專利名稱：用于生產(chǎn)多晶硅的流化床反應(yīng)器及制備多晶硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多晶硅的生產(chǎn)設(shè)備及方法，具體涉及一種利用硅烷分解制備高純粒狀多晶硅的流化床反應(yīng)器及方法。
背景技術(shù)：
隨著多晶硅生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前用在太陽能行業(yè)的多晶硅生產(chǎn)成本已經(jīng)有了大幅的降低。現(xiàn)在主流的生產(chǎn)多晶硅的方法是西門子法，和生產(chǎn)多晶硅緊密相關(guān)的核心反應(yīng)如下
SiHC13+H2-Si+3HC1
2SiHC13-Si+SiC14+2HCl
西門子法生產(chǎn)多晶硅發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了一段相當(dāng)長的時(shí)間，也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)過程的閉環(huán)，基本消除了污染，且多晶硅單位產(chǎn)量的能耗也已經(jīng)降低至100度電/kg. Si。但是，從目前的情況來看，要進(jìn)一步對西門子法生產(chǎn)多晶硅工藝進(jìn)行改進(jìn)難度非常大。申請?zhí)枮?00910140420. 9號的專利文獻(xiàn)公開了一種制備多晶硅的方法，該方法采用一種新的多晶硅生產(chǎn)工藝，主要包括如下步驟
將包括甲硅烷和氫氣等的氣體混合，并且預(yù)熱；將預(yù)熱后的混合氣體通入反應(yīng)器進(jìn)行分解沉積反應(yīng)。將反應(yīng)后的氣體經(jīng)過兩級過濾，分離出的氫氣進(jìn)入第一步，和甲硅烷等氣體混合進(jìn)行循環(huán)利用。該方法的特點(diǎn)是可以制造純度相對較高的多晶硅，且避開了西門子法生產(chǎn)多晶硅工藝中的氯元素。但是根據(jù)目前在用的系統(tǒng)情況來看，其生產(chǎn)成本相對較高，很難在現(xiàn)今競爭激烈的多晶硅市場中取勝。申請?zhí)枮?00580038841. 0號的專利文獻(xiàn)公開了一種制備多晶硅的方法，該方法制備出的產(chǎn)品為高純粒狀多晶硅，主要包括如下步驟
在第一化學(xué)氣相沉積(CVD)反應(yīng)器中加入在碎裂法中制成的并具有第一平均尺寸的初級晶種；
通過化學(xué)氣相沉積由流過第一化學(xué)氣相沉積CVD反應(yīng)器的硅沉積氣體在初級晶種上沉積另外的硅，以增大它們的尺寸并形成二級晶種；
通過均相分解在第一 CVD反應(yīng)器中形成另外的二級晶種；
將二級晶種加入第二 CVD反應(yīng)器中，通過化學(xué)沉積由流過第二 CVD反應(yīng)器的硅沉積氣體在二級晶種上沉積另外的硅，以增大它們德尺寸并形成顆粒硅產(chǎn)品。利用該方法生產(chǎn)多晶硅可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，并降低多晶硅生產(chǎn)的單位能耗。相對現(xiàn)在普遍使用的西門子工藝具有明顯的優(yōu)勢。申請?zhí)枮?00580038841. 0號的專利文獻(xiàn)給出了新的工藝方向，但沒有就具體的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行明確的闡述，且相應(yīng)的CVD反應(yīng)器形式也未給出明確的定義。這樣就需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)制備高純粒狀多晶硅的新型設(shè)備
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的用于生產(chǎn)多晶硅的流化床反應(yīng)器及制備多晶硅的方法，目的在于實(shí)現(xiàn)制備高純粒狀多晶硅的新型工藝，實(shí)現(xiàn)多晶硅生產(chǎn)的連續(xù)性，降低多晶硅生產(chǎn)成本。為解決上述問題，本發(fā)明提供的流化床反應(yīng)器，包括流化床反應(yīng)器外殼，所述流化床反應(yīng)器外殼頂部設(shè)有種子硅進(jìn)料口及尾氣出口 ；所述流化床反應(yīng)器外殼底部設(shè)有產(chǎn)品顆粒硅出料口 ；所述流化床反應(yīng)器內(nèi)的下部設(shè)有氣體分布器，所述顆粒硅出料口與氣體分布器底端相連，所述氣體分布器和流化床反應(yīng)器組成的下部腔體為工藝氣體進(jìn)氣緩沖腔；所述工藝氣體進(jìn)氣緩沖腔側(cè)面設(shè)有工藝氣體進(jìn)氣口 ；在所述氣體分布器上方設(shè)有內(nèi)置加熱器；所述內(nèi)置加熱器內(nèi)圈設(shè)置內(nèi)襯材料。