DE2800507A1 - PROCESS FOR GAS SEALING CONNECTING HIGHLY PURE SILICON MOLDED PARTS - Google Patents
PROCESS FOR GAS SEALING CONNECTING HIGHLY PURE SILICON MOLDED PARTSInfo
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Description
Bei Hochtemperaturprozessen in der Halbleitertechnik, insbesondere bei Diffusions-, Oxidations- und Epitaxieprozessen, empfehlen sich Reaktionsräume aus Silicium aufgrund ihrer gegenüber Quarz größeren Reinheit, höheren mechanischen Stabilität und geringeren Gasdurchlässigkeit.In high-temperature processes in semiconductor technology, especially in Diffusion, oxidation and epitaxial processes, reaction chambers made of silicon are recommended due to their greater purity than quartz, higher mechanical stability and lower gas permeability.
Als Ergänzung zu den hierbei eingesetzten Siliciurarohren werden Siliciumendstücke und Siliciumkappen gebraucht, da Quarzteile aufgrund ihres von Silicium unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Verbindung mit Siliciumrohren bei starkem Temperaturwechsel zerstört werden. Die Benutzung anderer Verbindungsteile aus beispielsweise Duranglas ist aufgrund der hohen Reinheitsansprüche der Halbleiterindustrie nicht durchführbar. In addition to the silicon tubes used here, silicon end pieces are used and silicon caps are used because quartz parts are connected due to their different thermal expansion coefficient from silicon can be destroyed with silicon tubes in the event of a sharp change in temperature. The use of other connecting parts made of for example Duran glass is not feasible due to the high purity requirements of the semiconductor industry.
Die Hersteilung von einseitig verschlossenen Siliciurarohren durch Abscheidung aus der Gasphase, beispielsweise-gemäß der DT-PS l8 05 970, ist technisch außerordentlich aufwendig, außerdem gelingt es in den seltensten Fällen den hierbei al3 Abscheidekörper eingesetzten Trägerkörper unzerstört von dem darauf abgeschiedenen Siliciumformkörper zu trennen. Ein Verkleben von Siliciumteilen mit gängigen Klebern ist bei der Anwendung derartiger Siliciumformkorper für die Halbleiterindustrie nicht anwendbar aufgrund der in den Klebern enthaltenen Verunreinigungen, wie insbesondere Schwerraetallen oder anderen dotierenden Stoffen.The production of silicon urea tubes closed on one side by deposition from the gas phase, for example, according to DT-PS 18 05 970, is technically extraordinarily complex, and in the rarest cases the carrier body used here as a separator body succeeds to be separated undamaged from the molded silicon body deposited thereon. A gluing of silicon parts with common adhesives is part of the application Such silicon molded bodies cannot be used for the semiconductor industry due to the impurities contained in the adhesives, such as in particular Heavy metals or other doping substances.
Aus der DT-PS 19 17 Οίο ist es bekannt, Hohlkörper aus Halbleitermaterial in Vakuum oder Schutzgas miteinander zu verschweißen. Das Verschweißen von Silicium, welches naturgemäß bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt durchgeführt werden muß, führt aber insbesondere aufgrund der arteigenen Sprödheit zu außerordentlichen Spannungen, die häufig zumFrom DT-PS 19 17 Οίο it is known hollow bodies made of semiconductor material to be welded together in a vacuum or inert gas. The welding of silicon, which naturally has to be carried out at temperatures above the melting point, but leads in particular due to the intrinsic brittleness to extraordinary tensions, which often lead to
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Bruch des solcherart behandelten Siliciumformkörpers führen. Das Verschweißen solcher Siliciumforrakörper wird gemäß der zitierten Patentschrift dabei üblicherweise mit Hochfrequenz vorgenommen, wodurch das Verfahren durch die Bereitstellung zahlreicher, von der Formgebung und dem Durchmesser der zu verschweißenden Siliciumhohlkörper abhängigen. Induktionsheizspulen unverhältnismäßig verteuert und somit unwirtschaftlich wird.Lead breakage of the molded silicon body treated in this way. The welding Such a silicon molded body is made according to the cited patent usually done with high frequency, whereby the process by providing numerous, from the shaping and depend on the diameter of the hollow silicon body to be welded. Induction heating coils disproportionately expensive and therefore uneconomical will.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum gasdichten Verbinden hochreiner Siliciumformteile zu finden, welches einfach durchführbar und preiswert ist und durch welches der entstehende Siliciumformkörper nicht durch dotierend wirkende Fremdatome verunreinigt wird.The invention was therefore based on the object of a method for gas-tight To find the connection of high-purity silicon molded parts, which is easy to carry out and inexpensive and through which the resulting Silicon molded body not contaminated by doping foreign atoms will.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zwischen die zu verbindenden Siliciuraforrateile Germanium gebracht wird und die Verbindungsstelle bei einer Temperatur innerhalb 937-1.400 C ausgehärtet wird.This object is achieved in that between the to be connected Siliciuraforrateile germanium is brought and the joint is cured at a temperature within 937-1,400 C.
