CN102502646B - 快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备及方法，属于化工技术领域。所述设备述为快速循环流化床，主要由上升管、多晶硅产品取出口、原料气入口、旋风分离器、气体出口、沉降管、硅晶种加料口、储料罐、物料循环管、流化气入口、反应区温控系统、储料罐温控系统、流量计A和流量计B组成；所述方法为使用所述设备制备多晶硅的方法，通过使含硅原料气热分解或还原产生单质硅并沉积在原料多晶硅颗粒的表面，控制反应温度，使原料多晶硅颗粒逐步长大，得到产品多晶硅粒。所述设备及方法提高了沉积效率，降低了生产成本；提高了原料气的转化率并降低能耗；通过流量计调节流化气速度，可以控制得到粒径均一的产品多晶硅。

Description

快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备及方法

技术领域

本发明涉及一种快速循环流化床化学气相沉积（CVD）制备多晶硅的设备及方法，属于化工技术领域。

背景技术

太阳能因其来源广泛以及无污染等优点得到广泛的重视，被视为未来二十年人类可资利用的重要一次能源。硅材料因其原料来源丰富、性价比高，成为目前最重要的太阳能光电转换材料，晶体硅（单晶硅/多晶硅）太阳能电池以其稳定性高、资源丰富和无毒性成为市场的主导产品，在德、日、美等国家获得快速推广使用；太阳能级多晶硅材料在我国也已大规模生产。但是，随着太阳能级多晶硅材料在我国的大规模生产，随之产生的高能耗、高污染和高二氧化碳排放，使我国已经开始沦为为发达国家制造清洁太阳能电池而自身被严重污染的硅材料“生产车间”。

生产多晶硅材料导致的环境污染和高能耗源自落后的生产工艺。西门子法与改良西门子法是目前占绝对优势的生产方法，占2009年世界多晶硅生产能力的80％以上。1955年西门子公司的E.Spenke等人研究成功在硅棒发热体上用氢气还原三氯氢硅（HSiCl₃）来制备多晶硅，并于1957年开始规模化工业生产。西门子法的关键生产设备——化学气相沉积反应器外壁为水冷的不锈钢壁面，西门子法通过在化学气相沉积反应器中用电极将硅棒加热到约1100℃，反应前驱体HSiCl₃在硅棒表面分解，沉积出晶体硅，其化学反应式如下式所示：

同时伴随有副反应发生，副反应的化学反应式如下式所示：

西门子法能耗高并且污染重，其原因有两点：1）反应器的表面积/体积比（A/V）值非常小，化学气相沉积效率低，同时容易发生气相成核进一步降低三氯氢硅的转化效率，为此必须采用冷壁高温反应器，大量热能被循环冷却系统带走，造成能耗高；2）由于化学热力学原因，该方法会产生大量四氯化硅副产品（产品与副产品的物质的量比约1:12），副产品难以回收利用，势必造成严重环境污染。改良西门子法增加了副产品四氯化硅的回收装置，其主要原理的化学反应式如下式所示：

虽然改良西门子法解决了副产品四氯化硅的回收问题，但是，该法需要在高温高压溶剂热反应釜中进行，需要消耗大量产品多晶硅，同时设备昂贵、反应过程危险性高。

为克服西门子法的固有缺陷，国外开发了硅烷流化床法、金属置换法与物理冶金法等替代技术，其中流化床法已经在欧美获得工业应用，但是我国目前尚无流化床化学气相沉积工业装置运行，在流化床沉积多晶硅技术方面的专利几乎空白，相关核心专利技术掌握在西门子、REC和MEMC等公司手中。在流化床法中，从反应器下部通入原料气和流化气的混合物使床层流化，单质硅沉积在多晶硅颗粒表面，作为晶种的多晶硅细颗粒被连续或间歇地加入到流化床中，粒径增大的多晶硅颗粒作为产品由反应器下部取出，流化床反应器生产多晶硅从根本上克服了西门子法的弊端，成为行业内研究和开发的热点。

但是，流化床反应器生产多晶硅也存在以下技术难点。一方面，在早期的流化床反应器制备多晶硅的专利中，多采用外加热方式，其中反应器壁面温度高于反应器内被加热的多晶硅颗粒，硅沉积不仅发生在多晶硅颗粒上，也同时会发生在流化床反应器的表面，使得反应器体积变小，而且壁面传热系数大大下降，增大能耗。另一方面，早期的流化床多为浅层床，流化气体容易形成气泡，而固体硅颗粒容易形成聚团。在气泡内部，硅烷快速裂解并气相成核，生成超细硅粉并随着气相流失，同时聚团颗粒内部随着硅烷浓度的下降，沉积速率减小，造成硅烷利用率降低，提高了制造成本。

