專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多晶硅還原生產(chǎn)新工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多晶硅生產(chǎn)技術(shù)，特別是一種多晶硅還原生產(chǎn)新工藝。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)內(nèi)多晶硅廠絕大多數(shù)采用改良西門(mén)子法來(lái)制造棒狀多晶娃，即在鐘罩爐 內(nèi)，在一定溫度、壓力下，在三氯氫硅氫和氫氣，通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD )法，高溫還原三氯 氫硅來(lái)制備棒狀多晶硅。由于該還原反應(yīng)有很多副反應(yīng)發(fā)生，可能的主要反應(yīng)如下
SiHCl3 + H2 = Si + 3HC1 (1050_1100°C ) 4SiHCl3 = Si + 2H2 丨+ 3SiCl4 (熱分解) 2SiHCl3 = Si + 2HC1 丨 + SiCl4 (熱分解) SiHCl3 = SiH2Cl2 + HCl 丨(900_1000°C ) Si + 2HC1 N SiH2Cl2( > 1200°C或低溫腐蝕) SiHCl3 = SiH2Cl2 + SiCl4 ( Si + SiC14 N SiCl2) SiCl4 + 2H2 = Si + 4HC1 (高溫下) Si + 4HC1 = 2Η2 + SiCl4 (腐蝕) Si + 3HC1 = H2 + HSiCl3 (腐蝕)
主反應(yīng)為還原反應(yīng)(1)和熱分解反應(yīng)(2) (3)，其余為副反應(yīng)，因此如果溫度、壓力、原 料配比控制不當(dāng)將會(huì)降低反應(yīng)的選擇性，使三氯氫硅的有效轉(zhuǎn)化率下降，四氯化硅產(chǎn)生較 多，并使成品硅棒外觀質(zhì)量較差。根據(jù)主反應(yīng)(1)可知每生產(chǎn)1噸多晶硅無(wú)四氯化硅產(chǎn)生，而從(2) (3)可以看出生 產(chǎn)1噸多晶硅同時(shí)副產(chǎn)四氯化硅分別為18噸和6噸。而且，由于工藝當(dāng)然鐘罩爐內(nèi)各種反 應(yīng)是同時(shí)發(fā)生的，并可能可逆的，因此，工業(yè)生產(chǎn)中，為保證反應(yīng)速率，副產(chǎn)四氯化硅是不可 避免的。從主反應(yīng)(1) (2) (3)可以看出，增加氫氣的含量，有利于反應(yīng)(1)發(fā)生，但是若 氫氣含量過(guò)高則單位體積內(nèi)三氯氫硅含量下降而使硅沉積速率下降；增加溫度反應(yīng)速率加 快，但是超過(guò)一定的溫度反而生長(zhǎng)速度減慢，副反應(yīng)增加，且由于局部溫度過(guò)高，則造成還 原爐內(nèi)溫場(chǎng)不均勻，不利于反應(yīng)進(jìn)行。目前，國(guó)內(nèi)各廠每生產(chǎn)1噸多晶硅就有副產(chǎn)1壙20噸四氯化硅，并且三氯氫硅的單 程轉(zhuǎn)化率較低，約13 15%。這些數(shù)字表明，反應(yīng)(2)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，這不僅造成原料三氯氫硅 的低效利用，增加了能耗，而且為后期四氯化硅的處理(即使采用氫化)帶來(lái)了負(fù)擔(dān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種通過(guò)優(yōu)化還原內(nèi)的 反應(yīng)條件，提高原料三氯氫硅的利用率及單程轉(zhuǎn)化率，減少副產(chǎn)物，降低多晶硅綜合成本的 多晶硅還原生產(chǎn)新工藝。本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一種多晶硅還原生產(chǎn)新工藝，其特點(diǎn)是整個(gè)過(guò)程保持還原爐內(nèi)壓力為0. Γ0. 6Mpa ；
