CN108773846A - 一种高效节能还原炉底盘和多晶硅还原炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高效节能还原炉底盘，包括底盘，所述底盘上设有中心进料口、n个电极圈层和n‑1个进料圈层，其中n≥4且n为正整数；所述电极圈层和进料圈层以中心进料口为圆心间隔设置；每个所述进料圈层设有不少于4个进料口；所述电极圈层从内向外计数，第n电极圈层设有4n对电极；同一电极圈层内相邻两个电极之间等间距设置；第n个所述电极圈层外设有出料圈层，所述出料圈层设有至少两个出料口，所述出料口等间距设置在出料圈层上。重新设计还原炉底盘上电极和进料口的布局，从而改进还原炉中进行反应的温场和气场，同时提高原料转换率，降低生产成本。本申请还提供一种包括上述高效节能还原炉底盘的多晶硅还原炉。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅生产领域，具体涉及一种高效节能还原炉底盘和多晶硅还原炉。
背景技术
目前主流的多晶硅生产工艺技术为改良西门子法：采用与电极相连的硅芯作为沉积基底，采用高温还原工艺，以高纯的三氯氢硅在氢气气氛中还原沉积而生成多晶硅。
理论上，多晶硅还原炉内电极对数越多，即硅芯数越多，每炉多晶硅的产量越大；同时，单位面积内多晶硅硅芯数越多，占据了气体的空间，于是在相同原料气体流量下，单位体积内三氯氢硅原料的浓度变大，使得沉积速率加快，三氯氢硅的转化率也得以提高，使得生产成本和还原电耗下降。
然而实际上，随着多晶硅还原炉内对棒数的增加，多晶硅还原炉内复杂的化学反应以及传质、传热等过程对反应炉内温场(温度分布情况)和气场(气体浓度分布情况和流动情况)的扰动程度变大，使得原料气体难以在还原炉内均匀分布，部分硅芯周围的原料气体浓度偏低以及局部反应气体流速过快。为了使每根硅芯都能与原料气体充分接触进行反应，只能供入过量的原料气体，导致原料转换率不高与倒炉风险，造成生产成本增加与质量欠佳。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种高效节能还原炉底盘，重新设计还原炉底盘上电极、进料口和尾气出口的布局，从而改进还原炉中进行反应的温场和气场，使反应炉内气场更均匀，有利于多晶硅生产的稳定运行，提高生产速率、原料转换率，降低生产成本，保证了生产的经济效益。本申请还提供一种包括上述高效节能还原炉底盘的多晶硅还原炉。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种高效节能还原炉底盘，包括底盘本体，所述底盘本体上设有中心进料口、n个电极圈层和n-1个进料圈层，其中n≥4且n为正整数；所述电极圈层和进料圈层以中心进料口为圆心间隔设置；
每个所述进料圈层设有不少于4个进料口；
所述电极圈层从内向外计数，第一电极圈层设有4对电极，第二电极圈层设有8对电极，第三电极圈层设有12对电极……第n电极圈层设有4n对电极；同一电极圈层内相邻两个电极之间等间距设置；
第n个所述电极圈层外设有出料圈层，所述出料圈层设有至少两个出料口，所述出料口等间距设置在出料圈层上。
优选的，第n电极圈层包括第一电极组和第二电极组，所述第一电极组和第二电极组分别包括2n对电极；所述第一电极组和第二电极组轴对称设置；所述第一电极组和第二电极组接入不同的供电电源。
第n-1电极圈层包括第三电极组和第四电极组，所述第三电极组和第四电极组分别包括2(n-1)对电极；所述第三电极组和第四电极组呈轴对称设置；所述第三电极组和第四电极组接入不同的供电电源。
优选的，所述进料圈层上的进料口的内径相同且小于中心进料口的内径。
优选的，所述出料圈层上出料口的数量为2x个，其中x≥2且x为正整数。
优选的，在所述底盘本体上以所述中心进料口为极点，过所述第三电极圈层上任意一个电极引射线为极轴，建立极坐标系；第3y电极圈层上至少有一个电极位于极轴上，第3y-1电极圈层的电极和第3y-2电极圈层的电极对称分布在极轴两侧，其中y为正整数且3y≤n。
优选的，n＝4，第一电极圈层上初始电极的极坐标角度为22.5°，第二电极圈层上初始电极的极坐标角度为11.25°，第四电极圈层上初始电极的极坐标角度为5.625°。
