CN106495162A - 用于生产多晶硅的还原炉及改善多晶硅表面菜花的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生产多晶硅的还原炉及改善多晶硅表面菜花的方法，该还原炉包括底盘、硅芯、设置于底盘上的进料喷嘴和硅芯底座，硅芯底座将硅芯固定于底盘上，以底盘为基准面，进料喷嘴的高度为硅芯底座高度的1/2～1/4。本发明降低了多晶硅表面菜花占比，既能使得进料喷嘴喷出的物料能够到达硅芯顶部，又保证了还原炉内沉积反应的速度。还原炉运行过程中，本发明中的进料喷嘴的高度设置防止了进料喷嘴高度过低使得进料喷嘴喷出的物料的混合气到达不了还原炉顶部，本发明中的进料喷嘴的高度设置使得从还原炉底部进料喷嘴进来的混合气能够使还原炉顶部的气体层发生湍流，还原炉内硅芯顶部温度均匀，硅棒表面沉积均匀。

Description

用于生产多晶硅的还原炉及改善多晶硅表面菜花的方法

技术领域

本发明属于多晶硅生产技术领域，具体涉及一种用于生产多晶硅的还原炉及改善多晶硅表面菜花的方法。

背景技术

目前，大部分生产多晶硅的方法都是改良西门子法，主要使用钟罩型反应器，并采用8-9mm的硅芯作为载体，以三氯氢硅和氢气为原料，通过对硅芯载体不断的加载电流来达到沉积所需的温度，使三氯氢硅中的硅原子被氢气还原出来，沉积在硅芯表面，使硅芯逐步生长至直径为120mm-150mm的棒状硅，即硅棒。

多晶硅表面菜花现象主要是指多晶硅生长过程中表面呈现菜花状或玉米粒状结构，其深层次有孔隙夹杂气体的现象。这种产品拉单晶前需进行酸洗等多重处理，严重时可能被当作次等料甚至废料处理，这严重影响多晶硅企业的竞争力，而且菜花料的价格较低。因此减少或避免硅棒表面产生菜花是多晶硅企业必须面对的问题，也是实现多晶硅高质量与高利润的保证。

在西门子法生产多晶硅过程中，多晶硅沉积速度和电单耗是生产成本所要控制的重要指标，而影响这两个指标的因素有很多，包括反应温度、原料气流量、反应压力、原料气物料配比等。在生产过程中，为了降低多晶硅的电单耗，提高生长过程中硅的沉积速度，往往采用提高硅棒的温度，加大还原炉内原料气物料的流量来达到目的。虽然通过长期的工艺摸索，可以寻找到合适的工艺控制来使电耗和沉积速度达到最佳的指标，但在追求这些指标的过程中，由于温度过高，造成炉内硅棒顶部形成类似于“爆米花”的颗粒状硅，造成出炉后硅棒表面形貌差，不利于后期产品加工，形成大量低质量产品，“爆米花”中夹杂的杂质也会遭到下游客户的投诉。

现有技术中，为了改善硅棒表面菜花料的形态，可通过：1、增大原料气中的氢气流量，提高氢气配比；2、提高原料气的压力或降低尾气的压力，增加进料前后的压差，提高流速；3、降低炉内反应温度，在低温环境下缓慢生长；4、降低硅芯高度。但是，在实际生产过程中，由于原料气及还原尾气干法回收工序的设备参数均是一定的，参数调整的可能性比较小，所以不能通过进料压差来解决；另外，通过降低硅棒温度或提高物料配比，均会造成电耗及物耗的升高，增加了生产成本；其次，通过降低硅芯高度虽然可以改善表面菜花，但却大大降低了多晶硅的出炉产量。因此，以上四点虽然能达到降低菜花的目的，但提高了多晶硅的生产成本，不利于企业的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种用于生产多晶硅的还原炉及改善多晶硅表面菜花的方法，本发明通过将进料喷嘴的高度设置为所述硅芯底座高度的1/2～1/4，降低了多晶硅表面菜花占比，既能使得进料喷嘴喷出的物料能够到达硅芯顶部，又保证了还原炉内沉积反应的速度。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种用于生产多晶硅的还原炉，包括底盘、硅芯、设置于所述底盘上的进料喷嘴和硅芯底座，所述硅芯底座将所述硅芯固定于所述底盘上，以所述底盘为基准面，所述进料喷嘴的高度为所述硅芯底座高度的1/2～1/4。

