流化床反應器以及生產顆粒狀多晶硅的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及流化床反應器以及用于生產顆粒狀多晶硅的方法。
【背景技術】
[0002] 多晶的硅顆粒或縮寫的多晶硅顆粒是在西門子法中制備的多晶硅的替代。西門子 法中的多晶硅作為圓柱形硅棒獲得，在圓柱形硅棒進一步加工之前，其必須以一種費時且 昂貴的方式研磨以得到所謂的芯片聚（chip poly)并且可能需要再次純化，多晶硅顆粒具 有粒狀（bulk)材料性能并且可以直接用作原料，例如用于光電和電子行業的單晶產品。
[0003] 在流化床反應器中生產多晶硅顆粒。這是通過經由在流化床中的氣流來流態化硅 顆粒而實現的，通過加熱裝置將所述流化床加熱至高溫。添加含硅的反應氣體導致在熱的 顆粒表面上的熱解反應。在該方法中，元素硅沉積于硅顆粒上并且單個顆粒加厚生長。通 過已經生長的顆粒的規律的排出以及添加更小的硅顆粒作為晶種，（在本文獻下文中稱為 "種子"），利用全部相關聯的優點可以連續地進行本方法。描述了硅-鹵素化合物（例如， 氯硅烷或溴硅烷）、甲硅烷（SiH4)，以及這些氣體與氫氣或其它惰性氣體（例如，氮氣）的 混合物作為含硅的反應氣體。例如，由美國4786477A已知用于此目的的這種沉積的方法和 裝置。
[0004] 美國7922990 B2描述了一種流化床反應器，該流化床反應器包括：承壓套管 (pressure-bearing casing)，由具有熱福射高傳輸的材料制成的內反應器管，用于娃顆 粒的入口，用于進料包含氣態的或蒸汽的硅化合物的反應氣體的入口裝置，用于供應流態 化氣體的氣體分布器，用于未反應的反應氣體、流態化氣體以及此外在流化床表面上積聚 的反應的氣態的或蒸汽的產物的出口，用于產物的出口，加熱裝置和用于加熱裝置的能源 供應。例如，公開了在具有770mm內徑的耐壓鋼容器中放置了內反應器管^OOmm內徑和 2200mm長的石英管）。在石英管的下端處，由石英制成并且配有開口的板形成了用于流態 化氣體的氣體分布器。布置于具有直徑為250mm的中央環中的內徑為20mm和長度為250mm 的4個另外的石英管從氣體分布板突出進入內反應器中作為入口裝置用于供應含硅氣體 或氣體混合物。此外，石英板設置有兩個開口用于移去產物。
[0005] 美國2008/0299291 Al公開了一種用于在流化床反應器中通過在硅顆粒上沉積反 應氣體來生產高純度多晶硅顆粒的方法。由于一個或多個氣體噴嘴垂直向上定向進入通過 稀釋氣體弱流態化的流化床，在這種情況下，反應氣體更精確地以一個或多個局部反應區 域形成于流化床內的進料噴嘴的上方的方式注入，在這種局部反應區域中，在反應氣體到 達流化床圍墻或流化床表面之前，反應氣體事實上完全反應至化學平衡。優選地，經由在流 化床的橫截面上面盡可能均勻地分布的多個單獨的噴嘴進料稀釋氣體。結果，在該弱流化 區中，產生了高強度的湍流，因此可以有效地防止凝聚物的形成。這是重要的，尤其因為沉 積的產物顆粒也是從該區域由流化床排出。稀釋氣體經由單獨的噴嘴導入至流化床下游的 區域，其中，局部噴射區形成在每個噴嘴處。這些單獨的噴射流向上溶解以產生形成泡沫的 流化床。，反應氣體導入至通過反應器底部經由一種或多種反應氣體進料導入至反應器，并 且在稀釋氣體噴嘴的水平上方限定的高度處流入流化床。結果，在反應氣體的氣體出口和 稀釋氣體噴嘴的氣體出口之間形成流化床區域，通過該流化床區域稀釋氣體流動。此外，稀 釋氣體噴嘴和反應氣體進料由盡可能純的材料構成（優選地由高純度的石英的材料制成） 使得盡可能少地污染硅顆粒。反應氣體進料以環形間隙形成用于進料稀釋氣體的方式存在 于中央反應氣體噴嘴和圍繞其的環形噴嘴的每個殼中。
[0006] 在開始處提及的裝置和方法中，已經發現，在流化床中隨時間變化的壓力條件引 起進料的氣體質量流的波動。這導致化學工藝和溫度分布的不穩定性。還觀察到局部懸浮 流化，并且因此，例如，在熱表面上燒結。在流化床中的局部波動的壓力條件具有相同的效 果，特別是當氣體質量流通過多個開口，如，例如在分布于橫截面上噴嘴進料時。
[0007] 出于結構、加工和質量的原因，在流化床反應器中使用硅烷（SiHJl4n，其中，X = 鹵素，例如F、Cl、I ;N = 0-4)沉積硅過程中，不可能使用常規的氣體分布器板，經由該板可 以進料所有的氣體質量流。氣體經由其進料至流化床的開口并不具有足夠的壓降用于以與 時間和位置相一致的方式分布相應的質量流。
