用于粒状多晶硅生产的反向循环流化床反应器制造技术

反向流化床反应器(FBR)通过绝热垂直分配器被分隔成为预反应加热区、反应区和脱氢区。所述脱氢区可以为独特的，或者所述加热区可用作脱氢区。多晶硅的颗粒向上循环通过加热区并且进入反应区的顶部，在这里发生硅的沉积，并且生长的颗粒缓慢沉降，直至它们再次进入预反应加热区的底部。从而使灰尘形成、壁沉积和产物硅颗粒中的氢含量最小化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求2014年7月2日提交的美国申请14/322,351的权益，其通过全文引用结合到本文中用于所有的目的。
本专利技术涉及用于生产多晶硅的反应器，更具体地，本专利技术涉及用于生产多晶硅的流化床反应器。
技术介绍
在流化床反应器(FBR)中通过硅的化学气相沉积来制造多晶硅比在钟形罐反应器中在硅“细长”棒上分解硅烷或氯硅烷的传统的Siemens方法具有优势。参考图1A，其显示一种类型的FBR反应器的具体设计，至少一个分配器102将反应器室100分成预反应加热区104和反应区106。在图1A的具体实例中，分配器为圆柱形垂直分配器102，使得区域104、106同心。通过颗粒入口110在预反应加热区104中引入多晶硅的小的“晶种”颗粒，在这里通过加热器108将它们加热至高于含有至少一种含硅试剂的反应气体的硅沉积温度的温度。通过预反应气体口112在预反应加热区104中引入不含硅的预反应流化气体(通常为氢气)，在这里其流化硅颗粒。调节预反应流化气体的流速至允许硅颗粒缓慢降落离开预反应加热区并进入反应区106的底部的水平。在那里，它们被反应气体流化，通过反应气体口114引入到反应区106。由于硅颗粒的高温，反应气体在与颗粒接触后分解，在颗粒上硅沉积，引起它们生长。最终，颗粒对于反应气体变得太重而不能举起，它们通过出口118降落离开反应器。在一些情况下，例如在图1A中给出的实例，反应气体能举起至少一些硅颗粒高于分隔器102的顶部，使得它们降落返回至加热区104。这引起颗粒在它们足够重以降落离开反应区106之前冷却，以再循环通过加热区104。硅FBR技术已工业化数年了。对于硅生产，与Siemens反应器相比，FBR反应器的优势包括低能耗和连续操作。此外，硅产物为粒状形式，可容易在下游过程中处理，用于制备硅锭和单晶。然而，仍存在影响过程和产品品质的若干问题。这些问题之一为灰尘形成。当通过晶种颗粒加热反应气体时，至少一些反应气体分子的温度可能上升高于它们的分解温度，甚至当它们不与硅颗粒直接接触时。结果是，反应气体中的分子可自发分解，形成硅“灰尘”的非常细的颗粒。在FBR反应器中灰尘形成不仅是硅的浪费，而且由于其密度低而难处理。当附着在硅产物颗粒的表面时，灰尘也会劣化硅产物的品质。在常规的FBR反应器中的另一个问题是反应气体在垂直分隔器102和/或FBR室100的壁上的沉积。加热FBR中的颗粒的一种方式是使用外部加热器加热预反应加热区104的壁，如在图1A中显示的，使得壁通过传导向在预反应加热区104内的颗粒传热。在这些结构中，预反应加热区的壁比颗粒热，并且如果任何反应气体到达壁，结果将是硅在壁上沉积。当壁上的硅层太厚时，FBR操作必须停止，以允许从壁去除硅。使用常规的FBR反应器的第三个问题是通常在粒状多晶硅产物中发现的氢的高浓度。氢气通常用作通过气体口112引入的预反应流化气体，并且氢气也通常是反应气体的组分。在产物硅颗粒的表面内截流的和/或在产物硅颗粒的表面上吸附的氢可在下游熔融过程中导致气泡，这可能对由熔体生长的锭或晶体的品质有害。因此，在可利用硅之前，必须先从通过FBR反应器生产的粒状硅颗粒除去氢。使硅颗粒脱氢的典型的方法是通过将它们转移至不同于FBR的单独的脱氢区，在这里颗粒被氢气或被一些其它脱氢气体流化，并且加热至驱除氢的高温。然而，该方法需要单独的过程和单独的设备，这使得过程更复杂，并且需要同时提高资金和操作成本。重要的是注意到在图1A的FBR中硅颗粒循环的方向。该循环方向在图1B中得到更清楚地说明。当硅颗粒在预反应加热区104中加热时，它们向下移动，直至它们进入反应区106的底部，在这里它们与反应气体接触。