反應器系統(tǒng)及用其生產(chǎn)多晶硅的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種減少或減輕多晶硅金屬污染的方法和系統(tǒng)。通過利用包含微孔狀彈性體聚氨酯的保護層減輕粒狀多晶硅因與流化床反應器單元的支撐型運輸和輔助基礎結構的組件的金屬表面接觸所致的金屬污染。
【專利說明】反應器系統(tǒng)及用其生產(chǎn)多晶硅的方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本發(fā)明要求2012年7月17日提交的美國臨時申請61/672，703號的權利，所述美國臨時申請通過參考全文并入本文中。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及減少或減輕多晶硅的金屬污染。具體來說，本發(fā)明涉及減輕粒狀多晶硅因支撐型運輸和輔助基礎結構的組件金屬表面所致的金屬污染。
【背景技術】
[0004]超高純度的硅廣泛用于電子行業(yè)和光電行業(yè)的應用中。在這些應用中行業(yè)需求的純度極高，通常僅具有經(jīng)測量十億分之一水平的痕量污染的材料才被認為是可接受的。通過嚴格控制用于制造多晶硅的反應物的純度，可能制得這種高純度的多晶硅，但另一方面在任何處理、包裝或運輸操作中都必須極其小心以避免后污染。在任何時刻多晶硅都與表面接觸，故存在多晶硅被那個表面材料污染的風險。如果污染程度超過某些行業(yè)規(guī)定，那么將所述材料銷售到這些最終應用的能力會受到限制或甚至被拒收。在這點上，如果要達到半導體行業(yè)中的性能標 準，那么最小化接觸金屬污染是主要問題。
[0005]現(xiàn)日益受到商業(yè)認可的制造多晶硅的方法包括使用流化床反應器通過在存在晶種顆粒的情況下裂解含硅氣體來制造粒狀多晶硅。在使用流化床反應器系統(tǒng)制造粒狀多晶硅期間，在希望收集多晶硅時有許多將粒狀多晶硅或晶種顆粒可能從流化床反應器的床移動到位于反應器室外部的點的運輸步驟，特別是在粒狀多晶硅的情況下。在粒狀多晶硅運輸?shù)乃须A段，因與位于流化床外部的設備表面特別包括FBR系統(tǒng)支撐基礎結構的金屬表面物理接觸而存在污染風險，從而導致金屬污染。例示性支撐基礎結構是粒狀多晶硅必須通過的管線和轉(zhuǎn)運管路。因此，需要減輕受這類輔助結構和設備金屬污染的可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)一個方面，本公開涉及減少或消除顆粒狀硅因接觸作為金屬管路的內(nèi)壁的金屬表面所致的污染的方法，其中所述金屬管路的內(nèi)壁至少部分地涂布有包含微孔狀彈性體聚氨酯的保護層以防顆粒狀硅接觸金屬。
[0007]根據(jù)另一方面，本案涉及用于生產(chǎn)粒狀多晶硅的流化床反應器單元，其中流化床反應器單元包含位于反應器室外部的至少一個金屬管道或管路，并且其中所述至少一個金屬管道或管路具有至少部分地涂布有包含微孔狀彈性體聚氨酯的保護層的內(nèi)表面。
[0008]根據(jù)又一方面，本公開涉及一種用于生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，所述方法包括:使用流化床反應器實現(xiàn)含硅氣體的裂解；和在晶種顆粒上沉淀多晶硅層，其中借助于具有至少部分地涂布有包含微孔狀彈性體聚氨酯的保護層的內(nèi)表面壁的進料或排出管道在進入所述流化床反應器之前運輸所述晶種顆粒和/或在從所述流化床反應器退出之后運輸被涂布的晶種顆粒?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0009]圖1是具有涂布有保護層的內(nèi)表面的金屬管路的圖示剖視圖。
[0010]圖2是具有一個或多個內(nèi)表面涂布有保護層的金屬管路并且任選地具有聚氨酯導管代替金屬管路的流化床反應器單元的示意圖。
【具體實施方式】
[0011]除非另有說明，否則本申請中呈現(xiàn)的所有數(shù)字和范圍都是近似的，即在測定這些數(shù)值和范圍所需的試驗的科學不確定值內(nèi)，如本領域普通技術人員所知。
[0012]表述“至少部分的保護層”和“至少部分地涂布有”在這里暗含保護層不必完全覆蓋金屬管路表面。保護層中的不連續(xù)性可能歸因于例如由襯底材料伸展或彎曲引起的破裂；特別是結晶物質(zhì)中的晶粒邊界；在涂布方法之前不夠干凈；襯底表面上的雜質(zhì)或顆粒；機械損壞；或其組合。表面的某些部分也 可能未被涂布，例如出于與部件接合相關的技術原因。
