專(zhuān)利名稱：一種多晶硅的生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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)明的多晶硅制造方法中， 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)明的多晶硅生產(chǎn)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)由于不增加多晶硅生產(chǎn)設(shè)備的復(fù)雜度，也可以維 持該生產(chǎn)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)。 根據(jù)本發(fā)明的多晶硅生產(chǎn)方法，所述氫氣的進(jìn)氣量M選自20 2000NmVh，所述含 硅氣體的進(jìn)氣量N選自5 800NmVh。 根據(jù)本發(fā)明的多晶硅生產(chǎn)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. 0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Q(比 如前述的Q。和Q2)，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Q可以近似地等于此刻所述氫氣的流量M與此刻 所述含硅氣體的流量N的比值，即Q " M/N。 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滿足如下關(guān)系
7
從所述多晶硅的生產(chǎn)工藝開(kāi)始至?xí)r刻^的時(shí)間范圍內(nèi)，Q在Q。士a的范圍內(nèi)波動(dòng)；
從所述多晶硅的生產(chǎn)工藝t2時(shí)刻開(kāi)始至反應(yīng)結(jié)束，Q在Q2±b的范圍內(nèi)波動(dòng)；
且，^ < t2， Q0+a < Q2_b ;
其中， Q。是所述多晶硅的生產(chǎn)工藝開(kāi)始時(shí)刻，作為原料氣的所述氫氣和所述含硅氣體的 摩爾比； 92是所述多晶硅的生產(chǎn)工藝的〖2時(shí)刻，作為原料氣的所述氫氣與所述含硅氣體的 摩爾比； a、b、t"^是正實(shí)數(shù)。 根據(jù)該實(shí)施方案，根據(jù)本發(fā)明的多晶硅生產(chǎn)方法，所述氫氣的進(jìn)氣量M選自20 2000NmVh，所述含硅氣體的進(jìn)氣量N選自5 800Nm3/h。 根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，在所述多晶硅生產(chǎn)方法的過(guò)程中，Q值在一定范 圍內(nèi)波動(dòng)。 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，t2指的是 從所述多晶硅生產(chǎn)方法開(kāi)始經(jīng)過(guò)t2小時(shí)的時(shí)刻，t3可視為反應(yīng)的終止時(shí)刻(即下述的生長(zhǎng) 周期T，以小時(shí)計(jì))，O < ^ < t2 < t3。 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，對(duì)于第一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，在硅棒直徑長(zhǎng)到40 45mm之前的 Q。，小于硅棒直徑在40 45mm之后的Q2，在硅棒直徑達(dá)到40 45mm之后，所述Q。值增大 至Q2，并維持該比值Q2在一定范圍內(nèi)波動(dòng)并運(yùn)行至反應(yīng)結(jié)束，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。a和b在 0. 001 1的范圍內(nèi)變化，優(yōu)選0. 2 0. 6變化，且保證Q。+a < Q2_b。 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
