用于生產(chǎn)多晶硅的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)多晶硅的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多晶娃(polycrystallinesilicon)(簡稱多晶娃(polysilicon))作為原材料借助于i甘禍拉伸(Czochralski或CZ方法)或借助于區(qū)域恪煉(浮區(qū)(區(qū)恪，float zone)或FZ方法)生產(chǎn)單晶硅。該單晶硅被分成晶片并且在大量的機(jī)械、化學(xué)和化學(xué)-機(jī)械加工操作之后，用于制造電子元件(芯片)的半導(dǎo)體工業(yè)。
[0003]然而，更具體地，更大程度地要求多晶硅借助于拉伸或鑄造方法生產(chǎn)單晶硅或多晶硅，該單晶硅或多晶硅用于制造光伏太陽能電池。
[0004]通常，借助于西門子法(平爐法，Siemens process)生產(chǎn)多晶硅。在該方法中，在鐘罩形反應(yīng)器(“西門子反應(yīng)器”)中，通過直接通電加熱硅的細(xì)絲棒(“細(xì)棒”)，并且引入包括含娃組分和氫的反應(yīng)氣體。
[0005]反應(yīng)氣體的含硅組分通常是單硅烷或通用組成為SiHnX4 n(n = 0、1、2、3 ;Χ = Cl、Br、I)的鹵代硅烷。優(yōu)選的是氯代硅烷或氯代硅烷混合物，更優(yōu)選地三氯代硅烷。SiH4SSiHCl3(三氯代硅烷，TCS)主要用于具有氫氣的混合物。
[0006]EP 2 077 252 A2描述了在多晶硅生產(chǎn)中使用的反應(yīng)器類型的典型裝備。
[0007]反應(yīng)器底座裝備有容納細(xì)棒(在生長過程中硅沉積于細(xì)棒上，并且其因此生長以形成多晶硅的期望的棒)的電極。通常，在每種情況下，兩個細(xì)棒通過橋接相連以形成細(xì)棒對，其通過電極和通過外部設(shè)備形成電路，其用于加熱棒對至特定的溫度。
[0008]此外，反應(yīng)器底座另外裝備有噴嘴，其向反應(yīng)器供應(yīng)新鮮的氣體。經(jīng)由孔口(orifice)引導(dǎo)廢氣(offgas)離開反應(yīng)空間。
[0009]供應(yīng)的反應(yīng)氣體的量通常隨棒直徑的變化而變化，即通常隨著棒直徑增加而增加。
[0010]高純度多晶硅在加熱的棒和橋上沉積，結(jié)果棒直徑隨時間增加(CVD =化學(xué)氣相沉積/氣相沉積)。
[0011]DE 102 007 047 210 A1公開了一種致使多晶硅棒具有有利的彎曲強(qiáng)度(撓曲強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度，flexural strength)的方法。此外，在該方法中的具體能量比耗(比能量消耗，單位能量消耗，specific energy consumpt1n)特別低。關(guān)于方法參數(shù)，在小于30小時之內(nèi)，優(yōu)選地在小于5小時之內(nèi)，采用橋下面的溫度在1300°C和1413°C之間，獲得氯代硅烷混合物的流動速率的最大值。
[0012]DE 10 2007 023 041 A1描述了一種用于生產(chǎn)多晶硅(具體地FZ (浮區(qū))硅)的另外的方法。其設(shè)想了 950至1090°C的棒溫度和在高達(dá)30mm的棒直徑的反應(yīng)氣體中氯代硅烷的特定比例，以及棒溫度930至1030°C的轉(zhuǎn)換和在不晚于達(dá)到120mm的棒直徑的反應(yīng)氣體中氯代硅烷的比例增加。在整個沉積時間內(nèi)不能進(jìn)行生長條件的突然變化。
[0013]US 20120048178 A1公開了一種用于生產(chǎn)多晶硅的方法，包括借助于一個或多個噴嘴將包含含硅組分和氫的反應(yīng)氣體引入至包括在其上沉積硅的至少一個經(jīng)加熱的細(xì)絲棒的反應(yīng)器中，其中，阿基米德數(shù)(Archimedes number)Arn(Arn描述在反應(yīng)器中隨裝填水平FL而變化的流動條件，裝填水平FL示出棒體積與空反應(yīng)器體積的百分?jǐn)?shù)比率)，對于高達(dá)5%的裝填水平，在函數(shù)Ar = 2000x FL °.6較低的端點和函數(shù)Ar = 17000x FL °.9較高的端點限制的范圍內(nèi)，并且大于5%的裝填水平是在至少750至至多4000的范圍內(nèi)。
[0014]反應(yīng)器的裝填水平示出棒的體積與反應(yīng)器的空體積的百分?jǐn)?shù)比率。反應(yīng)器的空體積是恒定的。由于棒的體積增加，因而裝填水平隨著增加的工藝持續(xù)時間而增加。
[0015]阿基米德數(shù)由下式給出:
[0016]Ar = 31 *g*L3*Ad* (T棒 _ Τ壁)/ (2*Q2* (T棒 +? ))
