在基本閉環的方法和系統中制備多晶硅技術方案

公開了在基本閉環的方法中制備多晶硅。所述方法通常包括分解由冶金級硅所制備的三氯硅烷。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】在基本閉環的方法和系統中制備多晶硅
技術介紹
本專利技術的領域涉及在基本閉環的方法中制備多晶硅，特別是包括分解由冶金級硅制備的三氯硅烷的方法。多晶硅是一種用于制備包括例如集成電路和光伏(即太陽能)電池在內的許多商業產品的重要原材料。多晶硅通常通過化學氣相沉積機理制備，其中在流化床反應器中將硅由可熱分解的硅化合物沉積至硅顆粒上或在西門子型反應器中沉積至硅棒上。晶種顆粒的尺寸持續增大，直至其以多晶硅產物(即“顆粒狀”多晶硅)形式排出反應器中。合適的可分解硅化合物包括例如硅烷和鹵代硅烷如三氯硅烷。三氯硅烷可通過如下步驟制備:使氯化氫與硅源在下述反應中接觸:Si+3HC1 — SiHCl3+H2 (I)或通過使四氯化硅和氫氣與硅源在下述反應中接觸:Si+3SiCl4+2H2 — 4SiHCl3 (2)氯化氫和四氯化硅是多晶硅的 三氯硅烷基制備方法中較為昂貴的組分。持續需要通過熱分解三氯硅烷且相對于常規方法降低氫氣和氯氣用量的多晶硅制備方法以及就氯化氫而言能在基本閉環的方法中制備多晶硅的方法。還持續需要使用該方法制備多晶硅的系統。專利技術簡述本專利技術的一個方面涉及一種制備多晶硅的基本閉環的方法。將三氯硅烷和氫氣引入流化床反應器中以形成多晶娃和包含四氯化娃、氫氣和未反應的三氯娃燒的排出氣體。將一定量的來自所述排出氣體的四氯化硅和氫氣引入氫化反應器中以形成三氯硅烷和氯化氫。使氯化氫和硅接觸以形成三氯硅烷和四氯化硅。將通過使氯化氫和硅接觸所形成的三氯硅烷弓I入流化床反應器中以制備多晶硅。本專利技術的另一方面涉及一種制備多晶硅的基本閉環的方法。將三氯硅烷和氫氣引入第一流化床反應器中以形成多晶娃和包含四氯化娃、氫氣和未反應的三氯娃燒的第一排出氣體。將娃和一定量的來自所述排出氣體的四氯化娃和氫氣引入第二流化床反應器中以形成含有三氯娃燒和未反應的氫氣和未反應的四氯化娃的第二排出氣體。使氯化氫和娃接觸以形成三氯硅烷和四氯化硅。將通過使氯化氫與硅接觸所形成的三氯硅烷引入第一流化床反應器中以制備多晶硅。本專利技術的另一方面涉及一種用于通過分解三氯硅烷而制備多晶硅的系統。所述系統就三氯硅烷而言是基本閉環的。所述系統包括氯化氫與硅在其中接觸從而形成三氯硅烷和四氯化硅的氯化反應器。所述系統包括三氯硅烷在其中分解以制備多晶硅的流化床反應器。所述系統還包括將四氯化硅和氫氣引入其中以形成三氯硅烷的氫化反應器。本專利技術的又一方面涉及一種用于通過分解三氯硅烷而制備多晶硅的系統。所述系統就三氯硅烷而言是基本閉環的。所述系統包括氯化氫與硅在其中接觸從而形成三氯硅烷和四氯化硅的氯化反應器。所述系統包括三氯硅烷在其中分解以制備多晶硅的第一流化床反應器。所述系統包括四氯化硅與氫氣和顆粒狀硅在其中接觸以形成三氯硅烷的第二流化床反應器。存在與本專利技術上述方面有關的所述特征的各種改進。也可將其他特征引入本專利技術的上述方面中。這些改進和額外特征可單獨存在或以任何組合存在。例如，可將下文就本專利技術的任意示意性實施方案所述的各個特征單獨或以任何組合的方式引入本專利技術的任意上述方面中。附圖簡介附圖說明圖1為用于根據本專利技術的第一實施方案通過熱分解三氯硅烷而制備多晶硅的系統的流程圖；圖2為用于根據本專利技術的第二實施方案通過熱分解三氯硅烷而制備多晶硅的系統的流程圖；圖3為用于根據本專利技術的第一實施方案純化包含三氯硅烷和四氯化硅的排出氣體的純化系統的流程圖；圖4為用于根據本專利技術的第一實施方案分離和純化氫氣和氯化氫的分離系統的流程圖；和圖5為用于純化由用于氫化四氯硅烷的第二流化床反應器中排出的第二排出氣體的第二排出氣體分離系統的流程圖。