CN101919028B - 多晶硅沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的多晶硅沉积装置包括：电极单元，包括设置在反应器的底部且以预定距离隔开设置的第1电极和第2电极，反应器形成有加入原料气的气体加入口、向外部排出气体的气体排出口；硅芯棒单元，从电极单元的第1电极输入电流，使电流流通至电极单元的第2电极，使自身发热；硅芯棒加热单元，包括发热体，发热体与硅芯棒隔开预定间隔而围绕硅芯棒，并在内部设置有发热单元；以及气体喷射单元，以使通过反应器的气体加入口加入到发热体内部的原料气向硅芯棒流动的方式形成在发热体的表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种作为半导体或太阳能产业的主原料使用的多晶硅的制造装置，更详细地说，涉及在硅芯棒表面沉积多晶硅的多晶硅沉积装置。
背景技术
为了制造半导体或太阳能产业中作为主原料使用的多结晶硅(也称多晶硅)，必须对石英或沙子等与碳进行还原反应而制作金属级硅(即金属硅)。对金属级硅再追加精制(Refinement)过程而制作太阳能电池级硅或半导体级硅。金属级多晶硅的精制方法从大的方面说有西门子(Siemens)法、流化床法、VLD(气液沉积)方式以及直接精制金属级硅的方法等。
其中最普遍大量采用的方法是西门子法。这一方法是将氯硅烷(chlorosilane)或甲硅烷(monosilane)与氢的混合原料气进行热分解，在硅芯棒上沉积，而制造多结晶硅。该方法对硅芯棒通电，通过其热阻抗而使硅芯棒整体发热，而硅在常温下的电阻很大，所以导电性较差。然而，硅加热到约1000℃时，其电阻大大降低，所以导电性较好。因而，在多晶硅制造工序初期需要硅芯棒加热装置。
现有技术中，采用这样的方法，即在反应器内部的硅芯棒旁边设置碳棒，在工序初期，对碳棒通电使之发热，通过该热量，使硅芯棒的温度上升。但是，这一方法在碳棒上也沉积硅，所以原料气的使用效率降低，具有因碳而发生污染的问题。
一方面，美国专利登记公报第6749824号中，在硅芯棒外部设置感应线圈进行初期加热。该方法的缺点是，通过感应加热难以使硅发热，因受感应线圈管的影响，沉积不均匀。再者，日本专利公开公报2001-278611中，通过红外线照射而对硅芯棒进行初期加热。该方法具有的问题是，为了进行红外线照射，反应器一部分设置窗口，因此，在高沉积温度下，该部分的热损失多，其附近沉积的硅的质量偏差大。
发明内容
技术问题
本发明在上述背景下提出，本发明的目的是提供一种多晶硅沉积装置，对硅芯棒进行初期加热时所采用的电力的效率高，可以获得高纯度的多晶硅。
本发明的其它目的是提供原料气使用效率和沉积效率高的多晶硅沉积装置。
本发明的再一目的是提供一种多晶硅沉积装置，能够从外部容易地确认进行多晶硅沉积的反应器的内部状态。
技术方案
为达成上述目的，根据本发明的一个方式的多晶硅沉积装置，包括：电极单元，包括设置在反应器的底部、且以预定距离隔开设置的第1电极和第2电极，反应器形成有加入原料气的气体加入口和向外部排出气体的气体排出口；硅芯棒单元，从电极单元的第1电极输入电流，使电流流通至电极单元的第2电极，使自身发热；硅芯棒加热单元，包括发热体，发热体与硅芯棒隔开预定间隔而围绕硅芯棒，并在内部设置有发热单元；以及气体喷射单元，以使通过反应器的气体加入口加入到发热体的内部的原料气向硅芯棒流动的方式形成在发热体的表面。
根据本发明的其它方式的多晶硅沉积装置，其特征在于，在第1发热体、第2发热体的内部所形成的发热单元包括沿第1发热体、第2发热体的高度方向设置的多个加热器，多个加热器在第1发热体、第2发热体的周围以预定间隔设置。
