СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR PREPARATION OF POLYCRYSTALLINE HIGH-PURITY SILICON AND DEVICE THEREOF (VERSIONS)

Изобретение относится к процессам и аппаратам для получения поликристаллического кремния высокой чистоты.
3
2
2
Известен способ получения поликристаллического кремния путем термического восстановления хлоросодержащих соединений кремния водородом на нагреваемых электрическим током стержнях из кремния (Пат. США №3286685). Недостатком известного способа является высокая температура процесса 1000-1200°С и, как следствие, большие затраты энергии. Другим недостатком является использование хлоросодержащих токсичных продуктов, таких как трихлорсилан SiHCl и дихлорсилан SiHCl.
Для снижения затрат электроэнергии предложен процесс получения поликремния в кипящем слое, в котором кремнийсодержащий газ разлагается до кремния на поверхности большого числа мелких частиц кремния, находящихся в кипящем слое (Пат. США 3102861, 3102862, 4207360 и 3963838). Недостатком известного способа является наличие внешнего и внутреннего нагревателя, которое приводит к нагреву стенок реактора, большим затратам энергии и к снижению чистоты поликремния из-за примесей, содержащихся во внутреннем нагревателе и стенках реактора.
4
Известен способ получения поликристаллического кремния путем термического разложения гидрида кремния SiH или водородного восстановления хлорсодержащих соединений кремния путем нагрева частиц кремния в реакторе с кипящим слоем микроволновым излучением СВЧ-плазмы с частотой 915-2450 МГц через кварцевые охлаждаемые стенки реактора (Пат. США №4900411). Недостатком известного способа является низкая чистота получаемого поликремния и высокая энергоемкость процесса.
Известен способ получения поликристаллического кремния из четыреххлористого кремния с использованием высокочастотной индукционной плазмы (см. А.Н.Краснов, С.Ю.Шаривкер и др. Низкотемпературная плазма в металлургии. Изд. Металлургия, 1976). Способ является достаточно энергоемким и может быть применен только к эндотермическим реакциям.
Общим недостатком вышеуказанных способов получения поликристаллического кремния является использование в качестве исходных материалов хлорсодержащих токсичных химических соединений.
4
Известен способ получения поликристаллического кремния путем термического разложения силана SiH при температуре около 800°С (Пат. США №4148814 и 4150168). Недостатком известного способа является низкая скорость осаждения поликремния из-за малой площади стержней из кремния, используемых для осаждения поликремния, и высокая энергоемкость процесса.
2
5
3
Известен способ получения поликристаллического кремния путем каталитического соединения металлургического кремния со спиртом с образованием эфиров ортокремниевой кислоты триэтоксисилана SiH(CHO) и тетраэтоксисилана
2
5
4
4
Si(CHO) с последующим образованием моносилана SiH и его термическим разложением. В известном способе соединения хлора не используются и процессы проводят при низких температурах и нормальном давлении (Пат. США №6103942). Недостатком известного способа является большое количество побочных продуктов в виде тетраэтоксисилана, который используют для получения кремнезоля и диоксида кремния.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение степени чистоты кремния, снижение затрат энергии на получение поликристаллического кремния, высокой чистоты, снижение количества побочных продуктов, получаемых при производстве поликристаллического кремния и повышение экологической безопасности за счет использования исходных материалов, не содержащих опасные и вредные вещества.
Технический результат достигается тем, что в способе получения поликристаллического кремния высокой чистоты путем переработки кремнийсодержащих соединений и последующего получения чистого поликристаллического кремния кремнийсодержащие соединения перерабатывают в плазме концентрированного высокочастотного разряда с частотой 1-800 кГц при температуре 700-9000°С путем подачи смеси кремнийсодержащих соединений с несущим газом по коаксиальной трубе из чистого кремния с центральным электродом из чистого кремния, установленным по оси трубы, присоединения центрального электрода к потенциальному выводу высокочастотного резонансного трансформатора мощностью 1-1000 кВт, напряжением 10-1000 кВ, зажигания плазменного разряда с температурой 700-9000°С в струе кремнийсодержащих соединений между центральным электродом и стенками трубы, а также между центральным электродом и расположенным с зазором осесимметрично к центральному электроду подложкой-мишенью из чистого кремния.
Для снижения расхода энергии в способе получения поликристаллического кремния стенки трубы и центральный электрод соединяют с высоковольтным выводом резонансного высокочастотного трансформатора, а плазменный разряд формируют между трубой и подложкой-мишенью.
