CN107438479A - 用于流化床反应器系统的气体分布单元，具有该气体分布单元的流化床反应器系统以及使用该流化床反应器系统制备颗粒状多晶硅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于流化床反应器系统的气体分布单元，具有该气体分布单元的流化床反应器系统，以及使用该流化床反应器系统制备颗粒状多晶硅的方法。根据本发明的用于流化床反应器系统的气体分布单元使得能够对集气室内的每个区域进行气体流量控制和气体组成控制。此外，具有所述气体分布单元的流化床反应器系统能够对流化床进行形状控制(特别是在鼓泡流化床和喷动流化床之间转变)。使用所述流化床反应器系统制备颗粒状多晶硅的所述方法不仅同时提高了工艺稳定性和生产率，而且也能够在异常情况的事件中实现更灵活的处理。

Description

用于流化床反应器系统的气体分布单元，具有该气体分布单 元的流化床反应器系统以及使用该流化床反应器系统制备颗 粒状多晶硅的方法
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年4月1日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0046386号和2015年4月16日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0053976号的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。
本发明涉及一种用于流化床反应器系统的气体分布单元，具有该气体分布单元的流化床反应器系统，以及使用该流化床反应器系统制备颗粒状多晶硅的方法。
背景技术
多晶硅是光伏和半导体行业的基础原料，随着近年来相关工业领域的发展，对其需求量大幅增加。
多晶硅主要是通过使含硅源气体进行热分解和/或氢还原反应而在硅表面上沉淀硅元素的方法制造的，其代表性实例包括使用钟罩式反应器的方法(也称为西门子方法)和使用流化床反应器的方法。
其中，西门子方法是在钟罩反应器中设置的硅棒的表面上沉积硅的传统方法。在西门子方法中，硅沉积所需的表面积是有限的，并且因沉淀反应而增加的硅棒的直径受到限制，所以连续的工艺是不可能的。此外，西门子方法在生产率方面存在限制，因为每单位重量所生产的多晶硅的功率消耗很高。
使用流化床反应器的方法是通过将硅源气体注入到在高温下加热和流动的硅晶种的流化床中并在晶种表面上沉积硅来获得颗粒状多晶硅的方法。在使用流化床反应器的方法中，可能发生硅沉积的晶种的表面积很宽，可以在相对低的温度下进行硅的沉积，后处理过程简单，使得生产率高于西门子方法。
在使用流化床反应器的方法中，流化床的模式主要分为鼓泡流化床和喷动流化床(spout fluidized bed)。
在鼓泡流化床中，小气泡均匀地分布在整个流化床中，形成恒定的湍流流动模式，这对材料和热传递是有利的。利用鼓泡流化床的这种方法适用于以低速和低浓度操作获得具有均匀粒度和高纯度的产物，并且对反应器的内部磨损不严重。然而，在鼓泡流化床的情况下，由于所供应的反应气体的动量不大，所以难以应对当颗粒生长至一定尺寸以上时发生的层分离现象。因此，使用鼓泡流化床的方法的限制在于必须在短时间内进行产物的排出和晶种的补充。
喷动流化床显示出以下流动模式：从反应器中心集中地注入高速和高浓度反应气体，中心部分的颗粒上升，而外部的颗粒下降。在这样的喷动流化床中，由于有利于应对颗粒团聚的形成和细颗粒的产生，可将硅源气体的浓度设定为高于鼓泡流化床操作时的浓度。在喷动流化床中，由于供应具有高动量的气体，所以即使阻力增加也不容易发生非流化现象。此外，在喷动流化床中，为了防止高速反应气体不经反应而通过流化床，将流化床的高度设定为高于鼓泡流化床的高度。然而，流化床高度的增加意味着反应器高度的增加，并且由于高速颗粒流动，反应器的内部磨损可能变得严重。因此，使用喷动流化床的方法的缺点在于反应器的安装和维护成本高。此外，当喷动流化床中的晶种尺寸小时，可能发生由于流动速度较大而导致的夹带(entrainment)现象，因此在使用超过一定尺寸的晶种方面存在限制。
因此，在使用流化床反应器的方法中，取决于流化床的形式，工艺稳定性和生产率彼此处于权衡关系，因此迫切需要能够同时提高多晶硅制备工艺的稳定性和生产率的方法和装置。
现有技术文献
专利文献
(专利文献1)美国专利号8,075,692(2011年12月13日)
