Einrichtung zur Herstellung eines kristallisierten Halbleiterstoffes Im Hauptpatent Nr. 355220 ist ein Verfahren zur Herstellung eines für die Verarbeitung zu Halbleiter geräten geeigneten kristallisierten Halbleiterstoffes be schrieben, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine flüchtige Verbindung eines Halbleitereigenschaf ten aufweisenden chemischen Elementes mit einem flüchtigen Reduktionsmittel vermischt, der Wirkung einer Gasentladung ausgesetzt wird,
die unter solchen Bedingungen betrieben wird, dass eine Abscheidung des chemischen Elementes an mindestens einer Elek trode der Gasentladung in schmelzflüssiger Form er folgt und dass infolge eines nach Massgabe der jeweils an mindestens einer der Elektroden gebildeten flüssi gen Substanz erfolgenden Auseinanderziehens der Elektroden das schmelzflüssige Material sukzessive zum Erstarren gebracht wird.
Die hierzu benötigte Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zur Aufrechterhaltung der Gasentladung vorgesehenen Elektroden in einem mit Zu- und Ableitungen für die Reaktionsgase versehenen Reaktionsgefäss angeordnet sind und dass Mittel vorgesehen sind, welche die Elek troden nach Massgabe des Kristallwachstums ausein- anderziehen.
Bei dieser Einrichtung hat es sich als nachteilig erwiesen, dass gewisse, wenn auch geringfügige Men gen von Abscheidungen sich auch auf anderen uner wünschten Flächen der Entladungseinrichtung nieder schlagen, insbesondere auf heissen Teilen der Gefäss wandung und - bei Betrieb mit Gleichstrom -auf der Anode bzw. überhaupt auf anderen Elektroden, auf denen die Abscheidung nicht erwünscht ist.
Diese Niederschläge beeinträchtigen nicht nur die Ausbeute, sondern sie beeinträchtigen vor allem auch die Rein heit des zu gewinnenden Materials, weil diese uner- wünschten Niederschläge nach einiger Zeit infolge der hohen Temperatur ihrer Unterlage teilweise wie der verdampfen oder - bei einer Abscheidung auf einer Elektrode - zerstäuben und hierbei Teilchen aus ihrer Unterlage als Verunreinigungen in den Entla dungsraum einführen.
Sollten auch durch besondere Betriebsbedingungen oder andere Massnahmen die Abscheidungen an unerwünschten Stellen vermieden werden, so wird doch eine Verunreinigung durch die üblicherweise verwendete Glas- bzw. Quarzwandung selbst erfolgen, da sich die in oder auf ihr befindlichen Verunreinigungen erwärmen und verdampfen bzw. sublimieren.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Herstellung eines kristallisierten Halbleiterstoffes nach Patentanspruch II des Hauptpatentes Nr. 355220. Sie besteht darin, dass mindestens die durch die Gas entladung einer starken Erwärmung ausgesetzten, im Entladungsgefäss befindlichen und nicht als Träger des Niederschlages dienenden Flächen gekühlt sind.
Gemäss einer besonderen Ausbildung der Erfin dung bestehen diese Flächen aus einem gut wärme- leitenden Material, vorzugsweise Metall, beispielsweise Kupfer oder Silber, oder - besonders dann, wenn höhere Gasdrücke auftreten - aus Stahl, das man dann unter Umständen verkupfern oder versilbern oder durch andere überzüge gegen Aggression schüt zen kann. Die Kühlung erfolgt zweckmässigerweise durch eine umlaufende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, wobei die zu kühlenden Flächen doppelwan dig ausgebildet sind.
Beim Gleichstrombetrieb ist ins- besondre die Anode als wassergekühltes Hohlrohr vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet.
Es ist zwar an sich bereits bekannt, bei ähnlichen Anordnungen, welche die Gewinnung von Substanzen aus der Gasphase bezwecken, Kühlungen anzuwen den. Diese dienten jedoch bisher dem Zweck, die jenigen Flächenteile zu kühlen, an denen der er- wünschte Niederschlag vor sich gehen soll, um die Kondensation zu fördern und/oder den Niederschlag an bestimmte gewünschte Flächen zu transportieren.
