一種多晶矽生產裝置及多晶矽生產方法
2023-07-07 23:59:26
專利名稱：一種多晶矽生產裝置及多晶矽生產方法
技術領域：
本發明涉及多晶矽生產領域，具體為一種多晶矽生產裝置及多晶矽生產方法。
背景技術：
目前，可用於生產太陽能級多晶矽的化學方法主要有兩大類西門子法和矽烷法。 西門子法生產的多晶矽佔市場的80 %，而其他方法所佔比例只有不到20 %。西門子法採用固定床反應器進行SiHCl3熱氫還原工藝，即在1100°C以上的高溫下 進行化學反應，分離出多晶矽，其反應效率低於20%，直接電耗在100kWh/kg以上，而且會 產生比矽多8倍以上的SiCl4、及SiH2Cl2等，此化學反應過程為3SiHCl3+2H2 — Si+SiH2Cl2+SiCl4+3HCl+H2處理這些氣體需要很高技術和很大的資金投入，否則將會嚴重地汙染環境。改良西門子法配用了完善的SiClJt氫化回收再利用技術，即在650°C的溫度下加 氫、添加矽粉生產出SiHCl3，此化學反應過程為3SiCl4+2H2+Si — 4SiHCl3應用此項技術降低了 SiCl4等氣體排出量，減小了對環境的汙染，使生產多晶矽的 直接電耗可降到60 70kWh/kg，因而生產多晶矽的成本有所下降。但是該工藝設備繁多， 物料流態化加料較困難，很難連續生產，運行不穩定，所得三氯氫矽需專門精餾提純，還需
進一步完善工藝。為了改進傳統西門子方法製造多晶矽生產具有高耗能、高汙染和高成本的弊端。 近年來發展使用流化床反應器代替西門子反應器，可使反應效率提高到65%，電耗降到 40kWh/kg，有明顯的收效，但是成本仍然很高，距離市場的要求仍然相當遠。西門子法另一個改進技術是氣液沉積法(VLD法)，採用感應加熱技術將石墨管升 溫至1500°C，3讓(13和!12氣體從石墨管上部注入，並在管內壁反應生成液體矽，其中液體 Si滴入反應器底部，固化生成粒狀多晶矽。此法有效地提高了 SiHCl3的轉化率，也大大提 高了 Si的沉積速率(約為經典西門子工藝的10倍)；矽以液態形式出現，既避免了流化床 技術中出現的粉塵問題，又可實現連續操作。VLD法是一種具有重要優點的新技術，最初目 標是低成本，即儘量從三氯矽烷中找到最大沉積率。但該法所得產品中碳和重金屬的含量 較高，碳原子含量約為0. 01 %，重金屬原子含量約為0. 00001%，用該產品製備的太陽能電 池的效率為15. 6%。VLD法已建成年產200t的中試線，要使VLD法產業化，就必須解決其 雜質含量過高的問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種多晶矽生產裝置及多晶矽生產方法，以解決現有技術的 多晶矽生產方法及裝置存在的汙染性高，工藝複雜，雜質含量過高的問題。為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為一種多晶矽生產裝置，其特徵在於包括多晶矽固化接收容器，以及作為反應器的微波表面波等離子體炬，所述多晶矽固化接收容器接收微波表面波等離子體炬生成的多晶 娃；所述微波表面波等離子體炬包括矩形波導，矩形波導一端安裝有向矩形波導內傳 輸微波的微波產生傳輸裝置，矩形波導另一端滑動安裝有短路活塞，所述矩形波導內側壁 有拱起的通道壓縮塊，通道壓縮塊所在的矩形波導側壁中安裝有軸線與矩形波導中心軸垂 