8化，只要能保證在整個(gè)多晶硅生產(chǎn)周期內(nèi)所述Q值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)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值的在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，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)起至反應(yīng) 結(jié)束，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)先在Q?！繿的范 圍內(nèi)波動(dòng)，再增大到92，接著繼續(xù)在Q2±b的范圍內(nèi)波動(dòng)的趨勢(shì)。 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。 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以周期性函數(shù)或非周期性函數(shù)或線性函數(shù)或非線 性函數(shù)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。 作為所述周期性變化比如可以舉出，在所述多晶硅整個(gè)生長(zhǎng)周期(即從制造方法
開(kāi)始至制造方法結(jié)束)內(nèi)，所述摩爾比Q在按照相同的變化規(guī)律(指的是前述的線性函數(shù)
和前述的非線性函數(shù)和前述的周期性函數(shù)和前述的非周期性函數(shù))進(jìn)行變化。 需要指出的是，根據(jù)本發(fā)明，所述周期性函數(shù)或非周期性函數(shù)或線性函數(shù)或非線
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)。 本發(fā)明的生產(chǎn)工藝包含兩個(gè)Q值波動(dòng)階段，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，在每一個(gè)沉積階段(即每一個(gè)Q值波動(dòng)階段)內(nèi)作為所述摩爾
比Q的變化規(guī)律的函數(shù)優(yōu)選是先單調(diào)遞減后單調(diào)遞增并周期性循環(huán)至該沉積階段結(jié)束，或
者先單調(diào)遞增后單調(diào)遞減并周期性循環(huán)至該沉積階段結(jié)束，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)階段內(nèi)的單調(diào)遞減和單調(diào)增加并
周期性循環(huán)的函數(shù)，比如可以舉出如下的表達(dá)式，但并不限于此。 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 ;c、 e代表該單調(diào)遞減和遞增函數(shù)的斜率，并且c、 d、 e和f是不為 0的實(shí)數(shù)。在Q值波動(dòng)的每一個(gè)變化周期內(nèi)，其按上述函數(shù)變化。 本發(fā)明對(duì)Q的波動(dòng)周期沒(méi)有特殊限制，但優(yōu)選1 10小時(shí)為一個(gè)周期，最優(yōu)選1 4小時(shí)為一個(gè)周期。 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。 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。值階段的時(shí)間，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)選當(dāng)?shù)谝粋€(gè)反應(yīng)器內(nèi)的硅棒直徑長(zhǎng)到40 45mm時(shí)， 開(kāi)始將Q。增大為92，這一沉積時(shí)間(0 ^的時(shí)間段) 一般占整個(gè)生產(chǎn)周期的20 60%;然后確定Q。增大為Q2的時(shí)間段 t2的時(shí)間段)，一般占整個(gè)生產(chǎn)周期的2 10%，在 ^ t2的時(shí)間段，Q。增大為Q2的方式可以是連續(xù)的或者是非連續(xù)的，可以是線性的也可以 是非線性的，優(yōu)選Q。連續(xù)線性增大為Q2 ;再保持Q2在一定范圍內(nèi)波動(dòng)直至反應(yīng)結(jié)束(t2 t3的時(shí)間段)，這些都是本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易實(shí)現(xiàn)的。 如附圖1和附圖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同步連續(xù)增大，并導(dǎo)致比值Q按照預(yù)設(shè)的方式變化)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110小時(shí))以及生產(chǎn)的方便性，非特意性地 確定^時(shí)刻為從生產(chǎn)開(kāi)始經(jīng)歷35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Q。和生產(chǎn)周期內(nèi) Q值變化范圍a分別非特異性地設(shè)定為如下
