KR20130115095A - Ｃｖｄ－반응기에 전력을 공급하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CVD 반응기 내에서 복수의 규소 로드(51-54)를 가로질러 전압을 인가하는 장치 및 방법을 기재하고 있다. 그러한 장치는 규소 로드가 저항기로서 삽입될 수 있는 직렬 연결, 하나 이상의 제 1 전력 공급 유닛(12), 하나 이상의 제 2 전력 공급 유닛(14), 하나 이상의 제 3 전력 공급 유닛(16), 및 제 1, 제 2 또는 제 3 전력 공급 유닛을 통해서 직렬 연결 내의 규소 로드를 가로질러 전압을 인가할 수 있는 하나 이상의 제어 유닛을 지닌다. 제 1 전력 공급 유닛은 복수의 제 1 변압기(21-24)를 지니며, 이들의 출력부는 각각 직렬 연결내의 하나의 규소 로드와 연결괴고, 제 1 변압기는 제 1 개회로 전압 및 제 1 단락 전류를 지닌다. 제 2 전력 공급 유닛은 복수의 제 2 변압기(31-32)를 지니며, 이들의 출력부는, 제 1 변압기중 하나 이상과 평행하게, 직렬 연결에서 제 1 변압기와 동일한 수의 규소 로드에 연결되고, 제 2 변압기는 제 2 개회로 전압 및 제 2 단락 전류를 지니며, 제 2 개회로 전압은 제 1 개회로 전압보다 낮고, 제 2 단락 전류는 제 1 단락 전류보다 높다. 제 3 전력 공급 유닛은 제 1 및 제 2 변압기와 평행하게 직렬 연결내의 규소 로드와 연결되는 출력부를 지니며, 제 3 전력 공급 유닛은 제 2 변압기의 개회로 전압 아래인 전압 범위에서 전류를 제공할 수 있고, 그러한 전류는 제 2 변압기의 단락 회로 전류보다 높다.

Description

ＣＶＤ－반응기에 전력을 공급하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SUPPLYING ELECTRIC POWER TO A CVD - REACTOR}
본 발명은 규소 로드(silicon rod)들이 직렬로 연결되어 있는 CVD-반응기에서 복수의 규소 로드를 가로질러 전압을 인가하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
CVD-반응기(CVD=화학적 기상 증착)로도 일컬어지는 증착 반응기에서, 예를 들어, 지멘스 방법(Siemens method)에 따라서, 고순도의 규소 로드를 생산하는 것이 반도체 기술 및 태양광발전 산업에서 공지되어 있다. 이러한 공정에서, 초기의 얇은 규소 로드가 반응기에 수용되고, 증착 공정 동안에 그러한 규소 로드 상에 규소가 증착된다. 얇은 규소 로드는 클램핑 및 접촉 장치에 수용되며, 그러한 장치가 요망되는 배향으로 얇은 규소 로드를 고정하고 또한 이의 전기 접촉을 제공한다. 이들 각각의 자유단에서, 반응기의 동일면 상에 배열되는 접촉 구성요소를 통해서 전기 회로가 닫히게 하기 위해서, 얇은 규소 로드가 전형적으로는 전기 전도성 브릿지를 통해서 연결된다. 대안적으로, 얇은 규소 로드를 통해서 전류가 전도될 수 있게 하기 위해서, 이들의 양단, 즉, 상부로부터 그리고 하부로부터 얇은 규소 로드를 접촉시키는 것이 또한 가능하다. 전기 전도성 브릿지를 통해서 연결되는 얇은 규소 로드의 쌍뿐만 아니라, 양단에서 접촉된 얇은 규소 로드들은 간단히 하기 위해서 규소 로드로 일컬어진다.
규소 로드는 예정된 온도로 가열되고, 그 온도에서 규소 로드 상의 증기 또는 가스 상으로부터의 규소 증착이 발생한다. 가열은 저항 가열 수단에 의한 실질적으로 예정된 전압에서 전류의 흐름에 의해서 공정 동안에 달성된다. 증착 온도는 전형적으로는 900 내지 1350℃ 범위, 특히, 약 1100℃이지만, 또한 다른 온도일 수 있다.
규소 로드는 초기에 높은 저항을 지니며, 이러한 높은 저항은 더 높은 온도에서 저하되기 때문에, 전류의 초기 흐름을 개시시키기 위해서, 규소 로드를 가로질러 먼저 높은 초기 전압을 인가하는 것이 필요하며, 이는 규소 로드를 이그니션(ignition)하는 것으로도 일컬어진다. 전류의 흐름에 의해서 규소 로드를 초기 가열하고, 그에 의해서, 규소 로드의 저항을 감소시킨 후에, 규소 로드를 가로질러 인가된 전압은 작동 전압으로 감소될 수 있다. 추가로, 규소 로드의 온도 조절은 주로 전류를 통해서 조절될 수 있다.
