WO2012150153A1 - Process for preparing silicon - Google Patents

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WO2012150153A1 PCT/EP2012/057501 EP2012057501W WO2012150153A1 WO 2012150153 A1 WO2012150153 A1 WO 2012150153A1 EP 2012057501 W EP2012057501 W EP 2012057501W WO 2012150153 A1 WO2012150153 A1 WO 2012150153A1
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Paul Fuchs
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Abstract

The invention provides a process for preparing silicon, comprising deposition of silicon in a reactor on a multitude of packings (2) present within a tubular, heated carrier body (1) which heats the packings (2) to a temperature at which silicon is deposited on the packings (2) as a result of thermal decomposition of a silicon-containing gas; and subsequent heating of the tubular carrier body (1), such that the packings (2) are heated to a temperature which corresponds at least to the melting temperature of silicon, and silicon deposited thereby melts away from the packings (2) and flows away into a receiving apparatus (6) for liquid silicon. Apparatus for preparing silicon, comprising a tubular, heatable carrier body (1), the tube containing packings (2) comprising a material selected from the group consisting of graphite, SiC, Si3N and quartz, at least one feed line (7) for reaction gas and at least one offgas line, two electrical connecting elements (3) in order to accomplish heating of the carrier body (1), and an outlet line (5) suitable for conducting liquid silicon out of the apparatus into a receiving apparatus (6).

Description

Verfahren zur Herstellung von Silicium  Process for the production of silicon
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sili- cium. The invention relates to a process for the preparation of silicon.
Polykristallines Silicium (kurz: Polysilicium) dient als Ausgangsmaterial bei der Herstellung von einkristallinem Silicium mittels Tiegelziehen (Czochralski- oder CZ-Verfahren) - oder mittels Zonenschmelzen (Floatzone oder FZ-Verfahren) . Dieses einkristalline Silicium wird in Scheiben (Wafer) zertrennt und nach einer Vielzahl von mechanischen, chemischen und chemo- mechanischen Bearbeitungen in der Halbleiterindustrie zur Fertigung von elektronischen Bauelementen (Chips) verwendet. Polycrystalline silicon (polysilicon in short) serves as a starting material in the production of monocrystalline silicon by means of crucible pulling (Czochralski or CZ process) or by zone melting (floatzone or FZ process). This monocrystalline silicon is cut into slices (wafers) and used for a variety of mechanical, chemical and chemo-mechanical processes in the semiconductor industry for the manufacture of electronic components (chips).
Insbesondere wird aber polykristallines Silicium in verstärktem Maße zur Herstellung von ein- oder multikristallinem Silicium mittels Zieh- oder Gieß-Verfahren benötigt, wobei dieses ein- oder multikristalline Silicium zur Fertigung von Solarzellen für die Photovoltaik dient. In particular, however, polycrystalline silicon is increasingly required for the production of monocrystalline or multicrystalline silicon by means of drawing or casting processes, this monocrystalline or multicrystalline silicon being used to produce solar cells for photovoltaics.
Das polykristalline Silicium, oft auch kurz Polysilicium genannt, wird üblicherweise mittels des Siemens-Prozesses hergestellt. Dabei werden in einem glockenförmigen Reaktor („Sie- mens -Reaktor" ) dünne Filamentstäbe aus Silicium durch direkten Stromdurchgang erhitzt und ein Reaktionsgas enthaltend eine Silicium enthaltende Komponente und Wasserstoff wird eingeleitet. The polycrystalline silicon, often called polysilicon for short, is usually produced by means of the Siemens process. In this process, thin filament rods of silicon are heated in a bell-shaped reactor ("Siemens reactor") by direct current passage, and a reaction gas containing a silicon-containing component and hydrogen is introduced.
Daneben ist es auch bekannt, kleine Siliciumpartikel in einem Wirbelschichtreaktor direkt einem solchen Reaktionsgas auszusetzen. Das dabei erzeugte polykristalline Silicium liegt in Form von Granulat vor (Granulat-Poly) . In addition, it is also known to suspend small silicon particles in a fluidized bed reactor directly such a reaction gas. The polycrystalline silicon produced in this way is in the form of granules (granular poly).
Die Silicium enthaltende Komponente des Reaktionsgases ist in der Regel Monosilan oder ein Halogensilan der allgemeinen Zusammensetzung SiHnX_n (n=0, 1, 2, 3; X = Cl, Br, I). Bevorzugt handelt es sich um ein Chlorsilan, besonders bevorzugt um Trichlorsilan. Überwiegend wird SiH4 oder SiHCl3 (Trichlorsilan, TCS) im Gemisch mit Wasserstoff eingesetzt. The silicon-containing component of the reaction gas is usually monosilane or a halosilane of the general composition SiH n X_ n (n = 0, 1, 2, 3; X = Cl, Br, I). It is preferably a chlorosilane, more preferably um Trichlorosilane. Mostly SiH 4 or SiHCl 3 (trichlorosilane, TCS) is used in admixture with hydrogen.
