DE202010017531U1

DE202010017531U1 - Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an eine Vielzahl von Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor

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Publication number: DE202010017531U1
Application number: DE202010017531U
Authority: DE
Original assignee: Centrotherm Sitec GmbH
Current assignee: Sitec De GmbH
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: DE102010020740A1; ES2498890T3; KR20130115095A; EP2572016B1; US20130273265A1; PT2572016E; CN102918179A; US9090968B2; CN102918179B; EP2572016A1; WO2011144324A1

Abstract

Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an eine Vielzahl von Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor, die folgendes aufweist:
eine Reihenschaltung, in der die Siliziumstäbe als Widerstände einsetzbar sind;
wenigstens eine erste Stromversorgungseinheit;
wenigstens eine zweite Stromversorgungseinheit;
wenigstens eine dritte Stromversorgungseinheit; und
wenigstens eine Steuereinheit, die geeignet ist eine Spannung an die Siliziumstäbe in der Reihenschaltung über die erste, die zweite oder die dritte Stromversorgungseinheit anzulegen,
wobei die erste Stromversorgungseinheit eine Vielzahl von ersten Transformatoren aufweist, deren Ausgänge jeweils mit wenigstens einem Siliziumstab in der Reihe verbunden sind und wobei die ersten Transformatoren eine erste Leerlaufspannung und einen ersten Kurzschlussstrom aufweisen,
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 zweiten Transformatoren eine zweite...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an eine Vielzahl von Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor, die in Reihe 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 Siliziumstäbe werden während des Abscheideprozesses durch einen Stromfluss bei im wesentlichen vorgegebener Spannung mittels Widerstandsheizung auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt, bei der eine Abscheidung von Silizium aus einer Dampf- oder Gasphase auf den Siliziumdünnstäben stattfindet. Die Abscheidetemperatur liegt hier üblicherweise bei 900–1350°C und insbesondere um 1100°C, kann aber auch bei anderen Temperaturen liegen.
Da die Siliziumstäbe zunächst einen hohen Widerstand besitzen, der bei 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 DE 10 2009 021 403 A beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine zweistufige Beaufschlagung von Silizium-Dünnstäben in einem CVD-Reaktor. Insbesondere ist bei der hier beschriebenen Vorrichtung eine erste Versorgungseinheit mit einer Vielzahl von Transformatoren vorgesehen, die jeweils ein Paar der Silizium-Dünnstäbe während einer Startphase mit Spannung versorgt. Ferner ist eine zweite Versorgungseinheit vorgesehen, die geeignet ist, während einer Betriebsphase in Serie geschaltete Paare der Silizium-Dünnstäbe mit Spannung zu versorgen. Die Transformatoren der ersten Versorgungseinheit sind primärseitig mit einem dreiphasigen Versorgungsnetz verbunden. Ferner sind zwischen den Transformatoren und dem dreiphasigen Versorgungsnetz jeweils eine Drossel und ein Leistungssteller in Form eines bidirektionalen Thyristor-Leistungsstellers vorgesehen. Die Leistungsteller dienen einerseits zum Einstellen und zum Halten eines Spannungsniveaus auf der Sekundärseite eines jeweiligen Transformators und andererseits zur Begrenzung des Stromflusses dort hindurch. Die Leistungssteller sollen insbesondere beim Halten des Spannungsniveaus auf der Sekundärseite einem Absinken der Spannung bei steigendem Stromfluss, wie es üblicherweise bei Transformatoren auftritt, entgegenwirken. Solche Leistungssteller sind jedoch teuer und benötigen eine entsprechende Ansteuerung, was zu einer aufwändigen Steuerelektronik führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an eine Vielzahl von Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor vorzusehen, die auf einfache und kostengünstige Weise eine dem Bedarf entsprechende mehrstufige Spannungsversorgung vorsieht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Schutzanspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Vorrichtung weist insbesondere eine Reihenschaltung, in der die Siliziumstäbe als Widerstände einsetzbar sind, wenigstens eine erste Stromversorgungseinheit, wenigstens eine zweite Stromversorgungseinheit, wenigstens eine dritte Stromversorgungseinheit und wenigstens eine Steuereinheit auf, die geeignet ist, eine Spannung an die Siliziumstäbe in der