DE1619950A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Dopen von Halbleitermaterialien - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Dopen von HalbleitermaterialienInfo
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Description
■ Dr. 8ng. E,'. IiKCClNFfLP, ?<sj%©R$@®w®l$t KOlN^UrcivergiftSfssftira.®®
Anlege Aktenzeichen , '
2ur Eingabe vom VJ. Februar I967 Sch// Nsrne A Anm. CORNING GLASS WORKS
Verfahren und Vorrichtung zum Dopen von;Halb«»
Ie itermateri allen.
Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Ver~ .
fahren zum Dopen von Halbleitermaterialien und eine
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens«
Das Dopen von Halbleitermaterialien wird derzeit '
größtenteils durch partienweise Arbeitsvorgänge aus-=
geführt. Solche Arbeitsvorgänge bestehen im allgemeinen
darin/ daß eine Menge des Halbleitermaterials in
einem Schmelztiegel oder einem anderen Behälter ange·=
ordnet,, der Behälter in einen Ofen gestoßen und ein
entsprechendes Dopmittel in den Ofen eingeführt wird» Nachdem das Dopen beendet ist, wird der Behälter
herausgestoßen und das Halbleitermaterial aus demselben entnommen* ■. ■ .
Die partienweise Behandlung macht es sehr schwierig,
eine hohe Ausbeute brauchbaren Materials zu erhalten, weil das Produkt nicht reproduzierbar ist» Beispielsweise
kann die Temperatur des in den Ofen gestoßenen Behälters eine Temperaturänderung um einige Grad bewirkens
die ihrerseits/; das Ausmaß des Dopens beeinflußt. Außerdem ist die Zeitdauer* während welcher
das Halbleitermaterial der Dopatmosphäre ausgesetzt ist, unter diesen Umständen schwierig zu überwachen
und es können sich zahlreiche menschliche Irrtümer ergeben.
Den 'Hauptgegenstand der Erfindung bilden, ein kontinuierliches
Verfahren und eine Vorrichtung zum Dopen von
.Ba^bleiterrnaterialien., welche ermöglichen, daß eine hohe
- 10SÖÖS/1SS! ■ "' ■ c\
Ausbeute brauchbaren gedopten Halbleitermaterials erhalten
wird β
Die Erfindung besteht im allgemeinen darin, daß eine Reihe von im wesentlichen unabhängigen Behältern durch
einen langgestreckten Ofen hindurchgeführt wird. Das in den Behältern angeordnete Halbleitermaterial wird
nacheinander den Zonen zum Vorwärmen, Dopen und Abkühlen - im Ofen ausgesetzt. Jede der Behandlungsstellen innerhalb
des Ofens wird im wesentlichen unabhängig von den anderen gehalten. Das Temperaturniveau, die Antriebsgeschwindigkeit -durch den Ofen und die Atmosphäre an
jeder Behandlungsstelle werden sorgfältig überwacht, um
reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten.
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
genauer beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1, teilweise im Schnitt, eine seitliche Ansicht der
Vorrichtung,
Fig, 2 im Querschnitt eine Draufsicht auf den in Fig. 1 gezeigten
Ofen der Vorrichtung,
Fig. J5 eine Endansicht des Abführungsendes des Ofens und eine
schematisohe Darstellung einer Zusatzeinrichtung zur Einführung
der Dopatmosphäre in den Ofen,
Fig. 4 eine schaubildliche Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform
eines Behälters zur Förderung des Halbleitermaterials durch die Vorrichtung,
Fig« 5 eine schaubildliche Ansicht eines anderen Behälters
zur Förderung des Halbleitermaterials durch die Vorrichtung.
Die in Figo 1 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß der Erfindung umfaßt einen Ofen 10, der in der Richtung seiner Längsachse mit einem inneren Hohlraum versehen ist.