(专利文献2)美国专利号5,382,412(1995年1月17日)
(专利文献3)美国专利号6,827,786(2004年12月7日)
发明内容
技术问题
本发明的一个目的在于提供一种用于流化床反应器系统的气体分布单元，该气体分布单元可对集气室内的每个区域进行气体流量控制和气体组成控制。
本发明的另一个目的在于提供一种具有气体分布单元的流化床反应器系统，该气体分布单元可对流化床进行形状控制(特别是鼓泡流化床和喷动流化床之间转变)。
本发明的另一个目的在于提供一种能够同时提高工艺稳定性和生产率的颗粒状多晶硅的制备方法。
技术方案
根据本发明的实施方式，提供了一种用于流化床反应器系统的气体分布单元200，其经由集气室210和多孔板290将气体注入到流化床反应室100中，
其中，所述集气室210包括：彼此同心且间隔布置的多个环形分隔壁220；由所述环形分隔壁隔开并且各自独立地具有至少一个气体入口232和多个气体出口235的多个环形空间230；连接到气体入口232并独立地向环形空间230供应气体的多个供气管240；以及连接到各自的气体出口235的多个排气管250，并且
其中，多孔板290与集气室210的排气管250的端部接触，并具有对应于排气管250的多个开口。
所述集气室210可具有3至10个环形分隔壁220。
所述多个排气管250可以具有选自节流喷嘴、文丘里喷嘴和喷射喷嘴的一种或多种形状。
所述气体分布单元还可以包括与多个排气管250相邻的用于冷却每个排气管的多个冷却通道257。
所述多孔板290可以具有其中心比其边缘更凹的形状。
所述气体分布单元还可以包括位于同心圆中心的环形空间，以及穿过多孔板的中心的产物收集管260。
根据本发明的另一个实施方式，提供了一种用于制备颗粒状多晶硅的流化床反应器系统，包括：
上述气体分布单元200；
设置在气体分布单元的多孔板上并具有硅晶种入口的流化床反应室100；
经由各自独立的流化气体流量控制器350连接到气体分布单元200的供气管240的流化气体罐300；
经由各自独立的硅源气体流量控制器450连接到气体分布单元200的供气管的硅源气体罐400；以及
流化床监测单元500，用于监测在流化床反应室100中形成的硅晶种的流化床状态，并将电信号530传输到各自的流化气体流量控制器350和各自的硅源气体流量控制器450。
流化床反应室100包括依次连接到气体分布单元的多孔板290的第一主体部110、第二主体部120和头部130以形成内部空间。
第一主体部110包括在多孔板上径向排列且彼此间隔布置的多个反应管115以及围绕反应管115的外周表面的至少一部分的多个加热部117，所述多个反应管115提供连接到第二主体部120的多个反应空间。
第二主体部120提供连接到第一主体部110的多个反应管115的一个反应空间。
头部130密封流化床反应室的上部，并且可以具有比第二主体部120更大的直径。
根据本发明的另一个实施方式，提供了一种使用流化床反应器系统制备颗粒状多晶硅的方法。
所述制备颗粒状多晶硅的方法包括：
向流化床反应室供应流化气体和硅源气体以形成硅晶种的流化床的步骤；
在与硅源气体接触的硅晶种的表面上沉积硅以使硅晶种生长的步骤；
从流化床反应室中收集因生长而降低流动性的硅晶种的步骤；以及
将硅晶种注入到流化床反应室中的步骤；
其中上述步骤连续且反复地进行；
可以根据在流化床反应器系统的流化床监测装置中监测的流化床的状态各自独立地控制通过多个供气管供应到各自的环形空间的流化气体和硅源气体的流量。
在形成硅晶种的流化床的步骤中，硅晶种的流化床包括：
鼓泡流化床，其高度保持为流化床反应室直径的3至6倍，大于85摩尔％的流化气体和小于15摩尔％的硅源气体被均匀地供应到集气室的多个环形空间；和
喷动流化床，其高度保持为鼓泡流化床初始高度的1.2至1.7倍，小于85摩尔％的流化气体和15摩尔％以上的硅源气体被供应到位于集气室的1/3半径内的环形空间，并且只有流化气体被供应到剩余的环形空间，
其中鼓泡流化床和喷动流化床在整个制备过程中连续且反复地转变，并且
可以在硅晶种的流化床从喷动流化床转变为鼓泡流化床的区段中收集因上述生长而已经降低了流动性的硅晶种。
在流化床反应器系统的气体分布单元200中，在整个制造过程中，可以仅将流化气体供应到位于集气室210最外部分处的环形空间。
硅源气体可以是含有选自甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、三氯硅烷(SiHCl3)和四氯化硅(SiCl4)的至少一种的气体。