[0013]接觸金屬污染通過利用至少一個如本文中公開的部分保護層而顯著減少，即使保護層包括如上所述的不連續(xù)性。在一些實施方式中，表面的至少50%或至少75%被如本文所公開的保護層涂布。在某些實施方式中，表面完全被保護層覆蓋。從實際的觀點來看，應將“完全”視為實質(zhì)上無缺陷。圖1圖解金屬管路10的橫截面。管路壁12的內(nèi)表面至少部分用保護層20覆蓋。
[0014]保護層可以包括若干具有不同功能性的層。典型的功能層包括例如底層、粘附層和阻擋層。保護層的實施方式要求，并且如果包含多個層，那么要求將與顆粒狀多晶硅接觸的最外層包含微孔狀彈性體聚氨酯。在一些實施方式中，保護層由微孔狀彈性體聚氨酯組成?！氨Ｗo層涂層”應理解為總平均厚度為從至少0.1毫米、例如至少0.3毫米或至少0.5毫米到至多10毫米、如至多7毫米或至多6毫米的涂層。因此，所公開的保護層的實施方式的厚度可以為0.1-10毫米，如0.3-7毫米或0.5-6毫米。
[0015]術語“彈性體”是指具有彈性性質(zhì)，例如類似于硫化天然橡膠的聚合物。因此，彈性體聚合物可伸展，而當釋放時縮回至約其初始長度。
[0016]術語“微孔狀”泛指孔徑在范圍1-100 μ m內(nèi)的泡沫結構。除非在高能顯微鏡下觀察，否則微孔狀材料典型地看起來是固體，外觀不規(guī)則，沒有可辨別的網(wǎng)狀結構。關于彈性體聚氨酯，術語“微孔狀”典型地可看作密度，如松密度大于600kg/m3的彈性體聚氨酯。松密度較低的聚氨酯典型地開始獲得網(wǎng)狀形式并且通常不太適用作本文所述的保護涂層。
[0017]適用于所公開的微孔狀彈性體聚氨酯具有1150kg/m3或更低的松密度，以及至少65A的邵爾硬度。在一個實施方式中，彈性體聚氨酯的邵爾硬度至多為90A，如至多85A ；并且從至少70A起。因此，邵爾硬度可以在65A至90A、如70A至85A的范圍內(nèi)。另外，合適的彈性體聚氨酯的松密度將為至少600kg/m3,如至少700kg/m3或至少800kg/m3 ;并且至多 1100kg/m3 如至多 1050kg/m3。因此,松密度可以在 600-1150kg/m3,如 700-1100kg/m3 或800-1050kg/m3的范圍內(nèi)。將固體聚氨酯的松密度理解成在1200_1250kg/m3的范圍內(nèi)。彈性體聚氨酯可為熱固性或熱塑性聚合物；目前公開的本申請較好地適于使用熱固性聚氨酯。觀察到具有上述物理屬性的微孔狀彈性體聚氨酯特別穩(wěn)固，并且比許多先前就相同的申請建議作為保護層的其它材料顯著更好地耐受磨擦環(huán)境以及對顆粒狀、粒狀多晶硅的暴露。彈性體聚氨酯可以通過使聚異氰酸酯與聚醚多元醇反應得到聚醚多元醇類聚氨酯或者通過使聚異氰酸酯與聚酯多元醇反應得到聚酯多元醇類聚氨酯來獲得與聚醚多元醇類聚氨酯彈性體相比，典型地觀察到聚酯多元醇類聚氨酯彈性體具有較好地適于目前公開的申請的物理性質(zhì)，并因此是用于本文的優(yōu)選彈性體聚氨酯。
[0018]在一個方面，如圖2所示，公開一種用于生產(chǎn)顆粒狀或粒狀多晶硅的改進的流化床反應器單元100，其中一個或多個金屬管路、管道或管嘴10A、10B，位于反應器室110外部，它們的內(nèi)表面至少部分地涂布有如在上文中所描述且在圖1中所圖解的包含微孔狀聚氨酯彈性體材料的保護層。這類金屬管道是分別與向反應器饋給顆粒狀多晶硅晶種或從反應器內(nèi)排出和收集粒狀多晶硅相關聯(lián)的進料管線或排出管線。保護層用于防止多晶硅顆粒與金屬管道內(nèi)表面壁直接接觸，從而減少或消除多晶硅顆粒的金屬污染。流化床反應器單元內(nèi)金屬接觸污染的其他避免措施在結構工程性能需要和操作條件許可的情況下可以通過采用聚氨酯導管120或與粒狀多晶硅接觸的最里面的表面包含微孔狀彈性體聚氨酯聚氨酯的導管來實現(xiàn)。在這種情況下，合適的聚氨酯導管包括如包括US5，918，642、US6, 227，249、US6192，940或US6024134的專利公布中所描述的產(chǎn)品。
[0019]聚氨酯暴露于高溫時對熱降解敏感。出于本申請的目的，最好將使用聚氨酯保護層應用到操作溫度為200°C或更低，如180°C或更低或160°C或更低的流化床反應器單元的金屬表面或區(qū)域。聚氨酯熱降解的起始溫度可以通過聚氨酯的組成在有限的程度上進行控制，但通常大于200°C溫度將導致一定程度的聚氨酯聚合物的降解。
