專利名稱：制備高致密結構多晶硅的改進方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多晶硅的生產(chǎn)領域，特別是涉及一種高致密結構的多晶硅的制造方法
及用于實施該方法的多晶硅還原爐。
背景技術：
多晶硅是制造集成電路襯底、太陽能電池等產(chǎn)品的主要原料。多晶硅可以用于制 備單晶硅，其深加工產(chǎn)品被廣泛用于半導體工業(yè)中，作為人工智能、自動控制、信息處理、光
電轉換等器件的基礎材料。同時，由于能源危機和環(huán)境保護的要求，全球正在積極開發(fā)利用 可再生能源。太陽能是可再生能源中最引人關注的，因為其清潔、安全、資源豐富。利用太 陽能的一種方法是通過光電效應將太陽能轉化為電能。硅太陽能電池是最普遍采用的基于 光電壓效應的裝置。此外，由于半導體工業(yè)和太陽能電池的發(fā)展，對高純度多晶硅的需求正 不斷增加。 多晶硅按純度分類可以分為太陽能級和電子級。太陽能級和電子級的多晶硅可以 由冶金級多晶硅進行制備，通常其基本方法是將固態(tài)的冶金級硅轉化為在允許的溫度范圍 內存在的某種液態(tài)化合物，例如將冶金級硅轉化為氯硅烷，然后對其用高效精餾的方法進 行深度提純以除去其中的雜質，隨后用氫等還原劑將純化的氯硅烷還原為單質硅，其中單 質硅為多晶硅的形式。 三氯氫硅的氫還原法是德國西門子(Siemens)公司于1954年發(fā)明的，又稱西門子 法，是廣泛采用的高純度多晶硅的制備技術。其化學反應式為
Si+3HC1 — SiHCl3+H2 (1) 該反應除了生成用于生產(chǎn)高純度多晶硅的三氯氫硅外，還生成副產(chǎn)物如四氯化 硅、二氯氫硅(SiH2Cl2)等。上述反應的產(chǎn)物混合物經(jīng)過粗餾和精餾工藝，得到雜質含量極 低的高純三氯氫硅物流。然后，該高純三氯氫硅物流和高純氫在加熱的高純度多晶硅芯上 發(fā)生還原反應，通過化學氣相沉積，生成的新的高純度多晶硅沉積在硅芯上。其反應式為
2SiHCl3+H2 — Si+2HCl+SiCl4+H2 (2) 還原爐是上述西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝中的主要設備，其為豎向鐘形反應器(還 原爐)，通常包括外層殼體、內層殼體、底盤、硅芯棒、冷卻水循環(huán)裝置，以及設置在底盤處的 進氣口 、排氣口 。三氯氫硅/氫氣混合氣從設置在還原爐底盤處的進氣口引入還原爐，廢氣 從設置在還原爐底盤處的排氣口排出?，F(xiàn)有技術中的還原爐結構如圖l所示(參見中國專 利CN201105995Y)。但是，該還原爐結構存在一定缺陷，在硅棒初期沉積過程中，硅棒較細， 沉積所需要的氣體量較小。由于還原爐自身的結構，進氣是從底部，尾氣出口也在爐底部， 同時由于進氣口的結構，導致三氯氫硅/氫氣混合氣難以到達鐘形還原爐上部，從而在還 原爐頂部存在一個滯留區(qū)，并且氣體在還原爐內難以形成較好的均勻分布。在硅棒中期還 原沉積過程中，由于還原爐頂部存在滯留區(qū)，新進的原料氣不能到達鐘罩頂部的反應區(qū)，而 使頂部滯留氣不能進入循環(huán)系統(tǒng)，導致爐內頂部溫度高。并且隨著硅棒直徑的增加，還原所 需的原料也必須隨之不斷增加，這樣頂部原料反應氣量就尤顯不足。隨沉積反應的進行，硅棒直徑增大，湍流流動變差，沉積載體表面的邊界層效應增強，使硅棒生長不均勻，同時易 形成結構夾層，晶粒以疏松、粗糙的形態(tài)沉積，進而發(fā)展為節(jié)瘤，其中常夾雜有氣泡和雜質， 較難經(jīng)酸處理腐蝕除去，在拉制單晶熔料時，使熔融硅液面波動，甚至出現(xiàn)熔體硅的噴濺及 硅跳，嚴重時使拉晶難以進行下去。硅棒上端部位的多晶硅生長緩慢且疏松不致密，形成上 部粗而疏，下部密而實。