[发明专利]用于生产硅和器件的方法及系统

说明书

相关申请

本申请根据35 USC§119(e)要求2013年1月27日提交的题为“METHOD AND SYSTEM FOR PRODUCTION OF SILICON AND DEVICE(用于生产硅和器件的方法和系统)”的美国专利申请US13/751,090的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种利用氢源如氢气，氢离子(质子)和氢原子催化气化包括单质硅，硅合金和含硅化合物的硅材料形成硅烷混合物的过程方法，化学组份和系统。特别是将混合气体中硅烷和氢气以及可能与之共存的惰性气体共同提纯，除去其它杂质，用于生产高纯硅和含硅器件。

背景技术

硅烷，尤其是单硅烷(SiH4)气体越来越广泛地被应用于多晶硅，电子器件例如集成电路(IC)，液晶显示器(LCDs)，和太阳能电池的生产。自150年前硅烷被首次人工合成以来，人们已研制和开发了十几种生产硅烷的技术，其中大部分涉及复杂的工艺过程和危险化学品。

美国专利US3043664《纯硅烷的生产》，发明人梅森，罗伯特·凯利，唐纳德H.和美国专利US4407783《从四氟化硅生产硅烷》，1983年10月4日，发明人乌尔姆，哈利E.等介绍了由四卤化硅(如四氯化硅SiCl₄及四氟化硅SiF₄)和氢化物如氢化锂LiH，氢化钠NaH或氢化铝钠LiAlH₄还原生产硅烷。

此外，在美国专利US4755201，US5499506，US6942844，US 6905576，US 6852301，和US 8105564，中披露了由联合碳化物公司(Union Carbide)在1980年代就商业化的硅烷生产工艺。在这一工艺中，冶金级硅(Met-Si)，氢气和四氯化硅(STC)在约500℃和30个大气压下用铜作为催化剂反应，形成三氯化硅烷(TCS)，然后三氯化硅烷经催化(阴离子交换树脂催化剂)转化成二氯二氢硅(DCS)，二氯化硅烷进一步歧化到硅烷(SiH₄)。

理想的情况是硅的氢化直接产生硅烷。然而，硅和氢之间的直接反应在热力学上是很难实现的，除非在超高温和超高压力(高达2000℃和1000大气压)。另一个挑战是，在大于300℃温度，硅烷会分解成硅细粉(soots)和氢气，因此收率极低。到目前为止，没有任何一个这种方法的成功实验被报道。

此外，所有的其它硅烷工业生产工艺都集中在用繁琐工艺和高能耗的反复分离和纯化过程生产超高纯硅烷(99.9999％)，然而忽略硅烷在真正的商业终端应用时是和氢气和/或惰性气体混合形成从百万分之几(ppm)到99％的范围内的混合气体。也就是，高纯硅烷必须用氢气或惰性气体如氩气或氦气稀释才能在特定应用中使用。

发明内容

在本发明的一个实施例，硅烷和氢气(可选择地，还可有用于稀释氢气、吹扫系统和稳定等离子的惰性气体)混合物可由包括单质硅，硅合金和含硅的化合物的硅材料与一个氢源如氢气，氢原子和/或氢离子(质子)的催化气化制备。在催化剂的参与下，反应温度可以大大降低，硅烷形成的反应速率可以极大提高。硅烷气体混合物(硅烷和氢，与惰性气体)可以共同提纯，同时除去磷(P)、硼化合物(B)和其他有害杂质(不用将硅烷从氢或惰性气体中单独分离)。然而，对于生产用于锂离子电池电极材料的纳米硅粉，磷(P)和硼(B)不但没有必要去除，而且还可选择地被添加以提高导电性。共同提纯后的硅烷混合物可直接输入下游生产应用。这可以大大降低成本，并简化硅烷生产工艺和惠及下游的应用。

一方面，本发明提供了一种改进的大规模低成本制造硅烷气体混合物的生产方法，解决了分布式现场按实际需求供气的交钥匙应用的需求。这些应用包括但不限于高纯度多晶硅、半导体器件例如集成电路、太阳能光伏电池、LCD平板显示器、锂离子电池电极材料和其他电子器件的制造。另外，这可大大降低成本，简化制造硅和半导体器件的过程。

本发明的一个实施例提供了一种硅的制造方法，它包括：

a)由包括单质硅，硅合金和含Si的化合物的硅材料与催化剂和氢源的催化气化制备硅烷与氢气以及惰性气体的混合物；

b)急剧冷却以避免在反应生成的气体混合物中的硅烷的分解；

c)共同提纯硅烷，氢气和惰性气体；

d)用纯化的硅烷混合气体生产硅；

e)来自步骤d)的氢气和惰性气体再循环，并返回到步骤a)重复利用；

f)回收催化剂，并返回到步骤a)循环利用。