使用高效混合式水平反應器的多晶矽製造裝置和方法與流程
2023-11-05 07:57:47 1
本發明涉及一種多晶矽生產裝置和方法,更具體地說,涉及一種使用水平式反應器生產多晶矽的設備和方法。
背景技術:
近年來,在諸如半導體器件和光伏器件的電子器件的製備中,對作為原料的多晶矽的需求不斷增長。已知許多方法用於生產在半導體或太陽能光伏電池的製備中作為原料的矽,並且一些方法在工業上已經實施。
目前可商用的高純度多晶矽通常通過化學氣相沉積工藝生產。具體地,可以通過使三氯氫矽氣體與諸如氫氣的還原氣體反應來生產多晶矽,如反應式1:
[反應式1]
sihcl3(氣體)+h2(氣體)→si(固體)+3hcl(氣體)
sih2cl2→si+2hcl
sicl4+2h2→si+4hcl
sih4→si+2h2
西門子法是一種示例性的可商用的多晶矽生產方法。根據西門子方法,將作為反應氣體的矽烷氣體和作為還原氣體的氫氣供給到鐘罩反應器中,並且將放置在鐘罩反應器中的矽棒加熱至或高於矽的沉積溫度。當熱量傳遞到反應氣體和還原氣體時,減少反應氣體以沉積多晶矽。
然而,西門子反應器消耗很多能量,通常是大約65kwh/kg至大約200kwh/kg的電能。這些電能成本佔多晶矽的總生產成本的很大一部分。另一個問題是批量沉積需要極其費力的過程,包括矽棒安裝、歐姆加熱、沉積、冷卻、提取和鐘罩反應器清潔。
另一種方法與使用流化床的多晶矽沉積有關。根據該方法,在提供尺寸約100微米的精細矽顆粒作為沉積核的同時提供矽烷以在精細矽顆粒上沉積矽,結果,連續生產出尺寸為1mm至2mm的矽晶粒。該方法的優點在於可以連續地操作相對長的時間。然而,由於其沉積溫度低,作為矽源的甲矽烷即使在低溫下也會熱分解,易於在反應器壁上形成精細分離的矽或沉積矽。因此,需要定期清潔或更換反應容器。
在韓國專利no.10-0692444中公開了使用垂直還原反應器生產多晶矽的裝置。該裝置使用其上沉積有矽的加熱器。該加熱器為圓柱形以具有高熱效率。具體地,所述裝置包括:(a)具有開口的圓柱形容器,該開口是位於下端的矽取出埠;(b)加熱器,用於以溫度等於或高於矽的熔點的溫度將圓柱形容器的內壁從下端加熱到所需高度;(c)氯矽烷供給管,其由外徑比所述圓柱形容器的內徑更小的內管構成,並且構造成使得所述內管的一個開口在由被加熱到等於或高於矽熔點的溫度的內壁所包圍的空間內朝向下方;以及(d)第一密封氣體供給管,其用於將密封氣體供給到由圓柱形容器的內壁和氯矽烷供給管的外壁所限定的間隙中。該裝置可選地還包括(e)用於將氫氣供應到上述圓柱形容器中的氫氣供給管。
圖1示意性地示出了垂直還原反應器類型的多晶矽生產裝置。
參照該圖,多晶矽生產裝置包括布置在反應器10的上部10a中的反應氣體入口11、布置在反應器10的中部10b的一側的真空管12、以及布置在反應器10的另一側的出口管13。用於收集、冷卻和鑄造熔融矽的單元布置在反應器10的下部10c中。
作為反應氣體的矽烷氣體通過入口11供應。矽烷氣體可以是甲矽烷、二氯甲矽烷、三氯甲矽烷(tcs)或四氯甲矽烷(stc)。在反應器10操作之後,真空管12可以用於產生用於清潔和淨化反應器10的內部空間的真空,並且出口管13可以用於釋放反應期間生成的廢氣。感應加熱線圈14設置在反應器10的上部10a中。當rf電流施加到感應加熱線圈14時,在反應管21中生成渦電流以釋放熱量。該熱量被應用到通過氣體入口和反應管21的壁面進入的氣體,以誘導多晶矽的沉積。
圖2是圖1所示的反應器的上部10a的示意性剖面圖。