對后繼腐蝕清洗、拉晶工序造成困難。 為解決上述問題，現(xiàn)有技術公開有采用增加混合氣體的壓力從而提高噴射速度的 方法來加以解決，但這種方法的缺點是當噴射速度增加較小時，物料分布不均勻，無法有 效消除邊界層效應；增加較大時，噴口處的過大阻力會造成壓降過大，對調節(jié)閥產(chǎn)生影響， 無法準確調節(jié)流量，使沉積均勻性下降，且噴射速度過大，會對橫梁處硅芯造成沖擊，影響 電流回路。此外，如中國專利CN201105992Y公開了利用調節(jié)閥門對各組噴口進行開關組合
來調節(jié)流量的方法，但這種裝置的不足之處是混合氣體的湍流流動提高程度有限，整個還
原爐的氣體分布仍不夠均勻，而且各種開關的組合容易使生產(chǎn)操作的工藝趨于復雜。 中國專利CN1417927A公開了利用伺服電機進行控制的可旋轉變截面積的噴嘴，
以滿足不同生長階段的工藝要求，但此種裝置的不足之處是設備投資增加，操作流程復雜，
并且由于采用了復雜的驅動和傳動結構，故障點增多，系統(tǒng)可靠性下降。 中國專利CN1982213A公開了帶有延長部的噴嘴，延長部與噴嘴的之間的夾角為
90度，延長部上等距離的分布有多個出氣口 。但此種裝置的不足之處是90度的夾角使混合
氣體的流速大幅降低，對混合氣體有效到達還原爐頂部的反應區(qū)有較大的負面作用。 因此，現(xiàn)有技術的多晶硅還原爐或者在還原爐的頂部設置進氣口 (參見中國專利
CN1884068A)，或者在還原爐的下部設置進氣口 ，但都沒有公開或者暗示可以通過在還原爐
上下同時設置進氣口來改變還原爐中進料氣體的湍流狀態(tài)，以此來改善多晶硅的微觀結構
和致密度，顯著提高多晶硅的結晶度。而本發(fā)明人正是認識到還原爐中氣體湍流狀態(tài)對多
晶硅質量的顯著影響，從而想到巧妙地對上述進氣口進行設置，出人意料地獲得了本發(fā)明
的效果。

發(fā)明內容
為此，本發(fā)明人正是注意到了還原爐內進料氣體的湍流狀態(tài)對多晶硅沉積和多晶
硅質量的顯著影響，進而對制備中的進料方法進行了深入研究，從而完成了本發(fā)明。 本發(fā)明的一個方面是提供一種制備多晶硅的方法，該方法是改進的西門子法，其
中，進料氣體分別通過還原爐上部和下部設置的進氣口供入還原爐中，形成供多晶硅沉積
的湍流分布。 優(yōu)選地，還原爐上部和下部分別設置至少一個進氣口 ，更優(yōu)選2-4個。 其中，最優(yōu)選還原爐上部設置2個進氣口 ，下部設置4個進氣口 。 進一步地，所述進料氣體分別通過還原爐上部和下部設置的進氣口同時供入；或
者從還原爐上部和下部設置的進氣口交替供入；或者是反應初期從上下兩處進氣口交替供
入原料氣，反應中后期同時供入原料氣以發(fā)生還原反應。 進一步地，所述進料氣體優(yōu)選為三氯氫硅和氫氣。 進一步地，三氯氫硅和氫氣通過上下均設置有進氣口供入還原爐內，氫氣與三氯氫硅的摩爾比為3-i7 : i。 優(yōu)選地，所述還原爐保持在900-1300。C溫度、0. 2-0. 6MPa壓力，優(yōu)選1000-1 IO(TC 溫度、0. 2-0. 4MPa壓力。 在本發(fā)明的一個優(yōu)選技術方案中，提供了一種制備多晶硅棒的方法，其包括
a)抽空還原爐內的空氣，以氮氣置換數(shù)次，啟動還原爐； b)通過外部加熱裝置將三氯氫硅汽化加熱，并與氫氣以1 : 3-17的比例混合均 勻； c)將三氯氫硅和氫氣混合的原料氣通過還原爐上部和下部設置的進氣口供入還 原爐反應器中，發(fā)生還原反應，其中還原爐保持在900-130(TC溫度、0. 2-0. 6MPa壓力，優(yōu)選 1000-1100。C溫度、0. 2-0. 4MPa壓力。 通過上述方法，能夠制備出大直徑、內部結構致密、表面光滑、呈暗灰色的多晶棒。
