机械地流体化的硅沉积系统和方法技术方案

机械地流体化的系统和工艺允许高效、成本有效的硅生产。可以向受热盘或者锅提供粒子，该受热盘或者锅被振荡或者振动以提供反应表面。粒子在盘或者锅中向下迁移，并且在反应物产品达到希望的状态时，反应物产品在盘或者锅中向上迁移。可以回收废气。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】机械地流体化的硅沉积系统和方法
本公开一般地涉及可以适合用于例如经由化学气相沉积生产硅、例如多晶硅的机械地流体化的反应器。
技术介绍
硅、具体为多晶硅是从其制成大量多种半导体产品的基材。硅形成许多集成电路技术以及光伏换能器的基础。高纯度硅是业界特别感兴趣的。在包括化学气相沉积反应器和流体化的床反应器的不同类型的反应设备中执行用于生产多晶硅的工艺。已经例如在多种美国专利或者公开的申请(例如参见美国专利号3,011,877；3,099,534；3,147,141；4,150,168；4,179,530；4,311,545；以及5,118,485)中描述化学气相沉积(CVD)工艺、具体为西门子或者“热接线”工艺的各种方面。硅烷和三氯硅烷均用作为用于生产多晶硅的馈给材料。硅烷更容易可用作高纯度给料，因为比三氯硅烷更易于提纯。三氯硅烷的生产引入硼和磷杂质，这些杂质由于它们往往具有与三氯硅烷本身的沸点接近的沸点而难以去除。虽然硅烷和三氯硅烷二者用作西门子型化学气相沉积反应器中的给料，但是三氯硅烷在这样的反应器中被更常用。在另一方面，硅烷是用于在流体化的床反应器中生产多晶硅的更常用给料。硅烷在用作为用于化学气相沉积或者流体化的床反应器的给料时具有缺点。在西门子型化学气相沉积反应器中从硅烷生产多晶硅与在这样的反应器中从三氯硅烷生产多晶硅比较可能需要两倍的电能。另外，资金成本高，因为西门子型化学气相沉积反应器从硅烷产出仅约为从三氯硅烷产出多晶硅的一半之多。因此，从更高硅纯度产生的任何优点被在西门子型化学气相沉积反应器中从硅烷生产多晶硅时的更高资金和操作成本抵消。这已经造成常用三氯硅烷作为用于在这样的反应器中生产多晶硅的馈给材料。作为用于在流体化的床反应器中生产多晶硅的给料的硅烷与在西门子型化学气相沉积反应器中的生产比较而言具有关于电能使用的优点。然而有抵消操作成本优点的缺点。在使用流体化的床反应器时，即使给料的纯度高，工艺本身仍然可能造成更低质量多晶硅产品。例如，在流体化的床反应器中生产的多晶硅也可能由于在流体化的床内发现的通常研磨条件而包括来自在提供流体化的床时使用的设备的金属杂质。另外，可能形成多晶硅尘埃，这些多晶硅尘埃可能通过在反应器内形成超细微粒子材料来干扰操作并且也可能减少总产出。另外，在流体化的床反应器中生产的多晶硅可能包含必须通过后续加工而去除的残留氢气。因此，虽然高纯度硅烷可以获得，但是使用高纯度硅烷作为用于在任一类型的反应器中生产多晶硅的给料可能被指出的缺点限制。化学气相沉积反应器可以用来将以蒸汽或者气态形式存在的第一化学物种转换成固体材料。该沉积可以并且普遍地确实涉及到将第一化学物种转换或者分解成一个或者多个第二化学物种，这些第二化学物种之一是基本上非挥发性物种。通过将衬底加热至如下温度来引起在衬底上分解和沉积第二化学物种，第一化学物种在该温度在与衬底接触时分解以提供前述第二化学物种中的一个或者多个第二化学物种，这些第二化学物种之一是基本上非挥发性物种。这样形成和沉积的固体可以是以在整体形式、比如非移动杆上沉积的或者在移动衬底、比如珠、颗粒或者在化学上和在结构上适合用作衬底的其它相似粒子物质上沉积的相继环形层的形式。当前在流体化的床反应器中生产或者生长珠，其中在穿过流体化的床反应器的气流中悬浮积聚由分解反应的充当用于附加生长的种子的希望产品和预形成的珠组成的尘埃积聚。由于为了在流体化的床反应器内使床流体化而需要的高气体体积，其中包含第一化学物种的气体的体积不足以在反应器内使床流体化，补充流体化气体、比如惰性或者边际反应气体用来提供为了使床流体化而必需的气体体积。作为惰性或者仅边际反应气体，包含第一化学物种的气体与补充流体化气体之比可以用来控制或者以别的方式限制在流体化的床反应器内的反应速率或者流体化的床反应器提供的产品基质。