Q。 = 2. 8 ;a = 0. 2 ;波動(dòng)周期為2小時(shí)； 下段沉積開(kāi)始的時(shí)刻的ty摩爾比Q2和Q2的變化范圍b分別非特異性地設(shè)定為如 下 t2 = 40， Q2 = 5. 0 ;b = 0. 3 ;波動(dòng)周期為4小時(shí); 制造方法開(kāi)始Q為2. 8(第0小時(shí)時(shí)刻)一Q為2. 6(第0. 5小時(shí)時(shí)刻)一Q為 3.0(第1小時(shí)時(shí)刻)一Q為2.8(第1.5小時(shí)時(shí)刻)一Q為2.6(第2小時(shí)時(shí)刻)一……一Q 為2. 8 (第35小時(shí)時(shí)刻)一Q為5. 0 (第40小時(shí)時(shí)刻)一Q為5. 3 (第41小時(shí)時(shí)刻)一Q 為5.0(第42小時(shí)時(shí)刻)一Q為4.7(第43小時(shí)時(shí)刻)一Q為5. 0 (第44小時(shí)時(shí)刻)一…… —制造方法結(jié)束Q為5. 0(第110小時(shí)時(shí)刻)。上述"一"表示的變化過(guò)程，均為線性連續(xù)變 化。 其中，在前述各個(gè)變化期內(nèi)，先確定相應(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在該沉積階段內(nèi) 周期性連續(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)，同時(shí)第一個(gè)還原爐 的尾氣作為第二個(gè)還原爐的原料進(jìn)入第二個(gè)還原爐，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，在增加單爐三氯氫硅進(jìn)氣 量的情況下，可以在維持較高的多晶硅沉積速度的同時(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，降低單位產(chǎn)品的直接還原電耗，由此降低了多晶硅的單位生 產(chǎn)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1所概略表示的還原爐A和 還原爐B。 該還原爐A和還原爐B的單個(gè)容積為7m3，所述硅芯棒的直徑為8mm，單根硅芯長(zhǎng) 度為2400mm，還原爐A和還原爐B中硅芯重量都為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99.9999% )，并且所述氫氣 的純度為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]。 (2)多晶硅的生長(zhǎng)速度 多晶硅的沉積速度(kg/h)=硅棒重量(kg)/生長(zhǎng)時(shí)間(h)。
(3)單位電耗 單爐電耗(kW*h/kg)=單爐產(chǎn)品總的電耗(kW樸)/產(chǎn)品重量(kg)。
單爐總電耗由電量計(jì)量表直接讀出。
實(shí)施例1 : 在本實(shí)施例中，如圖1所示，將還原爐A和還原爐B中的反應(yīng)壓力控制在0. 3MPa， 還原爐A的排出的尾氣經(jīng)還原爐尾氣夾套冷卻器15冷卻至200 26(TC后，經(jīng)管路13和管 路12作為還原爐B的原料氣進(jìn)入還原爐B沉積多晶硅，從還原爐B出來(lái)的尾氣進(jìn)入還原尾 氣回收單元，回收未反應(yīng)的三氯氫硅和副產(chǎn)物四氯化硅和氯化氫氣體。在多晶硅沉積過(guò)程 中，還原爐A和還原爐B內(nèi)硅棒表面溫度控制在1050 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98Nm3/h和35Nm3/h的進(jìn) 氣量連續(xù)通入還原爐中，此時(shí)摩爾比Q。為2. 8。首先，用30小時(shí)的時(shí)間使硅棒直徑生長(zhǎng)至 40 45mm，在此期間使所述摩爾比Q。以前述周期性分段函數(shù)的表達(dá)式(其中該一次分段 函數(shù)表達(dá)式的c值、d值、e值和f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)降低至2. 6后增加至3. 0再降低為2. 6，如此循環(huán)，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)間的增加分別增大至436. 8NmVh和156NmVh，其中， 三氯氫硅的進(jìn)氣流量與時(shí)間的關(guān)系為近似線性增大，氫氣的進(jìn)氣流量隨三氯氫硅的進(jìn)氣流 量的變化而變化，以保證氫氣和三氯氫硅摩爾比Q在2. 6 3. 0之間周期性循環(huán)，波動(dòng)周期 為4小時(shí)。 其次，用5小時(shí)的時(shí)間使所述摩爾比從Q。連續(xù)線性增加至5. 0，并在隨后的70小時(shí) 內(nèi)，氫氣和三氯氫硅的摩爾比Q在4. 8 5. 2之間循環(huán)變化，波動(dòng)周期為2小時(shí)；與此同時(shí)， 氫氣和三氯氫硅的進(jìn)氣流量隨沉積時(shí)間增加分別繼續(xù)連續(xù)增大至1443NmVh和288. 6Nm3/ h ;其中，三氯氫硅的進(jìn)氣流量與時(shí)間的關(guān)系為線性增大，且三氯氫硅進(jìn)料量用45 55小時(shí) 的時(shí)間從之前的156NmVh增大至288. 6NmVh，之后維持288. 6NmVh直至反應(yīng)結(jié)束；氫氣的 進(jìn)氣流量隨三氯氫硅的進(jìn)氣流量的變化而變化，以保證氫氣和三氯氫硅的摩爾比先連續(xù)線 性增加至5. 0、再在4. 8 5. 2之間循環(huán)變化。最終，還原爐A和還原爐B內(nèi)的硅棒直徑長(zhǎng) 到約115 125mm。
