CN102639438A - 用于生产硅的反应器和方法 - Google Patents

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Abstract

用于生产硅的反应器，该反应器包括反应器容积件，该反应器是独特的，因为该反应器包括或可操作地布置到用于将化学气相沉积(CVD)用的含硅反应气体设置成在反应器容积件内旋转的至少一个装置。用于生产硅的方法。

Description

用于生产硅的反应器和方法
技术领域
本发明涉及生产用于太阳能电池和电子器件的硅。更具体地，本发明涉及用于生产硅的反应器和方法以及该反应器的用途。
发明背景和现有技术
为了满足未来能源需求，必须要开发利用可再生的非污染能源的新技术。在此背景下，太阳能是最感兴趣的能源之一。
硅是电子工业和太阳能工业中关键的原材料。虽然对于具体应用，存在可替代的材料，多晶硅和单晶硅在可预见的未来仍将是优选的材料。在生产多晶硅时改进的可利用率和改进的经济性将提高在电子工业和太阳能工业中的发展机会以及增强太阳能作为可再生能源的用途。
为了生产足够纯度以用于太阳能或电子器件中的硅，现在普遍使用化学气相沉积方法。对于CVD，不同版本的西门子工艺是用于生产多晶硅最普遍的方法。将含硅气体例如硅烷或三氯硅烷或其他气体例如氢气或氩气供给到容器中并且硅沉积在电阻加热棒上。能量需求和劳动需求高。在专利公布US3,979,490中给出了该工艺的更详细的描述。当今CVD反应器且尤其是西门子反应器的一个问题是它们仅利用被供给到反应器中的部分反应气体。大部分气体直接通过反应器并且作为残余气体的一部分从反应器中散逸。该问题的产生是由于以下事实：仅仅是气体扩散来驱动反应器内的反应气体。这导致慢的气体流动并且大部分反应气体在从反应器散逸之前从未到达反应表面。为了避免浪费未利用的含硅气体，需要使来自CVD反应器的废气经受全面的且昂贵的清洁过程。
CVD的另一种较少普遍使用的方法是流化床，其中硅晶种颗粒被上升的气流包围并被保持在上升的气流中，由于气流包含含硅气体，所以硅可从含硅气体中沉积在晶种颗粒上。使用该流化床的优点是硅可沉积到其上的巨大的表面积，这实现增强地且连续地生产的可能性以及较低的能耗。然而，实际上难以获得将已生长成足够大的颗粒取出的实用且简单的方法。更确切地说，难以控制流化床反应器中的颗粒大小，且非常难以控制操作的反应器中的颗粒的分布。颗粒的不均匀分布影响流动状态，这又影响温度分布和硅的沉积。该方法需要从反应器外添加新的颗粒或在操作期间在反应器中形成小的颗粒。排出反应器底部中的大的颗粒以及添加尺寸将增大的小的颗粒需要同时控制许多参数，已证明随着时间推移，这在实际操作中是非常困难的。流化床反应器的普遍问题是颗粒一起生长且逐渐阻止流化以及硅不期望地沉积到反应器和喷嘴的内表面上，这使得喷嘴和反应器容积件(reactor volume)堵塞，从而终止生产。在专利公布US4.818.495第2栏第40行至第3栏第20行中和在专利公布US5.810.934中讨论了该问题。这些专利还包括了对具有流化床和附属装置的CVD方法以及包括气体混合物、沉积温度的生产硅的操作参数以及问题和限制在内的详尽说明。
当今CVD反应器的普遍问题是小的硅尘粒(称为细粉(fine))在反应器内部形成。这种问题在如果气体在接近反应表面之前达到分解温度时发生，当小的气体漩涡形成时，会发生气体在接近反应表面之前达到分解温度。这些小的硅颗粒不沉积到反应表面上而通过残余气体从反应器散逸。随着时间，细粉构成显著量的硅，该显著量的硅仅到一定程度时才被利用。需要相对于上述问题中的一个或多个问题有利的可选择的技术的需求。
