锥形流化床反应器及其使用方法
【专利说明】锥形流化床反应器及其使用方法
【背景技术】
[0001] 制备多晶硅的方法可包括将包含氢和硅单体（诸如批1(：13或SiH4)的气体供给到 容纳有维持在高温下的硅颗粒的流化床。颗粒尺寸增大，并在足够大时，通过流化床反应器 (FBR)的底部出来成为产物。排放气体离开FBR的顶部。排放气体流可以经过回收过程，在 这些回收过程中冷凝、洗涤、吸收和吸附是通常用于促进硅单体和氢的捕获以用于再循环 的单元操作。
[0002] 关于FBR方法的一个问题在于，必须将围绕硅颗粒床的壁加热到高于平均床温度 的温度以促进热传递。这可例如通过使用电阻加热、微波能量、射频感应加热或红外辐射来 进行。所有加热方法都具有特有的操作问题。然而，一个问题在于，FBR的底部可能很热，且 进料气体在含有HSiCl 3和氢时具有反应性。因此，进料气体分配器、大颗粒的簇（尤其是在 搅动不太强烈且颗粒长时间接触的区域中的那些）和反应器侧壁易于发生硅的快速沉积。 那些沉积物随后会破坏正常的进料分配、产物分离和系统热传递。
[0003] 关于FBR方法的另一问题在于，可在圆柱形FBR中发生腾涌，这是因为气泡在容纳 有相对大的颗粒的流化床中快速生长。"腾涌"是指形成足够大以致破坏流化并降低产率的 气泡。通常，这些气泡可达到接近容器直径的直径。腾涌行为导致在系统中存在显著压力 波动且使容器壁上的力不均匀。由于波动行为是动态的而气泡的尺寸有所生长并在自由空 间破裂，因此表征其量级的优选方法是压力波动的标准偏差的时序平均值。压力波动的标 准偏差与过高气体速度成正比，并因此是用于系统中所形成的最大气泡的聚集气泡尺寸的 量度。这些力本身表现为可测量的振动，并且本领域中存在现场测量此类振动的工具。例 如，可使用压差传感器测量流化床整体或其区段中的压降。
[0004] 关于硅沉积流化床反应器的第三个难题是将能量递送到方法中以支持沉积化学 (如果壁是主要的传输模式）。随着圆柱形FBR的直径增加，FBR的壁周长以线性方式增加， 并因此每单位长度的壁表面积也以线性方式增加，但操作的热需求在给定的平均表观速度 下随着FBR的直径的平方而增加。为适应此变化，需要增加热通量或必须增大床高度以实 现必要的能量递送。从壁到床的最大热通量可受到与壁构造材料和热递送方法相关的允许 的热应力的限制。本领域已提出使用内部加热器和热交换器来补充能量输入，但这些装置 会增加复杂性，更不必说关于维持产物纯度的难题。对于一些流化方法，高度也受限于气泡 生长。在热通量受到限制下，增加 FBR直径会导致更高的高度，但源于更高床面的气泡生长 速率增加可导致在FBR中发生过度腾涌。这使得难以将FBR方法按比例放大成多晶硅的商 业可行生产方法。
[0005] 在流化床反应器中制备的多晶娃颗粒通常属于Geldart B类和/或Geldart D类 分类。Geldart分类制是指流化床反应器中的颗粒的集体行为，可通过平均粒径以及固体相 与流体相的相对密度来表征此固体行为的不同类别。例如，充分量化气体-颗粒系统的拖 拽行为的用于粒度分布的适当平均化描述是表面对体积平均或Sautei平均粒径。该指标 展示来自较小颗粒的气体-固体拖拽对于整个群体的影响，这将有助于移动较大的珠粒。 对于娃颗粒而言，Geldart B类颗粒可具有介于200微米至800微米范围内的粒径。Geldart B类颗粒表现出在开始流化时形成气泡，这些气泡从注入点继续生长。气泡尺寸可较大，例 如在一些情形下为约数英尺。对于硅沉积FBR方法而言，工业可用材料的样品展示出粒度 分布在Geldart B范围内，通常为700-800微米。