DE 10 2009 021403 A호는 CVD-반응기에서 얇은 규소 로드에 대한 전압의 2-단계 인가를 위한 장치 및 방법을 개시하고 있다. 특히, 상기 기재된 장치에서, 복수의 변압기를 지니는 제 1 공급 유닛이 제공되며, 그러한 변압기 각각은 시작 단계 동안 얇은 규소 로드의 각각의 쌍에 전압을 공급한다. 추가로, 작동 단계 동안에 직렬로 연결된 얇은 규소 로드의 쌍들에 전압을 공급할 수 있는 제 2 공급 유닛이 제공된다. 제 1 공급 유닛의 변압기는 이들의 제 1면상의 3-상 공급 네트워크와 연결된다. 추가로, 각각의 변압기와 3-상 공급 네트워크 사이에, 쵸크(choke) 및 양방향 사이리스터 전력 조절기(bidirectional thryistor power regulator) 형태의 전력 조절기가 제공된다. 전력 조절기는 각각의 변압기의 제 2 면상에서 전압 수준을 조절하고 유지시키며 또한 그를 통한 전류의 흐름을 제한하도록 작동 가능하다. 전력 조절기는 특별히, 제 2 면에서 전압 수준을 유지시킴으로써, 변압기에서 전형적으로 발생하는, 증가된 전류에서 전압의 감소에 대응시키기 위해서 사용된다. 그러나, 그러한 전력 조절기는 고가이고, 각각의 조절을 필요로 하며, 이는 관련 제어 전자장치를 필요하게 한다.
본 발명의 목적은, 각각의 요건에 따라서 다단계 전압 공급을, 용이하고 비용효과적인 방법으로, 제공하는, CVD-반응기 내의 복수의 규소 로드를 가로질러 전압을 인가하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 제 1항에 따른 장치 및 청구항 제 9항에 따른 방법에 의해서 해결된다. 추가로, 본 발명의 구체예는 종속항들에 개시되어 있다.
특히, 장치는 규소 로드가 저항기(resistor)로서 삽입될 수 있는 직렬 연결, 하나 이상의 제 1 전류 공급 유닛, 하나 이상의 제 2 전류 공급 유닛, 하나 이상의 제 3 전류 공급 유닛, 및 제 1 전류 공급 유닛, 제 2 전류 공급 유닛 또는 제 3 전류 공급 유닛을 통해서 직렬 연결 내의 규소 로드를 가로질러 전압을 인가할 수 있는 하나 이상의 제어 유닛을 포함한다. 각각의 전류 공급 유닛은 바람직하게는 변압기이고, 특히 바람직하게는 단상 라인 전압을 변환시키는 변압기이고, 이러한 변압기는 하나 이상의 외부 라인 전압을 공급하기 위한 이들의 제 1면 및 이들의 제 2면 상의 복수의 입력부, 오옴성 및/또는 유도성 부하를 지닌 하나 이상의 변환된 라인 전압을 인가하는 복수의 출력부를 지닌다. 복수의 입력부/출력부하에, 이하에서, 하나 이상의 입력부/출력부가 이해될 것이다. 제 1 전류 공급 유닛은 복수의 제 1 변압기를 포함하며, 이의 출력부는 하나 이상의 규소 로드에 각각 직렬로 연결되고, 여기서, 제 1 변압기는 제 1 개회로 전압 및 제 1 단락 전류를 지닌다. 제 2 전류 공급 유닛은 복수의 제 2 변압기를 포함하고, 이의 출력부는 적어도 제 1 변압기와 동일한 수의 규소 로드와 직렬로 연결되고, 하나 이상의 제 1 변압기와 병렬로 배열될 수 있으며, 여기서, 제 2 변압기는 제 2 개회로 전압과 제 2 단락 전류를 지니고, 제 2 개회로 전압은 제 1 개회로 전압보다 낮고 제 2 단락 전류는 제 1 단락 전류보다 높다. 제 3 전류 공급 유닛은 일련의 규소 로드와 연결되고 제 1 및 제 2 변압기에 병렬로 배열될 수 있는 출력부를 포함하며, 여기서, 제 3 전류 공급 유닛은 제 2 변압기의 개회로 전압 아래에 있는 전압에서 전류를 공급할 수 있고, 그러한 전류는 제 2 변압기의 단략 전류보다 더 크다. 그러한 장치는 용이한 방법으로 규소 로드를 가로지른 상이한 전압의 다단계 적용을 가능하게 한다. 제 3 전류 공급 유닛과 함께 제어 유닛의 제어 하에 규소 로드에 전압을 선택적으로 인가할 수 있는 제 1 및 제 2 전력 공급 유닛에 상이한 변압기를 제공함으로써, 예를 들어, 전력 조절기 및 변압기의 제 1면 상의 상응하는 제어 전자장치를 생략하는 것이 가능하다. 추가로, 더욱 단순한 변압기가 사용될 수 있다.
바람직하게는, 제 2 변압기가 제 1 변압기가 연결된 것보다 더 많은 수의 규소 로드에 직렬로 각각 연결된다. 그렇게 함으로써, 제 2 전류 공급 유닛에서의 변압기의 수는 제 1 전류 공급 유닛에서의 변압기의 수보다 감소될 수 있으며, 이는 제 2 전류 공급 유닛을 위한 비용 및/또는 공간의 감소를 유도할 수 있다. 특히, 제 2 변압기는 제 1 변압기의 수에 비해서 두 배 수의 규소 로드에 직렬로 각각 연결된다. 그렇게 함으로써, 제 2 전류 공급 유닛에서의 변압기의 수는 절반이다. 추가로, 제 3 전류 공급 유닛의 출력부는 바람직하게는 제 2 변압기에 비해서 적어도 두 배 수의 규소 로드에 직렬로 연결된다. 그렇게 함으로써, 규소 로드의 직렬 연결의 증가가 발생된다.
