DE1054802B

DE1054802B - Verfahren zur Verdampfung von Stoffen, insbesondere zur Erzeugung der UEbergangszonen (junctions) von Transistoren

Info

Publication number: DE1054802B
Application number: DEW20710A
Authority: DE
Inventors: Thorndike C T New
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1956-03-05
Filing date: 1957-02-28
Publication date: 1959-04-09

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, halbleitende Schichten durch Aufdampfen auf einen Träger im Vakuum oder unter vermindertem Druck zu erzeugen, wobei der Träger beim Aufdampfen des Halbleitermaterials auf eine Temperatur von über 300° C erwärmt sein kann. Es ist ferner bekannt, bei der Herstellung von Transistoren bzw. p-n-Gleichrichtern Zusatz- bzw. Dotierungsstoffe zur Erzeugung der Übergangszonen (junctions) zwischen Gebieten verschiedenen Leitfähigkeitstyps auf einen Halbleiterkörper aufzudampfen. Hierbei haben sich bisher erhebliche Mängel ergeben. So war es z. B. bei der Aufdampfung von Aluminium auf Germanium bisher sehr schwierig, das Germanium zur Herstellung einer guten Verbindung in ausreichendem Maße zu benutzen.

Untersuchungen deu<ten darauf hin, daß die mangelhafte Benetzung des Germaniums durch das aufgedampfte Aluminium auf gewisse Verunreinigungen zurückzuführen ist, die gleichzeitig auf die Oberfläche des Germaniums niedergeschlagen werden; ähnliche Schwierigkeiten treten auf, wenn Dotierungsstoffe, wie z. B. Indium, Arsen, Antimon, Gallium und Legierungen dieser Stoffe, auf Germanium, Silizium oder andere Halbleitermaterialien aufgedampft werden. Das gleiche gilt unzweifelhaft auch für andere Dotierungsstoffe, die verwendet werden könnten.

Gegenstand der Erfindung ist ein, Verfahren zur Herstellung hochreiner Niederschläge durch Aufdampfen auf eine Unterlage im Vakuum oder unter vermindertem Druck, insbesondere zur Niederschlagung von Dotierungsstoffen auf Halbleiter zwecks Erzeugung von Übergangszonen von Transistoren bzw. p-n-Gleichrichtern. Die Erfindung besteht darin, daß in der Anfangs- und Endphase des Verdampfungsvorganges in den Dampfstrom eine Abschirmplatte eingeschwenkt wird, so daß alle im Verdampfungsgut enthaltenen Fremdstoffe, deren Siedepunkte von denen der niederzuschlagenden Stoffe abweichen, von der Unterlage ferngehalten werden.

Ein genaueres Verständnis des Grundgedankens und der Ziele der Erfindung wird sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung ergeben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in perspektivischer Ansicht ein Gerät, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Bei der Herstellung von Transistoren und anderen Teilen, die durch einen Verdampfungsprozeß mit reinen Stoffen überzogen werden, wird das Verfahren entweder im Vakuum oder in einer Atmosphäre eines geeigneten inerten Gases bei einem passenden niedrigen Druck durchgeführt. Dadurch werden die verdampften Stoffe gegen Oxydation und den Zutritt anderer Verunreinigungen geschützt. Außerdem ist, wenn der Verdampfungsvorgang im Vakuum statt-

Verfahren zur Verdampfung von Stoffen,

insbesondere zur Erzeugung

der Übergangszonen (junctions)

von Transistoren

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation, East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 5. März 1956

Thorndike C. T. New, Penn Township, Verona, Pa.

(V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

findet, die Verdampfungsgeschwindigkeit erheblich größer.

In der Zeichnung stellt 10 eine Grundplatte dar, die das Gerät trägt. Sie ist so ausgebildet, daß sie zusammen mit einer Glocke 11 oder einer anderen geeigneten Bedeckung eine dichte Verbindung bildet, so daß die Herstellung eines Vakuums möglich ist. Ausrüstungen dieser Art mit einer Grundplatte und einer Glocke zur Herstellung eines Vakuums sind an sich bekannt, so daß sich eine genauere Beschreibung erübrigt.

