用于粒狀多晶硅生產的反向循環流化床反應器制造技術

反向流化床反應器(FBR)通過絕熱垂直分配器被分隔成為預反應加熱區、反應區和脫氫區。所述脫氫區可以為獨特的，或者所述加熱區可用作脫氫區。多晶硅的顆粒向上循環通過加熱區并且進入反應區的頂部，在這里發生硅的沉積，并且生長的顆粒緩慢沉降，直至它們再次進入預反應加熱區的底部。從而使灰塵形成、壁沉積和產物硅顆粒中的氫含量最小化。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請本申請要求2014年7月2日提交的美國申請14/322,351的權益，其通過全文引用結合到本文中用于所有的目的。
本專利技術涉及用于生產多晶硅的反應器，更具體地，本專利技術涉及用于生產多晶硅的流化床反應器。
技術介紹
在流化床反應器(FBR)中通過硅的化學氣相沉積來制造多晶硅比在鐘形罐反應器中在硅“細長”棒上分解硅烷或氯硅烷的傳統的Siemens方法具有優勢。參考圖1A，其顯示一種類型的FBR反應器的具體設計，至少一個分配器102將反應器室100分成預反應加熱區104和反應區106。在圖1A的具體實例中，分配器為圓柱形垂直分配器102，使得區域104、106同心。通過顆粒入口110在預反應加熱區104中引入多晶硅的小的“晶種”顆粒，在這里通過加熱器108將它們加熱至高于含有至少一種含硅試劑的反應氣體的硅沉積溫度的溫度。通過預反應氣體口112在預反應加熱區104中引入不含硅的預反應流化氣體(通常為氫氣)，在這里其流化硅顆粒。調節預反應流化氣體的流速至允許硅顆粒緩慢降落離開預反應加熱區并進入反應區106的底部的水平。在那里，它們被反應氣體流化，通過反應氣體口114引入到反應區106。由于硅顆粒的高溫，反應氣體在與顆粒接觸后分解，在顆粒上硅沉積，引起它們生長。最終，顆粒對于反應氣體變得太重而不能舉起，它們通過出口118降落離開反應器。在一些情況下，例如在圖1A中給出的實例，反應氣體能舉起至少一些硅顆粒高于分隔器102的頂部，使得它們降落返回至加熱區104。這引起顆粒在它們足夠重以降落離開反應區106之前冷卻，以再循環通過加熱區104。硅FBR技術已工業化數年了。對于硅生產，與Siemens反應器相比，FBR反應器的優勢包括低能耗和連續操作。此外，硅產物為粒狀形式，可容易在下游過程中處理，用于制備硅錠和單晶。然而，仍存在影響過程和產品品質的若干問題。這些問題之一為灰塵形成。當通過晶種顆粒加熱反應氣體時，至少一些反應氣體分子的溫度可能上升高于它們的分解溫度，甚至當它們不與硅顆粒直接接觸時。結果是，反應氣體中的分子可自發分解，形成硅“灰塵”的非常細的顆粒。在FBR反應器中灰塵形成不僅是硅的浪費，而且由于其密度低而難處理。當附著在硅產物顆粒的表面時，灰塵也會劣化硅產物的品質。在常規的FBR反應器中的另一個問題是反應氣體在垂直分隔器102和/或FBR室100的壁上的沉積。加熱FBR中的顆粒的一種方式是使用外部加熱器加熱預反應加熱區104的壁，如在圖1A中顯示的，使得壁通過傳導向在預反應加熱區104內的顆粒傳熱。在這些結構中，預反應加熱區的壁比顆粒熱，并且如果任何反應氣體到達壁，結果將是硅在壁上沉積。當壁上的硅層太厚時，FBR操作必須停止，以允許從壁去除硅。使用常規的FBR反應器的第三個問題是通常在粒狀多晶硅產物中發現的氫的高濃度。氫氣通常用作通過氣體口112引入的預反應流化氣體，并且氫氣也通常是反應氣體的組分。在產物硅顆粒的表面內截流的和/或在產物硅顆粒的表面上吸附的氫可在下游熔融過程中導致氣泡，這可能對由熔體生長的錠或晶體的品質有害。因此，在可利用硅之前，必須先從通過FBR反應器生產的粒狀硅顆粒除去氫。使硅顆粒脫氫的典型的方法是通過將它們轉移至不同于FBR的單獨的脫氫區，在這里顆粒被氫氣或被一些其它脫氫氣體流化，并且加熱至驅除氫的高溫。然而，該方法需要單獨的過程和單獨的設備，這使得過程更復雜，并且需要同時提高資金和操作成本。重要的是注意到在圖1A的FBR中硅顆粒循環的方向。