DE69207531T2 - Reinigung eines zur Herstellung des polykrystallinen Siliziums verwendeten CVD-Reaktors - Google Patents
Reinigung eines zur Herstellung des polykrystallinen Siliziums verwendeten CVD-ReaktorsInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Reinigung der inneren Oberflächen eines Reaktors für die chemische Abscheidung durch Aufdampfen, der für die Herstellung von polykristallinem Silicium verwendet wird. Bei dem Verfahren läßt man auf die zu reinigenden Oberflächen Kohlendioxid-Pellets aufprallen. Die Kohlendioxid-Pellets lösen die Siliciumabscheidungen von der Oberfläche des Reaktors, ohne die Oberfläche des Reaktors zu beschädigen und ohne Anlaß für eine Verunreinigung des in dem gereinigten Reaktor hergestellten polykristallinen Siliciums zu geben. Das vorliegende Verfahren eignet sich besonders für die Reinigung der inneren Oberflächen von Reaktoren für die chemische Abscheidung durch Aufdampfen, die für die Herstellung von Silicium mit Halbleiterqualität verwendet werden.
- Da die Dichte der auf halbleitenden Siliciumchips erzeugten Schaltkreise weiterhin ansteigt, besteht ein stets steigender Bedarf an Silicium mit Halbleiterqualität von größerer Reinheit. Im allgemeinen ist es erforderlich, Silicium mit Halbleiterqualität zur Verfügung zu stellen, bei dem Verunreinigungen, wie Phosphor, Bor und Kohlenstoff, auf den parts-perbillion (ppb)-Bereich vermindert sind. Üblicherweise wird in einer ersten Stufe zur Herstellung dieses ultrareinen Siliciums mit Halbleiterqualität ein Silan (SiH&sub4;) oder ein Halogensilan, wie Trichlorsilan, innerhalb eines Reaktors für die chemische Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) an einem erhitzten Siliciumelement zersetzt. Das durch dieses Verfahren erzeugte polykristalline Silicium wird danach durch übliche Techniken in monokristallines Silicium umgewandelt.
- Während des CVD-Verfahrens kann sich in dem Reaktor durch ein Verfahren, das üblicherweise als homogene Nukleisierung (homogeneous nucleation) bezeichnet wird, Staub von amorphem Silicium bilden. Weiterhin kann sich Silicium auf den inneren Oberflächen des Reaktors abscheiden. Siliciumabscheidungen auf den inneren Oberflächen des Reaktors wirken wie eine Isolierung und lassen die Gastemperatur innerhalb des Reaktors ansteigen. Infolgedessen steigt auch die homogene Nukleisierung an, die Siliciumstaub erzeugt. Dieser Siliciumstaub enthält üblicherweise hohe Gehalte an verunreinigenden Stoffen und kann sich auf dem als Produkt erwünschten polykristallinen Silicium absetzen und unannehmbare Schäden auf dessen Oberfläche sowie Verunreinigung verursachen.
- Um diese Probleme mit dem Siliciumstaub zu verhindern, ist es oft erforderlich, die Energiezufuhr zu den Siliciumelementen, auf denen die Abscheidung stattfindet, zu vermindern. Wenn auch die Verminderung der Energiezufuhr zum Reaktor die Temperatur innerhalb des Reaktors wirksam senkt, so vermindert sie doch auch die Geschwindigkeit der Siliciumabscheidung und die Gesamtausbeute des Verfahrens in der Zeiteinheit. Weiterhin können Siliciumteilchen sich ablösen und auf die Elemente fallen, auf denen sich polykristallines Silicium abscheidet, sobald der Aufbau von Silicium auf den Oberflächen des CVD-Reaktors zu stark wird, wodurch eine Verunreinigung des abgeschiedenen Siliciums und unannehmbare Schäden auf dessen Oberfläche verursacht werden.
- Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Entfernung von Siliciumabscheidungen auf den inneren Oberflächen eines CVD-Reaktors bereitzustellen, der für die Herstellung von polykristallinem Silicium mit Halbleiterqualität verwendet wird. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Reinigung der inneren Oberflächen des CVD-Reaktors bereitzustellen, das die Oberflächen bei der Reinigung nicht angreift, verdirbt oder abreibt, da dies Verunreinigungen in den Konstruktionsmaterialien des Reaktors freilegen und die Qualität des erzeugten Siliciums negativ beeinflussen würde. Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Reinigungsverfahren bereitzustellen, das den CVD-Reaktor nicht verunreinigt, so daß auch nachträglich erzeugtes Silicium nicht verunreinigt wird.
