專利名稱：一種晶體硅沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于硅提純技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種晶體硅的沉積方法。
背景技術(shù)：
目前，硅烷法是常用的晶體硅生產(chǎn)方法。硅烷法是采用硅烷在反應(yīng)器中高溫分解沉積晶體硅。其有兩種實(shí)現(xiàn)方式(1)流化床法在流化床反應(yīng)器內(nèi)，在硅籽晶顆粒表面上沉積生成粒狀多晶硅；( 新硅烷法在鐘罩式反應(yīng)器內(nèi)，在硅籽晶桿上沉積生產(chǎn)棒狀多晶娃。流化床法的熱效率高，生產(chǎn)成本低。但是多晶硅生長(zhǎng)速率慢、一次轉(zhuǎn)換效率低，還原溫度高、能耗高、產(chǎn)量低。并且由于粒狀多晶硅比表面積大，容易被污染，產(chǎn)品的純度低， 需要與其他的純化方法結(jié)合來(lái)進(jìn)一步提高硅的純度。后來(lái)出現(xiàn)了新硅烷法。新硅烷法中，硅烷碰撞到高溫的硅籽晶桿，熱分解成硅和氫氣，硅沉積在硅籽晶桿上。待沉積完畢后，取出硅籽晶桿(即硅棒)即得高純棒狀多晶硅。新硅烷法，不需要結(jié)合其他方法來(lái)提純硅的純度，硅烷易提純，硅烷中含硅量較高 (87.5%)，產(chǎn)率高。生產(chǎn)成閉路循環(huán)，幾乎無(wú)副產(chǎn)物排出；熱分解溫度低、耗電少，原料消耗低。但是，在新硅烷法中，硅烷氣體達(dá)到一定的溫度，會(huì)自發(fā)發(fā)生均相反應(yīng)。即硅烷氣體會(huì)自發(fā)分解，在氣相中直接生成硅粒子和氫氣。這種均相反應(yīng)會(huì)嚴(yán)重降低最終產(chǎn)品質(zhì)量以及產(chǎn)率。所以亟待提高多晶硅的純度以及產(chǎn)率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有技術(shù)中，硅烷沉積晶體硅的純度低，產(chǎn)率低的問(wèn)題，從而提供一種純度高、產(chǎn)率高的晶體硅沉積方法。一種晶體硅沉積方法，其包括如下步驟(1)等離子化將原料氣體等離子化，形成等離子氣流；所述原料氣體包括硅烷氣體；(2)分離將所述等離子氣流通入到磁場(chǎng)中分離，形成氣流I和氣流II ；所述氣流 I帶正電荷，所述氣流II帶負(fù)電荷；(3)沉積將所述氣流I、II分別導(dǎo)入鐘罩式反應(yīng)器I、II中沉積。本發(fā)明的方法，有效抑制了沉積過(guò)程中的均相反應(yīng)，減少氣相中硅粒子的產(chǎn)生，使硅烷的利用率提高，提高了硅烷的轉(zhuǎn)化效率，降低了方法的循環(huán)成本從而所制備的晶體硅的純度以及產(chǎn)率均有了大幅的提高。


圖1是本發(fā)明的流程圖。
圖2是本發(fā)明磁場(chǎng)分離器的示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。一種晶體硅沉積方法，其包括如下步驟(1)等離子化將原料氣體等離子化，形成等離子氣流；所述原料氣體包括硅烷氣體；(2)分離將所述等離子氣流通入到磁場(chǎng)中分離，形成氣流I和氣流II ；所述氣流 I帶正電荷，所述氣流II帶負(fù)電荷；(3)沉積將所述氣流I、II分別導(dǎo)入鐘罩式反應(yīng)器I、II中沉積。本發(fā)明的原料氣體的主要成分為硅烷氣體，可以是純的硅烷氣體，當(dāng)然也可以含有其他不影響硅沉積的其他氣體。優(yōu)選情況下，本發(fā)明的原料氣體中還包括氫氣。這樣，可以使原料氣體更容易等離子化，同時(shí)稀釋了沉積時(shí)硅烷的濃度，使硅烷的利用率提高，并且氫氣還可以帶走均相反應(yīng)產(chǎn)生的硅粒子，避免污染沉積的硅。同時(shí)氫氣還可以增加氣體的流量，增加氣體在硅籽晶桿上的湍動(dòng)情況，從而有效消除邊界層。同時(shí)提高硅烷的利用率。原料氣體中硅烷氣體與氫氣的摩爾比優(yōu)選為5 1 1 2，更優(yōu)選為2 1 1 1。這樣既可以避免氫氣過(guò)多，使生產(chǎn)效率下降，也避免了大量氫氣對(duì)硅籽晶桿表面溫度的波動(dòng)。又可以使硅烷的利用率高，同時(shí)消除邊界層。為了增強(qiáng)沉淀硅的純度，本發(fā)明優(yōu)選硅烷氣體的純度優(yōu)選大于99. 999wt%，氫氣的純度大于99. 999wt%。