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Hochreines polykristallines Silicium (Polysilicium) dient als Ausgangsmaterial zur Herstellung von einkristallinem Silicium für Halbleiter nach dem Czochralski(CZ)- oder Zonenschmelz(FZ)-Verfahren, sowie zur Herstellung von ein- oder multikristallinem Silicium nach verschiedenen Zieh- und Gießverfahren zur Produktion von Solarzellen für die Photovoltaik.
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Polysilicium wird üblicherweise mittels des Siemens-Verfahrens hergestellt. Dabei wird ein Reaktionsgas umfassend eine oder mehrere Silicium enthaltende Komponenten und gegebenenfalls Wasserstoff in einen Reaktor umfassend durch direkten Stromdurchgang erhitzte Trägerkörper eingeleitet, wobei sich an den Trägerkörpern Silicium in fester Form abscheidet. Als Silicium enthaltende Komponenten werden bevorzugt Silan (SiH4), Monochlorsilan (SiH3Cl), Dichlorsilan (SiH2Cl2), Trichlorsilan (SiHCl3), Tetrachlorsilan (SiCl4) oder Mischungen der genannten Stoffe eingesetzt.
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Das Siemens-Verfahren wird üblicherweise in einem Abscheidereaktor (auch „Siemens-Reaktor” genannt) durchgeführt. In der gebräuchlichsten Ausführungsform umfasst der Reaktor eine metallische Grundplatte und eine kühlbare Glocke, die auf die Grundplatte gesetzt ist, so dass ein Reaktionsraum im Inneren der Glocke entsteht. Die Grundplatte ist mit einer oder mehreren Gaseinlassöffnungen und einer oder mehreren Abgasöffnungen für die abgehenden Reaktionsgase sowie mit Halterungen versehen, mit deren Hilfe die Trägerkörper im Reaktionsraum gehalten und mit elektrischen Strom versorgt werden.
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Jeder Trägerkörper besteht meistens aus zwei dünnen Filamentstäben und einer Brücke, die in der Regel benachbarte Stäbe an ihren freien Enden verbindet. Am häufigsten werden die Filamentstäbe aus ein- oder polykristallinem Silicium gefertigt, seltener kommen Metalle bzw. Legierungen oder Kohlenstoff zum Einsatz. Die Filamentstäbe stecken senkrecht in am Reaktorboden befindlichen Elektroden, über die der Anschluss an die Stromversorgung erfolgt. An den erhitzten Filamentstäben und der waagrechten Brücke scheidet sich hochreines Polysilicium ab, wodurch deren Durchmesser mit der Zeit anwächst. Nachdem der gewünschte Durchmesser erreicht ist, wird der Prozess beendet.
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JP 2002241120 A2 offenbart einen Abscheidereaktor, bei dem an der Oberseite Reaktionsgas eingeleitet wird. Das Reaktionsgas mischt sich oberhalb der Siliciumstäbe mit aufsteigendem Reaktionsgas und sinkt danach an der Reaktionswand ab. Dabei wird Frischgas in einer ersten Ausführungsform an der Oberseite des Reaktors Richtung Bodenplatte, in einer 2. Ausführungsform am oberen Ende des zylindrischen Reaktorteils radial von der Reaktorwand in horizontaler Richtung zur Reaktormitte eingedüst. Durch natürliche Konvektion an der heißen Staboberfläche aufsteigendes Reaktionsgas soll sich mit kaltem abfallendem Frischgas vermischen. Das abfallende Frischgas verursacht eine Gegenströmung zum aufsteigenden Reaktionsgas. Diese erzeugt einen Gasstau, die Ausbildung zusätzlicher Gaswirbel und Aufheizen des Reaktionsgases, Popcornwachstum bzw. Staubabscheidung sind die Folge. Der spez. Energiebedarf kann dadurch nicht reduziert werden.
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DD 64047 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Polysilicium, bei dem das Reaktionsgas an der Oberseite der Reaktionskammer zum Schutz der Wand vor Ablagerungen über eine Gasleitung eingebracht wird.
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AT 220591 B offenbart ein Gefäß zur Erzeugung von hochreinem Silicium, bei dem das Zugas entlang verschiedener Stabpositionen direkt auf den erhitzten Siliciumstab geblasen wird.
