用于流化床反應器中的分段碳化硅襯的無污染粘合材料的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及用于制造在制造多晶硅覆層的顆粒材料的流化床反應器中使用的分段碳化娃襯的碳化娃材料、粘合材料和接合部設計。
【背景技術】
[0002]由于出色的質量和熱量傳遞、增加的沉積表面和連續的生產，含娃氣體在流化床中的熱解分解是用于生產光伏和半導體工業使用的多晶硅的有吸引力的方法。與Siemens類型的反應器相比，流化床反應器以一部分能量消耗提供了明顯更高的生產速率。流化床反應器可以被高度自動化以顯著降低勞動力成本。
[0003]在流化床反應器中通過包括含硅物質例如甲硅烷、乙硅烷或鹵代硅烷例如三氯甲硅烷或四氯甲硅烷的熱解的化學氣相沉積方法制造顆粒狀多晶硅，對于本領域技術人員來說是公知的，并被包括下列專利和公布的許多文獻示例:US 8，075，692，US 7，029，632，US5，810，934，US 5，798，137，US 5，139，762，US 5，077，028，US 4，883，687，US 4，868，013，US4，820，587，US 4，416，913，US 4，314，525，US 3，012，862，US 3，012，861，US2010/0215562，US2010/0068116， US2010/0047136， US2010/0044342， US2009/0324479， US2008/0299291，US2009/0004090，US2008/0241046，US2008/0056979，US2008/0220166，US 2008/0159942，US2002/0102850, US2002/0086530 和 US2002/0081250。
[0004]在反應器中，通過含硅氣體的分解將硅沉積在粒子上，所述含硅氣體選自甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、更高級硅烷(SinH2n+2)、二氯甲硅烷(SiH2Cl2)、三氯甲硅烷(SiHCl3)、四氯化硅(SiCl4)、二溴甲硅烷(SiH2Br2)、三溴甲硅烷(SiHBr3)、四溴化硅(SiBr4)、二碘甲硅烷(SiH2I2)、三碘甲硅烷(SiHI3)、四碘化硅(Sil4)及其混合物。含硅氣體可以與一種或多種含鹵素氣體混合，所述含鹵素氣體被定義為氯氣(Cl2)、氯化氫(HC1)、溴(Br2)、溴化氰(HBr)、碘(12)、碘化氫(HI)中的任一種及其混合物。含硅氣體也可以與一種或多種其他氣體例如氫氣(?)和/或選自氮氣(N2)、氦氣(He)、氬氣(Ar)和氖氣(Ne)的一種或多種惰性氣體混合。在特定實施方式中，含硅氣體是甲硅烷，并將甲硅烷與氫氣混合。將含硅氣體與任何伴隨的氫氣、含鹵素氣體和/或惰性氣體一起導入到流化床反應器中并在反應器內熱分解，以產生沉積在反應器內部的種晶粒子上的硅。
[0005]流化床反應器中的常見問題是在高的操作溫度下，流化床中的硅覆層的粒子被用于構造反應器及其部件的材料污染。例如，已顯示，鎳從用于構造反應器部件的某些鎳合金中的基底金屬擴散到硅層中(例如硅覆層的粒子上)。在被構造用于含鍺氣體的熱解分解以生產鍺覆層的粒子的流化床反應器中，出現類似的問題。
【發明內容】
[0006]本公開涉及用于制造在制造多晶硅的流化床反應器(FBR)中使用的分段碳化硅襯的碳化硅材料、粘合材料和接合部設計的實施方式。