根据本发明的再一方式的多晶硅沉积装置，其特征在于，多个气体喷嘴包括多个喷嘴组，喷嘴组包括沿第1发热体、第2发热体的表面的高度方向、以预定间隔隔开的位置处所设置的至少2个以上的喷嘴，多个喷嘴组在第1发热体、第2发热体的表面周围以预定间隔设置。
根据本发明的再一方式的多晶硅沉积装置，其特征在于，在第1发热体、第2发热体的表面上所设置的喷嘴组，被设置在以预定间隔设置在第1发热体、第2发热体周围的多个加热器之间。
有益效果
根据上述构成，本发明的多晶硅沉积装置中，发热体围绕硅芯棒周围，加入到发热体内部的原料气预热后向硅芯棒喷射，因此具有如下技术效果：对硅芯棒进行初期加热时所使用的电力的效率高，原料气分解产生的硅气体在硅芯棒上沉积的沉积效率高。
另外，本发明的多晶硅沉积装置中，在第1发热体、第2发热体的内部所形成的发热单元包括沿第1发热体、第2发热体的高度方向设置的多个加热器，多个加热器在第1发热体、第2发热体的周围以预定间隔设置，所以具有如下技术效果：可以使硅芯棒表面温度选均匀地提高，从而从原料气中分解的硅气体在硅芯棒上沉积的沉积效率高。
另外，本发明的多晶硅沉积装置中，多个气体喷嘴包括多个喷嘴组，喷嘴组包括沿第1发热体、第2发热体的表面的高度方向、以预定间隔隔开的位置处所设置的至少2个以上的喷嘴，多个喷嘴组在第1发热体、第2发热体的表面周围以预定间隔设置，所以气体喷嘴均匀地形成在离硅芯棒很近的位置，因此具有如下技术效果：从气体喷嘴流出的原料气中分解的硅气体在硅芯棒上沉积的沉积效率高。
另外，本发明的多晶硅沉积装置中，被设置在第1发热体、第2发热体的表面上的喷嘴组，被设置在以预定间隔设置在第1发热体、第2发热体周围的多个加热器之间，所以多个加热器的辐射热通过气体喷嘴传递到硅芯棒，从而具有如下技术效果：能够防止从原料气分解产生的硅气体不均匀地沉积在硅芯棒上，提高沉积效率。
附图说明
图1是表示本发明的多晶硅沉积装置的截面图的实施例。
图2是包含在图1的多晶硅沉积装置中的第1发热体的AA截面图。
图3表示本发明的硅芯棒的温度分布图。
具体实施方式
下面，参照附图并通过下述的优选实施例，详细说明前述方式和追加的方式，使本领域技术人员能够容易地理解和再现本发明。
图1是表示本发明的多晶硅沉积装置的截面图的实施例，图2是包含在图1的多晶硅沉积装置中的第1发热体123a的AA截面图。
首先，如图1所示，从大的方面来说，本发明的多晶硅沉积装置100包括：形成有加入原料气的气体加入口111、向外部排出气体的气体排出口112的反应器110；和设置在反应器110内部空间的、使通过气体加入口111供应的原料气热分解而沉积多晶硅的多晶硅沉积单元120。本说明书中，原料气是氯硅烷(chlorosilane)或甲硅烷(monosilane)，原料气与诸如氢的载气混合供应。
在一个实施例中，多晶硅沉积单元120包括电极单元121、硅芯棒单元122、硅芯棒加热单元123、以及包括多个气体喷嘴124的气体喷射单元。
电极单元121用于向硅芯棒单元122供应电流，包括设置在反应器110底部并以预定距离隔开设置的第1电极121a和第2电极121b。这里，第1电极121a和第2电极121b可由石墨材料的电极来实现。另外，第1电极121a和第2电极121b与反应器110的底部绝缘设置。
硅芯棒单元122的作用是，从电极单元121的第1电极121a输入电流，使电流流通至电极单元121的第2电极121b，并且自身发热，使原料气分解产生的硅气体沉积。硅芯棒单元122包括与电极单元的第1电极121a连接并与反应器110底部成垂直方向设置的第1硅芯棒122a、与电极单元121的第2电极121b连接并与反应器110底部成垂直方向设置的第2硅芯棒122b、以及连接第1硅芯棒122a与第2硅芯棒122b的第3硅芯棒122c。
