CN111268682B - 一种制备多晶硅的组合物、制备方法及制备系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多晶硅生产技术领域,公开了一种制备多晶硅的原料组合物、制备方法及制备系统,制备多晶硅的组合物由SiCl4(STC)和SiHCl3(TCS)组成,按质量比例STC:TCS=(20%~50%):(80%~50%)。制备多晶硅的方法包括:以STC和TCS按质量比例混合为原料,并根据原料混合比例确定Cl/H的进料配比,在温度1323‑1473K,压强0.1‑0.6MPa的制备条件下,进行多晶硅的制备。本发明为降低TCS和STC彻底分离带来的高成本问题,进行了温度、压强以及进料配比对硅沉积率影响的分析,在硅原料中TCS所占比例为80%~50%,Cl/H为0.04‑0.1时,硅产率可达到35%以上。
Description
技术领域
本发明属于多晶硅生产技术领域,尤其涉及一种制备多晶硅的原料组合物、制备方法及制备系统。
背景技术
目前,作为全球电子工业及光伏产业基石的多晶硅材料,随着全球范围内对清洁能源、光伏产业的日益重视和电子工业、信息产业的不断发展,其战略性材料的地位日益凸显,其需求量日益增大。95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路(IC)以及90%的太阳能电池片都是由硅材料(含单晶硅及多晶硅)制造的。多晶硅是硅产品产业链中的一个极为重要的中间产品,是单晶硅的主要原料,是制造硅抛光片、集成电路及功率器件等半导体材料和太阳能电池的基础原料,也是发展信息产业和新能源产业的重要基石。多晶硅按照硅的用途分为:太阳能级硅(SG),主要用于太阳能电池芯片的生产制造;电子级硅(EG),主要用于半导体芯片制造。电子级多晶硅对品质的要求非常高,相对于太阳能级多晶硅99.9999%纯度,电子级多晶硅的纯度要求达到99.999999999%。因此,无论是电子级多晶硅还是太阳能级多晶硅对纯度的要求都非常的高。
改良西门子法是制备高纯度多晶硅的主要生产工艺,西门子法由于具有三氯氢硅(TCS)比较安全,方便运输、储存,并且该方法工艺成熟,经验丰富,产品质量高等其它生产方法无法比拟的优点,仍是目前国际主流厂商生产多晶硅的主要工艺。西门子法在制备多晶硅的生产过程中,生产1吨多晶硅将产生14吨SiCl4(STC),因此需对高纯SiCl4进行处理,从而使整个生产流程实现完全闭路循环,节约资源、洁净生产。目前国内外普遍使用的方法是SiCl4氢化制备SiHCl3,然而由于国外对改良西门子法中SiCl4氢化技术的技术封锁,国内基本上仍无法掌握该技术。
由于以TCS作为原材料制备多晶硅的主要副产物为STC,因此必须对STC进行氢化制备TCS从而得到循环利用,这也是目前普遍采用的处理副产物STC的方法。但是通过热力学分析,STC也作为原材料,在合理的生产条件下制备得到多晶硅。但是这种方法具有明显的缺点:若得到合理的多晶硅沉积率,需提高进料中H2的含量。这会引起很多严重的问题:(1)增大尾气的处理难度;(2)硅沉积率的降低;(3)较低的多晶硅生产能力等。
综上所述,现有技术存在的问题是:(1)现有的多晶硅制备方法的多晶硅沉积率低。
(2)进料时H2的高通量需求,增大尾气的处理难度。
解决上述技术问题的难度:如何处理副产物SiCl4及如何解决SiCl4的氢化率低的问题是影响多晶硅生产成本的主要原因之一,同时如何提高硅产率、增大硅沉积速率、降低能耗也是目前遇到的最大挑战。
