DE60201354T2

DE60201354T2 - Verfahren zur herstellung von polykristallinem silizium

Info

Publication number: DE60201354T2
Application number: DE60201354T
Authority: DE
Inventors: Edward James KENDIG; Russell David LANDIS; Michael Todd MCQUISTON; Matthew Michael ZALAR
Original assignee: Hemlock Semiconductor Corp
Current assignee: Hemlock Semiconductor Operations LLC
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2022-05-24
Also published as: US20020187096A1; JP2008303142A; JP5374091B2; JP2004532786A; WO2002100776A1; JP4532105B2; EP1392601A1; EP1392601B1; DE60201354D1; ATE276969T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium durch reduktives chemisches Aufdampfen (CVD) von Trichlorsilan. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein CVD-Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, worin Disilane, die in dem gasförmigen Abfluss von dem CVD-Verfahren vorhanden sind, in einem Hydrierungsreaktor zum Umsetzen von Tetrachlorsilan zu Trichlorsilan zu Monosilanen umgewandelt werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Hochreines Silicium in Halbleiterqualität wird typischerweise nach dem sogenannten "Siemens"-Verfahren hergestellt, worin Trichlorsilan(TCS)-Gas in Gegenwart von Wasserstoff reduziert wird und auf einem geheizten Siliciumelement abgeschieden wird. In solch einem Verfahren wird nur etwa 1/3 des Siliciums, das als TCS zugeführt wird, als elementares Silicium abgeschieden, wobei der Rest den Reaktor als ein Austrittsgas verlässt, das typischerweise mehr als 85 Mol-% nichtumgesetztes TCS, 5 bis 15 Mol-% Tetrachlorsilan (STC), das durch die Dehydrierung von TCS gebildet wird, bis zu etwa 1 Mol-% Disilan (Si₂H₆) und Chlordisilane und teilchenförmiges Silicium enthält.
In einem speziellen CVD-Verfahren wird das Austrittsgas dann durch Destillation in eine niedrigsiedende Fraktion, die Dichlorsilan (DCS) und TCS enthält und dem CVD-Reaktor wieder zugeführt wird, und eine hochsiedende Fraktion, die STC, Disilan, Chlordisilane und teilchenförmiges Silicium enthält, aufgetrennt. Die hochsiedende Fraktion wird dann weiter in einem zusätzlichen Schritt verarbeitet, um die Masse des STC von den anderen Komponenten abzutrennen. Dieses gewonnene STC kann dann hydriert werden, um TCS zu bilden, das dann dem CVD-Reaktor wieder zugeführt wird. Die verbleibenden Komponenten der hochsiedenden Fraktion, die Disilan, Chlordisilane und teilchenförmiges Silicium enthält, können weiter verarbeitet werden, um die Disilane aufzuspalten (hiernach bezieht sich der Begriff Disilan(e) auf solche Verbindungen, die durch Formel H_nCl_6–nSi₂ beschrieben werden, worin n ein Wert von 0 bis 6 ist) und das teilchenförmige Silicium davon abzutrennen. Ein typisches Verfahren zur Spaltung der Disilane ist, worin die Disilane mit Chlorwasserstoff in Gegenwart eines Katalysators, wie etwa Palladium auf einem festen Träger, umgesetzt werden, um Umwandlung zu Monosilanen zu bewirken, und das teilchenförmige Silicium wird davon durch ein Verfahren, wie etwa Sprühtrocknen, abgetrennt.
Rogers US-Patent Nr. 3,933,985 beschreibt ein Verfahren zur Umwandlung von Tetrachlorsilan zu Trichlorsilan. Das Verfahren beinhaltet Hindurchführen von Wasserstoff- und Siliciumtetrachloriddämpfen durch eine Reaktionskammer, die bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1.200°C gehalten wird.