Oberhalb der Grundplatte 10 wird durch Abstandsstücke 13 eine Plattform 12 getragen. Diese Plattform kann aus irgendeinem Metall bestehen, das die Temperaturen, die bei dem Verfahren erreicht werden, aushält.

Bei der Herstellung von Transistoren wird ein geeigneter Dotierungsstoff auf einen Halbleiter aufgedampft. Wenn es z. B. beabsichtigt ist, einen Dotierungsstoff, wie z. B. Aluminium, auf eine HaIbleiterplatte, beispielsweise aus Germanium, aufzudampfen, ist es erwünscht, das Germanium auf eine Temperatur zu bringen, die etwas oberhalb der eutektischen Temperatur von Aluminium-Germanium liegt, die etwa 424° C beträgt.

809 789/269

Bei dem vorliegenden Gerät ist zur Erhitzung der Germaniumplatte 14 eine Graphit-Heizvorrichtung 15 vorgesehen. Bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist die Graphithei-zung 15 trogartig ausgebildet, mit Nuten 16 und 17 an entgegengesetzten Enden. ' '

Zum Tragen der Graphitheizung sind Platten 18 und 19 vorgesehen, die auf Stäben 20 bzw. 21 montiert sind. Die Platten. 18 und 19 and die Stäbe 20 und

21 können aus irgendeinem geeigneten, elektrisch leitfähigen Material bestehen, wie z.B. Molybdän. Die Stäbe und Platten können dann gleichzeitig der Graphitheizung den elektrischen Strom zuführen. Für diesen Fall sind die Stäbe 20 und 21 mit Isolatoren

22 bzw. 23 versehen. Die Stäbe 20 und 21 sind durch die Grundplatte 10 des Vakuumgerätes hindurchgeführt und in bekannter Weise mit ihr abgedichtet.

Zur Erhitzung des zu verdampfenden Stoffes ist ein Heizdraht 24 vorgesehen. Der Heizdraht wird von den Stäben 25 und 26 getragen. Diese Stäbe können aus irgendeinem geeigneten, elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. Molybdän oder einer Aluminiumlegierung, bestehen; sie sind mit Isolatoren 27 versehen. Die Stäbe und die zugehörigen Isolatoren sind durch die Grundplatte 10 hindurchgeführt und in geeigneter Weise mit ihr abgedichtet.

Der zu verdampfende ..Stoff bzw. das zu verdampfende Metall wird in irgendeiner zweckmäßigen AVeise in unmittelbarer Nähe des Heizdrahtes 24 angebracht. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist der Heizdraht in Form einer Spirale gewunden; das Aluminiumstück 28 ist in die Spirale eingelegt und wird von deren Windungen getragen. Die Aluminiummenge ist nicht groß; bei der bisherigen Durchführung des· erfindungsgemäßen Verfahrens wurde etwa Va g Aluminium verwendet.

Die Speisung des Graphitheizers 15 und des Heizdrahtes 24 mit elektrischem Strom kann durch geeignete, an sich bekannte Mittel gesteuert werden, die sich außerhalb des Vakuumgerätes befinden. Durch die Bemessung der Ströme kann die Temperatur der Graphitheizung und des Heizdrahtes nach Wunsch geregelt werden.

Es ist erwünscht, die Temperatur der Graphitheizung ziemlich genau einzustellen. Es ist daher ein Thermoelement 29 vorgesehen, so daß die Temperatur bequem abgelesen werden kann. Das Thermoelement kann von jedem an sich bekannten Typ sein, der bei Verfahren dieser Art verwendet wird.

Es sei nun angenommen, daß das zu verdampfende Metall Aluminium ist. Der Heizdraht 24 besteht dann aus Wolfram, Tantal oder Molybdän von hoher Reinheit, so daß das Material des Heizdrahtes keine Schaden erleidet, wenn das Aluminium auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes erhitzt wird. Das Aluminium kann statt durch metallische Heizdrähte auch durch Stäbe oder Schiffchen aus Graphit verdampft werden.

