CN108249445A - 一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉由钟罩、隔膜式压缩机、底板、硅棒和硅棒冷却夹套构成。本发明的一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉通过反应炉侧面设置隔膜式压缩机循环管路，对炉内气体进行强制循环，实现炉内气体的强制对流；通过特殊设计和设置的原料气进口管，利用原料气的动力进一步强化炉内气体的对流；通过上述两方面的作用，强化炉内对流，进而强化硅棒表面气体的流动，减小硅棒表面气体的层流边界层的厚度、减少传质阻力，加快传质速率、进而加快硅棒生长速率，减少硅烷热分解制多晶硅的单位能耗。
Description
技术领域
本发明涉及硅烷热分解制多晶硅生产领域，尤其涉及一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉。
背景技术
多晶硅（polycrystalline silicon）是单质硅中的一种特殊形态，在过冷的条件下，熔融状态的单质硅发生凝固现象，凝固后的硅原子以金刚石晶格的形态排列成许多晶核，而且这些晶核生长成的晶粒晶面取向不同，当这些晶面取向不同的晶粒结合在一起时就是多晶硅。多晶硅可以用来生产单晶硅，在现代工业中有着广泛的应用，是光伏技术、电子信息技术的重要原材料，直接关系着信息领域和能源领域的发展。根据纯度高低，多晶硅可以分为冶金级多晶硅、太阳能级多晶硅和电子级多晶硅。随着光伏行业和半导体行业的快速发展，对多晶硅的需求量也日益增大，大力发展太阳能级以及电子级多晶硅的生产技术，增加多晶硅企业的生产能力、保证和提高多晶硅的质量、以及提高生产效率成为多晶硅行业的主要目标。
多晶硅的生产技术主要以三氯氢硅（SiHCl3，简称TCS）或硅烷（SiH4）为前体，通过化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）在钟罩式反应器或流化床反应器中进行。上述两种前体和两种反应器可形成四种生产工艺的组合，但通常分为三种，即改良西门子法、硅烷流化床法和硅烷热分解法。其中硅烷热分解法是将提纯后的SiH4在钟罩式热分解炉内通过化学气相沉积（CVD）反应生产高纯度棒状多晶硅的方法，其热分解化学反应式：SiH4→Si+H2。硅烷法所生产的多晶硅棒结晶致密，可被用于区熔法生产硅单晶可一次成晶，是生产区熔单晶硅的最佳原料，此外硅烷及热分解产物都没有腐蚀性，从而避免了对设备的腐蚀以及硅受腐蚀而被沾污的现象，具有广阔的发展前景。
硅烷热分解反应本身所消耗的能量很少，主要能耗在于维持反应进行的高温环境，可见硅烷分解制备多晶硅工艺有很大的节能空间。因此优化硅烷分解炉的结构和操作条件，成为降低生产成本的重要方向。在硅烷热分解制多晶硅的过程中，硅棒表面温度较高，表面反应速率快、扩散成为控制步骤，因此提高硅烷向硅棒表面的扩散速率成为提高硅棒生长速率，减少单位能耗的可行途径。通过强制对流的方式可以提高硅烷热分解炉内的气体流速、进而减小硅棒表面层流边界层的厚度、减少传质阻力，加快传质速率、进而加快硅棒生长速率。
发明内容
本发明为解决上述技术现状而提供一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉，利用强制对流强化炉内对流，减小硅棒表面边界层厚度，减少扩散阻力，强化硅棒生长速率，减小单位能耗。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉由钟罩（1）、隔膜式压缩机（2）、底板（3）、硅棒（4）和硅棒冷却夹套（5）构成；所述的钟罩（1）为带有冷却水夹套的双层结构，侧面设有循环气进口（1-1）、循环气出口（1-2）；所述的隔膜式压缩机（2）设有进口和出口，所述隔膜式压缩机（2）的进口与循环气出口（1-2）连通、出口与循环气进口（1-1）连通；所述的底板（3）为带冷却水夹套的双层结构，设有原料气进口管（3-1）、尾气出口管（3-2）和石墨电极（3-3）；所述的原料气进口管（3-1）由直管段（3-12）和分布头（3-11）构成，原料气进口管（3-1）深入到反应炉中间高度；所述的分布头（3-11）为侧面设有气孔（3-13）的圆柱腔体，所述的气孔（3-13）的中心轴与分布头（3-11）的中心轴相交形成交角ɑ，所述的ɑ的角度值为10~45度，所述的分布头（3-11）侧面的开孔率为10~35%；所述的硅棒（4）为一倒U型硅棒，硅棒（4）的两端支撑在石墨电极（3-3）上；所述的硅棒（4）的两段垂直部分外分别套有一个硅棒冷却夹套（5）；所述的钟罩（1）扣在底板（3）上。
