專利名稱：用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造多晶硅的裝置和方法。 問題
由于油價持續(xù)攀升且其它能源仍然有限，由化石燃料燃燒排放物 引起的全球變暖被施加了越來越大的壓力。需要找出并使用替代能 源，如太陽能，因為其免費并且不產(chǎn)生二氧化碳氣體。為此，許多國 家正增加它們在安全可靠的長期能源，特別是"綠色"或"清潔"能源方 面的投資。但是，盡管太陽能電池，也稱作光生伏打電池或模件已發(fā) 展多年，但由于制造這些電池或模件的成本仍然高以致其難以與化石 燃料產(chǎn)生的能量竟爭，其具有非常有限的用途。
目前，單晶硅太陽能電池具有最佳能量轉(zhuǎn)換效率，但其也具有與
之相關(guān)的高制造成本。替代性地，多晶硅盡管沒有與單晶電池同樣高 的效率，但其在制造上便宜得多。因此，有可能實現(xiàn)低成本光伏發(fā)電。 制造單晶錠的一種已知方法是使用浮區(qū)(floating zone)法再加工多晶 硅棒。另一已知方法是使用晶種從裝有多晶硅熔核(nuggets)的熔化 坩鍋中提拉熔融硅的Czochralski法。
此外， 一些制造多晶硅的現(xiàn)有技術(shù)方法使用通過電阻加熱絲離解 的氯硅烷制造硅，其隨后在鐘罩式反應(yīng)器內(nèi)沉積。用三氯硅烷制造半 導體級硅并隨后將這些氯硅烷再循環(huán)是公知的。此外，已經(jīng)有許多使 用不同原材料制造多晶硅然后再加工這些未反應(yīng)化學品的嘗試。但 是，之前的這些嘗試沒有高沉積速率。
另 一嘗試是與氯硅烷一起使用高壓等離子體制造多晶硅，然后使 未反應(yīng)的化學品再循環(huán)。在這種嘗試中，在基底內(nèi)壁上進行沉積以形 成片型硅，其最終要與基底分離，因此需要額外的加工步驟。
7此外，公知方法包括如下制造太陽能電池(i)制造多晶硅，(ii) 制造單晶或多晶錠或塊，(iii)由該錠或塊制造晶片，(iv)然后制 造電池，其包括經(jīng)由昂貴的擴散法p-型和n-型摻雜的步驟。p型和n 型摻雜劑形成半導體材料的p-n結(jié)。該步驟通常在已沉積薄膜層后在 極緩慢的擴散爐中進行，由此進一步減緩有效制造太陽能電池的整個 工藝。
此外，現(xiàn)有技術(shù)方法具有與等離子火焰流平行的沉積表面，因此 收集效率低得多。使用高頻等離子體化學氣相沉積法來沉積氣態(tài)氫化 硅以在水平硅芯棒上沉積硅。由于該沉積裝置的取向，從該裝置排出 大量硅產(chǎn)物。
另 一 些已知的制造硅的現(xiàn)有技術(shù)方法在硅棒內(nèi)造成內(nèi)應(yīng)變。降低 內(nèi)應(yīng)力的嘗試遵循基本的Siemens法并在鐘罩(bell-jar)中制造硅棒， 其中工藝步驟是在包括三氯硅烷和氫的氣氛中加熱硅芯材以在硅芯 材上沉積硅以產(chǎn)生多晶硅棒，在不允許多晶硅棒與空氣接觸的情況下 通過施加電流來加熱該多晶硅棒以使多晶硅棒的表面溫度高于硅的 沉積反應(yīng)溫度并且為1030。C或更高，并在加熱后通過盡可能急劇地降 低外加電流來切斷電流，由此試圖降低該多晶硅棒的內(nèi)應(yīng)變速率。可 以看出，該方法包括多個額外步驟。
在由卣化硅等離子體源制造多晶硅金屬的另 一嘗試中，在電感耦 合等離子體中將卣化硅分成硅和卣離子，然后使硅離子縮合形成熔融
硅金屬，其可以真空澆鑄成多晶硅錠。此外，載氣是氟和氯。氟和氟 化氫具有高度腐蝕性，因此它們要求用特殊的防腐蝕材料構(gòu)造該設(shè)備 并在操作這些化學品時必須特別小心。
關(guān)于解決這些問題的嘗試的信息，可見于1981年9月29日授予 Sarma等人的美國專利No. 4,292,342; 1982年1月05日授予Sarma 等人的4，309，259; 1982年3月23日授予S畫a等人的4321246; 1985 年1月01日授予Lesk等人的4,491,604; 1986年5月20日授予Lesk 等人的4,590,024; 1999年11月02日授予Kubota等人的5,976,481; 2003年1月07日授予Yatsumgi等人的6,503,563;和2005年8月09 日授予Kelsey的6,926,876。
解決方案通過本申請中公開的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置和方 法解決上述問題和實現(xiàn)技術(shù)進步。本等離子體沉積裝置包括含有優(yōu)選
一組或多個電感耦合等離子體炬(induction coupled plasma torches)
的沉積室。該電感耦合等離子體炬與靶基底的沉積表面基本垂直取向 以在該耙基底上產(chǎn)生大的沉積面積。通過基本垂直于沉積表面，在電 感耦合等離子體炬末端附近的反應(yīng)區(qū)中產(chǎn)生的多晶硅直接流向該垂 直的基本平坦的沉積表面。此外，本等離子體沉積裝置在沉積過程中 旋轉(zhuǎn)靶基底以在沉積表面上產(chǎn)生多晶硅的均勻?qū)?。此外，載體將靶基 底在沉積過程中移離電感耦合等離子體炬以提供電感耦合等離子體 炬與沉積表面之間的恒定或固定距離。
本發(fā)明的制造多晶硅的方法無需以單獨工藝制造多晶硅，也消除 了隨后進行的額外的p-型和n-型摻雜工藝步驟。此外，本發(fā)明的制造 多晶硅的方法也可以使用和再使用相同原材料，因為可以收集未反應(yīng) 或未沉積的化學品并通過本裝置再循環(huán)以便再加工。