Weigert et al., US-Patent Nr. 4,217,334, beschreiben ein verbessertes Verfahren zur Umwandlung von Tetrachlorsilan zu Trichlorsilan. Das Verfahren beinhaltet Umsetzen von Trichlorsilan mit Wasserstoff bei einer Temperatur von 600°C bis 1.200°C, mit einer Tetrachlorsilan- und Wasserstoff-Mischung, die eine molare Zusammensetzung zwischen 1 : 1 und 1 : 50 aufweist, im Gleichgewicht mit Trichlorsilan und Chlorwasserstoff und plötzliches Abschrecken der Mischung auf unter 300°C.
Oda, japanische Anmeldung (Kokai) Nr. 11-49508 schlägt vor, dass Hexachlordisiloxan zusammen mit Chlorwasserstoff über einen fixierten Katalysator geführt werden kann, um Chlorsilane zu bilden, die dann ei nem CVD-Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium zugeführt werden können.
Burgie et al., US-Patent Nr. 5,118,486, beschreiben das Sprühtrocknen eines flüssigen Nebenproduktstroms, der Silane enthält, um davon Siliciumteilchen abzutrennen.
Der zitierte Stand der Technik erkennt klar nicht, dass das Austrittsgas von einem CVD-Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium in eine Fraktion, die STC und Disilane enthält, aufgetrennt werden kann und dass diese Fraktion einem Reaktor zur Hydrierung des STC zugeführt werden kann. Des weiteren stellt das Kombinieren der Hydrierungsreaktion und des Aufspaltens der Disilane in demselben Reaktor dem Hydrierungsverfahren einen Vorteil des geringeren benötigten Energieeintrags in den Reaktor und der höheren Ausbeute aus dem Hydrierungsverfahren bereit. Dies ist darin begründet, dass das Hydrierungsverfahren eine endotherme Gleichgewichtsreaktion ist, das Spaltverfahren exotherm ist und dem Reaktor Wärme liefert und zusätzlich HCl verbraucht und dadurch das Gleichgewicht des Hydrierungsverfahrens zu höheren Ausbeuten von TCS treibt. Diese Reaktionen werden wie folgt zusammengefasst: SiCl₄ + H₂ → HSiCl₃ + HCl und
z. B. Si₂Cl₆ + HCl → SiCl₄ + HSiCl₃.
Zusätzlich zu den oben zitierten Vorteilen verringert die vorliegende Erfindung auch die Konzentration von pyrophoren und hochsiedenden Disilanen in den Prozessströmen und verringert demnach Komplikationen und Gefahren beim Betrieb und bei der Wartung der Prozessapparatur.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, umfassend die Schritte:

(A) Umsetzen von Trichlorsilan mit Wasserstoff und dabei Bilden von Silicium und einer Austrittsmischung, die Tetrachlorsilan und Disilan, beschrieben durch die Formel H_nCl_6–nSi₂, enthält, worin n ein Wert von 0 bis 6 ist, und
(B) Bewirken von Hydrierung des Tetrachlorsilans und Umwandlung des Disilans zu Monosilanen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung von Chlorsilanen, das gemeinsames Zuführen einer Mischung, die Tetrachlorsilan, Disilan, beschrieben durch Formal H_nCl_6–nSi₂, worin n ein Wert von 0 bis 6 ist, und Wasserstoff enthält, in einen Reaktor bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von etwa 600°C bis 1.200°C, um Hydrierung des Tetrachlorsilans und Umwandlung des Disilans zu Monosilanen zu bewirken.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 veranschaulicht Elemente eines kommerziellen Verfahrens zur Herstellung von polykristallinem Silicium in einem CVD-Reaktor.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, umfassend die Schritte: (A) Umsetzen von Trichlorsilan mit Wasserstoff und dabei Bilden von Silicium und einer Austrittsmischung, die Tetrachlorsilan und Disilan, beschrieben durch Formel H_nCl_6–nSi₂, enthält, worin n ein Wert von 0 bis 6 ist, und (B) Be wirken von Hydrierung des Tetrachlorsilans und Umwandlung des Disilans zu Monosilanen.
