制备低内应力区熔用电子级多晶硅的系统和方法与流程

本发明涉及多晶硅生产技术领域，具体而言，本发明涉及制备低内应力区熔用电子级多晶硅的系统和方法。

背景技术：

区熔单晶硅是电子电力器件的关键材料，目标产品包括普通晶闸管(scr)、电力晶体管(gtr)、可关断晶闸管(gto)以及第三代新型电力电子器件——功率场效应晶体管(mosfet)和绝缘栅双极晶体管(igbt)以及功率集成电路(pic)等，被广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中。

与直拉单晶硅相比，区熔单晶硅拥有更高的纯度和电阻率，因为采用了区熔法进行单晶拉制，其需要直接使用经过处理的多晶硅棒进行生产。因此，与一般电子级多晶硅的块状产品相比，区熔用多晶硅的产品形态为硅棒，同时其对于硅棒内应力、微观形态等都提出了更高的要求。

目前区熔用多晶硅原料多采用改良西门子法进行生产，将氯硅烷与氢气的混合物通入cvd还原炉内，利用化学气相沉积反应在预先放置的硅芯上进行沉积生长，因为生长过程中硅棒通电维持高温，表面可达到1000～1100℃，内部甚至达到1300℃以上，同时内外圈硅棒因为热场的原因存在较大的温差，这使得硅棒生长中产生的热应力是不可避免的。其中热应力较大或已存在隐性裂纹的硅棒，在后续的机加工过程中极易炸裂，或者在单晶拉制过程中，因为区熔线圈对硅棒的局部加热诱发炸裂，对设备安全运行造成危害。由此可见，现有的制备区熔用多晶硅的手段仍有待改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出制备区熔用电子级多晶硅的系统和方法。该系统可以产出内应力较小区熔用电子级多晶硅产品。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备区熔用电子级多晶硅的系统。根据本发明的实施例，该系统包括：多晶硅还原炉，所述多晶硅还原炉内设有底板、多个石墨夹头、多对硅棒，所述硅棒通过所述石墨夹头设在所述底板上；所述多对硅棒包括多对内圈硅棒和多对外圈硅棒，每对所述硅棒包括1个横梁和2个棒体；多个内圈硅棒棒径检测单元，所述内圈硅棒棒径检测单元与所述内圈硅棒相连；三氯氢硅-氢气进料管线，所述三氯氢硅-氢气料管线与所述多晶硅还原炉相连；多个二氯二氢硅-氢气进料喷口，所述二氯二氢硅-氢气进料喷口布置在所述内圈硅棒的横梁与所述底板中心的连线上。

采用根据本发明上述实施例的系统制备区熔用电子级多晶硅，通过三氯氢硅-氢气进料管线向多晶硅还原炉中供给三氯氢硅和氢气，在高温下，氢气将三氯氢硅还原为硅，并利用化学气相沉积反应使还原得到的硅在硅棒上沉积生长。在反应过程中，通过多个内圈硅棒棒径检测单元检测内圈硅棒的棒径，当内圈硅棒的棒径达到预定值后，利用多个二氯二氢硅-氢气进料喷口向多晶硅还原炉中通入二氯二氢硅和第二氢气的混合料，该混合料不经预热直接通入多晶硅还原炉内，其温度较低，因而可以利用此股低温气体混料调节内圈硅棒表面高温，从而有效降低硅棒生长过程中，因硅棒内部与表面温度差异过大造成的热应力，制备得到内应力较小区熔用电子级多晶硅产品。进而将该产品用于区熔法进行单晶拉制，在机加工和拉晶过程中不会出现炸裂的现象。

另外，根据本发明上述实施例的制备区熔用电子级多晶硅的系统还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述二氯二氢硅-氢气进料喷口布置在所述内圈硅棒的横梁与所述底板中心的连线上，且与所述底板中心的距离为所述连线长度的1/3～1/2。

