[發明專利]一種多晶硅棒的生產裝置及其方法

有效

• 申請號: 201410232718.3
• 申請日: 2014-05-29
• 公開（公告）號: CN104016349A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 姚迅
• 申請（專利權）人: 姚迅
• 主分類號: C01B33/035
• 分類號: C01B33/035
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及一種多晶硅棒的生產裝置及其方法，更具體的講是設計一種以旋風狀循環氣流由硅烷氣體制造多晶硅棒裝置及其方法。

背景技術

制造高純多晶硅的通用方法是化學氣相沉積法。利用高純度由含硅氣體在高溫硅棒表面進行還原或分解反應，沉積出高純度多晶硅。當今含硅氣體主要有三氯硅烷氫和硅烷。多晶硅生產的主要目標是高質量、低能耗。硅烷法具有純度高、污染少、反應溫度低、轉化率高等優點。但是硅烷在高溫下可能同時發生異相反應和均相反應，硅烷在高溫的芯棒表面上進行異相反應沉積硅的同時，在反應器內的空間只要超過溫度和濃度的臨界點就會發生均相反應，形成粉塵。硅烷熱解時粉塵的產生給多晶硅生產帶來種種不利后果：

反應器內粉塵彌漫，妨礙工況的觀察和控制，尾氣帶出粉塵不但使多晶硅的實收率下降，浪費高純硅烷，還影響尾氣管道閥門的正常工作。隨沉積過程的進行，多晶硅棒直徑增大，硅烷氣溫不斷增高，產生粉塵的趨勢越來越強，產生的粉塵越來越多，難以制造大直徑硅棒，設備產能小。

粉塵粘附到結晶表面，沉積的結晶易呈枝蔓狀或苞米粒狀，結晶中形成縫隙或孔洞。粉塵沉積到反應器內壁，結成疏松的粉層，沉積到一定厚度會開裂從反應器壁脫落，與正在沉積的硅棒表面粘結并嵌入。結晶質量劣化，在后續處理時引入污染。

為減少粉塵的產生，不得不加強氣體冷卻和降低硅烷濃度，導致沉積速率降低，多晶硅產能減少，同時加熱功率增大，生產多晶硅的能耗大幅度增高，成為硅烷法推廣的主要技術瓶頸。

為減少能耗、提高產能，多年來對硅烷法工藝和設備已進行過很多改良，包括對典型的西門子反應器的種種改良（例如USP2999735（西門子1961）和USP4179530（瓦克1979））、流態床反應器（FBR，USP3963838，TI，1976）、和自由空間反應器（FSR，USP4341749，UCC，1982）等。其中，西門子法用于硅烷法生產棒狀多晶硅，產能低，能耗高。用流態法生產顆粒狀硅，由于粉塵、污染和構件材料，難以穩定、安全運行。自由空間反應器的產品是粉狀硅，產品質量較低且處理困難。用硅烷法制造多晶硅，由于會產生粉塵，產品質量與能耗的矛盾一直是制約此法推廣的主要瓶頸。

西門子反應器用硅烷熱解法制造多晶硅，為了抑制粉塵的產生，改善成晶質量，加快沉積速率，降低生產多晶硅的能耗，增大硅棒直徑，增大產能，多年來開發了種種的方法和設備。

早期的專利USP3147141（石塚1964），JP44-31717?（倉富龍郎1969），JP52-36490?（倉富龍郎1972），基本沿用傳統的西門子反應器的結構，沉積速率很低，生長的硅棒直徑較小，能耗很高。

USP4147814，USP4150168（八釼吉文1979），采用水冷隔板在硅棒之間加以隔離，阻從而減少粉塵的產生，可以生長較粗的硅棒，但能耗居高不下。?JP61-101410（石塚1986），USP4805556（UCC?1989.2），在上述基礎上加以改進，將尾氣回收，經冷卻、過濾和風機系統送回進氣，力圖通過外循環增大冷卻面積，且借氣流除塵來改善沉積條件。USP4734297（法國1988.3），USP4831964（法國1989.5），和USP4826668（UCC,1989.5），都與此類似，借此增加了硅棒對數，在節能和轉化率上有所改善，但是總體效果并不理想，尤其是反應器外輔助設備的建立和維護難度大，還加重了污染和安全方面的負擔。JP63-123608（三菱金屬1988）提出采用風扇加速氣流來提高沉積速率，但是反應器內溫度和濃度不均勻導致使粉塵彌漫和沉積不均勻。

USP5382419（ASiMI,1995），USP5478369（ASiMI,1995），USP5545387（ASiMI,1996），USPRe.36936（ASiMI,2000）是在上述基礎上的大型化改良，原有的水冷隔板改為水冷套筒，每根硅棒都有一個套筒圍繞，形成多個直徑較小的反應室，借以隔離硅棒之間的輻射，同時提高反應室內流速，利于沉積硅晶體，抑制粉末形成。但是由于每根硅棒都包圍在一個水冷套筒里，散熱能耗較高；并且，雖在底部采用了風扇加速氣流，但受所采用的結構布局所限，分配到每個反應室的風量有限，在反應室內的氣流都與硅棒軸向平行，硅烷的傳熱、傳質過程沒有明顯改善。至今多晶硅生產的沉積速率仍較低，能耗仍較高。硅烷分解反應器所存在的根本問題沒有解決。

發明內容

本發明的第一方面目的是針對上述硅烷分解法產生粉塵的問題，提供一種多晶硅棒的生產裝置。