本發(fā)明的另一個方面是克服上述工藝設備中的不足，提供一種多晶硅還原爐，該 還原爐包括外層殼體、內層殼體、位于所述還原爐底部的底盤、硅芯、冷卻水循環(huán)裝置、設置 在底盤處的下部進氣口和下部排氣口等部件，其中，還原爐的頂部弧形部位處設置有至少 一個上部進氣口 ，優(yōu)選2-4個，更優(yōu)選2個。 其中，最優(yōu)選還原爐上部設置2個進氣口 ，下部進氣口有4個。 其中，還原爐內的硅芯上方設置有防護板，以安置上部進氣口 。 其中，所述下部和上部進氣口分別經(jīng)管道與進氣裝置連接，并在還原爐外設有可
獨立控制下部和上部進氣口進料氣體流量的調節(jié)閥。 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點同時使用本發(fā)明的方法和裝置，原料氣可 以平行、逆向地流動，有效地增強了原料氣的湍流流動，減少結構夾層的形成，使晶粒以致 密、均勻的形態(tài)沉積，而且無需增加噴射速度和噴射流量，還可以減少物料消耗，提高原料 氣的利用率，使產(chǎn)率增加。此外，使用本發(fā)明可有效增強進料氣的湍流流動，減小或消除邊 界層效應，使晶粒以致密、均勻的形態(tài)沉積，提高硅棒的結構質量，滿足大直徑硅棒生長的 需要，可得到大直徑、內部結構致密、表面光滑呈暗灰色的多晶硅棒。


圖1為現(xiàn)有技術中的還原爐結構示意圖。 圖中，1、外層殼體；2、內層殼體；3、硅芯；4、視鏡；5、底盤；8、下部進氣口 ；9、下部 排氣口 ；10、冷卻水進水管；11、冷卻水排水管。 圖2是本發(fā)明的還原爐結構示意圖，其中示出了還原爐外部的管道調節(jié)閥和進氣
裝置，并且在防護板處可以看到兩個上部進氣口 。 圖中1、外層殼體；2、內層殼體；3、硅芯；4、視鏡；5、底盤；6、石墨支撐件；7、防護 板；8、下部進氣口 ；9、下部排氣口 ；10、冷卻水進水管；11、冷卻水排水管；12、調節(jié)閥；13、 原料氣進氣裝置；14、管道；15、法蘭；16、同心異徑管；17、上部進氣口。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的進一步說明。 參見圖2，本發(fā)明的還原爐主要是在現(xiàn)有技術的還原爐(圖1)基礎上進行的改進，
5其中相同的部件采用了相同的附圖標記。本發(fā)明的還原爐包括外層殼體1、內層殼體2、硅 芯3、冷卻水循環(huán)裝置和底盤5。底盤5設置有下部進氣口 8和下部排氣口 9。冷卻水循環(huán) 裝置包括冷卻水進水管10和冷卻水排水管11。為實現(xiàn)本發(fā)明的目標，本發(fā)明采用的技術方 案是，除了設置下部進氣口8夕卜，還在還原爐的頂部設置了至少一個上部進氣口 17。這樣， 使得還原爐底盤5及頂部處都設有進氣口 (例如下部進氣口 8和上部進氣口 17)。
—個優(yōu)選的實施方式如圖2所示，其中在還原爐頂部弧形部位處設置有兩個上部 進氣口 17(可以設置2-4個)。為了便于安裝兩個上部進氣口 17，可以在還原爐頂部的硅 芯以上部位設置防護板7。從圖2中可以看到，在底盤5處的可設置四個下部進氣口 8以及 一個下部排氣口 9，該下部排氣口 9優(yōu)選設置在底盤中心處。上部進氣口 17和下部進氣口 8分別經(jīng)管道14與原料氣進氣裝置13連接，并在該管道14上設置有控制下部和上部進氣 口的流量的調節(jié)閥12。在還原爐的頂部和底盤兩處，同時或交替經(jīng)由上部進氣口 17和下部 進氣口 8進氣，原料氣平行逆向流動(見圖中箭頭所示)，使晶粒以致密、均勻的形態(tài)沉積， 生長出結構細密的多晶硅棒。 進一步地，為了減少物料消耗，提高原料氣的利用率，使產(chǎn)率增加，可以在反應初 期從上下兩處進氣口交替供入原料氣，反應中后期同時供入原料氣，從而降低物料成本。