參照該圖,反應管21設置在反應器的上部10a中,諸如矽烷氣體的反應氣體通過反應氣體供給口11供給到反應管21。加熱線圈23布設於設置在反應管21外側的絕緣管22的表面上。密封氣體25通過密封氣體供給管(未示出)供給並且填充在反應管21和絕緣管22之間以及絕緣管22和外部容器26之間。密封氣體25用於防止反應氣體通過反應管21和絕緣管22之間以及絕緣管22和外部容器26之間的間隙洩漏。諸如氫氣的還原氣體通過還原氣體供給管(未示出)供給。還原氣體可以與矽烷氣體混合供給。
如圖2的剖面圖所示,加熱線圈23不纏繞在反應管21的上部區域a中,而是纏繞在反應管21的下部區域b中。這種結構確保了反應管的熱穩定性和基本等溫分布。區域b需要具有比反應管的直徑大3~4倍的長度。
因此,從加熱線圈23傳遞到反應管21的熱量集中在下部區域b上,而不是上部區域a上。然而,圖1和圖2所示的多晶矽生產裝置的問題在於:進入反應管21的大量反應氣體和還原氣體通過反應管而不與反應管21的壁表面接觸,因而在高溫下不能進行充分的沉積。
也就是說,由於熱量不能充分地傳遞到流過反應管21的離加熱線圈23最遠的中心部分的氣體,所以發生慢還原反應,導致整體生產效率和能量效率低。
技術實現要素:
技術問題
本發明的一個目的是提供一種改進的多晶矽生產裝置和方法,以消除現有技術中遇到的問題。
本發明的又一個目的是提供一種用於高效地生產多晶矽的裝置和方法。
技術方案
根據本發明的一個方面,提供一種多晶矽製造裝置,其包括:
水平反應管,位於絕緣管中並具有入口、出口、反應表面和底部開口,通過所述入口供應包括反應氣體和還原氣體的氣態原料,殘餘氣體通過所述出口放出,所述氣態原料與反應表面接觸,通過所述氣態原料的反應產生的熔融多晶矽通過所述底部開口排出;以及
第一加熱設備,適於加熱所述水平反應管的所述反應表面,
其中,所述水平反應管包括由第一反應區域和第二反應區域組成的反應區域,在所述第一反應區域中沉積多晶矽,在所述第二反應區域中將反應副產物轉化為所述反應氣體,所述第一反應區域與所述第二反應區域串聯連接。
根據一個實施例,可以將所述第一反應區域的反應溫度獨立於所述第二反應區域的反應溫度進行控制。
根據一個實施例,所述裝置進一步包括適於收集通過所述水平反應管的所述底部開口排出的熔融多晶矽的容器。
所述第二反應區域中的每一個還可以具有供應還原氣體的開口。
所述反應氣體可以包括三氯甲矽烷(tcs),所述反應副產物可以包括甲矽烷、一氯甲矽烷、二氯甲矽烷(dtc)和四氯甲矽烷(stc)中的一種或多種。所述還原氣體可以包括氫氣。
根據一個實施例,所述水平反應管的所述底部開口可以形成在所述第一反應區域中。
所述水平反應管的所述第一反應區域和所述第二反應區域交替地布設,並且最後的反應區域被所述第一反應區域佔據。
所述第二反應區域可以包括能夠促進所述反應副產物到所述反應氣體的轉化的催化劑。
所述催化劑可以是在多晶矽沉積期間不提供雜質的si、sic或其混合物。
當所述第二反應區域包括催化劑時,將內部結構放置於所述第二反應區域中以提供附加的反應表面,使得與所述催化劑的接觸面積增加。
根據一個實施例,多晶矽收集容器可以包括第二加熱設備,該第二加熱設備適於將所收集的多晶矽保持在熔融狀態或將所收集的多晶矽保持在固態而不需要附加的加熱設備。
所述反應表面可以是水平反應管的內表面或外表面或這兩者。
所述多晶矽可以通過所述底部開口以微滴的形式被排出,並可以被收集在所述收集容器中。
所述水平反應管和多晶矽收集容器都可以位於所述絕緣管中。
根據本發明的又一方面,提供了一種多晶矽生產方法,包括:
將包含反應氣體和還原氣體的氣態原料通過氣體入口供給到水平反應管的第一反應區域中,所述水平反應管位於絕緣管中並具有由第一反應區域和第二反應區域組成的反應區域,在所述第一反應區域中沉積多晶矽,在所述第二反應區域中將反應副產物轉化為所述反應氣體,所述第一反應區域與所述第二反應區域串聯連接;
