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DE102016114809B4 - Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor - Google Patents

Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor, umfassend:Einleiten einer Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung, umfassend Trichlorsilan und Dichlorsilan, in eine Abscheidungskammer, wobei die Abscheidungskammer ein Substrat enthält;Vermischen der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung mit Wasserstoffgas, um eine Zuführungszusammensetzung zu bilden;Anpassen eines Basislinienstroms von Chlorsilan und Wasserstoffgas in die Abscheidungskammer, um einen vorbestimmten Gesamtstrom und einen vorbestimmten Sollwert der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung zu erreichen;Anlegen von Druck an die Abscheidungskammer und von Energie an das Substrat in der Abscheidungskammer, um polykristallines Silizium zu bilden;Messen der Menge von in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegendem Dichlorsilan;Anpassen des Sollwerts der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung um eine zum Dichlorsilan-Versatzwert invers proportionale Menge, undAbscheiden des gebildeten polykristallinen Siliziums auf das Substrat.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Hierin offenbart ist ein Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor.
  • HINTERGRUND
  • Hochreines Silizium von Halbleiterqualität wird üblicherweise durch das „Siemens“-Verfahren hergestellt, wobei Trichlorsilangas (HSiCl3 oder TCS) in der Gegenwart von Wasserstoff reduziert und auf ein beheiztes Siliziumelement abgeschieden wird. In einem solchen Prozess wird nur ein geringer Bruchteil des als TCS zugeführten Siliziums als elementares Silizium abgeschieden, wobei der Rest den Reaktor als ein Abgas, welches üblicherweise mehr als 50 Molprozent (Mol%) nicht umgesetztes TCS, 5-15 Mol% Dichlorsilan (H2SiCl2 oder DCS), gebildet als Teil einer Gleichgewichtsreaktion, 35-45 Mol% Tetrachlorsilan (SiCl4 oder STC), gebildet durch die Chlorierung von TCS während des Abscheidens von Silizium, bis zu etwa 1 Mol% Chlorsilan (H3SiCl), Silan (SiH4), Disilan (Si2H6) und Chlordisilane und teilchenförmiges Silizium umfasst, verlässt. Wasserstoff wird in der Reaktion ebenfalls produziert.
  • In einem typischen chemischen Gasphasenabscheidungsprozess (CVD) wird das Abgas dann durch Kondensation und nachfolgende Destillation in eine niedrigsiedende Fraktion, umfassend Dichlorsilan (DCS) und TCS, und eine hochsiedende, hauptsächlich aus STC bestehende Fraktion, getrennt. Die hochsiedende Fraktion wird dann in einem zusätzlichen Schritt weiter verarbeitet, um den Großteil des STC von den anderen Bestandteilen zu trennen. Das wiedergewonnene STC kann dann hydriert werden, um TCS zu bilden, welches dann in den CVD-Reaktor zurückgeführt wird. Die verbleibenden Bestandteile der hochsiedenden Fraktion, umfassend Disilan, Chlordisilane und teilchenförmiges Silizium, können weiter verarbeitet werden, um die Disilane (hiernach bezieht sich „Disilan(e)“ auf durch die Formel HnCl6-nSi2 beschriebene Verbindungen, wobei n einen Wert von 0 bis 6 aufweist) zu cracken und das teilchenförmige Silizium davon zu trennen.
  • Die Menge von im Reaktorabgas vorliegendem Dichlorsilan (DCS) variiert als eine Funktion von Wachstumsbedingungen, wie beispielsweise Si-Umwandlung, welche sich während des Fortschreitens der Charge ändert. Da eine typische Polysiliziumproduktionsanlage aus zahlreichen Reaktoren besteht, deren Abgas zum weiteren Verarbeiten kombiniert wird, ist die DCS-Fraktion im resultierenden zurückgeführten TCS schwierig vorherzusagen und zu steuern. Dies wird ferner durch weitere Faktoren, die während eines komplexen chemischen Verarbeitungsbetriebs erforderlich sind, wie beispielsweise Inventarmanagement, dynamische Gesamtproduktionsraten und Destillationssteuerung, verkompliziert. Diese Komplexitäten, zusammen mit der signifikant höheren Reaktivität von DCS im Vergleich zu TCS, limitieren die Wirksamkeit von produktionsstättenweiten Polysiliziumanlagen-Steuermaßnahmen zum Minimieren der Variation bei der Leistung von Zersetzungsreaktoren. Die Druckschrift WO 2013/ 094 855 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Polysilizium.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor umfasst: Einleiten einer Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung, umfassend Trichlorsilan und Dichlorsilan, in eine Abscheidungskammer, wobei die Abscheidungskammer ein Substrat enthält; Vermischen der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung mit Wasserstoffgas, um eine Zuführungszusammensetzung zu bilden; Anpassen eines Basislinienstroms von Chlorsilan und Wasserstoffgas in die Zersetzungskammer, um einen vorbestimmten Gesamtstrom und einen vorbestimmten Sollwert der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung zu erreichen; Anlegen von Druck an die Abscheidungskammer und Energie an das Substrat in der Abscheidungskammer, um polykristallines Silizium zu bilden; Messen der Menge von in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegendem Dichlorsilan; Anpassen des Sollwerts der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung um eine zum Dichlorsilan-Versatzwert invers proportionalen Menge und Abscheiden des gebildeten polykristallinen Siliziums auf das Substrat.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Das Folgende stellt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen dar, bei denen gleiche Elemente auf die gleiche Weise nummeriert werden, und die für die verschiedenen, hierin beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft sind.
