DE3739895A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung hochreinen silicium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung hochreinen Halbleiter-Siliciums, insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren der Herstellung oder Gewinnung hochreinen Siliciums in einem mikrowellenbeheizten Gerät, an welchen ein Reaktor von glockenförmiger Gestalt zum Vorwärmen der Siliciumkeime angeschlossen ist, nachdem die Mikrowellenheizvorrichtung entfernt und Elektrizität den Sili­ ciumkeimen zugeführt wird, wobei ein Gemisch aus Wasserstoff und einem oder mehreren gasförmigen halogenierten Siliciumverbindungen aus der Gruppe SiHCl₃, SiH₂Cl₃, SiHBr₃ und SiH₄ dem Reaktor zugeführt wird, damit die Siliciumkeime wachsen können.

Im allgemeinen ist es erforderlich, um Silicium hoher Reinheit von Halbleiter-Qualität herzustellen, die Siliciumkeime auf Reaktionstempera­ tur zu bringen, ehe das Gemisch aus einem oder mehreren gasartigen halo­ genierten Siliciumverbindungen, wie oben aufgeführt und nachfolgend als siliciumhaltiges Reaktionsgas bzeichnet, zusammen mit dem Wasserstoff in den Reaktor eingeleitet werden.

Der spezifische Wiederstand des hochreinen Siliciums liegt bei 5000 Ω/cm bei Zimmertemperatur.

Aufgrund dieses hohen spezifischen Widerstandes müßte eine unrealistisch hohe elektrische Spannung zugeführt werden, um die Tempera­ tur der hochreinen Siliciumkeime auf den gewünschten Punkt anzuheben.

Wenn aber die Temperatur der hochreinen Siliciumkeime die Reaktionstemperatur von 600 bis 1300°C erreicht, fällt der spezifische Widerstand drastisch bis auf 0,2 bis 0,004 Ω/cm ab. Das bedeutet, daß be­ trächtlich niedrigere Spannungen verglichen mit der Spannung die zum Vor­ heizen der Keime, während der ersten Phase des Verfahrens erforderlich wären und während der Reaktion, benötigt würden.

Das Verfahren, die Temperatur der Siliciumkeime von der Zimmer­ temperatur auf die Reaktionstemperatur zu steigern, verlangt sehr hohe Span­ nungen, was nicht praktisch ist, hinsichtlich der Sicherheit und der Kosten der Installation.

Daher wird ein Verfahren des Vorwärmens des Siliciums auf eine bestimmte Temperatur in der normalen Produktion angewendet, ehe dann die Elektrizität durch das vorgewärmte hochreine Silicium geleitet wird.

Nach herkömmlicher Methode haben die Siliciumkeime die Form einer Stange und sind in einem glockenförmigen Reaktor installiert, in dem eine Infrarotheizung angeordnet ist. Der Reaktor wird evakuiert und zur Entfernung der Luft ein inertes Gas, beispielsweise Argon, hindurch ge­ leitet. Daraufhin wird die Temperatur der Siliciumkeime innerhalb des Reak­ tors auf 500 bis 900°C unter Verwendung dieser Infrarotheizung gebracht, so daß der spezifische Widerstand 0,4 bis 0,003 Ω/cm erreicht. 30 Minuten vor der Beendigung der Infrarotheizung wird Elektrizität der Siliciumkeime zugeführt und wenn die Temperatur dieser Siliciumkeime die Reaktionstempera­ tur erreicht, wird die Infrarotheizung entfernt.

Dann wird nochmals die Luft entfernt, das inerte Gas erneuert und der Reaktor verschlossen, ein Kühlmittel strömt durch einen Kühl­ mantel, wenn siliciumhaltiges Gas und Wasserstoff als Gemisch in den Reaktor eingeleitet werden und dieses hochreine halbleiter Silicium durch thermische Zersetzung erzeugt wird (U.S.Patent Nr. 33 30 251 und 41 73 944, Japanische Patentanmeldungen Nr. 64-44 027 und 82-12 288).

