[发明专利]用于将四氯化硅转换成三氯硅烷的装置及方法

说明书

技术领域

本发明一般而言涉及用于氯硅烷的氢化的装置及方法。更特定而言，在某些实施例中，本发明涉及用于将四氯化硅(STC)转换成三氯硅烷(TCS)的装置及方法。

本专利申请案主张皆于2011年6月21日提出申请的美国临时专利申请案第61/499,451号及美国临时专利申请案第61/499,461号的权益，该等申请案的揭示内容由此以其全文引用方式并入本文中。

背景技术

化学气相沉积(CVD)反应器用以产生用于基于硅的太阳能晶圆及电池中的关键原材料的多结晶硅(多晶硅)。多晶硅亦用以制作用于微电子应用的半导体晶圆。用于产生多晶硅的最广泛使用的方法是西门子反应器制程，其已存在达约五十年之久。在此制程中，将高温多晶硅棒放置于一反应器中，且使三氯硅烷(TCS)气体在此等棒上方经过。气体中的硅沉积于该等棒上，且当该等棒生长得足够大时，将其自该反应器移除。最终产物呈多晶硅棒或多晶硅块的形式，其可被进一步处理成锭，接着切成制成太阳能电池(举例而言)的晶圆。

用于制造多晶硅的基于CVD的西门子制程产生大量副产物四氯化硅(STC)。举例而言，针对所产生的每一kg多晶硅，最大约20kg的STC作为一副产物制成。然而，借由使STC与呈气相的氢在高温下反应来将STC转换回至TCS是可能的。可接着将产物TCS回收利用至CVD反应器以用于产生更多多晶硅。若不可回收利用STC，则将存在主要原材料TCS的一巨大损失及用于处置副产物STC的一成本。

为使STC与氢有效地反应以形成TCS，需要高反应物气体温度(例如，大于900℃)。用于将STC转换成TCS的当前商业系统使用具有用以加热反应物气体的电加热式石墨棒的改进西门子CVD反应器。此设备具有若干问题。举例而言，由于CVD反应器具有一高体积对经加热棒表面面积比率，因此该反应器中的局域速度及热传递系数低。因此，需要极高棒表面温度(例如，大于1400℃的温度)以将反应物气体加热至充分温度。此外，改进CVD反应器具有一大、沉重底板，该底板是昂贵的且使得添加用于热回收的热交换器设备不方便。

此外，一改进CVD反应器中的经加热石墨棒需要大量电连接。举例而言，该反应器可需要每发夹两个至四个电连接，该等电连接全部是棒失效及错误接地故障的一潜在源。

此外，CVD反应器具有外壳的一高辐射热损失，此浪费大量能量。当前改进CVD反应器使用绝缘物以减小壁的热损失，且以用于热回收的一基本热交换器为特征。该绝缘物是昂贵的，乃因其必须由在一高温环境中不反应的材料制成，且其必须装配于加热棒的外部四周处。由于所涉及的在高温下与反应物气体反应所致，较廉价绝缘材料不展示一充足寿命。绝缘物本身将加热几乎至加热棒的温度。在使用绝缘物及一基本热交换器的情形下，用于将STC转换成TCS的一改进CVD反应器每千克所制造的TCS需要至少1.5KWhr能量，其是相当高的。同样地，转换器的各种关键组件具有有限的寿命且必须定期地更换--包含加热组件、电连接、绝缘物及热交换器的组件。

已提出用于将STC转换成TCS的为特定目的构建的(非改进)系统，其允诺与改进CVD反应器相比，构建起来更节能且更廉价。然而，此等为特定目的构建的系统不被广泛地使用，且亦不市售。美国专利第7,442,824号阐述一种为特定目的构建的STC至TCS转换器，该转换器具有涂布有碳化硅(SiC)以防止此等组件在高温反应环境中的污染及降格的加热组件及一反应器壁。该转换器采用如改进CVD反应器中所使用的石墨加热棒。

因此，需要适用于商业使用的一更有效STC至TCS转换器。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种用于氯硅烷的氢化的装置。该装置包含：(i)一热交换器，其经组态以在一反应物气体与一产物气体之间交换热，其中该反应物气体包含氢及氯硅烷；(ii)一环形加热区，其经组态以自该热交换器接收该反应物气体，该加热区包含经组态用于与该反应物气体直接接触以经由对流热传递产生一经加热反应物气体的一加热组件；及(iii)一反应室，其经组态以将该经加热反应物气体转换成该产物气体，其中该加热组件围绕该反应室具有一环形构形。