WO2020234401A1 - Verfahren zur herstellung von polykristallinem silicium - Google Patents

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WO2020234401A1
WO2020234401A1 PCT/EP2020/064156 EP2020064156W WO2020234401A1 WO 2020234401 A1 WO2020234401 A1 WO 2020234401A1 EP 2020064156 W EP2020064156 W EP 2020064156W WO 2020234401 A1 WO2020234401 A1 WO 2020234401A1
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WO
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silicon
deposition
value
rod
determined
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/064156
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English (en)
French (fr)
Inventor
Paul Bönisch
Piotr Filar
Thomas SCHRÖCK
Markus Wenzeis
Jürgen WOLFF
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Wacker Chemie Ag
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Publication date
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Priority claimed from PCT/EP2019/065165 external-priority patent/WO2020249188A1/de
Priority claimed from PCT/EP2019/069110 external-priority patent/WO2021008693A1/de
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Priority to TW109123656A priority Critical patent/TW202114940A/zh
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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

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of polycrystalline silicon, the diameter D of at least one silicon rod and the morphology of the silicon rod as the overall morphology index M tot being determined as control variables during the process and the deposition being determined by
  • Monocrystalline silicon is used in the semiconductor industry to manufacture electronic components (chips).
  • polysilicon is required for the production of multicrystalline silicon, for example by means of the ingot casting process.
  • the multicrystalline silicon obtained in the form of a block can be used for the production of solar cells.
  • Polysilicon can be obtained using the Siemens process - a chemical vapor deposition process. In this case, support bodies (usually made of polysilicon) are heated in a bell-shaped reactor (Siemens reactor) by direct passage of current and a reaction gas containing a
  • the structure of a typical Siemens reactor is described, for example, in EP 2 077 252 A2 or EP 2 444 373 A1.
  • the bottom of the reactor (bottom plate) is generally provided with electrodes that hold the carrier body.
  • the carrier bodies are usually filament rods (thin rods) made of silicon.
  • Filament rods are usually more than 1000 ° C during deposition. At these temperatures the silicon-containing component of the reaction gas decomposes and elemental silicon separates out of the gas phase as polysilicon. This increases the diameter of the filament rods and the bridge. After the rods have reached a predetermined diameter, the deposition is usually stopped and the polysilicon rods obtained are removed. After removing the bridge, approximately cylindrical silicon rods are obtained.
  • the morphology of the polysilicon or the polysilicon rods and the fragments produced from them generally have a strong influence on the performance during further processing. In principle, the morphology of a polysilicon rod is determined by the parameters of the deposition process (eg rod temperature, silane and / or chlorosilane concentration, specific flow rate).
  • Compact polysilicon is essentially free of cracks, pores, joints and crevices.
  • the bulk density of such polysilicon can be equated with the true density of silicon or at least corresponds to it to a good approximation.
  • the true density of silicon is 2.329 g / cm 3 .
  • a porous and fissured morphology has particularly negative effects on the crystallization behavior of polysilicon. This is particularly evident in the CZ process for producing single-crystal silicon.
  • the use of fissured and porous polysilicon leads to economically unacceptable yields.
  • particularly compact polysilicon In the CZ process, particularly compact polysilicon generally leads to significantly higher yields.
  • the generation of compact polysilicon generally leads to significantly higher yields.
  • the generation of compact polysilicon generally leads to significantly higher yields.
  • the generation of compact polysilicon generally leads to significantly higher yields.
  • the generation of compact polysilicon generally leads to significantly higher yields.
  • the generation of compact polysilicon generally leads to significantly higher yield
  • Polysilicon is usually more expensive because it requires a longer deposition process. Furthermore, not all applications require the use of particularly compact polysilicon.
  • the morphology requirements for the production of multicrystalline silicon using the ingot casting process are significantly lower. Generally reached a
  • Crystallization process or a certain form of such a process is an economic optimum if
  • the starting material used is polysilicon, the morphology of which does not exceed a limit value. Accordingly, in addition to purity and chunk size, polysilicon is also differentiated and classified according to its morphology. Since various parameters such as porosity (sum of closed and open porosity), specific surface, roughness, gloss and color can be summarized under the term morphology, a reproducible determination of the morphology is a great challenge.
  • An optical assessment of the Polysilicon rods or fragments after the deposition as proposed inter alia in WO 2014/173596 A1, has the disadvantage that the morphology in the interior can possibly differ significantly from the morphology of the surface.
  • the volume of the test object can be determined using the difference method and then the effective and specific gravity can be compared.
  • the test object is immersed in a full water container, the volume of the overflowing water corresponding to that of the test object.
  • a suitable fluid When applied to polysilicon, a suitable fluid must be used to avoid oxidation and contamination and to completely wet the surface.
  • polysilicon rods produced by the Siemens process which can have a length between 2 and 4 m, this is associated with considerable effort. Possibilities for density measurement in polysilicon are described, for example, in WO 2009/047107 A2.
  • a fundamental disadvantage of a subsequent observation of the morphology is that it is too late to influence the deposition process and thus to control the morphology.
  • a disruptive factor can be, for example, what is known as dust separation.
  • Their triggers include: reaction gas with too high a proportion of halosilane; Increase in the proportion of undesired silanes (eg dichlorosilane); Occurrence of local gas temperature differences in the reaction space or local temperature differences of the support bodies (especially surface temperature), usually due to changing gas flows.
  • there are two competing processes in the deposition of polysilicon namely the silicon deposition on the surface of rods or silicon granulate and the formation of free particles (dust deposition). The free particles formed can become in
  • Composition from pure silicon (amorphous to crystalline) to complex compounds of the general formula Si x Cl y H z can vary.
  • the particles produced by dust separation are usually distributed with the gas flow in the entire reaction space and are deposited on the rods or the silicon granulate and in particular on the inner reactor wall.
  • the particles deposited on the rods can possibly overgrown with newly formed layers in the course of the further deposition and thus be integrated into the polysilicon product. Therefore, dust deposits usually lead to product devaluation and production losses.
  • dust deposits should be recognized with the naked eye through a clouding of the reaction space.
  • dust deposition can only be identified beyond doubt in the advanced state, that is to say at a point in time at which the purity of the polysilicon product is already impaired. In most cases it will be
  • Dust deposits not recognized in time, so that the product has to be devalued or even discarded.
  • process parameters not only can dust deposition be counteracted, but the morphology of the polysilicon can also be steered in a certain direction or kept constant.
  • the present invention was therefore based on the object of providing a method which enables comprehensive control of the deposition process.
  • This object is achieved by a method for producing polycrystalline silicon, comprising introducing a reaction gas which, in addition to hydrogen, contains silane and / or at least one halosilane, into a reaction space of a
  • the reaction space at least one filament rod heated by the passage of current comprises, on which silicon is deposited by deposition to form a polycrystalline silicon rod, the diameter D of at least one silicon rod being determined with a measuring device 1 during the deposition as control variables for controlling the deposition and the morphology of the silicon rod as an overall morphology number M tot from a first Morphology index M1 or a second morphology index M2 or a combination of M1 and M2 is determined, where M1 has a value of 0.8 to 2.5 and is made up of the ratio R 1 / R 2 of a first resistance value R 1 and a second resistance value R 2 of the silicon rod at one
  • A cross-sectional area of the silicon rod
  • thermographic image of the silicon rod a defined measuring area A max of the thermographic image being segmented into a first and a second surface portion by means of image processing, the first
  • Temperature averages correspond to lower temperature T p , and M2 is determined according to
  • the pulse current in a range from 5 to 80 N.
  • the density d is in a range from 2 to 16 kg / m 3
  • the gas velocity n is in a range from 5 to 100 m / s
  • the nozzle cross-sectional area A gas is in a range from 80 to 5000 mm 2 .
  • the mass flow n is preferably in a range of 6000
  • the volume flow n is preferably in a range from 3000 to 8000 m 3 / h.
  • the pulse current is preferably in a range from 10 to 50 N.
  • the density d is preferably in a range from 7 to 13 kg / m 3 .
  • the gas velocity n is preferably in a range from 20 to 50 m / s.
  • the nozzle cross-sectional area A gas is preferably in a range from 500 to 4000 mm 2 , in particular from 1500 to
  • the mass flow is the total mass flow of the Reaction gas, which is measured with a flow meter, for example.
  • the measurement of the volume flow can be done with a
  • Impeller meters e.g. according to DIN EN 1343. The measurement is preferably carried out before the reaction gas is divided between several nozzles for introduction into the reactor. Furthermore, a pressure measurement and the known gas composition can be used to calculate the density d according to the ideal gas law
  • the deposition can be controlled by at least one of the further manipulated variables U, I, reactor pressure p, surface temperature T OF and hydrogen content in the reaction gas.
  • U per pair of rods is in a range from 50 to 500 V, preferably from 55 to 250 V, particularly preferably from 60 to 100 V.
  • I per pair of rods is in a range from 500 and
  • the reactor pressure p is in a range from 200 to 1000 kPa, preferably from 500 to 800 kPa.
  • T OF is in a range from 950 to 1200 ° C., preferably from 1000 to
  • the reaction gas Before entering the reactor, the reaction gas has a hydrogen content of 50 to 90%, preferably 60 to 80%. Correspondingly, the ratio of chlorosilane to hydrogen (molar fraction) is 0.1 to 0.5, preferably 0.2 to 0.4.
  • the determination of the composition of the reaction gas can e.g. before the feed to the reactor via Raman and infrared spectroscopy as well as gas chromatography.
  • the composition of the reaction gas can be changed, for example, via a flow control loop for another component of the reaction gas to the reactor (eg TCS, H2).
  • the pressure can be in the feed line of the reaction gas, an exhaust line or in sight glasses with measuring tubing.
  • the pressure can be varied via a closed control loop of a pressure measurement and a control valve installed in the exhaust gas line of the reactor.
  • polysilicon with different morphology can form, with areas of different morphology that are separated from one another by interfaces can also occur within the same polysilicon rod, in particular in the radial direction of its cross-sectional area.
  • Morphology is to be understood here in particular as the fissured nature of the polysilicon, which results from the frequency and arrangement of holes, pores and trenches.
  • the morphology can also be understood as the total porosity of the polysilicon, which is composed of the sum of all cavities that are connected to one another and to the environment, and the cavities that are not connected to one another.
  • the total porosity i.e. the proportion of the total pore volume (open and closed pores) in the total volume of the polysilicon can be determined according to DIN-EN 1936. It was recognized that the holes and trenches in particular are not distributed homogeneously in the deposited polysilicon, but rather inhomogeneously according to the deposition.
  • the longitudinal direction preferably points in the radial direction, that is to say in the direction of growth.
  • certain transport processes in the polysilicon can become direction-dependent (anisotropic).
  • polysilicon can be macroscopically anisotropic
  • a popcorn surface is a collection of elevations (mountains) and ditches (valleys).
  • Popcorn means that the polysilicon has cracks, crevices and cracks and, as a result of this fissure, has a very large surface.
  • the morphology is determined immediately during the deposition, with an electrothermal model being used for M1, which directly accesses process data.
  • M2 is through inclusion
  • thermographic image is determined, with surface areas of increased temperature by means of image processing
  • thermographic images are usually used to determine the surface temperature T OF or to
  • Determination of M2 are generated (e.g. with a pyrometer), the outlay on equipment is low. The determination of M1 and M2 can therefore be integrated into an existing system for process control with little effort. Using the
  • Morphology indicators M1 and / or M2 for process control offers considerable potential for quality assurance and
  • the index M1 preferably has a value from 1 to 1.8, in particular from 1.2 to 1.6.
  • the index M2 preferably has a value from 0.1 to 3, in particular from 0.1 to 2.
  • M1 and M2 are dimensionless indexes, the value of which is greater the more rugged / porous a polysilicon rod is. For example, polysilicon rods for which M2 is greater than 3 have a significant amount of popcorn. If M2 has a value of zero, it is rods with a very smooth surface, that is to say very compactly deposited polysilicon.
  • Control is preferably such that M1 has a value from 0.8 to 1.2 and / or M2 has a value from 0 to 0.1.
  • Type A is usually very compact and intended for the production of semiconductors. Especially for the CZ process with the aim of maximizing the dislocation-free yield.
  • type B polysilicon the
  • Control preferably such that M1 has a value from 1.2 to 1.4 and / or M2 has a value from 0.1 to 1.
  • Type B usually has and will be of medium compactness
  • Type C polysilicon which is required in particular for robust solar applications with monocrystalline silicon
  • the control is preferably carried out in such a way that M1 has a value of 1.4 to 1.7 and / or M2 has a value of 1 to 3 .
  • Type C is less compact than type B, cheaper and particularly suitable for recharging processes in the CZ process.
  • type D polysilicon the
  • Type D has a high percentage of popcorn. It has a relatively rugged surface and a high one
  • Porosity It is used in particular for the production of multicrystalline silicon for solar applications by means of directional solidification or ingot casting.
  • M1 and / or M2 are kept essentially constant during the deposition. “Essentially” is to be understood in particular to mean that temporary deviations of plus / minus 0.1 from a target value can occur.
  • the deviation can also be plus / minus 0.2.
  • the determination of the characteristic numbers M1 and / or M2 is preferably carried out continuously in order to ensure particularly precise control of the deposition.
  • M1 and / or M2 can be determined in a discretized manner in a time interval, wherein the time interval can in particular correspond to a predetermined increase in the diameter of the silicon rod. In this way, a statement can be made about the morphology of a region (concentric region) of the silicon rod that has grown in a specific time interval. For the calculation in a specific time interval, the corresponding time interval of M1 and / or M2 is formed.
  • M tot results from the value for M1 or M2.
  • the combination of M1 and M2 can take place, for example, by adding or multiplying the individual values, with the individual values being weighted by factors, summands or exponents, if necessary.
  • the combination of M1 and M2 is preferably carried out by weighted addition according to the formula (IV)
  • a is a weighting factor with a value from 0 to 1
  • preferably from 0.3 to 0.8. corresponds to a minimum level of M1 within the range of M1, a minimum level of M1 to be achieved or corresponds to within the
  • M2 a minimum achievable expression of M2 or 0.
  • M 2 max corresponds to a maximum expression of M2, a maximum achievable expression of M2 or 1.
  • the result for M tot is a value range from 0 to 100%, the complete morphology spectrum from type A to type D being covered.
  • the characteristic number M tot preferably has a value of 0 to 13% for type A polysilicon, 13 to 28% for type B polysilicon, 28 to 56% for Type C polysilicon and 56 to 100% for type D polysilicon.
  • Ml is a dimensionless number that is derived from
  • R Ir which can also be referred to as the heating resistance
  • U the voltage required to generate the rod current between the ends of a silicon rod or
  • the filament rod is preferably two thin rods made of silicon, which are connected by a bridge (made of silicon) to form a pair of rods.
  • the two free ends of the rod pair are usually connected to electrodes on the bottom of the reactor.
  • U and I can be measured using commercially available measuring devices.
  • the number of silicon rods or silicon rod pairs arranged in the gas phase deposition reactor is generally irrelevant for carrying out the method according to the invention.
  • the gas phase deposition reactor is preferably a Siemens reactor, as described in the introduction and, for example, in EP 2 662 335 A1.
  • Typical examples of the number of silicon rods in a reactor are 36 (18 pairs of rods), 48 (24 pairs of rods), 54 (27 pairs of rods), 72 (36 pairs of rods) or 96 (48 pairs of rods).
  • the silicon rods can be viewed as a good approximation as being cylindrical. This is particularly independent of whether the thin rods are cylindrical or, for example, square.
  • mean values of U and I can also be used to determine R 1 , which result, for example, from a measurement on each pair of rods in the reactor.
  • R 2 is determined by multiplying the resistivity r of silicon by the length L of the silicon rod and division by the cross-sectional area A of the silicon rod through which current flows. L usually corresponds to the length of the silicon rod measured from one electrode to the other electrode
  • Filament rods and possibly the bridge are used as a basis.
  • Electrode holder is embedded.
  • L can be 2 to 8 m, preferably 3 to 7 m, particularly preferably 4 to 6.6 m, in particular 5.6 to 6.4 m.
  • the diameter determination (the same applies to the determination the surface temperature T OF ) is basically not essential for the implementation of the invention.
  • the determination of the diameter D and the measuring device 1 reference is made to WO 2019/110091 A1 of the applicant, which is hereby made fully the subject of the description.
  • At least one diameter D of a silicon rod is preferably determined.
  • the diameter of at least two is preferred
  • D is preferably determined from outside the reactor through a viewing window, in particular by means of a camera. There can also be two or more cameras that
  • the camera can be an optical camera (e.g. digital / CCD camera) and / or a thermographic camera.
  • D can be determined by (in particular digital) image processing of one or more of the generated images or also image details. The image processing can in particular take place using software that is preferably integrated into the system of the process control station. For example, D can be determined by selecting the focus of the camera so that at least one silicon rod is visible across its width in front of the inner reactor wall.
