DE102011117552A1

DE102011117552A1 - Vorrichtung und verfahren zum anlegen einer spannung an eine vielzahl von siliziumstäben in einem cvd-reaktor

Info

Publication number: DE102011117552A1
Application number: DE102011117552A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Vollmar; Frank Grundmann
Original assignee: Centrotherm Sitec GmbH
Current assignee: Centrotherm Sitec GmbH
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-05-08
Also published as: WO2013064229A3; TW201337031A; WO2013064229A2

Abstract

Es ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Anlegen einer Spannung an eine Vielzahl von Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor beschieben. Es sind jeweils eine Reihenschaltung, in der die Siliziumstäbe als Widerstände einsetzbar sind, wenigstens eine erste, wenigstens eine zweite und wenigstens eine dritte Stromversorgungseinheit sowie wenigstens eine Kurzschlusseinrichtung vorgesehen. Die Kurzschlusseinheit ist geeignet steuerbar die äußeren Enden der Reihenschaltung miteinander und mit Erde zu verbinden. Ferner ist wenigstens eine Steuereinheit zum Steuern der ersten, zweiten und dritten Stromversorgungseinheiten sowie der Kurzschlusseinrichtung vorgesehen, wobei die erste Stromversorgungseinheit eine Vielzahl von ersten Transformatoren aufweist, deren Ausgänge jeweils mit wenigstens einem Siliziumstab in der Reihe verbunden sind, wobei die zweite Stromversorgungseinheit eine Vielzahl von zweiten Transformatoren aufweist, deren Ausgänge jeweils mit wenigstens derselben Anzahl von Siliziumstäben wie die ersten Transformatoren in der Reihe verbunden sind, und zwar parallel zu einem oder mehreren der ersten Transformatoren, und wobei die dritte Stromversorgungseinheit Ausgänge aufweist, die mit der Reihe von Siliziumstäben verbunden sind, und zwar parallel zu den ersten und zweiten Transformatoren. Die Kurzschlusseinrichtung weist eine die äußeren Enden der Reihenschaltung verbindende Leitung auf, in der wenigstens ein Widerstand oder eine Sekundärseite eines Transformators und wenigstens ein Schalter vorgesehen sind. Die Steuereinheit ist mit wenigstens einem Strommesser zum Messen eines Stromflusses durch den Widerstand oder einem Spannungsmesser zum Messen einer Spannung an der Primärseite des Transformators verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an eine Vielzahl von Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor, die in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Es ist in der Halbleitertechnik und der Photovoltaik bekannt, Siliziumstäbe mit einer hohen Reinheit, z. B. nach dem Siemens-Verfahren in Abscheidereaktoren, die auch als CVD-Reaktoren bezeichnet werden, zu erzeugen. Hierzu werden zunächst Siliziumdünnstäbe in den Reaktoren aufgenommen, auf denen dann während eines Abscheideprozesses Silizium abgeschieden wird. Die Siliziumdünnstäbe werden dabei in Spann- und Kontaktierungsvorrichtungen aufgenommen, welche sie einerseits in einer gewünschten Ausrichtung halten, und welche andererseits eine elektrische Kontaktierung vorsehen. An ihren jeweils freien Enden sind in der Regel jeweils zwei der Siliziumdünnstäbe über elektrisch leitende Brücken miteinander verbunden, um einen Stromkreis über auf derselben Seite des Reaktors liegende Kontakte bilden zu können. Ansonsten ist es aber auch möglich die Siliziumdünnstäbe an ihren entgegen gesetzten Enden, das heißt von oben und von unten elektrisch zu kontaktieren, um einen Strom durch die Siliziumdünnstäbe leiten zu können. Ein Paar von Siliziumdünnstäben, das über eine elektrisch leitende Brücke verbunden ist, sowie auch an entgegen gesetzten Enden kontaktierte Siliziumdünnstäbe werden nachfolgend jeweils zu Vereinfachung als Siliziumstab bezeichnet.
Die Abscheidung von Silizium im CVD-Reaktor erfolgt bei Temperaturen von ca. 1.000°C, wobei eine entsprechende Erwärmung der Siliziumstäbe primär über eine Widerstandsheizung derselben erreicht wird. Auf Grund der Eigenschaften von Silizium als Heißleiter muss allerdings der Stab zum Beginn des Prozesses zuerst in einen leitfähigen Zustand gebracht werden. Hierfür ist die Betrachtung der Parameter Spannung und Temperatur notwendig. Die Leitfähigkeit von Silizium nimmt exponentiell mit der Temperatur zu. In den daraus resultierenden Widerstand wird eine Leistung P = U·U/R eingebracht, die zu einer Erwärmung führt. Die Erwärmung wiederum senkt den Widerstand, was zu einer weiteren Temperaturerhöhung führt. Um ein Schmelzen der Stäbe zu unterbinden muss am Ende dieses Prozesses die Spannung reduziert werden.
Da die Siliziumstäbe somit zunächst einen hohen Widerstand besitzen, der mit steigender Temperatur abnimmt, ist es erforderlich zunächst eine hohe Anfangsspannung über die Siliziumstäbe anzulegen, um einen anfänglichen Stromfluss zu initiieren, was auch als Zündung der Siliziumstäbe bezeichnet wird. Nach anfänglicher Erwärmung durch den Stromfluss und einen verringerten Widerstand der Siliziumstäbe kann die Spannung dann auf eine Betriebsspannung reduziert werden. Die weitere Temperaturregelung der Siliziumstäbe kann dann vorwiegend stromgesteuert erfolgen.
