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Für den Durchsatz größerer Gasmengen und ihre Zersetzung, sowie die
Abscheidung des freiwerdenden Halbleitermaterials auf mehreren Trägerkörpern, setzten
sich dagegen Reaktionsgefäße durch, wie sie bereits in der Deutschen Patentschrift
12 64 400 beschrieben sind und die im Wesentlichen aus einer metallischen Grundplatte
aus beispielsweise Silber oder versilbertem Stahl mit Steck-
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kontakten fiir die Trägerkörper @@@ den erforderlichen Gas-Leitungen
und einer darübergestülpten Glocke aus Quarz bestehen. Bei diesem Reaktortyp wird
die Quarzglocke durch ein von außen einwirkende Dr'ckgas iiber
Dichtungen auf die Grundplatte gepreßt. Dieses Dic-lltungssystem, weiches eine zweite
übergestülpte Druckhaube aus metall erfordert, ist jedoch sehr umständlich und störungsanfällig.
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Ein weiteres Problem derartiger Quarzglocken liegt darin, daß sie
schwer gleichmäßig kühlbar sind, so daß die Abscheidung von sogenannten Hochsiedern,
polymeren Produkten aus den Bestandteilen Silicium, Chlor und Wasserstoff, die aus
der Zersetzung der Reaktionsgase stammen, und die sich als Überzug auf der Quarzwand
abscheiden (vgl. Deutsche Offenlegungsschrift 21 52 313) eine optische Dickenkontrolle
der aufwachsenden polykristallinen Siliciumstäbe, sowie eine Temperaturkontrolle
über Strahlungspyrometer erschweren. Es ist daher erforderlich, die Quarzglocken
in bestimmten Zeitabständen auszubauen und zu reinigen. Dies wird auch deshalb schon
zwingend geboten, da in derartigen Anlagen die Siliciumdünnstäbe, die als Trägerkörper
fungieren, zu Beginn des Abscheidungsprozesses von außen durch die Quarzglocke auf
die Zündtemperatur vermittels Strahlungswärme aufgeheizt werden. Unter Zündtemperatur
wird dabei die Temperatur verstanden, bei welcher die Siliciumdünnstäbe durch Eigenleitzlng
auf die erforderliche t»scheideter.?eratur erhitzt werden können. Abscheideverfahren
mit hohem Anteil der Siliciumkomponente im Abscheidegas und danit vermehrter bildung
von Hochsiedern, sind in Quarzanlagen aufgrund der kaun zu verhindernden Wandablagerungen
dieser Hochsieder nicht durchführbar.
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Ein weiterer entscheidender Nachteil derartiger Quarzanlagen liegt
außerdem darin, daß das Material Quarz selbst äußerst empfindlich ist, insbesondere
gegen Stoß oder Druck. Hierin liegt die Tatsache begründet, daß derartige Quarzglocken
praktisch nicht über 150 cm Höhe und maximal etwa 80 cm Durchmesser gebaut werden.
Es lassen sich außerdem keine Abscheidungen unter Überdruck sinnvoll durchführen,
da in diesen Fällen auf die AuXenwand derartiger Quarzglocken ein etwa gleichgroßer
Druck ausgeübt werden müßte, um einen Bruch der Glocke zu vermeiden. In den Deutschen
Offenlegungsschriften 23 24 365, 23 59 563 und 23 63 254 werden beispielsweise aufwendige
Reaktionsgefäße mit Druckgasmantel und Alarmeinrichtungen bei Druckänderungen im
Reaktionsraum beschrieben, für die die Quarzglocke gegen Bruch oder Undichtigkeiten
gesichert werden soll.
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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Reaktionsgefäß zu
finden, welchet obige Nachteile nicht aufweist und in welchem sich problemlos Abscheidungen
unter Überdruck durchführen lassen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Abscheidevorrichtung, bei welcher
die den Reaktionsraum einschließende Fläche der Glocke aus Silber oder vorzugsweise
silberplattiertem Stahl besteht.
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Die vorzugsweise Silberplattierung der Innenwand der Stahlglocke erfolgt
dabei zweckmäßig nach einem verfahren, wie es beispielsweise in den Deutschen Patentschriften
95 63 69 und 10 33 378 beschrieben wird. Nach diesen Verfahren wird die Silberplattierung
dadurch hergestellt, daß das Silber bzw.
