CN106458607A - 使用卧式反应器制造多晶硅的装置以及该多晶硅的制造方法 - Google Patents

使用卧式反应器制造多晶硅的装置以及该多晶硅的制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106458607A
CN106458607A CN201580024951.5A CN201580024951A CN106458607A CN 106458607 A CN106458607 A CN 106458607A CN 201580024951 A CN201580024951 A CN 201580024951A CN 106458607 A CN106458607 A CN 106458607A
Authority
CN
China
Prior art keywords
polysilicon
gas
reaction
reacting pipe
horizontal reacting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201580024951.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106458607B (zh
Inventor
张银洙
金正奎
金庾锡
柳振炯
李正雨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LG Corp
Original Assignee
LG Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by LG Chemical Co Ltd filed Critical LG Chemical Co Ltd
Publication of CN106458607A publication Critical patent/CN106458607A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106458607B publication Critical patent/CN106458607B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/029—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of monosilane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J12/00—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor
    • B01J12/005—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor carried out at high temperatures, e.g. by pyrolysis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J12/00—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor
    • B01J12/02—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor for obtaining at least one reaction product which, at normal temperature, is in the solid state
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B01J19/006—Baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2415—Tubular reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/035—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds in the presence of heated filaments of silicon, carbon or a refractory metal, e.g. tantalum or tungsten, or in the presence of heated silicon rods on which the formed silicon is deposited, a silicon rod being obtained, e.g. Siemens process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/08—Reaction chambers; Selection of materials therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00132—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements
    • B01J2219/00135—Electric resistance heaters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00139—Controlling the temperature using electromagnetic heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/0015—Controlling the temperature by thermal insulation means
    • B01J2219/00155—Controlling the temperature by thermal insulation means using insulating materials or refractories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00761—Details of the reactor
    • B01J2219/00763—Baffles
    • B01J2219/00765—Baffles attached to the reactor wall
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00761—Details of the reactor
    • B01J2219/00763—Baffles
    • B01J2219/00765—Baffles attached to the reactor wall
    • B01J2219/00768—Baffles attached to the reactor wall vertical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00761—Details of the reactor
    • B01J2219/00763—Baffles
    • B01J2219/00765—Baffles attached to the reactor wall
    • B01J2219/0077—Baffles attached to the reactor wall inclined
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/18—Details relating to the spatial orientation of the reactor
    • B01J2219/182—Details relating to the spatial orientation of the reactor horizontal

Abstract

本发明涉及一种多晶硅生产装置。该装置包括：卧式反应管，其位于隔热管中，并具有：出口，通过其供应包含含硅反应气体和还原气体的气体原料，出口，通过其排出残余气体，与所述气体原料接触的反应表面，以及多个底部开口，通过其排出由所述气体原料的反应而产生的熔融多晶硅；设置在所述卧式反应管中以提供额外的反应表面的一个或多个内部构件；以及适于加热所述卧式反应管的反应表面的第一加热设备。本发明还涉及一种使用所述装置的多晶硅生产方法。

Description

使用卧式反应器制造多晶硅的装置以及该多晶硅的制造方法
技术领域
本发明涉及一种多晶硅生产装置及方法，更具体地，一种使用卧式反应器的多晶硅的生产装置及方法。
背景技术
近年来，对在电子装置(例如半导体器件和光伏器件)的制造中作为原料的多晶硅的需求不断增长。已知有很多用于生产在半导体或太阳能光伏电池的制造中作为原料的硅的方法，并且它们中的一些已经在工业上实施。
目前市售的高纯度多晶硅通常由化学气相沉积法生产。具体地，可以通过使三氯甲硅烷气体与还原气体(例如氢气)反应来制备多晶硅，如反应1和2中所述：
SiHCl3+H2→Si+3HCl (1)
4SiHCl3→Si+3SiCl4+2H2 (2)
Siemens方法是典型的市售多晶硅的生产方法。根据Siemens方法，将作为反应气体的硅烷气体和作为还原气体的氢气供应到钟罩反应器中，并将设置在钟罩反应器中的硅棒加热至硅的沉积温度或以上。当热量转移至反应气体和还原气体时，该热量使反应气体被还原以沉积多晶硅。
然而，Siemens反应器消耗大量能量，通常电能为约65至约200KWh/kg。该电能成本占整个多晶硅生产成本的很大部分。另一个问题是分批式沉积需要极费力的工艺，包括硅棒安装、欧姆加热、沉积、冷却、提取和钟罩反应器清洗。
另一方法涉及使用流化床的多晶硅的沉积。根据该方法，同时供应硅烷和尺寸约为100微米的细小硅粒子(作为沉积核)以在细小硅粒子上沉积硅，由此连续地生产尺寸为1至2mm的硅粒。该方法的优点在于可以连续操作相对较长的时间。然而，由于该方法较低的沉积温度，作为硅源的甲硅烷即使在低温也被热分解，导致在反应器壁上形成细碎的硅或者沉积硅。因此，需要定期清洗或更换反应容器。
