DE102009035952A1

DE102009035952A1 - Flansch für ein CVD-Reaktorgehäuse, Verwendung einer Kamera bei einem CVD-Verfahren sowie CVD-Verfahren zur Erzeugung von Siliziumstangen

Info

Publication number: DE102009035952A1
Application number: DE102009035952A
Authority: DE
Inventors: Ralph Kienzler
Original assignee: GRAEBER ENGINEERING CONSULTANTS GmbH
Current assignee: GRAEBER ENGINEERING CONSULTANTS GmbH
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2011-02-10
Also published as: WO2011015330A3; WO2011015330A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flansch 4 für einen CVD-Reaktor 1, an dem eine Kamera, insbesondere eine Wärmebildkamera 10, mittelseiner Befestigungsvorrichtung 5 angebracht ist, wobei die Kamera so ausrichtbar ist, dass sie mindestens eine der sich in dem CVD-Reaktor 1 befindenden Siliziumstangen 15 erfasst. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Kamera, insbesondere einer Wärmebildkamera 10, zur Bestimmung des Durchmessers D von Siliziumstangen 15 während des Abscheideprozesses von Reinsilizium bei der Durchführung eines CVD-Verfahrens. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein CVD-Verfahren zur Erzeugung von Siliziumstangen 15, bei dem die Flussmenge des zugeführten Prozessgases vom Durchmesser D der Siliziumstangen 15 abhängt.

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem Flansch für einen CVD-Reaktor, in dem Siliziumstangen angeordnet sind, auf denen sich während eines CVD-Verfahrens Silizium abscheidet. Außerdem befasst sich die Erfindung mit einer Verwendung einer Kamera im Rahmen der Durchführung eines CVD-Verfahrens (CVD steht für Chemical Vapour Deposition). Die Erfindung befasst sich darüber hinaus auch mit einem CVD-Verfahren zur Erzeugung von Siliziumstangen aus Reinsilizium. Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter Reinsilizium Silizium verstanden, das einen Reinheitsgrad von über 99,99% aufweist; es umfasst somit auch Reinstsilizium mit einem Reinheitsgrad von über 99,9999%.
Zur Erzeugung von polykristallinem Silizium wird das sogenannte Siemens-Verfahren angewandt. Dieses wird beispielsweise in der DE 10 2008 000 052 A1 oder auch von W. Zulehner et al. im Fachartikel „Silicon" (VCH Publishers Inc. Vol. 23 Seiten 721–748) sowie von K. Hesse in „Silizium für die Photovoltaik" (Erneuerbare Energien 7/2206 Seiten 67–69) beschrieben. Hierbei wird in einem CVD-Reaktor, der beispielsweise in der DE 1 061 593 und von N. Bardahl in „Thyristor-Wechselstromsteller für moderne Silizium-Abscheiungsanlagen bei Wacker-Chemitonic" (Siemens-Zeitschrift 47 (1973) Heft 3 Seiten 160–163) beschrieben wird, eine Anzahl von vorgegebenen Siliziumstangen erzeugt. Hierzu werden dünne Impfstäbe aus Reinsilizium – im folgenden Filament genannt – verwendet. Diese Filamente haben eine auf dem Kopf stehende U-Form und werden in geeigneter Art und Weise geheizt. Sie haben einen Durchmesser von ca. 8 mm. Dem CVD-Reaktor wird ein Gemisch aus Wasserstoffgas (H₂) und gasförmigem Trichlorsilan (HSiCl₃) zugeführt. Bei einer Temperatur von ca. 1.100°C und einem Druck von ca. 6 bar im CVD-Reaktor scheidet sich durch Reduktion eines Teils des Trichlorsilans zu Siliziumtetrachlorid (SiCl₄) Reinsilizium auf dem Filament ab. Das verbrauchte Gasgemisch aus SiCl₄, Wasserstoffgas, Chlorwasserstoff-Gas (HCl) und unverbrauchtem Trichlorsilan entweicht aus dem CVD-Reaktor über einen Gasauslass. Es wird über eine Aufbereitungsanlage zum Teil wieder in Prozessgas zurückverwandelt, was jedoch für die Erfindung nicht wesentlich ist und somit hier nicht näher ausgeführt wird. Die Filamente wachsen insgesamt zu Siliziumstangen mit einem Durchmesser von ca. 160 mm an. Die Wachstumsrate des Siliziums auf dem Filament wird von der Temperatur und dem Druck im CVD-Reaktor und der Menge des Prozessgases beeinflusst, wie es dem Fachmann gut bekannt ist. Der verwendbare Gasdurchsatz verändert sich hierbei mit der Durchmesserzunahme der Siliziumstangen. Die bislang empirisch ermittelte gehaltene Durchflussmenge des Prozessgases, die einzig von der Prozesszeit abhängt, ist deshalb im Hinblick auf die zu erzielende Abscheidungsrate nicht optimal gewesen.
