专利名称：一种半导体材料棒材的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体材料棒材的制造方法。更具体而言，本发明涉及一种在芯
棒上通过热沉积法使半导体材料生长而制造所述半导体材料棒材的方法。
背景技术：
化学气相沉积法目前已广泛应用于制造半导体材料棒材，比如多晶硅棒材，其中 以西门子法多晶硅棒材的生产方法最为典型。 根据该西门子法多晶硅的生产方法，将直径7-10mm细的高纯硅芯(硅芯棒)安置 在钟形还原炉内，在硅芯上直接通入电流而对其进行加热，使硅芯温度保持在800-1200°C ， 然后将一定比例的氢气和硅化合物混合气通入还原炉内，通过使氢气和硅化合物的气相化 学反应而生成的硅沉积在炽热的硅芯表面，由此使硅芯逐渐生长成为直径120-160mm的多 晶硅棒材。 其他半导体材料棒材也可以按照类似的化学气相沉积法进行制造，比如锗棒材等。 然而，在这类化学气相沉积方法中，由于芯棒(比如硅芯)的电阻率很高，因此为 了使其能够导电从而被电流加热，必须首先对其施加高压(通常为15，000V至16，000V左 右)进行电击穿，所以高压启动(高压击穿)通常是该类方法中必不可少的步骤。由此，为 了进行该高压启动步骤，半导体材料棒材的生产设备一般都额外配备有高压启动设备。结 果是，该高压启动设备不但增加了棒材生产设备的投资和维护成本，对生产设备的绝缘水 平提出了较高的要求，并且尤其存在着电能耗大的问题。 为了解决该问题，现有技术提出了一种半导体材料棒材的改良型生产方法。根据 该方法，使用经掺杂而降低了电阻率的硅棒作为芯棒。由于该经掺杂的芯棒的电阻率较本 领域通常使用的高纯硅芯棒更低，因此可以实现降低启动电压(击穿电压)的目的。但是， 该方法的缺点是，最终获得的多晶硅棒材产品的纯度因该掺杂而受到不良影响，特别是对 于生产电子级多晶硅产品而言，应该尽量避免这种不良影响。 由于半导体材料(比如硅)的电阻率随温度上升而下降，因此如果预先采取措施 而将所述硅芯棒进行预热(比如预热到IO(TC以上)，则该硅芯棒的电阻率就会降低，甚至 大幅降低，从而可以减小启动电压，或者使得高压启动容易进行(比如参见非专利文献1 : 西门子法生产纯硅工艺流程的发展，潘裕详，稀有金属，第04期，第72-75页，1985年)。为 此，专利文献1(美国专利US 4， 179,530)通过在用于生产硅棒材的还原炉顶部设置了一个 可移去的加热装置，以便利用该加热装置来预热硅芯棒，从而降低该硅芯棒的启动电压。
但是，该专利文献1中所建议的方法需要为半导体材料棒材的生产设备增加额外 的电加热装置，不但增加了该生产设备的投资成本和维护成本，而且为了实现该方法，必须 采用经过重新设计的生产设备，从而无法直接使用现有的棒材生产设备，由此存在生产适 应性差的问题。另外，由于该额外的加热装置也需要消耗大量的电能，因此该方法实质上是 否能够降低棒材的生产能耗还尚未可知。CN 因此，本领域目前的现状是，仍旧希望开发一种半导体材料棒材的制造方法，其能 够直接利用现有的半导体材料棒材生产设备，因此不会增加现有半导体材料棒材生产的投 资成本和维护成本，而且实质上降低了该生产的能耗，同时实现降低启动电压和维持半导 体棒材高纯度的目的。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明人进行了深入的研究，结果发现，如
