DE1212948B

DE1212948B - Verfahren zum Herstellen von reinen Siliciumstaeben

Info

Publication number: DE1212948B
Application number: DES65680A
Authority: DE
Inventors: Josef Reiser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-11-02
Filing date: 1959-11-02
Publication date: 1966-03-24
Also published as: SE304749B; US3053638A; CH478594A; NL256255A; BE596545R

Description

Verfahren zum. Herstellen von reinen Siliciumstäben In der Hauptpatentanmeldung S 61117 IVa/12i ist ein Verfahren zum Herstellen von hochreinem Silicium beschrieben, bei dem ein langgestreckter dünner, an seinen Enden durch Elektroden gehalterter, aus hochreinem Silicium bestehender Trägerkörper sehr geringer Leitfähigkeit nach einer Vorerwärmung durch einen über die Elektroden zugeführten elektrischen Strom auf hohe Temperaturen erhitzt und durch den aus einer den Träger umgebenden, vorzugsweise an ihm entlangströmenden Atmosphäre. aus einer gereinigten gasförmigen, gegebenenfalls mit reinem Wasserstoff vermischten Siliciumverbindung abgeschiedenen und an dem Träger ankristallisierenden Silicium allmählich zu einem dicken Siliciumkörper verstärkt wird, wobei der Widerstandswert des Trägers zu* Beginn des Verfahrens durch besondere, zusätzlich zur Betriebsstromquelle oder an Stelle der Betriebsstromquelle angewandte Mittel zur Erhitzung des Trägers bzw. zur Minderung .seiner Kühlung auf einen kleinen Wert herabgesetzt wird; bei dem ein allein aus der Betriebsstromquelle durch-den Träger fließender Betriebsstrom trotz der im 'Betrieb auftretenden starken Kühlung die Temperatur # des Trägers unter gleichzeitigem Absinken der Klemmenspannung am Träger weiter zu erhöhen bzw."@hochzuhalten vermag und der Träger danach allein durch den von der Betriebsstromquelle gelieferten Betriebsstrom auf. der zur Zersetzung-: der Siliciumyerbindung und zur kompakten Abscheidung des Halbleiterstoffs auf dem Träger erforderlichen Temperatur gehalten wird. Insbesondere ist bei diesem Verfahren vorgesehen; daß die Spannung der Betriebsstromquelle kleiner als- die maximale Klemmenspannung des- bei Beginn. des- Verfahrens vorliegenden Trägers im Stromspannuägsäiagramm dieses Trägers bei denn im Betrieb vorhandenen Kühlverhältnissen ist.
Im Interesse einer besseren Ausnützung der Spannungsquelle empfiehlt es sich, mehrere zur Abscheidung dienende Träger elektrisch hintereinanderzuschalten, wobei die Träger im Interesse einer besseren Ausnützung des Reaktionsgases zweckmäßig im gleichen Reaktionsgefäß angeordnet werden. In diesem Fall durchfließt also der von der Betriebsstromquelle gelieferte Strom außer dem zur Stabilisierung benötigten Vorschaltwiderstand eine Reihe hintereinandergeschalteter Siliciumkörper. Jeder dieser Trägerkörper besitzt eine Stromspannungscharakteristik derart, daß mit wachsendem Strom die Spannung am Träger zunächst ansteigt, bei einem bestimmten, von dem jeweiligen Träger abhängigen Stromwert ein Maximum aufweist, um dann mit weiter ansteigendem :Strom monoton abzufallen.
Im Falle mehrerer hintereinandergeschalteter Träger ist jedoch nicht die Stromspannungscharakte= ristik eines einzigen Trägers, sondern die resultierende Stromspannungscharakteristik der Gesamtheit aller Träger maßgebend für die Wahl des bQtriebsmäßigen Arbeitspunktes: Dieser soll in Übertragung der Lehre der Hauptpatentanmeldung auf den vorliegenden Fall in demjenigen Bereich der resultieren-: den Stromspannungscharakteristik -aller Träger liegen, bei dem ein Ansteigen .dels Betriebsstroms zu einer Abnahme des gesamten Spannungsabfalls an allen Trägern führt.