    • 1 ist eine schematische Darstellung eines Siemens-Reaktors mit einem Wiedergewinnungssystem.
    • 2 ist eine grafische Darstellung der Abweichung vom Energieverbrauch des Reaktors gegen die DCS-Abweichung in einer Abscheidungskammer ohne den hierin offenbarten Prozess zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor.
    • 3 ist eine grafische Darstellung der Abweichung vom Energieverbrauch des Reaktors gegen die DCS-Abweichung in einer Abscheidungskammer mit dem hierin offenbarten Prozess zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor.
    • 4 ist eine grafische Darstellung der Siliziumumwandlungsabweichung des Reaktors gegen die DCS-Abweichung in einer Abscheidungskammer ohne den hierin offenbarten Prozess zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor.
    • 5 ist eine grafische Darstellung der Siliziumumwandlungsabweichung des Reaktors gegen die DCS-Abweichung in einer Abscheidungskammer mit dem hierin offenbarten Prozess zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor.
    • 6 ist eine grafische Darstellung der Schwellenwerttemperatur-Zeitpunktabweichung des Reaktors gegen die DCS-Abweichung in einer Abscheidungskammer ohne den hierin offenbarten Prozess zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor.
    • 7 ist eine grafische Darstellung der Schwellenwerttemperatur-Zeitpunktabweichung des Reaktors gegen die DCS-Abweichung in einer Abscheidungskammer mit dem hierin offenbarten Prozess zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Hierin offenbart ist ein Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor. Während des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor kann das Gesamtniveau des in der Anlage und den Reaktorzuführungen vorliegenden Dichlorsilans variieren. Da Dichlorsilan reaktiver ist als Trichlorsilan, können Variationen in der Menge des in der Reaktorzuführung vorliegenden Dichlorsilans Variationen im Zersetzungsprozess verursachen, wenn die Konzentration von Dichlorsilan in der Chlorsilan-Zuführungsmischung variiert. Dies kann in Produktionsineffizienzen resultieren und kann sogar manchmal in einer niedrigeren Qualität von polykristallinem Silizium oder einem untypischen polykristallinen Siliziumprodukt resultieren. Dementsprechend kann es wünschenswert sein, Variationen beim Dichlorsilan zu kompensieren, um eine konsistente Reaktorleistung aufrecht zu erhalten.
  • Die Wachstumsrate von polykristallinem Silizium in Reaktoren kann von mehreren Faktoren abhängen, insbesondere von Reaktionstemperatur, Gesamtzuführungstrom und Mol% von Chlorsilan in Wasserstoff. Eine Chlorsilanzuführung zum Einleiten in einen Reaktor kann Trichlorsilan und Dichlorsilan enthalten. Änderungen im Verhältnis von Dichlorsilan zu Trichlorsilan ist im Allgemeinen kein steuerbarer Faktor und kann den Zersetzungsprozess beeinträchtigen, weil Dichlorsilan reaktiver ist als Trichlorsilan, und können die Zersetzungsreaktionsrate beeinflussen, wenn die Menge von in der Chlorsilanzuführung vorliegendem Dichlorsilan variiert. Wenn zum Beispiel die Menge von Dichlorsilan entweder ein zu großer Teil der Chlorsilanzuführung wird oder wenn das Dichlorsilan ein variables Niveau während des Verlaufs eines Reaktorlaufs aufweist, kann die Gleichmäßigkeit der Wachstumsrate des polykristallinen Siliziums beeinflusst werden. Überraschenderweise können sogar kleine Variationsmengen, zum Beispiel weniger als +/- 1 Mol% DCS in TCS, unverzüglich Wachstumsraten, Gasphasenkeimbildung und daher die Gesamtreaktorleistung, beeinflussen. Reaktoren werden üblicherweise durch Rezepte mit Strömung, TCS-Zusammensetzung und auf als Funktion der Laufzeit variierende Basislinienwerte eingestellte elektrische Energiezufuhr gesteuert. Während Rückkopplungsanpassungen üblicherweise für Versatzwerte, wie beispielsweise der Stabtemperatur, ausgeführt werden, wird die Reaktivität der Zuführung im Allgemeinen als konstant angenommen, so dass jede Variation um die Basislinienannahme herum das Potential aufweist, die Reaktorleistung negativ zu beeinflussen. Hohe und/oder variable Dichlorsilanniveaus können die Staubbildung in der Gasphase beeinflussen, was zu Schwierigkeiten beim Aufrechterhalten der gewünschten Gastemperaturen, der Verkürzung der Chargenzeiten und der Gesamtproduktivität führt. Hohe und/oder variable Dichlorsilanniveaus können mit einem polykristallinen Siliziumprodukt niedrigerer Qualität assoziiert werden, was sich durch ungleichmäßiges und/oder poröses Wachstum des Siliziums zeigt. Hohe und/oder variable Dichlorsilanniveaus können mit einer untypischen Oberfläche auf dem polykristallinen Silizium assoziiert werden, veranschaulicht durch die Gegenwart von örtlich begrenzten untypischen Wachstumsphänomenen wie beispielsweise Dendriten.