①啟動(dòng)還原爐后，通過(guò)調(diào)節(jié)電流大小控制硅芯表面溫度在1100°C 1250°C之間，將物 質(zhì)的量比為2、的H2/HSiCl3混合氣以總初始爐內(nèi)流速為0. 005、. 01m/s在爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)， 通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥提高H2MSiCl3的比例為6 8，提升幅度為0. Ι/h，并以0. 00Γ0. 002m/s/h 加速度均勻增加爐內(nèi)流速至0. 06 0. 08m/s后，保持反應(yīng)l(T20h。②當(dāng)硅棒直徑在5(T70mm時(shí)，電流增加停止，此時(shí)保持總流速不變，使硅芯表面溫 度降至105(Γ1100 ，此過(guò)程為5 10h，然后保持此溫度范圍繼續(xù)反應(yīng)5 10h。③恢復(fù)增加電流，保持硅芯表面溫度為108(Tll0(TC，同時(shí)以0. Γ0. 2/h的速度 提高H2/HSiCl3的比例至纊10，總爐內(nèi)流速以0. 003、. 005m/s/h的加速度增加流速至 0. 15 0. 16m/s，此過(guò)程時(shí)間為l(T20h，然后維持3 5小時(shí)。④當(dāng)硅棒直徑為IOiTllOmm左右時(shí)，停止增加電流，同時(shí)以0. Ι/h的速度提高H2/ HSiCl3的比例，并將爐內(nèi)總氣體流速以0. 00r0. 005m/s/h的加速度增加至0. 2^0. 3m/s,當(dāng) 溫度降至100(Tl05(rC時(shí)，保持流速不變，恢復(fù)增加電流，維持在此溫度下使H2/HSiCl3的比 例達(dá)到1(Γ12，之后保持反應(yīng)1(Γ15小時(shí)。⑤當(dāng)硅棒直徑達(dá)到12(Tl30mm時(shí)，以0. 2 0. 3/h的速度將H2/HSiCl3的比例 提高到12 14，同時(shí)以0. 003、. 004m/s/h的加速度增加總流速，此過(guò)程保持反應(yīng)溫度在 100(Γ1050 之間直至停爐。在本發(fā)明中，初期，由于硅芯的總表面較小，通過(guò)提高溫度增加沉積速率使硅棒快 速長(zhǎng)大，由于爐內(nèi)總流速小，即使是采用較低的氫氣含量，副反應(yīng)發(fā)生率也相對(duì)較低；反應(yīng) 中期，隨著硅棒的不斷長(zhǎng)大，總表面積變大，通過(guò)降低溫度、提高氫氣的含量抑制熱解反應(yīng) 以及副反應(yīng)等發(fā)生，并通過(guò)增加總流速提高反應(yīng)速率；反應(yīng)后期，進(jìn)一步提高氫氣含量和流 速，保持溫度，抑制因活性面積增大帶來(lái)的激烈副反應(yīng)。因此，保持H2MSiCl3的比例隨著硅 棒的生長(zhǎng)及總流速的增加平穩(wěn)增加，不僅有利于促進(jìn)三氯氫硅的有效轉(zhuǎn)化，也有利于硅棒 的較好生長(zhǎng)；同時(shí)，隨著硅棒的增長(zhǎng)而使反應(yīng)溫度緩慢減少直至穩(wěn)定在i00(Ti05(rc，對(duì)抑 制反應(yīng)熱解進(jìn)行，使主還原反應(yīng)更好地進(jìn)行效果明顯。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過(guò)優(yōu)化還 原內(nèi)的反應(yīng)條件，提高原料三氯氫硅的利用率及單程轉(zhuǎn)化率，減少副產(chǎn)物，降低了多晶硅綜 合成本。
具體實(shí)施例方式一種多晶硅還原生產(chǎn)新工藝，整個(gè)過(guò)程保持還原爐內(nèi)壓力為0. Γ0. 6Mpa ；
①啟動(dòng)還原爐后，通過(guò)調(diào)節(jié)電流大小控制硅芯表面溫度在1100°c 1250°C之間，將物 質(zhì)的量比為2、的H2/HSiCl3混合氣以總初始爐內(nèi)流速為0. 005、. 01m/s在爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)， 通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥提高H2MSiCl3的比例為6 8，提升幅度為0. Ι/h，并以0. 00Γ0. 002m/s/h 加速度均勻增加爐內(nèi)流速至0. 06 0. 08m/s后，保持反應(yīng)l(T20h。②當(dāng)硅棒直徑在5(T70mm時(shí)，電流增加停止，此時(shí)保持總流速不變，使硅芯表面溫 度降至105(Γ1100 ，此過(guò)程為5 10h，然后保持此溫度范圍繼續(xù)反應(yīng)5 10h。③恢復(fù)增加電流，保持硅芯表面溫度為108(Tll0(TC，同時(shí)以0. Γ0. 2/h的速度 提高H2/HSiCl3的比例至纊10，總爐內(nèi)流速以0. 003、. 005m/s/h的加速度增加流速至 0. 15 0. 16m/s，此過(guò)程時(shí)間為l(T20h，然后維持3 5小時(shí)。
