CN102674358B - 多晶硅生产方法和系统 - Google Patents

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Abstract

多晶硅生产方法和系统。该方法包括：提供由三氯氢硅和二氯二氢硅组成的硅源，其中三氯氢硅和二氯二氢硅的比例范围在20:1和30:1之间；加热硅源以使其形成气体三氯氢硅气体和二氯二氢硅气体；提供氢气；使三氯氢硅气体和二氯二氢硅气体与氢气混合；提供设置有硅芯的还原炉；以及在还原炉中引入混合后的三氯氢硅气体、二氯二氢硅气体与氢气，并且使还原炉中的气体压力为0.4-0.6Mpa，硅芯温度为1080-1150℃，从而在硅芯上还原制备多晶硅。由于本发明将精炼提纯的三氯氢硅和二氯二氢硅按照特定比例混合进入还原炉，因此可获得快速的硅沉积速率，同时又不会发生均相成核现象。另外，本发明还显著提高了多晶硅的生产质量、大大降低了能耗和生产成本。

Description

多晶硅生产方法和系统
技术领域
本发明涉及多晶硅生产方法和系统。
背景技术
目前国内外大多数工厂都采用三氯氢硅作为硅源来生产多晶硅。虽然这种方法产率不低，且反应物中的SiHCl3、HCl、H2可以回收使用，但这种方法均将生产过程中产生的二氯二氢硅（SiH2Cl2）分离出来作为副产品处理。这不但工艺复杂，而且又浪费了原材料工业硅，导致生产成本很高。
早先也曾经采用过二氯二氢硅法作为硅源来生产半导体多晶硅。这种方法生产速率很高，但由于其硅的自由基较活泼，反应温度较低，部分物料会发生均相成核，即部分硅不是生长在还原炉内的硅棒或硅芯上，而是在还原炉空腔中直接反应生成硅，并聚集在底盘、炉壁之上而无法回收，从而使得该方法实际收率很低，且无法观察还原炉内情况，并容易发生还原炉局部过热、泄露、甚至爆炸等事故。
中国专利公开出版物CN101723371A公开了一种循环利用副产物来生产多晶硅的工艺。该工艺将还原炉中产生的由HCl、H2、SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2组成的副产物冷冻回收，得到由SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2组成的冷凝液和由HCl、H2组成的气体，其中由SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2组成的冷凝液循环进入还原炉参与H2还原反应。这种工艺所生产的多晶硅不但容易发生畸形而质量很差，同时能耗也很高，几乎无法进行实际生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种高质量和高效率的多晶硅生产方法和系统。
根据本发明的多晶硅生产方法包括：
提供由三氯氢硅和二氯二氢硅组成的硅源，其中三氯氢硅和二氯二氢硅的比例范围在20:1和30:1之间；
加热硅源以使其形成气体三氯氢硅气体和二氯二氢硅气体；
提供氢气；
使三氯氢硅气体和二氯二氢硅气体与氢气混合；
提供设置有硅芯的还原炉；以及
在还原炉中引入混合后的三氯氢硅气体、二氯二氢硅气体与氢气，并且使还原炉中的气体压力为0.4-0.6Mpa，硅芯温度为1080-1150℃，从而在硅芯上还原制备多晶硅。
优选三氯氢硅和二氯二氢硅的纯度均不低于99.9999999％。优选氢气的纯度不低于99.999％。
本发明的多晶硅生产方法还可以包括步骤：从还原炉产生的副产物中分离出三氯氢硅和二氯二氢硅；以及将分离出三氯氢硅和二氯二氢硅重新形成硅源。
优选硅源中的三氯氢硅和二氯二氢硅的比例为20:1；还原炉中的气体压力为0.6Mpa；和/或还原炉中的硅芯温度为1080℃。
在从还原炉产生的副产物中分离出三氯氢硅和二氯二氢硅之前，还可以使副产物与将要进入还原炉的混合后的三氯氢硅气体、二氯二氢硅气体与氢气进行热交换。
根据本发明的多晶硅生产系统包括：
设置有硅芯的还原炉；换热器；通过换热器与还原炉连通的冷凝器；与冷凝器连通的冷凝料存储器；与冷凝料存储器连通的精馏塔；与精馏塔连通的硅烷存储器；与硅烷存储器连通的硅烷加热器;与硅烷加热器连通的混合器；以及与混合器连通的氢气加热器。混合器也通过换热器与还原炉连通。
本发明的多晶硅生产系统还可以包括与氢气加热器连通的氢气存储器和/或与硅烷存储器连通的三氯氢硅存储器。
由于本发明将精炼提纯的三氯氢硅和二氯二氢硅按照特定比例混合进入还原炉，因此相比三氯氢硅作为单一硅源的多晶硅生产工艺可获得快速的硅沉积速率（每小时厚度沉积速率大于1.5mm），同时又不会像二氯二氢硅作为单一硅源的多晶硅生产工艺那样发生均相成核现象。另外，相比由SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2组成的混合硅源的多晶硅生产工艺，本发明还显著提高了多晶硅的生产质量、大大降低了能耗和生产成本。
此外，在本发明的多晶硅生产工艺中，由于二氯二氢硅在实际生产中并未被消耗（其在特定压力和温度下与三氯氢硅的比例将始终保持不变），而是类似于催化剂一样被循环利用，因此在生产过程中无需额外补充二氯二氢硅。
附图说明
图1示出了根据本发明的多晶硅生产方法和系统的方框示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的多晶硅生产系统包括：设置有硅芯的还原炉1；换热器2；通过换热器2与还原炉1连通的冷凝器3；与冷凝器3连通的冷凝料存储器4；与冷凝料存储器4连通的精馏塔5；与精馏塔5连通的硅烷存储器6；与硅烷存储器6连通的硅烷加热器7;与硅烷加热器7连通的混合器8；以及与混合器连通的氢气加热器9。混合器8也通过换热器2与还原炉1连通。
本发明的多晶硅生产系统还可以包括与氢气加热器9连通的氢气存储器10和/或与硅烷存储器6连通的三氯氢硅存储器11。
以下描述本发明的多晶硅生产系统的操作过程。
在干燥惰性气体保护下对三氯氢硅（SiHCl3）和二氯二氢硅（SiH2Cl2）进行精炼提纯，使其纯度均不低于99.9999999％。然后按照例如表1实施例中所列出的比例将精炼提纯的三氯氢硅和二氯二氢硅分别送入硅烷存储器6。也可以先将三氯氢硅预先存储在三氯氢硅存储器11中，然后在生产过程中将三氯氢硅从三氯氢硅存储器11供给硅烷存储器6。
对例如电解制氢产出的氢气进行纯化，使其最终纯度不低于99.999％。然后将氢气送入氢气存储器10或直接供给氢气加热器9。
将来自氢气加热器9的氢气和经过硅烷加热器7汽化的三氯氢硅和二氯二氢硅引入混合器8中混合后通过换热器2加热后进入还原炉1。其中还原炉1中的气体压力和硅芯温度参见表1实施例中所给出的数值。
还原炉1中发生反应而在硅芯上生成多晶硅以后，从还原炉1产生的含二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯化硅的还原副产物或还原炉出气通过换热器2与混合器8中的物质交换热量之后被送入冷凝器3。从冷凝器3中冷凝出的二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯化硅被导向冷凝料存储器4。二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯化硅随后从冷凝料存储器4进入精馏塔5。从精馏塔5分离出的二氯二氢硅和三氯氢硅返回硅烷存储器6。从精馏塔5分离出的四氯化硅（SiCl4）则从塔底被排出，例如随后可以被氢化处理以重复利用。
在本发明的多晶硅生产系统中，无需将还原副产物中产生的二氯二氢硅单独分离出来，而是可以充分利用生产过程所产生的二氯二氢硅以及三氯氢硅，既达到了提高了产量，同时又降低了成本。
表1
三氯氢硅比二氯二氢硅 还原炉气体压力Mpa 硅芯温度
实施例1 30:1 0.4 1150℃
实施例2 25:1 0.5 1100℃
实施例3 20:1 0.6 1080℃
由于本发明将精炼提纯的三氯氢硅和二氯二氢硅按照特定比例混合进入还原炉1，因此相比三氯氢硅作为单一硅源的多晶硅生产工艺可获得快速的硅沉积速率（每小时厚度沉积速率大于1.5mm），同时又不会像二氯二氢硅作为单一硅源的多晶硅生产工艺那样发生均相成核现象。另外，相比由SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2组成的混合硅源的多晶硅生产工艺，本发明还显著提高了多晶硅的生产质量、大大降低了能耗和生产成本。
本领域技术人员应当理解，上述实施方式仅用于解释和说明本发明，并非用于对其进行任何限制。

