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Die Erfindung betrifft eine Spann- und Kontaktierungsvorrichtung für Silizium-Dünnstäbe zu deren Montage und elektrischen Kontaktierung in Silizium-Abscheidereaktoren, mit einem in der Regel aus Graphit bestehenden Stabhalter zur jeweiligen Aufnahme eines Endes des Silizium-Dünnstabes.
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Es ist in der Halbleitertechnik und der Photovoltaik bekannt, Siliziumstäbe mit einer hohen Reinheit zum Beispiel nach dem Siemens-Verfahren in Abscheidereaktoren bzw. CVD-Reaktoren zu erzeugen. Hierzu ist es erforderlich zunächst Silizium-Dünnstäbe in den Reaktoren aufzunehmen, auf denen dann während eines Abscheideprozesses Silizium abgeschieden wird. Die Silizium-Dünnstäbe werden dabei in der Regel über Spann- und Kontaktierungsvorrichtungen aufgenommen, welche sie einerseits in einer gewünschten Ausrichtung halten und andererseits eine elektrische Kontaktierung vorsehen. Die elektrische Kontaktierung ist notwendig, da die Silizium-Dünnstäbe während des Abscheideprozesses durch einen Stromfluss bei einer vorgegebenen Spannung mittels Widerstandsheizung auf eine Temperatur aufgeheizt werden, bei der eine Abscheidung von Silizium aus einer Dampf- oder Gasphase auf den Silizium-Dünnstäben erfolgen kann. Die Abscheidetemperatur liegt bei 900 bis 1350°C und üblicherweise bei 1100 bis 1200°C. Die Temperatur sollte den oberen Wert möglichst nicht überschreiten, weil ansonsten die Gefahr besteht, dass der Silizium-Dünnstab schmilzt oder abbricht.
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Wenn dieser Fall auftritt muss in der Regel die Abscheidung gestoppt und der Silizium-Abscheidereaktor nach einer ausreichenden Abkühlung geöffnet werden, um beschädigte Silizium-Dünnstäbe durch neue Silizium-Dünnstäbe zu ersetzen. Dies kann viel Zeit beanspruchen, da der Silizium-Abscheidereaktor zunächst abkühlen und ein Gasaustausch vorgenommen werden muss, bis er geöffnet werden kann, was folglich mit einem erheblichen Produktionsausfall verbunden ist. Darüber hinaus führt es zu Materialverlusten.
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Die
DE 1 187 098 A beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Siliziumstäben des oben genannten Typs. Die zur Durchführung des Verfahrens verwendete Vorrichtung besteht hauptsächlich aus einem Reaktionsgefäß aus Glas oder Quarz, in dem zwei Silizium-Dünnstäbe in Stabhaltern aus reinstem Kohlenstoff oder Graphit frei stehend aufgenommen sind. An ihrem jeweiligen freien, oberen Ende sind die Silizium-Dünnstäbe durch eine Strom leitende Brücke aus Silizium oder reinstem Kohlenstoff miteinander verbunden, um über die jeweiligen Stabhalter, die Silizium-Dünnstäbe und die Brücke eine Stromkreis zu bilden und die oben beschriebene Widerstandsheizung zu ermöglichen.
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Das Reaktionsgefäß ist durch einen Reflektor-Zylinder und alternativ durch zusätzliche Heizwiderstände umgeben. Wenn die Silizium-Dünnstäbe in dem Reaktor aufgenommen sind, werden sie über die oben beschriebene Widerstandsheizung und optional zusätzliche Heizelemente auf eine Abscheidetemperatur erwärmt. Nach Erreichen der Abscheidetemperatur wird ein Gemisch aus einem siliziumhaltigen Gas, wie beispielsweise Siliziumtetrachlorid oder Trichlorsilan und einem weiteren Gas, wie beispielsweise Wasserstoff in das Reaktionsgefäß eingeleitet. Alternativ kann auch Monosilan oder Siliziumjodid als siliziumhaltiges Gas eingesetzt werden.
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Bei neueren Anlagen zur Beschichtung von Silizium-Dünnstäben werden in einem Reaktionsgefäß häufig wesentlich mehr als zwei Silizium-Dünnstäbe nebeneinander angeordnet und gleichzeitig beschichtet. Dabei sind immer zwei benachbarte Silizium-Dünnstäbe über eine Strom leitende Brücke miteinander und über die Stabhalter am Fußende mit einer Stromversorgung verbunden.
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Bei der elektrischen Aufheizung der Silizium-Dünnstäbe nach dem Prinzip der Widerstandsheizung muss speziell während des Aufheizens der Silizium-Dünnstäbe auf die Abscheidetemperatur und auch in den ersten Stunden des Abscheideprozesses darauf geachtet werden, dass die vorgegebenen Temperaturen nicht überschritten werden. Hierbei können sich jedoch durch die Stabhalter bedingte Probleme ergeben.
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Die zumeist aus Graphit bestehenden Stabhalter besitzen häufig einen sich konisch verjüngenden Aufnahmeraum in Form eines Sacklochs in den die Silizium-Dünnstäbe von oben her eingesetzt werden. Hierdurch ergibt sich eine Konusverbindung zwischen Stabhalter und einem Silizium-Dünnstab. Die eingesetzten Silizium-Dünnstäbe besitzen gewöhnlich einen runden oder quadratischen Querschnitt mit einem Durchmesser von 6 bis 10 mm. Die Verjüngung des Aufnahmeraums muss sehr genau ausgeführt sein um einen ausreichenden mechanischen und elektrischen Kontakt zwischen Stabhalter und Silizium-Dünnstab vorzusehen, was zu einem hohen Fertigungsaufwand führt.
