專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多晶硅棒的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能和半導(dǎo)體行業(yè)，特別涉及一種多晶硅棒的制造方法。
背景技術(shù)：
多晶硅是制造半導(dǎo)體器件和太陽(yáng)能電池等產(chǎn)品的主要原材料，還可以用于制備單 晶硅，其深加工產(chǎn)品被廣泛用于半導(dǎo)體工業(yè)中，作為人工智能、自動(dòng)控制、信息處理、光電轉(zhuǎn) 換等器件的基礎(chǔ)材料。同時(shí)，由于能源危機(jī)和低碳經(jīng)濟(jì)的呼吁，全球正在積極開(kāi)發(fā)利用可再 生能源。太陽(yáng)能由于其清潔、安全、資源豐富，在可再生能源中最引人關(guān)注。利用太陽(yáng)能的 一種方法是通過(guò)光電效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。硅太陽(yáng)能電池是最普遍采用的基于光電壓 效應(yīng)的裝置。此外，由于半導(dǎo)體工業(yè)和太陽(yáng)能電池的發(fā)展，對(duì)高純度多晶硅的需求正不斷增 加。 在制造多晶硅棒的方法中，作為被廣泛采用的高純度多晶硅的制備技術(shù)，可以舉 出德國(guó)西門(mén)子公司于1954年發(fā)明的多晶硅制造方法(也稱(chēng)為西門(mén)子法)。其系列化學(xué)反應(yīng) 式為 Si+3HC1 — SiHCl3+H2(l) 采用高純?nèi)葰涔韬透呒儦浒凑找欢ǖ呐浔然旌显谝黄饦?gòu)成原料混合氣體，通入 本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的還原爐反應(yīng)器中，在加熱的高純度硅芯上發(fā)生如下式(2)所示的還 原反應(yīng)，通過(guò)化學(xué)氣相沉積，生成的高純度多晶硅不斷沉積在硅芯上，使該硅芯的直徑逐漸 變粗而形成多晶硅棒(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為硅棒)。
2SiHCl3+H2 — Si+2HCl+SiCl4+H2(2) 未反應(yīng)的三氯氫硅和反應(yīng)過(guò)程中生成的四氯化硅副產(chǎn)物等其他氯硅烷氣體、連同 氫氣、HC1氣體(統(tǒng)稱(chēng)為熱解尾氣) 一起經(jīng)由熱解尾氣排氣管排出，并且任選進(jìn)入后端的氣 體吸附分離裝置分離，其中的三氯氫硅經(jīng)純化后可以循環(huán)供給還原工序使用。
多晶硅的生產(chǎn)除了要求原料具有高的純度之外，還原過(guò)程的操作條件也很重要。 氫氣和三氯氫硅的配比(摩爾比)和原料三氯氫硅的進(jìn)料量是決定實(shí)收率和沉積速度的重 要因素，對(duì)三氯氫硅還原的直接電耗也有重要影響。專(zhuān)利US3809571揭示了配比對(duì)三氯氫 硅單程轉(zhuǎn)化率和沉積速度的影響，在一定范圍內(nèi)，氫氣和三氯氫硅的摩爾比增加，三氯氫硅 的單程轉(zhuǎn)化率也隨之增加。為了提高三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率，在一定范圍內(nèi)需要提高氫氣和
三氯氫硅的摩爾比，但是隨著氫氣和三氯氫硅摩爾比的增加，在進(jìn)入還原爐的三氯氫硅的 量不變的情況下，進(jìn)入還原爐的氫氣量也隨之增加，這將導(dǎo)致還原后尾氣回收的負(fù)荷增加。 而減小氫氣和三氯氫硅的摩爾比，在進(jìn)入還原爐的三氯氫硅的量不變的情況下，由于三氯 氫硅單程轉(zhuǎn)化率會(huì)降低，在進(jìn)入還原爐的三氯氫硅的量不變的情況下，多晶硅沉積速度明 顯降低，沉積時(shí)間延長(zhǎng)，為維持一定的沉積速度，需要加大三氯氫硅的量，導(dǎo)致未反應(yīng)的三 氯氫硅的量增加，這不僅會(huì)增加還原后尾氣回收的負(fù)荷，也會(huì)提高尾氣回收物料精餾分離 的負(fù)荷。 在還原反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)較為復(fù)雜，在沉積反應(yīng)初期，硅棒較細(xì)，沉積反應(yīng)所需要的三氯氫硅量和氫氣量也較小，還原爐內(nèi)的湍流流動(dòng)強(qiáng)度較小，硅棒表面 的邊界層厚度較大，整個(gè)還原爐內(nèi)動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞特別是質(zhì)量的傳遞很不充分，三 氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率也低，多晶硅沉積速度較慢。隨沉積反應(yīng)的進(jìn)行，硅棒直徑增大，還原爐 內(nèi)氣體的湍流流動(dòng)增強(qiáng)，沉積載體表面的邊界層厚度減小，整個(gè)還原爐內(nèi)動(dòng)量、熱量和質(zhì)量 的傳遞特別是質(zhì)量的傳遞與初期相比比較充分，三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率也隨之逐漸提高。
雖然通過(guò)增大氫氣和三氯氫硅的摩爾比，可提高三氯氫硅的單程轉(zhuǎn)化率，但是，過(guò) 大的摩爾比也會(huì)造成硅棒表面三氯氫硅濃度減小，導(dǎo)致沉積速率的下降，使單位生長(zhǎng)周期 內(nèi)的多晶硅產(chǎn)量下降，從而造成單位產(chǎn)品的電耗費(fèi)用上升，使單位產(chǎn)品的成本增加。同時(shí)， 配比增大尾氣中氫氣量也隨之增大，增加了還原尾氣分離處理的負(fù)荷。 另夕卜，作為提高多晶硅的產(chǎn)量和單程收率的另一種方法，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) US2007/0251455還公開(kāi)了一種制造多晶硅的方法，它采用表面積大的沉積體，如大面積硅 管等為發(fā)熱體，以縮短沉積時(shí)間，由此提高了多晶硅的產(chǎn)量和反應(yīng)的單程收率，年產(chǎn)量可增 加30-40%。根據(jù)該美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)，采用了一種外徑為50mm的中空硅管為發(fā)熱體。但是，制 備這種中空硅管一般必須采用EFG(Edge Defined FilmFeed)法，這相對(duì)于常規(guī)多晶硅制造 商采用硅芯棒爐制備發(fā)熱體來(lái)說(shuō)，需要額外增加設(shè)備和裝置，且外徑如此之大的中空硅管 的制備對(duì)于設(shè)備和操作要求均較高。 因此，現(xiàn)有技術(shù)目前的狀況是，仍舊需要一種簡(jiǎn)單而有效的多晶硅生產(chǎn)方法，其能 夠提高單位生長(zhǎng)周期內(nèi)多晶硅的產(chǎn)量和反應(yīng)的單程收率，同時(shí)降低三氯氫硅還原直接電耗 而不必額外增加設(shè)備成本或生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種簡(jiǎn)單而有效的多晶硅制造方法。 發(fā)明人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在多晶硅的生產(chǎn)方法中使作為原料氣的所述氫氣和所
