发明内容

该目的通过一种用于制备多晶硅的方法来实现，该方法包括将含有硅烷和/或至少一种卤代硅烷以及氢气的反应气体通入气相沉积反应器的反应空间中，其中该反应空间包括至少一个加热的支撑体，通过沉积将硅沉积在该加热的支撑体上以形成多晶硅。为了及早检测到灰尘沉积，使用至少一个测量装置确定沉积期间反应空间内部的浊度。

在灰尘沉积开始时，形成平均粒径约为100nm的颗粒。在高级灰尘沉积中，这些颗粒可以具有约10μm的平均粒径。灰尘沉积中的粒径通常在100nm至10μm的范围内。这些颗粒吸收并散射电磁辐射，尤其是在可见光和红外光范围内。电磁辐射的来源是加热的支撑体本身还是外部光源(即布置在反应空间外部的光源)是无关紧要的。原则上，反应空间内气体气氛中颗粒数量的增多以及伴随而来的穿透性电磁辐射的变化(例如，方向、散射、吸收、强度)使得能检测到浊度。

如下文更具体描述的测量装置能够及早检测到灰尘沉积。因此，可以采取针对性的措施(尤其是工艺参数的改变)来避免多晶硅污染和在工艺设备(例如，反应器内壁、过滤器、热交换器、管道)上形成涂层。原则上，这样的措施可以手动地或自动地实现。尤其可以基于浊度的(连续或不连续)确定来控制沉积。

气相沉积反应器优选地是西门子反应器。因此，加热的支撑体优选地是两个由硅制成的细棒，所属细棒经由由硅制成的桥连接来形成棒对，其中所述棒对的两个自由端连接到反应器底板上的电极。支撑体的加热通常是借助于电流通过来实现(焦耳加热)。由于沉积硅的缘故，支撑体的直径在沉积过程中增大。对于根据本发明的方法的执行，布置在反应空间中的硅棒/硅棒对的数量一般而言是无关紧要的。气相沉积反应器特别地是西门子反应器，如在引言中以及例如在EP 2 662 335 A1中所描述的。反应器中硅棒数量的典型示例是36个(18个棒对)、48个(24个棒对)、54个(27个棒对)、72个(36个棒对)，甚至是96个(48个棒对)。在沉积的任何时间点，硅棒都可以描述为近似圆柱形。这种近似通常与细棒是圆柱形还是例如正方形无关。

气相沉积反应器也可以是用于制备多晶硅粒料的流化床反应器，例如如在引言中所描述那样。因此，加热的支撑体可以是流化硅晶种颗粒或通过硅沉积而从中生长出的粒料颗粒。硅晶种颗粒/通过沉积从其形成的粒料颗粒具有约0.5至5mm的粒径，因而一般比灰尘沉积中形成的颗粒大得多，因此，甚至在流化床中或至少在流化床的边缘区域中也可能检测到浊度。在这种情况下，支撑体通常通过反应空间外部的加热装置进行加热。加热还可以通过引入反应空间中的加热器来实现。

在优选的实施方案中，用于确定反应空间中的浊度的测量装置包括散射辐射检测器和/或消光检测器。

除了散射辐射检测器和/或消光检测器之外，测量装置还可以包括至少一个电磁辐射的外部源，尤其是光源和/或激光器，其优选地布置在反应器外部，例如布置在观察镜的前面。术语“外部源”应理解为是指：不是只检测到从加热的支撑体发射的电磁辐射。因此，散射辐射检测器和/或消光检测器尤其检测源自外部源的电磁辐射，并且在测量路径之后，电磁辐射可以发生散射和衰减。此测量路径对应于外部源与检测器之间的距离。外部源优选地发射具有与硅的发射光谱的典型波长不同的多个或单个波长的辐射。这确保了(外部源的)测量辐射与加热的支撑体所发射的辐射之间的区别。

检测器优选地布置在反应器外部，例如布置在反应器壁中观察镜的前面。消光检测器始终位于外部源的对面，使得辐射是直接指向到检测器上。散射辐射检测器通常布置成与发射辐射成一定角度。也可以将多个散射辐射检测器布置成与辐射成角度。测量路径穿过反应空间，并且例如可以对应于反应空间的内径。测量装置优选地是散射辐射检测器和消光检测器的组合。图1示出了包括散射辐射检测器和消光检测器的测量装置的典型布置。