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CN 201313954 Y offenbart einen Abscheidereaktor, bei dem mittig von oben, sowie seitlich von unten Reaktionsgas eingedüst wird. Durch die erzeugte Gasströmung soll die Dicke der Gasgrenzschicht am Siliciumstab reduziert werden. Ein schnelleres und gleichmäßigeres Siliciumwachstum wäre die Folge. Durch das in
CN201313954 Y beschriebene Eindüsen mittig von oben und seitlich von unten kommt es zu einem starken Anblasen der Siliciumstabbrücken. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass die entgegen gerichteten Gasströmungen von unten und oben ihre Gasimpulse aufheben. Dadurch kommt es zu dickeren Grenzschichten an den Siliciumstäben, die ein ungleichmäßiges und langsameres Siliciumwachstum an den Stäben bewirken.
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Ein Eindüsen von der Seite (wie in
AT220591 B beschrieben) direkt (senkrecht) auf den Siliciumstab führt unweigerlich zu ungleichmäßigem Stabwachstum und entsprechenden „Dellen” im Siliciumstab.
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US 2011229638 A2 beschreibt ein Verfahren zur Polysiliciumabscheidung, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor mit verschiedenen Düsengruppen, die mit unterschiedlichen Massenströmen beaufschlagt werden können, betrieben wird.
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Zur Herstellung von Polysilicium werden standardmäßig Abscheidereaktoren eingesetzt, bei denen im unteren Teil, der sog. Bodenplatte, über Düsen das Reaktionsgas eingedüst wird.
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Mit steigendem Reaktordurchmesser und steigender Reaktorhöhe müssen entsprechend hohe Mengen an Reaktionsgas mit entsprechend angepasstem Impulsstrom in den Reaktor eingedüst werden, um eine ausreichend ausgeprägte Zirkulationsströmung im Reaktor zu erzeugen. Die Abwärtsströmung erfolgt an der Reaktorwand.
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Die benötigten hohen Reaktionsgas- und Impulsströme können zu einer thermischen Belastung der Siliciumstäbe im Reaktor führen. Dies zeigt sich in ungleichmäßigen Stäben, unerwünschter Stabmorphologie (Popcorn) und Rissen/Stababplatzungen. Bereiche mit sehr rauer Oberfläche („Popcorn”) müssen später von dem restlichen Material abgetrennt werden, was nachteilig ist und die Ausbeute verschlechtert.
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Stäbe mit Rissen und Abplatzungen können zum elektrischen Ausfall der Anlage führen. Ausgefallene Anlagen und Materialabwertungen führen zu höheren Herstellkosten.
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Der Energieverbrauch bei Abscheideanlagen wird u. a. verursacht durch die konvektive Abgabe von Wärme über das Reaktionsgas an die gekühlte Reaktorwandung.
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Aus dieser Problematik ergab sich folgende Aufgabenstellung der Erfindung: Das Reaktionsgas ist so in den Reaktor einzubringen, dass ein möglichst großer Feedmassenstrom eine geringere thermische Belastung der Stäbe verursacht. Der aus der Gasströmung im Reaktor resultierende Wärmeverlust über die Wand ist zu minimieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Abscheidung von polykristallinem Silicium, in einem Reaktor, der seitlich und nach oben durch eine Reaktorwand und nach unten durch eine Bodenplatte begrenzt ist, wobei auf der Bodenplatte Filamentstäbe angebracht sind, die aufgeheizt werden, wobei mittels Gaseinlassöffnungen an der Reaktorwand und in der Bodenplatte ein Silicium enthaltendes Reaktionsgasgemisch in die Reaktorkammer eingebracht wird, wobei sich auf den Filamentstäben Silicium abscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass durch Gaseinlassöffnungen in der Reaktorwand Silicium enthaltendes Reaktionsgasgemisch in einem Winkel von 0–45° zur seitlichen Reaktorwand eingebracht wird.
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Es hat sich gezeigt, dass durch eine solche Wandeindüsung in einem Winkel von 0°–45° zur seitlichen Wand (= zylindrischer Teil der Glocke) die Zirkulationsströmung des Gases unterstützt bzw. aufrechterhalten wird.
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Üblicherweise handelt es sich bei den Gaseinlassöffnungen um Bohrungen. Die Geometrie der Bohrung kann beliebig gewählt sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend auch anhand von 1–8 erläutert.
