TW201512091A - 多晶矽的製備方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種製備多晶矽的方法，包含：將包含有含矽組分和氫的反應氣體引入一反應器中，該反應器包括一底板、一固接在該底板上的反應器上部、以及至少一支撐體，該支撐體藉由直接通電而被加熱，多晶矽沉積在該支撐體上，以得到至少一多晶矽棒，其中在沉積結束之後，在卸裝該至少一多晶矽棒期間，圍繞該反應器側向放置一保護殼或一保護壁。

Description

多晶矽的製備方法

本發明係關於一種製備多晶矽的方法。

高純度多晶體矽(多晶矽)係作為用於藉由坩堝拉製(CZ)或區域熔融法(FZ)製備用於半導體的單晶矽的起始材料，以及用於藉由各種拉製和鑄造方法製備用於光伏太陽能電池的單晶體或多晶體矽的起始材料。

多晶矽通常藉由西門子法製備。該方法包括將包含一或多種含矽組分和視需要存在的氫的反應氣體引入包含藉由直接通電加熱之支撐體的反應器中，矽以固體的形式沉積到支撐體上。所使用的含矽組分較佳係矽烷(SiH₄)、一氯矽烷(SiH₃Cl)、二氯矽烷(SiH₂Cl₂)、三氯矽烷(SiHCl₃)、四氯矽烷(SiCl₄)或所述物質的混合物。

西門子法通常在沉積反應器(也稱為「西門子反應器」)中進行。在最常用的實施態樣中，該反應器包含金屬底板和置於底板上的可冷卻鐘罩，以在其中形成反應空間。與該底板一起提供的是一或多個氣體進入口、和一或多個用於排出反應氣體的廢氣口，且在反應空間中用夾持器幫助夾住支撐體並供給電 流。每個支撐體通常由二個細的、直的絲棒和一個通常在相鄰棒的自由端將其連接的水平橋組成。該絲棒被垂直插入反應器底部的電極中，它們由此和電源相連接。

多晶矽的沉積藉由打開負責流入反應器中的反應氣體(氫和一種上述含矽組分的混合物)的截止閥和負責流出反應器的廢氣的截止閥來完成。反應氣體流經底板上的供料孔而進入閉合沉積反應器中。在此，矽沉積在藉由直接通電加熱的細棒上。在反應器中形成的熱廢氣經底板上的孔離開反應器，並可隨後經受諸如冷凝的處理操作，或被送至洗滌器。

高純度多晶矽沉積在被加熱的絲棒和水平橋上，由此導致它們的直徑隨著時間增長。一旦得到希望的直徑，即停止該方法。隨後通常將所形成的多晶矽棒對冷卻至室溫。

所得到的U型多晶矽棒可以是幾米高，且可以是幾千千克重。

在冷卻至室溫之後，該矽棒可以從反應器中移除。因為西門子法是批次進行的，所以反應器會為此而停止，亦即沉積時間會被中斷。此時，關閉負責反應氣體的截止閥且切斷電源。沉積的多晶矽可從打開的反應器中移除。為了打開反應器，須移除反應器的上部，通常是向上提起。

從經濟的角度看，使卸裝和安裝時間盡可能地短是有利的，以便保持隨後沉積批次的時間盡可能短。

需要從反應器中成對地(二個棒和一個橋)卸裝多 晶矽棒對。如下文中將說明的，可以同時移除所有棒對的全部收穫機也是已知的。

在發生不嚴密的移動時，一或多個棒或棒對可能在加工中或例如與現場地板、反應器的底板、或與其它棒或棒對相碰而掉落且破碎。如果在反應器中有幾個棒，則該批次的棒全部破裂且由於破裂和可能的污染導致該棒不能在進一步加工中使用的風險非常高。

