专利名称：一种多晶硅硅棒的生产方法
技术领域：
本发明涉及硅的生产方法，具体涉及一种三氯氢硅还原法生产多晶硅硅棒的方法。
背景技术：
改良西门子法生产多晶硅是在一个钟罩式的反应器中，三氯氢硅和氢气反应，生成 高纯度的多晶硅材料。由于气流分布、温度分布、和副反应影响等多方面因素影响，多 晶硅的表面会产生不平滑的缝隙和凸瘤。这些缝隙中会残留硅粉和气体，并且影响硅材 料腐蚀和酸洗的效果，导致单晶生产的难度增加和质量降低。采用改良西门子法进行多 晶硅生产的企业都把改善表面形貌作为一个重要课题进行研究。
一般情况下，改良西门子法生产过程中，温度越高，多晶硅的生长速度越快，同时 表面形貌越差。要改善表面形貌，传统的做法是降低硅棒表面温度，而表面形貌得到改 善而完全不使生长速率受影响被认为是不可能的，直接采用降低表面温度的做法就会造 成多晶硅生长速度极大的下降，影响企业效益。
我们分析多晶硅表面凸瘤的形成， 一般认为有三个原因。 一是温度过高，二是气流 分布不均匀，三是HC1等小分子产物在表面形成灼流层。其中温度的影响最大。温度对 表面形貌的影响主要来自两个方面。 一方面，多晶硅生长有一个最佳温度，在此温度以 下，温度越高生长速率越快，在此温度以上，温度越高生长速度反而越慢。这是因为温 度过高后，副反应加剧，造成主反应——还原反应在体系中发生的比例降低。由于改良 西门子法生产工艺的限制，受其气流设计和冷却系统影响，硅棒表面温度分布不均匀， 下端温度低，上端温度高，外侧温度低，内侧温度高。在表面平均温度接近最佳生长温 度时， 一部分表面的温度实际上已经超过了最佳生长温度。我们知道，在多晶形成的过 程中，晶粒大小和晶体形状会有一定的差异，形成细小的"晶痕"，晶痕有些是凸起，有 些是下凹， 一般肉眼观察不到，但是在高倍显微镜特别是采用隧道扫描显微镜，我们可 以很清晰的看见这些晶痕的存在。当晶痕产生后，凸起的晶痕因为和外部气流的热交换 更彻底， 一般温度会稍低于硅棒表面和小凹的晶痕。当晶痕产生在表面温度高于多晶硅 最佳生长温度的区域时，温度较低的凸起部分生长速度会快于温度较高的下凹部分，这 时候，凸起部分会越长越大，下凹部分会越来越深，最终形成明显的表面凸瘤。另一方 面，下凹部分由于与外部气流进行物质交换的速度比较慢，HC1的浓度会比较高，而在 多晶硅的反应温度下(IIO(TC)， HC1的逆向腐蚀反应同时发生
+2船——> 做,a,HC1的逆向腐蚀反应会加剧硅棒表面的缝隙，是造成硅棒表面形貌差的重要因素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可改善多晶硅表面形貌的多晶硅硅棒的生 产方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下 一种多晶硅硅棒的生产方法，包括如下步骤
(1) 还原炉反应器内，当硅芯表面温度1100-1250。C时，通入氢气和三氯氢硅反应 30~45h;三氯氢硅初始流量80~90Nm3/h，以l~2Nm3/h的速度匀速增加至220Nm3/h， 之后维持恒定，直至还原反应器停炉；氢气流量维持在80~120Nm3/h;
(2) 当硅芯生长到直径50mm时，停止施加电流，调节氢气流量至170~250Nm3/h， 继续反应3~10h;
(3) 待硅棒表面温度降至1000~1050°C，恢复施加电流，同时将氢气流量调至 100~150Nm3/h，用40~45h将硅棒表面温度升至约1080~1100°C，再维持30h;
(4) 停止施加电流，调节氢气流量至300~400Nm3/h，反应2~6h;
(5) 待硅棒表面温度降至970 102(TC，调节氢气流量至180~250Nm3/h，同时施加 电流，用40~50h将硅棒表面温度升至1050~1080°C，然后维持氢气流量和温度至还原 反应器停炉。
步骤(1)中，硅芯直径为5 8mm。
步骤(1)中，优选的，硅芯表面温度IIO(TC时，通入氢气反应35h，氢气流量 100Nm3/h。
步骤(2)中，优选的，当硅芯生长到直径50mm时，停止施加电流，调节氢气流 量至200Nm3/11，继续反应6h。
步骤(3)中，优选的，待硅棒表面温度降至1020°C，恢复施加电流，同时将氢气 流量调至120Nm3/h，用45h将硅棒表面温度升至约1080°C，再维持30h。
步骤(4)中，优选的，停止施加电流，调节氢气流量至350Nm3/h，反应3h。
步骤(5)中，优选的，待硅棒表面温度降至1000°C，调节氢气流量至180Nm3/h， 同时施加电流，用45h将硅棒表面温度升至1060'C，然后维持氢气流量和温度至还原反 应器停炉(约30 40h)。
