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Die
Erfindung betrifft eine Spann- und Kontaktierungsvorrichtung für
Silizium-Dünnstäbe zu deren Montage und elektrischen
Kontaktierung in Silizium-Abscheidereaktoren, mit mindestens einem
Graphithalter zur frei stehenden Aufnahme jeweils eines Silizium-Dünnstabes.
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Die
in den Silizium-Abscheidereaktoren montierten Silizium-Dünnstäbe
werden bei einer vorgegebenen Spannung durch Stromfluss durch diese hindurch
elektrisch mittels Widerstandsheizung auf eine Temperatur aufgeheizt,
bei der eine Abscheidung von Silizium aus der Dampf- oder Gasphase
auf den Silizium-Dünnstäben erfolgen kann. Die
Abscheidetemperatur liegt bei 900–1350°C und darf
keinesfalls überschritten werden, weil ansonsten die Gefahr
besteht, dass der Silizium-Dünnstab schmilzt oder abbricht.
Im Ergebnis müsste die Abscheidung gestoppt und der Silizium-Abscheidereaktor
nach einer ausreichenden Abkühlung geöffnet werden,
um umgefallene Silizium-Dünnstäbe durch neue Silizium-Dünnstäbe
zu ersetzen. Diese ganze Prozedur würde viel Zeit beanspruchen
und folglich mit einem erheblichen Produktionsausfall einhergehen. Schließlich
muss der Silizium-Abscheidereaktor zunächst abkühlen
und ein Gasaustausch vorgenommen werden, bis dieser geöffnet
werden kann.
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In
der
DE 1 187 098 A wird
ein Verfahren zum Herstellen von Körpern aus hoch gereinigtem Halbleitermaterial
beschrieben. Die zur Durchführung des Verfahrens verwendete
Vorrichtung besteht hauptsächlich aus einem Reaktionsgefäß aus
Glas oder Quarz, in dem zwei Silizium-Dünnstäbe
in Stabhaltern aus reinstem Kohlenstoff oder Graphit frei stehend
befestigt sind und am anderen oberen Ende durch eine Strom leitende
Brücke aus Silizium oder reinstem Kohlenstoff miteinander
verbunden sind.
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Umgeben
wird das Reaktionsgefäß durch einen Reflektorzylinder
und alternativ durch zusätzliche Heizwiderstände.
Nach Erreichen der Abscheidetemperatur wird ein Gemisch aus Siliziumtetrachlorid
und Wasserstoff oder aus Silicochloroform und Wasserstoff in das
Reaktionsgefäß eingeleitet. Alternativ kann auch
Monosilan oder Siliziumjodid eingesetzt werden.
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Bei
neueren Anlagen zur Beschichtung von Silizium-Dünnstäben
werden in einem Reaktionsgefäß eine Vielzahl von
Silizium-Dünnstäben nebeneinander angeordnet und
gleichzeitig beschichtet. Dabei sind immer zwei benachbarte Silizium-Dünnstäbe über
eine Strom leitende Brücke miteinander und über
die Stabhalter am Fußende mit einer Stromversorgung verbunden.
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Insbesondere
bei der elektrischen Heizung der Silizium-Dünnstäbe
nach dem Prinzip der Widerstandsheizung muss speziell während
des Aufheizens der Silizium-Dünnstäbe auf die
Abscheidetemperatur und auch in den ersten Stunden des Abscheideprozesses
ständig durch Steuerung des Stromflusses und visuelle Kontrolle
der Silizium-Dünnstäbe darauf geachtet werden,
dass die vorgegebenen Temperaturen niemals überschritten
werden.
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Die
in Stabhaltern eingesetzten Silizium-Dünnstäbe
besitzen gewöhnlich einen runden oder quadratischen Querschnitt
mit einem Durchmesser von 6–10 mm. Die zumeist aus Graphit
bestehenden Stabhalter sind zu diesem Zweck kegelförmig
angespitzt und von oben her mit einer Sackbohrung zur Aufnahme der
Silizium-Dünnstäbe ausgestattet. Die Stabhalter
können auch im Bereich des Sackloches geschlitzt sein,
um einen gewissen Toleranzausgleich zu ermöglichen und
um Spannungen in gewissen Grenzen beim Aufheizen abzubauen.
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Besonders
kritisch ist hier die elektrische Kontaktierung der Silizium-Dünnstäbe
in den Sacklöchern der Stabhalter. Bei Silizium-Dünnstäben
mit quadratischem Querschnitt findet deren elektrische und mechanische
Kontaktierung über deren Kanten statt. Die Kontaktflächen
sind damit extrem klein mit entsprechend hohem Übergangswiderstand.