In Schritt (A) des vorliegenden Verfahrens wird Trichlorsilan mit Wasserstoff umgesetzt, um Silicium zu bilden. Der bevorzugte Verfahrensschritt (A) wird in einem Reaktor zur Abscheidung des Siliciums auf einem erhitzten Element, typischerweise einem Siliciumdünnstab (oder -kristallisationsstab), durchgeführt. Das vorliegende Verfahren ist jedoch als solches nicht eingeschränkt und ist auch anwendbar auf Verfahren, worin Silicium zum Beispiel als Pulver gebildet wird. Die Herstellung von polykristallinem Silicium durch reduktives chemisches Aufdampfen (CVD) ist in der Technik bekannt. Stellvertretende Beispiele für die Apparatur und das Verfahren sind zum Beispiel in Schweickert et al., US-Patent Nr. 3,011,877; Schweickert et al., US-Patent Nr. 3,099,534; Ishizuka, US-Patent Nr. 3,147,141; Yatsurugi et al., US-Patent Nr. 4,150,168; Koppl et al., US-Patent Nr. 4,179,530 und Bugl et al., US-Patent 4,311,545 beschrieben, wobei alle diese hierin durch Bezugnahme auf solche Lehren aufgenommen sind.
Es ist auch in der Technik bekannt, dass in Schritt (A) nur etwa 5 bis 40 Mol-% des Trichlorsilans, das dem Reaktor zugeführt wird, zu Silicium reduziert werden und der Rest den Reaktor als eine Austrittsmischung verlässt, die Trichlorsilan, Tetrachlorsilan und Disilane, beschrieben durch Formel H_nCl₆Si₂, worin n ein Wert von 0 bis 6 ist, enthält. Zusätzlich kann diese Austrittsmischung nichtumgesetztes Wasserstoffgas, höhersiedende siliciumhaltige Oligomere, Silane, beschrieben durch Formel Cl_mSiH_4–m, worin m ein Wert von 0 bis 3 ist, teilchenförmiges Silicium und Organochlorsilane enthalten. In einem bevorzugten vorliegenden Verfahren sind die Disilane der Austrittsmischung Hexachlordisilan, Pentachlordisilan und Tetrachlordisilan, vorzugsweise in etwa einem 50 : 40 : 10-Molverhältnis.
In Schritt (B) des vorliegenden Verfahrens kann die Austrittsmischung aus Schritt (A) gemeinsam mit Wasserstoff einem Reaktor zugeführt werden, der sich auf einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von 600°C bis 1.200°C befindet, um Hydrierung des Tetrachlorsilans und Umwandlung der Disilane zu Monosilan zu bewirken. Es ist bevorzugt, dass die Austrittsmischung über einen oder mehrere Trennschritte verarbeitet wird, wie in 1 veranschaulicht ist, um vor der Durchführung von Schritt (B) die Mischung zu isolieren, die in erster Linie STC und Disilane enthält. Bevorzugter ist es, wenn die Austrittsmischung über einen oder mehrere Schritte verarbeitet wird, die eine Mischung bereitstellen, die mehr als etwa 90 Mol-% STC und 0,01 bis etwa 10 Mol-% Disilane, vorzugsweise 0,01 bis etwa 1 Mol-% Disilane, enthält, und die Mischung frei von teilchenförmigem Silicium ist.
Schritt (B) kann in irgendeinem Reaktor durchgeführt werden, der geeignet ist, um die Hydrierung von Tetrachlorsilan zu Trichlorsilan zu bewirken. Solche Reaktoren werden zum Beispiel von Weigert et al., US-Patent Nr. 4,217,334, Burgie et al., US-Patent Nr. 5,422,088 und Burgie et al., US-Patent Nr. 5,906,799 beschrieben, die hierdurch durch Bezugnahme auf solche Lehren aufgenommen werden. Bevorzugt ist ein Reaktor ähnlich zu dem, der von Burgie et al., siehe oben, gelehrt ist. Der Hydrierungsreaktor wird bei einer Temperatur von 600°C bis 1.200°C, vorzugsweise von etwa 800°C bis 1.200°C und bevorzugter von etwa 900°C bis 1.100°C gehalten. Das Molverhältnis von STC zu H₂ kann innerhalb eines Bereichs von etwa 1 : 1 bis 1 : 50 liegen, wobei ein Molverhältnis von 1 : 1,5 bis 1 : 15 bevorzugter ist. Die Hydrierung von STC ist eine endotherme Gleichgewichtsreaktion, die durch die folgende Gleichung beschrieben wird: SiCl₄ + H₂ → NSiCl₃ + HCl.
