通过利用四氯硅烷减少壁上沉积的流化床反应器生产硅制造技术

本发明专利技术公开通过向靠近流化床反应器壁的地方供入蚀刻气体的方法来抑制流化床反应器壁上硅沉积。所述蚀刻气体包括四氯硅烷。可以将西门子反应器并入到所述方法中，以便将来自所述西门子反应器的排放气体用于形成供入所述流化床反应器的供入气体和／或蚀刻气体。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过利用四氯硅烷减少壁上沉积的流化床反应器生产硅相关申请的交叉引用根据35U. S. C. 120，本申请要求2008年11月5日提交的美国专利申请号 12/265, 038的权益。将美国专利申请号12Λ65，038并入本文以供参考。关于联邦资助研究的声明无
技术介绍
众所周知，通过被称为西门子工艺(Siemens process)的方法可以制造棒形硅。将包括氢和硅烷(SiH4)的混合物或包括氢和三氯硅烷(HSiCl3)的混合物供入含有温度保持在高于1000°C的籽晶杆的分解反应器中。硅在该籽晶杆上沉积，并且副产物气体混合物以排放流排出。当使用包括氢和三氯硅烷的混合物时，排放流包括氢、氯化氢、氯硅烷、硅烷和硅粉末。为本申请的目的，术语“氯硅烷”是任意具有一个或多个与硅结合的氯原子的硅烷类型，并且包括，但不限于一氯甲硅烷(H3SiCl)、二氯甲硅烷(H2SiCl2)、三氯硅烷(HSiCl3)、 四氯硅(SiCl4)以及各种氯化的乙硅烷(例如六氯乙硅烷和五氯二硅烷)。为本申请的目的，术语“硅单体”是指每一分子具有一个硅原子(例如硅烷、或HSiCl3或HSiCl3和SiCl4 的化合物)的任何硅烷类型。在排放流中，氢和氯硅烷(例如SiCl4以及HSiCl3)既可以来自未反应的供入气体，也可以来自所述分解的反应产物。排放流经过复杂的回收工艺，其中浓缩、洗涤、吸收和吸附是经常用来促进用于循环的供入物质HSiCl3和氢的捕集的单元操作。与西门子工艺相关的一个问题是，由于控制该反应过程的化学平衡和动力学，难以取得多晶硅产品对供入的硅的高收益。4HSiGl3 ^ 厶 Si 多晶体的+3SiCl4+2H2 - H2+SiCl4 一 HSiCl3+HCl通常只能取得多晶硅最大理论收益的50%，或更少。而且，西门子工艺要求相对高的能量输入，而只能获得相对较低的收益。替换的方法是将包括氢和硅烷的混合物或包括氢和三氯硅烷的混合物供入含有在高温下也保持近似球形珠子的硅的流化床中。这些珠子的尺寸变大，并且当达到足够大时，作为产物从流化床反应器(FBR)的底部穿出。排出气体离开FBR顶部并且通过与上述用于西门子工艺的回收工艺类似的回收工艺送出。与西门子工艺的50%至70%相比，这种工艺的收益大概是理论最大值的90%。使用FBR工艺的一个问题是，必须加热所述珠子，使其温度高于平均的床温度以促进热传递。这可以通过，例如热壁反应器、微波能量、无线电频率感应加热或红外辐射实现。所有的加热方法都具有特有的操作问题。不过，一个问题是FBR的底部可以是热的，并且当供入气体只含有SiCl3和氢时，该气体是活性的。结果，供入气体分配器、成串的大粒珠子和反应器侧壁易于快速沉积硅。这些沉积随后破坏了适当的供给分布、产品分离和系统的热传递。使用FBR工艺的另一个问题是产品质量通常不足以用于集成电路的制造；不过，FBR工艺的产品可以用于太阳能级的应用。在多晶硅工业中需要利用西门子反应器(Siemens reactor)提高多晶硅生产效率以减少副产品和能量消耗。在多晶硅工业中需要改进FBR技术以防止在FBR壁上形成硅沉积。
技术实现思路
一种方法，包括靠近流化床反应器(TOR)壁提供蚀刻气体。 附图说明图1是此处所述工艺的流程图；图2是分配板的俯视图；图3是FBR底部的横截面图。参考标号101西门子供给气体流122产品流102西门子反应器124第二排放气体流103多晶硅棒126回收系统104西门子排放气体流128氢/HCl线路105流化床反应器130氯硅烷线路106除尘设备202中央喷嘴108移动线路204周边喷嘴110已处理排放气体流300FBR的底部112反应物流301硅颗粒113沉积气体流302产品排出管114第二流体303注入喷嘴115蒸馏塔304周边喷嘴116蒸馏器305FBR壁117分配器306水平开口118塔顶馏出的(overhead)蒸汽119补充流体120蒸馏器具体实施例方式一种生产硅的方法，包括1)向流化床反应器(FBR)的内部区域供入包括氢的沉积气体和硅单体，同时2)向FBR的周边区域提供蚀刻气体，其中周边区域位于内部区域和FBR壁之间。