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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von reinem Silizium in einer Abscheidekammer durch chemische Gasphasenabscheidung von Silizium auf der Oberfläche eines Abscheidekörpers unter Zufuhr von Silan und Wasserstoff, wobei der Abscheidekörper auf eine vorgegebene im Wesentlichen konstante Temperatur temperiert wird.
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Bei diesem Verfahren wird ein Gas oder ein Gasgemisch mit mindestens einer Silizium enthaltenden Komponente in eine geeignete Abscheidekammer eingeleitet. Als die Silizium enthaltende Komponente wird zumeist eine chemische Verbindung mit der allgemeinen Formel HnSiCl4.n, wobei n = 0 – 4 ist, verwendet. Eine solche Verbindung wird allgemein als Silan bezeichnet.
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Um eine sinnvolle Abscheidung von Silizium zu bewirken, müssen ein oder mehrere Abscheidekörper in der Abscheidekammer vorhanden sein und diese müssen auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die nur geringfügig unter der Schmelztemperatur von Silizium liegt. Üblicherweise werden Abscheidekörper in Form von Silizium-Dünnstäben verwendet, die durch eine Widerstandsheizung aufgeheizt werden. Dazu wird elektrischer Strom durch den Abscheidekörper geleitet, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Gegebenenfalls muss der durch den Abscheidekörper fließende Strom entsprechend dem sich mit der Temperaturerhöhung verändernden Widerstand des Abscheidekörpers und mit zunehmender Schichtstärke des auf diesem abgeschiedenen Siliziums bei Messung der Temperatur nachgeregelt werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass das auf dem Abscheidekörper abgeschiedene Silizium auch nicht kurzzeitig über die Schmelztemperatur von Silizium aufgeheizt wird. Bei dem Abscheidevorgang wird Silizium aus der Gasphase auf dem Abscheidekörper abgeschieden, wobei sich eine Schicht aus hochreinem amorphem Silizium ausbildet.
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Ein solches Verfahren zur Herstellung von hochreinem Silizium ist aus der
DE 1 233 370 B unter der Bezeichnung „SIEMENS-Verfahren“ bekannt geworden. Bei diesem Verfahren wird Trichlorsilan in Gegenwart von Wasserstoff an entsprechend vorgeheizten Silizium-Dünnstäben in einer Abscheidekammer abgeschieden, bis die Siliziumstäbe einen gewünschten Durchmesser erreicht haben. Bei diesem Verfahren wird Trichlorsilan in Gegenwart von Wasserstoff an den heißen Silizium-Dünnstäben entsprechend folgender Gleichung
SiHCl3 + H2 -> Si + 3HCL (1) zersetzt.
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Mit Erreichen eines vorgegebenen Durchmessers der Siliziumstäbe, bzw. der vorgegebenen Schichtdicke des abgeschiedenen Siliziums, muss die Gaszufuhr in die Abscheidekammer gestoppt und diese abgekühlt und gespült werden, bis die beschichteten Siliziumstäbe entnommen werden können.
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Das Problem beim „SIEMENS-Verfahren“ ist darin zu sehen, dass es nicht möglich ist, besonders große Schichtdicken der Silizium-Beschichtung anzustreben, weil mit zunehmender Schichtdicke zugleich eine Verringerung der Wärmeleitung einhergeht. Das bedeutet, dass die Energiezufuhr über die Widerstandsheizung mit zunehmendem Durchmesser erhöht werden müsste, was aber dann zu einer inneren Überhitzung mit nachfolgender Zerstörung des Siliziumstabes führen würde. Somit muss das „SIEMENS-Verfahren“ vor Erreichen einer kritischen Dicke der Silizium-Beschichtung gestoppt werden.
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Nach der Entnahme der beschichteten Siliziumstäbe kann die Abscheidekammer wieder mit neuen Silizium-Dünnstäben bestückt und der vorstehende Prozess erneut gestartet werden. Es ist somit aus den genannten Gründen nicht möglich, das „SIEMENS-Verfahren“ als einen kontinuierlichen Prozess zu gestalten.
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Das Ergebnis des „SIEMENS-Verfahrens“ sind Siliziumstäbe, die mit einer amorphen Siliziumschicht beschichtet sind. Um hieraus nun einkristallines Reinstsilizium herstellen zu können, so wie es beispielsweise zur Herstellung von Solarzellen benötigt wird, werden die Siliziumstäbe zerkleinert und die Bruchstücke eingeschmolzen. Anschließend kann aus der Schmelze einkristallines Silizium beispielsweise durch Kristallziehen hergestellt werden, die dann zur weiteren Prozessierung zur Verfügung stehen.
