DE2928456C2

DE2928456C2 - Verfahren zur Herstellung von hochreinem Silicium

Info

Publication number: DE2928456C2
Application number: DE2928456A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ing.(Grad.) Behensky; Wilhelm Ing.(grad.) 8263 Burghausen Lux; Josef Waldinger
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1979-07-13
Filing date: 1979-07-13
Publication date: 1983-07-07
Also published as: US4331698A; DE2928456A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochreinein Silicium durch thermische Zersetzung seiner gasförmigen Verbindungen auf zumindest in der Anfangsphase in Parallelschaltung angeordneten und durch elektrischen Stromdurchgang auf die Zersetzungstemperatur der jeweilig eingesetzten Verbindung aufgeheizten Trägerkörpergrappen.

Es ist bekannt, daß für die Erhitzung der Trägerkörper, als welche üblicherweise Dünnstäbe aus hochreinem Silicium eingesetzt werden, pro Stablänge eine genau definierte Leistung erforderlich ist Abhängig vom Stabwiderstand, welcher mit steigender Temperatür des Stabes sinkt, stellt sich ein bestimmter Strom bzw. eine bestimmte Spannung ein. Üblicherweise werden dabei schon aus rein wirtschaftlichen Gründen mehrere Trägerstäbe eingesetzt, die alle die gleiche Temperatur aufweisen müssen, ua anderenfalls das Dickenwachstum der heißeren Stäbe auf Kosten der kühleren Stäbe beschleunigt würde. Die einzelnen Stäbe weisen aber nur dann die gleiche Temperatur auf, wenn sie alle vom jeweils gleichen Strom durchflossen werden. Zwar wird in der DE-OS 23 58 053 die Parallelschaltung der Trägerkörper in einem Nebensatz: als theoretische Möglichkeit angesprochen. Jedoch enthält diese Anmeldung keinerlei Hinweis, wie bei; einer solchen Parallelschaltung angesichts der negativen Temperaturwiderstandscharakteristik des Siliciums das schwierige Problem zu lösen ist, den jeweils gleichen Stromfluß in den Trägerkörpern zu gewährleisten. In der Praxis wird diese Schwierigkeit dadurch umgangen, daß ausschließlich eine Reihenschaltung der Trägerkörper realisiert ist Die Gesamtlänge aller in der so Abscheidvorrichtung eingesetzten Trägerkörper wird hierbei durch die Betriebsspannung, für welche die Anlage ausgelegt ist, begrenzt

Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, an sich bekannte Abscheideanlagen ohne Überschreitung einer bestimmten Grenzspannung durch Einbringen von mehr Trägerkörpern bzw. einer größeren Gesamtlänge derselben optimal zu nutzen.

Gelöst wird diese Aufgäbe durch ein Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Strom in den parallelgeschalteten Trägerkörpergruppen durch das Zwischenschalten von Stromteilerdrosseln in die aufgefächerten Parallelstromkreise jeweils gleich gehalten wird.

Die Wirkungsweise einer derartigen Stromteilerdrossel oder auch Stromwaage stellt sich im Prinzip so dar, daß in jedem zweier Parallelstromzweige eine Wicklung eines und desselben 2-Wicklungs-Transformators eingeschleust wird. Im stationären Zustand ist dieser Transformator wirkungslos. Jede Stromänderung in einer der beiden Wicklungen stört das Amperewindungsgleichgewicht und in der anderen Wicklung wird eine Spannung induziert, die in dem ihr zugeordneten Parallelkreis eine gleichsinnige Änderung bewirkt, bis das Amperewindungsgleichgewicht wieder hergestellt ist

Das Zünden der 2, 4, 8 oder beispielsweise auch 16 Trägerkörpergruppen, wobei die in einer Trägerkörpergruppe realisierte Stablänge insgesamt bei einer Spannungsbegrenzung von beispielsweise 1000 Volt etwa 4,5 m beträgt, erfolgt durch Anlegen eben dieser maximal möglichen Spannung an jede Gruppe. Dadurch stellt sich entsprechend dem Widerstand der Trägerkörpergruppe ein kleiner Strom je Parallelzweig ein. Dieser Stromfluß bewirkt eine Temperaturerhöhung der Trägerkörper, wodurch wiederum der Widerstand absinkt und infolgedessen ein größerer Strom durch den jeweiligen Trägerkörper fließt, der zu einer weiteren Temperaturerhöhung der Trägerkörper führt Mittels einer Temperaturregeleinrichtung wird dieser Vorgang zweckmäßig 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 Zündvorganges der Strom bis zu einem voreingestellten Soll-Wert an, während gleichzeitig die Spannung absinkt