[0007]用于生產多晶硅覆層的顆粒材料的FBR的碳化硅襯，具有至少部分限定了反應倉室的朝內表面。所述襯的至少一部分可以包含反應粘合的SiC，其在所述襯的至少一部分朝內表面上具有低于3原子％的摻雜物和低于5原子％的外來金屬的表面污染水平。在一種實施方式中，所述部分具有合計低于3原子％的摻雜物141、6&、86、3(3、隊？38、11和Cr的表面污染水平。在獨立的實施方式中，所述部分具有低于1原子％的磷和低于1原子％的硼的表面污染水平。
[0008]在任何或所有上述實施方式中，所述反應粘合的SiC可以具有足夠低的流動金屬濃度，使得(i)在所述FBR中產生的多晶硅覆層的顆粒材料具有< lppbw的流動金屬污染水平，或者(ii)在所述FBR運行期間所述FBR中的流動金屬分壓低于0.1Pa，或者(iii)流動金屬污染< lppbw并且運行期間所述FBR中的流動金屬分壓低于0.1Pa。所述流動金屬可能包括鋁、鉻、鐵、銅、鎂、鈣、鈉、鎳、錫、鋅和鉬。在任何或所有上述實施方式中，所述反應粘合的SiC可以從太陽能級硅或電子級硅制備。
[0009]在FBR中使用的SiC襯可以從用包含鋰鹽的粘合材料粘合在一起的多個SiC區段構造而成。一個或多個所述區段可以包含反應粘合的SiC。所述粘合材料在固化之前，可以是包含2500-5000ppm作為鋰硅酸鹽的鋰和碳化硅粒子的水性漿液。在任何或所有上述實施方式中，所述粘合材料還可以包含鋁硅酸鹽。在任何或所有上述實施方式中，所述粘合材料可以具有20°C下3.5Pa *s至21Pa *s的粘度。在任何或所有上述實施方式中，所述粘合材料在固化后可以包含0.4-0.7重量％的作為鋰鋁硅酸鹽的鋰和93-97重量％的碳化硅粒子。
[0010]用于從SiC區段構建碳化硅襯的方法包括(i)通過向第一碳化硅區段的至少一部分邊緣表面施加本文所公開的粘合材料，形成至少一個覆層的邊緣表面；(2)將所述第一碳化硅區段的所述至少一部分邊緣表面與第二碳化硅區段的至少一部分邊緣表面相接，使至少一部分所述粘合材料位于所述第一碳化硅區段與第二碳化硅區段的相接邊緣表面之間；以及(3)在不含烴的氣氛下對所述粘合材料加熱，以形成粘合的第一碳化硅區段和第二碳化硅區段。加熱可以包括將所述相接的第一碳化硅區段和第二碳化硅區段在第一溫度T1下暴露于氣氛下歷時第一時段，將所述溫度升高至溫度T2，并將所述相接的第一碳化硅區段和第二碳化硅區段暴露于所述第二溫度T2下歷時第二時段以固化所述粘合材料，其中Τ2ΧΓ1。在任何或所有上述實施方式中，在加熱前，可以允許相接的SiC區段在空氣中，在環境溫度下干燥初始時段。
[0011]在任何或所有上述實施方式中，當用所述粘合材料聯結兩個SiC區段時，所述第一 SiC區段的邊緣表面與所述第二 SiC區段的相鄰邊緣表面中的一個可以限定陰接頭部分。所述第一 SiC區段的邊緣表面與所述第二 SiC區段的相鄰邊緣表面中的另一個可以限定陽接頭部分，該陽接頭部分的尺寸協同地使得與所述陰接頭部分配合。所述陽接頭部分具有比所述陰接頭部分更小的尺寸，由此當兩個SiC區段相接時形成間隙。所述粘合材料被配置在所述間隙內。
[0012]在某些實施方式中，分段的SiC襯包括多個豎直堆疊的SiC區段。第一 SiC區段具有上緣表面，其限定了向上開口的第一區段的凹陷或向上延伸的第一區段的突起。位于所述第一區段上方并與其相接的第二 SiC區段具有下緣表面，如果所述第一區段的上緣表面限定向上延伸的第一區段的突起的話，所述下緣表面限定了向下開口的第二區段的凹陷，或者如果所述第一區段的上緣表面限定向上開口的第一區段的凹陷的話，所述下緣表面限定了向下延伸的第二區段的突起。所述突起被接納在所述凹陷內。所述突起具有比所述凹陷更小的尺寸，使得所述凹陷的表面與所述突起的表面相隔，并且在所述凹陷與所述突起之間存在間隙。一定量的粘合材料被配置在所述間隙內。
