专利名称：采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法
技术领域：
本发明涉及硅的化学气相沉积工艺，更具体地说，涉及一种使用表面微结构硅 芯在普通的化学气相沉积反应器中沉积多晶硅的工艺。
背景技术：
目前，改良西门子工艺是使用最广泛的多晶硅生产方法之一，主要使用钟罩型 反应器和与电极相连的直径8mm左右的硅芯作为沉积基底，采用高温还原工艺，以高纯 的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。如图1所示，钟罩型反应器包括钟罩壁 1、底座2。底座2上结合有进气口 5、出气口 6和电极3。观察口 8提供对内部的可视 观察或提供红外探测装4置对炉内温度的测量。改良西门子工艺的化学气相沉积过程是在钟罩型反应器中进行的。该反应容器 为密封结构，底盘电极上连接有直径5 10mm、长度1500 3000mm的硅芯，每对电极 上的两根硅棒上端通过一较短的硅棒相互连接，形成倒U形结构。开始沉积硅前，在电 极上施加6 12kV左右的高压，硅芯被击穿导电并被加热至1000 1150°C，表面经氢 还原后，硅开始在硅芯表面沉积形成硅棒，随反应时间的延长，硅棒的直径逐渐增大， 最终达到120 200mm左右。通常情况下，生产直径为120 200mm的高纯硅棒所需 的反应时间大约为150 300小时。在化学气相沉积过程中，在进料量、反应压力、硅棒表面温度等工艺参数恒定 的条件下，硅棒直径增长的速率(或沉积速率，以微米每分钟计)或多或少都是恒定的。 因此，当硅棒的直径很小时，在初始生长阶段，以千克每小时计的硅沉积速率很低。提高多晶硅沉积速率的途径之一是增大硅芯初始沉积表面积以提高多晶硅初始 沉积速率(以千克每小时计)。如专利CN 101432460A公布了采用打表面积的硅管或硅 带取代硅芯的方法来制备多晶硅，由于硅管或硅带的初始沉积表面积比硅芯大得多，因 而可提高多晶硅的初始沉积速率(以千克每小时计)。但是，该方法存在如下缺点(1) 采用硅管替代硅芯，虽然增大了初始沉积表面积，但是也增大了沉积基体的重量，因此 增加沉积基体的制造成本，如直径50mm，壁厚2mm的硅管，相比于直径8mm的硅芯， 表面积增大了 6倍，其质量也增大了近6倍；(2)该方法需要对现有多晶硅化学气相沉积 反应器的电极(或石墨卡瓣)进行改造以实现硅管或硅带与电极的良好对接，增加了设备 改造成本；(3)硅管需要采用特定的边缘限定薄膜供料生长(EFG)设备进行制备，增加 了设备购置成本。因此，仍旧需要一种多晶硅的沉积方法，既能实现大的初始表面积提 高初始沉积速率，又能充分利用现有的反应设备，不需要增加额外的设备成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方 法，以提高传统化学气相沉积反应器的产量，该方法在现有反应器的基础上无需增加任 何设备就能使用更大初始表面积的硅芯沉积多晶硅。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，包括使含硅气体和氢气在1000 1150°C的硅芯表面反应，反应生成的硅在炽热的硅芯表面沉积，使得硅芯直径逐渐长大 形成多晶硅硅棒的步骤，所述硅芯的表面具有微结构。其中，所述的微结构为高度为500 2000 ym的金字塔状凸起，优选高度为 800 1200 ym的金字塔状凸起。所述的金字塔状凸起可以无数大小均一或大小不均一 的金字塔状凸起。其中，所述的微结构按如下方法制备得到将硅芯置于化学腐蚀液中，70 80°C下，腐蚀50 60小时。其中，所述的化学腐蚀液由如下重量百分比的组分组成正磷酸钠0.5 5%， 氢氧化钠0.5 5%，异丙醇1 10%，其余为水。其中，所述的含硅气体包括卤代硅烷、硅烷任一种或混合。其中，所述卤代硅烷的分子式为SiHnX4_n，其中n = 0 3中任意整数，X = CI、Br或I。通常为三氯氢硅、二氯二氢硅、四氯化硅、硅烷、或三溴氢硅，优选为三 氯氢硅或硅烷。其中，所述的硅芯圆柱形、方形或薄板形，优选为现有技术常用的圆柱形硅 芯，但并不限于此。有益效果本发明具有如下优势1、根据本发明的技术方案，通过在硅芯表面制作微结构以增大硅沉积的初始表 面积，可以提高硅沉积初始速率，进而提高产量。2、根据本发明的技术方案，所述具有微结构的硅芯能通过现有硅芯表面织构而 来，且能使用现有技术的硅芯夹持装置和电极、电气设备，不需要加以任何改造，不会 增加改造的成本。3、根据本发明的技术方案，通过简单的化学溶蚀就能得到金字塔结构的大小均 勻的绒面，无需增加额外的特殊硅芯拉制设备，有效降低了成本。
图1是本发明中多晶硅沉积方法中的一种钟罩型还原炉示意图。其中炉筒为1、 底盘2、电极3、横梁微结构硅芯4、进料口 5、尾气出口 6、竖直微结构硅芯7、视镜8。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细说明，但是需要指出的是，本 发明的保护范围并不受这些具体实施方式
