CN110589835B - 生产多晶硅用还原炉和多晶硅生产控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种生产多晶硅用还原炉,包括炉体和进料控制机构,炉体的底部设置有多组进料喷嘴组,每组进料喷嘴组内包括至少一个进料喷嘴,进料控制机构包括多个送料阀,每个送料阀对应控制一组进料喷嘴组内的进料喷嘴的开闭。该还原炉能通过控制送料阀进而控制进料喷嘴组的启闭数量,以使得能保证进料和出料的压差维持在较佳的范围内,进而避免多晶硅顶部出现大量的“爆米花”现象。包括:以上述的生产多晶硅用还原炉作为反应炉;生产过程中通过控制送料阀来调整进料喷嘴的开启数量,以控制炉体进料和出料压差维持在30‑60kPa内。通过该方法控制生产得到的多晶硅的品质好。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅的生产技术领域,具体而言,涉及一种生产多晶硅用还原炉和多晶硅生产控制方法。
背景技术
多晶硅,是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时,硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核,如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则这些晶粒结合起来,就结晶成多晶硅。目前在电子工业中广泛用于制造半导体收音机、录音机、电冰箱、彩电、录像机、电子计算机等的基础材料。具有很高的经济价值。
其制备方法主要由干燥硅粉与干燥氯化氢气体在一定条件下氯化,再经冷凝、精馏、还原而得。
多晶硅的生产技术主要为改良西门子法和硅烷法。西门子法通过气相沉积的方式生产柱状多晶硅,为了提高原料利用率和环境友好,在前者的基础上采用了闭环式生产工艺即改良西门子法。在用西门子法生产多晶硅的过程中,还原炉整个运行周期中,进料量从0-7000kg/h之间变化,还原炉内用固定的喷嘴进料时,存在进料流速随进料量的增加从小到大逐渐变化的过程,使硅棒沉积表面的流速从底部到顶部的物料流速差异大,对流传热的差异大,最终导致硅棒的表面温度从底部到顶部存在温度梯度,沉积的多晶硅呈现出根部的生长致密,顶部出现大量的“爆米花”现象。
鉴于此,特提出本申请。
发明内容
本发明提供了一种生产多晶硅用还原炉和多晶硅生产控制方法,其旨在改善背景技术中提到的至少一个问题。
本发明的实施例可以这样实现:
第一方面,实施例提供一种生产多晶硅用还原炉,包括炉体和进料控制机构,炉体的底部设置有多组进料喷嘴组,每组进料喷嘴组内包括至少一个进料喷嘴,进料控制机构包括多个送料阀,每个送料阀对应控制一组进料喷嘴组内的进料喷嘴的开闭。
在可选的实施方式中,炉体连接有总出料管和与多组进料喷嘴组连通的总送料管,总送料管和总出料管上分别设置有第一压力传感器和第二压力传感器。
在可选的实施方式中,进料控制机构还包括控制器,控制器与第一压力传感器和第二压力传感器通信连接,控制器与每个送料阀通信连接。
在可选的实施方式中,炉体内设置有多晶硅尺寸探测器,多晶硅尺寸探测器与控制器通信连接。
在可选的实施方式中,每组进料喷嘴组内包括多个进料喷嘴,多个进料喷嘴呈环形阵列式分布于炉体的底部。
在可选的实施方式中,进料控制机构包括多个环形送料管,环形送料管的数量与进料喷嘴组的组数相同,多个环形送料管一一对应地与多组进料喷嘴连通,每个环形送料管上均设置有多个进料口,每个环形送料管上设置的进料口的数量以及位置均与对应的进料喷嘴组内的多个进料喷嘴一一对应,每个环形送料管还设置有用于与总送料管连通的送料口,送料阀通过控制送料口的开闭以控制进料喷嘴组的开闭。
在可选的实施方式中,环形送料管设置与喷嘴的连接方式为法兰连接,螺纹连接或焊接。
在可选的实施方式中,总送料管通过与其连通的多个送料分管与多个环形送料管连通,多个送料分管与多个环形送料管一一对应连通。
