[发明专利]生产颗粒状多晶硅的方法

说明书

本发明涉及一种颗粒状多晶硅的生产方法。

多晶体硅，也通常简称为多晶硅，例如通过西门子法生产。其包括在钟形反应器(“西门子反应器”)中通过直接通电加热硅细丝棒，并引入包含含硅组分和氢气的反应气体。所述丝棒通常垂直插入反应器底部的电极中，由此它们和电源连接。每两个丝棒通过水平的桥连接(同样由硅制成)，并形成硅沉积的支撑体。所述的桥连接产生了典型的U型支撑体，也称为细棒。高纯度的多晶硅沉积在加热的棒和桥上，使得棒直径随着时间增长(CVD/气相沉积)。在沉积结束之后，通常通过机械方法对这些多晶硅棒进一步加工，以得到不同尺寸级别的碎块，分类，任选地经过湿化学清洗操作并最终包装。

一种西门子法的替代包括其中生产颗粒状多晶硅的流化床过程。这是在流化床中借助气流使硅颗粒流体化而实现的，所述流化床通过加热装置加热至高温。添加含硅反应气体从而在热颗粒表面上发生热解反应。在硅颗粒上沉积元素硅且单个颗粒的直径增长。定期移除已长大的颗粒，并添加较小的硅颗粒作为种子颗粒，这使该方法具有所有相关的优点并可被持续操作。所述的含硅反应气体是硅-卤素化合物(例如氯硅烷或溴硅烷)、单硅烷(SiH₄)以及这些气体和氢气的混合物。

在西门子法中是以圆柱体硅棒形式得到多晶硅的，其必须在后续处理之前以耗时且昂贵的方式被破碎成碎块并任选进行清洗，而颗粒状多晶硅则具有块状材料的性质并可以直接用作原材料，例如用于光伏产业和电子工业的单晶生产。

在流化床反应器中生产颗粒状多晶硅时，需要在方法过程中以规则的间隔或连续地向反应器按计量添加硅材料，并在其他位置从反应器中排出已经长大的颗粒状多晶硅。

US 2011024266 A1公开了一种通过运输装置水平和/或垂直运动来运输颗粒状硅的方法，其中运输装置对外部完全密封，由电磁场激发至少一个安装在运输装置上的永磁体，使运输装置摆动，从而使颗粒产生向前运动，其中所述电磁场由外部施加在密封的装置上。

所述颗粒状多晶硅必须在生产过程中的不同位置进行处理。首先必须将颗粒状多晶硅从反应器中排出。上述方法适用于该目的。随后，为了分成不同级别的颗粒尺寸，可能必须对其进行筛选。为此，通过运输容器将颗粒状多晶硅运至筛选装置中。最后，必须将颗粒包装。为此，通常通过容器将颗粒运输至包装装置。或者，来自筛选装置的目标材料也可以在固定的容器中收集。所述容器直接和包装装置连接。

如上所述，所述颗粒状多晶硅具有块状材料性质。因此，一般的块状材料技术的经验是可转化至颗粒状多晶硅的。

在处理块状材料时的一个问题是颗粒离析。

在容器(或容器(container)或筒仓)的填充过程中在中间形成块状材料的中心锥时，会出现颗粒尺寸的离析。在填充过程中，较大的颗粒由于它们较大的质量和由此较高的动能滚到外围(容器壁的方向)，但细小的材料主要聚集在中间。这种在横截面上的离析导致具有不同粒径分布的产品流随着材料的排空被相继地排出。

如果不采取措施以抵消颗粒离析，则在其中产品储存在容器中的生产块状硅材料的过程中会得到在颗粒尺寸方面不均匀的生产批次。

然而，对于很多半导体和光伏电池的应用，需要使硅原料的粒径尽可能均匀，以保证稳定的过程。

块状材料通常储存在容器或筒仓中。如果块状材料流出筒仓，会在质量流和漏斗流之间造成区别。

对于质量流，当块状材料排出时，筒仓里的全部内容物是运动的。只有当容器壁足够陡峭和/或平滑时，才可能得到质量流。此外，必须同时得到所谓的活塞流，其中在所有垂直的筒仓横截面也以相同的速度流动。实现的主要方式是适当设计漏斗的倾斜角度。虽然这是极其困难的，但是仅理想尺寸可以得到希望的反向混合。

一个替代是内置漏斗，称为锥形斗(binserts)。它们比实际的漏斗更小，且被放置在其前边。然而其使用是有限制的，其用于离析情况的设计是困难的。

如果漏斗壁太平坦或太粗糙，会产生漏斗流。对于漏斗流，开始仅仅在流出孔上方的区域的块状材料在运动。在筒仓边缘区域的块状材料直到筒仓全部排空时才会排出。在排空的过程中，在筒仓中间的块状材料即细小材料被首先排出，而在排空快要结束时主要排出粗大的材料。对于下游的块状材料的包装，这将导致在各个包装单元中的品质不同。

与此不同，在质量流筒仓中在填充过程中离析的块状材料再次汇合，从而在流出孔处不会发觉离析。质量流筒仓通常包括圆锥的或楔形的漏斗。