DE102009010086B4

DE102009010086B4 - Anordnung und Verfahren zur Messung der Temperatur und des Dickenwachstums von Siliziumstäben in einem Silizium-Abscheidereaktor

Info

Publication number: DE102009010086B4
Application number: DE102009010086A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Vollmar; Dr. Stubhan Frank
Original assignee: Centrotherm Sitec GmbH
Current assignee: Sitec De GmbH
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: CN102300809A; WO2010086363A2; TW201034947A; US20120027916A1; EP2391581A2; CN102300809B; TWI430946B; KR20110134394A; JP5688033B2; ES2411136T3; MY154184A; UA100089C2; JP2012516276A; WO2010086363A3; DE102009010086A1; EP2391581B1

Abstract

Anordnung zur Messung der Temperatur und des Dickenwachstums von Siliziumstäben in einem Silizium-Abscheidereaktor durch ein Sichtfenster, dadurch gekennzeichnet, dass für die Temperaturmessung eine berührungslos arbeitende Temperaturmesseinrichtung (4) vorgesehen ist, die außerhalb des Silizium-Abscheidereaktors vor einem Sichtfenster (2) angeordnet, ist, dass die Temperaturmesseinrichtung (4) mit einem Drehantrieb (9) horizontal um eine Schwenkachse (5) schwenkbar ist, wobei die Schwenkachse (5) parallel zur Längsachse des Siliziumstabes (1) verläuft und wobei die Mittelachse (6) der Temperaturmesseinrichtung durch die Schwenkachse (5) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Messung der Temperatur und des Dickenwachstums von Siliziumstäben in einem Silizium-Abscheidereaktor mit einer außerhalb des Reaktors befindlichen Temperaturmesseinrichtung.
Der Fertigungsprozess für polykristallines Silizium basiert auf einem Verfahren, bei dem gasförmiges Trichlorsilan zusammen mit Wasserstoff in einen Vakuum-Reaktor geleitet wird, in dem zuvor dünne Siliziumstäbe als Ausgangsmaterial angeordnet worden sind und die elektrisch auf Temperaturen um 1100 Grad Celsius erwärmt werden. Dieses Verfahren ist als sogenanntes SIEMENS-Verfahren bekannt geworden. Dabei ist streng darauf zu achten, dass die Schmelztemperatur von Silizium nicht erreicht wird. Dabei lagert sich Silizium an den Siliziumstäben ab, welches in einer chemischen Reaktion aus dem Trichlorsilan entsteht. Die dabei entstehenden Säulen aus Polysilizium stehen dann für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung.
Für die Photovoltaik-Industrie werden die Säulen wieder in kleinere Brocken zerbrochen und dann in Quarztiegeln geschmolzen und bedarfsweise in mono- oder polykristalline Blöcke umgeformt, aus denen dann die Rohlinge für Solarmodule gefertigt werden.
Kritisch ist bei diesem Prozess die Temperaturführung der Silizium-Dünnstäbe im Silizium-Abscheidereaktor während des Beschichtungsprozesses, bei dem die Temperatur in einem vorgegebenen Temperaturbereich um 1100°C gehalten werden muss und bei dem Übertemperaturen, die zum Bruch eines Siliziumstabes und zum Stopp des Abscheideprozesses, bzw. bei Untertemperaturen zu keiner optimalen Abscheidung des Siliziums führen würden, unbedingt vermieden werden müssen.
Eine Möglichkeit zur Erfüllung dieser Bedingungen wäre eine laufende manuelle Sichtkontrolle, die äußerst aufwändig wäre und zumindest während der ersten Stunden des Prozesses durchgeführt werden müsste.
Hierzu befinden sich im Silizium-Abscheidereaktor ein oder mehrere Sichtfenster, die eine Beobachtung mit angenäherten Werten durch manuelle Sichtung und persönliche Einschätzung erlauben. Das muss permanent erfolgen und führt natürlich nicht zu reproduzierbaren und hinreichend sicheren Ergebnissen. Denn schon eine kurzzeitige Überschreitung der Solltemperatur kann fatale Folgen haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Messung der Temperatur und des Dickenwachstums von Siliziumstäben in einem Silizium-Abscheidereaktor zu schaffen, um mit hinreichender Genauigkeit eine kontinuierliche Messung der Temperatur sowie des Dickenwachstums während des gesamten Abscheideprozesses zu ermöglichen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass für die Temperaturmessung eine berührungslos arbeitende Temperatur-Messeinrichtung vorgesehen ist, die außerhalb des Silizium-Abscheidereaktors vor einem Sichtfenster angeordnet ist, dass die Temperatur-Messeinrichtung mit einem Drehantrieb horizontal um eine Drehachse schwenkbar ist, wobei die Drehachse parallel zur Längsachse des Siliziumstabes verläuft und wobei die Mittelachse der Temperatur-Messeinrichtung durch die Drehachse verläuft. Gemessen wird dabei die von einem Siliziumstab ausgehende Wärmestrahlung.
In einer Fortbildung der Erfindung befindet sich die Drehachse außerhalb der Reaktorwand des Silizium-Abscheidereaktors vor dem Sichtfenster.
In einer Variante der Erfindung ist die Drehachse innerhalb des Silizium-Abscheidereaktors hinter dem Sichtfenster angeordnet, wodurch ein größerer Schwenkbereich im Silizium-Abscheidereaktor erfasst werden kann.
Weiterhin ist das Sichtfenster gekühlt, indem es mit einer Flüssigkeitskühlung versehen ist. Die dadurch bedingte Verfälschung der Messtemperatur kann rein rechnerisch korrigiert werden.
In einer besonderen Fortbildung ist zwischen der Temperatur-Messeinrichtung und dem Sichtfenster, oder zumindest vor der Temperatur-Messeinrichtung, ein drehbares Polarisationsfilter angeordnet. Damit besteht die Möglichkeit, Spiegelungen an der Innenwand des Silizium-Abscheidereaktors auszublenden bzw. zu minimieren. Dadurch lassen sich Fehlmessungen vermeiden und somit die Messgenauigkeit erhöhen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Temperatur-Messeinrichtung ein Pyrometer, dessen Messdaten zur Weiterverarbeitung gespeichert und auf einem Monitor angezeigt werden, wobei den auf dem Monitor angezeigten Daten zur besseren Orientierung ein Raster überlagert sein kann.
Die Temperatur-Messeinrichtung kann auch eine schwenkbare Wärmebildkamera sein, die gegebenenfalls auch feststehend ausgeführt sein kann, wobei die Auswertung der Messdaten, also des Temperaturprofils über die Zeit und des Temperaturprofils über den Winkel in beiden Fällen elektronisch erfolgt.
Weiterhin ist die Temperatur-Messeinrichtung zur Verlegung der Drehachse hinter das Schauglas mit einem Drehantrieb gekoppelt, der sich unterhalb eines aus der Reaktorwand hervorstehenden Rohrstutzens befindet, in sich ein Schauglas befindet.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann vorteilhaft für Abscheidereaktoren oder andere thermische Beschichtungsprozesse verwendet werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Messung der Temperatur und des Dickenwachstums von Silizium-Dünnstäben in einem Silizium-Abscheidereaktor, gelöst durch

