CN102320607A

CN102320607A - 多晶硅还原炉

Info

Publication number: CN102320607A
Application number: CN201110274525A
Authority: CN
Inventors: 严大洲; 肖荣辉; 毋克力; 汤传斌; 汪绍芬; 姚心
Original assignee: China ENFI Engineering Corp
Current assignee: China ENFI Engineering Corp
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明公开了一种多晶硅还原炉，包括：底盘和炉体，所述炉体连接在所述底盘上且在所述炉体与所述底盘之间限定出反应腔室；六十对电极，所述六十对电极设在所述底盘上且分别分布在第一至第八圈上，所述第一至第八圈为以所述底盘中心为中心且由内向外依次增大的八个同心正六边形；进气系统，所述进气系统包括设在所述底盘中部的多个喷嘴；和排气系统，所述排气系统包括多个排气口，所述排气口设在所述底盘上且位于所述第八圈与所述底盘的外周沿之间。根据本发明实施例的多晶硅还原炉，所述六十对电极设在所述底盘上且分别分布在第一至第八圈上，由此，可以合理利用热能，同时也可以避免炉体内侧壁带走过多热量，可以降低热量损耗。

Description

多晶硅还原炉

技术领域

本发明涉及多晶硅生产技术领域，特别是涉及一种多晶硅还原炉。

背景技术

多晶硅还原炉是多晶硅生产中产出最终产品的核心设备，也是决定系统产能、能耗的关键环节。因此，多晶硅还原炉的设计和制造，直接影响到产品的质量、产量和生产成本。随着全球经济危机的影响下，多晶硅的价格持续下降，产业利润不断被压缩，市场竞争日趋激烈。因此，有效地降低多晶硅能耗，提高产品质量，提高生产效率，是目前多晶硅生产企业需要解决的重要问题。

目前生产多晶硅主要采用“改良西门子法”，通常将一定配比的三氯氢硅(SiHCl₃)和氢气(H₂)混合气从底部进气口喷入，在还原炉内发生气相还原反应，反应生成的硅(Si)直接沉积在炉内的硅芯表面，随着反应的持续进行，硅棒不断生长最终达到产品要求。由于还原炉内部硅芯需要维持在1050-1100℃进行生产，外部用冷却夹套进行冷却，因此目前普遍使用的12对棒、18对棒以及24对棒等，生产单位重量的产品普遍能耗较高，单炉产量低，已经越来越不适应目前激烈市场竞争的要求，迫切需求一种能够节能降耗和大幅度提升产量的大型还原炉的出现。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种可以降低能耗并且可以提高产量的多晶硅还原炉。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，包括：底盘和炉体，所述炉体连接在所述底盘上且在所述炉体与所述底盘之间限定出反应腔室；六十对电极，所述六十对电极设在所述底盘上且分别分布在第一至第八圈上，所述第一至第八圈为以所述底盘中心为中心且由内向外依次增大的八个同心正六边形；进气系统，所述进气系统包括设在所述底盘中部的多个喷嘴；和排气系统，所述排气系统包括多个排气口，所述排气口设在所述底盘上且位于所述第八圈与所述底盘的外周沿之间。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，所述六十对电极设在所述底盘上且分别分布在第一至第八圈上，由此，可以合理利用热能，同时也可以避免炉体内侧壁带走过多热量，可以降低热量损耗。

另外，根据本发明上述实施例的多晶硅还原炉还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，在所述第一圈的每条边上分布有一个电极，在所述第二圈的每条边上分布有一个电极，所述第一圈上的六个电极与所述第二圈上的六个电极一一对应以构成六对电极。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，在所述第三圈的每条边上分布有二个电极，在所述第四圈的每条边上分布有二个电极，所述第三圈上的十二个电极与所述第四圈上的十二个电极一一对应以构成十二对电极。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，在所述第五圈的每条边上分布有三个电极，在所述第六圈的每条边上分布有三个电极，所述第五圈上的十八个电极与所述第六圈上的十八个电极一一对应以构成十八对电极。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，在所述第七圈的每条边上分布有四个电极，在所述第八圈的每条边上分布有四个电极，所述第七圈上的二十四个电极与所述第八圈上的二十四个电极一一对应以构成二十四对电极。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述第一至第八圈的对应边彼此平行。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述多个喷嘴分别分布在所述底盘中心处以及第九至第十二圈上，所述第九至第十二圈为以所述底盘中心为中心且由内向外依次增大的四个同心正六边形，其中所述第九圈位于第一和第二圈之间，所述第十圈位于所述第三和第四圈之间，所述第十一圈位于所述第五和第六圈之间，所述第十二圈位于所述第七和第八圈之间。

