-
Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufheizen von Trägerkörpern aus
Silicium in einem Abscheidereaktor mittels Strahlungswärme. Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
-
Die
Herstellung von polykristallinen Siliciumstäben, sogenannten Polystäben, erfolgt
durch thermische Zersetzung gasförmiger
Siliciumverbindungen in einem Abscheidereaktor, wobei elementares Silicium
gebildet wird. Im Abscheidereaktor stehen erhitze Trägerkörper, sogenannte
Dünnstäbe bereit, auf
denen sich das Silicium niederschlägt. Sie bestehen üblicherweise
ebenfalls aus Silicium und wachsen im Verlauf der Abscheidung zu
den gewünschten Polystäben heran.
Die Dünnstäbe werden
durch direkten Stromdurchgang auf die erforderliche Abscheidetemperatur
gebracht. Zuvor müssen
sie mittels einer Strahlungsheizung solange erhitzt werden, bis
die sogenannte Zündtemperatur
erreicht ist, bei der der Ohm'sche
Widerstand, den sie beim Anlegen einer Spannung dem Stromfluß entgegensetzen,
hinreichend klein geworden ist. Erst dann erfolgt das weitere Erhitzen
auf die Abscheidetemperatur durch direkten Stromdurchgang. Die entstehenden
Polystäbe
sind ein wichtiges Grundmaterial für die Herstellung von Reinstsilicium,
beispielsweise für
die Herstellung von Silicium-Einkristallen. Sie müssen deshalb
sehr strengen Reinheitsanforderungen genügen.
-
Aus
DE-AS 121949 ist ein Verfahren zum Aufheizen von Trägerkörpern aus
Silicium in einem Abscheidereaktor mittels Strahlungswärme bekannt. Zur
Senkung des elektrischen Widerstandes wird der Trägerkörper gemäß DE-AS
1212949 mittels Strahlung vorgeheizt. Dabei wird bevorzugt eine
weißes Licht
emittierende Glühlampe
eingesetzt.
-
Aus
US 3147141 ist die Vorheizung
von Silicium in einem Abscheidereaktor durch aufgeheizte, Strahlung
emittierende Kohlenstoffbänder
bekannt.
-
Aus
AT 220591 ist die Vorwärmung des
Siliciums in einem Strahlungsofen bekannt.
-
Aus
DE 3739895 A1 ist
die Aufheizung des Siliziums mittels Mikrowellen bekannt.
-
Aus
JP 58-176114 A ist die Aufheizung von Trägermaterialien mit einer Halogenlampe
bekannt.
-
Gemäß der Patentschrift
DE-2854707 C2 wird zum Zünden
der Dünnstäbe ein Heizfinger
bei geöffnetem
Abscheidereaktor von der Reaktorspitze aus bis knapp vor den Reaktorboden
abgesenkt. Nach dem Erreichen der Zündtemperatur wird der Heizfinger
wieder aus dem Abscheidereaktor ausgefahren und die Öffnung des
Abscheidereaktors mit einem Deckel verschlossen. Besonders ungünstig ist, daß der Abscheidereaktor
vergleichsweise weit geöffnet
werden muß,
wobei leicht Sauerstoff eindringen kann. Insbesondere besteht die
Gefahr, daß Partikel
aus der umgebenden Raumluft oder Partikel, die vom Heizfinger selbst
stammen, in den Abscheidereaktor gelangen und später als Verunreinigungen in die
Polystäbe
eingelagert werden. Bevor mit der Abscheidung von Silicium auf die
Trägerkörper begonnen
werden kann, muß der
Abscheidereaktor sorgfältig
mit Inertgas gespült
werden, um eingetragenen Sauerstoff wieder zu entfernen. Partikel,
die zuvor eingetragen worden waren, können damit jedoch nur unzureichend
beseitigt werden.
