專利名稱：渣殼反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于處理含硅材料或活性金屬材料的方法、設(shè)備和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超純或高級多晶硅(多晶形硅)是用于半導(dǎo)體(SC)和光電(PV)工業(yè)兩者的關(guān)鍵 原料。盡管對于特定的PV應(yīng)用具有替代品，但是在近期和可預(yù)見的未來多晶硅將仍然是優(yōu) 選的原料。因此，提高多晶硅的可用性和制造多晶硅的經(jīng)濟(jì)性將提高這兩種工業(yè)的發(fā)展機(jī)石。大部分多晶硅是通過通常稱作西門子(Siemens)熱線法的方法，利用硅烷或三氯 硅烷(TCS)作為含硅氣體(SBG)源而制造的。對通常與其它惰性或反應(yīng)氣體混合的SBG進(jìn) 行熱解分解并將其淀積在受熱的硅細(xì)絲上。另一種方法是在流化床中熱解淀積SBG。對于 制造PV和半導(dǎo)體工業(yè)用多晶硅，這是有吸引力的替代方案，因?yàn)榇蟠蠼档土四芎牟⒖捎糜?連續(xù)生產(chǎn)。這些優(yōu)勢源于優(yōu)異的傳質(zhì)和傳熱以及增大的淀積表面。與所述西門子型反應(yīng)器 相比，在一部分能耗下，所述流化床反應(yīng)器提供了高得多的產(chǎn)率。所述流化床反應(yīng)器還會更 加連續(xù)且高度自動化，從而也大大降低了勞動力成本。與TCS相比，用作西門子或流化床反應(yīng)器方法中的SBG的硅烷或高級硅烷具有下 列劣勢除了(多相)多晶硅淀積之外，其還能夠經(jīng)受(均相)氣相分解而成為粉末粒子。 將發(fā)生分解的溫度稱作臨界成核溫度(CNT)。所述CNT取決于SBG種類、SBG分壓、總壓和 惰性稀釋氣體的類型。一旦達(dá)到CNT，在1 5°C的范圍內(nèi)粒子濃度將提高IO4 IO6倍。 晶核硅粉末粒子的尺寸通常為1 lOOnm，這取決于停留時(shí)間，且所述晶核硅粉末粒子能夠 為無定形的或晶體。在任一情況中，在這些粒子的表面上存在中等濃度的未成鍵電子，這使 得所述粒子能夠易于凝聚成為更大的粉末粒子。根據(jù)條件，這種粉末能夠?yàn)閺姆菃尉Ш肆?子、微米級圓形團(tuán)塊到擴(kuò)展至幾百微米的大粒子的任意一種。如果隨后將所述多晶硅用于生長無位錯(cuò)的單晶，特別是在半導(dǎo)體工業(yè)中，則認(rèn)為 這些粉末粒子(也稱作硅細(xì)粒)是西門子法中的污染物。因此，在利用硅烷或高級硅烷作為 SBG的西門子法中，將反應(yīng)器壁保持冷卻，應(yīng)用熱遷移將粉末粒子從制造粉末粒子的靠近熱 棒的區(qū)域驅(qū)動至粉末粒子淀積的冷卻反應(yīng)器壁。從氣相中除去粉末降低了硅棒污染的可能 性。在流化床反應(yīng)器方法中，粉末可粘附成細(xì)粒并合并成粒子，因此有助于總體的粒 狀生長。然而，大部分粉末被從流化床反應(yīng)器流出的氣體帶走。在用于粒狀硅生產(chǎn)的流化 床反應(yīng)器方法中，認(rèn)為這種細(xì)硅粉末是一種生產(chǎn)損失，因?yàn)槠洳粫α畈牧嫌兴鶐椭?br> 還可在其它SBG淀積法中制造硅粉末，例如，有意地在自由空間反應(yīng)器(Free Space Reactor)中或無意地在化學(xué)氣相淀積(CVD)反應(yīng)器中在襯底上進(jìn)行薄膜淀積。另一 種硅粉末的來源為硅錠研磨或切割。產(chǎn)率和硅的品質(zhì)隨方法的不同而顯著不同。按目前上述方法中所述而制造的粉末回收起來非常困難，因?yàn)槠錇榕钏?、低密度?高表面積的產(chǎn)物，易于被空氣傳播的物質(zhì)污染。另外，通常將所述硅粉末作為廢產(chǎn)物進(jìn)行處 置或者以非常低的價(jià)值將其供應(yīng)至商業(yè)硅市場。

發(fā)明內(nèi)容