原则上，可以避免使用用来确定浊度的外部/附加电磁辐射源，因为加热的支撑体本身就是电磁辐射源(波长范围从约100到2000nm)。可以在沉积期间利用检测器检测该辐射，所述检测器原则上也适合用作消光或散射辐射传感器。在灰尘沉积期间，支撑体所发射的辐射通过吸收和散射而被衰减。因此，支撑体所发射的辐射的衰减使得能检测灰尘沉积。图2示出了没有外部电磁辐射源的测量装置的典型布置。

测量装置可以包括光学相机。测量装置尤其可以是光学相机。例如，光学相机可以包括具有下游成像过程的辐射传感器阵列。将浊度确定为由相机生成的图像的质量变化。替代地或附加地，还可以将浊度确定为用于建立最佳图像质量的操纵变量的变化。由于相机原则上也是电磁辐射的检测器，因此，也可以参考结合图2的说明。

例如，相机可以是黑白相机或彩色相机。相机优选地是数码相机。

例如，通过图像清晰度、分辨率、对比度、颜色分布和/或灰度的变化可以反映出相机所生成的图像的质量变化。优选地采用图像处理软件来对这样的变化加以评估。

在灰尘沉积过程中通常可观察到的是，反应器内部变得更模糊(hazier)和更暗(图像灰度化)。因此例如，硅棒支撑体的边缘和表面轮廓变得模糊不清。可以例如采用图像像素软件来检测并评估相机图像中的这种变化。

原则上，可以根据辐射强度为每个像素分配数值。通过将这些值与之前的值或正常值进行比较，可以得出与浊度有关的结论。例如，如果不存在浊度，那么硅棒边缘处的值梯度是陡峭的。在存在浊度的情况下，梯度变平，整体的值变化的幅度减小。在存在浊度的情况下，值一般会变小，因为入射到传感器上的辐射的强度会因为浊度的缘故而降低。

还可以在两次连续的图像记录之后确定灰度差。如果确定出的值超过了某个阈值，则可以采取措施。

用于建立最佳图像质量的操纵变量可以是例如曝光时间、f值和/或ISO值。例如，可以调节在相机中实现的自动控制系统，以生成反应器内部的最佳的可能图像。因此，根据入射辐射来调节曝光时间。一旦开始出现灰尘沉积以及随之而来的浊度，往往就需要更长的曝光时间。然后，可以在超过曝光时间的阈值时采取措施。

利用相机来确定浊度可能是特别有利的，尤其是在西门子法中，因为在任何情况下通常都使用黑白相机或热成像相机来确定硅棒的厚度和/或彼此之间的距离以及任选地硅棒温度。在此可以参考WO2019/110091A1。因此，浊度检测原则上不需要改造或安装新的测量装置。

在另一个实施方案中，测量装置包括温度传感器，其中浊度优选地确定为温度变化。测量装置尤其是温度传感器。

温度传感器优选地选自高温计(辐射温度计)、热成像相机、热电偶及其组合。

在气相沉积反应器的情况下，尤其是在西门子反应器的情况下，通常将反应空间中的温度作为标准进行监测。例如，在西门子法中，支撑体(硅棒)的温度用高温计或热成像相机测量，并在沉积过程中用作重要的响应变量。

高温计和热成像相机包括检测器，该检测器测量由支撑体以及任选地其环境发射的电磁辐射。同样如图2所示，通常是从反应器外部进行测量。灰尘沉积和随之而来的浊度的出现充当的是温度测量的破坏性变量。到达检测器的辐射发生衰减，因此，预期的测量温度值是错误的过低读数。由于控制工程数学关系的缘故，就闭环控制电路的许多参数而言，此错误读数一般都可能会持续存在。因此，这些派生参数以及它们与正常值的偏差也可以用来检测灰尘沉积。

