EP3649078A1 - Verfahren zur herstellung von polykristallinem silicium - Google Patents

Verfahren zur herstellung von polykristallinem silicium

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Publication number
EP3649078A1
EP3649078A1 EP16823183.5A EP16823183A EP3649078A1 EP 3649078 A1 EP3649078 A1 EP 3649078A1 EP 16823183 A EP16823183 A EP 16823183A EP 3649078 A1 EP3649078 A1 EP 3649078A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
fluidized bed
ppmv
hydrogen
polycrystalline silicon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16823183.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Hertlein
Dirk Weckesser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wacker Chemie AG
Original Assignee
Wacker Chemie AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wacker Chemie AG filed Critical Wacker Chemie AG
Publication of EP3649078A1 publication Critical patent/EP3649078A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C01B33/03—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of silicon halides or halosilanes or reduction thereof with hydrogen as the only reducing agent
    • 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

Definitions

  • the invention relates to polycrystalline silicon granules and to a process for the production thereof in a fluidized bed reactor.
  • Granules of polycrystalline silicon are an alternative to polysilicon, which is produced by the Siemens process. While the polysilicon in the Siemens process is obtained as a cylindrical silicon rod, which usually requires time-consuming and costly crushed before its further processing to so-called Chippoly and optionally purified, has polysilicon granular bulk properties and can directly as a raw material, for example, for single crystal production for
  • Polysilicon granules are usually produced in a fluidized bed reactor. This is done by fluidization of silicon particles by means of a gas flow in a fluidized bed, which is heated by a heater to high temperatures. The addition of a silicon-containing reaction gas causes a pyrolysis reaction on the hot surface of the silicon particles. Here, elemental silicon is deposited on the silicon particles and the individual particles grow continuously in diameter.
  • the process can be operated continuously by the regular withdrawal of silicon particles and the addition of smaller silicon particles as seeds (also referred to as "seed".)
  • the silicon-containing reaction gas can be silicon halogen compounds (eg chlorosilanes or bromosilanes), monosilane (SiH 4 ), or Mixtures of these gases with hydrogen can be used, Such deposition methods and corresponding devices for this purpose are known, for example, from US 2008/0299291 AI.
  • exhaust gas which consists of unreacted reaction gas and gas shaped by-products, in particular halosilanes, composed.
  • the treatment of this exhaust gas in particular the recovery of unused hydrogen, increased attention for cost reasons.
  • the treatment of the resulting in the silicon deposition exhaust gas is basically known, for example from EP 2 551 239 AI. Corresponding cycles can also be found in Figures 7 and 8 at page 58 in O'Mara, B. Herring, L. Hunt: Handbook of Semiconductor Silicon Technology; ISBN 0-8155-1237-6.
  • the exhaust gas is fed to a multiple condensation device, wherein the condensate via a
  • Distillation column is separated into low-boiling and high-boiling fractions.
  • the low-boiling components are returned to the separation.
  • the high-boiling components usually contain a large portion of silicon tetrachloride (STC), which can be converted in a conversion device (converter) to trichlorosilane (TCS).
  • STC silicon tetrachloride
  • TCS trichlorosilane
  • the remaining after the condensation gaseous portions of the exhaust gas are fed to an adsorption.
  • the hydrogen is separated from the other components of the gas stream and recycled as recycle gas to the deposition process.
  • fresh gas (externally generated or provided), for example produced by means of a steam reformer, can also be added to the recycle gas.
  • constituents of the reaction gas may be added.
  • Polysilicon serves as a starting material for the production of monocrystalline silicon by means of crucible pulling (Czochralski
  • Polysilicon is also required for the production of monocrystalline or multicrystalline silicon by means of drawing or casting, which is used to manufacture solar cells.
  • a significant problem in the production of single-crystal silicon are dislocation defects (one-dimensional, i.e., line-shaped perturbations) and stacking faults (two-dimensional, i.e., areal perturbations) in the crystal structure of the obtained silicon crystals. Both phenomena reduce the yield, since basically only silicon crystals are suitable for use in the photovoltaic and electronics industry, which do not exceed a certain number of crystal defects.
  • the number of stacking faults in silicon wafers should be less than 300 per square centimeter.
  • Nitrogen concentrations in the reaction gas was deposited, no increased inert incorporation of nitrogen can be detected.
  • the deposition temperature is usually not increased above a critical value of about 1080 ° C. Common are temperatures below 1000 ° C. For reasons of economy, however, it would be desirable to increase the deposition temperature, since this would be accompanied by a higher reaction rate and consequently an increased reactor output.
  • the object underlying the present invention was to provide a polysilicon granule which causes no or only a small number of dislocation and stacking defects in the secondary product in its further processing.
  • the polysilicon granules should also be produced by a particularly economical method.
  • Silicon granules having the features of claim 12.
  • Continuous (cycle) processes for the treatment of exhaust gases or the recovery of hydrogen in the production of polysilicon and the corresponding cycle gas systems are known in principle.
  • Si 3 N 4 crystallites in the interior and on the surface of the polysilicon granules do not melt due to their high melting point in subsequent processes such as drawing or casting processes and thus cause the dislocation and stacking faults in the secondary product.
  • the underlying mechanism has not yet been finally clarified.
  • the nitrogen content in the recycle gas is less than 500 ppmv (parts per million by volume), preferably less than 100 ppmv, more preferably less than 10 ppmv, especially less than
  • the lower nitrogen content in the recycle gas makes it possible with particular advantage, the fluidized bed reactor with higher deposition temperatures, in particular above 1100 ° C, to operate as is customary in known from the prior art reactors.
  • the increased deposition temperature leads to an increased reaction rate and thus to an increase in reactor output.
  • the cost-effectiveness of the process is thus improved without the product quality being impaired.
  • the deposition of the elemental silicon at a deposition temperature between 1000 and 1300 ° C / preferably between 1080 and 1250 ° C, more preferably between 1100 and 1200 ° C.
  • the nitrogen content of the cycle gas is preferably determined by means of a measuring device.
  • the measuring device is a gas chromatograph.
  • a sample can be taken from the reaction space and / or the cycle gas system and the
  • the measuring device can also be provided directly at the site of the sampling.
  • the sample is preferably taken at a point of the cycle gas system, at which the exhaust gas from the reactor
  • Possibilities are conceivable. By such a combination can be determined whether an unwanted nitrogen entry occurs more in the reaction space of the reactor or during the continuous process of the exhaust gas treatment. Alternatively or additionally, it may be provided to take one or more samples at different points of the cycle gas system, for example in front of or behind (upstream or downstream) of an adsorption device.
  • external hydrogen is meant in particular hydrogen, which is supplied from an external source becomes.
  • the external source may be, for example, a reservoir or a steam reforming device. It is preferably high-purity hydrogen, in particular hydrogen of quality 3.0 or higher, for example 5.0.
  • the circulating gas system is preferably completely decoupled from the reaction space of the reactor in the time until it falls below the limit value.
  • the cycle gas system is purged with external hydrogen until the nitrogen limit value is reached. If the circuit gas system is not assigned a measuring device, the purging duration can also be for a certain period of time, for example a
  • the temperature of the fluidized bed and / or a reactor wall is increased until the nitrogen limit value has fallen below again.
  • the limit value in the exhaust gas of the fluidized bed reactor is measured.
  • the temperature of the fluidized bed and / or the reactor wall can be increased by reducing the amount of reaction gas introduced into the reactor.
