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Siemens-Verfahren

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Beim Siemens-Verfahren wird gasförmiges Trichlorsilan (TCS) in einer CVD-Anordnung an beheizten Substraten bzw. Oberflächen (elektrisch geheizten Stäben) abgeschieden, wobei ultrareines Silicium heranwächst.[1] 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.[2][3]
Brocken polykristallines Silicium aus dem Siemens-Prozess.

Das Siemens-Verfahren ermöglicht die Herstellung von polykristallinem Silicium[4][5] von sehr hoher Reinheit, d. h. frei von Verunreinigungen.[6][3] Anschließend wird das gereinigte Metall für Kristallzuchtverfahren genutzt, um die Kristallstruktur einzustellen. Das Verfahren dient der Produktion von hochreinem Silicium[7] 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.[8][9]

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

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Ausgangsmaterial für das Siemens-Verfahren ist etwa 98%-reines metallisches Silicium (MG-Si)[10] aus der Siliciumherstellung.

Verfahren

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Das Siliciummetall (MG-Si) wird gemahlen und mit gasförmigen Chlorwasserstoff bei 300–350 °C in einem Fließbettreaktor (FBR)[1][11] zu Trichlorsilan (TCS) umgesetzt wird:

Als Nächstes wird das TCS mittels Destillation gereinigt.[3] 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).[12]

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.[13] Es benötigt etwa 70–120 kWh/kg Si.[11] Daher werden inzwischen andere Herstellungsmethoden wie das UMG-Verfahren (Upgraded Metallurgical Grade)[14] und das FBR-Verfahren (Fluidized Bed Reactor) erforscht, müssen aber für eine Produktion noch weiterentwickelt werden.[15] Es wird geschätzt, dass einzelne FBR-Systeme mit rund 10 kWh/kg Si arbeiten können.[11]

Produkte

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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

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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.[16][3] 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.[17] Wafer müssen frei von Gitterfehlern sein, da die halbleitertechnischen Technologieknoten immer aufwendiger werden.[18] 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

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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.[19] 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.[20] Entlang dieser Entwicklungen führte der Polysilicumhersteller Wacker Chemie im Jahr 2019 Abschreibungen im dreistelligen Millionenbereich durch.[21]

Literatur

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  • Siehe die Einzelnachweise, die Literaturangaben bei Wafer und
  • B. G. Gribov, K. V. Zinov’ev: Preparation of High-Purity Silicon for Solar Cells. In: Inorganic Materials. Band 39, Nr. 7, Juli 2003, S. 653–662, doi:10.1023/A:1024553420534 (englisch).
  • Flavio Francesco Villa: Silicon Properties and Crystal Growth. In: Benedetto Vigna, Paolo Ferrari, Flavio Francesco Villa, Ernesto Lasalandra, Sarah Zerbini (Hrsg.): Silicon Sensors and Actuators. Springer International Publishing, Cham 2022, ISBN 978-3-030-80134-2, S. 3–33, doi:10.1007/978-3-030-80135-9_1 (englisch).
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Einzelnachweise

