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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Silizium, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Siliziumingots.
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Es ist in der Halbleitertechnik und der Photovoltaik bekannt, Siliziumstäbe mit einer hohen Reinheit, zum Beispiel nachdem Siemensverfahren in Abscheidungsreaktoren, die auch als CVD-Reaktoren bezeichnet werden, zu erzeugen. Hierzu werden zunächst Siliziumdünnstäbe in den Reaktoren aufgenommen, auf denen dann während eines Abscheidungsprozesses Silizium abgeschieden wird, um dickere Siliziumstäbe zu erzeugen.
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Diese Siliziumstäbe werden anschließend abgekühlt und anderen Prozessen zugeführt. Für nachfolgende Prozesse werden die Siliziumstäbe in der Regel wenigstens teilweise zerkleinert, um Siliziumbruchstücke zu erhalten und anschließend werden diese Siliziumbruchstücke für eine weitere Verarbeitung des Siliziums wiederum aufgeschmolzen. Eine solche weitere Verarbeitung stellt beispielsweise das Ziehen von Silizium-Einkristallen aus einer Siliziumschmelze dar. Ein weiterer Prozess sieht beispielsweise das Aufschmelzen der Siliziumbruchstücke in einem Schmelztiegel gefolgt durch eine gerichtete Erstarrung in dem Schmelztiegel vor.
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Vor dem Aufschmelzen der Siliziumbruchstücke werden diese üblicherweise einem Oberflächenreinigungsschritt mittels Ätzen unterzogen, um Verunreinigungen in einer Siliziumschmelze zu verhindern.
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Ein Problem beim CVD-Abscheideprozess ist die sogenannte Popcorn-Bildung, d. h. die Bildung von Lufteinschlüssen während der Schichtbildung, da der CVD-Abscheideprozess abhängig vom Kammerdruck, der Gaszusammensetzung und der Abscheidetemperatur mehr oder weniger poröses Silizium bildet. Solche Lufteinschlüsse entstehen insbesondere bei hohen Wachstumsraten, sodass die Wachstumsraten gedrosselt werden müssen. Eine solche Popcornbildung könnte nämlich sonst dazu führen, dass sich bei einem Ätzschritt die Ätzflüssigkeit in den durch die Popcornbildung gebildeten Strukturen festsetzt, was zu Verunreinigungen in der Siliziumschmelze führen kann. Daher muss beim CVD Abscheidungsprozess die Wachstumsrate kontrolliert werden. Bei den obigen Vorgängen werden die einzelnen Siliziumstäbe nach Ihrer Ausbildung im CVD-Reaktor jeweils zunächst abgekühlt, die Stäbe werden dann entnommen und gebrochen, gefolgt durch ein anschließendes Erwärmen der Siliziumstäbe oder Bruchstücke derselben zum Erzeugen einer Siliziumschmelze. Dies erfordert einen sehr hohen Energieaufwand, da die Siliziummasse erst abgekühlt und dann wieder erhitzt wird.
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Darüber hinaus sind die für die Abscheidung erforderlichen Siliziumdünnstäbe für die CVD-Reaktoren sehr teuer, und die Abscheidung ist in den ersten Stunden relativ langsam, da nur eine geringe Massenabscheidung wegen des geringen Durchmessers der Dünnstäbe möglich ist. Auch ist eine Zündung der Siliziumdünnstäbe innerhalb des CVD-Reaktors aufgrund der inhärenten Eigenschaften des Siliziums aufwändig.
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Ausgehend von den obigen Prozessen liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Silizium vorzusehen, das bzw. die wenigstens eines der oben genannten Probleme überwindet.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Herstellen von Silizium nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zum Herstellen von Silizium nach Anspruch 12 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Insbesondere weist das Verfahren zum Herstellen von Silizium in einer Prozesskammer die folgenden Schritte auf: das Einleiten eines Silane enthaltenden Prozessgases in die Prozesskammer, das Erwärmen wenigstens eines innerhalb der Prozesskammer angeordneten Elements auf eine erste Temperatur, die in einem Temperaturbereich liegt, bei dem sich aus dem Prozessgas Silizium auf dem wenigstens einen Element abscheidet, um eine Siliziumschicht hierauf auszubilden, das anschließende Erwärmen des wenigstens einen Elements und/oder der darauf ausgebildeten Siliziumschicht auf eine zweite, höhere Temperatur, die in einem Temperaturbereich liegt, bei dem die Siliziumschicht wenigstens teilweise schmilzt und von dem wenigstens einen Element in flüssiger Form abfließt, und das Sammeln des flüssigen Siliziums. Ein solches Verfahren ermöglicht die Ausbildung von Silizium auf einem Element und das Überführen des so ausgebildeten Siliziums ohne eine dazwischen liegende Abkühlung direkt in einen flüssigen Zustand, in dem es einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden kann. Während des Schichtwachstums können sehr hohe Wachstumsraten eingestellt werden, da die Qualität der Siliziumschicht zum Beispiel hinsichtlich einer Popcornbildung keinen Einfluss auf das schlussendlich gesammelte flüssige Silizium hat. Es kann auf die Verwendung teuerer Siliziumdünnstäbe verzichtet werden, wodurch auch die damit assoziierten Zündprobleme nicht auftreten können.
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Vorzugsweise wird das Prozessgas vor dem Erwärmen des wenigstens einen Elements und/oder der darauf ausgebildeten Siliziumschicht auf die zweite Temperatur durch ein Gas ausgetauscht, das keine Verunreinigungen in die ausgebildete Siliziumschicht oder das entstehende flüssige Silizium einbringt. Insbesondere kann das Gas ein inertes Gas sein. Hierdurch wird einerseits eine kontrollierte Beendigung des Schichtwachstums erreicht, und andererseits verhindert, dass Prozessgas gegebenenfalls gemeinsam mit dem flüssigen Silizium aus der Prozesskammer austritt.
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Obwohl Schichtbildung auch bei Drucken von weniger als 4 bar erfolgen kann, wird der Druck in der Prozeßkammer vorzugsweise während der Schichtbildung auf zwischen 4 bar und 6 bis 7 bar gehalten und der Druck während des Schmelzens der Siliziumschicht auf einem Druck unter einem bar insbesondere im Bereich von 600 mbar gehalten.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das flüssige Silizium in einem Tiegel gesammelt und anschließend kontrolliert abgekühlt, um eine gerichtete Erstarrung des Siliziums zu erreichen. Hierdurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Kombination eines CVD-Siliziumwachstumsprozesses und eines Kristallisationsprozesses, bei dem das einmal gebildete Silizium auf einem hohen Temperaturniveau ohne eine dazwischen liegende Abkühlung gehalten werden kann. Dadurch kann der Energieaufwand und der Zeitaufwand für die Herstellung eines gerichtet erstarrten Siliziumblocks erheblich reduziert werden.
