TW202114940A

TW202114940A - 用於生產多晶矽的方法

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Publication number: TW202114940A
Application number: TW109123656A
Authority: TW
Inventors: 保羅波尼卻; 皮歐特菲拉; 湯瑪士施勒克; 馬庫斯文賽斯; 尤爾根沃夫
Original assignee: 德商瓦克化學公司
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2021-04-16
Also published as: WO2021008693A1; EP3999469A1; EP3999469B1; US20220274839A1; KR20210119515A; JP2022540735A; JP7282898B2; CN113544090A; TW202104642A; TWI833029B; KR102618384B1

Abstract

本發明的主題是一種生產多晶矽的方法，該方法包括向氣相沉積反應器的反應空間中引入反應氣體，該反應氣體包含氫以及矽烷及／或至少一種鹵矽烷，其中該反應空間包含至少一個絲棒，該絲棒係藉由電流流過而被加熱且藉由沉積而將矽沉積在該絲棒上形成多晶矽棒，其中在沉積過程中為了控制沉積而確定的調節變數包括：使用測量設備1確定的至少一個矽棒的直徑D；以及該矽棒的形態，該矽棒的形態係以總形態指數M_ges 確定，該總形態指數M_ges 由第一形態指數M1、或第二形態指數M2、或M1和M2的組合組成，其中，M1的值為0.8至2.5，其係由在棒溫Ts下由該矽棒的第一電阻R₁ 與第二電阻R₂ 的比值R₁ /R₂ 得到，其中

以及

，其中 U = 該矽棒二端之間的電壓， I = 電流強度， ρ = 矽的電阻率， L = 該矽棒的長度， A = 該矽棒的截面面積，以及其中，M2的值為0至4，由所生成之該矽棒的熱成像圖像得到，其中所界定之該熱成像圖像的測量面積A_max 係藉由圖像處理分割成第一表面部分和第二表面部分，其中，該第一表面部分A_t 對應於高於局部溫度平均值的溫度T_t ，該第二表面部分A_p 對應於低於局部溫度平均值的溫度T_p ，且M2係由下式確定

，其中該沉積係由反應氣體質量流速

、反應氣體體積流速

、反應氣體脈衝流速

、反應氣體密度δ、反應氣體速度ν、以及噴嘴截面積 A_gas 中的至少一個控制變數控制，由此使得該調節變數M_ges 和D分別採用指定值或保持指定值。

Description

用於生產多晶矽的方法

本發明涉及用於生產多晶矽的方法，在該方法中，所確定的調節變數包括至少一個矽棒的直徑D和作為總形態指數M_ges 的該矽棒的形態，且其中沉積係由反應氣體質量流速

、反應氣體脈衝流速

、反應氣體密度δ、反應氣體速度ν、和噴嘴截面積A_gas 中的至少一個控制變數控制，由此使得調節變數M_ges 和D分別採用或保持指定值。

多晶矽（polysilicon）係用作藉由例如坩堝拉晶法（Czochralski或CZ法）或區熔法（懸浮區熔法）生產單晶（單晶體）矽的原材料。單晶矽係用於製造電子元件（晶圓）的半導體工業中。

藉由例如塊鑄法生產多晶矽時也需要多晶矽。以塊狀形式獲得的多晶矽可用於太陽能電池的製造。

多晶矽可藉由西門子法（一種化學氣相沉積法）獲得。其涉及藉由直接通電在鐘形反應器（西門子反應器）中加熱（通常多晶矽的）支撐體以及引入包括含矽組分和氫的反應氣體。含矽組分通常為甲矽烷（SiH₄ ）或通式組成為SiH_n X_4-n （n = 0、1 、2 、3；X = Cl、Br 、I）的鹵矽烷。典型地，其為氯矽烷或氯矽烷混合物，通常為三氯矽烷（SiHCl₃ ，TCS）。SiH₄ 或TCS主要係與氫混合使用。例如在EP 2 077 252 A2或EP 2 444 373 A1中描述了典型的西門子反應器的構造。反應器的底部（底板）通常裝有容納支撐體的電極。支撐體通常為矽絲棒（細棒）。典型地，二個絲棒係經由（矽）橋連接而形成對，該絲棒對經由電極形成回路。典型地，沉積過程中，絲棒的表面溫度高於1000^o C。在這些溫度下，反應氣體的含矽組分分解，元素矽自氣相中沉積為多晶矽。因此絲棒和橋的直徑增加。當棒達到指定直徑時，通常停止沉積，並移除所得到的多晶矽棒。移除橋後，得到近似圓柱形的矽棒。

多晶矽或多晶矽棒以及由它們形成的塊的形態通常對進一步加工過程中的表現具有較強的影響。多晶矽棒的形態一般係由沉積製程的參數（例如，棒溫度，矽烷濃度及／或氯矽烷濃度，具體流速）確定。根據所述參數，可形成明顯的界面，大至孔和槽。這些界面通常不均勻地分佈在棒內。而且，如例如EP2662335A1中所述，藉由改變參數可形成具有不同（通常為同心的）形態區域的多晶矽棒。形態和棒溫度之間的關係在例如US2012/0322175A1中說明。該文獻所描述的是在沉積過程中藉由對至少一個多晶矽棒進行電阻測量以監測表面溫度的方法。然而，該方法不提供任何關於矽的形態的資訊，而是基於不變的形態。

多晶矽的形態可為從緻密且平滑到非常多孔且有裂縫的。緻密的多晶矽基本上不含裂紋、孔、缺口、以及裂縫。這種多晶矽的表觀密度可等於矽的真密度或與之至少非常近似。矽的真密度為2.329 g/cm³ 。

多孔且有縫隙的形態尤其對多晶矽的結晶行為具有不良影響。特別地，這在用於生產單晶矽的CZ法中非常明顯。這裡，有縫隙且多孔的多晶矽的使用會導致產量在經濟上無法接受。一般而言，在CZ法中，特別緻密的多體矽帶來顯著更高的產量。然而，由於需要更長的沉積過程，緻密多晶矽的生產通常更加昂貴。而且，並非所有應用都需要使用特別緻密的多晶矽。例如，當藉由塊鑄法生產多晶矽時，形態要求明顯低得多。一般而言，當所用原料為形態不超過極限值的多晶矽時，結晶法或這種方法的特定形式在經濟上達到最佳化。

因此，多晶矽不僅按純度和塊大小進行區分和分類，而且按其形態進行區分和分類。由於術語「形態」可包括各種參數，例如，孔隙率（閉孔隙率和開孔隙率的總和）、比表面積、粗糙度、光澤度、以及顏色，形態的可再現性測定具有巨大挑戰。如WO 2014/173596 A1中提出的，沉積後的多晶矽棒或塊的視覺評估具有以下缺陷：內部的形態可能潛在地明顯不同於表面的形態。

例如，對於孔隙率的確定，可藉由差分法確定所測試物件的體積，然後可將有效密度與比密度進行比較。在最簡單的情況下，將測試物件浸入裝滿水的容器中，其中溢出的水的體積與測試物件的體積相對應。應用於多晶矽時需要使用適合的液體，以避免氧化和污染並完全潤濕表面。特別地，在用西門子法生產的可能具有2至4 m之長度的多晶矽棒的情況下，這需要相當高的成本。在例如WO 2009/047107 A2中描述了多晶矽的密度測量的可能性。基本上，追溯性地考慮形態之缺點在於：影響沉積製程為時已晚，從而無法控制形態。

沉積過程中一般要求是將可能引起形態之任何不可控的改變的所有因素排除或最小化。一個可能的破壞性因素的例子是所謂的粉塵沉積。其起因包括以下幾種：具有太高比例之鹵矽烷的反應氣體；不期望的矽烷（例如二氯矽烷）的比例升高；一般由於氣流的變化而引起的反應空間中局部氣體溫度不同或支撐體中局部溫度不同（特別是表面溫度）的發生。

