DK142625B - METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR RODS BY THERMAL DIVISION OF A SEMICONDUCTOR CONNECTION - Google Patents

Description

(ii> FREMLÆGGELSESSKRIFT 1 42625 DANMARK («1» in,. Cl.’ C 30 B 26/16 (21) Ansøgning nr. 1632/^72 (22) Indleveret den 5· Spr · 1972(ii> PUBLICATION NOTICE 1 42625 DENMARK («1» in, Cl. 'C 30 B 26/16 (21) Application No. 1632 / ^ 72 (22) Filed on 5 · Spr · 1972

Iffifg/ (24) Løbedeg 5· apr. 1972 \>S (44) Ansøgningen fremlagt og fnmlæggelsesskrifrat offentliggjort den 1 · <i©C» 1 $80 DIREKTORATET FOR ^ _ .Iffifg / (24) Race stage 5 · Apr. 1972 \> S (44) The application submitted and the writ of publication published on 1 · <i © C »1 $ 80 DIRECTORATE FOR ^ _.

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) Prioritet begæret fra denPATENT AND TRADE MARKET (30) Priority requested from it

6. apr. 1971 e 2116746, DEApr 6 1971 e 2116746, DE

(71) SIEMENS ÅKTIENGESELLSCHAFT, Berlin und Mienchen, 8 Muenchen 2, Wittels« T5acherplatz 2, DE.(71) SIEMENS ÅKTIENGESELLSCHAFT, Berlin and Mienchen, 8 Muenchen 2, Wittels «T5acherplatz 2, DE.

(?2) Opfinder: Hans Stut, 8031 Groebenzell, Maistrasse 18, DE.(? 2) Inventor: Hans Stut, 8031 Groebenzell, Maistrasse 18, DE.

(74) Fuldmægtig under sagens behandling:(74) Plenipotentiary in the proceedings:

Internationalt Patent-Bureau._ (54) Fremgangsmåde og apparat til fremstilling af halvlederstave ved termisk spaltning af en halvlederforbindels e.International Patent Bureau._ (54) Method and apparatus for producing semiconductor rods by thermal decomposition of a semiconductor connection e.

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af halvlederetave ved termisk spaltning af en med en bæregas blandet halvlederforbindelse på et strømopvarmet bærelegeme af det samme halvledermateriale, hvorved bærelegemets temperatur reguleres i afhængighed af erværdien af den gennem bærelegemet gående strøm.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of producing semiconductor tubes by thermally decomposing a semiconductor compound mixed with a carrier gas on a current-heated support body of the same semiconductor material, thereby controlling the temperature of the support body depending on the value of the current passing through the support body.

En lignende fremgangsmåde kendes fra det østrigske patentskrift nr.A similar method is known from the Austrian patent specification no.

222.184. Ved den beskrevne metode aftastes et af den glødende, som bærelegeme tjenende halvlederstav ved hjælp af et optisk system tilvejebragt billede, hvis diameter ændrer sig med diameteren af den under udfældningen voksende stav, idet aftastningen sker ved hjælp af en bevægelig fotocelle, og den i billedplanen ved grænsen for de fra halvlederstaven udgående lysstrålebundter optrædende kontrast lys og mørk anvendes til styring af en indretning, som bevæger fotocellen ud af 2 142625 strålebundtet og samtidigt forøger strømmen i varmekredsen i en sådan grad, at temperaturen af halvlederstaven holdes på en ønsket, specielt konstant værdi.222,184. In the method described, one of the glowing semiconductor rod serving as a carrier is scanned by means of an optical system, the diameter of which changes with the diameter of the rod growing during the precipitation, the scanning being done by a moving photocell and the image plane. at the boundary of the light beams emerging from the semiconductor beam, light and dark contrasts are used to control a device moving the photocell out of the beam and at the same time increasing the current in the heating circuit to maintain the temperature of the semiconductor rod at a desired, especially constant value.

