[发明专利]通过化学气相沉积生产硅的反应器和方法

说明书

发明领域

本发明涉及制造用于太阳能电池和电子设备应用的硅。更详细地，本发明涉及用于生产硅的反应器和方法，特别是用于通过化学气相沉积CVD制造硅的旋转反应器的沉积表面。

发明和现有技术的背景

利用可再生的、非污染能源的新方法的发展对满足将来对能量的需求是必要的。来自太阳的能量是能源的一种，在此上下文中对这些能源具有极大的兴趣。

硅是电子工业和太阳能电池工业这两者的关键的原材料。虽然对于特定应用存在可选的材料，但是多晶硅和单晶硅将是可预知未来所选择的材料。多晶硅的改进的可用性和生产经济学将增加这两种工业，特别是对可再生能源的太阳能电池的应用的增长可能性。

当前，为了制造用于太阳能电池或电子设备的满意纯度的硅，化学气相沉积方法（CVD-化学气相沉积）首先被使用。Siemens工艺的不同的实施方式是用于制造多晶硅的CVD的最多使用的形式。在这种方法中，含有硅的气体诸如硅烷或三氯硅烷和其它气体诸如氢气和氩气被供给到冷却的容器中并且硅被沉积到一个或多个电阻加热杆上。该工艺是极其能量需求和劳动力需求的。最多使用的工艺的更加详细的描述可在专利US3,979,490中找到。

另一种CVD方法使用流化床，由此硅种子颗粒被流化并且保持在向上流动的气流中，其中气流包括含硅气体，硅可从含硅气体沉积到种子颗粒上。用于制造硅的流化床和相关联的设备和操作参数（包括气体混合物、沉积温度和相关的问题和限制）的CVD方法的完整描述可在专利US4,818,495和US5,810,934中找到，且参考这些出版物以得到更多信息。

旋转CVD反应器已被开发并且专利申请号20092111和20100210的专利已由Dynatec Engineering申请。由此提供了通过化学气相沉积来制造硅的反应器，其中反应器包括：反应器主体，其形成容器；含硅气体的至少一个入口；至少一个出口；和至少一个加热器具，其作为反应器的一部分或可操作地被布置到反应器。在一个主要实施方式中，反应器的特征在于其旋转为使得反应气体经历向心加速。在下文中，这样的反应器被指定为Dynatec反应器。

Dynatec反应器的原理是含硅气体（优选地是硅烷）被供给到旋转的、被加热的容器中。反应气体和残余气体之间的密度差使其能够在向心加速的帮助下分离气体。重质的反应气体被从容器的中心驱出，于是当其被容器的内壁加热时其分解，于是硅被沉积。这产生了较高的沉积速率和反应气体的更好的利用，同时，使对不应该发生分解的表面的选择性冷却的需求降到最低。同时，这降低了每千克生产的硅的能量消耗量。然而，对进一步改进Dynatec反应器以降低每kg生产的超净硅的成本还存在需求，并且本发明的目标是提供这样的改进。

发明概述

本发明提供了通过化学气相沉积（CVD）制造硅的反应器，该反应器包括：反应器主体，其可在可操作地布置于反应器的旋转器具的帮助下围绕轴线旋转；围绕反应器主体的至少一个侧壁；反应气体的至少一个入口；残余气体的至少一个出口；和至少一个加热器具，其可操作地布置于反应器。反应器的特征在于，在通过CVD制造硅的操作过程中，反应器在该至少一个侧壁的内部上包括颗粒层。

优势在于反应器在操作过程中旋转并且优势在于颗粒层包括至少最接近反应器主体的松动颗粒。最优选的是，颗粒层，特别是最接近反应器主体的颗粒层的整体或一部分包括松动颗粒。由此，固体硅在操作期间被化学气相沉积在颗粒层上，且侧壁具有被保持在CVD状态的颗粒层，并且由此更易于取出固体硅。层中的松动颗粒通过反应器的旋转或更具体地通过向心力保持在合适的位置。包括松动颗粒的层抵靠反应器主体和被沉积的固体硅，确保生产的硅的简单除去。只要层导致与没有层时相比，生产的硅的更简单除去，外部部分或整个层可包括束缚颗粒的层，因为，层被不牢固地束缚并且容易破碎，所述层被描述为简单破碎的颗粒层。

关于Dynatec反应器，如果反应器应该被重新使用，则在这么多的硅被沉积在反应器的内部以致不适合于继续制造硅的工艺之后从反应器除去硅的完整的块可能是一种挑战。因而在工艺可再次开始之前被沉积的硅的块必须被除去。使用本发明，硅将容易地脱离反应器的内壁，因为颗粒层起到球轴承层或滑动层的作用，硅的块可从球轴承层或滑动层更简单地被取出。因此，优势在于生产工艺可更加连续地操作，这降低了生产成本。