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Vorzugsweise wird wenigstens ein Tiegel derart unter dem wenigstens einen Element angeordnet, dass wenigstens ein Teil des abfließenden Siliziums direkt, d. h. ohne Kontakt mit anderen Elementen, in den Tiegel fließt. Hierdurch können Verunreinigungen der Schmelze im Tiegel auf ein Minimum reduziert werden. Vorzugsweise wird der Tiegel vor der Aufnahme des flüssigen Siliziums auf eine Temperatur auf oder oberhalb des Schmelzpunktes des Siliziums erwärmt, um einen thermischen Schock zwischen dem flüssigen Silizium und dem Tiegel zu vermeiden. Insbesondere kann damit erreicht werden, dass das Silizium nicht durch Kontakt mit dem Tiegel sofort abkühlt und fest wird, so dass eine anschließende gerichtete Erstarrung möglich ist.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Schmelzen der Siliziumschicht eine Trennwand des Prozessraums zu einem den Tiegel aufnehmenden Raum geöffnet, so dass der Prozessraum nur das für das Siliziumwachstum erforderliche Raumvolumen benötigt, während der Tiegel in einem hierzu benachbarten Raum angeordnet sein kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das wenigstens eine Element mittels Widerstandheizung des wenigstens einen Elements auf die erste und/oder die zweite Temperatur erwärmt. Es ist auch möglich, dass die Siliziumschicht wenigstens teilweise über eine getrennt von dem wenigstens einen Element vorgesehene Heizvorrichtung auf die erste und/oder zweite Temperatur erwärmt wird. Das Erwärmen über eine solche getrennte Heizvorrichtung ist insbesondere bei der Erwärmung auf die zweite Temperatur von Vorteil, da die Siliziumschicht dann von außen her abschmilzt und ein plötzliches Abrutschen der Siliziumschicht von dem wenigstens einen Element verhindert wird.
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Vorzugsweise wird nach einem wenigstens teilweisen Abschmelzen der Siliziumschicht das wenigstens eine Element und/oder die noch darauf befindliche Siliziumschicht wieder auf die erste Temperatur gebracht, um eine erneute Abscheidung einer Siliziumschicht aus einem entsprechenden, Silan enthaltenden Prozessgas auf dem wenigstens einen Element vorzusehen, die nachfolgend wieder durch eine entsprechende Temperaturerhöhung abgeschmolzen wird, wobei das entstehende flüssige Silizium wieder gesammelt wird. Hierdurch kann ein kontinuierlicher Prozess, der zwischen Siliziumwachstum und Abschmelzen hin- und herpendelt erreicht werden, ohne dass der Prozessraum je auf Umgebungstemperatur abkühlen muss. Eine solche Abkühlung ist nur erforderlich, wenn das wenigstens eine Element zum Beispiel fehlerhaft arbeitet oder ausgetauscht werden muss. Vorzugsweise wird während eines Silizium-Abscheidungszyklus jeweils eine Siliziummenge abgeschieden, die ausreicht, um einen entsprechenden Tiegel anschließend durch das entstehende flüssige Silizium im Wesentlichen vollständig zu füllen. Die gebildete Siliziummenge kann über verschiedene Prozessparameter gesteuert werden, wie beispielsweise die eingeleitete Prozessgasmenge, eine Schichtdickenmessung der gebildeten Siliziumschicht auf dem wenigstens einen Element etc.
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Die Vorrichtung zum Herstellen von Silizium weist wenigstens eine erste Prozesskammer, wenigstens ein in der Prozesskammer angeordnetes Element, und wenigstens eine steuerbare Heizvorrichtung auf, die geeignet ist, das wenigstens eine Element auf erste und/oder zweite Temperaturen zu erwärmen. Die erste Temperatur liegt in einem Temperaturbereich, bei dem sich Silizium aus einem Silane enthaltenden Prozessgas auf dem wenigstens einen Element abscheiden kann, um eine Siliziumschicht hierauf auszubilden. Die zweite Temperatur liegt in einem Temperaturbereich, bei dem eine auf dem wenigstens einen Element ausgebildete Siliziumschicht wenigstens teilweise schmilzt und von dem wenigstens einen Element in flüssiger Form abfließt. Ferner ist wenigstens eine Anordnung zum kontrollierten Sammeln und/oder Ableiten von flüssigem Silizium, das von dem wenigstens einen Element abfließt, vorgesehen.
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Eine solche Vorrichtung ermöglicht einen kontinuierlichen Siliziumherstellungsprozess, der zwischen einer Schichtbildung und dem Schmelzen der gebildeten Schicht hin und her wechseln kann. Die Vorteile eines solchen Prozesses sind schon oben ausgeführt.
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Vorzugsweise ist das wenigstens eine Element derart in der Prozesskammer gehalten, dass unterhalb des wenigstens einen Elements ein freier Raum gebildet wird, in den das Silizium frei von dem wenigstens einen Element abfließen kann. Dabei kann das wenigstens eine Element vorzugsweise frei hängend an einer Decke der Prozesskammer aufgehängt sein. Hierdurch ergibt sich ein einfacher Aufbau der Prozesskammer.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens eine Element ein elektrisch leitendes Grundelement auf, das mit einer Stromversorgung verbunden ist, um das Grundelement über einen Widerstandsheizeffekt aufheizen zu können. Hierdurch ergibt sich ein einfacher, kombinierter Aufbau bei dem das wenigstens eine Element selbst einen Teil der wenigstens einen steuerbaren Heizvorrichtung bildet. Dabei kann das Grundelement vorzugsweise aus Graphit oder CFC bestehen und eine optionale Nitridbeschichtung, insbesondere eine Siliziumnitridbeschichtung, aufweisen. Sowohl Graphit als auch CFC ermöglichen das Erreichen hoher Temperaturen über Widerstandsheizung, und die optionale Nitridbeschichtung ermöglicht eine entsprechende Siliziumabscheidung ohne die Gefahr einer Verunreinigung des Siliziums. Gleichzeitig sieht die Beschichtung eine elektrische Isolierung zu dem Grundelement vor, so dass der Widerstandheizeffekt durch die aufwachsende Siliziumschicht nicht beeinflusst wird. Ferner wird eine SiC Bildung am Grundelement verhindert. Ein Defekt der Beschichtung lässt sich dabei leicht durch eine Veränderung des Widerstandswertes des Grundelements während eines Schichtwachstums feststellen.
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Bei einer alternativen Ausführungsform weist das wenigstens eine Element ein Siliziumnitridelement oder ein Grundelement mit einer Siliziumnitridbeschichtung auf, das einen Hohlraum zur Aufnahme einer Heizvorrichtung, insbesondere in Form eines Widerstandsheizelements und/oder einer Heizlampe aufweist. Bei diesem Aufbau des wenigstens einen Elements können unterschiedliche Heizvorrichtungen eingesetzt werden, die insbesondere über das wenigstens eine Element von der Prozessumgebung isoliert werden können.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens eine Element eine Stabform mit einem Durchmesser von vorzugsweise größer vier Zentimeter auf. Eine Stabform bietet eine gute Oberfläche und Umströmbarkeit des wenigstens einen Elements mit dem Prozessgas, um eine gute Schichtbildung zu ermöglichen. Die Wahl eines Durchmessers von größer 4 cm ermöglicht von Anfang an einen guten Schichtaufbau aufgrund einer größeren Oberfläche gegenüber Siliziumdünnstäben, die in der Regel einen Durchmesser von 2 cm oder darunter aufweisen. Natürlich kann der Durchmesser auch noch größer gewählt werden und insbesondere hinsichtlich eines schnellen Wachstums optimiert werden. Über die Wahl des Durchmessers kann die Wachstumsrate beeinflusst werden, da es sich um eine Oberflächenabscheidung handelt. Wie zuvor erwähnt, ist eine Popcorn-Bildung bei einem schnellen Siliziumwachstum bei dieser Art Vorrichtung nicht schädlich ist, da das gebildete Silizium direkt in eine Schmelze übergeht und vor einer weiteren Verarbeitung nicht gereinigt werden muss.
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Bei einer alternativen Ausführungsform weist das wenigstens eine Element eine Plattenform auf. Vorzugsweise ist eine Vielzahl der Elemente vorgesehen, um ein ausreichendes Siliziumwachstum innerhalb eines Wachstumszyklus zu ermöglichen.
