CN102325722A - 用于生产氯硅烷的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于生产氯硅烷(主要为三氯硅烷)和从这些氯硅烷沉积高纯度多晶硅的方法和有关材料。用于氯硅烷生产的来源包括共晶或亚共晶铜-硅，所述铜-硅的浓度范围为10wt％至16wt％硅。将共晶或亚共晶铜-硅浇铸成适合于氯化反应器的形状，在氯化反应器它暴露于工艺气体，该工艺气体至少部分地由HCl组成。气体在共晶或亚共晶铜-硅的表面进行反应并以挥发性氯硅烷的形式提取硅。其后可以以致补充所提取的硅量并将材料重铸成所期望的材料形状的方式再循环利用废弃的共晶或亚共晶材料。

Description

用于生产氯硅烷的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于生产氯硅烷的方法和装置。

背景技术

通常，为了从硅生产氯硅烷，在固定床反应器、流化床反应器、或任何种类的搅拌床反应器中使HCl或HCl与氢气的混合物与硅反应。上述过程通常在300℃至1100℃的温度下进行。在大多数情况下，冶金级硅(即纯度为98％至99.5％的硅)用于该反应，产物直接用于随后的化学反应或在进一步精炼步骤以后用于随后的化学反应。后者适合于在Siemens型CVD反应器中使用氯硅烷来生产高纯度硅。可以将某些添加剂混合于该冶金级硅以改善反应的生产率或选择性，如在关于铜的美国专利第4,676,967号(Breneman)或关于铬的美国专利申请公开第2007/0086936A1号(Hoel等)中所描述的。在大多数情况下，在硅和所使用的添加剂之间提供较大的接触面积是一种挑战并且需要使用碎的、小尺寸的硅颗粒，如在美国专利第6,057,469号(Margaria等)和美国申请公开第2004/0022713A1号(Bulan等)中所描述的。

考虑到使用所产生的氯硅烷，气态杂质的最小化将降低用于净化和过滤气体的成本。已知铜不仅作为用于改善氯硅烷产生的生产率的催化剂，而且还作为金属杂质的吸收材料吸除材料(getter material)。Olson描述了在直接靠近加热的石墨丝处放置硅化铜。仅由于由热丝和相对较冷室壁之间的温差引起的自然对流来驱动气体的运动。通常，单室安排可能会导致若干问题。例如，在美国专利第4,481,232号中描述的方法中，仅可将有限量的硅化铜加入室中并且通过纤丝来间接加热合金(由于它靠近纤丝)。因而不能适当地控制合金温度，并且合金温度将增加超出用于气态硅生产的最佳温度范围。本领域技术人员将明了，过高的温度会移动俘获在铜硅合金或铜本身中的金属杂质，其将导致在精制硅中升高水平的金属杂质。将进一步明了，尤其是在有氢气存在的条件下，过高的反应温度将不利地改变气态氯硅烷产物流的组成并将移动俘获在铜硅合金或铜本身中的金属杂质，从而降低精炼过程的生产率或质量。单室设置还缺乏挥发性杂质和颗粒的适当抑制，这将影响沉积硅的纯度。在硅工业中，即使痕量的铜也会非常不利于硅在半导体或太阳能用途中的应用是众所周知的。因此在专利号4,481,232中披露的单室安排仅适用于实验室规模应用，而对于按比例扩大则不是最佳的。而且，对于在热丝上沉积纯化硅的方法，氯硅烷的生产是不可或缺的。

对于在电子工业中任何应用，如太阳能电池的应用或半导体器件的制造，需要高纯度硅。用于任何电子应用的必要的纯度级别显著高于由所谓的冶金级硅(m.g.-硅)提供的纯度级别。因此，需要复杂和成本高昂的精炼步骤。这导致强烈需要更加有成本有效的和节能的方法，从而以简化方式来纯化m.g.-硅。

通常，区分两种用于精炼硅的方式：化学途径和冶金途径。在化学精炼的情况下，以氯硅烷的形式将m.g.-硅转移到气相中，并且之后以化学气相沉积(CVD)过程的形式加以沉积(使用三氯硅烷，例如常规的Siemens法，参见例如美国专利第2,999,735号、第3,011,877号、第3,979,490号、以及第6,221,155号，或使用硅烷，参见例如4,444,811或4,676,967)。在这种情况下，第一步是在流化床反应器中从小尺寸(粒状/破碎)硅颗粒形成氯硅烷，以及随后蒸馏气态物质。因为以小颗粒的形式使用硅，其完全暴露于工艺气体，所以杂质(金属杂质、硼、磷等)也可以进入气相，因而在氯硅烷可以用于硅沉积、或用于进一步化学处理如用于硅烷生产的氢化以前必须通过蒸馏将其除去。

冶金方法涉及m.g.-硅的浇铸，只是作为硅(以及通过分离和氧化来除去杂质，例如在WO/2008/031,229A1中所披露的)或作为m.g.-硅和金属(例如铝)的合金。在后一种情况下，金属作为杂质的捕集剂/吸除剂，但在将精制硅浇铸成锭以前必须用湿化学方式将其滤除。冶金方法还会导致比化学途径显著更低的纯度级别。

化学途径的主要缺点在于，在氯硅烷形成期间，需要m.g.硅料的小尺寸颗粒，从而为反应提供较大的硅表面。另外，需要不期望的高压和/或高温以保持m.g.-硅和工艺气体(HCl、或HCl、H2混合物)之间的反应继续进行。这会导致氯硅烷流中的高杂质浓度(金属氯化物、BCl3、PCl3、CH4等)，其可能需要通过蒸馏进行充分纯化。

已知金属(如铜)作为硅和HCl之间的反应的催化剂，因为它降低所需要的温度并增加产率(例如美国专利2009/0060818A1)。对于用作催化剂，使铜(或更可能地氯化铜形式的铜)与m.g.硅颗粒接触，从而改善它们和HCl的反应性。因为对于此用途来说，金属(如铜)仅用作用于分开的m.g.硅料的催化剂，所以金属/铜催化剂的应用浓度是在更低百分比或千分比(per mill)范围内。在此范围内的情况下，诸如铜的金属不会影响纯化或从m.g.硅料吸收(即过滤)杂质。

Jerry Olson提出了用铜硅合金来纯化m.g.硅(美国专利4.481.232；还参见R.C.Powell，J.M.Olson，J. of Crystal Growth 70(1984)218；P.Tejedor，J.M.Olson，J. of Crystal Growth 94(1989)579；P. Tejedor，J.M.Olson，J.of Crystal Growth 89(1988)220)。Olson浇铸了大于20％wt Si(例如20-30％wt Si)的铜硅件，并将其放置于直接靠近加热的硅丝。插入的工艺气体(HCl-H2混合物)以氯硅烷的形式从合金提取硅并且Olson能够在硅丝上沉积纯化的硅。硅的提取发生在400至750℃的温度范围内。应当明了，在使用金属硅合金的情况下，会遇到明显的操作上的缺点，包括在合金材料16中存在微晶的情况下(例如，在该合金材料中存在两相的情况)，在纯化过程的内部和外部合金材料的不稳定性。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于从低纯度硅源生产气相沉积运输气体，以避免和/或减轻至少一种上述缺点的系统、方法和/或材料。

本发明提供了用于生产氯硅烷的装置和方法。尤其是，本发明提供了用于从原料气生产氯硅烷的方法，其中原料气可加以操作以和硅-金属合金形式的硅源反应，从而提供包含一种或多种氯硅烷的气体。本文中使用的术语氯硅烷是指类似于硅烷并具有一个或多个与硅结合的氯原子的任何分子物质。源材料是具有浇铸或烧结金属硅化物形式的硅，或在更一般的意义上，是硅-金属合金。

本发明可以用作独立装置用于生产氯硅烷，或它可以连接于Siemens型CVD反应器用于生产高纯度硅，或它可以连接于任何种类的(一个或多个)后续室用于沉积硅。入口气体可以是纯HCl或可以是由HCl、氢气以及氯硅烷构成的气体混合物。将工艺气体主动输送到反应室中并从反应室中输出。将用作源材料的金属硅化物主动加热至超过150℃的温度。

在一个方面，本发明提供了用于计量生产(measured production)氯硅烷的装置，该装置包括室，该室具有通过其接收第一气体混合物的进口，其被构造为接收适合于提供硅源的硅-金属合金，上述气体混合物包含可加以操作以和硅源反应的气体源，从而提供包含一种或多种氯硅烷的气体。该装置进一步包括出口以及加热装置，该出口连接于室并且被构造为允许氯硅烷从其通过，该加热装置连接于室并且可加以操作以主动加热合金(当其被容纳在室中时)。该装置进一步包括控制系统，该控制系统连接于室并且被构造为控制第一气体混合物进入室中的量和流动，以及进一步控制加热装置以主动加热合金至足够的温度，以促进第一气体混合物和合金的反应，从而产生氯硅烷，该氯硅烷可加以操作以通过出口。

在一种实施方式中，容纳在室内的第一气体混合物选自由(i)氯化氢、(ii)氢气与氯化氢的混合物以及(iii)氢气、氯化氢以及氯硅烷的混合物组成的组。

在另一种实施方式中，适合于提供硅源的合金是硅-金属合金，其中金属具有低蒸气压并且当与HCl气体和氢气混合时表现出有限反应。合金可以选自由硅-铜合金、硅-镍合金、硅-铁合金、硅-银合金、硅-铂合金、硅-钯合金、硅-铬合金或它们的混合物组成的组。在又一种实施方式中，合金包括至少一种添加剂，其可加以操作以加速工艺气体的形成速率。

在本发明的又一种实施方式中，该装置可以进一步包括搅拌器，该搅拌器被构造为帮助气体在室内的移动和输送并通过室中的出口。该装置可以是位于室中的内部螺旋桨(propeller)或该搅拌器可以是连接于室的外部泵。

在另一种实施方式中，本发明的加热装置位于室内。可替换地，加热装置可以位于室外侧以及连接于室，并且可加以操作以对室进行加热。

在另一个方面，本发明提供了用于生产硅的气体源的装置，该装置包括具有进口和出口的室，其中通过进口接收受控量的最初气体源并且气体可加以操作以通过出口，上述室被构造为接收适合于提供硅源的硅金属合金，以及加热装置可加以操作以主动加热合金至足够的温度，从而促进硅与最初气体源的反应，以产生硅的气体源(当合金被容纳在室中时)。可以控制最初气体源的量和流动。