Die Aufheizung der Stäbe kann zusätzlich, insbesondere zu Beginn der Erwärmung beispielsweise durch eine Vorheizung mittels extern eingebrachter Heizelemente oder die Vorheizung über ein Kühlmedium im Mantel des Reaktorbehälters unterstützt werden. Auf Grund der unterschiedlichen Stabtemperaturen bei diesen Aufheizverfahren sind auch andere Zündspannungen notwendig. Im Folgenden wird nur die Aufheizung über das Kühlwasser betrachtet, da hierfür höhere Spannungen, d. h. eine Mittelspannungszündung notwendig ist.
Für die Mittelspannungszündung werden die Dünnstäbe beispielsweise über das Kühlwasser des Reaktorbehälters auf Temperaturen von ca. 130°C–160°C aufgeheizt. Die Kühlung der Elektroden und somit des unteren Teils des Dünnstabs durch das Kühlwasser wird auf ein Minimum reduziert. Trotzdem sind durch den hohen Widerstand der Siliziumstäbe bei diesen Temperaturen Spannungen im Bereich 5 kV < U < 20 kV pro Stabpaar für eine Zündung notwendig.
Zur Erzielung der hohen Spannungen werden spezielle Zündtransformatoren eingesetzt. Diese können einstufig oder mehrstufig ausgeführt sein. In ist eine zweistufige Lösung (mit Transformatorgruppen T1 und T2) dargestellt. Um die Spannungen am Stab nach erfolgter Zündung zu reduzieren, können zum Beispiel Steuergeräte eingesetzt werden, wie in DE 10 2010 020 740 A , DE 20 2004 014 812 A , US 7 279 811 A oder DE 20 2009 003 325 A beschrieben ist. Es ist auch bekannt hierfür Drosseln einzusetzen, wie in der nicht vorveröffentlichten, auf die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung zurückgehenden DE 10 2010 020 740 A , die zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
Die nicht vorveröffentlichte DE 10 2010 020 740 A beschreibt insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine entsprechende gestufte Beaufschlagung von Silizium-Dünnstäben in einem CVD-Reaktor mit unterschiedlichen Spannungen. Die hier beschriebene Vorrichtung weist eine Schaltung auf, in der Siliziumstäbe (üblicherweise Siliziumstabpaare) in Reihe, als Widerstände einsetzbar sind, sowie erste, zweite und dritte Stromversorgungseinheiten, die geeignet sind, unterschiedliche Spannungen an die Siliziumstäbe in der Reihenschaltung anzulegen. Die erste und zweite Stromversorgungseinheit weisen Transformatoren auf. Die erste Stromversorgungseinheit ist so angeordnet, dass jedem Siliziumstab (Stabpaar) ein Transformator zugeordnet ist, der eine erste Leerlaufspannung und einen ersten Kurzschlussstrom aufweist. Die zweite Stromversorgungseinheit ist so angeordnet, dass jeweils zwei Siliziumstäben (Stabpaaren) ein Transformator zugeordnet ist, der eine zweite Leerlaufspannung und einen zweiten Kurzschlussstrom aufweist, wobei die zweite Leerlaufspannung niedriger ist als die erste und wobei der zweite Kurzschlussstrom höher ist als der erste. Die dritte Stromversorgungseinheit weist Anschlüsse auf, die mit den Enden der Reihenschaltung von Siliziumstäben verbunden sind, wobei die dritte Stromversorgungseinheit geeignet ist, in einem Spannungsbereich, der unter der Leerlaufspannung der zweiten Transformatoren liegt, einen Strom bereitzustellen, der größer ist, als der Kurzschlussstrom der zweiten Transformatoren.
Sobald Strom durch die Transformatoren der ersten Stromversorgungseinheit fließt und die betreffenden Drosseln die Spannung begrenzen, wird auf die zweite Stromversorgungseinheit umgeschaltet. Nachdem die damit verbundenen Drosseln den Strom begrenzen und die Spannung sekundärseitig somit wieder reduziert ist, kann auf Thyristorsteller der dritten Stromversorgungseinheit umgeschaltet werden.