將所述水平反應管的所述第一反應區域加熱至所述氣態原料的反應溫度以沉積多晶矽;
在所述第二反應區域中將所述第一反應區域中的反應的副產物轉化為所述反應氣體,並允許所述反應氣體參與多晶矽沉積;以及
通過所述水平反應管的所述底部開口以微滴的形式排出所沉積的多晶矽。
所述方法可以進一步包括將以微滴的形式所排出的多晶矽收集在收集容器中。
所述方法可以進一步包括加熱所述收集容器以將所收集的多晶矽保持在液態,或將收集在所述收集容器中的多晶矽保持在固態。
可以將所述第一反應區域加熱至適於多晶矽沉積的溫度,並可以將所述第二反應區域加熱至適於反應副產物轉化的溫度,將所述兩個溫度相互獨立地控制。
所述方法包括向所述第二反應區域供應附加還原氣體,以用於在沒有催化劑的情況下轉化所述反應副產物,或者向所述第二反應區域供應催化劑,以用於轉化所述反應副產物。
技術效果
如上所述,與使用立式反應器的常規裝置和方法不同,本發明的多晶矽生產裝置和方法使用水平反應管。使用水平式反應管增加了用於氣態原料反應的反應表面的接觸面積,導致矽轉化的增加並且有助於對反應表面的溫度的控制。根據本發明,熔融矽可以被收集並被供應到下遊過程。這樣可以減少矽再熔融所需的能量的量,並且可以通過在上方的水平反應管和下方的收集容器之間的熱補償而有助於節能。另外,設置多個反應區域,在每個反應區域中可以獨立地控制溫度、氣態原料和副產物,從而有助於提高多晶矽的沉積效率。
附圖說明
圖1是根據現有技術的多晶矽生產裝置的示意性透視圖。
圖2是示意性地示出圖1所示的反應器的上部的剖視圖。
圖3是示出根據本發明一個實施例的多晶矽生產裝置的結構的示意圖。
圖4是示出根據本發明又一實施例的多晶矽生產裝置的結構的示意圖。
圖5是示出根據本發明另一個實施例的多晶矽生產裝置的結構的示意圖。
具體實施方式
現在將參考附圖中所示的實施例更詳細地描述本發明。然而,這並不旨在將本發明限制為特定的實踐模式,並且應當理解,不脫離本發明的精神和範圍的所有改變、等同物和替代物都包括在本發明中。
在所有附圖中,相同的附圖標記表示相同的元件。
雖然術語「第一」、「第二」、「a」、「b」等可以用於描述各種元件,但是這些元件不限於上述術語。上述術語僅用於將一個元件與另一個元件區分開。
術語「和/或」包括一個或多個相關所列項目的任一和所有組合。
應當理解,當元件被稱為「連接」或「耦合」到另一元件時,其可以直接連接或耦合到另一元件,或者可以存在中間元件。
如本文所使用的,單數使用的表達包括複數的表達,除非上下文另有明確指示。
術語「包括(comprises)」、「包含(comprising)」,「包括(includes)」,「包括(including)」「具有(has)」、「具有(having)」等旨在表示在說明書中公開的特徵、數字、步驟、操作、元件、組件或其組合的存在,並且不旨在排除可以存在或可以添加一個或多個其他特徵、數字、步驟、操作、元件、組件或其組合的可能性。
本發明提供一種多晶矽生產裝置,包括:水平反應管,該水平反應管位於絕緣管中並具有入口、出口、反應表面和底部開口,通過所述入口供應包括反應氣體和還原氣體的氣態原料,殘餘氣體通過所述出口放出,氣態原料與反應表面接觸,通過所述氣態原料的反應所產生的熔融多晶矽通過所述底部開口排出;以及
第一加熱設備,該第一加熱設備適於加熱所述水平反應管的所述反應表面,
其中,所述水平反應管包括由第一反應區域和第二反應區域組成的反應區域,在所述第一反應區域中沉積多晶矽,在所述第二反應區域中將反應副產物轉化為所述反應氣體,所述第一反應區域與所述第二反應區域串聯連接。改造的示意圖。
