DE2753567C3 - Verfahren zur Herstellung von hochreinen Halbleitermaterialien und Reinstmetallen - Google Patents

Description

Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichhalten des Stromes in den einzelnen Stromzweigen mit Hilfe s
vorgenommen wird.

Einsetzen von Trägerkörpern mit größeren Durchmessern, wobei hier der Nachteil in dem wesentlich größeren Aufwand bei der Aufbereitung dieser

in Dreieckschaltung vorgenommen wird. 20 Trägerkörper liegt oder durch Absenken des Wider-

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Standes der Trägerkörper durch entsprechende Dotierung mit Fremdatomen. Dies ist aber aus Reinheitsgründen in den meisten Fällen, insbesondere bei der

zweigen mit Hilfe stromgeregelter Thyristorsteller Herstellung von hochohmigem Material, nicht möglich, vorgenommen wird. 25 Eine weitere Möglichkeit der negativen Temperatur

widerstandscharakteristik der Trägerkörper Rechnung zu tragen bestünde darin, die Trägerkörper nicht durch direkten Stromdurchgang, sondern durch eine externe Wärmequelle zu zünden, d. h. auf eine Temperatur zu

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur 30 bringen, bei welcher der Widerstand in den Trägerkör-Herstellung von hochreinen Halbleitermaterialien und pern stark abgefallen ist und durch den Stromfluß bei Reinstmetallen durch thermische Zersetzung gasförmi- vergleichsweise niedriger Spannung auf die jeweils ger Verbindungen dieser Stoffe auf vermittels elektri- erforderte Zersetzungstemperatur der im Einsatz schem Slromdurchgang auf die Zersetzungstemperatur befindlichen gasförmigen Verbindung des abzuscheiderjeweiligen Verbindung aufgeheizten Trägerkörpern. 35 denden Materials gesteigert werden kann. Ein derarti-Bei der Herstellung von beispielsweise hochreinem ges Vorgehen ist aber außerordentlich aufwendig und Silicium werden üblicherweise ein oder mehrere daher unwirtschaftlich.

Dünnstäbe aus hochreinem Silicium in einer Apparatur, In der DE-OS 23 15 469 wird schließlich zum Zünden

bestehend beispielsweise aus einer silbernen Grundplat- der Trägerkörper eine n-phasigen Wechselstrom te und einer darübergestülpten Quarzglocke, in 40 liefernde Hilfsspannungsquelle verwendet, wobei die Graphitelektroden eingespannt und auf diesen Träger- einzelnen Phasen der von ihr gelieferten Hilfsspannung körpern Silicium durch Zersetzung eines Gasgemisches an je e>ne Gruppe der bereits in Serienschaltung aus beispielsweise Wasserstoff und Trichlorsilan abge- angeordneten Trägerkörper angelegt wird, so daß alle schieden. Zur Erhitzung der Trägerstäbe auf die Trägerkörper an Spannung liegen. Der eigentliche erforderliche Abscheidetemperatur, die im wesentlichen 45 Betrieb der Abscheideanlage erfolgt aber auch hier nach der Zersetzungstemperatur der jeweiligen gasförmigen dem Zünden wieder mit in Reihe geschalteten Verbindung entspricht, ist pro Stablänge eine genau Trägerstäben um zu gewährleisten, daß alle Stäbe von definierte Leistung erforderlich. Abhängig vom Stab- jeweils gleichem Strom durchflossen werden. Der widerstand, welcher mit steigender Temperatur des Nachteil ist, daß somit an den einzelnen Trägerstäben Stabes sinkt, stellt sich ein bestimmter Strom bzw. eine 50 wiederum nur ein Bruchteil der verfügbaren Betriebsbestimmte Spannung ein. Um eine Abscheidevorrich- spannung anliegt, welcher bei einer Erhöhung der Zahl

tung wirtschaftlich betreiben zu können, werden dabei üblicherweise mehrere Trägerstäbe eingesetzt. Da aber alle Trägerstäbe die jeweils gleiche Temperatur aufweisen müssen, da andernfalls das Dickenwachstum der heißeren Stäbe auf Kosten der kühleren Stäbe beschleunigt würde, müssen auch alle Trägerstäbe vom jeweils gleichen Strom durchflossen werden. Aufgrund der negativen Temperaturwiderstandscharakteristik

