專利名稱：硅石的還原的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將硅石還原成硅的方法和反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體工業(yè)對高純度金屬硅的需求與日俱增。目前用于生產(chǎn)高純度硅的方法包括 鹵化硅(例如四氯化硅或三氯化硅)的還原，硅烷的氧化和利用元素碳或氫對硅石進(jìn)行還 原。這些方法的缺點(diǎn)在于產(chǎn)生毒性或污染性副產(chǎn)物，從而產(chǎn)生副產(chǎn)物處置和/或從產(chǎn)物中 分離副產(chǎn)物的問題。將氫用作還原劑時需要格外注意排除氧，以避免爆炸。發(fā)明概述本發(fā)明第一方面提供了硅的生產(chǎn)方法，該方法包括使硅石與包含一氧化碳的還原 氣體反應(yīng)，其中，所述還原氣體不含元素碳。優(yōu)選地，所述還原氣體通過元素碳與氧的反應(yīng)而產(chǎn)生。優(yōu)選地，使硅石與所述還原氣體在加熱反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)。優(yōu)選地，所述加熱反應(yīng)室的溫度是受控的，且硅石與還原氣體在高于硅的熔點(diǎn)的 溫度下反應(yīng)。優(yōu)選地，在硅凝固前對其進(jìn)行除氣。來自所述方法的廢氣可以被氧化從而將廢氣中的基本所有的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二 氧化碳，由此產(chǎn)生氧化廢氣。所述氧化廢氣可用于預(yù)熱所述方法的原料。優(yōu)選地，所述硅石的純度為至少約99. 9重量％。本發(fā)明第二方面提供了由本發(fā)明第一方面的方法產(chǎn)生的硅。本發(fā)明第三方面提供了用于生產(chǎn)硅的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括碳燃燒室，其用于使碳與氧反應(yīng)生成包含一氧化碳的還原氣體，其中，所述還原氣 體不含元素碳；反應(yīng)室，其用于使該不含元素碳的還原氣體與硅石反應(yīng)，且所述反應(yīng)室與碳燃燒 室連通；控溫器，其用于控制所述反應(yīng)室的溫度；硅石進(jìn)料口，其與所述反應(yīng)室連通，用于向所述反應(yīng)室導(dǎo)入硅石；和硅出料口，其與所述反應(yīng)室連通，用于將硅導(dǎo)出所述反應(yīng)室。優(yōu)選地，所述反應(yīng)器還包括用于將從所述反應(yīng)室導(dǎo)出的硅除氣的除氣器。優(yōu)選地，所述反應(yīng)器還包括用于在硅石進(jìn)入所述反應(yīng)室之前預(yù)熱硅石的硅石預(yù)熱
ο優(yōu)選地，所述反應(yīng)器還包括至少一個用于預(yù)熱碳或氧或者碳和氧兩者的預(yù)熱器。所述反應(yīng)器可以包括管道，該管道用于將來自所述反應(yīng)室的廢氣、由氧化所述廢 氣而獲得的氧化廢氣，或所述廢氣或氧化廢氣兩者傳遞至至少一個用于將碳、氧和硅石中 的至少一種預(yù)熱的預(yù)熱器。
所述反應(yīng)器可以包括用于將來自所述反應(yīng)室的廢氣中的一氧化碳氧化成二氧化 碳，從而產(chǎn)生氧化廢氣的廢氣燃燒室。優(yōu)選地，所述反應(yīng)器還包括一個或多個用于控制碳、氧和硅石中的一種或多種的 流動的控流器。優(yōu)選地，所述反應(yīng)室與儲熱器熱連通。本發(fā)明第四方面提供了硅的生產(chǎn)方法，所述方法包括提供反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括用于使碳與氧反應(yīng)生成包含一氧化碳的還原氣體的 碳燃燒室，所述還原氣體不含元素碳；反應(yīng)室，用于使該不含元素碳的還原氣體與硅石反應(yīng)，其中，所述反應(yīng)室與碳燃燒 室連通；控溫器，其用于控制所述反應(yīng)室的溫度；硅石進(jìn)料口，其與所述反應(yīng)室連通，用于向所述反應(yīng)室導(dǎo)入硅石；和硅出料口，其 與所述反應(yīng)室連通，用于將硅導(dǎo)出所述反應(yīng)室；向所述碳燃燒室供應(yīng)氧和碳；使碳和氧反應(yīng)生成包含一氧化碳的還原氣體，所述 還原氣體不含元素碳；向所述反應(yīng)室供應(yīng)還原氣體和硅石；并使所述還原氣體與硅石反應(yīng)生成硅和廢氣。本發(fā)明第五方面提供了本發(fā)明第四方面的反應(yīng)器在硅的生產(chǎn)中的應(yīng)用。所述方法還可以包括通過元素碳與氧的反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳的步驟。在這種情況 下，碳與氧的比例可以是使一氧化碳中沒有元素碳。碳與氧的比例應(yīng)使所有氧被耗盡。所 述方法可以包括在硅石與還原氣體的反應(yīng)步驟之前從還原氣體除去元素碳。硅石與還原氣 體的反應(yīng)產(chǎn)生硅，并將還原氣體轉(zhuǎn)化成廢氣。來自該方法的廢氣可用于在該方法使用原料前將該方法的原料預(yù)熱。來自該方法 的廢氣可以被氧化，從而將廢氣中的基本所有的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳，由此產(chǎn)生氧化 廢氣。所述氧化廢氣可用于在該方法使用原料前將該方法的原料預(yù)熱。這樣，該方法中通過 氧化工序產(chǎn)生的熱能和/或向該方法輸入的熱可以被循環(huán)利用，從而減少該方法的能耗或 使該方法的能耗最小化，和/或改善該方法的能量效率。此外，廢氣的氧化降低了其毒性， 使其更適合釋放至大氣中。硅石與一氧化碳的反應(yīng)步驟可以在加熱反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行。加熱反應(yīng)室的溫度可以被 控制。可以將加熱反應(yīng)室的溫度控制在高于硅的熔點(diǎn)的溫度。可以將加熱反應(yīng)室的溫度控 制在低于硅的沸點(diǎn)的溫度。可以將加熱反應(yīng)室的溫度控制在硅的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)之間的溫度。 所述加熱反應(yīng)室的溫度可以為約1400°C -約2300°C。硅石與一氧化碳的反應(yīng)步驟可以在 高于硅的熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行。在硅凝固前可以對其進(jìn)行除氣?？梢蕴峁U氣氧化室，用于將來自反應(yīng)室的廢氣中的一氧化碳氧化成二氧化碳， 從而產(chǎn)生氧化廢氣。所述反應(yīng)室可以通過廢氣排出口與廢氣氧化室連通。還可以提供控流 器，用于控制碳、氧和硅石中的一種或多種的流動?？梢蕴峁﹥崞?，其與所述反應(yīng)室熱連通。除非文中另有規(guī)定，否則在本申請中術(shù)語“包括”、“包含”將理解為意指包含或包 括所指元素、整數(shù)或步驟，或元素、整數(shù)或步驟組，但不排除其它任意元素、整數(shù)或步驟，或 其它任意元素、整數(shù)或步驟組。
