DE2016339C3 - Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers aus Halbleitermaterial - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörpers aus Halbleitermaterial

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DE2016339C3 DE19702016339 DE2016339A DE2016339C3 DE 2016339 C3 DE2016339 C3 DE 2016339C3 DE 19702016339 DE19702016339 DE 19702016339 DE 2016339 A DE2016339 A DE 2016339A DE 2016339 C3 DE2016339 C3 DE 2016339C3
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zurfl Herstellen eines mindestens einseitig offenen Hohlkörpers aus Halbleitermaterial durch Abscheiden aus einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials auf einen aus einem anderen Material bestehenden, beheizten Trägerkörper, der nach dem Abscheiden einer genügend dick bemessenen Schicht des Halbleitermaterials ohne Zerstörung derselben entfernt wird.
Ein solches Verfahren ist bereits vorgeschlagen worden. Die vorliegende Erfindung bezweckt, ein Verfahren der obengenannten Gattung so auszubilden, daß es möglich ist, aus Halbleitermaterial bestehende Hohlkörper herzustellen, deren Wände von gleichmäßiger, homogener Beschaffenheit sind.
Diese Forderung ist bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Gattung nicht ohne weiteres zu erfüllen. Beim Abscheiden von Halbleitermaterial aus einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials auf einen aus einem anderen Material bestehenden, beheizten Trägerkörper können sick nämlich insbesondere am Anfang des Abscheidevorganges spontan Kristallite bilden. Diese Kristallite haben im allgemeinen die Form von Nadeln und stehen senkrecht zur Oberfläche des beheizten Trägerkörpers. An den Nadeln scheidet sich weiteres Halbleitermaterial ab, und die Nadeln vergrößern sich zu walzenförmigen Gebilden. Solche Gebilde verhindern eine gleichmäßige und homogene Ausbildung der Wandungen des Hohlkörpers. Dies kann z. B. dazu führen, daß die Wandungen an manchen Stellen so dünn werden, daß sie dort gasdurchlässig sind. Solche Hohlkörper sind aber z. B. als Behälter für die Ampullendiffusion von Halbleiterscheiben nicht brauchbar.
Auf der anderen Seite werden die Wandungen aber auch sehr viel dicker als gewünscht, d. h. der Außendurchmesser eines solchen Hohlkörpers wird an manchen Stellen größer als gewünscht. Bei der Ampullendiffusion wird der mit Halbleiterscheiben gefüllte Hohlkörper aus Halbleitermaterial nämlich in
einem Quarzrohr untergebracht, dessen Durchmesser möglichst klein gehalten werden soll. Das ist insbesondere dann sehr einfach zu erfüllen, wenn die Wandstärke eines Hohlkörpers aus Halbleitermaterial gleichmäßig und nicht durch die bereits erwähnten walzenförmigen Gebilde beeinträchtigt ist
Man ist aber auch noch aus einem anderen Grunde bestrebt, eine möglichst gleichmäßige Wandstärke bei einem Hohlkörper aus Halbleitermaterial zu erzielen.
In diesem Hohlkörper werden nämlich die Halbleiterscheiben nicht nur einer Diffusion unterzogen, sondern auch nach der Diffusion abgekühlt Sollen die in der Ampulle untergebrachten Halbleiterscheiben beim Abkühlen frei von Verspannungen bleiben, so empfiehlt es sich, die Ampulle so auszubilden, daß der Temperaturgradient im Inneren möglichst klein ist Eine Ampulle aus Halbleitermaterial, das bei den Diffusionstemperaturen ein sehr guter Wärmeleiter ist, erfüllt diese Forderung aber erst dann zufriedenstellend, wenn ihre Wandstärke überall gleich groß ist
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials in einem solchen Verhältnis mit einem Reduktionsgas verwendet wird, daß sich von Beginn der Reaktion an bei einer bestimmten Temperatur ein Zustand nahe dem Reaktionsgleichgewicht einstellt
Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, daß sich ein langsames, gleichmäßiges Wachstum der Halbleiterkristalle auf dem Trägerkörper einstellt Eine Bildung von Kristalliten, die dann entstehen würde, wenn die gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials stark im Überschuß in dem Reaktionsgemisch vorhanden wäre, kann hierbei somit nicht auftreten.
Beim Abscheiden von Halbleitermaterial auf einen beheizten Trägerkörper ist nun voi allem das erste Verfahrensstadium zu beachten. Dieses zeichnet sich dadurch aus, daß im Reaktionsgefäß noch kein oder nur wenig Halbleitermaterial auf dem Trägerkörper abgeschieden wurde. Das in das Reaktionsgefäß eingeleitete Reaktionsgemisch, bestehend aus einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials, bei Silizium z. B. Silicochloroform SiHCU und molekularer Wasserstoff H2 als Reduktionsgas, ist also in diesem Stadium am Beginn des Abscheidevorganges stark im Überschuß vorhanden. Nach dem Massenwirkungsgesetz findet daher eine sehr schnelle Umsetzung von SiHCl3 und H2 in Silizium und Chlorwasserstoffgas HCI statt. Dies begünstigt, wie eingangs erläutert die Bildung von Kristalliten.
Um langsames Kristallwachstum auch im ersten Stadium des Abscheidevorganges zu erzielen, wird zum Herstellen z. B. eines Silizium-Hohlkörpers bei Beginn des Abscheidevorganges ein Verhältnis gewählt, bei dem sich zunächst 0,002 g bis 0,1 g Si/cm2h abscheiden, bis eine Stärke der niedergeschlagenen Schicht von wenigen μιπ erreicht ist. Es genügt dazu, wenn die Schicht 2 bis 5 μιπ dick ist Dann wird das Verhältnis geändert bis zur Abscheidung von 0,05 bis 0,2 g Si/cm2h. Als besonders wirtschaftlich hat sich dabei ein Verhältnis herausgestellt bei dem zunächst 0,05 g Si/cm2h und dann 0,02 g Si/cm2h abgeschieden wird.
Bei der Verwendung von molekularem Wasserstoff H2 als Reduktionsgas und SiHCl3 als gasförmige Verbindung wird dazu bei einer Temperatur von ca. 12000C ein Molverhältnis beider Stoffe von 1 :0,02 bis 1 :0,2 eingestellt. Zu Beginn der Reaktion wird bis zur Abscheidung einer wenige μΐη starken Schicht ein Durchsatz eingestellt, der '/too bis '/2 des normalen Durchsatzes entspricht Besonders wirtschaftlich wird mit einem Molverhältnis von etwa 1:0,08 gearbeitet In einer Bruttoformel läßt sich das letzte Ausführungsbeispiel so ausdrücken:
1 SiHCl3+12 Η2ΐ=* 1 Si+3 HCl+11 H2
Diese Reaktion läuft bet einer Temperatur von etwa
12000C nahe dem Reaktionsgleichgewicht ab. Als zweckmäßig hat sich ein Durchsatz an Reaktionsgemisch von etwa 5 l/cm2h Oberfläche des Hohlkörpers herausgestellt der zu Beginn der Reaktion bis zur Abscheidung einer z. B. 2 bis 5 um starken Schicht auf eiwa 0,05 bis 24 l/cm2h eingesetllt wird.
Bei Verwendung von Tetrachlorsilan SiCU als gasförmiger Verbindung empfiehlt es sich, bei einer Temperatur von etwa 12000C ein Mol verhältnis von 1 :0,005 bis 1 :0,05 einzustellen. Auch hierbei wird bei Beginn der Reaktion bis zur Abscheidung einer wenige μηι starken Schicht ein Durchsatz eingestellt der !/ioo bis '/2 des normalen Durchsatzes von z. B. 5 l/cm2h Oberfläche entspricht Bei Verwendung von Dichlorsilan SiH2Cl2 als gasförmige Verbindung wird bei einer Temperatur von etwa HOO0C zweckmäßigerweise ein Molverhältnis von 1 :0,05 bis 1 :0,5 eingestellt Bei Beginn der Reaktion -tfird wie in dem obenerwähnten Beispiel bis zur Abscheidung einer wenige μΐη starken Schicht ein Durchsatz gewählt der Vi00 bis '/2 des normalen Durchsat/es, also etwa 0,05 bis 0,25 l/cm2h
Oberfläche entspricht Bei der zuletzt genannten
gasförmigen Verbindung arbeitet man besonders wirtschaftlich, wenn das Molverhältnis 1 :0,15 beträgt
Eine weitere Verbesserung in Richtung auf eine
gleichmäßige Wandstärke wird durch eine Absenkung der Temperatur der Oberfläche, auf die abgeschieden wird, während des Abscheidens erreicht Zweckmäßigerweise beträgt die Absenkung etwa 30 bis 100° C, als brauchbarer Wert hat sich etwa 20°C.'mm Wandstärke erwiesen. Würde man die Temperatur nicht absenken, so kann es nämlich wegen der mit steigender Wandstärke abnehmenden Wärmestrahlung zu starken Temperaturunterschieden zwischen der Außenseite und der Innenseite des Hohlkörpers kommen. Als Folge davon treten unter Umständen Risse in den Wandungen auf, die die Hohlkörper unbrauchbar machen.