  • the reaction gas is usually colder than the fluidized bed temperature when entering the reactor. This means that the reaction gas has a certain cooling effect. A reduction of the amount of reaction gas can therefore lead to a reduction of this cooling effect.
  • the fluidized bed temperature increases.
  • a temperature increase can be achieved by lowering the fluidized bed (lowering the vortex Layer height) can be realized within the reactor.
  • the reaction space can basically be heated via the reactor wall.
  • the fluidized bed within the reaction space is usually colder than the reactor wall and can thus cool it.
  • Up to 90%, preferably up to 40%, particularly preferably up to 10%, of external hydrogen can be added to the cycle gas.
  • the halosilane component of the reaction gas is a chlorosilane, in particular trichlorosilane (TCS).
  • the specific mass flow of halosilane is preferably in a range between 1600 and 12,000 kg / h 2 .
  • the reaction gas is preferably blown into the fluidized bed via one or more nozzles, in particular arranged at the bottom of the reactor.
  • the fluidizing gas which is responsible for the fluidization of the silicon particles in the fluidized bed is preferably hydrogen. It is also conceivable to use an inert gas other than nitrogen, such as helium or argon or an Inertga hydrogen mixture.
  • a pressure build-up with hydrogen followed by a pressure reduction takes place before starting the process - before the reactor is started - within the reactor.
  • this pressure build-up and pressure reduction takes place several times in succession, in particular three times in succession.
  • the cycle gas system may be comprised of this pressure build-up and pressure reduction. Preferably, however, it is provided that the cycle gas system is decoupled from the reaction space before the pressure build-up and pressure reduction and optionally a separate one
  • Rinsing program in particular with hydrogen, passes through.
  • the pressure build-up preferably takes place with a hydrogen volume flow (standard cubic meter [m 3 ] per hour [h]) per
  • Reactor volume (V R [m 3 ]) between 10 and 7000 m 3 / hV R , preferably between 300 and 1500 m 3 / hV R , more preferably between 500 and 1000 m 3 / hV R , in particular from about 520 m 3 / hV R.
  • V R [m 3 ] Reactor volume between 10 and 7000 m 3 / hV R , preferably between 300 and 1500 m 3 / hV R , more preferably between 500 and 1000 m 3 / hV R , in particular from about 520 m 3 / hV R.
  • Another aspect of the invention relates to polycrystalline silicon granules having a nitrogen content of less than 2 ppba. It particularly preferably has a nitrogen content of less than 1 ppba, in particular less than 0.5 ppba.
  • Preferred measurement methods for determining the nitrogen content are SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry), FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) and / or analysis by means of an oxygen / nitrogen / hydrogen analyzer (e.g., ONH836 series from LECO).
  • no Si 3 N 4 could be detected by means of scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX).
  • SEM scanning electron microscopy
  • EDX energy-dispersive X-ray spectroscopy
  • Silicon granules in particular taking into account the detection limits of the abovementioned measuring methods, free of Si 3 N 4 .
  • the polycrystalline silicon of the present invention is considered to be free of Si 3 N 4 when no Si 3 N was detected in 200 SIMS analyzes.
  • the surface of the polycrystalline silicon granules preferably has a surface roughness of 20000 Ra 400 nm, preferably 10000> Ra ⁇ 700 nm.
  • the determination of the upper ⁇ surface roughness can be effected by means of optical profilometry.
  • the chlorine content of the polycrystalline silicon granules measured with the aid of a neutron activation analysis or X-ray fluorescence analysis is preferably between 0.01 and 30 ppma, more preferably between 0.1 and 20 ppma, in particular between 0.2 and 10 ppma.
  • Another aspect of the invention relates to the use of the polycrystalline silicon granules for the production of monocrystalline or multicrystalline silicon.
  • the monocrystalline silicon preferably has a number of stacking faults of less than 300, preferably less than 200, more preferably less than 100, in particular less than 10 per square centimeter.
  • the monocrystalline silicon preferably has a number of dislocation errors of less than 3, preferably less than 1, more preferably less than 0.3, in particular less than 0.1, per meter rod length.
  • the polysilicon granules according to the invention are preferably used for the production of single crystals by the Czochralski or Floatzone process.
  • Single-crystal silicon produced from polycrystalline silicon according to the invention by means of crucible pulling (Czochralski (CZ) method) preferably has an offset-free length of the single crystals of greater than 70%, preferably greater than 83%, particularly preferably greater than 87%, in particular greater than 90%.
  • polysilicon granules according to the invention for the production of multicrystalline silicon by means of block casting or continuous casting, multicrystalline block solidification in a Bridgman furnace (Bridgman-Stockbarger method), vertical gradient freeze (VGF) process, ribbon growth process Edge-defined film-fed growth (EFB) process and Direct Wafer TM process (1366technologies).
  • Bridgman furnace Bodgman-Stockbarger method
  • VVF vertical gradient freeze
  • EFB Edge-defined film-fed growth
  • Direct Wafer TM process 1366technologies
  • Multicrystalline silicon produced from the polycrystalline silicon according to the invention has an increased
  • Nitrogen in the silicon Si 3 N deposits are formed. These occur in the form of crystalline, needle-shaped and fibrous crystals. They can occur singly or in the form of clusters, often in conjunction with
  • Silicon carbide deposits are formed, for example, on crucible walls during the
  • Si 3 N 4 is not electrically conductive, but 4 crystallites show up along Si 3 N in multicrystalline
  • Fig. 1 shows the diagram of a plant for carrying out the method according to the invention.
  • the plant 20 according to FIG. 1 comprises three fluidized bed reactors 1, wherein the fluidized bed 2 is indicated in each case by dashed fields.
  • Each fluidized bed reactor 1 has at its reactor head 4 via an exhaust pipe 3, is discharged with the exhaust gas from the fluidized bed reactor 1.
  • a fluidizing gas in the present example, hydrogen
  • the hydrogen is external hydrogen withdrawn from a reservoir 15 and having a purity of 5.0.
  • reaction gases 1, in the present example TCS and hydrogen are fed to the reactors 1 via a gas line 17.
  • the reaction gases are each taken from a feed line 16 and can in principle be supplied to the reactor 1 together or separately from one another.
  • the exhaust gas discharged from the fluidized bed reactors 1 via the exhaust gas lines 3 is fed to a heat exchanger 11.
  • the heat exchanger 11 which usually comprises a plurality of condensation stages, separation into high-boiling constituents (for example hydrogen and impurities such as
  • Phosphines methane, nitrogen and arsenic compounds
  • low boiling components e.g., halosilanes
  • the still contaminated hydrogen in an adsorber 9, which has the task to remove the impurities such as phosphorus compounds (for example, phosphines), methane, hydrogen chloride and / or arsenic compounds.
  • the recovered hydrogen then passes through the gas lines 13 as recycle gas back into the reactors 1.
  • the cycle gas external hydrogen can be supplied from the reservoir 15.
  • heat exchanger 11, compressor 10, adsorber 9 and gas lines 13 is a circular gas system, in particular for the recovery of hydrogen.
  • the system 20 comprises a device 7 for silane / halosilane treatment.
  • This device 7 the low-boiling components of the exhaust gas are supplied.
  • the device 7 has the task of separating the recovered from the exhaust gas by means of condensation stages silane / halosilane mixtures.
  • the silane / halosilane mixture leaving the device 7 via a line 8 can either be returned as gas and / or liquid to the reactors 1 or used for other processes.
  • the gas chromatograph 12 serves to determine the nitrogen content at various points of the cycle gas system.