在多晶矽的沉積中一般有二個處於平衡的競爭過程，即矽在棒或矽顆粒表面上的沉積、以及自由顆粒的形成（粉塵沉積）。取決於反應器的特性和反應條件，所形成的自由顆粒可不同，它們的組成可能從純矽（非晶體到晶體）到通式Si_x Cl_y H_z 的複雜化合物而不同。

由粉塵沉積造成的顆粒一般隨著氣流分佈於整個反應空間，並沉降於棒或矽顆粒上，尤其是反應器內壁上。在持續的沉積過程中，落在棒上的顆粒可透過新形成的層而在適當時過度生長，並因此可併入到多晶矽產品中。因此，粉塵沉積一般會導致低級別產品並導致產量損失。落在反應器壁上的顆粒，以及特別是落在反應器下游的加工設備（例如，熱交換器和篩檢程式）中的顆粒隨時間增加而形成越來越厚的覆蓋物，必須時常去除該覆蓋物。這增加了反應器停滯的時間，並且是造成較高生產成本的原因。

為了檢測粉塵沉積，目前為止必須在反應器壁中的觀察窗處進行，其中以肉眼透過反應空間的霧度進行目測檢查。然而，通常只能在晚期，換言之，在多晶矽產品的純度已經受到不利影響的時間點，毫無疑問地檢測粉塵沉積。在大多數情況下，粉塵沉積沒有及時識別，因此必須將產品歸為低級別，或者甚至丟棄產品。

藉由直接調整製程參數，不僅能夠抵抗粉塵沉積，而且能夠以特定方向調整多晶矽的形態及／或保持其不變。因此，理想的是全面監測沉積過程，以直接抵抗對產品品質的不利影響。

因此，本發明的目的是提供能夠全面控制沉積過程的方法。

該目的係藉由一種生產多晶矽的方法實現，該方法包括向氣相沉積反應器的反應空間中引入反應氣體，該反應氣體包含氫以及矽烷及／或至少一種鹵矽烷，該反應空間包含至少一個絲棒，該絲棒係藉由電流流過而被加熱且藉由沉積而將矽沉積在該絲棒上形成多晶矽棒，其中在沉積過程中為了控制沉積而確定的調節變數包括：使用測量設備1確定的至少一個矽棒的直徑D；以及該矽棒的形態，該矽棒的形態係以總形態指數M_ges 確定，該總形態指數M_ges 由第一形態指數M1、或第二形態指數M2、或M1和M2的組合組成，其中，M1的值為0.8至2.5，其係在棒溫Ts下由該矽棒的第一電阻R₁ 與第二電阻R₂ 的比值R₁ /R₂ 得到，其中

（式I）以及

（式II），其中 U = 該矽棒二端之間的電壓， I = 電流強度， ρ = 矽的電阻率， L = 該矽棒的長度， A = 該矽棒的截面面積，以及其中，M2的值為0至5，由所生成之該矽棒的熱成像圖像得到，其中所界定之該熱成像圖像的測量面積A_max 係藉由圖像處理分割成第一和第二表面部分，其中，該第一表面部分A_t 對應於高於局部溫度平均值的溫度T_t ，該第二表面部分A_p 對應於低於局部溫度平均值的溫度T_p ，且M2係由式III確定：

（III），其中，沉積係由反應氣體質量流速

、反應氣體體積流速

，反應氣體脈衝流速

、反應氣體密度δ 、反應氣體速度ν 、和噴嘴截面積A_gas 中的至少一個控制變數控制，使得調節變數M_ges 和D 各自採用或保持指定值，其中質量流速

為1800至36000 kg/h，體積流速

為1500至9000m³ /h，脈衝流速

為5至80N，密度δ 為2至16 kg/m³ ，氣體速度ν 為5至100m/s，以及噴嘴截面積A_gas 為80至5000 mm² 。

質量流速

較佳為6000至34000 kg/h，更佳為12000至32000 kg/h。

體積流速

較佳為3000至8000 m³ /h。

脈衝流速

較佳為10至50 N。

密度δ 較佳為7至13 kg/m³ 。

氣體速度v 較佳為20至50 m/s。

噴嘴截面積A_gas 較佳為500至4000 mm² ，尤其為1500至3500 mm² 。

尤其是，質量流速

及／或體積流速

作為調節變數的函數而被控制。質量流速

是例如使用流量計測量的反應氣體的總質量流速。體積流速可使用渦輪流量計（例如，根據DIN EN 1343）測量。較佳地，在將反應氣體在多個噴嘴之間分配以引入反應器之前進行測量。此外，藉由壓力測量以及已知的氣體組成，可根據理想氣體定律計算密度δ 。然後可根據以下關係確定其它變數：

；

，

此外，沉積可由U 、I 、反應器壓力p 、表面溫度T_OF 、以及反應氣體中的氫比例中的至少一個另外的控制變數控制。在這種情況下，以每對棒計的U 為50至500 V，較佳為55至250 V，更佳為60至100 V。以每對棒計的I 為500至4500 A，較佳為1500至4000 A，更佳為2500至3500 A。反應器壓力p 為200至1000 kPa，較佳為500至800 kPa。T_OF 為950至1200^o C，較佳為1000至1500^o C。進入反應器之前反應氣體中的氫比例為50至90%，較佳為60至80%。相應地，氯矽烷與氫（莫耳分率）的比值為0.1至0.5，較佳為0.2至0.4。

反應氣體的組成可例如在進入反應器的進料管線之前藉由拉曼光譜和紅外光譜以及氣相色譜確定。例如，反應氣體組成可藉由調節反應氣體的其他組分（例如，TCS、H₂ ）到反應器的流量控制電路來改變。可用測量管路在例如反應氣體進料管線中、流出氣體管線中、或在觀察窗中測量壓力。壓力可藉由壓力測量設備和安裝在反應器之流出氣體管道中的調節閥的閉環控制電路來改變。

如先前已經描述的，根據沉積參數可形成不同形態的多晶矽，且還可在同一多晶矽棒中，特別是沿該多晶矽棒之截面的徑向方向，出現彼此由界面分隔的具有不同形態的區域。尤其是，這裡形態是指多晶矽的裂口，該裂口係洞、孔和槽的出現頻率和排列的產物。形態還可理解為多晶矽的總孔隙率，所述總孔隙率由彼此連通及與環境連通的所有空腔、以及不彼此連通的空腔的總和組成。總孔隙率，即，孔的總體積（開孔和閉孔）在多晶矽的總體積中的分數，可根據DIN-EN 1936確定。

已經認識到，尤其是洞和槽沒有均勻地分佈在所沉積的多晶矽中，而是根據沉積而具有不均勻的分佈。較佳地，這裡的縱向方向係指向徑向，換言之，指向生長方向。因此，多晶矽中的一些傳輸事件可為方向依賴性的（各向異性）。換言之，多晶矽在宏觀上可表現出各向異性的物理性能。

裂口會影響電流穿過的矽體積的電阻R，這是與緻密多晶矽相比R增加的原因。在通常使用的小於1kHz的電源頻率下，電流會穿過整個矽體積。

此外，孔和槽的形成呈現為爆米花狀的表面結構。從外形上看，爆米花表面是凸起（峰）和溝槽（谷）的集合。爆米花是指多晶矽具有裂紋、開口、和裂縫，且多晶矽因這種裂口而導致具有非常高的表面積。凸起和溝槽在沉積過程中在溫度上不同。這種情況通常是影響矽棒表面溫度T_OF 之測定的問題，因為理想的結果只能在平坦表面上測量得到。然而已經意識到，正是矽表面上的溝槽與凸起之間的溫度差異而使得可提供關於沉積過程中棒的形態的資訊。這些差異可從光學上捕獲。

