錐形流化床反應(yīng)器及其使用方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】錐形流化床反應(yīng)器及其使用方法
【背景技術(shù)】
[0001] 制備多晶硅的方法可包括將包含氫和硅單體（諸如批1(：13或SiH4)的氣體供給到 容納有維持在高溫下的硅顆粒的流化床。顆粒尺寸增大，并在足夠大時(shí)，通過(guò)流化床反應(yīng)器 (FBR)的底部出來(lái)成為產(chǎn)物。排放氣體離開(kāi)FBR的頂部。排放氣體流可以經(jīng)過(guò)回收過(guò)程，在 這些回收過(guò)程中冷凝、洗滌、吸收和吸附是通常用于促進(jìn)硅單體和氫的捕獲以用于再循環(huán) 的單元操作。
[0002] 關(guān)于FBR方法的一個(gè)問(wèn)題在于，必須將圍繞硅顆粒床的壁加熱到高于平均床溫度 的溫度以促進(jìn)熱傳遞。這可例如通過(guò)使用電阻加熱、微波能量、射頻感應(yīng)加熱或紅外輻射來(lái) 進(jìn)行。所有加熱方法都具有特有的操作問(wèn)題。然而，一個(gè)問(wèn)題在于，F(xiàn)BR的底部可能很熱，且 進(jìn)料氣體在含有HSiCl 3和氫時(shí)具有反應(yīng)性。因此，進(jìn)料氣體分配器、大顆粒的簇（尤其是在 攪動(dòng)不太強(qiáng)烈且顆粒長(zhǎng)時(shí)間接觸的區(qū)域中的那些）和反應(yīng)器側(cè)壁易于發(fā)生硅的快速沉積。 那些沉積物隨后會(huì)破壞正常的進(jìn)料分配、產(chǎn)物分離和系統(tǒng)熱傳遞。
[0003] 關(guān)于FBR方法的另一問(wèn)題在于，可在圓柱形FBR中發(fā)生騰涌，這是因?yàn)闅馀菰谌菁{ 有相對(duì)大的顆粒的流化床中快速生長(zhǎng)。"騰涌"是指形成足夠大以致破壞流化并降低產(chǎn)率的 氣泡。通常，這些氣泡可達(dá)到接近容器直徑的直徑。騰涌行為導(dǎo)致在系統(tǒng)中存在顯著壓力 波動(dòng)且使容器壁上的力不均勻。由于波動(dòng)行為是動(dòng)態(tài)的而氣泡的尺寸有所生長(zhǎng)并在自由空 間破裂，因此表征其量級(jí)的優(yōu)選方法是壓力波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的時(shí)序平均值。壓力波動(dòng)的標(biāo) 準(zhǔn)偏差與過(guò)高氣體速度成正比，并因此是用于系統(tǒng)中所形成的最大氣泡的聚集氣泡尺寸的 量度。這些力本身表現(xiàn)為可測(cè)量的振動(dòng)，并且本領(lǐng)域中存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量此類(lèi)振動(dòng)的工具。例 如，可使用壓差傳感器測(cè)量流化床整體或其區(qū)段中的壓降。
[0004] 關(guān)于硅沉積流化床反應(yīng)器的第三個(gè)難題是將能量遞送到方法中以支持沉積化學(xué) (如果壁是主要的傳輸模式）。隨著圓柱形FBR的直徑增加，F(xiàn)BR的壁周長(zhǎng)以線性方式增加， 并因此每單位長(zhǎng)度的壁表面積也以線性方式增加，但操作的熱需求在給定的平均表觀速度 下隨著FBR的直徑的平方而增加。為適應(yīng)此變化，需要增加熱通量或必須增大床高度以實(shí) 現(xiàn)必要的能量遞送。從壁到床的最大熱通量可受到與壁構(gòu)造材料和熱遞送方法相關(guān)的允許 的熱應(yīng)力的限制。本領(lǐng)域已提出使用內(nèi)部加熱器和熱交換器來(lái)補(bǔ)充能量輸入，但這些裝置 會(huì)增加復(fù)雜性，更不必說(shuō)關(guān)于維持產(chǎn)物純度的難題。對(duì)于一些流化方法，高度也受限于氣泡 生長(zhǎng)。在熱通量受到限制下，增加 FBR直徑會(huì)導(dǎo)致更高的高度，但源于更高床面的氣泡生長(zhǎng) 速率增加可導(dǎo)致在FBR中發(fā)生過(guò)度騰涌。這使得難以將FBR方法按比例放大成多晶硅的商 業(yè)可行生產(chǎn)方法。
