DE1519892A1

DE1519892A1 - Verfahren zum Herstellen von hochreinen kristallinen,insbesondere einkristallinen Materialien

Info

Publication number: DE1519892A1
Application number: DE19661519892
Authority: DE
Inventors: Sirtl Dipl-Chem Dr Erhard
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-06-02
Filing date: 1966-06-02
Publication date: 1969-02-20
Also published as: SE326431B; NL6707560A; GB1128556A; US3489621A; CH487262A; AT270749B

Description

Sickens f: ilr.loho München 2, - 2. JUNI1966

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Verfahren zum Herstellen von hochreinen·kristallinen, . insbesondere cinkrintallinen Materialien,

Dio Erfindung bezieht sich auf ein Vorfahren zum Herstellen von hochreinen Kristallinen, insbesondere exnkristallinen» Materialien, vorzugsweise Halbleitermaterialien, mittels einer chemischen Transportreaktion, box dem in einem Hoak-· tionsgefäß in- fester Form vorliegendes Material unter Einwirken eines Reaktionsgases in eine gasförmige Verbindung übergeführt und an einer anderen Stolle des Heaktionsgefäflos unter Zersetzung dieser Verbindung in kristalliner, vorzußsv/eiso eijikristalliuor, Form niedergeschlagen wird,

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Box don bekannten Verfahren zur" Herstellung hochreiner Materialien mittels einer chemischen Transportroaktionugcht man allgemein so vor, daß in fester Form vorliegendes Material bei erhöhter Temperatur der Einwirkung eines Rcaktionsgascs ausgesetzt und dadurch in die Gasphase übergeführt wird. Die entstehende gasformige Verbindung wandert im Tempcraturgcfalle je nach Art des Gleichgewichtes zu einer Stelle höherer oder niederer Temperatur und wird dort unter Abscheidung des reinen, zuvor in die Gasphase übergeführten Materials zersetzt, so daß sich entweder an einer Gefäßwandung oder an oinem dafür vorgesehenen Substrat ein Niederschlag ausbildet. Dieses Verfahren, eignet sich sowohl zur Reinigung von Ausgangsmatorialien niederen Reinheitsgrades, da die verschiedenen Materialien verschiedene Transporteigenschafton aufweisen, so daß sie unterschiedlich transportiert werdon° Andererseits kann dieses Verfahren auch zur Herstellung von Einkristallen mit Erfolg angc- W wendet worden, da bei Verwendung eines einkristallinen Substrats und bei entsprechender Wahl der Niedorschlagstemperatur ein cinkristallinos Woitcrwachsen auf der Substratoborflache ι möglich ist β

Man hat bei den bisher bekannton Verfahren den Transportvorgang in verschiedener Weise angewandt, beispielsweise dorart, daß or in einem rohrförmigen Gefäß entsprechend gexiählter Aus~ dehnung über eine längere Strecke hin durchgeführt wurde odor abor, daß der Transport zwischen zwoi in geringem Abstand

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angeordneten Oberflächen in dem zwischen diesen Oberflächen -bestehenden Tcmperaturgcfällo vorgenommen wurde

Wie der Erfindung zugrundeliegende Untersuchungen gezeigt haben, kann auf Grund der Tatsache, daß viele Transportvorgänge druckabhängig sind, eine Transportreaktion auch in der Weise durchgeführt werden, daß zwei in einigem Abstand angeordnete, als Quelle und Substrat dionondo Bodcnkürpcr I und II " gleichmäßig erhitzt und auf praktisch gleicher Temperatur gc~ halten werden, daß zwischen'den beiden Bodenkörpern ein dynamisches Druckgefälle eingestellt und so ein Matcrialtransport zwischen den Bodenkörpern I und II veranlasst wird und die; Einstellung des kritischen Drucks, bei dom ein übergang von der Abtragung zur Abscheidung des Bodenkörpers I stattfindet, im Zwischenraum zwischen den Bodenkörpern I und II vorgenommen wird.

Diesen Verfahren hat gegenüber den bekannton Vorfahren den Vorteil, relativ großer Ausbeuten, da durch Einstellung der Ströraungsvcrhältnisso hohe Abscheidungsgcschwindigkciten erreicht werden und außerdem durch geeignete Gasführung eine bevorzugte Abscheidung auf dem Trägerkörper erreicht werden kann ο Damit werden die den bekannton Verfahren anhaftenden Nachteile, die sich vor allem durch eine niedrigere Abschcidungsgoschwindigkoit bei geringer Traiisportloistuug störend bemerkbar machen, vermieden.

