TWI530581B - 於化學氣相沈積反應器外部點燃矽棒的方法與裝置 - Google Patents

Description

於化學氣相沈積反應器外部點燃矽棒的方法與裝置

本發明是關於在化學氣相沈積(CVD)反應器外部點燃矽棒的方法與裝置，以及關於沈積矽在矽棒上的方法與裝置。

在半導體和光伏打電池的領域中，製造高純度矽棒是已知的，例如根據在沈積反應器(又稱為CVD反應器)中的Siemens方法。在此方法中，先將細的矽棒置放在反應器中。而後，於沈積製程中將矽沈積在這些細的矽棒上，以製造較粗的棒。起初以夾持和接觸元件固定這些矽棒，其中夾持和接觸元件維持矽棒在想要的方向，並且提供對矽棒的電性接觸。兩根矽棒的自由端分別藉由導電橋或以矽材料製成的電橋來連接，以經由接觸元件(位於反應器同側)形成電迴路。然而，也可能於矽棒的相對端(亦即，從上方及從下方)來電性接觸。

加熱矽棒到預定的製程溫度，在此溫度，在矽棒上發生矽從蒸氣或氣相的沈積。在沈積製程中加熱矽棒，是以預定的電壓造成電流流動，致使電阻加熱，如果適合的話，也可以利用外部加熱單元來加熱。沈積溫度通常落於900℃與1200℃間，特別是約1100℃，然而，沈積溫度也可以是其他溫度。

一開始，矽棒具有高電阻。為了在矽棒中啟動初始電流流動，首先必須施加高電壓。此時，矽棒從不導電條件 轉變成導電條件(以下稱之為點燃)。在點燃之後，電阻明顯下降，在溫度上升時下降尤其顯著。為了點燃矽棒，以及隨後加熱矽棒到預定的製程溫度，需要複雜的具有不同的電源供應單元之多階段電源供應器。此種電源供應器例如已知於德國申請DE 10 2009 021 403 A或德國申請DE 10 2010 020 740 A，上述兩案與本申請案屬於同一申請人，但在本申請案申請前尚未公開。明確地說，需要適用於點燃過程的特定電源供應單元。

本發明下的問題是提供一種方法與裝置，可以降低點燃操作中以及CVD反應器中的點燃單元的要求。

根據本發明，是以根據申請專利範圍第1或第8項的方法以及根據申請專利範圍第10或第16項的裝置來解決所述問題。附屬項是針對本發明的進一步實施例。

具體地說，提供一種在CVD反應器外部點燃矽棒的方法，用以製備供CVD反應器內的後續處理用的矽棒。在此方法中，矽棒放置在點燃元件裡，且第一電壓以第一電源供應單元施加於矽棒，其中所述電壓足以點燃矽棒。其後，以第一電源供應單元導引電流通過矽棒，至少有部份矽棒被電流加熱至預定溫度範圍內的溫度。而後自點燃元件中移除矽棒。發明人發現，一旦矽棒經過點燃，在後續的點燃製程中，可以用比第一次點燃更低的電壓來點燃矽棒。因此，在第二次點燃中，例如可以用比第一次點燃低30%與40%之間的電壓點燃矽棒。因此前述方法提供了 製備供後續CVD處理用之矽棒的方法，其中所述製備簡化了CVD處理以及CVD處理所需的元件。特別是後續CVD處理的點燃操作可以前述方法大幅簡化。

矽棒被放置於點燃元件中以後，較佳是在隨後的製程裡形成環繞矽棒的氣體氛圍，其中氣體氛圍是以氣體和矽棒間在點燃和加熱中不會發生反應的方式來組成。為此，氣體氛圍通常是由例如N₂、H₂、惰性氣體或二或更多種前述氣體的混合物所形成。

為了助益接續的點燃事件，將矽棒加熱至介於400℃與700℃的範圍之間的溫度，較佳是在介於450℃與600℃之間的區間。發明人發現，雖然一次點燃就有助於後續的點燃事件，若將矽棒加熱至更高的溫度，此效應變得更好。介於400℃與700℃之間的溫度區間，特別是介於450℃與600℃之間已被視為有利的溫度範圍，因為前述效應在此區間呈現特別高的提昇。在較高或較低的溫度改變就比較小。最佳溫度可取決於矽棒及其摻雜。