요망되는 차폐 또는 안전 기술을 단순화시키기 위해서, 인접 규소 로드와 직렬로 연결되는 제 1 및/또는 제 2 변압기는 반대로 감긴다. 이는 시리즈내 규소 로드의 외부 단부들이 각각 최저 절대값, 바람직하게는 약 0(제로) 볼트인 하나의 포텐셜에 있는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 하나의 구체예에서, 하나 이상의 제 4 변압기를 포함하는 적어도 하나의 제 4 전력 공급 유닛이 제공되며, 이의 출력부는 각각의 제 2 변압기의 출력부보다 더 많은 규소 로드에 직렬로 연결되며, 상기 제 4 변압기는 제 2 개회로 전압보다 더 낮은 제 4 개회로 전압 및 제 2 단락전류보다 더 큰 제 4 단락 전류를 지닌다. 이러한 경우에, 하나 이상의 제어 유닛이 또한 제 4 전류 공급 유닛을 통해서 직렬 연결 내의 규소 로드에 전압을 대안적으로 인가할 수 있으며, 제 3 전류 공급 유닛이 제 4 개회로 전압 미만인 전압에서 제 4 단락 전류보다 많은 전류를 공급할 수 있다. 제 4 전류 공급 유닛은 추가로 규소 로드를 위한 전압 공급의 증분을 공급하여, 제 3 전압 공급이 더 낮은 최대 전압 수준을 제공할 수 있고, 이는 전체 장치에 대한 비용을 감소시킬 수 있다.
바람직하게는 제 1 전력 공급 유닛의 변압기가 제 2 전력 공급 유닛의 변압기보다 더 가파른 전류/전압 특성을 지니며, 제 2 전력 공급 유닛의 변압기가 제 3 전력 공급 유닛보다 더 가파른 전류/전압 특성을 지닌다. 그렇게 함으로써, 규소 로드의 온도 의존성 저항 변화를 조절하는 것이 쉽다. 규소 로드의 특정 저항은 온도가 상승함에 따라서 초기에 가파르게 감소하고, 이어서, 포화 상태로 간다. 전력 공급 유닛의 상이한 전류/전압 특성은 상이한 구배에서의 이러한 경향을 반영한다.
제 1 및 제 2 전력 공급 유닛의 변압기를 과부하시키는 것을 피하기 위해서, 제어 유닛이 각각의 제 1 및 제 2 변압기를 통한 전류의 흐름에 따라서상이한 전력 공급 유닛으로 전환될 수 있다. 이는 단순한 방법으로 시간 요건에 따른 상이한 전압 사이의 전환을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 방법에서, 이하 본원에서 언급된 단계는 연속적으로 수행된다. 먼저, 제 1 전압이 복수의 제 1 변압기를 통해서 규소 로드를 가로질러 인가된다. 용어 제 1 전압은 전류가 제 1 변압기를 통해서 인가되는 동안의 시간에 걸쳐서 평균되는 전압의 평균 실효값을 의미한다. 그 후에, 제 2 전압이 복수의 제 2 변압기를 통해서 규소 로드를 가로질러 인가되고, 여기서, 제 2 전압은 제 1 전압보다 낮다. 용어 제 2 전압은 전압이 제 2 변압기를 통해서 인가되는 동안의 시간에 걸쳐서 평균되는 전압의 평균 실효값을 의미한다. 제 1 및/또는 제 2 전압에 의해서 개시된 전류에 의해서 유발되는 규소 로드에서 온도가 증가하면, 각각의 전압은 시간이 흐름에 따라 감소할 수 있지만, 그와 동시에, 전류를 증가한다. 최종적으로, 제 3 전압이 전력 공급 유닛를 사용함으로써 규소 로드에 인가되고, 여기서, 제 3 전압은 제 2 전압보다 낮다. 용어 제 3 전압은 전압이 전력 공급 유닛을 통해서 인가되는 동안의 시간에 걸쳐서 평균되는 전압의 평균 실효값을 의미한다. 또한, 규소 로드의 온도가 증가하면, 전압은 시간이 흐름에 따라 감소할 수 있지만, 전류를 추가로 증가할 수 있다. 그러한 방법은 CVD 반응기내의 규소 로드를 가로지른 전압의 단순 및 다단계 인가의 상기 언급된 이점을 가능하게 한다.
바람직하게는, 제 3 전압은 직렬로 연결된 규소 로드 모두를 가로질러 인가되지만, 제 1 및/또는 제 2 전압은 단일의 규소 로드 또는 규소 로드들의 군들을 가로질러 인가된다. 제 1 전압은 각각의 단일 규소 로드를 가로질러 인가될 수 있고, 제 2 전압은 직렬로 연결된 두 규소 로드를 가로질러 인가될 수 있다. 그렇게 함으로써, 규소 로드의 직렬 연결에서의 단계식 증가가 달성된다.
제 1 및 제 2 변압기를 과부하시키는 것을 피하기 위해서, 규소 로드를 통한 전류가 측정되고 상이한 전압들 사이의 하나 이상의 스위치가 그에 따라서 측정된 전류에 따라 조절될 수 있다. 포지션 반응기(position reactor)는 직렬로 연결된 상이한 수의 규소 로드를 지닐 수 있다. 회로 교란 경로(circuit disrupt path)가 단일 반응기에서 수회 사용될 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체에에 따라서, 포스 전압(force voltage)이 제 2 전압을 인가한 후에 그리고 제 3 전압을 인가하기 전에 규소 로드를 가로질러 적용되며, 여기서, 제 4 전압은 하나 이상의 제 3 변압기에 의해서 인가되고, 제 2 전압과 제 3 전압 사이에 있을 수 있다. 용어 제 4 전압은 전압이 하나 이상의 제 3 변압기를 통해서 인가되는 시간에 걸쳐서 평균되는 전압의 평균 실효값을 의미한다.
각각 제 1 및 제 2 변압기를 통해서 제 1 및/또는 제 2 전압을 인가하는 때에, 전압은 직렬 연결의 말단부에서 전압 수준이 절대값으로 최저이게 하는 방식으로 인가된다. 그렇게 함으로써, 요구된 절연 또는 안전 기술이 단순화될 수 있다.
