CN103384642A - 通过在流化床反应器中使二氯硅烷热分解而生产多晶硅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了通过二氯硅烷的热分解而制备多晶硅的方法。该方法一般性地涉及二氯硅烷在反应条件下操作的流化床反应器中热分解，其可产生相对于常规制备方法的高生产率。

Description

通过在流化床反应器中使二氯硅烷热分解而生产多晶硅

背景

本公开内容的领域涉及通过将二氯硅烷热分解而制备多晶硅的方法，特别是涉及二氯硅烷在在反应条件下操作的流化床反应器中热分解的方法，其实现与常规制备方法相比的高生产率。

多晶硅为用于生产许多商品，包括例如集成电路和光伏(即太阳能)电池的重要原料。多晶硅通常通过化学蒸气沉积机制制备，其中硅从可热分解的硅化合物中沉积于流化床反应器中的硅颗粒上。晶种颗粒的粒度连续生长直至它们作为多晶硅产物(即“颗粒状”多晶硅)离开反应器。合适的可热分解硅化合物包括例如硅烷和卤代硅烷如三氯硅烷。

在许多流化床反应器系统中，尤其是在其中来自流体相的材料化学分解形成固体材料的系统中，例如在多晶硅制备系统中，固体材料可沉积于反应器壁上。壁沉积物通常改变反应器几何构造，这可降低反应器性能。另外，一部分壁沉积物可从反应器壁上脱落并落入反应器底部。通常必须关闭反应器系统以除去脱落的沉积物。为防止过早的反应器关闭，必须定期从反应器壁上蚀去沉积物，并且必须清洁反应器，因此降低了反应器的生产率。由于热冲击或由于热膨胀或收缩的差，侵蚀操作可导致对反应器系统的应力，其可导致反应器壁裂化，这需要再建装置。这些问题在多晶硅制备中所用流化床反应器系统中特别严重。先前的减少反应器壁上的固体沉积的努力导致反应器生产率的损失(即更低的多晶硅转化率)并涉及相对更大的反应区以实现与常规方法相同的生产率。

因此，仍需要制备多晶硅的方法，所述方法限制并降低反应器上沉积物的量，但产生相对于常规方法改进的生产率。还需要实现更高多晶硅收率的方法。

发明概述

在本公开内容的一个方面中，多晶硅通过在具有核心区域和外围区域的流化床反应器中热分解二氯硅烷制备。将含有二氯硅烷的第一进料气体在小于约600℃的温度下引入流化床反应器的核心区域中。将第二进料气体引入流化床反应器的外围区域中。流化床反应器含有硅颗粒且二氯硅烷在流化床反应器中热分解而将一定量的硅沉积于硅颗粒上。第一进料气体中的二氯硅烷浓度超过第二进料气体中的浓度且流化床反应器中的压力为至少约3巴。

本公开内容的另一方面涉及通过在流化床反应器中热分解二氯硅烷而制备多晶硅的方法。流化床反应器具有反应室壁和第一进料气体和第二进料气体所通过的横截面。第一进料气体含有二氯硅烷且第二进料气体含有至少一种选自四氯化硅、氢气、氩气和氦气的物质。第一进料气体中的二氯硅烷浓度超过第二进料气体中的浓度。流化床反应器基于每平方米流化床反应器横截面产生至少约100kg/hr多晶硅。将第二进料气体送至反应室壁并在第二进料气体内送入第一进料气体。引入反应器中的第一进料气体的温度为小于约600℃，且流化床反应器中的压力为至少约3巴。二氯硅烷接触硅颗粒导致硅沉积于硅颗粒上并提高了粒度。

存在关于本公开内容的上述方面所述特征的各个细化。也可将其它特征并入本公开内容的上述方面中。这些细化和其它特征可单独或以任何组合存在。例如，可将下文关于本公开内容的任何所述实施方案讨论的各个特征单独或以任何组合并入本公开内容的任何上述方面中。

附图简要说明

图1为根据本公开内容的方法所用的流化床反应器的示意图，其中显示流入和流出反应器的料流；

图2为根据第一实施方案的流化床反应器的反应室的径向截面图，其中显示核心区域和外围区域；和

图3为根据第二实施方案的流化床反应器的反应室的轴向截面图，其中显示反应器衬里和反应器外壳。

相应参考符号表示整个图中的相应部件。

发明详述

根据本公开内容的实施方案，已发现流化床反应器中的热分解操作中的多晶硅收率可通过使用二氯硅烷作为可热分解原料而相对于常规方法改进。另外，发现进行二氯硅烷热分解形成多晶硅的流化床反应器的生产率可在经调整以减少反应器壁上硅沉积物的沉积和/或减少硅沉积物的侵蚀的制备方法中得以保持或甚至增强。