硅芯棒加热单元123的作用是，在向硅芯棒单元122输入电流前，对硅芯棒单元122加热。硅芯棒加热单元123包括：第1发热体123a，与第1硅芯棒122a间隔预定距离而围绕第1硅芯棒122a，并在内部设置有发热单元1231；以及第2发热体123b，与第2硅芯棒122b间隔预定距离而围绕第2硅芯棒122b，并在内部设置有发热单元1231。
发热单元1231可以由SiC(碳化硅)、MoSi2(二硅化钼)、石墨等陶瓷加热器实现，或者可以由Fe-Cr(铁-铬)类、Ni-Cr(镍-铬)类、Fe-Cr-Al(铁-铬-铝)类金属加热器实现。
在此，参照图2，在一个实施例中，在第1发热体123a的内部所形成的发热单元1231包括沿第1发热体123a的高度方向设置的多个加热器，多个加热器在第1发热体123a的周围相隔预定间隔而设置，例如以60度间隔设置有6个，或者以90度间隔设置有4个。
再次参照图1，多个气体喷嘴124形成在第1、第2发热体123a、123b表面上，使通过反应器110的气体加入口111加入到第1、第2发热体123a、123b内部的原料气分别向第1、第2硅芯棒122a、122b流动。通过多个气体喷嘴124喷射的原料气热分解，热分解的硅气体在第1、第2硅芯棒122a、122b上沉积。原料气加入到第1、第2发热体123a、123b内部，被发热单元1231预热，并喷射到第1、第2硅芯棒122a、122b，从而本发明的多晶硅沉积装置能够快速产生原料气的热分解。
参照图1和图2，在一个实施例中，多个气体喷嘴124包括多个喷嘴组1241，喷嘴组1241包括在第1发热体123a表面的高度方向上隔开预定间隔的位置处所设置的至少2个以上的喷嘴124。另外，包括在多个气体喷嘴124中的多个喷嘴组1241以预定间隔设置在第1发热体123a的表面周围。由此，气体喷嘴124在离第1硅芯棒122a很近的位置处均匀地形成，所以硅沉积效率高。即，从气体喷嘴124流出的原料气中分解的硅气体直接沉积在第1硅芯棒122a上，形成硅棒210。
此外，以预定间隔设置在第1发热体123a的表面周围的喷嘴组1241被设置在以预定间隔设置在第1发热体123a周围的多个加热器1231之间。由此，多个加热器1231的辐射热通过气体喷嘴124传递到第1硅芯棒122a，从而能够防止从原料气分解产生的硅气体不均匀地沉积在第1硅芯棒122a上。
参照图1，反应器110包括：内部设有第1冷却棒113a的底部冷却体113；在底部冷却体113一端沿与第1、第2硅芯棒122a、112b平行方向设置的、内部形成有第2冷却棒114a的下部冷却体114；设置在下部冷却体114的上表面、且内部分别形成有第3冷却棒115a的上部冷却体115；以及设置在上部冷却体116上部、且内部形成有第4冷却棒116a的顶部冷却体116。
尽管图1中没有示出，但反应器110包括分别向第1至第4冷却棒(113a-116a)供应冷却水的冷却水供应装置。在优选实施例中，从原料气向反应器内部供应的时候开始，冷却水供应装置向下部冷却体114的第2冷却棒114a供应具有最低温度的冷却水。
大部分供应原料气热分解并沉积在第1、第2硅芯棒112a、112b上，但一部分硅粉末不沉积在第1、第2硅芯棒112a、112b上，而是沉积在反应器110的内部。硅粉末的沉积反应在温度越低的地方越容易发生，因而，将下部冷却体114的温度控制为最低，诱导硅粉末沉积在下部冷却体114上。这是因为，如果顶部冷却体116或上部冷却体115上沉积许多硅粉末，那么硅棒210的质量会受到不利影响，如果底部冷却体113上沉积许多硅粉末，那么就存在气体排出口112被堵住的危险。
