[发明专利]用于经由化学气相沉积处理的材料生产的筒形反应器

说明书

技术领域

本专利申请通过引用的方式合并2009年10月22日提交的名称为“通过大表面积气-固或气-液界面的高纯度硅的沉积和经由液相的回收（Deposition of high-purity silicon via high-surface-area gas-solid or gas-liquid interfaces and recovery via liquid phase）”的美国专利申请No.12/597,151（“′151专利申请”）的全部内容。本申请也通过引用的方式合并与上述专利申请同时提交的名称为“用于经由化学气相沉积处理的材料生产的沉积筒（DEPOSITION CARTRIDGE FOR PRODUCTION OF MATERIALS VIA THE CHEMCIAL VAPOR DEPOSITION PROCESS）”（其申请号在获知后增加）的共同未决申请的全部内容。本专利申请还要求2011年7月1日提交的名称为“用于高纯度的非结晶硅和晶体硅及其他材料生产的沉积筒（Deposition cartridge for production of high-purity amorphous and crystalline silicon and other materials）”的美国临时专利申请No.61504148（“′148临时专利申请”）的优先权，以及2011年7月1日提交的名称为“用于高纯度的非结晶硅和晶体硅及其他材料生产的筒形反应器(Cartridge reactor for production of high-purity amorphous and crystalline silicon and other materials)”的美国临时专利申请No.61504145（“′145临时专利申请”）的优先权，其全部内容在此以引用的方式并入本文。在′151专利申请中，术语“沉积板”被定义为硅在其上进行沉积的表面，但在该专利申请中，当描述实际的物理构件时，为了更清楚的目的，将“沉积表面”定义为材料在其上进行沉积的表面，而“沉积板”定义为材料在其上，优选地在两个侧面及一个或多个边缘上进行沉积的实际物理平板（相对于其边缘，其侧面具有大得多的表面积的物体）。因此，沉积板的侧面和边缘是沉积表面。将术语“沉积筒”定义为配电柱与固体沉积板的组合或简单地定义为曲折模式的沉积板，其中的任意一个可合并有绝缘层或间隔件。将术语“西门子（Siemens）反应器”定义为沉积反应器，其最初设计为利用籽晶杆。

背景技术

′151专利申请描述了西门子反应器的限制，其包括：

1.多晶硅杆的低平均表面积，其导致低体积沉积率并因此导致西门子反应器的较低生产率（通过给定时间段内多晶硅的生产量来进行测量，通常每年数公吨）。

2.多晶硅杆的表面积与体积的低比率，其导致高能耗，该能耗是为了实现延长时段内的沉积而保持所需表面温度，该延长时段是为了实现目标沉积体积所需的延长时段。

3.杆采伐过程中劳动密集和易于污染的特性。

′151专利申请描述的发明通过提供高表面积电热沉积板克服了这些限制。硅以高体积率通过化学气相沉积（CVD）处理沉积在这些板上，然后通过额外的板加热来进行回收。额外的加热在板界面处产生很薄层的沉积多晶硅以液化，并且沉积的多晶硅的固体硬皮可通过机械方式或借助重力从板上拉离。在西门子反应器中使用大尺寸板相对于使用常规籽晶杆，增加了反应器的生产率，然而，相对于使用籽晶杆，使用小尺寸板减少了反应器的能耗，同时保持相同的生产率。然而，西门子反应器还存在进一步限制，包括但不限于：

1.从杆至反应器壁的高辐射能损耗，必须对反应器壁进行冷却，以防止多晶硅除了沉积到杆上之外沉积到壁上。

2.由于沉积表面积与反应器总空腔容积的低比率导致的沉积气体分子与沉积表面积的低接触百分率。相对于由反应平衡决定的理论转化率，低接触百分率导致气体中的硅至杆上的硅的低实际转化率。

发明内容

本发明通过使沉积反应发生在密封的坩埚内部而不是水冷反应器的整个空腔内部而克服了上述西门子反应器的限制。由于导致待生产材料的损失，反应器内壁上的沉积是不理想的，而坩埚内壁上的沉积是实际所需的，其由于额外的沉积表面积而增加了体积沉积速率。坩埚本身位于筒形反应器内部，其在坩埚和反应器壁之间可具有热屏蔽件，以显著减少辐射能损耗。通常西门子反应器中使用的高达60%-70%的能量被损耗至其未被屏蔽的水冷壁中。