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eine geeignete Silberlegierung in schmelzflüssigem Zustand in Gegenwart
von atomarem Wasserstoff auf die Stahlunterlage aufgebracht und die Schicht nach
dem Erstarren durch Hobeln, Fräsen oder andere mechanische Arbeitsgänge geglättet
wird. Besoncolors
empfehlenswert ist es dabei, die in Gegenwart
von atomarem Wasserstoff auf die Stahlunterlage aufgebrachte Grundierungsschicht
his zur gewjinschten Dicke der Plattierung mit vorzugsweise schmelzflüssigem Silber
zu verstärken.
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Diese Silberhaube oder silberplattierte Stahlhaube wird zweckmäßig
außen von einem Kühl system, beispielsweise aus die Haube außen umlaufenden Kühlrohren
bzw. einder die Glocke konzentrisch umschließenden Kühlspule umgeben. Als bevorzugte
Ausführungsform wird über die Innenhaube eine zweite, in engem Abstand die Innenhaube
konzentrisch umgebende, Haube aus Metall, insbesondere Edelstahl, gestülpt, wobei
der Zwischenraum zwischen beiden Hauben von einem Kühlmedium durchströmt wird. Durch
spiral förmig, den von Außen- und Innenhaube umschlossenen Hohlraum von unten nach
oben durchziehende Führungsrippen, läßt sich dabei ein definierter Durchlauf des
Kühlmediums bewirken. Diese Konstruktion erlaubt beispielsweise Luftkühlung bei
hohem Luftdurchsatz, da eine Bruchgefahr der Innenhaube nicht besteht Bevorzugt
wird jedoch eine Flüssigkeit, insbesondere wasser; durchgepumpt, wobei sich aufgrund
der Druckunempfindlichkeit des Systems, die Innenhaube auf nahezu beliebiger Temperatur
halten läßt, wobei im Falle einer silberplattierten Stahlglocke die obere Temperaturgrenze
lediglich durch das Abdampfen der Plattierung in nennenswerter Weise bestimmt wird
und bei etwa 8000 C liegt. Die untere Temperaturgrenze liegt sicher in der Gegend
der Raumtemperatur, da tiefere Temperaturen entsprechende Kältemaschinen erfordern
würden und zudem keinen erkennbaren Nutzen für die Abscheidung zeitigen. Als besonders
günstiger Temperaturbereich bei der Durchführung von Abscheidungen in dieser Glocke,
hat sich eine Temperatur der Innenwand von etwa 70 - 2000 C erwiesen.
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Nachdem die erfindungsgemäße Glocke für Wärmestrahlung nicht transparent
ist, erfolgt die Aufheizung der für die Abscheidung eingesetzten Siliciumträgerkörper
auf Zündtemperatur, die bei etwa 6000 C liegt, vorzugsweise durch Einführen eines
Heizfingers durch die
@lockenspitze in den !eaktionsritm. Ein derartiger
Fleizfinger besteht im wesentlichen beispielsweise aus einem gestreckten, an der
Unterseite verschmolzenen Quarzzylinder, in dessen Inneren sich eine Heizwendel
befindet, die zweckmäßig von einem Inertgas, beispielsweise Argon, umspült wird.
An der Oberseite ist der Quarzzylinder mit einer elektrischen Kontaktierung sowie
mit einer Gaszu- und Gasableitung versehen. Dieser Quarzzylinder befindet sich in
einem zweiten, aus Stahl bestehenden Zylinder, welcher an der Deckplatte nit Halterungen
und einer Hub-- Senkvorrichtung für den Quarzzylinder, sowie Zu- und Ableitungen
für Schutzgas, beispielsweise Argon, und entsprechenden Anschlüssen für die Zu-
und ableitung für ein den Kühlmantel dieses Zylinders durchströ:-lendes Kühlmedium
versehen ist. Über entsprechende Dichtungen wird dieser Silber- oder silberplatticrte
Zylinder paßgerecht über der in der Spitze der Gloclce ausgebildeten Ausnehmung
auf die Glocke aufgeschraubt, so daß der Quarzzylinder in den P¼a.ktionsraum abgesenkt
werden kann. Nach dem Zünden der Siliciumdünnstäbe wird der Heizfinger wieder nus
der Glocke in den Schutzzylinder zurückgezogen und die Ausnehmung in der Glockenspitze
mit einem Deckel verschlossen.