然而，使用补充流体化气体可能增加工艺设备的尺寸并且也增加用于从在流体化的床反应器内使用的补充气体分离在退出流体化的床反应器的气体中存在的任何未反应或者分解的第一化学物种的分离和处理成本。在常规流体化的床反应器中，硅烷和一个特或者多个稀释物、比如氢可以用来使床流体化。由于流体化的床反应器温度被维持在足以热分解硅烷的水平，所以用来使床流体化的气体由于与床的紧密接触而必然地被加热至相同床温度。例如，向在超过500℃的温度操作的流体化的床反应器馈给的硅烷气体本身被加热至它的自动分解温度。这一加热使硅烷气体中的一些硅烷气体经历自发热分解，该自发热分解产生经常称为“非晶尘埃”或者“多晶粉末”的极细微(例如具有0.1微米或者更小的粒子直径)硅粉末。硅烷在衬底上形成多晶粉末而不是优选的多晶硅沉积代表损失的产出并且不利地影响生产经济。很细微多晶粉末有静电并且相当难以从产品粒子分离用于从系统去除。此外，如果未分离多晶粉末，则形成规格外多晶颗粒(即具有比约1.5mm的希望直径更小的粒子尺寸的多晶颗粒)从而进步破坏产出并且进一步不利地影响生产经济。在一些实例中，硅烷产出损失成多晶粉末在约1％的级别、但是可以范围从约0.5％到约5％。平均多晶粉末粒子尺寸通常约为0.1微米、但是可以范围从约0.05微米到约1微米。1％产出损失因此可能产生约1×1016个多晶粉末粒子。除非从流体化的床去除这些细微多晶粉末粒子，多晶粉末将提供仅有业界希望直径1.5的1/3,000的粒子。因此，用于从流体化的床或者从气体外流体床反应器高效地去除超细微粒子的能力是重要的。然而，静电力经常妨碍从气体外成品或者流体床反应器过滤超细微多晶粉末。因此，最小化或者理想地避免形成超细微多晶粉末的工艺很有利。
技术实现思路
可以概括一种机械地流体化的反应器为包括：其中具有室的壳；在壳的室中接收的用于在其中移动的锅(“pan”)，锅具有下表面面、上表面、周界和至少部分绕着锅的周界相对于上表面向上延伸的周界壁；包括至少一个振动传输构件的传输装置，至少一个振动传输构件被耦合为振动锅以机械地使锅的上表面承载的微粒床流体化；具有通道的至少一个套管，至少一个传输构件穿过通道，并且通道约束至少一个传输构件为沿着单个轴的振荡轴向移动；以及加热器，热传导地耦合为向锅的上表面提供热以向微粒床传导地传送热能。单个轴可以被与锅的上表面正交地定向(“orientednormally”)。至少一个套管可以包括具有第一套管通道的第一套管和具有第二套管通道的第二套管，第二套管通道与第一套管通道轴向地对准，并且第二套管从第一套管相对地隔开。机械地流体化的反应器还可以包括包围第一套管或者第二套管中的至少一个套管以保持至少一个传输构件的振荡运动所产生的任何细微物或者污染物的靴(“boot”)。锅可以包括以下合金中的至少一个合金：钢合金、不锈钢合金、镍合金和石墨合金；并且还可以包括层，层包括以下各项中的至少一项：石英、硅化物、碳化硅等。碳化硅例如耐用并且减少金属离子、比如镍、铬和铁从锅向多晶硅涂覆的粒子迁移的倾向。锅可以包括316钢合金并且还可以包括在锅的上表面的至少部分上的碳化硅层。机械地流体化的反应器还可以包括电耦合到锅以在锅上产生静电电荷的电荷生成器，静电电荷足以吸引在机械地流体化的微粒床中的具有比形成机械地流体化的微粒床的粒子的算术平均粒子直径更小的直径的粒子的至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机械地流体化的反应器，包括：其中具有室的壳；在所述壳的所述室中接收的用于在其中移动的锅，所述锅具有下表面、上表面、周界和至少部分绕着所述锅的所述周界相对于所述上表面向上延伸的周界壁；包括至少一个振动传输构件的传输装置，所述至少一个振动传输构件被耦合为振动所述锅以机械地使所述锅的所述上表面承载的微粒床流体化；具有通道的至少一个套管，所述至少一个传输构件穿过所述通道，并且所述通道约束所述至少一个传输构件为沿着单个轴的振荡轴向移动；以及加热器，热传导地耦合为向所述锅的所述上表面提供热以向所述微粒床传导地传送热能。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.25 US 13/481,5481.