  • Disproportionierung von Chlorsilanen im Abgas von Umverteilungsreaktoren kann genutzt werden, um Variationen in DCS-Niveaus zu unterdrücken. Dieser Ansatz weist jedoch Nachteile auf, indem er entweder die Änderungen bei den vielen Variablen, denen beim typischen Betreiben chemischer Anlagen begegnet wird, nicht berücksichtigen kann oder eine zu langsame Ansprechzeit aufweist. Zum Beispiel schließen Polysiliziumanlagen jeder praktischen Größe im Allgemeinen zahlreiche Reaktoren, mehrfache Kondensationszüge, Lagertanks, zentralisierte Destillationssysteme und Mischungen von frischen und zurückgeführten TCS-Zuführungen ein. Variationen innerhalb dieser Systeme, zum Beispiel Variationen in Kondensationszugtemperaturen und der Umverteilungsreaktorsteuerung, werden das DCS-Niveau beeinflussen. Manipulieren dieser vielen Variablen, um die DCS-Niveaus zu steuern während weitere funktionelle Bedingungen aufrechterhalten werden, kann außerordentlich komplex werden und wird wahrscheinlich nicht in der Lage sein, die präzise Steuerung zu liefern, die für einen stabilen Reaktorbetrieb benötigt wird. Ein anderer möglicher Ansatz ist, zu versuchen, die DCS-Niveaus durch Vermischen einer Zuführungsquelle reich an DCS mit einer Steuerzusammensetzung anzupassen. Dieser Ansatz würde Trennung, Lagerung und Bereitstellung dieser alternativen Quelle erfordern, was zusätzliche Kapitalinvestitionen und Komplexität erfordert. Noch eine andere Option wäre, DCS komplett von TCS zu trennen, aber dies würde ebenfalls zusätzliche Kapitalinvestition erfordern und würde einen Abfallstrom aus konzentriertem DCS zum Verarbeiten erzeugen, was sowohl in Sicherheitsbedenken als auch ökonomischem Nachteil resultiert. Das hierin offenbarte Verfahren adressiert diese Unzulänglichkeiten und beseitigt die durch variable DCS-Niveaus verursachten Variationen, ohne den Bedarf an signifikanter Kapitalinvestition und mit minimaler Komplexität.
  • Es wurde herausgefunden, dass die Implementierung einer Steuerungsstrategie zum Kompensieren von Änderungen in Dichlorsilanniveaus der Reaktorzuführung beim Zersetzungsreaktor den Einfluss dieser Variabilität auf die Siliziumabscheidung und Gesamtreaktorleistung verringern oder beseitigen kann, und dadurch den Bedarf für komplexe DCS-Steuerungsmethodologien reduziert oder beseitigt. Zum Beispiel kann das zur Abweichung des Dichlorsilanniveaus des Reaktors von einem Zielniveau invers proportionale Anpassen der Chlorsilan-Mol% der Reaktorzuführung mithilfe eines Korrelationskoeffizienten in einer niedrigeren oder beseitigten Variabilität in den Schlüsselleistungsmerkmalen aller Reaktoren einer Polysiliziumproduktionsanlage resultieren. Ein Korrelationskoeffizient kann aus historischen Daten von den verschiedenen Reaktoren in der Anlage als auch aus experimentellen Läufen berechnet werden. Der Korrelationskoeffizient kann an individuelle Reaktoren angepasst werden, um Messfehler oder andere einem bestimmten Reaktor eigene Attribute aufzunehmen.
  • Aufrechterhalten einer konstanten Chlorsilan-Zuführungsreaktivität kann die Variabilität von Lauf zu Lauf reduzieren, da eine konstante Wachstumsrate polykristallinen Siliziums aufrechterhalten werden kann. Darüber hinaus, da Gesamtdichlorsilanniveau und -variabilität nicht länger interessieren, sind Umverteilungssysteme und/oder komplexe DCS-Steuerungsmethodologien nicht mehr notwendig, wodurch der gesamte Polysiliziumanlagenbetrieb vereinfacht wird.
  • Wie in 1 veranschaulicht, kann ein Chlorsilan-Zuführungsgasstrom 101 einem ein Substrat, z. B. einen oder mehrere U-Stäbe enthaltenden Siemens-Reaktor 102 zugeführt werden. Der Chlorsilan-Zuführungsgasstrom 101 kann Trichlorsilan und Dichlorsilan und möglicherweise Wasserstoff umfassen. Der U-Stab kann zwei polykristalline, durch eine Brücke aus polykristallinem Silizium zusammen verbundene Siliziumimpfstäbe umfassen. Polykristallines Silizium kann aus dem Zuführungsgasstrom 101 auf den U-Stab abgeschieden werden, um polykristallines Siliziumprodukt in Stabform 103 zu produzieren. Das Produkt in Stabform 103 kann am Ende der Charge aus dem Siemens-Reaktor 102 entfernt werden. Der Abluftgasstrom 104 aus dem Siemens-Reaktor kann Dichlorsilan, Trichlorsilan, Tetrachlorsilan, Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Disilane und Siliziumpulver umfassen.
  • Der Abluftgasstrom 104 kann zum Wiedergewinnungssystem 109 geschickt werden. Wasserstoff kann wiedergewonnen und durch Leitung 110 zum Siemens-Reaktor 102 zurückgeschickt werden. Chlorsilane können durch Leitung 111 wiedergewonnen und zurückgeführt oder verkauft werden. Chlorwasserstoff kann wiedergewonnen und verkauft werden. Tetrachlorsilan kann hydriert oder anderweitig zu Trichlorsilan umgewandelt werden, und das resultierende Trichlorsilan kann in den Siemens-Reaktor 102 zurückgeführt werden.