Alternativ kann in Schritt (B) des vorliegenden Verfahrens die Austrittsmischung aus Schritt (A) zusammen mit Wasserstoff und HCl einem Reaktor zugeführt werden, der sich bei einer Temperatur von etwa 400°C bis etwa 600°C und einem Druck von etwa 100 psig bis etwa 600 psig befindet, um Hydrierung des Tetrachlorsilans und Umwandlung der Disilane zu Monosilanwasserstoff zu bewirken. Alternativ kann die Temperatur etwa 450°C bis etwa 500°C betragen und der Druck kann etwa 300 bis etwa 600 psig betragen. In dieser Ausführungsform kann der Reaktor ein Fließbettreaktor sein. In dieser Ausführungsform kann Schritt (B) in verschiedenen Reaktoren durchgeführt werden, einschließlich solcher, die von Wagner et al., US-Patent Nr. 2,595,620, Breneman, US-Patent Nr. 4,676,967, Breneman, US-Patent No. 4,743,344, Oda, US-Patent Nr. 5,776,416, Griesshammer et al., DE 195 34 922 , Aimoto et al, DE 195 54 154 und Oda JP 11049508 A offenbart werden.
In Schritt (B) werden die Disilane in Gegenwart von HCl, das durch die Hydrierungsreaktion gebildet wird, gespalten, um Monosilane zu bilden, wie durch die folgende Formel für Hexachlordisilan beispielhaft dargestellt wird: Si₂Cl₆ + HCl → SiCl₄ + HSiCl₃, welches eine exotherme Reaktion ist. Die vorliegenden Erfinder haben entdeckt, dass es nicht nur möglich ist, die Hydrierung von Tetrachlorsilan und das Spalten von Disilan in demselben Reaktor durchzuführen, sondern dies auch Vorteile gegenüber der Durchführung der Hydrierung und der Spaltreaktion in getrennten Reaktoren gewährleistet. Solche Vorteile umfassen, dass, da das Spaltverfahren exotherm ist, die Reaktionswärme dem Reaktor zur Verfügung gestellt wird, um dabei zu helfen, dass die Temperatur, die notwendig ist, dass die endotherme Hydrierungsreaktion auftritt, gehalten wird. Zusätzlich wird, da das Spaltverfahren HCl, der in der Hydrierungsgleichgewichtsreaktion erzeugt wird, verbraucht, das Gleichgewicht in Richtung einer erhöhten Ausbeute von TCS aus der Reaktion getrieben. Ein anderer Vorteil ist, dass, da Disilane gespalten werden, wenn sie erzeugt werden und sich nicht in einem Sumpf einer Trennsäule ansammeln, die Konzentration der pyrophoren Disilane in dem Verfahren entscheidend verringert wird und dem gemäß Komplikationen und Gefahren beim Betrieb und der Wartung der Prozessapparatur vermindert werden.
In einem bevorzugten Verfahren wird das TCS, das in Schritt (B) gebildet wird, gewonnen und dem Reaktor aus Schritt (A) wieder zugeführt, während das STC dem Hydrierungsreaktor aus Schritt (B) wieder zugeführt wird.
Es sollte bemerkt werden, dass die Verwendung von Schritt (B) nicht im Zusammenhang mit der Abscheidung aus Schritt (A) stehen muss. Zum Beispiel können das Tetrachlorsilan und die Disilane aus anderen Quellen stammen und einfach in das Verfahren aus Schritt (B) eingebracht werden. Als solches bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein Verfahren zur Herstellung von Chlorsilanen, das gemeinsames Zuführen einer Mischung, die Tetrachlorsilan, Disilan, beschrieben durch Formel H_nCl_6–nSi₂, worin n ein Wert von 0 bis 6 ist, und Wasserstoff enthält, in einen Reaktor bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von etwa 600°C bis 1.200°C, um Hydrierung des Tetrachlorsilans und Umwandlung des Disilans zu Monosilanen zu bewirken.
