DE3523090A1

DE3523090A1 - Verfahren und vorrichtung zum aufbringen von schutzbeschichtungen auf quarztiegel

Info

Publication number: DE3523090A1
Application number: DE19853523090
Authority: DE
Inventors: Eduard Mount Vernon N.Y. Pinkhasov
Original assignee: Wedtech Corp
Current assignee: Vapor Technologies Inc
Priority date: 1984-06-29
Filing date: 1985-06-28
Publication date: 1986-01-09
Also published as: IL75577A0; CA1247946A; GB2160899A; US4565711A; IT1185139B; FR2566805A1; JPS6183616A; GB8516267D0; SE8503048L; GB2160899B; JPH0114170B2; SE8503048D0; CH667107A5; IL75577A; IT8521347A0

Description

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Verfahren und Vorrichtung zum Aufbringen von Schutzbeschichtungen auf Quarztiegel.

Gegenstand dieser Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen von Schutzbeschichtungen auf Quarztiegel .

Gegenstand der Erfindung sind aber auch Verbesserungen im Hinblick auf die Herstellung von Siliziumstäben, die in Siliziumwaffeln zerschnitten und dann in der Halbleiterindustrie und in anderen Bereichen eingesetzt werden können, für die die Herstellung von Dämpfen aus elementaren Silizium wichtig sein kann.

Bei der Herstellung von Siliziumwaffeln, die für die Herstellung von Halbleitervorrichtungen bestimmt sind, wird im allgemeinen so verfahren, daß ein Stab aus monokristallinem Silizium oder Einkristallsilizium aus einer aus elementarem Silizium bestehenden Schmelze gezogen wird, die sich in einem nach oben hin offenen Quarztiegel befindet. Dabei wird ein monokristalliner Kristallisationskern in die im Tiegel befindliche Siliziumschmelze eingetaucht und wieder nach oben herausgezogen. Dabei wird weiterhin das elementare Silizium von einer Heizspule, die um den Tiegel herumgeführt ist, induktiv im Schmelzzustand gehalten.

Wegen der von außen nach innen gerichteten Heizwirkung und wegen der Art des Verfahrens, werden die Wandungen des Quarztiegels dann, wenn die Siliziumschmelze auf der erforderlichen Temperatur gehalten wird, bis in die Nähe des Erweichungspunktes des Materials erwärmt, so daß eines der Probleme das Erweichen der Tiegelwandungen ist. Ein anderes Problem besteht in der Einwirkung der Silizium-

schmelze auf den Quarztiegel und in der Einwirkung des Quarztiegelmaterials auf die Siliziumschmelze, und dies mit der Folge, daß der Tiegel beschädigt werden kann oder das die Si 1iziumschmelze verunreinigt werden kann.

Das Problem wird dadurch noch kompliziert, daß dann, wenn die·Si 1iziumschmelze für längere Zeit auf den vorerwähnten hohen Temperaturen gehalten werden muß, beispielsweise für die Dauer von ..zig Stunden, der Quarztiegel von einem ihn umgebenden und aus einem hitzefe-'stern Material, beispielsweise Kohlenstoff oder Graphit, bestehenden Außenmantel gehalten" und gestützt werden muß.

Diese Probleme sind schon seit langem bekannt und es sind auch schon Lösungsmöglichkeiten vorgeschlagen worden.

So beschreibt beispielsweise die gleichzeitig eingereichte Patentanmeldung

Ser-rNr. 618 192 eingereicht am 7. Juni 1984 Method of and Apparatus for the Drawing of Bars of Monocrystalline Silizium (Verfahren und Vorw richtung für das Ziehen von monokristal1inen Si-

liziumstäben (Patentanwalt-Nr. 14625),

ein Verfahren, mit dem die wechselseitige Einwirkung am übergang zwischen der Siliziumschmelze und dem aus Quarz bestehenden Tiegel dadurch völlig vermieden wird, daß Schmelze und Tiegel wandung von einem Puffer aus elementaren Si 1iziumgrannulat gegeneinander isoliert sind. Dieses System nutzt für sich die Tatsache, daß elementares Silizium im Granulatzustand ein Wärmeisolator ist und auch eine Verschmutzungssperre.

Eine andere Lösungsmöglichkeit, die sich als erfolgreich erwiesen hat, ist das Aufbringen einer Schutzbeschichtung,

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auf die Innenwandung des Tiegels, die aus einem Material besteht, das gegen Angriffe widerstandsfähiger ist als das Siliziumdioxid des Tiegels.

Zu den Stoffen, die sich für diesen Zweck eignen, gehören:- Siliziumkarbid, Siliziumnitrit, Borkarbid und Bornitrid.

