多晶硅制造装置的制作方法

本发明涉及一种制造多晶硅的装置。更具体地说，本发明涉及冷却通过将硅沉积在棒桥(rodbridge)上而形成的硅棒的上部的多晶硅制造装置。

背景技术：

多晶硅态的硅(或多晶硅)被用作太阳能发电和半导体工业中的基本材料，并且随着相应工业领域的发展，对多晶硅的需求已经快速增加。代表性的多晶硅制造方法是由硅烷原料气体形成固态多晶硅的硅沉积工艺(或化学气相沉积(cvd)工艺)。

通过硅沉积工艺，在高温下由硅烷原料气体通过氢还原反应和热分解产生硅颗粒，然后硅颗粒可形成为棒状的多晶硅类型或在粒子的表面形成然后沉积多晶硅。例如，可以采用使用cvd反应器的西门子沉积法、使用流化床反应器的沉积法等。

在多晶硅制造工艺中，西门子cvd反应器是间歇工艺的核心设备。在该cvd方法中，每一个均具有7至10毫米的直径和2500至3000毫米的长度的硅丝被设置到反应器中，向所述硅丝通电以产生电阻加热，并在高压条件下注入注射气体约60至80小时以产生120至150mm直径的硅棒。

参考图16，当使用cvd反应器沉积硅时，取决于气流或反应器的结构，在硅棒的表面处会形成一个高温部分。图16的(a)的正常硅棒161具有光滑的表面，但(b)的硅棒162在其高温部分具有爆米花部163。当该爆米花部形成时，表面不光滑。

爆米花部163劣化了硅棒162的品质，从而降低了多晶硅的销售价格。在硅棒162中形成的爆米花部163产生电弧。由电弧导致的高温使硅熔化并且熔化的硅滴落到cvd反应器的底部，导致该工艺的不连续性。也就是说，爆米花部163在多晶硅生产中造成经济损失。

技术实现要素：

【技术问题】

本发明致力于提供一种多晶硅制造装置，其能够通过冷却设置有棒桥的硅棒的上部来防止在整个cvd反应工艺中产生爆米花部。

【技术方案】

根据本发明一个示例性实施方式的多晶硅制造装置包括：反应器，其设置在基座上并形成反应室；一对引线，其设置在基座中并延伸到反应室中；棒丝，其设置在反应室中的引线中，在其上端通过棒桥彼此连接，并且在此处通过化学气相沉积(cvd)工艺由原料气体形成多晶硅硅棒；以及冷却喷嘴，其将冷却气体喷射到由在棒桥和棒丝周围沉积的硅形成的硅棒上。

所述冷却喷嘴可将冷却气体从距离棒桥预定间隙的下侧面喷射到沉积在棒桥上的硅。

所述冷却喷嘴可以包括：管道，其以向上或向下方向设置在反应器或基座中；板状喷嘴体，其连接到每个管道的一端；以及单位喷嘴头，其沿喷嘴体的外周边以预定间隔设置以喷射冷却气体。

所述管道可以在基座中向上设置，并在管道末端与喷嘴体连接，以及所述喷嘴体可以进一步包括在管道的相反侧且朝上的单位喷嘴头。

所述管道可以在基座中设置有至少一个气体入口，并且通过所述气体入口注入原料气体，或所述管道可以与所述气体入口分离地设置在基座中。

所述管道可以向下设置在反应器的上部，并在管道末端与喷嘴体连接，以及所述喷嘴体可以进一步包括在管道的相反侧且朝下的单位喷嘴头。

所述管道可以包括：气体通道，其将冷却气体供应到喷嘴体的单位喷嘴头；以及冷却剂通道，其双重设置在气体通道的外侧，并且通过循环冷却剂来冷却所述冷却气体。

所述冷却喷嘴可以由因科洛伊合金(incoloy)(incoloy800h，incoloy800)、不锈钢(ss316l，ss316)和哈氏合金(hastelloy)中的一种制成。