-
Es
sind Heizfinger im Einsatz, die aus einem Bündel von metallummantelten
elektrischen Heizwendeln bestehen. Sie sind von einer inertgasgespülten, zylinderförmigen Hülle aus
Quarz umgeben. Durch die Heizwendeln wird Strom geschickt, so daß sie sich
auf etwa 900°C
aufheizen und die Dünnstäbe auf Zündtemperatur
bringen können.
Aufgrund der hohen Temperaturbelastung und der Gegenwart von Sauerstoffspuren
unterliegen insbesondere die Heizwendeln, der Metallmantel und die
elektrischen Kontakte des Heizfingers einer stetigen, oxidativen Korrosion.
Dieser Umstand macht kurze Wartungszyklen erforderlich, während derer
der Heizfinger nicht eigesetzt werden kann. Durch die fortschreitende Korrosion
werden zudem laufend Partikel gebildet, durch die die Polystäbe verunreinigt
werden können.
-
Weitere
Nachteile resultieren aus der Größe des Heizfingers.
Da der Heizfinger bis nahe an den Boden des Abscheidereaktors reichen
muß, damit die
Dünnstäbe auf die
Zündtemperatur
erhitzt werden können,
muß der
Abscheidereaktor in ungewöhnlich
hohen Betriebsräumen
untergebracht werden. Nur dann steht über dem geöffneten Abscheidereaktor genügend Platz
für den
Heizfinger zur Verfügung.
Darüber
hinaus ist der Heizfinger durch sein Gewicht von etwa 200 kg relativ
schwer und erfordert eine Hebe- und
Senkeinrichtung, die solche Lasten zuverlässig bewegen kann.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, das Erhitzen der Dünnstäbe auf Zündtemperatur
zu vereinfachen und die im Zusammenhang mit der Verwendung bekannter
Heizfinger geschilderten Nachteile zu vermeiden.
-
Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren Verfahren zum Aufheizen von Trägerkörpern aus
Silicium in einem Abscheidereaktor mittels Strahlungswärme, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Trägerkörper mit
einer Strahlungsheizung bestrahlt werden, die Strahlung mit einer
Farbtemperatur von mindestens 2000°C aussendet und der minimale
Abstand zwischen dem Boden des Abscheidereaktors und der sich in
Arbeitsposition befindenden Strahlungsheizung mindestens 1500 mm
angeordnet wird. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens. Der Übergang
zu höheren
Farbtemperaturen ermöglicht
die Verwendung kompakter Strahlungsheizungen, die ein geringes Gewicht
aufweisen, einen geringen Wartungsbedarf haben und sehr einfach
zu handhaben sind. Der Eintrag von Umgebungsluft oder Partikeln
in den Abscheidereaktor kann wesentlich eingeschränkt werden.
Dies ist umso überraschender,
als Versuche der Erfinder zeigten, daß die Zündtemperatur mit in der Länge gekürzten Heizfingern
bekannter Bauart nicht erreicht werden kann, weil die vom Heizfinger
am weitesten beabstandeten Teile der Dünnstäbe nicht mehr ausreichend aufgeheizt
werden.
-
Die
Strahlungsheizung gemäß der Erfindung umfaßt mindestens
ein Heizelement, bevorzugt ein Bündel
von 6 bis 12 Heizelementen. Besonders bevorzugt ist, daß die Heizelemente
ringförmig
angeordnet sind. Zum Schutz der Heizelemente vor Überhitzung
wird ein Kühlsystem
vorgeschlagen. Eine besonders effektive Kühlung wird mit einem Kühlkörper aus
einem gut wärmeleitenden
Material wie Silber oder goldbeschichtetes Silber erzielt. Besonders
bevorzugt ist ein aktiv gekühlter
Reflektor aus Silber mit polierter Oberfläche, um den herum die Heizelemente
angeordnet sind. Durch eine Strukturierung des Kühlkörpers kann verhindert werden,
daß sich
Heizelemente gegenseitig mit Strahlungsenergie belasten. Die reflektierende
Oberfläche
stellt zudem sicher, daß die
erzeugte Wärmestrahlung
nahezu vollständig
und gleichmäßig verteilt
in den Abscheidereaktor abgestrahlt wird. Die Innenwand des Abscheidereaktors
besteht vorzugweise ebenfalls aus einem Material wie beispielsweise
Silber, das Wärmestrahlung
gut reflektiert, so daß die
von der Innenwand reflektierte Wärmestrahlung
zum Aufheizen der Trägerkörper mitgenutzt
wird.