在韩国专利No.10-0692444中公开了一种使用立式还原反应器生产多晶硅的装置。该装置使用加热器，硅沉积在该加热器上。该加热器为圆筒形以获得较高的热效率。具体地，所述装置包括：(a)圆筒形容器，其下端具有开口(硅取出口)；(b)加热器，用于在等于或高于硅的熔点的温度下加热所述圆筒形容器从下端至所需高度的内壁；(c)氯硅烷进料管，其由外径小于圆筒形容器的内径的内管构成，并且构造成使该内管的一个开口在硅的熔点或更高温度下加热的内壁所包围的空间中朝下；以及(d)第一密封气体进料管，用于将密封气体供应至圆筒形容器的内壁与氯硅烷进料管的外壁所形成的空隙中。选择性地，所述装置还包括(e)氢气进料管，用于将氢气供应至上述圆筒形容器中。
图1示意性地示出了立式还原反应器型的多晶硅生产装置。
参照该图，所述多晶硅生产装置包括：设置在反应器10顶部的反应气体入口11，设置在反应器10的中部10b的一侧的真空管12，以及设置在反应器10另一侧的出口管13。将用于收集、冷却和铸造熔融硅的单元设置在反应器10的下部10c中。
通过入口11供应硅烷气体作为反应气体。所述硅烷气体可以是甲硅烷、二氯甲硅烷、三氯甲硅烷(TCS)或四氯化硅(STC)。在反应器10运行之后，真空管12可以用于产生真空以清洁反应器的内部空间和为其排气，并且出口管13可以用于排放在反应过程中所产生的废气。感应加热线圈14设置在反应器10的上部。当向感应加热线圈14施加RF电流时，在反应管21中产生涡电流以释放热量。该热量被施加到通过进气口进入的气体和反应管21的壁面上以引起多晶硅的沉积。
图2是图1所示的反应器的上部10a的示意性剖视图。
参照该图，反应管21设置在反应器的上部10a中，反应气体(例如硅烷气体)通过反应气体供应口11供应至反应管21。加热线圈23排布在反应管21外侧的隔热管22的表面上。通过密封气体供应管(未示出)供应密封气体，该密封气体填充在反应管21与隔热管22之间以及隔热管22与外容器26之间。密封气体25用于防止反应气体通过反应管21与隔热管22之间以及隔热管22与外容器26之间的空隙泄漏。通过还原气体供应管(未示出)供应还原气体，例如氢气。该还原气体可以与硅烷气体混合来供应。
如图2的剖视图中所示，加热线圈23未缠绕在反应管21的上部区域“A”中，而是缠绕在反应管21的下部区域“B”中。这种结构确保了反应管的热稳定性和基本等温分布。区域“B”的长度需要比反应管的直径大3至4倍。
因此，从加热线圈23传递至反应管21的热量集中在下部区域B，而不是上部区域“A”。然而，图1和图2所示的多晶硅生产装置具有如下问题：进入反应管21的大量反应气体和还原气体在不与反应管21的壁面接触的情况下通过反应管，因此，在高温下不发生充分的沉积。
也就是说，由于热量没有充分地传递至流经离加热线圈23最远的反应管21的中心部分的气体，因而发生缓慢的还原反应，导致较低的总生产效率和能量效率。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供一种不存在现有技术的问题的改进的多晶硅生产装置和方法。
本发明的另一目的是提供一种用于高效地生产多晶硅的装置和方法。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供一种多晶硅生产装置，包括：卧式反应管，其位于隔热管中，并具有入口，通过其供应包含含硅反应气体和还原气体的气体原料，出口，通过其排出残余气体，与所述气体原料接触的反应表面，以及多个底部开口，通过其排出由所述气体原料的反应而产生的熔融多晶硅；设置在所述卧式反应管中以提供额外的反应表面的一个或多个内部构件；以及适于加热所述卧式反应管的反应表面的第一加热设备。
根据本发明的一个实施方案，所述装置可以包括适于加热设置在所述卧式反应管中的内部构件的第二加热设备。
根据本发明的一个实施方案，所述装置还可以包括适于收集通过所述卧式反应管的底部开口排出的熔融多晶硅的容器。
根据本发明的一个优选实施方案，所述多晶硅收集容器还可以包括第三加热设备，该加热设备适于在不需要额外的加热装置的情况下，将收集的多晶硅保持在熔融状态或者可以将收集的多晶硅保持在固体状态。
所述反应表面可以包括卧式反应管的内表面或外表面或者两者都是。
根据本发明的一个优选实施方案，所述底部开口可以形成于设置有第一加热设备的反应区域中。
根据本发明的一个优选实施方案，所述多晶硅可以以液滴的形式通过底部开口排出并且可以收集在收集容器中。
可以平行于水平面或相对于水平面倾斜一定的角度放置卧式反应管。
所述反应气体可以包括甲硅烷、二氯甲硅烷、三氯甲硅烷(TCS)和四氯化硅(STC)中的一种或多种，并且所述还原气体可以包括氢气。
根据本发明的另一方面，提供一种多晶硅生产方法，包括：通过气体供应口将包含反应气体和还原气体的气体原料加入至卧式反应管中，该卧式反应管位于隔热管中并包括一个或多个内部构件；将作为反应表面的卧式反应管的内表面加热至气体原料的反应温度，以沉积多晶硅；以及以液滴的形式通过在卧式反应管底部形成的多个开口排出沉积的多晶硅。
所述方法还可以包括加热设置在卧式反应管中的内部构件。
