DE2414888C2

DE2414888C2 - Einrichtung zur Temperaturmessung

Info

Publication number: DE2414888C2
Application number: DE2414888A
Authority: DE
Inventors: Josef 8520 Erlangen Stadter; Klaus 8501 Eckental Zeuch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-03-27
Filing date: 1974-03-27
Publication date: 1983-08-25
Also published as: DE2414888A1; CH580807A5; GB1492902A; JPS50131575A; US3981196A

Description

Die Erfindung bezieht sich at; eine Einrichtung zur Temperaturmessung von granuliertem Halbleitermaterial, das in einer in einem AutoiV.jven angeordneten Ampulle verdampft, deren Ende auf einem Stützkörper ruht(en), wobei der Gegendruck des Autoklaven in Abhängigkeit vom Dampfdruck des Halbleitermaterials gesteuert wird, insbesondere für Anlagen zur Herstellung einer Halbleiterverbindung, deren eine Komponente einen wesentlich höheren Dampfdruck hat als die andere(en).

Aus den US-Patentschriften 35 80 078 und 31 74 340 sind Vorrichtungen zur Temperaturmessung aus Stahl bekannt, wobei das Thermoelement (der Meßfühler) fest mit dem Meßrohr verbunden ist.

Kompaktes polykristallines Galliumphosphid kann bekanntlich aus den beiden Komponenten bei einer Reaktionstemperatur von etwa I45O°C dadurch hergestellt werden, daß das Gallium in einem geschlossenen Rohr erhitzt wird. Durch Bohrungen in der Rohrwand gelangt Phosphordampf zum Gallium, das dann zu Galliumphosphid reagiert. Das Gallium wird mit einer verhältnismäßig geringen Wandergeschwindigkeit von etwa 1 cm/h durch eine Heizzone geführt und man erhält Galliumphosphid, das aber noch einen Kohlenstoffgehalt von etwa 1000 ppm enthält. Der Arbeitsdruck in der Anlage, der wesentlich bestimmt wird vom Dampfdruck des Phosphors, beträgt etwa 8 bis 10 Atm (J. Cryst. Growth 3, 4 286 (1968)). In einer weiteren bekannten Anlage erfolgt die direkte Synthese von polykristallinem Galliumphosphid aus weißem und rotem Phosphor bei Temperaturen von etwa 1450 bis 1500⁰C in einer Quarzampulle, die in einem Graphitschiffchen das Gallium enthält. Der Phosphor ist an einem Ende der Ampulle frei gelagert, und dieser Raum ist im allgemeinen mit Quarzwolle abgeschlossen, das den bei einer Temperatur von etwa 480 bis 580⁰C entstehenden Phosphordampf zum Gallium durchlaßt. Dieses horizontale System arbeitet mit einem erhöhten Betriebsdruck, der je nach der Temperatur zwischen 6 und 35 Atm verändert werden kann. Die Quarzampulle wird in einem Autoklaven angeordnet, dessen Dampfdruck dem Betriebsdruck des Phosphors in der Ampulle angepaßt wird. Diese Anordnung hat somit den Vorteil, daß die Quarzampulle lediglich für eine geringe Druckdifferenz ausgelegt sein muß, die zwischen dem

ίο Dampfdruck des Phosphors innerhalb der Ampulle und dem Druck des Autoklaven, der auf ihre Außenwand wirkt, ausgelegt sein muß. Für die Reaktion wird das Gallium durch eine induktiv beheizte Zone der Ampulle bewegt Der den Phosphor enthaltende Teil der Ampulle ist im allgemeinen in einem Ofen angeordnet, der die Verdampfungstemperatur des Phosphors herstellt. In diesem System erhält man kompaktes Galliumphosphid, das an einem Ende noch *:in kurzes Stück freies Gallium enthält (J. Electrochem. Soc, 108, 251(1961)).

Für die direkte Synthese einer Halbleiterverbindung, deren eine Komponente einen wesentlich höheren Partialdruck hat als die andere oder die anderen, eignen sich als Komponenten mit dem hohen Partialdampfdruck beispielsweise Phosphor und Arsen. Als andere Reaktionskomponenten sind beispielsweise Gallium und Indium geebnet. Bei der Herstellung von Galliumphosphid kann in einem Temperaturbereich von 1000 bis 1400⁰C, vorzugsweise 9 bis 10 Atm, gearbeitet

jo werden. Die das Gallium enthaltenden Schiffchen können sowohl aus Graphit als auch aus Quarz oder auch aus Bornitrid bestehen.

