[发明专利]生产硅的反应器和方法

说明书

发明领域

本发明涉及硅的生产。更确切地，本发明涉及使用气相沉积方法来生产多晶硅的反应器和方法。

发明背景

硅是电子工业和太阳能电池工业中非常重要的材料。目前，可使用冶金方法来生产用于太阳能电池工业的高纯度硅。然而，冶金品质的硅产生具有有限效率的太阳能电池。除了在电子工业内应用外，必须使用化学气相沉积(CVD)方法来生产给予太阳能电池更高效率的足够纯度的硅。来自电子工业的硅废物已用于生产太阳能电池。然而，太阳能电池工业的增长已导致硅短缺。除了电子工业的不断增长的重要性和扩展外，世界上对环境友好的能源的巨大需求包括对有助于以低成本生产高纯度硅的装置的极大需求。

西门子工艺是用于生产多晶硅的最普遍的CVD方法。更确切地，诸如三氯硅烷的卤代硅烷被沉积在电阻加热棒上。能量需求是高的。在专利公布US 3,979,490中描述了该工艺的更详细说明。

另一种CVD方法是流化床热解，其中硅晶种颗粒(silicon seed particle)被上升的气流包围并被保持在上升的气流中，由于气流包含载硅气体(silicon-bearing gas)，所以硅可从载硅气体中沉积在晶种颗粒上。使用该流化床的优点是硅可沉积到其上的巨大的表面积，这实现增大的且连续的生产的可能性以及较低的能耗。然而，实际上难以获得将已生长成足够大的颗粒取出的实用且简单的方法。更确切地，难以控制流化床反应器中的颗粒大小，且非常难以控制操作的反应器中的颗粒的分布。颗粒的不均匀分布影响流动状态，这又影响温度分布和硅的沉积。该方法需要从反应器外添加新的颗粒或在操作期间在反应器中形成的小的颗粒。排放反应器底部中的大的颗粒以及添加尺寸将增大的小的颗粒需要同时控制许多参数，这已证明在实际操作中随时间是非常困难的。CVD反应器的普遍问题是颗粒一起生长且逐渐阻止流化。此外，加热的流化床反应器中的硅烷或卤代硅烷的分解会导致细颗粒的沉积，这是不期望的，因为需要颗粒分离和后续熔化的附加步骤。这导致综合性处理以及污染和材料损失的增加的风险。

然而，CVD反应器的最大问题是硅通常不期望地沉积到反应器和喷嘴的内表面上，这使得喷嘴和反应器体积堵塞。为阻止硅的这种不期望的沉积，必须将流化反应区中的晶种颗粒保持在反应温度，同时必须将反应器壁和喷嘴的温度保持明显更低，这是极其难以实现的，尤其是当从反应器外部加热时。在专利公布US 4.818.495第2栏第40行至第3栏第20行中和在专利公布US 5.810.934中讨论了该问题。被部署为能够从反应器壁和其喷嘴释放硅的技术是将不粘涂层应用到表面，这简化了后续手动或自动除去硅沉积物。

在包含详细信息的专利公布US 4,818,495和US 5,810,934中可找到具有流化床和附属装置的CVD方法以及包括气体混合物、沉积温度和与此相关的问题和限制的生产硅的操作参数的详尽说明。

存在对关于上述问题中的一个或多个问题有利的可替换的技术的需求。

发明概述

所述需求通过本发明得到满足，本发明提供了用化学气相沉积来生产硅的反应器，该反应器包括形成容器的反应器主体、载硅气体的至少一个入口、至少一个出口、以及作为反应器的一部分或可操作地布置到反应器的至少一个加热设备。该反应器是独特的，因为反应器的至少一个主要部分用硅制造即由硅制成，该部分暴露于载硅气体且该部分被加热以在所述部分上沉积硅。

因此，该反应器适于以流过工艺(flow through process)分批生产，因为至少所述主要部分被加热，以便有目的地分解反应气体并在至少所述部分上沉积硅，使得在反应器由于沉积的硅而变成紧密的之后，至少所述部分可被销售或被进一步加工为硅产品。所述主要部分或在操作期间暴露于载硅气体的至少其内部部分由硅制成。优选地，所述主要部分是反应器主体或其壁或其管段。反应器的基本思想是暴露于载硅气体的所有部分或重要部分的材料由优选具有高纯度的硅制成，使得可导致有意的硅的沉积发生在这些材料上。除了避免或减少与阻塞有关的许多问题外，还将避免或减少将硅与其他材料分离的已知问题。同时，这将导致反应器可被如何构造和操作(包括可如何实现加热)的许多另外的可能性。