硅或活性金属的直接铸造制造技术

本发明专利技术提供一种制造固体多晶硅锭或晶片的方法，所述方法包括：将含硅气体引入至反应室内，其中所述反应室包含反应室壁和产物出口，所述反应室壁具有（ｉ）面对反应空间的内表面和（ｉｉ）相反的外表面；在所述反应器空间内产生等离子体；通过使所述含硅气体经受足够的温度来热分解所述含硅气体，从而制造液体硅；在使所述含硅气体发生热分解的同时，将所述反应室壁的内表面保持硅熔点温度以下的平衡温度下；以及将所述液体硅从所述产物出口直接引入至模块中以将所述液体硅铸造成固体多晶硅锭或固体多晶硅晶片。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于处理含硅材料或活性金属材料的方法、设备和系统，还涉及将硅 或活性金属铸造成锭或晶片的方法、设备和系统。
技术介绍
超纯硅或电子级硅是用于半导体(SC)和光电(PV)工业两者的关键原料。尽管对 于特定的PV应用具有替代品，但是在近期和可预见的未来多晶硅将仍然是优选的原料。因 此，提高多晶硅的可用性和制造多晶硅的经济性将提高这两种工业的发展机会。大部分多晶硅是通过通常称作西门子(Siemens)热线法的方法，利用硅烷或三氯 硅烷(TCS)作为含硅气体(SBG)源而制造的。对通常与其它惰性或反应气体混合的SBG进 行热解分解并将其淀积在受热的硅细丝上。另一种方法是在流化床中热解淀积SBG。对于 制造PV和半导体工业用多晶硅，这是有吸引力的替代方案，因为大大降低了能耗并可用于 连续生产。这些优势源于优异的传质和传热性能以及增大的淀积表面。与所述西门子型反 应器相比，在一部分能耗下，所述流化床反应器提供了高得多的产率。所述流化床反应器还 会更加连续且高度自动化，从而也大大降低了劳动力成本。与TCS相比，用作西门子或流化床反应器方法中的SBG的硅烷或高级硅烷具有下 列劣势除了(多相)多晶硅淀积之外，其还能够经受(均相)气相分解而成为粉末粒子。 将发生分解的温度称作临界成核温度(CNT)。所述CNT取决于SBG种类、SBG分压、总压和 惰性稀释气体的类型。一旦达到CNT，在1 5°C的范围内粒子浓度将提高IO4 IO6倍。 晶核硅粉末粒子的尺寸通常为1 lOOnm，这取决于停留时间，且所述晶核硅粉末粒子能够 为无定形的或晶体。在任一情况中，在这些粒子的表面上存在中等浓度的未成键电子，这使 得所述粒子能够易于凝聚成为更大的粉末粒子。根据条件，这种粉末能够为从非单晶核粒 子、微米级圆形团块到扩展至几百微米的大粒子的任意一种。如果随后将所述多晶硅用于生长无位错的单晶，特别是在半导体工业中，则认为 这些粉末粒子(也称作硅细粒)是西门子法中的污染物。因此，在利用硅烷或高级硅烷作为 SBG的西门子法中，将反应器壁保持冷却，应用热迁移将粉末粒子从制造粉末粒子的靠近热 棒的区域驱动至粉末粒子淀积的冷却反应器壁。从气相中除去粉末降低了硅棒污染的可能 性。 在流化床反应器方法中，粉末可粘附成细粒并合并成粒子，因此有助于总体的粒 状生长。然而，大部分粉末被从流化床反应器流出的气体带走。在用于粒状硅生产的流化 床反应器方法中，认为这种细硅粉末是一种生产损失，因为其不会对粒状材料有所帮助。还可在其它SBG淀积法中制造硅粉末，例如，有意地在自由空间反应器(Free Space Reactor)中或无意地在化学气相淀积(CVD)反应器中在衬底上进行薄膜淀积。另一 种硅粉末的来源为硅锭研磨或切割。生产速率和硅的品质随方法的不同而显著不同。 按目前上述方法中所述而制造的粉末回收起来非常困难，因为其为蓬松、低密度、 高表面积的产物，易于被空气传播的物质污染。另外，通常将所述硅粉末作为废产物进行处 置或者以非常低的价值将其供应至商业硅市场中。在几个制造步骤中，从超纯或高级多晶形硅(多晶硅)制造了多晶PV电池或SC晶 片。对SiO2或石英进行开采并在大熔炉中将其还原成纯度为97 99%的冶金级硅。将所 述冶金级硅转变成含硅气体，然后通过蒸馏对所述含硅气体进行进一步提纯。通过西门子 或流化床反应器法将所述含硅气体分解以制造多晶硅。然后，将通过西门子或流化床反应 器法制造的材料重新熔化并在Czochralski法(用于制造单晶)或Bridgman-Stockbarger 法(用于制造多晶)中进行结晶，从而制造结晶硅锭。然后，将所述锭切割成具有期望晶片 尺寸的块。随后从所述块切割硅晶片。将这种方法示意性地示于图8A中。
