DE2919086A1 - METHOD FOR PRODUCING POLYCRYSTALLINE SILICON - Google Patents
METHOD FOR PRODUCING POLYCRYSTALLINE SILICONInfo
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Description
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— 3 —
S 1759- 3 -
S 1759
"Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silizium""Process for the production of polycrystalline silicon"
Das am 11. April 1978 Joseph C, Schumacher erteilte, der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung übersehriebene US-Patent 4 084 024 beschreibt und beansprucht ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Silizium durch Wasserstoff-Reduktion bei verhältnismäßig hohen Temperaturen, beispielsweise im Temperaturbereich 900 - 1200 0C. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft dagegen die Herstellung von Halbleiter-Silizium durch thermischeUS Pat. No. 4,084,024, issued April 11, 1978 to Joseph C, Schumacher, to the assignee of the present application, describes and claims a process for the production of semiconductor silicon by hydrogen reduction at relatively high temperatures, for example in the temperature range 900-1200 0 C. The method according to the invention, on the other hand, relates to the production of semiconductor silicon by thermal means
Zerlegung bei niedrigeren, wirtschaftlich günstigeren Temperaturen des Bereichs von ca. 500 - 90Ό °G.Dismantling at lower, economically more favorable temperatures of the range from approx. 500 - 90 ° G.
Wie im oben erwähnten Patent ausgeführt, haben die letzten Entwicklungen auf dem Gebiet der Halbleitertechnik eine starke Nachfrage nach preisgünstigen Üilizium-Einkristallen sehr hoher Reinheit, dem sogenannten Halbleiter-Silizium hervorgerufen, das zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen und Silizium-Solarzellen verwendet wird. Es wurde deshalb eine größere Anzahl von Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Silizium einschließlich des im obigen Patent angegebenen Verfahrens vorgeschlagen. Die ,bekannten Verfahren zerfallen in die folgenden sechs Gruppen.As stated in the above-mentioned patent, the latter Developments in the field of semiconductor technology create a strong demand for inexpensive silicon monocrystals that are very high Purity, the so-called semiconductor silicon, which is used to manufacture semiconductor components and silicon solar cells is used. There have therefore been a greater number of methods of manufacturing semiconductor silicon including the method indicated in the above patent. The known methods are broken down into the following six groups.
1. Das in den DD-Patenten 1 066 564, 1 102 117 und 1 233 815 beschriebene Siemens-Verfahren und das im Britischen Patent 904 239 beschriebene Verfahren, nach denen praktisch das gesamte polykristalline Halbleiter-Silizium hergestellt wird, und die sich durch die folgende chemische Reaktion ausdrücken lassen: Kupferkata_1. The Siemens process described in DD patents 1 066 564, 1 102 117 and 1 233 815 and the process described in British patent 904 239, according to which practically all of the polycrystalline semiconductor silicon is produced and which are characterized by the express the following chemical reaction: copper kata _
Si (MG) + HCl * SiCl. + SiHCl, + andere Neben-Si (MG) + HCl * SiCl. + SiHCl, + other minor
lysator 4 ;> produktelyser 4;> Products
SiHCl, + H9 -I0-0^—£U Si + SiCl- + HCl + explosive Si-H-X-SiHCl, + H 9 -I 0 - 0 ^ - £ U Si + SiCl- + HCl + explosive Si-HX-
2 ■ ■ * Polymer-Nebenprodukte 2 ■ ■ * polymer by-products
Es handelt sich hierbei um ein Hochtemperatur-Verfahren zur chargenweisen· Herstellung heterogen zusammengewachsenerThis is a high-temperature process for the batch-wise production of heterogeneously grown together
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Silizium-Fäden, wobei große Mengen von SiCl, und explosive Polymer-Nebenprodukte entstehen, die beseitigt werden müssen. Wegen dieser Nebenprodukte ist das Verfahren nicht im geschlossenen Kreislauf durchzuführen. Außerdem wird ein 2Ό:1 Überschuß von Hp über das stöchiometrische Verhältnis hinaus benötigt.Silicon filaments, with large amounts of SiCl, and explosive polymer by-products arise that must be eliminated. Because of these by-products, the process is not closed Perform cycle. There is also a 2Ό: 1 excess of Hp needed beyond the stoichiometric ratio.
2. In manchen Fällen wird die Reduktion von Siliziumtetrachlorid mit Wasserstoff verwendet, da SiCl, als Nebenprodukt des Siemens-Verfahrens verfügbar ist. Eine alternative SiCl4-Herstellungsreaktion wird angeführt, da sie als Quelle für SiCl, dienen kann:2. In some cases the reduction of silicon tetrachloride with hydrogen is used because SiCl is available as a by-product of the Siemens process. An alternative SiCl 4 production reaction is given as it can serve as a source for SiCl:
Si + 2Cl2 ** Si + 2Cl 2 **
1 ones p
4 + 2H2 '·££!■— *► Si + 4HCl + Polymere.1 ones p
4 + 2H 2 '££! ■ - * ► Si + 4HCl + polymers.