  • Die Chlorsilan-Zuführung zum Zersetzungsreaktor enthält im Allgemeinen in Wasserstoff verdünntes Trichlorsilan (TCS) und Dichlorsilan (DCS). Dichlorsilan ist sehr viel reaktiver als Trichlorsilan und kann Variationen im Zersetzungsprozess verursachen, wenn seine Konzentration in der Chlorsilan-Zuführungsmischung variiert. Reaktorzuführungsbedingungen können auf einen nominalen Wert von vorliegendem Dichlorsilan eingestellt werden, zum Beispiel 5 %, und jede Variation um diesen nominalen Wert kann zu einer Variation der Reaktorleistung, wie vorher hierin beschrieben, führen. Niedrigere Dichlorsilanniveaus können Abscheidungsraten reduzieren und Betriebskosten vergrößern. Höhere Dichlorsilanniveaus können in verkürzten Laufzeiten wegen Staubbildung in der Gasphase, einem Polysiliziumprodukt geringerer Qualität, durch ein ungleichmäßiges, poröses Siliziumwachstum demonstriert, und einer untypischen Oberfläche resultieren.
  • Dichlorsilan bleibt ein Teil der Chlorsilan-Zuführung, weil es wegen des ähnlichen Siedepunkts der beiden schwierig komplett von Trichlorsilan zu trennen ist. Zusätzlich kann es vorteilhaft sein, wenigstens etwas Dichlorsilan in der Zuführung zum Zersetzungsreaktor zu haben. Die größere Reaktivität von Dichlorsilan verglichen mit Trichlorsilan kann die Produktivität verbessern und den Energieverbrauch senken, was wiederum die Gesamtproduktionskosten von Polysilizium senken kann.
  • Umverteilungssysteme können verwendet werden, um die DCS-Zusammensetzung der Anlage zu beeinflussen, aber können aus vorher beschriebenen Gründen das Niveau der benötigten Steuerung, um den Einfluss auf die Siliziumzersetzung und daher die Reaktorproduktivität zu steuern, nicht bereitstellen. Dementsprechend wurden die hierin offenbarten Verfahren entwickelt, um diese Probleme zu berücksichtigen und einen Prozess zum Reduzieren des Einflusses von Variationen bei der Menge von in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegendem Dichlorsilan zu entwickeln.
  • Das hierin offenbarte Verfahren kann wirksamer die Zuführungszusammensetzung induzierte Variationen reduzieren, und dadurch Problemlösungsanstrengungen vereinfachen. Gesamtbasis für das Verfahren ist, die Gesamtreaktivität des Zuführungsmaterials trotz variabler DCS-Zusammensetzung konstant zu halten. Das hierin offenbarte Verfahren kann die Mol% Chlorsilan in der Reaktorzuführung invers proportional zum Dichlorsilanniveau unter Verwendung eines empirisch abgeleiteten Korrelationskoeffizienten anpassen. Mit anderen Worten, wenn das Dichlorsilanniveau steigt, kann die Chlorsilan-Zuführung zum Reaktor reduziert werden. Gleichermaßen kann die Chlorsilan-Zuführung zum Reaktor vergrößert werden, wenn das Dichlorsilanniveau abnimmt. Der Korrelationskoeffizient kann aus historischen Daten der Reaktoren und aus Anlagenversuchen berechnet werden.
  • Das Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor kann das Einleiten einer Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung, umfassend Trichlorsilan und Dichlorsilan, in eine Abscheidungskammer einschließen. Die Abscheidungskammer enthält im Allgemeinen ein Substrat. Eine Zuführungszusammensetzung kann durch Vermischen der Chlorsilan-Zuführung mit Wasserstoffgas gebildet werden. Ein Basislinienstrom von Chlorsilan und Wasserstoffgas in die Abscheidungskammer kann angepasst werden, um einen vorbestimmtem Gesamtstrom und einen vorbestimmten Chlorsilan-Zuführungszusammensetzungssollwert zu erzielen, welcher als eine Funktion der Laufzeit eingestellt und durch ein Rezept festgelegt werden kann. Dann kann Druck an die Zersetzungskammer angelegt werden und Energie kann an das Substrat in der Zersetzungskammer angelegt werden, um polykristallines Silizium zu bilden. Die Menge des in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegenden Dichlorsilans kann gemessen werden und dann kann ein Versatzwert aus einem Zielwert des in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegenden Dichlorsilans bestimmt werden. Der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzungssollwert kann durch eine zum Dichlorsilan-Versatzwert invers proportionale Menge angepasst werden. Das gebildete polykristalline Silizium kann dann mit weniger Variabilität und ohne den Bedarf an zusätzlicher Instrumentierung oder Zuführungsquellen auf das Substrat abgeschieden werden.
  • Abscheiden des gebildeten polykristallinen Siliziums auf das Substrat kann durch ein Gasphasenabscheidungsverfahren erzielt werden, ausgewählt aus chemischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck, chemischer Hochdruck-Gasphasenabscheidung, heißdrahtaktivierter chemischer Gasphasenabscheidung, hybrider physikalisch-chemischer Gasphasenabscheidung und thermischer beschleunigter chemischer Gasphasenabscheidung.
