DES0039578MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 12. Juni 1954 Bekanntgemacht am 12. Juli 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

In der Hauptpatentanmeldung S 36032 VI/48 b ist ein Verfahren zur Herstellung reinster kristalliner Halbleitersubstanzen, insbesondere von Silicium, beschrieben, welches im wesentlichen darin besteht, daß eine chemische Verbindung des zu gewinnenden Stoffes in Gasphase mittels einer Gasentladung zersetzt wird, wobei die Gasentladungsbedingungen derart gewählt sind, daß sich der zu gewinnende Stoff aus dern Schmelzfluß in kristalliner Form an den Elektroden der Gasentladung abscheidet. Als geeignete chemische Verbindung für die Gewinnung reinsten Siliciums sind vor allem Halogenide empfohlen worden, denen noch ein Reaktionsmittel, beispielsweise Wasserstoff, ebenfalls in Gasphase zugesetzt ist. Die Anordnung war dabei so getroffen, daß sich auf den Elektroden bzw. mindestens der einen Elektrode der Gasentladung, die selbst aus dem zu gewinnenden Stoff, ,beispielsweise Silicium, bestehen bzw; besteht, eine Schmelzzone bildete, an der im wesentliehen die Gasentladung ansetzte, so daß sie hauptsächlich als eine unselbständige Gasentladungsform nach Art einer Bogenentladung brannte. Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, die bei dem Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung anfallende Menge des abzuscheidenden reinen Halbleiter-

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materials pro Zeiteinheit zu vergrößern. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, 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

ίο große Oberfläche der Elektrode bzw. der Elek-' troden erstreckt. Dabei kann es sogar zweckmäßig sein,' wenn das Glimmlicht eine etwas größere über die Schmelzzone noch hinausragende Zone bedeckt. Um insbesondere möglichst große Mengen in dicken Stäben, des zu gewinnenden Halbleitermaterials zu erhalten, soll die ganze Stirnfläche eine Schmelzkuppe bilden und die Gasentladung noch etwas von dem starren Teil der Elektrode bedecken. Beachtet man diese Vorschrif-

ao ten, so ist es möglich, dicke Halbleiterstäbe von über ι cm Durchmesser zu erlangen.

Es ist bereits in der Hauptpatentanmeldung zum Ausdruck gebracht, daß die Dicke des anfallenden Halbleiterstabes bei den jeweiligen Entladungsbedingungen proportional der angewandten Stromstärke ist. Beachtet man jedoch gemäß der Erfindung, daß trotz hoher Stromstärke die Stromdichte möglichst gering ist, so wird die Abscheidung des Halbleitermaterials noch beschleunigt, weil die Hitze der Schmelzzone nicht zu stark konzentriert wird und ein Wiederverdampfen der abgeschiedenen Substanz verursacht.

Die gewünschten Entladungsbedingungen werden unter Umständen durch Anwendung von Unterdruck erreicht, und es hat sich ferner als zweckmäßig erwiesen, die Elektrode, an der die Abscheidung erfolgt, möglichst senkrecht anzuordnen, so daß sich die Schmelzzone an ihrem unteren Ende als Tropfen ausbildet. Besonders günstige Verhältnisse erreicht man durch Anwendung von Gleichstrom, bei dem die Abscheidungselektrode als Kathode geschaltet ist. Die Gegenelektrode, d h. die Anode, braucht nicht notwendig ebenfalls aus Silicium bzw. dem zu gewinnenden Stoff zu bestehen, sondern kann auch aus Metall gebildet sein. Es ist zweckmäßig, die Anode zu kühlen. Es empfiehlt sich ferner, die Anode beispielsweise durch einen geeigneten Gasstrom umspülen zu lassen,, um das Abscheiden des zu gewinnenden Halbleitermaterials an ihr zu verhindern.

Gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens wird die gasförmige chemische Verbindung—'welche gegebenenfalls auch ein Verbindungsgemisch sein kann —- ausgerichtet gegen die Abscheidungselektrode, insbesondere Abscheidungskathode, entweder durch einen Gasstrom oder durch Anwendung von Überdruck mittels einer Düse oder durch Anwendung .sonstiger elektrischer oder mechanischer Mittel geführt.

Gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens sind elektrische und/oder magnetische Mittel, gegebenenfalls eine Hilfselektrodenanordnüng, vorgesehen, durch die die Lage und/ oder Ausdehnung des Entladürigsbrennflecks bzw. der Entladungsglimmschicht gesteuert werden kann. Durch diese Mittel können unter Umständen die Entladungsbedingungen auch zeitweilig geändert werden, beispielsweise dann, wenn in an Mch bereits vorgeschlagener Weise Dotierungsmittel in die Entladung eingeführt werden, um den Halbleiterstörstellengehalt zu beeinflussen, d. h. um Donatoren, Akzeptoren, Haftstellen, Rekombinationszentren od. dgl. in die Schmelze miteinzulagern. Durch entsprechende Mittel kann mindestens während solcher Einlagerungen von Zusatzstoffen die Schmelzzone und auch die umgebende Gasmenge durchrührt bzw. durchwirbelt werden.