– Anordnen von Silizium-Dünnstäben in dem Silizium-Abscheidereaktor, Entfernen des Sauerstoffs und Starten des Abscheidprozesses durch Integration der Silizium-Dünnstäbe in einen elektrischen Stromkreis und Einleiten von Trichlorsilan in dem Silizium-Abscheidereaktor,
– Scannen der Silizium-Dünnstäbe mit einer Außerhalb des Silizium-Abscheidereaktors befindlichen Temperatur-Messeinrichtung und Auswahl eines der Silizium-Dünnstäbe und Fokussieren des Pyrometers auf den ausgewählten Silizium-Dünnstab,
– Aufnahme einer Temperaturkurve über die Zeit und gleichzeitige Messung des Dickenwachstums durch horizontales Schwenken des Pyrometers bis zur Erkennung eines hell/dunkel Sprunges sowie Schwenken des Pyrometers in die entgegengesetzte Schwenkrichtung bis zum Erkennen eines weiteren hell/dunkel Sprunges,
– Berechnen des Durchmessers des beschichteten Silizium-Dünnstabes aus dem Schwenkwinkel, sowie
– Wiederholen der Messung des Dickenwachstums in Abständen und Beenden des Abscheideprozesses nach Erreichen einer vorgegebenen Dicke des beschichteten Siliziumstabes.