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Die wenigstens eine Anordnung zum kontrollierten Sammeln und/oder Ableiten von flüssigem Silizium weist vorzugsweise einen Tiegel zur Aufnahme des flüssigen Siliziums auf, in dem beispielsweise direkt eine weitere Behandlung des Siliziums in Form einer gerichteten Erstarrung durchgeführt werden kann. Dabei ist der Tiegel vorzugsweise direkt derart unterhalb des wenigstens einen Elements platzierbar, dass von dem wenigstens einen Element abfließendes Silizium direkt in den Tiegel fließt. Hierdurch kann der Verunreinigungsgrad der im Tiegel gebildeten Siliziumschmelze gering gehalten werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine zweite Heizvorrichtung zum Erwärmen des Tiegels auf eine Temperatur auf oder Oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium vorgesehen, damit das flüssige Silizium, wenn es in den Tiegel fließt, nicht unkontrolliert erstarrt. Dabei ist die wenigstens eine zweite Heizvorrichtung vorzugsweise steuerbar, um eine kontrollierte Abkühlung einer Siliziumschmelze im Tiegel vorsehen zu können, um beispielsweise eine gerichtete Erstarrung der Schmelze im Tiegel von unten nach oben zu erreichen. Hierdurch kann auf einfache und kostengünstige Weise ein Siliziumblock, der durch gerichtete Erstarrung gebildet wird, und beispielsweise für die Photovoltaik eingesetzt werden kann, erhalten werden. Für eine kontrollierte Abkühlung kann auch wenigstens eine aktive Kühleinheit vorgesehen sein, die so angeordnet ist, dass sie einen Tiegel aktiv abkühlen kann. Hierdurch kann der Prozess der gerichteten Erstarrung vorteilhaft kontrolliert werden.
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Die Vorrichtung kann eine zweite Prozesskammer aufweisen, die von der ersten Prozesskammer getrennt ist oder von dieser mittels eines Trennelements getrennt werden kann, wobei der Tiegel in der zweiten Prozesskammer angeordnet werden kann. Als eine Trennung der ersten und zweiten Prozesskammer wird es auch angesehen, wenn die ersten und zweiten Prozesskammern über eine Rohrleitung, die gegebenenfalls geöffnet und/oder geschlossen werden kann, miteinander in Verbindung stehen. Das Öffnen/Schließen der Rohrleitungen könnte natürlich auch über das Erstarren oder Schmelzen des die Rohrleitungen passierenden Siliziummaterials erfolgen. Hierdurch ist es möglich, innerhalb der ersten und zweiten Prozesskammern unterschiedliche Prozesse, wie beispielsweise ein Schichtwachstum in der ersten Prozesskammer und eine gerichtete Erstarrung in der zweiten Prozesskammer vorzusehen. Insbesondere können mehrere zweite Prozesskammern vorgesehen sein, die jeweils über in der ersten Prozesskammer gebildetes Silizium beliefert werden, da der Prozess der gerichteten Erstarrung gegebenenfalls länger dauert als der Siliziumbildungsprozess.
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Vorzugsweise ist wenigstens eine Vorrichtung zum Einstellen einer gewünschten Prozessatmosphäre in der wenigstens einen Prozesskammer vorgesehen, um den jeweiligen Prozess, wie beispielsweise den Siliziumabscheidungsprozess und/oder einen gerichteten Erstarrungsprozess vorteilhaft einstellen zu können.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die wenigstens eine Anordnung zum kontrollierten Sammeln und/oder Ableiten von flüssigem Silizium wenigstens eine mit einem Boden des ersten Prozessraums in Verbindung stehende Rohrleitung für flüssiges Silizium und wenigstens eine Heizeinrichtung zum Erwärmen der Rohrleitung auf eine Temperatur auf oder oberhalb der Schmelztemperatur von Silizium auf. Eine solche Rohrleitung ermöglicht das kontrollierte Ableiten von flüssigem Silizium auch über längere Strecken in eine entsprechende Aufnahme, wie beispielsweise einen Tiegel in einer zweiten Prozesskammer. Durch die wenigstens eine Heizeinrichtung kann das flüssige Silizium auch über längere Strecken ohne die Gefahr einer Verfestigung gefördert werden.
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Sind die Seitenwände thermisch von der Reaktoraußenwand isoliert, kann eine Abscheidung von Silizium auch an den Seitenwänden erfolgen, sobald deren Temperatur oberhalb der Abscheidetemperatur des Siliziums liegt. Damit sich an den Seitenwänden über die Zeit nicht zuviel Silizium ansammelt, müssen in diesem Fall die Seitenwände ebenfalls abgeschmolzen werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass, sobald das an den Seitenwänden abgeschiedene Silizium eine bestimmte Minimaldicke überschreitet, die Seitenwände nach dem Abschmelzen des Siliziums von den Stäben über die Stäbe oder über andere Vorrichtungen zum Aufheizen von Material, wie beispielsweise Widerstandsheizelemente oder Strahlungsheizelemente soweit aufgeheizt werden, dass das an den Seitenwänden abgeschiedene Silizium ebenfalls schmilzt. Ist das von den Seitenwänden abgeschmolzene Silizium hinreichend rein, kann es mit in einen Tiegel für die Kristallisation geleitet werden. Ist die Reinheit des an der Wand abgeschiedenen Silizums nicht ausreichend hoch, kann dieses Material nach dem Abfüllen eines von beispielsweise mehreren Kristallisationsbehältern in einem weiteren Behälter, welcher eingeführt wird aufgenommen werden, und über eine TCS-Synthese wieder dem Prozess zugeführt werden.
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Vorzugsweise sind alle Oberflächen, der Prozesskammer und assoziierter Elemente, die mit dem Prozessgas und oder dem flüssigen Silizium in Kontakt kommen können jeweils aus einem Material, das keine wesentlichen Verunreinigungen gen im entstehenden Silizium erzeugt.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Herstellen von Silizium;
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2 eine schematische Schnittansicht durch eine alternative Vorrichtung zum Herstellen von Silizium;
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3 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zum Herstellen von Silizium;
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4 eine schematische Detailansicht von Abscheidungselementen, die in den Vorrichtungen gemäß den 1 bis 3 aufgenommen sein können;
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5 eine schematische Schnittdarstellung eines alternativen Abscheidungselements, das in den Vorrichtungen gemäß den 1 bis 3 einsetzbar ist.
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In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Begriffe, wie oben, unten, rechts, links etc. beziehen sich auf die Darstellung in den Figuren und sind nicht einschränkend zu sehen, obwohl sie eine bevorzugte Ausrichtung darstellen können.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung 1 zum Herstellen von Silizium. Die Vorrichtung 1 besitzt ein Gehäuse 3, das im Inneren eine Prozesskammer 4 bildet. Am Gehäuse 3 sind Gasanschlüsse 5 vorgesehen, über die kontrolliert Gas in die Prozesskammer ein- bzw. ausgeleitet werden kann. Insbesondere kann ein Inertgas oder ein Prozessgas, insbesondere ein Silan enthaltendes Prozessgas, wie Trichlorsilan oder Monosilan in die Prozesskammer 4 eingeleitet und ausgeleitet werden.
