DE2438710C3

DE2438710C3 - Vorrichtung zum gezielten Einbringen von Dotierungsmaterial in einen Halbleiterkristallstab auf radiogenem Wege

Info

Publication number: DE2438710C3
Application number: DE2438710A
Authority: DE
Inventors: Ernst Haas; Joachim Martin; Manfred Dipl.-Chem. Dr. 8041 Haimhausen Schnoeller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-08-12
Filing date: 1974-08-12
Publication date: 1978-09-21
Also published as: US4048508A; DE2438710A1; DK364275A; BE830299A; DE2438710B2; JPS5142466A; CA1061686A; GB1468330A; IT1040380B; JPS584812B2

Description

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen von Siliciumeinkristallstä ben mit thermischen Neutronen.

Für die Herstellung von hochqualifizierten Halbleiterbauelementen werden Siliciumstäbe mit definiertem Phosphorgehalt benqtigt Dabei soll der Dotierstoff entsprechend der gewünschten Dotierstoffkonzentra tion möglichst homogen über das Stabvolumen in radialer und axialer Richtung verteilt sein. Zu diesem

Zweck wurden die Siliciumstäbe in Kernreaktoren mit

thermischen Neutronen bestrahlt (DE-PS 12 14 789).

Zur Bestrahlung außerhalb der Experimentierkanäle

von Kernreaktoren ist die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

a) eine Bestrahlungskammer, in der mindestens eine dreh- und axial verschiebbare Halteeinrichtung aus einem, einen geringen Absorptionskoeffizienten für Neutronen aufweisenden Material für mindestens einen lotrecht eingespannten Kristallstab angeordnet ist

b) ein mit der Halteeinrichtung gekoppelter, gesteuer-J5 te Hubbewegungen ausführender Antriebsmechanismus und

c) einen in der Seitenwand der Bestrahlungskammer angeordneter, einen Neutronenleiter enthaltender Anschluß an einen Kernreaktor und

d) eine Gaszu-und-ableitung für Schutzgase.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung besteht die Bestrahlungskammer aus Aluminium. Edelstahl, einer Zirkonlegierung mit Beimengungen von Zinn und Eisen, Quarz oder einem polymeren Kohlenwasserstoff, z. B. aus Polyäthylen. Wegen der notwendigen hohen Reinheit im Reaktionsraum wird die Bestrahlungskammer mit einer Gaszu- und -ableitung für Schutzgas, z. B. Helium, ausgestattet. Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß

so der Anschluß für die Strahlungsquelle über einen Neutronenleiter aus einem Rohr oder Zylinder besteht. Dafür ist die Verwendung von verspiegelten Glaskanälen oder Graphitblöcken vorgesehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung ist die Stabhalterung aus einem, einen geringen Absorptionskoeffizienten aufweisenden Material, z. B. aus Aluminium, gefertigt; desgleichen auch die Abstutzhülse, in welcher das nichtgehalterte Stabende des Halbleiterkristallstabes im Bodenteil der Kammer geführt wird.

Zur Ableitung evtl. auftretender Erwärmung des Kristallstabes während der Bestrahlung können die Stabhalterung, die Abstützhülse sowie die Seitenwände der Bestrahlungskammer an einem Kühlmittelkreislauf

ι,ί angeschlossen sein. Desgleichen kann das Schutzgas thermostatisiert werden.

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, zwischen dem Anschluß an den Kernreak-

tor und dem Siliciumeinkristallstab eine in Stabrichtung verschiebbare Neutronenabsorberblende anzuordnen. Diese Blende beseitigt Inhomogenitäten im Neutronenstrahl und erlaubt, ein gewünschtes Dotierungsprogramm entlang des Stabes einzustellen, wobei zusätzlich noch unterschiedliche Wandstärken der Blende zur Herstellung unterschiedlicher Dotierungsstärken ausgenutzt werden können.

