CN108350602A - 用于制造多晶硅的超高温沉淀工艺 - Google Patents

用于制造多晶硅的超高温沉淀工艺 Download PDF

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Abstract

根据本发明的用于制造多晶硅的方法能够以如下方式更有效地制造高纯度的多晶硅：在反应管的中心处形成高温高速气流，并且可以通过由高温高速气流形成的涡流形成高温区域，使得从反应管的侧壁供应的原料气体通过涡流的引导而流动，由此增加原料气体在反应管内的停留时间和反应时间。此外，由于反应管的内壁设置有放热装置，所以沉积在反应管的内壁上的硅晶体的快速冷却可以引起硅晶体在垂直于晶面的方向上凝固的柱状晶体，并且容易解吸通过经由反应管的内壁快速放热生产的硅晶体。

Description

用于制造多晶硅的超高温沉淀工艺
技术领域
本申请要求于2016年3月18日提交的韩国专利申请No.10-2016-0032479和于2016年4月22日提交的韩国专利申请No.10-2016-0049048的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。
本发明涉及一种能够有效地生产高纯度多晶硅的沉淀工艺及其设备。
背景技术
多晶硅是半导体器件、太阳能电池器件等的原材料，近来，其需求日益增加。通常，用于生产作为半导体或太阳能电池的原材料的硅的各种方法是已知的，其中的一部分已经在工业上被实施。
最常用的高纯度多晶硅是通过化学气相沉积生产的。具体而言，可以如下述反应式1所示，通过使三氯氢硅气体与诸如氢气的还原气体反应来生成。
[反应式1]
SiHCl3+H2→Si+3HCl
西门子方法是商业可用方法的一个示例。图1是根据常规西门子方法生产多晶硅的设备的示意图。如图1所示，在根据西门子工艺的多晶硅制造设备中，硅棒12设置在立式反应管11内，并且硅棒12的端部连接到电极13。另外，用于供应反应气体、三氯氢硅气体和氢气的供气喷嘴14设置在反应管内。
下面将描述使用如上所述构造的西门子反应管形成多晶硅的方法。首先，通过电极13向硅棒12供应电流，并且通过供气喷嘴14向反应管内供应反应气体。通过供应的电力将硅棒12加热至表面温度约1000℃至1150℃，并且反应气体在加热后的硅棒12的表面热解，从而在硅棒12上沉积高纯度多晶硅。
然而，这种传统的西门子反应管消耗大量的电能，通常约65KWh/kg至200KWh/kg，并且用于这种电能的成本占制造多晶硅的成本的很大一部分。此外，由于沉淀是分批式的，所以存在必须进行诸如硅棒的安装、电气化加热、沉淀、冷却、萃取和立式反应管清洁的非常复杂的工序的问题。
另一种方法是通过使用流化床进行沉淀。该方法通过供应硅烷型材料，同时使用流化床供应约100微米的细晶粒作为沉淀核、并在硅微粒上沉淀硅来连续地生产1mm至2mm的硅晶粒。这种方法的优点是可以连续运行相当长的一段时间。但是，由于使用沉淀温度低的甲硅烷作为硅的原材料，所以即使在相对较低的温度下也容易发生通过甲硅烷的热分解产生硅微粒和硅沉淀在反应管壁上，由此需要定期清洗或更换反应容器。
另外，在日本专利公开No.H11-314996中，公开了一种方法，该方法使用具有放热固体、被设置为面对所述放热固体的下表面的高频线圈、以及设置在所述线圈表面的至少一个气体喷射口的设备，并且在通过所述高频线圈感应加热的加热体的下表面处从所述气体喷射口喷出含有沉淀成分的原料气体，以在所述加热体的下表面上执行所述沉淀成分的沉淀和溶解，然后通过从所述放热固体的底部滴下或流出熔融液体来产生晶体，例如多晶硅。然而，根据所述方法，由于高频线圈和发热固体彼此接近，所以需要水冷的高频线圈需要取热以保持其功能，导致低的能量效率。