  • Der Druck in der Abscheidungskammer kann größer als oder gleich 0,5 Kilopascal (kPa) sein, zum Beispiel 300-1000 kPa. Die Gastemperatur innerhalb der Abscheidungskammer kann niedriger als oder gleich 750 °C sein, zum Beispiel 500-750 °C. Die Substrattemperatur innerhalb der Abscheidungskammer kann höher als oder gleich 900 °C sein, zum Beispiel höher als oder gleich 1.000 °C, zum Beispiel niedriger als oder gleich 1.200 °C.
  • In einer Ausführungsform kann das Verfahren einschließen, vorher den Gesamtstrom, die Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung und den Sollwert der elektrischen Energie als eine Funktion der Chargenlaufzeit festzulegen. Der Gesamtstrom und die Chlorsilan-Zuführungszusammensetzungssollwerte können dynamisch angepasst werden, um eine Aggregatgastemperatur in der Abscheidungskammer unter einem vorher festgelegten Schwellenwert aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel kann die Aggregatgastemperatur bei einer Temperatur unter 750 °C aufrechterhalten werden. Der vorher festgelegte Schwellenwert kann aus historischen Daten berechnet werden oder durch mechanische Integritätslimitierungen des Reaktorsystems eingestellt werden. Die Menge von an das Substrat angelegter Energie kann durch Anpassen der mit dem Chlorsilan-Zuführungsstrom übereinstimmenden Energiezufuhr durch eine andere Korrelationskonstante angepasst werden.
  • Die Proportionalitätskonstante zum Bestimmen der optimalen Zuführungsanpassung kann zum Aufrechterhalten des Prozentsatzes von Silizium zu Wasserstoff (% Si-H) abgeschätzt werden und dann weiter aus historischen Reaktordaten und experimentellen Versuchen angepasst werden. Zum Beispiel kann die Proportionalitätskonstante durch Vergleichen der Reaktorleistungsdaten aus Läufen mit unterschiedlichen TCS-Zuführungszusammensetzungssollwerten, welche mit hohen oder niedrigen relativen Niveaus von DCS übereinstimmen, bestimmt werden. Durch Vergleichen von Läufen mit ähnlichen Wachstumsprofilen aber unterschiedlichen Kombinationen von TCS-Zuführungssollwerten und DCS-Zusammensetzungen kann eine empirische Beziehung zwischen TCS-Mol% und DCS-Mol% erzeugt werden. Diese Konstante kann durch Manipulation von DCS-Niveaus und TCS-Mol%-Sollwertversätzen auf kontrollierte Art zum Erstellen der gleichen Korrelation verfeinert werden. Ein Diagramm von TCS-Mol%-Versatz als Funktion von DCS-Versatz ergibt eine geradlinige Beziehung, deren Steigung die Proportionalitätskonstante bestimmt.
  • Die Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung kann 1 Mol% bis 15 Mol% Dichlorsilan enthalten, zum Beispiel 4,5 Mol% bis 15 Mol% Dichlorsilan, zum Beispiel 3 Mol% bis 10 Mol% Dichlorsilan. Die Menge von Chlorsilan-Zusammensetzungssollwertanpassung kann durch eine Proportionalitätskonstante bestimmt werden, welche wie vorher beschrieben bestimmt werden kann. Um Echtzeitreaktionen auf Fluktuationen bei der Menge des vorliegenden Dichlorsilans zu ermöglichen, kann die Menge von in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegendem Dichlorsilan während eines Chargenlaufs des Reaktors kontinuierlich gemessen werden. Dies kann entweder lokal oder in einem gemeinsamen Zuführungssystem unter Verwendung von Verfahren wie beispielsweise Flüssigchromatographie, Gaschromatographie oder Ramanspektroskopie gemessen werden. Kontinuierliche Messung der Menge von in der Chlorsilan-Zuführung vorliegendem Dichlorsilan ermöglicht kontinuierliche Anpassung der Zuführungszusammensetzung, um konstante Reaktivität trotz Variation in der DCS-Zusammensetzung aufrechtzuerhalten.
  • Die Chlorsilan-Zuführung kann mit Wasserstoff vorgemischt werden. Die vorgemischte Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung kann 5 bis 65 Mol% Wasserstoff enthalten, zum Beispiel 10 bis 55 Mol% Wasserstoff, zum Beispiel 25 bis 45 Mol% Wasserstoff.
  • Die hierin offenbarten Verfahren können Variationen von Charge zu Charge bei der Abscheidungsrate von polykristallinem Silizium auf das Substrat in der Abscheidungskammer verringern, verglichen mit einer Abscheidungskammer, die Variationen bei der Menge von in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegendem Dichlorsilan nicht berücksichtigt. Die hierin offenbarten Verfahren können Variationen von Charge zu Charge beim Energieverbrauch der Reaktoreinheit während des Wachstums von polykristallinem Silizium auf dem Substrat in der Abscheidungskammer verringern, verglichen mit dem Energieverbrauch der Reaktoreinheit während des Wachstums von polykristallinem Silizium auf einem Substrat in der Abscheidungskammer, die Variationen bei der Menge von in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegendem Dichlorsilan nicht berücksichtigt. Die hierin offenbaren Verfahren können Variationen von Charge zu Charge bei der Umwandlung von Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung zu polykristallinem Silizium auf das Substrat in der Abscheidungskammer verringern, verglichen mit einer Abscheidungskammer, die Variationen bei der Menge von in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegendem Dichlorsilan nicht berücksichtigt. Die hierin offenbaren Verfahren können Variationen von Charge zu Charge zum Erreichen einer festgelegten Schwellentemperatur in der Abscheidungskammer verringern, verglichen mit einer Abscheidungskammer, die Variationen in der Menge von in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegendem Dichlorsilan nicht berücksichtigt.