果利用工业上作为废物处置的热废气作为热源来预热半导体芯棒时，不但可以解决现有技 术中存在的前述问题，而且还可以实现废热利用，由此完成了本发明。 具体而言，本发明涉及一种在芯棒上通过热沉积法使半导体材料生长而制造所述 半导体材料的棒材的方法，包括(l)对所述芯棒直接施加电流，将其加热到所述半导体材 料的气态前体的热解温度或更高的温度；和(2)在所述芯棒保持该温度的条件下，使所述 加热的芯棒与所述半导体材料的所述气态前体直接接触，通过所述气态前体在所述芯棒的 表面上发生热解反应而形成所述半导体材料，由此使得所述半导体材料热沉积在所述芯棒 上，其中，还包括在对所述芯棒直接施加电流之前，使热废气与所述芯棒直接接触，而将其 预热至100-500。C的步骤。 根据本发明，所述热废气可以是来自任何途径并且包含余热的任何工业废气，只 要其不含有对所述半导体材料的热沉积反应产生不良影响(或者对所生成的半导体材料 的纯度没有不良影响)的成分(以下简称为有害成分)即可。 根据本发明一个优选的实施方案，所述芯棒使用高纯硅芯棒，并且所述半导体材 料是硅。 根据本发明再一个优选的实施方案，所述半导体材料的气态前体是氢气和硅化合 物的混合气体，并且所述硅化合物优选三氯氢硅。 根据本发明一个进一步优选的实施方案，所述热废气是本发明方法的前述步骤 (2)中的热解反应产生的尾气。
发明效果 本发明方法使用了工业上作为废物处置的热废气作为预热芯棒的热源，循环利用 了该热废气所含的余热，因此不但为工业热废气找到了新的应用，而且循环利用了热能，同 时也减轻了后续步骤中处置该废气时的工艺难度(比如由于废气中的余热减少，可以降低 该废气对后续步骤中处置设备的热侵蚀或化学侵蚀等，由此延长设备使用寿命，并且可以 降低对这些设备的防侵蚀要求；同时由于余热减少，还可以减轻该后续步骤中热交换器的 负荷等)，由此符合当今的节能环保趋势，经济效益和社会效益巨大。 本发明所使用的热废气中不含有有害成分，因此不会向半导体材料棒材的制造方 法中引入影响所述半导体材料纯度的杂质，而且通过引入前述预热步骤，就可以使用纯度 高(无需进行掺杂)的半导体材料作为芯棒，由此可以制造出高纯度的半导体棒材产品，从 而顺应了电子工业对棒材纯度的要求越来越高的趋势。 通过采用本发明的方法，可以大幅度降低启动电压，甚至不需要高压启动的步骤， 因此可以简化生产设备，降低对生产设备的要求(比如前述的绝缘等级要求)，从而大幅度 降低生产设备的投资成本和维护成本，同时大幅度地降低了与此相关的能耗，符合当今的节能环保趋势。 根据本发明的方法，不需要增加额外的设备，也不需要对设备的结构进行改动就 可以实施，因此也避免了由此而新增加的设计投资和维护成本以及能量消耗，进一步符合 当今的节能环保趋势。 根据本发明的方法，可以直接利用现有的棒材生产设备进行实施，因此生产适应 性高，生产操作成本低，同时也省却了重新设计生产设备的需要。
图1为本发明半导体材料棒材的制造方法的一个优选实施方案的工艺流程示意 图，其中各参考数字和符号具有以下含义。A还原炉1S还原炉2l炉筒冷却水出口2 —对硅芯3还原炉炉筒4炉筒冷却水进口5阀门6原料混合气进气管7热解尾气排出管夹套冷却水出口8热解尾气排出管9视孔10还原炉底盘11热解尾气排出管夹套冷却水进口12热解尾气进气管13管道14电极15热解尾气排出管夹套16连接棒
具体实施例方式
