УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНВЕРСИИ ТЕТРАХЛОРИДА КРЕМНИЯ И НАПЫЛЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛИЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Полезная модель относится к производству поликристаллического кремния и касается устройства для конверсии тетрахлорида кремния в поликристаллический кремний и его напыления с целью получения фотогальванических преобразователей энергии.
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, В01J 10/00; С01В 33/02; С01В 33/027, 1978.07.25; №4102985, С01В 33/02; С01В 33/027; С01В 33/00, 1978.07.25). Эти устройства чрезвычайно сложны по конструкции и режимам работы, и 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; С01В 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.
2
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, 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 снижение себестоимости поликристаллического кремния за счет повышения до 100% выхода поликристаллического кремния без необходимости его дополнительной очистки и снижения стоимости устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для конверсии тетрахлорида кремния и напыления поликристаллического кремния, включающем плазменный реактор с патрубками подвода и вывода реагентов, подложку для осаждения поликристаллического кремния с устройством термостатирования подложки, блок пространственного распределения напыляемого поликристаллического кремния, согласно полезной модели, плазменный реактор снабжен патрубком подачи инертного газа, системой подачи компактного алюминия, например, алюминиевой проволоки, системой выпуска газовой смеси в реакционное пространство, размещенное между подложкой для осаждения поликристаллического кремния и плазменным реактором, к корпусу плазменного реактора закреплены системы ввода в реакционное пространство парообразного хлорида алюминия и парообразного тетрахлорида кремния с размещением патрубка системы ввода парообразного тетрахлорида кремния, ниже патрубка системы ввода парообразного хлорида алюминия, устройство также снабжено системой отвода газовой смеси (инертного газа и хлорида алюминия) из реакционного пространства, выполненной с возможностью возврата инертного газа в плазменный реактор, часть устройства, включающая реакционное пространство с системой выпуска газовой смеси из плазменного реактора, подложку для осаждения поликристаллического кремния с устройством термостатирования подложки, заключена в герметичный корпус.
Плазменный реактор может быть выполнен в виде диспергатора.
Плазменный реактор может быть выполнен в виде испарителя.
Устройство может быть выполнено полностью заключенным в герметичный корпус.
Сущность устройства поясняется чертежом.
На чертеже схематически представлено устройство для конверсии тетрахлорида кремния и напыления поликристаллического кремния.
Устройство состоит из плазменного реактора 1, с патрубком подачи инертного газа 2, системой подачи компактного алюминия 3, системой выпуска газовой смеси 4, системы ввода парообразного хлорида алюминия 5; системы ввода парообразного тетрахлорида кремния 6, реакционного пространства 7, подложки для осаждения поликристаллического кремния 8, устройства термостатирования подложки 9; системы отвода газовой смеси (инертного газа и хлорида алюминия) из реакционного пространства 10; блока пространственного распределения напыляемого поликристаллического кремния 11.
x
4
Плазменный реактор 1 может быть выполнен в виде диспергатора, представляющего собой плазмотрон или в виде испарителя и предназначен для формирования высокотемпературного гетерогенного потока инертного газа, запыленного ультрадисперсными каплями алюминия, система ввода парообразного хлорида алюминия 5 предназначена для ввода в реакционное пространство в гетерогенный газовый поток инертного газа с алюминием хлорида алюминия в виде пара. Устройство ввода тетрахлорида кремния 6 предназначено для формирования реакционной гомогенной газовой смеси Ar+АlСl+SiCl. Патрубок системы ввода тетрахлорида кремния расположен ниже патрубка ввода хлорида алюминия, с целью предотвращения нежелательных реакций между тетрахлоридом кремния и алюминием, которые ведут к инкапсулированию алюминия в кремниевую оболочку.
Устройство термостатирования подложки 9 предназначено для поддержания требуемой для осаждения поликристаллического кремния температуры подложки 8 и представляет собой по сути холодильник, отводящий тепло приносимого конвекционным путем из газовой струи, тепло реакции восстановления вблизи подложки и тепло конденсации кремния по подложке.
Система отвода газовой смеси (инертного газа и хлорида алюминия) из реакционного пространства 10 предназначена для отвода с поверхности подложки газовой смеси инертного газа и хлорида алюминия, ее охлаждения до комнатной температуры, отделения кристаллов хлорида алюминия и возврата инертного газа в цикл.
Блок пространственного распределения напыляемого поликристаллического кремния 11 предназначен для равномерного или программируемого нанесения пленки поликристаллического кремния по поверхности подложки, путем относительного программируемого перемещения подложки и газовой струи.
Герметичный объем (на рисунке не показан) предназначен для защиты газовых потоков и горячей подложки от контакта с воздухом при атмосферном давлении.
Устройство работает следующим образом:
Инертный газ требуемой чистоты, например, аргон, подается в плазменный реактор (диспергатор, испаритель), где в зависимости от скорости его подачи нагревается до такой температуры, чтобы его энтальпии было достаточно для диспергирования алюминия и поддержания температуры в зоне эндотермической реакции восстановления хлорида алюминия выше 1000°С. Из плазменного реактора выходит гетерогенный газовый поток, представляющий собой смесь инертного газа и капель расплавленного алюминия микронных и субмикронных размеров. В этот поток вводят хлорид алюминия, в результате чего начинается его восстановление металлом до субхлорида. Ниже по потоку в образовавшуюся гомогенную газовую смесь вводится пар тетрахлорида кремния. В результате химических реакций атомы восстановленного кремния оседают на подложку с образованием пленки поликристаллического кремния. Инертный газ и побочный продукт реакции - пар хлорида алюминия через систему отвода газовой смеси выводятся из зоны реакций и поступают на охлаждение и разделение. Очищенный от примесей твердых частиц инертный газ поступает на дополнительную очистку от неконденсируемых газов (кислорода, азота) и затем возвращается в процесс. Хлорид алюминия также частично может возвращаться в цикл, основная его часть выводится из процесса в кристаллическом виде и удаляется из герметичного объема.
Заявляемое устройство для конверсии тетрахлорида кремния и напыления поликристаллического кремния позволяет:
- обеспечить максимально возможную полноту прохождения суммарной реакции вводимых реагентов;
- проводить процесс с высокой степенью конверсии (выходом) тетрахлорида кремния в поликристаллический кремний в виде пленки на поверхности подложки;
- сократить число технологических переделов и потери энергии за счет объединения в одном герметичном объеме процессов синтеза восстановителя и напыления поликристаллического кремния с получением пленки поликристаллического кремния требуемой чистоты и с геттерирующей примесью алюминия, повышающей эксплуатационные свойства поликристаллического кремния, которую можно использовать для производства фотогальванических элементов без дополнительной обработки;
- в отличие от многих устройств, используемых в металлургии кремния, снизить требования к стойкости конструкционных материалов в хлор- или/и кислородсодержащей среде, поскольку отсутствует контакт этих материалов с высокотемпературными потоками активных газов;
- снизить себестоимость поликристаллического кремния за счет повышения конверсии тетрахлорида кремния в поликристаллический кремний до 100%.