在本文中公開了對含硅材料或活性材料進(jìn)行熱處理的方法，從而將這種材料轉(zhuǎn)化 成更有用的產(chǎn)物形式。例如，所公開的方法對硅粉末進(jìn)行升級，從低級、散裝的高表面積產(chǎn) 物升級成適用于PV和SC加工要求的硅給料。避免在熱處理過程期間造成污染對于得到純 的、尤其是超純產(chǎn)物是重要的。一種污染源是構(gòu)成反應(yīng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元件的材料。根據(jù)本文中 公開的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，在反應(yīng)器內(nèi)表面的至少一部分上形成了包含固體硅或固體活性 金屬的渣殼層。所述固體渣殼層阻止了進(jìn)料材料和產(chǎn)物與反應(yīng)器系統(tǒng)的表面接觸，從而避 免或降低了污染。所述渣殼層還可以提供擴(kuò)散屏障以阻止反應(yīng)器壁元素遷移至硅產(chǎn)物中。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，在本文中公開了一種用于制造硅或活性金屬的方法，所述方 法包括向反應(yīng)室內(nèi)引入含硅進(jìn)料或活性金屬進(jìn)料，其中所述反應(yīng)室包括反應(yīng)室壁，所述 反應(yīng)室壁具有(i)面對反應(yīng)空間的內(nèi)表面和(ii)相反的外表面；在所述反應(yīng)空間內(nèi)產(chǎn)生足以產(chǎn)生液體硅產(chǎn)物或液體活性金屬產(chǎn)物的第一熱能；在所述反應(yīng)室壁外部產(chǎn)生第二熱能，使得來自所述第二熱能的熱流開始沖擊所述 反應(yīng)室壁的外表面；以及通過控制所述第一熱能源和所述第二熱能源來將所述內(nèi)表面的壁溫設(shè)置在所述 硅或所述活性金屬的熔點(diǎn)溫度以上或以下的溫度范圍內(nèi)。在還一個(gè)實(shí)施方案中，公開了制造硅的方法，所述方法包括將硅粉末引入至反應(yīng)室中，其中所述反應(yīng)室包括反應(yīng)室壁，所述反應(yīng)室壁具有(i) 面對反應(yīng)空間的內(nèi)表面和(ii)相反的外表面；在所述反應(yīng)器空間內(nèi)產(chǎn)生等離子體；通過所述等離子體使所述硅粉末經(jīng)受高于所述硅粉末熔點(diǎn)的溫度而熱熔化所述 硅粉末，其中所述熔化過程制造液體硅； 在熱熔化所述硅粉末的同時(shí)，將所述反應(yīng)室壁的內(nèi)表面保持在所述硅粉末熔點(diǎn)以 下的平衡溫度下；以及在將所述液體硅排出所述反應(yīng)室之后，使其凝固。另外公開的實(shí)施方案涉及制造固體多晶體硅的方法，所述方法包括將含硅氣體引入至反應(yīng)室內(nèi)，其中所述反應(yīng)室包括反應(yīng)室壁和產(chǎn)物出口，所述反 應(yīng)室壁具有(i)面對反應(yīng)空間的內(nèi)表面和(ii)相反的外表面；在所述反應(yīng)器空間內(nèi)產(chǎn)生等離子體；通過使所述含硅氣體經(jīng)受足夠的溫度來熱分解所述含硅氣體，從而制造液體硅；在熱分解所述含硅氣體的同時(shí)，將所述反應(yīng)室壁的內(nèi)表面保持在硅熔點(diǎn)溫度以下的平衡溫度下；以及將所述液體硅從產(chǎn)物出口直接引入至模塊中以將所述液體硅鑄造成固體多晶體 硅錠或晶片。在本文中公開了制造硅的其它方法，所述方法包括將硅烷氣體引入至反應(yīng)室內(nèi)，其中所述反應(yīng)室包括反應(yīng)室壁和產(chǎn)物出口，所述反 應(yīng)室壁具有(i)面對反應(yīng)空間的內(nèi)表面和(ii)相反的外表面；在所述反應(yīng)器空間內(nèi)產(chǎn)生等離子體；通過使所述硅烷氣體經(jīng)受所述等離子體而熱分解所述硅烷氣體，從而制造液體 硅；以及在熱分解所述硅烷氣體的同時(shí)，將所述反應(yīng)室壁的內(nèi)表面保持在硅熔點(diǎn)溫度以下 的平衡溫度下。本文中還公開了一種反應(yīng)器系統(tǒng)，其包括含硅給料或活性金屬給料；反應(yīng)室，所述反應(yīng)室包括限定室反應(yīng)空間的反應(yīng)室壁且所述反應(yīng)室壁包括(i)面 對所述反應(yīng)空間的內(nèi)表面和(ii)相反的外表面；等離子體能源，其聯(lián)接到所述反應(yīng)室并被構(gòu)造成在所述室反應(yīng)空間內(nèi)產(chǎn)生熱能；外部熱能源，其被構(gòu)造成對所述反應(yīng)室壁的外表面進(jìn)行加熱，所述外部熱能源位 于所述反應(yīng)室外面；和產(chǎn)物出口，其被構(gòu)造用于從所述反應(yīng)室中取出液體硅或液體活性金屬。從參考附圖進(jìn)行的下列詳細(xì)說明將使得上述內(nèi)容變得更加明顯。


