mini|Beim Siemens-Verfahren wird gasförmiges Trichlorsilan (TCS) in einer CVD-Anordnung an beheizten Substraten bzw. Oberflächen (elektrisch geheizten Stäben) abgeschieden, wobei ultrareines Silicium heranwächst. Anschließend wird das abgeschiedene Material entnommen und zerkleinert, sodass es als Ausgangsmaterial für nachgelagerte Prozessschritte, insbesondere für die Kristallzucht, genutzt werden kann. Daneben besteht ein alternatives Verfahren (Silan-Prozess) mit einem Fließbettreaktor (FBR) zur Herstellung von gereinigtem Silicium.mini|Brocken polykristallines Silicium aus dem Siemens-Prozess. Das Siemens-Verfahren ermöglicht die Herstellung von polykristallinem Silicium von sehr hoher Reinheit, d. h. frei von Verunreinigungen. Anschließend wird das gereinigte Metall für Kristallzuchtverfahren genutzt, um die Kristallstruktur einzustellen. Das Verfahren dient der Produktion von hochreinem Silicium für die anschließende Weiterverwendung (über Wafer) in der Solarindustrie zu Solarzellen und in der Halbleitertechnik zu Mikroelektronik.
Der Name leitet sich von der Firma Siemens her, die das Verfahren in den 1960er Jahren entwickelte.
Es handelt sich um ein physikalisch-chemisches Reinigungsverfahren für Silicium. Dieses Verfahren ist jedoch nicht mit dem eigentlichen Herstellungsprozess von metallischem Silicium gleichzusetzen. Letzteres ist bei einer Reinheit von etwa 99 % das Einsatzmaterial für den Siemens-Prozess, mit dem Verunreinigungen aus dem Metall entfernt werden.
Das Verfahren wurde bis heute weiterentwickelt und macht heute rund zwei Drittel der weltweiten Kapazitäten zur Produktion von hochreinem Silicium aus. Es wird von Siliciumherstellern angewendet. Metalle und Halbleitermaterialien werden auch mit dem Zonenschmelzverfahren (FZ) gereinigt, jedoch dominiert der Siemens-Prozess in der industriellen Produktion.
Rohstoffe Ausgangsmaterial für das Siemens-Verfahren ist etwa 98%-reines metallisches Silicium (MG-Si) aus der Siliciumherstellung.
Verfahren Das Siliciummetall (MG-Si) wird gemahlen und mit gasförmigen Chlorwasserstoff bei 300–350 °C in einem Fließbettreaktor (FBR) zu Trichlorsilan (TCS) umgesetzt wird:
Als Nächstes wird das TCS mittels Destillation gereinigt. Alle Einsatzstoffe müssen hochrein sein. In einem weiteren Prozessschritt wird aus TCS und Wasserstoff ultrareines, polykristallines Silicium in einem Glockgehäuse-Reaktor gewonnen bzw. abgeschieden:
Dieses gasförmige Silicium wird in einem chemischen Reaktor mittels chemische Gasphasenabscheidung (CVD) an beheizten Si-Stäben bei 1100 °C aufgefangen bzw. an diesen Stäben wächst das gereinigte Solar-Silicium (SG-Si) oder das (ultrareine) Halbleiter-Silicium (SG-Si), auch genannt Elektronisches-Silicium (EG-Si).
Der Chlorwasserstoff kann dem Kreislauf wieder zugeführt werden. Das entstehende Nebenprodukt Siliciumtetrachlorid SiCl4 (STC) kann entweder dem Kreislauf über TCS wieder zugesetzt oder verbrannt werden.
Ein Nachteil des Verfahrens ist der sehr hohe Energieverbrauch. Es benötigt etwa 70–120 kWh/kg Si. Daher werden inzwischen andere Herstellungsmethoden wie das UMG-Verfahren (Upgraded Metallurgical Grade) und das FBR-Verfahren (Fluidized Bed Reactor) erforscht, müssen aber für eine Produktion noch weiterentwickelt werden. Es wird geschätzt, dass einzelne FBR-Systeme mit rund 10 kWh/kg Si arbeiten können.
Produkte Mit dem Siemens-Verfahren wird somit ultrareines polykristallines Silicium für weitere Anwendungen in der Solartechnik, beispielsweise für Solarzellen, oder als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Wafern in der Halbleiterindustrie gewonnen. Das Siemens-Verfahren wird von spezialisierten Unternehmen, wie beispielsweise Wacker Chemie, beherrscht.
Reinstsilicium Halbleiter-Silicium (SG-Si) oder Elektronisches Silicium (EG-Si) ist ultrareines polykristallines Silicium (99,99999999 % bis 99,999999999 % bzw. 1−10−10 bis 1−10−11; anders gesagt: mit Verunreinigungen von 100 bis 10 ppt) aus dem modernen Siemens-Verfahren. Es dient als Einsatzmaterial in Kristallzuchtverfahren wie dem Zonenschmelzverfahren (FZ) oder dem Czochralski-Verfahren (CZ), die in der modernen Halbleitertechnik zur Herstellung von Mikroelektronik eingesetzt werden.
Beim CZ-Verfahren wird ein Einkristall (Ingot) als Grundlage für die Herstellung von Wafern gezogen. Wafer müssen frei von Gitterfehlern sein, da die halbleitertechnischen Technologieknoten immer aufwendiger werden. Ultrareine monokristalline Wafer werden von spezialisierten Unternehmen hergestellt, die über die entsprechende Kompetenz im Anlagenbau, der Prozessautomatisierung und in den Verfahren verfügen. Die Ausbeute ist eines der entscheidenden Kriterien bei der Herstellung von Mikroelektronik und hängt unmittelbar von der Qualität der Wafer und der Halbleiterverfahren ab.
Kontroversen Den Daten und Informationen der Solarindustrie zufolge ist die VR China heute der größte Polysilizium-Hersteller. Fachleute argumentieren, dass die Technologie des Siemens-Verfahrens ab Mitte der 2000er Jahren von Europa nach China verkauft wurde – sowohl als Wissen als auch in Form von Anlagen. Die hohen Subventionen im Land gehen mit der Gründung von Unternehmen wie Daqo New Energy (NYSE: DQ) einher, das damit signifikante nationale Kapazitäten aufgebaut hat und seit den 2020er Jahren auch in andere Absatzmärkte expandiert. Entlang dieser Entwicklungen führte der Polysilicumhersteller Wacker Chemie im Jahr 2019 Abschreibungen im dreistelligen Millionenbereich durch.
Literatur Siehe die Einzelnachweise, die Literaturangaben bei Wafer und
Weblinks
Einzelnachweise
Kategorie:Chemisch-technisches Verfahren Kategorie:Werner von Siemens als Namensgeber Kategorie:Silicium
en:Silicon#Siemens process and alternatives