[发明专利]制备高致密结构多晶硅的改进方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅的生产领域，特别是涉及一种高致密结构的多 晶硅的制造方法及用于实施该方法的多晶硅还原炉。

背景技术

多晶硅是制造集成电路衬底、太阳能电池等产品的主要原料。多 晶硅可以用于制备单晶硅，其深加工产品被广泛用于半导体工业中， 作为人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等器件的基础材料。 同时，由于能源危机和环境保护的要求，全球正在积极开发利用可再 生能源。太阳能是可再生能源中最引人关注的，因为其清洁、安全、 资源丰富。利用太阳能的一种方法是通过光电效应将太阳能转化为电 能。硅太阳能电池是最普遍采用的基于光电压效应的装置。此外，由 于半导体工业和太阳能电池的发展，对高纯度多晶硅的需求正不断增 加。

多晶硅按纯度分类可以分为太阳能级和电子级。太阳能级和电子 级的多晶硅可以由冶金级多晶硅进行制备，通常其基本方法是将固态 的冶金级硅转化为在允许的温度范围内存在的某种液态化合物，例如 将冶金级硅转化为氯硅烷，然后对其用高效精馏的方法进行深度提纯 以除去其中的杂质，随后用氢等还原剂将纯化的氯硅烷还原为单质硅， 其中单质硅为多晶硅的形式。

三氯氢硅的氢还原法是德国西门子(Siemens)公司于1954年 发明的，又称西门子法，是广泛采用的高纯度多晶硅的制备技术。其 化学反应式为：

Si+3HCl→SiHCl₃+H₂            (1)

该反应除了生成用于生产高纯度多晶硅的三氯氢硅外，还生成副 产物如四氯化硅、二氯氢硅(SiH₂Cl₂)等。上述反应的产物混合物经 过粗馏和精馏工艺，得到杂质含量极低的高纯三氯氢硅物流。然后， 该高纯三氯氢硅物流和高纯氢在加热的高纯度多晶硅芯上发生还原反 应，通过化学气相沉积，生成的新的高纯度多晶硅沉积在硅芯上。其 反应式为：

2SiHCl₃+H₂→Si+2HCl+SiCl₄+H₂        (2)

还原炉是上述西门子法多晶硅生产工艺中的主要设备，其为竖向 钟形反应器(还原炉)，通常包括外层壳体、内层壳体、底盘、硅芯 棒、冷却水循环装置，以及设置在底盘处的进气口、排气口。三氯氢 硅/氢气混合气从设置在还原炉底盘处的进气口引入还原炉，废气从设 置在还原炉底盘处的排气口排出。现有技术中的还原炉结构如图1所示 (参见中国专利CN201105995Y)。但是，该还原炉结构存在一定缺陷， 在硅棒初期沉积过程中，硅棒较细，沉积所需要的气体量较小。由于 还原炉自身的结构，进气是从底部，尾气出口也在炉底部，同时由于 进气口的结构，导致三氯氢硅/氢气混合气难以到达钟形还原炉上部， 从而在还原炉顶部存在一个滞留区，并且气体在还原炉内难以形成较 好的均匀分布。在硅棒中期还原沉积过程中，由于还原炉顶部存在滞 留区，新进的原料气不能到达钟罩顶部的反应区，而使顶部滞留气不 能进入循环系统，导致炉内顶部温度高。并且随着硅棒直径的增加， 还原所需的原料也必须随之不断增加，这样顶部原料反应气量就尤显 不足。随沉积反应的进行，硅棒直径增大，湍流流动变差，沉积载体 表面的边界层效应增强，使硅棒生长不均匀，同时易形成结构夹层， 晶粒以疏松、粗糙的形态沉积，进而发展为节瘤，其中常夹杂有气泡 和杂质，较难经酸处理腐蚀除去，在拉制单晶熔料时，使熔融硅液面 波动，甚至出现熔体硅的喷溅及硅跳，严重时使拉晶难以进行下去。 硅棒上端部位的多晶硅生长缓慢且疏松不致密，形成上部粗而疏，下 部密而实。对后继腐蚀清洗、拉晶工序造成困难。

为解决上述问题，现有技术公开有采用增加混合气体的压力从而 提高喷射速度的方法来加以解决，但这种方法的缺点是：当喷射速度 增加较小时，物料分布不均匀，无法有效消除边界层效应；增加较大 时，喷口处的过大阻力会造成压降过大，对调节阀产生影响，无法准 确调节流量，使沉积均匀性下降，且喷射速度过大，会对横梁处硅芯 造成冲击，影响电流回路。

此外，如中国专利CN201105992Y公开了利用调节阀门对各组喷口 进行开关组合来调节流量的方法，但这种装置的不足之处是混合气体 的湍流流动提高程度有限，整个还原炉的气体分布仍不够均匀，而且 各种开关的组合容易使生产操作的工艺趋于复杂。