Fra det tyske offentliggørelsesskrift nr. 1.444.421 kendes ligeledes en fremgangsmåde ved drift af et elektrisk udfældningsanlæg til opnåelse af det reneste halvledermateriale, som f.eks. geranium eller silicium, ud fra en forbindelse af disse stoffer ved termisk spaltning og udfældning på passende bærelegemer,ved hvilken fremgangsmåde glødetemperaturen af det til dissociationstemperaturen for halvlederforbindelsen opvarmede bære- eller udfældningslegeme måles ved hjælp af et pyrometer, idet den fra udfældningslegemet udgående, med legemets tværsnitsforøgelse voksende strålingsintensitet rettes mod den strålingsfølsomme flade af pyrometeret, så at der på denne bestråles en med tværsnittet af staven tilsvarende voksende flade, hvorved stigningen af denne bestrålede flade og den af denne flade på pyrometeret tilvejebragte elektriske størrelse med dennes varierende absolutværdier ved at nå forudbestemte grænseværdier udnyttes i udfældningsanlægget ligesom de tilsvarende værdier for afbrydelser i den jævne stigning af den nævnte flade til melding, varsling, styring eller regulering.Also from German Patent Specification No. 1,444,421, a method of operating an electric precipitation plant to obtain the purest semiconductor material, such as e.g. geranium or silicon, from a compound of these substances by thermal decomposition and precipitation on suitable support bodies, in which method the annealing temperature of the carrier or precipitated body heated to the dissociation temperature is measured by a pyrometer, starting from the precipitating body, with the body Increasing cross-sectional radiation intensity is directed to the radiation-sensitive surface of the pyrometer, so that a radiating surface corresponding to the cross-section of the rod is irradiated, whereby the increase of this irradiated surface and that of this surface of the pyrometer provide its varying absolute values by reaching predetermined absolute values. limit values are utilized in the precipitation plant as well as the corresponding values for interruptions in the steady rise of the said surface for notification, warning, control or regulation.

Opfindelsen angår en forbedring af det fra det østrigske patentskrift nr. 222.184 kendte apparat og en væsentlig forenkling af det i det tyske offentliggørelsesskrift nr. 1.444.421 beskrevne udfældningsanlæg og er ejendommelig ved, at de tilsigtede værdier af bærelegemets temperatur og mængden og molforholdet af halvlederforbindelse og bæregas bestemmes i afhængighed af den aktuelle værdi af den gennem bærelegemet gående strøm og tilføres en procesregnemaskine eller en regenerator, ved hjælp af hvilken temperaturen af halvlederlegemet og mængden og molforholdet af halvlederforbindelse og bæregas styres i afhængighed af værdien af den gennem bærelegemet gående strøm og mængden og molforholdet af halvlederforbindelse og bæregas.The invention relates to an improvement in the apparatus known from the Austrian patent specification 222,184 and to a substantial simplification of the precipitation system described in German Publication No. 1,444,421 and is characterized in that the intended values of the temperature of the support body and the amount and molar ratio of semiconductor relationship and carrier gas is determined depending on the actual value of the current passing through the carrier and supplied to a process calculator or regenerator by means of which the temperature of the semiconductor body and the amount and molar ratio of semiconductor connection and carrier gas are controlled depending on the value of the current passing through the carrier. the amount and molar ratio of semiconductor connection and carrier gas.

Ved foranstaltningerne ifølge opfindelsen, hvorved den gennem staven gående strøm i første tilnærmelse anvendes som styrestørrelse for udfældningen af halvledermaterialet på bærelegemet, er det muligt at opnå en optimal udnyttelse af det til udvindeisen af halvledermaterialet, f.eks. silicium, i polykrystallinsk form nødvendige råstof ved hjælp af en programstyring af f.eks. gasgennemstrømningen og/eller molforholdet mellem halvlederforbindelsen og bæregassen. Herved bortfalder det store tekniske udstyr, der er nødvendigt for måling af diameteren af den tykkere.og tykkere halvlederstav.In the measures according to the invention, whereby the current flowing through the rod in the first approximation is used as the control size for the precipitation of the semiconductor material on the support body, it is possible to obtain an optimal utilization of it for the extraction of the semiconductor material, e.g. silicon, in polycrystalline form necessary raw material by means of a program control of e.g. the gas flow and / or molar ratio of the semiconductor connection to the carrier gas. This eliminates the large technical equipment needed to measure the diameter of the thicker and thicker semiconductor rod.