所述冷却喷嘴可以将冷却气体与原料气体一起喷射。

所述冷却气体可以包括h2或hcl。

所述冷却气体还可以包含硅烷化合物，所述硅烷化合物为二氯硅烷(dcs)、三氯硅烷(tcs)、甲硅烷和四氯化硅(stc)中的一种。

由原料气体形成的冷却气体可以以低于硅棒的表面温度的温度提供。

所述冷却喷嘴可以包括：管道，其以向上或向下方向设置在反应器或基座中；喷嘴体，其连接到管道的一端并具有预定长度；以及单位喷嘴头，其沿着喷嘴体的外周配置，且在管道的长度方向上设定有高度差，并喷射冷却气体。

在这些单位喷嘴头中，设置在管道下部的单位喷嘴头可以以预定角度面朝下，设置在管道上部的单位喷嘴头可以以预定角度面朝上，而设置在管道中央的单位喷嘴头可以面朝水平方向。

所述冷却喷嘴可以包括：管道，其以向上或向下方向设置在反应器或基座中；喷嘴体，其配置在管道上，并沿着管道的高度方向设定有高度差；以及单位喷嘴头，其沿着喷嘴体的外周以预定的间隔配置，并喷射冷却气体。

【有益效果】

如上所述，根据本发明的示例性实施方式，提供了冷却喷嘴，由此将冷却气体喷射到以在棒桥和棒丝周围沉积的硅提供的硅棒上，来冷却硅棒的上部或下部，因而能够防止在整个cvd反应工艺中产生爆米花部。因此能够提高硅棒的品质并增加多晶硅的销售价格。

附图说明

图1是根据本发明第一示例性实施方式的多晶硅制造装置的示意性俯视图。

图2是图1的多晶硅制造装置的示意性透视图。

图3是应用于图1和图2的多晶硅制造装置(例如，由西门子制造的化学气相沉积(cvd)反应器)的主要部分的截面图。

图4是图示图1中硅棒与冷却喷嘴之间的关系的运行状态图。

图5是应用于根据本发明第一示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的俯视图。

图6是图5的侧视图。

图7是图示根据本发明第二示例性实施方式的多晶硅制造装置中的硅棒和冷却喷嘴之间的关系的运行状态图。

图8是应用于根据本发明第二示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的侧视图。

图9是应用于图8的冷却喷嘴的截面图。

图10显示当应用于根据本发明示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的冷却喷射方向分别为6个方向(a)和12个方向(b)时，气体速度分布的模拟结果。

图11显示当图10的冷却喷射方向为6个方向(a)以及当图10的冷却喷射方向为12个方向(b)时，冷却喷嘴周围的气体速度分布。

图12显示用于比较根据本发明第一和第二示例性实施方式的冷却喷嘴布置(b和c)和常规方法(a)的气流矢量分布图的模拟结果。

图13显示用于比较根据本发明第一和第二示例性实施方式的冷却喷嘴布置(b和c)和常规方法(a)的气体温度分布图的模拟结果。

图14显示用于比较根据本发明第一和第二示例性实施方式的冷却喷嘴布置(b)以及常规方法(a)的表面温度分布图的模拟结果。

图15显示根据本发明第一和第二示例性实施方式的冷却喷嘴的布置中管道的温度和冷却喷嘴的温度的表面温度分布图的模拟结果。

图16显示使用常规多晶硅制造装置制造的正常硅棒(a)和形成有爆米花部的硅棒(b)的照片。

图17是应用于根据本发明第三示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的侧视图。

图18是应用于根据本发明第四示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的侧视图。

图19是应用于根据本发明第五示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的侧视图。

图20是应用于根据本发明第六示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的侧视图。

<附图标记>

10：反应器11：反应室

12：钟罩13：室盖

20：电极引线21：基座

22：气体入口23：气体出口

24：棒支撑件25：电极

30：棒丝31：棒桥

40：硅棒50，250：冷却喷嘴

51，251：管道52，252：喷嘴体

53，353，54，254：单位喷嘴头255：气体通道

256：冷却剂通道350，450，550，650：冷却喷嘴

351，451，551，651：管道352，452，552，652：喷嘴体

353，354，453，454，553，554，653，654：单位喷嘴头

a1：气流矢量b1，b2，b3：气流矢量

c1，c2，c3：气流矢量

具体实施方式

以下，将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施方式。本领域技术人员将认识到，本发明可以以各种不同的方式进行修改，但是所有这些修改方式都不脱离本发明的精神或范围。所述附图和描述在本质上被认为是说明性的而不是限制性的。在整个说明书中，类似的附图标记表示类似的元件。

