CN101850974A - 制造多晶硅的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制造多晶硅的装置和方法，其能够通过采用激光束对硅烷气体进行热分解来沉积多晶硅颗粒，缩短制造多晶硅所需要的时间段，并且能够通过直接地沉积多晶硅颗粒并熔化多晶硅颗粒来制造铸块，而不需要使用额外的晶体种子，其中，所述装置还包括反应室；气体供应器，用于将硅烷气体供应给所述反应室；激光照射器，用于通过将激光束照射到从所述气体供应器供应的硅烷气体来对所述硅烷气体进行热分解，生成多晶硅颗粒；以及多晶硅颗粒接收器，用于接收并储存多晶硅颗粒。

Description

制造多晶硅的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年4月6号提交的韩国专利申请No.P2009-0029527的权益，通过引用将其包含于此，如同在本文中完全阐述。
技术领域
本发明涉及多晶硅，更具体地，涉及通过使用激光来制造多晶硅的装置和方法。
背景技术
近年来，由于多晶硅处于多晶状态并且具有较高的纯度，所以多晶硅被广泛应用于与半导体器件和太阳能电池相关的各种领域。
以下将介绍典型的多晶硅制造方法。
首先，二氧化硅砂/石英砂(主要成分：SiO2)与石墨(主要成份：C)在电弧放电炉中反应，从而生成近似99％的冶金硅(MG-Si)。
通过使用MG-Si作为启动器的气化过程，对硅烷材料进行混合、分离和纯化，以制造高纯度的气态硅烷材料。所制造出的高纯度的硅烷气体可以是三氯硅烷气体(TCS)，其化学分子式表示为SiHCl3，或者可以是甲硅烷气体(MS)，其化学分子式表示为SiH4。
TCS气体可以通过将MG-Si与HCL进行反应而获得，甲硅烷气体可以通过将MG-Si与SiCl4和H2进行反应或者通过将MG-Si与SiF4和NaAlH4进行反应而获得。
根据将化学气相沉积方法应用于高纯度硅烷气体，对硅进行沉积，以便制造固态多晶硅。在这种情况下，通过在高温环境下进行氢还原和热分解，由硅烷气体生成硅微粒子。所生成的硅微粒子沉积在晶体种子的表面上，从而获得多晶态的多晶硅。
下文中，参照图1，介绍一种现有的通过使用硅烷气体来制造固态多晶硅的方法。
图1是制造多晶硅的一种现有装置的示意图，其能够通过使用钟罩式反应器10来从硅烷气体制造多晶硅。一种通过使用如图1所示的装置来制造多晶硅的现有方法介绍如下。
首先，细度为6mm至7mm的硅芯丝20呈倒U型放置于钟罩式反应器10的内部，并且硅芯丝20的一端连接到电极30上。然后，通过使用预热器来执行预热过程，由此钟罩式反应器10被预热到300℃以上。因此，硅芯丝20的电阻率被降低，从而硅芯丝20的较低电阻率使得能够进行电阻加热。通过将具有预定电势的电提供通过电极30，在高温下对硅芯丝20进行加热，并且将包括硅烷气体和氢气的反应气体供应到钟罩式反应器10内部。由于硅微粒子沉积在硅芯丝20的表面，硅芯丝20的细度增加。然后，电阻加热和硅沉积的过程持续执行几天到十几天，从而获得直径为大约10cm到15cm的条形多晶硅产品。
然而，所述现有技术具有由于使用通过电阻加热对硅烷气体进行分解的硅沉积的方法的局限性而造成的以下缺点。
为了通过使用电阻加热分解硅烷气体来均匀地沉积硅微粒子，钟罩式反应器10的内部温度必须保持在1000℃以上，因此，由于大的电加热负载和功耗，初始安装成本巨大。
由于通过使用电阻加热分解硅烷气体来对硅微粒子进行沉积，所以制造符合多晶硅产品所需大小的多晶硅可能需要长的时间段，例如十天或者更长，从而降低了产量。
发明内容
因此，本发明旨在提供制造多晶硅的装置和方法，其基本上避免了由于相关技术的限制和缺点所造成的一个或者更多问题。
本发明的一个方面旨在提供一种制造多晶硅的装置和方法，其能够通过减少电加热的负载而降低功耗，并且与相关技术相比，也能够缩短制造多晶硅所需的时间段。
