[发明专利]一种多晶硅快速沉积的方法和装置

说明书

技术领域

一种多晶硅快速沉积的方法和装置涉及在化学气相沉积反应炉内，用含硅气体或者含硅气体与氢气的混合气体生产多晶硅的工艺技术。多晶硅是光伏电池、半导体器件的核心基础材料。

背景技术

目前，生产多晶硅的主流技术是改良西门子法，在改良西门子法生产多晶硅的过程中，在各种对棒的钟罩式（9对棒及以上）的反应炉中，采用安装在反应炉底盘上的电极（4）石墨基座（3）上的硅芯（1）和横梁（2）搭接组成倒U形的硅芯（1）对。它既作为保证还原反应温度的电发热体，又作为多晶硅沉积生长的基体，如图1所示。

在钟罩式反应炉中，根据工艺要求安装有多对由2支硅芯（1)和横梁（2）连接形成倒U形的硅芯对（图1）。反应炉启炉时，通过反应炉底盘上的电极（4）向倒U形的硅芯对加上10KV左右的高压电，经过一定时间后硅芯（1）就会被击穿，流过硅芯对上的电流值逐渐增大。此时，控制电流值大小，将硅芯（1)上的温度在1020--1150℃。待到反应炉内的所有倒U形硅芯对全部被击穿，并加热到1020—1150℃时，反应炉启炉完毕，打开氢气和三氯氢硅气体的进气阀。此时，氢气和三氯氢硅气体开始在硅芯（1)表面发生气相化学反应，硅在硅芯（1)表面沉积，多晶硅开始在硅芯（1)上生长，随着反应时间的增长硅棒的直径逐渐增大，待到硅棒直径达到工艺要求时，关闭混合气体进气阀，断开此反应炉的电源，反应炉停炉。正常情况下，反应炉停炉时硅棒直径为110—200mm，反应炉的生产周期为100—250小时。

由于反应炉内，氢气和三氯氢硅在硅芯（1)表面的反应和硅在硅芯（1)上的沉积，牵涉一系列的化学反应、硅原子穿透固体（硅芯或硅棒）表面的气体边界层、硅原子在气-固表面的晶体生长过程。根据气-固反应原理，影响气-固反应的因素主要有反应温度、压力、气相组分、固体表面积和气体流速等。换句话说，反应炉内，多晶硅在硅棒上的沉积速率主要受反应炉内的温度、压力、气相组分、硅棒的表面积、气体流量的影响。目前，在多晶硅的生产过程中，反应炉内的温度、压力、气相组分基本上是恒定的。但是，硅棒的表面积则是随着硅棒直径的变化而变化的（表面积变化速率是直径的变化速率的3.14倍）。在反应炉运行的初始阶段，硅棒的直径很小，即硅棒的表面积很小，多晶硅的沉积速率就很小。

因此，增大反应炉内多晶硅沉积生长基体的初始表面积是提高反应炉内多晶硅沉积速率的途径之一。例如1，专利CN101432460A公布了采用大面积的硅管取代 2支硅芯（1）和横梁（2）连接形成倒U形的硅芯（1）对（图1）的方法来制备多晶硅，由于硅管的初始表面积比硅芯（1)的大得多，因而可以提高多晶硅的初始沉积速率。但是，该方法存在以下缺点:① 在反应炉装炉时，硅管中的空气在反应炉启动前不易被除尽，会形成潜在的安全和质量隐患。轻微时降低多晶硅产品的质量，严重时导致生反应炉爆炸。② 硅管需要采用特定方法和设备来制备，其生产成本不得而知，且会造成现有大量硅芯（1）制造设备闲置。例如2，CN201010604262公布了一种增加多晶硅反应炉硅芯根数的方法和装置。该方法是在一个电极（4）石墨基座（3）上，用2根及以上的硅芯（1）均匀分布在电极（4）的不同直径的同心圆上，再用石墨做横梁（2）将电极（4）对上的另一石墨基座上的硅芯（1)相连接。该方法和装置能提高多晶硅的初始沉积面积，从而提高多晶硅的沉积速度。但是，该方法存在如下缺点：① 硅芯（1)在多晶硅沉积生长成大直径的硅棒的过程中，硅棒中心会存在较大的空洞，空洞中充满着危险化学品（氢气、含硅气体、氯化氢等）。这会形成多晶硅棒出炉、存放或后处理过程中的安全隐患。② 石墨做硅芯（1）连接横梁（2），会增加多晶硅产品中的碳含量，从而降低产品质量。

因此，仍需要一种增大多晶硅初始沉积基体表面积的方法和装置。该方法在保证产品质量不降低和不造成安全隐患的条件下，既能大幅度地提高多晶硅的初始沉积速率，又能避免造成大量现有设备的闲置，降低多晶硅的生产综合成本。

发明内容

本发明是一种多晶硅快速沉积的方法和装置。采用本方法和装置，在保证产品质量和不形成安全隐患的条件下，解决多晶硅初始沉积生长慢的技术问题。