  • polysilicon granules were prepared by the process according to the invention with a nitrogen content in the recycle gas of less than 1000 ppmv (Examples 1, 4-6, 8, 10, 11).
  • polysilicon granules were further prepared in a reactor of identical construction, wherein the nitrogen content in the recycle gas was at or above 1000 ppmv (Examples 2, 3, 7, 9).
  • the deposition temperature was below the critical for the formation of Si 3 N temperature (T k ) of 1080 ° C. In the case of Examples 3 to 6, 8, 10 and 11, the deposition temperature was above T k (column 2, Table 1).
  • the nitrogen content in the recycle gas (column 3, table 1) was determined in each case with a gas chromatograph (GC) (process GC: Siemens Maxum edition II, separation column: RTX-1 fused-silica capillary, Fa. Restek, column length: 60 m) , The sample was taken via a sampling line at the exhaust pipe at the reactor head.
  • GC gas chromatograph
  • the content of silicon nitride (Si 3 N 4 ) in the polysilicon granules was determined by means of a scanning electron microscope (SEM) with EDX analysis unit. For this purpose, in each case several samples of the silicon granules obtained were analyzed at 200 sites and the maximum values were determined (column 4, Table 1).
  • An Si 3 N 4 content of 0% means that all 200 measurements were below the detection limit of 1 ppba.
  • a content of 1% means that 2 out of 200 measurements were above this detection limit.
  • offset-free rod length column 7, Table 1
  • the determination of the offset was observed optically when pulled to single crystal by a change in the pull edge.
  • the offset-free rod length (Ziehausbeute) is the percentage of the total rod length, which is free from dislocation errors. When measuring the entire rod length, the initial and final cone created during the drawing process are ignored. Relevant is therefore only the cylindrical rod length.
  • the number of stacking faults (Column 5, Table 1) in the obtained single crystals was determined by counting under the light microscope (Test Method ASTM F416). For the stacking error counts, test disks of the silicon rods were oxidized. Subsequently, the oxide layer was etched off and the defects were visualized with a structure etching. The counting of the defects was carried out under a light microscope with the aid of an image recognition software.
  • Examples 3,4, 8 and 10 show how the proportion of nitrogen in the recycle gas affects the Si 3 N 4 content in the polysilicon granules.
  • the granules from the above examples were all prepared at a 'deposition temperature of 1 ° C above T k, ie at 1081 ° C.
  • a nitrogen content of 1000 ppmv leads to a Si 3 N 4 content of 1.5%.
  • this Si 3 N 4 -containing granules for the production of silicon single crystals only 66% of the total rod length are offset-free.
  • Example 10 Reducing the nitrogen content in the recycle gas by more than half to 450 ppmv as in Example 10 lowers the Si 3 N 4 content of the granules to 0.5% and leads to single-crystalline silicon as a secondary product with 82% offset-free length.
  • the granules of Example 8 which was prepared at a nitrogen content of only 94 ppmv, no Si 3 N 4 was detectable. It was possible to obtain monocrystalline silicon with 90% offset-free rod length.
  • the deposition rate increases exponentially by three times and thus significantly increases the economic ⁇ friendliness of the process.
  • the granules of Examples 5, 6 and 11 were prepared at a deposition temperature well above T k .
  • the granules from Example 5 (T k + 23 ° C) was at a nitrogen content of only 0.4 ppmv produced. Si 3 N 4 was undetectable. In the secondary product, an offset-free length of 89% could be achieved.
  • the granules from example 6 were produced at a deposition temperature of 1202 ° C. and a nitrogen content of 550 ppmv. This nitrogen content in combination with the high deposition temperature resulted in a Si 3 N 4 -Ghalt of 2%. Accordingly, only a non-offset length of 55% could be obtained in the secondary product.
  • the granules according to Example 11 were also prepared at 1202 ° C. However, the nitrogen content in the recycle gas was only 0.4 ppmv. As in Example 5, Si 3 N 4 could no longer be detected. The offset-free length of the secondary product was 89%.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Siliciumgranulat in einem Wirbelschichtreaktor. Das Verfahren umfasst eine Fluidisierung von Siliciumkeimpartikeln mittels eines Fluidisiergases in einer Wirbelschicht, die mittels einer Heizvorrichtung aufgeheizt wird, wobei durch Zugabe eines Wasserstoff und Silan und/oder Halogensilan enthaltenden Reaktionsgases mittels Pyrolyse elementares Silicium an den Siliciumkeimpartikeln unter Bildung des polykristallinen Siliciumgranulats abgeschieden wird. In einem kontinuierlichen Prozess wird dabei Abgas aus dem Wirbelschichtreaktor abgeführt und aus diesem Abgas zurückgewonnener Wasserstoff als Kreisgas wieder dem Wirbelschichtreaktor zugeführt. Das Kreisgas weist einen Stickstoffgehalt von weniger als 1000 ppmv auf. Ferner umfasst die Erfindung polykristallines Siliciumgranulat mit einem Stickstoffanteil von weniger als 2 ppba.

Description

Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium
Die Erfindung betrifft polykristallines Siliciumgranulat und ein Verfahren zu dessen Herstellung in einem Wirbelschichtreaktor.
Granulat aus polykristallinem Silicium (kurz: Polysilicium- granulat) ist eine Alternative zu Polysilicium, das nach dem Siemens-Verfahren hergestellt wird. Während das Polysilicium im Siemens-Verfahren als zylindrischer Siliciumstab anfällt, der vor seiner Weiterverarbeitung in der Regel zeit- und kostenaufwändig zu sogenanntem Chippoly zerkleinert und gegebenenfalls gereinigt werden muss, besitzt Polysilicium- granulat Schüttguteigenschaften und kann direkt als Rohmaterial, beispielsweise zur Einkristallerzeugung für die
Elektronikindustrie, eingesetzt werden.
Polysiliciumgranulat wird üblicherweise in einem Wirbelschichtreaktor produziert. Dies geschieht durch Fluidisierung von Siliciumpartikeln mittels einer Gasströmung in einer Wirbelschicht, wobei diese über eine Heizvorrichtung auf hohe Temperaturen aufgeheizt wird. Die Zugabe eines silicium- haltigen Reaktionsgases bewirkt eine Pyrolysereaktion an der heißen Oberfläche der Siliciumpartikel. Dabei scheidet sich elementares Silicium auf den Siliciumpartikeln ab und die einzelnen Partikel wachsen im Durchmesser kontinuierlich an. Durch den regelmäßigen Abzug von angewachsenen Siliciumpartikeln und die Zugabe kleinerer Siliciumpartikel als Keimpartikel (auch als „Seed" bezeichnet) kann das Verfahren kontinuierlich betrieben werden. Als siliciumhaltiges Reaktionsgas können Silicium-Halogenverbindungen (z.B. Chlorsilane oder Bromsilane) , Monosilan (SiH4) , oder Mischungen dieser Gase mit Wasserstoff eingesetzt werden. Derartige Abscheideverfahren und entsprechende Vorrichtungen hierzu sind beispielsweise aus US 2008/0299291 AI bekannt.
Während der Abscheidung des elementaren Siliciums entsteht Abgas, das sich aus nicht umgesetztem Reaktionsgas und gas- förmigen Nebenprodukten, insbesondere Halogensilane , zusammensetzt. Der Aufbereitung dieses Abgases, insbesondere der Rückgewinnung von unverbrauchtem Wasserstoff, gilt aus Kostengründen vermehrte Aufmerksamkeit.