本發(fā)明包含的文件、行為(acts)、物質(zhì)、裝置或文章等的任何討論都僅出于為本發(fā) 明提供背景的目的，而并不由于其存在于本發(fā)明各項權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日之前而承認(rèn)這些 內(nèi)容形成了本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的部分現(xiàn)有技術(shù)或公知常識。 為了能夠更清楚地理解本發(fā)明，將參考以下附圖和實施例對優(yōu)選實施方式進(jìn)行描 述。


圖1 本發(fā)明反應(yīng)器的進(jìn)程的圖示。實施方式在本申請中，術(shù)語“硅”是指元素硅或金屬硅?？梢岳斫?，雖然元素硅可理解為半 金屬(semi-metallic)，且其有時被指為非金屬，但通常使用術(shù)語“金屬硅”。本發(fā)明提供了硅的生產(chǎn)方法，其包括使硅石與包含一氧化碳的還原氣體反應(yīng)，其 中，所述還原氣體不含元素碳。所述還原氣體中基本不含元素碳是很重要的，原因是在反應(yīng) 條件下，碳可以與硅反應(yīng)產(chǎn)生污染硅的碳化硅。因此，可以根據(jù)該方法產(chǎn)生的硅的所需純度 水平，將還原氣體中元素碳相對于一氧化碳的水平(以摩爾為基礎(chǔ))保持在低于約lOppm， 或者小于約 5ppm、2ppm、lppm、0. 5ppm、0. 2ppm、0. lppm、0. 05ppm、0. 02ppm 或 0. Olppm0硅石與還原氣體的反應(yīng)可以引起還原氣體中一氧化碳對硅石的還原。硅石與還 原氣體的反應(yīng)可以引起或者也可以不引起還原氣體中其它一些組分(例如還原組分)對 硅石的還原。還原氣體中一氧化碳的含量可以為任意所需的非零數(shù)值，例如以重量、體 積或摩爾為基礎(chǔ)為約-約100%，或者為約10% -100%,25% -100%,50% -100% 或 80% -100%，例如為約 1%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、 55%,60%,65%,70%,75%,80%,85%,90%,95%,99%,99. 5%,99. 9%或 100%。所述還 原氣體還可以包含一種或多種其它氣體，優(yōu)選非氧化氣體，任選還原氣體和/或惰性氣體。 所述一種或多種其它氣體可以為，例如氮、二氧化碳、氦、氖、氬等或這些氣體的任意兩種或 更多種的混合物。在一些實施方式中，所述還原氣體不含氫。所述還原氣體可以基本不含 (例如，大于約95%、96%、97%、98%、99%、99. 5%或99. 9%不含)除二氧化碳和一氧化碳 外的環(huán)境污染物。在一些實施方式中，所述還原氣體僅由二氧化碳和一氧化碳組成。在其 它實施方式中，所述還原氣體僅由二氧化碳、一氧化碳和載氣組成。所述載氣可以為，例如 氮、氦、氖或氬。所述方法還可以包括通過元素碳與氧的反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳的步驟。在這種情況 下，氧與碳的比例可以是使不產(chǎn)生元素碳。在這些實施方式中，氧與碳的比例應(yīng)使所有氧被 耗盡。所述比例以摩爾為基礎(chǔ)可以為約2 1至約1 1，或者為約2 1至1.5 1、2 1 至 1.8 1,1. 5 1至 1 1、1.3 1至1 1、1.9 1 至 1. 1 1,1. 9 1 至 1. 5 1、 1.5 1 至 1. 1 1 或 1.8 1 至 1.3 1，例如為約 1.1 1、1.2 1,1. 3 1,1. 4 1、 1.5 1,1.6 1,1. 7 1,1.8 1,1.9 1或2 1。此外，在這些實施方式中，用于產(chǎn) 生一氧化碳的碳應(yīng)具有合適的粒度，從而使能夠快速，優(yōu)選完全反應(yīng)生成一氧化碳以及任 選的二氧化碳。碳的平均粒度或最大粒度可以為約1(^!11-約5111111，或者為約14111-1111111、 10 μ m-500 μπι、10μπι_100μπι、10μ m—50 μ m> 50 μ m—5mm、100 μ m—5mm、500 μ m—5mm、 lmm-5mm> 100 μ m-1000 μ m> 100 μ m-500 μ m ^； 500 μ m-1000 μ m,例如為約 10 μ m、20 μ m、30 μ m、40 μ m、50 μ m、60 μ m>70 μ m>80 μ m、90 μ m、100 μ m> 150 μ m、200 μ m>250 μ m、300 μ m、 350 μ m、400 μ m、450 μ m、500 μ m、550 μ m、600 μ m、650 μ m、700 μ m、750 μ m、800 μ m、850 μ m、 900 μ m 或 950 μ m,或者為約 1mm、1. 5mm、2mm、2. 5mm、3mm、3. 5mm、4mm、4. 5mm 或 5mm,或者在某 些情況下可以大于5mm。所述方法可以包括在生成一氧化碳之前將碳轉(zhuǎn)化為具有合適粒度的額外 步驟。該步驟可以包括研磨、粒化或其它一些合適的工序。所述碳可以為高純度 碳。其可以為至少約99 %的純度，或者至少為約99. 5 %、99. 9 %、99. 95 %、99. 99 %、 99. 995 % 或 99. 999 % 的純度，或者為 99. 5 % -100 %,99. 9 % -100 %,99. 95 % -100 99. 99%-100%,99. 995% -100%,99. 999%-100%,99. 5% -99. 999%,99. 9%-99. 999%, 99. 95% -99. 999%,99. 99% -99. 999 % 或 99. 995 % -99. 999 % 的純度，例如為約 99 %、 99. 1 %,99. 2 %,99. 3 %,99. 4 %,99. 5 %,99. 6 %,99. 7 %,99. 8 %,99. 9 %,99. 95