述含硅化合物的摩爾比的比值滿(mǎn)足一定的關(guān)系式，就可以解決前述問(wèn)題，并由此完成了本發(fā)明。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下 —種多晶硅棒的制造方法，它是通過(guò)向反應(yīng)器中連續(xù)通入包括氫氣和含硅氣體的
混合氣體作為原料氣，在所述反應(yīng)器中，所述原料氣發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)化學(xué)氣相沉積，生成的
高純度多晶硅不斷沉積在硅芯上，使硅芯的直徑逐漸變粗而形成多晶硅棒的方法，通過(guò)調(diào)
節(jié)作為原料氣的所述氫氣的進(jìn)氣量M，和/或調(diào)節(jié)作為原料氣的所述含硅氣體的進(jìn)氣量N，
使所述氫氣和含硅氣體的摩爾比值Q滿(mǎn)足如下關(guān)系式 Qtl > Qt3且Qt3 < Qt2 式中， Qtl是從所述多晶硅的生產(chǎn)方法開(kāi)始至^小時(shí)的時(shí)刻，作為原料氣的所述氫氣和 所述含硅氣體的摩爾比，單位是無(wú)量綱； Qt2是從所述多晶硅的生產(chǎn)方法開(kāi)始至t2小時(shí)的時(shí)刻，作為原料氣的所述氫氣與 所述含硅氣體的摩爾比，單位是無(wú)量綱； Qt3是從所述多晶硅的生產(chǎn)方法開(kāi)始至t3小時(shí)的時(shí)刻，作為原料氣的所述氫氣與 所述含硅氣體的摩爾比，單位是無(wú)量綱；
Qt3是摩爾比值Q中的最小值； ^是0或正實(shí)數(shù)，t3和t2是正實(shí)數(shù)，且^ < t3 < t2。 當(dāng)硅棒直徑長(zhǎng)到85 100mm時(shí)，此時(shí)刻的所述Q值以振幅A波動(dòng)直至反應(yīng)結(jié)束， 即此時(shí)刻之后的任意時(shí)刻的所述Q值均保證在Q士A的范圍內(nèi)。其中，A選自0.001 1.0 的范圍。振幅A優(yōu)選0.2 0.6的范圍。 其中，當(dāng)所述Q值以振幅A開(kāi)始波動(dòng)的時(shí)刻起直至反應(yīng)結(jié)束，所述含硅氣體的進(jìn)氣 量(單位NmVh)和硅棒表面積(單位m2)的比值R在5 20Nm3/m2之間，優(yōu)選6 15Nm3/ 1112之間。 其中，多晶硅的制造過(guò)程中，在摩爾比值Q以振幅A開(kāi)始波動(dòng)的時(shí)刻之前，時(shí)刻t3 之前的任意時(shí)刻^對(duì)應(yīng)的摩爾比值Q不大于該時(shí)刻^之前的任意時(shí)刻對(duì)應(yīng)的摩爾比值Q， 時(shí)刻t3對(duì)應(yīng)的摩爾比值Qt3為最小，時(shí)刻t3之后的任意時(shí)刻t2對(duì)應(yīng)的摩爾比值Q不小于該 時(shí)刻t2之前至t3時(shí)刻之后的任意時(shí)刻對(duì)應(yīng)的摩爾比值Q。 優(yōu)選的，上述多晶硅的生產(chǎn)過(guò)程中，摩爾比值Q與時(shí)間t的關(guān)系滿(mǎn)足如下函數(shù)關(guān)系 之一 (1)分段一次函數(shù)，同時(shí)為連續(xù)函數(shù)；
(2)非線(xiàn)性函數(shù)。 其中，所述含硅氣體是氯硅烷。所述氯硅烷優(yōu)選三氯氫硅、二氯二氫硅和四氯化硅 中的任意一種或幾種的混合物，最優(yōu)選三氯氫硅。 其中，所述Q『Qt3和Qt2各自獨(dú)立地選自1.0 15.0，優(yōu)選范圍為2.0 7.5。 Qtl
和Q^優(yōu)選不相同。 其中，所述氫氣的進(jìn)氣量M選自20 2000NmVh，優(yōu)選30 1500Nm3/h。
其中，所述含硅氣體的進(jìn)氣量N選自5 800NmVh，優(yōu)選10 300Nm3/h。
有益效果 根據(jù)本發(fā)明的制造多晶硅棒的方法，可以直接利用現(xiàn)有的多晶硅生產(chǎn)設(shè)備實(shí)施， 因此不需要為此而專(zhuān)門(mén)增添附屬設(shè)備或者改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)，由此可以避免額外增加設(shè)備投資 成本和設(shè)備改裝成本，同時(shí)由于不增加多晶硅制造設(shè)備的復(fù)雜度，也可以維持該制造設(shè)備
的維護(hù)成本不增加。 根據(jù)本發(fā)明的制造多晶硅棒的方法，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)在反應(yīng)期間調(diào)整配比變化達(dá)到 強(qiáng)化傳質(zhì)的目的，促進(jìn)氣相主體和硅棒表面邊界層之間的質(zhì)量傳遞。在背景描述的反應(yīng)方 程式(2)可知，三氯氫硅還原產(chǎn)生的氯化氫和四氯化硅使反應(yīng)平衡向左移動(dòng)，不利于多晶 硅沉積的進(jìn)行，通過(guò)在反應(yīng)初期不斷改變配比，使硅棒表面邊界層內(nèi)各個(gè)氣體組分的濃度 和氣相主體氣體組分濃度形成濃度差，進(jìn)而促進(jìn)還原爐內(nèi)氣相主體和硅棒表面邊界層之間 的質(zhì)量傳遞，從而消弱或消除在硅棒生長(zhǎng)初期因湍流強(qiáng)度弱而導(dǎo)致單程轉(zhuǎn)化率低和多晶硅 沉積速度較慢的情況。在多晶硅沉積過(guò)程中，保持原料三氯氫硅進(jìn)料量(NmVh)和硅棒的表 面積(m2)之比R值在5 20之間，并在多晶硅沉積后期，通過(guò)振幅波動(dòng)的形式，改變氣相 主體的各組分濃度，實(shí)現(xiàn)改變硅棒表面邊界層內(nèi)各組分濃度的目的，從而促進(jìn)硅棒表面邊 界層內(nèi)氣體和氣相主體之間的傳質(zhì)，實(shí)現(xiàn)在不增加單爐氫氣和含硅氣體進(jìn)氣量的情況下， 可以在維持較高的多晶硅沉積速率的同時(shí)，提高三氯氫硅的單程轉(zhuǎn)化率和單位生長(zhǎng)周期內(nèi) 多晶硅的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)降低含硅氣體還原直接電耗和多晶硅的單位生產(chǎn)成本的目的。
根據(jù)本發(fā)明的制造多晶硅棒的方法，在提高還原過(guò)程中含硅氣體單程轉(zhuǎn)化率的同 時(shí)，降低了含硅氣體還原的直接電耗，有效地降低了多晶硅棒的制造成本。


圖l是現(xiàn)有技術(shù)的多晶硅制造方法中使用的還原反應(yīng)器(還原爐)的結(jié)構(gòu)示意 圖。
圖2是本發(fā)明涉及的一種不連續(xù)變化方式的示意圖。
