CN102020277B - 采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，所述方法包括使含硅气体和氢气在表面温度为1000-1150℃的具有表面微结构的硅芯上沉积并制备多晶硅，该方法与现有采用直径8mm硅芯的制造方法相比，具有初始沉积表面积大、初始沉积速率快、降低还原电耗等优点，另外，该方法所述初具有表面微结构的硅芯可在现有反应器中直接应用，而无需改造设备，可节约大量设备改造费。

Description

采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法
技术领域
本发明涉及硅的化学气相沉积工艺，更具体地说，涉及一种使用表面微结构硅芯在普通的化学气相沉积反应器中沉积多晶硅的工艺。
背景技术
目前，改良西门子工艺是使用最广泛的多晶硅生产方法之一，主要使用钟罩型反应器和与电极相连的直径8mm左右的硅芯作为沉积基底，采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。如图1所示，钟罩型反应器包括钟罩壁1、底座2。底座2上结合有进气口5、出气口6和电极3。观察口8提供对内部的可视观察或提供红外探测装4置对炉内温度的测量。
改良西门子工艺的化学气相沉积过程是在钟罩型反应器中进行的。该反应容器为密封结构，底盘电极上连接有直径5～10mm、长度1500～3000mm的硅芯，每对电极上的两根硅棒上端通过一较短的硅棒相互连接，形成倒U形结构。开始沉积硅前，在电极上施加6～12kV左右的高压，硅芯被击穿导电并被加热至1000～1150℃，表面经氢还原后，硅开始在硅芯表面沉积形成硅棒，随反应时间的延长，硅棒的直径逐渐增大，最终达到120～200mm左右。通常情况下，生产直径为120～200mm的高纯硅棒所需的反应时间大约为150～300小时。
在化学气相沉积过程中，在进料量、反应压力、硅棒表面温度等工艺参数恒定的条件下，硅棒直径增长的速率(或沉积速率，以微米每分钟计)或多或少都是恒定的。因此，当硅棒的直径很小时，在初始生长阶段，以千克每小时计的硅沉积速率很低。
提高多晶硅沉积速率的途径之一是增大硅芯初始沉积表面积以提高多晶硅初始沉积速率(以千克每小时计)。如专利CN 101432460A公布了采用打表面积的硅管或硅带取代硅芯的方法来制备多晶硅，由于硅管或硅带的初始沉积表面积比硅芯大得多，因而可提高多晶硅的初始沉积速率(以千克每小时计)。但是，该方法存在如下缺点：(1)采用硅管替代硅芯，虽然增大了初始沉积表面积，但是也增大了沉积基体的重量，因此增加沉积基体的制造成本，如直径50mm，壁厚2mm的硅管，相比于直径8mm的硅芯，表面积增大了6倍，其质量也增大了近6倍；(2)该方法需要对现有多晶硅化学气相沉积反应器的电极(或石墨卡瓣)进行改造以实现硅管或硅带与电极的良好对接，增加了设备改造成本；(3)硅管需要采用特定的边缘限定薄膜供料生长(EFG)设备进行制备，增加了设备购置成本。因此，仍旧需要一种多晶硅的沉积方法，既能实现大的初始表面积提高初始沉积速率，又能充分利用现有的反应设备，不需要增加额外的设备成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，以提高传统化学气相沉积反应器的产量，该方法在现有反应器的基础上无需增加任何设备就能使用更大初始表面积的硅芯沉积多晶硅。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，包括使含硅气体和氢气在1000～1150℃的硅芯表面反应，反应生成的硅在炽热的硅芯表面沉积，使得硅芯直径逐渐长大形成多晶硅硅棒的步骤，所述硅芯的表面具有微结构。
其中，所述的微结构为高度为500～2000μm的金字塔状凸起，优选高度为800～1200μm的金字塔状凸起。所述的金字塔状凸起可以无数大小均一或大小不均一的金字塔状凸起。
其中，所述的微结构按如下方法制备得到：将硅芯置于化学腐蚀液中，70～80℃下，腐蚀50～60小时。
其中，所述的化学腐蚀液由如下重量百分比的组分组成：正磷酸钠0.5～5％，氢氧化钠0.5～5％，异丙醇1～10％，其余为水。
其中，所述的含硅气体包括卤代硅烷、硅烷任一种或混合。
其中，所述卤代硅烷的分子式为SiHnX4-n，其中n＝0～3中任意整数，X＝Cl、Br或I。通常为三氯氢硅、二氯二氢硅、四氯化硅、硅烷、或三溴氢硅，优选为三氯氢硅或硅烷。
其中，所述的硅芯圆柱形、方形或薄板形，优选为现有技术常用的圆柱形硅芯，但并不限于此。
有益效果：本发明具有如下优势：
1、根据本发明的技术方案，通过在硅芯表面制作微结构以增大硅沉积的初始表面积，可以提高硅沉积初始速率，进而提高产量。
2、根据本发明的技术方案，所述具有微结构的硅芯能通过现有硅芯表面织构而来，且能使用现有技术的硅芯夹持装置和电极、电气设备，不需要加以任何改造，不会增加改造的成本。
3、根据本发明的技术方案，通过简单的化学溶蚀就能得到金字塔结构的大小均匀的绒面，无需增加额外的特殊硅芯拉制设备，有效降低了成本。
附图说明