Reihenschaltung über die erste, die zweite oder die dritte Stromversorgungseinheit anzulegen. Die jeweiligen Stromversorgungseinheiten sind vorzugsweise Transformatoren, und insbesondere vorzugsweise Transformatoren zum Transformieren einphasiger Netzspannungen, die primärseitig eine Vielzahl von Eingängen zum Zuführen wenigstens einer externen Netzspannung und sekundärseitig eine Vielzahl von Ausgängen zum Beaufschlagen der wenigstens einen transformierten Netzspannung mit ohmschen und/oder induktiven Lasten aufweisen. Unter einer Vielzahl von Ein/Ausgängen sollen im Folgenden ein, oder mehrere Ein/Ausgänge verstanden werden. Die erste Stromversorgungseinheit weist eine Vielzahl von ersten Transformatoren auf, deren Ausgänge jeweils mit wenigstens einem Siliziumstab in der Reihe verbunden sein können, wobei die ersten Transformatoren eine erste Leerlaufspannung und einen ersten Kurzschlussstrom aufweisen. 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 die parallel zu einem oder mehreren der ersten Transformatoren angeordnet sein können, wobei die zweiten Transformatoren eine zweite Leerlaufspannung und einen zweiten Kurzschlussstrom aufweisen, und wobei die zweite Leerlaufspannung niedriger ist als die erste und wobei der zweite Kurzschlussstrom höher ist als der erste. Die dritte Stromversorgungseinheit weist Ausgänge auf, die mit der Reihe von Siliziumstäben verbunden sind, und die parallel zu den ersten und zweiten Transformatoren angeordnet sein können, 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. Die ersten und/oder zweiten Transformatoren, die mit benachbarten Siliziumstäben in der Reihe in Verbindung stehen, sind gegenphasig gewickelt. Eine solche Vorrichtung ermöglicht auf einfache Weise eine mehrstufige Beaufschlagung der Siliziumstäbe mit unterschiedlichen Spannungen. Durch das Vorsehen von unterschiedlichen Transformatoren in den ersten und zweiten Stromversorgungseinheiten, die selektiv über die Steuereinheit Spannungen an die Siliziumstäbe anlegen können, in Kombination mit der dritten Stromversorgungseinheit, kann beispielsweise auf primärseitig zu den Transformatoren angeordnete Leistungssteller und eine entsprechende Steuerelektronik verzichtet werden. Ferner können auch einfachere Transformatoren eingesetzt werden. Die gegenphasige Wicklung von ersten und/oder zweiten Transformatoren, die mit benachbarten Siliziumstäben in der Reihe verbunden sind, dient einer Vereinfachung der erforderlichen Schutztechnik. Es ermöglicht, dass die äußeren Enden der Siliziumstäbe in der Reihe jeweils auf einem Potential liegen, das betragsmäßig am niedrigsten ist und vorzugsweise im Bereich von Null Volt liegt.
Vorzugsweise sind die zweiten Transformatoren jeweils mit einer größeren 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. Insbesondere sind die zweiten Transformatoren jeweils mit der doppelten Anzahl von Siliziumstäben in der Reihe verbunden, als die ersten Transformatoren. Dadurch ergibt sich eine Halbierung der Anzahl von Transformatoren in der zweiten Stromversorgungseinheit. Ferner sind die Ausgänge der dritten Stromversorgungseinheit vorzugsweise mit wenigstens der doppelten Anzahl von Siliziumstäben vorzugsweise in Reihe verbunden, wie die der zweiten Transformatoren. Hierdurch ergibt sich eine zunehmende serielle Schaltung der Siliziumstäbe.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine vierte Stromversorgungseinheit vorgesehen, die wenigstens einen vierten Transformator aufweist, dessen Ausgänge mit mehr Siliziumstäben in Reihe verbunden sind als die Ausgänge der jeweiligen zweiten Transformatoren, und der eine vierte Leerlaufspannung und einen vierten Kurzschlussstrom aufweist, wobei die vierte Leerlaufspannung niedriger ist als die zweite und der vierte Kurzschlussstrom höher ist als der zweite. In diesem Fall ist die wenigstens eine Steuereinheit geeignet eine Spannung an die Siliziumstäbe in der Reihenschaltung alternativ auch über die vierte Stromversorgungseinheit anzulegen, und die dritte Stromversorgungseinheit ist geeignet in einem Spannungsbereich, der unter der vierten Leerlaufspannung liegt, einen Strom größer als dem vierten Kurzschlussstrom zu liefern. Die vierte Stromversorgungseinheit sieht eine weitere Abstufung der Spannungsversorgung für die Siliziumstäbe vor, wodurch zum Beispiel die dritte Spannungsversorgung ein niedrigeres maximales Spannungsniveau vorsehen muss, was je nach Bedarf die Kosten für die Vorrichtung senken kann.