본 발명은 도면을 참조로 하여 이하 본원에서 더욱 상세히 기재될 것이다.
도 1은 규소가 증착되거나 증착되지 않는 CVD 반응기 내의 규소 로드 쌍의 배열의 개략적인 측면도이다.
도 2는 CVD 반응기 내의 규소 로드에 상이한 전압을 인가하기 위한 개략적 회로 배열이다.
도 3은 도 2에 도시된 상이한 전류 공급 유닛의 전류/전압 특성이며, 추가로 규소 증착 전의 CVD 반응기 내의 규소 로드의 전형적인 전류/전압 특성을 개략적으로 도시하고 있다.
도 4는 대안적인 구체예에 따른 CVD 반응기 내의 규소 로드에 여러 전압을 인가하기 위한 개략적인 회로 배열이다.
도 5는 도 4에 도시된 바와 같은 여러 전류 공급 유닛의 전류/전압 특성이다.
도 6은 또 다른 구체예에 따라서 CVD 반응기 내의 규소 로드에 여러 전압을 인가하기 위한 개략적인 회로 배열이다.
도 1은 상세하게 도시되지 않은 CVD 반응기 내의 규소 로드 쌍(1)의 배열의 개략적 측면도를 도시하고 있다. 그러나, 표현을 간단히 하기 위해서, CVD 반응기에서, 서로에 대해서 한 평면에 배향되지 않는 더 많은 로드 쌍(1)이 수용될 수 있음을 주지해야 한다. 전형적으로, 4 내지 24개의 그러한 로드 쌍(1)이 CVD 반응기에 제공되지만, 명백하게는, 더 많거나 더 적은 로드 쌍(1)이 제공될 수 있다.
도 1은 각각 두 개의 얇은 규소 로드(3)와 연결 브릿지(4)로 이루어진 두 로드 쌍(1)을 도시하고 있다. 도 1에서 우측 로드 쌍은 가스 상 증착 전의 초기 형태를 도시하고 있다. 좌측 로드 쌍은 얇은 규소 로드 상에 규소의 가스 상 증착 후의 형태를 도시하고 있으며, 얇은 규소 로드는 여전히 좌측 로드 쌍에서 파선으로 표시되어 있다.
얇은 규소 로드는 각각 CVD 반응기의 플로어(floor: 7)에서 전극 배열(6)에 공지된 방법으로 배열된다. 로드 쌍(1)의 연결 브릿지(4)는 얇은 규소 로드(3)의 자유단과 연결된다. 연결 로드(4)는 또한 규소로 이루어지며, 바람직하게는, 얇은 규소 로드(3)와 동일한 전기적 특성을 지닌다. 특히, 연결 브릿지(4)는 얇은 규소 로드로부터 제조될 수 있고, 도 1에 도시된 배열에서 규소 로드(3)의 자유단에 어떠한 적절한 방식으로 연결될 수 있다.
로드 쌍(1)의 그러한 배열은 CVD 반응기의 플로어(7)에서 전극 배열(6)을 통해서 배타적으로 얇은 규소 로드(3)의 전기적 접촉을 가능하게 한다. 이하 설명에서, 설명을 단순화시키기 위해서, 도 1에 따른 규소 로드 쌍(1) 뿐만 아니라, 양단이 전극과 연결되는 단일의 얇은 규소 로드 둘 모두가 규소 로드로서 일컬어진다.
도 2는, CVD 반응기(도시되지 않음)에 도 1에 도시된 방법으로 수용될 수 있는, 규소 로드 S1 내지 S4를 가로질러 여러 전압을 인가하는 개략적인 회로 배열(10)을 도시하고 있다.
도 2에 따른 회로 배열은 4 개의 로드 S1 내지 S4를 위해서 설계되지만, 이는 또한 상이한 개수를 위해서 제공될 수 있고, 여기서, 4 또는 이의 배수가 현재 상황에서 회로 배열(10)을 위한 규소 로드의 바람직한 수이다. CVD 반응기에서의 규소 로드의 수에 따라서, 상응하는 수의 회로 배열(10)이 제공될 수 있다. 규소 로드(S1) 내지 (S4)는 직렬로 전기적으로 연결된다. 회로 배열(10)이 제 1 전력 공급 유닛(12), 제 2 전력 공급 유닛(14), 제 3 전력 공급 유닛(16) 및 도면에는 도시되지 않은 제어 유닛을 지닌다.
제 1 전력 공급 유닛(12)은 각각의 스위치(26-29)를 통해서 이들의 제 1면상에서, 예를 들어, 400 볼트의 단상교류 전압에 연결될 수 있는 모두 4개의 변압기(21-24)를 지닌다. 변압기(21-24)는, 이들의 제 2면 상에서, 대략 8,000 볼트의 개회로 전압 및 대략 6 암페어의 단락 전류를 지닌다. 도 3에서, 변압기(21-24)의 전류/전압 특성(K1)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 변압기(21-24) 각각은 가파른 구배의 전류/전압 특성을 지닌다. 즉, 전류의 흐름이 증가할 때, 제 2면 상의 전압이 신속하게 감소된다.