[0020]微孔狀聚氨酯彈性體的制造程序為本領域的技術人員所熟知并且一般包含任選地但理想地在存在輔劑包括交聯(lián)劑、催化劑和其它加工助劑的情況下使多元醇與聚異氰酸酯反應。下列教導微孔狀聚氨酯彈性體制備的例示性公開包括US4，647，596、US5，968，993、US5, 231，159、US6, 5 7 9，952、US2002/111, 453 和 US2011/003103。制造聚氨酯內(nèi)襯的金屬管道和管嘴的程序也為本領域技術人員所知并且由包括US2005/189，028、GB2, 030, 669、US5, 330, 238 或 JP52-20452 的公開所例示。
[0021]由包括在流化床反應器內(nèi)裂解含硅物質(zhì)如硅烷、乙硅烷或鹵代硅烷如三氯硅烷或四氯硅烷化學氣相沉積法制造顆粒狀多晶硅為本領域技術人員所熟知并且由許多包括下列的公布例示。
[0022]
【權利要求】
1.一種減少或消除顆粒狀硅因所述顆粒狀硅在移動通過金屬管路期間與所述金屬管路的金屬內(nèi)表面接觸所致的污染的方法，所述方法包括: 傳送顆粒狀硅通過金屬管路，所述金屬管路具有至少部分地涂布有包含微孔狀彈性體聚氨酯的保護層的內(nèi)表面。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述微孔狀彈性體聚氨酯具有1150kg/m3或更低的松密度，以及至少65A的邵爾硬度。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述微孔狀彈性體聚氨酯具有至少70A的邵爾硬度，以及從至少800kg/m3起的松密度。
4.如權利要求2所述的方法，其中所述微孔狀彈性體聚氨酯具有65A至85A的邵爾硬度，以及800kg/m3至1150kg/m3的松密度。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述保護層具有至多10毫米的厚度。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述厚度為至少0.3毫米到至多7毫米。
7.如權利要求1到6中任一項所述的方法，其中所述被涂布的金屬表面是與流化床反應器設備相關聯(lián)的組件的表面，但所述流化床反應器設備的流化床反應器室除外。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述被涂布的金屬表面具有小于180°C的操作溫度。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述與所述流化床反應器設備相關聯(lián)的組件是進料管線或管嘴，或排出管線或管嘴。
10.一種用于生產(chǎn)多晶硅的流化床反應器單元，其中所述流化床反應器單元包括反應器室和位于所述反應器室外部的至少一個金屬管道或管嘴，所述至少一個金屬管道或管嘴具有至少部分地涂布有包含微孔狀彈性體聚氨酯的保護層的內(nèi)表面。
11.如權利要求10所述的流化床反應器單元，其中所述微孔狀彈性體聚氨酯具有1150kg/m3或更低的松密度，以及至少65A的邵爾硬度。
12.如權利要求10所述的流化床反應器單元，其中所述保護層具有至多10毫米的厚度。
13.如權利要求10所述的流化床反應器單元，其進一步包含至少一段聚氨酯導管。
14.一種用于生產(chǎn)粒狀多晶硅的方法，所述方法包括: 使用包含進料或排出管道的流化床反應器實現(xiàn)含硅氣體的裂解，所述進料或排出管道具有至少部分地涂布有包含微孔狀彈性體聚氨酯的保護層的金屬內(nèi)表面； 在所述流化床反應器內(nèi)在晶種顆粒上沉淀多晶娃層以廣生粒狀多晶娃；和 借助于所述進料或排出管道，在進入所述流化床反應器之前運輸所述晶種顆粒、在從所述流化床反應器退出之后運輸粒狀多晶硅、或兩者都進行，其中所述保護層防止所述晶種顆粒、所述多晶硅顆?；騼烧吲c所述進料或排出管道的所述金屬內(nèi)表面接觸并且減少或消除所述晶種顆粒、所述多晶硅顆?；騼烧叩慕饘傥廴?。
【文檔編號】B01J19/24GK104024158SQ201380003725
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2013年7月17日 優(yōu)先權日:2012年7月17日
【發(fā)明者】羅伯特·J·格爾特森 申請人:瑞科硅公司