-.u^m, i;^ Q 9 8 Ö 8 / 1 S 8 3 BAD oroawAL 2 -
11Π3950
Wie der im Schnitt dargestellte Teil des Qferis zeigt,
weist derselbe ein äußeres Gehäuse 11 auf,, das mit einem
entsprechenden isoliermaterial 12 ausgekleidet ist. Im
Hohlraum des Ofens ist eine Hülse 13 von im allgemeinen
zylindrischer Form angeordnet^ die sich über jedes Ende
des Ofens hinauserstreckt. In einer Kammer zwischen der
Hülse 15, dem Gehäuse 11 und dem Isoliermaterial 12 ist
eine Reihe von Heizelementen 70 - 75 angeordnet,, mittels
welcher die innere Temperatur des Ofens geregelt wird*
Diese Heizelemente sind vorzugsweise voneinander unabhängig.,
so daß eine Örtliche Regelung der inneren Temperatur des Ofens möglich ist. ■
An jedem Ende des Ofens sind Isolierteile 14 angeordnet,
welche die Hülse I3'umschließen. \ :
Längs der Hülse 15 ist ein D-Rohr 15 angeordnet., das sich
über jedes Ende der Hülse hinauserstreckt» Die Rückseite des D-Rohres liegt in einer waagerechten Ebene und bildet
einen ebenen Boden innerhalb der Hülse 13.
Eine Reihe von Behältern 50 ist innerhalb des"Hohlraums
des Ofens in der Hülse 13 angeordnet und wird durch das
D-Rohr 15 abgestützt". Die Reihe der-Behälter wird durch
den Ofen mittels eines -StÖssels 17 gestoßen^ der seinerseits
duroh einen Motor 18 über ein Getriebe 19 und eine-·
Zahnstange 20 angetrieben wird. Die Zahnstange 20 und der
StÖssel 17 werden durch eine Säule 21 abgestützt, um dieselben
mit dem letzten Behälter der Reihe auszurichten.
-v ■
Während die dargestellte Antriebseinrichtung zum Vorschieben
der Reihe der Behälter durch den Ofen aus einem Motor
mit veränderlicher Drehzahl und einem StÖssel besteht,
kspti selbstverständliOh auch Irgendeine andere Antriebseinrientung
verwendet werden, um die Behälter mit einer gewünschten Geschwindigkeit durch den Qf en zu stoßen.
Eine Reihe von Leitungen j50 - j54 ist dargestellt, welche
aus der Seitenwand des Ofens austreten und durch Ventile
1OS0OS/ 1 983 . BAD OBiQiNAL
35 -37'mit einer Sammelleitung 4O verbunden sind. ; ■
Jede Leitung J>Q -34 steht mit einer begrenzten
Zone oder Kammer innerhalb des Ofens in Verbindung.
Gemäß Fig. 4 der Zeichnungwerden die im wesentlichen
unabhängigen Kammern innerhalb des Ofens vorzugsweise durch die Form der Behälter selbst gebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der
Behälter 50 vorzugsweise aus. einem Trog- oder Stützelement 51, in welchem das zu dopende Halbleitermaterial angeordnet wird. Am Stützelement 51 ist eine
hintere Platte 52 befestigt, deren Form sieh eng dem
offenen Querschnitt des Ofens anpaßt. Eine Reihe solcher aneinanderstoßender Behälter bildet daher eine
Reihe im wesentlichen unabhängiger Kammern innerhalb des Hohlraums des Ofens.
Das D-Rohr 15 kann aber auch weggelassen werden und
es können Behälter mit der in Fig. 5 gezeigten Form verwendet werden. In diesem Falle hat das Stützelement
56 des Behälters 55 die Form eines D-Rohres. Das Halbleitermaterial wird von der ebenen, waagerechten
Oberfläche 57 des Elements 56 abgestützt. Die hintere
Platte 58 ist kreisförmig und bildet eine wirksame Schranke zwischen aufeinanderfolgenden Behältern 55,
die durch die Hülse I3 vorgeschoben werden.
Gemäß Fig. 2, die im Querschnitt eine Drauf^scht auf
den in Fig. 1 dargestellten Ofenteil der Vorrichtung zeigt, werden Platten oder Scheiben 59 aus Halbleitermaterial
in dem Trogteil 51 der Behälter 50 angeordnet.
Jede hintere Platte 52 der Behälter steht mit dem oberen
Bogen der Hülse I3 und dem durch die Rückseite des
D-Rohres 15 gebildeten Boden in dichtem, aber verschiebbarem
Eingriff. Dadurch wird innerhalb des Ofens eine Reihe von Kammern gebildet, wobei jede Kammer ungefähr
der Eänge eines einzelnen Behälters entspricht.