本發(fā)明的制造多晶硅的方法不使用不同類型的材料作為基底，因 此沒有額外的分離工藝。本發(fā)明的制造多晶硅的方法消除了傳統(tǒng)沉積 法中遇到的可能造成額外工藝損耗的額外工藝步驟。此外，本發(fā)明的 制造多晶硅的方法也使基底的潛在污染最小化。
本發(fā)明的制造多晶硅的方法對靶面積尺寸沒有限制，并且可以移 出制成的硅錠以提供連續(xù)法。本發(fā)明的制造多晶硅的方法也將反應(yīng)區(qū) 與沉積區(qū)分開。由此可以熱力學優(yōu)化反應(yīng)區(qū)的工藝溫度以實現(xiàn)更高的 化學反應(yīng)效率。此外，在沉積區(qū)中，可以實現(xiàn)對更好沉積效率和產(chǎn)品 品質(zhì)而言最佳的溫度。由于硅錠的沉積表面基本垂直地朝向電感耦合 等離子體炬的等離子火焰，更大的收集或沉積表面可供硅沉積。本文 所公開的垂直沉積法具有比曲表面沉積中(如在棒形式上)實現(xiàn)的更 高的沉積速率。
該新型方法使用至少 一 個與沉積表面靶基本垂直排列的電感耦 合等離子體炬以在該靶的垂直軸上沉積硅。使用多于一個電感耦合等
離子體炬會進一步提高沉積速率并將增加靶的沉積面積，這可以進一 步降低太陽能電池的制造成本。其具有更高沉積速率，并且可以被設(shè) 計成連續(xù)流過程以致其可以顯著降低多晶硅的制造成本。其新穎的設(shè) 計提供了反應(yīng)和收集過程的更好分離。通過其設(shè)計，本裝置實現(xiàn)提高的反應(yīng)溫度，由此實現(xiàn)更高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，同時提供更好的產(chǎn)品收集 溫度。
該用于制造多晶硅的新型裝置和方法在一個步驟中以非常高的 沉積速率制造摻雜或未摻雜的硅錠，由此用比標準多晶硅制造法低得 多的投資經(jīng)濟地由多晶硅原材料生產(chǎn)制成和半制成的硅錠。此外，可
以同時沉積摻雜劑，如硼或亞石粦的和類似物，以產(chǎn)生p-型或n-型4定， 由此消除電池制造法下游的昂貴擴散工藝。該用于制造多晶硅的等離 子體沉積裝置和方法進一步提供更好的沉積控制和更均勻的摻雜劑 分布，同時消除傳統(tǒng)方法的擴散步驟，由此獲得摻雜硅的更高生產(chǎn)率。
此外，該用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置和方法可以收集、 分離和再循環(huán)大部分工藝氣體和未沉積的化學品。這些未沉積的化學 品可以隨后進 一 步加工成單晶硅或多晶硅。
本發(fā)明的制造多晶硅的方法不使用鐘罩，且很可能不發(fā)生與現(xiàn)有 技術(shù)方法相關(guān)的相同應(yīng)力問題。這是因為，硅沉積在靶基底末端上， 并因此具有比現(xiàn)有技術(shù)方法更小的徑向溫差，這也歸因于靶基底在沉 積過程中旋轉(zhuǎn)。此外，本新型方法是制造多晶硅錠的一步沉積法，并 且不需要真空澆鑄步驟。其簡化了制造過程，并降低制造多晶硅的投 資和運行成本。
附圖簡述


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案用于制造多晶硅的等離子 體沉積裝置的剖面?zhèn)纫晥D2顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的與裝在室內(nèi)的基底相關(guān) 的包括幾個等離子體沉積炬的等離子體沉積裝置的頂視圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的與裝在圖2的沉積室內(nèi) 的基底相關(guān)的包括幾個等離子體沉積炬的等離子體沉積裝置的側(cè)視 圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的另 一 實施方案的與裝在沉積室內(nèi)的基底 相關(guān)的包括傾斜電感耦合等離子體炬的等離子體沉積裝置的側(cè)視圖； 且
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的 一 個實施方案的制造多晶硅的方法的流程圖。
10附圖詳述
圖1顯示了等離子體沉積裝置的實施方案100,其包括位于由載 體103支承的耙基底104下方的電感耦合等離子體炬102。該靶基底 104可具有任何所需尺寸，包括太陽能電池領(lǐng)域中公知的那些尺寸。 在此實施方案中，電感耦合等離子體炬102朝上瞄準以將反應(yīng)產(chǎn)物沉 積在耙基底104的沉積表面106上。在另一實施方案中，電感耦合等 離子體炬102可以相對于靶基底104以另一方式或方向瞄準或取向。 電感耦合等離子體炬102由兩個同心石英管構(gòu)成外石英管108和較 短的內(nèi)石英管110,它們據(jù)顯示連接至不銹鋼室112。
通常，外石英管108和內(nèi)石英管110的直徑和高度或長度可以是 符合外石英管108和內(nèi)石英管110的所需用途的任何尺寸。優(yōu)選地， 內(nèi)石英管108具有比外石英管108更短的長度。此外，外石英管108 優(yōu)選具有大約50毫米("mm")至大約90毫米的直徑和180毫米至大 約400毫米的高度。更優(yōu)選地，外石英管108的直徑為大約70毫米 且高度或長度為大約200毫米。優(yōu)選地，內(nèi)石英管110具有大約50 毫米至大約70毫米的直徑和大約120毫米至大約180毫米的高度。 更優(yōu)選地，內(nèi)石英管110的直徑為大約60毫米且高度為大約150毫 米。