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Die Befestigung der Glocke auf der silbernen oder .silberplattierten
Grundplatte erfolgt durch einfaches Aufflanschen über zwischengelegte Dichtungen
aus vorzugsweise Polytetrafluoräthylen.
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In der erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung lassen sich prinzi piell
alle Arten von Abscheidungen durch Niederschlagung aus der Zersetzung einer gasförmigen
Verbindung auf geeigneten Trägerkörpern durchführen. Beispielsweise lassen sich
Formkörper aus Silicium durch Abscheidung aus der Gasphase auf Trägerkörpern aus
Graphit oder Graphitfolie in diesem Reaktor herstellen, wobei in diesem Fall natürlich
auf die Einführung eines fleizfingers zu Beginn der Abscheidung verzichtet werden
kann, da Graphit schon bei Raumtemperatur eigenleitend ist und somit ohne Schwierigkeiten
durch direkten Stromdurchgang auf die erforderliche Zersetzungstemperatur der jeweils
eingesetzten gasförmigen Siliciumverbindung aufgeheizt werden kann.
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;;lcichcrmanen lassen sich poly!.i:stalline Siliciumstäbe durch Abscheidung
aus der Gasphase auf auf Zersetzungstemperatur erhitzten Trägerkörpern aus Silicium
herstellen.
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optimal geeignet ist die erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung ztlr
Durchführung eines neuen Verfahrens zur Abscheidung von reinem Halbleitermaterial,
insbesondere Silicium, durch thermische Zersetzung gasförmiger Verbindungen dieses
Halbleitermaterials auf vermittels elektrischen Stromdurchgang auf die Zersetzungstemperatur
der jeweiligen Verbindung aufgeheizten Trägerkörpern, welches dadurch gekennzeichnet
ist, daß im Reaktionsraum ein Überdruck von 1 bis 16 bar eingestellt wird.
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Derartige Abscheidungen bei Überdruck konnten bislang in Gronanlagen
aufgrund der Bruchempfindlichkeit der spröden Quarzglocken nicht durchgeführt werden.
Die Abscheidungen könnten prinzipiell auch bei noch höheren Drucken durchgeführt
werden, jedoch wird in diesen Fällen keine erhebliche Steigerung der Abscheidemasse
in der Zeiteinheit erzielt. Ein Überdruck von 16 bar entspricht der Druckstufe nach
der DIN 2401, so daß für Drucke über diesen Wert hinaus die Anlage technisch auf
einen Uberdruck der nächsten Druckstufe - zumindest auf dem Gebiet der Bundesrepublik
Deutschland - ausgelegt werden müßte. Die dadurch erforderlichen Aufwendungen stünden
aber in keinem Verhältnis zu einer denkbaren Erhöhung der Abscheiderate, als besonders
günstig hat sich der Druckbereich von 4 bis 8 bar Überdruck erwiesen.
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Als Abscheidegas kann prinzipiell beispielsweise -Siliciumwasserstoff,
Dichlorsilan oder Trichlorsilan, üblicherweise im Gemisch mit Wasserstoff, eingesetzt
werden, wobei ein:Gasgemisch, bestehend aus 30 bis 60 Volumenprozent Trichlorsilan
und 40 bis 70 Volumenprozent Wasserstoff, bevorzugt als Abscheidegas eingesetzt
wird. Eine Steigerung des Trichlorsilananteils innerhalb der angegebenen Mengengrenzen
während der Abscheidung kann dabei durchaus von Vorteil sein.
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Bevor das Abscheidegas in den Reaktor eingeleitet wird, werden die
als Trägerkörper fungierenden Siliciumdünnstäbe im Reaktor unter Inertgas, beispielsweise
Argon, durch Einfahren des Heizfingers auf die Zündtemperatur erhitzt. Nach dem
Zünden der Stäbe wird der Heizfinger aus dem Reaktor wieder ausgefahren.
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Die Siliciumdünnstäbe werden anschließend durch direkten Stromdurchgang
auf Zersetzungstemperatur erhitzt und das Abscheidegas unter gleichzeitiger Kühlung
der Haubeninnenwand in den Reaktor eingeleitet.
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Das Wachstum der Polystäbe wird durch ein in der Reaktorwand eingelassenes
Schauglas aus Quarz kontrolliert, beispielsweise über eine optische Dickenmessung.