Beim Siemens-Prozess stecken die Filamentstäbe üblicherweise senkrecht in am Reaktorboden befindlichen Elektroden, über die der Anschluss an die Stromversorgung erfolgt. Je zwei Filama- nentstäbe sind über eine waagrechte Brücke (ebenfalls aus Silicium) gekoppelt und bilden einen Trägerkörper für die Silicium- abscheidung. Durch die Brückenkopplung wird die typische U-Form der auch Dünnstäbe genannten Trägerkörper erzeugt. In the Siemens process, the filament rods are usually placed vertically in electrodes located at the bottom of the reactor, via which the connection to the power supply takes place. Two filament rods each are coupled via a horizontal bridge (also made of silicon) and form a carrier body for the silicon deposition. The bridging coupling produces the typical U-shape of the support bodies, which are also called thin rods.
An den erhitzten Stäben und der Brücke scheidet sich hochreines Polysilicium ab, wodurch der Stabdurchmesser mit der Zeit anwächst (CVD = Chemical Vapour Deposition / Gasphasenabschei- dung) . High-purity polysilicon deposits on the heated rods and the bridge, causing the rod diameter to increase over time (CVD = Chemical Vapor Deposition).
DE 25 33 455 AI beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Silicium durch thermische Zerlegung einer gasförmigen Silicium- quelle und Ablagerung des Siliciums auf geheizten Ablagerungs- Stäben. Im Gegensatz zum Siemens-Prozess werden die Ablagerungsstäbe (bevorzugt aus Graphit mit einer Quarzhülle) oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium gehalten und das Silicium in flüssiger Form gesammelt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass sich Stromzuführung, Kontaktierung und Stromregelung als außerordentlich schwierig gestalten und das Verfahren störungsanfällig ist. DE 25 33 455 A1 describes a method for the production of silicon by thermal decomposition of a gaseous silicon source and deposition of the silicon on heated deposition rods. In contrast to the Siemens process, the deposition rods (preferably made of graphite with a quartz sheath) are held above the melting point of silicon and the silicon is collected in liquid form. A disadvantage of this method is that make power supply, contacting and power control as extremely difficult and the process is prone to failure.
WO 84/00156 AI offenbart ein weiteres Verfahren zur Erzeugung von geschmolzenem Silicium durch thermische Reaktion einer gasförmigen Zusammensetzung in einer Reaktionskammer, wobei das Innere der Reaktorkammer bei einem gleichmäßigen Fluss der gasförmigen Zusammensetzung bei einem ersten Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium gehalten wird, wobei nichtreagiertes Gas und Abgas und geschmolzenes Silicium aus der Reaktorkammer abgeführt werden. Als Abscheidekörper ist in diesem Verfahren ein länglicher Hohlkörper, z.B. ein Hohlzylinder oder ein rohrförmiger Körper, vorgesehen. Das abscheidende Silicium fließt zum Reaktorboden hin ab und wird gesammelt. WO 84/00156 A1 discloses another method for producing molten silicon by thermally reacting a gaseous composition in a reaction chamber, wherein the interior of the reactor chamber is maintained at a first temperature range above the melting point of silicon with a uniform flow of the gaseous composition, wherein unreacted Gas and exhaust gas and molten silicon are discharged from the reactor chamber. As a separation body in this process, an elongated hollow body, such as a hollow cylinder or a tubular body is provided. The depositing silicon drains off to the reactor bottom and is collected.
Die Wärmezufuhr erfolgt indirekt über eine um den Außenumfang des Trägerkörpers führende Widerstandsheizung. The heat is supplied indirectly via a leading around the outer periphery of the support body resistance heater.
Der Trägerkörper besteht aus Graphit, welcher oberflächlich mit dem sich abscheidenden Silicium zu Siliciumcarbid reagiert. The carrier body consists of graphite, which reacts superficially with the depositing silicon to silicon carbide.
Besonders angesichts der hohen Prozesstemperaturen ist die Si- liciumschmelze allerdings durch Verunreinigungen mit Kohlenstoff oder durch andere vom Graphit stammende Fremdstoffe ge- fährdet. However, especially in view of the high process temperatures, the silicon melt is endangered by impurities with carbon or by other foreign substances originating from the graphite.
Gemäß US 4,265,859 A wird Silicium durch thermische Zersetzung einer siliciumhaltigen Verbindung an den Innenwänden eines rohrförmigen, mehrwandigen Reaktors in fester Form abgeschieden und nachfolgend durch eine Temperaturerhöhung an den Reaktorwänden abgeschmolzen. Das Abscheiden des Siliciums in fester Form erlaubt niedrigere Prozesstemperaturen und im Fall der Verwendung von beispielsweise Trichlorsilan niedrigere Wasserstoffpartialdrücke für die Reduktion, so dass auch Chlorsilane wirtschaftlich umgesetzt werden können. According to US 4,265,859 A silicon is deposited by thermal decomposition of a silicon-containing compound on the inner walls of a tubular, multi-walled reactor in solid form and subsequently melted by an increase in temperature at the reactor walls. The deposition of the silicon in solid form allows lower process temperatures and in the case of using, for example, trichlorosilane lower hydrogen partial pressures for the reduction, so that also chlorosilanes can be economically implemented.
