[发明专利]用于生产硅的反应器和方法

说明书

技术领域

本发明涉及生产用于太阳能电池和电子器件的硅。更具体地，本发明涉及用于生产硅的反应器和方法以及该反应器的用途。

发明背景和现有技术

为了满足未来能源需求，必须要开发利用可再生的非污染能源的新技术。在此背景下，太阳能是最感兴趣的能源之一。

硅是电子工业和太阳能工业中关键的原材料。虽然对于具体应用，存在可替代的材料，多晶硅和单晶硅在可预见的未来仍将是优选的材料。在生产多晶硅时改进的可利用率和改进的经济性将提高在电子工业和太阳能工业中的发展机会以及增强太阳能作为可再生能源的用途。

为了生产足够纯度以用于太阳能或电子器件中的硅，现在普遍使用化学气相沉积方法。对于CVD，不同版本的西门子工艺是用于生产多晶硅最普遍的方法。将含硅气体例如硅烷或三氯硅烷或其他气体例如氢气或氩气供给到容器中并且硅沉积在电阻加热棒上。能量需求和劳动需求高。在专利公布US3,979,490中给出了该工艺的更详细的描述。当今CVD反应器且尤其是西门子反应器的一个问题是它们仅利用被供给到反应器中的部分反应气体。大部分气体直接通过反应器并且作为残余气体的一部分从反应器中散逸。该问题的产生是由于以下事实：仅仅是气体扩散来驱动反应器内的反应气体。这导致慢的气体流动并且大部分反应气体在从反应器散逸之前从未到达反应表面。为了避免浪费未利用的含硅气体，需要使来自CVD反应器的废气经受全面的且昂贵的清洁过程。

CVD的另一种较少普遍使用的方法是流化床，其中硅晶种颗粒被上升的气流包围并被保持在上升的气流中，由于气流包含含硅气体，所以硅可从含硅气体中沉积在晶种颗粒上。使用该流化床的优点是硅可沉积到其上的巨大的表面积，这实现增强地且连续地生产的可能性以及较低的能耗。然而，实际上难以获得将已生长成足够大的颗粒取出的实用且简单的方法。更确切地说，难以控制流化床反应器中的颗粒大小，且非常难以控制操作的反应器中的颗粒的分布。颗粒的不均匀分布影响流动状态，这又影响温度分布和硅的沉积。该方法需要从反应器外添加新的颗粒或在操作期间在反应器中形成小的颗粒。排出反应器底部中的大的颗粒以及添加尺寸将增大的小的颗粒需要同时控制许多参数，已证明随着时间推移，这在实际操作中是非常困难的。流化床反应器的普遍问题是颗粒一起生长且逐渐阻止流化以及硅不期望地沉积到反应器和喷嘴的内表面上，这使得喷嘴和反应器容积件(reactor volume)堵塞，从而终止生产。在专利公布US4.818.495第2栏第40行至第3栏第20行中和在专利公布US5.810.934中讨论了该问题。这些专利还包括了对具有流化床和附属装置的CVD方法以及包括气体混合物、沉积温度的生产硅的操作参数以及问题和限制在内的详尽说明。

当今CVD反应器的普遍问题是小的硅尘粒(称为细粉(fine))在反应器内部形成。这种问题在如果气体在接近反应表面之前达到分解温度时发生，当小的气体漩涡形成时，会发生气体在接近反应表面之前达到分解温度。这些小的硅颗粒不沉积到反应表面上而通过残余气体从反应器散逸。随着时间，细粉构成显著量的硅，该显著量的硅仅到一定程度时才被利用。需要相对于上述问题中的一个或多个问题有利的可选择的技术的需求。

通过以下发明部分满足了所述需求：在2009年5月29日专利公开NO20092111的专利中应用Dynatec Engineering。所述发明提供了通过化学气相沉积生产硅的反应器，该反应器包括形成容器的反应器主体、用于含硅气体的至少一个入口、至少一个出口、以及作为反应器的一部分或可操作地布置到反应器的至少一个加热设备。该反应器是独特的，因为反应器主体的至少一个主要部分用硅制造即由硅制成，该部分暴露于化学气相并且被加热以在所述部分上沉积硅。

上述反应器的基本思想是暴露于含硅气体的所有部分或重要部分的材料由有利地具有高纯度的硅或由其他非污染材料制成，使得硅有意地沉积可被控制成发生在所述材料上。避免或减少了与使硅与其他材料分离有关的已知问题以及与堵塞有关的多种问题。同时，存在可如何构建和操作反应器(包括可如何实现加热)的许多另外的可能性。然而，在NO 20092111中既未描述或指示反应器入口的任何具体方位，也未描述或指示除流化床外的任何具体的流动模式，因此本发明的目的是进一步改进用于生产硅的反应器和方法。

发明概述