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Die Erfindung betrifft eine Abscheidevorrichtung sowie ein Verfahren zum Zünden eines Siliziumkörpers in einem Abscheidereaktor.
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Hochreines Silizium wird insbesondere für Anwendungen in der Halbleitertechnik und in der Photovoltaik in großen Mengen benötigt. Ein bekanntes Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Silizium ist die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition oder CVD), welche auch als Siemens-Verfahren bekannt ist. Bei diesem Verfahren werden dünne Stäbe aus Silizium (Silizium-Dünnstäbe) als Silizium-Anlagerungseinheit im Inneren einer Reaktionskammer eines Abscheidereaktors angeordnet und stark erhitzt. In die Reaktionskammer wird eine gasförmige Siliziumverbindung eingeleitet oder dort freigesetzt. Die siliziumhaltige Verbindung kann zum Beispiel Trichlorsilan (HSiCl3) sein. An den heißen Siliziumstäben zersetzt sich die siliziumhaltige Verbindung, wobei sich Silizium an den Silizium-Dünnstäben absetzt. Bei dieser Reaktion werden die Silizium-Dünnstäbe üblicherweise auf eine Temperatur zwischen 900°C und 1350°C, zum Beispiel auf 1100°C erhitzt. Eine Abscheidung von Silizium ist aber auch bei anderen Temperaturen möglich.
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Es ist bekannt, die Silizium-Dünnstäbe elektrisch mittels Widerstandsheizung zu erhitzen. Dazu wird an einen oder an mehrere Silizium-Dünnstäbe eine hohe elektrische Spannung üblicherweise von mehreren KV angelegt. Diese hohe Spannung ist erforderlich, da Silizium ein Heißleiter und sein elektrischer Widerstand bei Raumtemperatur verhältnismäßig groß ist. Bei der hohen Spannung kommt es aber dennoch nach einiger Zeit zu einem Stromfluss durch den Silizium-Dünnstab, was auch als Zündung des Silizium-Dünnstabes bezeichnet wird. Der Stromfluss führt zu einer Erwärmung des Silizium-Dünnstabes, was wiederum zu einer Reduzierung des Widerstandes führt und höhere Stromflüsse und somit eine bessere Erwärmung ermöglicht. Für die Zündung der Silizium-Dünnstäbe und die Regelung der angelegten Spannung und des Stroms durch die Silizium-Dünnstäbe ist eine aufwändige Steuerelektronik erforderlich, da zum Beispiel Transformatoren, die hohe Zündspannungen zur Verfügung stellen können nicht für hohe Ströme ausgelegt sind. Es ist daher üblicherweise eine Umschaltung zwischen mehreren Transformatorsätzen erforderlich, um einen Silizium-Dünnstab bis zu der gewünschten Abscheidetemperatur von zum Beispiel 1100°C zu erwärmen.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2009 021 403 A1 beschreibt eine beispielhafte elektronische Schaltung zum Zünden und Erwärmen von Silizium-Dünnstäben in einem Abscheidereaktor.
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Verschiedene Verfahren sind bekannt, um die Zündung eines Silizium-Dünnstabes durch externes Vorheizen zu beschleunigen. Beispielsweise ist es bekannt innerhalb der Reaktionskammer einen Vorheizer anzuordnen, der vor dem eigentlichen Abscheidungsprozess wieder aus der Reaktionskammer entfernt wird. Der Vorheizer kann beispielsweise ein elektrisches Heizgerät sein. Mithilfe des Vorheizers lassen sich die Siliziumstäbe zunächst vorheizen, bis ihr elektrischer Widerstand soweit abgesunken ist, dass sie leicht gezündet und dann elektrisch mittels Widerstandsheizung weiter aufgeheizt werden können. Jedoch ist das Einsetzen und Entfernen des externen Vorheizers in die/aus der Reaktionskammer zeitaufwändig und birgt die Gefahr, dass Verunreinigungen in die Reaktionskammer eingeführt werden. Beispielsweise besteht die Gefahr, dass beim Einsetzen/Entfernen des Vorheizers Luft in die Reaktionskammer eindringt, was insbesondere beim Entfernen, wenn die Silizium-Dünnstäbe schon erwärmt sind zu einer Oxid- oder auch Nitridbildung führen kann. Erfolgt die Zündung zum Beispiel in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre, besteht die Gefahr, dass sich Siliziumnitrid bildet.
