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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 indem 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 extrern 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 1/4 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 er reicht 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 Grund element 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 hin
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 be wirken.
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 nachdem 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 Kontakt flächen 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 Ver bindung 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 Flächen 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 vorge sehen, 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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