图1是根据本发明第一示例性实施方式的多晶硅制造装置的示意性俯视图，而图2是图1的多晶硅制造装置的示意性透视图。参考图1和图2，根据本发明第一示例性实施方式的多晶硅制造装置设置有冷却喷嘴50，该冷却喷嘴50将冷却气体喷射到设置在反应器10中的硅棒40上。

冷却喷嘴50可以仅喷射冷却气体，或者可以喷射冷却气体和原料气体。或者，当以低温供应原料气体时，冷却喷嘴50也可以仅喷射原料气体。

例如，冷却气体可以包括h2或hcl。h2或hcl仅实现对沉积硅棒40的冷却效果，而不会干扰由原料气体形成硅棒40。冷却喷嘴50可以通过以至少100m/s的气体速度喷射冷却气体来冷却硅棒40。当以低温高速供应原料气体时，原料气体可以用作冷却气体。

另外，冷却气体还可以包含硅烷化合物，所述硅烷化合物为二氯硅烷(dcs)、三氯硅烷(tcs)、甲硅烷和四氯化硅(stc)中的一种。例如dcs、tcs和甲硅烷的硅烷化合物实现了对硅棒40的冷却效果，同时作为硅棒40的沉积原料。

图3是应用于图1和图2的多晶硅制造装置(例如，由西门子制造的化学气相沉积(cvd)反应器)的主要部分的截面图。参照图3，所述多晶硅制造装置包括：形成反应室11的反应器10；一对引线20，其设置在基座21中；以及一对棒丝30，其设置在引线20中，并在其上端通过棒桥31相互连接。

反应器10设置成钟形反应器，在基座21上形成反应室11，并且以气体密封结构结合到基座21。反应器10包括：钟罩12，其形成反应室11；和室盖13，其与钟罩12有一定距离以使冷却剂在钟罩12和室盖13之间流动。

基座21通过与反应器10结合而形成反应室11，并设置有气体入口22和气体出口23。因此，原料气体通过连接至含硅气体源(未图示)的气体入口22流入反应室11，而已经经历cvd反应的气体经由气体出口23排出到反应室11的外部。

为方便起见，气体入口22设置在基座21的中央处，但实质上设置在基座21中的多个位置处。当图1和图2中的冷却喷嘴50被设置在基座21中时，气体入口22设置在冷却喷嘴50的周边。

如图3所示，当气体入口22设置在基座21的中央处时，通过去除气体入口22的喷嘴并延伸气体入口22的管道，可以设置喷射冷却气体的冷却喷嘴(未示出)。

一对电极引线20从基座21的外部延伸到反应室11中。由棒支撑件24支撑的电极25被连接到电极引线20的各个末端。

在反应室11内设有一对以上的棒丝30。具体而言，该对棒丝30在反应室11内相互隔开，并垂直设置成彼此相隔一定距离，并且通过棒桥31在其上端彼此连接。

另外，该对棒丝30通过在其下端的电极25和电极引线20连接到外部电能供应源。因此，该对棒丝30与棒桥31一起形成单一电路。

棒丝30通过电极引线20和电极25供应电流，并且当原料气体被供应到反应室11中时，棒丝30被加热，由此包含在原料气体中的氯硅烷化合物在反应室11内热分解。

在氯硅烷化合物分解后，通过化学气相沉积(cvd)在炽热棒丝30和棒桥31的表面上形成多晶硅。由于多晶硅在棒丝30和棒桥31的表面部分以多晶的形式沉积，可以将硅棒40和棒桥31增加到所希望的直径。

如上所述，当多晶硅沉积在棒丝30和棒桥31上并形成硅棒40时，冷却喷嘴50将冷却气体喷射到硅棒40上以冷却由沉积到棒桥31的外围上的硅形成的硅棒40。

考虑硅的析出温度，可以使用三氯硅烷(tcs)(sihcl3+h2→si+sihcl3+sicl4+hcl+h2)、二氯硅烷(dcs)、四氯化硅(stc)或甲硅烷(sih4→si+h2)作为原料气体。

