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Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung sowie ein Verfahren zum Zünden von Siliziumdünnstäben 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 bei der Verwendung von Trichlorsilan 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 und mit anderen Gasen 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 beispielsweise 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 Reaktion der Staboberfläche mit der Luft führen kann. Erfolgt die Zündung zum Beispiel in einer Stickstoff enthaltenden Atmosphäre, besteht die Gefahr, dass sich bei einer zu langen Kombination aus heißen Stäben und Stickstoffumgebung Siliziumnitrit bildet.
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Eine weitere Möglichkeit besteht zum Beispiel darin, die Silizium-Dünnstäbe über das Kühlsystem der Reaktorglocke bzw. Bodenplatte zu beheizen. Während der Abscheidung wird dieses genutzt, um die anfallende Strahlungswärme abzuführen, 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 während der Abscheidung zu vermeiden. Während der Startphase kann das Kühlmedium der Reaktorglocke und der Bodenplatte, 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 (>100°C) begrenzt. Die Kühlung der Elektroden sollte in dieser Phase auf ein Minimum reduziert werden, damit die Dünnstäbe nicht zu sehr direkt (über die Elektrode und die Halte- und Kontaktiereinheit) gekühlt 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 Silizium-Anlagerungseinheit anzugeben. Diese Aufgabe wird mit einer Verschaltung nach den Ansprüchen 1 und 3 und einem Verfahren nach Anspruch 4 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
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Für die hier vorgestellte Erfindung sind mehrere Anwendungsbereiche zu unterscheiden. In ist die Vereinfachung des bereits bekannten Alternatingmodes dargestellt. Im bekannten Alternatingmode werden alle Stabpaare (als R1, R2, R3 exemplarisch dargestellt) mit Schaltern (in sind nur S1 und S2 dargestellt) versehen. Die Stabpaare R1, R2 oder R3 (oder auch weitere) können auch aus mehreren Stabpaaren bestehen. Auf diese Weise wird jeweils ein Stabpaar mit der vollen Spannung U beaufschlagt und gezündet. Nach der erfolgten Zündung wird auf das nächste Stabpaar gewechselt und dieses gezündet. Dieser Modus wird so lange fortgesetzt, bis auch das letzte Stabpaar gezündet hat. Da zu diesem Zeitpunkt das erste Stabpaar allerdings wieder abgekühlt ist, muss der Zyklus von vorn beginnen. Sollte die Zykluszeit des zweiten Zyklusses kleiner sein als die des ersten, dann konvergiert das Verfahren und die Stabpaare sind am Ende nach mehreren Zyklen) alle gleichzeitig auf Temperatur. In diesem Fall können die Alternatingschalter abgeschaltet werden und die übergeordnete Spannungsversorgung übernimmt die weitere Aufheizung.
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Das neue Verfahren unterscheidet sich dahingehend, dass einerseits nicht mehr alle Stabpaare mit einem Schalter versehen werden, sondern immer mindestens ein Stabpaar ohne Schalter verbleibt. Dies spart Material. Zusätzlich wird nach dem erfolgten Zünden eines Stabpaares nicht mehr auf das nächste umgeschaltet und das gezündete Stabpaar erkaltet somit wieder, sondern das bereits gezündete Stabpaar wird auf eine erhöhte Temperatur (ca. 900°C) gebracht und führt somit den anderen Stabpaaren Energie zu. Die Zündung der anderen Stabpaare wird dadurch erreicht, dass diese zeitweise mit Spannung beaufschlagt werden. In einem zu definierenden Taktverhältnis wird entweder das nächste Stabpaar mit Spannung beaufschlagt um es zu zünden oder das bereits gezündete Stabpaar wird auf Temperatur gehalten.
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An soll dieses Verfahren exemplarisch erläutert werden. Zu Beginn des Zündvorganges sind die Schalter S1 und S2 geschlossen, so dass die Spannung U am Stabpaar R3 anliegt. Wenn dieses gezündet ist wird die Spannung U so geregelt, dass die Stabtemperatur von R3 stark erhöht ist (z. B. ca. 900°C). Dadurch erhalten die Stabpaare R1 und R2 eine zusätzliche Erwärmung. Als nächstes wird S2 geöffnet. Da R3 sehr gut leitfähig ist (warm) liegt fast die gesamte Spannung U an R2 an. Damit R3 nicht zu sehr abkühlt wird S2 in einem zu definierenden Taktverhältnis (z. B. 5 Netzperioden ein und 5 Netzperioden aus) geöffnet bzw. geschlossen. In der Steuereinheit werden die hierfür notwendigen Einstellungen (Spannung U bzw. Phasenanschnittwinkel für die Thyristorsteller) jeweils gespeichert, damit nicht in jedem Takt neu eingeregelt werden muss. Wenn durch die Spannungsbeaufschlagung von R2 dieser ebenfalls leitfähig wird, so werden R2 und R3 auf der erhöhten Temperatur eingeregelt. Das Taktverhältnis wird jetzt auf S1 angewendet, um R1 zu zünden. Wenn R1 ebenfalls gezündet ist können die Schalter deaktiviert werden, so dass die Spannungsversorgung nur noch von der übergeordneten Steuerung erfolgt.
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In ist ebenfalls dargestellt, dass eine unsymmetrische Anordnung der Schalter (hier des Schalters S1a) möglich ist. Je nach den Verhältnissen von Spannung und Temperatur kann es ausreichend sein nur einen Schalter zu verwenden.
