专利名称：用于制造高纯度硅的方法和装置的制作方法
用于制造高纯度硅的方法和装置本发明涉及一种用于通过硅化合物的热分解制造高纯度硅的方法以及可以实施这种方法的反应器和设备。高纯度硅一般以多级过程从冶金硅出发进行制造。在许多公知的方法中，为此首先将冶金硅转换成硅氢化合物，随后可以将其热分解成硅和氢。相应的反应顺序例如在DE 33 11 650中有所介绍。硅化合物的热分解在此方面通常要么在流化床上的高温加热的颗粒上进行，要么在分解或热解反应器内的高温加热的细丝上进行。后一工艺方式例如在EP 0181803中有所介绍，适用的流化床反应器的详细说明例如参阅EP 1 397 620、EP 1 337 463或EP 1 343 722。无论是硅化合物在流化床上的热分解还是高温加热细丝的分解，均具有重大缺陷，即需要以定期的间隔“收获”沉积的硅。进行分解的反应器为此目的必须下移，从而可以取出和置换进行硅沉积的细丝或颗粒。这一点造成很大的开支和成本。一方面所需的置换细丝或置换颗粒本身必须在复杂的过程中才能制造。另一方面，定期停止和重新启动热解反应器造成时间上和能源的明显损耗。此外，反应器在重新运行时必须彻底冲洗。本发明的目的在于，提供一种用于制造高纯度硅且不出现上述问题的技术方案。 特别是该技术方案可以使热解反应器尽可能连续运行，而不出现所提到的定期中断。该目的通过具有权利要求1特征的方法以及具有权利要求15特征的反应器和具有权利要求19特征的设备得以实现。依据本发明的方法优选的实施方式在从属权利要求 2-14中予以说明。依据本发明的反应器和依据本发明的设备优选的实施方式在从属权利要求16_18、20和21中予以说明。全部权利要求的文本因此参阅说明书的内容。用于制造高纯度硅依据本发明的方法如在开头所述的从现有技术中已知的方法那样，进行优选气态硅化合物的热分解。但与已经公知的方法相比，依据本发明的方法的特征特别是在于，硅化合物为分解而与具有高于硅化合物热分解温度的温度的载体气体混合。与现有技术中已知的方法相反，硅化合物的热分解因此不是在例如像烧红的细丝这种加热的固体表面上进行，而是主要在气相中进行。依据本发明的方法优选的特征在于，分解硅化合物所需的能量至少部分，在优选的实施方式中仅通过载体气体提供。在依据本发明的方法特别优选的实施方式中，硅化合物的分解在以液态形式由该分解获得硅的条件下进行。这例如可以通过硅化合物在高于硅熔点的温度下(特别是在彡1410°C的温度下)，特别优选在硅的熔点温度与硅的沸腾温度之间的温度下分解来进行。在这种高温下，从分解中产生的硅一般不以固体形式出现，确切地说它可以直接以液态形式获得。从高纯度硅中这样产生的熔液可以毫无问题地连续排出，由此可以避免为“收获”以固体形式沉积的硅而开头所称的定期停止和重新启动反应器。
在现有技术已知的方法中，原则上始终尝试硅化合物的热分解在细丝或流化床颗粒上在尽可能低的温度下进行，以便将所需的能耗保持在尽可能低的程度上。依据本发明的方法中的高温与此相反，首先需要更高的能源开支。但这种增加的开支至少部分由此得到补偿，即依据本发明的方法可以连续运行。免除了由于必须更换细丝或流化床颗粒而定期停止和重新启动热解反应器。与免除提供沉积专用的细丝和颗粒的必要性相组合，依据本发明的方法与所公开的现有技术相比提供显著的优点。在这里特别需要指出的是，在以液态形式获得从分解中获得的硅的条件下的硅化合物热分解的特征原则上也可以独立实现，也就是说，所要分解的硅化合物无需与加热的载体气体混合。高纯度硅例如也可以在硅化合物在相应高温加热的固体表面上分解时或通过电磁辐射，特别是热辐射以液态形式产生。高于硅熔点的所述优选分解温度不仅仅可利用加热的载体气体产生。特别是也可以将硅化合物引导通过加热到高于硅化合物的分解温度，优选高于硅的熔点，特别是在硅的熔化温度与硅的沸腾温度之间温度上的空心体(例如管)，而硅化合物事先不与所提到的加热载体气体混合。在与空心体的高温加热壁接触时和/或通过从空心体高温加热的壁发出的热辐射，可以使硅化合物产生分解。与此同时形成的硅随后可以优选在后面还要介绍的反应器内冷凝。本发明的主题因此也在于一种用于通过优选气态硅化合物的热分解制造高纯度硅的方法，其特征在于，硅化合物的热分解这样进行，即以液态形式获得从分解中获得的硅 (与如何进行分解的方法无关)。