  • a left contour and a right contour of the silicon rod can then be identified and the
  • the distance in between can be determined.
  • the camera is usually calibrated in such a way that what is recorded with it
  • the width of the image corresponds to a certain distance in the circumferential direction on the inner wall of the reactor.
  • the reactor geometry in particular the reactor circumference at the level of the camera, is basically known.
  • the position of the silicon rod and thus its distance from the inner wall of the reactor and from the camera is usually also known. It is also possible to measure the distance between two adjacent rods in front of the reactor wall and to calculate D from this, in particular by means of triangulation. By correlating the distances or distances known from the reactor configuration, D can be calculated using the distance between the rods. Alternatively or in addition, D can also be determined from parameters of the deposition process that are usually permanently recorded. The parameters can be, for example
  • D can then be calculated as a function of the deposition time.
  • the specific resistance r indicates the electrical resistance of a conductor made of a material (eg silicon) that is 1 m long and has a continuous area of 1 mm 2 . Basically, r depends on the temperature. r of silicon can be found in tables (cf. Chemical Encyclopedia, Moscow, 1990; Volume 2: page 1007, cf. also Table 2) and lies in the temperature range of 800 to 1300 ° C relevant for the deposition with values of 0 , 00001 and 0.0005 W * m. Determining the
  • T S is preferably determined as the surface temperature T OF of the silicon rod or as an average of two or more surface temperatures T OF of the same or different silicon rods.
  • T OF is an important influencing variable that can typically be controlled during deposition and adjusted by varying the current passage. In principle, the heat flow that leaves the silicon rods increases with the deposition time, as the diameter and thus the surface of the rods grow. An adjustment of the current intensity is therefore usually necessary during the deposition.
  • T S is determined by adding a constant or variable temperature offset to the surface temperature T OF .
  • the temperature offset is preferably in the range from 0 to 120 K, particularly preferably in the range from 30 to 80 K. This can take into account that T S can be above the measured surface temperature T OF .
  • the temperature offset is generally greater, the greater the heating power U * I or the rod diameter D.
  • the temperature offset can thus be specified variably depending on U * I and D.
  • the T OF is preferably measured with at least one thermographic camera (radiation pyrometer), in particular from outside the reactor through a viewing window.
  • thermographic camera radiation pyrometer
  • T S can also be determined according to Formula V.
  • a OF bar surface along the bar length
  • rS radius of the cross-sectional area center of gravity of the silicon rod.
  • This model for determining T S is illustrated using the diagram in FIG. The model is based on the measured T OF , the diameter D (2 * r II ), the electrical heating power (U * I) and the thermal conductivity l.
  • the thermal conductivity l of silicon in the relevant temperature range from 800 to 1300 ° C is around 18 to 30 W / (m * K). A constant value of 22 W / (m * K) can be assumed for l.
  • U * I / A OF * l is the temperature gradient gradT OF on the rod surface, the latter being determined via p * d * L. This approach takes into account that entire
  • Electric power is basically conducted as a heat flow over the rod surface. Since the silicon rod is cylindrical to a good approximation (this can also be assumed to a good approximation from the bridge) and the electrical heating power is distributed over the rod cross-section, the silicon rod is cylindrical to a good approximation (this can also be assumed to a good approximation from the bridge) and the electrical heating power is distributed over the rod cross-section, the silicon rod is cylindrical to a good approximation (this can also be assumed to a good approximation from the bridge) and the electrical heating power is distributed over the rod cross-section, the
  • the center of gravity is the one Radius r S where the area of an inner circle is equal to that of an outer ring.
  • T S can be determined.
  • the adaptation factor k is preferably in a range of 0 and 1.2, particularly preferably 0.7 and 0.9.
  • a typical value for k is, for example, 0.8.
  • the morphology index M2 can then be formed as a mean value from the individual values obtained.
  • the thermographic image is preferably generated using a thermographic camera (radiation pyrometer). In particular, both T OF and M2 can be determined using a thermographic image. On separate measuring devices can
  • thermographic image is usually generated on a silicon rod that is closest to the viewing window. In general, it is not important whether the thermographic image is taken, for example, at the level of the middle of the rod or at the level of the upper or lower third of the rod.
  • the thermographic image is usually generated from the center of the rod.
  • the measuring area A max within which M2 is determined, preferably has a size of 10 to 300 cm 2 , preferably 30 to 200 cm 2 , particularly preferably 50 to 150 cm 2 .
  • a max can in particular correspond to a section of the thermographic image generated. However, A max can also correspond to the entire thermographic image.
  • the curvature that changes as the diameter of the silicon rod increases can be disregarded when determining A max .
  • the segmentation of the measuring area A max into a first surface portion A t and into a second surface portion A p is preferably carried out with a ranking filter, in particular
  • Median filter For example, it can be a 30 * 30 pixel median filter (the size of the area around the pixel under consideration is 30 * 30 pixels). Other mean value filters can also be used. By dividing the two images (original image divided by the smoothed image), the locally related one is obtained
  • Popcorns can be obtained. If necessary, standard image processing algorithms (for example with the commands from the National Instruments library: Dilate, Erode, Fill Holes, Separate Objects) can be used to make smaller
  • thermographic image (temperature array) is filtered or separated.
  • the temperatures T t and T p can then be determined in each case from the two thermographic images (temperature arrays) produced by separation by means of median evaluation.
  • the first surface portion A t corresponds to the area that is occupied by trenches (valleys) and has a temperature T t .
  • the second surface portion A p corresponds to
  • the turbidity within the reaction chamber can be determined as a further controlled variable with a measuring device 2 for the purpose of detecting dust deposits.
  • the measuring device 2 enables early detection of dust deposits.
  • Targeted countermeasures can prevent polysilicon contamination and the formation of deposits on process equipment (e.g.
  • Reactor inner wall, filter, heat exchanger, pipes can be avoided.
  • countermeasures can be carried out manually or automatically.
  • particles with an average size of about 100 nm arise.
  • these particles can have an average size of about 10 ⁇ m.
  • the particle size of dust deposits is usually in the range of 100 nm and 10 ⁇ m.
  • These particles absorb and scatter electromagnetic radiation, especially in the visible and infrared range. It is unimportant here whether the source of the electromagnetic radiation is the polysilicon rod or an external one, that is to say one which is arranged outside the reaction space Light source, is. The turbidity is recognized
  • the measuring device 2 preferably comprises a scattered radiation detector and / or extinction detector.
  • the measuring device 2 can include at least one external source of electromagnetic radiation, in particular a light source and / or laser, which is preferably arranged outside the reactor, for example in front of a viewing window.
  • external source should be understood to mean that not only the electromagnetic radiation emitted by the heated polysilicon rod is detected.
  • the scattered radiation and / or extinction detector thus detects in particular the electromagnetic radiation originating from the external source and possibly scattered and weakened after a measurement section.
  • the measuring distance corresponds to the distance between the external source and the detector.
  • the external source preferably emits radiation with wavelengths or a wavelength which differ from the typical wavelengths of the emission spectrum of silicon. The measurement radiation can thus be distinguished from that emitted by the polysilicon rod
  • the detectors are preferably arranged outside the reactor, for example in front of a viewing window in the reactor wall.
  • the extinction detector is generally located opposite the external source so that the radiation is directed directly onto the detector.
  • the scattered radiation detector is usually at an angle to the emitted radiation arranged.
  • a plurality of scattered radiation detectors can also be arranged at different angles to the radiation.
  • the measuring section leads through the reaction space and can, for example, correspond to the inside diameter of the reaction space.
  • the measuring device 2 is preferably a combination of scattered radiation and extinction detector. A typical arrangement of a measuring device 2 with scattered radiation and extinction detector is shown in FIG.
  • an external or additional source for electromagnetic radiation can be dispensed with for determining the turbidity, since the polysilicon rod itself is a source of electromagnetic radiation (wavelength range from approx. 100 to 2000 nm).
  • This radiation can be detected with a detector, which in principle is also suitable as an extinction or scattered radiation sensor, during the deposition.
  • a detector which in principle is also suitable as an extinction or scattered radiation sensor, during the deposition.
  • dust separation the radiation emitted by the carrier body is weakened both by absorption and by scattering. A dust separation can thus be recognized on the basis of a weakening of the radiation emitted by the carrier body.
  • a typical arrangement of a measuring device 2 without an external source for electromagnetic radiation is shown in FIG.
  • the measuring device 2 can comprise an optical camera.
  • the measuring device 2 can be an optical camera.
  • the optical camera can comprise a radiation sensor array with a downstream imaging method.
  • the turbidity is determined as a change in the quality of the images generated with the camera.
  • the turbidity can also be determined as a change in parameters for setting an optimal image quality.
  • the camera it can for example a black and white camera or
  • Act color camera It is preferably a digital camera.
  • the change in the quality of the images generated by the camera can be, for example, a change in image sharpness, resolution, contrast, color distribution and / or
  • Image processing software is preferably used to evaluate such changes.
  • dust separation it can usually be observed that the inside of the reactor becomes cloudy and darker (graying of the image).
  • the edge and surface contours of silicon rods as carriers become blurred.
  • Such changes in the camera image can e.g.
  • Turbidity because the intensity of the radiation hitting the sensor decreases as a result of the turbidity. Furthermore, a gray value difference can be determined from two successively recorded images. If the determined value exceeds a certain threshold value, countermeasures can be initiated.
  • the parameters for setting an optimal image quality can be, for example, the exposure time, f-number and / or the ISO value.
  • an automatic control implemented in the camera can be set in such a way that the best possible images of the interior of the reactor are generated. Accordingly, depending on the
  • incident radiation adjusted the exposure time. With the onset of dust deposition and the associated clouding, a longer exposure time is generally required.
  • the measuring device 2 comprises a temperature sensor, the turbidity preferably being determined as a change in temperature.
  • the measuring device 2 is a temperature sensor.
  • the temperature sensor is preferably selected from
  • D and / or T OF are usually determined by means of a black-and-white camera or a thermal imaging camera, conversions or the installation of new measuring devices for turbidity detection are basically not necessary. D and the turbidity are therefore preferably determined with the same measuring device (measuring device 1 and 2 are identical). In particular, D, T OF and the turbidity are determined with the same measuring device.
  • pyrometers and thermal imaging cameras have one
  • Detector that detects the polysilicon rod and its surroundings measures emitted electromagnetic radiation.
  • the measuring device 2 can be a combination of an optical camera and a temperature sensor.
  • the measuring device 2 can be a black-and-white camera for observing the reaction space and a pyrometer or thermal imaging camera for determining T OF and possibly D.
  • Other sensors that can generally detect turbidity as a change in the electromagnetic radiation hitting the sensor include: semiconductor sensors, e.g. CCD (charge-coupled device) sensors and CMOS sensors (active
  • the turbidity is preferably determined at at least two different measuring points. This can be implemented, for example, by measuring devices at different positions in the reactor. In general, it is not necessary to determine the turbidity at different locations in the reaction space
  • the controlled variables M tot (or M1 and / or M2), D and the turbidity are continuous during the deposition or determined discontinuously, preferably at the same time intervals, at different times of the deposition.
  • a threshold value for the turbidity is exceeded, the deposition can be interrupted or terminated. Termination can be considered if, due to a particularly pronounced dust separation, a high degree of contamination is to be expected, which cannot be eliminated even by changing the manipulated variables directly.
  • the deposition is controlled in such a way that the turbidity is essentially constant, in particular essentially equal to zero or at least assumes a value close to zero.
  • “Essentially” is to be understood here in particular as meaning that slight temporary deviations from the target value can occur.
  • Reasons for this can be, for example: control variable fluctuations of the process engineering units upstream and downstream of the reactor, control variable fluctuations of the reactor itself, increase in the proportion of undesired silane components in the reaction gas.
  • the control of the deposition as a function of the controlled variables M tot , D and possibly turbidity takes place in such a way that the controlled variables assume or maintain a predetermined value over the deposition time. Usually this is done through a
  • the controlled variable D is to be understood here generally in such a way that the increase in D should be maximized.
  • n can also be achieved by reducing the nozzle cross-sectional area A gas .
  • n can also be achieved by increasing the nozzle cross-sectional area A gas
  • turbidity is above a specified value or range of values, e.g. individually or in combination:
  • n can also be achieved by reducing the nozzle cross-sectional area A gas .
  • An increase in D can be increased individually or in combination by:
  • Nozzle cross-sectional area A gas can be achieved.
  • the entire deposition process can be adapted to the respective quality specifications and the most economical operation of the reactor can be selected.
  • Another aspect of the invention relates to a gas phase deposition reactor for carrying out the method according to the invention with a measuring device 1 for determining the diameter and the morphology index 2 during the Deposition and a measuring device 2 for determining the turbidity within the reaction space during the deposition.
  • the measuring device 2 comprises a scattered radiation detector and / or extinction detector with at least one external source for electromagnetic radiation.
  • the measuring device 1 is preferably a thermal imaging camera.
  • the measuring device 1 can also comprise a black and white camera and a thermal imaging camera.
  • Fig. 1 shows a model for determining T S.
  • Fig. 2 shows the cross-sectional area of a polysilicon rod.
  • 3 shows the curve of the morphology index M1 as a function of the rod diameter D for two types of polysilicon.
  • thermographic image 4 shows the segmentation of a thermographic image.
  • 5 shows the profile of M2 as a function of the diameter for two types of polysilicon.
  • Fig. 6 shows the cross section of a Siemens reactor
  • a measuring device for turbidity detection a measuring device for turbidity detection.
  • Fig. 7 shows the cross section of a Siemens reactor
  • a measuring device for turbidity detection a measuring device for turbidity detection.
  • Fig. 8 shows the course of T OF in the case of dust separation.
  • Fig. 9 shows the course of chlorosilane / H 2 in a
  • Example 1 discretized determination of Ml.
  • region X corresponds to a polysilicon rod with the diameter d I and the temperature T I at a time to.
  • area II corresponds to one in a time segment
  • Table 2 Values for p EXAMPLE 2 Deposition of Type B and Type C Polysilicon
  • FIG. 3 the course of M for two different deposition processes, that is to say 2 different polysilicon qualities, is plotted against the diameter D [mm].
  • the dashed curve is for the production of type C.
  • the curve shown in lines and dots is for the production of type B.
  • Type B is more compact than type C.
  • Type B should have a value for M1 of 1, 2 to 1.4, while type C should have a value of 1.4 to 1.7.
  • Both processes were carried out in the same Siemens reactor, but with different specifications for at least one manipulated variable from the group with U, I, T OF , reaction gas composition and volume flow ⁇ ⁇ . The determination of M1 took place continuously during the entire deposition time.
  • D was determined on two rods using a CCD camera.
  • T OF was also determined on two rods with a pyrometer. Both processes begin with compactly deposited polysilicon with values for M1 close to 1. M1 then increases for both processes.
  • type C a relatively steep course was chosen for M1 shortly after the start of the deposition. The desired level of M1 at 1.4 to 1.7 should be achieved with a rod diameter of 50 mm. Then M1 was set to a value of approximately 1.45 to 1.5.
  • a flatter slope of M1 was specified up to a diameter of about 100 mm. From a diameter of approx. 140 mm, M1 was lowered again in order to deposit the outer approx. 40 mm more compactly.
  • FIG. 4 shows a thermographic image A. It was recorded by a silicon rod in a Siemens reactor at about half the height between the bridge and the electrode through a viewing window with an infrared camera. The silicon rod was in
  • the recording took place after a deposition time of approx. 90 h.
  • the Siemens reactor was equipped with 24 pairs of rods, the filament rods having a length of 2.5 m.
  • Type C polysilicon was deposited. Accordingly, M2 should have a value from 1 to 3.
  • the measuring area A max corresponds to the interior of the dashed line.
  • Pictures B and C show the result of the segmentation.
  • Type 5 shows the profile of M2 for two different deposition processes (silicon type C and type D) versus the rod diameter D [mm].
  • the upper curve is the Production of type D.
  • the lower curve shows the production of type C.
  • Type C is more compact than type D.
  • Type C should have a value for M2 from 1 to 3, type D a value from 3 to 5. Both processes were carried out in the same Siemens reactor, but with different specifications for at least one manipulated variable from the group with U, I, T OF ,
  • M2 Reaction gas composition and volume flow carried out.
  • M2 was determined continuously.
  • D was determined on two rods with a digital camera (see WO 2019/110091 A1). Both processes begin with compactly deposited polysilicon and values for M2 close to 0, which is particularly due to the filament rods made of very compact silicon. In the production of type D, a relatively steep course was chosen for M2 shortly after the start of the deposition.
  • the target level of M2 at around 3.5 should be achieved with a diameter of around 90 mm.
  • the steep course towards a more porous polysilicon was achieved in particular by changing T OF , gas composition and / or ⁇ ⁇ .
