CN201538830U - 一种18对棒多晶硅还原炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型所述的18对棒多晶硅还原炉，其包括含有冷却腔的炉体和布置有电极的底盘，炉体和底盘依次与底座连接。18对即36个电极，在底盘上分3圈布置，9对电极设置在外圆周上，3对电极设置在内圆周上，6对电极设置在内、外圆周之间，电极中的正负电极在3个圆周上均逐一间隔设置；在底盘上设有两个气体进口和一个气体出口，气体进口一由1个连接管和1个喷嘴连通构成，该喷嘴设置在底盘中心位置；气体进口二由1个水平环管、9个连接支管和9个喷嘴连通构成，9个喷嘴位于外圈和第二圈电极之间，同时9个喷嘴沿同一圆周均布设置在底盘上，气体出口设置在底盘中心位置。本实用新型节约成本，结构先进，能耗低，效率高，产量高，冷却效果好。

Description

一种18对棒多晶硅还原炉

技术领域

本实用新型涉及多晶硅还原炉，具体涉及一种18对棒多晶硅还原炉。

背景技术

多晶硅是最主要的光伏材料，是集成电路硅衬底、新型环保能源太阳能电池的主流材料，也是生产单晶硅的直接原料，是发展信息产业和新能源产业的重要基石。目前国内的多晶硅及多晶硅还原炉市场供不应求，自主供货存在着严重的缺口，95％以上依靠进口，近年多晶硅市场售价的暴涨，已经危及到我国多晶硅下游产业的正常运营，并成为制约我国信息产业和光伏产业发展的瓶颈。

多晶硅还原炉是提炼多晶硅的专用设备，是多晶硅的生长载体，对该产品的质量及精度要求很高，同时多晶硅还原炉又是一个高能耗的设备。因此，还原炉的好坏，以及是否节能，直接影响到产品的质量、性能和成本。

目前国内多晶硅生产企业主要采用改良西门子法——闭环式三氯氢硅氢还原法生产多晶硅。改良西门子法是用氯和氢合成氯化氢(或外购氯化氢)，氯化氢和工业硅粉在一定的温度下合成三氯氢硅，然后对三氯氢硅进行分离精馏提纯，提纯后的三氯氢硅在多晶硅还原炉内进行CVD反应生产高纯多晶硅。所采用的多晶硅还原炉主要是引进德国技术的12对棒还原炉，其主要缺点是：设备生产能力低，产量上不去，物料和电力消耗过大，与国际水平相比，国内多晶硅生产物耗能耗高出1倍以上，产品成本缺乏竞争力。主要原因是国内多晶硅生产企业技术创新能力不强，基础研究资金投入太少，尤其是非标设备还原炉的研发制造能力差。

传统的12对棒还原炉在中国申请了专利(专利号ZL200420060144.8)，该专利所保护的主要内容是：1)电极为12对，即24个电极，且在底板上沿两个圆周均布设置；2)进气管主要有一个水平环管和9个喷嘴连通构成，其中8个喷嘴位于两圈电极之间、沿同一圆周均布设置在底板上，一个喷嘴设置在底板中心位置。如图1所示，12对棒还原炉电极、进气喷嘴在底盘上分布的示意图。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能满足市场和用户的要求，以进一步提高多晶硅的产量，并达到节约成本、节约能源、降低能耗目的的18对棒多晶硅还原炉。

实现本实用新型目的的技术方案：一种18对棒多晶硅还原炉，其包括含有冷却腔的炉体和布置有电极的底盘，炉体和底盘依次与底座连接。所述的底盘是水冷式结构，其由上底板、下底板和连接环共同围成冷却水腔，底盘上设置有冷却水进口和冷却水出口；所述电极为18对，即36个电极，在底盘上分3圈布置，9对电极设置在外圆周上，3对电极设置在内圆周上，6对电极设置在内、外圆周之间，电极中的正负电极在3个圆周上均逐一间隔设置；在底盘上设有两个气体进口和一个气体出口，气体进口一由1个连接管和1个喷嘴连通构成，该喷嘴设置在底盘中心位置；气体进口二由1个水平环管、9个连接支管和9个喷嘴连通构成，9个喷嘴位于外圈和第二圈电极之间，同时9个喷嘴沿同一圆周均布设置在底盘上，气体出口设置在底盘中心位置。

如上所述的一种1 8对棒多晶硅还原炉，其所述的炉体和底盘通过容器法兰和底座用连接螺栓连接；在炉体上的内筒筒体及内筒封头和夹套筒体及夹套封头之间形成有炉体冷却腔，在炉体冷却腔内设有若干导流板。

如上所述的一种18对棒多晶硅还原炉，其所述的炉体的炉体冷却腔总进水口设置在炉体的下部，炉体的炉体冷却腔出水口设置在与夹套封头连通的预热器口的夹层上，冷却水从炉体冷却腔总进水口进入炉体冷却腔，沿着导流板从炉体冷却腔出水口流出。

