SMART-MT Trace-Feuchtigkeitsanalysator zur Messung und Bestimmung des Gehalts an Chlor und Chlorwasserstoff in Polysilizium und monokristallinem Silizium
1. Übersicht
1.1 Einleitung
Polykristallines Silizium ist eine Form von monolithischem Silizium. Wenn geschmolzenes monolithisches Silizium unter Unterkühlungsbedingungen erstarrt, ordnen sich die Siliziumatome in einem Diamantgittermuster zu zahlreichen Keimen an; wachsen diese Keime zu Körnern mit unterschiedlichen kristallographischen Orientierungen heran, verbinden sich die Körner und kristallisieren zu polykristallinem Silizium.
1.2 Anwendung
Weit verbreitet bei der Herstellung von Halbleiterradios, Tonbandgeräten, Kühlschränken, Farbfernsehern, Videorekordern, elektronischen Computern und anderen Grundmaterialien. In den letzten Jahren wurde Polysilizium in großen Mengen für die Solarenergienutzung eingesetzt und spielt dabei als monokristallines Silizium eine wichtige Rolle. Damit die Solarstromerzeugung in der Praxis einen großen Markt erobert und von der Mehrheit der Verbraucher akzeptiert wird, ist es jedoch notwendig, den photoelektrischen Wirkungsgrad von Solarzellen zu verbessern und die Produktionskosten zu senken.
2. Herstellungsverfahren für Polysilizium
Derzeit sind die wichtigsten traditionellen Verfahren zur internationalen Polysiliziumherstellung das modifizierte Siemens-Verfahren und das Silan-Pyrolyseverfahren.
2.1 Modifiziertes Siemens-Verfahren
Auf der Grundlage des Siemens-Verfahrens wird ein geschlossener Kreislauf realisiert, indem ein Trockenrückgewinnungssystem für das Reduktionsabgas und ein SiCl₄-Hydrierungsverfahren hinzugefügt werden, wodurch das modifizierte Siemens-Verfahren entsteht – ein geschlossener SiHCl₃-Wasserstoffreduktionsprozess. Der Produktionsprozess nach dem modifizierten Siemens-Verfahren besteht darin, HCl (oder zugekauftes HCl) unter Verwendung von Chlor und Wasserstoff zu synthetisieren, HCl und industrielles Siliziumpulver bei einer bestimmten Temperatur zur Synthese von SiHCl₃ zu verwenden, anschließend SiHCl₃ durch Destillation abzutrennen und zu reinigen und das gereinigte SiHCl₃ einer chemischen Gasphasenabscheidung im Wasserstoffreduktionsofen zu unterziehen, um hochreines Polysilizium zu erhalten.
Quarzsand wird in einem Lichtbogenofen geschmolzen und zu 98 % gereinigt, um industrielles Silizium herzustellen:
SiO2+C→Si+CO2↑
Industriesilizium wird zerkleinert und in einem Wirbelschichtreaktor mit wasserfreiem Chlorwasserstoff (HCl) zur Reaktion gebracht, um Siliziumtrichlorid (SiHCl₃) zu erzeugen, das anschließend gelöst wird: Si+HCl→SiHCl3+H2↑
Das gereinigte Siliziumtrichlorid wird in einem Hochtemperatur-Reduktionsverfahren abgeschieden, um durch die Reduktion von hochreinem SiHCl₃ in einer H₂-Atmosphäre Polysilizium herzustellen: SiHCl3+H2→Si+HCl.
2.1.1 Vorteile der modifizierten Siemens-Methode
1) Energieeinsparung:
Da bei der modifizierten Siemens-Methode mehrere Stabpaare und ein Reduktionsofen mit großem Durchmesser zum Einsatz kommen, lässt sich der Stromverbrauch des Reduktionsofens wirksam senken.
2) Reduzierung des Materialverbrauchs: Das modifizierte Siemens-Verfahren ermöglicht eine effektive Rückgewinnung des Reduktionsabgases.
Es handelt sich um das Gasgemisch, das nach der Reaktion aus dem Reduktionsofen austritt. Beim modifizierten Siemens-Verfahren werden alle verschiedenen Bestandteile des Abgases wiederverwertet, wodurch der Rohstoffverbrauch erheblich gesenkt werden kann.
