DE977418C - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Stabes aus hochreinem Silicium - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 18. MAI 1966

S 42294 IVa/121

Das deutsche Patent 976 899 betrifft eine Gasentladungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen eines Stabes aus hochreinem Silicium durch thermische Reduktion eines mit Wasserstoff vermischten gasförmigen Siliciumhalogenide, insbesondere SiHCl₃, in einer elektrischen Gasentladung, die zwischen den Spitzen zweier stabförmiger — vorzugsweise aus Silicium bestehender — gegeneinander verschiebbar angeordneter Elektroden so eingestellt wird, daß elementares Silicium in schmelzflüssigem Zustand an mindestens einer der Elektroden der Gasentladung anfällt und aus dem an der Elektrode haftenden, aus dem schmelzflüssigen Silicium gebildeten Tropfen infolge Auseinanderziehens der Elektroden ein laufendes Auskristallisieren von Silicium stattfindet, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Abmessungen der Gasentladungsanordnung und die Entladungsbedingungen derart gewählt sind, daß die Entladung trotz hoher Stromstärke bei möglichst geringer Stromdichte brennt und gleichzeitig die an der Abscheidungselektrode entstehende Schmelzzone und die an ihr ansetzende Gasentladung sich über eine möglichst große Oberfläche der Elektrode bzw. der Elektroden erstreckt. as

Es empfiehlt sich bei Betrieb einer solchen Anordnung mit Gleichstrom zu arbeiten und die Abscheidungselektrode als Kathode zu schalten. Bei Verwendung von Wechsel- oder Mehrphasenstrom können auch mehr als zwei Elektroden verwendet werden, von denen mindestens eine als Abscheidungselektrode verwendet wird.

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Bei diesen Gasentladungsanordnungen hat es sich jedoch als nachteilig erwiesen, daß sich die Abscheidung nicht streng auf die Spitze der Abscheidungselektrode konzentriert, wenn auch nur diese Abscheidung allein in der Lage ist, kompakt kristallines Silicium zu liefern. Der Grund für solche unerwünschten Abscheidungen an der Oberfläche anderer Teile der Gasentladungsanordnung ist darin zu suchen, daß die Abscheidung des HaIbleiters auf erhitzten Oberflächen auch noch möglich ist, wenn die Temperatur dieser Oberflächen noch unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleiters liegt. Da man im Interesse einer möglichst guten Ausnutzung des Reaktionsgases den freien Raum im Gasentladungsgefäß der Anordnung möglichst klein wählt, ist die Gefahr einer Erhitzung der Wand des Gasentladungsgefäßes und damit die Möglichkeit einer unerwünschten Abscheidung an diesen Stellen ohne weiteres gegeben. Diese unerwünschten Niederschläge beeinträchtigen nicht nur die Ausbeute, sondern vor allem auch die Reinheit des zu gewinnenden Materials, weil diese unerwünschten Niederschläge Verunreinigungen aus ihrer Unterlage aufnehmen, die bei Verdampfen dieser Niederschläge in den Gasraum und damit in das sich abscheidende Material gelangen.

Schließlich ist es auch aus betriebstechnischen Gründen unerwünscht, wenn die Wände des im allgemeinen — mindestens zum Teil — aus durchsichtigem Stoff gefertigten Entladungsgefäßes infolge solcher Niederschläge undurchsichtig werden.

Entsprechend der Erfindung werden bei dem eingangs beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Stabes aus hochreinem Silicium alle im Entladungsraum befindlichen und nicht als Träger des Niederschlages erwünschten Flächen, insbesondere Gefäßwände oder sonstige Leitflächen, zur Führung der Gasströme und/oder der elektrischen Entladung — mindestens soweit sie durch die Entladung stark erwärmt werden — mit einer so starken Kühlung versehen, daß ein Niederschlag des zu gewinnenden Stoffes an den gekühlten Flächen nicht stattfindet.

Gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens bestehen diese Flächen aus einem gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise Metall, beispielsweise aus Kupfer, Silber oder — besonders dann, wenn höhere Gasdrücke auftreten — Stahl, das man dann unter Umständen verkupfern oder versilbern oder durch andere Überzüge gegen Aggression schützen kann. Die Kühlung erfolgt zweckmäßigerweise durch eine umlaufende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, wobei die zu kühlenden Flächen doppelwandig ausgebildet sind. Beim Gleichstrombetrieb ist insbesondere die Anode als wassergekühltes Hohlrohr, vorzugsweise aus Kupfer, ausgebildet.

Es ist zwar an sich bereits bekannt, bei ähnliehen Anordnungen, welche die Gewinnung von Substanzen aus der Gasphase bezwecken, Kühlungen anzuwenden. Diese dienten jedoch bisher dem Zweck, diejenigen Flächenteile zu kühlen, an denen der erwünschte Niederschlag vor sich gehen soll, um die Kondensation zu fördern und/oder den Niederschlag an bestimmte gewünschte Flächen zu transportieren. Demgegenüber wird gemäß der Erfindung umgekehrt die Niederschlagsfläche auf hoher Temperatur gehalten, während die übrigen Flächen gekühlt werden.

