CN114455587B - 一种高纯多晶硅生产装置和方法 - Google Patents

Abstract

为克服改良西门子法硅棒通电加热存在温差，多晶硅生长厚度受限的问题，本发明提供了一种高纯多晶硅生产装置，包括底盘、至少一个硅芯、第一柱面电极板、第二柱面电极板、至少一个等离子加热器和驱动组件，所述底盘设置在所述第一柱面电极板和所述第二柱面电极板之间，所述底盘上设置有至少一个卡槽，所述硅芯设置于所述卡槽内；所述等离子加热器用于喷射携带硅源气体的高温等离子气体，且所述等离子加热器设置于所述驱动组件上，所述驱动组件用于驱动所述等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线转动。同时，本发明还提供了一种多晶硅生产方法，本发明提供的多晶硅生产方法和装置克服了硅棒通电加热存在温差的劣势，摆脱了多晶硅生长厚度的限制。

Description

一种高纯多晶硅生产装置和方法

技术领域

本发明属于多晶硅制备技术领域，具体涉及一种高纯多晶硅生产装置和方法。

背景技术

多晶硅是高科技产品的重要原材料，广泛应用于半导体和光伏行业。目前，多晶硅的工业生产方法主要有改良西门子法、硅烷法和气液沉积法。其中，改良西门子法是国内外生产多晶硅的主要方法，其核心工艺是将三氯氢硅和氢气通入钟罩式多晶硅还原炉，在通电加热至1100℃左右的硅芯/硅棒表面反应沉积生长成多晶硅棒。由于热力学限制，硅棒表面和中心的温差会随着硅棒直径增大而增大。为了使硅棒表面温度维持在1100℃的反应温度，硅棒中心的温度必须远高于1100℃，并且随着硅棒直径增长持续升高，当硅棒中心温度达到硅熔点1410℃时，硅棒会因熔断而不得不停炉。这直接限制了硅棒上多晶硅的生长厚度上限，影响多晶硅产能，也给生产带来了潜在风险。

发明内容

针对现有改良西门子法硅棒通电加热存在温差，多晶硅生长厚度受限的问题，本发明提供了一种高纯多晶硅生产方法及***。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种高纯多晶硅生产装置，包括底盘、至少一个硅芯、第一柱面电极板、第二柱面电极板、至少一个等离子加热器和驱动组件，所述底盘设置在所述第一柱面电极板和所述第二柱面电极板之间，所述底盘上设置有至少一个卡槽，所述硅芯设置于所述卡槽内；所述等离子加热器用于喷射携带硅源气体的高温等离子气体，且所述等离子加热器设置于所述驱动组件上，所述驱动组件用于驱动所述等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线转动。

可选的，所述驱动组件包括旋转电机和旋转盘，所述旋转电机与所述旋转盘连接；所述旋转盘设置在所述底盘上方，所述等离子加热器设置在所述旋转盘上。

可选的，所述底盘上设置有一个卡槽，所述旋转盘带动所述等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线，以所述硅芯为起点旋转一周。

可选的，所述底盘上设置有多个卡槽，多个所述卡槽沿所述底盘的径向方向间隔设置；所述旋转盘上设置有多个等离子加热器，多个所述等离子加热器沿所述旋转盘的径向方向间隔设置，多个所述等离子加热器一一对应设置在多个所述卡槽一侧，所述旋转盘带动多个所述等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线，以对应的所述硅芯为起点旋转一周。

可选的，所述底盘上设置有多个卡槽，多个所述卡槽沿所述底盘的周向方向间隔设置；所述旋转盘上设置有多个等离子加热器，多个所述等离子加热器沿所述旋转盘的周向方向间隔设置，多个所述等离子加热器一一对应设置在多个所述卡槽一侧，所述旋转盘带动多个所述等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线，以一个所述硅芯为起点旋转至相邻的所述硅芯处。

可选地，所述底盘上设置有多个卡槽，多个所述卡槽分别沿所述底盘的周向和径向方向上间隔设置。所述旋转盘上设置有多个等离子加热器，多个所述等离子加热器分别沿所述旋转盘的周向和径向方向上间隔设置，多个所述等离子加热器一一对应设置在多个所述卡槽一侧。

可选的，所述等离子加热器包括进气室、等离子体生成室和出射室，所述进气室与所述等离子体生成室连通，所述等离子体生成室与所述出射室连通，所述出射室上设置有喷射口，所述喷射口设置在所述出射室朝向所述硅芯的一侧。