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Die Stabhalter können auch im Bereich des Sackloches geschlitzt sein, um einen gewissen Toleranzausgleich zu ermöglichen und um mechanische Spannungen in gewissen Grenzen beim Aufheizen abzubauen.
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Besonders kritisch ist die elektrische Kontaktierung der Silizium-Dünnstäbe durch den Stabhalter. Bei Silizium-Dünnstäben mit quadratischem Querschnitt findet die elektrische und mechanische Kontaktierung an den Kanten statt. Die Kontaktflächen sind damit extrem klein und die mechanischen Belastungen an Ecken können leicht zu Beschädigungen führen. Darüber hinaus ergibt sich an den Kanten ein hoher elektrischer Kontaktwiderstand. Bei Silizium-Dünnstäben mit rundem Querschnitt findet die elektrische und mechanische Kontaktierung hingegen entlang einer Umfangslinie um den gesamten Umfang des Silizium-Dünnstabes herum statt.
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Insbesondere zu Beginn des Aufheizprozesses entstehen oft Glühpunkte am Übergang Graphit-Silizium, die zu einem Abschmelzen bzw. durch mechanischen Stress zum Abbrechen der Silizium-Dünnstäbe führen können. Dies würde zu den unerwünschten oben beschriebenen Folgen führen, dass der Prozess unterbrochen und der Silizium-Abscheidereaktor in einer aufwändigen Prozedur neu bestückt werden muss.
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Insbesondere brechen Silizium-Dünnstäbe ab, wenn der Glühpunkt sehr groß wird, d. h. etwa 114 des Stabdurchmessers überschreitet, oder wenn der Glühpunkt bei runden Silizium-Dünnstäben um diese „herumläuft”.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spann- und Kontaktierungsvorrichtung für Silizium-Dünnstäbe vorzusehen, mit der eines oder mehrere der oben genannten Probleme vermieden werden können.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Spann- und Kontaktierungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Weiter Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Insbesondere ist eine Spann- und Kontaktierungsvorrichtung für Silizium-Dünnstäbe zu deren Montage und elektrischen Kontaktierung in Silizium-Abscheidereaktoren, mit einem Stabhalter zur Aufnahme eines Endes eines Silizium-Dünnstabes, vorgesehen, bei der der Stabhalter wenigstens drei Kontaktelemente aufweist, die um einen Aufnahmeraum für den Silizium-Dünnstab herum angeordnet sind und jeweils eine zum Aufnahmeraum weisende Kontaktfläche für eine elektrische und mechanische Kontaktierung des Silizium-Dünnstabs bilden, wobei die Kontaktflächen benachbarter Kontaktelemente voneinander beabstandet sind.
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Hierdurch wird eine definierte Anzahl elektrisch und mechanischer Kontaktflächen am Stabhalter für den Silizium-Dünnstab geschaffen, die an die Form der Silizium-Dünnstäbe angepasst sein kann. Durch den Abstand zwischen den Kontaktflächen wird ein „Laufen” von möglicherweise vorhandenen Glühpunkten verhindert, sodass die Gefahr eines Aufschmelzens des Silizium-Dünnstabes oder ein Abbrechen desselben verringert werden kann.
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Über die definierten Kontaktflächen können wesentlich größere Ströme eingestellt werden, als bei der bekannten Konusverbindung wodurch eine höhere Temperatur und insbesondere ein schnellerer Temperaturanstieg für den Silizium-Dünnstab erreicht werden kann. Weiterhin wird das Material durch den geringeren Graphitquerschnitt heißer, woraus eine intensive mechanisch belastbare Verbindung zwischen Graphit und Silizium resultiert.
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Die Kontaktflächen können sich jeweils parallel zu einer Längsachse des Stabhalters erstrecken, die der Längsachse des Silizium-Dünnstabes entsprechen kann, um eine möglichst flächige Kontaktierung zu ermöglichen. Hierzu können die Kontaktflächen streifenförmig ausgebildet und insbesondere auch an die Kontur des Silizium-Dünnstabes angepasst sein. Streifenförmig ist hierbei so zu verstehen, dass die Kontaktflächen eine Breite besitzen, die wesentlich kleiner ist, als die Umfangsabmessung des Silizium-Dünnstabes, wobei die Summe der Breiten aller Kontaktflächen kleiner ist als die Umfangsabmessung des Silizium-Dünnstabes. Die Summe der Breiten aller Kontaktflächen kann beispielsweise kleiner oder etwa gleich der halben Umfangsabmessung des Silizium-Dünnstabes sein.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kontaktelemente relativ zueinander, insbesondere zum Aufnahmeraum hin bewegbar. Hierdurch kann ermöglicht werden, dass ein Ende eines Silizium-Dünnstabes zunächst frei in den Aufnahmeraum aufgenommen und dass durch die Relativbewegung der Kontaktelemente zueinander über die Kontaktflächen im Aufnahmeraum fest eingeklemmt wird. Hieraus ergibt sich eine gute mechanische und elektrische Kontaktierung des Silizium-Dünnstabes im Aufnahmeraum.
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In einer Fortbildung der Erfindung kontaktieren die Kontaktelemente den Silizium-Dünnstab an seinem unteren Ende form- und/oder kraftschlüssig.
