專(zhuān)利名稱(chēng)：一種等離子體還原四氟化硅生產(chǎn)多晶硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)多晶硅的方法，更具體地說(shuō)是一種以四氟化硅和氫氣為原料 生產(chǎn)多晶硅或多晶硅片的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，作為半導(dǎo)體或太陽(yáng)能發(fā)電電池的原料使用的多晶硅的生產(chǎn)方法有很多 種，其中有幾種已經(jīng)在工業(yè)上實(shí)施。例如，申請(qǐng)?zhí)枮?00710121059《生產(chǎn)多晶硅的方法》的專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)了一種方法
以工業(yè)硅和氯化氫為原料，反應(yīng)生成三氯氫硅；將所述三氯氫硅經(jīng)提純后與氫氣反應(yīng)，從而 還原生成多晶硅；收集生成三氯氫硅、提純?nèi)葰涔韬蜕啥嗑Ч柽^(guò)程產(chǎn)生的尾氣，進(jìn)行處 理后回收利用。申請(qǐng)?zhí)枮?2137592《用三氯氫硅和四氯化硅混合源生產(chǎn)多晶硅的方法》的專(zhuān)利申 請(qǐng)，公開(kāi)了一種方法將西門(mén)子法多晶硅生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生及回收后精練提純的SiCl4與SiHCl3 一起進(jìn)入還原爐，控制一定的流量，并將還原溫度提高到1145°C 1155°C，爐身、爐底溫度 保持150°C，即可獲得快速的硅沉積速率，即在爐內(nèi)硅棒上制得多晶硅產(chǎn)品。申請(qǐng)?zhí)枮?00780028580《多晶硅的制備方法及多晶硅的制備設(shè)備》的專(zhuān)利申請(qǐng)， 公開(kāi)了一種方法使三氯硅烷與氫氣反應(yīng)生成硅和流出物的步驟，來(lái)生產(chǎn)多晶硅并處理生 產(chǎn)過(guò)程的尾氣。其中，所述流出物包括含有四氯化硅的甲硅烷類(lèi)(式SiHnCl(4_η)，η = 0 4)、和至少含有丙硅烷類(lèi)或丁硅烷類(lèi)的聚合物；通過(guò)將上述流出物與氫氣供給到轉(zhuǎn)化反應(yīng) 器中、并在600 1400°C的范圍加熱，使所述四氯化硅反應(yīng)轉(zhuǎn)化為三氯硅烷、并使所述聚合 物反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲硅烷類(lèi)。申請(qǐng)?zhí)枮?00610010654《一種制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的方法》的專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)了 一種方法采用冶金級(jí)硅作為原料，經(jīng)破磨后得粒度為50目以上的硅粉物料，硅粉物料分 別用濃度為1 6mol/L的鹽酸、濃度為0. 5 6mol/L的硝酸和濃度為1 5mol/L的氫氟 酸進(jìn)行酸浸處理，酸浸后加入真空爐內(nèi)進(jìn)行真空精煉處理，真空精煉分兩階段，第一階段為 真空氧化精煉，控制爐內(nèi)溫度為1430 1500°C，真空度為90000 lOOOPa，第二階段，即真 空蒸餾精煉和真空脫氣階段，控制爐子真空度10_2 10_5Pa，溫度1430 1500°C，最后經(jīng)定 向凝固及切頭處理，獲得太陽(yáng)能級(jí)多晶硅產(chǎn)品。其硅的純度為99. 9999%以上，比電阻超過(guò) 0. 4Ω · cm,以滿(mǎn)足太陽(yáng)能電池行業(yè)所需硅原料的要求。申請(qǐng)?zhí)枮?00710063653《多晶硅的等離子生產(chǎn)方法及其裝置》的專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)了 一種方法把作為原料的硅烷或鹵代硅烷氣體與氫氣經(jīng)預(yù)熱后通入溫度為1450 1550°C 的等離子轉(zhuǎn)換室，混合物在瞬間被加熱到等離子狀態(tài)，在冷卻過(guò)程中生成硅單體的液體或 細(xì)粉末和氣體副產(chǎn)物，液體硅單體經(jīng)液態(tài)硅流出口流出，硅單體細(xì)粉末和氣體副產(chǎn)物進(jìn)入 尾氣分離室進(jìn)行分離，分離出的氣體副產(chǎn)品進(jìn)入尾氣儲(chǔ)存罐。