圖IA和IB為公開的反應(yīng)器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。圖IA為圖IB中所示的反應(yīng)器的壁部分的分解圖。圖2為公開的反應(yīng)器系統(tǒng)的還一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。圖3為包括一個(gè)凝固實(shí)施方案的反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖。圖4為包括另一個(gè)凝固實(shí)施方案的反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖。圖5為包括還一個(gè)凝固實(shí)施方案的反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖。圖6為在公開的反應(yīng)器系統(tǒng)中的溫度梯度的示意圖。圖7為在公開的反應(yīng)器系統(tǒng)中的兩股熱流的示意圖。在所述圖中，除非另作說明，否則相同的參考符號表示相同的元件。
具體實(shí)施例方式單數(shù)術(shù)語包含了所指對象的復(fù)數(shù)，除非上下文中明確表示不是這樣。單詞“包括” 表示“包含”。除非另作說明，否則在化學(xué)命名法中成分的描述是指在添加至本說明書中 規(guī)定的任意組合時(shí)的成分，但是不需要排除在曾經(jīng)混合的混合物的成分之間的化學(xué)相互作 用。在本文中引用的所有數(shù)值包含以一個(gè)單位的增量從下限值到上限值的所有值，條件是 在任意下限值和任意上限值之間存在至少2個(gè)單位的間隔。作為例子，如果據(jù)稱成分的量 或過程變量的值為1 90，優(yōu)選20 80，更優(yōu)選30 70，則是指在本說明書中明確列舉的值如15 85、22 68、43 51、30 32等。關(guān)于具有小于一個(gè)單位差的值，可適當(dāng)?shù)卣J(rèn) 為一個(gè)單位為0. 1,0. 01,0. 001或0. 0001。因此，在本文中列舉的最低值和最高值之間的數(shù) 值的所有可能組合都被認(rèn)為是在本申請中明確描述的。對本文中公開的反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，從而保持反應(yīng)室壁內(nèi)表面上的硅或活性 金屬進(jìn)料的基本固體渣殼層。而且，所述系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)使得能夠更精確地控制渣殼層的厚 度。所述渣殼層可僅覆蓋所述內(nèi)壁表面的一部分或者其可覆蓋所述內(nèi)表面的整個(gè)表面區(qū) 域。在所述反應(yīng)室壁的內(nèi)表面上形成固體渣殼層可保護(hù)所述室壁構(gòu)成材料免受液體硅或液 體活性金屬的腐蝕。換言之，所述渣殼層阻止了所述室壁與所述液體硅之間的直接接觸，由 此將使所述液體硅產(chǎn)物的污染最小化。通過將所述反應(yīng)室壁的內(nèi)表面保持在所述硅的熔點(diǎn) 或各種活性金屬熔點(diǎn)以下的溫度下，形成了所述渣殼層。所述熱控制系統(tǒng)包括在反應(yīng)室內(nèi)的內(nèi)部熱能源和位于反應(yīng)室外面或外部的外部 熱能源的組合。也可以將所述外部熱能源設(shè)置在還包含了所述反應(yīng)室的封閉室內(nèi)。所述 外部熱能源可通過感應(yīng)加熱、電阻加熱或所述兩者的組合直接為反應(yīng)器壁的外表面提供熱 量。在圖1A、1B、3和7B中所示的實(shí)施方案中，外部能源為感應(yīng)盤管。在圖2中所示的另一 個(gè)實(shí)施方案中，外部能源為電阻加熱器。微波是另一種可能的外部能源。所述內(nèi)部熱能源 可以為下面進(jìn)行更詳細(xì)說明的等離子體?；蛘撸鰞?nèi)部熱能源可以為電子束、電阻加熱元 件或感應(yīng)加熱元件。將通過內(nèi)部熱能源和外部能源產(chǎn)生的熱流分別示于圖7A和7B中。所述內(nèi)部熱流 按如下前進(jìn)受熱反應(yīng)氣一液體硅薄膜一固體硅渣殼層一反應(yīng)室壁。所述外部熱流按如下 前進(jìn)反應(yīng)室壁一固體硅渣殼層一液體硅薄膜。