Als Aufgabe der Erfindung ergibt sich somit, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem der Gasdurchsatz an Prozessgas und gegebenenfalls dessen Molverhältnis optimal auf die zum jeweiligen Zeitpunkt gegebene Größe des Siliziumstabes abgestimmt wird. Außerdem ist es auch noch Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der die für einen solchen optimalen Gasdurchsatz nötigen Parameter zur Steuerung der Flussmenge des Prozessgases bestimmt werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein CVD-Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Dadurch, dass erfindungsgemäß die Flussmenge des zugeführten Prozessgases vom Durchmesser der Siliziumstangen abhängt, wird eine optimale Abscheiderate des Reinsiliziums auf dem Filament und im weiteren Verlauf auf den sich ständig vergrößernden Siliziumstangen erzielt.
Bevorzugt wird der Durchmesser der Siliziumstangen mittels einer Kamera, insbesondere einer Wärmebildkamera, mit anschließender Bildauswertung bestimmt. Eine solche Anordnung ist mit relativ einfachen technischen Zusatzgeräten zu den sowieso schon vorhandenen Bestandteilen, die für die Durchführung des CVD-Verfahrens nötig sind, zu erreichen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Wert des Durchmessers anhand einer vorher festgelegten Tabelle in einen Wert einer Flussmenge des Prozessgases umgewandelt wird und mittels des Werts der Flussmenge Steuerventile einer Gaskonsole gesteuert werden, die die Menge des zugeführten Prozessgases kontrollieren. Dadurch wird nach einem genau festgelegten Ablauf die Flussmenge des Prozessgases gesteuert, so dass zu jedem Zeitpunkt die vorherbestimmte, auf den Durchmesser der Siliziumstangen genau abgestimmte Flussmenge des Prozessgases eingeleitet wird und somit eine optimale Wachstumsrate des Reinsiliziums auf den Siliziumstangen in Abhängigkeit von deren Durchmesser gewährleistet ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Tabelle während der Durchführung des CVD-Verfahrens in Abhängigkeit von der aktuellen Abscheiderate des Siliziums angepasst wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Flussmenge bei kleinen Durchmessern der Siliziumstangen geringer ist als bei größeren Durchmessern.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Flussmenge während des CVD-Verfahrens in Abhängigkeit von der aktuellen Abscheiderate des Siliziums geändert wird. Dadurch wird die Gesamtdauer des Verfahrens bis zum Erreichen der gewollten Durchmesser der Siliziumstangen verkürzt werden, da immer die aktuell für eine optimale Abscheiderate benötigte Flussmenge an Prozessgas eingeleitet wird. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Flussmenge bei einem Durchmesser der Siliziumstange von 8 mm 80 kg/h beträgt und bei einem Durchmesser von 150 mm 2750 kg/h.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Prozessgas eine Mischung aus Trichlorsilangas und Wasserstoffgas in einem vorbestimmten Molverhältnis verwendet wird. Dadurch kann einer der Standardprozesse für das CVD-Verfahren zur Abscheidung von Reinsilizium auf Filamenten verwendet werden, wie dies beispielsweise beim Siemens-Verfahren der Fall ist. Im Rahmen eines erfindungsgemäßen CVD-Verfahrens ist es auch möglich, anstatt der Mischung aus Trichlorsilangas und Wasserstoffgas zur Durchführung des Siemens-Verfahrens als Prozessgas Monosilan (SiH₄) zu verwenden. Die Verwendung von Monosilan ist in der Literatur für die Abscheidung von Reinsilizium bekannt, so dass hier nicht näher darauf einzugehen ist
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Prozessgas bei kleinem Durchmesser einen höheren Molanteil Wasserstoffgas enthält als bei größeren Durchmessern der Siliziumstang. Es hat sich gezeigt, dass dadurch eine bessere Abscheiderate erzielen lässt, als wenn das Molverhältnis über die gesamte Dauer konstant gehalten wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kamera schräg von oben auf die Siliziumstangen ausgerichtet ist. Durch eine solche Ausrichtung der Kamera ist es möglich, diese oberhalb des CVD-Reaktors anzuordnen. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, die Kamera so außerhalb des CVD-Reaktors anzuordnen, dass die Siliziumstäbe durch ein Schauglas von der Kamera erfasst werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kamera nur genau eine Siliziumstange erfasst. Dadurch wird gewährleistet, dass die Genauigkeit der Bestimmung des Durchmessers dieser einen Siliziumstange sehr hoch ist, da keine Überschneidungen mit anderen Siliziumstangen gegeben sind, die zu einer Verfälschung des zu bestimmenden Durchmessers der Siliziumstangen führen würde.