圖3示意性地示出了根據本發明一個實施例的多晶矽生產裝置的結構。
參照該圖,多晶矽生產裝置30包括:水平反應管33,該水平反應管位於絕緣管32中並具有入口31a、出口31b、反應表面和底部開口36,通過入口31a供應包括反應氣體和還原氣體的氣態原料,殘餘氣體通過出口31b放出,氣態原料與反應表面接觸,通過所述氣態原料的反應所產生的熔融多晶矽通過底部開口36排出;以及第一加熱設備(未示出),該第一加熱設備適於加熱水平反應管33的反應表面,其中,水平反應管33包括由第一反應區域33a,33b和33c和第二反應區域34a和34b組成的反應區域,在第一反應區域33a,33b和33c中沉積多晶矽,在第二反應區域34a和34b中將反應副產物轉化為所述反應氣體,所述第一反應區域與所述第二反應區域串聯連接。
水平反應管可以進一步包括容器39,該容器39適於收集通過底部開口36排出的熔融多晶矽37。收集容器39不是必需的並且可以被移除。
反應氣體可以包括甲矽烷、一氯甲矽烷、二氯甲矽烷(dcs)、三氯甲矽烷(tcs)和四氯甲矽烷(stc)中的一種或多種,通常為三氯甲矽烷,還原氣體可以包括氫氣。
如圖3所示,根據本發明的多晶矽生產裝置的水平式反應管被分成多個反應區域,其由僅產生矽的第一反應區域和將副產物轉化為反應氣體的第二反應區域組成。可以控制每個反應區域的反應條件(例如,反應溫度),使得矽沉積效率進一步提高。
加熱設備可以單獨地設置在第一反應區域和第二反應區域中,以單獨地控制反應區域的反應溫度。例如,可以根據隨著含矽反應氣體和還原氣體的反應進行而產生的副產物的量來控制反應條件。
具體地,以下沉積反應可以主要發生在第一反應區域中:
4sihcl3+h2→si(s)+sihcl3+sicl4+sih2cl2+3hcl
以下轉化反應可以主要發生在第二反應區域中:
sicl4+h2→sihcl3+hcl
當催化劑用於第二反應區域中的轉化反應時,可進行以下反應:
3sicl4+3h2+si→4sihcl3+h2
si+3hcl→sihcl3+h2
催化劑優選為si、sic或其混合物,其在多晶矽沉積期間不提供雜質,同時提供可以促進對三氯甲矽烷的轉化反應的表面。
將第一反應區域中的反應控制為有利於將三氯甲矽烷(tcs)轉化為矽(s)的條件,並將第二反應區域中的反應控制為有利於將四氯甲矽烷(stc)和/或二氯甲矽烷(dcs)轉化為tcs的條件,這導致總的矽沉積效率增加。
根據反應區域中主反應的特性,第一反應區域和第二反應區域也分別被稱為「沉積區域」和「轉化區域」。
可以重複第一反應區域和第二反應區域的一種或多種組合。具體地,第一反應區域和第二反應區域交替布設,並且最後的反應區域優選由第一反應區域佔據。將參照圖3所示的裝置說明反應區域的布設。反應氣體和還原氣體通過入口31a供給,並在初級沉積區域(第一反應區域:33a)中相互反應。作為反應的結果,矽被沉積並且產生了包括stc和dcs的副產物。tcs是反應氣體中的主要成分。作為副反應的結果產生的副產物(stc、dcs等)被送至初級轉化區域(第二反應區域:34a),在那裡副產物被轉化為tcs。將獲得的tcs送至沉積矽的次級沉積區域(第一反應區域:33b),並產生包括stc的副產物。在次級沉積區域(第一反應區域:33b)中產生的副產物stc被送至次級轉化區域(第二反應區域:34b),在那裡副產物可以轉化為tcs。將獲得的tcs送至可以沉積矽的三級沉積區域(第一反應區域:33c)。
這樣,水平反應管的最後反應區域被第一反應區域佔據。通過這種布設,從諸如stc的副產物轉換的tcs可以在用於多晶矽沉積的反應中用盡,結果是多晶矽沉積效率的提高。