根据本发明的目的，为了实现这些以及其他优点，如在本文中所体现和广泛描述的，制造多晶硅的装置包括反应室；气体供应器，用于将硅烷气体供应到反应室；激光照射器，用于通过将激光束照射到从气体供应器供应的硅烷气体来对硅烷气体进行热分解而生成多晶硅颗粒；以及多晶硅颗粒接收器，用于接收并储存多晶硅颗粒。
根据本发明的另一个方面，一种制造多晶硅的装置包括反应室；气体供应器，用于将硅烷气体供应给反应室；激光照射器，用于通过将激光束照射到从气体供应器供应的硅烷气体来对硅烷气体进行热分解而生成多晶硅颗粒；以及铸块成形部件，用于接收和储存多晶硅颗粒，并且通过熔化所储存的多晶硅颗粒而形成铸块。
根据本发明的另一个方面，一种制造多晶硅的方法包括：通过气体供应器将硅烷气体供应给反应室；通过将激光束照射到反应室来对硅烷气体进行热分解而得到多硅晶颗粒；以及在多晶硅颗粒接收器中接收和储存多晶硅颗粒。
根据本发明的另一个方面，一种制造多晶硅的方法包括：通过气体供应器将硅烷气体供应给反应室；通过将激光束照射到反应室来对硅烷气体进行热分解而得到多硅晶颗粒；以及在铸块成形部件中接收和储存多晶硅颗粒，并且通过熔化铸块成形部件中所储存的多晶硅颗粒来形成铸块。
附图说明
附图被包括来提供对本发明的进一步理解，并被并入在本申请中且组成本申请的一部分。附图例示了本发明的实施例，并且与说明书一起用来解释本发明的原理。在附图中：
图1是例示一种制造多晶硅的现有装置的示意图；
图2是根据本发明一个实施例的制造多晶硅的装置的示意图；以及
图3是根据本发明另一个实施例的制造多晶硅的装置的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细地说明本发明的优选实施例，在附图中例示了优选实施例的例子。只要有可能，在整个附图中使用相同的参考标记来指代相同或相似部件。
下文中，将参照附图说明根据本发明的制造多晶硅的装置和方法。
图2是根据本发明的一个实施例的制造多晶硅的装置的示意图。
如图2所示，根据本发明的一个实施例的装置1包括反应室100、气体供应器200、激光照射器300和多晶硅颗粒接收器400。
反应室100是其中通过对硅烷气体进行热分解来沉积多晶硅颗粒的反应空间。尽管未示出，真空泵可以与反应室100相连以便将反应室内部保持为真空状态；以及排气装置可以与反应室100相连以便排放反应室100的反应气体。
气体供应器200将硅烷气体供应给反应室100，比如三氯硅烷气体(TCS)或甲硅烷气体(MS)。气体供应器200设置在反应室100的上部。气体供应器200包括气体供应喷嘴230和气体供应管道260，其中气体供应喷嘴230位于反应室100的内部，气体供应管道260延伸到反应室100的外部，并且与气体供应喷嘴230相连通。尽管未示出，气体供应管道260的一端连接于用于储存硅烷气体的气体供应箱(tank)。
在通过气体供应管道260将气体供应箱中所储存的硅烷气体移动到气体供应喷嘴230之后，硅烷气体被从气体供应喷嘴230供应到反应室100的内部。此外，在反应室100中还设置有空气帘发生器150，其中当所供应的硅烷气体从反应室100的上部向反应室100的下部移动时，空气帘发生器150阻止硅烷气体与反应室100的内侧面接触。也就是说，空气帘发生器150通过在从反应室100的上侧到反应室100的下侧的方向上喷射比如氩气(Ar)的气体来形成空气帘，从而阻止硅烷气体与反应室100的内侧面接触。
根据激光照射器300采用激光束来对从气体供应器200供应的硅烷气体进行照射，通过对硅烷气体进行热分解来沉积多硅晶颗粒。从激光照射器300照射的激光束从反应室100的一侧行进到反应室100的另一侧，由此，可以在短时间段内对大量的硅烷气体进行热分解。也就是说，采用从反应器100的一侧向反应器100的另一侧行进的激光束来照射气体供应器200与多晶硅接收器400之间的部分，从而对硅烷气体进行热分解。
