DE1119011B - Vorrichtung zum Einstellen eines Partialdampfdruckes einer Substanz in einem abgeschlossenen Gefaess und ihre Verwendung beim Herstellen von Halbleiterkristallen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Einstellen eines Partialdampfdruckes einer Substanz in einem abgeschlossenen Gefäß und ihre Verwendung beim Herstellen von Halbleiterkristallen Es ist in der Technik oft erforderlich, innerhalb eines abgeschlossenen Gefäßes einen Partialdampfdruck einer Substanz einzustellen. Das ist in solchen Fällen nicht weiter schwierig, in denen die fragliche Substanz dazu bei dem vorgegebenen Druck nur einer gelinden bis mäßigen Erwärmung bedarf. Es macht meist auch keine allzu großen Schwierigkeiten, höhere Temperaturen anzuwenden. Die Schwierigkeiten treten aber dann ein, wenn der Dampfdruck der Substanz bei oder nur wenig über der Umgebungstemperatur (z. B. der Zimmertemperatur) das vorgesehene Maß überschreitet. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn der vorgegebene Gesamtdruck in dem Behälter in die Gegend des Vakuums oder Hochvakuums gelangt und/oder wenn in dem Gefäß anderweitige Prozesse ablaufen, die geeignet sind, die Temperatur des Verdampfers zu verändern.
• Bedeutende Schwierigkeiten treten auf, wenn der Verdampfer jedoch auf einer unter der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur gehalten werden muß oder wenn gar die Temperatur stetig geändert werden muß, z. B. wenn sie mit der Zeit ein Intervall durchläuft, das die Umgebungstemperatur umfaßt. Es ist verhältnismäßig leicht, z. B. mit Hilfe eines elektrischen Heizkörpers jede beliebige Temperatur oberhalb der Zimmertemperatur einzustellen.
• Zur Abkühlung auf eine bestimmte Temperatur unterhalb der Zimmertemperatur bedarf es aber schon eines wesentlich größeren Aufwandes, besonders wenn noch ein zeitlicher Verlauf des Abkühlungs-oder Anheizungsvorganges vorgesehen ist. Mindestens muß das ErwärmùiSgsgerät gegen das Abkühlungsgerät ausgetauscht oder beide müssen innerhalb eines gewissen Anlaufintervalls gemeinsam betrieben werden.
• Von besonderer Bedeutung ist eine genaue Einstellung des Partialdampfdruckes in einem Gefäß bei der Herstellung von Kristallen aus Halbleitermaterial, wobei man bei der Dotierung des Kristalls mit Stoffen, die seine Leitfähigkeit quantitativ oder qualitativ beeinflussen, zum Teil durch das Verhalten dieser Stoffe gezwungen ist, sie aus der Dampfphase über den flüssigen Teil des Halbleitermaterials zum Einbau in den wachsenden Kristall zu bringen. Dabei ist es belanglos, ob der Kristall aus einem Tiegel oder im Wege des sogenannten tiegelfreien Zonenziehens gewonnen wird. Man kann dabei den Verdampfer in die Wandung des Gefäßes einbauen oder ihn außerhalb des Gefäßes belassen und den Dampf durch ein Rohr in das Gefäß, z. B. in die Nähe der flüssigen Zone bringen. Dabei ist es oft von Interesse, die Dosierung des Dampfes während des Wachstumsvor- ganges zu verändern, z. B. um die Anreicherung von anderen Verunreinigungen in der flüssigen Phase des Kristallmaterials und den damit verbundenen verstärkten Einbau in den Kristall wenigstens hinsichtlich der Leitfähigkeit zu kompensieren.
• Gegenstand der Erfindung ist nun eine Vorrichtung zum Einstellen eines Partialdampfdruckes einer Substanz in einem abgeschlossenen Gefäß mit Hilfe eines Verdampfers, insbesondere für Substanzen mit bei Zimmertemperatur relativ hohem Dampfdruck, die sich von den bisher bekannten dadurch unterscheidet, daß zum Einstellen der Temperatur des Vcrdampfers eine aus Thermoelementen bestehende Wärme- (Kälte-) Quelle vorgesehen ist.