在反應管的轉化區域中,stc到tcs的轉化效率可以低於用於廢氣處理的轉化反應的轉化效率。鑑於此,可以適當地控制串聯連接的第一反應區域和第二反應區域的數量。
矽主要在被供給到初級沉積區域的氣態原料的反應的初始階段被沉積。鑑於此,可以控制沉積區域(第一反應區域)和轉化區域(第二反應區域)的相對尺寸(長度)。例如,可以將沉積區域的長度與轉化區域的長度的比率調節到1:1至1:10的範圍,但不限於該範圍。
可以用整體或單獨的方式地控制第一反應區域和第二反應區域的溫度。例如,可以通過感應加熱或電阻加熱來直接或間接地加熱第一反應區域和第二反應區域。然而,加熱模式沒有特別限制。
可以向第二反應區域供應第二反應區域中的轉化反應所需的適量的附加還原氣體,以促進向tcs的轉化。為此,可以在一個或多個第二反應區域中形成供應附加還原氣體的入口(未示出)。
通常,來自tcs的多晶矽的沉積反應在約1400℃或更高溫度下進行。因此,沉積反應中的副產物可以在高達約1400℃的溫度下供應到轉化區域。轉化反應在約1000℃或更低的溫度下進行。附加還原氣體的供應在冷卻第二反應區域方面是有效的,這也有利於將第二反應區域的溫度降低到適當的水平。
根據本發明的又一個實施例,可以在第二反應區域中填充催化劑以促進stc到tcs的轉化。同樣在該實施例中,反應溫度達到約1000℃。從沉積區域釋放的氣體的溫度超過約1000℃,這可以用於stc的轉化。由於從轉化區釋放的氣體的溫度為約1000℃,因此沉積反應需要加熱,但是加熱所需的能量可以減少。
即使當在第二反應區域中進行基於氫氯化反應的混合轉化過程時,反應溫度為約600℃或更高。高的反應溫度可以通過上遊區域和下遊區域之間的熱補償而有助於節能,如在催化反應中。如本文所使用的,混合轉化過程是指通過供應作為還原氣體的氫氣的stc轉化過程。混合轉化過程可以在沒有催化劑的情況下在約600℃至約650℃下進行。
在水平反應管中,第一反應區域可以通過用作熱障的結構與第二反應區域隔開,通過該結構,第一反應區域的溫度與第二反應區域的溫度相差幾百℃。該結構可以部分地阻擋氣流。
根據本發明的又一實施例,第二反應區域可以包含催化劑。在該實施例中,內部結構可以放置在第二反應區域中以提供額外的反應表面。該內部結構增大與催化劑的接觸面積以促進反應。該內部結構(internalstructure)可以具有各種形狀,例如杆、網格和倒「u」形。圖4示出了其中倒u形內部結構安裝在第二反應區域中的裝置。圖4的裝置的其它元件與在圖3的裝置中說明的相同,因而在此省略其詳細說明。
如圖3所示,多晶矽收集容器39,49在水平反應管的下方一體地設置。儘管未示出,但是可以在與沉積區域和轉換區域對應的位置處設置單獨的多晶矽收集容器。
在將收集容器設置為一體的情況下,可以在收集容器的後部布置矽排出埠35,45(參見圖3和圖4)。在將單獨的收集容器49a、49b和49c設置在與單位(unit)反應區域相對應的位置處的情況下,如圖5所示,矽排出埠45a、45b和45c可以布置在收集容器的側面,即沿垂直於氣流的方向。
收集在多晶矽收集容器39中的多晶矽38也可以在多晶矽收集容器中保持固態,但更優選的是多晶矽收集容器39還包括第二加熱設備(未示出),以將所收集的多晶矽38保持在熔融狀態。
根據本發明的優選實施例,水平反應管33和多晶矽收集容器39都布設在絕緣管32中,如圖3所示。這種布設是優選的,因為可以阻止與外部的熱傳遞以防止能量損失,並且可以通過水平反應管33與多晶矽收集容器39之間的熱幹擾(thermalinterference)來補償熱量,以實現節能。
