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Vorrichtung zum Konstanthalten der Temperatur eines bei einer pyrolitischen
Zersetzung einer Halbleiterverbindung benutzten Trägers Bei der thermischen Zersetzung
einer Halbleiterverbindung und Abscheidung des reinsten Halbleitermaterials auf
der Oberfläche eines stabförmigen Trägers ist es bekannt, den Halbleiterstab in
seinem wachsenden Durchmesser zu überwachen, indem von dem glühenden Halbleiterstab
durch ein optisches System ein Bild erzeugt wird, dessen Durchmesser bzw. Flächenausdehnung
an der Bildebene einer Kamera sich somit mit dem Durchmesser des sich während des
Aufwachsens des Halbleitermaterials verdickenden Stabes ändert. Dieses Bild wird
mittels einer beweglichen bzw. in ihrer Lage zum ergeugten Bild einstellbaren Photozelle
abgetastet. Der in der Bildebene an der Grenze des vom Halbleiterstab ausgehenden
Lichtstrahlenbündels auftretende Kontrast »hell-dunkel« wird dann zur Steuerung
einer Einrichtung verwendet, durch welche die Photozelle aus dem Strahlenbündel
wieder bis an dessen Grenze herausbewegt wird. Gleichzeitig wird bei dieser Verstellung
der Strom im Heizkreis des Niederschlagskörpers in einem solchen Maße erhöht, daß
die Temperatur des Halbleiterstabes auf einem gewünschten, insbesondere konstanten
Wert gehalten wird.
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Diese bekannte Anordnung bringt also nur eine rein durchmesserabhängige
Nachsteuerung der am Stab aufgewendeten elektrischen Heizleistung.
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Bei dieser Gewinnung reinen Halbleitermaterials wird das Halbleitermaterial
im allgemeinen an Stäben von zunächst geringem Querschnitt niedergeschlagen, so
daß diese Stäbe im Verlauf des Niederschlagsprozesses in ihrem Durchmesser bzw.
Querschnitt wachsen. Wächst aber der Durchmesser des Niederschlagsstabes, so wird
auch seine Oberfläche größer, und es wächst auch die Masse, die zu beheizen ist.
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Diese Niederschlagskörper werden in solchen Anlagen unmittelbar von
einem elektrischen Strom durchflossen, durch welchen sie zufolge der in ihnen als
elektrische Widerstandsleiter erzeugten Jouleschen Wärme aufgeheizt werden. Bei
vorgegebenem Strom würde somit 1. wegen der wachsenden wärmeabgebenden Oberfläche
des Stabes, 2. wegen der größeren, an dem Stab zu erwärmenden Masse und 3. wegen
des mit wachsendem Querschnitt verbundenen Absinkens des elektrischen Widerstandes
des Niederschlagskörpers die Glühtemperatur des Stabes absinken.
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Dies ist aber unerwünscht, denn für ein einwandfreies Niederschlagsverfahren
mit gleichbleibender kristalliner Struktur und mit gutem Wirkungsgrad muß der Stab
auf einer vorbestimmten Glühtemperatur gehalten werden.
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Wird das nicht berücksichtigt, so können sich erfahrungsgemäß mit
dem Niederschlagen von Halbleitermaterial an dem Niederschlagskörper außerdem in
diesem Gaseinschlüsse ergeben.
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Ferner kann ein Beschlagen der Wand des den Niederschlagsraum umschließenden
Behälters, z. B. einer Glocke, stattfinden.
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Schließlich ist zu berücksichtigen, daß die Halbleitermaterialien,
insbesondere z. B. Silicium oder Germanium, einen thermonegativen Widerstand besitzen,
weshalb auch dieser Tatsache in dem Stromkreis, welcher den jeweiligen Niederschlagskörper
als Widerstandsleiter enthält, Beachtung zu schenken ist.
