使用流化床反应器制备颗粒多晶硅的方法

专利名称：使用流化床反应器制备颗粒多晶硅的方法
使用流化床反应器制备颗粒多晶硅的方法
技术领域：
本发明涉及使用流化床反应器大规模生产颗粒多晶硅的方法，所 述流化床反应器甚至在较高压力下也能在长期操作期间维持稳定。
通常，高纯度多晶硅用作制造半导体装置或太阳能电池的基本材 料。多晶硅是通过将高度纯化的含硅原子的反应气体热分解和/或氢还 原、从而允许硅在硅颗粒上连续沉积而制备的。
对于多晶硅的大规模生产，主要使用钟罩型反应器，它提供直径
大约50 - 300醒的杆式多晶硅产物。然而，基本上由电阻加热系统构 成的钟罩型反应器不能连续地操作，这归因于在延长可达到的最大杆 直径方面的不可避免的限制。这种反应器还已知具有低沉积效率和高 电能消耗的严重问题，原因在于受限的硅表面和高热损失。
替换地，最近已开发了流化床反应器制备尺寸为0.5-3 mm的颗 粒多晶硅。根据这一方法，硅颗粒的流化床通过气体的上升流形成并 且硅颗粒的尺寸随着硅原子从供给经加热的流化床的含硅原子的反应 气体沉积在颗津立上而增加。
如在常规钟軍型反应器中那样，流化床反应器也使用Si-H-Cl体 系的硅烷化合物例如甲硅烷(SiH4) 、 二氯甲硅烷(SiH2Cl2)、三氯 硅烷(SiHCl3)、四氯化硅(SiCl4)或其混合物作为含硅原子的反应 气体，该含硅原子的反应气体通常还包含氢气、氮气、氩气、氦气等。
对于硅沉积，反应温度(即，硅颗粒的温度)应该维持在高位。 该温度对于甲硅烷应该为大约600 - 850X:，而对于最广泛使用的三氯 硅烷为大约900—1， IO(TC。
由含硅原子的反应气体的热分解和/或氢还原所引起的硅沉积过
程包括各种基元反应，并且存在其中硅原子依赖于反应气体长成颗粒 的复杂路线。然而，与基元反应和反应气体的种类无关，流化床反应 器的操作能提供颗粒多晶硅产物。
在此，由于连续的硅沉积或硅颗粒的附聚，较小的硅颗粒(即种 晶)尺寸变大，从而损失流动性并最终向下运动。种晶可以在流化床 本身中就地制备或产生，或被连续、定时或间歇地供入反应器。如此 制备的较大颗粒，即多晶硅可以从排出反应器的下部连续、定时或间 歇地排出。
由于硅颗粒的较高的表面积，流化床反应器系统与钟軍型反应器 系统相比提供更高的反应产量。此外，颗粒产物可以在没有进一步加 工的情况下直接地用于后续过程例如单晶生长，晶块或薄膜生产，表 面处理和改性，用于反应或分离的化学材料的制备或硅颗粒的模塑或 粉碎。虽然这些后续过程是按间歇方式操作的，但是颗粒多晶硅的制 造允许这些过程按半连续或连续方式进行。
流化床反应器的这种生产率的增加是为颗粒多晶硅的低成本制造 所要求的。为此，在低单位能量消耗下增加硅沉积速率是最有效的， 这可通过在高压下连续操作流化床反应器来达到。对于釆用流化床反 应器连续操作该方法，保证反应器构件的物理稳定性是重要的。
与制备常用化学产品的常规的流化床反应器不同，在制备多晶硅 的流化床反应器的构件的材料选择方面遇到了严重限制。特别地，考 虑到多晶硅的所需的高纯度，流化床壁的材料选择是重要的。反应器 壁在物理稳定性方面较弱，因为它总是与高温下流化的硅颗粒接触， 并且遭受由颗粒的流化床所引起的不规则振动和剧烈的剪切应力。然 而，在能够承受较高压力条件的高纯度非金属无机材料当中选择适当 的材料是很难的，因为金属材料是不适当的，原因在于高的反应温度 和反应气体的化学性能。因此，制造多晶硅的流化床反应器不可避免 地具有复杂结构。因此通常的是将由石英制成的反应器管置于用于加 热硅颗粒的电阻加热器中，并且该反应器管和加热器都被金属壳包围。 优选在加热器和反应器壳中间或在反应器壳的外部填充绝缘材料以降
低热损失。
例如，美国专利号5，165， 908公开了其中电阻加热器封闭由石英 制成的反应器管的反应器系统，该电阻加热器和反应器管都被夹套形 状的不锈钢壳保护并且绝缘材料安装在该壳外部。
美国专利号5，810， 934公开了制造多晶硅的流化床反应器，包括 反应器容器，即限定流化床的反应器管；护板，即包围反应器管的保 护管；安装在该护板外部的加热器；和包围该加热器和绝缘材料的外 部安全壳。该专利强调由石英制成的保护管安装在反应器管和加热器 中间以防止反应器管的破裂和其内部空间的沾染。
同时，制造多晶硅的流化床反应器可以取决于加热方法而具有不 同的结构。
例如，美国专利号4， 786， 477公开了用穿透石英反应器管的微波 加热硅颗粒的方法而不是在管外部施加常规的加热器。然而，该专利 仍然具有反应器复合结构的问题并且没有公开如何增加石英反应器管 内部的反应压力。
为了解决上述问题，U.S. 5, 382, 412公开了用于制造多晶硅的简 单结构的流化床反应器，其中通过金属反应器壳垂直地固定圆柱形反 应器管。然而，这一专利仍然具有内压不能增加到超过大气压和微波 供应装置应该与反应器壳相结合的问题，因此没有提供方法来克服反 应器管的在高压反应下预期的机械弱点。
因此，本发明的目的是提供通过流化床反应器的稳定、长期的操 作制备多晶硅的改进方法，而不受反应压力增加的约束。
在这一方面，本发明人基于以下实验结果完成了本发明，即如果 将反应器管两侧之间的压力差维持在预定范围内，则流化床反应器可 能甚至在高压下长期稳定地操作，从而满足基于流化床法制备多晶硅 所要求的各种条件。
本发明的另一个目的是提供改进的流化床反应器的制备方法，该
流化床反应器虽然由为制备多晶硅的常压操作可接受的材料组成，但 是却可以应用于高压操作。
本发明的又一个目的是提供制备多晶硅的方法，该方法允许容易 安装加热装置用于将硅颗粒加热到为制备多晶硅所要求的高反应温 度。
本发明的另一个目的是提供多晶硅的制备方法，该方法可以在承 受由硅颗粒的流化而施加于反应器管上的物理应力的同时保证长期稳 定性。
本发明的又一个目的是提供制备多晶硅的方法，其中尽管反应器 管暴露在处于高温度和压力下的连续流化的硅颗粒中但仍可以保证反 应器的稳定性。
本发明还旨在提供一种方法，该方法可以方便地应用于制备高纯 度多晶硅颗粒同时使杂质污染最小化。
为了实现上述目的，本发明提供使用流化床反应器制备多晶硅的
方法，包括以下程序(a)采用流化床反应器，其中将反应器管垂直 地放置在反应器壳内以致被所述反应器壳包围，由此将所述反应器壳 的内部空间划分成在所述反应器管内形成的内区和在所述反应器壳和 反应器管中间形成的外区，其中在所述内区中形成硅颗粒床并且发生 硅沉积，而在所述外区中不形成硅颗粒床并且不发生硅沉积；(b)使 用内压控制装置直接或间接地测量和/或控制内区压力，使用外压控制 装置直接或间接地测量和/或控制外区压力，并使用压力差控制装置将 所述内区压力和外区压力之间的差值维持在1巴内；(c)使用流化气 体入口装置将流化气体引入所述硅颗粒床；(d)使用反应气体入口装 置将含硅原子的反应气体引入所述硅颗粒床；(e)将惰性气体引入所 述外区，由此在所述外区中维持大体惰性的气氛；(f)使用安装在所 述内区和/或外区中的加热装置加热所述硅颗粒床；(g)将在所述内 区内制备的多晶硅颗粒排放到所述流化床反应器的外部；(h)将尾气