另一方面，图2公开了另一种用于生产多晶硅的设备，其中作为硅沉积表面的加热体形成为管状并且热效率增加(参见韩国专利公开No.10-0692444)。所述设备包括：(a)管状容器21，其在下端具有用作硅出口的开口；(b)加热装置23，其用于将从所述管状容器的下端至任意高度的内壁加热至等于或高于硅的熔点的温度；(c)氯硅烷供应管25，其包括具有比管状容器21的内径小的外径的内管，所述内管的一端面向下地安装在被加热到不低于硅的熔点的温度的内壁所包围的空间24中；以及(d)第一密封气体供应管27，其用于向由管状容器21的内壁和氯硅烷供应管25的外壁形成的间隙供应密封气体；并且在某些情况下，还包括(e)氢供应管，其用于将氢气供应到管状容器中。在所述专利中，加热装置25被描述为可用作能够加热到高于硅的熔点(即1414℃或更高)的温度的装置，并且采用使用高频的加热装置、使用加热线的加热装置以及使用红外线的加热装置作为示例。
同时，日本专利公开No.4743730公开了一种通过热等离子体CVD制造硅薄膜的方法。该日本专利公开了通过由高频(RF)等离子体叠加在DC等离子体上的复杂等离子体来产生电热等离子体，补充每个等离子体的不足以具有协同效应。但是，在DC等离子体中，必须将金属电极插入反应容器中，并且该电极必须与等离子体直接接触。暴露于等离子体的电极逐渐劣化并可能导致杂质混合。
而且，在传统的立式反应管中，多晶硅产生在反应管的表面上，并且所产生的多晶硅被熔融，然后从下部收集部分收集多晶硅。在这种情况下，在竖直方向上供应的原料气体通过垂直形状的反应管而不进行与竖直形状的反应管的表面接触的高温下的沉淀反应，导致生产效率降低和能量效率降低。多晶硅制造工艺主要包括用于从反应室排出的气体中收集和循环未反应的原料气体、氢气和作为反应副产物的氯化氢的排出气体收集(VGR)工序。例如，碳氢化合物或未反应的氯硅烷可以在收集后重新用于硅沉积或沉淀过程，并且氯化氢可以重新用于氯硅烷合成过程。例如，在实际过程中，传统的西门子设备每两个沉积单元使用两个VGR系统。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供能够更高效地生产高纯度多晶硅的方法和设备。
技术方案
本发明的第一方面提供了一种用于制造多晶硅的方法，所述方法包括：
在反应管的中心处形成高温高速气流，并且在所述高温高速气流周围形成涡流；
从所述反应管的侧面供应含有氯硅烷气体和还原气体的原料气体以使所述原料气体由所述涡流引导而流动；
通过由所述涡流引导的所述原料气体的反应形成硅微粉(silicon finepowder)；以及
通过由所述涡流引导的所述硅微粉和所述原料气体被转移到所述反应管的内壁并且被吸附和反应来沉淀硅晶体。
本发明的第二方面，用于制造多晶硅的方法还可以包括用于冷却所述反应管的内壁的放热方法(heat releasing means)，使得热量从所述反应管的中心通过所述反应管的内壁释放，并且硅晶体通过定向凝固(directional solidification)形成，在所述定向凝固中，在与放热方向相反的方向上形成硅晶体。
此外，所述反应管可以是立式反应管的形式，并且在所述立式反应管的上部的中心处注入高温高速气流，并且当沉积在所述立式反应管的内壁上的所述硅晶体生长超过预定尺寸时，所述硅晶体被解吸并被收集到所述反应管的下部中。
另外，所述硅晶体可以在与放热方向相反的朝向所述反应管的中心的特定方向上以硅棒或晶须的形式生长到预定尺寸或更大，然后通过重力或物理刺激被解吸并落下。
另外，在沉积在所述反应管的内壁上的初始硅晶体或形成在所述反应管的内壁上的多晶硅晶体被收集之后，剩下的硅晶体的横截面可以在后续的硅制造过程中作为硅生长表面。
另外，沉积在所述反应管的内壁的表面上的硅晶体可以通过从所述反应管的中心处的热源传递的辐射热和对流热直接或间接地被加热，并且加热后的硅晶体层可以供应反应原材料的反应和硅沉积反应所需的热能。
