制备高纯度多晶硅的方法和设备技术

在一个实施方案中，本发明专利技术的方法包括将至少一种硅源气体和多晶硅的硅籽晶供应至反应区段；将所述的至少一种硅源气体在反应区段内保持足够温度和停留时间，使得至少一种硅源气体的热分解的反应平衡在反应区段内基本上达到，从而制备元素硅；其中所述的至少一种硅源气体的分解通过以下化学反应进行：4HSiCl3←→Si+3SiCl4+2H2，其中所述的足够温度是指范围为约600摄氏度至约1000摄氏度的温度；并且c)将足够量的所述的多晶硅的硅籽晶保持在反应区段，以导致所述的元素硅沉积于多晶硅的硅籽晶上，从而制备包覆的粒子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制备高纯度多晶硅的方法和设备相关申请该申请要求2009年4月20日提交的名称为“FLUIDIZEDBEDREACTORMADEOFSILICIDE-FORMINGMETALALLOYWITHOPTIONALSTEELBOTTOMANDOPTIONALINERTPACKAGINGMATERIAL”的美国临时申请序列号为No.61/170,962以及2009年4月20日提交的名称为“GASQUENCHINGSYSTEMFORFLUIDIZEDBEDREACTOR”的美国临时申请序列号为No.61/170,983的权益，出于所有目的其全部通过引用的方式并入本文中。
技术介绍
化学气相沉积(CVD)是种用来制备高纯度固体物质的化学方法。在典型的CVD方法中，使基体暴露于一种或者多种挥发性前体，所述前体在基体表面上反应和/或分解，以制得期望沉积物。通常，也会产生挥发性的副产物，其由通过反应室的气流除去。用氢还原三氯硅烷(SiHCl3)的方法是CVD方法，称为Siemens方法。Siemens方法的化学反应如下：SiHCl3(g)+H2→Si(s)+3HCl(g)(“g”代表气体；且“s”代表固体)。在Siemens方法中，元素硅的化学气相沉积发生在硅棒(称之为细棒)上。将这些硅棒在金属钟罩下通过电流方式加热到超过1000℃，然后暴露于由氢气和硅源气体例如三氯硅烷(TCS)组成的气体混合物。一旦细棒达到某一直径，必须中止该方法，即只可能间歇操作，而不是连续操作。
技术实现思路
在一个实施方案中，一种方法包含：将至少一种硅源气体和多晶硅的硅籽晶供应至反应区段；将至少一种硅源气体在反应区段内保持足够温度和停留时间，使得至少一种硅源气体的热分解的反应平衡在反应区段内基本上达到，从而制备元素硅；其中至少一种硅源气体的分解通过以下化学反应进行：4HSiCl3←→Si+3SiCl4+2H2，其中，足够温度是指范围为约600摄氏度至约1000摄氏度的温度；足够停留时间少于约5秒，停留时间被定义为在足够温度下空隙体积除以总气体流量；以及c)将足够量的多晶硅的硅籽晶保持在反应区段，以导致元素硅沉积于多晶硅的硅籽晶上，从而制备包覆的颗粒。在一个实施方案中，足够热度在700-900摄氏度的范围内。在一个实施方案中，足够热度在750-850摄氏度的范围内。在一个实施方案中，硅籽晶的尺寸分布为500-4000微米。在一个实施方案中，硅籽晶的尺寸分布为1000-2000微米。在一个实施方案中，硅籽晶的尺寸分布为100-600微米。在一个实施方案中，一种方法包括：a)将至少一种硅源气体供应至反应区段；b)将至少一种硅源气体在反应区段内保持足够温度和停留时间，使得至少一种硅源气体的分解的反应平衡在反应区段内基本上达到，从而制备元素硅；i)其中至少一种硅源气体的分解通过以下化学反应进行：4HSiCl3←→Si+3SiCl4+2H2；ii)其中，足够温度是指范围为约600摄氏度至约1000摄氏度的温度；iii)其中，足够停留时间少于约5秒，其中，停留时间被定义为在足够温度下空隙体积除以总气体流量；以及c)制备非晶硅。附图说明下面将参照附图对本专利技术作进一步解释，其中在所有视图中同样的结构由同样的标记来表示。所示的附图无需按照比例绘制，相反通常重点在于说明本专利技术的原理。图1显示依照本专利技术的方法的实施方案。图2示出展示本专利技术实施方案的设备示意图。图3示出展示本专利技术实施方案的设备示意图。图4示出展示本专利技术实施方案的设备。图5示出依照本专利技术一些实施方案的石英管视觉条件。图6示出表现本专利技术一些实施方案的图表。