Pierwszenstwo: 06.04.1971 Republika Federalna Niemiec Zgloszenie ogloszono: 05.05.1973 Opis patentowy opublikowano: 10.04.1975 73356 KI. 12g,17/08 MKP BOlj 17/08 Twórca wynalazku: Hans Stut Uprawniony z patentu tymczasowego: Siemens Aktiengesellschaft, Monachium (Republika Federalna Niemiec i Berlin Zachodni) Sposób wytwarzania pretów z materialu pólprzewodnikowego o wysokiej czystosci, w szczególnosci z krzemu, w osadniku elektrycznym, oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarza¬ nia pretów z materialu pólprzewodnikowego o wy¬ sokiej czystosci, w szczególnosci z krzemu, w osa¬ dniku elektrycznym, przez rozklad termiczny gazo¬ wego zwiazku tego materialu oraz osadzenie go na co najmniej jednym nosniku, z tego samego mate¬ rialu, umieszczonym w reaktorze i oigrzewanym bezposrednio pradem elektrycznym, przy czym temperature pogrubiajacych sie nosników nastawia sie przez regulacje pradu grzewczego przeplywa¬ jacego przez przekrój tych nosników, oraz urza¬ dzenie do wykonywania tego sposobu.Z austriackiego opisu patentowego nr 222184 zna¬ ny jest sposób, wedlug którego w opisanej meto¬ dzie za pomoca urzadzenia optycznego wytwarza sie obraz rozzarzonego preta pólprzewodnikowego sluzacego jako nosnik i obraz ten, którego srednica zmienia sie wraz z pogrubiajacym sie w czasie osadzania materialu pretem rzutuje na ruchoma fotokomórke, wykrywajaca granice jasnej i cie¬ mnej czesci obrazu i podajaca sygnal sterujacy do urzadzenia, które ustawia te fotokomórke i równoczesnie zwieksza prad w obwodzie ogrze¬ wczym tak, ze temperatura preta pólprzewodniko¬ wego utrzymuje sie w pozadanej, w szczególnosci stalej wysokosci.Oprócz tego znany jest z ujawnionego przez wylozenie niemieckiego opisu patentowego (Offen- legungschrift) nr 1444 421 (VPA 67/1758) sposób eksploaitacjd eleflflbrycBnego osadnika do uzyskiwania 2 najczystszych materialów pólprzewodnikowych, jak np. german lub krzem, z ich zwiazków przez roz¬ klad termiczny i osadzanie na odpowiednich nos¬ nikach, w którym temperatura zarzenia ogrzanych 5 do temperatury dysocjacji zwiazków pólprzewo¬ dzacych nosników lub elementów osadczych jest mierzona za pomoca pirometru, w którym emito¬ wane przez nie promieniowanie o wzrastajacej wraz z przyrostem ich srednicy intensywnosci io jest rzutowane na promienioczula powierzchnie pirometru oswietlajac wzrastajaca przy tym odpo¬ wiednio powierzchnie. Przyrost tej powierzchni przetworzony w pirometrze na wielkosc elektry¬ czna wraz ze zmieniajacymi sie wartosciami 15 absolutnymi przy osiaganiu zadanych wartosci granicznych lub przy przerwach ciaglosci przyro¬ stu wymienionej powierzchni wykorzystuje sie do celów ostrzegawczych, dozoru sterowania i regu¬ lacji osadnika. 20 Wynalazek dotyczy ulepszenia urzadzenia zna¬ nego z austriackiego opisu patentowego nr 222 184 i zasadniczego uproszczenia osadnika opisanego w ujawnionym przez wylozenie niemieckim opisie patentowym, nr 1444 421 i charakteryzuje sie tym, 25 ze prad grzewczy I pogruibdanego nosnika wyko¬ rzystuje sie do sterowania dalszego, co najmniej jedtneigo parametru wplywajacego na osadzenie materialu pólprzewodnikowego na nosniku.Przewidziano, ze sterowanie parametrem wply- J0 wajacyim na osadzenia