- Fig. 1 erläutert die Konfiguration eines Apparates, der für die Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
- Das vorliegende Verfahren ist besonders für die Reinigung der inneren Wand der Reaktionskammer brauchbar, in der das CVD- Verfahren durchgeführt wird. Die Reaktionskammer kann von üblicher Gestalt und aus beliebigen Materialien hergestellt sein, deren Oberfläche oder strukturelle Integrität nicht erheblich beeinträchtigt wird, wenn sie mit Kohlendioxid-Pellets abgestrahlt werden. Die Reaktionskammer kann aus korrosionsbeständigen Metallen hergestellt sein, z.B. aus Stahl mit hohem Kohlenstoff- oder Nickelgehalt. Die innere Oberfläche der Reaktionskammer kann mit einem inertisierenden Metall, wie Silber, ausgekleidet sein, wie im US-Patent Nr. 4,173,944, erteilt am 13. November 1979, beschrieben ist; mit einem Edelmetall, Halbedelmetall oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie Platin, Tantal oder Nickel, wie im US-Patent Nr. 4,000,335, erteilt am 28. Dezember 1976, beschrieben ist.
- Es wird bevorzugt, daß die Reaktionskammer mit einer Doppelwand versehen und aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt ist. Die Ausgestaltung mit einer Doppelwand erlaubt die Zirkulation einer Kühlflüssigkeit, z.B. eines fluiden Silicons, zwischen den Reaktorwänden, um die innere Wand des Reaktors zu kühlen und Siliciumabscheidungen darauf zu vermindern.
- Zu den Reaktionskammern, die nach dem vorliegenden Verfahren gereinigt werden können, zählen diejenigen, in denen Silan (SiH&sub4;) oder ein Halogensilan, beispielsweise Trichlorsilan, Dichlorsilan, Monochlorsilan oder Monobromsilan, als gasförmiger Ausgangsstoff verwendet worden sind. Die Zersetzung des Silans oder Halogensilans kann in Gegenwart anderer Gase, wie Wasserstoff, stattfinden.
- Wenn auch das vorliegende Verfahren besonders brauchbar für die Reinigung von Reaktionskammern ist, die für die Herstellung von Silicium mit Halbleiterqualität verwendet werden, so wird doch der Fachmann erkennen, daß das Verfahren auch für die Reinigung von Reaktionskammern verwendet werden kann, in denen andere Qualitäten von Silicium hergestellt werden, z.B. Silicium für Solarzellen.
- Fig. 1 erläutert eine Konfiguration eines Apparates, der für die Ausführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Konfiguration des Apparates nach der Fig. 1 wird nur zur Erläuterung gegeben, und soll nicht den Umfang des hierin beanspruchten Verfahrens begrenzen. Beliebige Apparatekonfigurationen, die Kohlendioxid-Pellets bilden und mit genügender Kraft abgeben, um Siliciumabscheidungen von CVD-Reaktionskammern abzulösen, wie hierin beschrieben, können in dem Verfahren verwendet werden.
- Was Fig. 1 angeht, so wird Kohlendioxidgas von dem Zylinder 1 zu dem Pellet-Bildner 2 gefördert, worin das Gas komprimiert und in feste Kohlendioxid-Pellets umgewandelt wird. Das Kohlendioxidgas sollte von genügender Reinheit sein, so daß es während des Reinigungsverfahrens keine Rückstände hinterläßt, die das erzeugte polykristalline Silicium verunreinigen könnten. In der Praxis wurde gefunden, daß Kohlendioxidgas von Lebensmittelqualität von genügender Reinheit ist, um in dem beschriebenen Verfahren verwendet zu werden.
- Eine geeignete Vorrichtung, die als Pellet-Bildner 2 brauchbar ist, wird z.B. im US-Patent Nr. 4,389,820, erteilt am 28. Juni 1983, beschrieben. Die von dem Pellet-Bildner 2 erzeugten festen Kohlendioxidteilchen können z.B. von kubischer, zylindrischer oder runder Form sein. Es wird bevorzugt, daß die Teilchen zylindrische Pellets sind. Die Pellets müssen genügend groß sein, um eine Ablösung der Siliciumablagerungen zu bewirken. Bevorzugt werden Pellets mit Dimensionen im Bereich von etwa 1/16" bis 3/8" (1" = 2,54 cm). Es wird bevorzugt, daß die Pellets in ihrer größten Ausdehnung nicht größer als 3/8" sind, da solche großen Pellets dazu neigen können, die Oberfläche bei der Reinigung zu beschädigen. Der Pellet-Bildner 2 sollte so ausgewählt werden, daß er Pellets mit einer Dichte erzeugt, die so hoch wie vernünftigerweise möglich ist, da die Dichte der Pellets im Zusammenhang mit der Wirksamkeit der Ablösung von Siliciumabscheidungen von der Wand der Reaktorkammer steht. Bevorzugt werden Kohlendioxid-Pellets mit einer Dichte von mehr als etwa 85 pounds per cubic foot (1 lbs/cu.ft = 1.602 kg/m³). In höherem Maße bevorzugt werden Kohlendioxid- Pellets mit einer Dichte von mehr als etwa 95 lbs/cu.ft.