[0017]其中，g是以m/s2表示的重力加速度，L是以m表示的細(xì)絲棒的棒長度，Q是在操作條件(P，T)下以m3/s表示的氣體的體積流量，Ad是以m2表示的所有噴嘴橫截面積的總和，I#是以K表示的棒溫度并且Ts是以K表示的壁溫度。棒溫度優(yōu)選地是1150K至1600K。壁溫度優(yōu)選地是300K至700K。
[0018]在粗多晶硅棒(具有直徑>100mm)的生產(chǎn)中，相對來說通常觀察到棒具有非常粗糙表面(“爆米花(popcorn)”)的區(qū)域。這些粗糙區(qū)域必須與材料的其余部分分離并且以比硅棒的其余部分更低的價格出售。
[0019]US 5904981 A公開了棒溫度的暫時降低可以減少爆米花材料的比例。同時，公開了從具有5mm的直徑的多晶硅棒作為細(xì)絲(細(xì)棒)開始，棒的表面溫度保持在1030°C并沉積多晶硅，當(dāng)棒直徑達(dá)到85mm時，電流保持不變，結(jié)果溫度下降，并且一旦到達(dá)970°C的溫度，在30小時的時間段內(nèi)棒的溫度逐漸升高回高達(dá)1030°C，當(dāng)棒直徑達(dá)到120mm時停止沉積。在這種情況下爆米花的比例是13%。然而這樣的改變導(dǎo)致該方法運行不太快，因此輸出減少，其降低經(jīng)濟(jì)可行性。
[0020]因此在多晶娃沉積的已知方法中，調(diào)節(jié)棒溫度是必要的。由于多晶娃沉積于棒表面，所以在棒表面的溫度是生產(chǎn)多晶硅的方法中的關(guān)鍵參數(shù)。
[0021]為此目的，必須測量棒溫度。
[0022]通常棒溫度在垂直棒的表面利用輻射高溫計測量。
[0023]因為其材料性質(zhì)，在硅上測量非接觸式溫度是非常費力的。這是因為材料的發(fā)射水平(emiss1n level)隨紅外線波譜顯著變化并且另外依賴于材料的溫度。不過為了實現(xiàn)精確的和可重復(fù)的測量結(jié)果，制造商提供了具有約0.9 μπι的過濾器的儀器，所以僅僅評價一小部分輻射光譜(通過過濾器被限制到特定波長范圍，由于在此波長范圍內(nèi)的硅的發(fā)射水平是相對高和與溫度無關(guān)的)。
[0024]因為在大氣中的氫氣，特定的防爆外殼(explos1n-proof housings)通常用于高溫計。
[0025]高溫計通過觀察鏡(視鏡，窺鏡，監(jiān)視鏡，sightglass)或窗獲得光訪問(opticalaccess)。在近紅外光范圍中的儀器的透鏡或窗由玻璃或石英玻璃組成。
[0026]高溫計在反應(yīng)器的外部的觀察鏡處安裝并在待測量的多晶硅棒處定向。觀察鏡借助于透明玻璃表面和密封而使反應(yīng)器密封遠(yuǎn)離環(huán)境。
[0027]目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在沉積工藝的過程中，沉積物的層在觀察鏡上形成，根據(jù)操作方式，其可以具有不同的厚度。這尤其影響在反應(yīng)器端部的(內(nèi)部)玻璃面。該沉積物的層引起測量輻射強(qiáng)度的減弱(衰減)。因此，高溫計測量太低的溫度。其結(jié)果是通過反應(yīng)器的電力調(diào)節(jié)系統(tǒng)將棒溫度設(shè)置得太高，其引起不必要的工藝性質(zhì)如灰塵沉積、不容許高爆米花生長、硅棒的局部熔化，等等。在最壞的情況下一即，在過厚的沉積物的情況下一該方法必須提早結(jié)束。
[0028]由于不合格而因此產(chǎn)品價值降低的經(jīng)濟(jì)劣勢或者由于提早關(guān)閉或失敗批次而引起的增加的生產(chǎn)成本是在觀察鏡上的沉積物的結(jié)果。
[0029]在現(xiàn)有技術(shù)中，為了沖洗硅烷或氯代硅烷(其有在玻璃上形成沉積物的傾向)遠(yuǎn)離玻璃表面，或使它們遠(yuǎn)離玻璃表面，已經(jīng)努力通過在玻璃表面上吹惰性氣體或氫氣使玻璃表面上的沉積物最少化。
[0030]JP2010254561A2描述了一種觀察鏡，其中將氫氣用作為吹掃氣體并注入管中。管長與管直徑(L/D)的比率在該設(shè)置中在5和10之間。缺點是由長、薄觀察鏡管所產(chǎn)生的非常受限制的觀察范圍。
[0031]CN 201302372Y同樣公開了一種觀察鏡，其中在觀察鏡透鏡上粘附的微粒在反應(yīng)所涉及的氣體介質(zhì)(氫氣)中通過吹掃去除，這清潔透鏡。內(nèi)接管(inner connectingtube)的一端相連于氣體介質(zhì)清潔設(shè)備，使得在操作的過程中可以清潔觀察鏡透鏡的內(nèi)表面。在第一觀察鏡透鏡和第二觀察鏡透鏡之間是冷卻水導(dǎo)管，通過該冷卻水導(dǎo)管可以冷卻并清潔第一觀察鏡透鏡和第二觀察鏡透鏡。
[0032]CN102311120 B公開了一種觀察鏡，其中將作為吹掃氣體的氫氣以一定的傾斜角度通過多個孔注入觀察鏡表面?？追植加谟^察鏡管的整個外周并相對于觀察鏡管的軸放射狀地對齊。
[0033]然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這僅僅在觀察鏡的一些區(qū)域內(nèi)防止沉積物形