如前所述，本发明涉及一种在芯棒上通过热沉积法使半导体材料生长而制造所述 半导体材料的棒材的方法，包括(l)对所述芯棒直接施加电流，将其加热到所述半导体材 料的气态前体的热解温度或更高的温度；和(2)在所述芯棒保持该温度的条件下，使所述 加热的芯棒与所述半导体材料的所述气态前体直接接触，通过所述气态前体在所述芯棒的 表面上发生热解反应而形成所述半导体材料，由此使得所述半导体材料热沉积在所述芯棒 上，其中还包括在对所述芯棒直接施加电流之前，使热废气与所述芯棒直接接触，而将其预 热至100-500。C的步骤。 根据本发明的半导体材料棒材的制造方法，包括步骤(1)，其中对所述芯棒直接施 加电流，将其加热到所述半导体材料的气态前体的热解温度或更高的温度。
该步骤(1)所使用的芯棒一般由半导体材料(优选高纯度的半导体材料，纯度为 99. 9999 %或以上，比如可以举出硅或锗等)构成，优选由硅(优选硅的纯度为99. 9999 %及 以上的高纯硅)构成，但并不限于此。 对该芯棒的截面形状没有任何的限制，可以是圆形或多角形状等。而且，该芯棒的 直径(当该棒材是非圆形时，指的是等效直径) 一般为7-10mm，但并不限于此。另外，该芯 棒可以是直的棒状、弯曲的棒状等，对其长度等尺寸也并没有特别的限制。
如前所述，为了使该芯棒能够导电从而被电流加热，如果不进行本发明所述的预 热步骤，就必须首先使用高达15，000V左右的高压对其进行电击穿(芯棒的高压启动)。经 过所述高压启动之后，芯棒表现为导体的性状而具有导电能力。此时，将电源切换为常规电 压，继续施加电流，通过利用阻抗发热作用将该芯棒加热至所述半导体材料的气态前体的 热解温度或更高的温度。这些内容属于本领域技术人员公知的技术，在此不再赘述。
本发明所述的半导体材料比如可以举出硅或锗等，优选硅。而且，所述半导体材料 一般与构成前述芯棒的半导体材料相同，当然根据需要，也可以不同，没有特别的限制。
根据本发明，在所述步骤(1)中，将所述芯棒加热到800-120(TC，优选加热到 800-1 IO(TC。 接着，根据本发明的半导体材料棒材的制造方法，包括步骤(2)，其中在所述芯棒 保持该温度的条件下，使所述加热的芯棒与所述半导体材料的所述气态前体直接接触，通 过所述气态前体在所述芯棒的表面上发生热解反应而形成所述半导体材料，由此使得所述 半导体材料热沉积在所述芯棒上。 根据本发明的所述步骤(2)，对所述芯棒持续施加电流，将其保持在前述温度下， 同时使其与前述气态前体直接接触。所述接触比如可以通过向所述芯棒表面持续吹送所述 气态前体的方式来实现，也可以通过使所述芯棒处于持续通入了所述气态前体的气体气氛 中的方式实现，但并不限于此，还可以使用本领域技术人员知道的任何其他方式。另外，需 要指出的是，该接触必须是直接的接触，二者之间没有任何的阻隔。 由于此时芯棒保持在该气态前体的热解温度或较此更高的温度下，该气态前体在 与芯棒表面直接接触的过程中因受到芯棒表面的加热作用而发生热解反应，由此通过气相 沉积作用而在该芯棒表面上沉积生长所述半导体材料，并且随着该半导体材料在所述芯棒 表面的逐步沉积(生长)，芯棒逐渐变粗，最终形成目标的半导体棒材。 根据本发明，所述气态前体指的是通过热解反应可以生成所述半导体材料的任何 前体，比如可以是反应混合物或单一的易热解性化合物等，并没有特别的限制，而且该前体 至少在所述热解反应温度下必须呈现为气态。 根据本发明一个优选的实施方案，所述半导体材料的气态前体是氢气和硅化合物 的混合气体，由此通过本发明方法获得的将是硅棒材(半导体材料是硅)。此时，在所述混 合气体中，以摩尔为基准，所述氢气和所述硅化合物的比例一般为3-15 : 1。所述硅化合物 比如可以举出结构式SiHA—3所示的化合物，其中a = 0-4，并且X = C1、I或Br，优选a = 0-2， X = Cl，更优选a = 1，并且X = Cl，即所述硅化合物更优选为三氯氢硅。