Die Aufgabe wird auch durch einen Flansch für ein CVD-Reaktorgehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass an dem Flansch eine Kamera, insbesondere eine Wärmebildkamera, angebracht ist, die so ausrichtbar ist, dass sie mindestens eine der sich im CVD-Reaktor befindenden Siliziumstangen erfasst, besteht die Möglichkeit, den Durchmesser der Siliziumstangen zu bestimmen. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, die Flussmenge des Prozessgases zu bestimmen, das jeweils abhängig vom Durchmesser der Siliziumstangen eingeleitet werden sollte, um eine möglichst hohe Abscheiderate von Reinsilizium auf den Siliziumstangen zu erzielen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Befestigungsvorrichtung einen fest mit dem Flansch verbundenen ersten Teil und einen fest mit der Kamera, insbesondere der Wärmebildkamera, verbundenen zweiten Teil aufweist, wobei erster und zweiter Teil über eine Drehachse unter verschiedenen Winkeln zueinander festlegbar sind. Dadurch ist es möglich, dass der von der Kamera erfasste Teil der Siliziumstange hinsichtlich ihrer Höhe eingestellt werden kann. Dabei kann für den jeweiligen Einzelfall eine optimale Einstellung erzielt werden, bei der der Durchmesser der Siliziumstange am besten durch die Auswertung des von der Kamera erzeugten Bildes ermöglicht wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Flansch zentral an einer Öffnung im Deckel des CVD-Reaktors anbringbar ist. Da diese zentral gelegene Öffnung im Deckel des Reaktorgehäuses bei den gängigen Modellen von CVD-Reaktoren, wie sie beispielsweise von der Anmelderin angeboten werden, sowieso zum Einführen eines Heizers vorhanden ist, muss keine zusätzliche Öffnung im CVD-Reaktor ausgebildet werden. Vielmehr ist es somit in sehr kostensparender Art und Weise möglich, einen standardmäßig vorhandenen CVD-Reaktor zu verwenden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kamera auf den oberen Bereich der Siliziumstangen in einem Bereich zwischen 70% und 90%, insbesondere 79%, der Gesamthöhe der Siliziumstangen ausgerichtet ist. In diesem Bereich ist die Winkeleinstellung der Kamera gegenüber dem Flansch, an dem diese angeordnet ist, in Verbindung mit den geometrischen Gegebenheiten bei einem standardmäßigen CVD-Reaktor der Anmelderin mit der standardmäßigen Öffnung gerade so, dass eine besonders gute Bestimmung des Durchmessers der Siliziumstangen möglich ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kamera eine einzige Siliziumstange erfasst. Wie oben schon zum Verfahren ausgeführt, kann dadurch verhindert werden, dass Fehlbestimmungen bzw. eine ungenaue Bestimmung des Durchmessers der Siliziumstangen erfolgen, was eine Einstellung der Flussmenge des Prozessgases zur Folge hätte, die hinsichtlich der Abscheidungsrate des Reinsiliziums auf den Siliziumstangen nicht optimal wäre.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die einzige Siliziumstange zu einem Ring von Siliziumstangen gehört, der dem Zentrum des CVD-Reaktors am nächsten liegt. Bei den größeren CVD-Reaktoren ist nicht nur ein Ring von Siliziumstangen ausgebildet sondern zwei oder sogar drei Ringe. Wenn bei einem solchen CVD-Reaktor mit mehreren Ringen die Wärmebildkamera auf eine einzige Siliziumstange aus dem Ring, der am nächsten zum Zentrum des CVD-Reaktors ist, werden dadurch Fehler bei der Bestimmung des Durchmessers der Siliziumstangen vermieden. Diese könnten dadurch zustande kommen, dass, wenn die Wärmebildkamera nicht auf eine Siliziumstange aus dem innersten Ring ausgerichtet ist, Wärmestrahlung von Siliziumstangen des inneren Rings sich mit der Wärmestrahlung der eigentlich zu messenden Siliziumstange überlagern, auf die die Wärmekamera gerichtet ist. Bei sehr eng beieinander stehenden Siliziumstangen des innersten Rings könnte es in einem solchen Fall sogar sein, dass mit zunehmendem Durchmesserzuwachs eine Überlagerung der Bilder der Siliziumstangen des innersten Rings mit der Siliziumstange erfolgt, auf die die Wärmebildkamera ausgerichtet ist. Dies würde dazu führen, dass ab einem vorgegebenen Durchmesser der Siliziumstangen keine korrekte Bestimmung des Durchmessers mehr möglich wäre.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Abstand zwischen Optik der Kamera und Auftreffen der zentralen Sichtlinie der Kamera auf die Siliziumstangen zwischen 1,5 m und 1,8 m beträgt, bevorzugt 1,65 m. Dies ist insbesondere im Hinblick auf CVD-Reaktoren mit zwei oder mehr Ringen von Siliziumstangen optimal.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kamera über eine erste Datenleitung mit einem Rechner samt Bildauswerteeinheit verbunden ist. Damit wird die Bestimmung des momentan vorliegenden Durchmessers der Siliziumstangen in einfacher Art und Weise ermöglicht. Bevorzugt ist der Rechner mit einer Datenbank verbunden, in der Referenzwerte von zuzuführender Flussmenge des Prozessgases in Abhängigkeit vom Durchmesser der Siliziumstangen abgelegt sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Rechner mit einer Gaskonsole zur Steuerung der Flussmenge des zuzuführenden Prozessgases über mindestens eine zweite Datenleitung verbunden ist. Dadurch kann direkt die jeweils optimale Flussmenge eingestellt werden und dem CVD-Reaktor zugeführt werden, so dass die optimale Abscheiderate des Reinsiliziums auf den Siliziumstangen gewährleistet ist.