圖3 6是本發(fā)明Q值以幅度A波動(dòng)的4種不同的形式。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，對(duì)所述還原反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、類(lèi)型和規(guī)格等沒(méi)有任何的限定，可以是本 領(lǐng)域常規(guī)使用的那些，并且只要其可以連續(xù)地接收由氫氣和含硅氣體構(gòu)成的原料氣，并允 許該原料氣在其中發(fā)生還原反應(yīng)而生成多晶硅(以及作為副產(chǎn)物的熱解尾氣)即可，比如 可以舉出本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的還原爐反應(yīng)器，但并不限于此，也可以是本領(lǐng)域技術(shù)人 員已知的其他結(jié)構(gòu)或類(lèi)型的還原設(shè)備，包括比如流化床反應(yīng)器等。 本領(lǐng)域技術(shù)人員都知道，所述熱解尾氣在所述還原反應(yīng)之后經(jīng)由常規(guī)手段被連續(xù) 排出所述還原反應(yīng)器之外。 為了方便起見(jiàn)，以下以圖l所示結(jié)構(gòu)的還原反應(yīng)器(還原爐)為例對(duì)本發(fā)明的制 造多晶硅棒的方法進(jìn)行展開(kāi)說(shuō)明。但需要指出的是，本發(fā)明的制造方法并不限于使用這種 特定結(jié)構(gòu)的還原反應(yīng)器。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以理解的是，以下的說(shuō)明內(nèi)容即使不 做任何調(diào)整或修正，也可以直接適用于在此未指明的其他類(lèi)型或結(jié)構(gòu)的還原設(shè)備，包括比 如流化床反應(yīng)器等。 根據(jù)本發(fā)明，所述原料氣由氫氣和含硅氣體按照一定的摩爾比混合而成。對(duì)于氫 氣和所述含硅氣體的混合方式?jīng)]有任何的限定，可以采用本領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)進(jìn)行，只要是 在進(jìn)入所述還原反應(yīng)器之前，氫氣和所述含硅氣體已經(jīng)完全均勻地混合在一起而形成混合 氣體的技術(shù)，都可以直接使用。 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述含硅氣體優(yōu)選氯硅烷，更優(yōu)選三氯氫硅、二氯二氫 硅、四氯化硅或其任意的混合物，最優(yōu)選三氯氫硅。本領(lǐng)域公知的是，所述氫氣和所述含硅 氣體(在以混合物形式使用時(shí)，指的是該混合物中的每種組分)優(yōu)選具有極高的純度(比 如99%以上，但并不限于此)。 參照附圖1的還原爐，將該混合氣體通過(guò)原料混合氣體進(jìn)氣管4(或其他適當(dāng)?shù)倪M(jìn) 氣管道)連續(xù)通入還原爐1后，與因通電而預(yù)熱的多晶硅芯棒2 (或其他適宜的接觸表面) 接觸，在該多晶硅芯棒2表面(或所述其他的接觸表面)上，氫氣與所述含硅氣體連續(xù)發(fā)生 前述式(2)所示的還原反應(yīng)，通過(guò)化學(xué)氣相沉積，生成的高純度多晶硅不斷沉積在硅芯棒 (或所述接觸表面)上，使該硅芯棒表面(或所述接觸表面)上多晶硅的沉積厚度不斷增大 (比如表現(xiàn)為芯棒的直徑逐漸變粗)而形成硅棒或多晶硅產(chǎn)品。 本發(fā)明涉及對(duì)已有多晶硅制造方法的改進(jìn)。因此，在本發(fā)明的制造多晶硅棒的方 法中，除非有特別的說(shuō)明，除了按照本發(fā)明的規(guī)定來(lái)調(diào)節(jié)作為原料氣的所述氫氣的進(jìn)氣量 M，和/或調(diào)節(jié)(優(yōu)選同步調(diào)節(jié))所述所述含硅氣體的進(jìn)氣量N，使所述氫氣與所述含硅氣體的摩爾比值Q滿(mǎn)足本發(fā)明特定的關(guān)系式以外，其他所有的方法條件、要求和參數(shù)等(包括反 應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、反應(yīng)設(shè)備構(gòu)造和配置比如還原反應(yīng)器或還原爐的參數(shù)、多晶硅芯棒的參 數(shù)等、原料要求、方法操作步驟等)均可以直接適用現(xiàn)有技術(shù)的多晶硅制造方法，在此不再 贅述。本領(lǐng)域技術(shù)人員完全可以參照現(xiàn)有技術(shù)的相關(guān)技術(shù)來(lái)了解這些內(nèi)容。
這一事實(shí)也表明，根據(jù)本發(fā)明的制造多晶硅棒的方法，可以直接利用現(xiàn)有的多晶 硅生產(chǎn)設(shè)備實(shí)施，因此不需要為此而專(zhuān)門(mén)增添附屬設(shè)備或者改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)，由此可以避免 額外增加設(shè)備投資成本和設(shè)備改裝成本，同時(shí)由于不增加多晶硅制造設(shè)備的復(fù)雜度，也可 以維持該制造設(shè)備的維護(hù)成本不增加。 根據(jù)本發(fā)明，對(duì)所述氫氣的進(jìn)氣量M和所述含硅氣體的進(jìn)氣量N的調(diào)節(jié)手段或方 式?jīng)]有任何特殊的限定，可以直接適用本領(lǐng)域常規(guī)使用的那些。比如，可以通過(guò)調(diào)節(jié)所述混 合氣體通向所述還原爐或還原反應(yīng)器的進(jìn)氣管(比如圖1中的進(jìn)氣管4)上附設(shè)的閥門(mén)的 開(kāi)度大小，或者按常規(guī)方式調(diào)節(jié)所述混合氣體向所述還原反應(yīng)器的供應(yīng)量等，就可以方便 地調(diào)節(jié)從多晶硅生產(chǎn)開(kāi)始到生產(chǎn)結(jié)束的生長(zhǎng)周期中每一時(shí)刻t下的進(jìn)氣量Mt和/或Nt。另 外，該進(jìn)氣量比如可以通過(guò)附設(shè)在所述進(jìn)氣管上的流量計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，即，監(jiān)控從生產(chǎn)開(kāi) 始到生產(chǎn)結(jié)束的生長(zhǎng)周期中每一時(shí)刻t下的進(jìn)氣量Mt和/或Nt，這些都是本領(lǐng)域技術(shù)人員 常規(guī)已知的技術(shù)。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，作為原料氣的所述氫氣的進(jìn)氣量M的變化范圍比如 為20-2000NmVh，優(yōu)選30-1500Nm3/h，但有時(shí)并不限于此。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，作為原料氣的所述含硅氣體的進(jìn)氣量N的變化范圍 比如為5-800NmVh，優(yōu)選10-300NmVh，但有時(shí)并不限于此。 根據(jù)本發(fā)明的制造多晶硅棒的方法，所述原料氣由氫氣與所述含硅氣體按照一定 的摩爾比Q預(yù)先混合而成。在本發(fā)明 一個(gè)實(shí)施方案中，在所述原料氣中，氫氣與所述含硅氣 體(優(yōu)選三氯氫硅)的摩爾比Q在1.0-15的范圍內(nèi)變化，優(yōu)選2.0-7.5，但有時(shí)并不限于此。 根據(jù)本發(fā)明，對(duì)所述摩爾比Q的調(diào)節(jié)方式或手段沒(méi)有任何的限定，可以直接適用 本領(lǐng)域常規(guī)使用的那些。比如，通過(guò)在混合時(shí)按照常規(guī)方式控制氫氣和含硅氣體各自的加 料比(混合比)，即可自由地調(diào)節(jié)所述摩爾比Q，并將其在某一時(shí)刻t下通入所述還原反應(yīng) 器中(或者在線(xiàn)混合的同時(shí)通入所述還原反應(yīng)器中)，即可控制該時(shí)刻t下的摩爾比Qt (比 如前述的Qu、 Qt3和Qj，這些都是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道的。同時(shí)，在相同的條件下，在 某一時(shí)刻，所述氫氣與所述含硅氣體的摩爾比Qt可以近似地等于此刻所述氫氣的流量Mt與 此刻所述含硅氣體的流量Nt的比值，即Qt " Mt/Nt。 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案，通過(guò)按照前述的常規(guī)方式調(diào)節(jié)作為原料氣的所述氫氣 的進(jìn)氣量M，和/或按照前述的常規(guī)方式調(diào)節(jié)(優(yōu)選同步調(diào)節(jié))所述含硅氣體的進(jìn)氣量N，