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述顆粒硅出料口內(nèi)部設(shè)有反吹口。通常情況下，反吹口不開啟；在生產(chǎn)過程中有時(shí)小于所需產(chǎn)品顆粒硅尺寸的硅顆粒會通過產(chǎn)品顆粒硅出料口排出，當(dāng)發(fā)生產(chǎn)品顆粒硅排料不暢的情況，則開啟反吹口。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述內(nèi)置加熱器為環(huán)形加熱器，使得加熱區(qū)域的加·熱溫度更均勻。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述產(chǎn)品顆粒硅出料口設(shè)置在氣體分布器底部的中心位置，有利于產(chǎn)品顆粒硅的均勻出料。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述內(nèi)襯材料由內(nèi)襯材料主體層和內(nèi)襯材料沉積層構(gòu)成。所述內(nèi)襯材料主體層采用耐高溫的800H材料制成，所述內(nèi)襯材料沉積層為多晶硅沉積層，純度為6N及以上。流化床反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)為SiH4分解及氣相沉積反應(yīng)，反應(yīng)過程95%以上在加熱區(qū)域進(jìn)行。反應(yīng)過程中，顆粒硅處于流化狀態(tài)，不停沖刷加熱區(qū)域內(nèi)襯材料內(nèi)表面，容易造成材料的磨損，這不僅會對流化床反應(yīng)器使用壽命產(chǎn)生影響，而且會影響產(chǎn)品純度，一般情況下，選用普通金屬材料，都會導(dǎo)致產(chǎn)品顆粒硅純度低于6N，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。內(nèi)襯材料內(nèi)壁溫度為700°C 850°C，所以在內(nèi)襯材料內(nèi)壁上也會有SiH4分解沉積多晶硅的過程發(fā)生，這與磨損過程相互平衡，使得內(nèi)襯材料使用壽命延長且不污染產(chǎn)品硅。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述800H材料厚度為3 8mm，所述多晶硅沉積層厚度為I 4mm。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述多晶硅沉積層厚度為2_。本發(fā)明采用上述流化床反應(yīng)器制備多晶娃的方法
I)種子硅通過種子硅進(jìn)料口進(jìn)入流化床反應(yīng)器，工藝氣體通過工藝氣體進(jìn)氣口進(jìn)入工藝氣體進(jìn)氣緩沖腔，并通過氣體分布器進(jìn)入流化床反應(yīng)器上部，工藝氣體帶動種子硅形成鼓泡床。2)流化床反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)化趨于穩(wěn)定后，打開內(nèi)置加熱器，使得加熱區(qū)域溫度為7000C 850°C。反應(yīng)在加熱區(qū)域進(jìn)行，長大后的種子硅成為產(chǎn)品顆粒硅，從產(chǎn)品顆粒硅出料口排出，反應(yīng)后的尾氣通過尾氣出口排出。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述工藝氣體為H2和SiH4混合氣，工藝氣體中SiH4所占體積比為29Tl5%。優(yōu)選的，工藝氣體中SiH4所占體積比為59Tl2%。所述H2純度為7N及以上，SiH4純度為7N及以上。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述種子硅顆粒當(dāng)量直徑為50 y m ^400 U m ;優(yōu)選的，種子硅顆粒當(dāng)量直徑為250150^!^種子硅產(chǎn)品純度要求為6N及以上。所述廣品顆粒娃當(dāng)量直徑為400 1200 u m ;優(yōu)選的，廣品顆粒娃當(dāng)量直徑為800 1000 u m。所述工藝氣體進(jìn)氣溫度為200°C ^600 °C ;優(yōu)選的，所述工藝氣體進(jìn)氣溫度為250 0C 450°C。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述反吹口內(nèi)的反吹氣體為純度為6N及以上的H2,反吹氣體溫度為400°C 600°C。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，當(dāng)產(chǎn)品顆粒硅中含有5%以上不符合產(chǎn)品顆粒硅粒徑要求的小顆粒時(shí),開啟反吹口 ；或者當(dāng)產(chǎn)品顆粒娃在排料時(shí)無法出料時(shí)，開啟反吹口。本發(fā)明提供的用于生產(chǎn)多晶硅的流化床反應(yīng)器及制備多晶硅的方法，其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)多晶硅生產(chǎn)的連續(xù)性，降低多晶硅的生產(chǎn)成本。對于內(nèi)襯材料上的設(shè)置，使得內(nèi)襯材料使用壽命延長且不污染產(chǎn)品硅，制備出的多晶硅純度高。


圖I為本發(fā)明流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明流化床反應(yīng)器的內(nèi)襯材料圖。附圖標(biāo)記
I產(chǎn)品顆粒硅出料口 ； 2反吹口；3工藝氣體進(jìn)氣緩沖腔；
4工藝氣體進(jìn)氣口 ； 5氣體分布器；6內(nèi)置加熱器；
7內(nèi)襯材料；8流化床反應(yīng)器外殼；9種子硅進(jìn)料口 ；
10尾氣出口；701內(nèi)襯材料主體層；702內(nèi)襯材料沉積層。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行說明。請結(jié)合圖I和圖2，本發(fā)明提供的用于生產(chǎn)多晶硅的流化床反應(yīng)器，包括流化床反應(yīng)器外殼8，流化床反應(yīng)器外殼8頂部設(shè)有種子硅進(jìn)料口 9及尾氣出口 10 ;流化床反應(yīng)器外殼8底部設(shè)有產(chǎn)品顆粒硅出料口 1，顆粒硅出料口 I內(nèi)部設(shè)有反吹口 2 ;流化床反應(yīng)器內(nèi)的下部設(shè)有氣體分布器5，顆粒硅出料口 I與氣體分布器5底端相連，產(chǎn)品顆粒硅出料口 I設(shè)置在氣體分布器5底部的中心位置。氣體分布器5和流化床反應(yīng)器殼體8組成的下部腔體為工藝氣體進(jìn)氣緩沖腔3 ;工藝氣體進(jìn)氣緩沖腔3側(cè)面設(shè)有工藝氣體進(jìn)氣口 4 ;氣體分布器
5上面設(shè)有內(nèi)置加熱器6，內(nèi)置加熱器6為環(huán)形加熱器；內(nèi)置加熱器對應(yīng)流化床反應(yīng)器內(nèi)部的區(qū)域?yàn)榧訜釁^(qū)域。內(nèi)置加熱器6內(nèi)圈設(shè)置內(nèi)襯材料7，內(nèi)襯材料7由內(nèi)襯材料主體層701和內(nèi)襯材料沉積層702構(gòu)成。內(nèi)襯材料主體層701采用耐高溫的800H材料制成，內(nèi)襯材料沉積層702為多晶硅沉積層，純度為6N。800H材料厚度為5mm，多晶硅沉積層厚度為2mm。采用上述流化床反應(yīng)器制備多晶硅的方法如下
I)將H2和SiH4混合氣作為工藝氣體，其中SiH4所占的體積比為5%，H2和SiH4純度均為7N，工藝氣體以300°C的溫度通過工藝氣體進(jìn)氣口 4進(jìn)入工藝氣體緩沖腔3，并通過氣體分布器5進(jìn)入流化床反應(yīng)器上部，之后帶動種子硅形成鼓泡床。2 )流化床反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)化趨于穩(wěn)定后，打開內(nèi)置加熱器6，使得加熱區(qū)域溫度為750 V左右。反應(yīng)在加熱區(qū)域進(jìn)行，長大后的種子硅成為產(chǎn)品顆粒硅，從產(chǎn)品顆粒硅出料口I排出，反應(yīng)后的尾氣通過尾氣出口 10排出。種子硅顆粒當(dāng)量直徑為400 iim，種子硅產(chǎn)品純度為6N，產(chǎn)品顆粒硅當(dāng)量直徑為 1200u m。反吹口 2內(nèi)的反吹氣體純度為6N的H2,反吹氣體溫度為450°C。
權(quán)利要求
1.用于生產(chǎn)多晶硅的流化床反應(yīng)器，其特征在于包括流化床反應(yīng)器外殼，所述流化床反應(yīng)器外殼頂部設(shè)有種子硅進(jìn)料口及尾氣出口； 所述流化床反應(yīng)器外殼底部設(shè)有產(chǎn)品顆粒硅出料口； 所述流化床反應(yīng)器內(nèi)的下部設(shè)有氣體分布器，所述氣體分布器底端與顆粒硅出料口相連，所述氣體分布器和流化床反應(yīng)器組成的下部腔體為工藝氣體進(jìn)氣緩沖腔；所述工藝氣體進(jìn)氣緩沖腔側(cè)面設(shè)有工藝氣體進(jìn)氣口； 在所述氣體分布器上方設(shè)有內(nèi)置加熱器； 所述內(nèi)置加熱器內(nèi)圈設(shè)置內(nèi)襯材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于所述顆粒硅出料口內(nèi)部設(shè)有反吹口。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于所述內(nèi)置加熱器為環(huán)形加熱器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于所述產(chǎn)品顆粒硅出料口設(shè)置在氣體分布器底部的中心位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的流化床反應(yīng)器,其特征在于所述內(nèi)襯材料由內(nèi)襯材料主體層和內(nèi)襯材料沉積層構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于所述內(nèi)襯材料主體層采用耐高溫的800H材料制成，所述內(nèi)襯材料沉積層為多晶硅沉積層，純度為6N及以上。
7.根據(jù)權(quán)6利要求所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于所述800H材料厚度為:TSmm，所述多晶娃沉積層厚度為1 4_。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于所述多晶硅沉積層厚度為2_。
9.采用權(quán)利要求1-8中任一所述的流化床反應(yīng)器制備多晶硅的方法，其特征在于 1)種子硅通過所述種子硅進(jìn)料口進(jìn)入流化床反應(yīng)器，工藝氣體通過工藝氣體進(jìn)氣口進(jìn)入工藝氣體進(jìn)氣緩沖腔，并通過氣體分布器進(jìn)入流化床反應(yīng)器上部，工藝氣體帶動種子硅形成鼓泡床； 2)流化床反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)化趨于穩(wěn)定后，打開內(nèi)置加熱器，使得加熱區(qū)域溫度為7000C 850°C，反應(yīng)在加熱區(qū)域進(jìn)行，長大后的種子硅成為產(chǎn)品顆粒硅，從產(chǎn)品顆粒硅出料口排出，反應(yīng)后的尾氣通過尾氣出口排出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備多晶硅的方法，其特征在于所述工藝氣體為H2和SiH4混合氣，所述SiH4所占體積比為29Tl5%，所述H2和SiH4純度為7N及以上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備多晶硅的方法，其特征在于所述SiH4所占體積比為5% 12%。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備多晶硅的方法，其特征在于所述種子硅顆粒的當(dāng)量直徑為50iim 400 iim，所述產(chǎn)品顆粒硅當(dāng)量直徑為400 1200 y m種子硅產(chǎn)品純度為6N及以上，所述工藝氣體進(jìn)氣溫度為200°C 600°C。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備多晶硅的方法，其特征在于所述種子硅顆粒的當(dāng)量直徑為25(T350iim，所述產(chǎn)品顆粒硅當(dāng)量直徑為800 1000 y m，所述工藝氣體進(jìn)氣溫度為250 0C 450°C。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備多晶硅的方法，其特征在于所述反吹口內(nèi)的反吹氣體為純度為6N及以上的H2,反吹氣體溫度為400°C ^600°C。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制備 多晶硅的方法，其特征在于當(dāng)產(chǎn)品顆粒硅中含有5%以上不符合產(chǎn)品顆粒硅粒徑要求的小顆粒時(shí)，開啟反吹口 ；或者當(dāng)產(chǎn)品顆粒硅在排料時(shí)無法出料時(shí)，開啟反吹口。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于生產(chǎn)多晶硅的流化床反應(yīng)器及制備多晶硅的方法，包括流化床反應(yīng)器外殼，所述流化床反應(yīng)器外殼頂部設(shè)有種子硅進(jìn)料口及尾氣出口；所述流化床反應(yīng)器外殼底部設(shè)有產(chǎn)品顆粒硅出料口；所述顆粒硅出料口與氣體分布器底端相連，所述氣體分布器和流化床反應(yīng)器組成的下部腔體為工藝氣體進(jìn)氣緩沖腔；所述工藝氣體進(jìn)氣緩沖腔側(cè)面設(shè)有工藝氣體進(jìn)氣口；在所述氣體分布器上面設(shè)有內(nèi)置加熱器；在所述內(nèi)置加熱器內(nèi)圈設(shè)置內(nèi)襯材料，所述內(nèi)襯材料由內(nèi)襯材料主體層和內(nèi)襯材料沉積層構(gòu)成。利用本發(fā)明生產(chǎn)多晶硅，可以實(shí)現(xiàn)多晶硅生產(chǎn)的連續(xù)性，降低多晶硅生產(chǎn)成本。
文檔編號C01B33/029GK102718219SQ201210251718
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月20日
發(fā)明者張華芹, 鄭飛龍, 黃小華 申請人:上海森松壓力容器有限公司