作为改进，所述的隔膜式压缩机（2）可以在钟罩（1）的侧面对称地设置2个或4个或6个或8个。
进一步改进，所述的原料气进口管（3-1）设在所述的倒U型硅棒的中间，每个倒U型硅棒配套一个原料气进口管（3-1）。
再改进，所述的尾气出口管（3-2）设在底板（3）的中心位置。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过反应炉侧面设置隔膜式压缩机循环管路，对炉内气体进行强制循环，实现炉内气体的强制对流；通过特殊设计和设置的原料气进口管，利用原料气的动力进一步强化炉内气体的对流；通过上述两方面的作用，强化炉内对流，进而强化硅棒表面气体的流动，减小硅棒表面气体的层流边界层的厚度、减少传质阻力，加快传质速率、进而加快硅棒生长速率，减少硅烷热分解制多晶硅的单位能耗。
附图说明
图1是本发明的一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉的结构示意图。
图2是本发明的原料气进口管的结构示意图。
其中：1为钟罩，2为隔膜式压缩机，3为底板，4为硅棒，5为硅棒冷却夹套，1-1为循环气进口，1-2为循环气出口，3-1为原料气进口管，3-2为尾气出口管，3-3为石墨电极，3-11为分布头，3-12为直管段，3-13为气孔。
具体实施方式
以下结合附图1和附图2，通过实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉由钟罩（1）、隔膜式压缩机（2）、底板（3）、硅棒（4）和硅棒冷却夹套（5）构成；所述的钟罩（1）为带有冷却水夹套的双层结构，侧面设有循环气进口（1-1）、循环气出口（1-2）；所述的隔膜式压缩机（2）设有进口和出口，隔膜式压缩机（2）的进口与循环气出口（1-2）连通、出口与循环气进口（1-1）连通；隔膜式压缩机（2）可以在钟罩（1）的侧面对称地设置2个；所述的底板（3）为带冷却水夹套的双层结构，设有原料气进口管（3-1）、尾气出口管（3-2）和石墨电极（3-3）；所述的原料气进口管（3-1）由直管段（3-12）和分布头（3-11）构成，原料气进口管（3-1）深入到反应炉中间高度；每个倒U型硅棒配套一个原料气进口管（3-1）；尾气出口管（3-2）设在底板（3）的中心位置；所述的分布头（3-11）为侧面设有气孔（3-13）的圆柱腔体，所述的气孔（3-13）的中心轴与分布头（3-11）的中心轴相交形成交角ɑ，所述的ɑ的角度值为10度，所述的分布头（3-11）侧面的开孔率为10%；所述的硅棒（4）为一倒U型硅棒，硅棒（4）的两端支撑在石墨电极（3-3）上；所述的硅棒（4）的两段垂直部分外分别套有一个硅棒冷却夹套（5）；所述的钟罩（1）扣在底板（3）上。
实施例2
一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉由钟罩（1）、隔膜式压缩机（2）、底板（3）、硅棒（4）和硅棒冷却夹套（5）构成；所述的钟罩（1）为带有冷却水夹套的双层结构，侧面设有循环气进口（1-1）、循环气出口（1-2）；所述的隔膜式压缩机（2）设有进口和出口，隔膜式压缩机（2）的进口与循环气出口（1-2）连通、出口与循环气进口（1-1）连通；隔膜式压缩机（2）可以在钟罩（1）的侧面对称地设置4个；所述的底板（3）为带冷却水夹套的双层结构，设有原料气进口管（3-1）、尾气出口管（3-2）和石墨电极（3-3）；所述的原料气进口管（3-1）由直管段（3-12）和分布头（3-11）构成，原料气进口管（3-1）深入到反应炉中间高度；每个倒U型硅棒配套一个原料气进口管（3-1）；尾气出口管（3-2）设在底板（3）的中心位置；所述的分布头（3-11）为侧面设有气孔（3-13）的圆柱腔体，所述的气孔（3-13）的中心轴与分布头（3-11）的中心轴相交形成交角ɑ，所述的ɑ的角度值为45度，所述的分布头（3-11）侧面的开孔率为35%；所述的硅棒（4）为一倒U型硅棒，硅棒（4）的两端支撑在石墨电极（3-3）上；所述的硅棒（4）的两段垂直部分外分别套有一个硅棒冷却夹套（5）；所述的钟罩（1）扣在底板（3）上。
实施例3