Q值的變化過(guò)程如下 制造方法開(kāi)始Q為2. 8 (第0小時(shí)時(shí)刻)一Q為2. 6 (第1小時(shí)時(shí)刻)一Q為2. 8 (第 2小時(shí)時(shí)刻)一Q為3.0(第3小時(shí)時(shí)刻)一Q為2.8(第4小時(shí)時(shí)刻)一……一Q為2.8(第 30小時(shí)時(shí)刻)—Q為5. 0 (第35小時(shí)時(shí)刻)—Q為4. 8 (第35. 5小時(shí)時(shí)刻)一Q為5. 0 (第 36小時(shí)時(shí)刻)—Q為5. 2(第36. 5小時(shí)時(shí)刻)—Q為5. 0 (第37小時(shí)時(shí)刻)—……—制造 方法結(jié)束Q為5. 0(第105小時(shí)時(shí)刻)。上述"一"表示的變化過(guò)程，均為線性連續(xù)變化。
反應(yīng)結(jié)束后，稱量所獲得的多晶硅棒的重量，還原爐A為1591公斤，還原爐B的硅 棒重量為1517公斤，消耗三氯氫硅共154577kg。 三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率=(1591+1517-7-7) X 100 %/(154577kgX28/135. 45)= 9. 68%。
11
反應(yīng)結(jié)束后，測(cè)得所獲得的多晶硅棒的直徑，還原爐A和還原爐B的硅棒直徑分別 為120. 1mm和117. 3mm。還原爐A的多晶硅的沉積速度=(1591-7)/105 = 15. 09kg/hr。
還原爐B的多晶硅的沉積速度=(1517-7)/105 = 14. 38kg/hr。
還原爐A單位電耗123868. 8/(1591-7) = 78. 2kW*h/kg。
還原爐B單位電耗123216/(1517-7) = 81. 6kW*h/kg。
對(duì)比例la: 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、反應(yīng)體系均相同，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98NmVh和35Nm3/h 的進(jìn)氣量連續(xù)通入還原爐中。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)間增加分別近似線性連續(xù)增大至1443Nm3/h和288. 6Nm3/h，三氯氫硅進(jìn)料量從反應(yīng)周 期開(kāi)始經(jīng)歷約75-85h增大至288. 6Nm3/h后保持不變；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摩爾比Q線性連續(xù)增大直至多晶硅制造反應(yīng)的結(jié) 束時(shí)達(dá)到5.0。 反應(yīng)結(jié)束后，稱量所獲得的多晶硅棒的重量，還原爐A為1476公斤，還原爐B的硅 棒重量為1421公斤，消耗三氯氫硅共154580kg。 三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率=(1476+1421-7-7) X 100%/(154580kgX28/135. 45)= 9. 02%。 反應(yīng)結(jié)束后，測(cè)得所獲得的多晶硅棒的直徑，還原爐A和還原爐B的硅棒直徑分別 為115. 7mm和113. 5mm。還原爐A的多晶硅的沉積速度=(1476-7)/105 = 13. 99kg/hr。
還原爐B的多晶硅的沉積速度=(1421-7)/105 = 13. 47kg/hr。
還原爐A單位電耗:122808. 4/ (1476-7) = 83. 6kW*h/kg。
還原爐B單位電耗124714. 8/(1421-7) = 88. 2kW*h/kg。
對(duì)比例lb : 與實(shí)施例1相比，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力與反應(yīng)氣體流量大小及調(diào)節(jié)等過(guò) 程均完全相同，所不同的是采用單個(gè)還原爐反應(yīng)體系。 反應(yīng)結(jié)束后，稱量所獲得的多晶硅棒的重量為1608公斤，消耗三氯氫硅共 154587kg。三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率=(1608-7) X 100%/(154587kgX28/135. 45) = 5.01%。
