute Stromleitung notwendige Temperatur erhitzt. Nun wird das Re- aktionsgasgemisch in den Reaktionsraum 71 eingeleitet. Zur Messung der Temperatur der Träger wäh- rend des Niederschlagens sind an der wassergekühlten Glocke 74 Beobachtungsfenster 75 angebracht.
Das beschriebene Verfahren kann auch zur Herstellung von anderem Halbleitermaterial, z. B. von
Germanium, mit Vorteil verwendet werden. Die Träger bestehen dann aus Germanium und das zu zer- setzende Gasgemisch aus einer gasförmigen Verbindung des Germaniums, insbesondere eines Germanium- halogenids, das auf den Trägern thermisch zersetzt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen von Halbleitermaterial, insbesondere von Silizium, durch thermische
Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und Niederschlagen des Halbleitermaterials auf einer Vielzahl von durch direkten Stromdurchgang erhitzten stabförmigen Trägern aus dem gleichen Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mit einem die Wärme gut leitenden Schutzgas, insbesondere Wasserstoff, gefüllten Reaktionsgefäss (21) Heizelemente (16,16') möglichst nahe an wenigstens einen Teil der Träger (11, 11') herangeführt werden und dass, nachdem wenigstens ein Teil der Träger durch die Erwärmung eine genügend grosse Leitfähigkeit aufweist,
die Heizelemente abgeschaltet und vor dem Einbringen der zu zersetzenden gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials aus dem Reaktionsgefäss heraus in einen mit Luft oder einem Schutzgas gefüllten Behälter (17,47, 72) gefahren werden und der Reaktionsraum (46, 71) dicht verschlossen wird.