materialu pólprzewodini- 73 35673 356 3 4 kowego nastapi zgodnie z funkcja zalezna od wiel¬ kosci pradu. W tym celu zgodnie z wynalazkiem w przykladzie wykonania zastosowano maszyne liczaca do sterowania procesu.Sposób wedlug wynalazku posiada te ceche, ze wzrostowi pradu I towarzyszy wzrost dostarczanej do pomieszczenia reaktora w jednostce czasu ilosci Q gazowego materialu pólprzewodnikowego przy zachowaniu stalosci temperatury.Równiez w sposobie wedlug wynalazku ze wzro¬ stem pradu I obniza sie zawartosc molowa zwia¬ zku pólprzewodnikowego w gazie nosnym przy zachowaniu stalosci temperatury powierzchni nos¬ nika.Oprócz tego w sposobie wedlug wynalazku mo¬ zliwe jest, przy wzroscie pradu I obnizanie tem¬ peratury nosnika potrzebnej dla osadzania mate¬ rialu pólprzewodnikowego do wartosci optymalnej dla wydzielania tego materialu.Sposób wedlug wynalazku, wedlug którego w pierwszym przyblizeniu prad przeplywajacy przez pret stosuje sie jako wielkosc wiodaca dla wydzielania materialu pólprzewodnikowego na nosniku umozliwia optymalne wykorzystanie urza¬ dzenia dla uzyskiwania materialu pólprzewodni¬ kowego, np. krzemu w formie pozadanego poli¬ krystalicznego materialu wyjsciowego poprzez ste¬ rowanie programowe, np. przeplywu gazu i/lub zawartosci molowej zwiazku pólprzewodnikowego w gazie nosnym. Eliminuje sie przy tym znaczne naklady techniczne niezbedne do okreslania sre¬ dnicy pogrubiajacego sie preta pólprzewodniko¬ wego.W szczególnej postaci wykonania wynalazku w osadniku moze znajdowac sie wieksza liczba nosników w formie pretów polaczonych wspól¬ nym urzadzeniem mocujacym i ogrzewanych do temperatury rozkladu cieplnego ze wspólnego zródla pradu grzewczego.Wynalazek obejmuje równiez rozwiazanie, w któ¬ rym do pomieszczenia reakcyjnego w celu otrzy¬ mania przewodnictwa typu p lub n w pogrubiaja¬ cym sie nosniku doprowadza sie materialy domie¬ szkowe w okreslonej ilosci, co umozliwia wytwa¬ rzanie w ten sposób pretów pólprzewodnikowych o okreslonej regulowanej] koncenitraejli domieszek.Wedlug szczególnie korzystnej postaci wykonania domieszke wprowadza sie do pomieszczenia reak¬ cyjnego lacznie z gazem nosnym i zwiazkiem pól¬ przewodnikowym jako jednolity strumien gazu.Do wykonyjwainia sposobu wedlug wynalazku sto¬ suje sie urzadzenlie* które diarafcteryziiijesie tyim ze reaktor jest zaopatrzony w otwory do wpustu i wypuszczania gazu i ma we wnetrzu urzadzenie mocujace nosniki do osadzenia materialu pólprze¬ wodnikowego, polaczone z regulowanym zródlem pradu grzewczego, przy czym na zewnatrz reaktora jest umieszczony pirometr optyczny jako przyrzad do pomiaru temperatury powierzchni nosników polaczony poprzez regulator temperatury z regu¬ lowanym zródlem pradu grzewczego w ten spo¬ sób, ze mozna naisibaiwiac stala lanb zadana wartosc temperatury. W obwodzie pradu grzewczego jest oprócz tego umieszczony czujnik pradowy do po¬ miaru przeplywajacego pradu, który w polaczeniu z urzadzeniem liczacym do sterowania procesem i zadajnikiem programu steruje iloscia doplywa- jajcego gazu poddawanego rozkladowi za posredni¬ ctwem obwodów regulacyjnych zawierajacych 5 mierniki przeplywu i zawory regulacyjne.Obwody te sa sprzezone zarówno z doprowadze¬ niem gazu