DE2206493C3

DE2206493C3 - Mehrschichtiger Quarzglaskörper für die Verwendung in der Festkörpertechnologie

Info

Publication number: DE2206493C3
Application number: DE2206493A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dipl.-Phys.Dr. Rau; Karl Prof. Seiler
Original assignee: Heraeus Schott Quarzschmelze GmbH
Current assignee: Heraeus Schott Quarzschmelze GmbH
Priority date: 1972-02-11
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1975-01-30
Also published as: JPS4892410A; DE2206493A1; CH584661A5; GB1382396A; FR2171404B1; US3925583A; DE2206493B2; JPS545404B2; FR2171404A1

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrschichtigen Ouarzglaskörper. insbesondere einen Hohlkörper aus Ouar/.glas. für die Verwendung in der Festkörperleehnologie.

Zur Dotierung von Festkörpern, beispielsweise von Silizium- oder Germaniumscheiben, mti Bor. Gallium, Indium, Phosphor, Arsen. Antimon und zur Oxidation werden vorzugsweise Diffusionsverfahren benutzt. Diese Diffusionsverfahren werden unter sehr reinen Bedingungen bei hohen Temperaturen, beispielsweise bei mehr als 1000" C, durchgeführt. Daher wird hochreines Quarzglas in vielen Fällen als Werkstoff für die Diffusionsvorrichtungen, wie Amniillen oder Diffusionsrohre. benutzt.

In jüngster Zeil hat man aber hei der Herstellung von Feldeffekt-Transistoren "der von integrierten Schaltungen mit Feldeffekt-Transistoren -diese Herstellung erfolgt unter extrem hohen Reinheitsbedin-

gungen - festgestellt, daß durch die verwendeten Quarzglaskörper. wie Diffusionsrohre oder -umpullcn, verschiedene Stoffe, darunter auch Halbleitergifte, hindurchdiffundieren und den Herstellungsprozeß der Tranistoren stören. Besonders störend macht

ίο sich Natrium bemerkbar, das wegen seines verhältnismäßig großen Diffusionskoeffizienten in Quarzglas besonders gefürchtet ist.

Aus der französischen Patentschrift 1 2V3 54 ist ein für die Halbleitertechnologie bestimmtes Diffusions-

is roht aus Quarzglas bekannt, das auf seiner Außenseite mit einem Überzug versehen ist. Dieser Überzug wird bei hoher Temperatur schmelzflüssig. Er soll verhindern, daß Verunreinigungen, die den Diffusionsprozeß zum Dotieren eines Halbleiters stören, durch die

so Wand des Quarzglasrohres in den Doiieruiigsraum eindiffundieren können. Hs ist einleuchtend, daß die Aufrechterhaltung eines schmelzflüssigen Überzuges auf der Außenseite eines Quarzglasrohres, wenn überhaupt, nur außerordentlich schwierig möglich

*5 ist.

Bei der Durchführung der Oxidation von Siliziumscheiben. ein oft henötiuter Verfahrensschritt in der Planar-'l echnik, benutzt man doppelwandige Quarzulasrohre. deren Zwischenraum mit einem Gas gespült wird, welches das durch das äußere Quarzrohr hindurchdiffundierte Natrium laufend wegspült. Bei Verwendungeines einwandigen Quarzglasrohres wird periodisch in den von ihm umhüllten Behandlungsraum ein Gas eingeleitet, welches das an der Rohrinncnwand vorhandene Natrium in Form einer Verbindung mit hohem Dampfdruck herausspült. Diese zusätzlichen Maßnahmen sind sehr aufwendig und bedingen beim einwandigen Rohr eine wiederholte Unterbrechung des Behandlungsverfah.r.;ns.