优选的是，所述进料喷嘴的高度为所述硅芯底座高度的1/3。

优选的是，所述进料喷嘴在所述底盘上呈环形分布，所述环形包括内环和外环，所述进料喷嘴包括在所述内环分布的内环喷嘴和在所述外环分布的外环喷嘴，所述内环喷嘴的口径为所述外环喷嘴的口径的2～2.5倍。

优选的是，所述还原炉为12对棒还原炉，所述内环喷嘴为1个，所述外环喷嘴为4个。

优选的是，所述内环喷嘴的口径为25mm，所述内环喷嘴的高度为20mm，所述外环喷嘴的口径为10mm，所述外环喷嘴的高度为100mm。

优选的是，所述进料喷嘴的横截面为正六边形。

本发明还提供一种使用上述的还原炉改善多晶硅表面菜花的方法，包括以下步骤：

硅芯生长前期，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为(3.5～4.5)：1，还原炉内的温度为1100～1150℃；

硅芯生长中期，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为(2.25～2.4)：1，还原炉内的温度为1150～1200℃；

硅芯生长后期，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为(2.25～2.4)：1，还原炉内的温度为1050～1075℃。

优选的是，所述硅芯生长前期为硅芯生长的第1～10小时；

所述硅芯生长中期为硅芯生长的第10.1～60小时；

所述硅芯生长后期为硅芯生长的第60.1～80小时。

优选的是，通过所述进料喷嘴喷入的原料气中二氯二氢硅的摩尔含量为5～7％。

本发明通过将进料喷嘴的高度设置为所述硅芯底座高度的1/2～1/4，降低了多晶硅表面菜花占比，既能使得进料喷嘴喷出的物料能够到达硅芯顶部，又保证了还原炉内沉积反应的速度，降低了电耗和物耗，从而降低了生产成本。还原炉运行过程中，本发明中的进料喷嘴的高度设置防止了进料喷嘴高度过低使得进料喷嘴喷出的物料的混合气到达不了还原炉顶部，本发明中的进料喷嘴的高度设置使得从还原炉底部进料喷嘴进来的混合气能够使还原炉顶部的气体层发生湍流，还原炉内硅芯顶部温度均匀，硅棒表面沉积均匀。另一方面还防止了进料喷嘴高度高于硅芯底座高度导致的“当进料喷嘴喷出的物料通过一定的压力进入还原炉内时，会直接从硅芯中部上升至顶部，造成硅芯生长前期因硅棒的根部接触物料少，亮点频发，造成小棒倒炉”。

附图说明

图1是本发明实施例1中的还原炉的结构示意图；

图2是本发明实施例1中的还原炉的底盘和底盘上的进料喷嘴的俯视图；

图3是本发明实施例1中的还原炉的进料喷嘴的截面图；

图4是本发明实施例2中的硅芯生长的不同阶段的温度和原料气配比图。

图中：1-底盘；2-硅芯；3-进料喷嘴；31-内环喷嘴；32-外环喷嘴；321-被封堵的外环喷嘴；4-硅芯底座；5-横梁。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种用于生产多晶硅的还原炉，包括底盘1、硅芯2、设置于所述底盘1上的进料喷嘴3和硅芯底座4，所述硅芯底座4将所述硅芯2固定于所述底盘1上，以所述底盘1为基准面，所述进料喷嘴3的高度为所述硅芯底座4高度的1/2～1/4。具体的，本实施例中的用于生产多晶硅的还原炉还包括用于连接相邻硅芯2的顶部的横梁5，多晶硅在硅芯2上沉积生成硅棒。具体的，本实施例中的硅芯底座4采用石墨卡帽。

现有技术中，以底盘1为基准面，硅棒的菜花料一般都出现在硅芯2整体的高度的上部的1/3部位，具体原因是由于进料喷嘴3喷出的物料的混合气聚集在还原炉顶部，形成一个气体层，在还原炉运行过程中，从还原炉底部进来的混合气无法使这个气体层发生湍流，导致还原炉内硅棒靠近横梁5处温度较高，硅棒表面沉积不均匀，从而在多晶硅表面上形成了大量的菜花。

本实施例中，通过将进料喷嘴3的高度设置为所述硅芯底座4高度的1/2～1/4，降低了多晶硅表面菜花占比，既能使得进料喷嘴3喷出的物料能够到达横梁5顶部，又保证了还原炉内沉积反应的速度，降低了电耗和物耗，从而降低了生产成本。还原炉运行过程中，本实施例中的进料喷嘴3的高度设置防止了进料喷嘴3高度过低使得进料喷嘴3喷出的物料的混合气到达不了还原炉顶部，本实施例中的进料喷嘴3的高度设置使得从还原炉底部进料喷嘴3进来的混合气能够使还原炉顶部的气体层发生湍流，还原炉内硅棒靠近横梁5处温度均匀，硅棒表面沉积均匀。另一方面还防止了进料喷嘴3高度高于硅芯底座4高度导致的“当进料喷嘴3喷出的物料通过一定的压力进入还原炉内时，会直接从硅芯2中部上升至顶部，造成硅芯2生长前期因硅棒的根部接触物料少，亮点频发，造成小棒倒炉”。

优选的是，所述进料喷嘴3的高度为所述硅芯底座4高度的1/3。该进料喷嘴3的高度设置，大大降低了硅棒靠近横梁5处的菜花料的占比。

优选的是，所述进料喷嘴3在所述底盘1上呈环形分布，所述环形包括内环和外环，所述进料喷嘴3包括在所述内环分布的内环喷嘴31和在所述外环分布的外环喷嘴32，所述内环喷嘴31的口径为所述外环喷嘴32的口径的2～2.5倍。通过设置内环喷嘴31的口径为所述外环喷嘴32的口径的2～2.5倍，从而使得还原炉生产过程中还原炉的轴径向的内圈空间的温度降低，提高了还原炉的轴径向的内圈空间的散热能力，但同时也防止了还原炉内的硅棒表面温度下降较快，节省了用电，降低了多晶硅的生产成本。

如图2所示，优选的是，所述还原炉为12对棒还原炉，所述内环喷嘴31为1个，所述外环喷嘴32为4个。现有技术中的12对棒还原炉的进料方式为“9孔”进料，即：还原炉底盘1上有9个进料喷嘴3，外环喷嘴32为8个，内圈喷嘴为1个。具体的本实施例中，可以通过对外环喷嘴32进行对称封堵，将外环喷嘴32进行封堵得到被封堵的外环喷嘴321，其中，被封堵的外环喷嘴321为4个，使进料喷嘴3由9个改变为5个。由此可以使还原炉进料流速提升1.2～1.5倍，有效的改变了还原炉内硅棒横梁5上方的气场环境，原因是：现有技术中的12对棒还原炉为9个进料喷嘴3进料时，进料流速较小，进入还原炉内的物料大部分都在硅棒中部，只有少量的达到硅棒横梁5上方，还原炉运行到硅芯2生长中后期时，硅棒横梁5上方就会富集大量的物料与反应后的副产物气体层，导致硅棒横梁5局部温度过高，硅棒表面菜花产生较多，而通过对进料喷嘴3的部分封堵，可以有效地提高进料流速，流速提高后，物料进入还原炉后就可以达到横梁5上方，可以使富集在横梁5上方的气体层发生“湍动”，气体层就不会形成富集，有利于改善横梁5上方气体层的环境，同时也不会使横梁5上方的局部温度过高。

优选的是，所述内环喷嘴31的口径为25mm，所述内环喷嘴31的高度为20mm，所述外环喷嘴32的口径为10mm，所述外环喷嘴32的高度为100mm。由于还原炉的轴径向的内圈积聚的热量最多、散热效果最差，最容易积聚菜花，所以，本实施例中，在进料喷嘴3的该高度与口径的比值下，还原炉的散热效果最佳。

如图3所示，优选的是，所述进料喷嘴3的横截面为正六边形。该进料喷嘴3在安装时容易操作，加工也较为简便。

本实施例在保证目前还原单炉产量与电耗不变的前提下，将所使用的还原炉中的多晶硅的菜花料占比大大降低。

实施例2

本实施例提供一种使用实施例1中的还原炉改善多晶硅表面菜花的方法，包括以下步骤：

硅芯生长前期，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为(3.5～4.5)：1，还原炉内的温度为1100～1150℃；

在硅芯生长前期，硅的沉积表面积小，所以通过进料喷嘴进入还原炉内的原料气的流量不能太大，从而减少物料的浪费。但如果硅芯生长前期通过进料喷嘴进入还原炉内的原料气的量小，就会造成从进料喷嘴喷出的原料气的压力不足以使其喷到横梁顶部，在硅芯生长前期，因横梁缺料而发生熔断现象，所以硅芯生长前期既要保证还原炉内温度，又要保证原料气能够顺利达到横梁顶部，就需要在还原炉运行前期，将三氯氢硅和氢气配比提至(3.5～4.5)：1的摩尔配比，通过氢气的动力满足前期生长的需要。既保证还原炉内硅芯表面温度为1100～1150℃，氢气与三氯氢硅的摩尔比控制在(3.5～4.5)：1，通过物料配比的变化，可弥补还原炉内硅棒热场变化的不足之处。

硅芯生长中期，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为(2.25～2.4)：1，还原炉内的温度为1150～1200℃；

硅芯生长中期是硅棒生长的最佳时段，这个阶段硅棒的沉积速度达到巅峰时刻，所以此阶段需给予小的原料气的物料配比让其生长，这也是菜花料开始形成的阶段。本实施例通过对进料喷嘴的改进后，硅芯生长中期，原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为(2.25～2.4)：1可以减少菜花。

硅芯生长后期，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为(2.25～2.4)：1，还原炉内的温度为1050～1075℃。

在硅芯生长后期，对进料喷嘴喷入的原料气中的物料配比进行适当调整，可达到调整硅棒表面温度的效果。硅棒表面菜花料往往集中在靠近硅棒表皮6～15mm处，硅芯生长后期，此阶段的原料气的物料配比需进行适当的增大，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为(2.25～2.4)：1，在大配比的条件下，硅棒表面的温度也会下降，沉积速度随之变小，硅芯生长中期形成的菜花料会在硅芯生长后期的生长过程中逐步“长平”。

硅芯生长前期、硅芯生长中期、硅芯生长后期分别为还原炉内生长多晶硅的温度控制的初期阶段、中期阶段、后期阶段。多晶硅在硅芯上沉积生成硅棒，上述过程通过对还原炉内硅棒生长所需物料配比进行调整，根据还原炉内硅棒生长过程中热量增加与损失的核算，来对物料配比进行阶段性调整，从而降低多晶硅表面菜花。

如图4所示，优选的是，所述硅芯生长前期为硅芯生长的第1～10小时；

所述硅芯生长中期为硅芯生长的第10.1～60小时；

所述硅芯生长后期为硅芯生长的第60.1～80小时。

优选的是，通过所述进料喷嘴喷入的原料气中二氯二氢硅的摩尔含量为5～7％。原料气中二氯二氢硅的组成数值必须稳定。本实施例中控制进料喷嘴喷入的原料气中二氯二氢硅的摩尔含量为5～7％，既可以防止二氧化硅雾化，减少硅棒表面的菜花料形成，又能控制还原炉硅棒的沉积速度。

本实施例在保证目前还原单炉产量与电耗不变的前提下，将所用还原炉中的多晶硅的菜花料占比由目前的35wt％降低到30wt％以下。本实施例中的方法，降低了多晶硅表面菜花占比，既能使得进料喷嘴喷出的物料能够到达硅芯顶部，又保证了还原炉内沉积反应的速度，降低了电耗和物耗，从而降低了生产成本。

实施例3

本实施例提供一种使用实施例1中的还原炉改善多晶硅表面菜花的方法，包括以下步骤：

硅芯生长前期第1小时，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为4.5：1，还原炉内的温度为1100℃，通过所述进料喷嘴喷入的原料气中二氯二氢硅的摩尔含量为6％；