В варианте способа получения поликристаллического кремния высокой чистоты кремнийсодержащие соединения перерабатывают в плазме концентрированного высокочастотного разряда с частотой 1-800 кГц при температуре 700-9000°С путем подачи смеси кремнийсодержащих соединений с несущим газом по трубе из чистого кремния, присоединения к потенциальному выводу высокочастотного резонансного трансформатора мощностью 1-1000 кВт, напряжением 10-1000 кВ, зажигания плазменного разряда в струе кремнийсодержащих соединений между стенками трубы и расположенной с зазором осесимметрично к трубе подложкой-мишенью из чистого кремния.
В варианте способа получения поликристаллического кремния высокой чистоты кремнийсодержащие соединения перерабатывают в плазме концентрированного высокочастотного разряда с частотой 1-800 кГц при температуре 700-9000°С путем присоединения центрального электрода из чистого кремния к потенциальному выводу высокочастотного резонансного трансформатора мощностью 1-1000 кВт, напряжением 10-1000 кВ, зажигания плазменного разряда в струе кремнийсодержащих соединений между центральным электродом и расположенным с зазором осесимметрично к центральному электроду подложкой-мишенью из чистого кремния, а кремнийсодержащие соединения подают по одной или нескольким трубам из кремния, установленным под углом 5-20° к оси камеры таким образом, чтобы оси центрального электрода и каждой из труб пересекались на поверхности подложки-мишени.
Для снижения энергоемкости процесса в способе получения поликристаллического кремния несколько электродов из чистого кремния устанавливают по образующей цилиндра и зажигают цилиндрический плазменный разряд между электродами и подложкой-мишенью, а кремнийсодержащие соединения подают по оси цилиндрического разряда.
В варианте способа получения поликристаллического кремния высокой чистоты создают плазменный разряд с частотой 1-800 кГц с температурой 700-9000°С между охлаждаемыми электродами из чистого кремния и подложкой-мишенью из чистого кремния путем размещения электродов осесимметрично под углом к оси камеры и присоединения всех электродов к высоковольтному выводу высокочастотного резонансного трансформатора мощностью 1-1000 кВт, напряжением 10-1000 кВ.
В варианте способа получения поликристаллического кремния высокой чистоты кремнийсодержащие соединения подают в струе несущего газа по коаксиальной трубе из чистого кремния вдоль оси реакционной камеры, присоединяют центральный электрод коаксиальной трубы из чистого кремния к одному из выводов спирального четвертьволнового электрического волновода, производят накачку высокочастотной электромагнитной энергии с частотой 1-800 кГц, напряжением 10-1000 кВ в спиральном четвертьволновом волноводе от высокочастотного трансформатора мощностью 1-1000 кВт, зажигают плазменный разряд с температурой 700-9000°С электромагнитной высокочастотной энергии путем подачи электрической энергии от электрического волновода через центральный электрод из кремния по оси реакционной камеры в струе кремнийсодержащих соединений и фокусируют плазменный высокочастотный разряд от электрического спирального волновода вдоль оси реакционной камеры путем расположения обмоток спирального волновода вокруг реакционной камеры.
Для снижения расхода энергии в способе создают плазменный разряд с температурой 2000°С между охлаждаемыми электродами из чистого кремния и подложкой-мишенью путем размещения электродов осесимметрично под углом к оси камеры и присоединения всех электродов к высоковольтному выводу четвертьволнового электрического волновода и сжимают плазменный разряд путем размещения обмотки электрического волновода вокруг стенок реакционной камеры в пространстве между электродами и подложкой-мишенью.
В варианте способа получения поликристаллического кремния высокой чистоты кремнийсодержащие соединения перерабатывают в плазме с температурой 700-9000°С из двух высокочастотных разрядов с двумя частотами в диапазоне 1-800 кГц, отличающимися друг от друга по частоте в 2-20 раз, путем подачи смеси кремнийсодержащих соединений с несущим газом по двум коаксиальным трубам с центральными электродами из чистого кремния, присоединения каждого центрального электрода, каждой кремниевой коаксиальной трубы к высоковольтному выводу одного из двух высокочастотных резонансных трансформаторов Тесла электрической мощностью 1-1000 кВт с частотой 1-800 кГц, причем частоты каждого из двух резонансных трансформаторов отличаются друг от друга в 2-20 раз, зажигания и усиления плазменного разряда за счет взаимодействия двух плазменных пучков с различными частотами с экраном из чистого кремния.
В способе получения поликристаллического кремния плазменные пучки от двух электродов из чистого кремния располагают под некоторым углом друг к другу и плоскости подложки-мишени.