Das vorliegende Verfahren und seine begleitenden Vorteile werden nun durch Bezugnahme auf 1 weiter illustriert. 1 veranschaulicht Komponenten eines kommerziellen Verfahrens zur Herstellung von polykristallinem Silicium in einem CVD-Reaktor. TCS und H₂ werden CVD-Reaktor 1 zugeführt, wo Silicium auf einem erhitzten Element abgeschieden wird. Ein Austrittsgas, das als eine Hauptkomponente nichtumgesetztes TCS und als Nebenkomponenten STC, Disilane, teilchenförmiges Silicium usw. enthält, wird aus dem CVD-Reaktor 1 entnommen und einer Destillationssäule 2 zugeführt. TCS wird als Kopfprodukt aus Destillationssäule 2 entfernt und dem CVD-Reaktor 1 wieder zugeführt. Eine hochsiedende Mischung, die STC, Disilane, teilchenförmiges Silicium und andere hochsiedenden Komponenten enthält, wird vom Boden der Destillationssäule 2 entfernt und Verdampfersäule 3 zugeführt. In dem kommerziellen Verfahren wird STC als das Kopfprodukt aus Verdampfersäule 3 abgenommen und dem Hydrierungsreaktor 4 zugeführt, wo etwa 15 bis 30 Mol-% des SCT zu TCS umgewandelt werden. Das Produkt aus Hydrierungsreaktor 4 wird dann Kühler 5 zugeführt, wo TCS gewonnen wird und wieder dem CVD-Reaktor 1 zugeführt wird, und STC wird wieder Destillationssäule 2 zugeführt. Die hochsiedende Komponente aus Verdampfersäule 3, die typischerweise eine Mischung aus STC und etwa 25 bis 50 Mol-% Disilanen zusammen mit einer Nebenkomponente von teilchenförmigem Silicium enthält, wird Verdampfer 6 und dann Cracker 7 zugeführt, der einen Katalysator, wie etwa Palladium auf Kohlenstoff, enthält, um die Spaltung der Disilane zu erleichtern. Chlorwasserstoff wird auch dem Cracker 7 zugeführt, um Spaltung der Disilane zu bewirken. Ein kleiner Strom aus Verdampfer 6 wird dem Sprühtrockner 8 zugeführt, wo die Feststoffteilchen von den Disilanen (in erster Linie Si₂Cl₆ und HSi₂Cl₅), die dann dem Cracker 7 zur Spaltung zu Monosilanen zugeführt werden, abgetrennt werden. Das Produkt aus Cracker 7 wird dann Destillationssäule 2 zur weiteren Auftrennung zugeführt.
In dem vorliegenden Verfahren wird der Verdampfer 3 in einer Art und Weise betrieben, so dass das Kopfprodukt STC und vorzugsweise im Wesentlichen das gesamte Disilan, das dem Verfahren aus CVD-Reaktor 1 bereitgestellt wird, enthält. Dieses Kopfprodukt wird Hydrierungsreaktor 4 zugeführt, wo Hydrierung von STC und Spaltung der Disilane bewirkt wird. Kein Katalysator wird für den Spaltprozess benötigt. Dies erlaubt die potentielle Entfernung von Cracker 7 ebenso wie die anderen Vorteile, die oben für das vorliegende Verfahren diskutiert wurden.
Das folgende Beispiel wird als für das vorliegende beanspruchte Verfahren veranschaulichend dargebracht. Dieses Beispiel ist nicht dazu gedacht, den Umfang der Ansprüche hierin zu beschränken.
