制備粒狀多晶硅的反應器及方法技術

本發明專利技術公開了一種通過在硅種顆粒上沉積多晶硅來制備粒狀多晶硅的反應器，其包括反應容器，包括粒狀多晶硅及位于反應容器內的反應器底部的流化床的內反應管，用于加熱內反應管中的流化床的加熱裝置，至少一個用于導入流化氣體的底部氣體噴嘴，以及至少一個用于導入反應氣體的反應氣體噴嘴，用于導入硅種顆粒的供料裝置，且還包括用于粒狀多晶硅的排除管線以及用于將反應器廢氣從反應容器中排出的裝置，其中在圓柱形部件的圓柱形表面設有開口，圓柱形表面上至少5％且不超過95％為開口，位于內反應管及加熱裝置之間。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】本專利技術涉及一種反應器，特別是一種流化床反應器，還涉及一種用于制備粒狀多晶硅的方法。流化床反應器在例如通過冶金硅與氯化氫(HCl)在350～400℃下反應來制備三氯甲硅烷(TCS)的情況下被使用。TCS也可同樣地通過在流化床反應器內的冶金硅與STC/H2(STC＝四氯化硅)來制備。流化床反應器也用于制備多晶硅顆粒。這是通過在流化床內以氣流的方式流化硅顆粒、并通過加熱裝置將其加熱到高溫來實現的。含硅反應氣體的導入引起了熱顆粒表面的熱解反應。此時，元素硅在硅顆粒上沉積，且單個顆粒的直徑增大。定期排除尺寸增加的顆粒并添加較小的硅顆粒作為種顆粒，從而使該過程連續不斷伴隨所有優點進行。硅-鹵素化合物(例如氯硅烷或溴硅烷)、甲硅烷(SiH4)及這些氣體與氫氣的混合物被稱為含硅進料氣體。實施它們的沉積過程及裝置例如在US 4786477A中已知。US 5382412A公開了一種在流化床反應器中制備多晶硅的方法，其中初始硅顆粒供給到反應器中形成硅顆粒床；反應器床被分為反應區和加熱區，在所述反應區，氣態或氣化硅源以硅金屬的形式在反應溫度下沉積在硅顆粒上，而在所述加熱區，部分所述硅顆粒被加熱至反應溫度以上；含硅源的反應氣體被導入到反應區，從而使硅顆粒在反應區流化；載氣被導入到加熱區，從而使加熱區的硅顆粒流化；加熱區中的硅顆粒通過向加熱區導入微波能量而被加熱；位于加熱區上部區域的硅顆粒與反應區的硅顆粒混合，結果，熱量從加熱區轉移到反應區；且未反應的流化氣體及反應副產氣體從反應器里移除。然而，由于微波到硅的溫度依賴性注射行為以及能量輸入對反應器幾何結構及微波供給的依賴性，在使用這種反應器時，不同區域會出現能量導入不均勻的情況。在流化床內出現大量過熱的單硅顆粒、燒結在一起的顆粒以及形成較大顆粒團聚體。在產品中，由于其較差的流通性及其對反應器操作的實質上的干擾，這些硅團聚體是不合需要的。同樣地，粘附到流化床壁上的顆粒有時被加熱至熔化(T＞1400℃)。在波導管連接的直接附近區域的大量過熱顆粒也會導致對流化床壁的熱應力過大。由于流化床的流化作用，且因此混合行為在流化床內的溫度分布上有均衡效果，這點極大地取決于流化的程度。氣體速度越快，顆粒在垂直方向和水平方向上混合得越均勻。但是，由于流化氣體通常以比顆粒溫度明顯更低的溫度流進流化床，并在流化床上流經期間加熱至大約顆粒的溫度，所以氣體速度增加至遠超過松散速度總是導致所需能量輸入的增加。US 7029632B2公開了一種流化床反應器，其包括壓力額定的外殼、傳遞熱輻射的內反應管，硅顆粒進口，用來導入反應氣體的管狀進口，所述管狀進口將流化床分成加熱區和位于加熱區之上的反應區，用來將流化氣體導入到加熱區的氣體分配裝置，未反應氣體、流化氣體及氣態或氣化反應產品的出口，產品出口，加熱裝置及加熱裝置的能源供給裝置，其提議加熱裝置為提供熱輻射的輻射源，所述裝置以環形樣式安裝在內反應管外的加熱區周圍，且不與內反應管直接接觸，且并按以下方式配置：其在加熱區通過熱輻射方式加熱硅顆粒至反應區所設定的反應溫度。在此，加熱區和反應區垂直地分開。由此，因沒有含硅氣體在那里，所以加熱區的壁上不會出現沉積，這使得通過加熱方式而不是微波方式來加熱流化床成為可能。提供具有扁平加熱元件的熱輻射加熱裝置，且其以位置確定的方式將熱均勻地導入到流化床的周圍。熱輻射源的主體部分穿透內反應管，其具有由選定加熱器發出的熱輻射的高傳輸率并被位于加熱區壁直接附近的硅顆粒直接吸收。因此，流化床內的硅顆粒可以在加熱區周圍被直接加熱。僅小部分熱輻射被反應管吸收，并加熱反應管。加熱裝置是由例如摻雜硅或石墨或硅碳化合物構成的加熱元件、熔融石英管散熱器、陶瓷散熱器或金屬線散熱器組成。特別優選地，加熱裝置為彎曲的開縫管，其由石墨及碳化硅表面涂層構成，位于或懸浮于反應器的電極連接上。在沉積完成后冷卻反應器內部，且用惰性氣體例如H2、N2、Ar、He或這些氣體的混合物沖洗反應器內部，這已在US 8017024B2中公開。隨后取出經冷卻的硅顆粒，拆卸反應器，用新管替代反應管，然后再組裝反應器并把硅顆粒導入反應管內。隨后加熱硅顆粒并開始新的一輪沉積操作。現有技術中所描述反應器的問題在于，通常由熔融石英組成的反應管在從反應器取出時易被損壞。