CN103429979A - 用于在多晶硅生产工艺中使用液态氮提纯硅烷的系统和方法 - Google Patents

用于在多晶硅生产工艺中使用液态氮提纯硅烷的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于在多晶硅制造中改进工艺流的低温冷却的系统和方法。所公开的系统和方法提供在制造多晶硅期间的硅烷和氢工艺流的低温冷却，同时从气化的氮回收制冷能力和从冷氢流回收制冷能力。改进的低温冷却系统和方法减少了液态氮的总体消耗，而不会损害硅烷和氢工艺流的低温冷却的冷却性能。

Description

用于在多晶硅生产工艺中使用液态氮提纯硅烷的系统和方法
技术领域
本系统和方法涉及在多晶硅生产工艺期间的中间工艺流(process stream)的低温冷却，且更具体而言，涉及用于在流化床多晶硅生产工艺中提纯硅烷期间的制冷回收的方法和系统。
背景技术
已经开发了用于生产多晶硅的许多工艺，包括传统Siemens(西门子)工艺、Hemlock工艺、Ethyl 公司开发的流化床工艺、Union Carbide(联合碳化物)工艺和Komatsu(小松)工艺。在常用的Siemens工艺中，高纯度的硅棒在1150℃下暴露于三氯硅烷。三氯硅烷气体将附加的硅分解和沉积到电加热的硅棒上，根据诸如以下的化学反应来扩大(enlarge)硅棒：
2HSiCl3→Si+2HC1+SiCl4
由该工艺或类似的工艺生产的硅被称为多晶硅。由于硅籽晶棒的高电阻率，故Siemens工艺需要两个电源--一个用于将棒预热到传导状态，而第二个用于通过传导来使棒过热。来自热硅棒的大部分能量辐射到覆盖Siemens反应器的水冷式钟罩中。
在用于制造多晶硅的流化床工艺中，纯硅球(pallet)在高温反应容器中由微小的纯硅籽晶长成多晶硅颗粒。该工艺使用氟化硅作为前驱体(precursor)材料，以产生硅烷SiH4。氟化硅是很容易获得的，且是多种工业的相对较便宜的废弃副产物。图1中绘出了用于生产多晶硅的流化床工艺的概视图。
制造多晶硅的流化床工艺提供了相比于用于生产多晶硅的Siemens工艺的一些显著的经济优点。由于分解在较低的温度下操作，故在流化床工艺中较大地减少了能量损失和因此的能量消耗，且不需要冷却钟罩。流化床工艺中的另一个优点在于可连续地构造和操作很大的反应器，进一步降低了资金成本和操作成本。与Siemens工艺不同，用于制造多晶硅的流化床工艺中的最终产物为可具有一些商业优点(如，在需要将多晶硅连续给送到客户的工艺中时)的小多晶硅颗粒。
在图1中示出的用于生产多晶硅的流化床工艺中，氟化硅被蒸馏成氢中硅烷(silane in hydrogen)的气态进料。在氟化硅蒸馏之后，流入的(influent)气态硅烷进料在提纯单元中提纯/分离，且在流化床中热分解，以产生多晶硅。将硅籽晶微粒引入由硅烷和氢流(stream of silane and hydrogen)维持的流化床中。来自于分解的硅烷的硅附着到流化床反应器中的籽晶微粒上，该籽晶微粒在其自由落到反应器底部期间长成颗粒大小的小球。在引入到流化床反应器中之前，包括氢中硅烷的流入的气态进料通过一系列热交换器和经济器来提纯/分离，热交换器和经济器使用液态氮和气态氮来分离这些中间工艺流，即，分离成氢流(hydrogen stream)和硅烷流。 
图2中绘出了用以分离流化床多晶硅生产工艺中的中间工艺流的现有技术方式的实例。如其中看到的那样，以大约每小时975kg的流量的硅烷和氢的进入(incoming)气态进料(12)大体上包括在大约25℃的温度下和在大约0.66MPa的压力下的大约2%的硅烷(SiH4)和98%的氢(H2)。该进入气态进料或工艺流(12)在一系列热交换器和经济器中被冷却到预定的最终温度，在该温度下，硅烷与氢在分相器中分离。