图1是本发明中多晶硅沉积方法中的一种钟罩型还原炉示意图。其中炉筒为1、底盘2、电极3、横梁微结构硅芯4、进料口5、尾气出口6、竖直微结构硅芯7、视镜8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但是需要指出的是，本发明的保护范围并不受这些具体实施方式的限制，而是由权利要求书来确定。
如前所述，本发明提供了一种采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，所述方法包括使含硅气体和氢气在炽热的绒面硅芯表面还原，硅芯表面温度通常为1000～1150℃，还原反应生成的硅沉积在炽热的具有微结构硅芯表面。
根据图1，所述的钟形反应器包括炉筒1、底盘2、电极3、横梁微结构硅芯4、进料口5、尾气出口6、竖直微结构硅芯7、视镜8。
根据生产的实际情况，含硅气体和氢气可以被预热至100～300℃后再进入还原反应器，优选的含硅气体和氢气被预热至150～200℃。
根据生产的实际情况，含硅气体和氢气可以分别计量后被预热至100～300℃再混合进入还原反应器，也可以在分别计量后即混合，混合气体被预热至100～300℃后再进入还原反应器，并在1000～1150℃的具有微结构的硅芯表面发生反应，生成的硅单质沉积在硅芯表面，硅芯直径逐渐长大形成硅棒。
本发明涉及现有技术基础上的改进，所述表面微结构硅芯适用于现有技术的所有对电极还原炉，根据生产的实际情况，在还原反应器内表面微结构硅芯可以为1-72对，优选为9对、12对、18对、24对、36对和48对硅芯。
根据生产的实际情况，作为连接两根硅芯的短硅芯(横梁)，可以采用直硅芯(圆柱形或方形，薄板形)，也可以采用表面微结构硅芯，优选的作为横梁硅芯为表面微结构，其连接方式可以采用水平连接(即与竖直方向的硅芯呈90度)，也可以采用带一定弧度的弯曲连接方式，如圆弧形连接。
如前所述，本发明还提供了一种表面微结构硅芯的制备方法。所述方法的技术方案为：将现有技术的细硅芯放入化学腐蚀液中，所述的化学腐蚀液由如下重量百分比的组分组成：正磷酸钠0.5～5％，氢氧化钠0.5～5％，异丙醇1～10％，其余为水。加热至80℃左右，腐蚀54小时左右，可得均匀的金字塔状凸起的表面微结构，此时微结构高度约为1000μm。硅芯经过表面微结构构造，表面积增加了1.7倍，有效增加初始沉积速率。
实施例：
本实施例的反应器为12对棒还原炉，硅芯高度2400mm，反应温度1080-1100℃。三氯氢硅初始流量2Nm3/h，匀速增加至42Nm3/h之后维持恒定。氢气初始流量为13Nm3/h。在沉积过程中增加氢气流量至189Nm3/h，在整个沉积过程中，氢气和三氯氢硅的摩尔比从6.5逐渐降低至4.5。当硅棒直径达到115mm，还原反应器停炉，整个过程多晶硅沉积时间为80h。
采用直径为9mm的表面微结构硅芯(微结构高度1000μm，其质量与直径为8mm的硅芯相同)制备多晶硅，初始沉积表面积增大了1.7倍，因而，初始沉积速率增加1.7倍，随着反应的进行和硅棒直径的增长，表面微结构硅芯所增加的表面积效应急剧下降，当硅棒直径为16mm时，微结构表面所增加表面积可忽略，此时多晶硅生长速度与采用现有技术细硅芯的生长速度相近，亦即是说采用表面微结构硅芯在多晶硅初始生长的5小时内，均处于加速生长。最终生长时间可比采用现有技术细硅芯的工艺减少近2小时。

Claims (7)

1.采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，包括使含硅气体和氢气在1000～1150℃的硅芯表面反应，反应生成的硅在炽热的硅芯表面沉积，使得硅芯直径逐渐长大形成多晶硅硅棒的步骤，其特征在于所述硅芯的表面具有微结构；
其中，所述的微结构为高度为500～2000μm的金字塔状凸起。
2.根据权利要求1所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述的微结构为高度为800～1200μm的金字塔状凸起。
3.根据权利要求1或2所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述的微结构按如下方法制备得到：将硅芯置于化学腐蚀液中，70～80℃下，腐蚀50～60小时。
4.根据权利要求3所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述的化学腐蚀液由如下重量百分比的组分组成：正磷酸钠0.5～5％，氢氧化钠0.5～5％，异丙醇1～10％，其余为水。
5.根据权利要求1所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述的含硅气体包括卤代硅烷、硅烷任一种或混合。
6.根据权利要求5所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述卤代硅烷的分子式为SiHnX4-n，其中n＝0～3中任意整数，X＝Cl、Br或I。
7.根据权利要求1所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述的硅芯圆柱形、方形或薄板形。
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