專利名稱：一種用于多晶硅生產(chǎn)提高還原沉積反應(yīng)效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多晶硅生產(chǎn)過程中的還原沉積反應(yīng)。
背景技術(shù)：
在多晶硅生產(chǎn)過程中，還原沉積反應(yīng)是最重要的化學(xué)反應(yīng)單元，此單元直接關(guān)系到成品多晶硅的質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)成本。
還原沉積反應(yīng)效率包括兩方面的內(nèi)容沉積反應(yīng)的速率和不定型娃的產(chǎn)生量。沉積反應(yīng)速率越高，不定型硅的產(chǎn)生量越小，表明沉積反應(yīng)效率越高；反之效率越低。
目前，公知的多晶硅生產(chǎn)方法為經(jīng)提純的三氯氫硅和凈化的氫氣按一定摩爾比例供給到多晶硅還原沉積反應(yīng)器中，在1080 1100°C溫度下進(jìn)行化學(xué)沉積反應(yīng)，生成的硅沉積在反應(yīng)器內(nèi)的硅棒表面，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，在硅棒表面沉積越多，硅棒的直徑越大，直到達(dá)到規(guī)定的多晶硅成品要求尺寸，停止還原沉積反應(yīng)器的運行，從反應(yīng)器內(nèi)移出多晶硅成品O
在多晶硅生產(chǎn)過程中，還原沉積反應(yīng)器硅棒表面發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)
SiHCl3+ (H2) =l/2Si+l/2SiCl4+HCl+ (H2)
同時，由于在氫氣氛圍下，因此存在如下副反應(yīng)
SiHCl3+H2=SiH2Cl2+HCl
SiCl4+H2=SiHCl3+HCl
SiH2Cl2=Si+2HCl
由反應(yīng)式可見，三氯氫硅和氫氣為多晶硅還原沉積反應(yīng)的原料，生成多晶硅的同時會生成SiCl4、SiH2Cl2和HCl。由于過程中二氯二氫硅的產(chǎn)生，導(dǎo)致多晶硅整個生產(chǎn)流程中二氯二氫硅不斷的累積；如果讓二氯二氫硅混合在三氯氫硅中，不分階段控制二氯二氫硅的含量進(jìn)行還原沉積反應(yīng)，就會產(chǎn)生不定型硅，影響還原沉積反應(yīng)的效率。因此大規(guī)模的多晶硅生產(chǎn)廠家采用二氯二氫硅與四氯化硅進(jìn)行反歧化的方法來處理系統(tǒng)累積的二氯二氫硅。
傳統(tǒng)的三氯氫硅氫還原法工藝流程如附圖1所示一定摩爾配比的氫氣與三氯氫硅混合氣體，直接進(jìn)入還原沉積反應(yīng)器，根據(jù)沉積反應(yīng)器內(nèi)的硅棒直徑調(diào)整混合原料氣的進(jìn)料量，在高溫硅棒表面發(fā)生反應(yīng)生成多晶硅。
在實際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的三氯氫硅氫還原法無法克服反應(yīng)初期的沉積反應(yīng)效率低， 硅棒生長緩慢，沉積反應(yīng)器內(nèi)溫度低的缺點。同時，在反應(yīng)后期由于反應(yīng)器內(nèi)溫度較高，副產(chǎn)二氯二氫硅會迅速分解，產(chǎn)生大量不定型硅，附著在反應(yīng)器內(nèi)壁，影響還原沉積反應(yīng)器的正常工作。同時，為了避免不定型硅堵塞下游裝置的管道和設(shè)備，現(xiàn)有裝置還需加裝硅粉過濾裝置來處理在沉積反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的不定型硅。
由于二氯二氫硅的熱 分解溫度在800 900 °C，而三氯氫硅氫還原的溫度在 1080 1100°C。在沉積反應(yīng)初期，沉積反應(yīng)器內(nèi)的硅芯直徑較小，硅芯向沉積反應(yīng)器輻射的熱量也較小，反應(yīng)器內(nèi)的溫度較低，二氯二氫娃由于沉積反應(yīng)溫度低，易于在娃芯表面發(fā)生沉積反應(yīng)，因此反應(yīng)效率也高。此時需要較高的進(jìn)氣溫度和較高比例的二氯二氫硅含量原料氣。二氯二氫硅參與的沉積反應(yīng)可以使硅芯以最快的速率長大，從而迅速地增加沉積反應(yīng)的有效高溫面積。當(dāng)還原沉積反應(yīng)到一定階段后，硅棒直徑增大，沉積反應(yīng)器內(nèi)溫度升高，此時二氯二氫硅極易在反應(yīng)器內(nèi)硅棒之間的間隙就發(fā)生分解反應(yīng)，形成不定型硅，造成物料的極大浪費，對應(yīng)反應(yīng)的效率也會降低；同時附著在還原沉積反應(yīng)器內(nèi)的不定型硅也不利于生產(chǎn)的正常進(jìn)行。