可选的，所述底盘呈环形，所述底盘套设在所述第一柱面电极板外周，所述第二柱面电极板套设在所述底盘外周。

另一方面，本发明提供了一种高纯多晶硅生产方法，所述多晶硅生产方法应用于上述任意一项所述的高纯多晶硅生产装置中，包括以下操作步骤：

将硅芯放置在底盘上，驱动组件驱动等离子加热器旋转至硅芯一侧；

等离子加热器向硅芯表面喷射携带硅源气体的高温等离子气体，所述硅芯表面生长硅晶体；

驱动组件驱动等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线转动，所述携带硅源气体的高温等离子气体所在区域形成多晶硅生成局部反应区，所述局部反应区内生成柱面硅生长基；

等离子加热器从第一柱面电极板和第二柱面电极板之间移出，第一柱面电极板和第二柱面电极板通电，所述柱面硅生长基作为电介质被加热，向第一柱面电极板和第二柱面电极板之间通入硅源气体，柱面硅生长基向所述第一柱面电极板和/或所述第二柱面电极板方向延伸沉积生长多晶硅，得到柱形硅。

可选的，所述底盘上设置有多个卡槽，所述等离子加热器为多个时，多个所述卡槽沿所述底盘的径向方向间隔设置；所述驱动组件驱动多个等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线，以对应的所述硅芯为起点旋转，所述局部反应区内生成的柱面硅生长基以所述底盘的中心轴为轴线间隔设置；

和/或，多个所述卡槽沿所述底盘的周向方向间隔设置；所述驱动组件驱动多个等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线，自一个硅芯一侧旋转至相邻硅芯的一侧。

根据本发明提供的高纯多晶硅生产装置和方法，通过驱动组件驱动等离子加热器旋转，同时喷射携带硅源气体的高温等离子气体，从而控制多晶硅的生长方向。通过向第一柱面电极板和第二柱面电极板通入高频交流电源，第一柱面电极板和第二柱面电极板之间形成高频电场，置于第一柱面电极板和第二柱面电极板之间的柱面硅生长基作为电介质将被快速均匀加热。即采用加热均匀易控的电介质加热方式，克服了改良西门子法硅棒通电加热存在温差的劣势，摆脱了多晶硅生长厚度的限制，也减小了多晶硅熔断的潜在生产风险，并且响应速度快，温度容易控制。同时，驱动组件驱动等离子加热器以底盘的中心轴为轴线转动，等离子加热器喷射携带硅源气体的高温等离子气体形成局部反应区，从而得到柱面硅生长基，柱面硅生长基代替硅棒式生长方法，生长反应区面积增大，多晶硅生长速度加快，提升产能。

附图说明

图1是本发明提供的高纯多晶硅生产装置的结构示意图；

图2是本发明提供的柱面硅生长基形成时的高纯多晶硅生产装置的示意图；

图3是本发明提供的柱形硅形成时的高纯多晶硅生产装置的结构示意图；

图4是本发明提供的高纯多晶硅生产装置的等离子加热器的结构示意图；

图5是本发明一实施例提供的高纯多晶硅生产装置中设置一个硅芯时柱形硅生成阶段的俯视示意图；

图6是本发明另一实施例提供的高纯多晶硅生产装置中底盘的周向方向上间隔设置硅芯时柱形硅生成阶段的俯视示意图；

图7是本发明另一实施例提供的高纯多晶硅生产装置中底盘的径向方向上间隔设置硅芯时柱形硅生成阶段的俯视示意图；

图8是本发明另一实施例提供的高纯多晶硅生产装置中底盘的周向方向和径向方向上均间隔设置硅芯时柱形硅生成阶段的俯视示意图。

说明书附图中的附图标记如下：

1、底盘；11、卡槽；

2、硅芯；

3、第一柱面电极板；

4、第二柱面电极板；

5、等离子加热器；51、进气室；52、等离子体生成室；53、出射室；

6、旋转盘；

7、柱面硅生长基；

8、柱形硅。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1-图4所示，本发明提供了一种高纯多晶硅生产装置，包括底盘1、至少一个硅芯2、第一柱面电极板3、第二柱面电极板4、至少一个等离子加热器5和驱动组件，所述底盘1设置在所述第一柱面电极板3和所述第二柱面电极板4之间。所述底盘1上设置有至少一个卡槽11，所述硅芯2设置于所述卡槽11内。所述等离子加热器5用于喷射携带硅源气体的高温等离子气体，且所述等离子加热器5设置于所述驱动组件上，所述驱动组件用于驱动所述等离子加热器5以所述底盘1的中心轴为轴线转动。具体地，硅芯2可采用圆形或者多边形的硅芯2，等离子加热器5可采用电感耦合、激光电离、微波电离或电弧放电等方式生成高温等离子气体。所述硅源气体包括甲硅烷、氯硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷和四氯化硅中的一种或多种。第一柱面电极板3和第二柱面电极板4由金属、合金或高分子导电材料制成。

