DE3107260A1

DE3107260A1 - Verfahren und vorrichtung zum abscheiden von halbleitermaterial, insbesondere silicium

Info

Publication number: DE3107260A1
Application number: DE19813107260
Authority: DE
Inventors: Wolfgang-Ludwig Dr.rer.nat. 8000 München Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-02-26
Filing date: 1981-02-26
Publication date: 1982-09-09

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von Halb-
leitermaterial, insbesondere Silicium Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, auf einen erhitzten Trägerkörper aus einem entsprechenden, vorzugsweise aus einer Halogenverbindung und Wasserstoff bestehenden Reaktionsgas, das den den Trägerkörper enthaltenden Reaktor durchströmt.
Eine an sich bekannte Vorrichtung zum Abscheiden von elementarem Silicium aus einem Reaktionsgas an der erhitzten Oberfläche eines aus hochreinem Silicium bestehenden U-förmigen Trägerkörpers wird anhand der Fig. 2 näher erläutert: Der den U-förmigen Trägerkörper aufnehmende Reaktionsraum wird von einer mit Durchbohrungen versehenen Silberplatte 1 mit einer aufgesetzten Glocke 9 aus Quarz begrenzt. Durch einen an einer zentralen Durchbohrung 2 der Unterlage 1 ansetzenden Kanal 4 wird das verbrauchte Gas aus dem Reaktionsraum abgefUhrt. Innerhalb des Kanäls 4 und der zentralen Bohrung 2 ist ein Zuführungsrohr 3 mit Ventil für das frische Reaktionsgas vorgesehen. Beiderseits dieser zentralen Durchbohrung sind zwei Elektroden 5 und 6 gegeneinander isoliert und gasdicht durch die Silberplatte 1 geführt. Diese Elektroden 5 und 6 dienen der Versorgung des U-förmigen Trägerkörpers mit Heizstrom und zugleich als dessen Halterung im Reaktionsraum. Der U-förmige Trägerkörper besteht aus zwei gleich langen vertikalen Stäben 7 und einer die oberen Enden dieser Stäbe verbindenden Brücke 7 a. Die beiden Stäbe 7 bestehen auf beiden Fall aus hochreinem Silicium, während die Brücke 7 a gegebenenfalls auch aus einem anderen leitenden Material, wie hochreiner Graphit,. bestehen kann, das genügend temperaturbeständig ist und keine merkliche Verunreinigung der an den Mantelflächen der.
beiden Stäbe 7 abgeschiedenen Siliciumschicht bewirkt.
Die Silberplatte 1 kann auf einer durchlochten Grundplatte 8 aus Stahl gasdicht-in der aus der Figur ersichtlichen Weise befestigt sein. Die Quarzglocke 9 sitzt auf der Silberplatte 1 mit ihrem unteren zu einem Flansch ausgebildeten Rand 10 gasdicht auf. Zur Verbesserung der Abdichtung kann ein Abdichtring 11 vorgesehen -sein. Gemäß der beschriebenen Ausführungsform wird die Glocke 9 durch eine Druckgasatmosphäre gegen die Silberplatte gedrückt. Hierfür ist ein Druckgefäß 12 vorgesehen, welches die Glocke 9 und die Stelle ihrer Auflage auf der Silberplatte 1 umgibt. Das Druckgefäß 12 ist mit einer Einlaßstelle 13 für ein inertes Gas und einem Beobachtungsfenster 15 ausgerüstet.
Zum Betrieb dieser Anordnung werden die Träger 7 in die Halterungen 5 und 6 eingebracht und mit der leitenden Brücke 7 a verbunden. Dann wird die Glocke 9 auf die Silberplatte 1, gegebenenfalls unter Zwischenfügung der Dichtung 11, aufgesetzt und der Druckgasbehälter 12 verschlossen. Vor dem Einschalten der Strömung des Reaktionsgases und der Beheizung der Trägerstäbe 5 und 6 wird der Druckgasbehälter mit Inertgas mit einem zur Dichtung ausreichenden Überdruck.von 0,5 bis 2 Atmosphären gefüllt. Hierdurch wird die Glocke 9 fest gegen die Silberplatte 1 gepreßt und eine gasdichte Verbindung erzielt. Dann wird Wasserstoff in das Reaktionsgefäß eingelassen und der die Beheizung der Trägerkörper 7 bewirkende elektrische Strom eingeschaltet. Sobald sich die Träger 7 auf Abscheidungstemperatur befinden, kann das eigentliche Reaktionsgas, z. B. ein Gemisch aus H2 und SiHCl3, in das Reaktionsgefäß eingelassen werden, so daß die Abscheidung an der glühenden Oberfläche der erhitzten Träger 7 stattfindet. Die zur Überwachung der Trägergasströmung sowie der Beheizung der Träger erforderlichen Mittel sind üblicher Natur und in der Figur im einzelnen nicht angegeben.
Wenn der Aufwachsvorgang beendet ist, dürfen dicke Siliciumpolystäbe nicht von der Heizvorrichtung abgeschaltet werden, weil sie sonst Risse und sonstige Störungen im Kristallgefüge bekommen, die bei der nachfolgenden Herstellung von Einkristallstäben aus den polykristallinen Stäben durch tiegelfreies Zonenschmelzen das gleichmäBige Ab schmelzen verhindern.