在本公开内容的多个实施方案中，反应器壁上硅沉积物的形成可通过将包含二氯硅烷的第一进料气体引入反应器的核心部分中并将具有比第一进料气体更少的二氯硅烷组成的第二进料气体引入流化床反应器的外围区域中而降低。现在参考图1，用于进行本公开内容的方法的示例性流化床反应器1一般性地指定为1。反应器1包括反应室10和气体分配单元2。将第一进料气体5和第二进料气体7引入分配装置2中以将各气体分配到反应室10的入口。就这点而言，应当理解本文所用“第一进料气体”为具有与“第二进料气体”不同的组成的气体，反之亦然。第一进料气体和第二进料气体可包含多种气体物质，只要第一进料气体中至少一种物质的质量组成或摩尔组成不同于第二进料气体中该物质的组成。产物移出管12延伸通过气体分配单元2。可将产物颗粒从管12中移出并输送至产物储存15。反应室10可包含下部区13和具有比下部区13更大的半径的稀相区11。气体在反应室10中向上行进并进入稀相区11中。在稀相区11中，气体速度降低，导致夹带的颗粒降至下部区13中。废气16离开反应室10并可被引入进一步的加工装置18中。就这点而言，应当理解图1所示反应器1为示例性的，可使用不偏离本公开内容的范围的其它反应器设计(例如不包含稀相区的反应器)。

现在参考图2，其中显示流化床反应器1的横截面，流化床反应器1具有核心区域21，所述核心区域21从反应器的中心C延伸至外围区域23。外围区域23从核心区域21延伸至环形壁25。流化床反应器1具有半径R，其从反应器1的中心C延伸至环形壁25。在本公开内容的各个实施方案中，核心区域从中心C延伸至小于约0.6R，在其它实施方案中，延伸至小于约0.5R或甚至小于约0.4R。就这点而言，应当理解，在不偏离本公开内容的范围的情况下，可使用不同于图2所示的流化床反应器设计。不管流化床反应器的横截面形状，核心区域的横截面表面积与外围区域的横截面表面积之比可以为小于约4:3，在其它实施方案中，为小于约1:1、小于约1:3、小于约1:4或甚至小于约1:5(例如约4:3至约1:10或约1:1至约1:10)。

如上所述，引入流化床反应器1的核心区域21中的二氯硅烷浓度超过引入外围区域23中的浓度。通过将可热分解化合物(例如二氯硅烷)送入反应器的内部和离开反应器壁，可降低反应器壁上材料(如硅)的沉积。一般而言，可使用本领域技术人员熟悉的任何方法将第一进料气体送入流化床反应器的核心区域中，以及将第二进料气体送入反应器的外围区域中。例如，可使用将进料气体送入反应器的不同部分中的分配装置，其例如公开于美国专利公开No.2009/0324479和要求2009年12月29日提交的美国临时申请No.61/290,692的利益的美国专利公开No.________，出于所有相关和一致目的通过引用将其二者并入本文中。就这点而言，应当理解在不偏离本公开内容的范围的情况下可使用其它方法和设备来产生所需的气体分配。

根据本公开内容的实施方案，第一进料气体中的二氯硅烷浓度(以体积计)比第二进料气体中的二氯硅烷浓度大至少约25%(例如第一进料气体可包含约45体积%或更多的二氯硅烷，第二进料气体包含约20体积%或更少的二氯硅烷)。在各个其它实施方案中，第一进料气体中的二氯硅烷浓度(以体积计)比第二进料气体中的二氯硅烷浓度大至少约35%，或者比第二进料气体中的二氯硅烷浓度(以体积计)大至少约50%、至少约75%、至少约100%、至少约150%，或至少约200%(例如比第二进料气体中的二氯硅烷浓度(以体积计)高约25至约200%、约25至约100%或约50至约200%)。在这些河其它实施方案中，引入流化床反应器中的二氯硅烷的总量中，至少约60%的二氯硅烷引入流化床反应器的核心区域中(其余40%引入外围区域中)。在其它实施方案中，引入流化床反应器中的二氯硅烷的至少约75%、至少约85%或至少约95%通过核心区域引入。