在使用加热的载体气体情况下，所提到的热分解可以特别有利地如下实现在与硅化合物混合之前将载体气体加热到高于硅熔点的温度(特别是彡1410°C的温度)，特别优选加热到硅的熔化温度与硅的沸腾温度之间的温度。与硅化合物混合之前载体气体优选加热到1410°C到5000°C之间的温度，优选 1650 0C到5000 V之间的温度，特别优选2000 V到4000 V之间的温度，特别是2000 V到 3000°C之间的温度。所使用的硅化合物优选是硅氢化合物，特别优选是四氢化硅(SiH4)。但依据本发明的方法例如也可以对氯硅烷，特别是例如三氯甲硅烷(SiHCl3)进行分解。原则上也可以设想使用在室温下为液态的硅烷，这种硅烷任选地必须在与载体气体混合之前气化。高纯度硅在本申请书的框架内此外特别是指可以直接在半导体工业中例如用于制造太阳能电池或微芯片而进一步加工的硅。载体气体此外优选是氢。这一点当然特别是在硅化合物是硅氢化合物的情况下适用。在进一步优选的实施方式中，载体气体也可以是氢和惰性气体，特别是氩的载体气体混合物。在载体气体混合物内惰性气体的含量优选为到50%。相应能量向载体气体内的投入特别是可以借助等离子发生器进行。因此优选硅化合物与作为载体气体的等离子混合，特别优选与氢等离子混合。等离子公知是部分电离的气体，其显著的比例含有自由载流子如离子或电子。等离子始终通过外部的能量输送获得，这种能量输送特别是通过热激发、辐射激发或通过静电场或电磁场的激发进行。在这里特别优选后一种激发方法。相应的等离子发生器可以商购并在本申请书的框架内无须赘述。
载体气体和硅化合物的混合物的温度一般不超过硅的沸腾温度(3280°C )，相应优选1410°C到3280°C之间的范围。在该范围内特别优选1410°C到2000°C之间的温度。特别优选所要分解的硅化合物与加热的载体气体这样混合，即使得产生的混合物具有1600°C 到1800°C之间的温度。对此重要的特别是载体气体的温度以及此外是载体气体与硅化合物之间的混合比。载体气体温度的优选范围已经提到。混合物内硅化合物的比例特别优选在5重量％到99重量％之间，特别是在5重量％到50重量％之间，特别优选在5重量％到20重量％之间。优选硅化合物与载体气体的混合物特别是在混合后直接导入反应器内。在此方面，硅化合物的热分解不是在反应器内才进行，确切地说，一般此前就已经开始。在使用加热的载体气体情况下，分解例如一般在混合过程中就已经开始。在反应器内可以结束分解和特别是在那里也可以进行混合物的至少部分分离。分解开始后，混合物不再仅包括硅化合物和载体气体，而是也包括硅蒸气和可能气态的分解产物。硅蒸气可以冷凝在反应器壁上。冷凝的硅蒸气可以重新聚集在反应器底部。聚集在分压器底部的液态硅优选以分批法或连续地或至少准连续地从反应器排出。液态硅随后可以分成份并例如通过铸造转换成适于进一步处理的形式。混合物导入反应器内优选在较高的流速下进行，以便在反应器内部达到良好的涡流。对涡流的问题下面还要详细介绍。特别优选200m/s到800m/s之间，特别是200m/s到 400m/s之间的速度。术语“导入”严格意义上不再符合这种速度，在这种速度下更适用术语高压下的“喷射”。优选混合物连续或至少准连续地导入反应器内。作为选择，混合物也可以在反应器内才形成。在这种情况下，将硅化合物和高温加热的载体气体分别导入反应器内并在进入反应器的内腔时或之后才混合，从而分解在反应器内才开始。在任何情况下，均优选分解时产生的硅蒸气在反应器内冷凝并以液态形式从反应器排出。本发明因此特别是还涉及一种通过硅化合物的热分解制造高纯度硅的方法，其特征尤其在于，硅化合物为分解而与载体气体混合，该载体气体具有热分解硅化合物的温度， 且其中产生的硅在反应器内冷凝并以液态形式从反应器排出。反应器内优选存在略高于正常压力、特别是在1013. 25mbar到2000mbar之间的压力。反应器优选是封闭的反应器，物质交换因此基本上可以仅通过下面介绍的气态分解产物的排出管道、液态硅的出口或载体气体和硅化合物或它们的混合物的单个或多个入 □通道进行。如果作为硅化合物使用硅氢化合物，那么在硅化合物分解时，除了已经提到的液态硅外，当然还获得气态氢。在依据本发明的方法一种优选的实施方式中，所获得的氢不是废气，确切地说而是作为载体气体重新使用。