从气体供应器200供应的气体从反应室100的上部向反应室100的下部降落。在这种情况下，如果采用激光束对气体供应器200与多晶硅颗粒接收器400之间的部分进行照射，则激光束和硅烷气体之间的接触面积就会增加，从而可以在短时间段内对大量硅烷气体进行热分解。
激光照射器300可以由红外激光照射器形成，例如，CO2激光照射器。激光照射器300包含激光振荡器320，光学系统340，以及激光功率接收器360。激光振荡器320使激光束振荡；光学系统340增强振荡后的激光束的均匀性；以及激光功率接收器360接收激光束。激光振荡器320和光学系统340位于反应器100的一个外侧上，激光功率接收器360位于反应器100的另一外侧上。
由于激光照射器300位于反应室100的外部，窗口180被设置在反应器100的预定部分，以便通过窗口180将激光束传输到反应室100的内部。窗口180由能够传输光的材料制成，比如石英或者ZnSe。整个反应器100可以由能够传输光的材料制成，例如，石英或者ZnSe。
多晶硅颗粒接收器400接收并储存通过对硅烷气体进行热分解而获得的沉积后的多硅晶颗粒。由于多晶硅颗粒接收器400设置在反应室100的下方，所以多晶硅接收器400接收并储存掉落的多晶硅颗粒。
多晶硅颗粒接收器400可以包括容器410和辅助腔室430。容器410通过开口410a与反应室100连通，以便反应室100内生成的多晶硅颗粒通过开口410a更加平滑地进入到容器410内部。多晶硅颗粒可以在附加的熔炉中溶化并制成铸块。为此，储存有多硅晶颗粒的容器410不得不被传送到该附加的熔炉中。因此，容器410可以被可分离地设置在反应器100中。
如果在将容器410传送到该附加的熔炉时氧气渗入到容器410内部，则容器410中所储存的多晶硅颗粒就会被氧化。在这方面，将容器410从反应室100分离之后，用于对容器410的开口410a进行密封的密封过程是必须的。另外，密封容器410的开口410a的过程必须在容器410中不存在氧气的环境下进行。为此，以辅助腔室430包围容器410的方式来设置辅助腔室430。因此，在将容器410从反应室100分离之后，在包围容器410的辅助腔室430中执行密封容器410的开口410a的过程，以便可以阻止氧气渗入到容器410的内部。
根据本发明的一个实施例的使用图2中所示的装置来制造多晶硅的方法说明如下。
首先，通过气体供应器200的气体供应喷嘴230将比如TCS气体或者MS气体的硅烷气体供应到反应室100的内部。同时，反应室100的内部压力被保持在几毫Torr到几百Torr。
在供应硅烷气体时，从空气帘发生器150同时喷射比如氩气(Ar)的气体，从而在反应室100的内侧面生成空气帘，由此阻止所供应的硅烷气体与反应室100的内侧面接触。
根据激光照射器300采用激光束对反应室100的内部进行照射，通过对硅烷气体进行热分解来生成多晶硅颗粒。
同时，采用从反应室100的一侧向反应室100的另一侧行进的激光束对气体供应器200与多晶硅颗粒接收器400之间的部分进行照射，由此通过在短时间内对大量的硅烷气体进行热分解来沉积多晶硅颗粒。
供应硅烷气体的过程可以与激光束照射过程同时执行，或者这两个过程中的任何一个过程可以先于另一个过程执行。
然后，多晶硅颗粒接收器400接收并储存多晶硅颗粒。更详细地，通过与反应室100连通的开口410a收集多晶硅颗粒并将其储存在容器410中。在将容器410从反应室100分离之后，可以在包围容器410的辅助腔室430中进行密封开口430a的密封过程，然后可以将密封后的容器410传送到附加熔炉，从而制造铸块型多晶硅。
图3是根据本发明的另一个实施例的制造多晶硅的装置的示意图。
除了取代多硅晶颗粒接收器400而设置铸块成形部件500以外，图3中所示的装置在结构上与图2所示的装置相同。只要有可能，在整个附图中使用相同的参考标记来指代与上述实施例中的部分相同或相似的部分，并且省略对这些相同或相似部分的详细解释。