的限制，而是由权利要求书来确定。如前所述，本发明提供了一种采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，所述 方法包括使含硅气体和氢气在炽热的绒面硅芯表面还原，硅芯表面温度通常为1000 1150°C,还原反应生成的硅沉积在炽热的具有微结构硅芯表面。根据图1，所述的钟形反应器包括炉筒1、底盘2、电极3、横梁微结构硅芯4、 进料口 5、尾气出口 6、竖直微结构硅芯7、视镜8。根据生产的实际情况，含硅气体和氢气可以被预热至100 300°C后再进入还原反应器，优选的含硅气体和氢气被预热至150 200°C。根据生产的实际情况，含硅气体和氢气可以分别计量后被预热至100 300°C再 混合进入还原反应器，也可以在分别计量后即混合，混合气体被预热至100 300°C后再 进入还原反应器，并在1000 1150°C的具有微结构的硅芯表面发生反应，生成的硅单质 沉积在硅芯表面，硅芯直径逐渐长大形成硅棒。本发明涉及现有技术基础上的改进，所述表面微结构硅芯适用于现有技术的所 有对电极还原炉，根据生产的实际情况，在还原反应器内表面微结构硅芯可以为1-72 对，优选为9对、12对、18对、24对、36对和48对硅芯。根据生产的实际情况，作为连接两根硅芯的短硅芯(横梁)，可以采用直硅芯 (圆柱形或方形，薄板形)，也可以采用表面微结构硅芯，优选的作为横梁硅芯为表面微 结构，其连接方式可以采用水平连接(即与竖直方向的硅芯呈90度)，也可以采用带一定 弧度的弯曲连接方式，如圆弧形连接。如前所述，本发明还提供了一种表面微结构硅芯的制备方法。所述方法的技术 方案为将现有技术的细硅芯放入化学腐蚀液中，所述的化学腐蚀液由如下重量百分比 的组分组成正磷酸钠0.5 5%，氢氧化钠0.5 5%，异丙醇1 10%，其余为水。 加热至80°C左右，腐蚀54小时左右，可得均勻的金字塔状凸起的表面微结构，此时微结 构高度约为lOOOym。硅芯经过表面微结构构造，表面积增加了 1.7倍，有效增加初始沉 积速率。实施例本实施例的反应器为12对棒还原炉，硅芯高度2400mm，反应温度 1080-1100°C。三氯氢硅初始流量2Nm3/h，勻速增加至42Nm3/h之后维持恒定。氢气初 始流量为13Nm3/h。在沉积过程中增加氢气流量至189Nm3/h，在整个沉积过程中，氢气 和三氯氢硅的摩尔比从6.5逐渐降低至4.5。当硅棒直径达到115mm，还原反应器停炉， 整个过程多晶硅沉积时间为80h。采用直径为9mm的表面微结构硅芯(微结构高度1000 y m，其质量与直径为 8mm的硅芯相同)制备多晶硅，初始沉积表面积增大了 1.7倍，因而，初始沉积速率增加 1.7倍，随着反应的进行和硅棒直径的增长，表面微结构硅芯所增加的表面积效应急剧下 降，当硅棒直径为16_时，微结构表面所增加表面积可忽略，此时多晶硅生长速度与 采用现有技术细硅芯的生长速度相近，亦即是说采用表面微结构硅芯在多晶硅初始生长 的5小时内，均处于加速生长。最终生长时间可比采用现有技术细硅芯的工艺减少近2 小时。
权利要求
1.采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，包括使含硅气体和氢气在1000 1150°C 的硅芯表面反应，反应生成的硅在炽热的硅芯表面沉积，使得硅芯直径逐渐长大形成多 晶硅硅棒的步骤，其特征在于所述硅芯的表面具有微结构。
2.根据权利要求1所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述的 微结构为高度为500 2000 μ m的金字塔状凸起。
3.根据权利要求2所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述的 微结构为高度为800 1200 μ m的金字塔状凸起。
4.根据权利要求1、或2、或3所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特 征在于所述的微结构按如下方法制备得到将硅芯置于化学腐蚀液中，70 80°C下，腐 蚀50 60小时。
5.根据权利要求4所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述的 化学腐蚀液由如下重量百分比的组分组成正磷酸钠0.5 5%，氢氧化钠0.5 5%，异 丙醇1 10%，其余为水。
6.根据权利要求1所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述的 含硅气体包括卤代硅烷、硅烷任一种或混合。
7.根据权利要求6所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述卤 代硅烷的分子式为SiHnX4_n，其中n = 0 3中任意整数，X = Cl、&或I。
8.根据权利要求1所述的采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，其特征在于所述的 硅芯圆柱形、方形或薄板形。
全文摘要
本发明涉及一种采用表面微结构硅芯沉积多晶硅的方法，所述方法包括使含硅气体和氢气在表面温度为1000-1150℃的具有表面微结构的硅芯上沉积并制备多晶硅，该方法与现有采用直径8mm硅芯的制造方法相比，具有初始沉积表面积大、初始沉积速率快、降低还原电耗等优点，另外，该方法所述初具有表面微结构的硅芯可在现有反应器中直接应用，而无需改造设备，可节约大量设备改造费。
文档编号C01B33/035GK102020277SQ20101060426
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者江宏富, 钟真武 申请人:中科协鑫(苏州)工业研究院有限公司