多晶硅沉積的方法
【專利說明】多晶硅沉積的方法
[0001] 高純度多晶體硅（多晶硅）作為起始材料用于通過坩堝拉制（CZ)或區域熔融法 (FZ)制備用于半導體的單晶硅，以及通過各種拉制和鑄造方法制備單晶體或多晶體硅，以 制備光伏太陽能電池。
[0002] 多晶硅通常通過西門子法制備。該方法包括將包含一種或多種含硅組分和任選存 在的氫的反應氣體引入包括通過直接通電加熱的支撐體的反應器中，硅以固體的形式沉積 到支撐體上。所使用的含硅組分優選硅烷（SiH4)、一氯硅烷（SiH3Cl)、二氯硅烷（SiH 2Cl2)、 三氯硅烷（SiHCl3)、四氯硅烷（SiCl4)或所述物質的混合物。
[0003] 西門子法通常在沉積反應器（也稱為"西門子反應器"）中進行。在最常用的實施 方案中，所述反應器包括金屬底板和置于底板上的可冷卻鐘罩，以在其中形成反應空間。底 板具有一個或多個氣體進口孔和一個或多個用于排出反應氣體的廢氣孔，以及協助在反應 空間中固持支撐體并向它們提供電流的固持物。
[0004] 每個支撐體通常由兩個細絲棒和一個通常在相鄰棒的自由端將其連接的橋組成。 所述絲棒最常見地由單晶硅或多晶硅制成；不太常見地，使用金屬、合金或碳。所述絲棒被 垂直插入反應器底部的電極中，由此它們和電源相連接。高純度多晶硅沉積在受熱的絲棒 和水平橋上，因此其直徑隨時間增加。一旦達到了所需的直徑，則停止該工藝。
[0005] JP 2002241120 A2公開了一種沉積反應器，其中將反應氣體引入頂端。反應氣體 在硅棒上方與上升的反應氣體混合然后降至反應器壁上。
[0006] 在此過程中，在第一個實施方案中將新鮮氣體以底板的方向注入反應器頂端，以 及在第二個實施方案中，將新鮮氣體注入圓柱形反應器截面的頂端自反應器壁徑向地以水 平方向朝向反應器中心。由熱棒表面處自然對流導致的上升的反應氣體旨在與冷卻的下降 新鮮氣體混合。下降的新鮮氣體使逆流流向上升的反應氣體。這會產生氣體阻塞；導致額 外的氣體渦流的形成以及反應氣體的加熱，爆米花生長和/或灰塵沉積。以此方式不能減 少對特定能量的需求。
[0007] DD 64047 A描述了一種用于制造多晶硅的方法，其中將反應氣體通過氣體管線引 入反應室的頂部避免沉積于壁體上。
[0008] AT 220591 B公開了一種用于制造高純度硅的容器，其中將進氣沿不同的棒位置 直接吹向加熱的硅棒。
[0009] CN 201313954 Y公開了一種沉積反應器，其中從頂端在中心注入反應氣體，并從 底端側向注入反應氣體。產生的氣流旨在減少硅棒處氣體界面層的厚度，其結果是更快速 且均勻的硅生長。在CN201313954 Y中所述的從頂端在中心并從底端側向的注入對硅棒橋 產生強流。此工藝的缺點在于來自底端和頂端的相對氣流抵消了其中的氣體脈沖。此導致 硅棒處界面層更厚，這使棒上的硅生長不均勻且更慢。
[0010] 從側面直接（垂直地）向硅棒的注入（如AT220591 B中所述）不可避免地導致 不均勻的棒生長以及在硅棒中相應的"凹陷"。
[0011] US 2011229638 A2描述了一種用于多晶硅沉積的工藝，其中反應器通過可以不同 質量流速注入的多個噴嘴組操作。
[0012] -種用于制造多晶硅的標準方式是使用沉積反應器，其中反應氣體通過下部（稱 為底板）的噴嘴注入。
[0013] 隨著反應器直徑的增加及反應器高度的增加，必要的是以相應調整的脈沖流速將 相應的大量反應氣體注入反應器中，以在反應器中產生足以進行的環流。下向流位于反應 器壁。
[0014] 所需的高反應氣體和脈沖流速可導致對反應器中硅棒的熱應力。這表現為不均勻 棒、非所需的棒形態（爆米花）和斷裂/棒剝落。具有非常粗糙表面（"爆米花"）的區域 必須在后期與其余材料分開，這是不利的并使產率更差。
[0015] 斷裂和剝落棒可導致設備的電故障。設備關閉和材料浪費導致更高的制造成本。