所述方法可以包括独立地控制设置在卧式反应管中的内部构件的温度。
所述方法还可以包括在收集容器中收集以液滴形式排出的多晶硅。
所述方法还可以包括加热所述收集容器以将收集的多晶硅保持为液态或者将收集容器中收集的多晶硅保持为固态。
有益效果
如上所述，与使用立式反应器的常规装置和方法不同，本发明的多晶硅生产装置和方法使用卧式反应管。卧式反应管的使用增大了用于气体原料反应的反应表面的接触面积，导致硅转化率的提高，并易于控制反应表面的温度。根据本发明，可以收集熔融硅并将其供应至下游工序。这可以减少硅再熔化所需的能量，并且可以通过在上面的卧式反应管和在下面的收集容器之间的热补充而有助于节能。此外，设置了多个反应区域，其中每个反应区域中的温度、气体原料和副产物可以独立地控制，有助于多晶硅沉积效率的提高。
附图说明
图1是根据现有技术的多晶硅生产装置的示意性透视图；
图2是示意性地示出图1所示的反应器的上部的剖视图；
图3至图7是示出根据本发明的示例性实施方案的多晶硅生产装置的结构的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图中所示的实施方案更详细地描述本发明。然而，这并不旨在将本发明限制为特定的实施模式，应当理解的是，本发明包括所有不脱离本发明的精神和范围的改变、等同物和替代物。
在所有附图中，相同的附图标记指相同的元件。
尽管术语“第一”、“第二”、“A”和“B”等可以用于描述各种元件，但是这些元件不必局限于上述术语。上述术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。
术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意一种和所有组合。
应当理解的是，当元件被称为“连接”或“耦合”至另一元件时，其可以直接连接或耦合至另一元件或者可以存在中间元件。
如本文所用，除非上下文另有明确指示，以单数使用的表述包括复数的表述。
术语“包括(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(includes)”、“包含(including)”、“具有(has)”、“具有(having)”等旨在表示存在本说明书中公开的特征、数字、步骤、操作、元件、组件或它们的组合，而并不旨在排除可以存在或加入一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、元件、组件或它们的组合的可能性。
根据本发明，提供一种多晶硅生产装置，包括：卧式反应管，其位于隔热管中，并具有入口，通过其供应包含含硅反应气体和还原气体的气体原料，出口，通过其排出残余气体，与所述气体原料接触的反应表面，以及多个底部开口，通过其排出由所述气体原料的反应而产生的熔融多晶硅；设置在所述卧式反应管中以提供额外的反应表面的一个或多个内部构件；以及适于加热所述卧式反应管的反应表面的第一加热设备。
在多晶硅生产装置中使用卧式反应管优于使用立式反应装置，原因在于反应条件(例如反应气体和还原气体的温度和压力)易于控制。
将参考附图更具体地描述本发明。
图3是示出根据本发明的一个实施方案的多晶硅生产装置的结构的示意图。
参照该图，所述多晶硅生产装置30包括：卧式反应管33，其位于隔热管32中，并具有入口31a，通过其供应包含反应气体和还原气体的气体原料，出口31b，通过其排出残余气体，与气体原料接触的反应表面，以及多个底部开口36，通过其排出由气体原料的反应而产生的熔融多晶硅；设置在卧式反应管中以提供额外的反应表面的一个或多个内部构件50；第一加热设备(未示出)，适于加热卧式反应管33的反应表面；以及容器34，适于收集通过底部开口36排出的熔融多晶硅37。
图3所示的多晶硅收集容器34不是必需的，并且可以除去。
所述反应气体可以包括甲硅烷、二氯甲硅烷、三氯甲硅烷(TCS)和四氯化硅(STC)中的一种或多种，并且所述还原气体可以包括氢气。
如图3所示，卧式反应管33和多晶硅收集容器34都排布在隔热管32中。这种排布是优选的，原因在于可以阻断与外部的热传递，以防止能量损失，并且可以通过卧式反应管33与多晶硅收集容器34之间的热干涉补充热量，以实现节能。
在本发明的装置中，底部开口36形成于卧式反应管33中。由于这种结构，气体原料的反应表面可以是卧式反应管33的内表面或外表面或者两者都是。当反应表面被加热至接近多晶硅的熔化温度时，通过含硅反应气体与还原气体的反应生成硅，生成的硅可以沿着反应表面以熔融状态向下流动。卧式反应管33的横截面为圆形，但不限于此。例如，卧式反应管33可以具有三角形或倒U形的横截面，所述倒U形具有开放的底部，沉积的硅可沿着底部向下流动。
除了卧式反应管33的内表面作为反应表面之外，设置在卧式反应管33中的内部构件50提供了额外的反应表面，获得提高的反应效率。为了提供额外的反应表面，内部构件50需要被加热至适合硅沉积的温度。内部构件50可以被直接加热。对于直接加热，将内部构件50连接至外部的第二外部加热装置(未示出)。或者，可以通过由第一加热设备加热的卧式反应管的热传递而间接加热内部构件50。
如上所述，多晶硅收集容器34适于收集通过卧式反应管33的底部开口36排出的熔融硅。