在本发明的一些实施例中，所述二氯二氢硅-氢气进料喷口的出料方向与所述硅棒之间的夹角为15～30°。

在本发明的一些实施例中，所述多对硅棒包括4对所述内圈硅棒和8对所述外圈硅棒。

在本发明的一些实施例中，所述制备区熔用电子级多晶硅的系统进一步包括：多个内圈硅棒供电控制单元，每个所述内圈硅棒供电控制单元与2对所述内圈硅棒相连；外圈硅棒供电控制单元，所述外圈硅棒供电控制单元与所述外圈硅棒相连。

在本发明的一些实施例中，所述制备区熔用电子级多晶硅的系统进一步包括：多个外圈棒径检测单元，所述外圈棒径检测单元与所述外圈硅棒相连。多个外圈硅棒测温单元，所述外圈硅棒测温单元布置在与所述外圈硅棒相连的所述石墨夹头的上方。

在本发明的一些实施例中，所述外圈硅棒测温单元布置在所述石墨夹头上方25～35cm处。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备区熔用电子级多晶硅的方法。根据本发明的实施例，所述方法采用上述实施例所述的制备电子级多晶硅的系统实施，所述方法包括：向多晶硅还原炉中供给三氯氢硅和第一氢气进行反应，使所述硅棒上沉积形成多晶硅；当内圈硅棒的棒径达到第一预定值后，利用多个二氯二氢硅-氢气进料喷口向所述多晶硅还原炉中通入二氯二氢硅和第二氢气的混合料。

根据本发明上述实施例的系统制备区熔用电子级多晶硅的方法，通过三氯氢硅-氢气进料管线向多晶硅还原炉中供给三氯氢硅和氢气，在高温下，氢气将三氯氢硅还原为硅，并利用化学气相沉积反应使还原得到的硅在硅棒上沉积生长。在反应过程中，通过多个内圈硅棒棒径检测单元检测内圈硅棒的棒径，当内圈硅棒的棒径达到预定值后，利用多个二氯二氢硅-氢气进料喷口向多晶硅还原炉中通入二氯二氢硅和第二氢气的混合料，该混合料不经预热直接通入多晶硅还原炉内，其温度较低，因而可以利用此股低温气体混料调节内圈硅棒表面高温，从而有效降低硅棒生长过程中，因硅棒内部与表面温度差异过大造成的热应力，制备得到内应力较小区熔用电子级多晶硅产品。进而将该产品用于区熔法进行单晶拉制，在机加工和拉晶过程中不会出现炸裂的现象。

另外，根据本发明上述实施例的制备区熔用电子级多晶硅的系统还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述第一预定值为90～110mm。

在本发明的一些实施例中，所述二氯二氢硅的进料量为40～100kg/h，所述第二氢气与所述二氯二氢硅的摩尔比为5～8。

在本发明的一些实施例中，所述制备区熔用电子级多晶硅的方法进一步包括：当内圈硅棒的棒径达到第一预定值后，利用内圈硅棒供电控制单元和外圈硅棒供电控制单元，控制通入内圈硅棒的电流相对于通过外圈硅棒的电流低150～600a。

在本发明的一些实施例中，所述制备区熔用电子级多晶硅的方法进一步包括：当外圈硅棒的棒径达到第二预定值后，循环以下操作4～5次：(1)将外圈硅棒的温度在10min内从1030～1070℃提升至1120～1160℃以上，维持10～15min；(2)将外圈硅棒的温度在40～60min内降低至980～1020℃，维持60～180min；

在本发明的一些实施例中，所述第二预定值为115～125mm。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的制备区熔用电子级多晶硅的系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的制备区熔用电子级多晶硅的系统另一视角的结构示意图。