解决上述技术问题的意义:在实际生产过程中,改良西门子法之所以工序众多的主要原因之一就是对生产多晶硅过程中产生的尾气的处理(包括冷凝和分馏),尾气中的主要成分就是STC,在传统的西门子法的生产制备中需要对STC进行氢化制备TCS再次使其得到循环利用。而且在以TCS为原材料制备多晶硅的过程中需要的H2量更大,导致增加尾气分离工序及分离难度。因此,经实际研究发现以STC和TCS混合物为原材料制备多晶硅的方法,可大幅度降低生产过程中对H2需求,减少分离工序,使STC直接进行循环利用,减少氢化量。因此,以STC和TCS混合进料制备多晶硅,可以合理有效的解决尾气中STC难处理的问题,简化尾气分离及氢化工序,降低氢化量,提高硅产率。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种制备多晶硅的原料组合物、制备方法及制备系统。
本发明是这样实现的,一种制备多晶硅的组合物,所述制备多晶硅的原料组合物由STC和TCS组成,按质量比例STC:TCS=(20%~50%):(80%~50%)。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述原料组合物制备多晶硅的方法,所述制备多晶硅的方法包括:
以STC和TCS按质量比例混合为原料,并根据原料混合比例确定Cl/H的进料配比,在温度1323-1473K,压强0.1-0.6MPa的制备条件下,进行多晶硅的制备。
进一步,原料配比为50%TCS+50%STC时,Cl/H的进料配比为0.07;
原料配比为70%TCS+30%STC时,Cl/H的进料配比为0.082;
原料配比为80%TCS+20%STC时,Cl/H的进料配比为0.09。
进一步,所述制备多晶硅的方法进一步包括:
将STC和TCS以1:4~1:1比例混合后进入还原炉,进行多晶硅化学气相沉积反应;
反应后的尾气进入精馏系统,分离TCS、STC、HCl、H2;STC和TCS以一定质量比例1:4~1:1循环利用,H2进入还原炉中,HCl进入TCS合成系统。
本发明通过改良西门子法生产多晶硅工艺可分为以下几个工序:H2制备与净化、HCl合成、SiHCl3合成、合成气干法分离、氯硅烷分离提纯、SiHCl3氢还原、还原尾气干法分离、SiCl4氢化、氢化气干法分离、硅芯制备及产品整理、废气及残液处理等。具体流程如下:
(1)SiHCl3合成
硅粉和催化剂从接收料斗放入下方的中间料斗,经用热氯化氢气置换料斗内的气体并升压至与下方料斗压力平衡后,硅粉被放入下方的硅粉供应料斗。从氯化氢合成工序来的氯化氢气,与从循环氯化氢缓冲罐送来的循环氯化氢气体混合后,引入三氯氢硅合成炉进料管,将从硅粉供应料斗供入管内的硅粉挟带并输送,从底部进入流化床反应器。
在流化床反应器内,硅粉与氯化氢气体形成沸腾床并发生反应,生成三氯氢硅,同时生成四氯化硅、三氯二氢硅、金属氯化物、聚氯硅烷、氢气等产物,此混合气体被称作三氯氢硅合成气。出反应器挟带有硅粉的合成气,经除杂后将除去了硅粉而被净化的混合气体送往合成气干法分离工序。
(2)氯硅烷分离、提纯
在三氯氢硅合成工序生成,经合成气干法分离工序分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的原料氯硅烷贮槽;在三氯氢硅还原工序生成,经还原尾气干法分离工序分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的还原氯硅烷贮槽;在四氯化硅氢化工序生成,经氢化气干法分离工序分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的氢化氯硅烷贮槽。原料氯硅烷液体、还原氯硅烷液体和氢化氯硅烷液体分别用泵抽出,送入氯硅烷分离提纯工序的分馏塔中。
(3)SiHCl3氢还原
