DE1905470C3 - Anordnung zur gleichzeitigen Durchführung der Diffusion einer die Leitfähigkeit bestimmenden Verunreinigung in eine Mehrzahl von Halbleiterscheiben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur gleichzeitigen Diffusion einer dampfförmigen, die Leitfähigkeit bestimmenden Verunreinigung in eine Mehrzahl von Halbleiterscheiben, unter Anwendung einer Beheizung mit Widerstandskörper^, wobei die Halbleiterscheiben und die feste Verunreinigungsquelle in einem im wesentlichen geschlossenen, jedoch unabgedichteten, in einer Vakuumkammer befindlichen Behälter angeordnet sind.

In diesem wird ein Partialdampfdruck der Verunreinigung gebildet und für eine ausreichende Zeit aufrechterhalten, um die Diffusion der Verunreinigung in die Halbleiterscheibe zu bewirken.

Es sind rohrförmige Vakuumöfen bekannt, bei denen Halbleiterscheiben in Längsrichtung des Ofens angeordnet in einem Bereich hoher Temperatur behandelt werden. Der Vakuumofen besteht hierbei im allgemeinen aus keramischem Werkstoff, der eine Affinität zu dem einzudiffundierenden Stoff aufweist, so daß im allgemeinen eine Vorbehandlung des keramischen Werkstoffes erforderlich ist, um diese Affinitat zu verringern. Ohne diese Vorbehandlung ergäbe sich ein wesentlicher Abiall des Partialdruckes der Verunreinigung über die Länge des Rohres und damit zwangläufig eine ungleichmäßige Behandlung der einzelnen Halbleiterscheiben. Ferner ist die Ausnutzungszeit eines derartigen Rohres begrenzt, da bei aufeinanderfolgenden Diffusionsvorgängen sich Änderungen in der Oberflächenkonzentration und der Diffusionsmöglichkeit einstellen. Dies ist besonders kritisch, wenn Hochspannungsverbindungen aus SiIiziunn und eindiffundiertem Aluminium hergestellt werden sollen. Hierbei kann bereits nach einer beschränkten Anzahl von Arbeitsvorgängen selbst bei

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60 vorbehandeltem keramischem Rohr ein Austausch des Rohres erforderlich werden. Hierdurch ist eine gleichmäßige Behandlung von Halbleiterscheiben aus einer großen Charge ebenfalls erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleichmäßige Güte der Halbleiterscheiben zu erzielen, indem jede Halbleiterscheibe unter im wesentlichen gleichen Bedingungen behandelt

Die&e Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem unabgedichteten Behälter durch Heizwiderstände ein säulenförmiges Temperaturfeld gebildet ist, in dem konzentrisch eine Quelle für die Verunreinigung und ein diese umgebender Kranz radial gerichteter Nuten zu stehenden Aufnahme der Halbleiterscheiben angeordnet ist, und daß die Innenwände des Behälters mit einer aus Graphitfilz bestehenden Isolierung gegen Wärmeverlust versehen

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen einer Schale für die Verunreinigung und den Halbleiterscheiben eine Ringwand und über dieser ein nach unten konkaver Schirm größeren Durchmessers vorgesehen sind. Hierdurch wird aus der Schale herausspritzende flüssige Verunreinigung von den Halbleiterscheiben ferngehalten, wobei der Schirm verdampfte Verunreinigung auf die Halbleiterscheiben leitet.

Ip. der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach der Erfindung dargestellt. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines üblichen Geräts zum Vakuumaufdampfen metallischer Überzüge,

F i g. 2 ein Schnitt durch eine Vakuumkammer des Geräts nach Fig. 1, die für die Zwecke der Erfindung abgeändert ist.

F i g. 3 ein Schnitt nach der Linie 3-3 der F i g. 2.

Fi g. 4 ein Schnitt nach der Linie 4-4 der F1 g. 3.

F i g. 1 zeigt ein übliches Gerät 10 zum Vakuumaufdampfen von Metallüberzügen, das eine Vakuumkammer 12 enthält, die über einen Stutzen 14 an einer Seitenwand mit einer Vakuumpumpe 16 verbunden ist. Die Vakuumkammer 12 ist durch einen abnehmbaren Deckel 18 zugänglich.