第一进料气体中的二氯硅烷浓度可以为至少约25体积%。在各个其它实施方案中，浓度可以为至少约35%、至少约50%、至少约65%、至少约80%、至少约90%或至少约95体积%二氯硅烷。第一进料气体的其余部分可以为载气，例如选自四氯化硅、氢气、氩气和氦气的物质。在某些实施方案中，第一进料气体可基本由二氯硅烷组成(例如包含仅次少量的杂质)或甚至由二氯硅烷组成。

一般而言，第二进料气体中的二氯硅烷浓度为小于约50体积%，在其它实施方案中，为小于约35%、小于约25%、小于约20%、小于约15%、小于约10%、小于约5%、小于约1%或约0.1至约50%、约0.1至约25%，或约0.1至约15体积%。就这点而言，应当理解第二进料气体可基本由不同于二氯硅烷的气体组成。例如，第二进料气体可基本由一种或多种选自四氯化硅、氢气、氩气和氦气的物质组成(例如仅含有这些物质且不包含其它少量的其它气体杂质)。此外，就这点而言，第二进料气体可由一种或多种选自四氯化硅、氢气、氩气和氦气的物质组成。

引入流化床反应器中的第一进料气体和/或第二进料气体的温度可以与常规方法相比较低以减少反应器壁上材料的沉积并防止反应达到平衡，如下文进一步所述。例如，第一进料气体和/或第二进料气体的温度(和包含组合的第一进料气体和第二进料气体的理论气体的温度)可以为小于约600℃，在其它实施方案中，可以为小于约400℃或小于约250℃(例如约50至约600℃、约100至约400℃或约200至约400℃)。在一些实施方案中，引入流化床反应器的核心中的第一进料气体的温度为小于约350℃或甚至小于约250℃(例如约200至约350℃)，引入流化床反应器的外围区域中的第二进料气体的温度为小于约600℃(例如约400至约600℃)。可将第一进料气体和/或第二进料气体在引入反应器中以前加热，在其中第一和/或第二进料气体包含由其它工艺流再循环的气体的实施方案中，可将第一和/或第二进料气体冷却。可使用本领域技术人员已知用于加热或冷却的任何方法，包括使用通过蒸汽和/或燃烧气体间接加热和通过冷却液(例如水或熔融盐)间接冷却。

在一些实施方案中，理想的是可将第二进料气体在引入反应器中以前加热以降低应用于反应器上的外部热的量，在其中第二进料气体含有相对低量的可热分解化合物(例如二氯硅烷)或基本不含可热分解化合物的实施方案中特别如此。例如可将第二进料气体加热至至少约350℃或至少约450℃、至少约550℃、至少约650℃、至少约750℃或甚至至少约850℃(例如约350至约1000℃或约450至约900℃)。根据这些实施方案，通过降低通过反应器壁应用的外部热的量，可进一步减少硅在壁上的沉积。

当进入反应室10中时，二氯硅烷热分解产生多晶硅。在热分解期间在反应器中可产生大量气体副产物，包括例如盐酸、四氯化硅、硅烷和/或氢气。就这点而言，应当理解本文中提及的二氯硅烷“热分解”包括通过一种或多种中间体(例如硅烷)或通过二氯硅烷直接分解实现的二氯硅烷的化学气相沉积。

当进料气体进入反应室中时，通常将它们加热以促进二氯硅烷的热分解。通过引入低于600℃的第一进料气体或第二进料气体，然后在它们在流化床反应器中向上行进时加热进料气体，二氯硅烷的热分解反应可保持低于约90%的平衡转化率。就这点而言，保持实现约1-12秒的气体停留时间的流化床高度进一步帮助建立低于约90%的平衡转化率。保持流化床反应器的平衡转化率低于约90%是有利的，因为发现达到平衡的反应器条件导致硅侵蚀反应器。这种侵蚀的材料可再沉积于生长的硅颗粒上，导致污染(例如氯污染)。通过保持第一或第二进料气体(或两种气体)低于约600℃，并在它们上升通过反应器时加热这些气体，沉积反应的平衡转化率可以为小于约90%，在其它实施方案中，小于约80%、小于约65%、小于约50%或小于约30%(例如约20至约90%、或约50至约90%)。

实现平衡的程度可通过计算和/或模拟平衡条件下产生的硅的量并将该量与反应器中产生的硅的实际量比较而确定。关于几种不同反应器条件（供入反应器中的二氯硅烷与氢气的比率、反应器温度、反应器压力、加入反应器中的载气的量等)的平衡显示于下表1中。就这点而言，应当理解每单位时间的标准化流速显示于表1中，且精确的流速取决于反应器的特定尺寸(例如反应器横截面)。