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Eine weitere Möglichkeit besteht zum Beispiel darin, die Silizium-Dünnstäbe über ein Kühlsystem zu beheizen. Die Silizium-Dünnstäbe sind jeweils in entsprechenden Halte- und Kontaktiereinheiten aufgenommen, die einerseits einen sicheren Halt der Stäbe und andererseits eine elektrische Kontaktierung derselben vorsehen. Zur elektrischen Kontaktierung, stehen die Halte- und Kontaktiereinheiten mit sich durch einen Boden der Reaktionskammer hindurch erstreckenden Elektroden in Kontakt. Diese stehen wiederum mit einem Kühlsystem in thermisch leitendem Kontakt, um eine Überhitzung der Elektroden zu vermeiden. Während der Startphase kann das Kühlmedium, üblicherweise Wasser, aber auch zu einer anfänglichen Erwärmung der Silizium-Dünnstäbe eingesetzt werden. Diese Erwärmung ist aber durch das verwendete Kühlmedium und dessen maximaler Temperatur (um ca. 100°C) begrenzt. Während des Abscheidungsvorgangs, das heißt, wenn die Silizium-Dünnstäbe ihre gewünschte Temperatur erreicht haben, kann das Kühlmedium hingegen zur Kühlung der Elektroden verwendet werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine einfache und effiziente Vorrichtung zum Zünden einer Silizium-Anlagerungseinheit sowie ein einfaches und effizientes Verfahren zum Zünden einer Siliziumanlagerungseinheit anzugeben. Diese Aufgabe wird mit einer Abscheidungsvorrichtung nach Anspruch 1, einem Abscheidereaktor nach Anspruch 8 und einem Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
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Die Abscheidevorrichtung weist eine Anlagerungseinheit und eine Heizeinrichtung zur Anordnung in einem Abscheidereaktor auf, wobei die Anlagerungseinheit wenigstens einen Siliziumkörper aufweist, der mit zwei Elektroden des Abscheidereaktors elektrisch in Reihe verbindbar ist. Die Heizeinrichtung weist ein Widerstandsheizelement auf, das bis zu einer vorbestimmten Temperatur von wenigstens 100°C einen geringeren Widerstand aufweist als der wenigstens eine Siliziumkörper, und das parallel zu dem wenigstens einen Siliziumkörper zwischen den zwei Elektroden des Abscheidereaktors elektrisch verbindbar ist. Die Heizeinrichtung ist so ausgelegt, dass sie bei einer Siliziumabscheidung keine Verunreinigungen in den Abscheideprozess einbringt. Das letztgenannte Merkmal erlaubt, dass die Heizeinrichtung auch während einem Abscheideprozess in einem Abscheidereaktor verbleiben kann, wodurch Rüstzeiten zum Einrichten des Abscheidereaktors und die Gefahr der Einbringung von Verunreinigungen erheblich verringert werden können. Durch die Parallelschaltung der Anlagerungseinheit und der Heizeinrichtung und den wenigstens bei niedrigen Temperaturen geringeren Widerstand der Heizeinrichtung wird ermöglicht, dass beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Abscheidevorrichtung zunächst primär ein Stromfluss durch das Widerstandsheizelement der Heizeinrichtung erfolgt und es mittels Widerstandsheizung erwärmt wird. Hierüber wird dann indirekt der wenigstens eine Siliziumkörper erwärmt, was zu einer Verringerung seines elektrischen Widerstandes führt. Bei mit steigender Temperatur abnehmendem Widerstand des wenigstens einen Siliziumkörpers kann dann zu einem späteren Zeitpunkt automatisch primär ein Stromfluss durch den wenigstens einen Siliziumkörper bewirkt werden, sodass er dann direkt mittels Widerstandsheizung weiter erwärmt wird. Dies ist ohne eine besondere Steuereinheit und ohne das Vorsehen getrennter Elektroden für die Anlagerungseinheit und die Heizeinrichtung möglich. Die Parallelschaltung bewirkt einen Selbstregelungseffekt, der die Heizeinrichtung, vereinfacht ausgedrückt, automatisch ausschaltet oder wenigstens herunterfährt, wenn die Siliziumkörper eine gewisse Temperatur erreicht haben. Der Selbstregelungseffekt kann besonders ausgeprägt sein, wenn die Heizeinrichtung einen Kaltleiter als Widerstandsheizelement aufweist, dessen elektrischer Widerstand mit zunehmender Temperatur zunimmt. Die Heizeinrichtung kann ein oder mehrere Widerstandsheizelemente aufweisen, Die Heizeinrichtung kann imstande sein, die Siliziumkörper durch Wärmeleitung, Konvektion oder Wärmestrahlung zu erhitzen. Eine Erhitzung durch Diffusion kann durch einen direkten oder indirekten körperlichen Kontakt zwischen der Heizeinrichtung und den Siliziumkörpern erreicht werden. Dabei strömt Hitze von der Heizeinrichtung direkt oder gegebenenfalls über einen oder mehrere Verbindungskörper in den wenigstens einen Siliziumkörper. Eine Erhitzung durch Konvektion kann dadurch erreicht werden, dass die Heizeinrichtung ein die Heizeinrichtung umgebendes oder an ihr entlang strömendes Gas, insbesondere ein inertes Gas oder eine siliziumhaltige Verbindung, erhitzt und das Gas die Wärme dann weiter zu dem wenigstens einen Siliziumkörper transportiert. Eine Erhitzung durch Strahlungswärme kann dadurch erfolgen, dass die Siliziumkörper die von der Heizeinrichtung abgegebene Infrarotabstrahlung zumindest teilweise absorbieren. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, dass die Reaktionskammer des Abscheidereaktors üblicherweise innen zumindest teilweise mit einem hoch reflektierenden Material, wie beispielsweise Silber beschichtet ist.
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Vorzugsweise weist das Widerstandsheizelement bis zu einer Temperatur von wenigstens 300°C, vorzugsweise wenigstens 400°C einen geringeren Widerstand auf als der wenigstens eine Siliziumkörper, um eine entsprechende Vorheizung zu ermöglichen.
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Bei einer Ausführungsform weist die Heizeinrichtung einen das Widerstandsheizelement bildenden Träger auf, der wenigstens eine Beschichtung aufweist, um das Widerstandsheizelement gegenüber einer Prozessatmosphäre im Abscheidereaktor zu isolieren, wobei die Beschichtung bei einer Siliziumabscheidung keine Verunreinigungen in den Abscheideprozess einbringt. Durch die Beschichtung können für das Widerstandsheizelement Materialien allein aufgrund ihrer elektrischem Eigenschaften unabhängig von ihrer Kompatibilität mit dem Abscheideprozess ausgewählt werden. Als Beschichtung ist insbesondere Siliziumkarbid geeignet, das eine gute thermische Stabilität und Leitfähigkeit vorsieht und keine Verunreinigungen in den Abscheideprozess einbringt. Vorzugsweise weist der Träger eine Rohrform auf, wodurch die zu erwärmende Masse der Heizvorrichtung und die hierfür erforderliche Energie verringert werden kann. Das Rohr kann einen eckigen, zum Beispiel quadratischen, oder elliptischen, zum Beispiel kreisförmigen, Querschnitt haben.