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In einer weiteren Fortbildung der Erfindung berühren die Kontaktelemente den Silizium-Dünnstab an seinem unteren Ende kraftschlüssig.
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Von Vorteil ist, wenn der Stabhalter zweiteilig ausgeführt wird und aus einem Grundelement und einem Spannelement mit den Kontaktelementen besteht. Das Grundelement kann dann wieder verwendet werden, wohingegen das Spannelement als verlorenes Element gilt und für jeden neuen Silizium-Dünnstab ein neues Spannelement eingesetzt werden muss. Der Grund hierfür ist, dass die Spannelemente durch deren intensive Verbindung mit dem Silizium zerstört werden, da während des Siliziumaufwachsprozesses die Spannelemente vom immer dicker werdenden Siliziumstab umwachsen werden. Das Spannelement kann mit dem Grundelement formschlüssig sowie leicht kraftschlüssig verbunden sein, so dass ein leichter Austausch der Spannelemente möglich ist. Der Stabhalter kann natürlich auch mehrteilig, also mehr als zweiteilig ausgeführt sein.
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Bei einer Ausführungsform besitzt das Grundelement eine sich verjüngende, insbesondere sich konisch verjüngende Aufnahme und das Spannelement eine entsprechende, sich verjüngende Außenkontur. Eine solche Ausgestaltung erlaubt einerseits eine automatische Zentrierung der Elemente zueinander und andererseits eine einfache Handhabung des Spannelements beim einsetzen und herausnehmen in die bzw. aus der Ausnehmung. Vorzugsweise sind die Verjüngung der Aufnahme im Grundelement und die sich verjüngende Außenkontur des Spannelements so bemessen, dass eine Bewegung des Spannelements in die Aufnahme eine Bewegung der Kontaktelemente zueinander bin bewirkt, um dadurch den Aufnahmeraum zu verkleinern. Die Bewegung der Kontaktelemente zueinander hin erfolgt vorzugsweise senkrecht zu ihren Kontaktflächen. Hierüber kann während des Einsetzens des Spannelements in die Aufnahme eine automatische Klemmung eines im Aufnahmeraum aufgenommenen Silizium-Dünnstabes erreicht werden. Es kann sich eine Keilwirkung mit hohem Anpressdruck ergeben, die zu einer Verringerung des Kontaktwiderstands zwischen Kontaktelement und Silizium-Dünnstab führen kann. Eine flächige Klemmung reduziert auch mechanische Belastungen, wodurch die Gefahr des Umfallens eines Silizium-Dünnstabes verringert wird. Dabei ist es möglich, dass das Spannelement zunächst lose in die Aufnahme eingesetzt wird, sodass noch keine Verkleinerung des Aufnahmeraums auftritt. Dann kann der Silizium-Dünnstab frei in den Aufnahmeraum eingeführt werden und erst abschließend kann dass Spannelement tiefer in die Aufnahme hinein gedrückt werden, um die Klemmung des Silizium-Dünnstabes zu bewirken. Dabei ist insbesondere auch von Vorteil, dass für das Erzeugen der Klemmung keine zusätzlichen Elemente außer dem Spannelement und dem Grundelement erforderlich sind, wodurch sich ein einfacher Aufbau ergibt. Ferner kann die Masse der eingesetzten Elemente im Abscheidereaktor verringert werden, was die Aufheizung auf die Abscheidetemperatur erleichtert. Auch könnten zusätzliche Elemente Kontaminationsquellen darstellen oder aber auch durch den Prozess derart kontaminiert werden, dass sie regelmäßig ausgetauscht und/oder gereinigt werden müssen.
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Um eine gute und definierte Klemmung zu erhalten ist es von Vorteil, wenn die Bewegung der Kontaktelemente senkrecht zu Ihren Kontaktflächen erfolgt, was sich durch eine entsprechende Ausgestaltung der Spannelemente und/oder der Aufnahme erreichen lässt. Für eine gute und definierte Klemmung ist es auch möglich, dass die Kontaktflächen der Kontaktelemente an die Kontur des Silizium-Dünnstabs angepasst sind, um ihn flächig zu kontaktieren. So können die Kontaktflächen für runde Silizium-Dünnstäbe zum Beispiel in einer Ebene eine der Rundung der Dünnstäbe entsprechende Rundung aufweisen, während die Kontaktflächen für eckige Dünnstäbe zum Beispiel ebene Kontaktflächen aufweisen.
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Bei einer Ausführungsform sind die Kontaktelemente mit gleichmäßigem Abstand um den Aufnahmeraum herum angeordnet, um eine symmetrische Kontaktierung des Silizium-Dünnstabes zu erreichen. In einer ersten Variante für Silizium-Dünnstäbe mit quadratischem Querschnitt enthält das Spannelement zum Beispiel vier um 90° versetzt angeordnete schmale Kontaktelemente mit schmalen Kontaktflächen. In einer zweiten Variante enthält das Spannelement für Silizium-Dünnstäbe mit rundem Querschnitt zum Beispiel drei um 120° zueinander versetzt angeordnete Kontaktelemente mit schmalen Kontaktflächen, die eine der Rundung des Silizium-Dünnstabes entsprechende Rundung besitzen.
