CN103058195A - 一种用于多晶硅生产提高还原沉积反应效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于多晶硅生产提高还原沉积反应效率的方法，二氯二氢硅和三氯氢硅液体采用独立的汽化器和过热器，分别进行汽化和过热；过热后的三氯氢硅气体、二氯二氢硅气体及高纯氢气通过各自的流量控制单元分阶段以合适的流量进入静态混合器中混合，混合后的气体进入混合气体温度控制单元，分阶段控制混合气体温度，输送至还原沉积反应器，在沉积反应器内的硅棒表面发生反应生成多晶硅。该方法不仅能提高还原沉积反应的效率，而且有效控制沉积反应过程中不定型硅的产生，避免不定型硅堵塞下游装置的管道和设备，同时实现二氯二氢硅在多晶硅生产中密闭循环，避免了二氯二氢硅与四氯化硅反歧化装置的设置。

Description

一种用于多晶硅生产提高还原沉积反应效率的方法
技术领域
本发明涉及多晶硅生产过程中的还原沉积反应。
背景技术
在多晶硅生产过程中，还原沉积反应是最重要的化学反应单元，此单元直接关系到成品多晶硅的质量、产量和生产成本。
还原沉积反应效率包括两方面的内容：沉积反应的速率和不定型硅的产生量。沉积反应速率越高，不定型硅的产生量越小，表明沉积反应效率越高；反之效率越低。
目前，公知的多晶硅生产方法为经提纯的三氯氢硅和净化的氢气按一定摩尔比例供给到多晶硅还原沉积反应器中，在1080～1100℃温度下进行化学沉积反应，生成的硅沉积在反应器内的硅棒表面，随着反应的进行，在硅棒表面沉积越多，硅棒的直径越大，直到达到规定的多晶硅成品要求尺寸，停止还原沉积反应器的运行，从反应器内移出多晶硅成品。
在多晶硅生产过程中，还原沉积反应器硅棒表面发生如下化学反应：
SiHCl3+(H2)=1/2Si+1/2SiCl4+HCl+(H2)
同时，由于在氢气氛围下，因此存在如下副反应：
SiHCl3+H2=SiH2Cl2+HCl
SiCl4+H2=SiHCl3+HCl
SiH2Cl2=Si+2HCl
由反应式可见，三氯氢硅和氢气为多晶硅还原沉积反应的原料，生成多晶硅的同时会生成SiCl4、SiH2Cl2和HCl。由于过程中二氯二氢硅的产生，导致多晶硅整个生产流程中二氯二氢硅不断的累积；如果让二氯二氢硅混合在三氯氢硅中，不分阶段控制二氯二氢硅的含量进行还原沉积反应，就会产生不定型硅，影响还原沉积反应的效率。因此大规模的多晶硅生产厂家采用二氯二氢硅与四氯化硅进行反歧化的方法来处理系统累积的二氯二氢硅。
传统的三氯氢硅氢还原法工艺流程如附图1所示：一定摩尔配比的氢气与三氯氢硅混合气体，直接进入还原沉积反应器，根据沉积反应器内的硅棒直径调整混合原料气的进料量，在高温硅棒表面发生反应生成多晶硅。
在实际生产中，传统的三氯氢硅氢还原法无法克服反应初期的沉积反应效率低，硅棒生长缓慢，沉积反应器内温度低的缺点。同时，在反应后期由于反应器内温度较高，副产二氯二氢硅会迅速分解，产生大量不定型硅，附着在反应器内壁，影响还原沉积反应器的正常工作。同时，为了避免不定型硅堵塞下游装置的管道和设备，现有装置还需加装硅粉过滤装置来处理在沉积反应过程中所产生的不定型硅。
由于二氯二氢硅的热分解温度在800～900℃，而三氯氢硅氢还原的温度在1080～1100℃。在沉积反应初期，沉积反应器内的硅芯直径较小，硅芯向沉积反应器辐射的热量也较小，反应器内的温度较低，二氯二氢硅由于沉积反应温度低，易于在硅芯表面发生沉积反应，因此反应效率也高。此时需要较高的进气温度和较高比例的二氯二氢硅含量原料气。二氯二氢硅参与的沉积反应可以使硅芯以最快的速率长大，从而迅速地增加沉积反应的有效高温面积。当还原沉积反应到一定阶段后，硅棒直径增大，沉积反应器内温度升高，此时二氯二氢硅极易在反应器内硅棒之间的间隙就发生分解反应，形成不定型硅，造成物料的极大浪费，对应反应的效率也会降低；同时附着在还原沉积反应器内的不定型硅也不利于生产的正常进行。此时需要较低的进气温度和较低比例的二氯二氢硅含量原料气。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于多晶硅生产提高还原沉积反应效率的方法，该方法不仅能提高还原沉积反应的效率，而且有效控制沉积反应过程中不定型硅的产生，避免不定型硅堵塞下游装置的管道和设备，同时实现二氯二氢硅在多晶硅生产中密闭循环，避免了二氯二氢硅与四氯化硅反歧化装置的设置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于多晶硅生产提高还原沉积反应效率的方法，其特征是二氯二氢硅和三氯氢硅液体采用独立的汽化器和过热器，分别进行汽化和过热；过热后的三氯氢硅气体、二氯二氢硅气体及高纯氢气通过各自的流量控制单元分阶段以合适的流量进入静态混合器中混合，混合后的气体进入混合气体温度控制单元，分阶段控制混合气体温度，输送至还原沉积反应器，在沉积反应器内的硅棒表面发生反应生成多晶硅。
此技术方案中的分阶段控制主要为以下两方面：二氯二氢硅在进料混合气体中的质量含量分阶段控制和反应原料进气温度的分阶段控制。
