在基本闭环的方法和系统中制备多晶硅技术方案

公开了在基本闭环的方法中制备多晶硅。所述方法通常包括分解由冶金级硅所制备的三氯硅烷。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在基本闭环的方法和系统中制备多晶硅
技术介绍
本专利技术的领域涉及在基本闭环的方法中制备多晶硅，特别是包括分解由冶金级硅制备的三氯硅烷的方法。多晶硅是一种用于制备包括例如集成电路和光伏(即太阳能)电池在内的许多商业产品的重要原材料。多晶硅通常通过化学气相沉积机理制备，其中在流化床反应器中将硅由可热分解的硅化合物沉积至硅颗粒上或在西门子型反应器中沉积至硅棒上。晶种颗粒的尺寸持续增大，直至其以多晶硅产物(即“颗粒状”多晶硅)形式排出反应器中。合适的可分解硅化合物包括例如硅烷和卤代硅烷如三氯硅烷。三氯硅烷可通过如下步骤制备:使氯化氢与硅源在下述反应中接触:Si+3HC1 — SiHCl3+H2 (I)或通过使四氯化硅和氢气与硅源在下述反应中接触:Si+3SiCl4+2H2 — 4SiHCl3 (2)氯化氢和四氯化硅是多晶硅的 三氯硅烷基制备方法中较为昂贵的组分。持续需要通过热分解三氯硅烷且相对于常规方法降低氢气和氯气用量的多晶硅制备方法以及就氯化氢而言能在基本闭环的方法中制备多晶硅的方法。还持续需要使用该方法制备多晶硅的系统。专利技术简述本专利技术的一个方面涉及一种制备多晶硅的基本闭环的方法。将三氯硅烷和氢气引入流化床反应器中以形成多晶娃和包含四氯化娃、氢气和未反应的三氯娃烧的排出气体。将一定量的来自所述排出气体的四氯化硅和氢气引入氢化反应器中以形成三氯硅烷和氯化氢。使氯化氢和硅接触以形成三氯硅烷和四氯化硅。将通过使氯化氢和硅接触所形成的三氯硅烷弓I入流化床反应器中以制备多晶硅。本专利技术的另一方面涉及一种制备多晶硅的基本闭环的方法。将三氯硅烷和氢气引入第一流化床反应器中以形成多晶娃和包含四氯化娃、氢气和未反应的三氯娃烧的第一排出气体。将娃和一定量的来自所述排出气体的四氯化娃和氢气引入第二流化床反应器中以形成含有三氯娃烧和未反应的氢气和未反应的四氯化娃的第二排出气体。使氯化氢和娃接触以形成三氯硅烷和四氯化硅。将通过使氯化氢与硅接触所形成的三氯硅烷引入第一流化床反应器中以制备多晶硅。本专利技术的另一方面涉及一种用于通过分解三氯硅烷而制备多晶硅的系统。所述系统就三氯硅烷而言是基本闭环的。所述系统包括氯化氢与硅在其中接触从而形成三氯硅烷和四氯化硅的氯化反应器。所述系统包括三氯硅烷在其中分解以制备多晶硅的流化床反应器。所述系统还包括将四氯化硅和氢气引入其中以形成三氯硅烷的氢化反应器。本专利技术的又一方面涉及一种用于通过分解三氯硅烷而制备多晶硅的系统。所述系统就三氯硅烷而言是基本闭环的。所述系统包括氯化氢与硅在其中接触从而形成三氯硅烷和四氯化硅的氯化反应器。所述系统包括三氯硅烷在其中分解以制备多晶硅的第一流化床反应器。所述系统包括四氯化硅与氢气和颗粒状硅在其中接触以形成三氯硅烷的第二流化床反应器。存在与本专利技术上述方面有关的所述特征的各种改进。也可将其他特征引入本专利技术的上述方面中。这些改进和额外特征可单独存在或以任何组合存在。例如，可将下文就本专利技术的任意示意性实施方案所述的各个特征单独或以任何组合的方式引入本专利技术的任意上述方面中。附图简介附图说明图1为用于根据本专利技术的第一实施方案通过热分解三氯硅烷而制备多晶硅的系统的流程图；图2为用于根据本专利技术的第二实施方案通过热分解三氯硅烷而制备多晶硅的系统的流程图；图3为用于根据本专利技术的第一实施方案纯化包含三氯硅烷和四氯化硅的排出气体的纯化系统的流程图；图4为用于根据本专利技术的第一实施方案分离和纯化氢气和氯化氢的分离系统的流程图；和图5为用于纯化由用于氢化四氯硅烷的第二流化床反应器中排出的第二排出气体的第二排出气体分离系统的流程图。在全部附图中，相同的附图标记表示相同的部件。 