所述內(nèi)部熱能源為給料材料的熱分解提供 能量。所述外部熱能源將所述反應(yīng)室壁內(nèi)表面的溫度精確控制在充分接近(但是低于)所 述硅或所述活性金屬熔點(diǎn)的范圍內(nèi)。將得到的溫度梯度示于圖6中?？梢詫⑺鐾獠繜崮茉磁渲脼橹辽僖粋€(gè)溫度控制區(qū)。可使用不同的溫度控制區(qū)來 沿所述反應(yīng)室的軸長建立不同的溫度分布或區(qū)域。如上所述，在本文中公開的方法使得從反應(yīng)室的外表面到反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)空間建 立了溫度梯度，如圖6中所示。具體的溫度梯度將隨包括下列的幾個(gè)因素而發(fā)生變化給料 材料、進(jìn)料速率、反應(yīng)器空間內(nèi)的運(yùn)行壓力等。另外，所述溫度梯度與時(shí)間有關(guān)，因?yàn)槠鋵?反應(yīng)器開始運(yùn)行到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行而發(fā)生變化。因此，熱控制系統(tǒng)的具體溫度將發(fā)生變化。然而， 通常，所述反應(yīng)室壁的內(nèi)表面可以比所述給料材料的熔點(diǎn)低1 300°C，更特別地比所述給 料材料的熔點(diǎn)低1 100°C ；所述渣殼層可以在所述給料材料的熔點(diǎn)至比所述給料材料的 熔點(diǎn)低300°C的溫度下，更特別地在所述熔點(diǎn)至比所述熔點(diǎn)低100°C的溫度下；且反應(yīng)器空 間可以在硅或活性金屬的熔點(diǎn)至最高達(dá)超過5000°C的溫度下?？傮w的熱控制方法可還包含如下面更詳細(xì)描述的熱絕緣。在圖1 5中示出了反應(yīng)器系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案。通常，反應(yīng)器系統(tǒng)1包含至 少一個(gè)給料進(jìn)口 2、至少一個(gè)液體產(chǎn)物出口 3、反應(yīng)室4、外部容納室5和等離子體發(fā)生源6。給料進(jìn)口 2可以為能夠控制給料進(jìn)入反應(yīng)室4的任意類型的端口或閥門。例如， 所述進(jìn)口 2可以為噴嘴如由石英、石墨和/或硅制成的水冷卻結(jié)構(gòu)。反應(yīng)室4包括限定位于反應(yīng)室壁10內(nèi)的反應(yīng)空間13的反應(yīng)室壁10。所述反應(yīng)室 壁10包括面對所述反應(yīng)器空間13的內(nèi)表面11和相反的外表面12?？梢砸匀我庑螤钊鐖A柱形、橢圓形、矩形等提供所述反應(yīng)室。在圖中示出了圓柱形反應(yīng)室。在特定實(shí)施方案中， 所述反應(yīng)室可具有幾種不同尺寸和/或形狀的部分。例如，圖1描述了第一圓柱形部分14 和第二錐形或圓錐形部分15。所述第二部分15逐漸變細(xì)而成為產(chǎn)物出口 3。所述反應(yīng)室 壁10可由能夠抵抗給料或產(chǎn)物的腐蝕和污染的任意材料制成，所述反應(yīng)室壁10經(jīng)得起渣 殼層的形成并提供期望的熱或能量的傳導(dǎo)或抵抗性能。示例性的壁構(gòu)成材料包括石墨、鉬、 鎢、鈦、陶瓷(例如氧化鋁)和石英。內(nèi)表面11的面積應(yīng)足夠大，從而能夠收集所述內(nèi)表面11上的給料材料并使其發(fā) 生液體轉(zhuǎn)化。根據(jù)期望的生產(chǎn)量(單位為kg/小時(shí))，對于1 50kg/小時(shí)的產(chǎn)物生產(chǎn)量， 所述內(nèi)表面11的面積應(yīng)為0. 2m2 5m2。用于產(chǎn)生等離子體的電 源可以為任意類型的電源。示例性等離子體包括RF、DC弧 或微波等離子體。根據(jù)具體的等離子體類型，等離子體功率可為1 IOOOkW,更特別地為 10 200kW。可將產(chǎn)物出口 3聯(lián)接到產(chǎn)物收集模塊和/或產(chǎn)物凝固模塊上。例如，如果期望mm 級的液滴，則能夠在自由降落而穿過凝固塔期間對產(chǎn)物進(jìn)行冷卻并然后在水冷箱中進(jìn)行收集。在圖IA和IB的實(shí)施方案中，將至少一個(gè)熱感應(yīng)盤管20設(shè)置在反應(yīng)室壁的外表面 12處或其附近。