und/oder Länge der Trägerstäbe entsprechend abfällt und somit einer besseren Belegung der Abscheideapparatur enge Grenzen setzt.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, bei herkömmlichen Abscheideverfahren, wie sie im vorstehenden aufgeführt wurden, in einer Abscheideapparatur trotz NichtÜberschreitens einer bestimmten Grenzspannung von beispielsweise 1000 Volt, mehr Trägerkörper

des Siliciums war die Fachwelt daher bisher der 60 bzw. eine größere Gesamtlänge derselben unterzubrin-Meinung, daß zur Gewährleistung des jeweils gleichen gen und durch direkten Stromdurchgang auf die jeweils Stromflusses in den Trägerkörpern nur eine Reihen- erforderliche Zersetzungstemperatur aufzuheizen, schaltung dieser Trägerkörper in Frage käme. Die Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß während des Gesamtlänge aller in der Abscheidevorrichtung einge- gesamten Abscheideprozesses die Trägerkörper in den setzten Trägerkörper wird daher durch die Betriebs- 65 einzelnen Stromzweigen eines Mehrphasen-Wechselspannung, für welche die Anlage ausgelegt ist, begrenzt. Stromsystems zusammengeschaltet sind und von jeweils Eine Erhöhung der Zahl und/oder Länge der Trägerstä- gleichem Strom durchflossen werden, be in der Abscheidevorrichtung ließe sich beispielsweise Die Gleichheit des Stromes in den einzelnen

Stromzweigen läßt sich dabei beispielsweise mit Hilfe eines Regeltransformators, mit stromsteuernder Transduktoren oder vorzugsweise mit Hilfe stromgeregelter Thyristorsteller erreichen. Die stromger^gelten Thyristorsteller sind zwar anfälliger als die stromsteuernden Transduktoren, gegenüber letzteren aber raumsparender.

Die Zündung beim vorzugsweise angewandten 3-Phasenbetrieb erfolgt in Dreieckschaltung der Trägerkörper, da bei Dreieckschaltung in jedem der drei einzelnen Stromzweige, in weichen die Trägerkörper angeordnet sind, die volle Leiterspannung zur Verfügung steht Dadurch können bei gleicher Anlagenspannung dreimal so viel Trägerkörper wie bei Reihenschaltung gezündet werden. Bei größeren Abscheidereaktoren als sie heute allgemein üblich sind, kann zur optimalen Belegung eine darüber hinausgebende Erhöhung der Trägerkörperzahl wünschenswert sein.

Das Zünden der Trägerkörper erfolgt durch Anlegen der maximal möglichen Spannung, d. h. der Spannung, auf welche die Anlage ausgelegt ist, in der Bundesrepublik Deutschland üblicherweise 1000 Volt. Bei Dreieckschaltung der Trägerkörper ist dabei die Spannung, die am Trägerkörper bzw. an der jeweiligen Trägerkörpergruppe anliegt, gleich der Leiterspannung, während der Strom, von welchem der Trägerkörper bzw. die in den einzelnen Stromzweigen angeordnete Trägergruppe durchflossen wird, gleich dem durch j/J dividierten Betrag des Leiterstromes ist. Durch Anlegen der Spannung stellt sich entsprechend dem Widerstanu der Trägerkörper zunächst ein kleiner Strom ein. Dieser Stromfluß bewirkt eine Temperaturerhöhung der Trägerkörper, wodurch wiederum der Widerstand absinkt und infolgedessen ein größerer Strom durch den Trägerkörper fließt, der zu einer weiteren Temperaturerhöhung der Trägerkörper führt. Mittels einer Temperaturregeleinrichtung wird dieser Vorgang überwacht, wobei der vermittels eines Temperaturmeßgerätes gemessene Ist-Wert der Trägerkörpertemperatur mit einem in der Temperaturregeleinrichtung vorgegebenen Soll-Wert verglichen wird. Hierdurch wird ein Temperaturgleichgewicht innerhalb des Reaktionsraumes der Abscheideapparatur eingestellt. Durch die mit der Temperaturerhöhung einhergehende Absenkung des Widerstandes der Trägerkörper steigt während des Zündvorgangs der Strom bis zu einem voreingestellten Soll-Wert an, während gleichzeitig die Spannung absinkt.