在一个可替换方面，本发明提供了用于产生氯硅烷的方法，该方法包括以下步骤：(i)在室中放置包含硅源的硅-金属合金；(ii)将受控量的包含氯源的进口气体混合物进给入室中；(iii)将合金主动加热至足够的温度以产生包含至少一种氯硅烷的工艺气体源；以及(iv)从室中除去包含至少一种氯硅烷的工艺气体源。

在一种实施方式中，该方法包括加热室到150℃至1100℃范围内的温度，优选温度为300至800℃。

在又一种实施方式中，在该方法中所使用的合金是硅-金属合金，其中金属具有低蒸气压并且当与HCl气体和氢气混合时在所应用的温度范围内呈现有限反应。合金可以选自由硅-铜合金、硅-镍合金、硅-铁合金、硅-银合金、硅-铂合金、硅-钯合金、硅-铬合金或它们的混合物组成的组。如果入口气体包含STC(例如，作为Siemens反应器的废气)和/或需要高产率的TCS，则以这样的方式选择硅-金属合金以使得至少一种成分可以作为STC到TCS的逆反应(back reaction)的催化剂，例如铜、镍、或铬。

在现今的高纯度硅纯化过程中可能需要复杂和成本高昂的精炼步骤。现今方法的其他缺点是化学蒸气中的高杂质浓度，这会需要通过蒸馏的充分纯化。过共晶合金已用于现有技术过程，然而存在操作上的明显缺点，包括在纯化过程的内部和外部合金材料的不稳定性。与目前的纯化系统和方法相反，提供了用于一种纯化硅的方法，包括：使输入气体与金属硅合金材料反应，该金属硅合金材料的硅百分比重量为或低于针对相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比；产生包含硅的化学气相传输气体，其中硅获自金属硅合金材料的原子矩阵；将气相传输气体引导至被构造为促进硅沉积的纤丝；以及以纯化形式将来自化学气相传输气体的硅沉积在纤丝上。

另一方面提供了用于产生化学气相传输气体的方法，其中该化学气相传输气体用于通过硅沉积进行的硅纯化，包括：使输入气体与金属硅合金材料反应，该金属硅合金材料的硅百分比重量为或低于针对相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比；产生包含硅的化学气相传输气体，其中硅获自金属硅合金材料的原子矩阵；以及输出气相传输气体以用于随后硅沉积。

另一个方面是金属硅合金材料，其中的硅百分比重量为针对用于化学气相沉积(CVP)过程的相应的金属硅合金所限定的硅的所选的共晶重量百分比，以使得合金材料中存在的硅微晶为或低于所限定的最大微晶阈值。

另一个方面是金属硅合金材料，其中的硅百分比重量为或低于针对用于化学气相沉积(CVP)过程的相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比。

另一个方面是包含金属硅合金材料的化学气相反应器，该金属硅合金材料的硅百分比重量为或低于针对相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比。

另一个方面是产生用于通过随后硅沉积的硅纯化的化学气相传输气体的装置，该方法包括：室，该室被构造为用于使输入气体与金属硅合金材料反应以及用于产生包含硅的化学气相传输气体，其中该金属硅合金材料的硅百分比重量为或低于针对相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比，其中的硅获自金属硅合金材料的原子矩阵；以及出口，该出口耦接于室，用于输出用于随后硅沉积的气相传输气体。

另一个方面是包含金属硅合金材料的化学气相反应器，其中金属硅合金材料的硅百分比重量为或低于针对相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比。

另一个方面是包含金属硅合金材料的化学气相反应器，其中金属硅合金材料的硅百分比重量为针对相应的金属硅合金所限定的硅的所选定的共晶重量百分比，以使合金材料中存在的硅微晶为或低于限定的最大微晶阈值。

使用铜硅化合物的目的是为了利用铜的催化特性以及使用金属-硅矩阵来防止/吸收杂质。

另外的典型的目的是：产生用于氯化反应器的铜-硅源，其(1)在浇铸期间抑制微裂纹的形成，(2)具有所期望的贮存期并抑制显着的氧化，(3)在氯化反应器中使用期间抑制溶胀/膨胀，(4)在氯化反应器中使用期间抑制粉尘或粉末的释放，(5)导致产生高于所选电阻率阈值的高纯度硅，和/或(6)在硅显著耗尽以后能够对其进行处理并且可以能够将其再熔/浇铸(即循环利用)。

附图说明

现将参照以下附图进一步详细描述本发明：

图1是本发明的装置的一种实施方式的示意图，其中使用外部加热装置；

图2是本发明的装置的可替换实施方式的示意图，其中具有内部加热装置；

图3是本发明的装置的可替换实施方式的示意图，其中包括控制系统；

图4是示出了一般纯化过程和装置的方块图，其中使用合金材料作为图1的装置和方法的实例；

图5是图4的合金材料的典型相图；

图6是图4的合金材料的典型矩阵；

图7示出了用于图4的装置的金属合金材料的共晶性能的可替换实施方式；

图8a示出了用于图4的装置的合金材料的不良的过共晶性能；

图8b示出了在图4的装置以后图8a中使用后的合金材料的典型结果；

图9示出了图3的共晶铜硅合金材料的氧化行为与图8a的过共晶合金的氧化行为；

图10a是图6的合金材料的另一种实施方式；

图10b示出了在图1的装置的蒸气产生过程中耗尽以后的硅含量的图示说明；

图11是图4的化学蒸气生产和沉积过程的典型方法的方块图；

图12是图4的典型的化学蒸气生产过程的方块图；

图13是用于图4的合金材料的典型的浇铸装置；

图14是利用图13的装置的典型的浇铸过程的方块图；

图15a是通过沉积硅的厚度测得的电阻率的示意图，其中沉积硅获自在图4的装置中所使用的共晶或亚共晶合金材料；以及

图15b是通过沉积硅的厚度测得的电阻率的示意图，其中沉积硅获自在图4的装置中所使用的共晶或亚共晶合金材料。

具体实施方式

人们已认识到，由Olson提出的铜-硅合金的明显缺点在于合金似乎是过共晶，并且申请人也已证实了，当暴露于大气时，过共晶表现出氧化的倾向，并且其在氯化过程中会发生膨胀和崩解。后者可以由显著的硅微晶和散布在合金材料中的共晶铜硅矩阵中的有关的裂纹的存在所引起。

在以下描述中，广泛使用若干术语，以下定义用来便于理解本发明的各个方面。在本说明书中，实施例的应用，包括术语的实例，仅用于说明的目的而不是用来限制本发明的实施方式的范围和含义。数值范围包括限定该范围的数值。在本说明书中，措词“包含”用作开放式术语，实质上相当于词组“包括但不限于”，并且措词“包括”具有相应的含义。另外，人们认识到，诸如由说明性实施例提供的具体措施，大概是出于控制合金材料16中的压力、温度、和/或硅百分含量的目的。人们认识到，在所述具体措施中的轻微差异是容许的，只要上述差异对过程9、11和/或合金材料16中的微晶120含量的影响是非实质性的即可。例如，近似温度可以意味着温度变化正负1度。例如，近似硅百分比重量可以意味着具体的百分比重量度量加减0.01-0.2。

本发明提供了用于生产氯硅烷的方法。尤其是，本发明提供了用于从硅金属合金生产氯硅烷的方法。本文中术语氯硅烷是指具有一个或多个与硅结合的氯原子的任何硅烷物质。

进料材料是浇铸或烧结的硅金属合金形式的硅。本发明可以(i)用作独立装置，用于产生氯硅烷或(ii)它可以连接于西门子类型CVD反应器，用于生产高纯度硅或(iii)它可以连接于任何种类的随后室，用于沉积硅。

入口气体可以是纯HCl或可以是由HCl、氢气以及氯硅烷构成的气体混合物。将工艺气体主动输送到室中或输送出室。将用作进料材料的硅金属合金主动加热至超过150℃的温度。

为了增加特定氯硅烷组分的产率，可以通过STC-冷凝器或STC到TCS转化器来分离产生的氯硅烷，并可以将过量组分回料到氯化室。

在一种实施方式中，本发明的装置包括室，该室具有通过其来接收第一气体混合物的进口，该室被构造为容纳适合于提供硅源的硅金属合金。气体混合物包含气体源，其可加以操作以和硅源反应，从而提供包含一种或多种氯硅烷的气体。该装置还包括出口和加热装置，该出口连接于室并被构造为允许氯硅烷从其通过，该加热装置连接于室并且可加以操作以主动加热硅金属合金(当它被容纳在室内时)。该装置还包括控制系统，该控制系统连接于室并被构造为控制第一气体混合物进入室的量和流动，以及进一步控制加热装置以将合金主动加热至足够的温度，从而促进第一气体混合物和合金的反应以产生氯硅烷，该氯硅烷可加以操作以通过出口。

在另一种实施方式中，本发明提供了用于生产硅的气体源的方法，其包括室，该室具有通过其接收受控量的最初气体源的进口以及通过其可操作气体以通过的出口。室被构造为容纳适合于提供硅源的硅金属合金。该装置进一步包括加热装置，该加热装置可加以操作以主动加热合金至足够的温度从而促进硅和最初气体源的反应，进而产生硅的气体源(当合金被容纳在室内时)。

控制在本发明的装置中所作用的最初气体源的量和流动以控制生产率。可以通过使用控制系统来控制最初气体源的量和流动，其中该控制系统连接于室，从而直接或间接地连接于室的进口，其控制最初气体源的流入。可替换地，可在最初气体源的来源处或借助于控制室的进口(直接或间接地)控制最初气体源的量和流动，以影响气流。可以通过导向系统和/或位于室内、或连接于室的搅拌器来另外控制室内的(一种或多种)气体的流动。下文进一步描述搅拌器。

本发明涉及氯硅烷的生产，如二氯硅烷、三氯硅烷以及四氯化硅、或它们的两种或三种的混合物。尤其是，本发明涉及氯硅烷用于硅的纯化的应用，其中使用低级硅(例如冶金级硅)、使它以氯硅烷的形式进入气相。然后可以将氯硅烷输送到化学气相沉积室，用于硅的随后沉积，如在申请人的共同未决申请，题目为“用于硅精制的装置和方法(Apparatus andMethod for Silicon Refinement)”中所描述的。