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Vorzugsweise weist die Abscheidevorrichtung wenigstens zwei elektrisch leitfähige Halte- und Kontaktiervorrichtungen auf, die mit Elektroden des Abscheidereaktors verbindbar sind, und die jeweils ein Ende der Anlagerungseinheit und der Heizeinrichtung aufnehmen. Hierüber können diese parallel elektrisch mit den Elektroden verbunden werden. Die Halte- und Kontaktiervorrichtungen können insbesondere aus Graphit gefertigt sein und jeweils eine Aufnahme für ein Anschlußende der Elektrode, einen Siliziumkörper und ein Anschlußende der Heizvorrichtung aufweisen. Insbesondere kann die Heizeinrichtung lose in der Halte- und Kontaktiervorrichtungen aufgenommen sein, um eine Beschädigung durch thermische Ausdehnung der Heizeinrichtung zu vermeiden. Beispielsweise kann jeweils ein Endabschnitt der Heizeinrichtung in einer Durchführung einer Halte- und Kontaktiervorrichtung aufgenommen sein. Die Abscheidevorrichtung kann auf diese Weise leicht zerlegt und zusammengesetzt werden.
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Der Abscheidereaktor weist wenigstens eine Reaktionskammer und wenigstens eine Abscheidevorrichtung des oben beschriebenen Typs in der Reaktionskammer auf. Vorzugsweise ist in der Reaktionskammer eine Vielzahl von Abscheidevorrichtungen angeordnet, wobei eine erste Vielzahl von Abscheidevorrichtungen ringförmig angeordnet ist, und wobei die erste Vielzahl von Abscheidevorrichtungen von einer zweiten Vielzahl von ringförmig angeordneten Abscheidevorrichtungen umgeben ist. Hierdurch lässt sich einerseits eine gute Raumausnutzung der Reaktionskammer aber auch eine gute Erwärmung von Abscheidevorrichtungen eines Rings durch Abscheidevorrichtungen des anderen Rings erreichen. In der Reaktionskammer können mehr als zwei dieser Ringe angeordnet sein. Dabei ist es möglich, dass nicht alle Abscheidevorrichtungen eine Heizeinrichtung der hier beschriebenen Art aufweisen. So können beispielsweise Abscheidevorrichtungen, die eine Heizeinrichtung aufweisen, über diese Heizeinrichtung erwärmt werden, und dann ihrerseits die Abscheidevorrichtungen ohne Heizeinrichtung indirekt erwärmen.
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Es ist möglich, dass die Anlagerungseinheit mindestens zwei Siliziumkörper aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Beispielsweise kann die Anlagerungseinheit zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Silizium-Dünnstäbe aufweisen, die an einem Ende über eine elektrisch leitende Brücke (beispielsweise ebenfalls aus einem Silizium-Dünnstab) in Reihe geschaltet sind und eine U-Form bilden. Die jeweils freien Enden der U-Form können in entsprechenden Halte- und Kontaktiervorrichtungen aufgenommen sein, wie dies in der Technik bekannt ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Abscheidevorrichtung zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Anlagerungseinheit und an die Heizeinrichtung ein Elektrodenpaar aus einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode besitzt.
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Alternativ ist es möglich, dass die Abscheidevorrichtung erst nach ihrem Einsetzen in die Reaktionskammer mit einem entsprechenden Elektrodenpaar verbunden wird. Das Elektrodenpaar kann vollständig oder zumindest teilweise außerhalb der Reaktionskammer angeordnet sein.
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Die Abscheidevorrichtung kann eine erste Abscheidevorrichtung sein, welche mit mindestens einer weiteren Abscheidevorrichtung zum Abscheiden von Silizium elektrisch in Reihe geschaltet oder schaltbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Abscheidevorrichtung aber auch eine erste Abscheidevorrichtung sein, welche mit mindestens einer weiteren Abscheidevorrichtung zum Abscheiden von Silizium elektrisch parallel geschaltet oder schaltbar ist.
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Das Verfahren zum Zünden eines Siliziumkörpers in einem Abscheidereaktor beinhaltet das Anordnen einer Abscheidevorrichtung in einer Reaktionskammer des Abscheidereaktors, und das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Abscheidevorrichtung. Die Abscheidevorrichtung weist eine Anlagerungseinheit und eine Heizeinrichtung auf, welche beim Anordnen elektrisch parallel geschaltet werden, wobei die Anlagerungseinheit wenigstens einen Siliziumkörper aufweist und wobei die Heizeinrichtung ein Widerstandsheizelement aufweist, das bis zu einer vorbestimmten Temperatur von wenigstens 100°C einen geringeren Widerstand aufweist als der wenigstens eine Siliziumkörper. Das Anlegen der elektrischen Spannung bewirkt zunächst primär einen Stromfluss durch das Widerstandsheizelement der Heizeinrichtung, um es mittels Widerstandsheizung zu erwärmen und hierüber indirekt den wenigstens einen Siliziumkörper zu erwärmen. Bei mit steigender Temperatur abnehmendem Widerstand des wenigstens einen Siliziumkörpers bewirkt die angelegte Spannung primär einen Stromfluss durch den wenigstens einen Siliziumkörper, um diesen direkt mittels Widerstandsheizung zu erwärmen. Bei gewünschter Prozesstemperatur kann es dann zu einer Siliziumabscheidung auf dem wenigstens einen Siliziumkörper kommen, wenn eine gasförmige Silizium-Verbindung in die Reaktionskammer eingeleitet oder in ihr freigesetzt wird. Das Verfahren bietet die schon oben genanten Vorteile, insbesondere hinsichtlich einer Selbstregulierung der Heizeinrichtung. Insbesondere kann die Heizeinrichtung ein Widerstandsheizelement aufweisen, das bis zu einer Temperatur von wenigstens 300–400°C einen geringeren Widerstand aufweist als der wenigstens eine Siliziumkörper.
