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La présente invention est relative à des procédés pour la fabri-
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O..J.. ::"01 '.In matières semi-conductriaes.
Las matières semi-conductrices destinées à être utilisées pour des redresseurs, des transistors et éléments analogues doivent être prépa- rées avec des tolérances exceptionnelles, car la matière doit avoir une te- neur en impuretés qui est excessivement faible par rapport aux conditions courantes.
La préparation de matière semi-conductrice avec de telles toléran- ces est un problème offrant des difficultés techniques considérables et la présents invention concerne un procédé grâce auquel une matière semi-con- ductrice d'une composition chimique désirée peut être obtenue et au moyen duquel l'on peut obtenir une matière ayant des propriétés électriques appro- priées.
La matière semi-conductrice doit comprendre un produit d'addition dont le but est de produire le type et le degré désirés de conductibilité dans le semi-conducteur. De tels produits d'addition sont également présents en quantités infimes mais déterminées avec précision.
La matière semi-conductrice de la conductibilité désirée peut être obtenue en préparant d'abord la matière pure, avec un degré de pureté supérieur à celui de la matière finale et en incorporant les produits d'ad- dition. L'invention peut être utilisée pour produire une matière semi-con- ductrice avec un degré de pureté approprié pour cet usage.
L'invention peut aussi être utilisée en ce qui concerne la pro- duction d'une matière semi-conductrice, avec des produits d'addition appro- pries, directement et sans préparer d'abord la matière semi-conductrice pure, comme décrit dans une demande de brevet belge déposée en même temps que la présente.
La présente invention consiste en un procédé pour la production
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iv n'ièr8 semi-conductrice, procédé qui comprend la décomposition thermi- que d'un composa gaseux de la matière tout en maintenant une température élocée dans la zone de; décomposition au moyen d'un élément chauffé électri- quement et composé de matière semi-conductrice.
L'invention comprend également un procédé pour la préparation de matière semi-conductrice, procédé qui comprend la décomposition thermique d'un composé gazeux de la matière, le chauffage par des moyens de chauffage extérieurs d'un élément composé de matière semi-conductrice et qui sera disposé dans une zone de décomposition et ensuite le maintien dudit élément à une température élevée par un courant le traversant.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la, description ci-après donnée à titre non limitatif et en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est une vue schématique d'une forme d'appareil conve- nant pour la mise en oeuvre de l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne 1-1 de la figure 1, représentant la formation du silicium déposé suivant l'invention.
Il a été découvert convenable, pour produire le silane pur néces- caire pour le procède suivant la présente invention, de faire réagir une solution de bromure d'ammonium dans de l'ammoniaque liquide avec un sili- ciure de magnésium en poudre. Un appareil approprié pour la préparation et la purification du silane suivant cette réaction est décrit complètement dans une demande de brevet déposée en même temps que la présente.
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D'après la figure 1, du silane de haute pureté pénètre, en A, dans une chambre de décomposition en quartz de pureté élevée B et frappe deux bar- res de silicium de pureté élevée C et Do L'extrémité supérieure de la chambre de décomposition B est fermée de façon étanche au moyen d'un bloc d'extrémi- té métallique J, refroidit par de l'eau, qui comporte un joint de caoutchouc annulaire H placé de façon à établir un joint étanche au vide, entre le joint J et les parois de la chambre B.
La barre de silicium supérieure C est main- tenue par des moyens de serrage E1 qui sont fixés à une barre de support K traversant le bloc d'extrémité J refroidit par de l'eau..La barre K est mon- tée à coulissement dans le bloc d'extrémité et un joint d'étanchéité entre la barre K et le bloc d'extrémité J est établi à l'aide d'une garniture en caoutchouc pour vide élevé I. L'extrémité inférieure de la chambre de dé- composition B est munie d'un joint de quartz meulé G qui s'ajuste étroite- ment dans le cône de métal R dans une base prévue pour l'appareil. La barre de silicium inférieure D est supportée par des seconds moyens de serrage E2 fixés à une barre S montée dans la base métallique.
Les moyens de serrage E2 et E et les barres K et S sont de préférence construits en tungstène et un écran de quartz L est prévu autour de la barre de silicium inférieure D et au-dessus des moyens de serrage inférieurs E2 afin d'empêcher tout sili- cium n'adhérant pas à la paroi de la chambre de décomposition d'être conta- miné par les moyens de serrage en tungstène E2. La chambre de décomposition B est également munie d'une sortie F qui est connectée à une pompe à vide élevé (non représentée).