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Diese Nachteile werden bei einer Vorrichtung zum Konstanthalten der
Temperatur eines Trägers, auf dessen Oberfläche reinstes Halbleitermaterial durch
thermische Zersetzung einer chemischen das Halbleitermaterial enthaltenden Verbindung
abgeschieden wird, wobei der Träger, der vorzugsweise bereits aus reinstem Material,
wie dem abzuscheidenden Material besteht, durch direkten elektrischen Stromdurchgang
beheizt und in Abhängigkeit von der Temperatur des Trägers der elektrische Strom
zur Beheizung des Trägers geregelt wird, vermieden und die genannten Tatsachen berücksichtigt,
wenn erfindungsgemäß ein Pyrometer die Temperatur des Trägers als Istwert erfaßt
und ein Regelkreis so geschaltet ist, daß die Regelung des Stromes durch einen aus
dem Vergleich des Istwertes mit einem Sollwert erhaltenen Wert erfolgt.
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Vorzugsweise kann als gesteuertes Glied für die Einstellung der elektrischen
Speisung des Niederschlagskörpers
ein Magnetverstärker bzw. Transduktor
benutzt werden, und als Spannungsquelle für die Belieferung der Stromversorgungseinrichtung
wird vorzugsweise eine mehrphasige Spannungsquelle benutzt, welche zur Erzielung
einer Speisung des Niederschlagskörpers über zwei . Zuleitungen vorzugsweise den
Halbleiterkörper über eine Gleichrichterschaltung speist. Die Benutzung einer mehrphasigen
Spannungsquelle für die Stromversorgungsanlage ergibt den Vorzug, daß kleinere Bauelemente
für die Steuerung der elektrischen Speisung und ferner eine gleichmäßigere Belastung
des speisenden Netzes, nämlich des Mehrphasennetzes, erreicht wird.
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Durch die Anwendung einer erfindungsgemäßen Regelung ist in Rechnung
gestellt, daß bei der Speisung des Niederschlagskörpers mit einem bestimmten Strom,
der somit eine vorbestimmte erwartete Joulesche Wärme entwickelt und damit eine
entsprechende Glühtemperatur an dem Niederschlagskörper entstehen läßt, verschiedene
Störeinflüsse auftreten können. Das sind z. B. Spannungsschwankungen des speisenden
Netzes, Veränderungen der Widerstandswerte von Teilen, die an der Bildung des Stromversorgungskreises
des Niederschlagskörpers beteiligt sind, und an übergängen zwischen den Schaltungselementen
in den Teilen des Leitungssystems und an den Anschlußklemmen bzw. der Halteeinrichtung
des Niederschlagskörpers in dem Reaktionsraum, wo der Niederschlag des reinsten
Halbleitermaterials stattfindet, sowie die Größe und Geschwindigkeit des dem Reaktionsgefäß
zugeführten Gasstromes und seine anteilige Zusammensetzung.
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In einer erfindungsgemäßen Anordnung ist daher eine Einrichtung vorgesehen,
welche in der Stromversorgung einen eingestellten Strom auf diesem Wert jeweils
unabhängig von den angeführten Störeinflüssen konstant hält. Diese Funktion erfüllt
vorzugsweise ein Regler, der einerseits mit einem Sollwertstrom und andererseits
mit dem Istwert des Stromes beliefert wird, der über den Niederschlagskörper fließt.
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In der gesamten Anordnung bedeutet das aber, daß der Sollwertstrorn
eigentlich jeweils derjenige ist, auf welchen eingestellt werden muß, damit der
Niederschlagskörper mit einem Strom solcher Größe gespeist wird, daß die an dem
Stab für Alen exakten Ablauf der thermischen Dissoziation benötigte Temperatur erzeugt
wird. Bei Benutzung einer Temperaturregeleinrichtung in Verbindung mit einer solchen
Regelung auf konstanten eingestellten Strom im Rahmen der Erfindung wirkt dann sinngemäß
der Regler, welcher die Regelabweichung der Temperatur erfaßt, nicht mehr unmittelbar
auf das Steuerglied der Stromversorgung zur Speisung des elektrischen Niederschlagskörpers,
sondern vielmehr auf die Anordnung, welche den Sollwertstrom in der Regeleinrichtung
auf konstanten Strom liefert. Diese Sollwertstromeinrichtung wird daher abhängig
von der Regelabweichung im Temperaturwert jeweils entsprechend selbsttätig nachgeregelt.