Zum Schutz der dritten Stromversorgung und insbesondere von Thyristorstellern derselben vor Überspannungen wird beim Anlegen einer Spannung über die erste oder die zweiten Stromversorgungseinheit bisher ein Erdschalter eingelegt, so dass die Siliziumstäbe an den Enden der Reihenschaltung geerdet sind. Durch das damit verbundene Schließen einer Kreisverbindung oder Masche (4 Stabpaare + Verbindung über die Erdung) bewirkt eine Veränderung einer Transformatorsekundärspannung auch eine Veränderung der anderen Sekundärspannungen. Da die Spannungen auf teilweise 25% der Leerlaufsspannung durch eine Drossel begrenzt werden, reicht die Spannung an den noch nicht leitfähigen Stäben (die Stäbe zünden in der Regel nicht gleichzeitig sondern nacheinander) gegebenenfalls nicht mehr zum Erreichen des leitfähigen Zustandes aus. Der Transformator des noch nicht leitfähigen Stabes signalisiert trotzdem einen Stromfluss, da der Strom durch die anderen leitfähigen Stäbe und die Kurzschlusseinrichtung fließt. Bei dieser Konstellation besteht somit die Gefahr, dass nicht alle Stäbe zünden und somit der Abscheidungsprozess beeinträchtigt ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zünden einer Vielzahl von Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor vorzusehen, die auf einfache und kostengünstige Weise eine sichere Zündung aller Siliziumstäbe vorsieht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere weist eine Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an eine Vielzahl von Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor eine Reihenschaltung auf, in der die Siliziumstäbe als Widerstände einsetzbar sind. Die Vorrichtung weist ferner wenigstens eine erste Stromversorgungseinheit, wenigstens eine zweite Stromversorgungseinheit, wenigstens eine dritte Stromversorgungseinheit, wenigstens eine Kurzschlusseinrichtung, die geeignet ist steuerbar die äußeren Enden der Reihenschaltung miteinander und mit Erde zu verbinden, und wenigstens eine Steuereinheit zum Steuern der ersten, zweiten und dritten Stromversorgungseinheiten sowie optional der Kurzschlusseinrichtung auf. Die erste Stromversorgungseinheit weist eine Vielzahl von ersten Transformatoren auf, deren Ausgänge jeweils mit wenigstens einem Siliziumstab in der Reihe verbunden sind. Die zweite Stromversorgungseinheit weist eine Vielzahl von zweiten Transformatoren auf, deren Ausgänge jeweils mit wenigstens derselben Anzahl von Siliziumstäben wie die ersten Transformatoren in der Reihe verbunden sind, und zwar parallel zu einem oder mehreren der ersten Transformatoren. Die dritte Stromversorgungseinheit weist Ausgänge auf, die mit der Reihe von Siliziumstäben verbunden sind, und zwar parallel zu den ersten und zweiten Transformatoren. Die Kurzschlusseinrichtung weist eine die äußeren Enden der Reihenschaltung verbindende Leitung auf, in der wenigstens ein Widerstand oder eine Sekundärseite eines Transformators und wenigstens ein Schalter vorgesehen sind. Die Steuereinheit ist mit wenigstens einem Strommesser zum Messen eines Stromflusses durch den Widerstand oder einem Spannungsmesser zum Messen einer Spannung an der Primärseite des Transformators verbunden ist. Die obige Vorrichtung ermöglicht eine Mittelspannungszündung von Siliziumstäben wie zuvor beschrieben. Das Vorsehen eines Widerstandes oder einer Sekundärseite eines Transformators kann einen einfachen Maschenschluss der Siliziumstäbe über die Leitung der Kurzschlusseinrichtung und die damit verbundenen Probleme im Betrieb verhindern. Die Strom- bzw Spannungsmessung ermöglichen eine Aussage über einen Zündzustand der Siliziumstäbe.
Vorzugsweise sind die zweiten Transformatoren jeweils mit einer größeren, insbesondere der doppelten Anzahl von Siliziumstäben in der Reihe verbunden als die ersten Transformatoren. Hierdurch kann die Anzahl der Transformatoren in der zweiten Stromversorgungseinheit gegenüber der Anzahl der Transformatoren in der ersten Stromversorgungseinheit verringert werden, was Kosten und/oder Platzbedarf für die zweite Spannungsversorgung verringern kann. Ferner sind die Ausgänge der dritten Stromversorgungseinheit vorzugsweise über Thyristorsteller mit den äußeren Enden der Reihenschaltung der Siliziumstäbe verbunden.
Zur Vereinfachung der erforderlichen Schutztechnik sind die ersten und/oder zweiten Transformatoren, die mit benachbarten Siliziumstäben in der Reihe verbunden sind, gegensinnig gewickelt. Dies ermöglicht, dass die äußeren Enden der Siliziumstäbe in der Reihe jeweils auf einem Potential liegen.
Vorzugsweise besitzen die Transformatoren der ersten Stromversorgungseinheit eine steilere Strom-Spannungs-Kennlinie als die Transformatoren der zweiten Stromversorgungseinheit und die Transformatoren der zweiten Stromversorgungseinheit eine steilere Strom-Spannungs-Kennlinie als die dritte Stromversorgungseinheit. Hierdurch lässt sich auf einfache Weise eine Anpassung an einen temperaturabhängigen Widerstandsverlauf eines Siliziumstabes erreichen. Der spezifische Widerstand des Siliziumstabes sinkt nämlich bei ansteigender Temperatur zunächst steil ab und geht dann in einen Sättigungszustand über. Die unterschiedlichen Strom-Spannungs-Kennlinien der Stromversorgungseinheiten reflektieren dies durch ihre unterschiedlichen Verläufe.
Um eine Überlastung der Stromversorgungseinheiten zu vermeiden, ist die Steuereinheit in der Lage, in Abhängigkeit von einem Stromfluss durch die jeweiligen ersten oder zweiten Transformatoren sowie gegebenenfalls durch den Widerstand zwischen den Stromversorgungseinheiten umzuschalten. Dies ermöglicht somit auf einfache Weise eine bedarfsweise Umschaltung zwischen unterschiedlichen Spannungen, wobei der Stromfluss durch den Widerstand einen Hinweis auf den Zündzustand von Siliziumstäben liefern kann.
Bei der Ausführungsform mit Transformator ist die Steuereinheit in der Lage in Abhängigkeit von einer Spannung auf der Primärseite des Transformators diesen primärseitig mit Spannung zu beaufschlagen. Hierdurch können Unsymmetrien in der Leitung ausgeglichen werden, um das Zünden der Siliziumstäbe zu begünstigen.