所述混合气体通过热解反应(热解还原反应)可以生成单质状态的硅，并且通过 该所生成的硅在芯棒(优选同样由硅构成)表面的沉积(多晶硅生长)作用而形成最终的 硅棒材。
通过控制该混合气体中各成分比例和杂质含量以及热解反应条件等因素，可以控 制所生成的硅沉积物(多晶硅)的纯度，从而制造出纯度符合各应用领域不同级别要求的 的硅棒材。这些内容属于本领域技术人员公知的技术，在此不再赘述。 如前所述，在所述步骤(1)中，将所述芯棒加热到800-120(TC，优选加热到 800-1100°C。相应地，在芯棒表面发生的所述热解反应的温度一般即为800-120(TC，优选 800-110(TC。此时，一般将所述热解反应的压力控制在0. 1-0. 6MPa，但也可以根据需要进行 适当的调整。 根据本发明的方法，还包括在对所述芯棒直接施加电流之前，使热废气与所述芯 棒直接接触，而将其预热至100-500°C的步骤。也就是说，根据本发明的方法，必须首先对所 述芯棒进行预热，然后再对其施加电流进行加热。 如前所述，现有技术虽然已公开过对芯棒进行预热的技术，但是这些技术尚存在 许多有待改进的缺点。 本发明的发明人通过研究第一次发现，通过使用工业上作为废物处置的热废气所 包含的余热来预热芯棒，就可以克服这些缺点，而且可以实现本发明前述的多种益处。
该发现是本发明的发明人首创的，没有被现有技术的任何技术文献所公开或暗示。 如前所述，所述热废气可以是来自任何途径并且包含余热的任何工业废气，只要
其不含有如本申请所定义的有害成分即可，所述有害成分比如可以举出油脂和水蒸汽等。 实际上，本领域技术人员通过简单的试验就可以确认一种工业废气是否符合本发
明的前述规定，以及如何从一种工业废气中除去这些有害成分(如果有的话)。 根据本发明，为了将芯棒预热至100-500°C (优选预热至200-45(TC，更优选预热
至200-350°C )，所述热废气的温度相应地优选为100-50(TC，更优为200-450°C ，最优选为
200-350°C。 如前所述，通过将芯棒预热至该温度范围，大幅度降低了芯棒(尤其是硅芯)的电 阻率，从而降低芯棒的启动电压(此时的启动电压一般为1000-4000V)，而且甚至可以取消 该高压启动步骤，因此在工业上是非常有利的。 另外，通过引入该预热步骤，就可以使用纯度高(无需进行掺杂)的半导体材料作
为芯棒，由此可以避免因使用掺杂芯棒而影响最终半导体棒材产品纯度的缺点。 根据本发明，所述热废气与所述芯棒直接接触。所述接触比如可以通过向所述芯
棒表面持续吹送所述热废气的方式来实现，也可以通过使所述芯棒处于持续通入了所述热
废气的气体气氛中的方式实现，但并不限于此，还可以使用本领域技术人员知道的任何其
他方式。另外，需要指出的是，该接触必须是直接的接触，二者之间没有任何的阻隔。在此，
通过所述直接接触，所述热废气与所述芯棒发生直接的热交换，由此极大地提高了热交换
效率，而且能够更加充分地利用所述热废气中所含的余热，达到进一步节能的目的。 对所述接触时间没有任何的限定，只要能够利用该热废气将所述芯棒预热至前述
温度即可，一般为30-60分钟，但并不限于此。 根据本发明的一个优选的实施方案，所述热废气是本发明方法的步骤(2)中因所 述热解反应而产生的尾气。根据该实施方案，以已经完成了所述热解反应的所述气态前体 (以下有时简称为热解尾气)(根据需要，其一部分或全部)作为所述热废气。