从三氯氢硅汽化器来的三氯氢硅、氯化硅与氢气的混合气体,送入还原炉内。在还原炉内通电的炽热硅芯/硅棒的表面,三氯氢硅发生氢化还原反应,生成硅沉积下来,使硅芯/硅棒的直径逐渐变大,直至达到规定的尺寸。氢还原反应同时生成二氯二氢硅、四氯化硅、氯化氢和氢气,与未反应的三氯氢硅和氢气一起送出还原炉,经还原尾气冷却器用循环冷却水冷却后,直接送往还原尾气干法分离工序。
(4)还原尾气干法分离工序
从三氯氢硅还原干法工序来的还原尾气经此工序被分离成氯硅烷液体、氢气和氯化氢气体,分别循环回装置使用。还原炉出来的混合气流经混合气缓冲罐,然后进入喷淋洗涤塔,被塔顶流下的低温氯硅烷液体洗涤。气体中的大部分氯硅烷冷凝并混入洗涤液中。出塔底的氯硅烷大部分经冷冻降温后循环回塔顶用于气体的洗涤,多余的部分氯硅烷送入氯化氢解析塔。
出喷淋洗涤塔塔顶除去了大部分氯硅烷的气体,用混合气压缩机压缩并冷冻降温后,送入氯化氢吸收塔,被从氯化氢解析塔底部送来的经冷冻降温的氯硅烷液体洗涤,气体中绝大部分的氯化氢被氯硅烷吸收,气体中残留的大部分氯硅烷也被洗涤冷凝下来。出塔顶气体为含有微量氯化氢和氯硅烷的氢气,经一组变温变压吸附器进一步除去氯化氢和氯硅烷后,得到高纯度的氢气。大部分的高纯氢气返回三氯氢硅氢还原工序参与制取多晶硅的反应,多余的氢气送往四氯化硅氢化工序参与四氯化硅的氢化反应;吸附器再生废气送往废气处理工序进行处理;从氯化氢解析塔顶部得到提纯的氯化氢气体,送往放置于三氯氢硅合成工序的循环氯化氢缓冲罐;从氯化氢解析塔底部引出的多余的氯硅烷液体(即从三氯氢硅氢还原尾气中分离出的氯硅烷),送入氯硅烷贮存工序的还原氯硅烷贮槽。
本发明另一目的在于提供一种多晶硅制备系统包括:
H2制备与净化系统、HCl合成系统、SiHCl3合成系统、合成气干法分离系统、氯硅烷分离提纯系统、SiHCl3氢还原系统、还原尾气干法分离系统、SiCl4氢化系统、氢化气干法分离系统、硅芯制备及产品整理系统、废气及残液处理系统;
所述SiHCl3合成系统,硅粉和催化剂从接收料斗放入下方的中间料斗,经用热氯化氢气置换料斗内的气体并升压至与下方料斗压力平衡后,硅粉被放入下方的硅粉供应料斗;从氯化氢合成工序来的氯化氢气,与从循环氯化氢缓冲罐送来的循环氯化氢气体混合后,引入三氯氢硅合成炉进料管;将从硅粉供应料斗供入管内的硅粉挟带并输送,从底部进入流化床反应器;
在流化床反应器内,硅粉与氯化氢气体形成沸腾床并发生反应;生成三氯氢硅,同时生成四氯化硅、三氯二氢硅、金属氯化物、聚氯硅烷、氢气产物,此混合气体为三氯氢硅合成气;出反应器挟带有硅粉的合成气,经除杂后将除去硅粉而被净化的混合气体送往合成气干法分离系统。
所述氯硅烷分离提纯系统,氯硅烷分离、提纯,在三氯氢硅合成系统生成,经合成气干法分离系统分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的原料氯硅烷贮槽;在三氯氢硅还原系统生成,经还原尾气干法分离系统分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的还原氯硅烷贮槽;在四氯化硅氢化系统生成,经氢化气干法分离系统分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的氢化氯硅烷贮槽;原料氯硅烷液体、还原氯硅烷液体和氢化氯硅烷液体分别用泵抽出,送入氯硅烷分离提纯系统的分馏塔中;
所述SiHCl3氢还原系统,从三氯氢硅汽化器来的三氯氢硅、氯化硅与氢气的混合气体,送入还原炉内;在还原炉内通电的炽热硅芯/硅棒的表面,三氯氢硅发生氢化还原反应,生成硅沉积下来,使硅芯/硅棒的直径逐渐变大,直至达到规定的尺寸;氢还原反应同时生成二氯二氢硅、四氯化硅、氯化氢和氢气,与未反应的三氯氢硅和氢气一起送出还原炉,经还原尾气冷却器用循环冷却水冷却后,直接送往还原尾气干法分离系统。