Der kan anvendes flere stavformede bærelegemer, som er forbundet ved hjælp af en fælles holdeindretning, og som opvarmes med en fælles varmestrømkilde til udfældnings temperaturen.Several rod-shaped supports may be used which are connected by a common holding device and which are heated by a common heat flow source to the precipitation temperature.

Rekationsrummet kan tilsættes doteringsstof i forudbestemt forhold for tilvejebringelsen af P- eller N-ledertype af det tykkere og tykkere bærelegeme, og på denne måde kan der fremstilles halvlederstave med bestemt indstillelig 3 142625 do ter ings s to fkoncentrat ion.The reaction space can be added to the dopant in predetermined ratio to provide the thicker or thicker carrier P or N type, and in this way semiconductor rods can be produced with a certain adjustable concentration of two.

Doteringsstoffet kan tilføres reaktionsrummet sammen med bæregassen og den halvledende forbindelse som en gasstrøm.The dopant can be supplied to the reaction chamber together with the carrier gas and the semiconducting compound as a gas stream.

Til udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan der benyttes et apparat, i hvilket der anvendes et jaed gastilgangs- og gasafgangsåbning forsynet reaktionsrum, hvori de til udfældning af det halvledende materiale bestemte bærelegemer er indspændt ved hjælp af en holdeindretning, og hvor bærelegamerne er forbundet med en styrbar varmestrømkilde, og der uden for reaktionsrvmmet er anbragt et optisk pyrometer som pemperaturmåler måling af overfladetemperaturen af bærelegememe, hvilket optiske pyrometer over en temperaturregulator er således forbundet med den styrbare varmestrømkiIde, at temperaturen kan indstilles på en konstant eller forudgiven værdi, hvilket apparat ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at der til bestemmelse af den til enhver tid gående strøm er indkoblet en strømgiver i varmestrømkredsen, som til styring af den til reaktionsrummet førte, til udfældningen nødvendige gasmængde, er forbundet med en procesregnemaskine og en programgiver, der føder procesregnemaskinen, hvorhos procesregnemaskinen over reguleringsstrækninger, der består af reguleringsventiler og måleværdigivere, er koblet både til en bæregasforsyningsledning og til forsyningsledningen for den gasformige forbindelse af det halvlederetof, der skal udvindes.In order to carry out the method according to the invention, an apparatus may be used in which a well-reacted gas inlet and gas outlet opening are used, in which the supporting bodies determined for precipitation of the semiconducting material are clamped by means of a holding device and the supporting bodies are connected to a controllable heat flow source, and outside the reaction space is arranged an optical pyrometer which measures the surface temperature of the support body, which optical pyrometer over a temperature controller is connected to the controllable heat source so that the temperature can be set to a constant or predetermined value, which apparatus according to the invention is peculiar in that to determine the current flowing at any time, a current generator is connected to the heat flow circuit, which for controlling the required gas flow to the reaction room, is connected to a process calculator and a programmer which feeds the process calculator in which the process calculator of control lines consisting of control valves and measuring sensors is connected both to a carrier gas supply line and to the supply line for the gaseous connection of the semiconductor material to be extracted.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 viser et for udøvelsen af fremgangsmåden ifølge opfindelsen egnet apparatur, fig. 2-4 kurver fremstillet på grundlag af værdier, der anses for optimale, hvilke kurvers forløb f.eks. lægges til grund for styringen af halvledermaterialets udskillelse på bærelegemet, og fig. 5 kurver over afhængigheden af varmestrømaen I, henholdsvis diameteren af bærelegemet, som funktion af tiden.The invention is explained in more detail below with reference to the schematic drawing, in which fig. 1 shows an apparatus suitable for the practice of the invention; FIG. 2-4 curves made on the basis of values considered optimal; the control of the separation of the semiconductor material on the support body, and fig. 5 curves over the dependence on the heat flow I, respectively the diameter of the support body, as a function of time.