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 Transformatoren der ersten und zweiten Stromversorgungseinheiten zu vermeiden, ist die Steuereinheit in der Lage, in Abhängigkeit von einem Stromfluss durch die jeweiligen ersten oder zweiten Transformatoren zwischen den Stromversorgungseinheiten umzuschalten. Dies ermöglicht somit auf einfache Weise eine bedarfsweise Umschaltung zwischen unterschiedlichen Spannungen.
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;
5 Strom-Spannungskennlinien von unterschiedlichen in 4 gezeigten Stromversorgungseinheiten.
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 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 Schalter 26 bis 29 mit einer einphasigen Wechselspannung von beispielsweise 400 Volt verbindbar sind. Die dargestellten Transformatoren 21 bis 24 weisen sekundärseitig jeweils eine Leerlaufspannung von ca. 8000 Volt und einen Kurzschlussstrom von etwa sechs Ampere auf. In 3 ist eine 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.
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 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 und insbesondere auf ungefähr Null Volt 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 Schalter 34, 35 mit einer einphasigen Wechselspannung von beispielsweise 400 Volt verbindbar sind. Die dargestellten Transformatoren 31, 32 besitzen sekundärseitig jeweils eine Leerlaufspannung von 4000 Volt und einen Kurzschlussstrom von 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.
Jeder der Transformatoren 31, 32 ist zwei benachbarten 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 gegenphasig 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 und insbesondere auf ungefähr Null Volt 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. 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 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, wie durch die entsprechenden Schalter 26 bis 29 sowie 35, 36 dargestellt ist.
Die Transformatoren 21, 22, 23, 24, 34 und 35 der Stromversorgungseinheiten 12 und 14 besitzen jeweils eine „weiche” Kennlinie und können jeweils des Typs mit separater oder interner Drossel, einem Luftspalt oder einem Transduktor sein. Die Stromversorgung 16 passt Spannung und Strom an sich ändernde Bedingungen im Abscheideprozess an.
Nachfolgend wird nun der Betrieb der Schaltungsanordnung 10 während eines CVD-Abscheidungsprozesses näher erläutert, wobei sich die Beschreibung auf vier Siliziumstäbe S1 bis S4 gemäß 2 beschränkt. Zu Beginn des Prozesses sind zunächst alle Stromversorgungseinheiten 12, 14, 16 abgeschaltet. Dann wird zunächst die erste Stromversorgungseinheit 12 über die Steuereinheit angesteuert, die Schalter 26 bis 29 zu schließen. Über die Transformatoren 21 bis 24 wird dann jeweils eine Spannung von maximal 8000 Volt an die einzelnen Siliziumstäbe S1 bis S4 angelegt. Aufgrund der hohen Spannung kommt es trotz eines hohen Anfangswiderstand der Siliziumstäbe S1 bis S4 zu einem Stromfluss innerhalb der Siliziumstäbe S1 bis S4. Durch den Stromfluss kommt es zu einer Erwärmung der Siliziumstäbe S1 bis S4, die wiederum zu einer Verringerung des Widerstandes derselben führt. Der damit verbundene höhere Stromfluss innerhalb der Siliziumstäbe S1 bis S4 führt wiederum zu einem Absinken der durch die Transformatoren angelegten Spannung, wie durch die Kennlinie K1 in 3 gezeigt ist. In 3 ist schematisch auch mit einer gestrichelten Linie eine Kurve für den Strom-Spannungsverlauf eines Siliziumdünnstabpaares, so