99. 99%,99. 995%,99. 999%,99. 9995%,99. 9999%或 100%的純度。在優(yōu)選實施方式中，進(jìn)料至氧化室的碳通常含有一些夾帶氣(entrained gas)。所 述夾帶氣可以為空氣，或者可以為氧、二氧化碳或用于將碳覆蓋(blanket)在碳貯儲器內(nèi) 的其它氣體。在優(yōu)選實施方式中，所述碳貯儲器內(nèi)的氣體通常足夠純，使不會向產(chǎn)物硅引入 任何雜質(zhì)。在優(yōu)選實施方式中，元素碳與氧的反應(yīng)產(chǎn)物包含一氧化碳和任選的二氧化碳。在 某些情況下，元素碳與氧的反應(yīng)產(chǎn)物還可以包含一些殘留的元素碳。在這種情況下，所述方 法可以包括在硅石與還原氣體的反應(yīng)步驟之前從還原氣體中除去元素碳的工序。該工序可 以包括過濾、微濾、離心、沉淀或其它一些合適的工序。用于除去元素碳的裝置應(yīng)該能夠耐 受還原氣體的溫度。所述裝置可以包括，例如燒結(jié)金屬或陶瓷(例如金屬氧化物)燒結(jié)料或 其它一些高溫過濾裝置。在碳與氧反應(yīng)生成一氧化碳后，所產(chǎn)生的氣體可以與稀釋氣混合 從而形成還原氣體。在優(yōu)選實施方式中，所述稀釋氣不應(yīng)包含氧化氣體，而可以包含還原氣 體。適合用于優(yōu)選實施方式的稀釋氣包括氮、二氧化碳、氦、氖、氬等，或者這些氣體的混合 物。所述稀釋氣可以與碳與氧的反應(yīng)產(chǎn)物以約-約90%稀釋氣的比例混合，從而形成 還原氣體。所述比例可以為約1體積％ -50體積％、1體積％ -20體積％、1體積％ -10體 積％、10體積% -90體積%、50體積% -90體積％、10體積% -50體積％或20體積% -50體 積％，例如為約1體積％、5體積％、10體積％、20體積％、30體積％、40體積％、50體積％、 60體積％、70體積％、80體積％或90體積％?；蛘?，可以由一氧化碳容器(例如商業(yè)化集 氣筒)提供一氧化碳，且一氧化碳任選地與稀釋氣混合從而形成還原氣體。稀釋氣的性質(zhì) 和比例可以如上所述。來自容器的一氧化碳可以直接用作還原氣體，而不需加入稀釋氣。在優(yōu)選實施方式中，碳與氧反應(yīng)生成一氧化碳的條件應(yīng)該不會導(dǎo)致發(fā)生劇烈燃燒 或爆炸。所述條件可以使碳發(fā)生受控的氧化。所述氧化可以為燃燒，優(yōu)選為受控的燃燒。通 過調(diào)整以實現(xiàn)該目的的條件可以包括溫度、壓力、碳與氧的比例(量或流速)、碳的粒度、稀 釋氣的存在和量或流速、氧化室設(shè)計等。硅石與還原氣體的反應(yīng)產(chǎn)生硅，并且在優(yōu)選實施方式中還原氣體轉(zhuǎn)化成廢氣。因 此，在這種情況下所述反應(yīng)表示為硅石至硅的還原，且表示為還原氣體的氧化，具體而言為 還原氣體中的一氧化碳氧化成廢氣中的二氧化碳。所述廢氣優(yōu)選包含二氧化碳，還可以包 含未與硅石反應(yīng)的一氧化碳。廢氣的一氧化碳含量與還原氣體的一氧化碳含量、還原氣體的流速與硅石進(jìn)料至反應(yīng)器的進(jìn)料速度的比值、反應(yīng)器內(nèi)的條件(溫度、壓力等)以及 其它因素有關(guān)。所述廢氣的一氧化碳含量可以為約1體積％ -約90體積％，或者為約1 體積% -80體積%、1體積% -70體積%、1體積% -60體積%、1體積% -50體積％、1體 積% -20體積%、1體積％ -10體積％、10體積% -90體積%、50體積% -90體積％、10體 積％ -50體積％或20體積％ -50體積％，例如為約1體積％、2體積％、3體積％、4體積％、 5體積%、10體積%、15體積％、20體積％、25體積％、30體積％、35體積％、40體積％、45 體積%、50體積％、55體積%、60體積％、65體積%、70體積％、75體積%、80體積％、85體 積％或90體積％。來自該方法的廢氣可用于在該方法使用原料前將該方法的原料預(yù)熱。通過廢氣預(yù) 熱可足以將原料提高至該原料進(jìn)入工序所需的溫度，或者可以提高至低于該所需溫度的溫 度。在后一種情況下，可以使用額外的加熱，例如電加熱將原料加熱至所需溫度。來自該方 法的廢氣可以被氧化(例如燃燒)，從而將廢氣中的基本所有的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳， 由此產(chǎn)生氧化廢氣。所述氧化廢氣可適合釋放至大氣中，即其可以滿足一氧化碳含量的環(huán) 保標(biāo)準(zhǔn)。氧化廢氣中一氧化碳的含量可低于毒性水平。氧化廢氣中一氧化碳的含量可低于 約 IOOppm 或低于約 50ppm、20ppm 或 lOppm，例如為約 10ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm、 60ppm、70ppm、80ppm、90ppm 或 IOOppm0所述氧化廢氣可用于在所述方法的原料用于所述方法之前將該原料中的一種或 多種至少部分地預(yù)熱。在優(yōu)選實施方式中，利用所述廢氣和/或所述氧化廢氣預(yù)熱原料減少了將原料提 高至用于產(chǎn)生一氧化碳或用于還原硅的適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度所需向系統(tǒng)中輸入的能量的量。硅石與一氧化碳反應(yīng)的步驟可以在加熱反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行。所述加熱反應(yīng)室的溫度 可以被控制?？梢詫⒃摐囟瓤刂圃诟哂诠璧娜埸c(diǎn)(1683K，1419°C)的溫度。該溫度應(yīng)不足 夠高以使硅蒸發(fā)。硅的沸點(diǎn)為3173K(^KKTC )。該溫度應(yīng)足以使一氧化碳還原硅石，生成 硅。用于還原硅石的溫度可以為，例如約1400°C -約2300°C，或者為約1400°C -2000°C > 1400 "C -1700 "C >1400 V -1500 "C >1500 V -2300 "C >2000 V -2300 "C >1500 V -2200 °C、 1500 "C -2000 "C 或 1500 V -1800 V，例如為約 1400 V、1410 V、1420 V、1430 V、1440 V、 1450 0C >1460 0C >1470 0C >1480 0C >1490 0C >1500 0C >1550 0C >1600 0C >1650 0C >1700 0C >1750 0C > 1800 "C>1850 "C>1900 "C、1950 "C>2000 "C>2050 "C>2100 "C>2150 "C>2200 "C>2250 V 或 2300°C。硅的還原通常在約1個大氣壓下或在環(huán)境壓力下進(jìn)行，但在某些情況下可以在其 它一些壓力下進(jìn)行，例如約0. 5個大氣壓-10個大氣壓，或者約0. 5個大氣壓-5個大氣壓、 0. 5個大氣壓-2個大氣壓、0. 5個大氣壓-1個大氣壓、1個大氣壓-10個大氣壓、2個大氣 壓-10個大氣壓、5個大氣壓-10個大氣壓、1個大氣壓-5個大氣壓或1個大氣壓-2個大 氣壓，例如約0. 5個大氣壓、0. 6個大氣壓、0. 7個大氣壓、0. 8個大氣壓、0. 9個大氣壓、1. 1 個大氣壓、1. 2個大氣壓、1. 3個大氣壓、1. 4個大氣壓、1. 5個大氣壓、2個大氣壓、2. 5個大 氣壓、3個大氣壓、3. 5個大氣壓、4個大氣壓、4. 5個大氣壓、5個大氣壓、6個大氣壓、7個大 氣壓、8個大氣壓、9個大氣壓或10個大氣壓，或者其它一些壓力。還原氣體至反應(yīng)室的流速應(yīng)足以使硅石完全還原為硅。還原氣體的量(或流速) 可以使還原組分(一氧化碳和還原氣體的任意其它還原組分)與硅石的比例至少為約1.1， 或者至少為約 1. 2,1. 3,1. 4,1. 5、2、2· 5、3、3· 5、4、4· 5、5、6、7、8、9 或 10，或者為約 1. 1_ 約10，或者為約 1. 1-5,1. 1-2,1. 5-10、2-10、3-10、4-10、5-10、1· 5-5 或 2-5，例如約 1. 1,1. 2、 1. 3,1. 4,1. 5,1. 6,1. 7,1. 8,1. 9、2、2· 5、3、3· 5、4、4· 5、5、6、7、8、9 或 10，或者在某些情況下