另外，所述高温高速气流的温度可以是1500K或更高，并且在所述高温高速气流周围形成的所述涡流形成1450K或更高的高温区域。
另外，喷射的所述原料气体可以被所述涡流引导以形成对流，从而可以增加所述原料气体的停留时间。
另外，所述反应管的内壁的表面温度可以是1400K或更低。
另外，传递到所述反应管的内部空间和所述反应管的内壁的热能可以是由通过所述高温高速气流形成的所述涡流产生的对流热。
另外，形成在所述反应管的内壁的表面上的多晶硅可以生长到预定尺寸或更大，从而可以通过所述高温高速气流被解吸和分离。
另外，在所述高温高速气流的顶部，流速可以为10m/s或更高。
另外，产生所述高温高速气流的气体的原材料可以是选自氩气、氦气、氮气和氢气中的至少一种。
另外，硅基体(silicon matrix)可以由通过吸附在所述反应管的内壁的表面上的所述原料气体和所述硅微粉沉淀的硅晶体形成，并且以所述硅基体作为反应表面，发生所述硅微粉的吸附和所述原料气体的反应，从而硅晶体可以沉淀在所述硅基体上。
此外，所述硅基体可以通过所述涡流传递的热能形成加热的硅层，并且所述加热的硅层可以供应通过硅微粉和原料气体的吸附和反应来沉淀硅晶体的步骤所需的热能。
另外，本发明提供了一种用于制造多晶硅的设备，所述设备包括：
喷嘴，其位于所述反应管的上部并向所述反应管的中心供应高温高速气流；以及
原料气体供应部，其用于供应含有氯硅烷气体和还原气体的原料气体，其中所述原料气体供应部位于所述反应管的侧面。
另外，所述反应管的内壁的表面可以包括阶梯结构，并且在所述阶梯结构的每个阶梯处可以分别形成涡流。
另外，所述反应管的内径可以朝着所述反应管的底部逐渐增加。
有益效果
在根据本发明的用于制造多晶硅的方法中，可以在反应管的中心处形成由于高温高速气流引起的涡流。原料气体可以通过涡流引导并流动，并且反应管中原料气体的停留时间和反应时间增加，从而可以更高效地制造高纯度多晶硅。另外，通过设置通过反应管的内壁排出热量的装置，反应管内部的热量通过反应管的内壁从中心流向外部，使得能够进行柱状晶体生长，其中硅晶体在一个方向上凝固。这种散热使得在硅晶体的生长过程中硅晶体在与散热方向相反的方向上以高速生长。在这种情况下，由于通过高速凝固使晶体变弱，所以硅晶体之间的结合力减弱，并且可以容易地从反应管的表面解吸硅，使得多晶硅的收集更容易。
附图说明
图1是示出了作为传统多晶硅制造设备之一的西门子反应管的一般结构的示意图；
图2是示出了传统多晶硅制造设备的另一种形式的示意图；
图3示意性地示出了根据本发明的第一方面的多晶硅的超高温沉淀工艺；
图4是示出了根据本发明的第一方面的根据多晶硅的超高温沉淀工艺的反应管的内壁的表面的变化的图；
图5示出了在根据本发明的第二方面的方法中反应管的内壁处的热移动；
图6示意性地示出了根据本发明的在硅基体上形成有加热的Si层的反应管的内壁的结构；
图7示出了通过在反应管的中心处形成的高温高速气流对速度分布进行的CFD模拟；
图8示出了由于反应管的中心处形成的高温高速气流引起的热分布的CFD模拟；
图9是示出了根据本发明的实施例的具有阶梯结构的反应管的内壁的结构的示意图；
图10和图11分别是根据本发明的第一方面和第二方面的实施例的反应管的内壁的照片。
具体实施方式
在下文中，现在将参照附图中示出的本发明的实施例来详细描述本发明。然而。应该理解的是，本发明不限于任何特定实施例，而是包括落入本发明的精神和范围内的所有修改、等同物或替代物。
在本发明的整个附图中，相似的附图标记指代相似的元件。
术语第一、第二、A、B等可以用于描述各种组件，但是这些组件不受术语限制，而仅可以用于区分一个组件和另一个组件。
在本发明中，术语“和/或”意指包括多个所述内容中的任意一个或组合。
