CN101759183A - 一种多晶硅还原炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多晶硅还原炉，包括外壳以及设置在所述外壳下端部处的底盘，所述外壳与所述底盘一起限定了炉腔，原料气经由原料气进气管进入炉腔内，所述原料气进气管具有在所述炉腔内沿竖向延伸的加长部，并且沿所述加长部设有处于多个不同高度处的多个喷口，所述多晶硅还原炉还设置有对所述加长部进行冷却的冷却装置。本发明可以避免多晶硅沉积在原料气进气管表面，堵塞进气口。并可有效的改善原料进气的分布状态，使原料混合气在还原炉内分布更加均匀，硅棒直径更加均一，有效提高多晶硅产品的质量，减少多晶硅硅棒上部枝状体的形成。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅生产领域，更具体地，涉及一种具有改进的还原炉进气装置的多晶硅还原炉。
背景技术
西门子法多晶硅生产过程是将7-10mm细的高纯硅芯安置在钟形还原炉内，在硅芯上通入电流加热，使硅芯温度保持在900-1200℃。然后将一定比例的氢气和氯硅烷构成的还原混合气(下面称为原料气)通入还原炉内进行还原反应，反应生成的多晶硅沉积在炽热的硅芯表面，并逐渐生长成直径120-160mm的硅棒。反应后的尾气(下面称为还原尾气)排出该还原炉。
图1示出了一种现有的多晶硅还原炉的示意主视图，并且图2示出了该还原炉的底盘11的俯视图。如图1所示，该还原炉具有钟形还原炉外壳3以及设置在外壳3的下端开口处的底盘11，该外壳3与底盘11一起限定了炉腔19。该外壳3为双层结构，并设置有水冷却装置，冷却水从位于外壳下部的冷却水入口4进入外壳3的夹层内，并从位于外壳顶部的冷却水出口1排出。外壳3的侧壁上还有设置有视镜12。如图2所示，底盘11上设有多个电极孔17，每个电极孔17内都插有电极18。多个硅芯2设置在还原炉的炉腔19内，并且每个硅芯2与一对电极连接，用于通入电流加热硅芯。
此外，也分别为电极18和底盘11提供有水冷却装置。电极冷却水从电极冷却水进口7进入电极18的内部，与电极18换热后从电极冷却水出口6排出。底盘冷却水从底盘冷却水进口10进入底盘11的夹层，换热后从底盘冷却水出口9排出。
参考图1并结合图2，原料气进气管13在底盘11中的原料气进口13’处终止，原料气经由原料气进气管13在原料气进口13’处进入炉腔19内。尾气排气管5连接至底盘11中的尾气排出口5’，还原尾气在底盘11中的尾气排出口5’处排出到尾气排气管5中。可以看出，还原炉的原料气进口13’和还原尾气排出口5’处于同一水平面上。部分原料气容易未经反应就直接排出，导致原料气利用率下降。同时，由于原料气进口13’的位置在还原炉炉腔19的底部，原料气到达还原炉炉腔顶部的量较少，这导致生长成的多晶硅棒上部成树枝状，为后续处理带来不便。
中国专利申请No.200510111430.1公开一种多晶硅炉的喷嘴，该喷嘴包括在炉内延伸的延长部分，该延长部分的管壁上等距离分布有多个出气口，使得参与反应的原料气在炉内各个位置保持不变。但是，由于该喷嘴的延长部分在炉内延伸，多晶硅容易沉积在该延长部分的表面上，并且还容易堵塞其上的出气口，从而造成原料气不能顺利进入炉内。
发明目的
本发明的目的在于有效的改善原料气的在还原炉内的分布状态，使原料混合气在还原炉内分布更加均匀，硅棒直径更加均一，有效的提高多晶硅产品的质量，并减少多晶硅硅棒上部枝状体的形成。
为达到上述目的，本发明提供了一种多晶硅还原炉，包括外壳以及设置在所述外壳下端部处的底盘，所述外壳与所述底盘一起限定了炉腔，原料气经由原料气进气管进入炉腔内，所述原料气进气管具有在所述炉腔内沿竖向延伸的加长部，并且沿所述加长部设有处于多个不同高度处的多个喷口，所述多晶硅还原炉还设置有对所述加长部进行冷却的冷却装置。
本发明将原料气进气管加长，伸入还原炉内，并对原料气进气管进行冷却，以免多晶硅沉积在原料气进气管表面或者堵塞喷口。采用本发明之后，可以在炉体加长的情况下，仍然能够获得良好的气体流态分布。在炉体加长时，原料气可以通过进气管上部的喷口均匀地喷到炽热的硅芯表面，避免了现有还原炉喷嘴喷到顶部气体较少的情况，使原料气体在还原炉内分布均匀，减小和消除还原炉顶部滞留区。因而，更长的炉体可以安置更长的硅芯，以提高多晶硅单炉产量，进一步降低多晶硅还原电耗。
附图说明
图1是现有技术中的一种多晶硅还原炉的主视图。
图2是图1的多晶硅还原炉的底盘的俯视图。
图3是本发明多晶硅还原炉的一个实施例的主视图。