在还原沉积反应初期，二氯二氢硅在混合气体中的质量含量控制在较高的水平，通常控制二氯二氢硅在混合气体中质量含量为10～80％，此时的还原沉积反应进气温度控制在150～300℃。此过程中可以大大提高还原沉积反应的效率，通常相对传统的方法提高效率20～30％，且没有无定型硅产生。
在还原沉积反应中期，二氯二氢硅在混合气体中的质量含量控制在正常的水平，通常控制二氯二氢硅在混合气体中的质量含量为5～10％，此过程的还原沉积反应进气温度控制在90～150℃。此过程相对传统方法可以提高还原沉积反应效率10～20％，且没有无定型硅产生。
在还原沉积反应后期，二氯二氢硅在混合气体中的质量含量控制在较低的水平，通常控制二氯二氢硅在混合气体中的质量含量为0～5％，此过程的还原沉积反应进气温度控制在60～90℃。此过程还原沉积反应效率提高5～10％，且没有无定型硅产生。
本发明的效果：
本发明可以有效提高多晶硅还原沉积反应的效率，缩短反应的有效时间，节约能耗，降低生产成本，同时有效控制沉积反应过程中不定型硅的产生，实现二氯二氢硅在多晶硅生产中密闭循环，避免增加二氯二氢硅与四氯化硅反歧化装置。
附图说明
图1是传统的三氯氢硅氢还原法工艺流程图。
图2是本发明工艺流程图。
具体实施方式
本发明的具体实施体现在两方面：二氯二氢硅在进料混合气体中的质量含量分阶段控制和反应原料进气温度的分阶段控制。
如附图2所示，本发明包括以下步骤：
步骤1，将装置外输送来的高纯三氯氢硅液体接收至三氯氢硅汽化器，通过外部热源加热，使三氯氢硅在一定压力下汽化，通过控制汽化压力，优选0.7～1.3MPa(G)，汽化后的饱和三氯氢硅蒸汽进入三氯氢硅过热器，过热温度优选15～50℃，以方便三氯氢硅流量控制单元的计量与调节。
步骤2，将装置外输送来的高纯二氯二氢硅液体接收至二氯二氢硅汽化器，通过外部热源加热，使二氯二氢硅在一定压力下汽化，通过控制汽化压力，优选0.7～1.3MPa(G)，汽化后的饱和二氯二氢硅蒸汽进入二氯二氢硅过热器，过热温度优选15～50℃，以方便二氯二氢硅流量控制单元的计量与调节。
步骤3，将装置外输送来的高纯氢气通过氢气流量控制单元进行计量和流量控制。
步骤4，将以上步骤1、2、3完成的三种气体，通过流量控制单元的比值控制，三氯氢硅和氢气分别以规定的流量进入混合器，二氯二氢硅的流量需要分阶段进行控制调节，以上三种气体在混合器中充分混合。沉积反应开始阶段优选控制二氯二氢硅的质量含量10～80％。
步骤5，混合后的三组分混合气体，全部进入混合气体温度控制单元。沉积反应开始阶段通过外部热源优选给混合气体加热到150～300℃。
步骤6，经混合气体温度控制单元出来的原料气体，进入还原沉积反应器，在已经通电发热的硅芯表面发生沉积反应，使硅芯逐渐增大，沉积多晶硅，还原尾气进入后一装置尾气回收系统。
步骤7，当还原沉积反应到中期阶段，进入正常生产阶段，重复步骤4改变二氯二氢硅在混合气体中的质量含量，通常优选控制质量含量在5～10％。同时重复步骤5改变混合气体的温度，通常优选控制在90～150℃。
步骤8，当还原沉积反应到后期阶段，继续重复步骤4改变二氯二氢硅在混合气体中的质量含量，通常优选控制质量含量在0～5％。同时重复步骤5改变混合气体的温度，通常优选控制在60～90℃。
上述过程步骤为相对传统方法增加的一些特定操作控制，至于还原沉积反应的常规控制步骤，依然按传统的方法进行。
通过以上步骤方法，可以缩短还原沉积反应时间，有效控制沉积反应过程中不定型硅的产生，最大限度地提高沉积反应的效率，实现二氯二氢硅在多晶硅生产中密闭循环，避免增加二氯二氢硅与四氯化硅反歧化装置。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。
凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于多晶硅生产提高还原沉积反应效率的方法，其特征是二氯二氢硅和三氯氢硅液体采用独立的汽化器和过热器，分别进行汽化和过热；过热后的三氯氢硅气体、二氯二氢硅气体及高纯氢气通过各自的流量控制单元分阶段以合适的流量进入静态混合器中混合，混合后的气体进入混合气体温度控制单元，分阶段控制混合气体温度，输送至还原沉积反应器，在沉积反应器内的硅棒表面发生反应生成多晶硅。
2.如权利要求1所述的用于多晶硅生产提高还原沉积反应效率的方法，其特征是分阶段控制包括两方面：二氯二氢硅在进料混合气体中的质量含量分阶段控制和反应原料进气温度的分阶段控制，具体方法如下：
在还原沉积反应初期，二氯二氢硅在混合气体中的质量含量控制为10～80％，此时的还原沉积反应进气温度控制在150～300℃；
在还原沉积反应中期，二氯二氢硅在混合气体中的质量含量控制为5～10％，此过程的还原沉积反应进气温度控制在90～150℃；
在还原沉积反应后期，二氯二氢硅在混合气体中的质量含量控制为0～5％，此过程的还原沉积反应进气温度控制在60～90℃。
3.如权利要求1所述的用于多晶硅生产提高还原沉积反应效率的方法，其特征是汽化压力为0.7～1.3MPa，过热温度为15～50℃。
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