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Die Temperatur des Schauglases ist dabei mittels eines eigenen Kühlkreislaufes
regelbar, so daß die Abscheidung von Silicium bei beispielsweise zu hoher Temperatur
oder das Auskondensieren von Trichlorsilan bei zu tiefer Temperatur vermieden werden
kann.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, sowie des darin durchführbaren
neuen Abscheideverfahrens liegen in der gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen und
Verfahren erheblich höheren Zeitausbeute an abgeschiedenem Halbleitermaterial, sowie
einer höheren Produktausbeute bezogen auf die Siliciumkomponente im Abscheidegas.
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Das Verfahren ist gegenüber allen bekannten Verfahren aufgrund der
hohen Ausbeute pro Zeit und Raum mit erheblich geringerem Energieaufwand durchführbar.
Ein weiterer Vorteil liegt in der um ein Vielfaches größeren Standzeit der erfindungsgemäßen
Glocke gegenüber Quarzgiocken und den niedrigen Instandhaltungskosten, da durch
die gefürchteten Hochsieder aus dem Abscheidegas aufgrund der exakt einstellbaren
Wandtemperatur nicht an der Innenwand der Glocke abscheiden. Durch die Ausbildung
der Glocke als Druckbehälter wird außerdem die Sicherheit für das Bedienungspersonal
erhöht.
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Im Nachstehenden wird anhand der schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel
für Vorrichtung und Verfahren beschrieben: Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Abscheideanlage.
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Figur 2 zeigt einen zur Aufheizung der Siliciumdünnstäbe in der Abscheideanlage
geeigneten Heizfinger.
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Die Abscheideanlage setzt sich zusammen aus einer silberplattierten
Grundplatte 1 und einer Glocke, bestehend aus einer inseitig silberplattierten stählernen
Innenhaube 2 und einer darübergestülpten Außenhaube 3 aus Stahl. In der Grundplatte
1, auf welcher die Glocke gasdicht aufgeflanscht ist, sind über die ganze Fläche
miteinanderverbundene Hohlräume ausgebildet, welche über den Einlaßstutzen 4 und
den Auslaßstutzen 5 an einen Kühlwasserkreislauf angeschlossen werden. Auch der
Zwischenraum, der von der Innenhaube 2 und der Außenhaube 3 eingeschlossen wird,
wird durch Umpumpen von Kühlwasser, welches durch den Stutzen 6 eintritt und aus
dem Stutzen 7 wieder ausfließt während der Abscheidung gekühlt. Die beispielsweise
U-förmig angeordneten und als Abscheideträger fungierenden Dünnstäbe 8 werden an
den beiden freien Enden von den Elektroden 9 und 10 gehalten. Um eine Abscheidung
auf den Elektroden selbst zu verhindern, werden die innen hohlen Elektrodenhalterungen
11 und 12 ebenfalls mit Wasser gekühlt,.
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wobei das Kühlwasser durch die Einlaßrohre 13 und 14 in die genannten
Hohlräume einfließt und durch die Auslaßstutzen 15 und 16 austritt. Über die Kontakte
17 und 18 sind die Elektroden außerdem leitend mit dem Stromnetz verbunden. Die
Gaszu- und Abfuhr während der Abscheidung erfolgt durch Gasstutzen 19 und 20, die
sich im Boden der Grundplatte 1 befinden. Ein Quarzfenster 21, welches im wesentlichen
aus 2 Quarzscheiben besteht, zwischen denen durch die Zu- und Ableitungen 22 und
23 Kühlwasser gepumpt wird, um eine Abscheidung von Silicium durch thermische Zersetzung
auf der in das Reaktorinnere weisenden Quarzscheibe zu verhindern,
kann
der Fortgang der Abscheidung beobachtet werden.
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In der Spitze der Glocke ist eine Öffnung 24 ausgebildet, welche mit
einem aufgeflanschten Kühltopf 25 abgeschlossen wird. Dieser Kühltopf 25 ist oben
offen und kann durch den Einlaßstutzen 26 mit einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser,
beschickt werden, welches durch das Überlaufrohr 27 wieder abfließt.
