[發明專利]一種多晶硅的生產工藝

有效

• 申請號: 200910263230.6
• 申請日: 2009-12-17
• 公開（公告）號: CN101724895A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發明（設計）人: 陳其國;鐘真武;陳文龍
• 申請（專利權）人: 江蘇中能硅業科技發展有限公司
• 主分類號: C30B25/00
• 分類號: C30B25/00;C30B29/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 肖明芳

技術領域

本發明涉及太陽能和半導體行業，特別涉及一種多晶硅的生產工藝。

背景技術

多晶硅是制造半導體器件和太陽能電池等產品的主要原材料，還可以用于制 備單晶硅，其深加工產品被廣泛用于半導體工業中，作為人工智能、自動控制、 信息處理、光電轉換等器件的基礎材料。同時，由于能源危機和低碳經濟的呼吁， 全球正在積極開發利用可再生能源。太陽能由于其清潔、安全、資源豐富，在可 再生能源中最引人關注。利用太陽能的一種方法是通過光電效應將太陽能轉化為 電能。硅太陽能電池是最普遍采用的基于光電壓效應的裝置。此外，由于半導體 工業和太陽能電池的發展，對高純度多晶硅的需求正不斷增加。

在多晶硅的生產方法中，作為被廣泛采用的高純度多晶硅的制備技術，可以 舉出德國西門子公司于1954年發明的多晶硅制造方法(也稱為西門子法)。其系 列化學反應式為：

Si+3HCl→SiHCl₃+H₂????????????????(1)

采用高純三氯氫硅和高純氫按照一定的配比混合在一起構成原料混合氣體， 通入本領域技術人員公知的還原爐反應器中，在加熱的高純度硅芯上發生如下式 (2)所示的還原反應，通過化學氣相沉積，生成的高純度多晶硅不斷沉積在硅芯 上，使該硅芯的直徑逐漸變粗而形成多晶硅棒(以下簡稱為硅棒)。

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

未反應的三氯氫硅和反應過程中生成的四氯化硅副產物等其他氯硅烷氣體、 連同氫氣、HCl氣體(統稱為熱解尾氣)一起經由熱解尾氣排氣管排出，并且任選 進入后端的氣體吸附分離裝置分離，其中的三氯氫硅經純化后可以循環供給還原 工序使用。

多晶硅的生產除了要求原料具有高的純度之外，還原過程的操作條件也很重 要。氫氣和三氯氫硅的配比(摩爾比)是決定還原反應的重要因素之一，對多晶 硅的實收率和沉積速度也有重要影響。專利US3809571揭示了配比對三氯氫硅單程 轉化率和沉積速度的影響，在一定范圍內，氫氣和三氯氫硅的摩爾比增加，三氯 氫硅的單程轉化率也隨之增加。為了提高三氯氫硅單程轉化率，在一定范圍內需 要提高氫氣和三氯氫硅的摩爾比，但是隨著氫氣和三氯氫硅摩爾比的增加，在進 入還原爐的三氯氫硅的量不變的情況下，進入還原爐的氫氣量也隨之增加，這將 導致還原后尾氣回收的負荷增加。而減小氫氣和三氯氫硅的摩爾比，在進入還原 爐的三氯氫硅的量不變的情況下，由于三氯氫硅單程轉化率會降低，多晶硅沉積 速度明顯降低，沉積時間延長。為維持一定的沉積速度，需要加大三氯氫硅的量， 導致未反應的三氯氫硅的量增加，這不僅會增加還原后尾氣回收的負荷，也會提 高尾氣回收物料精餾分離的負荷。

在還原反應器內進行的化學氣相沉積反應較為復雜，在沉積反應初期，硅棒 較細，沉積反應所需要的三氯氫硅量和氫氣量也較小，還原爐內的湍流流動強度 較小，硅棒表面的邊界層厚度較大，整個還原爐內動量、熱量和質量的傳遞特別 是質量的傳遞很不充分，三氯氫硅單程轉化率也低，多晶硅沉積速度較慢。隨沉 積反應的進行，硅棒直徑增大，還原爐內氣體的湍流流動增強，沉積載體表面的 邊界層厚度減小，整個還原爐內動量、熱量和質量的傳遞特別是質量的傳遞與初 期相比比較充分，三氯氫硅單程轉化率也隨之逐漸提高。

雖然通過增大氫氣和三氯氫硅的摩爾比，可提高三氯氫硅的單程轉化率，但 是，過大的摩爾比也會造成硅棒表面三氯氫硅濃度減小，導致沉積速率的下降， 使單位生長周期內的多晶硅產量下降，從而造成單位產品的電耗費用上升，使單 位產品的成本增加。同時，配比增大尾氣中氫氣量也隨之增大，增加了還原尾氣 分離處理的負荷。

美國專利申請US2007/0251455公開了一種制造多晶硅的方法，采用該方法可 以提高多晶硅的產量和單程收率。它采用表面積大的沉積體，如大面積硅管等為 發熱體，以縮短沉積時間，由此提高了多晶硅的產量和反應的單程收率，年產量 可增加30～40％。根據該美國專利申請，采用了一種外徑為50mm的中空硅管為發熱 體。但是，制備這種中空硅管一般必須采用EFG(Edge?Defined?Film?Feed)法，這 相對于常規多晶硅制造商采用硅芯棒爐制備發熱體來說，需要額外增加設備和裝 置，且外徑如此之大的中空硅管的制備對于設備和操作要求均較高。