변압기(21-24)의 각각은 규소 로드(S1-S4)중 하나에 할당되며, 변압기(21-24)중 제 2 면에서의 출력부는 규소 로드(S1-S4) 중 하나의 양단부에 각각 연결된다. 따라서, 변압기(21-24)의 각각은 직렬 연결에서 규소 로즈(S1-S4)중 각각 하나를 가로질러 8,000 볼트의 전압을 인가할 수 있다. 변압기(21, 23)의 제 2 감김은 변압기(22, 24)의 제 2 감김에 반대로 감겨서, 제 1 및 제 2 면을 지니는 변압기(22, 24)가 인접 규소 로드의 열(row)과 관련하여 반대로 감겨진 제 1 및 제 2 면을 지니는 변압기(21, 23)과 교대로 동일한 방향으로 감기게 한다. 특히, 변압기(21-24)가 그러한 방법으로 감기고, 규소 로드(S1-S4)에 연결되어서, 직렬로 연결되는 규소 로드(S1-S4)의 외부 단부가 절대값과 관련하여 최저 수준에 있고, 특히, 전압이 변압기(21-24)를 통해서 규소 로드(S1-S4)를 가로질러 인가되는 때에 대략 0 볼트에 있다.
제 2 전력 공급 유닛(14)은 두 개의 변압기(31, 32)를 지니며, 이러한 변압기는 각각의 스위치(34, 35)를 통해서 이들의 제 1 면상에서, 예를 들어, 400 볼트의 단상교류 전압에 연결될 수 있다. 각각 도시된 변압기(31, 32)는 이들의 제 2 면상에서 4,000 볼트의 개회로 전압 및 20 암페어의 단락 전류를 지닌다. 도 3에서, 변압기(31)의 전류/전압 특성(K2)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 변압기(31, 32)는 제 1 전력 공급 유닛(12)의 변압기(21-24)에 비래서 가파른 구배의 전류/전압 특성을 지닌다.
변압기(31, 32)의 각각은 규소 로드(S1-S4)중 두 개의 인접 로드에 할당되며, 변압기(21, 32)의 제 2 면에서의 출력부는 직렬로 연결된 규소 로드(S1-S4)의 두 개의 인접의 군의 양단부에 각각 연결된다. 따라서, 변압기(31, 32)의 각각은 직렬 연결에서 규소 로드(S1-S4)중 각각 하나를 가로질러 대략 2,000 볼트의 전압을 인가할 수 있다(직렬로 연결된 규소 로드는 사실상 전압 분할기로서 작용한다). 변압기(31, 32)의 제 2 면은 반대로 감긴다. 특히, 변압기(31, 32)는 그러한 방법으로 감기고, 규소 로드(S1-S4)에 연결되어서, 직렬 연결의 규소 로드(S1-S4)의 외부 단부가 절대값으로 각각 최저 수준에 있으며, 특히, 전압이 변압기(31, 32)를 통해서 규소 로드(S1-S4)를 가로질러 인가되는 때에 대략 0 볼트에 있다.
제 3 전력 공급 유닛(16)은 제 2 전류 공급 유닛의 변압기(31, 32)의 개회로 전압 아래 범위의 전압 및 제 2 전력 공급 유닛(14)의 변압기(31, 32)의 단락전류 초과의 전류를 제공할 수 있는 어떠한 조절된 전류 공급 장치이다. 도시된 바와 같은 구체예에서, 제 3 전력 공급 유닛(16)은, 예를 들어, 2,500 내지 50 볼트의 출력 전압 및 10 내지 3,400 암페어의 전류를 제공할 수 있다. 도 3에서, 제 3 전력 공급 유닛(16)의 전류/전압 특성(K3)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 제 3 전력 공급 유닛은 제 2 전력 공급 유닛(14)의 변압기의 전류/전압 특성보다 덜 가파른 구배를 지닌다.
제 3 전력 공급 유닛은 직력로 연결된 규소 로드(S1) 내지 규소 로드(S4)의 열을 따라서 전압이 강하하도록 직렬로 연결된 규소 로드(S1, S2, S3, S4)에 연결된다. 즉, 이는 직렬로 연결된 규소 로드의 규소 로드(S1)와 규소 로드(S4)의 외부 단부에 연결된다.
도시되지는 않은 제어 장치가 제 1, 제 2, 또는 제 3 전력 공급 유닛(12, 14, 16)을 통해서 규소 로드(S1-S4)를 가로질러 전압을 선택적으로 그리고 순차적으로 적용할 수 있다. 그렇게 함으로써, 제 1 전력 공급 유닛(12)의 각각의 변압기(21-24)와 제 2 전력 공급 유닛(14)의 변압기(31, 32)가, 각각의 스위치(26-29 및 35, 36)에 의해서 도시된 바와 같이, 개별적으로, 그룹으로 또는 모두 함께 켜지거나 꺼질 수 있다.
전력 공급 유닛(12, 14) 각각의 변압기(21, 22, 23, 24, 34 및 35)은 "소프트(soft)" 특성을 지니며, 이들은 각각 별도 또는 내부 초크(choke), 공기 갭 또는 트랜스덕터(transductor)를 지니는 유형일 수 있다. 전력 공급 유닛(16)은 증착 공정 동안 전압과 전류를 변화 상태로 조절한다.