- Die festen Kohlendioxid-Pellets werden von dem Pellet-Bildner 2 durch die Leitung 3 zu der Düse 4 gefördert. Vorteilhaft sollte die Leitung 3 so kurz wie vernünftigerweise möglich sein, so daß die gesamte Verweilzeit eines Pellets in der Leitung möglichst kurz ist. Dies ist wichtig, um eine Sublimation der Pellets zu vermindern und sicherzustellen, daß die Pellets im wesentlichen ihr ursprüngliches Gewicht haben, wenn sie auf die zu reinigende Oberfläche aufprallen. Die Leitung 3 kann gekühlt werden, wenn dies gewünscht wird, um die Sublimation der Pellets zu vermindern. Es wird bevorzugt, daß die Leitung 3 aus einem langgestreckten, flexiblen Rohr besteht, damit die Düse 4 jede gewünschte Richtung einnehmen kann. Es wird bevorzugt, daß die Leitung 3 aus einem Stoff, wie verstärktem Silicongummi, hergestellt wird, der durch die Temperaturen der darin geförderten Pellets nicht wesentlich verändert wird.
- Die festen Kohlendioxid-Pellets werden durch die Leitung 3 mittels eines Gases von niedrigem Druck gefördert, z.B. durch Kohlendioxidgas, wie zuvor beschrieben. Der Gasfluß durch die Leitung 3 sollte ausreichen, um ein Hängenbleiben oder eine Agglomeration der Kohlendioxid-Pellets in der Leitung 3 zu verhindern.
- Die festen Kohlendioxid-Pellets werden zu der Düse 4 überführt. Die Düse 4 kann von beliebiger Form sein, wie sie für die Beschleunigung und die Vorwärtsbewegung der Kohlendioxid- Pellets mit genügender Geschwindigkeit brauchbar ist, so daß die Pellets beim Aufprall die Siliciumabscheidungen von der Reaktorwand ablösen. Eine brauchbare Düse ist von der Art, die üblicherweise als Ventun-Düse bezeichnet wird. Technisch gesprochen ist eine Ventun-Düse so konstruiert, daß sie aus einem kurzen, engen Zentralteil und sich erweiternden, spitz zulaufenden Enden besteht. Die Enden und das Zentralteil in einer Venturi-Düse sind leicht gekrümmt. Die Verwendung einer solchen Düse wird bevorzugt, damit die Pellets mit maximaler Geschwindigkeit aus der Düse austreten. Die Düse 4 kann mit einem üblichen Kühlmantel versehen sein, wenn dies gewünscht wird. Es wird bevorzugt, daß die Austrittsöffnung der Düse 4 fächerförmig ist, was ein 2-3" breites Spritzmuster ergibt, wenn die Düse sich 4-6" von der zu reinigenden Oberfläche entfernt befindet.
- Weiterhin wird der Düse 4 ein Beschleunigungsgas unter hohem Druck zugeführt, um die Geschwindigkeit der aus der Düse 4 austretenden Siliciumdioxid-Pellets zu erhöhen. Für diesen Zweck können beliebige Gase verwendet werden, die keinen Rückstand hinterlassen, der das in dem gereinigten Reaktor erzeugte polykristalline Silicium verunreinigen kann. Ein bevorzugtes Gas ist Stickstoff. in der Fig. 1 wird Stickstoffgas von dem Druckzylinder 5 abgegeben und durch die Leitung 6 in die Düse 4 geführt. Die Leitung 6 kann aus Materialien bestehen, wie sie für die Leitung 3 beschrieben sind. Das beschleunigende Gas kann mit einem Druck von etwa 30-250 psi (1 psi = 6.894,8 Pa) geliefert werden. Bei Verwendung niedrigerer Drükke ist die Angriffskraft der Pellets, die auf eine Oberfläche aufprallen, normalerweise zu gering, um die Siliciumablagerungen abzulösen. Höhere Gasdrücke können verwendet werden, aber das Verfahren kann dann durch die üblichen Probleme erschwert werden, die mit der Förderung von fluiden Stoffen unter verhältnismäßig hohem Druck verbunden sind. Ein bevorzugter Druckbereich für das beschleunigende Gas liegt zwischen etwa 175 und 200 psi.