Afin qu'un courant puisse traverser les barres de silicium de pu- reté élevée C et D afin de les échauffer à une température convenable à la- quelle une décomposition du silane se produira, les barres doivent d'abord être chauffées à partir de l'extérieur de la chambre afin d'augmenter leur conductibilité. Des barres de silicium*de pureté élevée ont en'général des résistivités de 1 ordre de 50 ohms par céntimètre au moins et avec une telle résistivité, un courant suffisant ne peut pas traverser les barres pour per- mettre leur échauffement jusqu'à la température requise. Des moyens appro- priés pour le chauffage des barres C et D à partir de l'extérieur de la chambre de' décomposition B peuvent comprendre une source de rayons infrarou- ges qui sont dirigés sur les barres au moyen de miroirs paraboliques ou elliptiques.
D'une autre façon, les barres de silicium C et D peuvent être chauffées initialement en créant un arc entre les barres sous vide, en amenant ensuite les barres fermement en contact et en faisant passer un courant d'environ 60 ampères de valeur efficace par l'intermédiaire de leurs supports métalliques afin d'amener leur température superficielle à la valeur désirée. Du silane est alors admis, en A, dans la chambre sous vide et la pression est ajustée à environ 0,5 à 50 cm de mercure, à l'aide de robinets de commande qui règlent la circulation ou l'écoulement dans les tubes A et F. Sous cette pression, une très faible réaction superficielle se produit à la décomposition du silane est presque entièrement une réaction en phase gazeuse.
Le silicium formé lors de cette réaction est emporté vers les pa- rois de la chambre de réaction B, où il se dépose, tout d'abord sous forme d'une couche amorphe brune M, figure 2. Cette couche amorphe reçoit alors de l'énergie rayonnante P provenant de la barre de silicium chaude Q qu'elle absorbe convenablement et, par conséquent, sa température augmente. Une nou- velle augmentation de température se produit lorsque du silane se décompose sur la couche amorphe M, une fois que sa température a dépassé environ 4500 C, étant donné que la réaction est exothermique. Ainsi, des couches succes- sives de silicium déposées sont frittées par suite de ces augmentations de température.
De cette façon, de larges flocons gris argent de silicium frit- té, ayant environ 4 à 8 cm2 et une épaisseur de 2 à 4 mm. sont obtenus; cette matière est préférable à une poudre fine pour la croissance de cris-
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taux. L'on remarquera que le silicium fritté déposé est protégé d'une réac- tion avec la paroi en quartz et d'un recueillement d'impuretés en provenant par la couche amorphe M qui, étant donné qu'elle est relativement lâche, per- met également de retirer aisément la matière frittée de la chambre sans au- cune contamination à partir des parois en quartz, Un peu de silane se décom- pose simplement sur les barres de silicium avec la pression précitée et el- les peuvent ainsi être utilisées à nouveau.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de production de matière semi-conductrice, caractérisé en ce qu'il comprend la décomposition thermique d'un composé gazeux de la matière, tout en maintenant une température élevée dans la zone de décompo- sition à l'aide d'un élément chauffé électriquement et composé de matière semi-conductrice.
2. Procédé de préparation de matière semi-conductrice, caractérisé en ce qu'il comprend la décomposition thermique d'un composé gazeux de la matière, le chauffage par des moyens de chauffage extérieurs d'un élément composé de matière semi-conductrice et disposé dans une zone de décomposition et le maintien ultérieur dudit élément à une température élevée à l'aide d' une courant le traversant.
3. Procédé de production de matière semi-conductrice, caractérisé en ce qu'il comprend la décomposition thermique d'un composé gazeux de la matière, l'amorçage d'un arc électrique entre deux parties d'un élément com- posé de matière semi-conductrice et disposé dans une zone de décomposition et ensuite le passage d'un courant électrique dans les parties dudit élément afin de les maintenir à une température élevée.
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite matière semi-conductrice est du silicium.
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The present invention relates to methods for the manufacture of
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O..J .. :: "01 '.In semiconductor materials.
Semiconductor materials for use in rectifiers, transistors and the like must be prepared with exceptional tolerances, since the material must have an impurity content which is excessively low compared to current conditions.
The preparation of semiconductor material with such tolerances is a problem of considerable technical difficulty and the present invention relates to a process by which a semiconductor material of a desired chemical composition can be obtained and by means of which one can obtain a material having suitable electrical properties.
The semiconductor material should include an adduct whose purpose is to produce the desired type and degree of conductivity in the semiconductor. Such adducts are also present in trace amounts but precisely determined.
Semiconductor material of the desired conductivity can be obtained by first preparing the pure material, with a higher degree of purity than the final material, and incorporating the adducts. The invention can be used to produce a semiconductor material with a degree of purity suitable for this use.
The invention can also be used in the production of a semiconductor material, with suitable adducts, directly and without first preparing the pure semiconductor material, as described in. a Belgian patent application filed at the same time as this one.
The present invention consists of a process for the production
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iv nier8 semiconductor, a process which comprises thermally decomposing a gaseous component of matter while maintaining a high temperature in the region of; decomposition by means of an electrically heated element composed of semiconductor material.