所述还原尾气干法分离系统,从三氯氢硅还原干法工序来的还原尾气经此工序被分离成氯硅烷液体、氢气和氯化氢气体,分别循环回装置使用;还原炉出来的混合气流经混合气缓冲罐,然后进入喷淋洗涤塔,被塔顶流下的低温氯硅烷液体洗涤;气体中的大部分氯硅烷冷凝并混入洗涤液中;出塔底的氯硅烷大部分经冷冻降温后循环回塔顶用于气体的洗涤,多余的部分氯硅烷送入氯化氢解析塔;
出喷淋洗涤塔塔顶除去大部分氯硅烷的气体,用混合气压缩机压缩并冷冻降温后,送入氯化氢吸收塔,被从氯化氢解析塔底部送来的经冷冻降温的氯硅烷液体洗涤,气体中绝大部分的氯化氢被氯硅烷吸收,气体中残留的大部分氯硅烷也被洗涤冷凝下来;出塔顶气体为含有微量氯化氢和氯硅烷的氢气,经一组变温变压吸附器进一步除去氯化氢和氯硅烷后,得到高纯度的氢气;大部分的高纯氢气返回三氯氢硅氢还原系统参与制取多晶硅的反应,多余的氢气送往四氯化硅氢化系统参与四氯化硅的氢化反应;吸附器再生废气送往废气及残液处理系统进行处理;从氯化氢解析塔顶部得到提纯的氯化氢气体,送往放置于三氯氢硅合成工序的循环氯化氢缓冲罐;从氯化氢解析塔底部引出的多余的氯硅烷液体,送入氯硅烷贮存工序的还原氯硅烷贮槽。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述组合物制备的多晶硅。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述多晶硅制备的硅抛光片、集成电路IC或半导体功率器件。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述多晶硅制备的太阳能电池芯片。
综上所述,本发明的优点及积极效果为:以混合物的作为原料,以提高STC的循环利用,并降低STC氢化的处理量和能耗,见图2。
本发明实施例通过提供一种以STC和TCS混合物为原材料的制备模式,将制备多晶硅过程中的主要副产物SiCl4与原料SiHCl3按比例混合的方式制备多晶硅,从而改进多晶硅的生产工艺,使其达到既更加合理的处理主要副产物STC又解决硅沉积率低等问题的目的。
本发明还进行了温度、压强以及进料配比对硅沉积率的影响的分析,最佳温度为1400K,压强为0.1MPa。随着硅原料中TCS所占比例的增大,在较高的Cl/H下,就可以得到较高的硅产率,使硅产率大于35%,提高生产效率。在进料中所需H2通入量低,循环利用副产物STC且在后续制备过程中减少SiCl4氢化过程处理量,不需将尾气中的STC和TCS彻底分离。
附图说明
图1是本发明实施例提供的多晶硅制备系统示意图。
图2是本发明实施例提供的Si产率分别为0.3、0.35、0.4、0.45和0.5时,Cl/H比随原料中TCS摩尔分数的变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供一种制备多晶硅的原料组合物,所述制备多晶硅的组合物由STC和TCS组成,按质量比例STC:TCS=(20%~50%):(80%~50%)。
本发明提供一种利用所述组合物制备多晶硅的方法,所述制备多晶硅的方法包括:
以STC和TCS按质量比例混合为原料,并根据原料混合比例确定Cl/H的进料配比,在温度1323-1473K,压强0.1-0.6MPa的制备条件下,进行多晶硅的制备。
原料配比为50%TCS+50%STC时,Cl/H的进料配比为0.07;
原料配比为70%TCS+30%STC时,Cl/H的进料配比为0.082;
原料配比为80%TCS+20%STC时,Cl/H的进料配比为0.09。