直的旋轉進氣環，所述旋轉進氣環位於矩形波導外的側壁安裝有與旋轉進氣環相切且連通 的進氣管，旋轉進氣環位於矩形波導外的端壁安裝有與旋轉進氣環同軸的點火器，與通道 壓縮塊相對的矩形波導另一側壁安裝有與旋轉進氣環同軸的圓波導，所述圓波導中同軸安 裝有兩端穿出圓波導的介質管，所述介質管穿出圓波導位於矩形波導外的一端為出氣口， 介質管另一端穿出圓波導並伸入矩形波導中與所述旋轉進氣環連通；所述多晶矽固化接收容器包括容器，容器側壁安裝有與容器連通的密封氣體進氣 管和反應廢棄出氣管，微波表面波等離子體炬的介質管出氣口從容器頂部沿容器中心軸伸 入容器中，所述容器底部沿容器中心軸安裝有出料管，容器外套有冷卻夾套，冷卻夾套側壁 安裝有循環冷劑進、出管。所述的一種多晶矽生產裝置，其特徵在於所述微波表面波等離子體炬中，所述旋 轉進氣環的進氣管中安裝有絕熱層。所述的一種多晶矽生產裝置，其特徵在於所述微波表面波等離子體炬中，微波產 生傳輸裝置包括通過環形器安裝在矩形波導一端且與矩形波導同軸的激勵腔，所述激勵腔 側壁安裝有微波管。所述的一種多晶矽生產裝置，其特徵在於所述多晶矽固化接收容器中，所述容器 底部的出料管上安裝有卸料閥。所述的多晶矽生產裝置的多晶矽生產方法，其特徵在於採用SiHCl3蒸汽和H2氣 體作為原料反應物，原料反應物從多晶矽生產裝置中微波表面波等離子體櫃的旋轉進氣環 進氣管進入介質管中，通過微波產生傳輸裝置向介質管發送微波，常壓條件下在介質管中 對原料反應物放電產生等離子體，以加熱介質管中的原料反應物，並控制介質管中的反應 溫度在1500°C以上，化學反應方程式為2SiHCl3+2H2 — 2Si+6HCl，反應後生成的矽在介質管中為熔融狀態，並通過介質管的出氣口送入容器中，容 器外的冷卻夾套通入循環冷劑，以在容器內形成溫度梯度，熔融狀態的矽在容器中冷卻而 固化後落入容器底部，得到多晶矽。所述的多晶矽生產方法，其特徵在於所述原料反應物採用SiCl4*H2，其化學反 應方程式為SiCl4+2H2 — Si+4HC1。所述的多晶矽生產方法，其特徵在於所述原料反應物採用SiH2Cl2，其化學反應 方程式為SiH2Cl2 — 2Si+2HCl。所述的多晶矽生產方法，其特徵在於所述原料反應物採用SiH4，其化學反應方程 式為SiH4 — Si+2H2。本發明為一種新的微波等離子體法(MWP)多晶矽生產技術，本發明中，微波表面 波等離子體炬可在常壓下直接對進入反應器的任何氣體放電，形成穩定的空間均勻性好、 活性高的微波等離子；等離子體體積達到1-1. 5立方分米，溫度可達到1500°C以上，可保證 氣體的化學反應高效、高速率進行；由於微波透過反應器室壁形成等離子體，不存在來自於溫度過高的反應室器壁材料汙染，保證了產品的高度純淨。微波表面波等離子體炬在一定 條件下可實現放大，因而本發明裝置也可以實現有效放大，提高生產能力，從而滿足工業化 生產的要求。本發明優點為本發明由於利用微波表面波等離子體炬，使得SiHCl3轉化效率很高，因而省去了 回收SiCl4製備SiHCl3, 5讓(13再制多晶矽的循環工藝，其電力消耗要比改良西門子法低10 倍以上，同時大大降低了氫氣的消耗。本發明技術利用微波透過介質管反應器室壁直接加熱進入反應器的氣體，與通過 反應器室壁傳導熱量不同，沒有被加熱到高溫的室壁雜質進入反應區，使氣體放電產生高 能量密度且足夠潔淨的等離子體，因而用該法生產的多晶矽純度只依賴於初始注入的氣體 純度。