申請(qǐng)?zhí)枮?00710045392《制造太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的裝置及其方法》的專(zhuān)利申請(qǐng)，公 開(kāi)了一種方法選用磷和硼含量低的工業(yè)硅料，放入熔煉坩堝，并把坩堝放入真空室內(nèi)，先抽成真空，再在等離子體發(fā)生器和中頻感應(yīng)線(xiàn)圈的作用下，把硅料熔化為硅液，保持硅液溫 度為1410 1800°C，然后通過(guò)增加感應(yīng)線(xiàn)圈的功率，把硅液懸浮，而后向等離子槍中通入 反應(yīng)氣體，產(chǎn)生等離子體，使反應(yīng)氣體與硅液中的雜質(zhì)反應(yīng)，除去硅中的雜質(zhì)后，把硅液定 向凝固成型，切去雜質(zhì)富集的頭尾部分，其余部分就成為可用于太陽(yáng)能級(jí)的多晶硅產(chǎn)品。以上方法，總是存在以下不足中的一項(xiàng)或多項(xiàng)1、投資巨大；每噸多晶硅產(chǎn)能的投資額高達(dá)100萬(wàn)元以上。2、原料利用率低。3、高能耗。4、生產(chǎn)成本高。5、尾氣或副產(chǎn)品處理難度大。6、環(huán)境污染嚴(yán)重。7、產(chǎn)品質(zhì)量差。8、生產(chǎn)過(guò)程的一些氣體，易燃易爆，極易發(fā)生爆炸事故，安全性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝路線(xiàn)新穎、合理，裝備要求 低，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的低能耗生產(chǎn)多晶硅的方法，該方法以四氟化硅和氫氣為原料，生產(chǎn)多 晶硅或多晶硅片。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種等離子體還原四氟化硅生產(chǎn)多晶硅的方法，具 體步驟如下把作為原料的四氟化硅氣體和氫氣混合后通入已充滿(mǎn)氫氣的等離子反應(yīng)器 內(nèi)，在等離子體的作用下，四氟化硅氣體和氫氣瞬間被加熱至1200°C 3500°C并發(fā)生化學(xué) 反應(yīng)，生成多晶硅固體和氟化氫氣體；生成的多晶硅固體、氟化氫氣體、未反應(yīng)的四氟化硅 氣體和氫氣共同進(jìn)入氣固分離裝置，多晶硅固體被分離出來(lái)，純度可達(dá)到99. 9999%以上， 成為產(chǎn)品；氟化氫氣體、未反應(yīng)的四氟化硅氣體和氫氣一起進(jìn)入冷凝器，氟化氫被冷凝為液 體，四氟化硅氣體和氫氣重新返回到等離子體反應(yīng)器。優(yōu)選的，在對(duì)等離子反應(yīng)器進(jìn)行抽真空前將多晶硅襯底材料即基板或基片放入等 離子體反應(yīng)器內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)生成的多晶硅可直接在襯底材料上沉積出多晶硅薄膜；當(dāng)沉積 的多晶硅薄膜達(dá)到一定厚度時(shí)，即可從等離子體反應(yīng)器中取出，作為制造多晶硅薄膜太陽(yáng) 能電池的原料。優(yōu)選的，四氟化硅氣體的純度為99. 99% 99. 999% ；氫氣的純度為99. 9999% 99. 99999% ο優(yōu)選的，四氟化硅氣體和氫氣混合時(shí)的摩爾比值為1 2 1 10。優(yōu)選的，氟化氫氣體被冷凝為液態(tài)的溫度為-15°C 10°C，在此溫度下，未反應(yīng)的 四氟化硅氣體和氫氣仍然是氣體狀態(tài)，可以返回到混合器內(nèi)或等離子反應(yīng)器內(nèi)。優(yōu)選的，在四氟化硅氣體和氫氣通入等離子反應(yīng)器之前，等離子反應(yīng)器及系統(tǒng)內(nèi) 的所有裝置先抽真空，然后通入氫氣進(jìn)行系統(tǒng)氣流清洗，清洗后使整個(gè)系統(tǒng)充滿(mǎn)氫氣；開(kāi)啟 等離子反應(yīng)器電源，等離子反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生等離子體。本發(fā)明所提供的制備方法，涉及到的主要化學(xué)反應(yīng)原理如下a.四氟化硅與氫氣反應(yīng)，生成硅和氟化氫
SiF4+H2 — Si J, +2HF 個(gè)與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果1、工藝路線(xiàn)新穎、合理，裝備要求低，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。2、設(shè)備簡(jiǎn)單，投資省；每噸多晶硅的投資額只有現(xiàn)有多晶硅生產(chǎn)線(xiàn)的幾十分之一。3、生產(chǎn)過(guò)程操作簡(jiǎn)單、方便、可形成全自動(dòng)化控制系統(tǒng)。4、生產(chǎn)過(guò)程能耗很低，原材料消耗很低，而且原材料很廉價(jià)，可大大降低多晶硅的 生產(chǎn)成本。5、產(chǎn)品質(zhì)量可符合太陽(yáng)能級(jí)的要求。6、生產(chǎn)四氟化硅所用的氟化氫原料在生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，沒(méi)有副產(chǎn)品，也不會(huì)產(chǎn)生 環(huán)境污染。