其中，等離子化為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，其目的是將氣體分子會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎x子、負(fù)離子、電子、自由基等活性較高的反應(yīng)粒子?！阃ǔ２捎萌缦卵b置來(lái)實(shí)現(xiàn)原料氣體的等離子化介質(zhì)阻擋放電等離子體裝置、電暈放電等離子體裝置、輝光放電等離子體裝置、微波放電等離子體裝置、射頻放電等離子體裝置等。本發(fā)明優(yōu)選微波放電等離子體裝置。更優(yōu)選其微波的功率為400 600W，頻率為 2. 45GHz。從等離子裝置處理的等離子氣流的流速一般在lX105 106m/s。步驟(2)將從等離子裝置出來(lái)的高速等離子氣流，直接通入到磁場(chǎng)中分離，在磁場(chǎng)的作用下，將等離子氣流中正負(fù)電荷粒子分開(kāi)，形成氣流I和氣流II。氣流I含有帶正電荷粒子，氣流II含有帶負(fù)電荷粒子。當(dāng)然，氣流I、II中都含有大量的中性分子以及自由基。當(dāng)?shù)入x子氣流進(jìn)入磁場(chǎng)中，等離子氣流中的帶正負(fù)電荷粒子在磁場(chǎng)的作用下，即受到洛倫茲力的影響。由于帶正負(fù)電荷的粒子的洛倫茲力的方向相反，從而使帶正負(fù)電荷的粒子的運(yùn)動(dòng)路徑產(chǎn)生偏離，從而達(dá)到分離的效果。而電中性的粒子的運(yùn)動(dòng)不受影響，隨機(jī)
4被分離。本發(fā)明優(yōu)選磁場(chǎng)的強(qiáng)度為0. 005 0. OlT0本發(fā)明優(yōu)選采用如下磁場(chǎng)分離器來(lái)實(shí)現(xiàn)如圖2所示，磁場(chǎng)分離器具有以“Y”型空腔，該空腔具有一個(gè)進(jìn)氣口 1以及兩個(gè)出氣口 2、3，一個(gè)進(jìn)氣口 1位于空腔的一端，與等離子裝置的出口連接。等離子氣流從進(jìn)氣口 1進(jìn)入空腔。空腔中間區(qū)域存在均勻的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)寬度大于進(jìn)氣口的寬度。兩個(gè)出氣口 2、3位于空腔的另外一端。氣流I以及氣流II分別從兩個(gè)出氣口流出。當(dāng)然，通過(guò)洛倫茲力R = mv/qB、以及根據(jù)粒子的飛行軌跡計(jì)算得到的符合條件的其他磁場(chǎng)強(qiáng)度以及磁場(chǎng)分離器的直徑、長(zhǎng)度也可以達(dá)到分離的目的。步驟(3)，將分離后的氣流I和氣流II分別導(dǎo)入鐘罩式反應(yīng)器I、II中沉積。即將氣流I導(dǎo)入鐘罩式反應(yīng)器I中沉積，將氣流II導(dǎo)入鐘罩式反應(yīng)器II中沉積。其中，鐘罩式反應(yīng)器為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的裝置。在鐘罩式反應(yīng)器中，在底盤(pán)的兩個(gè)電極之間安裝有三根硅籽晶桿，形成“Π”形電流回路。其中兩端的硅籽晶桿用石墨卡瓣或石墨錐筒夾持。沉積反應(yīng)之前，先對(duì)鐘罩式反應(yīng)器進(jìn)行氮?dú)獯祾摺錃庵脫Q，然后將硅籽晶桿預(yù)熱一段時(shí)間，后用3000 5000V的高壓擊穿使其成為導(dǎo)體；或者氫氣置換后直接在常溫下用 12000V高壓擊穿。當(dāng)硅籽晶桿擊穿后，通過(guò)硅籽晶桿的電流產(chǎn)生的電阻熱，使硅籽晶桿升溫，優(yōu)選控制硅籽晶桿的溫度為800 1100°C，硅籽晶桿的溫度即沉積的溫度。當(dāng)溫度達(dá)到時(shí)，然后通入氣流。沉積過(guò)程中，優(yōu)選保持整個(gè)反應(yīng)器的壓強(qiáng)(即沉積的壓強(qiáng))為5 20mmHg，更優(yōu)選為 10 15mmHg0沒(méi)有反應(yīng)的硅烷氣體以及氫氣會(huì)從鐘罩式反應(yīng)器的尾氣出口排除。當(dāng)沉積完畢后，將硅籽晶桿取出，即得高純晶體硅。當(dāng)硅烷氣體達(dá)到一定的溫度，即發(fā)生均相反應(yīng)。即硅烷氣體會(huì)自發(fā)分解，在氣相中直接生成硅粒子和氫氣。這種均相反應(yīng)會(huì)嚴(yán)重降低最終產(chǎn)品質(zhì)量以及產(chǎn)率。