CN102745693A - 多晶硅制造装置及利用该装置的多晶硅制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多晶硅制造装置，包括：反应管，在内部包含硅颗粒；流动气体供应部，向上述反应管内的硅颗粒供应流动气体；气体排出部，排出在上述反应管中产生的气体；压力传感器，安装于上述气体排出部或上述流动气体供应部内；以及颗粒排出口，当上述压力传感器测量的压力大于等于基准压力值时，将在上述反应管内部形成的多晶硅排出到外部。

Description

多晶硅制造装置及利用该装置的多晶硅制造方法

技术领域

本发明涉及多晶硅制造装置及利用其的多晶硅制造方法。

背景技术

一般而言，高纯度多晶硅被广泛用作具有可在半导体元件或太阳能电池中使用的半导体性质的材料或要求高纯度的化学原料，或者工业用材料，也作为精密功能元件或小型高集成精密系统用配件或材料使用。

为了制造这种多晶硅，利用的是硅析出方法，通过对含有精制成极高纯度的硅的反应气体进行热分解及/或氢还原反应，使硅元素在硅表面持续析出。

如上所述，为实现用于多种用途的多晶硅的商业性大量生产，使用了立式反应器或流化床反应器。但立式反应器在因硅析出而增加的棒的直径方面存在局限，具有无法连续生产产品的根本性局限，因此，在相同的反应条件下，高反应收率的流化床反应器被广泛使用。

然而，为了实现作为上述流化床反应器优秀特性的连续运转，当投入流化床的硅籽晶通过析出反应生长至可实现产品化的尺寸后，只有在适合的时机排出相应产品，流化床反应器才能够连续运转。即，不是在流化床反应器的运转过程中设置适合硅排出的时机，而是根据经验值将硅排出，这虽然可凭借连续工序而提高生产率，但实质上尚未有这样的方法。

因此，实际情况是需要一种可提高生产率、降低制造成本、稳定地连续制造多晶硅颗粒的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能连续、稳定地制造多晶硅的流化床反应器。

而且，本发明的目的还在于提供一种能提高生产率、降低制造成本的流化床反应器。

本发明的技术解决方案在于：

本发明提供了一种多晶硅制造

装置，包含：反应管，内部包含硅颗粒；流动气体供应部，向上述反应管内的硅颗粒供应流动气体；气体排出部，排出上述反应管产生的气体；压力传感器，安装于上述气体排出部或上述流动气体供应部内；以及颗粒排出口，当上述压力传感器测量的压力大于等于基准压力值时，将上述反应管内部形成的多晶硅排出到外部。

压力传感器分别安装于上述气体排出部及上述流动气体供应部内，当在上述流动气体供应部内测量的第1压力与在上述气体排出部测量的第2压力的压力差大于等于基准压力值时，能使上述反应管内部形成的多晶硅排出到外部。

多晶硅制造装置还可以包含一个控制部，对第1压力和第2压力值进行比较，当压力差大于等于基准压力值时，启动上述颗粒排出口，使上述多晶硅排出到外部。

反应管的材质可在由石英、二氧化硅、氮化硅、氮化硼、氧化锆、氧化钇、碳化硅、石墨、硅、玻碳构成的群中选择。

当反应管的材质为含碳材质时，上述反应管的内壁面可利用硅、二氧化硅、石英、氮化硅中的至少一种衬里。

多晶硅制造装置还包含流动气体供应部被组装的底面部，上述底面部可以包含依次层叠的底层分布板、第1分布板、第2分布板、第3分布板。

第2分布板与上述第3分布板可分别包含多个分布板块。

可安装围绕第2分布板四周的绝缘环。

第2分布板的末端与上述底层分布板的一面可保持间隔。

上述第1分布板的一部分可位于底层分布板与上述第2分布板的末端之间。

实施例还提供了一种多晶硅制造方法，包含如下步骤：步骤1，向反应管内部供应反应气体和流动气体，引发硅析出反应；步骤2，测量上述反应管内部的第1区域的第1压力；步骤3，测量与上述第1区域不同的上述反应管内部第2区域的第2压力；以及步骤4，当上述第1压力与上述第2压力的压力差大于等于基准值时，将上述反应管内部生成的多晶硅排出到外部。