分解时获得的氢可以相应返回等离子发生器内，转换成高温等离子并重新与硅化合物混合。尽管硅化合物的分解作为选择，也就是在不使用加热的载体气体情况下例如将硅化合物导过相应加热的空心体(见上)而进行，但通常使用这样一种反应器。该反应器特别是用于硅的冷凝以及分离所产生的氢，这种氢在前面的过程步骤中可以继续用于制造硅化合物。依据本发明的反应器如同依据本发明的方法那样用于制造高纯度硅并特别也适用于实施该方法。该反应器包括可以导入如上所述含有加热到上述温度的载体气体的上述硅化合物的混合物的耐热内腔。该反应器为此必须采用相应耐高温的材料加衬。在这里例如适用基于石墨的内衬。此外重要的是，所获得的硅不在反应器内凝固。反应器内腔的壁工作时优选具有高于硅熔点的温度，因此不会形成固体的硅沉积。反应器应相应具有适当的绝热，以避免过度的热损失。反应器需要时也可以具有一个或多个加热装置，利用其可以将反应器的组成部分、壁和/或内腔加热到高于硅熔点的温度。但在使用载体气体的情况下，反应器的加热优选仅通过已经提到的载体气体进行。除了耐高温的内腔外，依据本发明的反应器特别是还包括气态分解产物(在优选的实施方式中特别是纯氢)的排出管道以及已经提到的液态硅的出口。对二者还要单独介绍。反应器内腔的至少一段在优选的实施方式中基本上构成为圆柱体。硅化合物和载体气体的混合物可以通过通入内腔的通道导入。该通道的口特别是设置在内腔的上部区域内，特别优选设置在基本上呈圆柱体的区段的上端，而液态硅的出口则优选处于反应器内腔的底部区域内。反应器内腔的底部可以构成为锥形，其中出口位于最低点，以便易于液态硅的排出。通过这种通道也可以将所提到的选择(例如通过与空心体高温加热的壁接触和/ 或由于空心体高温加热的壁发出的热辐射)加热的硅化合物导入反应器内。需要时通道本身形成所提到的空心体。在特别优选的实施方式中，通道正切通入反应器内腔，特别是基本上呈圆柱体的区段的上端。如果硅化合物和载体气体的混合物在高流速下(如上所述)通过这种正切通入内腔的通道导入，那么该混合物由于通道的正切口而进行高度旋转。这导致反应器内的环形涡流运动，从而使等离子、硅化合物和所形成的硅蒸气有效充分混合。在反应器的内部，特别是所形成的硅蒸气向液相的过渡问题具有重要作用。硅蒸气的快速冷凝特别是可以通过所述的涡流得到促进，但此外硅首先冷凝在上面的反应器内壁的温度当然也是一个重要因素。反应器壁的温度优选保持在较低的水平(优选在1420°C 到1800°C之间，特别是1500°C到1600°C之间)。为此反应器可以具有冷却装置，例如水冷外壳，通过其可以调节反应器内壁的温度。气态分解产物的排出管道在优选的实施方式中包括一侧敞开管形式的过滤器。该管特别是以垂直位置设置在反应器的内腔内，其中，管的敞开侧优选处于反应器底部的区域内。在那里所产生的氢可以进入管内并排出。可能带走的硅蒸气可以沉积在管的内侧并向反应器底部的方向上运动(逆流原理)。管内因此进行从氢中带走的硅蒸气的进一步分离。管优选保持在1600°C到1800°C的温度。用于制造高纯度硅的依据本发明的设备首先包括如上所述用于制造高纯度硅的反应器。该设备此外特别是还具有加热装置，在该加热装置内可以将载体气体加热到上述温度。特别优选加热装置如已经提到的那样是等离子发生器。本发明的其他特征来自结合从属权利要求对用于制造高纯度硅的依据本发明的设备的优选实施方式的下面说明。在这种情况下，在本发明的实施方式中的单个特征可以实现各自本身或相互的多个组合。所介绍的优选实施方式仅用于说明和更好理解本发明， 而不应理解为是对本发明进行限制。其中
图1示出用于制造高纯度硅的依据本发明的设备的优选实施方式的示意图。这种设备100大致可以划分为反应器101和加热装置102。后者特别是等离子发生器。在等离子发生器内，氢被加热到2000°C到3000°C之间的温度。随后将所要分解的四氢化硅与所产生的等离子混合。产生的混合物在高流速下通过反应器101正切通入宽区域圆柱体构成的内腔103内的通道喷入。内腔的内部中心垂直的位置上设置管状的过滤器 104。所喷入的混合物可以环绕该过滤器沿反应器101的内壁形成涡流，其中，形成液态硅的沉积。载体气体以及所产生的氢气随后可以进入过滤器104内，液态硅在该过滤器内可以进一步沉积。该液态硅可以聚集在反应器内腔103的下部区域内。混合物或载体气体和氢气的流动方向通过箭头示意示出。反应器101的内腔在底部区域内锥形构成。处于其最低点上的是所产生的液态硅的出口 105。