一旦确定了平衡条件，可确定反应器中产生的硅的量并与平衡量相比较。平衡程度可通过使用如上所述的相对低温的进料气体和/或通过控制流化床反应器的反应室中的气体停留时间来控制。如本文所用，气体停留时间指以下气体在反应器内的平均时间：载气(例如四氯化硅、氢气、氩气和/或氦气)，二氯硅烷的氢和氯原子（它们在硅沉积时反应以形成氯化氢和/或氢气），以及未反应的二氯硅烷。在本公开内容的一些实施方案中，这些气体的平均停留时间可以为小于约12秒，在其它实施方案中，小于约9秒或小于约4秒(例如约1至约12秒)。停留时间可通过改变例如反应室高度、气体流速和床内颗粒硅的粒度中的一项或多项而控制。

已发现，当使用上述方法以减少反应器壁上材料的沉积时为保持可接受的生产率，或者为了甚至增强相对于常规制备方法的生产率，可使用以下方法中的一种或多种：(1)可将流化床反应器的压力控制在如下文所述的指定范围内，(2)可将第一和第二流化气体快速加热以促进多晶硅的沉积，同时保持反应器低于约90%的平衡转化率，(3)引入反应器中的气体中的二氯硅烷总浓度可以为至少约10体积%，和/或(4)可将取出多晶硅颗粒的直径控制在如下文所述的指定范围内。另外，发现二氯硅烷的使用可相对于其它反应器体系(如三氯硅烷)改进生产率，这是因为在二氯硅烷流化床反应器系统中收率提高。

在本公开内容的某些实施方案中，流化床反应器中的绝对压力可以为至少约3巴。发现通过保持流化床反应器的压力在约3巴以上，可实现足够的反应器生产率。在这些和其它实施方案中，反应压力可控制在小于约8巴，以为约8巴以上的压力可涉及到相对高的通过反应器壁的外部热应用(例如较高温度)，并可在反应器壁上产生不可接受的量的硅沉积。在某些实施方案中，将反应器的压力控制在至少约4巴、至少约5巴、至少约6巴、至少约7巴、约3至约8巴、或约4至约8巴。

就这点而言，应当理解当气体向上通过反应器时，反应器的压力通常降低。为解决该变化，可在气体排放附近测量反应器的压力以确保实现最小压力(例如约3巴)。在本公开内容的某些实施方案中，测量从反应器中排出的废气的压力以确保流化床在所列压力范围内操作。例如废气的压力可以为至少约3巴、至少约5巴、至少约6巴、至少约7巴、或约3至约8巴。

如上所述，引入流化床反应器中的第一进料气体和/或第二进料气体的温度可以为小于约600℃。已发现，通过快速加热输入的气体(但仍保持沉积反应的平衡转化率低于约90%，如上文所述)，可提高流化床反应器的生产率。现在参考图3，其中显示了根据本公开内容的一个或多个实施方案的流化床反应器的反应室10，为实现这种相对快的加热并避免使用可降解反应器材料的高温度梯度，可将流化床反应器的加热设备34保持在反应器衬里32与反应器的外壳35之间形成的圆形内室39内。通过将加热设备34布置在外壳35以内，加热设备可以在较低温度下操作，因为热未输送通过外壳35和衬里32以达到反应室的内容物。在各个实施方案中，在内室39内可包含气体38(例如氩气、氢气、氮气和/或氦气)，其优选连续地引入和移出内室。该气体38用于保护加热设备34以防由暴露于通过反应器衬里32漏入内室39内的工艺气体而导致的腐蚀。气体38可保持在高于工艺气体5、7的压力的压力下(例如约0.005至约0.2巴范围内的压力)，因此如果衬里32出现开口(例如裂纹或小孔)，则绝热气体38会穿过衬里32，而不是工艺气体进入内室39中。也可使气体38保持在低于工艺气体5、7的温度下以防止腐蚀。另外，当将气体38从内室39中移出时可对其监控以检测工艺气体(例如二氯硅烷、氯化氢或氢气)的存在，这可表明衬里32已出现开口(例如裂纹或小孔)且可能需要修补。内室39(或其一部分)可包含绝热材料以防止热通过外壳35损失。所用绝热材料可以为如本领域技术人员所理解适于在高温下绝热的任何材料(碳和无机材料)，并可呈现多种形式，包括绝热块、覆盖层或毡。