排放到所述流化床反应器的外部，所述尾气包括通过所述硅颗粒床的 流化气体、未反应的反应气体和副产物气体。
在一个优选的实施方案中，所述反应气体是含硅原子的气体，选 自由甲珪烷、二氯甲硅烷、三氯硅烷、四氯化硅和它们的混合物组成 的组。
任选地，所述反应气体还包含至少一种选自由氢气、氮气、氩气、 氦气、氯化氢和它们的混合物组成的组的气体。
在一个优选的实施方案中，所述流化气体是选自由氢气、氮气、 氩气、氦气、氯化氢、四氯化硅和它们的混合物组成的组的气体。
在一个优选的实施方案中，惰性气体包含至少一种选自由氢气、 氮气、氩气和氦气组成的组的气体。
在一个优选的实施方案中，维持外区压力(Po)或内区压力(Pi) 在1-15巴的范围内。
具体来说，可以将外区压力(Po)控制在介于内区中可测量的最 大和最小压力值之间。
同时，当经由选自与所述硅颗粒床空间连接的流化气体入口装置、 反应气体入口装置、硅颗粒出口装置和内区连接装置中的至少一个装 置将内压控制装置与内区空间连接时，维持外区压力(Po)和内区压 力(Pi)之间的差值以满足O巴< (Pi-Po) <1巴的条件。
相反，当经由选自与该内区的上部而不是硅颗粒床空间连接的气 体出口装置、硅种晶入口装置和内区连接装置中的至少一个装置将内 压控制装置与内区空间连接时，维持外区压力(Po)和内区压力(Pi) 之间的差值以致满足G巴< (Po-Pi) <1巴的条件。
在一个优选的实施方案中，通过使用气体分析装置基于气体的气 体分析确定包括在内压控制装置和/或外压控制装置中的压力差控制 装置的压力控制条件，该气体存在于所述内区和/或外区中或是从所述 内区和/或外区排放的。
在一个优选的实施方案中，在硅颗粒床的下部中形成了填充材料 的填充床，所述填充材料没有被流化气体的流动流化，其中所述填充
床的高度布置得低于借以将反应气体引入硅颗粒床的所述反应气体入 口装置的出口。
参照本文附图，在下面提供了本发明的详细描述。
为了制备根据本发明的多晶硅，需要采用如图l示意性示出的流 化床反应器，其中反应器管由反应器壳包围以致所述反应器壳内的空 间可以由所述反应器管分成内区和外区。根据本发明的主要方面，在 反应器的操作期间维持该两个区域之间的压力差在1巴内。
即，反应器管2垂直地放置在反应器壳1内以被所述反应器壳1 包围，由此将所述反应器壳1的内部空间划分成在反应器管2内形成 的内区4和在反应器壳1和反应器管2中间形成的外区5，其中在所 述内区中形成硅颗粒3的床，即硅颗粒床并且发生硅沉积，而在所述 外区中不形成硅颗粒床并且不发生硅沉积。然后，根据本发明如下制 备多晶硅采用流化床反应器并维持内区压力和外区压力之间的差值 在1巴内。
基于这一方法，可以如下制备颗粒多晶硅使用内压控制装置直 接或间接地测量和/或控制内区压力，使用外压控制装置直接或间接地 测量和/或控制外区压力并通过控制压力差将内区压力和外区压力之 间的差值维持在1巴内。
此外，可以'如下制备颗粒多晶硅使用流化气体入口装置将流化 气体引入该硅颗粒床；使用反应气体入口装置将含硅原子的反应气体 引入所迷硅颗粒床；将惰性气体引入外区5,由此在所述外区5中维 持大体惰性的气氛；将在所述内区4内制备的多晶硅颗粒排放到所迷 流化床反应器的外部；和将尾气排放到所述流化床反应器的外部，所 述尾气包括通过硅颗粒床的流化气体、未反应的反应气体和副产物气 体。
首先，下文提供了关于如何构成待根据本发明的方法采用的流化 床反应器的详细描述。
图2和3是制备颗粒多晶硅的高压流化床反应器的横剖面图，其 中按全面的方式举例说明了根据本发明的一些实施方案。用于本发明的流化床反应器的结构由反应器管和反应器壳组成。 在这里流化床反应器的内部空间与外部空间分离。反应器壳1包围反
应器管2，该反应器管2基本上垂直地放置在所述反应器壳1内。反 应器管2将反应器壳1的内部空间划分成在反应器管2内形成的内区 4和在反应器壳l和反应器管2中间形成的外区5，其中在所述内区4 中形成硅颗粒床并且发生硅沉积，而在所述外区5中不形成硅颗粒床 并且不发生硅沉积。
反应器壳1优选由具有可靠机械强度和可加工性的金属材料制成 例如碳钢、不锈钢或其它合金钢。为在制造、装配和拆卸方面方便起 见，反应器壳l可以分成许多构件例如图2和3所列出的la、 lb、 lc 和ld。
为了完全密封，通过使用衬垫或密封材料装配反应器壳1的构件 是重要的。所述构件可以具有以下的各种结构圆柱管，法兰，具有 接头的管道，板，锥，椭圆体和冷却介质在壁中间流动的双壁夹套。 每个构件的内表面可以涂有保护层或安装有防护管或壁，它们可以由 金属材料或非金属材料例如有机聚合物、陶瓷和石英制成。
反应器壳1的一些构件(如图2和3中的la、 lb、 lc和ld所示) 优选通过使用冷却介质例如水、油、气体和空气维持在小于某种温度 以保护设备或操作者，或防止设备中的任何热膨胀或安全事故。虽然 图2和3中没有给出，但是需要被冷却的构件优选可以在它们内或外 壁处安装有制冷剂流通装置。代替冷却，反应器壳l可以在外壁上包 括绝缘材料。
反应器管2可以具有任何形状，只要它可以被反应器壳1固定以 致它可以将反应器壳1的内部空间分离成内区4和外区5。反应器管2 可以具有如图2中的简单直管结构，如图3中的异形管，圆锥体或椭 圆体，并且反应器管2的一端或两端可以形成法兰形状。此外，反应 器管2可以包括许多构件并且这些构件中的一些可以呈衬垫形式安装 在反应器壳1的内壁上。
反应器管2优选由在较高温度下稳定的无机材料制成，例如石英、
二氧化硅、氮化硅、氮化硼、碳化硅、石墨、硅、玻璃化炭黑或它们 的结合物。
同时，含碳材料例如碳化硅、石墨、玻璃化炭黑可能产生碳杂质
并且污染多晶硅颗粒。因此，如果反应器管2由含碳材料制成，则反 应器管2的内壁优选涂有或衬有材料例如硅、二氧化硅、石英或氮化 硅。然后，反应器管2可以按多层形式结构化。因此，反应器管2在 厚度方向上具有一层或多层结构，它们中的每一层由不同的材料制成。
密封装置41a、41b可以用于反应器壳1以安全地固定反应器管2。 密封装置优选在大于200C的温度下是稳定的并且可以选自有机聚合 物、石墨、二氧化硅、陶瓷、金属或它们的结合物。然而，考虑到在 反应器操作期间的振动和热膨胀，密封装置41a、 41b可以较不紧密地 安装以降低在装配、操作和拆卸过程中反应器管2的破裂可能性。