Die gleichzeitig eingereichte Patentanmeldung

Ser.-Nr. 614 434 , eingereicht am 25. Mai 198,4

Method of Coating Ceramics and Quartz Crucibles with Material Electrically into a Wafer Phase (Verfahren zur Beschichtung von Keramik und Quarztiegeln mit einem Material, das elektrisch in eine Dampfphase gebracht wird),
(Patentanwalt-Nr. 14546),

beschreibt ein Verfahren, mit dem Siliziumkarbid, das beispielsweise für die Beschichtung von Quarztiegeln bestimmt ist, dadurch erzeugt wird, daß zwischen einer Siliziumelektrode und einer Kohlenstoffelektrode ein Niedrigspannungsund Hochstromlichtbogen dadurch gezündet und errichtet wird, daß die beiden Elektroden miteinander in einem Vaku-

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um von 10 Torr miteinander in Berührungskontakt gebracht und dann wieder auseinandergefahren- werden.

Diese Patentanmeldung beschreibt einen Spezialfall der früheren Arbeiten auf dem Sektor der Beschichtungen unter Verwendung so niedriger Spannungen und Stromstärken. Dazu gehören beispielsweise: die Patentanmeldung Nr. 494.302

vom 13. Mai 1983 als Fortführung der Patentanmeldung Nr. i

358.186 vom 15. März 1982, (US-Patent Nr. 4.438.183), die ί

ihrerseits wiederum eine Fortführung der Patentanmeldung \

Nr. 237.670 vom 24. Februar 1981 ist, (US-Patent 4.351.855). j

Dazu gehört weiterhin auch noch die Hereinnahme des Gegen- *

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Standes der Offenlegungsschriften Nr. 078.337, 078.334 und 078.329 vom 26. Februar 1979 und der Offenlegungsschrift Nr. 082.283 vom 5. Juli 1979.

Wenn sich auch im Hinblick auf die Erzeugung der für Beschichtung verwendeten Stoffe und im Hinblick auf deren Aufbringung auf Trägerschichten - darin eingeschlossen auch die hier angesprochenen Quarztiegel als wirksam erwiesen haben, so bleibt im Hinblick auf die Herbeiführung der Dampfphase dieser Stoffe doch • noch viel zu "wünschen'übrig, insbesondere dann, wenn einer der Stoffe, der für die Beschichtung verwendet werden soll, nur eine begrenzte elektrische Leitfähigkeit hat.

Die Erfindung stellt sich somit die nachstehend angeführten Aufgaben:-

Im wesentlichen ein Verfahren zu schaffen, mit dem unter Vermeidung der Nachteile früherer Systeme ein Material, von dem zumindest ein Bestandteil in der Festkörperphase eine vergleichsweise geringe Leitfähigkeit hat. Dazu gehören insbesondere Silizium oder eine Verbindung aus Silizium.

Ein verbessertes Verfahren im Zustand der Dampfphase Legierungsstoffe zu schaffen, die für Beschichtungen bestimmt sind.

Ein verbessertes Verfahren für die Beschichtung von Quarztiegeln zu schaffen, insbesondere für den angegebenen Zweck, mit dem sehr gleichförmige Beschichtungen auf die Innenflächen von Tiegeln aufgebracht werden können, damit dann die derart beschichteten Tiegel mit besseren Resultaten für die Herstellungen von Silizium-

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waffeln und dergleichen mehr verwendet werden können.

Ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Schutzbeschichtungskosten für Quarztiegel gesenkt und mit dem gleichzeitig aber auch Schutzbeschichtungen hergestellt und aufgebracht werden können, die gegenüber den bisher bekannten Systemen homogener und wirksamer sind.

Eine Vorrichtung zu schaffen, mit der das verbesserte Verfahren realisiert und die Quarztiegel mit Schutzbeschichtungen versehen werden können.

Grundlage dieser Erfindung ist die Entdeckung, daß gewisse Stoffe - ein zu diesen gehörender wichtiger Stoff ist elementares Silizium - im Granulatzustand eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und auch eine schlechte elektrische Leitfähigkeit haben und sich deswegen nur unter Schwierigkeiten schmelzen lassen, daß diese Stoffe örtlich dann aber dennoch in die Dampfphase überführt werden können, wenn an Elektroden, zwischen denen sich das Granulat befindet, ein elektrisches Potential angelegt wird. Es kann zwar nicht erschöpfend erklärt werden, weshalb das mit dieser Erfindung geschaffene Verfahren funktioniert. Allem Anschein nach bewirkt das Anlegen eines elektrischen Potential an die Elektroden, zwischen denen sich die Masse aus elementarem Siliziumgranulaten befindet, daß trotz der schlechen elektrischen Leitfähigkeit des elementaren Siliziums irgendein Strom durch die Masse fließt. In den zur Masse gehörenden Partikeln scheint sich der elektrische Stromfluß auf vergleichsweise wenige Kontaktpunkte zwischen den Granulatpartikeln konzentriert und dies mit der Folge, daß an diesen Punkten wegen des kleinen Flächenbereiches und wegen des hohen über-

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gangswiderstandes der Stromwärmeverlust beträchtlich groß ist und daß die dabei erzeugte Wärme I²R an dem jeweils zutreffenden Orte so groß ist, daß durch sie ein Teil der Granulatoberfläche unter überspringen der Schmelzphase direkt in die Dampfphase gebracht wird.