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In einer besonderen Ausgestaltung sind die Kontaktelemente separate Elemente, die wenigstens vor ihrem Einsatz über Verbindungselemente miteinander verbunden sind. Die separaten Elemente erlauben die für eine Klemmung vorteilhafte Beweglichkeit, während die Verbindungselemente die Handhabung der Kontaktelemente als eine Einheit vor ihrem Gebrauch erleichtern. Die Verbindungselemente zwischen den Kontaktelementen können flexibel sein und/oder Sollbruchstellen aufweisen, um eine Relativbewegung zwischen den Kontaktelementen zu ermöglichen. Für einen einfachen Aufbau können die Kontaktelemente und die Verbindungselemente einteilig ausgebildet sein, und zum Beispiel aus einem Graphitteil herausgearbeitet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Spannring vorgesehen, der am Grundelement derart befestigbar ist, dass zwischen Spannring und Grundelement eine Aufnahme für die Kontaktelemente gebildet wird, die so bemessen ist, dass bei der Befestigung des Spannrings am Grundelement die Kontaktelemente relativ zueinander, insbesondere zum Aufnahmeraum hin bewegt werden. Ein solcher Spannring kann gegebenenfalls den Halt der Kontaktelemente im Grundkörper verbessern und es kann gegebenenfalls eine höhere Klemmkraft für den Silizium-Dünnstab erreicht werden. Dabei kann der Spannring zum Beispiel auf das Grundelement aufschraubbar oder über eine Schnellspanneinrichtung gegenüber dem Grundelement verspannbar sein. Dabei kann der Spannring zum Beispiel eine Öffnung mit einer sich verjüngenden Innenwand aufweisen, die an eine sich verjüngende Kontur der Kontaktelemente angepasst ist, um eine Bewegung der Kontaktelemente vorzusehen. Der Spannring muss nicht notwendigerweise elektrisch leitend sein, und sollte aus einem hinreichend festen und temperaturbeständigem Material bestehen.
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Die erfindungsgemäße Spann- und Kontaktierungsvorrichtung kann die Prozessführung in einem Silizium-Abscheidereaktor vorteilhaft beeinflussen, da schon zu Beginn des Aufheizprozesses der Silizium-Dünnstäbe eine Zuführung von Silandampf oder -gas erfolgen kann. Über die Kontaktflächen lassen sich bereits zu Beginn des Aufheizprozesses, insbesondere im Bereich der Kontaktflächen, hohe Temperaturen erreichen mit dem Ergebnis, dass der zugeführte Silandampf an den heißeren Stellen zu einer Abscheidung führt, was eine Selbstheilung von gegebenenfalls kleineren Beschädigungen des Silizium-Dünnstabes in diesen Bereichen zur Folge hat.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand unterschiedlicher Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Draufsicht auf einen Stabhalter mit eingesetztem Silizium-Dünnstab mit quadratischem Querschnitt;
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2 eine schematische Seitenansicht des Stabhalters nach 1;
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3 eine schematische Seitenansicht des Stabhalters nach 2 mit eingesetztem Silizium-Dünnstab;
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4 eine schematische Schnittansicht durch den Stabhalter nach 1 entlang der Linie IV-IV in 1, wobei der Silizium-Dünnstab weggelassen wurde;
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5 eine schematische Draufsicht auf einen alternativen Stabhalter mit eingesetztem Silizium-Dünnstab mit rundem Querschnitt, der nach dem Prinzip eines Bohrmaschinenfutters ausgebildet ist;
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6 eine schematische Schnittdarstellung des Stabhalters nach 5 entlang der Linie VI-VI in 5;
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7 eine schematische Draufsicht auf einen Stabhalter gemäß einer weiteren Alternative; und
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8 eine schematische Schnittdarrstellung des Stabhalters nach 7 entlang der Linie VIII-VIII.
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In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Begriffe wie oben, unten, rechts und links, beziehen sich auf die Darstellung in den Figuren und sind nicht einschränkend zu sehen, obwohl sie eine bevorzugte Ausrichtung darstellen können.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Stabhalter 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Stabhalter 1 besteht beispielsweise aus Graphit und ist mit eingesetztem Silizium-Dünnstab 2 mit quadratischem Querschnitt dargestellt. Die 2 und 3 zeigen jeweils eine Seitenansicht des Stabhalters 1 nach 1, wobei 2 den Stabhalter ohne eingesetzten Silizium-Dünnstab 2 und 3 den Stabhalter mit eingesetzten Silizium-Dünnstab 2 zeigt. 4 zeigt eine schematische Schnittansicht durch den Stabhalter nach 1 entlang der Linie IV-IV in 1, wobei der Silizium-Dünnstab zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen wurde.
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Ein solcher Stabhalter 1 wird in nicht dargestellten Silizium-Abscheidereaktoren zur Herstellung von Siliziumstäben größeren Durchmessers eingesetzt und dient dazu einen Silizium-Dünnstab während eines Abscheidungsprozesses im Wesentlichen freistehend zu halten und elektrisch zu kontaktieren, wie eingangs beschrieben. Im Wesentlichen freistehend ist dabei so zu verstehen, das ein Endbereich des Silizium-Dünnstabes in dem Stabhalter aufgenommen und gehalten wird, aber der Großteil des Silizium-Dünnstabes frei aus dem Stabhalter vorsteht und einer Prozessgasatmosphäre im Abscheidereaktor ausgesetzt ist. Dabei werden Stabhalter in der Regel paarweise angeordnet, um über die Stabhalter, die darin aufgenommenen Silizium-Dünnstäbe und entsprechende elektrische leitende Verbindungen am jeweiligen freien Ende der Silizium-Dünnstäbe 2 einen Stromkreis zu bilden. Dieser Stromkreis ermöglicht in Verbindung mit einer elektrischen Stromversorgung eine Widerstandsheizung der Silizium-Dünnstäbe 2, um diese auf eine Abscheidungstemperatur zu erhitzen, wie oben beschrieben wurde.