Bei dem Verfahren zum Anlegen einer Spannung an eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor werden eine erste Spannung an die Siliziumstäbe mit einer ersten Vielzahl von ersten Transformatoren, eine zweite Spannung an die Siliziumstäbe mit einer zweiten Vielzahl von zweiten Transformatoren, wobei die zweite Spannung niedriger ist als die erste Spannung und eine dritte Spannung an die Siliziumstäbe mit einer Stromversorgungseinheit angelegt, wobei die dritte Spannung niedriger ist als die zweite Spannung. Während des Anlegens der ersten und der zweiten Spannung werden die äußeren Enden der Reihenschaltung aus Siliziumstäben über eine Leitung mit einem darin befindlichen Widerstand oder einer Sekundärseite eines Transformators miteinander und über einen Schalter schaltbar mit Erde verbunden, wobei ein Stromfluss durch den Widerstand oder eine Spannung an der Primärseite des Transformators gemessen wird. Das Anlegen der unterschiedlichen Spannungen wird wenigstens teilweise durch diese Messergebnisse beeinflusst. Der Begriff erste Spannung bezeichnet hier einen mittleren Effektivwert der Spannung, der über den Zeitraum gemittelt wird, während dem Spannung über die ersten Transformatoren angelegt wird. Der Begriff zweite Spannung bezeichnet hier einen mittleren Effektivwert der Spannung, der über den Zeitraum gemittelt wird, während dem Spannung über die zweiten Transformatoren angelegt wird. Mit zunehmender Erwärmung der Siliziumstäbe bewirkt durch einen durch die erste und/oder zweite Spannung initiierten Stromfluss kann die jeweilige Spannung über den Zeitraum hinweg absinken, während der Stromfluss zunimmt. Der Begriff dritte Spannung bezeichnet hier einen mittleren Effektivwert der Spannung, der über den Zeitraum gemittelt wird, während dem Spannung über die Stromversorgungseinheit angelegt wird. Mit zunehmender Erwärmung der Siliziumstäbe kann die Spannung wiederum über die Zeit hinweg absinken, während der Strom weiterhin ansteigen kann.
Dieses Verfahren ermöglicht wiederum eine zuverlässige Mittelspannungszündung und anschließende Erwärmung mittels Widerstandsheizung von Siliziumstäben in einem Abscheidereaktor. Der Widerstand bzw. der Transformator in der die äußeren Enden der Reihenschaltung aus Siliziumstäben verbindenden Leitung verhindert einen einfachen Massenschluss und die damit verbundenen Probleme gegebenenfalls fehlender Zündung einzelner Siliziumstäbe.
Vorzugsweise wird die dritte Spannung über alle der in Reihe geschalteten Siliziumstäbe angelegt, während erste und/oder zweite Spannungen über einzelne oder Gruppen der Siliziumstäbe angelegt werden. Die erste Spannung kann jeweils über jeden einzelnen Siliziumstab angelegt werden, und die zweite Spannung kann jeweils über zwei in Reihe geschaltete Siliziumstäbe angelegt werden.
Um eine Überlastung der ersten und zweiten Transformatoren zu vermeiden, wird der Stromfluss durch die Siliziumstäbe ermittelt und wenigstens eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Spannungen anhand des ermittelten Stromflusses gesteuert.
Bei der Ausführungsform mit Transformator wird in Abhängigkeit von einer detektierten Spannung auf der Primärseite des Transformators, dieser primärseitig mit Spannung beaufschlagt, um Unsymmetrien auszugleichen.
Abscheidereaktoren können mit einer unterschiedlichen Anzahl von in Reihe geschalteten Siliziumstäben ausgerüstet sein. Die beschriebene Schaltung kann in einem Reaktor auch mehrfach eingesetzt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische Seitenansicht einer Anordnung von Siliziumstabpaaren in einem CVD-Reaktor mit und ohne Abscheidung von Silizium;
2 eine schematische Schaltungsanordnung zum Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an Siliziumstäbe in einem CVD Reaktor;
3 Strom-Spannungskennlinien von unterschiedlichen in 2 gezeigten Stromversorgungseinheiten sowie schematisch dargestellt einen typischen Strom-Spannungsverlauf eines Siliziumstabes in einem CVD-Reaktor vor Beginn einer Siliziumabscheidung;
4 eine schematische Schaltungsanordnung zum Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an Siliziumstäbe in einem CVD Reaktor gemäß einer alternativen Ausführungsform;
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Anordnung von Siliziumstabpaaren 1 in einem nicht näher dargestellten CVD-Reaktor. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur zwei Stabpaare 1 in einer Ebene nebeneinander stehend dargestellt. Es sei aber bemerkt, dass ein CVD-Reaktor mehrere solcher Stabpaare 1 aufnehmen kann, die auch nicht in einer Ebene zueinander ausgerichtet sind. Üblicherweise sind zwischen vier und vierundzwanzig solcher Stabpaare 1 in einem CVD-Reaktor vorgesehen, wobei natürlich auch mehr oder weniger der Stabpaare 1 vorgesehen sein können.
1 zeigt die zwei Stabpaare 1, die jeweils aus zwei Siliziumdünnstäben 3 und einer Verbindungsbrücke 4 bestehen. Das rechte Stabpaar in 1 zeigt die Ausgangskonfiguration vor einer Gasphasenabscheidung. Das linke Stabpaar zeigt die Konfiguration nach einer Gasphasenabscheidung von Silizium auf den Siliziumdünnstäben, welche im linken Stabpaar noch gestrichelt dargestellt sind.