wie es in den CVD-Reaktoren zur Siliziumabscheidung verwendet wird, zu Beginn der Siliziumabscheidung angedeutet. Wie bei dem Verlauf zu erkennen ist, ist eine sehr hohe Anfangsspannung erforderlich, um einen Anfangsstrom zu initiieren, der in der Lage ist, eine hinreichend hohe Temperaturerhöhung im Siliziumdünnstabpaar zu bewirken, welche zu einer signifikanten Erniedrigung des Widerstands des Siliziumdünnstabpaars führt. Zu Beginn des Prozesses ist die Anfangsspannung daher hoch, der Anfangsstrom sehr klein. Alternativ können die Siliziumstäbe natürlich auch zunächst direkt mit Hilfe von beispielsweise Infrarotstrahlern, Halogenlampen oder anderen Mitteln zum Aufheizen von Silizium auf eine Anfangstemperatur erwärmt werden, die so hoch ist, dass bei einer angelegten Anfangsspannung ein Anfangsstrom fließen kann, der groß genug ist, die weitere Aufheizung des Siliziumstabes zu bewerkstelligen. Die Anfangsspannung fällt bei steigender Temperatur zunächst steil ab, der Anfangsstrom erhöht sich entsprechend. Im weiteren Verlauf wird die Kurve flacher und nähert sich allmählich einem Sättigungswert an, der Widerstand des Siliziumdünnstabpaars nimmt weiter ab, der Strom durch das Silizium hindurch nimmt zu, da die Temperatur des Siliziums steigt, und der Abscheidevorgang einsetzt.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie K1 der Transformatoren 21 bis 24 ist derart an die den temperaturabhängigen Widerstandsverlauf der Siliziumstäbe S1 bis S4 angepasst, dass die Spannung bei steigendem Stromfluss steil abfällt, um eine unkontrollierte Aufheizung der Siliziumstäbe in der Startphase zu vermeiden.
Wenn der Stromfluss durch die Siliziumstäbe S1 bis S4 bedingt durch die Abnahme des Widerstandes ein bestimmtes Niveau von beispielsweise 4 bis 5 Ampere erreicht hat, werden die Schalter 26 bis 29 der ersten Stromversorgungseinheit 12 geöffnet und die Schalter 35, 36 der zweiten Stromversorgungseinheit 14 geschlossen. Über die Transformatoren 31, 32 wird dann eine Spannung von maximal 4000 Volt an Paare S1, S2; S3, S4 der Siliziumstäbe angelegt, wobei über jeden einzelnen der Siliziumstäbe S1 bis S4 eine maximale Spannung von ungefähr 2000 Volt anliegt.
Der Stromfluss durch die Siliziumstäbe S1 bis S4 erhöht sich, die Temperatur der Siliziumstäbe erhöht sich, und ihr Widerstand verringert sich weiter. Die Strom-Spannungs-Kennlinie K2 der Transformatoren 31, 32 verläuft, entsprechend der Strom-Spannungskennlinie der Siliziumstäbe flacher als die Strom-Spannungs-Kennlinie der Transformatoren 21 bis 24. Die Transformatoren 31, 32 sind in der Lage, einen höheren Strom bereitzustellen, als die Transformatoren 21, 22, 23, 24.
Wenn der Stromfluss durch die Siliziumstäbe S1 bis S4 bedingt durch die Abnahme des Widerstandes ein bestimmtes Niveau von beispielsweise 10 bis 12 Ampere erreicht hat, werden die Schalter 35, 36 der zweiten Stromversorgungseinheit 14 geöffnet und die dritte Stromversorgungseinheit 16 eingeschaltet, um alle der Siliziumstäbe S1 bis S4 in Reihe mit einer Spannung zu beaufschlagen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Zündung der Siliziumstäbe S1 bis S4 abgeschossen, d. h. die Siliziumstäbe weisen eine Temperatur auf, die so hoch ist, dass weitere Temperaturerhöhungen im Wesentlichen vorwiegend stromgeregelt eingestellt werden können. Dementsprechend ist auch die Strom-Spannungs-Kennlinie K3 der dritten Stromversorgungseinheit wesentlich flacher als die der Transformatoren 31, 32 der zweiten Stromversorgungseinheit.