反应器壳1的内部空间被反应器管2分割可以防止内区4中的硅 颗粒漏入外区5并且将内区4和外区5之间的作用和条件区分。
除了制备根据本发明的上述颗粒多晶硅的方法之外，进行高温硅 沉积反应还需要通过安装在内区4和/或外区5中的加热装置加热硅床 中的硅颗粒。 一个或多个加热装置8a、 8b可以按各种方式安装在内区 4和/或外区5中。例如，加热装置可以按综合性方式仅安装在内区4 中或外区5中，如图2中所示。同时，多个加热装置可以安装在该两 个区域中，或如图3所示仅安装在外区5中。此外，虽然没有在图中 示出，但是多个加热装置8a、 8b可以仅安装在内区4中。或者，可以 仅将单个加热装置安装在外区5中。
经由安装在反应器壳1上或经过反应器壳1安装的电能供应装置 9a-9f为加热装置8a、 8b供给电能。将反应器中的加热装置8a、 8b 和反应器外部的电源E连接的电能供应装置9a - 9f可以包括呈电缆、 棒、杆、成形体、插座或连接器形式的导电性金属构件。或者，电能 供应装置9a-9f可以包括电极，该电极由材料例如石墨、陶瓷(例如， 碳化硅)、金属或它们的混合物制成，并且按各种形状制造以便将电 源E与加热装置连接。备选地，电能供应装置可以通过加热装置8a、
8b的一部分延伸来制备。在将电能供应装置9a - 9f与反应器壳1结 合中，除防止漏气的机械密封之外电绝缘同样是重要的。此外，通过 使用循环冷却介质例如水、油和气将电能供应装置的温度冷却下来是 合乎需要的。
同时，气体入口装置应该安装在流化床反应器上以形成流化床， 其中硅颗粒可以通过气流在反应器管2内(即在内区4的下部中)移 动，以便通过在流化硅颗粒的表面上的硅沉积制备多晶硅。
气体入口装置包括将流化气体10引入硅颗粒床的流化气体入口 装置14、 14'和将含硅原子的反应气体引入硅颗粒床的反应气体入口 装置15，它们都与反应器壳lb结合地安装。
在这一方面，可以根据本发明如下制备颗粒多晶硅使用流化气 体入口装置14、 14'将流化气体10引入硅颗粒床，并使用反应气体入 口装置15将含硅原子的反应气体11引入硅颗粒床。
本文所使用的"流化气体"IO是指被引入而引起一些或大部分硅 颗粒3在内区4内形成的流化床中流化的气体。在本发明中，可以使 用氢气、氮气、氩气、氦气、氯化氢(HC1)、四氯化硅(SiCL)或 它们的混合物作为流化气体10 。
本文所使用的"反应气体"ll是指含硅原子的源气体，其用来制 备多晶硅颗粒。在本发明中，可以使用曱硅烷(SiH4) 、 二氯甲硅烷 (SiH2Cl2)、三氯硅烷(SiHCl3)、四氯化硅(SiCl4)或它们的混合 物作为含硅反应气体11。反应气体11可以进一步包含至少一种选自 氢气、氮气、氩气、氦气和氯化氢的气体。另外，除了用作硅沉积的 源物质之外，反应气体11还像流化气体10那样有助于硅颗粒3的流 化。
流化气体入口装置14、 14'和反应气体入口装置15可以分别包括 管道或喷嘴、腔室、法兰、接头、衬垫等。在这些构件当中，暴露于 反应器壳1内部空间中的，特别是暴露于内区4下部中的部件(当该 部件很可能接触硅颗粒3时)优选由管道、衬垫或成形制品制成，它 们的材料选自适用于反应器管2的那些。
任选地，内区4中的流化床4a的下部可以包括与流化气体入口装 置14、 14'和反应气体入口装置15结合的用于分布流化气体10的附 加气体分布装置19。该气体分布装置19可以具有任何几何形状或结 构，包括多穴或多孔分布板，浸入在颗粒床之中的填充材料的填充床， 喷嘴或它们的结合。当另外采用气体分布装置19时，其构件，如很可 能接触硅颗粒3的气体分布装置19的上表面优选由可以用于反应器管 2的无机材料制成。为了防止在气体分布装置19的上表面上的硅沉积， 反应气体入口装置15的出口 (反应气体11经由该出口注入流化床的 内部中)优选布置得高于气体分布装置19的上部。
在反应器内区4中，要求用来形成硅颗粒的流化床4a的流化气体 IO可以按各种方式提供，这取决于流化气体入口装置14、 14'如何构 成。例如，如图2所示，可以通过与反应器壳1连接的流化气体入口 装置14、 14'提供流化气体10以致气室可以在分布板形状的气体分布 装置19的下部中形成。或者，如图3所示，流化气体10可以通过与 反应器壳1连接的流化气体入口装置14提供以致一 个或多个流化气体 喷嘴出口可以布置在气体分布装置19中间，该气体分布装置19包括
除使硅颗粒流化的填料以外的第三填充材料的填充床。同时，气体分 布装置19和流化气体入口装置14、 1V可以通过同时使用分布板和填充材料构成。
例如，除了用于引入流化气体10的分布板和/或喷嘴之外，还有 可能采用填充材料的填充床而不是待包括在硅产物颗粒3b中的硅颗 粒3。该填充材料可以具有足够的尺寸或质量，以免被流化气体10的 流动流化，并且可以具有形状如球体、椭圆体、粒料、小块、管道、 杆或环等。该填充材料组合物可以选自适用于反应器管2的那些以及 高纯度珪，其中它们的平均尺寸在5-50 mm的范围之内。
当用作气体分布装置19时，优选可以在硅颗粒床的下部中形成填 充材料的填充床，该填充材料没有被流化气体10的流动流化，其中该 填充床的高度布置得低于该反应气体入口装置15的将反应气体11引 入珪颗粒床的出口。在这种情况下，硅颗粒的运动和流化气体的流动
可以在填充材料之间形成的空间中发生，同时从被加热装置加热的硅
颗粒3的流化床向下传递的热用于预加热即将到来的流化气体10。
在本发明中，在基于硅沉积的反应器的内区4中制备多晶硅颗粒。 在经由反应气体入口装置15供给反应气体11之后，硅沉积在被加热 装置8a、 8b加热的硅颗粒3的表面上发生。
此外，可以通过将在内区4内制备的多晶硅颗粒排放到流化床反 应器的外部来制备颗粒多晶硅。
颗粒出口装置16还要求与反应器壳1相结合以将所制备的硅颗粒 从内区4排出到流化床反应器的外部。
构成颗粒出口装置16的出口管可以与反应气体入口装置15组装， 如图2所示。或者，它可以独立于反应气体入口装置15安装，如图3 所示。经过该颗粒出口装置16，可以在当要求时按连续、周期或间歇 方式将硅颗粒3b从流化床4a排出。
如图2所示，附加的区域可以与反应器壳1结合。该附加的区域 可以在流化气体入口装置1V的一些部分或下部提供，从而允许硅颗 粒3b停留或逗留的间隔，从而可能在从反应器排出之前冷却。
