DE4127819A1 - Discontinuous silicon@ prodn. by thermal decomposition - in which deposition occurs on inner wall of silicon@ tube and deposit is collected by periodically melting - Google Patents
Discontinuous silicon@ prodn. by thermal decomposition - in which deposition occurs on inner wall of silicon@ tube and deposit is collected by periodically meltingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum periodischen Ab scheiden von hochreinem Silicium auf einem rohrförmigen Trägerkörper infolge thermischer Zersetzung einer silicium haltigen Verbindung und das periodische Aufschmelzen der ab geschiedenen Siliciumschicht sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for periodic Ab cut from high purity silicon on a tubular Carrier body due to thermal decomposition of a silicon containing connection and the periodic melting of the deposited silicon layer and a device for Execution of the procedure.
Hochreines Silicium wird hauptsächlich in der Halbleiter industrie und in der Solarzellentechnologie benötigt. Nahezu alle heutigen Herstellungsverfahren gehen von Quarzsand als Siliciumquelle aus. Das daraus durch Reduktion erhältliche Rohsilicium ist jedoch noch zu stark verunreinigt und muß weiter konzentriert werden. Die meisten Verfahren benutzen als Reinigungsstrategie die Umwandlung des Siliciums in eine destillierbare Verbindung und nachfolgend die Spaltung der gereinigten Verbindung unter Rückgewinnung des Siliciums. Die thermische Zersetzung von Trichlorsilan unter Beteili gung von reduzierendem Wasserstoff mit nachfolgender Ab scheidung von hochreinem Silicium an dünnen Silicumstäben, den sogenannten Seelen, ist unter dem Namen "Siemens-Prozeß" bekannt geworden. Eine moderne Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist beispielsweise in der Patentschrift DE 28 54 707 C2 beschrieben. Die auf diese Weise erhältlichen polykristallinen Siliciumstäbe mit Durchmessern bis zu 200 mm sind wegen ihrer Geometrie zur Weiterverarbeitung zu Ein kristallen durch tiegelfreies Zonenziehen sehr gut geeignet. Doch nur etwa 10% der produzierten Stäbe gehen diesen, einen hohen Energieaufwand erfordernden und deshalb kostspieligen Weg. Die Mehrzahl der Stäbe wird mechanisch zerkleinert, aufgeschmolzen und entweder zu polykristallinem Solarzellen material gegossen oder im Tiegelziehverfahren nach Czochralski zu Einkristallen gezogen. Beim Zerkleinern wird das Halbleitermaterial oberflächlich durch die Brechwerk zeuge verunreinigt und muß daraufhin in Ätzbädern gereinigt werden. Dieser zusätzliche Arbeitsaufwand und der Energie aufwand für das neuerliche Aufschmelzen des Siliciums sind sehr nachteilig.High purity silicon is mainly used in semiconductors industry and in solar cell technology. Nearly all today's manufacturing processes are based on quartz sand Silicon source. What can be obtained from it by reduction Raw silicon is still too contaminated and must to be further concentrated. Use most procedures as a cleaning strategy the conversion of the silicon into a distillable compound and subsequently the cleavage of the cleaned compound with recovery of the silicon. The thermal decomposition of trichlorosilane with participation supply of reducing hydrogen with subsequent Ab separation of high-purity silicon on thin silicon rods, the so-called souls, is called "Siemens Process" known. A modern device for implementation this method is for example in the patent DE 28 54 707 C2. The available in this way polycrystalline silicon rods with diameters up to 200 mm are due to their geometry for further processing Crystals are very suitable due to crucible-free zone pulling. But only about 10% of the bars produced go to this one high energy consumption and therefore expensive Path. The majority of the bars are mechanically shredded, melted and either to polycrystalline solar cells material cast or in the crucible pulling process Czochralski pulled to single crystals. When crushing the semiconductor material superficially through the crusher witness contaminated and must then be cleaned in caustic baths will. This extra work and energy expenditure for the re-melting of the silicon very disadvantageous.
Es fehlt deshalb nicht an Versuchen, den beschriebenen, stapelweise ablaufenden Prozeß der Gewinnung hochreinen Siliciums durch die thermische Zersetzung einer gasförmigen, siliciumhaltigen Verbindung halbkontinuierlich oder kontinuierlich unter Vermeidung der genannten Nachteile zu gestalten.There is therefore no shortage of attempts to batch process of obtaining high purity Silicon by the thermal decomposition of a gaseous, silicon-containing compound semi-continuously or continuously avoiding the disadvantages mentioned shape.