由該技術生產得到的產品純度極高，不僅可以用於製造太陽能的元件，甚至可以用於 生長電子級單晶矽。本發明由於採用微波表面波等離子體櫃，使等離子射流局域化，高溫區集中在等 離子區域，因此構造化學反應室的材料選擇範圍較寬。本發明由於採用微波表面波等離子體炬，大幅度增強反應氣體的活性，不僅 SiHCl3可以作為原料，SiCl4, SiH2Cl2、以及SiH4等均可作為原料進行生產，高效快速還原， 生產效率得到大幅的提高，可提高西門子法副產品的有效利用率，尤其是對SiCl4的消化利 用。本發明採用的微波表面波等離子體炬可實現放大，從而提高微波等離子體法生產 多晶矽的生產能力，實現工業化生產，滿足多晶矽市場的迫切需求。本發明技術有望用於生產其他氣相生成的材料，例如金剛石薄膜、金剛石納米粉、 碳化矽、鈦粉、以及各種其他高端材料。
圖1為本發明採用的微波表面波等離子體炬結構圖。圖2本發明微波等離子體法多晶矽生產裝置結構圖。圖3本發明微波等離子體法多晶矽生產裝置工作狀態圖。
具體實施例方式一種多晶矽生產裝置，包括多晶矽固化接收容器，以及作為反應器的微波表面波 等離子體炬，所述多晶矽固化接收容器接收微波表面波等離子體炬生成的多晶矽；如圖1、圖2及圖3所示。微波表面波等離子體炬包括矩形波導102，矩形波導102 一端安裝有向矩形波導102內傳輸微波的微波產生傳輸裝置，微波產生傳輸裝置包括通過 環形器110安裝在矩形波導102 —端且與矩形波導102同軸的激勵腔111，激勵腔111側 壁安裝有微波管112。矩形波導102另一端滑動安裝有短路活塞101，矩形波導102內側壁 有拱起的通道壓縮塊103，通道壓縮塊103所在的矩形波導102側壁中安裝有軸線與矩形 波導102中心軸垂直的旋轉進氣環104，旋轉進氣環104位於矩形波導102外的側壁安裝 有與旋轉進氣環104相切且連通的進氣管113，旋轉進氣環104的進氣管113中安裝有絕 熱層207。旋轉進氣環104位於矩形波導外的端壁安裝有與旋轉進氣環104同軸的點火器105，與通道壓縮塊103相對的矩形波導102另一側壁安裝有與旋轉進氣環104同軸的圓波 導106，圓波導106中同軸安裝有兩端穿出圓波導106的介質管107，介質管107穿出圓波 導106位於矩形波導102外的一端為出氣口 108，介質管107另一端穿出圓波導106並伸入 矩形波導102中與旋轉進氣環104連通；多晶矽固化接收容器包括容器，容器側壁安裝有與容器連通的密封氣體進氣管 201和反應廢氣出氣管202，微波表面波等離子體炬的介質管107出氣口 108從容器頂部沿 容器中心軸伸入容器中，容器底部沿容器中心軸安裝有出料管203，出料管203上安裝有卸 料閥204。容器外套有冷卻夾套205，冷卻夾套205側壁安裝有循環冷劑進、出管206。微波產生傳輸裝置在介質管中形成等離子體區域109，容器通過密封氣體進氣管 201通入壓氣體，反應的廢氣從反應廢氣出氣管202排除，反應得到的多晶矽208沉積在容 器底部。