图4是图3的多晶硅还原炉的底盘的俯视图。
图5是图3的多晶硅还原炉的沿A-A线的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细描述。其中，与现有技术相同的部分将不再描述。
图3示出了本发明多晶硅还原炉的一个实施例的主视图，该还原炉的底盘11在图4中示出。与现有技术不同的是，原料气进气管13具有在炉腔19内沿竖向延伸的加长部13”。该加长部13”可以是原料气进气管13的一部分。换句话说，原料气进气管13并不终止于底盘11中的开口(现有技术中的原料气进气口)13’，而是继续沿竖向在炉腔19内向上延伸。沿着该加长部13”在多个不同的高度处设有喷口15。另外，为了避免多晶硅沉积在原料气进气管13和喷口15的表面，该多晶硅还原炉还设置有对加长部13”进行冷却的冷却装置。喷口15和冷却装置将在下面详细说明。
在图3的实施例中，该冷却装置是为围绕该加长部13”设置的夹套冷却装置。如图3和图4所示，该夹套冷却装置包括套装在所述加长部外侧的套管16，该套管16可以采用石英材料或不锈钢材料制备，优选在套管外表面镀银以减小热量损失。该套管16的顶端可以封闭，并且基本上包围了原料气进气管13的整个加长部13”。在套管16与加长部13”之间限定了冷却剂空间20。套管冷却剂进口管8终止于底盘11中的套管冷却剂进口8’，该套管冷却剂进口8’与冷却剂空间20成流体连通，以便冷却剂通过该冷却剂进口8’进入到冷却剂空间20内。套管冷却剂出口14’由套管冷却剂出口管14的上端开口来提供。套管冷却剂出口管14延伸穿过底盘11并向上延伸到邻近套管16的顶部，如此设置的套管冷却剂出口14’可以使套管16内部充满冷却剂。该套管冷却剂出口14’与冷却剂空间20成流体连通，冷却剂与加长部13”换热后通过该冷却剂出口14’排出冷却剂空间20，并排出到炉腔19外部。
如图3所示，该加长部13”的上端可以封闭，并且沿其延伸方向具有处于不同高度处的多个喷口15，该喷口15与套管16外部的炉腔19连通，以便通过该多个喷口15在不同高度处将原料气输送到炉腔19内。在该实施例中，由于该夹套装置的套管16包围了该加长部13”，因此该加长部13”的喷口15是通过支管21而设置在套管16的管壁上，如图5所示。在图5中，每一个高度处有沿圆周方向均匀间隔开的四个喷口15，对于每一个喷口15，有一个横向延伸的支管21连接在该加长部13”与该套管16之间。这样，原料气从该加长部13”经由该支管21到达喷口15，并从该喷口15输送到炉腔19内。优选地，套管16的顶端可以不封闭，而是也喷口，以在还原炉内形成更好的气体循环流动。
尽管在图3中示出了沿着该加长部13”在三个不同的高度处设有喷口15，并且如图5所示，每个高度处设有4个喷口15，但是可以理解，可以在更多不同高度处设置喷口，且每个高度处可以有更多或更少数量的喷口，且在不同高度处可以有不同数量的喷口。例如，喷口15的数量根据硅棒长度而定，可以在4-20个之间
处于最高高度处的喷口的位置最好高于硅芯2的高度。如图3所示，处于最高高度处的喷口15高出硅芯2的距离h可以为最终得到的产品硅棒的直径的0.5-2倍。
如图3所示，原料进气管13从底盘11的基本中央的区域处延伸进入炉腔19，并在炉腔19内沿竖向向上延伸以形成加长部13”。在图3中，还多晶硅还原炉还包括分散设置的多个尾气排气管5，该多个尾气排气管5分别终止于在底盘11中分散设置的多个对应的尾气排出口5’。炉腔19内反应后的尾气经由尾气排出口5’排出到尾气排气管5中。如图4所示，该多个尾气排出口5’沿圆周方向设置在电极孔17之间。尽管未示出，多个尾气排出口5’可以以其它方式布置，例如沿着炉腔19的周边设置在底盘19中。而且，也可以只有一个尾气排出口，它可以邻近于套管16布置。
在工作时，原料混合气(其中的硅源气体为三氯氢硅)从进气管13进入还原炉内，并通过喷口15均匀地流向四周生长的硅棒。多晶硅在炽热的硅芯表面沉积，还原尾气通过尾气排出管5排出还原炉。通过控制冷却剂的流量等参数，可以将套管16的表面温度控制在50-300℃，从而避免多晶硅沉积在套管16的表面上或者堵塞喷口15。采用水为冷却剂时，套管16的表面温度可以控制在30-100℃，优选的控制在50-80℃。也可以采用导热油为冷却剂，采用导热油可以相应的提高套管16的表面温度，使套管16的表面温度控制在100-200℃。
Claims (20)