如图3所示，根据本发明的另一个实施例的制造多晶硅的装置包括反应室100、气体供应器200、激光照射器300以及铸块成形部件500。
铸块成形部件500设置在反应室100的下方，因此，铸块成形部件500接收并储存掉落的多晶硅颗粒，并且将通过溶化所接收的多晶硅颗粒来形成铸块。
铸块成形部件500包括熔炉510和多个加热器530。熔炉510是用于储存掉落的多晶硅颗粒并将所储存的多晶硅颗粒熔化的空间。而且，加热器530被设置来对熔炉510进行加热，其中加热器530在线性加热器中形成。隔离器550可以包围多个加热器530。为了取出铸块型多晶硅颗粒，铸块成形部件500可以被可分离地设置在反应器100中。
根据本发明的另一个实施例的使用如图3所示的装置制造多晶硅的方法解释如下，在此省略对与上述实施例中的那些部件相同或相似部件的详细解释。
首先，通过气体供应器200的气体供应喷嘴230将比如TCS气体或MS气体的硅烷气体供应到反应室100的内部。
根据激光照射器300采用激光束对反应室100的内部进行照射，通过对硅烷气体进行热分解来生成多晶硅颗粒。
同时，从反应室100一侧向反应室100的另一侧行进的激光束对气体供应器200与铸块成形部件500之间的部分进行照射，由此可以通过在短时间内对大量的硅烷气体进行热分解来沉积多晶硅颗粒。
接着，在铸块成形部件500中接收并储存多晶硅颗粒，然后由铸块成形部件500对所储存的多晶硅颗粒进行熔化，从而制成多晶硅颗粒的铸块。同时，可以通过使用加热器530将熔炉510加热至约1000℃到2000℃的温度。
因此，根据本发明的制造多晶硅的装置和方法具有如下优点：
与相关技术相比，根据本发明的制造多晶硅的装置和方法具有更多的优点，因为它在与相关技术相比相对更短的时间内通过激光束照射对硅烷气体进行热分解来生成多晶硅颗粒。
特别地，由于激光是一种单一波长光，所以激光对原材料气体具有选择性，并且激光是一种高能量光束，其能够在较短的时间内利用多光子系统吸收来很容易实现对原材料气体的分解。根据本发明的制造多晶硅的装置和方法通过利用具有上述特性的激光束对硅烷气体进行热分解来沉积多晶硅颗粒。因此，与使用电阻加热来对硅烷气体进行分解的现有方法相比，根据本发明的使用激光束的方法可以缩短用于沉积多晶硅颗粒的时间段。
尤其的，由于激光束被照射来从反应室100的一侧向反应室100的另一侧行进，所以激光束与从气体供应器200大量供应给反应室100的硅烷气体之间的接触面积增大，由此可以在短时间内对大量硅烷气体进行热分解。
与在晶体种子的表面上沉积多晶硅颗粒的现有方法不同，根据本发明的方法在不使用晶体种子的情况下直接沉积多硅晶颗粒，并且通过将所沉积的多晶硅颗粒熔化来制造铸块。因此，根据本发明的方法的优点在于不需要另外制造种子。
对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以进行多种改进和变型。因此，如果对本发明的改进和变型在所附权利要求或其等价物的范围内，则本发明意在涵盖本发明的改进和变型。

Claims (15)

1.一种制造多晶硅的装置，包括：
反应室；
气体供应器，用于将硅烷气体供应给所述反应室；
激光照射器，用于通过将激光束照射到从所述气体供应器供应的所述硅烷气体来对所述硅烷气体进行热分解，生成多晶硅颗粒；以及
多晶硅颗粒接收器，用于接收和储存所述多晶硅颗粒。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述激光照射器通过将所述激光束从所述反应室的一侧行进到所述反应室的另一侧，将所述激光束照射到所述气体供应器和所述多晶硅颗粒接收器之间的部分上。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述多晶硅颗粒接收器包括：