冷却流入的工艺流(12)的该多级顺序包括经济器(13)，该经济器(13)使用冷氢气(22)来将硅烷和氢气流(12)预冷到大约-80℃的温度。然后将该预冷的硅烷和氢流(14)引导到相对较小的第二经济器(15)中，第二经济器(15)使用大约-164℃的气态氮(32)来将预冷的硅烷和氢流(14)进一步冷却到大约-144℃的中间温度。将产生的冷却的硅烷和氢流(16)引导到低温热交换器(17)中，在低温热交换器中，以大约-179℃的液态氮来将其冷却到大约-165℃的最终预定的工艺温度。完全冷却的硅烷和氢流(18)被引导到分相器(19)中，在该分相器中，硅烷冷凝成待引导到流化床中的液态产物(20)，且在大约-160℃下的产生的冷氢气(22)被引导回经济器(13)中，以预冷流入的工艺流(12)。用过的氢流(24)被排放或在工厂中的别处使用。
用于低温热交换器(17)和经济器(15)的冷却介质为流过冷却回路的液态氮和/或气态氮。在多晶硅提纯工艺中使用的氮来源于液态氮源(未示出)。液态氮在大约-179℃和0.5MPa的压力下以大约每小时1150到1500kg之间的流量供应到低温热交换器(17)中，在该热交换器中，液态氮将硅烷和氢工艺流(16)冷却到大约-160℃的最终预定温度。排出低温热交换器(17)的大约-164℃下的氮流(32)被引送到经济器(15)中，在该经济器处，氮流(32)预冷硅烷和氢工艺流(14)且以大约-130℃的气流(34)形式排出经济器(15)。最后，将每小时1500kg的氮气流(34)引导到另一个气体-空气热交换器(35) (gas to air heat exchanger)中，在该气体-空气热交换器(35)中，使用作为冷空气(40)排出热交换器(35)的进入暖空气(38)在大约0.3MPa的压力下将冷氮气(34)加热到大约10℃的排出温度或排放温度。
鉴于大量的高压氮被用作冷却介质，故与使用上文所述的工艺的硅烷的分离和提纯相关联的成本非常高。使用上文所述的现有技术的提纯和分离工艺，消耗了大约每小时1150kg的高压液态氮，且氮的大部分制冷能力在低温冷却系统内未回收或未使用。
因此，所需的是用于分离和提纯用于生产多晶硅的流化床工艺中的气态硅烷/氢进料的改进方法，该改进方法利用较少的液态氮或较低压力的液态氮或两者。
发明内容
本发明可被表征为一种用于多晶硅的生产中的氢中硅烷工艺流的低温冷却的方法，该方法包括以下步骤：(a)使用冷却流和一个或多个经济器来预冷氢中硅烷工艺流；(b)在低温热交换器中以液态氮将预冷的工艺流冷却到预定的最终温度；(c)将预定的最终温度下的冷却的工艺流分离成液态硅烷产物和冷氢流；(d)再循环冷氢流，以形成一个或多个经济器中的冷却流的一部分，以预冷工艺流；(e)将用过的氢流的一部分从一个或多个经济器强制地引导到辅助热交换器中；(f)将氮流从低温热交换器引导到辅助热交换器中，以再冷却用过的氢流；以及(g)引导再冷却的用过的氢流，以形成一个或多个经济器中的冷却流的一部分，以预冷工艺流。冷氢流的多余制冷能力直接地传递到流过一个或多个经济器中的至少一者的工艺流中，而氮流的多余制冷能力间接地传递到流过一个或多个经济器中的至少一者的工艺流中。
本发明还可被表征为一种低温冷却系统，其包括：(i)氢中硅烷工艺流；(ii)液态氮源；(iii)用于使用液态氮来冷却工艺流的低温热交换器；(iv)设置在低温热交换器下游的分相器，该分相器适用于将冷却的工艺流分离成液态硅烷产物和冷氢流；(v)用于以冷氢流预冷工艺流的一个或多个经济器，一个或多个经济器设置在低温热交换器的上游；(vi)第一再循环管道，该第一再循环管道将分相器的出口联接到一个或多个经济器上，以将冷氢流从分相器引导到至少一个经济器中，以预冷工艺流；(vii)第二热交换器，该第二热交换器联接到低温热交换器上，且适用于使用从低温热交换器中排出的氮来冷却用过的氢流；(viii)第二再循环管道，该第二再循环管道通过第二热交换器联接至少一个经济器的出口上，且联接到第一再循环管道或至少一个经济器的入口上，以预冷工艺流；(ix)风机，该风机设置成与第二再循环管道起作用地相关联，以从至少一个经济器的出口强制地推动用过的氢流穿过第二热交换器，且到第一再循环管道中或到至少一个经济器的入口中。在本低温冷却系统中，从低温热交换器中排出的氮流的多余制冷能力首先传递至流过第二热交换器的用过的氢流，且随后传递至流过一个或多个经济器的工艺流，而从分相器中排出的冷氢流的多余制冷能力直接地传递至流过一个或多个经济器的工艺流。
附图说明
本发明的以上和其它方面、特征和优点将从以下结合下列附图呈现的本发明的更详细的描述中变得更清楚，在附图中： 