[0008] 美國7490785 B2公開了一種由硅顆粒生產硅晶種的裝置，包括具有圓柱形橫截 面的豎直布置的噴射室以及在噴射室的底座處的噴射噴嘴、通過該噴射噴嘴可以將研磨 (milling)氣體流引入至噴射室、直接跟隨噴射室的逆流重力篩和用于硅顆粒的入口，其特 征在于，噴射室具有足以使研磨氣體流膨脹至噴射室的橫截面的長度，并且噴射室具有比 逆流重力篩更小的流道截面。優選地，這是流化床氣流研磨機（jet mill)。在這種情況下， 研磨氣體經由噴射噴嘴（布置在研磨室的底座處構造為簡單噴嘴或拉瓦爾噴嘴）進料。進 料材料經由入口側向進料至研磨室。在研磨室中，流化床形成研磨氣體和顆粒，其中，顆粒 通過具有其他顆粒的氣體噴射膠體加速并分解。
[0009] 美國7850102 B2公開了通過研磨系統（研磨設備）（優選包括噴射研磨機的研磨 系統）研磨無定形固體的方法，其特征在于，研磨機在具有選自由以下各項組成的組的中 的操作介質的研磨相中進行操作：氣體和/或蒸汽，優選蒸汽，和/或包含蒸汽的氣體，以 及特征在于在加熱相（即在利用操作介質進行實際操作之前）以研磨室和/或研磨機出口 中的溫度高于蒸汽和/或操作介質的露點的方式加熱研磨室。該方法在研磨系統（研磨設 備）中，優選在包括噴射研磨機的研磨系統中，特別優選在包括對撞噴射研磨機的研磨系 統中進行。為了這個目的，待粉碎的進料材料在膨脹的高速的氣體噴射中加速并且通過顆 粒-顆粒碰撞粉碎。所使用的噴射研磨機特別優選地是流化床對撞噴射研磨機或密實床噴 射研磨機或螺旋噴射研磨機。在特別優選的流化床對撞噴射研磨機的情況下，兩個或更多 個研磨噴射入口優選地研磨噴嘴的形式位于研磨室的下三分之一，該研磨噴嘴優選地位于 水平平面。使用的研磨噴嘴可以是拉瓦爾噴嘴。
[0010] 使用的與用于制備晶種的流化床噴射研磨機有關的拉瓦爾噴嘴在現有技術中是 已知的，該晶種通過研磨硅顆粒用于多晶硅的沉積。拉瓦爾噴嘴是具有初始會聚以及隨后 發散的橫截面的流元件，其中，從一部分至另一部分的轉變逐步進行。在每個點處的橫截面 表面被認為是圓形的，因此流過的流體可以加速至超音速而不發生強的壓縮震動。聲音的 速度恰好到達噴嘴的最窄的橫截面。
[0011] 由以上描述的在多晶硅顆粒的制備過程中隨著時間和/或地點改變的流化床中 的壓力條件的問題導致本發明的目的。
【發明內容】
[0012] 本發明的目的通過用于制備顆粒狀多晶硅的流化床反應器來實現，所述流化床反 應器包括具有用于流化床的具有內反應器管以及反應器底座的容器（該流化床具有顆粒 狀多晶硅）、用于加熱該內反應器管中的該流化床的加熱裝置、在該反應器底座中用于進料 流態化氣體的至少一個開口，以及在該反應器底座中用于進料反應氣體的至少一個開口、 用于去除反應器廢氣的裝置、用于進料硅顆粒的進料設備，以及此外用于顆粒狀多晶硅的 排出管道，其中，拉瓦爾噴管位于內反應器管外側的反應器底座中的至少一個開口的上游， 適用于超臨界膨脹進料的至少一個質量流。
[0013] 優選地，流化床反應器包括在各自具有位于上游的拉瓦爾噴嘴的反應器底座中的 至少兩個開口。
[0014] 優選地，流化床反應器包括在反應器底座中的至少一組開口，包括至少兩個開口， 其中，在每一種情況下，拉瓦爾噴嘴位于至少一組開口的上游。
[0015] 優選地，流化床反應器包括在反應器底座中的至少一組開口，每一種情況下包括 在至少兩個開口，其中，在每一種情況下，一個拉瓦爾噴嘴以在每一種情況下至少一組拉瓦 爾噴嘴包括至少兩個拉瓦爾噴嘴的結果的方式位于各自開口的上游，其中，在每一種情況 下，一個拉瓦爾噴嘴連接至少一組拉瓦爾噴嘴的各自上游。
[0016] 優選地，在拉瓦爾噴嘴位于其上游的反應器底座中的至少一個開口是氣體分布器 裝置。
[0017] 優選地，在拉瓦爾噴嘴位于其上游的反應器底座中的至少一個開口是在底板中的 孔、閥或噴嘴。
[0018] 通過用于在根據本發明的裝置中或在根據任一上述優選的實施方式的裝置中制 備顆粒狀多晶硅的方法也可以實現本發明目的，該方法包括通過在經由加熱裝置加熱至 850-1200°C的溫度的流化床中的流態化氣體流態化硅顆粒，添加含硅的反應氣體以及在硅 顆粒上沉積硅。
[0019] 本發明還涉及一種用于在流化床反應器制備顆粒狀多晶硅的方法，該方法包括通 過經由流化床中的流化床反應器的反應器底座中的至少一個開口進料的流態