在本發明的裝置中,底部開口36形成在水平反應管33中。由於這種結構,氣態原料的反應可以發生在水平反應管33的內表面或外表面上,或這兩者上。當反應表面被加熱到接近多晶矽的熔融溫度時,通過含矽反應氣體與還原氣體的反應產生矽,並且矽沿著反應表面以熔融狀態向下流動。
根據一個實施例,水平反應管的底部開口優選地形成在第一反應區域中。在本實施方式中,可以防止來自第二反應區域的雜質被收集在收集容器39中。
熔融矽向下流動並以微滴37的形式通過水平反應管33的底部開口36排出。所排出的熔融矽可以收集在收集容器39中。
開口36布設在反應區域中,其中設置有適於加熱水平反應管33的反應表面的第一加熱設備。這種布設優選用於以微滴的形式排出熔融矽。
雖然在圖中未示出,但是水平反應管33平行於水平面放置。替代性地,水平反應管33可以相對於水平面以一定角度傾斜,使得保留在水平反應管上的熔融矽向下流動並且容易通過開口36排出。
與立式反應裝置相比,使用水平式反應管的多晶矽生產裝置的優點在於諸如反應氣體和還原氣體的溫度和壓力等反應條件易於控制。
根據本發明的又一方面,提供一種使用該裝置的多晶矽生產方法。
具體地,本發明的方法包括:
將包括反應氣體和還原氣體的氣態原料通過氣體入口供給到水平反應管的第一反應區域中,該水平反應管位於絕緣管中並具有由第一反應區域和第二反應區域組成的反應區域,在所述第一反應區域中沉積多晶矽,在所述第二反應區域中將反應副產物轉化為反應氣體,所述第一反應區域與所述第二反應區域串聯連接;
將所述水平反應管的第一反應區域加熱至所述氣態原料的反應溫度以沉積多晶矽;
將所述第一反應區域中的反應的副產物轉化為所述第二反應區域中的反應氣體,並允許所述反應氣體參與多晶矽沉積;以及
以微滴的形式通過所述水平反應管的底部開口排出所沉積的多晶矽。
根據一個實施例,所述方法可以進一步包括將通過所述水平反應管的底部開口以微滴形式所排出的多晶矽收集到收集容器中。
所收集的多晶矽38可以在多晶矽收集容器39中保持固態,或者可以通過加熱收集容器而處於熔融狀態。
可以獨立地控制水平反應管的反應區域的溫度。具體地,可以將第一反應區域加熱至適於多晶矽沉積的溫度,並且可以將第二反應區域加熱至適於轉化反應副產物的溫度,這兩個溫度被相互獨立地控制。
所述方法可以包括將附加的還原氣體供應到一個或多個第二反應區域。這可以確保最大的矽沉積效率。
在本發明的方法中使用的氣態原料可以包括含矽反應氣體。例如,含矽反應氣體可以包括選自甲矽烷,一氯甲矽烷,二氯甲矽烷(dcs),三氯甲矽烷(tcs)和四氯甲矽烷中的一種或多種矽氣體。還原氣體通常包括氫氣。作為另一示例,還原氣體可以包括zn或na。然而,對還原氣體的種類沒有特別限制。
在使用本發明的裝置的多晶矽生產方法中,對於多晶矽熔融,沉積區域的溫度可以調節到1400℃至2000℃,更優選1400℃至1800℃的範圍。在該範圍內,熔融矽保持其粘度使得其易於移動到反應管的底部並從反應管的底部落下。轉化區域的溫度可以調節到600℃至1000℃。所述方法可以在1atm至5atm的過程壓力下進行。
例如,感應加熱或電阻加熱可以用作加熱源,以將反應管加熱至矽的熔融溫度或高於矽的熔融溫度。考慮到反應器的結構,優選通過電阻加熱直接加熱反應管。然而,對加熱模式沒有特別限制,並且感應加熱也是可以的。具體地,反應管(即,反應表面)和下方的收集容器可以通過電阻加熱而被單獨地加熱。對於感應加熱,應考慮感應線圈的形式。在這種情況下,反應管和下方的收集容器位於單個線圈中,使得反應管和收集容器的溫度可以由單個線圈控制。
對用於根據本發明的裝置的反應管、內部結構、收集容器和其它元件的材料沒有特別限制。優選使用與氣態原料或熔融多晶矽較少反應的材料來製造反應管和收集容器。這種材料的示例包括諸如石墨、玻璃碳和聚碳酸酯的碳材料、碳化矽(sic)、氮化矽(si3n4)、氮化硼(bn)、塗覆sic的石墨、鉬(mo)、鉭(ta)、和石英。