Demgegenüber wird gemäss der Erfindung umgekehrt die Niederschlagsfläche auf hoher Temperatur gehal ten, während die übrigen Flächen gekühlt werden.
Gemäss einer besonderen Ausbildung der Erfin dung werden die gekühlten Flächen, mindestens die in besonderer Nähe der Abscheid'ungsstelle befind lichen Flächen, entweder ständig oder von Zeit zu Zeit gerüttelt, damit die sich trotz der Kühlung dort ergebenden Niederschläge abblättern und auf den Boden des Entladungsgefässes fallen. Es hat sich her ausgestellt, dass sich die auf den gekühlten, besonders aus Kupfer bestehenden Flächen bildenden Nieder schläge auf diese Weise sehr leicht entfernen lassen, ohne dass sie dabei Teilchen aus ihrer Unterlage los lösen.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen der Einrichtung nach der Erfindung beispielsweise dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Entladungsgefäss 1, das mit Gleichstrom betrieben wird und dessen Kathode 2 aus einem in Richtung des Pfeiles 3 bewegbaren Sili- ciumstab besteht. 4 bedeutet die Anode, welche aus einem wassergekühlten Kupferhohlkörper besteht. Der Wasserstrom ist durch Pfeile angedeutet. Das Ent ladungsgefäss 1 selbst ist ebenfalls als wasserdurch flossenes Hohlgefäss ausgebildet.
Die gasförmigen Ausgangsprodukte, beispielsweise Siliciumtetrachlorid oder Siliciumchloroform, werden durch einen Düsen ring 5 gegen die Schmelzkuppe 6 des Siliciumstabes 2 geblasen. Der zur Reduktion dienende bzw. die Um setzung erleichternde Wasserstoff wird durch ein, die Anode 4 umgebendes Zylinderrohr 7 eingeführt. Die Öffnung 8 dient zum Entweichen der Abgase.
Die Anode 4 wird von Zeit zu Zeit mittels einer Rüttel vorrichtung erschüttert, welche aus einem Relais 9 besteht, dessen Anker 10 als Klopfer ausgebildet ist.
Ein anderes Ausführungsbeispiel für die Elek- trodenanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Hier besteht die Kathode aus einem von oben nach unten durch das Entladungsgefäss hindurchgehenden Siliciumstab 11, dessen mittlere Zone 12 geschmolzen wird. Die Anode 13 ist ringförmig ausgebildet, so dass die Schmelzzone 12 von allen Seiten gleichmässig erwärmt wird.
Die beiden Enden des Stabes 11 werden in Richtung der Pfeile 14 und 15 nach oben und unten auseinandergezogen nach Massgabe des in der Schmelzzone 12 sich abscheidenden Siliciums. Die Ausbildung des Gefässes und der Gaszuführungen kann der Anordnung gemäss Fig. 1 entsprechen. Statt die Anode ringförmig auszubilden, kann man auch mit einer oder mehreren Anoden arbeiten und diese um den Stab rotieren lassen und/oder auch den Stab selbst drehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besteht das Entladungsgefäss aus zwei wasser gekühlten Kupferhohlrohren 16 und 17 mit Elektro den 18 und 19, zwischen denen eine Wechselstrom- entladung übergeht. Eine Düse 20 dient dem Gasein tritt. 21 bedeutet ein Beobachtungsfenster, das auf einen senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden An satzstutzen aufgesetzt ist.
Device for the production of a crystallized semiconductor material The main patent No. 355220 describes a process for the production of a crystallized semiconductor material suitable for processing into semiconductor devices, which is characterized in that a volatile compound of a chemical element having semiconductor properties is mixed with a volatile reducing agent, is exposed to the effects of a gas discharge,
which is operated under such conditions that the chemical element is deposited on at least one electrode of the gas discharge in molten form and that, as a result of the electrodes being pulled apart according to the liquid substance formed on at least one of the electrodes, the molten material successively is made to freeze.
