[发明专利]一种多晶硅的生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能和半导体行业，特别涉及一种多晶硅的生产方法。

背景技术

多晶硅是制造半导体器件和太阳能电池等产品的主要原材料，还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，由于能源危机和低碳经济的呼吁，全球正在积极开发利用可再生能源。太阳能由于其清洁、安全、资源丰富，在可再生能源中最引人关注。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。

在多晶硅的生产方法中，作为被广泛采用的高纯度多晶硅的制备技术，可以举出德国西门子公司于1954年发明的多晶硅制造方法(也称为西门子法)。其系列化学反应式为：

Si+3HCl→SiHCl₃+H₂                    (1)

采用高纯三氯氢硅和高纯氢按照一定的配比混合在一起构成原料混合气体，通入本领域技术人员公知的还原炉反应器中，在加热的高纯度硅芯上发生如下式(2)所示的还原反应，通过化学气相沉积，生成的高纯度多晶硅不断沉积在硅芯上，使该硅芯的直径逐渐变粗而形成多晶硅棒(以下简称为硅棒)。

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

未反应的三氯氢硅和反应过程中生成的四氯化硅副产物等其他氯硅烷气体、连同氢气、HCl气体(统称为热解尾气)一起经由热解尾气排气管排出，并且任选进入后端的气体吸附分离装置分离，其中的三氯氢硅经纯化后可以循环供给还原工序使用。

多晶硅的生产除了要求原料具有高的纯度之外，还原过程的操作条件也很重要。氢气和三氯氢硅的配比(摩尔比)是决定还原反应的重要因素之一，对多晶硅的实收率和沉积速度也有重要影响。专利US3809571揭示了配比对三氯氢硅单程转化率和沉积速度的影响，在一定范围内，氢气和三氯氢硅的摩尔比增加，三氯氢硅的单程转化率也随之增加。为了提高三氯氢硅单程转化率，在一定范围内需要提高氢气和三氯氢硅的摩尔比，但是随着氢气和三氯氢硅摩尔比的增加，在进入还原炉的三氯氢硅的量不变的情况下，进入还原炉的氢气量也随之增加，这将导致还原后尾气回收的负荷增加。而减小氢气和三氯氢硅的摩尔比，在进入还原炉的三氯氢硅的量不变的情况下，由于三氯氢硅单程转化率会降低，多晶硅沉积速度明显降低，沉积时间延长。为维持一定的沉积速度，需要加大三氯氢硅的量，导致未反应的三氯氢硅的量增加，这不仅会增加还原后尾气回收的负荷，也会提高尾气回收物料精馏分离的负荷。

在还原反应器内进行的化学气相沉积反应较为复杂，在沉积反应初期，硅棒较细，沉积反应所需要的三氯氢硅量和氢气量也较小，还原炉内的湍流流动强度较小，硅棒表面的边界层厚度较大，整个还原炉内动量、热量和质量的传递特别是质量的传递很不充分，三氯氢硅单程转化率也低，多晶硅沉积速度较慢。随沉积反应的进行，硅棒直径增大，还原炉内气体的湍流流动增强，沉积载体表面的边界层厚度减小，整个还原炉内动量、热量和质量的传递特别是质量的传递与初期相比比较充分，三氯氢硅单程转化率也随之逐渐提高。

虽然通过增大氢气和三氯氢硅的摩尔比，可提高三氯氢硅的单程转化率，但是，过大的摩尔比也会造成硅棒表面三氯氢硅浓度减小，导致沉积速率的下降，使单位生长周期内的多晶硅产量下降，从而造成单位产品的电耗费用上升，使单位产品的成本增加。同时，配比增大尾气中氢气量也随之增大，增加了还原尾气分离处理的负荷。

另外，作为提高多晶硅的产量和单程收率的另一种方法，美国专利申请US2007/0251455还公开了一种制造多晶硅的方法，它采用表面积大的沉积体，如大面积硅管等为发热体，以缩短沉积时间，由此提高了多晶硅的产量和反应的单程收率，年产量可增加30-40％。根据该美国专利申请，采用了一种外径为50mm的中空硅管为发热体。但是，制备这种中空硅管一般必须采用EFG(Edge Defined FilmFeed)法，这相对于常规多晶硅制造商采用硅芯棒炉制备发热体来说，需要额外增加设备和装置，且外径如此之大的中空硅管的制备对于设备和操作要求均较高。

因此，现有技术目前的状况是，仍旧需要一种简单而有效的多晶硅生产方法，其能够提高单位生长周期内多晶硅的产量和反应的单程收率，而不必额外增加设备成本或生产成本。