-
Zu
den bevorzugten Strahlungsquellen, die als Heizelemente eingesetzt
werden können,
weil sie die notwendige Farbtemperatur erzeugen, gehören Glühlampen,
insbesondere Halogen-Quarzstrahler. Sie bestehen im wesentlichen
aus einem oder mehreren Glühdrähten, die
durch eine Quarzglas-Hülle von
der Umgebung hermetisch abgeschlossen sind. Sie zeichnen sich durch
eine lange Betriebsdauer, einen geringen Wartungsbedarf und nicht
zuletzt durch niedrige Preise aus. Von besonderem Vorteil sind ihr niedriges
Gewicht und ihre vergleichsweise geringen Abmessungen. Darüber hinaus
sind Infrarot-Quarzstrahler und Gasentladungslampen als Strahlungsquellen
besonders geeignet.
-
Zum
Aufheizen von Trägerkörpern in
Abscheidereaktoren üblicher
Größe ist es
in der Regel ausreichend, wenn die Strahlungsheizung auf eine elektrische
Leistung von 5 bis 60 kW, vorzugsweise 15 bis 30 kW ausgelegt wird.
Die Strahlungsheizung wird, vorzugsweise von der Spitze des geöffneten Abscheidereaktors
bis zu einer Arbeitsposition gebracht, die verhältnismäßig weit über dem Boden des Abscheidereaktors
liegen kann. Der minimale Abstand zwischen dem Boden des Abscheidereaktors und
der sich in Arbeitsposition befindenden Strahlungsheizung beträgt mindestens
1500 mm. Die Strahlungsheizung ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet,
wobei der Durchmesser nicht größer als
200 mm, vorzugsweise 100 mm oder weniger ist. Gegenüber bekannten
Heizfingern weist die Strahlungsheizung einen bis zu 50% geringeren
Durchmesser und ein bis zu 70% geringeres Gewicht auf.
-
Wegen
des geringen Durchmessers muß der Abscheidereaktor
zum Einbringen der Strahlungsheizung nicht weit geöffnet werden.
-
Grundsätzlich kann
die Strahlungsheizung auf bereits bekannte Art in die Arbeitsposition
gebracht werden, indem beispielsweise eine Abdeckplatte von der
Spitze des Abscheidereaktors entfernt und die Strahlungsheizung
mit Hilfe einer Hebe- und Senkvorrichtung durch eine von der Abdeckplatte freigegebene Öffnung in
den Abscheidereaktor abgesenkt wird. Es ist jedoch bevorzugt, ein
mit dem Abscheidereaktor verbundenes, verschließbares Schutzrohr zu verwenden,
durch das die Strahlungsheizung in den Abscheidereaktor eingeführt wird. Dazu
wird die Strahlungsheizung an der Spitze einer Halterung befestigt
und die Halterung motorgetrieben durch das offene Schutzrohr in
Richtung des Innenraums des Abscheidereaktors bewegt. Das Schutzrohr
schützt
die Strahlungsheizung vor mechanischer Beschädigung und es wird als Führungsgehäuse beim
Einbringen der Strahlungsheizung in den Abscheidereaktor verwendet.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht ein Absperrorgan vor, mit
dem der Abscheidereaktor geöffnet
und gasdicht verschlossen werden kann. Das Absperrorgan ermöglicht es auch,
den Abscheidereaktor bereits zu verschließen, wenn sich die Strahlungsheizung
noch im Schutzrohr befindet. Als Absperrorgan kommen beispielsweise Vorrichtungen
mit Schieber oder mit Kugelhahn in Frage. Durch Dichtungen zwischen
dem Schutzrohr und der als Führung
dienenden Halterung der Strahlungsheizung bleibt der Innenraum des
Abscheidereaktors gegen das Eindringen von Umgebungsluft selbst
dann gesichert, wenn die Strahlungsheizung in Betrieb und der Abscheidereaktor
geöffnet
ist. Sicherheitshalber können
im Schutzrohr inertgasgespülte
Kanäle
vorgesehen sein, die eine zusätzliche Barriere
gegen die Umgebungsluft bilden.