所述盤管20可以圍繞所述反應(yīng)室的整個(gè)外圍或僅圍繞所述反應(yīng)室外圍的 一部分。所述盤管20可由能夠充分加熱所述反應(yīng)室壁的任何傳熱材料制成。所述盤管20 還能夠充當(dāng)散熱件并為也充當(dāng)散熱件的外部水冷容納室進(jìn)行補(bǔ)充。在圖2的實(shí)施方案中，將至少一個(gè)電阻加熱器21布置在反應(yīng)室壁的外表面12處 或其附近。所述電阻加熱器21對所述反應(yīng)室壁進(jìn)行加熱。圖2的實(shí)施方案還包括布置在 反應(yīng)室壁和容納室壁之間的絕熱元件22。可以對絕熱厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使得在沿反應(yīng)器 垂直高度的軸的方向上具有不同的厚度。例如在圖2和3中示出了外部容納室5。所述容納室5至少對反應(yīng)室4進(jìn)行密封。 所述容納室5包括可以進(jìn)行水冷的容納室壁16。所述水冷容納室壁16還能夠?yàn)橛糜谏鲜?反應(yīng)室熱能和熱流的散熱件。圖3 5示出了能夠聯(lián)接至反應(yīng)器系統(tǒng)的幾種不同的凝固模塊。圖3包括聯(lián)接至能夠鑄造硅錠的連續(xù)鑄造系統(tǒng)的電磁坩堝。圖4描述了能夠制造 定向凝固硅錠的構(gòu)造。能夠?qū)碜猿隹?的液體硅引導(dǎo)入電磁坩堝內(nèi)。直接聯(lián)接的電磁 鑄造的優(yōu)勢包括沒有用于運(yùn)輸容器的額外成本、硅不需要重新熔化、以及污染最小化，因?yàn)?超純硅在未污染的渣殼層坩堝中發(fā)生凝固。圖5描述了通過將目前公開的反應(yīng)器系統(tǒng)的 液體硅產(chǎn)物引入至移動的水平支持襯底27上而能夠進(jìn)行直接晶片鑄造的構(gòu)造。美國專利 4，670，096描述了利用液體硅在移動的水平支持襯底上進(jìn)行直接晶片鑄造的方法，通過參 考將所述專利引入至本文中。圖3還包括連接到廢氣處理系統(tǒng)的廢氣口 23。通過將反應(yīng)室壁加熱(通過來自外部熱源、內(nèi)部熱源或外部和內(nèi)部熱源兩者的組 合的熱能)至高于給料材料的熔點(diǎn)，可啟動反應(yīng)器系統(tǒng)的運(yùn)行。利用存在的含硅材料的這 種預(yù)熱，會在石墨反應(yīng)室壁上形成碳化硅層。然后，降低所述反應(yīng)室壁的溫度，從而使內(nèi)表 面在所述給料材料的熔點(diǎn)以下。在反應(yīng)空間13內(nèi)熔化的材料將與所述內(nèi)表面接觸，由此開始形成固體(凍結(jié)的)渣殼層17。所述渣殼層17包括內(nèi)表面18和相反的壁接觸表面19。 穿過圖6中所示的反應(yīng)空間內(nèi)的反應(yīng)室壁、渣殼層和氣體而建立溫度梯度。在熱平衡條件 下，渣殼層的厚度不再增加，且所述渣殼層的溫度達(dá)到了面對反應(yīng)器的反應(yīng)空間13的表面 18上的液體材料溫度。液體硅薄膜28將在所述內(nèi)表面18處發(fā)生冷凝，然后，沿所述內(nèi)表面 18從反應(yīng)室的垂直軸向下流動。所述熔化過程還可以制造硅蒸汽。 在含硅材料給料的情況中，在渣殼層的形成和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，室壁內(nèi)表面11的最 高溫度應(yīng)不超過1414°C (比硅的熔點(diǎn)低1°C )。在特定的實(shí)施方案中，所述內(nèi)表面11的溫 度可為1115 1414°C，更特別地為1215 1414°C。來自外部熱能源的熱將所述反應(yīng)室壁 的溫度保持在期望的溫度范圍內(nèi)，使得通過控制壁溫來控制渣殼的厚度。通常使來自反應(yīng)室的熱流消散在所述反應(yīng)室外部的散熱件上。所述散熱件可以為 主動冷卻(例如水冷容納室壁)和/或被動冷卻如絕熱。通過進(jìn)口 2將給料材料引入至反應(yīng)室4內(nèi)。所述給料材料可以為任意的含硅材料 或活性金屬。所述含硅材料可以為固體硅如硅粉末或細(xì)粒(如本文中所更詳細(xì)描述的)、或 含硅氣體如硅烷、二硅烷、高級硅烷(SinH2n+2)、二氯硅烷、三氯硅烷、四氯化硅、二溴硅烷、三 溴硅烷、四溴化硅、二碘硅烷、三碘硅烷、四碘化硅或其混合物。使用本文中公開的方法和設(shè) 備還能夠還原活性金屬如鈦或鋯。