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Bei dem Verfahren kann eine Vielzahl von Abscheidevorrichtungen in der Reaktionskammer angeordnet werden und die elektrische Spannung wenigstens während eines Teils der Erwärmung der Siliziumkörper sequentiell an unterschiedliche Abscheidevorrichtungen angelegt werden, um die Anforderungen an das elektrische System zu verringern, da während einer Aufheizphase in der Regel zunächst höhere Spannungen angelegt werden als während einer Abscheidephase. Abscheidevorrichtungen können insbesondere während einer Anfangsphase individuell mit Spannung beaufschlagt werden und später beispielsweise in Gruppen in Reihe mit Spannung beaufschlagt werden. Zumindest in einer Anfangsphase, in welcher die Siliziumkörper aufgeheizt werden, kann es sinnvoll sein, mithilfe der Parallelschaltung an jede der Abscheidevorrichtungen dieselbe hohe Spannung anzulegen, um das Erhitzen der Siliziumkörper bis zu einer Zündung derselben zu beschleunigen. In einer späteren Phase, zum Beispiel wenn die Siliziumkörper bis zu einer mittleren Temperatur aufgeheizt worden sind, kann es vorteilhaft sein, von der Parallelschaltung auf eine Reihenschaltung umzuschalten, um die an jeder einzelnen Abscheidevorrichtung anliegende Spannung entsprechend zu reduzieren. Alternativ ist es möglich, die Parallelschaltung beizubehalten und die zum Beispiel von einem Transformator gelieferte Spannung selbst zu reduzieren, zum Beispiel durch Umschalten auf einen anderen Transformator. Wie bereits erwähnt, ist die Verwendung unterschiedlicher Transformatoren oder unterschiedlicher Spulen eines Transformators jedoch relativ aufwendig. Durch geeignete Dimensionierung der Heizeinrichtungen der einzelnen Abscheidevorrichtungen und deren Anordnung kann es möglich sein, auf die Parallelschaltung zu verzichten und nur eine Reihenschaltung zu verwenden.
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Demgemäß kann das Anlegen der elektrischen Spannung an die eine Abscheidevorrichtung ein gleichzeitiges Anlegen einer elektrischen Spannung an eine Vielzahl von Abscheidevorrichtungen die elektrisch in Reihe geschaltet sind, beinhalten. Auf eine Schaltvorrichtung zum Umschalten auf eine Parallelschaltung kann gegebenenfalls verzichtet werden.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Ausführungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Vielzahl von Abscheidevorrichtungen in einem Abscheidereaktor;
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2 einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Abscheidevorrichtung;
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3 einen weiteren Querschnitt durch eine alternative Abscheidevorrichtung;
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4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Abscheiden von Silizium in einem Abscheidereaktor.
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In der folgenden Beschreibung verwendete Ortsangaben, wie oben, unten, links oder rechts beziehen sich auf die Darstellung in den Zeichnungen und sind nicht einschränkend zu sehen, obwohl sie sich auf eine bevorzugte Anordnung beziehen können. Die Angabe im Wesentlichen soll Abweichungen zu den angegebenen Werten von maximal ±10% oder ±10° (bei Winkeln), bevorzugt maximal ±5 oder ±5° mit umfassen.
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1 zeigt eine schematische Anordnung mehrerer Abscheidevorrichtungen 10 in einer Reaktionskammer 12 eines Abscheidereaktors. Obwohl die Anordnung so dargestellt ist, dass die Abscheidevorrichtungen 10 auf einer Linie angeordnet sind, sei bemerkt, dass sie üblicherweise in einer Kreisanordnung angeordnet sind. In dem gezeigten Beispiel umfasst die Anordnung insgesamt vier identische Abscheidevorrichtungen 10, 10', 10'', 10'''. Es können natürlich auch mehr oder weniger als die vier dargestellten Abscheidevorrichtungen 10 gemeinsam in einer Reaktionskammer 12 angeordnet sein. Im nachfolgenden wird davon ausgegangen, dass die vier Abscheidevorrichtungen 10 kreisförmig angeordnet sind und einen inneren Ring bilden der von einem mittleren Ring von (beispielsweise 8) Abscheidevorrichtungen umgeben ist, der wiederum von einem äußeren Ring von (beispielsweise 12) Abscheidevorrichtungen umgeben ist.
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Jede der Abscheidevorrichtungen 10 (des inneren Rings) weist eine Anlagerungseinheit 14 und eine Heizeinrichtung 16 auf. Die Anlagerungseinheit 14 und die Heizeinrichtung 16 sind jeweils elektrisch parallel zueinander geschaltet. Jede der Anlagerungseinheiten 14 weist einen ersten Siliziumkörper 18, einen zweiten Siliziumkörper 20 und einen dritten Siliziumkörper 22 auf. Jeder dieser Siliziumkörper 18, 20, 22 ist als ein Silizium-Dünnstab ausgeführt. In jeder der gezeigten Abscheidevorrichtungen 10 ist der erste Siliziumkörper 18 im Wesentlichen parallel zu dem zweiten Siliziumkörper 20 angeordnet. Der dritte Siliziumkörper 22 bildet eine Brücke zwischen dem ersten Siliziumkörper 18 und dem zweiten Siliziumkörper 20. Die Siliziumkörper 18, 20, 22 kontaktieren einander und bilden dadurch eine elektrische Reihenschaltung. Der dritte Siliziumkörper 22 verbindet jeweils ein oberes Ende 24 mit einem oberen Ende 26 des zweiten Siliziumkörper 20. Der erste, zweite und dritte Siliziumkörper 18, 20, 22 bilden somit gemeinsam einen U-förmigen Siliziumkörper. Die U-Form der Anlagerungseinheiten 14 besitzen somit jeweils zwei freie, untere Enden, die als Anschlussenden der Anlagerungseinheit 14 dienen. Insbesondere weist der erste Siliziumkörper 18 ein Anschlussende 28 und der zweite Siliziumkörper 20 ein Anschlussende 30 auf.
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Obwohl die Anlagerungseinheit 14 als aus drei Silizium-Dünnstäben bestehend beschrieben wurde, sei bemerkt, dass eine entsprechende U-Form oder auch eine andere Form auch aus einem einzigen Teil oder mehreren gebildet werden könnte, die zwei Anschlussenden aufweisen. Anstelle des dritten Siliziumkörpers 22 kann als elektrisch leitende Brücke zwischen dem ersten Siliziumkörper 18 und dem zweiten Siliziumkörper 20 auch ein anderes elektrisch leitendes und hitzebeständiges Element angeordnet sein, das aber in einen Silizium-Abscheideprozess keine Verunreinigungen einbringt.
