[发明专利]颗粒状多晶硅流化床反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体材料制造设备，尤其是一种多晶硅制造设备，具体地说是一种利用化学气相沉积原理制备颗粒状多晶硅的流化床反应器。

背景技术

    目前，西门子法与改良西门子法是目前占绝对优势的生产方法。西门子法通过在化学气相沉积反应器中用电极将硅棒加热到约1100℃，三氯氢硅在硅棒表面分解，沉积出晶体硅。

      但西门子法存在能耗高并且污染重的问题，其原因有：（1）西门子法生产多晶硅，转化率低，能耗高；（2）该方法产生大量四氯化硅副产品，该副产品难以回收利用，造成环境严重污染。

      改良西门子法增加了副产品四氯化硅的回收装置，解决了副产品四氯化硅的回收问题，减轻污染，但该法需要在高温高压热反应釜中进行，消耗大量产品多晶硅，同时设备昂贵、反应过程危险性高。

      为克服西门子法的固有缺陷，国内外开发了硅烷流化床法、金属置换法与物理冶金法等替代技术，其中流化床法己经在欧美获得工业应用，但是我国目前尚处在研究初级阶段。在流化床法中，从反应器下部通入原料气和流化气的混合物使床层流化，单质硅沉积在多晶硅颗粒表面，作为晶种的多晶硅细颗粒被连或间歇地加入到流化床中，粒径增大的多晶硅颗粒作为产品由反应器下部取出，流化床反应器生产多晶硅从根本上克服了西门子法的弊端，成为行业内研究和开发的热点。

      但是，流化床反应器设备遇到了诸多问题，归结如下：1.反应器壁沉积。硅沉积反应不仅发生在硅颗粒上，反应器的温度达到反应温度时，产生的颗粒硅会沉积在反应器内壁上，造成反应器壁硅沉积，影响传热性能和产品纯度。2.反应器内气体流速控制。反应气体控制不好，容易造成反应不能顺利进行，容易出现沟流，反应不均等问题。3.产品纯度。由于反应需要在高温条件下进行，所以对反应器壁材料的选择提出很高的要求，一方面需要内衬材料在高温条件下，不挥发杂质影响产品纯度，一方面需要内衬材料不会因为温度变化而变形，避免频繁更换。

发明内容

本发明的目的是针对现有的流化床法制造多晶硅颗粒时存在的附壁、反应不均等问题，设计一种利用微波加热和氢气覆盖来提高多晶硅制备效率和质量的颗粒状多晶硅流化床反应器。

本发明的技术方案是：

一种颗粒状多晶硅流化床反应器，其特征是它由气体排出区1-2、反应区1-1和气体缓冲区1-3组成，气体排出区1-2位于反应区1-1的上部并直接连通，气体缓冲区1-3位于反应区1-1的下部，两者之间通过气体分布器9分割，气体分布器9的中心设有产品颗粒排出反应器外的出料口9-3，出料口9-3与伸出反应器外的出口管7相连通，在气体分布器9的外圈设有供氢气覆盖气体进入反应区内壁并降低内壁硅颗粒沉积的氢覆盖气进口9-1，氢覆盖气进口9-1与伸出反应器外的氢气进气管6相连通，在出料口9-3与氢覆盖气进口9-1之间的气体分布器9上设有与气体缓冲区相连通的反应气进口9-2；在气体缓冲区1-3上设有原料气进口8和流化气体进口10，低于反应温度的原料气从原料进气口8进入缓冲区后在气体分布器9的控制下按设定的速度和比例进入反应区1-1，反应区1-1的筒壁上设有微波加热器2-4，气体排出区1-2设有晶种入口3和尾气排出口4，尾气排出口4上安装有旋风分离器，用于分离尾气和未反应的硅粉尘。

所述的气体分布器9呈博士锥帽型结构，设有氢覆盖气进口9-1、反应气进口9-2和出料口9-3。

所述的气体分布器9的反应气进口9-2结构为直通管道形状或喇叭口形状或缩放状（文丘里型）。在气进口9-2三种形状的出口段可开直槽道或锯齿槽道。

所述的反应器壁2设在与反应区1-1相对应的器壁中，反应区的内壁上设有碳化硅涂层2-5和微波加热器2-4，在反应区的外壁2-1与微波加热器2-4之间设有隔热层2-2和微波反射层2-3，其中微波反射层2-3与微波加热器2-4紧邻。

本发明的有益效果：

本发明的反应器为流化床反应器，其中反应器由上向下分为气体排出区，反应区和气体缓冲区。气体排出区装有旋风分离器，用于分离尾气和未反应的硅粉尘；反应区位于反应器的中间，用于化学反应和多晶硅颗粒沉积；气体缓冲区位于反应区下方，用于缓冲反应气体和流化气体；气体分布器位于气体缓冲区和反应区中间部位，气体分布器为锥帽型；加热器为微波加热器，位于反应器反应区器壁内。