多晶矽生產方法，採用SiHCl3蒸汽和H2氣體作為原料反應物，原料反應物從多晶 矽生產裝置中微波表面波等離子體炬的旋轉進氣環進氣管進入介質管中，通過微波產生傳 輸裝置向介質管發送微波，常壓條件下在介質管中對原料反應物放電產生等離子體，以加 熱介質管中的原料反應物，並控制介質管中的反應溫度在1500°C以上，化學反應方程式為 2SiHCl3+2H2 — 2Si+6HCl,反應後生成的矽在介質管中為熔融狀態，並通過介質管的出氣口送入容器中，容 器外的冷卻夾套通入循環冷劑，以在容器內形成溫度梯度，熔融狀態的矽在容器中冷卻而 固化後落入容器底部，得到多晶矽。原料反應物採用SiCl4和H2,其化學反應方程式為SiCl4+2H2 — Si+4HC1。原料反 應物採用SiH2Cl2,其化學反應方程式為SiH2Cl2 — 2Si+2HCl。原料反應物採用SiH4，其化 學反應方程式為=SiH4 — Si+2H2。本發明以SiHCl3蒸汽和H2作為多晶矽生產的原料，由微波表面波等離子體炬旋轉 進氣環的進氣管113連續注入微波等離子體反應器。在常壓下，以不導入任何雜質為前提， 在等離子體區域109對SiHCl3蒸汽和H2的氣體放電，控制其反應溫度在1500°C以上。該 反應方程式為2SiHCl3+2H2 — 2Si+6HCl西門子法生產多晶矽工藝，會生產出大量SiCl4和SiH2Cl2,本發明也可用SiCl4和 H2作為多晶矽生產的原料，或直接用SiH2Cl2作為多晶矽生產的原料，由微波表面波等離子 體炬作用產生多晶矽，其反應式分別如下SiCl4+2H2 — Si+4HC1SiH2Cl2 — 2Si+2HCl同樣，也可直接用矽烷SiH4作為多晶矽的生產原料由微波表面波等離子體炬產生 多晶矽，其反應式如下SiH4 — Si+2 此法利用微波高效透過介質管在反應器中直接放電產生高能量密度且足夠潔淨 的等離子體，加熱進入反應器的氣體(不是通過反應器室壁傳導)，因而大幅度增加反應氣 體的活性，使得SiHCl3、SiCl4, SiH2Cl2或SiH4高效快速被還原。由於矽在反應中幾乎全部 還原，因而原料利用率充分，電耗大大減少，同時也降低了氫氣的消耗。
本發明中，氫氣和三氯氫矽蒸汽由微波表面波等離子體炬的進氣管113進入，蒸 汽應保持在一定溫度，故對進氣管加絕熱層207 ；由於在等離子區域109內進行矽析出和熔 融，介質管107下端為具有開口部分108作為產品出口。雖然高溫熔融矽活性極強能與多 種物質反應，但是由於高溫區集中在等離子體區域109，生成物矽在1500°C就熔融，因而生 成物不會附著在介質管壁堵塞反應器，該介質管107材質可選為石英、氮化矽、三氧化二鋁寸。本發明裝置設置一個密閉的多晶矽固化接收容器，在其外部使用冷卻夾套205，使 得筒狀容器內部存在溫度梯度，熔融狀態的Si逐漸冷卻而固化，滴落筒狀容器底部，得到 純淨的多晶矽208.本發明裝置中多晶矽固化接收器為密閉可拆卸容器，材質可選為石墨、SiO2, SiC、 Si3N4和BN等材料；在密閉容器設置提供密封氣體的進氣管201、並由反應廢氣出氣管202 進入尾氣回收系統；根據需要設置連續或間歇取出固化結晶矽的出料管203，同時配備卸 料閥204 ；冷卻夾套205，使用循環冷劑206進行循環冷卻。
權利要求