  • Beispiele
  • Beispiel 1: korrelation zwischen einheitsenergieverbrauch und DCS
  • In diesem Beispiel wurde der Umfang der Dichlorsilan (DCS)-Abweichung und der in einer Abscheidungskammer vorliegenden Abweichung vom Einheitsenergieverbrauch in einer Abscheidungskammer gemessen, wobei kein Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor genutzt wurde, und er wurde ebenfalls in einer Abscheidungskammer gemessen, wobei das Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor, wie hierin offenbart, genutzt wurde. Die Ergebnisse sind in 2 und 3 veranschaulicht, wobei die Abweichung vom Einheitsenergieverbrauch, gemessen in Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg), gegen die DCS-Abweichung, gemessen in Molprozent (Mol%) aufgetragen ist. In 2 und 3 ist die absolute Abweichung für jede Charge, verglichen mit dem Mittelwert für jede Charge, veranschaulicht. Wie aus 2 und 3 ersichtlich, verringert sich unter Verwendung des zur Zeit beanspruchten Verfahrens die Abweichung vom Einheitsenergieverbrauch relativ zu jeder DCS-Abweichung. Anders ausgedrückt, die Abweichung vom Einheitsenergieverbrauch kann von jeder DCS-Abweichung entkoppeln (d. h. unabhängig werden).
  • Beispiel 2: korrelation zwischen umwandlung und DCS
  • In diesem Beispiel wurde der Umfang der Dichlorsilan (DCS)-Abweichung und der in einer Abscheidungskammer vorliegenden Siliziumumwandlungsabweichung in einer Abscheidungskammer gemessen, wobei kein Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor genutzt wurde, und er wurde ebenfalls in einer Abscheidungskammer gemessen, wobei das Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor, wie hierin offenbart, genutzt wurde. Die Ergebnisse sind in 4 und 5 veranschaulicht, wobei die Siliziumumwandlungsabweichung, gemessen in Prozent (%), gegen die DCS-Abweichung, gemessen in Molprozent (Mol%) aufgetragen ist. In 4 und 5 ist die absolute Abweichung für jede Charge, verglichen mit dem Mittelwert für jede Charge, veranschaulicht. Wie aus 4 und 5 ersichtlich, verringert sich unter Verwendung des zur Zeit beanspruchten Verfahrens die Siliziumumwandlungsabweichung relativ zu jeder DCS-Abweichung.
  • Beispiel 3: korrelation zwischen dem zeitpunkt, zu dem eine maximale gasschwellenwerttemperatur erreicht wird und DCS
  • In diesem Beispiel wurde der Umfang der Dichlorsilan (DCS)-Abweichung und der Abweichung vom Zeitpunkt, bei dem die Schwellenwertgastemperatur erreicht wird, in einer Abscheidungskammer gemessen, wobei kein Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor genutzt wurde, und er wurde ebenfalls in einer Abscheidungskammer gemessen, wobei das Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor, wie hierin offenbart, genutzt wurde. Es wird festgestellt, dass der Zeitpunkt, zu welchem die Schwellenwertgastemperatur erreicht wird, primär eine Indikation eines spezifischen Stabdurchmessers ist. Dementsprechend sind Abweichungen von diesem Zeitpunkt indikativ für einen Versatz vom Zielprofil im durchschnittlichen Stabwachstum. Die Ergebnisse sind in 6 und 7 veranschaulicht, wobei die in Stunden (St) gemessene Abweichung des Zeitpunkts gegen die in Molprozent (Mol%) gemessene DCS-Abweichung aufgetragen ist. In 6 und 7 ist die absolute Abweichung für jede Charge, verglichen mit dem Mittelwert für jede Charge, veranschaulicht. Wie aus 6 und 7 ersichtlich, verringert sich unter Verwendung des zur Zeit beanspruchten Verfahrens die Zeitpunktsabweichung relativ zu jeder DCS-Abweichung.
  • Die hierin offenbarten Verfahren umfassen mindestens die folgenden Ausführungsformen:
    • Ausführungsform 1: Ein Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor umfasst: Einleiten einer Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung, umfassend Trichlorsilan und Dichlorsilan, in eine Abscheidungskammer, wobei die Abscheidungskammer ein Substrat enthält; Vermischen der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung mit Wasserstoffgas, um eine Zuführungszusammensetzung zu bilden; Anpassen eines Basislinienstroms von Chlorsilan und Wasserstoffgas in die Zersetzungskammer, um einen vorbestimmten Gesamtstrom und einen vorbestimmten Sollwert der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung zu erreichen; Anlegen von Druck an die Abscheidungskammer und Energie an das Substrat in der Abscheidungskammer, um polykristallines Silizium zu bilden; Messen der Menge von in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegendem Dichlorsilan; Anpassen des Sollwerts der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung um eine zum Dichlorsilan-Versatzwert invers proportionalen Menge und Abscheiden des gebildeten polykristallinen Siliziums auf das Substrat.