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Das Anschlussende 28 des ersten Siliziumkörpers 18 ist in einer ersten Haltevorrichtung 32 aufgenommen während das Anschlussende 30 des zweiten Siliziumkörpers 20 in einer zweiten Haltevorrichtung 34 aufgenommen ist. Die Haltevorrichtungen 32 und 34 bestehen jeweils aus Graphit, können aber auch aus einem anderen elektrisch leitendem Material mit hohem Schmelzpunkt bestehen, dass bei einer Siliziumabscheidung keine Verunreinigungen in den Prozess einbringt. Die erste Haltevorrichtung 32 verbindet das Anschlussende 28 des ersten Siliziumkörpers 18 elektrisch mit einer ersten Elektrode 36 im (nicht dargestellten) Boden der Reaktionskammer 12. Die zweite Haltevorrichtung 34 verbindet das Anschlussende 30 des zweiten Siliziumkörpers 20 mit einer zweiten Elektrode 38 im (nicht dargestellten) Boden der Reaktionskammer 12. Die Haltevorrichtungen 32, 34 werden üblicherweise beim Bestücken der Reaktionskammer 12 lose auf die Elektroden 36, 38 aufgesetzt und werden anschließend mit den gewachsenen Siliziumstäben aus der Reaktionskammer 12 entfernt, da sie durch abgeschiedenes Silizium mit den Siliziumstäben verbunden sind. Die Elektroden 36, 38 können einen internen Kühlkanal aufweisen, der zum Beispiel mit Kühlfluid durchströmt werden kann. Die Elektroden können aber zum Beispiel auch über im Boden der Reaktionskammer 12 in Kühlkanälen zirkulierendes Kühlfluid, zum Beispiel Wasser, gekühlt zu werden. Über das Elektrodenpaar 36, 38 einer jeden Abscheidevorrichtung 10 ist eine elektrische Spannung an die jeweilige Abscheidevorrichtung 10 anlegbar. In dem gezeigten Beispiel ist die zweite Elektrode 38 der ersten Abscheidevorrichtung 10 mit der ersten Elektrode 36 der zweiten Abscheidevorrichtung 10' elektrisch leitend verbunden. Die zweite Elektrode 38 der zweiten Abscheidevorrichtung 10' ist elektrisch leitend mit der ersten Elektrode 36 der dritten Abscheidevorrichtung 10'' verbunden. Die zweite Elektrode 38 der zweiten Abscheidevorrichtung 10' ist elektrisch leitend mit der ersten Elektrode 36 der vierten Abscheidevorrichtung 10''' verbunden. Die Verbindung kann jeweils außerhalb oder aber innerhalb der Reaktionskammer 12 liegen. Wenn sie innerhalb liegen, können Durchführungen im Bodenbereich der Reaktionskammer 12 eingespart werden. An die Elektroden 36, 38 sind je nach gewünschter Betriebsart verschiedene Spannungen anlegbar.
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Die Heizeinrichtung 16 bildet oberhalb der jeweiligen Haltevorrichtungen 32, 34 eine zweite Brücke zwischen dem ersten Siliziumkörper 18 und dem zweiten Siliziumkörper 20. Die Heizeinrichtung 16 verbindet somit im Wesentlichen das Anschlussende 28 des ersten Siliziumkörpers 18 mit dem Anschlussende 30 des zweiten Siliziumkörpers 20 und bildet somit einen parallelen Strompfad zu einem Strompfad durch die Siliziumkörper 18, 20, 22 hindurch. Die Heizeinrichtung 16 weist ein nicht näher dargestelltes Widerstandsheizelement auf, das bis zu einer vorbestimmten Temperatur von wenigstens 100°C, vorzugsweise wenigstens 300°C, einen geringeren Widerstand aufweist als die Siliziumkörper bei gleicher Temperatur. Die Heizeinrichtung 16 ist so ausgelegt ist, dass sie bei einer Siliziumabscheidung keine Verunreinigungen in den Abscheideprozess einbringt, was durch eine geeignete Materialwahl von Verbindungselementen und insbesondere des Widerstandsheizelements erreicht werden kann. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Heizeinrichtung auch während einem Abscheideprozess in der Reaktionskammer 12 verbleiben kann. Durch die Parallelschaltung der Anlagerungseinheit 14 und der Heizeinrichtung 16 und den wenigstens bei niedrigen Temperaturen geringeren Widerstand des Widerstandsheizelements wird ermöglicht, dass beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Abscheidevorrichtung 10 zunächst primär ein Stromfluss durch das Widerstandsheizelement der Heizeinrichtung 16 erfolgt und es mittels Widerstandsheizung erwärmt wird, was eine indirekte Erwärmung der Siliziumkörper 18, 20, 22 der Anlagerungseinheit 14 ermöglicht, was zu einer Verringerung des elektrischen Widerstandes der Siliziumkörper 18, 20, 22 führt. Bei mit steigender Temperatur abnehmendem Widerstand der Siliziumkörper 18, 20, 22 kann dann zu einem späteren Zeitpunkt automatisch primär ein Stromfluss durch die Siliziumkörper 18, 20, 22 bewirkt werden, sodass sie dann direkt mittels Widerstandsheizung weiter erwärmt werden. Dies ist ohne eine besondere Steuereinheit und ohne das Vorsehen getrennter Elektroden für die Anlagerungseinheit und die Heizeinrichtung möglich, Die Parallelschaltung bewirkt einen Selbstregelungseffekt, der die Heizeinrichtung, vereinfacht ausgedrückt, automatisch ausschaltet oder wenigstens herunterfährt, wenn die Siliziumkörper eine gewisse Temperatur erreicht haben. Der Selbstregelungseffekt kann besonders ausgeprägt sein, wenn die Heizeinrichtung einen Kaltleiter als Widerstandsheizelement aufweist, dessen elektrischer Widerstand mit zunehmender Temperatur zunimmt.
