[发明专利]生产多晶硅的方法

说明书

技术领域

本发明涉及生产多晶硅的方法。

背景技术

多晶体的硅(简称多晶硅)在通过坩埚拉制(Czochralski或CZ方法)或通过区熔(Floatzone或FZ方法)的单晶硅生产中用作起始材料。所述单晶硅可分离成晶片，并在多个机械、化学和化学机械处理操作后，用于半导体工业中的电子元件(芯片)制造。

然而，更特别地，多晶硅在更大程度上需要用于通过拉制或浇铸方法生产单晶硅或多晶硅，所述单晶硅或多晶硅用于光伏应用的太阳能电池制造。

多晶硅典型地通过西门子方法生产。在该方法中，硅的细丝棒(“细棒”)通过直接通电，在钟形反应器(“西门子反应器”)中加热，并且引入包括含硅组分和氢气的反应气。

反应气的含硅组分通常为具有一般组成SiH_nX_4-n(n＝0，1，2，3；X＝Cl，Br，I)的单硅烷或卤硅烷。优选氯硅烷或氯硅烷混合物，进一步优选三氯硅烷。在与氢气的混合物中主要使用SiH₄或SiHCl₃(三氯硅烷，TCS)。

EP 2 077 252 A2说明了多晶硅生产中使用的一类反应器的典型结构。

反应器基础配备有容纳细棒的电极，在生长操作过程中硅沉积到细棒上，因此可生长成为所要求的多晶硅棒。典型地，在每一情况下两个细棒与桥连接，形成细棒对，所述细棒对经由电极并经由外部设备形成回路，用来将细棒对加热到特定的温度。

棒温度典型地用辐射高温计在垂直的棒的表面测量。

棒温度典型地可通过调节电功率来设定，既可以固定的形式，也可作为棒直径的函数。

此外，反应器基础另外配备为反应器提供新鲜气体的喷嘴。废气从反应室出来后通过孔口引导回去。

提供的反应气的量典型地作为棒直径的函数而变化，也即通常随棒直径的增加而增加。

高纯度的多晶硅沉积在加热棒和桥处，其结果是棒直径随时间生长(CVD＝化学汽相沉积/气相沉积)。

得到的多晶硅棒，在沉积操作结束之后，必须经过处理形成团块和芯片，除非它们用于通过FZ方法生产单晶。

在后一情况下，多晶硅棒，通过区熔，用来产生单晶硅锭，所述单晶硅锭可在后一阶段进一步处理产生硅晶片。

为了生产用于CZ或太阳能应用的硅块，用诸如锤子、压碎机或研磨机的工具机械弄碎棒，然后按大小分类。硅碎片的尺寸从约1mm～至多150mm或更高。碎片的形状典型地应该不太偏离球形。

基于西门子方法的沉积多晶硅的所有已知方法，就实现的产品质量和生产方法的经济可行性而言均有缺点。

有关产品质量的缺点尤其为常常观察到棒直径的轴向偏差，在有些情况下则是棒的表面特性差。

这些方法常常需要高的能耗水平。

在一些情况下，棒会在反应器中倾倒。

最终，在一些方法中形成硅尘。

在一些方法中，会有过热现象，在最坏的情况下，甚至会有硅承载体(棒和桥)熔化。

DE 29 12 661 A1描述了用于生产多晶硅的方法，其中部分液体三氯硅烷通过特定的喷嘴(双喷射嘴)引入到反应器室中。其目的是提高反应气中三氯硅烷的比例，最终实现更高的产出。然而，在此已经发现单位能量消耗太高。

在EP 2 077 252 A2中，从方法技术观点出发，认为在沉积方法过程中断续开关用于提供反应气的喷嘴具有优势。为了该目的，关闭喷嘴的比例可作为方法时间或棒直径的函数进行调节。

该手段的目的是，随着棒直径的增长，保证对所有的棒都有最佳的气体供给-特别是在较高范围内。

EP 2 067 744 A2公开了多晶硅的生产方法，其中在第一稳定步骤之后，沉积硅的反应气流入量先是明显提高，然后是较缓慢地提高，以改善为细棒提供反应气，然后在晶体的生长阶段降低流入量以保证高效沉积。所强调的是仅仅调节反应气的供应，因此不要求对反应器有任何修改。

然而，EP 2 077 252 A2和EP 2 067 744 A2中所描述的方法表现出倾倒的棒数量增加。这也许与反应气流入量突然变化有关。

所用的细棒长度可以是几米(常见的为约2-3m)。倾倒时，棒还可能碰倒相邻的其它棒。

这会造成很大的经济损失，特别是这样污染的硅棒必须以复杂的方式清洗，或者棒倾倒时甚至会损坏反应器。