收集的多晶硅38在多晶硅收集容器34中还可以保持固态，但是更优选的，多晶硅收集容器34还包括第三加热设备(未示出)，以将收集的多晶硅38保持在熔融状态。
图3示出了根据本发明的一个实施方案的结构，其中棒状的内部构件50设置在平行于反应管的水平方向上。具体地，图3的(b)和(c)是图3(a)中所示的卧式反应管的不同的横截面图。所述内部构件可以以各种结构排布。对内部构件的数量没有限制，当然，可以在卧式反应管33中仅设置一个棒。
沿内部构件50和卧式反应管33的反应表面流下的熔融硅可以以液滴37的形式从卧式反应管33的底部开口36排出，并且可以收集在收集容器34中。
开口36形成于其中设置有用于加热卧式反应管33的反应表面的第一加热设备的反应区域中。这种排布对于以液滴形式排出熔融硅是优选的。
虽然图中未示出，但是平行于水平面放置卧式反应管33。或者，卧式反应管33可以相对于水平面倾斜一定的角度，使得在卧式反应管上残余的熔融硅沿反应表面向下流动，并且易于从开口36排出。
使用卧式反应管的多晶硅生产装置优于立式反应装置，其优势在于，反应条件(例如反应气体和还原气体的温度和压力)易于控制。
图4至图7示出了根据本发明的示例性实施方案的内部构件的形状。所述内部构件不限于圆形棒的形状，而是可以具有各种形状，例如，角形棒、U形棒和网格棒。所述内部构件可以沿各个方向排布，包括沿水平、垂直和倾斜方向。所述内部构件不局限于特定的形状，只要它们不妨碍熔融硅的滴落即可。
具体地，图4示出了设置在卧式反应管33中的U形内部构件51。
图5示出了垂直设置在卧式反应管33中的短棒形内部构件52或叉形内部构件53。
图6示出了垂直设置在卧式反应管33中的网格内部构件54和55。
如图4至图6中所示，在设置多个内部构件的情况下，通过控制与外部连接的加热装置的温度，可以分别控制各反应区域的温度。
例如，可以根据含硅反应气体和还原气体发生反应时产生的副产物的量来控制反应条件。具体地，在区域1和2中可以发生以下反应：
区域1：TCS+H2→Si(s)+TCS+STC+HCl
区域2：TCS+STC+HCl+H2→Si(s)+STC+HCl
内部构件将区域1中的反应控制为有利于TCS转化为Si的条件，并将区域2中的反应控制为有利于STC转化为Si的条件，导致整体硅沉积效率的提高。
作为另一种方法，还可以向各个反应区域供应适量的反应所需的气体原料，即，含硅反应气体、还原气体或它们的组合，以促进硅的沉积。为此，尽管未在图中示出，但是可以在一个或多个反应区域中形成用于供应气体原料的入口。
图4至图6所示的内部构件垂直排布在各个卧式反应管中，但不局限于这种排布。如图7所示，内部构件可以略微倾斜或水平排布。任何不妨碍熔融硅垂直下落的排布都是可以的。
本发明的另一方面提供一种使用所述装置生产多晶硅的方法。
具体地，该方法包括：通过气体供应口将包括反应气体和还原气体的气体原料加入到卧式反应管中，该卧式反应管设置在隔热管中并包括一个或多个内部构件；将作为反应表面的卧式反应管的内表面加热至气体原料的反应温度，以沉积多晶硅；以及以液滴的形式通过卧式反应管底部形成的多个开口排出沉积的多晶硅。
所述方法还可以包括加热设置在卧式反应管中的内部构件。或者，可以通过加热的卧式反应管的热传递而间接加热内部构件。
所述方法还可以包括将以液滴的形式排出的多晶硅收集在收集容器中。收集在收集容器中的多晶硅可以保持固态，或者可以通过加热收集容器而熔化。
所述卧式反应管可以形成单个反应区域。或者，所述卧式反应管可以包括多个温度可独立控制的反应区域。在这种情况下，可以实现较高的硅转化率。
所述方法还可以包括将反应气体、还原气体或它们的混合物供应至一个或多个反应区域中。该步骤确保最大的硅沉积效率。
在本发明的方法中使用的气体原料可以包括含硅反应气体。例如，所述含硅反应气体可以包括选自甲硅烷、二氯甲硅烷、三氯甲硅烷(TCS)和四氯化硅中的一种或多种硅气体。所述还原气体通常包括氢气。作为另一个实例，所述还原气体可以包括Zn或Na。然而，对还原气体的种类没有特别地限制。使用本发明的装置的多晶硅生产方法可以在用于多晶硅熔融的一个温度下进行。该多晶硅生产方法在1,400至1,800℃，更优选在1,400至1,600℃的温度范围内进行。在该范围内，熔融硅保持其粘度，使得其易于移动至反应管的底部并从反应管的底部落下。所述方法可以在1至5atm的压力下进行。
例如，可以使用感应加热或电阻加热作为加热源，以将反应管加热至硅的熔化温度或高于熔化温度。考虑到反应器的结构，优选通过电阻加热来直接加热反应管。然而，对加热模式没有特别地限制，感应加热也可以。具体地，可以通过电阻加热来分别加热反应管(即反应表面)和下面的收集容器。对于感应加热，应考虑感应线圈的形式。在这种情况下，将反应管和下面的收集容器设置在单个线圈中，使得它们的温度可以由单个线圈控制。
对根据本发明的装置的反应管、内部构件、收集容器和其它元件的材料没有特别地限制。优选使用与气体原料或熔融多晶硅反应性较低的材料来制造反应管、内部构件和收集容器。这种材料的实例包括碳材料(例如石墨、玻璃碳和聚碳酸酯)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氮化硼(BN)、SiC涂布的石墨、钼(Mo)、钽(Ta)和石英。