在本發明的方法中，直接在沉積過程中確定形態，其中對於M1係使用直接使用運算數據的電熱模型。藉由至少一個熱成像圖像的記錄確定M2，其中使用圖像處理將溫度升高的表面區域（槽）和溫度降低的表面區域分開。

沉積之後不需要對多晶矽棒整體或以塊之形式進行通常成本很高且通常不精確的光學分析。藉由使用在任何情況下都可獲得的運算數據，根據本發明的技術可按比例隨意縮放。因為通常無論如何都會生成熱成像圖像以確定表面溫度T_OF 或確定M2（例如使用高溫計），因此設備的成本小。因此，可將M1和M2的確定在不需要很大成本下併入用於程序控制的現有系統。針對程序控制使用形態指數M1及／或M2對於品質保證和產量最大化提供相當大的潛力。尤其是，藉由對形態進行持久監控，可根據客戶需求精確地生產多晶矽。

指數M1的值較佳為1至1.8，更特別為1.2至1.6。指數M2的值較佳為0.1至3，更特別為0.1至2。M1和M2為無因次指數，其值根據多晶矽棒的裂縫／孔隙率的增加而增加。

例如，M2大於3的多晶矽棒具有相當大比例的爆米花結構。如果M2的值為零，所涉及的棒具有非常平滑的表面，因此為非常緻密地沉積的多晶矽。

對於A型多晶矽的生產，較佳進行控制使得M1的值為0.8至1.2及／或M2的值為0至0.1。A型通常非常緻密並且用於半導體的生產。尤其是用於以無差排之產量最大化為目標的CZ法。

對於B型多晶矽的生產，較佳進行控制使得M1的值為1.2至1.4及／或M2的值為0.1至1。B型通常具有適中的緻密度，且尤其用於成本最佳化的穩固的半導體應用、以及苛刻的具有單晶矽的太陽能應用（CZ法）。

對於C型多晶矽的生產，其中C型多晶矽尤其係用於穩固的具有單晶矽的太陽能應用所需者，較佳進行控制使得M1的值為1.4至1.7及／或M2的值為1至3。C型沒有B型那麼緻密，具有更好的性能價格比，且尤其適合於CZ法有關的補給操作。

對於D型多晶矽的生產，較佳進行控制使得M1的值超過1.7及／或M2的值為3至5，較佳3至4。D型具有高比例的爆米花結構。其具有裂縫較多的表面以及高的孔隙率。其尤其是用於藉由定向凝固或塊鑄生產之用於太陽能應用的多晶矽。

較佳地，M1及／或M2在沉積過程中基本上保持不變。「基本上」尤其係指，可能發生設定值加／減0.1的臨時偏差。偏差還可視需要為加／減0.2。

較佳地，連續確定指數M1及／或M2，以確保特別精確地控制沉積。

另外，可以時間間隔的方式分別確定M1及／或M2，這種情況下，時間間隔可特別對應於指定的矽棒之直徑增加。由此，可針對在具體時間間隔中生長的矽棒之區域（同心區域）的形態進行陳述。在一定時間間隔內的計算係需要進行M1及／或M2對時間的積分。

若M1和M2均在沉積過程中確定時，則將這二個指數組合到總形態參數M_ges 中。如果只確定了這二個指數中的一個，則M_ges 係由M1或M2的值得到。

可藉由例如加上或乘以單個數值而將M1和M2組合，視需要之可能性是透過因數、被加數、或指數來加權單個數值。

較佳地，M1和M2係根據式IV藉由加權相加而組合：

（IV）。在這種情況下，a為加權因數，其值為0至1，較佳為0.3至0.8。在這種情況下，

在 M1的範圍內對應於M1的最小值、M1可實現的最小值、或0。

在 M1的範圍內對應於M1的最大值、M1可實現的最大值、或1。

在 M2的範圍內對應於M2的最小值、M2可實現的最小值、或0。

在 M2的範圍內對應於M2的最大值、M2可實現的最大值、或1。

如果所選的各個範圍的限值為

，

，

和

，則

的數值範圍為0至100%涵蓋從A型到D型的整個形態譜。如果選擇例如A型多晶矽之產品的值為

，

，

，則

的結果為0至100%的數值範圍涵蓋A型的整個形態譜。

如果選擇各自範圍的限值以及例如0.5的加權因數a，則A型多晶矽的指數M_ges 值較佳為0至13%、B型多晶矽的指數M_ges 值較佳為13至28%、C型多晶矽的指數M_ges 值較佳為28至56%、以及D型多晶矽的指數M_ges 值較佳為56至100%。

M1為透過第一可直接測量電阻R₁ 與第二理論電阻R₂ 的比值得到的無因次指數（參照式I和II）。多晶矽棒裂口越多／越多孔，其M1越大。例如，M1大於1.5的多晶矽棒具有相當大比例的爆米花結構。

R₁ ，也可稱為加熱電阻，其係根據歐姆定律，由在矽棒上測量的電壓U和電流強度I而確定。I（棒電流）為電流強度，其中絲棒／矽棒係藉由該電流強度而被加熱（焦耳加熱）。U為電壓，其中在矽棒或絲棒二端施加該電壓以產生棒電流。較佳地，絲棒包括二個經由橋（由矽製成）連接而形成棒對的細矽棒。棒對的二個自由端通常與反應器底部的電極連接。U和I可使用商售的測量儀器進行測量。U和I也表示控制變數，其一般在製程控制站持久地顯示，且視需要以繪圖表示。

在氣相沉積反應器中佈置的矽棒／矽棒對的數量通常對於本發明方法的實施而言並不重要。較佳地，氣相沉積反應器為西門子反應器，如在先前技術之段落和例如EP 2662335A1中所描述者。反應器中矽棒數量的典型實例為36個（18棒對），48個（24對），54個（27對），72個（36對）或96個（48對）。矽棒可被認為是在沉積過程中任何時間點非常接近圓柱形。尤其是不管細棒是否具有圓柱形、或例如方形設計，都是這樣。因此，U和I的平均值也可用於確定R₁ ，例如，這些平均值由對反應器中的每一棒對進行測量而得到。

R₂ 係藉由如下而確定：將矽的電阻率 ρ乘以矽棒的長度L並除以電流穿過的矽棒截面積A。

L一般係對應於從反應器底部的一個電極到另一電極測量的矽棒的長度。L的確定可基於絲棒的長度以及視需要基於橋的長度。該長度是已知的或者可在安裝於反應器中之前測量。對於上述矽棒對，L將由二個細棒的長度與橋的長度之總和得到。沉積之後矽棒的形狀可能偏離絲棒的形狀的事實對於本發明的實施而言並不重要。沉入電極或電極座中的細棒的部分也不重要。

L可為2至8 m，較佳3至7 m，更佳4至6.6 m，尤其是5.6至6.4 m。

截面積A可藉由測量至少一個矽棒的直徑D或周長而確定。由於可假定矽棒為圓柱形且反應器中所有矽棒的直徑基本上相同，因此特別是當比較在同樣棒高度下測量的數值時，A可根據如下計算：A = 𝜋*d² /4，其中d=棒直徑。這種近似是合理的，因為現代西門子反應器被設計成確保沉積盡可能地均勻，換言之，設計成生產具有相同品質和形狀的矽棒。這可藉由反應器內均勻的氣流以及基本上對稱的棒的佈置而實現。對於本發明的實施而言，在哪一個棒或哪些棒進行直徑確定基本上並不重要（同樣適用於表面溫度T_OF 的確定）。

