CN216863655U - 一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，包括钟罩和底座；钟罩为带有冷却介质夹套的双层结构，其下部为圆筒型、上部为椭圆形型；底座为带冷却介质夹套的双层圆盘形结构；钟罩扣在底座上，形成甲硅烷热分解炉的内腔体，且在内腔体中设置有硅棒、甲硅烷供给机构和热分解冷却机构，所述硅棒与石墨电极连接，其中热分解冷却机构设置在硅棒外侧，甲硅烷供给机构设置在硅棒与热分解冷却机构之间；本分解炉通过甲硅烷供给机构和热分解冷却机构的设置，能够实现对硅棒的均匀吹气和温度控制，达到相变沉积过程中硅烷均匀供气与多相界面处反应物均匀分布，进而提高硅棒的生长质量，使生长层致密均一，具有结构简单、控制效果好的特点。

Description

一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉

技术领域

本实用新型属于多晶硅生产设备技术领域，具体涉及一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉。

背景技术

多晶硅可以分为太阳能级和电子级，太阳能级多晶硅是作为太阳能产业链的基础原料，主要用于生产太阳能的电池板，多用于一些大型的环保项目。电子级多晶硅作为制备集成电路的关键基础材料，是发展国家集成电路产业的战略性原材料，主要用于电子设备和芯片的生产。区熔级多晶硅是电子级多晶硅的高端产品，其中区熔级棒状多晶硅是指纯度达到12N、均匀致密且力学性能优异的棒状晶体硅材料，经过进一步的区熔法制单晶后，用于硅基芯片制造，如集成电路用模块(IGBT)、光电二极管(PD)以及电力电子半导体器件(SCR、GTO)等高端器件。在区熔级多晶硅的制备方法中，有发展前途的是SiH₄热分解法，也即硅烷法制备多晶硅技术；这种方法的整个工艺流程可分为三个部分：SiH₄的合成、提纯和热分解；在SiH₄的热分解过程中，将SiH₄气体导入SiH₄分解炉，在800～900℃的发热硅芯上，SiH₄分解并沉积出区熔级多晶硅棒，其反应式如下：SiH₄＝Si+2H₂↑；此方法的优点在于：

(1)分解过程不加还原剂，因而不存在还原剂的玷污；

(2)SiH₄纯度高，在SiH₄合成过程中，就已有效地去除金属杂质，同时还可采用吸附能力较强的分子筛吸附剂对硅烷中的磷烷、砷烷、硫化氢、硼烷等杂质进行有效脱除，从而获得高纯度的产品，这是SiH₄法的又一个突出的优点；

(3)SiH₄分解温度一般为800～900℃，远低于其它方法，因此由高温挥发或扩散引入的杂质就少。同时，SiH₄的分解产物都没有腐蚀性，从而避免了对设备的腐蚀，以及硅受腐蚀而被玷污的现象，而四氯化硅或三氯氢硅氢气还原法都会产生强腐蚀性的氯化氢气体；

但在实际生产中，由于传统的硅烷热分解炉的结构缺陷，在进行SiH₄热分解的过程中，存在以下缺陷：

(1)由于在底盘设置进气导流筒并在其侧壁上开设喷口，原料气从喷口水平进入反应区直接喷向硅棒表面，通过低温原料进气，降低高温硅棒周围的温度，进而降低硅粉的生长速度，进气的流动难以达到气相浓度和温度的均匀分布，不利于保证硅棒的质量；

(2)传统热分解炉进气管侧壁由下至上单排开孔对硅棒供气，但是单侧开孔容易造成气流分布不均，难于保证硅棒直径的均匀；

因此，为提高硅棒的生长质量，亟需设计一种新型的硅烷热分解炉。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种可促进均匀致密沉积、提高区熔级多晶硅棒生长质量的硅烷热分解炉，通过甲硅烷供给机构和热分解冷却机构的设置，能够达到对硅棒的均匀吹气和温度控制，以实现相变沉积过程中均匀SiH₄气流供给与多相界面处反应物空间均匀分布，进而提高硅棒的生长质量，形成致密均一的区熔级多晶硅棒，具有结构简单、控制效果好的特点。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，包括钟罩和底座；

所述钟罩为带有冷却介质夹套的双层结构，其下部为圆筒型、上部为椭圆形型；

所述底座为带冷却介质夹套的双层圆盘形结构；

所述钟罩扣在底座上，形成甲硅烷热分解炉的内腔体，且在内腔体中设置有硅棒、甲硅烷供给机构和热分解冷却机构，所述硅棒与石墨电极连接，其中热分解冷却机构设置在硅棒外侧，甲硅烷供给机构设置在硅棒与热分解冷却机构之间。