- Die relativen Mengen an Pellets und beschleunigendem Gas, die zusammen verwendet werden können, können innerhalb weiter Grenzen variieren und werden nicht als für das vorliegende Verfahren kritisch angesehen. Im allgemeinen sollte die Geschwindigkeit, mit der sich Pellets durch die Düse 4 bewegen, mit dem Volumen des beschleunigenden Gases in einem solchen Zusammenhang stehen, daß der Gasstrom nicht mit Pellets in einem Ausmaß überladen wird, daß die Gefahr besteht, daß die Pellets nicht in dem beschleunigenden Gasstrom mitgeführt werden und sich nicht mit ihm bewegen.
- Die Düse 4 ist auf dem Trägerarm 7 montiert, der eine Bewegung der Düse 4 in bezug auf die zu reinigende Oberfläche erlaubt. Der Trägerarm 7 ist in üblicher Weise, z.B. durch Schweißen oder mittels Bolzen, auf dem festen Grundteil 8 angebracht. Der Trägerarm 7 kann von üblicher Gestaltung sein, einschließlich einer bewegbaren Kette, eines Bandes oder einer Schraube zum Bewegen der Düse längs der Länge des Trägerarms.
- Die Kohlendioxid-Pellets werden aus der Düse 4 in Richtung auf die innere Oberfläche der Reaktionskammer 9 ausgestoßen, so daß sie auf die Oberfläche aufprallen und abgeschiedenes Sihcium ablösen. Die Reaktionskammer 9 ist auf der drehbaren Plattform 10 angeordnet, die eine Drehung der Reaktionskammer um die Düse 4 herum erlaubt. Es ist daher möglich, die gesamte innere Oberfläche der Kammer in einem einzigen, automatisierten Verfahren zu reinigen, indem man die Geschwindigkeit der Düse 4 längs des Trägerarms 7 und die Geschwindigkeit der drehbaren Plattform 10 koordiniert. Die Regelung der Geschwindigkeit der Düse 4 und der drehbaren Plattform 9 kann auf übliche Weise unter Verwendung von Mikroprozessoren, Grenzschaltern und dadurch geregelten Motoren mit veränderbarer Geschwindigkeit (in Fig. 1 nicht dargestellt) bewirkt werden.
- Die feste Grundplatte 8 enthält eine Öffnung, durch die die Vakuumleitung 11 geführt wird. Die Vakuumleitung 11 ist mit dem Vakuumerzeuger 12 verbunden. Der Vakuumerzeuger 12 kann ein beliebiger, üblicher Apparat zur Erzeugung von Vakuum sein, der sich für das Sammeln von Siliciumstaub und -teilchen eignet, wie sie von der Wand der Reaktionskammer 9 abgelöst werden.
- Das folgende Beispiel wird als Beleg für die Ergebnisse gegeben, die man durch Verwendung von Kohlendioxid-Pellets für die Ablösung von Siliciumabscheidungen von der Wand eines CVD- Reaktors erzielen kann. Das Beispiel wird nur zur Erläuterung gegeben und soll nicht die vorliegenden Patentansprüche begrenzen.
- Die Brauchbarkeit von Kohlendioxid-Pellets zur Reinigung durch Abstrahlen der inneren Oberfläche eines CVD-Reaktors für die Abscheidung von polykristallinem Silicium wurde untersucht. Der Reaktor war ein üblicher Reaktor aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, in dem Silicium auf Trichlorsilan in Gegenwart von Wasserstoffgas auf einem beheizten Siliciumelement abgeschieden worden war.
- Die Versuche 622 bis 631 sind nur zu Vergleichszwecken aufgenommen und liegen nicht im Bereich der vorliegenden Erfindung. Vor dem Versuch 622 wurde die innere Oberfläche der CVD-Reaktionskammer gereinigt, indem sie mit Wasser unter hohem Druck von etwa 6.000 psi abgestrahlt und dann mit Stickstoff von etwa 300 psi abgeblasen wurde. Für die folgenden Versuche mit den Nrn. 623 bis 631 wurde die innere Oberfläche der Kammer gereinigt, indem sie zwischen den Versuchen mit Stickstoff unter hohem Druck abgeblasen wurde.