Es handelt sich hierbei wiederum um ein nicht im geschlossenen Kreislauf durchführbares Hochtemperatur-Verfahren zur chargenweisen Herstellung-, bei dem ein heterogenes Wachstum auf Keimen auf einer beheizten Trägerfläche stattfindet, wobei ein großer H?-Überschuß benötigt wird.This is again a high-temperature process for batch production that cannot be carried out in a closed cycle, in which heterogeneous growth on germs takes place on a heated support surface, with a large H ? -Excess is needed.
3. Bei dem in Uü-Patenten 3 012 862 und 4 084 024 beschriebenen DuPont-Verfahren werden SiX4 oder SiHX, (wobei X = Cl, Br oder J) durch H2, Zn oder Cd in einer flüssigen oder beweglichen Bettung reduziert. Die chemischen Vorgänge lassen sich wie folgt ausdrücken:3. In the DuPont process described in Uü patents 3,012,862 and 4,084,024, SiX 4 or SiHX (where X = Cl, Br or I) is reduced by H 2 , Zn or Cd in a liquid or mobile bed. The chemical processes can be expressed as follows:
I. Herstellung des zugeführten Materials:I. Production of the supplied material:
(MG) Si + 3HX ► SiHX,. + SiJL. + H9 usw.(MG) Si + 3HX ► SiHX ,. + SiJL. + H 9 etc.
mit SiX, als Nebenproduktwith SiX, as a by-product
oder (MG) Si + 2X2 ► SiX4 or (MG) Si + 2X 2 ► SiX 4
II. Herstellung von hochreinem Silizium:II. Production of high purity silicon:
Süffig + H2 Si + HX + SiZ4
+ Polymere für X = Cl
oderDrinkable + H 2 Si + HX + SiZ 4 + polymers for X = Cl
or
SiX4 + H2 *· Si + HX + PolymereSiX 4 + H 2 * · Si + HX + polymers
oderor
SiHX5 + M , Si + H2 + MX2 (mit M = Zn, Cd) oderSiHX 5 + M, S i + H 2 + MX 2 (with M = Zn, Cd) or
SiX4 + M ► Si + MX2 (M = Zn, Cd)SiX 4 + M ► Si + MX 2 (M = Zn, Cd)
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Diese Verfahren lassen sich bei mäßig hohen Temperaturen in nicht geschlossenen Kreisläufen durchführen; die Nebenprodukte hängen von der jeweiligen Chemie des Verfahrens ab. Wasserstoff muß in starkem Überschuß verwendet werden.These processes can be carried out at moderately high temperatures in non-closed circuits; the by-products depend on the chemistry of the process. hydrogen must be used in large excess.
4. Das im US-Patent 3 020 129 beschriebene Jodid-Verfahren läßt sich wie folgt ausdrücken:4. The iodide process described in U.S. Patent 3,020,129 can be expressed as follows:
Si + 2JO >- SiJ .Si + 2J O > - SiJ.
c 4 c 4
mit anschließender thermischer Zerlegung zur Herstellung von Si:with subsequent thermal decomposition for the production of Si:
S1 + 2JS1 + 2Y
S1 + 2J2S1 + 2J2 mm
Dieses Verfahren zur chargenweisen Herstellung ergibt bei mäßigen Temperaturen im geschlossenen Kreislauf polykristallines Silizium oder Silizium-Einkristalle an als Keimen wirkenden Teilchen oder beheizten i'äden.This process of batch production produces polycrystalline at moderate temperatures in a closed circuit Silicon or silicon single crystals on particles acting as nuclei or heated threads.
5. Das Verfahren der Firma Union Carbide läßt sich wie folgt darstellen:5. The Union Carbide process is as follows represent:
Trichlorsilan-Hersteilung ■ ο ■ Si + 2H2 + 3SiCl4 £22—£—+ 4Trichlorosilane production ■ ο ■ Si + 2H 2 + 3SiCl 4 £ 22— £ - + 4
Umverteilung zu Silan durch Ionenaustausch gemäßRedistribution to silane by ion exchange according to
^1HC13 SiH2C12 + 23iH2C12 SiH3C1 + SiHG13^ 1HC1 3 SiH 2 C1 2 + 23iH 2 C1 2 SiH 3 C1 + SiHG1 3
^in301 " 5SiH4 + SiC14^ in 3 01 " 5SiH 4 + SiC1 4
mit geeigneter Rückführung der Nebenprodukte und anschließender thermischer Zerlegung des Silans:with suitable recycling of the by-products and subsequent thermal decomposition of the silane:
SiH4 5°° - 900 °C > Si + 2JJ2 SiH 4 5 °° - 900 ° C > Si + 2JJ 2
Das Verfahren läßt sich bei niedrigen Temperaturen im geschlossenen Kreislauf durchführen und umfaßt eine Zwischen-Umverteilung durch Ionenaustausch. Ein homogen um Keime ausgebildetes Produkt wird erhalten«The process can be carried out at low temperatures in a closed circuit and includes intermediate redistribution by ion exchange. A product with a homogeneous structure around germs is obtained "
6. Thermische Zerlegung von Trichlorsilan gemäß6. Thermal decomposition of trichlorosilane according to
31 +31 +
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ist in den US-Patenten 2 943 9Ö1 und 3 012 ö61 beschrieben. Das Trichlorsilan wird hergestellt gemäßis described in U.S. Patents 2,943,901 and 3,012,661. The trichlorosilane is produced according to
Si + HCl ► SiHCl5 + SiCl4 + andere SubstanzenSi + HCl ► SiHCl 5 + SiCl 4 + other substances
sodaß sich ein nicht im geschlossenen Kreislauf durchführbares Verfahren ergibt. Chargenbetrieb wird vorgeschlagen, um heterogene Ansammlung des Materials zu fördern und um homogene Ausbildung, die als schädlich angesehen wird, zu vermeiden.so that there is a process that cannot be carried out in a closed cycle. Batch operation is suggested to be heterogeneous To encourage accumulation of material and to avoid homogeneous training which is considered harmful.