Als Wandmaterialien kommen glasartiger Quarz, Siliciumcarbid oder Graphit zum Einsatz. Dadurch bleibt aber eine Kontamination des produzierten Siliciums durch von der Reaktorwand stam- mende Fremdstoffe ein Problem. Quarz ist als Wandmaterial besonders ungünstig, da er bei den Abscheidetemperaturen weich wird und seine Formbeständigkeit verliert. As wall materials glassy quartz, silicon carbide or graphite are used. As a result, however, contamination of the silicon produced by foreign substances from the reactor wall remains a problem. Quartz is particularly unfavorable as a wall material because it softens at the deposition temperatures and loses its dimensional stability.
Weiterhin können die außerhalb des Reaktors befindlichen, diesen ringförmig umgebenden Heizelemente keine über die gesamte Abscheidefläche einheitliche Temperatur gewährleisten, so dass die heißeren Wandbereiche nahe der Gaseinlassstelle wesentlich schneller mit Silicium belegt werden, als die kälteren, entfernter davon liegenden Abscheideflächen. DE 4127819 AI betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von polykristallinem Silicium auf einem rohrförmigen Trägerkörper durch thermische Zersetzung einer siliciumhaltigen, gasförmigen Verbindung und anschließendem Abschmelzen der aufgewachsenen Siliciumschicht, gekennzeichnet dadurch, dass der Trägerkörper durch direkten Stromdurchgang beheizt wird. Ebenso wird eine Vorrichtung zum Abscheiden von polykristallinem Silicium auf einem rohrförmigen Trägerkörper durch thermische Zersetzung ei- ner siliciumhaltigen, gasförmigen Verbindung und anschließendem Abschmelzen der aufgewachsenen Siliciumschicht, gekennzeichnet durch einen über direkten Stromdurchgang heizbaren Trägerkörper aus Silicium, offenbart. WO 2008/134568 A2 beschreibt die Verwendung von Abscheideplatten oder spiralförmigen Körpern zur Abscheidung von Silicium. Die Abscheidekörper werden durch Stromdurchgang erhitzt. Nach Abscheiden von Silicium wird die Temperatur der Abscheidekörper über den Schmelzpunkt von Silicium hinaus erhöht, um flüssiges Silicium zu erzeugen. Furthermore, located outside of the reactor, these annular surrounding heating elements can ensure no uniform over the entire separation surface temperature, so that the hotter wall areas near the gas inlet point are occupied much faster with silicon, as the colder, more distant therefrom Abscheideflächen. DE 4127819 AI relates to a method for depositing polycrystalline silicon on a tubular support body by thermal decomposition of a silicon-containing, gaseous compound and subsequent melting of the grown silicon layer, characterized in that the support body is heated by direct passage of current. Likewise disclosed is a device for depositing polycrystalline silicon on a tubular support body by thermal decomposition of a silicon-containing, gaseous compound and subsequent melting of the grown silicon layer, characterized by a support body of silicon which can be heated by direct current passage. WO 2008/134568 A2 describes the use of deposition plates or spiral bodies for the deposition of silicon. The separation bodies are heated by passage of current. After depositing silicon, the temperature of the precipitating bodies is raised above the melting point of silicon to produce liquid silicon.
Bei beiden zuletzt genannten Verfahren bzw. Vorrichtungen werden die Trägerkörper durch Stromdurchgang erhitzt und dienen jeweils zum Abscheiden von festem Silicium, das später durch weitere Erhöhung des Stromdurchgangs durch die Trägerkörper abgeschmolzen wird. In both of the last-mentioned methods and devices, the carrier bodies are heated by passage of current and serve in each case for depositing solid silicon, which is later melted off by further increase in the passage of current through the carrier bodies.
Dadurch dass die Trägerkörper elektrisch leitfähig sein müssen, kommen gewisse Materialien für die Trägerkörper nicht in Frage. Dies macht die Verfahren unflexibel. Because the carrier bodies have to be electrically conductive, certain materials are not suitable for the carrier bodies. This makes the procedures inflexible.