In der Offenlegungsschrift DE 25 33 455 wird ein Abscheide verfahren unter Verwendung von siebenhundert, wenig über den Schmelzpunkt des Siliciums erhitzter Trägerstäbe beschrie ben. Das abgeschiedene Silicium bleibt flüssig, tropft von den Stäben und wird kontinuierlich abgeführt. Da Kontami nationen durch das Trägermaterial weitestgehend vermieden werden sollen, sind die Trägerstäbe in einer bevorzugten Ausführung selbst aus Silicium gefertigt. Jeder einzelne der großen Anzahl von Abscheidestäben muß durch direkten Strom durchgang und unter dem Einsatz von Kühlmittelkreisläufen auf einer Oberflächentemperatur knapp über dem Schmelzpunkt des Siliciums gehalten werden, so daß die Stäbe selbst nicht wegschmelzen und Silicium nicht auf den Stäben aufwächst. Die Stromzuführung, Kontaktierung und Stromregelung gestal ten sich bei diesem Verfahren außerordentlich schwierig und machen es besonders störungsanfällig.In the published patent application DE 25 33 455 a separator method using seven hundred, little over the Described melting point of the silicon of heated support rods ben. The deposited silicon remains liquid, drips off the rods and is continuously discharged. Because Kontami nations largely avoided by the carrier material should be, the support rods are in a preferred Execution itself made of silicon. Every single one of the large number of separator rods must be by direct electricity passage and using coolant circuits at a surface temperature just above the melting point of silicon are held so that the rods themselves are not melt away and silicon does not grow on the bars. The power supply, contacting and current control extremely difficult and make it particularly prone to failure.
Ein anderes Verfahren verwendet einen rohrförmigen Träger körper zum Abscheiden des Siliciums. Gemäß der Darstellung in der Patentanmeldung WO 84/00 156 werden die Innenwände des Trägerkörpers auf einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Siliciums gehalten, wobei das sich abscheidende Silicium der Schwerkraft folgend zum Reaktorboden hin abfließt und gesam melt wird. Die Wärmezufuhr erfolgt indirekt über eine um den Außenumfang des Trägerkörpers führende Widerstandsheizung. Der Trägerkörper besteht aus Graphit, welcher oberflächlich mit dem sich abscheidenden Silicium zu Siliciumcarbid re agiert. Besonders angesichts der hohen Prozeßtemperaturen ist die Siliciumschmelze durch Verunreinigungen mit Kohlen stoff oder anderen, vom Graphit stammenden Fremdstoffen ge fährdet.Another method uses a tubular support Silicon deposition body. As per the illustration in patent application WO 84/00 156 the inner walls of the Carrier body at a temperature above the melting point of the Silicon held, the deposited silicon the Gravity flows down to the reactor floor and overall will melt. The heat is supplied indirectly via a Resistance heater leading the outer circumference of the carrier body. The carrier body consists of graphite, which is superficial with the deposited silicon to silicon carbide right acts. Especially given the high process temperatures is the silicon melt due to contamination with coal material or other foreign substances originating from graphite endangers.
Ein entscheidender Nachteil aller, Silicium in flüssiger Form abscheidender Verfahren liegt darin, daß sie im wesent lichen auf die Verwendung von Silan als zersetzlicher, siliciumhaltiger Verbindung abzielen. Wird das Silicium je doch durch die reduktive Zersetzung von Chlorsilanen, ins besondere von Trichlorsilan, mit Wasserstoff als Reduktionsmittel durchgeführt, so sind bei den Temperaturen, bei denen das Silicium flüssig anfällt sehr hohe Partial drücke an Wasserstoff notwendig, um das Reaktionsgleich gewicht auf der Produktseite zu halten. Dies führt zu einer Unwirtschaftlichkeit des gesamten Verfahrens, weil die Bil dungsraten an flüssigem Silicium infolge der hohen Verdün nung der siliciumhaltigen Komponente mit Wasserstoff sehr gering sind.A key disadvantage of all, silicon in liquid Form of depositing processes is that they essentially on the use of silane as a target silicon-containing compound. Will the silicon ever but through the reductive decomposition of chlorosilanes, into special of trichlorosilane, with hydrogen as Reducing agents are carried out at temperatures, in which the silicon is obtained in liquid form very high partial press on hydrogen necessary to match the reaction to keep weight on the product page. This leads to a Inefficiency of the entire procedure because the Bil formation rates of liquid silicon due to the high dilution the silicon-containing component with hydrogen are low.
