CN103140444B - 用于在cvd反应器外部点燃硅棒的方法和设备 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于在CVD反应器外部点燃硅棒的方法和装置，所述方法和装置用于制备在CVD反应器中得到后续处理的硅棒。在所述方法中，将硅棒安置在点燃装置内部，并且通过第一电源单元将第一电压施加到所述硅棒，其中所述电压足以点燃所述硅棒。随后，可选地，可通过电流并且/或者通过外部加热单元将所述硅棒加热至预定温度范围内的温度。随后，所述硅棒从所述点燃装置中移除，并且可暴露于CVD反应器内部的沉积工艺中。在CVD反应器外部点燃硅棒有利于使硅棒在沉积工艺过程中重新点燃。所述装置包括套管，所述套管具有用于容纳至少一根硅棒的腔室。在所述腔室中，布置了至少一对接触电极，以固持所述接触电极之间的至少一根硅棒。

Description

用于在CVD反应器外部点燃硅棒的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于在CVD反应器外部点燃(ignite)硅棒的方法和设备，以及一种用于在硅棒上沉积硅的方法和设备。

背景技术

在半导体和光伏领域中，已知(例如)可在亦称作CVD反应器的沉积反应器中根据西门子法(Siemens method)来生成高纯度硅棒。在此方法中，首先将细硅棒放置在反应器中。随后，硅在沉积工艺过程中沉积到这些细硅棒上，从而生成较粗硅棒。所述硅棒首先夹持在夹紧和接触装置中，其中这些夹紧和接触装置使得硅棒保持在所需方位并为所述硅棒提供电接触。所述硅棒中的两根硅棒在二者的自由末端处分别通过导电桥或由硅材料制成的桥而连接起来，从而经由位于反应器同一侧的接触装置而形成电路。然而，还可使所述硅棒在其相对的末端处发生电接触，即，在上方以及在下方发生电接触。

所述硅棒被加热至预定处理温度，在此温度下蒸气或气相中的硅沉积到硅棒上。在沉积工艺过程中，通过预定电压下的电流以电阻加热的方式来加热所述硅棒，如果合适，还可通过外部加热单元来加热所述硅棒。沉积温度通常处于900℃与1200℃之间，并且尤其处于约1100℃。然而，沉积温度还可以是另一温度。

开始时，硅棒具有高电阻。为了在硅棒中引发初始电流，首先必须施加高电压。在此过程中，硅棒从非导电状态改变至导电状态，这在下文中称作点燃。电阻在硅棒点燃之后显著减小，并且尤其在温度上升时减小。为了点燃硅棒并且随后将硅棒加热至预定处理温度，需要复杂多级电源，所述复杂多级电源具有不同电源单元。此类电源可从(例如)DE102009021403A或DE102010020740A中了解，这些文献属于本申请案的申请者，但未在本申请案申请之前公开。具体而言，点燃工艺需要指定的电源单元。

本发明待解决的问题在于，提供一种分别将CVD反应器中的点燃操作要求和点燃单元要求降低的方法和设备。

发明内容

根据本发明，所述问题可通过根据权利要求1或8所述的方法以及根据权利要求10或16所述的设备来解决。从属权利要求涉及本发明的进一步实施例。

具体而言，提供了一种用于在CVD反应器外部点燃硅棒的方法，所述方法用于制备在CVD反应器中得到后续处理的硅棒。在所述方法中，将硅棒安置在点燃装置中，并且通过第一电源单元将第一电压施加到硅棒，其中所述电压足以点燃硅棒。随后，通过所述第一电源单元使硅棒导通电流，并且通过电流将硅棒的至少一部分加热至预定温度范围内的温度。随后，从点燃装置移除硅棒。发明人发现，硅棒一旦经历过点燃，在后续点燃工艺中，点燃该硅棒所使用的电压就可比第一次点燃所使用的电压低。因此，例如，在第二次点燃过程中，点燃硅棒所使用的电压可比第一次点燃所用的电压低30％到40％。因此，上文所述的方法可用于制备需进行后续CVD处理的硅棒，其中所述制备能简化CVD处理以及CVD处理所需的装置。具体而言，上述方法可充分简化后续CVD处理的点燃操作。