Außerdem wird die Aufgabe auch durch die Verwendung einer Kamera, insbesondere einer Wärmebildkamera, zur Bestimmung des Durchmessers von Siliziumstangen während des Abscheideprozesses von Reinsilizium bei der Durchführung eines CVD-Verfahrens gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Die daraus resultierenden Vorteile wurden oben schon zum Flansch und zum CVD-Verfahren beschrieben. Dies gilt auch für die vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung gemäß den Patentansprüchen 12 bis 14. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf diese Stellen verwiesen.
Weitere Voreile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
1 ein schematisches Blockdiagramm zum erfindungsgemäßen Aufbau,
2 einen horizontalen Schnitt durch einen CVD-Reaktor,
3 einen vertikalen Schnitt durch den CVD-Reaktor, in dem nur ein einziges Filament dargestellt ist,
4 eine vergrößerte Ansicht des in 3 dargestellten Flansches samt Wärmebildkamera aus einer anderen Richtung,
5 einen Teilausschnitt des CVD-Reaktors mit einem Filament schräg von oben aus der Richtung, in der die Wärmebildkamera angeordnet ist, und
6 die Ansicht der 5, bei der auf dem Filament Reinsilizium zu einer Siliziumstange abgeschieden ist.
Die Erfindung baut auf dem seit langem bekannten Siemens-Verfahren zur Abscheidung von Reinsilizium auf und geht von einem für dieses Verfahren dem Fachmann bekannten Reaktor zur Durchführung des Siemens-Verfahrens aus. Da sowohl das Siemens-Verfahren, das ein CVD-Verfahren ist, als auch der Reaktor bekannt sind, wird im Folgenden nur auf die für die Erfindung wesentlichen Bauteile und Verfahrenschritte eingegangen, insbesondere insofern sie für die Erfindung relevant sind.
In 1 ist ein stark vereinfachtes schematisches Blockdiagramm dargestellt, das die Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt. In einem CVD-Reaktor 1 befindet sich eine Siliziumstange 15 (regelmäßig sind in Reaktoren zur Durchführung des Siemens-Verfahrens eine Vielzahl solcher Siliziumstangen 15 vorhanden – siehe Beschreibung zu 2). Beim Siemens-Verfahren werden dünne Filamente mit einem Durchmesser von ca. 8 mm auf eine Temperatur von ca. 1.100°C erhitzt. Das Erhitzen geschieht regelmäßig durch Anlegen einer Hochspannung, so dass Strom durch das Filament fließt, der in Wärme umgesetzt wird. An dem heißen Filament scheidet sich aus einem Prozessgas, das eine Mischung aus Wasserstoffgas und Trichlorsilan (HSiCl₃) ist, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1.100°C bis 1.200°C und einem Druck im Bereich von ca. 6 bar polykristallines Silizium auf dem Filament ab. Dabei wird das Molverhältnis zwischen Wasserstoff und Trichlorsilan konstant bei 0,28 gehalten. Nur ein Teil des Trichlorsilans reagiert, so dass ein Rest an unverbrauchtem Trichlorsilan übrig bleibt. Hierzu kommt dann im Abgas noch Siliziumtetrachlorid (SiCl₄) sowie Chlorwasserstoffgas (HCl) und auch unverbrauchtes Wasserstoffgas (H₂). Dieses Abgas wird aus dem CVD-Reaktor 1 abgeführt und kann zum Teil recycelt werden, so dass wieder die nötigen Komponenten für das Prozessgas in Reinform (H₂ und HSiCl₃) zurückgewonnen werden können. Dies ist jedoch für die Erfindung nicht relevant, so dass hierauf nicht näher eingegangen wird.
Wird anstelle des Siemens-Verfahrens Monosilan anstatt des Trichlorsilans im Prozessgas verwendet, muss das Filament nicht so hoch erhitzt werden; dieser Prozess läuft schon bei einer Temperatur von 780°C ab. Das Prozessgas enthält bei diesem Prozess maximal 5% Wasserstoffgas. Ein Anteil von ca. 12% des Monosilans wird dabei umgesetzt; dabei entsteht neben dem Reinsilizium, das sich auf dem Filament niederschlägt noch Wasserstoffgas.
Im Folgenden wird nur noch auf das Siemens-Verfahren, das im Rahmen des beschriebenen Ausführungsbeispiels beschrieben wird, eingegangen. Es hat sich herausgestellt, dass die optimale Abscheiderate des Siliziums auf dem Filament beim Anwachsen der sich um das Filament bildenden Siliziumstange 15 (siehe 6) mit der Oberfläche der Siliziumstange 15 ändert. Hier setzt die Erfindung an und bildet das bekannte Siemens-Verfahren derart weiter, dass die Flussmenge des Prozessgases in Abhängigkeit vom Durchmesser der Siliziumstange 15 gesteuert wird. Man erhält dann eine optimale Abscheiderate von Silizium auf den Siliziumstangen 15, was den Gesamtprozess beschleunigt und ihn effizienter macht.