The invention also includes a process for the preparation of semiconductor material, which process comprises thermal decomposition of a gaseous compound of the material, heating by external heating means of an element composed of semiconductor material and which will be placed in a decomposition zone and then maintaining said element at a high temperature by a current passing through it.
Other details and features of the invention will emerge from the description given below without limitation and with reference to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 is a schematic view of one form of apparatus suitable for practicing the invention.
FIG. 2 is a sectional view taken along line 1-1 of FIG. 1, showing the formation of the silicon deposited according to the invention.
It has been found suitable, in order to produce the pure silane necessary for the process according to the present invention, to react a solution of ammonium bromide in liquid ammonia with a powdered magnesium silide. A suitable apparatus for the preparation and purification of silane following this reaction is fully described in a patent application filed concurrently herewith.
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From Fig. 1, high purity silane enters a high purity quartz decomposition chamber B at A and strikes two bars of high purity silicon C and C. The upper end of the chamber. decomposition B is sealed by means of a water-cooled metal end block J which has an annular rubber seal H placed so as to establish a vacuum-tight seal between the seal J and the walls of chamber B.
The upper silicon bar C is held by clamping means E1 which is attached to a support bar K passing through the water-cooled end block J. The K bar is slidably mounted in the end block and a seal between the K bar and the J end block is established using a high vacuum rubber gasket I. The lower end of the decomposition chamber B has a ground quartz seal G which fits tightly into the metal cone R in a base provided for the device. The lower silicon bar D is supported by second clamping means E2 fixed to a bar S mounted in the metal base.
The clamping means E2 and E and the bars K and S are preferably constructed of tungsten and a quartz screen L is provided around the lower silicon bar D and above the lower clamping means E2 in order to prevent any silicon not adhering to the wall of the decomposition chamber to be contaminated by the tungsten clamping means E2. The decomposition chamber B is also provided with an outlet F which is connected to a high vacuum pump (not shown).
In order for a current to pass through the high purity silicon bars C and D to heat them to a suitable temperature at which decomposition of the silane will occur, the bars must first be heated from there. outside the chamber in order to increase their conductivity. High purity silicon * bars generally have resistivities of the order of 50 ohms per centimeter at least and with such resistivity sufficient current cannot flow through the bars to allow them to heat up to temperature. required. Suitable means for heating the bars C and D from outside the decomposition chamber B may include a source of infrared rays which are directed onto the bars by means of parabolic or elliptical mirrors.
Alternatively, the silicon bars C and D can be heated initially by creating an arc between the vacuum bars, then bringing the bars firmly into contact and passing a current of about 60 amps RMS through. through their metal supports in order to bring their surface temperature to the desired value. Silane is then admitted, at A, into the vacuum chamber and the pressure is adjusted to about 0.5 to 50 cm of mercury, using control valves which regulate the circulation or flow in the tubes A and F. Under this pressure very little surface reaction occurs as the silane decomposes which is almost entirely a gas phase reaction.
The silicon formed during this reaction is carried to the walls of the reaction chamber B, where it is deposited, first of all in the form of a brown amorphous layer M, FIG. 2. This amorphous layer then receives l radiant energy P from the hot silicon bar Q which it absorbs suitably and therefore its temperature increases. A further temperature rise occurs when silane decomposes on the amorphous layer M, after its temperature has risen above about 4500 C, since the reaction is exothermic. Thus, successive layers of deposited silicon are sintered as a result of these temperature increases.
In this way, large silvery gray flakes of fried silicon, about 4 to 8 cm 2 and a thickness of 2 to 4 mm. are obtained; this material is preferable to a fine powder for the growth of cris-
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rate. It will be noted that the deposited sintered silicon is protected from a reaction with the quartz wall and from a collection of impurities originating therefrom by the amorphous layer M which, since it is relatively loose, permeates. also allows the sintered material to be easily removed from the chamber without any contamination from the quartz walls. Some silane simply decomposes on the silicon bars with the above pressure and they can thus be used at new.
CLAIMS.
1. A method of producing semiconductor material, characterized in that it comprises thermal decomposition of a gaseous compound of the material, while maintaining an elevated temperature in the decomposition zone using a electrically heated element composed of semiconductor material.
2. Process for the preparation of semiconductor material, characterized in that it comprises the thermal decomposition of a gaseous compound of the material, heating by external heating means of an element composed of semiconductor material and arranged in a decomposition zone and subsequent maintenance of said element at an elevated temperature by means of a current passing therethrough.
3. Process for the production of semiconductor material, characterized in that it comprises the thermal decomposition of a gaseous compound of the material, the initiation of an electric arc between two parts of an element composed of material. semiconductor and disposed in a decomposition zone and then the passage of an electric current in the parts of said element in order to keep them at a high temperature.
4. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that said semiconductor material is silicon.