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Eine Bohrung kann zwei unterschiedliche Winkel zur seitlichen Reaktorwand aufweisen. Eine solche Ausführungsform ist 3 zu entnehmen. Sowohl der minimale Bohrungswinkel als auch der maximale Bohrungswinkel dürfen nur im Winkelbereich von 0–45° variieren, um sicherzustellen, dass das Reaktionsgasgemisch in einem Winkel von 0–45° zur seitlichen Reaktorwand eingebracht wird.
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Dadurch dass das Reaktionsgasgemisch in einem Winkel von 0–45° zur seitlichen Reaktorwand eingebracht wird, wird gleichzeitig ein Wandfilm erzeugt, der den konvektiven Wärmeaustausch mit der Reaktorwand deutlich reduziert. Bei diesem Wandfilm handelt es sich um einen geschlossenen Gasfilm, der sich aus dem von außen eingedüsten Reaktionsgas bildet und entlang der Reaktorinnenwand von oben nach unten strömt. Hierzu sind Gaseinlassöffnungen bzw. Eintrittsöffnungen an der Reaktorwand angebracht, die das Aufbringen eines geschlossenen Wandfilmes erlauben.
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Der Reaktor hat eine glockenförmige Geometrie (Zylinder + Halbkugel, Korbbogen, Klöpperboden oder ähnliche Bauformen), und wird seitlich durch eine zylindrische oder anders geartete Reaktorwand, nach oben durch Reaktorwand bzw. Glockenwand und nach unten durch die Bodenplatte begrenzt.
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Die obersten Eintrittsöffnungen liegen in einem Bereich zwischen 40% und 100% der Höhe über Bodenplatte bezogen auf die Höhe der vertikalen Reaktorwandung, bevorzugt zwischen 70% und 100%.
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Vorzugsweise beträgt ein Verhältnis Ainl ./AReac zwischen einer Fläche einer einzelnen Einlassöffnung Ainl und einer Querschnittsfläche des Reaktorinnenraumes AReac größer als 10–6 und kleiner als 1/1600.
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Besonders bevorzugt ist 1/200000 < (Ainl/(AReac) < 1/2500; und ganz besonders bevorzugt 1/50000 < (Ainl.)/(AReac) < 1/5000.
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Ainl entspricht einer Fläche einer Eintrittsöffnung an der Reaktorwand, AReac entspricht einer Querschnittsfläche des Reaktors, gebildet mit dem Reaktor-Innendurchmesser D, also AReac = D2/4·π)
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Üblicherweise sind die Eintrittsöffnungen gleichmäßig über den Umfang verteilt, sie können aber auch ungleichmäßig angeordnet sein.
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Die Bohrungsform ist üblicherweise kreisförmig, kann aber auch andere Formen (z. B. elliptisch o. ä.) und Kombinationen daraus haben.
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Ebenfalls besteht die Möglichkeit, mehrere unterschiedliche Bohrungsformen an einem Reaktor einzusetzen (z. B. kreisförmig und elliptisch).
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Der direkte Abstand a der Bohrungen (Außenkante zu Außenkante, siehe 4–6) zueinander liegt mindestens bei 3 mm, bevorzugt bei mindestens 10 mm, besonders bevorzugt bei mindestens 20 mm. Dadurch ergibt sich ein über den Umfang gleichmäßig geschlossener Gasfilm, welcher die Wärmeverluste über die Wand minimiert.
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Bevorzugt werden die Gaseintrittsöffnungen, im weiteren Bohrungen genannt, in der Reaktorwand in horizontalen Ebenen angeordnet (= Gaseintrittsöffnungsreihe bzw. Bohrungsreihe) (siehe 4).
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Eine weitere Ausführungsform der Bohrungsreihe sind über den Umfang schraubenförmig angeordnete Bohrungen (siehe 6). Es sind aber auch Kombinationen verschiedener Bohrungsreihen an einem Reaktor denkbar.
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Die Bohrungsreihen können einzeln oder zu mehreren, ggf. vertikal versetzt an der Reaktorwand angebracht werden.
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Insbesondere in Umfangsrichtung zueinander verdrehte Bohrungsreihen erzeugen einen geschlossenen Wandfilm (siehe 5 und 7).