有利地，根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述第一至第十二圈的对应边彼此平行。

有利地，根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述多个喷嘴的数量为五十五个，其中在所述第九圈上分布有六个喷嘴，在所述第十圈上分布有十二个喷嘴，在所述第十一圈上分布有十八个喷嘴，在所述第十二圈上分布有十八个喷嘴，其中第九至第十二圈中的任一圈上的喷嘴与和其相邻的圈上的电极沿周向交错布置。

进一步地，根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述进气系统还包括：进气环管，所述进气环管位于所述底盘下方且与外部气源相连通；五十五个进气管，所述五十五个进气管分别与所述五十五个喷嘴一一对应且所述五十五个喷嘴通过所述五十五个进气管与所述进气环管相连接。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述多个排气口的数量为十二个且分布在以所述底盘的中心为圆心的一个圆周上。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述底盘内形成有第一冷却腔，且所述第一冷却腔具有第一冷却介质进口和多个第一冷却介质出口，所述第一冷却介质进口位于所述底盘的中央，而所述多个第一冷却介质出口与所述多个排气口一一对应设置，每个所述第一冷却介质出口连接有第一冷却管且每个所述排气口连接有尾气管，所述第一冷却管套设在所述尾气管上。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述炉体内设有第二冷却腔且所述第二冷却腔连接有第二冷却介质进口和第二冷却介质出口，所述第二冷却介质进口位于所述炉体的底部且所述第二冷却介质出口位于所述炉体的顶部，所述第二冷却腔内设有多个隔流挡板，所述多个隔流挡板在所述第二冷却腔内由下至上绕所述反应腔室呈螺旋状分布。

根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述炉体包括位于下部的筒体和设在所述筒体顶端的封头，所述封头为中空半球体。

有利地，根据本发明一个实施例的多晶硅还原炉，所述炉体上还设有多个观察镜，所述多个观察镜在所述筒体的高度方向上均匀分布成多排且所述多个观察镜沿所述筒体的周向均匀分布。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的多晶硅还原炉的示意图；和

图2是根据本发明的另一实施例的多晶硅还原炉的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面参考附图详细描述根据本发明实施例的多晶硅还原炉。

如图1-2所示，根据本发明实施例的多晶硅还原炉，包括：底盘10，炉体20，六十对电极30，进气系统和排气系统。

具体地说，炉体20连接在底盘10上且在炉体20与底盘10之间限定出反应腔室1020。

六十对电极30设在底盘10上且分别分布在第一圈C1、第二圈C2、第三圈C3、第四圈C4、第五圈C5、第六圈C6、第七圈C7以及第八圈C8上。第一至第八圈为以底盘10中心为中心且由内向外依次增大的八个同心正六边形。

所述进气系统包括设在底盘10中部的多个喷嘴41。

所述排气系统包括多个排气口51，排气口51设在底盘10上且位于第八圈C8与底盘10的外周沿之间。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，六十对电极30设在底盘10上且分别分布在第一圈C1、第二圈C2、第三圈C3、第四圈C4、第五圈C5、第六圈C6、第七圈C7以及第八圈C8上，由此，可以合理利用热能，同时也可以避免炉体内侧壁带走过多热量，可以降低热量损耗。

如图2所示，根据本发明一个实施例，在第一圈C1的每条边上分布有一个电极30，在第二圈C2的每条边上分布有一个电极30。第一圈C1上的六个电极30与第二圈C2上的六个电极30一一对应以构成六对电极。相邻的两对电极之间可以通过电极板(未示出)连接。

在第三圈C3的每条边上分布有二个电极30，在第四圈C4的每条边上分布有二个电极30。第三圈C3上的十二个电极30与第四圈C4上的十二个电极一一对应以构成十二对电极。相邻的两对电极之间可以通过电极板(未示出)连接。

在第五圈C5的每条边上分布有三个电极30，在第六圈C6的每条边上分布有三个电极30。第五圈C5上的十八个电极30与第六圈C6上的十八个电极30一一对应以构成十八对电极。相邻的两对电极之间可以通过电极板(未示出)连接。

在第七圈C7的每条边上分布有四个电极30，在第八圈C8的每条边上分布有四个电极30。第七圈C7上的二十四个电极30与第八圈C8上的二十四个电极30一一对应以构成二十四对电极。相邻的两对电极之间可以通过电极板(未示出)连接。由此，可以简化对电极30的控制，并可以最大程度的合理利用热能。

如图2所示，分布在第二至第七圈上的电极30沿径向依次交替布置，由此可以使电极30的分布合理，最大程度地提高底盘10的使用效率。

根据本发明一些实施例，如图2所示，第一圈C1、第二圈C2、第三圈C3、第四圈C4、第五圈C5、第六圈C6、第七圈C7以及第八圈C8的对应边彼此平行。由此，可以使根据本发明实施例的多晶硅还原炉布局合理且结构简化。