在可选的实施方式中,炉体的侧壁开设有可视窗口。
第二方面,实施例提供包括:以上述任一实施方式提供的生产多晶硅用还原炉作为反应炉;
生产过程中通过控制送料阀来调整进料喷嘴的开启数量,以控制炉体进料和出料压差维持在30-60kPa内。
本发明实施例的有益效果包括,例如:
本发明通过上述设计得到的生产多晶硅用还原炉,由于在炉体的底部设置了多组进料喷嘴组,每组进料喷嘴组通过一个送料阀控制开闭。相较于现有的还原炉底固定喷嘴进料,本申请中喷嘴工作组数可调控,通过调控进料喷嘴组的工作数量使得进料和出料压差稳定在合适的范围内,避免出现对流传热的差异大导致硅棒的表面温度从底部到顶部出现温度梯度进而造成“爆米花”现象。
本发明通过上述设计得到的多晶硅生产控制方法,由于生产过程使用本发明提供的还原炉,因此在生产过程中可以通过控制送料阀来调整进料喷嘴的开启数量,进而控制炉体进料和出料压差维持在30-60kPa内。当压差维持在30-60kPa内时,为生产出均匀的多晶硅料提供了良好的生长环境,可避免多晶硅生产过程出现对流传热的差异大导致硅棒的表面温度从底部到顶部出现温度梯度进而造成“爆米花”现象,使得还原炉内生长的多晶硅棒生长均匀,提升产品质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,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相关的附图。
图1为本发明实施方式提供的生产多晶硅用还原炉的炉体的仰视图;
图2为本发明实施方式提供的生产多晶硅用还原炉的炉体与多个环形送料管装配好后的仰视图;
图3为图2中环形送料管的俯视图;
图4为本发明实施方式提供的生产多晶硅用还原炉的送料管道的结构示意图;
图5为本发明实施方式提供的生产多晶硅用还原炉的各种电子元件的信号传递示意图。
图标:110-炉体;111-进料喷嘴组;111a-进料喷嘴;121a-第一压力传感器;121b-第二压力传感器;122-控制器;123-多晶硅尺寸探测器;130-环形送料管;131-进料口;132-送料口;140-送料管道;141-总送料管;142-送料分管;143-送料阀;151-总出料管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,若出现术语“上”、“下”、“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,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,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,若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1-4,本实施例提供了一种生产多晶硅用还原炉,包括炉体110和进料控制机构,炉体110的底部设置有多组进料喷嘴组111,进料喷嘴组111内包括至少一个进料喷嘴111a,进料控制机构包括多个送料阀143,每个送料阀143对应控制一组进料喷嘴组111内的进料喷嘴111a的开闭。
本实施例还提供了一种多晶硅生产控制方法,包括:以本实施例提供的生产多晶硅用还原炉作为反应炉。该还原炉工作时,工作人员随时监控进料管道和出料管道的压差,以控制炉体110进料和出料压差维持在30-60kPa内。
具体地,当压差过大,则控制一部分送料阀143打开使更多的进料喷嘴111a喷料,使得进料和出料压差维持在30-60kPa内。从而保证炉体内物料流速在一个较为稳定的范围内,避免出现对流传热的差异大导致硅棒的表面温度从底部到顶部出现温度梯度进而造成“爆米花”现象。
具体地,如图1和图4所示,炉体110连接有总出料管151和总送料管141,总送料管141和总出料管151上分别设置有第一压力传感器121a和第二压力传感器121b。
工作人员通过从第一压力传感器121a和第二压力传感器121b反馈的压力信息上获得进料和出料的压差。根据反馈的压差控制送料阀143的开闭,进而控制进料喷嘴111a的开启数量使得压差稳定在最佳的范围内。
优选地,如图5所示,进料控制机构还包括控制器122,控制器122与第一压力传感器121a和第二压力传感器121b通信连接,控制器122与每个送料阀143通信连接。
在控制器122内预设好压差范围值,第一压力传感器121a和第二压力传感器121b将即时压力信号传送给控制器122,控制器122计算出压力差,将该压力差值与预设值比对,若超过预设值则控制一个或多个送料阀143打开,以控制一组或多组进料喷嘴组111工作,以保证压差稳定在30-60kPa内。
需要说明的是,上述内容所述的送料阀143的打开包括了完全打开或部分打开。控制器122可调整送料阀143的开度来控制压差以及物料在送料管道中的流速。
进一步地,炉体110内设置有多晶硅尺寸探测器123,多晶硅尺寸探测器123与控制器122通信连接。
当多晶硅尺寸生长过快,超过了预设的生长速率,例如某一时间点多晶硅尺寸探测器123将检测到的多晶硅尺寸信号发送至控制器122,控制器122与该时间点的预设尺寸进行比对,发现尺寸过大,则向工作人员发出提示。此时工作人员则需要调整物料配比来控制多晶硅的生长速率。
进一步地,炉体110的侧壁还设置有可视窗口(图未示)。
上述设置使得工作人员能够透过可视窗口观察到炉体110内的多晶硅的生长情况,例如通过观察多晶硅的表面沉积率,根据表面沉积情况控制送料阀143的开启数量、开度大小以及开启时间。
进一步地,如图1-4所示,每组进料喷嘴组111内包括多个进料喷嘴111a,多个进料喷嘴111a呈环形阵列式分布于炉体110的底部。
上述设置使得一个送料阀143开启后,一组进料喷嘴组111内的多个进料喷嘴111a同时开启,多个进料喷嘴111a呈环形可保证均匀地向炉体110内送料,使得多晶硅的生长更稳定。
进一步地,进料控制机构包括多个环形送料管130,环形送料管130的数量与进料喷嘴组111的组数相同,多个环形送料管130一一对应地与多组进料喷嘴111a连通,每个环形送料管130上均设置有多个进料口131,每个环形送料管130上设置的进料口131的数量以及位置均与对应的进料喷嘴组111内的多个进料喷嘴111a一一对应。每个环形送料管130还设置有送料口132,所有送料口132均与总送料管141连通。送料阀143通过控制送料口132的开闭以控制进料喷嘴组111的开闭。
具体地,在本实施例中,进料喷嘴组111的数量为5组,每组进料喷嘴组111均呈环形。越靠近炉体底部的进料喷嘴组构成的环越小,所包括的进料喷嘴111a的数量也越少,环形送料管130的数量与进料喷嘴组111的数量匹配,也同样为5个。
需要说明的是,在本发明的其他实施例中,进料喷嘴组111的分布设计也可是环形以外的方式,每组进料喷嘴组111中进料喷嘴111a的具体数量也可也根据实际需求调整。例如每组进料喷嘴组111中包括的进料喷嘴111a数量相同,每组进料喷嘴组111以阵列的形式排布。
环形送料管130的具体设计避免了一个喷嘴接一个条管线这种方式带来的管线数量多混杂,维修不便等情况发生。
进一步地,环形送料管设置有送料口132处与对应的喷嘴的连接方式为法兰连接,螺纹连接或焊接。
上述方式为常规便捷的连接方式,一般情况下旋转可拆卸的法兰连接或螺纹连接,这两种方式便于装置的检修。
进一步地,进料控制机构包括送料管道140,每个环形送料管均设置有一个送料口132,送料管道140包括一个上述内容中提到的设置有第一压力传感器121a的总送料管141和多个送料分管142,多个送料分管142与多个环形送料管的送料口132一一对应连通,送料阀143设置于送料分管142的管线上。