流化气体可以是含有选自氢、氮、氩和氦的至少一种气体的气体。
注入到流化床反应室中的硅晶种可具有50μm至800μm的粒径。
有益效果
根据本发明的用于流化床反应器系统的气体分布单元使得能够对集气室内的每个区域进行气体流量控制和气体组成控制。此外，具有气体分布单元的流化床反应器系统能够对流化床形状进行控制(特别是在鼓泡流化床和喷动流化床之间转变)。使用流化床反应器系统制备颗粒状多晶硅的所述方法不仅同时提高了工艺稳定性和生产率，而且在异常情况下也能够实现更灵活的处理。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的流化床反应器的纵向截面图。
图2是根据本发明的一个实施例的气体分布单元的纵向截面图。
图3是根据本发明的一个实施例的气体分布单元的横截面图。
图4是根据本发明的一个实施方式的流化床反应器系统的示意图。
图5和图6是示意性地示出根据本发明的一个实施方式的流化床反应室结构的立体图。
图7示意性地示出根据本发明的一个实施方式的颗粒状多晶硅的制备方法中随着运行时间流化床高度变化的图。
附图标记说明：
100:流化床反应室 110:第一主体部
115:反应管 117:加热部
120:第二主体部 130:头部
200:气体分布单元 210:集气室
290:多孔板 220:环形分隔壁
230:环形空间 232:气体入口
235:气体出口 240:供气管
250:排气管 257:冷却通道
260:产物收集管 300:流化气体罐
350:流化气体流量控制器 400:硅源气体罐
450:硅源气体流量控制器
500:流化床监测装置 530:电信号
B:鼓泡流化床 S:喷动流化床
具体实施方式
在下文中，将更详细地描述用于流化床反应器系统的气体分布单元，具有该气体分布单元的流化床反应器系统以及使用根据本发明的流化床反应器系统制备颗粒状多晶硅的方法。
本说明书中的技术术语仅用于提及具体实施方式，并且除非明确说明，否则在整个说明书它们不意图限制本发明。
本文使用的单数表达可以包括复数表达，除非它们根据上下文有不同表述。本说明书中使用的术语“包括”或“包含”的含义体现了特定特征、区域、整数、步骤、操作、元素和/或组件，并且不排除存在或添加其他特定特征、区域、整数、步骤、操作、元素、组件，和/或组。
虽然可使用包括诸如“第一”、“第二”等的序数的术语用于描述各种组件，但是这些组件不受上述术语的限制。包括序数的上述术语仅用于将一个组件与另一组件区分。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一组件可以被称为第二组件，同样，第二组件也可以被称为第一组件。
I.气体分布单元
用于制备颗粒状多晶硅的常规已知流化床反应器主要设计成能够形成鼓泡流化床或喷动流化床，因此在一个反应器中在鼓泡流化床和喷动流化床之间的转变实际上是不可能的。
然而，根据本发明人的研究，已经发现，当将具有能够独立地控制集气室中每个区域的气体的流量和/或组成的结构的气体分布单元应用在流化床反应器系统中时，鼓泡流化床和喷动流化床之间的转变是可能的。
此外，当将这种流化床反应器系统应用于颗粒状多晶硅的制备时，可以同时提高工艺稳定性和生产率，而且还可以在异常情况的事件中实现更灵活的处理(例如，层分离，在反应器壁上沉积，形成结块等)。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于流化床反应器系统的气体分布单元200，其经由集气室210和多孔板290将气体注入到流化床反应室100中，
其中所述集气室210包括：彼此同心且间隔布置的多个环形分隔壁220；由环形分隔壁隔开并且各自独立地具有至少一个气体入口232和多个气体出口235的多个环形空间230；连接到气体入口232并独立地向环形空间230供应气体的多个供气管240；以及连接到各自的气体出口235的多个排气管250，并且
多孔板290与集气室210的排气管250的端部接触，并具有对应于排气管250的多个开口。
参见图1，根据本发明的实施方式的流化床反应器包括用于提供发生流化床反应的空间的流化床反应室100，以及用于将气体注入到流化床反应室100中的气体分布单元200。
在图2和图3中，更详细地示出了气体分布单元200。根据本发明的一个实施方式，气体分布单元200是集气室210和多孔板290组合的形式。
