一种化学气相沉积法制备多晶硅靶材的方法及其装置与流程

本发明涉及多晶硅靶材技术领域，具体涉及一种化学气相沉积法制备多晶硅靶材的方法。

背景技术：

多晶硅靶材作为易激发、低成本、产量大的单质溅射源，用于磁控溅射装置中以制备硅相关薄膜，在信息产业和能源产业有重要应用。

靶材作为磁控溅射镀膜工艺的主要耗材，关系到镀膜的质量及成本。目前多晶硅靶材的主要制备方法是粉末冶金法和定向凝固法。其中，粉末冶金法将原料硅破碎成粉，压制成型后烧结，就得到预设形状的多晶硅靶材；而定向凝固法则是将原料硅熔融后经定向凝固得到多晶硅锭，再进行切割制成多晶硅靶材。两者都需要在原料硅的基础上进行再加工，从而得到多晶硅靶材，这就造成了其生产工艺流程多，过程复杂，耗费的人力物力较多，致使成本增加。如何低成本高效率地生产出高利用率的多晶硅靶材，是目前亟需解决的问题。

化学气相沉积法(CVD)是利用气态物质在高温基板上发生化学反应生成固态沉积物的一种工艺，广泛应用于半导体原料的精制，高质量半导体单晶膜(外延生长膜)的制取，多晶膜、非晶膜的生长以及单晶和非晶绝缘膜的形成。它大致包含以下几个过程：1.原料气体(反应气体)到达基体表面；2.反应气体被基体表面吸附；3.反应气体向基体表面的扩散；4.在基体表面发生反应、形核；5.生成物由表面向基体内的扩散；6.气体副产品通过基体表面由内向外扩散，脱离表面。

为了提高多晶硅靶材的生产效率，本发明提出一种化学气相沉积法制备多晶硅靶材的新方法，致力于以低成本高效率制备出高纯度的高利用率多晶硅靶材。

技术实现要素：

本发明的目的为针对现有技术的不足，提供一种化学气相沉积法制备多晶硅靶材的方法。该方法在制备中引入金属管，将其作为化学气相沉积法中的热载体，沉积多晶硅；再作为磁控溅射中的导电阴极衬底管，因其外表面已经沉积有多晶硅，故而省却了当前技术中先制取多晶硅锭，再进行切割加工处理得到多晶硅靶材，再把靶材与衬底管结合的步骤。本发明综合考虑化学气相沉积法和磁控溅射的溅射源的结构，获得直接接合在衬底管上的多晶硅靶材。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，

一种化学气相沉积法制备多晶硅靶材的方法，该方法包括以下步骤：

第一步，还原炉预先通满氢气，接通电源，石墨电极将金属管加热到1050～1100℃，将高纯SiHC13气和高纯氢气组成的混合气通过进气管以10～250m/s的速度喷出送入还原炉，打开出气口，维持还原炉内压强0.1～0.2MPa不变，金属管外表面发生化学气相沉积反应生成多晶硅；

其中，混合气中摩尔比SiHC13气：氢气＝1：3～5；

第二步，发生第一步氢还原反应的同时将剩余尾气通过出气口排出后收集，经分离提纯，提纯得到的H2、SiHC13气，作为反应器的原料重新利用；

第三步，反应2～20h，当多晶硅沉积到指定厚度时停炉，取出沉积有多晶硅的金属管，对多晶硅表面进行后期的加工处理，得到了直接接合在衬底金属管上的多晶硅靶材。

所述的方法在还原炉中进行，该还原炉的组成包括炉体、钢罩、底盘、金属管、第一石墨电极和第二石墨电极；

所述的炉体为钢制圆筒，顶部设置有钢罩，底部设置有钢制底盘，二者将炉体密闭；

所述的底盘中心设置有尾气出气口；上表面围绕出气口环形均匀分布有4～10个第二石墨电极，每个第二石墨电极上安装有可调节卡槽，卡槽内固定垂直安装的金属管的底端，金属管的底端和第二石墨电极电连接；

所述的底盘上，每个第二石墨电极的两侧均设置有一个进气管；

所述的炉体筒体上部的筒壁上，设置有与第二石墨电极数量相同条数的纵向滑槽，每条滑槽与一块水平移动板的一端相连，水平移动板另一端位于一个第二石墨电极的正上方，其下表面设置有第一石墨电极，第一石墨电极处也设置有可调节卡槽，金属管的顶端固定在卡槽内，金属管的顶端和第一石墨电极电连接；