Die Quarzampulle wird im allgemeinen nur für eine einmalige Synthese verwendet. Eine direkte Messung des Betriebsdrucks innerhalb der Quarzampulle mit Hilfe einer Druckmeßeinrichtung und entsprechenden druckdichten, eingeschmolzenen Durchführungen ist deshalb verhältnismäßig aufwendig. Da sich der Dampfdruck des Phosphor«; in Abhängigkeit von der Temperatur nach einer festen reproduzierbaren Funktion ändert, kann der Betriebsaruck innerhalb der Ampulle, der im wesentlichen dem Dampfdruck des Phosphors entspricht, auch indirekt über die Temperatur des Phosphors erfaßt werden. Eine Schwierigkeit besteht jedoch darin, daß die Temperatur des Phosphors nicht nur durch die Temperatur einer Heizeinrichtung bestimmt wird. Als Heizeinrichtung dient im allgemeinen ein als Hohlzylinder gestalteter Ofen mit einer elektrischen Widerstandsbeheizung, der konzentrisch zu der Ampulle angeordnet ist und relativ zur Ampulle beweglich sein kann. Zum Phosphor gelangt ferner die S'rahlungswärme des Schiffchens, dessen Temperatur im Reaktionsbereich der Galliumphosphid-Synthese liegt und somit wesentlich höher ist als die Temperatur des Phosphor. Hinzu kommt, daß von der Ampullenwand auch Wärme abgestrahlt wird. Diese Wärmeabführung wird noch dadurch erhöht, daß das Ende der Ampulle auf einer löffelartigen Stütze gelagert sein kann, die im allgemeinen aus Metall, beispielsweise rostfreiem Stahl, besteht. Die Erfassung der Temperatur des Phosphors durch Messung an der Ampullenwand ist deshalb nicht möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturmeßeinrichtung zu schaffen, mit der die Temperatur des zu verdampfenden Halbleitermaterials genau erfaßt werden kann und die unabhängig von der Ampulle in dem Synthesesystem angeordnet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Temperaturfühler und seine elektrischen Anschlußleiter mit einem Mantel versehen sind, welcher an der Halterung des Stützkörpers befestigt ist und daß der Temperaturfühler in einem Meßrohr, dessen geschlossenes Ende in der Achsrichtung der Ampulle angeordnet ist, durch das Halbleitermaterial hindurch und über das Ende des Stützkörpers hinausragt und das offene Ende des Meßrohrts, mit einem trichterförmig erweiterten Zwischenstück versehen ist, das in die Wand der Ampulle eingesetzt ist und das offene Ende des Zwischenstückes in die Wand einer Ampulle derart eingesetzt ist daß das Rohrende zugleich eine Wandöffnung für elektrische Anschlußleiter des Temperaturfühlers bildet Der Meßfühler erfaßt dann die Temperatur in einem Teil des Phosphors, der von der Wärmeführung der Ampullenwand und über den Stützkörper praktisch nicht beeinflußt wird. Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung der Meßeinrichtung kann somit die Temperatur des Phosphors und damit der Betriebsdruck für die Reaktion, der praktisch dem Dampfdruck des Phosphors entspricht, direkt erfaßt werden. Der Temperaturwert wird zweckmäßig zugleich in eine entsprechende elektrische Größe umgewandelt, die sowohl als Istwert für eine Steuerung oder Regelung der Temperatur innerhalb der Ampulle als auch für eine Folgeregelung des Druckes innerhalb des Autoklaven verwendet werden kann, der als Stützdruck auf die Außenwand der Ampulle dient.

Dadurch daß das Meßrohr in Achsrichtung der Ampulle angeordnet ist, und daß sein offenes Ende mit einem trichterförmig erweiterten Zwischenstück versehen ist, das in die Stirnwand der Ampulle eingesetzt ist, kann das Meßrohr beim Einsetzen der Ampulle in den Ofen über einen entsprechend stabil aber zugleich vorzugsweise etwas federnd gestalteten Meßfühler geschoben werden, der am Stützkörper für die Ampulle befestigt ist. Der Meßfühler kann beispielsweise ein ummanteltes Thermoelement oder auch eine entsprechend gestaltete Widerstandsmeßeinrichtung sein.

