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Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Abscheiden von Silicium
an der Oberfläche eines U-förmigen Trägerkör-Ders aus Silicium.
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Zusatz zum Patent VPA 74/1191 (Patentanmeldung P 24 54 592.1) Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Abscheiden
von Silicium an der Oberfläche eines U-förmigen Trägerkörpers aus Silicium, der
an seinen freien Enden in aufrechter Lauge mittels Elektroden im Innern eines aus
einer Grundplatte mit einer gasdicht aufgesetzten Glocke bestehenden Reaktionsgefäßes
gehaltert und durch über die Elektroden zugeführten elektrischen Strom in einem
das Reakti9nsgefäß durchströmenden und zur thermischen Abscheidung von Silicium
befähigten Reaktionsgas zwecks Abscheidung des Elements an seiner Oberfläche erhitzt
wird, und bei der der U-förmige Urägerkörper durch Biegen eines mindestens 3 mm
und höchstens 50 mm starken gestreckten Siliciumstabes mit homogenem Querschnitt
hergestellt ist, derart, daß die neutrale Faser des Slliciumstabes durch das Biegen
weder eine Verlängerung noch eine Verkürzung erfahren hat. .
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In der Hauptanmeldung P 24 54 592 (VPA 74/1191) ist nicht nur eine
solche Vorrichtung sondern zugleich eine Anzahl von Möglichkeiten angegeben, einen
derartigen U-förmigen Trägerkörper aus einem geraden Siliciumstab zu erhalten. Es
ist
nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine besonders vorteilhafte Herstellungsmethode
für einen solchen U-förmigen Trägerkörper anzugeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß bei
einem Abstand D der die Enden des fertigen U-förmagen Trägerkörpers in der Abscheidevorrichtung
halternden Elektroden eine sich über den Querschnitt des zu biegenden Siliciumstabes
erstreckende plastische Zone mit einer das 5-fache des Durchmessers des Siliciumstabes
nicht übertreffenden Länge in dem seinerseits eine Länge von D2 (fl=Kreiszahl) aufweisenden
mittleren Teil des Siliciumstabes erzeugt und ausschließlich durch diesen mittleren
Teil sukzessive hindurchgeführt wird, daß dabei der mittlere Teil des Siliciumstabes
durch eine die Entstehung der plastischen Zone bedingende Heizzone geschoben wird,
daß dabei außerdem der sich vor der Heizzone befindende Stabteil in einer Entfernung
von mindestens 1 cm und höchstens 10 cm die letzte mechanische Stütze vor der Heizzone
erfährt und daß schließlich der sich hinter der Heizzone befindende Stabteil an
der Grenze zwischen dem zu biegenden mittleren Stabteil und dem angrenzenden nicht
zu biegenden Endstück mindestens zu Beginn des Verfahrens lokal gestützt, dort zugleich
mit der ersten plastischen Zone beaufschlagt und schließlich als stützendes Werkzeug
dabei das zugleich die Biegung des mittleren Stabteiles bewirkende Werkzeug verwendet
wird.
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Das Verfahren läßt zwei Möglichkeiten zu: Im ersten Fall wird der
Stab in das als Halterung und als Hebelarm ausgestaltete Biegewerkzeug festeingespannt,
dann die Stelle der lokalen Halterung sukzessive mit der gleichen
Geschwindigkeit
von der Heizzone zurückgezogen, mit der der vor der Heizzone befindliche Stabteil
in die Heizzone nachgeschoben wird. Während aber die Geschwindigkeit, mit der der
Stab in die Heizzone nachgeschoben wird, konstant ist, ändert der Geschwindigkeitsvektor,
mit der die Stelle der lokalen Halterung hinter der Heizzone bewegt wird, konstant
seine Ridhtung.