一种机械地流体化的反应器，包括：其中具有室的壳；在所述壳的所述室中接收的用于在其中移动的锅，所述锅具有下表面、上表面、周界和至少部分绕着所述锅的所述周界相对于所述上表面向上延伸的周界壁；包括至少一个振动传输构件的传输装置，所述至少一个振动传输构件被耦合为振动所述锅以机械地使所述锅的所述上表面承载的微粒床流体化；具有通道的至少一个套管，所述至少一个振动传输构件穿过所述通道，并且所述通道约束所述至少一个振动传输构件为沿着单个轴的振荡轴向移动；以及加热器，热传导地耦合为向所述锅的所述上表面提供热以向所述微粒床传导地传送热能；柔性膜，将所述室划分成被暴露于所述锅的所述上表面的上部分和被暴露于所述锅的所述下表面的下部分；惰性气体入口，活动地耦合到所述室的所述下部分以向所述室的所述下部分中接收惰性气体；微粒入口，活动地耦合到所述室的所述上部分以在所述锅的上表面上接收和沉积一定深度的微粒以在其上形成所述微粒床；以及气体入口，活动地耦合到所述室的所述上部分以向所述室的所述上部分中接收至少包括第一化学物种的气体。2.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，其中所述单个轴被与所述锅的所述上表面正交地定向。3.根据权利要求2所述的机械地流体化的反应器，其中所述至少一个套管包括具有第一套管通道的第一套管和具有第二套管通道的第二套管，所述第二套管通道与所述第一套管通道轴向地对准，并且所述第二套管从所述第一套管相对地隔开。4.根据权利要求3所述的机械地流体化的反应器，还包括：包围所述第一套管和所述第二套管中的至少一个套管的靴。5.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，其中所述锅包括以下各项中的至少一项：不锈钢合金、镍合金和石墨合金；并且还包括：在所述锅的所述上表面的至少部分上的层，所述层包括以下各项中的至少一项：石英、硅化物和碳化硅。6.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，其中所述锅包括316钢合金并且还包括在所述锅的所述上表面的至少部分上的碳化硅层。7.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，还包括电耦合到所述锅以在所述锅上产生静电电荷的电荷生成器，所述静电电荷足以吸引在所述微粒床中的具有比形成所述微粒床的所述微粒的算术平均微粒直径更小的直径的所述微粒的至少部分。8.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，其中所述柔性膜包括金属风箱。9.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，其中包括所述第一化学物种的气体和稀释物被添加到所述室的所述上部分以在其中提供整体气体混合物；以及其中所述整体气体混合物在小于600℃的温度。10.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，还包括活动地耦合到所述室的所述上部分的至少一个分析器；其中所述至少一个分析器提供指示以下各项中的至少一项的至少一个输出：在所述室的所述上部分中的所述第一化学物种的浓度；以及在所述室的所述上部分中的稀释物的浓度。11.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，还包括：至少一个风扇，至少部分地设置于所述室的所述上部分内，以在所述室的所述上部分内循环至少包括所述第一化学物种的气体。12.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，还包括：至少一个表面特征，设置于所述壳的外表面上并且与所述室的所述上部分邻近热传导地耦合到所述壳，以从所述室的所述上部分向与所述壳的所述外表面邻近的冷却剂传送热能。13.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，其中所述微粒床包括多个微粒，每个微粒具有相应微粒表面积，形成所述微粒床的所述微粒的所述微粒表面积之和定义合计床表面积，所述锅的所述上表面定义锅表面积；以及所述合计床表面积与所述锅表面积之比大于10:1。14.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，其中所述加热器升高所述微粒床的温度至少400℃。