靶基底104可以是錠或其他形式的多晶硅基底。在此實施方案中， 沉積表面106基本垂直于電感耦合等離子體炬102。優(yōu)選地，載體103 使靶基底104圍繞其軸107旋轉(zhuǎn)。此外，隨著在沉積表面106上沉積 硅層，載體103進一步將靶基底104移離電感耦合等離子體炬102， 以在沉積過程中保持距離"L"恒定。在基底的沉積表面106上發(fā)生硅 沉積，且該活性區(qū)通常^皮標作沉積區(qū)105。線圏114的最上部與耙基 底104之間的距離(標作"L")根據(jù)沉積溫度為大約10毫米至大約40 毫米。載體103可以是能夠在沉積過程中支承、旋轉(zhuǎn)和/或移動靶基底 104的任何類型的機械載體。優(yōu)選地，載體103耐高溫并具有足以在 上下移動沉積耙104并旋轉(zhuǎn)沉積耙104的同時支承沉積耙104的機械 強度。在一個實施方案中，載體是連接到沉積靶104上的棒形剛性元 件。此外，其可以連接到馬達上以使沉積耙104旋轉(zhuǎn)。在一個實施方 案中，載體103是石英棒或耐高溫腐蝕的不銹鋼棒。
ii除了沉積區(qū)105外，等離子體沉積裝置100進一步包括與沉積區(qū) 105分隔開一定距離的反應(yīng)區(qū)126。部分通過電感耦合等離子體炬102 相對于沉積耙104的沉積表面106的垂直取向并且也部分通過電感耦 合等離子體炬102與沉積靶104的沉積表面106之間的距離提供將反 應(yīng)區(qū)126與沉積區(qū)105隔開的這一間隔。這種分隔通過和經(jīng)由沉積靶 104的沉積表面106的更大面積來提供改進的沉積效率。這種分隔進 一步在保持沉積區(qū)105中的較低溫度的同時實現(xiàn)反應(yīng)區(qū)126中的提高 的等離子體溫度。反應(yīng)區(qū)中的這種較高的等離子體溫度提供了反應(yīng)區(qū) 126中吸熱化學反應(yīng)的改進的轉(zhuǎn)化效率。此外，沉積區(qū)105中的較低 溫度確保了在靶基底104的沉積表面106上沉積所需特性和品質(zhì)的 硅。
該電感耦合等離子體炬102進一步包括位于外石英管108上部周 圍的銅感應(yīng)線圏114。線圏114包含直徑大致為大約56毫米至大約 96毫米的多個繞線(windings) 116。優(yōu)選地，這多個繞線116具有 大約82毫米的直徑。通常，這多個繞線116彼此隔開足以實現(xiàn)電感 耦合等離子體炬102的運行的距離。優(yōu)選地，這多個繞線116彼此隔 開大約6毫米。此外，外石英管108與線圏114之間的間距為大約2 毫米至大約10毫米。
電感耦合等離子體炬102進一步包括一對注射口 118，它們連接 至將前體源化學品送往電感耦合等離子體炬102的前體源化學管道 (未顯示)。借助內(nèi)石英管110，等離子體源氣體具有渦旋流型。通 過注射口 118注射用于沉積半導體薄膜材料，如硅的源化學品，該注 射口 118優(yōu)選位于電感耦合等離子體炬102下側(cè)附近并出于與授予 Gouskov等人的美國專利No. 6,253,580和授予Gouskov等人的美國專 利No. 6，536，240 (兩者均經(jīng)此引用并入本文)中所公開的相同原因朝 向V-O位置。在一個實施方案中，注射口 118連向電感耦合等離子 體炬102。在另一實施方案中，注射口 118不連向電感耦合等離子體 炬102,而是連向本文所述的本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)元件。在一個實施方 案中，電感耦合等離子體炬102是電感耦合等離子體炬。注射口 118 包含優(yōu)選具有大約3毫米至大約10毫米，更優(yōu)選大約5毫米直徑的 石英管，但是也可以與電感耦合等離子體炬102—起使用其它尺寸的 管直徑。在此實施方案中， 一對注射口 118彼此位于直徑的兩側(cè)。在
12本發(fā)明的另一實施方案中，可以采用對稱排列的三個或更多個口 。
此外，電感耦合等離子體炬102包括一對等離子氣體入口 120， 它們連向?qū)⒌入x子氣體送往電感耦合等離子體炬102的等離子氣體供 應(yīng)線路(未顯示)。等離子氣體入口 120在基本相同的高度進入電感 耦合等離子體炬102。優(yōu)選地，這些等離子氣體入口 120包含直徑5 毫米的不銹鋼管道，但是多種直徑可能適用于此用途。
電感耦合等離子體炬102還帶有冷卻劑入口 122和冷卻劑出口 124。在使用過程中，冷卻劑，如水，通過冷卻劑入口 122,在不銹鋼 室112內(nèi)循環(huán)，并通過冷卻劑出口 124離開。冷卻劑入口 122和冷卻 劑出口 124優(yōu)選由不銹鋼形成并具有例如5毫米直徑。
等離子氣體入口 120、冷卻劑入口 122和冷卻劑出口 124均優(yōu)選 在不銹鋼室112中形成。室112優(yōu)選是不銹鋼正方形塊，其一側(cè)為80 毫米并具有大約40毫米高度。優(yōu)選地，將室112安裝到支架(未顯 示)上。