在卸裝棒之後，通常清洗反應器的鐘罩和底板，並給反應器提供新電極和用於下一沉積批次的細棒。在關閉鐘罩以後，如上所述過程再一次進行下一批次多晶矽的沉積。

應當在避免棒的表面污染和使棒的破裂最小化的情況下進行反應器的打開以及棒的卸裝。

JP 7029045 B描述了一種靠近反應器側面並吊離棒對的卸裝杆。此方法需要將反應器完全從底板卸離。此處的風險是電極上的棒對僅僅藉由尖頭來移除。在這個過程中，棒對在錯誤方向上的傾斜不能被排除。不受控制掉落的棒對不僅僅意味著碎片對人員嚴重的傷害，而且如果該跌落的棒對使在反應器中依舊保持垂直的棒對也傾倒，則將造成整批的損失。

US 20120237678 A1揭露了一種用於卸裝多晶矽棒的設備，其包含具有外壁的主體，且其尺寸可以使棒被外壁包圍，每一個外壁包括容許至少一個棒進入的門。在一個較佳的實施態樣中，內壁係襯有聚合物，以防止多晶矽棒的污染。

US 20100043972 A1揭露了另一種用於卸裝多晶矽棒的裝置，其包含：包含內壁、外壁以及連接該內壁和外壁的多層壁連接器、在該內壁和外壁之間形成的空腔、在該外壁形成的出入窗(access window)、底板、以及在該底板上配置的多個觸點，其中該內壁和外壁是圓柱形且同軸的，該空腔適於接收多個停留在該觸點上的矽棒，並且該出入窗用來供矽棒出入。該棒可以透過出入窗移除。

然而，問題是此類裝置對棒對間的空間具有很高的需求。但是，高的空間需求對獲得高經濟可行性(實現高的最終直徑)來說是一個缺點。

上述裝置的另一個缺點是，在棒歪斜站立或部分批次倒塌的情況下，這並非鮮少發生，不可能用這些裝置。

同樣情況也發生在DE 102009027830 B3中所述的將多晶矽棒從反應器中移除的方法，其包含：在打開的反應器上用基於校準點的電腦輔助識別法運轉嚴格的和自動化的引導，並藉由機械或氣動夾具設備夾住棒對，並隨後將它們放倒在運輸設備中。

JP 63296840 A揭露了一種用於從沉積反應器中卸裝矽棒的裝置，其中係用夾子固定單獨的棒對並吊離反應器側面。JP 2002210355 A同樣揭露了一種用於卸裝矽棒的裝置，其包含在三維上可移動的夾臂，且具有安裝在其末端的夾具裝置，該裝置可以用來將矽棒吊離反應器。

這二個裝置的缺點是該棒僅可以由外到內從完全打開的反應器中移除。用該裝置對特定矽棒的選擇性卸裝是不可能的，例如，一些時候所希望的從內部棒圈中卸裝。

另一個缺點是，此系統必須藉由手動驅動，且這個多軸系統的手動協調是非常困難的。結果是，相比於傳統的移除設備沒有時間上的優勢。另一個缺點是當棒被吊離時，一強撓曲力會施加在該結構上。在卸裝過程中，會施加一定的拉力，這使得在卸裝棒時導致夾臂擺動。夾臂在卸裝時的擺動會導致相鄰的棒被卸裝工具接觸並撞擊。然而，這個系統的主要缺點是，對於卸裝，全部棒的至少一部分在潔淨的空間中係藉由鉗爪夾住。如果一或多個棒跌落，將不可避免地導致矽的污染，且甚至導致嚴重的人員損傷。

US 20120175613 A1揭露了一種生產多晶矽碎片的方法，其由以下製程組成：藉由在絲線上沉積矽而生產多晶矽的CVD製程，其中該絲線的一端連接於第一電極，而其另一端連接於第二電極；從反應器中移除多晶矽的製程；以及將矽棒粉碎成矽碎片的製程，其包含在粉碎過程之前，從多晶矽棒的電極端移除至少70毫米(基礎縮短製程)。在較佳的實施態樣中，多晶矽棒在從反應器中移除之前，其表面被袋狀的聚乙烯件覆蓋。該多晶矽棒本身的移除可以藉由吊車等實施。