硅颗粒3，即从内区4排放到根据本发明的反应器的外部的硅颗 粒3可以送达多晶硅产物的储存元件或转移元件，所述元件与反应器 直接连接。同时，所制备的硅产物颗粒3b由于流化床反应器的性质而 可以具有粒度分布，并且其中包括的较小颗粒可以用作硅沉积的种晶 3a。可以将从内区4排放到反应器外部的硅产物颗粒3b送达其中可以 按尺寸分离颗粒的颗粒分离元件因此是可能的。然后，可以将较大的 颗粒送达储存元件或转移元件，而使用较小的颗粒作为种晶3a。
或者，考虑到内区4内的硅颗粒床4a的较高温度，优选硅颗粒 3b在经由颗粒出口装置16排出的同时被冷却下来。为此，冷却气体 例如氢气、氮气、氩气、氦气或它们的混合物可以在颗粒出口装置16 中流动，或者冷却介质例如水、油或气体可以在颗粒出口装置16的壁 中循环。
或者，虽然没有在图中显示，颗粒出口装置16可以与反应器壳1
的内部空间(例如图2中的14')或反应器壳的下部(图2和3中的 lb)结合地构成，从而允许硅颗粒3b停留或逗留的足够空间，以可能 在排放到反应器外部之前冷却某个时段。
必须防止硅产物颗粒3b在经过颗粒出口装置16从反应器排出时 被污染。因此，在构成颗粒出口装置16中，可能接触高温硅产物颗粒 3b的元件可以由管道、衬垫或成形产品制成，所述管道、衬垫或成形 产品由适用于反应器管2的无机材料制成或涂有该无机材料。颗粒出 口装置16的这些元件优选与金属反应器壳和/或防护管连接。
与相对低温的产物颗粒接触或在它们的壁上包括冷却装置的颗粒 出口装置16的构件可以由金属材料管道、衬垫或成形产品制成，其内
壁涂有或衬有含氟聚合物材料。
如上所述，可以按连续、周期性或间歇方式将硅产物颗粒3b经过 颗粒出口装置16从反应器内区4排出到多晶硅产物的储存元件或转移 元件。
同时，颗粒分离元件可以安装在反应器和产物储存元件中间，以 按尺寸分离硅产物颗粒3b和使用小尺寸颗粒作为种晶3a。各种商业 设备可以用作本发明中的颗粒分离元件。
通过使用与用于颗粒出口装置16的相同的材料，或不含添加剂或 填料的纯聚合物材料构成颗粒分离元件的单元(它们可能与硅产物颗 粒3b接触)是合乎需要的。
为了连续操作流化床反应器，必须将反应器壳ld与经安装用于从 流化床反应器排出尾气的气体出口装置17结合。尾气13包含穿过硅 颗粒床的流化气体，未反应的反应气体和副产物气体，穿过内区4c 的上部，并且最终排放到流化床反应器的外部。
尾气13中夹带的细小硅颗粒或高分子量副产物可以与附加的尾 气处理装置34分离。
如图2和3所示，包括旋风分离器、过滤器、填充塔、洗涤器或 离心机的尾气处理装置34可以安装在反应器壳1的外面或安装在反应 器壳1内的内区的上区4c。
如此与尾气处理装置34分离的细小硅颗粒可以用于另 一种目的， 或作为种晶3a在再循环到反应器内区的流化床4a中后用于制备硅颗 粒。
当按连续方式制造硅颗粒时，优选将形成流化床4a的硅颗粒的数 目和平均颗粒尺寸维持在某个范围内。这可以通过在流化床4a内补充 与排出的硅产物颗粒3b几乎相同数目的种晶来达到。
如上所述，可以将与尾气处理装置34分离的细小硅颗粒或粉末作 为种晶再循环，但是它们的量可能是不足够的。为了按要求在流化床 中连续制备硅颗粒，进一步产出，产生或制备附加的硅种晶则是需要 的。
在这方面，可能必需在硅产物颗粒3b当中进一步分离较小的硅颗 粒并将它们用作种晶3a。然而，在流化床反应器外面将种晶3a与产 物颗粒3b分离的附加方法具有的缺陷是高的沾染概率和操作中的困 难。
代替产物颗粒3b的附加分离，还可能使较小颗粒从它们当中分离 并将所述较小作为种晶再循环到流化床中。为此，附加的颗粒分离元 件可以安装在排放路径的中部，该排放路径包括在颗粒出口装置16 中。按逆流方式将气体供入所述通道导致产物颗粒3b的冷却，较小颗 粒从它们当中分离和所述较小颗粒再循环到流化床4a中。这降低制备 或提供种晶的负担，并增加最终硅产物颗粒3b的平均颗粒尺寸同时降 低它们的颗粒尺寸分布。
作为另一个实施方案，硅种晶可以如下制备在独立的粉碎设备 中将经过颗粒出口装置16排出的一些硅产物颗粒3b粉碎成种晶。如 此制备的种晶3a可以根据需要按连续、周期性或间歇方式引入反应器 的内区4。图2示出了当向下将种晶3a引入内区4时的一个实例，其 中种晶入口装置18与反应器壳ld的顶边结合。这一方法允许有效地 根据需要控制种晶3a的平均尺寸和进料速率，而它具有需要附加粉碎 设备的缺陷。
相反，可以通过使用与反应器壳或另外安装的气体喷嘴相结合的
反应气体入口装置15的出口喷嘴在流化床4a内部将硅颗粒粉碎成种 晶，所述另外安装的气体喷嘴用于在允许颗粒粉碎的流化床内高速喷 气。这一方法具有经济利益，因为它不需要附加的粉碎设备，而具有 的缺陷是难以在预定的可接受范围内控制反应器中正在产生的种晶的 尺寸和量。
在本发明中，内区4包括为形成硅颗粒床4a，将流化气体10和 反应气体11引入到硅颗粒床4a中，允许硅沉积和排出含流化气体、 未反应的反应气体和副产物气体的尾气13所需要的所有空间。因此， 内区4对硅颗粒3在流化床中的硅沉积和多晶硅产物颗粒的制备发挥 基础作用。
与内区4相反，外区5是在反应器管2的外壁和反应器壳1中间 独立形成的空间，其中硅颗粒床3不形成并且硅沉积不发生，原因在 于在其中没有提供反应气体。因此，外区5可以定义为反应器壳1内 的排除在反应器壳1和反应器管2中间形成的内区或空间的内部空间。
除了根据本发明的上述实施方案之外，可以通过将惰性气体引入 外区5来制备颗粒多晶硅，由此在外区5中维持大体惰性的气氛。
根据本发明在惰性气氛中维持的外区5的重要性和作用可以概述 如下。
首先，外区5通过将内区4和外区5之间的压力差维持在某个范 围内提供保护反应器管2的空间。
其次，外区5提供安装绝缘材料6的空间，该绝缘材料防止或降 低热从反应器损失。
第三，外区5为待在反应器管2周围安装的加热器提供空间。
第四，外区5为在反应器管2外面维持大体上惰性的气氛以防止 含氧气和杂质的危险气体引入内区4,和为在反应器壳1内安全地安 装和维持反应器管2提供空间。
第五，外区5允许在操作期间实时监控反应器管2的状态。得自 外区连接装置28的外区气体样品的分析或测量可以揭示可能存在于 内区4中的气体组分的存在或浓度，其变化可以间接地揭示反应器管
的事故。
第六，外区5为在反应器管2周围安装加热器8b提供空间，如图 3所示，以便加热和化学除去由于硅沉积操作而聚集在反应器管2内 壁上的硅沉积层。
最后，外区5为有效装配或拆卸反应器管2和内区4提供所要求 的空间。
根据本发明，外区5发挥如上所述的许多重要作用。因此，利用 管道、板、成形制品或接头作为分割装置，可以将外区按上下和/或径 向或圆周方向分割成若干部分。