通过以下发明部分满足了所述需求：在2009年5月29日专利公开NO20092111的专利中应用Dynatec Engineering。所述发明提供了通过化学气相沉积生产硅的反应器，该反应器包括形成容器的反应器主体、用于含硅气体的至少一个入口、至少一个出口、以及作为反应器的一部分或可操作地布置到反应器的至少一个加热设备。该反应器是独特的，因为反应器主体的至少一个主要部分用硅制造即由硅制成，该部分暴露于化学气相并且被加热以在所述部分上沉积硅。
上述反应器的基本思想是暴露于含硅气体的所有部分或重要部分的材料由有利地具有高纯度的硅或由其他非污染材料制成，使得硅有意地沉积可被控制成发生在所述材料上。避免或减少了与使硅与其他材料分离有关的已知问题以及与堵塞有关的多种问题。同时，存在可如何构建和操作反应器(包括可如何实现加热)的许多另外的可能性。然而，在NO 20092111中既未描述或指示反应器入口的任何具体方位，也未描述或指示除流化床外的任何具体的流动模式，因此本发明的目的是进一步改进用于生产硅的反应器和方法。
发明概述
通过本发明满足所述目的，本发明提供了一种生产硅的反应器，该反应器包括反应器容积件，该反应器是独特的，因为该反应器包括或可操作地布置到用于将化学气相沉积(CVD)用的含硅反应气体设置成在反应器容积件内旋转的至少一个装置。
用于将化学气相沉积(CVD)用的含硅反应气体设置成在反应器容积件中旋转的装置优选是旋转反应器的电动机。另外地或可选择地，可采用特殊的入口布置，例如在随反应器旋转的端板上的若干入口，倾斜的入口和旋转元件。优选地，反应器连同内表面被围绕主轴线对称旋转，例如具有圆形横截面的立式管或水平管，以实现均匀的流动模式。反应器可以是两个主要实施方式(即立式的非旋转的反应器和旋转反应器)中的一种。在非旋转反应器中，以使得气体获得切向速度分量并且在反应器容积件内实现螺旋路径的方式，使气体通过倾斜的入口、叶片和/或旋转元件旋转。在旋转反应器中，电动机或等同物用于旋转反应器，然而入口可以是固定的，或其可以随反应器旋转，并且入口可以可能地被倾斜地布置或具有旋转元件。
最优选的实施方式通常是无晶种颗粒或流化床、然而包括随反应器旋转的入口的旋转反应器，其中从而可获得更平行的流线，这产生特别有利的结果，因为这使硅尘粒(细粉)的形成最少。旋转产生这样的流动模式，其导致在反应器壁，或更确切地说在所述反应器的侧壁产生非常高浓度的含硅反应气体，并且硅的沉积可以以这样的的方式被有意控制为发生在反应器壁上，所述方式使得反应器或多或少地由沉积的硅生长紧密。在使反应器旋转一定时间后，大多数含硅反应气体由此朝向反应器的内壁将是高浓度的，并且所述气体和壁将以使得干扰流动和气体分离效果且因此干扰硅的沉积的湍流最小化的方式以相同的速率下旋转。出人意料地，证实了更平行的流线或流动模式比其他流动模式有利得多。
反应气体通常包含含硅气体，有利地为与氢气混合的硅烷。在硅烷分解和硅释放之后，氢气还构成残余产物。在一些情况下，反应气体还可含有小的硅颗粒，称为细粉。本发明的原理在于含硅气体的质量和氢气的质量之间大的差异，通常，硅烷重量是氢气重量的约16倍。根据牛顿第二定律，力等于质量乘以加速度，当反应气体被设置成旋转时，重的含硅分子将比轻的氢分子暴露于更大的力。旋转产生向心加速度或离心效应，这导致非常有效的分离效果并且重的含硅气体被向外推动朝向其上发生沉积的反应器壁。反应器适于沉积的硅的受控的填充，因此，反应器的至少一个主要部分用硅制造，即由硅制成，或包括硅的内部涂层，例如冶金级或CVD硅的圆形圆柱形侧壁或EFG硅管或类似物。更确切地，反应器可操作地布置到至少一个加热设备，所述至少一个加热设备有意地加热反应器壁的至少一部分或整个反应器壁，以通过CVD将硅有意地沉积到壁上，从而用沉积的硅完全填充反应器容积件。