圖1為多晶硅粉體的工藝流程圖；圖2為多晶硅片的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下列結(jié)合具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，但不限定其保護(hù)范圍。實(shí)施例一1、把含量為99%的二氧化硅粉體與氟化氫反應(yīng)，生成四氟化硅和水。把四氟化硅 氣體純化至純度為99. 99% ；把工業(yè)級(jí)氫氣純化至純度為99. 9999%的高純氫氣。2、把純化后的四氟化硅氣體和氫氣在混合器內(nèi)混合。3、把等離子反應(yīng)器及整個(gè)系統(tǒng)先抽真空，然后通入純化后的氫氣進(jìn)行系統(tǒng)氣流清 洗，清洗后使整個(gè)系統(tǒng)充滿(mǎn)氫氣；然后開(kāi)啟等離子反應(yīng)器電源，等離子反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生等離子 體。4、把混合后的氫氣和四氟化硅氣體通入反應(yīng)器內(nèi)。化學(xué)反應(yīng)立即產(chǎn)生，出現(xiàn)多晶 硅粉體。5、在氣泵的作用下，反應(yīng)器內(nèi)的混合氣體和多晶硅粉體一起從反應(yīng)器出來(lái)，進(jìn)入 氣固分離器，多晶硅固體在此被分離出來(lái)，成為產(chǎn)品，經(jīng)分析檢測(cè)，純度為99. 9999%。6、混合氣體進(jìn)入冷凝器，在_5°C -10°C狀態(tài)下，氟化氫氣體被冷凝為液態(tài)留在 冷凝槽內(nèi)。其余氣體重新回到混合器，循環(huán)使用。7、冷凝槽內(nèi)的氟化氫液態(tài)積聚到一定數(shù)量時(shí)，用泵輸送至四氟化硅生產(chǎn)裝置，與 二氧化硅反應(yīng)重新生產(chǎn)四氟化硅氣體。實(shí)施例二 1、外購(gòu)的純度為99. 99%四氟化硅氣體和外購(gòu)的純度為99. 9999%的氫氣作為原 料。2、把四氟化硅氣體和氫氣在混合器內(nèi)混合。3、把用于生產(chǎn)太陽(yáng)能電池片的襯底材料置入等離子反應(yīng)器內(nèi)。4、把等離子反應(yīng)器及后續(xù)裝置先抽真空，然后通入純化后的氫氣進(jìn)行系統(tǒng)氣流清 洗，清洗后使整個(gè)系統(tǒng)充滿(mǎn)氫氣；然后開(kāi)啟等離子反應(yīng)器電源，等離子反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生等離子體。5、把混合后的氫氣和四氟化硅氣體通入反應(yīng)器內(nèi)。化學(xué)反應(yīng)立即產(chǎn)生，出現(xiàn)多晶 硅粉體，并在襯底基板上沉積；當(dāng)沉積到一定厚度時(shí)，把多晶硅片取出，直接成為制造太陽(yáng) 能電池片的材料。6、在氣泵的作用下，反應(yīng)器內(nèi)的混合氣體和未沉積的多晶硅粉體一起從反應(yīng) 器出來(lái)，進(jìn)入氣固分離器，多晶硅固體在此被分離出來(lái)，成為產(chǎn)品，經(jīng)分析檢測(cè)，純度為 99. 9999% ο7、混合氣體進(jìn)入冷凝器，在_5°C -10°C狀態(tài)下，氟化氫氣體被冷凝為液態(tài)留在 冷凝槽內(nèi)。其余氣體重新回到混合器，循環(huán)使用。8、冷凝槽內(nèi)的氟化氫液態(tài)積聚到一定數(shù)量時(shí)，用泵輸送至四氟化硅生產(chǎn)裝置，與 二氧化硅反應(yīng)重新生產(chǎn)四氟化硅氣體。實(shí)施例三1、選用含量為85% 99%的二氧化硅粉體和含量為75% 99%的氟化鈣粉體， 與含量為92% 100%的硫酸混合后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生四氟化硅氣體。把四氟化硅氣體 純化至純度為99. 99% ；2、外購(gòu)純度為99. 9999%的高純氫氣做原料。3、把純化后的四氟化硅氣體和高純氫氣在混合器內(nèi)混合。4、把等離子反應(yīng)器及后續(xù)裝置先抽真空，然后通入純化后的氫氣進(jìn)行系統(tǒng)氣流清 洗，清洗后使整個(gè)系統(tǒng)充滿(mǎn)氫氣；然后開(kāi)啟等離子反應(yīng)器電源，等離子反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生等離子 體。5、把混合后的氫氣和四氟化硅氣體通入反應(yīng)器內(nèi)?；瘜W(xué)反應(yīng)立即產(chǎn)生，出現(xiàn)多晶 硅粉體。6、在氣泵的作用下，反應(yīng)器內(nèi)的混合氣體和多晶硅粉體一起從反應(yīng)器出來(lái)，進(jìn)入 氣固分離器，多晶硅固體在此被分離出來(lái)，成為產(chǎn)品，經(jīng)分析檢測(cè)，純度為99. 9999%。7、混合氣體進(jìn)入冷凝器，在_5°C -10°C狀態(tài)下，氟化氫氣體被冷凝為液態(tài)留在 冷凝槽內(nèi)。其余氣體重新回到混合器，循環(huán)使用。8、冷凝槽內(nèi)的氟化氫液態(tài)積聚到一定數(shù)量時(shí)，用泵輸送至四氟化硅生產(chǎn)裝置，與 二氧化硅反應(yīng)重新生產(chǎn)四氟化硅氣體。
