CN108557824A - 一种气相可控型多晶硅还原炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气相可控型多晶硅还原炉，包括底盘和炉体，炉体连接在底盘上且在炉体与底盘之间限定出反应器内腔，所述反应器内腔中设有多个电极，所述电极按规律布置在所述底盘上，所述底盘下设有双层进气系统和排气系统，所述炉体顶部设有预热系统，所述底盘上设有多个进气喷嘴，所述双层进气系统包含双层进气环管和与双层进气环管相连的多个进气管，所述进气管分别与喷嘴一一对应连接，所述底盘上设有多个出气口，所述排气系统包括出气盘管和与出气盘管相连的多个出气管，所述出气管分别与出气口一一对应连接，所述底盘上设有冷却水流道，所述冷却水流道包括设于底盘中心的进水口和多个排水口，所述排水口与出气口一一对应设置。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅生产领域，尤其涉及一种气相可控型多晶硅还原炉。
背景技术
目前国内外多晶硅生产企业主要采用“改良西门子法”，其生产流程是利用氯气和氢气合成氯化氢(或外购氯化氢)，氯化氢和硅粉在一定温度下合成三氯氢硅，然后提纯三氯氢硅后与氢气按一定比例混合后，在一定的温度压力下从气相沉积反应器的底盘上的进气口进入炉体内，在通电的高温硅棒上沉积生成多晶硅，反应尾气经底盘上的出气口排出。多晶硅气相沉积反应器是改良西门子法多晶硅生长的关键反应器，反应器的设计直接影响多晶硅的产量、质量和生产成本，也是整个生产系统能耗控制的关键。随着多晶硅的产品质量要求提高，对反应器的性能要求越来越高。
多晶硅气相沉积反应器的设计趋向精确化，功能化。一方面要求通过提高单位体积内的产量实现单炉单位质量能耗的降低，一方面通过反应器内温度、流量的精确控制，提高产品的质量和单位质量的转化率，从而实现质量的提升和物耗、能耗的降低，有效控制成本。
多晶硅内气场和热场是否合理是由底盘上电极、进气口和出气口的排布决定的，同时底盘上电极排布决定着底盘上电极及电极组的连接和电源控制系统对电极组的控制。目前实际运行的多晶硅还原炉均不能实现生长过程中的调节控制，造成气相流动、温度的不可控，造成原料转化率低，产品质量不高。
发明内容
鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种气相可控型多晶硅还原炉，能够通过优化的电极、进出气排布方式和连接方式实现气相进气的可控调节。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种气相可控型多晶硅还原炉，所述还原炉包括底盘和炉体，炉体连接在底盘上且在炉体与底盘之间限定出反应器内腔，所述反应器内腔中设有多个电极，所述电极按规律布置在所述底盘上，所述底盘下设有双层进气系统和排气系统，所述炉体顶部设有预热系统，所述底盘上设有多个进气喷嘴，所述双层进气系统包含双层进气环管和与双层进气环管相连的多个进气管，所述进气管分别与多个喷嘴一一对应连接，所述底盘上设有多个出气口，所述排气系统包括出气盘管和与出气盘管相连的多个出气管，所述出气管分别与多个出气口一一对应连接，所述底盘上设有冷却水流道，所述冷却水流道包括设于底盘中心的进水口和多个排水口，所述排水口与多个出气口一一对应设置。
依照本发明的一个方面，所述底盘上设有电极孔，以所述多晶硅还原炉底盘中心为中心设一正六边形，再以所述正六边形的六条边展开形成6个正六边形，在形成的24个顶点上各分布1个电极孔，外圈电极孔按环向对称紧凑布置，至少布置两圈，形成至少36对电极孔，硅芯按照中心六边形、外圈环向混合搭接。
依照本发明的一个方面，所述7个正六边形的中心分别设有1个进气喷嘴，外圈的进气喷嘴与环向搭接的硅芯形成同心圆环向布置至少三圈。
依照本发明的一个方面，所述外圈任一环形的多个喷嘴和其相邻的圈上的电极沿用向交错布置。
依照本发明的一个方面，所述出气口按照内外圈组合布置,均布在外圈硅芯同心圆上，形成对称布置。