图3是根据本发明一个实施例的制备区熔用电子级多晶硅的系统中二氯二氢硅-氢气进料喷口的倾斜角度示意图；

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备区熔用电子级多晶硅的系统。根据本发明的实施例，参考图1和2，该系统包括：多晶硅还原炉100、多个内圈硅棒棒径检测单元(附图中未示出)、三氯氢硅-氢气进料管线200、多个二氯二氢硅-氢气进料喷口300。其中，多晶硅还原炉内设有底板110、多个石墨夹头120、多对硅棒130，硅棒130通过石墨夹头120设在底板110上；多对硅棒130包括多对内圈硅棒131和多对外圈硅棒132，每对硅棒130包括1个横梁130a和2个棒体130b；内圈硅棒棒径检测单元与内圈硅棒131相连；三氯氢硅-氢气料管线200与多晶硅还原炉100相连；二氯二氢硅-氢气进料喷口300布置在内圈硅棒的横梁130a与底板110中心的连线上。

采用根据本发明上述实施例的系统制备区熔用电子级多晶硅，通过三氯氢硅-氢气进料管线向多晶硅还原炉中供给三氯氢硅和氢气，在高温下，氢气将三氯氢硅还原为硅，并利用化学气相沉积反应使还原得到的硅在硅棒上沉积生长。在反应过程中，通过多个内圈硅棒棒径检测单元检测内圈硅棒的棒径，当内圈硅棒的棒径达到预定值后，利用多个二氯二氢硅-氢气进料喷口向多晶硅还原炉中通入二氯二氢硅和第二氢气的混合料，该混合料不经预热直接通入多晶硅还原炉内，其温度较低，因而可以利用此股低温气体混料调节内圈硅棒表面高温，从而有效降低硅棒生长过程中，因硅棒内部与表面温度差异过大造成的热应力，制备得到内应力较小区熔用电子级多晶硅产品。进而将该产品用于区熔法进行单晶拉制，在机加工和拉晶过程中不会出现炸裂的现象。

下面进一步对根据本发明实施例的制备区熔用电子级多晶硅的系统进行详细描述。

发明人发现，当内圈硅棒的棒径达到第一预定值后，通过吹扫未进行预热的二氯二氢硅-氢气的混合气，二氯二氢硅的存在可以避免单纯通入氢气对硅棒形态的改变。纯氢气容易在硅棒直接吹扫的位置形成低温区域，使硅棒该区域生长速度变慢，造成内凹、硅棒形状不规整，不利于区熔用多晶硅的成品率。而通过采用二氯二氢硅和氢气的混合气，则会在吹扫位置提供二氯二氢硅进行生长，利用二氯二氢硅相对于三氯氢硅更佳容易反应的优势，补充因吹扫带来的损失。

根据本发明的实施例，上述第一预定值可以为90～110mm，优选为100mm。因热辐射的原因，在内圈硅棒直径超过第一预定值后，温度明显偏高，实际生产过程中也发现内圈硅棒应力造成的破裂的几率远大于外圈硅棒。通过在内圈硅棒生长至棒径第一预定值后，通过吹扫二氯二氢硅和氢气的混合气，可以有效降低其热应力。

根据本发明的实施例，上述二氯二氢硅的进料量为40～100kg/h(例如40kg/h、60kg/h、80kg/h、100kg/h等)，氢气与二氯二氢硅的摩尔比为5～8(例如5、6、7、8等)。由此，可以进一步提高吹扫二氯二氢硅和氢气的混合气对降低内圈硅棒热应力的效果。

根据本发明的实施例，二氯二氢硅-氢气进料喷口布置在内圈硅棒的横梁与底板中心的连线上，且与底板中心的距离为连线长度的1/3～1/2。也即是说，二氯二氢硅-氢气进料喷口布置在内圈硅棒的横梁与底板中心的连线上靠近地板中心1/3到1/2的范围内，由此，可以进一步提高吹扫二氯二氢硅和氢气的混合气对降低内圈硅棒热应力的效果。