Bei Silizium Dünnstäben mit rundem Querschnitt
findet die elektrische und mechanische Kontaktierung am Umfang statt.
Zu Beginn des Aufheizprozesses entstehen dadurch oft Glühpunkte
am elektrischen Übergang Graphit-Silizium, die zum Abschmelzen
bzw. durch mechanischen Stress zum Abbrechen der Silizium-Dünnstäbe
führen. Damit wäre der Prozess unterbrochen und
der Silizium-Abscheidereaktor muss in einer aufwändigen
Prozedur neu bestückt werden.
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Insbesondere
brechen Silizium-Dünnstäbe ab, wenn der Glühpunkt
sehr groß wird, d. h. etwa 1/4 des Stabdurchmessers überschreitet,
oder wenn der Glühpunkt bei runden Silizium-Dünnstäben
um diese „herumlauft”.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spann- und Kontaktierungsvorrichtung
für Silizium-Dünnstäbe zu schaffen, mit
der die Probleme des Standes der Technik sicher vermieden werden
können.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Spann- und
Kontaktierungsvorrichtung für Silizium-Dünnstäbe
zu deren Montage und elektrischen Kontaktierung in Silizium-Abscheidereaktoren,
mit mindestens einem Stabhalter zur frei stehenden Aufnahme jeweils
eines Silizium-Dünnstabes dadurch gelöst, dass
die Anzahl elektrischer und mechanischer Kontaktflächen
zwischen dem Stabhalter und dem Silizium-Dünnstab minimiert
sind, durch Ausbildung von zumindest drei Kontaktelementen am Stabhalter,
die streifenförmig längs mit dem Silizium-Dünnstab
elektrisch und mechanisch in Verbindung stehen.
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Durch
die Erfindung wird einerseits eine definierte Anzahl elektrisch
und mechanischer Kontaktflächen zwischen dem Silizum-Dünnstab
und dem Stabhalter geschaffen und andererseits wird durch den vergrößerten
Abstand zwischen den Kontaktflächen ein „Laufen” der
möglicherweise noch vorhandenen Glühpunkte, die
durch Toleranzprobleme der Kontaktflächen zwischen Graphit
und Silizium bedingt sind, verhindert.
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Im
Ergebnis können wesentlich größere Ströme
eingestellt werden, die eine höhere Temperatur des Silizium-Dünnstabes
erzeugen. Weiterhin wird das Material durch den geringeren Graphitquerschnitt
heißer, woraus eine intensive mechanisch belastbare Verbindung
zwischen Graphit und Silizium resultiert.
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In
einer Fortbildung der Erfindung berühren die Kontaktelemente
den Silizium-Dünnstab an seinem unteren Ende formschlüssig.
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In
einer weiteren Fortbildung der Erfindung berühren die Kontaktelemente
den Silizium-Dünnstab an seinem unteren Ende kraftschlüssig.
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Von
Vorteil ist, wenn der Stabhalter zweiteilig ausgeführt
wird und aus einem Grundelement und einem Spannelement mit den Kontaktelementen
besteht. Das Grundelement kann dann wieder verwendet werden, wohingegen
das Spannelement als verlorenes Element gilt und für jeden
neuen Silizium-Dünnstab ein neues Spannelement eingesetzt werden
muss. Der Grund hierfür ist, dass die Spannelemente durch
deren intensive Verbindung mit dem Silizium zerstört werden.
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Das
Spannelement ist mit dem Grundelement formschlüssig sowie
leicht kraftschlüssig verbunden, so dass ein leichter Austausch
der Spannelemente möglich ist.
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In
einer ersten Variante für Silizium-Dünnstäbe
mit quadratischem Querschnitt enthält das Spannelement
vier um 90° versetzt angeordnete schmale Kontaktelemente
mit schmalen Kontaktflächen.
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In
einer zweiten Variante enthält das Spannelement für
Silizium-Dünnstäbe mit rundem Querschnitt drei
um 120° zueinander versetzt angeordnete Kontaktelemente
mit schmalen Kontaktflächen.
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In
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung weisen die drei oder
vier Kontaktelemente den Außenumriss eines Kegels auf und
stehen auf einem Grundelement. Auf den Kontaktelementen liegt ein Spannring
auf, der axial in Richtung zum Grundelement, die Kontaktelemente
um das untere Ende des Silizium-Dünnstabes zusammendrückend,
spannbar ist.
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Der
Spannring kann auf das Grundelement aufschraubbar oder mit einer
Schnellspanneinrichtung gegenüber dem Grundelement verspannbar sein.