Die Aufbereitung des bei der Siliciumabscheidung entstehenden Abgases ist grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus EP 2 551 239 AI. Entsprechende Kreisprozesse können ferner den Abbildungen 7 und 8 auf Seite 58 in O'Mara, B. Herring, L. Hunt: Handbook of Semiconductor Silicon Technology; ISBN 0-8155- 1237-6 entnommen werden.
Üblicherweise wird das Abgas einer mehrfachen Kondensations - Vorrichtung zugeführt, wobei das Kondensat über eine
Destillationskolonne in niedersiedende und hochsiedende Anteile aufgetrennt wird. Die niedersiedenden Anteile werden wieder der Abscheidung zugeführt. Die hochsiedenden Anteile beinhalten in der Regel einen großen Teil Siliciumtetrachlorid (STC) , das in einer Konvertierungsvorrichtung (Konverter) zu Trichlorsilan (TCS) umgewandelt werden kann.
Die nach der Kondensation verbleibenden gasförmigen Anteile des Abgases werden einer Adsorption zugeführt. Hier wird der Wasserstoff von den anderen Bestandteilen des Gasstromes abgetrennt und als Kreisgas wieder dem Abscheideprozess zugeführt. Zusätzlich kann dem Kreisgas auch Frischwasserstoff (extern erzeugt oder bereitgestellt) , beispielsweise erzeugt mittels eines Steamreformers , zugesetzt werden. Zusätzlich oder alternativ können Bestandteile des Reaktionsgases zugesetzt werden .
Aus technischen Gründen, beispielsweise Stickstoff enthaltende Toträume sowie unvermeidbare Leckagen zwischen dem
eigentlichen Reaktionsraum und einem diesen mantelförmig umgebenden Heizraum des Reaktors, ist eine Betriebsweise ohne einen Eintrag von Stickstoff in das Kreisgassystem grundsätzlich nicht möglich. Auch führt der Umstand, dass aus
Sicherheitsgründen (Vermeidung einer Knallgasreaktion) vor und nach jeder Inbetriebnahme mit Stickstoff gespült werden muss, zu einem Eintrag von Stickstoff in das Kreisgassystem. In sogenannten Toträumen wie beispielweise Stichleitungen zu Messgeräten verbleiben nämlich üblicherweise Stickstoffreste, die dann bei Inbetriebnahme in das Kreisgassystem gelangen.
Polysilicium dient als Ausgangsmaterial für die Herstellung von einkristallinem Silicium mittels Tiegelziehen (Czochralski
(CZ) -Verfahren) - oder mittels Zonenschmelzen (Floatzone (FZ) - Verfahren) . Dieses einkristalline Silicium wird in Scheiben
(Wafer) zertrennt und nach einer Vielzahl von mechanischen, chemischen und chemomechanischen Bearbeitungen in der Halbleiterindustrie verwendet. Polysilicium wird ferner zur Herstellung von ein- oder multikristallinem Silicium mittels Zieh- oder Gießverfahren benötigt, welches der Fertigung von Solarzellen dient.
Ein wesentliches Problem bei der Herstellung von einkristallinem Silicium sind Versetzungsfehler (eindimensionale, d.h. linienförmige Störungen) und Stapelfehler (zweidimensionale, d.h. flächenhafte Störungen) im Kristallaufbau der erhaltenen Siliciumkristalle . Beide Phänomene verringern die Ausbeute, da sich grundsätzlich nur Siliciumkristalle zum Einsatz in der Photovoltaik- und Elektronikindustrie eignen, die eine bestimmte Kristallfehleranzahl nicht überschreiten. Üblicherweise soll die Anzahl an Stapelfehlern bei Silicium- wafern bei weniger als 300 pro Quadratzentimeter liegen. Bei einkristallinen Siliciumstäben sollte grundsätzlich weniger als ein Versetzungsfehler pro Meter Stablänge vorliegen bzw. die versatzfreie Stablänge größer 70% sein.
Begünstigend für das Auftreten derartiger Kristallfehler ist beispielsweise ein zu hoher Halogengehalt im als Ausgangsma¬ terial dienenden Polysilicium. Ein überhöhter Halogengehalt führt in der Regel zu sogenannten Spritzeffekten bei den entsprechenden Zieh- oder Gießverfahren.
Aus EP 2 653 446 A2 ist außerdem bekannt, dass auch der Stickstoffgehalt des als Ausgangsmaterial eingesetzten Poly- siliciumgranulats einen negativen Einfluss auf das Kristall- Wachstum hat. Daher wird ein Stickstoffgehalt in einem Bereich zwischen 10 und 2000 ppba (parts per billion atoms) vorgeschlagen, um die Qualität der Folgeprodukte nicht maßgeblich zu beeinträchtigen. Bisher wurde angenommen, dass der während der Abscheidung des Polysiliciums anwesende Stickstoff, beispielsweise aus dem Kreisgas, inert im Kristallgitter eingebaut (gelöst) wird und die Qualität des erhaltenen Poly- siliciumgranulats nur durch eine n-Dotierung beeinflusst.
Es wurde aber überraschend beobachtet, dass bei der
Polysiliciumherstellung mit steigender Abscheidetemperatur die Produktqualität des Polysiliciums abnimmt, wobei die Ursache für diesen Zusammenhang bisher ungeklärt blieb. Zumindest konnte bei einer SIMS (Sekundärionen--Massenspektrometrie) - Analyse von Polysilicium, das mit unterschiedlichen
Stickstoffkonzentrationen im Reaktionsgas abgeschieden wurde, keine erhöhte inerte Einlagerung von Stickstoff festgestellt werden .
Aus diesem Grund wird bei der Polysiliciumherstellung die Abscheidetemperatur in der Regel nicht über einen kritischen Wert von etwa 1080°C erhöht. Üblich sind Temperaturen unterhalb von 1000°C. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wäre es allerdings wünschenswert die Abscheidetemperatur zu erhöhen, da damit eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit und folglich eine gesteigerte Reaktorausbringung einhergehen würde.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, ein Polysiliciumgranulat bereitzustellen, das bei seiner Weiterverarbeitung keine oder nur eine geringe Anzahl an Versetzungs- und Stapelfehlern im Folgeprodukt verursacht. Das Polysiliciumgranulat sollte zudem mit einem besonders wirtschaftlichen Verfahren herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein polykristallines
Siliciumgranulat mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Kontinuierliche (Kreis -) Prozesse zur Aufbereitung von Abgasen bzw. Rückgewinnung von Wasserstoff bei der Herstellung von Polysilicium und die entsprechenden Kreisgassysteme sind grundsätzlich bekannt. Hier kann beispielsweise auf die EP 2 551 239 AI verwiesen werden.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass bereits bei Abscheidetemperaturen zwischen 1050 und 1150°C der, insbesondere im Kreisgas enthaltene, Stickstoff zu einer Bildung von Si3N4 auf der Oberfläche des Polysiliciumgranulats führt. Die Geschwindigkeit der Bildung von Si3N4 nimmt mit steigender Abscheidetemperatur exponentiell zu. Zudem wurde erkannt, dass sich bereits geringe Mengen von < 10 ppba Si3N im Poly- siliciumgranulat negativ auf die Qualität von Folgeprodukten wie ein- oder multikristallines Silicium auswirken.