이하에서는, CVD 증착 공정 동안 회로 배열(10) 작업이 더욱 상세히 설명될 것이며, 여기서, 설명은 도 2에 따른 2 개의 규소 로드(S1-S4)로 제한된다. 공정의 시작에서, 모든 전력 공급 유닛(12, 14, 16)은 스위치를 끈다. 후속하여, 제 1 전력 공급 유닛(12)이 제어 유닛을 통해서 작동되어 스위치(26-29)를 닫는다. 이어서, 8,000 볼트까지의 전압이 변압기(21-24)를 통해서 개별적인 규소 로드(S1-S4)를 가로질러 인가된다. 높은 전압으로 인해서, 규소 로드(S1-S4)의 높은 초기 저항에도 불구하고, 전류 흐름이 규소 로드(S1-S4) 내에서 발생한다. 이러한 전류 흐름으로 인해서, 규소 로드(S1-S4)의 가열이 발생할 것이고, 이는 그러한 로드의 저항의 감소를 유도한다. 이어서, 규소 로드(S1-S4) 내의 감소된 저항으로 인한 증가된 전류 흐름은 도 3에서의 특성(K1)에 도시된 바와 같이 변압기를 통해서 인가된 전압의 감소를 유도한다. 도 3에서, 이는 또한 규소 증착의 시작부에서 규소 증착을 위한 CVD 반응기 내에서 사용되는 바와 같은 얇은 규소 로드 쌍의 전류/전압 특성에 대한 파선 그래프에 의해서 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 그래프에 의해서 알 수 있는 바와 같이, 아주 높은 초기 전압이 초기 전류 흐름을 개시시키기 위해서 요구되며, 그러한 초기 전류 흐름은 얇은 규소 로드 쌍의 충분하게 높은 온도 상승에 영향을 줄 수 있고, 그러한 온도 상승은 얇은 규소 로드 쌍의 저항을 현저하게 낮출 수 있다. 그에 따라서, 공정의 시작 단계에서, 초기 전압이 높고, 초기 전류가 아주 낮다. 대안적으로, 규소 로드는 또한, 인가된 초기 전압에서, 규소 로드의 추가의 가열을 달성하기에 충분히 높은 초기 전류가 흐를 수 있는 초기 온도로 규소를 가열하기 위한, 예를 들어, IR 이미터(emitter), 할로겐 램프 또는 다른 수단을 사용함으로써 먼저 가열될 수 있다. 초기 전압은 우선 온도의 증가가 있고, 그에 따라서, 초기 전류가 증가하는 때의 첫 번째 가파른 구배에서 강하된다. 추가의 과정에서, 그래프는 더 평평하게 되며, 서서히 포화 값으로 접근되고, 얇은 규소 로드 쌍의 저장이 추가로 감소되고, 규소를 통한 전류 흐름이 증가하는데, 그 이유는 규소의 온도가 증가하고 증착 과정이 시작되기 때문이다.
변압기(21-24)의 전류/전압 특성(K1)이 규소 로드(S1-S4)의 온도 의존성 저항 변화로 조절되어서, 출발 단계에서 규소 로드의 비조절된 가열을 피하기 위해서 증가된 전류 흐름이 있는 가파른 구배에서 전압이 강하된다.
규소 로드(S1-S4)를 통한 전류 흐름이 규소 로드의 저항의 감소로 인해서, 예를 들어, 4 내지 5 암페어의 특정 수준에 도달하면, 제 1 전력 공급 유닛(12)의 스위치(26-29)가 개방되고, 제 2 전력 공급 유닛(14)의 스위치(35, 36)가 폐쇄된다. 이어서, 4,000 볼트에 이르는 전압이 변압기(31, 32)를 통해서 규소 로드의 쌍(S1, S2, S3, S4)을 가로질러 인가되며, 여기서, 대략 2,000 볼트의 최대 전압이 각각의 개별적인 규소 로드(S1-S4)를 가로질러 인가된다.
규소 로드의 온도가 증가하고 저항이 추가로 감소함에 따라서 규소 로드(S1-S4)를 통한 전류 흐름이 증가한다. 변압기(31, 32)의 전류/전압 특성(K2)은, 변압기(21-24)의 전류/전압 특성에 비해서, 규소 로드의 전류/전압 특성에 상응하게 더욱 평평하다. 변압기(31, 32)는 변압기(21, 22, 23, 24)에 비해서 더 높은 전류를 제공할 수 있다.
규소 로드(S1-S4)를 통한 전류 흐름이 규소 로드의 저항의 감소로 인해서, 예를 들어, 10-12 암페어의 제 3 수준에 도달함에 따라서, 제 2 전력 공급 유닛(14)의 스위치(35, 36)가 개방되고, 제 3 전력 공급 유닛(16)이 직렬로 연결된 규소 로드(S1-S4)의 모두를 가로질러 전압을 인가하기 위해서 스위치가 켜진다. 이 시점에서, 규소 로드(S1-S4)의 이그니션(ignition)이 종료된다. 즉, 실리콘 로드는 추가의 온도 증가가 전류 조절을 통해서 실제로 조절될 수 있기에 충분히 높은 온도를 지닌다. 따라서, 제 3 전력 공급 유닛의 전류/전압 특성(K3)이 제 2 전력 공급 유닛의 변압기(31, 32) 중 하나에 비해서 실질적으로 더 평평하다.
규소 로드가 충분히 높은 온도에서 얻어진 후에, 규소 로드(S1-S4)상의 규소의 증착이 CVD 반응기 내에서 시작된다. 이제, 규소는 이들이 소정의 두께에 도달될 때까지 로드 상에서 연속적으로 성장한다. 이러한 시점에서, 제 3 전력 공급 유닛이 스위치가 꺼진다. 규소 로드(S1-S4)는 전류를 통해서 더 이상 가열되지 않으며, 그에 따라서, 냉각되고, 이어서, CVD 반응기로부터 꺼내질 수 있으며, 추가의 가공을 위한 또 다른 장치에 공급될 수 있다.
상기 주어진 수의 규소 로드 및 제 1 및 제 2 전력 공급 유닛의 상응하는 수의 변압기는, 이들이 현재 4 개의 규소 로드의 정수배를 지니는 CVD 반응기를 고려하고 있지만, 단지 예로서 주어지고 있는 것이며, 제한 방식으로 보여서는 않된다. 추가로, 변압기의 인용된 개회로 전압 및 단락전류는 이들이 규소 로드를 위한 CVD 반응기에서의 사용을 위해서 실질적으로 고려되고 있으며, 사실 그렇게 하는 것이 적절하다는 사실에 의해서 단지 예로서 주어져 있다.