在本实施例中，通过驱动组件驱动等离子加热器5旋转，同时喷射携带硅源气体的高温等离子气体，从而控制多晶硅的生长方向。通过向第一柱面电极板3和第二柱面电极板4通入高频交流电源，第一柱面电极板3和第二柱面电极板4之间形成高频电场，置于第一柱面电极板3和第二柱面电极板4之间的柱面硅生长基7作为电介质将被快速均匀加热。即采用加热均匀易控的电介质加热方式，克服了改良西门子法硅棒通电加热存在温差的劣势，摆脱了多晶硅生长厚度的限制，也减小了多晶硅熔断的潜在生产风险，并且响应速度快，温度容易控制。同时，驱动组件驱动等离子加热器5以底盘1的中心轴为轴线转动，等离子加热器5喷射携带硅源气体的高温等离子气体形成局部反应区，从而得到柱面硅生长基7，柱面硅生长基7代替硅棒式生长方法，生长反应区面积增大，柱形硅8形成速度加快，提升产能。

进一步地，在一些实施例中，卡槽11为圆形或者多边形的硅芯2。

如图1-图4所示，在一些实施例中，所述驱动组件包括旋转电机和旋转盘6，所述旋转电机与所述旋转盘6连接。所述旋转盘6设置在所述底盘1上方，所述等离子加热器5设置在所述旋转盘6上，旋转电机驱动旋转盘6转动，从而带动等离子加热器5转动。

如图5所示，在一些实施例中，所述底盘1上设置有一个卡槽11，所述驱动组件驱动所述等离子加热器5以所述底盘1的中心轴为轴线，以所述硅芯2为起点旋转一周，形成单个柱面硅生长基7，多晶硅向柱面硅生长基7的内侧和外侧延伸生长，增大了生长反应区的面积。

如图7所示，在一些实施例中，所述底盘1上设置有多个卡槽11，多个所述卡槽11沿所述底盘1的径向方向间隔设置。所述旋转盘6上设置有多个等离子加热器5，多个所述等离子加热器5沿所述旋转盘6的径向方向间隔设置，多个所述等离子加热器5一一对应设置在多个所述卡槽11一侧，所述旋转盘6带动多个所述等离子加热器5以所述底盘1的中心轴为轴线，以对应的所述硅芯2为起点旋转一周，形成多层间隔设置的柱面硅生长基7，生长反应区面积增加，多层柱面硅生长基7同步生长，多晶硅生长速度加快，缩短了形成柱形硅8的时间，从而提高了生产效率。

如图6所示，在一些实施例中，所述底盘1上设置有多个卡槽11，多个所述卡槽11沿所述底盘1的周向方向间隔设置。所述旋转盘6上设置有多个等离子加热器5，多个所述等离子加热器5沿所述旋转盘6的周向方向间隔设置，多个所述等离子加热器5一一对应设置在多个所述卡槽11一侧，所述旋转盘6带动多个所述等离子加热器5以所述底盘1的中心轴为轴线，以一个所述硅芯2为起点旋转至相邻的所述硅芯2处。通过将硅芯2沿底盘1的周向方向间隔设置，节省了柱面硅生长基7形成的时间，从而提高了生产效率。

如图8所示，在一些实施例中，所述底盘1上设置有多个卡槽11，多个所述卡槽11分别沿所述底盘1的周向和径向方向上间隔设置。所述旋转盘6上设置有多个等离子加热器5，多个所述等离子加热器5分别沿所述旋转盘6的周向和径向方向上间隔设置，多个所述等离子加热器5一一对应设置在多个所述卡槽11一侧。通过在底盘1的周向和径向方向上间隔设置硅芯2，同时提升柱面硅生长基7形成效率和柱形硅8形成效率，提升产能。

如图4所示，在一些实施例中，所述等离子加热器5包括进气室51、等离子体生成室52和出射室53，所述进气室51与所述等离子体生成室52连通，进气室51用于通入硅源气体、原料气体和辅助气体，所述等离子体生成室52与所述出射室53连通，所述出射室53上设置有喷射口，所述喷射口设置在所述出射室53朝向所述硅芯2的一侧。