为了形成用于本发明的装置和方法的硅金属合金，可以使用任何金属，只要金属具有低蒸气压并且表现出与HCl气体和氢气的有限反应即可，金属不应形成在沉积室中的热丝上倾向于分解的气态物质。潜在合金形成金属包括但不限于铜、镍、铁、银、铂、钯、铬或这些金属的混合物。在本发明的一种优选实施方式中，合金是具有近似共晶铜-硅组成或亚共晶铜-硅组成或它们之间的任何组成的硅-铜合金。

本文描述的氯硅烷反应器是固定床反应器，但本领域技术人员将明了，还可以使用移动床或任何种类的搅拌床安排。在150℃至800℃的温度范围内，发生最初的工艺气体，例如HCl或氢气和HCl的混合物之间的反应，但温度可以更高以用于更高熔点硅化物。温度上限取决于合金组成以避免金属-硅化物的熔化。如本文描述的，主动控制温度和气流。

氯硅烷室，本文中也称作氯化室，具有包含合金以及接收本文描述的最初的工艺气体的大小和形状。室装备有加热系统。除了结构和机械方面的考虑，对于氯化室并没有大小限制。应当明了，氯化室必须连接于、或包含被构造为如本文描述的加热氯化室的加热系统。室可以是圆筒形或箱形或相容于所描述过程的任何几何形状。在一种实施方式中，室为圆筒形，其可以提供更容易的排空和更好的超压性能。如下文详细描述的，室被构造为借助于内部加热器或借助于连接于室的外部加热器进行加热。

该室可以由可加以操作以承受腐蚀性空气和工作温度的范围的任何材料制造。为了将硅合金保持在适当地方，可以使用电荷载流子，电荷载流子必须承受与室相同的气氛和温度，因而可由类似材料的制备，只要它在用于处理的温度范围内不形成合金即可。

室包括工艺气体的进口和出口。优选地，为封闭在室中的合金提供工艺气体的均匀流动的方式设计进口和出口。导流系统可以用来改善均匀性。出口可以装备有筛网或颗粒过滤器，这取决于离开室的气体的用途。

主动迫使工艺气体进入氯化室并输送出室。任何种类的搅拌器都可以用来主动迫使气体，如鼓风机或泵。应当明了，泵或鼓风机将暴露于腐蚀性气体，因而应由能够承受上述条件的材料制备。可以将外部泵设置在进口或出口附近。

将放置在室中的硅-金属合金主动加热至适当温度以确保工艺气体和硅的快速反应以及保证高输出。如上所述，室可以包含加热装置或可以连接于外部加热装置。加热装置用来直接加热室和合金，即合金的加热不受除了加热装置以外的任何其他来源的影响。术语‘主动加热’、或其变化形式，用来描述加热受控合金的方式，其中通过变化加热装置的输出来变化合金的温度。应当明了，氯硅烷的形成是放热反应，但产生的热量仅对硅金属合金的加热提供较小的贡献。因此，合金温度的控制主要与加热装置有关。

在内部加热装置的情况下，可以使用石墨加热器，优选涂布有SiC或适用于腐蚀性空气的任何其他材料的反应器。内部加热装置可以为大直径反应器提供增强的加热以及便于具有较低壁温度的室的操作，其可以改善容器材料的耐腐蚀性。如果使用外部加热装置，则可以使用任何类型的电阻加热器并将其连接于室。可以将外部加热装置放置在氯化室的外壁的附近，可以将其直接连接于它，或甚至可以是室壁的一部分。根据本文提供的描述，应当明了，需要加热装置和室之间的良好热接触以及提供在室内的均匀的温度分布。将进一步明了，以这样的方式设计加热装置的数目和它们的位置，以致尽可能有效和均匀地加热合金。气体进口侧处工艺气体的预加热可以用来改善合金的均匀加热。除加热装置以外，装置还可以包括隔热层，其可以放置在室周围并因而封闭加热元件和室以减少室的热损失。因为这种隔热材料在任何时候都不暴露于工艺气体，所以可以使用任何现有技术的隔热材料。

可以通过现有技术的温度控制器来控制温度。硅合金的温度应高于150℃，优选高于300℃，以实现高生产率，以及不应超过1100℃。本领域技术人员将明了，如果氢气和HCl的气体混合物用作入口气体，则太高温度将使在一侧的硅以及氯化氢气体和在另一侧的氯硅烷之间的平衡反应移向固体硅方向。在使用纯铜硅合金的情况下，温度应不超过800℃，因为这是铜硅合金的低共熔温度。在更高熔点金属硅化物用作原料的情况下，它可以更高。可以通过热电偶或任何其他种类的温度传感器来控制和/或监控室的温度。优选将温度传感器附着于合金，然而应当明了，它们并不是需要的，以及基于加热元件的功率消耗，本领域技术人员将能够控制合金温度。如果优选的氯硅烷产物是三氯硅烷，则应施加压较低温度以实现对于三氯硅烷的高选择性。对于铜硅合金，用于形成三氯硅烷的优选温度范围将是250至450℃。

在一种实施方式中，以这样的方式将合金放置在室内以致合金表面充分暴露于气流。合金优选为铜和低纯度硅，例如冶金级硅。然而，应当明了，也可以使用高纯度硅。硅浓度应为至少10t％以确保高硅生产率。但也可以使用低硅浓度而在原则上不会损害过程，但对于本领域技术人员来说显而易见的是，生产率的产率将降低。在合金的浇铸过程中，可以添加另外的添加剂，以在氯硅烷的形成期间加速反应时间。可以使用的其他添加剂包括但不限于铬(Cr)、镍(Ni)、铁(Fe)、银(Ag)、铂(Pt)、以及钯(Pd)。

待使用的合金可以采用任何形式，例如块状、板状、颗粒状、厚块(chunk)、卵石状或任何其他形状，其便于容易装入室以及其优选提供较大的表面和容积比。

使用的最初的工艺气体是这样的气体，其可加以操作以进行反应从而形成适合于输送硅的化学气相传输气体。在一种实施方式中，最初的工艺气体提供氯源。在一种实施方式中，最初的工艺气体是氢气和干燥的HCl气体，其通过进口被供入室，以及合金是一硅化二铜合金。氢气和干燥的HCl气体的比率为1∶9至9∶1，优选1∶5至5∶1或更优选1∶2至2∶1。在此实施方式的情况下，可以将来自氯化装置的气体混合物直接供入硅沉积室。

在另一种实施方式中，初始气体是纯HCl以及产生的氯硅烷气体可以用于进一步纯化或可以混合于例如氢气，然后供入沉积室。通常，供入的气体可以包含氯硅烷而没有危害过程。

可以在正常大气压下操作本文描述的装置。可替换地，可以在增加的压力下，例如在1至10巴的范围内，操作装置。在一种实施方式中，在大约5巴的增加的压力下操作装置。本领域技术人员将明了，增加的压力一方面将增强氯硅烷生产率以及另一方面减少挥发性金属氯化物(例如，但不排外地，AlCl₃)的蒸发。

在处理前，优选排空氯化室以提供用于过程的无氧化物大气。本领域技术人员将明了，真空系统可能暴露于腐蚀性气体如HCl或氯硅烷，其需要耐腐蚀真空成分。可替换地。通过用无氧化物和水分的吹扫气体清除室来提供无氧化物大气。

在供给以后，最初的工艺气体和在合金表面的硅反应。因此，通过H2-HCl混合物和硅合金的反应，产生了氯硅烷，例如三氯硅烷、四氯化硅或二氯硅烷。借助于此反应，可以提供用于输送硅的化学气相传输气体。以简化形式，反应可以写成如下形式：

Si+3HCl→SiHCl₃+H₂

此反应的典型的副产物是SiH2Cl₂(DCS)和SiCl₄(STC)。

应当明了，本文描述的方法用于生产氯硅烷。如下文进一步描述的，本发明的装置可以用于若干用途，包括例如，但不限于，作为用于生产氯硅烷的独立装置，用于闭环系统，如在共同未决申请，题目为“用于硅沉积的装置和方法(Apparatus and Method for Silicon Deposition)”中所描述的，以及用于多晶硅的化学气相沉积过程，例如西门子类型CVD反应器，如在美国专利号2,999,735、3,011,877、以及6,221,155中所披露的。

在一种用途中，在用于多晶硅的化学气相沉积过程的应用中，氯化室可以结合于需要氯硅烷源的任何其他系统，例如西门子类型多晶硅沉积反应器。在此应用中，室可以以将氯化室的出口连接于西门子反应器的进口的方式耦接于西门子反应器。它还便于多室装配的设置，例如若干氯化室供给一个沉积反应器，或一个较大的氯化室连接于若干沉积反应器。

在另一种应用中，可以以这样的方式将氯化室连接于沉积室，以致两个反应器形成一个闭环系统。这种安排，描述在共同未决申请，题目为“用于硅沉积的装置和方法(Apparatus and Method for Silicon Deposition)”中，可以最小化输送长度和相应的仪器和设备以及减少潜在的污染源。

在另一种应用中，该装置可以用作独立装置。例如，装置可以以将产生的氯硅烷供入分馏过程的方式用作高纯度氯硅烷的单独生产。由于以下事实：铜是用于杂质的极好的吸除剂以及另外作为用于产生氯硅烷的催化剂，所以硅-铜-合金用作进料会导致高生产率。

现参照附图，通常用数字10来标示本发明的装置。

图1示出了具有室12的装置，其中室12提供气密气氛。可以在顶部或底部，通过除去顶部或底部板，来打开室，或室可以装备有任何其他类型的气密门或窗。如上所述，将合金16放置在室12内。室12与其连接的外部加热装置6提供在反应器中的受控温度。可以添加另外的隔热层以减少到外侧的热损失，如在图1和2中由数字18所示。通过热电偶(未示出)、或任何其他种类的温度传感器，来控制和/或监控室12中的温度。

室12包括进口22和出口23，应当明了，取决于安装和安排，可以切换进口22和出口23。可以安装用于气体流量的导向系统20以改善流动。因为在大多数情况下，室将具有比进入管更大的直径，所以导向系统将改变在进口处的流动以提供在整个室截面上的均匀流动。导向系统可以是平板，该平板具有适当数目的孔以便于气体流过平板。导向系统可以形成自承受可以使用的温度和腐蚀性气体的材料。可以将另外的供气管道28、29连接于室12以便于气体通过并进入室12，上述气体可以包括最初的工艺气体和/或吹扫气体。另外，利用进口22、23、28、或29可以安装排空系统。可以使用任何现有技术的真空系统。本领域技术人员将明了，真空系统可能暴露于腐蚀性气体，其需要耐腐蚀真空成分。沿着进口/出口22、23以及沿着供气管道安装有阀门24并且阀门24可加以操作以控制在它们中的气体流。阀门24可以包括在需要控制气体流的任何位置。泵或鼓风机26可以提供在氯化室中的强迫流动。