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Bevorzugt ist die Zusammenfassung von 2 bis 4 Bohrungsreihen zu einem Bohrungsblock, besonders bevorzugt 2–3 Bohrungsreihen (siehe 7).
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Der vertikale Abstand „b” benachbarter Bohrungsreihen ist vorzugsweise jeweils maximal 5 Referenz-Bohrungsdurchmesser (siehe 5).
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Dabei gilt:
Referenz-Bohrungsdurchmesser = mittlerer hydraulischer Durchmesser aller Einzelbohrungen an der vertikalen Reaktorwand
mit
- DH
- = hydraulischer Referenz-Bohrungsdurchmesser
- Ai
- = Querschnittsfläche der Einzelbohrung i an der vertikalen Reaktorwand
- Ui
- = Umfang der Einzelbohrung i an der vertikalen Reaktorwand
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Bevorzugt sind mindestens 2 Bohrungsblöcke, die in vertikaler Richtung zueinander einen Abstand l haben, so dass 0 < l/D < 1 gilt, wobei D = Reaktorinnendurchmesser (l = Mittellinie Bohrungsblock A zu Mittellinie Bohrungsblock B, siehe 8).
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Besonders bevorzugt sind 2–4 Bohrungsblöcke.
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Besonders bevorzugt genügt der Abstand l der Blöcke 0,2 < l/D < 0,8;
und ganz besonders bevorzugt 0,3 < l/D < 0,7.
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Zusätzlich zu den Bohrungen an der zylindrischen Reaktorwand wird eine Teilmenge des Reaktionsgases über Düsen auf der Bodenplatte des Reaktors eingebracht.
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Das Reaktionsgas, welches über die Bodenplatte eingebracht wird, strömt über mindestens eine Düse im Zentrum und ggf. mehreren Düsen auf konzentrischen Kreisen der Bodenplatte mittig nach oben und seitlich an der Reaktorwand nach unten. Die Nutzung der Düsen in der Bodenplatte spielt hierbei zusätzlich zu den seitlichen Wanddüsen eine wichtige Rolle.
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Erst durch die Kombination der Bodenplatteneindüsung und der Wandeindüsung wird die angestrebte Zirkulationsströmung aufrechterhalten und gleichzeitig ein Wandfilm zur Minimierung der Wärmeverluste über die Reaktorwand erzeugt.
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Zur Minimierung der Wandwärmeverluste kann gegen Abscheideende auf die Einbringung von Reaktionsgas über Düsen in der Bodenplatte verzichtet werden.
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Der Anteil des Reaktionsgases, der über die Reaktorwand eingebracht wird, liegt vorzugsweise zwischen 30 und 100 Massenprozent, besonders bevorzugt 50–90 Massenprozent, jeweils bezogen auf die gesamte Zugabe an Reaktionsgas.
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Eine optimierte Eindüsung wird durch eine während des Prozesses variabel zu gestaltende Mengenaufteilung zwischen Bodenplatte und Wand erreicht.
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Dadurch wird der erzeugte Wandfilm ideal an die sich ändernden Strömungsbedingungen im Reaktor angepasst. Eine maximale Reduktion des Energiebedarfs zur Herstellung von Polysilicium ist die Folge.
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Durch diese gezielte Einbringung des an der Reaktorinnenseite abwärts gerichteten Frischgases wird der Wandfilm (d. h. die abwärts gerichtete Gasströmung in Wandnähe) derart beeinflusst, dass der Gesamtenergiebedarf des Reaktors signifikant sinkt.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Zirkulationsströmung im Reaktor aufrechterhalten wird. Dagegen wird beim Reaktor nach
JP2002241120 A2 beispielsweise die Zirkulationsströmung des Reaktionsgases nicht gefördert, sondern behindert.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass nur geringe Mengen an Frischgas über die Bodenplatten zur Aufrechterhaltung der Zirkulationsströmung eingedüst werden müssen. Die thermische Belastung der Siliciumstäbe wird deutlich reduziert. Risse und Abplatzungen können minimiert werden und ein gleichmäßigeres Stabwachstum ist möglich. Der Gesamtenergiebedarf des Prozesses wird signifikant gesenkt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen erläutert. Dabei wird auch erneut auf die 1 bis 8 Bezug genommen.