使所述氫氣和所述含硅氣體的摩爾比Q滿(mǎn)足如下的關(guān)系式，
Qtl > Qt3且Qt3 < Qt2 在所述關(guān)系式中，所述Qtl指的是從所述多晶硅棒制造方法開(kāi)始經(jīng)過(guò)^小時(shí)的時(shí) 刻，作為原料氣的所述氫氣和所述含硅氣體的摩爾比，單位是無(wú)量綱。所述Qt2指的是從所 述制造方法開(kāi)始經(jīng)過(guò)t2小時(shí)的時(shí)刻，所述原料氣中所述氫氣與所述含硅氣體的摩爾比。所 述Qt3指的是從所述制造方法開(kāi)始經(jīng)過(guò)t3小時(shí)的時(shí)刻，作為所述原料氣中所述氫氣與所述含硅氣體的摩爾比。其中所述^是0或正實(shí)數(shù)，所述t3和t2是正實(shí)數(shù)，并且^ < t3 < t2。
根據(jù)該實(shí)施方案，在所述多晶硅的整個(gè)制造方法過(guò)程(生產(chǎn)周期)中，在所述多晶 硅棒的制造方法的任意時(shí)刻，保持該時(shí)刻下的比值Q相對(duì)于該時(shí)刻之前的任意時(shí)刻下的相 應(yīng)Q值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，當(dāng)硅棒直徑長(zhǎng)到85 100mm時(shí)，此時(shí)刻的所述Q 值以幅度A波動(dòng)，所述幅度A選自0. 001 1. 0，優(yōu)選0. 2 0. 6，即此時(shí)刻之后的任意時(shí)刻 的所述Q值均保證在Q±A的范圍內(nèi)。所述的Q值以幅度A波動(dòng)，對(duì)波形無(wú)任何限制，只要保 證波動(dòng)的范圍不超過(guò)Q士A的范圍即可，可選擇無(wú)規(guī)律波動(dòng)，或者規(guī)律波動(dòng)，優(yōu)選規(guī)律波動(dòng)， 波動(dòng)周期優(yōu)選1 8小時(shí)。上述規(guī)律波動(dòng)可以是連續(xù)增大或者連續(xù)減小，例如諧波(如圖 3，圖4);也可以是非連續(xù)增大或者非連續(xù)減小，例如可以是只在Q+A和Q-A兩個(gè)值點(diǎn)上變 化(如圖5)，或者可以是只在Q+A、Q和Q-A三個(gè)值點(diǎn)上變化(圖6)，但不局限于上述波動(dòng) 方式。 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，在所述多晶硅棒制造方法的過(guò)程中，當(dāng)硅棒直 徑長(zhǎng)到85 100mm時(shí)( 一般約需要85 150h)維持三氯氫硅的體積和硅棒表面積的比值 在5 20之間，優(yōu)選6 15之間。通過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)硅棒的直徑大小就可以計(jì)算出 硅棒的表面積，從而通過(guò)控制作為原料的所述含硅氣體(優(yōu)選三氯氫硅，下面用三氯氫硅 作為代表來(lái)說(shuō)明)的體積，就能夠?qū)⑷葰涔璧倪M(jìn)氣量和硅棒表面積的比值控制在5 20 之間，與此同時(shí)，可能還要調(diào)節(jié)所述氫氣的體積，使得此時(shí)刻的所述Q值滿(mǎn)足前述關(guān)系，這 是本技術(shù)領(lǐng)域人員顯而易見(jiàn)所能實(shí)現(xiàn)的。 根據(jù)該實(shí)施方案，在所述多晶硅的整個(gè)制造方法過(guò)程中，在Q值波動(dòng)變化的時(shí)刻 之前，至少存在一個(gè)時(shí)刻t3，使得該時(shí)刻下的所述摩爾比值Qt3比該時(shí)刻t3之前的任意時(shí)刻 下的相應(yīng)的Q值都低，并以該時(shí)刻t3為起點(diǎn)開(kāi)始增大，并且在該增大之后余下的生產(chǎn)方法 的任意時(shí)刻，保持該時(shí)刻下的比值Q相對(duì)于該時(shí)刻之前(但在該增大之后)的任意時(shí)刻下 的相應(yīng)Q值不降低，換句話(huà)說(shuō)，所述比值Q在增大之后就不再降低。需要指出的是，在所述 多晶硅生產(chǎn)方法的過(guò)程中，當(dāng)硅棒直徑長(zhǎng)到85 100mm時(shí)，此時(shí)刻的所述Q值以振幅A波 動(dòng)，所述幅度A選自0. 001 1. 0，優(yōu)選0. 2 0. 6，即此時(shí)刻之后的任意時(shí)刻的所述Q值均 保證在Q士A的范圍內(nèi)。 在本發(fā)明的上下文中，所述時(shí)刻t(比如前述的^小時(shí)、t2小時(shí)、t3小時(shí)等)是按 小時(shí)計(jì)算的值，指的是從多晶硅制造開(kāi)始(0時(shí)刻，或者說(shuō)t = 0)經(jīng)過(guò)t小時(shí)的時(shí)刻。
根據(jù)本發(fā)明，^指的是從所述多晶硅生產(chǎn)方法開(kāi)始經(jīng)過(guò)^小時(shí)的時(shí)刻，當(dāng)其下限 為0時(shí)，代表所述制造方法開(kāi)始的時(shí)刻。另外，t2和t3大于0又互不相同，并且以整個(gè)制造 方法結(jié)束的時(shí)刻T(即下述的生長(zhǎng)周期，以小時(shí)計(jì))為上限。其中，^和^均小于T，且^ < t2。 在本發(fā)明的上下文中，T指的是所述多晶硅制造方法的周期長(zhǎng)度(從多晶硅制造 開(kāi)始到多晶硅制造結(jié)束的時(shí)間，即生長(zhǎng)周期)，以小時(shí)計(jì)。本領(lǐng)域技術(shù)人員都知道，所述生長(zhǎng) 周期一般為15 220小時(shí)(即所述T的取值范圍為15 220小時(shí)，優(yōu)選60 150小時(shí))， 但根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，有時(shí)并不限于此。 如前所述，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在多晶硅的整個(gè)生長(zhǎng)周期中使比值Q先減小后增大， 并且在硅棒直徑長(zhǎng)到85 100mm時(shí)，此時(shí)刻的所述Q值以振幅A波動(dòng)直至反應(yīng)結(jié)束，即此
8時(shí)刻之后的任意時(shí)刻的所述Q值均保證在Q士A的范圍內(nèi)，所述幅度A選自0. 001 1.0，優(yōu) 選0. 2 0. 6，并且當(dāng)硅棒直徑長(zhǎng)到85 100mm時(shí)(制造周期約至80 220h)維持三氯氫 硅的體積和硅棒表面積的比值在5 20之間，優(yōu)選6 15之間，就可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在前述范圍內(nèi)調(diào)節(jié)作為原料氣的所述氫氣的進(jìn)氣量M，和/或在 前述范圍內(nèi)調(diào)節(jié)(優(yōu)選同步調(diào)節(jié))所述含硅氣體的進(jìn)氣量N，使所述氫氣和所述含硅氣體的 摩爾比Q在1. 0 15. 0，(優(yōu)選2. 0 7. 5，但有時(shí)并不限于此)的范圍內(nèi)變化。