Aus der deutschen Patentschrift 962 X (S.8 ist ein Quarzglastiegel zur Herstellung von Halbleiterstoffen bekannt. Er ist aus zwei Quarzglasschichten aufgebaut: eine Schicht besteht aus reinem Quarzglas, die andere aus synthetischem Quarzglas; letztere ist dem Tiegelinnenraum zugekehrt. Besondere Vorkehrungen, um das Hindurehdiffimdieren von Veuinreinigungen durch die Tiegelwand zu verhindern, sind nicht getroffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mehrschichtigen Quarzglaskörper. insbesondere einen Hohlkörper aus Quarzglas, fiir die Verwendung in der Festkörpertechnologie zu schaffen, bei dem das Hindiirchdiffundieren von Verunreinigungen, insbesondere von Natrium, durch die Wandung des Körpers wirksam verhindert ist.

Fm einen Quarzglaskörper. der eine einem Behandlungsraum zugekehrte Schicht aus synthetischem Quarzglas und einen darauf aus Bcigkristallkörmmg aufgeschmolzenen Quarzglasühei/ug aufweist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der aufgeschmolzene Quarzglasüberziig eine die synthetische Quarzglasschicht vollständig umhüllende innere Schicht aufweist, in der Diffusionshemmer eingelagert sind. Diese innere Schicht kann beliebig innerhalb des aufgeschmolzenen Quarzglasübcrzugs aus Bcrgkristallkörnuug angeordnet sein; sie muß nur die synthetische Quarzglasschicht umhüllen. Vorteilhafterweise grenzt die innere Schicht unmittelbar an

Jic Schicht mis synthetischem Quarzglas an. Die Dicke der inneren Schicht beträgt mindestens KKi und höchstens W% der Dicke des aufgeschmolzenen Quarzglasüherzugs. Zur Diffudonshemmung hut es sich bewährt, die Zwischengitterplätze der inneren Schicht mit Diffusionshemmer zu verstopfen. Insbesondere ist der Einbau von ÜH-lonen oder zweiwertigen Kaiionen, die keine Halhleitergifte sind, auf den Zwischengitlerplätzen der inneren Schicht aus Quarzglas zur Diffusionshemmung geeignet. Als Diffusionshemmer in Form zweiwertiger Kationen werden beispielsweise Barium, Calcium und Beryllium genannt. Wie oben erwähnt, grenzt die innere Schicht, in der die tlwischengitterplätze verstopft sind, \orleilhafterweise unmittelbar an die Schicht aus synthetischem Quarzglas an. Dies hai den Vorteil, daß bei einer nachfolgenden Eindiffusion der die Zwischengitterplätze verstopfenden Ionen in die Schicht aus synthetischem Quarzglas auch dort die letzten noch möglichen Zwischengitterplätze \erstopft werden. Ms hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, in der inneren Schicht etwa die doppelte Mol-Konzentration an dreiwertigen Ionen, bezogen auf die Mol-Kon/ iitration der die Zwischengitterplätze verstopfenden zweiwertigen Ionen, an (iitterplätzen einzubauen. Die fehlende Ladung der an den Gitterplälzen eingebauten dreiwertigen Ionen bewirkt eine zusätzliche Verankerung der zweiwertigen Ionen, die den Ladunusausgleich bewirken müssen und auf Zwischengitterplätzen sitzen. Als dreiwertige Ionen, die an Gitierplälzen eingebaut werden, deshalb nur eine relativ geringe Beweglichkeit besitzen und infolgedessen die Halblciter-Herstellprozesse nicht stören, seien beispielsweise Gallium- und/oder Aluminiumionen genannt.

Durch die erfindungsgemäße Verstopfung der Zwischengitterplätze in der inneren Schicht ist sichergestellt, daß das Diffundieren von unerwünschten Stoffen, insbesondere von Natrium, durch die Wandung des einen Behandlungsraum umschließenden Quarzglaskörpers praktisch vollständig unterdrückt wird, weil die Diffusion der meisten Stoffe über Zwischengitterplätzen erfolgt. Man hat nur darauf /.u achten, daß die die Zwischengitterplätze verstopfenden Diffusionshemmcr keine Halblcitergifte sind, also den im Behandlungsraum durchzuführenden Prozeß, wie Dotierungsprozeß, nicht stören und daß sie in der Schicht aus synthetischem Quarzglas langsamer diffundieren als der Fremdstoff, wie z. B. Natrium, dessen Diffusion man hemmen will.

