多晶硅及其生产方法技术

本发明专利技术涉及一种多晶硅棒，特征在于其所具有的棒横截面具有面积比５０％～９９％可用于电传导的硅且该棒所具有的抗弯强度在０．１至８０Ｎ／ｍｍ２之间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及半导体和光伏应用的多晶硅，及其生产方法。多晶体硅(多晶硅)用作通过柴氏(CZ)或浮区(FZ)生长法生产半导体的单晶硅和通过不同提拉和铸造法生产光伏太阳能电池的单晶硅或多晶硅生产的起始原料。这一般通过西门子法(Siemens process)的方式进行生产。在这种方法中，硅的细丝棒(thin filament rod)通过直接在钟形反应器(“西门子反应器”)中通电流而进行加热，而含有含硅组分和氢的反应气体引入其中。反应气体的含硅组分通常是单硅烷或通式SiHnX4-n的卤硅烷(n＝0，1，2，3；X＝Cl，Br，I)。其优选是氯硅烷(X＝Cl)，更优选三氯硅烷(n＝1)。SiH4或SiHCl3主要使用于含氢的混合物中。丝棒垂直插入反应器基部的电极中，通过电极其连接至电源。高纯度多晶硅沉积于加热的丝棒和水平桥上，由此，棒直径随时间而进行生长。这种工艺通过设置棒温度和反应气体流速和组成进行控制。棒温度采用辐射高温计在垂直棒的表面上进行测定。棒温度通过控制或调节电功率而设置在固定的水平或设置成棒直径的函数。反应气体速率设置成棒直径的函数。沉积条件选择成使棒直径以均匀和无孔层的形式生长，即由此获得的硅棒是非常显著地无裂缝、孔隙、接缝、裂纹等，而由此使均匀的、致密的和实心的。这种材料及其加工例如描述于US635031382中。这种密实多晶硅的表观密度对应于多晶硅的真实密度，为2.329g/cm3。由此获得的多晶硅棒，如果不用于通过FZ工艺生产单晶，则必须加工成块和晶片。为此，这些棒用工具如锤子、破碎机或磨粉碎而随后按尺寸分级。碎片尺寸越小，多晶硅棒的强度越高，则工具对多晶硅的污染也越大。对于单晶硅和多晶硅生产，坩埚用不同尺寸的碎片填装。对于首次填装，目标是坩埚的最大填装水平。为此目的，尺寸和重量非常不同的硅碎片，即锯开的棒片、粗块、小晶片和精细材料，必须进行混合。硅碎片的尺寸范围为＜1mm至高达150mm和更大碎片；碎片形状没有必要太大地偏离球形。对于坩埚的多次重填装，仅仅精细自由流动的，即基本球形的碎片是合适的，因为材料必须通过管道和设备传送进入坩埚而决不能损坏坩埚，也不能过度地干扰硅熔融。坩锅提拉操作的产率受杂质量的限制，杂质在硅熔融物中富集，这又是主要通过细微硅碎片引入的。由于晶体提拉法(crystal pulling process)对于所用多晶硅的尺寸分布和形式敏感，则0.7至1.0的硅碎片宽长比(W/L)和球度0.7至1.0的硅碎片确立为适用于晶体提拉法中的实际标准。对于以最大坩埚填装水平的可控坩埚实现的有关全球市场惯常不同碎片尺寸的实例，例如，能够在以下Wacker Chemie AG网页中找到，对此，具有硅碎片最大长度5-45mm，20-65mm，20-150mm的碎片尺寸部分刊登了广告：(http://www.wacker.com/intemet/webcache/en_US/PTM/Polysilicon/PolyChunks/Polysilicon_chunks_etched.pdf)。长度L是指颗粒的最大三维尺寸；宽度W是与最大三维尺寸成直角的三维尺寸。球-->度定义为与颗粒具有相同投影面积的圆直径除以封闭颗粒投影的圆直径(根据Wadell对二维分析面积进行定义)。US 2003/0150378A2公开了“泪滴状多晶硅(teardrop poly)”和其生产方法。在这种方法中，密实的无孔高纯多晶硅棒(“主干”)通过西门子法和硅烷浓度1.14mol％的方式在850℃下由单甲硅烷(SiH4)沉积至高达45mm的硅棒直径。随后，棒表面温度急剧从850℃增至988℃，而硅烷浓度急剧从1.14mol％降至0.15mol％。该参数突跃突然改变了硅晶体在硅棒上的生长，而针状物，称为树枝状物，从棒表面上生长。随后，棒表面温度继续降低，而使针状物进一步的生长形成大“泪滴状物”一直继续而直至沉积结束。“泪滴状物”是液滴型结构，仅仅通过其窄端连接至主干上，而并未相互熔合。在硅碎片的生产中，这使泪滴状物易于破裂掉落“主干”。这种多晶硅和其生产方法，具有一系列缺点：多晶硅棒是非常不均匀的。其由密实的无裂缝裂纹的而因此实心的“主干”，和通过空腔相互分隔开而不会相互熔合的“泪滴状物”构成。