为了改善以上问题，研究者提出了许多的改进技术方案。美国专利US5382412公开了一种流化床制备多晶硅的改进技术方案，在该方案中，流化床下部通过垂直隔板分为加热区和反应气通入区，在加热区，硅颗粒被流化，同时被微波加热。在加热区和反应气通入区之上为反应区，反应区不需要微波加热，而是通过反应区和加热区上部之间的颗粒混合形成的传热而维持反应所需的温度。美国专利US6007869公开了一种采用微波加热的流化床方案，在流化床下部为微波加热区，只通入流化气，在上部反应区通入含硅的原料气。中国专利CN101318654B公开的一种流化床制备多晶硅的技术方案，将加热区和反应区在结构上相互分开，在反应器加热区通入不含硅的流化气，加热区多晶硅处于流化状态通过加热装置将多晶硅颗粒加热，并输送到反应区，在反应区通入含硅气体产生单质硅并沉积在颗粒表面。美国专利US0324819公开的技术方案中，在反应器气体出口处增加了细硅粉的回收装置，细硅粉被返回流化床作为晶种继续沉积。

美国专利US5382412和US6007869所公开的技术方案虽然提供了加热区和反应区，但并没有将加热区和反应区有效地分隔开，由于流化床的强返混特性，会导致反应区的一部分含硅反应气返混到加热区，导致加热区壁面的沉积。中国专利CN101318654B所公开的技术方案将加热区和反应区分隔开，但物料只能少部分被循环加热，由于硅的热容比较低，同时流化气和反应气会带走大量热，所以大部分物料温度较低，反应效率下降，并且未从根本上解决细硅粉生成问题。美国专利US0324819所公开的技术方案，虽然提高了多晶硅的产率，但并未从根本上解决细硅粉的生成问题。

发明内容

针对现有流化床反应器生产多晶硅存在的能耗大以及原料利用率低的缺陷，本发明的目的在于提供一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备及方法。所述设备及方法能耗低、原料转化率高，并且制备得到的多晶硅产品粒径均一且可控。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，所述设备为快速循环流化床，主要由上升管、多晶硅产品取出口、原料气入口、旋风分离器、气体出口、沉降管、硅晶种加料口、储料罐、物料循环管、流化气入口、反应区温控系统、储料罐温控系统、流量计A和流量计B组成。

其中，设有阀门的多晶硅产品取出口位于上升管下部并与上升管连通，原料气入口位于多晶硅产品取出口上方，上升管中部，并通过设有流量计A的管路与上升管相连通，原料气入口以上的上升管部分为反应区，反应区设有内置或外置的反应区温控系统；上升管顶部与其平行的旋风分离器通过管路连通，旋风分离器顶部设有气体出口，旋风分离器底部与沉降管连通，硅晶种加料口与储料罐上方的沉降管连通或直接与储料罐连通，储料罐与沉降管底部连通，储料罐设有内置或外置的储料罐温控系统，储料罐底部与上升管通过物料循环管连通，物料循环管与上升管连通处位于原料气入口和多晶硅产品取出口之间；流化气入口通过设有流量计B的管路与上升管底部连通。

优选物料循环管上设有阀门，所述阀门为机械阀或气力流动阀；更优选所述阀门为气力流动阀，所述气力流动阀为L阀、H阀或V阀中的任意一种。

优选原料气入口与上升管连通一端设有原料气分布器；上升管底部设有流化气分布器。

优选在原料气入口设有内置或外置的原料气温控系统用于预热原料气。

优选在流化气入口设有内置或外置的流化气温控系统用于预热流化气。

一种使用本发明所提供的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备制备多晶硅的方法，所述方法通过使含硅气体热分解或还原产生单质硅并沉积在多晶硅颗粒的表面，使多晶硅颗粒逐步长大，具体步骤如下：

1）将平均直径小于1mm的原料多晶硅颗粒通过硅晶种加料口加入储料罐中，通过储料罐温控系统加热原料多晶硅颗粒，使其表面温度高于含硅气体的分解温度，低于原料多晶硅颗粒的熔化温度。

2）储料罐内的原料多晶硅颗粒通过物料循环管进入上升管中；从流化气入口将流化气通入上升管底部使原料多晶硅颗粒达到流化状态。

3）将原料气的温度控制在其分解温度以下从原料气入口通入上升管，在反应区与步骤2）中处于流化状态的原料多晶硅颗粒混合，通过反应区温控系统控制反应区温度为400～1000℃；原料气在原料多晶硅颗粒表面发生热分解或还原，产生单质硅并沉积在原料多晶硅颗粒表面，使原料多晶硅颗粒逐渐长大为多晶硅颗粒。