Das Verfahren kann dabei in prinzipiell zwei Varianten durchgeführt werden. Nach der ersten Variante werden die beiden Siliciumteile, welche miteinander verbunden werden sollen, beispielsweise zwei plangeschliffene aufeinandergesetzte Siliciumrohre mit dem einen Pol eines Schweißtrafos verbunden, so daß mit einer VoIframelektrode als Gegenpol ein Lichtbogen aufrechterhalten werden kann, in welchem ein Germaniurastab, dessen Reinheit zweckmäßig entsprechend dem zu behandelnden Silicium gewählt wird, so aufgeschmolzen wird, daß das schmelzflüssige Germanium zwischen die zu verbindenden Siliciumformteile fließt. Die ganze Anordnung wird hierzu in einem Ofen, beispielsweise einem Widerstandsofen, auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher Silicium eigenleitend wird, also beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 300 und 600 C. Anschließend werden die beiden zu verbindenden Formteile in der angegebenen Art und Weise unter einem Schutzgas, beispielsweise Argon, miteinander verlötet. Die zweite VerfahrensVariante, die insbesondere dann gewählt wird, wenn Siliciumformteile mit an der anzusetzenden Stelle kleinem Durchmesser auf größere Siliciumflächen aufgesetzt werden sollen, besteht darin, daß in diese größere Siliciumfläche eine den Abmessungen der Ansatzstelle des anzusetzenden Siliciumformstücks entsprechende Nut oder Rille von vorzugsweise etwa 0,5 bis 3 mm Tiefe eingefräst wird, in diese Nut hoch-The method can in principle be carried out in two variants will. According to the first variant, the two silicon parts, which to be connected to each other, for example two flat-ground silicon tubes placed one on top of the other with one pole of one Welding transformers connected so that with a solid electrode as the opposite pole an arc can be maintained in which a germaniura rod, the purity of which is expediently selected according to the silicon to be treated, is melted so that the molten germanium flows between the silicon moldings to be connected. The whole arrangement is for this purpose in a furnace, for example a resistance furnace heated a temperature at which silicon becomes intrinsically conductive, so for example to a temperature between 300 and 600 C. Then the two molded parts to be connected are in the specified manner soldered together under a protective gas, for example argon. The second variant of the method, which is selected in particular when Silicon molded parts with a small diameter at the point to be attached are to be placed on larger silicon surfaces, consists in that in this larger silicon surface a groove or groove corresponding to the dimensions of the attachment point of the silicon molding to be attached is milled from a depth of preferably about 0.5 to 3 mm, up into this groove
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reines Germaniumpulver gegeben wird und nach dem Einpassen des anzusetzenden Siliciumformteils in diese Nut die ganze Anordnung in einem Ofen, beispielsweise in einem Widerstandsofen, unter Schutzgas, wiepure germanium powder is given and after fitting the to be prepared Silicon molding in this groove the whole arrangement in a furnace, for example in a resistance furnace, under protective gas, such as
beispielsweise Argon, einer Temperatur innerhalb 937-1·^ΟΟ C ausgesetzt wird. Die Zeit, während welcher die miteinander zu verbindenden Siliciumformteile einer Temperatur innerhalb des angegebenen Bereiches ausgesetzt werden, kann dabei von wenigen Minuten bis zu einigen Stunden reichen. Es ist dabei zweckmäßig, die miteinander verbundenen Siliciumformteile mindestens bei der Temperatur auszuhärten, bei welcher sie bei ihrem späteren Verwendungszweck noch eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen sollen. Aufgrund der unbeschränkten Mischbarkeit von Silicium und Germanium bilden sich auf diese Art, je nach gewählter Temperatur, mehr oder minder siliciumreiche Silicium- Germaniumphasen mit entsprechend dem Siliciumanteil steigenden Schmelzpunkt.for example argon, exposed to a temperature within 937-1 · ^ ΟΟ C. will. The time during which the silicon moldings to be joined together are at a temperature within the specified range can range from a few minutes to a few hours. It is expedient here to use the molded silicon parts connected to one another to cure at least at the temperature at which they still have a high mechanical strength in their later intended use Should have strength. Due to the unlimited miscibility of silicon and germanium, they form in this way, depending on which one is selected Temperature, more or less silicon-rich silicon-germanium phases with a melting point that increases according to the silicon content.