所述的第一石墨电极和第二石墨电极极性相异；

所述的水平移动板的位置可沿滑槽在竖直方向上调节；

所述的底盘上的进气管均在第二石墨电极与出气口的径向连线上；

所述的SiHC13气的纯度为99.999999％；氢气的纯度为99.9999％；

所述的指定厚度优选为2～20mm；

所述的金属管为钼管、不锈钢管或钛管；

所述的金属管的大小优选为外径100～300mm，内径90～290mm，高150～1500mm。

本发明的实质性特点为：

目前技术一般是定向凝固生长出多晶硅锭，然后硅锭进行切割加工处理得到硅靶，再把硅靶与磁控溅射中的阴极衬底管接合在一起。在本发明中，还原炉内引入的金属管先是作为化学气相沉积法中的热载体，沉积多晶硅，再作为磁控溅射中的导电阴极衬底管，相当于直接在阴极衬底管上生长了一层多晶硅靶材，简单方便大大地提高了生产效率。

本发明的有益效果是：

1.生产效率高。本发明采用金属管作为化学气相沉积过程中的热载体，直接在金属管外表面沉积多晶硅，实现多晶硅柱状靶的直接成型，无需对原料硅进行二次生长及后续的切割加工处理。节省了多晶硅铸锭、切割加工、接合衬底管等生产步骤，减少了生产工序，提高了生产效率。

2.靶材纯度高。通过化学气相沉积得到的多晶硅靶材纯度高，纯度在99.9999％以上。

3.靶材晶粒取向一致，晶粒均匀。化学气相沉积法生长的膜层，在基体表面成核率高的情况下，能得到柱状结构的多晶薄膜，可以保证膜层性能的一致性。

4.靶材与金属管结合牢固。由于多晶硅靶材直接在衬底金属管外表面沉积形成，所以不需要像制备传统的磁控管那样，使用铟或锡等粘接材料将圆筒状的靶材与圆筒状的衬底管接合在一起。并且由于硅靶材与金属管间原子还会发生相互扩散，所以其附着性良好。

5.金属管可重复利用。金属管上沉积了多晶硅靶材后，在其内加装磁盒，冷媒循环装置及旋转驱动装置等，即可作为溅射源来应用。使用结束后，经过酸洗或碱洗金属管可重新应用于还原炉中作为热载体沉积靶材。

6.操作简单。用金属管作为热载体，加热时无需预热及高压击穿，使用普通电气设备即可，操作简单。

7.成本低。由于使用了普通的电气设备以及减少了生产工序，生产过程中的人力物力消耗减少，降低了成本。

附图说明

图1为本发明生长多晶硅靶材的方法中所使用的还原炉结构的径向剖面示意图。

图2为本发明生长多晶硅靶材的方法中所使用的还原炉的底盘示意图。

图中，1为钢罩，2为水平移动板，3为第一石墨电极，4为炉体，5为金属管，6为出气口，7为第二石墨电极，8为进气管，9为底盘。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步介绍本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明生长多晶硅靶材的方法中所用的还原炉的结构如图1和图2所示。该还原炉的组成包括炉体4、钢罩1、底盘9、金属管5、第一石墨电极3和第二石墨电极7；

所述的炉体4为钢制圆筒，顶部设置有钢罩1，底部设置有钢制底盘9，二者将炉体4密闭；

所述的底盘9中心设置有尾气出气口6；上表面围绕出气口6环形均匀分布有8个第二石墨电极7，每个第二石墨电极7上安装有可调节卡槽，卡槽内固定垂直安装的金属管5的底端，金属管5的底端和第二石墨电极7电连接；

底盘9上，每个第二石墨电极7的两侧均设置有一个进气管8；进气管8均在第二石墨电极7与出气口6的径向连线上；

炉体4筒体上部的筒壁上，设置有8条纵向的滑槽，水平移动板2一端固定在筒壁的滑槽内，另一端位于第二石墨电极的正上方，并设置有第一石墨电极3，第一石墨电极3处也设置有可调节卡槽，金属管5的顶端固定在卡槽内，金属管5的顶端和第一石墨电极3电连接；

所述的水平移动板2共8个，分布位置与第二石墨电极7相对应，且均可沿滑槽在竖直方向调节；

所述的第一石墨电极3和第二石墨电极7极性相异，分别接电源的正负极，投影位置重叠；

本发明所述的一种化学气相沉积法制备多晶硅靶材的方法，包括以下步骤：

第一步，还原炉预先通满氢气，接通电源，电加热金属管5到1050～1100℃，将高纯SiHC13气和高纯氢气组成的混合气通过进气管8以10～250m/s的速度喷出送入还原炉，打开出气口6，维持还原炉内压强0.1～0.2MPa不变，金属管5外表面发生化学气相沉积反应生成多晶硅；