Es ist üblich, 4 bis 5 h den Polysiliciumstab an der Heizstromversorgung angeschlossen zu lassen und die elektrische Energie langsam herunter zu regeln, damit die Stäbe entsprechend vorsichtig abkühlen. Diese gesteuerte Nachheizung, die mit dem Kristallaufwachsvorgang selbst nichts mehr zu tun hat, bedeutet einen erheblichen Energieverbrauch, der gemäß vorliegender Erfindung vermieden werden kann.
Zu diesem Zweck sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, daß zur Beendigung des Abscheidevorgangs zuerst die Reaktionsgaszufuhr gestoppt, dann ein Reflektor um die Außenwand des Reaktors eingeführt und der Heizstrom abgeschaltet wird. Dabei kann der Reflektor bis zur Abkühlung der Siliciumstäbe auf der Reaktoraußenseite verbleiben oder nach Maßgabe der erforderlichen Abkühlung der Siliciumstäbe kontinuierlich oder stufenweise entfernt werden, wodurch der Abkühlvorgang gesteuert bzw.
eingestellt wird.
Erfahrungsgemäß wird die Abkühlungszeit bei den Dickstäben auf etwa 4 bis 5 h eingestellt. Wenn ein Schutzgas, z. B. Argon, verwendet wird, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß nach Abschalten der Reaktionsgase ein leichter Überdruck des Schutzgases aufrechterhalten wird.
Die Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung geeignet ist, besteht in an sich bekannter Weise aus einer platten- oder tellerförmigen Grundplatte mit für die Zu- und Abfuhr des Reaktionsgases erforderlichen Öffnungen sowie zur Heizstromzufuhr und Trägerkörperhalterung dienende Elektroden und einer auf die Grundplatte aufgesetzten, aus Quarz, Glas oder Rotosil bestehenden Glocke; sie ist dadurch gekennzeichnet, daß ein bewegbarer Reflektor mit an den Zylinder der Glocke angepaßter Formgebung vorgesehen ist, der die Glocke umgebend einfügbar bzw. wieder entfernbar ausgestaltet ist.
Der Reflektor kann sowohl Zylinderform aufweisen als auch aus einzelnen, vorzugsweise drei, Teilreflektoren gebildet sein. In einfachster Weise besteht der Reflektor mindestens auf seiner dem Reaktor zugewandten Seite aus insbesondere hochpoliertem Aluminium mit einem Reflexionsfaktor von etwa 90 %. Die Reflektorrückseite kann eine zusätzliche Wärmeisolation tragen.
Wird der Reaktor in einer Glocke, die von einer wassergekühlten Stahlschutzhaube umgeben ist, betrieben, so sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß die obere Stirnfläche der Stahlhaube verschließbare Schlitze enthält, durch die der Reflektor einfügbar ist.
Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 näher erläutert: Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der Dickstab 7, 7 a, 7 in der Quarzglocke 9. Sie ist in dem wassergekühlten Stahlgefäß 12 untergebracht. Diese Stahlschutzhaube weist auf ihrer oberen Stirnfläche Schlitze 16 auf, die während des Abscheideprozesses verschlossen sind. Zum Zwecke der Nachheizung wird durch diese Öffnungen ein Reflektor 17 entsprechend der Pfeilrichtung 18 eingeführt.
Im vorliegenden Beispiel besteht der Reflektor entsprechend den drei Schlitzen 16 aus drei Teilreflektoren, wobei zwei der besseren Übersicht wegen in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschränkt, sie ist in gleicher Weise anwendbar bei Reaktoren, bei denen die Reaktorglocke 9 nicht mit Druckgas auf die Grundplatte 1 gedrückt wird.
Auch bei Reaktoren ohne zusätzliches Stahlgefäß ist die Erfindung anwendbar. In diesem einfachsten Fall genügt es, einen Aluminiumzylinder über die Glocke 9 zu stülpen.
Die große Bedeutung der vorliegenden Erfindung wird durch die folgende Überschlagsrechnung deutlich: Bei Siliciumdickstäben mit einem Enddurchmesser von beispielsweise 50 cm wurde eine Nachheizzeit von 4 h benötigt.
Floß mit Ende der Abscheidung, d. h. mit Beginn der Nachheizzeit ein Heizstrom von 2500 A bei einer Spannung von 50 V, so wurde der Strom beispielsweise linear während 4 h auf 30 A heruntergeregelt. Bei einem mittleren Strom von 1265 A und einer Spannung von 50 V ergibt dies 63,25 kW bzw. 253 kWh. Die Energieeinsparung bei jedem Aufwachsprozeß beträgt gemäß vorliegender Erfindung somit runde 250 kWh. In Abhängigkeit vom Preis des Industriestroms hat dies eine beachtliche Unkostensenkung zur Folge.
Ein besonderer Vorteil ist noch darin zu sehen, daß die Kristallqualität durch gezielte Verlängerung der AbkUhlzeit verbessert werden kann. Diese.Zeitverlängerung kann nunmehr den echten Bedürfnissen der Kristallqualität angepaßt werden. Dies gilt in verstärktem Maße, wenn zu noch dickeren Siliciumstäben übergegangen werden muß.
2 Figuren 15 Patentansprüche