当根据本发明进一步分割外区5时，已分割的部分优选相互空间 连通，同时具有基本上相同的大气条件和压力。可以安装在外区5中 用于显著降低经由辐射或传导的热传递的绝缘材料6可以选自工业上
可接受的无机材料，它们呈筒体、块体、织物、毯子、毡、泡沫产品 或填料材料形式。
与反应器壳连接用于维持流化床反应器中的反应温度的加热装置 8a、 8b (与电能供应装置9连接)可以仅安装在外区5中，或在内区 4内(特别是在硅颗粒床4a内)单独地安装。如果需要，加热装置8a、 8b可以同时安装在内区4和外区5中，如图2所示。图3示出了当多 个独立加热装置8a、 8b安装在外区5中时的实例。
当多个加热装置8a、 8b安装在流化床反应器中时，它们可以相对 于电源E串联或并行地电连接。或者，包括电源E和电能供应装置 9a-9f的供电系统可以独立地构成，如图2和3所示。
如图2所示，安装在硅颗粒床4a内的加热器8a可以具有将流化 床中的硅颗粒直接加热的优点。在这种情况下，为了防止在加热器8a 表面上的累积硅沉积，该加热器8a优选布置得比反应气体入口装置 15的反应气体出口低。
在本发明中，惰性气体连接装置26a、 26b安装在反应器壳上，独 立于内区4，以在外区5中维持基本上惰性的气氛，从而排除硅沉积。 惰性气体12可以是选自氢气、氮气、氩气和氦气中的一种或多种。
安装在反应器壳上的或经过该反应器壳安装的并与外区5空间连 接的惰性气体连接装置26a、 26b具有管道连接的作用用于提供或排出 惰性气体12，并且可以选自管道、喷嘴、法兰、阀门、接头或它们的 结合。
同时，除了惰性气体连接装置26a、 26b之外，直接或间接地空间 暴露在外区5中的反应器壳还可以安装有外区连接装置28。则，该外 区连接装置28可用来测量和/或控制温度、压力或气体组分。虽然即 使单个惰性气体连接装置26a、26b可以允许在外区5中维持基本上惰 性的气氛，但是惰性气体的提供或排出可以独立地通过使用双套管或 多个惰性气体连接装置26a、 26b进行。
另外，惰性气体连接装置26a、 26b在外区5中维持独立的惰性气 氛，并且还可以用于测量和/或控制流速、温度、压力或气体组分，这 也可以通过使用外区连接装置28进行。
图2和3按全面的方式提供各种实例，其中通过使用惰性气体连 接装置26a、 26b或外区连接装置28测量或控制外区压力(Po )，即 外区5中的压力。
独立于或代表惰性气体连接装置26a、 26b，外区连接装置28可 以经安装来测量和/或控制外区5的运转。外区连接装置28具有管道 连接的作用，并且可以选自管道、喷嘴、法兰、阀门、接头或它们的 结合。如果没有安装惰性气体连接装置26a、 26b，则外区连接装置28 可用来提供或排出惰性气体12以及测量或控制温度、压力或气体组 分。因此，在形状和作用方面区分惰性气体连接装置26a、 26b与外区 连接装置28是没有必要的。
同时，与其中可以不拘于位置和时间将压力维持几乎恒定的外区 5不同，内区4内不可避免存在按照硅颗粒3的流化床4a的高度的压 力差。因此，内区压力(Pi),即内区4中的压力按照内区4中的高 度变化。
虽然由固体颗粒的流化床施加的压降取决于流化床的高度，但是 通常由流化床维持压降小于大约0.5-1巴，除非该流化床的高度过
高。另外，由于固体颗粒的流化性质，压力的不规则波动随时间是不
可避免的。因此，根据位置和时间，压力可能在内区4中变化。
考虑到这些性质，用于内区压力(Pi)的压力控制装置，即用于 直接或间接地测量和/或控制内区4中的压力的内压控制装置30可以 在各种位置当中的这样一个位置安装，即满足它可以与内区4空间连接。
根据本发明的压力控制装置，即内压控制装置30和外压控制装置 31可以安装在各种位置上或经过各种位置安装，这取决于反应器组件 的细节以及待控制的操作参数。
内压控制装置30可以经由空间上直接或间接暴露到内区4中的内 区连接装置24、 25，流化气体入口装置14,反应气体入口装置15，颗 粒出口装置16或气体出口装置17空间上与内区4连接。
同时，用于外区压力(Po)的压力控制装置，即外压控制装置31 可以经由安装在反应器壳1上或经过反应器壳1安装的并且空间上直 接或间接地暴露到外区5中的外区连接装置28或惰性气体连接装置 26a、 26b等空间上与外区5连接。
根据本发明的制备颗粒多晶硅的一个优选的实施方案，内压控制 装置30和/或外压控制装置31包括直接或间接测量和/或控制压力所 必要的构件。
压力控制装置30和31中的任一个包括选自以下装置中的至少一 种(a)用于空间连接的连接管或接头；(b)人工操作、半自动或 自动阀门；(c)数字或模拟型压力表或压差表；(d)压力指示器或 记录器；和(e)构成具有信号转换器或算术处理器的控制器的元件。
内压控制装置30以机械组件或信号电路形式与外压控制装置31 相互连接。另外，该压力控制装置中的任一个可以部分或完全地与选 自中央控制系统、分布控制系统和局部控制系统的控制系统集成。
虽然内压控制装置30和/或外压控制装置31可以在压力方面独立
地构成，但是所述压力控制装置中的任一个可以部分和/或完全地与测 量和/或控制选自流速、温度、气体组分和颗粒浓度等的参数的装置集
成。
同时，控制装置30或31中的任一个可以进一步包括分离设备例 如用于分离颗粒的过滤器或洗涤器，或用于緩冲压力的容器。这保护 压力控制装置的构件免受杂质的污染，以及提供緩冲压力变化的装置。
例如，内压控制装置30可以安装在内区连接装置24、 25处或与 其连接，该内区连接装置24、 25安装在反应器壳上或经过该反应器壳 安装并且空间上直接或间接地暴露在内区4中用于测量压力、温度或 气体组分或用于在反应器内观察。通过构成内压控制装置30以致它可 以与内区连接装置24、 25连接，可以稳定地测量和/或控制内区4c 上部中的压力，但是难以检测由于硅颗粒的流化床引起的时间依赖性 压力波动。为了更精确地检测与流化床相关的时间依赖性压力波动， 内区连接装置可以经安装使得它可以空间上与流化床的内部连接。
内压控制装置30还可以安装在或连接到其它适当的位置上，即流 化气体入口装置14或反应气体入口装置i 5或颗粒出口装置16或气体 出口装置17等，它们都与反应器壳结合，从而空间上与内区4连接。
另外，多个内压控制装置30可以安装在两个或更多个适当的位 置，这些位置最终允许经由内区连接装置24、 25或在其它位置的那些 与内区4空间连接。
如上所述，硅颗粒的存在影响内区压力Pi。因此，Pi的测量值根 据内压控制装置30安装的位置变化。遵循本发明人的观察结果，Pi 的值受流化床的特性和流化气体入口装置14或反应气体入口装置15 或颗粒出口装置16或气体出口装置17的结构的影响，但是其根据压 力测量点的位置偏差通常观察到不大于1巴。