根據(jù)本發(fā)明，所述比值Q是所述氫氣的進(jìn)氣量M和所述含硅氣體的進(jìn)氣量N的變 化結(jié)果。在所述氫氣的進(jìn)氣量M的變化規(guī)律(經(jīng)時(shí)變化規(guī)律)和所述含硅氣體的進(jìn)氣量N 的變化規(guī)律(經(jīng)時(shí)變化規(guī)律)確定之后，根據(jù)某一時(shí)刻下氫氣的進(jìn)氣量M值和該時(shí)刻下含 硅氣體的進(jìn)氣量N值，就可以計(jì)算出其比值Q，由此所述比值Q的變化規(guī)律(經(jīng)時(shí)變化規(guī)律) 也就確定了。 通常情況下，增大所述氫氣的進(jìn)氣量M且同時(shí)減小所述含硅氣體的進(jìn)氣量N均可 以實(shí)現(xiàn)所述Q值增大的目的，同理，減小所述氫氣的進(jìn)氣量M且同時(shí)增大所述含硅氣體的進(jìn) 氣量N均可以使所述Q值減小?；蛩鰵錃獾倪M(jìn)氣量M和所述含硅氣體的進(jìn)氣量N同步增 大或減小亦可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的所述Q值增大或減小?；蛩鰵錃獾倪M(jìn)氣量M維持恒定，增大或 減小所述含硅氣體的進(jìn)氣量N亦可實(shí)現(xiàn)所述Q值的減小或增大，同理，所述含硅氣體的進(jìn)氣 量N維持恒定，增大或減小所述氫氣的進(jìn)氣量M亦可實(shí)現(xiàn)所述Q值的增大或減小。在本發(fā) 明所述的多晶硅生產(chǎn)方法中，不論所述氫氣的進(jìn)氣量M和所述含硅氣體的進(jìn)氣量N如何變 化，只要能保證在整個(gè)多晶硅生產(chǎn)周期內(nèi)所述Q值先減小后增大即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效 果。因此，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的多晶硅生產(chǎn)方法中所述Q值的先減小后增大，所述氫氣的進(jìn)氣 量M和所述含硅氣體的進(jìn)氣量N的變化規(guī)律可以是上述各種情況，優(yōu)選所述氫氣的進(jìn)氣量 M和所述含硅氣體的進(jìn)氣量N同步增大或減小。最優(yōu)選，從反應(yīng)開(kāi)始時(shí)起至Q開(kāi)始以振幅A 波動(dòng)的時(shí)間范圍內(nèi)，M和N同步連續(xù)增大，通過(guò)改變M和N各自增大的速率，使得Q值實(shí)現(xiàn) 先減小后增大的趨勢(shì)；從Q開(kāi)始以振幅A波動(dòng)時(shí)起至反應(yīng)結(jié)束，M和N中保持其中一個(gè)量不 變，另一個(gè)量做相應(yīng)的變大或變小的波動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)Q值的波動(dòng)。 對(duì)所述摩爾比Q值的變化方式?jīng)]有任何的限定，可以是連續(xù)變化或者不連續(xù)變 化，只要滿(mǎn)足所述Q值先減小后增大的關(guān)系即可，優(yōu)選連續(xù)變化。 作為所述連續(xù)變化比如可以舉出，在所述多晶硅的整個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)(即從制造方 法開(kāi)始至制造方法結(jié)束)，所述摩爾比Q以單一一種非線(xiàn)性函數(shù)(比如先單調(diào)遞減后單調(diào)遞 增的二次或多次函數(shù)等曲線(xiàn)函數(shù))作為變化規(guī)律而連續(xù)變化。
在本發(fā)明上下文中，將前述函數(shù)定義為變化規(guī)律。 作為所述不連續(xù)變化比如可以舉出，在所述多晶硅的整個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)(即從制造 方法開(kāi)始至制造方法結(jié)束)，所述摩爾比Q在不同的變化期(將所述摩爾比Q以單一一種前 述線(xiàn)性函數(shù)或單一一種前述非線(xiàn)性函數(shù)作為變化規(guī)律而連續(xù)變化的完整時(shí)期稱(chēng)為變化期) 內(nèi)按照不同的變化規(guī)律(指的是前述的線(xiàn)性函數(shù)和前述的非線(xiàn)性函數(shù))進(jìn)行變化。
需要指出的是，根據(jù)本發(fā)明，所述線(xiàn)性函數(shù)或非線(xiàn)性函數(shù)在所述變化期規(guī)定的有 限區(qū)間內(nèi)均為連續(xù)函數(shù)。 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案，為了實(shí)施操作的簡(jiǎn)便性，作為所述摩爾比Q 的變化規(guī)律的前述非線(xiàn)性函數(shù)或線(xiàn)性函數(shù)(優(yōu)選線(xiàn)性函數(shù))優(yōu)選是先單調(diào)遞減后單調(diào)遞增的，但有時(shí)并不限于此。 為了便于理解，就所述摩爾比Q而言，作為某個(gè)變化期內(nèi)的所述二次函數(shù)(連續(xù)函 數(shù))，比如可以舉出如下的表達(dá)式，但并不限于此。
Q = x2+ax+b 或者，作為在不同的變化期內(nèi)的所述一次分段函數(shù)(連續(xù)函數(shù))，比如可以舉出如 下的表達(dá)式。 Q= I W+rf ^ 在前述表達(dá)式中，x代表摩爾比Q的該變化期內(nèi)(從變化期開(kāi)始到變化期結(jié)束)的 任意時(shí)刻，即0《x《T，b代表該變化期開(kāi)始時(shí)刻(0時(shí)刻)的Q值(記為Qfe)，選自之前 針對(duì)摩爾比Q規(guī)定的前述數(shù)值范圍和前述優(yōu)選數(shù)值范圍；同樣，c襯3+d代表該變化期內(nèi)至 少存在的摩爾比Q值最小的t3時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的Q值(記為Qt3)，選自之前針對(duì)摩爾比Qt3規(guī)定 的前述數(shù)值范圍和前述優(yōu)選數(shù)值范圍，并且a和c是不為0的實(shí)數(shù)。
a、b、c和d比如可以通過(guò)如下方式簡(jiǎn)便地確定。 為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況和實(shí)際需要，預(yù)先確定多晶 硅的生長(zhǎng)周期T，然后基于該生長(zhǎng)周期確定摩爾比Q值最小的時(shí)刻t3 (時(shí)刻t3可以任意確定 而不需要特殊的規(guī)定，只要可以生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)或?qū)τ诒绢I(lǐng)域技術(shù)人員而言基于某種理由合適即 可，并且這并不影響本發(fā)明效果的實(shí)現(xiàn)，一般優(yōu)選整個(gè)生產(chǎn)周期的20 60%范圍內(nèi)的某一
時(shí)刻，并根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以任意預(yù)先設(shè)定生產(chǎn)周期開(kāi)始時(shí)刻的摩 爾比Qfe和生產(chǎn)周期內(nèi)最小摩爾比Q值Qt3，以及生產(chǎn)周期結(jié)束時(shí)刻的摩爾比Q^其中，Q值 可以在2.0 15.0之間確定，優(yōu)選2.0 7.5，且9始>90、 Qt3<Qft。如此便可以基于前 述特定的一次分段函數(shù)或二次函數(shù)表達(dá)式，計(jì)算出該變化期的a、b、c和d值，由此確定該一 次分段函數(shù)或二次函數(shù)的前述表達(dá)式，這些都是本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易實(shí)現(xiàn)的。