Bei der herkömmlichen Methode wird das Silicium auf hochreinen Siliciumkeimen niedergeschlagen, die ein Durchmesser von 0,4 bis 0,07 cm haben. Wenn der Durchmesser dieser Keime 10 bis 20 cm erreicht, wird das Wachstum gestoppt und durch ein neuen Keim ersetzt. Da der Durchmesser der Siliciumkeime schnell wächst, nimmt die Strahlungswärme der Silicium­ stange drastisch zu, so daß der Bereich in dem die elektrische Spannung und der elektrische Strom der Siliciumstange zugeführt werden, während des Verfahrens sehr groß ist.

Die meiste Strahlungsernergie der Siliciumstange wird auf die Reaktorwand abgestrahlt, so daß ein beträchtlicher Verlust an elektrischer Energie auftritt.

Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Methode ist, daß die Form des Siliciumkeimes im Inneren des Reaktors keine andere Form haben kann als die einer Stange oder eines Stäbchens. Wenn der Siliciumkeim die Form eines Plättchens hätte, bricht er, weil er sich nicht gleichmäßig während des Vorwärmens erwärmen läßt. Hat der Siliciumkeim indessen die Form eines Stabes oder Stäbchens, muß das siliciumhaltige Gas und Wasserstoffgemisch mit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt werden, wegen der geringen Oberfläche muß der Gasanteil noch gesteigert werden, wenn der Siliciumkeim wächst.

Deshalb ergibt sich ein Nachteil, wenn man große siliciumerzeu­ gende Anlagen mit maximaler Strömungsgeschwindigkeit konstruiert.

Zusätzlich zu den obengenannten Nachteilen beim Vorwärmen des hochreinen Siliciumkeimes durch Infrarotheizung ist, daß die Infrarot­ heizung nicht nur das Siliciumstäbchen erwärmt, sondern auch andere Teile des Reaktors. Die Heizwirkung des Siliciumkeimes durch Infrarot­ heizung ist daher klein und ein großer Betrag der Wärme geht über die Reaktorwand verloren.

Aus diesen Gründen braucht man eine Stunde um den Silicium­ keim vorzuwärmen, auch wenn diese Infrarotheizvorrichtung entfällt, muß die eindringende Luft entfernt und ein inertes Gas zugeführt und der Ein­ laß für die Infrarotheizvorrichtung verschlossen werden. Das Verfahren ist sehr kompliziert und unwirtschaftlich. Die Infrarotheizmethode hat auch den Nachteil hinsichtlich der Anordnung des Keimes innerhalb des Reaktors. Wenn die Infrarotheizvorrichtung verwendet wird, müssen die stäbchenförmigen Siliciumkeime innerhalb des Reaktors konzentrisch mit der Infrarotheizvorrichtung angeordnet werden, damit die Siliciumkeime die Strahlungswärme der Heizvorrichtung absorbieren.

Erfindungsgemäß ergibt sich nun folgendes:

Es ist ein Vorteil, das Mikrowellen auf den oberen Teil des glockenförmigen Reaktors ausgesandt werden. Die Mikrowellenenergie wird aber nur von den Siliciumkeim absorbiert. Diese erwärmt nur den Silicium­ keim und besitzt keinen wärmenden Effekt für andere Reaktorelemente.

Deshalb ist die erforderliche Zeit zum Vorwärmen des Silicium­ keimes auf 500 bis 900°C kurz und der thermische Wirkungsgrad ist sehr hoch.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Vorwärmen vermittels Mikrowellen ergibt die Möglichkeit, dem Siliciumkeim jede gewünschte Form zu geben, einschließlich Stäbchenform als auch Plättchenform oder Bandform. Außerdem gestattet das Mikrowellenheizsystem jede Art der Anordnung der Keime innerhalb des Reaktors und schließlich ist der Wärmeverlust durch die Wand des Reaktors während der Niederschlagung des Siliciums minimal, wenn eine sachgemäße Anordnung der Keime erfolgt.

Es ist nicht nötig, die Mikrowellenheizvorrichtung beim Vor­ heizen der Keime in den Reaktor einzubauen. Im Gegenteil es macht das Vorwärmen erheblich leichter, verglichen mit der früheren Art und Weise.