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Das Problem ist hier, dass bei der Zwischenlagerung der Siliziumstäbe möglichst verhindert werden muss, dass diese äußerlich zu Siliziumoxid oxidieren, was bedeutet, dass die Lagerung in einer sauerstoffreien Atmosphäre erfolgen muss. Alternativ muss die Oxidschicht vor oder nach dem Zerkleinern durch Ätzen entfernt werden.
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Es versteht sich, dass das „SIEMENS-Verfahren“ zur Herstellung von mit amorphem Silizium beschichteten Siliziumstäben und die anschließende Prozessierung zu einkristallinem Reinstsilizium ein sehr zeitaufwändiger und damit kostspieliger Prozess ist.
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Ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Reinst-Silizium wird hingegen in der
US 7 927 984 B beschrieben, welches das vorstehend beschriebene SIMENS-Verfahren in einen kontinuierlichen Prozess weiterentwickelt. Hierzu wird ein Wirbelschicht-Verfahren verwendet, welches grundsätzlich auch aus anderen Prozessen bekannt ist, bei dem heiße Silizium-Partikel in einer Abscheidekammer in einer Wirbelschicht verwirbelt werden und Trichlorsilan und Wasserstoff hinzugefügt wird.
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Dabei zersetzt sich das Trichlorsilan nach Gleichung (1) und Silizium wird an den heißen Silizium-Partikeln abgeschieden. Mit zunehmendem Durchmesser und damit zunehmendem Gewicht der Partikel sinken diese schließlich nach unten und können automatisch über einen Trichter im unteren Bereich des Reaktors und ein sich daran anschließendes Entnahmerohr aus der Abscheidekammer entfernt werden.
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Das Ergebnis dieses sehr aufwändigen Wirbelschichtverfahrens sind mit amorphem Silizium beschichtete Siliziumkugeln, die in einem weiteren Prozess entweder direkt, oder nach einer Zerkleinerung eingeschmolzen werden, um dann aus der Schmelze einkristallines Silizium herzstellen.
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Abgesehen davon, dass hier mit amorphem Silizium beschichtete Siliziumkugeln in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt werden können, muss auch hier verhindert werden, dass bei einer Zwischenlagerung eine Oxidation der äußeren Schicht der eintritt, oder die Oxidschicht muss ebenfalls vor dem Einschmelzen entfernt werden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von reinem Silizium in einem quasi kontinuierlichen Prozess nach dem „SIEMENS-Verfahren“ mit verbesserter Leistungsfähigkeit zu schaffen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung von reinem Silizium in einer Abscheidekammer durch chemische Gasphasenabscheidung von Silizium auf der Oberfläche eines Abscheidekörpers unter Zufuhr von Silan und Wasserstoff, wobei der Abscheidekörper auf eine vorgegebene im Wesentlichen konstante Temperatur temperiert wird, gelöst durch
- – Anordnen von mindestens einem Abscheidekörper in der Abscheidekammer, wobei der Abscheidekörper aus einem Material besteht, dass eine im Vergleich zu Silizium höhere Schmelz- bzw. Zersetzungstemperatur aufweist,
- – Aufheizen des Abscheidekörpers auf eine Temperatur, die über der für die Abscheidung von Silizium notwendigen Temperatur liegt,
- – Abscheiden von Silizium zur Ausbildung einer Silizium-Hülse auf dem Abscheidekörper,
- – Aufschmelzen der dem Abscheidekörper am nächsten kommenden Silizium-Schicht, ohne dass die gesamte Silizium-Hülse in ihrer Stabilität beeinträchtigt wird, und
- – Entnahme der Silizium-Hülse unterhalb des Abscheidekörpers aus der Abscheidekammer nach dem, oder während des schwerkraftbedingten Abrutschens der Silizium-Hülse vom Abscheidekörper infolge deren Eigengewichtes.
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Bei einer ersten Fortführung der Erfindung wird die Zufuhr von Silan und Wasserstoff in die Abscheidekammer mit Beginn des Abrutschens der Silizium-Hülse vom Abscheidekörper gestoppt. Damit wird der Abscheideprozess von reinem Silan auf der Silizium-Hülse ebenfalls gestoppt und kann nach deren Entnahme der Silizium-Hülse aus der Abscheidekammer erneut gestartet werden.
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Alternativ können Silan und Wasserstoff auch permanent zugeführt werden.