依照本发明的一个方面，所述炉体内设有高温水冷却腔，所述高温冷却腔连接有高温冷却水进口和高温冷却水出口，所述高温冷却水进口位于所述炉体的底部，所述高温冷却水出口位于所述炉体的顶部。
依照本发明的一个方面，所述高温水冷却腔内由下至上环绕形成螺旋状冷却流道。
依照本发明的一个方面，所述排水口连接有低温冷却管。
依照本发明的一个方面，所述出气口连接有尾气管。
依照本发明的一个方面，所述低温冷却管套设在所述尾气管上形成低温冷却尾气管。
依照本发明的一个方面，所述预热系统通过法兰连接在所述还原炉顶部。本发明实施的优点：本发明所述的气相可控型多晶硅还原炉，包括底盘和炉体，炉体连接在底盘上且在炉体与底盘之间限定出反应器内腔，所述反应器内腔中设有多个电极，所述电极按规律布置在所述底盘上，所述底盘下设有双层进气系统和排气系统，所述炉体顶部设有预热系统，所述底盘上设有多个进气喷嘴，所述双层进气系统包含双层进气环管和与双层进气环管相连的多个进气管，所述进气管分别与多个喷嘴一一对应连接，所述底盘上设有多个出气口，所述排气系统包括出气盘管和与出气盘管相连的多个出气管，所述出气管分别与多个出气口一一对应连接，所述底盘上设有冷却水流道，所述冷却水流道包括设于底盘中心的进水口和多个排水口，所述排水口与多个出气口一一对应设置；通过双层环管控制不同内外混合型布置的进气喷嘴实现分圈分区控制；双层进气系统结构混合型电极排布结构和进气喷嘴与电极的综合布置，可以实现气相的可变调节，根据硅的气相沉积工艺过程调节气相的流量和流速，优化气相流动与温度，提高原料气的转化率，同时有效控制气相流动可以优化棒表面气体的更新，提高产品的质量。双层进气系统与底盘进气喷嘴直接连通，降低流动阻力，不需要气体的二次分配，更容易完成气相的调控。进一步的，还原炉底盘采用混合型排布，即中心采用六边形布置，可以增加中心的气相空间，降低中心的温度，避免副产物的生成。由于每根硅芯对应的等距进气源，还原炉内流场能均匀分布，有利于硅棒均匀生长。内部硅芯六边形布置，辐射均匀，外部环形紧密布置，使还原炉中气场能够最大化合理利用热能，合理调节内外的辐射热。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。可以提高反应选择性，提高产量，降低消耗。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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的一种气相可控型多晶硅还原炉的结构示意图；
图2为本发明所述的一种气相可控型多晶硅还原炉的底盘分布示意图；
图3为本发明所述的一种气相可控型多晶硅还原炉的底盘流道示意图。
图2中，1～72为电极孔，1a～37a为进气喷嘴，1b～6b为出气口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2和图3所示，一种气相可控型多晶硅还原炉，所述还原炉包括底盘1和炉体2，炉体2连接在底盘1上且在炉体2与底盘1之间限定出反应器内腔101，所述反应器内腔101中设有多个电极3，所述电极3按规律布置在所述底盘1上，所述底盘1下设有双层进气系统4和排气系统5，所述炉体2顶部设有预热系统6，所述底盘1上设有多个进气喷嘴，所述双层进气系统4包含双层进气环管41和与双层进气环管相连的多个进气管42，所述进气管42分别与多个喷嘴一一对应连接，所述底盘1上设有多个出气口，所述排气系统5包括出气盘管51和与出气盘管相连的多个出气管52，所述出气管52分别与多个出气口一一对应连接，所述底盘1上设有冷却水流道11，所述冷却水流道11包括设于底盘中心的进水口12和多个排水口，所述排水口与多个出气口一一对应设置。
其中，所述底盘1上设有电极孔1a～37a，以所述多晶硅还原炉底盘中心为中心设一正六边形，再以所述正六边形的六条边展开形成6个正六边形，在形成的24个顶点上各分布1个电极孔，外圈电极孔按环向对称紧凑布置，至少布置两圈，形成至少36对电极孔，硅芯按照中心六边形、外圈环向混合搭接。