為了達到預定溫度範圍內的溫度，可由與矽棒間隔開的加熱元件(特別是使用紅外線輻射的加熱元件)來至少部份地加熱矽棒。利用這種辦法可以降低電源供應單元(用以在傳導電流通過矽棒)的需求。另外，因為加熱過程可以加速，矽棒在點燃元件中的停留時間可以縮短。加熱元件也可以在點燃以前就加熱矽棒，藉此助益第一次加熱事件。為了好的點燃，第一電壓較佳是在8千伏特與15千伏特的範圍之間。

在一實施例中，將多個矽棒安置於點燃元件，且同時或依序將矽棒連接至第一電壓，以點燃矽棒並且隨後加熱矽棒。

另外，提供一種在矽棒上沈積矽的方法，其中先執行前述方法。然後，將多個預點燃且經加熱的矽棒置放在CVD反應器中，以第二電源供應單元施加第二電壓於每一矽棒，以再度點燃矽棒。其後以第三電源供應單元施加第三電壓於每一矽棒，以將矽棒加熱至另一預定溫度範圍內的溫度，其中第三電壓低於第二電壓。另外，在CVD反應器中形成氣體氛圍，氣體氛圍作用導致矽至少在又一預定溫度範圍內沈積在矽棒上。藉由在CVD反應器外部預先點燃矽棒，有助於CVD反應器中的再次點燃，且可減少矽棒在CVD反應器中的停留時間。另外，因為與第一次點燃相比，CVD反應器中的第二次點燃所需的電壓較低，因此上述方法中CVD反應器的結構可以簡化。就此點而言，第二電壓較佳也低於第一電壓。

根據本發明，在用來在CVD反應器外部點燃矽棒，以製備供CVD反應器內部後續處理用的矽棒的元件中，所述元件包括：外殼，其具有腔室，而腔室用以置放至少一矽棒；位於腔室中的至少一對接觸電極，用以將矽棒固持於其間；以及第一電源供應單元。第一電源供應單元包括至少一變壓器，其中，變壓器的每一輸出連接至一對接觸電極之一，且其中變壓器包括足夠高而能在矽棒中啟動電流流動的開路電壓。利用這種元件可以得到前文討論 的、參照所述方法的各種益處。變壓器可包括介於8千伏特與15千伏特的範圍之間的開路電壓，以便可靠而快速地點燃矽棒。

所述元件較佳包括可調整腔室內部預定氣體氛圍的構件，此構件可以在點燃事件及隨續加熱過程中避免(例如)矽棒的氧化。

另外，可提供至少一加熱元件，其中加熱元件是以腔室中的矽棒可以輻射能量來加熱的方式配置。具體地說，加熱元件可包括紅外線輻射器或放射器，其不用與矽棒接觸，就可以提供優良的能量耦合效果。

為了能夠同時或依序點燃多個矽棒，而不用點燃步驟間的載入/載出操作，在腔室裡提供多個接觸電極。另外，提供沈積矽於矽棒上的裝置，其包括與CVD反應器結合的上述元件。在這種裝置裡，CVD反應器包括多個接觸電極，用以固持多個矽棒；至少一個第二和一個第三電源供應單元；以及在CVD反應器中形成氣體氛圍，因而造成矽在預定溫度範圍內的溫度沈積於矽棒上的構件。第二電源供應單元包括變壓器，其具有足以點燃矽棒的開路電壓。第三電源供應器適於導引電流通過矽棒，上述電流高於第二電源供應單元的變壓器的短路電流。

在以下說明書中，涉及方向與位置而使用的用語基本上與圖式中的說明相關。因此，儘管這些用語可指較佳的最終配置，這些用語不應被視為限制性的。

圖1所示是用以在CVD反應器外部點燃矽棒2的元件1的示意圖。這表示元件1並非被設計為CVD反應器。

元件1通常包括主外殼4，而主外殼4定義出位於其中的製程腔室6。圖示的配電箱7與主外殼4相鄰，但配電箱7也可以整合入主外殼4。主外殼4是由適當材料形成，其可提供製程腔室相對於環境的熱絕緣。

在製程腔室6中提供下矽棒支座10與上矽棒支座12。在製程腔室6中以固持單元14支撐上矽棒支座12，使其可在垂直方向上調整，如圖1中的雙箭頭所示。在製程腔室6的底部提供固定的下矽棒支座10，且其是由不會污染矽棒的導電材料(例如石墨)所製成。下矽棒支座10例如可以是德國專利申請DE 20 2010 002486U所描述的設計，為了避免贅述，將上述申請案以引用的方式併入本文之中。

