多晶硅沉积的方法
【专利说明】多晶硅沉积的方法
[0001] 高纯度多晶体硅（多晶硅）作为起始材料用于通过坩埚拉制（CZ)或区域熔融法 (FZ)制备用于半导体的单晶硅，以及通过各种拉制和铸造方法制备单晶体或多晶体硅，以 制备光伏太阳能电池。
[0002] 多晶硅通常通过西门子法制备。该方法包括将包含一种或多种含硅组分和任选存 在的氢的反应气体引入包括通过直接通电加热的支撑体的反应器中，硅以固体的形式沉积 到支撑体上。所使用的含硅组分优选硅烷（SiH4)、一氯硅烷（SiH3Cl)、二氯硅烷（SiH 2Cl2)、 三氯硅烷（SiHCl3)、四氯硅烷（SiCl4)或所述物质的混合物。
[0003] 西门子法通常在沉积反应器（也称为"西门子反应器"）中进行。在最常用的实施 方案中，所述反应器包括金属底板和置于底板上的可冷却钟罩，以在其中形成反应空间。底 板具有一个或多个气体进口孔和一个或多个用于排出反应气体的废气孔，以及协助在反应 空间中固持支撑体并向它们提供电流的固持物。
[0004] 每个支撑体通常由两个细丝棒和一个通常在相邻棒的自由端将其连接的桥组成。 所述丝棒最常见地由单晶硅或多晶硅制成；不太常见地，使用金属、合金或碳。所述丝棒被 垂直插入反应器底部的电极中，由此它们和电源相连接。高纯度多晶硅沉积在受热的丝棒 和水平桥上，因此其直径随时间增加。一旦达到了所需的直径，则停止该工艺。
[0005] JP 2002241120 A2公开了一种沉积反应器，其中将反应气体引入顶端。反应气体 在硅棒上方与上升的反应气体混合然后降至反应器壁上。
[0006] 在此过程中，在第一个实施方案中将新鲜气体以底板的方向注入反应器顶端，以 及在第二个实施方案中，将新鲜气体注入圆柱形反应器截面的顶端自反应器壁径向地以水 平方向朝向反应器中心。由热棒表面处自然对流导致的上升的反应气体旨在与冷却的下降 新鲜气体混合。下降的新鲜气体使逆流流向上升的反应气体。这会产生气体阻塞；导致额 外的气体涡流的形成以及反应气体的加热，爆米花生长和/或灰尘沉积。以此方式不能减 少对特定能量的需求。
[0007] DD 64047 A描述了一种用于制造多晶硅的方法，其中将反应气体通过气体管线引 入反应室的顶部避免沉积于壁体上。
[0008] AT 220591 B公开了一种用于制造高纯度硅的容器，其中将进气沿不同的棒位置 直接吹向加热的硅棒。
[0009] CN 201313954 Y公开了一种沉积反应器，其中从顶端在中心注入反应气体，并从 底端侧向注入反应气体。产生的气流旨在减少硅棒处气体界面层的厚度，其结果是更快速 且均匀的硅生长。在CN201313954 Y中所述的从顶端在中心并从底端侧向的注入对硅棒桥 产生强流。此工艺的缺点在于来自底端和顶端的相对气流抵消了其中的气体脉冲。此导致 硅棒处界面层更厚，这使棒上的硅生长不均匀且更慢。
[0010] 从侧面直接（垂直地）向硅棒的注入（如AT220591 B中所述）不可避免地导致 不均匀的棒生长以及在硅棒中相应的"凹陷"。
[0011] US 2011229638 A2描述了一种用于多晶硅沉积的工艺，其中反应器通过可以不同 质量流速注入的多个喷嘴组操作。
[0012] -种用于制造多晶硅的标准方式是使用沉积反应器，其中反应气体通过下部（称 为底板）的喷嘴注入。
[0013] 随着反应器直径的增加及反应器高度的增加，必要的是以相应调整的脉冲流速将 相应的大量反应气体注入反应器中，以在反应器中产生足以进行的环流。下向流位于反应 器壁。
[0014] 所需的高反应气体和脉冲流速可导致对反应器中硅棒的热应力。这表现为不均匀 棒、非所需的棒形态（爆米花）和断裂/棒剥落。具有非常粗糙表面（"爆米花"）的区域 必须在后期与其余材料分开，这是不利的并使产率更差。
[0015] 断裂和剥落棒可导致设备的电故障。设备关闭和材料浪费导致更高的制造成本。