The device required for this is characterized in that the electrodes provided for maintaining the gas discharge are arranged in a reaction vessel provided with inlet and outlet lines for the reaction gases and that means are provided which pull the electrodes apart according to the crystal growth.
In this device, it has been found to be disadvantageous that certain, albeit small amounts of deposits are also reflected on other undesired surfaces of the discharge device, especially on hot parts of the vessel wall and - when operating with direct current - on the anode or at all on other electrodes on which the deposition is not desired.
These precipitates not only affect the yield, but also, above all, impair the purity of the material to be recovered, because these undesired precipitates partly evaporate again after some time due to the high temperature of their base or - if they are deposited on an electrode - atomize and introduce particles from their base as impurities in the discharge space.
If, through special operating conditions or other measures, deposits at undesired locations are avoided, contamination will occur through the usually used glass or quartz wall itself, since the impurities in or on it heat up and evaporate or sublime.
The invention relates to a device for the production of a crystallized semiconductor material according to claim II of the main patent no. 355220. It consists in that at least the surfaces in the discharge vessel that are exposed to strong heating by the gas discharge and do not serve as carriers of the precipitate are cooled .
According to a special embodiment of the invention, these surfaces consist of a highly thermally conductive material, preferably metal, for example copper or silver, or - especially when higher gas pressures occur - steel, which can then be copper-plated or silver-plated or by others coatings can protect against aggression. The cooling is expediently carried out by a circulating liquid, for example water, the surfaces to be cooled being double-walled.
In the case of direct current operation, the anode in particular is designed as a water-cooled hollow tube, preferably made of copper.
It is already known per se, in similar arrangements, which are intended to extract substances from the gas phase, to use cooling. Up to now, however, these have served the purpose of cooling those parts of the area where the desired precipitation is to occur, in order to promote condensation and / or to transport the precipitation to certain desired areas.
Conversely, according to the invention, the precipitation surface is held at a high temperature while the other surfaces are cooled.
According to a special embodiment of the invention, the cooled surfaces, at least the surfaces in particular close to the Abscheid'ungsstelle, either constantly or from time to time are shaken so that the precipitates that arise there despite the cooling peel off and onto the bottom of the discharge vessel fall. It has been shown that the precipitates forming on the cooled surfaces, especially those made of copper, can be removed very easily in this way without loosening particles from their base.
In the drawing, some embodiments of the device according to the invention are shown for example. 1 shows a discharge vessel 1 which is operated with direct current and whose cathode 2 consists of a silicon rod which can be moved in the direction of arrow 3. 4 means the anode, which consists of a water-cooled hollow copper body. The water flow is indicated by arrows. The discharge vessel 1 itself is also designed as a hollow vessel that flows through water.
The gaseous starting products, for example silicon tetrachloride or silicon chloroform, are blown through a nozzle ring 5 against the melting tip 6 of the silicon rod 2. The hydrogen serving for reduction or facilitating the conversion is introduced through a cylinder tube 7 surrounding the anode 4. The opening 8 is used to escape the exhaust gases.
The anode 4 is shaken from time to time by means of a shaking device, which consists of a relay 9, the armature 10 of which is designed as a knocker.
Another exemplary embodiment for the electrode arrangement is shown in FIG. Here the cathode consists of a silicon rod 11 passing through the discharge vessel from top to bottom, the middle zone 12 of which is melted. The anode 13 is annular so that the melting zone 12 is heated uniformly from all sides.
The two ends of the rod 11 are pulled apart in the direction of the arrows 14 and 15 upwards and downwards according to the amount of silicon deposited in the melting zone 12. The design of the vessel and the gas supply lines can correspond to the arrangement according to FIG. Instead of making the anode ring-shaped, one can also work with one or more anodes and let them rotate around the rod and / or rotate the rod itself.
In the embodiment according to FIG. 3, the discharge vessel consists of two water-cooled hollow copper tubes 16 and 17 with electrodes 18 and 19, between which an alternating current discharge passes. A nozzle 20 is used to enter the gas. 21 means an observation window which is placed on a connecting piece extending perpendicular to the plane of the drawing.