在本发明中，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，应该理解，元件可以直接连接或耦接到另一元件，或者经由其他元件连接或耦接到另一元件。
在本发明中，除非另外说明，否则单数表达包括复数表达。
在本发明中，术语“包括”、“包含”或“具有”意指存在说明书中描述的特征、数量、步骤、操作、元件、组件或它们的组合，并且不排除可能存在或添加其他特征、数量、步骤、操作、元件、组件或它们的组合。
本发明提供了一种多晶硅的超高温沉淀工艺，包括：
在反应管的中心处形成高温高速气流，并且在高温高速气流周围形成涡流；
从反应管的侧面供应含有氯硅烷气体和还原气体的原料气体；
原料气体通过涡流引导并流动；
通过原料气体的反应形成硅微粉；以及
通过由涡流引导的硅微粉和原料气体被转移到反应管的内壁并且吸附并反应来沉淀硅晶体。
根据优选实施例，反应管为立式反应管的形式，高温高速气流被注入立式反应管的上部的中心处，并且当沉积在立式反应管的内壁上的硅晶体生长超过预定尺寸时，硅晶体被解吸并被收集到反应管的下部中。
另外，当在反应管的中心形成高速气流时，原料气体可以从反应管的侧面被供应。这是为了防止原料气体与高速气流一起逸出而不留在反应管中。
高速气流的流速可以是10m/s或更高，或者100m/s或更高，并且反应管中心或反应管中心的顶部的最大流速可以是至少10m/s，或者至少100m/s，或者至少500m/s，优选为至少800m/s，更优选地为至少1000m/s，并且至多2000m/s或更低。
由高温高速气流形成的涡流使从反应管的侧面供应的原料气体和形成高温高速气流的热能流动，从而增加了由涡流引导的原料气体停留在反应管中的时间，由于涡流将热能传递到整个反应管，所以可以更有效地在反应管中形成高温区域，由此提高工艺效率。另外，原料气体在高温区域反应而形成硅微粉，并且硅微粉和原料气体被转移到反应管的内壁以沉淀硅晶体。因此，形成在反应管的中心的高温高速气流成为反应管内的动能和热能的来源。此外，由高速气流形成的涡流可以有效地提供由气流产生的动能和热能。也就是说，在通过加热装置的气流的流运动的情况下，基于由于温度差引起的对流而进行热传递和流动，并且因此难以形成高温区域。然而，根据本发明，形成高温高速气流的热能与涡流一起流动，从而能够实现更有效的热传递。
实施例
图3示出了根据本发明的多晶硅的超高温沉淀工艺。
参照图3，在步骤(a)中，高温气体以高速被注入到反应管中以形成高温高速气流，并且可以在高温高速气流周围形成涡流。的高温区域可以由通过涡流传递的热能形成。另外，从反应管的侧面供应的含有氯硅烷和还原气体的原料气体可以通过涡流引导而流动，并且原料气体在的高温区域中反应以形成硅微粉。
在步骤(b)和(c)中，原料气体和硅微粉通过涡流被转移到反应管的表面并且吸附并反应，从而硅晶体可以沉淀在反应管的内壁上。沉淀在反应管的表面上的硅晶体可以逐渐生长并且以硅棒或硅晶须(silicon whisker)的形式朝向反应管的中心(即，高温高速气流)生长。
在步骤(d)中，生长在反应管的表面上的硅棒或硅晶须通过高温高速气流的高流速被分离或解吸并以颗粒形式落到反应管的底部，并且原料气体和硅微粉与作为反应表面的反应管的表面上残留的硅晶体的横截面反应，从而硅晶体生长和解吸过程可以连续地发生，并且以这种方式，可以连续地执行超高温沉淀过程。
图4更详细地示出了图3的步骤(a)、(b)、(c)和(d)中反应管的表面的反应。在图4中，步骤(a)示出了原料气体通过由高温高速气流形成的涡流引导并在反应管的内壁处流动的步骤，步骤(b)示出了原料气体在通过涡流形成的高温区域中反应以形成硅微粉，并且硅微粉和原料气体通过涡流被转移到反应管的内壁以吸附并反应，从而晶体沉淀在反应管的表面上。步骤(c)示出了根据原料气体和硅微粉的连续吸附和反应，硅晶体在反应管的表面上以晶须或硅棒的形式生长。步骤(d)示出了以晶须或硅棒的形式生长的硅晶体生长至预定尺寸或更大，从而通过高温高速气流被分离并落下。在这种情况下，分离的硅晶体可以以颗粒和粉末的形式分离并收集在反应管的下部。