以这种方式，被沉积的硅完全填充的整个反应器或反应器侧壁可用作太阳能电池或电子硅。然而，具有除硅外的其他壁材料且壁被全部或部分有意地加热的反应器也是可适用的并且是本发明的实施方式，因此本发明的技术效果仍是惊人地好的，尤其是对于旋转反应器。反应器管可以用除硅外的其他材料制造或由除硅外的其他材料制成，例如在反应器工艺之后可被整体移除的价格合理的二氧化硅石英管。通过感应熔化或通过另一种加热设备(例如合适的炉)可使沉积的硅熔化离开无硅壁或仅具有EFG硅涂层的反应器，任选地，污染的壁元件可被机械加工或切割掉。
反应器有利地形成为被布置成直立或水平的具有圆形内部横截面的圆柱体，用于旋转反应器的电动机优选可操作地布置到反应器，贫硅气体的出口在至少一个端上被同轴地布置到圆柱体轴线，至少一个加热设备可操作地布置在反应器的外部或内部，有或无惰性气体和/或冷却气体保护。反应器有利地包括随反应器旋转的至少一个端板，该端板装备有含硅反应气体的一个或多个入口。一个或多个入口布置在旋转轴线上和/或布置成距旋转轴线不同的距离，且端板可例如密封地和可旋转地布置到反应气体的供应室，作为例子，端板是该室上的可旋转的顶部。可选择地，供应室可随反应器旋转，这使得端板为供应室和反应器容积件之间的具有喷嘴的间隔壁。出口可相应地被优选布置。端板优选由具有比反应器的其余部分的导热性低的材料制成，例如或可选择地包括具有不同导热性的材料的复合材料设计，以更好地维持反应器壁的反应温度。
在可选择的实施方式中，反应器形成为具有圆形或大体圆形横截面的垂直立式圆柱体，侧壁用高品质冶金级或更纯的硅制造，并且一个或多个入口以使得喷射到反应器中的含硅气体以沿壁向上的螺旋路径朝向反应器顶部上的出口行进的方式被倾斜地布置在底部，其中入口和气体的方位包括平行于圆柱体轴线的方向分量和平行于内部圆柱体壁的圆周的方向分量。反应器有利地包括或可操作地设置有在反应器外部上的加热设备。加热设备有利地被成形为平行于反应器内的喷射气体沿其行进的螺旋路径的螺旋形物(helix)。
本发明还提供了一种在根据本发明的反应器中通过气相沉积和/或清洁含硅气体来生产硅的方法，该方法是独特的，该方法在于将化学气相沉积(CVD)用的含硅反应气体设置成在反应器容积件内旋转，这通过操作用于实现这种旋转的至少一个装置，优选使用并列的和/或串联的一个或多个反应器。这意味着当通过在典型的CVD操作参数下操作反应器来沉积硅的同时，优选借助于在反应气体的入口处的装置或布置和/或通过旋转反应器的电动机，将至少一部分含硅反应气体、优选所有的含硅反应气体设置成旋转。反应器的操作是分批过程或首先是连续过程且稍后为分批过程。
以使得反应器的横截面大体生长紧密的方式优选通过化学气相沉积将硅有意地沉积在反应器壁上，因此反应器的容纳物或反应器和反应器壁的容纳物可用在用于生产太阳能电池和/或电子器件目的用的硅的工艺中的另外的阶段。最有利的，反应器通过电动机旋转，由于前述原因，可能地，注射流以使得含硅气体以沿反应器的内壁，优选沿反应器的总长度或高度的螺旋路径行进的方式被引导。
本发明还提供了根据本发明的反应器用于生产硅和/或清洁从根据本发明的其他反应器或其他类型的CVD反应器供应的含硅反应气体的用途，或气体来自其他来源。
本发明基于根据NO 20092111的发明进一步构建，NO 20092111具有这样的反应器：在反应器中，暴露于含硅气体的所有部分或相当大部分的材料用非污染材料、优选高品质硅的材料制造/由非污染材料、优选高品质硅的材料制成，使得硅的沉积可有意地控制成发生在所述材料上。本发明是独特的，因为通过旋转整个反应器或部分反应器，和/或通过底板中的向上倾斜的孔或使用旋转元件将所述气体供给到反应器中，将含硅反应气体设置成围绕反应器的中心线旋转。当采用向上倾斜的孔时，以使得所述气体获得沿反应器壁的路径，优选螺旋路径的方式，将反应气体供给到反应器中。因此，以使得气体在反应器内沿壁旋转的方式，气体获得正切于反应器壁的速率分量。同时，垂直速率分量将驱使反应气体沿壁向上。