V 109808/1983
/: ; .■■■ :.-■ ■■■■■■ ..■■■. ■'■ :'
Die aus der Seitenwand des Ofens austretenden Leitungen
50-34 stehen mit der Reihe von Kammern in ;
Verbindung, die innerhalb des Ofens durch die Reihe
der Behälter gebildet wird* Wie bereits in Verbindung mit Fig;. 1 erwähnt wurde, sind diese Leitungen
durch Ventile 35-37 mit einer Sammelleitung 40 ver-.,
bunden. Auf der anderen Seite des Ofens stehen Leitungen 60 h54 ebenfalls mit; den innerhalb des Ofens
gebildeten Kammern in Verbindung. Durch diese Leitungen wird iti die Kammern eine gewünschte Atmosphäre
eingeführt, welche durch die Auslaßleitungen "30 «34 ν
abgeführt wird. ■ ί . : ■
Die Leitungen 60,. 61 und 63, 64 werden Über die Ven- ;".
tile 65« 66 vorzugsweise mit einem entsprechenden; inerten
Gas gespeist, wie z,Bv Stickstoff oder einer Mischung
von Stickstoff mit eine:r geringen Menge Sauerstoff, titfc
während der Stadien des Vorwärmens und der Abkühlung.:
innerhalb der betreffenden Kammern eine im wesentlichen
nicht reagierende Atmosphäre; aufrechtzuerhalten» line
entsprechende Dopatmosphäre wird durch die Leitung 62U,-,
eingeführt und durch die Leitung 32 abgeführt.
Wie die Figuren 1 und 2 zeigen wird die Reihe der
ter 50, die Halbleitermaterial enthalten, das im Ofen
kontinuierlich gedopt werden soll, von links nacji reohfcs
bewegt, so daß das linksseitige Ende des Ofena als das
Zuführungseride und das rechtsseitige Ende als das Abführungtsende
bezeichnet werden kann. Bei der bevorzugten; Ausführungsform besteht das erste Stadium der Behandlung*
der das Halbleitermaterial innerhalb des Ofens unterworfen
wird, 3jn einer Vorwärmung. Die Hitze für diesen Vorgang
wird dujrch die Heizwiokiungen 79, 71 geliefert und die
Atmosphäre wird geregelt, indem{Gase durch die Leitungen
60, 61 jeingefuhrt und durch dieiLeitungen 30, 3I abgeführt werden. Die Heizelemente haben vorzugsweise die
Form von Wicklungen* welche die Hülse I3 vollständig umsohlleßen.
BWORiOfNAL „ 5
108806/1*63
1B1995Q
Da an jedem Ende des Ofens Teile 14,aus Isoliermaterial
angeordnet sind, und an den Enden des Ofens ein gewisser Wärmeverlust auftritt, steigt das
Temperaturniveau von den Enden gegen die Mitte hin allmählich an. Durch Anordnung unabhängiger Regelungen
für die Heizelemente kann das Temperaturniveau innerhalb des Ofens zusätzlich gesteuert
werden.
GemäÄ Fig. 3, welche eine Endansicht des Abftttirungsendes
des Ofens 10 und der Zieleinrichtung für die Zuführung der Dopatmosphäre in den Ofen ist, wird
jeder Behälter 50 in der Hülse 1} derart angeordnet,
daß die. hintere Platte 52 das Trogelement 51 gegen
die folgenden Behälter im wesentlichen abdichtet« Der Boden des Troges 51 und der hinteren Platte 52
ruhen auf der Rückseite des D-Rohres 15 auf und gleiten
längs desselben, das in der unteren Hälfte der Hülse 1>
angeordnet ist. Die Verbindung der Leitungen 64 und 24 für die Einführung und Abführung inerten
Gases mit den? Inneren des Ofens ist durch unterbrochene
Linien angedeutet. Die Zuführungsleitung 62 für die Dopatmosphäre, die durch die Leitung 64 teilweise verdeckt ist, ist zusammen mit der zugehörigen Einrichtung
zum Erzeugen der gewünschten Dopatmosphäre dargestellt.