第1区域可以是向上述反应管内注入上述流动气体或反应气体的区域。

第2区域可以是将上述硅析出反应时产生的气体排出到外部的区域。

本发明的有益效果在于：

本发明的流化床反应器可通过

控制部自动控制要排出硅颗粒的时机，所以可在多晶硅制造中实现自动化。

而且，通过自动控制可实现多晶硅大量生产化，可降低制造成本。

附图说明

图1是显示本发明实施例的多晶硅制造装置的简要图。

图2是显示本发明实施例的多晶硅制造装置的一个分布板示例的附图。

图3是显示本发明实施例的多晶硅制造装置的另一分布板示例的附图。

图4是用于说明本发明实施例的多晶硅装置中利用内部压力的硅排出方法的附图

具体实施方式

下面将参照附图，对本发明的实施例进行详细说明。但附图只是为了更容易理解本发明的内容而进行说明的，本发明的范围并非限定于附图的范围，这是所属技术领域的技术人员容易理解的。

图1显示了本发明实施例的多晶硅制造装置。如图所示，本发明实施例的多晶硅制造装置500包含顶罩100、第1主体部200、第2主体部300及底面部400。

顶罩100与第1主体部200连接，具有比第1主体部200的第1反应管250直径更大的直径。多晶硅制造装置500内的气体及微细粒子从第1反应管250经过顶罩100时，由于直径增加，气体及微细粒子的流速降低。

因此，排出的气体或微细粒子的后期处理负担则会减小。顶罩100的内壁可由在高温下不易变形的无机材料构成。例如，顶罩100的内壁可由石英、二氧化硅、氮化硅、氮化硼、氧化锆、碳化硅、石墨、硅、玻碳中的至少一种构成。

并且，当可对顶罩100的外壁进行冷却时，可利用有机高分子在顶罩100内壁进行涂层或衬里中的至少一种。

当顶罩100的内壁由碳化硅、石墨、玻碳等含碳材料构成时，多晶硅可能受到碳杂质的污染，因此，多晶硅可接触的顶罩100的内壁可利用硅、二氧化硅、石英、氮化硅等材料进行涂层或衬里。

例如，顶罩100可包含多个部分顶罩100a/100b，衬里膜150可位于第1部分顶罩100a的内面。

第1主体部200位于顶罩100的下面，与顶罩100连接，提供发生多晶硅析出反应所需的空间。

第2主体部300位于第1主体部200的下面，与第1主体部200连接，与第1主体部200一起，提供发生多晶硅析出反应或加热反应中的至少一个反应所需的空间。

这种第1主体部200和第2主体部300独立形成，相互连接，提供反应空间，但第1主体部200和第2主体部300也可制作成形成一个主体的一体型。

底面部400位于第2主体部300的下面，与第2主体部300连接，组装有用于析出多晶硅的各种喷嘴600/650、加热器700、电极800等。

另一方面，顶罩100、第1主体部200及第2主体部300可由碳钢、不锈钢、其它合金钢等机械强度优异、易于加工的金属材料构成。由这些材质构成的第1主体部200及第2主体部300的保护膜可由金属、有机高分子、陶瓷或石英等构成。

组装顶罩100、第1主体部200及第2主体部300时，为了将反应器的内部与外部空间隔绝，可使用垫片(gasket)或密封材料(sealing material)。第1主体部200和第2主体部300可以是圆筒形管(pipe)、法兰、口径管(tube)及配件(fitting)、盘(plate)、圆锥、椭圆或冷却媒体在双壁之间流动的夹套(jacket)等多种形态。

另外，当顶罩100、第1主体部200及第2主体部300由金属材质构成时，可在其内部表面涂布保护膜或是追加安装保护管或保护壁。保护膜、保护管或保护壁可由金属材质构成，但为了防止反应器内部的污染，可利用有机高分子、陶瓷、石英等非金属材料进行涂层或衬里。

第1主体部200和第2主体部300为了达到防止热膨胀、保护作业者、防止其它事故等目的，可通过水、油、气体、空气等冷却流体保持在既定温度范围以下。可制作成使冷却流体能在需要冷却的第1主体部200和第2主体部300构成要素的内部或外壁进行循环。