高頻發(fā)生器(未顯示)電連接到線圏114上，從而以528+/-0.13 MHz的頻率為其供應(yīng)最高60 kW的可變功率輸出。在一個實施方案 中,該發(fā)生器是可獲自Fritz Huettinger Electronic GmbH of Germany 的型號IG 60/5000。優(yōu)選地，該發(fā)生器用50Hz,3-相(phase) ,380 V 電源驅(qū)動以向電感耦合等離子體炬102供應(yīng)能量。
圖2顯示了由位于沉積室202內(nèi)的一組電感耦合等離子體炬102 構(gòu)成的沉積裝置的另一實施方案200。通過使用位于沉積室202內(nèi)的 都基本垂直于靶基底104的沉積表面106取向的多個電感耦合等離子 體炬102,該沉積裝置200覆蓋更寬的沉積寬度或面積。如上所述， 通過載體103將靶基底104向上移離電感耦合等離子體炬102并且也 使其圍繞其軸旋轉(zhuǎn)。靶基底104據(jù)顯示幾乎延伸到沉積室202的周邊。 除了高沉積速率，該沉積裝置200還提供均勻沉積厚度。在此實施方 案中，該沉積裝置200由五個各自具有優(yōu)選70毫米直徑的電感耦合 等離子體炬102構(gòu)成。這五個電感耦合等離子體炬102中的四個圍繞 沉積室202的周邊彼此等距隔開。在此實施方案中，圍繞沉積室202 的周邊安置的這四個電感耦合等離子體炬102彼此分隔90°。在此實 施方案中，第五個電感耦合等離子體炬102位于沉積室202的中心。
可以在沉積室中使用電感耦合等離子體炬102的其它布置和尺寸以提供特定用途所需的沉積寬度或面積。在此實施方案中，使用五個
電感耦合等離子體炬102會產(chǎn)生大約300毫米的沉積面積。優(yōu)選地， 靶基底104圍繞其軸107旋轉(zhuǎn)，同時還上移或移離電感耦合等離子體 炬102以保持耙基底104與電感耦合等離子體炬102之間的固定或恒 定距離。
參照圖3，顯示了沉積裝置200的側(cè)視圖。沉積室202包括位于 沉積室202頂端的排出口 302。優(yōu)選地，排出口 302位于沉積靶104 的下端或沉積表面106上方。排;故系統(tǒng)(未顯示)將除去來自該化學 反應(yīng)的所有氣體和任何未沉積的硅顆粒。優(yōu)選地，排放系統(tǒng)控制或保 持沉積室202內(nèi)的固定分壓以確保最佳沉積條件。沉積室202內(nèi)的分 壓的控制可以進一步包括提供負壓，如真空。在另一實施方案中，可 以將該分壓控制在等于或接近大氣壓?？梢园刺囟ㄓ猛镜男枰褂萌?何數(shù)量的排出口 302。優(yōu)選地，沉積室202由防爆材料和RF屏蔽材 料制成以防止RF能量從沉積室202中逸出并隔離環(huán)境對沉積室202 的影響。
通過使用位于沉積室202內(nèi)的都基本垂直于靶基底104的沉積表 面106取向的多個電感耦合等離子體炬102，該沉積裝置200覆蓋更 寬的沉積寬度或面積。靶基底104據(jù)顯示幾乎延伸到沉積室202的周 邊。除了高沉積速率，該沉積裝置200還提供均勾沉積厚度。在此實 施方案中，該沉積裝置200由五個各具有優(yōu)選70毫米直徑的電感耦 合等離子體炬102構(gòu)成。這五個電感耦合等離子體炬102中的四個圍 繞沉積室202的周邊彼此等距隔開。在此實施方案中，第五個電感耦 合等離子體炬位于沉積室202的中心。
圖4顯示了由電感耦合等離子體炬102在兩個略微傾斜的電感耦 合等離子體炬402之間構(gòu)成的沉積裝置的另一實施方案400,該電感 耦合等離子體炬102和402位于沉積室202內(nèi)。電感耦合等離子體炬 402與電感耦合等離子體炬102類似地構(gòu)造和工作，但它們在沉積室 202內(nèi)與水平面略微傾斜0度。電感耦合等離子體炬402的傾斜度優(yōu) 選為大約15度至大約45度。優(yōu)選地，電感耦合等離子體炬402與水 平面傾斜大約15度。傾斜的電感耦合等離子體炬402提供了多晶硅 在靶基底104的沉積表面106上的具有良好均勻性的改進的沉積。要 指出，如果電感耦合等離子體炬402的傾斜角太大，則沉積速率或收集效率會降低且沉積變得較不均勻。此外，各電感耦合等離子體炬402 的傾斜度可以不同。
從圖4中觀察到，可以由下列公式推導電感耦合等離子體炬402 的直徑"L，" L，=L/Cos0>L。因此，來自電感耦合等離子體炬402 的沉積直徑L，大于電感耦合等離子體炬102的直徑。
如上所述，等離子體源氣體具有渦旋流型。這通過經(jīng)由在外石英 管108與內(nèi)石英管IIO之間的送入等離子體源氣體的等離子氣體入口 120注射等離子體源氣體來實現(xiàn)。電感耦合等離子體炬102和402優(yōu) 選使用惰性等離子體源氣體以形成等離子體，其中在前體氣體源與電 感耦合等離子體炬102和402之間發(fā)生反應(yīng)以將反應(yīng)產(chǎn)物沉積在靶基 底104上。等離子體源氣體是惰性氣體，其優(yōu)選具有(i)低活化能， 和(ii)化學惰性以便不形成氧化物或氮化物。優(yōu)選地，等離子體源 氣體可以選自氦氣、氬氣、氫氣或其混合物。
通過前體氣體源在電感耦合等離子體炬102和402存在下的反應(yīng) 產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物。該前體氣體源可以包括或者是其它物質(zhì)形式，如氣體、 蒸氣、氣溶膠、小顆粒、納米顆粒、或粉末。此外，p-型或n-型摻雜 劑材料也可以與前體氣體源同時注射以形成所需p-型或n-型半導體。 摻雜劑材料的 一 些實例包括硼、亞磷的和類似物。