根据本公开内容使用的典型流化床反应器包括美国专利公开No.2008/0299291、美国专利公开No.2008/0241046和美国专利公开No.2009/0095710中所公开的那些，出于所有相关和一致目的，通过引用将它们并入本文中。就这点而言，应当理解，在不偏离本公开内容的范围的情况下，可使用不同于图3所示和不同于所列出版物中所述的反应器设计。

加热设备34可以为电阻式加热器或者一个或多个感应线圈；然而，可使用其它类型的加热设备(例如加热设备34可以为热气体如燃烧气体)，没有特别限制。衬里32可由适于流化床反应器操作和颗粒多晶硅生产的任何材料制成，特别是对可能导致多晶硅产物污染的侵蚀和降解具有足够抗性的材料。合适材料包括例如石英、涂有硅或涂有碳化硅的石墨和涂有硅的碳化硅。外壳35可由许多金属材料(例如金属合金，包括碳钢或不锈钢)制成。

当进入流化床反应器中时，将第一进料气体和第二进料气体加热并在它们在反应室中上升时继续加热。可将反应气体在从流化床反应器中排出以前(或者在如下文所述骤冷以前)加热至至少约700℃，在其它实施方案中，加热至至少约900℃、至至少约1000℃或者至至少约1100℃(例如约700至约1200℃、约700至约1100℃或约900至约1100℃)。

为提高流化床反应器的生产率，可将引入反应器中的二氯硅烷的浓度控制在与常规方法相比相对高的水平。一般而言，引入流化床反应器中的二氯硅烷总浓度(即第一进料气体和第二进料气体组合中的量)应足够高以不牺牲实质反应器生产率，但足够低以不导致实质的硅粉尘形成。在各个实施方案中，总浓度可以为至少约10体积%或至少约20%、至少约30%、至少约40%或至少约50体积%(例如约10至约80%、约10至约50%或约30至约60%)。

如图1所示，将颗粒多晶硅由产物移出管12中。可将颗粒多晶硅从反应器中间歇式地移出，如在分批操作中；然而，优选将颗粒产物连续地移出。不管使用硅产物的分批还是连续移出，发现从反应器中移出时的产物颗粒的粒度影响反应器生产率。例如，发现通常提高所移出的硅颗粒的粒度产生提高的反应器生产率；然而，如果容许产物颗粒生长地太大，则反应器中气相与固相之间的接触可被降低，由此降低生产率。因此，在本公开内容的各个实施方案中，从反应器中移出的颗粒多晶硅的平均直径为约600至约1200μm、约800至约1200μm或约900至约1100μm。就这点而言，除非另外指出，应当理解本文中提及的各颗粒的“平均直径”指Sauter平均直径。Sauter平均直径可根据本领域技术人员通常已知的方法测定。

上述方法中的一种或多种的使用可容许保持相对高反应器生产率，甚至是在其中使用一种或多种也如上所述的降低反应器壁上材料的沉积的方法的实施方案中。如本领域技术人员所理解，反应器生产率可表示为每反应器截面面积的多晶硅生产。根据本公开内容，当使用一种或多种用于提高反应器生产率的上述方法时，基于每平方米流化床反应器横截面，至少约100kg/hr的硅沉积在反应器内的硅颗粒上。在其它实施方案中，基于每平方米流化床反应器横截面，至少约125kg/hr的硅沉积于反应器内的硅颗粒上，或者基于每平方米流化床反应器横截面，至少约175kg/hr、至少约250kg/hr、至少约325kg/hr、或约100至约350kg/hr、约125至约300kg/hr、或约175至约300kg/hr的硅沉积于硅颗粒上。就这点而言，应当理解在其中流化床反应器的横截面沿着反应器的长度变化的实施方案中，所列截面面积指在反应器长度(例如发生至少约90%沉积的反应器长度)上求平均值的横截面。应当进一步理解的是，反应器可具有其中生产率高于或低于所列值的局部区域而不偏离本公开内容的范围。

将硅晶种颗粒加入反应器中以提供多晶硅可以沉积的表面。晶种颗粒的粒度连续生长直至它们作为颗粒多晶硅产物离开反应器。晶种颗粒可分批或连续地加入反应器中。晶种颗粒的平均直径(即Sauter平均直径)可以为约50至约800μm，在一些实施方案中，为约200至约500μm。硅晶种颗粒的来源包括从反应器中收集并研磨至所需粒度的产物颗粒，和/或与颗粒多晶产物聚集在一起并被分离的小多晶颗粒。

