УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Полезная модель относится к производству поликристаллического кремния, в частности, к устройствам для конверсии тетрахлорида кремния в поликристаллический кремний и его напыления.
Известно устройство для гидрирования тетрахлорида кремния, позволяющее производить процесс с высокой степенью конверсии тетрахлорида кремния в трихлорсилан (Патент RU 2278076, С01В 33/107, 2006.06.20), и устройства для получения поликристаллического кремния из трихлорсилана его водородным восстановлением при высоком давлении и с низким выходом (Сименс - процесс) (Патенты US № 4102764, B01J 10/00; С01В 33/02; С01В 33/027, 1978.07.25; № 4102985, C01B 33/02; C01B 33/027; C01B 33/00, 1978.07.25). Эти устройства чрезвычайно сложны по конструкции и режимам работы, и в не позволяют достигнуть высокой степени конверсии тетрахлорида кремния за один проход. Кроме того, они требуют для своей работы дополнительно большого количества вспомогательного оборудования, в частности, для конверсии попутно генерируемых хлоридов и гидрохлоридов (хлорсиланов) кремния.
Известно устройство, близкое по конструкции к заявляемому, предназначенное для восстановления паров тетрахлорида кремния с использованием пара металла, например магния, натрия, подаваемых в устройство извне. (Патент US 4139438 В01К 1/00; C01B 33/02, 1979.02.13).
Известное устройство не позволяет получать пленку поликристаллического кремния. Получаемый в устройстве кремний загрязнен хлоридами натрия или магния, образующимися при восстановлении кремния, так как их температура кипения превышает оптимальное значение температур, необходимых для формирования требуемых полупроводниковых характеристик пленки поликристаллического кремния.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для получения поликристаллического кремния методом цинкотермии (ЕР1550636, С01В 33/035, 2005.07.06), имеющее закрытую от окружающей атмосферы реакционную зону и систему подвода паров реагентов. Устройство дает выход кремния, близкий к 100%, но при этом не обеспечивает возможность получения пленки поликристаллического кремния, пригодной для фотогальваники. Пары восстановителя, в данном случае цинка, имеющего температуру кипения 907°С, также имеют температуру выше оптимальной, требуемой для получения пленки поликристаллического кремния,
2
пригодной для фотогальваники, поступают в устройство извне, контактируя со стенками корпуса и другими элементами конструкции, загрязняя конечный продукт примесями из конструкционных материалов. Для осуществления процесса очистки требуется дополнительный переплав кремния при пониженном давлении, и, следовательно, дополнительное оборудование, что ведет к удорожанию устройства и повышению себестоимости конечного продукта - поликристаллического кремния. Кроме того, возврат металла-восстановителя в процесс требует его электролитического восстановления из хлорида - ZnCl в высокотемпературных солевых электролизерах, что сопряжено с его загрязнением электролитом и материалом электродов. Повышает стоимость устройства и необходимость применения специальных материалов для его изготовления, способных выдерживать высокотемпературный режим процесса.
Задачей, которую решает заявляемая полезная модель, является получение пленки поликристаллического кремния, пригодной для фотогальваники, снижение себестоимости получения поликристаллического кремния.
Технический результат достигается за счет обеспечения возможности синтеза газообразного восстановителя внутри корпуса устройства, исключая его подачу извне, удешевления устройства, вследствие получения пленки поликристаллического кремния требуемой чистоты в одном устройстве и использования традиционных материалов для изготовления устройства, за счет обеспечения снижения температуры в зоне осаждения поликристаллического кремния.
3
4
3
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для напыления поликристаллического кремния, включающем корпус с системой подачи и вывода реагентов, нагреватели, подложку для осаждения поликристаллического кремния, согласно заявляемому решению корпус снабжен, по меньшей мере, одним фланцем, выполненными с возможностью охлаждения, внутри корпуса под термостатированной подложкой размещена, по меньшей мере, одна кювета с расплавленным алюминием, выполненная с возможностью ее подогрева и снабженная крышкой, система подачи реагентов представляет собой коаксиальную горелку, состоящую из трех концентрически расположенных патрубков, наружного патрубка подачи хлорида алюминия (АlСl), внутреннего патрубка подачи тетрахлорида кремния (SiCl) и промежуточного патрубка подачи инертного газа, причем, наружный патрубок подачи хлорида алюминия (АlСl) соединен с кюветой, с возможностью обеспечения прохода газообразного реагента между поверхностью расплавленного алюминия и крышкой, при этом корпус устройства, кювета, наружный и промежуточный патрубки выполнены из материала на основе оксида алюминия, а внутренний патрубок выполнен из материала на основе оксида кремния.
В качестве материала для изготовления корпуса устройства может быть использован лейкосапфир.