经过所述热解反应之后，所述热解尾气因为芯棒的加热作用而处于高温状态(比 如至少为45(TC)，其所含有的余热如果能够得到充分利用，不但可以达到节约能量、废物 循环利用的目的，而且还可以减轻后续步骤中处置该废气时的工艺难度(比如由于废气中 的余热减少，可以降低该废气对后续步骤中处置设备的热侵蚀或化学侵蚀等，由此延长设 备使用寿命，并且可以降低对这些设备的防侵蚀要求；同时由于余热减少，还可以减轻该后 续步骤中热交换器的负荷等)。另外，由于该尾气是沉积所述半导体材料时直接副生成的， 因此如果使用它来进行所述预热，那么就可以将热废气可能对最终半导体材料棒材纯度造 成的不良影响降到最低，因此是有利的。 在所述半导体材料是硅的情况下，所述热解尾气优选使用前述氢气和硅化合物的 混合气体经过所述热解反应之后生成的尾气。此时，为了使所述热解尾气对半导体材料棒 材的制造可能造成的不良影响降到最低，有时希望将所述硅化合物中二氯二氢硅的含量控 制为小于10摩尔％ ，优选小于6摩尔％ ，更优选控制在2摩尔％以下。 该热解尾气可以在生成之后直接使用，或者在适当保温贮存(比如贮存在保温缓 冲罐中)之后再使用，从而用于预热其他有待预热的芯棒。优选在使用该热解尾气(或前 述热废气)之前对其温度进行调节，或者对其有害成分含量进行调节，由此符合本发明方 法的前述规定。 图1以工艺流程简图的方式示出了本发明半导体材料棒材的制造方法的一个优 选实施方案，其中所述热解尾气的一部分或全部(根据预热的需要)在还原炉1中生成之 后直接(优选经过温度调节)用于预热还原炉2中有待预热的一对芯棒。所述还原炉1和 还原炉2均使用了现有的还原炉，不需要对其结构做任何的改变。 根据图l，该实施方案包括还原炉l(处于工作状态，即正在进行半导体材料棒材 制造的状态)和还原炉2(处于待启动状态，即处于即将进行芯棒高压启动之前的状态)的 联合(联合制造方法)，其中由于还原炉2具有与还原炉1完全相同的结构，因此在此省略 对相同结构部件的数字标注。 根据图l，在还原炉1内安置一对硅芯2(图中所示为直棒状，但并不限于此)，该 对硅芯由具有与硅芯相同材质的连接棒16连接。在该对硅芯2上经由电极14通入电流 (图中省略了电力供应系统)使其温度保持在800-120(TC，然后将氢气和硅化合物(比如 SiHCl3)的混合气体以摩尔比3-15 : l的比例混合后通过原料混合气进气管6进入还原炉 1内，将还原炉1内的压力控制在O. 1-0. 6MPa，由此使多晶硅经气相化学沉积反应而沉积在 硅芯2表面，同时生成热解尾气。所述热解尾气根据需要经由热解尾气排出管夹套15进行 适当的冷却(温度调节)，然后通过热解尾气排出管8送到尾气回收装置(未图示)，其中 将该热解尾气的至少一部分通过管道13和热解尾气进气管12(该热解尾气进气管12直接 使用了还原炉2的原料混合气进气管)送入有待预热的还原炉2内，从而利用该热解尾气 所包含的余热来预热已在该还原炉2中安置的一对硅芯(图中所示为直棒状，但并不限于 此)，并且将其预热至本发明前述规定的温度范围。在所述还原炉2中，所述一对硅芯也经 由具有与该对硅芯相同材质的连接棒进行连接。 当然，根据需要，所述连接棒也可以由与硅芯不同的材质构成。而且，根据实际的 生产设备，也可以省略该连接棒。 预热后，对还原炉2中的硅芯经由电极开始通电(图中也省略了电力供应系统)，