当采用向上倾斜的孔时，在反应器的最简单的形式中，反应器构成具有圆柱形或多边形形状的密闭容器，该密闭容器大体用硅或其他非污染材料制造/由硅或其他非污染材料制成，硅或其他非污染材料用于在无硅晶种颗粒或流化床下在内部上化学气相沉积。以使得气流在反应器中获得正切于壁的速率分量和向上的速率分量的方式，以相对于水平线倾斜的角度注射气流。以使得气流沿反应器的壁流动并且实现围绕反应器的中心线旋转的方式，将气流供给到反应器中。反应器可配置在加热室中，然而，除了在加热室中外或代替在加热室中，加热设备可操作地布置在反应器中、布置在反应器上或布置在反应器外部。为了使反应气体维持旋转，反应器优选通过加热元件被加热，加热元件在反应器外部、围绕反应器遵循螺旋路径。因而，可以以这样的方式来控制加热：以使得硅初始地沉积在最靠近加热元件的壁的那些部分上的方式在内部发生沉积。因此，沉积将形成螺旋路径，螺旋路径将有助于气体在反应器中保持其向上旋转。沉积将沿整个壁继续，沉积区域由于壁的螺旋形表面将逐渐增大。沉积发生，直至壁已生长成足够紧密以致不可能或经济上不可行继续该工艺。沿壁以螺旋路径供给气流的优点在于与直接向上流动的气体相比，气流将行进更长的距离。这是有利的，因为气体将与可在其上发生沉积的更大区域接触，且气流从反应器的底部至反应器的顶部将花费更多的时间。这导致沉积/释放气体中更多的硅的可能性，从而改进气体利用率。
布置如前述的入口的可替代方式是将旋转元件布置在入口上，例如将旋转元件布置在中心入口上。以这种方式布置入口是优选的实施方式，因为可在不需要太多的努力下进行改变不同的入口。旋转元件或旋入式元件可以通过固定轨道和/或转子以许多不同的方式实施，并且认为是本领域公知的，且在本文将不再进一步描述。
使气体旋转的大的优点是假定产生将反应气体分离的向心力。为了发生沉积，在被加热的硅壁附近必须存在足够的含硅反应气体。在沉积已发生后，贫硅的剩余气体(还称为贫硅残余气体)为最靠近硅壁的气体。为了发生进一步沉积，新的含硅气体为了与壁接触需要穿过贫硅气体。含硅气体，还称为富硅反应气体，比在释放和沉积硅之后余下的贫硅残余气体重。作为例子，硅烷气体明显比氢气重，氢气构成释放硅之后的残余气体。因为气体在反应器中向上运动，则由于硅沉积到壁上，气体中硅的浓度将下降。具有高含量硅的气体由于其重量将获得最高的向心加速度。因此，气体中将产生浓度梯度，沿反应器壁具有最高的硅浓度且朝向中心具有最低的硅浓度。因此，产生沉积的气体将始终最靠近发生沉积的地方，这导致每单位时间更高的沉积速率和改进的气体利用率。位于朝向反应器的中心的残余气体例如通过顶板中心中的孔从反应器散逸。
向心加速度还将影响可能在CVD反应器中形成的小的硅尘粒，称为细粉。相比围绕这些颗粒的气体分子，这些颗粒是重的。因此，这些颗粒将被向外驱使朝向反应器壁，由此，它们在壁上形成沉积物的一部分且可以被再结晶。现有CVD反应器存在的与细粉有关的严重问题将因此被非常地减少。
因此，本发明的反应器可另外地用作另一种类型的硅CVD反应器的后处理系统。本发明的反应器连接到传统的CVD反应器(例如西门子反应器)的出口。由含硅气体、小的硅尘粒(细粉)、反应产生的残余气体和可能的混合气体组成的出口气体被设置成旋转并且被分离。未利用的含硅气体和细粉被向外驱使朝向反应器壁，在反应器壁上发生新的沉积。轻的气体通过出口离开。因此，反应器变成分离当今CVD反应器的出口气体的不同组分的清洁系统，其代替目前采用的昂贵的清洁系统，并且同时该清洁系统实质上有助于硅生产。因此，本发明的反应器可连接到任何反应器的“废气”或出口或任何常规来源，包括顺序连接本发明的反应器。