本發(fā)明的發(fā)明人通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)研究以及分析得知，這是因?yàn)樯傻墓枇Ｗ訒?huì)懸浮在硅烷氣體中，并且顆粒較小，為亞微米級(jí)顆粒。并且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硅粒子會(huì)成為新的分解沉積的核心，即硅烷在硅粒子表面分解沉積。這樣，氣相中懸浮的硅粒子愈來(lái)愈多，硅粒子的直徑愈來(lái)愈大。由于懸浮在氣相中的硅粒子，其比表面積大，容易吸附雜質(zhì)，純度低。一些較大的硅粒子落在硅籽晶桿上，這既影響硅籽晶桿的表面形態(tài)，從而使硅不能在很好的、有序的在硅籽晶桿沉積。并且會(huì)降低硅籽晶桿的純度，降低最終產(chǎn)品的品質(zhì)。還有懸浮硅粒子還容易附著在反應(yīng)器的內(nèi)壁上，由于反應(yīng)器內(nèi)壁溫度相對(duì)較低。當(dāng)附著到一定厚度，內(nèi)壁上的硅粒子也會(huì)脫落掉到硅籽晶桿上，從而產(chǎn)生嚴(yán)重污染。氣相中硅粒子的生成必然影響硅在硅籽晶桿上的沉積速度，降低生產(chǎn)效率，并且不能使硅全部沉積在硅籽晶桿上，會(huì)降低高純硅的產(chǎn)率。本發(fā)明的發(fā)明人意外發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的方法可以有效提高硅的純度以及硅的轉(zhuǎn)化率。這是因?yàn)槭紫?，本發(fā)明將帶正負(fù)電荷的粒子的氣流分開(kāi)分別沉積，由于同種電荷的相互排斥性，所以降低了粒子與粒子之間中在空氣中碰撞，從而降低了因碰撞帶來(lái)的均相反應(yīng)，抑制氣相硅粒子的產(chǎn)生。由于硅籽晶桿與外接交流電壓連接，所以帶電荷的粒子在硅籽晶桿上沉積反應(yīng)，其所帶電荷被導(dǎo)出，不會(huì)造成電荷的積累，使反應(yīng)可以持續(xù)進(jìn)行。最終導(dǎo)致沉積在硅籽晶桿上的硅的純度以及產(chǎn)率。第二，本發(fā)明采用的活性較高的等離子體，作為沉積的原料，增加了沉積的效率。本發(fā)明的方法不僅提高了硅棒的純度，降低了硅烷的損失，而且同時(shí)由于硅烷的等離子體化，提高了硅烷的一次轉(zhuǎn)化率，降低了循環(huán)成本。以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。實(shí)施例1將硅烷氣體與氫氣以摩爾比1 1混合，以5L/min的流速通入微波放電等離子裝置，控制其功率為500W，頻率為2. 45GHz。然后將從微波放電等離子裝置中出來(lái)的等離子氣流，直接引入磁場(chǎng)分離器中。該磁場(chǎng)分離器中磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在0. 005T,磁場(chǎng)分離器具有以“Y”型空腔，該空腔具有一個(gè)進(jìn)氣口以及兩個(gè)出氣口，一個(gè)進(jìn)氣口位于空腔的一端，與等離子裝置的出口連接。等離子氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入空腔。空腔內(nèi)存在均勻的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)區(qū)域長(zhǎng)1. !!,寬0.細(xì)。兩個(gè)出氣口位于空腔的另外一端。氣流I以及氣流II分別從兩個(gè)出氣口流出。再將氣流I以及氣流II通入鐘罩式反應(yīng)器之前，先對(duì)鐘罩式反應(yīng)器進(jìn)行氮?dú)獯祾摺錃庵脫Q，然后將硅籽晶桿預(yù)熱到800°C，后用5000V的高壓擊穿使其成為導(dǎo)體。當(dāng)硅籽晶桿的溫度達(dá)到850°C時(shí)，將分離出來(lái)的氣流I、II引入到上述處理過(guò)的鐘罩式反應(yīng)器I、II中，控制硅籽晶桿的溫度為850°C，保持氣壓lOmmHg。待沉積完畢后，將硅籽晶桿從鐘罩式反應(yīng)器中取出，即得到高純硅。記作Al。Al 表面呈銀灰色，無(wú)彩虹般花紋，其斷面致密，無(wú)明顯夾層。對(duì)比例1先對(duì)鐘罩式反應(yīng)器進(jìn)行氮?dú)獯祾?、氫氣置換，然后將硅籽晶桿預(yù)熱達(dá)到800°C，后用5000V的高壓擊穿使其成為導(dǎo)體。當(dāng)硅籽晶桿的溫度達(dá)到850°C后，再將硅烷氣體與氫氣以摩爾比1 1混合，以 5L/min的流速通入鐘罩式反應(yīng)器中，沉積過(guò)程中控制硅籽晶桿的溫度為850°C，并保持鐘罩式反應(yīng)器內(nèi)的壓強(qiáng)為lOmmHg。