DE1972930U

DE1972930U - Elektrodenanordnung bei der herstellung von hochreinen stoffen, insbesondere halbleiterstoffen, durch anomale glimmentladung.

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Publication number: DE1972930U
Application number: DES41776U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-06-28
Filing date: 1962-06-28
Publication date: 1967-11-23

Description

Elektrodenanordnung bei der Herstellung von hochreinen Stoffen, insbesondere Halbleiterstoffen, durch anomale Glimmentladung

Die Herstellung von hochreinen Stoffen bereitet große Schwierigkeiten. Äußerste Reinheit wird vor allem bei Halbleiterstoffen gefordert, da diese Stoffe durch geringste Mengen von Verunreinigungen ihre elektrischen Eigenschaften weitgehend verändern und die gewünschten definierten elektrischen Eigenschaften dureh definiert eingebrachte Verunreinigungen erzeugt werden. Bei diesen Stoffen mit Halbleitereigenschaften handelt es sieh insbesondere um Elemente der IV. Gruppe und um Verbindungen zwischen Elementen

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OB/Bm 21.8.1967

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der III. und V. bzw. der II„ und VI. Gruppe des Periodischen Systems der Elenente. Sie finden beispielsweise Verwendung für Richtleiter, Transistoren, Fotodioden usw. ·

Eine allgemein übliche Darstellungsraethode für hochreine Stoffe besteht beispielsweise darin, eine flüchtige Verbindung des su gewinnenden Stoffes im Gemisch mit einem geeigneten flüchtigen Reduktionsmittel in einer unter solchen Entladungsbedingungen betriebenen anomalen Glimmentladung so zur Reaktion zu bringen, daß sich die Verbindung zersetzt.und der zu gewinnende Stoff sich aus den Schmelzfluß als kompakter kristalliner Körper an den nach Maßgabe des Kristallwachstums auseinanderzuziehenden Elektroden abscheidet» Bei der'Darstellung von reinstem Silizium geht man beispielsweise von einem Gemisch eines Siliziumhalogenids oder einer Siliziumhalogen-Wass-erstoff-Verbindung wie Silico- ·· chloroform mit Wasserstoff oder einem Silan aus. Dabei werden mit besonderem Vorteil Elektroden aus dem Material des darzustellenden Stoffes in entsprechender Reinheit verwendet? da dadurch die Möglichkeit einer Verunreinigung des sich abscheidenden Halbleiterkörpers -durch das Slektrodenmaterial weitgehend ausgeschaltet wird. Allerdings ergibt sich hierbei der Nachteil, daß bisher für die elektrische und mechanische 'Verbindung der Elektroden mit den Stromzuführungen besondere Materialien notwendig sind. Hierfür wird normalerweise eine Kombination von Metall und Kohle verwendet. Durch diese Stoffe ist die Möglichkeit für-eine Verunreinigung der darzustellenden hochreinen Halbleiterkörper gegeben; sie enthalten oft geringe Mengen an Fremdstoffen, die sich beim Erhitzen.in

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Wasserstoffatmosphäre oder im Reaktionsgasgemiseh verflüchtigen und sich mit dem Reaktionsgas vermischen. Dadurch werden sie in den wachsenden Halbleiterkristall miteingebaut. Beispielsweise wurden Phosphor und Arsen in den abgeschiedenen Halbleiterkörpern nachgewiesen. Diese Stoffe wirken in Elementen der IY. Gruppe des Periodischen Systems, z.B. Silizium oder Germanium, als Donatoren und müssen daher auf jeden Pail ferngehalten werden.

Zur Sicherstellung, daß keine unerwünschten Verunreinigungen im abzuscheidenden Stoff eingebaut werden, schlägt die Neuerung bei der Herstellung τοη hochreinen Stoffen, insbesondere Halbleiterstoffen wie Silizium oder Germanium, durch Reaktion einer flüchtigen Terbindung des herzustellenden Halbleitermaterials mit Wasserstoff oder einer wasserstoffspendenden Terbindung, beispielsweise einem Hydrid, in einer anomalen Glimmentladung, wobei die Elektroden aus dem herzustellenden Halbleitermaterial entsprechender Reinheit bestehen, eine Elektrodenanordnung vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens die Absoheidungselektrode gasdicht derart in Glas eingeschmolzen ist, daß ihre elektrische und mechanische Verbindung mit der Stromzuführung vom Reaktionsraum abgetrennt ist, und daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Einschmelzglases demjenigen des Elektrodenmaterials etwa entspricht.

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Bei der Verwendung von Gleichstrom, wobei die Abscheidung

Neuerung an der Kathode erfolgt, ist gemäß der Sxfxusfomg mindestens die Kathode in Glas eingeschmolzen; es ist jedoch zweckmäßig· auch die Anode in Glas einzuschmelzen« Ist die Abscheidung des hochreinen Halbleitorkörpers an beiden Elektroden er- ., wünscht, wird Wechselstrom verwendet» Hierbei empfiehlt es sich, beide Elektroden in Glas.einzuschmelzen«

.Die elektrische und mechanische Verbindung der Elektroden mit. den Stromzuführungen kann beispielsweise durch Kohle erfolgen, ebenso auch durch ein Lot? beispielsweise eine Lotlegierung oder ein Lotgemisch, vorzugsweise ein Weichlot wie eutektische Zinn-3iei-Legierungo Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Wärmeausdehnung des Lotes der des Elektrodenmaterial und so-

es

mit auch der des verwendeten EinschmelzgRas/etwa entspricht, damit bei der Erhitzung der Elektroden keine Beschädigung oder Zerstörung der Elektrodeneinschmelzung oder auch der Lotverbindung eintritt» Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abstand der Einschmelzstelle von den Elektrodenenden so einge- .· stellt wird, daß eine Erwärmung der Sinschmelzstelle weitgehend ausgeschlossen ist« Damit wird auch an der Verbindung der Elektrode mit der Stromzuführung eine Erwärmung vermiedene Als Stromzuführung kann hier beispielsweise ein Kupferdraht, verwendet werden« ·■ '■ ' .

neuerungs

Eine andere Ausführung der xs^&mtangEgemäßen Elektrodenanordnung besteht darin, daß das die Verbindung der Elektroden

' so mit den Stromzuführungen bewirkende.:] Material/ausgebildet ist,

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daß es zugleich auch als Halterung der Elektroden dienen kann. Dies wird ZoB„ bei einer· Ausbildung als Zange erreichte

Pur die Erzeugung von Einkristallen, deren Darstellung große Schwierigkeiten bereitet, wird als Abscheidungselektrode ein Einkristallkeim des darzustellenden Halbleitermaterials ver-

NeuBiEung
wendet, der gemäß der gx&mdcaazg gasdicht in Glas eingeschmolzen ioto Das Einkristallwachstum Wird hierbei nicht durch Auf-· wachsen von Verunreinigungen gestört«'Zweckmäßig ist es, eine Einkristall-Abscheidungselektrodo zu verwenden, die 'nach -den

neuerungs ·. Verfahren der anomalen Glimmentladung mit der· scK&xfSOhmg&g'emäßen Elektrodenanordnung hergestellt ist» · ■ ■■'...

Um zu verhindern, daß Bor aus dem Einschmelzglas In die sich abscheidenden Halbleiterkörper als Verunreinigung miteingebaut wird, empfiehlt es sich, die Halbleiterelektroden nach dem ·.·■ Einschmelzen in Glas mit Flußsäure.zu behandeln, bevor sie in die Apparatur eingesetzt werden»· Dadurch wird das beim · Einschmelzen aus dem Glas abgedampfte und an der Elektrode niedergeschlagene Boroxyd von der Elektrode entfernt.

Heuerung

Die Elektrodenanordnung gemäß der $Ed&äH&mg: wird an Hand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert,

Das vorzugsweise ■ aus Quarzglas bestehende Reaktionsgefäß .1 int durch Schliffe mit den übrigen Teilen der Apparatur verbunden» 2 Stellt die aus dem darzustellendem Stoff, 'z.B. Halb-

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leitermaterial;, entsprechender Reinheit bestehende" Abscheidungselektrode dar, bei denPim Beispiel verwendeten Gleichstrom .die . Kathode, an der die Abscheidung stattfindet» Bei der Darstellung eines Halbleitereinkristalls wird-die' Kathode durch einen Ein- .-kristallkeim des darzustellenden Halbleitermaterials gebildet„ Die zweckmäßig als Stab ausgebildete Anode 3 besteht ebenso' ' ■ v/ie die Kathode aus dem darzustellenden Halbleitermaterial entsprechender Reinheit„ An der Stelle 4 ist die Kathode gemäß der Erfindung in einen Glaskörper 5 eingeschmolzen» Vor- ·. ' zugsweise wird ein rohrförrniger Glaskörper verwendet, der in . einen ZylinderschÜ-ff mündete Die elektrische und mechanische Verbindung β der Kathode mit der Stromzuführung wird beispielsweise durch Kohle oder durch ein Lot gebildet, dessen Wärmeaus-