Es wird angenommen, dass Si3N4-Kristallite im Inneren und auf der Oberfläche des Polysiliciumgranulats aufgrund ihres hohen Schmelzpunktes bei Folgeprozessen wie Zieh- oder Gießverfahren nicht aufschmelzen und so die Versetzungs- und Stapelfehler im Folgeprodukt verursachen. Allerdings ist der zugrunde liegende Mechanismus noch nicht abschließend geklärt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Stickstoffgehalt im Kreisgas weniger als 500 ppmv (parts per million by volume) , bevorzugt weniger als 100 ppmv, besonders bevorzugt weniger als 10 ppmv, insbesondere weniger als
0 , 5 ppmv.
Der geringere Stickstoffgehalt im Kreisgas ermöglicht es mit besonderem Vorteil, den Wirbelschichtreaktor mit höheren Abscheidetemperaturen, insbesondere oberhalb von 1100 °C, zu betreiben als dies bei aus dem Stand der Technik bekannten Reaktoren üblich ist. Die erhöhte Abscheidetemperatur führt zu einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit und damit zu einer Erhöhung der Reaktorausbringung .. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird somit verbessert, ohne dass die Produktqualität beeinträchtigt wird. Vorzugsweise erfolgt die Abscheidung des elementaren Siliciums bei einer Abscheidetemperatur zwischen 1000 und 1300°C/ bevorzugt zwischen 1080 und 1250°C, besonders bevorzugt zwischen 1100 und 1200°C. Insbesondere bevorzugt kann es sein, das Verfahren mit einer Abscheidetemperatur von 1200°C durchzuführen.
Während des Verfahrens wird der Stickstoffgehalt des Kreisgases vorzugsweise mittels einer Messvorrichtung bestimmt.
Insbesondere handelt es sich bei der Messevorrichtung um einen Gaschromatograph. Hierfür kann aus dem Reaktionsraum und/oder dem Kreisgassystem eine Probe entnommen und der
Messvorrichtung zugeführt werden. Die Messvorrichtung kann auch direkt am Ort der Probenentnahme vorgesehen sein.
Die Probenentnahme erfolgt vorzugsweise an einer Stelle des Kreisgassystems, an welcher das Abgas aus dem Reaktor
abgeführt oder an welcher das Kreisgas dem Reaktor wieder zugeführt wird. Auch eine Kombination dieser beiden
Möglichkeiten ist denkbar. Durch eine solche Kombination kann festgestellt werden, ob ein ungewollter Stickstoffeintrag eher im Reaktionsraum des Reaktors oder während des kontinuierlichen Prozess der Abgasaufbereitung erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, eine oder mehrere Proben an verschiedenen Stellen des Kreisgassystems, beispielsweise vor oder hinter (stromauf- oder stromabwärts) einer Adsorptionsvorrichtung, zu entnehmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt bei Überschreiten eines Stickstoffgrenzwerts zwischen 0,01 und
1000 ppmv eine Abschaltung des Wirbelschichtreaktors. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass abgeschiedenes Polysilicium nicht durch Si3N4 verunreinigt wird.
Vorzugsweise wird bei Überschreiten des Stickstoffgrenzwerts die Zufuhr des Kreisgases in den Reaktor unterbrochen und das Verfahren so lange ausschließlich mit externem Wasserstoff betrieben, bis der Stickstoffgrenzwert wieder unterschritten ist. Unter externem Wasserstoff ist dabei insbesondere Wasserstoff zu verstehen, der aus einer externen Quelle zugeführt wird. Bei der externen Quelle kann es sich beispielsweise um einen Vorratsbehälter oder um eine Vorrichtung zur Dampf- reformierung handeln. Vorzugsweise handelt es sich um hochreinen Wasserstoff, insbesondere Wasserstoff der Qualität 3.0 oder höher, beispielsweise 5.0.
Das Kreisgassystem wird vorzugsweise in der Zeit bis zu einer Unterschreitung des Grenzwertes vollständig von dem Reaktions - räum des Reaktors abgekoppelt. Bevorzugt wird dabei das Kreisgassystem so lange mit externem Wasserstoff gespült bis der Stickstoffgrenzwert unterschritten wird. Ist dem Kreisgassystem keine Messvorrichtung zugeordnet, kann die Spüldauer auch für einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise eine
Stunde, festgelegt werden. Es ist auch möglich, die Spülung des Kreisgassystems mit einem von Stickstoff verschiedenen Gas, beispielsweise einem Edelgas wie Argon oder Helium, durchzuführen. Bei Unterschreiten des Stickstoffgrenzwerts kann die Zugabe des externen Wasserstoffs teilweise wieder gestoppt und das Verfahren erneut unter Verwendung von Kreisgas durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass bei Überschreiten des Stickstoffgrenzwerts zwischen 0,01 und 1000 ppmv die Temperatur der Wirbelschicht und/oder einer Reaktorwand erhöht wird bis der Stickstoffgrenzwert wieder unterschritten ist. Vorzugsweise wird der Grenzwert im Abgas des Wirbelschichtreaktors gemessen.
Die Temperatur der Wirbelschicht und/oder der Reaktorwand kann erhöht werden, indem die Menge an in den Reaktor eingeleitetes Reaktionsgas reduziert wird. Das Reaktionsgas ist in der Regel bei Eintritt in den Reaktor kälter als die Wirbelschichttemperatur. Das bedeutet, dass das Reaktionsgas eine gewisse Kühlwirkung hat. Eine Reduzierung der Reaktionsgasmenge kann demnach zu einer Reduzierung dieser Kühlwirkung führen. Die Wirbelschichttemperatur steigt an.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Temperaturerhöhung durch eine Absenkung der Wirbelschicht (Erniedrigung der Wirbel- Schichthöhe) innerhalb des Reaktors realisiert werden. Der Reaktionsraum kann grundsätzlich über die Reaktorwand beheizt werden. Die Wirbelschicht innerhalb des Reaktionsraums ist in der Regel kälter als die Reaktorwand und kann diese somit kühlen. Durch die Erniedrigung der Wirbelschichthöhe verkleinert sich die durch die Wirbelschicht gekühlte Fläche der Reaktorwand und die Reaktortemperatur steigt an.
Überraschend hat sich gezeigt, dass eine Erhöhung der Wirbelschicht- und/oder der Reaktorwandtemperatur zu einem reduzierten Stickstoffeintrag in den Reaktionsraum führt. Der zugrundeliegende Mechanismus ist noch nicht vollständig aufgeklärt. Es ist anzunehmen, dass die Temperaturerhöhung zu einer Ausdehnung der Reaktorwand führt und damit die Anpresskraft im Bereich von Dichtungen erhöht wird. Gegebenenfalls kommt es als Folge der Temperaturerhöhung ferner zu einem Verschluss von Mikrorissen in der Reaktorwand. Dieser Verschluss der Mikrorisse könnte entweder auf die erwähnte Ausdehnung oder auf eine Auskleidung der Risse mit abgeschiedenem Silicium zurückzuführen sein.
Dem Kreisgas können bis zu 90%, bevorzugt bis zu 40%, besonders bevorzugt bis zu 10%, externer Wasserstoff zugesetzt werden. Je mehr Wasserstoff aus dem Abgas zurückgewonnen werden kann, desto geringer ist der Anteil an externem Wasserstoff, der zugesetzt werden muss.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Halogensilan als Bestandteil des Reaktionsgases um ein Chlorsilan, insbesondere Trichlorsilan (TCS) .
Der spezifische Massenstrom an Halogensilan liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1600 und 12.000 kg/h2.