該先前技術中揭露的方法以及所使用的設備具有以下缺點：在卸裝的過程中，反應器部分總得被吊離，以致棒對至 少短暫暴露地站立在底板上，沒有東西防止它們掉落。這將造成重要的安全風險，因為棒或部分棒的掉落可能導致在周邊或在沉積設備處的工作人員嚴重的損傷。如果藉由反應器中額外的上法蘭(flange)進行卸裝，則其缺點是直到棒的卸裝完成，相應的沉積設備的鐘罩不能被清潔。在這個過程中，比起同時清潔鐘罩且不必等到卸裝之後完成清潔的情況，批次輪換(無沉積時間)所需的時間要多很多。

本發明的目的是提供一種分批生產高純度多晶矽的方法，其在單獨的設備中(包括在完整的設備系統中)使轉換時間最小化，避免或克服了先前技術的缺點。

該目的藉由一種生產多晶矽的方法來實現，該方法包含：將包含有含矽組分和氫的反應氣體引入反應器中，該反應器包含至少一個藉由直接通電加熱的支撐體，多晶矽沉積在該支撐體上，以得到至少一個多晶矽棒，其中在沉積完成以後，在卸裝該至少一個多晶矽棒期間，圍繞反應器放置保護殼或保護壁。

在沉積期間，該反應器通常被氣密密封。

該支撐體通常為包含二個矽棒和一個水平橋的U型支撐體。在沉積期間，該支撐體的直徑會成長。因此，在支撐體上沉積多晶矽的過程中會形成矽棒對。

該等反應氣體，即含矽組分(例如是氯矽烷，如三氯矽烷)和氫，係經供料管引入反應器中。

該沉積尤其會產生包含四氯化矽的廢氣，該廢氣經移除管而從反應器中移除。

一旦得到所希望的最終直徑的矽棒對，通常結束沉積，即藉由中斷電源和停止供應反應氣體。為此目的，截止閥通常被安置在反應氣體的供料管中。

在開始卸裝棒之前，較佳首先從反應器中移除反應器上部的連接。

在該方法的第一個較佳的實施態樣中，在從反應器上部移除連接之後，圍繞沉積反應器放置保護殼。隨後，該反應器上部被移除，尤其藉由吊離反應器上部。

在第二個較佳的實施態樣中，設想在反應器上部設置保護元件。當反應器的上部從底部結構中分離後且被吊離時，這些保護元件同樣被上拉。保護元件係以如下方式配置：在反應器上部被吊離一定程度後，這些保護元件完全包圍著多晶矽棒對。一旦達到這種情況，該保護元件即和底部結構(即反應器的底板)連接，並和反應器上部分離。該保護元件形成在本發明方法中所設想的保護壁。

在進一步較佳的實施態樣中，設想一種可移動並可折疊的保護殼或保護壁，其可以在反應器側面移動並包含折疊門。

該方法及其較佳實施態樣的優點是，在沉積區中，任何時候棒都不會無保護地暴露在外界。

較佳地，在沉積結束後，在連接被從反應器上部移 除之前或期間，將反應器打開一段特定的時間。這個通風期從沉積一批多晶矽之後，首次打開反應器時開始，且包含沉積結束之後直至為了從反應器中卸裝多晶矽棒而移除鐘罩或其一部分的期間。即使在棒自身卸裝的過程中，也打開該反應器，並在此期間通風或用淨化氣體淨化。

該通風可以藉由提高底板上方的反應器鐘罩來實施。也可以打開觀察窗。打開法蘭以及輸出和輸入氣管同樣可以使反應器通風。

在打開反應器期間，可以經孔口將介質供給反應器，並隨後藉由同一個或另一個孔口移除該介質。所供給的介質可以是空氣或其單獨成分，氮、水分、氬、氦，單獨每種或其結合。

這樣做的目的是，在得到理想的棒直徑的支撐體且沉積已結束之後，在為了將棒卸裝而完全打開沉積反應器之前，用所存在的氣態、液態及/或固態的組分以及存在其中的鐘罩沉積物，以合適的方式將反應器內部調節在特定條件下。