Bekannt sind ferner zahlreiche andere Verfahren und geringe Abwandlungen der oben beschriebenen Verfahren; keines dieser Verfahren steht jedoch in wesentlicher Beziehung zur vorliegenden Erfindung.Numerous other methods and minor modifications of the methods described above are also known; none of these However, the method is fundamentally related to the present invention.
Ein wichtiges Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist es, daß es sich um ein kontinuierliches Verfahren handelt, das sich von den oben kurz beschriebenen Chargen-Verfahren 1, 2, 4 und unterscheidet. Ein kontinuierliches Verfahren stellt in bekannter Weise eine Verbesserung gegenüber Verfahren zur chargenweisen Herstellung dar, da sich eine Verminderung des Kapitaleinsatzes und der Betriebskosten pro Einheit des hergestellten Produkts ergeben.An important feature of the present invention is that it is a continuous process that is differs from the batch processes 1, 2, 4 and briefly described above. A continuous process is well known Way an improvement over batch processes Manufacturing because there is a reduction in capital and operating costs per unit of product manufactured result.
Ein weiteres wichtiges Kennzeichen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß es sich bei niedrigen Temperaturen im geschlossenen Kreislauf durchführen läßt, während die oben angegebenen Verfahren 1,2,3 und 6 nicht im geschlossenen Kreislauf durchführbare Hochtemperatur-Verfahren sind. Die bekannten Verfahren erfordern wegen des hohen Energieaufwands und der bei ihnen notwendigen Endlagerung korrodierender und gefährlicher Nebenprodukte höhere Betriebskosten.Another important feature of the invention The process is that it can be carried out at low temperatures in a closed circuit, while those indicated above Processes 1, 2, 3 and 6 are high temperature processes that cannot be carried out in a closed cycle. The known Processes require because of the high energy consumption and the necessary final storage of corrosive and dangerous By-products higher operating costs.
Ein weiteres Kennzeichen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß die direkte thermische Zerlegung von Trihalogensilan mit hohen Ausbeuten im Vergleich zur thermischen Zerlegung mit niedrigen Ausbeuten gemäß US-Patenten 2 943 918 und 3 012 861 durchgeführt wird, wobei es auch nicht notwendig ist, eine Umverteilung durch Ionenaustausch gemäß dem bekannten Verfahren 5 vorzunehmen, um ein für thermische Zerlegung geeignetes Material zu erhalten. Die für das erfindungsgemäße Verfahren typische Einfachheit ergibt eine Verringerung der Kom-Another characteristic of the method according to the invention is that the direct thermal decomposition of trihalosilane with high yields compared to the low yield thermal decomposition according to US Patents 2,943,918 and 3 012 861 is carried out, it also not being necessary to redistribute by ion exchange according to the known Perform Procedure 5 to obtain a thermal decomposition Material. The for the inventive method typical simplicity results in a reduction in com-
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pliziertheit und der Betriebskonten und eine Verbesserung der Ausbeuten.complexity and operating accounts and an improvement in yields.
Ein weiteres wichtiges Kennzeichen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß es bei der thermischen Zerlegungsreaktion nicht zur Abscheidung von Material an den Wänden kommt, da eine kritische Temperaturdifferenz zwischen der Bettung und den Umgebungswänden aufrechterhalten wird.Another important feature of the invention The process is that the thermal decomposition reaction does not lead to the deposition of material on the walls, since a critical temperature difference between the bedding and the surrounding walls is maintained.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of the method according to the invention.
Beim ersten Verfahrensschritt der vorliegenden Erfindung wird metallurgisches Silizium-Metall mit einem Reinheitsgrad von 357° oder mehr mit Wasserstoff (Hp) und der richtigen Menge von Siliziumtetrahalogenid (SiX-) in einem Umwandlungsgefäß 10 für Rohsilizium zur Reaktion gebracht, um Trihalogensilan herzustellen, wobei die ReaktionIn the first process step of the present invention, metallurgical silicon metal with a purity of 357 ° or more is reacted with hydrogen (Hp) and the correct amount of silicon tetrahalide (SiX-) in a conversion vessel 10 for raw silicon to produce trihalosilane, the reaction
Si + SiX4 + 2HSi + SiX 4 + 2H
4 24 2
stattfindet. Das Reaktionsgefäß kann die erste Stufe einer Flüssigkeitsbettung sein, die im Temperaturbereich von 400 - 65O C unter atmosphärischem Druck oder höherem Druck gehalten wird. Das Reaktionsgefäß kann beispielsweise von der im US-Patent 2 993 beschriebenen Art sein.takes place. The reaction vessel can be the first stage of a liquid bed be in the temperature range of 400 - 65O C is kept under atmospheric pressure or higher pressure. The reaction vessel may, for example, be of that described in U.S. Patent 2,993 described type.
