[发明专利]用于制备粒状多晶硅的高压流化床反应器

说明书

[技术领域]

本发明涉及用于制备粒状多晶硅的高压流化床反应器，该高压流化床反应器能够维持反应器管的长期稳定性并且甚至在较高反应压力下高效地制备粒状多晶硅。 

[背景技术]

通常，高纯度多晶硅用作制造半导体部件或太阳能电池的基本材料。多晶硅通过将高度纯化的含硅原子的反应气体热分解和/或氢还原，从而引起在硅颗粒上的连续硅沉积而制备。 

对于多晶硅的大量生产，已主要使用了钟罩型反应器，它提供直径大约50-300mm的棒形多晶硅产物。然而，基本上由电阻加热系统构成的钟罩型反应器不能连续地操作，这归因于在延长可达到的最大棒直径方面的不可避免的限制。这种反应器还已知具有低沉积效率和高电能消耗的严重问题，原因在于受限的硅表面和高热量损失。 

替换地，最近已开发了流化床反应器以制备尺寸为0.5-3mm的粒状多晶硅。根据该方法，硅颗粒的流化床通过气体的上向流形成并且硅颗粒的尺寸随着硅原子从供给经加热的流化床的含硅原子的反应气体沉积在硅颗粒上而增加。 

如在常规钟罩型反应器中那样，流化床反应器也使用Si-H-Cl系的硅烷化合物例如甲硅烷(SiH₄)、二氯硅烷(SiH₂Cl₂)、三氯硅烷(SiHCl₃)、四氯化硅(SiCl₄)或其混合物作为含硅原子的反应气体，该含硅原子的反应气体通常还包含氢、氮、氩、氦等。 

对于硅沉积，反应温度(即，硅颗粒的温度)应该维持在高位。该温度对于甲硅烷应该为大约600-850℃，而对于最广泛使用的三氯硅烷为大约900-1,100℃。 

由含硅原子的反应气体的热分解和/或氢还原所引起的硅沉积过 程包括各种基元反应，并且存在其中硅原子依赖于反应气体长成粒状颗粒的复杂路线。然而，与基元反应和反应气体的种类无关，流化床反应器的操作提供粒状多晶硅产物。 

在此，由于连续的硅沉积或硅颗粒的附聚，较小的硅颗粒，即籽晶尺寸变大，从而损失流动性并最终向下运动。籽晶可以在流化床本身中就地制备或产生，或被连续、定时或间歇地供入反应器。如此制备的较大颗粒，即多晶硅可以从反应器的下部连续、定时或间歇地排出。 

由于硅颗粒的较大表面积，流化床反应器系统与钟罩型反应器系统相比提供更高的反应收率。此外，粒状产物可以在没有进一步加工的情况下直接地用于后续过程例如单晶生长、晶块生产、表面处理和改性、用于反应或分离的化学材料的制备或硅颗粒的模塑或粉碎。虽然这些后续过程已按间歇方式操作，但是粒状多晶硅的制造允许这些过程按半连续或连续方式进行。 

流化床反应器的这种生产率的增加是为粒状多晶硅的低成本制造所要求的。为此，在低比能耗下增加硅沉积速率是最有效的，这可通过在高压下连续操作流化床反应器来达到。对于采用流化床反应器连续操作该方法，保证反应器构件的物理稳定性是重要的。 

与常规的流化床反应器不同，在用于制备多晶硅的流化床反应器的构件的材料选择方面遇到了严重限制。特别地，考虑到多晶硅的所需的高纯度，流化床壁的材料选择是重要的。反应器壁在物理稳定性方面弱，因为它总是与高温下流化的硅颗粒接触，并且遭受由颗粒的流化床引起的不规则振动和剧烈的剪切应力。然而，在能够承受较高压力条件的高纯度非金属无机材料当中选择适当的材料是很难的，因为金属材料是不适当的，原因在于高的反应温度和反应气体的化学性质。因此，制造多晶硅的流化床反应器不可避免地具有复杂结构。因此通常将由石英制成的反应器管置于用于加热硅颗粒的电阻加热器中，并且该反应器管和加热器都被金属壳包围。优选在加热器和反应器壳之间或在反应器壳的外部填充保温材料以降低热损失。 

例如，美国专利号5,165,908公开了其中电阻加热器封闭由石英制成的反应器管的反应器系统，该电阻加热器和反应器管都被夹套形状的不锈钢壳保护并且保温材料安装在该壳外部。 

美国专利号5,810,934公开了制造多晶硅的流化床反应器，包括反应器容器，即限定流化床的反应器管；护板，即包围反应器管的保护管；安装在该护板外部的加热器；和包围该加热器和保温材料的外部安全壳。该专利强调由石英制成的保护管安装在反应器管和加热器之间以防止反应器管的开裂和其内部空间的污染。 

同时，制造多晶硅的流化床反应器可以取决于加热方法而具有不同的结构。