В варианте способа получения поликристаллического кремния высокой чистоты кремнийсодержащие соединения перерабатывают в плазме при температуре 700-9000°С путем присоединения каждого из двух центральных кремниевых электродов к высоковольтному выводу одного из двух спиральных четвертьволновых электрических волноводов, накачки каждого электрического волновода от одного из двух резонансных высокочастотных трансформаторов мощностью 1-1000 кВт в диапазоне частот 1-800 кГц, причем частоты каждого из двух электрических волноводов отличаются друг от друга в 2-20 раз, зажигания двух плазменных разрядов электромагнитной высокочастотной энергии путем подачи электрической энергии от каждого из двух электрических волноводов через каждый из двух центральных электродов коаксиальных труб из кремния в струе кремнийсодержащих соединений по оси реакционной камеры.
В способе получения высоковольтный вывод каждого из двух спиральных четвертьволновых волноводов присоединяют к высоковольтным выводам одного высоковольтного резонансного трансформатора, а фокусирование каждого плазменного высокочастотного разряда от каждого спирального электрического волновода вдоль оси реакционной камеры осуществляют путем расположения обмоток спиральных волноводов вокруг реакционной камеры и усиления плазменного разряда за счет взаимодействия двух плазменных пучков с разными частотами.
В способе в качестве подложки-мишени используют пластины и стержни из кремния.
В способе в качестве подложки-мишени используют подогреваемые до температуры 700-1400°С тигли с кусками чистого кремния.
В способе в качестве подложки-мишени используют тигли с кремнийсодержащими материалами на основе пеллет из стехиометрической смеси диоксида кремния и углерода.
В способе получения поликристаллического кремния в качестве кремнийсодержащих соединений используют алкоксиланы триэтоксисилан, тетраэтоксисилан, триметоксилан, тетраметоксисилан, а также моносилан, трихлорсилан и тетрафторид кремния.
В способе в качестве кремнийсодержащих соединений используют стехиометрическую смесь особочистых диоксида кремния и углерода с размером частиц 0,1-100 мкм.
В способе в качестве кремнийсодержащих соединений используют порошок особочистого диоксида кремния с размером частиц 0,1-100 мкм в струе несущего газа ацетилена, метана и водорода высокой чистоты.
В устройстве для получения поликристаллического кремния высокой чистоты путем переработки кремнийсодержащих соединений и последующего выделения поликристаллического кремния, содержащем реакционную камеру, стенки которой выполнены из материала, прозрачного для высокочастотного излучения, устройство для подвода реагентов и отвода продуктов разложения и высокочастотный генератор для получения плазменного разряда, высокочастотный генератор выполнен в виде резонансного высокочастотного трансформатора электрической мощностью 1-1000 кВт с частотой 1-800 кГц, напряжением 1-1000 кВ, соединенного высоковольтным выводом с изолированным центральным электродом коаксиальной трубы из чистого кремния, установленной вдоль оси внутри одного из оснований реакционной камеры, коаксиальная труба из кремния совмещена с устройством для подачи реагентов в реакционную камеру, а на противоположном основании реакционной камеры установлена подложка-мишень из чистого кремния.
В устройстве высоковольтный вывод высокочастотного трансформатора соединен с центральным электродом и коаксиальной трубой из чистого кремния, а подложка-мишень соединена с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела или с землей.
В варианте устройства для получения поликристаллического кремния высокой чистоты путем переработки кремнийсодержащих соединений и последующего выделения поликристаллического кремния, содержащего реакционную камеру, стенки которой выполнены из материала, прозрачного для высокочастотного излучения, устройство для подвода реагентов и отвода продуктов разложения и высокочастотный генератор для получения плазменного разряда, высоковольтный вывод высокочастотного трансформатора соединен с установленным по оси камеры электродом из чистого кремния, а реакционная камера снабжена одной или несколькими трубами из чистого кремния для подачи кремнийсодержащих соединений, указанные трубы установлены под углом 5-20° к оси камеры, а ось электрода из чистого кремния и оси каждой из труб пересекаются в одной точке на поверхности подложки-мишени, которая выполнена в виде тигля с кусками чистого кремния.
В варианте устройства для получения поликристаллического кремния высокой чистоты путем переработки кремнийсодержащих соединений и последующего выделения поликристаллического кремния, содержащего реакционную камеру, стенки которой выполнены из материала, прозрачного для высокочастотного излучения, устройство для подвода реагентов и отвода продуктов разложения и высокочастотный генератор для получения плазменного разряда, высоковольтный вывод высокочастотного трансформатора соединен с охлаждаемыми электродами из чистого кремния, указанные электроды установлены осесимметрично в виде усеченного конуса под углом к оси камеры, а пространство по оси камеры совмещено с устройством для подачи кремнийсодержащих соединений.
