用于生产多晶硅的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明提供了一种用于生产多晶硅的方法。
【背景技术】
[0002]多晶娃(polycrystallinesilicon)(简称多晶娃(polysilicon))作为原材料借助于i甘祸拉伸(Czochralski或CZ方法)或借助于区域恪炼(浮区(区恪，float zone)或FZ方法)生产单晶硅。该单晶硅被分成晶片并且在大量的机械、化学和化学-机械加工操作之后，用于制造电子元件(芯片)的半导体工业。
[0003]然而，更具体地，更大程度地要求多晶硅借助于拉伸或铸造方法生产单晶硅或多晶硅，该单晶硅或多晶硅用于制造光伏太阳能电池。
[0004]通常，借助于西门子法(平炉法，Siemens process)生产多晶硅。在该方法中，在钟罩形反应器(“西门子反应器”)中，通过直接通电加热硅的细丝棒(“细棒”)，并且引入包括含娃组分和氢的反应气体。
[0005]反应气体的含硅组分通常是单硅烷或通用组成为SiHnX4 n(n = 0、1、2、3 ;Χ = Cl、Br、I)的卤代硅烷。优选的是氯代硅烷或氯代硅烷混合物，更优选地三氯代硅烷。SiH4SSiHCl3(三氯代硅烷，TCS)主要用于具有氢气的混合物。
[0006]EP 2 077 252 A2描述了在多晶硅生产中使用的反应器类型的典型装备。
[0007]反应器底座装备有容纳细棒(在生长过程中硅沉积于细棒上，并且其因此生长以形成多晶硅的期望的棒)的电极。通常，在每种情况下，两个细棒通过桥接相连以形成细棒对，其通过电极和通过外部设备形成电路，其用于加热棒对至特定的温度。
[0008]此外，反应器底座另外装备有喷嘴，其向反应器供应新鲜的气体。经由孔口(orifice)引导废气(offgas)离开反应空间。
[0009]供应的反应气体的量通常随棒直径的变化而变化，即通常随着棒直径增加而增加。
[0010]高纯度多晶硅在加热的棒和桥上沉积，结果棒直径随时间增加(CVD =化学气相沉积/气相沉积)。
[0011]DE 102 007 047 210 A1公开了一种致使多晶硅棒具有有利的弯曲强度(挠曲强度，抗弯强度，flexural strength)的方法。此外，在该方法中的具体能量比耗(比能量消耗，单位能量消耗，specific energy consumpt1n)特别低。关于方法参数，在小于30小时之内，优选地在小于5小时之内，采用桥下面的温度在1300°C和1413°C之间，获得氯代硅烷混合物的流动速率的最大值。
[0012]DE 10 2007 023 041 A1描述了一种用于生产多晶硅(具体地FZ (浮区)硅)的另外的方法。其设想了 950至1090°C的棒温度和在高达30mm的棒直径的反应气体中氯代硅烷的特定比例，以及棒温度930至1030°C的转换和在不晚于达到120mm的棒直径的反应气体中氯代硅烷的比例增加。在整个沉积时间内不能进行生长条件的突然变化。
[0013]US 20120048178 A1公开了一种用于生产多晶硅的方法，包括借助于一个或多个喷嘴将包含含硅组分和氢的反应气体引入至包括在其上沉积硅的至少一个经加热的细丝棒的反应器中，其中，阿基米德数(Archimedes number)Arn(Arn描述在反应器中随装填水平FL而变化的流动条件，装填水平FL示出棒体积与空反应器体积的百分数比率)，对于高达5%的装填水平，在函数Ar = 2000x FL °.6较低的端点和函数Ar = 17000x FL °.9较高的端点限制的范围内，并且大于5%的装填水平是在至少750至至多4000的范围内。
[0014]反应器的装填水平示出棒的体积与反应器的空体积的百分数比率。反应器的空体积是恒定的。由于棒的体积增加，因而装填水平随着增加的工艺持续时间而增加。
[0015]阿基米德数由下式给出:
[0016]Ar = 31 *g*L3*Ad* (T棒 _ Τ壁)/ (2*Q2* (T棒 +? ))