Das metallurgische Silizium kann örtlich in der elektrothermischen Silizium-Erzeugungsvorrichtung erzeugt werden, die im US-Patent 4 084 024 beschrieben ist, oder aus den üblichen Handelsquellen erhalten werden. Das metallurgische Silizium hat vorzugsweise eine Teilchengröße von 50-500 Mikron, um eine gute Fließfähigkeit zu gewährleisten. Verflüssigung wird mit Wasserstoff gas erzielt, das Tetrahalogenid-Dämpfe'enthält; diese werden in das Reaktionsgebiet durch einen Einlaßverdampfer 12 eingeleitet. Die Umwandlung im Reaktionsgefäß geht mit einem Wirkungsgrad von 30c/> oder mehr des stöchiometrischen Verhältnisses vor sich.The metallurgical silicon can be produced locally in the electrothermal silicon generator described in US Patent 4,084,024 or obtained from common commercial sources. The metallurgical silicon preferably has a particle size of 50-500 microns to ensure good flowability. Liquefaction is achieved with hydrogen gas containing tetrahalide vapors; these are introduced into the reaction area through an inlet evaporator 12. The conversion in the reaction vessel proceeds with an efficiency of 30 c /> or more of the stoichiometric ratio.
Ein Gemisch aus Trihalogenailan (SiIIX,) und nicht reagiertem Wasserstoff (Hp) sowie Tetrahalogensilan wird in der Dampfphase von der Spitze des Reaktionsgefäßes 10 in einen Kondensator 14A mixture of Trihalogenailan (SiIIX,) and unreacted Hydrogen (Hp) and tetrahalosilane are in the vapor phase from the top of the reaction vessel 10 into a condenser 14
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überführt. Verunreinigende Metallhalogenide werden vom Boden des Reaktionsgefäßes 10 abgenommen.convicted. Contaminant metal halides are removed from the bottom of the reaction vessel 10.
Der Wasserstoff und das Trihalogensilan werden im Trenngefäß 16 voneinander getrennt, wobei der Wasserstoff in das Reaktionsgefäß 10 zurückgeleitet wird. Das Trihalogensilan wird in eine Reinigungsanlage 18 überführt, in der es im zweiten Verfahrensschritt der Erfindung gereinigt wird. Im zweiten Verfahrensschritt wird das nicht in Reaktion gegangene Siliziumtetrahalogenid wiedergewonnen und dem Zuführungssystem des Reaktionsgefäßes 10 über eine Trommel 20 zugeführt.The hydrogen and the trihalosilane are in the separation vessel 16 separated from one another, the hydrogen being returned to the reaction vessel 10. The trihalosilane is converted into a Transferred cleaning system 18, in which it is cleaned in the second method step of the invention. In the second process step, the silicon tetrahalide that has not reacted is used recovered and the feed system of the reaction vessel 10 fed via a drum 20.
Ein wichtiger Punkt ist, daß die im Reaktionsgefäß 10 im ersten Schritt des erfindungogemäßen Verfahrens stattfindende Umwandlung in einem Ungleichgewicht stattfindet, d.h. die bei 4-00-650 0C im Reaktionsgefäß stattfindende ReaktionAn important point is that which takes place in the reaction vessel 10 in the first step of the method erfindungogemäßen transformation takes place in an imbalance, that is taking place at 4-00-650 0 C in the reaction vessel reaction
Si + 2H2 + 4 5 Si + 2H 2 + 4 5
hat eine positive freie Energie von 5-10 Kcal pro Mol und eine Gleichgewichtskonstante, die kleiner als 1 ist, da df = - RTInK Die Reaktionsprodukte müssen deshalb kontinuierlich aus dem Reaktionsgefäß entfernt werden. Die Herstellung von Trihalogensilan (SiHX.,) findet damit aufgrund des Massenwirkungsgesetzes unter Ungleichgewichtsbedingungen statt.has a positive free energy of 5-10 Kcal per mole and an equilibrium constant that is less than 1, since df = - RTInK The reaction products must therefore be continuously removed from the reaction vessel. The manufacture of trihalosilane (SiHX.,) Thus takes place on the basis of the law of mass action takes place under imbalance conditions.