图1为用于生产多晶硅的流化床工艺的示意图；
图2为在用于生产多晶硅的流化床工艺中使用的现有技术的低温冷却和分离系统的示意图；
图3为根据本发明的低温冷却和分离系统的优选实施例的示意图；
图4为低温冷却和分离系统的备选实施例的示意图；
图5为可用于实现与本发明相关联的制冷回收的三股流的热交换器的示图；以及
图6为可用于实现与本发明相关联的制冷回收的热交换器的备选构想的示图。
具体实施方式
现在转向图3，示出了本低温冷却系统(50)和方法的优选实施例。如其中看到的那样，以大约每小时975kg的预定的流量的硅烷和氢进入气态进料(52)大体上包括大约25℃的温度和大约0.66MPa的压力下的大约2%的硅烷(SiH4)和98%的氢(H2)。很像现有技术的提纯工艺那样，该进入气态进料或工艺流(52)在一系列经济器和热交换器中冷却到预定的最终温度，在该温度下，硅烷和氢在分相器(59)中分离。
冷却流入的工艺流的该优选工艺包括首先使用包括冷氢流的冷却流来将经济器(53)中的硅烷和氢流入流(52)预冷到大约-80℃的温度。然后将该预冷的硅烷和氢流(54)引导到第二经济器(55)中，第二经济器(55)也使用包括冷氢流(62)的冷却流(64)来将预冷的硅烷和氢流(54)进一步冷却到-167℃的中间温度。
将产生的冷却的硅烷和氢流(56)引导到低温热交换器(57)中，在低温热交换器(57)中，以大约-179℃的液态氮来将其进一步冷却到大约-173℃的更冷的最终预定的工艺温度。然后将该完全冷却的硅烷和氢流(58)引导到分相器(59)中，在该分相器(59)中，硅烷冷凝成待引导到流化床中的液态产物(60)，且如以下更详细地描述的那样，大约-172℃下的产生的冷氢流(62)用于预冷和冷却经济器(53,55)中的流入的和中间的硅烷和氢工艺流(52,54)。
低温热交换器(57)中使用的制冷剂优选为来自液态氮源的液态氮(80)。液态氮(80)以仅每小时554kg的流量、大约-179℃的温度和0.4MPa的压力供应到低温热交换器(57)中，其中液态氮将硅烷和氢工艺流(56)冷却到大约-173℃的更冷的最终预定温度。将排出低温热交换器(57)的大约-164℃下的氮流(82)引送到辅助热交换器(75)中，在该辅助热交换器(75)中，氮流(82)用于提供用过的氢气(76)的再冷却。然后将排出辅助热交换器(75)的氮气(84)引导到另一个气体-空气热交换器(85)中，在该气体-空气热交换器(85)中，使用作为冷空气(90)排出热交换器(85)的进入暖空气(88)来将大约14℃的氮气(84)在大约0.3MPa的压力下加热到大约25℃的排出温度或排放温度。
以上描述的用过的氢气(76)代表排出经济器(53)的暖氢气(72)的一部分。作为优选，将排出经济器(53)的用过的暖氢气(72)分成两股流。用过的暖氢气的一部分(74)被排放或引导到工厂的别处，而使用风机(73)将用过的暖氢气的第二部分(76)再循环到第二或辅助热交换器(75)中。使用排出低温热交换器(57)的氮流(82)来使该用过的暖氢气的第二部分(76)在辅助热交换器(75)中再冷却。然后将用过的再冷却的氢流(78)与来自分相器(59)的冷氢流(62)结合。首先将结合的氢冷却流(64)引导到经济器(55)中以冷却中间硅烷和氢流(54)，且然后引导到经济器(53)中以预冷暖和的流入硅烷和氢流(52)。
从低温热交换器(57)排出的氮流(82)的多余制冷能力通过首先传递制冷能力至流过辅助热交换器(75)的再循环的用过的氢气(76)，继而随后将该多余制冷能力用于预冷流过经济器(53,55)的流入的和中间的工艺流(52,54)来间接地传递至流入的工艺流(52)。此外，排出分相器(59)的冷氢流(80)的多余制冷能力直接地传递至流过经济器(53,55)的流入的和中间的工艺流(52,54)。
通过使用直接制冷回收和间接制冷回收两者来将流入的工艺流冷却到较低的温度。这继而减少了低温热交换器中获得用于分离的期望的或预定的最终温度所需的氮量。当相比于现有技术的冷却装置时，氮消耗的减少降低了与本低温冷却系统和工艺相关联的操作成本。