Beispiel 1
Ein kommerzielles CVD-Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, ähnlich zu dem, das in 1 hierin veranschaulicht ist, wurde angepasst, um ein Verfahren innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Das Austrittsgas aus CVD-Reaktor 1, das etwa 75 bis 85 Mol-% TCS, 8 bis 12 Mol-% STC, 2 bis 10 Mol-% DCS, 0,1 bis 1 Mol-% Disilane (in erster Linie Cl₆Si₂ und Cl₅HSi ₂ ) und eine geringfügige Menge von teilchenförmigem Silicium enthielt, wurde Destillationssäule 2 zugeführt. In Destillationssäule 2 wurde TCS als Kopfprodukt abgenommen und dem CVD-Reaktor 1 wieder zugeführt, und die höhersiedende Fraktion, die das STC, Disilane und teilchenförmiges Silicium enthielt, wurde der Verdampfersäule 3 zugeführt. Verdampfersäule 3 wurde für diese Durchführung modifiziert, indem der Rückfluss umgeleitet wurde und der Zufluss in den Säulensumpf fließt und dabei das Rückflussverhältnis auf ein Maß (≤ 0,2 : 1) reduziert wurde, um zu erlauben, dass Disilane die Säule als eine Komponente der Kopffraktion verlassen. Von Verdampfersäule 3 wurde eine Kopffraktion, die 90 Mol-% STC enthielt, wobei der Rest Disilane waren (etwa 90 Mol-% der Disilane, die Verdampfersäule 3 zugeführt wurden), dem Hydrierungsreaktor 4 zugeführt. Eine Probenöffnung war in der Strömungsleitung zwischen Verdampfersäule 3 und Hydrierungsreaktor 4 angeordnet und Proben wurden periodisch zur Analyse mithilfe von Gaschromatographie und visueller Beobachtung entnommen. Es wurde festgestellt, dass die Probe 0,16 bis 0,26 Mol-% Disilane enthielten, um klar zu sein, und kein teilchenförmiges Silicium enthielten. Die Temperatur des Hydrierungsreaktors 4 wurde überwacht und es wurde festgestellt, dass sie unter seinen normalen Bedingungen leicht anstieg, was anzeigte, dass das exotherme Spalten der Disilane auftrat. Die Bodenfraktion von Verdampfersäule 3, die 6 bis 10 Mol-% der gesamten Disilane aus dem CVD-Reaktor enthielt, wurde nach Standardtechniken verarbeitet; die Erfinder jedoch glauben, dass es möglich ist, das vorliegende erfinderische Verfahren in einer Art und Weise zu betreiben, dass die Disilane in der Bodenfraktion der Verdampfersäule 3 vernachlässigbar sind und der katalysatorhaltige Cracker 7 weggelassen werden kann.
Beispiel 2
Ein Laborverfahren ist diesmal über Wasserstoff- und Siliciumtetrachlorid(STC)-Zufuhr gestaltet. STC-Zufuhr wird aus einer Portionierungspumpe bereitgestellt, die von einem 10-Gallonen-Zufuhrtank versorgt wird. Die Wasserstoffquelle für dieses Verfahren ist eine Gruppe von zwei Zylindern. STC und Wasserstoff werden direkt vor Eintritt in einen Verdampfer vermischt, der in einem inerten Konvektionsofen enthalten ist, der die gemischte Zufuhr auf die gewünschte Reaktionstemperatur überhitzen wird und Vibrationsbettreaktoren (VBRs) mit einem Durchmesser von 1 Inch, die in Reihe verbunden sind, umgibt. Die Vibrationen werden durch einen Schwingungserreger des Kolbentyps induziert, der an der Oberseite des Ofens angeordnet ist. Jeder VBR wird mit Siliciumteilchen metallurgischer Güte im Bereich von 50 bis 200 μm beladen und stellt etwa 30 bis 50 s Verweilzeit bereit. Dies erlaubt das Einfangen von Reaktionsdaten bis auf etwa 150 s. Ein automatisches Gaschromatographie(GPC)·Probensystem wird bereitgestellt, um Zusammensetzungsdaten bei jedem Reaktor zu erhalten. Der Reaktorabfluss fließt von dem Ofen in einen einfach gewendelten Wasserkühler. Dies verringert die Temperatur des Austrittsmaterials, um Produktkondensation zu ermöglichen. Wenn sich das Produkt im Abscheider befindet, strömt leichtes Wasserstoffgas von der Oberseite des Abscheiders durch ein Rückschlagventil ab und in den Wäscher. Die kondensierten Chlorsilane fließen mithilfe der Niveaukontrolle des Abscheiderbehälters in einen 10-Gallonen-Produktbehälter.