除了本等離子體沉積裝置的前述方面和實施方案100、200和400,
本發(fā)明還進一步包括制造這些多晶硅基底或錠塊的方法。 一種優(yōu)選方 法包括氯化物基系統(tǒng)，其采用等離子體火焰或能量以用氫氣(H2)還 原三氯硅烷(SiHCl3)以形成硅。其也可以通過等離子體火焰能用氫 還原四氯化珪(SiCl4)以制造珪。
圖5顯示了一種這類方法的實施方案500的流程圖。在步驟502 中，啟動電感耦合等離子體炬102和402。該步驟可以包括，使等離 子氣體供應(yīng)流開始進入等離子氣體入口 120,然后通過向感應(yīng)線圈114 供電來點燃等離子體。該步驟包括點燃和穩(wěn)定電感耦合等離子體炬 102和402的等離子體火焰。此外，步驟502也可以包括選擇所用前 體氣體源以在靶基底104上的沉積過程中產(chǎn)生所需反應(yīng)產(chǎn)物。
在步驟504中，沉積裝置100、 200和400將前體氣體源通過注 射口 118注入電感耦合等離子體炬102和402的等離子體火焰。如上 所述，前體氣體源優(yōu)選選自SiHCl3 + H2、或SiCl4 + H2。在步驟506中，使電感耦合等離子體炬102的等離子體火焰穩(wěn)定化并調(diào)節(jié)反應(yīng)區(qū)
126中電感耦合等離子體炬102和402的反應(yīng)溫度以優(yōu)化多晶硅的形
成o
如上所述，通過排放系統(tǒng)收集未沉積在靶基底104的沉積表面106 上的氣體并再循環(huán)以額外應(yīng)用。在本發(fā)明的制造多晶硅的方法的一個 方面中，SiHCl3和SiCU可以由冶金級硅(MGS)或二氧化硅制成。 它們將與收集的并從本發(fā)明的制造多晶硅的方法的廢氣流中分離出 的氯化氫(HC1)反應(yīng)。此外，如果不存在足夠的來自廢氣流的量， 總是可以加入新鮮氯氣(Cl2)或HC1。在通過蒸餾提純后，可以使用 反應(yīng)產(chǎn)物作為用于制造硅的前體源氣體化學品。
廢氣流中除了 HC1外，也可能存在Ar、 H2、 二氯硅烷(SiH2Cl2) 和未反應(yīng)的SiHCl3和SiCU加上未沉積的硅顆粒?？梢允褂么鼮V器分 離出未沉積的硅顆粒。此外，使用冷過程(cold trip),可以容易地 分離氯硅烷并再用作前體源氣體化學品。也可以從廢氣系統(tǒng)中回收氣 體例如Ar和Hb并可用于等離子體源氣體或前體源氣體。
在步驟508中，通過排放系統(tǒng)控制和保持沉積室202內(nèi)的壓力。 此外，可以使用其它方式保持沉積室202內(nèi)的壓力。在步驟510中， 控制和保持耙基底104的沉積表面106的溫度以優(yōu)化硅在沉積表面 106上的沉積。在步驟512中，監(jiān)測耙基底104的沉積表面106的生 長。隨著沉積表面106生長，載體103將靶基底104移離電感耦合等 離子體炬102和402以保持電感耦合等離子體炬102和402與靶基底 104的沉積表面106之間的恒定或固定距離L。在步驟514中，在沉 積了所需長度或體積的硅時，載體103將靶基底104從沉積室202中 移出。
除上述內(nèi)容外，將從廢氣流中分離出硅顆粒。收集這些顆粒，裝 入石英坩鍋，熔融并生長成單晶錠。也收集所有氣體(無論是未反應(yīng) 的還是副產(chǎn)物化學品)并通過典型工業(yè)法分離。 一些示例性原材料包 括氫化物、氟化物、氯化物、溴化物和氬氣。
在本發(fā)明的制造多晶硅的方法的另一實施方案中，使用氫化物基 系統(tǒng)。硅烷不像三氯硅烷那樣具有高沉積速率，但其仍在工業(yè)中廣泛 使用，因為其提純?nèi)菀椎枚嗖⑶乙伯a(chǎn)生所需高品質(zhì)硅。在上述相同工 藝步驟后，可以如步驟504中所述的那樣將氣體形式的硅烷(SiH4)
16或乙硅烷(Si2H6)輸往注射口 118，在等離子體火焰或能量存在下，
它們會離解成硅和氫。通過使用更高的反應(yīng)溫度和迅速除去氫氣，實
現(xiàn)改進的化學反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。此外，通過排出口 302收集未沉積的硅顆 粒和等離子體源氣體(如氬氣)以便再加工和再循環(huán)。
在本發(fā)明的制造多晶硅的方法的另一實施方案中，按照上述工藝 步驟使用溴體系。溴氣(Br2 )與氯氣(Cl2 )相比化學侵蝕性(aggressive ) 較低且腐蝕性(corrosive)較低。在使用Br作為載氣時，可以節(jié)省相 當大的設(shè)備成本。使用該載氣作為輸送劑以使含雜質(zhì)的硅(冶金級硅， MGS)轉(zhuǎn)化成純凈和可用的太陽能電池級硅(SoG)。其將與MGs 反應(yīng)以形成溴化硅(主要產(chǎn)物)和其它雜質(zhì)溴化物。在提純后，使用 淡化硅通過等離子法射造多晶硅。在該方法過程沖，其將溴化硅分解 成硅和溴。硅沉積，也收集溴并再使用。由于本電感耦合等離子體炬 102和402具有綽綽有余的能量以在所需方向上驅(qū)動反應(yīng)，不用擔心 四溴化硅(SiBr4)被氫還原的反應(yīng)。優(yōu)選地，該系統(tǒng)的原材料是MGS。 在高于360。C的溫度下，硅與溴化氫(HBr)或Br2之間的反應(yīng)速率高 且反應(yīng)產(chǎn)物主要是SiBr4。由于沸騰溫度的不同，非常容易分離出硼 污染物(從來自SiBr4的BBr3)。在此實施方案中，前體源氣體化學 品是四溴化硅和氫。