nosnego jak i z doprowadzeniem zwia¬ zku w postaci gazu do uzyskiwania materialu pól¬ przewodnikowego.Wynalazek wyjasniono blizej w przykladach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedsta¬ wia schematycznie przebieg reakcji w opisanym ulrzadzeniu, filg. 2—4 — opityimailne krzywe przy¬ kladowego sterowania wydzielaniem materialu pólprzewodnikowego na nosnikach, fig. 5 zas — wykres zaleznosci pradu grzewczego I od srednicy pogrubiajacego sie nosnika w funkcji czasu.Na fig. 1 prety pólprzewodnikowe 2 sa osadzone w urzadzeniu mocujacym 3 wykonanym z naj- czystrzego grafitu i stanowia wyjsciowe nosniki do rozkladu cieplnego. Prety pólprzewodnikowe 2 wykonane z krzemu znajduja sie wewnatrz re¬ aktora 1 wykonanego z kwarcu i zaopatrzonego w otwór wlotowy gazu 4 i otwór wylotowy gazu 5 i sa polaczone w górze pretem krzemowym 18.Otworem wlotowym 4 wprowadza sie do reaktora mieszanine gazowa przewidziana do rozkladu, któ¬ ra moze zawierac skladniki dodatkowe. Pozosta¬ losci gazowe usuwa sie z reaktora poprzez otwór wylotowy 5. Prety krzemowe 2 sa ogrzane przy¬ kladowo do temperatury okolo 1150°C i utrzymy¬ wane nastepnie w okreslonej temperaturze cie¬ plem Dzula, wywolanym przeplywem przez nie jako przez oporniki elektryczne pradu elektry¬ cznego. Temperature zarzacych sie pretów krze¬ mowych 2 mierzy sie przyrzadem do pomiaru temperatury 7 stanowiacym pirometr i za jego pomoca ustawia automatycznie za posrednictwem regulatora temperatury 8 zródlo pradu grzewczego 6 tak, ze zgodnie z wynalazkiem osiaga sie poza¬ dana optymalna temperature rozkladu.Do pomiaru przeplywajacego pradu sluzy czuj¬ nik pradowy 9 wlaczony w obwód pradu grzew¬ czego, sprzezony z urzadzeniem liczacym do stero¬ wania procesem 10 i zadajnikiem programu 11, w celu sterowania iloscia gazu doprowadzanego do reaktora. Urzadzenie liczace do sterowania procesem 10 jest polaczone z przewodem doplywu gazu nosnego 16 i urzadzeniem zasilajacym dla rozkladanego materialu pólprzewodnikowego 17, za pomoca obwodów regulacyjnych zawierajacych zawory regulacyjne 12 dla sterowania iloscia gazu nosnego, przykladowo wodoru, zawory regulacyjne 13 dla sterowania iloscia materialu pólprzewodni¬ kowego poddawanego rozkladowi i miernik 15 do pomiaru przeplywu gazu nosnego. Urzadzenie za¬ silajace 17 moze byc przy tym uzyte zarówno dla materialu pólprzewodnikowego w postaci koncen^ tratu jak i dla gazu nosnego ze stala zawartoscia domieszki. l Urzadzenie liczace do sterowania procesem 10, które moze byc regulatorem lub stanowic specjalne urzadzenie, które przez porównanie zadanych ilo¬ sci gazu,, zadanego skladu mieszaniny gazotwej i zadanej temperatury otrzymanych z zagajnika 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6073 356 6 programu 11 i wartosci rzeczywistych tworzy wiel¬ kosc regulacyjna powodujaca za pomoca na przy¬ klad zaworów regulacyjnych 12 i/lub 13 oraz regu¬ latora temperatury 8 kone|kJcje calkowitego pro¬ cesu do wielkosci optymalnych. Zadajnik programu 5 11 tworzy sygnal dla urzadzenia liczacego do ste¬ rowania procesem 10 z programu zapisanego w for¬ mie na przyklad taslmy perforowanej, karty per¬ forowanej luB' tasmy magnetycznej oraz wielkosci pradu zgodnie z sygnalem czujnika pradowego 9. 