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2 zeigt einen vergrößerten Teilquerschnitt durch eine alternative Abscheidevorrichtung 10, die in der Anordnung gemäß 1 eingesetzt werden kann. Dargestellt ist lediglich ein unterer, linker Bereich der Abscheidevorrichtung 10 im Bereich der Haltevorrichtung 32. Der zweite Si-Körper 20 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist und auch die Heizvorrichtung ist nur zur Hälfte dargestellt. In dem gezeigten Beispiel besitzt die Haltevorrichtung 32 einen Grundkörper 40 und einen sich von dem Grundkörper 40 aus erstreckenden Träger 42. Sowohl der Grundkörper 40 als auch der Träger 42 sind bei dem Beispiel aus Graphit gefertigt, können aber auch aus einem anderen geeigneten, leitfähigen Material bestehen, das einen Silizium-Abscheideprozess nicht beeinträchtigt. Der Grundkörper 40 und der Träger 42 können aus einem Stück gefertigt sein. In dem gezeigten Beispiel sind der Grundkörper 40 und der Träger 42 jedoch als separate Bauteile ausgeführt.
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Der Grundkörper 40 besitzt im Schnitt grob eine eine H-Form mit Seitenteilen und einem Verbindungsteil (siehe 3), die einen oberen Aufnahmeraum für das Anschlussende 28 des ersten Siliziumkörpers 18 (Dünnstab) und einen unteren Aufnahmeraum für das Anschlussende der Elektrode 36 bilden. Die Aufnahmeräume können deutlich unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Zwischen diesen Aufnahmeräumen, die eine vertikale Erstreckung besitzen ist im Grundkörper 40 eine horizontale Durchgangsöffnung vorgesehen, in der ein Schenkel des Trägers 42 längs verschiebbar aufgenommen ist. Der Träger 42 besitzt einerseits einen Schenkel zur verschiebbaren Aufnahme in der Durchgangsöffnung des Grundkörpers 40 und andererseits einen Halteteil zur Aufnahme und zum Halten der Heizeinrichtung 16. Der Träger ist entlang der Durchgangsöffnung in der Horizontalen verschiebbar. Hierüber kann die Halteeinrichtung 32 an unterschiedliche Reaktorgeometrien bzw. Heizeinrichtungen 16 angepasst werden und vor allem eine thermische Ausdehnung der Heizeinrichtung 16 aufnehmen.
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Die Heizeinrichtung 16 ist hier als ein rohrförmiges Element ausgeführt. Das rohrförmige Element kann als ganzes das Widerstandsheizelement bilden, oder das Widerstandsheizelement kann als wenigstens eine Schicht einer mehrschichtigen Rohrstruktur ausgebildet sein. Beispielsweise kann dass Rohr eine innere Tragstruktur aus Siliziumdioxid aufweisen, auf der eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht ist. Die elektrisch leitende Schicht kann optional von einer chemischen Isolationsschicht abgedeckt sein. Die chemische Isolationsschicht dient dann insbesondere als ein Schutz der Prozessatmosphäre gegenüber dem Material der elektrisch leitenden Schicht, wenn dessen Material nicht mit dem Silizium-Abscheideprozess kompatibel ist. Ein nicht einschränkendes Beispiel einer elektrisch leitenden Schicht, die mit dem Silizium-Abscheideprozess kompatibel wäre, ist Siliziumkarbid, während zum Beispiel Siliziumnitrid als chemische Isolationsschicht geeignet wäre. Die Heizeinrichtung 16 insgesamt ist so ausgebildet, dass der Widerstand des Widerstandsheizelements bis zu einer vorbestimmten Temperatur von wenigstens 100°C bevorzugt von wenigstens 300°C und insbesondere von wenigstens 400°C unter dem Widerstand der Siliziumkörper 18, 20, 22 (bei gleicher Temperatur) liegt. Hierdurch kann bei der oben beschriebenen Parallelschaltung erreicht werden, dass zunächst primär Strom durch die Heizeinrichtung fließt, diese erwärmt wird und indirekt die Siliziumkörper 18, 20, 22 erwärmt. Oberhalb der vorbestimmten Temperatur fließt dann primär Strom durch die Siliziumkörper 18, 20, 22 um diese dann direkt mittels Widerstandsheizung zu erwärmen. Die Heizeinrichtung 16 wird zu diesem Zeitpunkt automatisch mit weniger Strom versorgt und weniger aufgeheizt. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn das Widerstandsheizelement der Heizeinrichtung als Kaltleiter ausgebildet ist.
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Die Schicht aus Siliziumkarbid kann im Vergleich zu der Dicke des Rohrs als ganzes dünn sein, und zum Beispiel eine Dicke von wenigen Millimeter und könnte sogar im Mikrometerbereich liegen. Das andere Ende der Heizeinrichtung 16 (in der Zeichnung nicht dargestellt, da rechts der Strichpunktlinie liegend) ist analog in einem (hier nicht sichtbaren) Träger der zweiten Haltevorrichtung 34 (siehe 1) aufgenommen.
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Nachfolgend wird die Funktionswiese der in 1 gezeigten Abscheidevorrichtungen 10 beschrieben.
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Die Abscheidevorrichtungen (in dem gezeigten Beispiel die vier Vorrichtungen 10, 10', 10'', 10''') werden in einer Reaktionskammer eines Abscheidereaktors angeordnet. Hierzu werden zunächst die Haltevorrichtungen 32, 34, in die Reaktionskammer 12 eingesetzt, indem sie lose auf die Anschlussenden der Elektroden 36, 38 aufgesetzt werden. Die Haltevorrichtungen 32, 34 nehmen anschließend die Abscheidevorrichtungen auf. Hierzu wird beispielsweise jeweils zwischen Träger 42 der Haltevorrichtungen 32, 34 eine Heizeinrichtung 16 eingeklemmt und die Anschlussenden 28, 30 der ersten und zweiten Siliziumkörper 18, 20 der Anlagerungseinheit 14 werden in die entsprechenden Aufnahmen der Haltevorrichtungen 32, 34 eingesteckt. Alternativ ist es möglich, die Abscheidevorrichtungen zunächst außerhalb der Reaktionskammer mit den Haltevorrichtungen (in dem Beispiel Haltevorrichtungen 32, 34) zu verbinden und die so gebildeten Einheiten dann in die Reaktionskammer einzusetzen. Die Reaktionskammer kann dann geschlossen und eine geeignete Atmosphäre darinnen eingestellt werden, die beispielsweise zunächst eine Inertgasatmosphäre sein kann.