Die Voraussetzung dafür, daß alle Trägerkörper auf gleiche Temperatur erhitzt werden, ist daß alle Trägerkörpergruppen vom gleichen Strom durchflossen werden. Dies läßt sich erfindungsgemäß besonders einfach durch die Einschleusung vorvtshend beschriebener Stromteilerdrosseln realisieren. Der Aufwand für die Konstantregelung der Ströme in den einzelnen Stromzweigen läßt sich hierdurch erheblich kleiner halten als beispielsweise bei Verwendung aufwendig bestückter Regelkreise mit zum Teil störanfälligen Bauelementen, welche vor allem bei Betriebsunregelmäßigkeiten wie Stabbrüchen oder Körperschlüssen einen wirtschaftlichen Betrieb erschweren.

Während des Abscheidevorganges wächst der Durchmesser der Trägerkörper. Zur Konstanthaltung einer bestimmtun Abscheidetemperatur, die üblicherweise bei der Abscheidung von Silicium aus Wasserstoff-TrichlorsHangemischen etwa bei 1150 bis 1250° C liegt muß der den Trägerkörper durchfließende Strom kontinuierlich gesteigert werden. Dies läßt sich beispielsweise durch eine Temperaturregelung mit unterlagerter Stromregelung erreichen. Mit steigendem Durchmesser sinkt der Widerstand der Trägerkörper. Dies bedeutet aber, daß bei steigendem Strom die Spannung sinken muß, da der Leistungsbedarf nicht proportional der Widerstandsabnahme ansteigt

Die Tatsache, daß der Stromfluß in aiien Trägerkörpergruppen einer Abscheideapparatur gleich ist wobei ein bestimmter Trägerkörper die Führungsgröße für die Regelung liefert, verhindert ein weiteres Auseinanderwachsen der Stabtemperaturen und Durchmesser der einzelnen Trägerkörper. Dies ist dadurch begründet daß bei größerem Durchmesser aber gleichem Strom eines bestimmten Trägerkörpers gegenüber dem

Trägerkörper, welcher die Führungsgröße liefert, die Temperatur desselben und damit die Abscheidungsrate in der Zeiteinheit sinkt. Bei kleinerem Durchmesser gegenüber dem Bezugstragerkörper bewirkt dieser Effekt ein kurzzeitiges Ansteigen der Temperatur und der Abscheidungsrate in der Zeiteinheit

Um eine wirtschaftliche Auslegung des Anpaßtransformators zu erreichen, wird zweckmäßig bei Absinken der Spannung auf etwa 40% der Anfahrspannung von Parallel- auf Reihenschaltung der Trägerkörper umgeschaltet Durch diese Umschaltung steigt die Leiterspannung entsprechend der Zahl der parallelen Trägerkörpergruppen, während der Gesamtstrom um diesen Faktor sinkt

Anhand der Abbildung, die den typischen Aufbau der Stromversorgung für die in einer Abscheideapparatur eingebauten Trägerkörpergruppen zeigt wird das erfindungsgemäße Verfahren nachstehend beispielhaft erläutert:

Die Netzspannung 1 (2phasiger Wechselstrom) wird über einen Lasttrennschalter 2 mit vorgeschalteter Sicherung 3, dem Anpaßtransformator 4, welcher die zur Verfügung stehende Netzspannung auf die für das Verfahren benötigte Spannung herabsetzt über die Sicherung 5 dem Stromsteller 6 zugeführt Bei dem Stromsteller 6 handelt es sich dabei beispielsweise um einen stromgeregelten Thyristorsteller mit Halbleiterventilen, beispielsweise Thyristoren 7 und 8. Die Sicherung 5 dient dabei zum Schutz der Thyristoren gegen Oberströme.

Die in den zwei Stromkreisen des 2-PhasenwecheI-stromsystems zusammengeschalteten zwei Trägerkörpergruppen, bestehend aus jeweils zwei Stabpaaren 9 und 10 bzw. 11 und 12, werden zumindest zum Zünden in Parallelschaltung angeordnet In diesem Fall sind die Schalter 13 und 14 geschlossen und der Schalter 15 geöffnet.