上矽棒支座12大致可具有相同的設計。上矽棒支座12是以固持單元14從其側面支撐，固持單元14是以在垂直方向可調整的方式安裝於製程腔室的側壁。藉此，矽棒支座10與12間的距離可視矽棒2的長度而調整。因此，可保證每一矽棒2的良好接觸。具體地說，有可能讓上矽棒支座12在一定移動範圍內保持可自由移動，也有可能藉由重力使上矽棒支座12從上方倚靠在個別的矽棒2上，而矽棒2保持在矽棒支座10與12之間。在製程腔室6的區域中提供至少一氣體供應器16以及一氣體排放器17。氣體供應器16位於製程腔室6中較低的區域，而氣體排放器 17是提供於製程腔室6中較高的區域。當然，將氣體排放器17安置在底部而氣體供應器16在頂部也是可能的。

另外，在製程腔室6中提供加熱單元19。圖示的加熱單元19是適於以輻射(即不接觸)加熱矽棒的型態。加熱單元19可包括至少一紅外線輻射器。當然，只要製程腔室6包括一窗口，且此窗口對加熱單元19的輻射而言是可穿透的(transparent)，將加熱單元19安置在製程腔室6的外面也是可能的。加熱單元19也可加熱製程腔室6的腔壁以間接加熱矽棒2。然而，透過加熱單元19的輻射直接加熱比較好，因為這樣加熱比較快，也可以快速控制。

在配電箱7中提供包括變壓器20的電源供應器。在其主側(primary side)，變壓器20與(例如)400伏特之單相交流電(single phase alternate current)可連接。在其副側(secondary side)，變壓器是以可輸出介於8千伏特~15千伏特的範圍之間的開路電壓的方式來建構。

變壓器被建構為所謂的軟變壓器(soft transformer)，其包括(例如)空氣間隙，以及包括當電流上升時急劇下降的電壓特徵。變壓器20的副側分別與下與上矽棒支座10與12電性連接。在此配置裡，下矽棒支座10接地，而高電壓施加於上矽棒支座12。這種配置當然也可以顛倒過來。

雖然在圖1中只分別呈現一個下和一個上矽棒支座10和12，需注意可以在製程腔室6中成對提供多個下與上矽棒支座10、12，以便能在製程腔室6中同時固持多個矽棒。 可向每對下與上矽棒支座10、12提供相聯的變壓器。然而，多對下與上矽棒支座10、12與同一變壓器可連接也是有可能的，其中，可提供一控制單元，其依序連接變壓器至對應的支座對，以依序點燃固定的矽棒。

以下將參照圖1，更仔細地描述元件1的操作。

首先，將矽棒2插入矽棒支座10、12之間，然後關閉製程腔室6。藉由低氣體供應器16以氣體沖洗製程腔室6，其中所述氣體不影響隨後製程。適合的氣體例如為N₂、H₂、或諸如氬氣的其他惰性氣體。

持續沖洗直到整個製程腔室6都充滿了所述氣體。例如，可透過上氣體排放器17排出氣體，而氣體排放器17內的感測器可偵測到沒有其他氣體被排出製程腔室6，來確保整個製程腔室6都充滿上述氣體。此時，在下矽棒支座10與上矽棒支座12之間施加介於8千伏特與15千伏特的範圍之間的電壓，此電壓因此藉由電流供應器(明確地說，藉由變壓器20)施加於矽棒2。一定時間(例如4到5分鐘)以後，矽棒2將開始傳導電流。此時稱矽棒被點燃，亦即，從非導電條件轉變為導電條件。

矽棒2開始導通電流時，電壓快速下降，而電流上升。矽棒2中因電流流動而導致電阻加熱。利用此種加熱效果以及利用加熱單元19(若有提供)，將矽棒2加熱至從450℃到600℃的範圍之間的溫度。加熱單元19也可以在點燃矽棒2以前加熱矽棒2，以幫助點燃，從而加速整個製程。

其後，切斷通過矽棒2的電流流動，並在製程腔室6 裡將矽棒2冷卻至處理溫度。可藉由增加通過製程腔室6的氣體流來加速冷卻過程。然後，從製程腔室6中移除矽棒2，矽棒2可以先暫時儲存以待之後CVD反應器中的製程，或者可以直接置入CVD反應器中。

