DE1159903B - Vorrichtung zum Schmelzen von reinstem Silizium und anderen reinen Halbleiterstoffen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Schmelzen von reinstem Silizium und anderen reinen Halbleiterstoffen Beim Schmelzen von reinstem Silizium, insbesondere für die Herstellung von Halbleiterkristallen, ist die extreme Reinhaltung des Schmelzgutes Grundbedingung. Bei der Verwendung von Schmelztiegeln ist die Gefahr gegeben, daß Verunreinigungen aus dem Tiegelmaterial in das Schmelzgut gelangen. Aus diesem Grunde wendet man vorzugsweise sogenannte »ti,egellose Verfahren« an, die dieser Gefahr aus dem Wege gehen. Diese Verfahren erfordern jedoch einen ziemlichen technischen Aufwand, so daß man immer bestrebt wir, Schmelztiegel zu konstruieren, welche die Gefahr der Verunreinigungen aus dem Tiegelmaterial ausschließen. So hat man z. B. Tiegel zum Schmelzen ultrareinen Siliziums verwendet, welche aus Si0", Be0, Mg0, Al.0. oder ähnlichen hochschmelzenden, gegen das Sifizium an sich indifferenten Stoffen, wie Carbide des Titans, des Zirkons usw., bestehen oder deren Innenseite mit einem derartig--n Stoff überzogen wurde. Jedoch konnten bisher keine völlig befriedigenden Ergebnisse erzielt werden, da jene Stoffe stets, wenn auch nur zu geringen Verunreinigungen des Schmelzgutes Anlaß gaben.
• Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist bereits bekanntgeworden, pulverförmiges Halbleitermaterial in einem stark gekühlten Schmelztiegel in folgender Weise zu schmelzen: Zunächst wird das im Zentrum des Schmelztiegels befindliche Halbleitennaterial durch eine auf das im Zentrum des Schmelztiegels befindliche, von den Wänden desselben abliegende Schmelzgut konzentrierte Wärmestrahlung so weit vorgewärmt, daß ein auf das Schmelzgut einwirkendes Hochfrequenzfeld das vorgewännte Material im Zentrum des Schmelztiegels aufschmilzt. Dadurch werden benachbarte Schichten vorgewärmt und können ihrerseits durch das Hochfrequenzfeld zum Schmelzen gebracht werden. Auf diese Weise werden sukzessive neue Schichten des im Tiegel befindlichen Schmelzgutes vorgewärmt und zum Schmelzen gebracht. Der Vorgang kommt an den in der Nähe der Schmelztiegelwand gelegenen Schichten zum Abschluß, da dieses Material infolge der starken Kühlung des Tiegels nicht auf die für das Ansprechen auf das Hochfrequenzfeld erforderliche Temperatur kommen kann. Das an der Tiegelwand liegende pulverige Material bleibt also fest und wird durch in dessen Zwischenräume eindringendes aus dem weiter im Innern des Tiegels liegenden Schichten stammendes flüssiges Material zu einer aus dem Schmelzgat bestehenden, die Tiegelinnenwand auskleidenden Schicht verfestigt, welche eine Berührung des flüssigen Schmelzgutes mit der Tiegelwand verhindert. Auf diese Weise wird der übertritt von Verunreinigungen aus dem Material des Tiegels in das flüssige Schmelzgut verhindert.
• Bei diesem bekannten Verfahren bereitet jedoch die Auswahl des Materials für den Schmelztiegel Schwierigkeiten. Er muß nämlich aus einem den elektrischen Strom isolierenden oder verhältnismäßig schwach leitenden Stoff bestehen, da er sonst das Schmelzgut gegen das Hochfrequenzfeld abschirmt. Diese Stoffe weisen jedoch insbesondere beim Schmelzen von Silizium erhebliche Nachteile auf. Ein Kohletiegel läßt sich zwar relativ gut kühlen, fährt aber während der Bildung der an der Wand des Tiegels anliegenden Siliziumschicht unweigerlich zur Bildung von Siliziumkarbid, das wegen seiner gegenüber dem SiliziumwesentlichverschiedenenKristalleigenschaften zum Abblättern der Siliziumschicht beim Erhitzen des Schmelzgutes und damit zur Gefahr der Verunreinigung durch in die Schmelze gelangendes Siliziumkarbid führt. Bei einem Tiegel aus Quarz führt der im Vergleich zu dem des Siliziums sehr verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizient häufig beim Ab- kühlen der Schmelze zu einer Zerstörung des Tiegels oder der SilWurnschicht.