10 Optymalizacja procesu moze byc prowadzona w kierunku na przyklad minimalnych kosztów produkcji lub maksymalnego uzysku materialu pólprzewodnikowego lub równiez maksymalnego wykorzystania wydajnosci urzadzenia produkcyj- 15 nejgo.Wykres w skali logarytmicznej przedstawiony na fig. 2 ilustruje przyklad wykonania sposobu wedlug wynalazku dla sterowania wydatkiem Q w m3/h w zaleznosci od wielkosci pradu przy utrzymaniu stalej poczatkowej temperatury.Z pirzedsitaiwionego wykresu wynika, ze wraz ze wzrostem pradu J wydatek Qgazu wzrasta, przy czym przy okolo 5000 amperach osiaga wartosc optymalna 10 m3/h. Poniewaz wzrostowi powierz¬ chni rosnacego preta krzemowego towarzyszy wzrost ilosci dostarczanego gazu, ilosc ta na jedno¬ stke powierzchni jest stala. Oznacza to, ze przy zadanych stosunkach kosztów produkcji osiaga sie optymalne wykorzystanie urzadzenia.Na fig. 3 wykres przedstawiony równiez w skali logarytmicznej ilustruje przyklad wykonania spo¬ sobu wedlug wynalazku w odniesieniu do stero¬ wania zawartoscia molowa dostarczonego do reak¬ tora strumienia gazu stanowiacego mieszanine wodoru jako gazu nosnego i krzemochloroformu jako zwiazku do otrzymywania krzemu. Prety krzemowe 2 ogrzane do temperatury dysocjacji krzemochloroformu sa poddawane obserwacji terniperaitury powierzchna za pomoca przyrzadu po- miarolwego 7, zawierajacego pirometr optyczny.Regulowane zródlo pradu 'grzewczego I jest usta¬ wiane za pomoca regulatora temperatury tak, ze przy wzroscie srednicy pretów krzemowych w re¬ aktorze temperatura jest ultrzymywama w stalej wartosci.Dla lepszego wykorzystania urzadzenia celowe jest przyslpieszenie wzrostu parzy malych srednicach pretów. Osiaga sie to w ten sposób, ze ilosc krze- modhloroformiu w gazie nosnym jest zgodnie z wy¬ kresem na fig, 3 w tej czesci procesu produkcyj - nego podwyzszona, przy czym ponownie jako mier¬ nik sreidnicy preta stosuje sie prad I. Program sterowania przewidziany zadajnikiem programu 11 zawiera wiec ifunikcje uzalezniajaca stosunek mie¬ szania krzemochloroformu i gazu nosnego w zale¬ znosci od pradu I przeplywajacego przez krzemowe nosniki 2 zgodnie z okreslona uprzednio wedlug krzywej na fi|g.3 zawartoscia molowa. W ten sposób osiaga sie mozliwie korzystala sprawnosc procesu 60 rozkladu krzemochlorofolrmu i osadzenie krzemu na iprejtach krzemowych 2.Na tfSg. 4 przedstawiono wykres w skali logary¬ tmicznej wykazujacy, ze ze wzrostem pradu I, to jest ze wzrostem srednicy preta obniza sie tempe- 65 20 25 30 35 45 50 55 rature jego powierzchni. Takie postepowanie moze byc (potrzebne, pondeiwaz przy wiekszych srednicach skuitfciem promieniowego rozkladu temperatury w srodku preta is|tnieje niebezpieczenstwo prze¬ grzania i stopienia. Równiez, w tym przypadku zgodnie z wynalazkiem prad stanowi miare srednicy.Na wykresie wedlug fig. 5 przedstawiono prze¬ bieg prajdu I w amperaoh oraz srednicy d w mili¬ metrach w funlkcji czasu osadzania t w godzinach.Krzywe dla prajdu I i srednicy d wykazuja, ze przy takim samym efekcie uzytecznym lecz przy znacznie nizszym koszcie mozna uzyskac przez za¬ stosowanie pradu J jako wielkosci prowadzacej optymalizacje procesu osadzania w 'funkcji sre¬ dnicy. PL PL PL