在全部附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件。 專利技術詳述根據本專利技術，提供了用于由三氯硅烷制備多晶硅的基本閉環的方法和系統。本文所用的措辭“基本閉環的方法”或“基本閉環的系統”是指其中就所述基本閉環的系統或方法而言，除雜質之外，不從所述系統或方法中取出所述化合物，且除補充料流之外，不向所述系統和方法中供入所述化合物。如本文所用，就除硅之外的所有化合物如三氯硅烷、四氯化硅、氯化氫和/或氫氣而言，所述系統和方法是基本閉環的。制備多晶硅的閉環方法在本專利技術的若干實施方案中且如圖1所示，引入硅源3和氯化氫6并使其在氯化反應器7中接觸以形成經氯化的產物氣體10。所述經氯化的產物氣體10含有三氯硅烷和四氯化硅以及氫氣和未反應的氯化氫。三氯硅烷和四氯化硅可根據如下反應在氯化反應器7中形成:Si+3HC1 — SiHCl3+H2 (3)SiHCl3+HCl — SiCl4+H2 (4)就此而言，應理解的是，本文所用的兩種或更多種反應性化合物的“接觸”通常導致所述組分發生反應，且術語“接觸”和“反應”為同義詞以及派生自這些術語，這些術語及其派生詞不應視為具有限制性含義。硅源3通常為冶金級硅；然而，應理解的是可使用其他硅源如砂(即SiO2)、石英、燧石、硅藻土、礦物硅酸鹽、氟硅酸鹽及其混合物。優選硅的粒度為約10-約750 μ m或約50-約250 μ m。粒度的增大會降低反應速率，而較小的粒度由于較小直徑顆粒間內聚力的增大會導致更多的顆粒夾帶在反應器廢氣中且難以流化。氯化反應器7可為硅3在其中懸浮于氯化氫進氣6中的流化床反應器。反應器7可在至少約250° C，且在其他實施方案中，在至少約300° C (例如約250-約450° C或約300-約400° C)的溫度下操作。鑒于反應(3)和⑷的放熱性質，氯化反應器7可包括冷卻裝置(例如與反應器床熱連通的冷卻旋管或冷卻夾套)從而有助于控制所述反應器的溫度。就此而言，應理解的是盡管氯化反應器7可為流化床反應器，然而本文所用的氯化反應器應與下文所述“第一流化床反應器”和“第二流化床反應器”加以區分。反應器7可在至少約I巴，如約1-約10巴，約1-約7巴或約2_約5巴的壓力(即，高于大氣壓)下操作。氯化氫進氣6可含有一定量的雜質如氯硅烷(例如四氯化硅和/或三氯硅烷)。在本專利技術的各個實施方案中，氯化氫料流6包含至少約80體積％的氯化氫,至少約90體積％，至少約95體積％或者甚至至少約99體積％的氯化氫(例如約80-約99體積％或約90-約99體積％)。氯化反應器7可含有一定量的催化劑以在經氯化的產物氣體10中相對于四氯化硅的形成而促進三氯硅烷的形成。例如，氯化反應器7可含有美國專利5，871，705中所公開的VIII族金屬催化劑(例如鐵、鈷、鎳、釩和/或鉬)或含有鋁、銅或鈦金屬的催化劑，其出于所有相關和一致目的通過引用并入本文。反應器7也可含有一定量的一種或多種堿金屬化合物(例如氯化鋰、氯化鈉、氯化鉀、氯化銫、氯化銣、硫酸鈉和/或硝酸鈉)以提高對三氯硅烷的選擇性。反應器7可在最小流化速度的約1.1-約8倍下或最小流化速度的約1.5-約4倍下操作。 氯化反應器7中的氯化氫轉化率可根據反應條件而變化，且通常為至少約50%，至少約65%，至少約80%，至少約90%，在一些實施方案中，轉化率可達100%(例如約50-約100%或約80-約100%)。對三氯硅烷的選擇性可為至少約50%，至少約65%或者甚至至少約80% (例如約50-約90%或約70-約90%)。將所述經氯化的產物氣體10弓丨入純化系統4中以形成純化的三氯硅烷料流20和純化的四氯化硅料流22。所述本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：S·布薩拉普，Y·黃，P·古普塔，
申請(專利權)人：MEMC電子材料有限公司，
類型：
國別省市：