借助粒度分布控制使溫度梯度最佳化而改進(jìn)流化床反應(yīng)器的操作的制作方法
【專利說明】借助粒度分布控制使溫度梯度最佳化而改進(jìn)流化床反應(yīng)器的操作
[0001]相關(guān)申請交叉引用
[0002]本申請要求2012年12月31日提交的美國臨時專利申請序列號61/747，525的優(yōu)先權(quán)，通過引用將其全部內(nèi)容并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]公開了改進(jìn)多晶硅流化床反應(yīng)器的操作的方法。本公開內(nèi)容涉及使氣-固流化床系統(tǒng)中的軸向溫度梯度最佳化。改變反應(yīng)器中的粒度分布的寬度來改變反應(yīng)器內(nèi)的溫度梯度，由此提供更好的控制內(nèi)部溫度特征的手段以及因此提供更好的反應(yīng)器性能。
[0004]發(fā)明背景
[0005]本公開內(nèi)容涉及用于制備多晶硅的流化床反應(yīng)器系統(tǒng)。多晶硅為用于生產(chǎn)許多商品，包括例如集成電路和光生伏打(即太陽能)電池的原料。多晶硅通常通過化學(xué)氣相沉積機(jī)制制備，其中硅在流化床反應(yīng)器中由可熱分解硅化合物沉積到硅晶種粒子上。這些晶種粒子的尺寸連續(xù)生長直至它們作為多晶硅粒子產(chǎn)物離開反應(yīng)器。合適的可分解硅化合物包括例如硅烷和鹵代硅烷(例如三氯硅烷)。
[0006]可將多晶晶種粒子加入核心床中以引發(fā)硅的沉積。在核心床中可進(jìn)行多種反應(yīng)。硅由硅烷沉積到硅粒子上，導(dǎo)致粒子尺寸生長。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行時，硅粒子生長至所需尺寸，從核心床中取出并將新的晶種粒子加入核心床中。
[0007]多分散性是涉及固體的流動中普遍存在的，且已知這類系統(tǒng)顯示出與單分散系統(tǒng)不同的行為。隨著粒度分布發(fā)展，混合和熱傳遞特征改變，因此多分散性對流化床反應(yīng)器中的溫度梯度的影響是特別重要的。
[0008]在氣-固流化床反應(yīng)器中，溫度是貢獻(xiàn)于反應(yīng)器性能的關(guān)鍵參數(shù)。因?yàn)閷怏w密度和氣體粘度的影響，溫度不僅影響反應(yīng)動力，而且還影響氣-固系統(tǒng)的動力學(xué)。通常在商業(yè)流化床反應(yīng)器中，控制氣體流速、稀相區(qū)壓力和動力供應(yīng)，但未監(jiān)控床內(nèi)的實(shí)際溫度梯度。
[0009]不可避免地，床內(nèi)，尤其是軸向的溫度變化出現(xiàn)在流化應(yīng)用，例如多晶硅反應(yīng)器中。因此，基于戰(zhàn)略上沿著反應(yīng)器壁放置的熱電偶的溫度定位點(diǎn)通常不是其它(軸向)區(qū)域中溫度的良好預(yù)測器。
[0010]因此，需要更好地理解粒度分布進(jìn)展對流化床反應(yīng)器中的溫度特征的影響以容許對這類系統(tǒng)的更好控制并通過減輕它們內(nèi)的熱點(diǎn)而延長反應(yīng)器的使用壽命。即需要認(rèn)識和理解床反應(yīng)器中顆粒的粒度分布寬度與反應(yīng)器中的溫度之間的關(guān)系。
[0011]該節(jié)意欲向讀者介紹下文描述和/或主張的本公開內(nèi)容各方面可能涉及的各個技術(shù)方面。認(rèn)為該討論有助于向讀者提供背景信息以促進(jìn)對本公開內(nèi)容的各方面的更好理解。因此，應(yīng)當(dāng)理解這些陳述應(yīng)就此而論閱讀，且不是對現(xiàn)有技術(shù)的認(rèn)可。