該循環方向在圖1B中得到更清楚地說明。當硅顆粒在預反應加熱區104中加熱時，它們向下移動，直至它們進入反應區106的底部，在這里它們與反應氣體接觸。結果是，硅顆粒在硅濃度最高的區域與反應氣體初始接觸，并且顆粒在它們的最大溫度。這樣會加速硅沉積的初始速率，并且降低在作為硅產物被除去之前顆粒必須停留在反應器中的平均時間。顆粒隨后被反應氣體向上攜帶，未接受足夠硅以通過出口118降落離開反應器的那些顆粒被攜帶至垂直分隔器102之上，以再次向下降落和在預反應加熱區104中被加熱。遺憾的是，由于反應氣體較高的流速，其向上攜帶顆粒，與允許顆粒向下漂移的預反應流化氣體相比，不可避免的是一些反應氣體將還在垂直分隔器102之上或之下流動，從而進入預反應加熱區，在這里其容易形成硅灰塵，并且硅在加熱的壁上沉積。因此，需要一種多晶硅FBR反應器，其能夠產生較少的硅灰塵，使硅在壁、加熱器和區域分配器上的沉積最小化，并且生產具有降低的氫含量的硅產物，使得不需要單獨的脫氫步驟。
技術實現思路
本專利技術提供了一種具有反向流動的流化床反應器(FBR)，其能夠使得硅灰塵的產生最小化，使得硅在壁、加熱器、區域分配器(zonedividers)上的沉積最小化，并且生產具有降低的氫含量的硅產物，使得不需要單獨的脫氫步驟。該反應器提供預反應加熱氣體流，其舉起多晶硅的顆粒向上通過預反應加熱區，使得它們進入反應區，并且在反應區的頂部而不是在底部首先遇到反應氣體。反應氣體的流動相對較弱，以允許顆粒緩慢沉降通過反應區并且再次進入預反應加熱區的底部。結果是，與常規的內部循環FBR相比，硅顆粒通過反應器的循環反向。因為預反應氣體速度比反應氣體速度高，存在很少(如果有的話)反應氣體在預反應加熱區中的泄漏，從而使得在預反應加熱區內灰塵形成和硅在壁上的沉積最小化。因為顆粒在反應區的頂部相對較熱并且在反應區的底部較冷，反應氣體也在反應區的頂部較熱，在這里硅濃度最低，并且在反應區的底部較冷，在這里硅的濃度最高。結果是，由于反應氣體的加熱會降低灰塵的形成，并且使得通過反應氣體在反應區的壁上的硅沉積最小化。在實施方式中，分隔預反應加熱區與反應區的至少一個垂直分隔器為絕熱的，使得對反應區壁的加熱降低，并且壁的溫度最小化。這進一步降低硅在反應區的壁上的沉積。在這些實施方式的一些中，垂直分隔器由絕熱材料制成或填充絕熱材料。在其它實施方式中，垂直分隔器包括通過抽空的或填充氣體的空間分隔的雙壁。本專利技術的FBR也從硅顆粒除去截流的和吸附的氫。在一些實施方式中，預反應加熱區也用作脫氫區。在其它實施方式中，提供單獨的脫氫區。在各種實施方式中，調節氣體的流速，以引起硅顆粒在反應器的反應區和脫氫區之間平均循環至少50次，使得在反應過程期間顆粒幾乎連續重復脫氫，而不是在反應過程完成后在單一步驟中脫氫。在一些實施方式中，在反應期間氣體流為連續的，而在其它實施方式中，使用氣體脈沖在各區域之間立刻轉移硅顆粒。反應室可為圓柱形、矩形或任何其它合適的形狀，并且可分成并排(side-by-side)或同心的區域。本專利技術的一個通常的方面在于提供了一種用于生產多晶硅的方法。所述方法包括提供具有至少一個垂直分隔器(verticalseparator)的內部再循環流化床反應器，所述垂直分隔器在反應器內產生預反應加熱區、反應區和脫氫區，所述各區域彼此顆粒連通。所述方法還包括在反應器中引入多晶硅顆粒，在預反應加熱區中引入預反應流化氣體，在反應區中引入含有至少一種含硅試劑的反應氣體和在脫氫區中引入脫氫氣體，每一種所述氣體以至少等于多晶硅顆粒的最小流化速度的速度引入。