技术实现思路
在本文中公开了对含硅材料或活性金属进行热处理的方法，从而将这种材料转化 成更有用的产物形式。例如，所公开的方法对硅粉末进行升级，从低级、散装的高表面积产 物升级成适用于加工成太阳能电池的硅前体形状。避免在热处理过程期间造成污染对于得 到纯的、尤其是超纯产物是重要的。一种污染源是构成反应器系统结构元件的材料。根据 本文中公开的设备、系统和方法，在反应器内表面的至少一部分上形成了包含固体硅或固 体活性金属的渣壳层。所述固体渣壳层阻止了进料材料和产物与反应器系统表面的接触， 从而避免或降低了污染。所述渔壳层还提供了可以阻止反应器壁元素迁移至所得硅产物中 的扩散屏障。根据一个实施方案，在本文中公开了一种用于制造硅或活性金属的方法，所述方 法包括向反应室内引入含硅进料或活性金属进料，其中所述反应室包括反应室壁，所述 反应室壁具有(i)面对反应空间的内表面和(ii)相反的外表面；在所述反应空间内产生足以产生液体硅产物或液体活性金属产物的第一热能；在所述反应室壁外部产生第二热能，使得源自所述第二热能的热流开始冲击所述 反应室壁的外表面；以及通过控制所述第一热能源和所述第二热能源来将所述内表面的壁温确立在高于 或低于所述硅或所述活性金属的熔点温度的温度范围内。在还一个实施方案中，公开了制造硅的方法，所述方法包括向反应室中引入硅粉末，其中所述反应室包括反应室壁，所述反应室壁具有(i) 面对反应空间的内表面和(ii)相反的外表面；在所述反应器空间内产生等离子体；通过所述等离子体使所述硅粉末经受超过所述硅粉末熔点的温度而热熔化所述 硅粉末，其中所述熔化过程制造了液体硅；在热熔化所述硅粉末的同时，将所述反应室壁的内表面保持在所述硅粉末的熔点以下的平衡温度下；以及在将所述液体硅排出所述反应室之后，使其凝固。另外公开的 实施方案涉及制造固体多晶硅的方法，所述方法包括将含硅气体引入至反应室内，其中所述反应室包括反应室壁和产物出口，所述反 应室壁具有(i)面对反应空间的内表面和(ii)相反的外表面；在所述反应器空间内产生等离子体；通过使所述含硅气体经受足够的温度来热分解所述含硅气体，从而制造液体硅；在热分解所述含硅气体的同时，将所述反应室壁的内表面保持在硅熔点温度以下 的平衡温度下；以及将所述液体硅从产物出口直接引入至模块中以将所述液体硅铸造成固体多晶硅 锭或晶片。在本文中还公开了一种反应器系统，其包括含硅给料或活性金属给料；反应室，所述反应室包括限定室反应空间的反应室壁且所述反应室壁包括(i)面 对所述反应空间的内表面和(ii)相反的外表面；等离子体能源，其联接到所述反应室并被构造成在所述室反应空间内产生热能；外部热能源，其被构造成对所述反应室壁的外表面进行加热，所述外部热能源位 于所述反应室外面；和产物出口，其被构造用于从所述反应室中取出液体硅或液体活性金属。从参考附图进行的下列详细说明将使得上述内容变得更加明显。附图说明图IA和IB为公开的反应器系统的一个实施方案的示意图。图IA为图IB中所示 的反应器的壁部分的分解图。图2为公开的反应器系统的还一个实施方案的示意图。图3为包括一个凝固实施方案的反应器系统的示意图。图4为包括另一个凝固实施方案的反应器系统的示意图。图5为包括还一个凝固实施方案的反应器系统的示意图。图6为在公开的反应器系统中的温度梯度的示意图。图7为在公开的反应器系统中的两股热流的示意图。在所述图中，除非另作说明，否本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造固体多晶体硅锭或晶片的方法，所述方法包括：　　将含硅气体引入至反应室内，其中所述反应室包括反应室壁和产物出口，所述反应室壁具有（ｉ）面对反应空间的内表面和（ｉｉ）相反的外表面；　　在所述反应器空间内产生等离子体；　　通过使所述含硅气体经受足够的温度来热分解所述含硅气体，以制造液体硅；　　在热分解所述含硅气体的同时，将所述反应室壁的内表面保持在硅熔点温度以下的平衡温度下；以及　　将所述液体硅从所述产物出口直接引入至模块中，所述模块用于将所述液体硅铸造成固体多晶体硅锭或固体多晶体硅晶片。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗朗茨·雨果，
申请(专利权)人：瑞科硅公司，
类型：发明
国别省市：US