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Um
eine gleichmäßige Kraftverteilung zu erreichen,
ist der Spannring mit einer zentralen Öffnung versehen,
deren Innenwand sich nach unten in Richtung zum Grundelement entsprechend
dem Außenumriss der Kontaktelemente erweitert. Der Spannring muss
nicht notwendigerweise elektrisch leitend sein und sollte aus einem
hinreichend festen und temperaturbeständigem Material bestehen.
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Die
erfindungsgemäße Spann- und Kontaktierungsvorrichtung
kann vorteilhaft in einem Silizium-Abscheidereaktor unter gleichzeitiger
Zuführung von Silandampf oder -gas zu Beginn des Aufheizprozesses
der Silizium-Dünnstäbe verwendet werden.
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Das
ist durch die bereits zu Beginn des Aufheizprozesses erreichbaren
hohen Temperaturen der Kontaktflächen mit dem Ergebnis
möglich, dass der zugegebene Silandampf an den heißeren
Stellen zu einer Abscheidung führt, was eine Selbstheilung
zur Folge hat.
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Die
Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden. In den zugehörigen
Zeichnungsfiguren zeigen:
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1:
eine schematische Draufsicht auf einen Stabhalter mit eingesetztem
Silizium-Dünnstab mit quadratischem Querschnitt;
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2:
eine Seitenansicht des Stabhalters nach 1;
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3:
den Stabhalter nach 2 mit eingesetztem Silizium-Dünnstab;
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4:
einen zweiteiligen Stabhalter;
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5:
eine schematische Draufsicht auf einen Stabhalter für runde
Silizium-Dünnstäbe, der nach dem Prinzip eines
Bohrmaschinenfutters ausgebildet ist; und
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6:
eine schematische Schnittdarstellung des Stabhalters nach 5.
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Aus 1 ist
eine schematische Draufsicht auf einen Stabhalter 1 aus
Graphit mit eingesetztem Silizium-Dünnstab 2 mit
quadratischem Querschnitt ersichtlich und 2 zeigt
eine Seitenansicht des Stabhalters 1 nach 1,
jedoch ohne eingesetzten Silizium-Dünnstab 2.
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Eingesetzt
werden die erfindungsgemäßen Stabhalter 1 in
nicht dargestellten Silizium-Abscheidereaktoren zur Herstellung
von Siliziumstäben größeren Durchmessers.
Dabei werden diese immer paarweise angeordnet, um jeweils einen
Silizium-Dünnstab 2 mit quadratischen oder jeweils
einen runden Silizium-Dünnstab 3 frei stehend
aufnahmen zu können. Das somit gebildete Paar an Silizium-Dünnstäben 2, 3 ist
an deren oberen freien Ende durch eine nicht dargestellte elektrisch
leitende Verbindung aus Silizium oder Graphit miteinander verbunden,
so dass von den als Fußkontakten ausgebildeten Stabhaltern 1 über
die elektrisch leitende Verbindung ein Stromkreis über
eine Stromversorgung aufgebaut werden kann. Dieser Stromkreis ist
notwendig, um in Verbindung mit einer elektrischen Stromversorgung
eine Widerstandsheizung der Silizium-Dünnstäbe 2, 3 realisieren
zu können.
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Erfindungsgemäß ist
die Anzahl elektrischer und mechanischer Kontaktflächen
zwischen dem Stabhalter 1 und dem Silizium-Dünnstab 2, 3 minimiert,
durch Ausbildung von vier definierten Kontaktelementen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 am
Stabhalter 1 (1), die streifenförmig
längs mit dem Silizium-Dünnstab 2 elektrisch
und mechanisch in Verbindung stehen, oder durch Ausbildung von drei
Kontaktelementen 5.1, 5.2, 5.3 am Stabhalter 6 (4).
Die vier Kontaktelemente 4 sind dabei um jeweils 90° versetzt
angeordnet und die drei Kontaktelemente 5.1, 5.2, 5.3 um jeweils
120°.
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Die
Kontaktelemente 4, 5 berühren den Silizium-Dünnstab 2; 3 an
seinem unteren Ende formschlüssig, wie in 1, 2 dargestellt,
oder form- und kraftschlüssig, wie in 4, 5 dargestellt durch
Ausbildung von schmalen Kontaktflächen.
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Die
Stabhalter 1 können zweiteilig ausgeführt
werden und aus einem Grundelement 7 und einem Spannelement 8 mit
den Kontaktelementen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 bestehen
(4).