根据本发明的另一方面，设备还包括用于冷却反应管的内壁的放热装置(heatreleasing means)，从而可以快速释放反应管的内壁的热量。之后，沉积或沉淀在反应管的内壁表面上的硅迅速凝固并结晶以生长成弱结晶状态，从而生长超过预定尺寸的硅晶体容易被解吸。
反应管中的热流通过放热装置被从反应管的中心引导到反应管的外壁，并且硅晶体可以在与反应管中的热流相反的反应管中心方向上以硅棒或晶须的形式生长。
本发明包括用于在反应管内将热能供应到反应管的反应区的中心的热源，并且从热源供应的热能可以从辐射热或对流热传递。
另外，热源可以形成高温，例如，至少1000K的热能，优选至少1500K的热能，更优选至少2000K的热能，并且热源可以由电阻加热装置、高温气体或热等离子体形成。
高温气体和等离子体气体可以是选自氩气、氦气、氮气和氢气中的至少一种气体，并且可以是氩气/氢气混合气体、氩气/氮气混合气体、氩气或氮气。将气体加热至1000K以上并以高速注入反应管内以形成高温高速气流。
更具体地，当通过柱状晶体生长朝向反应管中心在一个方向上生长的硅晶体生长超过预定尺寸时，即使硅晶体通过空气流解吸并分离并且下落或者没有形成高速空气流，硅晶体也被形成在中心的热源加热并且被解吸或者由于弱的晶体生长导致与反应管壁的结合力较弱或者晶体之间的结合力较弱，并且因此通过重力自然地脱落或者由于其他复合的物理力可以自然地被解吸。因此，与通过单独地取出籽晶杆(seed rod)以获得通过插入常规硅籽晶杆而沉积的硅来获得硅晶体的方法相比，能够获得更有效地生产的硅晶体。
这里，热等离子体可以指一般热等离子体，其指通过直流电弧放电或射频感应耦合放电形成的等离子体。作为用于产生热等离子体的等离子体生成气体，可以使用诸如氩(Ar)气、氦气、或氮气的惰性气体、或空气、氢气等，并且优选氩气，更优选氩气和氢气可以一起使用。
另外，原料气体包含氯硅烷和还原气体，根据需要还可以包含硅微粉(纳米粉末)。
根据一个实施例，由于放热装置的作用，反应管内部的热流可以自然地具有从反应管的中心朝向内壁的流动方向。
根据本发明的硅晶体可以在与热流方向相反的方向上生长晶体，硅晶面通过反应管壁的快速放热迅速冷却，并且原料气体以高速率沉积和沉淀在快速冷却的晶体表面上，使得晶体主要以柱状晶体结构生长。此外，在快速冷却条件下形成的硅晶体可以在硅晶体的机械强度和结构较弱的状态下生长，因此，硅可以容易地被从反应管的表面解吸。
图5示出了在设置有放热装置的情况下如何发生反应管的内壁的传热。从形成在反应管的中心的热源发出的辐射热和对流热加热反应管的内壁，并且加热的热量通过冷却反应管壁的热交换器迅速释放到外部。从而，沉积在反应管的内壁上的硅形成固相，由于冷却装置的快速冷却作用，固相生长为柱状晶体生长并由此均匀生长为垂直于内壁并且在反应管的横截面上处于水平方向，随后待反应的硅晶体沿生长方向生长。
根据一个实施例，放热装置可以形成散热器(heat sink)作为热交换器，其使冷却水在反应管的壁上循环以吸收反应管的内壁的热量。
放热装置可以是热交换器，其包括：
冷却管，安装在反应管的壁上以供应冷却水；
供应泵和回流泵，使所述冷却水循环并供应到所述冷却管；以及
冷却器，用于再冷却从所述回流泵供应的加热的冷却水。
参照图6，初始形成在反应管的内壁上的硅晶体形成硅基体层，并且基于硅基体层连续进行通过原料气体和硅微粉进行的硅吸附和反应，并且可以在初始形成的硅基体层上以沉淀硅晶体的形式在反应管的表面上发生硅晶体生长。