Dies geschieht dadurch, dass der Durchmesser D der Siliziumstangen 15 durch Beobachtung mit einer Wärmebildkamera 10 einer einzigen Siliziumstange 15 als Repräsentant für die anderen im CVD-Reaktor 1 befindlichen Siliziumstangen 15 beobachtet wird. Als Wärmebildkamera 10 kann prinzipiell jede am Markt erhältliche Wärmebildkamera verwendet werden, beispielsweise das Modell IVS 6400 von Impac. Auf die nähere Ausgestaltung der Wärmebildkamera 10 kommt es nicht in erfindungswesentlicher Art und Weise an, da diese nur eine ausreichende Auflösung zur Bestimmung des Durchmessers D der Siliziumstange 15 aufweisen muss.
Das von der Wärmebildkamera 10 aufgenommene Bild der Siliziumstange 15 wird über eine erste Datenleitung 23 an einen Rechner 18 übertragen. In diesem erfolgt eine Auswertung des Bildes dahingehend, welchen Durchmesser D die aufgenommene Siliziumstange 15 zum aktuellen Zeitpunkt hat. Hierfür ist es lediglich notwendig, die Pixel in einer Richtung (horizontal oder vertikal – je nach Ausrichtung der Wärmebildkamera 10) abzuzählen. Mittels des für den Durchmesser D erhaltenen Wertes wird dann über eine Datenbank, in der jedem Durchmesserwert D ein Wert für die Flussmenge des Prozessgases gegenüber gestellt ist, bestimmt, welche Flussmenge des Prozessgases gerade zu einer optimalen Abscheiderate von Silizium auf der Siliziumstange 15 führt. Der dabei erhaltene Wert wird über zweite Datenleitungen 24 zu einer Gaskonsole 19 übertragen, in der zwei Steuerventile angeordnet sind – ein erstes Steuerventil 20 zur Steuerung der Flussmenge des Trichlorsilans und ein zweites Steuerventil 21 zur Steuerung der Flussmenge des Wasserstoffgases. Die beiden Steuerventile 20, 21 sind innerhalb von zwei von jeweiligen Vorratstanks (nicht dargestellt) für das Wasserstoffgas und das Trichlorsilan kommenden Versorgungsleitungen 25, 26 angeordnet. Durch diese Steuerventile 20, 21 wird das in seinem Molverhältnis unveränderte Prozessgas aus Vorratstanks über Gaseinlässe 16 in den CVD-Reaktor 1 eingespeist (in dem Schaltbild ist nur ein Gaseinlass 16 dargestellt). Damit wird über den gesamten Abscheidevorgang, während dem der Durchmesser der Siliziumstange 15 anwächst, die für eine möglichst hohe Abscheiderate von Silizium auf den Siliziumstangen 15 nötige Flussmenge an Prozessgas zur Verfügung gestellt.
In 2 ist ein horizontaler Schnitt durch einen CVD-Reaktor 1 dargestellt. Innerhalb der runden Reaktorwand 11 ist der plane Reaktorboden 12 zu erkennen. Auf diesem sind in zwei Ringen um das Zentrum Halteelemente 13 ausgebildet. Der innere Ring weist zwölf Halteelemente 13 auf, der äußere vierundzwanzig Halteelemente 13. Die Halteelemente 13 dienen dazu, die Filamente 14 aufzunehmen. Darüber hinaus dienen sie auch noch als Elektroden, um die Spannung an die Filamente 14 anzulegen, damit diese auf die notwendige Temperatur von ca. 1.100°C erhitzt werden können, damit der Abscheideprozess des Siliziums erfolgen kann. Die Filamente 14 sind U-förmig (nicht aus der 2 zu erkennen) ausgebildet, wobei jeweils zwei nebeneinander liegende Halteelemente 13 eines Rings die jeweils freien Enden der U-förmigen Filamente 14 aufnehmen.
Für die Zuführung des Prozessgases sind eine Reihe von Gaseinlässen 16 (im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um zwölf zwischen den beiden Ringen von Halteelementen 13 angeordnete Gaseinlässe 16). Das verbrauchte Prozessgas entweicht über einen Gasauslass 17 im Reaktorboden 12.
Der in 2 dargestellte Aufbau entspricht demjenigen eines konventionellen bekannten CVD-Reaktors 1 für das Siemens-Verfahren, so dass keine weiteren Ausführungen zum Aufbau der beschriebenen Elemente nötig ist, insbesondere nicht hinsichtlich der Isolierung der unter Hochspannung stehenden Haltelemente 13 oder wie die Festlegung der Filamente 14 innerhalb der Halteelemente 13 erfolgt.