根据本发明的实施例，所述二氯二氢硅-氢气进料喷口的出料方向与所述硅棒之间的夹角(图3中α)为15～30°。由此，可以进一步提高吹扫二氯二氢硅和氢气的混合气对降低内圈硅棒热应力的效果。

根据本发明的实施例，参考图2，多对硅棒包括4对所述内圈硅棒131和8对外圈硅棒132。

根据本发明的实施例，本发明的制备区熔用电子级多晶硅的系统进一步包括：多个内圈硅棒供电控制单元(附图中未示出)和外圈硅棒供电控制单元(附图中未示出)，每个内圈硅棒供电控制单元与2对内圈硅棒相连；外圈硅棒供电控制单元与外圈硅棒相连。内圈硅棒供电控制单元和外圈硅棒控制单元适于分别对内圈硅棒和外圈硅棒进行供电，当内圈硅棒的棒径达到第一预定值后，可利用内圈硅棒供电控制单元和外圈硅棒供电控制单元，控制通入内圈硅棒的电流相对于通过外圈硅棒的电流低150～600a，从而可以降低内圈硅棒的温度，并配合二氯二氢硅和氢气混合气的通入，进一步降低内圈硅棒的热应力。现有的12对棒还原炉的电力供应为交流电，分为三相，每项负责对4对硅棒进行供电。且因为考虑接线的方便程度，每一相的布线会采用外圈进内圈出的形式，同时连接内外圈硅棒，因而不可能对通入内圈硅棒的电流进行单独控制。即使改变布线形式，改为内圈4对硅棒单独采用一相进行供电，如果内圈硅棒通入的电流降幅过大，会造成此相负载变动过大，容易引起变压器烧毁等事故。而在本发明的制备区熔用电子级多晶硅的系统中，内圈硅棒供电控制单元可以控制内圈硅棒为2对棒一相，即内圈硅棒采用两个不同相供电，从而可以有效减弱负载的变化幅度，维持平稳生产。

根据本发明的实施例，本发明的制备区熔用电子级多晶硅的系统进一步包括：多个外圈棒径检测单元(附图中未示出)和多个外圈硅棒测温单元(附图中未示出)。外圈棒径检测单元与外圈硅棒相连，外圈硅棒测温单元布置在与外圈硅棒相连的石墨夹头的上方。外圈棒径检测单元适于检测反应过程中外圈硅棒的棒径，当外圈硅棒棒径达到第二预定值(115～125mm，优选为120mm)后，通过调整通入外圈硅棒的电流，对外圈硅棒进行退火处理，从而可以有效降低外圈硅棒的热应力。退火处理中，外圈硅棒的温度由外圈硅棒测温单元监测。

根据本发明的实施例，上述退火处理包括：当外圈硅棒的棒径达到第二预定值后，循环以下操作2～6次(优选4～5次)：(1)将外圈硅棒的温度在10min内从1030～1070℃提升至1120～1160℃以上(即提升至1120～1160℃温度范围中任意温度值以上，例如提升至1120℃以上、提升至1130℃以上、提升至1140℃以上提升至1150℃以上、提升至1160℃以上等)，维持10～15min；(2)将外圈硅棒的温度在40～60min内降低至980～1020℃，维持60～180min。由此，可以控制循环退火过程中多晶硅的生长速度为0.9～1.3mm/h，有效降低硅棒生产过程中，因硅棒内部与表面温度差过大造成的内应力。

根据本发明的实施例，外圈硅棒测温单元可布置在石墨夹头上方25～35cm(优选30cm)处。由此，可以进一步提高所获取温度数据的准确性和代表性。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备区熔用电子级多晶硅的方法。根据本发明的实施例，该方法采用上述实施例的制备电子级多晶硅的系统实施，该方法包括：向多晶硅还原炉中供给三氯氢硅和第一氢气进行反应，使硅棒上沉积形成多晶硅；当内圈硅棒的棒径达到第一预定值后，利用多个二氯二氢硅-氢气进料喷口向所述多晶硅还原炉中通入二氯二氢硅和第二氢气的混合料。