在所述表達(dá)式確定后，在其相應(yīng)的變化期內(nèi)以該表達(dá)式作為變化規(guī)律來(lái)調(diào)節(jié)所述 摩爾比Q，就可以實(shí)施本發(fā)明方法。所述調(diào)節(jié)可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)或者計(jì)算機(jī)程控實(shí)現(xiàn)，并沒(méi)有特 別的限制。 根據(jù)本發(fā)明，所述摩爾比Q的變化規(guī)律并不限于前述特定的一次分段函數(shù)或二次 函數(shù)的表達(dá)式，也可以是符合本發(fā)明規(guī)定的其他形式的線(xiàn)性函數(shù)或非線(xiàn)性函數(shù)，并且也會(huì) 同樣獲得本發(fā)明的前述效果。而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以基于與前述類(lèi)似的計(jì)算步驟 來(lái)確定所述其他形式的線(xiàn)性函數(shù)或非線(xiàn)性函數(shù)的表達(dá)式，在此不贅述。 顯然的是，所有前述這些Q纟^值、Qt3值和Qfe值均各自獨(dú)立地選自本發(fā)明之前針對(duì) 摩爾Q所規(guī)定的前述數(shù)值范圍和前述優(yōu)選數(shù)值范圍。 如附圖2所示，在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，比如可以按照如下的步驟(其中使M和 N同步變化和穩(wěn)定，并導(dǎo)致比值Q也同步增大和穩(wěn)定)來(lái)實(shí)施本發(fā)明，但并不限于此。
1)根據(jù)多晶硅的生長(zhǎng)周期T(設(shè)為IIO小時(shí))以及生產(chǎn)的方便性，非特意性地確定 t3時(shí)刻為從生產(chǎn)開(kāi)始經(jīng)歷45小時(shí)的時(shí)刻； 2)根據(jù)生產(chǎn)的方便性和實(shí)際情況，將生產(chǎn)周期開(kāi)始時(shí)刻的摩爾比Qfe和生產(chǎn)周期 內(nèi)最小摩爾比Q值Qt3，以及生產(chǎn)周期結(jié)束時(shí)刻的摩爾比Qg分別非特異性地設(shè)定為如下
Q始二 6. 5 ;Qt3 = 3. 1 ;Q末二 6. 5
3)根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，調(diào)節(jié)作為所述原料氣的所述氫氣的進(jìn)氣量M和所述含硅 氣體的進(jìn)氣量N，將制造方法開(kāi)始時(shí)刻的摩爾比Q設(shè)定為Qfe= 6. 5，在生產(chǎn)周期開(kāi)始起45 小時(shí)內(nèi)，將Q值均勻地減小，并于第45小時(shí)的t3時(shí)刻將Q值Qt3減小至3. 1 ;在隨后的45小 時(shí)內(nèi)，再將Q值均勻增大，并當(dāng)硅棒直徑長(zhǎng)大至85 100mm時(shí)(從生產(chǎn)周期開(kāi)始大約經(jīng)歷 80-90小時(shí)的時(shí)間)，將此時(shí)刻的Q值Q纟^曾大至6. 5。 3)維持此時(shí)刻的所述Q值6. 5，并以±0. 2為振幅，4小時(shí)為周期，諧波變化直至反
應(yīng)結(jié)束。 4)當(dāng)Q開(kāi)始波動(dòng)變化之時(shí)起直至反應(yīng)結(jié)束，維持三氯氫硅的體積和硅棒表面積的 比值在6-15之間。 制造方法開(kāi)始Q為6.5(第0小時(shí)時(shí)刻)一Q為3. 1(第45小時(shí)時(shí)刻)一Q為 6. 5 (第90小時(shí)時(shí)刻)一Q為6. 7 (第91小時(shí)時(shí)刻)一Q為6. 5 (第92小時(shí)時(shí)刻)一Q為 6.3(第93小時(shí)時(shí)刻)一Q為6.5(第94小時(shí)時(shí)刻)一...一制造方法結(jié)束Q為6. 5 (第 150小時(shí)時(shí)刻)。 其中，在前述各個(gè)變化期內(nèi)，按照本發(fā)明前述的計(jì)算步驟確定相應(yīng)的a、b、c和d的
值，求出前述針對(duì)Q值特定的一次函數(shù)表達(dá)式或二次函數(shù)表達(dá)式，并以此表達(dá)式作為變化
規(guī)律使Q在該變化期內(nèi)連續(xù)變化(必要時(shí)可以借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制或程序控制)，并且
當(dāng)硅棒直徑長(zhǎng)大至85 100mm時(shí)(上述例子的第90小時(shí)起)，根據(jù)目測(cè)或者采用儀表直接
測(cè)量、或者通過(guò)其他測(cè)量方式，測(cè)得硅棒直徑，通過(guò)計(jì)算維持進(jìn)料三氯氫硅的體積和硅棒表
面積的比值在5 20之間，優(yōu)選6 15之間，即可實(shí)施本發(fā)明的制造方法。 如以下的實(shí)施例所示，根據(jù)本發(fā)明的多晶硅生產(chǎn)方法，可以在提高還原過(guò)程中三
氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，降低三氯氫硅還原的直接電耗，有效地降低多晶硅棒的制造成本。 以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明，而不是限制本發(fā)明。 在以下的所有實(shí)施例和比較例中，均使用了結(jié)構(gòu)如圖l所概略表示的還原爐1。其 中，1為還原爐、2為硅芯棒、3為爐體、4為原料混合氣體進(jìn)氣管、5為尾氣出口管道、6為底 盤(pán)，7為電極。 該12對(duì)棒還原爐1的容積為4. 2m3，所述硅芯棒的直徑為8mm，單根硅芯長(zhǎng)度為 1200mm，總的硅芯重量為3. 7公斤，并且在進(jìn)行還原反應(yīng)之前被加熱至1050°C -IIO(TC，作 為所述含硅氣體使用三氯氫硅(純度為等于或大于99. 9999% )，并且所述氫氣的純度為等 于或大于99. 9999%。 按照以下方法對(duì)本發(fā)明的多晶硅生產(chǎn)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。
(1)三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率 三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率(％ )=硅棒重量(kg)*100% /[三氯氫硅消耗量
(kg) X 28/135. 45]
WOO] (2)多晶硅的生長(zhǎng)速度 多晶硅的生長(zhǎng)速度(kg/h)=硅棒重量(kg)/生長(zhǎng)時(shí)間(h)
(3)使用氫氣總量 使用氫氣總量通過(guò)流量計(jì)等計(jì)量設(shè)施示出，單位為NmVh
(4)單位直接還原電耗
單位直接還原電耗表示單位重量多晶硅的平均直接耗電量，單位為kW樸/kg，其
中，單爐總耗電量可以從電氣儀表上直接得到。