Beim zweiten Verfahrensschritt wird das Trihalogensilan in der Reinigungsvorrichtung 18 durch Destillation gereinigt, ehe die weitere Umwandlung in extrem reines polykristallines Silizium stattfindet. Reinigungsvorrichtung 10 kann eine einfache Destillationskolonne mit mehreren Platten sein und dient zur Trennung des zugeführten Trihalogensilans in eine Mischung aus weniger als 5?£ Tetrahalogensilan in Trihalogensilan mit einem metallischen oder organischen Verunreinigungsgehalt von weniger als 100 Teilen pro Milliarde; ferner in ein Gemisch aus Trihalogensilan und Tetrahalogensilan mit wesentlich mehr als 100 Teilen pro Milliarde von metallischen und organischen Verunreinigungen als Rückstand. Der Rückstand wird dem Reaktionsgefäß der ersten Stufe in der oben beschriebenen Weise durch Trommel 20 wieder zugeführt. Der Dampfstrom der Kolonne wird dem Reaktionsgefäß 2b über einen Kondensator 22 und eine Trennstufe 24In the second process step, the trihalosilane is purified in the purification device 18 by distillation before the further conversion into extremely pure polycrystalline silicon takes place. Cleaning device 10 can be a simple Be a distillation column with several plates and is used to separate the supplied trihalosilane into a mixture of less than £ 5 tetrahalosilane in trihalosilane with a metallic or organic impurity content of less than 100 parts per billion; also in a mixture of trihalosilane and tetrahalosilane with significantly more than 100 parts per billion of metallic and organic impurities as a residue. The residue is tumbled into the first stage reaction vessel in the manner described above 20 fed back. The vapor stream from the column is the reaction vessel 2b via a capacitor 22 and a separation stage 24
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zugeführt, und durchläuft ferner einen Einlaßverdampfer 26, damit der dritte Verfahrensschritt durchgeführt werden kann. Wie beim vorhergehenden Schritt wird der aus der Trennstufe 24 stammende Wasserstoff dem Einleitungssystem für das Reaktionsgefäß 10 der ersten Stufe v/ieder zugeführt. Die Reinigungsvorrichtung 18 kann von der in dem Adcock et al. erteilten US-Patent 3 120 128 beschriebenen Art sein.is supplied, and also passes through an inlet evaporator 26, so that the third process step can be carried out. As in the previous step, the separation step 24 becomes originating hydrogen is fed back to the feed system for the reaction vessel 10 of the first stage. The cleaning device 18 can be derived from the method described in the Adcock et al. issued U.S. Patent 3,120,128.
Im dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Trihalogensilan in einem Reaktionsgefäß 28 bei einer Temperatur von 600-800 0G unter atmosphärischem Druck oder verringertem Druck zerlegt. Die thermische Zerlegung findet gemäß der Gleichung In the third step of the method the trihalosilane is decomposed in a reaction vessel 28 at a temperature of 600-800 0 G under atmospheric pressure or reduced pressure. The thermal decomposition takes place according to the equation
3 ► Ui η 3^iX4 + 2H2 3 ► Ui η 3 ^ iX 4 + 2H 2
statt.instead of.
Das Reaktions'produkt, nämlich hochreines Halbleiter-Silizium, entsteht im Reaktionsgefäß ?:ö zusammen mit den Nebenprodukten Wasserstoff und Tetrahalogensilan. Die Nebenprodukte werden in einer Kondensationsstufe 30 und einer Trennstufe 32 abgetrennt und in der dargestellten Weise dem Reaktionsgefäß 10 des ersten Verfahrensschritts wieder zugeführt, sodaß ein in sich geschlossener Kreislauf entsteht.The reaction product, namely high-purity semiconductor silicon, arises in the reaction vessel ?: Ö together with the by-products hydrogen and tetrahalosilane. The by-products are separated off in a condensation stage 30 and a separation stage 32 and fed back to the reaction vessel 10 of the first process step in the manner shown, so that a closed circuit is created.
Der zurückgeführte Wasserstoff wird in einem bekannten Aktivkohle-Filter 34 gereinigt und mit einem Kompressor 3b komprimiert. Der gereinigte, komprimierte V/asserstoff wird in einem Strahlmischer 38 zugeführt, in dem der Wasserstoff mit dem von Trommel 20 kommenden Silizium-Tetrahalogenid gemischt und dann dem Reaktionsgefäß 10 des ernten Verfahrensschritts zugeführt wird. In der dargestellten Weise kann außerdem fehlender Wasserstoff zugegeben werden.The recirculated hydrogen is in a well-known activated carbon filter 34 cleaned and compressed with a compressor 3b. The purified, compressed hydrogen is in one Jet mixer 38 supplied, in which the hydrogen with that of Drum 20 coming silicon tetrahalide mixed and then fed to the reaction vessel 10 of the harvesting process step will. In the manner shown, there can also be a lack of hydrogen be admitted.
Reaktionsgefäß 28 kann ein Reaktionsgefäß mit beweglicher Bettung der im einzelnen im UJ-Patent 4 084 024 beschriebenen Art sein; es kann sich hierbei auch um ein Reaktionsgefäß mit Flüssigkeitsschicht gemäß US-Patenten 3 012 861, 3 012 862 oder 3 963 838 handeln.Reaction vessel 28 may be a movable bed reaction vessel of the type described in detail in UJ Patent 4,084,024 Be kind; it can also be a reaction vessel with a liquid layer according to US Patents 3,012,861, 3,012,862 or 3 963 838 act.