[0013]每個所述第一 SiC區段和第二 SiC區段可以限定管狀壁。所述第一管狀壁具有環形上表面，所述上緣表面是其至少一部分，并且所述第一區段的凹陷是沿著所述上緣表面的至少一部分延伸的溝槽，或者所述第一區段的突起從所述第一區段上緣表面的至少一部分并沿著其向上延伸。所述溝槽或突起可以圍繞整個環形上表面延伸。所述第二管狀壁具有環形下表面，所述下緣表面是其至少一部分，并且所述第二區段的突起是從所述下緣表面的至少一部分并沿著其向下延伸的突起，或者所述第二區段的凹陷是由所述第二區段下緣表面的至少一部分限定并沿著其延伸的溝槽。所述突起或凹陷可以圍繞整個環形下表面延伸。在任何或所有這些上述實施方式中，第二 SiC區段可以包括限定了向上開口的第二區段的凹陷的上緣表面。
[0014]在任何或所有上述實施方式中，所述分段的SiC襯可以包括一個或多個其他SiC區段。每個其他SiC區段可以包含限定了向上開口的凹陷的上緣表面和限定了向下延伸的突起的下緣表面。所述突起被接納在位于其他SiC區段下方并與其相接的相鄰SiC區段的上緣表面的凹陷內，所述突起具有比相鄰的SiC區段的凹陷更小的尺寸，使得在所述突起與凹陷之間存在間隙。一定量的所述粘合材料配置在所述間隙內。
[0015]在任何或所有上述實施方式中，所述分段的SiC襯還可以包括末端SiC區段，其是所述襯的最上方區段。在某些實施方式中，所述末端SiC區段位于所述第二 SiC區段上方并與其相接。或者，它可以位于其他SiC區段上方并與其相接，所述其他SiC區段位于所述第二 SiC區段上方。在某些實施方式中，所述末端SiC區段具有限定了向下延伸的末端區段的突起的下緣表面，所述突起被接納在與所述末端SiC區段相鄰并位于其下方的SiC區段的凹陷內，所述突起具有比所述凹陷更小的尺寸，使得在所述突起與凹陷之間存在間隙。一定量的所述粘合材料配置在所述間隙內。
[0016]在某些實施方式中，分段的SiC襯包括管狀壁，其包含多個側向聯結的SiC區段，每個側向聯結的SiC區段具有側緣和作為所述管狀壁外表面的一部分的外表面。一定量的粘合材料被配置在相鄰SiC區段的相接側緣之間。
[0017]在一種實施方式中，所述管狀壁的每個SiC區段包含第一側緣表面和第二側緣表面，第一側緣表面限定了沿著所述第一側緣表面的至少一部分長度側向開口的凹陷，第二側緣表面限定了沿著所述第二側緣表面的至少一部分側向延伸的突起。所述突起具有比所述凹陷更小的尺寸，使得當第一 SiC區段的第一側緣相接到相鄰SiC區段的第二側緣時，所述凹陷的表面與所述突起的表面相隔，并且在所述凹陷與所述突起之間存在間隙。所述一定量的粘合材料被配置在所述間隙內。
[0018]在另一種實施方式中，所述管狀壁包含側向聯結的交替的第一 SiC區段和第二SiC區段。每個第一 SiC區段包含第一側緣表面，其限定了沿著所述第一側緣表面的至少一部分長度側向開口的凹陷。每個第二 SiC區段包含第二側緣表面，其限定了沿著所述第二側緣表面的至少一部分長度側向延伸的突起，當所述第一區段的第一側緣相接到所述第二側緣時，所述突起具有比所述第一側緣表面的凹陷更小的尺寸。當所述第一區段的第一側緣相接到所述第二側緣時，所述