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An einer Deckenwand des Gehäuses 3 ist ein Plattenelement befestigt, das nachfolgend als Abscheidungselement 7 bezeichnet wird. Das Abscheidungselement 7 ist aus einem geeigneten Material, das bei einem Siliziumabscheidungsprozess keine oder nur unwesentliche Verunreinigungen im Silizium vorsieht und das auch bei den erforderlichen Abscheidungstemperaturen eine ausreichende Formstabilität besitzt. Darüber hinaus kann das Plattenmaterial aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, um eine Erwärmung desselben über eine eigene Widerstandsheizung zu ermöglichen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Abscheidungselement 7 als eine Graphitplatte oder ein CFC-Plattenelement ausgebildet, die beispielsweise jeweils eine Beschichtung, insbesondere eine Siliziumnitridbeschichtung, aufweisen können. Eine solche Siliziumnitridbeschichtung sieht einerseits eine Isolierung des Grundmaterials gegenüber der Prozessatmosphäre vor. Ferner sieht die Beschichtung auch eine elektrische Isolierung gegenüber einer auf dem Abscheidungselement 7 ausgebildeten Siliziumschicht vor, die während eines Abscheidungsvorgangs gebildet werden kann, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Obwohl in 1 nur ein Abscheidungselement 7 zu erkennen ist, sei bemerkt, dass senkrecht zur Blattebene der 1 eine Vielzahl solcher Abscheidungselemente 7 angeordnet sein kann.
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Die Abscheidungselemente 7 sind jeweils über nicht dargestellte Elektrodeneinheiten derart kontaktiert, dass ein Stromfluss durch die Abscheidungselemente 7 für eine Erwärmung mittels Widerstandsheizung möglich ist.
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Alternativ und/oder zusätzlich ist es auch möglich, innerhalb der Prozesskammer eine oder mehrere Heizeinheiten vorzusehen, welche die Abscheidungselemente 7 oder darauf ausgebildete Siliziumschichten beispielsweise über Wärmestrahlung auf vorgegebene Temperaturbereiche erwärmen können.
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Unterhalb der Abscheidungselemente 7 ist ein Trichterelement 10 vorgesehen, das sich von Seitenwänden der Prozesskammer 4 zu einer im Boden der Prozesskammer 4 ausgebildeten Auslassöffnung 12 erstreckt. Das Trichterelement 10 kann über eine nicht näher dargestellte Heizeinheit auf eine Temperatur erwärmt werden, die auf oder über einem Schmelzpunkt von Silizium liegt.
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Am Boden der Prozesskammer 4 ist eine Auslassöffnung 12 vorgesehen, die mit einem Rohrleitungssystem 14 in Verbindung steht. Das Rohrleitungssystem 14 besteht aus zwei Leitungen 16, die wechselseitig gegebenenfalls über ein Stellelement 18 mit dem Auslass 12 der Prozesskammer 4 verbindbar sind. Die Rohrleitungen 16 stehen jeweils mit einem Gehäuse 23 in Verbindung, in dem jeweils eine Kammer 24 zur Aufnahme eines Tiegels 26 ausgebildet ist. Dabei ist der Tiegel 26 jeweils so positionierbar, dass aus der Rohrleitung 16 in die Kammer 24 austretende Flüssigkeit in den Tiegel 26 gelangt. Die Rohrleitungen können beispielsweise Graphitrohre sein, die außen von einer thermischen Isolierung umgeben sind und innen eine Nitridbeschichtung aufweisen. Die Graphitohre könnten über eine entsprechende elektrische Kontaktierung auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium erwärmt werden, um eine sichere Durchleitung von flüssigem Silizium zu ermöglichen. Alternativ könnte aber auch eine alternative Heizeinheit im Bereich der Rohrleitungen vorgesehen sein, und es könnten auch mehrere Rohrleitungen vorgesehen seien.
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Das Gehäuse 23 besitzt jeweils eine Be-/Entladeöffnung zum Be- und Entladen des Tiegels 26, die über ein entsprechendes Türelement 28 verschließbar ist.
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Im Bereich der Kammer 24 ist eine nicht näher dargestellte Heizeinheit vorgesehen, die in der Lage ist, einen darin aufgenommenen Tiegel 26 auf eine Temperatur zu erwärmen, die auf oder oberhalb eines Schmelzpunktes von Silizium liegt. Die Heizeinheit kann so aufgebaut sein, dass sie eine kontrollierte Abkühlung einer in dem Tiegel 26 aufgenommenen Siliziumschmelze erreichen kann, um beispielsweise eine gerichtete Erstarrung von unten nach oben innerhalb des Tiegels 26 zu erreichen.
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Der Betrieb der Vorrichtung 1 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 näher erläutert.
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Zunächst wird über einen Prozessgasanschluss 5 ein Silane enthaltendes Prozessgas in die Prozesskammer 4 eingeleitet. Anschließend wird das Abscheidungselement 7 auf eine Temperatur erwärmt, bei der sich Silizium aus dem Silane enthaltenden Prozessgas auf dem Abscheidungselement 7 abscheiden. Hierdurch wird eine wachsende Siliziumschicht auf dem Abscheidungselement 7 ausgebildet. Während dieses Prozesses wird ständig Prozessgas über einen der Anschlüsse 5 zugeführt, während über den anderen Anschluss 5 das Prozessgas abgeführt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass für den Abscheidungsprozess immer ausreichend Silane enthaltendes Prozessgas zur Verfügung steht. Insbesondere ist es möglich, die Abscheidungselemente 7 während des Abscheidungsprozesses förmlich zu umspülen. Wenn eine ausreichende Dicke der Siliziumschicht auf dem Abscheidungselement 7 aufgewachsen ist, wird die Zufuhr des Silane enthaltenden Prozessgases unterbrochen. Durch entsprechende Zufuhr eines Inert-Gases, wie beispielsweise Wasserstoffgas, kann das Prozessgas vollständig aus der Prozesskammer 4 herausgespült werden. Wenn dies geschehen ist, wird die Temperatur der Abscheidungselemente 7 und/oder der darauf gebildeten Siliziumschicht entweder durch eine Widerstandsheizung der Abscheidungselemente 7 und/oder auch zusätzliche, nicht dargestellte Heizelemente erhöht, und zwar auf eine Temperatur, die auf oder über dem Schmelzpunkt der Siliziumschicht liegt.
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Hierdurch verflüssigt sich die Siliziumschicht und beginnt von dem Abscheidungselement abzufließen und tropft auf das Trichterelement 10, das zu diesem Zeitpunkt ebenfalls auf eine Temperatur auf oder über dem Schmelzpunkt von Silizium erwärmt ist. Das abtropfende Silizium fließt somit über das Trichterelement 10 in Richtung der Auslassöffnung 12 und hierüber in das Rohrleitungssystem 14. Dabei bestimmt das Stellelement 18, ob das flüssige Silizium durch den linken oder rechten Rohrleitungsstrang 16 weiterfließt. Zu diesem Zeitpunkt sind auch die Rohrleitungen 16 auf eine Temperatur erwärmt, die auf oder über dem Schmelzpunkt des Siliziums liegt, um sicherzustellen, dass das Silizium in einem fließfähigen Zustand bleibt und sich nicht verfestigt. Bei der Darstellung gemäß 1 ist das Stellelement 18 so eingestellt, dass flüssiges Silizium in den rechten Rohrleitungsstrang 16 strömen würde. Aus der Rohrleitung 16 gelangt das flüssige Silizium dann in die Kammer 24 und fließt in den darin aufgenommenen Tiegel 26. Die auf den Abscheidungselementen 7 während der Abscheidungsphase ausgebildete Schichtdicke kann dabei so gewählt sein, dass dann, wenn alles Silizium abgeschmolzen ist der Tiegel 26 einen gewünschten Füllgrad erreicht.