在本发明的描述中，术语“原料气体”是指能够与硅源气体发生反应生成硅单质的气体物质，具体的，“原料气体”可以选自常规的还原性气体，如氢气，当采用的硅源气体选自加热自分解的硅源气体时，也可选择不通入“原料气体”，即在进气室51中通入单一的硅源气体即可。辅助气体选自常规的惰性保护气体，如氩气。

如图1所示，在一些实施例中，所述底盘1呈环形，且底盘1由硅晶体加工而成。所述底盘1套设在所述第一柱面电极板3外周，所述第二柱面电极板4套设在所述底盘1外周。第一柱面电极板3直径小于底盘1内环直径，第二柱面电极板4直径大于底盘1外环直径。

本发明的另一实施例提供了一种高纯多晶硅生产方法，所述多晶硅生产方法应用于上述任意一实施例所述的高纯多晶硅生产装置中，包括以下操作步骤：

将硅芯2放置在底盘1上，驱动组件驱动等离子加热器5旋转至硅芯一侧。

等离子加热器5向硅芯2表面喷射携带硅源气体的高温等离子气体，所述硅芯2表面生长硅晶体。

驱动组件驱动等离子加热器5以所述底盘1的中心轴为轴线转动，所述携带硅源气体的高温等离子气体所在区域形成多晶硅生成局部反应区，所述局部反应区内生成柱面硅生长基7。

等离子加热器5从第一柱面电极板3和第二柱面电极板4之间移出，具体地，等离子加热器5与旋转盘6铰接，等离子加热器5贴合在旋转盘6上。第一柱面电极板3和第二柱面电极板4通电，所述柱面硅生长基7作为电介质被加热，向第一柱面电极板3和第二柱面电极板4之间通入硅源气体，柱面硅生长基7向所述第一柱面电极板3和/或所述第二柱面电极板4方向延伸沉积生长多晶硅，得到柱形硅8。

在本实施例中，采用加热均匀易控的电介质加热方式，克服了改良西门子法硅棒通电加热存在温差的劣势，摆脱了多晶硅生长厚度的限制，也减小了多晶硅熔断的潜在生产风险，并且响应速度快，温度容易控制。通过柱面硅生长基7向第一柱面电极板3和第二柱面电极板4方向延伸沉积生长多晶硅，得到柱形硅8，增大了生长反应区面积，多晶硅生长速度加快，从而提升了多晶硅产能。

在一实施例中，所述底盘1上设置有多个卡槽11，所述等离子加热器5为多个时，多个所述卡槽11沿所述底盘1的径向方向间隔设置。所述驱动组件驱动多个等离子加热器5以所述底盘1的中心轴为轴线，以对应的所述硅芯2为起点旋转，所述局部反应区内生成的柱面硅生长基7以所述底盘1的中心轴为轴线间隔设置。

和/或，多个所述卡槽11沿所述底盘1的周向方向间隔设置。所述驱动组件驱动多个等离子加热器5以所述底盘1的中心轴为轴线，自一个硅芯2一侧旋转至相邻硅芯2的一侧。

具体地，如图6所示，底盘1上设置两个硅芯2，等离子加热器5为两个时，两个硅芯2相对于底盘1的圆形中心对称设置，在两个等离子加热器5喷射携带硅源气体的高温等离子气体时，两个硅芯2同时沿圆周生长硅晶体形成柱面硅生长基7，相对于单个硅芯2节省一半的柱面硅生长基7形成时间。

如图7所示，底盘1上设置三个硅芯2，等离子加热器5为三个时，三个硅芯2沿底盘1的径向方向间隔设置，在三个等离子加热器5喷射携带硅源气体的高温等离子气体时，三个硅芯2同时沿圆周生长硅晶体形成柱面硅生长基7，形成三层同心的柱面硅生长基7，在柱面硅生长基7作为电介质加热形成柱形硅8时，柱形硅8形成速度相对于单个硅芯2加快2~3倍。