Claims (10)

1.一种多晶硅生产方法，包括：
提供由三氯氢硅和二氯二氢硅组成的硅源，其中三氯氢硅和二氯二氢硅的比例范围在20:1和30:1之间；
加热硅源以使其形成气体三氯氢硅气体和二氯二氢硅气体；
提供氢气；
使三氯氢硅气体和二氯二氢硅气体与氢气混合；
提供设置有硅芯的还原炉；以及
在还原炉中引入混合后的三氯氢硅气体、二氯二氢硅气体与氢气，并且使还原炉中的气体压力为0.4-0.6MPa，硅芯温度为1080-1150℃，从而在硅芯上还原制备多晶硅。
2.权利要求1的多晶硅生产方法，其中三氯氢硅和二氯二氢硅的纯度均不低于99.9999999％。
3.权利要求1的多晶硅生产方法，其中氢气的纯度不低于99.999％。
4.权利要求1的多晶硅生产方法，还包括步骤：
从还原炉产生的副产物中分离出三氯氢硅和二氯二氢硅；以及
将分离出三氯氢硅和二氯二氢硅重新形成硅源。
5.权利要求1的多晶硅生产方法，其中硅源中的三氯氢硅和二氯二氢硅的比例为20:1。
6.权利要求1的多晶硅生产方法，其中还原炉中的气体压力为0.6MPa。
7.权利要求1的多晶硅生产方法，其中还原炉中的硅芯温度为1080℃。
8.权利要求4的多晶硅生产方法，其中在从还原炉产生的副产物中分离出三氯氢硅和二氯二氢硅之前，还使副产物与将要进入还原炉的混合后的三氯氢硅气体、二氯二氢硅气体与氢气进行热交换。
9.一种实施根据权利要求1-8中任一项所述的多晶硅生产方法的多晶硅生产系统，包括：
设置有硅芯的还原炉；
换热器；
通过换热器与还原炉连通的冷凝器；
与冷凝器连通的冷凝料存储器；
与冷凝料存储器连通的精馏塔；
与精馏塔连通的硅烷存储器；
与硅烷存储器连通的硅烷加热器;
与硅烷加热器连通的混合器；以及
与混合器连通的氢气加热器；
其中混合器也通过换热器与还原炉连通，
在生产过程中，所述硅烷存储器中的三氯氢硅和二氯二氢硅的比例范围在20:1和30:1之间。
10.根据权利要求9所述的多晶硅生产系统，还包括：与氢气加热器连通的氢气存储器和/或与硅烷存储器连通的三氯氢硅存储器。
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