Die Betriebsparameter für das Laborverfahren sind wie folgt:

Siliciumteilchengröße:	50 bis 200 μm
Reaktionsdruck:	100 oder 500 Pfund je Quadratzoll Überdruck (psig)
Reaktionstemperatur:	500°C bis 650°C
H₂/STC-Molverhältnis:	1/1 bis 5/1
Oberflächengeschwindigkeit:	1 bis 3 cm/s

Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen wird geglaubt, dass die folgenden Reaktionen auftreten. Gesamtreaktion: Si + 3SiCl₄ + 2H₂ → 4HSiCl₃ unter Annahme der folgenden allgemeinen Reaktionen: 3SiCl₄ + 3H₂ → 3HSiCl₃ + 3HCl 1) 2HCl + Si → HSiCl₃ + H₂. 2)
Siliciumteilchen, die durch ein 150-μm-Maschensieb, aber nicht durch ein 75-μm-Maschensieb hindurchgegangen sind, werden in die VBRs gegeben und auf 500°C erhitzt. Stickstoff wird unter Erwärmen durch das System geführt. Wenn die Reaktionstemperatur erreicht ist, werden der Wasserstoff und das Siliciumtetrachlorid eingeführt. Wasserstoff wird auf 500 psig reguliert und wird mit einer Geschwindigkeit von 620 Standard-cm³/min (SCCM) zugeführt, während Siliciumtetrachlorid mit einer Geschwindigkeit von 35 Kubikzentimeter pro Minute (cm³/min) in einem Molverhältnis von 3 : 1 und mit einer Oberflächengeschwindigkeit durch die VBRs von 2 cm/s zugeführt wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, umfassend die Schritte: (A) Umsetzen von Trichlorsilan mit Wasserstoff und dabei Bilden von Silicium und einer Austrittsmischung, die Tetrachlorsilan und Disilan, beschrieben durch Formel H_nCl_6–nSi₂, enthält, wobei n ein Wert von 0 bis 6 ist, und (B) gemeinsames Zuführen der Austrittsmischung und von Wasserstoff in einen Reaktor bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von etwa 600°C bis etwa 1.200°C und dabei Bewirken der Hydrierung des Tetrachlorsilans zu Trichlorsilan und Umwandlung des Disilans zu Monosilanen.
Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, umfassend die Schritte: (A) Abscheiden von Silicium auf einem erhitzten Element durch die Reaktion von Trichlorsilan mit Wasserstoff und dabei Bilden einer Austrittsmischung, die Trichlorsilan, Tetrachlorsilan, Disilan, beschrieben durch Formel H_nCl_6–nSi₂, worin n ein Wert von 0 bis 6 ist, und teilchenförmiges Silicium enthält, (B) Auftrennen der Austrittsmischung in eine Fraktion, die Trichlorsilan enthält, und eine hochsiedende Fraktion, die das Tetrachlorsilan, Disilan und teilchenförmige Silicium enthält, wobei das Trichlorsilan Schritt (A) wieder zugeführt wird, (C) Entfernen des teilchenförmigen Siliciums aus der hochsiedenden Fraktion, (D) gemeinsames Zuführen der hochsiedenden Fraktion aus Schritt (C) und von Wasserstoff in einen Reaktor bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von 600°C bis 1.200°C und dabei Bewirken der Hydrierung des Tetrachlorsilans zu Trichlorsilan und der Umwandlung des Disilans zu Monosilanen und (E) Gewinnen des Trichlorsilans, das in Schritt (D) gebildet wird, und Rückführung zu Schritt (A).