F i g. 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die Vakuumkammer 12 des Geräts nach Fig. 1, die für die Zwecke der Erfindung abgeändert ist. Die Vakuumkammer 12 enthält einen im wesentlichen geschlossenen, jedoch unabgedichteten Behälter 20. der durch einen abnehmbaren Deckel 22 zugänglich ist. Der Boden des Behälters 20 ist völlig mit einer mehrschichtigen Auskleidung 24 aus Graphitfilz bedeckt, um die Wärmeabfuhr weitgehend zu verhindern. In gleicher Weise ist auch die Seitenwandung des Behälters 20 mit einer mehrschichtigen Auskleidung 26 aus Graphitfilz bekleidet. Auch der Deckel 22 enthält eine mehrschichtige Verkleidung 28 aus Graphitfilz, die auf den oberen Rand der Verkleidung 26 der Seitenwandung aufruht und einen leidlich dichten Abschluß des Behälters 20 bewirkt. Eine Metallplatte 29 des Deckels dient im wesentlichen nur der Halterung der Auskleidung 28.

Wenn auch der Deckel 22 den Behälter 20 verschließt, so dichtet er diesen jedoch nicht vollständig ab, so daß der Behälter 20 zur gleichen Zeit evakuiert wird wie die Vakuumkammer 12. Andererseits ist der Behälter 20 ausreichend wärmeisoliert und abge-

dichtet, um einen schnellen Wänneverlust oder den Austritt von Dampf, der innerhalb des Behälters gebildet wird, zu verhindern.

Graphitbekleidete Heizwiderstände 30 und 32 sind zwischen horizontalen Halteringen 34 und 36 in senkrechter Anordnung vorgesehen und jn eine nicht dargestellte elektrische Quelle angeschlossen. Die graphitbekleideten Heizwiderstände bilden ein im wesentlichen gleichmäßiges Temperaturfeld in Form einer Säule innerhalb des Behälters 20. Obwohl in der Zeichnung nur zwei Heizwiderstände dargestellt sind, können in besonderen Fällen mehrere Heizwiderstände vorgesehen werden, um ein gleichmäßigeres Temperaturfeld zu erzielen. Man hat jedoch festgestellt, daß in den meisten Fällen drei graphitbekleidete Streifen von etwa 75 mm Breite, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind, zufriedenstellende Ergebnisse liefern.

Innerhalb der erwähnten durch die Heizwiderstände 30 und 32 gebildeten Säule ist eine Baueinheit 38 zur Aufnahme scheibenförmiger Halbleiterkörper und einer Quelle für die Verunreinigung angeordnet. Diese ist auf Stützen 40 abgestützt, von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist. Eine ähnliche Baueinheit 38' ist unterhalb der Baueinheit 38 angeordnet und in ähnlicher Weise ausgebildet.

Wie in den F i g. 3 und 4 gezeigt, bestehen die Baueinheiten 38 und 38' aus einem Teller 42 aus Keramik, der am Umfang eine Vielzahl von radialen Nuten 44 aufweist, in die die scheibenförmigen Halbleiterkörper 46 mit ihrem Rand eingestellt wurden können. Wenn alle Nuten 44 mit Halbleiterkörpern gefüllt sind, bilden sie einen Kranz, der eine Schale 48 umgibt, in der die Verunreinigung 50 in Form von Aluminium enthalten ist. Dieses wird während des Diffusionsvorganges, der in dem Behälter 20 durchgeführt wird, verdampft.

Eine Ringwand 52 schirmt die Halbleiterkörper 46 vor flüssig aus der Schale 48 spritzendes Aluminium während des Verdampfungsvorganges unter Diffusionsbedingungen ab. Ferner ist ein nach unten konkaver Schirm 54 aus Keramik vorgesehen, der mit Abstand über der Ringwand 52 angeordnet ist und diese radial überragt. Der Schirm ist über Säulen 56 an dem Teller 42 abgestützt. Der Schirm 54 verhindert ebenfalls das Ausspritzen des flüssigen Aluminiums auf die Halbleiterkörper und unterstützt weiterhin die Leitung des gebildeten Aluminiumdampfes zu dem Kranz aus Halbleiterkörpern 46.

Zur Bildung eines Partialdampfdruckes des Aluminiums innerhalb des Behälters 20 wird die Vakuumkammer 12 evakuiert, und zwar auf einen geeignet niedrigen Diffusionsdruck, beispielsweise weniger als 100 Mikron QS. Hierbei erfolgt gleichzeitig ein Evakuieren des Behälters 20 auf denselben Druck. Durch die Heizwiderstände 30 und 32 wird ein elektrischer Strom geleitet, so daß innerhalb des Behälters eine Temperatur von etwa 1210" C erzielt wird. Die Erwärmung wird dann fortgesetzt, um den Behälter 20 auf der Diffusionstemperatur für etwa eine halbe Stunde zu halten, in der eine wirksame Diffusion durchgeführt wird. Die jeweils einzustellende Temperatur für die Diffusion und die Dauer der Behandlung wird durch die Oberflächenkonzentration und die Eindringtiefe, die gefordert wird, bestimmt. Für Siliziumhalbleiter vom η-Typ, die für Hochspannungsanschlüsse geeignet sind und die einen spezifischen Widerstand von über 20 Ohm/cm aufweisen, sind die oben angegebenen Werte zu bevorzugen. Nach der Durchführung der Diffusion wird die Heizung unterbrochen und die Vakuumkammer mit einer geeigneten Atmosphäre, beispielsweise Argon, gefüllt und danach dem Gerät das Abkühlen gestattet. Nach genügender Abkühlung werden die Deckel 18 und 22 entfernt und die Baueinheiten 38