优选的，所述进料圈层从内向外依次包括第一进料圈层、第二进料圈层和第三进料圈层；
所述第一进料圈层等间距设有4个内圈进料口，所述内圈进料口的初始进料口的极坐标角度为45°；
所述第二进料圈层等间距设有12个中圈进料口，所述中圈进料口的初始进料口的极坐标角度为0°；
所述第三进料圈层设有8个外圈进料口，所述外圈进料口的极坐标角度分别为15°、75°、105°、165°、195°、255°、285°、345°。
本申请还提供一种多晶硅还原炉，包括上述的高效节能还原炉底盘，所述底盘本体外设有钟罩形炉壁，所述钟罩形炉壁包括分离设置的外炉壁和内炉壁；所述内炉壁为低辐射系数的材质制备的炉壁，所述外炉壁和内炉壁之间通有冷却水。
本申请与现有技术相比，其有益效果为：
在实际使用时，每对电极上均设置有硅棒，硅棒依靠成对的电极进行加热，因此通过底盘上电极的位置排布即可确定硅棒的设置位置。原料气体从位于还原炉底盘中间区域的进料口进入，经过化学气相沉积反应后，由位于还原炉边缘的出料口排出，在此过程中流经高温的硅棒表面，原料气体在硅棒表面发生化学沉积反应，生成多晶硅吸附在硅棒上面。电极圈层和进料圈层间隔设置，使得还原炉中原料气体的气场更加均匀，每个电极圈层的电极都等间距设置，使得电极棒都能在原料浓度较为接近的气氛中反应，更有利于原料气体均匀快速、充分的进行沉积，提高了原料气体的转换率。
第n电极圈层为最外圈层，由于靠近还原炉炉壁，第n电极圈层附近区域的温度变化较为明显。将第n电极圈层的电极对称分为第一电极组和第二电极组，用不同的电源进行供电，在进行温度调节时可以分别调节第一电极组和第二电极组的功率，实现对还原炉中的不同温区的精准调节。
第n-1电极圈层为次外圈层，由于靠近还原炉炉壁，温度变化较为明显。在第n电极圈层的电极分为第一电极组和第二电极组进行调节的基础上，第n-1电极圈层的电极对称分为第三电极组和第四电极组，用不同的电源进行供电，实现对还原炉中的不同温区更加精准的调节。
原料气体从进料口进入还原炉后上升至炉顶后呈拱形扩散流动，由于中心及内部无反流发生，速度矢量不被抵消，所以需要靠近中心区域的气流速率稍低于靠外圈进料速率。设置中心进料口的内径大于其余进料口，增加底盘中部的进料流量，使得靠近还原炉中心区域的原料气体在向四周流散时也能保持接近的浓度。
还原炉内的进料口和电极数量均为偶数，在出料圈层上等间距设置偶数个出料口，可以更好地对尾气进行引导流出，使还原炉中的气场分布更加均匀对称。
每隔两个电极圈层就会有一个电极圈层的电极与相邻电极圈层上的电极错位设置，使得从底盘中间导入的原料气体在向周围扩散的过程中受到硅芯的阻挡，难以径直从电极的空隙中流走，增加了原料气体与硅芯接触及反应的时间，提高了原料气体的转换率。
包括中心进料口在内，还原炉底盘上的进料口按照1、4、12、8的顺序设置，可以使进入还原炉内的原料气体分布更加均匀，提高了多晶硅沉积的反应速率和转换利用率。
外圈进料口的设置位置填补了内圈进料口和中圈进料口留下的空隙，使原料气体的分布更加均匀，硅棒的生长品质趋于一致。
采用辐射系数低的材质制备内炉壁，能够减少还原炉内辐射热损失，保持恒温，同时使得还原炉内的温场更加均匀，有利于高品质多晶硅的生产。外炉壁和内炉壁之间为还原炉冷却水，及时带走部分热量，避免还原炉内反应温度过高造成不利影响。
附图说明
图1为本发明高效节能还原炉底盘的结构示意图；
图2为本发明高效节能还原炉底盘电极组的划分示意图；
图3为本发明高效节能还原炉底盘带极坐标轴的结构示意图；
图4为本发明多晶硅还原炉的结构示意图；
图5为现有多晶硅还原炉中原料气体的气场分布图；
图6为本发明多晶硅还原炉中原料气体的气场分布图。
附图标记：底盘本体1、中心进料口11、第一电极圈层21、第二电极圈层22、第三电极圈层23、第三电极组231、第四电极组232、第四电极圈层24、第一电极组241、第二电极组242、第一进料圈层31、内圈进料口311、第二进料圈层32、中圈进料口321、第三进料圈层33、外圈进料口331、出料圈层4、出料口41、外炉壁51、内炉壁52。
具体实施方式
