硅烷法生产区熔多晶硅棒的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种硅烷法生产区熔多晶硅棒的装置及方法。装置包括进料系统、还原系统、尾气系统以及尾气冷却系统，进料系统包括预热器、混合器、氢气流量计、硅烷流量计，还原系统包括还原炉，尾气系统包括尾气冷却器、尾气过滤器、分析系统、粗过滤器、精过滤器、压缩机、压缩机出口过滤器，尾气冷却系统包括热交换器、液氮系统冷却器、气液分离器、吸附塔、硅烷加热器、还原炉进口过滤器。本发明最终可生产出纯度达到11N以上的区熔级多晶硅棒，多晶硅棒纯度高，不易产生硅裂,有良好的抗压抗磨性能，本发明制备的多晶硅棒可以直接作为区域熔炼法单晶硅供料棒使用，工艺过程能耗比现有技术低，产品完全满足集成电路和半导体行业的使用要求。
【专利说明】硅烷法生产区熔多晶硅棒的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多晶硅棒作为供料棒在单晶硅区域熔炼法中的应用，尤其涉及一种硅烷法生产区熔多晶硅棒的装置及方法。
【背景技术】
[0002]区溶多晶娃棒是多晶娃广品中质量最闻的广品，是新能源、闻科技领域的必需品，其不仅可以应用于太阳能光伏电池而且可以大量用于集成电路等高精密半导体器件等产品中，具有不可替代的作用。而且市场需求则更大，全球范围内年需求量约为10000吨，中国约占五分之一，年需求量为1500吨左右，且每年呈30%的速度增长。
[0003]关于区熔多晶硅棒的生产方法，目前国际上主要是美国REC和德国Wacker两家公司的技术。
[0004]美国REC公司采用的是三氯氢硅转硅烷，然后用硅烷在CVD炉中沉积生产区熔多晶硅棒。该生产 工艺没有设置混合气体预热装置，而且硅烷和氢气在CVD炉中反应后的尾气没有液氮分离系统，所以生产的多晶娃棒纯度不高，而且娃棒内应力大，容易产生娃裂。
[0005]德国Wacker公司采用的是三氯氢硅法直接生产区熔多晶硅棒。这个技术虽然生产的区熔多晶硅棒纯度很高，而且也没有硅裂现象，但是因为在三氯氢硅净化环节复杂，提纯困难，能耗非常高。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供硅烷法生产区熔多晶硅棒的装置及方法。
[0007]硅烷法生产区熔多晶硅棒的装置包括进料系统、还原系统、尾气系统以及尾气冷却系统，进料系统包括预热器、混合器、氢气流量计、硅烷流量计，还原系统包括还原炉，尾气系统包括尾气冷却器、尾气过滤器、分析系统、粗过滤器、精过滤器、压缩机、压缩机出口过滤器，尾气冷却系统包括热交换器、液氮系统冷却器、气液分离器、吸附塔、硅烷加热器、还原炉进口过滤器，氢气流量计、硅烷流量计与混合器相连，混合器、预热器、还原炉、尾气冷却器、尾气过滤器顺次相连，尾气过滤器分别与分析系统、粗过滤器相连，粗过滤器、精过滤器、压缩机、压缩机出口过滤器、热交换器的热物料入口顺次相连，热交换器的热物料出口、液氮系统冷却器、气液分离器、吸附塔顺次相连，吸附塔与热交换器的冷物料入口相连，热交换器的冷物料出口与还原炉进口过滤器相连，还原炉进口过滤器与氢气流量计相连，气液分离器底部硅烷出口与硅烷加热器相连。