具体地，集气室210包括：多个环形分隔壁220，它们彼此同心且间隔布置；多个环形空间230，它们由环形分隔壁隔开并且各自独立地具有至少一个气体入口232和多个气体出口235；多个供气管240，它们连接到气体入口232并且各自独立地向环形空间230供应气体；以及多个排气管250，它们连接到各自的气体出口235。
这里，集气室210可以具有3至10个环形分隔壁220。也就是说，集气室210可以具有3至10个由环形分隔壁220隔开的环形空间230。
在每个环形空间230中，至少一个流入气体的气体入口232位于较低位置。此外，排出气体的多个气体出口235位于各自环形空间230的上部。也就是说，已经通过至少一种气体入口232流入各自环形空间230的下部的气体通过位于各自环形空间230的上部的多个气体出口235排出。
各自独立地向环形空间230供应气体的多个供气管240与气体入口232连接。与此对应的多个排气管250与多个气体出口235连接。
这里，多个排气管250可以具有能够增大从各自环形空间230排出的气体的流动速度(动量)的形状。优选地，多个排气管250可以具有选自节流喷嘴、文丘里喷嘴和喷射喷嘴的一种或多种形状。
根据本发明的实施方式，可以在多个排气管250附近设置用于冷却各自排气管的多个冷却通道257。用于冷却排气管250的诸如空气或冷却水的流体在冷却通道257中循环。由此，可以防止源气体在排气管250周围热分解和沉积。
同时，多孔板290与集气室210的排气管250的端部接触，并且每个均具有与排气管250相对应的多个开口(未示出)。例如，当排气管250是锥体形状的节流喷嘴时，每个锥体的端部与多孔板290接触，并且在多孔板290中形成对应于每个节流喷嘴的多个开口。每个锥体的端部可以彼此接触。
多孔板290可以具有中心比边缘更凹的形状。也就是说，与多孔板290的边缘接触的排气管可以具有比与多孔板290的中心部接触的排气管更长的长度。由此，可以使晶种在流化床反应室100中停滞的死区最小化。
根据本发明的实施方式，可以提供与环形分隔壁200同心设置的产物收集管260。产物收集管260穿过位于同心圆的中心和多孔板的中心的环形空间。在流化床反应室100中，流动性降低的产物可以通过产物收集管260收集并被转移到储存池。
II.流化床反应器系统
另一方面，根据本发明的另一个实施方式，提供了一种用于制备颗粒状多晶硅的流化床反应器系统，包括：
上述气体分布单元200；
设置在气体分布单元的多孔板上并具有硅晶种入口的流化床反应室100；
经由各自独立的流化气体流量控制器350连接到气体分布单元200的供气管240的流化气体罐300；
经由各自独立的硅源气体流量控制器450连接到气体分布单元200的供气管的硅源气体罐400；以及
流化床监测单元500，用于监测在流化床反应室100中形成的硅晶种的流化床的状态，并将电信号530传输到各自的流化气体流量控制器350和各自的硅源气体流量控制器450。
参见图4，根据本发明的实施方式的流化床反应器系统包括具有流化床反应室100和气体分布单元200的流化床反应器、流化气体罐300、硅源气体罐400和流化床监测单元500。
特别地，用于从气体分布单元200向环形空间230供应气体的多个供气管240经由流化气体流量控制器350各自独立地连接到流化气体罐300。同时，多个供气管240经由硅源气体流量控制器450各自独立地连接到硅源气体罐400。
通过这些连接结构，可将通过独立地控制流化气体和硅源的组成和/或流量而获得的气体供应到各个供气管240。
结果，可以将组成和/或流量单独控制的气体供应到气体分布单元200的各个环形空间230中，且根据需要，可以容易地进行流化床的形状控制(特别是在鼓泡流化床与喷动流化床之间转变)。
通过流化床监测单元500采用PLC(可编程逻辑控制)或手动控制系统分别控制流化气体流量控制器350和硅源气体流量控制器450。
具体地，流化床监测单元500监测在流化床反应室100中形成的流化床的状态(例如，由于晶种生长引起的压差增加量、流化床高度的变化、由反应室的加热引起的功率变化量等)。
然后，流化床监测单元500可以根据对应于流化床状态的编程或手动设置，将各个电信号530传输到流化气体流量控制器350和硅源气体流量控制器450，从而控制供应到集气室210中的各自环形空间230的气体的组成和/或流量。
同时，流化床反应室100是向其中供应流化气体和硅源气体以形成硅晶种的流化床的空间，并且可以是本发明所属的技术领域中已知的常规类型的反应室。