[0012]發(fā)明概述
[0013]在第一方面中，公開了改進(jìn)多晶硅流化床反應(yīng)器的操作的方法。反應(yīng)器具有分配器板和核心床。該方法包括將具有預(yù)定粒度分布的多晶硅晶種加入流化床反應(yīng)器的核心床中；測量床中顆粒的粒度分布寬度，其中顆粒(granules)由新加入晶種和先前加入晶種的混合物組成；通過調(diào)整反應(yīng)器中的晶種添加頻率來控制床中顆粒的粒度分布寬度；以及將多晶硅晶種產(chǎn)物從床中取出。
[0014]在另一方面中，公開了改進(jìn)多晶硅流化床反應(yīng)器的操作的方法。反應(yīng)器具有分配器板和核心床。該方法包括將具有預(yù)定粒度分布的多晶硅晶種加入流化床反應(yīng)器的核心床中；測量床中顆粒的粒度分布的寬度，其中顆粒由新加入晶種和先前加入晶種的混合物組成；通過調(diào)整晶種的預(yù)定粒度分布來控制床中顆粒的粒度分布的寬度；以及將多晶硅晶種產(chǎn)物從床中取出。
[0015]在本公開內(nèi)容的又一方面中，公開了改進(jìn)多晶硅流化床反應(yīng)器的操作的方法。反應(yīng)器具有分配器板和核心床。該方法包括將具有預(yù)定粒度分布的多晶硅晶種加入流化床反應(yīng)器的核心床中；測量床中顆粒的粒度分布的寬度，其中顆粒由新加入晶種和先前加入晶種的混合物組成；通過調(diào)整反應(yīng)器中的晶種添加頻率和調(diào)整晶種的預(yù)定粒度分布來控制床中顆粒的粒度分布的寬度；以及將多晶硅晶種產(chǎn)物從床中取出。
[0016]存在關(guān)于上述方面指出的特征的各種細(xì)化。還可將其它特征并入上述方面中。這些細(xì)化和其它特征可單獨(dú)或以任意組合存在。例如，下文關(guān)于舉例說明的實(shí)施方案中任一個討論的各個特征可單獨(dú)或以任意組合并入上述方面中的任一個中。
[0017]附圖簡要說明
[0018]圖1為適于根據(jù)本公開內(nèi)容使用的流化床反應(yīng)器的示意圖，其中顯示進(jìn)入和離開反應(yīng)器的料流。
[0019]圖2為具有Clsni= 925 μ m的粒度分布和變化的o /d sni的圖示。
[0020]圖3為在相同操作條件下，用氫氣作為流化氣體，不同粒度分布的寬度下的溫度特征的圖示。
[0021]圖4為對各組粒度分布在兩種不同的流速下，用氬氣作為流化氣體，不同粒度分布的寬度下的溫度特征的圖示。
[0022]在附圖的所有試圖中，相應(yīng)的參考標(biāo)記表示相應(yīng)的部件。
[0023]發(fā)明詳述
[0024]本公開內(nèi)容涉及使氣-固流化床系統(tǒng)，例如多晶硅反應(yīng)器中的軸向溫度梯度最佳化。特別地，已發(fā)現(xiàn)通過改變反應(yīng)器中的粒度分布的寬度，可改變反應(yīng)器內(nèi)的溫度梯度。由于溫度的影響，例如在反應(yīng)動力和流體動力學(xué)方面都是顯著的，因此控制反應(yīng)器中的粒度分布的寬度提供了更好地控制內(nèi)部溫度特征的手段，這導(dǎo)致更好的反應(yīng)器性能。
[0025]因此，本公開內(nèi)容涉及改進(jìn)多晶硅流化床反應(yīng)器的操作的方法。多晶硅流化床反應(yīng)器具有分配器板和核心床。該方法包括將具有預(yù)定粒度分布的多晶硅晶種加入流化床反應(yīng)器的核心床中；測量床中顆粒的粒度分布的寬度，其中顆粒由新加入晶種和先前加入晶種的混合物組成；控制床中顆粒的粒度分布的寬度；以及將多晶硅晶種產(chǎn)物從床中取出。