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Anschließend wird an die jeweiligen Abscheidevorrichtungen 10 über die Elektroden 36, 38 eine Spannung angelegt, die ausreicht einen Stromfluss wenigstens durch das Widerstandsheizelement zu bewirken, um dieses aufzuheizen. Die Spannung wird so gewählt, dass sie zunächst bei der Anfangstemperatur nicht ausreicht einen wesentlichen Stromfluss durch Siliziumkörper 18, 20, 22 zu bewirken. Nach einer entsprechenden Aufheizung des Widerstandsheizelements und hierüber indirekt der Siliziumkörper 18, 20, 22, sinkt deren Widerstand auf einen Wert, der ausreicht, dass in der Parallelschaltung auch Strom durch Siliziumkörper 18, 20, 22 fließt und diese mittels Widerstandsheizung direkt erwärmt. Der Strom durch die Siliziumkörper 18, 20, 22 steigt wesentlich gegenüber dem Strom durch die Heizeinrichtung 16 an, Wenn die Siliziumkörper 18, 20, 22 eine vorbestimmte Prozesstemperatur erreicht haben, dann wird ein Silane enthaltendes Prozessgas wie beispielsweise Trichlorosilan in die Reaktionskammer 12 eingeleitet und es kommt zu der bekannten Siliziumabscheidung auf den Siliziumkörpern 18, 20, 22. Nach einer ausreichenden Abscheidung wird der Stromfluss beendet, und die Siliziumkörper 18, 20, 22 können nach einer Abkühlung geerntet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Abscheidevorrichtungen 10 während des gesamten Verfahrens in einer Reihenschaltung betrieben. In dem gezeigten Beispiel wird an die in Reihe geschalteten Abscheidevorrichtungen 10 über die erste Elektrode 36 der ersten Abscheidevorrichtung 10 und die zweite Elektrode 38 der vierten Abscheidevorrichtung 10''' eine elektrische Spannung angelegt. Die Spannung erzeugt einen entsprechenden Strom durch die einzelnen Heizeinrichtungen 16. Der Strom durch die Siliziumkörper 18, 20, 22 kann dabei zunächst vernachlässigbar gering sein. Mit zunehmender Temperatur sinkt jedoch der elektrische Widerstand der Siliziumkörper und der elektrische Strom durch die Siliziumkörper kann entsprechend zunehmen.
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Die Heizeinrichtungen 16 erhitzen die Siliziumkörper 18, 20, 22 auf direktem sowie auf indirektem Wege. Die Heizeinrichtungen 16 erhitzen die Siliziumkörper 18, 20, 22 direkt durch Wärmeleitung sowie durch Bestrahlung der Siliziumkörper. Das wärmeleitende Medium ist hier in den Heizeinrichtungen 16, den Siliziumkörpern 18, 20, 22 sowie gegebenenfalls in weiteren zwischen den Heizeinrichtungen 16 und den Siliziumkörpern 18, 20, 22 angeordneten Körper zu sehen. Beispielweise kann zumindest ein Teil der Wärme über die Haltevorrichtungen 32, 34 übertragen werden. Auf Grund der schlechten Wärmeleitungseigenschaften ist der Anteil der Wärmeleitung jedoch gering und die Strahlung dominiert. Unter Bestrahlung ist die Abgabe von Wärme in Form von elektromagnetischer Strahlung, zum Beispiel im Infrarotbereich, durch einen Wärmestrahler, hier die Heizeinrichtungen 16, und die zumindest teilweise Absorption dieser Strahlung durch einen Wärmerezipienten, hier die Siliziumkörper 22, 24, 26, zu verstehen. Ein Teil der von den Heizeinrichtungen 16 abgegebenen Wärmestrahlung wird von der Innenoberfläche der Reaktionskammer 12 (nicht dargestellt) reflektiert. Ein Teil der Wärmestrahlung kann die Siliziumkörper daher nach einmaliger oder mehrmaliger Reflexion erreichen. Die Innenoberfläche der Reaktionskammer 13 besitzt daher Vorteilhafterweise einen möglichst hohen Reflexionskoeffizienten.
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Der durch die Abscheidevorrichtungen 10 fließende Strom kann konstant gehalten oder zumindest derart gesteuert oder geregelt, dass er einen Maximalwert nicht übersteigt. In dem Maße, in dem die Leitfähigkeit der Siliziumkörper als Folge ihrer Erhitzung zunimmt, nimmt daher der elektrische Strom durch die Siliziumkörper zu, während der Strom durch die Heizeinrichtungen 16 entsprechend abnimmt.
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An der Wärmeübertragung von den Heizeinrichtungen 16 auf die Siliziumkörper 18, 20, 22 kann außerdem das in der Reaktionskammer 12 befindliche gasförmige Medium, zum Beispiel ein Inertgas oder eine gasförmige, siliziumhaltige Verbindung, beteiligt sein. Durch eine räumlich ungleichförmige (inhomogene) Erwärmung des gasförmigen Mediums können sich Strömungen des Mediums herausbilden, welche die Verteilung der Wärme innerhalb der Reaktionskammer 12 beschleunigen.