Die Siliziumdünnstäbe sind jeweils in bekannter Weise in Elektrodenanordnungen 6 am Boden 7 des CVD-Reaktors angeordnet. Die Verbindungsbrücken 4 der Stabpaare 1 verbinden die freien Enden der Siliziumdünnstäbe 3. Die Verbindungsbrücken 4 bestehen ebenfalls aus Silizium und besitzen vorzugsweise dieselben elektrischen Eigenschaften wie die Siliziumdünnstäbe 3. Insbesondere können die Verbindungsbrücken 4 aus Siliziumdünnstäben hergestellt werden und in geeigneter Weise mit den freien Enden der Siliziumdünnstäbe 3 in der Anordnung gemäß 1 verbunden werden.
Eine solche Anordnung von Stabpaaren 1 ermöglicht eine elektrische Kontaktierung der Siliziumdünnstäbe 3 ausschließlich über die Elektrodenanordnungen 6 am Boden 7 des CVD-Reaktors. Im nachfolgenden werden zur Vereinfachung der Beschreibung sowohl Siliziumstabpaare 1 gemäß 1 sowie auch einzelne Siliziumdünnstäbe, die beidseitig mit Elektroden verbunden sind, als Siliziumstäbe bezeichnet.
2 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung 10 zum Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an Siliziumstäbe S1 bis S4, die in einem nicht dargestellten CVD Reaktor in der Art und Weise wie in 1 dargestellt ist, aufgenommen sein können.
Die Schaltungsanordnung 10 gemäß 2 ist für vier Siliziumstäbe S1 bis S4 vorgesehen, sie kann aber auch für eine hiervon abweichende Anzahl vorgesehen sein, wobei vier, oder ein Vielfaches davon oder sechs, oder ein Vielfaches davon die derzeit bevorzugte Anzahl von Siliziumstäben für eine Schaltungsanordnung 10 ist. Je nach der Anzahl von Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor kann somit eine entsprechende Anzahl von Schaltungsanordnungen 10 vorgesehen sein. Die Siliziumstäbe S1 bis S4 sind elektrisch in Reihe verbunden.
Die Schaltungsanordnung 10 weist eine erste Stromversorgungseinheit 12, eine zweite Stromversorgungseinheit 14, eine dritter Stromversorgungseinheit 16 sowie eine nicht näher dargestellte Steuereinheit auf.
Die erste Stromversorgungseinheit 12 besteht aus insgesamt vier Transformatoren 21 bis 24, die primärseitig über jeweilige Drosseln 26 bis 29 und nicht dargestellte Schalter mit einer einphasigen Wechselspannung von beispielsweise 400 Volt verbindbar sind. Die dargestellten Transformatoren 21 bis 24 weisen sekundärseitig jeweils beispielsweise eine Leerlaufspannung von ca. 8000 Volt und einen Kurzschlussstrom von beispielsweise ungefähr sechs Ampere auf. in 3 ist eine beispielhafte Strom-Spannungs-Kennlinie K1 der Transformatoren 21 bis 24 dargestellt. Wie dargestellt Ist, besitzen die Transformatoren 21 bis 24 jeweils eine steil abfallende Strom-Spannungs-Kennlinie, d. h. dass die Spannung auf der Sekundärseite bei ansteigendem Stromfluss rasch abnimmt. Natürlich können auch andere Werte für die Transformatoren vorgesehen sein. Für eine Mittelspannungszündung sind Spannungen zwischen 5 und 20 KV üblich.
Jeder der Transformatoren 21 bis 24 ist einem der Siliziumstäbe S1 bis S4 zugeordnet und Ausgänge an der Sekundärseite der Transformatoren 21 bis 24 sind jeweils mit entgegen gesetzten Enden eines der Siliziumstäbe S1 bis S4 verbunden. Somit ist jeder der Transformatoren 21 bis 24 geeignet, über einen jeweiligen der Siliziumstäbe S1 bis S4 in der Reihe, eine Spannung von beispielsweise 8000 Volt anzulegen. Dabei sind die Sekundärwicklungen der Transformatoren 21 und 23, gegensinnig zu den Sekundärwicklungen der Transformatoren 22 und 24 gewickelt, so dass sich primär und sekundärseitig gleichsinnig gewickelte Transformatoren 22 und 24 mit primär und sekundärseitig gegensinnig gewickelten Transformatoren 21 und 23 in der Reihe nebeneinander liegender Siliziumstäbe jeweils abwechseln. Insbesondere sind die Transformatoren 21 bis 24 so gewickelt und mit den Siliziumstäben S1 bis S4 verbunden, dass die in der Reihe angeordneten äußeren Enden der Siliziumstäbe S1 und S4 jeweils auf einem betragsmäßig niedrigsten Niveau liegen, wenn die Siliziumstäbe S1 bis S4 über die Transformatoren 21 bis 24 mit Spannung beaufschlagt werden.
Die zweite Stromversorgungseinheit 14 besteht aus zwei Transformatoren 31, 32, die primärseitig über jeweilige Drosseln 34, 35 und nicht dargestellte Schalter mit einer einphasigen Wechselspannung von beispielsweise 400 Volt verbindbar sind. Die dargestellten Transformatoren 31, 32 besitzen sekundärseitig jeweils eine Leerlaufspannung von beispielsweise 4000 Volt und einen Kurzschlussstrom von beispielsweise zwanzig Ampere. In 3 ist eine Strom-Spannungs-Kennlinie K2 der Transformatoren 31, 32 dargestellt. Wie dargestellt ist, besitzen die Transformatoren 31, 32 eine weniger steil abfallende Strom-Spannungs-Kennlinie als die Transformatoren 21 bis 24 der ersten Stromversorgungseinheit 12.