④當(dāng)硅棒直徑為IOiTllOmm左右時(shí)，停止增加電流，同時(shí)以0. Ι/h的速度提高H2/ HSiCl3的比例，并將爐內(nèi)總氣體流速以0. 00r0. 005m/s/h的加速度增加至0. 2^0. 3m/s,當(dāng) 溫度降至100(Tl05(rC時(shí)，保持流速不變，恢復(fù)增加電流，維持在此溫度下使H2/HSiCl3的比 例達(dá)到1(Γ12，之后保持反應(yīng)1(Γ15小時(shí)。⑤當(dāng)硅棒直徑達(dá)到12(Tl30mm時(shí)，以0. 2 0. 3/h的速度將H2/HSiCl3的比例 提高到12 14，同時(shí)以0. 003、. 004m/s/h的加速度增加總流速，此過(guò)程保持反應(yīng)溫度在 100(Γ1050 之間直至停爐。在本發(fā)明中，反應(yīng)壓力為0.廣0.6 MPa，更好地，反應(yīng)壓力為0.2 0.6MPa，為提高生 產(chǎn)效率，最好是0. 4 0. 6MPa；
步驟①中，更好地，硅芯表面溫度保持在115(Tl200°C，將物質(zhì)的量比為3的H2/HSiCl3 混合氣以總初始爐內(nèi)流速為0. 06m/s在爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，使H2/HSiCl3的比例增加到7，增加 幅度為0. 1 /h,當(dāng)爐內(nèi)總氣體流速達(dá)到0. 07m/s后，保持反應(yīng)時(shí)間為12 15h ；
步驟②中，更好地，硅棒直徑在5(T60mm時(shí)，最好在60mm時(shí)，電流增加停止，此時(shí)保持總 流速不變，使硅芯表面溫度降至105(Γ1100 ，然后維持溫度反應(yīng)5 8h ；
步驟③中，更好地，恢復(fù)增加電流，并以0. 15/h的速度提高H2/HSiCl3的比例至纊10， 總爐內(nèi)流速以0. 004m/s/h的加速度增加流速至0. 15m/s，過(guò)程保持硅芯表面溫度在 108(Tll0(TC之間，此過(guò)程時(shí)間約需l(T20h，然后維持5h。步驟④中，更好地，當(dāng)硅棒直徑達(dá)到IOOmm時(shí)停止增加電流，同時(shí)以0. Ι/h的速度 提高H2/HSiCl3的比例，并將爐內(nèi)總氣體流速以0. 005m/s/h的加速度增加至0. 22、. 24m/ s，當(dāng)溫度降至100(Tl05(rC時(shí)，保持流速不變，恢復(fù)增加電流，維持在此溫度下使H2/HSiCl3 的比例達(dá)到l(Tll，最好是10，之后保持反應(yīng)12 15h。步驟⑤中，更好地，當(dāng)硅棒直徑達(dá)到130mm時(shí)，以0. 2/h的速度將H2/HSiCl3的比 例提高到13 14，同時(shí)以0. 003m/s/h的加速度增加爐內(nèi)總流速，此過(guò)程保持反應(yīng)溫度在 100(Γ1050 之間直至停爐。步驟②、③、④中升、降溫幅度沒(méi)有嚴(yán)格限制，只要達(dá)到目標(biāo)溫度即可，最好是隨著 反應(yīng)的進(jìn)行呈均勻變化即可。步驟② ⑤中，在升、降溫度及保持溫度操作時(shí)，對(duì)總爐內(nèi)流速和H2/HSiCl3比例的 變化不做專(zhuān)門(mén)限制，根據(jù)發(fā)明中描述的變化即可，主要是通過(guò)調(diào)整施加電流，來(lái)控制溫度變 化的。本發(fā)明中H2/HSiCl3物質(zhì)的量比為2 4，是采用現(xiàn)有技術(shù)技術(shù)中通常使用的表述方 式，也就是指H2 =HSiCl3的比例為2、1，其它量比關(guān)系以此類(lèi)推，提高其量比，是通過(guò)提高 氫氣的量來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)