优选的，所述的钟罩上设置有钟罩冷却介质入口、钟罩冷却介质出口、上观察孔和下观察孔，其中钟罩冷却介质入口设置在钟罩的下端，钟罩冷却介质出口设置在钟罩的上端，且在所述观察孔和下观察孔上均设置有玻璃视镜。

优选的，所述的底座内设置有底盘冷却夹套和底盘甲硅烷夹套，其中底盘冷却夹套设置在底盘甲硅烷夹套的上侧，且在底盘冷却夹套的两端分别设置有底盘冷却介质入口和底盘冷却介质出口。

优选的，所述的底盘甲硅烷夹套设置在底盘冷却夹套下侧，且在底盘甲硅烷夹套的两端分别设置有底盘甲硅烷入口和底盘甲硅烷夹套清洁出口，其中底盘甲硅烷入口与甲硅烷供给机构配合使用。

优选的，所述的甲硅烷供给机构包括甲硅烷供给组件和反应尾气回收管组件，其中所述甲硅烷供给组件包括甲硅烷供给环主环管、连管和甲硅烷供给副环管，所述甲硅烷供给环主环管设置在底座上，且与底盘甲硅烷夹套连通，所述甲硅烷供给副环管设置在甲硅烷供给环主环管的外侧，所述连管设置在甲硅烷供给环主环管的下端，且甲硅烷供给副环管与甲硅烷供给环主环管通过连管连通；所述硅棒设置在甲硅烷供给副环管的中央，且在所述甲硅烷供给副环管上等距设置有若干喷气口，所述喷气口均匀分布于硅棒周围。

优选的，所述的甲硅烷供给环主环管和烷供给环副环管的顶部均设置有通气孔。

优选的，所述的反应尾气回收管组件包括出气管和尾气收集口，所述出气管设置在甲硅烷供给环主环管的内侧，所述尾气收集口设置在出气管的上端，且与硅棒的高度平齐，所述尾气收集口为上大下小的喇叭口状结构。

优选的，所述的出气管为夹套结构，且在出气管的下端分别设置有出气管冷却介质入口和出气管冷却介质出口，其中所述出气管冷却介质入口设置在出气管冷却介质出口的下侧，且与出气管的内侧夹套连通，出气管冷却介质出口与出气管的外侧夹套连通，所述出气管的内侧夹套和外侧夹套在出气管的上端连通。

优选的，所述的热分解冷却机构为设置在甲硅烷供给机构外侧的梯形夹套筒，梯形夹套筒的上端与硅棒的上端平齐，且在梯形夹套筒内设置有相互连通的内侧冷却夹套和外侧导流夹套，其中内侧冷却夹套与梯形夹套冷却介质入口连接，外侧导流夹套与夹套冷却介质出口连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型公开了一种可促进均匀致密沉积、提高区熔级多晶硅棒生长质量的硅烷热分解炉，与现有技术相比，本实用新型的改进之处在于：

(1)本实用新型设计了一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，包括钟罩和底座，以及设置在钟罩与底座腔体内部的甲硅烷供给机构和热分解冷却机构，在使用时，通过钟罩和底座上的冷却介质出、入口对空腔内的温度进行控制，来实现钟罩内的温度均匀，保证硅棒的生长质量；

(2)同时，甲硅烷供给机构在使用时，通过利用甲硅烷供给环主环管给甲硅烷供给副环管提供甲硅烷，硅棒设置在甲硅烷供给副环管的中央，且在甲硅烷供给副环管上等距设置有3个喷气口，三个喷气口37均匀分布于硅棒周围，吹气过程中能够保证硅棒四周进气均匀，避免侧面进料易造成产品圆度不合格的问题发生，保证硅棒生长质量好，生长层致密均一，生成的硅棒上下圆度一致；

(3)且热分解冷却机构在使用时，通过梯形夹套冷却介质出、入口的设置，控制硅烷热分解气相温度，保证了硅棒与热分解冷却机构形成的环隙空间的气相温度在一定的范围内，抑制了硅粉的产生，保证了多晶硅产品品质，提高了硅棒生长质量，具有结构简单、控制效果好的优点。

附图说明

图1为本实用新型硅烷热分解炉的主视图。

图2为本实用新型硅烷热分解炉剖视图

图3为本实用新型甲硅烷供给机构的结构示意图。

图4为本实用新型甲硅烷供给机构的俯视图。

图5为本实用新型热分解冷却机构的结构示意图。

其中：1.钟罩，11.钟罩冷却介质入口，12.钟罩冷却介质出口，13.上观察孔，14.下观察孔，2.底座，21.底盘冷却夹套，22.底盘甲硅烷夹套，23.底盘冷却介质出口，24.底盘甲硅烷入口，25.底盘冷却介质入口，26.底盘甲硅烷夹套清洁出口，3.甲硅烷供给机构，31.甲硅烷供给环主环管，32.出气管，33.尾气收集口，34.连管，35.甲硅烷供给副环管，36.通气孔，37.喷气口，4.玻璃视镜，5.硅棒，6.石墨电极，7.热分解冷却机构，71.梯形夹套冷却介质入口，72.夹套冷却介质出口。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的描述。