在实际应用中，所述7个正六边形的中心分别设有1个进气喷嘴，外圈的进气喷嘴与环向搭接的硅芯形成同心圆环向布置至少三圈。
在实际应用中，所述外圈任一环形的多个喷嘴和其相邻的圈上的电极沿用向交错布置。
在实际应用中，所述出气口按照内外圈组合布置,均布在外圈硅芯同心圆上，形成对称布置。
在实际应用中，所述炉体2内设有高温水冷却腔21，所述高温冷却腔连接有高温冷却水进口22和高温冷却水出口23，所述高温冷却水进口22位于所述炉体2的底部，所述高温冷却水出口23位于所述炉体2的顶部。
在实际应用中，所述高温水冷却腔内由下至上环绕形成螺旋状冷却流道。
在实际应用中，所述排水口连接有低温冷却管。
在实际应用中，所述出气口连接有尾气管。
在实际应用中，所述低温冷却管套设在所述尾气管上。通过夹套强化传热，使得排气迅速冷却。
在实际应用中，所述预热系统通过法兰连接在在所述还原炉顶部。
在实际应用中，具体如下：
包括：底盘和炉体，所述炉体连接在所述底盘上且所述炉体与所述底盘之间限定出反应器腔体；电极，所述底盘上布置36对(72根)电极；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位于所述底盘下层的双层进气盘管；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以及位于底盘下层的排气盘管；冷却系统，所述冷却系统分为底盘低温冷却系统和炉体高温冷却系统；预热系统，所述预热系统位于炉体顶部。
所述36对电极设在所述底盘上且按照混合型的方位布置，中心以正六边形展开，在该正六边的6个顶点上设置6个电极孔；电极孔再以中心正六边形的六条边展开，再形成六个正六边形，其中展开六边形与中心六边形及相连六边形顶点共用，共计形成18个顶点，分布18个电极孔。中心电极共计12对(24个)，以六边形展开。外圈电极按环向对称紧凑布置，至少两圈环向布置，内圈12对(24个)电极孔，外圈12对电极孔(24个)，共计24对(48个)电极孔，和中心合计形成36对(72个电极孔)。即内圈按照六边形搭接，形成六边形等距硅芯；外圈环向硅芯按照环形对称搭接，形成环形等距硅芯。
多个进气喷嘴的设置规则为：6个以底盘中心为心的正六边形中心处以及相邻的展开正六边形中心处，布置1+6个进气口；外圈的进气口与环向搭接的硅芯形成同心圆环向布置至少三圈，至少一个进气口分布在两两对应的硅芯周边。外圈任一环形的多个喷嘴和其相邻的圈上的电极沿用向交错布置。
所述进气系统还包括：双层进气环管，所述进气环管位于所述底盘下方且与外部气源相连通；多个进气管，进气管分别与多个喷嘴一一对应且所述多个喷嘴通过所多个进气管与所述双层进气环管相连接。通过双层环管控制不同内外混合型布置的进气喷嘴实现分圈分区控制。
排气系统：出气口位置设置的规则如下，出气口根据混合型布置的电极可以排布在六边形的中心或多个排气口分布在以所述底盘的中心为圆心的一个圆周上，形成对称布置。出气管与所述出气口连接，与底盘下层出气盘管连通，进行排气。
冷却系统：所述底盘内形成有底盘冷却流道，冷却流道具有低温冷却水，包含低温冷却水进口和多个低温冷却水出口，所述低温冷却水进口位于所述底盘的中央，而所述多个低温冷却水出口与所述多个排气口一一对应设置，每个所述低温冷却水出口连接有低温冷却管且每个所述排气口连接有尾气管，所述低温冷却管套设在所述尾气管上，通过夹套强化传热，使得排气迅速冷却。
所述的气相可调型多晶硅还原炉，所述炉体内设有高温水冷却腔且所述高温冷却腔连接有高温冷却水进口和高温冷却水出口，所述高温冷却水进口位于所述炉体的底部且所述高温冷却水出口位于所述炉体的顶部，所述高温冷却腔内由下至上绕形成螺旋状冷却流道。
预热系统：所述炉体顶部装配预热装置，预热装置为多根高温合金电阻加热管。