Außerdem ist die aktive Abscheidefläche (Innenfläche des rohrförmigen Trägerkörpers, Oberflächen von Platten oder Spiralen) nicht optimal gestaltet. Zudem ist die Herstellung von Träger- Spiralen aufwändig und deren Verwendung problematisch, da sich gezeigt hat, dass diese leicht brechen können. Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, die oben angesprochenen Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden. In addition, the active separation surface (inner surface of the tubular support body, surfaces of plates or spirals) is not optimally designed. In addition, the production of carrier spirals is complex and their use is problematic, since it has been shown that they can break easily. The object of the invention was to avoid the above-mentioned disadvantages of the prior art.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Silicium, umfassend ein Abscheiden von Silicium in einem Reaktor auf einer Vielzahl an Füllkörpern (2) , die sich im Inneren eines rohrförmigen, beheizten Trägerkörpers (1) befinden, der die Füllkörper (2) auf eine Temperatur aufheizt, bei der Silicium an den Füllkörpern (2) durch thermische Zer- setzung eines Silicium enthaltenden Gases abgeschieden wird; sowie ein anschließendes Aufheizen des rohrförmigen Trägerkörpers (1) , so dass die Füllkörper (2) auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die wenigstens der Schmelztemperatur von Silicium entspricht, wobei dadurch abgeschiedenes Silicium von den Füll- körpern (2) abschmilzt und in eine AufnähmeVorrichtung (6) für flüssiges Silicium abfließt. The object of the invention is achieved by a method for the production of silicon, comprising depositing silicon in a reactor on a multiplicity of random packings (2) which are located inside a tubular, heated carrier body (1) containing the fillers (2 ) is heated to a temperature at which silicon is deposited on the packing (2) by thermal decomposition of a silicon-containing gas; and then heating the tubular carrier body (1) such that the filling bodies (2) are heated to a temperature which corresponds at least to the melting temperature of silicon, thereby melting deposited silicon from the filling bodies (2) and into a receiving device ( 6) for liquid silicon.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Silicium, umfassend eine rohrförmigen, aufheizba- ren Trägerkörper (1) , wobei sich innerhalb des Rohres Füllkörper (2) , umfassend ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Sic, Si3N und Quarz, wenigstens eine Zuleitung (7) für Reaktionsgas sowie wenigstens eine Abgaslei- tung, zwei elektrische Anschlusselemente (3) , um ein Aufheizen des Trägerkörpers (1) zu bewerkstelligen, sowie eine Ableitung (5) , geeignet um flüssiges Silicium aus der Vorrichtung in eine Aufnahmevorrichtung (6) abzuführen. The object is also achieved by a device for producing silicon, comprising a tubular, aufheizba- ren carrier body (1), wherein within the tube packing (2), comprising a material selected from the group consisting of graphite, Sic, Si3N and Quartz, at least one supply line (7) for reaction gas and at least one exhaust pipe, two electrical connection elements (3) to heat the carrier body (1) to accomplish, and a derivative (5), suitable for liquid silicon from the device in to remove a receiving device (6).
Der rohrförmige Trägerkörper wird vorzugsweise durch direkten Stromdurchgang beheizt. Zu diesem Zweck ist eine Stromversorgung des Trägerkörpers vorgesehen. Der Trägerkörper muss in diesem Fall aus einem leitfähigen Material bestehen. The tubular carrier body is preferably heated by direct passage of current. For this purpose, a power supply of the carrier body is provided. The carrier body must in this case consist of a conductive material.
Vorzugsweise wird der Trägerkörper zur Abscheidung von Silicium auf den Füllkörpern auf eine Temperatur von 1300 bis 1450°C aufgeheizt. Dadurch wird im Inneren des Trägerkörpers, wo sich die Füllkörper befinden, eine Temperatur von etwa 1050 bis 1150°C erreicht, bei der sich Silicium auf den Füllkörpern abscheidet . Preferably, the carrier body for the deposition of silicon on the packing is heated to a temperature of 1300 to 1450 ° C. As a result, in the interior of the carrier body, where the fillers are located, a temperature of about 1050 to Reaches 1150 ° C, at which silicon is deposited on the packing.
Die Füllkörper selbst werden nicht durch Stromdurchgang aufge- heizt. Das Aufheizen der Füllkörper auf die benötigte Abscheidetemperatur erfolgt durch eine vom Trägerkörper ausgehende Wärmestrahlung und durch Konvektion. The fillers themselves are not heated by passage of current. The heating of the packing to the required deposition temperature is effected by a heat radiation emanating from the carrier body and by convection.
Die Füllkörper können sowohl aus leitendem als auch aus nicht- leitendem Material bestehen. The fillers may consist of both conductive and non-conductive material.
Durch thermische Zersetzung einer siliciumhaltigen, gasförmigen Verbindung wird Silicium auf den Füllkörpern abgeschieden. Durch anschließendes Abschmelzen der aufgewachsenen Silicium- schicht lässt sich flüssiges Silicium gewinnen und mittels einer Aufnahmevorrichtung zur weiteren Verarbeitung abführen. By thermal decomposition of a silicon-containing, gaseous compound, silicon is deposited on the packing. By subsequent melting of the grown silicon layer, liquid silicon can be obtained and removed by means of a receiving device for further processing.
Dabei ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, die das flüssige abgeschmolzene Silicium aus dem Reaktorinneren zur Aufnahmevorrichtung transportiert. Zu diesem Zweck ist die Anlage vorzugsweise leicht geneigt. In this case, a device is provided which transports the liquid molten silicon from the interior of the reactor to the receiving device. For this purpose, the system is preferably slightly inclined.
Bei dieser Vorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Quarzrinne handeln. This device may be, for example, a quartz trough.
Die Erfindung wird im Folgenden auch anhand Fig. 1 im Detail erläutert . Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung. The invention will be explained below with reference to FIG. 1 in detail. Fig. 1 shows the schematic structure of a device suitable for carrying out the method.
1 zeigt den rohrförmigen Trägerkörper. Trägerkörper 1 umfasst eine Ableitung 5 für Flüssigsilicium. 1 shows the tubular carrier body. Carrier body 1 comprises a derivative 5 for liquid silicon.
2 zeigt eine Vielzahl an Füllkörpern, die sich innerhalb des Trägerkörpers 1 befinden. 3 zeigt eine Stromversorgung, die den Trägerkörper 1 durch direkten Stromdurchgang aufheizt. 8 zeigt die Reaktorwand bzw. Reaktorhülle. FIG. 2 shows a multiplicity of random packings which are located inside the carrier body 1. 3 shows a power supply which heats the carrier body 1 by direct passage of current. 8 shows the reactor wall or reactor shell.
