[发明专利]完全利用供料气和全再循环CVD-西门子甲硅烷反应器法

说明书

技术领域

本发明涉及用于基于甲硅烷(SiH₄)的化学气相沉积(CVD)多晶硅的CVD的甲硅烷和氢再循环方法/系统。具体地，本发明涉及经由气态硅烷前体的分解生产多晶硅块材料的基本上完全硅烷利用和无未(从反应器)转化的污染的硅烷和氢完全再循环方法。

背景技术

经由气态前体化合物在细棒基底上的分解生产多晶硅块材料是通常被称作“西门子法”的公知的、广泛使用的方法。在典型的西门子法中，高纯度硅棒在具有承载气体的情况下在1150℃被暴露于三氯硅烷。三氯硅烷气体分解并且将硅沉积到热棒上，使它们生长：

2HSiCl₃→Si+2HCl+SiCl₄

由这种和类似的方法获得的硅是多晶硅。通过西门子法生长的多晶硅典型地具有小于10^-9的杂质量(impurity level)。

更详细地，西门子法是组合的分解/沉积方法，包括：(1)加热被合适的外罩覆盖的一个或更多个棒或丝(适当的基底)，以允许高温、气密操作；(2)供料没有或具有最低限度污染的期望组成(含有硅)的前体材料或化合物；(3)在适当的环境下进一步加热被包住的棒或丝至期望的温度；(4)优先在棒/丝的被加热表面上分解前体材料，以在基底或细棒上形成块状多晶硅；(5)回收或处置副产物；以及(6)回收多晶硅生长细棒，而不污染它们。

典型的西门子法和反应器中，反应物气体被从单个端口供料至棒，导致不均匀生长。在棒长度之上的这种不均匀气体分配进一步促使严重的均相成核作用、造成灰尘。这种不均匀生长和均相成核作用促使最终的反应器故障/停机。此外，典型的西门子法反应器内的棒没有被各自隔离。因此，棒和气体前体分配之间不均匀的辐射热进一步促使了均相成核作用、较低的转化、较高的副产物以及棒上的不均匀生长。

已知的利用西门子法的系统使用被挂到每个反应器系统上的至少两个电源。一个或更多个一级电源被用于加热并且维持用于气体分解/沉积的反应器细棒(即，块状硅材料被沉积在其上的棒)系统的温度。次级电源一般在加热初始是必须的，以克服硅棒的电阻(针对典型的反应器需要高于约26,000伏特，并且所需要的电压取决于所使用的细棒组件的长度和直径)。高压电源的必要性显著增加了操作这种已知反应器的费用和安全隐患。

一些已知反应器不是使用非常高的电压源，而是使用引入反应空间中并平行于沉积棒的加热指(heating finger)。为了预加热用于沉积的反应器细棒，加热指被降低到与安装在反应器中的细棒临近的反应空间中。一旦细棒是在就温度而言的最佳导电条件，电流可以通过承载杆(carrier rod)。然后从反应器移除加热指并且密封金属外罩中的开口。这种已知的反应器呈现关于产品的纯度/完整性、生产能力，以及密封的建立和维持的进一步的问题，以及安全性，操作与维护的问题。

根据已知的常见工业方法，通过在纯的和纯化的硅丝的热表面从气相分解硅的卤化物(优选的卤化物是氯化物、四氯化硅和三氯硅烷)，在西门子型反应器中获得高纯度的圆柱体棒形式的元素硅。这些化合物在800℃以上的温度变得愈加不稳定并且分解。

均相和异相成核过程在反应器中彼此竞争。硅沉积在约800℃经由异相反应开始，并且该沉积扩展到在1420℃的硅的熔点。由于沉积仅在细棒上是有益的，分解室的内壁必须不达到接近800℃的温度，以防止室壁上浪费的沉积。

在已知的西门子法反应器中，反应器壁一般被冷却，以防止这种浪费的沉积，并且还维持组件的结构完整性。然而，冷却壁消耗额外的能量。有关冷却反应器壁的另外的问题是粉末颗粒在冷却的反应器壁上的热泳沉积。这种沉积一般较弱，导致颗粒在气体料流中的多次再循环。该沉积的粉末最终变松散并且崩塌到反应器中，造成反应器的过早实效。

最频繁用于高纯度硅制备的硅的卤化物是四氯化硅和三氯硅烷。当与热的表面接触时，这些卤化物将经历热解作用，并且沉积元素硅。然而，为了获得合理的且经济的收率，过量的氢气被添加到卤化硅蒸汽反应进料气体。由于三氯硅烷每单位重量成比例地更高的硅含量和相对更低的沉积温度(即更快的动力学)，三氯硅烷将比四氯化硅沉积更多的硅，并且因此是针对用于使用硅的卤化物方法制备多晶硅的西门子法的优选原料。然而，其他基于硅烷的前体可以在反应中使用。