Die Einstellung dieses- betriebsmäßigen Arbeits-' Punktes bereitet jedoch im Fäll. der Herstellung von hochreinem Silicium bei der Anwendung mehrerer in bezug auf die Betriebsstromquelle hintereinandergeschalteter Träger Schwierigkeiten, sofern nicht zusätzlich zu der betriebsmäßigen Spannung der Betriebsstromquelle eine weitere Spannungsquelle. verwendet wird, welche das Einschalten des, Betriebsstroms erleichtert. Da für gewöhnlich im Interesse einer besseren Ausbeute die Länge der Träger, soweit es das Reaktionsgefäß erlaubt,- möglichst groß gewählt wird, muß eine entsprechend hohe zusätzliche Spannung zum Einschalten - des betriebsmäßigen Stroms verwendet werden, die die betriebsmäßige Spannung, also die Spannung; die während des Betriebes an der Gesamtheit -der hintereinandergeschalteten Träger - liegt, um ein . Vielfaches überschreitet

und die aus Sicherheits den.unerwünscht ist. Hin-

zu kommt noch, daß-#es cli,'vielfaeh=-eiulfiehlg- bei

dem genannten Verfahren als Betriebsstromquelle

eine sogenannte eingeprägte Stromquelle (z. B. einen

Schweißgleichrichter) zu verwenden, welche in Ver-

brauchern mit einem elektrischen Widei@tktl@'°ißner-

halb eines bestimmten Widergtandsitclcmlls.@',einen

konstanten, durch Regelung .der Strorqquelle -einstell-

baren eingeprägten"Strom erzeugt< Ueser "VYi"der-

standsbereich, der@=bei -@Verwendung'tihe@'":sEil'chen

eingeprägten Stromquelle zugelassen ist, ist im all-

gemeinen nicht ausreichend, um bei Verwendung

mehrerer Träger in allen Trägern gleichzeitig einen

konstanten. eingeprägten Strom... zuzulassen,-. sofern-

diese Träger sich in kaltem Zustand (und häufig

auch, wenn sie sich bereits in vorgewärmtem Zu-

stand befind6n);=vvälifeiid`sie"ifü_b6ttiebgrüäßigeüZu-

stand der Träger hierzu ohne weiteres:"k-:dez'Lage

ist. Im Hinblick auf die in der Hauptpatentanmeldung

gelehrte Stabilisierung des betriebsmäßigen Arbeits-

punktes ini'-falldriden"Bereich-- der-- Trägercharakte-

ristik ist aber die Verwendung einer-solchen_ einge-

prägten Stromquelle besonders zu empfehlen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ergänzung des

in der Hauptpatentannieidung=gelehrten-V-erfahrens

zur Herstellung von hochreinem Silicium, das bei

Verwendung mehrerer im Hinblick auf die Betriebs-

stromquelle liinteremändergeschalteteSiliciumträger

vorteilhaft zur Verwendung gelängt und die genann-

ten, beim Einleiten- des - Verfahrens auftretenden

Schwierigkeiten zu vermeiden gestattet.

Demgemäß behänüelt "die Errfiridurig-emVeifähren

zum Herstellen von reinen SiliCiunlitäben 'entspre-

chend der Hauptpatentanmeldung. S 6111TTVa/12i,

bei dem unter Anwendung von mindestens-zwei,-von-

einander individuell .getrennten (d. h. lediglich über

Zuleitungen miteinander in Verbindung stehenden),

in bezug auf die Betriebsstromquelle- hintereinander=

geschalteten und im gleichen Reaktionsgefäß ange=

ordneten . Trägern . iinäestens :einer -zu -Begmn.:des

Verfahrens an die Spannung: der Betriebsstzomqüelle

gelegt und mindestens einer so lange kurzgeschlossen.