I fig. 1 er vist halvlederstave 2, der er indspændt i en holder 3 af ren grafit og tjener som udfældningsråemner. Halvlederstavene 2, der består af silicium, er anbragt i en reaktionsbeholder 1 af kvarts med en gastilgangsåbning 4 og en gasafgangsåbning 5 og er foroven forbundet med et stavstykke 18, der ligeledes består af silicium. Gennem gastilgangsåbningen 4 indføres den til udskillelsen bestemte reaktionsgasblanding, der eventuelt også kan indeholde doterende stoffer, i reaktionsrummet. Restgassén fjernes igen fra reaktionsbeholderen gennem gasafgangsåbningen 5. Siliciumstavene 2 har f.eks. en temperatur på ca. 1150°C og holdes ved hjælp af en varmestrømkilde 6 først på den forudbestemte glødetemperatur som elektriske, strømførende modstandslegemer som følge af den i disse herved udviklede Joule'ske varme. Temperaturen af de glødende 142625 4 siliciumstave 2 måles af et temperaturmåleapparat 7, der består af et pyrometer, og hermed indstilles automatisk den fra varmestrømkilden 6 af tagne strøm ved hjælp af en temperaturregulator 8 til en sådan værdi, at den i overensstemmelse med opfindelsen fordrede optimale udskilningstemperatur opnås. Til bestemmelse af den til enhver tid gående strøm er der i varmestrømkredsen indkoblet en strømgiver 9, der til styring af den til reaktionsrummet 1 førte gasmængde, som kræves til udfældningen på siliciumstavene 2, er forbundet med en procesregnemaskine 10 og en programgiver 11, der føder regnemaskinen 10. Procesregnemaskinen 10 er igen over reguleringsstrækninger, som består af en reguleringsventil 12 for mængden af bæregas, f.eks. hydrogen, og en reguleringsventil 13 for mængden af halvlederstoffet, der skal udskilles, og af en måleværdigiver 14 for bestemmelse af gassammensætningen, f.eks. af silicochloroform i hydrogen, og af en måleværdigiver 15 for bestemmelse af den til enhver tid gående bæregasmængde, f.eks. hydrogen, forbundet med en bæregasforsyningsledning 16 for hydrogen og forsyningsindretningen 17 for det halvlederstof, der skal udskilles. Herved kan forsyningsindretningen 17 for halvlederstoffet enten foreligge som koncentrat eller anvendes som bæregas med konstant blanding.In FIG. 1 shows semiconductor rods 2, which are clamped in a holder 3 of pure graphite and serve as precipitating blanks. The semiconductor rods 2, which consist of silicon, are placed in a quartz reaction vessel 1 with a gas inlet port 4 and a gas outlet opening 5 and are connected at the top to a rod piece 18 which also consists of silicon. Through the gas inlet 4, the reaction gas mixture, which may also contain doping substances, is introduced into the reaction chamber. The residual gas is again removed from the reaction vessel through the gas outlet opening 5. The silicon rods 2 have e.g. a temperature of approx. 1150 ° C and are held first by the heat flow source 6 at the predetermined incandescent temperature as electrical, current-resisting resistors as a result of the Joule's heat thus developed. The temperature of the incandescent silicon rods 2 is measured by a temperature measuring device 7 consisting of a pyrometer and thereby automatically adjusted it from the heat flow source 6 by means of a temperature controller 8 to such a value that it requires optimum in accordance with the invention. separation temperature is obtained. To determine the current flowing at any time, a current generator 9 is connected to the heat stream circuit which is connected to a process calculator 10 and a programmer 11 which feeds to the precipitation gas required for the reaction space 1 required for the precipitation on the silicon rods 2. The calculator 10. The process calculator 10 is again over control lines which consist of a control valve 12 for the amount of carrier gas, e.g. hydrogen, and a control valve 13 for the amount of the semiconductor substance to be excreted, and a measurement value sensor 14 for determining the gas composition, e.g. of silicochloroform in hydrogen, and of a gauge 15 for determining the amount of carrier gas present at any given time, e.g. hydrogen, connected to a carrier gas supply line 16 for hydrogen and the supply device 17 for the semiconductor substance to be separated. Hereby the semiconductor supply device 17 can either be used as a concentrate or used as a constant-mixing carrier gas.