根据本发明的一个示例，多个喷嘴41分别分布在底盘10中心处以及第九圈C9、第十圈C10、第十一圈C11以及第十二圈C12上。第九至第十二圈为以底盘10中心为中心且由内向外依次增大的四个同心正六边形。其中第九圈C9位于第一圈C1和第二圈C2之间，第十圈C10位于第三圈C3和第四圈C4之间，第十一圈C11位于第五圈C5和第六圈C6之间，第十二圈C12位于第七圈C7和第八圈C8之间。由此，可以使工艺气体在反应腔室1020内均匀分布，可以提高单炉产量。

有利地，根据本发明一个具体示例，第一圈C1、第二圈C2、第三圈C3、第四圈C4、第五圈C5、第六圈C6、第七圈C7、第八圈C8、第九圈C9、第十圈C10、第十一圈C11以及第十二圈C12的对应边彼此平行。由此，可以使根据本发明实施例的多晶硅还原炉布局合理且进一步简化结构。

有利地，根据本发明一些示例，多个喷嘴41的数量为五十五个。其中在第九圈C9上分布有六个喷嘴41，在第十圈C10上分布有十二个喷嘴41，在第十一圈C11上分布有十八个喷嘴41，在第十二圈C12上分布有十八个喷嘴41。其中第九至第十二圈中的任一圈上的喷嘴41与和其相邻的圈上的电极30沿周向交错布置。由此，可以使喷嘴41的布局更为合理，可以有效地与六十对电极相配合。

进一步地，根据本发明一个实施例，所述进气系统还包括，进气环管42和五十五个进气管43。

具体地，进气环管42位于底盘10下方且与外部气源相连通。

五十五个进气管43分别与五十五个喷嘴41一一对应且五十五个喷嘴41通过五十五个进气管43与进气环管42相连接。由此，可以使每个喷嘴41的进气量都保持一致，从而可以保证反应腔室1020内气流流畅均匀。

根据本发明一个实施例，多个排气口51的数量为十二个且分布在以底盘10的中心为圆心的一个圆周上(即如图2中所示的介于第八圈C8与底盘10的外周沿之间的圆周)。由此，可以使反应尾气及时排出。

如图1所示，根据本发明一个实施例，底盘10内形成有第一冷却腔101，且第一冷却腔101具有第一冷却介质进口102和多个第一冷却介质出口103，第一冷却介质进口102位于底盘10的中央，而多个第一冷却介质出口103与多个排气口51一一对应设置，每个第一冷却介质出口103连接有第一冷却管且每个排气口51连接有尾气管，所述第一冷却管套设在所述尾气管上。由此，可以简化多晶硅还原炉的设计并可以改善生产条件，可以保证安全生产。

根据本发明一个示例，炉体20内设有第二冷却腔203且第二冷却腔203连接有第二冷却介质进口204和第二冷却介质出口205，第二冷却介质进口204位于炉体20的底部且第二冷却介质出口205位于炉体20的顶部，第二冷却腔203内设有多个隔流挡板206，多个隔流挡板206在第二冷却腔203内由下至上绕反应腔室1020呈螺旋状分布。由此，可以改善生产条件，可以保证安全生产。

根据本发明一些实施例，炉体20包括位于下部的筒体201和设在筒体201顶端的封头202，封头202为中空半球体。由此，可以减小上升气流在反应腔室1020顶部的上升阻力。

有利地，根据本发明一个实施例，如图1所示，炉体20上还设有多个观察镜60，多个观察镜60在筒体201的高度方向上均匀分布成多排且多个观察镜60沿筒体201的周向均匀分布。由此，可以及时观察所述反应腔室内的情况。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，六十对电极30在分别分布在第一至第八圈上且分别布置成六对、十二对、十八对和二十四对电极30。该电极30的布局有利于最大化合理利用热能，同时避免炉筒内侧的冷却壁面带走过多热量，降低热量损耗。在第九至第十二圈上分别设有六个、十二个、十八个和十八个喷嘴41，在沿以底盘10的中心为圆心的圆周上均匀设有十二个排气口51，这样的设计取消了中央出气口，避免了中央出气口附近由于憋压造成的流动死区，提高了反应腔室1020内下部区域的生产效率。使用外圈出气的结构，使得还原炉内气流循环时，直接从外圈排出，避免反应副产物回到中央的气流上升区，造成物料反混。通过模拟计算表明底盘10的布局有以下优点：(1)由于每根硅棒大体有对应的3个等距进气源，还原炉内流场能均匀分布，有利于硅棒均匀生长；(2)硅棒间距完全一致，每根硅棒都有对应3个等距辐射热源，还原炉热场分布均匀；(3)外圈出气使热气体走外部，使还原炉中气场能够最大化合理利用热能，同时避免炉筒内侧的冷却壁面带走过多热量，降低热量损耗。同时，该优化设计使得还原炉的制造成本有效降低，占地空间小，有利于大规模用于生产。