目前可使用冶金方法生产硅，产生冶金品质的硅。这使得可以以合理的价格构造反应器壁或硅管。由于密闭的或完整的反应器中硅重量的主要体积或主要部分具有比冶金级硅高的纯度，具有高纯度硅容纳物的整个反应器可被熔化以重结晶，且用于电子工业和/或高效的太阳能电池，其中平均纯度将是足够的。可能地，如果仅最高的纯度是可接受的，则可以以非污染的方式，例如通过对所述层的水切割、机械加工或熔化，来除去冶金级硅的外部部分。任选地，反应器可用与其生产的相同高纯度的硅制造/由与其生产的相同高纯度的硅制成，该硅的品质适合于电子工业。与当今可实现的相比，相当大简化地处置密闭的或完整的反应器导致对硅更少的处理和污染。
用于加热根据本发明的反应器的设备可选自公知的，可操作应用的加热设备，然而，它们有利地包括任何适合的波长和效应的相干的或非相干的热光源，例如微波源、无线电波源、可见光源、红外光源和/或紫外光源，优选为红外光源。
附图说明
在附图中阐述了本发明的一些实施方式，其中：
图1阐述了根据本发明的具有圆形或大体圆形横截面的立式反应器；
图2阐述了在外部具有螺旋式加热设备的立式反应器；
图3阐述了立式反应器底部中的入口的实施；以及
图4阐述了根据本发明的特别有利的反应器。
详述
参考图1，反应器是封闭的或大体封闭的圆柱形或多边形容器，具有壁(1)、顶板(7)和底板(4)，反应器优选用冶金级纯度或更纯的硅制造/由冶金级纯度或更纯的硅制成。可选择地，反应器由其他可行的材料制成。多边形容器将由平的板组装。反应器被形成为围绕反应器的螺旋形物或螺旋线结构的加热元件(3)环绕，加热元件(3)为完整的或被分成数段。所述加热元件还可以以短的、直的元件、倾斜的方式实施，使得它们总起来说为近似螺旋形物。通过底板(4)被供给的反应气体(6)是含硅气体，优选为SiH4或SiHCl3，在多数情况下为与H2气体混合的含硅气体。参考图2和3，反应器的底板(4)包括一个或多个贯穿孔(5)，一个或多个贯穿孔(5)用作反应气体(6)的喷嘴。以使得当壁向内生长时新的喷嘴可投入使用的方式，可将孔理想地布置在圆柱体中心和圆柱体壁之间的线上。可行地，可围绕圆周布置若干喷嘴。以使得气流获取切向速率分量(12)和垂直速率分量的方式设计喷嘴孔(5)。这由于倾斜的孔延伸穿过底板而被实现，如图3所示的从一侧可看见。孔的角度优选等于加热元件的螺旋角、倾斜角。因此，当气流垂直向上运动时，气流将实现围绕反应器的中心线的旋转(14)并且沿着圆柱体壁的内侧(2)行进。顶板(7)还包括孔(8)，残余气体(9)可通过孔(8)散逸，该残余气体(9)为反应气体(6)的残余物，在几乎理想的过程中主要由H2组成。顶板(7)中的孔(8)以以下方式被布置在中心：使得贫硅残余气体(9)可散逸，然而剩余的反应气体(6)可沿反应器壁(2)旋转，直至尽可能多的硅已被释放。如果孔(8)是管状的并且略向下延伸到反应器中可能是有利的。这会产生旋风效应，旋风效应可进一步提高反应气体的利用率。以理想的速率，优选具有平行的流线，即以使得螺旋流一直延伸到反应器顶部的方式，通过底板(4)中的孔(5)供给具有反应气体(6)的气流。反应气体(6)以向上倾斜的角度相切于壁的内侧(2)进入反应器的底部。因此，气体将沿着壁(2)流动并且围绕反应器的中心线旋转。由于加热元件(3)的位置和反应器壁的不同加热，硅沉积到被加热的壁(2)上并且沉积物在反应器壁的内侧(2)上形成螺旋形物(10)。残余气体(9)将最终通过顶板(7)中的孔(8)散逸。