可以大于10或者可以為1-1. 1。在確定上述摩爾反應(yīng)比時，必須考慮硅石中的氧含量。由 于每摩爾硅石(SiO2)含有2摩爾氧。因此，對于作為還原氣體的還原組分的一氧化碳，硅石 與所述還原組分之間的實際摩爾比應(yīng)為摩爾反應(yīng)比的兩倍(考慮每摩爾硅石的2摩爾氧)， 這樣摩爾反應(yīng)比為2時表示摩爾比為4。這是因為一個一氧化碳原子需要一個氧原子以生 成1摩爾二氧化碳。在硅石的情況下，其可以表示為以下Si02+2C0 — Si+2C02可以在硅凝固前對其進(jìn)行除氣。除氣的工序可以包括向熔融硅施加至少部分 真空。所述至少部分真空的絕對壓力可以小于約500mbar，或小于約400mbar、300mbar、 200mbar> 100mbar>50mbar>20mbar> 10mbar>5mbar>2mba 5 lmbar, 5 " ^ lmbar >2mbar> 3mbar、4mbar、5mbar、6mbar、7mbar、9mbar、IOmbar、20mbar、3Ombar、40mbar、50mbar、 60mbar、7Ombar>80mbar、90mbar、1OOmbar、150mbar、200mbar>250mbar、300mbar>350mbar、 400mbar,450mba或500mbar。所述除氣可以包括，例如抽出熔融硅，從而自反應(yīng)器取出熔融 硅，其中用于抽出熔融硅的泵的類型為向所抽液體施加至少部分真空的類型。本發(fā)明尤其適合高純度金屬硅(例如用于半導(dǎo)體工業(yè)的金屬硅)的生產(chǎn)。為了獲 得高純度金屬硅，必須使用高純度試劑。尤其必須使用高純度硅石。題為“硅石的純化”的 同時待審申請PCT/EP2007/064383提供了通過將硅石轉(zhuǎn)化為可水解的硅物種(例如四氟化 硅氣體)，純化可水解的硅物種并水解該經(jīng)過純化的可水解硅物種以產(chǎn)生純化硅，而獲得高 純度硅石的方法。該方法中使用的硅石的純度可以為至少約99. 9重量％，或者純度可以為 至少99. 95重量％、99. 99重量％、99. 995重量％或99. 999重量％，并且純度可以為約99. 9 重量 ％、99. 91 重量 ％、99. 92 重量 ％、99. 93 重量 ％、99. 94 重量 ％、99. 95 重量 ％、99. 96 重 量％、99. 97 重量％、99. 98 重量％、99. 99 重量％、99. 991 重量％、99. 992 重量％、99. 993 重 量％、99· 994 重量％、99. 995 重量％、99. 996 重量％、99. 997 重量％、99. 998 重量％、99. 999 重量％、99. 9995重量％或99. 9999重量％。另外，將硅石還原成硅的條件(溫度、還原氣體 中的CO濃度、還原氣體的流速、硅石的進(jìn)料速率、硅石的粒度等)應(yīng)足以確保硅石完全還原 成硅。由此，適合生產(chǎn)用于本發(fā)明的高純度硅石的方法可以包括a)將硅石轉(zhuǎn)化為四氟化硅；b)純化四氟化硅；并c)任選在氟硅酸不穩(wěn)定的溫度下水解四氟化硅生成純化硅石。步驟a)可以包括使硅石與氫氟酸和氟硅酸的混合物反應(yīng)從而將其轉(zhuǎn)化為四氟化 硅。步驟b)可以包括使四氟化硅與純化劑接觸。此工序可以以逆流方式(counter-current manner)多級地進(jìn)行。所述純化劑可以包括氟硅酸。所述方法還可以包括d)水解部分來自步驟b)的四氟化硅從而產(chǎn)生氟硅酸和硅石，和使用步驟b)的氟 硅酸?？梢院喜碜圆襟Ec)和d)的硅石從而提供純化的硅石產(chǎn)物。在使四氟化硅與純化劑接觸的步驟后，可以從純化劑中除去雜質(zhì)。所述純化劑可 以包含氟硅酸，且，在使四氟化硅與氟硅酸接觸的步驟后，氟硅酸可被轉(zhuǎn)化成氟化氫和四氟化硅，由此在步驟a)中使用氟化氫。四氟化硅可用于產(chǎn)生步驟a)中使用的氟硅酸或者補(bǔ) 充步驟a)中產(chǎn)生的可水解的硅物種，或前述兩者。步驟c)優(yōu)選使用高純度蒸汽。所述方法還可以包括以下兩個步驟之一或其二者e)洗滌純化的硅石；和f)干燥純化的硅石。在步驟C)中，可以將純化的硅石加入到進(jìn)行步驟C)的高溫水解器中?？梢栽谒?述方法的步驟a)之前將硅石干燥。在用于產(chǎn)生本發(fā)明使用的純化硅石的方法的實施方式中i)步驟a)可以包括使用氫氟酸和氟硅酸的混合物；ii)步驟b)可以包括使四氟化硅與氟硅酸接觸；iii)步驟C)可以包括利用蒸汽水解來自步驟b)的第一部分四氟化硅以產(chǎn)生純化 的硅石；且iv)所述方法還可以包括水解來自步驟b)的第二部分四氟化硅以產(chǎn)生氟硅酸和純化的硅石，其中，氟硅酸 在步驟b)中被使用；并且將來自步驟b)的氟硅酸轉(zhuǎn)化成氟化氫和四氟化硅，并干燥氟化氫和四氟化硅，由 此利用該氟化氫生成步驟a)中使用的氫氟酸，利用該四氟化硅生成步驟a)中使用的氟硅 酸或補(bǔ)充步驟a)中生成的四氟化硅或其二者。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中使用的硅石的粒度通常在直徑約ΙΟμπι-約 2000μπι的范圍內(nèi)。通常，硅石顆粒不是球形的。因此，在本發(fā)明中，“直徑”可以指最 大跨顆粒尺寸(cross-particle dimension)或最小跨顆粒尺寸或者平均跨顆粒尺寸 或流體動力學(xué)直徑。所述直徑可以為約IOym-約2000μπι，或者為約10 μ m-1000 μ m、 10 μ m-500 μ m、10 μ m_200 μ m、10 μ m_100 μ m、10 μ m_50 μ m、10 μ m_20 μ m、50 μ m-2000 μ m、 100 μ m-2000μ m、500 μ m-2000μ m、1000 μ m-2000μ m、1500 μ m-2000μ m、50 μ m-1000μ m、 50 μ m-500 μ m、50 μ m-200 μ m、100 μ m-1000 μ m、100 μ m-500 μ m 或 500 μ m-1000 μ m,例 如為約 10 μ m、20 μ m、30 μ m、40 μ m、50 μ m、60 μ m、70 μ m、80 μ m、90 μ m、100 μ m、150 μ m、 200 μ m>250 μ m、300 μ m、350 μ m、400 μ m、450 μ m、500 μ m、600 μ m、700 μ m、800 μ m、900 μ m、 1000 μ m、1100 μ m、1200 μ m、1300 μm、1400 μ m、1500 μm、1600 μ m、1700 μm、1800 μ m、 1900μπι或2000μπι，或者可以大于約2000μπι。