Zwischen Reaktorwand 8 und Trägerkörper 1 befindet sich eine Auskleidung mit Graphit (Isolierung) . 6 zeigt eine Vorrichtung zur Aufnahme des Flüssigsilicium, 7 eine Gaszuleitung. Between reactor wall 8 and support body 1 is a lining with graphite (insulation). FIG. 6 shows a device for receiving the liquid silicon, FIG. 7 shows a gas feed line.
Trägerkörper 1 ist im unteren Teil 9 mit Quarzglas ausgekleidet. Carrier body 1 is lined in the lower part 9 with quartz glass.
Das Kernstück der Anlage bildet gemäß Fig. 1 ein rohrförmiger Trägerkörper 1. The core of the system forms according to FIG. 1, a tubular carrier body. 1
Die Außenwände der Abscheideanlage (Reaktorwand 8) sind vor- zugsweise aus doppelwandigem Edelstahl ausgeführt und beispielsweise mit Wasser kühlbar. The outer walls of the separation plant (reactor wall 8) are preferably made of double-walled stainless steel and can be cooled, for example, with water.
Außerdem sind für die Stromzuführungen 3 ebenfalls Kühlvorrich¬ tungen vorgesehen. In addition, Kühlvorrich ¬ tions are also provided for the power supply lines 3.
Auch der Boden der Vorrichtung 6 zur Aufnahme des Flüssigsili- ciums wird mit Wasser gekühlt. The bottom of the device 6 for receiving the liquid silicon is also cooled with water.
Vorteilhafterweise ist der Trägerkörper 1 an seiner Innenfläche mit einem Belag aus Silber versehen, um Energieverluste infolge von Wärmeabstrahlung während des Betriebes der Anlage gering zu halte . Advantageously, the carrier body 1 is provided on its inner surface with a coating of silver in order to minimize energy losses due to heat radiation during operation of the system.
Der zugeführte elektrische Strom kann mit Hilfe eines Silber- ringes gleichmäßig an den Trägerkörper 1 herangeführt werden. The supplied electric current can be uniformly brought to the carrier body 1 by means of a silver ring.
Der Prozess beginnt mit dem Abscheiden von Silicium an den Füllkörpern 2 innerhalb des rohrförmigen Trägerkörpers 1. Dazu erhitzt der Trägerkörper 1 die Füllkörper 2 im Inneren auf Abscheidetemperatur. Das über Zuleitung 7 zugeführte siliciumhaltige Reaktionsgas streicht über die Füllkörper 2 und baut eine feste Silicium- schicht auf den Oberflächen der Füllkörper 2 innerhalb des rohrförmigen Trägerkörpers 1 auf . Durch Zuführen eines Spülgases kann verhindert werden, dass sich Silicium außerhalb des Abscheidebereiches abscheidet. The process begins with the deposition of silicon on the packing 2 within the tubular carrier body 1. For this purpose, the carrier body 1 heats the filling bodies 2 in the interior to the deposition temperature. The silicon-containing reaction gas supplied via supply line 7 passes over the filling bodies 2 and builds up a solid silicon layer on the surfaces of the filling bodies 2 within the tubular carrier body 1. By supplying a purge gas, it can be prevented that silicon is deposited outside the deposition region.
Trägerkörper 1 wird zur Abscheidung von Silicium auf den Füll- körpern 2 auf eine hohe Temperatur (ca. 1300- 1450°C) aufge- heizt. Support body 1 is heated to a high temperature (about 1300-1450 ° C) for deposition of silicon on the filling bodies 2.
Dabei wird sehr wenig Silicium am Trägerkörper 1 abgeschieden. In this case, very little silicon is deposited on the carrier body 1.
Der Trägerkörper 1 besteht vorzugsweise aus Grafit oder CFC (Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff) , einem Verbundwerkstoff bestehend aus einer C-Faser-Matrix, die mit Kohlenstoff aufgefüttert ist, dessen Oberfläche vorzugsweise mit SiC beschichtet ist. Der Trägerkörper 1 wird vorzugsweise von einer Gleichstromversorgung durch direkten Stromdurchgang auf ca. 1300-1450°C erwärmt, so dass die inneren Füllkörper 2 auf ca. 1050-1150°C durch Wärmestrahlung und Konvektion erwärmt werden. Bei zunehmender Abscheidung wird die Temperatur von Trägerkörper 1 abgesenkt, um optimale Abscheideraten auch an den äußeren Füllkörpern 2 zu erreichen. The carrier body 1 is preferably made of graphite or CFC (carbon fiber reinforced carbon), a composite consisting of a C-fiber matrix, which is fed with carbon whose surface is preferably coated with SiC. The carrier body 1 is preferably heated by a direct current supply to about 1300-1450 ° C from a DC power supply, so that the inner packing 2 are heated to about 1050-1150 ° C by heat radiation and convection. With increasing deposition, the temperature of support body 1 is lowered in order to achieve optimum deposition rates also on the outer packing 2.