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Disilan eine Mischung aus Hexachlordisilan, Pentachlordisilan und Tetrachlordisilan ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Austrittsmischung aus Schritt (A) durch ein oder mehrere Trennschritte geführt wird, um eine Mischung, die in erster Linie Tetrachlorsilan und Disilan enthält, vor der Durchführung von Schritt (B) zu isolieren.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Austrittsmischung, die Schritt (B) zugeführt wird, mehr als etwa 90 Molprozent Tetrachlorsilan und 0,01 bis etwa 10 Molprozent Disilan enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Austrittsmischung, die Schritt (B) zugeführt wird, mehr als 90 Molprozent Tetrachlorsilan und etwa 0,01 bis etwa 1 Molprozent Disilan enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Reaktortemperatur in Schritt (B) etwa 900°C bis 1.100°C beträgt und das Molverhältnis von Tetrachlorsilan zu H₂ innerhalb des Bereichs von 1 : 1,5 bis 1 : 15 liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Reaktortemperatur in Schritt (D) etwa 900°C bis 1.100°C beträgt und das Molverhältnis von Tetrachlorsilan zu H₂ innerhalb des Bereichs von 1 : 1,5 bis 1 : 15 liegt.
Verfahren zur Herstellung von Chlorsilanen, umfassend gemeinsames Zuführen einer Mischung, die Tetrachlorsilan, Disilan, beschrieben durch Formel H_nCl_6–nSi₂, worin n ein Wert von 0 bis 6 ist, enthält, und von Wasserstoff in einen Reaktor bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von etwa 600°C bis 1.200°C, um Hydrierung des Tetrachlorsilans und Umwandlung des Disilans zu Monosilanen zu bewirken.
Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, umfassend die Schritte: (A) Umsetzen von Trichlorsilan mit Wasserstoff und dabei Bilden von Silicium und einer Austrittsmischung, die Tetrachlorsilan und Disilan, beschrieben durch Formel H_nCl_6–nSi₂, worin n ein Wert von 0 bis 6 ist, enthält, und (B) gemeinsames Zuführen der Austrittsmischung, von Wasserstoff und HCl in einen Reaktor bei einer Temperatur von etwa 400°C bis etwa 600°C und bei einem Druck von etwa 100 bis etwa 600 psig und dabei Bewirken der Hydrierung des Tetrachlorsilans zu Trichlorsilan und Umwandlung des Disilans zu Monosilanen.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 10, ferner umfassend (C) Gewinnen des Trichlorsilans, das in Schritt (B) gebildet wird, und Rückführung zu Schritt (A).
Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, umfassend die Schritte: (A) Abscheiden von Silicium auf einem erhitzten Element durch die Reaktion von Trichlorsilan mit Wasserstoff und dabei Bildung einer Austrittsmischung, die Trichlorsilan, Tetra chlorsilan, Disilan, beschrieben durch Formel H_nCl_6–nSi₂, worin n ein Wert von 0 bis 6 ist, und teilchenförmiges Silicium enthält, (B) Auftrennung der Austrittsmischung in eine Fraktion, die Trichlorsilan enthält, und eine hochsiedende Fraktion, die das Tetrachlorsilan, Disilan und teilchenförmige Silicium enthält, wobei das Trichlorsilan Schritt (A) wieder zugeführt wird, (C) Entfernen des teilchenförmigen Siliciums aus der hochsiedenden Fraktion, (D) gemeinsames Zuführen der hochsiedenden Fraktion aus Schritt (C) von Wasserstoff und HCl in einen Reaktor bei einer Temperatur von etwa 400°C bis 600°C und einem Druck von etwa 100 bis etwa 600 psig und dabei Bewirken der Hydrierung des Tetrachlorsilans zu Trichlorsilan und Umwandlung des Disilans zu Monosilanen und (E) Gewinnen des Trichlorsilans, das in Schritt (D) gebildet wird, und Rückführung zu Schritt (A).