Bei der Anwendung von Zwei- oder Mehrphasenstrom zum Betrieb der Gasentladung sind die verschiedenen Elektroden, an denen sich in den verschiedenen Phasen abwechselnd der zu gewinnende Stoff niederschlägt, zweckmäßig symmetrisch etwas gegen die Vertikalrichtung geneigt anzuordnen, so daß ebenfalls die Schmelzzone am unteren Ende als Tropfen hängend ausgebildet ist.

Mit der Einrichtung nach der Erfindung sind Zu- und/oder Ableitungskänäle für die zu verarbeitenden bzw. zu behandelnden Raffinations-, Zusatz-, Reaktions-, Destillationsstoffe u. od. dgl. in fester, flüssiger oder gasförmiger Form kombiniert.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform nach der Erfindung beispielsweise dargestellt. \ ι bedeutet ein Gasentladungsgefäß aus hitzebeständigem Material, wie z. B. Quarz, Keramik oder auch aus einem in bezug auf die Halbleitereigenschaften des zu gewinnenden Stoffes neutralen Metall. Das Gefäß ist hohlwandig ausgeführt und mit Zu- und Ableitungen 2 und 3 für einen Kühlstrom ausgestattet. 4 bedeutet die als Kathode dienende Abscheidungselektrode aus dem zu gewinnenden Halbleiterstoff, beispielsweise Silicium. Die Gegenelektrode 4', die beim Gleichstrombetrieb als Anode geschaltet ist, besteht ebenfalls aus Silicium und ist etwas gegen die Drehachse versetzt. Zum Einführen des zersetzenden Halogenids, insbesondere Siliciumchloroform oder Siliciumtetrachlorid und/oder Wasserstoff, das in Richtung des Pfeiles 6 in die Apparatur einströmt und durch die Gasentladung bzw. durch thermische und/oder elektrische Wirkung zersetzt wird, dient ein Quarzrohr 5. Zur Unterstützung der Zersetzung wird noch durch ein die Anode 4' teilweise umgebendes Mantelrohr 7 ein Reduktionsmittel in Gestalt von Wasserstoff in Richtung des Pfeiles 8 eingeführt. Durch die Gasentladung bildet sich am unteren Ende der Kathode 4 ein Schmelztropfen 9, in dem sich die aus der chemischen Verbindung abgetrennten Siliciumteilchen einlagern, und die Kathode 4 wird entsprechend dem Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung in Richtung, des Pfeiles 10 nach oben gezogen. Hierbei sind Regulierungsmittel vorgesehen, die den Elektrodenabstand konstant halten. .

Die Dimensionen der beiden Elektroden, der Düse des Rohres. 5 und des Rohres 7 sowie der

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Gasdruck sind derart gewählt, daß die Glimmschicht der Entladung etwa in der durch Strichlierung angedeuteten Form 11 ansetzt und daß ferner der Wasserstoff die Kuppe der Anode 4' derart umspült, daß an dieser Elektrode keine Siliciumabscheidung erfolgt.

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Gasentladungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach. Patentanmeldung S 36032 VI/'48b zur Herstellung reinster kristalliner Halbleiterstoffe durch Zersetzung einer oder 'mehrerer chemischer Verbindungen des zu gewinnenden Stoffes in der Gasentladung nach Art einer Bogenentladung, wobei sich der zu gewinnende Stoff aus dem Schmelzfluß an den Elektroden der Gasentladung abscheidet, dadurch gekennzeichnet, 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.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glimmschicht über die Schmelzzone etwas hinausgreift.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone die ganze Stirnfläche der Abscheidungselektrode bedeckt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung von Gleichstrom die Abscheidungselektrode als Kathode geschaltet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidungselektrode senkrecht angeordnet ist und daß sich die Schmelzzone an ihrem unteren Ende befindet, j

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode unterhalb oder neben der Schmelzzone der Abscheidungskathode endigt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführung für ein den abzuscheidenden Stoff nicht enthaltendes Gas bzw. ein Reduktionsmittel und/oder ein inertes Gas derart vorgesehen ist, daß dieses Gas die Anode umströmt und einen Niederschlag des zu gewinnenden Stoffes auf ihr verhindert.

.8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anweti-' dung von Zwei- oder Mehrphasenstrom die Elektroden vorzugsweise symmetrisch zueinander etwas schräg gegen die Vertikalrichtung geneigt angeordnet sind, wobei die Schmelzzone sich am unteren Ende der Elektrode befindet.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Entladungsgefäß Unterdruck herrscht.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Beeinflussung der Größe und/oder Lage des Entladungsansatzes auf der Abscheidungselektrode bz\v. den Abscheidungselektroden vorgesehen sind.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel auf einem Magnetfeld und/oder elektrischem Feld bestehen.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfselektrodenanordnung zum Steuern der Entladung vorgesehen ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Wärmequelle, beispielsweise Strah- lungswärmequelle zur Erhitzung bzw. Erschmelzung der Schmelzzone vorgesehen ist, welche gegebenenfalls alternativ mit der Gasentladung zu betreiben ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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