Der Aluminiumkörper 28 wird in den Heizdraht eingelegt und die Temperatur langsam erhöht, d. h. in einem Zeitraum von 2 bis 5 Minuten. Während dieser Zeit schmilzt das Aluminium ebenso langsam und benetzt dabei die Windungen des Heizdrahtes. Es wurde außerdem gefunden, daß einige der leichteren Verunreinigungen mit Einschluß der Aluminiumoxyde auf der Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums erscheinen, etwa wie Schlacke. Weiterhin werden, während die Temperatur auf den geforderten vorbestimmten Wert erhöht wird, die meisten verdampfbaren Verunreinigungen ausgetrieben. Es wurde ferner beobachtet, daß die meisten der anderen Verunreinigungen, die in dem geschmolzenen Aluminium verbleiben, von dem unteren Teil der geschmolzenen Masse nach oben gewandert sind. Der untere Teil der geschmolzenen Masse scheint daher reiner zu sein als der obere Teil.

Damit die Verunreinigungen, die während des ersten Teils des Erhitzungsprozesses verdampft werden, den Halbleiterkörper bzw. die Platte 14 nicht erreichen, ist ein Schirm 30 vorgesehen. Dieser Schirm ist so augebracht, daß er bequem zwischen den Heizdraht, der das zu verdampfende Material, z. B. Aluminium, trägt, und den Halbleiterkörper 14 geschoben werden kann. Sobald die flüchtigen Verunreinigungen im wesentlichen abgedampft sind, wird das Aluminium glänzend; dieses kann ohne weiteres beobachtet werden. Sobald sich aus der Farbe des Aluminiums ergibt, daß die flüchtigen Verunreinigungen im wesentlichen entfernt sind, wird die Temperatur des Aluminiums auf einem ausgewählten Wert in dem Bereich zwischen etwa 850 bis etwa 1200° C gehalten; dadurch wird erreicht, daß das reine Aluminium mit vorbestimmter Geschwindigkeit verdampft. Die Verdampfungsgeschwindigkeit beträgt beispielsweise bei 115O⁰C annähernd 10—³ g pro

ι Sekunde und pro cm² der Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums.

Der Verdampfungsprozeß dauert so lange an, wie das Aluminium auf einer Temperatur von etwa \ 150° C gehalten wird; das verdampfte Metall breitet

:■■ sich nach sämtlichen Richtungen aus. In vielen Fällen kann es jedoch erwünscht sein, das verdampfte Metall aufzufangen, das sich nach unten in Richtung des Halbleitermaterials bzw. der Platte 14 ausbreitet. Da, wie oben erläutert, der untere Teil des Aluminiumtropfens recht rein ist, wird ein Niederschlag von sehr reinem Aluminium auf der Platte 14 erzielt, wenn sich diese Platte unterhalb des Aluminiums befindet.

Wie bereits betont wurde, verdampfen die flüchtigen Verunreinigungen des Aluminiums während des ersten Teils des Verdampfungsprozesses schneller als das Aluminium selbst; sie sind daher bald ausgeschieden. Während der Periode, in der das Aluminium auf eine Temperatur von etwa 1150° C gebracht wird, geht auch nicht viel Aluminium verloren. Ferner bleiben die weniger flüchtigen Verunreinigungen, wie z. B. Kupfer, zum größten Teil in der Masse des geschmolzenen Aluminiums.

Der Schirm 30 ist derart an einer Welle 31 befestigt, daß er zwischen den Heizdraht 24 und die Platte 14 geschoben werden kann. Der Schirm 30 kann je nach der vorliegenden Aufgabe aus vielen verschiedenen Materialien bestehen. Wenn Aluminium verdampft wird, hat sich ein Molybdänschirm als zweckmäßig erwiesen.

Die Welle 31, die den Schirm trägt, kann in einem geeigneten gasdichten Lager 32 an der Grundplatte 10 montiert sein. Zur Verdrehung der Welle 31 kann ein Hebelarm 33 vorgesehen sein, der mit einem Hebelarm 34 in der dargestellten Weise durch eine Stange 35 verbunden ist. Der Hebelarm 34 ist an einer Übertragungswelle 36 befestigt, die in der Grundplatte 10 drehbar und luftdicht befestigt ist. Die Welle 36 kann mit Hilfe der Kurbel 37 gedreht werden, die sich unterhalb der Grundplatte 10 des Vakuumgerätes befindet.

