[发明专利]一种多晶硅棒的生产装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多晶硅棒的生产装置及其方法，更具体的讲是设计一种以旋风状循环气流由硅烷气体制造多晶硅棒装置及其方法。

背景技术

制造高纯多晶硅的通用方法是化学气相沉积法。利用高纯度由含硅气体在高温硅棒表面进行还原或分解反应，沉积出高纯度多晶硅。当今含硅气体主要有三氯硅烷氢和硅烷。多晶硅生产的主要目标是高质量、低能耗。硅烷法具有纯度高、污染少、反应温度低、转化率高等优点。但是硅烷在高温下可能同时发生异相反应和均相反应，硅烷在高温的芯棒表面上进行异相反应沉积硅的同时，在反应器内的空间只要超过温度和浓度的临界点就会发生均相反应，形成粉尘。硅烷热解时粉尘的产生给多晶硅生产带来种种不利后果：

反应器内粉尘弥漫，妨碍工况的观察和控制，尾气带出粉尘不但使多晶硅的实收率下降，浪费高纯硅烷，还影响尾气管道阀门的正常工作。随沉积过程的进行，多晶硅棒直径增大，硅烷气温不断增高，产生粉尘的趋势越来越强，产生的粉尘越来越多，难以制造大直径硅棒，设备产能小。

粉尘粘附到结晶表面，沉积的结晶易呈枝蔓状或苞米粒状，结晶中形成缝隙或孔洞。粉尘沉积到反应器内壁，结成疏松的粉层，沉积到一定厚度会开裂从反应器壁脱落，与正在沉积的硅棒表面粘结并嵌入。结晶质量劣化，在后续处理时引入污染。

为减少粉尘的产生，不得不加强气体冷却和降低硅烷浓度，导致沉积速率降低，多晶硅产能减少，同时加热功率增大，生产多晶硅的能耗大幅度增高，成为硅烷法推广的主要技术瓶颈。

为减少能耗、提高产能，多年来对硅烷法工艺和设备已进行过很多改良，包括对典型的西门子反应器的种种改良（例如USP2999735（西门子1961）和USP4179530（瓦克1979））、流态床反应器（FBR，USP3963838，TI，1976）、和自由空间反应器（FSR，USP4341749，UCC，1982）等。其中，西门子法用于硅烷法生产棒状多晶硅，产能低，能耗高。用流态法生产颗粒状硅，由于粉尘、污染和构件材料，难以稳定、安全运行。自由空间反应器的产品是粉状硅，产品质量较低且处理困难。用硅烷法制造多晶硅，由于会产生粉尘，产品质量与能耗的矛盾一直是制约此法推广的主要瓶颈。

西门子反应器用硅烷热解法制造多晶硅，为了抑制粉尘的产生，改善成晶质量，加快沉积速率，降低生产多晶硅的能耗，增大硅棒直径，增大产能，多年来开发了种种的方法和设备。

早期的专利USP3147141（石塚1964），JP44-31717 （倉富龙郎1969），JP52-36490 （倉富龙郎1972），基本沿用传统的西门子反应器的结构，沉积速率很低，生长的硅棒直径较小，能耗很高。

USP4147814，USP4150168（八釼吉文1979），采用水冷隔板在硅棒之间加以隔离，阻从而减少粉尘的产生，可以生长较粗的硅棒，但能耗居高不下。 JP61-101410（石塚1986），USP4805556（UCC 1989.2），在上述基础上加以改进，将尾气回收，经冷却、过滤和风机系统送回进气，力图通过外循环增大冷却面积，且借气流除尘来改善沉积条件。USP4734297（法国1988.3），USP4831964（法国1989.5），和USP4826668（UCC,1989.5），都与此类似，借此增加了硅棒对数，在节能和转化率上有所改善，但是总体效果并不理想，尤其是反应器外辅助设备的建立和维护难度大，还加重了污染和安全方面的负担。JP63-123608（三菱金属1988）提出采用风扇加速气流来提高沉积速率，但是反应器内温度和浓度不均匀导致使粉尘弥漫和沉积不均匀。

USP5382419（ASiMI,1995），USP5478369（ASiMI,1995），USP5545387（ASiMI,1996），USPRe.36936（ASiMI,2000）是在上述基础上的大型化改良，原有的水冷隔板改为水冷套筒，每根硅棒都有一个套筒围绕，形成多个直径较小的反应室，借以隔离硅棒之间的辐射，同时提高反应室内流速，利于沉积硅晶体，抑制粉末形成。但是由于每根硅棒都包围在一个水冷套筒里，散热能耗较高；并且，虽在底部采用了风扇加速气流，但受所采用的结构布局所限，分配到每个反应室的风量有限，在反应室内的气流都与硅棒轴向平行，硅烷的传热、传质过程没有明显改善。至今多晶硅生产的沉积速率仍较低，能耗仍较高。硅烷分解反应器所存在的根本问题没有解决。

发明内容

本发明的第一方面目的是针对上述硅烷分解法产生粉尘的问题，提供一种多晶硅棒的生产装置。