Es sei darauf hingewiesen, daß plättchenförmige Keime den Vorteil haben, wenig elektrische Energie zu verbrauchen und aurerdem niedrige Investitionskosten für den Reaktor verlangen, verglichen mit den stäbchenförmigen Keimen bei der Herstellung von Silicium. Das liegt daran, daß plättchenförmige Keime eine grörere Oberfläche zu Beginn des Prozesses haben als stäbchenförmige Keime, so daß sich durch die plättchenförmigen Keime eine höhere Niederschlagsgewinnung an Silicium ergibt als durch die stäbchenförmigen Keime.

Die Herstellung von Polysilicium unter Verwendung von plättchen­ förmigen Keimen mit Mikrowellenvorwärmung ermöglicht niedrige Strömungs­ geschwindigkeiten an Reaktionsmittel und Wasserstoff als nach der konven­ tionellen Methode, während eines Abschnittes der Reaktion.

Deshalb ist dieses konventionelle Verfahren einfacher in der Kon­ struktion und billiger hinsichtlich der Produktionskosten.

Wie oben ausgeführt, verwendet die Erfindung hochreine Silicium­ keime in Plättchenform und hat den Vorteil des verringerten Elektrizitätsver­ brauchs und eine erhöhte Produktion.

Außerdem kann die Erfindung durch die Verwendung der Mikro­ wellenheizung, eine vereinfachte Wärmevorrichtung, die den Energieverbrauch verringert, weil eine viel kürzere Vorheizzeit erforderlich ist verglichen mit den anderen Verfahren und schließlich ergibt sich eine beträchtliche Verringerung der Kosten zur Gewinnung hochreinen Silicium.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der Zeichnun­ gen, die eine entsprechende Vorrichtung darstellt, näher erläutert.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Reaktors und einer Mikro­ wellenheizvorrichtung zur Herstellung hochreinen Sili­ cium gemäß der Erfindung

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Reaktors mit einer polierten Metallplatte nach Entfernung der Mikro­ wellenheizvorrichtung

Fig. 3 einen Grundriß der Reaktoranordnung mit einer Viel­ zahl stäbchenförmiger Siliciumkeime und

Fig. 4 und 5 Grundrisse auf die Ansichten eines Reaktors mit einer Vielzahl von plättchenförmigen Siliciumkeimen.

Fig. 1 zeigt die Ausgestaltung eines Siliciumgewinnungsreaktors mit einem Hauptteil 1, das sich aus einem glockenförmig geformten Reaktor 2 im oberen Teil und einer wassergekühlten Metallplatte 3 auf dem unteren Teil zusammensetzt.

Die Wand des oberen glockenförmigen Reaktors 2 wird mit einem Kühlmittel gekühlt und besteht aus rostfreiem Stahl, angeordnet am unteren Ende und am oberen Teil der Wand sind Einlaß- 4 und Auslaßöffnungen 5 für das Kühlmittel.

Außerdem befinden sich zur Beobachtung der Temperatur der Siliciumkeime 6 innerhalb des Reaktors Fenster 7 die über die Höhe des Reaktors verteilt sind.

In der wassergekühlten Metallplatte 3 sind zwei elektrische Leiter aus versilberten Kupfer oder aus Silber installiert, damit den beiden Halbleiter Siliciumkeimen innerhalb des Körpers des Reaktors Strom zuge­ führt werden kann.

Nach einem Beispiel sind die Halbleiter Siliciumkeime in einer einfachen doppelten oder mehrfachen Anordnung wie in Fig. 2, 3, 4 und 5 gezeigt oder konzentrisch in Paaren angeordnet.

In solchen Fällen ist die Anzahl der Befestigungsblöcke und Elektroden in Übereinstimmung mit der Zahl der Siliciumkeime im Reaktor gehalten.

Elektrodenmuttern 13 dienen zur Befestigung der Elektroden mit der wassergekühlten Metallplatte. Die Muttern sind wiederum mit den elektrischen Leitern 14 verbunden.