Procesregnemaskinen 10, som også kan være en regulator eller en lignende indretning, som ud fra sammenligningen mellem de ønskede værdier af gasmængden, gassammensætningen og temperaturen, der foreligger som program fra programgiveren 11, f.eks. i form af en hulstrimmel, et magnetbånd eller et hulkort, i afhængighed af den af strømgiveren 9 målte strøm, og den øjeblikkelige, aktuelle værdi danner en størrelse, foretager f.eks. ved hjælp af reguleringsventilen 12 og/ eller ventilen 13 samt temperaturregulatoren 8 en korrektion, så at hele processen kan gennemføres med de til enhver tid som optimale ansete værdier. Disse værdier kan tilpasses de givne betingelser, f.eks. indstilling til et omkostnings-minimum for anlægget eller opnåelsen af et maksimalt udbytte af halvledermateriale ud fra den anvendte forbindelse eller også maksimal udnyttelse af apparatet.The process calculator 10, which can also be a regulator or similar device, which, based on the comparison between the desired values of the gas quantity, the gas composition and the temperature available as a program from the programmer 11, e.g. in the form of a hole strip, magnetic tape or hole card, depending on the current measured by the current sensor 9, and the instantaneous current value forms a size, e.g. by means of the control valve 12 and / or the valve 13 and the temperature regulator 8 a correction so that the whole process can be carried out with the optimal values at all times considered. These values can be adapted to the given conditions, e.g. setting to a minimum of cost for the plant or obtaining a maximum yield of semiconductor material from the compound used or also maximum utilization of the apparatus.

1 forbindelse med den i fig. 2 viste, i logaritmisk målestok fremstillede kurve,skal der som udførelseseksempel vises styringen af gennemstrømningen Q i 3 m /h i afhængighed af strømmen under indledende konstantholdelse af temperaturen. Af den indtegnede kurve ses, at gennemstrømningen Q af den tilsvarende, for termisk spaltning og udfældning forudsete gasmængde stiger jævnt med stigende strøm 3 I , så at der ved ca. 5000 ampere kan anses en gennemstrømning på 10 m /h som optimal. Dette vil sige, at med stigende strøm I, dvs. med tiltagende overflade af den voksende siliciumstav, stiger gennemstrømningen, så at den pr. fladeenhed værende gasmængde forbliver konstant. Dette vil sige,at der ved en forelagt omkostningsrelation fås en optimal udnyttelse af anlægget.1 with the connection of FIG. 2, shown in logarithmic scale, the embodiment of the flow Q for 3 m / h, depending on the flow during initial constant temperature maintenance, is shown as embodiment. From the plotted curve, it can be seen that the flow Q of the corresponding amount of gas predicted for thermal decomposition and precipitation increases evenly with increasing flow 3 I, so that at approx. 5000 amps can be considered an optimum throughput of 10 m / h. That is, with increasing current I, i.e. with increasing surface of the growing silicon rod, the flow increases, so that it per the amount of surface unit gas remains constant. This means that the cost ratio presented will result in optimal utilization of the plant.