Demgegenüber freier in bezug auf die Wahl der zersetzlichen Siliciumverbindung sind halbkontinuierlich ablaufende Ab scheideverfahren, wie beispielsweise das in der Patent schrift US 42 65 859 beschriebene. Dort wird Silicium durch thermische Zersetzung einer siliciumhaltigen Verbindung an den Innenwänden eines rohrförmigen, mehrwandigen Reaktors in fester Form abgeschieden und nachfolgend durch eine Tempera turerhöhung an den Reaktorwänden abgeschmolzen. Das Abschei den des Siliciums in fester Form erlaubt niedrigere Prozeßtemperaturen und im Fall der Verwendung von beispiels weise Trichlorsilan niedrigere Wasserstoffpartialdrücke für die Reduktion, so daß auch Chlorsilane wirtschaftlich umge setzt werden können. Das in der genannten Patentschrift beschriebene Verfahren ist allerdings auf die Verwendung von glasartigem Quarz, Siliciumcarbid oder Graphit als Wandmate rial angewiesen, wodurch die potentielle Gefahr einer Konta mination des produzierten Siliciums durch von der Reaktor wand stammende Fremdstoffe bestehen bleibt. Quarz ist als Wandmaterial besonders ungünstig, da er bei den Abscheide temperaturen weich wird und seine Formbeständigkeit ver liert. Das Verfahren hat weitere schwerwiegende Nachteile, die sich aus den außerhalb des Reaktors befindlichen, diesen ringförmig umgebenden Heizelementen herleiten. Diese können keine über die gesamte Abscheidefläche einheitliche Tempera tur gewährleisten, so daß die heißeren Wandbereiche nahe der Gaseinlaßstelle wesentlich schneller mit Silicium belegt werden, als die kälteren, entfernter davon liegenden Ab scheideflächen. Hinsichtlich des Betreibens mehrerer derar tiger Abscheidereaktoren erweist sich die externe Heizung ebenfalls als nachteilig, weil jede Anlage eine eigene Stromversorgung benötigt.In contrast, more freely in terms of the choice of the decomposable Silicon compounds are semi-continuous processes separation processes, such as that in the patent described US 42 65 859. There is silicon through thermal decomposition of a silicon-containing compound the inner walls of a tubular, multi-walled reactor in solid form and subsequently by tempera Door increase melted on the reactor walls. The disgust that of solid silicon allows lower Process temperatures and in the case of the use of example as trichlorosilane lower hydrogen partial pressures for the reduction, so that chlorosilanes economically vice versa can be set. That in the mentioned patent However, the method described is based on the use of glassy quartz, silicon carbide or graphite as wall material rial, which increases the potential risk of contact mination of the silicon produced by the reactor foreign matter remains. Quartz is considered Wall material particularly unfavorable because it is in the separator temperature becomes soft and its dimensional stability ver liert. The process has other serious disadvantages, which are from the outside of the reactor, this derive ring-shaped surrounding heating elements. these can none uniform tempera over the entire separation area Ensure that the hotter wall areas near the Gas inlet point covered with silicon much faster than the colder, more distant Ab cutting surfaces. Regarding the operation of several derar The external heating proves to be more of a separation reactor also disadvantageous because each system has its own Power supply needed.
Die Aufgabe der nachfolgend beschriebenen Erfindung war es deshalb, ein Abscheideverfahren für hochreines Silicium an zugeben, welches die genannten Nachteile im Stand der Tech nik vermeidet. Ferner war es die Aufgabe der Erfindung eine Abscheidevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzuge ben.The object of the invention described below was therefore, a deposition process for high-purity silicon admit the disadvantages mentioned in the prior art nik avoids. Furthermore, it was the object of the invention Separating device for performing the method ben.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zum Ab scheiden von polykristallinem Silicium auf einem rohrför migen Trägerkörper durch thermische Zersetzung einer siliciumhaltigen, gasförmigen Verbindung und anschließendem Abschmelzen der aufgewachsenen Siliciumschicht, gekennzeich net dadurch, daß der Trägerkörper durch direkten Stromdurchgang beheizt wird.The problem is solved by a procedure for Ab cutting polycrystalline silicon on a tube carrier body by thermal decomposition of a silicon-containing, gaseous compound and subsequent Melting of the grown silicon layer, marked net in that the carrier body by direct Continuity is heated.
Der Wärmezuführung kommt bei dem erfindungsgemäßen Abschei deverfahren eine zentrale Bedeutung zu. Da der Trägerkörper durch direkten Stromdurchgang beheizt wird, hat jeder Flächenausschnitt der Abscheidefläche die gleiche Tempera tur, so daß das Silicium pro Flächeneinheit mit gleichen Ra ten abgeschieden und während der Abschmelzphase abgeschmolzen wird. Der Trägerkörper ist aus reinem Silicium gefertigt, wodurch Kontaminationen des abgeschiedenen Siliciums gänzlich vermieden werden. Ein weiteres, wichtiges Merkmal der Erfindung ist, daß sich das Silicium nur an der Innenfläche des Trägerkörpers niederschlägt. Dies wird durch eine ständige Spülung der Außenfläche des Trägerkörpers mit einem siliciumfreien Spülgas und die in den Bereich der In nenfläche des Trägerkörpers gerichtete Führung des Reak tionsgasstromes erreicht. Schließlich erlaubt das Verfahren eine elektrische Verknüpfung mehrerer Abscheideanlagen in einer Serienschaltung mit einer einzigen, zentralen Strom versorgung.The supply of heat comes in the Abschei invention process is of central importance. Because the carrier body everyone is heated by direct current passage Area cutout of the separation area the same tempera tur, so that the silicon per unit area with the same Ra deposited and during the melting phase is melted down. The carrier body is made of pure silicon manufactured, causing contamination of the deposited Silicon can be avoided entirely. Another important one A feature of the invention is that the silicon is only on the Precipitates inner surface of the support body. This is through a constant rinsing of the outer surface of the carrier body with a silicon-free purge gas and the in the range of In nenfläche of the support body directed guidance of the Reak tion gas flow reached. Finally, the procedure allows an electrical connection of several separation plants in a series connection with a single, central current care.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er läutert. Die Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abscheide anlage. Selbstverständlich ist die gezeigte Vorrichtung beispielhaft und schränkt den Erfindungsgedanken in keiner Weise ein. Die Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild eine bevorzugte, elektrische Zusammenschaltung mehrerer Abschei deanlagen.The invention is explained in more detail below with reference to the figures. Fig. 1 shows the cross section of a particularly preferred embodiment of the deposition system according to the invention. Of course, the device shown is exemplary and does not limit the inventive idea in any way. Fig. 2 shows a block diagram of a preferred electrical interconnection of several separators.