Dieser Mechanismus zur Drehung der Welle 31 ist insofern für den vorliegenden Zweck geeignet, als nur ein verhältnismäßig kleiner Drehwinkel erforderlich

ist. Ein Drehwinkel von 45° ist ausreichend, die Platte 30 zwischen den Heizdraht 24 und die Platte 14 zu schieben bzw. aus dieser Stellung zu entfernen.

Das vorliegende Verfahren kann zur Erzeugung aufgedampfter Überzüge aus Aluminium oder anderen Metallen großer Reinheit verwendet werden. Aluminium mit einer Reinheit von 99,99 °/o ist im Handel erhältlich; diese Reinheit ist jedoch zur Erzeugung der Übergangszonen von Transistoren nicht ausreichend. Es wird daher bei der Aufdampfung von Aluminium auf Germanium oder andere Halbleiterkörper ein Schirm verwendet, damit gewisse flüchtige Verunreinigungen zurückgehalten werden, die die erforderliche Legierungsbildung bzw. Verbindung des Aluminiums mit dem Germanium oder einem anderen Halbleiterkörper an der Grenzfläche erschweren.

Auch für andere Zwecke kann es erwünscht sein, einen Aluminiumülm so großer Reinheit zu erzeugen, wie er zur Herstellung eines Transistors verwendet wird. In diesem Fall wird statt einer Germanium- ao platte 14 eine Glasplatte, die entsprechend gereinigt ist, untergelegt. Das Aluminium kann dann zunächst auf den Schirm 30 aufgedampft werden, bis der größte Teil der Verunreinigungen ausgetrieben ist und nur noch reines Aluminium verdampft wird. Der Schirm wird dann entfernt und das reine Aluminium auf die Glasplatte aufgedampft. Wenn eine ausreichend dicke Aluminiumschicht niedergeschlagen ist, wird der Verdampfungsprozeß unterbrochen und der Aluminiumfilm von der Glasplatte abgezogen.

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verdampfung von Metallen mit größerer Reinheit, als sie im Handel erhältlich sind, ergibt sich aus den folgenden Versuchsresultaten.

Bei handelsüblichem Aluminium mit einer Reinheit von 99,99% wurde durch spektrographische Analyse ein Kupfergehalt von 0,005% gefunden. Dieses Aluminium wurde dann durch den vorstehend beschriebenen Verdampfungsprozeß auf eine Glasplatte niedergeschlagen. Nach der Verdampfung wurde es nochmals spektrographisch analysiert; es enthielt nunmehr weniger als 0,0005 Gewichtsprozent Kupfer. Stoffe solcher Reinheit ermöglichen die Erzeugung sehr wirksamer Transistor-Übergangszo-nen.

Auch andere Metalle wurden durch das vorstehend beschriebene Verfahren niedergeschlagen, wobei Verunreinigungen ebenfalls in wirksamer Weise entfernt wurden. Bei der Herstellung von Transistoren sind Silber, Indium, Arsen und Antimon nach dem erfindungsgernäßen Verfahren auf Halbleiter, wie z. B. Germanium und Silizium, niedergeschlagen worden. Das oben beschriebene Verfahren kann im Rahmen der Erfindung in mannigfacher Weise abgewandelt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung hochreiner Niederschläge durch Aufdampfen auf eine Unterlage im Vakuum oder unter vermindertem Druck, insbesondere zur Niederschlagung von Dotierungsstoffen auf Halbleitern zwecks Erzeugung von Übergangszonen von Transistoren bzw. p-n-Gleichrichtern, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anfangs- und Endphase des Verdampfungsvorganges in den Dampfstrom eine A.bschirmplatte eingeschwenkt wird, so daß alle im Verdampfungsgut enthaltenen Fremdstoffe, deren Siedepunkte von denen der niederzuschlagenden Stoffe abweichen, von der Unterlage ferngehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu bedampfende Körper unterhalb der Verdampfungsquelle angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zum Niederschlagen eines Dotierungsstoffes auf einen Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper während der Bedampfung auf einer Temperatur gehalten wird, die etwas oberhalb der eutektischen Temperatur der Legierung aus' dem Dotierungsstoff und dem Halbleiter liegt.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper in einem Graphittrog liegt, der durch einen elektrischen Strom heizbar ist.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Schirmes durch mechanische Organe steuerbar ist, die durch eine Wand des Verdampfungsbehälters hindurchgeführt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 881 973.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen