DE2120891A1

DE2120891A1 - Verfahren zum Herstellen beliebig langer Hohlkörper aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium

Info

Publication number: DE2120891A1
Application number: DE19712120891
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8551 Pretzfeld Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-04-28
Filing date: 1971-04-28
Publication date: 1972-11-09
Also published as: IT959424B; FR2135185A1; CH536656A; DD96850A5; GB1345126A; BE778659A; NL7201952A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, 2 8.APR. 1971

Berlin und München Wittelsbacherplatz 2

71/1064

Verfahren zum Herstellen beliebig langer Hohlkörper aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen beliebig langer Hohlkörper aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium.

Hohlkörper aus Halbleitermaterial, insbesondere Siliciumrohre, finden Verwendung als Diffusionsräume für Gas- und Festkörperdiffusicnen in Halbleiterkristallen und sind wegen ihrer Reinheit und Temperaturfestigkeit den herkömmlichen Diffusionsrohren aus Quarz, Graphit oder Keramik vorzuziehen.

Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, insbesondere Rohren, aus Halbleitermaterial sind bekannt. So ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 1 o61 593 bekannt, einen Silicium stab durch thermische Zersetzung einer Silicium enthaltenden Verbindung und Abscheiden auf einem aus Silicium bestehenden Trägerkörper herzustellen und diesen so gefertigten Siliciumstab zur Herstellung eines rohrförmigen Gebildes mit mechanischen Mitteln auszubohren. Dies bedeutet aber einen großen Materialverlust. . .

Gemäß einem anderen in der deutschen Offenlegungsschrift 1 8o5 97o (VPA 68/1635) beschriebenen Verfahren geht man bei der Herstellung eines aus Halbleitermaterial bestehenden Hohlkörpers so vor, daß ein Trägerkörper aus einem hitzebeständigen Material, z. B. aus Graphit, Tantal,'Molybdän oder Keramik als Ausgangsträgerkörper verwendet wird, daß auf der Außenfläche eines solchen Trägerkörpers durch thermische Zersetzung aus einer gasförmigen Halbleiterverbindung Halbleitermaterial

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abgeechieden wird und daß abschließend der aus fremdem Material bestehende Trägerkörper ohne' Zerstörung der aufgebrachten Halbleiterschicht mechanisch und/oder chemisch entfernt wird. Mit diesem Verfahren ist es möglich, an zwei gegenüberliegenden Seiten offene Hohlkörper, z. B. Rohre, aus Silicium herzustellen.

Die nach der deutschen Offenlegungsschrift 1 8o5 97o hergestellten Rohre sind aber in ihrer Länge durch die Länge der Vorrichtung, in der sie gefertigt werden, begrenzt. Daher sind diese für Ganz-Silizium-Systeme, bei denen auch die aus der Heizzone herausragenden kalten Rohrteile aus Silicium sein müssen, zu kurz. Auch für Diffusionen von beispielsweise großflächigen Bauelementen, deren Platzbedarf im Diffusionsraum sehr groß ist, oder für höhere Stückzahlen an zu diffundierenden Kristallen genügen diese Rohre nicht mehr und man ist wieder auf die herkömmlichen, mit allen Nachteilen des Einschleppens von Verunreinigungen behafteten Rohre aus Quarz und dergl. angewiesen. Quararohre reagieren aber mit Siliciumkristallscheiben unter Bildung von unerwünschten Kristallversetzungen.

Die vorliegende Erfindung soll hier Abhilfe schaffen und dient zur Lösung der Aufgabe, Hohlkörper aus Halbleitermaterial, insbesondere Siliciumrohre, mit beliebiger Länge herzustellen, wobei die Gefahr des Einschleppens von Verunreinigungen bei. · den nachfolgenden Diffusionsprozessen, sei es durch einen bei der Herstellung verwendeten Trägerkörper oder durch äußere Einflüsse, möglichst gering gehalten wird. .

Zur Lösung dieser Aufgabe wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß mindestens zwei aus Halbleitermaterial bestehende Hohlkörper mit ihrer offenen Stirnseite in Kontakt gebracht und mittels einer auf das Halbleitermaterial abgestimm-

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ten Verschweißmethode gasdicht zusammengeschmolzen werden. Durch diese Methode können aus mehreren kürzeren Siliciumrohren, die nach bekannten Verfahren hergestellt sind, Siliciumrohre "beliebiger Länge gefertigt werden, wobei gewährleistet ist, daß diese Rohre in bezug auf Reinheit, Temperaturfestigkeit und Gasdichte den Anforderungen in der Halbleitertechnik genügen. Das Entfernen eines aus einem andersartigen Material bestehenden Trägerkörpers entfällt ganz und gestaltet das Verfahren einfach und reproduzierbar. . .

Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß dae Verschweißen im Hochvakuum mittels scharf gebündelter Elektronenstrahlen vorgenommen wird. Die starke örtliche Konzentration der Strahlenenergie erlaubt eine hohe Schweißgeschwindigkeit bei nur geringen Gefügeänderungen. Da unter Hochvakuum gearbeitet werden muß, erhält man auch bei dem oxydationsempfindlichen Silicium saubere gasfreie Schweißnähte. Eine weitere Möglichkeit der Verschweißung bietet die Verwendung von Wärmestrahlen, insbesondere von laserstrahlen. Hier ist kein Vakuum notwendig; dafür lassen sich diese Strahlen besser fokussieren.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung ist es auch günstig, die Verschweißung in Schützgasatmosphäre, insbesondere Argon,mittels eines Plasmabrenners oder im Argon-Ärc-Bogen durchzuführen, wobei die zum Verschweißen vorgesehenen, aus Halbleitermaterial bestehenden Hohlkörper nicht als Elektrode geschaltet sein dürfen.

Gemäß einem anderen, besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird die Verschweißung mittels Hoehfrequenzenergie durch induktive Erwärmung durchgeführt.

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Dabei ist es von großen Vorteil, wenn eine haarnadelförinig ausgebildete Induktionsheizspule verwendet und eine Frequenz von ca. 3o MHz eingestellt wird. Hier empfiehlt es sich- vor allen Dingen, die Hohlkörper beim Verschweißen in langsame Umdrehungen zu versetzen, damit der gesamte Umfang aufgeschmolzen wird.

In allen* Fällen 'ist.es zweckmäßig, die zur Verbindung vorgesehenen Bereiche der Hohlkörper vorzuerwärmen, da das Material sehr spröde ist und durch die spontane Erhitzung beim Verschweißvorgang Risse entstehen können. Die Vorerwärmung auf ca. 1ooo°C erfolgt zweckmäMgerweise durch Strahlung oder Hochfrequenz.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von .Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den in den Figuren 1 - 3 dargestellten Vorrichtungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt das Verschweißen von zwei Siliciumrohren mittels eines scharf gebündelten Elektronenstrahls,

Fig. 2^rden Schweißvorgang unter Verwendung von Hochfrequenzenergie mittels eines haarnadelförmigen Induktors und

Fig. 3 das Verschweißen unter Verwendung eines Plasmaschweißgerätes.

In Fig. 1 sind mit den Bezugszeichen T und 2 zwei Siriciumrohre bezeichnet, welche' an ihren zur Verschweißung vorgesehenen offenen Stirnflächen 3 und 4 geschliffen und geläppt' worden sind, um ein dichtes· Aufeinandersitzen der beiden Rohre zu gewährleisten. Zur besseren Zentrierung und Stütze befindet sich während des Verschweißens der beiden Rohre 1 und 2 unterhalb der Schweißstelle ein Graphit- oder Keramikstopfen 5, welcher an seiner den Siliciumrohren zugewandten

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Oberfläche mit einem. Quarzgewebe· .6 versehen ist. Die durch die parallellaufenden Pfeile 7 angedeuteten Elektronenstrahlen treffen auf die Stoß- oder Stirnflächen 3 und 4 .der Rohre 1 und 2 und stellen durch Verschmelzen eine gasdichte Verbindung der beiden Rohre i und 2 zu einem einheitlichen Rohr her. Während des Verschweißeris werden die beiden Rohre 1 und 2 gemeinsam in langsame Umdrehung versetzt, wie durch den Pfeil 8 angedeutet ist. Auf die Abbildung der Hochvakuumapparatur wurde hier verzichtet.

In Pig. 2 sind wieder mit 1 und 2 die beiden zur Verschweißung -vorgesehenen Siliciumrohre bezeichnet. Zur Erzeugung der Schmelzwärme ist hier eine haarnadelförmig gebogene Induktionsheizspule 9 vorgesehen, welche den Vorteil hat, daß ein kleiner Bereich geschmolzen wird, so daß durch langsames Drehen der Anordnung in Pfeilrichtüng 1o der gesamte Umfang ohne Rissebildung aufgeschmolzen wird. Die Frequenz wird möglichst hoch, beispielsweise auf ca. 3o MHz, eingestellt,

Pig. 3 zeigt das Verschweißen der beiden Siliciumrohre 1 und mittels eines Plasmaschweißgerätes 11. Dabei sind die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1. Das aus der Düse 12 ausgeblasene Plasma 13 erzielt sehr hohe Temperaturen und' bewirkt, daß das Verschmelzen der beiden aus Silicium bestehenden Hohlkörper 1 und 2 erfolgt, ohne daß diese als Elektrode geschaltet sind.

Das Verfahren gemäß vorliegender Patentanmeldung läßt sich für das Verschmelzen von Hohlkörpern verwenden, welche gemäß einem Verfahren nach der deutschen Offenlegunggschpift

1 917 o16 und 1 8o5 97o sowie der älteren Patentanmeldungen

2 o16 339.7, 2 o22 o25.1, 2 o5o o76.9 und 2 o59 36o.9 hergestellt sind.

12 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

Pate nt ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen beliebig langer Hohlkörper aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei aus Halbreitermaterial bestehende Hohlkörper mit ihrer offenen Stirnseite in Kontakt gebracht und mittels einer auf das Halbleitermaterial abgestimmten Verschweißungsmethode gasdicht zusammengeschmolzen werden. · ■

ψ 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verschweißung vorgesehenen Stirnfrächen vorher geschliffen und geläppt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen im Hochvakuum mittels scharf gebündelter

' Elektronenstrahlen durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen in Schutzgasatmosphäre, insbesondere Argon, mittels Plasmabrenner erfolgt, wobei die Hohlkörper nicht als Elektrode geschaltet werden.

*' 5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen in Schutzgasatmosphäre im Argon-Arc-Bogen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch .1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen in Vakuum oder Schutzgasatmosphäre mittels Wärme strahlen, insbesondere Laserstrahlung, durchgeführt wird. """'-■■

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen in Vakuum oder Schutzgasatmosphäre mittels Hochfrequenzenergie durchgeführt wird.

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8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß eine haarnadelförmig ausgebildete Induktionsheizspule verwendet wird und eine Frequenz von ca. 3o MHz eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verschweißung vorgesehenen Hohlkörper im Bereich der Schweißstellen-auf ca. 1ooo°C vorgewärmt werden".

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorerwärmung mittels einer die Verschmelzungsstelle umschließenden HP-Spule erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorerwärmung mittels einer ringförmigen Strahlungsheiζquelle erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper während des Verschweißens mit langsamen Drehbewegungen beaufschlagt werden.

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