Jedem der Transformatoren 31, 32 sind zwei benachbarte der Siliziumstäbe S1 bis S4 zugeordnet und Ausgänge an der Sekundärseite der Transformatoren 31, 32 sind jeweils mit entgegen gesetzten Enden einer Gruppe aus zwei benachbarten der in Reihe verbundenen Siliziumstäbe S1 bis S4 verbunden. Somit ist jeder der Transformatoren 31, 32 geeignet, über einen jeweiligen der Siliziumstäbe S1 bis S4 in der Reihe eine Spannung von ungefähr 2000 Volt anzulegen (die in Reihe verbundenen Siliziumstäbe wirken im Wesentlichen als Spannungsteiler). Dabei sind die Sekundärseiten der Transformatoren 31, 32 gegensinnig gewickelt. Insbesondere sind die Transformatoren 31, 32 so gewickelt und mit den Siliziumstäben S1 bis S4 verbunden, dass die äußeren Enden der in der Reihe angeordneten Siliziumstäbe S1 und S4 jeweils auf einem betragsmäßig niedrigsten Niveau liegen, wenn die Siliziumstäbe S1 bis S4 über die Transformatoren 31, 32 mit Spannung beaufschlagt werden.
Die dritte Stromversorgungseinheit 16 ist eine beliebige geregelte Stromversorgung, die in der Lage ist, eine Spannung in einem Bereich unter der Leerlaufspannung der Transformatoren 31, 32 der zweiten Stromversorgungseinheit 14 und einen Stromfluss oberhalb des Kurzschlussstroms der Transformatoren 31, 32 der zweiten Stromversorgungseinheit 14 vorzusehen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die dritte Stromversorgungseinheit 16 zum Beispiel in der Lage, eine Spannung an ihren Ausgängen zwischen 2500 bis 50 Volt und einen Strom von 10 bis 3400 Ampere vorzusehen, wobei die dritte Stromversorgungseinheit beispielsweise über Thyristorsteller zu und abgeschaltet wird. In 3 ist eine Strom-Spannungs-Kennlinie K3 der dritten Stromversorgung 16 dargestellt. Wie dargestellt ist, besitzt die dritte Stromversorgung eine weniger steil abfallende Strom-Spannungs-Kennlinie als die Transformatoren der zweiten Stromversorgung 14.
Die dritte Stromversorgung ist so mit den in Reihe geschalteten Siliziumstäben S1, S2, S3, S4 verbunden, dass ihre Spannung entlang der in Reihe verbundenen Siliziumstäbe S1 bis S4 abfällt, d. h. sie ist mit den äußeren Enden der Siliziumstäbe S1 und S4 der in Reihenschaltung miteinander verbundenen Siliziumstäbe verbunden.
Die äußeren Enden der Siliziumstäbe S1 bis S4 sind über eine Kurzschlusseinrichtung 40 miteinander verbunden. Die Kurzschlusseinrichtung weist eine Leitung 42, einen Widerstand 44, einen Strommesser 46, sowie einen ersten Schalter 48 und einen zweiten Schalter 49 auf. Der erste und der zweite Schalter können miteinander gekoppelt sein.
Die Leitung 42 verbindet die äußeren Enden der Siliziumstäbe S1 bis S4 miteinander. Der Widerstand 44 und der Strommesser 46 sind in der Leitung 42 in Reihe geschaltet. Der Schalter 48 ist zum Öffnen und Schließen der Leitung 42 angeordnet und der Schalter 49 ist zwischen der Kurzschlussleitung und Erde angeordnet, um eine Erdung zu ermöglichen.
Die nicht dargestellte Steuervorrichtung ist geeignet, selektiv und sequentiell die Siliziumstäbe S1 bis S4 über die erste, die zweite oder die dritte Stromversorgungseinheit 12, 14 oder 16 mit Spannung zu beaufschlagen. Dabei können die jeweiligen Transformatoren 21 bis 24 der ersten Stromversorgungseinheit 12 und die Transformatoren 31, 32 der zweiten Stromversorgungseinheit 14 jeweils einzeln, gruppenweise oder auch zusammen zu und abgeschaltet werden. Ferner ist die Steuereinheit in der Lage, während des Betriebs der ersten und der zweiten Stromversorgungseinheiten 12, 14 die Kurzschlusseinrichtung zu betätigen, d. h. die Schalter 48, 49 zu schließen, bzw. zu öffnen, und dadurch die äußeren Enden der Siliziumstäbe S1 bis S4 mit Erde zu verbinden. Dies kann zum Beispiel zum Schutz der Thyristorsteller der dritten Stromversorgungseinheit dienen.