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Vor Beginn der eigentlichen Abscheidung wird ein Heiz£inger, wie er
in der Figur 2 dargestellt ist, durch die Öffnung 24 in die Glocke eingefahren,
wozu vorher der Kühltopf 25 und die zur Abdichtung dienende Steckscheibe 28 von
der Glockenöffnung 24 entfernt wird. Der Heizfinger besteht aus einem langgestreckten
Quarzzylinder 29 mit einer elektrischen Heizwendel 30 und kann beispielsweise. nach
erfolgter Evakuierung über einen Gasstutzen 31 mit einem Inertgas, beispielsweise
Argon, beschickt werden, um eine Oxidation der glühenden Heizwendel zu verhindern.
Der Quarzzylinder 29 befindet sich in einem zweiten Zylinder 32 aus Stahl, welcher
passend auf die Glockenöffnung 24 aufgeflanscht werden kann. Dieser zweite Zylinder
32 ist außen von einem Kühlmantel 33, welcher über die Einlaßstutzen 35 und 36 mit
Kühlwasser beschickt werden kann, umgeben. Am oberen Ende dieses Metallzylinders
32 befindet sich außerdem ein Gasablaßstutzen 37, durch welchen die Luft, die durch
Einblasen eines Inertgases, beispielsweise Argon, durch die in der Grundplatte l
vorgesehenen Gasöffnungen 19 oder 20 verdrängt wird, aus dem Reaktor austreten kann.
Vor Beginn der Abscheidung wird der Quarzzylinder 29 nach Aufflanschen des Stahl
zylinders 32 auf die Glbckenöffnung 24 in das Innere des Reaktors bis dicht über
der Grundplatte 1 abgesenkt. Die Länge des Quarzzylinders 29 entspricht mindestens
der Länge der um den Quarzzylinder gruppierten, beispielsweise 2, 4 oder 8 Dünnstabpaare
8.
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Beispiel In einer erfindungsgemäßen Abscheideanlage, wie sie vorstehend
beschrieben wurde, mit einer Höhe von 260 cm und einem Durchmesser von 120 cm und
einem Abstand der inseitig silberplattierten Innenhaube von der übergestülpten stählernen
Außenhaube von durchschnittlich etwa 2,5 cm, wurden 8 undotierte Dünnstäbe, mit
einem spezifischen Widerstand von ca. 5000Q cm und einem Durchmesser von 0,7 cm
und 200 cm Länge, paarweise mit einer Brücke aus dem gleichen Material U-förmig
zusammengeschlossen und in den zugehörigen wassergekühlten Elektroden gehaltert.
Die Gruppierung der 4 Dünnstabpaare erfolgte dabei symmetrisch um die Längsachse
des Reaktors. Anschließend wurde der Heizfinger auf den Reaktor aufgesetzt, der
Reaktor mit Argorr luftfreigespült und -der Quarzzylinder mit der Heizwendel bis
dicht über den Boden der Reaktorgrundplatte in das Innere abgesenkt. Die Stäbe wurden
in ca. einer Stunde auf Rotglut, also etwa 6000 C, aufgeheizt. Etwa eine halbe Stunde
vor Ende dieser Aufheizperiode wurde bereits eine Spannung an die Dünnstäbe gelegt.
Nach Erreichen der Zündtemperatur der Stäbe wurde der Heizfinger aus der Glocke
ausgefahren und die Öffnung 24 durch Aufflanschen des Kühltopfes 25 geschlossen.
Während sich die Dünnstäbe durch Eigenleitung weiter bis auf die erforderliche Abscheidetemperatur
von ca. 10500 C erhitzten, wurde ein Abscheidegas bestehend aus Wasserstoff und
Trichlorsilan, im gleichen Volumenverhältnis unter einem Überdruck von 5 bar in
den Reaktor eingeleitet. Die Wasserkühlung der Grundplatte der Glocke und der Elektrodenhalterungen
war bereits während des Aufheizvorganges, bei welchem auch der Stahl zylinder des
auf die Glocke aufgesetzten Heizfingers von Kühlwasser durchströmt wurde, eingeschaltet.
Nach Abnehmen des Heizfingers wurde die Glockenspitze durch die Wasserkühlung des
aufgesetzten Kühltopfes gekühlt.
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Nach 220 Stunden wurde die Abscheidung abgebrochen. Der mittlere Gasdurchsatz
betrug während dieser Zeit 220 kg/Stunde, bezogen auf Trichlorsilan. Das Gesamtgewicht
des abgeschiedenen Siliciums betrug 1200 kg bei einer Enddicke der Stäbe von 20
cm.