Neuerung _v

dehnung gemäß der S^xÄsliraipcx^Ekmäiiig der'des Kathodenmaterials und damit der des Sinschmelzglases etwa entspricht Im Rohr 7 ' wird das Reaktionsgemisch zugeführt= Im Gefäß 8 werden ölige Nebenprodukte abgeschieden, 9 stellt eine Schleuse für die Reaktionsabgase dar, die durch das Rohr 10 die Apparatur.ver-^:- lassen, 11a und 11b sind die Stromzuführungen -zu den'Elektroden und 12 stellt die Gleichstromquelle dar. Die Anodenzuführung ist zweckmäßig zur genauen. Justierung der Anode mittels eines Kugelschliffs 'dreh- und schwenkbar gehaltert; ebenso ist es vorteilhaft j wenn die Kathodenzuführung beweglich angeordnet isto Die Kathode kann entsprechend dem Wachstum des sich ab- ■ scheidenden Halble'iterkörpers, beispielsweise'Halbleitereinkristalls, aus dem'Reaktionsgefäß herausgeführt werden, so daß der Abstand zwischen der Kathoden- und der Anodenspitze immer gleich gehalten werden kann» In der Figur ist nur die Kathode

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in Glas eingeschmolzen« Es kann vorteilhaft sein, auch die Anode in Glas einzuschmelzen» Bei der Darstellung von ZoB₀ reinsten Siliziumhalbleiterkörpern besteht ' bei der -Verwendung von Gleichstrom die Kathode vorzugsweise aus reinstem Silizium, zweckmäßig auch die Anode» Im Zu- leitungsrohr 7 wird das Reaktionsgemisch, beispielsweise-ein Siliziumchlorwasseystoff/Wasserstoffgemisch, zugeführt„■ · ■

Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient de3 als Kathoden- und ■

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Anodenmaterials verwendeten Siliziums beträgt 37» 10. j der.· des Einschmelzglases soll in.den Grenzen 37-10=10 liegen= Beispielsweise kommen besonders die Typen 8212 mit einem

-7 ' linearen Ausdehnungskoeffizienten von 41.10 , und 5891 mit'

-7'^: einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 39dO in Frage» Diese beiden Typen stellt die Fa₀ Schott., Mainz her» Ähnlich geeignet ist "Pyrex" von Dow. Coning mit einem linearen Aus- , dehnungskoeffizienten,von 32₀10 _β / '

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Claims

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Elektrodenanordnung bei der Herstellung von hochreinen

Stoffen,- insbesondere Halbleiterstoffen wie Silizium
. oder'Germanium, durch Reaktion einer flüchtigen Verbindung ; des darzustellenden. Halbleitermaterial mit Wasserstoff
oder einer wasserstoff spendenden Verbindung, beispielsweise .

einem Hydrid,, in einer anomalen Glimmentladung,, .wobei die "' ,

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Elektroden aus dem darzustellenden Halbleitermaterial ent- ' ■ sprechender Reinheit bestehen, dadurch gekennzeichnet,, daß. mindestens die Abscheidungselektrode gasdicht derart..in
Glas eingeschmolzen ist, daß die' elektrische und mechanische.-Verbindung dieser Elektrode mit der Stromzuführung vom; . ·■ Reaktionsraum abgetrennt ist, und daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Glases demjenigen des Sloktro- '. denmaterials etwa entspricht» _ · ' '■■■ ' . ·. \ ■ ; -

2ο Elektrodenanordnung, nach' 'Anspruch 1, dadurch ■ gekennzeichnet,

daß die' Einschmelzstelle so weit von den Elektro.denonden
·" entfernt ist,- daß höchstens eine geringe Erwärmung -der Einschmelastelle auftritt_o .. . . ·. ' ■' . -

3ο Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische und mechanische Verbindung
der Elektroden mit den.Stromzuführungen durch Kohle erfolgt„'

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4ο Elektrodenanordnung nach' Anspruch 1 und 2₉ dadurch ge-' kennzeichnet, daß die elektrische und mechanische Verbindung der- Elektroden mit den Stromzuführungen durch ein Lot, beispielsweise ein Lotgemisch oder eine Lotlegierung;, vorzugsweise ein Weichlot;, erfolgt« '■ -

ο Elektrodenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4-, dadurch gekennzeichnet .,.daß die Wärme aus dehnung des die Verbindung bewirkenden Lotes der des'Elektroden-" materials etwa entspricht» . ■■" ·