控制氣體的速度，以引起多晶硅顆粒向上通過預反應加熱區、向下通過反應區、并且通過脫氫區而本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于生產多晶硅的方法，包括：提供具有至少一個垂直分隔器的內部再循環流化床反應器，所述垂直分隔器在所述反應器內產生預反應加熱區、反應區和脫氫區，所述各區域彼此顆粒連通；在所述反應器中引入多晶硅顆粒；在所述預反應加熱區中引入預反應流化氣體，在所述反應區中引入含有至少一種含硅試劑的反應氣體和在所述脫氫區中引入脫氫氣體，每一種所述氣體以至少等于多晶硅顆粒的最小流化速度的速度引入；控制所述氣體的速度，以引起所述多晶硅顆粒向上通過所述預反應加熱區、向下通過所述反應區、并通過所述脫氫區而循環，因此：在所述預反應加熱區中將所述多晶硅顆粒加熱至高于反應氣體的最小反應溫度的反應溫度；在所述反應區中在所述多晶硅顆粒上由所述反應氣體沉積硅；和在所述脫氫區中將所述多晶硅顆粒加熱至足以從所述多晶硅顆粒除去氫氣的溫度，所述循環引起所述多晶硅顆粒轉化為硅產物；和從所述反應器除去所述硅產物。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.07.02 US 14/322,3511.一種用于生產多晶硅的方法，包括：提供具有至少一個垂直分隔器的內部再循環流化床反應器，所述垂直分隔器在所述反應器內產生預反應加熱區、反應區和脫氫區，所述各區域彼此顆粒連通；在所述反應器中引入多晶硅顆粒；在所述預反應加熱區中引入預反應流化氣體，在所述反應區中引入含有至少一種含硅試劑的反應氣體和在所述脫氫區中引入脫氫氣體，每一種所述氣體以至少等于多晶硅顆粒的最小流化速度的速度引入；控制所述氣體的速度，以引起所述多晶硅顆粒向上通過所述預反應加熱區、向下通過所述反應區、并通過所述脫氫區而循環，因此：在所述預反應加熱區中將所述多晶硅顆粒加熱至高于反應氣體的最小反應溫度的反應溫度；在所述反應區中在所述多晶硅顆粒上由所述反應氣體沉積硅；和在所述脫氫區中將所述多晶硅顆粒加熱至足以從所述多晶硅顆粒除去氫氣的溫度，所述循環引起所述多晶硅顆粒轉化為硅產物；和從所述反應器除去所述硅產物。2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述多晶硅顆粒在各區域之間連續循環。3.根據權利要求1所述的方法，其中，當由于通過所述反應氣體硅在多晶硅顆粒上的沉積，所述多晶硅顆粒質量增加時，所述氣體的速度增大。4.根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括改變在各區域中引入的所述氣體的速度，以控制所述多晶硅顆粒在各區域之間的運動。5.根據權利要求4所述的方法，其中，所述多晶硅顆粒在各區域之間脈沖循環。6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述脫氫區不同于所述預反應加熱區。7.根據權利要求1所述的方法，其中，所述預反應加熱區為所述脫氫區，所述預反應流化氣體為所述脫氫氣體，并且當它們向上通過所述預反應加熱區、向下通過所述反應區、并且再次向上通過所述預反應加熱區而循環時，在所述預反應加熱區中將所述多晶硅顆粒加熱至足以從所述多晶硅顆粒除去氫氣的溫度。8.根據權利要求1所述的方法，其中，所述預反應加熱區圍繞所述反應區。9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述垂直分隔器為圓柱形。10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述含硅反應氣體包括硅烷(SiH4)氣體。11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述含硅反應氣體為硅烷和氫的混合物。12.根據權利要求1所述的方法，其中，所述預反應流化氣體、所述含硅反應氣體和所述脫氫流化氣體中至少一種包括氫氣。13.根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括在所述反應區中降低所述含硅反應氣...

【專利技術屬性】
技術研發人員：W·L·欽，F·S·法倫布魯克，S·D·斯肯尼爾，L·E·莫蘭，J·C·伽姆，
申請(專利權)人：GTAT公司，
類型：發明
國別省市：美國;US