Als Neutronenabsorber werden Cadmium, Gadolinium oder Bor verwendet Die Absorberblende kann in so elementarer Form als Formkörper, als Folie oder auch als Aufdampschicht vorliegen; letztere kann auch auf einem zusätzlichen Trägerkörper aus inertem Material, z. B. aus Quarz, aufgebracht sein, sich aber auch auf der Mantelfläche des HalbJeiterkristallstabs selbst befinden. Die Aufdampfschicht kann durch Aufdampfen von reinsten Metallen oder direkt auf die Halbleiterkristalloberfläche auf eine durch SiC>2-Schichten geschützte Oberfläche erzeugt werden. Die Vorteile sind gute Wärmeableitung und gute Ausnutzung der Bestrahlungsposition. Unvermeidliche Oberflächenverunreinigungen können durch Ätzung nach der Bestrahlung beseitigt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung ist es auch möglich, daß die Absorberblende aus einer Verbindung des Absorbermaterials, z. B. aus einem, zu einem Formkörper verpreßten Oxid, besteht oder aber auch, daß sie aus einer Lösung besteht, welche einen hohen Gehalt an stark absorbierenden Isotopen des Absorbermaterials (¹¹³Cd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁰B) aufweist und sich in einem Quarzzylinder befindet.

Zur besseren Ausnützung der ausgeblendeten Neutronen kann anstelle nur eines Stabes auch ein Stabbündel eingesetzt werden. Diese Stabbündel wird dann auf einer rotierenden Palette so angeordnet, 'daß im zeitlichen Mittel jedes Volumenelement des zu dotierenden Materials gleichlang oder gezielt unterschiedlich im Neutronenstrahlmaximum verweilt. Dieses Vorgehen ist möglich, da Siticium ein schwacher Neutronenabsorber ist und damit der Neutronenstrahl durch Flußdepression nur geringfügig verändert wird.

Ein wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Einrichtung ist, daß der Halbleiterkristallstab in bezug auf die Strahlungsquelle sowohl in axialer Richtung als auch in horizontaler Richtung durch Rotation bewegt wird, so daß der Neutronenstrahl eine Schraubenlinie auf dem Stabmantel beschreibt. Die Dotierungskonzentration wird dann außer durch die Neutronenstromdichte Φ auch durch die Drehzahl und den Hub (Vorschub) des Stabes (Abstand der Schraubenlinien), d.h. die so Bestrahlungszeit im Neutronenstrom, bestimmt.

Die gewünschte Dotierstoffkonzentration entlang des Stabes wird im wesentlichen, wenn nicht die Verwendung einer Absorberblende vorgesehen ist, durch die über den Antriebsmechanismus auf die Stabhalterung übertragenen gesteuerten Hubbewegnngen eingestellt. Dabei kann für die Ausführung der gesteuerten Hubbewegungen die Stabhalterung mit einem ferromagnetischen Kern verbunden sein, welcher mit außerhalb der Kammer angeordneten Mitnehmerelektromagneten gekoppelt ist. Die Hubbewegungen können auch über einen Prozeßrechner, der ein Dotierungsprogramm vorgibt, gesteuert werden.

Die Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung wird im einzelnen an Hand der in der Zeichnung schematisch μ dargestellten F i g. 1 und 2 und weiteren Ausführungsbeispielen noch näher erläutert:

F i g. 1 zeigt die Vorrichtung, bei der die Dotierung des Siliciumeinkristallstabes in Verbindung mit gesteuerten Hubbewegungen des Stabes erfolgt, während