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Vortcilhafterwoisc wird boi dem Vorfahren nach der Erfindung al3 Quelle pulverförmiges Material verwendet. Als Substrat kann entweder ein einkristallinor Körper aus demselben Material, aus dem die Quelle besteht, zur Anwendung kommen, was besonders für die Herstellung einkristalliner Körper zu bevorzugen ist, wobei jedoch die Dotierung von Quelle und Substrat verschieden sein kann«

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, für Quelle und Substrat unterschiedliche Materialien zu verwenden. So kann beispielsweise für die Quelle Halbleitermaterial verwendet werden, wahrend als Substrat eine Unterlage aus inertem Material, boi-

spiolswcisc aus Quarz oder Keramik, zur Anwendung kommt ο Außerdem kann das Substrat eine Metalluntorlagc sein.

Als Ucaktionsgas kommen in erster Linie Halogen oder Halogenid enthaltende Gasgemische zur Anwendung«, Als Trägergas eignen sich Wasserstoff, Stickstoff oder Argon»

Um einen ausreichenden Matcrialtransport zvrischen den Bodenkörpern I und II, die als Quelle und Substrat vorgesehen sind, zu erreichen, muß ein Druckgefüllc von mindestens etwa 20 Torr eingestellt worden«, Die Erzeugung des Druckgofüllos kann beispiolswoisc bei einem rohrförmigen Roaktionsßcfüß durch eine starke ürtlicho Variation des Rohrdurchmessors oder durch den Einbau voii Strümungswidorständen orfolgen. Zur Verstärkung des

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Druckgefälles können außerdem Prallkörper im Reaktionsgefäß untergebracht v/erden.

Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aua dem an Hand der Figur "beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor.

In der Figur ist ein für die Durchführung des Verfahrens nach der Lehre der Erfindung geeignetes rohrförmiges Reaktionsgefäß 1 im Ausschnitt dargestellt. Das Reaktionsgefäß 1, das durch die düsenartige Verengung 2 in die Kammern 3 und 4 unterteilt ist, wird von Reaktionsgas in Pfeilrichtung durchströmt. Durch die düsenartige Verengung 2, an dcrjn Stelle auch ein Strömungswiderstand oder dergleichen treten kann, wird innerhalb des rohrförmigen Gefäßes 1 ein Druckgefälle erzeugt. Bei der in der Figur gezeigten Anordnung entsteht dabei in der Kammer ein Gasstau, während in der Kammer 4 ein Unterdruck eingestellt wird, d.h» der Druck p. in der Kammer 3 ist größer als der Druck Pg in der Kammer 4. In der Kammer 3 wird nun der als Quelle dienende Bodenkörper I untergebracht. Den Bodenkörper I bildet im vorliegenden Fall pulverförmiges oder granuliertes Ausgangsmaterial 5, da3 in einem Schiffchen 6 aus inertem Material untergebracht ist. In der Kammer 4 befindet sich der als Substrat vorgesehene Bodenkorper II, z.B. ein Trägerkristall 8. Dieser Trägerkristall wird zweckmäßigerweise mittels einer Halterung 9 senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases gelagert. Der Abstand 10 zwischen der düsenartigen Verengung 2 und dem Trügerkristall 8 muß dabei so gewählt sein, daß eine ausrei-

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- 6 chcndc Entspannung dos box 2 eintretenden Gases erreicht ist ο

Betrachtet man beispielsweise das System Si-J, 30 muß bei einer Reaktionstemperatur von 1150 - 1250° C, beispielsweise von 1200° C, ein Druckgefallo von p. = 100 Torr zu p„ « 20 Torr eingestellt werden. Zur Durchführung der Reaktion befindet sich der in der Figur dargestellte Teil des Reaktionsgofäßes 1 in einem Rohrofen 11, der so ausgebildet ist, daß die beiden Bodenkürper I und II gleichmäßig auf gleiche Temperatur crhitit werden» In der Kammer 3 erfolgt nun. eino Umsetzung des Siliciums mit dem vorboiströmenden Jod, welches zweckmäßigerweise mit Wasserstoff als Trägergas in das Reaktionsgefäß cii;~ geleitet wird, zu Siliciumjodid. Dieses gelangt mit dem Gasstrom durch die Düse 'd in die Kammer, 4. Durch die Düse 2 wird erreicht, daß der Druck p. von 100 Torr auf etwa 20 Torr in doi' Kammer 4 herabgesetzt wird. Das Silicium wandert in Form seines gasförmigen Jodids im Druckgofälle zum Trägerkristall 8, der ebenfalls aus Silicium in einkristallinor Form besteht, und wird dort unter Zersetzung des Jodids abgeschieden und bildet eino oinkristalline Aufwachsschicht. Die Durchführung einer Transportreaktion unter isothermen Bedingungen im Druckgefälle hat den Vorteil, daß einerseits höhere Abschoidcgeschwiudigkoiton erreicht werden können und andererseits eine gezielte Abscheidung auf dem Trägerkristall durch ontsprechende Anordnung dieses Kristalls im Reaktionsraum erreicht worden kann β Dieses Verfahren ist daher bosonders dann, mit Vorteil