Die Bezugszeichen 15 und 16 bezeichnen transparente Scheiben aus Quarz und sind paralIel zueinander im oberen Teil des Reaktors gemäß Fig. 1 angeordnet. Der Einlaß und der Auslaß des Kühlmittels zwischen den Scheiben 17 und 18 ist in Fig. 1 zu erkennen. Das Bezugszeichen 19 ist ein Mikrowellengenerator und die erzeugten Mikrowellen werden in den Reaktor 1 zum Vorwärmen der Siliciumkeime eingeleitet.

Ein Führungsrohr 20 und eine Heizvorrichtung 21 sind mit dem Mikrowellengenerator 19 verbunden.

Der Mikrowellengenerator, der hier bereits erwähnt ist, besitzt einen Ventilator 23, um die Energie zu verbreiten, in dem die Mikrowellen in den unterschiedlichsten Richtungen geleitet werden, damit die Wellen nicht nur einen bestimmten Teil beeinflussen. Dieser rotierende Propeller wird mit einem Motor 22 angetrieben. Der Mikrowellengenerator ist so in­ stalliert, daß er in einfacher Weise entfernt und wieder angeschlossen wer­ den kann an das obere Ende der glockenförmigen Reaktorwand 2.

Eine Abstimmvorrichtung 24 ist in dem Wellenführungsrohr 20 eingebaut, um Wellen zu eleminieren, die reflektiert werden, wie in Fig. 1 zu sehen, wird wenn die Siliciumkeime in dem Hauptteil des Reaktors in­ stalliert und vorgewärmt werden auf Temperaturen zwischen 500 und 900°C. Die MikrowelIenheizvorrichtung 21 wird entfernt und durch eine polierte Metallplatte 25 ersetzt, die die Strahlungswärme auf ein Minimum reduziert, wenn das Kühlmittel zwischen die Quarzscheiben 15 und 16 eingeleitet wird.

Wenn die hochreinen Siliciumkeime in dem Reaktor die Vorwärm­ temperatur erreicht haben, wird elektrischer Strom den elektrischen An­ schlußleitung 14 zugeführt. Die elektrische Energie strömt durch die Elektro­ de 10, durch die Grafitblöcke 12 und erhitzt ein Paar der Siliciumkeime bis sie eine Temperatur von 600 bis 1300°C erreichen.

Am Ende des Vorwärmvorganges beträgt die Temperatur der Siliciumkeime in dem Reaktor 600 bis 1300°C. Es wird dann das Kühlmittel eingeleitet, das durch den Einlaß 4 strömt und durch den Auslaß 5 austritt. Die Mikrowellenheizvorrichtung wird entfernt und ersetzt durch die polierte Metallplatte 25.

Die Siliciumkeime erreichen die Temperatur von 600 bis 1300°C. Der Innendruck des Reaktors wird zwischen 1 und 10 atm ge­ halten. Das Reaktionsgas wird über die Gaseinlaßöffnung 8 eingeleitet, damit sich hochreines Silicium auf den beiden Siliciumstangen oder -plättchen niederschlagen kann.

Die Erfindung wird nun an Beispielen näher erläutert:

Beispiel 1

Der in diesem Beispiel verwendete Reaktor hatte die Form einer Glocke mit einem Durchmesser von 40 cm und einer Höhe von 90 cm und bestand aus rostfreiem Stahl. Dieser glockenförmige Reaktor besaß eine wassergekühlte Metallplatte.

Ein hochreiner Siliciumbarren wurde in Scheiben zerschnitten, die 5 cm breit, 70 cm lang und 3 mm dick waren. Vier Paare solcher Platten wurden in den Hauptkörper des Reaktors derart angeordnet, so daß sich parallele Zuordnungen wie in Fig. 4 gezeigt ergaben. Der Abstand zwischen den einzelnen Parallelen betrug 5 cm.

Nach Beendigung der Anordnung dieser Siliciumplatten in den Reaktor wurde die Luft aus dem Reaktor evakuiert und der Mikrowellen­ generator mit einer Leistung von 10 KW und 2450 MHz in Gang gesetzt. Er erzeugte Mikrowellen durch die Mikrowellenheizvorrichtung über das Führungsrohr 20 zugeführt.