所述制备多晶硅的方法进一步包括:
将STC和TCS以4:1~10:1比例混合后进入还原炉,进行多晶硅化学气相沉积反应;
反应后的尾气进入精馏系统,分离TCS、STC、HCl、H2;STC和TCS以一定比例循环利用,H2进入还原炉中,HCl进入TCS合成系统。
本发明通过改良西门子法生产多晶硅工艺可分为以下几个工序:H2制备与净化、HCl合成、SiHCl3合成、合成气干法分离、氯硅烷分离提纯、SiHCl3氢还原、还原尾气干法分离、SiCl4氢化、氢化气干法分离、硅芯制备及产品整理、废气及残液处理等。具体流程如下:
(1)SiHCl3合成
硅粉和催化剂从接收料斗放入下方的中间料斗,经用热氯化氢气置换料斗内的气体并升压至与下方料斗压力平衡后,硅粉被放入下方的硅粉供应料斗。从氯化氢合成工序来的氯化氢气,与从循环氯化氢缓冲罐送来的循环氯化氢气体混合后,引入三氯氢硅合成炉进料管,将从硅粉供应料斗供入管内的硅粉挟带并输送,从底部进入流化床反应器。
在流化床反应器内,硅粉与氯化氢气体形成沸腾床并发生反应,生成三氯氢硅,同时生成四氯化硅、三氯二氢硅、金属氯化物、聚氯硅烷、氢气等产物,此混合气体被称作三氯氢硅合成气。出反应器挟带有硅粉的合成气,经除杂后将除去了硅粉而被净化的混合气体送往合成气干法分离工序。
(2)氯硅烷分离、提纯
在三氯氢硅合成工序生成,经合成气干法分离工序分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的原料氯硅烷贮槽;在三氯氢硅还原工序生成,经还原尾气干法分离工序分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的还原氯硅烷贮槽;在四氯化硅氢化工序生成,经氢化气干法分离工序分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的氢化氯硅烷贮槽。原料氯硅烷液体、还原氯硅烷液体和氢化氯硅烷液体分别用泵抽出,送入氯硅烷分离提纯工序的分馏塔中。
(3)SiHCl3氢还原
从三氯氢硅汽化器来的三氯氢硅、氯化硅与氢气的混合气体,送入还原炉内。在还原炉内通电的炽热硅芯/硅棒的表面,三氯氢硅发生氢化还原反应,生成硅沉积下来,使硅芯/硅棒的直径逐渐变大,直至达到规定的尺寸。氢还原反应同时生成二氯二氢硅、四氯化硅、氯化氢和氢气,与未反应的三氯氢硅和氢气一起送出还原炉,经还原尾气冷却器用循环冷却水冷却后,直接送往还原尾气干法分离工序。
(4)还原尾气干法分离工序
从三氯氢硅还原干法工序来的还原尾气经此工序被分离成氯硅烷液体、氢气和氯化氢气体,分别循环回装置使用。还原炉出来的混合气流经混合气缓冲罐,然后进入喷淋洗涤塔,被塔顶流下的低温氯硅烷液体洗涤。气体中的大部分氯硅烷冷凝并混入洗涤液中。出塔底的氯硅烷大部分经冷冻降温后循环回塔顶用于气体的洗涤,多余的部分氯硅烷送入氯化氢解析塔。
出喷淋洗涤塔塔顶除去了大部分氯硅烷的气体,用混合气压缩机压缩并冷冻降温后,送入氯化氢吸收塔,被从氯化氢解析塔底部送来的经冷冻降温的氯硅烷液体洗涤,气体中绝大部分的氯化氢被氯硅烷吸收,气体中残留的大部分氯硅烷也被洗涤冷凝下来。出塔顶气体为含有微量氯化氢和氯硅烷的氢气,经一组变温变压吸附器进一步除去氯化氢和氯硅烷后,得到高纯度的氢气。大部分的高纯氢气返回三氯氢硅氢还原工序参与制取多晶硅的反应,多余的氢气送往四氯化硅氢化工序参与四氯化硅的氢化反应;吸附器再生废气送往废气处理工序进行处理;从氯化氢解析塔顶部得到提纯的氯化氢气体,送往放置于三氯氢硅合成工序的循环氯化氢缓冲罐;从氯化氢解析塔底部引出的多余的氯硅烷液体(即从三氯氢硅氢还原尾气中分离出的氯硅烷),送入氯硅烷贮存工序的还原氯硅烷贮槽。