例如，石墨的使用可能增加碳向熔融硅渗透(即渗碳)的风险，导致低的硅纯度。然而，随着反应的进行，熔融硅与反应器表面上的石墨反应形成SiC层，用于防止碳渗透进硅中。或者，可以使用SiC层涂布的石墨容器或可以将石英坩埚引入石墨容器中。在这种情况下，可以阻止杂质进入硅，从而可以保持硅的高纯度。
本发明的多晶硅生产装置有利于高纯度的熔融多晶硅的生产。因此，可以将所述熔融硅供应到设置在所述装置下游的铸造区域中的模具(未示出)中，并冷却以获得块状的铸造多晶硅。或者，所述多晶硅在用于后续工艺之前可以以液态储存。
反应后，废气可以回收。回收的废气可以在单独的工艺中分离并转化为反应气体。所获得的反应气体可以再循环用于硅沉积。
本发明采用卧式反应管代替钟罩反应器。卧式反应管的使用有助于控制反应器中气体原料的反应区域和停留时间，导致高效率的多晶硅生产。
与反应管的其它部分相比，在反应管下面的用于硅回收的开口部分具有更大的散热面积和更小的热辐射面积，并且更难以从周围补充热量，从而增加了硅易于随着滴落温度凝结的风险。也就是说，即使当反应管中心部分(即反应表面)的温度等于或高于硅的熔融温度，反应表面的底部温度也会降至等于或低于硅的熔融温度。因此，熔融硅不落到下面的容器中而在反应管中凝结。这种现象可能连续而阻塞反应表面的底部。
当为了将钟罩反应器的底部开口保持在等于或高于硅的熔融温度时，反应器的中间部分被保持在相对较高的温度，导致较大的温差(即梯度)。在使用硅烷气体的传统硅沉积方法中，存在通过高温下的成核产生硅粉尘的风险。硅粉尘降低了硅沉积效率并且会在下游工序(即废气再循环工艺)中引起问题。此外，常规方法难以控制反应器温度。在利用CVD或VLD(包括LLC)的用于硅生产的一般方法中，通过反应管的表面反应而沉积在反应表面上的硅最终可以以熔融状态收集在下面的收集容器中。然而，在反应器中，在特定的高温区域的空间中，通过硅成核可以形成粉尘。该粉尘不能吸附至反应管的表面，并且可能夹带在气流中并与废气一起从反应管排出。该粉尘未经回收而被排出，导致较低的硅生产效率。排出的硅粉尘与废气会在下游工序单元(例如废气管线)中引起问题。
当与钟罩反应器相比时，本发明中使用的卧式反应管由于其在竖直方向上的长度较短，因而沿高度具有较小的温度梯度，使得易于将反应管的内部温度维持在恒定水平。由于这种温度控制，可以有望提高气体原料向硅的转化。
硅收集容器位于反应器底部附近，并且硅可以在该收集容器中保持液态。这种热补充效果有助于节能。
在将气体原料引入反应管之后，气体原料向硅的转化基本上在反应管的入口处完成。相比之下，钟罩反应器需要大量的能量以将硅保持为液态，直到在反应管上部生成的硅沿着反应表面向下流动，下降到反应管的底部，并收集在收集容器中为止。
尽管在一进料后，硅转化基本上在卧式反应器的前部完成，但是形成的液体硅应该下降一段距离以进行回收。卧式反应器中的该距离比钟罩反应器中的距离短，导致更少的热损失(即能量损失)。因此，卧式反应器在能量效率方面是有利的。
此外，本发明的装置中安装有能够为卧式反应管提供额外的反应区域的内部构件，使得与气体原料的接触面积增加，有助于硅转化率的进一步提高。
虽然已经参照附图中所示的实施方案描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解的是，所述实施方案仅是示例性的，对这些实施方案可以进行各种修改和等同替换。因此，本发明的真正范围应当由所附权利要求书来限定。
从上面的描述显而易见的是，与使用立式反应器的常规装置和方法不同，本发明的多晶硅生产装置和方法使用卧式反应管。卧式反应管的使用增大了用于气体原料反应的反应表面的接触面积，导致硅转化率的提高并且便于控制反应表面的温度。根据本发明，可以收集熔融硅并将其供应至下游工序。这可以减少硅再熔化所需的能量，并且通过上面的卧式反应管与下面的收集容器之间的热补充可以有助于节能。此外，设置多个反应区域，其中每个反应区域的温度、气体原料和副产物可以独立地进行控制，有助于多晶硅沉积效率的提高。

Claims (15)

1.一种多晶硅生产装置，包括：
卧式反应管，其位于隔热管中，并具有：
入口，通过其供应包含含硅反应气体和还原气体的气体原料，
出口，通过其排出残余气体，与所述气体原料接触的反应表面，以及
多个底部开口，通过其排出由所述气体原料的反应而产生的熔融多晶硅；
设置在所述卧式反应管中以提供额外的反应表面的一个或多个内部构件；以及
适于加热所述卧式反应管的反应表面的第一加热设备。
2.根据权利要求1所述的多晶硅生产装置，还包括适于加热设置在所述卧式反应管中的内部构件的第二加热设备。
3.根据权利要求1所述的多晶硅生产装置，还包括适于收集通过所述卧式反应管的底部开口排出的熔融多晶硅的容器。
4.根据权利要求3所述的多晶硅生产装置，其中，多晶硅收集容器还包括第三加热设备，该加热设备适于在不需要额外的加热装置的情况下，将收集的多晶硅保持在熔融状态或者将收集的多晶硅保持在固体状态。
5.根据权利要求1所述的多晶硅生产装置，其中，所述反应表面是所述卧式反应管的内表面或外表面或者两者都是。
6.根据权利要求1所述的多晶硅生产装置，其中，所述卧式反应管的底部开口形成于设置有所述第一加热设备的反应区域中。