其中，混合气中摩尔比SiHC13气：氢气＝1：3～5；

第二步，发生第一步氢还原反应的同时将剩余尾气通过出气口6排出后收集，经分离提纯，提纯得到的H2、SiHC13气，作为反应器的原料重新利用；

第三步，反应2～20h，当多晶硅沉积到指定厚度时停炉，取出沉积有多晶硅的金属管5，对多晶硅表面进行后期的加工处理，得到了直接接合在衬底金属管5上的多晶硅靶材。

在得到接合在衬底金属管5上的多晶硅靶材之后，依据现有技术，后续再在金属管5内插设磁盒，磁盒内组装有磁铁单元，再加装冷媒循环装置及旋转驱动装置，得到磁控管，即可作为溅射源用于磁控溅射。

所述的SiHC13气的纯度为99.999999％；氢气的纯度为99.9999％。

所述的金属管为钼管、不锈钢管或钛管。

所述的金属管的大小优选为外径100～300mm，内径90～290mm，高150～1500mm。

所述的指定厚度优选为2～20mm。

实施例1

本实施例方法设计的产品所需圆筒靶材厚度(内外半径差)为6mm，长度为1000mm，圆筒靶的内径等于金属管的外径，本实施例采用的钼制金属管5外径100mm，内径90mm，长度1020mm。

所述炉体4直径1200mm；所述进气管8直径13mm；所述出气口6直径100mm；

本实施例生长多晶硅靶材的方法包括氢气还原高纯SiHC13、尾气回收及取出沉积有多晶硅的金属管过程，具体步骤是：

第一步，还原炉预先通满氢气，接通电源，电加热钼制金属管5到1100℃，将市售高纯(纯度99.999999％)SiHC13和99.9999％纯度的氢气按物质的量比1：5混合通过进气管8以起始95m/s逐渐线性增加到末尾104m/s的速度喷出送入还原炉，打开出气口6，维持还原炉内压强0.1MPa，在加热到1100℃钼制金属管5外表面上发生化学气相沉积反应生成多晶硅。为保证1mm/h的沉积速率，在6h内，SiHC13气体流量从142kg/h逐渐线性增加到157kg/h，H2流量从10kg/h逐渐线性增加到12kg/h。

第二步，发生第一步氢还原反应的同时将剩余尾气通过出气口6排出后分离提纯，提纯得到的H2、SiHC13可作为反应器的原料重新利用。

第三步，在沉积速率1mm/h的条件下，反应6h后在多晶硅沉积到6mm厚度时停炉。取出沉积有多晶硅的钼制金属管5，再对多晶硅表面进行后期的加工处理(如磨削抛光等)，就得到了直接接合在钼制衬底金属管5上的多晶硅靶材。

在得到接合在钼制衬底金属管5上的多晶硅靶材之后，再在钼制衬底金属管5内插设磁盒，磁盒内组装有磁铁单元，再加装冷媒循环装置及旋转驱动装置，得到磁控管，即可作为溅射源用于磁控溅射。(所述的插设磁盒-得到磁控管等步骤为公知技术，具体可以参阅专利“CN201680012047-磁控管溅射装置用旋转式阴极单元”)

本实施例方法所得到的多晶硅靶材产品的规格如下：

多晶硅靶材纯度：>99.9999％

导电类型：P or N

杂质含量：(Al/Ca/Fe/As/Mo/Sb)<0.1μg/g

表面粗糙度：Ra<1.6μm

上述数据中化学成分分析按GB/T 24582-2009的规定进行，导电类型的检测按GB/T1550-1997的规定进行，表面粗糙度的检验按GB/T 29505-2013的规定进行，符合磁控溅射硅靶材对纯度、杂质含量、表面粗糙度的要求。

通过以上实施例可以看出，本发明直接用钼管作为化学气相沉积法中的热载体，沉积多晶硅，再将其作为磁控溅射中的导电阴极衬底管，因其外表面已经沉积有多晶硅，故而省却了多晶硅铸锭、切割加工、接合衬底管的步骤。直接在钼管上沉积多晶硅靶材，减少了生产工序，提高了生产效率，降低了生产过程中的成本。

本发明未述及之处适用于现有技术。