炉体10上部的封头202为半球形封头。半球形封头的受力良好，球壳应力小，与筒体201相比，厚度较其他形式的封头可以适当减薄。进过模拟计算，球形封头的下部的上升气流在顶部的上升阻力减小，在高度2400-3200mm左右气速明显增加，有利于解决硅棒上部菜花严重的问题，对硅棒桥连部分的质量有一定改善作用；这一特征在内圈硅棒上表现更为明显，硅棒表面气速比一般的椭圆形封头有15％左右的提升。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，通过对多晶硅还原炉的底盘10和炉体20的结构尺寸，以及电极30、进气口41和排气孔51的分布进行优化设计后，每公斤多晶硅能耗可以降低25％-35％，单炉产量可达到14-16吨，可有效降低多晶硅生产成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种多晶硅还原炉，其特征在于，包括：

底盘和炉体，所述炉体连接在所述底盘上且在所述炉体与所述底盘之间限定出反应腔室；

六十对电极，所述六十对电极设在所述底盘上且分别分布在第一至第八圈上，所述第一至第八圈为以所述底盘中心为中心且由内向外依次增大的八个同心正六边形；

进气系统，所述进气系统包括设在所述底盘中部的多个喷嘴；和

排气系统，所述排气系统包括多个排气口，所述排气口设在所述底盘上且位于所述第八圈与所述底盘的外周沿之间。

2.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，在所述第一圈的每条边上分布有一个电极，在所述第二圈的每条边上分布有一个电极，所述第一圈上的六个电极与所述第二圈上的六个电极一一对应以构成六对电极。

3.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，在所述第三圈的每条边上分布有二个电极，在所述第四圈的每条边上分布有二个电极，所述第三圈上的十二个电极与所述第四圈上的十二个电极一一对应以构成十二对电极。

4.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，在所述第五圈的每条边上分布有三个电极，在所述第六圈的每条边上分布有三个电极，所述第五圈上的十八个电极与所述第六圈上的十八个电极一一对应以构成十八对电极。

5.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，在所述第七圈的每条边上分布有四个电极，在所述第八圈的每条边上分布有四个电极，所述第七圈上的二十四个电极与所述第八圈上的二十四个电极一一对应以构成二十四对电极。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述第一至第八圈的对应边彼此平行。

7.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述多个喷嘴分别分布在所述底盘中心处以及第九至第十二圈上，所述第九至第十二圈为以所述底盘中心为中心且由内向外依次增大的四个同心正六边形，其中所述第九圈位于第一和第二圈之间，所述第十圈位于所述第三和第四圈之间，所述第十一圈位于所述第五和第六圈之间，所述第十二圈位于所述第七和第八圈之间。

8.根据权利要求7所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述第一至第十二圈的对应边彼此平行。

9.根据权利要求7所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述多个喷嘴的数量为五十五个，其中在所述第九圈上分布有六个喷嘴，在所述第十圈上分布有十二个喷嘴，在所述第十一圈上分布有十八个喷嘴，在所述第十二圈上分布有十八个喷嘴，其中第九至第十二圈中的任一圈上的喷嘴与和其相邻的圈上的电极沿周向交错布置。

10.根据权利要求9所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述进气系统还包括：

进气环管，所述进气环管位于所述底盘下方且与外部气源相连通；

五十五个进气管，所述五十五个进气管分别与所述五十五个喷嘴一一对应且所述五十五个喷嘴通过所述五十五个进气管与所述进气环管相连接。

11.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述多个排气口的数量为十二个且分布在以所述底盘的中心为圆心的一个圆周上。

12.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述底盘内形成有第一冷却腔，且所述第一冷却腔具有第一冷却介质进口和多个第一冷却介质出口，所述第一冷却介质进口位于所述底盘的中央，而所述多个第一冷却介质出口与所述多个排气口一一对应设置，每个所述第一冷却介质出口连接有第一冷却管且每个所述排气口连接有尾气管，所述第一冷却管套设在所述尾气管上。

13.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述炉体内设有第二冷却腔且所述第二冷却腔连接有第二冷却介质进口和第二冷却介质出口，所述第二冷却介质进口位于所述炉体的底部且所述第二冷却介质出口位于所述炉体的顶部，所述第二冷却腔内设有多个隔流挡板，所述多个隔流挡板在所述第二冷却腔内由下至上绕所述反应腔室呈螺旋状分布。

14.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述炉体包括位于下部的筒体和设在所述筒体顶端的封头，所述封头为中空半球体。

15.根据权利要求14所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述炉体上还设有多个观察镜，所述多个观察镜在所述筒体的高度方向上均匀分布成多排且所述多个观察镜沿所述筒体的周向均匀分布。