[發明專利]完全利用供料氣和全再循環CVD-西門子甲硅烷反應器法

無效

• 申請號: 201110257971.0
• 申請日: 2011-09-02
• 公開（公告）號: CN102530953A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 維塞爾·雷萬卡;桑吉夫·拉郝蒂
• 申請（專利權）人: 維塞爾·雷萬卡;桑吉夫·拉郝蒂
• 主分類號: C01B33/035
• 分類號: C01B33/035
• 代理公司: 北京嘉和天工知識產權代理事務所 11269
• 代理人: 甘玲

技術領域

本發明涉及用于基于甲硅烷(SiH₄)的化學氣相沉積(CVD)多晶硅的CVD的甲硅烷和氫再循環方法/系統。具體地，本發明涉及經由氣態硅烷前體的分解生產多晶硅塊材料的基本上完全硅烷利用和無未(從反應器)轉化的污染的硅烷和氫完全再循環方法。

背景技術

經由氣態前體化合物在細棒基底上的分解生產多晶硅塊材料是通常被稱作“西門子法”的公知的、廣泛使用的方法。在典型的西門子法中，高純度硅棒在具有承載氣體的情況下在1150℃被暴露于三氯硅烷。三氯硅烷氣體分解并且將硅沉積到熱棒上，使它們生長：

2HSiCl₃→Si+2HCl+SiCl₄

由這種和類似的方法獲得的硅是多晶硅。通過西門子法生長的多晶硅典型地具有小于10^-9的雜質量(impurity?level)。

更詳細地，西門子法是組合的分解/沉積方法，包括：(1)加熱被合適的外罩覆蓋的一個或更多個棒或絲(適當的基底)，以允許高溫、氣密操作；(2)供料沒有或具有最低限度污染的期望組成(含有硅)的前體材料或化合物；(3)在適當的環境下進一步加熱被包住的棒或絲至期望的溫度；(4)優先在棒/絲的被加熱表面上分解前體材料，以在基底或細棒上形成塊狀多晶硅；(5)回收或處置副產物；以及(6)回收多晶硅生長細棒，而不污染它們。

典型的西門子法和反應器中，反應物氣體被從單個端口供料至棒，導致不均勻生長。在棒長度之上的這種不均勻氣體分配進一步促使嚴重的均相成核作用、造成灰塵。這種不均勻生長和均相成核作用促使最終的反應器故障/停機。此外，典型的西門子法反應器內的棒沒有被各自隔離。因此，棒和氣體前體分配之間不均勻的輻射熱進一步促使了均相成核作用、較低的轉化、較高的副產物以及棒上的不均勻生長。

已知的利用西門子法的系統使用被掛到每個反應器系統上的至少兩個電源。一個或更多個一級電源被用于加熱并且維持用于氣體分解/沉積的反應器細棒(即，塊狀硅材料被沉積在其上的棒)系統的溫度。次級電源一般在加熱初始是必須的，以克服硅棒的電阻(針對典型的反應器需要高于約26,000伏特，并且所需要的電壓取決于所使用的細棒組件的長度和直徑)。高壓電源的必要性顯著增加了操作這種已知反應器的費用和安全隱患。

一些已知反應器不是使用非常高的電壓源，而是使用引入反應空間中并平行于沉積棒的加熱指(heating?finger)。為了預加熱用于沉積的反應器細棒，加熱指被降低到與安裝在反應器中的細棒臨近的反應空間中。一旦細棒是在就溫度而言的最佳導電條件，電流可以通過承載桿(carrier?rod)。然后從反應器移除加熱指并且密封金屬外罩中的開口。這種已知的反應器呈現關于產品的純度/完整性、生產能力，以及密封的建立和維持的進一步的問題，以及安全性，操作與維護的問題。

根據已知的常見工業方法，通過在純的和純化的硅絲的熱表面從氣相分解硅的鹵化物(優選的鹵化物是氯化物、四氯化硅和三氯硅烷)，在西門子型反應器中獲得高純度的圓柱體棒形式的元素硅。這些化合物在800℃以上的溫度變得愈加不穩定并且分解。

均相和異相成核過程在反應器中彼此競爭。硅沉積在約800℃經由異相反應開始，并且該沉積擴展到在1420℃的硅的熔點。由于沉積僅在細棒上是有益的，分解室的內壁必須不達到接近800℃的溫度，以防止室壁上浪費的沉積。

在已知的西門子法反應器中，反應器壁一般被冷卻，以防止這種浪費的沉積，并且還維持組件的結構完整性。然而，冷卻壁消耗額外的能量。有關冷卻反應器壁的另外的問題是粉末顆粒在冷卻的反應器壁上的熱泳沉積。這種沉積一般較弱，導致顆粒在氣體料流中的多次再循環。該沉積的粉末最終變松散并且崩塌到反應器中，造成反應器的過早實效。

最頻繁用于高純度硅制備的硅的鹵化物是四氯化硅和三氯硅烷。當與熱的表面接觸時，這些鹵化物將經歷熱解作用，并且沉積元素硅。然而，為了獲得合理的且經濟的收率，過量的氫氣被添加到鹵化硅蒸汽反應進料氣體。由于三氯硅烷每單位重量成比例地更高的硅含量和相對更低的沉積溫度(即更快的動力學)，三氯硅烷將比四氯化硅沉積更多的硅，并且因此是針對用于使用硅的鹵化物方法制備多晶硅的西門子法的優選原料。然而，其他基于硅烷的前體可以在反應中使用。