然后，本发明允许使用内压控制装置30直接或间接地测量和/或 控制内区压力，使用外压控制装置31直接或间接地测量和/或控制外 区压力和使用压力差控制装置维持内区压力和外区压力之间的差值在 1巴内。
在一个优选的实施方案中，直接或间接测量和/或控制外区压力， 即外区5中压力的外压控制装置31优选经安装以致它可以空间上与外
区5连接。可以连接或安装外压控制装置31的位置包括例如，安装在 反应器壳上或经过反应器壳安装的空间上与外区5直接或间接连接的 外区连接装置28或惰性气体连接装置26a、 26b。在本发明中，需要 外区5被维持在大体上惰性的气氛中。因此，外区连接装置28还可以 包括可以用于将惰性气体引入外区5的惰性气体连接装置26a或可以 用于将惰性气体12从外区5排出的惰性气体连接装置26b的功能。这 意味着惰性气体入口装置26a或惰性气体出口装置26b可以用作惰性 气体连接装置26和外区连接装置28。另外，惰性气体入口装置26a 和惰性气体出口装置26b可以单独地安装在那些连接装置26、 28处或 与那些连接装置26、 28中任一连接为集成双管型结构。因此，有可能 经由惰性气体连接装置26a、 26b或外区连接装置28将外区5空间上 连接到外压控制装置31上以便直接或间接地测量和/或控制外区5中 的压力。
在本发明中，内压控制装置30和/或外压控制装置31可用来维持 lPo-Pil的值，即内区4中的压力，即内区压力(Pi )和外区5中的压 力，即外区压力(Po)之间的差值在1巴内。然而，应当指出，在构 成内压控制装置3 0中，P i可以根据为连接到内区所逸的位置变化。
经由内区连接装置24、 25，流化气体入口装置14，反应气体入口 装置15或颗粒出口装置16等(它们安装在空间上与流化床的内部或 下部连接的位置)测量的Pi值高于经由内区连接装置，气体出口装置 17或硅种晶入口装置18等(它们安装在空间上与空间如内区4c的上
部连接的位置并且不与硅颗粒的流化床直接接触)测量的Pi值。
特别地，经由内区连接装置，流化气体入口装置14或颗粒出口装 置16 (其空间上与硅颗粒的流化床的下部连接)测量的压力值显示最 大内压值Pi,相反，当经由不与流化床直接接触的气体出口装置17 或内区连接装置24、 25测量时，可以获得最小内区压力值PUn。这是 因为存在取决于硅颗粒4a的流化床的高度的压力差并且与流化床的 上部中的相比在下部中的Pi值总是更高。
这一压力差随流化床的高度增加。压力差是1巴或更高的过高的
床不是优选的，因为反应器的高度变得变得太高而不能使用。相反，
压力差为0.01巴或更低的非常浅的床也不是优选的，因为该流化床的
高度和体积太小而不能达到反应器的可接受的最小生产率。
因此，流化床中的压力差优选为0.01-1巴。也就是说，内区4 中的最大压力值(Pi固)和最小压力值(PU之间的压力差优选在1 巴内。
当将IPo-Pil的值，即反应器管2内部和外部之间的压力差维持在 0至1巴范围内时，应该指出的是，该压力差可以根据反应器管2的 高度变化。
当内压控制装置30经由内区连接装置，流化气体入口装置14， 反应气体入口装置15或颗粒出口装置16等(其与硅颗粒的流化床的 内部或下部连接，其压力高于内区4c上部的压力)空间上与内区4 连接时，优选满足Po《Pi且0巴< (Pi-Po) <1巴的要求。
相反，当内压控制装置30经由气体出口装置17、硅种晶入口装 置18或内区连接装置24、 25等(其空间上不与硅颗粒床连接而是与 内区4c的上部连接，其压力低于流化床内部或下部的压力)空间上与 内区4连接时，优选满足Pi《Po且0巴< (Po-Pi) <1巴的要求。
按满足Pi或Po由在一个或多个位置测量的多个压力值的平均值 表示的方式构成内压控制装置30和/或外压控制装置31还可能是容许 的。特别地，因为内区4中可能存在根据连接位置的压力差，所以内 压控制装置30可以包括具有算术处理器的控制装置，该算术处理器能 够根据采用两个或更多个压力计测量的那些值估算压力的平均值。
因此，当将lPo-Pil的值，即反应管内部和外部之间的压力差值维 持在1巴内时，优选维持外区5的压力值Po在Pi,和Pi^中间，该 Pimax和Pinu分别是可以通过与内区4空间连接的那些压力控制装置测 量的最大和最小值。
根据本发明的内压控制装置30和/或外压控制装置31应该包括维
持lPo-Pil的值在1巴内的压力差控制装置。
压力差控制装置可以仅包括在内压控制装置30或外压控制装置
31中的一个内，或独立地包括在控制装置的两个内，或共同包括在两 个控制装置30、 31内。
然而，考虑到压力值根据为测量内区4中的压力Pi所选择的位置 变化，优选应用和保持压力差控制装置。当经由流化气体入口装置14， 反应气体入口装置15，颗粒出口装置16或内区连接装置等(其空间 上与流化床的内部，特别是流化床的下部连接，其中压力高于内区4c 的上部中的压力)测量Pi时，压力差控制装置优选可以经操作以致满 足Po《Pi并且0巴《(Pi-Po) <1。然后，压力差控制装置使外区压 力(Po)和内区压力(Pi)能够满足0巴< (Pi-Po) <1巴的要求， 其中内压控制装置30经由流化气体入口装置14或反应气体入口装置 15或颗粒出口装置16或内区连接装置空间上与流化床的内部连接。
相反，如果在空间上与内区4的各部分当中的内区4c的上部连接 的位置测量Pi,则优选应用和保持压力差控制装置以致可以满足Pi 《Po并且0巴《(Po-Pi) <1巴的要求。然后，压力差控制装置能够 满足0巴< (Po-Pi) <1巴的要求，其中内压控制装置30经由不与 硅颗粒的流化床直接接触的气体出口装置17，硅种晶入口装置18或 内区连接装置24、 25空间上与内区4连接。
在本发明中，由于仅包括在内压控制装置30或外压控制装置31 中的一个内，或独立地包括在两个控制装置30、 31的两个内，或共同 包括在两个控制装置30、 31内，压力差控制装置将lPo-Pi I的值维持 在1巴内。
当通过使用压力差控制装置将Po和Pi之间的差值维持在1巴内 时，Pi或Po的非常高或低的值对反应器管2没有影响，因为反应器 管2的内区和外区之间的压力差小。
如果在本发明中按绝对单位表示压力，则考虑到生产率优选维持 反应压力高于至少1巴而不是维持在小于1巴的真空状态。
基于摩尔数或摩尔质量每单位时间，流化气体10和反应气体11 的进料速率按接近正比的方式随压力增加。因此，流化床4a中的用于 将反应气体从入口温度加热到反应所需的温度的热负荷也随反应压