8此时使用1000-4000V的启动电压就可以将其击穿。而且，根据最终预热温度的不同，甚至 可以省略该启动步骤。通过对该硅芯进行持续通电，使其温度保持在800-1200°C ，然后将氢 气和硅化合物的混合气体通过还原炉2的原料混合气进气管(即图1中所示的热解尾气进 气管12)进入还原炉2内，由此按照与还原炉1类似的方式以所述硅芯为芯棒来制造硅棒 材，同时产生热解尾气。至此，还原炉2从待启动状态转换为工作状态。
实际上，当还原炉l处于待启动状态，而所述还原炉2处于工作状态时，本发明的 (联合)制造方法同样可以按照与前述类似的方式实施，此时将还原炉2的热解尾气排出管 与还原炉1的原料混合气进气管6连接即可(或者说，直接以还原炉1的原料混合气进气 管6作为此时的热解尾气进气管即可)。 而且，还原炉1和还原炉2也可以具有不同的结构，只要所述还原炉1 (还原炉2) 在结构上适合接收来自所述还原炉2(还原炉1)的热解尾气，并且能够利用该热解尾气预 热其中安置的芯棒即可。在这种情况下，根据本发明一个优选的实施方案，可以直接利用还 原炉1(或还原炉2)自身的原料混合气进气管来引入来自还原炉2(或还原炉1)或其他途 径的热解废气，由此更能简化设备，从而达到降低成本和节能的效果。 虽然以上以两个还原炉的联合为例对本发明的制造方法进行了说明，但本发明并 不限于两个还原炉的联合。实际上，本发明也包括更多个(比如三个以上)还原炉联合的 情况。此时，其中的一个或多个还原炉处于工作状态时，可以根据需要将该一个或多个还原 炉产生的热解尾气分配给处于待启动状态的一个或多个其余还原炉，以实现芯棒的预热。
另外，所述还原炉并不限于每个还原炉中仅安装一对硅芯(或芯棒)的情况，也可 以根据需要只安装一根硅芯(或芯棒)，或者同时安装2对以上或多根(比如3根)硅芯 (或芯棒)，这是本领域已知的。 而且，所述多个还原炉彼此之间可以具有相同或不同的结构，只要其在结构上适 合接收来自其他还原炉的热解尾气，并且能够利用该热解尾气预热其中安置的芯棒即可。 而且，这些还原炉可以是现有的还原炉，当然也可以是根据需要经过特定设计的新型还原 炉。 另外，根据本发明一个优选的实施方案，可以直接利用各还原炉自身的原料混合 气进气管来引入来自其他一个或多个还原炉或其他途径的热解废气，由此更能简化设备， 从而达到降低成本和节能的效果。 实际上，前述的本发明联合制造方法并不限于使用还原炉来制造硅棒材的情况， 也适用于使用任何其他生产设备来制造硅棒材的情况，或者使用还原炉或任何其他生产设 备来制造其他半导体材料棒材的情况。 另外，本发明前述的联合制造方法并不限于使用前述混合气作为半导体材料的气 态前体的情况，也可以使用任何其他的气态前体。并且，所述热废气并不限于所述热解废 气，也可以是来自其他途径的其他热废气。 经过所述预热使用之后，所述热解尾气(或前述热废气)可以进入后续的处置步 骤中作为工业废物进行适当的处置。该处置可以采用任何常规的方式进行，并没有特别的 限制。另外，由于该热废气中的余热减少，因此可以降低该后续处置步骤中的工艺难度(比 如由于废气中的余热减少，可以降低该废气对后续步骤中处置设备的热侵蚀或化学侵蚀 等，由此延长设备使用寿命，并且可以降低对这些设备的防侵蚀要求；同时由于余热减少，还可以减轻该后续步骤中热交换器的负荷等)。 本发明方法是对现有技术中半导体材料棒材制造方法的改良，因此在本文中 未具体说明的那些技术内容可以适用现有技术中已知的那些，在此不再赘述。而且， 本领域技术人员也可以参考现有技术的大量文献来获得这些知识(比如美国专利US 3， 011， 877、美国专利US 3， 099， 534、美国专利US 3， 980， 042、美国专利US 4,724,160、 美国专利US 4， 559， 219、德国专利No. 1205505、德国专利No. 1264400和中国专利申请 CN200710050312. 3等)。 以下说明本发明的实施例，当然，本发明并不限于这些方式，可在不脱离本发明的 技术范围的范围内进行适当变更后实施。