底板(4)可装备有同心孔(11)，以允许垂直注射另外的反应气体(6)。这会有助于硅在反应器的垂直方向上甚至更平衡的沉积，如果螺旋流的流速显著大于垂直注射流的流速时尤其如此。反应气体的中心气流束将被旋转的反应气体(14)捕获并且被迫使向外朝向反应器壁的内侧(2)。如果垂直沉积可通过中心孔(11)的横截面被控制并且气流束通过中心孔(11)向上，则是有利的。
在多边形容器中，底板可另外地装备有垂直孔(15)，垂直孔(15)定位在两个侧壁之间的过渡区域中的每个角落处。在启动反应器时通过将具有反应气体的垂直气流供给通过孔(15)一段时间，硅可快速沉积在侧壁之间，从而密封反应器。由此实现非常早期地限制含硅气体的泄露，由于泄露导致逐渐密封接头，使得多边形容器获得更圆形的内部横截面，这对于旋转是有利的。然而，泄露的含硅气体可沉积到反应器壁上，尤其是沉积到热光加热的反应器壁上。
具有反应气体(6)的气流将暴露于被加热的反应器壁(2)并且硅通过CVD沉积。大多数硅将沉积在壁最热的地方上，即最靠近加热元件的区域。因此，沉积物将在圆柱体壁的内侧上形成与螺旋线结构加热设备相同的螺旋形物(10)。该螺旋形物(10)将有助于保持气流在反应器内旋转。当螺旋形的沉积物厚度增加时，硅壁(2)的温差将均等，因此沉积将更均匀地发生在整个反应器壁(1)上。当管生长紧密并且一直到反应器中间都填充有纯硅时，或只要进行下述过程经济上合理，整个反应器被移除并且被新的硅反应器更换。增加的壁厚度将导致用于含硅气体(6)的不断减小的容积，并且每小时生产量将随时间下降，并在管被阻塞时完全终止。加热元件(3)优选是定位在反应器外部的热光源，热光源通过辐射或接触热将热传递到反应器的外表面。如前述的，热光源被成形为围绕反应器的螺旋形物或被成形为多个倾斜的加热元件，倾斜的加热元件一起形成围绕反应器的螺旋形物或螺旋线结构。另外，加热设备可在彼此之上被分成数段，以便能够单独控制反应器各高度的温度。将热从热光源(3)引导穿过硅壁(1)至壁的内侧(2)，壁的内侧将构成反应器内最热的表面，沉积有利地在最热的表面上发生。
参考图4，反应器是封闭的或几乎封闭的圆柱形或多边形(三边或更多边)容器，具有壁(1)、顶板(7)和底板(4)。多边形容器将由平的板组装。容器优选由非污染材料制成，优选由足够纯度的硅制成，使得整个反应器可大体上进一步用于生产中。因此，在分批过程中，反应器意图仅被使用一次。反应器被完整的或分成数段的加热设备(3)环绕。加热元件可以可能地为固定的棒状元件。通过底板(4)被供给的反应气体(6)为含硅气体，优选SiH4或具有硅粉的气体，在大多数情况下为与H2气体混合的含硅气体。反应器的底板(4)包括一个或多个贯穿直孔(17)，孔(17)用作反应气体(6)的喷嘴。孔(17)可以以无限数目的方式被布置并且可以许多不同的方式成型，这取决于所期望的流动模式。圆柱体中心和圆柱体壁之间的孔(17)会是切合实际的，使得在壁向内生长时新的喷嘴可投入使用。顶板(7)还包括孔(8)，以使残余气体(9)可散逸，残余气体(9)为来自反应气体(6)的残余物并且在几乎理想的过程中主要由H2组成。顶板(7)中的孔(8)以以下方式被布置在中心：使得贫硅残余气体(9)可散逸，而剩余的反应气体(6)可停留在反应器中，直至尽可能多的硅已被释放。如果孔(8)是管状的并且略向下延伸到反应器中，还会是有利的。这会产生旋风效应，旋风效应可进一步提高反应气体的利用率。