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Im zweiten Falle hingegen wird der mittlere Stabteil unmittelbar nach
dem Verlassen der Heizzone durch eine von zwei einander gegenüberstehend an den
Stab mit Druck gelegten Kalandrierrollen mit unterschiedlichen Durchmessern gebildete
Verformungszone geführt, die dann der mittlere Stabteil mit der ihm zugedachten
Krümmung verläßt. Die sich beiderseits an den mittleren Stabteil anschließenden
Endstücke des Stabes werden im Gegensatz zum mittleren Stabteil nicht gebogen. Sie
bilden vielmehr die parallelen Schenkel des U-förmigen Trägerkörpers (Fig.3), an
dem später beim Einsatz des U-förmigen Trägers die Abscheidung von Silicium aus
einem entsprechenden Reaktionsgas in der Hauptsache vorgenommen wird (während der
gekrümmte Mittelteil des U-förmigen Trägers eigentlich nur die Aufgabe hat, eine
stromleitende Verbindung zwischen den beiden - die eigentlichen Trägerkörper bildenden
- Schenkeln des 7-formigen Trägers zu garantieren. Wenn man aber, wie in der Hauptanmeldung
gezeigt ist, dafür sorgt, daß der mittlere Teil des U-förmigen rägerkörpers denselben
Querschnitt und im wesentlichen dieselbe Beschaffenheit wie die Schenkel erhält,
dann hat man auch für die Schenkel eine gleichförmigere Temperatur und gleichförmigere
Abscheidebedingungen als bei spielsweise bei Verwendung eines nachträglich aus Siliciumstucken
zusammengesetzten U-förmigen Trägers zu erwarten).
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Bei der ersten Möglichkeit wird somit der zu verbiegende Siliciumstab
an der hinter der Heizzone vorgesehenen Halterungsstelle lokal in ein als Hebelarm
ausgestaltetes Biegewerkzeug unverrückbar befestigt, dann nach Aktivierung der Heizzone
und zur Erzeugung der plastischen Zone durch Bewegung des Biegewerkzeugs um einen
festen Drehpunkt die Halterungsstelle hinter der Heizzone längs eines in einer die
gesamte Achse des zu biegenden Siliciumstabes enthaltenden, vorzugsweise vertikal
orientierten Ebene liegenden Halbkreises mit Radius D/2 bewegt und synchron hierzu
der Siliciumstab mit angepaßter Geschwindigkeit in die Heizzone nachgeschoben, während
diese Geschwindigkeiten und die Heizleistung in der Heizzone so aufeinander abgestimmt
werden, daß die Zwänge der plastischen Zone konstant bleibt.
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Im Falle der zweiten Möglichkeit wird hingegen der zu biegende Siliciumstab
an der hinter der Heizzone vorgesehenen Halterungsstelle zwischen zwei drehbaren
und einander unmittelbar gegenüber an den Siliciumstab mit einander parallelen Drehachsen
gelegte Biegerollen mit unterschiedlichen Durchmessern unter einem solchen Druck
eingespannt, daß zwar eine axiale Verschiebung des Stabes sowohl an den plastischen
als auch an den nicht plastischen Stellen möglich ist, daß aber andererseits das
plastische Material - im Gegensatz zu dem nichtplastischen Silicium - eine merkliche
Verformung infolge des Druckes der kleineren Biegerolle auf den Siliciunstab erfährt.
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Es ist klar, daß die mit dem heißen Silicium des zu biegenden Stabes
unmittelbar in Kontakt gehaltenen Apparateteile, insbesondere auch das Biegewerkzeug
und sonstige Halterungen, aus hitzebeständigem Material bestehen. Im Allgemeinen
wird auch eine hohe chemische Resistenz, insbesondere auch gegen
eine
Reaktion mit dem Silicium des zu biegenden Siliciumstabes zu verlangen sein. Geeignete
Materialien sind Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Borcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumdioxid
(insbesondere Quarz), Magnesium, Beryllium und ähnliche hitzebeständige nicht dotierende
Oxide. Günstig ist es, wenn die Halterungs- und Biegewerkzeuge aus einem hitzebeständigem
Metall bestehen, welches an der Werkstückoberfläche mit einer aus einem entsprechenden
Reaktionsgas in bekannter Weise überzogenen aus einem der obengenannten inerten
und temperaturfesten Verbindungen, insbesondere Al203 oder MgO besteht.
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In Fig.1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung der ersten Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens, in Fig.2 eine Vorrichtung zur Durchführung der
zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Da beide Vorrichtungen
in ihrem Aufbau weitgehend übereinstimmen, sind nicht nur für die übereinstimmenden
Teile dieselben Bezugszeichen verwendet sondern auch im Falle der Fig.2 nur die
die Heizzone und das Biegewerkzeug betreffenden Teile gezeichnet. In Fig.3 ist die
Gestalt eines aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen U-förmigen Trägerkörpers
umrißmäßig dargestellt.
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Er besteht aus zwei parallelen geradlinigen Schenkeln 1 und 2 und
einem halbkreisförmigen gebogenen mittleren Teil 3. Der Abstand der Achsen der beiden
Schenkel ist D, also gleich dem Abstand der den Träger beim Einsatz in einer Abscheidevorrichtung
später halternden Elektroden. Bei sämtlichen Varianten der Erfindung ist gewährleistet,
daß der Querschnitt des U-förmigen Trägers sich längs des Trägers nicht merklich
verändert, da die sogenannte neutrale Faser des Siliciumstabes infolge des Biegevorgangs
weder gestreckt noch gestaucht wird.