实施例1：参照附图1-5所示的一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，包括钟罩1和底座2；

所述钟罩1为带有冷却介质夹套的双层结构，其下部为圆筒型、上部为椭圆形型，且在钟罩1上设置有上观察孔13和下观察孔14，所述观察孔13和下观察孔14上均设置有玻璃视镜4，用于观察热分解炉内硅棒生长情况；

所述底座2为带冷却介质夹套的双层结构，为圆盘形结构；

所述钟罩1扣在底座2上，所形成的内部腔体即为甲硅烷热分解炉的内腔体，且在该内腔体中设置有硅棒5、甲硅烷供给机构3和热分解冷却机构7，所述硅棒5与石墨电极6连接，所述甲硅烷供给机构3和热分解冷却机构7设置在硅棒5的外侧，分别用于提供甲硅烷反应原料和对热分解后的多晶硅进行冷却，使其附着在硅棒5上，形成硅棒。

优选的，所述的钟罩1上还设置有钟罩冷却介质入口11和钟罩冷却介质出口12，其中所述钟罩冷却介质入口11设置在钟罩1的下端，用于向钟罩1的夹套内通入冷却介质，所述钟罩冷却介质出口12设置在钟罩1的上端，用于冷接介质的接出，实现冷却介质的循环，对钟罩1进行降温，来实现钟罩1内的温度均匀，保证硅棒5的生长质量。

优选的，所述的底座2为圆盘结构，且在底座2内设置有底盘冷却夹套21和底盘甲硅烷夹套22，其中底盘冷却夹套21设置在底盘甲硅烷夹套22的上侧，且在底盘冷却夹套21的两端分别设置有底盘冷却介质入口25和底盘冷却介质出口23，分别用于向底盘冷却夹套21内通入和接出冷却介质，带走底座2的热量，以此来实现对底座2上侧板面的降温，实现钟罩1内的温度均匀，保证硅棒5的生长质量。

优选的，所述底盘甲硅烷夹套22设置在底盘冷却夹套21下侧，用于向钟罩1内的甲硅烷供给机构提供集中的甲硅烷供应，且在底盘甲硅烷夹套22的两端分别设置有底盘甲硅烷入口24和底盘甲硅烷夹套清洁出口26，其中所述底盘甲硅烷入口24用于向底盘甲硅烷夹套22内通入甲硅烷，且与甲硅烷供给机构3配合使用，所述底盘甲硅烷夹套清洁出口26用于在使用完毕后对底盘甲硅烷夹套22进行清理。

优选的，所述的硅棒5为倒U型硅棒，其两端分别支撑在石墨电极6上，本实施例所述甲硅烷供给机构3可同时给4个硅棒5提供等量的甲硅烷原料。

优选的，所述的甲硅烷供给机构3集甲硅烷供给和反应产物回收两个功能于一体，具体包括甲硅烷供给组件和反应尾气回收管组件，其中所述甲硅烷供给组件包括甲硅烷供给环主环管31、连管34和甲硅烷供给副环管35，所述甲硅烷供给环主环管31设置在底座2上，且其下端与底盘甲硅烷夹套22连通，所述甲硅烷供给副环管35设置在甲硅烷供给环主环管31的外侧，所述连管34设置在甲硅烷供给环主环管31的下端，且甲硅烷供给副环管35与甲硅烷供给环主环管31通过连管34连通，在使用时，利用甲硅烷供给环主环管31给甲硅烷供给副环管35提供甲硅烷，所述硅棒5设置在甲硅烷供给副环管35的中央，且在所述甲硅烷供给副环管35上等距设置有3个喷气口37，三个喷气口37均匀分布于硅棒5周围，保证硅棒5四周进气均匀，避免侧面进料易造成产品圆度不合格的问题发生，保证硅棒5生长质量好，使生成的硅棒5上下圆度一致。

优选的，喷气口37的设置高度高于连管34的设置高度，且所述喷气口37沿连管34以上的烷供给环副环管35的内侧壁通长设置，用于保证硅棒5四周进气均匀，避免侧面进料易造成产品圆度不合格的问题发生，保证硅棒5生长质量好，使生成的硅棒5上下圆度一致。

优选的，为保证甲硅烷的持续性供应，在所述的甲硅烷供给环主环管31和烷供给环副环管35的顶部均设置有通气孔36。

优选的，所述的反应尾气回收管组件包括出气管32和尾气收集口33，所述出气管32设置在甲硅烷供给环主环管31的内侧，所述尾气收集口33设置在出气管32的上端，且与硅棒5的高度平齐，所述尾气收集口33的上段为上大下小的喇叭口状结构，用于对反应尾气进行回收。