一旦“泪滴状物”已经去除，主干不得不进一步分开进行加工。这就意味着按照两阶段工艺的形式，甚至对于中间存储物料也可能需要额外的工作。主干和泪滴状物质量的相对比例由分离工艺确定。相对于均匀材料，粉碎的材料尺寸分布因此能够不再自由选择。由于在泪滴状物之间缺乏连接，电流专有地通过主干。其直径因此不能在所需低的水平下进行选择，因为其将会另外熔化。既然随着沉积中直径升高而所需电流增加，则这就意味着主干的直径也必须增加。因此，仅仅沉积的硅比例，其随着棒直径提高而降低，可以用作为泪滴状物。泪滴状物的形式在尺寸分布、球度和W/L比方面显著不同于由密实硅棒获得的碎片。因此如果不调节硅提拉法，这种材料不适用于生产单晶硅或多晶硅。本专利技术的一个目的是提供一种多晶硅棒，其尤其适用于半导体技术和特别适用于光伏电池中的应用。这一目的通过多晶硅棒实现，特征在于，其所具有的棒横截面具有面积比为50％至99％的可用于电传导的硅，而棒具有的抗弯强度为0.1至80N/mm2。优选棒横截面具有面积比为80％-99％的可用于电传导的硅，而最优选面积比为90％-99％的可用于电传导的硅。棒横截面积其余由裂缝(crack)和孔(pore)构成。硅棒的电导性与传统密实多晶硅相比几乎不受小裂缝和孔的影响。棒横截面优选与棒的纵轴成直角进行测定。硅面积比例和裂缝、孔和接缝的面积比例能够通过商购光学成像分析而进行测定。抗弯强度优选为0.1至16N/mm2，更优选0.5至2N/mm2而尤其优选0.5至低于1.6N/mm2。棒另外优选具有的抗压强度为1至100N/mm2，更优选20至60N/mm2。抗压强度尤其优选58N/mm2。棒另外优选具有的表观密度为2.0至2.3g/cm3，尤其优选表观密度为2.25至2.3g/cm3。表观密度定义为根据DIN EN 1936包括干状态下孔隙空间的多晶硅密度(限定体积的样本称重或用液体比重天平在水银中饱和样品的浮力测定结果)。沉积的多晶硅所具有的总孔隙率优选为0.01至0.2，最优选为0.023。样品的总孔隙率由相互连接和连接至环境的空腔，以及并未相互连接的空腔之和-->构成。总孔隙率，即，总孔隙体积(开口的和闭口的孔)在总多晶硅体积中的比例，根据DIN EN 1936由表观密度和真实密度的计算而确定，即总孔隙率＝1-(表观密度/2.329[g/cm3])。根据DIN 51902测定抗弯强度。根据DIN 51910测定抗压强度。本专利技术的多晶硅棒的抗弯强度由此为低于密实多晶硅值(其测定为160N/mm2)2至3个数量级。本专利技术的多晶硅棒的抗压强度也显著低于密实多晶硅(其所具有的抗压强度为约170N/mm2)的抗压强度。在本专利技术的多晶硅棒中，在西门子法中生长的硅层具有在棒半径上均匀的结构，其结构含有孔(pore)、接缝(seam)、间隙(gap)、裂缝(crack)和裂纹(fissure本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多晶硅棒，特征在于其所具有的棒横截面具有面积比５０％－９９％的可用于电传导的硅且所述棒所具有的抗弯强度为０．１至８０Ｎ／ｍｍ↑［２］。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2007-10-2 102007047210.41.一种多晶硅棒，特征在于其所具有的棒横截面具有面积比50％-99％的可用于电传导的硅且所述棒所具有的抗弯强度为0.1至80N/mm2。2.根据权利要求1所述的硅棒，特征在于其所具有的抗压强度为1至100N/mm2，表观密度在2.0至2.3g/cm3的范围，而总孔隙率为0.01至0.2。3.根据权利要求1或2所述的硅棒，特征在于其所具有的硅层具有在西门子法中生长的均匀结构，其结构包含孔、接缝、间隙、裂缝和裂纹。4.多晶硅碎片，具有的碎片尺寸分布为1至150mm，球度为0.7至1.0，宽长比为0.7至1.0的范围，特征在于，其所具有的表面的总金属杂质为1至12ppbw之间，所述表面具有的硝酸盐低于62ppb和氟化物低于1ppb。5.一种用于生产根据权利要求1至3任一项所述的多晶硅棒的方法，其中将...

【专利技术属性】
技术研发人员：哈拉尔德赫特莱因，奥利弗克雷茨施马尔，
申请(专利权)人：瓦克化学股份公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]