图4是图示图1中硅棒与冷却喷嘴之间的关系的运行状态图。参考图4，冷却喷嘴50从距离棒桥31预定间隙(h)的下侧面将冷却气体喷射到沉积在棒桥31上的硅。冷却喷嘴50向上设置在反应器10的下侧。

图5是应用于根据本发明第一示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的俯视图。图6是图5的侧视图。为了方便，参照图4至图6，冷却喷嘴50包括：管道51，其设置在基座21中；板状喷嘴体52，其连接到管道51的末端；以及单位喷嘴头53，其围绕喷嘴体52的外周以预定间隔设置来喷射冷却气体。

单位喷嘴头53从距离棒桥31预定间隙(h)的下侧面将冷却气体喷射到沉积在棒桥31上的硅，以防止硅棒40的上部过分加热。

参考图1至图6，管道51从基座21向上设置并在基座51的末端与喷嘴体52连接。在这种情况下，当在基座21的中央没有设置气体入口时，管道51可以用新的管道来替换。

喷嘴体52还包括从管道51的相反侧且朝上的单位喷嘴头54。该朝上的单位喷嘴头54防止冷却喷嘴50的上部在反应器10和反应室11中被过分加热，从而防止硅棒40的上部被过分加热。

冷却喷嘴50、管道51、喷嘴体52和单位喷嘴头53和54可以由因科洛伊合金(incoloy)(例如，incoloy800h，incoloy800)、不锈钢(例如，ss316l，ss316)或者哈氏合金(hastelloy)形成。

这样的材料不影响沉积的多晶硅的纯度，并且在高温(例如，1000℃以上)下稳定，而且耐腐蚀和便宜。

以下，将描述本发明的第二示例性实施方式。为了便于描述，将省略与上述第一示例性实施方式的配置相同的配置的描述，而将描述与上述第一示例性实施方式的配置不同的配置。

图7是图示根据本发明第二示例性实施方式的多晶硅制造装置中的硅棒和冷却喷嘴之间的关系的运行状态图，而图8是应用于根据本发明第二示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的侧视图。

参考图7和图8，在根据本发明的第二示例性实施方式的多晶硅制造装置中，冷却喷嘴250被设置成从反应器10的上侧向下。

冷却喷嘴250包括：管道251，其设置在反应器10中；板状喷嘴体252，其连接到管道251的末端；以及单位喷嘴头253，其围绕喷嘴体252的外周以预定间隔设置来喷射冷却气体。

单位喷嘴头253从距离棒桥31预定间隙(h)的下侧面将冷却气体喷射到沉积在棒桥31上的硅，以防止硅棒40的上部过分加热。

管道251从反应器10的上侧向下设置，然后在其一端与喷嘴体252连接。喷嘴体252还包括在管道251的相反侧且朝下的单位喷嘴头254。单位喷嘴头254防止冷却喷嘴250的下部在反应器10和反应室11中被过分加热。

图9是应用于图8的冷却喷嘴的截面图。为了方便起见，参照图9，管道251设置有：气体通道255，通过气体通道255将冷却气体供应到单位喷嘴头253和254；和冷却剂通道256，其冷却气体通道255。

冷却剂通道256双重设置在气体通道255的外侧，并将低温冷却剂供应到气体通道255，并且低温冷却剂被循环到变成高温冷却剂，同时冷却气体通道255以冷却供应到喷嘴体252的冷却气体。由此，冷却气体被喷射到在棒桥31周围形成的硅棒40上，同时保持低温条件，从而可以有效地冷却其中设置了棒桥31的硅棒40的上部。

图10显示当应用于根据本发明示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的冷却喷射方向分别为6个方向(a)和12个方向(b)时，气体速度分布的模拟结果。