-
Befindet
sich die Strahlungsheizung in der Arbeitsposition, werden die Trägerkörper mit
thermischer Strahlung einer Farbtemperatur von mindestens 2000°C, bevorzugt
2000 bis 3500°C
bestrahlt. Die Bestrahlung wird abgebrochen, wenn eine bestimmte,
an die Trägerkörper angelegte
elektrische Spannung einen vorgegebenen Stromfluß verursacht. Diese Situation
ist in der Regel dann erreicht, wenn die Trägerkörper eine Temperatur von ungefähr 1100°C haben.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
des Verfahrens wird die Strahlungsheizung nach dem Erreichen der
Zündtemperatur
aus dem Abscheidereaktor gehoben und der Reaktor verschlossen. Die
Strahlungsheizung kann in diesem Fall in einer Ruheposition im Schutzrohr
verbleiben oder in das Schutzrohr eines anderen Abscheidereaktors überführt werden. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Verfahrens bleibt die Strahlungsheizung auch während der Abscheidung
von Silicium in der Arbeitsposition, ohne in Betrieb zu sein.
-
Wenn
die Polystäbe
auf eine vorgesehene Größe angewachsen
sind, wird die Abscheidung von Silicium beendet. Die Polystäbe beginnen
sich daraufhin abzukühlen,
jedoch außen
und innen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Wegen des entstehenden,
radialen Temperaturgefälles
treten Spannungen im Halbleitermaterial auf und es besteht die Gefahr,
daß die
Spannungen Risse oder Materialausbrüche hervorrufen und die Polystäbe dadurch für bestimmte
Verwendungen unbrauchbar werden. Eine Weiterbildung des Verfahrens
sieht deshalb vor, das Abkühlen
der Polystäbe
durch Zuführen
von Strahlungswärme
zu begleiten, damit die Bildung eines zu starken radialen Temperaturgefälles unterbleibt.
Falls die Strahlungsheizung während
der Abscheidung von Silicium im Abscheidereaktor belassen worden
ist, kann mit der Bestrahlung der sich abkühlenden Polystäbe unverzüglich begonnen
werden. Ansonsten wird die Strahlungsheizung nach der Abscheidung
in ihre Arbeitsposition im Abscheidereaktor zurückgebracht.
-
Die
Erfindung, die wesentlich zur Steigerung der Qualität und der
Produktivität
bei der Herstellung von Polystäben
aus Silicium beiträgt,
wird nachfolgend anhand von zwei Figuren, in denen eine bevorzugte
Ausführungsform
der Vorrichtung zum Aufheizen von Trägerkörpern schematisch dargestellt
ist, näher
erläutert. 1 zeigt
die Vorrichtung und einen Teil eines Abscheidereaktors im Längsschnitt.
In 2 ist der Querschnitt entlang der in 1 gezeichneten
Schnittlinie A-A dargestellt. Die Darstellungen enthalten nur die
zum Verständnis
der Erfindung notwendigen Merkmale.
-
Wendet
man sich zunächst
der 1 zu, kann man im unteren Teil die Spitze eines
Abscheidereaktors erkennen. Der prinzipielle Aufbau eines solchen
Reaktors ist bekannt. Wesentliche Teile sind eine Grundplatte, auf
der Trägerkörper stehen,
die in kühlbare
Elektroden eingesteckt sind, und eine über die Grundplatte gestülpte, kühlbare Glocke,
an deren Spitze sich eine verschließbare Öffnung befindet. In der beispielhaften
Darstellung ist die Spitze als tubusförmiges Rohr 1 dargestellt,
das gegebenenfalls mit einer Deckplatte gasdicht verschlossen werden kann.