[0016] 沉積設備的能耗的一個原因是熱量通過反應氣體對流釋放到冷卻的反應器壁。
[0017] 該問題產生本發明的以下目的：必須將反應氣體以使最大進料質量流速對棒產生 相對低熱應力的方式引入反應器中。可將由反應器中氣流引起的通過壁的熱損失降到最 小。
[0018] 此目的通過一種將多晶硅沉積在反應器中的工藝實現，該反應器側面和頂部由反 應器壁限定，且底部由底板限定，在底板上安裝有受熱的絲棒，通過反應器壁及底板的氣體 進口孔將含硅的反應氣體混合物引入反應器室，硅沉積在絲棒上，其中將含硅的反應氣體 混合物以相對于反應器側壁的0-45°的角度通過反應器壁的氣體進口孔引入。
[0019] 已發現，以相對于側壁（=鐘罩的圓柱體部分）的0° -45°角度的壁注入能支撐 或維持氣體的環流。
[0020] 一般來講，氣體進口孔是洞口。洞口的幾何形狀可根據需要選擇。
[0021] 下文也參照圖1-8闡述本發明。
[0022] 洞口相對于反應器側壁可具有兩個不同角度。此實施方案可見圖3。最小洞口角 度和最大洞口角度只能在0-45°的角度范圍內變化，以確保反應氣體混合物以相對于反應 器側壁的0° -45°的角度引入。
[0023] 由于反應氣體混合物是以相對于反應器側壁0-45°的角度被引入的，同時產生壁 膜，這明顯地減少與反應器壁的對流熱交換。此壁膜為連續氣體膜，其由從外部注入的反應 氣體形成并從頂部沿反應器內壁向下流。為此，固定在反應器壁上的氣體進口孔或進入孔 允許連續壁膜的應用。
[0024] 反應器具有鐘罩形的幾何形狀（圓柱體+半球，橢圓體頭，準球形頭或類似設計） 并且側面由圓柱形反應器壁或另一種反應器壁限定，頂部由反應器壁或鐘罩壁限定，以及 底部由底板限定。
[0025] 最頂端進入孔在基于反應器垂直壁高度的底板上方高度的40%至100%之間的 區域內，優選地70%至100%之間。
[0026] 優選地，單個進口孔面積Ainl與反應器內部的橫截面積A _。之間的A inl. /Α_。比率 大于KT6并小于1/1600。
[0027] 更優選地，l/200000〈(Ainl.V(AreJ〈l/2500 ;以及最優選地，1/50 000〈(Ainl.)/ (Areac)〈1/5000。
[0028] Ainl.對應于反應器壁中進入孔的面積；Α_。對應于反應器的橫截面積，其由反應器 內徑 D 形成，即 Areac = D 2/4Χ π ) 〇
[0029] 一般來講，進入孔繞圓周均勻地分布，但它們也可不均勻地布置。
[0030] 洞口形狀通常為圓形，但也可具有其它形狀（例如橢圓等）以及其組合。
[0031] 同樣可在一個反應器中使用多個不同的洞口形式（例如，圓形和橢圓）。
[0032] 洞口彼此之間的直接距離（外邊至外邊；參見圖4-6)為至少3mm，優選地至少 l〇mm，更優選地至少20mm。這在圓周上產生均勻連續并最大程度地降低通過壁的熱損失的 氣體膜。
[0033] 優選地，氣體進口孔，下文稱為洞口，布置在反應器壁的水平面中（=氣體進口孔 排或洞口排）（見圖4)。
[0034] 洞口排的另一個實施方案為洞口以螺旋形式布置在圓周上（參見圖6)。但是，也 可想到在一個反應器中多種洞口排的組合。
[0035] 在反應器壁中提供單獨排或多排的洞口，任選垂直偏移的洞口排。
[0036] 尤其是，沿周邊方向彼此之間相互偏移的洞口排產生連續的壁膜（參見圖5和圖 7)。
[0037] 優選2至4排洞口的組合以形成洞口區塊，更優選地2-3排洞口（參見圖7)。
[0038] 在各種情況下，相鄰洞口排之間的垂直距離"b"優選地為最大5個參考洞口直徑 (參見圖5)。
[0039] 下文適用于此處：
[0040] 參考洞口直徑=反應器垂直壁中所有單個洞口的平均水力直徑
[0041]
[0042] 其中
[0043]