7.根据权利要求1所述的多晶硅生产装置，其中，多晶硅以液滴的形式从卧式反应管的底部开口排出，并且收集在收集容器中。
8.根据权利要求1所述的多晶硅生产装置，其中，平行于水平面或相对于水平面倾斜一定的角度放置所述卧式反应管。
9.根据权利要求1所述的多晶硅生产装置，其中，反应气体包括甲硅烷、二氯甲硅烷、三氯甲硅烷(TCS)和四氯化硅(STC)中的一种或多种，并且所述还原气体包括氢气。
10.一种多晶硅生产方法，包括：通过气体供应口将包含反应气体和还原气体的气体原料加入至卧式反应管中，该卧式反应管位于隔热管中并包括一个或多个内部构件；将作为反应表面的所述卧式反应管的内表面加热至所述气体原料的反应温度，以沉积多晶硅；以及以液滴的形式通过在所述卧式反应管底部形成的多个开口排出沉积的多晶硅。
11.根据权利要求10所述的多晶硅生产方法，还包括将设置在所述卧式反应管中的内部构件加热至所述气体原料的反应温度。
12.根据权利要求10所述的多晶硅生产方法，还包括将以液滴形式排出的多晶硅收集在收集容器中。
13.根据权利要求12所述的多晶硅生产方法，还包括加热所述收集容器以将收集的多晶硅保持为液态或者将收集在所述收集容器中的多晶硅保持为固态。
14.根据权利要求10所述的多晶硅生产方法，其中，所述方法包括独立地控制设置在所述卧式反应管中的内部构件的温度。
15.根据权利要求10所述的多晶硅生产方法，其中，所述反应气体包括甲硅烷、二氯甲硅烷、三氯甲硅烷(TCS)和四氯化硅(STC)中的一种或多种，并且所述还原气体包括氢气。
CN201580024951.5A 2014-05-13 2015-05-11 使用卧式反应器制造多晶硅的装置以及该多晶硅的制造方法 Active CN106458607B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2014-0057094 2014-05-13
KR1020140057094A KR101821006B1 (ko) 2014-05-13 2014-05-13 수평형 반응기를 이용한 폴리실리콘 제조 장치 및 제조 방법
PCT/KR2015/004701 WO2015174705A1 (ko) 2014-05-13 2015-05-11 수평형 반응기를 이용한 폴리실리콘 제조 장치 및 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106458607A true CN106458607A (zh) 2017-02-22
CN106458607B CN106458607B (zh) 2018-12-25

Family

ID=54480195

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580024951.5A Active CN106458607B (zh) 2014-05-13 2015-05-11 使用卧式反应器制造多晶硅的装置以及该多晶硅的制造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10196273B2 (zh)
KR (1) KR101821006B1 (zh)
CN (1) CN106458607B (zh)
WO (1) WO2015174705A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110655084A (zh) * 2018-12-12 2020-01-07 株洲诺天电热科技有限公司 卧式电加热设备固态纯净物侧面收集装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1210911A (en) * 1966-10-11 1970-11-04 Associated Semiconductor Mft Improvements in and relating to methods of depositing material from the vapour phase in a horizontal reactor
CN1699161A (zh) * 2000-05-11 2005-11-23 德山株式会社 多晶硅的生产装置
CN100347083C (zh) * 2003-08-22 2007-11-07 德山株式会社 硅生产装置
JP2008037735A (ja) * 2006-08-02 2008-02-21 Kinotech Corp シリコン製造装置
CN201834767U (zh) * 2010-07-05 2011-05-18 袁建中 卧式多晶硅还原炉结构

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4188368A (en) 1978-03-29 1980-02-12 Nasa Method of producing silicon
ES2097520T3 (es) * 1992-05-29 1997-04-01 Amoco Corp Polimerizacion de alfa-olefinas.