Dieses Phänomen ist anscheinend auch eine Folge der vergleichsweise schlechten Wärmeleitfähigkeit der Granulate, durch die eine Weiterleitung der Kontaktwärme verhindert wird.

Festgestellt worden ist, daß überraschenderweise dieses Phänomen dann aufkommen kann, wenn an die Granulatmasse oder einem Teil der Granulatmasse elektrische Spannungen von 50 Volt bis 60 Volt angelegt werden. In jedem Falle aber Spannungen, die derart schwach und niedrig sind, daß ein Spannungsabfall oder eine Lichtbogenbildung zwischen den Elektroden und der zwischen diesen Elektroden vorhandenen Granulatmasse ausgeschlossen ist. Die elektrischen Ströme, die eingesetzt werden, können Stromstärken von 50 Amperes bis 70 Amperes haben. Ganz allgemein ausgedrückt:- die elektrischen Spannungen sollten so groß sein, daß sie einen Stromfluß ohne Lichtbogenbildung verursachen, und die Ströme sollten eine solche elektrische Stromstärke haben, daß mit ihnen eine überführung in die Dampfphase erreicht werden kann, ohne daß die Granulate in eine Schmelze aus Metall hinein erschmolzen werden.

Wenn auch das Funktionsprinzip der Erfindung bei Granulaten von verschiedenen verdampfungsfähigen Stoffen eingesetzt werden kann, die eine relativ schwache elektrische Leitfähigkeit haben, so ist doch festgestellt worden, daß sich das Funktionsprinzip am besten für die Verdampfung

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von Silizium und Bor aus Siliziumgranulaten und Borgranulaten eignet.

Ein anderer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß Dämpfe sehr reiner Legierungsstoffe unter Anwendung des gleichen Funktionsprinzipes an Ort und Stel1e hergestellt und erzeugt werden können, beispielsweise Dämpfe aus Siliziumkarbid, aus Siliziumnitrid, aus Borkarbid und aus Bornitrid. Ein Element solcher Legierung entsteht dabei aus den Granulaten, und das andere Element aus einem Gas, das in die Masse eingeführt werden kann. Darüber hinaus kann das Gas, beispielsweise Stickstoff, auch als Trägergas für die Bestandteile verwendet werden, die dann auf die Oberfläche aufgebracht werden, die mit der jeweils zutreffenden Legierung zu beschichten sind.

In alternativer Weise kann der zwei te Legierungsbestandteil auch über Granulate erzielt werden, die mit den Siliziumgranulaten und Borgranulaten der Granulatmasse vermischt werden.

Das Funktionsprinzip dieser Erfindung - und das ist ein wichtiger Aspekt - findet Anwendung beim Aufbringen von Beschichtungen aus elementarem Silizium oder von elementarem Bor auf Trägerschichten oder Grundschichten. Das Funktionsprinzip - was noch viel wichtiger ist - findet Anwendung für die Beschichtung der beispielsweise zuvor erwähnten Quarztiegeln mit hitzebeständigen Schutzbeschichtungen, beispielsweise mit Schutzbeschichtungen aus Siliziumnitrid oder aus Borkarbid.

Die Bordämpfe und die Siliziumdämpfe können für die Herstellung der Beschichtungen direkt verwendet und genutzt werden, die dann ihrerseits wiederum in den ver-

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schiedensten Anwendungsformen genutzt und eingesetzt werden können. So können beispielsweise durch das Aufdampfen von elementarem Silizium polykristalline Siliziumschichten eines Typs hergestellt werden, der auf dem Halbleitersektor in letzter Zeit Beachtung gefunden hat.

Wenn Quarztiegel zu beschichten sind, dann ist es vorteilhaft, wenn solche Quarztiegel vor dem Aufbringen der eigentlichen Beschichtung durch Sandstrahlen mit scharfem Sand, mit Schmirgel, mit anderen partikeförmigen Schleifmitteln oder sogar unter Verwendung von Metal 1partikelη oberflächenbehandelt werden. Es ist überraschenderweise nicht kritisch, daß diese Partikel härter sind als der Quarz, der sandgestrahlt wird, und daß auch die Parameter der Sandbestrahlungsbehandlung in gleicher Weise solange nicht kritisch sind, wie die gesamte zu beschichtende Fläche gleichmäßig und gleichförmig in dieser Weise behandelt wird. Es hat den Anschein, als ob einiges der Oberflächenbeschaffenheit auf dieser Oberflächen-Vorbehandlung beruht, so daß als Folge davon ein viel gleichmäßigerer Beschichtungsaufbau und ein größeres und stärkeres Anhaften der Beschichtung erzielt wird. Unter dem Begriff "Sandstrahl behänd!ung" wird in diesem Zusammenhang jede Oberflächenbehandlung erfaßt, bei welcher Partikel durcti die Einwirkung von Druckluft oder eines anderen Trägergases gegen die zu beschichtende Oberfläche geschleudert werden.