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Wenn das gesamte Silizium oder ein gewünschter Teil von den Abscheidungselementen 7 abgeschmolzen ist, wird die Temperatur der Abscheidungselemente 7 wieder verringert und die Gasatmosphäre innerhalb der Prozesskammer 4 kann von einer Inertgasatmosphäre zu eine Prozessgasatmosphäre verändert werden, so dass ein erneuter Siliziumwachstumszyklus eingeleitet werden kann. Gleichzeitig hierzu kann das in dem Schmelztiegel 26 aufgenommene flüssige Silizium abgekühlt werden, um einen Siliziumblock zu bilden. Dabei kann die Abkühlung vorzugsweise in einer kontrollierten Art und Weise derart vorgenommen werden, dass innerhalb des Tiegels 26 eine gerichtete Erstarrung von unten nach oben erfolgt. Die gerichtete Erstarrung findet vorzugsweise in einer Edelgasatmosphäre, wie beispielsweise in Argon statt. Daher ist die Kammer 24 vor der gerichteten Erstarrung gegebenenfalls mit dem entsprechenden Gas zu füllen.
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Wenn wiederum eine ausreichend dicke Schicht an Silizium auf den Abscheidungselementen 7 ausgebildet ist, können diese Siliziumschichten wiederum gemäß dem oben beschriebenen Zyklus hiervon abgeschmolzen werden und das flüssige Silizium beispielsweise einem nächsten Tiegel 26 zugeführt werden, indem beispielsweise das Stellelement 18 innerhalb des Rohrleitungssystems 14 umgestellt wird.
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Somit kann ein kontinuierlicher Zyklus von Siliziumwachstum, Abschmelzen der Schicht und Sammeln von flüssigem Silizium erreicht werden.
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2 zeigt eine alternative Vorrichtung 31 zur Herstellung von Silizium. Die Vorrichtung 31 weist ein Gehäuse 33 auf, das im Inneren eine Prozesskammer 34 bildet. Im Gehäuse 33 sind Gasanschlüsse 35 vorgesehen, über die Gase in die Prozesskammer 34 eingeleitet und ausgleitet werden können. Dabei kann beispielsweise einer der Gasanschlüsse 35 zum Einleiten von Gasen eingesetzt werden, während der andere zum Ausleiten von Gasen vorgesehen ist, wie durch die Pfeile im Bereich der Gasanschlüsse 35 dargestellt ist. Bei der Darstellung gemäß 2 ist der linke Gasanschluss 35 zum Einleiten von Gasen vorgesehen, während der rechte Gasanschluss 35 zum Ausleiten von Gasen vorgesehen ist. Der linke Gasanschluss 35 steht über entsprechende Zuleitungen mit unterschiedlichen Gasquellen in Verbindung, und zwar insbesondere einer Gasquelle für ein Silane enthaltende Prozessgas, wie beispielsweise Trichlorsilan oder Monosilan. Ferner steht der linke Gasanschluss 35 auch mit einer Inertgasquelle, beispielsweise einer Quelle von Argon in Verbindung. Über eine entsprechende Steuereinheit kann das Prozessgas oder das Inertgas in die Prozesskammer 34 eingeleitet werden.
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Der rechte Gasanschluss 35 steht mit einer entsprechenden Absaugeinheit in Verbindung und kann beispielsweise mit zwei unterschiedlichen Gasaufbereitungseinheiten, einerseits einer Gasaufbereitungseinheit für Prozessgas und andererseits einer Gasaufbereitungseinheit für Inertgas in Verbindung stehen.
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In einem oberen Bereich der Prozesskammer 34 ist eine Vielzahl von Abscheidungseinheiten 37 vorgesehen, welche über geeignete Heizeinrichtungen auf eine Temperatur erwärmbar sind, bei der eine Siliziumabscheidung aus einer Silane enthaltenden Prozessgasatmosphäre stattfinden kann, und die ferner auch auf eine Temperatur erwärmbar sind, die auf oder über dem Schmelzpunkt von Silizium liegt.
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Die Abscheidungseinheiten 37 können hierfür unterschiedlichste Konfigurationen aufweisen. Bei der Darstellung gemäß 2 weisen die Abscheidungseinheiten 37 jeweils zwei sich von der Decke der Prozesskammer 34 nach unten erstreckende Stäbe 39 auf, die an ihrem freien, unteren Ende über ein Brückenelement 40 miteinander verbunden sind. Die Stäbe 39 bestehen jeweils aus einem elektrisch leitenden Material und stehen in elektrisch leitender Beziehung zu nicht näher dargestellten Elektrodeneinheiten. Das Brückenelement 40 besteht ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material und ist in elektrisch leitender Beziehung mit den Stäben 39 verbunden. Über die nicht näher dargestellten Elektrodenanordnungen kann ein Stromfluss durch die Stäbe 39 und das Brückenelement 40 einer Abscheidungseinheit 37 initiiert werden, um diese mittels Widerstandsheizung zu erwärmen. Insbesondere kann eine Erwärmung auf die oben genannten Temperaturen, die einerseits eine Siliziumabscheidung erlauben und andererseits ein Aufschmelzen von Silizium ermöglichen, erfolgen.
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Die Stäbe 39 und das Brückenelement können beispielsweise aus Graphit bestehen oder als CFC-Elemente, insbesondere CFC-Rohrelemente ausgebildet sein. Obwohl die Stäbe 39 und das Brückenelement 40 als separate Elemente dargestellt sind, können diese auch einteilig ausgebildet sein. Die Stäbe 39 und das Brückenelement 40 sollten möglichst aus einem Material bestehen, das keine Verunreinigungen innerhalb eines Siliziumwachstumsprozesses erzeugt. Dies gilt insbesondere für die zur Prozesskammer 34 freiliegenden Teile der jeweiligen Elemente. Die Elemente können jeweils oder auch gemeinsam eine Siliziumnitridbeschichtung aufweisen, die einerseits eine elektrische Isolierung des elektrisch leitenden Grundmaterials gegenüber einer hierauf aufgebrachten Siliziumschicht bildet und andererseits auch eine mechanische Abschirmung vorsieht, um zu verhindern, dass das elektrisch leitende Grundmaterial Verunreinigungen in den Prozess einer Siliziumschichtbildung einbringt.
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Es sei bemerkt, dass die Abscheidungseinheit 37 auch einen anderen Aufbau aufweisen kann.
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Höhenmäßig unterhalb der Abscheidungseinheit 37 ist an Seitenwänden der Prozesskammer 34 ein sich trichterförmig nach unten verjüngender Vorsprung 42 vorgesehen, der in geeigneter Weise über eine entsprechende Heizeinheit auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium erwärmbar ist.
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Höhenmäßig unterhalb des Vorsprungs 42 ist ein Aufnahmeraum für einen Tiegel 44 vorgesehen, der zur Aufnahme von flüssigem Silizium geeignet ist. Der Tiegel 44 besteht aus einem geeigneten Material, das keine Verunreinigungen in eine darin aufgenommene Siliziumschmelze einbringt. Beispielsweise kann der Tiegel 44 aus Quarz bestehen und optional eine Siliziumnitridbeschichtung aufweisen.
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Allgemein sei erwähnt, dass alle innerhalb der Prozesskammer 34 befindlichen Elemente eine ausreichende thermische Stabilität besitzen, um den Prozessen innerhalb der Prozesskammer 34 standzuhalten, und dass wenigstens die zur Prozesskammer 34 freiliegenden Oberflächen jeweils so ausgebildet sind, dass sie keine wesentlichen Verunreinigungen während eines Siliziumwachstumsprozesses erzeugen.