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Wie in 4 zu erkennen ist, besitzt der Stabhalter ein Grundelement 7 und ein Spannelement 8, die als separate Bauteile ausgeführt sind. Das Spannelement 8 dient zur Aufnahme und elektrischen Kontaktierung des Silizium-Dünnstabes und ist durch den Kontakt mit dem Silizium-Dünnstab während des Abscheidungsprozesses nur einmal verwendbar. Das Grundelement 7 dient zur Aufnahme und Halterung des Spannelements 8 und ist aufgrund der Entfernung zum Silizium-Dünnstab 2 während des Abscheidungsprozesses mehrfach verwendbar.
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Das Grundelement besitzt eine kreiszylindrische Grundform, die an einem oberen Ende konisch ausgebildet ist. In dem konisch ausgebildeten Ende ist eine Ausnehmung vorgesehen, die sich nach unten zu einem Boden hin verjüngt. Die Ausnehmung erstreckt sich in den zylindrischen Teilbereich des Grundelements hinein.
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Das Spannelement 8 besitzt eine untere Basis 3 und vier sich hiervon nach oben erstreckende Kontaktelemente 4.1, 4.2, 4.3, 4.4. Die Unterseite der Basis 3 ist konform zu der Ausnehmung im Grundelement 7 ausgebildet um eng passend darin aufgenommen zu werden. Die Oberseite ist flach ausgebildet. Durch die Verjüngung der Ausnehmung und die entsprechende Form der Basis 3 ergibt sich beim Einsetzen des Spannelements 8 in das Grundelement eine Selbstzentrierung der Elemente zueinander. Die Basis 3 besitzt eine flach ausgebildete Oberseite, die benachbart hierzu noch einen abgeschrägten Teil besitzt, der dieselbe Schräge besitzt wie die Verjüngung des Grundelements 7.
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Die Kontaktelemente 4.1, 4.2, 4.3, 4.4. erstrecken sich von der Oberseite der Basis 3 und besitzen jeweils in Seitenansicht im Wesentlichen die Form eines rechtwinkligen Dreiecks (4). Sie sind jeweils so angeordnet, dass eine Kathete parallel zur Oberseite der Basis 3 verläuft während die andere senkrecht hierzu verläuft. Die Kontaktelemente 4.1, 4.2, 4.3, 4.4. sind radial zu einer Mitte der Oberfläche ausgerichtet und sind zur Bildung eines Aufnahmeraums dazwischen beabstandet. Die Kontaktelemente 4.1, 4.2, 4.3, 4.4. sind mit gleichem Winkelabstand von 90° zueinander angeordnet, und Ihre jeweiligen senkrecht zur Oberseite der Basis verlaufenden Katheten weisen nach innen zum Aufnahmeraum. Die jeweilige Hypotenuse der Kontaktelemente 4.1, 4.2, 4.3, 4.4. weist nach außen, und bildet eine Schräge, die dieselbe Schräge besitzt wie die Verjüngung des Grundelements 7. Die obere freie Ecke der Dreieckform ist abgeflacht, wie in 4 zu erkennen ist, um eine Spitze zu vermeiden, die leicht zu einer Beschädigung der Kontaktelemente in diesem Bereich oder zu einer Beschädigung eines Silizium-Dünnstabes 2 führen könnte.
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Die Kontaktelemente 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 bilden an ihren nach innen weisenden Flächen streifenförmige Kontaktflächen, die sich parallel zu einer Längsachse A des Stabhalters erstrecken. Die Kontaktflächen kontaktieren einen im Aufnahmeraum aufgenommenen Silizium-Dünnstab mit quadratischem Querschnitt an den Kantenflächen desselben, und zwar jeweils mittig zu einer Breitenabmessung der jeweiligen Kantenfläche, wie am besten in den 1 und 3 zu erkennen ist. Die Breite der Kontaktflächen sollte jeweils vorzugsweise maximal 50% der Breitenabmessung der Kantenfläche des Silizium-Dünnstabes 2 entsprechen.
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5 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen alternativen Stabhalter 6 mit einer Aufnahme für einen Silizium-Dünnstab 3 mit rundem Querschnitt, der nach dem Prinzip eines Bohrmaschinenfutters ausgebildet ist. 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Stabhalters 6 entlang der Linie VI-VI in 5. Der Stabhalter 6 und der entsprechende Silizium-Dünnstab 3 können in derselben Art und Weise in die Aufnahme eingesetzt werden, wie zuvor beschrieben.
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Wie am besten in 6 zu erkennen ist, besitzt der Stabhalter 6 ein Grundelement 7, entsprechend dem zuvor beschriebenen Grundelement und ein Spannelement 8 entsprechend dem zuvor beschriebenen Spannelement. Das Spannelement 8 ist Teil einer Spanneinheit (nicht weiter bezeichnet in den Figuren), die neben dem Spannelement 8 noch einen Spannring 9 aufweist. Das Spannelement 8 dient wiederum zur elektrischen und mechanischen Kontaktierung eines Silizium-Dünnstabes 3 und ist durch den Kontakt mit dem Silizium-Dünnstab während des Abscheidungsprozesses nur einmal verwendbar. Das Grundelement 7 dient zur Aufnahme und Halterung des Spannelements 8 und ist aufgrund der Entfernung zum Silizium-Dünnstab 2 während des Abscheidungsprozesses mehrfach verwendbar. Der Spannring 9 dient dazu, das Spannelement 8 bezüglich des Grundelements zu verspannen, wie nachfolgend noch erläutert wird und ist aufgrund der Entfernung zum Silizium-Dünnstab 3 während des Abscheidungsprozesses ebenfalls mehrfach verwendbar.