参考图10，在冷却喷嘴50(和250)中，单位喷嘴头53(和253)中的6个被打开，并且冷却气体(例如冷却气体或原料气体)在平面上在6个等间隔方向(a)上喷射，以及单位喷嘴头53(和253)中的12个被打开，并且冷却气体在平面上在12个等间隔方向(b)上喷射。(a)和(b)示出了相对于反应器10的反应室11的垂直方向的气体速度变化。

也即是说，在反应器10的反应室11中的垂直方向上的气体速度变化在6个方向(a)上较高而在12个方向(b)上较低。也就是说，与6个方向(a)相比，气体速度变化在12个方向(b)上更均匀。

图11显示当图10的冷却喷射方向为6个方向(a)和12个方向(b)时，在冷却喷嘴周围的气体速度分布图。参考图11，在冷却喷嘴50(和250)中，单位喷嘴头53(和253)中的6个被打开并且将冷却气体以6个等间隔方向(a)喷射，以及单位喷嘴头53(和253)中的12个被打开并且将冷却气体以12个等间隔方向(b)喷射。(a)和(b)示出了相对于反应器10的水平方向的气体速度变化。

当在6个方向(a)上进行冷却喷射时，一部分硅棒受到冷却效果，而另一部分没有受到冷却效果，以及当在12个方向(b)上进行冷却喷射时，大部分硅棒受到冷却效果。

也就是说，当在12个方向(b)上进行冷却喷射时，冷却效果分布比在6个方向(a)上更均匀。因此，可以根据要使用的反应器10的结构而改变冷却喷射方向。

图12显示用于比较根据本发明第一和第二示例性实施方式的冷却喷嘴布置(b和c)和常规方法(a)的模拟气流矢量分布图。

参考图12，因为常规方法(a)不包含冷却喷嘴，因此当从反应器310的基座供应原料气体时，从反应器310的基座(未显示)向钟罩312形成气流矢量a1，其约为3.35m/s。

但是，根据本发明的第一示例性实施方式，冷却喷嘴50在基座21中向上设置，从反应器10的基座21向冷却喷嘴50形成气流矢量b1，其约为2.29m/s，当从冷却喷嘴50喷射冷却气体时，形成到达反应器10的钟罩12的顶部的另一气流矢量b2，以及在冷却喷嘴50的上部形成另一气流矢量b3，所述气流矢量b3在气流矢量b2的侧面与气流矢量b2的反应器10的钟罩12之间穿过气流矢量b1的上部。

由于通过冷却气体将气流矢量b2和b3加入到由原料气体形成的气流矢量b1，可以有效地冷却由沉积在棒桥31周围的硅形成的硅棒40的上部。

此外，当根据本发明第二示例性实施方式的冷却喷嘴250被向下设置在反应器10中时，从反应器10的基座21向冷却喷嘴250形成气流矢量c1，为约2.09m/s，当冷却气体从冷却喷嘴250喷射时，从基座21向冷却喷嘴250形成另一气流矢量c2，以及形成另一气流矢量c3，其从作为冷却喷嘴250的上部的反应器10的钟罩12的顶部到达冷却喷嘴250。

由于将通过冷却气体形成的气流矢量c2和c3加入到由原料气体形成的气流矢量c1，可以有效地冷却由沉积在棒桥31周围的硅形成的硅棒40的上部。

图13显示模拟用于比较根据本发明第一和第二示例性实施方式的冷却喷嘴布置(b)和(c)和常规方法(a)的气体温度分布图。

参考图13，在常规方法(a)中，最低温度分布在供应原料气体的反应器310的基座(未示出)中，而最高温度分布在反应器310的上部319中。

当将根据本发明第一示例性实施方式的冷却喷嘴50向上设置在基座21中时，也就是说，在(b)的情况下，最低气体温度分布在管道51周围，以及冷却喷嘴50的上部19中。也就是说，可以有效地冷却由沉积在棒桥31周围的硅形成的硅棒40。

另外，当将根据本发明第二示例性实施方式的冷却喷嘴250向下设置时，也就是说，在(c)的情况下，最低气体温度分布形成在管道251周围以及和冷却喷嘴50的上部219中。也就是说，可以有效地冷却由沉积在棒桥31周围的硅形成的硅棒40。