在本發(fā)明的制造多晶硅的方法的再一實施方案中，用碳還原二氧 化硅煙炱(soot)顆粒。在光學預制件生產(chǎn)中，固體廢物是二氧化硅 煙炱顆粒，且它們通常被送往垃圾填埋場以棄置。這些二氧化硅煙炱 顆粒非常純凈并且可以是通過碳高溫還原反應(yīng)制造太陽能電池級硅 (SoG)的良好源材料。通常，其使用電弧爐作為熱源，并按照上述 工藝步驟，將粉末形式的Si02和碳通過注射口 118注入電感耦合等離 子體炬102和402的等離子體火焰。來自預制件制造商的這些煙炱顆 粒通常不含過渡金屬離子，也通常不含硼。但是，煙炱顆?？赡芫哂?痕量磷和一些鍺。為了消除來自原材料的可能的雜質(zhì)污染，可以與前 體氣體源一起注入少量Cl2和水分。此實施方案將來自光纖制造裝置 的煙炱顆粒廢料轉(zhuǎn)化成可用于制造多晶硅的產(chǎn)品，并由此產(chǎn)生有效和 成本有效的太陽能電池板。
在本發(fā)明的制造多晶硅的方法的另一方面中，可以在如上所述以 外的時間從該工藝中取出耙基底104以測量厚度、組成和/或沉積法的
17性能以確定是否要調(diào)節(jié)上述任何工藝參數(shù)。
盡管已經(jīng)描述了目前被視為用于制造多晶硅的等離子體沉積裝 置和方法的優(yōu)選實施方案的內(nèi)容，但要理解的是，本等離子體沉積裝 置可以在不背離其精神或基本特征的情況下具體體現(xiàn)為其它具體形 式。例如，可以在不背離本發(fā)明的制造多晶硅的等離子體沉積裝置和 方法的精神或基本特征的情況下使用本文所述的那些以外的附加電 感耦合等離子體炬或沉積模件的不同組合。因此，這些實施方案在所 有方面都被視為示例性而非限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求 書而非前述說明書指定。
權(quán)利要求
1. 用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，包含用于沉積所述多晶硅的室工具；用于支承具有沉積表面的靶基底的工具；和產(chǎn)生用于使至少一種反應(yīng)物反應(yīng)以產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物并將所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積在所述靶基底上的等離子體火焰所用的電感耦合等離子體炬工具，所述等離子體炬工具與所述基底具有固定距離，其中所述用于支承的工具使所述靶基底以遠離所述電感耦合等離子體炬工具的方向移動，以提供所述靶基底與所述電感耦合等離子體炬工具之間的所述固定距離。
2. 權(quán)利要求1的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所述 反應(yīng)產(chǎn)物選自硅、本征硅、p-型摻雜硅和n-型摻雜硅。
3. 權(quán)利要求1的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所述 至少一種反應(yīng)物是選自氣體、蒸氣、氣溶膠、小顆粒、納米顆?；蚍?末的材料形式。
4. 權(quán)利要求1的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所述 至少一種反應(yīng)物是氫氣(H2)和選自三氯硅烷(SiHCl3)、四氯化硅(SiCl4) 、 二氯硅烷(SiH2Cl2)、硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、 四溴化硅(SiBr4)的化合物及其混合物的至少一種。
5. 權(quán)利要求1的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所述 等離子體火焰由至少一種選自氦氣、氬氣、氫氣及其混合物的氣體產(chǎn) 生。
6. 權(quán)利要求1的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所述 室工具進一步包括位于所述沉積表面上方的用于從所述室工具中排出未沉積固體 和未反應(yīng)化學品中的至少一種的排放工具。
7. 權(quán)利要求6的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所述 室工具進一步包括使從所述室工具中排出的所述未沉積固體和未反應(yīng)化學品中的 所述至少一種再循環(huán)以便在所述沉積裝置中再使用的再循環(huán)工具。
8. 權(quán)利要求1的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所述 電感耦合等離子體工具進一步包含包含多個具有比所述外石英管更大的直徑并彼此隔開大約2 - 10 毫米距離的繞線的感應(yīng)線圈。
9. 權(quán)利要求8的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所述 感應(yīng)線圏與所述靶基底之間的所述距離為大約30 - 55毫米。