如图1所示,本发明提供一种多晶硅制备系统包括:
H2制备与净化系统、HCl合成系统、SiHCl3合成系统、合成气干法分离系统、氯硅烷分离提纯系统、SiHCl3氢还原系统、还原尾气干法分离系统、SiCl4氢化系统、氢化气干法分离系统、硅芯制备及产品整理系统、废气及残液处理系统;其中,H2制备与净化系统、HCl合成系统、硅芯制备及产品整理系统为常用系统。
所述SiHCl3合成系统,硅粉和催化剂从接收料斗放入下方的中间料斗,经用热氯化氢气置换料斗内的气体并升压至与下方料斗压力平衡后,硅粉被放入下方的硅粉供应料斗;从氯化氢合成工序来的氯化氢气,与从循环氯化氢缓冲罐送来的循环氯化氢气体混合后,引入三氯氢硅合成炉进料管;将从硅粉供应料斗供入管内的硅粉挟带并输送,从底部进入流化床反应器。
在流化床反应器内,硅粉与氯化氢气体形成沸腾床并发生反应;生成三氯氢硅,同时生成四氯化硅、三氯二氢硅、金属氯化物、聚氯硅烷、氢气产物,此混合气体为三氯氢硅合成气;出反应器挟带有硅粉的合成气,经除杂后将除去硅粉而被净化的混合气体送往合成气干法分离系统。
所述氯硅烷分离提纯系统,氯硅烷分离、提纯,在三氯氢硅合成系统生成,经合成气干法分离系统分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的原料氯硅烷贮槽;在三氯氢硅还原系统生成,经还原尾气干法分离系统分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的还原氯硅烷贮槽;在四氯化硅氢化系统生成,经氢化气干法分离系统分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的氢化氯硅烷贮槽;原料氯硅烷液体、还原氯硅烷液体和氢化氯硅烷液体分别用泵抽出,送入氯硅烷分离提纯系统的分馏塔中。
所述SiHCl3氢还原系统,从三氯氢硅汽化器来的三氯氢硅、氯化硅与氢气的混合气体,送入还原炉内;在还原炉内通电的炽热硅芯/硅棒的表面,三氯氢硅发生氢化还原反应,生成硅沉积下来,使硅芯/硅棒的直径逐渐变大,直至达到规定的尺寸;氢还原反应同时生成二氯二氢硅、四氯化硅、氯化氢和氢气,与未反应的三氯氢硅和氢气一起送出还原炉,经还原尾气冷却器用循环冷却水冷却后,直接送往还原尾气干法分离系统。
所述还原尾气干法分离系统,从三氯氢硅还原干法工序来的还原尾气经此工序被分离成氯硅烷液体、氢气和氯化氢气体,分别循环回装置使用;还原炉出来的混合气流经混合气缓冲罐,然后进入喷淋洗涤塔,被塔顶流下的低温氯硅烷液体洗涤;气体中的大部分氯硅烷冷凝并混入洗涤液中;出塔底的氯硅烷大部分经冷冻降温后循环回塔顶用于气体的洗涤,多余的部分氯硅烷送入氯化氢解析塔。
出喷淋洗涤塔塔顶除去大部分氯硅烷的气体,用混合气压缩机压缩并冷冻降温后,送入氯化氢吸收塔,被从氯化氢解析塔底部送来的经冷冻降温的氯硅烷液体洗涤,气体中绝大部分的氯化氢被氯硅烷吸收,气体中残留的大部分氯硅烷也被洗涤冷凝下来;出塔顶气体为含有微量氯化氢和氯硅烷的氢气,经一组变温变压吸附器进一步除去氯化氢和氯硅烷后,得到高纯度的氢气;大部分的高纯氢气返回三氯氢硅氢还原系统参与制取多晶硅的反应,多余的氢气送往四氯化硅氢化系统参与四氯化硅的氢化反应;吸附器再生废气送往废气及残液处理系统进行处理;从氯化氢解析塔顶部得到提纯的氯化氢气体,送往放置于三氯氢硅合成工序的循环氯化氢缓冲罐;从氯化氢解析塔底部引出的多余的氯硅烷液体,送入氯硅烷贮存工序的还原氯硅烷贮槽。再进行后序硅芯制备及产品整理系统的处理。
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1:Cl/H比对硅产率的影响