一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉由钟罩（1）、隔膜式压缩机（2）、底板（3）、硅棒（4）和硅棒冷却夹套（5）构成；所述的钟罩（1）为带有冷却水夹套的双层结构，侧面设有循环气进口（1-1）、循环气出口（1-2）；所述的隔膜式压缩机（2）设有进口和出口，隔膜式压缩机（2）的进口与循环气出口（1-2）连通、出口与循环气进口（1-1）连通；隔膜式压缩机（2）可以在钟罩（1）的侧面对称地设置6个；所述的底板（3）为带冷却水夹套的双层结构，设有原料气进口管（3-1）、尾气出口管（3-2）和石墨电极（3-3）；所述的原料气进口管（3-1）由直管段（3-12）和分布头（3-11）构成，原料气进口管（3-1）深入到反应炉中间高度；每个倒U型硅棒配套一个原料气进口管（3-1）；尾气出口管（3-2）设在底板（3）的中心位置；所述的分布头（3-11）为侧面设有气孔（3-13）的圆柱腔体，所述的气孔（3-13）的中心轴与分布头（3-11）的中心轴相交形成交角ɑ，所述的ɑ的角度值为30度，所述的分布头（3-11）侧面的开孔率为20%；所述的硅棒（4）为一倒U型硅棒，硅棒（4）的两端支撑在石墨电极（3-3）上；所述的硅棒（4）的两段垂直部分外分别套有一个硅棒冷却夹套（5）；所述的钟罩（1）扣在底板（3）上。
实施例4
一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉由钟罩（1）、隔膜式压缩机（2）、底板（3）、硅棒（4）和硅棒冷却夹套（5）构成；所述的钟罩（1）为带有冷却水夹套的双层结构，侧面设有循环气进口（1-1）、循环气出口（1-2）；所述的隔膜式压缩机（2）设有进口和出口，隔膜式压缩机（2）的进口与循环气出口（1-2）连通、出口与循环气进口（1-1）连通；隔膜式压缩机（2）可以在钟罩（1）的侧面对称地设置8个；所述的底板（3）为带冷却水夹套的双层结构，设有原料气进口管（3-1）、尾气出口管（3-2）和石墨电极（3-3）；所述的原料气进口管（3-1）由直管段（3-12）和分布头（3-11）构成，原料气进口管（3-1）深入到反应炉中间高度；每个倒U型硅棒配套一个原料气进口管（3-1）；尾气出口管（3-2）设在底板（3）的中心位置；所述的分布头（3-11）为侧面设有气孔（3-13）的圆柱腔体，所述的气孔（3-13）的中心轴与分布头（3-11）的中心轴相交形成交角ɑ，所述的ɑ的角度值为25度，所述的分布头（3-11）侧面的开孔率为15%；所述的硅棒（4）为一倒U型硅棒，硅棒（4）的两端支撑在石墨电极（3-3）上；所述的硅棒（4）的两段垂直部分外分别套有一个硅棒冷却夹套（5）；所述的钟罩（1）扣在底板（3）上。
Claims (4)
1.一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉，其特征在于所述的反应炉由钟罩、隔膜式压缩机、底板、硅棒和硅棒冷却夹套构成；所述的钟罩为带有冷却水夹套的双层结构，侧面设有循环气进口、循环气出口；所述的隔膜式压缩机设有进口和出口，所述隔膜式压缩机的进口与循环气出口连通、出口与循环气进口连通；所述的底板为带冷却水夹套的双层结构，设有原料气进口管、尾气出口管和石墨电极；所述的原料气进口管由直管段和分布头构成，原料气进口管深入到反应炉中间高度；所述的分布头为侧面设有气孔的圆柱腔体，所述的气孔的中心轴与分布头的中心轴相交形成交角ɑ，所述的ɑ的角度值为10~45度，所述的分布头侧面的开孔率为10~35%；所述的硅棒为一倒U型硅棒，硅棒的两端支撑在石墨电极上；所述的硅棒的两段垂直部分外分别套有一个硅棒冷却夹套；所述的钟罩扣在底板上。
2.根据权利要求1所述的反应炉，其特征在于所述的隔膜式压缩机可以在钟罩的侧面对称地设置2个或4个或6个或8个。
3.根据权利要求1所述的反应炉，其特征在于所述的原料气进口管设在所述的倒U型硅棒的中间，每个倒U型硅棒配套一个原料气进口管。
4.根据权利要求1所述的反应炉，其特征在于所述的尾气出口管设在底板的中心位置。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115947344A (zh) * | 2022-12-29 | 2023-04-11 | 河南硅烷科技发展股份有限公司 | 一种均匀生长区熔级多晶硅棒的方法 |
| CN116621180A (zh) * | 2023-05-23 | 2023-08-22 | 河南硅烷科技发展股份有限公司 | 一种制备低内应力区熔用电子级多晶硅浸润性调控的系统 |
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2018
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| CN116621180A (zh) * | 2023-05-23 | 2023-08-22 | 河南硅烷科技发展股份有限公司 | 一种制备低内应力区熔用电子级多晶硅浸润性调控的系统 |
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