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Im Bereich der Aufnahme für den Tiegel 44 ist wiederum eine entsprechende nicht gezeigte Heizvorrichtung vorgesehen, die geeignet ist, den Tiegel 44 auf eine Temperatur zu erwärmen, die auf oder oberhalb eines Schmelzpunkts von Silizium liegt. Seitlich benachbart zu dem Aufnahmebereich für den Tiegel 44 der Prozesskammer 34 ist eine weitere Kammer 46 vorgesehen. Diese steht über eine entsprechende Öffnung 48 in einer Seitenwand des Gehäuses 33 mit der Prozesskammer 34 in Verbindung. Diese Öffnung 48 ist über ein entsprechendes Türelement 50 verschließbar, um die Prozesskammer 34 gegenüber der Kammer 46 trennen zu können.
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Darüber hinaus ist eine nicht näher dargestellte Bewegungsvorrichtung zum Bewegen des Tiegels 44 aus der Prozesskammer 34 in die Kammer 46 vorgesehen. Dabei ist die Bewegungsvorrichtung insbesondere auch in der Lage, den Tiegel 44 zu bewegen, wenn er mit Silizium gefüllt ist. Obwohl in 2 nur eine seitliche Kammer 46 dargestellt ist, sei bemerkt, dass mehrere dieser Kammern 46 mit der Prozesskammer 34 in Verbindung stehen können, die jeweils über entsprechende Türelemente abgeschlossen werden können.
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Im Bereich der Kammer 46 können geeignete Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen vorgesehen sein, die eine gerichtete Erstarrung einer Siliziumschmelze innerhalb des Tiegels 44 in einer Edelgasatmosphäre, wie beispielsweise in Argon ermöglichen.
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Nachfolgend wird der Betrieb der Vorrichtung 31 anhand der 2 näher erläutert.
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Zu Beginn eines Prozesses befindet sich ein Tiegel 44 in der in 2 dargestellten Position innerhalb der Prozesskammer 34. Über den linken Gasanschluss 35 wird ein Silane enthaltendes Prozessgas, wie beispielsweise Trichlorsilan oder Monosilan in die Prozesskammer 34 eingeleitet, und die Abscheidungseinheiten 37 werden auf eine Temperatur erwärmt, bei der eine Siliziumabscheidung hierauf stattfindet. Das Prozessgas wird so eingeleitet, dass es die Abscheidungseinheiten 37 möglichst gleichmäßig umströmt, wobei übenden rechten Gasanschluss 35 jeweils eine vorgegebene Menge an Prozessgas ausgeleitet wird, um eine ständige Erfrischung von Prozessgas während der Siliziumabscheidung vorzusehen. Die Siliziumabscheidung wird fortgesetzt bis eine Siliziummenge auf den Abscheidungseinheiten 37 abgeschieden wurde, die ausreicht, um eine im Wesentlichen vollständige Füllung des Tiegels 44 mit geschmolzenem Siliziummaterial vorzusehen. Dann wird die Prozessgaszufuhr unterbrochen, und die Prozesskammer 34 mit einem Inertgas, wie beispielsweise Wasserstoff gespült. Anschließend werden die Abscheidungseinheiten 37 und/oder die darauf befindlichen Siliziumschichten auf eine Temperatur erhöht, die auf oder oberhalb der Schmelztemperatur von Silizium liegt. Hierdurch schmelzen die Siliziumschichten und beginnen von den Abscheidungseinheiten 37 abzufließen. Das abfließende Silizium fließt dabei in den Tiegel 44, und zwar teilweise direkt und teilweise über den sich trichterförmig verjüngenden Vorsprung 42. Sowohl der Tiegel 44 als auch der Vorsprung 42 sind zu diesem Zeitpunkt auf eine Temperatur erwärmt, die auf oder oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium liegt, um ein vorzeitiges Erstarren der Siliziumschmelze zu verhindern. Für ein kontrolliertes Abschmelzen können die Abscheidungseinheiten 37 zeitlich versetzt auf die Schmelztemperatur erwärmt werden.
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Es wird eine Siliziumschmelze innerhalb des Tiegels 44 gebildet. Wenn das Silizium entweder vollständig oder zumindest eine ausreichende Menge von den Abscheidungseinheiten 37 abgeschmolzen ist, um einen gewünschten Füllgrad des Tiegels 44 zu erreichen, wird die Temperatur der Abscheidungseinheiten 37 wiederum verringert. Dies kann durch natürliche Abkühlung erfolgen, die aber auch durch eine Inertgasströmung durch die Prozesskammer 34 hindurch unterstützt werden kann. Der wie zuvor beschrieben gefüllte Tiegel 44 wird dann über die Öffnung 48 bei geöffnetem Türelement 50 in die Kammer 46 befördert und es kann ein neuer, leerer Tiegel 44 in der Prozesskammer 34 aufgenommen werden. Anschließend kann wiederum ein Silane enthaltendes Prozessgas in die Prozesskammer 34 eingeleitet werden, um eine erneute Bildung von Siliziumschichten auf den Abscheidungselementen 37 vorzusehen, die nachfolgend wiederum abgeschmolzen werden können, um eine Siliziumschmelze in dem neuen Tiegel 44 aufzunehmen.
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Das in Kammer 46 befindliche Gas kann dann dadurch ausgetauscht werden, dass die Kammer 46 mit Edelgas, beispielsweise mit Argon gefüllt wird. Der gefüllte Tiegel 44 in der Kammer 46 kann daraufhin abgekühlt werden, um die Siliziumschmelze darin zum Erstarren zu bringen. Dies kann in kontrollierter Weise derart erfolgen, dass innerhalb des Tiegels 44 eine gerichtete Erstarrung stattfindet. Alternativ ist aber auch eine unkontrollierte Erstarrung möglich, um einen Siliziumblock in dem Tiegel 44 zu erzeugen, der nachfolgend in geeigneter Weise weiterverarbeitet werden kann. Insbesondere ist es möglich, dass innerhalb der Kammer 46 eine Erstarrung der Siliziumschmelze stattfindet, und der Tiegel 44 anschließend zu einer gesonderten Kristallisationsanlage befördert wird, in der das Siliziummaterial im Tiegel 44 erneut aufgeschmolzen wird, um anschließend in kontrollierter Weise abgekühlt zu werden, um eine gerichtete Erstarrung vorzusehen. Dies hätte den Vorteil, dass das in 2 dargestellte System in Kombination mit schon bestehenden Kristallisationsanlagen eingesetzt werden kann, wobei die Tiegel 44 jeweils über die Vorrichtung 31 mit einem gewünschten Füllgrad befüllt werden können.
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Dabei ist es möglich, dass der Tiegel 44 mit hinreichend hoher Temperatur zur Kristallisationsanlage transportiert wird, um Energie beim erneuten Aufschmelzen des Siliziummaterials im Tiegel 44 einzusparen. Vorzugsweise ist die Tiegeltemperatur so hoch, dass die sich im Tiegel 44 befindende Siliziumschmelze noch nicht vollständig erstarrt ist. Bevorzugt könnte hierbei ein Transportsystem eingesetzt werden, das den Tiegel 44 in einer Inertgasatmosphäre zwischen der Vorrichtung 31 und einer nicht dargestellten Kristallisationsanlage 31 gemäß 2 transportiert, und an diese übergibt. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Kristallisationsanlage direkt im Bereich der Kammer 46 ausgebildet ist, da dann im direkten Anschluss an die Befüllung des Tiegels 44 eine gerichtete Erstarrung der darin gebildeten Siliziumschmelze stattfinden kann.
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3 zeigt eine weitere alternative Vorrichtung 61 zur Herstellung von Silizium.