1.将三氯氢硅和四氯化硅按50%TCS+50%STC的比例混合,作为生产多晶硅的原料。通入到反应器中,在温度1400K、压强0.1Mpa的最佳反应条件下,进行了进料配比(Cl/H比)在0.04-0.5范围内时的多晶硅制备。可以得到在原料配比为50%TCS+50%STC条件下,只有当进料配比小于0.07时,硅的沉积率超过35%,最高达到50%左右。
2.将三氯氢硅和四氯化硅按70%TCS+30%STC的比例混合,作为生产多晶硅的原料。通入到反应器中,在温度1400K、压强0.1Mpa的最佳反应条件下,进行了进料配比(Cl/H比)在0.04-0.5范围内时的多晶硅制备。可以得到在原料配比为20%TCS+80%STC条件下,只有当进料配比小于0.055时,硅的沉积率超过35%,最高达到55%左右。
3.将三氯氢硅和四氯化硅按80%TCS+20%STC的比例混合,作为生产多晶硅的原料。通入到反应器中,在温度1400K、压强0.1Mpa的最佳反应条件下,进行了进料配比(Cl/H比)在0.04-0.5范围内时的多晶硅制备。可以得到在原料配比为80%TCS+20%STC条件下,当只有当进料配比小于0.09时,硅的沉积率超过35%,最高达到54%左右。
实施例2:原料配比对硅产率的影响
进行分组实验,实验按照硅产率分别为0.3、0.35、0.4、0.45和0.5进行分组,将三氯氢硅和四氯化硅按(20%-50%)TCS+(80%-50%)STC的比例混合,作为生产多晶硅的原料。通入到反应器中,在温度1400K、压强0.1Mpa的最佳反应条件下,进行了进料配比(Cl/H比)在0.02-0.14范围内时的多晶硅制备。可以得到在原料配比和进料Cl/H比在硅产率为0.3、0.35、0.4、0.45和0.5时的关系曲线图,见图2。
由图2可知:
1.当硅产率一定时,随着原料中TCS所占比例的增大,所需进料中Cl/H比增大,也就是说进料中氢气的含量降低。因此在进料中氢气的含量较低,即Cl/H比较高时,只有在原料中TCS所占比例较大时才能得到较为合理的硅产率。如当Cl/H比为0.12时,只有当原料中TCS所占比例大于91%时,才能得到大于30%的硅产率。
2.当原料配比一定时,要想得到高硅产率,需降低Cl/H比,即增大进料中氢气的含量。并且当TCS所占比例较大时,随着硅产率的增大,Cl/H比变化较快,也就是说Cl/H比在TCS所占比例较大时对硅产率的影响更为明显。
3.当选定原料配比时,要想得到合理的硅产率,Cl/H比的控制范围。如当TCS占原料的60%时,若想得到大于35%的硅产率,必须控制进料Cl/H比低于0.077。同理,当进料配比一定时,要想得到合理的硅产率,可选择所需要的原料配比。如Cl/H比0.8时,若想得到大于35%的硅产率,必须控制TCS占原料的65%以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种制备多晶硅的方法,其特征在于,所述制备多晶硅的方法包括:
以STC和TCS按质量比例(1:4-1:1)混合为原料,并根据原料混合比例确定Cl/H的进料配比,在温度1400K,压强0.1MPa的制备条件下,进行多晶硅的制备;
原料配比为50%TCS+50%STC时,Cl/H的进料配比为0.07;原料配比为20%TCS+80%STC时,Cl/H的进料配比为0.055;原料配比为80%TCS+20%STC时,Cl/H的进料配比为0.09;
所述制备多晶硅的方法进一步包括:
将STC和TCS以1:4~1:1比例混合后进入还原炉,进行多晶硅化学气相沉积反应;反应后的尾气进入精馏系统,分离TCS、STC、HCl、H2;STC和TCS以按质量比1:4~1:1循环利用,H2进入还原炉中,HCl进入TCS合成系统。
