EP2976297A1 - Verfahren zur abscheidung von polykristallinem silicium - Google Patents

Verfahren zur abscheidung von polykristallinem silicium

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Publication number
EP2976297A1
EP2976297A1 EP14706635.1A EP14706635A EP2976297A1 EP 2976297 A1 EP2976297 A1 EP 2976297A1 EP 14706635 A EP14706635 A EP 14706635A EP 2976297 A1 EP2976297 A1 EP 2976297A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactor
reactor wall
wall
inlet openings
gas inlet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14706635.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Göran Klose
Heinz Kraus
Tobias Weiss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wacker Chemie AG
Original Assignee
Wacker Chemie AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Wacker Chemie AG filed Critical Wacker Chemie AG
Publication of EP2976297A1 publication Critical patent/EP2976297A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/035—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds in the presence of heated filaments of silicon, carbon or a refractory metal, e.g. tantalum or tungsten, or in the presence of heated silicon rods on which the formed silicon is deposited, a silicon rod being obtained, e.g. Siemens process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber

Definitions

  • High-purity polycrystalline silicon serves as a starting material for the production of single-crystal silicon for semiconductors according to the Czochralski (C) - or zone melting (FZ) - method, as well as for the production of on or
  • Multicrystalline silicon according to various drawing and casting processes for the production of solar cells for photovoltaics.
  • Polysilicon is usually produced by means of the Siemens process.
  • a reaction gas comprising one or more silicon-containing components and optionally hydrogen in a reactor comprising by direct
  • Silicon-containing components are preferably silane (SiH4), monochlorosilane (SiH3Cl), dichlorosilane (SiH2C12), trichlorosilane (SiHC13), tetrachlorosilane (SiCl4) or mixtures of the substances mentioned.
  • the Siemens procedure is usually in one
  • the reactor comprises a metallic baseplate and a coolable bell placed on the baseplate so that a reaction space within the reaction chamber is provided
  • the baseplate is provided with one or more gas inlet openings and one or more
  • Each carrier body usually consists of two thin ones
  • Filament rods and a bridge which is usually adjacent Joining rods at their free ends.
  • the filament rods are made of single or polycrystalline silicon
  • the filament rods are mounted vertically in electrodes located at the bottom of the reactor, via which the connection to the power supply takes place. High-purity precipitates on the heated filament rods and the horizontal bridge
  • JP 2002241120 A2 discloses a separation reactor in which reaction gas is introduced at the top. The reaction gas mixes above the silicon rod with ascending
  • Reactor center injected. By natural convection on the hot rod surface ascending reaction gas should mix with cold sloping fresh gas. The sloping
  • Fresh gas causes a countercurrent to the doughy
  • DD 64047 A describes a process for the preparation of
  • AT 220591 B discloses a vessel for producing high-purity silicon, in which the feed passes along various
  • CN 201313954 Y discloses a separation reactor in which reaction gas is injected centrally from above and laterally from below. Due to the generated gas flow, the thickness of the
  • Gas boundary layer can be reduced on the silicon rod.
  • the method is that the opposing gas flows from below and above cancel their gas pulses. This leads to thicker boundary layers on the silicon rods, the one
  • Separating reactors are used, in which the reaction gas is injected via nozzles in the lower part, the so-called bottom plate.
  • Rods with cracks and spalling can cause electrical
  • the energy consumption at separation plants is u.a. caused by the convective release of heat via the reaction gas to the cooled reactor wall.
  • the reaction gas is to be introduced into the reactor so that the largest possible feed mass flow causes a lower thermal stress on the rods.
  • Filament rods are attached, which are heated, wherein by means of gas inlet openings on the reactor wall and in the
  • the gas inlet openings are bores.
  • the geometry of the hole can be chosen arbitrarily. The invention will be explained below with reference to FIGS. 1-8.
  • a bore may have two different angles to the side wall of the reactor. Such an embodiment is shown in FIG. 3. Both the minimum bore angle and the maximum bore angle may vary only in the 0-45 ° angle range to ensure that the reaction gas mixture is introduced at an angle of 0-45 ° to the side wall of the reactor.
