生产电子级多晶硅的方法

摘要

本发明公开了生产电子级多晶硅的方法。该方法包括：(1)在多晶硅还原炉内设置多圈硅棒，其中，内圈硅棒采用低电阻硅芯，中圈硅棒和/或外圈硅棒采用高电阻硅芯；(2)向所述内圈硅棒施加第一电压、以高压击穿的方式通电，并向所述多晶硅还原炉中通入三氯氢硅和氢气，进行第一阶段反应，在所述内圈硅棒上沉积得到第一多晶硅产品；(3)向所述中圈硅棒和/或外圈硅棒施加第二电压，持续向所述多晶硅还原炉中通入三氯氢硅和氢气，进行第二阶段反应，在所述中圈硅棒和/或外圈硅棒上沉积得到第二多晶硅产品。该方法可显著降低多晶硅产品中的杂质含量，生产得到高品质的多晶硅产品。

权利要求

1.一种生产电子级多晶硅的方法，其特征在于，包括：

(1)在多晶硅还原炉内设置多圈硅棒，其中，内圈硅棒采用低电阻硅芯，中圈硅棒和/或外圈硅棒采用高电阻硅芯；

(2)向所述内圈硅棒施加第一电压、以高压击穿的方式通电，并向所述多晶硅还原炉中通入三氯氢硅和氢气，进行第一阶段反应，在所述内圈硅棒上沉积得到第一多晶硅产品；

(3)向所述中圈硅棒和/或外圈硅棒施加第二电压，持续向所述多晶硅还原炉中通入三氯氢硅和氢气，进行第二阶段反应，在所述中圈硅棒和/或外圈硅棒上沉积得到第二多晶硅产品；

所述第一电压为6000～13000V，所述第二电压为50～130V；

所述第一阶段反应中，三氯氢硅流量为50～200kg/h，氢气流量为3～10kg/h，持续时间为1～5h；

所述第二阶段反应中，三氯氢硅流量为1000～2200kg/h，氢气流量为40～120kg/h，持续时间为100～150h；

所述内圈硅棒采用方形切割硅芯，所述内圈硅棒的边长为0.7～1.5cm；所述中圈硅棒和/或外圈硅棒采用圆形硅芯。

2.根据权利要求1所述的生产电子级多晶硅的方法，其特征在于，所述内圈硅棒包括3对，所述外圈硅棒包括6对。

3.根据权利要求1所述的生产电子级多晶硅的方法，其特征在于，所述内圈硅棒包括3对，所述中圈硅棒包括6对，所述外圈硅棒包括9对。

4.根据权利要求2或3所述的生产电子级多晶硅的方法，其特征在于，所述内圈硅棒采用独立供电，且每对硅棒各采用1相供电。

5.根据权利要求1所述的生产电子级多晶硅的方法，其特征在于，所述低电阻硅芯的电阻率为5～20ohm·cm，所述高电阻硅芯的电阻率为1000～6000ohm·cm。

说明书

生产电子级多晶硅的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及多晶硅生产技术领域，具体而言，本发明涉及生产电子级多晶硅的方法。

背景技术

[0002] 电子级多晶硅主流的生产方法为改良西门子法，该方法利用提纯后的三氯氢硅和氢气在一定温度压力条件下，在多晶硅还原炉内预先放置的硅芯(未沉积多晶硅的硅棒)表面进行化学气相沉积生成硅棒。在此过程中，硅芯和不断长大的硅棒表面温度需要控制在1000～1100℃左右，常规的解决办法是通电以提供相应的能量。但是硅为半导体材料，在常温下电阻接近无穷大，没有办法对其直接通电，常用的解决办法是用加热灯将其温度提高至300～400℃形成导体后通电。但是常用的加热灯为石英材质，在使用过程中存在放入和取出的过程，这带来了将杂质引入还原炉内高纯环境的巨大风险，有可能导致多晶硅产品纯度不足。

[0003] 综上所述，现有的电子级多晶硅生产方法仍有待改进。

发明内容

[0004] 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生产电子级多晶硅的方法。该方法可显著降低多晶硅产品中的杂质含量，生产得到高品质的多晶硅产品。