較佳地，在卸裝棒對之前以及一旦他們可接近的時候，向棒對提供覆蓋物。這可以是圍繞棒對的塑膠袋，較佳是由高純度PE製造的袋狀件。

較佳用尺寸可以完全圍繞U型棒對的設備卸裝該棒對，且該設備及其所圍繞的多晶矽棒對一起與起重機、電纜絞車或抓斗相互作用，使得該設備可以隨著多晶矽棒從反應器中移除。

該設備可以由低污染硬質合金或由塑膠製造。其較佳由鋼鐵組成，更佳是由例如V2A=1.4301、1.4541和1.4307的不銹鋼或這些材料的結合組成，且內壁可以用諸如塑膠或硬質合金的低污染材料塗布或襯裡。也可以在設備的內表面塗覆一或多層金或銀。這可以化學或機械的方法來實施，例如以複合材料或鍍層方式(具硬質合金晶粒或片晶的球墨鑄鐵)。

在棒被卸裝之後，它們較佳被運走以用於進一步加工。

該支撐體藉由直接通電而被加熱至多晶矽在其上沉積的溫度。該棒溫度較佳為1150K至1600K。為此目的，支撐體通常連接至由高純度人造石墨製成的電極，透過該電極提供電能。因此在卸裝棒對之後，較佳將石墨電極從棒的底部移除。

隨後，例如藉由顎式破碎機或輥式破碎機，棒對較佳被粉碎成不同尺寸等級的塊。

粉碎後可視需要地對塊材進行濕化學清潔。

最後，塊材較佳經塑膠袋包裝且運輸至客戶。

本發明較佳的實施態樣係闡述如下。

如同已提及的，在先前技術中，係先移除所有與反應器上部連接的元件，然後移除反應器上部。該反應器上部通常用吊離的方式移除。在反應器上部被移除後，所暴露的棒對可以被卸裝。然而，這存在棒對會掉落的風險。此外，棒對係暴露在外界環境，因此可能受到污染的影響。

本發明描述了一種方法，藉由該方法，CVD反應器的安裝準備時間可以被明顯地降低，且不會涉及安全方面的損失。

以下還藉由第1圖至第3圖來闡明本發明。

1‧‧‧反應器上部(鐘形罩)

2‧‧‧保護殼

3‧‧‧介質入口/出口

4‧‧‧介質入口/出口

5‧‧‧多晶矽棒

6‧‧‧底部結構/底板

7‧‧‧保護元件

8‧‧‧可移動保護壁

第1圖顯示了具有保護殼的反應器。

第2圖顯示了具有保護元件的反應器。

第3圖顯示了反應器和可移動的保護壁。

第1圖顯示了本方法的第一個實施態樣。

其顯示了具有反應器上部1、介質(反應氣體、廢氣)的入口3和出口4、底部結構6(尤其是具有電極的底板)和U型多晶矽棒對5的反應器。該反應器被保護殼2包圍。

為了卸裝多晶矽棒對5，首先移除所有與反應器上部1連接的元件，尤其是介質入口3和出口4的連接。隨後，保護殼2被放置在整個反應器的頂端，即、在反應器上部1和底部結構6之上。隨後反應器上部1和底部結構6分離，並被吊離且運走以進行清潔。

保護殼2確保人員受到保護，不被任何掉落的多晶矽棒對5傷害。此外，儘管缺乏反應器上部1，多晶矽棒對5仍可以被安全地卸裝。多晶矽棒對5本身的卸裝可以藉由先前技術所記載的抓斗、起重機或卸裝籠而實施。