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Das Grundelement 7 besitzt eine kreiszylindrische Grundform, und besitzt eine im Wesentlichen ebene Oberfläche, auf der das Spannelement 8 platziert werden kann.
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Das Spannelement besteht aus drei Kontaktelementen 5.1, 5.2 und 5.3, die ähnlich wie die zuvor beschriebenen Kontaktelemente jeweils in Seitenansicht im Wesentlichen die Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweisen. Sie sind jeweils so angeordnet, dass eine Kathete parallel zur Oberseite des Grundelements 7 verläuft während die andere senkrecht hierzu verläuft. Die Kontaktelemente 5.1, 5.2 und 5.3 sind radial zu einer Mitte der Oberfläche ausgerichtet und sind zur Bildung eines Aufnahmeraums dazwischen beabstandet. Die Kontaktelemente 5.1, 5.2 und 5.3 sind mit gleichem Winkelabstand von 120° zueinander angeordnet, und Ihre jeweiligen senkrecht zur Oberseite der Basis verlaufenden Katheten weisen nach innen zum Aufnahmeraum. Die jeweilige Hypotenuse der Kontaktelemente 5.1, 5.2 und 5.3 weist nach außen, und bildet eine Schräge, die dieselbe Schräge besitzt wie die Verjüngung des Grundelements 7. Die drei Kontaktelemente 5.1, 5.2, 5.3 beschreiben somit Teile des Außenumriss eines Kegels. Die obere freie Ecke der Dreieckform ist wiederum abgeflacht, wie in 5 zu erkennen ist.
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Die Kontaktelemente 5.1, 5.2 und 5.3 bilden an ihren nach innen weisenden Flächen streifenförmige Kontaktflächen, die sich parallel zu einer Längsachse A des Stabhalters erstrecken. Die Kontaktflächen sind jeweils abgerundet und an die Form eines runden Silizium-Dünnstabes 3 angepasst, um einen im Aufnahmeraum aufgenommenen Silizium-Dünnstab 3 gut zu kontaktieren. Die Kontaktflächen kontaktieren dabei den Silizium-Dünnstab 3 über maximal 50% seiner Umfangsabmessung.
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Die Kontaktelemente 5.1, 5.2 und 5.3 sind jeweils separate Elemente, die zueinander bewegbar sind, wobei sie wenigstens vor ihrem Einsatz über Verbindungselemente miteinander verbunden sein können.
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Der Spannring 9 weist im Wesentlichen eine Topfform auf, mit einem eine Öffnung 10 aufweisenden Boden und einer umlaufenden Seitenwand, die sich senkrecht zum Boden erstreckt. Im Einsatz wird der Spannring 9 in umgekehrter Ausrichtung, d. h. mit der Seitenwand nach unten weisend verwendet, wie in 6 zu erkennen ist. Die Seitenwand kann an ihrem Innenumfang mit Befestigungsmitteln versehen sein, die mit entsprechenden Befestigungsmitteln am Grundkörper 7 zusammenwirken, um den Spannring 9 bezüglich des Grundkörpers befestigen zu können. Als Befestigungsmittel kommen hier zum Beispiel ein Innengewinde an der Seitenwand und ein Außengewinde am Grundkörper oder auch entsprechende Elemente für einen Schnell- oder Bajonettverschluss in betracht. Natürlich können auch andere Befestigungsmittel vorgesehen sein.
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Die Öffnung 10 ist zentrisch ausgebildet wobei die Innenwand der Öffnung 10 eine Schräge aufweist, die der nach außen weisenden Schräge der Kontaktelemente 5.1, 5.2 und 5.3 entspricht. Wie in 6 zu erkennen ist, können die Kontaktelemente 5.1, 5.2 und 5.3 teilweise zwischen dem Spannring 9 und dem Grundelement 7 aufgenommen werden und sich dabei teilweise durch die zentrische Öffnung 10 im Spannring nach außen erstrecken. Dabei kommt die Schräge der zentrischen Öffnung mit der nach außen weisenden Schräge der Kontaktelemente 5.1, 5.2 und 5.3 in Eingriff. Über diesen Eingriff können die Kontaktelemente 5.1, 5.2 und 5.3 zueinander bewegt werden, um den dazwischen gebildeten Aufnahmeraum für einen Silizium-Dünnstab 3 zu verkleinern und einen aufgenommenen Silizium-Dünnstab 3 festzuklemmen. In 6 ist gezeigt, wie der Spannring 9 auf den Kontaktelementen 5 liegt und in der Lage ist durch eine Bewegung axial in Richtung zum Grundelement 7, die Kontaktelemente 5.1, 5.2 und 5.3 um das untere Ende eines nicht gezeigten Silizium-Dünnstabes 3 ähnlich wie bei einem Bohrmaschinenfutter zusammenzudrücken. Der Spannring 9 kann dazu auf das Grundelement 7 aufschraubbar sein, wie in 6 dargestellt, oder mit einer Schnellspanneinrichtung gegenüber dem Grundelement 7 verspannbar sein.