[0006] Geldart D类颗粒具有所有Geldart类中的最大粒径。流化Geldart D类颗粒的 气体需求大于B类颗粒且气泡生长也更快。在流化期间，Geldart B类和Geldart D类颗 粒具有极大的气泡直径，且通常在大的圆柱形流化床中观察到喷流和/或腾涌。由于腾涌 问题，通常在喷流床中加工Ge I dart D类颗粒，在喷流床中气体需求小于在鼓泡流化床中的 需求，但中心进料喷射的使用限制了气体-固体接触的效率。或者，减小鼓泡流化床内的气 泡生长的方法是引起气泡在床内破裂。尽管可使用机械解决方案（诸如挡板）来使气泡破 裂，但在多晶硅沉积应用中，难以实施同样不会引起产物污染的稳健、耐腐蚀的挡板设计。
[0007] 硅沉积流化床反应器的第四个难题是往往会在反应系统内产生夹带出反应器的 精细物（约1微米粒径）。气泡相内的化学物质也已知会促进将形成精细硅粉末的成核反 应。限制此问题的常用方法是减小床内的平均粒径以限制气泡生长。然而，较小的颗粒具 有更高的污染风险的可能性。或者，可连续操作流化床沉积反应器，但这需要更大的资本投 资。
[0008] 在多晶硅工业中需要改进FBR技术以解决这些问题。
【发明内容】
[0009] 一种流化床反应器（FBR)包括气体分配器、位于气体分配器上方的锥形区段以及 位于锥形区段上方的扩展头部。FBR可用于制备多晶硅的方法。
【附图说明】
[0010] 将易于认识到本发明的其他优点，因为结合附图考虑时，通过参考以下具体实施 方式可更好地理解相同内容，其中：
[0011] 图1显示了流化床反应器（FBR) 100的横截面；
[0012] 图2显示了适用于图1中所示的FBR 100的圆锥形气体分配器IOlA的放大横截 面；
[0013] 图3显示了图2中所示的圆锥形气体分配器IOlA的俯视图；
[0014] 图4A显示了适用于图1中所示的FBR 100的替代圆锥形气体分配器IOlB的俯视 图；
[0015] 图4B显示了适用于图1中所示的FBR 100的另一替代圆锥形气体分配器IOlB的 俯视图；
[0016] 图4C显示了适用于图1中所示的FBR 100的又一替代圆锥形气体分配器IOlB的 俯视图；以及
[0017] 图5显示了具有较高床存量与补充气体注入点301和302以及加速度计303的流 化床反应器的横截面。
【具体实施方式】
【发明内容】
[0018] 、【附图说明】和说明书摘要据此以引用方式并入。
[0019] 术语的宙义和用法
[0020] 除非另外指明，否则所有数量、比率和百分比均按重量计。除非本说明书的上下文 另外指明，否则冠词"一个"、"一种"和"所述"各指一个（一种）或多个（多种）。范围的公 开内容包括范围本身以及其中所包含的任何值以及端点。例如，2. 5至10. 0的范围的公开 内容不仅包括范围2. 5至10. 0,而且还单独地包括2. 7、2. 9、3. 4、4. 5、6. 7、7. 4、9. 3和10. 0 以及该范围中所包含的任何其他数字。此外，例如2. 5-10. 0的范围的公开内容包括子集例 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 该范围中所包含的任何其他子集。类似地，马库什群组（Markush group)的公开内容包括 整个群组以及任何单独成员及其中所包含的子群。例如，马库什群组单氯硅烷、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开内容包括单个成员三氯硅烷，子群三 氯硅烷和四氯硅烷，及其中所包含的任何其他单个成员和子群。
[0021] 出于本专利申请的目的，术语"氯硅烷"是指具有一个或多个键合到硅的氯原子的 任何硅烷物质且包括但不限于单氯硅烷（H3SiCl)、二氯硅烷（H 2SiCl2)、三氯硅烷（HSiCl3)、 四氯硅烷（SiCl 4)及各种氯化二硅烷，诸如六氯二硅烷和五氯二硅烷。出于本专利申请的 目的，术语"溴硅烷"是指具有一个或多个键合到硅的溴原子的任何硅烷物质且包括但不限 于单溴硅烷（H 3Sifc)、二溴硅烷（H2Sifc2)、三溴硅烷（HSifc3)、四溴硅烷（SiBr 4)及各种溴 化二硅烷，诸如六溴二硅烷和五溴二硅烷。另外，术语"硅烷单体"是指每分子具有一个硅 原子的任何硅烷物质（例如硅烷，或HSiCl 3，或