此時需要較低的進(jìn)氣溫度和較低比例的二氯二氫硅含量原料氣。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于多晶硅生產(chǎn)提高還原沉積反應(yīng)效率的方法，該方法不僅能提高還原沉積反應(yīng)的效率，而且有效控制沉積反應(yīng)過程中不定型硅的產(chǎn)生，避免不定型硅堵塞下游裝置的管道和設(shè)備，同時實現(xiàn)二氯二氫硅在多晶硅生產(chǎn)中密閉循環(huán)，避免了二氯二氫硅與四氯化硅反歧化裝置的設(shè)置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種用于多晶硅生產(chǎn)提高還原沉積反應(yīng)效率的方法，其特征是二氯二氫硅和三氯氫硅液體采用獨立的汽化器和過熱器，分別進(jìn)行汽化和過熱；過熱后的三氯氫硅氣體、二氯二氫硅氣體及高純氫氣通過各自的流量控制單元分階段以合適的流量進(jìn)入靜態(tài)混合器中混合，混合后的氣體進(jìn)入混合氣體溫度控制單元，分階段控制混合氣體溫度，輸送至還原沉積反應(yīng)器，在沉積反應(yīng)器內(nèi)的硅棒表面發(fā)生反應(yīng)生成多晶娃。
此技術(shù)方案中的分階段控制主要為以下兩方面二氯二氫硅在進(jìn)料混合氣體中的質(zhì)量含量分階段控制和反應(yīng)原料進(jìn)氣溫度的分階段控制。
在還原沉積反應(yīng)初期，二氯二氫硅在混合氣體中的質(zhì)量含量控制在較高的水平， 通?？刂贫榷涔柙诨旌蠚怏w中質(zhì)量含量為10 80%，此時的還原沉積反應(yīng)進(jìn)氣溫度控制在150 300°C。此過程中可以大大提高還原沉積反應(yīng)的效率，通常相對傳統(tǒng)的方法提高效率20 30%，且沒有無定型硅產(chǎn)生。
在還原沉積反應(yīng)中期，二氯二氫硅在混合氣體中的質(zhì)量含量控制在正常的水平， 通?？刂贫榷涔柙诨旌蠚怏w中的質(zhì)量含量為5 10%，此過程的還原沉積反應(yīng)進(jìn)氣溫度控制在90 150°C。此過程相對傳統(tǒng)方法可以提高還原沉積反應(yīng)效率10 20%，且沒有無定型娃產(chǎn)生。
在還原沉積反應(yīng)后期，二氯二氫硅在混合氣體中的質(zhì)量含量控制在較低的水平， 通?？刂贫榷涔柙诨旌蠚怏w中的質(zhì)量含量為O 5%，此過程的還原沉積反應(yīng)進(jìn)氣溫度控制在60 90°C。此過程還原沉積反應(yīng)效率提高5 10%，且沒有無定型硅產(chǎn)生。
本發(fā)明的效果
本發(fā)明可以有效提高多晶硅還原沉積反應(yīng)的效率，縮短反應(yīng)的有效時間，節(jié)約能耗，降低生產(chǎn)成本，同時有效控制沉積反應(yīng)過程中不定型硅的產(chǎn)生，實現(xiàn)二氯二氫硅在多晶硅生產(chǎn)中密閉循環(huán)，避免增加二氯二氫硅與四氯化硅反歧化裝置。


圖1是傳統(tǒng)的三氯氫硅`氫還原法工藝流程圖。
圖2是本發(fā)明工藝流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明的具體實施體現(xiàn)在兩方面二氯二氫硅在進(jìn)料混合氣體中的質(zhì)量含量分階段控制和反應(yīng)原料進(jìn)氣溫度的分階段控制。
如附圖2所示，本發(fā)明包括以下步驟
步驟I，將裝置外輸送來的高純?nèi)葰涔枰后w接收至三氯氫硅汽化器，通過外部熱源加熱，使三氯氫硅在一定壓力下汽化，通過控制汽化壓力，優(yōu)選O. 7 1. 3MPa(G)，汽化后的飽和三氯氫硅蒸汽進(jìn)入三氯氫硅過熱器，過熱溫度優(yōu)選15 50°C，以方便三氯氫硅流量控制單元的計量與調(diào)節(jié)。
步驟2，將裝置外輸送來的高純二氯二氫硅液體接收至二氯二氫硅汽化器，通過外部熱源加熱，使二氯二氫硅在一定壓力下汽化，通過控制汽化壓力，優(yōu)選O. 7 1. 3MPa(G)， 汽化后的飽和二氯二氫硅蒸汽進(jìn)入二氯二氫硅過熱器，過熱溫度優(yōu)選15 50°C，以方便二氯二氫硅流量控制單元的計量與調(diào)節(jié)。
步驟3，將裝置外輸送來的高純氫氣通過氫氣流量控制單元進(jìn)行計量和流量控制。
步驟4，將以上步驟1、2、3完成的三種氣體，通過流量控制單元的比值控制，三氯氫硅和氫氣分別以規(guī)定的流量進(jìn)入混合器，二氯二氫硅的流量需要分階段進(jìn)行控制調(diào)節(jié)， 以上三種氣體在混合器中充分混合。沉積反應(yīng)開始階段優(yōu)選控制二氯二氫硅的質(zhì)量含量 10 80%。