另一方面，在第1主体部200和第2主体部300的外部表面，为了保护作业者及防止过度热损失，可安装隔热材料。

下面对本发明实施例的流化床反应器的组装过程进行详细说明。

第1反应管250插入第1主体部200，第2反应管350插入第2主体部300，各种喷嘴600/650、电极800及加热器700组装在用于密闭第2主体部300下端的底面部400。底面部400连接于插入了第2反应管350的第2主体部300。之后，第1主体部200和第2主体部300相互连接，顶罩100连接于第1主体部200。

底面部400上组装的各种气体供应部，可包含流动气体供应部600及反应气体供应部650。

第1及第2反应管250/350可采用口径管(tube)形态或为包含口径管(tube)、圆锥及椭圆部分的形态。第1及第2反应管250/350的末端部分可加工成法兰形。第1及第2反应管250/350可由多个部分构成，这些部分的一部分还可在第1主体部200及第2主体部300的内壁面以衬里(liner)等形态安装。

第1及第2反应管250/350的材质可由在高温下不易变形的无机材料构成，可由石英、二氧化硅、氮化硅、氮化硼、氧化锆、氧化钇、碳化硅、石墨、硅、玻碳或这些材料混合的复合体等无机材料构成。

当第1及第2反应管250/350由碳化硅、石墨、玻碳等含碳材质构成时，由于含碳材质可能污染多晶硅，在多晶硅可接触的反应管的内壁面，可使用硅、二氧化硅、石英、氮化硅等进行涂层或衬里。

流动气体供应部600供应使反应管内的硅颗粒流动的流动气体。位于反应管内的硅颗粒的一部分或全部在流动气体作用下流动。此时，流动气体可包含氢气、氮气、氩气、氦气、氯化氢(HCl)、四氯化硅(SiCl4)中的至少一种。流动气体供应部600可以是由可用作反应管的无机材质成份构成的口径管(tube)、衬里或成型品。

反应气体供应部650向硅颗粒床层供应含有硅元素的反应气体。反应气体作为用于多晶硅析出的原料气体，包含硅元素成份。反应气体可包含甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(disilane：Si2H6)、高级硅烷(SinH2n+2，n为3以上自然数)、二氯硅烷(DCS：SiH2Cl2)、三氯硅烷(TCS：SiHCl3)、四氯化硅(STC：SiCl4)、二溴硅烷(SiH2Br2)、三溴硅烷(SiHBr3)、四溴化硅(SiBr4)、二碘硅烷(SiH2I2)、三碘硅烷(SiHI3)、四碘化硅(SiI4)中的至少一种。此时，反应气体还可包含氢气、氮气、氩气、氦气或氯化氢中的至少一种。随着反应气体的供应，在0.1至2mm左右的多晶硅籽晶的表面析出多晶硅，多晶硅籽晶的尺寸增加。

多晶硅籽晶的尺寸增加至既定程度后，释放到流化床反应器外部。加热器700向多晶硅制造装置500的内部，供应在多晶硅颗粒表面发生硅析出反应所需的热量。

实施例中，为了发生硅析出反应，在反应管250的内部供热，但是利用从反应管250的外部向反应管250内部供应的热，也可引发硅析出反应。加热器700包含电阻体，可通过供电来供热。加热器700可包含石墨(graphite)、碳化硅等陶瓷、或金属材质中的至少一种。

气体排出部17安装于顶罩100上，将包含硅析出反应时发生的流动气体、未反应的反应气体、反应生成物气体的排出气体排出到外部，可连续运转。排出气体中携带的硅微粒子或高分子量的反应副产物可在另外的排出气体处理部(图中未示出)分离。

各气体供应部600/650，即，各种喷嘴、电极800及加热器700等可与构成底面部400的分布板410至440组装在一起。如图所示，本发明实施例的底面部400包含底层分布板410和第1至第3分布板420/430/440。

底层分布板410与第2主体部300连接，组装有流动气体供应部及反应气体供应部。底层分布板410可由碳钢、不锈钢、其它合金钢等机械强度优异、易于加工的金属材料构成。