Eine solche Lösung kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die Temperaturregelabweichung
benutzt wird, um den Lauf eines Verstellmotors zu steuern, der seinerseits gegebenenfalls
über eine zwischengeschaltete Rutschkupplung den Abgriff- zu einem Potentiometer
verstellt, welches von einer geeigneten Spannungsquelle gespeist wird. Die Rutschkupplung
wird dabei zweckmäßig vorgesehen, damit z. B. bei Ausfall der Temperaturregeleinrichtung
der Sollwertstrom und damit die Beheizung des Stabes auch von Hand eingestellt werden
kann.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles
wird nunmehr auf die Figur der Zeichnung Bezug genommen.
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In dieser bezeichnet 1 den Niederschlagskörper, z. B. aus reinstem
Silicium, auf welchem in dem Reaktionsraum für den Niederschlag reinsten Siliciums
aus einem Dampfstrom, welcher dem Raum z. B. in Form von Wasserstoff und Silicochloroform
bei einem bestimmten gewählten Molverhältnis derselben zugeführt wird, durch thermische
Dissoziation das reine Silicium niedergeschlagen wird. Dieser Halbleiterkörper 1
wird von einem Stromversorgungsgerät 2 gespeist, welches an seinem Ausgang eine
Gleichspannung liefert. Die Speisung dieses Stromversorgungsgerätes 2 von dem dreiphasigen
Wechselstromnetz RST erfolgt über einen Transduktor 3, vorzugsweise in sogenannter
Selbstsättigungs-Schaltung. Über die Optik 4 wird von einem Pyrometer 5 der Istwert
der Temperatur des glühenden Niederschlagskörpers 1 erfaßt. Der Ausgangswert der
Pyrometereinrichtung wird dem Temperaturregler 6 zugeführt. Dieser wird außerdem
von einer Einrichtung 7 mit einem Sollwert der Temperatur beliefert. Am Ausgang
des Reglers 6 ergibt sich somit eine gegebenenfalls verstärkte Regelabweichung,
welche- jetzt benutzt werden kann, um über die angedeutete Wirkungslinie 8 den Transduktor
3 in seiner Vormagnetisierung zu steuern, so daß auf diese Weise in dem bisher geschilderten
Kreis eine Regelung des Halbleiterstabes 1 auf einen bestimmten Glühtemperaturwert
stattfindet.
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Die gezeigte Anordnung enthält nun als weitere dargestellte Glieder
für eine Weiterbildung der Erfindung, nach welcher gleichzeitig ein eingestellter
Strom für die Speisung von 1 auf einem konstanten Wert gehalten wird, einem Regler
9. Dieser wird einerseits mit dem Istwertstrom über einen Stromwandler 10 beliefert,
der den Strom erfaßt, der über den Niederschlagskörper 1 fließt. Ferner wird der
Regler 9 von der Einrichtung 11 mit einem Sollwertstrom beliefert. Von dem am Ausgang
von 9 sich ergebenden Regelabweichungswert wird dann, wobei nunmehr die Wirkungslinie
8 wegzudenken ist, der Transduktor 3 gespeist, der die elektrische Speisung des
Niederschlagskörpers 1 steuert. Bei dieser Anordnung ohne die Wirkungslinie 8 wird
der Ausgangswert des Reglers 6 benutzt, um einen Verstellmotor 12 einer Nachlaufsteuerung
in seinem Rechts-oder Linkslauf oder auf Stillstand zu steuern. Dieser Verstellmotor
betätigt über eine Rutschkupplung 13 das Stellglied in der Sollwertstromeinrichtung_11,
welches z. B. der Abgriff an einem von einer Spannungsquelle gespeisten Potentiometer
sein kann. Mit 14 ist eine Einrichtung bezeichnet, durch deren Betätigung die Sollwertstromrichtung
11 auch von Hand auf einen bestimmten Wert eingestellt werden kann, wenn das entweder
unabhängig von der Temperaturregeleinrichtung erfolgen soll, oder dann, wenn diese
gegebenenfalls ausgefallen ist.