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Beispiele
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In einem Siemens-Abscheidereaktor (siehe 1 bis 8) wurden polykristalline Siliciumstäbe mit einem Durchmesser zwischen 150 und 170 mm abgeschieden.
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Dabei wurden mehrere Varianten zur Aufbringung eines Wandfilms an der Reaktorinnenwand getestet.
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Die Parameter des Abscheideprozesses waren bei allen Versuchen jeweils gleich.
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Die Versuche unterschieden sich nur in der Geometrie und Position der Wandeindüsungen, sowie der Massenstromaufteilung zwischen Bodenplatte und Wandeindüsung.
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Der Reaktorinnendurchmesser betrug bei allen Beispielen jeweils 1,7 m.
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Die Abscheidetemperatur lag im Chargenverlauf zwischen 1000°C und 1100°C.
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Während des Abscheideprozesses wurde ein Feed bestehend aus Trichlorsilan und Wasserstoff als Trägergas zugegeben.
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Beispiel 1
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CVD-Reaktor ausgerüstet nach 1.
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Bei dieser Variante wird der Wandfilm senkrecht nach unten, tangential zum zylindrischen Bereich der Glockenwand eingebracht.
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Die Eindüsung wurde über eine zurückspringende Stufe mit 240 am Umfang verteilten zylindrischen Eindüsungen ermöglicht.
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Der an der Wand eingebrachte Anteil des Massenstroms am Gesamtmassenstrom lag zwischen 60% und 90%, abhängig von der Abscheidezeit (beginnend mit 60%, endend mit 90%). (Ainl.)/(AReac) = 1/20000.
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Abstand der Wandeintrittsbohrungen zur Bodenplatte war 2,3 m.
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Es wurden 5 Chargen gefahren.
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Beim Enddurchmesser wurde eine Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme von im Mittel 7% gemessen gegenüber der Eindüsung der gesamten Feedmenge über die Bodenplatte.
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Beispiel 2
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CVD-Reaktor ausgerüstet mit Variante A von 2.
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Positionierung der Bohrungen nach 4.
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Bei dieser Variante wird der Wandfilm über eine Reihe mit 180 am Umfang verteilten Bohrungen unter einem Winkel von 25° eingebracht. (Ainl.)/(AReac) = 1/7000.
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Abstand der Eintrittsbohrungen zur Bodenplatte war 2,0 m.
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Der an der Wand eingebrachte Anteil des Massenstroms am Gesamtmassenstrom lag zwischen 50% und 90% abhängig von der Abscheidezeit (beginnend mit 50%, endend mit 90%).
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Es wurden 10 Chargen gefahren.
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Beim Enddurchmesser wurde eine Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme von im Mittel 5% gemessen gegenüber der Eindüsung der gesamten Feedmenge über die Bodenplatte.
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Beispiel 3 CVD-Reaktor ausgerüstet mit Variante B von 2.
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Positionierung der Bohrungen nach 8.
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Bei dieser Variante wird der Wandfilm über zwei Blöcke von versetzen Bohrungsreihen von jeweils 360 Bohrungen unter einem Winkel von 20° an der Glockenwand in den Reaktor eingebracht.
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Jeder Block besteht aus jeweils 3 Bohrungsreihen zu jeweils 120 Bohrungen. Die Bohrungsreihen hatten jeweils einen vertikalen Abstand von 3 Bohrungsdurchmessern voneinander.
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Das Verhältnis l/D betrug 0,5. (Ainl.)/(AReac) = 1/44000
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Der Abstand zwischen Bodenplatte und Mitte des ersten Bohrungsblocks war 2,2 m.
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Der Abstand zwischen Bodenplatte und Mitte des zweiten Bohrungsblocks zur Bodenplatte war 1,35 m.
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Der an der Wand eingebrachte Anteil des Massenstroms lag zwischen 50% und 90% abhängig von der Abscheidezeit (beginnend mit 50%, endend mit 90%).
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Es wurden 6 Chargen gefahren.
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Beim Enddurchmesser wurde eine Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme von im Mittel 11% gemessen gegenüber der Eindüsung der gesamten Feedmenge über die Bodenplatte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2002241120 A2 [0005, 0050]
- DD 64047 A [0006]
- AT 220591 B [0007, 0009]
- CN 201313954 Y [0008, 0008]
- US 2011229638 A2 [0010]