Ist 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 der Abscheideapparatur gehaltert sind, über eine leitende, zweckmäßig ebenfalls aus Silicium bestehende Strombrücke verbunden sind.

Nach dem Zünden der Trägerstäbe, wenn die Spannung auf etwa 40% des Wertes der Anfahrspannung abgesunken ist, d.h., in dem hier betrachteten speziellen Fall von 1000 auf 400 Volt, wird zweckmäßig über die Umscnalteinrichtung vermittels der Schalter 13, 14 und 15 von Parallel- auf Serienschaltung umgeschaltet um eine wirtschaftliche Auslegung des Anpaßtransformators 4 und der Stromteilerdrossel 16 zu gewährleisten. Bei Serienschaltung sind die Schalter 13 und 14 geöffnet und der Schalter 15 geschlossen, d. h, die Stromteilerdrossel 16 ist dann außer Funktion.

Der Anpaßtransformator 4 wird zweckmäßig 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 d,er Stufenschaltung 17 und der Umschalteeinrichtung (Schalter 13,14 und 15) wird eine Grpbregelung von Strom und Spannung erreicht Der dem Transformator 4 nachgeschaltete, stromgeregelte Thyristorleistungssteller 6 übernimmt dabei innerhalb einer Stufe die Feinregelung des Stromes, welcher jeweils zur Konstanthaltung der geforderten Abscheidetemperatur erforderlich ist Der diese Regelung des

ίο Stromes bestimmende Temperatur-Ist-Wert wird mittels eines Temperaturmeßgerätes 18, also beispielsweise 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 19 zugeführt In dieser Temperaturregeleinrichtung 19 wird der mittels der Temperaturmeßeinrichtung IS bestimmte Temperatur-Ist-Wert mit dem gewünschten Soll-Wert verglichen.

Die Stellgröße der Temperaturregeleim ichtung 19 stellt für den nachgeschalteten Stromregelverstärker 20 den geforderten Soll-Wert dar. Der Stromregelverstärker (Proportionalintegralverstärker) besteht dabei im wesentliche aus einem Kennlinienbildner 21, welcher Störspannungen aus dem Eingangssignal herausfiltert dem eigentlichen Verstärker 22, welcher das Eingangssignal verstärkt und einer Elektronik 23, welche das Proportionalintegralverhalten des Verstärkers bestimmt Im Stromregelverstärker 20 wird aufgrund der Meßdaten aus der Temperaturregeleinrichtung 19 der Soll-Wert für den Strom mit dem Strom-Ist-Wert 24 abgestimmt Das Meßsignal des Strom-Ist-Wertes 24 wird dabei über den Stromwandler 25 auf eine meßbare Größe umgesetzt beispielsweise auf einen, gegenüber dem tatsächlichen Strom um den Faktor 10~³ reduzierten Wert Der Vergleich des die Trägerkörper durchfließenden Strom-Ist-Wertes 24 und des Temperatur-Soll-Wertes führt zu einem bestimmten Ausgangssignal des Stromregelverstärkers 20, welches mit einem, über eine eigene Stromversorgung 26 verfügenden, Steuersatzes 27 in Flächenimpulse, wie sie zur Steuerung der Thyristoren im Thyristorsteller erforderlich sind, umgewandelt und dem Thyristorsteller 6 zugeführt wird. Das Ausgangssignal aus dem Stromregelverstärker 22 bestimmt nach der Umwandlung in Flächenimpulse somit den Aussteuerungsgrad der steuerbaren Halbleiterventile bzw. Thyristoren im Thyristorsteller und somit über den Strom, von welchem

3D 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 erfolgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von hochreinem Silicium durch thermische Zersetzung seiner gasförmigen Verbindungen auf zumindest Sn der Anfangs- phase in Parallelschaltung angeordneten und durch elektrischen Strorndurchgang auf die Zersetzungstemperatur der jeweilig eingesetzten Verbindung aufgeheizten Trägerkörpergruppen, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in den parallelgeschalteten Trägerkörpergruppen durch das Zwischenschalten von Stromteilerdrosseln in die aufgefächerten Parallelstromkreise jeweils gleich gehalten wird.

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