  • reaction gas mixture is introduced at an angle of 0-45 ° to the lateral reactor wall, a wall film is simultaneously produced, which significantly reduces the convective heat exchange with the reactor wall.
  • this wall film is a closed gas film, which is formed from the externally injected reaction gas and along the
  • Reactor inner wall flows from top to bottom.
  • the reactor has a bell-shaped geometry (cylinder +
  • the uppermost inlet openings are in a range between 40% and 100% of the height above the base plate relative to the height of the vertical reactor wall, preferably between 70% and 100%.
  • Aj.ni. corresponds to a surface of an inlet opening on the reactor wall
  • a Reac corresponds to a cross-sectional area of the
  • Reactor formed with the reactor inner diameter D, so
  • the inlet openings are distributed uniformly over the circumference, but they can also be arranged unevenly.
  • the bore shape is usually circular but may have other shapes (e.g., elliptical or the like) and combinations thereof.
  • the direct distance a of the bores (outer edge to outer edge, see FIGS. 4 to 6) relative to one another is at least 3 mm, preferably at least 10 mm, particularly preferably at
  • the rows of holes can be single or multiple, possibly
  • FIGS. 5 and 7 are identical to FIGS. 5 and 7.
  • the combination of 2 to 4 rows of holes to a hole block more preferably 2 - 3 rows of holes (see Fig. 7).
  • the vertical distance "b" of adjacent rows of holes is preferably at most 5 reference bore diameters (see FIG. 5).
  • Diameter of all individual bores on the vertical reactor wall with D H hydraulic reference bore diameter
  • Ai cross-sectional area of the single bore i on the vertical reactor wall
  • Particularly preferred are 2-4 bore blocks.
  • the distance 1 of the blocks satisfies 0.2 ⁇ 1 / D ⁇ 0.8;
  • a partial amount of the reaction gas is introduced via nozzles on the bottom plate of the reactor.
  • the reaction gas which is introduced via the bottom plate, flows through at least one nozzle in the center and possibly
  • Floor plate can be dispensed with.
  • reaction gas is introduced, is preferably between 30 and 100 Percent by mass, more preferably 50-90% by mass, in each case based on the total addition of reaction gas.
  • An optimized injection is achieved by a variable to be designed during the process quantity distribution between base plate and wall.
  • the wall film produced is ideally adapted to the changing flow conditions in the reactor.
  • This selective introduction of the fresh gas directed down the inside of the reactor influences the wall film (i.e., the downward flow of gas near the wall) such that the total energy demand of the reactor drops significantly.
  • An essential advantage of the invention is that the circulation flow in the reactor is maintained.
  • the reactor according to JP2002241120 A2 for example, the
  • Circulation flow of the reaction gas is not promoted, but obstructed.
  • the reactor internal diameter was in each case 1.7 ⁇ m in each case.
  • the deposition temperature was in the batch process between 1000 ° C and 1100 ° C.
  • the wall film is perpendicular to the bottom, tangential to the cylindrical portion of the bell wall
  • the injection was made possible by a recessed step with 240 cylindrical injections distributed around the circumference.
  • the mass fraction of the mass flow at the wall was made possible by a recessed step with 240 cylindrical injections distributed around the circumference.
  • CVD reactor equipped with variant A of FIG. 2. Positioning of the bores according to FIG. 4.
  • the wall film is introduced via a row with 180 holes distributed at the circumference at an angle of 25 °.
  • the distance between the inlet holes and the base plate was 2.0m.
  • Total mass flow was between 50% and 90% depending on the deposition time (starting at 50%, ending at 90%).
  • the wall film is placed over two blocks of offset rows of holes of 360 holes at an angle of 20 ° on the bell wall in the reactor.
  • Each block consists of 3 rows of holes, each with 120 holes.
  • the rows of holes each had a vertical distance of 3 hole diameters from each other.
  • the ratio 1 / D was 0.5.
  • Bore block was 2.2 m.
  • Bore block to the bottom plate was 1.35 m.
  • the mass flow rate applied to the wall ranged from 50% to 90% depending on the deposition time (starting at 50%, ending at 90%).
  • Power consumption measured on average 11% compared to the injection of the total amount of feed through the bottom plate.