待沉積完畢后，將硅籽晶桿從鐘罩式反應(yīng)器中取出，即得到高純硅。記作AC1。ACl 表面呈銀灰色，無(wú)彩虹般花紋，硅棒的頂部有菌狀物生成。實(shí)施例2與實(shí)施例1所不同的是硅烷氣體與氫氣以摩爾比1 2混合，其他部分同實(shí)施例 1。得到高純硅記作A2。實(shí)施例3與實(shí)施例1所不同的是硅烷氣體與氫氣以摩爾比5 1混合，其他部分同實(shí)施例 1。得到高純硅記作A3。實(shí)施例4與實(shí)施例1所不同的是原料氣體中不含氫氣，為純硅烷氣體；其他部分同實(shí)施例 1。得到高純硅記作A4。實(shí)施例5
與實(shí)施例1所不同的是控制硅籽晶桿的溫度為1100°C，保持氣壓15mmHg。其他部分同實(shí)施例1。得到高純硅記作A5。性能測(cè)試硅的純度測(cè)試采用等離子電感耦合質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)量硅A1-A5以及ACl的純度，測(cè)試結(jié)果如表1。表 權(quán)利要求
1.一種晶體硅沉積方法，其包括如下步驟(1)等離子化將原料氣體等離子化，形成等離子氣流；所述原料氣體包括硅烷氣體；(2)分離將所述等離子氣流通入到磁場(chǎng)中分離，形成氣流I和氣流II；所述氣流I帶正電荷，所述氣流II帶負(fù)電荷；(3)沉積將所述氣流I、II分別導(dǎo)入鐘罩式反應(yīng)器I、II中沉積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體硅沉積方法，其特征在于所述原料氣體還包括氫氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶體硅沉積方法，其特征在于所述原料氣體中硅烷氣體和氫氣的摩爾比為5 1 1 2。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶體硅沉積方法，其特征在于所述硅烷氣體的純度大于 99. 999wt %，所述氫氣的純度大于99. 999wt %。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體硅沉積方法，其特征在于在步驟(1)等離子化過(guò)程中， 所述原料氣體的流量為2 lOL/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體硅沉積方法，其特征在于所述等離子裝置為微波放電等離子裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的晶體硅沉積方法，其特征在于所述等離子裝置的功率控制在 400 600W。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體硅沉積方法，其特征在于步驟( 中，所述磁場(chǎng)的強(qiáng)度為 0. 005 0. OlT0
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體硅沉積方法，其特征在于步驟C3)中，所述沉積的溫度為 800 IlOO0Co
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體硅沉積方法，其特征在于步驟(3)中，所述沉積的壓強(qiáng)為5 20mmHg。
全文摘要
本發(fā)明屬于硅提純技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種晶體硅的沉積方法。該方法包括將原料氣體等離子化，然后通入到磁場(chǎng)中分離，形成氣流I和氣流II；氣流I帶正電荷，氣流II帶負(fù)電荷；再將氣流I、II分別導(dǎo)入鐘罩式反應(yīng)器I、II中沉積；所述原料氣體包括硅烷氣體。本發(fā)明的方法，有效抑制了沉積過(guò)程中的均相反應(yīng)，減少氣相中硅粒子的產(chǎn)生，使硅烷的利用率提高，提高了硅烷的轉(zhuǎn)化效率，降低了方法的循環(huán)成本，從而所制備的晶體硅的純度以及產(chǎn)率均有了大幅的提高。
文檔編號(hào)C01B33/027GK102344140SQ20101024445
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者周勇, 安榮玲 申請(qǐng)人:比亞迪股份有限公司