• Diese Thermoelemente dienen dazu, die bekannten Prinzipien des Seebeck- oder Peltiereffektes auszunutzen. Ein Thermoelement besteht in seiner modernen Ausführung aus zwei halbleitenden Schenkeln unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters, die einen Wärmeleitkörper, z. B. aus Kupfer, gemeinsam kontaktieren, während je ein anderer Wärmeleitkörper an den beiden freien Enden der beiden Schenkel angebracht ist. Schickt man durch ein derartiges System einen Gleichstrom, so wird sich der mittlere Wärmeleitkörper erwärmen oder abkühlen, je nach der Richtung des fließenden Gleichstromes, während sich die äußeren Wärmeleitkörper abkühlen oder erwärmen. Dabei ist die Wärmeförderung proportional dem Strom. Die ursprüngliche Erwärmung, z. B. des mittleren Wärmeaustauschers, kann also durch Herabsetzen des Stromes langsam und stufenlos vermindert und durch Umpolen und Erhöhen des Stromes in Gegenrichtung ebenso stufenlos in eine Abkühlung übergeführt werden.
• Die Vorrichtung nach der Erfindung bietet also die Möglichkeit, ein weitgespanntes Temperaturprogramm zu durchlaufen und zudem unter Verminderung des sonst erforderlichen Aufwandes die oben angeführten Schwierigkeiten zu beheben.
• Bei der Vorrichtung nach der Erfindung besteht die Wärme- (Kälte-) Quelle also aus einer Anzahl von Thermoelementen, und der oder die Wärmeleitkörper der einen Kontaktstellenart, mittlere oder äußere Kontaktstellen, liegen mit Vorteil an der Wandung des Verdampfers an oder bilden einen Teil dieser Wandung. Dabei muß gegebenenfalls der Tatsache Rechnung getragen werden, daß die einzelnen Wärmeleitkörper gewöhnlich untereinander zwar geringe, aber nicht zu vernachlässigende elektrische Potentialunterschiede aufweisen können.
• Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung beruht darauf, daß sich von mehreren elektrothermischen Elementen die Wärmeleitkörper an einer der beiden Kontaktstellenarten durch geschickte Anordnung der Einzelteile zusammenfassen lassen. So kann man z. B. die Wärmeaustauscher von sechs Elementen so zusammenfassen, daß sich eine gemeinsame Fläche von 4,5 cm2 ausbildet und die Elemente zusammen eine Kälteleistung von etwa 10 Watt aufweisen.
• Zur Erzielung höherer Temperaturunterschiede kann es dabei von Vorteil sein, die Thermoelemente in Form einer thermischen Kaskade anzuordnen. Im einfachsten Fall einer Kaskade steht dabei ein Thermoelement z. B. mit seinem mittleren Wärmeleitkörper in thermischem Kontakt mit dem Verdampfer, während seine beiden äußeren Wärmeleitkörper ihrerseits mit je einem mittleren Wärmeleitkörper zweier weiterer Thermoelemente in thermischem Kontakt stehen.
• Im einfachsten Fall wird man zur Regelung des zum Wärmetransport erforderlichen Gleichstromes nach Größe und Richtung einen am Verdampfer anliegenden Temperaturfühler vorsehen. Es ist aber auch ohne großen Aufwand möglich, zur Abwicklung eines vorgegebenen Temperaturprogramms eine Programmsteuerung für den zum Wärmetransport erforderlichen Gleichstrom anzuordnen.
• Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich besonders zur Anwendung bei Gefäßen, in denen betriebsmäßig ein gegenüber der umgebenden Atmosphäre verminderter Druck aufrechterhalten wird.
• Von besonderer Bedeutung ist die Vorrichtung nach der Erfindung auch bei der Herstellung von Halbleiterkristallen aus der Schmelze mit oder ohne Tiegel. Darunter ist sowohl das Ziehen der Kristalle aus einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze zu verstehen als auch das Durchführen einer flüssigen Zone durch einen Stab aus Halbleitermaterial, sei dieser nun in einem Tiegel eingelegt oder an beiden Enden eingespannt, und die flüssige Zone werde nur durch die Oberflächenspannung ohne einen Tiegel zusammengehalten.