Die gekühlten Flächen, mindestens die in besonderer Nähe der Abscheidungsstelle befindlichen Flächen, können entweder ständig oder von Zeit zu Zeit gerüttelt werden, damit die sich trotz der Kühlung dort ergebenden Niederschläge abblättern und auf den Boden des Entladungsgefäßes fallen. Es hat sich herausgestellt, daß sich die auf den gekühlten, besonders aus Kupfer bestehenden Flächen bildenden Niederschläge auf diese Weise sehr leicht entfernen lassen, ohne daß sie dabei Teilchen aus ihrer Unterlage loslösen.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen der Einrichtung nach der Erfindung beispielsweise dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Entladungsgefäß i, das mit Gleichstrom betrieben wird und dessen Kathode 2 aus einem in Richtung des Pfeiles 3 bewegbaren Siliciumstab besteht. 4 bedeutet die Anode, welche erfindungsgemäß aus einem wassergekühlten Kupferhohlkörper besteht. Der Wasserstrom ist durch Pfeile angedeutet. Das Entladungsgefäß 1 selbst ist ebenfalls als wasserdurchflossenes Hohlgefäß ausgebildet. Die gasförmigen Ausgangsprodukte, beispielsweise SiIiciumtetrachlorid oder Siliciumchloroform, werden durch einen Düsenring 5 gegen die Schmelzkuppe 6 des Siliciumstabes 2 geblasen. Der zur Reduktion dienende bzw. die Umsetzung erleichternde Wasserstoff wird durch ein die Anode 4 umgebendes Zylinderrohr 7 eingeführt. Die Öffnung 8 dient zum Entweichen der Abgase. Die Anode 4 wird von Zeit zu Zeit mittels einer Rüttelvorrichtung erschüttert, welche aus einem Relais 9 besteht, dessen Anker 10 als Klopfer ausgebildet ist.

Ein anderes Ausführungsbeispiel für die Elektrodenanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Hier besteht die Kathode aus einem von oben nach unten durch das Entladungsgefäß hindurchgehenden Siliciumstab 11, dessen mittlere Zone 12 geschmolzen wird. Die Anode 13 ist ringförmig ausgebildet, so daß die Schmelzzone 12 von allen Seiten gleich- no mäßig erwärmt wird. Die beiden Enden des Stabes 11 werden in Richtung der Pfeile 14 und 15 nach oben und unten auseinandergezogen nach Maßgabe des in der Schmelzzone 12 sich abscheidenden Siliciums. Die Ausbildung des Gefaß es und der Gaszuführungen kann der Anordnung gemäß Fig. 1 entsprechen. Statt die Anode ringförmig auszubilden, kann man auch mit einer oder mehreren Anoden arbeiten und diese um den Stab rotieren lassen und/oder auch den Stab selbst drehen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besteht das Entladungsgefäß aus zwei wassergekühlten Kupferhohlrohren 16 und 17 mit Elektroden 18 und 19, zwischen denen eine Wechselstromentladung übergeht. Eine Düse 20 dient dem Gaseintritt. 21 bedeutet ein Beobachtungsfenster,

das auf einen senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Ansetzstutzen aufgesetzt ist.

Claims (4)

1. Patentansprüche:
   5

   i. Verfahren zum Herstellen eines Stabes aus hochreinem Silicium durch thermische Reduktion eines mit Wasserstoff vermischten gasförmigen Siliciumhalogenide in einer elektrisehen Gasentladung, die zwischen den Spitzen zweier stabförmiger gegeneinander verschiebbar angeordneter Elektroden so eingestellt wird, daß elementares Silicium in schmelzflüssigem Zustand an mindestens einer der Elektroden der Gasentladung anfällt und aus dem an der Elektrode haftenden, aus dem schmelzflüssigen Silicium gebildeten Tropfen infolge Auseinanderziehens der Elektroden ein laufendes Auskristallisieren von Silicium stattfindet, wobei die Abmessungen der Gasentladungsanordnung und die Entladungsbedingungen derart gewählt sind, daß die Entladung trotz hoher Stromstärke bei möglichst geringer Stromdichte brennt und gleichzeitig die an der Abscheidungselektrode entstehende Schmelzzone und die an ihr ansetzende Gasentladung sich über eine möglichst große Oberfläche der Elektrode bzw. der Elektroden erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß alle im Entladungsraum befindlichen und nicht als Träger des Niederschlages erwünschten Flächen, insbesondere Gefäßwände oder sonstige Leitflächen, zur Führung der Gasströme und/oder der elektrischen Entladung — mindestens soweit sie durch die Entladung stark erwärmt werden — so stark gekühlt werden, daß ein Niederschlag des zu gewinnenden Stoffes an den gekühlten Flächen nicht stattfindet.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlten Flächen aus Metall, insbesondere aus Kupfer, bestehen.
3. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlten Flächen zwecks Aufnahme einer Kühlflüssigkeit doppelwandig ausgebildet sind.
4. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gleichstrombetrieb die nicht dem Niederschlag dienende Elektrode, insbesondere die Anode, gekühlt ist und vorzugsweise aus Kupfer besteht.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschrift Nr. 863 997;
   belgische Patentschrift Nr. 525 102;
   USA.-Patentschrift Nr. 2 541 764.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 620/363 9.56 (609 574/2 5. 66)