Es ist ein wichtiges Kennzeichen des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß im Reaktionsgefäß 28 hochreines Halbleiter-SiliziumIt is an important characteristic of the method according to the invention, that in the reaction vessel 28 high-purity semiconductor silicon
03ÖO1O/O6O803ÖO1O / O6O8
bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur von beispielsweise 500-800 0C ohne Einleitung von Wasserstoff in das Reaktionsgefäß hergestellt wird; dies stellt einen Unterschied zur Hochtemperatur-Wasserstoffreduktion (bei 900-1500 0G) im Reaktionsgefäß dar, wie im US-Patent 4 084 024 beschrieben. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung beruht auf der Annahme, daß die Reaktionis produced at a relatively low temperature of, for example, 500-800 0 C without introducing hydrogen into the reaction vessel; this is in contrast to the high-temperature hydrogen reduction (at 900-1500 0 G) in the reaction vessel, as described in US Pat. No. 4,084,024. The method of the present invention is based on the assumption that the reaction
► Si + 3SiX4 + 2H► Si + 3SiX 4 + 2H
► Si + 3SiX4 + 2H2 ► Si + 3SiX 4 + 2H 2
im Temperaturbereich von 600-üOO 0C stattfindet und dabei eine hohe (80-100^) Ausbeute von gereinigtem Halbleiter-Silizium ergibt, das auf einer 'i'rägerflache als feine Teilchen aus gereinigtem Silizium abgeschieden wird.takes place in the temperature range of 600-üOO 0 C and thereby results in a high (80-100 ^) yield of purified semiconductor silicon, which is deposited on a 'i' carrier surface as fine particles of purified silicon.
Bei Temperaturen von mehr als 900 0C ändert sich die Wirkungsweise des Reaktionsgei'äßes 2b und die Silizium-Ausbeute fällt auf einen niedrigen Wert, nämlich etwa 1Ο'/ό, ab, wie dies zum Beispiel im US-Patent 3 012 : 61 beschrieben ist. Wasserstoff muß im Hochtemx>eratur-Bereich oberhalb 900 0 zugegeben werden, wie im US-Patent 4 084 024 beschrieben, um hochreines Silizium in der ReaktionAt temperatures of more than 900 ° C., the mode of action of the reaction vessel 2b changes and the silicon yield drops to a low value, namely about 1Ο '/ ό, as described, for example, in US Pat. No. 3,012: 61 is. Hydrogen must be added in the high temperature range above 900 0, as described in US Pat. No. 4,084,024, in order to obtain high-purity silicon in the reaction
HSlX3 + H2 > Si + 3HXHSlX 3 + H 2 > Si + 3HX
zu ergeben.to surrender.
Ein weiteres wichtiges Kennzeichen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der "geschlossene Kreislauf", durch den das Verfahren wirtschaftlich durchführbar wird. Das Verfahren ergibt praktisch keine Nebenprodukte, die nicht zur Wiederverwendung zurückgeführt werden können. Daa einzige beim Verfahren tatsächlich "verbrauchte" Material ist unreines Silizium, das in hochreines Halbleiter-Silizium umgewandelt wird.Another important feature of the invention Process is the "closed loop" through which the process becomes economically feasible. The procedure yields practically no by-products that cannot be recycled for reuse. Daa only in the process actually "used" material is impure silicon, which is converted into high-purity silicon Semiconductor silicon is converted.
Im erl'indungsgemäßen Verfahren wird Silizium aus der thermischen Trihalogensilan-Zerlegung als ein Gemisch aus einem homogen angesammelten feinen Pulver und einem heterogen gewachsenenIn the process according to the invention, silicon is obtained from the thermal Trihalosilane decomposition as a mixture of a homogeneously accumulated fine powder and a heterogeneously grown one
Silizium auf den flüssigen oder beweglichen Bettungsteilchen im Reaktionsgefäß 28 erhalten. Das Verhältnis von homogener zu heterogener Ansammlung hängt von verschiedenen Faktoren ab, zu denen (wenn auch nicht ausschließlich) gehören: 1. Ausgangsmaterial (Tribromsilan oder Trichlorsilan), 2. Temperatur undSilicon obtained on the liquid or mobile bedding particles in the reaction vessel 28. The ratio of homogeneous to heterogeneous accumulation depends on various factors which include (although not exclusively): 1. starting material (tribromosilane or trichlorosilane), 2. temperature and
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Druck bei der Zerlegung, 3. Größenverteilung der Teilchen der Bettungsschicht (des Trägermaterials) und Oberflächen-Vorbehandlung, 4. Flußgeschwindigkeit der Bettungsschicht und Relativgeschwindigkeit von Dampf und Teilchen, und 5. Tiefe der Bettung und Verweilzeit.Pressure during dismantling, 3. size distribution of the particles of the bedding layer (of the carrier material) and surface pretreatment, 4. Flow velocity of the bedding layer and relative velocity of steam and particles, and 5. depth of bedding and residence time.
