DE1095261B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen hoher Reinheit durch thermische Zersetzung der Hydride - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen hoher Reinheit durch thermische Zersetzung der Hydride Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen hoher Reinheit durch thermische Zersetzung der entsprechenden Hydride, insbesondere zur Herstellung von Silizium hoher Reinheit.
• Die Herstellung von Silizium durch thermischeZersetzung von Siliziumwasserstoff ist beispielsweise in der britischen Patentschrift 745 698 beschrieben, während in der britischen Patentschrift 778 383 das Verfahren auf andere Stoffe ausgedehnt wurde. Diese bekannten Verfahren ergeben zwar wesentliche Vorteile bei der Herstellung von Halbleitermaterial hoher Reinheit, jedoch ist die Menge des in einer bestimmten Zeit herstellbaren Materials beschränkt.
• Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen sehr hoher Reinheit, das diesen Nachteil nicht aufweist.
• Gemäß der Erfindung wird zur Herstellung von Halbleiterelementen hoher Reinheit ein gasförmiges Hydrid des Elementes in der Weise thermisch zersetzt, daß es durch eine geschmolzene Menge des Elementes geleitet wird.
• Halbleiterelemente, deren gasförmige Hydride thermisch in Wasserstoff und das Halbleiterelement aufgespalten werden können, sind Silizium, Germanium und Bor.
• Es ist bekannt, chemische Reaktionen mit Hilfe von Schmelzen durchzuführen. So beschreibt die schweizerische Patentschrift 214 894 ein Verfahren zur Durchführung chemischer, mit starker Wärmetönung verlaufender Reaktionen unter Mitverwendung gasförmiger bzw. dampfförmiger Reaktionsteilnehmer in als Wärmeträger dienenden Schmelzen.
• Es ist weiterhin nach der deutschen Patentschrift 411 155 ein Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen durch gemeinschaftliches Erhitzen zweier oder mehrerer Körper im S-chmelzprozeß bekannt, wobei die Mischung über die Oberfläche oder durch das geschmolzene Element hindurchgeführt und das entstandene Reaktionsprodukt schnell .entfernt wird, damit es sich nicht mit der nächsten Teilmenge mischt.
• Diese bekannten Verfahren wurden jedoch bisher nicht zur Herstellung von reinsten Halbleiterstoffen angewandt. Das Verfahren nach der Erfindung, das aus einer Vielzahl von Darstellungsmöglichkeiten ausgewählt ist, bringt einen technischen Fortschritt mit sich, der für die Reinstdarstellung eines Halbleiterelementes besonders wesentlich ist.
• Dieser Fortschritt besteht darin, daß der bei der Zersetzung der Hydride freiwerdende Wasserstoff oberhalb der Schmelze eine Schutzatmosphäre bildet, die verhindert, daß störende Verunreinigungen in das Schmelzgut eintreten können, dessen Halbleitereigenschaften bekanntlich selbst durch kleinste Verunreinigungen stark verändert werden können.
• Vorzugsweise wird das Hydrid durch die Masse des geschmolzenen Halbleiterelementes von unten hindurchgeleitet, so daß es hindurchperlt. Die Hydride zersetzen sich dabei und der bei der Zersetzung freiwerdende Wasserstoff steigt durch die geschmolzene Masse auf und bildet an deren Oberseite eine Schutzatmosphäre.
• Im allgemeinen werden bei der Zersetzung von Hydriden eines Halbleiterelementes zwei oder mehrere Moleküle Wasserstoff pro Molekül des Hydrides frei. So werden beispielsweise bei der Zersetzung von Siliziumwasserstoff zwei Moleküle Wasserstoff für jedes zersetzte Molekül Siliziumwasserstoff freigesetzt und das geschmolzene Silizium dadurch stark gerührt. Es ist deshalb nötig, den Fluß des Siliziumwasserstoffs oder des Hydrids entsprechend dem Fassungsvermögen des Tiegels und dem Volumen des darin geschmolzenen Elementes einzustellen, um zu verhindern, daß das geschmolzene Element aus dem Tiegel herausgeblasen wird.
• Es ist ferner schon vorgeschlagen worden, Silizium in einem Tiegel zu schmelzen und zu behandeln, ohne daß das Silizium von den Tiegelwänden verunreinigt wird. Zu diesem Zweck wird ein Tiegel aus einem Material mit großer elektrischer und thermischer Leitfähigkeit verwendet und die Tiegelwand während des Schmelz- bzw. Behandlungsvorganges durch eine Flüssigkeit gekühlt; insbesondere kann ein Tiegel mit hohlen Wänden Anwendung finden. Nach der Erfindung kann Silizium solcher Reinheit wie bei dem Verfahren nach der britischen Patentschrift 745 698 hergestellt werden, jedoch bietet die Erfindung den Vorteil, daß in einem Ansatz wesentlich größere Mengen hergestellt werden können.
• Ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Diese Vorrichtung eignet sich besonders für die Herstellung von Silizium, und die folgende Beschreibung bezieht sich auf diese Anwendung der Vorrichtung.