• Die Figuren zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Thermoelemente sowie ein Ausführungsbei spiel für eine Vorrichtung gemäß der Lehre der Er-Erfindung.
• In den Fig. 1 und 2 sind zwei Ausführungsformen von Thermoelementen dargestellt, wie sie bei Vorrichzungen nach der Erfindung Verwendung finden können. Mit t ist der Wärmeleitkörper der einen Kontaktstellenart oder auch der mittlere Wärmeleitkörper bezeichnet. Er besteht ebenso wie die Wärmeleitkörper 2 und 3 der anderen Kontaktstellenart oder auch die äußeren Wärmeleitkörper aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen die Wärme gut leitenden Material. Zwischen den Wärmeleitkörpern sind die meist aus halbleitendem Material bestehenden Schenkel angeordnet. Der n-leitende Schenkel ist mit 4, der p-leitende mit 5 bezeichnet. Wird durch ein solches Element ein Gleichstrom der angegebenen Polarität geleitet, so werden sich die Kontaktstellen zwischen dem Wärmeleitkörper 1 und den Schenkeln abkühlen, während sich die Kontaktstellen zwischen den Wärmeleitkörpern 1 und 2 und den Schenkeln erwärmen.
• In Fig. 3 sind drei Thermoelemente zu einer thermischen Kaskade zusammengesetzt. Die Wärmeleitkörper 6 und 7 sind gleichzeitig die äußeren Wärmeleitkörper des oberen Thermoelementes und die mittleren Wärmeleitkörper der beiden unteren Elemente.
• Die unteren Elemente verstärken somit die Wirkung des oberen Elementes.
• In Fig. 4 ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Lehre der Erfindung dargestellt. Mit 8 ist ein an sich abgeschlossenes Gefäß bezeichnet, in dem ein Partialdampfdruck einer Substanz aufrechterhalten werden soll. Zu diesem Gefäß führt aus einem Verdampfer 9 eine ZuleitunglO. Der Boden des Verdampfers 9 besteht aus einem Wärmeleitkörperll eines Thermoelementes der Art, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Außer den Wärmeaustauschern 12 und 13 und dem Wärmeleitkörper 11 ist das Thermoelement in einen Kunststoffblockl4 eingeschäumt. Die Wärmeaustauscher 12 und 13 dienen zugleich als Zuleitungen des zum Betrieb erforderlichen Gleichstromes, der einer Quelle 15 entnommen wird und dessen Größe und Richtung mit Hilfe eines Temperaturfühlers 16 und einer Regel- oder Steuervorrichtung 17 eingestellt werden. Auf dem Wärmeleitkörperll steht ein Schiffchenl8, das die zu verdampfende Substanz 19 enthält, deren Dampfdruck durch die Temperatur des Wärmeleitkörpers 11 eingestellt wird.

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zum Einstellen eines Partialdampfdruckes einer Substanz in einem abgeschlossenen Gefäß mit Hilfe eines Verdampfers, insbesondere für Substanzen mit bei Zimmertemperatur relativ hohem Dampfdruck, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen der Temperatur des Verdampfers eine aus Thermoelementen bestehende Wärme- (Kälte-) Quelle vorgesehen ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente mit ihren Wärmeleitkörpern der einen Kontaktstellenart an der Wandung des Verdampfers thermisch und leitend anliegen oder einen Teil der Wandung bilden.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Verdampfer anliegenden oder einen Teil seiner Wandung bildenden Wärmeleitkörper zu einem Block zusammengefaßt sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente in Form einer thermischen Kaskade angeordnet sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des zum Wärmetransport erforderlichen Gleichstromes nach Größe und Richtung ein am Verdampfer anliegender Temperaturfühler vorgesehen ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abwicklung eines vorgegebenen Temperatur- programms eine Programmsteuerung für den zum Wärmetransport erforderlichen Gleichstrom vorgesehen ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch ihre Anwendung bei Gefäßen, in denen betriebsmäßig ein gegenüber der umgebenden Atmosphäre verminderter Druck aufrechterhalten wird.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch ihre Anwendung beim Herstellen von Halbleiterkristallen aus der Schmelze mit oder ohne Tiegel zwecks Dotierung des Halbleitermaterials aus der Dampfphase.