Die Meßeinrichtung nach der Erfindung kann in einem Synthesesystem verwendet werden, dessen Heizeinrichtung ruht und bei dem eine bewegliche Ampulle vorgesehen ist, die auf einem Trägerkörper angeordnet und mit diesem Trägerkörper bewegt wird. In diesem Falle wird auch der in die Ampulle hineinragende Temperaturfühler mit der Ampulle selbst bewegt.

Ferner ist die Meßeinrichtung geeignet für ein System mit einer ruhenden Heizeinrichtung und einer freitragenden Lagerung der Ampulle, die lediglich an beiden Enden von löffelartigen Stützkörpern getragen wird. Der Meßfühler wird dann ebenfalls mit den Stützkörpern bewegt. Die Ampulle kann aber auch selbst auf den Stützkörpern unbeweglich gelagert sein. In diesem System werden dann sowohl der Phosphorheizofen als auch eine vorzugsweise induktive Heizeinrichtung für das Gallium in Achsrichtung des Systems bewegt.

Darüber hinaus ist die Temperaturmeßeinrichtung verwendbar in einem Synthesesystem, das ohne Stützdruck auf die Außenwände der Ampulle und damit ohne Autoklaven arbeitet. In diesem Falle muß das Meßrohr mit seiner Einschmelzung in die Ampullenwand für den Betriebsdruck der Anlage und somit entsprechend mechanisch stabil gestallet sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungs· bcispicl einer Einrichi.ing zur Temperaturmessung nach der Erfindung veranschaulicht ist.

Fn der Figur ist ein Teil eines horizontalen Systems zur direkten Synthese von Galliumphosphid schematisch dargestellt Das Ende einer Reaktionsampulle 2 enthält granulierten Phosphor 4 und ist mit seinem Ende auf einem löffelartigen Stützkörper 6 gelagert der an einer Schubstange 8 befestigt ist die an ihrem Ende mit einer Abdichtung 10 versehen ist und die über eine Spindel 12 und ein Getriebe 14 mit einem Antrieb 16

ίο verbunden ist, der vorzugsweise ein drehzahlgeregelter Antriebsmotor sein kann. Die Ampulle 2 ist von einem als Hohlzylinder gestalteten Ofen 18 umgeben, der eine Heizwendel 20 enthält die vorzugsweise bifilar gewickelt sein kann. Der Ofen 18 ist in einem

ι i Autoklaven 22 angeordnet durch dessen Stirnwände die Schubstange 8 mittels einer nicht näher bezeichneten druckdichten Durchführung hindurchgeführt ist

In einem Meßrohr 24, das mit Hilfe eines kegelartigen Zwischenstücks 26 in die Stirnwände der Reaktionsam-

2<> pulle 2 derart eingeschmolzen ist daß sie in Achsrichtung der Ampulle 2 und damit zugleich in Achsrichtung des gesamten Systems in den Phosohor 4 hineinragt, ist ein Temperaturfühler 28 angeordnet Die Länge des Meßröhrchens 24 ist so gewählt, daß es über das Ende des Auflagelöffels 6 hinausragt. Der am Er;de des Meßröhrchens 24 angeordnete Temperaturfühler 28 befindet sich somit in einem Teil des Phosphors, in dem sich die Wärmeabführung von der Wand der Reaktionsampulle 2 über den Auflagelöffel 6 praktisch noch nicht

J') wesentlich bemerkbar macht. Der Temperaturfühler 28, beispielsweise ein Thermoelement oder ein Thermowiderstand, ist mit einem Mantel versehen und stabförmig ausgebildet. Dieser Stab ist an einer Haltevorrichtung 7 für den Auflagelöffel 6 befestigt.

i"> Er kann zu diesem Zweck mit einer zylinderförmigen Hülle 30 versehen sein, die in eine entsprechende Bohrung der Haltevorrichtung 7 eingesetzt ist. Der Mantel 32 des Meßfühlers 28 schließt die elektrischen Anschlußleiter des Meßfühlers ein und kann zweckmä-

■"' Big durch eine Bohrung 34 der Schubstange 8 hindurchgeführt sein. Er ist dann in der als Hohlkörper gestalteten Schubstange und in der ebenfalls als Hohlkörper gestalteten Spindel angeordnet, und die am Ende der Spindel 12 angedeuteten und nicht näher

-*> bezeichneten Enden können einem Anzeigegerät zugeführt werden und auch mit der Elektronik einer in der Figur nicht dargestellten Steuer- oder Regeleinrichtung für den Druck innerhalb des Autoklaven 22 verbunden sein.

