一种生产硅烷混合物的反应器系统技术方案

在本发明专利技术的一个实施方案中，硅烷和氢气(以及惰性气体)的混合物是采用硅(或包括硅合金的含硅化合物)与氢源如氢气、氢原子和质子的催化气化而生成。将混合物气体(硅烷、氢气以及惰性气体)共同提纯，而不将硅烷单独从气体混合物中分离纯化，然后作为下游应用的原料气体而无需像传统方法中那样进一步稀释硅烷气体。本发明专利技术解决了大规模低成本制造高纯度硅和分布式现场交钥匙应用需要改进的制造方法、装置和组合，包括但并不限定于提供硅烷气体的混合物用于半导体集成电路的制造、光伏太阳能电池、液晶平板和其他电子器件。因此，本发明专利技术的各种实施可以大大降低硅相关产业的成本，并简化生产过程。

A reactor system for producing silane mixture

In one embodiment of the invention, the mixture of silane and hydrogen (and inert gas) is generated by catalytic gasification of silicon (or silicon containing compounds including silicon alloy) with hydrogen sources such as hydrogen, hydrogen atom and proton. The mixture gas (silane, hydrogen and inert gas) is purified together without separating and purifying the silane from the gas mixture alone, and then used as the raw gas for downstream application without further diluting the silane gas as in the traditional method. The invention solves the manufacturing method, device and combination that need to be improved for large-scale low-cost manufacturing of high-purity silicon and distributed field turnkey application, including but not limited to the mixture of silane gas used for the manufacturing of semiconductor integrated circuits, photovoltaic solar cells, liquid crystal plates and other electronic devices. Therefore, various embodiments of the invention can greatly reduce the cost of silicon related industries and simplify the production process.