例如，在将本文中公开的用于提纯流化床多晶硅生产工艺中的硅烷的目前公开的低温冷却系统和方法与现有技术的低温冷却系统和方法相比较时，显然的是，可实现减少的制冷剂消耗方面的显著操作成本节省和较低的操作压力。仅制冷剂消耗的减少就将允许工厂实现大约20%到50%之间的改进，而不会损害或缩减硅烷的提纯或多晶硅的生产。
现转向图4，示出了本低温冷却和分离系统的备选的、更加通用的实施例的示意图。在该更加通用的低温冷却系统类型中，流入或进料工艺流(152)为气态氢中硅烷流，其以多级工艺冷却，且随后将大约-173℃下的完全冷却的工艺流(158)分离成液态硅烷流(160)和氢流(162)。使用第一经济器(153)，接着是低温热交换器(157)，且然后是分相器(159)完成了流入或进料工艺流(152)的冷却和分离。
在低温热交换器(157)中使用的制冷剂源优选为以大约-179℃和0.4MPa输送的液态氮(180)，以在工艺流分离之前冷却预冷的工艺流。然后将排出低温热交换器(157)的大约-164℃的温度下的氮流(182)引导到第二或辅助热交换器(175)中，在热交换器(175)中，其冷却暖氢流(176)(即，氢气)。随后将大约14℃下的失去效能（spent）的气态氮(186)排放到大气中或将其释放，以用于工厂内的其它用途。低温氮的这种多级使用回收和利用了制冷剂的可用的制冷能力的较大部分。
分离器(159)中的完全冷却的硅烷和氢工艺流(158)的分离产生在-173℃下的液态硅烷流(160)和大约-172℃下的冷氢流(162)。然后将冷氢流(162)再循环到经济器(153)中，以用于将25℃的流入或进料工艺流(152)冷却成中间预冷工艺流(154)。排出经济器(153)的在大约11℃的温度的用过的氢气(172)被分成两股流。用过的氢流的一部分(174)被排放或在工厂中的别处使用，而使用风机(173)将用过的氢流的第二部分(176)强制地再循环到第二或辅助热交换器(175)中。使用排出到低温热交换器(157)的冷氮流(182)在第二或辅助热交换器(175)中将用过的氢流的该部分(176)再冷却到大约-147℃的温度。然后将再冷却的用过的氢流(178)与来自分相器(159)的冷氢流(162)结合。将结合的氢流(164)引导到经济器(153)中，以直接地冷却流入或进料工艺流(152)。
如之前公开的优选实施例那样，图4中示意性地示出的实施例提供冷氢流和低温流两者的改进的制冷能力回收。具体而言，从低温热交换器中排出的氮流的多余制冷能力间接地传递至流入的工艺流，而排出分相器的冷氢流的多余制冷能力直接地传递至流入的工艺流。应用到硅烷和氢的流入工艺流中的该改进的制冷回收减少了低温热交换器中获得用于分离的期望的或预定的最终温度所需的氮量。
图5为可用于实现与本发明相关联的制冷回收的三股流的集成热交换器(200)的示图。如在其中看到的那样，吸入到热交换器(200)的一者是氢中硅烷的流入工艺流(252)，其中对应的出口流为引导到分相器(259)中的完全冷却的工艺流(258)。如上文所述，分相器(259)产生-173℃下的液态硅烷流(260)和大约-172℃下的冷氢流(262)。到三股流的热交换器(200)中的第二吸入流为大约-179℃的温度下的液态氮(280)，而对应出口为大约14℃的温度下的氮气(284)。第三流为冷氢气(262,270)，而对应的出口为大约11℃的用过的氢气(272)，其可排放到大气(274)中或在工厂内另作使用。
图6为用于类似于图5的热交换器的集成热交换器(200)备选构想的示图，热交换器(200)还可构造成用以实现与本发明相关联的制冷回收。该实施例类似于图5的实施例，但进一步地示出了经由风机(273)将用过的氢气(276)再循环穿过热交换器(200)，以与冷氢气(262)结合以形成结合的氢流(264)。
使用图5和图6中示意性地绘出的集成热交换器，人们可将低温热交换器和第二或辅助热交换器的热交换或热传递功能结合到单个的集成装置中。同样，人们还可将一个或两个热交换器和经济器的热交换或热传递功能结合到单个的集成装置中。
根据上文，应当认识到的是，本发明因此提供用于工艺流的低温冷却的改进的方法和系统。尽管借助于具体的实施例和与其相关联的工艺已经描述了本文公开的发明，但本领域技术人员可在不脱离如本文阐述的本发明的范围或不损害其所有的实质优点的情况下对本发明进行许多修改和变化。