  • Ausführungsform 2: Das Verfahren nach Ausführungsform 1, wobei das Messen der Menge des in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegenden Dichlorsilans ferner das Bestimmen eines Versatzwertes aus einem Zielwert des in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegenden Dichlorsilans umfasst.
  • Ausführungsform 3: Das Verfahren nach Ausführungsform 2, wobei der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzungssollwert durch eine zum Dichlorsilan-Versatzwert invers proportionalen Menge angepasst wird.
  • Ausführungsform 4: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-3, wobei das Abscheiden des gebildeten polykristallinen Siliziums auf das Substrat durch ein Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung erreicht wird, ausgewählt aus chemischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck, chemischer Hochdruck-Gasphasenabscheidung, heißdrahtaktivierter chemischer Gasphasenabscheidung, hybrider physikalisch-chemischer Gasphasenabscheidung und thermischer beschleunigter chemischer Gasphasenabscheidung.
  • Ausführungsform 5: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-4, wobei der Druck in der Abscheidungskammer größer als oder gleich 0,5 Pascal ist.
  • Ausführungsform 6: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-5, wobei die Gastemperatur innerhalb der Abscheidungskammer niedriger als oder gleich 750 °C ist.
  • Ausführungsform 7: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-6, wobei die Substrattemperatur höher als oder gleich 900 °C ist.
  • Ausführungsform 8: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-7, ferner umfassend das vorherige Festlegen des Gesamtstroms und der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzungssollwerte als eine Funktion der Chargenlaufzeit.
  • Ausführungsform 9: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-8, wobei der Gesamtstrom und die Chlorsilan-Zuführungszusammensetzungssollwerte ferner zum Aufrechterhalten einer Gastemperatur in der Abscheidungskammer unter einem vorher festgelegten Schwellenwert angepasst werden.
  • Ausführungsform 10: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-9, ferner umfassend das Anpassen der an das Substrat angelegten Energiemenge als eine Funktion des Chlorsilan-Zuführungszusammensetzungsstroms.
  • Ausführungsform 11: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-9, wobei die Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung 1 bis 15 Mol% Dichlorsilan enthält.
  • Ausführungsform 12: Das Verfahren nach Ausführungsform 11, wobei die Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung 3 bis 10 Mol% Dichlorsilan enthält.
  • Ausführungsform 13: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-12, wobei der Umfang der Chlorsilan-Zusammensetzungssollwertanpassung durch eine Proportionalitätskonstante bestimmt wird.
  • Ausführungsform 14: Das Verfahren nach Ausführungsform 13, wobei die Proportionalitätskonstante auf aus der Abscheidungskammer gesammelten historischen Daten basiert.
  • Ausführungsform 15: Das Verfahren nach Ausführungsform 13 oder Ausführungsform 14, wobei die Proportionalitätskonstante auf experimentellen Läufen der Abscheidungskammer basiert.
  • Ausführungsform 16: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-15, wobei die in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegende Menge Dichlorsilan während eines Chargenlaufs des Reaktors kontinuierlich gemessen wird.
  • Ausführungsform 17: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-16, wobei die Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung mit Wasserstoff vorgemischt wird.
  • Ausführungsform 18: Das Verfahren nach Ausführungsform 17, wobei die vorgemischte Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung 10-55 Mol% Wasserstoff enthält.
  • Ausführungsform 19: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-18, wobei die Variation von Charge zu Charge in der Abscheidungsrate von polykristallinem Silizium auf dem in der Abscheidungskammer gewachsenen Substrat geringer ist als die auf dem in einer Abscheidungskammer gewachsenen, in der die Variationen in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegenden Menge Dichlorsilan nicht berücksichtigt wurden.
  • Ausführungsform 20: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-19, wobei die Variation von Charge zu Charge im Reaktoreinheitsenergieverbrauch während des Wachstums von polykristallinem Silizium auf dem Substrat in der Abscheidungskammer geringer ist als der Reaktoreinheitsenergieverbrauch während des Wachstums von polykristallinem Silizium auf dem Substrat in einer Abscheidungskammer, in der die Variationen in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegenden Menge Dichlorsilan nicht berücksichtigt wurden.
  • Ausführungsform 21: Das Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1-20, wobei die Variation von Charge zu Charge bei der Umwandlung von Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung in polykristallines Silizium auf dem Substrat in der Abscheidungskammer geringer ist als die in einer Abscheidungskammer, in der die Variationen in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegenden Menge Dichlorsilan nicht berücksichtigt wurden.
  • Die Singularformen „ein“, „eine“, und „der“, „die“, „das“ schließen Pluralbezüge mit ein, es sei denn, der Kontext bestimmt dies eindeutig anderweitig. „Oder“ bedeutet „und/oder“. Der in Verbindung mit einer Quantität verwendete Modifikator „etwa“ ist inklusive des genannten Wertes und hat die durch den Kontext diktierte Bedeutung (z. B. schließt den mit der Messung der jeweiligen Quantität assoziierten Fehlergrad ein). Die Anmerkung „± 10 %“ bedeutet, dass die angegebene Messung einen Umfang, der zwischen minus 10 % und plus 10 % des genannten Wertes liegt, betragen kann. Die Endpunkte aller Wertebereiche, die für dieselbe Komponente oder Eigenschaft gelten, verstehen sich inklusive und unabhängig voneinander kombinierbar (z. B. Bereiche von „weniger oder gleich 25 Gew.-% oder 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%“ verstehen sich inklusive der Endpunkte und sämtlicher dazwischenliegender Werte der Bereiche von „5 Gew.-% bis 25 Gew.-%“ usw.). Die Offenbarung eines engeren Bereichs oder einer präziser gefassten Gruppe zusätzlich zu einem breiteren Bereich versteht sich nicht als Ausschluss des breiteren Bereichs oder der größeren Gruppe.