Fig.2 die gleiche Vorrichtung unter Verwendung einer Absorberblende darstellt

In F i g. 1 ist eine mit einer Stabhalterung 2 versehene Kammer 3 aus Aluminium dargestellt, die mit einem Kernreaktor 4 gekoppelt ist Dabei ist in der Seitenwand der Kammer 3 ein Anschluß 5 vorgesehen, welcher den Neutronenleiter enthält Dieser besteht z. B. aus einem verspiegelten Glaskanal 6. Die übrigen Seitenwände der Kammer 3 sind mit einem Futter 1 aus Graphit versehen. In der aus Aluminium bestehenden Stabhalterung 2, welche durch den Deckelteil der Kammer 3 in diese eingeführt wird, ist ein noch undotierter Siliciumeinkristallstab 7 von 30 mm 0 lotrecht eingespannt Das freie Ende des Stabes 7 wird in einer im Bodenteil der Kammer 3 angebrachten Stützhülse 8 aus Aluminium geführt Die Stabhalterung 2 ist mit einem außerhalb der Kammer 3 befindlichen Antriebsmechanismus (in der Figur nicht dargestellt) gekoppelt, so daß gesteuerte Hubbewegungen auf die Stabhalterung 2 und damit auch auf den Siliciumstab 7 ausgeführt werden können, wie durch den Doppelpfeil 9 angedeutet Außerdem wird der Stab zur Homogenisierung der Dotierung durch den Antriebsmechanismus um seine lotrechte Achse in Drehung versetzt, wie durch den Drehpfeil 10 angezeigt werden soll. Durch die mit den Bezugszeichen 13 und 14 gekennzeichneten Zu- und Ableitungen kann die Kammer 3 mit einer Schutzgasatmosphäre versehen werden.

Von dem Kernreaktor 4 wird ein Neutronenstrahl 11 (durch Punkte dargestellt) auf den sich drehenden und mit einer bestimmten, entsprechend der gewünschten Dotierung eingestellten Hubbewegung beaufschlagten Siliciumeinkristallstab 7 gerichtet, wobei die durch das Bezugszeichen 12 gekennzeichnete Zone im Siliciumkristallstab 7 bestrahlt und damit dotiert wird.

Durch die Maßnahme, daß die Stabhalterung 2 und damit der Siliciumeinkristallstab 7 entsprechend einem gewünschten Dotierprogramm mittels des Antriebsmechanismus (Pfeil 9) stetig aus der bestrahlten Zone herausbewegt wird und der Kristallstab 7 um seine Längsachse in Rotation (10) versetzt ist, beschreibt der Neutronenstrahl 11 auf dem Stabmantel eine Schraubenlinie, wobei der Abstand der einzelnen Schraubenlinien, d. h. die Verweilzeit des bestrahlten Stabstückes im Neutronenstrom, der Höhe der durch Kernreaktionen einzubringenden Dotierungskonzentration entspricht. Die Dotierungsdosis wird außerdem noch durch die Neutronenflußdichte Φ bestimmt.

Ausführungsbeispiel 1

Zur Erzielung eines spezifischen Widerstandes von 200 Ohm · cm η-Leitfähigkeit längs eines Siliciumeinkristallstabes von 30 mm 0 sind für einen Durchgang folgende Parameter einzustellen:

Phosphorkonzentration:

200 Ω cm, entsprechend 2,6 · 10¹³ Atomen cm-³
Therm. Neutronenfluß:

2 · 10¹² Neutronen cm-²S-¹
Vorschub der Stabhalterung:

0,5 cm/h
Rotationsgeschwindigkeit d. Stabhalterung:

10 Umdrehungen pro Stunde
Anschließende Temperung:

mindestens 10 Minuten bei >800°C

In F i g. 2 sind die gleichen Bezugszeichen verwendet

wie in F i g. 1. In den durch die Punkte gekennzeichneten Neutronenstrahl (11) wird eine den Siliciumeinkristallstab 7 allseitig umgebende, aus zwei Teilen 15 und 16 bestehende Schlitzblende 17 aus einem neutronenabsorbierenden Material, z. B. aus Cadmium, gebracht, welche relativ zum Siliciumeinkristallstab 7 und auch zum Neutronenstrahl (11) axial verschiebbar ausgebildet ist (s. Pfeile 18), so daß bei entsprechendem Vorschub des oberen (16) bzw. Nachschub des unteren (15) Blendenteils der Schlitz vergrößert bzw. verkleinert und damit die bestrahlte Zone 22 im Siliciumeinkristallstab 7 bezüglich ihrer Ausdehnung variiert werden kann. Da noch eine zusätzliche Hubbewegung (9) des Stabes 7 erfolgt, läßt sich auf der gesamten Länge eines Siliciumeinkristallstabes durch einen einzigen Durch- aana pino ^erie verschieden stärkdotier^er Stubabschnitte erzeugen, so daß aus dem Material eines, auf diese Weise dotierten Siliciumeinkristallstabes gezielt und reproduzierbar ein ganzes Typenspektrum von Halbleiterbauelementen gefertigt werden kann. Dies bringt eine erhebliche Materialeinsparung und verringert den Zeitaufwand. Eine weitere Beeinflussung der Dotierungskonzentration im Stab kann durch die Variation der Bestrahlungsdosis erreicht werden.

Ausführungsbeispiel 2

Phosphorkonzentration:

1,3 · 10¹³ At/cm³, entspr. 400 Ω cm ίο Therm. Neutronenfluß:

4 · 10'²Neutronencm~²s~'
Vorschub der Stabhalterung:

2 cm/h

Rotationsgeschwindigkeit der Stabhalterung: 60 Umdrehungen pro Stunde
Cd-Blende aus 2 mm starkem Cd-Blech:

Blendenöffnung: 10 cm

Variationsbereich: 2 bis 20 cm

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestrahlen von Siliciumeinkristallstäben mit thermischen Neutronen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) eine Bestrahlungskammer, in der mindestens eine dreh- und axialverschiebbare Halteeinrichtung aus einem, einen geringen Absorptionskoeffizienten für Neutronen aufweisenden Material für mindestens einen lotrecht eingespannten Kristallstab angeordnet ist,

b) ein mit der Halteeinrichtung gekoppelter, gesteuerte Hubbewegungen ausführender Antriebsmechanismus,

c) ein in der Seitenwand der Bestrahlungskammer angeordneter, einen Neutronenleiter enthaltender, rohr- oder zylinderförmiger Anschluß an ■ einen Kernreaktor und

d) eine Gaszu- und -ableitung für Schutzgase.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungskammer aus Aluminium, aus einer Zirkonlegierung mit Beimengungen von Zinn und Eisen, aus Edelstahl, Quarz oder einem polymeren Kohlenwasserstoffderivat besteht

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neutronenleiter aus einem verspiegelten Glaskanal besteht

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabhalterung und/oder die Kammerwände an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das nichtgehalterte Stabende des Halbleiterkristallstabes in einer im Bodenteil der Bestrahlungskammer angebrachten Abstützhülse geführt ist

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Anschluß an den Kernreaktor und dem Siliciumeinkristalistab angeordnete, in Stabrichtung verschiebbare Neutronenabsorberblende.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutronenabsorberblende aus Cadmium, Gadolinium oder Bor besteht und entlang des Stabes unterschiedliche Wandstärke aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberblende als Formkörper, Folie oder Aufdampfschicht ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdampfschicht auf einem Trägerkörper aus inertem Material aufgebracht ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die Aufdampfschicht auf der Mantelfläche des Halbleiterkristallstabes aufgebracht ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Absorberblende aus zu einem Formkörper verpreßtem Cadmium-, Gadolinium- oder Boroxid besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberblende aus einer, in einem Quarzzylinder befindlichen Lösung einer Verbindung mit Cadmium, Gadolinium oder Bor besteht, welche einen hohen Gehalt an ¹¹³Cd bzw. ¹⁵⁷Gd bzw. ¹⁰B enthält.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch Bekennzeichnet, daß die Seitenwände der Bestrahlungskammer mindestens teilweise aus einem neutronenreflektierenden Material bestehen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß für die gesteuerten Hubbewegungen die Stabhalterung mit einem ferromagnetischen Kern verbunden ist weicher mit außerhalb der Kammer angeordneten Mitnehmerelektromagneten gekoppelt ist