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Bezugnehmend auf die Fig.1 und 2 werden nun Einzelheiten von - ebenfalls
zu der Erfindung gehörenden - Vorrichtungen zum Biegen eines gestreckten Siliciumstabes
beschrieben.
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Der Stab besteht aus einem mittleren Teil 3, mit der Länge Dg/2 und
zwei Endstücken 1 und 2 mit vorzugsweise gleicher Länge, die insbesondere wesentlich
größer als die Länge des mittleren Stabteils 3 bemessen sind. Die freien Enden der
Stücke 1 und 2 können zwecks Anpassung an Ausnehmungen der Halte elektroden in der
Abscheideapparatur bereits konisch verjüngt sein. Es ist empfehlenswert, wenn durch
Markierungen die Länge des mittleren Stabteils 3 am Stab im vornherein angezeigt
ist.
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Der Siliciumstab wird nun in horizontaler Lage in eine der beiden
in Fig.1 oder 2 dargestellten Biegeapparaturen eingespannt. Als Halterung dienen:
1.3 eine die axiale Verschiebung des Stabes durch die Heizzone H bewirkende Fördervorrichtung.
Diese besteht aus einem Elektromotor M und einem Spindel- oder Schneckenantrieb
A; 2.) Führungsrollen R1, R2, R3, die symmetrisch zu einer gemeinsamen - auch die
Stabachse enthaltenden-vertikalen gemeinsamen Symmetrieebene angeordnet sind und
welche eine horizontale Halterung des Stabes vor der Heizzone H bewirken. Die der
Heizzone H am nächsten angeordnete Rolle R1 ist als Stützrolle vorgesehen und befindet
sich im Einklang mit der erfindungsgemäßen Lehre in einem Abstand von mindestens
1 cm und höchstens 10 cm vor der Heizzone. Damit soll einerseits verhindert werden,
daß der Stab sich bereits vor Erreichen der Heizzone H etwas durchbiegt, da durch
die Wärmeableitung aus der immerhin über 11800C heißen Heizzone eine ständige Temperatursteigerung
auch des vor der Heizzone H befindlichen Stabteils bedingt ist und eine allmähliche
Absenkung des
vor der Heizzone befindlichen Stabteiles infolge der
Einwirkung der Schwerkraft im Laufe des Verfahrens möglich ist, wenn sich die letzte
Stütze des Stabes zu weit vor der Heizzone befindet. Da sich aber andererseits nicht
nur der Stab sondern auch die Stützrolle R1 im Laufe des Verfahrens zunehmend aufheizt,
würde sich -wäre die Rolle R1 zu nahe an der Heizzone H - die plastische Zone P
im Laufe des Verfahrens immer mehr nach vorne verschieben bzw. in zunehmendem Maße
sich verlängern, was im Interesse einer gleichförmigen Krümmung des mittleren Teiles
des herzustellenden U-förmigen Trägerkörpers ebenfalls ungünstig wäre.
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Die beiden anderen Führungsrollen R2 und R befinden sich in einem
wesentlich größeren Abstand von der Heizzone als die Stützrolle R1. Die am weitesten
von der Heizzone H entfernte Führungsrolle R3 ist ebenfalls als Stützrolle ausgebildet.
Im Gegensatz zu der festgelagerten Stützrolle R1 und der Rolle R2 ist sie jedoch
federnd gelagert, um eine exakte Führung des Stabes zu gewährleisten.
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Die Führungsrolle R2 drückt den Stab gegen die beiden Rollen R1 und
R3 und ist zwischen diesen beiden Rollen angeordnet.
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3.) Das hinter der Heizzone H angreifende Biegewerkzeug, dessen nähere
Beschreibung nach der Beschreibung der den beiden Anordnungen gemäß Fig.1 und 2
gemeinsamen Bestandteile erfolgen wird.
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Es empfiehlt sich mitunter, die Beheizungin der Heizzone H so vorzunehmen,
daß die zu erzeugende plastische Zone.P sich hinter der Heizvorrichtung (also in
Bewegungsrichtung des Stabes gesehen vor der Heizvorrichtung) sich mindestens zum
Teil erstreckt, so daß das-den Stab hinter der Heizzone R halternde Biegewerkzeug
nicht unmittelbar im Bereich der Heizzone angesetzt zu werden braucht.