[0005] 在本发明的一个方面，本发明提出了一种生产电子级多晶硅的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)在多晶硅还原炉内设置多圈硅棒(例如2圈或3圈等)，其中，内圈硅棒采用低电阻硅芯，中圈硅棒和/或外圈硅棒采用高电阻硅芯；(2)向所述内圈硅棒施加第一电压、以高压击穿的方式通电，并向所述多晶硅还原炉中通入三氯氢硅和氢气，进行第一阶段反应，在所述内圈硅棒上沉积得到第一多晶硅产品；(3)向所述中圈硅棒和/或外圈硅棒施加第二电压，持续向所述多晶硅还原炉中通入三氯氢硅和氢气，进行第二阶段反应，在所述中圈硅棒和/或外圈硅棒上沉积得到第二多晶硅产品。

[0006] 根据本发明上述实施例的生产电子级多晶硅的方法中，多晶硅还原炉内的硅棒布局方式为内圈硅棒采用低电阻硅芯，中圈硅棒和/或外圈硅棒采用高电阻硅芯。在启炉阶段，首先采用第一电压将内圈硅棒击穿，使其表面温度达到多晶硅沉积所需温度。随着第一阶段反应的进行，第一多晶硅产品沉积在内圈硅棒的表面，并通过热辐射提高炉内整体温度，使中圈硅棒和/或外圈硅棒的温度达到在较低电压下可导电的范围。后续，向中圈硅棒和/或外圈硅棒施加第二电压，使其表面温度达到多晶硅沉积所需温度。随着第二阶段反应的进行，获得第二多晶硅产品。

[0007] 在多晶硅生产中，还原炉为间歇性生产，在装炉的过程中不可避免地会对炉内壁、底盘等部位造成污染，即使采用高规格的清洁技术也无法完全避免，因此通常电子级多晶硅生产中，会发现最初沉积在硅芯上的多晶硅纯度最低，这是由于还原炉内约60％～80％的初始杂质在初始反应阶段一同进入了多晶硅产品。本发明通过采用内圈硅棒与中圈硅棒和/或外圈硅棒分阶段通电反应的反式，使还原炉内初始杂质集中沉积在内圈硅棒上，从而可以显著提高中圈硅棒和/或外圈硅棒沉积得到的产品纯度。产品处理时，内圈硅棒沉积得到第一多晶硅产品可作为低等级电子级或光伏级多晶硅使用，中圈硅棒和/或外圈硅棒沉积得到的第二多晶硅产品则作为高纯度电子级多晶硅使用，其中，施主和受主杂质含量较常规方法生产得到的产品可下降10％～30％，施主杂质含量低于10ppta，受主杂质含量低于8ppta。

[0008] 另外，根据本发明上述实施例的生产电子级多晶硅的方法还可以具有如下附加的技术特征：

[0009] 在本发明的一些实施例中，所述内圈硅棒包括3对，所述外圈硅棒包括6对。

[0010] 在本发明的一些实施例中，所述内圈硅棒包括3对，所述中圈硅棒包括6对，所述外圈硅棒包括9对。

[0011] 在本发明的一些实施例中，所述低电阻硅芯的电阻率为5～20ohm·cm，所述高电阻硅芯的电阻率为1000～6000ohm·cm。

[0012] 在本发明的一些实施例中，所述内圈硅棒采用方形切割硅芯，所述内圈硅棒的边长为0.7～1.5cm；所述中圈硅棒和/或外圈硅棒采用圆形硅芯。

[0013] 在本发明的一些实施例中，所述第一电压为6000～13000V，所述第二电压为50～130V。

[0014] 在本发明的一些实施例中，所述内圈硅棒采用独立供电，且每对硅棒各采用1相供电。

[0015] 在本发明的一些实施例中，所述第一阶段反应中，三氯氢硅流量为50～200kg/h，氢气流量为3～10kg/h，持续时间为1～5h。

[0016] 在本发明的一些实施例中，所述第二阶段反应中，三氯氢硅流量为1000～2200kg/h，氢气流量为40～120kg/h，持续时间为100～150h。

[0017] 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

[0018] 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：

[0019] 图1是根据本发明一个实施例的9对棒多晶硅还原炉中硅棒布局的示意图。

具体实施方式

[0020] 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。

[0021] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“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。

[0022] 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。

[0023] 在本发明的一个方面，本发明提出了一种生产电子级多晶硅的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)在多晶硅还原炉内设置多圈硅棒，其中，内圈硅棒采用低电阻硅芯，中圈硅棒和/或外圈硅棒采用高电阻硅芯；(2)向内圈硅棒施加第一电压、以高压击穿的方式通电，并向多晶硅还原炉中通入三氯氢硅和氢气，进行第一阶段反应，在内圈硅棒上沉积得到第一多晶硅产品；(3)向中圈硅棒和/或外圈硅棒施加第二电压，持续向多晶硅还原炉中通入三氯氢硅和氢气，进行第二阶段反应，在中圈硅棒和/或外圈硅棒上沉积得到第二多晶硅产品。该方法可显著降低多晶硅产品中的杂质含量，生产得到高品质的多晶硅产品。