第1分布板420位于底层分布板410上，使底层分布板410绝缘。从而，第1分布板420可由石英(quartz)等耐高温、具有绝缘性而同时又不会污染析出的多晶硅的物质构成。除石英外，第1分布板420还可由氮化硅、氧化铝、氧化钇等在高温下具有耐热性的陶瓷物质构成。根据情况，可利用这种陶瓷物质对第1分布板420的表面进行涂布或衬里。

第2分布板430位于第1分布板420上，与加热器700接触，向加热器700供电。从而，第2分布板430可由石墨、涂布碳化硅的石墨、碳化硅、涂布氮化硅的石墨等导电性物质构成。具有绝缘特性的第1分布板420位于底层分布板410和第2分布板430之间，所以底层分布板410与第2分布板430相互绝缘。第2分布板430与加热器700接触，因此第2分布板430可发热，但电流在第2分布板430流过的横截面积比加热器700大很多，所以第2分布板430发生的热量比加热器700发生的热量少很多。另外，为了减少第2分布板430因接触电阻而发生的热量，可将伸展性优异的石墨片(sheet)插入第2分布板430和加热器700之间。

当底层分布板410和第2分布板430具有导电性时，由于底层分布板410与第2分布板430接触，可能发生流向底层分布板410的泄漏电流。因此，如图所示，底层分布板410和第2分布

板430的末端保持既定距离的间隔。

即，可在第1分布板420上形成可供第2分布板430安放的槽。例如，在第1分布板420上形成与第2分布板430长度相同或稍大的槽，第2分布板430可安放于第1分布板420的槽中。因此，第1分布板420的一部分可位于底层分布板410和第2分布板430的末端之间，从而可保持底层分布板410与第2分布板430之间的绝缘。

如图所示，在第1分布板420的作用下，底层分布板410和第2分布板430可绝缘。通过安装围绕第2分布板430四周的绝缘环900，底层分布板410和第2分布板430也可绝缘。此时，绝缘环900可由石英、陶瓷构成。

第3分布板440位于第2分布板430上，防止在第1反应管250及第2反应管350内部析出的多晶硅被第2分布板430污染。因此，第3分布板440可由在高温不易变形的无机材料构成，可由石英、二氧化硅、氮化硅、氮化硼、氧化锆、碳化硅、石墨、硅、玻碳或这些材料混合的复合体等无机材料构成。当第3分布板440由碳化硅、石墨、玻碳等含碳材质构成时，由于含碳材质可能污染多晶硅，所以第3分布板440的表面可利用硅、二氧化硅、石英、氮化硅等涂布或衬里。

另外，底面部400的第2分布板430和第3分布板440并非一个整体，而是包含多个板块，所以多晶硅制造装置容易组装、安装及维护。即，实现多晶硅的大量生产所需的装置的尺寸增加，所以当第2分布板430和第3分布板440由一个整体构成时，装置会难于组装、安装及维护。

例如，如图2所示，第3分布板440可由沿同心圆方向和直径方向截断的板块构成。而且，如图3所示，第3分布板440可由尺寸不同的环形的板块构成。

图4是用于说明本发明实施例的多晶硅装置中利用内部压力的硅排出方法的附图。

对于多晶硅装置的结构，将省略已在图1中说明的部分，如图4所示，多晶硅制造装置500的用于排出硅析出反应后生成的多晶硅颗粒的颗粒排出口16安装于反应管下部。

颗粒排出口16可与反应气体供应部650组装在一起，或与反应气体供应部650独立安装。这种颗粒排出口可在需要的时间将硅颗粒从反应空间连续地、周期性地或间歇地排出。

此时，硅颗粒推荐在经颗粒排出口16排出期间进行冷却。因此，可使氢、氮气、氩气、氦气等气体通过颗粒排出口16流动，或者也可使水、油、气体等制冷剂在颗粒排出口16壁面循环，使炽热的颗粒冷却。

另一方面，在经过颗粒排出口16排出反应器的过程中，需要防止硅颗粒被杂质污染。因此，在构成颗粒排出口16的同时，接触高温硅产品颗粒的要素推荐由可在反应管中使用的无机材质构成的口径管(tube)、衬里或成型品构成。