圖2呈現了執行CVD製程的裝置100。裝置100包括如上所述的元件1，矽棒貯藏槽102以及CVD反應器105。

矽棒貯藏槽102是任何可以安全貯藏多個矽棒2的適當型態貯藏槽。矽棒貯藏槽102較佳應包括可調整其內的預定氣體氛圍的腔室，特別是無氧的氣體氛圍。在矽棒2置入CVD反應器105之前還應再經處理的情況下(特別是矽棒2應經蝕刻的情況下)，可施予預定的氣體氛圍。

CVD反應器105可以是任何已知的CVD反應器型態，其中，在CVD反應器中用以連接矽棒2的電路相較於習知電路可更簡化。具體地說，因為預點燃的矽棒2一方面可被快速點燃，另一方面可以較低的電壓點燃，因此第一點燃階段可以完全省略。

如圖2所示，CVD反應器105具有製程腔室106，其中在製程腔室106底部提供多個矽棒支座108。每一矽棒支座108適於以獨立的方式支撐單根矽棒2。如本技術領域所知，這些獨立的矽棒2分別藉由電橋110連接其上端而彼此電性連接。矽棒支座108例如可以是上述的型態。

矽棒支座108成對地連接到至少兩個電源供應單元(未詳細繪示)，其中每對矽棒支座108對應於成對連接的矽棒。具體地說，提供具有變壓器的電源供應單元，其 中變壓器包括一開路電壓，其足以第二次點燃預點燃的矽棒。因此，變壓器可包括比通常提供者更低的開路電壓。具體地說，可以考慮開路電壓介於6千伏特至4千伏特的範圍之間的變壓器。另外，提供另一電源供應單元，其可導引電流通過矽棒2，其中所述電流高於變壓器的短路電流。

以下將參照圖2更仔細地解釋本發明執行CVD沈積的方法。

首先以參照圖1的前述方式預點燃矽棒2，然後將矽棒2加熱至預定溫度。

之後自元件1中移除矽棒2，並視情況將矽棒2貯藏在矽棒貯藏槽102中。可以上述方式在元件1中依次預點燃多個矽棒2。

一旦有足夠數目(足以載入CVD反應器105)的矽棒2被預點燃，就以圖2呈現的方式將這些矽棒2置入CVD反應器105中。然後在CVD反應器105中以已知的方式處理矽棒2。

因為已經在元件1中預點燃矽棒2，在CVD反應器105中再點燃矽棒2所須的電壓較低(亦即，比正常低30%到40%的電壓)。因此，得以大幅節省時間。具體地說，矽棒可經由包括變壓器的電源供應器連接至電壓，以點燃矽棒。在點燃以後，以其他電源供應器導引電流通過矽棒，以加熱矽棒至預定溫度範圍內的溫度，例如介於900℃至1200℃之間。而後在製程腔室106中供應適當的製程氣 體，以促使矽從氣相沈積到矽棒2。最後，再次冷卻矽棒2，並將其從CVD反應器中移除。

元件1中的預點燃製程僅耗費數分鐘(例如約10到15分鐘，包括處理時間)，而在CVD反應器中的CVD製程非常耗時，需耗費例如80至100小時。因此元件1可預點燃足夠數目、可供給一或更多個CVD反應器的矽棒2(特別是如果元件1可以同時接受多個矽棒2)。

本發明已參照其較佳實施例詳細解釋如上，其中本發明並不以呈現的實施例為限。特別是元件1以及CVD反應器105的設計可以和呈現的形式不同。

1‧‧‧元件

2‧‧‧矽棒

4‧‧‧主外殼

6、106‧‧‧製程腔室

7‧‧‧配電箱

10‧‧‧下矽棒支座

12‧‧‧上矽棒支座

14‧‧‧固持單元

16‧‧‧氣體供應器

17‧‧‧氣體排放器

19‧‧‧加熱單元

20‧‧‧變壓器

100‧‧‧裝置

102‧‧‧矽棒貯藏槽

105‧‧‧CVD反應器

108‧‧‧矽棒支座

110‧‧‧電橋

下面將參照圖式，更詳細地解釋本發明，其中：圖1所示，是在CVD反應器外部點燃矽棒的元件的示意圖。

圖2是執行根據本發明的CVD方法的裝置的示意圖。

1‧‧‧元件

2‧‧‧矽棒

4‧‧‧主外殼

6、106‧‧‧製程腔室

7‧‧‧配電箱

10‧‧‧下矽棒支座

12‧‧‧上矽棒支座

14‧‧‧固持單元

16‧‧‧氣體供應器

17‧‧‧氣體排放器

19‧‧‧加熱單元

20‧‧‧變壓器

100‧‧‧裝置

102‧‧‧矽棒貯藏槽

105‧‧‧CVD反應器

108‧‧‧矽棒支座

110‧‧‧電橋

Claims (18)