В устройстве каждый из охлаждаемых электродов из чистого кремния присоединен к высоковольтному выводу своего собственного резонансного трансформатора.
В варианте устройства для получения поликристаллического кремния высокой чистоты путем переработки кремнийсодержащих соединений и последующего выделения поликристаллического кремния, содержащего реакционную камеру, стенки которой выполнены из материала, прозрачного для высокочастотного излучения, устройство для подвода реагентов и отвода продуктов разложения и высокочастотный генератор для получения плазменного разряда, высокочастотный резонансный трансформатор электрической мощностью 1-1000 кВт, частотой 1-800 кГц и напряжением 1-1000 кВ подключен своим высоковольтным выводом к трубчатому электроду из чистого кремния, установленному вдоль оси реакционной камеры, трубчатый электрод совмещен с устройством для подачи кремнийсодержащих реагентов, а на торцах реакционной камеры установлены подложки-мишени из чистого кремния.
В варианте устройства для получения поликристаллического кремния высокой чистоты путем переработки кремнийсодержащих соединений и последующего выделения поликристаллического кремния, содержащего реакционную камеру, стенки которой выполнены из материала, прозрачного для высокочастотного излучения, устройство для подвода реагентов и отвода продуктов реакции и высокочастотный генератор, высокочастотный генератор выполнен в виде резонансного генератора, высоковольтный вывод которого соединен со входом спирального четвертьволнового электрического волновода, установленного снаружи вокруг реакционной камеры, а высоковольтный вывод электрического волновода соединен с центральным электродом коаксиальной трубы из чистого кремния, установленной коаксиально вдоль оси внутри одного из оснований реакционной камеры, коаксиальная труба совмещена с устройством для подачи реагентов, а в торцах реакционной камеры установлены подложки-мишени из чистого кремния.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве каждый из охлаждаемых электродов из чистого кремния подключен к высоковольтному выводу электрического волновода, электрический волновод размещен вокруг реакционной камеры в пространстве между электродами и тиглем и подключен к высоковольтному выводу резонансного высокочастотного трансформатора.
В варианте устройства для получения поликристаллического кремния высокой чистоты путем переработки кремнийсодержащих соединений и последующего выделения поликристаллического кремния, содержащего реакционную камеру, стенки которой выполнены из материала, прозрачного для высокочастотного излучения, устройство для подвода реагентов и отвода продуктов реакции и высокочастотный генератор для получения плазменного разряда, высокочастотный генератор содержит два высокочастотных резонансных трансформатора электрической мощностью 1-1000 кВт, с частотой 1-800 кГц, каждый из которых соединен высоковольтным выводом со входом одного из двух спиральных четвертьволновых электрических волноводов с частотой в пределах 1-800 кГц, причем резонансные частоты спиральных электрических волноводов отличаются в 2-20 раз, электрические волноводы установлены снаружи вокруг разных частей реакционной камеры, а каждый из высоковольтных выводов каждого электрического волновода присоединен к одной из двух труб из чистого кремния, установленных внутри по оси реакционной камеры в противоположных частях реакционной камеры, коаксиальные трубы из кремния совмещены с устройством для подачи реагентов в реакционную камеру, а в торцах реакционной камеры установлены подложки-мишени из чистого кремния.
В устройстве вход каждого из двух спиральных четвертьволновых электрических волноводов присоединен к одному из двух выводов высоковольтной обмотки одного высокочастотного резонансного трансформатора.
Другое отличие состоит в том, что в устройстве высоковольтный вывод каждого из двух резонансных высокочастотных трансформаторов Тесла электрической мощностью 1-1000 кВт, частотой 1-800 кГц и напряжением 1-1000 кВ присоединен к одному из трубчатых электродов из чистого кремния, а высоковольтные обмотки трансформаторов установлены вокруг стенок реакционной камеры и их частоты отличаются в 2-20 раз.
В устройстве подложки-мишени выполнены из чистого кремния.
В устройстве в качестве подложки-мишени используют тигель с кусками кремния, указанный тигель снабжен устройством нагрева до температуры 700-9000°С и устройством направленной кристаллизации с медленным охлаждением.
В устройстве в качестве подложки-мишени используют тигель с пеллетами из спрессованных порошков особочистого диоксида кремния и углерода с размером частиц в порошке 0,1-100 мкм.
В устройстве каждый электрод имеет встроенную внутри систему охлаждения.
В устройстве электрод выполнен в виде цилиндрической оболочки из чистого кремния, заполненной стехиометрической смесью диоксида кремния и углерода особой чистоты.
В устройстве в качестве кремнийсодержащих соединений использована стехиометрическая смесь диоксида кремния и углерода высокой чистоты.