Voraussetzung dafür, daß alle Trägerkörper auf gleiche Temperatur erhitzt werden, ist, daß alle Trägerkörper bzw. Trägerkörpergruppen vom gleichen Strom durchflossen werden, was durch die -vorgenannten Schaltungsmaßnahmen erzielt wird.

Während des Abscheidevorganges wächst der Durchmesser der Trägerkörper. Zur Konstanthaltung einer bestimmten Abscheidetemperatur, die üblicherweise bei der Abscheidung von Silicium aus Wasserstoff-Trichlorsilan-Gemischen etwa bei 1150 bis 1250°C liegt, muß der den Trägerkörper durchfließende Strom kontinuierlich gesteigert werden. Dies wird durch eine Temperaturregelung mit überlagerter Stromregelung erreicht. Mit steigendem Durchmesser sinkt der Widerstand des Trägerkörpers. Dies bedeutet, daß bei steigendem Strom die Spannung sinken muß, da der Leistungsbedarf nicht proportional der Widerstandsabnahme ansteigt.

Ein Auseinanderwandern der Stabtemperaturen und -durchmesser der einzelnen Trägerkörper wird dadurch verhindert, daß der Stromfluß in allen Trägerkörpern einer Abscheideapparatur gleich ist, wobei ein bestimmter Trägerkörper die Führungsgröße für die Regelung liefert Der Grund hierfür liegt darin, daß bei größerem Durchmesser aber gleichem Strom eines bestimmten Trä£erkörpers gegenüber dem Trägerkörper, welcher die Führungsgröße liefert, die Temperatur desselben und damit die Abscheidungsrate pro Zeiteinheit sinkt Bei kleinerem Durchmesser gegenüber dem Bezugsträgerkörper bewirkt dieser Effekt ein kurzzeitiges Ansteigen der Temperatur und somit auch ein Ansteigen der Abscheidungsrate pro Zeiteinheit

Vorzugsweise wird zu einer wirtschaftlichen Auslegung des Netztransformators bei Absenken auf eine bestimmte Spannung von Dreieckschaltung (allgemein Tj-tckschaltung bei Verwendung /j-phasigen Wechselstroms) auf Sternschaltung der Trägerkörper umgeschaltet. Durch diese Umschaltung sinkt der Leiterstrom Jl um den Faktor j/T (allgemein \fn) und die Leiterspannung steigt um diesen Faktor, da die Werte, auf den Trägerkörper bezogen, gleichbleiben.

Sternschaltuni!

Dreieckschaltung

Vl,eiler ⁼ ^Trägcrt.

J Leiter J Trägerk. ' ' *

= ^ = 405 A

^¹ Leiter ^ Trägerk. I ^ "Leiter ■- Trägcrk.

Beispiel:
vor Umschaltung Λ:

J_L = 700 A J_Tragcrk. =

L₁ = 100 V U_v>ägcrl. = 100 V
^3:5 nach Umschaltung /:

JI. = J Träger!.. = ⁴05 A

^t = V_Träwrk ■ i 3 = 100 · 13 = 173 V .

Das Verfahren ist für die Herstellung von hochreinem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Germanium, Siliciumcarbid oder vorzugsweise Silicium, geeignet, wobei als Abscheidereaktoren die üblichen Vorrichtungen aus Quarz oder Metall verwendet werden, welche über eine Temperaturmeßeinrichtung mindestens eines Trägerstabes verfügen müssen. Diese Temperaturmeßeinrichtung besteht üblicherweise aus einem in der Außenwand des Reaktors angeordneten Quarzfenster, durch welches die Temperatur eines oder mehrerer

so Trägerstäbe vermittels eines Pyrometers bestimmt werden kann. Als zersetzliche gasförmige Verbindungen werden die bei diesen Abscheideprozessen üblichen Halogen- bzw. Halogenwasserstoffverbindungen gewählt, welche meistens mit Wasserstolf oder einem Inertgas verdünnt eingesetzt werden bzw. im Falle des Siliciumcarbids mit einer zersetzlichen Kohlenwasserstoffverbindung vermischt sind, wenn nicht in diesem Falle gleich von einer siliciumorganischen Verbindung, beispielsweise Tetramethyisilan, ausgegangen wird. Die Erfindung, welche eine zweckmäßige, einfache und kostensparende Möglichkeit zum Beheizen der Trägerkörper bei Abscheideprozessen zum Gegenstand hat, läßt sich aber auch auf die Herstellung von Reinstmetallen, insbesondere der sogenannten Hartmetalle, wie beispielsweise Vanadin, Titan, Niob, Neodym, Zirkon oder Tantal, anwenden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, bei gleicher Betriebsspannung den Reaktor mit einer