在流化床反应器系统的操作期间，流化气体通过流化床反应器的反应区的速度保持在多晶颗粒的最小流化速度以上。气体通过流化床反应器的速度通常保持在将流化床内的颗粒流化所需的最小流化速度的约1至约8倍。在一些实施方案中，气体速度为将流化床内的颗粒流化所需的最小流化速度的约2至约5倍。最小流化速度取决于所涉及的气体和颗粒的性能。最小流化速度可通过常规方法(参见Perry的Chemical Engineers′Handbook，第7版，第17-4页，出于全部相关和一致目的，通过引用将其并入本文中)测定。尽管本公开内容不限于特定的最小流化速度，但本公开内容中有用的最小流化速度为约0.7至约250cm/sec或甚至约6至约100cm/sec。

通常需要比最小流化流速高的气体速度以实现较高的生产率。当气体速度提高到超过最小流化速度时，过量气体形成气泡，提高床空隙。该床可视为由气泡和含有与硅颗粒接触的气体的“乳液”组成。乳液的质量非常类似于最小流化条件下床的质量。乳液中的局部空隙接近最小流化床空隙。因此，气泡通过以超过实现最小流化所需的过量引入的气体产生。当实际气体速度与最小流化速度的比率提高时，气泡形成增强。在非常高的比率下，在床中形成大的气体团。当床空隙随着总气体流速提高时，固体与气体之间的接触变得较不有效。对于给定体积的床，固体与反应气体接触的表面积随着提高的床空隙而降低，产生降低的多晶硅产物转化率。因此，应控制气体速度以保持可接受水平内的分解。

在本公开内容以及如图1所示的一些实施方案中，流化床反应器1的反应室10包括“稀相”区11，其中提高反应室的直径以降低流化气体的速度并容许颗粒材料与气体分离。就这点而言，应当理解在其中反应器包括稀相区的实施方案中，认为该区域是反应室的一部分，除非另外指出(例如对于测定反应器的平均半径、停留时间等)。在从反应器中出料以前，可将骤冷气体引入反应器的稀相区中(例如四氯化硅、氢气、氩气和/或氦气)以通过降低气体的温度而减少硅粉尘的形成。使用这种骤冷气体的合适方法描述于美国专利No.4,868,013中，出于所有相关和一致目，通过引用将其并入本文中。应选择骤冷气体的温度和流速以使排放的废气的温度小于约800℃，在其它实施方案中，小于约700℃、小于约600℃、约500至约800℃或约500至约700℃。骤冷气体的温度可以为小于约500℃、小于约400℃、小于约300℃、小于约200℃、小于约100℃或甚至小于约50℃(例如约10至约500℃、约10至约300℃或约100至约500℃)。引入反应器中的气体与骤冷气体的重量比可以为约20:1至约700:1或约50:1至约300:1。

在本公开内容的一些实施方案中，流化床反应器中的二氯硅烷转化率可以为至少约30%、至少约45%、至少约60%或至少约85%(例如约30至约98%、或约60至约98%)。沉积的硅的选择性可以为至少约20%、至少约25%、至少约30%或甚至至少约40%(例如约20至约50%、或约25至约35%)。多晶硅的收率可以为至少约10%、至少约20%、至少约30%或甚至至少约45%(例如约10至约45%、或约20至约42%)。

当介绍本公开内容的元素或其优选实施方案时，文字“a”、“an”、“the”和“said”意欲指存在一个或多个元素。术语“包含”、“包括”和“具有”意欲指包括在内且意指可存在不同于所列元素的其它元素。

由于可在不偏离本公开内容的范围的情况下对以上设备和方法做出各种改变，因此以上说明书中所含和附图中所示的所有内容应理解为说明性的，但不是限定性的。

Claims (39)

1.通过在具有核心区域和外围区域的流化床反应器中热分解二氯硅烷而制备多晶硅的方法，所述方法包括：

将包含二氯硅烷的第一进料气体引入流化床反应器的核心区域中，其中流化床反应器含有硅颗粒且第一进料气体的温度小于约600℃，二氯硅烷在流化床反应器中热分解而使一定量的硅沉积于硅颗粒上；和

将第二进料气体引入流化床反应器的外围区域中，其中第一进料气体中的二氯硅烷浓度超过第二进料气体中的浓度且流化床反应器中的压力为至少约3巴。

2.根据权利要求1的方法，其中流化床反应器包含环形壁并具有通常圆形的横截面，该横截面具有中心和半径R，其中核心区域从中心延伸至小于约0.6R，外围区域从中心区域延伸至环形壁。