Die Siliciumabscheidung kann so lange erfolgen, bis die Gas- durchStrömung zu gering und der Differenzdruck zwischen Eintritt und Austritt des Gases zu hoch wird. Wenn die aufwachsende Siliciumschicht die angestrebte Dicke erreicht hat, wird das Abscheiden durch ein Sperren der Zufuhr des Reaktionsgases beendet. Nach dem Abscheideprozess wird der Gaseintritt gestoppt und die Temperatur des Trägerkörpers derart erhöht, dass Silicium von den Füllkörpern abschmilzt und am Boden des Trägerkörpers 1 über Ableitung 5 in die vorgesehene Aufnahmevorrichtung 6 abfließt, ohne dabei zu stark durch das Heizrohr kontaminiert zu werden. The deposition of silicon can take place until the gas flow is too low and the differential pressure between inlet and outlet of the gas becomes too high. When the growing silicon layer has reached the desired thickness, the deposition is stopped by inhibiting the supply of the reaction gas. After the deposition process, the gas inlet is stopped and the temperature of the carrier body is increased such that silicon melts away from the packing and drains off at the bottom of the carrier body 1 via discharge 5 into the intended receiving device 6, without being too contaminated by the heating tube.
Dies erfolgt durch eine Erhöhung des Stromdurchganges durch Trägerkörper 1, so dass die Temperatur der Füllkörper 2 über den Schmelzpunkt des Siliciums hinaus gesteigert wird. This is done by increasing the current passage through carrier body 1, so that the temperature of the filling body 2 is increased beyond the melting point of the silicon addition.
Die rohrförmige Bauweise des Trägerkörpers 1 gewährleistet, dass sich eventuell vorhandene, lokale Temperaturunterschiede auf den Abscheideflächen der Füllkörper 2 infolge der radialen Wärmestrahlung rasch ausgleichen, so dass das Silicium mit gleichen Raten abschmilzt. The tubular design of the carrier body 1 ensures that any existing, local temperature differences on the separation surfaces of the packing 2 due to the radial heat radiation compensate rapidly, so that the silicon melts at the same rates.
Bei Ableitung 5 handelt es sich vorzugsweise um eine Quarzrinne, um Verunreinigungen des flüssigen Siliciums beim Abfließen zu vermeiden. Lead 5 is preferably a quartz channel to prevent contamination of the liquid silicon as it drains off.
Aufnahmevorrichtung 6 ist vorzugsweise eine Auffangwanne in der Form einer hochwandigen Schale . Receiving device 6 is preferably a collecting trough in the form of a high-walled shell.
Füllkörper 2 können Bruchstücke oder angefertigte Formteile aus Grafit, SiC, Si3N oder mit Quarz beschichtete Formteile der vorher genannten Materialien sein bzw. gänzlich aus Quarz bestehen. Fillers 2 may be fragments or custom molded parts made of graphite, SiC, Si 3 N or quartz-coated molded parts of the aforementioned materials or may consist entirely of quartz.
Das ausfließende Silicium wird z.B. in einem Quarzglassieb ab- getropft, in Kokillen gegossen oder in flüssiger Form abtransportiert. Besonders vorteilhaft ist es, das Silicium möglichst schmelzflüssig an den Zielort seiner Weiterverarbeitung abzutransportieren . Wenn soviel oder annähernd soviel Material abgeschmolzen worden ist, wie zuvor aufgewachsen war, wird die Abschmelzphase des Verfahrens beendet. Zu diesem Zweck wird der elektrische Strom- fluss der Stromversorgung 3 gedrosselt. Kurzzeitig nachtropfendes Silicium fällt in die Auffangwanne 6. The effluent silicon is, for example, dripped off in a quartz glass sieve, poured into molds or removed in liquid form. It is particularly advantageous to remove the silicon as molten as possible to the destination of its further processing. When so much or nearly as much material has been melted off as previously grown, the melting phase of the process is terminated. For this purpose, the electric current flow of the power supply 3 is throttled. Briefly dripping silicon falls into the drip pan. 6
Wenn die Füllkörper 2 die vorgesehene Abscheidetemperatur erreicht haben, beginnt mit dem Einspeisen von Reaktionsgas die nächste Abscheidephase. When the fillers 2 have reached the intended deposition temperature, the next deposition phase begins with the introduction of reaction gas.
Das Abscheiden und Aufschmelzen von Silicium werden auf diese Weise periodisch wiederholt. Besonders vorteilhaft ist der simultane Betrieb von mehreren solcher Abscheideanlagen. The deposition and melting of silicon are repeated periodically in this way. Particularly advantageous is the simultaneous operation of several such deposition systems.
Dazu ist es besonders vorteilhaft, die Anlagen in Serie zu schalten und eine gemeinsame Stromversorgung bereitzustellen. For this purpose, it is particularly advantageous to connect the systems in series and to provide a common power supply.
Damit lassen sich Schaltverluste der geregelten Stromversorgung wesentlich geringer halten, als bei Anlagen mit individueller Stromversorgung . Das Reaktionsgas gelangt über die Zuführungsleitung 7 gerichtet in den inneren Reaktorraum. This makes it possible to keep switching losses of the regulated power supply much lower than in systems with individual power supply. The reaction gas passes via the supply line 7 directed into the inner reactor space.
