[发明专利]用于沉积多晶硅的方法

说明书

本发明涉及用于沉积多晶硅的方法。

多晶硅(polycrystalline silicon，polysilicon)充当通过直拉法(CZ)或区域熔融(FZ)方法生产半导体用单晶硅和通过多种用于生产太阳能光电板用太阳能电池的拉法和铸造法生产单晶硅或多晶硅的原始材料。

在西门子方法中通常批量生产多晶硅。这包括热降解含硅反应气体或通过氢还原它，并将其作为高纯度硅沉积在硅的细丝棒(称为细棒或核)上。

反应气体中的含硅组分通常是甲硅烷或一般组成为SiH_nX_4-n(n＝0、1、2、3；X＝Cl、Br、I)的卤硅烷。其优选地是氯硅烷或氯硅烷混合物，更优选地是三氯硅烷。主要使用SiH₄或SiHCl₃(三氯硅烷，TCS)与氢的混合物。

在沉积反应器中进行西门子方法。EP 2 077 252 A2描述了用于生产多晶硅的反应器类型的典型构造。在最常用的实施方式中，沉积反应器包括金属底板和放置在底板上的可冷却钟罩，以在钟罩内形成反应空间。由于反应气体是腐蚀性的且与空气混合具有自燃或爆炸的趋势，所以常见的钟形沉积反应器必须可以以气密方式关闭。底座设置有用于气态反应气体的一个或多个进料管口和一个或多个排出管口，且设置有帮助支撑反应空间中的细棒的支架。一般来说，两个相邻棒通过它们的自由端(与被支撑的脚端相反)处的桥连接，以形成U形载体。通过直接通电将U形载体加热至沉积温度并且供应反应气体。

用于沉积多晶硅的典型步骤包括打开用于反应气体流至反应器的断流阀和用于废气流出反应器的断流阀。反应气体通过底板中的进料管口流至密闭的沉积反应器。硅于此沉积在通过直接通电加热的细棒上。反应器中形成的热废气通过底板中的排出管口离开反应器，且然后可以经受处理操作(如冷凝)或被送至洗涤器。

在硅沉积中，含卤素的硅化合物(例如，三氯硅烷)在加热的细棒表面上由气相降解。在该过程中，细棒的直径增长。得到所需的直径之后，终止沉积并将形成的多晶硅棒冷却至室温。

冷却棒之后，打开钟罩并用拆除设备取回棒用于进一步的处理。随后，清洁反应器的钟罩和底板并提供新的电极和细棒用于下一沉积批次。已经关闭钟罩之后，根据描述再次进行用于沉积下一批次多晶硅的方法。

从打开反应器的时间到沉积批量的拆除，多晶硅棒与环境介质，如具有氮、氧、水气、还有以存在于空气中的外来成分(金属、非金属、气体)形式的杂质的对应组成的室内空气接触。打开还导致反应器内部和沉积室之间可能的气体交换。在该情况中，沉积后残留在反应空间中的反应物、产物或已经全部或部分反应的均匀成分(例如，HCl_(g))可以通过气体交换进入至大气。

更具体地，这是水气从大气渗入反应器中的情况。当水气确切地渗入反应器的进料管和排出管时，以及当钟罩沉积存在时(沉积之后，主要成分的固体剩余在反应器的内侧，包含元素Si、Cl和O)，卤硅烷残留(例如，未转化的反应气体、或卤硅烷或形成在该过程中的多晶硅)导致腐蚀性卤化氢(例如，氯化氢)的形成。这些腐蚀性气体可以从沉积反应器逃逸至生产室并导致，例如对其中的管、配件、技术组件的腐蚀。

卤化氢尤其腐蚀反应器组件，包括反应器的进料管和排出管。腐蚀过程在例如沉积设备的组件(凸缘、连接件)的不锈钢表面产生锈形成形式的损坏。以及发生的腐蚀首先导致表面性质的变化，且结果是释放金属颗粒(例如，不锈钢和合金组分Fe、Cr、Ni、Mn、Zn、Ti、W)，而且也释放电活性的掺杂剂如硼、磷、铝和砷。这些物质被引入至硅，该硅在随后的沉积中，特别是沉积开始时沉积至升高程度，并沉积在生产空间中存在的多晶硅棒的棒表面上。

当将沉积反应器打开用于批次更换和拆除多晶硅棒时，特别是被腐蚀的不锈钢可以导致在棒表面上的不希望的沉积。例如，铁的释放及其在棒表面上的沉积可以导致得到的用于半导体或太阳能工业的产物的寿命降低。

US 7927571(DE 102006037020 A1)公开了用于批量生产高纯度多晶硅的方法，其中，从打开沉积反应器以提取具有沉积的硅的第一基体的时间至关闭反应器以将硅沉积在第二基体上的时间，通过供应管和排放管将惰性气体供给至打开的反应器中。

GB 1532649公开了在石墨表面沉积多晶硅的方法，其中，在开始加热沉积表面之前或沉积前不久，用惰性气体吹扫关闭的反应器。在该方法过程中，用于吹扫关闭的反应器的该惰性气体吹扫作用于惰化或作用于避免爆炸性气体混合物(排出氧气)。