• Diese Gefahr könnte- durch die Verwendung eines Tiegels aus einem gut wärmeleitenden Metall vermieden werden. Dieser führt jedoch, wenn er in üb- licher Weise eingesetzt wird, zu einer starken Ab- schinnung des Hochfrequenzfeldes und zu einem schlechten Wirkungsgrad der Hochfrequenzheizung.
• Ferner war ein elektrischer Induktionsofen zum Schmelzen von Magnesium und seinen Legierungen mit untereinander verbundenen Einschmelz- und Abstehtiegeln bekannt, in denen das Schmelzgut nacheinander behandelt wird und von denen der Einschmelztiegel eine Wanddicke besitzt, die das Eindringen des elektromagnetischen Kraftfeldes in das Schmelzgut und damit ein Durchmischen desselben zuläßt, während die Wanddicke des Abstehtieg.-ls das Schmelzgut in Ruhe abstehen läßt, wobei die Tiegel aus zwei ineinandersitzenden Mänteln bestehen, von denen der innere aus dünnem Stahlblech, der äußere aus nicht so hochwertigem Stoff, z. B. aus Stahlguß, Gußeisen, plattiertem Stoff oder aus einem elektrisch leitenden nichtmetallenen Stoff, wie Graphit, Karborund, besteht. Dabei können zwischen dem äußeren und dem inneren Mantel Mittel für das Hindurchleiteen eines Kühlgasstromes vorgesehen sein.
• In dem bekannten Tiegel, der aus einem geschlossenen metallischen Gebilde besteht, werden durch die Einwirkung des Feldes einer den Tiegel umgebenden Induktionsspule Ströme induziert, dieeine Beheizung des Schmelzgutes bewirken. Dabei ist jedoch der bekannte Skineffekt zu berücksichtigen, der das gleichmäßige Eindringen des Feldes in den Schmelztiegel und damit eine gleichmäßige Ausbildung der Induktionsheizung verhindert, da infolge dieses Effektes Strom und elektromagnetisches Feld mit wachsender Entfernung von der Außenfläche des Schmelztiegels stark abklingen. Zwar soll der bekannte Tiegel so dünn bemessen sein, daß das elektromagaetische Feld noch merklich in das Schmelzgut eindringen kann. Die Erscheinung des Skineffektes bewirkt jedoch in jedem Falle, daß die größte Stromdichte und damit die stärkste Entwicklung von Wärme an der Außenwand des Tiegels herrscht, während sich im Schmelzgut nur ein entsprechend abgeschwächtes Feld bemerkbar macht.
• Diese Nachteile werden mit einer Vorrichtung zum Schmelzen von reinstem Silizium und anderen reinen Halbleiterstoffen durch Induktionswirkung eines durch eine Induktionsspule erzeugten elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes in einem Schmelztiegel, der so stark gekühlt ist, daß eine an der Innenseite des Tiegels angebrachte, aus dem betreffenden Halbleiter bestehende Schicht während des Schmelzprozesses fest bleibt -und nicht mit dem Material des Tiegelkörpers reagieren kann, überwunden, wenn gemäß der Erfindung ein aus Metall, z. B. Kupfer, bestehendes Rohr zu einer tiegelförmigen Spule aufgewunden und gegebenenfalls zwischen den einzelnen Windungen durch Isolierstoff, z. B. Silizium, abgedichtet ist, so daß der so gebildete Tiegel von dem in ihm eingebrachten halbleitenden Schmelzgut durch einen überzug aus dem betreffenden reinstem Halbleiter getrennt ist, und daß die rohrförmigen Windungen des Tiegelkörpers sowohl den zum Schmelzen erforderlichen, von einer angeschlossenen Hochfrequenzquelle gelieferten Hochfrequenzstrom führen, als auch das die erforderliche Kühlung bewirkende Kühlmittel enthalten.