实施例
实施例1 在图1中，在还原炉1中，将硅芯的表面温度控制在约102(TC，将进入还原炉1中 的原料混合气中^ : SiHCl3的摩尔比控制在约7.5 : l，将还原炉1中的反应压力控制在 约0. 5MPa。 将还原炉1的热解尾气(经过温度调节后的温度为400°C )在65NmVh的流量下 通过管道13和热解尾气进气管12引入还原炉2(总容积为0. 8m3)中，对其中安置的高纯 硅芯(直径8mm，一对硅芯和连接棒的总长度为4800mm，硅的纯度为99. 9999%以上)进行 预热，预热45min后，硅芯的温度达到约380°C 。 使用北京三义电力电子公司提供的多晶硅还原炉电气控制系统(打压调压柜型 号DY3-400V/500A)对该经过预热的硅芯施加3000V电压即可将其击穿。击穿后，通过该 电气控制系统，将通过硅芯的电流逐渐增加至约20A，使硅芯的表面温度达到1080°C。然 后，切换至调压功率柜(型号TY4-3600A/2000V)，再通过向该还原炉2中通入原料混合气 体(其中H2 : SiHCl3的摩尔比控制在约7.5 : 1)，同时将还原炉2中的反应压力控制在 约0. 5MPa，由此开始在还原炉2中进行硅棒材的制造。
实施例2 在图1中，在还原炉1中，将硅芯的表面温度控制在约IIO(TC，将进入还原炉1中 的原料混合气中^ : SiHCl3的摩尔比控制在约6.5 : l，将还原炉1中的反应压力控制在 约0. 5MPa。 将还原炉1的热解尾气(经过温度调节后的温度为450°C )在70Nm3/h的流量下 通过管道13和热解尾气进气管12引入还原炉2(总容积为0. 8m3)中，对其中安置的高纯 硅芯(直径8mm，一对硅芯和连接棒的总长度为4800mm，硅的纯度为99. 9999%以上)进行 预热，预热30min后，硅芯的温度达到约420°C。 使用北京三义电力电子公司提供的多晶硅还原炉电气控制系统(打压调压柜型 号DY3-400V/500A)对该经过预热的硅芯施加1200V电压即可将其击穿。击穿后，通过该 电气控制系统，将通过硅芯的电流逐渐增加至约22A，使硅芯的表面温度达到1050°C。然 后，切换至调压功率柜(型号TY4-3600A/2000V)，再通过向该还原炉2中通入原料混合气 体(其中H2 : SiHCl3的摩尔比控制在约6.5 : 1)，同时将还原炉2中的反应压力控制在 约0. 5MPa，由此开始在还原炉2中进行硅棒材的制造。
实施例3
在图1中，在还原炉1中，将硅芯的表面温度控制在约115(TC，将进入还原炉1中
的原料混合气中^ : siHCi3的摩尔比控制在约5.0 : i，将还原炉i中的反应压力控制在
约0. 4MPa。 将还原炉1的热解尾气(经过温度调节后的温度为300°C )在65Nm3/h的流量下 通过管道13和热解尾气进气管12引入还原炉2(总容积为0. 8m3)中，对其中安置的高纯 硅芯(直径8mm，一对硅芯和连接棒的总长度为4800mm，硅的纯度为99. 9999%以上)进行 预热，预热40min后，硅芯的温度达到约280°C。 使用北京三义电力电子公司提供的多晶硅还原炉电气控制系统(打压调压柜型 号DY-400V/500A)对该经过预热的硅芯施加4000V电压即可将其击穿。