[发明专利]硅喷动流化床

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2005年7月19日提交的美国临时申请No.60/700,964的优先权，其在这里参考地引入。

技术领域

本发明涉及含硅气体在流化床中高温分解以生产多晶硅。

背景技术

多晶硅对于半导体和光电工业两种工业都是关键原料。尽管对于具体应用具有替换物，但是，在可预见的未来多晶硅将是优选的原料。因此，改进生产多晶硅的可利用性和经济性将增加这两种工业的成长机会。

大多数多晶硅是通过Siemens热丝方法用硅烷或三氯硅烷作为含硅气源生产。通常混合在其它惰性或反应气体中的含硅气体高温分解并沉积到加热的硅细丝上。需要仔细地控制细丝温度以均匀地沉积多晶硅，并且因此生产光滑的多晶硅棒。Siemens过程每生产1kg多晶硅需要大量的能量，然后需要大量的手工努力以将多晶硅棒转化成晶体生长需要的较小块。

由于质量热量传递优异、用于沉积的表面增加和生产连续，所以许多人认为含硅气体在流化床中高温分解是生产用于光电和半导体工业的多晶硅的有吸引力的替换方案。与Siemens型反应器相比，流化床反应器在一部分能耗下提供相当高的生产率。流化床反应器可以是连续并高度自动化以显著地降低劳动力成本。

与含硅气体的高温分解相关的大多数现有流化床反应器使用传统的分布板以引入流化气体。以足够的总流速注入流化气体以流化硅粒子，该流化气体通常是含硅气体和其它气体的组合。分布板含有大量的孔，通常水平或向下地定向。对分布板有共同的稳压作用使得所有流化气体同时进入分布板孔。因为不控制孔之间的气体分布，所以它们本质上不稳定。分布器设计易于硅沉积在板上和高的粉末生产。在一些情况中已经用水冷分布器板降低沉积。但是，这产生大的散热，该散热显著地降低流化床反应器的能量效率。

美国专利No.5,810,934描述了一种具有用于流化气体的单喷嘴的流化床反应器。不像通常的分布器孔，使喷嘴向上定向以促进喷动循环方式。像传统流化床那样，喷动排到上面的床中。这种系统这里称为“淹没式喷动床”。在流化床区域给接触热硅颗粒的硅粉末的完全转化和“清除”提供停留时间的同时，喷动在下面区域中提供控制良好的循环。

现有的硅喷嘴设计包括在喷动基础中及其周围粒子运动降低的区域。降低的运动可以使最近形成的具有非键合电子的硅粉末粘附到喷动腔室表面和形成不需要的硅沉积。喷嘴附近的沉积可以完全吞没它并降低硅生产效率和持续时间。现有的设计提及冷却喷嘴以保持含硅气体入口温度低于一定的温度以防止硅在喷嘴里沉积，但是不能解决硅在喷动腔室内的喷嘴表面上及其周围沉积的根本问题。

这样仍继续需要用含硅气体的高温分解和硅沉积到流化的硅粒子上来高效地形成多晶硅。

附图说明

在附图中：

图1是具有椭圆体腔室、三个喷嘴和中心排出管的用于硅生产的开口构造多倍扩张的淹没式喷动流化床反应器的示意截面正视图。

图2A是图1的喷动腔室的放大局部示意截面正视图。

图2B是图1的喷动腔室的放大局部示意截面正视图，描绘可以发生不控制的硅沉积的区域(阴影)。

图2C是图1的一个喷嘴的放大局部示意截面正视图。

图3是沿图1的线3-3获取的放大示意截面图。

图4A是用于具有单喷嘴和侧排出管的硅生产用的淹没式喷动流化床反应器的椭圆底喷动腔室的示意截面正视图。

图4B是用于具有单个突出喷嘴和侧排出管的硅生产用的淹没式喷动流化床反应器的平底喷动腔室的示意截面正视图。

图5是用于硅生产用的淹没式喷动流化床反应器的具有二级孔的喷动流化床喷嘴的示意截面正视图。

图6A是用于具有单个突出喷嘴、竖直的下二级孔、成角度的上二级孔和侧排出管的硅生产用的淹没式喷动流化床反应器的圆锥底喷动腔室的示意截面正视图。

图6B是用于具有单个喷嘴、成角度的二级孔和侧排出管的硅生产用的淹没式喷动流化床反应器的圆锥底喷动腔室的示意截面正视图。

图7是从淹没式喷动流化床反应器上方看到的示意截面图，描绘具有六个二级孔的喷动流化床喷嘴。

图8是具有多个椭圆底喷动腔室，每个具有单喷嘴、侧排出管和可能的中心溢流排出管的用于硅生产的封闭构造多倍扩张的淹没式喷动流化床反应器的示意截面正视图。

图9A是沿图8的线9-9获得的且描绘具有四个单个的喷动腔室、每个具有至中心出口的侧排出管的实施方案的简化的示意截面图。