10. 權(quán)利要求1的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述電感耦合等離子體炬和所述沉積表面基本彼此垂直。
11. 權(quán)利要求10的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述電感耦合等離子體炬基本豎直放置。
12. 權(quán)利要求1的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述沉積表面在所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積過程中旋轉(zhuǎn)。
13. 用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，包含用于沉積所述多晶硅的室，所述室具有用于回收未沉積固體和未 反應(yīng)化學品中的至少 一 種的排放系統(tǒng)；位于所述沉積室內(nèi)的用于支承具有沉積表面的靶基底的載體，所 述沉積表面劃定了沉積區(qū)；位于所述沉積室內(nèi)并與所述載體隔開的至少一個電感耦合等離 子體炬，所述至少一個電感耦合等離子體炬產(chǎn)生基本垂直于所述沉積 表面的等離子體火焰，所述等離子體火焰劃定了用于使至少兩種反應(yīng) 物反應(yīng)以產(chǎn)生所述多晶珪的反應(yīng)區(qū)，/人而在所述沉積表面上沉積所述 多晶硅的層。
14. 權(quán)利要求13的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述多晶硅選自硅、本征硅、p-型摻雜硅和n-型摻雜硅。
15. 權(quán)利要求13的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述至少兩種反應(yīng)物以選自氣體、蒸氣、氣溶膠、小顆粒、納米顆?；?粉末的材料形式沉積。
16. 權(quán)利要求13的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述至少兩種反應(yīng)物由氬氣(H2)和至少一種選自三氯硅烷(SiHCl3)、 四氯化硅(SiCl4)、 二氯硅烷(SiH2Cl2)、硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、 四溴化硅(SiBr4)及其混合物的氣體產(chǎn)生。
17. 權(quán)利要求13的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述等離子體炬工具由至少一種選自氦氣、氬氣、氫氣及其混合物的氣 體產(chǎn)生。
18. 權(quán)利要求13的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述室工具進一步包括位于所述沉積表面上方的用于從所述室工具中排出未沉積固體 和未反應(yīng)化學品中的所述至少 一種的排放系統(tǒng)。
19. 權(quán)利要求13的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述用于沉積的室由屏蔽RF能并將所述室與所述室的外部環(huán)境隔離開 的材料制成。
20. 權(quán)利要求19的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述排放系統(tǒng)進一步包含用于從所示室中除去副產(chǎn)物氣體和顆粒的排出口 。
21. 權(quán)利要求18的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述排放系統(tǒng)控制所述室內(nèi)的分壓。
22. 權(quán)利要求13的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述至少 一個電感耦合等離子體炬包含外石英管和包含多個具有比所述外石英管更大的直徑的繞線的 感應(yīng)線圈；內(nèi)石英管；和連接所述外石英管和所述內(nèi)石英管的室，其中所述等離子氣體源 連向所述室以在所述外石英管與所述內(nèi)石英管之間提供所述等離子 氣體源。
23. 權(quán)利要求22的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述外石英管具有大約180-400毫米的長度。
24. 權(quán)利要求22的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述外石英管具有大約50-90毫米的直徑。
25. 權(quán)利要求22的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述內(nèi)石英管具有大約120- 180毫米的長度。
26. 權(quán)利要求22的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述內(nèi)石英管具有大約50- 70毫米的直徑。
