CN101559948B - 在沉积工艺期间在硅棒中产生均匀温度分布的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在根据Siemens方法的硅沉积期间向至少一个硅棒(3)提供电流的装置，该装置具有至少一个输入端(E)，该至少一个输入端适于并被设置为将所述装置连接到用于提供电能的供电网(N)；具有至少一个输出端(A)，该至少一个输出端可以与至少一个硅棒(3)连接；具有至少一个交流电调节器(1)，该至少一个频率转换器适于并被设置为向至少一个与该至少一个输出端(A)连接的硅棒(3)提供来自电能供应网(N)的电流，其中所述装置还具有至少一个频率转换器(2)，该至少一个频率转换器适于并被设置为向至少一个与该至少一个输出端(A)连接的硅棒(3)提供来自电能供应网(N)的电流，该电流具有比交流电调节器(1)提供的电流更高的频率。

Description

在沉积工艺期间在硅棒中产生均匀温度分布的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于在根据Siemens(西门子)方法的硅沉积(Abscheiden)期间向至少一个硅棒(Siliziumstab)供电的装置。本发明还涉及一种利用这种装置在根据Siemens方法的硅沉积期间向至少一个硅棒供电的方法。

背景技术

在根据Siemens方法的硅沉积期间向硅棒供电的装置是现有技术公知的。这种装置具有输入端，其中该装置可以利用该输入端连接到用于提供电能的供电网。这些装置还具有至少一个输出端，其中一个或多个硅棒可以连接到这些输出端。一个或多个交流电调节器(Wechselstromsteller)向连接到该至少一个输出端的硅棒提供来自该供电网的电流。借助该交流电调节器，可以调节电流强度和电压，并由此还可以调节在硅棒中热转换的电功率。

在根据Siemens方法制造硅棒时，借助这些装置向反应器(Reaktor)中的硅棒提供电流。反应器被填充以三氯硅烷(Trichlorsilan)并且处于压力之下。在硅棒中通过电流所转换的热消耗功率导致硅棒发热。硅棒的表面温度达到大约1100℃。在该温度下，三氯硅烷分解并且在引入氢(Wasserstoffzugang)的情况下离解(dissoziieren)为硅和氯化氢(Chlorwasserstoff)。硅在位于反应器中的硅棒上沉积。沉积过程使得硅棒的直径在该过程的运行过程中增长大约1mm/h。硅棒的横截面积由此增大。在硅棒的电阻率(spezifischen Widerstand)保持不变的情况下，更大的横截面积会导致硅棒电阻的下降。此外，电流密度从关于半径恒定的大小改变为强烈依赖于半径的大小。在硅棒的直径为7-10mm的情况下，电阻与半径无关。在直径更大时，硅棒内部的电流密度比外部更大。

由于硅的导电性随着温度而增加，并且硅的导热性随着温度而下降，因此电流在硅棒中心的聚集(Einschnuerung)导致温度从内部向外部下降。这种温度下降可以表现到极致，使得硅棒达到大于1460℃的内部温度，而硅棒外侧面的温度为1100℃。但是，硅棒核心中1460℃的温度会导致硅棒核心中的硅熔化。结果，硅可能从硅棒流出，并且硅棒遭到损坏。因此，沉积温度(Abscheidetemperatur)必须被调节为使得核心温度不超过硅的熔化温度(Schmelztemperatur)。

但是，人们又希望沉积温度尽可能高，以便实现大的硅棒生长或高的沉积速度。

在WO97/36822的国际专利申请公开文献中公开了一种根据Siemens方法在硅棒上沉积硅的装置。该文献还涉及在硅棒的核心和外表面之间温度下降的问题。在该文献中建议进行另一次加热，该加热在硅棒中产生涡流(Wirbelstrom)。该涡流产生具有预定频率的磁交变场。由此实现电流密度的改变。电流密度从硅棒的外表面到硅棒的核心变得更均匀，从而产生分布更为均匀的温度。

在该文献中所提出的装置很费事，因为除了常规的用于加热硅棒的电阻加热之外还需要进行第二加热，也就是涡流加热。

德国专利商标局的公开文献DE19882883T1公开了一种装置，该装置利用在高频或中频电流时出现在导体中的集肤效应，以便在硅棒内部实现均匀的温度分布。在该公开的装置中，只进行一次加热，即电阻加热。但是，该电阻加热是由不同频率的电流形成的。根据该公开文献的技术教导，首先在硅棒上施加低频电压。当硅棒的温度超过预定值时，断开该低频电压并施加具有更高频率的电压。向硅棒提供电能的装置在文献DE19882883T1中未详细描述。

在文献DE19882883T1所公开的方法向硅棒只提供低频电流或只提供高频或低频电流，其缺点是在向硅棒只提供高频或中频电压时会出现比较高的感生损耗(induktive Verluste)。

发明内容

本发明基于上述现有技术的背景要解决的技术问题是，提供一种用于向至少一个硅棒供电的装置，其中利用该装置，在连接的硅棒中达到均匀的温度分布和电流密度分布。其中，优选地，感生损耗应当被保持得尽可能的低。

按照本发明，该技术问题通过以下方式来解决，即该装置具有至少一个频率转换器(Frequenzumrichter)，该频率转换器适于并被设置为向至少一个连接到至少一个输出端的硅棒提供来自供电网的电流。由频率转换器所提供的电流具有比交流电调节器所提供的电流更高的频率。更高频率的电流由于集肤效应而进入硅棒的外部区域中，而低频率的电流导致核心中高的电流密度。通过更高频率的电流和低频率的电流的叠加，实现总的来说均匀的电流密度，这导致硅棒的横截面上更协调(ausgewogener)的温度分布。

优选地，根据本发明的装置被构造为使得交流电调节器和频率转换器同时向它们的输出端提供电压。这些电压可以在根据本发明的装置中被混合(mischen)，以便在装置的输出端提供包含低频分量和中频或高频分量的混和电压(Mischspannung)。交流电调节器和频率转换器的输出电压的混合可以在一个或多个节点处实现，其中这两个电压在该节点处结合(verknuepfen)。

根据本发明，该至少一个交流电调节器的输出端、该至少一个频率转换器的输出端以及连接硅棒的装置的输出端电气串联地设置。也就是说，由频率转换器所提供的电流在流经与装置的输出端连接的硅棒之前流过交流电调节器的输出端。反过来，由交流电调节器所提供的电流在流过与装置的输出端连接的硅棒之后经由频率转换器而流回交流电调节器。

同样还可能的是，该至少一个交流电调节器和该装置的输出端之间电气地设置第一去耦装置，用于将该至少一个交流电调节器与该至少一个频率转换器去耦。此外，可以在该至少一个频率转换器和该装置的输出端之间设置第二去耦装置，用于将该至少一个频率转换器与该至少一个交流电调节器去耦。如果设置第一去耦装置和第二去耦装置，则可以相对于输出端电气并联地设置一方面由该至少一个交流电调节器和第一去耦装置组成的结构以及另一方面由该至少一个频率转换器和第二去耦装置组成的结构。也就是说，由交流电调节器所提供的电流不流过频率转换器的输出端，同样，由频率转换器所提供的电流也不流过交流电调节器的输出端。因此，频率转换器和交流电调节器可以在不考虑对方的电流的情况下被设计和设置。

在根据本发明的装置的一种优选变形方式中，该装置针对每个硅棒具有至少一对输出端，并且该装置具有至少一对频率转换器。频率转换器对对应于输出端对。一对输出端的两个输出端中每个输出端都可以与这对频率转换器中一个频率转换器的输出端连接。此外，一对频率转换器的两个频率转换器可以至少就它们的电气输出量而言是相同的。只要一对频率转换器中每个频率转换器具有输出端，而且一对频率转换器的输出端形成链，其中在该链中，频率转换器的输出端反相链接，则可以将装置的输出端与频率转换器的输出端连接，由此，装置的输出端也被链接。

这样，频率转换器的输出端链优选具有第一外部端子、中间端子和第二外部端子，其中这对频率转换器中第一频率转换器的输出端与第一外部端子和中间端子连接，这对频率转换器中第二频率转换器的输出端与中间端子和第二外部端子连接。

此外，优选地，交流电调节器的输出端与第一外部端子和第二外部端子连接。因此，由频率转换器的输出端处的电压组成的链接的电压位于交流电调节器的输出端处。由于频率转换器就其输出量而言是相等的，也就是尤其被调节到相同的输出电压，并且输出电压是反相的，因此，由频率转换器的输出端处的电压组成的链接的电压始终为零。由此，在交流电调节器的输出端处没有由频率转换器所提供的电压。交流电调节器因此与频率转换器去耦。

第一外部端子、中间端子和第二外部端子形成节点，其中在这些节点处，交流电调节器的低频电压和频率转换器的中频或高频电压结合。

相反，频率转换器与交流电调节器的去耦可以通过以下方式实现，即电容器与频率转换器串联，其中这些电容器与连接到装置的输出端的硅棒一起形成高通滤波器，并且因此，频率转换器也减小或阻止交流电调节器的影响。

根据本发明，频率转换器优选是中频转换器(Mittelfrequenzumrichter)。该至少一个频率转换器可以适于并被设置为在装置的输出端处提供由叠加的不同中频的电流而形成的混合电流，其中这些不同的中频相互叠加。

根据本发明的装置的该至少一个频率转换器还可以适于并被设置为调节在装置的输出端处提供的电流的频率。

每个按照本发明的装置可以具有调节装置，该调节装置适于并被设置为调节通过所述至少一个交流电调节器提供的功率与通过所述至少一个频率转换器所提供的功率之比。由于在沉积过程期间，硅棒的直径或横截面积发生变化，因此硅棒的电阻也发生变化。为了即使物理条件变化，也能够实现硅棒内最佳的温度分布，可以按相互比例改变交流电调节器和频率转换器的热功率。例如，交流电调节器的热功率与频率转换器的热功率的比例在沉积过程开始时大于在沉积过程的稍后时刻。装置例如可以具有调节装置，其中该调节装置适于并被设置为根据该至少一个硅棒的直径和/或横截面积调节频率。

根据本发明的装置的交流电调节器优选是电网引导的(netzgefuehrt)交流电调节器。

按照本发明的在硅沉积期间为至少一个硅棒提供电流可以通过上述装置实现。根据本发明的方法可以被设计为使得，为了在所连接的至少一个硅棒中产生均匀的温度分布，在沉积过程期间改变由该至少一个交流电调节器所提供的功率与由该至少一个频率转换器所提供的功率之比。从而，尤其地，在沉积过程期间通过该至少一个频率转换器馈入该至少一个硅棒的功率与通过该至少一个交流电调节器馈入的功率之比可以变得更大。

附图说明

本发明的其它特征和优点借助于附图将变得清楚。在附图中：

图1示出具有根据本发明的交流电调节器和频率转换器的装置，其中交流电调节器和频率转换器的输出端串联连接，

图2示出根据本发明的具有并联连接的交流电调节器和频率转换器的装置，

图3示出根据本发明的具有两个频率转换器的装置，其中这些频率转换器具有链接的输出端，

图4示出位于交流电调节器的输出端处的交流电压的电压-时间图，

图5示出位于频率转换器的输出端处的电压的电压-时间图，

图6示出位于装置的输出端处的电压的电压-时间图。

具体实施方式

根据图1、2、3的显示是根据本发明的装置的简化电路框图。在图1、2、3中仅示出根据本发明的装置的功率路径(Leistungspfade)。用于控制或调节信号以及传感器信号的导线在图1、2、3中并没有示出。只要在按照图1的装置、按照图2的装置和按照图3的装置中使用相同种类(Gattung)的部件，它们就具有相同的附图标记。

图1中所示出的根据本发明的用于在根据Siemens方法沉积硅期间向硅棒供电的装置具有输入端E，其中该输入端具有两个端子E1、E2。该装置经由输入端E连接到用于提供电能的电网N。交流电调节器1和频率转换器2分别与该输入端E连接。交流电调节器1以及频率转换器2都可以经由输入端E从供电网N中提取电能。

交流电调节器1以及频率转换器2都可以按照公知的方式和方法构造。交流电调节器1例如可以通过不同大功率晶闸管组成的电路结构形成。

交流电调节器1是电网引导的，而频率转换器是自引导的(selbstgefuehrt)，并且在其输出端提供与通过交流电调节器1所提供的电压相比频率明显更高的电压。在图4和图5中分别示出交流电调节器1和频率转换器2的输出端上的电压的电压-时间图。

交流电调节器1的输出端和频率转换器2的输出端电串联连接。

交流电调节器和频率转换器的不相互连接的、在输出端一侧的端子-其中硅棒3连接到这些端子-分别与输出端A的一个端子连接。在硅棒上应当沉积通过三氯硅烷的离解而获得的硅。

与图1所示的装置不同，在如图2所示的装置中，交流电调节器1和频率转换器2的输出端不串联连接。交流电调节器1的输出端与用于与装置的输出端A去耦的装置连接。频率转换器2的输出端以类似的方式和方法经由第二去耦装置5与所述装置的输出端A连接。

由交流电调节器1和第一去耦装置4构成的结构与由频率转换器2和第二去耦装置5构成的结构并联。

输出端A与硅棒3连接，其中在硅棒3上应当沉积硅。在按照图1的装置的输出端以及在按照图2的输出端处存在电压U3，其中在图6中示出该电压的电压-时间图。电压U3通过电压U1和U2的叠加而形成。因此，在按照图1的装置和按照图2的装置的输出端A处存在驱动基频对应于电网频率并且谐波频谱通过频率转换器2调节的电流的电压。与使用没有谐波分量的电流相比，该电流在硅棒3中产生更均匀的电流密度。只通过交流电调节器1的电压U1驱动的电流在硅棒3的核心中产生高的电流密度，而通过频率转换器2的电压U2而产生的谐波分量产生硅棒的整个横截面上更均匀的电流密度分布。不产生电流在硅棒核心的聚集以及硅棒3的核心的过度加热。由此可能的是，与硅棒的加热只用由交流电调节器所提供的电流实现的装置相比，以更高的温度进行用于在硅棒上沉积硅的Siemens过程。

与按照图1和图2的实施例不同，如在图3中所示的根据本发明的装置具有交流电调节器1和两个频率转换器2a、2b。频率转换器2a、2b构造相同，并且因此具有相同的输出量。频率转换器2a、2b被反相驱动，从而在它们的输出端处，虽然按照绝对值(Betrag)产生相同的电压，但是它们在相位上是不同的，也就是相互偏移180°。

在图3中所示出的根据本发明的装置具有包括两个端子E1、E2的输入端，其中该装置通过该输入端与供电网(图3中未示出)连接。交流电调节器1以及频率转换器2a、2b都分别与端子E1、E2连接。

在交流电调节器1的输出端和频率转换器2a、2b的输出端处分别提供的电压U1和U2a、U2b在3个节点K1、K2、K3上相互结合。

频率转换器2a、2b的输出端链接，其中该链的第一外部端子K1与这两个频率转换器2a、2b中第一频率转换器的第一输出端侧端子连接。第一频率转换器的第二输出端侧端子与该链的内部端子K2连接。这两个频率转换器2a、2b中第二频率转换器的第一输出端侧端子也与该链的这个内部端子K2连接。该第二频率转换器的第二输出端侧端子与第二外部端子K3连接。该链的外部端子K1和K3与交流电调节器1的输出端侧端子11、12连接。

该链的第一外部端子K1和中间端子K2与具有端子A11和A12的根据本发明的装置的第一输出端连接。第一硅棒3a连接到该第一输出端。

由这两个频率转换器2a、2b组成的链的中间端子K2和第二外部端子K3与所述装置的第二输出端A21、A22连接，其中第二硅棒3b连接到该第二输出端。

第一频率转换器2a的输出端和第一硅棒3a并联连接。同样，第二频率转换器2b的输出端和第二硅棒3b并联连接。这些并联电路串联连接，并且该串联电路连接到交流电调节器1。

在第一外部端子K1、中间端子K2和第二外部端子K3处，交流电调节器和频率转换器2a、2b的输出电压相互混合。在第一输出端A11、A12处产生由第一频率转换器2a的电压U2a和交流电调节器的电压U1形成的混合电压。在第二输出端A21、A22处产生由第二频率转换器的输出电压U2b和交流电调节器的电压U1形成的混合电压。

因为在频率转换器2a、2b的输出端处的电压绝对值相同但反相，所以在节点K1和节点K3之间只有交流电调节器U1的输出电压的电压降，因为电压U2a和U2b相互抵消。由此避免了将频率转换器的输出电压反馈到交流电调节器1上。

通过频率转换器2a、2b的输出端中的电容器(未示出)，可以避免交流电调节器1的电压U1对这两个频率转换器2a、2b的作用。频率转换器2a、2b的输出端中的电容器与连接到这些输出端的负载-尤其是这些负载的欧姆分量-一起构成高通滤波器，其中该高通滤波器防止频率转换器2a、2b的电压U1的低频。相对于按照图1和图2的装置，按照图3的装置具有以下优点：不采用与低频电源串联的部件。通过交流电调节器形成的低频电源与通过频率转换器形成的中频或高频电源之间的耦合被避免了。另一个优点在于，频率转换器能够以简单的装置而与业已存在的具有交流电调节器的供电装置组合，以便得到根据本发明的装置。因此，利用简单的装置就可以更新现有的装置。

Claims (21)

1.一种用于在根据Siemens方法的硅沉积期间为至少一个硅棒(3)供电的装置，其中所述装置：

-具有至少一个输入端(E)，其中所述至少一个输入端适于并被设置为将所述装置连接到用于提供电能的供电网(N)，

-具有至少一个输出端(A)，其中所述至少一个硅棒(3)可连接到所述至少一个输出端，

-具有至少一个交流电调节器(1)，其中所述至少一个交流电调节器适于并被设置为向所述至少一个连接到所述至少一个输出端(A)的硅棒(3)提供来自所述供电网(N)的电流，

其特征在于，

-所述装置还具有至少一个频率转换器(2)，其中所述至少一个频率转换器适于并被设置为向所述至少一个连接到所述至少一个输出端(A)的硅棒(3)提供频率比由所述交流电调节器(1)所提供的电流的频率高的来自所述供电网(N)的电流，所述硅棒(3)被同时提供低频电压和中频或高频电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置在所述装置的所述至少一个输出端(A)处可提供由不同频率的电压分量混合而成的电压。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置具有节点，其中在所述节点处，由所述交流电调节器(1)和所述频率转换器(2)所提供的电压可结合，以混合可在所述输出端处提供的电压。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个交流电调节器(1)的输出端、所述至少一个频率转换器(2)的输出端以及所述装置的可连接硅棒的输出端电气地串联设置。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，在所述至少一个交流电调节器(1)和所述输出端(A)之间电气地设置第一去耦装置(4)，用于将所述至少一个交流电调节器(1)与所述至少一个频率转换器(2)去耦，并且在所述至少一个频率转换器(2)和所述输出端(A)之间电气地设置第二去耦装置(5)，用于将所述至少一个频率转换器(2)与所述至少一个交流电调节器(1)去耦。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，由所述至少一个交流电调节器(1)和所述第一去耦装置(4)构成的结构以及由所述至少一个频率转换器(2)和所述第二去耦装置(5)构成的结构电气地并联设置。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置针对每个硅棒(3a，3b)具有至少一对输出端，并且所述装置具有至少一对频率转换器(2a，2b)，其中频率转换器对对应于输出端对。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，一对输出端的两个输出端中每个输出端都与这对频率转换器(2a，2b)中一个频率转换器(2a，2b)的输出端连接。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，一对频率转换器(2a，2b)的两个频率转换器(2a，2b)至少就其电输出量而言是相同的。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，一对频率转换器中每个频率转换器(2a，2b)都具有输出端，而且一对频率转换器(2a，2b)的输出端形成链，其中在所述链中，所述频率转换器(2a，2b)的输出端反相链接。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述链具有第一外部端子(K1)、中间端子(K2)和第二外部端子(K3)，其中这对频率转换器(2a，2b)中第一频率转换器(2a)的输出端与所述第一外部端子(K1)和所述中间端子(K2)连接，这对频率转换器(2a，2b)中第二频率转换器(2b)的输出端与所述中间端子(K2)和所述第二外部端子(K3)连接。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述交流电调节器(1)的输出端与所述第一外部端子(K1)和所述第二外部端子(K3)连接。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个频率转换器(2)是中频转换器。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个频率转换器(2)适于并被设置为在所述装置的输出端(A)处提供由叠加的不同中频的电流形成的混合电流。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个频率转换器(2)适于并被设置为调节在所述装置的输出端(A)处所提供的电流的频率。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置具有调节装置，其中所述调节装置适于并被设置为调节通过所述至少一个交流电调节器(1)所提供的功率与通过所述至少一个频率转换器(2)所提供的功率之比。

17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置具有调节装置，其中所述调节装置适于并被设置为根据所述至少一个硅棒(3)的直径和/或横截面积调节频率。

18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个交流电调节器(1)是电网引导的交流电调节器。

19.一种利用根据权利要求1至18中任一项所述的装置在按照Siemens方法的硅沉积期间为至少一个硅棒(3)供电的方法。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，为了在所连接的至少一个硅棒中产生均匀的温度分布，在沉积过程期间改变由所述至少一个交流电调节器(1)所提供的功率与由所述至少一个频率转换器(2)所提供的功率之比。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在所述沉积过程期间经由所述至少一个频率转换器(2)馈入所述至少一个硅棒(3)的功率与经由所述至少一个交流电调节器(1)馈入的功率之比变得更大。

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