【技术实现步骤摘要】
一种生产硅烷混合物的反应器系统相关申请本申请根据35USC§119(e)要求2013年1月27日提交的题为“METHODANDSYSTEMFORPRODUCTIONOFSILICONANDDEVICE(用于生产硅和器件的方法和系统)”的美国专利申请US13/751,090的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。本申请为2014年7月28日通过PCT途径进入中国的题为“用于生产硅和器件的方法及系统”的中国专利申请201380007035.1的分案申请。
本专利技术涉及一种利用氢源如氢气，氢离子(质子)和氢原子催化气化包括单质硅，硅合金和含硅化合物的硅材料形成硅烷混合物的过程方法，化学组份和系统。特别是将混合气体中硅烷和氢气以及可能与之共存的惰性气体共同提纯，除去其它杂质，用于生产高纯硅和含硅器件。
技术介绍
硅烷，尤其是单硅烷(SiH4)气体越来越广泛地被应用于多晶硅，电子器件例如集成电路(IC)，液晶显示器(LCDs)，和太阳能电池的生产。自150年前硅烷被首次人工合成以来，人们已研制和开发了十几种生产硅烷的技术，其中大部分涉及复杂的工艺过程和危险化学品。美国专利US3043664《纯硅烷的生产》，专利技术人梅森，罗伯特·凯利，唐纳德H.和美国专利US4407783《从四氟化硅生产硅烷》，1983年10月4日，专利技术人乌尔姆，哈利E.等介绍了由四卤化硅(如四氯化硅SiCl4及四氟化硅SiF4)和氢化物如氢化锂LiH，氢化钠NaH或氢化铝钠LiAlH4还原生产硅烷。此外，在美国专利US4755201，US5499506，US6942844，US6905576，US6852301，和US8105564，中披露了由联合碳化物公司(UnionCarbide)在1980年代就商业化的硅烷生产工艺。在这一工艺中，冶金级硅(Met-Si)，氢气和四氯化硅(STC)在约500℃和30个大气压下用铜作为催化剂反应，形成三氯化硅烷(TCS)，然后三氯化硅烷经催化(阴离子交换树脂催化剂)转化成二氯二氢硅(DCS)，二氯化硅烷进一步歧化到硅烷(SiH4)。理想的情况是硅的氢化直接产生硅烷。然而，硅和氢之间的直接反应在热力学上是很难实现的，除非在超高温和超高压力(高达2000℃和1000大气压)。另一个挑战是，在大于300℃温度，硅烷会分解成硅细粉(soots)和氢气，因此收率极低。到目前为止，没有任何一个这种方法的成功实验被报道。此外，所有的其它硅烷工业生产工艺都集中在用繁琐工艺和高能耗的反复分离和纯化过程生产超高纯硅烷(99.9999％)，然而忽略硅烷在真正的商业终端应用时是和氢气和/或惰性气体混合形成从百万分之几(ppm)到99％的范围内的混合气体。也就是，高纯硅烷必须用氢气或惰性气体如氩气或氦气稀释才能在特定应用中使用。
技术实现思路
在本专利技术的一个实施例，硅烷和氢气(可选择地，还可有用于稀释氢气、吹扫系统和稳定等离子的惰性气体)混合物可由包括单质硅，硅合金和含硅的化合物的硅材料与一个氢源如氢气，氢原子和/或氢离子(质子)的催化气化制备。在催化剂的参与下，反应温度可以大大降低，硅烷形成的反应速率可以极大提高。硅烷气体混合物(硅烷和氢，与惰性气体)可以共同提纯，同时除去磷(P)、硼化合物(B)和其他有害杂质(不用将硅烷从氢或惰性气体中单独分离)。然而，对于生产用于锂离子电池电极材料的纳米硅粉，磷(P)和硼(B)不但没有必要去除，而且还可选择地被添加以提高导电性。共同提纯后的硅烷混合物可直接输入下游生产应用。这可以大大降低成本，并简化硅烷生产工艺和惠及下游的应用。一方面，本专利技术提供了一种改进的大规模低成本制造硅烷气体混合物的生产方法，解决了分布式现场按实际需求供气的交钥匙应用的需求。这些应用包括但不限于高纯度多晶硅、半导体器件例如集成电路、太阳能光伏电池、LCD平板显示器、锂离子电池电极材料和其他电子器件的制造。另外，这可大大降低成本，简化制造硅和半导体器件的过程。本专利技术的一个实施例提供了一种硅的制造方法，它包括：a)由包括单质硅，硅合金和含Si的化合物的硅材料与催化剂和氢源的催化气化制备硅烷与氢气以及惰性气体的混合物；b)急剧冷却以避免在反应生成的气体混合物中的硅烷的分解；c)共同提纯硅烷，氢气和惰性气体；d)用纯化的硅烷混合气体生产硅；e)来自步骤d)的氢气和惰性气体再循环，并返回到步骤a)重复利用；f)回收催化剂，并返回到步骤a)循环利用。另一个实施例提供选自氢气，氢原子和离子氢的氢源。而催化剂是选自下列组成：a)贵金属，特别是钯、铂、铑、铼、钌、和它们的合金；b)过渡金属，特别是镍、铜、钴、铁、以及它们的合金；c)碱金属，特别是钠、钾、锂、钙和它们的合金；d)稀土金属；e)金属盐、金属化合物如氧化物、和f)金属氢化物。硅合金是由选自碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土金属、和低熔点金属等与硅的合金、尤其是硅与(锂、钠、钾、铍、镁、钙、锶、钡、铝、镓、铟、铊、和铁)中的一个或组合与硅形式的板、坯、棒、颗粒、粉末、熔体、在液体中的悬浮物、和气相蒸汽。气化氢源选自下列一种或它们的组合a)氢(或氘气D2)的气体；b)酸、金属氢化物、或游离酸中的氢离子；c)电化学所产生的氢离子；d)等离子体所产生的氢原子。另一个实施例中，氢原子由其包括直流等离子体、微波、射频(RF)、热丝和辉光放电产生。另一个实施例中，或将预先制的硅烷混合物本身作为冷却介质与所产生的气体混合物的热交换或让混合气体从反应器中出来后压力迅速减压而急剧冷却。本专利技术的其他实施例提供了一个用于生产硅烷的系统，它包括：a)反应腔；b)提供用于气化硅和合金的氢源，如通过等离子所产生的氢原子、和电化学产生的氢离子的装置；c)向反应室供给氢源和硅源的装置和方法；d)以铸锭、棒、粉末流体、熔液、蒸汽、液体或熔融中的盐、的悬浮液中的形式以及任何形式固态、液态熔体、淤浆、糊或蒸汽的形式向反应器腔室中输入含Si材料(硅、合金、和含Si的化合物)的装置和方法；e)向硅和合金加入催化剂的手段和装置；f)将所述的反应室中所产的气体急剧冷却的装置；g)将急剧冷却后的硅烷混合物气体混合物中硅烷与氢气进行共同提纯的装置；h)可选择地，在过程结束时、回收催化剂、氢气和惰性气体的装置和方法。另一个实施例是，所提供的反应腔室选自硅粉末的固定床、喷动床流化床、移动床的、和熔体搅动床或滴流床。反应室具有以下条件：温度：-30-3000℃、200-3000℃、300-3000℃、500-3000℃、500-2000℃，或500℃-1500℃；压力：0.001-1000Mpa；输入气体氢在惰性气体中比例：1-99.99999％；输出气体：硅烷在氢气中比例：0.1-99％；气体的滞留时间：0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生产硅烷混合物反应器系统，包括：/na)至少一个气化室；/nb)一种硅材料馈送罐；向腔室中供给硅和合金粉末的装置；/nc)一个将氢源送入气化室的供给口；/nd)一个能够气化硅和和合金的氢源，例如通过等离子所产生的氢原子或电化学方法产生的氢离子；/ne)骤冷装置；/nf)一个内部加热单元；/ng)一个共同净化单元；散装、硅棒、硅粉末、熔液、悬浮在液体中的熔融盐、蒸汽流、和任何形式的固体、液体或蒸汽的硅；将催化剂负载到硅和合金的装置；冷却存在于所述反应室中的气体的装置；在冷却产品气体混合物后，对硅烷混合物进行纯化的装置；以及可选的，过程结束时回收催化剂和氢气和惰性气体的回收装置。/n

【技术特征摘要】
20130127 US 13/751,0901.一种生产硅烷混合物反应器系统，包括：
a)至少一个气化室；
b)一种硅材料馈送罐；向腔室中供给硅和合金粉末的装置；
c)一个将氢源送入气化室的供给口；
d)一个能够气化硅和和合金的氢源，例如通过等离子所产生的氢原子或电化学方法产生的氢离子；
e)骤冷装置；
f)一个内部加热单元；
g)一个共同净化单元；散装、硅棒、硅粉末、熔液、悬浮在液体中的熔融盐、蒸汽流、和任何形式的固体、液体或蒸汽的硅；将催...

【专利技术属性】
技术研发人员：储晞，
申请(专利权)人：储晞，
类型：发明
国别省市：北京;11