27. 權(quán)利要求22的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述繞線彼此隔開大約2_ 10毫米距離。
28. 權(quán)利要求27的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，其中所 述感應(yīng)線圈與所述靶基底之間的所述距離為大約30 - 55毫米。
29. 權(quán)利要求22的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，進一步 包含連向所述感應(yīng)線圈的高頻發(fā)生器。
30. 權(quán)利要求13的用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置，進一步 包含〃使所述回收的所述未沉積固體再循環(huán)以加工成。
31. 在沉積室中在耙基底上制造多晶硅層的方法，包括 負載所述靶基底；提供包含線圈的高頻電感耦合等離子體炬，選擇所述電感耦合等 離子體炬使其可沿所述基底一側(cè)的表面區(qū)域放置，所述線圏與所述基 底相距30-55毫米；將基本由惰性氣體構(gòu)成的等離子氣體引入所述高頻電感耦合等 離子體炬以在所述線圈內(nèi)形成等離子體；將反應(yīng)物注入所述高頻電感耦合等離子體炬以產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物；和將所述電感耦合等離子體炬的所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積到所述基底上， 同時維持所述基底與所述線圈之間的間3巨。
32. 權(quán)利要求31的在靶基底上形成多晶硅層的方法，進一步包括 調(diào)節(jié)所述室內(nèi)的分壓。
33. 在沉積室中在靶基底上形成多晶硅層的方法，包括 將所述靶基底支承在載體上；提供至少兩個用于將反應(yīng)產(chǎn)物沉積在所述至少 一 個基底上的電 感耦合等離子體炬，所述至少兩個電感耦合等離子體炬與所述靶基底 間距放置，所述至少兩個電感耦合等離子體炬各自包含線圏，選擇所 述至少兩個電感耦合等離子體炬使其可沿所述耙基底一側(cè)的沉積表 面區(qū)域放置，所述線圏與所述靶基底相距30-55毫米；將基本由惰性氣體構(gòu)成的等離子氣體引入所述至少兩個電感耦 合等離子體炬以在所述線圈內(nèi)形成等離子體；將反應(yīng)物注入所述至少兩個電感耦合等離子體炬以產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)物；調(diào)節(jié)由所述至少兩個電感耦合等離子體炬的等離子體火焰產(chǎn)生 的反應(yīng)區(qū)中的溫度；控制所述沉積室內(nèi)的壓力；控制所述耙基底的所述沉積表面的溫度；將所述至少兩個電感耦合等離子體炬的所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積到所述沉積表面上，同時維持所述基底與所述線圏之間的間距；和 使所述靶基底圍繞其軸旋轉(zhuǎn)。
34，權(quán)利要求33的在基底上形成多晶硅層的方法，進一步包括調(diào) 節(jié)所述室內(nèi)的分壓。
35. 權(quán)利要求33的在基底上形成多晶硅層的方法，其中所述至少 兩個電感耦合等離子體炬和所述沉積表面基本彼此垂直。
36. 權(quán)利要求35的在基底上形成多晶硅層的方法，其中所述至少 兩個電感耦合等離子體炬基本豎直放置。
37. 權(quán)利要求33的在基底上形成多晶硅層的方法，其中所述至少 兩個電感耦合等離子體炬進一步包含緊鄰所述沉積表面的成角度端以增加所述靶基底上的沉積面積。
38. 權(quán)利要求37的在基底上形成多晶硅層的方法，其中所述至少 兩個電感耦合等離子體炬的傾斜的角度使得所述成角度端與所述沉 積表面基本平4于耳又向。
39. 權(quán)利要求33的在基底上形成多晶硅層的方法，其中所述沉積 表面在所述反應(yīng)產(chǎn)物沉積過程中旋轉(zhuǎn)。
40. 權(quán)利要求33的在基底上形成多晶硅層的方法，其中所述至少 兩個電感耦合等離子體炬是。
全文摘要
用于制造多晶硅的等離子體沉積裝置(100)，包括用于沉積所述多晶硅的室，該室具有用于回收未沉積氣體的排放系統(tǒng)；位于沉積室內(nèi)的用于支承具有沉積表面(106)的靶基底(104)的載體(103)，該沉積表面劃定了沉積區(qū)(105)；位于沉積室內(nèi)并與該載體(103)隔開的至少一個電感耦合等離子體炬(107)，該至少一個電感耦合等離子體炬(102)產(chǎn)生基本垂直于沉積表面(106)的等離子體火焰，該等離子體火焰劃定了用于使至少一種前體氣體源反應(yīng)產(chǎn)生多晶硅的反應(yīng)區(qū)(126)，從而在沉積表面(106)上沉積多晶硅層。
文檔編號C23C16/24GK101512042SQ200780033206
公開日2009年8月19日 申請日期2007年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月7日
發(fā)明者C·徳盧卡, M·A·阿斯拉米, 韜 武 申請人:硅石技術(shù)責任有限公司