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Von dieser Möglichkeit ist bei der in Fig.2 dargestellten Variante
Gebrauch gemacht, während bei der anhand von Fig.1 gezeigten Variante davon Abstand
genommen worden ist. Nimmt man nämlich zu diesem Zweck eine Heizspule mit sich konisch
verjüngendem Windungsquerschnitt so könnte bei der in Fig.1 dargestellten Variante
die Möglichkeit bestehen, daß der sich biegende Stab mit den letzten Windungen der
Induktionsheizspule in Berührung kommt. Aus diesem Grund ist bei der in Fig.1 dargestellten
Variante die Heizspule gerade umgekehrt zu der Heizspule bei der in Fig.2 dargestellten
Möglichkeit.
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Bei beiden aus den Fig.1 und 2 ersichtlichen Apparaturen sind somit
trichterartig sich verjüngende Induktionsheizspulen SP verwendet, die durch entsprechende
Hochfrequenzwellen mit elektrischer Energie versorgt werden.
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Während aber bei der in Fig.2 dargestellten Variante die Trichtergestalt
der Induktionsheizspule dafür sorgen soll daß sich die plastische Zone P ziemlich
außerhalb der Heizvorrichtung befindet, soll bei der in Fig.1 dargestellten Variante
eine Einschränkung der Biegbarkeit des Siliciumstabes durch die Heizspule verhindert
werden.
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Die Erzeugung der plastischen Zone P kann auch auf andere Weise z.B.
durch Anwendung von Wärmestrahlung, z.B. durch Laserstrahlen, erfolgen.
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Das Biegewerkzeug besteht im Falle der in Fig.1 dargestellten Vorrichtung
aus einem Hebelarm He, der zusammen mit einer mit dem Hebelarm He starr verbundenen
Rolle Ro um eine horizontale Drehachse drehbar angeordnet ist, die
ihrerseits
senkrecht zu der die Achse des gesamten zu verbiegenden Siliciumstabes enthaltenden
vertikalen Symmetrieebene orientiert ist. Der Antrieb des Hebelarms He geschieht
über die Rolle Ro und ein Gewicht G, welches so bemessen ist, daß sein auf den Hebelarm
He des Biegewerkzeugs ausgeübtes Drehmoment, die hinter der Heizzone H vorgesehene
Halterungsstelle des Stabes linear mit derselben Geschwindigkeit bewegt, mit der
der vor der Heizzone befindliche Stabteil in diese nachgeschoben wird. Gegebenenfalls
kann auch der Antrieb des Hebelarms He durch einen Motor erfolgen, derart, daß die
lineare Geschwindigkeit der Einspannstellen des Siliciumstabes am Hebelarm mit der
Transportgeschwindigkeit des Stabes vor der Heizzone übereinstimmt. Da man bevorzugt
Geschwindigkeiten von der Größenordnung einiger Millimeter, z.B. 2mm pro Sec., verwendet,
bietet die Aufrechterhaltung der plastischen Zone P nicht mehr Schwierigkeiten als
die Aufrechterhaltung der Schmelz zone beim tiegellosen Zonenschmelzen eines Siliciumstabes.
Es bereitet übrigens keine Schwierigkeiten, die Antriebsgeschwindigkeit, mit der
der vor der Heizzone H befindliche Stabteil axial in die Heizzone H eingeschoben
wird, vollautomatisch auf die Abzugsgeschwindigkeit durch den Hebelarm He des Biegewerkzeuges
zu synchronisieren. Man kann beispielsweise den Motor M als Schrittmotor ausgestalten
und diesen im Sinne eines Regelvorgangs steuern. Zu diesem Zweck braucht man nur
die Differenz zwischen den Lineargeschwindigkeiten der beiden Stabteile 1 und 2
zu bestimmen, diese in eine elektrische Analogspannung zu übertragen und den Schrittmotor
M auf den Wert Null dieser Differenz einzuregeln.
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Ersichtlich ist bei diesem Verfahren die momentane Auswirkung des
Biegemoments auf den unmittelbaren Bereich der plastischen Zone P beschränkt. Um
den Einfluß von Störungen, z.B. durch das Gewicht der plastischen Zone, möglichst
klein
zu halten, soll bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die plastische
Zone nicht größer als das 5-fache des Durchmessers des Stabes sein. Sie soll aber
andererseits auch nicht kleiner sein, als es der Hälfte des Durchmessers dieses
Stabes entspricht. Am günstigsten ist es, wenn die Länge der plastischen Zone P
zwischen dem Durchmesser und dem 1,5 fachen des Durchmessers gemacht wird. Es ist
klar, daß jedes Aufschmelzen des Stabes zu vermeiden ist.