[0005] 在流化床反應(yīng)器中制備的多晶娃顆粒通常屬于Geldart B類(lèi)和/或Geldart D類(lèi) 分類(lèi)。Geldart分類(lèi)制是指流化床反應(yīng)器中的顆粒的集體行為，可通過(guò)平均粒徑以及固體相 與流體相的相對(duì)密度來(lái)表征此固體行為的不同類(lèi)別。例如，充分量化氣體-顆粒系統(tǒng)的拖 拽行為的用于粒度分布的適當(dāng)平均化描述是表面對(duì)體積平均或Sautei平均粒徑。該指標(biāo) 展示來(lái)自較小顆粒的氣體-固體拖拽對(duì)于整個(gè)群體的影響，這將有助于移動(dòng)較大的珠粒。 對(duì)于娃顆粒而言，Geldart B類(lèi)顆?？删哂薪橛?00微米至800微米范圍內(nèi)的粒徑。Geldart B類(lèi)顆粒表現(xiàn)出在開(kāi)始流化時(shí)形成氣泡，這些氣泡從注入點(diǎn)繼續(xù)生長(zhǎng)。氣泡尺寸可較大，例 如在一些情形下為約數(shù)英尺。對(duì)于硅沉積FBR方法而言，工業(yè)可用材料的樣品展示出粒度 分布在Geldart B范圍內(nèi)，通常為700-800微米。
[0006] Geldart D類(lèi)顆粒具有所有Geldart類(lèi)中的最大粒徑。流化Geldart D類(lèi)顆粒的 氣體需求大于B類(lèi)顆粒且氣泡生長(zhǎng)也更快。在流化期間，Geldart B類(lèi)和Geldart D類(lèi)顆 粒具有極大的氣泡直徑，且通常在大的圓柱形流化床中觀察到噴流和/或騰涌。由于騰涌 問(wèn)題，通常在噴流床中加工Ge I dart D類(lèi)顆粒，在噴流床中氣體需求小于在鼓泡流化床中的 需求，但中心進(jìn)料噴射的使用限制了氣體-固體接觸的效率?；蛘?，減小鼓泡流化床內(nèi)的氣 泡生長(zhǎng)的方法是引起氣泡在床內(nèi)破裂。盡管可使用機(jī)械解決方案（諸如擋板）來(lái)使氣泡破 裂，但在多晶硅沉積應(yīng)用中，難以實(shí)施同樣不會(huì)引起產(chǎn)物污染的穩(wěn)健、耐腐蝕的擋板設(shè)計(jì)。
[0007] 硅沉積流化床反應(yīng)器的第四個(gè)難題是往往會(huì)在反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生夾帶出反應(yīng)器的 精細(xì)物（約1微米粒徑）。氣泡相內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)也已知會(huì)促進(jìn)將形成精細(xì)硅粉末的成核反 應(yīng)。限制此問(wèn)題的常用方法是減小床內(nèi)的平均粒徑以限制氣泡生長(zhǎng)。然而，較小的顆粒具 有更高的污染風(fēng)險(xiǎn)的可能性?；蛘?，可連續(xù)操作流化床沉積反應(yīng)器，但這需要更大的資本投 資。