反應(yīng)結(jié)束后，測(cè)得所獲得的多晶硅棒的直徑，還原爐內(nèi)硅棒的直徑為120. 8mm。
還原爐的多晶硅的沉積速度=(1608-7)/105 = 15. 24kg/hr。
還原爐單位電耗126959. 3/(1608-7) = 79. 3kW*h/kg。
實(shí)施例2: 在本實(shí)施例中，如圖3所示，將還原爐A，還原爐B和還原爐C三臺(tái)串聯(lián)，三臺(tái)還原 爐中的反應(yīng)壓力控制在0. 3MPa，與實(shí)施例1不同的是，還原爐A的排出的尾氣經(jīng)還原爐尾氣 夾套冷卻器冷卻至200 26(TC后，經(jīng)管路作為還原爐B的原料氣進(jìn)入還原爐B沉積多晶 硅。還原爐B的排出的尾氣經(jīng)還原爐尾氣夾套冷卻器冷卻至200 26(TC后，經(jīng)管路作為還 原爐C的原料氣進(jìn)入還原爐C沉積多晶硅，從還原爐C出來(lái)的尾氣進(jìn)入還原尾氣回收單元，回收未反應(yīng)的三氯氫硅和副產(chǎn)物四氯化硅和氯化氫氣體。在多晶硅沉積過(guò)程中，還原爐A、 還原爐B和還原爐C內(nèi)硅棒表面溫度控制在1050 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111. 7NmVh和39. 9Nm3/ h的進(jìn)氣量連續(xù)通入還原爐中，此時(shí)摩爾比Q°為2. 8。 首先，用30小時(shí)的時(shí)間使硅棒直徑生長(zhǎng)至40 45mrn，在此期間使所述摩爾比Q。 以前述周期性分段函數(shù)的表達(dá)式(其中該一次分段函數(shù)表達(dá)式的c值、d值、e值和f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)降低至2. 6后增加至3. 0 再降低為2. 6，如此循環(huán)，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 的增加分別增大至487. 2NmVh和174Nm3/h，其中，三氯氫硅的進(jìn)氣流量與時(shí)間的關(guān)系為近 似線性增大，氫氣的進(jìn)氣流量隨三氯氫硅的進(jìn)氣流量的變化而變化，以保證氫氣和三氯氫 硅摩爾比Q在2. 6 3. 0之間周期性循環(huán)，波動(dòng)周期為4小時(shí)。 其次，用5小時(shí)的時(shí)間使所述摩爾比從Q。連續(xù)線性增加至4. 5，并在隨后的68小 時(shí)內(nèi)，氫氣和三氯氫硅的摩爾比Q在4. 2 4. 5之間循環(huán)變化，波動(dòng)周期為1小時(shí)；與此 同時(shí)，氫氣和三氯氫硅的進(jìn)氣流量隨沉積時(shí)間增加分別繼續(xù)連續(xù)增大至1407. 6NmVh和 312. 8NmVh;其中，三氯氫硅的進(jìn)氣流量與時(shí)間的關(guān)系為線性增大，且三氯氫硅進(jìn)料量用 45 55小時(shí)的時(shí)間從之前的174Nm3/h增大至312. 8NmVh，之后維持312. 8Nm3/h直至反應(yīng) 結(jié)束；氫氣的進(jìn)氣流量隨三氯氫硅的進(jìn)氣流量的變化而變化，以保證氫氣和三氯氫硅的摩 爾比先連續(xù)線性增加至4. 5、再在4. 2 4. 5之間循環(huán)變化。最終，還原爐A和還原爐B內(nèi) 的硅棒直徑長(zhǎng)到約115 125mm。
Q值的變化過(guò)程如下 制造方法開(kāi)始Q為2. 8 (第0小時(shí)時(shí)刻)一Q為2. 6 (第1小時(shí)時(shí)刻)一Q為2. 8 (第 2小時(shí)時(shí)刻)一Q為3.0(第3小時(shí)時(shí)刻)一Q為2.8(第4小時(shí)時(shí)刻)一……一Q為2.8(第 30小時(shí)時(shí)刻)一Q為4. 5 (第35小時(shí)時(shí)刻)一Q為4. 2 (第35. 5小時(shí)時(shí)刻)一Q為4. 5 (第 36小時(shí)時(shí)刻)—Q為4. 2(第36. 5小時(shí)時(shí)刻)—Q為4. 5 (第37小時(shí)時(shí)刻)—……—制造 方法結(jié)束Q為4.5(第103小時(shí)時(shí)刻)。上述"一"表示的變化過(guò)程，均為線性連續(xù)變化。
反應(yīng)結(jié)束后，稱量所獲得的多晶硅棒的重量，還原爐A為1584公斤，還原爐B為 1516公斤，還原爐C的硅棒重量為1439公斤，消耗三氯氫硅共179239. lkg。