  • M2 was adjusted to a value between 3.5 and 3.9 (average approx. 3.7).
  • the target value of around 1.5 should be achieved at around 90 mm.
  • the regulation of the described manipulated variables has been adapted accordingly.
  • M2 was kept constant for the remainder of the deposition time.
  • Example 5 Reactor with a measuring device for
  • FIG. 6 shows the cross section of a Siemens reactor 12 in its reaction space 13, which is delimited by a reactor wall 14 is, silicon rods 16 are arranged, only a part of the rods is shown for reasons of clarity.
  • the reactor 12 is equipped with a measuring device for measuring turbidity. This includes one in front of one
  • Viewing window 21 (made of borosilicate or quartz glass) arranged separate source for electromagnetic radiation, here a light source 10 (laser with 515 nm or 488 nm). Furthermore, it comprises an extinction detector 18, which is also arranged in front of a viewing window 21 opposite the light source 10. Furthermore, scattered light detectors 20, 22, 24 (CCD sensor arrays) are positioned in front of a viewing window 21 at different angles to the radiation direction of the light source 10. The detectors 20, 22, 24 do not have to be at the same height as the source 10. In the case of dust separation, particles 17 begin to form in the reaction chamber 13, which are absorbed by the
  • Source 10 weaken emitted light.
  • the attenuation is registered by the extinction detector 18.
  • the extinction detector 18 On the other hand, there is an increasing scattering of light on the
  • Particles 17, which is detected by the scattered light detectors 20, 22, 24 are recorded by a process control station and, if necessary, also compared with reference or normal values. Based on these measured values,
  • FIG. 7 shows a Siemens reactor 12 in cross section, reference being made to FIG. 6 with regard to the essential elements. For the sake of clarity, only one silicon rod is shown.
  • two detectors 26a, 26b (for example photodiodes and / or photomultiplier) are each arranged in front of a viewing window 21 in the reactor wall 14.
  • the arrows indicate both through Dust deposition formed particles 17 scattered light and light weakened by absorption.
  • light weakened by absorption falls on detector 26a, while both scattered light and light weakened by absorption hit the detector 26b.
  • the turbidity is therefore determined as a change in the radiation hitting the sensor.
  • Example 6 Turbidity detection FIG.
  • FIG. 8 shows the time course of the measured substrate temperature J in a diagram (corresponds to T OF ), the first derivative of which is based on the time t and the exposure time t B of a black and white camera installed in front of the viewing window of a Siemens reactor.
  • the course shown begins with a deposition time of 60 hours.
  • J M was determined on a polysilicon rod (at the level of the center of the rod between the bridge and the electrode) using a pyrometer.
  • the black and white camera was equipped with a CMOS sensor and was approximately level with the center of the rod
  • the camera continuously generated an image that is transmitted to processing software in a process control room.
  • the software performed a
  • Turbidity detection immediately countermeasures can be taken by varying the manipulated variables.
  • 9 shows the setpoint curve (solid line) of the ratio of chlorosilane to hydrogen plotted against the rod diameter D in the production of polysilicon type C.
  • the points marked with the numbers 1 and 2 are the reactions of the manipulated variable (chlorosilane / H 2 ) Turbidity detected by means of a black and white camera as described above. After the turbidity has been detected (number 1), the
  • the ratio of chlorosilane to hydrogen is reduced until the turbidity passes (the proportion of H 2 is increased so that the mass flow remains the same).
  • the ratio of chlorosilane to hydrogen is then increased again according to the setpoint. Puts If the turbidity occurs again (number 2), after the reduction in the chlorosilane / H 2 ratio, it is only increased to such an extent that no renewed turbidity occurs.
  • the chlorosilane / H 2 ratio remains below the setpoint. Without a turbidity detection as a control variable, there would have been a high probability that the first turbidity would have affected the
  • FIG. 10 shows a deposition process in which the overall morphology index M tot is specified as a target value as a function of the rod diameter D (solid line in diagram A). In the setpoint curve, this example corresponds to a typical deposition of type C silicon. The dashed line in diagram A shows that during deposition
  • T OF Surface temperature
  • diagram B the solid line corresponds to the target value of T OF and the dashed line to the actual value. If the actual value of T OF now deviates from the nominal value, the current intensity I through the silicon rod is changed in such a way that the nominal value of T OF is reached again.
  • the influence of M tot as a controlled variable is determined by the
  • Number 2 The continuous determination of M tot results in a value that is above the target value. In response, the setpoint for T OF is reduced.
  • FIG. 11 shows fluctuations in the course of the process
  • Reaction gas ⁇ ⁇ (A) the ratio of chlorosilane to
  • Hydrogen (B) and the deposition temperature (C) are plotted as a function of the rod diameter D.
  • the solid lines represent the course when specified via rod diameter D.
  • D a certain amount of silicon
  • M tot is shown in diagram D.
  • T OF this means that a higher temperature not only leads to a faster deposition rate, but also to greater fissures, i.e. a higher M tot. This is particularly critical when the quality of the

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, umfassend Einleiten eines Reaktionsgases, das neben Wasserstoff Silan und/oder zumindest ein Halogensilan enthält, in einen Reaktionsraum eines Gasphasenabscheidungsreaktors, wobei der Reaktionsraum mindestens einen durch Stromdurchgang erhitzten Filamentstab umfasst, auf welchem durch Abscheidung Silicium unter Bildung eines polykristallinen Siliciumstabs abgeschieden wird, wobei während der Abscheidung als Regelgrößen der Durchmesser D von zumindest einem Siliciumstab mit einer Messvorrichtung bestimmt wird und die Morphologie des Siliciumstabs als Gesamtmorphologiekennzahl M ges aus einer ersten Morphologiekennzahl M1 oder einer zweiten Morphologiekennzahl M2 oder aus einer Kombination von M1 und M2 bestimmt wird, wobei M1 einen Wert von 0,8 bis 2,5 hat und sich aus dem Verhältnis R 1 /R 2 eines ersten Widerstandswerts R 1 und eines zweiten Widerstandswerts R 2 des Siliciumstabs bei einer Stabtemperatur T s ergibt, wobei (Formel (I)) und (Formel (II)) mit U = Spannung zwischen zwei Enden des Siliciumstabs, I = Stromstärke, P = spezifischer Widerstand von Silicium, L = Länge des Siliciumstabs, A = Querschnittsfläche des Siliciumstabs, und wobei M2 einen Wert von 0 bis 4 hat und sich aus einem erzeugten Thermographiebild des Siliciumstabs ergibt, wobei eine definierte Messfläche A max , des Thermographiebildes mittels Bildbearbeitung in einen ersten und in einen zweiten Oberflächenanteil segmentiert wird, wobei der erste Oberflächenanteil A t einer gegenüber lokalen Temperaturmittelwerten höheren Temperatur T t entspricht, und der zweite Oberflächenanteil A p einer gegenüber lokalen Temperaturmittelwerten niedrigeren Temperatur T p entspricht, und M2 bestimmt wird nach (Formel (III)), wobei die Abscheidung durch zumindest eine der Stellgrößen Massenstrom des Reaktionsgas (Formel (IV)), Volumenstrom des Reaktionsgas (Formel (V)), Impulsstrom des Reaktionsgas (Formel (VI)), Dichte des Reaktionsgas δ, Gasgeschwindigkeit des Reaktionsgas v und Düsenquerschnittsfläche A gas derart gesteuert wird, dass die Regelgrößen M ges und D jeweils einen vorgegebenen Wert annehmen oder beibehalten.

Description

Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, wobei während des Verfahrens als Regelgrößen der Durchmesser D von zumindest einem Siliciumstab und die Morphologie des Siliciumstabs als Gesamtmorphologie- kennzahl Mges bestimmt werden und die Abscheidung durch
zumindest eine der Stellgrößen Massenstrom des Reaktionsgas ^̇, Impulsstrom des Reaktionsgas ^̇, Dichte des Reaktionsgas d, Gasgeschwindigkeit des Reaktionsgas n und Düsenquerschnitts- fläche Agas derart gesteuert wird, dass die Regelgrößen Mges und D jeweils einen vorgegebenen Wert annehmen oder beibehalten. Polykristallines Silicium (Polysilicium) dient als Ausgangs- material bei der Herstellung von einkristallinem (monokristal- linem) Silicium, beispielsweise mittels Tiegelziehen
(Czochralski- oder CZ-Verfahren) oder mittels Zonenschmelzen (Floatzone-Verfahren). Einkristallines Silicium wird in der Halbleiterindustrie zur Fertigung von elektronischen Bau- elementen (Chips) verwendet. Ferner wird Polysilicium zur Herstellung von multikristallinem Silicium, beispielsweise mittels Blockgussverfahren, benötigt. Das in Form eines Blocks erhaltene multikristalline Silicium kann zur Fertigung von Solarzellen eingesetzt werden. Polysilicium kann durch das Siemens-Verfahren – ein chemischer Gasphasenabscheidungsprozess – gewonnen werden. Dabei werden in einem glockenförmigen Reaktor (Siemens-Reaktor) Träger- körper (üblicherweise aus Polysilicium) durch direkten Strom- durchgang erhitzt und ein Reaktionsgas enthaltend eine
siliciumhaltige Komponente und Wasserstoff eingeleitet. Die siliciumhaltige Komponente ist in der Regel Monosilan (SiH4) oder ein Halogensilan der allgemeinen Zusammensetzung SiHnX4-n (n = 0, 1, 2, 3; X = Cl, Br, I). Üblicherweise handelt es sich um ein Chlorsilan oder Chlorsilangemisch, für gewöhnlich um Trichlorsilan (SiHCl3, TCS). Überwiegend wird SiH4 oder TCS im Gemisch mit Wasserstoff eingesetzt. Der Aufbau eines typischen Siemens-Reaktors ist beispielsweise in der EP 2 077 252 A2 oder EP 2 444 373 A1 beschrieben. Der Boden des Reaktors (Bodenplatte) ist generell mit Elektroden versehen, welche die Trägerkörper aufnehmen. Bei den Trägerkörpern handelt es sich für gewöhnlich um Filamentstäbe (Dünnstäbe) aus Silicium.
Üblicherweise werden zwei Filamentstäbe mit einer Brücke (aus Silicium) zu einem Paar verbunden, das über die Elektroden einen Stromkreis bildet. Die Oberflächentemperatur der
Filamentstäbe beträgt üblicherweise während der Abscheidung mehr als 1000°C. Bei diesen Temperaturen zersetzt sich die siliciumhaltige Komponente des Reaktionsgases und elementares Silicium scheidet sich aus der Gasphase als Polysilicium ab. Dadurch nimmt der Durchmesser der Filamentstäbe und der Brücke zu. Nach dem Erreichen eines vorgegebenen Durchmessers der Stäbe wird die Abscheidung üblicherweise gestoppt und die er- haltenen Polysiliciumstäbe ausgebaut. Nach dem Entfernen der Brücke werden annähernd zylinderförmige Siliciumstäbe erhal- ten. Die Morphologie des Polysiliciums bzw. der Polysiliciumstäbe und der aus diesen erzeugten Bruchstücken hat generell einen starken Einfluss auf die Performance bei der Weiterverarbei- tung. Grundsätzlich wird die Morphologie eines Polysilicium- stabes von den Parametern des Abscheideprozesses bestimmt (z.B. Stabtemperatur, Silan- und/oder Chlorsilankonzentration, spezifischer Durchfluss). In Abhängigkeit der Parameter können sich ausgeprägte Grenzflächen bis hin zu Löchern und Gräben formieren. Diese verteilen sich in der Regel nicht homogen im Inneren des Stabes. Vielmehr können sich durch Variation der Parameter Polysiliciumstäbe mit verschiedenen (meist konzen- trischen) Morphologiebereichen ausbilden, wie dies beispiels- weise in der EP 2 662 335 A1 beschrieben ist. Die Abhängigkeit der Morphologie von der Stabtemperatur kommt z.B. in der US 2012/0322175 A1 zum Ausdruck. Hier ist ein Verfahren zur Kontrolle der Oberflächentemperatur durch eine Widerstands- messung bei zumindest einem Polysiliciumstab während der Ab- scheidung beschrieben. Das Verfahren erlaubt jedoch keine Rückschlüsse über die Morphologie des Siliciums, vielmehr setzt es eine gleichbleibende Morphologie voraus. Die Morphologie von Polysilicium kann von kompakt und glatt bis hin zu sehr porös und zerklüftet variieren. Kompaktes Polysilicium ist im Wesentlichen frei von Rissen, Poren, Fugen und Klüften. Die Rohdichte derartigen Polysiliciums kann mit der Reindichte von Silicium gleichgesetzt werden oder ent- spricht dieser zumindest in guter Näherung. Die Reindichte von Silicium beträgt 2,329 g/cm3. Eine poröse und zerklüftete Morphologie hat insbesondere nega- tive Auswirkungen auf das Kristallisationsverhalten von Poly- silicium. Besonders stark zeigt sich dies beim CZ-Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Silicium. Hier führt der Einsatz von zerklüftetem und porösem Polysilicium zu wirt- schaftlich inakzeptablen Ausbeuten. Generell führt beim CZ- Verfahren besonders kompaktes Polysilicium zu deutlich höheren Ausbeuten. Allerdings ist die Erzeugung von kompaktem
Polysilicium für gewöhnlich teurer, da ein längerer Abscheide- prozess erforderlich ist. Ferner setzen nicht alle Anwendungen den Einsatz von besonders kompaktem Polysilicium voraus.
Beispielsweise sind die Anforderungen an die Morphologie bei der Herstellung von multikristallinem Silicium nach dem Block- gussverfahren deutlich geringer. Generell erreicht ein
Kristallisationsverfahren oder eine bestimmte Ausprägung eines solchen Verfahrens ein wirtschaftliches Optimum, wenn als Aus- gangsmaterial Polysilicium eingesetzt wird, dessen Morphologie einen Grenzwert nicht übersteigt. Entsprechend wird Polysilicium neben der Reinheit und der Bruchgröße auch nach seiner Morphologie unterschieden und klassifiziert. Da unter dem Begriff Morphologie verschiedene Parameter wie beispielsweise Porosität (Summe aus geschlos- sener und offener Porosität), spezifische Oberfläche, Rauheit, Glanz und Farbe zusammengefasst werden können, stellt eine reproduzierbare Bestimmung der Morphologie eine große Heraus- forderung dar. Eine optische Begutachtung der Polysilicium- stäbe oder -bruchstücke nach der Abscheidung, wie u.a. in der WO 2014/173596 A1 vorgeschlagen, hat den Nachteil, dass sich die Morphologie im Inneren gegebenenfalls deutlich von der Morphologie der Oberfläche unterscheiden kann. Beispielsweise kann zur Bestimmung der Porosität das Volumen des Prüfobjekts mittels Differenzmethode bestimmt und an- schließend die effektive mit der spezifischen Dichte ver- glichen werden. Im einfachsten Fall wird dabei das Prüfobjekt in einen vollen Wasserbehälter getaucht, wobei das Volumen des übergelaufenen Wassers dem des Prüfobjekts entspricht. Ange- wendet auf Polysilicium muss ein geeignetes Fluid genutzt wer- den, um eine Oxidation und Verunreinigung zu vermeiden und die Oberfläche komplett zu benetzen. Insbesondere bei durch das Siemens-Verfahren hergestellten Polysiliciumstäben, die eine Länge zwischen 2 und 4 m aufweisen können, ist dies mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Möglichkeiten zur Dichtemessung bei Polysilicium sind beispielsweise in der WO 2009/047107 A2 beschrieben. Grundsätzlich ist bei einer nachträglichen Be- trachtung der Morphologie von Nachteil, dass es für eine Be- einflussung des Abscheidungsprozesses und damit zu einer Steuerung der Morphologie zu spät ist. Während der Abscheidung ist generell darauf zu achten, sämtliche Faktoren, die eine unkontrollierte Veränderung der Morphologie bewirken können, auszuschließen bzw. so gering wie möglich zu halten. Ein störender Faktor kann bspw. eine sogenannte Staubabscheidung sein. Zu deren Auslösern zählen unter anderem: Reaktionsgas mit einem zu hohen Anteil an Halogensilan; Anstieg des Anteils an unerwünschten Silanen (z.B. Dichlorsilan); Auftreten lokaler Gastemperatur- unterschiede im Reaktionsraum oder lokaler Temperatur- unterschiede der Trägerkörper (insb. Oberflächentemperatur), in der Regel aufgrund sich ändernder Gasströmungen. Generell befinden sich bei der Abscheidung von Polysilicium zwei konkurrierende Prozesse, nämlich die Siliciumablagerung an der Oberfläche von Stäben bzw. Siliciumgranulat und die Bildung von freien Partikeln (Staubabscheidung), im Gleich- gewicht. Die gebildeten freien Partikel können sich in
Abhängigkeit von der Art des Reaktors und der
Reaktionsbedingungen unterscheiden, wobei deren
Zusammensetzung von reinem Silicium (amorph bis kristallin) bis hin zu komplexen Verbindungen der allgemeinen Formel SixClyHz variieren kann. Die durch Staubabscheidung entstandenen Partikel verteilen sich für gewöhnlich mit der Gasströmung im gesamten Reaktions- raum und setzen sich auf den Stäben bzw. dem Siliciumgranulat und insbesondere der inneren Reaktorwand ab. Die auf den Stäben abgelagerten Partikel können im Verlauf der weiteren Abscheidung ggf. von neu gebildeten Schichten überwachsen und so in das Polysiliciumprodukt integriert werden. Daher führen Staubabscheidungen in der Regel zu Produktabwertungen und Produktionsverlusten. Die an der Reaktorwand und insbesondere auch in den dem Reaktor nachgelagerten verfahrenstechnischen Ausrüstungen (z.B. Wärmetauscher, Filter) abgelagerten Partikel bilden mit der Zeit einen immer stärker werdenden Belag, der von Zeit zu Zeit entfernt werden muss. Dies erhöht die Zeit, in welcher der Reaktor stillsteht, und verursacht höhere Produktionskosten. Zur Erkennung von Staubabscheidungen werden bisher
Sichtkontrollen an Schaugläsern in der Reaktorwand
durchgeführt, wobei Staubabscheidungen mit dem bloßen Auge durch eine Trübung des Reaktionsraums erkannt werden sollen. Allerdings ist eine Staubabscheidung in der Regel nur im fortgeschrittenen Zustand zweifelsfrei zu erkennen, also zu einem Zeitpunkt, bei dem die Reinheit des Polysiliciumprodukts schon beeinträchtigt ist. In den meisten Fällen werden
Staubabscheidungen nicht rechtzeitig erkannt, so dass das Produkt abgewertet oder gar verworfen werden muss. Durch ein unmittelbares Anpassen von Prozessparametern, kann nicht nur einer Staubabscheidung entgegengewirkt werden, sondern auch die Morphologie des Polysiliciums in eine bestimmte Richtung gelenkt bzw. konstant gehalten werden.