도 4는 대안적인 구체예에 따른 규소 로드(S1-S4)에 상이한 전압을 인가하기 위한 개략적인 회로 배열(10)을 도시하고 있다. 도 4에서, 동일 또는 유사한 구성요소가 설명되므로, 동일한 참조 기호가 도 2에서와 동일하게 사용된다.
도 4에 따른 회로 배열(10)은 제 1 전력 공급 유닛(12), 제 2 전력 공급 유닛(14), 제 3 전력 공급 유닛(16) 및 도시되지 않은 제어 유닛을 지닌다. 이들은 실질적으로, 제 3 전력 공급 유닛이, 예를 들어, 2,000 내지 50 볼트의 낮은 전압 범위 및 20 내지 3,000 암페어의 전류를 공급할 수 있는, 앞서 기재된 유닛과 동일하다. 그러나, 추가로, 제 4 전력 공급 유닛(40)이 제공된다. 제 4 전력 공급 유닛(40)은, 예를 들어, 400 볼트의 단상 교류 전압에 스위치(44)를 통해서 그 제 1 면 상에서 연결될 수 있는 변압기(42)를 지닌다. 도시된 바와 같은 변압기는 3,000 볼트의 개회로 전압 및 제 2 면상의 40 암페어의 단락전류를 지닌다. 도 5에서, 변압기(42)의 전류/전압 특성(K4)이 도시되어 있다. 도 5는 또한 제 1 내지 제 3 전력 공급 유닛의 상응하는 전류/전압 특성(K1-K3)을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 변압기(42)의 전류/전압 특성(K4)은 제 2 전력 공급 유닛(14)의 변압기(31, 32)의 전류/전압 특성(K2)에 비해서 덜 가파른 구배를 지닌다. 그러나, 전류/전압 특성(K4)은 제 3 전력 공급 유닛(16)의 전류/전압 특성(K3)보다 더 가파른 구배를 지닌다.
제 4 전력 공급 유닛(40)이 단일의 변압기(42)를 포함하는 것으로 도시됨에도 불구하고, 제 2 전력 공급 유닛(14)과 유사하게, 예를 들어, 1,500 볼트의 개회로 전압 및 40 암페어의 단락 전류를 지닐 수 있는 두 개의 변압기가 제공될 수 있음이 주지된다. 그러나, 단일 변압기를 지니도록 하기 위한 해결책이 비용 및 공간적 이유로 바람직하다. 그러한 변압기가 중간 탭(center tap)과 함께 제공될 수 있다.
도 4에 따른 회로 배열의 작업은 실질적으로 상기 기재된 것과 동일하며, 제 2 전력 공급 유닛(14)을 스위치를 끈 후에, 규소 로드(S1-S4)를 통한, 예를 들어, 20 내지 25 암페어의 소정의 전류 흐름이 달성될 때까지, 제 4 전력 공급 유닛(40)이 스위치가 켜진다. 이어서, 제 3 전력 공급 유닛(16)에 스위치가 켜진다.
도 6은 또 다른 구체예에 따라 규소 로드(S1-S4)에 상이한 전압을 인가하기 위한 개략적인 회로 배열(10)을 도시하고 있다. 도 6에서, 동일 또는 유사한 구성요소가 설명되므로, 동일한 참조 기호가 도 2에서와 동일하게 사용된다.
도 6에 따른 회로 배열(10)은 제 1 전력 공급 유닛(12), 제 2 전력 공급 유닛(14), 제 3 전력 공급 유닛(16) 및 도시되지 않은 제어 유닛을 지닌다. 이들 유닛은 도 2와 관련하여 기재된 유닛과 동일하다.
그러나, 도 6의 구체예는 제 1 전류 공급 유닛(12)의 변압기(21 및 22)가 직렬로 연결되고, 예를 들어, 400 볼트의 단상 교류 전압에 공통의 스위치(50)를 통해서 이들의 제 1 면상에서 연결될 수 있다는 면에서 상이하다. 유사하게, 제 1 전류 공급 유닛(12)의 변압기(23 및 24)가 직렬로 연결되고, 예를 들어, 400 볼트의 단상 교류 전압에 공통의 스위치(51)를 통해서 이들의 제 1 면상에서 연결될 수 있다.
도 6에 따른 회로 배열의 작업은 실질적으로 상기 기재된 것과 동일하며, 여기서, 명백하게는, 한편으로는 변압기(21 및 22) 및 다른 한편으로는 변압기(23 및 24)가 공통의 스위치에 의해서 켜지고 꺼진다. 그러한 직렬 연결은 8000V를 넘는 전압이 트랜지스터(21 내지 24)를 통해서 규소 로드(S1 내지 S4)에 인가되는 때에 특히 유용하다. 직렬 연결에서의 규소 로드중 하나가 다른 것보다 먼저 이그니션되는 때에, 전압이 정지될 수 있으며, 이때, 변압기들이 직렬로 연결된다. 변압기가 병렬로 연결되는 때에, 전압이 제한될 수 있다.
본 발명이 특정의 구체예로 제한됨이 없이 바람직한 구체예를 참조로 본원에서 상기 기재되어 있다. 특히, 본 발명은 구성요소의 수와 관련하여 주어진 수치뿐만 아니라, 전압 및 전류 값으로 제한되지 않는다.