Die Zusatzeinrichtung j die für die Zuführung des Dop·*
mittels in den Ofen verwendet wird, 1st ähnlich jener, die bei partienweisen Behandlungen Üblicherweise verwendet wird und besteht im allgemeinen aus einem (nicht dargestellten)
Behälter für Sauerstoff oder ein anderes Trägerga$, das durch die Leitung 80 zugeführt wird* Die
Gasströmung wird durch ein ventil 81 geregelt, das mit
dem Filter 82 und dem Abscheider ß2 verbunden ist» Das
Filter 82 und der Abscheider 8> wirken zusammen* um das j
Trägergas zu trocknen und zu reinigen« Das Gag gelangt
dann durch die Leitung 84 in die Leitung 62 zwecks Einführung in den Ofen. Ein Teil der Eingangsströmung des
Trägergases aus der Leitung 80 wird durch die Leitung
109863/ t Ü3 bad 0RiQiNÄfc 6 -
.■■■■: . Λ- Λ ■-'■■■':■;-■:■
und das Ventil 86 und dann durch das Filter1 87 geleitet. Bas aus dem Filter 87 austretende Tragergas
geht dann durch einen Behälter 88 hindurch, welcher
Phosphoroxi/'chlorid (POCl.,) oder ein anderes Dopmittel
enthalten kann. Das das Dopmittel enthaltende
Trägergas wird dann durch die Leimung 89 und den ,
Abscheider 90 geleitet und in der Leitung' /62. vor der
Einführung in den Ofen mit zusätzlichem Trägergas gemischt. In dem dargestellten System sind entsprechen*
de Strömungsmesser und Ventile angeori|äet, um die Strömungsgeschwindigkeit
des Trägergases durch den das Dopmittel enthaltenden Behälter und die Menge des durch
das Trägergas aufgenommenen Dopmittels zu
Bei der dargestellten Ausführungsform kann der Ofen
eine Länge von ungefähr 90 cm und einen Abstand von
etwa 15 cm zwischen den Zuführungsleitungen 60 -64
und den Abführungsleitungen 30 -34 aufweisen» Der Innendurchmesser
der Hülse 13 kann etwa 7,5 cm betragen.
Die Behälter 50 können eine Länge von etwa I5 cm haben
und aus Aluminiumoxid hergestellt sein, wobei die hintere
Platte 52 aus einer halbkreisförmigen Scheibe aus
Aluminiumoxid besteht, die am Trogteil 51 befestigt ist.
Die Hülse 13 kann eine Länge Von ungefähr 110 cm aufweisen.
: '- - .■■.:.-'
Im Betrieb werden die Heizelemente 70 -73 betätigt, um
in der Mitte des Ofens efoe höchste innere Temperatür im
Bereich von 800 -i300°C zu erzeugen. Die ersten Behälter
50 werden auf die Verlängerung des D-Rohres aufgelegt und zusätzliche Behälter werden dahinter mit ihren Enden
aneinanderstoßend angeordnet* Außerhalb des Ofens können
zusätzliche Stützeinrichtungen erforderlich sein, um eine besonders lange Reihe von Behältern abzustützen
oder das D-Rohr kann einfach verlängert werden, um die
notwendige Stütze zu bilden. Hierauf wird eine entsprechende Antriebseinrichtung betätigt, um die Reihe der Behälter
mit einer Geschwindigkeit von'etwa 0,078125 - 55 cm/min,
durch den Ofen zu bewegen* Am Vorwärmungsende des Ofens
^ 10900071983 . - 7 -.
wird die Temperatur auf etwa 8OO°C erhöht und ein inertes Gas, vorzugsweise Stickstoff, der
2 - y$> Sauerstoff enthält, wird am Vorwärmungsende
des Ofens kontinuierlich durch die Kammern hindurchgeleitet. In der Mitte des Ofens wird eine
höchste Temperatur erzielt, vorzugsweise um 1000 C,
und ein Gas, das ein Dopmittel enthält, wird durch
die Leitung 62 eingeführt un.d durch die Leitung j52 abgeführt. Schließlich wird am Abkühlungsende des
Ofens die Temperatur allmählich bis auf etwa 300 C
verringert,, bevor die Behälter aus dem Ofen austreten.