Dem Germanium brauchen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keinerlei Flußmittel zugesetzt werden. Ein Zusatz von Silicium ist unschädlich, außerdem kann ein Zusatz von Kohlenstoff von Vorteil sein, wenn eine Festigkeit der Verbindungsstelle bis an den Schmelzpunkt des Siliciums wünschenswert ist. Durch den Zusatz von Kohlenstoff bilden sich an der Übergangsstelle extrem hochschmelzende Siliciumcarbidzwischenschichten·The germanium does not need any in the method according to the invention Flux can be added. An addition of silicon is harmless; in addition, an addition of carbon can be advantageous if a Strength of the joint up to the melting point of silicon is desirable. The addition of carbon results in the formation of Interface between extremely high-melting silicon carbide interlayers
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, durch Ansetzen von Einzelrohren praktisch beliebig lange Siliciumrohre herzustellen. Bekanntlich ist ja die Länge der durch Gasabscheidung verfügbaren Siliciumrohre durch die Dimension der verwendeten Abscheideanlagen begrenzt. Auch können gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr Siliciumrohre mit über die Länge unterschiedlichen Rohrdimensionen hergestellt werden. Auch Siliciuraschiffchen, wie sie für die Aufnahme von Halbleiterscheiben für Diffusions-, Oxidations- und Epitaxieprozesse erforderlich sind, können in beliebiger Formgebung aus Einzelteilen miteinander verbunden werden. Es gelingt außerdem, Siliciumschliffe an Siliciumrohre anzusetzen und somit üblicherweise aus Quarz oder Duranglas gefertigte Laborgeräte nunmehr aus hochreinem, hochtemperaturbeständigem gasdichtem Silicium zu fertigen.The method according to the invention allows individual pipes to be attached to manufacture silicon tubes of practically any length. It is well known that the length of the silicon tubes available by gas deposition is limited by the dimensions of the separation systems used. According to the method according to the invention, silicon tubes can now also be used Different pipe dimensions can be produced over the length. Also silicon boats, such as those used for holding semiconductor wafers for diffusion, oxidation and epitaxial processes are required, can be connected to each other in any shape from individual parts will. It is also possible to attach silicon sections to silicon tubes and thus laboratory devices usually made of quartz or Duran glass now to be manufactured from high-purity, high-temperature-resistant, gas-tight silicon.