对于多晶硅装置的内部压力，随着多晶硅颗粒生长，在内部区域产生压力差异。因此，在实施例中，利用这种内部区域的位置所产生的压力差进行自动控制，制造硅颗粒。

例如，多晶硅制造装置在反应管250/350的内部区域中测量第1区域和第2区域的压力，以此为基准，根据两个压力的差进行自动或手动控制。

在反应管的内部区域中，第1区域可以是利用从反应管下部向外部连接的喷嘴，例如反应气体供应部15及流动气体供应部14中任一个来供应气体的区域。

第1压力传感器P2可安装于上述反应气体供应部15及流动气体供应部14中任一个上，测量对应压力。例如，可在多个流动气体供应部中任一个上安装第1压力传感器P2，测量对应压力，通过另一个流动气体供应部供应流动气体。

这样一来，可通过第1压力传感器测量反应管的内部压力。从而，在以往反应器的安装结构下，可以便利地安装第1压力传感器。

在反应管内部区域中，第2区域可在气体排出部17安装第2压力传感器P1进行测量。

在本实施例中，虽然以将第1压力传感器P2安装于反应气体供应部650及流动气体供应部600中任一个上的情形进行了说明，但是，只要是可测量硅颗粒流化床的下部压力，即内部区域的第1区域压力处，均可安装第1压力传感器P2。第1区域可以是硅颗粒流化床的内部区域中可测量最大压力的区域。

同样，第2压力传感器P1也是如此，只要是可测量硅颗粒流化床的上部压力，即内部区域压力处均可安装。第2区域可以是硅颗粒流化床的内部区域中可测量最小压力的区域。

通过直接、间接暴露在内部区域的流动气体供应部600、反应气体供应部650或气体排出口17，控制部1000与内部区域4连接安装。

控制部1000可在连接所需的连接管或配件(fitting)类；手动式、半自动式或自动式的阀门类；数字或模拟方式的压力计或差压计；压力指示器或记录器；信号转换器或具有运算功能的控制器等要素中选择一个以上构成。

另外，控制部1000可利用机械式或信号电路式相互连接构成，可与诸如中央控制系统、分布式控制系统、局部控制系统的控制手段，以部分式或复合式连接构成。

这种多晶硅装置通过反应气体供应部650向反应管内部供应反应气体后，反应气体中包含的硅元素在投入反应空间的硅籽晶的表面析出，制造出多晶硅。

在硅颗粒制造步骤中，在第1反应管250及第2反应管350区域也形成硅颗粒的床层，至少第1反应管区域的硅颗粒应能够在保持流动状态的同时，实现两区域的硅颗粒的相互混合。

所谓的硅颗粒的流动，可以解释为通过气体流动、气体气泡、泡沫的移动及/或周边粒子的移动，硅颗粒的空间位置可随着时间发生变化。

此处，至少第1反应管区域的上部要供应流动气体，使颗粒流动，从而使硅颗粒能够在两个反应管区域之间顺畅地相互交换。

这样一来，随着多晶硅颗粒的制造，多晶硅颗粒在反应空间积累后，反应管内的压力升高。所以，第1压力传感器P2测量的第1区域的内部压力与第2压力传感器P1测量的第2区域的内部压力的压力差增大。此时，控制部1000判断内部压力的压力差是否增加到事前输入的既定的第1基准值。

第1基准值会因硅制造装置的内部环境或结构等而有所不同，或根据第1压力传感器和第2压力传感器测量的区域进行不同设置。

这是因为根据硅制造装置的结构或内部环境，硅析出反应后显示的内部压力会不同。同时，即使硅制造装置的内部环境或结构已全部固定，根据压力传感器的测量位置，硅析出反应后内部测量的压力也会不同。之后，如果通过控制部1000判断出内部压力的压力差已达到既定的第1基准值，则打开多晶硅颗粒排出口，部分排出硅颗粒。多晶硅颗粒排出口可自动或手动运行。

随着多晶硅颗粒的排出，硅的流化床的高度重新降低，所以内部压力的压力差逐渐减小。从而，如果控制部1000判断出内部压力的压力差已达到既定的第2基准值，则关闭多晶硅颗粒排出口的出口，防止继续排出多晶硅颗粒。颗粒排出口也可自动或手动运行。