图2示出了本发明的装置的可替换实施方式的示意图，其中在室12内结合有加热装置6。这种安排包括电供应30。如上所述，本发明的装置还可以包括另外的仪器，例如可以将冷凝器(用来除去例如金属氯化物32)、颗粒过滤器34、气体分析系统、或氯硅烷转化器(例如，但不排他地，STC到TCS转化器)36的一种或多种加入系统(如果氯硅烷的进一步利用需要它)。取决于用途，可以将转化器36安置在进口侧(例如，如果将H2、HCl以及氯硅烷的混合物供入室)或在出口侧。

图3是具有进口22和出口23并连接于控制系统40的室12的示意图。控制系统40可以被构造为控制最初气体源进入室12的量和流量。此外，控制系统40可以被构造为控制连接于室12的加热装置(未示出)。

以下实施例用来进一步描述本发明的装置和本发明的装置的应用。这些实施例仅是说明性的而不是限制性的。

实施例1

直径为14cm和高度为30cm的圆筒形石英氯化室装载有总共1.15kg的硅铜合金16，其包括大约5cm的3块通过常规浇铸技术产生的50wt％硅合金。在适当排空和预热合金至280℃以后，将干燥HCl引入室并以1升/分钟的速率流动(flux)45分钟。合并输出气流和HCl流体，并借助于结合在管道中的膜式泵以及以0.5-1.5升/秒的速率循环返回到进口。通过气相色谱法分析了工艺气体流的样品并发现为包含45％三氯硅烷(TCS)、6.5％HCl、2.5％四氯化硅(STC)以及小于1％二氯硅烷(DCS)，其余为氢气。

实施例2

在实施例1的氯化室12和合金进料16中，排空室的工艺气体并再注满100％氢气。在加热合金至大约300℃以后，在1.5小时内，将总共5L的HCl加入室并将工艺气体再循环到进口(如在以上实施例1中所讨论的)。工艺气体流的分析表明，在工艺气体流的氯硅烷含量的稳步积累，其相当于＞99％的每次添加的HCl进行反应以形成氯硅烷。在1.5小时结束时，气体组成是6％TCS、3.6％STC、小于0.2％HCl或DCS，其余为氢气。

实施例3

使实施例2的合金16冷却至220℃，同时以3-6L/小时的速率熔融HCl。在两小时以后，气流的组成为17％TCS、4.7％STC、小于0.3％HCl或DCS，其余为氢气。

实施例4

直径为34cm以及高度为50cm的氯化室12装载有25晶块的硅铜合金16，合金的总重量为12kg，以及硅浓度为30wt％或3.6kg。已通过常规浇铸技术产生了合金砖。将晶块等距放置在氯化室的中心。在适当排空和用工艺气体填充室以后，将氯化室连接于西门子类型多晶硅沉积室，系统的容积为150l。将硅金属合金16加热到300至400C的温度并在闭环系统中在氯化室和沉积室之间循环工艺气体。独立控制合金的温度和纤丝的温度并且并不彼此影响。在沉积室中消耗已在氯化室中产生的氯硅烷，例如三氯硅烷，并通过和硅合金的反应，来自沉积过程的废气用来产生新的氯硅烷。气体循环48小时，其是由结合在沉积室和氯化室之间的管道中的鼓风机来驱动。在上述48小时期间，1.6kg硅已提取自硅铜合金并已沉积在沉积反应器中。上述量的硅相当于大约7.75kg的TCS，其相当于1290升气态TCS。已以实心件形式插入的合金砖形成多孔、在一定程度上的海绵状材料，甚至当硅已被提取自合金砖的内部区域时，其也便于良好的气体交换。在氯化过程结束时，观测到合金砖的显着膨胀并且它们的一部分已散开。在停止过程和冷却反应器以后，气体用惰性气体代替。在沉积硅中没有检测到铜，并由独立的、认证的实验室(NAL-NorthernAnalytical Lab.，Londonderry，NH)通过GDMS(辉光放电质谱，铜的检测极限为50ppb)来分析硅。分析清楚地表明，铜停留在固相中以及仅硅进入气相并被提取自合金。

实施例5

以47个晶块16的形式，将硅浓度为30％的15kg铜硅放置在氯化室12中。将室连接于硅沉积反应器以消耗产生的氯硅烷并向系统提供在沉积过程中产生的新鲜HCl。在15小时内，已从合金提取1.15kg硅。因为已以这样的方式选择沉积条件以致沉积发生自TCS，所以提取的硅达到5.5kg的TCS，其相当于大约920升的TCS或11/分钟的平均TCS产量。

实施例6

以18个晶块16的形式将硅浓度为50％的6kg铜硅放置在氯化室12中。将室连接于硅沉积反应器以消耗产生的氯硅烷并向系统提供在沉积过程中产生的新鲜HCl。在44小时内，1.6kg硅已被提取自合金。因为已以这样的方式选择沉积条件以致沉积发生自TCS，提取的硅达到7.7kg的TCS，其相当于大约1.285升TCS或0.48l/分钟的平均TCS产量。按照沉积硅，最大TCS产量达到0,57l/分钟。在过程中，合金确实膨胀并形成海绵状、在一定程度上的松散连接的复合材料。

实施例7

以103平板的形式，将47kg共晶铜硅(硅浓度16％wt)16放置在氯化室12中。平板的厚度为6mm。将室连接于硅沉积反应器以消耗产生的氯硅烷以及向系统提供在沉积过程中产生的新鲜HCl。在70小时内，4kg硅已被提取自共晶铜硅并转化成气体形式。加热共晶铜硅到350℃至450℃的温度。供入氯化室的初始气体成分是H2和HCl(60％H2和40％HCl)的混合物。在过程中，仅向氯化室供给来自沉积反应器的废气。在过程以后，充分给予的共晶铜硅板的完整性，没有观测到平板的膨胀或粉化。

以110晶块的形式，将54kg亚共晶(纯η相，硅浓度12％wt)铜硅16放置在氯化室12中。氯化过程中的温度为270至450℃。将室连接于硅沉积反应器以消耗产生的氯硅烷以及向系统提供在沉积过程中产生的新鲜HCl。在117小时内，4kg硅已被提取自亚共晶铜硅并转化成气体形式。供入氯化室的初始气体成分是H2和HCl(60％H2和40％HCl)的混合物。在过程中，仅向氯化室供给来自沉积反应器的废气。在过程以后，充分给予亚共晶铜硅晶块的完整性，没有观测到晶块的膨胀或粉化。

借助于方法8的合金材料16和装置10的可替换实施方式

参照图4，提供了合金材料16，例如用作包含氯硅烷的传输气体15的生产源。描述了用于从共晶和/或亚共晶金属硅合金材料12生产氯硅烷9(在传输气体15中)的一般方法，以及合金材料16的一般所期望的性能和合金材料16生产的实施例、应用于典型的氯化-沉积过程8，以及再循环。人们认识到，以下描述提供了具有所期望性能的金属/硅合金材料16，用于在CVD装置10中实施的CVD方法8(例如)。仅供讨论目的，CVD方法8和相应装置10的以下实施例描述为氯化9-沉积11。设想，不同于用于氯化的CVD方法8(包括蒸气生产9和沉积11)以及相应装置10可以使用合金材料16(根据需要)。人们认识到，氯硅烷是由于合金材料16中的硅和输入气体13(例如，包含HCl)的反应所产生的传输气体15的一个实例。传输气体15的其他实例可以包括其他卤化物(例如包括氟、溴、/或碘等和硅的活性形式：HBr、HI、HF等)。因此，由于卤化氢的不同沸点以及在输入气体13和金属硅合金材料16的硅之间的不同反应性，可能需要关于温度、气体组成、压力、和/或其他相关过程9、11参数的某些改进。另外，必须提供与用于过程9、11或在过程9、11中所使用的某些材料的相容性。

CVD的实例是如但不限于：通过操作压力加以分类；通过蒸气的物理特性加以分类；等离子体方法；原子层CVD(ALCVD)；热丝CVD(HWCVD)；混合物理化学气相沉积(HPCVD)；快速热CVD(RTCVD)；以及汽相外延(VPE)。可以选择传输气体生成过程9的操作压力和/或温度，以相容于(即促进)传输气体15的形成，相容于合金材料16的熔点(例如过程9的温度低于合金材料16的熔点温度)，和/或相容于和/或另有方便硅优先扩散通过矩阵114(例如大于例如至少两倍、至少四倍、至少一个数量级、至少两个数量级)，其是相比于包含在合金材料16中的任何杂质的扩散。

通常，化学气相沉积(CVD)是一种化学方法8，其用来产生高纯度、高性能固体材料27如所期望纯度的沉积硅27。方法8(例如包括氯化9-沉积11过程)可以用于半导体和太阳能产业来产生具有所期望纯度和形状的硅27。在一种典型的CVD方法8中，硅基材26(例如纤丝如晶片或型棒)暴露于一种或多种挥发性前体(即，获自通过氯化过程9产生的传输气体15)以促进硅27在基材26上的沉积过程11。因此，在沉积过程11中，在工艺气体15中的氯硅烷在基材26表面上反应和/或分解以产生所期望的沉积硅27。

另外，方法8还可以用于生产高纯度、成本高效硅27，如适用于精炼原料硅，例如但不限于，将大约98至99.5％纯度的冶金级硅(提供为金属/硅合金材料16的成分)精炼成高纯度硅27，考虑到金属杂质，其具有好于所选纯度级别(例如6N)的纯度。方法8还可以用于精炼和生产太阳能级硅27，其可以例如用作用于形成多晶或单晶锭(用于晶片制造)的原材料。

再次参照图4，将输入气体13(例如提供包括氢气和干燥的HCl气体的氯源)引入气相沉积(例如氯化-沉积)装置10的化学蒸气产生(例如氯化)区12(例如，室、部分室等)，以接触合金材料16(例如一硅化二铜合金)。输入气体13是这样的气体，其可加以操作以和合金材料16反应从而形成化学气相传输气体15，该化学气相传输气体用于将硅从在蒸气生产区12中的合金材料16输送到装置10的沉积区14(例如，室、部分室等)。人们认识到，区12和区14可以在相同或不同反应室(例如CVD过程的反应室)中。