Das Reaktionsgas wird vorzugsweise über eine oder mehrere, insbesondere am Boden des Reaktors angeordnete, Düsen in die Wirbelschicht eingeblasen. Bei dem Fluidisiergas , das für die Fluidisierung der Silicium- partikel in der Wirbelschicht verantwortlich ist, handelt es sich bevorzugt um Wasserstoff. Denkbar ist auch der Einsatz eines von Stickstoff verschiedenen Inertgases wie Helium oder Argon oder eines Inertga -Wasserstoffgemischs .
Es ist bevorzugt, dass vor Beginn des Verfahrens - bevor der Reaktor angefahren wird - innerhalb des Reaktors ein Druckaufbau mit Wasserstoff gefolgt von einem Druckabbau erfolgt. Vorzugsweise liegt dabei ein Maximaldruck beim Druckaufbau im Bereich zwischen 3,1 und 15 bar, insbesondere bei etwa 6,5 bar und ein Minimaldruck beim Druckabbau im Bereich zwischen 1,1 und 3 bar, insbesondere bei etwa 1,4 bar. Besonders bevorzugt erfolgt dieser Druckaufbau und Druckabbau mehrmals hintereinander, insbesondere dreimal hintereinander.
Das Kreisgassystem kann von diesem Druckauf- und Druckabbau umfasst sein. Vorzugsweise ist allerdings vorgesehen, dass das Kreisgassystem vor dem Druckauf- und Druckabbau vom Reaktions- raum abgekoppelt wird und gegebenenfalls ein separates
Spülprogramm, insbesondere mit Wasserstoff, durchläuft.
Vorzugsweise dauert sowohl der Druckaufbau als auch der
Druckabbau zwischen 1 und 60 Minuten, besonders bevorzugt zwischen 10 und 30 Minuten. Für ein dreimaliges durchlaufen dieser Prozedur müssten entsprechend zwischen 6 und 360
Minuten kalkuliert werden.
Der Druckaufbau erfolgt bevorzugt mit einem Wasserstoffvolumenstrom (Normkubikmeter [m3] pro Stunde [h] ) pro
Reaktorvolumen (VR [m3] ) zwischen 10 und 7000 m3/hVR, bevorzugt zwischen 300 und 1500 m3/hVR, besonders bevorzugt zwischen 500 und 1000 m3/hVR, insbesondere von etwa 520 m3/hVR. Für einen Wirbelschichtreaktor mit einem Reaktordurchmesser von 1,5 m und einer Reaktorhöhe von 10 m entspricht dies beispielsweise einem Wasserstoffvolumenstrom von 9200 m3/h.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft polykristallines Siliciumgranulat mit einem Stickstoffanteil von weniger als 2 ppba. Besonders bevorzugt weist es einen Stickstoffanteil von weniger als 1 ppba, insbesondere weniger als 0,5 ppba, auf .
Bevorzugte Messmethoden zur Bestimmung des Stickstoffanteils sind SIMS (Sekundärionen-Massenspektrometrie) , FTIR (Fourier- Transform-Infrarot-Spektroskopie) und/oder die Analyse mittels eines Sauerstoff-/Stickstoff- /Wasserstoffanalysators (z.B. ONH836 -Serie der Firma LECO) .
Bei dem erfindungsgemäßen polykristallinen Siliciumgranulat konnte mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energie- dispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) kein Si3N4 nachgewiesen werden .
Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße polykristalline
Siliciumgranulat, insbesondere unter Berücksichtigung der Nachweisgrenzen der oben genannten Messmethoden, frei von Si3N4. So gilt das erfindungsgemäße polykristallineSilicium beispielsweise als frei von Si3N4, wenn bei 200 durchgeführten SIMS Analysen kein Si3N detektiert wurde.
Die Oberfläche des polykristallinen Siliciumgranulats weist vorzugsweise eine Oberflächenrauheit 20000 Ra 400 nm, bevorzugt 10000 > Ra ^ 700 nm, auf. Die Bestimmung der Ober¬ flächenrauheit kann mittels optischer Profilometrie erfolgen.
Der mit Hilfe einer Neutronenaktivierungsanalyse oder Röntgen- fluoreszenzanalyse gemessene Chlorgehalt des polykristallinen Siliciumgranulats beträgt bevorzugt zwischen 0,01 und 30 ppma, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 20 ppma, insbesondere zwischen 0,2 bis 10 ppma.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung des polykristallinen Siliciumgranulats zur Herstellung von ein- oder multikristallinem Silicium.
Das einkristalline Silicium weist bevorzugt eine Anzahl an Stapelfehlern von weniger als 300, bevorzugt weniger als 200, besonders bevorzugt weniger als 100, insbesondere weniger 10 pro Quadratzentimeter auf.
Das einkristalline Silicium weist bevorzugt eine Anzahl an Versetzungsfehlern von weniger als 3, bevorzugt weniger als 1, besonders bevorzugt weniger als 0,3, insbesondere weniger als 0,1, pro Meter Stablänge auf.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Polysiliciumgranulat zur Herstellung von Einkristallen nach dem Czochralski- oder Floatzone-Verfahren verwendet.
Einkristallines Silicium hergestellt aus erfindungsgemäßem polykristallinem Silicium mittels Tiegelziehen (Czochralski (CZ) -Verfahren) weist bevorzugt eine versatzfreie Länge der Einkristalle von größer 70%, bevorzugt größer 83%, besonders bevorzugt größer 87%, insbesondere größer 90% auf.
Ferner bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Polysiliciumgranulats zur Herstellung von multikristallinem Silicium mittels Blockguss- oder Stranggussverfahren, multikristalliner Blockerstarrung in einem Bridgman-Ofen (Bridgman- Stockbarger-Methode) , Vertical-Gradient-Freeze (VGF) -Prozess , Ribbon-Growth-Prozess, Edge-defined Film-fed growth (EFB) - Prozess und Direct Wafer™ -Verfahren (Fa. 1366technologies) .
Multikristallines Silicium hergestellt aus dem erfindungsgemäßen polykristallinen Silicium weist eine erhöhte
Materialqualität auf. Die Ursache für die verbesserte
Materialqualität ist im Detail noch nicht genau verstanden. Bekannt ist, dass bei Überschreiten der Löslichkeit von
Stickstoff im Silicium Si3N-Abscheidungen gebildet werden. Diese treten in Form von kristallinem, nadeiförmigen und faserartigen Kristallen auf. Sie können vereinzelt oder in Form von Clustern auftreten, oftmals in Verbindung mit
Siliciumcarbid Abscheidungen . Die kristallinen Abscheidungen entstehen beispielsweise an Tiegelwänden während des
Tiegelziehens. Es wird vermutet, dass Si3N4-Partikel im
Polysilicium als Keimpartikel in der Schmelze des Tiegels fungieren und bei der Erstarrung zum multikristallinen Siliciumblock als Si3N4-Partikel in den Multikristall eingebaut werden. Si3N4 ist elektrisch nicht leitend, allerdings zeigen sich entlang von Si3N4-Kristalliten im multikristallinen
Silicium erhöhte Rekombinationsaktivitäten, welche die
Ladungsträgerlebensdauer beeinträchtigen oder Kurzschlüsse verursachen können. Dies führt zu einer geringeren
aterialqualität des multikristallinen Siliciums.