1.一種多晶矽生產裝置，其特徵在於包括多晶矽固化接收容器，以及作為反應器的 微波表面波等離子體炬，所述多晶矽固化接收容器接收微波表面波等離子體炬生成的多晶 娃；所述微波表面波等離子體炬包括矩形波導，矩形波導一端安裝有向矩形波導內傳輸微 波的微波產生傳輸裝置，矩形波導另一端滑動安裝有短路活塞，所述矩形波導內側壁有拱 起的通道壓縮塊，通道壓縮塊所在的矩形波導側壁中安裝有軸線與矩形波導中心軸垂直的 旋轉進氣環，所述旋轉進氣環位於矩形波導外的側壁安裝有與旋轉進氣環相切且連通的進 氣管，旋轉進氣環位於矩形波導外的端壁安裝有與旋轉進氣環同軸的點火器，與通道壓縮 塊相對的矩形波導另一側壁安裝有與旋轉進氣環同軸的圓波導，所述圓波導中同軸安裝有 兩端穿出圓波導的介質管，所述介質管穿出圓波導位於矩形波導外的一端為出氣口，介質 管另一端穿出網波導並伸入矩形波導中與所述旋轉進氣環連通；所述多晶矽固化接收容器包括容器，容器側壁安裝有與容器連通的密封氣體進氣管和 反應廢棄出氣管，微波表面波等離子體炬的介質管出氣口從容器頂部沿容器中心軸伸入容 器中，所述容器底部沿容器中心軸安裝有出料管，容器外套有冷卻夾套，冷卻夾套側壁安裝 有循環冷劑進、出管。
2.根據權利要求1所述的一種多晶矽生產裝置，其特徵在於所述微波表面波等離子 體炬中，所述旋轉進氣環的進氣管中安裝有絕熱層。
3.根據權利要求1所述的一種多晶矽生產裝置，其特徵在於所述微波表面波等離子 體炬中，微波產生傳輸裝置包括通過環形器安裝在矩形波導一端且與矩形波導同軸的激勵 腔，所述激勵腔側壁安裝有微波管。
4.根據權利要求1所述的一種多晶矽生產裝置，其特徵在於所述多晶矽固化接收容 器中，所述容器底部的出料管上安裝有卸料閥。
5.基於權利要求1所述的多晶矽生產裝置的多晶矽生產方法，其特徵在於採用 SiHCl3蒸汽和H2氣體作為原料反應物，原料反應物從多晶矽生產裝置中微波表面波等離子 體櫃的旋轉進氣環進氣管進入介質管中，通過微波產生傳輸裝置向介質管發送微波，常壓 條件下在介質管中對原料反應物放電產生等離子體，以加熱介質管中的原料反應物，並控 制介質管中的反應溫度在1500°C以上，化學反應方程式為2SiHCl3+2H2 — 2Si+6HCl，反應後生成的矽在介質管中為熔融狀態，並通過介質管的出氣口送入容器中，容器外 的冷卻夾套通入循環冷劑，以在容器內形成溫度梯度，熔融狀態的矽在容器中冷卻而固化 後落入容器底部，得到多晶矽。
6.根據權利要求5所述的多晶矽生產方法，其特徵在於所述原料反應物採用SiCl4* H2,其化學反應方程式為SiCl4+2H2 — Si+4HC1。
7.根據權利要求5所述的多晶矽生產方法，其特徵在於所述原料反應物採用SiH2Cl2, 其化學反應方程式為=SiH2Cl2 — 2Si+2HCl。
8.根據權利要求5所述的多晶矽生產方法，其特徵在於所述原料反應物採用SiH4，其 化學反應方程式為=SiH4 — Si+2H2。
全文摘要
本發明公開了一種多晶矽生產裝置，包括多晶矽固化接收容器，微波表面波等離子體炬，多晶矽固化接收容器接收微波表面波等離子體炬生成的多晶矽。本發明還公開了一種多晶矽生產方法，採用SiHCl3蒸汽和H2氣體作為原料反應物，通過微波表面波等離子體炬對原料反應物放電以加熱介質管中的原料反應物，生成的矽在多晶矽固化接收容器中冷卻而固化得到多晶矽。
文檔編號C01B33/03GK102060298SQ20101055987
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者任兆杏, 任炟, 劉靜 申請人:合肥飛帆等離子科技有限公司