In 3 ist ein vertikaler Schnitt durch den CVD-Reaktor 1 entlang dessen Mittellängsachse dargestellt, wobei nur ein einziges Halteelement 13 samt darin befindlichem Filament 14 des inneren Rings dargestellt ist. Das Filament weist die Höhe H auf, die für die Oberfläche der Siliziumstange 15 während des Prozesses mitbestimmend ist. Im vorliegenden Fall, der keineswegs beschränkend ist, beträgt die Höhe H 2,4 m. Das Halteelement 13 ist auf dem planen Reaktorboden 12 angeordnet. Darüber hinaus sind Zuleitungen zu Gaseinlässen 16 und die Ableitung des Gasauslasses 17 zu erkennen. Im oberen Bereich wird der CVD-Reaktor 1 durch einen kuppelförmigen Deckel 2 abgeschlossen. Dieser weist in seinem Zentrum eine Öffnung 3 auf. Ein dergestalt ausgebildeter CVD-Reaktor 1 ist aus dem Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß ist nun an der Öffnung 3 ein Flansch 4 angebracht, der über eine Befestigungsvorrichtung 5 mit einer Wärmebildkamera 10 verbunden ist. Der Flansch 4 verschließt die Öffnung 3 mittels eines Schauglases (nicht dargestellt). Der Flansch 4 ist bevorzugt mit einem oder zwei gekühlten Schaugläsern ausgestattet.
In 4 ist eine vergrößerte Darstellung des Flansches 4 mit daran angebrachter Wärmebildkamera 10 aus der gegenüberliegenden Richtung wie in 3 dargestellt. Die Befestigungsvorrichtung 5, die den Flansch 4 mit der Wärmebildkamera 10 verbindet, ist zweiteilig ausgebildet. Der Flansch 4 ist dabei fest mit einem ersten Teil 6 verbunden. Die Wärmebildkamera 10 ist innerhalb einer Halterung 9 gehalten. Die Halterung 9 ist ein Bestandteil eines zweiten Teils 7 der Befestigungsvorrichtung 5. Erster Teil 6 und zweiter Teil 7 der Befestigungsvorrichtung 5 sind über eine im Ausführungsbeispiel horizontal verlaufende Achse 8 miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, den Winkel der zentralen Sichtlinie 22 (siehe 3) der Wärmebildkamera 10 gegenüber der Vertikalen zu verändern.
Dies bedeutet im Ergebnis, dass dadurch eine variable Einstellung des Höhenbereichs, der in 3 mit Sichthöhe S (Abstand des Schnittpunktes der zentralen Sichtlinie 22 mit der Siliziumstange und dem Reaktorboden 12) bezeichnet ist, des Filaments 14 bzw. der sich darum aufbauenden Siliziumstange 15, die beobachtet werden soll, möglich ist. Im vorliegenden Fall, der keineswegs beschränkend ist, beträgt die Sichthöhe S 1,9 m Durch Änderung des Winkels um die Drehachse 8 kann somit der Beobachtungsbereich entweder nach oben nach unten verschoben werden. Damit kann auf die geometrischen Gegebenheiten des Flansches 4 und seiner Ausgestaltung in Höhe und Breite, die von der Öffnung 3 abhängt, und der Anordnung der Filamente 14 innerhalb des CVD-Reaktors 1 Rechnung getragen werden.
In den 5 und 6 ist in Richtung der zentralen Sichtlinie 22 (siehe 3) der Wärmebildkamera 10 die Anordnung des erfindungsgemäßen Flansches 4 samt Befestigungsvorrichtung 5 mit Halterung 9 für die Wärmebildkamera 10 in zwei unterschiedlichen Stadien des Abscheideprozesses dargestellt. 5 zeigt den Zustand zu Beginn des Abscheideprozesses, bei dem nur das Filament 14 aus Reinsilizium vorhanden ist und noch kein polykristallines Silizium darauf abgeschieden wurde. Dagegen zeigt 6 das Endstadium des Abscheideprozesses, bei dem das auf das Filament 14 aufgewachsene polykristalline Silizium zu einer Siliziumstange 15 mit einem Durchmesser D von ca. 180 mm angewachsen ist.
Im Einzelnen ist in den 5 und 6 zu sehen: Die Öffnung 3 im Deckel 2, an der der Flansch 4 angebracht ist. Mit dem Flansch 4 ist über die Befestigungsvorrichtung 5 die Halterung 9 für die Wärmebildkamera 10 (aus Gründen der besseren Darstellbarkeit weggelassen) verbunden. Die Sicht entspricht genau der zentralen Sichtlinie 22 der eingesetzten Wärmebildkamera 10 und gibt ungefähr den Sichtbereich der Wärmebildkamera 10 wieder (der sich aufgrund des sich von der Kameraoptik aufweitenden Sichtbereichs als größer darstellt, als dies die Halterung 9 vorgibt).