优选地，流化床反应室100包括第一主体部110、第二主体部120和头部130，它们顺序地连接到气体分布单元的多孔板290以形成内部空间；第一主体部110包括在多孔板上径向且彼此间隔布置的多个反应管115，以提供连接到第二主体部120的多个反应空间，以及围绕加热管115的外周表面的至少一部分的多个加热部117；第二主体部120提供连接到第一主体部110的多个反应管115的一个反应空间；并且头部130可以密封流化床反应室的上部并且可具有比第二主体部120更大的直径。
根据本发明人的研究发现，当在流化床反应室下部形成的流化床被多个分隔壁分开并且从外部分别加热分开的区域时，可通过提高加热效率来提高多晶硅的生产率。通过如上所述的改进的加热方法，可容易解决根据常规外部加热方法的反应器内温度不均匀，根据常规内部加热方法的多晶硅污染，以及工艺操作不稳定性的问题。此外，即使当需要扩大反应器的规模以扩大生产规模时，这种改进的加热方法也可以增加分开的区域的数量以实现均匀的加热效率。
图5和图6是示意性地示出根据本发明的一个实施方式的流化床反应室的结构的立体图。
第一主体部110、第二主体部120和头部130独立地构造并彼此接合或一体形成以提供一个内部空间。
其中，头部130密封流化床反应室100的上部并连接到第二主体部120。
根据本发明的一个实施方式，优选地，头部130可具有比第二主体部120更大的直径。其目的是为了减小从第二主体部120进入头部130的气体或细颗粒的流动速度。由此，可以减少反应器运行后排出的气体或细颗粒的后处理负担。
第一主体部110位于头部130的下方并连接到头部130，并且提供其中发生多晶硅的沉积反应的空间。
第一主体部110位于第二主体部120的下方并且连接到第二主体部120和上述气体分布单元的多孔板290并与之接触，其提供其中发生多晶硅的沉淀反应或加热反应的至少一种的空间。
特别地，第一主体部110具有多个反应管115和围绕各自反应管的外周表面的多个加热部117。
也就是说，与其中流化床反应室的内部由一个反应空间构成的常规流化床反应器不同，根据本发明实施方式的流化床反应器系统可以是具有一个内部空间的流化床反应室100的下部区域(流化床形成区域)被分成多个反应空间的系统。
具体地，第一主体部110具有多个反应管115，该多个反应管115在多孔板290上彼此径向隔开，并提供连接到第二主体部120的多个反应空间。
反应管115连接到第二主体部120以形成一个内部空间，同时提供多个反应空间(多个流化床形成区域)。
这里，可将反应管115设置在与气体分布单元200的气体出口235对应的位置。
第一主体部110具有围绕反应管115的外周表面的至少一部分的多个加热部117。加热部117加热各自的反应空间，使得硅可沉积在反应管115中的硅晶种的表面上。从提高加热效率的角度来说，优选使加热部117形成为包围反应管115的整个外周表面。
如上所述，根据本发明的一个实施方式的流化床反应器系统具有多个单独加热的反应空间，因此与拥有一个反应空间的外部加热型反应器相比，可以均匀加热反应空间。
在这种改进的加热方法中，可以根据需要将在多孔板290上径向布置且彼此间隔的反应管115的数量调整到适当的范围，这使得可以通过单独的加热获得均匀的加热效果。因此，应用上述流化床反应室的流化床反应器系统具有能够更灵活地应付生产规模扩大以及提高生产率的优点。
在下文中，将参照制备颗粒状多晶硅的方法的实例来描述流化床反应器系统的操作方法。
III.制备颗粒状多晶硅的方法
根据本发明的另一个实施方式，提供了使用上述流化床反应器系统制备颗粒状多晶硅的方法。
具体地，所述制备颗粒状多晶硅的方法包括：
向流化床反应室供应流化气体和硅源气体以形成硅晶种的流化床的步骤；
在与硅源气体接触的硅晶种的表面上沉积硅以使硅晶种生长的步骤；
从流化床反应室中收集因生长而已经降低了流动性的硅晶种的步骤；以及
将硅晶种注入到流化床反应室中的步骤，
其中上述步骤连续且反复地进行，以及
根据在流化床反应器系统的流化床监测装置中监测的流化床的状态各自独立地控制通过多个供气管供应到各自的环形空间的流化气体和硅源气体的流量。
在形成硅晶种的流化层的步骤中，可以通过粉碎和分级高纯度多晶硅块来制备硅晶种。此时，可将注入到流化床反应室100中的硅晶种的粒径确定为在适于流化颗粒(例如最小流化速度)的范围内。优选地，硅晶种可具有50μm至800μm，100μm至700μm或100μm至500μm的粒径。
将制备的硅晶种以适当的量供应到流化床反应室100中，所供应的硅晶种通过经由气体分布单元200排放到流化床反应室100的气体形成流化床。此时，通过气体分布单元200排出的气体的组成和流量可以根据对应于集气室210的环形空间230的流化床反应室100的区域和流化床的状态而变化。
根据流化床反应室100的区域和流化床的状态，组成和流量有所不同，但供应到流化床反应室100中的气体是流化气体、硅源气体，或它们的混合气体。这里，流化气体可以是含有选自氢、氮、氩和氦的一种或多种的气体。硅源气体可以是含有选自甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、三氯硅烷(SiHCl3)和四氯化硅(SiCl4)的一种或多种的气体。
流化床反应室100的内部温度保持在硅源气体的分解温度和硅的熔融温度以内，优选保持在500℃至1000℃或600℃至800℃。
为了保持流化床反应室100的内部温度，可以使用布置在反应器壁外部的常规加热系统，如电阻加热器。如图5和6所示，当使用具有多个反应管115的流化床反应室100时，可以引入包围各自反应管的外周表面的至少一部分的多个加热部117，从而提高加热效率。
此外，可将流化床反应室100的内部压力保持在常压或更高(例如，1巴至10巴的压力)。
同时，供应到硅晶种的流化床的硅源气体在加热的硅晶种的表面上热分解(例如，)。结果，硅沉积(沉淀)到硅晶种的表面上，因此硅晶种的粒径逐渐增加。
由于这种生长而已经降低了流动性的硅晶种逐渐沉降到流化床的底部。具有降低的流动性的硅晶种通过产物收集管260收集。考虑到收集的产物的量和流化床的状态，将新的硅晶种注入到流化床反应室100中。
可以连续且反复地执行上述一系列步骤。
具体地，在根据本发明的实施方式的颗粒状多晶硅的制备方法中，可根据流化床监测单元500监测的流化床的状态，使用上述流化床反应器系统独立控制经由多个供气管240供应到各个环形空间230的流化气体和硅源气体的流量。
在这方面，用于制备颗粒状多晶硅的常规流化床反应器主要设计成能够形成鼓泡流化床或喷动流化床，因此在一个反应器中鼓泡流化床和喷动流化床之间的转变实际上不可能。
然而，如上所述，根据本发明的流化床反应器系统能够独立地控制集气室210中的每个环形空间230的流量和/或组成。鼓泡流化床和喷动流化床之间的转变可以很容易地实现。本发明通过将这种流化床反应器系统应用于制备颗粒状多晶硅的方法而可以同时具有使用鼓泡流化床的方法和使用喷动流化床的方法的优点。
例如，在制备颗粒状多晶硅的方法中，硅晶种的流化床包括：
鼓泡流化床，其高度保持为流化床反应室直径的3至6倍，其中大于85摩尔％的流化气体和小于15摩尔％的硅源气体被均匀地供应到集气室的多个环形空间，以及
喷动流化床，其高度保持为鼓泡流化床的初始高度的1.2至1.7倍，小于85摩尔％的流化气体和15摩尔％以上的硅源气体被供应到位于集气室的1/3半径内的环形空间，并且只有流化气体被供应到剩余的环形空间，
其中在整个制备过程中鼓泡流化床和喷动流化床连续且反复地转变，并且
可以在硅晶种的流化床从喷动流化床转变为鼓泡流化床的区段中收集由于上述生长而已经降低了流动性的硅晶种。
参见图7，在操作开始时，硅晶种的流化床以鼓泡流化床(B)运行。具体地，运行开始时硅源气体的浓度可以保持在小于15摩尔％或至多10摩尔％，并且供应到流化床反应室100的气体的流速比(U/Umf)可以保持在3至5。这里，气体的流速比(U/Umf)是指气体的最小流化速度(Umf)和实际注入速度(U)之间的比率。考虑到由硅源气体的分解引起的动量的降低，可以基于多孔板290的表面温度设定最小流化速度，该多孔板290的表面温度比反应温度低300℃以上。
由上述组成和流量控制的气体通过各个供气管240被供应到各个环形空间230，并且供应的气体从每个环形空间230被均匀地排放到流化床反应室100。此时，为了使硅在流化床反应室100的内壁上的沉积最小化，优选在整个制备过程中仅将流化气体供应到位于集气室210最外侧位置的环形空间。
通过由此排出的气体形成具有恒定且反复湍流模式的硅晶种鼓泡流化床(B)。此时，在操作开始时，可将流化床的高度(a)设定为流化床反应室100的直径的3至6倍或4至5倍。
当硅晶种在这样的鼓泡流化床状况下逐渐生长时，控制供应到流化床反应室100的气体的组成和/或流量，从而进行操作以逐渐从鼓泡流化床(B)转变为喷动流化床(S)。也就是说，流化床监测单元500监测在流化床反应室100中形成的流化床的状态(例如，由于晶种生长引起的压差的增加量，流化床的高度变化，由反应室的加热引起的功率变化量等)。然后，流化床监测单元500可以根据对应于流化床条件的编程或手动设置将单独的电信号530传输到流化气体流量控制器350和硅源气体流量控制器450，从而控制供应到集气室210的每个环形空间230的气体组成和/或流量。