FR2821572B1 (fr) * 2001-03-05 2003-10-31 Inst Francais Du Petrole Dispositif de reacteur comportant une enceinte en materiau refractaire et une enveloppe de confinement, pour la mise en oeuvre de reactions chimiques necessitant un echange de chaleur
JP5291282B2 (ja) * 2003-08-13 2013-09-18 株式会社トクヤマ 管型反応容器および該反応容器を用いたシリコンの製造方法
KR100945748B1 (ko) * 2009-04-06 2010-03-05 (주)티에스티아이테크 폴리실리콘의 제조장치
US20100242354A1 (en) * 2009-06-09 2010-09-30 Sundrop Fuels, Inc. Systems and methods for reactor chemistry and control
KR101256923B1 (ko) * 2011-06-07 2013-04-19 삼성코닝정밀소재 주식회사 증착막의 인-시튜 휨 측정이 가능한 반응기 및 그 측정방법
KR20130019182A (ko) * 2011-08-16 2013-02-26 (주)세미머티리얼즈 수평형 노즐부를 이용하여 반응가스 흐름을 개선한 폴리실리콘 제조장치
KR20130039486A (ko) * 2011-10-12 2013-04-22 주식회사 실리콘밸류 입자형 폴리실리콘 제조용 유동층 반응기
WO2015065894A1 (en) * 2013-10-30 2015-05-07 Conocophillips Company Minimizing fouling in steam assisted oil production

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1210911A (en) * 1966-10-11 1970-11-04 Associated Semiconductor Mft Improvements in and relating to methods of depositing material from the vapour phase in a horizontal reactor
CN1699161A (zh) * 2000-05-11 2005-11-23 德山株式会社 多晶硅的生产装置
CN100347083C (zh) * 2003-08-22 2007-11-07 德山株式会社 硅生产装置
JP2008037735A (ja) * 2006-08-02 2008-02-21 Kinotech Corp シリコン製造装置
CN201834767U (zh) * 2010-07-05 2011-05-18 袁建中 卧式多晶硅还原炉结构

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110655084A (zh) * 2018-12-12 2020-01-07 株洲诺天电热科技有限公司 卧式电加热设备固态纯净物侧面收集装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR101821006B1 (ko) 2018-01-22
WO2015174705A1 (ko) 2015-11-19
US20170073234A1 (en) 2017-03-16
CN106458607B (zh) 2018-12-25
KR20150130052A (ko) 2015-11-23
US10196273B2 (en) 2019-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100813131B1 (ko) 유동층 반응기를 이용한 다결정 실리콘의 지속 가능한제조방법
KR100411180B1 (ko) 다결정실리콘의 제조방법과 그 장치
CN106458608B (zh) 流化床反应器和用于制备多晶硅颗粒的方法
CN102239115A (zh) 用于生产高纯度硅的流化床反应器
JP2009536915A5 (zh)
CN102933493A (zh) 用于制造高纯硅的等离子体沉积装置和方法
CN107074561B (zh) 使用高效混合式水平反应器的多晶硅制造装置和方法
CN106458607B (zh) 使用卧式反应器制造多晶硅的装置以及该多晶硅的制造方法
JP4639004B2 (ja) シリコン製造装置および製造方法
CN102060298B (zh) 一种多晶硅生产装置及多晶硅生产方法
KR101640286B1 (ko) 스트리머 방전을 이용한 폴리실리콘의 제조 장치 및 제조 방법
KR101626645B1 (ko) 폴리실리콘의 제조 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조방법
KR101871019B1 (ko) 폴리실리콘의 제조 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조방법
CN104609425A (zh) 一种硅烷法制备多晶硅的设备
KR101590679B1 (ko) 2 중 플라즈마 발생 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조 방법
KR101952731B1 (ko) 수평형 반응기를 이용한 폴리실리콘 제조 장치 및 제조 방법
KR101938772B1 (ko) 폴리실리콘 제조용 반응 장치 및 그에 의한 폴리실리콘 제조 방법
JP2003002627A (ja) シリコンの製造方法
JP5335074B2 (ja) 多結晶シリコンの製造方法及び多結晶シリコン製造用の反応炉
KR101755764B1 (ko) 폴리실리콘의 제조 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조방법
KR101955287B1 (ko) 폴리실리콘 제조용 수평형 반응 장치

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant