CN102923710A - 多晶硅还原炉 - Google Patents

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；三十对电极，所述三十对电极设在所述底盘上且分别分布在第一至第六圈上，所述第一至第六圈为以所述底盘中心为中心且由内向外依次增大的六个同心正五边形；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五圈与所述底盘的之间。根据本发明实施例的多晶硅还原炉，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，使用12对棒、18对棒等还原炉生产多晶硅还原能耗大，生产成本高，已经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的新型还原炉的出现。

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；三十对电极，所述三十对电极设在所述底盘上且分别分布在第一至第六圈上，所述第一至第六圈为以所述底盘中心为中心且由内向外依次增大的六个同心正五边形；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五圈与所述底盘的之间。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，三十对电极设在底盘上且分别分布在第一至第六上，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：

根据本发明的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，所述第一圈上的五个电极与所述第二圈上的五个电极一一对应以构成五对电极。

根据本发明的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，所述第三圈上的十个电极与所述第四圈上的十个电极一一对应以构成十对电极。

根据本发明的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，所述第五圈上的十五个电极与所述第六圈上的十五个电极一一对应以构成十五对电极。

根据本发明的一个实施例的多晶硅还原炉，所述第一至第六圈的对应边彼此平行。

根据本发明的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七至第九圈上，所述第七至第九圈为以所述底盘中心为中心且由内向外依次增大的三个同心正五边形，其中所述第七圈位于第一和第二圈之间，所述第八圈位于所述第三和第四圈之间，所述第九圈位于所述第五和第六圈之间。

有利地，根据本发明的一个实施例的多晶硅还原炉，所述第一至第九圈的对应边彼此平行。

有利地，根据本发明的一个实施例的多晶硅还原炉，所述多个喷嘴的数量为二十六个，其中在所述第七圈上分布有五个喷嘴，在所述第八圈上分布有十个喷嘴，在所述第九圈上分布有十个喷嘴，其中第七至第九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，根据本发明的一个实施例的多晶硅还原炉，所述底盘上形成有气体腔，所述二十六个喷嘴分别与所述气体腔相连，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；五个进气管，所述五个进气管分别与所述进气环管和所述气体腔相连。

根据本发明的一个实施例的多晶硅还原炉，所述底盘内形成有位于所述气体腔上面的第一冷却腔，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。

根据本发明的一个实施例的多晶硅还原炉，所述多个排气口的数量为三至十二个且分布在以所述底盘的中心为圆心的一个圆周上。

根据本发明的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。

根据本发明的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。

根据本发明的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”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20，三十对电极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。

三十对电极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以及第六圈C6上。第一至第六圈为以底盘10中心为中心且由内向外依次增大的六个同心正五边形。

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上且位于第五圈C6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，三十对电极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以及第六圈C6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上的五个电极30与第二圈C2上的五个电极30一一对应以构成五对电极。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上的十个电极30与第四圈C4上的十个电极一一对应以构成十对电极。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上的十五个电极30与第六圈C6上的十五个电极30一一对应以构成十五对电极。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。使电极30的分布合理，最大程度地提高底盘10的使用效率。

当然，上述实施例仅是本发明的一个最佳实施例，本发明电极30的分布还可以具有其他的形式。例如，在第一圈C1的每条边上分布一个电极30，在第二圈C2的每条边上分布一个电极30，且第一圈C1和第二圈C2上的电极30中每相邻的两个电极30构成一对电极，用于形成五对电极；在第三圈C3的每条边上分布有两个电极30，且第三圈C3上的每相邻的两个电极30构成一对电极，用于在第三圈C3上构成五对电极；在第四圈C4的每条边上分布有二个电极30，且第四圈C4上的每相邻的两个电极30构成一对电极，用于在第四圈C4上构成五对电极；在第五圈C5的每条边上分布三个电极30，在第六圈C6的每条边上分布三个电极30，且第五圈C5和第六圈C6上的电极30中每相邻的两个电极30构成一对电极，用于形成十五对电极。