[0008]硅烷法生产区熔多晶硅棒的方法是:经过氢气流量计的6N高纯氢气和经过硅烷流量计的6N高纯硅烷在混合器中混合为混合气体，所述的混合气体中6N高纯硅烷的摩尔百分比为5%-10%，混合气体通过预热器进行预热，并去除混合气体中的硼磷化合物杂质；对装好硅芯的还原炉在氢气气氛中进行硅芯击穿，硅芯击穿后控制硅芯温度在950-1000°C之间；向还原炉中通入混合气体进行热分解反应，6N高纯硅烷在硅芯表面分解，硅沉积在硅芯上成为多晶硅棒，根据多晶硅棒的直径控制硅烷沉积的速率，反应后的尾气从还原炉排出进入尾气冷却器冷却，然后依次通过尾气过滤器、粗过滤器、精过滤器、压缩机进行过滤、压缩，经尾气过滤器过滤后的尾气可以通过分析系统进行分析，尾气通过压缩机压缩后补充入6N新鲜高纯氢气，并通过压缩机出口过滤器过滤，然后经热交换器换热、液氮系统冷却器冷却，最终进入气液分离器；气液分离器将硅烷从尾气中分离，分离后的硅烷经过硅烷加热器加热后回收，气液分离器分离后的尾气依次通过吸附塔、热交换器、还原炉进口过滤器得到纯度为6N的高纯氢气，6N高纯氢气进入氢气流量计循环利用。
[0009]所述的根据多晶硅棒的直径控制硅烷沉积的速率的方法为:控制硅棒的温度880°C~1000°C，使硅烷沉积的速率为0.45~0.60mm/h,随着多晶硅棒的生长，逐渐增大混合气体中6N高纯硅烷的摩尔百分比至10%~15%，当多晶硅棒直径达到IlOmm以后，调节硅棒温度至850°C~950°C，调整硅烷沉积的速率至0.40~0.55mm/h，直至多晶硅棒直径达到150mmo
[0010]所述的预热器的预热温度为200~300°C。所述的还原炉的压力控制在0.2~
0.6Mpa。所述液氮系统冷却器的温度为-190~-170°C。所述的吸附塔所用的吸附介质选用活性炭。
[0011]本发明最终可生产出纯度达到IlN以上的区熔级多晶硅棒，多晶硅棒纯度高，不易产生硅裂，有良好的抗压抗磨性能，本发明制备的多晶硅棒可以直接作为区域熔炼法单晶硅供料棒使用，工艺过程能耗比现有技术低，产品完全满足集成电路和半导体行业的使用要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是硅烷法生产区熔多晶硅棒的装置流程图；
图2是实施例1低温红外光谱检测图；
图3是实施例2低温红外光谱检测图；
图4是实施例3低温红外光谱检测图；
图5是实施例4低温红外光谱检测图；
图中:还原炉1、预热器2、混合器3、氢气流量计4、硅烷流量计5、尾气冷却器6、尾气过滤器7、分析系统8、粗过滤器9、精过滤器10、压缩机11、压缩机出口过滤器12、热交换器
13、液氮系统冷却器14、气液分离罐15、吸附塔16、硅烷加热器17、还原炉进口过滤器18。
【具体实施方式】
[0013]如图1所示，硅烷法生产区熔多晶硅棒的装置包括进料系统、还原系统、尾气系统以及尾气冷却系统，进料系统包括预热器2、混合器3、氢气流量计4、硅烷流量计5，还原系统包括还原炉I，尾气系统包括尾气冷却器6、尾气过滤器7、分析系统8、粗过滤器9、精过滤器10、压缩机11、压缩机出口过滤器12，尾气冷却系统包括热交换器13、液氮系统冷却器
14、气液分离器15、吸附塔16、硅烷加热器17、还原炉进口过滤器18，氢气流量计4、硅烷流量计5与混合器3相连，混合器3、预热器2、还原炉1、尾气冷却器6、尾气过滤器7顺次相连，尾气过滤器7分别与分析系统8、粗过滤器9相连，粗过滤器9、精过滤器10、压缩机11、压缩机出口过滤器12、热交换器13的热物料入口顺次相连，热交换器13的热物料出口、液氮系统冷却器14、气液分离器15、吸附塔16顺次相连，吸附塔16与热交换器13的冷物料入口相连，热交换器13的冷物料出口与还原炉进口过滤器18相连，还原炉进口过滤器18与氢气流量计4相连，气液分离器15底部硅烷出口与硅烷加热器17相连。