Um eine Beschichtung größtmöglicher Reinheit zu erhalten können die Elektroden und das Granulat aus dem gleichen Material bestehen und verwendet werden. Das wiederum bedeutet, daß dann, wenn si 1iziumhaltige oder borhaltige

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Dämpfe erzeugt werden sollen, die Elektroden aus Silizium (Si) oder Bor (B) bestehen können. Zur Erhöhung ihrer elektrischen Leitfähigkeit können die Elektrode zunächst einmal erwärmt oder aufgeheizt und dann, um ein Abschmelzen oder Verdampfen dieser Elektroden zu verhindern, wieder gekühlt werden.

Man hat ebenfalls herausgefunden, daß es vorteilhaft ist, wenn auch die behandelte Oberfläche des Quarztiegels vor dem Aufbringen der Beschichtung auf mehrere hundert Grad über Umgebungstemperatur vorgeheizt oder vorgewärmt wird, wobei auch hier die Temperatur, auf welche der Tiegel vorgewärmt wird, nicht so wichtig ist. Diese Temperatur sollte jedoch 100° C unter dem Erweichungspunkt des Quarzkristalles liegen.

Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß die Granulate, d.h. die Siliziumgranulate oder die Borgranulate, in einen Behälter eingesetzt werden, der eine oder mehrere öffnungen aufweist, vorzugsweise aber eine Vielzahl von Perforationen, durch die das Gas austreten kann. Dieser Behälter hat dann aber auch eine Zuführung, durch welche ein Trägergas und/oder ein Reaktionsgas, das mit dem elementaren Bestandteil aus dem Granulat in Reaktion geht, zugeführt werden kann. Vom Trägergas wird der erzeugt Dampf durch die Perforation des Behälters gerissen und zur der Oberfläche geführt, die dem Behälter nahe angeordnet ist. Eine Vorrichtung bewegt dabei die perforierte Fläche des Behälters entlang dem zu beschichtenden Tiegel, aber dies vorzugsweise in einem konstanten Abstanb dazu.

Zu dem Behälter, in welchen die Granulate eingesetzt sind, gehören natürlich auch zwei Elektroden, die zueinander in

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einem bestimmten Abstand angeordnet und montiert sind. Zwischen den Elektroden befindet sich die Granulatmasse. An die Elektroden angeschlossen ist eine Stromversorgung, die den Strom zuführt, der dann seinerseits wiederum das Granulatmaterial in der bereits zuvor beschriebenen Weise verdampfen läßt. Diese Elektroden können dadurch gekühlt werden, daß durch sie ein Kühlmittel hindurchgeführt wird.

Die Erfindung wird nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles (.der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in, ...

Fig. 1 Einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung oder eine Anlage der Erfindung. Skizzenhaft dargestellt ist die Beschichtung eines Quarztiegels unter Anwendung des mit der Erfindung geschaffenen Verfahrens .

Fig. 2 Eine Funktionsskizze, die das Funktionsprinzip er!äutert.

Fig. 3 Axiali schni ttda-rstel 1 ung verschiedener Behälter^s und Elektrodenausführungen, die zur Verwirklichung der Erfindung herangezogen werden können.

Fig. 9 Eine wiederum andere Schnittdarstellung, mit der gezeigt wird, wie ein Quarztiegel gemäß der Erfindung beschichtet wird.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, kann das System oder die Anlage für das Aufbringen von Schutz be Schichtungen auf einen Quarztiegel, der eine Siliziumschmelze für das Ausziehen von für die Halbleiterindustrie bestimmten monokristallinen Siliziumstäben/Einkristall-Siliziumstäben aufzunehmen

nat, d.h. einen Quarztiegel 10, eine Vorrichtung haben, die den Quarztiegel zu halten hat. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine Drehscheibe 11, die von einem Motor 12 angetrieben und in Umdrehung versetzt wird.