Nachdem die Siliziumstäbe eine hinreichend hohe Temperatur erreicht haben, setzt innerhalb des CVD-Reaktors die Abscheidung von Silizium auf den Siliziumstäben S1 bis S4 ein. Das Silizium wächst nun fortwährend auf die Stäbe auf, bis sie eine vorbestimmte Dicke aufweisen. Zu diesem Zeitpunkt wird die dritte Stromversorgungseinheit abgeschaltet. Die Siliziumstäbe S1 bis S4 werden nicht mehr durch einen Stromfluss erwärmt, kühlen ab und können dann aus dem CVD-Reaktor entnommen und einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden.
Die oben genannte Anzahl von Siliziumstäbe und entsprechenden Transformatoren der ersten und zweiten Stromversorgungseinheiten sind nur beispielhaft genannt und sollen in keiner Weise einschränkend sein auch wenn sie so derzeit für einen Einsatz in einem CVD-Reaktor mit einem Vielfachen von vier Siliziumstäben in Betracht gezogen werden. Ferner sind auch die angegebenen Leerlaufspannungen und Kurzschlussströme der Transformatoren nur beispielhaft angegeben, auch wenn sie für den Einsatz in einem CVD-Reaktor zum Zünden von Siliziumstäben derzeit in Betracht gezogen werden und geeignet sind.
4 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung 10 zum Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an Siliziumstäbe S1 bis 34 gemäß einer alternativen Ausführungsform. In 4 werden dieselben Bezugszeichen verwendet wie in 2, sofern dieselben oder äquivalente Elemente beschrieben werden.
Die Schaltungsanordnung 10 gemäß 4 weist wiederum eine erste Stromversorgungseinheit 12, eine zweite Stromversorgungseinheit 14, eine dritte Stromversorgungseinheit 16, sowie eine nicht näher dargestellte Steuereinheit auf. Diese gleichen im Wesentlichen den zuvor beschriebenen Einheiten, wobei die dritte Stromversorgungseinheit jedoch einen niedrigeren Spannungsbereich von beispielsweise 2000 bis 50 Volt und einen Strom zwischen 20 bis 3000 Ampere vorsieht.
Zusätzlich ist aber noch eine vierte Stromversorgungseinheit 40 vorgesehen. Die vierte Stromversorgungseinheit 40 besteht aus einem Transformator 42, der primärseitig über einen Schalter 44 mit einer einphasigen Wechselspannung von beispielsweise 400 Volt verbindbar ist. Der dargestellte Transformator besitzt sekundärseitig beispielsweise eine Leerlaufspannung von 3000 Volt und eine Kurzschlussspannung von vierzig Ampere. In 5 ist eine Strom-Spannungs-Kennlinie K4 des Transformators 42 dargestellt. 5 zeigt ferner auch entsprechende Strom-Spannungs-Kennlinien K1 bis K3 der ersten bis dritten Stromversorgungseinheiten. Wie dargestellt, ist die Strom-Spannungs-Kennlinie K4 des Transformators 42 weniger steil abfallend als die Strom-Spannungs-Kennlinie K2 der Transformatoren 31, 32 der zweiten Stromversorgungseinheit 14. Die Strom-Spannungs-Kennlinie K4 ist jedoch steiler abfallend als die Strom-Spannungs-Kennlinie K3 der dritten Stromversorgungseinheit 16.
Obwohl die vierte Stromversorgungseinheit 40 bestehend aus einem einzelnen Transformator 42 dargestellt und beschrieben wurde, sei bemerkt, dass auch wie bei der zweiten Stromversorgungseinheit 14 zwei Transformatoren vorgesehen sein könnten, die zum Beispiel jeweils eine Leerlaufspannung von 1500 Volt und eine Kurzschlussspannung von vierzig Ampere aufweisen könnten. Die Lösung mit einem Transformator wird aber derzeit aus Kosten- und Platzgründen bevorzugt. Dieser Transformator kann mit einer Mittelanzapfung ausgestattet sein.