關於直徑D的確定和測量設備1，可參考申請人的WO 2019/110091 A1，該專利的全部內容併入本文成為本說明書的一部分。較佳地，確定至少一個矽棒的一個直徑D。特別佳地，確定至少二個，更特別是三個或四個矽棒的直徑。適當時，可在矽棒上的不同高度進行多次測量。由確定的數值可生成平均值，從而增加測量準確性。

較佳地，D的確定係從反應器外部透過觀察窗進行，特別是透過照相機進行確定。也可使用安置在反應器周圍不同位置的二個或更多個照相機。照相機可為光學相機（例如，數位／CCD相機）及／或熱成像相機。D可藉由對一個或多個所生成的圖像或圖像細節進行圖像處理（尤其是數位圖像處理）來確定。圖像處理尤其可藉由軟體完成，較佳地，該圖像處理可整合至製程控制站的系統中。

例如，D可藉由如下來確定：選擇照相機的焦距使得至少一個矽棒在反應器內壁前在寬度上可見。通過畫素分析，則可識別矽棒的左側輪廓和右側輪廓，並確定它們之間的距離。通常對照相機進行校準以使其記錄的圖像在其寬度上對應於反應器內壁上圓周方向上的特定距離。反應器的幾何形狀，特別是在照相機高度處之反應器的周長原則上是已知的。通常，矽棒的位置同樣也是已知的，由此矽棒與反應器內壁和與照相機的距離同樣也是已知的。還可測量反應器壁前方的二個相鄰棒之間的距離，由此計算D，尤其是藉由三角測量方式計算。透過由反應器配置得知的距離或間距的關聯性，可由棒彼此之間的距離計算D。

可替代地，或者另外地，D還可由通常永久記錄的沉積製程參數確定。涉及的參數可為例如，反應氣體的體積流速、矽棒的表面溫度T_OF 、I、U、R₁ 、以及沉積時間。例如，先前沉積製程的比較資料可隨後用於計算與沉積時間相關的D。

電阻率ρ表示由長度為1 m、連續面積為1 mm² 的材料（例如矽）製得的導體所呈現的電阻。原則上ρ取決於溫度。對於矽而言，ρ可在表格中找到（參照 Chemische Enzyklopädie，Moscow，1990；第2卷：第 1007頁；同樣參照表2），以及在與沉積相關的800至1300^o C的溫度範圍中，其值為0.00001至0.0005 Ω*m。因此，確定在測量R₁ 和R₂ 時的平均棒溫T_S 係特別重要。

較佳地，T_S 係以矽棒的表面溫度T_OF 、或同一矽棒或不同矽棒的二個或更多個表面溫度T_OF 的平均值來確定。T_OF 為重要影響變數，其在沉積過程中通常可監測並藉由改變電流的通過來調整。原則上，由於棒的直徑增加並因此表面積增加，因此離開矽棒的熱流隨沉積時間而增加。因此，在沉積過程中，通常需要調節電流強度。

根據一個較佳實施態樣，T_S 係藉由在表面溫度T_OF 上加上不變或可變的溫度偏差來確定。較佳地，溫度偏差為0至120K，更佳為30至80K。這可考慮到：T_S 可能在所測量的表面溫度T_OF 之上。一般而言，加熱功率U*I及／或棒直徑D越大，溫度偏差越大。因此，可根據U*I和D而可變地指定溫度偏差。

較佳地，使用至少一個熱成像相機（輻射高溫計），尤其是從反應器外部透過觀察窗來測量T_OF 。原則上，T_OF 的確定（特別是涉及測量儀器的安置和測量位置）係適用上述對於D的確定之說明。因此，可參考WO 2019/110091 A1和上述說明。

由於D和T_OF 均可使用熱成像相機確定，這二個數值均可在同一矽棒上確定，且視需要可使用同一測量儀器確定。

T_S 也可根據式V來確定。

（V） k = 調節因數， A_OF = 沿著棒長度的棒表面積， λ = 矽的熱導率， r_II = 矽棒的半徑， r_S = 矽棒的截面的矩心的半徑。

用於確定T_S 的這種模型係以圖1說明。所述模型係基於所測量的T_OF 、直徑D（2*r_II ）、電加熱功率（U*I）、以及熱導率λ。在800至1300^o C的相關溫度範圍內，矽的熱導率λ為約18至30 W/(m*K)。對於λ，可以固定值 22 W/(m*K)作為基礎。

U*I/A_OF *λ是棒表面的溫度梯度gradT_OF ，其中表面積係藉由π*d*L確定。這種方法考慮了以下事實：整個電功率基本上係作為熱流在棒表面上傳導。由於矽棒很近似圓柱形（對於橋同樣可很好地近似）且由於電加熱功率分佈於整個棒截面，因此溫度梯度沿著棒內部的方向降低。在棒的中心處溫度梯度假定為零（在r_II 下曲線的一階導數對應於直線（斜率）gradT_OF ）。根據該模型，將T_S 定義為棒截面的面積矩心的普遍溫度（r_S 下的T_S ）。面積矩心為內圈面積等於外圈面積下的半徑r_S 。將溫度梯度gradT_OF 乘以調節因數k得到k*gradT_OF （與切線gradT_OF 相鄰的虛線）。連同與棒表面的距離（r_II -r_S ）以及T_OF 的加入，可確定T_S 。這裡的調節因數k較佳為0至1.2，更佳為0.7至0.9。例如，k的典型值為0.8。

第二形態指數M2較佳係由同一矽棒（更特別是在不同位置）所生成的至少二個熱成像圖像來確定。可替代地或除此之外，在各情況下還可由不同矽棒生成一個或多個熱成像圖像。形態指數M2隨後可生成為所獲得的單個值的平均數。

較佳地，熱成像圖像係使用熱成像相機（輻射高溫計）生成。尤其是，透過熱成像圖像可確定T_OF 和M2。不需要單獨的測量設備。對於熱成像圖像的記錄，可相應地參考上述涉及T_OF 的說明。熱成像圖像的生成一般發生在最靠近觀察窗的矽棒上。一般而言，熱成像圖像是否在例如棒中間的高度、或棒的上三分之一、或下三分之一的高度處發生並不重要。熱成像圖像通常從棒的中間生成。

在其內確定M2的測量面積A_max 的大小較佳為10至300 cm² ，更佳為30至200 cm² ，特別佳為50至150 cm² 。尤其是，A_max 可對應於所生成的熱成像圖像中的細節。或者，A_max 可對應於整個熱成像圖像。隨著矽棒的直徑增加而改變的曲率可在指定A_max 時忽略。

較佳使用排序濾波器，更特別是中值濾波器，來將測量面積A_max 分割成第一表面部分A_t 和第二表面部分A_p 。例如，這可為30*30-畫素中值濾波器（所涉及的畫素周圍的環境大小等於30*30 畫素）。還可採用其他均值濾波器。

將二個圖像數學上相除（用平滑圖像除以原始圖像）會得到相對於平均值的局部偏差。然後進行小於0的分離而得到爆米花結構（凸起）的面積部分。視需要地，可使用標準圖像處理演算法（例如，用Fa. National Instruments: Delete, Erode, Fill Holes, Separate Objects程式庫中的指令）除去更小的結構，以及填充「洞」。所述洞一般為來自圖像處理的假像。使用遮罩，隨後藉由對由測量儀器生成的熱成像圖像（溫度陣列）進行過濾或分離而使凸起（爆米花結構）和溝槽（谷）分離。隨後，溫度T_t 和T_p 可分別藉由對分離所得到的二個熱成像圖像（溫度陣列）進行中值評價而確定。