Die Abstände können dabei auch Null sein, d. h. es wird ohne Unterbrechung gemessen, oder sie können diskrete Werte annehmen, so dass in definierten Abständen gemessen werden kann.
Vorzugsweise wird ein dem Sichtfenster am nächsten befindliche Silizium-Dünnstab nach dessen Integration in einen elektrischen Stromkreis ausgewählt.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden eventuell vorhandene Spiegelungen an der Innenwand des Silizium-Abscheidereaktors vor Beginn des Scanvorganges mit einem Polarisationsfilter ausgeblendet, indem dieses so lange gedreht wird, bis die Spiegelungen verschwunden sind, oder zumindest reduziert werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann vorteilhaft für Abscheidereaktoren mit thermisch bedingtem Schichtwachstum verwendet werden.
Die besonderen Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, dass der Beschichtungsprozess von Anfang an mit einer automatischen Temperaturerfassung und Dickenmessung gefahren werden kann, wodurch Übertemperaturen, die zum Abschalten des Prozesses führen würde, vermieden werden können. Auch lassen sich dadurch Untertemperaturen, die zu einer nicht optimalen Schichtabscheidung führen würden, vermeiden.
Außerdem wird dadurch der Beschichtungsprozess optimiert, indem dieser bei Erreichen einer Solldicke der Siliziumstäbe beendet werden kann. Darüber hinaus wird der Medieneinsatz optimiert, indem die Gasprozesse automatisch mit dem erreichten Stabdurchmesser geführt werden können, weil mit zunehmender Dicke der Siliziumstäbe bei konstantem Dickenwachstum entsprechend mehr Trichlorsilan zugeführt werden muss.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es problemlos möglich, die Abscheidungsdicke bzw. die Schichtdickenzunahme über die Zeit zu bestimmen und zwar am deutlichem Temperatursprung an Außenumfang des Siliziumstabes.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
In den zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen
1: eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung zur Temperaturmessung von Siliziumstäben;
2: eine schematische Draufsicht auf eine Variante nach 1, bei der sich die Schwenkachse der Temperatur-Messeinrichtung hinter dem Schauglas befindet; und
3: eine schematische Draufsicht auf die Variante nach 2, die mit einem Polarisationsfilter ergänzt ist.
Gemäß 1 enthält die Anordnung zur Temperaturmessung von Siliziumstäben 1 in einem Silizium-Abecheidereaktor durch ein Sichtfenster 2 in der Reaktorwand 3 eine berührungslos arbeitende Temperatur-Messeinrichtung 4, die um eine Schwenkachse 5 schwenkbar ist. Die Schwenkachse 5 verläuft parallel zur Längsachse 6 des Siliziumstabes 1. Weiterhin verläuft die Längsachse 6 der Temperatur-Messeinrichtung 4 durch die Schwenkachse 5.
In 1 ist der Siliziumstab 1 in zwei Zuständen dargestellt, nämlich als Silizium-Dünnstab 1a und als Siliziumstab 1b nach Prozessende.
Bei der Variante nach 1 befindet sich die Schwenkachse 5 außerhalb der Reaktorwand 3 des Silizium-Abscheidereaktors vor dem Sichtfenster 2, das in einem aus der Rohrwandung 3 hervorstehenden Rohrstutzen 8 untergebracht ist.
Für den Schwenkantrieb der Temperatur-Messeinrichtung 4 ist eine motorische Verstellung in Form eines Drehantriebes 9 vorgesehen.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann der Siliziumstab 1 während des Abscheideprozesses auf einfache Weise permanent oder in Zeitabständen gescannt werden, und zwar hinsichtlich der Temperatur und des Dickenwachstums. Dadurch, dass ein Scannen über die Breite des Siliziumstabes 1 möglich ist, kann der Dickenzuwachs des Siliziumstabes 1 während des Abscheideprozesses an Hand des Temperatursprunges am seitlichen Rand des Siliziumstabes 1 ständig kontrolliert werden.
Darüber hinaus kann dadurch der Medieneinsatz optimiert werden, indem die Gasprozesse automatisch an den erreichten Stabdurchmesser angepasst werden können, weil mit zunehmender Dicke der Siliziumstäbe mit konstantem Dickenwachstum entsprechend mehr Trichlorsilan zugeführt werden muss. Am Anfang des Prozesses kann dadurch mit einer minimal notwendigen Menge an Trichlorsilan begonnen werden, wobei die Menge dann an den zunehmenden Durchmesser des Silizium-Stabes angepasst werden kann.