Der Betrieb der Schaltungsanordnung 10 gemäß 4 gleicht im Wesentlichen dem oben beschriebenen Betrieb, wobei jedoch nach dem Abschalten der zweiten Stromversorgungseinheit 14 zunächst die vierte Stromversorgungseinheit 40 angeschaltet wird, bis ein vorbestimmter Stromfluss von beispielsweise 20 bis 25 Ampere durch die Siliziumstäbe S1 bis S4 erreicht ist. Dann wird auf die dritte Stromversorgungseinheit 16 umgeschaltet.
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 102009021403 A [0005]

Claims

Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an eine Vielzahl von Siliziumstäben in einem CVD-Reaktor, die folgendes aufweist: eine Reihenschaltung, in der die Siliziumstäbe als Widerstände einsetzbar sind; wenigstens eine erste Stromversorgungseinheit; wenigstens eine zweite Stromversorgungseinheit; wenigstens eine dritte Stromversorgungseinheit; und wenigstens eine Steuereinheit, die geeignet ist eine Spannung an die Siliziumstäbe in der Reihenschaltung über die erste, die zweite oder die dritte Stromversorgungseinheit anzulegen, wobei die erste Stromversorgungseinheit eine Vielzahl von ersten Transformatoren aufweist, deren Ausgänge jeweils mit wenigstens einem Siliziumstab in der Reihe verbunden sind und wobei die ersten Transformatoren eine erste Leerlaufspannung und einen ersten Kurzschlussstrom aufweisen, 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 zweiten Transformatoren eine zweite Leerlaufspannung und einen zweiten Kurzschlussstrom aufweisen, wobei die zweite Leerlaufspannung niedriger ist als die erste und der zweite Kurzschlussstrom höher ist als der erste, und wobei die dritte Stromversorgungseinheit Ausgänge aufweist, die mit der Reihe von Siliziumstäben verbunden sind, und zwar parallel zu den ersten und zweiten Transformatoren, und wobei die dritte Stromversorgungseinheit geeignet ist in einem Spannungsbereich, der unter der Leerlaufspannung der zweiten Transformatoren liegt einen Strom zu liefern, der größer ist, als der Kurzschlussstrom der zweiten Transformatoren, wobei erste und/oder zweite Transformatoren, die mit benachbarten Siliziumstäbe in der Reihe verbunden sind, gegenphasig gewickelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Transformatoren jeweils mit einer größeren Anzahl von Siliziumstäben in der Reihe verbunden sind, als die ersten Transformatoren.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Transformatoren jeweils mit der doppelten Anzahl von Siliziumstäben in der Reihe verbunden sind, als die ersten Transformatoren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der dritten Stromversorgungseinheit mit wenigstens der doppelten Anzahl von Siliziumstäben verbunden sind, wie die zweiten Transformatoren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine vierte Stromversorgungseinheit, die wenigstens einen vierten Transformator aufweist, dessen Ausgänge mit mehr Siliziumstäben in Reihe verbunden sind als die Ausgänge der jeweiligen zweiten Transformatoren, und der eine vierte Leerlaufspannung und einen vierten Kurzschlussstrom aufweist, wobei die vierte Leerlaufspannung niedriger ist als die zweite und der vierte Kurzschlussstrom höher ist als der zweite, wobei die wenigstens eine Steuereinheit, geeignet ist eine Spannung an die Siliziumstäbe in der Reihenschaltung alternativ auch über die vierte Stromversorgungseinheit anzulegen, wobei die dritte Stromversorgungseinheit geeignet ist in einem Spannungsbereich, der unter der vierten Leerlaufspannung liegt einen Strom größer als dem vierten Kurzschlussstrom zu liefern.
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 zwischen den Stromversorgungseinheiten umzuschalten.
CVD-Reaktor zum Abscheiden von Silizium auf einer Vielzahl von Siliziumstäben, der eine Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an die Vielzahl von Siliziumstäben nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, sowie separate Mittel zum Erwärmen der Siliziumstäbe.