Das Kernstück der Anlage bildet gemäß Fig. 1 ein rohrförmi ger Trägerkörper 1 aus reinem Silicium mit einer Wandstärke von vorzugsweise 10 bis 30 mm, einer Höhe von 2 bis 4 m und einem Außendurchmesser von 400 bis 1000 mm. Der Trägerkörper ist zwischen der Grundplatte 2 des Reaktors und dem Reaktor deckel 3 elektrisch leitend eingespannt. In direktem Kontakt mit der oberen und unteren Rohrbegrenzung liegen zwei Graphitringe, wobei auf dem oberen Graphitring 4a ein Siliciumdeckel 5 mit zentralen Aussparungen für die Zu- und Ableitung vom Prozeßgas und auf dem unteren Graphitring 4b ein konusförmiger Trichter 6 aus Silicium mit zentraler, kreisförmiger Öffnung gelagert sind. Über einen hydraulisch verstellbaren Faltenbalgkontaktring 7 aus Silber, der zwischen dem Reaktordeckel 3 und dem oberen Graphitring 4a montiert ist, wird auf den Trägerkörper während des Betrie bes der Abscheideanlage ein konstanter Druck ausgeübt, so daß Brüche des Trägerkörpers infolge von Längen- und Durch messerschwankungen verhindert werden. Die seitliche Begren zung des Reaktors wird von einem Rohrstück 8 gebildet, das mit dem Reaktordeckel 3 und der Grundplatte 2 isoliert ver schraubt ist, so daß auch bei einem nicht vollständig auszu schließenden Bruch des Trägerkörpers ein elektrischer Kurzschluß über die Reaktoraußenwände unmöglich ist. Vor teilhafterweise ist das Rohrstück an seiner Innenfläche mit einem Belag aus Silber versehen, um Energieverluste infolge von Wärmeabstrahlung während des Betriebes der Anlage gering zu halten. Durch den Trägerkörper wird der Reaktor in einen äußeren 9 und einen inneren 10 Reaktorraum geteilt. Der zu geführte elektrische Strom wird mit Hilfe eines die Grund platte umgebenden Kupferringes 11 gleichmäßig an den Trägerkörper herangeführt und von einem entsprechenden Ring auf dem Reaktordeckel vom Trägerkörper wieder aufgenommen. Die Grundplatte des Reaktors besitzt eine zentrale Öffnung, die während des Abscheidens von Silicium von einer aus Silicium gefertigten Auffangwanne 12 gasdicht verschlossen ist, da der während dieser Prozeßphase herrschende Reaktor innendruck die Wanne gegen die mit beispielsweise Polytetra fluorethylen abgedichtete Auflagefläche preßt. Die Auffangwanne besitzt einen seitlich aus dem Reaktor führen den und dort auf einem Lager ruhenden, mit Silber beschich teten Arm 13, der zu Beginn der Abschmelzphase ein reibungsfreies Anheben und Zurückziehen der Wanne unter Freilegen der zentralen Öffnung in der Grundplatte erlaubt. Die Außenbegrenzung der Abscheideanlage bildenden Kon struktionsteile wie Grundplatte, Reaktordeckel und Rohrstück sind vorzugsweise aus doppelwandigem Edelstahl ausgeführt und beispielsweise mit Wasser kühlbar. Außerdem sind für die Stromzu- und abführungen sowie für den Boden der Auffang wanne ebenfalls Kühlvorrichtungen vorgesehen.The core of the system is shown in FIG. 1, a tubular body 1 made of pure silicon with a wall thickness of preferably 10 to 30 mm, a height of 2 to 4 m and an outer diameter of 400 to 1000 mm. The carrier body is clamped between the base plate 2 of the reactor and the reactor cover 3 in an electrically conductive manner. In direct contact with the upper and lower tube limitation are two graphite rings, wherein the upper graphite ring 4 a a silicon cap 5 with central openings for the supply and discharge of process gas and on the lower graphite ring 4 b a conical funnel 6 of silicon with a central, circular opening are stored. About a hydraulically adjustable bellows contact ring 7 made of silver, which is mounted between the reactor cover 3 and the upper graphite ring 4 a, a constant pressure is exerted on the support body during operation of the separating system, so that breaks in the support body due to length and diameter fluctuations be prevented. The lateral limitation of the reactor is formed by a pipe section 8 which is screwed to the reactor cover 3 and the base plate 2 in an insulated manner, so that an electrical short circuit via the outer walls of the reactor is impossible even if the support body is not completely closed. Before geous part of the tube is provided on its inner surface with a coating of silver to keep energy losses due to heat radiation during operation of the system to a minimum. The reactor is divided into an outer 9 and an inner 10 reactor space by the support body. The electrical current to be supplied is evenly brought up to the carrier body with the aid of a copper ring 11 surrounding the base plate and is taken up again by a corresponding ring on the reactor