Es ist wichtig, das Verhältnis von homogener zu heterogener Keimbildung zu steuern, um 1. eine sich selbst unterhaltende Bettungsschicht zu erzeugen, bei der Trägerteilchen an Ort und Stelle wachsen statt aus dem Produkt in einem getrennten Vorgang erzeugt zu werden, und 2. Wirkungsgrad und Geschwindigkeit der Umwandlung auf möglichst große Werte" zu bringen. Wirkungsgrade von mehr als 80-90$ der theoretischen Werte werden routinemäßig bei der Umwandlung erzielt.It is important to control the ratio of homogeneous to heterogeneous nucleation in order to 1. be self-sustaining To create bedding in which carrier particles grow in place rather than from the product in a separate process to be generated, and 2. to bring the efficiency and speed of conversion to the highest possible values ". Efficiencies More than $ 80-90 of theoretical values are routine achieved in the conversion.
Bei der praktischen Durchfuhrung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wandtemperatur des Reaktionsgefäßes 28 auf mehr als 900 C gehalten, wohingegen die Temperatur der Bettungsschicht zwischen 700 und BOO 0C gehalten wird. Dadurch werden Abscheidungen an den Wänden und Verstopfung des Reaktionsgefäßes vermieden. In den meisten Reaktionsgefäßen mit fließfähigen oder beweglichen Bettungsschichten wird die Reaktionswärme für endotherme chemische Reaktionen durch Erhitzung der Gefäßwände erhalten, die mit Gas oder Heizwiderständen, induktiver Beheizung oder anderen Einrichtungen erhitzt werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit und das Ausmaß der Reaktion sind im allgemeinen direkt proportional der Temperatur, sodaß eine ziemlich starke Reaktion und Abscheidung an den Wandungen stattfinden, wie im US-Patent 3 963 838 beschrieben. Diese Ablagerungen treten gewöhnlich an dem Abschnitt dea Reaktionsgefäßes auf, das auf der höchsten Temperatur ist. Abscheidungen an den Wandungen entwickeln sich und führen nicht nur zu zeitabhängigen Wärmeübertragungseigenschaften sondern auch zu einer verringerten Wärmeübertragung und früher oder später zur Verstopfung des Reaktionsgefäßes. Es wurde' festgestellt, daß die Abscheidung von Silizium aus der thermischen Zerlegung des Trihalogensilans bei Temperaturen von 900-1000 0C aufhört. Abscheidungen an den Wandungen werden beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch vermieden, daßIn the practical implementation of the method according to the invention, the wall temperature of the reaction vessel is maintained at more than 900 C 28, whereas the temperature of the bedding layer between 700 and BOO 0 C. This avoids deposits on the walls and clogging of the reaction vessel. In most reaction vessels with flowable or movable bedding layers, the heat of reaction for endothermic chemical reactions is obtained by heating the vessel walls, which are heated with gas or heating resistors, inductive heating or other devices. The rate and extent of the reaction are generally directly proportional to the temperature, so that there is quite a lot of reaction and deposition on the walls, as described in US Pat. No. 3,963,838. These deposits usually appear on the portion of the reaction vessel which is at the highest temperature. Deposits on the walls develop and not only lead to time-dependent heat transfer properties but also to reduced heat transfer and sooner or later to blockage of the reaction vessel. It has been 'found that the deposition of silicon from the thermal decomposition of the trihalosilane stops at temperatures of 900-1000 0 C. Deposits on the walls are avoided in the method according to the invention in that
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die Wandtemperatur auf Werten von 9OO-1OOO 0C gehalten wird, wohingegen die Temperatur der Bettungsschicht im Bereich von 700-850 0C gehalten wird, was auch zur maximalen Abscheidungsrate des Siliziums und zur höchsten Ausbeute führt.is the wall temperature is maintained at values of 9OO-1OOO 0 C, whereas the temperature of the bedding layer in the range of 700-850 0 C held, which also leads to the maximum deposition rate of the silicon and the highest yield.
Ein Beispiel der Umwandlung von Tetrabromsilan zu Tribromsilan im Reaktionsgefäß 10 für den ersten Verfahrensschritt ist wie folgt.An example of the conversion of tetrabromosilane to tribromosilane in reaction vessel 10 for the first process step is as follows.
Ein aus Wasserstoff und Tetrabromsilan bestehender Gasstrom wurde in das Reaktionsgefäß 10 eingeleitet, das eine beheizte Schicht aus Silizium-Teilchen enthielt. Die Zusammensetzung des Gasstroms war 2,23 Mol Wasserstoff pro Mol Tetrabromsilan. Die Silizium-Bettung hatte eine Querschnittsfläche von 4,45 Quadratzentimetern und eine Länge von 40 Zentimetern. Die Schicht wurde auf 650 0C gehalten, und die durchschnittliche Verweilzeit des Gasstroms betrug 5>1 Sekunden. Die in das Reaktionsgefäß 10 eingebrachten Teilchen bestanden aus metallurgischem Silizium. Bei der Kondensation des aus dem Reaktionsgefäß austretenden Gasstroms im Kondensator 14 und der anschließenden Destillation des Kondensats in der zur Reinigung dienenden Kolonne 18 ergab sich eine 36?£-ige Umwandlung des Tetrabromsilans in Tribromsilan. Die Umwandlung ist hierbei definiert als Anzahl der Mole von Tribromsilan, die aus der Reaktion erhalten wurden, geteilt durch die anfängliche Anzahl der Mole von Tetrabromsilan, das in das Reaktionsgefäß eingeführt wurde.A gas stream consisting of hydrogen and tetrabromosilane was introduced into the reaction vessel 10, which contained a heated layer of silicon particles. The composition of the gas stream was 2.23 moles of hydrogen per mole of tetrabromosilane. The silicon bed had a cross-sectional area of 4.45 square centimeters and a length of 40 centimeters. The layer was kept at 650 ° C. and the average residence time of the gas stream was 5> 1 seconds. The particles placed in the reaction vessel 10 consisted of metallurgical silicon. The condensation of the gas stream emerging from the reaction vessel in the condenser 14 and the subsequent distillation of the condensate in the column 18 used for cleaning resulted in a 36% conversion of the tetrabromosilane into tribromosilane. Conversion is defined here as the number of moles of tribromosilane obtained from the reaction divided by the initial number of moles of tetrabromosilane introduced into the reaction vessel.