wesentlich größeren Anzahl bzw. mil erheblich längeren Tragerkörpern zu bestücken, wodurch eine Erhöhung der Ausbeute pro Zeiteinheit und Anlage, eine Verringerung des spezifischen Energieaufwandes pro Gewichtseinheit und eine Verringerung des Arbeitsaufwandes pro Gewichtseinheit erzielt wird.

In der Zeichnung ist ein typischer Aufbau für die erfindungsgemäße Stromversorgung für die in einer üblichen Abscheideapparatur eingebauten Trägerkörper schematisch am Beispiel eines 3-phasigen Wechselstromsystems dargestellt. Die Netzspannung 1 (3-phasiger Wechselstrom) wird über einen Lasttrennschalter 2 mit vorgeschalteter Sicherung 3, dem Anpaßtransformator 4, welcher die zur Verfugung stehende Netzspannung auf die für das Verfahren benötigte Spannung herabsetzt, über den Stufenschalter 5, über eine Sicherung 6 dem Stromsteller 7 zugeführt. Bei dem Stromsteller 7 handelt es sich in diesem Fall um einen stromgeregelten Thyristorsteller mit den Halbleiterventilen, beispielsweise Thyristoren 8 und 9. Die Sicherung 6 dient dabei zum Schutz der Thyristoren gegen Oberströme.

Die in den drei Stromzweigen des 3-Phasenwechselstromsystems zusammengeschalteten Trägerkörper Ri, R2 und A3 werden zum Zünden, vorzugsweise in Dreieckschaltung 10, angeordnet. 1st die Anlage beispielsweise auf eine Betriebsspannung von maximal 1000 Volt ausgelegt, so können in den einzelnen Stromzweigen beispielsweise Siliciumträgerstäbe von ca. 4,5 m Länge bei einer Dicke von 0,5 cm hintereinander geschaltet angeordnet sein. Üblicherweise erfolgt dies in der Art, daß jeweils zwei Trägerstäbe, die in vorzugsweise wassergekühlten Graphitelektroden in der Bodenplatte des Abscheidereaktors gehaltert sind, über eine leitende, vorzugsweise ebenfalls aus Silicium bestehende. Strombrücke verbunden sind. Nach dem Zünden der Trägerstäbe, d. h. wenn die Spannung auf den halben Wert der Anfahrspannung abgesunken ist, d.h. in diesem Fall von 1000 auf etwa 500 Volt, wird zweckmäßig über die Umschaltvorrichtung 11 von Dreieck- auf Sternschaltung 12 umgeschaltet, um eine wirtschaftliche Auslegung des Netztransformators zu gewährleisten.

Der Anpaßtransformator 4 wird vorzugsweise sekundärseitig mit mehreren Wicklungen ausgelegt, welche in strom- und spannungsmäßiger Auslegung der Leistungsbedarfskurve des Abscheideprozesses angepaßt sind. Durch diese Anpassung des Transformators 4 in Verbindung mit der sekundärseitigen Stufenschaltung 5 und der Umschalteinrichtung 11 von Dreieck- auf Sternschaltung wird eine Grobregelung von Strom und Spannung erreicht Der nachgeschaitete stromgeregelte Thyrisiorieistungssieüer 7 übernimmi dabei innerhalb einer Stufe die Feinregelung des Stromes, welcher jeweils zur Konstanthaltung der geforderten Abscheidetemperatur erforderlich ist. Der diese Regelung des Stromes bestimmende Temperalur-lst-Wert wird vermittels eines Temperaturmeßgerätes 13, also beispiels^r> weise eines durch ein Quarzfenster in der Wand der Abscheideapparatur die Strahlungswärme eines Trägerkörpers, welcher gegenüber den anderen Trägerkörpern die Führungsgröße liefert, aufnehmenden Pyrometers aufgenommen und als Meßsignal einer Temperaturregeleinrichtung 14 zugeführt. In dieser Temperaturregeleinrichtung wird der vermittels der Temperaturmeßeinrichtung 13 bestimmte Temperatur-Ist-Wert mit dem gewünschten Soll-Wert verglichen.