在一个实施例中，本发明的多晶硅沉积装置100还包括为了可以从外部确认反应器110的内部情况而设置的观察窗117。由于观察窗117是为测定硅棒(图2的附图标记210)的直径而设置，故作为一个例子可以设置在上部冷却体115处。另外，观察窗117处可能沉积许多硅粉末而难以确认内部情况，所以可以在观察窗117的玻璃上附着加热线，使温度升高，以最大限度地抑制硅粉末沉积，从而容易地确认内部情况。
图3表示本发明的硅芯棒的温度分布图。
通常情况下，只有硅芯棒122a的表面温度均匀分布，才能提高从原料气分解产生的硅气体在硅芯棒122a上沉积的沉积效率。图3是利用本发明的多晶硅沉积装置测量硅芯棒122a的表面温度的结果，加热器1231和硅芯棒122a之间的温度分布31在850℃～950℃范围内。由此可以预测，本发明的多晶硅沉积装置能够提高从原料气分解产生的硅气体在硅芯棒122a上沉积的沉积效率。
至此，在本说明书中，为使具有本发明所涉及的技术领域的一般知识的人员能够容易地理解和再现本发明，参照附图所示的实施例进行了说明，但应该理解这不过是示例性的说明，作为具有该技术领域一般知识的人员，其能够根据本发明的实施例而作出多样的变型以及等同的其它实施例。因此，本发明的真正的技术性保护范围应当仅根据所附的权利要求范围确定。
Claims (4)
1.一种多晶硅沉积装置，设置在反应器的内部空间中，使原料气热分解而沉积多晶硅，所述反应器形成有加入所述原料气的气体加入口和向外部排出气体的气体排出口，所述多晶硅沉积装置的特征在于，包括：
电极单元，包括设置在所述反应器的底部、且以预定距离隔开设置的第1电极和第2电极；
硅芯棒单元，包括：第1硅芯棒，与所述电极单元的第1电极连接，并被设置在与所述反应器的底部垂直的方向上；第2硅芯棒，与所述电极单元的第2电极连接，并被设置在与所述反应器的底部垂直的方向上；以及第3硅芯棒，连接所述第1硅芯棒与第2硅芯棒；
硅芯棒加热单元，包括：第1发热体，从所述第1硅芯棒隔开预定间隔而围绕所述第1硅芯棒，并在内部设置有发热单元；和第2发热体，从所述第2硅芯棒隔开预定间隔而围绕所述第2硅芯棒，并在内部设置有发热单元；以及
多个气体喷嘴，以使通过所述反应器的气体加入口加入到所述第1发热体、第2发热体的内部的原料气分别向所述第1硅芯棒、第2硅芯棒流动的方式形成在所述第1发热体、第2发热体的表面。
2.如权利要求1所述的多晶硅沉积装置，其特征在于，
所述多个气体喷嘴包括多个喷嘴组，所述喷嘴组包括沿所述第1发热体、第2发热体的表面的高度方向、以预定间隔隔开的位置处所设置的至少2个以上的喷嘴，
所述多个喷嘴组在所述第1发热体、第2发热体的表面周围以预定间隔设置。
3.如权利要求1所述的多晶硅沉积装置，其特征在于，
所述反应器包括：
底部冷却体，在内部设有第1冷却棒；
下部冷却体，在所述底部冷却体的一端沿垂直方向设置，在内部形成有第2冷却棒；
上部冷却体，设置在所述下部冷却体的上表面上，在内部分别形成有第3冷却棒；
顶部冷却体，设置在所述上部冷却体的上表面上，在内部形成有第4冷却棒；以及
冷却水供应装置，向所述第1至第4冷却棒分别供应冷却水，
从原料气向反应器内部供应的时间开始，所述冷却水供应装置向所述下部冷却体的第2冷却棒供应具有最低温度的冷却水。
4.如权利要求3所述的多晶硅沉积装置，其特征在于，
所述反应器还包括：
能够从外部确认所述反应器的内部情况的观察窗；以及
附着于所述观察窗的加热线。
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