击穿后，通过该电 气控制系统，将通过硅芯的电流逐渐增加至约25A，使硅芯的表面温度达到IIO(TC。然后， 切换至调压功率柜(型号TY4-3600A/2000V)，再通过向该还原炉2中通入原料混合气体 (其中4 : SiHCl3的摩尔比控制在约5.0 : 1)，同时将还原炉2中的反应压力控制在约 0. 4MPa，由此开始在还原炉2中进行硅棒材的制造。 另外，在前述实施例中，由于使用了热解尾气来进行所述预热，其所含有的余热由 此能够得到充分利用，不但可以达到节约能量、废物循环利用的目的，而且减轻了后续步骤 中处置该废气时的工艺难度。另外，由于该尾气是还原炉1直接副生成的，而且还原炉2中 即将进行的也是与还原炉1中相同的反应，因此在使用它来进行所述预热时，可以将热废 气可能对最终半导体材料棒材纯度造成的不良影响降到最低。 虽然以上参照附图和实施例对本发明进行了详细的说明，但需要指出的是，各种 变形对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，这些变形应包含在本发明中，除非这些变 形超出了本发明权利要求书所规定的范围。
权利要求
一种在芯棒上通过热沉积法使半导体材料生长而制造所述半导体材料的棒材的方法，包括以下步骤(1)对所述芯棒直接施加电流，将其加热到所述半导体材料的气态前体的热解温度或更高的温度；和(2)在所述芯棒保持该温度的条件下，使所述加热的芯棒与所述半导体材料的所述气态前体直接接触，通过所述气态前体在所述芯棒的表面上发生热解反应而形成所述半导体材料，由此使得所述半导体材料热沉积在所述芯棒上，其中，还包括在对所述芯棒直接施加电流之前，使热废气与所述芯棒直接接触，而将其预热至100-500℃的步骤。
2. 权利要求1的方法，其中所述热废气的温度为100-500°C。
3. 权利要求1的方法，其中所述热废气的温度为200-35(TC，并且所述芯棒被预热至 200-350°C。
4. 权利要求l的方法，其中所述芯棒由高纯硅构成。
5. 权利要求l的方法，其中所述半导体材料是硅。
6. 权利要求l的方法，其中所述半导体材料的所述气态前体是氢气和硅化合物的混合 气体。
7. 权利要求6的方法，其中在所述混合气体中，以摩尔为基准，所述氢气和所述硅化合 物的比例为3-15 : 1。
8. 权利要求6或7的方法，其中所述硅化合物是结构式SiHaX4—3所示的化合物，其中a =0-4，并且X = Cl、 I或Br。
9. 权利要求8的方法，其中a = l，并且X = Cl。
10. 权利要求l的方法，其中在所述步骤(1)中，将所述芯棒加热到800-120(TC。
11. 权利要求1-10任一项的方法，其中所述热废气是所述步骤(2)中所述热解反应产 生的尾气。
12. 权利要求11的方法，其中所述硅化合物中二氯二氢硅的含量为2摩尔％以下。
全文摘要
本发明涉及一种半导体材料棒材的制造方法。更具体而言，本发明涉及一种在芯棒上通过热沉积法使半导体材料生长而制造所述半导体材料棒材的方法，所述方法包括利用热废气对芯棒进行预热的步骤。与现有的方法相比，本发明方法的经济性更好，适应性更强，并且节能环保，顺应了当今技术发展的趋势。
文档编号C30B29/06GK101760778SQ20081018749
公开日2010年6月30日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者刘逸枫, 崔树玉, 王燕, 蒋文武, 钟真武, 陈其国 申请人:江苏中能硅业科技发展有限公司