[發明專利]制備多晶硅顆粒的方法和裝置

有效

• 申請號: 01140960.6
• 申請日: 2001-09-26
• 公開（公告）號: CN1363417A
• 公開（公告）日: 2002-08-14
• 發明（設計）人: 金希泳;樸容起
• 申請（專利權）人: 韓國化學研究院
• 主分類號: B01J8/24
• 分類號: B01J8/24;C01B33/021
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 劉金輝

發明背景

發明領域

本發明涉及制備多晶硅(或多晶體硅)的方法和裝置，更具體地說，為了能有效的防止硅沉積在反應氣體供給裝置的出口表面上并能連續地運轉反應器批量生產多晶硅顆粒，本發明涉及通過裝備有可提供含有氯化氫的蝕刻氣體的噴嘴的流化床反應器來制備粒狀多晶硅的方法和裝置。

對光生伏打應用來說，高純度多晶硅可用作半導體單晶或太陽能電池硅襯底的原料。多晶硅可通過化學蒸氣沉積法來制備，該方法是通過熱分解或氫還原含硅氣體將硅連續地沉積在硅表面上。

在商業上通常是采用鐘罩(bell-jar)型反應器來批量生產多晶硅。用該反應器制備的多晶硅是直徑約50-300mm的棒形。由于需要用電阻加熱的鐘罩型反應器受其棒直徑的限制，所以它不能連續地生產產品并且要消耗大量的能源以保持硅棒表面的溫度在1000℃以上。

最近，為了解決所述問題，已提出了用流化床型反應器的硅沉積法生產粒徑約為0.5-5mm的粒狀多晶硅。根據這一方法，通過從反應器的下部朝其上部供給反應氣體就可形成硅顆粒移動的流化床。元素硅連續地沉積在生成多晶硅產品顆粒的流化硅顆粒的熱表面上。由于硅重復沉積而使顆粒從較小的晶種不斷增大，較大的顆粒會逐漸失去可動性而向下沉降。在這里，晶種被連續或定期地供給到流化床中并且變大了的顆粒會連續地或定期地從反應器的下部取出。

使用鐘罩型反應器或流化床反應器制備的多晶硅基本上是用于制備單晶硅用的，該單晶硅是半導體晶片的基本原料。單晶硅主要是由Czochralski型生長器生產的，其中高純度的多晶硅原料在坩堝中加熱到其約1400℃的熔點處，然后單晶由硅熔體慢慢長大。在晶體生長法中，雖然多晶硅顆?？梢灾苯友b入到晶體生長器的坩堝中，但在傳統鐘罩型反應器中生產的棒狀多晶硅在裝入坩堝之前要進行粉碎和分選處理。另外，還需要象用高純度無機酸進行蝕刻，用超純凈水進行沖洗，干燥以及在干凈的環境下進行包裝等復雜的工藝過程來去除在所述粉碎和分選處理期間污染的硅表面上的雜質。

由于用鐘罩型反應器生產的棒狀多晶硅會產生諸如在補充處理過程中材料嚴重損失以及為去除雜質而導致成本增加等不利問題，所以，期望在未來逐漸用流化床反應器生產的多晶硅顆粒來替代棒狀產品。

流化床反應器的另一優點是：在硅粒沉積的情況下可獲得更高反應產量，而該硅粒與在同樣反應條件下鐘罩型反應器中生產的硅棒相比具有很大的表面積。

由于在溫度高于300-400℃的初始分解溫度下含硅的氣體開始分解，所以如果反應溫度高于初始分解溫度的話，用于硅沉積的反應就能在流化床反應器中的任何固體表面上進行。不管其類型和材料組成如何，硅均能在熱的表面上沉積。因此，硅的沉積和積聚不僅可發生在流化硅顆粒的表面積上而且還可發生在其溫度幾乎與反應溫度一樣高的反應氣供給裝置的表面上。

在反應氣供給裝置表面上的硅沉積物積聚在反應氣注入流化床的出口側是最嚴重的問題。如果硅沉積在與高溫硅顆粒連續接觸的出口表面上的話，出口表面就會處于與這些顆粒幾乎一樣高的溫度。通過注入反應氣而導致的硅沉積還會在所述反應氣供給裝置的出口表面上進行，由此在出口表面處積聚的硅沉積物的厚度會不斷的增加。

這種不想得到的硅沉積物的積聚干擾了流化床反應器的連續運轉，從而對多晶硅顆粒的批量生產帶來嚴重的問題。硅沉積物的積聚度或多或少取決于反應氣供給裝置出口的幾何形狀，反應氣注入的形式和流化硅顆粒與積聚的硅沉積物間的接觸模式。但是其積聚的量會隨運轉的時間增加從而改變了反應氣出口的幾何形狀，并最終會發生堵塞。

除了這些問題外，硅沉積物的積聚還會引起物理或熱變形以及由于沉積的層或塊造成的應力，并且會引起反應氣供給裝置本身的開裂或損壞。

為了解決這些問題，諸如冷卻水、油或氣體等冷卻介質可在反應氣供給裝置中循環以保持其表面溫度低于預定的值。另外，需要最小程度的預熱反應器外的反應氣體以降低反應氣供給裝置的溫度。在此情況下，反應氣供給裝置本身的冷卻應當是徹底的，為的是降低暴露在約1000℃反應器內的反應氣供給裝置的表面溫度，尤其是反應氣出口的表面溫度要低于含硅的硅烷氣體的初始分解溫度。可是，由于使用了具有低熱導率的高純度無機材料用于反應氣供給裝置以防止由于雜質的存在而導致的反應器內部的污染，所以，實際上不可能充分地降低反應氣供給裝置的溫度。即使假定是可能的話，反應氣供給裝置的這種充分冷卻也會導致反應氣體的驟冷。