1. 一種方法，於化學氣相沈積(CVD)反應器外部點燃矽棒以製備供CVD反應器內的後續製程用的矽棒，其中所述方法包括下列步驟：將矽棒置放於點燃元件中；以第一電源供應單元施加第一電壓於所述矽棒，其中所述電壓足以點燃所述矽棒；以所述第一電源供應單元傳導電流通過所述矽棒，以將所述矽棒加熱至預定溫度範圍內的溫度；以及自所述點燃元件中移除所述矽棒。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在所述點燃元件中形成環繞所述矽棒的氣體氛圍，其中所述氣體氛圍經組成使得在點燃和加熱中所述氣體氛圍和所述矽棒之間不發生反應。
3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中所述氣體氛圍主要包括N₂、H₂、一惰性氣體或二或多種前述氣體的混合物。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述矽棒被加熱至介於400℃與800℃的範圍之間的溫度。
5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中所述矽棒被加熱至介於450℃與600℃的範圍之間的溫度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中以與所述矽棒間隔開的加熱元件至少部份地加熱所述矽棒。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中所述第一 電壓介於8千伏特與15千伏特的範圍之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中將多數個矽棒配置在所述點燃元件中，且其中所述多數個矽棒同時或依序連接至所述第一電壓，以點燃和視情況加熱所述矽棒。
9. 一種在矽棒上沈積矽的方法，其中所述在矽棒上沈積矽的方法包括如申請專利範圍1至8項之任一項所述之方法，接續下列步驟：將預點燃及視情況經加熱的多數個矽棒放置於CVD反應器中；以第二電源供應單元施加第二電壓於每一所述矽棒，以在所述CVD反應器中點燃所述矽棒；施加第三電壓於每一所述矽棒，以將所述矽棒加熱至另一預定溫度範圍內的溫度，其中所述第二電壓小於所述第一電壓；以及在所述CVD反應器內部形成氣體氛圍，在所述另一預定溫度範圍內，所述氣體氛圍致使矽沈積於所述矽棒上。
10. 如申請專利範圍第9項所述之在矽棒上沈積矽的方法，其中所述第三電壓小於所述第二電壓。
11. 一種裝置，於CVD反應器外部點燃矽棒以製備供CVD反應器內的後續製程用的矽棒，所述裝置包括：外殼，包括用於接受至少一矽棒的腔室；至少一對接觸電極，配置於所述腔室中，用以固持位於所述對接觸電極間的所述至少一矽棒；以及 第一電源供應單元，具有至少一變壓器，其中所述變壓器的每一輸出分別與一對接觸電極之一連接，其中所述變壓器包括開路電壓，所述開路電壓足夠高而可以在所述矽棒中啟動電流流動。
12. 如申請專利範圍第11項所述的裝置，包括在所述腔室內部設定預定氣體氛圍的構件。
13. 如申請專利範圍第11或12項所述的裝置，其中所述變壓器包括介於8千伏特與15千伏特的範圍之間的一開路電壓。
14. 如申請專利範圍第11項所述的裝置，包括至少一加熱元件，所述加熱元件可以藉由輻射能量在所述腔室中加熱矽棒的方式來安置。
15. 如申請專利範圍第14項所述的裝置，其中所述加熱元件包括紅外線輻射器。
16. 如申請專利範圍第11項所述的裝置，其中在所述腔室中提供多數對接觸電極。
17. 一種在矽棒上沈積矽的裝置，所述在矽棒上沈積矽的裝置包括根據申請專利範圍第11至16項之任一項的裝置以及CVD反應器，所述CVD反應器包括：多數個接觸電極，用以固持多數個矽棒；至少一個第二電源供應單元，其具有變壓器，所述變壓器包括足以點燃預點燃的矽棒的開路電壓；以及構件，用以在所述CVD反應器中形成氣體氛圍，所述氣體氛圍致使矽於預定溫度範圍內的溫度沈積在所述矽 棒上。
18. 如申請專利範圍第17項所述的裝置，其中所述CVD反應器更包括至少一個第三電源供應器，用以導引電流通過所述矽棒，所述電流高於所述第二電源供應單元的所述變壓器的短路電流。