In den Tiegel wird ein Behälter 13 eingesetzt, in den die Perforationen 14 für den Dampfaustritt eingearbeitet sind. Die für die Dampferzeugung bestimmten Behälter können, wie dies mit Fig. 3 bis Fig. 9 dargestellt ist, die verschiedensten Ausführungsformen haben und diese Ausführungsformen werden im weiteren Verlaufe der Patentbeschreibung auch näher erläutert und beschrieben. Der Behälter 13 wird von einer Haltevorrichtung 15 gehalten, die ihrerseits wiederum an einem Wagen 16 befestigt ist, der von einem Motor 17 bewegt und verfahren wird. Die Halterung kann eine Vielzahl von Leitungen aufweisen, z.B. für das Kühlwasser, dann, wenn die Konstruktionselemente wie eine Elektrode arbeiten, wie das mit Fig. 2 dargestellt und im Zusammenhang mit Fig. beschrieben ist. Sie kann aber auch eine Mittelbohrung haben, durch die Stickstoff oder irgendein anderes Reaktionsgas und/oder Trägergas zugeführt werden kann.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Stickstoff der wassergekühlten Elektrode 20 von einem Gasbehälter 18 aus über ein Ventil 19 zugeführt, die im Abstand zu einer Gegenelektrode 21, die ebenfalls wassergekühlt sein kann, angeordnet ist. Wenn dies auch in Fig. 1 nicht dargestellt ist, ist der Raum zwischen den beiden Elektroden mit einer Masse aus Siliziumgranulaten ausgefüllt. Beide Elektroden können aus Kupfer bestehen.

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Die Elektroden werden von einer für Niederspannung und Hochstrom ausgelegten Stromversorgung 22 mit Spannung und Strom versorgt, die vorzugsweise eine Wechselstromausführung ist, die aber auch für Gleichstromversorgung ausgelegt sein kann. Der Ausgang der Stromversorgung ist einstellbar.

Der Wagen 16, der von einem Motor 24 und einer Leitspindel 23 angetrieben wird, kann radial bewegt und verfahren werden. Das gesamte System ist in ein evakuierbares Gehäuse 25 eingesetzt, daß über eine Vakuumpumpe 26 luftleer gepumpt und evakuiert werden kann. Für die "Prozeß-' steuerung und die Positionssteuerung kann ein Computer vorgesehen werden, beispielsweise ein numerisch arbeitender Regler 27.

Wenn das System arbeitet, gehen die zwischen den Elektroden erzeugten Siliziumdämpfe mit einem Teil des Stickstoffes sofort in Reaktion, wobei dann Siliziumnitrid Si₃N₄ entsteht, das von dem als Trägergas agierenden Stickstoff zur benachbarten Oberfläche des Quarztiegels 10 mitgerissen wird. Durch die Drehbewegung der von dem Motor 12 angetriebenen Drehscheibe und durch das Verfahren des von dem Motor 24 angetriebenen Wagens 16 sowie durch das Hochfahren des Behälters 13 durch den Motor 17 und gesteuert und geregelt vom Computer 27 werden alle Innenflächen des Tiegels jeweils dem Dampferzeuger derart zugeordnet, daß sie mit dem Dampf gleichmäßig und gleichförmig beschichtet werden. Bei Verwendung eines geeigneten Programmes können mit dem System Tiegel aller großen behandelt und beschichtet werden.

Die Stärke des Vakuums, mit dem gearbeitet werden kann, beispielsweise bis zu 10" Torr, hängt jeweils von der Verunreinigung der Beschichtung ab, die geduldet werden kann. Wirksame Schutzbeschichtungen können sogar bei Atmosphärendruck dann aufgebracht werden, wenn der Tiegel zuvor mit Stickstoff ausgespült wird und worden ist. Soll kein Nitrid erzeugt werden, dann kann statt dessen Argon oder ein anderes Schutzgas verwendet werden. In vielen Fällen kann auf ein Trägergas deswegen ganz verzichtet werden, weil der Dampf nach seiner Erzeugung sofort zur Ausdehnung neigt und aus dem Behälter austritt. Werden statt des elementaren Siliziums Granulate .aus Borkarbid und Siliziumkarbid eingesetzt und verwendet, dann hat dies zur Folge, daß mit diesen Stoffen Beschichtungen erzeugt werden, die aus Borkarbid und aus Siliziumkarbid bestehen. Siliziumkarbid entsteht auch dann, wenn etwas Kohlenstoffgranulat mit der Masse aus granulatförmigen Silizium und/oder Bor vermischt wird.