例如,石墨的使用可能增加碳(即滲碳)滲透到熔融矽中的風險,導致矽的純度低。然而,隨著反應的進行,熔融矽與反應器表面上的石墨反應以形成sic層,其用於防止碳滲透到矽中。替代性地,可以使用塗覆sic層的石墨容器,或者可以將石英坩堝引入石墨容器中。在這種情況下,可以阻止雜質進入矽,這樣可以使矽保持高純度。
本發明的多晶矽生產裝置有助於以高純度生產熔融多晶矽。因此,熔融矽可以被供給到布置在所述裝置下遊的鑄造區域中的模具(未示出)中,並且被冷卻以獲得鑄造多晶矽塊。替代性地,多晶矽可以在用於後續過程之前以液態儲存。
在反應之後,可以回收廢氣。所回收的廢氣可以在單獨的過程中被分離並轉化成反應氣體。所獲得的反應氣體可以再循環用於矽沉積。
本發明採用水平反應管代替鐘罩反應器。使用水平反應管有助於控制反應器中的氣態原料的反應面積和保留時間,從而高效地生產多晶矽。
用於反應管下方的矽回收的開口部分具有相比反應管的其它部分更大的散熱面積和更小的熱輻射面積,並且相比反應管的其它部分更難以從周圍進行熱補償,增大了矽易於隨下降的溫度凝結的風險。也就是說,即使當反應管的中心部分(即,反應表面)的中心部分的溫度等於或高於矽的熔融溫度時,反應表面的底部溫度降至等於或低於矽的熔融溫度。結果,熔融矽不會落到下方的容器中並在反應管中凝結。這種現象可能持續因而阻塞反應表面的底部。
當旨在將鐘罩反應器的底部開口保持在等於或高於矽的熔融溫度的溫度時,該反應器的中間部分保持在相對高的溫度,導致大的溫差(即,梯度)。在使用矽烷氣體的常規矽沉積方法中,存在可能通過在高溫下的成核(nucleation)而產生矽粉塵的風險。矽粉塵降低了矽沉積效率,並且可能在下遊過程(即,廢氣再循環過程)中引起問題。此外,常規方法難以控制反應器的溫度。在通過cvd或vld(包括llc)生產矽的一般方法中,通過反應管的表面反應沉積在反應表面上的矽可以最終以熔融狀態被收集在下方的收集容器中。然而,粉塵可能通過在反應器中的特定高溫區域的空間中的矽成核來形成。粉塵不會被吸附到反應管的表面,並且會夾帶在氣流中並與來自反應管的廢氣一起排出。沒有回收的粉塵的排出導致矽的生產效率低。所排出的矽粉塵與廢氣一起可能在諸如排氣管線的下遊處理單元中引起問題。
當與鐘罩反應器相比時,本發明中使用的水平反應管由於其在豎向方向上的長度短而在其整個高度上具有小的溫度梯度,使得易於將反應管的內部溫度維持在恆定水平。由於這種溫度控制,可以預期增加氣態原料到矽的轉化。
矽收集容器位於反應器底部附近,並且矽可以在收集容器中保持液體狀態。這種熱補償效應有助於節能。
在將氣態原料充入反應管之後,在反應管的入口處基本完成氣態原料到矽的轉化。相比之下,鐘罩反應器需要大量能量以將矽保持在液態,直到在反應管的上部中產生的矽沿著反應表面向下流動,落到反應管的底部,並且被收集在收集容器中為止。
雖然在充入之後,矽轉化立即在水平反應器的前部基本完成,但所形成的液體矽將掉落一段距離以進行回收。該距離在水平反應器中比在鐘罩反應器中短,導致熱損失(即能量損失)較少。因此,水平反應器在能量效率方面是有利的。此外,反應管中的沉積區域和轉化區域的布設減少了具有高能量效率的最終副產物的量,結果提高了沉積效率,並且減少了用於副產物處理的下遊設施的數量,從而有助於降低生產成本。
雖然已經參照附圖中所示的實施例描述了本發明,但是本領域技術人員應當理解,所述實施例僅僅是示例性的,並且可以對這些實施例進行各種修改和等同變形。因此,本發明的實際範圍應當由所附權利要求限定。