结果是，硅颗粒在硅浓度最高的区域与反应气体初始接触，并且颗粒在它们的最大温度。这样会加速硅沉积的初始速率，并且降低在作为硅产物被除去之前颗粒必须停留在反应器中的平均时间。颗粒随后被反应气体向上携带，未接受足够硅以通过出口118降落离开反应器的那些颗粒被携带至垂直分隔器102之上，以再次向下降落和在预反应加热区104中被加热。遗憾的是，由于反应气体较高的流速，其向上携带颗粒，与允许颗粒向下漂移的预反应流化气体相比，不可避免的是一些反应气体将还在垂直分隔器102之上或之下流动，从而进入预反应加热区，在这里其容易形成硅灰尘，并且硅在加热的壁上沉积。因此，需要一种多晶硅FBR反应器，其能够产生较少的硅灰尘，使硅在壁、加热器和区域分配器上的沉积最小化，并且生产具有降低的氢含量的硅产物，使得不需要单独的脱氢步骤。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有反向流动的流化床反应器(FBR)，其能够使得硅灰尘的产生最小化，使得硅在壁、加热器、区域分配器(zonedividers)上的沉积最小化，并且生产具有降低的氢含量的硅产物，使得不需要单独的脱氢步骤。该反应器提供预反应加热气体流，其举起多晶硅的颗粒向上通过预反应加热区，使得它们进入反应区，并且在反应区的顶部而不是在底部首先遇到反应气体。反应气体的流动相对较弱，以允许颗粒缓慢沉降通过反应区并且再次进入预反应加热区的底部。结果是，与常规的内部循环FBR相比，硅颗粒通过反应器的循环反向。因为预反应气体速度比反应气体速度高，存在很少(如果有的话)反应气体在预反应加热区中的泄漏，从而使得在预反应加热区内灰尘形成和硅在壁上的沉积最小化。因为颗粒在反应区的顶部相对较热并且在反应区的底部较冷，反应气体也在反应区的顶部较热，在这里硅浓度最低，并且在反应区的底部较冷，在这里硅的浓度最高。结果是，由于反应气体的加热会降低灰尘的形成，并且使得通过反应气体在反应区的壁上的硅沉积最小化。在实施方式中，分隔预反应加热区与反应区的至少一个垂直分隔器为绝热的，使得对反应区壁的加热降低，并且壁的温度最小化。这进一步降低硅在反应区的壁上的沉积。在这些实施方式的一些中，垂直分隔器由绝热材料制成或填充绝热材料。在其它实施方式中，垂直分隔器包括通过抽空的或填充气体的空间分隔的双壁。本专利技术的FBR也从硅颗粒除去截流的和吸附的氢。在一些实施方式中，预反应加热区也用作脱氢区。在其它实施方式中，提供单独的脱氢区。在各种实施方式中，调节气体的流速，以引起硅颗粒在反应器的反应区和脱氢区之间平均循环至少50次，使得在反应过程期间颗粒几乎连续重复脱氢，而不是在反应过程完成后在单一步骤中脱氢。在一些实施方式中，在反应期间气体流为连续的，而在其它实施方式中，使用气体脉冲在各区域之间立刻转移硅颗粒。反应室可为圆柱形、矩形或任何其它合适的形状，并且可分成并排(side-by-side)或同心的区域。本专利技术的一个通常的方面在于提供了一种用于生产多晶硅的方法。所述方法包括提供具有至少一个垂直分隔器(verticalseparator)的内部再循环流化床反应器，所述垂直分隔器在反应器内产生预反应加热区、反应区和脱氢区，所述各区域彼此颗粒连通。所述方法还包括在反应器中引入多晶硅颗粒，在预反应加热区中引入预反应流化气体，在反应区中引入含有至少一种含硅试剂的反应气体和在脱氢区中引入脱氢气体，每一种所述气体以至少等于多晶硅颗粒的最小流化速度的速度引入。控制气体的速度，以引起多晶硅颗粒向上通过预反应加热区、向下通过反应区、并且通过脱氢区而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产多晶硅的方法，包括：提供具有至少一个垂直分隔器的内部再循环流化床反应器，所述垂直分隔器在所述反应器内产生预反应加热区、反应区和脱氢区，所述各区域彼此颗粒连通；在所述反应器中引入多晶硅颗粒；在所述预反应加热区中引入预反应流化气体，在所述反应区中引入含有至少一种含硅试剂的反应气体和在所述脱氢区中引入脱氢气体，每一种所述气体以至少等于多晶硅颗粒的最小流化速度的速度引入；控制所述气体的速度，以引起所述多晶硅颗粒向上通过所述预反应加热区、向下通过所述反应区、并通过所述脱氢区而循环，因此：在所述预反应加热区中将所述多晶硅颗粒加热至高于反应气体的最小反应温度的反应温度；在所述反应区中在所述多晶硅颗粒上由所述反应气体沉积硅；和在所述脱氢区中将所述多晶硅颗粒加热至足以从所述多晶硅颗粒除去氢气的温度，所述循环引起所述多晶硅颗粒转化为硅产物；和从所述反应器除去所述硅产物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.02 