'" Da der Ampulleninnendruck im wesentlichen dem Phosphordampfdruck entspricht, dient der mit dem Temperaturfühler 28 erfaßte Temperaturwert als Istwert für eine automatische Druckregelung des Autoklaven. Mit dieser Druckregelung wird der

'·"' Auöendruck auf die Ampulle auf den Betriebsdruck innerhalb der Ampulle genau abgestimmt. Ferner kann der Meßfühler 28 auch als Istwertgeber für einen Pl-Temperaturregler verwendet werden, der den Phosphorofen 18 im Autoklaven 22 stets so ausregelt.

wi daß der Phosphor 4 auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden kann. Es hat sich nämlich erwiesen, daß beispielsweise bei einer konstanten Temperatur von 350⁰C im Phosphorofen 18 die Temperatur des Phosphors 4 innerhalb der Ampulle 2 bei einem

ⁿ~> Temperaturanstieg im Reaktionsschiffchen, das sich am anderen Ende dt.·· Ampulle 2 befindet, von 850°C auf 1200⁰C allein durch die Wärmestrahlung und die Wiirmekonzcntration vom heißen Rcaktionsschiffchen

im Phosphor auf 5J0°C ansteigen kann.

Eine besonders tiefe exzentrische Luge des Meßröhrchens 24 mit dem hineinragenden MeUfühler 28 kann deshalb gewählt werden, weil bei fortschreitender Umsetzung des Phosphors 4 mit dem Gallium bevorzugt , der Phosphor im oberen Teil verdampft, so daü die Oberfläche der verbleibenden Phosphormenge etwa den in der Figur mit einer strichpunktierten Linie 36 angedeuteten Verlauf hat. Mit dieser Lage des Meßrohres 24 bleibt somit immer ein inniger Kontakt in zwischen dem Meßröhrchen und dem Phosphor 4 während des gesamten Ziehvorganges erhalten.

Der Temperaturgradient zwischen dem Temperaturfühler 28 und dem Phosphor 4 ist vernachlässigbar klein, zumal der innere Durchmesser des Meßröhrchens ι ·, verhältnismäßig klein gehalten werden kann. Dieser Durchmesser wird im allgemeinen nur wenige Millimeter, beispielsweise J bis 5 mm. betragen. Dementsprechend wird der Durchmesser des Meßröhrchens 24 ebenfalls nur etwa J bis 6 mm betragen und auch in Ausnahmefällen 6 bis IO mm nicht wesentlich überschreiten.

Die Schubstange 8 bildet mit ihrem Antrieb 16 und dem druckdicht und fest eingebauten Temperaturfühler 28 sowie dem Auflagelöffel 6 und dessen Halterung 7 eine Einheit und dient als Führung der Ampulle. Nach Beendigung der Synthese wird die Schubstange mit der Halterung in ihre Ausgangsposition zurückgefahren, wo sie für die nächste Reaktionsampulle bereit liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur Temperaturmessung von granuliertem Halbleitermaterial, das in einer in einem Autoklaven angeordneten Ampulle verdampft, deren Ende auf einem Stützkörper ruhten), wobei der Gegendruck des Autoklaven in Abhängigkeit vom Dampfdruck des Halbleitermaterials gesteuert wird, insbesondere für Anlagen zur Herstellung einer Halbleiterverbindung, deren eine Komponente einen wesentlich höheren Dampfdruck hat als die änderten), dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (28) und seine elektrischen Anschlußleiter (32) mit einem Mantel versehen sind, welcher an der Halterung (7) des Stützkörpers (6) befestigt ist und daß der Temperaturfühler (28) in einem Meßrohr (24), dessen geschlossenes Ende in der Achsrichtung der Ampulle (2) angeordnet ist, durch das Halbleitermaterial (4) hindurch und über das Ende des Stützkörpers (6) hinausragt und das offene Eiide des Meßrohres (24). mit einem trichterförmig erweiterten Zwischenstück (26) versehen ist, das in die Wand der Ampulle (2) eingesetzt ist und das offene Ende des Zwischenstückes (26) in die Wand einer Ampulle (2) derart eingesetzt ist, daß das Rohrende zugleich eine Wandöffnung für elektrische Anschlußleiter des Temperaturfühlers (28) bildet.