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Nachdem der Stab in horizontaler Lage eingespannt ist derart, daß
sich die Grenze zwischen dem in der Schubrichtung, also hinter der Heizzone H. befindliche
Teil 2 des Stabes und dem mittleren Stabteil 3 unmittelbar hinter der Spule befigdet,
wird zunächst die durch den Hebelarm He des Biegewerkzeuges gegebene Halterung an
der laut der Erfindung hierfür vorgesehenen Stelle an dem hinteren Ende des mittleren
Stabteils 3 in Stellung gebracht und am Stab festgespannt.
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Dann wird die Heizzone aktiviert. Sobald sich die plastische Zone
P ausgebildet hat, beginnt das Biegewerkzeug selbsttätig zu wirken, was sich durch
ein Absenken des hinter der Heizzone befindlichen Endes des Stabes bemerkbar macht.
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Imselben Augenblick wird der vor der Heizzone H befindliche Stabteil
langsam in die Heizzone, z.B. durch Einsetzen des oben angedeuteten Regelmechanismus,
in die Heizzone H nachgeschoben. Der Vorgang ist abzuschließen, sobald das ungebogene
Endstück 2 des Stabes zu dem noch vor der Heizzone befindlichen Stabteil 1 parallel
orientiert ist. Das Ende des Hebelarmes He, bzw. die eingespannte Stelle des Stabes,
hat dann eine halbkreisförmige Bahn beschrieben. Da man den Hebelarm He so ausgestaltet,
daß der Abstand zwischen der von ihm gehaltenen Stelle des Stabes und der Drehachse
gleich.D ist, haben dann die beiden nunmehr parallel
orientierten
Stabteile 1 und 2 den Abstand D, wie angestrebt war. Die erreichte Parallelorientierung
kann z.B. mittels eines entsprechend angebrachten Anschlages angezeigt sein.
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Dieser kann dann so ausgebildet sein, daß beim Anschlag des Stabendes
2 sich ein elektrischer Schaltkontakt schließt, der die Heizzone H und den weiteren
Transport des Stabes einschließlich des durch das Biegewerkzeug gegebenen Antriebs
abschaltet.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ist lediglich des Biegewerkzeug
anders als bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ausgebildet. Das Biegewerkzeug
besteht aus zwei Rollen K1 und K2, die um horizontal und parallel zueinander orientierte
Achsen drehbar gelagert sind. Bevorzugt sind die beiden Rollen K1 und K2 vertikal
übereinander angeordnet, so daß der horizontal eingespannte Stab zwischen den beiden
Rollen hindurchgeführt wird. Der Druck der beiden Rollen auf den Stab ist so groß
bemessen, daß sie den axialen Antrieb des Stabes nicht unterbinden, daß sie aber
auf das Silicium in der plastischen Zone P einen merklichen Verformungsdruck ausüben.
Zweckmäßig sind die beiden Rollen K1 und E2 mit einem eigenen Antrieb ausgerüstet,
der mit dem Antrieb vor der Heizzone synchronisiert ist. Da, wie bereits oben erwähnt,
die beiden Rollen K1 und K2 unterschiedliche Durchmesser aufweisen, bildet sich
eine resultierende Verformung in der plastischen Zone P durch die Wirkung des Druckes
der beiden Rollen aus, derart, daß der den Bereich der beiden Rollen verlassende
Stabteil auf der Seite der den kleineren Durchmesser aufweisenden Rolle K1 konkav,
auf der Seite der den größeren Durchmesser aufweisenden Rolle K2 hingegen -konvex
- und zwar mit dem gleichen Krümmungsradius gekrümmt wird. Das Ausmaß der Krümmung
hängt von der Temperatur der
plastischen Zone P, den Durchmessern
der beiden Rollen K1 und K2 sowie der Transportgeschwindigkeit ab. Die den kleineren
Durchmesser aufweisende Rolle K1 wird aus ersichtlichen Gründen zweckmäßig unter
der anderen Rolle K2 angeordnet. Die Rollen können ggf., durch einen heißen Strom
aus Inertgas, der gegen sie gerichtet ist, beheizbar sein.
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Die in den Fig.1 und 2 dargestellten Biegevorrichtungen befinden sich,
wenigstens was die die Heizzone und die Biegevorrichtung betreffenden Teile anbelangt,
zweckmäßig unter Schutzgas. Dasselbe gilt für die heißen Stellen des Stabes.
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3 Figuren 15 Patentansprüche