[0016] 沉积设备的能耗的一个原因是热量通过反应气体对流释放到冷却的反应器壁。
[0017] 该问题产生本发明的以下目的：必须将反应气体以使最大进料质量流速对棒产生 相对低热应力的方式引入反应器中。可将由反应器中气流引起的通过壁的热损失降到最 小。
[0018] 此目的通过一种将多晶硅沉积在反应器中的工艺实现，该反应器侧面和顶部由反 应器壁限定，且底部由底板限定，在底板上安装有受热的丝棒，通过反应器壁及底板的气体 进口孔将含硅的反应气体混合物引入反应器室，硅沉积在丝棒上，其中将含硅的反应气体 混合物以相对于反应器侧壁的0-45°的角度通过反应器壁的气体进口孔引入。
[0019] 已发现，以相对于侧壁（=钟罩的圆柱体部分）的0° -45°角度的壁注入能支撑 或维持气体的环流。
[0020] 一般来讲，气体进口孔是洞口。洞口的几何形状可根据需要选择。
[0021] 下文也参照图1-8阐述本发明。
[0022] 洞口相对于反应器侧壁可具有两个不同角度。此实施方案可见图3。最小洞口角 度和最大洞口角度只能在0-45°的角度范围内变化，以确保反应气体混合物以相对于反应 器侧壁的0° -45°的角度引入。
[0023] 由于反应气体混合物是以相对于反应器侧壁0-45°的角度被引入的，同时产生壁 膜，这明显地减少与反应器壁的对流热交换。此壁膜为连续气体膜，其由从外部注入的反应 气体形成并从顶部沿反应器内壁向下流。为此，固定在反应器壁上的气体进口孔或进入孔 允许连续壁膜的应用。
[0024] 反应器具有钟罩形的几何形状（圆柱体+半球，椭圆体头，准球形头或类似设计） 并且侧面由圆柱形反应器壁或另一种反应器壁限定，顶部由反应器壁或钟罩壁限定，以及 底部由底板限定。
[0025] 最顶端进入孔在基于反应器垂直壁高度的底板上方高度的40%至100%之间的 区域内，优选地70%至100%之间。
[0026] 优选地，单个进口孔面积Ainl与反应器内部的横截面积A _。之间的A inl. /Α_。比率 大于KT6并小于1/1600。
[0027] 更优选地，l/200000〈(Ainl.V(AreJ〈l/2500 ;以及最优选地，1/50 000〈(Ainl.)/ (Areac)〈1/5000。
[0028] Ainl.对应于反应器壁中进入孔的面积；Α_。对应于反应器的横截面积，其由反应器 内径 D 形成，即 Areac = D 2/4Χ π ) 〇
[0029] 一般来讲，进入孔绕圆周均匀地分布，但它们也可不均匀地布置。
[0030] 洞口形状通常为圆形，但也可具有其它形状（例如椭圆等）以及其组合。
[0031] 同样可在一个反应器中使用多个不同的洞口形式（例如，圆形和椭圆）。
[0032] 洞口彼此之间的直接距离（外边至外边；参见图4-6)为至少3mm，优选地至少 l〇mm，更优选地至少20mm。这在圆周上产生均匀连续并最大程度地降低通过壁的热损失的 气体膜。
[0033] 优选地，气体进口孔，下文称为洞口，布置在反应器壁的水平面中（=气体进口孔 排或洞口排）（见图4)。
[0034] 洞口排的另一个实施方案为洞口以螺旋形式布置在圆周上（参见图6)。但是，也 可想到在一个反应器中多种洞口排的组合。
[0035] 在反应器壁中提供单独排或多排的洞口，任选垂直偏移的洞口排。
[0036] 尤其是，沿周边方向彼此之间相互偏移的洞口排产生连续的壁膜（参见图5和图 7)。
[0037] 优选2至4排洞口的组合以形成洞口区块，更优选地2-3排洞口（参见图7)。
[0038] 在各种情况下，相邻洞口排之间的垂直距离"b"优选地为最大5个参考洞口直径 (参见图5)。
[0039] 下文适用于此处：
[0040] 参考洞口直径=反应器垂直壁中所有单个洞口的平均水力直径
[0041]
[0042] 其中
[0043]