[发明专利]硅单质的生产方法及生产设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅单质的生产方法及生产设备，更具体来说，本发明涉及一种利用熔融单质硅使气态硅化合物原料发生还原反应而生产硅单质(包括多晶硅和单晶硅)的硅单质的生产方法和生产设备。

背景技术

目前，绝大多数的硅单质(尤其是多晶硅)的生产方法是改良西门子工艺，主要使用钟罩型反应器和与电极相连的8mm左右的硅芯作为沉积基底，采用高温还原工艺，通过高纯的气态硅化合物原料(比如SiHCl₃)在H₂气氛中还原沉积(化学气相沉积)而生成多晶硅。

上述化学气相沉积过程是在钟罩型的还原炉中进行的，该反应容器是密封的，底盘上安装有出料口和进料口以及若干对电极，电极上连接着直径5-10mm、长度1500-3000mm的硅芯，每对电极上的两根硅棒又在另一端通过一较短的硅棒相互连接，对电极上施加6～12kV左右的高压时，硅棒被击穿导电并加热至1000-1150℃发生反应，经氢还原，硅在硅棒的表面沉积，使硅棒的直径逐渐增大，最终达到120-200mm左右。通常情况下，生产直径为120-200mm的高纯硅棒，所需的反应时间大约为150-300小时。

然而，这种改良西门子生产工艺存在以下缺点：1)由于硅棒沉积比表面积小，反应器内空间利用率低，原料一次转化率低，产量受到限制。以实收率为8％计算，每千克三氯氢硅只能得到16.5克单质硅，大部分三氯氢硅在沉积过程中转换为四氯化硅，副产物四氯化硅经过分离后，又重新合成三氯氢硅作为原材料，这样的循环过程耗能耗电，效率低下；2)裂解过程产生的尾气成分复杂，分离成本高；3)由于采用钟罩型反应器，在硅棒长大一定尺寸(如100-200mm)后必须使反应器降温，取出产品。因此只能间歇生产，热量损失大，能耗高；和4)由于产品为棒状多晶硅，增加了破碎、包装的工序和成本，还可能会带入新的杂质(二次污染)。

为克服西门子工艺的缺点，能耗更低的流化床多晶硅生产工艺被开发出来。

中国专利申请CN101318654公开了一种流化床制备高纯度多晶硅颗粒的方法及流化床反应器，其特征在于加热区和反应区在结构上相互隔开，在反应器的加热区，通入不含硅流化气体使加热区的多晶硅颗粒处于流化状态，并通过加热装置将多晶硅颗粒加热至1000～1410℃；加热后的多晶硅颗粒输送到反应区，在反应区通入含硅气体，含硅气体在多晶硅颗粒表面发生热分解或还原，产生单质硅并沉积在颗粒表面；在反应器下部将部分粒径为0.1～10mm的多晶硅颗粒作为产品取出；在反应区上部，加入作为晶种的直径为0.01～1.0mm的多晶硅细颗粒以维持反应器内多晶硅颗粒的量。

但是，流化床工艺也存在诸如反应器壁沉积硅致使流化床内部空间减小，并且随着内壁厚度的变化，内壁热应力不均导致材质损坏，流化床气体分布器容易由于硅沉积而堵塞导致停工等缺陷，并且，流化床工艺的一次转化率也仍有待提高。

同时，不论是西门子工艺还是流化床工艺，所生产的棒状多晶硅或粒状多晶硅均需要在后续的加工步骤中通过高温熔融成液态后，才能制造出多晶硅铸锭或进而通过直拉法等制造出单晶硅，这无疑又大大增加了生产复杂度、生产成本和能量消耗，同时还存在外界杂质污染所制造的多晶硅铸锭或单晶硅的风险(二次污染)。

因此，目前的现状是，仍旧需要一种硅单质的生产方法和生产设备，其可以克服现有技术中存在的那些问题，并且可以以与现有技术相比更低的生产成本、更高的生产效率和更低的能耗，制造出纯度更高的硅单质(比如多晶硅锭及单晶硅)。

发明内容

本发明人在现有技术的基础上经过刻苦的研究发现，通过利用具有极高温度的熔融单质硅来硅化合物转化成硅单质，就可以解决前述问题，并由此完成了本发明。

具体而言，本发明涉及以下方面的技术内容：

1、一种硅单质的生产方法，其特征在于，包括使汽化的硅化合物或者汽化的硅化合物与氢气的混合气体作为硅原料气与作为硅原料液的熔融单质硅接触，而将所述硅化合物还原成硅单质的接触步骤，其中所述硅单质在生成后即融合入所述熔融单质硅中。

2、如前述任一方面所述的生产方法，其特征在于，所述硅原料液的温度为1500～2000℃，优选1600～1800℃，并且所述硅原料气的温度为60～600℃，优选150～300℃。

3、如前述任一方面所述的生产方法，其特征在于，所述硅化合物选自以如下通式(1)表示的化合物的一种或多种，

Si_nR_2n+2                        (1)