US 14/322,3511.一种用于生产多晶硅的方法，包括：提供具有至少一个垂直分隔器的内部再循环流化床反应器，所述垂直分隔器在所述反应器内产生预反应加热区、反应区和脱氢区，所述各区域彼此颗粒连通；在所述反应器中引入多晶硅颗粒；在所述预反应加热区中引入预反应流化气体，在所述反应区中引入含有至少一种含硅试剂的反应气体和在所述脱氢区中引入脱氢气体，每一种所述气体以至少等于多晶硅颗粒的最小流化速度的速度引入；控制所述气体的速度，以引起所述多晶硅颗粒向上通过所述预反应加热区、向下通过所述反应区、并通过所述脱氢区而循环，因此：在所述预反应加热区中将所述多晶硅颗粒加热至高于反应气体的最小反应温度的反应温度；在所述反应区中在所述多晶硅颗粒上由所述反应气体沉积硅；和在所述脱氢区中将所述多晶硅颗粒加热至足以从所述多晶硅颗粒除去氢气的温度，所述循环引起所述多晶硅颗粒转化为硅产物；和从所述反应器除去所述硅产物。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多晶硅颗粒在各区域之间连续循环。3.根据权利要求1所述的方法，其中，当由于通过所述反应气体硅在多晶硅颗粒上的沉积，所述多晶硅颗粒质量增加时，所述气体的速度增大。4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括改变在各区域中引入的所述气体的速度，以控制所述多晶硅颗粒在各区域之间的运动。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多晶硅颗粒在各区域之间脉冲循环。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脱氢区不同于所述预反应加热区。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预反应加热区为所述脱氢区，所述预反应流化气体为所述脱氢气体，并且当它们向上通过所述预反应加热区、向下通过所述反应区、并且再次向上通过所述预反应加热区而循环时，在所述预反应加热区中将所述多晶硅颗粒加热至足以从所述多晶硅颗粒除去氢气的温度。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预反应加热区围绕所述反应区。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述垂直分隔器为圆柱形。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述含硅反应气体包括硅烷(SiH4)气体。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述含硅反应气体为硅烷和氢的混合物。12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预反应流化气体、所述含硅反应气体和所述脱氢流化气体中至少一种包括氢气。13.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述反应区中降低所述含硅反应气...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·L·钦，F·S·法伦布鲁克，S·D·斯肯尼尔，L·E·莫兰，J·C·伽姆，
申请(专利权)人：GTAT公司，
类型：发明
国别省市：美国;US