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In einer besonderen Fortführung der Erfindung erfolgt eine kontinuierliche Entfernung der Silizium-Hülse aus der Abscheidekammer unter Aufschmelzen der dem Abscheidekörper am nächsten liegenden Silizium-Schicht, wobei die kontinuierliche Abscheidung auf den am weitesten vom Abscheidekörper entfernten Außenumfangsfläche der Silizium-Hülse während deren Absinkens der Silizium-Hülse vom Abscheidekörper und deren Entnahme fortgesetzt wird.
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In einer weiteren Fortführung der Erfindung wird die Abscheidung von Silizium an mindestens einem in der Abscheidekammer stehenden Abscheidekörper vorgenommen.
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In einer Variante der Erfindung erfolgt die Abscheidung von Silizium an mindestens einem in der Abscheidekammer frei hängenden, oder beidseitig befestigten Abscheidekörper.
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Schließlich können Abscheidekörper in Form zylindrischer oder kegelförmiger Rohre, oder in Form eines Zylinders oder Quaders verwendet werden.
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Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Abscheidekammer zur Abscheidung von Silizium auf einem in dieser stehenden Abscheidekörper und einer trichterförmigen Vertiefung im Boden der Abscheidekammer;
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2: die Abscheidekammer mit einem gleichmäßig mit amorphem Silizium beschichteten Abscheidekörper;
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3: die Abscheidekammer mit einem Abscheidekörper mit schwerkraftbedingt herabgesunkener amorpher Silizium-Hülse mit in Richtung zum Boden der Abscheidekammer stufenweise zunehmendem Durchmesser; und
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4: eine schematische Darstellung einer Abscheidekammer entsprechend 1 mit einem in dieser über der trichterförmigen Öffnung hängenden Abscheidekörper mit schwerkraftbedingt in die trichterförmige Öffnung abrutschender Silizium-Hülse.
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In 1 ist eine Abscheidekammer 1 zur Abscheidung von Silizium auf einem in dieser stehenden Abscheidekörper 2 schematisch dargestellt. Diese Wände 3 der Abscheidekammer 1 können aus einem geeigneten Material, wie Quarzglas bestehen. Weiterhin ist die Abscheidekammer 1 unten mit einem lösbaren Boden 4 versehen, der mit mindestens einer als Auslass dienenden trichterförmigen Vertiefung 5 versehen ist. In der trichterförmigen Vertiefung 5, die gleichzeitig den Innenraum der Abscheidekammer 1 gegenüber der Umgebung abdichtet, steht beispielhaft ein Abscheidekörper 2.
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Es versteht sich, dass anstelle des in 1 dargestellten einzelnen Abscheidekörpers 2 selbstverständlich auch eine Vielzahl solcher Abscheidekörper 2 in einer entsprechend dimensionierten Abscheidekammer 1 jeweils in einer trichterförmigen Vertiefung 5 angeordnet sein können.
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In der Abscheidekammer 1 erfolgt die Abscheidung von Silizium auf dem Abscheidekörper gemäß Gleichung (1) nach dem klassischen „SIEMENS-Verfahren“ in einer semikontinuierlichen Betriebsweise. Die für die Gaszu- und Ableitung des Silans, sowie des für die Umsetzung in reines Silizium benötigten Wasserstoffs erforderlichen Medienanschlüsse sind in den 1–4 nicht dargestellt, da diese für das Verständnis der folgenden Ausführungen nicht benötigt werden.
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Die für die Abscheidung von Silizium auf dem Abscheidekörper 2 erforderliche Temperatur wird wie üblich durch eine elektrische Widerstandsheizung realisiert, indem ein entsprechender elektrischer Strom durch den Abscheidekörper geleitet wird.
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Das Besondere ist hier, dass Abscheidekörper 2 verwendet werden, die aus einem Material bestehen, dass eine im Vergleich zu Silizium höhere Schmelz- bzw. Zersetzungstemperatur aufweist. 1 zeigt einen der Abscheidekörper 2, der auf eine im Vergleich zu reinem Silizium höhere Temperatur aufgeheizt wurde und auf dem sich bereits eine dünne amorphe Siliziumschicht in Form einer Silizium-Hülse 6 abgeschieden worden ist.
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Nach dem Anwachsen der der auf dem Abscheidekörper 2 abgeschiedenen Silizium-Hülse 6 auf eine gewisse Stärke erfolgt ein Aufschmelzen der dem Abscheidekörper 2 am nächsten kommenden Silizium-Schicht, ohne dass die gesamte Silizium-Hülse in ihrer Stabilität beeinträchtigt wird. Das Aufschmelzen des an den Abscheidekörper 2 angrenzenden Siliziums erfolgt infolge des durch das Dickenwachstum der Silizium-Hülse 6 eintretenden Wärmestaus in diesem Bereich. Eine gezielte Temperaturerhöhung des Abscheidekörpers 2 ist für diesen Vorgang nicht erforderlich.