以有利地产生平行流线或流动模式的最佳速率，通过底板(4)中的孔(17)供给具有反应气体(6)的气流。反应气体(6)通过底板(4)进入反应器并且向上运动穿过反应器。通过使整个反应器旋转(16)，反应气体(6)将暴露于向心加速度，向心加速度迫使气体(6)朝向反应器的壁。含硅气体明显比残余气体(9)重，因此将暴露于更大的力。这使得含硅气体(6)被迫使最靠近其上沉积有硅的被加热的壁(2)，而残余气体(9)不得不让步而运动更靠近反应器的中心处。反应气体(9)将最终通过顶板(7)中的孔(8)散逸。反应器可以可能地为立式的、倾斜的或在顶部具有入口和在底部具有出口。由于整个反应器或反应器的部分以足够的旋转速率旋转(16)，反应气体(6)暴露于向心力。这可被实现，因为电动机(在图中未示出)使得反应器旋转(16)。通常仅需要旋转反应器壁(1)，然而如果底板和顶板(4和7)也旋转(16)是有利的，以实现可能的最佳流动模式。如果由于构造因素，更有利地使环绕反应器的加热元件(3)、测量设备(在图中未示出)、绝缘件(在图中未示出)和其他元件随反应器旋转，这是可行的。气体进入(6)和离开(9)需要行进通过允许旋转的特别的联接器(18)，例如可转动的联接器。大多数电子器件和测量设备(在图中未示出)可有利地是无线的。
反应气体(6)将获得与反应器相同的旋转，并且因此相对于反应器壁(2)将无切向速率分量，仅具有沿反应器壁(2)向上的小的速率分量。这导致反应气体(6)和反应气体应沉积在其上的壁(2)之间小的相对速率，为避免形成颗粒或细粉这是有利的。由于旋转(16)产生的向心力将迫使反应气体(6)向外朝向反应器壁(1)。气体将被分离，因为最重的分子暴露于最大的力，因此，最重的分子将定位成最靠近壁。轻的分子将不得不让步于更重的分子，因此定位成更靠近旋转轴线。在这种具体的情况下，这是尤其有利的，因为含硅反应气体(6)明显比残余气体(9)重，大多数硅已从残余气体(9)中释放。因此，将形成使重的反应气体(6)最靠近壁，而使轻的残余气体(9)向内朝向反应器的中心的梯度。由于反应表面(2)将被快速地提供有新的反应气体的事实，这产生更高的沉积速率。这还将最可能地提高气体利用率，降低废气中的硅浓度。
在多边形容器中，底板可另外地装备有垂直孔(15)，垂直孔(15)定位在两个侧壁之间的过渡区域中的每个角落处。在启动反应器时通过将具有反应气体的垂直气流供给通过孔(15)一段时间，硅可快速沉积在侧壁之间，因此几乎密封反应器。这可在反应器开始旋转之前实现。由此实现早期地限制含硅气体的泄露，因为泄露导致逐渐密封接头，使得多边形容器获得更圆形的内部横截面。
具有反应气体(6)的气流将暴露于热的反应器壁(2)并且硅将通过化学气相沉积(CVD)沉积。更多的硅将沉积在壁最热的地方，因此，可以以使得沉积物在整个反应器中均匀分布的方式来控制沉积。当管生长紧密并且一直到反应器的中间都填充有纯硅时，或只要进行下述过程经济上合理，整个反应器被移除并且被新的硅反应器更换。增加的壁厚度将导致用于含硅气体(6)的不断减小的容积，并且每小时生产量将随时间下降，并在管被阻塞时完全终止。
当反应器如此满，以致反应器不利于继续运行工艺时，终止气体注射、旋转和热供应。以使得CVD工艺可重新开始的方式，将反应器从具有加热元件(3)的容器中移除，并且插入新的空的反应器。因此，该工艺不是连续过程而是分批过程，然而，可非常快速地发生变化以致实现最高的可能的生产量。填充有硅的反应器可直接地进行进一步的加工，例如进入熔炉中。当在反应器壁(1)、底板(4)和/或顶板(7)中使用非硅的另一种材料时，在反应器可被用于进一步加工之前，这种材料需要被移除，例如通过机械加工别移除。反应器的外部尺寸可适合于进一步加工。