作为上述的一个实施例，方法8和装置10用来精炼硅，其中经由生产包含氯硅烷的传输气体15、以及在硅丝26上沉积高纯度硅27。氯硅烷气体15形成9在一个区12中，其中以硅合金材料16的形式放置低纯度硅，以及高纯度硅27沉积11在另一个区14中，其中放置有加热硅丝26。在本文中术语氯硅烷是指具有一个或多个氯原子键合于硅的任何硅烷物质。所产生的氯硅烷可以包括但不限于二氯硅烷(DCS)、三氯硅烷(TCS)以及四氯化硅(STC)。例如，TCS用于纯化硅27的沉积。

另外，上述方法8，合金材料16的使用可以便于除去来自沉积过程11的金属杂质。尤其是，上述沉积方法可以提供高纯度硅27，同时除去停留在合金材料16中的金属杂质。一些金属杂质并不形成挥发性氯化物，例如Fe、Ca、Na、Ni、或Cr，因而和合金材料12一起停留在氯化区12中。形成具有相当低沸点的氯化物的其他金属杂质(例如Al或Ti)将蒸发，但更优选冷凝在冷表面上而不是沉积在沉积区14中的热硅丝26上。

典型的CVD方法8参数

在输入气体流13已进入区12以后，可以利用加热装置6将热量7主动施加/供给到合金材料16，以及当合金材料16的温度高于所选温度T(例如150℃)时输入气体在合金材料16的表面反应以产生硅的气体源，即氯硅烷传输气体15。然后氯硅烷气体15离开该区并被引导到区14。

在区14中，安放至少一个成形(例如U字形)纤丝26，其上沉积硅27。加热纤丝26到1000℃至1200℃的温度以便于硅沉积11。为了利用所选百分比重量的硅来形成用于装置10和方法8的硅金属合金材料16以致在合金材料16中微晶120(参见图8a)的存在(如果有的话)为或低于所选择的最大微晶阈值(人们认识到，对于为或低于共晶硅％wt组成，共晶或亚共晶矩阵114，的硅，在合金材料16中微晶120的存在应是可忽略的，如果有的话)，可以使用任何金属，只要金属具有低于限定蒸气压阈值的蒸气压以及显示/呈现和HCl气体和氢气的有限反应。在铜硅合金材料16的情况下，最大微晶阈值可以定义为在合金材料16中的硅的百分比重量为例如小于20％、小于19％、小于18％、小于17.5％、小于17％、或小于16.5％。

另外，例如，金属不应形成在沉积区14中的热丝26上倾向于分解的气态物质。优选地，在氯化区12的操作温度的范围内，所使用的金属并不形成挥发性金属氯化物。潜在的合金材料16形成金属包括但不限于铜、镍、铁、银、铂、钯、铬或这些金属的混合物。在本发明的一种优选实施方式中，合金材料16是硅铜合金。

因此，通过H₂-HCl混合物13和硅合金材料16的反应9可以产生氯硅烷气体15，例如三氯硅烷(TCS)、四氯化硅(STC)或二氯硅烷(DCS)。借助于上述反应9，可以提供用于输送硅的化学气相传输气体15。以简化形式，反应9可以写成如下形式：

Si+3HCl→SiHCl₃+H₂

此反应的典型的副产物可以是SiH2Cl₂(DCS)和SiCl₄(STC)。

将氯硅烷气体15从氯化区12主动输送到沉积区14。可以通过氯化区和沉积区12、14之间的流速(即气体交换率)来控制硅27的沉积速率11。可以通过控制系统来控制流速，上述控制系统连接于装置10并被构造为控制氯化区和沉积区12、14内以及到氯化区和沉积区12、14的气体流13、15。可替换地，可以通过H2与HCl的比率或输入气体13的其他比率来控制流速，或可以通过纤丝26的温度来控制流速。沉积速率11还可以取决于放入氯化区12中的硅金属合金材料16的量、合金材料16的温度T、和/或在合金材料16中硅的％wt。

如上所述，然后将在传输气体15中的气态硅沉积在沉积区14中的加热纤丝26上，作为高纯度硅27。可以使用的纤丝26的类型包括但不限于硅、石墨、钼、钨或钽丝。纤丝26可以具有便于随后在其上沉积11硅27的任何形状。将纤丝26的温度控制和维持为1000至1200℃。以简化形式，分解11看起来像：

SiHCl₃+H₂→Si+3HCl

此反应11的典型副产物是SiH2Cl₂(DCS)和SiCl₄(STC)。

另外，可以将硅金属合金材料16放置在氯化区12中，上述氯化区具有以下形式：固定床安排、或流动或任何其他种类的搅拌床构造。在过程9中，可以利用在氯化区中的再装载端口，来再装载硅金属合金材料16。金属硅合金材料12的结构

通常，两种或更多种固体的混合物(如金属硅合金材料16，以下称作合金材料16)的熔点取决于它的构成元素A、B的相对比例，参见图5、6。人们认识到，合金材料16是如此，以致占优势/主要构成元素B是金属(例如铜Cu、镍Ni、铁Fe、银Ag、铂Pt、钯Pd、铬Cr和/或它们的混合物)以及次要构成元素A包括硅Si。因此，金属硅(Si)合金材料16可以表征为金属/硅合金，其中和金属(例如Cu)的体积分数相比，硅占据合金结构114的较小的体积分数(例如10-16％)。

共晶或共晶合金材料16是具有这样的比例的混合物，以致熔点是最低局部温度T，其意味着在此温度下所有构成元素A、B同时结晶自熔融液体L溶液。共晶合金材料16的这样的同时结晶称作共晶反应，发生共晶反应的温度T是低共熔温度T，以及发生共晶反应的合金材料16的组成和温度称作低共熔点EP。就合金材料16而言，这可以定义为一种或多种元素A、B在金属基体/晶格114中的部分或完全固溶体(参见图6)。完全固溶体合金产生单固相微结构，而部分固溶体则产生两个或更多相，其分布可以是均匀的，这取决于热(热处理)历史。人们认识到，合金材料16具有不同于构成元素A、B的物理和/或化学性能。就矩阵/晶格114而言，这可以定义为固体材料的限定的有序成分A、B结构(例如晶体)，其成分A、B(作为原子、分子、离子)以在两个和/或所有三个空间方向延伸的有序重复模式加以排列。

共晶或亚共晶金属硅合金16与过共晶合金的区别可以在于，当铸合金冷却时，共晶或亚共晶合金16并不显示硅微晶120形成，如在过共晶合金的情况下将观测到的。例如，当共晶或亚共晶硅铜合金16用作用于本文描述的方法8的源材料16时，微晶120的这种缺乏可以是优点。

参照图5，其示出了包含两种固体元素A、B的混合物的二元体系的典型的平衡相图115，其中低共熔点EP是这样的点，在此点时液相L直接毗邻固相α+β。因此，相图115坐标显示沿水平轴117的元素A和B的相对重量浓度，以及沿垂直轴118的温度T。低共熔点EP是这样的点，在此点时液相L直接毗邻固相α+β(例如由A和B构成的均匀混合物)，是构成元素A和B的任何可能合金的最低熔化温度。人们认识到，示出的相图115是用于二元体系(即成分A、B)，然而，设想，其他体系(例如三元A、B、C以及更高)可以用来定义合金材料16，以致Si例如包括在次要构成元素A中并连同金属(或不同金属的混合物)作为主要构成元素(或元素组)B(例如，和包含一种或多种不同金属“B”的主要构成元素/元素组相比，Si是次要构成元素A)。合金材料16的实例是合金如但不限于：硅铜合金、硅镍合金、硅铁合金、硅银合金、硅铂合金、硅钯合金、硅铬合金、和/或它们的混合物(例如Cu-Ni-Si合金)。另外，人们认识到，合金材料16可以是亚共晶合金，其中硅成分A的百分比重量(wt％)组成是在二元共晶系统的平衡图115上的低共熔点EP的左手侧(即那些合金，其硅A的百分比重量(wt％)组成小于硅A的共晶百分比重量(wt％)组成)。因此，在其中存在亚共晶合金的任何位置，在上述位置处的溶质(即硅A)浓度小于在低共熔点EP处的溶质(即硅A)浓度。另外，人们认识到，合金材料16可以是过共晶合金，其中硅成分A的百分比重量(wt％)组成是在二元共晶系统的平衡图115上的低共熔点EP的右手侧(即那些合金，其硅A的百分比重量(wt％)组成大于硅A的共晶百分比重量(wt％)组成)。因此，在其中存在过共晶合金的任何位置，在上述位置处的溶质(即硅A)浓度大于在低共熔点EP处的溶质(即硅A)浓度。过共晶合金材料16被认为是多相(例如两相)合金(例如不均匀的)，而亚共晶合金材料16则被认为是单相(例如一相)合金(例如均匀的)。

人们认识到，当铸合金冷却时，共晶或亚共晶硅金属合金16可以耐裂纹122，其至少部分地是由于在源材料16中大量缺乏硅微晶120(参见图8a、图8b)。裂纹122的减少可以抑制周围的空气和水分进入铸件16的内部，因而在铸合金16暴露于环境大气以后可以减少氧气和/或水分的吸收。这可以增强铸合金16的贮存期。另外，可以减少引入合金材料16中的氧或其他杂质的释放(由于暴露于环境条件所引起的降解)到氯化区12中，从而帮助改善在工艺气体13中的氯硅烷混合物的纯度以及帮助改善沉积硅27的纯度(例如)。

金属硅合金材料16

人们认识到，不同的金属硅合金材料可以用于装置10，用于传输气体15生产和硅27沉积。例如，镍硅、铂硅、铬硅、和/或铁硅可以是有用的合金材料，其中设计金属硅合金材料16，以致选择在合金材料16中的硅的百分比重量大约为或低于共晶组成。人们认识到，选择在金属硅合金材料16中的硅的百分比重量，以致硅微晶120的量为或低于指定的最大微晶阈值。人们认识到，在合金材料中高于指定的最大微晶阈值的任何硅百分比重量将引入足够数量、大小和/或分布的微晶120，其将不利于合金材料的结构完整性，这是由于微晶120和共晶矩阵114的不相容的/不同的热膨胀性能。正如已讨论过的，在合金材料16中微晶120的存在不利于合金材料的结构完整性，这是由于高于指定的最大微晶阈值的足够数量、大小和/或分布的微晶120的存在所引起的裂纹122。

还认识到，金属硅合金材料16可以在矩阵114中具有两种或更多种金属，如两种或更多种金属的任何组合，其中上述金属选自由铜、镍、铬、铂、铁、金、和/或银等组成的组。另外，人们认识到，在包括硅的所有其他合金成分(例如在两种或更多种金属的情况下)中，金属硅合金材料16的铜可以是最大百分比重量。

参照图7，其示出金属铬硅合金材料16的典型的共晶性能和范围。

Cu-Si合金材料16实例

合金材料16的另一实例是铜Cu和硅Si，其形成相当复杂的相图115，至少一个低共熔点EP是已知的(Si大约为6％wt，Tm＝800℃)以及形成若干金属间相。最突出的金属间相是η相，其由Cu3Si构成(具有一定相宽，取决于温度)。金属间相Cu3Si相的熔点已报道为T＝859℃。在过共晶范围内(例如大于约16％wt的硅浓度)，铜Cu和硅Si在高达纯硅Si的整个浓度范围内的液体中是完全可溶混的，但在冷却期间，硅Si以散布微晶120的形式(多毫米长度的针或平板)结晶，其会嵌入共晶合金材料16的矩阵114。在低于η相的浓度范围内(即亚共晶成分，其中Si小于约16％wt)，至少5种另外的金属间化合物是已知的，但它们的大多数仅在高温范围内加以确定。

在任何情况下，人们认识到，Cu-Si合金材料16可以定义为共晶合金材料16(Si为约16％wt)，过共晶合金材料16(Si为约16％wt至99％wt)，以及亚共晶合金材料16(Si为1％wt至约16％wt)。如下文进一步说明的，用于氯化-沉积系统10的氯化室12的Cu-Si合金材料16，Si可以具有小于低共熔点EP的百分比重量，例如但不限于1-16％、4-16％、5-16％、6-16％、7-16％、8-16％、9-16％、10-16％、11-16％、12-16％、13-16％、14-16％、1-15％、4-15％、5-15％、6-15％、7-15％、8-15％、9-15％、10-15％、11-15％、12-15％、13-15％、14-15％，以限制或抑制作为在合金材料16中的硅的硅微晶120(即游离硅)(其是在矩阵/晶格114以外)的形成。

人们认识到，微晶120可以看作是形成在Cu-Si矩阵114以外的沉淀物(即过量硅，大于约16％wt，不溶于Cu-Si矩阵114中，因而在矩阵114以外形成微晶120)。

例如，人们认识到，对于约12％wt硅的亚共晶合金材料16，在合金材料16中存在很少至不存在游离硅(即微晶120)。当硅的％wt接近低共熔点EP的％wt(例如，大约16％wt)时，可以存在高达4％wt天然硅，其包括在有助于均质合金混合物的原子带中(即，天然硅分散在共晶结构114中，以致合金混合物可以看作是单相均匀混合物)。当超过低共熔点EP的硅的％wt(例如大约16％wt)时，过量硅凝固为纯硅微晶20，其分散为多相不均匀混合物(即包含共晶材料114和硅微晶120)的一相。因此，硅的％wt小于低共熔点EP的硅的％wt(例如大约16％wt)的合金材料16可以看作是单相合金材料16。

就均匀的与不均匀的而言，均匀混合物具有一相，虽然溶质A和溶剂B可以变化。在更广泛的意义上，混合物是物理上在相同地方但没有化学结合的两种或更多种物质，因而不一定考虑比率。不均匀混合物可以定义为两种或更多种机械可分成分的混合物。

让我们考虑，例如，两种基于纯铜的合金材料16，第一合金材料16具有7％的亚共晶硅含量，而第二合金材料16则具有22％的过共晶硅含量。假设合金液的冷却速率较低以便于在凝固期间通过短时间扩散在相之间建立平衡。亚共晶合金材料16的结构由分散在纯铜矩阵114中的细共晶硅的网络构成。相反，在过共晶合金材料16已冷却以后，材料结构由初级硅晶体120和共晶硅构成，其中初级硅晶体120分散为和作为矩阵114(包含纯铜)的共晶相的不同相。

另外，人们认识到，对于含铜合金材料16，在合金材料16的外表面，原子结合与硅或其他元素(例如键合于矩阵114中的硅)的铜的存在可以促进硅和输入气体13的反应以产生传输气体15(例如，原子键合铜的存在作为硅和输入气体13之间的反应的催化剂)。另外，人们认识到，因为铜是在矩阵114中，而不是处于自由形式(例如纯铜)，所以可以抑制在传输气体15包括作为杂质的铜。

不同于过共晶的合金材料16的优点

人们认识到，描述为过共晶的合金材料16是指存在多相合金，其具有共晶材料相114和硅微晶120(例如Si微晶120)。

参照图8a、图8b，如先前描述的，在过共晶合金材料16的情况下，较大晶粒尺寸的硅微晶120散布于合金材料16的整个共晶矩阵114成分/相。在氯化-沉积系统10的内部和外部，这种不均匀多相合金混合物对合金材料16的进一步利用和行为具有重要影响。例如，在合金材料16的浇铸过程中，例如随后用于系统10的合金材料16的制备，首先形成硅微晶120，然后将它们嵌入共晶金属硅的矩阵114。和共晶金属硅的矩阵114相比，硅微晶120具有不同的热膨胀系数，在浇铸过程中在合金材料16从共晶凝固点(例如Tm＝800℃，对于Cu-Si)冷却到室温期间，其可以导致在共晶金属硅的矩阵114中形成裂纹和微裂纹122。这些微裂纹122可以导致铸合金材料16的持续氧化，只要它不是贮存在例如惰性气体中。在正常气氛下，合金材料16的贮存期可以是有限的并且在一段时间以后可以导致合金材料16的铸件的分解和崩解。

另外，在过共晶合金材料16中的高氧水平(由于连续氧化)可以导致在沉积高纯度硅27中的增加的氧浓度(在氯化-沉积过程8中获自合金材料16)。另外，在氯化过程9的氯化区12中在正常工作温度下暴露于输入气体13期间，过共晶金属硅材料16可以膨胀(例如，由于热膨胀和/或经由裂纹122输入气体13渗入合金材料16所引起的膨胀)并且已发现，合金材料16的体积可以增加约两倍。另外，合金材料16的膨胀可以形成较小的块124、126，以致合金材料16的物理形态可以退化成海绵状、相当不稳定的材料形式，在重复暴露于氯化过程9的氯化工艺气体13和伴随的氯化温度T以后，其可以容易解散(即粉化)。过共晶合金材料16的膨胀/分解还可以导致在氯化-沉积系统10中形成灰尘和颗粒124，其可以由气流15输送并且可以影响精制硅27的纯度。在最坏的情况下，颗粒124可以被加入沉积硅27本身。利用过共晶合金材料16的另一缺点在于，消耗的(贫化的，depleted)合金材料16可以容易氧化(由于它的海绵状、在一定程度上的粉状结构)，因而可能难以收集用于再熔化/再利用。

例如，就具体为Cu-Si合金材料16的合金材料16而言，共晶或亚共晶铜硅材料16的结构以这样的方式区别于过共晶合金，以致在浇铸过程的冷却期间，共晶或亚共晶铜硅材料16抑制裂纹122形成，在形成的共晶或亚共晶铜硅材料16暴露于空气或其他环境条件(其中氧化剂和/或水分已进入共晶或亚共晶铜硅材料16)以后，其可以抑制氧气和/或水分的吸收。这种裂纹122抑制可以增强铸造材料16的贮存期以及进一步可以减少方法8的氧或其他杂质的量，其可以被捕获在任何裂纹22中(在过共晶合金的情况下)并在氯化过程9中被释放。

对于共晶或亚共晶铜硅合金材料16，嵌入硅微晶120(如在过共晶合金材料的情况下所形成的)的缺乏对于用于氯化反应器过程9具有一些重大的影响。如果在过程9中硅提取自在过共晶合金材料16中的微晶120，则可以形成较大的空隙或空洞122(即扩展裂纹122)并且工艺气体13可以渗入合金材料16的体积。这可以导致合金材料16的膨胀/扩展，其可以导致合金材料16的部分/完全崩解或粉化。这种崩解可以降低合金材料16用于阻止不希望的杂质的过滤效果(下文进一步描述)，因而可以使纯化过程8成为较少有效的氯化-沉积过程。

参照图9，共晶铜硅合金材料16(大约16％wt硅)的氧化行为与过共晶合金材料128(40％wt硅)的氧化行为。将两块类似形状(8×8×1.5cm)的合金材料16、128贮存在正常的实验室气氛下并作为时间132的函数测量材料重量130。一块纯铜134用作参比试样。过共晶合金128显示连续增重，这表明持续氧化。在约3个月内，测得1g以上的增重，其是合金材料128的初始总重量的约0.2％(注意到，在约6至12个月以后，过共晶块128通常分解和解散)。同时，共晶铜硅片16并没有显示任何显著的增重，其可以通过共晶材料16的实心的无裂纹结构来说明。

合金材料16的形成

参照图13，其示出了用于合金材料16的制造工艺的典型的浇铸装置200，借此合并包含测得的百分比量的金属和硅的液体材料202，然后注入模具204，该模具提供合金材料16的所期望的物理形状的空腔。然后使熔融液体材料202在受控温度下凝固以提供合金材料16的所期望的共晶或亚共晶矩阵114(参见图8a、图8b/图10a、图10b)。另外，控制冷却过程以最大化合金材料16的整数矩阵114性能(例如，其可以表征为多晶结构)以及最小化微晶120的任何形式(参见图-ga)。凝固合金材料16还称作铸件，其被脱模205或破出模具204以完成上述过程。

还参照图14，按照此优选实施方式，共晶或亚共晶金属硅合金材料16的产生可以通过浇铸过程220，其还可以加以改进以用作硅耗尽的合金材料16的再铸过程。在这种过程中，和金属(例如铜)或和亚共晶硅-铜混合物(例如耗尽的合金材料16)一起熔化202硅，例如m.g.硅。可以在石墨坩埚或任何坩埚材料中进行熔化，其中上述石墨坩埚或任何坩埚材料承受硅-铜熔体202并且并不不适当地将另外的杂质引入熔体。随后，将熔体202注入模具204，优选但不排外地，石墨模具204，以形成具有限定形状和几何形状(例如通过模具204的形状)的所期望的共晶或亚共晶合金材料16。和更高硅浓度金属硅合金(例如过共晶成分)成对照，可以将共晶或亚共晶材料16浇铸成各种不同形状(晶块、厚板、薄板)，这是因为可以无应力冷却材料。例如，浇铸的冷却过程被构造为最小化/抑制气体孔隙率、收缩缺陷、模具材料缺陷、浇注金属缺陷、和/或冶金/矩阵114缺陷。还认识到，可以构造合金材料16的物理形态/形状，以用于装置10的固定床或流化床反应器(例如区12)。

因此，可以将合金材料16浇铸成任何所期望的物理形态，例如块状、板状、颗粒状、厚块状、卵石状或任何其他形状，其便于容易装入化学蒸气区12以及其优选提供高于限定比率阈值的所选的表面136与体积比。

另外，浇铸共晶或亚共晶块16在用于蒸气生产以前可以经受表面处理或它们可以直接使用。可能的表面处理包括例如喷砂处理或化学浸蚀，以除去任何表面污染或任何氧化物层，如在浇铸过程中它可以形成的。

例如，共晶或亚共晶块、厚板或平板(或所需要的任何形状)可以用作用于在氯化反应器12中生产氯硅烷的源材料16。

合金材料16的重铸

参照图14，其示出了在过程9(参见图4)中共晶或亚共晶材料16提取预计量的硅被之后进行的重铸过程220(用于生产金属硅合金材料16，其所选的硅的百分比重量为或低于针对相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比)。可以从氯化区12除去合金材料16的消耗的厚板、块或平板或其他物理形态，因为合金材料16可以由于裂纹122的抑制而保留它的结构完整性，这起因于在用于亚共晶和/或共晶材料16的合金材料16中大量缺乏(例如缺乏)微晶120。取决于分别在所产生的氯硅烷流13或沉积多晶硅27中所需要的纯度级别，消耗的材料16可以被再熔或混合于另外的硅以形成新鲜共晶或亚共晶材料16，供进一步用于氯化过程9。消耗的材料16的再循环利用次数可以取决于个别杂质的阈值以及所用mg.-硅的杂质水平。

在步骤222中，熔化消耗的金属硅合金材料16，以使得消耗的金属硅合金材料16在原子矩阵114中的硅的浓度增加：从金属硅合金材料16的外表面136到金属硅合金材料16的内部140，以致在消耗的材料中邻近外表面136的硅的百分比重量为或低于针对相应的金属硅合金所限定的硅范围的亚共晶重量百分比。在步骤224，将硅(例如，作为冶金级硅)加入消耗的金属硅合金材料16(例如，熔化形式、固体形式、或部分熔化形式)，用于将所获得的熔化材料的硅的百分比重量含量增加到所选择的硅的百分比重量，其为或低于针对相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比。在步骤226中，浇铸熔化的合金材料以产生适合于重新部署(redepolyment)到装置10的化学蒸气生成区的固体金属硅合金材料16(参见图4)。可选步骤228是，表面处理浇铸的金属硅合金材料16。

人们认识到，可以对亚共晶合金进行表面处理(例如洗去已积累在表面上的金属氯化物)。对于过共晶，这是不可能的，这是由于海绵状结构，即裂纹122形成(如所讨论的)。是否可以进行表面处理取决于由于浇铸过程的结果包含在合金材料16中的杂质的阈值。另外，在浇铸期间，可以进行氧化物和/或碳化物的脱渣，作为合金材料16的表面处理。

合金材料12的过滤效果

参照图4、图10a、图10b，认为在过共晶合金材料16(即，包含微晶120，参见图-8a)的情况下，材料16的膨胀会影响或阻止气体13流动，以及由于合金材料16的崩解(起因于膨胀/开裂)所导致的粉末和颗粒的释放会将杂质/污染物引入传输气体15，其会污染沉积硅27。

在共晶或亚共晶铜硅的情况下(即显著缺乏微晶120，参见图8a)，合金材料16块并不明显膨胀或改变它们的形状，从而阻止裂纹122的形成/传播(propagation)以及合金材料16的物理完整性的崩解和/或破坏。因此，和输入/工艺气体13的反应发生在亚共晶或共晶材料16的表面136上。因为已知硅在铜-硅中具有比其他金属元素显著更快的扩散速率，所以对于停留在合金材料16中的任何杂质，可以实现有效的过滤效果，因为仅仅那些已扩散到表面136的元素(即在合金材料16中的Si或任何其他所认为的杂质元素)可与工艺气体13反应。

因此，矩阵114可以被视为在合金材料16中(例如同样在具有铜和硅的矩阵114中)的杂质的过滤器或吸除剂，这是因为用于传输气体生成9的温度和其他操作参数使硅在矩阵中的扩散优先(即数量更大)于所认为的杂质原子(例如，Cr、Fe、O2、N2、硼、磷等)通过合金材料16的扩散。因此，矩阵114在硅和输入气体13的反应的化工/冶金过程中作为吸除剂/过滤器，以吸收否则将进入传输气体15的杂质。还认识到，硅在合金矩阵114中的扩散/传输速率取决于若干参数，包括过程9温度和/或Si在矩阵114中的浓度梯度(例如，在与输入气体13反应以后，在合金材料16的表面附近，Si在矩阵114中的浓度将首先耗尽，从而在合金材料16的外表面和内部之间产生硅在矩阵114中的浓度梯度)。

原子扩散是一种扩散过程，由此，原子在固体材料16中的随机热激活运动导致原子的净输送。输送速率受控于扩散率和浓度梯度138。在矩阵114的晶体固态中，Si在晶格114内的扩散是通过填隙和/或替代机制并称作晶格扩散发生的。在填隙式晶格扩散中，扩散物(如在金属硅合金中的Si)将在另一种晶体元素的晶格结构之间进行扩散。在替代晶格扩散(例如自扩散)中，Si原子可以通过取代在矩阵114中的另一个原子的位置进行移动。在整个晶格114中可获得点空位以后，替代晶格扩散经常是可能发生的。通过快速的、基本上随机的跳来跳去(跳扩散)，在矩阵114中，扩散Si原子从点空位迁移到点空位。

因为点空位的普遍(prevalence)是按照阿伦尼乌斯方程(Arrheniusequation)而增加，所以晶体固态扩散的速率可以随温度的增加而增加。对于在无缺陷晶体矩阵114中的单原子，可以通过“随机游动”模型来描述Si原子的移动。在三维中，可以表明，在长度α的n次跳跃以后，原子将已平均移动预定距离。Si在多晶矩阵114材料16中的原子扩散可以涉及短路扩散机制。例如，沿着晶界和某些结晶114缺陷如位错，存在更加开放的空间，从而便于用于Si元素扩散的更低活化能。因此，经常利用有效扩散系数，其是晶格以及晶界扩散系数的结合，来建立在多晶114材料16中的原子扩散模型。通常，表面扩散比晶界扩散快得多，以及晶界扩散比晶格扩散快得多。

因此，因为已知硅在金属硅中具有比其他杂质元素(那些不期望引入/包括在传输气体15中的元素)显著更快的扩散速率，所以随着矩阵14中的硅优先扩散到表面136以供反应，移动较慢的杂质元素被捕获在疏松材料16中。对照于具有过量硅(即微晶120)的合金，在从矩阵114耗尽硅元素以后，仅克氏空孔(Kirkendall-void)主要形成在矩阵114中，而不是较大的腔(例如裂纹122)。表面硅和工艺气体13的反应会产生浓度梯度138，因而驱动在向着表面136方向的硅扩散。因为在表面136上可获得的硅量受限于固态扩散的速度，所以选择在氯化过程9中的温度T，因为如果过程9温度太低，则在表面136上新鲜硅的补充会太低。如果温度太高，则连同硅一起足够量的杂质可以迁移通过矩阵114，从而以高于限定杂质阈值的浓度不希望地包括在传输气体15中。原则上，可以在200℃和合金材料16的熔点(例如，大约800℃，对于Cu-Si合金，其是共晶合金材料的熔点Tmp)之间的任何温度下操作过程9。例如，200℃可以是较低温度边界的一个实例，其中硅的扩散变得低于既定的最低扩散阈值。

在所期望的金属硅合金材料16(例如Cu-Si)的情况下，通过加热装置6将近似共晶或亚共晶合金材料16加热到所选的温度范围之间(例如250℃-550℃、300℃-500℃、350℃-450℃、375℃-425℃、250℃-350℃、350℃-550℃、250℃-300℃、400℃-500℃、400℃-550℃)，用于形成三氯硅烷或其他气体13，以及如果四氯化硅或其他气体13是优选的，则加热到更高温度(例如450℃-Tmp、500℃-Tmp、550℃-tmp、600℃-Tmp、650℃-Tmp、700℃-Tmp、750℃-Tmp、800℃-Tmp)。过程9的压力可以为例如1-6巴。另外，人们认识到，在其他金属硅合金材料16(不同于Cu-Si)构造中可以调节温度和压力工艺参数，以促进/最大化硅通过矩阵114的扩散。

沉积硅27的性能

参照图15a、图15b：使用共晶铜硅作为源材料(12a)以及使用过共晶合金(硅浓度30％，12b)的纯化硅27的电阻率。通过分解在氯化区12中产生的氯硅烷(即三氯硅烷)并通过分别使用过共晶或共晶铜硅合金材料16，将硅27沉积在热丝26上。在沉积以后，将多晶硅棒27切割成片并通过4点探针来测量径向电阻特性曲线250。(注意：大于50/100Ohmcm的电阻率值被设置为50/100Ohm cm，因为这大致是仍然可以测量的体电阻率；高于50/100Ohm cm，表面状态和晶界的影响变得显著)。共晶铜硅显示比过共晶硅显著更好的过滤效果/吸除效果，因为在整个沉积硅27厚度T，电阻率值250保持基本恒定。平均来讲，在材料片的所选厚度T位置，和沉积自过共晶材料的硅27的电阻率相比，沉积自共晶材料的材料显示出高约一个数量级的电阻率。(注意：半径的最初3-4mm不是沉积硅而是初始纤丝)。因此，人们认识到，在过程9中至少部分地由于矩阵114的过滤效应，在沉积硅27的整个厚度中，沉积硅27的电阻率保持高于所选的最低电阻率阈值。

装置10的示例性操作

参照图4、12，其示出使用装置10(参见图4)来纯化硅的一种典型方法230，该方法包括以下步骤：反应232输入气体13和金属硅合金材料16，其硅百分比重量为或低于针对相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比；产生234化学气相传输气体15，其包括获自金属硅合金材料16的原子矩阵114的硅；将气相传输气体15引导236到纤丝16，其被构造为便于硅沉积；以及以纯化形式将来自化学气相传输气体15的硅27沉积到纤丝26上。