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Die aus 2 ersichtliche Silizium-Hülse 6 besitzt durch die fortschreitende Abscheidung von Silizium eine gegenüber der in 1 dargestellten Silizium-Hülse 6 eine größere Schichtdicke. Gleichzeitig rutscht die Silizium-Hülse 6 infolge deren Eigengewichtes dadurch schwerkraftbedingt nach unten in die trichterförmigen Vertiefung 5, wie in 2 dargestellt und kann dort aus der Abscheidekammer 1 entfernt werden.
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Die Zufuhr von Silan wird zu Beginn des Abrutschens der Silizium-Hülse 6 gestoppt, bis diese vollständig aus der Abscheidekammer entfernt worden ist.
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Anschließend wird der vorstehend beschriebene Abscheidezyklus wiederholt, wobei der Abscheidekörper 2 dauerhaft in der Abscheidekammer 1 verbleiben kann. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die sogenannte „Totzeit“ zwischen den Abscheidezyklen gegenüber dem klassischen „SIEMENS-Verfahren“ deutlich verkürzt wird.
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3 zeigt eine Möglichkeit zur weiteren Verkürzung der „Totzeit“.
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In diesem Fall erfolgt eine kontinuierliche Entfernung der Silizium-Hülse 6 aus der Abscheidekammer 1 durch Aufschmelzen der dem Abscheidekörper 2 am nächsten liegenden Silizium-Schicht, was zu dem bereits beschriebenen Absinken oder Abrutschen der Silizium-Hülse 6 vom Abscheidekörper 6 führt, wobei im Gegensatz zu dem anhand von 2 beschriebenen Fall die kontinuierliche Abscheidung auf den am weitesten vom Abscheidekörper entfernten Schichten auch während des Abrutschens der Silizium-Hülse 6 fortgesetzt wird.
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Das wird durch eine entsprechende Leistungsverteilung der über die Widerstandsheizung zugeführten Wärmemenge gesteuert.
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Die Folge ist eine Silizium-Hülse mit einem nach unten gestuft oder kontinuierlich zunehmenden Durchmesser, wobei zugleich der Effekt ausgenutzt wird, dass auf einer größeren Außenumfangsfläche der Silizium-Hülse zugleich eine größere Menge an Silizium abgeschieden wird. Auf diese Weise wird eine kontinuierliche Abscheidung und Gewinnung von Reinst-Silizium ermöglicht, in dem eine kontinuierliche Entnahme der abgerutschten Silizium-Hülse 6 aus der Reaktionskammer 1 ermöglicht wird.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Abscheidekammer 1 entsprechend 1 mit einem in dieser über der trichterförmigen Vertiefung hängend angeordneten Abscheidekörper 2 mit schwerkraftbedingt in die trichterförmige Vertiefung 5 abrutschender Silizium-Hülse 6. Auch in diesem Fall wird die Silizium-Abscheidung während des Absinkens der Silizium-Hülse 6 nicht unterbrochen, so dass ebenfalls eine kontinuierliche Abscheidung und Gewinnung von Reinst-Silizium ermöglicht wird, in dem eine kontinuierliche Entnahme der herabgesunkenen Silizium-Hülse 6 mit nach unten zunehmendem Durchmesser aus der Reaktionskammer ermöglicht wird. Selbstverständlich kann auch in diesem Fall eine Unterbrechung der Abscheidung erfolgen, die nach Entnahme der Silizium-Hülse 6 wieder gestartet werden kann.
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Dadurch, dass der oder die Abscheidekörper 2 dauerhaft in der Abscheidekammer 1 verbleiben können, wird eine zusätzliche Kostenersparnis durch den Wegfall der Herstellung der sonst benötigten Silizium-Dünnstäbe, die in einem zusätzlichen Prozess hergestellt werden müssten, erreicht.
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Alternativ kann die Abscheidung von reinem Silizium auch auf einem beidseitig in der Abscheidekammer 1 befestigten Abscheidekörper 2 erfolgen, wobei die Form des Abscheidekörpers 2 keine Rolle spielt. Der Abscheidekörper 2 kann auch die Forme eines Quaders, Zylinders oder eines zylindrischen bzw. kegelförmigen Rohres aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abscheidekammer
- 2
- Abscheidekörper
- 3
- Wand
- 4
- Boden
- 5
- Vertiefung/Auslass
- 6
- Silizium-Hülse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1233370 B [0004]
- US 7927984 B [0011]