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Durch die Aufrechterhaltung der Temperatur nach der erfolgten Zündung ist sichergestellt, dass die Zündung konvergiert (im Vergleich zum Zyklus des Alternatingmodes). Durch die jeweils zusätzlich eingebrachte Wärme kann zudem die Zündzeit verkürzt werden, was die gesamte Prozesszeit reduziert und somit zu einer Erhöhung der Produktionskapazität führt.
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Ein weiterer Anwendungsbereich ist im Zuge der Mittelspannungszündung möglich. Bei den bekannten Verfahren der Mittelspannungszündung wird jedes Stabpaar mit einem Transformator verbunden, der eine Spannung im Bereich 8 bis 12 kV an das Stabpaar anlegt, Nach erfolgter Zündung wird der Strom begrenzt. Die Begrenzung kann über Thyristorsteller oder Drosseln erfolgen und hängt in ihrer Höhe von der Bauform (Typenleistung) der Transformatoren ab. Je nach Ausführungsform kann auch eine zweite Transformatorstufe zum Einsatz kommen, bei der dann mehrere Stabpaare mit einem Transformator verbunden sind, um den Strom und somit die Temperatur der Stabpaare weiter zu erhöhen. Am Ende der Mittelspannungszündung werden die Transformatoren abgeschaltet und die übergeordnete Spannungsversorgung übernimmt die weitere Aufheizung. Bei dieser Art der Verschaltung ergeben sich allerdings einige technologische Schwierigkeiten. Zum Schutz der übergeordneten Spannungsversorgung werden die Stabpaare während der Mittelspannungszündung direkt (in durch den Schalter S3 dargestellt) oder über einen definierten Widerstand kurzgeschlossen. Auftretende Unsymmetrien auf Grund der unterschiedlichen Eigenschaften der Stabpaare bilden somit eine nicht unerhebliche Schwierigkeit beim Zündvorgang dar, da auftretende Spannungsunsymmetrien durch die Kurzschlusseinrichtung begrenzt werden. Ein weiterer Nachteil der derzeitigen Technologie ist der erhebliche Materialaufwand, da Transformatoren schwer, voluminös und teuer sind.
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Eine Verbesserung des Verhaltens ist möglich, wenn nicht mehr alle Stabpaare über die Mittelspannungszündung gezündet werden. Dies ist in dargestellt. Es werden darin nur noch die Stabpaare R1 und R2 mit den Transformatoren T1 und T2 dargestellt. Der Transformator T3 als zweite Transformatorestufe kann, muss aber nicht genutzt werden.
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Während der Mittelspannungszündung wird der Schalter S3 geschlossen, während S1 und S2 geöffnet sind. Wenn bei der Zündung von R1 und R2 Spannungsunterschiede auftreten, dann werden diese über die hochohmigen R3 und R4 aufgenommen. Der Zündvorgang erfolgt somit wesentlich einfacher und ohne die Gefahr von unerwünschten Strömen über die Kurzschlusseinrichtung. Wenn R1 und R2 gezündet sind, dann wird S3 geöffnet. Mit dann geschlossenen Schaltern S1 und S2 wird die Spannung U auf die gezündeten Stäbe R1 und R2 gelegt. Da im Gegenteil zu den bisherigen Systemen nicht mehr alle Stabpaare von der übergeordneten Spannungsversorgung übernommen werden, sondern nur noch ein Teil kann auch die Leistung der Transformatoren reduziert werden. Die gezündeten Stabpaaren R1 und R2 werden wie bereits erwähnt auf eine höhere Temperatur aufgeheizt, so dass sie die Stabpaare R3 und R4 erwärmen. Mit den Schaltern S1 und S2 wird im Anschluss die bereits erwähnte Taktsteuerung durchgeführt, so dass nacheinander erst R3 und dann R4 gezündet werden.
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Bei einigen Anlagentypen, wie z. B. dem mittleren Ring von 18pair-Anlagen mit AEG-Thyroboxen ist ein Parallelbetrieb vorgesehen. Dabei wird im Anfangsstadium der Abscheidung eine Parallelschaltung von einem oder mehreren Stabpaaren vorgenommen. Die Implementierung einer vereinfachten Mittelspannungszündung ist in dargestellt. In den bisher bekannten Anlagen wird jedes Stabpaar mit einem Transformator versehen. Eine zweite Transformatorstufe ist ebenfalls üblich. Durch die Vereinfachung ist es möglich zwei Stabpaare ohne Transformatoren zu belassen. Dies erleichtert wie bereits beschrieben die Zündung und spart Material und Platz. Im Gegensatz zum bereits erläuterten Serienbetrieb wird nach der Zündung von R1 bis R4 auf den Parallelbetrieb umgeschaltet, so dass an den Stabpaaren R5 und R6 nur noch eine reduzierte Spannung (Betriebsspannung bei erhöhter Temperatur, ca. 1.000 V) zur Verfügung steht. Aus diesem Grund kann eigentlich nur ein Stab (R5 oder R6) gezündet werden. In diesem Fall kommt der bereits ausgeführte Taktbetrieb mit dem zusätzlich eingefügten Schalter S3 zum Einsatz. Die dargestellten Schalter S1 und S2 dienen während der Mittelspannungszündung zum Trennen der übergeordneten Spannungsversorgung (Parallelbetrieb) von den Stabpaaren, damit unzulässige Überspannungen durch eine unsymmetrische Zündung nicht die Spannungsversorgung beschädigen. Die bereits im Serienbetrieb ausgeführte Kurzschlusseinrichtung wurde nicht noch einmal dargestellt.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen 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]