Nahezu gleich gute Ergebnisse erzielt man hinsichtlich der Diffusionshemmung, wenn man an Stelle der Verstopfung der Zwischengitterplätze in der inneren Schicht als Difiusionshemmer kleine, voneinander durch Quarzglas getrennte Luftbläschen einbaut. Hierbei ist aber darauf zu achten, daß die hiftbläschenhaltige Schicht nicht bis zur Außenoberfläche des uns Bergkristallkörnung hergestellten Quarzglas-Überzuges reicht, da dann der Quar/.glaskörper schlecht zu reinigen ware.

Die besten Ergebnisse hinsichtlich der Diffusionshemmung erhält man bei Anwendung beider Maßnahmen, d. h., daß man in der inneren Schicht aus Quarzglas kleine Luftbläscheii einlagert und zusätzlich die Zwischengiilerplätzc in dieser Schicht durch Einbau von OH-Ioncn »ind/odcr zweiwertigen Ionen verstopft.

Wird der crfindiingsgcmäßc Quarzglaskörper längere Zeit bei Temperauiicn oberhalb 1000" C" benutzt, so empfiehlt es sich, ihn noch formstabil zu machen. Dies kann in an sich bekannter Weise dadurch erfolgen, daß er mit einer zusammenhängenden, feinkristallinen Schicht aus Kristallmodifikationen des Quarzglases, insbesondere mit einer Cristobalit-Schichl, versehen wird, die beispielsweise durch Aufstreuen von reinem Cristohalit-Pulverauf die Außenoberfläehe der aus Bergkristallkörnung hergestellten Quarzglasschicht und Einbrennen des CristobalU-

Pulvers hergestellt werden kann. Die formstabilisierende, zusammenhängende, feinkristalline Schicht, insbesondere Cristobalit-Schicht, kann aber, wie an sich bekannt, auch erst während der Verwendung des Quarzglaskörpers bei hohen Temperaturen erzeugt

werden. Zu diesem Zweck werden in die Außenoberfüichenschichl der aus Bergkristallkörnung hergestellten Quarzglasschicht oder in eine auf diese Quarzglasschicht zusätzlich aufgebrachte Quarzglasschicht Keimhildner-Atome in einer Menge von weni-

ger als 5 · K)^r pro cm', aber mehr als K)¹' pro cm', eingebracht.

In der Figur ist in Ansicht ein ei-iindungsgemäß aulgebautes Quarzglasrohr dargestellt.

An Hand des in der Figur dargestellten Ausfiih-

rungsbcispiels wird die Herstellung des Quarzglasrohres bes'-hrieben. Ausgangsprodukt bildet das aus s\nthctischem Quarzglas bestehende Rohr 1. Auf dieses Rohr wird vorzugsweise tangential feinpulverisier'cr Bergkristall (Bergkristallkörnung) aufgestreut und

mit'els Hochleistungsbrenner auf das synthetische Quarzglasrohr aufgeschmolzen, wobei das synthetische Quarzglasrohr laufend gedreht wird. Hierdurch entsteht der Quarzglasüberz.ug 2. Dieser Überzug 2 weist eine innere Schicht 3 auf. die vorteilhafterweise unmittelbar an die Oberfläche 4 des Rohres aus synthetischem Quarzglas angrenzt. In dieser Schicht 3 weiden die Zwischengitterplätze dadurch verstopft, daß man der aufzustreuenden Bergkristallkörnung zweiwertige Kationen bildende Zusätze beimischt.

