[发明专利]硅石的还原

说明书

技术领域

本发明涉及将硅石还原成硅的方法和反应器。

背景技术

半导体工业对高纯度金属硅的需求与日俱增。目前用于生产高纯度硅的方法包括卤化硅(例如四氯化硅或三氯化硅)的还原，硅烷的氧化和利用元素碳或氢对硅石进行还原。这些方法的缺点在于产生毒性或污染性副产物，从而产生副产物处置和/或从产物中分离副产物的问题。将氢用作还原剂时需要格外注意排除氧，以避免爆炸。

发明概述

本发明第一方面提供了硅的生产方法，该方法包括使硅石与包含一氧化碳的还原气体反应，其中，所述还原气体不含元素碳。

优选地，所述还原气体通过元素碳与氧的反应而产生。

优选地，使硅石与所述还原气体在加热反应室内反应。

优选地，所述加热反应室的温度是受控的，且硅石与还原气体在高于硅的熔点的温度下反应。

优选地，在硅凝固前对其进行除气。

来自所述方法的废气可以被氧化从而将废气中的基本所有的一氧化碳转化为二氧化碳，由此产生氧化废气。

所述氧化废气可用于预热所述方法的原料。

优选地，所述硅石的纯度为至少约99.9重量％。

本发明第二方面提供了由本发明第一方面的方法产生的硅。

本发明第三方面提供了用于生产硅的反应器，所述反应器包括：

碳燃烧室，其用于使碳与氧反应生成包含一氧化碳的还原气体，其中，所述还原气体不含元素碳；

反应室，其用于使该不含元素碳的还原气体与硅石反应，且所述反应室与碳燃烧室连通；

控温器，其用于控制所述反应室的温度；

硅石进料口，其与所述反应室连通，用于向所述反应室导入硅石；和

硅出料口，其与所述反应室连通，用于将硅导出所述反应室。

优选地，所述反应器还包括用于将从所述反应室导出的硅除气的除气器。

优选地，所述反应器还包括用于在硅石进入所述反应室之前预热硅石的硅石预热器。

优选地，所述反应器还包括至少一个用于预热碳或氧或者碳和氧两者的预热器。

所述反应器可以包括管道，该管道用于将来自所述反应室的废气、由氧化所述废气而获得的氧化废气，或所述废气或氧化废气两者传递至至少一个用于将碳、氧和硅石中的至少一种预热的预热器。

所述反应器可以包括用于将来自所述反应室的废气中的一氧化碳氧化成二氧化碳，从而产生氧化废气的废气燃烧室。

优选地，所述反应器还包括一个或多个用于控制碳、氧和硅石中的一种或多种的流动的控流器。

优选地，所述反应室与储热器热连通。

本发明第四方面提供了硅的生产方法，所述方法包括：

提供反应器，所述反应器包括用于使碳与氧反应生成包含一氧化碳的还原气体的碳燃烧室，所述还原气体不含元素碳；

反应室，用于使该不含元素碳的还原气体与硅石反应，其中，所述反应室与碳燃烧室连通；控温器，其用于控制所述反应室的温度；

硅石进料口，其与所述反应室连通，用于向所述反应室导入硅石；和硅出料口，其与所述反应室连通，用于将硅导出所述反应室；

向所述碳燃烧室供应氧和碳；使碳和氧反应生成包含一氧化碳的还原气体，所述还原气体不含元素碳；

向所述反应室供应还原气体和硅石；并

使所述还原气体与硅石反应生成硅和废气。

本发明第五方面提供了本发明第四方面的反应器在硅的生产中的应用。

所述方法还可以包括通过元素碳与氧的反应产生一氧化碳的步骤。在这种情况下，碳与氧的比例可以是使一氧化碳中没有元素碳。碳与氧的比例应使所有氧被耗尽。所述方法可以包括在硅石与还原气体的反应步骤之前从还原气体除去元素碳。硅石与还原气体的反应产生硅，并将还原气体转化成废气。

来自该方法的废气可用于在该方法使用原料前将该方法的原料预热。来自该方法的废气可以被氧化，从而将废气中的基本所有的一氧化碳转化为二氧化碳，由此产生氧化废气。所述氧化废气可用于在该方法使用原料前将该方法的原料预热。这样，该方法中通过氧化工序产生的热能和/或向该方法输入的热可以被循环利用，从而减少该方法的能耗或使该方法的能耗最小化，和/或改善该方法的能量效率。此外，废气的氧化降低了其毒性，使其更适合释放至大气中。