[0014]硅烷法生产区熔多晶硅棒的方法是:经过氢气流量计4的6N高纯氢气和经过硅烷流量计5的6N高纯硅烷在混合器3中混合为混合气体，所述的混合气体中6N高纯硅烷的摩尔百分比为5%-10%，混合气体通过预热器2进行预热，并去除混合气体中的硼磷化合物杂质；对装好硅芯的还原炉I在氢气气氛中进行硅芯击穿，硅芯击穿后控制硅芯温度在880-980°C之间；向还原炉I中通入混合气体进行热分解反应，6N高纯硅烷在硅芯表面分解，硅沉积在硅芯上成为多晶硅棒，根据多晶硅棒的直径控制硅烷沉积的速率，反应后的尾气从还原炉I排出进入尾气冷却器6冷却，然后依次通过尾气过滤器7、粗过滤器9、精过滤器10、压缩机11进行过滤、压缩，经尾气过滤器7过滤后的尾气可以通过分析系统8进行分析，尾气通过压缩机11压缩后补充入6N新鲜高纯氢气，并通过压缩机出口过滤器12过滤，然后经热交换器13换热、液氮系统冷却器14冷却，最终进入气液分离器15 ;气液分离器15将硅烷从尾气中分离，分离后的硅烷经过硅烷加热器17加热后回收，气液分离器分离后的尾气依次通过吸附塔16、热交换器13、还原炉进口过滤器18得到6N高纯氢气，6N高纯氢气进入氢气流量计4循环利用。
[0015]所述的根据多晶硅棒的直径控制硅烷沉积的速率的方法为:控制硅棒的温度880°C~1000°C，使硅烷沉积的速率为0.45~0.60mm/h,随着多晶硅棒的生长，逐渐增大混合气体中6N高纯硅烷的摩尔百分比至10%~15%，当多晶硅棒直径达到IlOmm以后，逐渐的调节硅棒温度至850°C~950°C，调整硅烷沉积的速率至0.40~0.55mm/h，直至多晶硅棒直径达到150mm。
[0016]所述的预热器2的 预热温度为200~300°C。所述的还原炉I的压力控制在0.2~
0.6Mpa。所述液氮系统冷却器14的温度为-190~_170°C。所述的吸附塔16所用的吸附介质选用活性炭。
[0017]为能进一步理解本发明，下面结合实施例对上述的技术方案做进一步的阐述和说明。
[0018]实施例1
对装好硅芯的炉子在氢气气氛中进行硅芯击穿后，将6N高纯硅烷和6N高纯氢气按照硅烷的摩尔浓度为10%的比例在混合器中混合，混合气通过150°C的预热器进行预热和除硼磷化合物杂质后进入到炉压为0.6Mpa的还原炉进行热分解反应。气体反应完全后，尾气则从还原炉出来，经过尾气冷却器初步冷却、分析和三级过滤、压缩后，采用_170°C的液氮分离系统对氢气硅烷进行分离，硅烷从气液分离罐底部分离后重新进入到硅烷收集系统，氢气则经三氧化二铝的4A分子筛吸附塔提纯后重新进入还原炉。沉积过程中，控制硅棒的温度1000°C，调节气体的流量使硅烷沉积的速率约为0.60mm/h。当硅棒达到尺寸IlOmm以后，逐渐的调节生长温度至950°C，气体浓度至15%，调整生长速率至0.55mm/h，直至直径150mm。多晶娃冷却取出后进行区域精制。有30%的多晶娃经区溶精制可得到单晶棒，得到的单晶进行检测，检测结果见图2，从图上可以看出，碳在607.5cm-l处检测的结果是161.31ppba ;氧在1136.3cm-1处检测结果为80.06ppba ;硼在319.6cm-1处检测结果为50.16ppta，;磷在316.0cm-1处检测结果为150.03ppta,即基硼电阻率为607 Ω.CM基磷电阻率为5073 Ω.CM。
[0019]实施例2
对装好硅芯的炉子在氢气气氛中进行硅芯击穿后，将6Ν高纯硅烷和高纯氢气按照硅烷的摩尔浓度为10%的比例在混合器中混合，混合气通过200°C的预热器进行预热和除硼磷化合物杂质后进入到炉压为0.2Mpa的还原炉进行热分解反应。气体反应完全后，尾气则从还原炉出来，经过尾气冷却器初步冷却、分析和三级过滤、压缩后，采用_170°C的液氮分离系统对氢气硅烷进行分离，硅烷从气液分离罐底部分离后重新进入到硅烷收集系统，氢气则经活性炭吸附塔提纯后重新进入还原炉。沉积过程中，控制硅棒的温度950°C，调节气体的流量使硅烷沉积的速率约为0.55mm/h。随着硅棒的生长，适当的调整硅烷和氢气的进料，当硅棒达到尺寸IlOmm以后，逐渐的调节生长温度至900°C，气体浓度至15%，调整生长速率至0.50mm/h，直至直径150mm。多晶硅冷却取出后进行区域精制。有30%的多晶硅经区熔精制可得到单晶棒，得到的单晶进行检测，检测结果见图3，从图上可以看出，碳在607.5cm-1处检测的结果是154.26ppba ;氧在1136.3cm-1处检测结果为78.44ppba ;硼在319.6cm-1处检测结果为35.28ppta,;磷在316.0cm-1处检测结果为85.22ppta,即基硼电阻率为1406 Ω.CM基磷电阻率为7416 Ω.CM。