Die erreichte Dicke lässt sich aus dem Abstand der Schwenkachse 5 zum Siliziumstab 1 und dem ermittelten Schwenkwinkel errechnen.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Variante der Erfindung, bei der sich die Schwenkachse 5 hinter dem Sichtfenster 2, also innerhalb des Silizium-Abscheidereaktors befindet, wodurch ein größerer Schwenkwinkel realisiert werden kann.
Zur Verlegung der Schwenkachse 5 hinter das Schauglas ist die Temperatur-Messeinrichtung 4 mit einem Drehantrieb 9 gekoppelt, der sich unterhalb des Schauglases befindet.
Als Temperatur-Messeinrichtung 4 eignet sich besonders ein Pyrometer, dessen Messdaten gespeichert und auf einem Monitor angezeigt werden können, wobei diese zu besseren Veranschaulichung der angezeigten Daten und von Grenzwerten mit ein Raster überlagert werden können.
Anstelle eines Pyrometers kann auch eine Wärmebildkamera verwendet werden, die bei entsprechender Programmierung auch feststehend angeordnet sein kann.
Weiterhin kann zwischen dem Pyrometer und dem Sichtfenster 2 ein drehbares Polarisationsfilter 2.1 angeordnet werden, wodurch es möglich ist, störende Reflektionen an der Innenwand des Reaktors auszublenden, oder zumindest zu minimieren, indem der Polarisationsfilter 2.1 entsprechend gedreht wird, bis die Spiegelungen verschwinden, oder minimiert werden (3). Dadurch kann eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht werden.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann ein automatisiertes Verfahren zur Messung der Temperatur und des Dickenwachstums von Silizium-Dünnstäben in einem Silizium-Abscheidereaktor realisiert werden.
Dazu werden zunächst Silizium-Dünnstäbe 1.1 in dem Silizium-Abscheidereaktor angeordnet und Sauerstoff aus dem Silizium-Abscheidereaktor entfernt. Danach kann der Abscheidprozesses durch Integration der Silizium-Dünnstäbe 1.1 in einen elektrischen Stromkreis und Einleiten von Trichlorsilan gestartet werden. Die Silizium-Dünnstäbe 1.1 werden elektrisch auf eine Temperatur um 1100°C, also die Abscheidetemperatur, erwärmt.
Anschließend werden die Silizium-Dünnstäbe 1.1 mit einem außerhalb des Silizium-Abscheidereaktors befindlichen Temperatur-Messeinrichtung 4, z. B. einem Pyrometer gescannt und eines der Silizium-Dünnstäbe 1.1 ausgewählt sowie das Pyrometer auf diesen fokussiert.
Dann erfolgt die Aufnahme einer Temperaturkurve über die Zeit und die gleichzeitige oder nachfolgende Messung des Dickenwachstums der Silizium-Dünnstäbe 1.1 durch horizontales Schwenken der Temperatur-Messeinrichtung 4 bis zur Erkennung eines hell/dunkel Sprunges sowie Schwenken der Temperatur-Messeinrichtung 4 in die entgegen gesetzte Schwenkrichtung bis zum Erkennen eines weiteren hell/dunkel Sprunges. Die Berechnung des Durchmessers des beschichteten Silizium-Dünnstabes 1.1 kann dann einfach aus der Entfernung zwischen Schwenkachse und Siliziumstab und dem gemessenen Schwenkwinkel erfolgen.
Zur Verbesserung der Genauigkeit des Messvorganges sollten Spiegelungen an der Innenwand des Silizium-Abscheidereaktors vor Beginn des Scanvorganges ausgeblendet werden, was mit einem Polarisationsfilter erfolgen kann, indem dieses so lange gedreht wird, bis die Spiegelung verschwunden, oder zumindest reduziert ist.
Die Messung des Dickenwachstums erfolgt entweder in zeitlich gleichen Abständen oder kontinuierlich, so dass nach Erreichen einer vorgegebenen Dicke des beschichteten Silizium-Dünnstabes 1.2 der Silizium-Abscheideprozess beendet wird.
Prinzipiell besteht natürlich auch die Möglichkeit, mehrere Silizium-Dünnstäbe 1.1 zeitgestaffelt zu messen.
Mit diesem Verfahren wird einerseits abgesichert, dass keinerlei Überschreitung einer kritischen Temperatur erfolgt und andererseits der Abscheideprozess optimiert wird, indem dieser bei Erreichen der Soll-Dicke der Siliziumstäbe gestoppt werden kann.
Prinzipiell besteht auch die Möglichkeit, die Temperatur-Messeinrichtung 4 um eine horizontale Achse zu schwenken, die bevorzugt hinter dem Sichtfenster liegen sollte. Damit können Reflektionen von der gegenüber liegenden Reaktorwand ausgeblendet werden, indem die Temperatur-Messeinrichtung 4 etwas nach unten oder oben geschwenkt wird.
Bezugszeichenliste