Die Bestimmung des Durchmessers D der Siliziumstange 15 mittels der Wärmebildkamera 10 erfolgt durch eine Kalibrierung auf einen zu erreichenden Enddurchmesser von 180 mm von der maximalen Auflösung der verwendeten Wärmebildkamera 10 von 640 Pixeln. Die Wärmebildkamera bestimmt dann zum jeweiligen Zeitpunkt die hellen Pixel, die sie aufgrund der Wärmestrahlung der beobachteten Siliziumstange 15 aufnimmt. Diese ist aufgrund der um mehrere 100°C höheren Temperatur der Siliziumstange 15 gegenüber der Umgebung, in Form des Prozessgases, möglich. Aufgrund der ermittelten Anzahl von Pixel kann in Verbindung mit der oben genannten Kalibrierung auf den Maximaldurchmesser der aktuelle Durchmesser D ermittelt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit möglich, zu jedem Zeitpunkt des Abscheideprozesses sehr exakt den Durchmesser D der beobachteten Siliziumstange 15 zu bestimmen. Aufgrund des oben schon ausgeführten Verfahrens kann dem exakten Durchmesser D der Siliziumstange 15 die optimale Flussmenge für eine optimale Abscheiderate zum jeweiligen Zeitpunkt mittels des Rechners 18 bestimmt werden. Mittels des dadurch erhaltenen Wertes für die Flussmenge des Prozessgases wird diese dann über die Gaskonsole 19 geregelt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Flussmenge an Prozessgas wie folgt in Abhängigkeit von der Oberfläche der Siliziumstange 15 geändert: Bei einer Oberfläche von 0,13 m² betrug die Flussmenge 82,4 kg/h; bei 0,53 m² 382 kg/h; bei 1,57 m² 1.447 kg/h und bei 2,36 m² 2.570 kg/h. Die Beziehung zwischen der Oberfläche der Siliziumstange 15 und dem Durchmesser D der Siliziumstange 15 ist über die bekannten geometrischen Daten eindeutig bestimmbar.

Es folgt nun noch eine Zusammenschau der Parameter, die für das in den Figuren dargestellte Abscheideverfahren verwendet wurden, wobei diese jedoch nicht abschließend sind, sondern alle anderen im Rahmen eines Siemens-Verfahrens möglichen Parameter für Temperatur, Druck usw. genauso im Rahmen der Erfindung verwendet werden können. Anstatt des Angegebenen Rechners kann auch jeder beliebige Laptop oder anderer Rechner verwendet werden, auf dem die benötigte Software installiert ist.

Temperatur der Filamente:	1.100°C
Molverhältnis von H₂ zu HSiCl₃:	0,28
Druck des Prozessgases im CVD-Reaktor:	6,0 bar
Flussmenge des Prozessgases am Anfang des Prozesses:	80 kg/h
Flussmenge des Prozessgases am Ende des Prozesses:	2.500 kg/h
Spannung am Filament beim Zünden:	8.000 V
Spannung am Filament am Anfang des Prozesses:	1.700 V
Spannung am Filament am Ende des Prozesses:	320 V
Durchmesser des Filaments:	8 mm
Durchmesser der Siliziumstange am Ende des Prozesses:	180 mm
Höhe des Filaments:	2.400 mm
Abstand zwischen Kameraoptik und Filament entlang zentraler Sichtlinie:	1.650 mm
Blickhöhe der zentralen Sichtlinie über Reaktorboden:	1.900 mm
Verwendete Wärmebildkamera:	IVS 6400 Impac
Horizontale Auflösung der Wärmebildkamera:	640 Pixel
Rechner:	Hewlett Packard HP 3D

Bezugszeichenliste

1: CVD-Reaktor
2: Deckel
3: Öffnung
4: Flansch
5: Befestigungsvorrichtung
6: erster Teil
7: zweiter Teil
8: Drehachse
9: Halterung
10: Wärmebildkamera
11: Reaktorwand
12: Reaktorboden
13: Halteelement
14: Filament
15: Siliziumstange
16: Gaseinlass
17: Gasauslass
18: Rechner
19: Gaskonsole
20: erstes Steuerelement
21: zweites Steuerelement
22: zentrale Sichtlinie
23: erste Datenleitung
24: zweite Datenleitung
25: Versorgungsleitung
D: Durchmesser
H: Höhe
S: Sichthöhe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102008000052 A1 [0002]
- DE 1061593 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- W. Zulehner et al. im Fachartikel „Silicon” (VCH Publishers Inc. Vol. 23 Seiten 721–748) [0002]
- K. Hesse in „Silizium für die Photovoltaik” (Erneuerbare Energien 7/2206 Seiten 67–69) [0002]
- N. Bardahl in „Thyristor-Wechselstromsteller für moderne Silizium-Abscheiungsanlagen bei Wacker-Chemitonic” (Siemens-Zeitschrift 47 (1973) Heft 3 Seiten 160–163) [0002]

Claims

Flansch (4) für einen CVD-Reaktor (1), an dem eine Wärmebildkamera (10) mittels einer Befestigungsvorrichtung (5) angebracht ist, wobei die Wärmebildkamera (10) so ausrichtbar ist, dass sie mindestens eine der sich in dem CVD-Reaktor (1) befindenden Siliziumstangen (15) erfasst.
Flansch (4) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (5) einen fest mit dem Flansch (4) verbundenen ersten Teil (6) und einen fest mit der Wärmebildkamera (10) verbundenen zweiten Teil (7) aufweist, wobei erster Teil (6) und zweiter Teil (7) über eine Drehachse (8) unter verschiedenen Winkeln zueinander festlegbar sind.
