[发明专利]使用高效混合式水平反应器的多晶硅制造装置和方法

说明书

根据本发明，提供一种多晶硅制造装置，其包括：水平反应管，具有源气体供应口、残余气体排出口、反应表面和开口，通过所述源气体供应口供应包括反应气体和还原气体的源气体，反应表面与源气体接触，开口形成在所述水平反应管的底部，用于将通过所述源气体的反应产生的熔融多晶硅排出；以及第一加热设备，用于加热所述水平反应管的所述反应表面，其中，所述水平反应管包括一个或多个反应区域，各个反应区域具有用于沉积多晶硅的第一反应区域和用于将反应副产物转化为所述反应气体的第二反应区域，所述第一反应区域与所述第二反应区域串联连接。此外，还提供了一种使用所述多晶硅制造装置的多晶硅制造方法。

技术领域

本发明涉及一种多晶硅生产装置和方法，更具体地说，涉及一种使用水平式反应器生产多晶硅的设备和方法。

背景技术

近年来，在诸如半导体器件和光伏器件的电子器件的制备中，对作为原料的多晶硅的需求不断增长。已知许多方法用于生产在半导体或太阳能光伏电池的制备中作为原料的硅，并且一些方法在工业上已经实施。

目前可商用的高纯度多晶硅通常通过化学气相沉积工艺生产。具体地，可以通过使三氯氢硅气体与诸如氢气的还原气体反应来生产多晶硅，如反应式1：

[反应式1]

SiHCl₃(气体)+H₂(气体)→Si(固体)+3HCl(气体)

SiH₂Cl₂→Si+2HCl

SiCl₄+2H₂→Si+4HCl

SiH₄→Si+2H₂

西门子法是一种示例性的可商用的多晶硅生产方法。根据西门子方法，将作为反应气体的硅烷气体和作为还原气体的氢气供给到钟罩反应器中，并且将放置在钟罩反应器中的硅棒加热至或高于硅的沉积温度。当热量传递到反应气体和还原气体时，减少反应气体以沉积多晶硅。

然而，西门子反应器消耗很多能量，通常是大约65KWh/kg至大约200KWh/kg的电能。这些电能成本占多晶硅的总生产成本的很大一部分。另一个问题是批量沉积需要极其费力的过程，包括硅棒安装、欧姆加热、沉积、冷却、提取和钟罩反应器清洁。

另一种方法与使用流化床的多晶硅沉积有关。根据该方法，在提供尺寸约100微米的精细硅颗粒作为沉积核的同时提供硅烷以在精细硅颗粒上沉积硅，结果，连续生产出尺寸为1mm至2mm的硅晶粒。该方法的优点在于可以连续地操作相对长的时间。然而，由于其沉积温度低，作为硅源的甲硅烷即使在低温下也会热分解，易于在反应器壁上形成精细分离的硅或沉积硅。因此，需要定期清洁或更换反应容器。

在韩国专利No.10-0692444中公开了使用垂直还原反应器生产多晶硅的装置。该装置使用其上沉积有硅的加热器。该加热器为圆柱形以具有高热效率。具体地，所述装置包括：(a)具有开口的圆柱形容器，该开口是位于下端的硅取出端口；(b)加热器，用于以温度等于或高于硅的熔点的温度将圆柱形容器的内壁从下端加热到所需高度；(c)氯硅烷供给管，其由外径比所述圆柱形容器的内径更小的内管构成，并且构造成使得所述内管的一个开口在由被加热到等于或高于硅熔点的温度的内壁所包围的空间内朝向下方；以及(d)第一密封气体供给管，其用于将密封气体供给到由圆柱形容器的内壁和氯硅烷供给管的外壁所限定的间隙中。该装置可选地还包括(e)用于将氢气供应到上述圆柱形容器中的氢气供给管。

图1示意性地示出了垂直还原反应器类型的多晶硅生产装置。

参照该图，多晶硅生产装置包括布置在反应器10的上部10a中的反应气体入口11、布置在反应器10的中部10b的一侧的真空管12、以及布置在反应器10的另一侧的出口管13。用于收集、冷却和铸造熔融硅的单元布置在反应器10的下部10c中。