[發明專利]熱處理粒狀硅的方法、粒狀硅及制備硅單晶的方法

在審

• 申請號: 201680048555.0
• 申請日: 2016-07-01
• 公開（公告）號: CN107922196A
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: G·布倫寧格
• 申請（專利權）人: 硅電子股份公司
• 主分類號: C01B33/02
• 分類號: C01B33/02;C30B29/06;C30B13/00;C30B35/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 李振東,過曉東

技術領域

本發明涉及熱處理由多晶顆粒組成的粒狀硅的方法、制備硅單晶的方法，在此過程中使用經熱處理的粒狀硅，以及經熱處理的粒狀硅。

背景技術

粒狀硅通常是通過在流化床中沉積硅產生的。WO 2014/191274是許多主題在于所述制備方法的來源之一。根據該來源，所產生的由多晶顆粒組成的粒狀硅可以直接作為原料用于制備單晶。

US 2005/0135986 A1建議一種粒狀硅的制備方法，其中產生相對較少的細塵(Feinstaub)并且產生粒狀硅，其多晶顆粒均具有比較光滑的表面。在有意將粒狀硅用于制備硅單晶時，形成粉塵的傾向小的性質變得特別重要。若在粒狀材料熔化之后留下微粒并且其到達界面，單晶在所述界面處生長，則所述微粒會導致形成位錯。然后通常必須中斷結晶過程。

US 2013/0295385 A1公開了一種粒狀硅的制備方法，該方法還可用于根據GFZ法制備硅單晶。GFZ法是FZ法(浮區晶體生長)的改變方式，其中單晶在熔融區的界面處生長，所述熔融區通過利用感應加熱線圈持續熔化多晶進料棒(Vorratstab)并降低生長的單晶而加以維持。在GFZ法中，粒狀硅代替進料棒。US 2011/0185963 A1描述了一種GFZ法，其中額外地特別使用感應加熱線圈以熔化粒狀材料。

這表明存在對于改進粒狀硅的性質的持續需求。尤其是存在改性粒狀硅從而降低其在熔融狀態在熔體中留下微粒及夾雜氣體的傾向的需求。因此需要改進的GFZ法，其具有低的位錯率，并且利用該方法可以制備盡可能不含夾雜氣體的硅單晶。

發明內容

由此提出的目的通過熱處理由多晶顆粒組成的粒狀硅的方法實現，所述方法包括：

-引導工藝氣體沿著流動方向通過等離子室；

-在所述等離子室中產生等離子區；

-通過將微波輻射引入所述等離子室中而維持所述等離子區；

-通過所述工藝氣體將所述粒狀硅預熱到不低于900℃的溫度；

-與所述工藝氣體的流動方向相反地，輸送經預熱的粒狀硅通過所述等離子室和所述等離子區，其中暫時地使所述顆粒的外部區域熔化；及

-收集經等離子處理的粒狀硅。

所述目的還通過制備硅單晶的方法實現，所述方法包括：

-形成具有界面的熔融區，硅單晶在所述界面處生長；

-引導工藝氣體沿著流動方向通過等離子室；

-在所述等離子室中產生等離子區；

-通過將微波輻射引入所述等離子室中而維持所述等離子區；

-通過所述工藝氣體將由多晶顆粒組成的粒狀硅預熱到不低于900℃的溫度；

-與所述工藝氣體的流動方向相反地，輸送經預熱的粒狀硅通過所述等離子室和所述等離子區，其中暫時地使所述顆粒的外部區域熔化；

-以感應方式使經等離子處理的粒狀硅熔化；及

-將熔化的粒狀材料送至所述熔融區。

所述目的最后通過由多晶顆粒組成的粒狀硅實現，所述多晶顆粒均包含：表面、邊緣區域及核心區域，其中在所述邊緣區域中的晶體密度小于在所述核心區域中的晶體密度。

本發明基于以下認識：受限于通過在流化床中沉積硅來優化粒狀硅的制備從而改善粒狀硅性質的措施是不夠的。

以此認識為出發點，建議粒狀硅在其制備之后通過用等離子處理從而加熱到高于硅熔點的溫度。在所述熱處理的過程中，在邊緣區域(外部區域)中的粒狀材料的多晶顆粒熔化，而核心區域(內部區域)則保持固態。在隨后冷卻顆粒時，邊緣區域重新結晶，但是具有改變的多晶結構。在邊緣區域中的晶體密度(每單位體積的晶體數量)明顯小于核心區域。此外，顆粒表面的粗糙度降低。即使在目視觀察經等離子處理的粒狀硅時，也顯示出其光澤度由于所述處理而增加。隨著粒狀硅的結構改變，還觀察到其性質的改善。若用于制備單晶，則單晶中的位錯率及夾雜氣體出現頻率下降。

適合于所建議的等離子處理的粒狀硅由多晶顆粒組成，并且優選通過在流化床反應器中在存在含硅反應氣體的情況下在硅微粒上沉積硅而制成。反應氣體包括硅烷或含氯硅烷，優選為三氯硅烷。例如可以使用在WO 2014/191274 A1中所述的方法作為制備方法。優選不少于98％(基于重量)的粒狀材料由具有近似球體形狀的顆粒組成，其顆粒尺寸通過篩網直徑(Siebdurchmesser)表示為當量直徑優選為600至8000μm，特別優選為600至4000μm。粒狀硅優選包含不多于50ppb(基于重量)的金屬雜質。