這裡，第一表面部分A_t 對應於由槽（谷）所占且溫度為T_t 的區域。第二表面部分A_p 對應於由凸起（峰）所占且溫度為T_p 的區域。矽表面上的槽與凸起之間的溫度差異一般可為30^o C。

一般而言，M2還可使用黑白圖像和灰階值的軟體輔助分析來確定。

根據本發明方法的一個較佳實施態樣，可使用測量設備2確定反應空間內的霧度以作為另一調節變數，以用於檢測粉塵沉積。

測量設備2使得粉塵沉積能夠得以早期識別。藉由仔細研究對抗措施，可防止多晶矽的污染，也可防止在技術設備（例如，反應器內壁、濾波器、熱交換器、管道）上生成覆蓋層。理論上可手動或自動地進行對抗措施。

一般而言，在粉塵沉積開始時，形成平均粒徑為約100 nm的顆粒。隨著粉塵沉積的進行，這些顆粒的平均粒徑可為約10 µm。在粉塵沉積的情況下，顆粒粒徑一般在100 nm至10 µm的範圍內。這些顆粒吸收並散射電磁輻射，特別是在可見光區和紅外光區。這裡，電磁輻射的來源是否為多晶矽棒或外部光源（即設置在反應空間外部的光源）並不重要。理論上，霧度的檢測係基於反應空間中的氣體環境中的顆粒數量增加，以及基於相關的瞬變電磁輻射之變化（例如，方向，散射，吸收，強度）。

測量設備2較佳包括散射輻射偵測器及／或消光偵測器。除了散射輻射偵測器及／或消光偵測器，測量設備2可包含至少一個外部電磁輻射源，特別是光源及／或雷射，該外部電磁輻射源較佳係佈置在反應器的外部，例如觀察窗前。「外部源」是指所檢測到的輻射並不只是由加熱的多晶矽棒發射的電磁輻射。因此，散射輻射偵測器及／或消光偵測器尤其是檢測來自外部源的電磁輻射、以及如果合適則檢測在測量段之後散射和衰減的電磁輻射。所述測量段係對應於外部源與偵測器之間的距離。較佳地，外部源發射具有與矽發射譜的一般波長不同的多種波長或一種波長的輻射。因此，可將該測量輻射與多晶矽棒發射的輻射進行區分。

較佳地，偵測器係佈置在反應器外部，例如反應器壁中的觀察窗前。理論上，消光偵測器位於外部源的對面，以使得輻射直指向偵測器。散射輻射偵測器一般係以與所發射的輻射呈一定角度佈置。還可將二個或更多個散射輻射偵測器以與輻射呈不同的角度佈置。測量段穿過反應空間，且例如可對應於反應空間的內徑。較佳地，測量設備2包括散射輻射偵測器和消光偵測器的組合。具有散射輻射偵測器和消光偵測器的測量設備2的典型佈置如圖2所示。

理論上，對於確定霧度，不需要外部電磁輻射源或額外的電磁輻射源，因為多晶矽棒本身就是電磁輻射源（波長約為100至2000 nm）。該輻射可在沉積過程中用偵測器進行檢測，該偵測器理論上還適合作為消光或散射輻射感測器。在粉塵沉積的情況下，由支撐體發射的輻射係透過吸收和散射而衰減。因此，由支撐體發射的輻射的衰減可使得能夠檢測粉塵沉積。不具有外部電磁輻射源的測量設備2的典型佈置如圖3所示。

測量設備2可包括光學相機。尤其是，測量設備2可以是光學相機。例如，光學相機可包含具有下游成像處理的輻射傳感陣列。這種情況下霧度係以相機所生成之圖像的品質之變化來確定。可替代地或另外的，霧度還可以用於建立最佳圖像品質的參數之變化來確定。相機可例如為黑白相機或彩色相機。其較佳為數位相機。

由相機生成的圖像的品質變化可反映在例如圖像敏銳度、解析度、對比度、顏色分佈及／或灰度值的變化中。較佳地，使用圖像處理軟體對這些變化進行分析。

粉塵沉積過程中通常會觀察到反應器內部變得越來越混濁及越來越暗（圖像變灰）。因此，例如，作為支撐體的矽棒的邊緣和表面輪廓會變得模糊。相機圖像的這種改變可藉由例如圖像畫素軟體來檢測和評估。

理論上，例如可根據輻射強度對每一畫素分配數值。將這些數值與先前數值比較或與通常數值比較而可得到關於霧度的資訊。如果，例如，沒有霧度，則矽棒邊緣的數值梯度較陡。在霧度存在下，梯度變平，且總體數值變化的量減少。一般而言，這些數值在霧度的情況下減小，因為霧度會導致照射在感測器上的輻射強度衰減。

此外，可由二個連續圖像來確定灰度差異。如果所確定的數值超出一定閾值，可開始採取對抗措施。

用於建立最佳圖像品質的參數可為例如曝光時間、光圈值、及／或ISO值。例如，相機中使用的自動調節系統可設置成使得可生成盡可能最佳的反應器內部圖像。因此，根據入射輻射調節曝光時間。當粉塵沉積及伴隨的霧度開始時，通常需要較高的曝光時間。然後，當超過曝光時間的閾值時，可開始採取對抗措施。

根據另一實施態樣，測量設備2包括溫度感測器，其中霧度較佳係以溫度的變化來確定。更特別是，測量設備2為溫度感測器。

較佳地，溫度感測器係選自高溫計（輻射溫度計）、熱成像相機、熱電偶、及其組合。

由於一般而言在任何情況下，D及／或T_OF 係使用黑白相機或熱成像相機確定，因此理論上不需要重建或安裝新的檢測霧度的測量設備。

因此，D和霧度較佳係藉由使用同一測量儀器（測量儀器1與2相同）確定。更特別地，D、T_OF 、及霧度係使用同一測量儀器確定。

基本上，高溫計和熱成像相機具有偵測器，該偵測器測量由多晶矽棒及其環境所發射的電磁輻射。粉塵沉積的發生以及伴隨產生的霧度係作為對溫度測量的破壞變數。到達偵測器處的輻射會被減弱，因此，所預期的溫度測量值錯誤地變得太低。由於調節相關的數學關聯，導致這種錯誤一般可持續存在於閉環控制電路的許多參數中。因此，這些導致的參數及其與正常數值的偏差也可以用於檢測粉塵沉積。

尤其是，測量設備2可為光學相機和溫度感測器的組合。例如，所涉及的設備可為用於觀察反應空間的黑白相機、以及用於確定T_OF 和視需要之D的高溫計或熱成像相機。

一般能夠以照射在感測器上的電磁輻射的變化來檢測霧度的其它感測器包括：半導體感測器，例如CCD（電荷耦合裝置）感測器和CMOS感測器（主動畫素感測器）；以及光敏電阻（光-依賴性電阻）。

較佳地，霧度係在至少二個不同的測量點確定。這可藉由例如位於反應器中之不同位置的測量設備來實現。一般而言，在反應空間中不同位置確定霧度並不是嚴格必須的，因為在粉塵沉積情況下，理論上這些顆粒會均勻地分佈在反應空間內。

一般而言，調節變數M_ges （或M1及／或M2）、D、以及霧度係在沉積過程中連續地確定，或者在沉積過程中在不同時間點較佳以相同時間間隔不連續地確定。

如果超過霧度閾值，可中斷或結束沉積。如果由於特別高程度的粉塵沉積而預測會引起高度污染，甚至透過直接改變控制變數也不能消除高度污染，則可考慮結束。

理論上控制沉積以使霧度基本上不變，更尤其是基本上等於0或至少接近0的數值。這裡的「基本上」尤其意指可與設定值短暫地具有輕微偏差。這種情況的可能原因包括：反應器的上游或者下游技術單元的調節變數的波動、反應器本身的調節變數的波動、反應氣體中不欲的矽烷成分的比例升高。一般而言，理想的是完全沒有粉塵沉積發生。然而，這可取決於對待沉積的多晶矽的品質要求，即是否可承受達到一定程度的粉塵沉積，以降低操作成本。

透過調節變數M_ges 、 D、以及視需要之霧度進行沉積的控制，其中調節變數在經過的沉積時間內係採用或保持指定值。通常這係藉由在改變一個或多個控制變數的情況下，製程控制站處的連續或不連續的回饋來實現。通常，這裡應當將調節變數D理解成是指D的增加應當被最大化。這是指應當要實現每單位時間之盡可能最大的操作進展。

當M_ges 高於指定數值或數值範圍時，則可例如獨立地或以組合方式進行以下操作： - 降低T_OF 、I、以及加熱功率的指定值。 - 提高質量流速

、體積流速

、脈衝流速

、以及氣體速度ν的指定值，其中ν還可藉由減少噴嘴截面積A_gas 來達成。 - 提高氯矽烷與氫的比值的指定值。

當M_ges 低於指定數值或數值範圍時，則可獨立地或以組合方式進行以下操作： - 提高T_OF 、I、以及加熱功率的指定值。 - 降低質量流速

、體積流速

、脈衝流速

、以及氣體速度ν的指定值，其中ν還可藉由增大噴嘴截面積A_gas 來達成。 - 降低氯矽烷與氫的比值的指定值。

當霧度高於指定數值或數值範圍時，則可例如獨立地或以組合方式進行以下操作： - 降低T_OF 、I、以及加熱功率的指定值。 - 提高質量流速

、體積流速

、脈衝流速

、以及氣體速度ν的指定值，其中ν還可藉由減少噴嘴截面積A_gas 來達成。 - 降低氯矽烷與氫的比值的指定值。

當霧度低於指定數值或數值範圍時，則可獨立地或以組合方式進行以下操作： - 提高T_OF 、I、以及加熱功率的指定值。 - 降低質量流速

、體積流速

、脈衝流速

、以及氣體速度ν的指定值，其中ν還可藉由增大噴嘴截面積A_gas 來達成。 - 提高氯矽烷與氫的比值的指定值。

D的增加可獨立地或以組合方式進行以下操作而增加： - 提高T_OF 、I、以及加熱功率的指定值。 - 提高質量流速

、體積流速

、脈衝流速

、以及氣體速度ν的指定值，其中ν的增加還可藉由減少噴嘴截面積A_gas 來達成。 - 提高氯矽烷與氫的比值的指定值。

透過控制沉積，可生產大量不同品質的多晶矽。例如，還可生產具有不同形態之同心區的矽棒。具有特別優勢地，整個沉積製程可適應特定品質要求，從而總是可選擇反應器以其最經濟的條件運行。

本發明的另一方案涉及用於實施本發明方法的氣相沉積反應器，該氣相沉積反應器具有：用於在沉積過程確定直徑和形態指數2的測量設備1，以及用於在沉積過程中確定反應空間內的霧度的測量設備2。該測量設備2包含具有至少一個外部電磁輻射源的散射輻射偵測器及／或消光偵測器。由該源發射的輻射的相互作用會在穿過反應空間的測量段之後藉由偵測器確定。

測量設備1較佳為熱成像相機。可替代地，測量設備1還可包含黑白相機或熱成像相機。

關於反應器的其它實施態樣，可參考先前說明。

實施例

實施例1：M1的離散確定

對在一個時間段中生長的C型多晶矽的一部分進行M1的確定。

在圖2中，區域I對應於在時間T₀ 具有直徑d_I 和溫度T_I 的多晶矽棒；區域II對應於在時間段Δt = t_1- t₀ 中生長的厚度為d_II -d_I （直徑增加）且溫度為T_II 的棒部分。區域II的M1係藉由下式確定

其中

時間點	區域
		[m]	[°C]	[°C]	[Ω*m]	[m]	[Ω]	[V]	[A]	[Ω]	-
t_0	I	0.09	1005	1073	0.000089	2.8	0.031	95	1450	0.065	1.67
t_1	I+II	0.1	1000	1080	0.000087	2.8	0.030	87	1700	0.0511	1.65
t_1	II						0.146			0.2338	1.59

表1：實施例1的數值

T [°C]	ρ [Ω*m]
800	0.00032
900	0.00019
1000	0.00012
1100	0.00008
1200	0.00006
1300	0.00004

表2：ρ的數值

實施例2：B型和C型多晶矽的沉積

在圖3中係針對二個不同的沉積製程（因此二個不同的多晶矽級別）繪製M相對於直徑D的曲線圖。虛線曲線表示C型的生產。以虛線和點描繪的曲線表示B型的生產。B型比C型更緻密。B型應當具有1.2至1.4的M1值，而C型應當具有1.4至1.7的M1值。二個製程均在相同的西門子反應器中進行，但是選自U、I、T_OF 、反應氣體組成、以及體積流速

的至少一個控制變數的指定值不同。在整個沉積時間中連續確定M1。使用CCD相機確定二個棒上的D。同樣地，使用高溫計確定二個棒上的T_OF 。

二個製程均以M1數值接近1的緻密沉積的多晶矽開始。隨後二個製程的M1均增加。在C型生產中，在沉積開始後的較短時間就對M1選擇較陡的曲線。在棒直徑為50 mm下就應達到M1的目標水準為1.4至1.7。隨後將M1的值調節至約1.45至1.5。對於B型的生產，要求M1較平穩地增加直至直徑約100 mm。從直徑約140 mm開始，M1再次降低，以便更緻密地沉積外部約40 mm。

藉由實施例能清楚了解，對生產大量不同種類的多晶矽而言，如何能方便地透過指數M1來控制沉積。

實施例3：熱成像圖像的分割

圖4顯示熱成像圖像A。其係藉由西門子反應器中的觀察窗在橋和電極之間約一半的高度處用紅外相機記錄多晶矽而得到。該多晶矽棒係在靠近該觀察窗處。該圖像係在約90 h的沉積時間後得到。所述西門子反應器裝載有24個棒對，其中絲棒的長度為2.5m。沉積C型多晶矽。因此，M2應當具有1至3的值。測量面積A_max 對應於虛線內的面積。

圖像B和C顯示分割的結果。使用LabVIEW軟體（Fa. National Instruments）和中值濾波器（30*30畫素）分割成表面部分A_p （圖像B，虛線內白色凸起，溫度 T_p = 1027°C）和表面部分A_t （圖像C，虛線內白色溝槽，溫度T_t = 1033°C, A_t = 20 cm² ）。測量面積A_max 的大小為 57 cm² 。根據式（III），在沉積過程中之該時間點的M2為2.1，這在C型多晶矽的設定值範圍內。

實施例4：C型和D型多晶矽的沉積

圖5顯示針對二個不同沉積製程（C型和D型矽），M2相對於棒直徑D[mm]的曲線圖。上方曲線表示D型的生產，下方曲線表示C型的生產，C型比D型更緻密。C型應當具有1至3的M2值，D型應當具有3至5的M2值。二個製程均在相同的西門子反應器中進行，但是至少一個選自U、I、T_OF 、反應氣體組成、以及體積流速

的至少一個控制變數的指定值不同。連續確定M2。使用數位相機確定二個棒上的D（參照 WO 2019/110091 A1)。

二個製程均以特別是由包括高度緻密之矽的絲棒所引起的緻密沉積的多晶矽和M2數值接近0開始。在D型的生產中，在沉積開始後的較短時間就選擇較陡的M2曲線。在直徑約90 mm下就應當達到M2約3.5的目標水準。接近多孔的多晶矽的較陡曲線尤其是藉由改變T_OF 、氣體組成及／或

