[发明专利]热处理粒状硅的方法、粒状硅及制备硅单晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及热处理由多晶颗粒组成的粒状硅的方法、制备硅单晶的方法，在此过程中使用经热处理的粒状硅，以及经热处理的粒状硅。

背景技术

粒状硅通常是通过在流化床中沉积硅产生的。WO 2014/191274是许多主题在于所述制备方法的来源之一。根据该来源，所产生的由多晶颗粒组成的粒状硅可以直接作为原料用于制备单晶。

US 2005/0135986 A1建议一种粒状硅的制备方法，其中产生相对较少的细尘(Feinstaub)并且产生粒状硅，其多晶颗粒均具有比较光滑的表面。在有意将粒状硅用于制备硅单晶时，形成粉尘的倾向小的性质变得特别重要。若在粒状材料熔化之后留下微粒并且其到达界面，单晶在所述界面处生长，则所述微粒会导致形成位错。然后通常必须中断结晶过程。

US 2013/0295385 A1公开了一种粒状硅的制备方法，该方法还可用于根据GFZ法制备硅单晶。GFZ法是FZ法(浮区晶体生长)的改变方式，其中单晶在熔融区的界面处生长，所述熔融区通过利用感应加热线圈持续熔化多晶进料棒(Vorratstab)并降低生长的单晶而加以维持。在GFZ法中，粒状硅代替进料棒。US 2011/0185963 A1描述了一种GFZ法，其中额外地特别使用感应加热线圈以熔化粒状材料。

这表明存在对于改进粒状硅的性质的持续需求。尤其是存在改性粒状硅从而降低其在熔融状态在熔体中留下微粒及夹杂气体的倾向的需求。因此需要改进的GFZ法，其具有低的位错率，并且利用该方法可以制备尽可能不含夹杂气体的硅单晶。

发明内容

由此提出的目的通过热处理由多晶颗粒组成的粒状硅的方法实现，所述方法包括：

-引导工艺气体沿着流动方向通过等离子室；

-在所述等离子室中产生等离子区；

-通过将微波辐射引入所述等离子室中而维持所述等离子区；

-通过所述工艺气体将所述粒状硅预热到不低于900℃的温度；

-与所述工艺气体的流动方向相反地，输送经预热的粒状硅通过所述等离子室和所述等离子区，其中暂时地使所述颗粒的外部区域熔化；及

-收集经等离子处理的粒状硅。

所述目的还通过制备硅单晶的方法实现，所述方法包括：

-形成具有界面的熔融区，硅单晶在所述界面处生长；

-引导工艺气体沿着流动方向通过等离子室；

-在所述等离子室中产生等离子区；

-通过将微波辐射引入所述等离子室中而维持所述等离子区；

-通过所述工艺气体将由多晶颗粒组成的粒状硅预热到不低于900℃的温度；

-与所述工艺气体的流动方向相反地，输送经预热的粒状硅通过所述等离子室和所述等离子区，其中暂时地使所述颗粒的外部区域熔化；

-以感应方式使经等离子处理的粒状硅熔化；及

-将熔化的粒状材料送至所述熔融区。

所述目的最后通过由多晶颗粒组成的粒状硅实现，所述多晶颗粒均包含：表面、边缘区域及核心区域，其中在所述边缘区域中的晶体密度小于在所述核心区域中的晶体密度。

本发明基于以下认识：受限于通过在流化床中沉积硅来优化粒状硅的制备从而改善粒状硅性质的措施是不够的。

以此认识为出发点，建议粒状硅在其制备之后通过用等离子处理从而加热到高于硅熔点的温度。在所述热处理的过程中，在边缘区域(外部区域)中的粒状材料的多晶颗粒熔化，而核心区域(内部区域)则保持固态。在随后冷却颗粒时，边缘区域重新结晶，但是具有改变的多晶结构。在边缘区域中的晶体密度(每单位体积的晶体数量)明显小于核心区域。此外，颗粒表面的粗糙度降低。即使在目视观察经等离子处理的粒状硅时，也显示出其光泽度由于所述处理而增加。随着粒状硅的结构改变，还观察到其性质的改善。若用于制备单晶，则单晶中的位错率及夹杂气体出现频率下降。

适合于所建议的等离子处理的粒状硅由多晶颗粒组成，并且优选通过在流化床反应器中在存在含硅反应气体的情况下在硅微粒上沉积硅而制成。反应气体包括硅烷或含氯硅烷，优选为三氯硅烷。例如可以使用在WO 2014/191274 A1中所述的方法作为制备方法。优选不少于98％(基于重量)的粒状材料由具有近似球体形状的颗粒组成，其颗粒尺寸通过筛网直径(Siebdurchmesser)表示为当量直径优选为600至8000μm，特别优选为600至4000μm。粒状硅优选包含不多于50ppb(基于重量)的金属杂质。