Landscapes

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist 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.

Description

Verfahren zur Abscheidung von polykristallinem
Silicium
Hochreines polykristallines Silicium (Polysilicium) dient als Ausgangsmaterial zur Herstellung von einkristallinem Silicium für Halbleiter nach dem Czochralski (C ) - oder Zonenschmelz (FZ) - Verfahren, sowie zur Herstellung von ein- oder
multikristallinem Silicium nach verschiedenen Zieh- und Gieß- Verfahren zur Produktion von Solarzellen für die Photovoltaik .
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 (SiH2C12) , Trichlorsilan (SiHC13) , Tetrachlorsilan (SiCl4) oder Mischungen der genannten Stoffe eingesetzt.
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 . 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.
JP 2002241120 A2 offenbart einen Abscheidereaktor, bei dem an der Oberseite Reaktionsgas eingeleitet wird. Das Reaktionsgas mischt sich oberhalb der Siliciumstabe mit aufsteigendem
Reaktionsgas und sinkt danach an der Reaktorwand 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 auf teigenden
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. 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. 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. 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 .
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 .
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.
Zur Herstellung von Polysilicium werden standardmäßig
Abscheidereaktoren eingesetzt, bei denen im unteren Teil, der sog. Bodenplatte, über Düsen das Reaktionsgas eingedüst wird.
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 . 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 . Stäbe mit Rissen und Abplatzungen können zum elektrischen
Ausfall der Anlage führen. Ausgefallene Anlagen und
Materialabwertungen führen zu höheren Herstellkosten.
Der Energieverbrauch bei Abscheideanlagen wird u.a. verursacht durch die konvektive Abgabe von Wärme über das Reaktionsgas an die gekühlte Reaktorwandung.
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. 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. 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.
Üblicherweise handelt es sich bei den Gaseinlassöffnungen um Bohrungen. Die Geometrie der Bohrung kann beliebig gewählt sein . Die Erfindung wird nachfolgend auch anhand von Fig. 1 - 8 erläutert .
Eine Bohrung kann zwei unterschiedliche Winkel zur seitlichen Reaktorwand aufweisen. Eine solche Ausführungsform ist Fig. 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 .
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.
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. 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% .
Vorzugsweise beträgt ein Verhältnis Aini./AReac zwischen einer Fläche einer einzelnen Einlassöffnung Αιηχ und einer
Querschnittsfläche des Reaktorinnenraumes AReac größer als 10~e und kleiner als 1 / 1600.
Besonders bevorzugt ist 1/200000 < (Aini. ) / (AReac) < 1/2500;
und ganz besonders bevorzugt 1/50000 < (Aini. ) / (AReac) < 1/5000.
Aj.ni. entspricht einer Fläche einer Eintrittsöffnung an der Reaktorwand, AReac entspricht einer Querschnittsfläche des
Reaktors, gebildet mit dem Reaktor- Innendurchmesser D, also
Üblicherweise sind die Eintrittsöffnungen gleichmäßig über den Umfang verteilt, sie können aber auch ungleichmäßig angeordnet sein .
Die Bohrungsform ist üblicherweise kreisförmig, kann aber auch andere Formen (z.B. elliptisch o.ä.) und Kombinationen daraus haben .
Ebenfalls besteht die Möglichkeit, mehrere unterschiedliche Bohrungsformen an einem Reaktor einzusetzen (z.B. kreisförmig und elliptisch) .
Der direkte Abstand a der Bohrungen (Außenkante zu Außenkante, siehe Fig. 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. Bevorzugt werden die Gaseintrittsöffnungen, im weiteren
Bohrungen genannt, in der Reaktorwand in horizontalen Ebenen angeordnet ( =Gaseintrittsöff ungsreihe bzw. Bohrungsreihe) (siehe Fig. 4) .
Eine weitere Aus führungsform der Bohrungsreihe sind über den Umfang schraubenförmig angeordnete Bohrungen (siehe Fig. 6) . Es sind aber auch Kombinationen verschiedener Bohrungsreihen an einem Reaktor denkbar.
Die Bohrungsreihen können einzeln oder zu mehreren, ggf.
vertikal versetzt an der Reaktorwand angebracht werden.
Insbesondere in Umfangsrichtung zueinander verdrehte
Bohrungsreihen erzeugen einen geschlossenen Wandfilm (siehe
Fig. 5 und 7) .