本文中所述的直徑可以表示平均(數(shù)均或 重均)直徑或最大直徑。在優(yōu)選實施方式中，進(jìn)料至反應(yīng)室的硅石通常含有一些夾帶氣，所述夾帶氣可以 為用于覆蓋硅石貯儲器內(nèi)的硅石的氣體。優(yōu)選該氣體為非氧化氣體，原因是存在氧化氣體 會在硅石的還原中消耗額外多的還原氣體。因此，硅石貯儲器可以被非氧化氣體，任選還原 氣體，例如氮、二氧化碳、一氧化碳、氬、氦或這些氣體的一些組合所覆蓋。如果就地產(chǎn)生硅 石并且邊產(chǎn)邊用而非存儲后使用，可使用上述任意非氧化氣體，任選還原氣體，將硅石傳送 至反應(yīng)室。本發(fā)明還提供了本發(fā)明方法產(chǎn)生的硅。所述硅的純度可以為至少約99. 9重 量％。所述純度可以為至少約99. 9重量％的純度，或者可以為至少約99. 95重量％、 99. 99重量％、99. 995重量％、99. 999重量％的純度，并且可以為約99. 9重量％、99. 91重量％、99. 92 重量 ％、99. 93 重量 ％、99. 94 重量 ％、99. 95 重量 ％、99. 96 重量 ％、99. 97 重 量％、99. 98 重量％、99. 99 重量％、99. 991 重量％、99. 992 重量％、99. 993 重量％、99. 994 重量 ％、99. 995 重量 ％、99. 996 重量 ％、99. 997 重量 ％、99. 998 重量 ％、99. 999 重量 ％、 99. 9995重量％或99. 9999重量％。以上純度在半導(dǎo)體工業(yè)的應(yīng)用中足夠高。為了達(dá)到這 種純度，不僅需要確保硅石具有適當(dāng)高的純度，還需要確保用于產(chǎn)生硅的反應(yīng)器由不會污 染所產(chǎn)生的硅的材料制造。這些材料可以包括不會對反應(yīng)器所產(chǎn)生的硅造成污染的金屬例 如鋼、不銹鋼、鈦等。所述材料可以經(jīng)過預(yù)處理，例如經(jīng)過洗滌、加熱等，從而除去或減少潛 在的污染物。在一些方面，本發(fā)明還提供了適合實施本發(fā)明方法的反應(yīng)器。所述反應(yīng)器優(yōu)選包 括碳氧化室和與碳氧化室連通的反應(yīng)室。所述反應(yīng)室安裝有用于控制反應(yīng)室內(nèi)部溫度的控 溫器，并具有硅石進(jìn)料口和硅出料口。碳氧化室包括用于導(dǎo)入碳和/或氧的進(jìn)料口，且可以具有碳和氧的獨(dú)立進(jìn)料口。 該碳氧化室還可以包括用于向碳氧化室導(dǎo)入稀釋氣的進(jìn)料口或其它裝置?；蛘?，如果存在 稀釋氣進(jìn)料口，該進(jìn)料口的安裝使得稀釋氣可以與由碳氧化室的碳和氧獲得的氧化產(chǎn)物合 并?？梢詫⑻佳趸壹訜嵋源龠M(jìn)碳氧化室中的碳和硅石至一氧化碳的轉(zhuǎn)化。因此，所述反 應(yīng)器可以包括用于加熱碳氧化室的加熱器。該加熱器可以包括用于控制碳氧化室溫度的控 溫器。在一些實施方式中，碳氧化室至少部分圍繞反應(yīng)室。在此構(gòu)造下，可以任選通過介入 式儲熱物質(zhì)(intervening heat storage material)(例如石墨)，利用通過碳部分氧化成 一氧化碳而在氧化室內(nèi)產(chǎn)生的熱加熱反應(yīng)室。將石墨作為儲熱物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是石墨的熔點(diǎn) 高，熱容量高，且熱容量隨溫度的升高而升高。可以理解，也可以使用熱容量高的其它物質(zhì)。 優(yōu)選使氧化室外部高度隔熱，從而使通過輻射的熱損失最小化。這還可以提高所述反應(yīng)器 的安全性。合適的優(yōu)選構(gòu)造包括氧化室具有圍繞位于環(huán)形中心的反應(yīng)室的環(huán)狀橫截面。因 此，氧化室可以為具有包含反應(yīng)室的中空型芯體的圓柱體?？梢岳斫?，氧化室的橫截面可以 為正方形、矩形、五角形、六角形等形狀，其具有以反應(yīng)室作為中心的區(qū)域。用于控制碳氧化室溫度的控溫器與用于控制反應(yīng)室內(nèi)部溫度的控溫器可以是相 同的控溫器。反應(yīng)室可以位于加熱部件(block)內(nèi)部，或部分位于加熱部件內(nèi)部。碳氧化 室可以位于加熱部件內(nèi)部，或部分位于加熱部件內(nèi)部，而該加熱部件可以與反應(yīng)室所在的 加熱部件相同或不同。因此，在實施方式中，反應(yīng)室與碳氧化室均位于加熱部件內(nèi)。所述 加熱部件可以具有用于控制加熱部件溫度的控溫器，藉此控制反應(yīng)室內(nèi)和碳氧化室內(nèi)的溫 度。所述加熱部件的溫度可以由加熱部件控制器控制，該控制器可以包括，例如恒溫器、電 加熱元件、非電加熱裝置和/或其它組件。所述加熱部件通?？梢园ㄌ?，例如石墨，作為 儲熱介質(zhì)。所述反應(yīng)器可以包括用于向反應(yīng)室提供硅石的硅石進(jìn)料系統(tǒng)。該硅石進(jìn)料系統(tǒng)可 以與反應(yīng)室的硅石進(jìn)料口連通。所述硅石進(jìn)料系統(tǒng)可以包括硅石貯儲器或硅石發(fā)生器，例 如高純度硅石發(fā)生器或硅石純化器。合適的高純度硅石發(fā)生器在同時待審申請“硅石的純 化”PCT/EP2007/064383中有描述。所述硅石進(jìn)料系統(tǒng)可以任選包括粒度減小器(例如粉 碎機(jī)、壓碎機(jī)、研磨機(jī)等)，用于將硅石的粒度降低至適合作為所述方法的進(jìn)料的尺寸。所述 硅石進(jìn)料系統(tǒng)還可以包括硅石預(yù)熱器。該預(yù)熱器使用的能量可以由來自反應(yīng)室的熱廢氣提 供，或者由來自廢氣氧化室的熱氧化廢氣提供，或由上述兩者共同提供。如果需要，所述硅石進(jìn)料系統(tǒng)還可以包括一個或多個合適的輸送器，用于將來自硅石源的硅石輸送至硅石預(yù) 熱器，并從硅石預(yù)熱器輸送至反應(yīng)室。該輸送器可以包括合適的導(dǎo)管、管子和輸送工具。輸 送工具可以包括輸送帶、螺旋輸送器和/或其它合適的工具。反應(yīng)室的硅出料口可以與用于收集反應(yīng)室內(nèi)產(chǎn)生的硅的硅收集室連通。便利地， 硅出料口位于反應(yīng)室底部或靠近反應(yīng)室底部，且硅收集室位于硅出料口下方，這樣反應(yīng)室 內(nèi)產(chǎn)生的熔融硅可以在重力下經(jīng)由硅出料口到達(dá)硅收集室。硅收集室的溫度可以保持在硅 的熔點(diǎn)或高于硅的熔點(diǎn)，從而使硅保持熔融態(tài)或液態(tài)。該硅收集室可以安裝有加熱器和/ 或合適的隔熱體，用于將其保持在所述溫度。所述反應(yīng)器還可以包括除氣器，用于在硅離開反應(yīng)室后對硅進(jìn)行除氣。所述除氣 器可以安裝在硅收集室，從而使硅在液態(tài)時進(jìn)行除氣。便利地，所述除氣器可以包括泵，該 泵用于在將硅收集室內(nèi)的硅輸送至例如用于將除氣的熔融硅轉(zhuǎn)化為固體硅的固化裝置的 過程中降低液態(tài)硅的壓力。