Die Reaktionsabgase und nicht reagiertes Reaktionsgas verlassen den Reaktorraum durch eine Abgasleitung 10. The reaction gases and unreacted reaction gas leave the reactor space through an exhaust pipe 10.
Der Wasserstoff wird vorzugsweise über eine separate Zuleitung in den Reaktorinnenraum eingebracht. The hydrogen is preferably introduced via a separate feed line into the reactor interior.
Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen auf. The invention has a number of advantages over the prior art.
Besonders vorteilhaft am erfindungsgemäßen Verfahren ist es, dass keine aufwändig herzustellenden Trägerspiralen notwendig sind. Außerdem können für die Füllkörper im Rahmen der Erfindung ganz unterschiedliche Materialien zum Einsatz kommen. Während im Stand der Technik die verwendeten Trägerkörper It is particularly advantageous in the method according to the invention that no carrier spirals, which are expensive to produce, are necessary are. In addition, very different materials can be used for the packing in the context of the invention. While in the prior art, the carrier body used
elektrisch leitfähig sein müssen, da sie selbst durch Strom- durchgang erhitzt werden und auf diesen Trägerkörpern Silicium abgeschieden wird, müssen in der vorliegenden Erfindung verwendeten Füllkörper nicht elektrisch leitfähig sein, da die Aufheizung der Füllkörper durch den rohrförmigen Trägerkörper erfolgt . must be electrically conductive, since they are themselves heated by current passage and deposited on these substrates silicon, need not be electrically conductive in the present invention used filler since the heating of the packing is carried out by the tubular support body.
Die Verwendung von Materialien wie reinem SiC oder Silicium- nitrid als Abscheideoberflächen ist in den Verfahren und den Vorrichtungen des Stands der Technik nicht möglich, da sie den elektrischen Strom nicht oder nur schwach leiten. The use of materials such as pure SiC or silicon nitride as deposition surfaces is not possible in the prior art methods and devices because they do not or only slightly conduct the electrical current.
Gerade diese beiden Materialien können jedoch in sehr hoherHowever, just these two materials can be in very high
Reinheit hergestellt werden, was sich positiv auf etwaige Kontaminationen des hergestellten Fiüssigsiliciums auswirkt. Purity, which has a positive effect on any contamination of the produced Fiüssigsiliciums.
Die Füllkörper, an denen sich Silicium abscheidet, können also sowohl aus leitfähigem als auch aus nicht leitfähigem Material bestehen . The fillers, on which silicon is deposited, can thus consist of both conductive and non-conductive material.
Besonders vorteilhaft ist, dass der Bruch einzelner Füllkörper die Funktionsfähigkeit des Reaktors nicht beeinträchtigen kann, da die Füllkörper nicht zur Stromleitung herangezogen werden. It is particularly advantageous that the breakage of individual fillers can not impair the operability of the reactor, since the fillers are not used for power conduction.
Es können beliebige Füllkörper (nach Zahl und geometrischer Form) ohne bauliche Veränderung des Reaktors eingesetzt werden. Der Einsatz von Füllkörpern ermöglicht eine wesentlich größere aktive Abscheidefläche. Dies führt zu einer erheblichen Steigerung des Wirkungsgrads . It can be used without structural alteration of the reactor any filler (by number and geometric shape). The use of packing allows a much larger active separation area. This leads to a considerable increase in the efficiency.
Die Füllkörper sind relativ einfach herzustellen. The fillers are relatively easy to manufacture.
Weiterhin kann auch kein unkontrolliertes Abbrechen des abgeschiedenen und in der Folge abgeschmolzenen Siliziums auftreten. Im Stand der Technik besteht die Gefahr, dass die Trägerplatten oder -Spiralen abrutschen und Kurzschlüsse verursachen. Die Füllung des Trägerkörpers in Form von Füllkörpern weist eine große Oberfläche auf. Daher ergibt sich eine vergleichsweise hohe Abscheiderate . Furthermore, no uncontrolled aborting of the deposited and subsequently melted silicon can occur. There is a risk in the prior art that the carrier plates or spirals slip off and cause short circuits. The filling of the carrier body in the form of packing has a large surface area. Therefore, a comparatively high deposition rate results.
Die Füllung kann gebrochenes Granulat oder separat angefertigte Füllkörper (z.B. Rohrstücke mit großer Oberfläche) aus Quarz, SiC oder Si3N umfassen. The filling may comprise broken granules or separately prepared fillers (e.g., high surface area tubing) of quartz, SiC or Si 3 N.
Die Füllung wird vorzugsweise in den rohrförmigen Trägerkörper aus Grafit oder CFC geschüttet. Die Montage des Trägerkörpers stellt keinen großen Aufwand dar. Die Einbauten des Reaktors wie der rohrförmige Trägerkörper sind sehr robust. The filling is preferably poured into the tubular carrier body made of graphite or CFC. The assembly of the support body is not a great deal of effort. The internals of the reactor as the tubular support body are very robust.