Bevorzugt ist die Zusammenfassung von 2 bis 4 Bohrungsreihen zu einem Bohrungsblock, besonders bevorzugt 2 - 3 Bohrungsreihen (siehe Fig. 7) .
Der vertikale Abstand „b" benachbarter Bohrungsreihen ist vorzugsweise jeweils maximal 5 Referenz -Bohrungsdurchmesser (siehe Fig. 5) .
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
Uj. = Umfang der Einzelbohrung i an der vertikalen Reaktorwand
Bevorzugt sind mindestens 2 Bohrungsblöcke, die in vertikaler Richtung zueinander einen Abstand 1 haben, so dass 0 < 1/D < 1 gilt, wobei D = Reaktorinnendurchmesser (1 = Mittellinie
Bohrungsblock A zu Mittellinie Bohrungsblock B, siehe Fig . 8) .
Besonders bevorzugt sind 2 - 4 Bohrungsblöcke.
Besonders bevorzugt genügt der Abstand 1 der Blöcke 0,2 < 1/D < 0,8;
und ganz besonders bevorzugt 0,3 < 1/D < 0,7.
Zusätzlich zu den Bohrungen an der zylindrischen Reaktorwand wird eine Teilmenge des Reaktionsgases über Düsen auf der Bodenplatte des Reaktors eingebracht.
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.
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 .
Zur Minimierung der Wandwärmeverluste kann gegen Abscheideende auf die Einbringung von Reaktionsgas über Düsen in der
Bodenplatte verzichtet werden.
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.
Eine optimierte Eindüsung wird durch eine während des Prozesses variabel zu gestaltende Mengenaufteilung zwischen Bodenplatte und Wand erreicht.
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.
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.
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 .
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.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen
erläutert. Dabei wird auch erneut auf die Fig. 1 bis 8 Bezug genommen .
Beispiele In einem Siemens -Abscheidereaktor (siehe Fig. 1 bis Fig. 8) wurden polykristalline Siliciumstäbe mit einem Durchmesser zwischen 150 und 170 mm abgeschieden. Dabei wurden mehrere Varianten zur Aufbringung eines Wandfilms an der Reaktorinnenwand getestet.
Die Parameter des Abscheideprozesses waren bei allen Versuchen jeweils gleich.
Die Versuche unterschieden sich nur in der Geometrie und
Position der Wandeindüsungen, sowie der Massenstromaufteilung zwischen Bodenplatte und Wandeindüsung . Der Reaktorinnendurchmesser betrug bei allen Beispielen jeweils 1, 7m.
Die Abscheidetemperatur lag im Chargenverlauf zwischen 1000°C und 1100°C.
Während des Abscheideprozesses wurde ein Feed bestehend aus Trichlorsilan und Wasserstoff als Trägergas zugegeben.
Beispiel 1
CVD-Reaktor ausgerüstet nach Fig. 1.
Bei dieser Variante wird der Wandfilm senkrecht nach unten, tangential zum zylindrischen Bereich der Glockenwand
eingebracht.
Die Eindüsung wurde über eine zurückspringende Stufe mit 240 zylindrischen Eindüsungen, die am Umfang verteilt sind, ermöglicht. 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%) . (Aim.) / (AReac) = 1/20000.
Abstand der Wandeintrittsbohrungen zur Bodenplatte war 2,3 m.
Es wurden 5 Chargen gefahren.
Beim Enddurchmesser wurde eine Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme von im Mittel 7% gemessen gegenüber der Eindüsung der gesamten Feedmenge über die Bodenplatte.
Beispiel 2
CVD-Reaktor ausgerüstet mit Variante A von Fig. 2. Positionierung der Bohrungen nach Fig. 4.
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.
Abstand der Eintrittsbohrungen zur Bodenplatte war 2,0m. 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%) .
Es wurden 10 Chargen gefahren.
Beim Enddurchmesser wurde eine Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme von im Mittel 5% gemessen gegenüber der Eindüsung der gesamten Feedmenge über die Bodenplatte . Beispiel 3
CVD-Reaktor ausgerüstet mit Variante B von Fig. 2. Positionierung der Bohrungen nach Fig. 8.
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.
Jeder Block besteht aus jeweils 3 Bohrungsreihen zu jeweils 120 Bohrungen. Die Bohrungsreihen hatten jeweils einen vertikalen Abstand von 3 Bohrungsdurchmessern voneinander. Das Verhältnis 1/D betrug 0,5.
(Aini.)/(AReac) =1/44000
Der Abstand zwischen Bodenplatte und Mitte des ersten
Bohrungsblocks war 2,2 m.
Der Abstand zwischen Bodenplatte und Mitte des zweiten
Bohrungsblocks zur Bodenplatte war 1,35 m. Der an der Wand eingebrachte Anteil des Massenstroms lag zwischen 50% und 90% abhängig von der Abscheidezeit (beginnend mit 50%, endend mit 90%) .
Es wurden 6 Chargen gefahren.
Beim Enddurchmesser wurde eine Reduktion der elektrischen
Leistungsaufnahme von im Mittel 11% gemessen gegenüber der Eindüsung der gesamten Feedmenge über die Bodenplatte .