- Zum Vergleich zeigen die Versuche 632 bis 637 die Ergebnisse, die man durch Abstrahlen der inneren Oberfläche der Reaktionskammer mit Kohlendioxid-Pellets zwischen den Versuchen erzielt. Das Abstrahlen der Wand der CVD-Reaktionskammer mit Kohlendioxid-Pellets wurde mit einem Apparat durchgeführt, dessen Konfiguration der in Fig. 1 wiedergegebenen ähnlich war. Die Quelle für Dioxid-Pellets war ein Cleanblast (tm)-Apparat, der von Alpheus Cleaning Technologies, Rancho Cucamonga, Kalifornien, hergestellt worden war. Die Kohlendioxid-Pellets waren in ihrer größten Ausdehnung etwa 1/16" groß. Stickstoffgas mit einem Druck von etwa 180-250 psi wurde verwendet, um die Kohlendioxid-Pellets aus einer Düse vom Venturi-Typ zu beschleunigen. Die Düse wurde in einer Entfernung von etwa 3-5" von der zu reinigenden Oberfläche gehalten. Die Reaktionskammer drehte sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 U/Min. um die Düse. Die Düse wurde längs des Trägerarms mit einer Geschwindigkeit von etwa 2-3"/Min. bewegt.
- Die Qualität der gereinigten Oberflächen wurde durch Augenschein und mittels der Länge der Zeit bewertet, während der der Reaktor bei einer vorgegebenen Temperatur des Elements betrieben werden konnte, bevor die Temperatur innerhalb des Reaktors anstieg, was eine Verminderung der Stromzufuhr erforderte, um die Qualität des erzeugten polykristallinen Siliciums beizubehalten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Tabelle 1 Wirkung der Reinigungstechnik auf die Betriebszeit des Reaktors bei voller Heizleistung Abblasen mit Stickstoffgas Abstrahlen mit Kohlendioxid-Pellets Versuchs-Nr. Versuchsdauer (h)
- Die in Tabelle 1 wiedergegebenen Daten zeigen, daß bei Reinigung der inneren Oberfläche der Reaktionskammer durch Abblasen mit Stickstoff die Betriebszeit bei voller Heizleistung für die Abscheideelemente und bei optimalen Bedingungen immer kürzer wird. Wenn die innere Oberfläche der Reaktionskammer durch Abstrahlen mit Kohlendioxid-Pellets gereinigt wird, gibt es keine ähnliche Verkürzung der Betriebszeit.
- Die nach den obigen Verfahren erzeugten polykristallinen Siliciumstäbe wurden auf Anwesenheit von Verunreinigungen durch Spurenmengen von Kohlenstoff, Phosphor, Bor und Eisen untersucht. Die Ergebnisse dieser Analysen sind in Tabelle 2 wiedergegeben. Die Verunreinigung des polykristallinen Siliciums durch Kohlenstoff wurde durch Fourier-transformierte Infrarotspektroskopie (FTIR), die durch Bor und Eisen durch Atomabsorptions-Spektroskopie und die durch Phosphor durch Photolumineszenz-Analyse bestimmt. Die Ergebnisse werden in Teilen Verunreinigung auf 1 Milliarde Teile polykristallines Silicium (ppb) angegeben. Tabelle 2 Einfluß der Reinigung des Reaktionsgefäßes mit Kohlendioxid-Pellets auf Spuren von Verunreinigungen im polykristallinen Silicium Konzentration der Verunreinigung (ppb) Versuch-Nr. Kohlenstoff Phosphor Bor Eisen (Abblasen mit Stickstoffgas) Durchschnitt (Abstrahlen mit Kohlendioxid-Pellets)
- Die in Tabelle 2 wiedergegebenen Ergebnisse zeigen, daß die Reinigung der Reaktorwände mit Kohlendioxid-Pellets den Grad der untersuchten Verunreinigungen nicht wesentlich erhöht.
Claims (1)
1. Verfahren zur Reinigung der Oberflächen eines Reaktors für die
chemische Abscheidung durch Aufdampfen, bei dem man auf die
Siliciumablagerungen auf den inneren Oberflächen eines für die
chemische Abscheidung von polykristallinem Silicium durch
Aufdampfen eines Ausgangsgases, ausgewählt aus einer Gruppe,
bestehend aus Silanen und Halogensilanen, verwendeten Reaktors
Kohlendioxid-Pellets aufprallen läßt, um die
Siliciumablagerungen zu entfernen.
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