为了使本领域的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例对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1，本发明实施例提供一种高效节能还原炉底盘，包括底盘本体1，底盘本体1上设有中心进料口11、4个电极圈层和3个进料圈层，所述电极圈层和进料圈层以中心进料口11为圆心间隔设置；由内向外依次为第一电极圈层21、第一进料圈层31、第二电极圈层22、第二进料圈层32、第三电极圈层23、第三进料圈层33和第四电极圈层24。
第一电极圈层21设有4对电极，第二电极圈层22设有8对电极，第三电极圈层23设有12对电极，第四电极圈层24设有16对电极，底盘上共设有4+8+12+16＝40对电极；同一电极圈层内相邻两个电极之间等间距设置。
请参考图2，第四电极圈层24包括第一电极组241和第二电极组242，第一电极组241和第二电极组242分别包括8对电极；第一电极组241和第二电极组242关于第四电极圈层24的直径呈轴对称设置；第一电极组241和第二电极组242接入不同的供电电源。
第三电极圈层23包括第三电极组231和第四电极组232，第三电极组231和第四电极组232分别包括6对电极；第三电极组231和第四电极组232关于第三电极圈层23的直径呈轴对称设置；第三电极组231和第四电极232组接入不同的供电电源。
请参考图3，在底盘本体1上以中心进料口11为极点，过第三电极圈层23上任意一个电极引射线为极轴，建立极坐标系；第一电极圈层21上初始电极的极坐标角度为22.5°；第二电极圈层22上初始电极的极坐标角度为11.25°；第四电极圈层24上初始电极的极坐标角度为5.625°。
需要说明的是，极坐标角度为某定点和极点之间的连线与极轴的夹角。初始电极是指由极轴方向开始逆时针进行记录，最先记录到的电极。由于同个电极圈层的电极均为等间距设置，每个电极圈层的电极数量又是确定的，因此确定初始电极的极坐标角度即可确定该电极圈层所有电极的分布位置。因为电极圈层均为中心对称结构，所以无论选择哪个电极作为初始电极，电极的排布结构均相同，不影响本技术方案的实施。
所述进料圈层从内向外依次包括第一进料圈层31、第二进料圈层32和第三进料圈层33；
第一进料圈层31等间距设有4个内圈进料口311，内圈进料口311的初始进料口的极坐标角度为45°；第二进料圈层32等间距设有12个中圈进料口321，中圈进料口321的初始进料口的极坐标角度为0°；第三进料圈层33设有8个外圈进料口331，外圈进料口331的极坐标角度分别为15°、75°、105°、165°、195°、255°、285°、345°。
由于第一进料圈层31的内圈进料口311等间距设置，第二进料圈层32的中圈进料口321等间距设置，第一进料圈层31和第二进料圈层32的进料口数量又是确定的，因此确定初始进料口的极坐标角度即可确定该进料圈层所有进料口的分布位置。因为第一进料圈层31和第二进料圈层32均为中心对称结构，所以无论选择哪个进料口作为初始进料口，进料口的排布结构均相同，不影响本技术方案的实施。
为避免线条重合导致难以清晰识别，图中仅用穿过电极的延长线分别标示出了第一电极圈层21、第二电极圈层22和第四电极圈层24的初始电极的极坐标角度。内圈进料口311、中圈进料口321和外圈进料口331的设置位置同理可得。
请参考图1，内圈进料口311、中圈进料口321和外圈进料口331的内径相同且小于中心进料口11的内径。第四电极圈层24外设有出料圈层4，出料圈层4设有4个出料口41，出料口41等间距设置在出料圈层4上。在其他实施例中，出料圈层4上的出料口41个数还可以为6个、8个或更多，相邻出料口41之间均保持等间距分布。
请参考图4，本实施例还提供一种多晶硅还原炉，包括上述的高效节能还原炉底盘，底盘本体1外设有钟罩形炉壁，所述钟罩形炉壁包括分离设置的外炉壁51和内炉壁52；内炉壁52为低辐射系数的材质制备的炉壁，外炉壁51和内炉壁52之间通有冷却水。
本实施例提供的多晶硅还原炉运行时，由于对还原炉底盘本体1上电极和进料口的布局进行了重新设计，原料气体从底盘本体1上的进料口喷出后从能够更加均匀地分布在还原炉中，从而提高反应沉积速率和多晶硅产品质量，提高了原料气体的转换率。重新布局设置的电极在还原炉中的位置分布更加合理，原料气体进入还原炉后能快速与安装在电极上的硅芯接触并反应沉积，改善了反应速率。靠近外层的电极分组供电，从而对还原炉内的温度调节更加精准，保证了炉内温场的一致性，提高了生产出的多晶硅的品质。使反应炉内气场控制更均匀，有利于多晶硅生产的稳定运行，提高生产速率的同时降低生产能耗，保证了生产的经济效益。由于还原炉内的进料口和电极数量均为偶数，在出料圈层上等间距设置4个出料口，可以更好地对尾气进行引导流出，使还原炉中的气场分布更加均匀对称。设置外炉壁51和内炉壁52，使还原炉中的辐射热减少损失，并保持恒温，同时使得还原炉内的温场更加均匀，有利于高品质多晶硅的生产。