實(shí)施例1 : 在本實(shí)施例中，將還原爐中的反應(yīng)壓力控制在0.3MPa，并且將反應(yīng)溫度控制在 1080°C。 在制造方法的開(kāi)始時(shí)(0時(shí)刻)，將氫氣和三氯氫硅分別以35. 8NmVh和5. 5Nm3/h 的進(jìn)氣量連續(xù)通入還原爐中。此時(shí)，所述摩爾比Q值為6. 5。 首先，用45小時(shí)的時(shí)間使所述摩爾比Q以前述一次分段函數(shù)的上段表達(dá)式(其中 該一次分段函數(shù)表達(dá)式的a值、b值、c值和d值通過(guò)按照說(shuō)明書(shū)中前述的計(jì)算方式來(lái)確定， 在此省略，以下同)連續(xù)變化至2. 5，與此同時(shí)，在前述范圍內(nèi)，氫氣和三氯氫硅的進(jìn)氣流量 隨沉積時(shí)間增加分別線(xiàn)性連續(xù)增大至100. 8NmVh和40. 3NmVh (所謂線(xiàn)性連續(xù)增大，即氫氣 的進(jìn)氣流量與時(shí)間的關(guān)系成線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系，三氯氫硅的進(jìn)氣流量與時(shí)間的關(guān)系也成線(xiàn)性函 數(shù)關(guān)系，以下相同)，但是三氯氫硅和氫氣進(jìn)料隨沉積時(shí)間增加的量不同，從而實(shí)現(xiàn)氫氣和 三氯氫硅配比的連續(xù)降低至2. 5。 其次，用45小時(shí)的時(shí)間使所述摩爾比Q以另一前述一次分段函數(shù)的下段表達(dá)式 連續(xù)變化至6.2，與此同時(shí)，在前述范圍內(nèi)，氫氣和三氯氫硅的進(jìn)氣流量隨沉積時(shí)間增加繼 續(xù)分別線(xiàn)性連續(xù)增大至694. 4NmVh和112. ONmVh，但是三氯氫硅和氫氣進(jìn)料隨沉積時(shí)間增 加的量不同，從而實(shí)現(xiàn)氫氣和三氯氫硅配比的連續(xù)增加至6.2 ;與此同步，硅棒直徑長(zhǎng)到約 80 90mm。 再次，維持氫氣的進(jìn)料量不變，改變?nèi)葰涔枧涞倪M(jìn)料量，使得Q在隨后的生產(chǎn)周 期內(nèi)以士0.2為振幅，以4小時(shí)為周期連續(xù)諧波變化(圖3所示)，即在隨后的每個(gè)小時(shí)時(shí) 刻依次調(diào)節(jié)為6. 4、6. 2、6. 0、6. 2、6. 4.，直至反應(yīng)結(jié)束。 與此同時(shí)，維持三氯氫硅的進(jìn)氣量和硅棒表面積的比值在7. 5-8. 5之間。
該反應(yīng)共通入混合氣體57740Nm 其中三氯氫硅53030kg，氫氣48970Nm3。
反應(yīng)結(jié)束后，稱(chēng)量所獲得的多晶硅棒的重量，為1042. 5公斤。
三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率(％) = (1042. 5-3. 7) X 100% /(53030X28/135. 45)= 9. 48%。 反應(yīng)結(jié)束后，測(cè)得所獲得的多晶硅棒的直徑，為134.9mm。
多晶硅的沉積速度=(1042. 5-3. 7)/135 = 7. 67kg/h
單位直接還原電耗=95910/(1042. 5-3. 7) = 92. 3kW*h/kg
比較例1 : 與實(shí)施例l相比，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力均相同，且即在制造方法的開(kāi)始 時(shí)(0時(shí)刻)，與實(shí)施例1完全相同，將氫氣和三氯氫硅分別以35. 8NmVh和5. 5NmVh的進(jìn) 氣量連續(xù)通入還原爐中。此時(shí)，所述摩爾比Q值為6.5。并在整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)，保持氫氣和 三氯氫硅的進(jìn)氣流量隨沉積時(shí)間增加分別線(xiàn)性連續(xù)增大至728. ONmVh和112. ONmVh，但是 三氯氫硅和氫氣進(jìn)料隨沉積時(shí)間增加的量不同，并使得所述混合氣體的進(jìn)氣量Q維持不變 直至多晶硅制造反應(yīng)的結(jié)束。 該反應(yīng)共通入混合氣體65775Nm 其中三氯氫硅53030kg，氫氣57005Nm3。
反應(yīng)結(jié)束后，稱(chēng)量所獲得的多晶硅棒的重量，為921. 2公斤。
三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率(％) = (921. 2-3. 7) X 100 %/(53030X28/135. 45)=
8. 37%。 反應(yīng)結(jié)束后，測(cè)得所獲得的多晶硅棒的直徑，為126. 8mm。
多晶硅的沉積速度=(921. 2-3. 7)/135 = 6. 80kg/hr
多晶硅的直接電耗=100650/(921. 2-3. 7) = 109. 7kW*h/kg
實(shí)施例2: 在本實(shí)施例中，將還原爐中的反應(yīng)壓力控制在0.3MPa，并且將反應(yīng)溫度控制在 IIO(TC。 在制造方法的開(kāi)始時(shí)(0時(shí)刻)，將氫氣和三氯氫硅分別以36. 6NmVh和6. lNm3/h 的進(jìn)氣量連續(xù)通入還原爐中。此時(shí)，所述摩爾比Q值為6。 首先，用40小時(shí)的時(shí)間使所述摩爾比Q以前述一次分段函數(shù)的上段表達(dá)式(其中 該一次分段函數(shù)表達(dá)式的a值、b值、c值和d值通過(guò)按照說(shuō)明書(shū)中前述的計(jì)算方式來(lái)確定， 在此省略，以下同)連續(xù)變化至3. O，與此同時(shí)，在前述范圍內(nèi)，氫氣和三氯氫硅的進(jìn)氣流量 隨沉積時(shí)間增加分別線(xiàn)性連續(xù)增大至128. 1NmVh和42. 7NmVh，但是三氯氫硅和氫氣進(jìn)料 隨沉積時(shí)間增加的量不同，從而實(shí)現(xiàn)氫氣和三氯氫硅配比的連續(xù)降低至3. 0。
其次，用40小時(shí)的時(shí)間使所述摩爾比Q以另一前述一次分段函數(shù)的下段表達(dá)式 連續(xù)變化至6. l，與此同時(shí)，在前述范圍內(nèi)，氫氣和三氯氫硅的進(jìn)氣流量隨沉積時(shí)間增加繼 續(xù)分別線(xiàn)性連續(xù)增大至721. 6NmVh和118. 3NmVh，但是三氯氫硅和氫氣進(jìn)料隨沉積時(shí)間增 加的量不同，從而實(shí)現(xiàn)氫氣和三氯氫硅配比的連續(xù)增加至6. 1 ;與此同步，硅棒直徑長(zhǎng)到約 80 90mm。 最后，維持三氯氫硅的進(jìn)料量不變，改變氫氣的進(jìn)料量，使得Q在隨后的生產(chǎn)周期 內(nèi)以0. 3為振幅，2小時(shí)為周期連續(xù)波動(dòng)變化(圖4所示)，即在隨后的每個(gè)小時(shí)時(shí)刻依次 調(diào)節(jié)為6. 4、6. 1、6. 4、6. 1.，直至反應(yīng)結(jié)束。 與此同時(shí)，維持三氯氫硅的進(jìn)氣量和硅棒表面積的比值維持在為8. 5 9. 5之間。
該反應(yīng)共通入混合氣體53612Nm 其中三氯氫硅48082. lkg，氫氣45660Nm3。
反應(yīng)結(jié)束后，稱(chēng)量所獲得的多晶硅棒的重量，為1322. 5公斤。
三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率(％) = (952. 9-3. 7) X 100% /(48082. 1X28/135. 45)=
9. 55%。 反應(yīng)結(jié)束后，測(cè)得所獲得的多晶硅棒的直徑，為129. Omm。
多晶硅的沉積速度=(952. 9-3. 7)/120 = 7. 91kg/h
多晶硅的直接電耗=83435/(952. 9-3. 7) = 87. 9kW*h/kg
