[发明专利]用于在多晶硅生产工艺中使用液态氮提纯硅烷的系统和方法

说明书

技术领域

本系统和方法涉及在多晶硅生产工艺期间的中间工艺流(process stream)的低温冷却，且更具体而言，涉及用于在流化床多晶硅生产工艺中提纯硅烷期间的制冷回收的方法和系统。

背景技术

已经开发了用于生产多晶硅的许多工艺，包括传统Siemens(西门子)工艺、Hemlock工艺、Ethyl 公司开发的流化床工艺、Union Carbide(联合碳化物)工艺和Komatsu(小松)工艺。在常用的Siemens工艺中，高纯度的硅棒在1150℃下暴露于三氯硅烷。三氯硅烷气体将附加的硅分解和沉积到电加热的硅棒上，根据诸如以下的化学反应来扩大(enlarge)硅棒：

2HSiCl₃→Si+2HC1+SiCl₄

由该工艺或类似的工艺生产的硅被称为多晶硅。由于硅籽晶棒的高电阻率，故Siemens工艺需要两个电源--一个用于将棒预热到传导状态，而第二个用于通过传导来使棒过热。来自热硅棒的大部分能量辐射到覆盖Siemens反应器的水冷式钟罩中。

在用于制造多晶硅的流化床工艺中，纯硅球(pallet)在高温反应容器中由微小的纯硅籽晶长成多晶硅颗粒。该工艺使用氟化硅作为前驱体(precursor)材料，以产生硅烷SiH₄。氟化硅是很容易获得的，且是多种工业的相对较便宜的废弃副产物。图1中绘出了用于生产多晶硅的流化床工艺的概视图。

制造多晶硅的流化床工艺提供了相比于用于生产多晶硅的Siemens工艺的一些显著的经济优点。由于分解在较低的温度下操作，故在流化床工艺中较大地减少了能量损失和因此的能量消耗，且不需要冷却钟罩。流化床工艺中的另一个优点在于可连续地构造和操作很大的反应器，进一步降低了资金成本和操作成本。与Siemens工艺不同，用于制造多晶硅的流化床工艺中的最终产物为可具有一些商业优点(如，在需要将多晶硅连续给送到客户的工艺中时)的小多晶硅颗粒。

在图1中示出的用于生产多晶硅的流化床工艺中，氟化硅被蒸馏成氢中硅烷(silane in hydrogen)的气态进料。在氟化硅蒸馏之后，流入的(influent)气态硅烷进料在提纯单元中提纯/分离，且在流化床中热分解，以产生多晶硅。将硅籽晶微粒引入由硅烷和氢流(stream of silane and hydrogen)维持的流化床中。来自于分解的硅烷的硅附着到流化床反应器中的籽晶微粒上，该籽晶微粒在其自由落到反应器底部期间长成颗粒大小的小球。在引入到流化床反应器中之前，包括氢中硅烷的流入的气态进料通过一系列热交换器和经济器来提纯/分离，热交换器和经济器使用液态氮和气态氮来分离这些中间工艺流，即，分离成氢流(hydrogen stream)和硅烷流。 

图2中绘出了用以分离流化床多晶硅生产工艺中的中间工艺流的现有技术方式的实例。如其中看到的那样，以大约每小时975kg的流量的硅烷和氢的进入(incoming)气态进料(12)大体上包括在大约25℃的温度下和在大约0.66MPa的压力下的大约2%的硅烷(SiH₄)和98%的氢(H₂)。该进入气态进料或工艺流(12)在一系列热交换器和经济器中被冷却到预定的最终温度，在该温度下，硅烷与氢在分相器中分离。

冷却流入的工艺流(12)的该多级顺序包括经济器(13)，该经济器(13)使用冷氢气(22)来将硅烷和氢气流(12)预冷到大约-80℃的温度。然后将该预冷的硅烷和氢流(14)引导到相对较小的第二经济器(15)中，第二经济器(15)使用大约-164℃的气态氮(32)来将预冷的硅烷和氢流(14)进一步冷却到大约-144℃的中间温度。将产生的冷却的硅烷和氢流(16)引导到低温热交换器(17)中，在低温热交换器中，以大约-179℃的液态氮来将其冷却到大约-165℃的最终预定的工艺温度。完全冷却的硅烷和氢流(18)被引导到分相器(19)中，在该分相器中，硅烷冷凝成待引导到流化床中的液态产物(20)，且在大约-160℃下的产生的冷氢气(22)被引导回经济器(13)中，以预冷流入的工艺流(12)。用过的氢流(24)被排放或在工厂中的别处使用。