[发明专利]用于非平衡三氯氢硅制备的方法和系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请依据35U.S.C.§119(e)要求2011年11月14日提交的第61/559,657号美国临时专利申请的优先权；该临时申请的全部内容通过引用并入本文。

发明领域

本发明基本涉及化学方法以及更具体地涉及从四氯化硅制备三氯氢硅的化学方法。

背景

现代社会的生活标准十分依赖于经济地获取半导体和集成电路。反过来，半导体的生产需要获得高纯硅，因此改进的用于生产高纯度硅的方法和系统有着巨大价值。

半导体级多晶硅必需非常纯否则由其制造的半导体和光伏电池将不能提供最优的可操作性。在很多制备超纯多晶硅的商业工厂中使用Siemens方法。在Siemens方法中，在约1150℃下将高纯硅棒暴露于三氯氢硅(HSiCl₃，TCS)。TCS气体分解并且使额外的硅沉积在棒上。当该方法在最优条件下进行时，该方法将制备具有杂质水平低于十亿分之一的非常纯的硅，其也称多晶硅(polysilicon)或多晶硅(polycrystalline silicon)。可以通过以下化学反应描述Siemens方法：

4HSiCl₃＝>Si+3SiCl₄+2H₂

如上反应式所示，四氯化硅(SiCl₄、STC)是该Siemens方法的副产物。事实上，STC是大量生成的副产物，并且它基本是废料。成功且经济地将STC转化为有用的材料对于以经济环境友好的方式操作Siemens方法至关重要。一种选择是在TCS可以进入Siemens方法的情况下将STC转化回TCS。事实上，已有实现该目标的多种方法的描述。本发明提供了用于实现该结果的改进的方法。

概述

本公开提供了将STC转化为TCS的系统和方法。更具体地，使用催化剂对系统和方法进行操作，由此使得该方法在相对低的反应温度下发生，并且在非平衡模式下操作该方法从而在系统内STC向TCS的转化不会实现热平衡。通过使反应不进行至热平衡，相对于热平衡条件下操作的常规转化器中获得的转化率，STC向TCS的转化率水平可以提高，并且因此将本公开的方法和过程称为提供了超平衡水平的STC形成，正如文中更全面地讨论和定义的。

在一个实施方案中，本公开提供了用于将STC转化为TCS和一般的其他产物的方法，包括在转化器中非平衡条件下使包含STC和H₂的原料气与催化剂接触，从而实现STC的超平衡水平转化。在多种任选的实施方案中，该方法的特征可以为以下一种或多种条件：催化剂为金属催化剂，例如该金属催化剂可以为具有高的总表面积(aggregate surface area)的成形的金属片或细丝网(fine wire mesh)的形式；金属催化剂包括金属硅化物，包括但不限于硅化铬、硅化镍和硅化铁；该金属催化剂在转化器中(原位)形成；该金属催化剂在转化器外部(非原位)形成并且随后置于转化器中；该转化器填充有自撑金属载体，并且在转化器中该载体的表面至少部分地被转化为金属催化剂；该转化器填充有金属载体，并且该金属载体全部被转化为金属催化剂，该金属催化剂具有在转化器的操作过程中足以保持其形态的机械完整性。关于转化器的温度，反应在低温下在转化器内进行，其中低温可以任选地具体为小于700℃，或为100℃至700℃，或为300℃至600℃，或者为约500℃。关于滞留时间，原料气在转化器内的滞留时间任选地具体为0.1秒至20秒，或为1秒至20秒，或为0.1秒至30秒，或为1秒至30秒，或为1秒至5秒，或为1秒至10秒，或为2秒至5秒，或为约3秒。关于转化器内的压力，该压力可以任选地具体为0.5绝对大气压至20绝对大气压，或该转化器内的压力为1.0绝对大气压至12绝对大气压，或该转化器内的压力为2.0绝对大气压至10绝对大气压，或该转化器内的压力为约6绝对大气压。在本文公开的任何实施方案中，该原料气可以任选地还包含HCl。