力，即Po或Pi增力口。
在反应气体11情况下，不可能在预加热直到高于大约350 - 400 °C (即初始分解温度)后将该气体供入反应器。同时，将流化气体IO 预加热到低于该反应温度是不可避免的，因为在流化床反应器外部的 预加热步骤期间杂质污染是高度可能的，并且流化气体入口装置14 几乎不能被绝缘而实现气体预加热到大于该反应温度。因此，加热方 面的困难随压力增加。当反应压力超过大约15巴时，难以按要求加热 流化床4a,尽管还在反应器壳的内部空间安装了多个加热装置8a、8b。 考虑到这些实际限制，外区压力(Po)或内区压力(Pi)优选维持在 大约1-15巴内(基于绝对压力)。
根据反应器内的压力，内压控制装置30和/或外压控制装置31 可以包括压力差控制装置，该压力差控制装置可以降低反应器管2内 部和外部之间的压力差。这可以按各种方法实践，其中的一些实例在 下文中进行了描述。
可以通过使用压力差控制装置将反应压力调节到高水平而不会使 反应器管2的稳定性劣化，从而能够增加流化床反应器的生产率和稳 定性。
例如，不管内压控制装置30的最终连接到内区4上的安装位置如 何，内压控制装置30和外压控制装置31都可以包括各自的压力差控 制装置以致内区4中的内区压力(Pi)和外区5中的外区压力(Po) 可以分别控制在预定的压力值，即Pi'和Po'，满足lPo'-Pi'l <1巴的 要求。
为此，内压控制装置30可以包括将Pi维持在预定值Pi'的压力差 控制装置。同时，外压控制装置31也可以包括一种压力差控制装置， 该压力差控制装置将Po维持在以致与高度无关地满足lPo'-Pi'l <1巴 的要求的预定值Po'。同样地，外压控制装置31可以包括维持Po在预 定值Po'的压力差控制装置。同时，内压控制装置30也可以包括一种 压力差控制装置，该压力差控制装置将Pi维持在以致与高度无关地满 足lPo'-Pi'l <1巴的要求的预定值Pi'。
作为另一个实施方案，不管内压控制装置30的最终连接到内区4 上的安装位置如何，内压控制装置30可以包括将Pi维持在预定值Pi' 的压力差控制装置，而外压控制装置31可以包括根据实时内区压力的 变化控制外区压力Po以致与高度无关地满足lPo-Pil <1的要求的压 力差控制装置。
同时，当确定为了维持Po和Po之间的差在1巴内而预先确定的 控制参数Pi'和Po'的值时，可能有必要考虑杂质组分是否可能经过反 应器管2的密封装置41a、 41b迁移。
在装配用于根据本发明操作的流化床反应器中，存在在反应器管 2的密封装置41a、 41b处可能不获得足够气密密封度的实际限制。另 外，由于硅颗粒3的流化而施加于反应器管2上的剪切应力可能降低 其密封度。在本发明中，在内区4和外区5之间的杂质组分可能经过 密封装置41a、41b迁移的问题可以通过为压力差控制装置适当地预置 控制参数值，即Pi'和Po'来解决。
根据本发明，待在压力差控制装置处用于分别控制内区和外区中 的压力的压力控制参数可以根据对尾气13的組成或外区5中存在的气 体的分析预先确定。例如，在内区4和外区。5之间的杂质迁移经过密 封装置41a、 41b的模式可以根据对经由气体出口装置17或尾气处理 装置34取样的尾气13,或对经由外区连接装置28或惰性气体连接装 置26b取样的存在于外区5中的气体的组分分析推论出。如果尾气13 经验证包含没有供入内区的惰性气体12的成分，则杂质元素从外区5 向内区4中的流入可以通过将Pi'的值预置到高于Po'的值(即Pi' > Po')来降低或阻止。相反，如果从外区5中排出的气体经验证除惰性 气体12的成分之外还包含内区4的尾气13的成分，则杂质元素从外 区5向内区4中的流入可以通过将Po'的值预置到高于Pi'的值(即Po' > Pi')来降低或阻止。
如上所述，尽管在流化床反应器的装配或操作期间反应器管2的 密封装置41a、 41b可能没有按令人满意的方式安装或维持，但是可以 通过压力控制装置的控制参数的适当选择使两个区域之间的杂质組分
经过密封装置的不希望的迁移最小化或被阻止。在此，可以在压力差
控制装置中将Pi'和Po'预置在任何值，但是根据本发明应该满足I Po'-Pi'l < 1的要求。
作为实现本发明目标的另一个实例，可以通过将内压控制装置30 和外压控制装置31相互连接测量压力差，即APHPo-Pil，由此压力 差控制装置可以通过按人工、半自动或自动方式控制内压控制装置30 和/或外压控制装置31而将AP的值维持在0-1巴的范围内，而与内 区4的选择用于测量Pi的位置无关。
作为实现本发明目标的又一个实例，压力差控制装置可以包括平 衡管线，它空间上将包括在内压控制装置30中的连接管和包括在外压 控制装置31中的连接管相互连接。包括在内压控制装置30中的并且 构成平衡管线23的连接管可以安装在为与内区4空间连接而选择的位 置，包括但不限于内区连接装置24、 25;流化气体入口装置14、 14'; 反应气体入口装置15;颗粒出口装置16;气体出口装置17或种晶入 口装置18,它们都按直接或间接方式空间暴露于内区中。同时，包括 在外压控制装置31中并且构成平衡管线23的连接管可以安装在为与 外区5空间连接而选择的位置，包括但不限于外区连接装置28或惰性 气体连接装置26a、 26b (包括惰性气体入口装置和惰性气体出口装 置)，它们都与反应器壳连接并按直接或间接方式空间暴露于外区中。
空间上将内压控制装置30和外压控制装置31相互连接的平衡管 线23可以称为压力差控制装置的最简单形式，因为它可以总将两个相 互连接的区域4、 5之间的压力差维持在接近零。
尽管有这一优点，但是当单独通过平衡管线23构成压力差控制装 置时，气体和杂质组分可能不希望地在两个区域4、 5之间交换。在这 种情况下，从安装在外区5中的绝缘材料或加热装置产生或排出的杂 质元素可能污染内区4，特别是多晶硅颗粒。同样地，从内区4排出 的残留反应气体或反应副产物的硅细粉末或组分可能污染外区5。
因此，当平衡管线23用作压力差控制装置时，可以进一步将压力 平衡装置添加到平衡管线23中，该压力平衡装置可以降低或阻止气体 5之间的可能的交换。压力平衡装置可以包 括至少一个选自以下的装置止回阀、压力平衡阀、三向阀、用于分 离颗粒的过滤器、衰减容器、填充床、活塞、辅助控制流体和使用隔 膜的压力补偿设备，它们各自能够阻止气体和杂质组分的可能的交换 而不会使压力均衡效果恶化。
此外，压力差控制装置可以包括用于控制压力或流速的手动阀， 或可以进一步包括根据压力或压力差的预定值发挥(半)自动控制功 能的(半)自动阀。这些阀门可以与显示压力或压力差的压力表或压 力指示器结合地安装。