[0008] 在多晶硅工業(yè)中需要改進(jìn)FBR技術(shù)以解決這些問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 一種流化床反應(yīng)器（FBR)包括氣體分配器、位于氣體分配器上方的錐形區(qū)段以及 位于錐形區(qū)段上方的擴(kuò)展頭部。FBR可用于制備多晶硅的方法。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 將易于認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榻Y(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參考以下具體實(shí)施 方式可更好地理解相同內(nèi)容，其中：
[0011] 圖1顯示了流化床反應(yīng)器（FBR) 100的橫截面；
[0012] 圖2顯示了適用于圖1中所示的FBR 100的圓錐形氣體分配器IOlA的放大橫截 面；
[0013] 圖3顯示了圖2中所示的圓錐形氣體分配器IOlA的俯視圖；
[0014] 圖4A顯示了適用于圖1中所示的FBR 100的替代圓錐形氣體分配器IOlB的俯視 圖；
[0015] 圖4B顯示了適用于圖1中所示的FBR 100的另一替代圓錐形氣體分配器IOlB的 俯視圖；
[0016] 圖4C顯示了適用于圖1中所示的FBR 100的又一替代圓錐形氣體分配器IOlB的 俯視圖；以及
[0017] 圖5顯示了具有較高床存量與補(bǔ)充氣體注入點(diǎn)301和302以及加速度計(jì)303的流 化床反應(yīng)器的橫截面。
【具體實(shí)施方式】

【發(fā)明內(nèi)容】
[0018] 、【附圖說(shuō)明】和說(shuō)明書(shū)摘要據(jù)此以引用方式并入。
[0019] 術(shù)語(yǔ)的宙義和用法
[0020] 除非另外指明，否則所有數(shù)量、比率和百分比均按重量計(jì)。除非本說(shuō)明書(shū)的上下文 另外指明，否則冠詞"一個(gè)"、"一種"和"所述"各指一個(gè)（一種）或多個(gè)（多種）。范圍的公 開(kāi)內(nèi)容包括范圍本身以及其中所包含的任何值以及端點(diǎn)。例如，2. 5至10. 0的范圍的公開(kāi) 內(nèi)容不僅包括范圍2. 5至10. 0,而且還單獨(dú)地包括2. 7、2. 9、3. 4、4. 5、6. 7、7. 4、9. 3和10. 0 以及該范圍中所包含的任何其他數(shù)字。此外，例如2. 5-10. 0的范圍的公開(kāi)內(nèi)容包括子集例 如 2. 6 至 3. 5、3. 0 至 3. 4、2· 6 至 3. 7、3· 8 至 4. 0、4· 0 至 5. 0、4· 5 至 6. 5 和 7. 0 至 10. 0 以及 該范圍中所包含的任何其他子集。類(lèi)似地，馬庫(kù)什群組（Markush group)的公開(kāi)內(nèi)容包括 整個(gè)群組以及任何單獨(dú)成員及其中所包含的子群。例如，馬庫(kù)什群組單氯硅烷、二氯硅烷、 三氯硅烷、四氯硅烷、六氯二硅烷和五氯二硅烷的公開(kāi)內(nèi)容包括單個(gè)成員三氯硅烷，子群三 氯硅烷和四氯硅烷，及其中所包含的任何其他單個(gè)成員和子群。
[0021] 出于本專(zhuān)利申請(qǐng)的目的，術(shù)語(yǔ)"氯硅烷"是指具有一個(gè)或多個(gè)鍵合到硅的氯原子的 任何硅烷物質(zhì)且包括但不限于單氯硅烷（H3SiCl)、二氯硅烷（H 2SiCl2)、三氯硅烷（HSiCl3)、 四氯硅烷（SiCl 4)及各種氯化二硅烷，諸如六氯二硅烷和五氯二硅烷。出于本專(zhuān)利申請(qǐng)的 目的，術(shù)語(yǔ)"溴硅烷"是指具有一個(gè)或多個(gè)鍵合到硅的溴原子的任何硅烷物質(zhì)且包括但不限 于單溴硅烷（H 3Sifc)、二溴硅烷（H2Sifc2)、三溴硅烷（HSifc3)、四溴硅烷（SiBr 4)及各種溴 化二硅烷，諸如六溴二硅烷和五溴二硅烷。另外，術(shù)語(yǔ)"硅烷單體"是指每分子具有一個(gè)硅 原子的任何硅烷物質(zhì)（例如硅烷，或HSiCl 3，或