cover of the carrier body. The base plate of the reactor has a central opening which is sealed in a gas-tight manner during the deposition of silicon from a collecting trough 12 made of silicon, since the reactor pressure prevailing during this process phase presses the trough against the bearing surface sealed with, for example, polytetra fluorethylene. The drip pan has a laterally out of the reactor and there resting on a bearing, coated with silver arm 13 , which allows a smooth lifting and retraction of the pan at the beginning of the melting phase, exposing the central opening in the base plate. The outer boundary of the separator forming con construction parts such as base plate, reactor cover and pipe section are preferably made of double-walled stainless steel and can be cooled with water, for example. In addition, cooling devices are also provided for the power supply and discharge as well as for the bottom of the sump.
Weitere Einzelheiten der Abscheidevorrichtung werden im Ver lauf der folgenden Beschreibung des Verfahrensablaufes deut lich. Der Prozeß beginnt mit dem Abscheiden von Silicium an der Innenwand des rohrförmigen Trägerkörpers 1. Dieser wird zunächst, da er selbst aus Silicium besteht und bei Raum temperatur den elektrischen Strom kaum leitet, gezündet, das heißt, aufgeheizt bis sich sein elektrischer Widerstand so weit verringert hat, daß seine Temperatur durch direkten Stromdurchgang gehalten und erhöht werden kann. Zum Zünden wird durch die zentrale Öffnung der Grundplatte eine üb liche, in Fig. 1 nicht gezeigte Heizvorrichtung in vertika ler Richtung in den inneren Reaktorraum 10 gehoben. Ab einer Temperatur von ca. 400°C fließt beim Anlegen an eine Span nungsquelle genügend Strom durch den Trägerkörper, um die weitere Wärmezufuhr über den direkten Stromdurchgang zu re geln. Daraufhin wird die hilfsweise eingebrachte Heizquelle entfernt, die Auffangwanne 12 mit Hilfe des drehbar gelager ten Armes 13 über der Öffnung der Grundplatte des Reaktors positioniert und abgesenkt, so daß sie die Öffnung paßge recht verschließt. Die Stromstärke wird so geregelt, daß der Trägerkörper die Zersetzungstemperatur der Siliciumverbin dung erhält.Further details of the separation device become clear in the course of the following description of the procedure. The process begins with the deposition of silicon on the inner wall of the tubular carrier body 1 . This is first because it is made of silicon and at room temperature hardly conducts the electric current, ignited, that is, heated until its electrical resistance has decreased so much that its temperature can be maintained and increased by direct current passage. To ignite a usual union, not shown in Fig. 1 heater is lifted in the vertical direction in the inner reactor space 10 through the central opening of the base plate. From a temperature of approx. 400 ° C, sufficient current flows through the carrier body when it is connected to a voltage source to regulate the further heat supply via the direct current passage. Then the auxiliary heat source is removed, the sump 12 is positioned and lowered by means of the rotatably mounted arm 13 above the opening of the base plate of the reactor, so that it closes the opening properly. The current intensity is controlled so that the carrier body receives the decomposition temperature of the silicon compound.
Die Erfindung unterscheidet einen Reaktionsgasstrom, einen Spülgasstrom und einen Abgasstrom. Das Reaktionsgas gelangt über die Zuführungsleitung 14 gerichtet in den inneren Reak torraum 10 und verläßt diesen durch die Abgasleitung 15. Der Spülgasstrom aus Wasserstoff, Argon oder Helium gelangt über die Zuleitungen 16 in den äußeren Reaktorraum 9, erreicht über die Kanäle 17 und der Öffnung des Trichters 6 den inne ren Reaktorraum 10, und verläßt die Anlage ebenfalls über die Abgasleitung 15. Die wiederverwendbaren Komponenten aus dem Abgas werden vorteilhafterweise abgetrennt und erneut eingesetzt.The invention distinguishes a reaction gas stream, a purge gas stream and an exhaust gas stream. The reaction gas passes via the feed line 14 directed into the inner reactor space 10 and leaves it through the exhaust line 15th The purge gas stream of hydrogen, argon or helium reaches the outer reactor chamber 9 via the feed lines 16 , reaches the inner reactor chamber 10 via the channels 17 and the opening of the funnel 6 , and also leaves the system via the exhaust line 15 . The reusable components from the exhaust gas are advantageously separated and used again.