Das folgende Beispiel betrifft die Zerlegung von Tribromsilan zu Silizium im Reaktionsgefäß 28.The following example relates to the decomposition of tribromosilane into silicon in the reaction vessel 28.
Ein Gasstrom aus Argon und Tribromsilan mit einer Zusammensetzung von 7,7 Mol Argon pro Mol Tribromsilan wurde in ein Reaktionsgefäß mit einer fließfähigen Betturigsschicht eingeleitet. Das Argon ist zwar nicht wesentlich für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, diente aber im vorliegenden Fall als Träger für das Tribromsilan und als ein das Fließen der Silizium-Teilchenschicht innerhalb des Reaktionsgefäßes hervorrufendes Gas. Die Schicht aus Silizium-Teilchen bestand aus Teilchen der Maschengröße 50; das Gesamtgewicht der Schicht betrug 258 Gramm zu Beginn der Reaktion. Die Schicht wurde beiA gas stream of argon and tribromosilane with a composition of 7.7 moles of argon per mole of tribromosilane was in a Introduced into the reaction vessel with a flowable layer of Betturigs. Although the argon is not essential for carrying out the method according to the invention, it was used in the present case Case as a carrier for the tribromosilane and as a flow of the silicon particle layer within the reaction vessel evoking gas. The layer of silicon particles consisted of particles with a mesh size of 50; the total weight of the layer was 258 grams at the start of the reaction. The shift was at
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der Reaktion auf einer Temperatur von 786-800 0G gehalten.the reaction at a temperature of 786-800 0 G kept.
Insgesamt wurden 1,57 Mol Tribromsilan in das Reaktionsgefäß bei einem Herstellungsvorgang eingebracht. Nach der Entnahme der Silizium-Teilchen am Ende der Reaktion zeigte sich, daß die Schicht ein Gewicht von 268,1 Gramm hatte, d.h. daß ein Gewichtszuwachs von 10,1 Gramm stattgefunden hatte. Dies entspricht einer Ausbeute von 91^ aufgrund der Zerlegungsreaktion 4HSiXx -* Si + 3SiX. + 2HO .A total of 1.57 moles of tribromosilane were added to the reaction vessel in one manufacturing process. After removing the silicon particles at the end of the reaction, it was found that the layer had a weight of 268.1 grams, that is to say that a weight increase of 10.1 grams had taken place. This corresponds to a yield of 91 ^ due to the decomposition reaction 4HSiX x - * Si + 3SiX. + 2H O.
Die Erfindung schafft damit ein kontinuierliches Niedertemperatur—Verfahren mit geschlossenem Kreislauf zur wirtschaftlichen Urzeugung von hochreinem Halbleiter-Silizium. Wie oben beschrieben, beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf der direkten thermischen Zaerlegung von Trihalogensilan bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen (unterhalb 900 C), um hochreines Silizium herzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren verhindert die Ansammlung von Silizium an den Wänden des Reaktionsgefäßes, da eine Temperaturdifferenz zwischen der Bettungsschicht und den sie umgebenden Wänden aufrechterhalten v/ird, sodaß die niedrigste Temperatur der Wandungen oberhalb des Temperaturschwellwerts liegt, bei dem eine Abscheidung von Silizium stattfindet.The invention thus creates a continuous low-temperature process with a closed cycle for the economical spontaneous generation of high-purity semiconductor silicon. As above described, the inventive method is based on the direct thermal decomposition of trihalosilane at relatively low temperatures (below 900 C) to produce high-purity silicon. The method according to the invention prevents the accumulation of silicon on the walls of the reaction vessel due to a temperature difference between the bedding layer and the surrounding walls are maintained so that the lowest temperature of the walls is above the temperature threshold is, in which a deposition of silicon takes place.
Eine bestimmte Ausfuhrungsform der Erfindung wurde dargestellt und beschrieben, doch sind Abänderungen möglich. Die Patentansprüche umfassen die Abänderungen, die im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden können.A particular embodiment of the invention has been shown and described, but changes are possible. The claims cover the amendments made within the scope of Invention can be made.
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