比較例2: 與實(shí)施例l相比，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力均相同，且即在制造方法的開(kāi)始 時(shí)(0時(shí)刻)，與實(shí)施例1完全相同，將氫氣和三氯氫硅分別以36. 6NmVh和6. lNm3/h的進(jìn) 氣量連續(xù)通入還原爐中。此時(shí)，所述摩爾比Q值為6.0。并在整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)，保持氫氣和 三氯氫硅的進(jìn)氣流量隨沉積時(shí)間增加分別線(xiàn)性連續(xù)增大至709. 8NmVh和118. 3NmVh，但是 三氯氫硅和氫氣進(jìn)料隨沉積時(shí)間增加的量不同，并使得所述混合氣體的進(jìn)氣量Q維持不變 直至多晶硅制造反應(yīng)的結(jié)束。 該反應(yīng)共通入混合氣體55542Nm 其中三氯氫硅48082. lkg，氫氣47950Nm3。
反應(yīng)結(jié)束后，稱(chēng)量所獲得的多晶硅棒的重量，為809. 6公斤。 三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率(％) = (809. 6-3. 7) X 100% /(48082. 1X28/135. 45)= 8. 11%。 反應(yīng)結(jié)束后，測(cè)得所獲得的多晶硅棒的直徑，為119mm。
多晶硅的沉積速度=(809. 6-3. 7)/120 = 6. 72kg/h
多晶硅的直接電耗=93243/(809. 6-3. 7) = 115. 7kW*h/kg 盡管上文參照附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指 明的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修 改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說(shuō)明書(shū)所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
1權(quán)利要求
一種多晶硅棒的制造方法，它是通過(guò)向反應(yīng)器中連續(xù)通入包括氫氣和含硅氣體的混合氣體作為原料氣，在所述反應(yīng)器中，所述原料氣發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)化學(xué)氣相沉積，生成的高純度多晶硅不斷沉積在硅芯上，使硅芯的直徑逐漸變粗而形成多晶硅棒的方法，其特征在于，通過(guò)調(diào)節(jié)作為原料氣的所述氫氣的進(jìn)氣量M，和/或調(diào)節(jié)作為原料氣的所述含硅氣體的進(jìn)氣量N，使所述氫氣和含硅氣體的摩爾比值Q滿(mǎn)足如下關(guān)系式Qt1＞Qt3且Qt3＜Qt2式中，Qt1是從所述多晶硅的生產(chǎn)方法開(kāi)始至t1小時(shí)的時(shí)刻，作為原料氣的所述氫氣和所述含硅氣體的摩爾比；Qt2是從所述多晶硅的生產(chǎn)方法開(kāi)始至t2小時(shí)的時(shí)刻，作為原料氣的所述氫氣與所述含硅氣體的摩爾比；Qt3是從所述多晶硅的生產(chǎn)方法開(kāi)始至t3小時(shí)的時(shí)刻，作為原料氣的所述氫氣與所述含硅氣體的摩爾比；Qt3是摩爾比值Q中的最小值；t1是0或正實(shí)數(shù)，t3和t2是正實(shí)數(shù)，且t1＜t3＜t2；當(dāng)硅棒直徑長(zhǎng)到85～100mm時(shí)，此時(shí)刻的所述Q值以振幅A波動(dòng)直至反應(yīng)結(jié)束，其中，A選自0.001～1.0的范圍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，所述振幅A選自0. 2 0. 6 的范圍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，當(dāng)所述Q值以振幅A開(kāi)始波 動(dòng)的時(shí)刻起直至反應(yīng)結(jié)束，所述含硅氣體的進(jìn)氣量NmVh和硅棒表面積m2的比值R在5 20之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，多晶硅的制造過(guò)程中，在摩 爾比值Q以振幅A開(kāi)始波動(dòng)的時(shí)刻之前，時(shí)刻t3之前的任意時(shí)刻^對(duì)應(yīng)的摩爾比值Q不大 于該時(shí)刻^之前的任意時(shí)刻對(duì)應(yīng)的摩爾比值Q，時(shí)刻t3對(duì)應(yīng)的摩爾比值Qt3為最小，時(shí)刻t3 之后的任意時(shí)刻t2對(duì)應(yīng)的摩爾比值Q不小于該時(shí)刻t2之前至t3時(shí)刻之后的任意時(shí)刻對(duì)應(yīng) 的摩爾比值Q。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，所述含硅氣 體是氯硅烷。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，所述氯硅烷是三氯氫硅、二 氯二氫硅和四氯化硅中的任意一種或幾種的混合物。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，所述Q『Qt3 和Qt2各自獨(dú)立地選自1.0 15. 0。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，所述Qtl、Qt3和Qt2各自獨(dú)立 地選自2. 0 7. 5。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，所述氫氣的 進(jìn)氣量M選自20 2000NmVh。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，所述含硅 氣體的進(jìn)氣量N選自5 800NmVh。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多晶硅棒的制造方法，它是通過(guò)向反應(yīng)器中連續(xù)通入由氫氣和含硅氣體構(gòu)成的混合氣體作為原料氣，在所述反應(yīng)器中所述原料氣發(fā)生反應(yīng)，由此制造多晶硅棒的方法，其包括通過(guò)調(diào)節(jié)作為原料氣的所述氫氣的進(jìn)氣量M，和/或調(diào)節(jié)作為原料氣的所述含硅氣體的進(jìn)氣量N，使所述氫氣和所述含硅氣體的摩爾比值Q滿(mǎn)足特定的關(guān)系式，且當(dāng)硅棒直徑長(zhǎng)到85～100mm時(shí)，此刻的Q值以振幅A波動(dòng)的步驟。根據(jù)本發(fā)明的制造多晶硅棒的方法，在提高還原過(guò)程中三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，降低了三氯氫硅還原的直接電耗，有效地降低了多晶硅棒的制造成本。
文檔編號(hào)C01B33/00GK101717087SQ20091023437
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者孔營(yíng), 崔樹(shù)玉, 梁強(qiáng), 王永亮, 鐘真武, 陳其國(guó), 陳明元 申請(qǐng)人:江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司