所述反應(yīng)器還可以包括硅石預(yù)熱器，用于在硅石進(jìn)入反應(yīng)室之前對硅石進(jìn)行預(yù) 熱，和/或包括至少一個預(yù)熱器，用于預(yù)熱碳或氧或其二者。所述預(yù)熱器(任一個或兩個) 可以包括熱交換器，用于將來自廢氣和/或氧化廢氣的熱傳遞至硅石和/或碳和/或氧。 所述反應(yīng)器可以包括合適的管道(pipework)，用于將來自反應(yīng)室的廢氣或由氧化所述廢氣 所獲得的氧化廢氣傳送至這些預(yù)熱器中的至少一個。用于預(yù)熱氧的預(yù)熱器可能能夠?qū)⒀?加熱至適合將碳氧化成一氧化碳的溫度，或者加熱至低于碳的氧化溫度的溫度。該預(yù)熱器 可以將氧加熱至低于碳的氧化溫度約10°C、20°C、30°C、40 V、50°C、60 V、70°C、80 V、90°C、 100°C或約100°C以上的溫度。類似地，用于預(yù)熱碳的預(yù)熱器可以能夠?qū)⑻技訜嶂吝m合將 碳氧化成一氧化碳的溫度，或者加熱至低于碳的氧化溫度的溫度。該預(yù)熱器可以將碳加 熱至低于碳的氧化溫度約 10°C、20°C、30°C、40 V、50°C、60 V、70°C、80 V >90°C UOO V或約 IOO0C以上的溫度。用于預(yù)熱硅石的預(yù)熱器可能能夠?qū)⒐枋蠹s預(yù)熱至硅石與一氧化碳反 應(yīng)生成硅所需的溫度，或預(yù)熱至低于所述溫度約10°C、20°C、30°C、40°C、50°C、60°C、70°C、 80°C、90°C、100°C或 100°C 以上的溫度?？梢蕴峁U氣氧化室，用于將來自反應(yīng)室的廢氣中的一氧化碳氧化成二氧化碳， 從而產(chǎn)生氧化廢氣。還可以提供控流器，用于控制碳、氧和硅石中的一種或多種的流動。可 以提供儲熱器，其與反應(yīng)室熱連通。通過使用本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的純度均非常高的二氧化硅和碳，能夠通過在大 約硅的熔融溫度下的直接還原產(chǎn)生純度相當(dāng)高的金屬硅。因此，本發(fā)明用于產(chǎn)生硅石的反應(yīng)器可以額外包括題為“硅石的純化”的同時待審 申請PCT/EP2007/064383中描述的用于純化硅石的系統(tǒng)。因此，所述反應(yīng)器可以包括用于 純化硅石的系統(tǒng)，該用于純化硅石的系統(tǒng)包括a)用于將硅石轉(zhuǎn)化成四氟化硅的反應(yīng)器；b)第一純化器，用于利用純化劑純化四氟化硅；和c)水解器(例如高溫水解器)，用于任選在氟硅酸不穩(wěn)定的溫度下水解四氟化硅， 產(chǎn)生純化的硅石。所述系統(tǒng)可以額外包括d)低溫水解器，用于水解部分來自第一純化器的純化的可水解硅物種，產(chǎn)生純化劑和硅石；和e)分流器，用于將該部分純化的可水解硅物種分流至低溫水解器中。第一純化器可以為多級逆流純化器(multistage countercurrent purifier)。所 述系統(tǒng)還可以包括第二純化器，例如蒸餾裝置，用于除去純化劑的雜質(zhì)。第二純化器還可以 包括除水器。還可以提供純化器循環(huán)系統(tǒng)(purifier recycle system)，用于將來自第二純 化器的純化輸出物傳送至反應(yīng)器中。所述系統(tǒng)可以額外包括高純度蒸汽發(fā)生器，用于產(chǎn)生 高純度蒸汽，其中，所述高純度蒸汽發(fā)生器與高溫水解器連通，用于向高溫水解器提供高純 度蒸汽。該系統(tǒng)還可以包括純化劑進(jìn)料系統(tǒng)，用于將來自第二水解器的純化劑傳送至第一 純化器。所述系統(tǒng)可以額外包括以下兩者之一或其二者d)洗滌器，用于洗滌純化的硅石；和e)干燥器，用于干燥純化的硅石。所述高溫水解器可以包括硅石進(jìn)料口?？梢蕴峁╊A(yù)干燥器，用于在硅石進(jìn)入反應(yīng) 器之前對硅石進(jìn)行預(yù)干燥。所述系統(tǒng)可以額外包括低溫水解器，用于水解來自第一純化器的第二部分純化四氟化硅，產(chǎn)生氟硅酸和 娃石；分流器，用于將該部分純化的四氟化硅分流至低溫水解器中；蒸餾裝置，用于除去來自第一純化器的氟硅酸的雜質(zhì)，并用于將氟硅酸轉(zhuǎn)化成氟 化氫和四氟化硅；干燥器，用于除去來自蒸餾裝置的氟化氫和四氟化硅中的水；和純化器循環(huán)系統(tǒng)，用于將來自所述干燥器的氟化氫和四氟化硅傳送至反應(yīng)器。
實施例本發(fā)明優(yōu)選實施方式的適合用于產(chǎn)生硅的反應(yīng)器如圖1所示。在圖1中，反應(yīng) 器10包括與反應(yīng)室30連通的碳氧化室20。碳氧化室20安裝有氧進(jìn)料口 35和碳進(jìn)料口 40。反應(yīng)室30安裝有控溫器50，控溫器50具有進(jìn)口線(inlet line)55和出口線(outlet line)60，用于將熱傳遞物質(zhì)傳送至控溫器50或從控溫器50傳送出去，從而控制反應(yīng)室30 的溫度。反應(yīng)室30還具有硅石進(jìn)料口 70、硅出料口 75和廢氣出口 80。硅出料口 75與硅 收集室90連通。硅收集室90安裝有泵100，泵100能夠在熔融硅離開反應(yīng)室30后對其進(jìn) 行除氣并且能夠?qū)⑵鋸姆磻?yīng)器10抽出(即，從反應(yīng)器10的硅收集室90抽出)。碳氧化室 20、反應(yīng)室30和硅收集室90均位于加熱部件110(合宜的為碳部件)內(nèi)，用于維持上述室 內(nèi)的溫度。加熱部件110通過控溫器50控制溫度。碳由于導(dǎo)熱性高且熱容量隨溫度升高 而升高，而尤其適合作為用于加熱部件110的優(yōu)選材料。反應(yīng)器10還包括硅石進(jìn)料系統(tǒng)120。硅石進(jìn)料系統(tǒng)120包括硅石貯儲器125和硅 石預(yù)熱器130，以及輸送器135和140，輸送器135和140分別用于將來自硅石貯儲器125 的硅石輸送至硅石預(yù)熱器130和將來自硅石預(yù)熱器130的硅石傳送至進(jìn)料口 70。合適地， 輸送器135和140為螺旋型輸送器，其能夠?qū)⒐枋A儲器125的硅石輸送至反應(yīng)室30，以減 小與污染物(例如來自大氣環(huán)境的污染物)的接觸。類似地，硅石貯儲器125經(jīng)過設(shè)計從 而避免其中的高純度硅石進(jìn)料受到污染。在本發(fā)明的一些實施方式中，硅石貯儲器125可以被用于產(chǎn)生高純度硅石的裝置代替，從而在產(chǎn)生硅石的同時不間斷地將其供應(yīng)至硅石進(jìn) 料系統(tǒng)120。反應(yīng)器10還包括碳進(jìn)料系統(tǒng)150，碳進(jìn)料系統(tǒng)150包括經(jīng)設(shè)置向碳預(yù)熱器170供 應(yīng)碳的碳貯儲器160。氧進(jìn)料系統(tǒng)180包括經(jīng)設(shè)置向氧預(yù)熱器200供應(yīng)氧的氧源190。