is und 38¹ aus dem Behälter 20 herausgenommen, um die fertigen Werkstücke zur weiteren Verarbeitung EU entnehmen.

Die Auskleidung an der Innenwand mit Graphitfilz ist auch deshalb vorteilhaft, da hierdurch eine sehr große Oberfläche von Kohlenstoff geschaffen wird, der während des Diffusionsvorganges die Atmosphäre innerhalb des Behälters 20 von allenfalls noch enthaltenem Sauerstoff oder Wasser reinigt. Der Kohlenstoff hat eine weitaus größere Affinität zu Wasser und Sauerstoff, so daß er vor den Halbleiterkörpern oder den Aluminiumdämpfen oxydiert wird. Das Gerrit wird daher dauernd gereinigt, so daß eine gleichmäßig hohe Qualität der Halbleiterkörper erzielt werden kann. Diese gleichmäßige Qualität kann selbst bei Diffusionsmitteln wie Aluminium erzielt werden, das sehr empfindlich gegen Sauerstoff ist.

Da der Behälter 20 im wesentlichen verschlossen ist, stellt sich in ihm ein Partiaidampfdruck ein, der aufrechterhalten wird. Außerdem wird die eingebrachte Wärme im wesentlichen in dem Behälter zurückgehalten. Der Behälter 20 ist jedoch nicht gegen die Vakuumkammer abgedichtet, da er notwendigerweise evakuiert werden muß, um den Diffusionsprozeß durchführen zu können.

Die Auskleidung 28 kann mit etwas Übermaß hergestellt werden, so daß ein weitgehend dichter Abschluß erzielt wird. Die die Auskleidung tragende Metallplatte 29 kann fortgelassen werden, wenn die Auskleidung sich selbst trägt.

F i g. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Geräts, bei der jede Baueinheit 38 und 38¹ eine eigene Quelle für die Verunreinigung aufweist. Es kann jedoch eine zufriedenstellende Diffusion auch dann erzielt werden, wenn die Quelle für die Verunreinigung in der unteren Baueinheit 38¹ fortgelassen wird. Die Ergebnisse sind jedoch nicht ganz so zufriedenstellend wie bei der bevorzugten Ausführungsform. Ebenso können die Ringwand 52 und der Schirm 54 fortgelassen werden, jedoch zeigen sich unter Umständen bei Uberspritzen d€r flüssigen Verunreinigung ungleichmäßige Ergebnisse, da Flüssigkeitströpfchen auf die Halbleiterstücke gelangen können, die dann zum Ausschuß werden. Es ist daher zu empfehlen, diese Teile nur dann wegzulassen, wenn ein derartiges Uberspritzen der Verunreinigung nicht zu befürchten ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

I 905 Patentansprüche:

1. Anordnung zur gleichzeitigen Diffusion einer dampfförmigen, die Leitfähigkeit bestimmenden Verunreinigung in eine Mehrzahl von Halbleiterscheiben, unter Anwendung einer Beheizung mit Widerstandsheizkörpern, wobei die Halbleiterscheiben und die feste Verunreinigungsquelle in einem im wesentlichen geschlossenen, jedoch un- ^ abgedichteten, in einer Vakuumkammer befindlichen Behälter angeordnet sind, dadurchgekennzeichnet, daß in dem unabgedichteten Behälter (20) durch Heizwiderstände (30, 32) ein säulenförmiges Temperaturfeld gebildet ist, in dem konzentrisch eine Quelle für die Verunreinigung (48, SO) und ein diese umgebender Kranz radial gerichteter Nuten (44) zur stehenden Aufnahme der Halbleiterscheiben (46) angeordnet ist, und daß die Innenwände des Behälters (2C) ^ mit einer aus Graphitfilz bestehenden Isolierung (24,26, 28) gegen Wärmeverlust versehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Schale (48) für die Verunreinigung (50) und den Halbleiterscheiben (46) eine Ringwand (52) und über dieser ein nach unten konkaver Schirm (54) größeren Durchmessers vorgesehen sind.