1、將改良西門(mén)子法生產(chǎn)棒狀多晶硅的三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率提高到22%。2、生產(chǎn)一噸多晶硅副產(chǎn)四氯化硅將為7噸。3、還原爐內(nèi)平均硅沉積速率達(dá)到1. 5mm/h。4、多晶硅的還原電耗降至60kwh/kg_Si。
權(quán)利要求
1. 一種多晶硅還原生產(chǎn)新工藝，其特征在于整個(gè)過(guò)程保持還原爐內(nèi)壓力為 0. Γο. 6Mpa,①啟動(dòng)還原爐后，通過(guò)調(diào)節(jié)電流大小控制硅芯表面溫度在1100°c 1250°C之間，將物 質(zhì)的量比為2、的H2/HSiCl3混合氣以總初始爐內(nèi)流速為0. 005、. 01m/s在爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)， 通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥提高H2MSiCl3的比例為6 8，提升幅度為0. Ι/h，并以0. 00Γ0. 002m/s/h 加速度均勻增加爐內(nèi)流速至0. 06 0. 08m/s后，保持反應(yīng)l(T20h ；②當(dāng)硅棒直徑在5(T70mm時(shí)，電流增加停止，此時(shí)保持總流速不變，使硅芯表面溫度降 至105(Γ1100 ，此過(guò)程為5 10h，然后保持此溫度范圍繼續(xù)反應(yīng)5 IOh ；③恢復(fù)增加電流，保持硅芯表面溫度為108(T110(TC，同時(shí)以0.Γ0. 2/h的速度提 高H2/HSiCl3的比例至纊10，總爐內(nèi)流速以0. 003、. 005m/s/h的加速度增加流速至 0. 15 0. 16m/s，此過(guò)程時(shí)間為l(T20h，然后維持3 5小時(shí)；④當(dāng)硅棒直徑為IOiTllOmm左右時(shí)，停止增加電流，同時(shí)以0.Ι/h的速度提高H2/HSiCl3 的比例，并將爐內(nèi)總氣體流速以0. 00r0. 005m/s/h的加速度增加至0. 2^0. 3m/s,當(dāng)溫度降 至100(Tl05(rC時(shí)，保持流速不變，恢復(fù)增加電流，維持在此溫度下使H2/HSiCl3的比例達(dá)到 1(Γ12，之后保持反應(yīng)10 15小時(shí)；⑤當(dāng)硅棒直徑達(dá)到12(Tl30mm時(shí)，以0.2 0. 3/h的速度將H2/HSiCl3的比例提 高到12 14，同時(shí)以0. 003、. 004m/s/h的加速度增加總流速，此過(guò)程保持反應(yīng)溫度在 100(Γ1050 之間直至停爐。
全文摘要
一種多晶硅還原生產(chǎn)新工藝，在反應(yīng)初期，通過(guò)提高溫度增加沉積速率使硅棒快速長(zhǎng)大，由于爐內(nèi)總流速小，即使是采用較低的氫氣含量，副反應(yīng)發(fā)生率也相對(duì)較低；反應(yīng)中期，隨著硅棒的不斷長(zhǎng)大，通過(guò)降低溫度、提高氫氣的含量抑制熱解反應(yīng)以及副反應(yīng)等發(fā)生，并通過(guò)增加總流速提高反應(yīng)速率；反應(yīng)后期，進(jìn)一步提高氫氣含量和流速，保持溫度，抑制因活性面積增大帶來(lái)的激烈副反應(yīng)。通過(guò)優(yōu)化還原內(nèi)的反應(yīng)條件，不僅有利于促進(jìn)三氯氫硅的有效轉(zhuǎn)化，也有利于硅棒的較好生長(zhǎng)；同時(shí)，對(duì)抑制反應(yīng)熱解進(jìn)行，使主還原反應(yīng)更好地進(jìn)行效果明顯；減少副產(chǎn)物，降低了多晶硅綜合成本。
文檔編號(hào)C01B33/035GK102107873SQ20111008441
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2011年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月6日
發(fā)明者劉崗, 周大榮, 孫兵, 孫建榮, 胡成發(fā), 蔣敏 申請(qǐng)人:連云港中彩科技有限公司