Flansch (4) nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er zentral an einer Öffnung (3) im Deckel (2) des CVD-Reaktors (1) anbringbar ist.
Flansch (4) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebildkamera (10) auf den oberen Bereich der Siliziumstangen (15) in einem Bereich zwischen 70% und 90%, insbesondere 79%, der Gesamthöhe der Siliziumstangen (15) ausgerichtet ist.
Flansch (4) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebildkamera (10) eine einzige Siliziumstange (15) erfasst.
Flansch (4) nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzige Siliziumstange (15) zu einem Ring von Siliziumstangen gehört, der dem Zentrum des CVD-Reaktors (1) am nächsten liegt.
Flansch (4) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Optik der Wärmebildkamera (10) und Auftreffen der zentralen Sichtlinie (22) der Wärmebildkamera (10) auf die Siliziumstangen (15) zwischen 1,5 m und 1,8 m beträgt, bevorzugt 1,65 m.
Flansch (4) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebildkamera (10) über eine erste Datenleitung (23) mit einem Rechner (18) samt Bildauswerteeinheit verbunden ist.
Flansch (4) nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (18) mit einer Datenbank verbunden ist, in der Referenzwerte von zuzuführender Flussmenge des Prozessgases in Abhängigkeit vom Durchmesser der Siliziumstangen (15) abgelegt sind.
Flansch (4) nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (18) mit einer Gaskonsole (19) zur Steuerung der Flussmenge des zuzuführenden Prozessgases über mindestens eine zweite Datenleitung (24) verbunden ist.
Verwendung einer Kamera, insbesondere einer Wärmebildkamera (10), zur Bestimmung des Durchmessers (D) von Siliziumstangen (15) während des Abscheideprozesses von Reinsilizium bei der Durchführung eines CVD-Verfahrens.
Verwendung der Kamera nach Patentanspruch 11, wobei die Wärmebildkamera (10) außerhalb eines CVD-Reaktors (1) durch ein zentral im Deckel (2) des CVD-Reaktors (1) angebrachtes Schauglas erfasst.
Verwendung der Kamera nach einem der Patentansprüche 11 oder 12, wobei der von der Wärmebildkamera (10) erfasste Durchmesser (D) der Siliziumstange (15) zur Steuerung der Flussmenge des Prozessgases des CVD-Verfahrens herangezogen wird.
Verwendung der Kamera nach einem der Patentansprüche 11 bis 13, wobei das CVD-Verfahren ein Siemens-Verfahren ist.
CVD-Verfahren zur Erzeugung von Siliziumstangen (15), bei dem die Flussmenge des zugeführten Prozessgases vom Durchmesser der Siliziumstangen (15) abhängt.
CVD-Verfahren nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) der Siliziumstangen (15) mittels einer Kamera, insbesondere einer Wärmebildkamera (10), mit anschließender Bildauswertung bestimmt wird.
CVD-Verfahren nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Durchmessers (D) anhand einet vorher festgelegten Tabelle in einen Wert einer Flussmenge des Prozessgases umgewandelt wird und mittels des Werts der Flussmenge Steuerventile (20, 21) einer Gaskonsole (18) gesteuert werden, die die Menge des zugeführten Prozessgases kontrollieren.
CVD-Verfahren nach Patentanspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Tabelle während der Durchführung des CVD-Verfahrens in Abhängigkeit von der aktuellen Abscheiderate des Siliziums angepasst wird.
CVD-Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussmenge bei kleinen Durchmessern (D) der Siliziumstange (15) geringer ist als bei größeren Durchmessern.
CVD-Verfahren nach einem der Patentansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussmenge während des CVD-Verfahrens in Abhängigkeit von der aktuellen Abscheiderate des Siliziums geändert wird.
CVD-Verfahren nach Patentanspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussmenge bei einem Durchmesser (D) der Siliziumstange (15) von 8 mm 80 kg/h beträgt und bei einem Durchmesser (D) von 150 mm 2750 kg/h.
CVD-Verfahren nach einem der Patentansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessgas eine Mischung aus Trichlorsilan und Wasserstoffgas in einem vorbestimmten Molverhältnis verwendet wird.
CVD-Verfahren nach Patentanspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas bei kleinem Durchmesser (D) einen höheren Molanteil Wasserstoffgas enthält als bei größeren Durchmessern (D) der Siliziumstang (15).
CVD-Verfahren nach einem der Patentansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera, insbesondere die Wärmebildkamera (10), schräg von oben auf die Siliziumstangen (15) ausgerichtet ist.
CVD-Verfahren nach einem der Patentansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera, insbesondere die Wärmebildkamera (10), außerhalb eines CVD-Reaktors (1), in dem das CVD-Verfahren abläuft, angeordnet ist und die Siliziumstäbe (15) durch ein Schauglas erfasst werden.
CVD-Verfahren nach einem der Patentansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera, insbesondere die Wärmebildkamera (10), nur genau eine Siliziumstange (15) erfasst.