В устройстве в качестве кремнийсодержащих соединений использованы порошок диоксида кремния в потоке ацетилена, метана, метанола и водорода.
В устройстве в качестве кремнийсодержащих соединений использованы алкоксиланы триэтоксисилан, тетраэтоксисилан, триметоксисилан, тетраметоксисилан, а также моносилан, трихлорсилан, тетрахлорид кремния и тетрафторид кремния.
Способ получения поликристаллического кремния высокой чистоты и устройство для его осуществления иллюстрируются на фиг.1-8.
На фиг.1 показана электрическая схема и конструкция устройства с высокочастотным резонансным трансформатором, соединенным высоковольтным выводом с центральным электродом в коаксиальной трубе из чистого кремния.
На фиг.2 - электрическая схема и конструкция устройства для получения поликристаллического кремния с использованием устройства для создания вихревого перемещения кремнийсодержащих соединений в коаксиальной трубе из чистого кремния.
На фиг.3 - электрическая схема и конструкция устройства с одним резонансным трансформатором, создающим два плазменных разряда в верхней и нижней части реакционной камеры.
На фиг.4 - электрическая схема и конструкция устройства с использованием в качестве электрода трубы из чистого кремния.
На фиг.5 - электрическая схема и конструкция устройства с центральным электродом из чистого кремния и системой подачи кремнийсодержащих соединений по двум трубам из чистого кремния.
На фиг.6 - электрическая схема и конструкция устройства с тремя электродами из чистого кремния.
На фиг.7 - электрическая схема и конструкция устройства с резонансным трансформатором и спиральным волноводом.
На фиг.8 - электрическая схема и конструкция устройства с тремя резонансными трансформаторами и тремя спиральными волноводами с различными резонансными частотами.
На фиг.1 высокочастотный генератор 1 с частотой 1-800 кГц соединен через последовательный резонансный контур 2 с высокочастотным резонансным трансформатором 3 электрической мощностью 1-1000 кВт. Высоковольтный вывод 4 трансформатора 3 соединен с центральным электродом из чистого кремния 5, который установлен внутри коаксиальной трубы 6 из чистого кремния и изолирован от стенок трубы 6 слоем изоляции 7. Коаксиальная труба 6 установлена внутри реакционной камеры 8 и имеет устройство 9 для подачи кремнийсодержащих соединений в потоке несущего газа в реакционную камеру 8. Подложка-мишень 10 из чистого кремния установлена в противоположной к электроду 5 части камеры 8 и имеет шток 11 для обеспечения вращательного и вертикального перемещения подложки-мишени 10. Камера 8 имеет также патрубок 12 для отвода уходящих газов и их нейтрализации.
В варианте конструкции устройства на фиг.2 подачу кремнийсодержащих соединений в потоке несущего газа осуществляют по каналу 13 по касательной к коаксиальной трубе 6 с тем, чтобы обеспечить вихревое движение кремнийсодержащих соединений по восходящей спирали внутри коаксиальной трубы 6 и по оси 14 реакционной камеры 8.
На фиг.1, 2 подача кремнийсодержащих соединений осуществляется снизу вверх на подложку-мишень 10, которая установлена в верхней части камеры 8. Сущность способа и устройства не меняется, если камеру перевернуть на 180° и осуществлять подачу кремнийсодержащих соединений сверху вниз на подложку-мишень 10, установленную в этом случае в нижней части камеры 8.
На фиг.3 коаксиальная труба 6 с центральным электродом 5 из чистого кремния установлена в центральной части камеры 8 и имеет перегородку 15 из изолирующего материала, например из кварцевого стекла, для присоединения высоковольтного вывода 4 резонансного трансформатора 3 к центральному электроду 5 и два устройства 9 и 16 для подачи кремнийсодержащих соединений в верхнюю 17 и нижнюю 15 части камеры 8 на две подложки-мишени 10 и 19 из чистого кремния.
На фиг.4 высоковольтный вывод 4 трансформатора 3 соединен с трубой 20 из чистого кремния, которую используют в качестве электрода 5 и для подачи кремнийсодержащих соединений в потоке несущего газа на подложку-мишень 10.
На фиг.5 в верхней части 17 камеры 8 установлен центральный электрод 5 из чистого кремния, который имеет устройство 21 для охлаждения электрода 5, а в нижней части 18 камеры 8 в качестве подложки-мишени 10 установлен тигель 22 с кусками чистого кремния 23. Тигель 22 имеет устройство подогрева 24 до температуры 700-1700°С, устройство направленной кристаллизации с медленным охлаждением 25 и теплоизоляцию 26. Подачу кремнийсодержащих соединений осуществляют по двум трубам 27 из чистого кремния, которые установлены под углом α к оси 14 камеры 8 таким образом, чтобы оси труб 27 пересекались с осью 14 камеры 8 на поверхности подложки-мишени 10.