专利技术详述根据本专利技术，提供了用于由三氯硅烷制备多晶硅的基本闭环的方法和系统。本文所用的措辞“基本闭环的方法”或“基本闭环的系统”是指其中就所述基本闭环的系统或方法而言，除杂质之外，不从所述系统或方法中取出所述化合物，且除补充料流之外，不向所述系统和方法中供入所述化合物。如本文所用，就除硅之外的所有化合物如三氯硅烷、四氯化硅、氯化氢和/或氢气而言，所述系统和方法是基本闭环的。制备多晶硅的闭环方法在本专利技术的若干实施方案中且如图1所示，引入硅源3和氯化氢6并使其在氯化反应器7中接触以形成经氯化的产物气体10。所述经氯化的产物气体10含有三氯硅烷和四氯化硅以及氢气和未反应的氯化氢。三氯硅烷和四氯化硅可根据如下反应在氯化反应器7中形成:Si+3HC1 — SiHCl3+H2 (3)SiHCl3+HCl — SiCl4+H2 (4)就此而言，应理解的是，本文所用的两种或更多种反应性化合物的“接触”通常导致所述组分发生反应，且术语“接触”和“反应”为同义词以及派生自这些术语，这些术语及其派生词不应视为具有限制性含义。硅源3通常为冶金级硅；然而，应理解的是可使用其他硅源如砂(即SiO2)、石英、燧石、硅藻土、矿物硅酸盐、氟硅酸盐及其混合物。优选硅的粒度为约10-约750 μ m或约50-约250 μ m。粒度的增大会降低反应速率，而较小的粒度由于较小直径颗粒间内聚力的增大会导致更多的颗粒夹带在反应器废气中且难以流化。氯化反应器7可为硅3在其中悬浮于氯化氢进气6中的流化床反应器。反应器7可在至少约250° C，且在其他实施方案中，在至少约300° C (例如约250-约450° C或约300-约400° C)的温度下操作。鉴于反应(3)和⑷的放热性质，氯化反应器7可包括冷却装置(例如与反应器床热连通的冷却旋管或冷却夹套)从而有助于控制所述反应器的温度。就此而言，应理解的是尽管氯化反应器7可为流化床反应器，然而本文所用的氯化反应器应与下文所述“第一流化床反应器”和“第二流化床反应器”加以区分。反应器7可在至少约I巴，如约1-约10巴，约1-约7巴或约2_约5巴的压力(即，高于大气压)下操作。氯化氢进气6可含有一定量的杂质如氯硅烷(例如四氯化硅和/或三氯硅烷)。在本专利技术的各个实施方案中，氯化氢料流6包含至少约80体积％的氯化氢,至少约90体积％，至少约95体积％或者甚至至少约99体积％的氯化氢(例如约80-约99体积％或约90-约99体积％)。氯化反应器7可含有一定量的催化剂以在经氯化的产物气体10中相对于四氯化硅的形成而促进三氯硅烷的形成。例如，氯化反应器7可含有美国专利5，871，705中所公开的VIII族金属催化剂(例如铁、钴、镍、钒和/或钼)或含有铝、铜或钛金属的催化剂，其出于所有相关和一致目的通过引用并入本文。反应器7也可含有一定量的一种或多种碱金属化合物(例如氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化铯、氯化铷、硫酸钠和/或硝酸钠)以提高对三氯硅烷的选择性。反应器7可在最小流化速度的约1.1-约8倍下或最小流化速度的约1.5-约4倍下操作。 氯化反应器7中的氯化氢转化率可根据反应条件而变化，且通常为至少约50%，至少约65%，至少约80%，至少约90%，在一些实施方案中，转化率可达100%(例如约50-约100%或约80-约100%)。对三氯硅烷的选择性可为至少约50%，至少约65%或者甚至至少约80% (例如约50-约90%或约70-约90%)。将所述经氯化的产物气体10弓丨入纯化系统4中以形成纯化的三氯硅烷料流20和纯化的四氯化硅料流22。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：S·布萨拉普，Y·黄，P·古普塔，
申请(专利权)人：MEMC电子材料有限公司，
类型：
国别省市：