参照图4、图12，其示出了用于产生化学气相传输气体15(用于通过硅沉积11的硅纯化)的一种典型方法240，该方法包括以下步骤：使输入气体13与金属硅合金材料16反应242，其硅百分比重量为或低于针对相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比；产生244化学气相传输气体15，其包括获自金属硅合金材料16的原子矩阵114的硅；以及输出246气相传输气体15，用于随后硅沉积11。

在处理8前后合金材料16的典型结果

参照图10a、图10b，其示出了在经受蒸汽产生过程9(参见图4)前后，共晶铜硅片16的示意性微观结构。在图10a中，在浇铸以后，共晶铜硅合金材料16具有均匀组成(例如，具有硅均匀分布在铜矩阵14中的单相)。在图10b中，在氯化区12中提取硅以后：共晶(或类似于亚共晶成分的情况)仍然是完整的并且合金材料16并不明显改变它插入区12中的初始形状。在从合金材料16提取硅期间，在图10a中，通过矩阵14，硅扩散到合金材料16的表面136，其中它和输入气体13反应。在相对于蒸汽产生过程9的需求，基本上耗尽硅以后，合金材料16包含仍然停留在矩阵14中的硅的梯度138，以致在矩阵中硅的浓度从合金材料16的外表面到合金材料14的内部140(例如中心区)是增加的。

人们认识到，在合金材料16的内部140，任何硅微晶120(参见图8a)的存在将必须扩散通过合金材料16以达到表面136，供随后和输入气体13的相互作用。因此，人们认识到，原本停留在矩阵14中的Si扩散(例如矩阵扩散)到表面136的速率以及随后和输入气体13的相互作用将不同于原本并不停留在矩阵14中(例如在微晶120中，参见图8a)的Si扩散(例如材料扩散)到表面136的速率以及随后和输入气体13的相互作用。在某些情况下，人们认识到，在微晶120中的硅之间所期望的相互作用可以借助于合金材料16的崩解(经由上述膨胀/开裂)优先发生，因而不一定经由通过合金材料16的扩散(即裂纹将使嵌入微晶120暴露于输入气体13)。

实施例

以下实施例说明用于氯硅烷气体13生产9和随后高纯度硅27生产11的共晶和亚共晶铜硅合金材料16的性能和行为。这些实施例仅是说明性的而不是限制性的，尤其并不限制可以用于金属硅合金材料16的不同金属，这和所描述的金属硅亚共晶和共晶合金材料16的精神是一致的，其中上述材料在金属硅矩阵114以外具有限定缺乏的过量硅(例如，作为沉积微晶120)。

实例1

浇铸共晶铜硅的厚板(8×8×1.5cm)，测量重量，然后将它暴露于大气(正常的实验室气氛)。为了便于比较，浇铸硅浓度为40％wt硅和类似尺寸的过共晶厚板，并以和共晶厚板相同的方式加以处理。作为参比，使用了纯铜板。在3个月内测量了3个不同块的重量(参见图6)。尽管过共晶合金厚板显示随时间不断增加的重量(在3个月后，重量已增加1克以上，而初始重量为约400g)，但对于共晶铜硅没有检测到显著变化。这表明，过共晶合金以连续方式吸收氧气和/或水分，增重的量意味着在进行连续氧化。浇铸过共晶合金厚板的显微照片显示微裂纹的高度网络，其为氧化提供较大的表面。另外，可以假设，氧化导致体积变化/膨胀，其会产生更多裂纹，从而促进进一步的氧化。因为在浇铸期间共晶(以及亚共晶)材料并不优先形成微裂纹，所以氧化仅可以在厚板16表面本身上发生而并不渗入材料16的体积。

实例2

共晶和过共晶(30％wt硅)组成的两个厚板，其中暴露于标准大气，并且没有进行特别处理。在大约6个月的贮存期以后，过共晶厚板失去其完整性并分崩离析，而共晶厚板没有变化并明显保持其固体结构。

实例3

在石墨模具中浇铸厚度为3mm和长度为20×10cm的共晶板。可以产生无裂纹的平板。为了便于比较，类似几何形状的过共晶板(30％wt和40％wt硅)的浇铸总是导致分离裂纹和破坏，其至少部分地起因于由共晶矩阵114和散布的硅微晶120的不同热膨胀系数所引起的应力。

实例4

将尺寸为8×8×1.5cm的共晶厚板(晶块)放置在氯化反应器中(参见申请“用于生产氯硅烷的方法和装置(Method and Apparatus for theProduction of Chlorosilanes)”)。共晶铜厚板的总量为40kg，在与工艺气体反应期间，在氯化反应器中的温度为300至400℃。将所产生的氯硅烷送入沉积反应器而没有进一步纯化(参见申请“用于硅精制的方法和装置(Method andApparatus for Silicon Refinement)”)。在90小时内，已从共晶厚板提取4kg硅并沉积在放置在分开的沉积室中的加热硅丝上。平均沉积速率为44g/h。在沉积以后，利用4点探针(4point probe)来测量沉积多晶硅棒的径向电阻特性曲线。在整个半径上，电阻率为100Ohm cm或更高，这表明共晶铜-硅的非常有效的杂质吸收(参见图15a)。在整个氯化过程中，共晶-铜硅厚板并不明显改变它们的物理形状，并且在处理后，它们是完全完整的，以致它们保持它们的物理结构完整性。

为了便于比较，以类似方式浇铸40wt％硅的过共晶合金，并在类似条件(考虑到温度和气体组成)下用于相同氯化过程9。所使用的过共晶合金的重量为26kg。将所产生的氯硅烷送入沉积过程11而不进行进一步纯化。沉积总共5.4kg硅，平均沉积速率为46g/小时。在沉积多晶硅的半径上的相应的电阻特性曲线显示显著更低的电阻率，尤其是向着片的边缘(图12b)。这清楚地表明，与共晶和/或亚共晶合金相比，过共晶合金对于电活性杂质(即，硼，如通过化学分析所证实的)的吸除效果较低。在氯化过程中，过共晶厚板会膨胀并且它们的大部分会分崩离析，从而形成大量粉末。

实例5

已浇铸亚共晶厚板(η相，12％wt硅)并放置在氯化反应器中。在氯化期间温度为270至450℃。使用了54kg亚共晶铜硅。将所产生的氯硅烷送入沉积反应器而没有进一步纯化。在117小时内，将4kg多晶硅沉积在加热纤丝上。亚共晶厚板并没有改变它的形状，在提取硅以后，充分保持了厚板完整性。没有检测到显著的粉化或膨胀。

虽然已参照说明性实施方式和实施例描述了本发明，但描述并不是限制性的。因此，根据这种描述，说明性实施方式的各种改进、以及本发明的其他实施方式对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此应认为，所附权利要求将涵盖任何这样的改进或实施方式。另外，所有权利要求以引用方式结合于优选实施方式的描述。

本文提及的任何出版物、专利以及专利申请的全部内容以引用方式结合于本文。

Claims (24)

1.一种用于生产用于通过硅沉积进行的硅纯化的化学气相传输气体的方法，所述方法包括：

使输入气体与金属硅合金材料反应，所述金属硅合金材料具有的硅的百分比重量为或低于相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比；

产生所述化学气相传输气体，所述化学气相传输气体包括获自所述金属硅合金材料的原子矩阵的硅；以及

输出用于随后的硅沉积的所述气相传输气体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，硅的所述重量百分比是重量百分比范围。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，对于使用铜作为所述金属的所述金属硅合金，所述重量百分比范围为约8至约16百分比重量的硅。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气相传输气体包括氯硅烷并且所述金属硅合金使用铜作为所述金属。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述输入气体包含氯化氢、氢气或氯化氢与氢气的混合物。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述铜硅合金是冶金级硅。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述金属硅合金的所述金属选自由铜、镍、铁、银、铂、钯、和铬组成的组。

8.根据权利要求3所述的方法，其中，所述铜硅合金包含约1至约16百分比重量的硅。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述硅-铜合金包含约10至约16重量的硅。

10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述铜硅合金材料处于受控的合金材料温度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述受控的合金材料温度是在所述铜硅合金材料的最低扩散阈值温度和熔点温度之间。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述受控的合金材料温度为约300℃至约500℃。

13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述金属硅合金材料的外表面和所述金属硅合金材料的内部之间产生硅浓度梯度以促进所述硅通过所述金属硅矩阵而原子扩散至所述外表面，用于由所述输入气体消耗。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述金属硅合金材料中存在的硅微晶低于限定的微晶阈值。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述限定的微晶阈值是所述金属合金中硅的亚共晶百分比重量的性能。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述限定的微晶阈值是所述金属合金中硅的共晶百分比重量的性能。

17.根据权利要求1所述的方法，进一步包括所述金属硅合金材料作为用于所述金属硅合金材料中存在的限定的杂质组分的吸除剂。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述限定的杂质组分的过滤促进产生所述纯化硅，所述纯化硅在整个沉积硅厚度具有保持高于限定的最低电阻率阈值的电阻率。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，用于所述沉积硅的材料片的所选的厚度位置中的电阻率与来自过共晶合金材料的沉积硅的电阻率相比高一个数量级或更高。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属硅合金材料具有低于限定亲和力阈值的氧化亲和力，从而即使所述材料暴露于氧化剂也能够促进所述材料保留它的结构完整性。

21.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述金属硅合金材料中存在低于限定的微晶阈值的硅微晶抑制在暴露于所述输入气体期间金属硅合金材料的结构完整性的降低。

22.一种用于生产通过随后的硅沉积用于硅纯化的化学气相传输气体的装置，所述方法包括：

室，所述室被构造为用于使输入气体与金属硅合金材料反应，所述金属硅合金材料具有的硅百分比重量为或低于相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比，以及用于产生所述化学气相传输气体，所述化学气相传输气体包含获自所述金属硅合金材料的原子矩阵的硅；以及

出口，连接于所述室，用于输出用于随后的硅沉积的所述气相传输气体。

23.一种化学气相反应器，含有金属硅合金材料，所述金属硅合金材料具有的硅百分比重量为或低于相应的金属硅合金所限定的硅的共晶重量百分比。

24.一种化学气相反应器，含有金属硅合金材料，所述金属硅合金材料具有的硅百分比重量为相应的金属硅合金所限定的硅的所选定的共晶重量百分比，以使得所述合金材料中存在的硅微晶为或低于限定的最大微晶阈值。

Images