[发明专利]一种晶态二氧化硅制备多晶硅的方法及系统

说明书

为克服现有多晶硅的生产工艺存在初始原料引入杂质，导致的多晶硅纯度难以控制的问题，本发明提供了一种晶态二氧化硅制备多晶硅的方法，包括以下操作步骤：获取晶态二氧化硅，将晶态二氧化硅置于高能粒子辐照下，使晶态二氧化硅转化为无定形二氧化硅；将无定形二氧化硅与还原性碳、氯气反应得到四氯化硅；将四氯化硅和氢气在高温下反应生成多晶硅。同时，本发明还公开了一种晶态二氧化硅制备多晶硅的系统。本发明提供的晶态二氧化硅制备多晶硅的方法及系统采用高能粒子辐照的晶态二氧化硅作为初始原料，既保证了初始原料高纯度和低杂质含量，实现多晶硅制取反应的直接原料四氯化硅的高纯度生产，又保证了初始原料的高化学活性，有效提高了反应效率和减少了耗能。

技术领域

本发明属于多晶硅制备技术领域，具体涉及一种晶态二氧化硅制备多晶硅的方法及系统。

背景技术

多晶硅是高科技产品的重要原材料，广泛应用于半导体和光伏行业。目前，多晶硅的工业生产方法主要有改良西门子法、硅烷法和气液沉积法。其中，硅烷法以硅烷气体作为硅源制备多晶硅，主要优势是提纯方便，但硅烷气体属于易燃易爆的危险物品，一旦管控不当便会引发事故。改良西门子法制备的多晶硅占据了主要市场，但由于生产过程受热力学限制，一直以来都存在能耗高、效率低等诸多先天不足，导致生产成本居高不下。气液沉积法是一种更先进的多晶硅生产技术，将作用温度条件控制在1500℃，直接在气体中生成液体硅。传统的改良西门子法中，多晶硅一般由SiHCl₃和氢气直接反应生成，而由于气液沉积法反应温度高，多晶硅生成的直接原料不再局限于活性较高的SiHCl₃,亦可用四氯化硅作为直接原料，而且沉积速率更快，生产效率更高。四氯化硅可以SiO₂为初始原料通过化学反应获得。相比于改良西门子法，气液沉积法工艺初始原料不再是工业硅，而是SiO₂，省去了把SiO₂冶炼成工业硅这一环节，大幅缩短生产流程。相比于硅烷法，气液沉积法原料SiO₂也不存在易燃易爆安全隐患。

目前气液沉积法的主要缺点是所生成多晶硅中的金属杂质含量较高，其部分的原因是因为初始原料SiO₂目前大多选用硅藻土(主要成分无定形SiO₂)，而一般硅藻土SiO₂含量只占80％-90％，其余杂质金属氧化物居多，易在生成的多晶硅中引入杂质，影响了多晶硅的生产纯度。而常见的晶态的SiO₂原料，如石英砂，因为是以晶体的形态存在，因此便于杂质分离，也具有较高的初始纯度，理论上更适合作为初始原料，但是晶态的SiO₂原料以硅-氧四面体构型的晶体结构存在，化学活性低，与碳、氯气的反应要求较为苛刻，需要1100℃以上的反应温度，同时需要将晶态的SiO₂原料研磨至足够细的状态，反应效率较低，且容易出现反应不完全的问题，不利于扩大生产。

发明内容

针对现有多晶硅的生产工艺存在初始原料引入杂质，导致的多晶硅纯度难以控制的问题，本发明提供一种晶态二氧化硅制备多晶硅的方法及系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种晶态二氧化硅制备多晶硅的方法，包括以下操作步骤：

获取晶态二氧化硅，将晶态二氧化硅置于高能粒子辐照下，使晶态二氧化硅转化为无定形二氧化硅；

将无定形二氧化硅与还原性碳、氯气反应得到四氯化硅；

将四氯化硅和氢气在高温下反应生成多晶硅。

可选的，所述高能粒子辐照包括电子辐照、中子辐照和离子辐照中的一种或多种。

可选的，所述高能粒子辐照为电子加速器辐照，辐照电子能量范围为1500keV-2250keV，辐照时间为25～40s。