Die Temperatur der Siliciumplatten erreichte nach 10 Minuten des Vorwärmens 600°C. Daran schließt sich eine direkte elektrische Er­ wärmung über die Elektroden an, so daß die Temperatur die Reaktions­ temperatur von 1100°C erreichte.

Gleichzeitig wurde die Mikrowellenheizvorrichtung entfernt und durch die polierte Metallplatte ersetzt. Daraufhin wurde Trichlorsilane, dessen Molarverhältnis mit Wasserstoff 0,25 betrug, mit einer Strömungsgeschwindi­ keit von 52 kg/h über die Gasleitung zu Beginn des Vorganges einge­ leitet. Danach wurde die Strömungsgeschwindigkeit nach und nach er­ höht. Der Innendruck des Reaktors wurde auf 5 atm. gehalten. 33 Minuten später hatte sich hochreines Silicium in einer Menge von 47,9 kg nieder­ geschlagen, wobei die Strömungsgeschwindigkeit an Trichlorsilane, wel­ ches eingeleitet wurde, 108 kg/h betrug.

Beispiel 2

In den gleichen Reaktor, der in Beispiel 1 benutzt wurde, wurden vier Paare von hochreinen Siliciumstangen installiert, aus einem Durchmesser von 0,7 cm und einer Länge von 70 cm und zwar in einem Kreis mit einem Durchmesser von 20 cm um die Längsmittellinie des Reak­ tors herum.

Die Zuordnung des Siliciums geschah mit dem gleichen Mikro­ wellenheizgerät und ergab nach 7 Minuten eine Temperatur von 600°C.

Das selbe Verfahren wie in Beispiel 1 wurde wiederholt, je­ doch war die Menge an Trichlorsilane 0,8 kg/h und das Molarverhätnis war das gleiche, nämlich 0,24. Der Innendruck betrug 5 atm. Als Ergeb­ nis wurde ein Niederschlag an hochreinem Silicium von 23,1 kg nach 33 Stunden erhalten, bei einer Strömungsgeschwindigkeit des eingeleiteten Trichlorsilane von 68 kg/h.

Claims (7)

1. Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Silicium mit einem glocken­ förmigen Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß Siliciumkeime im Inneren des Reaktors angeordnet werden und diese Keime auf die gewünschte Temperatur durch Einleitung von Energie vermittels Mikrowellen vorge­ wärmt werden und Zuführung von elektrischer Energie durch Elektro­ den dann das siliciumhaltige Reaktionsgas eingeleitet wird und sich Silicium auf der Oberfläche der Siliciumkeime niederschlägt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Reaktionsgas aus einem Trägergas und einem siliciumhaltigen Gas zu­ sammensetzt, das aus der Gruppe der Silane, Dichlorsilane, Trichlor­ silane und Tribromosilane stammt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silicium­ keime vermittels Mikrowellenenergie von 500 bis 900°C vor der Ein­ leitung des Reaktionsgases vorgewärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silicium­ keime stäbchenförmige Gestalt haben.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silicium­ keime platten-, plättchen-, oder bandförmige Gestalt haben.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens unter Verwendung eines glockenförmigen Reaktors, dadurch gekennzeichnet, dar der Reaktor (2) doppelwandig ist und zwischen seinen Wänden ein Kühlmittel zirku­ liert am unteren Ende, durch eine gekühlte Platte (3) verschlossen ist, die die Elektroden (10, 12) für die Zuführung der elektrischen Energie trägt und daß das obere Ende des Reaktors einen eingezogenen Durchmesser mit einer Öffnung ausweist, die durch zwei Querplatten (15, 10) abgedeckt ist und mit dem Mikrowellengenerator verbindbar ist, wobei Siliciumkeime (6, 11) innerhalb des Reaktors paarweise in konzentrischen Kreisen oder parallelen Reihen angeordnet sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Entfernung der Mikrowellenleitung (20) mit dem Vorwärmteil (21) und Ventilator (23), die Öffnungen durch eine polierte Metallplatte (25) ab­ gedeckt ist.