На фиг.6 каждый из трех охлаждаемых электродов 28 из чистого кремния присоединен к высоковольтным выводам 29, 30 и 31 трехфазного резонансного трансформатора 32, указанные электроды установлены осесимметрично к оси 14 камеры 8 и наклонены под углом β к оси 14 камеры 8 таким образом, чтобы оси электродов 28 пересекались по оси 14 камеры 8 на поверхности тигля 27 с кусками чистого кремния 22. Тигель 27 имеет устройство подогрева 24 до температуры 700-1700°С и систему охлаждения 25. Подачу кремнийсодержащих соединений осуществляют по трубе 33 из чистого кремния, установленной по оси 14 камеры 8.
На фиг.7 высоковольтный вывод 4 резонансного трансформатора 3 соединен со спиральным четвертьволновым волноводом 34, вывод 35 спирального волновода присоединен к центральному охлаждаемому электроду 5, а спиральный волновод 34 установлен вокруг реакционной камеры 8 в пространстве между центральным электродом 5 и подложкой-мишенью 10, корпус 36 камеры 8 выполнен из материала, прозрачного для электромагнитного поля спирального волновода 34, например из кварца. На фиг.7 пунктирной линией показаны точки присоединения 4 и 35 обмотки спирального волновода 34, установленного вокруг реакционной камеры 8, к электрической схеме.
1
2
3
На фиг.8 каждый из трех центральных охлаждаемых электродов 37, 38 и 39 из чистого кремния присоединен к одному из высоковольтных выводов 40, 41 и 42 спиральных волноводов 43, 44 и 45, каждый спиральный волновод подключен к высоковольтному выводу 46, 47 и 48 резонансных трансформаторов 49, 50 и 51. Спиральные волноводы 43, 44 и 45 имеют резонансные частоты f, f, f, отличающиеся друг от друга. Спиральные волноводы 43, 44 и 45 установлены вокруг реакционной камеры 8 один за другим в пространстве между электродами 37, 38, 39 и тиглем 21. Центральные электроды 37, 38 и 39 установлены под углом β к оси 14 реакционной камеры 8, аналогично фиг.6. На фиг.8 стрелками и пунктирными линиями показано присоединение спиральных волноводов 43, 44, 45, установленных вокруг камеры 8, к токовыводам 46, 47, 48 и 40, 41, 42 электрической схемы питания электродов 37, 38, 39. Тигель 27 снабжен устройством 52 для увеличения электрической емкости и электрической мощности устройства за счет присоединения тигля 27 к естественной емкости, в качестве которой используют изолированное проводящее тело или заземление.
Способ получения поликристаллического кремния реализуется следующим образом.
4
3
4
4
При подаче питания от высокочастотного генератора 7 (фиг.1, 2) на резонансный высокочастотный трансформатор 3 на одном из токовыводов 4 высоковольтной обмотки формируются стоячие волны емкостного тока и напряжения со сдвигом фаз между ними 90°. При присоединении указанного высоковольтного вывода 4 к центральному электроду 5 из чистого кремния между центральным электродом 5 и изолированными от электрода стенками коаксиальной трубы 6 из чистого кремния возникает плазменный разряд. Плазменный разряд возникает также между центральным электродом 5 и подложкой-мишенью 10 из чистого кремния. Высокое сопротивление электрода 5 из высокочистого кремния не является препятствием для прохождения емкостного тока через электрод 5 в резонансном режиме работы устройства. В этом состоит принципиальное отличие предлагаемого способа и устройства для получения поликристаллического кремния от известных способов и устройств, в которых электрическая дуга и плазменный разряд создают при прохождении активных однофазных или трехфазных токов проводимости через графитовые электроды и тигли, которые образуют замкнутую электрическую цепь. В предлагаемом способе и устройстве электрическая цепь разомкнута и плазменный разряд создают с помощью емкостных токов и токов смещения в реакционной камере 8, что позволяет использовать кремниевые электроды и кремнийсодержащие материалы высокой чистоты. При подаче кремнийсодержащих соединений, таких как SiH, SiHCl, SiCl, SiF, в потоке несущего газа, например водорода, в коаксиальную трубу 6 из чистого кремния через канал 13, установленный по касательной к цилиндрической поверхности трубы 6 в плоскости ее поперечного сечения, в трубе 6 создают вихревое движение кремнийсодержащих соединений в потоке несущего газа по спирали вдоль оси трубы 6. Плазменный разряд между стенками трубы 6 и центральным электродом 5, а также между подложкой-мишенью 10 из чистого кремния увеличивает скорость диссоциации молекул в реакционной смеси и значительно ускоряет реакцию химического разложения кремнийсодержащих соединений и выделения кремния на подложке 10 из чистого кремния. Подложку-мишень 10 из чистого кремния нагревают до температуры 200-1200°С с помощью отдельного нагревателя 23.