图7示出表现本专利技术一些实施方案的图表。图8示出展示本专利技术实施方案的设备示意图。图9示出表现本专利技术一些实施方案的图表。图10示出按照本专利技术一些实施方案制备出的有沉积硅覆层的硅粒子的例子。图11示出用于本专利技术一些实施方案中的硅籽晶粒子的例子。图12示出依照本专利技术一些实施方案的包覆沉积硅的硅粒子表面的例子。图13示出依照本专利技术一些实施方案的包覆沉积硅的硅粒子的剖面。图14示出依照本专利技术一些实施方案的包覆沉积硅的硅粒子的例子。图15示出依照本专利技术一些实施方案的包覆沉积硅的硅粒子的另一例子。图16示出表现本专利技术的一些实施方案的图表。图17示出了本专利技术的实施方案的示意图。尽管上述附图描述了目前公开的实施方案，但如讨论中提到的，也涵盖其它实施方案。该公开用示意性和非限制性的方式呈现了说明性实施方案。本领域技术人员可设计多种其他变化形式和实施方案，这些方案都落入目前公开的本专利技术原理的范围和精神内。具体实施方式可能用于本专利技术的这类申请例子是生产/纯化多晶硅的方法。生产/纯化多晶硅方法的例子只用作说明性目的，不应该视作限制性的。在一些实施方案中，高纯度多晶体硅(“多晶硅”)，通常是超过99％纯度的，是制造电子元件和太阳能电池的起始物料。在一些实施方案中，多晶硅是通过硅源气体的热分解获得的。利用本专利技术的一些实施方案，在流化床反应器中，在连续CVD方法的过程中由于含硅化合物的热分解而获得高纯度多晶体硅的颗粒，以下简称为“硅颗粒”。经常会用到流化床反应器，其中的固体表面广泛地暴露在气态化合物或者蒸气化合物中。相比可能的CVD或者热分解的其他方法，颗粒的流化床对反应气体暴露更大面积的硅表面。使用硅源气体，例如HSiCl3或者SiCl4，灌注包含多晶硅粒子的流化床。这些粒子最终生长至制备颗粒状多晶硅的尺寸。为了说明本专利技术，定义以下术语：“硅烷”指：任何具有硅-氢键的气体。例子包括但不限于SiH4；SiH2Cl2；SiHCl3。“硅源气体”指：任何在生产多晶硅的方法中使用的含硅气体；在一个实施方案中，硅源气体为任何能够与正电性材料和/或金属反应以形成硅化物的硅源气体。在一种实施方案中，合适的硅源气体包括但不限于至少一种HxSiyClz化合物，其中x，y和z是从0至6。“STC”指四氯化硅(SiCl4)。“TCS”指三氯硅烷(SiHCl3)。热分解是在一定温度下化合物分离或者分解成元素或者更简单的化合物。关于以下硅源气体热分解的总化学反应描述了本专利技术：硅源气体←→Si+XSiCln+YH2，其中X和Y取决于特定硅源气体的组成，并且n在2至4之间。在一些实施方案中，硅源气体是TCS，其按照以下反应进行热分解：上述的广义反应(1)是可在由本专利技术的各种实施方案限定的环境中发生的各种其它反应的代表，而并非是限制。例如，反应(1)可表示多反应环境的结果，其具有至少一种不同于反应(1)中所示的特定产物的中间体化合物。在一些其它实施方案中，反应(1)中化合物的摩尔比率不同于以上代表性比率，但是，如果沉积Si的速率基本没有降低，这些比率仍然是可以接受的。为了说明本专利技术，“反应区段”是反应器中这样的区域，其被设计成使得热分解反应(1)主要发生在反应区段区域内。在一些实施方案中，分解反应(1)在温度低于900摄氏度下进行。在一些实施方案中，分解反应(1)在温度低于1000摄氏度下进行。在一些实施方案中，分解反应(1)在温度低于800摄氏度下进行。在一些实施方案中，分解反应(1)在温度为650至100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】2009.04.20 US 61/170,962;2009.04.20 US 61/170,9831.一种用于制备多晶硅粒子的方法，包括：a)将流态化气体供给反应器，以流化硅籽晶；i)其中，所述流态化气体流由以下成分组成：1)体积分数80％～90％的TCS蒸汽以及余量的氩气，ii)其中，所述供给包括：控制所述流态化气体流的流速；b)加热停留在所述反应区段中的所述流化的硅籽晶至反应温度，将所述流态化气体流在反应温度下在所述反应区段中保持停留时间，以制备元素硅，i)其中，所述流态化气体流的所述热分解通过以下化学...

【专利技术属性】
技术研发人员：本·菲斯尔曼，戴维·米克森，约克·特索，
申请(专利权)人：AE多晶硅公司，
类型：发明
国别省市：