[0024] 下面进一步对根据本发明实施例的生产电子级多晶硅的方法进行详细描述。

[0025] 本发明提出的生产电子级多晶硅的方法适用于多种硅棒布局的多晶硅还原炉，例如9对硅棒还原炉、18对硅棒还原炉等。对于9对硅棒还原炉，其包括2圈硅棒，即3对内圈硅棒和6对外圈硅棒(如图1所示，图1中：A‑内圈硅棒，B‑外圈硅棒)；对于18对硅棒还原炉，其包括3对内圈硅棒、6对中圈硅棒和9对外圈硅棒。

[0026] 根据本发明的一些实施例，上述低电阻硅芯的电阻率可以为5～20ohm·cm(例如5ohm·cm、10ohm·cm、15ohm·cm、20ohm·cm等)，上述高电阻硅芯的电阻率可以为1000～
6000ohm·cm(例如1000ohm·cm、2000ohm·cm、3000ohm·cm、4000ohm·cm、5000ohm·cm、
6000ohm·cm等)。由此，采用低电阻硅芯形成的内圈硅棒易于被高电压击穿，快速达到反应所需温度，并通过热辐射给中圈硅棒和/或外圈硅棒加热。

[0027] 根据本发明的一些实施例，内圈硅棒采用方形切割硅芯，内圈硅棒的边长为0.7～1.5cm；中圈硅棒和/或外圈硅棒采用圆形硅芯。方形切割硅芯的成本较低，且初始生长速度高于圆形硅芯，能够在较短时间内沉积得到较粗的硅棒，为炉内提供更多的热辐射，加快中圈硅棒和/或外圈硅棒的升温速度。

[0028] 根据本发明的一些实施例，上述第一电压可以为6000～13000V，上述第二电压可以为50～130V。通过控制第一电压在上述范围，可以有效地将低电阻硅芯击穿，以便进行第一阶段沉积反应，并对中圈硅棒和/或外圈硅棒进行热辐射。进一步地，后续第二阶段反应中，采用相对较低的第二电压进行第二阶段反应，即可获得高纯度的电子级多晶硅产品。

[0029] 另外，发明人发现，由于多晶硅还原炉采用交流电，需要3相负载间平衡，现有的供电方式并不能满足本发明启炉工艺的要求。根据本发明的一些实施例，本发明的技术方中，3对内圈硅棒采用独立供电，且每对硅棒各采用1相供电。对于内圈硅棒之外的6对或18对硅棒，则采用另外的供电，也平均分为3相供电，以满足负载平衡要求。

[0030] 根据本发明的一些实施例，上述第一阶段反应中，三氯氢硅流量为50～200kg/h，氢气流量为3～10kg/h，持续时间为1～5h。由于还原炉为间歇性生产，在装炉的过程中不可避免地会对炉内壁、底盘等部位造成污染，即使采用高规格的清洁技术也无法完全避免，因此通常电子级多晶硅生产中，会发现最初沉积在硅芯上的多晶硅纯度最低，这是由于还原炉内约60％～80％的初始杂质在初始反应阶段一同进入了多晶硅产品。通过在上述条件下进行第一阶段反应，可以使还原炉内初始杂质集中沉积在内圈硅棒上，内圈硅棒上沉积的多晶硅本身是作为低等级产品利用的，此杂质并不影响其产品质量，而内圈硅棒将此部分初始杂质吸附后可有效提高炉内环境纯度，后续在第二阶段反应中，可以显著提高中圈硅棒和/或外圈硅棒沉积得到的产品纯度。

[0031] 根据本发明的一些实施例，上述第二阶段反应中，三氯氢硅流量为1000～2200kg/h，氢气流量为40～120kg/h，持续时间为100～150h。如上所述，第一阶段反应完成后，中圈硅棒和/或外圈硅棒被加热至可导电的温度，且还原炉内的初始杂质已沉积至内圈硅棒。由此，通过在上述条件下进行第二阶段反应，可以高纯度的电子级多晶硅产品。

[0032] 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。

[0033] 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。