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Die Vorrichtung 61 weist ein Gehäuse 63 auf, das im Inneren eine erste obere Prozesskammer 64 und eine zweite, untere Prozesskammer 65 aufweist. Im Bereich der oberen Prozesskammer 64 sind Gasanschlüsse 66, wie die zuvor beschriebenen Gasanschlüsse 5 oder 35 vorgesehen. Ferner sind im Bereich der oberen Prozesskammer 64 wiederum Abscheidungselemente 67 vorgesehen. In der dargestellten Ausführungsform bestehen die Abscheidungselemente 67 aus einem Rohr 68, das an einem unteren Ende 69 geschlossen ist. Das Rohr 68 ist an seinem oberen, geöffneten Ende in geeigneter, abgedichteter Weise an der oberen Wand des Gehäuses 66 befestigt. Im Inneren des Rohrs 68 ist ein Heizelement 70 vorgesehen, über das das Rohr 68 von innen her beheizt werden kann. Das Heizelement 70 kann beispielsweise ein Widerstandsheizelement oder aber auch eine Heizlampe sein. Das Heizelement ist geeignet, das Rohr 68 auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der eine Siliziumabscheidung aus einer Silane enthaltenden Prozessgasatmosphäre stattfindet. Darüber hinaus kann die Heizeinheit 70 auch in der Lage sein, das Rohr auf eine Temperatur zu erwärmen, die auf oder oberhalb eines Schmelzpunktes von Silizium liegt. Alternativ ist es auch möglich, außerhalb des Rohrs 68 im Bereich der oberen Prozesskammer 64 ein oder mehrere weitere Heizelemente vorzusehen, welche das Rohr und/oder eine darauf ausgebildete Siliziumschicht auf eine Temperatur auf oder oberhalb des Schmelzpunkts von Silizium erwärmen können.
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Der Boden der oberen Prozesskammer 64 wird durch ein trichterförmig sich nach unten verjüngendes Wandelement 72 gebildet, das eine mittige Auslassöffnung 73 aufweist.
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Im Bereich der unteren Prozesskammer 65 ist eine Tiegelaufnahme 74 zur Aufnahme eines Tiegels 75 vorgesehen. Die Tiegelaufnahme 74 kann als Heiz- und/oder Kühleinheit ausgebildet sein, um einen darauf aufgenommenen Tiegel 75 kontrolliert zu heizen und/oder abzukühlen. Eine Kühleinheit kann natürlich auch unter der Tiegelaufnahme vorgesehen sein.
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Im Bereich der unteren Prozesskammer 65 ist ferner ein Seitenheizer 76 vorgesehen, der den Schmelztiegel 75 wenigstens teilweise radial umgibt. Obwohl in 3 nur ein Seitenheizelement 76 dargestellt ist, sei bemerkt, dass mehrere solcher Seitenheizelemente 76, die beispielsweise auch übereinander angeordnet sein können, vorgesehen sein können. Insbesondere ist es auch möglich, ein Seitenheizelement 76 vorzusehen, das im Wesentlichen oberhalb einer Oberkante des Tiegels 75 angeordnet ist, um eine Schmelze im Tiegel 75 schräg von oben erwärmen zu können.
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Eine Oberseite der unteren Prozesskammer 65 wird durch ein Wandelement 78 gebildet, das eine Mittelöffnung 79 aufweist, die mit der Öffnung 73 in dem Wandelement 72 ausgerichtet ist. Das Wandelement 78 kann als Deckenheizer ausgebildet sein, oder es könnte auch ein Deckenheizer benachbart zu dem Wandelement 78 vorgesehen sein. Insbesondere kann die Öffnung 79 etwas größer ausgebildet sein als die Öffnung 73. Zwischen dem Wandelement 72 und dem Wandelement 78 ist ein Schieber 81 vorgesehen, der eine Verbindung zwischen oberer Prozesskammer 64 und unterer Prozesskammer 65 verschließen kann. Hierzu ist der Schieber 81 seitlich bewegbar, wie in 3 durch den Doppelpfeil im Schieber 81 angedeutet ist. Dabei ist es möglich, dass der Schieber 81 des Typs ist, der die obere und untere Prozesskammer 64, 65 gasdicht trennen kann. Statt eines Schiebers 81 können auch andere Verschlussmechanismen an dieser Stelle vorgesehen sein.
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Nachfolgend wird der Betrieb der Vorrichtung 61 näher erläutert. In einer Anfangssituation ist der Schieber 81 in einer geschossenen Position. Im Bereich der oberen Prozesskammer 64 wird ein Silane enthaltendes Prozessgas eingeleitet, und die Abscheidungselemente 67 werden auf eine Temperatur erwärmt, bei der eine Abscheidung von Silizium auf der Oberfläche der Abscheidungselemente 67 stattfindet. Hierdurch werden entsprechende Siliziumschichten auf den Abscheidungselementen 67 ausgebildet. Wenn eine ausreichende Siliziumschichtdicke erreicht ist, wird der Prozessgasfluss in die obere Prozesskammer 64 gestoppt, und die obere Prozesskammer 64 wird mit einem Inertgas, beispielsweise mit Wasserstoff gespült. Anschließend wird der Schieber 81 in eine geöffnete Position gebracht, um eine Verbindung zwischen oberer und unterer Prozesskammer 65 über die Öffnungen 73 und 79 in den Wandelementen 72 bzw. 78 herzustellen. Anschließend werden die Abscheidungselemente 67 und/oder die darauf befindlichen Siliziumschichten auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts von Silizium erwärmt, wodurch die Siliziumschichten schmelzen. Geschmolzenes Silizium fließt von den Abscheidungselementen 67 auf das untere Wandelement 72 der Prozesskammer 64, das zu diesem Zeitpunkt auf einer Temperatur auf oder oberhalb des Schmelzpunkts von Silizium erwärmt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass das geschmolzene Silizium im flüssigen Zustand bleibt und zur Öffnung 73 fließt. Das geschmolzene Silizium fließt dann durch die Öffnung 73 und die Öffnung 79 in die untere Prozesskammer 75 und fließt dort direkt in den Tiegel 75.
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Wenn das gesamte Silizium oder eine ausreichende Siliziummenge von den Abscheidungselementen 67 abgeschmolzen ist, um einen gewünschten Füllgrad des Tiegels 75 zu erreichen, kann der Schieber 81 wiederum in eine geschlossene Position bewegt werden. Dabei sollte sichergestellt werden, dass kein Silizium mehr in Richtung der Öffnung 73 strömt und sich dann in diesem Bereich aufstaut. Im Bereich der unteren Prozesskammer 65 wird dann die im Tiegel 75 aufgenommene Siliziumschmelze in kontrollierter Weise abgekühlt, um eine gerichtete Erstarrung zu erreichen. Hierzu kann der Wasserstoff durch ein Edelgas wie beispielsweise Argon ersetzt werden, so dass die kontrolliert gerichtete Erstarrung in beispielsweise Argonatmosphäre stattfindet.
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Währenddessen kann innerhalb der oberen Prozesskammer 64 ein erneuter Siliziumschichtbildungsvorgang durchgeführt werden.
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Über den Schieber 81 ist es möglich, dass in den Prozesskammern 64 und 65 unterschiedliche Prozessgasatmosphären hinsichtlich der Gaszusammensetzung und der dort herrschenden Drücke eingestellt werden. So erfolgt beispielsweise eine Siliziumabscheidung üblicherweise bei einem erhöhten Druck oberhalb 4 bar und vorzugsweise im Bereich von ungefähr 6 bar, während eine gerichtete Erstarrung üblicherweise in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck unterhalb von 1 bar und insbesondere bei 600 mbar erfolgt.
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4 zeigt eine vergrößerte Detailansicht einer Abscheidungseinheit 90, die beispielsweise im Bereich einer Prozesskammer der zuvor beschriebenen Vorrichtungen zum Herstellen von Silizium eingesetzt werden kann.