В способе и устройстве получения поликристаллического кремния на фиг.4, 5, 6, 7 в качестве кремнийсодержащих соединений используют стехиометрическую смесь порошков диоксида кремния и углерода с размером частиц 0,01-1 мм. Небольшое количество кусков чистого кремния 22 нагревают в тигле 21 с помощью устройства для подогрева 23. В качестве тигля 21 и устройства для подогрева 23 используют, например, установку направленной кристаллизации. После нагрева кремния до температуры 1500-1700°С над расплавленным кремнием зажигают плазменный разряд с температурой 2000-3000°С между центральным охлаждаемым электродом 5 из чистого кремния и расплавом кремния. В плазменный разряд подают стехиометрическую смесь диоксида кремния и углерода высокой чистоты в виде порошка с размером частиц 0,01-1 мм или в виде пеллет из прессованной стехиометрической смеси порошкообразных диоксида кремния и углерода. В качестве несущего газа используют водород, а также соединения водорода с углеродом, например, ацетилен или метанол высокой чистоты. Размер пеллет составляет 5-10 мм. В зоне плазменного разряда при температуре 2000-3000°С и частоте тока 1-800 кГц происходит реакция восстановления поликристаллического кремния согласно реакции
2
2
SiO+C=Si+CO.
В другом варианте способа и устройства для получения поликристаллического кремния (фиг.8) высоковольтный вывод 4 высоковольтной обмотки резонансного трансформатора 3 соединяют с четвертьволновой линией, выполненной в виде спирального волновода 34, который размещают вокруг реакционной камеры 8 и электрической емкости электрода 5, коаксиальной трубы 6 и подложки-мишени 10.
Спиральный волновод 34 усиливает потенциал высоковольтного вывода 4 резонансного трансформатора 3 и энергию плазменного разряда в 10-100 раз. Кроме того, спиральный волновод 4 сжимает плазменный разряд по оси реакционной камеры 8 и увеличивает плотность энергии в зоне реакции.
Электрические параметры устройства для получения поликристаллического кремния со спиральным волноводом рассчитывают по формулам расчета резонансных трансформаторов и четвертьволновых разомкнутых на конце линий (Jordan E.L., Balmain K.G. Electromagnetic Waves and Radiating System. Prentice Hall, Second Edition, 1968, p.226-227. Corum I.F., Corum I.F., A technical Analysis of the Extra Coil as a Slow Ware Helical Resonator // Proceedings the 1986 International Tesia Symposium. Colorado Springs, Colorado, International Tesia Society, Ins., 1986, p.p.2-1 - 2-24).
Резонансная частота .
Длина волны .
1
Напряжение на емкости C последовательного резонансного контура 2:
.
1
Напряжение на индуктивности L (первичная обмотка трансформатора 3):
.
2
Напряжение на L (вторичная высоковольтная обмотка трансформатора 3):
T
n - коэффициент трансформации.
Увеличение напряжения на выходе волновода 34 определяется не добротностью Q контура, как в обычной разомкнутой линии, а величиной æ, обратной произведению коэффициента затухания волны α на длину Н волновода 34, т.е. æ обратно пропорциональна потерям энергии на волноводе:
.
Напряжение на выходе 35 спирального волновода 34 определяется потерями в волноводе 34 и электрической прочностью изоляции и превышает напряжение на выходе резонансного трансформатора в 20-200 раз.
мин
макс
Напряжение в линии представляет сумму падающей и отраженной волны, интерференция которых образует стоячие волны. Возникает стоячая волна в виде одной четверти синусоидальной волны с началом синусоиды в начале волновода 34 с напряжением V и максимальным напряжением Vв конце спирального волновода.
Коэффициент затухания α определяется потерями на сопротивлении волновода 34 и диэлектрическими потерями.
Фазовая постоянная .
Напряжение на выходе 35 спирального волновода 34:
, , n=0,1,2,3…
Коэффициент потерь ,
0
где R - сопротивление 1 погонного метра, Ом;
0
Z - эффективное сопротивление;
0
λ - длина волны в свободном пространстве:
u
К - коэффициент снижения скорости распространения волны в спиральном волноводе 34:
,
где D - диаметр спирального волновода 34;
t - расстояние между витками;
с - скорость света;
u - скорость распространения волны.