在从鼓泡流化床(B)到喷动流化床(S)的转变中，可以从位于集气室210的外周的环形空间朝向位于中心的环形空间依序改变气体的组成和流量。例如，控制各自的硅源气体流量控制器450以逐步停止从位于集气室210外侧的环形空间供应硅源气体，而只供应具有流速比(U/Umf)为1至2的流化气体。同时，供应到中心环形空间的气体的流量由于供应到外周的硅源气体和流化气体的流量的减少而增加。可将总气体的流量保持在初始注入量，或者可保持到比初始水平高10至20％。
当这样的转变过程完成时，供应到中心部分的环形空间的硅源气体的流量逐渐增加。最终，仅向中心部分的环形空间集中供应硅源气体，向剩余的环形空间仅供应流速比(U/Umf)为1至2的流化气体，由此转变为喷动流化床(S)。
在喷动流化床中，通过其集中供应硅源气体的“中心部分处的环形空间”可以根据喷动流化床的操作条件而不同地设定。优选地，中心部分的环形空间可以是指位于集气室210半径1/3或1/5内的环形空间。另外，中心部分的环形空间可以指位于同心圆中心的一个环形空间。
可将喷动流化床中的流化床的高度保持在鼓泡流化床初始高度的1.2至1.7倍。可以向中心部分的环形空间供应小于85摩尔％的流化气体和15摩尔％以上的硅源气体。
当硅晶种在这种喷动流化床下逐渐生长时，根据在流化床监测单元500中监测的流化床的状态来控制供应到流化床反应室100的气体的组成和/或流量，从而进行操作使得从喷动流化床(S)逐渐转变为鼓泡流化床(B)。然后，在硅晶种的流化床从喷动流化床(S)转变为鼓泡流化床(B)的区段中，可以通过产物收集管260收集因生长而已经降低了流动性的硅晶种。
通过上述方法，可以获得粒径为硅晶种初始粒径的1.3至4倍或1.5至2倍的颗粒状多晶硅产物。通过上述方法，可以获得具有大粒径的颗粒状多晶硅产物，从而延长了硅晶种的注入周期并降低了多晶硅的生产成本。
此外，上述制备颗粒状多晶硅的方法能够在工艺操作过程中可能发生的异常状况事件中(例如，层分离，反应器壁沉积，结块形成等)进行更灵活的处理。
例如，在使用甲硅烷或三氯硅烷作为硅源气体的颗粒状多晶硅的制备中，诸如停止的紧急情况的最主要原因是在流化床中形成结块。当在流化床中存在非流动区时，形成结块，这些非流动区域是由于腾涌(slugging)，细颗粒的快速形成和因颗粒的生长的层分离而引起的。可以通过流过流化床的流体的压差倾向的不规则波动，特定区段的温度异常升高等来检测结块是否形成。
在这种异常情况的事件中，供应到集气室210的环形空间230的硅源气体的量减少到5摩尔％以下，由此通过增加气体的流量来补充气体动量的减少。然后，对每个环形空间230进行脉冲进料以便间歇地增加流化气体的注入量。这样的脉冲进料可以按照下列顺序依次进行：从位于中心的环形空间到位于集气室210的最外侧部分的环形空间(或反之亦然)。或者，可以通过随机向每个环形空间供应的方法来进行。然后可继续脉冲进料直到没有形成结块的迹象。
如上所述，具有能够独立地控制集气室内每个区中的气体的流量和/或组成的结构的气体分布单元能够在一个系统中实现鼓泡流化床和喷动流化床之间的转变。此外，通过将具有所述气体分布单元的流化床反应器系统应用于颗粒状多晶硅的制备，不仅可以同时提高工艺的稳定性和生产率，而且还可以实现对于在工艺操作过程中可能发生的异常情况事件的更灵活地处理。

Claims (15)

1.一种用于流化床反应器系统的气体分布单元(200)，其经由集气室(210)和多孔板(290)将气体注入到流化床反应室(100)中，
其中，所述集气室(210)包括：彼此同心且间隔布置的多个环形分隔壁(220)；由所述环形分隔壁隔开并且各自独立地具有至少一个气体入口(232)和多个气体出口(235)的多个环形空间(230)；连接到所述气体入口(232)并独立地向所述环形空间(230)供应气体的多个供气管(240)；以及连接到各自的气体出口(235)的多个排气管(250)，并且
其中，所述多孔板(290)与所述集气室(210)的排气管(250)的端部接触并具有对应于所述排气管(250)的多个开口。
2.根据权利要求1所述的用于流化床反应器系统的气体分布单元，其中，所述集气室(210)具有3至10个环形分隔壁(220)。