4）所述多晶硅颗粒在上升管内产生分级，粒径较大的多晶硅颗粒沉降到上升管底部，粒径较小的多晶硅颗粒通过气相从上升管顶部输送进入旋风分离器，在旋风分离器中粒径较小的多晶硅颗粒与气体分离，气体从气体出口排出，粒径较小的多晶硅颗粒通过沉降管进入储料罐，重复步骤1）～4）进行循环。

5）间歇或连续地向硅晶种加料口中加入作为晶种的原料多晶硅颗粒，以维持循环流化床内原料多晶硅颗粒的量。

6）将沉降到上升管底部的粒径较大的多晶硅颗粒由多晶硅产品取出口取出，得到产品多晶硅。

其中，所述原料气为硅烷、SiCl₄、SiHCl₃、SiH₂Cl₂或SiH₃Cl中的一种或一种的以上混合气；流化气体为H₂、N₂或Ar中的一种或一种以上的混合气；

其中，步骤1）中的原料多晶硅颗粒的加热温度优选为700～1000℃，更优选为800～900℃。

步骤2）中的流化气优选预热到200～900℃，更优选为500～800℃再通入上升管。

步骤3）中的原料气的温度优选为300～500℃，再从原料气入口通入上升管；反应区的温度优选为600～800℃。

有益效果：

1.沉积效率高：本发明所提供的快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备为快速循环流化床，实现了原料多晶硅颗粒流的无气泡均匀流化，避免了固体硅颗粒聚团，同时降低了气相聚合与成核速率，减少了气相中无定形超细硅粉的生成，因此提高了沉积效率，降低了生产成本；

2.硅源气体转化率高：本发明所提供的快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的方法中，将反应区与加热区分开，避免了由于多晶硅颗粒在流化床上升管管壁上的沉积，提高了原料气的转化率并降低能耗；

3.产品多晶硅粒径均一且可控：本发明所提供的快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备及方法中，由于不同粒径的原料多晶硅颗粒的起始流化速度不同，通过流量计调节流化气速度，可以控制多晶硅产品的粒径；同时，小粒径的多晶硅颗粒会被循环加热，直至生长到规定粒径，因此得到的产品多晶硅粒径均一。

附图说明

图1为本发明快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备的结构示意图。

图中：1-流化气分布器，2-多晶硅产品取出口，3-原料气入口，4-流量计A，5-原料气温控系统，6-原料气分布器，7-反应区温控系统，8-上升管，9-气体出口，10-旋风分离器，11-硅晶种加料口，12-沉降管，13-储料罐，14-储料罐温控系统，15-物料循环管，16-流化气温控系统，17-流量计B，18-流化气入口。

具体实施方式

为了充分说明本发明的特性以及实施本发明的方式，下面给出实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，所述设备为快速循环流化床，主要由上升管8、多晶硅产品取出口2、原料气入口3、旋风分离器10、气体出口9、沉降管12、硅晶种加料口11、储料罐13、物料循环管15、流化气入口18、反应区温控系统7、储料罐温控系统14、流量计A4、流量计B17、原料气分布器6、流化气分布器1、原料气温控系统5和流化气温控系统16组成。

其中，设有阀门的多晶硅产品取出口2位于上升管8下部并与上升管8连通，原料气入口3位于多晶硅产品取出口2上方，上升管8中部，并通过设有流量计A4的管路与上升管8相连通，在原料气入口3设有外置的原料气温控系统5用于预热原料气，原料气入口3与上升管8连通一端设有原料气分布器6，原料气入口3以上的上升管8部分为反应区，反应区设有外置的反应区温控系统7；上升管8顶部与其平行的旋风分离器10通过管路连通，旋风分离器10顶部设有气体出口9，旋风分离器10底部与沉降管12连通，硅晶种加料口11与储料罐13上方的沉降管12连通，储料罐13与沉降管12底部连通，储料罐13设有外置的储料罐温控系统14，储料罐13底部与上升管8通过物料循环管15连通，物料循环管15上设有机械阀，物料循环管15与上升管8连通处位于原料气入口3和多晶硅产品取出口2之间；流化气入口18设有外置的流化气温控系统16用于预热流化气，流化气入口18通过设有流量计B17的管路与上升管8底部连通，上升管8底部设置流化气分布器1。

利用本实施例所提供的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备制备多晶硅的方法，具体步骤如下：

1）将平均直径小于1mm的原料多晶硅颗粒通过硅晶种加料口11加入储料罐13中，通过储料罐温控系统14加热至1000℃。

2）开启物料循环管15上的机械阀，使储料罐13内的原料多晶硅颗粒通过物料循环管15进入上升管8中；以H₂作为流化气，在流化气入口18由流化气温控系统16预热至200℃后，经设有流量计B17的管路，通过流化气分布器1进入上升管8底部；通过流量计B17调节上升管8底部的流化气流量，使上升管8中的原料多晶硅颗粒达到快速流化状态。

3）将原料气硅烷通入原料气入口3，通过原料气温控系统5预热至300℃后，通过原料气分布器6进入上升管8，在反应区与步骤2）中处于快速流化状态的原料多晶硅颗粒混合，通过反应区温控系统7控制反应区温度为800℃；原料气在原料多晶硅颗粒表面发生反应，产生单质硅并沉积在原料多晶硅颗粒表面，使原料多晶硅颗粒逐渐长大成为多晶硅颗粒。

4）所述多晶硅颗粒在上升管8内产生分级，粒径较大的多晶硅颗粒沉降到上升管8底部，粒径较小的多晶硅颗粒通过气相从上升管8顶部输送进入旋风分离器10，在旋风分离器10中粒径较小的多晶硅颗粒与气体分离，气体从气体出口9排出，粒径较小的多晶硅颗粒通过沉降管12进入储料罐13，重复步骤1）～4）进行循环。

5）连续地向硅晶种加料口11中加入作为晶种的原料多晶硅颗粒，以维持循环流化床内原料多晶硅颗粒的量。

6）将沉降到上升管8底部粒径较大的多晶硅颗粒由多晶硅产品取出口2取出，得到产品多晶硅，产品的颗粒粒径在0.2～5mm。

实施例2

一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，所述设备为快速循环流化床，主要由上升管8、多晶硅产品取出口2、原料气入口3、旋风分离器10、气体出口9、沉降管12、硅晶种加料口11、储料罐13、物料循环管15、流化气入口18、反应区温控系统7、储料罐温控系统14、流量计A4、流量计B17、原料气分布器6、流化气分布器1、原料气温控系统5和流化气温控系统16组成。

其中，设有阀门的多晶硅产品取出口2位于上升管8下部并与上升管8连通，原料气入口3位于多晶硅产品取出口2上方，上升管8中部，并通过设有流量计A4的管路与上升管8相连通，在原料气入口3设有外置的原料气温控系统5用于预热原料气，原料气入口3与上升管8连通一端设有原料气分布器6，原料气入口3以上的上升管8部分为反应区，反应区设有外置的反应区温控系统7；上升管8顶部与其平行的旋风分离器10通过管路连通，旋风分离器10顶部设有气体出口9，旋风分离器10底部与沉降管12连通，硅晶种加料口11与储料罐13上方的沉降管12连通，储料罐13与沉降管12底部连通，储料罐13设有外置的储料罐温控系统14，储料罐13底部与上升管8通过物料循环管15连通，物料循环管15上设有H阀，物料循环管15与上升管8连通处位于原料气入口3和多晶硅产品取出口2之间；流化气入口18设有内置的流化气温控系统16用于预热流化气，流化气入口18通过设有流量计B17的管路与上升管8底部连通，上升管8底部设置流化气分布器1。

利用本实施例所提供的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备制备多晶硅的方法，具体步骤如下：

1）将平均直径小于1mm的原料多晶硅颗粒通过硅晶种加料口11加入储料罐13中，通过储料罐温控系统14加热至700℃。

2）开启物料循环管15上的H阀，使储料罐13内的原料多晶硅颗粒通过物料循环管15进入上升管8中；以N₂作为流化气，在流化气入口18由流化气温控系统16预热至900℃后，经设有流量计B17的管路，通过流化气分布器1进入上升管8底部；通过流量计B17调节上升管8底部的流化气流量，使上升管8中的原料多晶硅颗粒达到快速流化状态。

3）将原料气SiCl₄通入原料气入口3，通过原料气温控系统5预热至500℃后，通过原料气分布器6进入上升管8，在反应区与步骤2）中处于快速流化状态的原料多晶硅颗粒混合，通过反应区温控系统7控制反应区温度为600℃；原料气在原料多晶硅颗粒表面发生反应，产生单质硅并沉积在原料多晶硅颗粒表面，使原料多晶硅颗粒逐渐长大成为多晶硅颗粒。

4）所述多晶硅颗粒在上升管8内产生分级，粒径较大的多晶硅颗粒沉降到上升管8底部，粒径较小的多晶硅颗粒通过气相从上升管8顶部输送进入旋风分离器10，在旋风分离器10中粒径较小的多晶硅颗粒与气体分离，气体从气体出口9排出，粒径较小的多晶硅颗粒通过沉降管12进入储料罐13，重复步骤1）～4）进行循环。

5）间歇地向硅晶种加料口11中加入作为晶种的原料多晶硅颗粒，以维持循环流化床内原料多晶硅颗粒的量。

6）将沉降到上升管8底部粒径较大的多晶硅颗粒由多晶硅产品取出口2取出，得到产品多晶硅，产品的颗粒粒径在0.2～5mm。

实施例3

一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，所述设备为快速循环流化床，主要由上升管8、多晶硅产品取出口2、原料气入口3、旋风分离器10、气体出口9、沉降管12、硅晶种加料口11、储料罐13、物料循环管15、流化气入口18、反应区温控系统7、储料罐温控系统14、流量计A4、流量计B17、原料气分布器6、流化气分布器1、原料气温控系统5和流化气温控系统16组成。

其中，设有阀门的多晶硅产品取出口2位于上升管8下部并与上升管8连通，原料气入口3位于多晶硅产品取出口2上方，上升管8中部，并通过设有流量计A4的管路与上升管8相连通，在原料气入口3设有内置的原料气温控系统5用于预热原料气，原料气入口3与上升管8连通一端设有原料气分布器6，原料气入口3以上的上升管8部分为反应区，反应区设有内置的反应区温控系统7；上升管8顶部与其平行的旋风分离器10通过管路连通，旋风分离器10顶部设有气体出口9，旋风分离器10底部与沉降管12连通，硅晶种加料口11与储料罐13上方的沉降管12连通，储料罐13与沉降管12底部连通，储料罐13设有内置的储料罐温控系统14，储料罐13底部与上升管8通过物料循环管15连通，物料循环管15上设有L阀，物料循环管15与上升管8连通处位于原料气入口3和多晶硅产品取出口2之间；流化气入口18设有内置的流化气温控系统16用于预热流化气，流化气入口18通过设有流量计B17的管路与上升管8底部连通，上升管8底部设置流化气分布器1。

利用本实施例所提供的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备制备多晶硅的方法，具体步骤如下：

1）将平均直径小于1mm的原料多晶硅颗粒通过硅晶种加料口11加入储料罐13中，通过储料罐温控系统14加热至800℃。

2）开启物料循环管15上的L阀，使储料罐13内的原料多晶硅颗粒通过物料循环管15进入上升管8中；以H₂和Ar的混合气作为流化气，在流化气入口18由流化气温控系统16预热至700℃后，经设有流量计B17的管路，通过流化气分布器1进入上升管8底部；通过流量计B17调节上升管8底部的流化气流量，使上升管8中的原料多晶硅颗粒达到快速流化状态。

3）将原料气SiHCl₃通入原料气入口3，通过原料气温控系统5预热至450℃后，通过原料气分布器6进入上升管8，在反应区与步骤2）中处于快速流化状态的原料多晶硅颗粒混合，通过反应区温控系统7控制反应区温度为700℃；原料气在原料多晶硅颗粒表面发生反应，产生单质硅并沉积在原料多晶硅颗粒表面，使原料多晶硅颗粒逐渐长大成为多晶硅颗粒。

4）所述多晶硅颗粒在上升管8内产生分级，粒径较大的多晶硅颗粒沉降到上升管8底部，粒径较小的多晶硅颗粒通过气相从上升管8顶部输送进入旋风分离器10，在旋风分离器10中粒径较小的多晶硅颗粒与气体分离，气体从气体出口9排出，粒径较小的多晶硅颗粒通过沉降管12进入储料罐13，重复步骤1）～4）进行循环。

5）间歇地向硅晶种加料口11中加入作为晶种的原料多晶硅颗粒，以维持循环流化床内原料多晶硅颗粒的量。

6）将沉降到上升管8底部粒径较大的多晶硅颗粒由多晶硅产品取出口2取出，得到产品多晶硅，产品的颗粒粒径在0.2～5mm。

实施例4

一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，所述设备为快速循环流化床，主要由上升管8、多晶硅产品取出口2、原料气入口3、旋风分离器10、气体出口9、沉降管12、硅晶种加料口11、储料罐13、物料循环管15、流化气入口18、反应区温控系统7、储料罐温控系统14、流量计A4、流量计B17、原料气分布器6、流化气分布器1、原料气温控系统5和流化气温控系统16组成。

其中，设有阀门的多晶硅产品取出口2位于上升管8下部并与上升管8连通，原料气入口3位于多晶硅产品取出口2上方，上升管8中部，并通过设有流量计A4的管路与上升管8相连通，在原料气入口3设有内置的原料气温控系统5用于预热原料气，原料气入口3与上升管8连通一端设有原料气分布器6，原料气入口3以上的上升管8部分为反应区，反应区设有外置的反应区温控系统7；上升管8顶部与其平行的旋风分离器10通过管路连通，旋风分离器10顶部设有气体出口9，旋风分离器10底部与沉降管12连通，硅晶种加料口11与储料罐13上方的沉降管12连通，储料罐13与沉降管12底部连通，储料罐13设有外置的储料罐温控系统14，储料罐13底部与上升管8通过物料循环管15连通，物料循环管15上设有V阀，物料循环管15与上升管8连通处位于原料气入口3和多晶硅产品取出口2之间；流化气入口18设有内置的流化气温控系统16用于预热流化气，流化气入口18通过设有流量计B17的管路与上升管8底部连通，上升管8底部设置流化气分布器1。

利用本实施例所提供的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备制备多晶硅的方法，具体步骤如下：

1）将平均直径小于1mm的原料多晶硅颗粒通过硅晶种加料口11加入储料罐13中，通过储料罐温控系统14加热至900℃。

2）开启物料循环管15上的V阀，使储料罐13内的原料多晶硅颗粒通过物料循环管15进入上升管8中；以Ar作为流化气，在流化气入口18由流化气温控系统16预热至600℃后，经设有流量计B17的管路，通过流化气分布器1进入上升管8底部；通过流量计B17调节上升管8底部的流化气流量，使上升管8中的原料多晶硅颗粒达到快速流化状态。

3）将原料气SiH₂Cl₂通入原料气入口3，通过原料气温控系统5预热至400℃后，通过原料气分布器6进入上升管8，在反应区与步骤2）中处于快速流化状态的原料多晶硅颗粒混合，通过反应区温控系统7控制反应区温度为650℃；原料气在原料多晶硅颗粒表面发生反应，产生单质硅并沉积在原料多晶硅颗粒表面，使原料多晶硅颗粒逐渐长大成为多晶硅颗粒。

4）所述多晶硅颗粒在上升管8内产生分级，粒径较大的多晶硅颗粒沉降到上升管8底部，粒径较小的多晶硅颗粒通过气相从上升管8顶部输送进入旋风分离器10，在旋风分离器10中粒径较小的多晶硅颗粒与气体分离，气体从气体出口9排出，粒径较小的多晶硅颗粒通过沉降管12进入储料罐13，重复步骤1）～4）进行循环。

5）连续地向硅晶种加料口11中加入作为晶种的原料多晶硅颗粒，以维持循环流化床内原料多晶硅颗粒的量。

6）将沉降到上升管8底部粒径较大的多晶硅颗粒由多晶硅产品取出口2取出，得到产品多晶硅，产品的颗粒粒径在0.2～5mm。

实施例5

一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，所述设备为快速循环流化床，主要由上升管8、多晶硅产品取出口2、原料气入口3、旋风分离器10、气体出口9、沉降管12、硅晶种加料口11、储料罐13、物料循环管15、流化气入口18、反应区温控系统7、储料罐温控系统14、流量计A4、流量计B17、原料气分布器6、流化气分布器1、原料气温控系统5和流化气温控系统16组成。

其中，设有阀门的多晶硅产品取出口2位于上升管8下部并与上升管8连通，原料气入口3位于多晶硅产品取出口2上方，上升管8中部，并通过设有流量计A4的管路与上升管8相连通，在原料气入口3设有外置的原料气温控系统5用于预热原料气，原料气入口3与上升管8连通一端设有原料气分布器6，原料气入口3以上的上升管8部分为反应区，反应区设有外置的反应区温控系统7；上升管8顶部与其平行的旋风分离器10通过管路连通，旋风分离器10顶部设有气体出口9，旋风分离器10底部与沉降管12连通，硅晶种加料口11与储料罐13上方的沉降管12连通，储料罐13与沉降管12底部连通，储料罐13设有外置的储料罐温控系统14，储料罐13底部与上升管8通过物料循环管15连通，物料循环管15上设有L阀，物料循环管15与上升管8连通处位于原料气入口3和多晶硅产品取出口2之间；流化气入口18设有内置的流化气温控系统16用于预热流化气，流化气入口18通过设有流量计B17的管路与上升管8底部连通，上升管8底部设置流化气分布器1。

利用本实施例所提供的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备制备多晶硅的方法，具体步骤如下：

1）将平均直径小于1mm的原料多晶硅颗粒通过硅晶种加料口11加入储料罐13中，通过储料罐温控系统14加热至850℃。

2）开启物料循环管15上的L阀，使储料罐13内的原料多晶硅颗粒通过物料循环管15进入上升管8中；以H₂和Ar的混合气作为流化气，在流化气入口18由流化气温控系统16预热至650℃后，经设有流量计B17的管路，通过流化气分布器1进入上升管8底部；通过流量计B17调节上升管8底部的流化气流量，使上升管8中的原料多晶硅颗粒达到快速流化状态。

3）将原料气SiH₃Cl通入原料气入口3，通过原料气温控系统5预热至450℃后，通过原料气分布器6进入上升管8，在反应区与步骤2）中处于快速流化状态的原料多晶硅颗粒混合，通过反应区温控系统7控制反应区温度为750℃；原料气在原料多晶硅颗粒表面发生反应，产生单质硅并沉积在原料多晶硅颗粒表面，使原料多晶硅颗粒逐渐长大成为多晶硅颗粒。

4）所述多晶硅颗粒在上升管8内产生分级，粒径较大的多晶硅颗粒沉降到上升管8底部，粒径较小的多晶硅颗粒通过气相从上升管8顶部输送进入旋风分离器10，在旋风分离器10中粒径较小的多晶硅颗粒与气体分离，气体从气体出口9排出，粒径较小的多晶硅颗粒通过沉降管12进入储料罐13，重复步骤1）～4）进行循环。

5）连续地向硅晶种加料口11中加入作为晶种的原料多晶硅颗粒，以维持循环流化床内原料多晶硅颗粒的量。

6）将沉降到上升管8底部粒径较大的多晶硅颗粒由多晶硅产品取出口2取出，得到产品多晶硅，产品的颗粒粒径在0.2～5mm。

实施例6

一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，所述设备为快速循环流化床，主要由上升管8、多晶硅产品取出口2、原料气入口3、旋风分离器10、气体出口9、沉降管12、硅晶种加料口11、储料罐13、物料循环管15、流化气入口18、反应区温控系统7、储料罐温控系统14、流量计A4、流量计B17、原料气分布器6、流化气分布器1、原料气温控系统5和流化气温控系统16组成。

其中，设有阀门的多晶硅产品取出口2位于上升管8下部并与上升管8连通，原料气入口3位于多晶硅产品取出口2上方，上升管8中部，并通过设有流量计A4的管路与上升管8相连通，在原料气入口3设有外置的原料气温控系统5用于预热原料气，原料气入口3与上升管8连通一端设有原料气分布器6，原料气入口3以上的上升管8部分为反应区，反应区设有外置的反应区温控系统7；上升管8顶部与其平行的旋风分离器10通过管路连通，旋风分离器10顶部设有气体出口9，旋风分离器10底部与沉降管12连通，硅晶种加料口11与储料罐13上方的沉降管12连通，储料罐13与沉降管12底部连通，储料罐13设有外置的储料罐温控系统14，储料罐13底部与上升管8通过物料循环管15连通，物料循环管15上设有L阀，物料循环管15与上升管8连通处位于原料气入口3和多晶硅产品取出口2之间；流化气入口18设有内置的流化气温控系统16用于预热流化气，流化气入口18通过设有流量计B17的管路与上升管8底部连通，上升管8底部设置流化气分布器1。

利用本实施例所提供的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备制备多晶硅的方法，具体步骤如下：

1）将平均直径小于1mm的原料多晶硅颗粒通过硅晶种加料口11加入储料罐13中，通过储料罐温控系统14加热至900℃。

2）开启物料循环管15上的L阀，使储料罐13内的原料多晶硅颗粒通过物料循环管15进入上升管8中；以H₂作为流化气，在流化气入口18由流化气温控系统16预热至600℃后，经设有流量计B17的管路，通过流化气分布器1进入上升管8底部；通过流量计B17调节上升管8底部的流化气流量，使上升管8中的原料多晶硅颗粒达到快速流化状态。

3）将原料气SiCl₄和SiHCl₃通入原料气入口3，通过原料气温控系统5预热至450℃后，通过原料气分布器6进入上升管8，在反应区与步骤2）中处于快速流化状态的原料多晶硅颗粒混合，通过反应区温控系统7控制反应区温度为700℃；原料气在原料多晶硅颗粒表面发生反应，产生单质硅并沉积在原料多晶硅颗粒表面，使原料多晶硅颗粒逐渐长大成为多晶硅颗粒。

4）所述多晶硅颗粒在上升管8内产生分级，粒径较大的多晶硅颗粒沉降到上升管8底部，粒径较小的多晶硅颗粒通过气相从上升管8顶部输送进入旋风分离器10，在旋风分离器10中粒径较小的多晶硅颗粒与气体分离，气体从气体出口9排出，粒径较小的多晶硅颗粒通过沉降管12进入储料罐13，重复步骤1）～4）进行循环。

5）间歇地向硅晶种加料口11中加入作为晶种的原料多晶硅颗粒，以维持循环流化床内原料多晶硅颗粒的量。

6）将沉降到上升管8底部粒径较大的多晶硅颗粒由多晶硅产品取出口2取出，得到产品多晶硅，产品的颗粒粒径在0.2～5mm。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，其特征在于：所述设备为快速循环流化床，主要由上升管（8）、多晶硅产品取出口（2）、原料气入口（3）、旋风分离器（10）、气体出口（9）、沉降管（12）、硅晶种加料口（11）、储料罐（13）、物料循环管（15）、流化气入口（18）、反应区温控系统（7）、储料罐温控系统（14）、流量计A（4）和流量计B（17）组成；

其中，设有阀门的多晶硅产品取出口（2）位于上升管（8）下部并与上升管（8）连通，原料气入口（3）位于多晶硅产品取出口（2）上方，上升管（8）中部，并通过设有流量计A（4）的管路与上升管（8）相连通，原料气入口（3）以上的上升管（8）部分为反应区，反应区设有内置或外置的反应区温控系统（7）；上升管（8）顶部与其平行的旋风分离器（10）通过管路连通，旋风分离器（10）顶部设有气体出口（9），旋风分离器（10）底部与沉降管（12）连通，硅晶种加料口（11）与储料罐（13）上方的沉降管（12）连通或直接与储料罐（13）连通，储料罐（13）与沉降管（12）底部连通，储料罐（13）设有内置或外置的储料罐温控系统（14），储料罐（13）底部与上升管（8）通过物料循环管（15）连通，物料循环管（15）与上升管（8）连通处位于原料气入口（3）和多晶硅产品取出口（2）之间；流化气入口（18）通过设有流量计B（17）的管路与上升管（8）底部连通。

2.根据权利要求1所述的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，其特征在于：原料气入口（3）与上升管（8）连通一端设有原料气分布器（6）。

3.根据权利要求1所述的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，其特征在于：上升管（8）底部设有流化气分布器（1）。

4.根据权利要求1所述的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，其特征在于：原料气入口（3）设有内置或外置的原料气温控系统（5）。

5.根据权利要求1所述的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，其特征在于：流化气入口（18）设有内置或外置的流化气温控系统（16）。

6.根据权利要求1所述的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，其特征在于：物料循环管（15）上设有机械阀。

7.根据权利要求1所述的一种快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备，其特征在于：物料循环管（15）上设有气力流动阀，所述气力流动阀为L阀、H阀或V阀。

8.一种使用如权利要求1所述的快速循环流化床化学气相沉积制备多晶硅的设备制备多晶硅的方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

1）将平均直径小于1mm的原料多晶硅颗粒通过硅晶种加料口（11）加入储料罐（13）中，通过储料罐温控系统（14）加热原料多晶硅颗粒，使其表面温度高于含硅气体的分解温度，低于原料多晶硅颗粒的熔化温度；

2）储料罐（13）内的原料多晶硅颗粒通过物料循环管（15）进入上升管（8）中；从流化气入口（18）将流化气通入上升管（8）底部使原料多晶硅颗粒达到流化状态；

3）将原料气的温度控制在其分解温度以下从原料气入口（3）通入上升管（8），在反应区与步骤2）中处于流化状态的原料多晶硅颗粒混合，通过反应区温控系统（7）控制反应区温度为400～1000℃，得到多晶硅颗粒；

4）所述多晶硅颗粒在上升管（8）内产生分级，粒径较大的多晶硅颗粒沉降到上升管（8）底部，粒径较小的多晶硅颗粒通过气相从上升管（8）顶部输送进入旋风分离器（10），在旋风分离器（10）中粒径较小的多晶硅颗粒与气体分离，气体从气体出口（9）排出，粒径较小的多晶硅颗粒通过沉降管（12）进入储料罐（13），重复步骤1）～4）进行循环；

5）间歇或连续地向硅晶种加料口（11）中加入原料多晶硅颗粒，以维持循环流化床内原料多晶硅颗粒的量；

6）将沉降到上升管（8）底部的粒径较大的多晶硅颗粒由多晶硅产品取出口（2）取出，得到产品多晶硅；

其中，所述原料气为硅烷、SiCl₄、SiHCl₃、SiH₂Cl₂或SiH₃Cl中的一种或一种的以上混合气；流化气体为H₂、N₂或Ar中的一种或一种以上的混合气。

9.根据权利要求8所述的一种制备多晶硅的方法，其特征在于：步骤1）中的原料多晶硅颗粒的加热温度为700～1000℃。

10.根据权利要求8所述的一种制备多晶硅的方法，其特征在于：步骤1）中的原料多晶硅颗粒的加热温度为800～900℃。

11.根据权利要求8所述的一种制备多晶硅的方法，其特征在于：步骤2）中将流化气预热到200～900℃再通入上升管（8）。

12.根据权利要求8所述的一种制备多晶硅的方法，其特征在于：步骤2）中将流化气预热到500～800℃再通入上升管（8）。

13.根据权利要求8所述的一种制备多晶硅的方法，其特征在于：步骤3）中将原料气的温度控制在300～500℃，再从原料气入口（3）通入上升管（8）。

14.根据权利要求8所述的一种制备多晶硅的方法，其特征在于：反应区的温度为600～800℃。

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