被可分离地设置在所述反应室中的容器，所述容器通过开口与所述反应室相连通，以便所述反应室中生成的所述多晶硅颗粒平滑地进入到所述容器的内部；以及
辅助腔室，所述辅助腔室在所述辅助腔室包围所述容器的情况下与所述反应室相连，以便在将所述容器从所述反应室分离之后，在对所述开口进行密封时阻止氧气渗入所述容器中。
4.一种制造多晶硅的装置，包括；
反应室；
气体供应器，用于将硅烷气体供应给所述反应室；
激光照射器，用于通过将激光束照射到从所述气体供应器供应的所述硅烷气体来对所述硅烷气体进行热分解，生成多晶硅颗粒；以及
铸块成形部件，用于接收和储存所述多晶硅颗粒，并通过溶化所述多晶硅颗粒来形成铸块。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述激光照射器通过将所述激光束从所述反应室的一侧行进到所述反应室的另一侧，将所述激光束照射到所述气体供应器和所述铸块成形部件之间的部分上。
6.如权利要求4所述的装置，其中，所述铸块成形部件包括：
熔炉，用于接收和储存所述多晶硅颗粒，并且将所储存的多晶硅颗粒熔化；以及
至少一个加热器，用于加热所述熔炉。
7.如权利要求1或4所述的装置，还包括：
空气帘生成器，其设置在所述反应室内，用于阻止从所述气体供应器供应的硅烷气体与所述反应室的内侧面接触。
8.如权利要求1或4所述的装置，其中，在所述反应室的预定部分设置窗口，从而使得被照射的激光束通过所述窗口传输到所述反应室的内部。
9.如权利要求1或4所述的装置，其中，所述激光照射器包括：
激光振荡器，用于使所述激光束振荡；
光学系统，用于增强所述振荡后的激光束的均匀性；以及
激光功率接收器，用于接收所述激光束，
其中，所述激光振荡器和所述光学系统位于所述反应室的一个外侧处，而所述激光功率接收器位于所述反应室的另一外侧处。
10.一种制造多晶硅的方法包括：
通过气体供应器将硅烷气体供应给反应室；
通过将激光束照射到所述反应室来对所述硅烷气体进行热分解，生成多晶硅颗粒；以及
在多晶硅颗粒接收器中接收并储存所述多晶硅颗粒。
11.如权利要求10所述的方法，其中，照射所述激光束的过程包括通过将所述激光束从所述反应室的一侧行进到所述反应室的另一侧，将所述激光束照射到所述气体供应器与所述多晶硅颗粒接收器之间的部分上的步骤。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述多晶硅颗粒接收器包括被可分离地设置在所述反应室中的容器以及辅助腔室，所述容器通过开口与所述反应室相连通，以便在所述反应室中生成的所述多晶硅颗粒平滑地进入到所述容器的内部，所述辅助腔室在所述辅助腔室包围所述容器的情况下与所述反应室相连，
还包括，当在所述多晶硅颗粒接收器中接收并储存所述多晶硅颗粒的过程完成之后，在用于储存所述多晶硅颗粒的所述容器从所述反应室分离时，在所述辅助腔室的内部密封所述多晶硅颗粒接收器的所述容器的开口。
13.一种制造多晶硅的方法包括：
通过气体供应器将硅烷气体供应给反应室；
通过将激光束照射到所述反应室来对所述硅烷气体进行热分解，生成多晶硅颗粒；以及
在铸块成形部件中接收并储存所述多晶硅颗粒，并通过将储存在所述铸块成形部件中的所述多晶硅颗粒熔化来形成铸块。
14.如权利要求13所述的方法，其中，照射所述激光束的过程包括通过将所述激光束从所述反应室的一侧行进到所述反应室的另一侧，来将所述激光束照射到所述气体供应器与所述铸块成形部件之间的部分上的步骤。
15.如权利要求10或13所述的方法，其中，供应所述硅烷气体的过程还包括在所述反应室的内表面生成空气帘，以便阻止从所述气体供应器供应的硅烷气体与所述反应室的内侧面接触的步骤。
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