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5, 6 zeigen
eine besondere Ausgestaltung der Erfindung, bei der die drei Kontaktelemente 5.1, 5.2, 5.3 den
Außenumriss eines Kegels aufweisen und die auf dem Grundelement 7 radial verschiebbar
stehen. Das Spannelement wird hier durch die Kontaktelemente 5.1, 5.2, 5.3 und
einen zugehörigen Spannring 9 gebildet. Auf den
Kontaktelementen 5 liegt ein Spannring 9 auf,
der axial in Richtung zum Grundelement 7, die Kontaktelemente 5 um das
untere Ende des Silizium-Dünnstabes 3 ähnlich wie
bei einem Bohrmaschinenfutter zusammendrückend, spannbar
ist.
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Der
Spannring 9 kann dazu auf das Grundelement 7 aufschraubbar
sein, wie in 6 dargestellt, oder mit einer
Schnellspanneinrichtung gegenüber dem Grundelement 7 verspannbar
sein.
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Um
eine gleichmäßige Kraftverteilung zu erreichen,
ist der Spannring 9 mit einer zentrischen Öffnung 10 versehen,
deren Innenwand sich nach unten in Richtung zum Grundelement 7 entsprechend
dem Außenumriss der Kontaktelemente 5 erweitert.
Dadurch wird eine größere Verbindungsfläche
zwischen dem Spannring 9 und den Kontaktelementen 5 vergrößert
und somit eine bessere Kraftübertragung erreicht.
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Der
Vorteil der Aufteilung in Grundelement 7 und Spannelement 8 besteht
darin, dass das Grundelement 7 wieder verwendet werden
kann, wohingegen das Spannelement 8 als verlorenes Element
gilt und für jeden neuen Silizium-Dünnstab 2, 3 ein
neues Spannelement 8 eingesetzt werden muss. Der Grund hierfür
ist, dass die Spannelemente 8, d. h. die Kontaktelemente 4, 5 durch
deren intensive Verbindung mit dem Silizium und die hohe Temperatur
zerstört werden.
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Das
Spannelement 8 ist mit dem Grundelement 7 beispielsweise formschlüssig
sowie leicht kraftschlüssig verbunden, so dass ein leichter
Austausch der Spannelemente möglich ist (4).
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Bei
der in 5, 6 dargestellten Variante kann
der Austausch durch einfaches Abschrauben des Spannringes 9 zusammen
mit den Kontaktelementen 5 vorgenommen werden.
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Durch
die Erfindung wird einerseits eine definierte Anzahl schmaler elektrischer
und mechanischer Kontaktflächen zwischen dem Silizium-Dünnstab 2, 3 und
dem Stabhalter 1 geschaffen und andererseits wird durch
den vergrößerten Abstand zwischen den Kontaktflächen
der Kontaktelemente 4, 5 und dem Silizium-Dünnstab 2, 3 ein „Laufen” der möglicherweise
noch vorhandenen Glühpunkte, die durch Toleranzprobleme
der Kontaktflächen bedingt sind, verhindert.
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Insbesondere
wird bei Silizium-Dünnstäben 2 mit quadratischem
Querschnitt deren Kontaktierung über deren Kanten vermieden.
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Im
Ergebnis können wesentlich größere Ströme
eingestellt werden, die eine höhere Temperatur der Silizium-Dünnstäbe 2, 3 erzeugen
und eine schnellere Aufheizung ermöglichen. Weiterhin wird das
Material durch den geringeren Graphitquerschnitt, d. h. die definierten
schmalen Kontaktflächen, heißer, woraus eine intensivere
mechanisch belastbare Verbindung zwischen Graphit und Silizium resultiert.
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Die
erfindungsgemäße Spann- und Kontaktierungsvorrichtung
kann vorteilhaft in einem Abscheidereaktor unter gleichzeitiger
Zuführung von Silandampf oder -gas bereits zu Beginn des
Aufheizprozesses der Silizium-Dünnstäbe 2, 3 verwendet werden.
-
Das
ist durch die bereits zu Beginn des Aufheizprozesses erreichbaren
hohen Temperaturen der Kontaktflächen zwischen Stabhalter 1 und
Silizium-Dünnstab 2, 3 mit dem Ergebnis möglich,
dass der zugegebene Silandampf oder -gas an den heißeren
Stellen zu einer Abscheidung führt, was eine Selbstheilung
der Silizium-Dünnstäbe 2, 3 zur
Folge hat. Daraus resultiert eine höhere Standfestigkeit.
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- 1
- Stabhalter
- 2
- Silizium-Dünnstab
- 3
- Silizium-Dünnstab
- 4.1–4.4
- Kontaktelement
- 5.1–5.3
- Kontaktelement
- 6
- Stabhalter
- 7
- Grundelement
- 8
- Spannelement
- 9
- Spannring
- 10
- Öffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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