4" vorteilhafterweise also Verbindungen zweiwertiger Kationen, die sich in der durch die Hochleistungsbrenner erzeugten Wärme zersetzen. Beim Aufbau des Quarzglasüberzugs 2 mit der Flamme werden gleichzeitig OH-Ionen eingelagert Ebenso können

zum Einbau der dreiwertigen Ionen auf die Gitterplätz.e der Bergkristallkörnung entsprechende Zusätze beigemischt werden, beispielsweise Galliumund/odcr Aluminiumionen liefernde Verbindungen. Die Erzeugung von Luftbläschen in der inneren

Schicht 3 kann sehr leicht dadurch erfolgen, daß man die feine Bergkristallkörnung schneller aufstreut, als die zur Erzeugung einer völlig glasigen Schicht erforderlich ist. Es ist also auf diese Weise sehr leicht möglich, in der Schicht 3 durch Zusatz von Zwischengitlcrplätzen verstopfende, zweiwertige Ka:ioncn erzeugende Verbindungen zur aufzustreuenden Bergkristallkörnung und durch schnelleres Zuführen dieses Gemisches sowohl die Zwischengitterplätze zu verstopfen als iiueh in der Schicht 3 gleichzeitig kleine

Luftbläschen zu erzeugen. Aus dem Herstellungsverfahren ergibt sich von selbst, daß, wenn man nur klein'¹ Luftbläschen in der inneren Schicht 3 erzeugen will, der Bergkristallkörnung selbstverständlich keine die Zwischcngitterpliic/c verstopfenden Zusatzstoffe hin-

zuzufügen sind. Nach Herstellung der Schicht 3 wird dann nur noch reine Bergkristallkörnung aufgestreut und aufgeschmolzen, bis dann der Überzug 2 in der gewünschten Stärke erreicht ist. Um eine Formstabili-

«icrung des so liergestelllen üuarzglasrohres zu erzielen, wird beispielsweise so verfahren, daß man reinilcn Cristobalit in Pulverform auf die Auücnoberflii- :hc des fertig gezogenen Ouarzglasrohres aufgestreul Quiirzglasoberfliiehc einbrennt und das Ouarzglas-K)Iu gegebenenfalls so lange auf hoher Temperatur hiilt. bis die eingebrannlen ( irstobalit-l'ulverteilehen zu einer zusammenhängenden, feinkristallinen

Lind mittels einer Flamme oder in einem Ofen in die 5 Schicht 5 verwachsen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Γ.·¹

Claims

Patentansprüche:

I- QiiarzgUiskörper, insbesondere Hohlkörper aus Quarzglas, für die Verwundung in der Festkörpertechnologie, der eine einem Behandlungsraum zugekehrte Schicht aus synthetischem Quarzglas und einen darauf aus Bergkristullköriiiing aufgeschmolzenen Quarzglasüberziig aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgeschmolzene Quarzglasüberzug (2) eine die synthetische Quarzglasschicht (1) vollständig umhüllende innere Schicht (3) aufweist, in der Diffusionshemmer eingelagert sind.
2. Quarzglaskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht (3) unmittelbar an die Schicht aus synthetischem Quarzglas angrenzt.
3. Quar/glaskörpcr nach den Ansprüchen 1 und/oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der innere« Schicht (3) mindestens lU'r und höchstens 'JH'-'i der Dicke des aufgeschmolzenen Quarzglasuberztiges (2) beträgt.
4. Quarzglaskörper nach den Ansprüchen 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß in der inneren Schicht (3) als Diffusionshemmer OH-lonen. zweiwertige Kationen oder Luftbläschen eingelagert sind.
5. Quarzglaskörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Jer inneren Schicht (3) die Zwischengitterpläiic mit OH-lonen und/oder zweiwertigen Kationen verstopft sind.
6. Quarzglaskörper nach den Ansprüchen 4 und 5. dadurch gekennzeichnet. dal> zu zusätzlichen Verankerung der zweiwertigen Ionen in der inneren Schicht (3) an Gitterplätzen etwa die doppelte Mol-Konzentration an dreiwertigen Ionen, bezogen auf die Mol-Konzentration der die Zwischengitterplätze verstopfenden zweiwertigen Ionen, eingebaut sind.
7. Quarzglaskörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als dreiwertige Ionen Gallium- und/oder Aluminiumionen an den Gitterplätzen eingebaut sind.
8. Quarzglaskörper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schicht (3) als Diffusionshemmer kleine, voneinander durch Quarzglas getrennte Luftbläschen enthält.