[0017]其中，g是以m/s2表示的重力加速度，L是以m表示的细丝棒的棒长度，Q是在操作条件(P，T)下以m3/s表示的气体的体积流量，Ad是以m2表示的所有喷嘴横截面积的总和，I#是以K表示的棒温度并且Ts是以K表示的壁温度。棒温度优选地是1150K至1600K。壁温度优选地是300K至700K。
[0018]在粗多晶硅棒(具有直径>100mm)的生产中，相对来说通常观察到棒具有非常粗糙表面(“爆米花(popcorn)”)的区域。这些粗糙区域必须与材料的其余部分分离并且以比硅棒的其余部分更低的价格出售。
[0019]US 5904981 A公开了棒温度的暂时降低可以减少爆米花材料的比例。同时，公开了从具有5mm的直径的多晶硅棒作为细丝(细棒)开始，棒的表面温度保持在1030°C并沉积多晶硅，当棒直径达到85mm时，电流保持不变，结果温度下降，并且一旦到达970°C的温度，在30小时的时间段内棒的温度逐渐升高回高达1030°C，当棒直径达到120mm时停止沉积。在这种情况下爆米花的比例是13%。然而这样的改变导致该方法运行不太快，因此输出减少，其降低经济可行性。
[0020]因此在多晶娃沉积的已知方法中，调节棒温度是必要的。由于多晶娃沉积于棒表面，所以在棒表面的温度是生产多晶硅的方法中的关键参数。
[0021]为此目的，必须测量棒温度。
[0022]通常棒温度在垂直棒的表面利用辐射高温计测量。
[0023]因为其材料性质，在硅上测量非接触式温度是非常费力的。这是因为材料的发射水平(emiss1n level)随红外线波谱显著变化并且另外依赖于材料的温度。不过为了实现精确的和可重复的测量结果，制造商提供了具有约0.9 μπι的过滤器的仪器，所以仅仅评价一小部分辐射光谱(通过过滤器被限制到特定波长范围，由于在此波长范围内的硅的发射水平是相对高和与温度无关的)。
[0024]因为在大气中的氢气，特定的防爆外壳(explos1n-proof housings)通常用于高温计。
[0025]高温计通过观察镜(视镜，窥镜，监视镜，sightglass)或窗获得光访问(opticalaccess)。在近红外光范围中的仪器的透镜或窗由玻璃或石英玻璃组成。
[0026]高温计在反应器的外部的观察镜处安装并在待测量的多晶硅棒处定向。观察镜借助于透明玻璃表面和密封而使反应器密封远离环境。
[0027]目前已经发现，在沉积工艺的过程中，沉积物的层在观察镜上形成，根据操作方式，其可以具有不同的厚度。这尤其影响在反应器端部的(内部)玻璃面。该沉积物的层引起测量辐射强度的减弱(衰减)。因此，高温计测量太低的温度。其结果是通过反应器的电力调节系统将棒温度设置得太高，其引起不必要的工艺性质如灰尘沉积、不容许高爆米花生长、硅棒的局部熔化，等等。在最坏的情况下一即，在过厚的沉积物的情况下一该方法必须提早结束。
[0028]由于不合格而因此产品价值降低的经济劣势或者由于提早关闭或失败批次而引起的增加的生产成本是在观察镜上的沉积物的结果。
[0029]在现有技术中，为了冲洗硅烷或氯代硅烷(其有在玻璃上形成沉积物的倾向)远离玻璃表面，或使它们远离玻璃表面，已经努力通过在玻璃表面上吹惰性气体或氢气使玻璃表面上的沉积物最少化。
[0030]JP2010254561A2描述了一种观察镜，其中将氢气用作为吹扫气体并注入管中。管长与管直径(L/D)的比率在该设置中在5和10之间。缺点是由长、薄观察镜管所产生的非常受限制的观察范围。
[0031]CN 201302372Y同样公开了一种观察镜，其中在观察镜透镜上粘附的微粒在反应所涉及的气体介质(氢气)中通过吹扫去除，这清洁透镜。内接管(inner connectingtube)的一端相连于气体介质清洁设备，使得在操作的过程中可以清洁观察镜透镜的内表面。在第一观察镜透镜和第二观察镜透镜之间是冷却水导管，通过该冷却水导管可以冷却并清洁第一观察镜透镜和第二观察镜透镜。
[0032]CN102311120 B公开了一种观察镜，其中将作为吹扫气体的氢气以一定的倾斜角度通过多个孔注入观察镜表面。孔分布于观察镜管的整个外周并相对于观察镜管的轴放射状地对齐。
[0033]然而，已经发现这仅仅在观察镜的一些区域内防止沉积物形