權(quán)利要求
一種等離子體還原四氟化硅生產(chǎn)多晶硅的方法，其特征在于把作為原料的四氟化硅氣體和氫氣混合后通入已充滿(mǎn)氫氣的等離子反應(yīng)器內(nèi)，在等離子體的作用下，四氟化硅氣體和氫氣瞬間被加熱至1200℃～3500℃并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成多晶硅固體和氟化氫氣體；生成的多晶硅固體、氟化氫氣體、未反應(yīng)的四氟化硅氣體和氫氣共同進(jìn)入氣固分離裝置，多晶硅固體被分離出來(lái)，純度可達(dá)到99.9999％以上，成為產(chǎn)品；氟化氫氣體、未反應(yīng)的四氟化硅氣體和氫氣一起進(jìn)入冷凝器，氟化氫被冷凝為液體，四氟化硅氣體和氫氣重新返回到等離子體反應(yīng)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)多晶硅的方法，其特征在于在對(duì)等離子反應(yīng)器進(jìn)行抽 真空前將多晶硅襯底材料即基板或基片放入等離子體反應(yīng)器內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)生成的多晶硅可 直接在襯底材料上沉積出多晶硅薄膜；當(dāng)沉積的多晶硅薄膜達(dá)到一定厚度時(shí)，即可從等離 子體反應(yīng)器中取出，作為制造多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的原料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)多晶硅的方法，其特征在于四氟化硅氣體的純度為 99. 99 % 99. 999 % ；氫氣的純度為 99. 9999 % 99. 99999 %。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)多晶硅的方法，其特征在于四氟化硅氣體和氫氣混合 時(shí)的摩爾比值為1 2 1 10。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)多晶硅的方法，其特征在于氟化氫氣體被冷凝為液態(tài) 的溫度為_(kāi)15°C 10°C，在此溫度下，未反應(yīng)的四氟化硅氣體和氫氣仍然是氣體狀態(tài)，可以 返回到混合器內(nèi)或等離子反應(yīng)器內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)多晶硅的方法，其特征在于在四氟化硅氣體和氫氣通 入等離子反應(yīng)器之前，等離子反應(yīng)器及系統(tǒng)內(nèi)的所有裝置先抽真空，然后通入氫氣進(jìn)行系 統(tǒng)氣流清洗，清洗后使整個(gè)系統(tǒng)充滿(mǎn)氫氣；開(kāi)啟等離子反應(yīng)器電源，等離子反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生等 離子體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種等離子體還原四氟化硅生產(chǎn)多晶硅的方法，具體步驟如下把作為原料的四氟化硅氣體和氫氣混合后通入已充滿(mǎn)氫氣的等離子反應(yīng)器內(nèi)，在等離子體的作用下，四氟化硅氣體和氫氣瞬間被加熱至1200℃～3500℃并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成多晶硅固體和氟化氫氣體；生成的多晶硅固體、氟化氫氣體、未反應(yīng)的四氟化硅氣體和氫氣共同進(jìn)入氣固分離裝置，多晶硅固體被分離出來(lái)，純度可達(dá)到99.9999％以上，成為產(chǎn)品；氟化氫氣體、未反應(yīng)的四氟化硅氣體和氫氣一起進(jìn)入冷凝器，氟化氫被冷凝為液體，四氟化硅氣體和氫氣重新返回到等離子體反應(yīng)器。本發(fā)明具有工藝路線(xiàn)新穎、合理，裝備要求低，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的低能耗的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B33/03GK101928002SQ20101024619
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
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