Fig. 1 zeigt das Diagramm einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Anlage 20 gemäß Fig. 1 umfasst drei Wirbelschichtreaktoren 1, wobei die Wirbelschicht 2 jeweils durch gestrichelte Felder angedeutet ist. Jeder Wirbelschichtreaktor 1 verfügt an seinem Reaktorkopf 4 über eine Abgasleitung 3, mit der Abgas aus dem Wirbelschichtreaktor 1 abgeführt wird. Über Gasleitungen 13a kann den Wirbelschichtreaktoren 1 am Reaktorboden 14 ein Fluidisiergas , im vorliegenden Beispiel Wasserstoff, zugeführt werden. Bei dem Wasserstoff handelt es sich um externen Wasserstoff, der einem Reservoir 15 entnommen wird und eine Reinheit von 5.0 aufweist .
Über eine Gasleitung 17 werden den Reaktoren 1 jeweils die Reaktionsgase, im vorliegenden Beispiel TCS und Wasserstoff, zugeführt. Die Reaktionsgase werden jeweils einer Zuleitung 16 entnommen und können grundsätzlich gemeinsam oder getrennt voneinander dem Reaktor 1 zugeführt werden.
Das aus den Wirbelschichtreaktoren 1 über die Abgasleitungen 3 abgeführte Abgas wird einem Wärmetauscher 11 zugeführt. Im Wärmetauscher 11, der üblicherweise mehrere Kondensations- stufen umfasst, erfolgt eine Auftrennung in hochsiedende Bestandteile (z.B. Wasserstoff und Verunreinigungen wie
Phosphane, Methan, Stickstoff und Arsenverbindungen) und tiefsiedende Bestandteile (z.B. Halogensilane) . Die
hochsiedenden Bestandteile des Abgases werden einem Verdichter 10 zugeführt, der die Aufgabe hat, das Druckniveau dieser gasförmigen Bestandteile so weit zu erhöhen, dass der enthaltene Wasserstoff später wieder den Reaktoren 1 zugeführt werden kann. Anschließend gelangen die hochsiedenden
Bestandteile (der noch verunreinigte Wasserstoff) in einen Adsorber 9, der die Aufgabe hat, die Verunreinigungen wie Phosphorverbindungen (z.B. Phosphane) , Methan, Chlorwasserstoff und/oder Arsenverbindungen zu entfernen. Aus dem Adsorber 9 gelangt der zurückgewonnene Wasserstoff dann über die Gasleitungen 13 als Kreisgas zurück in die Reaktoren 1. Über eine Leitung 18 kann dem Kreisgas externer Wasserstoff aus dem Reservoir 15 zugeführt werden. Bei der Anordnung aus Abgasleitungen 3, Wärmetauscher 11, Verdichter 10, Adsorber 9 und Gasleitungen 13 handelt es sich um ein Kreisgassystem, insbesondere zur Rückgewinnung von Wasserstoff.
Ferner umfasst die Anlage 20 eine Vorrichtung 7 zur Silan-/ Halogensilan-Aufbereitung . Dieser Vorrichtung 7 werden die tief iedenden Bestandteile des Abgases zugeführt. Die Vorrichtung 7 hat die Aufgabe, die aus dem Abgas mittels Kondensationsstufen zurückgewonnenen Silan- /Halogensilan-Gemische zu trennen. Das die Vorrichtung 7 über eine Leitung 8 verlassende Silan-/Halogensilan-Gemisch kann als Gas und/oder Flüssigkeit entweder in die Reaktoren 1 zurückgeführt oder für andere Prozesse verwendet werden.
Von den Abgasleitungen 3 führen Probeentnahmeleitungen 5 zu einem GasChromatograph 12. Ferner führt eine weitere Probeentnahmeleitung 6, die stromabwärts des Adsorbers 9 Proben des Kreisgases entnimmt, zum GasChromatograph 12. Der Gaschromatograph 12 dient der Bestimmung des Stickstoffgehalts an verschiedenen Stellen des Kreisgassystems.
Beispiele
Gemäß Tabelle 1 wurden verschiedene Polysiliciumgranulate nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Stickstoffgehalt im Kreisgas von weniger als 1000 ppmv (Beispiele 1, 4-6, 8, 10, 11) hergestellt. Zu Vergleichszwecken wurden ferner in einem baugleichen Reaktor Polysiliciumgranulate hergestellt, wobei der Stickstoffgehalt im Kreisgas bei oder über 1000 ppmv lag (Beispiele 2 , 3 , 7 , 9) .
Im Fall der Beispiele 1, 2, 7 und 9 lag die Abscheidetemperatur unterhalb der für die Bildung von Si3N kritischen Temperatur (Tk) von 1080°C. Im Fall der Beispiele 3 bis 6, 8, 10 und 11 lag die Abscheidetemperatur oberhalb von Tk (Spalte 2, Tabelle 1) .
Sämtliche Polysiliciumgranulate aus den Beispielen 1 bis 11 wurden in einem Wirbelschichtreaktor wie in EP 2 976 296 A2 beschrieben hergestellt.
Der Stickstoffgehalt im Kreisgas (Spalte 3, Tabelle 1) wurde jeweils mit einem Gaschromatograph (GC) bestimmt (Prozess-GC: Siemens Maxum edition II; Trennsäule: RTX-1 Fused-Silica- Kapillar, Fa. Restek, Säulenlänge: 60 m) . Die Probenentnahme erfolgte über eine Probenentnahmeleitung an der Abgasleitung am Reaktorkopf .
Der Gehalt an Siliciumnitrid (Si3N4) im Polysiliciumgranulat wurde mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM) mit EDX- Analyseeinheit bestimmt. Dazu wurden jeweils mehrere Proben des erhaltenen Siliciumgranulats an 200 Stellen analysiert und die Maximalwerte bestimmt (Spalte 4, Tabelle 1). Ein Si3N4- Gehalt von 0% bedeutet, dass alle 200 Messungen unterhalb der Nachweisgrenze von 1 ppba lagen. Ein Gehalt von 1% bedeutet, dass 2 von 200 Messungen über dieser Nachweisgrenze lagen.
Um die Qualität der hergestellten Polysiliciumgranulate hinsichtlich der Herstellung von Folgeprodukten zu testen, wurden darüber hinaus Einkristalle nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt .
Die Bestimmung des Versatzes (versatzfreie Stablänge; Spalte 7, Tabelle 1) wurde optisch beim Ziehen zum Einkristall durch eine Veränderung der Ziehkante beobachtet. Die versatzfreie Stablänge (Ziehausbeute) ist der prozentuale Anteil der gesamten Stablänge, der frei von Versetzungsfehlern ist. Bei der Messung der gesamten Stablänge bleibt der während des Ziehprozesses entstehende Anfangs- und Endkonus unberücksichtigt. Relevant ist also nur die zylindrische Stablänge.
Die Anzahl der Stapelfehler (Spalte 5, Tabelle 1) in den erhaltenen Einkristallen wurde mit Hilfe einer Auszählung unter dem Lichtmikroskop bestimmt (Testmethode ASTM F416) . Für die Stapelfehlerauszählungen wurden Testscheiben der Siliciumstäbe oxidiert. Anschließend wurde die Oxidschicht abgeätzt und die Defekte mit einer Strukturätze sichtbar gemacht. Die Auszählung der Defekte wurde unter einem Lichtmikroskop mit Hilfe einer Bilderkennungs-Software durchgeführt.
Die bei der Einkristallherstellung verwendeten Parameter für sämtliche Polysiliciumgranulate als Ausgangsmaterial identisch.