1.一种多晶硅还原炉，包括外壳以及设置在所述外壳下端部处的底盘，所述外壳与所述底盘一起限定了炉腔，原料气经由原料气进气管进入炉腔内，其特征在于，所述原料气进气管具有在所述炉腔内沿竖向延伸的加长部，并且沿所述加长部设有处于多个不同高度处的多个喷口，所述多晶硅还原炉还设置有对所述加长部进行冷却的冷却装置。
2.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述冷却装置为围绕所述加长部设置的夹套冷却装置。
3.根据权利要求2所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述夹套冷却装置包括：
套装在所述加长部外侧的套管，在所述套管与所述加长部之间限定了冷却剂空间；
与所述冷却剂空间成流体连通的套管冷却剂进口，冷却剂通过所述冷却剂进口进入到所述冷却剂空间；和
与所述冷却剂空间成流体连通的套管冷却剂出口，与所述加长部换热后的冷却剂通过所述冷却剂出口排出所述冷却剂空间。
4.根据权利要求3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述喷口穿过所述套管而与所述套管外部的炉腔连通。
5.根据权利要求4所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述喷口通过连接在所述加长部与所述套管之间的横向支管来设置在套管的壁上。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的多晶硅还原炉，其特征在于，在沿所述加长部的所述多个不同高度中的每一高度处设有多个喷口。
7.根据权利要求6所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述多个喷口沿所述加长部的圆周方向均匀间隔开。
8.根据权利要求7所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述多个喷口为四个喷口。
9.根据权利要求1或3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，处于所述多个不同高度中的最高高度处的喷口的位置高于硅芯的高度。
10.根据权利要求9所述的多晶硅还原炉，其特征在于，处于所述最高高度处的喷口高出所述硅芯的距离为最终产品硅棒直径的0.5-2倍。
11.根据权利要求3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述夹套冷却装置设置成将所述套管的表面温度控制在50-300℃。
12.根据权利要求1或3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述原料气中包括三氯氢硅。
13.根据权利要求1或3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述原料进气管从所述底盘的基本上中央区域处延伸进入所述炉腔，并在所述炉腔内沿竖向向上延伸以形成所述加长部。
14.根据权利要求3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述套管冷却剂进口设置在所述底盘中。
15.根据权利要求3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述套管冷却剂出口由套管冷却剂出口管来提供，所述套管冷却剂出口管从底盘向上延伸到邻近套管顶部。
16.根据权利要求3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述套管的顶端封闭。
17.根据权利要求3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述套管的顶端设有喷口。
18.根据权利要求3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述套管采用高纯石英、高纯石墨、碳化硅或不锈钢材料制备。
19.根据权利要求18所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述套管的外表面具有用于减少热量损失的镀层。
20.根据权利要求1或3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述加长部的顶端封闭。
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