  • Die Suffixe „(e)“ und „(en)“ bezwecken die Einbeziehung sowohl des Singulars als auch des Plurals des Begriffs, den sie abwandeln, und schließen dadurch mindestens einen jenes Begriffs ein (z. B. der/die Farbstoff(e) enthalten mindestens einen der Farbstoffe). „Optional“ oder „gegebenenfalls“ bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der Umstand eintreten oder nicht eintreten kann, und dass die Beschreibung Fälle einbezieht, in denen das Ereignis eintritt, und Fälle, in denen es nicht eintritt. Soweit nicht anders definiert, haben hierin verwendete technische und wissenschaftliche Begriffe die gleiche Bedeutung, wie dies gewöhnlich durch einen Fachmann auf dem Gebiet, zu welchem diese Erfindung zählt, verstanden wird. Eine „Kombination“ versteht sich inklusive Mischungen, Gemengen, Reaktionsprodukten und dergleichen.
  • Alle angegebenen Patente, Patentanmeldungen und sonstige Bezüge sind hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit eingebunden. Sofern jedoch ein Begriff in der vorliegenden Anmeldung im Widerspruch zu einem Begriff in der einbezogenen Verweisung steht oder diesem entgegensteht, hat der Begriff der vorliegenden Anmeldung Vorrang vor dem entgegenstehenden Begriff aus der einbezogenen Verweisung.
  • Während typische Ausführungsformen zwecks Veranschaulichung dargelegt wurden, sollten die vorstehenden Beschreibungen hierin nicht als eine Einschränkung des Anwendungsbereichs erachtet werden. Dementsprechend können einem Fachmann verschiedene Abänderungen, Anpassungen und Alternativen in den Sinn kommen, ohne hierin vom Geist und Anwendungsbereich abzuweichen.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Verbessern des Wachstums von polykristallinem Silizium in einem Reaktor, umfassend: Einleiten einer Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung, umfassend Trichlorsilan und Dichlorsilan, in eine Abscheidungskammer, wobei die Abscheidungskammer ein Substrat enthält; Vermischen der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung mit Wasserstoffgas, um eine Zuführungszusammensetzung zu bilden; Anpassen eines Basislinienstroms von Chlorsilan und Wasserstoffgas in die Abscheidungskammer, um einen vorbestimmten Gesamtstrom und einen vorbestimmten Sollwert der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung zu erreichen; Anlegen von Druck an die Abscheidungskammer und von Energie an das Substrat in der Abscheidungskammer, um polykristallines Silizium zu bilden; Messen der Menge von in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegendem Dichlorsilan; Anpassen des Sollwerts der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung um eine zum Dichlorsilan-Versatzwert invers proportionale Menge, und Abscheiden des gebildeten polykristallinen Siliziums auf das Substrat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abscheiden des gebildeten polykristallinen Siliziums auf das Substrat durch ein Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung erreicht wird, ausgewählt aus chemischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck, chemischer Hochdruck-Gasphasenabscheidung, heißdrahtaktivierter chemischer Gasphasenabscheidung, hybrider physikalisch-chemischer Gasphasenabscheidung und thermischer beschleunigter chemischer Gasphasenabscheidung.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, wobei der Druck in der Abscheidungskammer größer als oder gleich 0,5 Pascal ist und wobei die Gastemperatur innerhalb der Abscheidungskammer niedriger als oder gleich 750 °C ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Substrattemperatur höher als oder gleich 900 °C ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, ferner umfassend das vorher Festlegen des Gesamtstroms und der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzungssollwerte als eine Funktion der Chargenlaufzeit.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der Gesamtstrom und die Chlorsilan-Zuführungszusammensetzungssollwerte ferner zum Aufrechterhalten einer Gastemperatur in der Abscheidungskammer unter einem vorher festgelegten Schwellenwert angepasst werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, ferner umfassend das Anpassen der an das Substrat angelegten Energiemenge als eine Funktion des Chlorsilan-Zuführungszusammensetzungstroms.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung 1 bis 15 Mol% Dichlorsilan enthält, vorzugsweise wobei die Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung 3 bis 10 Mol% Dichlorsilan enthält.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wobei die Menge an Chlorsilan-Zusammensetzungssollwertanpassung durch eine Proportionalitätskonstante bestimmt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Proportionalitätskonstante auf aus der Abscheidungskammer gesammelten historischen Daten basiert oder wobei die Proportionalitätskonstante auf experimentellen Läufen der Abscheidungskammer basiert.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, wobei die in der Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung vorliegende Menge Dichlorsilan während eines Chargenlaufs des Reaktors kontinuierlich gemessen wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, wobei die Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung mit Wasserstoff vorgemischt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die vorgemischte Chlorsilan-Zuführungszusammensetzung 10-55 Mol% Wasserstoff enthält.
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