Claims (16)

  1. 규소 로드가 저항기(resistor)으로서 삽입될 수 있는 직렬 연결;
    하나 이상의 제 1 전력 공급 유닛;
    하나 이상의 제 2 전력 공급 유닛;
    하나 이상의 제 3 전력 공급 유닛; 및
    제 1 전력 공급 유닛, 제 2 전력 공급 유닛, 또는 제 3 전력 공급 유닛을 통해서 직렬 연결 내의 규소 로드를 가로질러 전압을 인가할 수 있는 하나 이상의 제어 유닛을 포함하는, CVD 반응기 내의 복수의 규소 로드를 가로질러 전압을 인가하기 위한 장치로서,
    제 1 전력 공급 유닛이 복수의 제 1 변압기를 포함하고, 이들의 출력부가 각각 직렬 연결 내의 하나의 규소 로드와 연결되고, 제 1 변압기가 제 1 개회로 전압 및 제 1 단락 전류를 지니며,
    제 2 전력 공급 유닛이 복수의 제 2 변압기를 포함하고, 이들의 출력부가 제 1 변압기 중 하나 이상와 평행하게 직렬 연결 내의 제 1 변압기와 동일한 수의 규소 로드에 연결되고, 제 2 변압기가 제 2 개회로 전압 및 제 2 단락 전류를 지니며, 제 2 개회로 전압이 제 1 개회로 전압보다 낮고, 제 2 단락 전류가 제 1 단락 전류보다 높고,
    제 3 전력 공급 유닛이 제 1 및 제 2 변압기와 평행하게 직렬 연결 내의 규소 로드와 연결되는 출력부를 포함하고, 제 3 전력 공급 유닛이 제 2 변압기의 개회로 전압보다 낮은 전압 범위 내에서 전류를 공급할 수 있으며, 그러한 전류가 제 2 변압기의 단락 전류보다 높고; 제 1 전력 공급 유닛이 제 2 전력 공급 유닛보다 더 가파른 전류/전압 특성을 지니며, 제 2 전력 공급 유닛이 제 3 전력 공급 유닛보다 더 가파른 전류/전압 특성을 지니는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 제 2 변압기가 제 1 변압기보다 직렬 연결 내에서 더 많은 수의 규소 로드에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 제 2 변압기가 각각 제 1 변압기에 비해서 직렬 연결 내의 두 배의 수의 규소 로드에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 제 3 전력 공급 유닛의 출력부가 제 2 변압기에 비해서 직렬 연결 내의 적어도 두 배의 수의 규소 로드에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 직렬 연결내의 인접 규소 로드에 연결된 제 1 및/또는 제 2 변압기가 반대로 감겨있는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 제 4 변압기를 포함하는 하나 이상의 제 4 전력 공급 유닛을 포함하며, 이들 변압기의 출력부가 상응하는 제 2 변압기의 출력부보다 직렬 연결 내의 더 많은 규소 로드에 연결되고, 이들 변압기가 제 4 개회로 전압과 제 4 단락 전류를 지니며, 제 4 개회로 전압이 제 2 개회로 전압보다 낮고, 제 4 단락 전류가 제 2 단락 전류보다 높고, 하나 이상의 제어 유닛이 또한 제 4 전력 공급 유닛을 통해서 직렬 연결 내의 규소 로드에 전압을 인가할 수 있고, 제 3 전류 공급 유닛이 제 4 개회로 전압보다 낮은 전압 범위에서 제 4 단락 전류보다 큰 전류를 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 전류 공급 유닛의 둘 이상의 인접 변압기가 함께 그룹을 이루고 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 유닛이 각각의 제 1 또는 제 2 변압기를 통한 전류 흐름에 따라서 전력 공급 유닛들 사이를 스위칭할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. CVD 반응기에서 직렬 연결된 복수의 규소 로드를 가로질러 전압을 인가하는 방법으로서,
    순차적으로,
    복수의 제 1 변압기에 의해서 규소 로드에 제 1 전압을 인가하는 단계;
    복수의 제 2 변압기에 의해서 규소 로드를 가로질러 제 1 전압보다 더 낮은 제 2 전압을 인가하는 단계; 및
    전류 공급 유닛에 의해서 규소 로드를 가로질러 제 2 전압보다 낮은 제 3 전압을 인가하는 단계를 포함하며;
    제 1 변압기가 제 2 변압기보다 더 가파른 전류/전압 특성을 지니며, 제 2 변압기가 제 3 전력 공급 유닛보다 더 가파른 전류/전압 특성을 지니는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 제 3 전압이 직렬로 연결된 모든 실리콘 로드를 가로질러 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 제 1 전압이 각각의 개별적인 규소 로드를 가로질러 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2 전압이 직렬로 연결된 두 개의 규소 로드를 가로질러 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 규소 로드를 통한 전류의 흐름이 결정되고 상이한 전압들 사이의 하나 이상의 스위칭이 결정된 전류 흐름에 따라서 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 9항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 제 4 전압이 제 2 전압의 인가와 제 3 전압의 인가 사이에 규소 로드를 가로질러 인가되며, 제 4 전압이 제 3 변압기를 통해서 인가되고 제 4 전압이 제 2 및 제 3 전압 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 9항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 각각 제 1 및 제 2 변압기를 통한 제 1 및/또는 제 2 전압의 인가시에, 직렬 연결의 단부에서, 절대값에서의 최저 전압 수준이 존재하는 방식으로 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 복수의 규소 로드 상에 규소를 증착시키기 위한 CVD 반응기로서, 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 따른 복수의 규소 로드를 가로질러 전압을 인가하는 장치 뿐만 아니라 규소 로드를 가열하기 위한 별도의 수단을 포함하는 CVD 반응기.
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