根据本发明上述实施例的系统制备区熔用电子级多晶硅的方法，通过三氯氢硅-氢气进料管线向多晶硅还原炉中供给三氯氢硅和氢气，在高温下，氢气将三氯氢硅还原为硅，并利用化学气相沉积反应使还原得到的硅在硅棒上沉积生长。在反应过程中，通过多个内圈硅棒棒径检测单元检测内圈硅棒的棒径，当内圈硅棒的棒径达到预定值后，利用多个二氯二氢硅-氢气进料喷口向多晶硅还原炉中通入二氯二氢硅和第二氢气的混合料，该混合料不经预热直接通入多晶硅还原炉内，其温度较低，因而可以利用此股低温气体混料调节内圈硅棒表面高温，从而有效降低硅棒生长过程中，因硅棒内部与表面温度差异过大造成的热应力，制备得到内应力较小区熔用电子级多晶硅产品。进而将该产品用于区熔法进行单晶拉制，在机加工和拉晶过程中不会出现炸裂的现象。

发明人发现，当内圈硅棒的棒径达到第一预定值后，通过吹扫未进行预热的二氯二氢硅-氢气的混合气，二氯二氢硅的存在可以避免单纯通入氢气对硅棒形态的改变。纯氢气容易在硅棒直接吹扫的位置形成低温区域，使硅棒该区域生长速度变慢，造成内凹、硅棒形状不规整，不利于区熔用多晶硅的成品率。而通过采用二氯二氢硅和氢气的混合气，则会在吹扫位置提供二氯二氢硅进行生长，利用二氯二氢硅相对于三氯氢硅更佳容易反应的优势，补充因吹扫带来的损失。

根据本发明的实施例，上述第一预定值可以为90～110mm，优选为100mm。因热辐射的原因，在内圈硅棒直径超过第一预定值后，温度明显偏高，实际生产过程中也发现内圈硅棒应力造成的破裂的几率远大于外圈硅棒。通过在内圈硅棒生长至棒径第一预定值后，通过吹扫二氯二氢硅和氢气的混合气，可以有效降低其热应力。

根据本发明的实施例，上述二氯二氢硅的进料量为40～100kg/h(例如40kg/h、60kg/h、80kg/h、100kg/h等)，氢气与二氯二氢硅的摩尔比为5～8(例如5、6、7、8等)。由此，可以进一步提高吹扫二氯二氢硅和氢气的混合气对降低内圈硅棒热应力的效果。

根据本发明的实施例，本发明的制备区熔用电子级多晶硅的方法进一步包括：当内圈硅棒的棒径达到第一预定值后，利用内圈硅棒供电控制单元和外圈硅棒供电控制单元，控制通入内圈硅棒的电流相对于通过外圈硅棒的电流低150～600a，从而可以降低内圈硅棒的温度，并配合二氯二氢硅和氢气混合气的通入，进一步降低内圈硅棒的热应力。

根据本发明的实施例，本发明的制备区熔用电子级多晶硅的方法进一步包括：当外圈硅棒的棒径达到第二预定值后，循环以下操作2～6次(优选4～5次)：(1)将外圈硅棒的温度在10min内从1030～1070℃提升至1120～1160℃以上(即提升至1120～1160℃温度范围中任意温度值以上，例如提升至1120℃以上、提升至1130℃以上、提升至1140℃以上提升至1150℃以上、提升至1160℃以上等)，维持10～15min；(2)将外圈硅棒的温度在40～60min内降低至980～1020℃，维持60～180min。由此，可以控制循环退火过程中多晶硅的生长速度为0.9～1.3mm/h，有效降低硅棒生产过程中，因硅棒内部与表面温度差过大造成的内应力。

根据本发明的实施例，上述第二预定值可以为115～125mm，优选为120mm。由此，可以进一步有利于降低外圈硅棒的热应力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。