[0026]在一個實(shí)施方案中，床中顆粒的粒度分布的寬度可通過調(diào)整反應(yīng)器中的晶種添加頻率來控制。在另一實(shí)施方案中，床中顆粒的粒度分布的寬度可通過調(diào)整晶種的預(yù)定粒度分布控制。在本公開內(nèi)容的又一實(shí)施方案中，床中顆粒的粒度分布的寬度可通過調(diào)整反應(yīng)器中的晶種添加頻率和調(diào)整晶種的預(yù)定粒度分布來控制。在又一實(shí)施方案中，床中顆粒的粒度分布的寬度可通過調(diào)整反應(yīng)器的產(chǎn)物取出頻率來控制。
[0027]流化床反應(yīng)器
[0028]應(yīng)當(dāng)指出，可使用能夠進(jìn)行本文所述反應(yīng)的任何反應(yīng)器而不偏離本公開內(nèi)容的范圍。這類反應(yīng)器一般性地描述為流化床反應(yīng)器。此外，本公開內(nèi)容的實(shí)施方案的方法可在單一流化床反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)或者可結(jié)合串聯(lián)或并聯(lián)配置的一個或多個流化床反應(yīng)器。
[0029]流化床反應(yīng)器可包含分配器板、核心床(在工業(yè)中也稱為“反應(yīng)室”)、氣體分布裝置和產(chǎn)物取出管。
[0030]核心床
[0031]反應(yīng)器核心床通常為流化床，其中硅粒子通過反應(yīng)器中流化氣體向上流動而懸浮。流化床反應(yīng)器提供生長硅粒子與氣相之間的高傳質(zhì)和傳熱，這增強(qiáng)了硅在粒子上的沉積速率。流化床反應(yīng)器通常為圓柱形豎式容器；然而，可使用流化床操作可接受的任何構(gòu)型。反應(yīng)器的特定尺寸主要取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素，例如可根據(jù)系統(tǒng)變化而不偏離本公開內(nèi)容的范圍的所需系統(tǒng)輸出、傳熱效率和系統(tǒng)流體動力學(xué)。通常，使用外部熱以使可熱分解氣體的溫度提高至氣體分解時的點(diǎn)。加熱方法包括例如電容加熱、感應(yīng)線圈和電阻元件。
[0032]現(xiàn)在參考圖1，用于進(jìn)行本公開內(nèi)容的方法的示例流化床反應(yīng)器I 一般性地表示為數(shù)字I。反應(yīng)器I包含反應(yīng)器核心床10和分配器板2。
[0033]在一些實(shí)施方案中，單一進(jìn)料氣體可用于反應(yīng)器I中。在其它實(shí)施方案中，多種進(jìn)料氣體可用于反應(yīng)器I中。圖1代表了其中兩種進(jìn)料氣體用于反應(yīng)器I中的示例實(shí)施方案。將第一進(jìn)料氣體5和第二進(jìn)料氣體7引入送氣室6中以將各氣體分配到反應(yīng)器核心床10的入口中。就這點(diǎn)而言，應(yīng)當(dāng)理解如本文所用，“第一進(jìn)料氣體”為具有與“第二進(jìn)料氣體”不同的物理性能的氣體，反之亦然。第一進(jìn)料氣體和第二進(jìn)料氣體可包含多種氣體化合物，條件是第一進(jìn)料氣體中所述化合物中至少一種的質(zhì)量組成或摩爾組成不同于第二進(jìn)料氣體中該化合物的組成。
[0034]產(chǎn)物取出管12延伸通過送氣室6?？蓪a(chǎn)物粒子從管12中取出并輸送至產(chǎn)物儲存15中。反應(yīng)器核心床10可包含下部區(qū)域13、稀相區(qū)11以及具有比下部區(qū)域13和稀相區(qū)11更大的半徑的膨脹區(qū)14。下部區(qū)域13比稀相區(qū)11和膨脹區(qū)14更濃。另外，下部區(qū)域13可以為反應(yīng)器的富粒子區(qū)域。稀相區(qū)11