上述步骤(3)和步骤(5)中描述的在一段时间内将硅棒表面温度由某一温度升至 另一温度，这期间，对升温的速率没有任何限制，只要确保在要求的时间范围升至某一 温度即可。优选匀速升温。上述步骤(1)至(5)中，三氯氢硅初始流量80~90Nm3/h，然后以l~2Nm3/h的速 度一直匀速增加至220Nm3/h，之后维持恒定，直至还原反应器停炉；而氢气流量按照 步骤(1)至(5)的描述进行变化操作。
在反应前期，由于硅棒表面温度分布比较均匀，反应可以在一个较高温度下进行。 当硅棒直径达到50mm时，表面即将出现或已经出现因为温度分布不均匀产生的凸瘤， 此时降低反应温度，防止了凸瘤的进一步产生。凸瘤一旦产生仅仅靠降低温度无法将其 减轻，因此，此时必须增加氢气流量。
在降低温度和增加氢气用量双重作用下，硅棒表面的缝隙得到修补，凸瘤消失。 这时，缓慢升高温度，此时由于硅棒直径较小，温度较低，生长过程中不会有凸瘤产生。 当温度升至1080~1100'C，此时虽然表面会出现不平滑，但是硅棒直径已经较大，反应 接近后期，凸瘤的产生和恶化时间有限，所以硅棒的表面形貌不会太差。而此时由于硅 棒表面积增加，反应速度远远大于硅棒直径较小时在此温度下的反应速度，所以采用此 方法，硅棒整体的反应速度受温度降低的影响较小。
有益效果本发明与现有技术相比，具有如下优势
(1) 本发明公开的改善多晶硅表面凸瘤的方法能够有效改善多晶硅的表面形貌， 同时不对生产效率产生较大影响；
(2) 本方法简单，易于操控，极大提高了企业效益；
(3) 此方法经过多次工业试验验证，效果良好，在多个批次工业生产实践中，多 晶硅表面凸瘤面积可控制在8%以内。
具体实施例方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实 施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会 限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1:
采用直径5mm的硅芯生长多晶硅。在还原炉反应器投用后，设定表面反应温度在 1100°C，通入氢气和三氯氢硅反应35小时。三氯氢硅初始流量80Nm3/h，以lNm3/h的 速度匀速增加至220Nm3/11 (约140h)，之后维持恒定，直至还原反应器停炉。氢气初始 流量维持在100Nm3/h。当硅棒直径达到50mm，停止施加电流，同时，增加氢气流量至 200 Nm3/h。经过6小时，待硅棒表面温度降至1020°C，恢复施加电流，同时将氢气流 量调至120Nm3/11。缓慢增加电流，升高硅棒表面温度，用45小时将硅棒表面温 升至 约1080'C。维持30小时。之后停止施加电流，将氢气流量增加至350Nm3/h。约3个小时后，硅棒表面温度降至1000'C后，减小氢气流量至180Nm3/11，同时增加电流，缓慢 升高硅棒表面温度。用45小时时间将硅棒表面温度升至1060'C，然后维持30h至还原 反应器停炉。
实施例2:
采用直径8mm的硅芯生长多晶硅。在还原炉反应器投用后，设定表面反应温度在 U80。C，通入氢气和三氯氢硅反应40小时。三氯氢硅初始流量90Nm3/h，以lNm3/h的 速度匀速增加至220Nm3/11 (约130h),之后维持恒定，直至还原反应器停炉。氢气初始 流量维持在120Nm3/h。当硅棒直径达到50mm，停止施加电流，同时，增加氢气流量至 220 Nm3/h。经过5小时，待硅棒表面温度降至1020°C，恢复正常施加电流，同时将氢 气流量调至120Nm3/h。缓慢增加电流，升高硅棒表面温度，用45小时将硅棒表面温度 升至约1080。C。维持30小时。之后停止施加电流，调节氢气流量至350Nm3/h。约3个 小时后，硅棒表面温度降至995'C后，减小氢流量至200m3/h，同时增加电流，缓慢升 高硅棒表面温度。用45小时时间将硅棒表面温度升至1060'C，然后维持32h至还原反 应器停炉。
实施例3:
采用直径6mm的硅芯生长多晶硅。在还原炉反应器投用后，设定表面反应温度在 U30。C，通入氢气和三氯氢硅反应37小时。三氯氢硅初始流量80Nm3/h，以2Nm3/h的 速度匀速增加至220Nm3/h (约70h)，之后维持恒定，直至还原反应器停炉。氢气的初 始流量维持在110Nm3/h。当硅棒直径达到50mm，停止施加电流，同时，增加氢气流量 至200Nm3/11。经过5小时，待硅棒表面温度降至102(TC，恢复正常施加电流，同时将 氢气流量调至120Nm3/h。缓慢增加电流，升高硅棒表面温度，用45小时将硅棒表面温 度升至约108(TC。维持30小时。之后停止施加电流，将氢气流量增加至350Nm3/h。约 3个小时后，硅棒表面温度降至IOO(TC后，减小氢气流量至200m3/h，同时增加电流， 缓慢升高硅棒表面温度。用45小时时间将硅棒表面温度升至106(TC，然后维持30h至 还原反应器停炉。
发明人分别就使用本方法、使用United States Patent 5904981方法、始终维持1100°C 的反应温度和始终维持105(TC的反应温度进行了多次工业试验对比，试验结果如表1 所示。
由表l我们可以看到，使用本发明方法可以很好的改善多晶硅表面形貌，同时对多 晶硅的生长速率影响较小。和未采用此方法(始终维持110(TC生产)的效果相比，表面 凸瘤降低了 17%，而生长速度仅仅降低1Kg/h,与United States Patent 5904981相比，表面凸瘤降低了7%，生长速度增加了 1Kg/h。
_表1不同反应方法比较结果_
不同方法工业试验比较 硅棒表面凸瘤比例(％) 生长速率(Kg/h)
本发明方法8 7
United States Patent 5904981方法 15 6
始终维持1100"C生产 25 8
始终维持1050。C生产10 4.权利要求
1、一种多晶硅硅棒的生产方法，其特征在于该方法包括如下步骤(1)还原炉反应器内，当硅芯表面温度1100～1250℃时，通入氢气和三氯氢硅反应30～45h；三氯氢硅初始流量80～90Nm3/h，以1～2Nm3/h的速度匀速增加至220Nm3/h，之后维持恒定，直至还原反应器停炉；氢气流量维持在80～120Nm3/h；(2)当硅芯生长到直径50mm时，停止施加电流，调节氢气流量至170～250Nm3/h，继续反应3～10h；(3)待硅棒表面温度降至1000～1050℃，恢复施加电流，同时将氢气流量调至100～150Nm3/h，用40～45h将硅棒表面温度升至约1080～1100℃，再维持30h；(4)停止施加电流，调节氢气流量至300～400Nm3/h，反应2～6h；(5)待硅棒表面温度降至970～1020℃，调节氢气流量至180～250Nm3/h，同时施加电流，用40～50h将硅棒表面温度升至1050～1080℃，然后维持氢气流量和温度至还原反应器停炉。
2、 根据权利要求l所述的多晶硅硅棒的生产方法，其特征在于步骤(1)中，硅芯 直径为5~8mm。
3、 根据权利要求l所述的多晶硅硅棒的生产方法，其特征在于步骤(1)中，当硅 芯表面温度IIOO'C时，通入氢气反应35h，氢气流量100Nm3/h。
4、 根据权利要求l所述的多晶硅硅棒的生产方法，其特征在于步骤(2)中，当硅 芯生长到直径50mm时，停止施加电流，调节氢气流量至200Nm3/h，继续反应6h。
5、 根据权利要求l所述的多晶硅硅棒的生产方法，其特征在于步骤(3)中，待硅 棒表面温度降至1020°C，恢复施加电流，同时将氢气流量调至120Nm3/h，用45h将硅 棒表面温度升至约1080°C，再维持30h。
6、 根据权利要求l所述的多晶硅硅棒的生产方法，其特征在于步骤(4)中，停止 施加电流，调节氢气流量至350Nm3/h，反应3h。
7、 根据权利要求l所述的多晶硅硅棒的生产方法，其特征在于步骤(5)中，待硅 棒表面温度降至IOO(TC，调节氢气流量至180Nm3/h，同时施加电流，用45h将硅棒表 面温度升至1060°C，然后维持氢气流量和温度至还原反应器停炉。
全文摘要
本发明公开了一种多晶硅硅棒的生产方法硅芯表面温度1100～1250℃时，通入氢气和三氯氢硅反应30～45h；当硅芯生长到直径50mm时，停止电流，增加氢气流量，继续反应3～10h；待硅棒表面温度降至1000～1050℃，施加电流，同时降低氢气流量，将硅棒表面温度升至约1080～1100℃，再维持30h；停止电流，再次增加氢气流量，反应2～6h；待硅棒表面温度降至970～1020℃，再次降低氢气流量，施加电流，将硅棒表面温度升至1050～1080℃，然后维持至还原反应器停炉。本发明方法可明显改善太阳能多晶硅生产过程中的表面形貌，多晶硅表面凸瘤面积可控制在8％以内。
文档编号C01B33/035GK101654249SQ20091018345
公开日2010年2月24日 申请日期2009年9月22日 优先权日2009年9月22日
发明者强 梁, 新 田, 陈明元 申请人:江苏中能硅业科技发展有限公司