wvird, .bis der Stromspannungszustand der nicht kurz-

geschlossenen Trägereinen Arheitspunkt:.im fallen-,

den;'Bereich 'der individuellen:. Stromspannüngs-

charakteristik jedes dieser Träger entspricht, und

daß dann - gegebenenfalls sukzessive - die übri-

gen Träger in den Stromkreis. der Betriebsstrom-

quelle geschaltet werden und der Stromspannungs-

zustand dieser Träger auf einen im fallenden Ast der

individuellen Stromspannungscharäkteristik dieser

Träger liegenden Arbeitspunkt=eingestellt wird-..'Auf

diese Weise wird schließlich- dei Stromspannungs-

zustand der Gesamtheit aller Träger einen im 'durch-

wegs fallenden Bereich der tesultieieriden Strom-

spannungscharakteristik aller Träger liegenden, durch

äußere Schaltmittel stabilisierten Arbeitspunkt ent-

sprechen.

Dabei empfiehlt es sich, die Spannung der- Be-

triebsstromquelle kleiner zu wählen, als sie dem

(kleinsten) *Maximum der resultierenden Stromspari-

nungscharakteristik der Gesamtheit aller Träger ent-

spricht. Gegebenenfalls kann sie sogar kleiner- ge-

wählt werden, als es den Maxima der Stromspan-

nungscharakteristiken der einzelnen Träger ent-

spricht, sofern dann der Schnittpunkt der Strom-

spannungscharakteristik der äußeren Schaltelemente

mit der resultierenden Stromspannungscharakteristik

gen geeigneten Strom".tra "@

Die Stromspannunggeharäkteristik der einzelnen

Träger besitzt den in der Hauptpatentanmeldung be-

e-clüieb6hep'VÜriarif..Mr .Wtcb`..eM-bn 'ätgöbden

,st,e.klein_eitSüstarei.V@>Iax°ti:@<tind

einen fallenden Ast bei großen Stromstärken gekenn-

feic4,net. iste BeP--Vdrwendung mehrerer Träger ist

6gegen@ für; die#Einsxellung des Arbeitspunktes die

resultierende Stromspannungscharakteristik maß-

gebend, die sich durch Addition der Charakteristiken

der einzelnen verwendeten Träger ergibt. Sie besitzt

die gleiche Gestalt wie die Charakteristiken der ein-

zelnen-Träger,.. sofe#ra_ dies_e._hins-ichtlich ihrer Ab-

messungen und stofflicln Beschaffenheit keine

großen Unterschiede zeige . Andernfalls ist das Auf-

trete:ümdhterei' 111axima_iu-dersQsu@tier_eridetrem-

späiutungskuty_e.,mögiich: In -allen#-:Fälleu-wixdfes je-

doch einen Stromwert,.geben;yön' dem' ab-.mit weiter

steigendem :Ström'.:-die ',Charakteristik .:durchwegs

monoton. .ß.fällt; -Ir@,diesen-ä$ereic)3-.ist@ _rih der

Lehre'.. de@-Erftn.dung der; _betri@bsmäßige_, Arbeits,.

pünkt . . . .

Da;-sich: die-:Strom_spä»nu_ngscharakteristiken_ der

einzelnen Träger-.und:damit euch -die. resultierende

Strömspannungscharakteristik : der-Ges_amtkeit. der

Träger sich .im_.Laufie des 'Abschcideyerfahrens; vpr-

schieberi, muß entsprechend " den -in. --.der; Haupt-

patentänmeldung --gegebenen Anweisungen _, dafür

Sorge *getragen -'werden, daß während der,. .gesamten

Betriebsdauer -oder Arbeitspunkt -,auch @im _ fallenden

Bereich dieser-Charakteristik verbleibt.-Es-gelten so-

mit sinngemäß die für die Verwendung-eines einzigen

Trägers in-. der Hauptpatentanmeldung- aufgezeigten

Gesichtspunkte und Maßnahmen. _ < . - . .