Insbesondere werden bei einer Mittelspannungszündung zunächst die Transformatoren 21 bis 24 der ersten Stromversorgungseinheit 12 mit Spannung beaufschlagt. Sobald Strom durch die Transformatoren 21 bis 24 der ersten Stromversorgungseinheit 12 fließt und die betreffenden Drosseln 36 bis 29 die Spannung begrenzen wird auf die Transformatoren 31, 32 der zweite Stromversorgungseinheit 14 umgeschaltet. Nachdem die damit verbundenen Drosseln 34, 35 den Strom begrenzen und die Spannung sekundärseitig somit wieder reduziert ist, kann auf die Thyristorsteller der dritten Stromversorgungseinheit 16 umgeschaltet werden. Während des Betriebs der ersten und der zweiten Stromversorgungseinheiten 12, 14 ist die Kurzschlusseinrichtung geschlossen und beim Betrieb der dritten Stromversorgungseinheit geöffnet. Dabei kann die Kurzschlußeinrichtung optional schon während des Betriebs der zweiten Stromversorgungseinheit 14 geöffnet werden.
Der Widerstand 44 in der Leitung 42 verhindert einen einfachen Maschenschluss über die Siliziumstäbe S1 bis S4 und die Leitung 42 zur Erde. Ein solcher könnte ansonsten eine zuverlässige Zündung aller Siliziumstäbe S1 bis S4 verhindern, da eine Veränderung einer Transformatorsekundärspannung auch eine Veränderung der anderen Sekundärspannungen bewirken würde. Solche Veränderungen treten zum Beispiel auf, wenn einer der Siliziumstäbe S1 bis S4 gezündet hat. Da die Spannungen jedoch beispielsweise auf teilweise 25% der Leerlaufsspannung durch die Drossel begrenzt werden, kann die Spannung an noch nicht leitfähigen Siliziumstäben gegebenenfalls nicht mehr zum Erreichen des leitfähigen Zustandes der zugehörigen Siliziumstäbe ausreichen. Der Transformator des noch nicht leitfähigen Siliziumstabes signalisiert trotzdem einen Stromfluss, da der Strom durch die anderen leitfähigen Stäbe und die Kurzschlusseinrichtung fließt.
Dieses Problem wird durch den Widerstand 44 in der Leitung 42 vermieden, wobei der Widerstand jedoch derart zu begrenzen ist, dass die Spannung die zulässige Spannung der Thyristorsteller der dritten Stromversorgungseinheit nicht übersteigt. Die Überwachung des Stromflusses durch die Kurzschlusseinrichtung 40 durch den Strommesser 46 ermöglicht eine Überprüfung, ob die Zündung für alle Siliziumstäbe S1 bis S4 erfolgreich war oder nicht. Andernfalls besteht das Risiko, dass eine zu hohe Spannung (Transformator im Leerlauf) durch das Öffnen der Kurzschlusseinrichtung (Trafo des nicht gezündeten Stabs kann den Strom nicht mehr treiben) an den Thyristorstellern entsteht, was zu einem erheblichen Materialschaden führen kann.
4 zeigt schematisch eine alternative Schaltungsanordnung 10 zum Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an Siliziumstäbe S1 bis S4, wobei in 4 dieselben Bezugszeichen wie in 2 verwendet werden, sofern es sich um gleiche oder Ähnliche Elemente handelt.
Die Schaltungsanordnung 10 weist wiederum eine erste Stromversorgungseinheit 12, eine zweite Stromversorgungseinheit 14, eine dritter Stromversorgungseinheit 16, eine Kurzschlusseinrichtung 40 sowie eine nicht näher dargestellte Steuereinheit auf. Die alternative Schaltungsanordnung 10 gemäß 4 gleicht mit Ausnahme der Kurzschlusseinrichtung 40 der zuvor unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen. Daher wird bezüglich der ersten bis dritten Stromversorgungseinheit 12, 14 und 16 auf die vorstehende Beschreibung verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
Bei der Ausführungsform der 4 weist die Kurzschlusseinrichtung eine Leitung 42, einen Transformator 54, Spannungsmesser 56, sowie einen ersten Schalter 48 und einen zweiten Schalter 49 auf. Die Leitung 42 verbindet wieder die äußeren Enden der Siliziumstäbe S1 bis S4, wobei die Sekundärseite des Transformators 54 in Reihe in der Leitung 42 angeordnet ist. Über eine primärseitige Spannungsmessung am Transformator 54 (hier doppelt ausgeführt, damit immer ein Pfad unabhängig von der Netzspannung messen kann), wird registriert, ob ein Strom in positiver oder negativer Richtung einen Spannungsabfall hervorruft.
Entsprechend dieser Messung kann dann der Transformator entweder in positiver oder negativer Richtung in der Kurzschlussleitung 42 betrieben werden, um Unsymmetrien auszugleichen. Hierfür können Doppelschalter 58 (einzeln schaltbare Kontakte, die gegenseitig verriegelt sein können) eingesetzt werden, die die primärseitige Anschlüsse des Transformators 54 mit einer einphasigen Wechselspannung von beispielsweise 400 Volt verbinden.
Durch eine solche belastungsunabhängige Zusatzspannung kann das Zündverhalten während des Betriebs der ersten und zweiten Stromversorgungseinheiten 12, 14 unterstützt werden. Gleichzeitig kann die maximale Spannung definiert werden, so dass die Thyristorsteller der dritten Stromversorgungseinheit nicht beschädigt werden.
Ein Ausgleich von Unsymmetrien am Ende des Betriebs der ersten Stromversorgungseinheit 12 erfordert andere, meist kleinere Spannungen als ein Ausgleich von Unsymmetrien während des Betriebs der zweiten Stromversorgungseinheit 14. Dies kann optional dadurch kompensiert werden, dass der Transformator 54 über weitere ebenfalls bipolar schaltbare Spannungsabgriffe verfügt. Alternativ kann auch die Primärspannung des Zusatztransformators geregelt werden.
Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert, ohne auf die konkreten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die angegebenen Zahlenwerte hinsichtlich der Anzahl von Elementen, sowie hinsichtlich Spannungs- und Stromangaben beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010020740 A [0007, 0007, 0008]
DE 202004014812 A [0007]
US 7279811 A [0007]
DE 202009003325 A [0007]

Claims

Vorrichtung (10) zum Anlegen einer Spannung an eine Vielzahl von Siliziumstäben (S1 bis S4) in einem CVD-Reaktor, die folgendes aufweist: eine Reihenschaltung, in der die Siliziumstäbe (S1 bis S4) als Widerstände einsetzbar sind; wenigstens eine erste Stromversorgungseinheit (12); wenigstens eine zweite Stromversorgungseinheit (14); wenigstens eine dritte Stromversorgungseinheit (16); wenigstens eine Kurzschlusseinrichtung (40), die geeignet ist steuerbar die äußeren Enden der Reihenschaltung miteinander und mit Erde zu verbinden; und wenigstens eine Steuereinheit zum Steuern der ersten, zweiten und dritten Stromversorgungseinheiten (12, 14, 16) sowie der Kurzschlusseinrichtung (40), wobei die erste Stromversorgungseinheit (12) eine Vielzahl von ersten Transformatoren (21 bis 24) aufweist, deren Ausgänge jeweils mit wenigstens einem Siliziumstab (S1 bis S4) in der Reihe verbunden sind wobei die zweite Stromversorgungseinheit (14) eine Vielzahl von zweiten Transformatoren (31, 32) aufweist, deren Ausgänge jeweils mit wenigstens derselben Anzahl von Siliziumstäben (S1 bis S4) wie die ersten Transformatoren (21 bis 24) in der Reihe verbunden sind, und zwar parallel zu einem oder mehreren der ersten Transformatoren (21 bis 24), wobei die dritte Stromversorgungseinheit Ausgänge aufweist, die mit der Reihe von Siliziumstäben verbunden sind, und zwar parallel zu den ersten und zweiten Transformatoren, wobei die Kurzschlusseinrichtung (40) eine die äußeren Enden der Reihenschaltung verbindende Leitung aufweist, in der wenigstens ein Widerstand (44) oder eine Sekundärseite eines Transformators (54) vorgesehen ist, und wenigstens ein Schalter (48) vorgesehen ist, und wobei die Steuereinheit mit wenigstens einem Strommesser (46) zum Messen eines Stromflusses durch den Widerstand (44) oder einem Spannungsmesser (56) zum Messen einer Spannung an der Primärseite des Transformators (54) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Transformatoren (31, 32) jeweils mit einer größeren, insbesondere der doppelten Anzahl von Siliziumstäben (S1 bis S4) in der Reihe verbunden sind, als die ersten Transformatoren (21 bis 24).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der dritten Stromversorgungseinheit über Thyristorsteller mit der Reihenschaltung der Siliziumstäbe (S1 bis S4) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste und/oder zweite Transformatoren, die mit benachbarten Siliziumstäben in der Reihe verbunden sind, gegensinnig gewickelt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromversorgungseinheit eine steilere Strom-Spannungs-Kennlinie besitzt als die zweite Stromversorgungseinheit und die zweite Stromversorgungseinheit eine steilere Strom-Spannungs-Kennlinie besitzt als die dritte Stromversorgungseinheit.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in der Lage ist in Abhängigkeit von einem Stromfluss durch die jeweiligen ersten oder zweiten Transformatoren sowie gegebenenfalls durch den Widerstand (44) zwischen den Stromversorgungseinheiten umzuschalten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in der Lage ist, in Abhängigkeit von einer detektierten Spannung auf der Primärseite des Transformators (54) diesen primärseitig mit Spannung zu beaufschlagen.
Verfahren zum Anlegen einer Spannung an eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor, mit folgenden sequentiell durchgeführten Schritten: Anlegen einer ersten Spannung an die Siliziumstäbe mit einer ersten Vielzahl von ersten Transformatoren; Anlegen einer zweiten Spannung an die Siliziumstäbe mit einer zweiten Vielzahl von zweiten Transformatoren, wobei die zweite Spannung niedriger ist als die erste Spannung; und Anlegen einer dritten Spannung an die Siliziumstäbe mit einer Stromversorgungseinheit, wobei die dritte Spannung niedriger ist als die zweite Spannung, wobei während des Anlegens der ersten und der zweiten Spannung die äußeren Enden der Reihenschaltung aus Siliziumstäben über eine Leitung mit einem darin befindlichen Widerstand oder einer Sekundärseite eines Transformators miteinander und mit Erde verbunden werden, wobei ein Stromfluss durch den Widerstand oder eine Spannung an der Primärseite des Transformators gemessen wird und das Anlegen der unterschiedlichen Spannungen wenigstens teilweise durch diese Messergebnisse beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Spannung über alle der in Reihe geschalteten Siliziumstäbe angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung jeweils über jeden einzelnen Siliziumstab und die zweite Spannung jeweils über zwei in Reihe geschaltete Siliziumstäbe angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss durch die Siliziumstäbe ermittelt, und eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Spannungen wenigstens teilweise anhand des ermittelten Stromflusses gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei in Abhängigkeit von einer detektierten Spannung auf der Primärseite des Transformators dieser primärseitig mit Spannung beaufschlagt wird, um Unsymmetrien in der Leitung auszugleichen.