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Eine beidseitig plangeschliffene Scheibe aus polykristallinem Silicium (spezifischer Widerstand 2OJ λ cm) mit einem Durchmesser von I50 mm bei einer Dicke von 15 mm wird mit einer zentrischen Bohrung von 20 mm im Durchmesser versehen. Im Abstand von 3 mm konzentrisch von dieser Bohrung wird eine Nut von ca. 2 mm Tiefe und 1,5 mm Breite eingefräst. Die Platte wird auf ein Rohrstück aus polykristallinem Silicium gleicher Reinheit gelegt, welches einen Innendurchmesser von 135 πηπ und einen Außendurchmesser von 15Ο mm bei einer Länge von 200 mm aufweist. Die Siliciumplatte wird auf den oberen Rand des Rohrstückes, welcher vorher plangeschliffen wurde, bündig gelegt. Anschließend wird das SiIiciumrohrstück mit dem einen Pol eines Schweißtransformators verbunden. Als Gegenelektrode wird eine Wolframelektrode verwendet und als Lot ein hochreiner Germaniumstab (spezifischer Widerstand 50 _n_cm) von 4 mm Durchmesser und 300 mm Länge.A disk made of polycrystalline silicon (specific resistance 20J λ cm) with a diameter of 150 mm and a thickness of 15 mm is provided with a central bore of 20 mm in diameter, ground flat on both sides. A groove approx. 2 mm deep and 1.5 mm wide is milled in at a distance of 3 mm concentrically from this hole. The plate is placed on a piece of pipe made of polycrystalline silicon of the same purity, which has an inner diameter of 135 μm and an outer diameter of 15 mm and a length of 200 mm. The silicon plate is placed flush on the upper edge of the pipe section, which was ground flat beforehand. The silicon tube piece is then connected to one pole of a welding transformer. A tungsten electrode is used as the counter electrode and a high-purity germanium rod (specific resistance 50 _n_cm) 4 mm in diameter and 300 mm in length as solder.
Die gesamte Anordnung wird nachfolgend in einen Ofen gebracht, dessen Heizleistung ausreichend ist, um das Silicium auf eine Temperatur von ca. 500 C zu bringen. Der verwendete Widerstandsofen besitzt dabei einen Gaseingang für das als Schutzgas verwendete Argon, sowie in Höhe der Verbindungsstelle zwischen Rohrstück und Siliciumplatte eine weitere Öffnung von 30 χ 30 mm, die einerseits zur Einführung der Wolframelektrode und des Germaniumstabes sowie andererseits zum Ableiten des Schutzgases dient. Das Werkstück ist von außen drehbar im Ofen angeordnet, so daß die Lötnaht über den gesamten Umfang angebracht werden kann. Nach dem Verlöten der Siliciumplatte mit dem Rohrstück wird die vorgegebene eingefräste Nut mit Germaniumpulver ausgefüllt. Bündig zur Bohrung in der Platte wird darauf ein Siliciumrohrstück von 20 mm Innendurchmesser und 32 mm Außendurchraesser bei einer Länge von 200 mm gestellt.The entire assembly is then placed in an oven, its Heating power is sufficient to bring the silicon to a temperature of approx. 500 C. The resistance furnace used has a gas inlet for the argon used as protective gas, as well as another one at the junction between the pipe section and the silicon plate Opening of 30 χ 30 mm, the one hand for the introduction of the tungsten electrode and the germanium rod and, on the other hand, for discharging the protective gas. The workpiece can be rotated from the outside in the furnace, so that the solder seam can be applied over the entire circumference. After the silicon plate has been soldered to the pipe section, the specified Milled groove filled with germanium powder. A silicon tube with an internal diameter of 20 mm is placed flush with the hole in the plate and 32 mm outer diameter with a length of 200 mm.
Die gesamte Anordnung wird nun in einen Ofen eingebracht, in welchen wieder Argon als Schutzgas eingeleitet wird. Der Ofen wird auf ca. 1.200 C aufgeheizt und etwa 15 Minuten bei dieser Temperatur gehalten und anschließend über einen Zeitraum von einer Stunde auf Zimmertemperatur abgekühlt und das fertig gelötete Werkstück entnommen. DurchThe entire arrangement is now placed in an oven, in which again argon is introduced as protective gas. The oven is heated to approx. 1,200 C and held at this temperature for about 15 minutes and then cooled to room temperature over a period of one hour and the finished soldered workpiece removed. By
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Überschlei.fen werden eventuell vorhandene Unebenheiten ausgeglichen, so daß an den Verbindungsstellen keinerlei Unebenheiten mehr zu erkennen sind. Die Verbindungsstellen weisen eine hohe mechanische Festigkeit und absolute Gasundurchlässigkeit auf.Overlapping, any unevenness that may be present is evened out, so that no unevenness can be seen at the connection points. The connection points have a high mechanical strength and absolute gas impermeability.
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Legal Events
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