氧源 190可以為含氧容器，或者可以為氧發(fā)生器，例如可以為基于膜的氧發(fā)生器或基于化學(xué)物質(zhì) 的氧發(fā)生器。反應(yīng)器10還包括廢氣氧化室210，用于將來自反應(yīng)室30的廢氣中的一氧化碳氧化 成二氧化碳，從而產(chǎn)生氧化廢氣。本發(fā)明實施方式的各方面如以下所述I無煙煤可以經(jīng)精煉而具有極高的純度水平。如果在干凈的系統(tǒng)中處理或貯儲，無 煙煤可用于本發(fā)明的還原工序中。該無煙煤可以貯儲在碳貯儲器160中。II能夠獲得可用的純度極高的干燥硅晶體。由于這些晶體易磨損(abrasive)，貯 儲和處理必須小心。純的二氧化硅貯儲在硅石貯儲器125中?？梢允褂妙}為“硅石的純化” 的同時待審申請中描述的方法產(chǎn)生所述硅石。III硅石預(yù)熱器130可以用碳化硅或其它一些合適的耐熱材料作內(nèi)襯?？梢酝ㄟ^ 燃燒來自反應(yīng)室30的廢氣對硅石預(yù)熱器130進(jìn)行加熱，從而對注入反應(yīng)室30的純硅石進(jìn) 行預(yù)熱。IV氧預(yù)熱器200是經(jīng)設(shè)計對所需用于燃燒的氧進(jìn)行預(yù)熱的熱交換器。合適地，可 以通過從反應(yīng)室30排出的廢氣對其進(jìn)行加熱。V碳預(yù)熱器170是用光滑碳化硅或其它耐熱材料作內(nèi)襯的儲熱系統(tǒng)，其由來自反 應(yīng)室30的廢氣氧化產(chǎn)生的廢棄燃燒熱加熱。碳預(yù)熱器170經(jīng)設(shè)置用于在純的碳物質(zhì)注入 碳氧化室20之前將其預(yù)熱。VI碳氧化室20是所述系統(tǒng)的重要部分，在碳氧化室20中經(jīng)預(yù)熱的碳和經(jīng)預(yù)熱的 氧氣之間的平衡受到控制，從而確保沒有足夠的氧來產(chǎn)生(X)2且在燃燒循環(huán)中沒有自由的 碳。碳氧化室20圍繞反應(yīng)室30，將其熱傳遞給燃燒室和反應(yīng)室之間的儲熱物質(zhì)。因此，氧 化室30可以為環(huán)形，或者可以為具有矩形、正方形、五角形、六角形或類似橫截面的類似形 狀。VII反應(yīng)室30的溫度由儲熱系統(tǒng)控制在約1410°C的溫度。在反應(yīng)室30中，處于 所述溫度的還原氣體包含Co。所述CO通過反應(yīng)除去SiA的O2，產(chǎn)生CO2,并使獲得的硅具 有高純度，從而使硅作為液體通過出料口 75落入硅收集室90中。VIII為了將反應(yīng)室30的溫度控制在用于所述反應(yīng)的合適溫度下，使用石墨儲熱 器220。石墨儲熱器220通過在碳氧化室20中利用氧將碳氧化成CO而加熱，且該熱由控溫 器50精確地控制。IX為了保留所述熱量，圍繞碳氧化室20的外表面230為高度隔熱。X所述方法產(chǎn)生的硅被收集在反應(yīng)室30下方的硅收集室90中。XI由于在硅結(jié)構(gòu)中可能存在一些CO或CO2，采用中間泵抽和真空抽取的抽氣裝置 100 (an intermediate pumping, and vacuum gas extraction 100)XII由于本發(fā)明的方法在純的高溫一氧化碳與二氧化硅反應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，從反 應(yīng)室30排出的(X)2中會存在過量的一氧化碳。在廢氣氧化室210中，加入將與CO反應(yīng)形成CO2的額外的空氣或氧，并同時向氧化廢氣中加入熱量，該氧化廢氣然后可用于預(yù)熱所述 方法中使用的硅石/碳/氧。XIII控溫器50是與反應(yīng)室30熱偶聯(lián)的控溫系統(tǒng)，且需要時可提供經(jīng)進(jìn)口線55和 出口線60流通的冷卻水。XIV為了通過所述方法產(chǎn)生純產(chǎn)物，碳氧化室20、反應(yīng)室30和硅收集室90以高質(zhì) 量表面碳化硅作內(nèi)襯，所述高質(zhì)量表面碳化硅具有高的熱傳遞性質(zhì)且必須經(jīng)構(gòu)建使與儲熱 器220連接，從而能夠高效地進(jìn)行熱傳遞。圖1的反應(yīng)器可以如下進(jìn)行操作。氧由氧源190供應(yīng)至預(yù)熱器200，由預(yù)熱器200 經(jīng)過進(jìn)料口 35到達(dá)碳氧化室20。粉狀或粒狀高純度碳貯儲在碳貯儲器160中，由碳貯儲器 160經(jīng)由預(yù)熱器170經(jīng)過進(jìn)料口 40到達(dá)碳氧化室20?？梢园凑彰枋隼幂斔推?例如螺 旋輸送器)輸送碳。預(yù)熱器170和200分別將碳和氧加熱至適合在碳氧化室20中進(jìn)行快 速反應(yīng)的溫度。在碳氧化室20中，碳被部分氧化形成還原氣體，所述還原氣體雖然還可能 含有一些二氧化碳，但主要由一氧化碳組成。優(yōu)選調(diào)整氧和碳進(jìn)料至碳氧化室20的進(jìn)料速 度，以確保碳被完全轉(zhuǎn)化，使沒有元素碳能夠流入反應(yīng)室30，還確保在碳氧化室20中通過 碳的部分氧化產(chǎn)生的還原氣體不含自由氧。碳氧化室20中的氧化反應(yīng)提供了熱能，該熱能 經(jīng)由儲熱器220進(jìn)行傳輸以加熱反應(yīng)室30。另外，在碳氧化室20中產(chǎn)生的還原氣體流至反 應(yīng)室30的底部。將高純度硅石貯儲在被保護(hù)使免受污染物污染的硅石貯儲器125中。該高純度硅 石從硅石貯儲器125傳送到硅石預(yù)熱器130，硅石預(yù)熱器130將硅石的溫度提高以有利其還 原。然后，硅石通過輸送器140經(jīng)由進(jìn)料口 70進(jìn)入反應(yīng)室30的上部。因此，在反應(yīng)室30 中，還原氣體向上傳遞而硅石則以相對于還原氣體的逆流方式向下移動。當(dāng)硅石在反應(yīng)室 30中向下傳遞時，其被還原氣體還原成硅。優(yōu)選將反應(yīng)室30的溫度保持在硅石的熔點(diǎn)和硅 的熔點(diǎn)之間。該控溫可通過由碳氧化室20內(nèi)的氧化反應(yīng)提供的熱以及控溫器50提供的冷 卻(如果需要)而實現(xiàn)。因此，形成的硅是液態(tài)的，其沉淀在反應(yīng)室30底部，并經(jīng)由出料口 75流至硅收集室90中。然后泵100將液態(tài)硅抽到貯儲單元(圖1中未示出)，且在液態(tài)硅 抽到貯儲單元的過程中將其除氣，以除去殘余一氧化碳和/或二氧化碳。該方法產(chǎn)生的硅 的純度高，并且應(yīng)該避免產(chǎn)物的下游污染。還原氣體將硅石還原成硅的同時，其自身被氧化，產(chǎn)生二氧化碳。因此，反應(yīng)室30 排出的廢氣包含二氧化碳和未反應(yīng)的一氧化碳的混合物。該氣體處于高溫，并被傳送至預(yù) 熱器200，所述氣體的部分熱能在此被傳遞給進(jìn)料至碳氧化室20的氧。廢氣然后傳送至廢 氣氧化室210，廢氣氧化室210也安裝有空氣或氧入口。因此，在廢氣氧化室210中，廢氣被 氧化，將未反應(yīng)的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。這樣產(chǎn)生額外的熱能，其加熱了氧化廢氣。然 后，氧化廢氣傳送至用于加熱供料至反應(yīng)室30的高純度硅石的硅石預(yù)熱器130。然后，氧化 廢氣傳送至用于加熱供料至碳氧化室20的碳的碳預(yù)熱器170。所產(chǎn)生的氧化廢氣中的一氧 化碳水平非常低，且溫度相對適中，因此適合排放至大氣中。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以對所述具體實施方式