在步骤1)中，硅单体可选自硅烷 (SiH4)和三氯硅烷(HSiCl3)。将沉积气体和蚀刻气体引入FBR的加热区中。步骤1)中硅单体的量足以使硅沉积在位于FBR的加热区上方的反应区中的流化硅颗粒上。步骤2)中蚀刻气体的量足以蚀刻FBR壁上的硅。蚀刻气体基本上由SiCl4组成。在该方法的步骤2、中，将基本上由SiCl4组成的蚀刻气体供入FBR中并且靠近FBR 壁。可通过在(或靠近)FBR底部的分配器的周边区域供入蚀刻气体，从而最小化或防止壁上的硅沉积。分配器的周围区域在内部区域和FBR壁之间。可选地，可以将蚀刻气体直接送入靠近FBR壁的地方，从而最小化或防止壁上的硅沉积。对于本申请的目的，“基本上由 SiCl4组成”表示该蚀刻气体含有充足量的SiCl4以局部地使反应(如上面第3段所述)变成蚀刻模式。将包括氢的沉积气体和硅单体供入FBR的内部区域。可选地，可以通过分配器供入沉积气体。可以将FBR与西门子反应器形成为一体，以便从来自西门子反应器的排出气体中得到进入FBR的蚀刻气体和/或沉积气体。蚀刻气体的准确数量和供入速度取决于不同因素，包括喷嘴的数量和结构、FBR的结构(例如直径和高度)、以及操作FBR的工艺条件(例如温度和压力)。本领域普通技术人员能够基于使用的FBR结构和工艺条件，计算出蚀刻气体的数量和供入速度。例如，在图 1所示及以下所述工艺中的温度和压力下，蚀刻气体的数量足以在局部存在氢和硅的情况下提供至少6mol%的SiCl4。这会引发第3段所示的反应，以在靠近FBR壁处生成HCl，从而防止或最小化FBR壁上的硅沉积而基本上不会稀释总气体供入(沉积气体和侵蚀气体的组合)成分。靠近壁所需的SiCl4的准确等级取决于沉积气体中活性(reactive)硅前体 (硅单体)的浓度及其热力势，以在FBR中的籽晶颗粒上形成硅。SiCl4的数量足以在FBR 壁上提供SiCl4的覆盖层，例如足以在从FBR壁至向内12mm，以及可选地从FBR壁至向内 IOmm形成蚀刻条件的SiCl4的数量。不希望受到理论的束缚，认为使进一步向内延伸不会产生额外益处并且会降低FBR的容量，但是使覆盖层较少的向内延伸允许硅沉积到FBR壁上。本领域普通技术人员能够算出(沉积气体和蚀刻气体组合的)目标总气体供给流速以实现流化(流化速度)，并且利用该流化速度计算供入(内部)供给气体喷嘴的沉积气体的量和SiCl4的量，以在周边区域、向内IOmm至12mm以及部分向上的(upward)间距处的覆盖层中供给。该向上的间距取决于硅沉积形成在特定FBR壁上的地方。所述6摩尔％基于反应的蚀刻向沉积状态转变的平衡线。当SiCl4的量是6mol%或更低，氢会减少 SiCl4以使硅沉积。不过，当SiCl4的量高于6%，当FBR在大气压力或更高的压力状态下运行时，该反应会蚀刻硅(从而将硅从FBR壁上去除)。在这种情况下，使SiCl4氢化以形成 HSiCl3,并且随后使HCl与壁附近的硅反应，消耗HCl从而形成氯硅烷。不过，本领域普通技术人员能够认识到，所述6本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种方法，包括：１）将包括氢的沉积气体和硅单体供入流化床反应器的内部区域，其中所述硅单体选自ＳｉＨ４和ＨＳｉＣｌ３，并且将所述沉积气体引入所述流化床反应器的加热区，以及同时２）使基本上由ＳｉＣｌ４组成的蚀刻气体通过周边区域供入所述流化床反应器的加热区中，其中所述周边区域在所述内部区域和所述流化床反应器壁之间；以及其中，步骤１）中所述硅单体的量足以将硅沉积在位于所述流化床反应器中加热区之上的反应区中的流化硅颗粒上，并且步骤２）中ＳｉＣｌ４的量足以从所述流化床反应器壁上蚀刻硅。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·莫尔纳，
申请(专利权)人：赫姆洛克半导体公司，
类型：发明
国别省市：US