Daher wäre eine umfassende Überwachung des Abscheidungs- prozesses wünschenswert, um negativen Effekten auf die
Produktqualität unmittelbar entgegenwirken zu können. Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das eine umfassende Steuerung des Abscheidungsprozesses ermöglicht. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, umfassend Einleiten eines Reak- tionsgases, das neben Wasserstoff Silan und/oder zumindest ein Halogensilan enthält, in einen Reaktionsraum eines
Gasphasenabscheidungsreaktors, wobei der Reaktionsraum mindestens einen durch Stromdurchgang erhitzten Filamentstab umfasst, auf welchem durch Abscheidung Silicium unter Bildung eines polykristallinen Siliciumstabs abgeschieden wird, wobei während der Abscheidung als Regelgrößen zur Steuerung der Abscheidung der Durchmesser D von zumindest einem Siliciumstab mit einer Messvorrichtung 1 bestimmt wird und die Morphologie des Siliciumstabs als Gesamtmorphologiekennzahl Mges aus einer ersten Morphologiekennzahl M1 oder einer zweiten Morphologie- kennzahl M2 oder aus einer Kombination von M1 und M2 bestimmt wird, wobei M1 einen Wert von 0,8 bis 2,5 hat und sich aus dem Verhältnis R1/R2 eines ersten Widerstandswerts R1 und eines zweiten Widerstandswerts R2 des Siliciumstabs bei einer
Stabtemperatur Ts ergibt, wobei
Figure imgf000009_0001
U = Spannung zwischen zwei Enden des Siliciumstabs, I = Stromstärke
r = spezifischer Widerstand von Silicium,
L = Länge des Siliciumstabs,
A = Querschnittsfläche des Siliciumstabs,
und wobei M2 einen Wert von 0 bis 5 hat und sich aus einem erzeugten Thermographiebild des Siliciumstabs ergibt, wobei eine definierte Messfläche Amax, des Thermographiebildes mittels Bildbearbeitung in einen ersten und in einen zweiten Oberflächenanteil segmentiert wird, wobei der erste
Oberflächenanteil At einer gegenüber lokalen
Temperaturmittelwerten höheren Temperatur Tt entspricht, und der zweite Oberflächenanteil Ap einer gegenüber lokalen
Temperaturmittelwerten niedrigeren Temperatur Tp entspricht, und M2 bestimmt wird nach
Figure imgf000009_0002
wobei die Abscheidung durch zumindest eine der Stellgrößen Massenstrom des Reaktionsgas ^ Volumenstrom des Reaktionsgas Impulsstrom des Reaktionsgas ^̇ Dichte des Reaktionsgas d,
Figure imgf000009_0003
Figure imgf000009_0004
Gasgeschwindigkeit des Reaktionsgas n und Düsenquerschnitts- fläche Agas derart gesteuert wird, dass die Regelgrößen Mges und D jeweils einen vorgegebenen Wert annehmen oder beibehalten, wobei der Massenstrom ^
Figure imgf000010_0001
̇in einem Bereich von 1800 bis
36000 kg/h liegt, Volumenstrom in einem Bereich von 1500 bis
Figure imgf000010_0002
9000 m3/h, der Impulsstrom in einem Bereich von 5 bis 80 N
Figure imgf000010_0003
liegt, die Dichte d in einem Bereich von 2 bis 16 kg/m3, die Gasgeschwindigkeit n in einem Bereich von 5 bis 100 m/s liegt und die Düsenquerschnittsfläche Agas in einem Bereich von 80 bis 5000 mm2 liegt. Vorzugsweise liegt der Massenstrom n einem Bereich von 6000
Figure imgf000010_0005
bis 34000 kg/h, besonders bevorzugt von 12000 bis 32000 kg/h. Vorzugsweise liegt der Volumenstrom n einem Bereich von 3000 bis 8000 m3/h.
Figure imgf000010_0006
Vorzugsweise liegt der Impulsstrom in einem Bereich von 10 bis 50 N.
Figure imgf000010_0004
Vorzugsweise liegt die Dichte d in einem Bereich von 7 bis 13 kg/m3. Vorzugsweise liegt die Gasgeschwindigkeit n in einem Bereich von 20 bis 50 m/s. Vorzugsweise liegt die Düsenquerschnittsfläche Agas in einem Bereich von 500 bis 4000 mm2, insbesondere von 1500 bis
3500 mm2. Insbesondere werden der Massenstrom ^̇und/oder der
Volumenstrom in Abhängigkeit der Regelgrößen gesteuert. Beim Massenstrom handelt es sich um den Gesamtmassenstrom des Reaktionsgas, der z.B. mit einem Durchflussmesser gemessen wird. Die Messung des Volumenstroms kann mit einem
Flügelradzähler erfolgen (z.B. nach DIN EN 1343). Die Messung erfolgt vorzugsweise bevor das Reaktionsgas auf mehrere Düsen zur Einleitung in den Reaktor aufgeteilt wird. Ferner kann durch eine Druckmessung und die bekannte Gaszusammensetzung die Berechnung der Dichte d nach dem idealen Gasgesetz
erfolgen. Die übrigen Größen können dann gemäß den folgenden Zusammenhängen bestimmt werden.
Figure imgf000011_0001
Ferner kann die Abscheidung durch zumindest eine der weiteren Stellgrößen U, I, Reaktordruck p, Oberflächentemperatur TOF und Wasserstoffanteil im Reaktionsgas gesteuert werden. Dabei liegt U pro Stabpaar in einem Bereich von 50 bis 500 V, bevorzugt von 55 bis 250 V, besonders bevorzugt von 60 und 100 V. I pro Stabpaar liegt in einem Bereich von 500 und
4500 A, bevorzugt von 1500 und 4000 A, besonders bevorzugt von 2500 und 3500 A. Der Reaktordruck p liegt in einem Bereich von 200 bis 1000 kPa, bevorzugt von 500 bis 800 kPa. TOF liegt in einem Bereich von 950 bis 1200°C, bevorzugt von 1000 bis
1150°C. Das Reaktionsgas weist vor Eintritt in den Reaktor einen Wasserstoffanteil von 50 bis 90%, bevorzugt von 60 bis 80%, auf. Entsprechend ist das Verhältnis von Chlorsilan zu Wasserstoff (Stoffmengenanteil) bei 0,1 bis 0.5, bevorzugt 0.2 bis 0.4. Die Bestimmung der Zusammensetzung des Reaktionsgases kann z.B. vor der Zuleitung zum Reaktor über Raman- und Infrarot- spektroskopie sowie Gaschromatographie erfolgen. Die
Reaktionsgaszusammensetzung kann z.B. über einen Durchfluss- regelkreis einer weiteren Komponente des Reaktionsgases zum Reaktor (z.B. TCS, H2) verändert werden. Der Druck kann z.B. in der Zuleitung des Reaktionsgases, einer Abgasleitung oder in Schaugläsern mit Messverrohrung gemessen werden. Über einen geschlossenen Regelkreis einer Druckmessung und einer im Abgasstrang des Reaktors installierten Regelarmatur kann der Druck variiert werden. Wie eingangs bereits beschrieben, kann sich in Abhängigkeit der Abscheidungsparameter Polysilicium mit unterschiedlicher Morphologie ausbilden, wobei auch innerhalb desselben Poly- siliciumstabs, insbesondere in radialer Richtung seiner Quer- schnittsfläche, Bereiche verschiedener Morphologie auftreten können, die durch Grenzflächen voneinander getrennt sind.
Unter Morphologie soll hier insbesondere die Zerklüftetheit des Polysiliciums verstanden werden, die sich aus der Häufig- keit und Anordnung von Löchern, Poren und Gräben ergibt. Die Morphologie kann auch als Gesamtporosität des Polysiliciums verstanden werden, die sich zusammensetzt aus der Summe aller Hohlräume, die untereinander und mit der Umgebung in Ver- bindung stehen, und den nicht miteinander verbundenen Hohl- räumen. Die Gesamtporosität, d.h. der Anteil des Gesamtporen- volumens (offene und geschlossene Poren) am Gesamtvolumen des Polysiliciums, kann gemäß DIN-EN 1936 bestimmt werden. Es wurde erkannt, dass sich insbesondere die Löcher und Gräben nicht homogen im abgeschiedenen Polysilicium verteilen, sondern inhomogen entsprechend der Abscheidung. Dabei zeigt die Längsrichtung bevorzugt in die radiale Richtung, also in Wachstumsrichtung. Dadurch können bestimmte Transportvorgänge im Polysilicium richtungsabhängig (anisotrop) werden. Anders ausgedrückt kann Polysilicium makroskopisch anisotrope
Materialeigenschaften aufweisen. Die Zerklüftetheit beeinflusst den elektrischen Widerstand R des vom elektrischen Strom durchflossenen Siliciumvolumens, weshalb sich R im Vergleich zu kompaktem Polysilicium erhöht. Bei den typischerweise verwendeten Frequenzen der Leistungs- versorgung von weniger als 1 kHz wird das vollständige
Siliciumvolumen vom elektrischen Strom durchflossen. Des Weiteren zeigt sich die Bildung von Poren und Gräben anhand einer Popcorn-artigen Oberflächenstruktur. Im Profil betrachtet handelt es sich bei einer Popcorn-Oberfläche um eine Ansammlung von Erhebungen (Bergen) und Gräben (Tälern). Popcorn bedeutet, dass das Polysilicium Risse, Spalten und Sprünge aufweist und infolge dieser Zerklüftetheit eine sehr große Oberfläche hat. Die Erhebungen und die Gräben
unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Temperatur während der Abscheidung. Üblicherweise ist gerade dieser Umstand
problematisch bei der Bestimmung einer Oberflächentemperatur TOF der Siliciumstäbe, da optimale Messergebnisse nur auf einer ebenen Oberfläche erzielt werden können. Es wurde allerdings erkannt, dass gerade die Temperaturunterschiede zwischen
Gräben und Erhebungen auf der Siliciumoberfläche Rückschlüsse auf die Morphologie der Stäbe während der Abscheidung
ermöglichen. Diese Unterschiede lassen sich optisch erfassen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Morphologie un- mittelbar während der Abscheidung bestimmt, wobei für M1 ein elektrothermisches Modell zur Anwendung kommt, welches direkt auf Prozessdaten zurückgreift. M2 wird durch Aufnahme
zumindest eines Thermographiebildes bestimmt, wobei mittels Bildbearbeitung Oberflächenbereiche erhöhter Temperatur
(Gräben) von Oberflächenbereichen erniedrigter Temperatur separiert werden. Eine in der Regel aufwändige und zumeist ungenaue optische Analyse der Polysiliciumstäbe im Ganzen oder im Form von
Bruchstücken nach der Abscheidung ist nicht erforderlich. Durch die Verwendung von ohnehin zur Verfügung stehenden Prozessdaten ist die erfindungsgemäße Methode beliebig skalierbar. Da Thermographiebilder in der Regel ohnehin zur Bestimmung der Oberflächentemperatur TOF oder auch zur
Bestimmung von M2 erzeugt werden (z.B. mit einem Pyrometer), ist der apparative Aufwand gering. Die Bestimmung von M1 und M2 kann also ohne großen Aufwand in ein bestehendes System zur Prozesssteuerung eingebunden werden. Die Verwendung der
Morphologiekennzahlen M1 und/oder M2 zur Prozesssteuerung bietet erhebliches Potenzial zur Qualitätssicherung und
Maximierung der Produktivität. Insbesondere lässt sich durch eine permanente Überwachung der Morphologie Polysilicium exakt nach Kundenwunsch herstellen. Die Kennzahl M1 hat vorzugsweise einen Wert von 1 bis 1,8, insbesondere von 1,2 bis 1,6. Die Kennzahl M2 hat vorzugsweise einen Wert von 0,1 bis 3, insbesondere von 0,1 bis 2. Bei M1 und M2 handelt es sich um dimensionslose Kennzahlen, deren Wert umso größer ist, je zerklüfteter/poröser ein Poly- siliciumstab ist. Beispielsweise weisen Polysiliciumstäbe, für die M2 größer als 3 ist, einen erheblichen Anteil an Popcorn auf. Hat M2 einen Wert von Null, handelt es sich um Stäbe mit einer sehr glatten Oberfläche, also sehr kompakt abgeschiedenes Polysilicium. Für die Herstellung von Typ A Polysilicium erfolgt die
Steuerung vorzugsweise derart, dass M1 einen Wert von 0,8 bis 1,2 und/oder M2 einen Wert von 0 bis 0,1 aufweist. Typ A ist in der Regel sehr kompakt und für die Produktion von Halb- leitern bestimmt. Insbesondere für das CZ-Verfahren mit dem Ziel der Maximierung der versetzungsfreien Ausbeute. Für die Herstellung von Typ B Polysilicium erfolgt die
Steuerung vorzugsweise derart, dass M1 einen Wert von 1,2 bis 1,4 und/oder M2 einen Wert von 0,1 bis 1 aufweist. Typ B weist in der Regel eine mittlere Kompaktheit auf und wird
insbesondere für kostenoptimierte robuste
Halbleiteranwendungen und anspruchsvolle Solaranwendungen mit monokristallinem Silicium verwendet (CZ-Verfahren). Für die Herstellung von Typ C Polysilicium, das insbesondere für robuste Solaranwendungen mit monokristallinem Silicium be- nötigt wird, erfolgt die Steuerung vorzugsweise derart, dass M1 einen Wert von 1,4 bis 1,7 und/oder M2 einen Wert von 1 bis 3 aufweist. Typ C ist weniger kompakt als Typ B, preiswerter und besonders geeignet für Nachchargier-Prozesse beim CZ- Verfahren. Für die Herstellung von Typ D Polysilicium erfolgt die
Steuerung vorzugsweise derart, dass M1 einen Wert über 1,7 und/oder M2 einen Wert von 3 bis 5, vorzugsweise 3 bis 4, aufweist. Typ D weist einen hohen Anteil an Popcorn auf. Es hat eine relativ zerklüftete Oberfläche und eine hohe
Porosität. Es wird insbesondere zur Herstellung von multi- kristallinem Silicium für Solaranwendungen mittels gerichteter Erstarrung oder Blockgießen eingesetzt. Vorzugsweise werden M1 und/oder M2 während der Abscheidung im Wesentlichen konstant gehalten. Unter „im Wesentlichen“ soll insbesondere verstanden werden, dass temporäre Abweichungen von plus/minus 0,1 von einem Sollwert auftreten können.