通过这一动作，随着多晶硅颗粒

的制造，可逐一目测确认多晶硅颗粒排出情况，通过控制部1000，使多晶硅颗粒自动排出。

另一方面，实施例中使用的方法是，利用第1压力传感器和第2压力传感器测量内部压力的压力差，并将其与基准压力值进行比较，决定是否开闭多晶硅颗粒排出口。但也可以是在气体排出部或流动气体供应部内安装压力传感器，在上述气体排出部或上述流动气体供应部内，仅以利用压力传感器测量的压力为基础，与基准压力值进行比较，此时，当测量的压力大于等于基准压力值时，使反应管内部内形成的多晶硅通过颗粒排出口排出到外部。

此时，基准压力值会因运转压力而不同。在此，运转压力可以是可使硅装置稳定运转的事先设置的压力。

例如，当运转压力为2.0bar(表压)时，基准压力值可以是3.5bar(表压)，当运转压力为4bar(表压)时，基准压力值可以是5.5bar(表压)。即，颗粒排出口在运转压力与基准压力值的差大于等于0.5bar时打开。

实施例中显示的是当运转压力与基准压力值的差最少为0.5bar以上的情况，但也可以更低。

最终，基准压力值并不限定于特定值，根据硅制造装置的内部环境或结构等条件而不同，因此，相对于运转压力的基准压力值也会不同。另一方面，在本发明的实施例中，反应空间的内部压力差或流动气体供应压力的基准值由内部成长的硅颗粒尺寸决定，所以控制硅颗粒尺寸，就可以调节多晶硅颗粒的生产、排出时机。另外，硅颗粒尺寸可能因籽晶的数量、反应气体的浓度、反应温度、反应压力及流动气体的流量中任意一个因素而不同。本实施例中对影响硅颗粒尺寸的因素进行了记载，但除上述因素外，还会因多晶硅装置的内部环境或其它条件而异。

本发明的权利并非限定于上述说明的实施例，而由权利要求书记载的内容定义。不言而喻，所属技术领域的技术人员可在权利要求书记载的权利范围内进行多种变更与变形。

Claims (10)

1.一种多晶硅制造装置，其特征在于，包括：

反应管，在内部包含硅颗粒；

流动气体供应部，向上述反应管内的硅颗粒供应流动气体；

气体排出部，排出在上述反应管中产生的气体；

压力传感器，安装于上述气体排出部或上述流动气体供应部内；以及

颗粒排出口，当上述压力传感器测量的压力大于等于基准压力值时，将在上述反应管内部形成的多晶硅排出到外部。

2.根据权利要求1所述的多晶硅制造装置，其特征在于：

上述压力传感器分别安装于上述气体排出部及上述流动气体供应部内，

当在上述流动气体供应部内测量的第1压力和在上述气体排出部测量的第2压力的压力差大于等于基准压力值时，将在上述反应管内部形成的多晶硅排出到外部。

3.根据权利要求2所述的多晶硅制造装置，其特征在于：

还包括控制部，对上述第1压力和第2压力值进行比较，当压力差大于等于基准压力值时，启动上述颗粒排出口，将上述多晶硅排出到外部。

4.根据权利要求1所述的多晶硅制造装置，其特征在于：

上述反应管的材质从由石英、二氧化硅、氮化硅、氮化硼、氧化锆、氧化钇、碳化硅、石墨、硅、玻碳构成的群中选择。

5.根据权利要求4所述的多晶硅制造装置，其特征在于：

当上述反应管的材质为含碳材质时，上述反应管的内壁面利用硅、二氧化硅、石英、氮化硅中的至少一种进行衬里。

6.根据权利要求1所述的多晶硅制造装置，其特征在于：

还包括用于组装上述流动气体供应部的底面部，

上述底面部包含依次层叠的底层分布板、第1分布板、第2分布板、第3分布板。

7.根据权利要求6所述的多晶硅制造装置，其特征在于：

上述第2分布板与上述第3分布板分别包含多个分布板块。

8.根据权利要求6或7所述的多晶硅制造装置，其特征在于：

设有围绕上述第2分布板四周的绝缘环。

9.根据权利要求6所述的多晶硅制造装置，其特征在于：

上述第2分布板的末端与上述底层分布板的一面保持间隔。

10.根据权利要求6所述的多晶硅制造装置，其特征在于：

上述第1分布板的一部分位于上述底层分布板与上述第2分布板的末端之间。

Images