根据一个实施例，在初始阶段在反应管的表面上形成的硅基体的表面通过从涡流传递的热能被加热，从而形成加热到预定温度或更高温度的硅层，并且加热的硅层可以用于在反应管的表面上的硅微粉和原料气体的吸附和反应过程中供应热能。基于硅基体层形成的硅晶体可以阻止来自外部的杂质的流入，并且可以生产高纯度硅。生长在硅基体上的硅晶体水平地向反应管的中心生长，生长超过预定长度的硅棒和晶须通过形成在反应管的中心的高速高温气流解吸并且以颗粒形式落入反应管的下部并且可以被收集，并且在硅晶体解吸之后残留在反应管的内壁上的硅晶体的表面可以用作其中硅晶体可以通过与原料气体反应而生长的晶体生长表面。
根据一个实施例，本发明的用于制造多晶硅的方法可以通过CVD法，使含有气态氯硅烷气体、还原气体的原料气体、硅微粉等在反应管的内壁上反应以沉积和沉淀硅晶体。
还原气体可以与氯硅烷气体一起被供应，并且还原气体优选为氢气。还原气体相对于原料气体的供应量可以为体积的5％至10％。
氯硅烷原料气体可以包含甲硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷(TCS)、四氯硅烷(STC)中的任意一种，最优选三氯硅烷。反应空间的反应温度、压力和电功率尽可能高。
图7和图8示出了利用CFD模拟，从高温高速气流衍生的旋涡的分布和反应管内的辐射热分布。
图7示出了在反应管的中心形成的高速热等离子体的高速气流的流速分布，以及在由高速气流形成的管状反应管内延伸到反应管的顶部的涡流的形成。通过涡流在反应管的侧面流动的原料气体被转移到反应管的表面以通过反应管的表面上的反应形成硅晶体。
图8示出了由在反应管的上部的中心形成的高温高速气流形成的反应管内部的温度分布。通过反应管的中心的高温高速气流和反应管的侧面的涡流的对流传热，在反应管内形成高温区域。与在反应管内部仅形成线性流动的情况相比，当涡流共存时可以获得更高的储存温度，从而可以保持相对较高的反应管温度并更有效地提供反应所需的能量。
另外，除了由涡流产生的对流热外，反应管中还存在由高温高速气流形成的辐射热。在这种情况下，反应管内部形成的辐射热在高温高速气流的顶部变得最大，即，反应管内部形成的辐射热在从喷嘴喷射的喷射口附近变得最大。根据本发明的反应管内部的热能可以主要通过涡流从对流转移。
如上所述，通过利用热等离子体的高速气流形成的涡流，本发明可以增加原料气体在反应管中的停留时间，因此，未反应的原料气体的含量可以降低而不需要任何额外的处理，从而可以更有效地执行多晶硅的生产过程。
例如，硅沉积的效率与传统方法的5％至15％相比可以大大提高至60％至90％。
此外，通过使用高速热等离子体，本发明可以同时解决加热反应管所需的热源和反应管内部的流动所需的功率，并且硅的分离/收集连续地由通过高温高速气流传递的热/机械效应引起，并且由于不需要其他收集步骤，因此可以提供更经济高效地制造多晶硅的方法。
根据一个实施例，通过高温高速气流的多晶硅的超高温沉淀的过程可以通过CVD进行，提供了在反应管的表面上生产多晶硅的方法。在本发明中，超高温可以指至少1500K或至少2000K的温度，优选至少2500K的温度，更优选至少3000K的温度，并且可以至多5000K的温度。
另外，硅微粉与原料气体发生吸附和反应的反应管的表面的温度可以为1400K或更低，优选为1000K或更低。也就是说，反应管的内壁的表面温度可以形成为低于硅熔融温度的温度。
在反应管的中心形成的高温高速气流的流速可以是至少10m/s，或至少100m/s，并且在高温高速气流的顶部的最大流速可以是至少10m/s，或至少100m/s，或至少500m/s，优选至少800m/s，更优选至少1000m/s，并且可以至多2000m/s。
高温高速气流可以由高温气体或热等离子体形成，并且高温气体和等离子体气体可以是选自氩气、氦气、氮气和氢气中的至少一种气体，并且可以优选为氩/氢混合气体、氩/氮混合气体、氩气、或氮气。在本发明中，气体被加热到1500K或更高，或者2000K或更高，并且被高速注入到反应管中以形成高温高速气流。