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  1. 1 2 Silicon Wafer Production. In: MKS Instruments. 2026, abgerufen am 5. August 2026 (englisch).
  2. ↑ W.O. Filtvedt, A. Holt, P.A. Ramachandran, M.C. Melaaen: Chemical vapor deposition of silicon from silane: Review of growth mechanisms and modeling/scaleup of fluidized bed reactors. In: Solar Energy Materials and Solar Cells. Band 107, Dezember 2012, S. 188–200, doi:10.1016/j.solmat.2012.08.014 (englisch, elsevier.com [abgerufen am 4. August 2026]).
  3. 1 2 3 4 Qinghui Lv et al.: Advances in production and optimization of electronic-grade polysilicon: A review of modified Siemens and silane methods. In: Solar Energy Materials and Solar Cells. Band 283, Mai 2025, S. 113446, doi:10.1016/j.solmat.2025.113446 (englisch, elsevier.com [abgerufen am 4. August 2026]).
  4. ↑ W. R. Runyan: Silicon. In: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Wiley, 2001, ISBN 978-0-471-48494-3, doi:10.1002/0471238961.1621180518211425.a01.pub3 (englisch, wiley.com [abgerufen am 3. August 2026]).
  5. ↑ Ludwig Köster et al.: Silicon. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley, 2000, ISBN 978-3-527-30385-4, doi:10.1002/14356007.a23_721.pub2 (englisch, wiley.com [abgerufen am 3. August 2026]).
  6. ↑ 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]).
  7. ↑ César Ramírez-Márquez: Solar-Grade Silicon in the Energy Transition: A Strategic Commodity for the Global Photovoltaic Market. In: Commodities. Band 4, Nr. 3, 28. August 2025, ISSN 2813-2432, S. 18, doi:10.3390/commodities4030018 (englisch, mdpi.com [abgerufen am 3. August 2026]).
  8. ↑ 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).‌
  9. ↑ 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).‌
  10. ↑ Silicon metalloid | What is silicon? In: Elkem. 2026, abgerufen am 3. August 2026 (englisch).
  11. 1 2 3 Hamid Arastoopour, Dimitri Gidaspow, Robert W. Lyczkowski: Fluidized Bed Reactors for Solar-Grade Silicon and Silane Production. In: Transport Phenomena in Multiphase Systems. Springer International Publishing, Cham 2022, ISBN 978-3-030-68577-5, S. 197–206, doi:10.1007/978-3-030-68578-2_8 (englisch, springer.com [abgerufen am 5. August 2026]).
  12. ↑ Flavio Francesco Villa: Silicon Properties and Crystal Growth. In: Silicon Sensors and Actuators. Springer International Publishing, Cham 2022, ISBN 978-3-030-80134-2, S. 3–33, doi:10.1007/978-3-030-80135-9_1 (englisch, springer.com [abgerufen am 5. August 2026]).
  13. ↑ Haley Hoover, Robert Bell, Kerry Rippy: Emerging Technologies for Decarbonizing Silicon Production. In: Journal of Sustainable Metallurgy. Band 10, Nr. 4, Dezember 2024, ISSN 2199-3823, S. 1921–1932, doi:10.1007/s40831-024-00913-3 (englisch, springer.com [abgerufen am 4. August 2026]).
  14. ↑ Eduardo Forniés et al.: Mass Production Test of Solar Cells and Modules Made of 100% UMG Silicon. 20.76% Record Efficiency. In: Energies. Band 12, Nr. 8, 19. April 2019, ISSN 1996-1073, S. 1495, doi:10.3390/en12081495 (englisch, mdpi.com [abgerufen am 3. August 2026]).
  15. ↑ Photovoltaik: Große gewinnen. In: Photovoltaik. Gentner Energy Media GmbH, 30. Juni 2009, abgerufen am 4. August 2026.
  16. ↑ Polysilicon Production: Siemens Process | Bernreuter Research. In: Bernreuter Research. 2020, abgerufen am 4. August 2026.
  17. ↑ Fumio Shimura: Single-Crystal Silicon: Growth and Properties. In: Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials. Springer International Publishing, Cham 2017, ISBN 978-3-319-48931-5, S. 1–1, doi:10.1007/978-3-319-48933-9_13 (englisch).
  18. ↑ S. M. Sze, M. K. Lee: Semiconductor Devices: Physics and Technology. 3. Auflage. Wiley, New York, NY 2012, ISBN 978-0-470-53794-7 (englisch).
  19. ↑ How Did China Become The World's Dominant Polysilicon Producer? In: NPR. 6. Juli 2021 (englisch, npr.org [abgerufen am 10. August 2026]).
  20. ↑ Chinese PV Industry Brief: Daqo expands beyond polysilicon. In: pv magazine Global. 12. Juni 2026, abgerufen am 10. August 2026 (amerikanisches Englisch).
  21. ↑ Abschreibung auf Silizium-Fabriken reißt Wacker in rote Zahlen. In: Reuters. 5. Dezember 2019 (reuters.com [abgerufen am 10. August 2026]).
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