Mit Fig. 2 ist das Funktionsprinzip der Erfindung in Form einer Skizze dargestellt. Die aus den Siliziumgranulaten 31 bestehende Masse 30 ist zwischen der Elektrode 32 und der Elektrode 33 eingesetzt. Die Elektrode 33 ist in Form eines Rohres ausgeführt, durch dessen Zentral-bohrung 34 Stickstoff oder ein anderes Reaktionsgas oder Trägergas zugeführt werden kann. Diese Elektrode kann auch Kühlungskanäle aufweisen, die mit der Hinweiszahl 35 gekennzeichnet sind. Durch sie und durch die Kühlungskanäle 37 der Elektrode 32 kann ein Kühlaggregat 36 Kühlflüssigkeit zuführen und in Umlauf halten. Erhalten die Elektroden 32 und 33 von der für Niedrigspannungen und Hochstrom ausge-

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legten Stromversorgung 22 eine Spannung aufgeschaltet, dann bewirkt dies trotz der nur begrenzten elektrischen Leitfähigkeit der Granulate einen beträchtlichen Stromfluß durch einen jeden der Kontaktpunkte 38 zwischen den einander sich berührenden Partikeln. Weil die Berührungsflächen an jedem dieser Punkte klein ist, ist die Stromdichte beträchtlich groß, und weil der übergangswiderstand groß ist, ist auch das Produkt aus dem Quadrat des Stromes und dem Widerstandswert (I²R) - und das ist die Heizwärme - beträchtlich und genügend groß, um unter der Voraussetzung, daß der Stromfluß eine genügende Stärke hat, die Kontaktbereiche der Granulate in die Dampfphase zu überführen. Die derart entstandenen Dämpfe können bei ihrem Entstehen in der vorerwähnten Weise derart mit dem gasförmigen Medium reagieren, daß Siliziumnitrid entsteht. Die Elektroden 32 und 33 können aus Silizium bestehen und zur Verbesserung ihrer elektrischen Leitfähigkeit vorgewärmt werden. Sie werden dann gekühlt, wenn die Dampfbildung eingesetzt hat.

Mit Fig. 3 bis Fig 8 sind verschiedene Behältersysteme für den Beschichtungsvorgang dargestellt. Bei dem Behälter 40 ist beispielsweise eine ringförmige Elektrode 41 nahe dem offenen Behälterende 42 angeordnet, während die Elektrode 43 und eine an dieser Elektrode befestigte Stange 44 am unteren Ende des Behälters angeordnet und montiert sind. Die zwischen den Elektroden eingesetzte Granula tmasse 45 wird in der zuvor beschriebenen Weise verdampft. Der Behälter kann eine perforierte Seitenwandung 46 haben. Die entstehenden Dämpfe steigen hoch und strömen zur Beschichtung aus dem Behälter heraus.

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Was die mit Fig. 4 dargestellte Konstruktion betrifft, so hat der Behälter 50 eine Ringelektrode 52, die der mit Fig. 3 dargestellten und beschriebenen Ringelektrode entspricht. Statt der unteren Elektrode ist jedoch ein Kupferrohr 47 vorgesehen, dessen im Behälter befindliches Ende 58 eine Perforation für die Verteilung des Stickstoffes aufweist, der über das Rohr zugeführt wird und als Trägergas dienen soll. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Wandung 56 nicht perforiert, so daß die Siliziumnitrid-Dämpfe nach oben aus dem Behälter herausgeführt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist der Behälter 60 in seinem oberen Bereich offen, ist die eingesetzte Granulatmasse von einer perforierten Wandung 66 umgeben. In diesem Falle sind die beiden Elektroden 61 und 62 in die Masse hineingeführt. Zu dieser Behälterkonstruktion gehört eine Platte 69, die die Granulatmasse hält und die den den aus dem Rohr 67 ausströmenden Stickstoff ablenkt und gleichmäßig durch die Granulatmasse führt.

Das mit Fig. 6 wiedergegebene Ausführungsbeispiel nutzt das Prinzip früherer Patentanmeldungen. Hier befindet sich die Siliziumgranulatmasse 75 in dem Behälter 70. Im Behälter 70, der eine perforierte Wandung 76 hat, ist auch die Elektrode 74 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Elektrode 71 zur Herbeiführung des elektrischen Kontaktes abgesenkt und in die Granulatmasse eingetaucht werden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 kann für die Beschichtung von Trägerschichten verwendet werden, die unter dem Behälter 80 angeordnet sind. Bei diesem Behälter 80 ist

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ist der Boden 86 perforiert, während auf den oberen Teil 82 des Behälters ein Deckel 80' aufgesetzt ist. Die rohrförmige Elektrode 87, die zur Granulatmasse 85 hin offen ist, ist von oben her in die Granulatmasse eingeführt und arbeitet mit der innerhalb der Masse angeordneten Ringelektrode 81 derart zusammen, daß durch die Masse ein Strom fließen kann. . Die Dämpfe treten durch die perforierte Bodenwandung 86 aus dem Behälter aus und lagern sich auf der Trägerschicht ab.

