[发明专利]用于区域精制的多晶硅棒及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及由多晶硅构成的棒及其生产方法，所述的多晶硅构成的棒通过浮区法(FZ法)进一步用于单晶棒的生产。

背景技术

根据直拉法(CZ)或浮区法(FZ)，高纯多晶硅(多晶硅)用作生产单晶硅半导体的原料，并用于光电太阳能电池的生产。

一般根据西门子法(Siemens process)生产多晶硅棒。在该方法中，含硅的反应气热分解或被氢气还原，并在由硅制成的细丝棒(所谓的细棒或芯)上沉积成高纯硅。例如，卤代硅烷(如三氯硅烷)主要用作反应气的含硅组分。

在不含氧气的沉积反应器中实施上述方法。一般地，通过桥将反应器内的两个相邻的细棒的自由端连接起来，形成U型载体。通过直接通过电流，将U型载体加热至沉积温度，并进料反应气(氢气和含硅组分的混合物)。

为了生产适合于通过FZ法生产单晶硅棒的多晶硅棒，使用单晶(通常任意晶体取向)细棒(丝棒)。在单独的步骤中以单晶方式从多晶前体棒拉伸这些棒。这些单晶细棒通常具有圆形(直径为5-10毫米)或方形(边长为5-10毫米)的截面。在硅的沉积过程中，含卤的硅化合物分解并在加热的细棒表面上沉积成硅。在该情况下棒的直径增加。

在达到所需的直径后，结束沉积并将得到的棒副(rod pairs)冷却至室温。通常以U型方式形成成型体(shaped body)，其中两个多晶棒作为腿(leg)，并且由多晶硅构成的桥连接着腿。这些腿在其末端与用于供电的电极共生，并在反应结束后从后者分离。

由于U型体的脚(feet)和桥不能用于FZ精制，成品多晶棒的产率明显小于100％。沉积的多晶硅棒的最大长度受所用的细棒长度的限制。相对于所用的细棒的长度，成品多晶硅棒的长度被称作长度产率(length yield)或简单产率(simply yield)。成品多晶棒的长度通常不超过所用细棒长度的85％。

在生产粗直径的多晶硅棒过程中，经常发现棒有龟裂或在从反应器取出的过程中或在机械加工形成成品棒的过程中棒会断裂。由于棒内部和棒表面的温度差引起的热应力，在棒内出现龟裂或断裂。温度差和因此导致的应力越大，棒的直径也越大。如果棒的直径大于120毫米，热应力变得特别关键。

带有龟裂或高热应变的棒不能用于机械加工以形成成品多晶棒，且不能通过FZ法来后续生产单晶棒。具有龟裂或应变的棒通常早在机械加工过程中断裂。如果棒经受住了机械加工的处理，那么在区域精制过程中会导致严重的后果。由于在该过程中要将棒加热至熔点温度，具有龟裂或热应变的棒可能会因额外的热应力而破碎。作为精制方法终止的结果，这将导致材料和时间的损失。而且，精制装置也会被碎裂的棒片所损坏。因此，必须在精制前把具有龟裂或热应变的多晶硅棒挑出或缩短至缺陷点(defect site)。可以通过肉眼或公知的方法(例如声学试验或超声波技术)来检测多晶硅棒上的龟裂。这些材料分离再次降低了产率。如果棒的直径大于120毫米，现有技术使用的方法使FZ法的成品无龟裂多晶硅棒相对于所用细棒长度的平均产率不超过50％。

精制的单晶FZ硅的无缺陷产率取决于所用多晶硅棒的微观结构。在西门子反应器中生产多晶硅棒包括首先在单晶细棒上以单晶形式沉积硅。一段时间后变成多晶形式，所用时间取决于沉积条件。在该情况中，硅以细结晶母体的形式和粗粒(通常为针状)单晶(但经常也为孪晶或三重态)夹杂物(针状晶体)的形式沉积，所述单晶夹杂物结附在细结晶母体上。针状晶体主要径向取向，其中其纵轴可显示出<111>、<100>或<110>取向。不均匀的微观结构产生影响，使得个别晶粒(根据其尺寸)在通过浮区熔化区的过程中不同时熔化。由于其尺寸而未熔化的晶粒可能会作为固体颗粒滑过熔化区达到单晶棒，并作为未熔化的颗粒结附在单晶的凝固前沿(solidification front)。因而在该位置导致形成缺陷。

US-5,976,481描述了通过在反应器内多晶硅棒的热后处理来避免产生龟裂。然而，此方法仅避免在棒冷却过程中仅在沉积结束之后出现的龟裂的形成。然而，在沉积过程中已经在棒内形成了龟裂。

EP-0445036描述了在硅仅以单晶或粗晶的形式沉积的条件下生产多晶硅棒的中心区域。然而，该方法要求特定(指向<100>方向上的纵轴)取向的方形截面单晶细棒，其生产非常复杂和昂贵。而且，该方法需要高温和低沉积速率。较低的沉积速率意味着该沉积方法具有较小的经济可行性。高的沉积温度导致高的热应力，并因此导致带有龟裂的棒。