引入至反應(yīng)器系統(tǒng)中的硅粉末可以為由硅處理(例如破 碎、研磨或切割)制造的或通過分解含硅氣體的任意方法制造的小硅粒子(細(xì)粒/粉末)。 可以將所述粉末分散或懸浮在載體介質(zhì)中以注入至反應(yīng)器系統(tǒng)中。例如，所述載體介質(zhì)可 以是對硅呈惰性的氣體和/或具有相對低的電離電位的氣體如Ar。在反應(yīng)空間13中的運(yùn)行壓力可以為0. Ibar 2. Obar,更特別地為0. 5bar 2. Obar0如果給料材料為含硅氣體，則臨界溫度為氣體分解成液體的熱分解溫度。因此，將 反應(yīng)室壁的內(nèi)表面保持在熔點(diǎn)溫度以下的平衡溫度下。圖4和5中所示的實(shí)施方案能夠直 接從含硅氣體(例如硅烷)給料制造硅錠(圖4)或晶片(圖5)，因此避免了多晶硅的形 成、再熔化和切割的花費(fèi)高的步驟。第二氣體氫氣與含硅氣體一起存在于反應(yīng)空間13內(nèi)。 由SiH4熱分解成Si和氫氣而得到所述氫氣。所述渣殼層應(yīng)具有足以保護(hù)液體產(chǎn)物不受反應(yīng)室壁材料污染的厚度。然而，所述 渣殼層的厚度不應(yīng)過大而占據(jù)反應(yīng)室內(nèi)不必要量的空間，由此不利地減小了可用的反應(yīng)空 間。另外，在平衡厚度下將更加難以對不必要厚度的渣殼層進(jìn)行熱控制。通常，平均的渣殼 層厚度應(yīng)該為0. 01 200mm，更特別地為0. 1 30mm。液體硅或液體活性金屬流過液體產(chǎn)物出口 3。通過對所述產(chǎn)物出口 3進(jìn)行設(shè)計(jì)，能 夠控制液體產(chǎn)物的幾何形狀(和尺寸)。例如，能夠?qū)λ龀隹?3進(jìn)行設(shè)計(jì)以排放(例如通 過噴嘴噴射)液滴或球(其為用于單晶或多晶錠制造的給料的優(yōu)選物理形式)。在一個(gè)實(shí) 施方案中，能夠以自由降落而通過凝固塔的方式對這些液滴進(jìn)行凝固。能夠在凝固塔底部 的容器中收集所述液滴或者所述液滴能夠通過空氣作用而傳送至收集容器內(nèi)。還能夠?qū)λ?述出口 3進(jìn)行振動或使其經(jīng)受氣體流股以影響液滴的大小?？紤]到可應(yīng)用的公開的方法、設(shè)備和系統(tǒng)的原理的許多可能實(shí)施方案，應(yīng)理解，所 列舉的實(shí)施方案僅為優(yōu)選的例子且不應(yīng)將其理解為限制本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種制造硅或活性金屬的方法，所述方法包括將含硅進(jìn)料或含活性金屬的進(jìn)料引入至反應(yīng)室內(nèi)，其中所述反應(yīng)室包括反應(yīng)室壁，所 述反應(yīng)室壁具有(i)面對反應(yīng)空間的內(nèi)表面和(ii)相反的外表面；在所述反應(yīng)空間內(nèi)產(chǎn)生足以產(chǎn)生液體硅產(chǎn)物或液體活性金屬產(chǎn)物的第一熱能；在所述反應(yīng)室壁外部產(chǎn)生第二熱能，使得來自所述第二熱能的熱流開始沖擊所述反應(yīng) 室壁的外表面；以及通過控制所述第一熱能源和所述第二熱能源將所述內(nèi)表面的壁溫設(shè)置在所述硅或所 述活性金屬的熔點(diǎn)溫度以上或以下的溫度范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過控制所述第一熱能源和所述第二熱能源制造從 所述反應(yīng)空間到所述反應(yīng)室壁的1 2000kW/m2的可調(diào)節(jié)能流。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述可調(diào)節(jié)能流的范圍為50kW/m2 500kW/m2。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一熱能為等離子體能，且所述第二熱能為感 應(yīng)熱或電阻熱。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述反應(yīng)室壁的內(nèi)表面上形成硅或所述活性金 屬的固體渣殼層。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一熱能在硅熔點(diǎn)以上的溫度下、在所述反應(yīng) 器空間內(nèi)產(chǎn)生熱，且所述第一能源和所述第二能源結(jié)合以將所述內(nèi)表面的壁溫保持在硅熔 點(diǎn)以下的溫度下。