Die Füllung kann sehr oft wiederverwendet werden, weist also eine hohe Lebensdauer auf, da die Füllung praktisch nicht de- fekt werden kann. The filling can be reused very often, so it has a long service life, since the filling can practically not be de- fect.
Der Reaktor ist vorzugsweise waagrecht mit einem leichten Gefälle zum Ausfluss des Siliciums hin aufgestellt. Dadurch gibt es wenig Berührung zwischen dem flüssigen Silicium und den Füllkörpern beim Abtauen und Abfließen. Dies führt zu einer vergleichsweise geringen Kontamination des Siliciums. The reactor is preferably placed horizontally with a slight slope towards the outflow of silicon. As a result, there is little contact between the liquid silicon and the packing during defrosting and draining. This leads to a comparatively low contamination of the silicon.
Die Innenseite 9 wenigstens des unteren Teiles des rohrförmigen Trägerkörpers ist vorzugsweise mit einem Quarzglas ausgeklei- det. Dadurch lässt sich die Kontamination des Siliciums bei dessen Abfließen reduzieren. The inner side 9 of at least the lower part of the tubular carrier body is preferably lined with a quartz glass. This reduces the contamination of the silicon as it drains off.
Füllkörper liegen nur auf der Innenseite 9 aus Quarzglas auf . Oberhalb davon sind die Füllkörper zum Heizrohr auf Abstand der von 1 mm bis ca. 20 mm betragen kann Fillers are only on the inside 9 made of quartz glass. Above this, the filler to the heating tube at a distance of 1 mm can be up to about 20 mm

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Silicium, umfassend ein Abscheiden von Silicium in einem Reaktor auf einer Vielzahl an Füllkörpern (2), die sich im Inneren eines rohrförmigen, beheizten Trägerkörpers (1) befinden, der die Füllkörper (2) auf eine Temperatur aufheizt, bei der Silicium an den Füllkörpern (2) durch thermische Zersetzung eines Silicium enthaltenden Gases abgeschieden wird; sowie ein anschlie- ßendes Aufheizen des rohrförmigen Trägerkörpers (1) , so dass die Füllkörper (2) auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die wenigstens der Schmelztemperatur von Silicium entspricht, wobei dadurch abgeschiedenes Silicium von den Füllkörpern (2) abschmilzt und in eine Aufnahmevorrichtung (6) für flüssiges Silicium abfließt. A process for the production of silicon comprising depositing silicon in a reactor on a plurality of packing bodies (2) located inside a tubular, heated carrier body (1) which heats the packing bodies (2) to a temperature, wherein silicon is deposited on the packing (2) by thermal decomposition of a silicon-containing gas; and a subsequent heating of the tubular carrier body (1), so that the filling bodies (2) are heated to a temperature which corresponds at least to the melting temperature of silicon, thereby melting deposited silicon from the filling bodies (2) and into a receiving device ( 6) for liquid silicon.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der rohrförmige Trägerkörper während der Abscheidung auf eine Temperatur von 1300- 1450°C aufgeheizt wird. 2. The method of claim 1, wherein the tubular support body is heated during the deposition to a temperature of 1300-1450 ° C.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2 , wobei während der Erhitzens des rohrförmigen Trägerkörpers über die Schmelztemperatur von Silicium kein Silicium enthaltendes Gas in den Reaktor geführt wird. 3. The method of claim 1 or claim 2, wherein during the heating of the tubular support body above the melting temperature of silicon no silicon-containing gas is fed into the reactor.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der rohrförmige Trägerkörper aus einem oder mehreren der Materialien, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Sic, Si3N und Quarz, umfasst. 4. The method of claim 1, wherein the tubular support body comprises one or more of the materials selected from the group consisting of graphite, Sic, Si 3 N, and quartz.
5. Vorrichtung zur Herstellung von Silicium, umfassend eine rohrf rmigen, aufheizbaren Trägerkörper (1) , wobei sich innerhalb des Rohres Füllkörper (2) , umfassend ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Sic, Si3N und Quarz, wenigstens eine Zuleitung (7) für Reaktionsgas sowie wenigstens eine Abgasleitung (10) , zwei elektrische Anschlusselemente (3) , um ein Aufheizen des Trägerkörpers (1) zu bewerkstelligen, sowie eine Ableitung (5) , geeignet um flüssiges Silicium aus der Vorrichtung in eine Aufnahme Vorrichtung (6) abzuführen. 5. A device for producing silicon, comprising a tubular, heatable carrier body (1), wherein inside the tube filler (2) comprising a material selected from the group consisting of graphite, Sic, Si3N and quartz, at least one supply line ( 7) for the reaction gas and at least one exhaust pipe (10), two electrical connection elements (3) to accomplish a heating of the carrier body (1), and a derivative (5) suitable to remove liquid silicon from the device into a receiving device (6).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei an den elektrischen Anschlusselementen (3) eine regelbare Stromversorgung angeschlossen ist und der Trägerkörper (1) aus elektrisch leit fähigem Material besteht, so dass der Trägerkörper (1) durch direkten Stromdurchgang aufheizbar ist. 6. Apparatus according to claim 5, wherein a controllable power supply is connected to the electrical connection elements (3) and the carrier body (1) consists of electrically conductive material, so that the carrier body (1) can be heated by direct current passage.
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