如图8所示，底盘1的周向和径向方向上均间隔设置硅芯2时，相应配置多个等离子加热器5，同时提升柱面硅生长基7形成效率和柱形硅8形成效率，提升产能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高纯多晶硅生产装置，其特征在于，包括底盘、至少一个硅芯、第一柱面电极板、第二柱面电极板、至少一个等离子加热器和驱动组件，所述底盘设置在所述第一柱面电极板和所述第二柱面电极板之间，所述底盘上设置有至少一个卡槽，所述硅芯设置于所述卡槽内；所述等离子加热器用于喷射携带硅源气体的高温等离子气体，且所述等离子加热器设置于所述驱动组件上，所述驱动组件用于驱动所述等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线转动，所述等离子加热器包括出射室，所述出射室上设置有喷射口，所述喷射口设置在所述出射室朝向所述硅芯的一侧；所述驱动组件驱动所述等离子加热器旋转至所述硅芯一侧，所述等离子加热器向所述硅芯表面喷射携带硅源气体的高温等离子气体，所述硅芯表面生长硅晶体，所述携带硅源气体的高温等离子气体所在区域形成多晶硅生成局部反应区，所述局部反应区内生成柱面硅生长基。

2.根据权利要求1所述的高纯多晶硅生产装置，其特征在于，所述驱动组件包括旋转电机和旋转盘，所述旋转电机与所述旋转盘连接；所述旋转盘设置在所述底盘上方，所述等离子加热器设置在所述旋转盘上。

3.根据权利要求2所述的高纯多晶硅生产装置，其特征在于，所述底盘上设置有一个卡槽，所述旋转盘带动所述等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线，以所述硅芯为起点旋转一周。

4.根据权利要求2所述的高纯多晶硅生产装置，其特征在于，所述底盘上设置有多个卡槽，多个所述卡槽沿所述底盘的径向方向间隔设置；所述旋转盘上设置有多个等离子加热器，多个所述等离子加热器沿所述旋转盘的径向方向间隔设置，多个所述等离子加热器一一对应设置在多个所述卡槽一侧，所述旋转盘带动多个所述等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线，以对应的所述硅芯为起点旋转一周。

5.根据权利要求2所述的高纯多晶硅生产装置，其特征在于，所述底盘上设置有多个卡槽，多个所述卡槽沿所述底盘的周向方向间隔设置；所述旋转盘上设置有多个等离子加热器，多个所述等离子加热器沿所述旋转盘的周向方向间隔设置，多个所述等离子加热器一一对应设置在多个所述卡槽一侧，所述旋转盘带动多个所述等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线，以一个所述硅芯为起点旋转至相邻的所述硅芯处。

6.根据权利要求2所述的高纯多晶硅生产装置，其特征在于，所述底盘上设置有多个卡槽，多个所述卡槽分别沿所述底盘的周向和径向方向上间隔设置；所述旋转盘上设置有多个等离子加热器，多个所述等离子加热器分别沿所述旋转盘的周向和径向方向上间隔设置，多个所述等离子加热器一一对应设置在多个所述卡槽一侧。

7.根据权利要求1所述的高纯多晶硅生产装置，其特征在于，所述等离子加热器还包括进气室和等离子体生成室，所述进气室与所述等离子体生成室连通，所述等离子体生成室与所述出射室连通。

8.根据权利要求1所述的高纯多晶硅生产装置，其特征在于，所述底盘呈环形，所述底盘套设在所述第一柱面电极板外周，所述第二柱面电极板套设在所述底盘外周。

9.一种高纯多晶硅生产方法，其特征在于，所述多晶硅生产方法应用于权利要求1-8任意一项所述的高纯多晶硅生产装置中，包括以下操作步骤：

将硅芯放置在底盘上，驱动组件驱动等离子加热器旋转至硅芯一侧；

等离子加热器向硅芯表面喷射携带硅源气体的高温等离子气体，所述硅芯表面生长硅晶体；

驱动组件驱动等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线转动，所述携带硅源气体的高温等离子气体所在区域形成多晶硅生成局部反应区，所述局部反应区内生成柱面硅生长基；

等离子加热器从第一柱面电极板和第二柱面电极板之间移出，第一柱面电极板和第二柱面电极板通电，所述柱面硅生长基作为电介质被加热，向第一柱面电极板和第二柱面电极板之间通入硅源气体，柱面硅生长基向所述第一柱面电极板和/或所述第二柱面电极板方向延伸沉积生长多晶硅，得到柱形硅。

10.根据权利要求9所述的多晶硅生产方法，其特征在于，所述底盘上设置有多个卡槽，所述等离子加热器为多个时，多个所述卡槽沿所述底盘的径向方向间隔设置；所述驱动组件驱动多个等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线，以对应的所述硅芯为起点旋转，所述局部反应区内生成的柱面硅生长基以所述底盘的中心轴为轴线间隔设置；

和/或，多个所述卡槽沿所述底盘的周向方向间隔设置；所述驱动组件驱动多个等离子加热器以所述底盘的中心轴为轴线，自一个硅芯一侧旋转至相邻硅芯的一侧。