[发明专利]一种多晶硅硅棒的生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅的生产方法，具体涉及一种三氯氢硅还原法生产多晶硅硅棒的方法。

背景技术

改良西门子法生产多晶硅是在一个钟罩式的反应器中，三氯氢硅和氢气反应，生成高纯度的多晶硅材料。由于气流分布、温度分布、和副反应影响等多方面因素影响，多晶硅的表面会产生不平滑的缝隙和凸瘤。这些缝隙中会残留硅粉和气体，并且影响硅材料腐蚀和酸洗的效果，导致单晶生产的难度增加和质量降低。采用改良西门子法进行多晶硅生产的企业都把改善表面形貌作为一个重要课题进行研究。

一般情况下，改良西门子法生产过程中，温度越高，多晶硅的生长速度越快，同时表面形貌越差。要改善表面形貌，传统的做法是降低硅棒表面温度，而表面形貌得到改善而完全不使生长速率受影响被认为是不可能的，直接采用降低表面温度的做法就会造成多晶硅生长速度极大的下降，影响企业效益。

我们分析多晶硅表面凸瘤的形成，一般认为有三个原因。一是温度过高，二是气流分布不均匀，三是HCl等小分子产物在表面形成灼流层。其中温度的影响最大。温度对表面形貌的影响主要来自两个方面。一方面，多晶硅生长有一个最佳温度，在此温度以下，温度越高生长速率越快，在此温度以上，温度越高生长速度反而越慢。这是因为温度过高后，副反应加剧，造成主反应——还原反应在体系中发生的比例降低。由于改良西门子法生产工艺的限制，受其气流设计和冷却系统影响，硅棒表面温度分布不均匀，下端温度低，上端温度高，外侧温度低，内侧温度高。在表面平均温度接近最佳生长温度时，一部分表面的温度实际上已经超过了最佳生长温度。我们知道，在多晶形成的过程中，晶粒大小和晶体形状会有一定的差异，形成细小的“晶痕”，晶痕有些是凸起，有些是下凹，一般肉眼观察不到，但是在高倍显微镜特别是采用隧道扫描显微镜，我们可以很清晰的看见这些晶痕的存在。当晶痕产生后，凸起的晶痕因为和外部气流的热交换更彻底，一般温度会稍低于硅棒表面和小凹的晶痕。当晶痕产生在表面温度高于多晶硅最佳生长温度的区域时，温度较低的凸起部分生长速度会快于温度较高的下凹部分，这时候，凸起部分会越长越大，下凹部分会越来越深，最终形成明显的表面凸瘤。另一方面，下凹部分由于与外部气流进行物质交换的速度比较慢，HCl的浓度会比较高，而在多晶硅的反应温度下(1100℃)，HCl的逆向腐蚀反应同时发生：

Si+2HCl→SiH₂Cl₂

HCl的逆向腐蚀反应会加剧硅棒表面的缝隙，是造成硅棒表面形貌差的重要因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可改善多晶硅表面形貌的多晶硅硅棒的生产方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种多晶硅硅棒的生产方法，包括如下步骤：

(1)还原炉反应器内，当硅芯表面温度1100～1250℃时，通入氢气和三氯氢硅反应30～45h；三氯氢硅初始流量80～90Nm³/h，以1～2Nm³/h的速度匀速增加至220Nm³/h，之后维持恒定，直至还原反应器停炉；氢气流量维持在80～120Nm³/h；

(2)当硅芯生长到直径50mm时，停止施加电流，调节氢气流量至170～250Nm³/h，继续反应3～10h；

(3)待硅棒表面温度降至1000～1050℃，恢复施加电流，同时将氢气流量调至100～150Nm³/h，用40～45h将硅棒表面温度升至约1080～1100℃，再维持30h；

(4)停止施加电流，调节氢气流量至300～400Nm³/h，反应2～6h；

(5)待硅棒表面温度降至970～1020℃，调节氢气流量至180～250Nm³/h，同时施加电流，用40～50h将硅棒表面温度升至1050～1080℃，然后维持氢气流量和温度至还原反应器停炉。

步骤(1)中，硅芯直径为5～8mm。

步骤(1)中，优选的，硅芯表面温度1100℃时，通入氢气反应35h，氢气流量100Nm³/h。

步骤(2)中，优选的，当硅芯生长到直径50mm时，停止施加电流，调节氢气流量至200Nm³/h，继续反应6h。

步骤(3)中，优选的，待硅棒表面温度降至1020℃，恢复施加电流，同时将氢气流量调至120Nm³/h，用45h将硅棒表面温度升至约1080℃，再维持30h。