[发明专利]生产高纯颗粒硅的反应器

说明书

本申请为2009年06月17日递交的申请号为200910149144.2，发明名称为生产高纯颗粒硅的反应器和方法的分案申请。

技术领域

本发明涉及高纯硅生产技术，尤其涉及一种生产高纯颗粒硅的反应器。

背景技术

过去高纯硅材料主要是用于生产半导体元器件，随着半导体集成电路技术的发展，电路集成度越来越高，虽然电子器件的应用越来越广，但高纯硅的消耗量却没有大的增加。由于高纯硅还是生产太阳能光伏电池的重要原料，而近年来随着太阳能光伏产业的发展，对高纯硅的需求就越来越大，其需求量现已超过半导体产业的用量并以高速增长；另一方面，太阳能光伏行业属于利润空间小的产业，要求高纯硅材料的生产成本低，这给传统的生产方法提出了很大的挑战。

传统的生产高纯多晶硅的方法有西门子法和流化床法。

西门子法为：将提纯后的高纯含硅气体如三氯氢硅(SiHCl₃)或硅烷(SiH₄)与氢气混合后通入反应器中，在电加热的硅芯棒表面发生热分解反应，高纯硅不断地沉积在炽热的硅芯棒表面，使之不断增粗，反应后的气体则返回到尾气处理系统进行分离处理和循环再利用。当硅芯棒生长到一定直径后，就必须终止反应，更换硅芯棒然后再进行下一轮反应。该工艺为间歇式操作，并且耗电量高，平均每生产一公斤高纯硅需耗电150kwh（千瓦时）左右甚至更高。此外该工艺还存在转换效率低等缺点。因此，西门子法生产高纯硅产量低，成本高，不能满足日益增长的工业需要。

流化床法为：将高纯粒状硅作为“种子”在加热的反应器内形成流化状态，然后引入高纯含硅气体，这样在被加热的种子表面就发生热分解反应，从而使高纯粒状硅越长越大以至于无法被浮起而落入收集箱中。由于流化床法中利用大量的高纯粒状硅为“种子”，整个表面积相对于西门子法有较大增加，因此反应效率和转换效率都较西门子法有较大提高，而耗电量也随之减少。

发明人经研究发现传统的流化床法生产高纯硅存在以下主要问题：

1、高纯硅颗粒在悬浮态彼此分离形成80%以上的空间，使含硅气体分解生成大量的粉末硅随气体被带出反应器，由此减少了原料（气体）利用率，增加了成本，造成浪费，而且硅粉末进入下游增加了对反应尾气的处理难度和生产设备的成本，易造成污染。

2、悬浮反应器内所有的硅颗粒需消耗大量气体而造成气体回收困难，并且反应余热利用率低，增加了运营成本。

3、由于在反应温度（200℃-1400℃）下，粒状硅表面形成半熔化的状态，颗粒之间的黏连性很强，由此会造成颗粒间的相互聚团，从而堵塞反应器进气孔和通道，造成停产事故。

4、反应器体积大，有效利用空间小，生产规模小，增加生产设备的建设成本与施工难度。

5、作为种子的高纯粒状硅的制备比较困难，且在制备过程中易混入杂质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产高纯颗粒硅的反应器和方法，用于实现超大型、高效、节能、连续、低成本生产高纯颗粒硅。

为了实现上述目的，本发明提供一种生产高纯颗粒硅的反应器，包括：

反应器腔体；

所述反应器腔体上设置有固体加料口、辅助气体入口、原料气体入口和尾气出口；

所述反应器腔体内部设置有气体分布器，所述气体分布器用于使辅助气体和原料气体分散于所述反应器腔体中；

所述反应器腔体设有内置或外置的预热机构；所述反应器腔体外部设置有尾气处理机构，连接在所述预热机构与所述辅助气体入口和原料气体入口之间；

所述反应器腔体连接内置或外置的表面整理机构；所述表面整理机构用于对生产得到的高纯颗粒硅进行表面处理；

所述反应器腔体设有内置或外置的加热机构和动态发生机构，所述动态发生机构用于使位于所述反应器腔体内的高纯粒状硅床层中的高纯粒状硅处于相对运动状态。

为了实现上述目的，本发明还提供一种根据本发明所述的反应器生产高纯颗粒硅的方法，包括：

形成高纯粒状硅床层，所述高纯粒状硅床层中的高纯粒状硅密集分布，填充率为10%以上；

加热所述高纯粒状硅床层，使所述高纯粒状硅床层的温度为100℃－1400℃；使所述高纯粒状硅床层中的高纯粒状硅处于相对运动状态；

通入辅助气体和原料气体，所述辅助气体为高纯H₂和/或惰性气体，所述原料气体为含硅气体，或者所述原料气体为含硅气体和还原气体H₂；