Gegebenenfalls kann die Abweichung auch bei plus/minus 0,2 liegen. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Kennzahlen M1 und/oder M2 kontinuierlich, um eine besonders präzise Steuerung der Abscheidung zu gewährleisten. Des Weiteren kann die Bestimmung von M1 und/oder M2 diskreti- siert in einem Zeitintervall erfolgen, wobei das Zeitintervall insbesondere einem vorgegebenen Zuwachs des Durchmessers des Siliciumstabs entsprechen kann. Auf diese Weise kann eine Aus- sage über die Morphologie eines in einem bestimmten Zeitinter- vall aufgewachsenen Bereichs (konzentrischer Bereich) des Siliciumstabs getroffen werden. Für die Berechnung in einem bestimmten Zeitintervall wird das entsprechende zeitliche Intergral von M1 und/oder M2 gebildet. Werden sowohl M1 als auch M2 während der Abscheidung bestimmt, erfolgt eine Kombination beider Kennzahlen zu einer Gesamtmor- phologiekennzahl Mges. Wird nur eine der beiden Kennzahlen bestimmt, ergibt sich Mges aus dem Wert für M1 oder M2. Die Kombination von M1 und M2 kann z.B. durch Addition oder Multiplikation der Einzelwerte erfolgen, wobei ggf. eine Gewichtung der Einzelwerte durch Faktoren, Summanden oder Exponenten erfolgen kann. Bevorzugt erfolgt die Kombination von M1 und M2 durch eine gewichtete Addition gemäß der Formel (IV)
Figure imgf000016_0002
ist a ein Wichtungsfaktor mit einem Wert von 0 bis 1,
Figure imgf000016_0001
vorzugsweise von 0,3 bis 0,8.
Figure imgf000016_0003
entspricht dabei innerhalb des Bereichs von M1 einer minimalen Ausprägung von M1, einer minimal zu erzielenden Ausprägung von M1 oder entspricht innerhalb des
Figure imgf000016_0004
Bereichs von M1 einer maximalen Ausprägung von M1, einer maximal zu erzielenden Ausprägung von Ml oder 1. M2,min
entspricht innerhalb des Bereichs von M2 einer minimalen
Ausprägung von M2, einer minimal zu erzielenden Ausprägung von M2 oder 0. M2,max entspricht innerhalb des Bereichs von M2 einer maximalen Ausprägung von M2, einer maximal zu erzielenden Ausprägung von M2 oder 1.
Wählt man die Grenzen der jeweiligen Bereiche von Mmin = 0.8; Mmax = 2.5; M2min = 0; M2max = 5, ergibt sich für Mges ein Werte bereich von 0 bis 100%, wobei das komplette Morphologie- Spektrum von Typ A bis Typ D abgedeckt ist. Wählt man die Ausprägungen eines Produkts z.B. von Polysilicium Typ A Mmin = 0.8; Mmax = 1.2; M2min = 0; M2max = 0.1, ergibt sich für Mges ein Wertebereich von 0 bis 100%, wobei das komplette Morphologie- Spektrum des Typ A abgedeckt ist.
Wählt man die Grenzen der jeweiligen Bereiche und bspw. einen Wichtungsfaktor a von 0,5, weist die Kennzahl Mges vorzugsweise einen Wert von 0 bis 13 % für Polysilicium Typ A, 13 bis 28 % für Polysilicium Typ B, 28 bis 56 % für Polysilicium Typ C und 56 bis 100 % für Polysilicium Typ D auf.
Ml ist eine dimensionslose Kennzahl, die sich aus dem
Verhältnis des ersten unmittelbar messbaren Widerstands Ri zu dem zweiten theoretischen Widerstand R2 ergibt (vgl. Formeln I und II) . Je zerklüfteter/poröser ein Polysiliciumstab ist, desto größer ist Ml. Beispielsweise weisen Polysiliciumstäbe, für die Ml größer als 1,5 ist, einen erheblichen Anteil
Popcorn auf.
Die Bestimmung von Rlr der auch als Heizwiderstand bezeichnet werden kann, erfolgt aus der am Siliciumstab gemessenen Span nung U und der Stromstärke I nach dem Ohmschen Gesetz. Bei I (Stabstrom) handelt es sich um die Stromstärke, mit welcher ein Filamentstab/Siliciumstab erhitzt wird (Joule-Erwärmung). Bei U handelt es sich um die Spannung, die zur Erzeugung des Stabstroms zwischen den Enden eines Siliciumstabs oder
Filamentstabs anliegt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Filamentstab um zwei Dünnstäbe aus Silicium, die über eine Brücke (aus Silicium) zu einem Stabpaar verbunden sind. Die beiden freien Enden des Stabpaares sind üblicherweise mit Elektroden am Reaktorboden verbunden. Die Messung von U und I kann mittels handelsüblicher Messgeräte erfolgen. Für
gewöhnlich werden U und I, die auch Stellgrößen darstellen, stets an einem Prozessleitstand angezeigt und ggf.
aufgezeichnet. Die Anzahl der im Gasphasenabscheidungsreaktor angeordneten Siliciumstäbe bzw. Siliciumstabpaare ist für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens generell unerheblich. Vor- zugsweise handelt es sich bei dem Gasphasenabscheidungsreaktor um einen Siemens-Reaktor, wie er einleitend und beispielsweise in der EP 2 662 335 A1 beschrieben ist. Typische Beispiele für die Anzahl von Siliciumstäben in einem Reaktor sind 36 (18 Stabpaare), 48 (24 Stabpaare), 54 (27 Stabpaare), 72 (36 Stab- paare) oder 96 (48 Stabpaare). Die Siliciumstäbe können zu jedem Zeitpunkt der Abscheidung in guter Näherung als zylin- derförmig angesehen werden. Dies ist insbesondere unabhängig davon, ob die Dünnstäbe zylindrisch oder bspw. quadratisch ausgebildet sind. Entsprechend können zur Bestimmung von R1 auch Mittelwerte von U und I herangezogen werden, die sich beispielsweise aus einer Messung an jedem Stabpaar im Reaktor ergeben. Die Bestimmung von R2 erfolgt durch Multiplikation des spezifi- schen Widerstands r von Silicium mit der Länge L des Silicium- stabs und Division durch die stromdurchflossene Querschnitts- fläche A des Siliciumstabs. L entspricht üblicherweise der Länge des Siliciumstabs ge- messen von einer Elektrode bis zur anderen Elektrode im
Reaktorboden. Zur Bestimmung von L kann die Länge des
Filamentstabs und ggf. der Brücke zugrunde gelegt werden.
Diese ist bekannt oder kann vor dem Einbau in den Reaktor gemessen werden. Bei einem oben beschriebenen Siliciumstabpaar würde sich L aus der Summe der Längen der beiden Dünnstäbe und der Brücke ergeben. Dass die Form des Siliciumstabs nach der Abscheidung von der des Filamentstabs ggf. abweicht, ist für die Ausführung der Erfindung unerheblich. Ebenso unerheblich ist der Teil der Dünnstäbe, der in den Elektroden oder
Elektrodenhalterungen eingelassen ist. L kann 2 bis 8 m, bevorzugt 3 bis 7 m, besonders bevorzugt 4 bis 6,6 m, insbesondere 5,6 bis 6,4 m betragen. Die Querschnittsfläche A kann durch Messung des Durchmessers D oder Umfangs zumindest eines Siliciumstabs erfolgen. Da davon ausgegangen werden kann, dass die Siliciumstäbe zylindrisch sind und der Durchmesser aller Siliciumstäbe im Reaktor im Wesentlichen gleich ist, insbesondere dann, wenn Messwerte bei gleicher Stabhöhe verglichen werden, kann A nach A = ^*d2/4, mit d = Stabdurchmesser, berechnet werden. Diese Näherung ist gerechtfertigt, da moderne Siemens-Reaktoren dafür ausgelegt sind, eine möglichst homogene Abscheidung zu gewährleisten, d.h. Siliciumstäbe gleicher Qualität und Form zu generieren. Dies kann durch einen homogenen Gasfluss innerhalb des
Reaktors und eine im Wesentlichen symmetrische Anordnung der Stäbe erreicht werden. An welchem Stab oder an welchen Stäben die Durchmesserbestimmung (gleiches gilt für die Bestimmung der Oberflächentemperatur TOF) erfolgt, ist für die Ausführung der Erfindung grundsätzlich unwesentlich. Bezüglich der Bestimmung des Durchmessers D und der Messvor- richtung 1 wird auf die WO 2019/110091 A1 der Anmelderin verwiesen, die hiermit vollumfänglich zum Gegenstand der Beschreibung gemacht wird. Vorzugsweise wird mindestens ein Durchmesser D eines Siliciumstabs bestimmt. Besonders
bevorzugt wird der Durchmesser von mindestens zwei,
insbesondere drei oder vier Siliciumstäben bestimmt.
Gegebenenfalls können mehrere Messungen an unterschiedlichen Höhen eines Siliciumstabs erfolgen. Aus den ermittelten Werten kann ein Mittelwert gebildet werden, wodurch sich die
Messgenauigkeit erhöht. Die Bestimmung von D erfolgt vorzugsweise von außerhalb des Reaktors durch ein Sichtfenster, insbesondere mittels einer Kamera. Es können auch zwei oder mehr Kameras, die
unterschiedlich um den Reaktor positioniert sein können, verwendet werden. Bei der Kamera kann es sich um eine optische Kamera (z.B. Digital-/CCD-Kamera) und/oder Thermographiekamera handeln. D kann durch (insbesondere digitale) Bildbearbeitung von einem oder mehreren der erzeugten Bilder oder auch Bild- ausschnitten bestimmt werden. Die Bildbearbeitung kann insbesondere durch eine Software erfolgen, die vorzugsweise in das System des Prozessleitstands integriert ist. Beispielsweise kann D bestimmt werden, indem der Fokus der Kamera so gewählt wird, dass zumindest ein Siliciumstab in seiner Breite vor der inneren Reaktorwand sichtbar ist.
Mittels Pixelanalyse kann dann eine linke Kontur und eine rechte Kontur des Siliciumstabs identifiziert und die
dazwischenliegende Strecke bestimmt werden. Die Kamera ist üblicherweise derart kalibriert, dass das mit ihr aufgenommene Bild in seiner Breite einer bestimmten Strecke in Umfangs- richtung auf der Reaktorinnenwand entspricht. Die Reaktorgeo- metrie, insbesondere der Reaktorumfang auf Höhe der Kamera, ist grundsätzlich bekannt. Die Position des Siliciumstabs und damit dessen Abstand zur Reaktorinnenwand sowie zur Kamera ist üblicherweise ebenfalls bekannt. Es auch möglich, den Abstand zwischen zwei benachbarten Stäben vor der Reaktorwand zu messen und daraus D, insbesondere mittels Triangulation, zu berechnen. Durch Korrelation der aus der Reaktorkonfiguration bekannten Strecken bzw. Abstände kann anhand des Abstands der Stäbe zueinander D berechnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann D auch aus in der Regel perma- nent erfassten Parametern des Abscheidungsprozesses bestimmt werden. Bei den Parametern kann es sich z.B. um den
Volumenstrom des Reaktionsgases, die Oberflächentemperatur TOF der Siliciumstäbe, I, U, R1 und Abscheidedauer handeln.
Beispielsweise kann dann unter Verwendung von Vergleichsdaten aus vorherigen Abscheidungsprozessen eine Berechnung von D in Abhängigkeit der Abscheidedauer erfolgen. Der spezifische Widerstand r gibt an, welchen elektrischen Widerstand ein Leiter aus einem Material (z.B. Silicium) be- sitzt, der 1 m lang ist und dabei eine durchgehende Fläche von 1 mm2 aufweist. Grundsätzlich ist r abhängig von der Tempe- ratur. r von Silicium kann Tabellenwerken (vgl. Chemische Enzyklopädie, Moskau, 1990; Band 2: Seite 1007, vgl. auch Tabelle 2) entnommen werden und liegt in dem für die Ab- scheidung relevanten Temperaturbereich von 800 bis 1300°C bei Werten von 0,00001 und 0,0005 W*m. Der Bestimmung der
mittleren Stabtemperatur TS, bei welcher sowohl R1 als auch R2 ermittelt werden, kommt daher eine besondere Bedeutung zu. Bevorzugt wird TS als Oberflächentemperatur TOF des Silicium- stabs oder als ein Mittelwert aus zwei oder mehr Oberflächen- temperaturen TOF desselben oder unterschiedlicher Siliciumstäbe bestimmt. TOF ist eine wichtige Einflussgröße, die während der Abscheidung typischerweise kontrolliert und durch Variation des Stromdurchgangs angepasst werden kann. Grundsätzlich nimmt der Wärmefluss, der die Siliciumstäbe verlässt, mit der Ab- scheidezeit zu, da der Durchmesser und damit die Oberfläche der Stäbe wächst. Während der Abscheidung ist also üblicher- weise eine Anpassung der Stromstärke erforderlich. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird TS bestimmt durch die Addition eines konstanten oder variablen Temperaturoffsets zur Oberflächentemperatur TOF. Der Temperaturoffset liegt dabei bevorzugt im Bereich von 0 bis 120 K, besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 80 K. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass TS über der gemessenen Oberflächentemperatur TOF liegen kann. Der Temperaturoffset ist generell umso größer, je größer die Heizleistung U*I bzw. der Stabdurchmesser D ist. Der
Temperaturoffset kann somit variabel in Abhängigkeit von U*I und D vorgegeben werden. Vorzugsweise erfolgt die Messung von TOF mit mindestens einer Thermographiekamera (Strahlungspyrometer), insbesondere von außerhalb des Reaktors durch ein Sichtfenster. Für die Bestim- mung von TOF (insbesondere hinsichtlich der Positionierung des Messgeräts und dem Ort der Messung) gilt grundsätzlich
dasselbe wie für die Bestimmung von D. Insofern kann auf die WO 2019/110091 A1 und obigen Ausführungen verwiesen werden. Da sowohl D als auch TOF mit einer Thermographiekamera
ermittelt werden können, kann die Bestimmung beider Werte an demselben Siliciumstab und ggf. mit demselben Messgerät erfolgen. TS kann ferner nach Formel V bestimmt werden.