1: Siliziumstab
1.1: Siliziumdünnstab
1.2: Siliziumstab nach Abscheideende
2: Sichtfenster
2.1: Polarisationsfilter
3: Reaktorwand
4: Temperatur-Messeinrichtung
5: Schwenkachse
6: Längsachse
7: Drehwinkel
8: Rohrstutzen
9: Drehantrieb

Claims

Anordnung zur Messung der Temperatur und des Dickenwachstums von Siliziumstäben in einem Silizium-Abscheidereaktor durch ein Sichtfenster, dadurch gekennzeichnet, dass für die Temperaturmessung eine berührungslos arbeitende Temperaturmesseinrichtung (4) vorgesehen ist, die außerhalb des Silizium-Abscheidereaktors vor einem Sichtfenster (2) angeordnet, ist, dass die Temperaturmesseinrichtung (4) mit einem Drehantrieb (9) horizontal um eine Schwenkachse (5) schwenkbar ist, wobei die Schwenkachse (5) parallel zur Längsachse des Siliziumstabes (1) verläuft und wobei die Mittelachse (6) der Temperaturmesseinrichtung durch die Schwenkachse (5) verläuft.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (5) außerhalb der Reaktorwand (3) des Silizium-Abscheidereaktors vor dem Sichtfenster (2) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (5) innerhalb des Silizium-Abscheidereaktors hinter dem Sichtfenster (2) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sichtfenster (2) gekühlt ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sichtfenster (2) mit einer Flüssigkeitskühlung versehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Temperatur-Messeinrichtung (4) und dem Sichtfenster (2) ein drehbares Polarisationsfilter (2.1) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Messeinrichtung (4) ein Pyrometer ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten des Pyrometers in einem Speicher abgelegt und auf einem Monitor angezeigt werden.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass den auf dem Monitor angezeigten Daten ein Raster überlagert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Messeinrichtung (4) eine Wärmebildkamera ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebildkamera feststehend ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Messeinrichtung (4) zur Verlegung der Schwenkachse (5) hinter das Schauglas (2) mit einem Drehantrieb (9) gekoppelt ist, der sich unterhalb des Schauglases (2) befindet, wobei das Schauglas (2) in einem an der Reaktorwand (3) befindlichen Rohrstutzen (8) angeordnet ist.
Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für Abscheidereaktoren oder andere thermische Beschichtungsprozesse.
Verfahren zur Messung der Temperatur und des Dickenwachstums von Silizium-Dünnstäben in einem Silizium-Abscheidereaktor, gekennzeichnet durch – Anordnen von Silizium-Dünnstäben in dem Silizium-Abscheidereaktor, Entfernen des Sauerstoffs und Starten des Abscheidprozesses durch Integration der Silizium-Dünnstäbe (1.1) in einen elektrischen Stromkreis und Einleiten von Trichlorsilan, – Scannen der Silizium-Dünnstäbe (1.1) mit einer Außerhalb des Silizium-Abscheidereaktors befindlichen Temperatur-Messeinrichtung (4) und Auswahl eines der Silizium-Dünnstäbe (1.1) und Fokussieren der Temperatur-Messeinrichtung auf den ausgewählten Silizium-Dünnstab (1.1), – Aufnahme einer Temperaturkurve über die Zeit und gleichzeitige Messung des Dickenwachstums durch horizontales Schwenken der Temperatur-Messeinrichtung (4) bis zur Erkennung eines hell/dunkel Sprunges sowie Schwenken der Temperatur-Messeinrichtung (4) in die entgegengesetzte Schwenkrichtung bis zum Erkennen eines weiteren hell/dunkel Sprunges, – Berechnen des Durchmessers des beschichteten Silizium-Dünnstabes aus dem Schwenkwinkel sowie dem Abstand zwischen Schwenkachse (5) und Siliziumstab (1), sowie – Wiederholen der Messung des Dickenwachstums in vorgegebenen Abständen und Beenden des Abscheideprozesses nach Erreichen einer vorgegebenen Dicke des beschichteten Silizium-Dünnstabes (1.2).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände ≥ Null sind.
Verfahren nach 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass zeitgestaffelt mehrere Silizium-Dünnstäbe (1.1) ausgewählt und gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Spiegelungen an der Innenwand des Silizium-Abscheidereaktors vor Beginn des Scanvorganges mit einem Polarisationsfilter ausgeblendet werden.