3.根据权利要求1的方法，其中流化床反应器包含环形壁并具有通常圆形的横截面，该横截面具有中心和半径R，其中核心区域从中心延伸至小于约0.5R，外围区域从中心区域延伸至环形壁。

4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其中流化床反应器以小于约90%的平衡转化率，或者小于约80%、小于约70%、小于约60%或甚至小于约50%的平衡转化率操作。

5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中第一进料气体的温度为小于约400℃、小于约250℃、约50至约600℃、约100至约400℃、或约200至约400℃。

6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中第二进料气体的温度为小于约600℃、小于约400℃、小于约250℃、约50至约600℃、约100至约400℃、或约200至约400℃。

7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中流化床反应器中的压力为至少约4巴、至少约5巴、至少约6巴、至少约7巴、约3至约8巴、或约4至约8巴。

8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其中将废气从流化床反应器中移出，废气的压力为至少约3巴、至少约5巴、至少约6巴、至少约7巴、或约3至约8巴。

9.根据权利要求1-8中任一项的方法，其中第一进料气体中的二氯硅烷浓度(以体积计)比第二进料气体中的二氯硅烷浓度大至少约25%，或者第一进料气体的浓度(以体积计)比第二进料气体中的二氯硅烷浓度(以体积计)大至少约35%、至少约50%、至少约75%、至少约100%、至少约150%、或至少约200%、或约25至约200%、约25至约100%、或约50至约200%。

10.根据权利要求1-9中任一项的方法，其中引入流化床反应器中的二氯硅烷的至少约60%通过核心区域引入，或者其中引入流化床反应器中的二氯硅烷的至少约75%、至少约85%或至少约95%通过核心区域引入。

11.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中将颗粒多晶硅从流化床反应器中移出，颗粒多晶硅的Sauter平均直径为约600至约1200μm、约800至约1200μm，或约900至约1100μm。

12.根据权利要求1-11中任一项的方法，其中引入流化床反应器中的气体的平均停留时间为小于约12秒、小于约9秒、小于约4秒，或约1至约12秒。

13.根据权利要求1-12中任一项的方法，其中流化床反应器具有当二氯硅烷热分解而使一定量的硅沉积于硅颗粒上时第一进料气体和第二进料气体所通过的横截面，其中基于每平方米流化床反应器横截面，至少约100kg/hr的硅沉积于硅颗粒上，或者基于每平方米流化床反应器横截面，至少约125kg/hr、至少约175kg/hr、至少约250kg/hr、至少约325kg/hr或约100至约350kg/hr、约125至约300kg/hr或约175至约300kg/hr的硅沉积于硅颗粒上。

14.根据权利要求1-13中任一项的方法，其中将硅颗粒从流化床反应器中连续地移出。

15.根据权利要求1-14中任一项的方法，其中第二进料气体包含小于约50体积%二氯硅烷、小于约35体积%、小于约25体积%、小于约20体积%、小于约15体积%、小于约10体积%、小于约5体积%、小于约1体积%、或约0.1至约50体积%、约0.1至约25体积%、或约0.1至约15体积%二氯硅烷。

16.根据权利要求1-14中任一项的方法，其中第二进料气体基本由不同于二氯硅烷的物质组成。

17.根据权利要求1-14中任一项的方法，其中第二进料气体基本由一种或多种选自四氯化硅、氢气、氩气和氦气的物质组成。

18.根据权利要求1-17中任一项的方法，其中第一进料气体包含至少约25体积%二氯硅烷、至少约35体积%、至少约50体积%、至少约65体积%、至少约80体积%、至少约90体积%、或至少约95体积%二氯硅烷。

19.根据权利要求1-18中任一项的方法，其中第一进料气体和第二进料气体中的二氯硅烷总浓度为至少约10体积%或至少约20体积%、至少约30体积%、至少约40体积%、至少约50体积%、或约10至约80%、约10至约50%、或约30至约60体积%。

20.根据权利要求1-19中任一项的方法，其中流化床反应器中的三氯硅烷转化率为至少约30%、至少约45%、至少约60%、至少约85%、约30至约98%、或约60至约98%。