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anzuwenden, wenn a) cine Hohe Abschoidcgcschwindißkcit und Ii) eine gezielte Abscheidung erreicht werden soll«,

Das Verfahren nach der Lohrc der Erfindung läßt sich aber nicht nur für Silicium oder andere Halbleitermaterialien mit JSrfolß anwenden, sondern ist in gleicher Weise für zahlreiche weitere "Transportsysteme geeignet. Hierzu zählen beispielsweise die Systeme Ge-J, Ti-J, Zr-Cl, Zr-Dr, Zr-J, V-J, Nb-Cl, Nb-Ih-, Ta-Cl, Ta-Br und CUgO

Im System Ti-rJ hat sich beispielsweise ein Temperaturbiereich von 1200 - 1350° C zur Durchführung der Reaktion als günstig erwiesen. In diesem Fall wird ein Terapßraturscfälle von ρ, = 50 Torr zu ρ = 4 Torr eingestellt. Die Abscheidung des Titans erfolgt hierbei beispielsweise in fcinkristallinor Form auf einem entsprechend gowähltcn Trägorkörpor.

Die Wahl der Reaktionstetnperaturon bzw. der Worte von p. und P₂ ist dabei jeweils von dem zur Anwendung kommenden System abhängig und kann mit Hilfe von Berechnungen an Hand von Tabollenwcrten ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden,

12 Pat entansprüche
1 Figur

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Claims

Pate ii ta Ii sprüch o

1, Verfahren zum Herstellen von hochreinen, kristallinen, insbesondere einkristallinen, Materialien, vorzugsweise Halbleitermaterialien, mittels einer chemischen Transportreaktion, bei dem in einem Reaktionsgofaß in fester Form

^ vorliegendes Material unter Einwirkung eines Reaktionsgases in eine gasförmige Verbindung übergeführt und an einer anderen Stolle des Reaktionsgefäßes unter Zersetzung dieser Verbindung in kristalliner, vorzugsweise einkristalliner, Form niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in einigem Abstand angeordnete, als Quelle und Substrat dienende Bodenkörper I und II gleichmäßig erhitzt und auf praktisch gleicher Temperatur gehalten werden, daß zwischen den beiden Bodenkörpern ein dynamisches Druckgcfille eingestellt und so ein Materialtransport zwischen den Bodenkör-

™ pern I und II veranlasst wird und daß die Einstellung des kritischen Drucks, bei dem ein Übergang von der Abtragung zur Abscheidung des Bodenkörpors I stattfindet, im Zwischenraum zwischen den Bodenkörpern I und II vorgenommen wird.
2. Vorfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle pulverförmiges Material verwendet wird.
3« Vorfahr.cn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß als Substrat ein cinkristallincr Körper aus demselben Material, vorzugsweise unterschiedlicher Dotierung, aus dem die Quelle besteht, verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Tür Quelle und Substrat unterschiedliche Materialion verwendet worden,,
5. Vorfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Halbleitermaterial als Quelle eine Unterlage aus inertem Material, beispielsweise Quarz oder Keramik, als Substrat vcrwondot wird.
6. Vcrfahrexi nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle Halbleitermaterial und als Substrat eine Metall·" unterlage verwendet wird.
7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß als Roakfeionsgas eine Halogen und/oder Halogenid enthaltende Gasatiposphärc verwendet wird«
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktionsgas ein Trägergas, beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff oder Argon, hinzugefügt wird«

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9» Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckgefällc von mindestens etwa 20 Torr zwischen den als Quelle und Substrat dienenden Bodenkürpern I und II eingestellt wird«
10. Vorfahron nach einem der Ansprüche 1-9» dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefälle in einem rohrförmigen

" Reaktionsgefäß durch starke örtliche Variation des Rohrdurchmessors, z.H. durch eine düsenartige Verengung, erzeugt wird»
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9» dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgofälle durch Einbau von Strömunßswiderständen erzeugt wird.
12. Vorfahren nacli einem der Ansprüche 9-11» dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefälle durch Einbau von Prallkörpern verstärkt wird*

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