图14显示模拟用于比较根据本发明第一和第二示例性实施方式的冷却喷嘴布置(b)以及常规方法(a)的表面温度分布图。

参考图14，与常规方法(a)中的硅棒340的表面温度分布相比，当设置根据本发明第一和第二示例性实施方式的冷却喷嘴50(和250)时，硅棒40的表面温度分布较低。

此外，在常规方法(a)中，与硅棒340的棒桥331周边的表面温度分布相比，当设置根据本发明第一和第二示例性实施方式的冷却喷嘴50和250时，硅棒40的棒桥31周围的表面温度更低。也即是说，与常规方法相比，在相同的条件下，在本发明第一和第二示例性实施方式中降低了硅棒340的上部和下部之间的温差，并因此可以进一步增加硅棒340的温度。因此，在本发明的第一和第二示例性实施方式中，可以提高生产率并且可以减小电气强度。

图15显示在根据本发明第一和第二示例性实施方式的冷却喷射布置(a)和(b))中模拟的管道温度和冷却喷嘴温度的表面温度分布图。

参考图15，根据本发明第一示例性实施方式的冷却喷嘴50向上设置在反应器10的反应室11中，而根据本发明第二示例性实施方式的冷却喷嘴250设置在反应器的钟罩12中，并且下降在反应器10的反应室11中。

比较本发明的第一示例性实施方式和本发明的第二示例性实施方式，第二示例性实施方式的冷却喷嘴250的表面温度(约200℃)低于第一示例性实施方式的表面温度(约300℃)。因此，在反应器10上部的钟罩12中向下设置的冷却喷嘴250与在基座21中向上设置的冷却喷嘴50相比在提供冷却气体以降低硅棒40的棒桥31周围的表面温度方面更有利。

图17是应用于根据本发明第三示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的侧视图，而图18是应用于根据本发明第四示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的侧视图。

参考图17和图18，管道351和451被向上和向下设置在本发明第三和第四示例性实施方式的冷却喷嘴350和450中的反应器或基座中。管道351可以向上设置在基座中，而管道451可以向下设置在反应器中。

喷嘴体352和452连接到管道351和451的末端，并且沿着各个管道351和451的高度方向各自具有预定长度。单位喷嘴头353和453以沿管道351和451的长度方向设定的阶梯差在喷嘴体352和452的外周配置。

另外，与本发明第一和第二示例性实施方式的单位喷嘴头53和253类似，本发明第三和第四示例性实施方式的单位喷嘴头353和453沿圆周方向在喷嘴体352和452的外周配置。也即是说，在第三和第四示例性实施方式中，冷却喷嘴350和450可以在硅棒长度方向上的预定范围内喷射冷却气体。

在单位喷嘴头353和453中，设置在管道351和451下部的单位喷嘴头以预定的角度向下喷射冷却气体。设置在管道351和451上部的单位喷嘴头以预定角度向上喷射冷却气体。另外，设置在管道351和451中央的单位喷嘴头在水平方向上喷射冷却气体。

图19是应用于根据本发明第五示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的侧视图，而图20是应用于根据本发明第六示例性实施方式的多晶硅制造装置的冷却喷嘴的侧视图。

参考图19和图20，根据本发明第五和第六示例性实施方式的冷却喷嘴550和650被向上和向下设置在反应器或基座中。管道551从基座向上设置，而管道651向下设置在反应器中。

喷嘴体552和652分别设置成多个，并在各个管道551和651的高度方向上以预定的高度差配置在管道551和651上。单位喷嘴头553和653以预定的间隔沿各个喷嘴体552和652的外周配置并喷射冷却气体。也即是说，在本发明的第五和第六示例性实施方式中，冷却喷嘴550和650可以在各个硅棒的长度方向上的预定范围喷射冷却气体。

此外，冷却喷嘴350、450、550和650进一步包括面朝上或朝下的单位喷嘴头354、454、554和654，使得冷却气体可以被向上或向下喷射，像本发明第一和第二示例性实施方式的单位喷嘴头54和254一样。

虽然已经结合目前认为是实际示例性实施方式的实施方式描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是相反，意图覆盖在所附权利要求的范围内包括的各种改进方式和等价配置方式。