本發(fā)明的多晶硅的制造方法通過使用上述多晶硅還原爐加以實施。其中，該方法 是改進的西門子法，進料氣體分別通過還原爐上部和下部設置的進氣口 (例如上部進氣口 17和下部進氣口8)供入還原爐中，形成供多晶硅沉積的湍流分布。所述進料氣體分別通 過還原爐上部和下部設置的進氣口同時供入；或者從還原爐上部和下部設置的進氣口交替 供入；或者是反應初期從上下兩處進氣口交替供入原料氣，反應中后期同時供入原料氣以 發(fā)生還原反應。通常，進料氣體為三氯氫硅和氫氣，氫氣與三氯氫硅的摩爾比為3-17 : 1。 典型地，還原爐保持在900-130(TC溫度、0. 2-0. 6MPa壓力。更優(yōu)選地，所述還原爐保持在 1000-1100。C溫度、0. 2-0. 4MPa壓力。 在本發(fā)明的一個優(yōu)選技術方案中，多晶硅棒的制造方法包括
a)抽空還原爐內的空氣，以氮氣置換數(shù)次，啟動還原爐； b)通過外部加熱裝置將三氯氫硅汽化加熱，并與氫氣以1 : 3-17的比例混合均 勻； c)將三氯氫硅和氫氣混合的原料氣通過還原爐上部和下部設置的進氣口供入還 原爐反應器中，發(fā)生還原反應，其中還原爐保持在900-130(TC溫度、0. 2-0. 6MPa壓力。
通過上述方法，能夠制備出大直徑、內部結構致密、表面光滑、呈暗灰色的多晶棒。
由還原反應的動力學我們可以知道，沉積過程基本是受擴散控制的。反應過程中 生成的HC1氣體會在灼熱沉積載體的表面形成氣體邊界層，如果原料氣在載體周圍某些部 位上的循環(huán)不足以消除該氣體邊界層(在圖l現(xiàn)有技術的還原爐中，多表現(xiàn)在硅棒上部)， 那么這些部位上往往易沉積出針狀或其他突起物，而這些突起物與其他部位相比更有利于 硅的沉積，加劇了沉積的進行，從而成為節(jié)瘤，相鄰近的節(jié)瘤聯(lián)結，使其中夾雜氣體或其他 雜質，并使硅棒表面粗糙、疏松，呈苞米花狀。 采取此發(fā)明，在不增加原料混合氣的條件下促進了還原爐內氣體循環(huán)，有效地消 除了氣體邊界層效應，當還原結束后取出產(chǎn)品時，從硅棒的橫斷面上觀察，是細密、均勻的 硅結晶，其中不會夾帶有疏松、粗糙的結晶層，或暗褐色的無定形硅夾層。在后繼拉制單晶硅的過程中，可大大減少或消除硅跳、噴濺現(xiàn)象，以及熔體表面浮渣的出現(xiàn)，使拉制過程平 穩(wěn)順利進行，提高單晶拉制的質量。 盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式
給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是， 我們可以依據(jù)本發(fā)明的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作 用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
一種制備多晶硅的方法，所述方法是改進的西門子法，其特征在于，進料氣體分別通過還原爐上部和下部設置的進氣口供入還原爐中，形成供多晶硅沉積的湍流分布。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述還原爐上部和下部分別設置至少一個進氣口。
3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述還原爐上部和下部分別設置2-4個進氣□。
4. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述還原爐上部設置2個進氣口 ，下部設置4個進氣口 。