工作时通过总送料管141向炉体110内送料,根据总送料管141和总出料管151的压差,控制送料分管142的开启条数进而控制进料喷嘴组111的开启组数以保证整个生产过程压差稳定在合适范围内。
综上所述,本发明提供的生产多晶硅用还原炉,由于在炉体的底部设置了多组进料喷嘴组,每组进料喷嘴组通过一个送料阀控制开闭。相较于现有的还原炉底固定喷嘴进料,本申请中喷嘴工作组数可调控,通过调控进料喷嘴组的工作数量使得进料和出料压差稳定在合适的范围内,避免出现对流传热的差异大导致硅棒的表面温度从底部到顶部出现温度梯度进而造成“爆米花”现象。
进一步地,还原炉还设置有两个测进料和出料压力的传感器以及与传感器和进料阀通信的连接的控制器,通过各元件之间的信号传递,实现自动化控制进料和出料的压差,以使得生产过程自动稳定进行。
本发明提供的多晶硅生产控制方法,由于生产过程使用本发明提供的还原炉,因此在生产过程中可以通过控制送料阀来调整进料喷嘴的开启数量,进而控制炉体进料和出料压差维持在30-60kPa内。当压差维持在30-60kPa内时,为生产出均匀的多晶硅料提供了良好的生长环境,可避免多晶硅生产过程出现对流传热的差异大导致硅棒的表面温度从底部到顶部出现温度梯度进而造成“爆米花”现象,使得还原炉内生长的多晶硅棒生长均匀,提升产品质量。
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,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,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 (7)
1.一种生产多晶硅用还原炉,其特征在于,包括炉体和进料控制机构,所述炉体的底部设置有多组进料喷嘴组,每组所述进料喷嘴组内包括至少一个进料喷嘴,所述进料控制机构包括多个送料阀,每个所述送料阀对应控制一组所述进料喷嘴组内的所述进料喷嘴的开闭;所述炉体连接有总出料管和与多组所述进料喷嘴组连通的总送料管,所述总送料管和所述总出料管上分别设置有第一压力传感器和第二压力传感器,所述进料控制机构还包括控制器,所述控制器与所述第一压力传感器和所述第二压力传感器通信连接,所述控制器与每个所述送料阀通信连接;所述炉体内设置有多晶硅尺寸探测器,所述多晶硅尺寸探测器与所述控制器通信连接。
2.根据权利要求1所述的生产多晶硅用还原炉,其特征在于,每组进料喷嘴组内包括多个进料喷嘴,所述多个进料喷嘴呈环形阵列式分布于所述炉体的底部。
3.根据权利要求2所述的生产多晶硅用还原炉,其特征在于,所述进料控制机构包括多个环形送料管,所述环形送料管的数量与所述进料喷嘴组的组数相同,多个所述环形送料管一一对应地与多组所述进料喷嘴连通,每个所述环形送料管上均设置有多个进料口,每个所述环形送料管上设置的进料口的数量以及位置均与对应的所述进料喷嘴组内的多个所述进料喷嘴一一对应,每个所述环形送料管还设置有用于与所述总送料管连通的送料口,所述送料阀通过控制所述送料口的开闭以控制所述进料喷嘴组的开闭。
4.根据权利要求3所述的生产多晶硅用还原炉,其特征在于,所述环形送料管与所述喷嘴的连接方式为法兰连接,螺纹连接或焊接。
5.根据权利要求3所述的生产多晶硅用还原炉,其特征在于,所述总送料管通过与其连通的多个送料分管与多个所述环形送料管连通,多个所述送料分管与多个所述环形送料管一一对应连通。
6.根据权利要求1所述的生产多晶硅用还原炉,其特征在于,所述炉体的侧壁开设有可视窗口。
7.一种多晶硅生产控制方法,其特征在于,包括:以权利要求1~6任一项所述的生产多晶硅用还原炉作为反应炉;
生产过程中通过控制所述送料阀来调整所述进料喷嘴的开启数量,以控制炉体进料和出料压差维持在30-60kPa内;
并通过多晶硅尺寸探测器检测多晶硅的尺寸,根据多晶硅的尺寸调整物料配比以控制多晶硅的生长速率。
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