- Des -erfindungsgemäße- Verfahren. bedingt@._gegen-

über. dem- der` Hauptpgtentaumeldung einen höheren

Aufwand an -Elektroden;. Zuleitungen und Schaltern..

Diese Schalter.. werden, wie -auch das in der. Figur

dargestellte: Ausführungsbeispiel einer.--Apparatur zur.

Durchführung des --erfindungsgemäßen -Verfahrens

zeigt; zweckmäßig außerhalb -des- Reaktionsgefäßes

angeordnet. -

Hinsichtlich *der -in-das-Reaktionsgefäß führenden

Zuleitungen. bzw. im Reaktionsgefäß verlegten Ver-

bindungsleitungen zwischen -den einzelnen Trägern

ist-eine hohe Temperaturbeständigkeit zu .fordern, so

daß die Verwendung-hochtemperaturbeständigeiund

chemisch inaktiver - Metalle,. -wie Molybdän, Chrom

oder Wolfram, notwendig ist. - Als. vorteilhaft emp-

fiehlt= es--sich ferner; im Hinblick auf -die -Reinheit

des: zu gewinnenden Siliciums,-alle Leitungen; Halte-

rungen und Elektroden, soweit sie sich im Inneren

des -Reaktionsgefäßes befinden; .mit einem Überzug

aus' hochreinem Silicium, S4N4 oder. Si02 zu ver-

sehen. oder, falls es mit der Funktion dieser.-Gegen-

stände verträglich- ist, -diese vollständig aus diesen

Steffen zu -fertigen. Die Wand des -Reaktionsgefäßes

besteht vorteilhaft aus Quarz:

. Bei der in der Figur dargestellten; Anordnung be-

steht das Reaktionsgefäß aus- einer Glocke 1 aus

Quarz und einem 'Quarzboden 2. Durch den Quarz-

boden 2 sind Elektrodenpaare 3 und 4 vakuumdicht

hindurchgeführt, in denen die Träger 5- gehaltert

sind. Jeder dieser Träger besteht aus zwei Stäben,

die an den nicht von den Elektroden gehalterten

Enden mittels einer Brücke aus reinem Silicium ver-

bunden sind. Diese Siliciumbrücke besteht aus einem

quer über die Enden der beiden .Stäbe gelegten und mit diesen verschweißten Siliciumstab. Die Gaseintrittsöffnung 6 und die Gasaustrittsöffnung 7 sorgen für die Zu- und Abfuhr des Reaktionsgases.