根据一个实施例，热等离子体可以是热微波等离子体和高频等离子体，但不限于此。
热等离子体是利用微波或高频感应耦合放电由等离子体焰炬产生的电子、离子、原子和分子组成的电离气体，并且是具有从数千至数万K的超高温度和高热容量的高速喷射火焰的形式，并且是具有与固体、液体和气体完全不同的极端物理和化学性质的第四物质的状态。作为用于产生热等离子体的等离子体生成气体，可以使用诸如氩(Ar)气、氦气、氮气或氢气的惰性气体，优选氩气，更优选氩气和氢气可以一起使用。
用于供应高温高速气流的喷嘴和反应管中的压力可以根据各种条件而变化。例如，优选约50托至约800托。还原气体与氯硅烷气体一起被供应以抑制悬挂键的形成，并且还原气体优选为氢气。还原气体相对于原料气体的供应量可以为体积的5％至10％。
氯硅烷原料气体可以包含甲硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷(TCS)、四氯硅烷(STC)中的任意一种，最优选三氯硅烷。反应空间的反应温度、压力和电功率优选地可以尽可能高。
根据本发明的多晶硅的超高温沉淀工艺可以使用用于制造超高温多晶硅的设备来进行，所述设备包括：
喷嘴，位于反应管的上部并向反应管的中心供应高温高速气流；以及
原料气体供应部，用于供应含有氯硅烷气体和还原气体的原料气体，其中原料气体供应部位于反应管的侧面。
喷嘴具有加热区域，所述加热区域用于将从喷嘴的前端供应的气体加热到预定温度(1500K或2000K)或更高以供应高温气体，并且高温气体通过喷嘴被供应到反应管的中心以在反应管的中心形成线性高温高速气流。
含有氯硅烷和还原气体的原料气体可以从反应管的侧面供应，并且可以优选以低温低速供应。
原料气体供应部位于反应管的侧面，并且可以以预定角度(例如，以90°或更小的角度)供应原料气体。
当原料气体在与高温高速气流的方向相同的方向上被供应到反应管的中心时，它可以由形成在反应管的中心的高温高速气流引导而流出到反应管的下部，从而减少了原料气体的停留时间和反应时间。另一方面，当从侧面供应原料气体时，可以通过由高温高速气流形成的涡流来引导原料气体，从而可以增加原料气体在高温区域中的停留时间和反应时间，因此可以使工艺效率最大化。
图9是示出了根据本发明实施例的具有阶梯结构的反应管的内壁的结构的示意图。反应管的内壁可以形成如图10所示的阶梯式结构，并且阶梯结构可以形成为使得反应管的内径朝着反应管的底部变大。由此，可以改进反应管体，即原料气体和内壁的表面积，从而可以进一步提高硅沉淀效率，并且上述阶梯状内壁可以在每个阶梯结构中形成小涡流，从而可以进一步增加原料气体的停留时间。因此，可以提高多晶硅的生产效率。
图10和图11是分别示出了根据本发明的实施例的在反应管中形成多晶硅晶体的状态的照片。
图10示出了在氩气(Ar)作为用于形成气流的气体、温度2000K、流速30m/s、三氯硅烷气体供应流量2.4g/min以及还原气体(氢)供应流量5LPM的条件下运行195分钟后的状态。多晶硅的沉淀量为60.7g，并且相对于原材料的硅沉积转化率为61.0mol％(12.9wt％)。
根据本发明，可以看出，硅晶体朝向反应管的中心生长，并且沿着朝向中心部分的特定方向形成的硅晶体通过形成在反应管的中心的高速气流和高温热源被解吸，从而在反应管的中心形成空的空间。另外，分离的硅晶体落到反应管的底部并被收集，因此，可以通过更容易的收集过程获得硅晶体。

Claims (18)

1.一种用于制造多晶硅的方法，包括：
在反应管的中心处形成高温高速气流，并且在所述高温高速气流周围形成涡流；
从所述反应管的侧面供应含有氯硅烷气体和还原气体的原料气体以使所述原料气体由所述涡流引导而流动；