Die Stellgröße der Temperaturregeleinrichtung 14 stellt für den nachgeschalteten Stromregelverstärker 15 den geforderten Soll-Wert dar. Der Stromregelverstärker (Proportionalintegralverstärker) besteht dabei im wesentlichen aus einem Kennlinienbildner 16, welcher Störspannungen aus dem Eingangssignal herausfiltert, dem eigentlichen Verstärker 17, welcher das Eingangssignal verstärkt und einer Elektronik 18, welche das Proportionalintegralverhalten des Verstärkers bestimmt. Im Stromregelverslärker 15 wird aufgrund der Meßdaten aus der Temperaturregeleinrichtung 14 der Soll-Wert für den Strom mit dem Strom-Ist-Wert abgestimmt. Das Meßsignal des Strom-Ist-Wertes wird dabei über den Stromwandler 20 auf eine meßbare Größe umgesetzt, beispielsweise auf einen, gegenüber dem tatsächlichen Strom um den Faktor 10~^!

reduzierten Wert. Der Vergleich des die Trägerkörper durchfließenden Strom-Ist-Wertes 19 und des Temperatursollwertes führt zu einem bestimmten Ausgangssignal des Stromregelverstärkers 15, welches mit einem, über eine eigene Stromversorgung 21 verfügenden, Steuersalz 22 in Flächenimpuise. wie sie zur Steuerung der Thyristoren im Thyristorsteller erforderlich sind, umgewandelt und dem Thyristorsteller 7 zugeführt wird. Das Ausgangssignal aus dem Stromregelverstärker 15 bestimmt nach der Umwandlung in Flächenimpulse somit den Aussteuerungsgrad der steuerbaren Halbleiterventile bzw. Thyristoren im Thyristorsteller und somit über den Strom, von welchem die Trägerkörper durchflossen werden, deren Temperatur.
Die Abscheidetemperatur der Stäbe entsprechend ' der Zersetzungstemperatur der jeweilig eingesetzten gasförmigen Verbindung wird dabei durch langsames, stufenweises Steigern des vorgegebenen Sollwertes für die Temperatur erreicht Dieses stufenweise Anheben des Sollwertes bzw. nach erfolgter Abscheidung vorzunehmende stufenweise Absenken des Sollwertes kann dabei entweder von Hand oder unter Zuhilfenahme eines entsprechend programmierten Rechners

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von hochreinen Halbleitermaterialien und Reinstmetallen durch thermische Zersetzung gasförmiger Verbindungen dieser Stoffe auf vermittels elektrischem Stromdurchgang auf die Zersetzungstemperatur der jeweiligen Verbindung aufgeheizten Trägerkörpern,

durch eine höhere Betriebsspannung ermöglichen. In vielen Ländern gibt es aber bei Hochspannung ab einem bestimmten Wert, in der Bundesrepublik Deutschland beispielsweise ab 1000 Volt, erheblich verschärfte Vorschriften, die allein von daher den Betrieb bei derartig hohen Spannungen unwirtschaftlich werden lassen. Aber auch in Ländern, welche derartige Sicherheitsvorschriften nicht kennen, ist eine derartige Erhöhung der Betriebsspannung nicht ratsam, da sie zu

dadurch gekennzeichnet, daß während des in einer enormen Erhöhung des Gefahrenmomentes für

gesamten Abscheideprozesses die Trägerkörper in den einzelnen Stromzweigen eines Mehrphasenwechselstromsystems zusammengeschaltet sind und von jeweils gleichem Strom durchflossen werden.

das Bedienungspersonal führt Wird die Betriebsspannung aber nicht erhöht, so läßt sich die Zahl und/oder Länge der in einen vorgegebenen Abscheidereaktor eingesetzten Trägerstäbe nur noch durch einen

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 15 niedrigeren Widerstand dieser Trägerkörper realisiezeichnet, daß die Trägerkörper zu einem 3-Phasen- ren. Dies ist theoretisch möglich, einerseits durch Wechselstromsystem zusammengeschaltet sind. ~" ~~

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Zündung der Trägerkörper