加热元件(3)优选是定位在反应器外部的热光源，热光源通过辐射或接触热将热传递到反应器的外表面。加热设备可在彼此之上被分成数段，以便能够单独控制反应器各高度的温度。将热从热光源(3)引导穿过硅壁(1)至壁的内侧(2)，壁的内侧将构成反应器内最热的表面，沉积有利地在最热的表面上发生。热光源还可布置在底板或顶板上，热光源是被保护的，因为热光源同轴地布置在惰性气体/冷却气体入口中，这是特别有利的且能量有效的，因为直接在发生硅沉积的表面上进行加热。
本发明的反应器和方法包括在本文中所描述、提及或阐述的在任何操作组合中的特征和/或步骤，该组合分别是本发明的反应器和方法的实施方式。

Claims (10)

1.一种用于生产硅的反应器，包括反应器容积件，其特征在于，所述反应器包括或可操作地布置到用于将化学气相沉积(CVD)用的含硅反应气体设置成在所述反应器容积件内旋转的至少一个装置。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器容积件由硅制成或具有内部硅层使得硅表面形成紧贴所述反应器容积件的至少一部分的内表面。
3.根据权利要求1和/或2所述的反应器，其特征在于，所述反应器包括具有圆形或大体圆形横截面的圆柱体形式的外形，所述圆柱体被竖直定位，侧壁由冶金品质或更纯的硅制成，并且一个或多个入口倾斜地布置在底部，使得含硅气体以沿所述壁向上的螺旋路径被引导朝向所述反应器的顶部上的出口，其中所述入口和所述气体的方位包括平行于所述圆柱体轴线的方向分量和平行于内部圆柱体壁的圆周的方向分量。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的反应器，其特征在于，所述反应器包括或可操作地布置到在所述反应器外部的加热设备。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器包括具有圆形内部横截面的圆柱体形式的外形、可操作地连接到所述反应器以旋转所述反应器的电动机、在至少一个端上与所述圆柱体轴线同轴布置的用于贫硅气体的出口、至少一个用于富硅反应气体的入口、可操作地布置在所述反应器的外部或内部上的至少一个加热设备，所述加热设备具有或没有惰性气体和/或冷却气体保护。
6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，电动机可操作地连接到所述反应器以旋转所述反应器，所述反应器包括随所述反应器旋转的至少一个端板，所述端板装备有至少一个但优选若干个用于含硅反应气体的入口，并且所述端板优选由具有比所述反应器的其余部分的导热性低的导热性的材料制成，例如不同导热性的材料的复合结构，以避免在所述入口处沉积以及使热损失最小。
7.一种生产硅的方法，所述方法在根据本发明的反应器中通过气相沉积和/或清洁含硅气体进行，其特征在于，将化学气相沉积(CVD)用的含硅反应气体设置成在反应器容积件内旋转，这通过操作用于实现所述旋转的至少一个装置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，以使得所述反应器的横截面大体上生长紧密的方式，通过化学气相沉积将硅有意地沉积在反应器壁上，因此所述反应器的容纳物或所述反应器和所述反应器壁的容纳物被用在用于生产太阳能电池和/或电子器件目的用的硅的工艺中的另外的阶段。
9.根据权利要求1-6中任一项的反应器用于生产硅和/或清洁含硅反应气体的用途，所述含硅反应气体从根据权利要求1-6的其他反应器或其他类型的CVD反应器供应，或所述气体来自其他来源。
10.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器的壁由经得住操作条件的任何材料制成，优选由低污染材料例如石英、氮化硅或石墨制成。
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