压力表或压力指示器可以模拟、数字或混合设备形式商购，并且 如果与数据处理装置例如信号转换器或信号处理器等，和/或与局部控 制器、分布式控制器或包括执行算术运算的电路的中央控制器相结合， 则可以包括在数据采集、储存和控制的集成系统中。
将在下文中根据用于将制备颗粒多晶硅的流化床反应器中的反应 器管2内部和外部之间的压力差降低的压力差控制装置的应用阐明根 据本文附图的说明性实施方案。


图1示意性地示出了根据本发明制备颗粒多晶硅的方法的特征。 图2是制备颗粒多晶硅的高压流化床反应器的剖视图，其中按全
面的方式示出了本发明的若干实施方案。
图3是制备颗粒多晶硅的高压流化床反应器的剖视图，其中按全
面的方式示出了根据本发明的一些其它实施方案。
附图的符号说明
1:反应器壳 2:反应器管
3:硅颗粒 3a:硅种晶
3b:硅产物颗粒 4:内区
5:外区6:绝缘材料
7:衬垫8:加热器
9:电能供应装置10:流化气体
11:反应气体12:惰性气体
13:尾气14:流化气体入口装置
15:反应气体入口装置16:颗粒出口装置
17:气体出口装置18:硅种晶入口装置
19:气体分布装置23:平衡管线
24、25:内区连接装置26:惰性气体连接装置
27:开/关阀门28:外区连接装置
30:内压控制装置31:外压控制装置
32:压差表33:波动降低装置
34:尾气处理装置35:气体分析装置
36:过滤器41:密封装置
E:电源
如上所述，根据本发明的使用流化床反应器制备颗粒多晶硅的方 法具有如下优越性。
1. 根据本文给出的使用流化床反应器的方法可以进行颗粒多晶硅 的大量生产。
2. 反应器管两侧之间的压力差被维持得如此低以致高压硅沉积是 可能的，而不会使反应器管的物理稳定性劣化，从而能够根本上阻止 反应器管由于压力差引起的破坏，和改进反应器的长期稳定性。
3. 可以在相对低的成本下将内区和外区之间的压力差维持在预定 范围内，而不需要连续地将大量惰性气体提供到反应器的外区中。
4. 通过用于加热硅颗粒床的加热装置可以容易地维持硅沉积要求 的高反应温度。
5. 本文给出的方法可以用于高纯度多晶硅的经济和能量有效的制 备，且具有最小化的杂质污染和提高的生产率。
6. 维持反应器的外区在惰性气氛下并且惰性气体可以经过独立的 出口排出。因此，虽然将绝缘材料和非必要的加热器安装在外区中并 且该外区可以在径向或垂直方向上包括附加的分割装置，但是有可能 显著地降低来自这些組分的杂质可能迁移到内区中并且使多晶硅产物 的质量劣化的可能性。
7. 可以显著地改进反应器的长期稳定性，因为外区中的那些附加
组分的化学及物理特性方面的任何热降解在惰性气氛下是较不可能 的。
权利要求
1. 使用流化床反应器制备多晶硅的方法，包括:(a)采用流化床反应器，其中将反应器管垂直地放置在反应器壳内以致被所述反应器壳包围，由此将所述反应器壳的内部空间划分成在所述反应器管内形成的内区和在所述反应器壳和反应器管中间形成的外区，其中在所述内区中形成硅颗粒床并且发生硅沉积，而在所述外区中不形成硅颗粒床并且不发生硅沉积；(b)使用内压控制装置直接或间接地测量和/或控制内区压力，使用外压控制装置直接或间接地测量和/或控制外区压力，并使用压力差控制装置将所述内区压力和所述外区压力之间的差值维持在1巴内；(c)使用流化气体入口装置将流化气体引入该硅颗粒床；(d)使用反应气体入口装置将含硅原子的反应气体引入所述硅颗粒床；(e)将惰性气体引入所述外区，由此在所述外区中维持大体惰性的气氛；(f)使用安装在所述内区和/或外区中的加热装置加热所述硅颗粒床；(g)将在所述内区内制备的多晶硅颗粒排放到所述流化床反应器的外部；(h)将尾气排放到所述流化床反应器的外部，所述尾气包括通过所述硅颗粒床的流化气体、未反应的反应气体和副产物气体。
2. 权利要求1的方法，其中所述反应气体是含硅原子的气体，选 自由甲硅烷、二氯曱硅烷、三氯硅烷、四氯化硅和它们的混合物组成 的组。
3. 权利要求2的方法，其中所迷反应气体还包含至少一种选自由 氢气、氮气、氩气、氦气、氯化氢和它们的混合物的气体组成的组。
4. 权利要求1的方法，其中所述流化气体是选自由氢气、氮气、 氩气、氦气、氯化氢、四氯化硅和它们的混合物的气体组成的组。
5. 权利要求1的方法，其中所述惰性气体包含至少一种选自氢气、 氮气、氩气和氦气的气体。
6. 权利要求1的方法，其中维持外区压力(Po)或内区压力(Pi) 在1 - 15巴的范围内。
7. 权利要求1的方法，其中可以将外区压力(Po)控制在介于内 区中可测量的最大和最小压力值之间的范围内。
8. 权利要求1的方法，其中当经由选自与所述硅颗粒床空间连接 的流化气体入口装置、反应气体入口装置、硅颗粒出口装置和内区连 接装置中的至少 一个装置将内压控制装置与内区空间连接时，维持外 区压力(Po)和内区压力(Pi)之间的差值以致满足O巴< (Pi-Po) <1巴的条件。
9. 权利要求1的方法，其中当经由选自与所述内区的上部而不是 硅颗粒床空间连接的气体出口装置、硅种晶入口装置和内区连接装置 中的至少一个装置将内压控制装置与内区空间连接时，维持外区压力(Po)和内区压力(Pi)之间的差值以致满足O巴< (Po-Pi) <1巴 的条件。
10. 根据权利要求1、 8或9中任一项的方法，其中通过使用气体 分析装置基于气体的气体分析确定包含在内压控制装置和/或外压控 制装置中的压力差控制装置的压力控制条件，所述气体存在于所迷内 区和/或外区中或是从所述内区和/或外区排放的。
11.权利要求1的方法，其中在硅颗粒床的下部中形成了填充材料 的填充床，所述填充材料没有被流化气体的流动流化，其中所述填充 床的高度布置得低于借以将反应气体引入硅颗粒床的反应气体入口装 置的出口。
全文摘要
本发明涉及在流化床反应器中大规模制备颗粒状多晶硅的方法，所述流化床反应器包含(a)反应器管；(b)包围所述反应器管的反应器壳；(c)在所述反应器管内形成的内区，以及在所述反应器壳和所述反应器管之间形成的外区，其中在所述内区中形成硅颗粒床并且发生硅沉积，而所述外区被保持在惰性气氛下；(d)控制装置，用于将所述内区与所述外区之间的压力差维持在0至1巴的范围内，从而甚至在较高的反应压力下也能够维持所述反应器管的物理稳定性并且高效地制备颗粒状多晶硅。
文档编号C01B33/027GK101384510SQ200780005483
公开日2009年3月11日 申请日期2007年2月14日 优先权日2006年2月14日
发明者尹卿求, 崔源春, 朴容起, 金希永 申请人:韩国化学研究院