2.根据权利要求1所述制备多晶硅的方法,其特征在于,所述制备多晶硅的方法使用的多晶硅制备系统包括SiHCl3合成系统,硅粉和催化剂从接收料斗放入下方的中间料斗,经用热氯化氢气置换料斗内的气体并升压至与下方料斗压力平衡后,硅粉被放入下方的硅粉供应料斗;从氯化氢合成工序来的氯化氢气,与从循环氯化氢缓冲罐送来的循环氯化氢气体混合后,引入三氯氢硅合成炉进料管;将从硅粉供应料斗供入管内的硅粉挟带并输送,从底部进入流化床反应器;
在流化床反应器内,硅粉与氯化氢气体形成沸腾床并发生反应;生成三氯氢硅,同时生成四氯化硅、三氯二氢硅、金属氯化物、聚氯硅烷、氢气产物,此混合气体为三氯氢硅合成气;出反应器挟带有硅粉的合成气,经除杂后将除去硅粉而被净化的混合气体送往合成气干法分离系统。
3.如权利要求2所述的制备多晶硅的方法,其特征在于,所述多晶硅制备系统进一步包括:
氯硅烷分离提纯系统,氯硅烷分离、提纯,在三氯氢硅合成系统生成,经合成气干法分离系统分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的原料氯硅烷贮槽;在三氯氢硅还原系统生成,经还原尾气干法分离系统分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的还原氯硅烷贮槽;在四氯化硅氢化系统生成,经氢化气干法分离系统分离出来的氯硅烷液体送入氯硅烷贮存工序的氢化氯硅烷贮槽;原料氯硅烷液体、还原氯硅烷液体和氢化氯硅烷液体分别用泵抽出,送入氯硅烷分离提纯系统的分馏塔中;
SiHCl3氢还原系统,从三氯氢硅汽化器来的三氯氢硅、四 氯化硅与氢气的混合气体,送入还原炉内;在还原炉内通电的炽热硅芯/硅棒的表面,三氯氢硅发生氢化还原反应,生成硅沉积下来,使硅芯/硅棒的直径逐渐变大,直至达到规定的尺寸;氢还原反应同时生成二氯二氢硅、四氯化硅、氯化氢和氢气,与未反应的三氯氢硅和氢气一起送出还原炉,经还原尾气冷却器用循环冷却水冷却后,直接送往还原尾气干法分离系统。
4.如权利要求2所述的制备多晶硅的方法,其特征在于,所述多晶硅制备系统进一步包括:
还原尾气干法分离系统,从三氯氢硅还原干法工序来的还原尾气经此工序被分离成氯硅烷液体、氢气和氯化氢气体,分别循环回装置使用;还原炉出来的混合气流经混合气缓冲罐,然后进入喷淋洗涤塔,被塔顶流下的低温氯硅烷液体洗涤;气体中的大部分氯硅烷冷凝并混入洗涤液中;出塔底的氯硅烷大部分经冷冻降温后循环回塔顶用于气体的洗涤,多余的部分氯硅烷送入氯化氢解析塔;
出喷淋洗涤塔塔顶除去大部分氯硅烷的气体,用混合气压缩机压缩并冷冻降温后,送入氯化氢吸收塔,被从氯化氢解析塔底部送来的经冷冻降温的氯硅烷液体洗涤,气体中绝大部分的氯化氢被氯硅烷吸收,气体中残留的大部分氯硅烷也被洗涤冷凝下来;出塔顶气体为含有微量氯化氢和氯硅烷的氢气,经一组变温变压吸附器进一步除去氯化氢和氯硅烷后,得到高纯度的氢气;大部分的高纯氢气返回三氯氢硅氢还原系统参与制取多晶硅的反应,多余的氢气送往四氯化硅氢化系统参与四氯化硅的氢化反应;吸附器再生废气送往废气及残液处理系统进行处理;从氯化氢解析塔顶部得到提纯的氯化氢气体,送往放置于三氯氢硅合成工序的循环氯化氢缓冲罐;从氯化氢解析塔底部引出的多余的氯硅烷液体,送入氯硅烷贮存工序的还原氯硅烷贮槽。
5.一种利用权利要求1所述方法制备的多晶硅。
6.一种利用权利要求5所述多晶硅制备的硅抛光片、集成电路IC或半导体功率器件。
7.一种利用权利要求5所述多晶硅制备的太阳能电池芯片。
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