21.根据权利要求1-20中任一项的方法，其中沉积的硅的选择性为至少约20%、至少约25%、至少约30%、至少约40%、约20至约50%、或约25至约35%。

22.通过二氯硅烷在流化床反应器中热分解而制备多晶硅的方法，其中流化床反应器具有反应室壁和第一进料气体和第二进料气体所通过的横截面，第一进料气体包含二氯硅烷，且第二进料气体包含至少一种选自四氯化硅、氢气、氩气和氦气的物质，第一进料气体中的二氯硅烷浓度超过第二进料气体中的浓度，基于每平方米流化床反应器横截面，流化床反应器产生至少约100kg/hr的多晶硅，所述方法包括：

将第二进料气体送至反应室壁并在第二进料气体内送入第一进料气体，其中第一进料气体的温度为小于约600℃，且流化床反应器中的压力为至少约3巴，其中二氯硅烷接触硅颗粒以使得硅沉积于硅颗粒上并提高粒度。

23.根据权利要求22的方法，其中流化床反应器以小于约90%的平衡转化率、或小于约80%、小于约70%、小于约60%、或甚至小于约50%的平衡转化率操作。

24.根据权利要求22或权利要求23的方法，其中第一进料气体的温度为小于约400℃、小于约250℃、约50至约600℃、约100至约400℃、或约200至约400℃。

25.根据权利要求22-24中任一项的方法，其中第二进料气体的温度为小于约600℃、小于约400℃、小于约250℃、约50至约600℃、约100至约400℃、或约200至约400℃。

26.根据权利要求22-25中任一项的方法，其中流化床反应器中的压力为至少约4巴、至少约5巴、至少约6巴、至少约7巴、或约3至约8巴。

27.根据权利要求22-26中任一项的方法，其中将废气从流化床反应器中移出，废气的压力为至少约3巴、至少约5巴、至少约6巴、至少约7巴、或约3至约8巴。

28.根据权利要求22-27中任一项的方法，其中第一进料气体中的二氯硅烷浓度(以体积计)比第二进料气体中的二氯硅烷浓度大至少约25%，或者第一进料气体的浓度(以体积计)比第二进料气体中的二氯硅烷浓度(以体积计)大至少约35%、至少约50%、至少约75%、至少约100%、至少约150%，或至少约200%、或约25至约200%、约25至约100%、或约50至约200%。

29.根据权利要求22-28中任一项的方法，其中将颗粒多晶硅从流化床反应器中移出，颗粒多晶硅的Sauter平均直径为约600至约1200μm、约800至约1200μm，或约900至约1100μm。

30.根据权利要求22-29中任一项的方法，其中引入流化床反应器中的气体的平均停留时间为小于约12秒、小于约9秒、小于约4秒，或约1至约12秒。

31.根据权利要求22-30中任一项的方法，其中基于每平方米流化床反应器横截面，至少约125kg/hr的硅沉积于硅颗粒上，或者基于每平方米流化床反应器横截面，至少约175kg/hr、至少约250kg/hr、至少约325kg/hr或约100至约350kg/hr、约125至约300kg/hr或约175至约300kg/hr的硅沉积于硅颗粒上。

32.根据权利要求22-31中任一项的方法，其中将硅颗粒从流化床反应器中连续地移出。

33.根据权利要求22-32中任一项的方法，其中第二进料气体包含小于约50体积%二氯硅烷、小于约35体积%、小于约25体积%、小于约20体积%、小于约15体积%、小于约10体积%、小于约5体积%、小于约1体积%、或约0.1至约50体积%、约0.1至约25体积%，或约0.1至约15体积%二氯硅烷。

34.根据权利要求22-33中任一项的方法，其中第二进料气体基本由不同于二氯硅烷的物质组成。

35.根据权利要求22-34中任一项的方法，其中第二进料气体基本由一种或多种选自四氯化硅、氢气、氩气和氦气的物质组成。

36.根据权利要求22-35中任一项的方法，其中第一进料气体包含至少约25体积%二氯硅烷、至少约35体积%、至少约50体积%、至少约65体积%、至少约80体积%、至少约90体积%、或至少约95体积%二氯硅烷。

37.根据权利要求22-36中任一项的方法，其中第一进料气体和第二进料气体中的二氯硅烷总浓度为至少约10体积%、或至少约20体积%、至少约30体积%、至少约40体积%、至少约50体积%、约10至约80体积%、约10至约50体积%、或约30至约60体积%。

38.根据权利要求22-37中任一项的方法，其中流化床反应器中的三氯硅烷转化率为至少约30%、至少约45%、至少约60%、至少约85%、约30至约98%、或约60至约98%。

39.根据权利要求22-38中任一项的方法，其中沉积的硅的选择性为至少约20%、至少约25%、至少约30%、至少约40%、约20至约50%、或约25至约35%。

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