3) Verringerung der Umweltverschmutzung:
Da es sich bei dem modifizierten Siemens-Verfahren um ein geschlossenes Kreislaufsystem handelt, werden die verschiedenen Materialien bei der Polysiliziumherstellung vollständig verwertet, und es fallen nur sehr geringe Abfallmengen an, wodurch im Vergleich zum herkömmlichen Siemens-Verfahren die Umweltbelastung begrenzt und die Umwelt geschützt wird.
2.2 Verfahren zur Pyrolyse von Silanen
Silan wird durch Hydrierung von Siliziumtetrachlorid, durch Zersetzung von Siliziumlegierungen, durch Hydridreduktion sowie durch direkte Hydrierung von Silizium hergestellt. Das gewonnene Silangas wird anschließend gereinigt und in einem Pyrolyseofen verarbeitet, um hochreines Polysilizium in Stabform herzustellen.
2.2.1 Vorteile des Silanverfahrens:
1) Der Gesamtenergieverbrauch pro Kilogramm Polysilizium liegt um mehr als ein Drittel unter dem des Siemens-Verfahrens.
2) Die Nebenprodukte des auf Silan basierenden Verfahrens stellen keine nennenswerten Umweltgefahren dar und es handelt sich um umweltfreundliche Polysilizium-Verfahren.
3) Geringere Produktionskosten als beim Siemens-Verfahren, was einen Kostenvorteil bietet
4) Da Silangas nicht korrosiv ist, während Trichlorsilicium stark korrosiv wirkt, erfordert das Silanverfahren weniger Prozessrohrleitungen und Anlagen als das Siemens-Verfahren, und die Gesamtinvestition in die Produktionsanlage ist geringer als beim Siemens-Verfahren.
5) Da das Silanverfahren einfacher ist als das Siemens-Verfahren, benötigt das Silizium-Brennverfahren weniger Platz als das Siemens-Verfahren und ist ein flächenintensives Polysilizium-Verfahren.
6) Das bei der Silan-Methode hergestellte Polysilizium-Siliziumpulver kann für Polysilizium-Waferprodukte im Gussverfahren verwendet werden, wodurch das Problem der Verwertung von Siliziumpulver gelöst wird.
7) Silan ist nicht korrosiv, weist eine niedrige thermische Zersetzungstemperatur und eine hohe Zersetzungsrate auf, sodass die Reinheit und die Ausbeute des auf diese Weise gewonnenen Polysiliziums hoch sind.
2.2.2 Nachteile des Silan-Pyrolyseverfahrens
Silangas ist ein brennbares und explosives Gas, das eine hohe Gasdichtheit des Systems erfordert, weshalb hohe Anforderungen an die bauliche Ausführung des Systems gestellt werden; darüber hinaus muss auf der Grundlage einer hervorragenden technischen Ausstattung auch das Sicherheitsmanagement im Produktionsbereich verstärkt werden, und es ist eine strenge Überwachung erforderlich, um Unfälle wie Brände und Explosionen zu vermeiden, die durch das Austreten von Silangas verursacht werden.
3. Gründe, warum Leckagen in der Systemleitung bei der Polysiliziumherstellung schwer zu vermeiden sind
3.1 Bei der modifizierten Siemens-Methode muss Cl₂ zur Erzeugung von HCl-Gas verwendet werden. Cl₂ und HCl-Gas sind korrosive Gase, die sich leicht in Wasser lösen und dabei die starke Säure HCl bilden. Nach längerer Zeit kann es leicht zu Korrosion an den Rohrleitungen kommen.
3.2 Bei der thermischen Zersetzung von Silan entsteht ebenfalls HCl-Gas, das nach der Auflösung in Wasser ebenfalls die Rohrleitung angreift.
4. Zu bewältigende Schwierigkeiten
Im Prozess werden Cl₂ und HCl getrocknet, und bei dem getrockneten Gas muss der Spurenfeuchtegehalt von weniger als 100 ppm überwacht werden, um sicherzustellen, dass das Gas trocken ist, und um Korrosion an den Rohrleitungen zu verhindern, wenn sich das Gas in Wasser löst.
5. Merkmale des SMART-MT-Spurenfeuchtigkeitsanalysators
Hohe Messgenauigkeit, stabiler Betrieb, lange Lebensdauer, moderater Preis und geringe Wartungskosten. Der Keramiksensor ist beständig gegen HF- und SO₂-Korrosion und zeichnet sich durch niedrige Betriebskosten aus (keine Kalibrierung erforderlich, regelmäßige Regeneration der Sondenbeschichtung mit 40-prozentiger Phosphorsäure).