Da es zur Verhinderung einer Kristallitbildung darauf ankommt, die Umsetzung der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials in das Halbleitermaterial selbst
■>o möglichst nahe am Reaktionsgleichgewicht zu halten, kann in den Reaktionsraum mindestens zu Beginn der Abscheidung Halogenwasserstoff, insbesondere Chlorwasserstoffgas, eingeleitet werden. Dies beeinflußt die Reaktion im Sinne einer Bremsung der Abscheidung des
τ. Halbleitermaterials. Damit ist es auch möglich, SiH4 zur
Herstellung von Hohlkörpern zu verwenden. Allerdings
muß in diesem Fall unbedingt Halogenwasserstoff zugesetzt werden.
Die Reaktion kann auch durch Zusatz von Inertgas
(z. B. Ar oder He) gebremst werden. Dies gilt auch für die obenerwähnten anderen Reaktionsgemische.
Das Verfahren, das am Beispiel des Si-Hohlkörpers beschrieben wurde, ist auch zur Herstellung von Hohlkörpern aus SiC, Ge1 11 I/V-Verbindungen wie
GaAs, InSb usw. anwendbar.

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. Verfahren zum Herstellen eines mindestens einseitig offenen Hohlkörpers aus Halbleitermaterial durch Abscheiden aus einer gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials auf einen aus einem anderen Material bestehenden, beheizten Trägerkörper, der nach dem Abscheiden einer genügend dick bemessenen Schicht ohne Zerstörung desselben entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Verbindung des Halbleitermaterials in einem solchen Verhältnis mit einem Reduktionsgas, das sich von Beginn der Reaktion an bei einer bestimmten Temperatur ein Zustand nahe dem Reaktionsgleichgewicht einstellt, verwendet wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen eines Silizium-Hohlkörpers bei Beginn des Abscheidevorganges ein Verhältnis gewählt wird, bei dem sich zunächst 0,002 g bis 0,1 g Si/cm2h abscheiden, bis eine Stärke der niedergeschlagenen Schicht von wenigen μπι erreicht ist, und daß dann das Verhältnis bis zur Abscheidung von 0,05 bis 0,2^ Si/cm2h geändert wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beginn des Abscheidevorganges ein Verhältnis gewählt wird, bei dem sich zunächst 0,05 g Si/cm2h abscheiden, bis eine Stärke der abgeschiedenen Schicht von wenigen μπι erreicht ist und daß dann das Verhältnis bis zur Abscheidung von 0,1 g Si/cm2h geändert wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von H2 als Reduktionsgas und SiHCb als gasförmiger Verbindung bei einer Temperatur von etwa 1200° C ein Molverhältnis beider Stoffe von 1 :0,02 bis 1 :0,2 eingestellt wird und daß zu Beginn der Reaktion bis zur Abscheidung einer wenige μίτι starken Schicht ein Durchsatz, der </ioo bis 1/2 des normalen Durchsatzes entspricht, eingestellt wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Molverhältnis von 1 :0,08 eingestellt wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von H2 als Reduktionsgas und SiCU als gasförmiger Verbindung bei einer Temperatur von etwa 1200° C ein Molverhältnis beider Stoffe von 1 :0,005 bis 1 :0,05 gewählt wird und daß bei Beginn der Reaktion bis zur Abscheidung einer wenige μπι starken Schicht ein Durchsatz, der Vi 00 bis 1/2 des normalen Durchsatzes entspricht, eingestellt wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Molverhältnis von 1 :0,08 eingestellt wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von H2 als Reduktionsgas und SiHiCl2 als gasförmiger Verbindung bei einer Temperatur von etwa 1100°C ein Molverhältnis beider Stoffe von 1 :0,05 bis 1 :0,5 eingestellt wird und daß bei Beginn der Reaktion bis zur Abscheidung einer wenige μηι starken Schicht ein Durchsatz, der Vi00 bis V2 des normalen Durchsatzes entspricht, gewählt wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Molverhältnis von 1 :0,15 einge
    stellt wird.
    10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und dem Reduktionsgas Halogenwasserstoff, insbesondere Chlorwasserstoffgas, beigemischt wird.
    11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmigen Verbindung des Halbleitermaterials und dem
    Reduktionsgas ein Inertgas beigemischt wird.
    IZ Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchsatz an der zu beschichtenden Oberfläche an Reaktionsgemisch von etwa 5 l/cm2h und zu Beginn der Reaktion 0,05 bis 2£I/cm2h eingestellt wird.
    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktiansgemisch SiH4 verwendet wird, dem Halogenwasserstoffgas, vorzugsweise Chlorwasserstoff, beigemischt wird.
    14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Oberfläche, auf die abgeschieden wird, mit wachsender Stärke der abgeschiedenen Schicht, vorzugsweise bis zu 20°C/mm, aogesenkt wird.
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