此外，上述第一圈至第六圈上的电极30的分布形式以及采用上述电极分布形式的组合形式，都在本发明的保护范围内，这对于本领域的普通技术人员是可以理解的。

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以及第六圈C6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中心处以及第七圈C7、第八圈C8以及第九圈C9上。第七至第九圈为以底盘10中心为中心且由内向外依次增大的三个同心正五边形。其中第七圈C7位于第一圈C1和第二圈C2之间，第八圈C8位于第三圈C3和第四圈C4之间，第九圈C9位于第五圈C5和第六圈C6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以及第九圈C9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的数量为二十六个。其中在第七圈C7上分布有五个喷嘴41，在第八圈C8上分布有十个喷嘴41，在第九圈C9上分布有十个喷嘴41。其中第七至第九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，可以有效地与三十对电极相配合。

进一步地，根据本发明一个实施例，底盘10上形成有气体腔11，二十六个喷嘴41分别与气体腔11相连，所述进气系统还包括：进气环管42和五个进气管43。

具体地说，进气环管42位于底盘10下方且与外部气源相连通。

五个进气管43分别与进气环管42和气体腔11相连。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。

如图1所示，根据本发明一个实施例，底盘10内形成有位于气体腔11上面的第一冷却腔12，且第一冷却腔12具有第一冷却介质进口121和多个第一冷却介质出口122，第一冷却介质进口121位于底盘10的中央，而多个第一冷却介质出口122与多个排气口51一一对应设置，每个第一冷却介质出口122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。

根据本发明一个实施例，多个排气口51的数量为三至十二个且分布在以底盘10的中心为圆心的一个圆周上，优选地，多个排气口51的数量为五个，由此，可以使反应尾气及时排出。进一步地，如图2所示，多个排气口51设在介于电极20与底盘10的反应腔室的内壁之间的圆周上。用于在电极30和反应腔室1020的内壁之间形成隔热层，从而避免炉体20带走反应腔室1020内过多的热量，降低了还原炉的热量损耗，节能环保。

根据本发明一个示例，炉体20内设有第二冷却腔22且第二冷却腔22连接有第二冷却介质进口221和第二冷却介质出口222，第二冷却介质进口221位于炉体20的底部且第二冷却介质出口222位于炉体20的顶部，第二冷却腔22内设有多个隔流挡板223，多个隔流挡板223在第二冷却腔22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，三十对电极30在分别分布在第一至第六圈上且分别布置成五对、十对和十五对电极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。在第七至第九圈上分别设有五个、十个和十个喷嘴41，在沿以底盘10的中心为圆心的圆周上均匀设有五个排气口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10%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15%-25%，单炉产量可达到6.5-8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 (14)

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；

三十对电极，所述三十对电极设在所述底盘上且分别分布在第一至第六圈上，所述第一至第六圈为以所述底盘中心为中心且由内向外依次增大的六个同心正五边形；

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五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，所述第一圈上的五个电极与所述第二圈上的五个电极一一对应以构成五对电极。

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，所述第三圈上的十个电极与所述第四圈上的十个电极一一对应以构成十对电极。

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，所述第五圈上的十五个电极与所述第六圈上的十五个电极一一对应以构成十五对电极。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述第一至第六圈的对应边彼此平行。

6.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七至第九圈上，所述第七至第九圈为以所述底盘中心为中心且由内向外依次增大的三个同心正五边形，其中所述第七圈位于第一和第二圈之间，所述第八圈位于所述第三和第四圈之间，所述第九圈位于所述第五和第六圈之间。

7.根据权利要求6所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述第一至第九圈的对应边彼此平行。

8.根据权利要求6所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述多个喷嘴的数量为二十六个，其中在所述第七圈上分布有五个喷嘴，在所述第八圈上分布有十个喷嘴，在所述第九圈上分布有十个喷嘴，其中第七至第九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。

9.根据权利要求8所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述底盘上形成有气体腔，所述二十六个喷嘴分别与所述气体腔相连，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；

五个进气管，所述五个进气管分别与所述进气环管和所述气体腔相连。

10.根据权利要求9所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述底盘内形成有位于所述气体腔上面的第一冷却腔，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。

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三至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。

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。

14.根据权利要求13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。

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