^ ^
Figure imgf000023_0001
k = Anpassungsfaktor,
AOF = Staboberfläche entlang der Stablänge,
l = thermische Wärmeleitfähigkeit von Silicium,
rII = Radius des Siliciumstabs,
rS = Radius des Querschnittsflächenschwerpunkts des Silicium- stabs. Dieses Modell zur Bestimmung von TS wird anhand des Diagramms in der Figur 1 veranschaulicht. Das Modell beruht auf der ge- messenen TOF, dem Durchmesser D (2*rII)‚ der elektrischen Heiz- leistung (U*I) und der thermischen Leitfähigkeit l. Die thermische Leitfähigkeit l von Silicium beträgt im relevanten Temperaturbereich von 800 bis 1300°C etwa 18 bis 30 W/(m*K). Für l kann ein konstanter Wert von 22 W/(m*K) zugrunde gelegt werden. Bei U*I/AOF*l handelt es sich um den Temperaturgradient gradTOF an der Staboberfläche, wobei letztere über p*d*L bestimmt wird. Dieser Ansatz berücksichtigt, dass die gesamte
elektrische Leistung grundsätzlich als Wärmestrom über die Staboberfläche geleitet wird. Da der Siliciumstab in guter Näherung zylindrisch ist (dies kann in guter Näherung auch von der Brücke angenommen werden) und sich die elektrische Heiz- leistung über den Stabquerschnitt verteilt, nimmt der
Temperaturgradient in Richtung des Stabinneren ab. In der Stabmitte nimmt der Temperaturgradient den Wert Null an (die 1. Ableitung der Kurve bei rII entspricht der Geraden (Anstieg) gradTOF). Als TS wird nach diesem Modell die Temperatur
definiert, welche im Flächenschwerpunkt des Stabquerschnitts herrscht (TS bei rS). Der Flächenschwerpunkt ist derjenige Radius rS, bei dem die Fläche eines inneren Kreises gleich der eines äußeren Rings ist. Durch Multiplikation des Temperatur- gradienten gradTOF mit dem Anpassungsfaktor k ergibt sich k*gradTOF (gestrichelte Linie neben der Tangente gradTOF)
Zusammen mit dem Abstand zur Staboberfläche (rII-rS) und der Addition zu TOF kann die Bestimmung von TS erfolgen. Der Anpas- sungsfaktor k liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 0 und 1,2, besonders bevorzugt von 0,7 und 0,9. Ein typischer Wert für k ist z.B. 0,8. Zur Bestimmung der zweiten Morphologiekennzahl M2 werden vor- zugsweise mindestens zwei Thermographiebilder von demselben Siliciumstab, insbesondere an unterschiedlichen Positionen, erzeugt. Alternativ oder zusätzlich dazu können auch ein oder mehrere Thermographiebilder jeweils von unterschiedlichen Siliciumstäben erzeugt werden. Die Morphologiekennzahl M2 kann dann als Mittelwert aus den erhaltenen Einzelwerten gebildet werden. Die Erzeugung des Thermographiebildes erfolgt vorzugsweise mit einer Thermographiekamera (Strahlungspyrometer). Insbesondere können anhand eines Thermographiebildes sowohl TOF als auch M2 bestimmt werden. Auf getrennte Messvorrichtungen kann
verzichtet werden. Bzgl. der Aufnahme des Thermographiebildes kann entsprechend auf die obigen Ausführungen zu TOF verwiesen werden. Üblicherweise erfolgt die Erzeugung des Thermographie- bildes an einem Siliciumstab, der dem Sichtfenster am nächsten ist. Generell ist es nicht wesentlich, ob das Thermographie- bild z.B. auf Höhe der Stabmitte oder auf Höhe des oberen oder unteren Stabdrittels erfolgt. Meist wird das Thermographiebild von der Stabmitte erzeugt. Die Messfläche Amax, innerhalb welcher M2 bestimmt wird, weist vorzugsweise eine Größe von 10 bis 300 cm2, bevorzugt 30 bis 200 cm2, besonders bevorzugt 50 bis 150 cm2, auf. Amax kann ins- besondere einem Ausschnitt des erzeugten Thermographiebildes entsprechen. Amax kann aber auch dem gesamten Thermographiebild entsprechen. Die sich mit steigendem Durchmesser des Silicium- stabs veränderte Krümmung kann bei der Festlegung von Amax unberücksichtigt bleiben. Die Segmentierung der Messfläche Amax in einen ersten Oberflä- chenanteil At und in einen zweiten Oberflächenanteil Ap erfolgt vorzugsweise mit einem Rangordnungsfilter, insbesondere
Medianfilter. Beispielsweise kann es sich um einen 30*30 Pixel Medianfilter handeln (die Größe der Umgebung des betrachteten Pixels beträgt 30*30 Pixel). Auch andere Mittelwertfilter können angewendet werden. Durch die Division der beiden Bilder (Originalbild dividiert durch das geglättete Bild) erhält man die lokal bezogene
Abweichung zum Mittelwert. Anschließend erfolgt eine
Separierung nach kleiner 0, wobei die Flächenanteile des
Popcorns (Erhebungen) erhalten werden. Gegebenenfalls können mit Standard-Bildverarbeitungsalgorithmen (beispielsweise mit den Befehlen aus der Bibliothek der Fa. National Instruments: Dilate, Erode, Fill Holes, Separate Objects) kleinere
Strukturen gelöscht und „Löcher“ geschlossen werden. Bei den Löchern handelt es sich generell um Artefakte aus der Bild- verarbeitung. Mit der Maske werden dann Erhebungen (Popcorn) und Gräben (Täler) getrennt, indem das vom Messgerät
generierte Thermographiebild (Temperaturarray) gefiltert bzw. separiert wird. Aus den beiden durch Separierung entstandenen Thermographiebildern (Temperaturarrays) können dann jeweils durch Medianauswertung die Temperaturen Tt und Tp ermittelt werden. Der erste Oberflächenanteil At entspricht dabei der Fläche, die von Gräben (Tälern) eingenommen wird und eine Temperatur Tt aufweist. Der zweite Oberflächenanteil Ap entspricht der
Fläche, die von Erhebungen (Bergen) eingenommen wird und eine Temperatur Tp aufweist. Der Temperaturunterschied zwischen Gräben und Erhebungen auf der Siliciumoberfläche kann
typischerweise 30°C betragen. Generell könnte M2 auch anhand eines Schwarzweißbildes und einer softwaregestützten Auswertung der Grauwerte erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als eine weitere Regelgröße mit einer Messvor- richtung 2 die Trübung innerhalb des Reaktionsraums zur Erken- nung von Staubabscheidungen bestimmt werden. Durch die Messvorrichtung 2 wird eine Früherkennung von Staub- abscheidungen ermöglicht. Durch gezielte Gegenmaßnahmen kann eine Verunreinigung des Polysiliciums sowie die Bildung von Belägen an verfahrenstechnischer Ausrüstung (z.B.
Reaktorinnenwand, Filter, Wärmetauscher, Rohre) vermieden werden. Grundsätzlich können Gegenmaßnahmen manuell oder automatisiert erfolgen. Generell entstehen zu Beginn einer Staubabscheidung Partikel mit einer mittleren Größe von etwa 100 nm. Bei einer fort- geschrittenen Staubabscheidung können diese Partikel eine mittlere Größe von etwa 10 µm aufweisen. Üblicherweise liegt die Partikelgröße bei Staubabscheidungen in einem Bereich von 100 nm und 10 µm. Diese Partikel absorbieren und streuen elektromagnetische Strahlung, insbesondere im sichtbaren und infraroten Bereich. Dabei ist es unerheblich, ob die Quelle der elektromagnetischen Strahlung der Polysiliciumstab oder eine externe, also außerhalb des Reaktionsraums angeordnete Lichtquelle, ist. Die Erkennung der Trübung erfolgt
grundsätzlich aufgrund einer zunehmenden Anzahl an Partikeln in der Gasatmosphäre im Reaktionsraum und einer damit
einhergehenden Veränderung der durchtretenden elektromag- netischen Strahlung (z.B. Richtung, Streuung, Absorption, Intensität). Vorzugsweise umfasst die Messvorrichtung 2 einen Streustrah- lungsdetektor und/oder Extinktionsdetektor. Neben dem Streu- strahlungs- und/oder Extinktionsdetektor kann die Messvorrich- tung 2 zumindest eine externe Quelle elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Lichtquelle und/oder Laser, umfassen, die vorzugsweise außerhalb des Reaktors, beispielweise vor einem Sichtfenster, angeordnet ist. Unter „externer Quelle“ soll verstanden werden, dass nicht ausschließlich die vom erhitzten Polysiliciumstab emittierte elektromagnetische Strahlung detektiert wird. Der Streustrahlungs- und/oder Extinktionsdetektor detektiert also insbesondere die von der externen Quelle stammende und ggf. gestreute und abgeschwächte elektromagnetische Strahlung nach einer Messstrecke. Die Messstrecke entspricht dabei dem Abstand zwischen externer Quelle und Detektor. Die externe Quelle sendet vorzugsweise Strahlung mit Wellenlängen oder einer Wellenlänge aus, welche sich von den typischen Wellenlängen des Emissionsspektrums von Silicium unterscheiden. Somit ist eine Unterscheidbarkeit der Messstrahlung von der vom Polysiliciumstab ausgesandten
Strahlung gegeben. Die Detektoren sind vorzugsweise außerhalb des Reaktors, bei- spielweise vor einem Sichtfenster in der Reaktorwand, angeord- net. Der Extinktionsdetektor befindet sich grundsätzlich gegenüber der externen Quelle, so dass die Strahlung direkt auf den Detektor gerichtet ist. Der Streustrahlungsdetektor ist üblicherweise in einem Winkel zur ausgesendeten Strahlung angeordnet. Es können auch mehrere Streustrahlungsdetektoren in unterschiedlichen Winkeln zur Strahlung angeordnet sein. Die Messstrecke führt durch den Reaktionsraum und kann beispielsweise dem Innendurchmesser des Reaktionsraums entsprechen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Mess- vorrichtung 2 um eine Kombination aus Streustrahlungs- und Extinktionsdetektor. Eine typische Anordnung einer Mess- vorrichtung 2 mit Streustrahlungs- und Extinktionsdetektor ist in der Figur 2 dargestellt. Grundsätzlich kann zur Bestimmung der Trübung auf eine externe bzw. zusätzliche Quelle für elektromagnetische Strahlung ver- zichtet werden, da der Polysiliciumstab selbst eine Quelle elektromagnetischer Strahlung (Wellenlängenbereich von ca. 100 bis 2000 nm) ist. Diese Strahlung kann mit einem Detektor, der prinzipiell auch als Extinktions- oder Streustrahlungssensor geeignet ist, während der Abscheidung detektiert werden. Bei einer Staubabscheidung wird die vom Trägerkörper emittierte Strahlung sowohl durch Absorption als auch durch Streuung geschwächt. Anhand einer Schwächung der durch den Trägerkörper ausgesandten Strahlung kann so eine Staubabscheidung erkannt werden. Eine typische Anordnung einer Messvorrichtung 2 ohne externe Quelle für elektromagnetische Strahlung ist in der Figur 3 dargestellt. Die Messvorrichtung 2 kann eine optische Kamera umfassen.
Insbesondere kann es sich bei der Messvorrichtung 2 um eine optische Kamera handeln. Beispielsweise kann die optische Kamera ein Strahlungssensor-Array mit einem nachgeschalteten bildgebenden Verfahren umfassen. Die Trübung wird dabei als eine Änderung in der Qualität der mit der Kamera erzeugten Bilder bestimmt. Alternativ oder zusätzlich kann die Trübung auch als eine Änderung von Parametern zur Einstellung einer optimalen Bildqualität bestimmt werden. Bei der Kamera kann es sich beispielsweise um eine Schwarz-Weiß-Kamera oder
Farbkamera handeln. Vorzugsweise handelt es sich um eine Digitalkamera. Die Änderung in der Qualität der mit der Kamera erzeugten Bilder kann sich beispielsweise in einer Änderung von Bild- schärfe, Auflösung, Kontrast, Farbverteilung und/oder
Grauwerten wiederspiegeln. Zur Auswertung solcher Änderungen wird vorzugsweise eine Bildverarbeitungssoftware herangezogen. Bei einer Staubabscheidung ist üblicherweise zu beobachten, dass das Reaktorinnere trüber und dunkler wird (Vergrauung des Bildes). So werden beispielsweise die Rand- und Oberflächen- konturen von Siliciumstäben als Trägerkörper unscharf.
Derartige Veränderungen des Kamerabildes lassen sich z.B.
mittels einer Bild-Pixel-Software erkennen und bewerten. Grundsätzlich kann jedem Pixel beispielsweise in Abhängigkeit der Strahlungsintensität ein numerischer Wert zugeordnet werden. Vergleicht man die diese Werte mit vorangegangenen Werten oder mit einem Normal, lassen sich Rückschlüsse auf die Trübung ziehen. Liegt z.B. keine Trübung vor, ist der Werte- Gradient an der Kante eines Siliciumstabs steil. Bei Trübung flacht der Gradient ab und der gesamte Wertesprung ist in der Höhe reduziert. Generell reduzieren sich die Werte bei
Trübung, weil die Intensität der auf dem Sensor auftreffenden Strahlung infolge der Trübung nachlässt. Ferner kann aus zwei nacheinander aufgenommenen Bildern eine Grauwertdifferenz ermittelt werden. Übersteigt der ermittelte Wert einen bestimmten Schwellenwert, können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Bei den Parametern zur Einstellung einer optimalen Bild- qualität kann es sich z.B. um die Belichtungszeit, Blendenzahl und/der den ISO-Wert handeln. Beispielseise kann eine in der Kamera implementierte automatische Regelung derart eingestellt werden, dass möglichst optimale Bilder vom Reaktorinneren erzeugt werden. Entsprechend wird in Abhängigkeit der
einfallenden Strahlung die Belichtungszeit angepasst. Bei einsetzender Staubabscheidung und damit einhergehender Trübung wird generell eine höhere Belichtungszeit erforderlich.
Maßnahmen zum Gegensteuern können dann beim Überschreiten eines Schwellenwerts für die Belichtungszeit eingeleitet werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Messvor- richtung 2 einen Temperatursensor, wobei die Trübung vorzugs- weise als eine Änderung der Temperatur bestimmt wird.
Insbesondere handelt es sich bei der Messvorrichtung 2 um einen Temperatursensor. Vorzugsweise ist der Temperatursensor ausgewählt aus der
Gruppe mit Pyrometer (Strahlungsthermometer), Wärmebildkamera, Thermoelement und Kombinationen daraus. Da für gewöhnlich D und/oder TOF ohnehin mittels einer Schwarz- weiß-Kamera bzw. einer Wärmebildkamera bestimmt werden, sind Umbauten oder der Einbau neuer Messvorrichtungen zur Trübungs- erkennung grundsätzlich nicht erforderlich. Vorzugsweise werden daher D und die Trübung mit demselben Messgerät (Messgerät 1 und 2 identisch) bestimmt. Insbesondere werden D, TOF und die Trübung mit demselben Messgerät bestimmt. Grundsätzlich haben Pyrometer und Wärmebildkameras einen
Detektor, der die vom Polysiliciumstab und dessen Umgebung ausgesandte elektromagnetische Strahlung misst. Eine
auftretende Staubabscheidung und die damit einhergehende Trübung wirkt als Störgröße auf die Temperaturmessung. Die am Detektor ankommende Strahlung wird vermindert und folglich der erwartete Temperaturmesswert als zu gering verfälscht. Diese Verfälschung kann sich generell in vielen Größen eines geschlossenen Regelkreises als Folge reglungstechnischer mathematischer Zusammenhänge fortsetzen. Somit können auch diese Folgegrößen bzw. deren Abweichungen von einem Normalwert zur Erkennung einer Staubabscheidung herangezogen werden. Insbesondere kann es sich bei der Messvorrichtung 2 um eine Kombination aus einer optischen Kamera und einem Temperatur- sensor handeln. Beispielsweise kann es sich um eine Schwarz- weiß-Kamera zur Beobachtung des Reaktionsraumes und um ein Pyrometer oder eine Wärmebildkamera zur Bestimmung von TOF und ggf. D handeln. Als weitere Sensoren, die generell eine Trübung als Änderung von auf den Sensor auftreffender elektromagnetischer Strahlung detektieren können, sind zu nennen: Halbleitersensor, z.B. CCD (Charge-Coupled Device)-Sensor und CMOS-Sensor (aktiver
Pixelsensor), und Fotowiderstand (Light Dependent Resistor). Vorzugsweise wird die Trübung an wenigstens zwei verschiedenen Messpunkten bestimmt. Dies kann beispielsweise durch Messvor- richtungen an unterschiedlichen Positionen es Reaktors reali- siert werden. Generell ist eine Bestimmung der Trübung an ver- schiedenen Orten des Reaktionsraums nicht zwingend
erforderlich, da sich die Partikel bei einer Staubabscheidung grundsätzlich gleichmäßig im Reaktionsraum verteilen. Generell werden die Regelgrößen Mges (bzw. M1 und/oder M2), D und die Trübung kontinuierlich während der Abscheidung oder diskontinuierlich, vorzugsweise in gleichen Zeitintervallen, zu verschiedenen Zeitpunkten der Abscheidung bestimmt. Beim Überschreiten eines Schwellenwerts der Trübung kann die Abscheidung unterbrochen oder beendet werden. Eine Beendigung kann in Betracht kommen, wenn aufgrund einer besonders stark ausgeprägten Staubabscheidung ein hoher Verunreinigungsgrad zu erwarten ist, der auch durch unmittelbare Veränderung der Stellgrößen nicht zu beseitigen ist. Grundsätzlich wird die Abscheidung derart gesteuert, dass die Trübung im Wesentlichen konstant, insbesondere im Wesentlichen gleich Null ist oder zumindest einen Wert nahe Null annimmt. Unter „im Wesentlichen“ soll hier insbesondere verstanden werden, dass temporär geringe Abweichungen vom Sollwert auf- treten können. Gründe hierfür können z.B. sein: Regelgrößen- Schwankungen der dem Reaktor vor- und nachgelagerten ver- fahrenstechnischen Einheiten, Regelgrößenschwankungen des Reaktors selbst, Anstieg des Anteils an unerwünschten Silan- komponenten im Reaktionsgas. Generell ist es wünschenswert, dass gar keine Staubascheidung auftritt. Allerdings kann es von den Qualitätsanforderung an das abzuscheidende Poly- silicium abhängen, ob eine Staubabscheidung bis zu einem gewissen Grad toleriert werden kann, um die Betriebskosten zu senken. Die Steuerung der Abscheidung in Abhängigkeit der Regelgrößen Mges, D und ggf. Trübung erfolgt derart, dass die Regelgrößen über die Abscheidedauer einen vorgegebenen Wert annehmen oder beibehalten. In der Regel geschieht dies durch eine
kontinuierliche oder diskontinuierliche Rückkopplung am
Prozessleitstand, wobei eine Variation einer oder mehrerer der Stellgrößen erfolgt. Die Regelgröße D ist hier generell so zu verstehen, dass die Zunahme von D maximiert werden soll. Das bedeutet, dass ein möglichst hoher Prozessfortschritt pro Zeiteinheit erzielt werden soll. Liegt Mges über einem vorgegebenen Wert oder Wertebereich, kann z.B. einzeln oder in Kombination:
- die Vorgabe von TOF, I und der Heizleistung gesenkt werden. - die Vorgabe des Massenstroms des Volumenstroms s
Figure imgf000033_0009
Figure imgf000033_0002
Impulsstroms und der Gasgeschwindigkeit n erhöht werden,
Figure imgf000033_0001
wobei n auch durch eine Verkleinerung der Düsenquerschnitts- fläche Agas erreicht werden kann.