Claims

Patentansprüche
1. 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.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis Aini,/AReac
zwischen einer einzelnen Einlassöffnung Aini und einer
Querschnittsfläche des Reaktorinnenraumes AReac größer als 1CT6 und kleiner als 1 / 1600 beträgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei
Gaseinlassöffnungen in der Reaktorwand gleichmäßig am Umfang der Reaktorwand verteilt sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Abstand zwischen den Gaseinlassöffnungen in der Reaktorwand
mindestens 3 mm beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, wobei
Gaseinlassöffnungen in der Reaktorwand ausgehend von der
Bodenplatte und auf die Länge der seitlichen Reaktorwandung bezogen in einem Bereich zwischen 40% und 100% der Länge der seitlichen Reaktorwandung liegen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
Gaseinlassöffnungen in der Reaktorwand in Form von vertikal gegeneinander versetzten Bohrungsreihen vorhanden sind, wobei eine Bohrungsreihe mehrere voneinander beabstandete,
umfänglich in der Reaktorwand eingebrachte Bohrungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei jeweils wenigstens zwei Bohrungsreihen zu wenigstens zwei Bohrungsblöcken kombiniert sind, wobei ein Abstand 1 zwischen je zwei Bohrungsblöcken 0 < 1/D < 1 genügt, wobei D einem Innendurchmesser des Reaktors entspricht .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
Massenströme an Gaseinlassöffnungen in der Bodenplatte und an den Gaseinlassöffnungen in der Reaktorwand variierbar sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei mindestens 30 Massenprozent des in die Reaktorkammer eingebrachten Reaktionsgasgemisches über Gaseinlassöffnungen in der Reaktorwand eingebracht wird.
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