所示的本發(fā)明進(jìn)行多種變形 和/或修飾，而不背離廣泛闡述的所述發(fā)明的精神或范圍。因此，在所有方面，本實施方式 都被認(rèn)為是用于例證本發(fā)明，而非用于限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.硅的生產(chǎn)方法，其包括使硅石與包含一氧化碳的還原氣體反應(yīng)，其中，所述還原氣體 不含元素碳。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其包括通過元素碳和氧的反應(yīng)生成所述還原氣體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述硅石與還原氣體在加熱反應(yīng)室內(nèi)反應(yīng)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述加熱反應(yīng)室的溫度是受控的。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其中，所述硅石與還原氣體在高于硅的熔點(diǎn) 的溫度下反應(yīng)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，在所述硅凝固前對其進(jìn)行除氣。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項所述的方法，其中，將來自所述方法的廢氣氧化從而將廢 氣中的基本所有的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳，由此產(chǎn)生氧化廢氣。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，使用所述氧化廢氣將所述方法的原料預(yù)熱。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法，其中，所述硅石的純度為至少約99.9重量％。
10.由權(quán)利要求1-9中任一項所述的方法產(chǎn)生的硅。
11.用于生產(chǎn)硅的反應(yīng)器，其包括碳燃燒室，其用于使碳與氧反應(yīng)生成包含一氧化碳的還原氣體，其中，所述還原氣體不 含元素碳；反應(yīng)室，其用于使該不含元素碳的還原氣體與硅石反應(yīng)，所述反應(yīng)室與所述碳燃燒室 連通；控溫器，其用于控制所述反應(yīng)室的溫度；硅石進(jìn)料口，其與所述反應(yīng)室連通，用于向反應(yīng)室導(dǎo)入硅石；和硅出料口，其與所述反應(yīng)室連通，用于將硅導(dǎo)出反應(yīng)室。
12.如權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器，其還包括用于將從所述反應(yīng)室導(dǎo)出的硅除氣的除氣
13.如權(quán)利要求11或12所述的反應(yīng)器，其還包括用于在硅石進(jìn)入所述反應(yīng)室之前將硅 石預(yù)熱的硅石預(yù)熱器。
14.如權(quán)利要求11-13中任一項所述的反應(yīng)器，其還包括至少一個用于預(yù)熱碳或氧或 者碳和氧兩者的預(yù)熱器。
15.如權(quán)利要求13或14所述的反應(yīng)器，其包括管道，該管道用于將來自所述反應(yīng)室 的廢氣、由氧化所述廢氣獲得的氧化廢氣或該廢氣和氧化廢氣兩者傳遞至至少一個用于將 碳、氧和硅石中的至少一種預(yù)熱的預(yù)熱器。
16.如權(quán)利要求11-15中任一項所述的反應(yīng)器，其包括廢氣燃燒室，用于將來自所述反 應(yīng)室的廢氣中的一氧化碳氧化成二氧化碳，從而產(chǎn)生氧化廢氣的廢氣燃燒室。
17.如權(quán)利要求11-16中任一項所述的反應(yīng)器，其還包括一個或多個用于控制碳、氧和 硅石中的一種或多種的流動的控流器。
18.如權(quán)利要求11-17中任一項所述的反應(yīng)器，其中，所述反應(yīng)室與儲熱器熱連通。
19.產(chǎn)生硅的方法，其包括提供反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括用于使碳與氧反應(yīng)生成包含一氧化碳的還原氣體的碳燃 燒室，所述還原氣體不含元素碳；反應(yīng)室，其用于使該不含元素碳的還原氣體與硅石反應(yīng)，所述反應(yīng)室與碳燃燒室連通；控溫器，其用于控制所述反應(yīng)室的溫度；硅石進(jìn)料口，其與所述反應(yīng)室連通，用于向反應(yīng)室導(dǎo)入硅石；和硅出料口，其與所述反 應(yīng)室連通，用于將硅導(dǎo)出所述反應(yīng)室；向所述碳燃燒室供應(yīng)氧和碳；使碳和氧反應(yīng)生成包含一氧化碳的還原氣體，所述還原 氣體不含元素碳；向所述反應(yīng)室供應(yīng)還原氣體和硅石；并使所述還原氣體與硅石反應(yīng)生成硅和廢氣。
20.權(quán)利要求11-18中任一項所述的反應(yīng)器在硅的生產(chǎn)中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及硅的生產(chǎn)方法，該方法包括使硅石與包含一氧化碳的還原氣體反應(yīng)，其中，所述還原氣體不含元素碳。本發(fā)明還涉及用于生產(chǎn)硅的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括碳燃燒室，用于使碳與氧反應(yīng)生成包含一氧化碳的還原氣體，其中，該還原氣體不含元素碳；反應(yīng)室，用于使該不含元素碳的還原氣體與硅石反應(yīng)，其中，所述反應(yīng)室與碳燃燒室連通；控溫器，用于控制反應(yīng)室的溫度；硅石進(jìn)料口，其與反應(yīng)室連通，用于向反應(yīng)室導(dǎo)入硅石；和硅出料口，其與反應(yīng)室連通，用于將硅導(dǎo)出反應(yīng)室。
文檔編號C01B33/023GK102089243SQ200980113916
公開日2011年6月8日 申請日期2009年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月20日
發(fā)明者羅伯特·勞埃德 申請人:Cbd能源有限公司