硅芯生长中期第60小时，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为2.32：1，还原炉内的温度为1175℃；

硅芯生长后期第80小时，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为2.32：1，还原炉内的温度为1075℃。

本实施例在保证目前还原单炉产量与电耗不变的前提下，将所使用的还原炉中的多晶硅的菜花料占比由目前的35wt％降低到30wt％以下。本实施例中的方法，降低了多晶硅表面菜花占比，既能使得进料喷嘴喷出的物料能够到达硅芯顶部，又保证了还原炉内沉积反应的速度，降低了电耗和物耗，从而降低了生产成本。

实施例4

本实施例提供一种使用实施例1中的还原炉改善多晶硅表面菜花的方法，包括以下步骤：

硅芯生长前期第5小时，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为3.5：1，还原炉内的温度为1150℃，通过所述进料喷嘴喷入的原料气中二氯二氢硅的摩尔含量为5％；

硅芯生长中期第10.1小时，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为2.25：1，还原炉内的温度为1200℃；

硅芯生长后期第70小时，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为2.25：1，还原炉内的温度为1060℃。

本实施例在保证目前还原单炉产量与电耗不变的前提下，将所使用的还原炉中的多晶硅的菜花料占比由目前的35wt％降低到30wt％以下。本实施例中的方法，降低了多晶硅表面菜花占比，既能使得进料喷嘴喷出的物料能够到达硅芯顶部，又保证了还原炉内沉积反应的速度，降低了电耗和物耗，从而降低了生产成本。

实施例5

本实施例提供一种使用实施例1中的还原炉改善多晶硅表面菜花的方法，包括以下步骤：

硅芯生长前期第10小时，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为4：1，还原炉内的温度为1125℃，通过所述进料喷嘴喷入的原料气中二氯二氢硅的摩尔含量为7％；

硅芯生长中期第30小时，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为2.4：1，还原炉内的温度为1150℃；

硅芯生长后期第60.1小时，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为2.4：1，还原炉内的温度为1050℃。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于生产多晶硅的还原炉，包括底盘、硅芯、设置于所述底盘上的进料喷嘴和硅芯底座，所述硅芯底座将所述硅芯固定于所述底盘上，其特征在于，以所述底盘为基准面，所述进料喷嘴的高度为所述硅芯底座高度的1/2～1/4。

2.根据权利要求1所述的用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述进料喷嘴的高度为所述硅芯底座高度的1/3。

3.根据权利要求1所述的用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述进料喷嘴在所述底盘上呈环形分布，所述环形包括内环和外环，所述进料喷嘴包括在所述内环分布的内环喷嘴和在所述外环分布的外环喷嘴，所述内环喷嘴的口径为所述外环喷嘴的口径的2～2.5倍。

4.根据权利要求3所述的用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述还原炉为12对棒还原炉，所述内环喷嘴为1个，所述外环喷嘴为4个。

5.根据权利要求3所述的用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述内环喷嘴的口径为25mm，所述内环喷嘴的高度为20mm，所述外环喷嘴的口径为10mm，所述外环进料喷嘴的高度为100mm。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述进料喷嘴的横截面为正六边形。

7.一种使用权利要求1～6任意一项所述的还原炉改善多晶硅表面菜花的方法，其特征在于，包括以下步骤：

硅芯生长前期，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为(3.5～4.5)：1，还原炉内的温度为1100～1150℃；

硅芯生长中期，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为(2.25～2.4)：1，还原炉内的温度为1150～1200℃；

硅芯生长后期，通过进料喷嘴喷入的原料气中的三氯氢硅和氢气的摩尔比为(2.25～2.4)：1，还原炉内的温度为1050～1075℃。

8.根据权利要求7所述的还原炉改善多晶硅表面菜花的方法，其特征在于，所述硅芯生长前期为硅芯生长的第1～10小时；

所述硅芯生长中期为硅芯生长的第10.1～60小时；

所述硅芯生长后期为硅芯生长的第60.1～80小时。

9.根据权利要求7所述的还原炉改善多晶硅表面菜花的方法，其特征在于，通过所述进料喷嘴喷入的原料气中二氯二氢硅的摩尔含量为5～7％。