來實現。隨後將M2值調節至3.5與3.9之間（平均約3.7）。

同樣對於C型的生產而言，應當在約90 mm下達到約1.5的設定值。相應地調整所描述的控制變數的調節。在剩餘的沉積時間中，M2保持不變。

實施例5：具有用於霧度檢測的測量設備的反應器

圖6顯示西門子反應器12的截面，其中矽棒16佈置在其反應器空間13內，反應器空間13係以反應器壁14為邊界；為了清楚的目的，只顯示棒的一部分。

對於霧度測量而言，反應器12配置有測量設備。該設備包括佈置在觀察窗21（由硼矽玻璃或石英玻璃製成）前的獨立的電磁輻射源，此處為光源10（515 nm或488 nm的雷射）。該設備還包括消光偵測器18，該消光偵測器佈置在光源10的對面且同樣位於觀察窗21前。此外，在各情況下，散射光偵測器20、22、24（CCD感測器陣列）以與光源10的輻射方向呈不同角度安裝在觀察窗21前。偵測器20、22 、24不需要位於與光源10相同的高度。

在粉塵沉積的情況中，顆粒17開始在反應空間13中形成，並透過吸收而削弱由光源10發射的光。所述削弱由消光偵測器18顯示。還存在由顆粒17引起的增加的光散射，該光散射由散射光偵測器20、22 、24捕獲。這些測量值由製程控制站捕獲，且視需要另外與參照值或正常值匹配。隨後，基於這些測量值，可採取對抗措施。

圖7顯示西門子反應器12的截面，其中對於關鍵元素，可參考圖6。為了簡要說明，只顯示一個矽棒。在該實施態樣中，有二個偵測器26a、26b（例如，光電二極體及／或光電倍增器），分別佈置在反應器壁14中的觀察窗21前。箭頭不僅表示在由粉塵沉積而形成的顆粒17處散射的光，還表示透過吸收而削弱的光。這裡，只有透過吸收而削弱的光照射在偵測器26a上，而散射的光和透過吸收而削弱的光均照射在偵測器26b上。因此，霧度係以入射在感測器上的輻射變化來確定。

實施例6：霧度檢測

圖8顯示所測量的支撐體溫度 ϑ_M （對應於T_OF ）、其對時間t的一階導數、以及安裝在西門子反應器的觀察窗前的黑白相機之曝光時間t_B 隨時間變化的曲線圖。該曲線在沉積時間60 h時開始。

使用高溫計在多晶矽棒上（在橋與電極之間的矽棒中間的高度處）確定ϑ_M 。黑白相機配有CMOS感測器且朝向反應空間中棒的大約中間的高度。相機連續生成圖像，圖像被傳輸到製程控制站的處理軟體。該軟體在變暗或變亮時對曝光時間t_B 進行自動調節。

在60 h的沉積時間後，ϑ_M 最初保持在約1040°C下不變。在約5分鐘後，ϑ_M （明顯）下降約12°C，其中在約4分鐘後ϑ_M 確立為先前數值。由同一時間窗（虛線I中的區域）內t_B 的升高（從360到450 µs）和降低，可證實這種不正常現象為短暫的粉塵沉積。粉塵沉積的情況中，ϑ_M 的曲線圖通常具有如下特徵：相較於考慮到矽棒的熱容或溫度調節電路的調節段所得之實際可能的值，其測量值變化得更快。在更新的恆定階段（約10分鐘），ϑ_M 有顯著降低，同時結合t_B 急劇升高。這種不正常的曲線圖表示完全的粉塵沉積。

在短暫的粉塵沉積情況下，該製程能夠藉由例如以下來恢復：相較於新形成的顆粒，透過氣流而使更多顆粒隨著流出的氣體從反應器中排出。然而，如果反應器中生成太多粉塵顆粒，則它們不再能透過氣流而從反應器中排出。如果反應氣體的供應保持不變且熱量輸入不變或甚至增加，則相較於吹出去的顆粒會沉積更多的粉塵顆粒，導致反應器的氣氛永久變暗。該實施例顯示，基於霧度檢測，可藉由改變控制變數而直接採取對抗措施。

圖9顯示在C型多晶矽的生產中，相對於棒直徑D繪製的氯矽烷與氫的比值的設定值曲線圖（實線）。如上所述，由數字1和2標記的位置為控制變數（氯矽烷/H₂ ）對藉由黑白相機檢測的霧度的回應。在霧度檢測（數字1）之後，氯矽烷與氫的比值以目標方式降低直至該霧度結束（H₂ 的比例升高以使質量流速保持相同）。此後，氯矽烷與氫的比值再次升高，與設定值保持一致。如果有另外的霧度（數字2），則在氯矽烷/H₂ 比值降低後，該比值只升高至一定水準使得沒有另外的霧度。氯矽烷/H₂ 比值保持在設定值以下。

在霧度檢測不作為調節變數的情況下，非常可能的是在第一霧度就已經影響到多晶矽的品質且必然導致製程中斷。

實施例7：M_ges 作為調節變數

圖10顯示總形態指數M_ges 根據棒直徑D而指定設定值的沉積製程（實線，圖A）。該實施例在設定值曲線圖中係對應於C型矽的典型沉積。圖A中的虛線顯示在沉積過程中確定的M_ges 的實際數值。在這種製程描述的基礎上，藉由調節可直接去除與設定值的偏差。由直徑B可明顯看出，與M_ges 的設定值的偏差導致對溫度調節器的設定值（即作為控制變數的表面溫度T_OF ）進行調整。在圖B中，實線對應於T_OF 的設定值，虛線對應於實際數值。隨後，如果T_OF 的實際數值偏離了設定值，則改變通過矽棒的電流強度I以重新達到T_OF 的設定值。

由用數字1至4標記的曲線段（實際數值）的描述，可清楚地看出作為調節變數的M_ges 的影響。虛線和數字說明調節作用的方式，但是放大了時間效應。對於M_ges 發生的調節偏差通常會在幾分鐘至幾小時內藉由調節來去除。數字1：在沉積開始時，M_ges 對應於設定值。不需要調節T_OF 。數字2：連續確定M_ges 得到高於設定值的值。作為回應，降低T_OF 的設定值。數字3：M_ges 降低至設定值以下，且T_OF 的設定值升高。數字4：M_ges 再次對應於該沉積階段的設定值，且沉積係以與設定值一致的形態結束。

沒有經過所述調節而沉積的矽在形態上會經受更大的波動。所述調節使得由圖11D中之實例表示的波動較大程度地減少。

實施例8：針對沉積時間指定控制變數而非針對棒直徑D指定控制變數之情況下的製程曲線圖的波動。

圖11顯示在C型矽生產中之製程曲線圖的波動，其係針對製程時間指定反應氣體質量流速

（圖A）、氯矽烷與氫的比值（圖B）、以及表面溫度T_OF （圖C）之控制變數所得，而不是針對以棒直徑D之形式的實際製程進展指定控制變數所得。

針對棒直徑D來指定的優勢在於，製程在同一D的情況下係類似地進行，其係因為該進行主要是受輸送事件（質量和熱量）影響，進而強烈依賴於幾何邊界條件，並因此強烈依賴於D。

圖A、B、及C中繪製的是反應氣體質量流速

（A）、氯矽烷與氫的比值（B）、以及沉積溫度（C）相對於棒直徑D的關係。實線表示針對棒直徑D來指定的情況下的曲線圖。在針對沉積時間來指定的情況下，製程曲線的波動會導致沉積時間與D形式的製程進展（在x軸上繪製）之間產生偏差。圖中的虛線顯示針對製程時間來指定的情況下的偏差，其中，上方虛線在各情況中對應於波動上限，下方虛線在各情況中對應於波動下限。