步驟5，混合后的三組分混合氣體，全部進(jìn)入混合氣體溫度控制單元。沉積反應(yīng)開始階段通過外部熱源優(yōu)選給混合氣體加熱到150 300°C。
步驟6，經(jīng)混合氣體溫度控制單元出來的原料氣體，進(jìn)入還原沉積反應(yīng)器，在已經(jīng)通電發(fā)熱的硅芯表面發(fā)生沉積反應(yīng)，使硅芯逐漸增大，沉積多晶硅，還原尾氣進(jìn)入后一裝置尾氣回收系統(tǒng)。
步驟7，當(dāng)還原沉積反應(yīng)到中期階段，進(jìn)入正常生產(chǎn)階段，重復(fù)步驟4改變二氯二氫硅在混合氣體中的質(zhì)量含量，通常優(yōu)選控制質(zhì)量含量在5 10%。同時重復(fù)步驟5改變混合氣體的溫度，通常優(yōu)選控制在90 150°C。
步驟8，當(dāng)還原沉積反應(yīng)到后期階段，繼續(xù)重復(fù)步驟4改變二氯二氫硅在混合氣體中的質(zhì)量含量，通常優(yōu)選控制質(zhì)量含量在O 5%。同時重復(fù)步驟5改變混合氣體的溫度， 通常優(yōu)選控制在60 90°C。
上述過程步驟為相對傳統(tǒng)方法增加的一些特定操作控制，至于還原沉積反應(yīng)的常規(guī)控制步驟，依然按傳統(tǒng)的方法進(jìn)行。
通過以上步驟方法，可以縮短還原沉積反應(yīng)時間，有效控制沉積反應(yīng)過程中不定型硅的產(chǎn)生，最大限度地提高沉積反應(yīng)的效率，實現(xiàn)二氯二氫硅在多晶硅生產(chǎn)中密閉循環(huán)， 避免增加二氯二氫硅與四氯化硅反歧化裝置。
需要說明的是 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行同等替換。
凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于多晶硅生產(chǎn)提高還原沉積反應(yīng)效率的方法，其特征是二氯二氫硅和三氯氫硅液體采用獨立的汽化器和過熱器，分別進(jìn)行汽化和過熱；過熱后的三氯氫硅氣體、二氯二氫硅氣體及高純氫氣通過各自的流量控制單元分階段以合適的流量進(jìn)入靜態(tài)混合器中混合，混合后的氣體進(jìn)入混合氣體溫度控制單元，分階段控制混合氣體溫度，輸送至還原沉積反應(yīng)器，在沉積反應(yīng)器內(nèi)的硅棒表面發(fā)生反應(yīng)生成多晶硅。
2.如權(quán)利要求1所述的用于多晶硅生產(chǎn)提高還原沉積反應(yīng)效率的方法，其特征是分階段控制包括兩方面二氯二氫硅在進(jìn)料混合氣體中的質(zhì)量含量分階段控制和反應(yīng)原料進(jìn)氣溫度的分階段控制，具體方法如下在還原沉積反應(yīng)初期，二氯二氫硅在混合氣體中的質(zhì)量含量控制為10 80%，此時的還原沉積反應(yīng)進(jìn)氣溫度控制在150 300°C ；在還原沉積反應(yīng)中期，二氯二氫娃在混合氣體中的質(zhì)量含量控制為5 10%,此過程的還原沉積反應(yīng)進(jìn)氣溫度控制在90 150°C ；在還原沉積反應(yīng)后期，二氯二氫娃在混合氣體中的質(zhì)量含量控制為O 5%,此過程的還原沉積反應(yīng)進(jìn)氣溫度控制在60 90°C。
3.如權(quán)利要求1所述的用于多晶硅生產(chǎn)提高還原沉積反應(yīng)效率的方法，其特征是汽化壓力為O. 7 1. 3MPa，過熱溫度為15 50°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于多晶硅生產(chǎn)提高還原沉積反應(yīng)效率的方法，二氯二氫硅和三氯氫硅液體采用獨立的汽化器和過熱器，分別進(jìn)行汽化和過熱；過熱后的三氯氫硅氣體、二氯二氫硅氣體及高純氫氣通過各自的流量控制單元分階段以合適的流量進(jìn)入靜態(tài)混合器中混合，混合后的氣體進(jìn)入混合氣體溫度控制單元，分階段控制混合氣體溫度，輸送至還原沉積反應(yīng)器，在沉積反應(yīng)器內(nèi)的硅棒表面發(fā)生反應(yīng)生成多晶硅。該方法不僅能提高還原沉積反應(yīng)的效率，而且有效控制沉積反應(yīng)過程中不定型硅的產(chǎn)生，避免不定型硅堵塞下游裝置的管道和設(shè)備，同時實現(xiàn)二氯二氫硅在多晶硅生產(chǎn)中密閉循環(huán)，避免了二氯二氫硅與四氯化硅反歧化裝置的設(shè)置。
文檔編號C01B33/03GK103058195SQ20131002311
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者楊志國, 陳維平, 薛民權(quán), 李細(xì)巧, 柯曾鵬 申請人:華陸工程科技有限責(zé)任公司