Claims

Patentansprache 1. Verfahren zum Abscheiden von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, auf einen erhitzten Trägerkörper aus einem entsprechenden, vorzugsweise aus einer Halogenverbindung und Wasserstoff bestehenden Reaktionsgas, das den den Trägerkörper enthaltenden Reaktor durchströmt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Beendigung des Abscheidevorgangs zuerst die Reaktionsgaszufuhr gestoppt, dann ein Reflektor um die Außenwand des Reaktors eingeführt und der Heizstrom abgeschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Reflektor bis zur Abkühlung der Siliciumstäbe auf der Reaktoraußenseite verbleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Abkühlung der Siliciumstäbe durch Entfernen des Reflektors gesteuert bzw.

eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, d.a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Reflektor nach Maßgabe einer gesteuerten Abkühlung der Siliciumstäbe kontinuierlich oder stufenweise entfernt wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abkühlungszeit auf 4 bis 5 h eingestellt wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß nach Abschalten der Reaktionsgase ein leichter Überdruck eines Schutzgases aufrechterhalten wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 ts 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Schutzgas Argon verwendet wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7 zum Abscheiden von Halbleitermaterial, insbesondere Silicium, auf einen durch direkten Stromdurchgang erhitzten Trägerkörper aus einem entsprechenden, vorzugsweise aus einer Halogenverbindung und Wasserstoff enthaltenden Reaktionsgas bestehend aus einer platten- oder tellerförmigen Grundplatte mit für die Zu- und Abfuhr des Reaktionsgases erforderlichen Öffnungen sowie zur Heizstromzufuhr und zur Trägerkörperhalterung dienende Elektroden und einer auf die Grundplatte aufgesetzten, aus Quarz, Glas oder Rotosil bestehenden Glocke, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß ein bewegbarer Reflektor mit an den Zylinder der Glocke angepaßter Formgebung vorgesehen ist, der die Glocke umgebend einfügbar bzw. entfernbar ausgestaltet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Reflektor Zylinderform besitzt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Reflektor aus einzelnen, vorzugsweise drei Teilreflektoren gebildet ist.
11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Reflektor mindestens auf seiner dem Reaktor zugewandten Seite aus Aluminium besteht.
12. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Reflektorinnenseite aus hochpoliertem Aluminium besteht.
13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Reflektorrückseite eine zusätzliche Wärmeisolation besitzt.
14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Glocke von einer wassergekühlten Stahlschutzhaube umgeben ist.
15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Stahl schutzhaube verschließbare Schlitze besitzt, durch die der Reflektor einfügbar ist.