本发明实施的优点：本发明所述的气相可控型多晶硅还原炉，包括底盘和炉体，炉体连接在底盘上且在炉体与底盘之间限定出反应器内腔，所述反应器内腔中设有多个电极，所述电极按规律布置在所述底盘上，所述底盘下设有双层进气系统和排气系统，所述炉体顶部设有预热系统，所述底盘上设有多个进气喷嘴，所述双层进气系统包含双层进气环管和与双层进气环管相连的多个进气管，所述进气管分别与多个喷嘴一一对应连接，所述底盘上设有多个出气口，所述排气系统包括出气盘管和与出气盘管相连的多个出气管，所述出气管分别与多个出气口一一对应连接，所述底盘上设有冷却水流道，所述冷却水流道包括设于底盘中心的进水口和多个排水口，所述排水口与多个出气口一一对应设置；通过双层环管控制不同内外混合型布置的进气喷嘴实现分圈分区控制；双层进气系统结构混合型电极排布结构和进气喷嘴与电极的综合布置，可以实现气相的可变调节，根据硅的气相沉积工艺过程调节气相的流量和流速，优化气相流动与温度，提高原料气的转化率，同时有效控制气相流动可以优化棒表面气体的更新，提高产品的质量。双层进气系统与底盘进气喷嘴直接连通，降低流动阻力，不需要气体的二次分配，更容易完成气相的调控。进一步的，还原炉底盘采用混合型排布，即中心采用六边形布置，可以增加中心的气相空间，降低中心的温度，避免副产物的生成。由于每根硅芯对应的等距进气源，还原炉内流场能均匀分布，有利于硅棒均匀生长。内部硅芯六边形布置，辐射均匀，外部环形紧密布置，使还原炉中气场能够最大化合理利用热能，合理调节内外的辐射热。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。可以提高反应选择性，提高产量，降低消耗。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。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种气相可控型多晶硅还原炉，所述还原炉包括底盘和炉体，炉体连接在底盘上且在炉体与底盘之间限定出反应器内腔，其特征在于，所述反应器内腔中设有多个电极，所述电极按规律布置在所述底盘上，所述底盘下设有双层进气系统和排气系统，所述炉体顶部设有预热系统，所述底盘上设有多个进气喷嘴，所述双层进气系统包含双层进气环管和与双层进气环管相连的多个进气管，所述进气管分别与多个喷嘴一一对应连接，所述底盘上设有多个出气口，所述排气系统包括出气盘管和与出气盘管相连的多个出气管，所述出气管分别与多个出气口一一对应连接，所述底盘上设有冷却水流道，所述冷却水流道包括设于底盘中心的进水口和多个排水口，所述排水口与多个出气口一一对应设置。
2.根据权利要求1所述的气相可控型多晶硅还原炉，其特征在于，所述底盘上设有电极孔，以所述多晶硅还原炉底盘中心为中心设一正六边形，再以所述正六边形的六条边展开形成6个正六边形，在形成的24个顶点上各分布1个电极孔，外圈电极孔按环向对称紧凑布置，至少布置两圈，形成至少36对电极孔，硅芯按照中心六边形、外圈环向混合搭接。
3.根据权利要求2所述的气相可控型多晶硅还原炉，其特征在于，所述7个正六边形的中心分别设有1个进气喷嘴，外圈的进气喷嘴与环向搭接的硅芯形成同心圆环向布置至少三圈。
4.根据权利要求3所述的气相可控型多晶硅还原炉，其特征在于，所述外圈任一环形的多个喷嘴和其相邻的圈上的电极沿用向交错布置。
5.根据权利要求3所述的气相可控型多晶硅还原炉，其特征在于，所述出气口按照内外圈组合布置,均布在外圈硅芯同心圆上，形成对称布置。
6.根据权利要求1所述的气相可控型多晶硅还原炉，其特征在于，所述炉体内设有高温水冷却腔，所述高温冷却腔连接有高温冷却水进口和高温冷却水出口，所述高温冷却水进口位于所述炉体的底部，所述高温冷却水出口位于所述炉体的顶部。
7.根据权利要求6所述的气相可控型多晶硅还原炉，其特征在于，所述高温水冷却腔内由下至上环绕形成螺旋状冷却流道。
8.根据权利要求1至7之一所述的气相可控型多晶硅还原炉，其特征在于，所述排水口连接有低温冷却管。
9.根据权利要求8所述的气相可控型多晶硅还原炉，其特征在于，所述出气口连接有低温冷却尾气管。
10.根据权利要求8所述的气相可控型多晶硅还原炉，其特征在于，所述预热系统通过法兰连接在还原炉顶部。
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