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述反應(yīng)器壁垂直排列，使得所述液體硅或液體 金屬能夠沿所述室壁向下流動。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述固體渣殼層的厚度小于200mm。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對來自所述第二熱能的熱進(jìn)行控制，以將所述內(nèi)表 面的壁溫保持在所述含硅進(jìn)料或所述活性金屬進(jìn)料的熔點(diǎn)溫度以下的溫度下。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中將所述內(nèi)表面的壁溫保持在比硅或所述活性金屬 的熔點(diǎn)溫度低1 300°C的溫度下。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中將所述內(nèi)表面的壁溫保持在比硅或所述活性金屬 的熔點(diǎn)溫度低1 200°C的溫度下。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將含硅進(jìn)料引入至所述反應(yīng)室內(nèi)，且所述第二熱能 將所述內(nèi)表面的壁溫保持在1115°C 1414°C的溫度下。
13.—種制造硅的方法，所述方法包括將硅粉末引入至反應(yīng)室中，其中所述反應(yīng)室包括反應(yīng)室壁，所述反應(yīng)室壁具有(i)面 對反應(yīng)空間的內(nèi)表面和(ii)相反的外表面；在所述反應(yīng)器空間內(nèi)產(chǎn)生等離子體；通過所述等離子體使所述硅粉末經(jīng)受高于所述硅粉末熔點(diǎn)的溫度而熱熔化所述硅粉 末，其中所述熔化過程制造液體硅；在熔化所述硅粉末的同時(shí)，將所述反應(yīng)室壁的內(nèi)表面保持在所述硅粉末的熔點(diǎn)以下的 平衡溫度下；以及在將所述液體硅排出所述反應(yīng)室之后，使其凝固。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括對所述反應(yīng)室壁的外表面進(jìn)行可控加熱。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括在所述反應(yīng)室壁的內(nèi)表面上形成固體硅渣殼層。
16.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述第一熱能在硅熔點(diǎn)以上的溫度下、在所述反應(yīng) 器空間內(nèi)產(chǎn)生熱，且所述第一能源和所述第二能源結(jié)合以將所述內(nèi)表面的壁溫保持在硅熔 點(diǎn)以下的溫度下。
17.—種制造硅或活性金屬的方法，所述方法包括將含硅進(jìn)料或含活性金屬的進(jìn)料引入至反應(yīng)室中，其中所述反應(yīng)室包括反應(yīng)室壁，所 述反應(yīng)室壁具有(i)面對反應(yīng)空間的內(nèi)表面和(ii)相反的外表面；在所述反應(yīng)空間內(nèi)產(chǎn)生足以產(chǎn)生受熱的反應(yīng)氣體和液體硅產(chǎn)物或液體活性金屬產(chǎn)物 的第一熱能；在所述反應(yīng)室壁外部產(chǎn)生第二熱能；在所述反應(yīng)室壁的內(nèi)表面上形成硅或所述活性金屬的固體渣殼層；以及 形成所述液體硅產(chǎn)物或所述液體活性金屬產(chǎn)物的膜，使得所述膜在所述固體渣殼層的 至少一部分上向下流動；其中所述第一熱能產(chǎn)生按如下前進(jìn)的第一熱流受熱反應(yīng)氣體一液體硅或活性金屬膜 —固體硅或活性金屬渣殼層一反應(yīng)室壁，且所述第二熱能產(chǎn)生按如下前進(jìn)的第二熱流反 應(yīng)室壁一固體硅或活性金屬渣殼層一液體硅或活性金屬膜。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含硅進(jìn)料為選自下列的含硅氣體SinH2n+2，其 中η為1 4 ；二氯硅烷；三氯硅烷；四氯化硅；二溴硅烷；三溴硅烷；四溴化硅；二碘硅烷； 三碘硅烷；四碘化硅；或它們的混合物。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含硅進(jìn)料為硅烷氣體。