三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率=(1584+1516+1439-7-7-7) X100 % / (179239. lkgX28/135. 45) = 12. 19%。 反應(yīng)結(jié)束后，測(cè)得所獲得的多晶硅棒的直徑，還原爐A、還原爐B和還原爐C的硅棒 直徑分別為119. 9mm、117. 3mm和114. 5mm。還原爐A的多晶硅的沉積速度=(1584-7)/103 = 15. 31kg/hr。
還原爐B的多晶硅的沉積速度=(1516-7)/103 = 14. 65kg/hr。
還原爐C的多晶硅的沉積速度=(1439-7)/103 = 13. 90kg/hr。
還原爐A單位電耗120640. 5/(1584-7) = 76. 5kW*h/kg。
還原爐B單位電耗:119663. 7/(1516-7) = 79. 3kW*h/kg。
還原爐C單位電耗123008. 8/(1439-7) = 85. 9kW*h/kg。
對(duì)比例2a: 與實(shí)施例2相比，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、反應(yīng)體系均相同，且即在制造
13方法的開(kāi)始時(shí)(0時(shí)刻)，與實(shí)施例2完全相同，將氫氣和三氯氫硅分別以111.7Nm3/h和 39.9Nm3/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2. 8。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)間增加分別近似線性連續(xù)增大至1407. 6Nm3/ h和312. 8NmVh，三氯氫硅進(jìn)料量從反應(yīng)周期開(kāi)始經(jīng)歷約80-90h增大至312. 8NmVh后保持 不變；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摩爾比 Q線性連續(xù)增大直至多晶硅制造反應(yīng)的結(jié)束時(shí)達(dá)到4. 5。 反應(yīng)結(jié)束后，稱量所獲得的多晶硅棒的重量，還原爐A為1551公斤，還原爐B為 1502公斤，還原爐C的硅棒重量為1408公斤，消耗三氯氫硅共179250kg。
三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率=(1551+1502+1408-7-7-7) X100 % / (179250kgX28/135. 45) = 11.98%。 反應(yīng)結(jié)束后，測(cè)得所獲得的多晶硅棒的直徑，還原爐A、還原爐B和還原爐C的硅棒 直徑分別為118. 6mm、116. 7mm和113. 0mm。還原爐A的多晶硅的沉積速度=(1551-7)/103 = 14. 99kg/hr。
還原爐B的多晶硅的沉積速度=(1502-7)/103 = 14. 51kg/hr。
還原爐C的多晶硅的沉積速度=(1408-7)/103 = 13. 60kg/hr。
還原爐A單位電耗121358. 4/(1551-7) = 78. 6kW*h/kg。
還原爐B單位電耗122889/ (1502-7) = 82. 2kW*h/kg。
還原爐C單位電耗124128. 6/(1408-7) = 88. 6kW*h/kg。
對(duì)比例2b: 與實(shí)施例2相比，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力與反應(yīng)氣體流量大小及調(diào)節(jié)等過(guò) 程均完全相同，所不同的是采用單個(gè)還原爐反應(yīng)體系。 反應(yīng)結(jié)束后，稱量所獲得的多晶硅棒的重量為1602公斤，消耗三氯氫硅共 179208kg。三氯氫硅單程轉(zhuǎn)化率=(1602-7) X 100%/(179208kgX28/135. 45) = 4.31%。
反應(yīng)結(jié)束后，測(cè)得所獲得的多晶硅棒的直徑，還原爐內(nèi)硅棒的直徑為120. 6mm。
還原爐的多晶硅的沉積速度=(1602-7)/103 = 15. 49kg/hr。
還原爐單位電耗118987/ (1602-7) = 74. 6kW*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
