DE1619995A1

DE1619995A1 - Verfahren zum Beseitigen von Kohlenstoffverunreinigungen in einem Siliziumkoerper und Vorrichtung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1619995A1
Application number: DE19671619995
Authority: DE
Inventors: Ernst Haas; Joachim Martin; Konrad Dr Reuschel; Norbert Dr Schink; Carl-Heinz Dr Rer Nat Dr Vogel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-03-11
Filing date: 1967-03-11
Publication date: 1971-07-01
Also published as: GB1148706A; US3607110A

Description

. - 3 O.OEZ. V359

Siemens Aktiengesellschaft München 2, den

Wittelsbacherpl. 2

P 16 19 995. 4 (YPA 67/1142)

Neue Anmeldungsunterlagen.

Vorfahren zum Beseitigen von-Kohlenstoffverunreinigenin einem Siliziumkörper und Vorrichtung "zur Durchführung: dieses Vcrfahrena

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beseitigen von verunreinigungen in einem SiILziumkörper und eine Vorrichtung zur Ourchi'ihruag dieses Verfahrens.

Boh&ilLzium für die Herstellung von elektronischen Halbleitnrbauelementon wird vielfach unter Anwendung eines reinen gasförmigen Reduktionsmittels, insbesonäere von Wasserstoff, -durch Reduktion und/ «der pyrolytische Zersetzung des Dampfen einer flüssigen Siliziumvorbindung auf einem festen und beheizten TTagerkörper abgenchfeden. D«'i3 no mei'fit atabförmig gewonnene ailizium enthält gewähnlich Kohlenotoffverun^einigungen, die aus organiaehen KQhl.enatpffvernimdun- gcA 3t immen, die pich in der flüssigert Siliaiurnvörbindung befinden.

lÄtUfi UriterlaQeij

Diese Kohlenstoffverbindungen zeigen das gleiche Siedeverhalten wie die flüssige Siliziumverbindung und sind daher von dieser durch Abdestillatlbn nicht zu trennen. Sie gelangen vielmehr beim Verdampfen der flüssigen Siliziumverbindung mit in den Dampf und zersetzen sich im Reaktionsraum unter Bildung von Kohlenstoff, der sich mit dem Silizium auf dem Trägerkörper niederschlägt. Ferner kann Silizium beispielsweise beim Schmelzen in einem Graphittiegel Kohlenstoff aufnehmen.

Kohlenstoff beeinflußt zwar die Leitfähigkeit bzw. den Leitungstyp des Siliziums nicht, jedoch kann er die Umwandlung des abgeschiedenen polykristallinen Siliziums irt einen Einkristall erschweren und Anlaß zu Störungen beiJder Bildung von pn-Übergängen im einkristallinen Silizium geben. Eine Verminderung der mittleren Lebensdauer der Ladungsträger durch den Kohlenstoff ist ebenfalls zu vermuten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kohlenstoffgehalt von Silizium zu vermindern.

Bisher wurde es für zwecklos gehalten, das bekannte tiegelfreie Zonenschmelzen zur Beseitigung von Kohlenstoffverunreinigungen aus Silizium heranzuziehen, weil dem Kohlenstoff im Silizium ein Verteilungskoeffizient von etwa 1 zugeschrieben wurde. In der Tat ergaben Versuche, daß der Kohlenstoffgehalt eines Siliziumstabes selbst durch eine große Zahl von Schmelzzonendurchgängen nicht merklich abgesenkt

werden konnte. ^v

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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dai) es trotz der gegenteiligen Erfahrungen unter bestimmten Voraussetzungen möglich sein müsse, Kohlenstoff durch tiegelfreies Zonenschmelzen aus Silizium zu entfernen. Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entfernen von Kohlenstoffverunreinigungen aus einem Siliziumkörper und besteht in der Anwendung des tiegelfreien Zonensohmeizens im Hochvakuum zusammen mit Mitteln zum Abfangen und Binden von kohlenstoffhaltigen Dämpfen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht z.B. aus einem Rezipienten, in dem Halterungen für den Silisiumkörper sowie eine Heizeinrichtung zum Erzeugen der Schmelzzone im Siliziumkörper angeordnet sind. An dem Rezipienten befindet sich ein Absaugstutzen, der mit einer zur Erzeugung des Hochvakuums dienenden Pumpeinrichtung mit einer Diffusionspumpe und einer Vorpumpe verbunden ist. Der Pumpeinrichtung ist ein Kühlbaffle vorgeschäVtet, dessen Kühlsole eine Temperatur von mindestens 20 ⁰C unter dem Nullpunkt hat. Zur Erzielung eines besonders geringen Kohlenstoffgehaltes im Silielumkörper ist in vorteilhafter Weiterbildung dieser Vorrichtung zwischen Diffusionspumpe und Vorpumpe eine Adsorptionsfalle geschaltet. ..■■.'■■■./" ^: .■ -. ...;■"■ - ■',- ■;/. ■■-;, . ...■-

Die Pumpeinrichtung kann erfindungsgemäß auch eine Getterpumpe mit vorgeschalteter Adsorptionspumpe enthalten» .

Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung an

näher trläutertt

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Figur 1 zeigt eine Vorrichtung zum Entfernen von Kohlenstoff aus Silizium durch tiegelfreies Zonenschmelzen mit einer Pumpeinrichtung, die aus einer Diffusionspumpe mit vorgeschalteter Vorpumpe besteht.

Figur 2 zeigt eine Pumpeinrichtung für eine Vorrichtung zum -Entfernen von Kohlenstoff durch tiegelfreies Zonenschmelzen-, die eine Getterpumpe mit vorgeschalteter AdsorptionB-pumpe_p enthält.

In Figur 1 ist der Absaugstutzen 2a eines mit einem Schauglas versehenen Rezipienten 2 am Ansaugstutzen 3a einer mit einer Heizeinrichtung 4 und einem Kühlmantel 19 versehenen Diffusionspumpe 3 angeflanscht. In den Ansaugstutzen 3a ist ein KühlbaffIe 14 mit einer Zuführung 15 und einer Abführung 16 für die Kühlsole eingebaut. Die verwendete Kühlsole soll eine Temperatur von mindestens 20 C unter dem Nullpunkt besitzen. Besonders geeignet als Kühlsole ist flüssiger Stickstoff.

Der Auestoßstutzen 3b der Diffusionspumpe 3 ist am Ansaugstutzen 17a der Adsorptionsfalle 17 und der Ausstoßstutzen 17b der Adsorptionsfalle 17 am Ansaugstutzen 5a der Vorpumpe 5 angeflanscht. Die Adsorptionsfalle 17 kann mit Keramikkörnern gefüllt sein, die mit Zeolith oder Permutit beschichtet sind. So kann z.B. die Adsorptionsfalle "Linde 13X" verwendet werden. Auch feste Aktivkohle ist al π Füllung für die Adsorptionsfalle 17 geeignet. In diesem Fall ist es " jedoch günstig, wenn zwischen dem Ansaugstutzen 17a der Falle und

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der Aktivkohle eine feinporige Membran angeordnet ist. Biese Membran kann aus auf Polyvinylchloridbasis aufgebautem Kunststoff mit einer Porengröße kleiner oder gleich 0,5 μ oder aus VA-Stahl mit einer Porengröße kleiner oder gleich 5 μ bestehen, Die Adsorptionsfalle 17 befindet sich in einem Dewargefäß 18, das zur Kühlung der Falle mit unter dem Markennamen "Preon" im Handel befindlichen chlorierten und

wasserstoff
fluorierten Kohlenstoffverbindungen oder flüssigem Stickstoff gefüllt sein kann. Die Verpumpe 5 kann eine einfache Kolbenpumpe, eine. Drehschieberpumpe oder eine Drehkolbenpumpe sein.

Im evakuierten Rezipienten 2 ist ein Siliziumstab 6 mit angeschmolzenem, einkristallinen Keimkristall 6b inHalterungen 7 befestigt, die an Wellen 8 angeordnet sind. Die Wellen 8 sind in Dichtungen 11 und 12 gelagert, die sich in öffnungen der Rezlpientenwand befindet. -Im"Siliziumstab 6 wird mit Hilfe einer mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten Induktionsheizspule 9, die an dem Ilalteteil 10 befestigt ist, eine Schmelzzone 6a erzeugt und durch den Stab 6 in axialer Richtung von unten nach oben bewegt. Die Spulenhai feteil 10 ist in einer Dichtung 13 in einer öffnung der Rezipientenwand gelagert. -

Die Entfernung von Kohlenstoff aus dem Siliziumstab 6 durch tiegelfreies Zonenziehen im Rezipienten 2 gelingt auch mit einer Pumpeinrichtung nach Figur 2. Diese Pumpeinrichtung besteht aus einer Getterpumpe 21 und einer Adsorptionspumpe 22. Der Ansaugstutzen 21a -der Getterpumpe 21 wird an den Abeaugstutzen 2a der Vorrichtung zum tiegelfreien Zonenschmelzen angeflanecht. Der Ausetoßstützen 21b der Getter-

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pumpe 21 ist am Ansaugstutzen 22a der Adsorptionspumpe 22 angeflanscht. Die Getterpumpe "21 ist von einem Kühlmantel 23 umschlossen und besteht im wesentlichen aus einer Glühkathode 24 und einem Tiegel 25, der durch Elektronenaufprall erhitzt wird und in dem ständig nachgeführter, nicht dargestellter Titandraht verdampft wird. Der als Getter wirkende Titandampf schlägt sich an der gekühlten Innenwand der Pumpe 21 nieder und bindet die dort haftenden Gasmoleküle.