• Das geschmolzene Silizium 1 ist in einem Tiegel 2 enthalten, der aus einer Anzahl von Rohren besteht. Die Rohre 2 haben einen Durchmesser von etwa 6,4 mm und einen Abstand voneinander von etwa 1,6 mm. Sie sind dicht in einer Metallgrundplatte 3 befestigt und stehen über den Hohlkörper 4 miteinander in Verbindung. Das Kühlwasser wird durch den Hohlkörper 4 und die Rohre 2 mittels der Einlaß- und Auslaßrohre 5 bzw. 6 geleitet. Der Tiegel ist in einen senkrechten Zylinder 7 angeordnet, der aus Quarz besteht und an beiden Enden durch die Abschlußstücke 8 und 9 verschlossen ist. Die Rohre 2 und die Grundplatte 3 bestehen aus einem Metall von großer elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, wie Kupfer oder Silber.
• Die Spule 10 ist an eine nicht dargestellte Hochfrequenzquelle angeschlossen und um den Tiegel außerhalb des Quarzzylinders 7 angeordnet. Die Spulenwindungen 10 sind hohl und werden von hindurchfließendem Kühlwasser gekühlt.
• Das Seitenrohr 11 ist dicht in der Zylinderwand 7 befestigt und eine Ausgangscharge für den Tiegel in Form eines Stückes 12 aus Silizium ist in diesem Seitenrohr angeordnet. Das Siliziumstück 12 wird durch einen Kolben 13 aus magnetischem Material in seiner Lage gehalten. Der Heizkörper 14, der durch eine Heizspule erwärmt wird, umgibt das Siliziumstück 12. Auf diese Weise wird das Siliziumstück 12 auf eine Temperatur gebracht, bei der der Widerstand so weit erniedrigt ist, daß Wirbelströme genügender Größe darin induziert werden können. Der Kolben 13 wird dann nach außen bewegt, beispielsweise durch einen außen angebrachten Magneten, so daß das Siliziumstück 12 in den Tiegel fällt. Es wird dann durch die darin durch die Spule 10 induzierten Wirbelströme und durch die Wirbelströme der Wände der Rohre 2 geschmolzen. Das geschmolzene Silizium fließt nicht aus den Zwischenräumen zwischen den Rohren, welche den Tiegel bilden, heraus, weil es in dem Tiegel durch die Oberflächenspannung und das Hochfrequenzfeld, welches Wirbelströme in dem geschmolzenen Silizium induziert, gehalten wird.
• Dann wird Siliziumwasserstoff durch das Einlaßrohr 15 eingeleitet, das durch das Abschlußstück 3 hindurchgeführt ist. Die durch das Silizium steigenden Blasen von Siliziumwasserstoff sind bei 16 dargestellt. Der Siliziumwasserstoff zersetzt sich zu Silizium, das in dem Tiegel schmilzt, und der Wasserstoff steigt durch den Rest des geschmolzenen Siliziums nach oben und kann durch das Auslaßrohr 17 entweichen, welches durch das obere Abschlußglied 9 dicht hindurchgeführt ist.
• Nachdem der Siliziumwasserstoffstrom abgestellt wurde, kann ein Einkristall aus dem geschmolzenen Silizium gezogen werden. Halbleiterelemente können in einem zylindrischen Metalltiegel mit geschlossenen Wänden nicht mittels einer außen um den Tiegel angebrachten Induktionsspule geschmolzen werden, da durch die durchgehende Wandung die von der Spule induzierten Ströme kurzgeschlossen werden und das Halbleiterelement nicht erreichen können. Bei einem Tiegel aus einzelnen Rohren können jedoch Wirbelströme in den Rohren induziert werden, die zur Konzentration des elektrischen Feldes führen. Die in den Rohren induzierten Wirbelströme induzieren ihrerseits Wirbelströme in dem Halbleiterelement und addieren sich zu dem Feld der Induktionsspule, das durch die Zwischenräume zwischen den Rohren zum Halbleiter dringt. Es ist auch möglich, Halbleiterelemente in einem Metalltiegel zu schmelzen, der von einer Induktionsspule umgeben ist, wenn die Wand nicht einen vollständigen Zylinder bildet.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen hoher Reinheit, insbesondere von Silizium, durch thermische Zersetzung der entsprechenden gasförmigen Hydride, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrid durch das geschmolzene Halbleiterelement geleitet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement in einem gekühlten Metalltiegel durch Hochfrequenz geschmolzen wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement vor dem Einbringen in den Tiegel einer Vorerhitzung unterworfen wird.
4. 4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Tiegel (2) mit hohlen Wänden aus einem Metall großer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit, der mit Zu- und Ableitungsrohren (5 und 6) versehen ist, um eine Kühlflüssigkeit durch die hohlen Tiegelwände (2) zu leiten, durch dessen Boden (3) ein Einleitungsrohr (15) für das gasförmige Hydrid hindurchgeführt und der von einer Hochfrequenzspule (10) umgeben ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiegelwände (2) aus Rohren bestehen, die so nahe beieinander angeordnet sind, daß das geschmolzene Material (1) nicht aus dem Tiegel herausfließt.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel (2) in einer Umhüllung (7), vorzugsweise aus Quarzglas, angeordnet ist, durch die das Zuführungsrohr (15) für das gasförmige Hydrid und das Ableitungsrohr (17) für den entstandenen Wasserstoff dicht hindurchgeführt sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (7) ein seitliches schräges Ansatzrohr (11) mit einer Haltevorrichtung (13) und einer Heizvorrichtung (14) aufweist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 411 155; britische Patentschriften Nr. 745 698, 778 383; schweizerische Patentschrift Nr. 214 894.