Эффективное сопротивление спирального волновода 34:
.
Коэффициент потерь в неперах:
,
где Н - высота спирального волновода 34;
w
d - диаметр провода, м.
Примеры осуществления способа и устройства для получения поликристаллического кремния высокой чистоты.
Пример 1.
1
2
1
1
Высокочастотный генератор 1 электрической мощностью 500 кВт, частотой 500 кГц (фиг.7) соединяют с резонансным высокочастотным трансформатором 3, первичная обмотка которого имеет W=10 витков, а вторичная высоковольтная обмотка W=100 витков. Электрическая емкость C и индуктивность L первичной обмотки, трансформатор 3 образуют последовательный резонансный контур 2 с резонансной частотой
Коэффициент трансформации трансформатора 3:
.
Напряжение на входе преобразователя частоты 220/380 В, 50 Гц, на выходе 500 В, 500 кГц, выходной ток I=100 А. Напряжение на высоковольтном выводе 4 трансформатора 3 равно V=15 кВ.
Подложка-мишень 10 из чистого кремния имеет диаметр 300 мм, толщину 20 мм и устройство подогрева до температуры 200-1000°С.
0
4
При включении высокочастотного трансформатора 1 в последовательном контуре 2 возбуждают электромагнитные колебания тока и напряжение с частотой f=500 кГц, которая совпадает с частотой преобразователя частоты 1. Эти колебания увеличивают по напряжению в резонансном трансформаторе 3, усиливают в спиральном волноводе 34 и подают на центральный электрод 5. Между электродом 5 и коаксиальной трубой 6 и подогретой до температуры 200-1000°С подложкой-мишенью 10 из чистого кремния создают плазменный разряд, который с помощью спирального волновода 34 сжимают по оси реакционной камеры 8. В пространство между центральным электродом 5 и трубой 6 подают моносилан SiH в потоке водорода. При попадании в зону плазменного разряда при температуре 200-1000°С происходит пиролитическое разложение моносилана с выделением поликристаллического кремния на подложке-мишени 10 из чистого кремния.
Использование сделанных из чистого кремния электрода, трубы и подложки-мишени позволяет сохранить чистоту кремнийсодержащих веществ и осаждать на подложке-мишени высокочистый кремний.
Пример 2.
Высокочастотный генератор 1 имеет электрическую мощность 100 кВт при частоте 100 кГц. Каждый из трех резонансных трансформаторов 32 (фиг.6) имеет первичную обмотку 5 витков, вторичную обмотку 50 витков. Напряжение на входе трансформатора 32 составляет 500 В, на высоковольтных выводах 29, 30, 31 трансформатора 32 напряжение равно 10 кВ. Высоковольтные выводы трансформатора соединены с охлаждаемыми электродами 28 из кремния. Охлаждаемая труба 33 из кремния в центре камеры 8 является каналом для подачи кремнийсодержащих веществ 9 в реакционную камеру 8.
В качестве кремнийсодержащего соединения используют стехиометрическую смесь порошков диоксида кремния и углерода особой чистоты с размером частиц 1-20 мкм в потоке смеси 50% ацетилена и 50% водорода. Трубчатый электрод из кремния располагают в середине реакционной камеры.
Стенки реакционной камеры изготавливают из чистого кварца. В нижней части реакционной камеры устанавливают тигель 21 размером 400×400 мм, имеющий устройство подогрева 24 до температуры 1300-1700°С и устройство направленной кристаллизации 25 с медленным охлаждением в нижней части тигля 21. При работе устройства реакционную смесь 9 подают по касательной к цилиндрической поверхности внутри трубы 33 таким образом, чтобы кремнийсодержащие соединения перемещались по спирали вдоль оси трубчатого электрода. Плазменный разряд создают между электродами 28, трубой 33, а также между электродами 28 и тиглем 21 в нижней части камеры 8.
2
2
Кремнийсодержащие соединения на выходе из трубы 33 движутся по спирали и падают вниз в тигель 27, частично отражаясь от стенок реакционной камеры 8. Движение частиц происходит в плазменном разряде в средней части реакционной камеры. В процессе перемещения в камере 8 и в тигле 21 при температуре 2000-2500°С происходит реакция карботермического восстановления поликристаллического кремния по формуле: SiO+C=Si+CO.
Особенностью устройства и способа получения поликристаллического кремния является использование особочистых веществ в материалах электродов, загрузочного устройства, подложки-мишени, которые изготавливают из чистого кремния, и стенок реакционной камеры, которые изготавливают из особочистого кремния или кварца, а также использование кремнийсодержащих соединений высокой чистоты, что позволяет обеспечить высокую чистоту поликристаллического кремния.