15.根据权利要求14所述的机械地流体化的反应器，其中包括所述第一化学物种的气体被半批量式添加到所述室的所述上部分并且与所述微粒床接触；其中所述第一化学物种的至少部分热分解以在所述微粒床中的所述微粒的至少部分上沉积多晶硅层；以及其中在所述微粒床中的具有所述多晶硅层的所述微粒的的至少部分从所述锅被半连续地或者连续地去除。16.根据权利要求15所述的机械地流体化的反应器，其中所述第一化学物种的转换率至少为80％；以及其中所述第一化学物种的所述转换率被测量为在所述微粒上的所述多晶硅层中沉积的硅质量与在所述室的所述上部分中接收的所述第一化学物种中存在的硅质量的百分比。17.根据权利要求14所述的机械地流体化的反应器，其中包括所述第一化学物种的气体和一个或者多个稀释物被连续地添加到所述室的所述上部分并且与所述微粒床接触；其中所述第一化学物种的至少部分热分解以在所述微粒的至少部分上沉积多晶硅层，以在所述微粒床中形成基本上高斯微粒尺寸分布；其中从所述室的所述上部分去除废气，以在所述室的所述上部分中维持工艺条件，所述工艺条件包括以下各项中的至少一项：在所述废气中的第一化学物种的摩尔分数；所述室的所述上部分接收的所述第一化学物种的分数转换率；以及在所述室的所述上部分中的第一化学物种的分压；以及其中在所述微粒床中的具有所述多晶硅层的所述微粒的的至少部分从所述锅被连续地去除。18.根据权利要求17所述的机械地流体化的反应器，其中所述第一化学物种的所述分数转换率至少为40％；以及其中所述第一化学物种的所述分数转换率被测量为在所述微粒上的所述多晶硅层中沉积的硅质量与在所述室的所述上部分中接收的所述第一化学物种中存在的硅质量的百分比。19.根据权利要求17所述的机械地流体化的反应器，其中从所述微粒床连续地去除的具有所述多晶硅层的所述微粒部分从基本上高斯微粒尺寸分布的最高50％被抽取；以及其中从所述微粒床连续地去除的所述微粒部分通过调整所述微粒床的深度来调整。20.根据权利要求19所述的机械地流体化的反应器，还包括经过所述锅向其中包含的所述微粒床中竖直地突出的空心构件；其中所述微粒床的所述深度至少部分基于所述空心构件向所述微粒床中竖直突出的长度。21.根据权利要求17所述的机械地流体化的反应器，其中，包括所述第一化学物种和一个或多个稀释物的气体的体积传送速率在所述锅的所述上表面的0.04升每分钟每平方英寸表面积(l/min-in2)与1.00l/min-in2之间。22.根据权利要求21所述的机械地流体化的反应器，其中所述体积传送速率使用以下各项中的至少一项来调整：至少一个风扇的速度改变，所述至少一个风扇至少部分地设置于所述室的所述上部分内；在所述至少一个风扇和与所述微粒床邻近设置的至少一个热反射构件之间的距离改变，所述至少一个热反射构件包括至少一个孔；在所述室的所述上部分中的总压强；以及所述至少一个孔的尺寸改变。23.根据权利要求17所述的机械地流体化的反应器，其中微粒在从所述锅的所述上表面的10个微粒每分钟每平方英寸表面积到200个微粒每分钟每平方英寸表面积的速率被添加到所述微粒床。24.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，还包括：热反射构件，设置于所述室的所述上部分中并且与所述微粒床邻近，所述热反射构件用于向所述微粒床返回所述微粒床辐射的所述热能的至少部分。25.根据权利要求24所述的机械地流体化的反应器，其中向所述室的所述上部分中接收的包括所述第一化学物种的气体的至少部分在所述热反射构件的至少部分之上通过，以维持所述热反射构件在小于400℃的温度。26.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，其中所述室的所述下部分接收的所述惰性气体在小于400℃的温度。27.根据权利要求1所述的机械地流体化的反应器，其中所述室的所述下部分被维持在比在所述室的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·W·达瑟尔，大卫·A·布雷斯勒，
申请(专利权)人：罗克斯达技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US