20.一種制造硅的方法，所述方法包括將硅烷氣體引入至反應(yīng)室內(nèi)，其中所述反應(yīng)室包含反應(yīng)室壁和產(chǎn)物出口，所述反應(yīng)室 壁具有(i)面對反應(yīng)空間的內(nèi)表面和(ii)相反的外表面； 在所述反應(yīng)器空間內(nèi)產(chǎn)生等離子體；通過使所述硅烷氣體經(jīng)受所述等離子體來熱分解所述硅烷氣體，以制造液體硅；以及 在熱分解所述硅烷氣體的同時(shí)，將所述反應(yīng)室壁的內(nèi)表面保持在硅熔點(diǎn)溫度以下的平 衡溫度下。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括在所述反應(yīng)器外部產(chǎn)生熱能；且其中所述等離子體在硅熔點(diǎn)以上的溫度下、在所述反應(yīng)器空間內(nèi)產(chǎn)生熱，且所述等離 子體和所述外部能源結(jié)合以將所述內(nèi)表面的壁溫保持在硅熔點(diǎn)以下的溫度下。
22.—種反應(yīng)器系統(tǒng)，其包括 含硅給料或活性金屬給料；包括反應(yīng)室壁的反應(yīng)室，所述反應(yīng)室壁限定室反應(yīng)空間并包括(i)面對所述反應(yīng)空間 的內(nèi)表面和(ii)相反的外表面；等離子體能源，其聯(lián)接到所述反應(yīng)室并被構(gòu)造成在所述室反應(yīng)空間內(nèi)產(chǎn)生熱能； 外部熱能源，其被構(gòu)造成對所述反應(yīng)室壁的外表面進(jìn)行加熱，所述外部熱能源位于所 述反應(yīng)室外面；和產(chǎn)物出口，其被構(gòu)造用于從所述反應(yīng)室中取出液體硅或液體活性金屬。
23.如權(quán)利要求22所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，還包括用于向所述反應(yīng)室內(nèi)注入硅粉末給料的 裝置。
24.如權(quán)利要求22所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，還包括密封的容納室，所述容納室至少包含所 述反應(yīng)室和所述外部熱能源。
25.如權(quán)利要求22所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，還包括用于振動所述產(chǎn)物出口的裝置。
26.如權(quán)利要求22所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述外部能源包含布置在所述反應(yīng)室壁外 表面的一部分周圍的至少一個(gè)感應(yīng)盤管。
27.如權(quán)利要求22所述的反應(yīng)器系統(tǒng)，其中所述外部能源包含以與所述反應(yīng)室壁外表 面的一部分接觸的方式布置的至少一個(gè)電阻加熱器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種制造硅或活性金屬的方法，所述方法包括將含硅進(jìn)料或含活性金屬的進(jìn)料引入至反應(yīng)室內(nèi)，其中所述反應(yīng)室包括反應(yīng)室壁，所述反應(yīng)室壁具有(i)面對反應(yīng)空間的內(nèi)表面和(ii)相反的外表面；在所述反應(yīng)空間內(nèi)產(chǎn)生足以產(chǎn)生液體硅產(chǎn)物或液體活性金屬產(chǎn)物的第一熱能；在所述反應(yīng)室壁外部產(chǎn)生第二熱能，使得來自所述第二熱能的熱流開始沖擊所述反應(yīng)室壁的外表面；以及通過控制所述第一熱能源和所述第二熱能源而將所述內(nèi)表面的壁溫設(shè)置在所述硅或所述活性金屬的熔點(diǎn)溫度以上或以下的溫度范圍內(nèi)。
文檔編號C01B33/027GK102083751SQ200980118728
公開日2011年6月1日 申請日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者弗朗茨·雨果 申請人:瑞科硅公司