Der mit Fig. 8 dargestellte Behälter 80 weist die gesamte Wandung eine Perforarion 96 auf. Die Ringelektrode 91 ist viel näher an der rohrförmigen Elektrode 97 angeordnet, die mit dem Fortschreiten des Verdampfungsvorganges tiefer in die Granulatmasse 95 abgesenkt und eingetaucht werden kann und auf diese Weise den elektrischen Kontakt aufrecht erhält. Die Dämpfe können von allen Seiten aus dem Behälter austreten und eine den Behälter umgebende Trägerschicht beschichten.

Fig. 9 zeigt das Funktionsprinzip der Erfindung in seiner Anwendung bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 zur Beschichtung eines aus Quarz bestehenden Tiegels 10 mit einer aus Siliziumnitrid bestehenden Schutzbeschichtung 10'. Hierbei wird der Quartiegel von einer (nicht dargestellten) Haltevorrichtung so gehalten, daß seine Innenflächgen nach unten ausgerichtet sind. Verwendet wird der Dampfgenerator nach Fig. 4 und dieser kann, wie dies mit dem Pfeil 100 gekennzeichnet ist, hochgefahren und abgesenkt werden, und entsprechend dem Pfeil 101 in Querrichtung verfahren werden, damit die aus dem Behälter austretenden Dämpfe im wesentlichen gleichmäßig und gleichförmig auf allen Flächen des auf dem Kopf stehenden Tiegels gelangen können.

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Spezifisches Beispiel

Quarztiegel zur Aufnahme einer Siliziumschmelze für die Herstellung von monokristallinen Siliziumstäben/Einkristall-Siliziumstäben. Dieser Quarztiegel, der einen Innendurchmesser von rund 10 Zoll, eine Tiefe von rund 6 Zoll und eine Wandstärke von 3 mm hat, wird nahe dem mit Fig. 1 dargestellten Dampfgenerator angeordnet. Zuvor ist die Tiegelfläche oberflächenbehandelt worden durch Sandstrahlen mit Schleifkörner, die eine Partikelgröße von rung 0,5, mm haben, Sandstrahlblasdruck 75 psi bis 100 psi. Vor dem Aufbringen der Beschichtung ist der Tiegel auf eine Temperatur von rund 800° C vorgewärmt worden.

Das aus reinem Silizium bestehende Granulat hatte eine Korngröße oder Partikelgröße von rund 4 mm. Die Granulatmasse ist zwischen zwei wassergekühlten Siliziumelektroden eingesetzt worden, von denen eine auch Stickstoff zuführte. Zur Erzeugung des Siliziumkarbid-Dampfes ist mit einer Spannung von 50 Volt bis 60 Volt und mit einem Strom von 50 Amperes bis 70 Amperes gearbeitet worden. Das Dampfgeneratorsystem ist in einem Abstand von rund 2 cm zu der zu beschichtenden Oberfläche gehalten worden und dabei gleichmäßig und gleichförmig entlang der Oberfläche derart bewegt und verfahren worden, daß auf dieser eine Beschichtung mit einer Dicke von rund 5 Mikron entstehen konnte. Der derart beschichtete Tiegel konnte die beim Ziehen von Siliziumstäben entstehenden schädlichen Einflüsse und Einwirkungen aushalten, was wiederum zur Folge hatte, daß der beschichtete Quarztiegel viel länger gebraucht werden konnte als dies bei unbeschichteten Quarztiegeln der Fall ist.

Claims

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÜLLER · D. GROSSE · F. POLUViblER 27. Juni 1985 m.ni 74 491 Patentansprüche

1. Verfahren zur Materialverdampfung, wobei zumindest eine Komponente des entstehenden Dampfes aus einem granulatförmigen Material geholt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das granulatförmige Material zwischen zwei Elektroden eingesetzt wird und daß dann ein elektrischer Stromfluß zwischen den beiden Elektroden herbeigeführt wird, wobei die Stromstärke so bemessen ist, daß sie an den Übergangspunkten oder Berührungspunkten zwischen den Granulatteilen eine örtliche Verdampfung ohne Schmelzen der Granulate bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die in dem granulatförmigen Material erzeugten Dämpfe durch ein Trägergas transportiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die in dem granulatförmigen Material erzeugten Dämpfe auf einer Trägerschicht niederschlagen und auf dieser eine Beschichtung entstehen lassen.

4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfe vom Trägergas auf die Trägerschicht geführt werden und auf dieser Trägerschicht eine Beschichtung entstehen lassen.

PAtilNITÄNWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÜLLER · D. GROSSE F. POLLMt'iRrt ' J ~

5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Element des aus dem granulatförmigen Material erzeugten Dampfes mit einem Element eines Gases reagiert, das dem Material mit dem Ziel zugeführt wird, daß ein der Verbindung der Elemente entsprechender Dampf erzeugt werden soll.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Elemente als Beschichtung auf eine Trägerschicht aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Element, das aus dem granulatförmigen Material verdampft wird, um Silizium oder um Bor handelt, während das Element aus dem Gas Stickstoff ist und daß es sich bei der Trägeschicht um die Oberfläche eines aus Quarz bestehenden Tiegels handelt.