在製造方法要求上，必須在反應器再次填裝之前，清潔所有反應器表面。然而，至今為止，在多晶矽棒5從反應器中移除之前，仍不可能清潔反應器的內壁。

但藉由本發明，可以在與底部結構6分離之後立即開始在反應器上部1中進行清潔。

第2圖顯示了根據本發明方法的另一個實施態樣。

這個實施態樣有效地提供了更多的卸裝保護。其提供了安裝在反應器上部的保護元件7，而不是如第1圖所述的被放置在整個反應器上面的保護殼。當反應器上部和底部結構分離之後被吊離時，這些保護元件也被上拉。保護元件7係以如下方式配置：在反應器上部被吊離至一定程度後，這些保護元件完全包圍多晶矽棒對5。一旦在這種情況下，保護元件7和底部結構連接，並與反應器上部分離。在這個實施態樣中，同樣可以立即開始反應器上部的清潔。

較佳地，首先提高反應器上部並安裝保護元件7。隨後，保護元件7和底部結構連接，且釋放保護元件7和反應器上部的連接。最後，運走反應器上部以進行清潔。

第3圖顯示了根據本發明方法的另一個實施態樣。

該方法包含了一種可移動且可折疊的保護殼或保護壁8。可移動是由於其可以移動至反應器側面上。可折疊是因為其包含折疊門。

保護壁8可以從側面移至反應器。該反應器被折疊門 包圍，且折疊門藉由例如螺栓固定而閉合。

1‧‧‧反應器上部(鐘形罩)

2‧‧‧保護殼

3‧‧‧介質入口/出口

4‧‧‧介質入口/出口

5‧‧‧多晶矽棒

6‧‧‧底部結構/底板

Claims (9)

1. 一種製備多晶矽的方法，包含將包含有含矽組分和氫的反應氣體引入一反應器中，該反應器包括一底板、一固接在該底板上的反應器上部、以及至少一支撐體，該支撐體藉由直接通電而被加熱，多晶矽沉積在該支撐體上，以得到至少一多晶矽棒，其中在沉積結束之後，在卸裝該至少一多晶矽棒期間，圍繞該反應器側向放置一保護殼或一保護壁。
2. 如請求項1所述的方法，其中在沉積結束之後，移除該反應器上部的所有連接，圍繞該反應器側向放置該保護殼，然後移除該反應器上部，以便最後卸裝該至少一多晶矽棒。
3. 如請求項1所述的方法，其中在沉積結束之後，移除該反應器上部的所有連接，並在該反應器上部上側向放置保護元件，保護元件形成該保護壁，然後將該反應器上部與保護元件一起垂直向上移動，直到該至少一多晶矽棒被保護元件完全包圍，然後將保護元件連接至該底板上，接著釋放保護元件和該反應器上部的固接(securing)，並最後卸裝該至少一多晶矽棒。
4. 如請求項1所述的方法，其中在沉積結束之後，移除該反應器上部的所有連接，並將一含有折疊門的保護壁移動至該反應器的側面上，該反應器被該保護壁完全包圍且該折疊門在移除該反應器上部之前是關閉的，然後開始卸裝該至少一多晶矽棒。
5. 如請求項2至4中之任一項所述的方法，其中在沉積結束之後，在從該反應器上部移除所有連接之前或同時，且在將保護殼或 保護壁放置入位或移動至該反應器上之前，將該反應器打開一段特定的時間。
6. 如請求項1至4中之任一項所述的方法，其中在卸裝該至少一多晶矽棒之前，多晶矽棒被一袋狀塑膠件覆蓋。
7. 如請求項1至4中之任一項所述的方法，其中該至少一支撐體包含二個藉由一水平橋彼此接連的矽棒，從而沉積至少一多晶矽棒對。
8. 如請求項7所述的方法，其中該至少一多晶矽棒對的卸裝是藉由一尺寸能夠完全包圍該多晶矽棒對的設備完成的，且該設備及其所圍繞的多晶矽棒對一起與起重機、電纜絞車或抓斗相互作用，使得該設備能夠與該多晶矽棒對一起從該反應器中移除。
9. 如請求項1至4中任意一項所述的方法，其中該至少一多晶矽棒被卸裝並機械加工，以得到多晶矽塊。