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Die zweite Elektrode 38 der ersten, zweiten und dritten Abscheidevorrichtung 10, 10', 10'' ist dabei jeweils elektrisch leitend mit der ersten Elektrode 36 der zweiten, dritten und vierten Abscheidevorrichtung 10', 10'', 10''' verbunden. An diese Elektroden 36, 38 wird, im Gegensatz zu der ersten Elektrode 36 der ersten Abscheidevorrichtung 10 und der zweiten Elektrode 38 der vierten Abscheidevorrichtung 10''', keine elektrische Spannung angelegt. Das elektrische Potenzial an diesen Elektroden wird vielmehr allein durch die Spannung zwischen der ersten Elektrode 36 der ersten Abscheidevorrichtung 10 und der zweiten Elektrode 38 der vierten Abscheidevorrichtung 10''' sowie den resultierenden Strom bestimmt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird zunächst keine Reihenschaltung, sondern eine Parallelschaltung einzelner Abscheidevorrichtungen oder einzelner Gruppen von Abscheidevorrichtungen verwendet. Beispielsweise kann vorgesehen sein, an jede der Abscheidevorrichtungen 10 in 1 mithilfe einer Parallelschaltung jeweils dieselbe elektrische Spannung an das jeweilige Elektrodenpaar 36, 38 anzulegen. Auf diese Weise kann bei gleicher Spannungsquelle an jede einzelne Abscheidevorrichtung eine vielfach höhere Spannung an jede einzelne Abscheidevorrichtung angelegt werden. Die Erhitzung der Siliziumkörper kann auf diese Weise beschleunigt werden. Bei Erreichen einer gewissen Mindesttemperatur, zum Beispiel bei 600°C, kann von der Parallelschaltung in die vorstehend beschriebene Reihenschaltung umgeschaltet werden.
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Es wird jedoch betont, dass durch eine geeignete Dimensionierung der Heizeinrichtungen 16 ein Betrieb ausschließlich in einer Reihenschaltung möglich sein kann. Ein Verzicht auf Schalter und Leitungen zum Herstellen einer Parallelschaltung kann eine Reduzierung der Herstellungskosten erlauben.
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Grundsätzlich sind im Hinblick auf die Spannungsversorgung der Elektroden 36, 38 viele Varianten möglich. Besonders vorteilhaft kann ein sogenannter Alternating Mode sein. Im Alternating Mode werden beispielsweise die Elektroden der Abscheidevorrichtung sequentiell mit Spannung beaufschlagt, um eine sequentielle Erwärmung der Abscheidevorrichtungen vorzusehen. Diese sequentielle Beaufschlagung kann mehrfach wiederholt werden, bis alle Abscheidevorrichtungen auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wurden und anschließend können die Abscheidevorrichtungen zum Beispiel in Reihe betrieben werden. Während des Alternating Mode liegt somit an jedem Heizer die volle Spannung an, d. h. volle Leistung, Nach dem Alternating Mode liegt maximal ein Viertel (bei vier Stabpaaren) der Spannung an (eher weniger, da Stäbe leitfähig sind). Somit strahlen die Heizer maximal 1/16 der Leistung (6%) ab und kühlen somit aus. Auch können Abscheidevorrichtungen im Alternating Mode paarweise mit Spannung beaufschlagt werden.
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Allen unterschiedlichen Varianten ist gemein, dass gegebenenfalls die maximal erforderliche Spannung für ein Zünden der Siliziumkörper 18, 20, 22 im Vergleich zu einer Anordnung ohne Heizeinrichtung verringert werden kann. Ferner kann auch der Zündvorgang gegebenenfalls beschleunigt werden.
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Falls die elektrische Spannung zunächst in einer Parallelschaltung an elektrisch parallel geschaltete Abscheidevorrichtungen angelegt wird, so kann, zum Beispiel in Abhängigkeit von einer gemessenen Zeitdauer oder einer gemessenen Temperatur in der Reaktionskammer, von einer Parallelschaltung auf eine Reihenschaltung der Abscheidevorrichtungen umgeschaltet werden.
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Die Anlagerungseinheiten können nacheinander gezündet werden. Dies ermöglicht des Bereitstellen der gesamten Leistung an individuellen Anlagerungseinheiten. Nach dem Zünden eines Stabes kann der nächste Stab gezündet werden, bis alle Stäbe gezündet wurden. Dieser Ablauf, das heißt ein Zündungszyklus, kann einmal oder mehrmals wiederholt werden, bis alle Ablagerungseinheiten in etwa dieselbe Temperatur haben. Danach kann zum Beispiel eine Reihenschaltung aktiviert werden. Solche Zyklen können insbesondere auch für unterschiedliche Ringe einer Ringanordnung innerhalb der Reaktionskammer eines Abscheidereaktors vorgesehen werden.
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Während der Abscheidephase lagert sich Silizium auf den Anlagerungseinheiten 14 ab. Auch auf den Heizeinrichtungen 16 kann es zu einer Anlagerung von Silizium kommen. Das auf den Heizeinrichtungen angelagerte Silizium kann später wieder entfernt werden, zum Beispiel beim Ernten des Siliziums.
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Das Verfahren zum Abscheiden von Silizium wird vereinfacht noch einmal mit Bezug auf 4 beschrieben. In einem vorbereitendem Schritt (S1) wird wenigstens eine Abscheidevorrichtung in einer Reaktionskammer eines Abscheidereaktors platziert. Eine Anlagerungseinheit und eine Heizeinrichtung der Abscheidevorrichtung werden dadurch elektrisch parallel geschaltet, sofern sie nicht bereits konstruktionsbedingt elektrisch parallel geschaltet sind.
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Anschließend wird in einem zweiten Schritt (S2) an die Abscheidevorrichtung eine elektrische Spannung angelegt. Die Spannung erzeugt einen Heizstrom in der Heizeinrichtung, so dass die Heizeinrichtung die Siliziumkörper der Anlagerungseinheit indirekt erhitzt. Nach einiger Zeit fließt auch ein Strom durch die Siliziumkörper und erhitzt diese direkt. Bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur wird eine gasförmige Siliziumverbindung in die Reaktionskammer eingeleitet oder dort freigesetzt. Die Siliziumverbindung kann insbesondere Trichlorsilan (HSiCl3) sein. Diese bewirkt eine Abscheidung von Silizium auf den Siliziumkörpern.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Anspruches offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009021403 A1 [0004]