所述偏差是指製程更快或更慢地達到其終點（在「停止」標記處所指定的直徑D）。該波動範圍在圖E中表示（其中，在y軸上繪製沉積時間）。可以看出波動隨製程時間增長而增加。這尤其是歸因於以下事實：製程參數的指定不是由實際製程的進程（即D）引導，而是跟隨時間來指定，意味著在製程過程中各個偏差被放大。

這在圖C中變得特別清楚。基於在較高溫度T_OF 下沉積通常是更快的情況，這裡由波動上限很明顯的看到，最初在溫度平穩期（點1）獲得更多進展（即，更大的D）的製程在隨後的溫度調節（點2）下進而獲得更多進展，但是不需要任何額外波動，而是其出現僅是因為：相對於不顯示最初波動的製程，在該製程中係基於製程進展而使沉積在更高溫度下且因此更快地發生。然後，這還意味著在較高的沉積溫度T_OF 下到達製程的終點（點3）。相應的闡述係適用於運行更慢並由此形成波動下限的製程。這種現象還可轉換為質量流速（A）和氯矽烷與氫的比值（B）。

總而言之，這些偏差不僅造成為了生成特定直徑D（特定量的矽）所需的製程時間的偏差（對生產成本具有影響），還造成形態M_ges 的偏差，換言之，產品品質的偏差。

在圖D中顯示M_ges 。這裡也很明顯的是，因為也存在放大效應，所以隨著製程進展，偏差急劇增加。以T_OF 為例，這意味著更高溫度不僅造成更快的沉積速率，還造成更大裂縫，由此造成更高M_ges 。這是關鍵的，尤其是當其對產品品質產生不利影響時。在其它方向（圖D中的下方虛線），形態則變得更加緻密，但是生產成本也增加。

10:光源 12:反應器 13:反應空間 14:反應器壁 16:矽棒 17:顆粒 18:消光偵測器 20、22、24:散射光偵測器 21:觀察窗 26a、26b:偵測器

圖1顯示用於確定T_S 的模型。圖2顯示多晶矽棒的截面區域。圖3顯示針對二種多晶矽，形態指數M1相對於棒直徑的曲線圖。圖4顯示熱成像圖像的分割圖。圖5顯示針對二種多晶矽，形態指數M2相對於棒直徑的曲線圖。圖6顯示具有用於檢測霧度的測量設備的西門子反應器的截面。圖7顯示具有用於檢測霧度的測量設備的西門子反應器的截面。圖8顯示粉塵沉積之情況下的T_OF 的曲線圖。圖9顯示有霧度之情況下氯矽烷/H₂ 的曲線圖。圖10顯示M_ges 相對於T_OF 的曲線圖。圖11顯示沉積過程中的調節變數和控制變數的曲線圖。

Claims

一種生產多晶矽的方法，該方法包括向氣相沉積反應器的反應空間中引入反應氣體，該反應氣體包含氫以及矽烷及／或至少一種鹵矽烷，其中該反應空間包含至少一個絲棒，該絲棒係藉由電流流過而被加熱且藉由沉積而將矽沉積在該絲棒上形成多晶矽棒，其中在沉積過程中為了控制沉積而確定的調節變數包括：使用測量設備1確定的至少一個矽棒的直徑D；以及該矽棒的形態，該矽棒的形態係以總形態指數M_ges 確定，該總形態指數M_ges 由第一形態指數M1、或第二形態指數M2、或M1和M2的組合組成，其中，M1的值為0.8至2.5，其係在棒溫Ts下由該矽棒的第一電阻R₁ 與第二電阻R₂ 的比值R₁ /R₂ 得到，其中
（式I）以及
（式II），其中 U = 該矽棒二端之間的電壓， I = 電流強度， ρ = 矽的電阻率， L = 該矽棒的長度， A = 該矽棒的截面積，以及其中，M2的值為0至5，由所生成之該矽棒的熱成像圖像得到，其中所界定之該熱成像圖像的測量面積A_max 係藉由圖像處理分割成第一表面部分和第二表面部分，其中，該第一表面部分A_t 對應於高於局部溫度平均值的溫度T_t ，該第二表面部分A_p 對應於低於局部溫度平均值的溫度T_p ，且M2係由式III確定
（III），其中，沉積係由反應氣體質量流速
、反應氣體體積流速
，反應氣體脈衝流速
、反應氣體密度δ、反應氣體速度ν、和噴嘴截面積A_gas 中的至少一個控制變數控制，使得調節變數M_ges 和D各自採用指定值或保持指定值，其中質量流速
為1800至36000 kg/h，體積流速
為1500至9000 m³ /h，脈衝流速
為5至80 N，密度δ為2至16 kg/m³ ，氣體速度ν為5至100m/s，以及噴嘴截面積A_gas 為80至5000 mm² 。
如請求項1所述的方法，其中，沉積係由控制變數U、I、反應器壓力p、表面溫度T_OF 、以及該反應氣體中的氫比例中的至少一個控制，其中U為50至500V，其中I為500至4500A，其中p為200至1000 kPa，其中T_OF 為950至1200^o C，且其中該反應氣體在進入該反應器之前具有50至90%的氫比例。
如請求項1或2所述的方法，其中，根據式IV藉由加權相加來進行M1和M2組合：
（IV），其中，a為具有0至1的值的加權因數，以及其中，
在M1的範圍內對應於M1的最小值、M1可實現的最小值、或0；
在M1的範圍內對應於M1的最大值、M1可實現的最大值、或1；
在M2的範圍內對應於M2的最小值、M2可實現的最小值、或0；
在M2的範圍內對應於M2的最大值、M2可實現的最大值、或1。
如請求項1或2所述的方法，其中，T_S 為該矽棒的表面溫度T_OF 、或同一矽棒及／或其它矽棒的二個或更多個表面溫度T_OF 的平均值。
如請求項1或2所述的方法，其中，T_S 係由下式確定：
其中 k = 調節因數，其中k=0至1.2， A_OF = 棒表面積， λ = 矽的熱導率， r_II = 該矽棒的半徑， r_S = 該矽棒的截面的矩心的半徑。
如請求項1或2所述的方法，其中，使用該反應空間內的霧度作為另一調節變數，該霧度係用測量設備2確定，以用於粉塵沉積的檢測。
如請求項6所述的方法，其中，該測量設備2包括散射輻射偵測器及／或消光偵測器與視需要存在的外部電磁輻射源。
如請求項6所述的方法，其中，該測量設備2包括光學相機，其中該霧度係以由該相機所生成之圖像的品質之變化來確定。
如請求項6所述的方法，其中，該測量設備2包括溫度感測器，其中該霧度係以溫度的變化來確定。
如請求項6所述的方法，其中，該直徑D和該霧度係由相同的測量儀器確定。
如請求項1或2所述的方法，其中，該調節變數係在沉積過程中連續確定，或者在沉積過程中在不同時間點不連續地確定。
如請求項1或2所述的方法，其中，藉由確定一矽棒上之不同位置處及／或不同矽棒的直徑來確定D，且D對應於平均值。
一種用於實施如請求項1至12中任一項所述的方法的氣相沉積反應器，該氣相沉積反應器包含：用於在沉積過程中確定直徑和形態指數2的測量設備1，以及用於在沉積過程中確定反應空間內的霧度的測量設備2，其中，該測量設備2包含散射光偵測器及／或消光偵測器與外部電磁輻射源。
如請求項13所述的氣相沉積反應器，其中，該測量設備1為熱成像相機。
如請求項13所述的氣相沉積反應器，其中，該測量設備1包含黑白相機和熱成像相機。