[0020]实施例3
对装好硅芯的炉子在氢气气氛中进行硅芯击穿后，将6N高纯硅烷和高纯氢气按照硅烷的摩尔浓度为8%的比例在混合器中混合，混合气通过250°C的预热器进行预热和除硼磷化合物杂质后进入到炉压为0.5Mpa的还原炉进行热分解反应。气体反应完全后，尾气则从还原炉出来，经过尾气冷却器初步冷却、分析和三级过滤、压缩后，采用_170°C的液氮分离系统对氢气硅烷进行分离，硅烷从气液分离罐底部分离后重新进入到硅烷收集系统，氢气则经活性炭吸附塔提 纯后重新进入还原炉。沉积过程中，控制硅棒的温度910°C，调节气体的流量使硅烷沉积的速率为0.45mm/h。随着硅棒的生长，适当的调整硅烷和氢气的进料，当硅棒达到尺寸IIOmm以后，逐渐的调节生长温度至850°C，气体浓度至15%，调整生长速率至
0.40mm/h，直至直径150mm。多晶硅冷却取出后进行区域精制。有60%的多晶硅经区熔精制可得到单晶棒，得到的单晶进行检测，检测结果见图4，从图上可以看出，碳在607.5cm-l处检测的结果是150.40ppba ;氧在1136.3cm-1处检测结果为58.56ppba ;硼在319.6cm-1处检测结果为31.25ppta,;磷在316.0cm-1处检测结果为61.89ppta,即基硼电阻率为1424 Ω.CM基磷电阻率为8350 Ω.CM。
[0021]实施例4
对装好硅芯的炉子在氢气气氛中进行硅芯击穿后，将6N高纯硅烷和高纯氢气按照硅烷的摩尔浓度为5%的比例在混合器中混合，混合气通过250°C的预热器进行预热和除硼磷化合物杂质后进入到炉压为0.5Mpa的还原炉进行热分解反应。气体反应完全后，尾气则从还原炉出来，经过尾气冷却器初步冷却、分析和三级过滤、压缩后，采用_170°C的液氮分离系统对氢气硅烷进行分离，硅烷从气液分离罐底部分离后重新进入到硅烷收集系统，氢气则经活性炭吸附塔提纯后重新进入还原炉。沉积过程中，控制硅棒的温度880°C，调节气体的流量使硅烷沉积的速率为0.45mm/h。随着硅棒的生长，适当的调整硅烷和氢气的进料，当硅棒达到尺寸IlOmm以后，逐渐的调节生长温度至860°C，气体浓度至10%，调整生长速率至
0.40mm/h，直至直径150mm。多晶硅冷却取出后进行区域精制。有60%的多晶硅经区熔精制可得到单晶棒，得到的单晶进行检测，检测结果见图5，从图上可以看出，碳在607.5cm-l处检测的结果是142.41ppba ;氧在1136.3cm-1处检测结果为35.58ppba ;硼在319.6cm-1处检测结果为20.27ppta，；磷在316.0cm-1处检测结果为42.31ppta，即基硼电阻率为2053 Ω.CM基磷电阻率 为12755 Ω.CM。
【权利要求】
