[实用新型]用于制备粒状多晶硅的流化床反应器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种制备粒状多晶硅的流化床反应器，该流化床反应器能够连续稳定的生产粒状多晶硅。

背景技术

通常多晶硅是制造半导体器件和太阳能电池等产品的主要原材料，当多晶硅用于制备单晶硅后，其深加工产品被广泛用于半导体工业中，作为人工智能、自动控制、信息处理等领域的基础材料。同时，由于石油等一次性能源的储备快速消耗和降低碳排放的环保要求，全球正在积极开发利用绿色可再生能源。太阳能由于其清洁、安全、资源丰富的特点，在可再生能源中最引人关注。利用太阳能的一种方法是通过光电效应将太阳能转化为电能。在太阳能电池中，硅基太阳能电池是最重要的太阳能电池之一，而多晶硅是硅基太阳能的主要原料之一。此外，由于半导体工业和太阳能电池的发展，对高纯度多晶硅的需求正不断增加。

目前多晶硅的生产方法以改良西门子法和流化床法为主，在改良西门子法中，将含硅气体通入还原炉内，在1100℃左右、直径8mm左右的硅芯表面，硅从含硅气体中还原出来沉积在硅芯表面，随时间增长，硅棒逐渐生长至直径150-200mm，形成棒状多晶硅产品。在改良西门子法中，由于电气、钟罩形还原炉的尺寸等方面的限制，生产是间歇性的，不能连续操作。同时钟罩形还原炉还具有较低的沉积效率和较高的还原电耗。此外，由于产品为棒状，在拉单晶或铸锭制备多晶硅锭以生产硅片之前，需要对其进行破碎以装填多晶硅物料，这一方面增加了加工工序和制造成本，也容易额外的引入杂质，导致多晶硅块在使用之前常需要清洗，再次额外增加了制造成本。

为解决改良西门子法中存在的缺点和不足，进而开发了流化床反应器以制备粒状多晶硅，根据该方法，作为籽晶的多晶硅细颗粒被连续或间断的从流化床反应器顶部或中部加入，在流化床下部通入反应气体和流化气体是床层流化，多晶硅连续地沉积在籽晶的表面，随着多晶硅颗粒直径的长大，不能继续在流化床内继续流化沉积的多晶硅颗粒从流化床反应器底部取出。采用流化床反应器生产粒状多晶硅具有诸多优点：1)实现多晶硅生产的连续化，可以显著降低多晶硅单位电耗；2)由于粒状多晶硅可以连续的从流化床反应器的底部取出，无需停止正常生产，可以提高年产量；3)由于籽晶及粒状多晶硅具有较大的表面积，沉积表面比硅棒表面大，可以提高沉积速度和多晶硅的实收率；4)产品为粒状，在拉单晶或多晶硅铸锭时可以相应的连续加料或补充加料。

在流化床反应器中，籽晶从流化床上部或中部加入流化床反应器中，硅从含硅气体中被还原出来并沉积在籽晶表面，为使多晶硅沉积过程能够顺利进行，在加热区的含硅 气体需要被加热至一定温度，对于硅烷流化床而言，典型的温度范围为800-900℃，对于三氯氢硅流化床而言，典型的温度为900-1100℃。在上述温度下，如果在流化床内设置气体破泡装置，含硅气体将在气体破泡装置上面沉积多晶硅，随着气体破泡装置上面多晶硅的沉积，流化床内流化气体和多晶硅颗粒在流化床内的流化将被终止，多晶硅生产装置需要停车处理。例如专利CN1363417A为了避免多晶硅在流化床反应器的反应器内的进气口沉积多晶硅，采用氯化氢对进气口表面的多晶硅进行蚀刻。为了避免多晶硅在流化床内的气体再分布器上沉积，在制备粒状多晶硅的流化床内不设置气体破泡装置，而采用喷动式流化床操作，例如专利CN101316651A。由于上述专利中，流化床反应器内没有设置气体破泡装置，流化气体在向流化床顶部运动过程中会逐渐形成较大的气泡，气泡的产生降低了流化床的传热、传质效率，也降低了多晶硅的沉积速度和单位产量，此外，流化床内气泡逐渐长大至一定程度后会自然破裂，大的气泡破裂也对流化床的平稳操作带来不利影响。

本专利实用新型人研究发现，在流化床反应器加热装置的上部、流化床直筒段上部、扩大段顶部设置超声装置用于破碎流化床内的气泡，进而有效降低流化床内气体的返混，改善流化床内传热、传质效果，提高多晶硅的沉积速度和单位产量，同时提高流化床操作的稳定性。

实用新型内容

一种用于制备粒状多晶硅的流化床反应器，该反应器由扩大段，直筒段、下锥体、气体分布器、籽晶进料管、尾气出料管、含硅气体进料管、流化气体出料管和粒状多晶硅出口组成。在下椎体上方有加热装置，含硅气体中的硅在加热装置的区域内或加热装置区域上部有效地被还原并沉积在籽晶上生成多晶硅，其特征在于至少在加热装置上部、和/或直筒段上部、和/或扩大段顶部设有超声装置，以消除或减小流化床中的气泡。

在一个优选的实施方案中，在所述加热装置上部装有超声装置以破碎流化床反应器内的气泡。

其中，用超声装置发出的超声将气泡破碎。