权利要求
1.用于通过热分解硅化合物而制造高纯度硅的方法，其特征在于，为进行所述分解而使硅化合物与具有硅化合物热分解温度的载体气体混合。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，分解硅化合物所需的能量至少部分、在优选的实施方式中仅唯一通过载体气体提供。
3.按权利要求1或权利要求2或权利要求1前序部分所述的方法，其特征在于，硅化合物的分解在以液态形式获得高纯度硅的条件下进行。
4.按权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，硅化合物的分解在高于硅熔点的温度下，特别是在彡1410°C的温度下进行。
5.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，载体气体与硅化合物混合之前加热到高于硅熔点的温度，特别是彡1410°C的温度。
6.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，载体气体与硅化合物混合之前加热到1410°C到4000°C之间，特别是2000°C到4000°C之间的温度。
7.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述硅化合物是硅氢化合物。
8.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述载体气体是氢。
9.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述载体气体在与硅化合物混合之前在等离子发生器内加热。
10.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将硅化合物与载体气体的混合物调整到1600°C到1800°C之间的温度。
11.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述混合物内硅化合物的比例在5 重量％到99重量％之间。
12.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将硅化合物与载体气体的混合物导入反应器内。
13.按权利要求12所述的方法，其特征在于，所述混合物以200米/秒到400米/秒之间的流速导入反应器内。
14.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，硅氢化合物热分解时产生的氢作为载体气体使用。
15.用于通过硅化合物、特别是以按前述权利要求之一所述的方法制造高纯度硅的反应器，其包括可以导入硅化合物与加热到> 1410°C的温度的载体气体的混合物的耐热内腔、气态分解产物的排出管道以及液态硅的出口。
16.按权利要求15所述的反应器，其特征在于，反应器内腔的至少一段基本上以圆柱体形式构成。
17.按权利要求15或16所述的反应器，其特征在于，该反应器具有优选正切通入内腔的通道，通过该通道可以导入硅化合物与载体气体的混合物。
18.按权利要求15-17之一所述的反应器，其特征在于，气态分解产物的排出管道包括一侧敞开管形式的过滤器，该管优选垂直设置在反应器的内腔内。
19.用于制造高纯度硅的设备，其包括按权利要求15-18之一所述的反应器。
20.按权利要求19所述的设备，其特征在于，该设备具有加热装置，在该加热装置内可以将载体气体加热到> 1410°C的温度，特别是2000°C到4000°C之间的温度。
21.按权利要求20所述的设备，其特征在于，所述加热装置是等离子发生器。
全文摘要
介绍一种用于通过热分解硅化合物制造高纯度硅的方法，其中，硅化合物为分解与具有热分解硅化合物温度的载体气体混合。此外介绍一种可以实施该方法的反应器和设备。
文档编号C01B33/029GK102307810SQ200980147790
公开日2012年1月4日 申请日期2009年11月27日 优先权日2008年11月27日
发明者A·佩特里克, C·施密德, J·哈恩 申请人:施米德硅晶片科技有限责任公司