Das die siliciumhaltige Verbindung enthaltende Reaktionsgas besteht vorzugsweise aus Silan oder einem Chlorsilanderivat, wobei die thermische Zersetzung letzterer, wie schon er wähnt, üblicherweise die Gegenwart von Wasserstoff als Re duktionsmittel erfordern. Beispielhaft wird der weitere Verlauf der Abscheidephase mit Trichlorsilan als Silicium quelle beschrieben. Um möglichst hohe Abscheideraten zu er zielen, wird das Trichlorsilan zweckmäßigerweise in flüssigem Zustand zusammen mit einem Teil des zur Reduktion benötigten Wasserstoffs in den inneren Reaktorraum einge bracht, wo es aufgrund der herrschenden hohen Temperaturen augenblicklich verdampft. Der zur Reaktion noch fehlende Wasserstoff kommt über das Spülgas in den inneren Reaktions raum. The reaction gas containing the silicon-containing compound preferably consists of silane or a chlorosilane derivative, the thermal decomposition of the latter, like him thinks, usually the presence of hydrogen as Re require production agents. The next one is exemplary Course of the deposition phase with trichlorosilane as silicon source described. To achieve the highest possible separation rates aim, the trichlorosilane is conveniently in liquid state together with part of the for reduction required hydrogen into the inner reactor space brings where it is due to the prevailing high temperatures evaporated instantly. The one still missing for reaction Hydrogen comes into the inner reaction via the purge gas room.
Während des Eintragens des siliciumhaltigen Reaktionsgases scheidet sich auf der Innenfläche des rohrförmigen Träger körpers eine feste Siliciumschicht gleichmäßiger Dicke ab. Das Spülgas wird mit einem leicht über dem im Reaktorinnen raum vorherrschenden Druck von üblicherweise 0,05 bis 0,2 bar zugeführt und verhindert deshalb Siliciumabscheidungen außerhalb des Abscheidebereiches. Der durch den Trägerkörper fließende elektrische Strom wirkt vergleichmäßigend auf die Siliciumabscheidung. Bilden sich infolge lokaler Temperatur schwankungen Dickeunterschiede in der Siliciumschicht aus, bleibt die Temperatur an einer dickeren Stelle infolge eines reduzierten Widerstandes hinter der an einer dünneren Stelle zurück, mit dem Resultat, daß die Aufwachsrate an der dünne ren Stelle höher wird und die Dickeunterschiede sich wieder ausgleichen. Um diesen Effekt auszunutzen wird die Siliciumabscheidung in einem Temperaturbereich betrieben, in dem die Abscheiderate mit der Temperatur ansteigt. Bei der Verwendung von Trichlorsilan im Reaktionsgas wird der Trä gerkörper während der Abscheidephase des Verfahrens vorteil haft auf 1050 bis 1200°C erhitzt.During the introduction of the silicon-containing reaction gas separates on the inner surface of the tubular support body from a solid silicon layer of uniform thickness. The purge gas is slightly above that in the inside of the reactor prevailing pressure of usually 0.05 to 0.2 bar and therefore prevents silicon deposition outside the separation area. The through the carrier body flowing electrical current has a comparative effect on the Silicon deposition. Form due to local temperature fluctuations in thickness differences in the silicon layer, the temperature remains in a thicker place due to a reduced resistance behind that at a thinner point back, with the result that the growth rate on the thin position becomes higher and the differences in thickness change again compensate. To take advantage of this effect Silicon deposition operated in a temperature range, in the deposition rate increases with temperature. In the The use of trichlorosilane in the reaction gas becomes the Trä body advantageous during the deposition phase of the process heated to 1050 to 1200 ° C.
Wenn die aufwachsende Siliciumschicht die angestrebte Dicke erreicht hat, wird das Abscheiden durch ein Sperren der Zu fuhr des Reaktionsgases und Absenken des Reaktorinnendruckes beendet. Die Wahl dieses Zeitpunktes ist von vielen Einfluß größen abhängig und muß durch Versuche optimiert werden. Zu berücksichtigen sind insbesondere die mit der Abscheidezeit abnehmende, für die Abscheidung zur Verfügung stehende Ab scheidefläche, das Volumen an flüssigem Silicium, das nach dem Abschmelzen zur Weiterverarbeitung anfällt sowie die maximale Belastbarkeit der Stromversorgung. Beispielsweise ist es günstig gerade soviel Silicium abzuscheiden, wie für eine Kokillen- oder eine Tiegelfüllung benötigt wird, je nachdem ob das Material in Blöcke gegossen oder zu Ein kristallen gezogen werden soll. Beim Betrieb der erfindungs gemäßen Anlage erweist sich das Abscheiden einer 5 bis 10 mm dicken Siliciumschicht als besonders vorteilhaft.If the growing silicon layer the desired thickness the separation is achieved by blocking the Zu drove the reaction gas and lowering the reactor pressure completed. The choice of this time is of many influences sizes dependent and must be optimized by tests. To in particular, those with the deposition time must be taken into account decreasing Ab available for deposition cutting surface, the volume of liquid silicon that after the melting for further processing and the maximum power supply capacity. For example it is cheap to deposit just as much silicon as for a mold or a crucible filling is required, each after whether the material is poured into blocks or too crystals should be pulled. When operating the fiction According to the system, the deposition of a 5 to 10 mm turns out thick silicon layer as particularly advantageous.