一種多晶硅的生產(chǎn)工藝，它是通過(guò)向2個(gè)以上串聯(lián)的反應(yīng)器中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)氣相沉積生產(chǎn)多晶硅的工藝，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滿足如下關(guān)系從所述多晶硅的生產(chǎn)工藝開(kāi)始至?xí)r刻t1的時(shí)間范圍內(nèi)，Q在Q0±a的范圍內(nèi)波動(dòng)；從所述多晶硅的生產(chǎn)工藝t2時(shí)刻開(kāi)始至反應(yīng)結(jié)束，Q在Q2±b的范圍內(nèi)波動(dòng)；且，t1＜t2，Q0+a＜Q2-b其中，Q0是所述多晶硅的生產(chǎn)工藝開(kāi)始時(shí)刻，作為原料氣的所述氫氣和所述含硅氣體的摩爾比；Q2是所述多晶硅的生產(chǎn)工藝的t2時(shí)刻，作為原料氣的所述氫氣與所述含硅氣體的摩爾比；a、b、t1、t2是正實(shí)數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅的生產(chǎn)工藝，其特征在于，所述串聯(lián)的反應(yīng)器包含2 8個(gè)單個(gè)反應(yīng)器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅的生產(chǎn)工藝，其特征在于，所述串聯(lián)的反應(yīng)器包含2 5個(gè)單個(gè)反應(yīng)器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的多晶硅的生產(chǎn)工藝，其特征在于，所述串聯(lián)的反應(yīng)器， 其串聯(lián)方式為原料氣通過(guò)進(jìn)氣管道進(jìn)入第一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)，第一個(gè)反應(yīng)器的尾氣通入第 二個(gè)反應(yīng)器的進(jìn)氣管道進(jìn)入第二個(gè)反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)，以此類(lèi)推，直至最后一個(gè)反應(yīng)器的尾氣 被回收處理。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅的生產(chǎn)工藝，其特征在于，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，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)反應(yīng)器內(nèi)的硅棒直徑長(zhǎng)到40 45mm時(shí)，所述Q值從Q。增 大至。2。
6 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、或5所述的多晶硅的生產(chǎn)工藝，其特征在于，所述Q。為1. 0 15. 0， Q2為1. 0 15. 0， a為0. 001 1， b為0. 001 l，且Q。+a < Q2_b。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅的生產(chǎn)工藝，其特征在于，所述含硅氣體是氯硅烷。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的多晶硅的生產(chǎn)工藝，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。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅的生產(chǎn)工藝，其特征在于，所述氫氣的進(jìn)氣量M選自 20 2000Nm3/h。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅的生產(chǎn)工藝，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)明公開(kāi)了一種多晶硅的生產(chǎn)工藝，它是通過(guò)向2個(gè)以上串聯(lián)的反應(yīng)器中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)氣相沉積生產(chǎn)多晶硅的工藝，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滿足如下關(guān)系從多晶硅的生產(chǎn)工藝開(kāi)始至?xí)r刻t1的時(shí)間范圍內(nèi)，Q在Q0±a的范圍內(nèi)波動(dòng)；從多晶硅的生產(chǎn)工藝t2時(shí)刻開(kāi)始至反應(yīng)結(jié)束，Q在Q2±b的范圍內(nèi)波動(dòng)；且，t1＜t2，Q0+a＜Q2-b。根據(jù)本發(fā)明的多晶硅生產(chǎn)工藝，能夠在提高沉積速度，降低電耗的同時(shí)，有效利用生產(chǎn)原料含硅氣體，提高單程轉(zhuǎn)化率。
文檔編號(hào)C30B25/00GK101724895SQ200910263230
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者鐘真武, 陳其國(guó), 陳文龍 申請(qǐng)人:江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司