1.一种硅烷法生产区熔多晶硅棒的装置，其特征在于，包括进料系统、还原系统、尾气系统以及尾气冷却系统，进料系统包括预热器(2)、混合器(3)、氢气流量计(4)、硅烷流量计(5),还原系统包括还原炉(I),尾气系统包括尾气冷却器(6)、尾气过滤器(7)、分析系统(8)、粗过滤器(9)、精过滤器(10)、压缩机(11)、压缩机出口过滤器(12)，尾气冷却系统包括热交换器(13)、液氮系统冷却器(14)、气液分离器(15)、吸附塔(16)，氢气流量计(4)、硅烷流量计(5)与混合器(3)相连，混合器(3)、预热器(2)、还原炉(I)、尾气冷却器(6)、尾气过滤器(7)顺次相连，尾气过滤器(7)分别与分析系统(8)、粗过滤器(9)相连，粗过滤器(9)、精过滤器(10)、压缩机(11)、压缩机出口过滤器(12)、热交换器(13)的热物料入口顺次相连，热交换器(13)的热物料出口、液氮系统冷却器(14)、气液分离器(15)、吸附塔(16)顺次相连，，吸附塔(16)与热交换器(13)的冷物料入口相连，热交换器(13)的冷物料出口与还原炉进口过滤器(18)相连，还原炉进口过滤器(18)与氢气流量计(4)相连，气液分离器(15)底部硅烷出口与硅烷加热器(17)相连。
2.一种采用如权利要求1所述装置制备区熔多晶硅棒的方法，其特征在于:经过氢气流量计(4)的纯度为6N的高纯氢气和经过硅烷流量计(5)的6N高纯硅烷在混合器(3)中混合为混合气体，所述的混合气体中6N高纯硅烷的摩尔百分比为5%~10%，混合气体通过预热器(2)进行预热，并去除混合气体中的硼磷化合物杂质；对装好硅芯的还原炉(I)在氢气气氛中进 行硅芯击穿，硅芯击穿后控制硅芯温度在880~1000°C之间；向还原炉(I)中通入混合气体进行热分解反应，6N高纯硅烷在娃芯表面分解,娃沉积在娃芯上成为多晶娃棒，根据多晶硅棒的直径控制硅烷沉积的速率，反应后的尾气从还原炉(I)排出进入尾气冷却器(6)冷却，然后依次通过尾气过滤器(7)、粗过滤器(9)、精过滤器(10)、压缩机(11)进行过滤、压缩，经尾气过滤器(7)过滤后的尾气可以通过分析系统(8)进行分析，尾气通过压缩机(11)压缩后补充入纯度为6N的新鲜高纯氢气，并经压缩机出口过滤器(12)过滤，然后经热交换器(13)换热、液氮系统冷却器(14)冷却，最终进入气液分离器(15);气液分离器(15)将硅烷从尾气中分离,分离后的硅烷经过硅烷加热器(17)加热后回收,气液分离器(15)分离后的尾气依次通过吸附塔(16)、热交换器(13)、还原炉进口过滤器(18)得到纯度为6N的闻纯氣气，闻纯氣气进入氣气流量计(4)循环利用。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的根据多晶硅棒的直径控制硅烷沉积的速率的方法为:控制硅棒的温度880°C~1000°C，使硅烷沉积的速率为0.45~0.60mm/h,随着多晶硅棒的生长，逐渐增大混合气体中6N高纯硅烷的摩尔百分比至10%~15%，当多晶硅棒直径达到IlOmm以后，调节硅棒温度至850°C~950°C，调整硅烷沉积的速率至0.40~0.55mm/h,直至多晶娃棒直径达到150mm。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的预热器(2)的预热温度为200~300。。。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的还原炉(I)的压力控制在0.2~0.6Mpa。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述液氮系统冷却器(14)的温度为-190 ~-170°C。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的吸附塔(16)的吸附介质选用活性炭。
【文档编号】C30B28/14GK103789827SQ201410038264
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2014年1月27日
【发明者】陈德伟, 郑安雄, 廖敏 申请人:浙江中宁硅业有限公司