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Dabei zeigt 4 bei 91 eine obere Gehäusewand einer Prozesskammer, die Durchführungen 94 aufweist.
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Die Abscheidungseinheit 90 besteht aus einem U-förmigen Grundkörper mit zwei Schenkelelementen 95 und einem Verbindungselement 96. Die Schenkelelemente 95 erstrecken sich im Wesentlichen parallel, und der Abstand dazwischen ist so bemessen, dass die Schenkelelemente durch zwei benachbarte Durchführungen 94 in der oberen Prozesskammerwand 91 hindurchgeführt werden können.
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An ihrem freien Ende besitzen die Schenkelelemente 95 jeweils Ausnehmungen 97 zur Aufnahme eines Kontaktzapfens 100 einer Elektrodeneinheit 101. Dabei sind die Ausnehmung 97 und der Kontaktzapfen 100 komplementär so geformt, dass dazwischen eine feste mechanische Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung oder eine Bajonettverbindung hergestellt werden kann.
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Das U-förmige Grundelement besteht aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise Graphit oder einem CFC-Körper, bei dem beispielsweise die Schenkelelemente 95 und das Verbindungselement 96 als ein hohles Rohr ausgebildet sind. Der Grundkörper aus elektrisch leitendem Material ist mit einer Siliziumnitridschicht beschichtet, die wenigstens alle innerhalb einer Prozesskammer liegenden Bereiche des Grundkörpers abdeckt. Vorzugsweise sollten alle Oberflächen des Grundkörpers mit Ausnahme der Oberflächen im Bereich der Ausnehmung 97 eine entsprechende Beschichtung aufweisen.
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Die Elektrodeneinheiten 101 weisen jeweils den mit den Schenkelelementen 95 in Verbindung stehenden Zapfen 100, ein Plattenelement 103 sowie einen weiteren Kontaktzapfen 106 auf. Das Plattenelement 103 besitzt einen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Durchführungen 94 in der Gehäusewand 91. Hierdurch ist möglich, dass die Plattenelemente 103 die entsprechenden Durchführungen 94 abdecken und durch eine Oberfläche der Gehäusewand 91 getragen werden. Hierdurch kann insgesamt das Abscheidungselement 90 in herabhängender Weise von dem oberen Wandelement 91 getragen werden. Der Kontaktzapfen 106 dient zum Anschluss an eine Stromversorgung. Obwohl dies nicht gesondert dargestellt ist, können die Plattenelemente 103 jeweils über entsprechend Befestigungselemente, wie zum Beispiel Schrauben an der Gehäusewand befestigt sein. Dabei sollten die Schrauben in elektrisch isolierter Weise durch die Plattenelemente hindurchgeführt sein.
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Im Bereich der Durchführungen 94 ist jeweils ein elektrisch isolierendes Hülsenelement 108 vorgesehen. Das Hülsenelement 108 besteht beispielsweise aus PTFE. Das Hülsenelement 108 besitzt einen Hülsenteil, der eng passend in den Durchführungen 94 aufnehmbar ist, sowie einen sich parallel zur Oberseite der Gehäusewand 91 erstreckenden Dichtungsteil. Der Dichtungsteil ist so bemessen, dass er zwischen dem Plattenelement 103 und der Oberseite der Gehäusewand 91 aufgenommen werden kann und dazwischen eine Abdichtung vorsieht. Im Bereich der Durchführung 94 ist ferner ein thermisches Isolierelement 110 beispielsweise in Form einer Graphitfilzhülse vorgesehen. Das thermische Isolierelement ist so bemessen, dass es zwischen dem elektrischen Isolierelement 108 und dem sich durch die Durchführung 94 erstreckenden Teil des Stabelements 95 einsetzbar ist. Wie in 4 zu erkennen ist, besitzt das thermische Isolierelement 110 eine größere Länge als die Länge der Durchführung 94, und steht sowohl nach oben als auch nach unten vor. In 4 sind ferner elektrische Isolierelemente 112 benachbart zu einer Innenseite der Gehäusewand 91 vorgesehen. Diese Isolierelemente 112 können in Form von PTFE-Matten vorgesehen sein, welche die Innenseite der Gehäusewand 91 im Wesentlichen vollständig abdecken. Benachbart hierzu sind zum Prozessraum weisende weitere thermische Isolierelemente 114 beispielsweise in Form von Graphitfilzmatten 114 vorgesehen. Bei 116 ist ein weiteres elektrisches Isolierelement dargestellt, das beispielsweise ein Quarzglaselement sein kann und das benachbarte Graphitfilzmatten zwischen den Schenkelelementen 95 trennt, um einen elektrischen Kurzschluss dazwischen zu vermeiden. Der Grafitfilz kann eine Beschichtung aus Siliziumnitrid aufweisen, um eine besserer Stabilität gegenüber der Prozessgasatmosphäre vorzusehen. Entsprechende Grafitfilzmatten können im Wesentlichen an allen Innenwänden einer Prozesskammer vorgesehen sein, um diese besser thermisch zu isolieren.
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Ein Abscheidungselement 90, wie es in 4 dargestellt ist, kann in jeder der zuvor beschriebenen Vorrichtungen zum Herstellen von Silizium eingesetzt werden. Bei der Ausführungsform gemäß 1 könnten die Plattenelemente 7 durch die Abscheidungselemente 90 ersetzt werden. Und es wäre auch möglich die Abscheidungselemente 67, wie sie in 3 gezeigt sind, durch die Abscheidungselemente 90 zu ersetzen.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Abscheidungselements 120, das durch eine obere Gehäusewand 121 einer Prozesskammer getragen wird.
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Das Abscheidungselement 120 besitzt einen rohrförmigen Grundkörper 124, an dessen oberem Ende ein Tragflansch 126 ausgebildet ist, und dessen unteres Ende durch einen Boden 128 verschlossen ist. Der Rohrteil des Grundkörpers 124 ist derart bemessen, dass er durch eine entsprechende Durchführung in der oberen Gehäusewand 121 hindurch passt, und zwar derart, dass ein elektrisches und/oder thermische Isolierelement dazwischen aufgenommen werden kann.
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Der Tragflansch 126 ist so ausgebildet, dass er größer ist als der Durchmesser der Durchführung in der Gehäusewand 121.
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Der rohrförmige Grundkörper kann beispielsweise aus Graphit oder CFC bestehen und eine Siliziumnitridbeschichtung aufweisen.
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Im Inneren des rohrförmigen Grundkörpers 124 ist eine Heizvorrichtung 130 beispielsweise in Form eines Widerstandsheizelements oder einer Heizlampe vorgesehen. Im Bereich der Durchführung können wieder geeignete elektrisch und thermisch isolierende Elemente vorgesehen sein. Das Abscheidungselement 120 kann wiederum in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden.
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Bei den oben beschriebenen Schichtwachstumszyklen ist es möglich, dass sich auch Silizium an – durch die Abscheidungselemente -erwärmten Kammerwänden. abscheidet und anschließend aufgeschmolzen wird. Dieses Silizium kann entweder auch einem Tiegel zugeführt werden, oder gesondert ausgeleitet werden. Es ist aber auch möglich eine so große Kammergeometrie vorzusehen, dass die Wände nicht ausreichend für eine Siliziumabscheidung aufgewärmt werden.
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Die Erfindung wurde zuvor anhand einiger Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert, ohne auf die konkret dargestellten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Insbesondere sei bemerkt, dass unterschiedliche Elemente der jeweiligen Ausführungsformen frei miteinander kombiniert und/oder gegeneinander ausgetauscht werden können, sofern eine entsprechende Kompatibilität vorliegt.