Tabelle 1 Im Fall der Granulate aus den Beispielen 1,2 und 7, bei deren Herstellung Tk (1080°C) um 130°C unterschritten wurde, ist festzustellen, dass unabhängig vom Stickstoffgehalt im Kreisgas kein Si3N4 nachgewiesen werden konnte. Auch bei einer
Unterschreitung von Tk um 30°C und einem Stickstoffgehalt von 1000 ppmv (Beispiel 9) konnte kein Si3N4 nachgewiesen werden. Allerdings fällt auf, dass ein erhöhter Stickstoffgehalt im Kreisgas wie im Beispiel 2 von 6400 ppmv zu einer großen Anzahl von Stapelfehlern (3000) in dem aus dem Granulat hergestellten einkristallinen Silicium führt. Da im Beispiel 2 die Abscheidetemperatur mit 950 °C unterhalb der Bildungstemperatur von Si3N4 lag, ist die hohe Stapelfehleranzahl aller Wahrscheinlichkeit nach auf die inerte Einlagerung von Stickstoff in das Polysiliciumgranulat zurückzuführen.
Anhand der Beispiele 3,4, 8 und 10 wird deutlich, wie sich der Anteil an Stickstoff im Kreisgas auf den Si3N4-Gehalt im Polysiliciumgranulat auswirkt. Die Granulate aus den vorstehend genannten Beispielen wurden alle bei einer 'Abscheidetemperatur von 1°C über Tk hergestellt, also bei 1081°C. Ein Stickstoffgehalt von 1000 ppmv (Beispiel 3) führt zu einem Si3N4-Gehalt von 1,5%. Bei Verwendung dieses Si3N4-haltigen Granulats für die Herstellung von Siliciumeinkristallen sind lediglich 66% der gesamten Stablänge versatzfrei. Eine Reduzierung des Stickstoffgehalts im Kreisgas um mehr als die Hälfte auf 450 ppmv wie im Beispiel 10 lässt den Si3N4-Gehalt des Granulats auf 0,5% sinken und führt zu einkristallinem Silicium als Folgeprodukt mit 82% versatzfreier Länge. Bei dem Granulat aus Beispiel 8, das bei einem Stickstoffgehalt von lediglich 94 ppmv hergestellt wurde, war kein Si3N4 nachweisbar. Es konnte einkristallines Silicium mit 90% versatzfreier Stablänge erhalten werden. Durch eine Erhöhung der Abscheidetemperatur von 950 auf 1081 °C steigt die Abscheidegeschwindigkeit exponentiell um das Dreifache an und erhöht damit signifikant die Wirtschaft¬ lichkeit des Prozesses.
Die Granulate aus den Beispielen 5, 6 und 11 wurden bei einer Abscheidetemperatur deutlich über Tk hergestellt. Das Granulat aus Beispiel 5 (Tk + 23 °C) wurde bei einem Stickstoffgehalt von lediglich 0,4 ppmv hergestellt. Si3N4 war nicht nachweisbar. Im Folgeprodukt konnte eine versatzfreie Länge von 89% erzielt werden. Das Granulat aus Beispiel 6 wurde bei einer Abscheidetemperatur von 1202 °C und einem Stickstoffgehalt von 550 ppmv hergestellt. Dieser Stickstoffgehalt in Kombination mit der hohen Abscheidetemperatur führte zu einem Si3N4-Ghalt von 2%. Entsprechend konnte im Folgeprodukt nur eine versatzfreie Länge von 55% erhalten werden. Das Granulat gemäß Beispiel 11 wurde ebenfalls bei 1202°C hergestellt. Allerdings betrug der Stickstoffgehalt im Kreisgas nur 0,4 ppmv. Wie im Beispiel 5 konnte kein Si3N4 mehr nachgewiesen werden. Die versatzfreie Länge des Folgeprodukts betrug 89%.
Durch den bestehenden exponentiellen Zusammenhang zwischen der Abscheidetemperatur und der Abscheidegeschwindigkeit sind allerdings Steigerungen bis zu einem Faktor von 10 möglich und senken somit sowohl die Herstellungskosten als auch die spezifischen Investitionskosten deutlich.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium- granulat in einem Wirbelschichtreaktor, umfassend eine Fluidisierung von Siliciumkeimpartikeln mittels eines Fluidisiergases in einer Wirbelschicht, die mittels einer Heizvorrichtung aufgeheizt wird, wobei durch Zugabe eines Wasserstoff und Silan und/oder Halogensilan enthaltenden Reaktionsgases mittels Pyrolyse elementares Silicium an den Siliciumkeimpartikeln unter Bildung des polykristallinen Siliciumgranulats abgeschieden wird, und wobei in einem kontinuierlichen Prozess Abgas aus dem Wirbelschichtreaktor abgeführt und aus diesem Abgas zurückgewonnener Wasserstoff als Kreisgas wieder dem Wirbelschichtreaktor zugeführt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kreisgas einen Stickstoffgehalt von weniger als 1000 ppmv aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffgehalt weniger als 500 ppmv, bevorzugt weniger als 100 ppmv, besonders bevorzugt weniger als 10 ppmv, insbesondere weniger als 0,5 ppmv beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des elementaren Siliciums bei einer Abscheidetemperatur zwischen 1000 und 1300°C, bevorzugt zwischen 1080 und 1250°C, besonders bevorzugt zwischen 1100 und 1200°C erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrens der Stickstoffgehalt des Kreisgases mittels einer Messvorrichtung, insbesondere GasChromatograph, bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Stickstoffgrenzwerts zwischen 0,01 und 1000 ppmv entweder eine Abschaltung des Wirbelschichtreaktors erfolgt oder die Zufuhr des Kreisgases unterbrochen und das Verfahren so lange mit externem Wasserstoff durchgeführt wird, bis der Stickstoffgrenzwert unterschritten ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Stickstoffgrenzwerts zwischen 0,01 und 1000 ppmv die Temperatur der Wirbelschicht und/oder einer Reaktorwand erhöht wird bis der Stickstoffgrenzwert unterschritten ist .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Kreisgas weniger als 90%, bevorzugt 40%, besonders bevorzugt 10%, externer Wasserstoff zugesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Halogensilan um ein Chlorsilan, insbesondere Trichlorsilan, handelt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn des Verfahrens innerhalb des Wirbelschichtreaktors ein Druckaufbau mit Wasserstoff gefolgt von einem Druckabbau erfolgt, wobei ein Maximaldruck beim Druckaufbau im Bereich zwischen 3,1 und 15 bar, insbesondere bei etwa 6,5 bar, liegt und ein Minimaldruck beim Druckabbau im Bereich zwischen 1,1 und 3 bar, insbesondere bei etwa 1,4 bar, liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufbau und der Druckabbau jeweils zwischen 1 und 60 min dauern.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufbau mit einem Wasserstoff - volumenstrom pro Reaktorvolumen VR zwischen 10 und 7000 m3/hVR, bevorzugt zwischen 300 und 1500 m3/hVR, besonders bevorzugt zwischen 500 und 1000 m3/hVR, insbesondere von etwa 520 m3/hVR erfolgt.
12. Polykristallines Siliciumgranulat mit einem Stickstoff - anteil von weniger als 2 ppba.
13. Polykristallines Siliciumgranulat nach Anspruch 12 mit einer Oberflächenrauheit Ra ^ 400 nm, vorzugsweise
Ra > 700 nm.
14. Polykristallines Siliciumgranulat nach einem der
Ansprüche 12 oder 13, das frei von Si3N4 ist.
15. Verwendung von polykristallinem Siliciumgranulat nach einem der Ansprüche 12-14 zur Herstellung von ein- oder multikristallinem Silicium.
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