Die Adsorptionspumpe 22 weist ebenfalls einen Kühlmantel 26 auf.
Dieser Kühlmantel wird vorteilhaft von flüssigem Stickstoff durchflossen. In der Adsorptionspumpe 22 befindet sich ein Träger 27 mit einem Staubsieb 28 sowie Rosten 29, auf denen das Adsorptionsmittel, beispielsweise Keramikkörner, die mit Zeolith oder Permutit beschichtet sind, gelagert ist. Im Träger 27 kann eine nicht dargestellte
elektrische Heizeinrichtung angeordnet sein, mit deren Hilfe das Adsorptionsmittel regenerierbar ist. Am Stutzen 22b der Adsorptionspumpe 22 befindet sich ein Belüftungsventil 30.

Es ist günstig für die Verringerung des Kohlenstoffgehaltes im Siliziumstab 6 durch tiegelfreies Zonenschmelzen, wenn die Lagerstellen der beweglichen. Teile der Halteeinrichtungen und der Heizeinrichtung, also die Lagerstellen der Wellen 8 in den Dichtungen 11 und 12 sowie die lagerstelle des Spulenhalte.teils 10 in der Dichtung 13, mit einem Gleitmittel versehen sind, das einen niedrigen Dampfdruck besitzt.
Geeignet sind Silikonfett, anorganische Gleitmittel wie Molybdänsul-

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fid und/oder Wolframdiselenid sowie Graphit.·^

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Versuche ergaben, daß ein in einen Einkristall umgewandelter polykristalliner Siliziumstah nach fünf Zonendurchgängen in einer Zonenschmelzvorrichtung nach Figur 1, die Jedoch weder das Kühl baffle 14 noch die Adsorptions falle..17 aufwies, überall einen Kohlenstoffgehalt von 38 ppm hatte. Sin aus einem polykristallinen Siliziumstab, der zugleich mit dem ersten polykristallinen Siliziumstab in derselben Abscheideapparatur mit denselben Abmessungen hergestellt worden war, gewonnener einkristalliner Siliziumstab
/wies bereits nach nur einem Schmelzzonendurchgang in einer gemäß der Erfindung mit einem Kühlbaffle und einer Adsorptionsfalle ausgestatteten Zonens chmelzvorrich tung nach Figur 1 an einer 5 cm vom Keimkristall entfernten Stelle einen Kohlenstoffgehalt von 11 ppm auf,

Die aus der vorstehenden Beschreibung - oder/und die aus der zugehörigen Zeichnung - entnehmbaren Merkmale, Arbeitsvorgänge und Anweisungen sind» soweit nicht vorbekannt» im einzelnen, ebenso wie ihre hier erstmals offenbarten Kombinationen untereinander, als wertvolle erfinderische Verbesserungen anzusehen.

15 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

1619985 PLA 67/1142 Patentansprüche

1.. Verfahren zum Entfernen von Kohlenstoff verunreinigungen aus einem Siliziumkörper, gekennzeichnet durch die Anwendung des tiegelfreien Zonenschmelzen im Hochvakuum zusammen mit Mitteln zum Abfangen und Binden von kohlenstoffhaltigen Dämpfen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer zur Erzeugung des Hochvakuums dienenden Pumpeinrichtung mit einer Diffusionspumpe und einer Vorpumpe ein Kühlbaffle vorgeschaltet ist, dessen Kühlsole eine Temperatur von mindestens 20 ⁰C unter dem Nullpunkt hat.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtung zur Erzeugung des Hochvakuums eine Getterpumpe mit vorgeschalteter Adsorptionspumpe enthält.

4. Vorrichtung nach Ansp^ich 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlsole des Kühlbaffles aus flüssigem Stickstoff besteht.

5. Vorrichtungnach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Diffusionspumpe und die Vorpumpe eine Adsorptionsfalle geschaltet ist.

6» Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsfalle mit Keramikkörnern, die mit Zeölith oder Permutit beschichtet sind, gefüllt iet.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsfalle mit fester Aktivkohle gefüllt ist und daß zwischen der Aktivkohle und dem Ansaugstutzen der Adsorptionsfalle eine feinporige Membran angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsfalle gekühlt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ■Adsorptionsfalle mit chlorierten und fluorierten Kohlenwasserstoffverbindungen oder flüssigem Stickstoff gekühlt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionspumpe mit flüssigem Stickstoff gekühlt ist.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach.Anspruch 1, bestehend aus einem Rezipienten,in dem Halteeinrichtungen für den Siliziumkörper sowie eine Heizeinrichtung zum Erzeugen der Schmelzzone im Siliziumkörper angeordnet sind und dessen Abaaugstutzen mit einer Pumpeinrichtung zur Erzeugung des Hochvakuums verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstellen bewegter Teile der Halteeinrichtuhgen und der Heizeinrichtung mit einem Gleitmittel versehen sind, das einen niedrigen Dampfdruck besitzt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstellen mit Silikonfett versehen sind.

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13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerstellen mit einem anorganischen Gleitmittel versehen sind,

H. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmittel aus Molybdänsulfid und/oder Wolframdiselenid besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmittel aus Graphit besteht.

ORIGINAL INSPECTED

- 10 409-8Z7/U9.3