- die Vorgabe des Verhältnisses von Chlorsilan zu Wasserstoff erhöht werden. Liegt Mges unter dem vorgegebenen Wert oder Wertebereich, kann einzeln oder in Kombination:
- die Vorgabe von TOF, I und der Heizleistung erhöht werden. - die Vorgabe des Massenstroms des Volumenstroms ^ es
Figure imgf000033_0008
Figure imgf000033_0004
Impulsstroms und der Gasgeschwindigkeit n gesenkt werden,
Figure imgf000033_0003
wobei n auch durch eine Vergrößerung der Düsenquerschnitts- fläche Agas erreicht werden kann
- die Vorgabe des Verhältnisses von Chlorsilan zu Wasserstoff gesenkt werden. Liegt die Trübung über einem vorgegebenen Wert oder Wertebe- reich, kann z.B. einzeln oder in Kombination:
- die Vorgabe von TOF, I und der Heizleistung gesenkt werden. - die Vorgabe des Massenstroms es Volumenstroms ,
Figure imgf000033_0007
Figure imgf000033_0006
Impulsstroms und der Gasgeschwindigkeit n erhöht werden,
Figure imgf000033_0005
wobei n auch durch eine Verkleinerung der Düsenquerschnitts- fläche Agas erreicht werden kann.
- die Vorgabe des Verhältnisses von Chlorsilan zu Wasserstoff gesenkt werden. Liegt die Trübung unter dem vorgegebenen Wert oder
Wertebereich, kann einzeln oder in Kombination:
- die Vorgabe von TOF, I und der Heizleistung erhöht werden. - die Vorgabe des Massenstroms ^̇, des Volumenstroms ^̇, des Impulsstroms ^̇ und der Gasgeschwindigkeit n gesenkt werden, wobei n auch durch eine Vergrößerung der Düsenquerschnitts- fläche Agas erreicht werden kann
- die Vorgabe des Verhältnisses von Chlorsilan zu Wasserstoff erhöht werden. Eine Zunahme von D kann einzeln oder in Kombination erhöht werden durch:
- Erhöhung der Vorgabe von TOF, I und der Heizleistung.
- Erhöhung der Vorgabe des Massenstroms ^̇, des Volumenstroms ^̇, des Impulsstroms ^̇ und der Gasgeschwindigkeit n, wobei die Erhöhung von n auch durch eine Verkleinerung der
Düsenquerschnittsfläche Agas erreicht werden kann.
- Erhöhung der Vorgabe des Verhältnisses von Chlorsilan zu Wasserstoff. Durch die Steuerung der Abscheidung lässt sich Polysilicium verschiedenster Qualitäten herstellen. Beispielsweise lassen sich auch Siliciumstäbe herstellen, die konzentrische Bereiche unterschiedlicher Morphologie aufweisen. Mit besonderem
Vorteil kann der gesamte Abscheidungsprozess den jeweiligen Qualitätsvorgaben angepasst werden und so immer die wirt- schaftlichste Fahrweise des Reaktors gewählt werden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Gasphasenab- scheidungsreaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Messvorrichtung 1 zur Bestimmung des Durchmessers und der Morphologiekennzahl 2 während der Abscheidung und eine Messvorrichtung 2 zur Bestimmung der Trübung innerhalb des Reaktionsraums während der Abscheidung. Die Messvorrichtung 2 umfasst dabei einen Streustrahlungs- detektor und/oder Extinktionsdetektor mit zumindest einer externen Quelle für elektromagnetische Strahlung. Die
Wechselwirkung der durch die Quelle ausgesendeten Strahlung wird nach einer Messstrecke durch den Reaktionsraum mit Hilfe der Detektoren ermittelt. Bei der Messvorrichtung 1 handelt es sich vorzugsweise um eine Wärmebildkamera. Alternativ kann die Messvorrichtung 1 auch eine Schwarzweiß-Kamera und eine Wärmebildkamera umfassen. Hinsichtlich weiterer Ausführungsformen des Reaktors kann auf die vorherigen Ausführungen Bezug genommen werden. Fig. 1 zeigt ein Modell zur Bestimmung von TS.
Fig. 2 zeigt die Querschnittsfläche eines Polysiliciumstabs. Fig. 3 zeigt den Verlauf der Morphologiekennzahl M1 in Ab- hängigkeit des Stabdurchmesser D für zwei Typen von Polysilicium.
Fig. 4 zeigt die Segmentierung eines Thermographiebildes. Fig. 5 zeigt den Verlauf von M2 in Abhängigkeit des Durch- messers für zwei Typen von Polysilicium.
Fig. 6 zeigt den Querschnitt eines Siemens-Reaktors mit
einer Messvorrichtung zur Trübungserkennung.
Fig. 7 zeigt den Querschnitt eines Siemens-Reaktors mit
einer Messvorrichtung zur Trübungserkennung.
Fig. 8 zeigt den Verlauf von TOF bei einer Staubabscheidung. Fig. 9 zeigt den Verlauf von Chlorsilan/H2 bei einer
Trübung.
Fig. 10 zeigt den Verlauf von Mges in Abhängigkeit von TOF. Fig. 11 zeigt den Verlauf von Regel- und Stellgrößen während der Abscheidung. Bei spiele
Beispiel 1 : diskretisierte Bestimmung von Ml.
Es wird die Bestimmung von Ml für einen Abschnitt eines Poly- siliciumstabs des Typs C dargestellt, welcher in einem Zeitab- schnitt gewachsenen ist.
In der Fig. 2 entspricht der Bereich X einem Polysiliciumstab mit dem Durchmesser dI und der Temperatur TI zu einer Zeit to. der Bereich II entspricht einem in einem Zeitabschnitt
At = ti - to gewachsenen Stababschnitt mit einer Stärke du - di (Durchmesserzuwachs) und der Temperatur Tu. Die Bestimmung von Ml des Bereichs II erfolgt nach
mit
Figure imgf000036_0001
Figure imgf000036_0002
Tabelle 1: Werte Beispiel 1
Figure imgf000036_0003
Tabelle 2: Werte für p Beispiel 2: Abscheidung von Polysilicium Typ B und Typ C In der Fig. 3 ist der Verlauf von M für zwei verschiedene Ab- scheidungsprozesse, also 2 unterschiedliche Polysilicium- Qualitäten, gegen den Durchmesser D [mm] aufgetragen. Bei der gestrichelten Kurve handelt es sich um die Herstellung von Typ C. Bei der in Strichen und Punkten dargestellten Kurve handelt es sich um die Herstellung von Typ B. Typ B ist kompakter als Typ C. Typ B soll einen Wert für M1 von 1,2 bis 1,4, während Typ C einen Wert von 1,4 bis 1,7 aufweisen soll. Beide Prozesse wurden in demselben Siemens-Reaktor, jedoch mit unterschiedlichen Vorgaben für mindestens eine Stellgröße aus der Gruppe mit U, I, TOF, Reaktionsgaszusammensetzung und Volumenstrom ^̇durchgeführt. Die Bestimmung von M1 erfolgte kontinuierlich während der gesamten Abscheidedauer. D wurde an zwei Stäben mittels einer CCD-Kamera bestimmt. TOF wurde ebenfalls an zwei Stäben mit einem Pyrometer bestimmt. Beide Prozesse beginnen mit kompakt abgeschiedenem Poly- silicium mit Werten für M1 nahe bei 1. Anschließend steigt M1 für beide Prozesse an. Bei der Herstellung von Typ C wurde für M1 schon kurz nach dem Beginn der Abscheidung ein relativ steiler Verlauf gewählt. Das angestrebte Niveau von M1 bei 1,4 bis 1,7 sollte schon bei einem Stabdurchmesser von 50 mm erreicht werden. Anschließend wurde M1 auf einen Wert von ca. 1,45 bis 1,5 eingestellt. Für die Herstellung von Typ B wurde bis zu einem Durchmesser von etwa 100 mm ein flacherer Anstieg von M1 vorgegeben. Ab einem Durchmesser von ca. 140 mm wurde M1 wieder erniedrigt, um die äußeren ca. 40 mm kompakter abzuscheiden. Anhand des Beispiels wird deutlich, wie komfortabel anhand der Kennzahl M1 die Abscheidung zur Herstellung verschiedenster Arten von Polysilicium gesteuert werden kann. Beispiel 3: Segmentierung eines Thermographiebildes Fig. 4 zeigt ein Thermographiebild A. Es wurde von einem Sili- ciumstab in einem Siemens-Reaktor auf etwa halber Höhe zwischen Brücke und Elektrode durch ein Sichtfenster mit einer Infrarotkamera aufgenommen. Der Siliciumstab war in
unmittelbarer Nähe des Sichtfensters. Die Aufnahme erfolgte nach einer Abscheidedauer von ca. 90 h. Der Siemens-Reaktor war mit 24 Stabpaaren bestückt, wobei die Filamentstäbe eine Länge von 2,5 m hatten. Es wurde Polysilicium des Typs C abgeschieden. Entsprechend soll M2 einen Wert von 1 bis 3 aufweisen. Die Messfläche Amax entspricht dem Inneren der gestrichelten Linie. Die Bilder B und C zeigen das Ergebnis der Segmentierung. Die Segmentierung erfolgte mit der Software LabVIEW (Fa. National Instruments) unter Verwendung eines Medianfilters (30*30 Pixel) in den Oberflächenanteil Ap (Bild B, Erhebungen in Weiß innerhalb der gestrichelten Linie, Temperatur Tp = 1027°C) und den Oberflächenanteil At (Bild C, Gräben in Weiß innerhalb der gestrichelten Linie, Temperatur Tt = 1033°C, At = 20 cm2). Die Messfläche Amax betrug 57 cm2. Gemäß Formel (III) betrug M2 zu diesem Zeitpunkt der Abscheidung 2,1, was innerhalb des Soll- wertbereichs für Polysilicium Typ C liegt. Beispiel 4: Abscheidung von Polysilicium Typ C und Typ D Fig. 5 zeigt den Verlauf von M2 für zwei verschiedene Abschei- dungsprozesse (Silicium Typ C und Typ D) gegen den Stabdurch- messer D [mm]. Bei der oberen Kurve handelt es sich um die Herstellung von Typ D. Bei der unteren Kurve handelt es sich um die Herstellung von Typ C. Typ C ist kompakter als Typ D. Typ C soll einen Wert für M2 von 1 bis 3, Typ D einen Wert von 3 bis 5 aufweisen. Beide Prozesse wurden in demselben Siemens- Reaktor, jedoch mit unterschiedlichen Vorgaben für mindestens eine Stellgröße aus der Gruppe mit U, I, TOF,
Reaktionsgaszusammensetzung und Volumenstrom ^̇durchgeführt. M2 wurde kontinuierlich bestimmt. D wurde an zwei Stäben mit einer Digitalkamera bestimmt (vgl. WO 2019/110091 A1). Beide Prozesse beginnen mit kompakt abgeschiedenem Poly- silicium und Werten für M2 nahe bei 0, was insbesondere an den Filamentstäben aus sehr kompaktem Silicium liegt. Bei der Herstellung von Typ D wurde für M2 schon kurz nach Beginn der Abscheidung ein relativ steiler Verlauf gewählt. Das
angestrebte Niveau von M2 bei etwa 3,5 sollte schon bei einem Durchmesser von ca. 90 mm erreicht werden. Der steile Verlauf hin zu einem eher porösen Polysilicium wurde insbesondere durch eine Veränderung TOF, Gaszusammensetzung und/oder ^̇ erreicht. Anschließend wurde M2 auf einen Wert zwischen 3,5 und 3,9 (durchschnittlich ca. 3,7) eingeregelt. Auch für die Herstellung von Typ C sollte der Sollwert von etwa 1,5 bei ca. 90 mm erreicht werden. Die Regelung der beschriebenen Stellgrößen wurde entsprechend angepasst. Für die restliche Abscheidedauer wurde M2 konstant gehalten. Beispiel 5: Reaktor mit einer Messvorrichtung zur
Trübungserkennung Fig. 6 zeigt den Querschnitt eines Siemens-Reaktors 12 in dessen Reaktionsraum 13, der von einer Reaktorwand 14 begrenzt wird, Siliciumstäbe 16 angeordnet sind, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein Teil der Stäbe dargestellt ist. Zur Trübungsmessung ist der Reaktor 12 mit einer Mess- vorrichtung ausgestattet. Diese umfasst eine vor einem
Sichtfenster 21 (aus Borsilikat- oder Quarzglas) angeordnete separate Quelle für elektromagnetische Strahlung, hier eine Lichtquelle 10 (Laser mit 515 nm oder 488 nm). Ferner umfasst sie einen gegenüber der Lichtquelle 10 ebenfalls vor einem Sichtfenster 21 angeordneten Extinktionsdetektor 18. Ferner sind in verschiedenen Winkeln zur Strahlungsrichtung der Lichtquelle 10 jeweils vor einem Sichtfenster 21 Streulicht- detektoren 20, 22, 24 (CCD-Sensorarrays) positioniert. Die Detektoren 20, 22, 24 müssen sich nicht auf derselben Höhe wie die Quelle 10 befinden. Bei einer Staubabscheidung beginnen sich im Reaktionsraum 13 Partikel 17 zu bilden, die durch Absorption das von der
Quelle 10 ausgestrahlte Licht schwächen. Die Schwächung wird durch den Extinktionsdetektor 18 registriert. Andererseits kommt es zu einer zunehmenden Lichtstreuung an den
Partikeln 17, was von den Streulichtdetektoren 20, 22, 24 er- fasst wird. Die Messwerte werden von einem Prozessleitstand erfasst und ggf. zusätzlich mit Referenz- bzw. Normalwerten abgeglichen. Auf Basis dieser Messwerte können dann
Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Die Figur 7 zeigt einen Siemens-Reaktor 12 im Querschnitt, wobei bezüglich der wesentlichen Elemente auf die Figur 6 verwiesen werden kann. Aus Gründen der Übersicht ist nur ein Siliciumstab dargestellt. In dieser Ausführungsform sind zwei Detektoren 26a, 26b (z.B. Photodioden und/oder Photo- multiplier) jeweils vor einem Sichtfenster 21 in der Reaktor- wand 14 angeordnet. Die Pfeile deuten sowohl an den durch Staubabscheidung gebildeten Partikeln 17 gestreutes Licht als auch durch Absorption geschwächtes Licht an. Auf den Detektor 26a fällt hier nur durch Absorption geschwächtes Licht, während auf den Detektor 26b sowohl Streulicht als auch durch Absorption geschwächtes Licht trifft. Die Trübung wird also als eine Änderung der auf den Sensor auftreffenden Strahlung bestimmt. Beispiel 6: Trübungserkennung Fig. 8 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der gemessenen Trägerkörpertemperatur J
Figure imgf000041_0001
(entspricht TOF), deren erste Ableitung nach der Zeit t und der Belichtungszeit tB einer vor dem Sichtfenster eines Siemens-Reaktors angebrachten Schwarzweiß-Kamera. Der dargestellte Verlauf beginnt bei einer Abscheidedauer von 60 h. Die Bestimmung von JM, erfolgte an einem Polysiliciumstab (auf Höhe der Stabmitte zwischen Brücke und Elektrode) mit einem Pyrometer. Die Schwarzweiß-Kamera war mit einem CMOS-Sensor ausgestattet und war etwa auf Höhe der Stabmitte in den
Reaktionsraum gerichtet. Die Kamera erzeugte kontinuierlich ein Bild, das an eine Verarbeitungssoftware eines Prozess- leitstands übermittelt wird. Die Software führte eine
automatische Angleichung der Belichtungszeit tB bei Verdunklung oder Aufhellung durch. Nach einer Abscheidedauer von 60 h verlief JM
Figure imgf000041_0002
unächst konstant bei etwa 1040°C. Nach ca. 5 Minuten kam es zu einem (scheinba- ren) Abfall von J
Figure imgf000041_0003
um ca. 12°C, wobei sich JM
Figure imgf000041_0004
ach etwa 4 min auf den vorherigen Wert einstellte. Dass es sich bei dieser Unregelmäßigkeit um eine kurzzeitige Staubabscheidung
handelte, konnte durch den Anstieg (von 360 auf 450 µs) und Abfall von tB im selben Zeitfenster (Bereich innerhalb der gestrichelten Linie I) bestätigt werden. Der Verlauf von JM bei einer Staubabscheidung ist generell dadurch gekennzeichnet, dass sich der Messwert schneller ändert als dies durch die Wärmekapazität der Siliciumstäbe oder die Regelstrecke des Temperaturregelkreise überhaupt möglich wäre. Nach einer erneuten Phase der Konstanz (ca. 10 Minuten) kam es zu einem signifikanten Abfall von J
Figure imgf000042_0001
in Kombination mit einem steilen Anstieg von tB. Bei diesem abnormalen Kurvenverlauf handelte es sich um eine vollständige Staubabscheidung. Bei einer temporären Staubabscheidung kann sich der Prozess z.B. dadurch erholen, dass durch die Gasströmung mehr Partikel mit dem Abgas aus dem Rektor abgeführt werden als neue
gebildet werden. Wenn sich jedoch zu viele Staubpartikel im Reaktor bilden, können diese nicht mehr durch die Gasströmung aus dem Reaktor geführt werden. Bei weiterhin unveränderter Reaktionsgaszufuhr und unveränderter oder sogar zunehmender Wärmezufuhr werden mehr Staubpartikel abgeschieden als
ausgeblasen und es kommt zu einer anhaltenden Verdunklung der Reaktoratmosphäre. Das Beispiel zeigt, dass anhand der
Trübungserkennung unmittelbar Gegenmaßnahmen durch Variation der Stellgrößen getroffen werden können. Fig. 9 zeigt den Sollwertverlauf (durchgezogenen Linie) des Verhältnisses von Chlorsilan zu Wasserstoff aufgetragen gegen den Stabdurchmesser D bei der Herstellung von Polysilicium Typ C. Die mit den Ziffern 1 und 2 markierten Stellen sind die Reaktionen der Stellgröße (Chlorsilan/H2) auf mittels einer Schwarzweiß-Kamera detektierte Trübungen wie oben beschrieben. Nach Detektion der Trübung (Ziffer 1) wird gezielt das
Verhältnis von Chlorsilan zu Wasserstoff abgesenkt bis die Trübung vorübergeht (Anteil H2 wird erhöht, damit der Massen- strom gleichbleibt). Danach wird das Verhältnis von Chlorsilan zu Wasserstoff wieder entsprechend dem Sollwert erhöht. Setzt eine erneute Trübung ein (Ziffer 2), wird nach der Absenkung des Verhältnis Chlorsilan/H2 nur so weit erhöht, dass keine erneute Trübung eintritt. Das Verhältnis Chlorsilan/H2 bleibt unterhalb des Sollwerts. Ohne eine Trübungserkennung als Regelgröße hätte sich mit hoher Wahrscheinlichkeit schon die erste Trübung auf die
Qualität des Polysiliciums ausgewirkt bzw. zu einem
Prozessabbruch führen müssen. Beispiel 7: Mges als Regelgröße Fig. 10 zeigt einen Abscheideprozess, bei welchem die Gesamt- morphologiekennzahl Mges als Sollwert in Abhängigkeit des Stab- durchmessers D vorgegeben wird (durchgezogene Linie Diagramm A). Dieses Beispiel entspricht im Sollwertverlauf einer typischen Abscheidung von Typ C Silicium. Die gestrichelte Linie im Diagramm A zeigt den während der Abscheidung
tatsächlich bestimmten Istwert von Mges. Auf Basis einer solchen Prozessdarstellung lassen sich Sollwertabweichungen unmittelbar ausregeln. Aus dem Diagramm B wird ersichtlich, dass eine Sollwertabweichung von Mges zu einer Anpassung des Sollwertes für den Temperaturregler, also die
Oberflächentemperatur TOF als Stellgröße führt. Im Diagramm B entspricht die durchgezogene Linie dem Sollwert von TOF und die gestrichelte dem Istwert. Weicht nun der Istwert von TOF vom Sollwert ab, wird die Stromstärke I durch den Siliciumstab so verändert, dass der Sollwert von TOF wieder erreicht wird. Der Einfluss von Mges als Regelgröße wird durch die
Beschreibung der mit den Ziffern 1 bis 4 gekennzeichneten Kurvenabschnitte (Istwerte) deutlich. Die gestrichelten Linien und die Ziffern verdeutlichen die Arbeitsweise der Regelung, überzeichnen aber die zeitlichen Effekte. Auftretende Regelabweichungen bei Mges werden typischerweise innerhalb von Minuten bis wenigen Stunden ausgeregelt. Ziffer 1: Zu Beginn der Abscheidung entspricht Mges dem
Sollwert. Eine Anpassung von TOF ist nicht erforderlich.