通过由所述涡流引导的所述原料气体的反应形成硅微粉；以及
通过由所述涡流引导的所述硅微粉和所述原料气体被转移到所述反应管的内壁并且被吸附和反应来沉淀硅晶体。
2.根据权利要求1所述的用于制造多晶硅的方法，其中，所述反应管为立式反应管的形式，并且在所述立式反应管的上部的中心处注入高温高速气流，并且
当沉积在所述立式反应管的内壁上的所述硅晶体生长超过预定尺寸时，所述硅晶体被解吸并被收集到所述反应管的下部中。
3.根据权利要求1所述的用于制造多晶硅的方法，还包括用于冷却所述反应管的内壁的放热方法，使得热量从所述反应管的中心通过所述反应管的内壁释放，并且硅晶体通过定向凝固形成，在所述定向凝固中，在与放热方向相反的方向上形成硅晶体。
4.根据权利要求3所述的用于制造多晶硅的方法，其中，所述硅晶体在与所述放热方向相反的朝向所述反应管的中心的特定方向上以硅棒或晶须的形式生长到预定尺寸或更大，然后通过重力或物理刺激被解吸并落下。
5.根据权利要求2所述的用于制造多晶硅的方法，其中，在沉积在所述反应管的内壁上的初始硅晶体或形成在所述反应管的内壁上的多晶硅晶体被收集之后，剩下的所述硅晶体的横截面在后续的硅制造过程中作为硅生长表面。
6.根据权利要求1所述的用于制造多晶硅的方法，其中，沉积在所述反应管的内壁的表面上的所述硅晶体通过从所述反应管的中心处的热源传递的辐射热和对流热直接或间接地被加热，并且加热后的硅晶体层供应反应原材料的反应和硅沉积反应所需的热能。
7.根据权利要求1所述的用于制造多晶硅的方法，其中，所述高温高速气流的温度为1500K或更高，并且在所述高温高速气流周围形成的所述涡流形成1450K或更高的高温区域。
8.根据权利要求1所述的用于制造多晶硅的方法，其中，喷射的所述原料气体被所述涡流引导以形成对流，从而增加所述原料气体的停留时间。
9.根据权利要求1所述的多晶硅的制造方法，其中，所述反应管的内壁的表面温度为1400K或更低。
10.根据权利要求1所述的用于制造多晶硅的方法，其中，传递到所述反应管的内部空间和所述反应管的内壁的热能是由通过所述高温高速气流形成的所述涡流产生的对流热。
11.根据权利要求1所述的用于制造多晶硅的方法，其中，在所述反应管的内壁的表面上形成的多晶硅生长到预定尺寸或更大，从而通过所述高温高速气流被解吸和分离。
12.根据权利要求1所述的用于制造多晶硅的方法，其中，所述高温高速气流的顶部的流速为10m/s或更高。
13.根据权利要求1所述的用于制造多晶硅的方法，其中，产生所述高温高速气流的气体的原材料为选自氩气、氦气、氮气和氢气中的至少一种。
14.根据权利要求1所述的用于制造多晶硅的方法，其中，硅基体由通过吸附在所述反应管的内壁的表面上的所述原料气体和所述硅微粉沉淀的硅晶体形成，并且以所述硅基体作为反应表面，发生所述硅微粉的吸附和所述原料气体的反应，并且由此硅晶体沉淀在所述硅基体上。
15.根据权利要求14所述的用于制造多晶硅的方法，其中，所述硅基体通过所述涡流传递的热能形成加热的硅层，并且所述加热的硅层供应通过所述硅微粉和所述原料气体的吸附和反应来沉淀硅晶体的步骤所需的热能。
16.一种用于制造多晶硅的设备，包括：
喷嘴，所述喷嘴位于反应管的上部并向所述反应管的中心供应高温高速气流；以及
原料气体供应部，所述原料气体供应部用于供应含有氯硅烷气体和还原气体的原料气体，其中，所述原料气体供应部位于所述反应管的侧面。
17.根据权利要求16所述的用于制造多晶硅的设备，其中，所述反应管的内壁的表面包括阶梯结构，并且涡流分别形成在所述阶梯结构的每个阶梯处。
18.根据权利要求16所述的用于制造多晶硅的设备，其中，所述反应管的内径朝着所述反应管的底部逐渐增加。
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