5. 如權利要求l-4任一項所述的方法，其特征在于，所述進料氣體分別通過還原爐上部和下部設置的進氣口同時供入；或者從還原爐上部和下部設置的進氣口交替供入；或者是反應初期從上下兩處進氣口交替供入原料氣，反應中后期同時供入原料氣以發(fā)生還原反應。
6. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述進料氣體為三氯氫硅和氫氣。
7. 如權利要求6所述的方法，其特征在于，三氯氫硅和氫氣通過上下均設置有進氣口供入還原爐內，氫氣與三氯氫硅的摩爾比為3-17 : 1。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述還原爐保持在900-1300 °C溫度、0. 2-0. 6MPa壓力，優(yōu)選1000-1100。C溫度、0. 2-0. 4MPa壓力。
9. 如權利要求l-4任一項所述的方法，其特征在于，所述還原爐保持在900-130(TC溫度、0. 2-0. 6MPa壓力。
10. —種制備多晶硅棒的方法，其包括a) 抽空還原爐內的空氣，以氮氣置換數(shù)次，啟動還原爐；b) 通過外部加熱裝置將三氯氫硅汽化加熱，并與氫氣以1 : 3-17的比例混合均勻；c) 將三氯氫硅和氫氣混合的原料氣通過還原爐上部和下部設置的進氣口供入還原爐反應器中，發(fā)生還原反應，其中還原爐保持在900-130(TC溫度、0. 2-0. 6MPa壓力。
11. 一種多晶硅還原爐，所述還原爐包括外層殼體(1)、內層殼體(2)、位于所述還原爐底部的底盤(4)、硅芯(3)、冷卻水循環(huán)裝置、設置在底盤處的下部進氣口 (8)和下部排氣口(9)，其特征在于，還原爐的頂部弧形部位處設置有至少一個上部進氣口 (17)，優(yōu)選2-4個，更優(yōu)選2個。
12. 如權利要求11所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述還原爐上部設置2個進氣口，下部進氣口有4個。
13. 如權利要求11或12所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述還原爐內的硅芯上方設置有防護板，以安置上部進氣口 。
14. 如權利要求11或12所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述下部和上部進氣口分別經(jīng)管道(14)與進氣裝置連接，并在還原爐外設有能獨立控制下部和上部進氣口進料氣體流量的調節(jié)閥(12)。
全文摘要
一種制備高致密結構多晶硅的改進方法和裝置，該方法包括a)抽空還原爐內的空氣，以氮氣置換數(shù)次，啟動還原爐；b)通過外部加熱裝置將三氯氫硅汽化加熱，并與氫氣以摩爾比1∶3-17的比例混合均勻；c)將三氯氫硅和氫氣混合的原料氣加入反應器，可以是從上下兩處進氣口同時供入原料氣；也可以從上下兩處進氣口交替供入原料氣；還可以是反應初期從上下兩處進氣口交替供入原料氣，反應中后期同時供入原料氣，發(fā)生還原反應。該裝置在還原爐上下均設有進氣口。本發(fā)明可改善進料氣的湍流流動，減小或消除邊界層效應，減少結構夾層的形成，使還原生成的多晶硅以致密、均勻的形態(tài)沉積，提高多晶硅的生長質量，同時還可減少原料消耗，提高原料的轉化率，增加產(chǎn)率。
文檔編號C01B33/03GK101748482SQ200810184199
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權日2008年12月19日
發(fā)明者劉逸楓, 崔樹玉, 王燕, 蔣文武, 鐘真武, 陳其國 申請人:江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司