Bevor der Stromfluß durch den Trägerkörper zum Abschmelzen des abgeschiedenen Siliciums erhöht wird, werden durch das Spülgas alle Reste vom Reaktionsgas aus dem Reaktor ausge tragen. Außerdem ist es von Vorteil, auch während des Ab schmelzens den Spülgasstrom aufrecht zu erhalten. Um das schmelzflüssige Silicium aus dem Reaktor auszuschleusen, wird zunächst die Auffangwanne 12 über den drehbar gelager ten Arm 13 reibungsfrei angehoben und seitlich versetzt, so daß die zentrale Öffnung in der Grundplatte des Reaktors freigelegt wird. Die Auffangwanne besitzt zweckmäßig die Form einer hochwandigen Schale, so daß damit während der Ab schmelzphase des vorherigen Prozeßzyklus gebildete Silicium zapfen kontaminationsfrei vom Rand des Trichters 6 gebrochen und aufgefangen werden können. Zur Entnahme der Zapfen aus der Auffangwanne wird diese regelmäßig seitlich aus dem Re aktor gefahren.Before the current flow through the carrier body for melting the deposited silicon is increased, all residues of the reaction gas are carried out of the reactor by the purge gas. It is also advantageous to maintain the purge gas flow even during the melting. In order to discharge the molten silicon from the reactor, the drip pan 12 is first raised smoothly over the rotatably mounted arm 13 and laterally offset, so that the central opening in the base plate of the reactor is exposed. The drip pan suitably has the shape of a high-walled shell, so that it can be tapped and collected without contamination from the edge of the funnel 6 during the melting phase from the previous process cycle silicon formed. To remove the peg from the drip pan, it is regularly moved laterally out of the reactor.
Durch eine Erhöhung des Stromdurchganges durch den mit der Siliciumschicht belegten Trägerkörper wird die Temperatur über den Schmelzpunkt des Siliciums hinaus gesteigert. Das Silicium beginnt daraufhin zu schmelzen, rinnt die Reaktor innenwand herab und tropft in die vorgesehene Aufnahmevor richtung. Ähnlich wie beim Auftauen von Eis wird das Silicium nur oberflächlich schmelzflüssig, während der innenliegende Teil des Trägerkörpers formstabil bleibt. Die rohrförmige Bauweise des Trägerkörpers gewährleistet, daß sich eventuell vorhandene, lokale Temperaturunterschiede auf der Abscheidefläche infolge der radialen Wärmestrahlung rasch ausgleichen, so daß das Silicium mit gleichen Raten abschmilzt. Die Innenflächentemperatur des Trägerkörpers be trägt während der Aufschmelzphase des Verfahrens vorzugs weise 1410 bis 1450°C. Der Wärmeverlust an der Außenfläche des Trägerkörpers ist gleichzeitig infolge der Wärmestrah lung durch die gekühlten Reaktorwände hinreichend groß, um die Außenwand vor einem oberflächlichen Aufschmelzen zu be wahren.By increasing the current passage through the Silicon layer covered carrier body is the temperature increased beyond the melting point of silicon. The Silicon then begins to melt, the reactor runs down the inner wall and drips into the intended receptacle direction. Similar to defrosting ice Silicon only superficially molten during the internal part of the support body remains dimensionally stable. The tubular construction of the carrier body ensures that there may be local temperature differences on the separation surface due to the radial heat radiation compensate quickly so that the silicon at equal rates melts off. The inner surface temperature of the carrier body be is preferred during the melting phase of the process wise 1410 to 1450 ° C. The heat loss on the outer surface of the support body is at the same time due to the heat beam through the cooled reactor walls sufficiently large to to be the outer wall before a superficial melting true.