I fig. 3 er ligeledes i forbindelse med en i logaritmisk målestok fremstillet kurve illustreret et udførelseseksempel for opfindelsens anvendelse til sty- 5 142625 ring af molforholdet i gasstrømmen mellem den af hydrogen bestående bæregas og det silicochloroform, der indeholder det silicium, som skal udvindes, hvilken gasstrøm tilføres reaktionsbeholderen. Fra de til dissociationstemperaturen for silicochloroformen opvarmede siliciumstave 2 overtages den tilsvarende temperatur af det i temperaturmåleapparatet 7 værende, optiske pyrometer. Over temperaturregulatoren 8 indstilles så ved hjælp af den regulerbare varmestrømkilde strømmen I til en sådan værdi, at temperaturen i overensstemmelse med stigningen i diameteren af siliciumstavene i reaktionsrummet først holdes på en konstant værdi. For bedre udnyttelse af anlægget er det hensigtsmæssigt at fremskynde dyrkningen, når stavdiameteren er mindre. Dette opnås ved, at den i bæregassen værende mængde af silicochloroform forøges i overensstemmelse med kurven i fig. 3, hvorved der igen som diametermål anvendes strømmen I. Det i prograragiveren 11 værende styreprogram indeholder således den funktion mellem den gennem det af silicium bestående udfældningslegeme 2 gående strøm I og den til enhver tid tilhørende, hensigtsmæssige blanding af den af hydrogen bestående bæregasstrøffl med silico-chloroform efter det i kurven i fig. 3 til enhver tid forudbestemte molforhold, så at der i udfældningsprocessen fra silicochloroformen til siliciumstavene 2, henholdsvis også ved den pågældende gennemstrømningsmængde Q af gasstrømmen, opnås en gunstigst mulig virkningsgrad af anlægget med hensyn til det mængdemæssige nedslag på stavene 2.In FIG. 3 also illustrates, in connection with a logarithmic scale curve, an exemplary embodiment of the invention for controlling the molar ratio of the gas flow between the hydrogen-containing carrier gas and the silicochloroform containing the silicon to be recovered, which gas stream is supplied to reaction vessel. From the silicon rod 2 heated to the dissociation temperature of the silico chloroform, the corresponding temperature is taken over by the optical pyrometer in the temperature measuring apparatus 7. Above the temperature controller 8, the current I is then adjusted to the value I by means of the adjustable heat source, such that the temperature is first kept at a constant value in accordance with the increase in the diameter of the silicon rods in the reaction room. For better utilization of the plant, it is advisable to speed up cultivation when the rod diameter is smaller. This is achieved by increasing the amount of silico chloroform present in the carrier gas in accordance with the curve of FIG. 3, whereby again the current is used as the diameter gauge I. The control program contained in the program sensor 11 thus contains the function between the current I passing through the silicon precipitating body 2 and the appropriate mixture of the hydrogen-containing carrier gas with silico at all times. -chloroform following that in the curve of FIG. 3 at any time predetermined molar ratios, so that in the precipitation process from the silico chloroform to the silicon rods 2, or at the respective flow rate Q of the gas flow, the most favorable efficiency of the system with respect to the amount of impact on the rods 2 is obtained.

Fig. 4 viser ligeledes i logaritmisk målestok, at temperaturen på overfladen aftager med stigende strøm I,dvs. med stigende stavdiameter. Dette kan vise sig nødvendigt for at staven i centrum ved større diametre ikke overopvarmes eller endog udsættes for en smeltning som følge af den radiale temperaturfordeling. Også her anvendes ifølge opfindelsen strømmen som mål for diameteren.FIG. 4 also shows on a logarithmic scale that the temperature on the surface decreases with increasing current I, ie. with increasing rod diameter. This may prove necessary so that the rod in the center at larger diameters is not overheated or even subjected to melting due to the radial temperature distribution. Here too, according to the invention, the current is used as a measure of the diameter.

Af fig. 5 ses afhængigheden af strømmen I i ampere og diameteren d i millimeter som funktion af udfældningstiden t i timer. De angivne kurver for I og d viser, at der ved samme nytteeffekt, men med langt ringere opbud, kan opnås en diameterafhængig optimering af udfældningsprocessen ved anvendelsen af strømmen I som førings- eller styrestørreIse.In FIG. 5, the dependence of the current I in amperes and the diameter d in millimeters is seen as a function of the precipitation time t in hours. The given curves for I and d show that, at the same utility effect, but with much lesser supply, a diameter-dependent optimization of the precipitation process can be achieved by using the current I as a guide or control size.