流化床反应器的反应区中的硅颗粒(支撑体)的平均温度可以例如用如EP 0 896952 A1中所述的红外高温计来测量。

特别地，测量装置可以是光学相机和温度传感器的组合。测量装置可以包括例如用于观察反应空间的黑白相机以及用于确定支撑体温度的高温计或热成像相机。

优选地在至少两个不同的测量点处确定浊度。例如，这可以通过在反应器的不同位置处使用测量装置来实现。例如，在流化床反应器的情况下，一个相机可以朝向流化床上方的反应空间的区域，一个相机朝向流化床下方的区域。同样地，在西门子反应器的情况下，可以使用热成像相机测量不同硅棒上的棒温度。由于颗粒在灰尘沉积期间原则上是均匀地分布在反应空间中，因此，对反应空间中不同位置的浊度的确定不是严格必需的。

浊度可以在整个沉积期间连续地确定，或者也可以在沉积过程中的各个时间不连续地确定，优选地是按照相同的时间间隔来确定。浊度的确定优选地是连续进行，以便能允许快速干预以及特别精确的控制沉积。

通常可以将浊度作为入射到传感器上的电磁辐射的变化进行检测的其他传感器包括：半导体传感器，例如，CCD(电荷耦合器件)传感器和CMOS传感器(有源像素传感器))，以及光阻(光敏电阻)。

优选地在超过浊度阈值时中断或终止沉积。例如，当因为特别严重的灰尘沉积而预计会出现无法通过措施来去除的高杂质水平时，可以考虑终止。

然而，优选的是，根据测得的浊度来控制沉积。这尤其是通过改变沉积的典型参数来实现。

优选的是，当超过或低于浊度阈值时，改变选自反应器压力、支撑体温度、体积流量(流速)和反应气体组成的至少一个工艺参数。

例如，经由闭环控制电路将热量输入到支撑体中，可以改变支撑体温度。热量的输入因而可以通过电流来实现，该电流被引入到支撑体中并且经由电极以接触的方式或者经由电磁感应以非接触的方式转换成热能。还可以经由电磁辐射(尤其是借助于散热器)将热量输入在相当大的程度上非接触地引入到支撑体中。通常情况下，通过使用布置在能量转换器上游的电流或频率逆变器并且常常还使用整流变压器来实现上述能量转换器的输出改变。

对反应气体或反应气体各个组分的体积流量的控制可以例如经由流量测量装置的闭环控制回路、控制器以及反应器进料导管中的控制阀来实现。例如，根据DIN EN 1343，通常在反应气体进入反应器之前测量体积流量。

反应气体的组成可以例如经由反应气体的其他组分(例如，TCS、H₂)到反应器的流量控制回路来加以改变。

反应器压力可以例如经由压力测量装置的闭环控制回路、控制器以及安装在反应器废气道中的控制阀来改变。

通常在过程控制站处总是显示并且任选地绘制所述参数。

优选地对沉积进行控制，使得浊度在沉积期间基本上是恒定的，特别地基本上是等于零，或者至少呈现为接近零的值。原则上希望没有发生因为灰尘沉积而引起的浊度。但是，是否可以为了降低运行成本而在一定程度上容忍灰尘沉积可能取决于将要沉积的多晶硅的质量要求。

术语“基本上”尤其应被理解为是指可能出现相对于目标值的暂时性小偏差。出现这种情况的原因可以例如包括：布置在反应器上游和下游的加工单元中的响应性变量变化、反应器本身的响应性变量变化、反应气体中不期望的硅烷组分比例的增加。

测量装置优选地联接到过程控制站。对沉积的控制还可以在闭环控制回路中自动地进行。

本发明的另一方面涉及一种用于执行根据本发明的方法的气相沉积反应器，该气相沉积反应器包括用于在沉积期间确定反应空间内的浊度的测量装置。该测量装置包括具有至少一个外部电磁辐射源的散射辐射检测器和/或消光检测器。在穿过反应空间的测量路径之后，使用检测器来确定由该源发出的辐射的相互作用。

气相沉积反应器优选地是西门子反应器或流化床反应器。

关于反应器的其他实施方案，可以参考上述说明和实施例。