Корпус устройства может быть выполнен теплоизолированным в средней части.
В качестве подогревающего кювету устройства могут быть применены нагреватели, установленные внутри корпуса.
В качестве подогревающего кювету устройства могут быть применены индукционные излучатели, установленные вне корпуса.
В качестве подогревающего кювету устройства могут быть применены инфракрасные излучатели, установленные вне корпуса.
При размещении внутри корпуса более, чем одной кюветы, их размещают одну над другой.
4
Внутренний патрубок подачи тетрахлорида кремния (SiCl) может быть выполнен из кварца.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, на котором схематически представлено устройство для напыления поликристаллического кремния.
Устройство состоит из корпуса 1, нагревателей 2, кюветы с жидким алюминием 3 с крышкой 4, термостатируемой подложки 5 на термостате-держателе 6, коаксиальной горелки 7, состоящей из наружного патрубка 8 подачи хлорида алюминия, внутреннего патрубка 9 подачи тетрахлорида кремния и промежуточного патрубка 10 подачи инертного газа, патрубка вывода реагентов 11, фланцев 12.
4
3
3
Через внутренний патрубок 9 коаксиальной горелки 7 в реакционную зону подводится тетрахлорид кремния (SiCl). Для защиты патрубка 9 от воздействия хлорида алюминия и для поддержания требуемой температуры реакции по коаксиальному патрубку 10 подается инертный газ - аргон. По патрубку 8 в кювету 3 с жидким алюминием вводится хлорид алюминия (АlСl), который взаимодействуя с зеркалом расплава, восстанавливается до субхлорида алюминия, представляющего собой смесь моно-, ди- и трихлорида алюминия с доминированием в этой смеси монохлорида алюминия. Соотношение между хлоридами алюминия определяется температурой кюветы: чем она выше, тем больше в выходящей из кюветы смеси монохлорида алюминия. В реакционной зоне происходит смешение трех газовых потоков и взаимодействие хлорида кремния и субхлорида алюминия. Восстановленный кремний оседает на термостатированную подложку 5, температура которой поддерживается на требуемом уровне термостатом-держателем 6 за счет охлаждения изнутри газовым или жидким теплоносителем. Сопродукт химической реакции - АlСl покидает реакционное пространство и устройство в целом через патрубок 11 в верхнем фланце 12.
Заявляемая конструкция устройства обеспечивают максимально возможную полноту прохождения реакции:
4
3
3
SiCl+2/3АlСl+4/3Аl→Si+2АlСl
x
4
Размещение кюветы с жидким алюминием внутри реакционной камеры в высокотемпературной зоне (в середине камеры) обеспечивает максимальное расстояние до охлаждаемых фланцев и минимальное расстояние для прохождения субхлорида алюминия (AlCl, x<3) - продукта взаимодействия хлорида алюминия с зеркалом расплавленного алюминия, до реакционной зоны, расположенной между коаксиальной горелкой, состоящей из набора концентрически расположенных патрубков подвода реагентов: топлива (AlClx), окислителя (SiCl) и балластного инертного газа (аргона). В реакционной зоне происходит смешение и сильноэкзотермическая реакция между газовыми реагентами (горение).
Конструкция устройства позволяет наиболее рационально расходовать тепло нагревателей, так как этим теплом осуществляется предварительный нагрев исходных компонентов газовой смеси и поддержание температуры зеркала алюминия, где идет эндотермическая реакция восстановления хлорида алюминия до субхлорида.
3
Для защиты реакционного пространства от кислорода и азота воздуха уплотнительные фланцы с патрубками подвода и отвода реагентов расположены в холодных зонах с температурой 180-200°С, что позволяет использовать для изготовления фланцев традиционные материалы - нержавеющую сталь, фторсиликоновую резину и пр., и значительно удешевить стоимость устройства. При этой температуре пар АlСl входит и выходит из устройства без десублимации.
3
3
Для эффективного осуществления синтеза субхлорида алюминия температура алюминия в кювете поддерживается отдельным нагревателем в диапазоне 1000-1400°С. Наружный патрубок подачи хлорида алюминия (АlСl) соединен с кюветой, с возможностью обеспечения прохода газообразного реагента между поверхностью расплавленного алюминия и крышкой, что обеспечивает длительный контакт АlСl с поверхностью расплавленного алюминия. Выполнение стенок корпуса из материала на основе оксида алюминия обеспечивает стойкость корпуса к воздействию восстановителя, а изготовление корпуса, в частном случае - из лейкосапфира обеспечивает прозрачность и позволяет контролировать оптическим пирометром температуру подложки, а спектрометром - ход химических реакций горения субхлорида алюминия в парах тетрахлорида кремния.