Claims (9)

1.一种用于多晶硅生产中的氢中硅烷工艺流的低温冷却的方法，所述方法包括以下步骤：
使用冷却流和一个或多个经济器来预冷氢中硅烷工艺流；
在低温热交换器中用液态氮将所述预冷的工艺流冷却到预定的最终温度；
将所述预定的最终温度下的所述冷却的工艺流分离成液态硅烷产物和冷氢流；
再循环所述冷氢流，以形成所述一个或多个经济器中的所述冷却流的一部分，以预冷所述工艺流；
将用过的氢流的部分或全部从所述一个或多个经济器强制地引导到辅助热交换器中；以及
将所述氮流从所述低温热交换器引导到所述辅助热交换器中，以再冷却所述用过的氢流；以及
引导所述再冷却的用过的氢流，以形成所述一个或多个经济器中的所述冷却流的一部分，以预冷所述工艺流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷却流由所述冷氢流和所述用过的氢流的混合物构成，并且其中所述冷氢流的多余制冷能力直接地传递至所述工艺流，而所述氮流的多余制冷能力经由所述用过的氢流间接地传递至所述工艺流。
3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括以下步骤：通过在与所述冷氢流混合之前排放所述用过的氢流的一部分以改变形成所述冷却流的所述冷氢流和所述用过的氢流的所述混合物来调整所述冷却流的特性。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过调整所述进入的氢中硅烷工艺流的流动；穿过所述低温热交换器的液态氮的流动；以及穿过所述辅助热交换器的所述用过的氢气的流动来控制所述氢中硅烷工艺流的低温冷却。
5.一种低温冷却系统，包括：
氢中硅烷工艺流；
液态氮源；
用于使用所述液态氮来冷却所述工艺流的低温热交换器；
设置在所述低温热交换器下游的分相器，所述分相器适用于将所述冷却的工艺流分离成液态硅烷产物和冷氢流；
用于用所述冷氢流来预冷所述工艺流的一个或多个经济器，所述一个或多个经济器设置在所述低温热交换器的上游；
第一再循环管道，所述第一再循环管道将所述分相器的出口联接到所述一个或多个经济器上，以将所述冷氢流从所述分相器引导到所述经济器中以预冷所述工艺流；
第二热交换器，所述第二热交换器联接到所述低温热交换器上，且所述第二热交换器适用于使用从所述低温热交换器排出的所述氮流来冷却用过的氢流；
第二再循环管道，所述第二再循环管道通过所述第二热交换器联接所述一个或多个经济器的出口，且联接到所述第一再循环管道上或所述一个或多个经济器的入口上，以预冷所述工艺流；
风机，所述风机设置成与所述第二再循环管道起作用地相关联，以强制地推动来自所述一个或多个经济器的出口的所述用过的氢流穿过所述第二热交换器，且至所述第一再循环管道或所述一个或多个经济器的入口；
其中从所述低温热交换器中排出的所述氮的多余制冷能力首先传递至流过所述第二热交换器的所述用过的氢流，且随后传递至流过所述一个或多个经济器的所述工艺流；以及
其中排出所述分相器的所述冷氢流的多余制冷能力直接地传递至流过所述一个或多个经济器的所述工艺流。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述低温热交换器和所述第二热交换器集成为三股流的热交换器，其中所述氮流冷却所述预冷的工艺流和所述用过的氢流。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述低温热交换器和所述一个或多个经济器集成为多股流的热交换器，其中所述冷氢流预冷所述工艺流，且所述氮流冷却所述预冷的工艺流。
8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述低温热交换器、所述辅助热交换器和所述一个或多个经济器集成为多股流的热交换器，其中所述冷氢流预冷所述工艺流，且所述氮流冷却所述预冷的工艺流和所述用过的氢流。
9.根据权利要求5所述的系统，其进一步包括第三热交换器，所述第三热交换器用于传递来自所述氮流的任何剩余的制冷能力，以冷却空气流。
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