• Ist der Tiegel als Induktionsspule entsrpechend der Lehre der Erfindung ausgebildet und an eine Hochfrequenzquelle angeschlossen, so wird der Strom bekanntlich durch den Skineffekt an die Innenseite der Spule gedrängt. gie elektromagnetische Energie konzentriert sich hauptsächlich in ebenfalls an sich bekannter Weise auf den Innenraum des Tiegels und damit Lch auf das Schmelzgut, während das Feld im Außenraum bedeutend schwächer ist. Bei dem bekannten Tiegel, der in üblicher Weise durch ein von außen einwirkendes Hochfrequenzfeld beheizt wird, ist hing-,gen die maximale Feldenergie an der Außenwand des Tiegels gegeben, während zu dem Schmelzgut nur ein abgeschwächtes Feld vordringt. Dieser Unterschied der beanspruchten Vorrichtung gegenüber der bekannten macht es verständlich, daß bei der beanspruchten Vorrichtung bei gleicher Leistungszufuhr durch die Hochfrequenzquelle ein erheblich besserer Wirkungsgrad der Beheizung geliefert wird. Dieser Punkt ist insbesondere auch deshalb wichtig, weil sich zwischen der Innenwand des Tiegels und dem Schmelzgut noch eine Schicht aus nicht aufgeschmolzenem. Halbleitermaterial befindet, in welchem zusätzlich elektromagnetische Energie ungenutzt vernichtet wird.
• Der Betrieb der beanspruchten Vorrichtung gestaltet sich sehr einfach. Das halbleitende Schmelzgut wird zunächst in bekannter Weise, z. B, durch eine ,elektrische Gasentladung oder durch einen Wärmestrahler oder durch einen Elektronenstrahl, vorgewärmt, damit in demselben eine ausreichende Anfangsleitfähigkeit entsteht. Anschließend wird es im Hochfrequenzfeld des Schmelztiegels bis zum Eintritt des Schmelzens erhitzt. Es kann dabei im Vakuum, gegebenenfalls auch unter Argon, Wasserstoff oder Helium, gearbeitet werden. Wichtig ist dabei, daß der Metalltiegel und die Siliziumschicht an der Innenseite desselben so gekühlt bleiben, daß die Siliziumschicht nicht durch das Schmelzgut geschmolzen wird oder mit dem Metall des Tiegelkörpers legieren kann. Es ist deshalb zweckmäßig, die Temperatur des Tiegels während des Betriebes zu überwachen. Dies kann z. B. mit einer Thermosonde erfolgen. Da Silizium einen weit höheren Schmelzpunkt als Kupfer besitzt, ist darauf zu achten, daß die, Temperatur des metallischen Tiegels den Schmelzpunkt des Kupfers nicht erreicht.
• In der Zeichnung ist die Vorrichtung näher erläutert. Der Tiegel besteht aus einer tiegelartig gewickelten Induktionsspule 21, die gegebenenfalls durch ein zwischen den einzelnen Windungen angebrachtes, vorzugsweise aus Silizium bestehendes Isoliermaterial 22 abgedichtet ist. Der so entstandene Tiegel wird an der Innenseite, - mindestens soweit er mit dem Schmelzgut in Berührung kommt - mit einer Schicht 23 aus reinstem Silizium überzogen. Zweckmäßigerweise wird die Induktionsspule aus einem Kupferrohr gewickelt, das im Betrieb vom Kühlmittel durchflossen wird. Dieser Tiegel wird mit reinstem Silizium als Schmelzgut beschickt und die Spule des Tiegelkörpers an eine Hochfrequenzquelle genügend hoher Energie angeschlossen. Die Dimension des Spulenkörpers und des Kupferrohres und die Dicke der Siliziumschicht 23 werden mit der Temperatur des Kühlmittels im Innern des Kupferrohres derart abgestimmt, daß durch die Kühlung auch das in flüssigem Zustand befindliche Schmelzgut nicht die Siliziumschicht 23 oder gar das Kupferrohr anschmilzt.
• Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß in dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Isoherstoff 22 die Windungen des Spulenkörpers vollkommen und lückenlos abschließt. Gegebenenfalls kann bei genügend dichter Lage der Windungen auf das Anbringen des Isolierstoffes 21 ganz verzichtet werden. Die Oberflächenspannung der Schmelze verhindert dann im Verein mit den auf das Schmelzgut vom Feld ausgeübten ponderomotorischen Kräften das Ausfließen des flüssigen Schmelzgutes. Will man jedoch die Windungen des Spulenkörpers mit Silizium abdichten, so genügt es, den Spulenkörper kurz in geschmolzenes Silizium zu tauchen. Der so erhaltene Tiegelkörper muß nach dem Erkalten an der Innenseite noch mit einem überzug 23 aus reinstem Silizium versehen werden.
• Um die Innenfläche der als Tiegel vorgesehenen Induktionsspule mit einem überzug aus reinstem Silizium zu versehen, wird ein Tiegel der beschriebenen Art in eine Atmosphäre aus reinem Wasserstoff und reinem Siliziumhalogenid, wie SiHCI" SiC14, gebracht und so weit (etwa auf 900' Q erwärmt, daß sich reinstes Silizium aus der Gasphase auf dem Tiegelkörper, insbesondere an dessen Innenfläche, abscheidet. Dabei ist es besonders zweckmäßig, die Erwärmung des Tiegelkörpers durch Einwirkung hochfrequenter elektromagnetischer Wechselfelder vorzunehmen. DieGasatmosphäre wirddabeivornehnflich unter Nonnaldruck (1 at) gehalten. Um den gebildeten Halogenwasserstoff aus der Reaktionszone zu entfernen, läßt man das Gasgernisch an dem heißen Tiegelkörper vorbeiströmen. Gegebenenfalls kann die Siliziumabscheidung auch durch eine elektrische Entladung vorgenommen oder unterstützt werden. In diesem Falle wird man den Druck der Gasatmosphäre einstellen.
• Dieselben Verfahren lassen sich auch anwenden, wenn der herzustellende Tiegel zum Schmelzen anderer Halbleitersubstanzen, z. B. von Germanium, Bor oder Selen, bestimmt ist. Auch hier gibt es gasförnilge bzw. leichtflüchtige, Verbindungen, welche sich unter Einwirkung von Wärme oder einer elektrischen Entladung, gegebenenfalls bei Anwesenheit eines Reduktionsmittels, wie Wasserstoff, -unter Abspaltung des reinen Elementes zersetzen und die dann in entsprechender Weise wie die Siliziumhalogenide zur Erzeugung des überzuges auf dem Tiegelkörper zu behandeln sind.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zum Schmelzen von reinstem Silizium und anderen reinen Halbleiterstoffen durch Induktionswirkung eines durch eine Induktionsspule erzeugten elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes in einem Schmelztiegel, der so stark gekühlt ist, daß eine an der Innenseite des Tiegelkörpers angebrachte, aus dem betreffenden Halbleiter bestehende Schicht während des Schmelzprozesses fest bleibt und nicht mit dem Material des Tiegelkörpers reagieren kann. dadurch gekennzeichnet, daß ein aus Metall, z. B. Kupfer, bestehendes Rohr zu einer tiegelförmigen Spule aufgewunden und gegebenenfalls zwischen den einzelnen Windungen durch Isolierstoff, z. B. Silizium, abgedichtet ist, so daß der so gebildete Tiegel von dem in ihm eingebrachten halbleitenden Schmelzgut durch einen überzug aus dem betreffenden reinsten Halbleiter getrennt ist, und daß die rohrförinigen Windungen des Tiegelkörpers im Betrieb sowohl den zum Schmelzen erforderlichen, von einer angeschlossenen Hochfrequenzquelle gelieferten Hochfrequenzstrom führen, als auch das die erforderliche Kühlung bewirkende Kühlmittel enthalten.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper durch Eintauchen in geschmolzenes Silizium abgedichtet ist. 3. Vorrichtung nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Schmelzgut gegen Be#rührung mit dem Tiegelkörper schützende überzug durch Abscheidung des betreffenden Halbleiters aus einem aus Wasserstoff und einem Halogenid des betreffenden Halbleiters bestehenden Gas auf der Oberfläche des erhitzten Tiegelkörpers hergestellt ist.
3. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 903 266; deutsche Patentanmeldungen T6541V1I1c/21g (bekanntgemacht am 28.1.1954), S34776V1/48b (bekanntgemacht am 18. 11. 1954); belgische Patentschrift Nr. 528 916.