這導致了粒狀多晶硅的污染。根據US 8017024 B2，這種情況能通過免除拆卸反應器并向反應器通入腐蝕性氣體來去除反應管的壁沉淀而被避免，在腐蝕處理前，將粒狀多晶硅從反應器取出。WO 2008/018760 A1公開了流化床反應器內加熱裝置的保護管，其中加熱裝置位于所述保護管內。所述保護管用來防止由加熱裝置造成的硅顆粒污染或將由加熱裝置造成的硅顆粒污染最小化。WO 93/20933 A1公開了一種安裝在反應器井和感應器之間的承受器。反應器壁被輻射加熱裝置加熱。所述承受器是導電的并通過感應被加熱。這樣，可實現反應器壁均勻的溫度分布。所述承受器由耐高溫的導熱材料組成，優選石墨。然而，所述承受器被用作輻射盾，并使得該方法不經濟。本專利技術的目的源自于這些問題。本專利技術的目的是通過將多晶硅在硅種顆粒上沉積來制備粒狀多晶硅的反應器來實現的，所述反應器包括反應容器，用于包括粒狀多晶硅的流化床及位于反應容器內的反應器底部的內反應管，用來加熱內反應管中的流化床的加熱裝置，至少一個用于導入流化氣體的底部氣體噴嘴，以及至少一個用于導入反應氣體的反應氣體噴嘴，用于導入硅種顆粒的供料裝置，且還包括粒狀多晶硅的排出管線以及用于將反應廢氣從反應容器中排放的裝置，其中在內反應管及加熱裝置之間設有圓柱形部件，在其圓柱形表面上設有開口，且圓柱形表面上至少5％且不超過95％為開口的。對于本專利技術的目的，圓柱形部件的圓柱形表面上至少5％且不超過95％的部分為開口的是指所述部件的自由區域(開口總區域)與圓柱形表面的總區域的比例為5～95％。該比例優選為40～70％，尤其優選為45％-60％。所述開口可為細縫、開孔、網格及鉆孔等。所述部件可是例如圓柱形網格的形式。所述部件優選地在向上或向下方向上具有開口或在上下兩個方向(圓柱形的底部及頂部區域)都具有開口。這有利于反應器的拆卸。所述加熱裝置可以是彎曲形狀的加熱器或多個加熱元件或加熱條。優選地，加熱裝置由多個圍繞內反應管同心排列的加熱元件組成。在這種情況下，所述部件同樣地圍繞內反應管同心排列，優選地位于加熱元件和內反應管之間。優選地，所述部件由導熱性良好的材料組成。熱能通過熱輻射及熱傳導轉移到所述部件，并讓后者發熱。優先使用由加熱裝置發出的輻射能可滲透的材料組成的部件。優選地，加熱元件位于所述部件的圓柱形表面的開口內。開口為開孔，加熱條位于該開孔中。優選地，所述部件包含選自以下組中的材料：石墨、氯氟烴(CFC)、硅、碳化硅(SiC)及熔融石英。所述部件由一種或多種上述材料組成。所述部件同樣地可涂覆有上述材料中的一種或多種。流化床反應器由反應容器組成，所述反應容器內安裝有內反應管。包含粒狀多晶硅的流化床存在于反應管的內部。流化床通過加熱裝置被加熱。作為進料氣體，流化氣體和反應氣體混合物被供給到反應器。氣體以定向方式通過噴嘴供給。流化氣體通過底部氣體噴嘴供給，而反應氣體混合物通過次級氣體噴嘴(反應氣體噴嘴)供給本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種通過在硅種顆粒上沉積多晶硅來制備粒狀多晶硅的反應器，其包括反應容器，用于包括粒狀多晶硅的流化床及位于反應容器內的反應器底部的內反應管，用于加熱內反應管中的流化床的加熱裝置，至少一個用于導入流化氣體的底部氣體噴嘴，以及至少一個用于導入反應氣體的反應氣體噴嘴，用于導入硅種顆粒的供料裝置，且還包括用于粒狀多晶硅的排出管線以及用于從反應容器中排放反應器廢氣的裝置，其中在內反應管及加熱裝置之間設有圓柱形部件，該圓柱形部件在其圓柱形表面上有開口，該圓柱形表面上至少5％且不超過95％為開口。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.03.18 DE 102014205025.11.一種通過在硅種顆粒上沉積多晶硅來制備粒狀多晶硅的反應器，其包括反應容器，用于包括粒狀多晶硅的流化床及位于反應容器內的反應器底部的內反應管，用于加熱內反應管中的流化床的加熱裝置，至少一個用于導入流化氣體的底部氣體噴嘴，以及至少一個用于導入反應氣體的反應氣體噴嘴，用于導入硅種顆粒的供料裝置，且還包括用于粒狀多晶硅的排出管線以及用于從反應容器中排放反應器廢氣的裝置，其中在內反應管及加熱裝置之間設有圓柱形部件，該圓柱形部件在其圓柱形表面上有開口，該圓柱形表面上至少5％且不超過95％為開口。2.根據權利要求1所述的反應器，其中所述部件的圓柱形表面的40-70％為開口。3.根據權利要求2所述的反應器，其中所述部件的圓柱形表面的45-60％為開口。4.根據權利要求1到3中任一項所述的反應器，其中所述加熱裝置為具有彎曲形狀的加熱器或多個加熱元件。5.根據權利要求1到4中...

【專利技術屬性】
技術研發人員：D·韋克塞爾，
申請(專利權)人：瓦克化學股份公司，
類型：發明
國別省市：德國;DE