8. Verfahren zum Aufbringen einer Schutzbeschichtung auf einen aus Quarz bestehenden Tiegel, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarztiegelinnenfläche durch Sandstrahlen oberflächenbehandelt wird,

daß die Innenfläche des Quarztiegels auf einen Behälter ausgerichtet wird, in welchem granulatförmiges Material zum Freisetzen von mindestens einem Element des für die Oberflächenbeschichtung bestimmten Stoffes enthalten ist, der eine nur schwache thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweist, wobei der Behälter mindestens eine öffnung für den Gasaustritt hat, daß ein elektrischer Strom durch mindestens einen Teil des granulatförmigen Materials hindurchgeführt wird,

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PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÜLLER · D. GROSSE · F. POLLMEIER ~

wobei die Stromstärke so bemessen ist, daß ohne Verursachung eines Schmelzvorganges die Granulate in die Dampfphase gebracht werden und der Dampf dann durch die Öffnung aus dem Behälter herausgeführt und auf der Tiegelfläche niedergeschlagen wird und daß Tiegel und Behälter einander so zugeordnet werden, daß sich der Dampf auf der gesamten Fläche gleichmäßig und gleichförmig ablagern kann.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß das granulatformige Material aus Siliziumkarbid oder aus Borkarbid besteht und daß es sich bei der Beschichtung, die auf die Tiegelfläche aufgebracht werden soll, um eine Beschichtung aus Siliziumkarbid oder Borkarbid handelt.

10. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das granulatformige Material aus Silizium oder aus Bor besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß ferner Stickstoff über den Behälter zugeführt wird und dann den entstandenen Dampf zur Tiegelfläche transportiert, wobei der Stickstoff mit dem freigesetzten Element reagiert und dabei Siliziumnitrid oder Bornitrid entsteht.

12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch das granulatformige Material fließt, wenn eine Spannung von 50 bis 60 Volt angelegt ist und einen Strom von 50 bis 7 0 Ampere fließen läßt.

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÖLLER · D. GROSSE · F. POLLMEIER ~

13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der Quarztiegel vor dem Aufbringen der Beschichtung bis auf eine noch unter dem Erweichungspunkt des Tiegels liegende Temperatur vorgeheizt wird.

14. Anlage für die Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 8,
gekennzeichnet durch einen Behälter mit mindestens einer öffnung für ein schwach thermisch und schwach elektrisch leitfähiges granulatförmiges Material, das ein Element enthält, was zur Aufbringung einer Beschichtung aus der Dampfphase geeignet ist,

zwei mit dem Material in Berührungskontakt stehende Elektroden, die über einen Teil des Materials angeordnet sind,

eine Vorrichtung für die Zuführung eines elektrischen Stromes, dessen Stromstärke so bemessen ist, daß von ihm die Granulate an den Berührungspunkten ohne Schmelzen dieser Granulate verdampft werden, wobei die dabei entstehenden Dämpfe durch die Behälteröffnungen herausgeführt werden zwecks Beschichtung der zugeordneten Beschichtungsfläche und

durch eine Vorrichtung, die den Behälter in seiner Zuordnung zu der zu beschichtenden Fläche hält.

15. Anlage nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß zu ihr eine Vorrichtung gehört, die ein Gas durch das granulatförmige Material zu führen hat.

16. Anlage nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet,

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÖLLER ■ D. GROSSE · F. POLLMEIER

daß die Vorrichtung, die das Gas durch das Material zu führen hat, aus den Elektroden besteht und daß das Gas derart ausgewählt ist, daß es mit dem Element reagiert.

17. Anlage nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß zu ihr eine Vorrichtung gehört, mit der der Behälter und die Beschichtungsflache relativ zueinander bewegt und verfahren werden, um eine gleichmäßige Beschichtung der Beschichtungsflache zu erreichen.

18. Anlage nach Anspruch 17,

dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Elektrode, durch die das Gas dem granulatförmigen Material zugeführt wird, um ein zum Material offenes und von oben her in den Behälter eingeführtes Rohr handelt und daß zumindest eine Wandung des Behälters perforiert ist, damit der Dampf aus dem Behälter herausgeführt werden kann.

19. Anlage nach Anspruch 17,

dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Elektroden als Ringelektrode ausgeführt ist, während es sich bei der anderen Elektrode um eine längliche Elektrode handelt, die koaxial zur Ringelektrode ausgerichtet ist.

20. Anlage nach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet, daß zu ihr eine Vorrichtung zum Kühlen von mindestens einer der Elektroden gehört.