Ziffer 2: Die kontinuierliche Bestimmung von Mges ergibt einen Wert, der über dem Sollwert liegt. Als Reaktion erfolgt eine Absenkung des Sollwerts für TOF.
Ziffer 3: Mges fällt unter den Sollwert und es erfolgt eine Erhöhung des Sollwerts für TOF.
Ziffer 4: Mges entspricht wieder dem Sollwert für diese Phase der Abscheidung und die Abscheidung endet mit einer
Morphologie entsprechend dem Sollwert. Silicium, das ohne die beschriebene Regelung abgeschieden wird, unterliegt erheblich größeren Schwankungen hinsichtlich der Morphologie. Die Regelung erlaubt die in Fig. 11D
beispielhaft dargestellten Schwankungen erheblich zu
reduzieren. Beispiel 8: Schwankungen im Prozessverlauf bei Vorgabe von
Stellgrößen über die Abscheidezeit anstelle des Stabdurchmessers D. Fig. 11 zeigt Schwankungen im Prozessverlauf bei der
Herstellung von Silicium vom Typ C, die auftreten, wenn die Stellgrößen Massenstrom des Reaktionsgas ^̇(Diagramm A), Verhältnis von Chlorsilan zu Wasserstoff (Diagramm B) und Oberflächentemperatur TOF (Diagramm C) in Abhängigkeit der Prozesszeit anstelle des tatsächlichen Prozessfortschritts in Form des Stabdurchmessers D vorgegeben werden. Der Vorteil der Vorgabe in Abhängigkeit des Stabdurchmessers D ist, dass Prozesse sich bei gleichem D gleich ähnlich verhalten, da dieses Verhalten primär von den Transport- vorgängen (Stoff und Wärme) beeinflusst ist, welche wiederum stark von den geometrischen Randbedingungen und damit von D abhängen. In den Diagrammen A, B und C sind der Massenstrom des
Reaktionsgas ^̇(A), das Verhältnis von Chlorsilan zu
Wasserstoff (B) und die Abscheidetemperatur (C) als Funktion über den Stabdurchmessers D aufgetragen. Die durchgezogenen Linien stellen den Verlauf bei Vorgabe über Stabdurchmessers D dar. Bei Vorgabe über die Abscheidezeit ergeben sich durch Schwankungen im Prozessverlauf Abweichungen zwischen
Abscheidezeit und dem Prozessfortschritt in Form von D
(aufgetragen auf der x-Achse). Die gestrichelten Linien in den Diagrammen zeigen diese Abweichungen bei Vorgabe über die Prozesszeit, wobei die obere gestrichelte Linie jeweils der oberen Schwankungsbreite und die untere gestrichelte Linie jeweils der unteren Schwankungsbreite entspricht. Die Abweichungen bedeuten, dass Prozesse schneller oder langsamer ihr Prozessende (einen vorgegebenen Durchmesser D bei der Markierung „stop“) erreichen. Diese Schwankungsbreite ist im Diagramm E dargestellt (hier ist die Abscheidezeit auf der y-Achse aufgetragen). Es ist zu erkennen, dass die
Schwankungen mit zunehmender Prozessfortzeit zunehmen. Dies ist insbesondere dem Umstand geschuldet, dass die Vorgabe der Prozessparameter sich nicht am tatsächlichen Prozess- fortschritt (also D) orientiert, sondern einer zeitlichen Vorgabe folgt, sodass sich einzelne Abweichungen während des Prozesses verstärken. Dies wird besonders im Diagramm C deutlich. Basierend auf dem Zusammenhang das die Abscheidung bei höherer Temperatur TOF typischerweise schneller erfolgt, zeigt sich hier an der oberen Schwankungsbreite, dass ein Prozess der initial etwas mehr Prozessfortschritt (also eine größeren D) im Temperatur- plateau erreicht (Punkt 1), bei der nachfolgenden Temperatur- anpassung (Punkt 2) wiederum mehr Prozessfortschritt erreicht hat, dafür aber keine zusätzlich Schwankung braucht sondern dies auch allein dadurch geschieht, dass dieser Prozess bezogen auf den Prozessfortschritt bei höherer Temperatur und damit schneller abgeschieden wird, gegenüber einen Prozess der diese initiale Schwankung nicht aufwies. Dies bedeutet dann auch, dass das Prozessende bei einer höheren Abscheide- temperatur TOF erreicht wird (Punkt 3). Entsprechendes gilt für Prozesse, die langsamer laufen und damit die untere
Schwankungsbreite bilden. Dieses Phänomen kann auch auf den Massenstrom ^̇(A) und das Verhältnis von Chlorsilan zu
Wasserstoff (B) übertragen werden. In Summe führen diese Abweichungen dann nicht nur zu
Abweichungen in der Prozesszeit welche zur Erzeugung eines bestimmten Durchmesser D (einer bestimmten Menge Silizium) benötigt wird (was sich auf die Herstellkosten auswirkt), sondern auch zu Abweichungen in der Morphologie Mges, also der Produktqualität. Mges ist im Diagramm D dargestellt. Auch hier zeigt sich, dass die Abweichung mit zunehmenden Prozessfortschritt stark zuneh- men, da auch Verstärkungseffekte auftreten. Am Beispiel von TOF heißt dies, dass eine höhere Temperatur nicht nur zu einer schnelleren Abscheidegeschwindigkeit führt, sondern auch zu einer stärkeren Zerklüftetheit, also einer höheren Mges Dies ist insbesondere dann kritisch, wenn die Qualität des
Produktes dadurch negativ beeinflusst wird. In der anderen Richtung (untere gestrichelte Linie in Diagramm D) wird die Morphologie dann kompakter, allerdings erhöhen sich auch die Herstellungskosten.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium, umfassend das Einleiten eines Reaktionsgases, das neben Wasserstoff Silan und/oder zumindest ein Halogensilan ent- hält, in einen Reaktionsraum eines Gasphasenabscheidungs- reaktors, wobei der Reaktionsraum mindestens einen durch Stromdurchgang erhitzten Filamentstab umfasst, auf welchem durch Abscheidung Silicium unter Bildung eines polykristal- linen Siliciumstabs abgeschieden wird, wobei während der Abscheidung als Regelgrößen zur Steuerung der Abscheidung der Durchmesser D von zumindest einem Siliciumstab mit einer Messvorrichtung 1 bestimmt wird und die Morphologie des Siliciumstabs als Gesamtmorphologiekennzahl Mges aus einer ersten Morphologiekennzahl M1 oder einer zweiten Morphologiekennzahl M2 oder aus einer Kombination von M1 und M2 bestimmt wird,
wobei M1 einen Wert von 0,8 bis 2,5 hat und sich aus dem Verhältnis R1/R2 eines ersten Widerstandswerts R1 und eines zweiten Widerstandswerts R2 des Siliciumstabs bei einer Stabtemperatur Ts ergibt, wobei
Figure imgf000047_0001
U = Spannung zwischen zwei Enden des Siliciumstabs,
I = Stromstärke
r = spezifischer Widerstand von Silicium,
L = Länge des Siliciumstabs,
A = Querschnittsfläche des Siliciumstabs,
und wobei M2 einen Wert von 0 bis 5 hat und sich aus einem erzeugten Thermographiebild des Siliciumstabs ergibt, wobei eine definierte Messfläche Amax, des Thermographiebildes mittels Bildbearbeitung in einen ersten und in einen zweiten Oberflächenanteil segmentiert wird, wobei der erste Oberflächenanteil At einer gegenüber lokalen Temperatur- mittelwerten höheren Temperatur Tt entspricht, und der zweite Oberflächenanteil Ap einer gegenüber lokalen Tempe- raturmittelwerten niedrigeren Temperatur Tp entspricht, und M2 bestimmt wird nach Formel III
Figure imgf000048_0001
wobei die Abscheidung durch zumindest eine der Stellgrößen Massenstrom des Reaktionsgas olumenstrom des Reak-
Figure imgf000048_0002
tionsgas Impulsstrom des Reaktionsgas Dichte des
Figure imgf000048_0004
Reaktionsgas d, Gasgeschwindigkeit des Reaktionsgas n und Düsenquerschnittsfläche Agas derart gesteuert wird, dass die Regelgrößen Mges und D jeweils einen vorgegebenen Wert annehmen oder beibehalten, wobei der Massenstrom ^ in
Figure imgf000048_0005
einem Bereich von 1800 bis 36000 kg/h liegt, der Volumen- strom ̇in einem Bereich von 1500 bis 9000 m3/h liegt, der Impulsstrom in einem Bereich von 5 bis 80 N liegt, die
Figure imgf000048_0003
Dichte d in einem Bereich von 2 bis 16 kg/m3, die Gas- geschwindigkeit n in einem Bereich von 5 bis 100 m/s liegt und die Düsenquerschnittsfläche Agas in einem Bereich von 80 bis 5000 mm2 liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung durch zumindest eine der Stellgrößen U, I, Reaktordruck p, Oberflächentemperatur TOF und Wasserstoff- anteil im Reaktionsgas gesteuert wird, wobei U in einem Bereich liegt von 50 bis 500 V, wobei I in einem Bereich liegt von 500 und 4500 A, wobei p in einem Bereich liegt von 200 bis 1000 kPa, wobei TOF in einem Bereich liegt von 950 bis 1200°C und wobei das Reaktionsgas vor Eintritt in den Reaktor einen Wasserstoffanteil von 50 bis 90%, bevor- zugt von 60 bis 80%, aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination von M1 und M2 mittels einer gewichte- ten Addition gemäß der Formel IV
Figure imgf000049_0001
erfolgt, wobei a ein Wichtungsfaktor mit einem Wert von 0 bis 1 ist und wobei
innerhalb des Bereichs von M1 der minimalen Ausprä-
Figure imgf000049_0006
gung von M1, der minimal zu erzielenden Ausprägung von M1 oder 0 entspricht;
innerhalb des Bereichs von M1 der maximalen Ausprä-
Figure imgf000049_0005
gung von M1, der maximal zu erzielenden Ausprägung von M1 oder 1 entspricht;
innerhalb des Bereichs von M2 der minimalen Ausprä-
Figure imgf000049_0003
gung von M2, der minimal zu erzielenden Ausprägung von M2 oder 0 entspricht;
innerhalb des Bereichs von M2 der maximalen Ausprä-
Figure imgf000049_0004
gung von M2, der maximal zu erzielenden Ausprägung von M2 oder 1 entspricht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei TS um eine Oberflächen- temperatur TOF des Siliciumstabs oder um einen Mittelwert aus zwei oder mehr Oberflächentemperaturen TOF desselben und/oder weiterer Siliciumstäbe handelt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass TS bestimmt wird nach
Figure imgf000049_0002
k = Anpassungsfaktor, mit k = 0 bis 1,2,
AOF = Staboberfläche,
l = thermische Wärmeleitfähigkeit von Silicium,
rII = Radius des Siliciumstabs, rS = Radius des Querschnittsflächenschwerpunkts des
Siliciumstabs.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als eine weitere Regelgröße mit einer Messvorrichtung 2 die Trübung innerhalb des Reaktionsraums zur Erkennung von Staubabscheidungen bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung 2 einen Streustrahlungsdetektor und/oder Extinktionsdetektor und gegebenenfalls eine externe Quelle für elektromagnetische Strahlung umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung 2 eine optische Kamera umfasst, wobei die Trübung als eine Änderung in der Qualität der mit der Kamera erzeugten Bilder bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Messvorrichtung 2 einen Temperatursensor umfasst, wobei die Trübung als eine Änderung der Temperatur bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Durchmesser D und die Trübung mit dem- selben Messgerät bestimmt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgrößen kontinuierlich während der Abscheidung oder diskontinuierlich zu verschiedenen Zeitpunkten der Abscheidung bestimmt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von D der Durchmesser von verschiedenen Stellen eines Siliciumstabs und/oder von verschiedenen Siliciumstäben bestimmt und D einem Mittel- wert entspricht.
13. Gasphasenabscheidungsreaktor zur Durchführung des Verfah- rens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Messvorrichtung 1 zur Bestimmung des Durch- messers und der Morphologiekennzahl 2 während der Abschei- dung und eine Messvorrichtung 2 zur Bestimmung der Trübung innerhalb des Reaktionsraums während der Abscheidung, wobei die Messvorrichtung 2 einen Streulichtdetektor und/oder Extinktionsdetektor mit einer externen Quelle für elektro- magnetische Strahlung umfasst.
14. Gasphasenabscheidungsreaktor nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, dass es sich bei der Messvorrichtung 1 um eine Wärmebildkamera handelt.
15. Gasphasenabscheidungsreaktor nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung 1 eine Schwarz- weiß-Kamera und eine Wärmebildkamera umfasst.
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