Je nach Maßgabe der weiteren Verwendung des geschmolzenen Siliciums wird eine geeignete, in Fig. 1 nicht gezeigte Aufnahmevorrichtung unter der zentralen Öffnung in der Grundplatte des Reaktors positioniert. Dies kann beispiels weise eine Zuleitung zum Nachchargieren eines Schmelz tiegels, ein Schmelztiegel oder eine Kokille sein. Besonders vorteilhaft und im Sinne der Erfindung ist es, daß das Silicium möglichst schmelzflüssig oder zumindest mit einer Temperatur nahe am Schmelzpunkt den Zielort seiner Weiter verarbeitung erreicht. Wenn soviel oder annähernd soviel Ma terial abgeschmolzen worden ist, wie zuvor aufgewachsen war, wird die Abschmelzphase des Verfahrens beendet. Zu diesem Zweck wird der elektrische Stromfluß gedrosselt und die Reaktoröffnung in der Grundplatte mit der Auffangwanne ver schlossen. Kurzzeitig nachtropfendes Silicium fällt in die Auffangwanne oder bildet die erwähnten Zapfen aus. Wenn die Innenfläche des Trägerkörpers die vorgesehene Abscheide temperatur erreicht hat, beginnt mit dem Einspeisen von Reaktionsgas die nächste Abscheidephase. Das Abscheiden und Aufschmelzen von Silicium werden auf diese Weise periodisch wiederholt.Depending on the further use of the molten silicon, a suitable receiving device, not shown in FIG. 1, is positioned under the central opening in the base plate of the reactor. This can be, for example, a feed line for recharging a crucible, a crucible or a mold. It is particularly advantageous and in the sense of the invention that the silicon reaches the destination of its further processing as molten as possible or at least at a temperature close to the melting point. If as much or nearly as much material has been melted as had previously grown up, the melting phase of the process is ended. For this purpose, the electrical current flow is throttled and the reactor opening in the base plate with the drip pan closed ver. Briefly dripping silicon falls into the drip pan or forms the cones mentioned. When the inner surface of the carrier body has reached the intended separation temperature, the next separation phase begins with the feeding of reaction gas. The deposition and melting of silicon are repeated periodically in this way.
Besonders vorteilhaft ist der simultane Betrieb von mehre ren, vorzugsweise 2 bis 20 der erfindungsgemäßen Abscheide anlagen. Es hat sich als besonders günstig erwiesen, die Anlagen in Serie zu schalten und eine gemeinsame Stromver sorgung bereitzustellen. Damit lassen sich die beim Schalten der Thyristoren entstehenden Stellerverluste wesentlich ge ringer halten, als bei Anlagen mit individueller Stromver sorgung. In Fig. 2 ist die Schaltung in einem Blockschalt bild dargestellt. Vor der Inbetriebnahme sind der Schalter 18 mit der die erste Abscheideanlage 19 und die Schalter 18′ mit denen die weiteren Abscheideanlagen 19′ in den Strom kreis eingebunden werden können, geschlossen. Zur Inbetrieb nahme der ersten Abscheideanlage wird diese zunächst gezündet und daraufhin durch das Öffnen des Schalters 18 an die regelbare Stromversorgung 20 angeschlossen. Schließlich wird der Stromfluß den für die Siliciumabscheidung erforder lichen Verhältnissen angepaßt. Jede weitere Abscheideanlage wird in analoger Weise gezündet und in den Stromkreis einge gliedert. Durch das Schließen des zur jeweiligen Abscheide anlage gehörenden Schalters 18 oder 18′ kann eine ausge fallene Abscheideanlage ohne Einfluß auf das Gesamtsystem jederzeit elektrisch kurzgeschlossen werden.The simultaneous operation of several, preferably 2 to 20, of the separators according to the invention is particularly advantageous. It has proven particularly favorable to connect the systems in series and to provide a common power supply. This means that the actuator losses that occur when switching the thyristors can be kept considerably lower than in systems with individual power supply. In Fig. 2 the circuit is shown in a block diagram. Before commissioning, the switch 18 with which the first separating system 19 and the switch 18 'with which the further separating systems 19 ' can be integrated into the circuit are closed. To start up the first separation system, this is first ignited and then connected to the controllable power supply 20 by opening the switch 18 . Finally, the current flow is adapted to the conditions required for silicon deposition. Each additional separation system is ignited in an analogous manner and divided into the circuit. By closing the switch belonging to the respective separator system 18 or 18 ', a failed separator system can be electrically short-circuited at any time without influencing the overall system.
Zusammengefaßt liegen die besonderen Stärken des erfindungs gemäßen Verfahrens unter Verwendung der vorgestellten Ab scheideanlage in dem hohen Automatisierungspotential, in der Flexibilität bei der Auswahl der gasförmigen Siliciumquelle und dem sicheren Ausschluß einer Produktkontamination durch Anlagenteile. Der Wartungsaufwand zum Betrieb der Anlage ist besonders durch die die Lebensdauer erhöhende hydraulische Halterung des Trägerkörpers gering, wodurch sich die günsti ge Wirtschaftlichkeit des Verfahrens noch verbessert.In summary, the particular strengths of the invention are according to the procedure using the Ab cutting plant in the high automation potential in the Flexibility in choosing the gaseous silicon source and the safe exclusion of product contamination by Plant components. The maintenance effort for operating the system is especially due to the hydraulic, which increases the service life Support of the support body low, which is the favorable The economy of the process is still improved.
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