Wieder wird Stickstoff, der eine kleine Menge Sauerstoff oder ein anderes inertes Gas enthält, durch
die Leitungen 63, 64 eingeführt und durch die Leitungen
j53, 34 abgeführt, um die Atmosphäre am Abkühlungsende des Ofens zu bilden. Auf diese Weise kann ein
kontinuierliches Dopen der Halbleitermaterialien mit einer sehr hohen Ausbeute brauchbaren Produkts ausgeführt
werden. Dies wird erreicht durch Bildung getrennter Kammern innerhalb des Ofens mittels der Reihe
der das Halbleitermaterial enthaltenden Behälter, die mij; einer konstanten Geschwindigkeit durch den Ofen bewegt
werden. Die Vorwärmung durch Stickstoff ermöglicht, daß die Temperatur in der Dopzone genau geregelt werden
kann. Die Bildung getrennter Kammern wird' ferner dadurch
gewährleistet, daß in den Auslaßleitungen ein geringer Unterdruck erzeugt wird.
■ Selbstverständlich kann die Vorrichtung leicht so abgeändert
werden, daß Behälter mit der in Fig. 5 gezeigten Form verwendet werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Halbleiterplatten in einer Reihe von Behältern angeordnet,,
die mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 cm/min, durch den Ofen vorgeschoben werden. Die höchste Temperatur
in der Mitte des Ofens oder an °der Dopstelle wird auf
109808/1983· . - 8 -
BAD OFH05NAL
860°C gehalten. Ein Gemisch aus trockenem Stickstoff
und Sauerstoff: im Verhältnis-, von 400 cm^/min, Stickstoff
zu 15 cnr/min. Sauerstoff wird durch jede der
Leitungen 60, 61 und 6j>s, 64 eingeführt. In der mittie«
ren Kammerdes Ofens wird eine Dopatmosphäre erzeugt,,
indem durch die mittlere Kammer des Ofens ein Gemisch hindurchgeleitet wird* das aus 425 cm /min. Sauerstoff
und 40 cnr/min. Sauerstoff besteht,, welcher durch den
das Phosphorox-j^fichl-prid enthaltenden Behälter hindurchgegangen
ist. Auf diese Meise wird leicht eine enge Regelung des Dopens der Halbleitermaterialien erhalten-
und reproduzierbare Ergebnisse sind erzielbar„
Das vorstehend beschriebene Verfahren und die Vorrichtung können verschiedene Abänderungen erfahren^ ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
109808/1983 - 9 -
Claims (6)
1. Verfahren zum kontinuierlichen Dopen von Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleitermateriäl-Stücke
in mehrere Behälter gegeben werden, die Behälter in dichter Folge durch eine langgestreckte Heizzone durchgeleitet werden, die
Behälter während ihres Durchlaufes durch die Zone voneinander isoliert werden, und daß Halbleitermaterial während seines Durchganges
durch die Zonen in jedem der Behälter nacheinander vorgewärmt und gedopt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen inerte Atmosphäre während des Vorwärmens in die
Heizzone eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 ocfer 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Halbleitermaterial nach dem Dopen gekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3S dadurch gekennzeichnet, daß
die Behälter mit einer konstanten Geschwindigkeit durch die Zone durchgeführt werden und das Temperaturprofil in der Zone im wesentlichen
konstant gehalten wird.
5. Vorrichtung zum kontinuierlichen Dopen von Halbleitermaterial nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet
durch einen Ofen (10) mit einem langgestreckten zentrischen Kern, einer Vielzahl von Behältern (50 oder 55), die das zu dopende Halbleitermaterial
enthalten, Mittel (18, 20),um die Behälter durch den
Kern des Ofens zu schicken, Mittel (52 oder 58), um jeden BelfiLter
in dem Kern im wesentlichen von dem anderen zu isolieren, so daß in
dem Kern eine Vielzahl von praktisch unabhängigen Kammern gebildet·
wird, und Mittel, um das Halbleitermaterial in sämtlichen Kammern,
/37 109808/1983 - ι -
50
i-iährend diese durch die Längserstreckung des Kernes durchlaufenj
nacheinander vorzuwärmen und zn dopen „
6. Vorrichtung nach Anspruch 5$ dadurch■'■ gekennzeichnet 9 daß die
Mittel sum isolieren der Behälter eine an jedem Behälter (50 oder befestigte Barriere (52 oder 58) umfassen und die Barriere eine
dem Radialquersehnitt des Kernes entsprechende Gestalt hat»
109808/1983
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