Siemens-Verfahren

Datei:Silicon purification processes.svg

Beim Siemens-Verfahren wird gasförmiges Trichlorsilan (TCS) in einer CVD-Anordnung an beheizten Substraten bzw. Oberflächen (elektrisch geheizten Stäben) abgeschieden, wobei ultrareines Silicium heranwächst.<ref name=":2">Silicon Wafer Production. In: MKS Instruments. 2026, abgerufen am 5. August 2026 (). </ref> 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.<ref></ref><ref name=":0" />

Datei:Polykristalines Silizium.jpg

Brocken polykristallines Silicium aus dem Siemens-Prozess.

Das Siemens-Verfahren ermöglicht die Herstellung von polykristallinem Silicium<ref></ref><ref></ref> von sehr hoher Reinheit, d. h. frei von Verunreinigungen.<ref>Erhard Sirtl, Konrad Reuschel: Über die Reduktion von Chlorsilanen mit Wasserstoff. In: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. Band 332, Nr. 3-4, Oktober 1964, ISSN 0044-2313, S. 113–123, doi:10.1002/zaac.19643320302 (wiley.com [abgerufen am 4. August 2026]). </ref><ref name=":0"></ref> Anschließend wird das gereinigte Metall für Kristallzuchtverfahren genutzt, um die Kristallstruktur einzustellen. Das Verfahren dient der Produktion von hochreinem Silicium<ref></ref> 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.<ref>Patent US3011877A: Production of high-purity semiconductor materials for electrical purposes. Angemeldet am 11. Juni 1957, veröffentlicht am 5. Dezember 1961, Anmelder: Siemens AG, Erfinder: Hans Schweickert, Konrad Reuschel, Heinrich Gutsche (Siemens process 1/2).‌</ref><ref>Patent US3042494A: Method for producing highest-purity silicon for electric semiconductor devices. Angemeldet am 23. Mai 1958, veröffentlicht am 3. Juli 1962, Anmelder: Heinrich Gutsche, Erfinder: Siemens AG (Siemens process 2/2).‌</ref>

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)<ref name=":1">Silicon metalloid | What is silicon? In: Elkem. 2026, abgerufen am 3. August 2026 (). </ref> aus der Siliciumherstellung.

Verfahren

Das Siliciummetall (MG-Si) wird gemahlen und mit gasförmigen Chlorwasserstoff bei 300–350 °C in einem Fließbettreaktor (FBR)<ref name=":2" /><ref name=":4"></ref> zu Trichlorsilan (TCS) umgesetzt wird:

<math>\mathrm{Si_{MG} + 3 \ HCl \longrightarrow H_2 + HSiCl_3}</math>

Als Nächstes wird das TCS mittels Destillation gereinigt.<ref name=":0" /> Alle Einsatzstoffe müssen hochrein sein. In einem weiteren Prozessschritt wird aus TCS und Wasserstoff ultrareines, polykristallines Silicium in einem Glockgehäuse-Reaktor gewonnen bzw. abgeschieden:

<math>\mathrm{ \ HSiCl_3 + \ H_2 \longrightarrow \ Si_{SG} + 3 \ HCl}</math>

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).<ref></ref>

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.<ref name=":3"></ref> Es benötigt etwa 70–120 kWh/kg Si.<ref name=":4" /> Daher werden inzwischen andere Herstellungsmethoden wie das UMG-Verfahren (Upgraded Metallurgical Grade)<ref></ref> und das FBR-Verfahren (Fluidized Bed Reactor) erforscht, müssen aber für eine Produktion noch weiterentwickelt werden.<ref>Photovoltaik: Große gewinnen. In: Photovoltaik. Gentner Energy Media GmbH, 30. Juni 2009, abgerufen am 4. August 2026. </ref> Es wird geschätzt, dass einzelne FBR-Systeme mit rund 10 kWh/kg Si arbeiten können.<ref name=":4" />

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.<ref>Polysilicon Production: Siemens Process | Bernreuter Research. In: Bernreuter Research. 2020, abgerufen am 4. August 2026. </ref><ref name=":0" /> 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.<ref></ref> Wafer müssen frei von Gitterfehlern sein, da die halbleitertechnischen Technologieknoten immer aufwendiger werden.<ref></ref> 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.<ref></ref> 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.<ref>Chinese PV Industry Brief: Daqo expands beyond polysilicon. In: pv magazine Global. 12. Juni 2026, abgerufen am 10. August 2026 (). </ref> Entlang dieser Entwicklungen führte der Polysilicumhersteller Wacker Chemie im Jahr 2019 Abschreibungen im dreistelligen Millionenbereich durch.<ref>Abschreibung auf Silizium-Fabriken reißt Wacker in rote Zahlen. In: Reuters. 5. Dezember 2019 (reuters.com [abgerufen am 10. August 2026]). </ref>

Literatur

• Siehe die Einzelnachweise, die Literaturangaben bei Wafer und

Weblinks

Wikibooks: Siliciumverarbeitung: Reinigungsverfahren – Lern- und Lehrmaterialien

Einzelnachweise

<references />