Aufgrund der Erfindung ist die Flanschöffnung 2 in den Innenraum 3 des
Abscheidereaktors vergleichsweise schmal. Durch sie wird die Strahlungsheizung 4 in
den Innenraum 3 des Abscheidereaktors eingeführt. Auf
das Rohr 1 ist ein Absperrorgan 5 aufgeflanscht,
mit dem der Abscheidereaktor geöffnet und
verschlossen werden kann. Der Abscheidereaktor steht über das
Absperrorgan mit einem Schutzrohr 6 in Verbindung. Es dient
als mechanischer Schutz und als Führungsgehäuse für die Strahlungsheizung 4 und
das sie haltende Führungsrohr 7.
Das Führungsrohr 7 und
die daran befestigte Strahlungsheizung 4 werden von einem
in der Figur nicht dargestellten Antrieb abgesenkt oder angehoben,
je nach dem, ob die Strahlungsheizung 4 am Ende des Führungsrohrs
in die Arbeitsposition im Innenraum 3 des Abscheidereaktors
oder in eine Ruheposition oberhalb des Absperrorgans 5 gebracht
werden soll. Wenn sich die Strahlungsheizung in der Ruheposition
befindet, kann der Abscheidereaktor mit dem Absperrorgan 5 gasdicht
verschlossen werden. Auch wenn sich die Strahlungsheizung in der
Arbeitsposition befindet und das Absperrorgan geöffnet ist, sorgen Dichtungs-
und Führungselemente 8 zwischen dem
Führungsrohr 7 und
dem Schutzrohr 6 für
eine wirksame Absperrung zur Umgebungsluft. Das Führungsrohr
ist mit einer Anschlußleitung
zur elektrischen Versorgung der Strahlungsheizung 4 ausgestattet.
Weiterhin sind Kanäle vorgesehen,
durch die ein Kühlmittel,
beispielsweise Wasser, zur Kühlung der
Strahlungsheizung und der angrenzenden Teile der Vorrichtung fließt.
-
Aus 2 ist
zu erkennen, daß die
Strahlungsheizung im wesentlichen einen Kühlkörper 11 und Heizelemente 12 umfaßt. Zusätzlich ist
noch eine Schutzhülle 13 aus
Quarz dargestellt, die aber nicht zwingend notwendig ist. Gemäß der Schnittdarstellung
ist der Kühlkörper 11 sternförmig strukturiert und
die Heizelemente 12 sind in gleichmäßigem Abstand in einem Ring
um den Kühlkörper angeordnet. Sie
befinden sich in Ausbuchtungen 14, deren Form sich aus
der Strukturierung des Kühlkörpers ergibt. Zur
aktiven Kühlung
besitzt der Kühlkörper Kanäle 15,
durch die ein Kühlmittel
fließt
und die mit entsprechenden Kanälen
im Führungsrohr 7 in
Verbindung stehen.
-
1 zeigt
schematisch die Strahlungsheizung 4 in der Arbeitsposition
im Innenraum 3 des Abscheidereaktors. Das Absperrorgan 5 ist
geöffnet
und das Führungsrohr 7 bis
in das tubusförmige
Rohr 1 geschoben. Gemäß einer
Ausführugsform
des Verfahrens wird das Führungsrohr 7 nach
Beendigung des Aufheizens der Trägerkörper zurückgezogen,
bis die Strahlungsheizung 4 eine Ruheposition oberhalb des
Absperrorgans 5 erreicht hat. Danach wird der Abscheidereaktor
mit dem Absperrorgan gasdicht verschlossen. Eine vorherige Spülung mit
Inertgas kann unterbleiben.