Jeder der einzelnen Träger ist in der aus der Figur ersichtlichen Weise an die Betriebsstromquelle 8 über einen vorzugsweise regelbaren Vorschaltwiderstand 9 angeschlossen, welcher zum Zwecke der Stabilisierung in den Betriebsstromkreis eingeschaltet wird. Die Schalter 11 gestatten, die einzelnen Träger 5 bezüglich der Betriebsstromquelle kurzzuschließen und somit an die Betriebsstromquelle zu legen oder von dieser abzuschalten. Zur 17berwachung des Betriebsstroms ist ein Meßinstrument 10 vorgesehen.
Die Durchführung des Verfahrens geschieht analog der in der Hauptpatentanmeldung für die Verwendung eines Trägers gelehrten Weise. Ein Teil der Träger wird kurzgeschlossen, so daß bei den noch an Betriebsspannung liegenden Trägern sich ein Strom einstellt, der bei .weiterer Steigerung zu einer Verminderung des Spannungsabfalls an den angeschlossenen Trägern bzw. zu einer Erhöhung des Spannungsabfalls am Vorschaltwiderstand 9 führt, der zu diesem Zweck mit einem (in der Figur nicht dargestellten) zum Vorschaltwiderstand 9 parallelgeschalteten Spannungsmeßgerät mit geringem Eigenverbrauch festgestellt wird. Damit ist bei den angeschlossenen Trägern der Arbeitspunkt im fallenden Bereich der Charakteristiken dieser Träger erreicht. Anschließend werden weitere Träger in den Stromkreis eingeschaltet und der Arbeitspunkt der nunmehr an Betriebsspannung liegenden Kombination von Trägern in den fallenden Bereich der Stromspannungscharakteristik der Kombination verschoben, so lange, bis schließlich alle Träger an der Betriebsstromquelle liegen und der Arbeitspunkt in den fallenden Bereich der resultierenden Charakteristiken aller Träger gesichert ist. Dann wird das Reaktionsgas eingelassen,-..der Betriebsstrom auf den zur Erzeugung der erforderlichen Abscheidetemperatur notwendigen Wert eingestellt und der Abscheidevorgang in der in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen Weise vorgenommen.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen von Kristallstäben aus reinem Silicium, bei dem ein langgestreckter, dünner, an seinen Enden durch Elektroden gehalterter, aus hochreinem Silicium bestehender Trägerkörper geringer Leitfähigkeit nach einer Vorerwärmung durch einen über die Elektroden zugeführten elektrischen Strom auf hohe Temperatur erhitzt und durch aus einer den Träger umgebenden, vorzugsweise an ihm entlangströmenden Atmosphäre aus einer gereinigten gasförmigen, gegebenenfalls mit reinem Wasserstoff vermischten Siliciumverbindung abgeschiedenes und auf dem Träger ankristallisierendes Silicium allmählich zu einem dicken Siliciumstab verstärkt wird, wobei der Widerstandswert des Trägers zu Beginn des Verfahrens durch besondere, zusätzlich zur Betriebsstromquelle oder an Stelle der Betriebsstromquelle angewandte Mittel zur Erhitzung des Trägers bzw. zur Minderung seiner Kühlung auf einen kleinen Wert herabgesetzt wird, bei dem ein allein aus der Betriebsstromquelle stammender, durch den Träger fließender Betriebsstrom trotz der im Betrieb auftretenden starken Kühlung die Temperatur des Trägers unter gleichzeitigem Absinken der Klemmenspannung die Trägerspannung weiter zu erhöhen vermag und der Träger danach allein durch den von der Betriebsstromquelle gelieferten Betriebsstrom auf der zur Zersetzung der Siliciumverbindung und zur kompakten Abscheidung des dabei frei werdenden Siliciums auf den Träger erforderlichen Temperatur gehalten wird, nach der Hauptpatentanmeldung S 61117 IV a / 12i, gekennzeichnet durch die Anwendung von mindestens zwei voneinander individuell getrennten, in bezug auf die Betriebsstromquelle hintereinandergeschalteten und im gleichen Reaktionsgefäß angeordneten Trägern, von denen mindestens einer zu Beginn des Verfahrens an die Spannung der Betriebsstromquelle gelegt und mindestens einer so lange kurzgeschlossen wird, bis der Stromspannungszustand der nicht kurzgeschlossenen Träger einem Arbeitspunkt im fallenden Bereich der individuellen Stromspannungscharakteristik jedes dieser Träger entspricht und daß dann - gegebenenfalls sukzessive - die übrigen Träger in den Stromkreis der Betriebsstromquelle eingeschaltet werden und der Stromspannungszustand dieser Träger auf einen im fallenden Ast der individuellen Stromspannungscharakteristik dieser Träger liegenden Arbeitspunkt eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die betriebsmäßige Spannung der Betriebsstromquelle kleiner als das Maximum der resultierenden Stromspannungscharakteristik gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurzschließen der einzelnen Träger oder Gruppen von Trägern durch außerhalb des Reaktionsgefäßes angeordnete Schaltmittel vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Paar stabförmiger Siliciumträger senkrecht zu einem Teil der Wandung des Reaktionsgefäßes angeordnet und mittels der durch diesen Wandteil geführten Elektroden an dem diesen zugewandten Ende sowie durch mit den freien Enden jedes Trägerpaares verbundene stabförmige Brücken aus reinem Silicium in seiner Lage festgehalten wird.