3.根据权利要求1所述的用于流化床反应器系统的气体分布单元，其中，所述多个排气管(250)具有选自节流喷嘴、文丘里喷嘴和喷射喷嘴的一种或多种形状。
4.根据权利要求1所述的用于流化床反应器系统的气体分布单元，其中，所述气体分布单元还包括与所述多个排气管(250)相邻的用于冷却每个排气管的多个冷却通道(257)。
5.根据权利要求1所述的用于流化床反应器系统的气体分布单元，其中，所述多孔板(290)具有其中心比其边缘更凹的形状。
6.根据权利要求1所述的用于流化床反应器系统的气体分布单元，其中，所述气体分布单元还包括位于同心圆中心的环形空间以及穿过所述多孔板的中心的产物收集管(260)。
7.一种用于制备颗粒状多晶硅的流化床反应器系统，包括：
根据权利要求1至6中任一项所述的气体分布单元(200)；
设置在所述气体分布单元的所述多孔板上并具有硅晶种入口的流化床反应室(100)；
经由各自独立的流化气体流量控制器(350)连接到所述气体分布单元(200)的供气管(240)的流化气体罐(300)；
经由各自独立的硅源气体流量控制器(450)连接到所述气体分布单元(200)的供气管(240)的硅源气体罐(400)；以及
流化床监测单元(500)，其用于监测在所述流化床反应室(100)中形成的硅晶种的流化床状态，并将电信号(530)传输到各自的流化气体流量控制器(350)和各自的硅源气体流量控制器(450)。
8.根据权利要求7所述的用于制备颗粒状多晶硅的流化床反应器系统，其中，所述流化床反应室(100)包括依次连接到所述气体分布单元的所述多孔板(290)的第一主体部(110)、第二主体部(120)和头部(130)以形成内部空间；
所述第一主体部(110)包括在所述多孔板上径向排列且彼此间隔布置的多个反应管(115)以及围绕所述反应管(115)的外周表面的至少一部分的多个加热部(117)，所述多个反应管(115)提供连接到所述第二主体部(120)的多个反应空间；
所述第二主体部(120)提供连接到所述第一主体部(110)的所述多个反应管(115)的一个反应空间；并且
所述头部(130)密封所述流化床反应室的上部，并且具有比所述第二主体部(120)更大的直径。
9.一种使用根据权利要求7所述的流化床反应器系统制备颗粒状多晶硅的方法。
10.根据权利要求9所述的制备颗粒状多晶硅的方法，包括：
向流化床反应室供应流化气体和硅源气体以形成硅晶种的流化床的步骤；
在与所述硅源气体接触的硅晶种的表面上沉积硅以使硅晶种生长的步骤；
从所述流化床反应室中收集因生长而已经降低了流动性的硅晶种的步骤；以及
将硅晶种注入到所述流化床反应室中的步骤；
其中上述步骤连续且反复地进行，并且
根据在所述流化床反应器系统的流化床监测装置中监测的所述流化床的状态各自独立地控制通过多个供气管供应到各自的环形空间的所述流化气体和所述硅源气体的流量。
11.根据权利要求10所述的制备颗粒状多晶硅的方法，其中，所述硅晶种的流化床包括：
鼓泡流化床，其高度保持为所述流化床反应室直径的3至6倍，大于85摩尔％的所述流化气体和小于15摩尔％的所述硅源气体被均匀地供应到所述集气室的所述多个环形空间；和
喷动流化床，其高度保持为所述鼓泡流化床初始高度的1.2至1.7倍，小于85摩尔％的所述流化气体和15摩尔％以上的所述硅源气体被供应到位于所述集气室的1/3半径内的环形空间，并且只有所述流化气体被供应到剩余的环形空间，
其中，所述鼓泡流化床和所述喷动流化床在整个制备过程中连续且反复地转变，并且
可以在所述硅晶种的流化床从所述喷动流化床转变为所述鼓泡流化床的区段中收集因上述生长而已经降低了流动性的硅晶种。
12.根据权利要求10所述的制备颗粒状多晶硅的方法，其中，在所述流化床反应器系统的气体分布单元(200)中，在整个制造过程中，仅将所述流化气体供应到位于所述集气室(210)最外部分处的环形空间。
13.根据权利要求10所述的制备颗粒状多晶硅的方法，其中，所述硅源气体是含有选自甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、三氯硅烷(SiHCl3)和四氯化硅(SiCl4)的至少一种的气体。
14.根据权利要求10所述的制备颗粒状多晶硅的方法，其中，所述流化气体是含有选自氢、氮、氩和氦的至少一种的气体。
15.根据权利要求10所述的制备颗粒状多晶硅的方法，其中，注入到所述流化床反应室中的硅晶种可具有50μm至800μm的粒径。
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