优选地，在工艺过程中，气体氛围在硅棒安置于点燃装置中之后形成于硅棒周围，其中所述气体氛围的组成使得所述气体与所述硅棒在点燃和加热过程中不发生反应。为此，例如，所述气体氛围大体上由N₂、H₂、惰性气体或这些气体中的两种或两种以上气体的混合物构成。

为了促使后续点燃事件发生，所述硅棒被加热至400℃到700℃范围内的温度，并且优选为加热至450℃到600℃区间内的温度。发明人发现，尽管仅一次点燃已经能促使后续点燃事件发生，但是，如果硅棒被加热至更高温度，那么效果甚至会更好。400℃到700℃，尤其是450℃到600℃的温度区间公认为是有利的温度范围，因为在此区间内，效果显著提升。然而，在更低和更高温度下，改变较小。最佳温度可取决于硅棒和硅棒的掺杂质。

为了达到预定温度范围内的温度，可通过与硅棒间隔开的加热装置对至少一部分硅棒进行加热，尤其可通过使用红外辐射的加热装置来加热。以此方式，可减少对硅棒导通电流所用的电源单元的需求。此外，还可缩短硅棒在点燃装置中的驻留时间，因为加热工艺可得到加速。此外，加热装置还可在硅棒点燃之前加热硅棒，这样又可促进第一次点燃事件的发生。为了实现良好的点燃操作，优选的第一电压在8千伏到15千伏的范围内。

在一个实施例中，多根硅棒布置在点燃装置中，并且所述硅棒同时或顺次连接到第一电压，以便点燃硅棒并且随后对硅棒进行加热。

此外，还提供了一种用于在硅棒上沉积硅的方法，所述方法在开始时执行上文所述的方法。随后，将多根之前经历过点燃且得到加热的硅棒安置在CVD反应器中，并且通过第二电源单元将第二电压施加给所述硅棒中的每一者，以便再次点燃硅棒。随后，通过第三电源单元将第三电压施加给所述硅棒中的每一者，从而将硅棒加热至另一个预定温度范围内的温度，其中第三电压低于第二电压。此外，气体氛围形成于CVD反应器中，所述气体氛围使得硅至少在其他预定温度范围内沉积到所述硅棒上。在CVD反应器外部预点燃硅棒有利于使硅棒在CVD反应器中重新点燃，并且硅棒在CVD反应器中的驻留时间可减少。此外，在上述方法中，CVD反应器的构造可得到简化，因为CVD反应器中的第二次点燃所需的电压低于第一次点燃所需的电压。从这个意义上讲，优选的第二电压也低于第一电压。

根据本发明，一种用于在CVD反应器外部点燃硅棒的装置，用以制备在CVD反应器中得到后续处理的硅棒，所述装置中包括：套管，其具有用于容纳至少一根硅棒的腔室；至少一对接触电极，其位于所述腔室中以固持所述电极之间的硅棒；以及第一电源单元。第一电源单元包括至少一个变压器，其中所述变压器的每个输出端连接到一对接触电极中的一个接触电极，并且其中所述变压器包括开路电压，所述开路电压足够高，足以预置(initialize)所述硅棒中的电流。通过此装置，可获得上文所述有关所述方法的益处。所述变压器所包括的开路电压可处于8千伏到15千伏的范围内，以便可靠且快速地点燃硅棒。

优选地，所述装置包括用于调节腔室中的预定气体氛围的构件，以防止(例如)硅棒在点燃事件期间以及后续加热工艺过程中发生氧化。

此外，可设置至少一个加热装置，其中所述加热装置布置成：可借助于辐射能量来加热腔室内部的硅棒。具体而言，所述加热装置可包括红外辐射器或发射器，所述红外辐射器或发射器无需接触便能使能量与硅棒发生良好的耦合作用。

为了在无需执行硅棒之间的装载/卸载操作的情况下同时或顺次点燃多根硅棒，将多个接触电极设置在腔室中。此外，提供了一种用于在硅棒上沉积硅的设备，所述设备包括上文所述的装置以及CVD反应器。在此设备中，CVD反应器包括用于固持多根硅棒的多个接触电极、至少一个第二电源单元和至少一个第三电源单元以及用于在CVD反应器中形成气体氛围的构件，从而在预定温度范围内的温度下将硅沉积到硅棒上。所述第二电源单元包含变压器，所述变压器具有足以点燃硅棒的开路电压。所述第三电源适用于引导电流通过所述硅棒，所述电流高于第二电源单元的变压器的短路电流。

附图说明

接下来，将参照附图更详细地阐释本发明，在附图中：

图1所示为用于在CVD反应器外部点燃硅棒的装置的示意性图示。

图2为根据本发明的用于执行CVD方法的设备的示意图。

具体实施方式

使用于说明书的以下部分中并且分别涉及位置和方向的术语主要涉及图式中的说明。因此，这些术语不应视作是限制性的。即使这些术语可能涉及优选的最终布置。

图1所示为用于在CVD反应器外部点燃硅棒2的装置1的示意性图示。这意味着装置1未设计成CVD反应器。

装置1大体上由主套管4构成，主套管4界定其内部的工艺腔室6。虽然图中所示的开关箱(switchbox)7与主套管4相邻，但是开关箱7也可并入主套管4中。主套管4由合适的材料制成，所述合适的材料能够使工艺腔室热绝缘于外界环境。

下硅棒支座10以及上硅棒支座12设置在工艺腔室6内部。上硅棒支座12由固持单元14支撑于工艺腔室6内，因此上硅棒支座12可得到垂直调节，如图1中的双向箭头所示。下硅棒支座10固定于工艺腔室6底部，并且由石墨等导电材料制成，所述导电材料不会污染硅棒。下硅棒支座10可按照(例如)DE202010002486U中所述来设计，该文献以引用的方式并入本文中，以避免不必要的重复。

上硅棒支座12大体可具有相同设计。固持单元14从侧面支撑上硅棒支座12，且固持单元14以垂直可调的方式安装至工艺腔室的侧壁。因此，硅棒支座10与12之间的距离可根据硅棒2的长度来调节。因而可确保每根硅棒2的良好接触。具体而言，可使得硅棒支座12可在某个行进范围内自由移动，并且还可使得上硅棒支座12停留在相应硅棒2上，所述硅棒2借助于重力从上方开始夹持于硅棒支座10与12之间。在工艺腔室6的区域中，设置了至少一个气体供应口(gas supply)16以及一个气体排出口(gas exhaust)17。气体供应口16位于工艺腔室6的下部区域中，而气体排出口17设置在工艺腔室6的上部区域中。当然，还可将气体排出口17布置在底部并将气体供应口16布置在顶部。

此外，加热单元19设置在工艺腔室6中。图中所示的这种加热单元19适于通过辐射(即，以无接触的方式)来加热硅棒。加热单元19可包括至少一个红外辐射器。当然，还可将加热单元19布置在工艺腔室6外部，只要工艺腔室6包括可透过加热单元19的辐射的窗口。加热单元19还可对工艺腔室6的腔室壁进行加热，从而间接地加热硅棒2。然而，通过加热单元19的辐射来进行直接加热是优选的，因为该方法见效快并且可用较快的方式来进行控制。

电源包括设置在开关箱7内的变压器20。变压器20可在其原边连接到(例如)400伏特的单相交变电流。在变压器20的副边，变压器经构造以使其输出的开路电压处于8千瓦到15千瓦的范围内。

变压器构造成所谓的软变压器(soft transformer)，所述软变压器包括(例如)气隙(air gap)，并且包括在电流增大时急速下降的电流-电压特性曲线。变压器20的副边分别电连接到下硅棒支座10和上硅棒支座12。在此布置中，下硅棒支座10接地，而上硅棒支座12被施加高压。此布置当然还可反过来。

尽管图1中显示的下硅棒支座10和上硅棒支座12都只有一个，但是应注意，为了在工艺腔室6中同时固持多根硅棒，可将多个下硅棒支座10和上硅棒支座12成对地设置在工艺腔室6中。对于每对下硅棒支座10和上硅棒支座12，可设置相关联的变压器。然而，还可将多对下硅棒支座10和上硅棒支座12连接到同一变压器，所述变压器中可设置一个控制单元，所述控制单元将变压器顺次连接到对应的多对上硅棒支座和下硅棒支座，以便顺次点燃所夹持的硅棒。

接下来，将参照图1更详细地阐释装置1的操作。

开始时，将硅棒2插入硅棒支座10与硅棒支座12之间，随后关闭工艺腔室6。通过下气体供应口16，用气体冲洗工艺腔室6，其中所述气体不会影响后面的工艺。合适气体为N₂、H₂等，或另外的惰性气体，例如，氩气。

冲洗可持续到整个工艺腔室6充满该气体为止。为了确保整个工艺腔室都充满气体，气体可(例如)经由上气体排出口17排出，并且气体排出口17内部的传感器可检测出，没有其他气体从工艺腔室6离开。在此时间点，通过电流源，尤其是通过变压器20，8千伏到15千伏范围内的电压被施加到下硅棒支座10与上硅棒支座12之间，并且因此而施加给硅棒2。过了一定时间(例如，4到5分钟)之后，硅棒2开始传导电流。在此时间点，硅棒被视作是已被点燃，即，已从非导电状态改变至导电状态。

当硅棒2开始传导电流时，电压快速下降并且电流增大。由于存在电流，硅棒2内发生电阻加热。通过使用此加热效应以及加热单元19(如果提供了加热单元19)，硅棒2被加热至450℃到600℃范围内的温度。加热单元19还可在硅棒2点燃之前加热硅棒2以促进点燃，从而加快整套工艺的速度。

随后，通过硅棒2的电流中断，并且硅棒2被冷却至工艺腔室6内的处理温度。使更多气流通过工艺腔室6可加快此冷却工艺的速度。随后，从工艺腔室6中移除硅棒2，并且可先将硅棒2暂时储存起来，以便在CVD反应器中进一步处理硅棒2，或者可直接将硅棒2插入CVD反应器中。

图2所示为用于执行CVD处理的设备100。设备100包括上文所述装置1、硅棒储存器102以及CVD反应器105。

硅棒储存器102是类型合适的任何储存器，所述储存器中可安全地储存多根硅棒2。优选地，硅棒储存器102应包括腔室，所述腔室内部的预定气体氛围(尤其是不含氧气的气体氛围)可以调节。如果要在硅棒2插入CVD反应器105之前对硅棒2进行再一次处理，具体而言，如果要对硅棒2进行蚀刻，那么可省去预定气体氛围。

CVD反应器105可以是任何已知类型的CVD反应器，其中，与普遍已知的电路相比，用于连接CVD反应器内部的硅棒2的电路可简化。具体而言，第一点燃阶段可以完全省略，因为，一方面，经历过预点燃的硅棒2可更快地点燃，另一方面，经历过预点燃的硅棒2可在更低电压下点燃。

如图2中所示，CVD反应器105具有工艺腔室106，其中多个硅棒支座108设置在工艺腔室106的底部。这些硅棒支座108中的每一者均适于以自立的方式来支撑硅棒2。自立的硅棒2各自在其上部末端处经由桥110而彼此电连接，这在所属领域中已知。硅棒支座108可(例如)具有上文所提及的类型。

硅棒支座108成对地连接到至少两个电源单元(未详细显示)，其中所述硅棒支座对与成对连接的硅棒对应。具体而言，设置具有变压器的电源单元，其中所述变压器包括开路电压，所述开路电压足以使经历过预点燃的硅棒再次点燃。因此，变压器所包括的开路电压可比通常提供的开路电压低。具体而言，考虑使变压器所具有的开路电压处于6千伏到4千伏的范围内。此外，设置另一个电源单元，所述电源单元能够引导电流通过硅棒2，其中所述电流高于变压器的短路电压。

接下来，将参照图2更详细地阐释本发明用于实现CVD沉积的方法。

开始时，以上文参照图1所述的方式对硅棒2进行预点燃，并将硅棒2加热至预定温度。

随后，从装置1中移除硅棒2，并可选择将硅棒2储存在硅棒储存器102中。通过上文所述的方式，可在装置1中接连地预点燃多根硅棒2。

一旦将需要装载到CVD反应器105中的足够数量的硅棒2预点燃，这些硅棒2便以图2所示的方式插入CVD反应器105。随后，在CVD反应器105中，通过已知方式来处理硅棒2。

在CVD反应器105中，再点燃硅棒2需要较低电压，即，比正常电压低30％到40％的电压，因为硅棒2已在装置1中经历过预点燃。因此，可充分地节省时间。具体而言，为了点燃硅棒，硅棒经由包含变压器的电源而连接到电压。在点燃之后，借助于另一个电源，引导电流通过硅棒，从而将硅棒加热至预定温度范围内的温度，例如，900℃到1200℃范围内的温度。随后，将合适的工艺气体供应到工艺腔室106中，从而将气相中的硅沉积到硅棒2上。最后，再次冷却硅棒2，并从CVD反应器中移除硅棒2。

尽管装置1内部的预点燃工艺花费了几分钟时间(例如，包含处理时间在内，花费约10到15分钟)，但是CVD反应器内部的CVD工艺却极其耗时并且会花费(例如)80到100个小时。因此，装置1能够为一个或多个CVD反应器预点燃足够数目的硅棒2，尤其是在装置1中可同时容纳多根硅棒2的情况下。

上文已参考本发明的优选实施例详细阐释了本发明，其中本发明并不限于所显示的实施例。具体而言，装置1的设计以及CVD反应器105的设计可不同于所显示的形式。

Claims (16)

1.一种用于在CVD反应器外部点燃硅棒的方法，用以制备在CVD反应器中得到后续处理的硅棒，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将硅棒安置在点燃装置中；

通过第一电源单元将第一电压施加到所述硅棒，其中所述电压足以点燃所述硅棒；

通过所述第一电源使所述硅棒导通电流，从而将所述硅棒加热至预定温度范围内的温度；以及

从所述点燃装置中移除所述硅棒。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅棒周围的气体氛围形成于所述点燃装置中，其中所述气体氛围的组成使得所述气体与所述硅棒在点燃和加热过程中不发生反应。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述气体氛围由N₂、H₂、惰性气体或这些气体中的两种或两种以上气体的混合物组成。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅棒被加热至400℃到700℃范围内的温度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅棒至少有一部分是由加热装置来加热，所述加热装置与所述硅棒间隔开。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一电压处于8千伏到15千伏的范围内。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多根硅棒安置在所述点燃装置中，并且其中所述多根硅棒同时或顺次连接到所述第一电压，以点燃所述硅棒并加热所述硅棒。

8.一种用于在硅棒上沉积硅的方法，其特征在于，所述方法包括根据权利要求1到7中任一权利要求所述的方法，随后所述用于在硅棒上沉积硅的方法具有以下步骤：

将多根之前经历过点燃且得到加热的硅棒安置在CVD反应器中；

通过第二电源单元，将第二电压施加给所述硅棒中的每一者，从而点燃所述CVD反应器内部的所述硅棒；

将第三电压施加给所述硅棒中的每一者，从而将所述硅棒加热至另一个预定温度范围内的温度，其中所述第二电压低于所述第一电压；以及

在所述CVD反应器内部形成气体氛围，所述气体氛围使得硅在所述预定温度范围内沉积到所述硅棒上。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第三电压低于所述第二电压。

10.一种用于在CVD反应器外部点燃硅棒的设备，用以制备在CVD反应器中得到后续处理的所述硅棒，所述设备包括：

套管，其包括用于容纳至少一根硅棒的腔室；

至少一对接触电极，其安置在所述腔室中，以固持所述接触电极之间的至少一根硅棒；以及

第一电源单元，其具有至少一个变压器，其中所述变压器的输出端中的每一者各自连接到一对接触电极中的一个接触电极，其中所述变压器包括开路电压，所述开路电压足够高，足以预置所述硅棒中的电流。

11.根据权利要求10所述的设备，其包括用于设定所述腔室内部的预定气体氛围的构件。

12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述变压器包括开路电压，所述开路电压处于8千伏到15千伏的范围内。

13.根据权利要求10所述的设备，其包括至少一个加热装置，所述加热装置布置成，所述加热装置能够借助于辐射能量来加热所述腔室中的硅棒。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述加热装置包括红外辐射器。

15.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，多对接触电极设置在所述腔室中。

16.一种用于在硅棒上沉积硅的设备，所述设备包括根据权利要求10到15中任一权利要求所述的设备以及CVD反应器，所述CVD反应器包括：

多个接触电极，其用于固持多根硅棒；

至少一个第二电源单元，其具有变压器，所述变压器包括开路电压，所述开路电压足以将经历过预点燃的硅棒点燃；

至少一个第三电源，其用于引导电流通过所述硅棒，所述电流高于所述第二电源单元的所述变压器的短路电流；以及

用于在所述CVD反应器内部形成气体氛围的构件，所述气体氛围使得硅在预定温度范围内的温度下沉积到所述硅棒上。