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Obwohl bei der Ausführungsform mit Spannring drei Kontaktelemente gezeigt sind, können auch bei dieser Variante vier oder mehr Kontaktelemente eingesetzt werden, und zwar entsprechend der Form des einzusetzenden Silizium-Dünnstabes. Natürlich können auch bei der Variante ohne Spannring nur drei oder mehr als die vier dargestellten Kontaktelemente vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß ist die Anzahl elektrischer und mechanischer Kontaktflächen zwischen dem Stabhalter 1 und dem Silizium-Dünnstab 2, 3 minimiert, durch Ausbildung von vier definierten Kontaktelementen 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 am Stabhalter 1 (1), die streifenförmig längs mit dem Silizium-Dünnstab 2 elektrisch und mechanisch in Verbindung stehen, oder durch Ausbildung von drei Kontaktelementen 5.1, 5.2, 5.3 am Stabhalter 6 (4). Die vier Kontaktelemente 4 sind dabei um jeweils 90° versetzt angeordnet und die drei Kontaktelemente 5.1, 5.2, 5.3 um jeweils 120°.
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Die Kontaktelemente 4, 5 berühren den Silizium-Dünnstab 2, 3 an seinem unteren Ende formschlüssig, wie in 1, 2 dargestellt, oder form- und kraftschlüssig, wie in 4, 5 dargestellt durch Ausbildung von schmalen Kontaktflächen.
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Die Stabhalter 1 können zweiteilig ausgeführt sein und aus einem Grundelement 7 und einem Spannelement 8 bestehen, wie dargestellt, sie können aber auch einteilig sein.
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Durch die Erfindung wird einerseits eine definierte Anzahl schmaler elektrischer und mechanischer Kontaktflächen zwischen dem Silizium-Dünnstab 2, 3 und dem Stabhalter 1 geschaffen und andererseits wird durch den vergrößerten Abstand zwischen den Kontaktflächen der Kontaktelemente 4, 5 und dem Silizium-Dünnstab 2, 3 ein „Laufen” der möglicherweise noch vorhandenen Glühpunkte, die durch Toleranzprobleme der Kontaktflächen bedingt sind, verhindert.
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Insbesondere wird bei Silizium-Dünnstäben 2 mit quadratischem Querschnitt deren Kontaktierung über deren Ecken vermieden.
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Im Ergebnis können wesentlich größere Strome eingestellt werden, die eine höhere Temperatur der Silizium-Dünnstäbe 2, 3 erzeugen und eine schnellere Aufheizung ermöglichen. Weiterhin wird das Material durch den geringeren Graphitquerschnitt, d. h. die definierten schmalen Kontaktflächen, heißer, woraus eine intensivere mechanisch belastbare Verbindung zwischen Graphit und Silizium resultiert.
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Die erfindungsgemäße Spann- und Kontaktierungsvorrichtung kann vorteilhaft in einem Abscheidereaktor unter gleichzeitiger Zuführung von Silandampf oder -gas bereits zu Beginn des Aufheizprozesses der Silizium-Dünnstäbe 2, 3 verwendet werden.
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Das ist durch die bereits zu Beginn des Aufheizprozesses erreichbaren hohen Temperaturen der Kontaktflächen zwischen Stabhalter 1 und Silizium-Dünnstab 2, 3 mit dem Ergebnis möglich, dass der zugegebene Silandampf oder -gas an den heißeren Stellen zu einer Abscheidung führt, was eine Selbstheilung der Silizium-Dünnstäbe 2, 3 zur Folge hat. Daraus resultiert eine höhere Standfestigkeit.
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7 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Stabhalter 16 für runde Silizium-Dünnstäbe 13 gemäß einer weiteren Alternative und 8 eine schematische Schnittdarrstellung dieses Stabhalters 16 entlang der Linie VIII-VIII in 7, wobei der Silizium-Dünnstab in dieser Darstellung weggelassen wurde. Der Stabhalter 16 ist für runde Silizium-Dünnstäbe 13 vorgesehen und kann in derselben Art und Weise eingesetzt werden wie zuvor beschrieben.
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Wie am besten in 8 zu erkennen ist, besitzt der Stabhalter 16 ein Grundelement 17 und ein Spannelement 18 entsprechend den zuvor beschriebenen. Das Grundelement 17 besitzt eine kreiszylindrische Form und weist an seinem unteren und seinem oberen Ende jeweils eine konische Ausnehmung 20 auf. Die Ausnehmungen sind zu einer Mittelebene des Grundelements spiegelsymmetrisch, sodass das Grundelement 17 im Querschnitt im Wesentlichen eine H-Form bildet. Das Grundelement 17 ist ferner bezüglich einer Längsmittelachse A des Stabhalters 16 rotationssymmetrisch.
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Die untere Ausnehmung 20 dient zu Aufnahme eines reaktorseitigen Kontaktelements über das das Grundelement 17 im Reaktor gehalten wird und über das eine elektrische Kontaktierung des Grundelements erfolgt. Eine entsprechende Halterung und elektrische Kontaktierung im Reaktor kann aber auch auf eine andere Weise erfolgen, sodass die untere Ausnehmung 20 entfallen könnte. Die obere Ausnehmung 20 dient zur Aufnahme des Spannelements 18, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Das Spannelement 18 besteht aus drei separaten Kontaktelementen 25, die über Verbindungsstege 26 miteinander verbunden sind. Wie in der Draufsicht gemäß 7 zu erkennen ist sind die Kontaktelemente 25 über die Verbindungsstege 26 mit gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet, und sie erstrecken sich jeweils radial zu einer gemeinsamen Mitte.