请参考图5和6，图5为现有多晶硅还原炉中原料气体的气场图，图6为本实施例提供的多晶硅还原炉中原料气体的气场图。图中明暗度不同的区域表示原料气体的不同气体流速；其中明显区别于四周的a、b、c区域表示刚从进料口喷出的原料气体。由图5可知，现有的多晶硅还原炉由于内部电极和进料口设置不够合理，原料气体无法均匀地在还原炉中分布，导致原料气体的转换率偏低，使生产成本偏高。由图6可知，本申请提供的多晶硅还原炉重新设计了进料口、电极、出料口的排布位置，使得从进料口喷出的原料气体的在还原炉中的气场分布更加均匀。每对电极附近的原料气体浓度和反应沉积速率较为接近，不易出现局部原料气体不足的情况，从而提高了原料转换率，降低还原生产电耗、提升多晶硅品质。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高效节能还原炉底盘，包括底盘本体，其特征在于，所述底盘本体上设有中心进料口、n个电极圈层和n-1个进料圈层，其中n≥4且n为正整数；所述电极圈层和进料圈层以中心进料口为圆心间隔设置；
每个所述进料圈层设有不少于4个进料口；
所述电极圈层从内向外计数，第一电极圈层设有4对电极，第二电极圈层设有8对电极，第三电极圈层设有12对电极……第n电极圈层设有4n对电极；同一电极圈层内相邻两个电极之间等间距设置；
第n个所述电极圈层外设有出料圈层，所述出料圈层设有至少两个出料口，所述出料口等间距设置在出料圈层上。
2.如权利要求1所述的高效节能还原炉底盘，其特征在于，第n电极圈层包括第一电极组和第二电极组，所述第一电极组和第二电极组分别包括2n对电极；所述第一电极组和第二电极组轴对称设置；所述第一电极组和第二电极组接入不同的供电电源。
3.如权利要求2所述的高效节能还原炉底盘，其特征在于，第n-1电极圈层包括第三电极组和第四电极组，所述第三电极组和第四电极组分别包括2(n-1)对电极；所述第三电极组和第四电极组呈轴对称设置；所述第三电极组和第四电极组接入不同的供电电源。
4.如权利要求1所述的高效节能还原炉底盘，其特征在于，所述进料圈层上的进料口的内径相同且小于中心进料口的内径。
5.如权利要求1所述的高效节能还原炉底盘，其特征在于，所述出料圈层上出料口的数量为2x个，其中x≥2且x为正整数。
6.如权利要求1所述的高效节能还原炉底盘，其特征在于，在所述底盘本体上以所述中心进料口为极点，过所述第三电极圈层上任意一个电极引射线为极轴，建立极坐标系；第3y电极圈层上至少有一个电极位于极轴上，第3y-1电极圈层的电极和第3y-2电极圈层的电极对称分布在极轴两侧，其中y为正整数且3y≤n。
7.如权利要求6所述的高效节能还原炉底盘，其特征在于，n＝4，第一电极圈层上初始电极的极坐标角度为22.5°，第二电极圈层上初始电极的极坐标角度为11.25°，第四电极圈层上初始电极的极坐标角度为5.625°。
8.如权利要求6所述的高效节能还原炉底盘，其特征在于，所述进料圈层从内向外依次包括第一进料圈层、第二进料圈层和第三进料圈层；
所述第一进料圈层等间距设有4个内圈进料口，所述内圈进料口的初始进料口的极坐标角度为45°；
所述第二进料圈层等间距设有12个中圈进料口，所述中圈进料口的初始进料口的极坐标角度为0°；
所述第三进料圈层设有8个外圈进料口，所述外圈进料口的极坐标角度分别为15°、75°、105°、165°、195°、255°、285°、345°。
9.一种多晶硅还原炉，包括如权利要求1-8任意一项所述的高效节能还原炉底盘，其特征在于，所述底盘本体外设有钟罩形炉壁，所述钟罩形炉壁包括分离设置的外炉壁和内炉壁；所述内炉壁为低辐射系数的材质制备的炉壁，所述外炉壁和内炉壁之间通有冷却水。
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