优选的，为对应尾气进行冷却降温，所述的出气管32为夹套结构，且在出气管32的下端分别设置有出气管冷却介质入口35和出气管冷却介质出口34，其中所述出气管冷却介质入口35设置在出气管冷却介质出口34的下侧，且与出气管32的内侧夹套连通，所述出气管冷却介质出口34与出气管32的外侧夹套连通，所述出气管32的内侧夹套和外侧夹套在出气管32的上端连通。

优选，所述的热分解冷却机构7为设置在甲硅烷供给机构3外侧的梯形夹套筒，所述梯形夹套筒的上端与硅棒5的上端平齐，且在梯形夹套筒内设置有相互连通的内侧冷却夹套和外侧导流夹套，其中内侧冷却夹套与梯形夹套冷却介质入口71连接，外侧导流夹套与夹套冷却介质出口72连接，用于控制硅烷热分解气相温度，保证了硅棒5与热分解冷却机构7形成的环隙空间的气相温度在一定的范围内，抑制了硅粉的产生，保证了区熔级多晶硅产品品质，提高了硅棒生长质量。

本实用新型上述实施例所述硅烷热分解炉：

(1)本实用新型上述实施例所述硅烷热分解炉能够用于高端区熔级多晶硅的热分解生产；

(2)本实用新型上述实施例所述硅烷热分解炉的原料为高纯硅烷；

(3)利用本实用新型上述实施例所述硅烷热分解炉制备多晶硅，能够有效保证硅棒的生长质量。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，其特征在于：包括钟罩和底座；

所述钟罩为带有冷却介质夹套的双层结构，其下部为圆筒型、上部为椭圆形型；

所述底座为带冷却介质夹套的双层圆盘形结构；

所述钟罩扣在底座上，形成甲硅烷热分解炉的内腔体，且在内腔体中设置有硅棒、甲硅烷供给机构和热分解冷却机构，所述硅棒与石墨电极连接，其中热分解冷却机构设置在硅棒外侧，甲硅烷供给机构设置在硅棒与热分解冷却机构之间。

2.根据权利要求1所述的一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，其特征在于：所述的底座内设置有底盘冷却夹套和底盘甲硅烷夹套，其中底盘冷却夹套设置在底盘甲硅烷夹套的上侧，且在底盘冷却夹套的两端分别设置有底盘冷却介质入口和底盘冷却介质出口。

3.根据权利要求2所述的一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，其特征在于：所述的底盘甲硅烷夹套设置在底盘冷却夹套下侧，且在底盘甲硅烷夹套的两端分别设置有底盘甲硅烷入口和底盘甲硅烷夹套清洁出口，其中底盘甲硅烷入口与甲硅烷供给机构配合使用。

4.根据权利要求2所述的一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，其特征在于：所述的甲硅烷供给机构包括甲硅烷供给组件和反应尾气回收管组件，其中甲硅烷供给组件包括甲硅烷供给环主环管、连管和甲硅烷供给副环管，所述甲硅烷供给环主环管设置在底座上，且与底盘甲硅烷夹套连通，所述甲硅烷供给副环管设置在甲硅烷供给环主环管外侧，所述连管设置在甲硅烷供给环主环管下端，且甲硅烷供给副环管与甲硅烷供给环主环管通过连管连通；所述硅棒设置在甲硅烷供给副环管中央，且在所述甲硅烷供给副环管上等距设置有若干喷气口，所述喷气口均匀分布于硅棒周围，实现硅烷的空间均匀分布与均匀供气。

5.根据权利要求4所述的一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，其特征在于：所述的甲硅烷供给环主环管和烷供给环副环管的顶部均设置有通气孔。

6.根据权利要求4所述的一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，其特征在于：所述的反应尾气回收管组件包括出气管和尾气收集口，所述出气管设置在甲硅烷供给环主环管的内侧，所述尾气收集口设置在出气管的上端，所述尾气收集口为上大下小的喇叭口状结构。

7.根据权利要求6所述的一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，其特征在于：所述的出气管为夹套结构，且在出气管的下端分别设置有出气管冷却介质入口和出气管冷却介质出口，其中所述出气管冷却介质入口设置在出气管冷却介质出口的下侧，且与出气管的内侧夹套连通，出气管冷却介质出口与出气管的外侧夹套连通，所述出气管的内侧夹套和外侧夹套在出气管的上端连通。

8.根据权利要求1所述的一种可促进区熔级多晶硅均匀致密沉积的硅烷热分解炉，其特征在于：所述的热分解冷却机构为设置在甲硅烷供给机构外侧的梯形夹套筒，且在梯形夹套筒内设置有相互连通的内侧冷却夹套和外侧导流夹套，其中内侧冷却夹套与梯形夹套冷却介质入口连接，外侧导流夹套与夹套冷却介质出口连接。

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