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Die jeweils radial nach innen weisenden Flachen 28 (Innenflächen) der Kontaktelemente 25 bilden dazwischen einen Aufnahmeraum 30 für den Silizium Dünnstab. Wie in der Draufsicht in 7 zu sehen ist, sind die Innenflächen 28 der Kontaktelemente 25 an die Rundung des Silizium-Dünnstabes angepasst. In Richtung der Längsmittelachse A des Stabhalters 16 sind die Innenflächen 28 gerade und erstrecken sich parallel zur Längsmittelachse A.
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Seitenflächen 32 der Kontaktelemente verlaufen unter einem spitzen Winkel derart zueinander, dass sich die Kontaktelemente 25 in Radialrichtung verbreitern, wie in 7 zu erkennen ist. In Richtung der Längsmittelachse A des Spannelements 16 verlaufen die Seitenflächen hingegen parallel. Die radial nach außen weisenden Flächen 34 (Außenflächen) der Kontaktelemente 25 sind daher breiter als die Innenflächen 28.
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Die Außenflächen 34 besitzen eine Rundung, die an die Ausnehmung 20 angepasst ist, wie in der Draufsicht in 7 zu erkennen ist. Die Außenflächen 34 verlaufen ferner in einem spitzen Winkel derart zu den Innenflächen 28, dass sich die Kontaktelemente 25 keilförmig nach unten verjüngen, wie in 8 zu erkennen ist. Die Außenflächen 34 besitzen dabei eine Schräge, die der Schräge der Verjüngung der Ausnehmung 20 entspricht. Wie der Fachmann erkennt, werden die Kontaktelemente 25 daher bei einer Bewegung des Spannelements 18 in die Ausnehmung 20 hinein zueinander in Richtung der Längsmittelachse A gedrückt.
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Die Verbindungsstege 26 erstrecken sich zwischen benachbarten Kontaktelementen 25, wobei jeweils ein Verbindungssteg in einem oberen und einem unteren Bereich der Kontaktelemente 25 vorgesehen ist. Die Verbinddungsstege sind derart vorgesehen, dass sie die Kontaktelemente in einer vorgegebenen Winkelbeziehung zueinander halten. Wenn die Kontaktelemente 25 aufeinander zu bewegt werden, geben die Verbindungsstege 26 nach und brechen gegebenenfalls an einer Sollbruchstelle. Die Verbindungsstege habe somit primär die Funktion die Kontaktelemente 25 vor dem Einsetzten in den Grundkörper 17 in einer vorbestimmten Beziehung zueinander zu halten. Während des Einsetzens kann diese Beziehung verändert werden was durch eine Flexibilität der Verbindungsstege oder eine Zerstörung derselben zum Beispiel an einer Sollbruchstelle erreicht werden kann. Die Kontaktelemente 25 und die Verbindungsstege 26 können separat oder auch einteilig aus denselben oder auch unterschiedlichen Materialien ausgebildet sein. Obwohl in der Darstellung Verbinddungsstege 26 zwischen den Seitenflächen 32 der Kontaktelemente 25 gezeigt sind, sei bemerkt dass auch andere Verbindungen vorgesehen sein können, welche eine Relativbewegung zwischen den Kontaktelementen 25 beim Einsetzen in die Ausnehmung 20 ermöglichen, sie aber vor dem Einsetzen in einer vorbestimmten Beziehung zueinander halten. So könnte zum Beispiel ein sternförmiges Verbindungselement vorgesehen sein, das sich zwischen den Innenflächen 28 der Kontaktelemente 25 erstreckt und gleichzeitig als eine untere Begrenzung des Aufnahmeraums 30 zwischen den Kontaktelementen 25 dient. Auch ist es möglich auf die Verbindungen zwischen den Kontaktelementen 25 vollständig zu verzichten. Um die Handhabung der Kontaktelemente 25, insbesondere dann, wenn sie nicht miteinander verbunden sind, zu vereinfachen, könnten zum Beispiel Führungen für die Kontaktelemente 25 in der Ausnehmung 20 im Grundelement 17 vorgesehen sein. Diese könnten mit einer vorgegebenen Winkelbeziehung vorgesehen sein, um jeweils ein einzelnes Kontaktelement aufnehmen und führen zu können.
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Ferner sei bemerkt, dass bei der Ausführungsform gemäß den 7 und 8 auch mehr als drei Kontaktelemente 25 vorgesehen sein können, wie zum Beispiel vier für im Schnitt quadratische Silizium-Dünnstäbe. In diesem Fall wären die Innenflächen 28 der Kontaktelemente 25 flach und nicht gerundet ausgebildet. Allgemein sei gesagt, dass die Innenflächen 28 der Kontaktelemente, die als Kontaktflächen dienen, an die zu kontaktierende Fläche des Silizium-Dünnstabes angepasst sein kann. Die Kontaktelemente 25 und das Grundelement 17 sind aus elektrisch leitendem Material aufgebaut, wobei wenigstens die Kontaktelemente üblicherweise aus Graphit hergestellt sind.
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Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert, ohne auf die konkreten Ausführungsformen begrenzt zu sein. Insbesondere soll eine Kombination oder ein Austausch von Elementen der unterschiedlichen Ausführungsformen umfasst sein. So kann zum Beispiel die Ausführungsform gemäß der 7 und 8 auch in Kombination mit einem Spannring 9 verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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