[发明专利]利用硅纳米颗粒制备高纯多晶硅的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料制备领域，尤其一种通过硅纳米颗粒制备高纯多晶硅的方法及装置。

背景技术

随着全球经济的发展，能源的消耗急剧增长。在当前，绝大多数能源是通过燃烧化石燃料获得的。化石燃料的巨量使用所导致的大量二氧化碳等气体排放正在造成日益严重的社会环境问题。因此，各种可再生能源的开发利用受到了国际社会越来越大的重视。在各种可再生能源中，太阳能以其取之不尽、用之不竭、无污染、便利等特点成为了重点发展的对象。太阳能的利用主要包括光热和光伏两大类，其中光伏发电以其高效、系统简洁、长寿命、维护简单而备受青睐，成为了太阳能利用的主流技术。在各国政府的政策支撑下，全球太阳能光伏产业在过去的十年里保持了高速增长。太阳能光伏产业已经被认为是继微电子产业之后驱动全球经济发展最主要的产业之一。

太阳能光伏产业中的核心是太阳电池。目前，90％以上的太阳电池是利用硅材料来制造的。太阳能光伏产业对制造太阳电池的原料-多晶硅的纯度要求是99.9999％(6N)及以上。必须注意到，多晶硅也是微电子产业的基础原料。不过，微电子产业对多晶硅的纯度要求更高(至少是99.9999999％(9N))。近几年来，随着微电子产业的持续发展和太阳能光伏产业的飞速发展，全球对多晶硅的需求迅猛增长，市场供不应求。因此，迫切需要加大对高纯多晶硅制备技术的研究，提高高纯多晶硅的产能，在不影响微电子产业的健康发展的情况下，确保太阳能光伏产业的快速增长。

总的来说，高纯多晶硅制备技术的发展方向是低成本和高纯度。为了降低成本，人们曾经研究了硅粉末的利用。在利用流化床法生产多晶硅料时，作为副产物的硅粉末要占整个产物的15％-20％；在把多晶硅料放入单晶炉拉单晶或多晶炉铸造多晶前进行的粉碎过程中，会有大量的硅粉末产生；在硅片的加工过程中(特别是切片)也会产生不少的硅粉末。这些粉末由于尺寸非常小，它们极易扬尘。在单晶拉升和多晶铸造工艺中，都有抽真空的过程。在抽真空时，硅粉末因扬尘非常容易损失。这就使硅粉末一般难以被利用而只能作为废料。专利文献WO2008/057483A2提出了利用激光来熔化硅粉末以把硅粉末转化成可以作为多晶硅料的硅颗粒的思路及其相关设备设计。美国专利2008/0308970A1描述了一种用来熔化硅粉末的可以被加热的倾斜式旋转管道，硅粉末从管道的顶端进入，硅熔体从管道的底端流出，冷却后成为多晶硅料。美国专利4787986介绍了一种专门用来熔化硅粉末的熔炼炉，其显著特点是实现了新加入的硅粉末与硅熔体的分离，避免了硅粉末在快速升温情况下的气体(比如SiO)急剧释放。在目前各种通过熔化来处理硅粉末的方法中，首先都需要一个加料程序。即使加料不在抽真空的条件下进行，硅粉末的扬尘问题仍或多或少地存在。另外，目前各种处理方法主要都是针对作为工艺过程中的“废料”的硅粉末(平均尺寸一般都大于100纳米)，其纯度是一个大问题。

近年来，纳米技术的发展已经使人们可以在真空和惰性气氛的条件下合成尺寸可控的高纯的硅纳米颗粒(＜100纳米)。这些硅纳米颗粒的平均尺寸比前面所讲的硅粉末的平均尺寸要小，而且尺寸分布更窄。已有研究表明，硅纳米颗粒的熔点比体硅的低。硅纳米颗粒的小尺寸和低熔点使硅纳米颗粒能够在较低温度下快速地被熔化。

发明内容

本发明提供一种成本低、效率高的利用硅纳米颗粒制备高纯多晶硅的方法。

一种利用硅纳米颗粒制备高纯多晶硅的方法，将硅纳米颗粒通入熔化腔，利用热源对熔化腔内的硅纳米颗粒加热使其熔融形成硅熔体，硅熔体从熔化腔流出后冷却凝固成块状多晶硅。

通过抽真空而形成的气流携带硅纳米颗粒从原料腔进入熔化腔。从原料腔到熔化腔的出口端气压递减，原料腔的气压可以高至10⁴Pa的数量级，熔化腔的出口端的气压可以低至10^-4Pa的数量级。

为了保证原料腔与熔化腔的出口端之间有足够的气压差，原料腔内的气压可以是熔化腔的出口端的气压的50～10⁶倍，一般采用50～2000倍。

所述的熔化腔一般可采用石英材质。

本发明所采用的硅纳米颗粒可以通过各种现有技术方法制备，例如硅烷热分解和硅烷等离子体分解，也可以利用市售的硅纳米颗粒。为了保证硅纳米颗粒的迅速熔融，本发明采用的硅纳米颗粒的平均尺寸为1～100纳米，作为优选一般尺寸分布(标准偏差)小于平均尺寸的20％。

为了保证硅熔体的形成，热源应该保证熔化腔内温度大于硅的熔点(1412℃)。所述的硅熔体从熔化腔流出后冷却凝固成块状多晶硅，块状多晶硅利用收集装置收集。