如上所述的一种18对棒多晶硅还原炉，其所述的气体出口与进气的连接管、底盘上的冷却水进口构成集进气、出气及冷却于一体的三层夹套管结构。

如上所述的一种18对棒多晶硅还原炉，其在炉体上共设置有3个测温视镜和1个观察视镜，均采用双层玻璃结构。

本实用新型的效果在于：本实用新型所述的18对棒多晶硅还原炉，其电极对数较多，单台炉子的产量比现有12对棒炉子提高很多，同时，大幅度降低能耗，最终，大大降低了多晶硅的生产成本。具体的18对棒还原炉与传统的12对棒还原炉相比，有以下改进和优点：

(1)节约成本：经合理的优化分布与规划，18对棒还原炉采用与12对棒还原炉炉体接近的规格大小与空间，但容纳的硅棒等内件多，从而节约成本；

(2)结构先进：18对棒还原炉中硅芯电极及进气口的布置较12对棒还原炉合理紧凑，对硅芯电极的分布打破传统结构里外两圈布置18对棒还原炉的硅芯电极采用3圈布置，且电极规格比12对棒还原炉的电极规格大，电极之间的间距又比12对还原炉电极之间的间距小，大大减小空间；同时电极空间上的紧凑分布及进气喷口的合理布置使进气阻力小，工作状态时发生的还原反应更充分，从而使多晶硅的生产效率提高；

(3)能耗低，效率高，产量高：经流量核算及优化，18对棒还原炉工作所需反应气体的进口管径比12对棒还原炉进气管径规格小20％，进气喷嘴的规格更小，即供气量小于12对棒还原炉的供气量，而最终产生的多晶硅棒较12对棒还原炉多了6对；同时12对棒还原炉每炉多晶硅的生长周期为5-7天，而18对棒还原炉每炉多晶硅的生长周期仅为72小时。由此可见，18对棒还原炉较12对棒还原炉的原料能耗大大降低降低，且效率提高，产量提高；

(4)冷却效果好：经热平衡计算，对18对棒还原炉炉体的冷却，从炉体壁厚、进出水管径及结构、冷却导流板的位置、流道的大小与规格等方面配置合理，比12对棒还原炉的冷却效果好。

附图说明

图1为12对棒还原炉电极、进气喷嘴在底盘上分布的示意图；

图2为本发明所述的18对棒多晶硅还原炉主视图；

图3为本发明所述的电极、进气喷嘴在底盘上分布的示意图；

图中：1.硅棒；2.导流板；3.炉体冷却腔；4.内筒筒体；5.夹套筒体；6.喷嘴；7.容器法兰；8.底盘；9.水平环管；10.硅芯电极；11.连接管；12.气体进口二；13.连接管；14.气体进口一；15.冷却水进口；16.气体出口；17.冷却水出口；18.连接支管；19.喷嘴；20.底座；21.下底板；22.冷却水腔；23.连接环；24.上底板；25.垫片冷却腔；26.连接螺栓；27.炉体冷却腔总进水口；28.视镜；29.炉体；30.内筒封头；31.夹套封头；32.炉体冷却腔出水口；33.预热器口；34.顶盖冷却腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型所述的18对棒多晶硅还原炉作进一步描述。

如图2所示，本发明所述的18对棒多晶硅还原炉，通过硅芯电极10下端连接10000V的电压及预热器口33同时加热和启动还原炉，炉体29内硅棒1的温度为1050-1100℃。

炉体29和底盘8通过容器法兰7和底座20用连接螺栓26连接，整个炉体29安装在底座20上。在炉体上的内筒筒体4及内筒封头30和夹套筒体5及夹套封头31之间形成有炉体冷却腔3，在炉体冷却腔3内设置多块导流板2以降低内筒筒体4的壁温。炉体冷却腔总进水口27设置在炉体29的下部，分成三路，一路进入炉体冷却腔3，一路进入垫片冷却腔25，另一路进入视镜28的冷却腔和预热器口33的顶盖冷却腔34，炉体冷却腔出水口32设置在与夹套封头3 1连通的预热器口33的夹层上。冷却水从炉体冷却腔总进水口27进入炉体冷却腔3，沿着导流板2从炉体冷却腔出水口32流出。炉体上共设置有3个测温视镜28和1个观察视镜28，均采用双层玻璃结构，以方便观察多晶硅棒的生长过程并便于测量不同方位硅棒的温度。底盘8是水冷式结构，由上底板24、下底板21和连接环23共同围成冷却水腔22，底盘上设置有冷却水进口15和冷却水出口17。底盘8上设有两个气体进口和一个气体出口，气体进口一14由1个连接管13和1个喷嘴6连通构成，该喷嘴6设置在底盘8中心位置；气体进口二12由1个水平环管9、9个连接支管18和9个喷嘴19连通构成，9个喷嘴19位于外圈和第二圈电极之间，同时9个喷嘴19沿同一圆周均布设置在底盘8上，气体出口16设置在底盘8中心位置。气体出口16(即排气管)与进气连接管13、底盘冷却水进口管15构成集进气、出气及冷却于一体的三层夹套结构。

如图3所示，底盘8上的硅芯电极10为18对(一对电极含一个正电极和一个负电极)，在底盘上沿三个圆周(即形成三圈电极)均布设置，如正电极18a、负电极18b位于外圈，正电极18c、负电极18d位于中圈，正电极18e、负电极18f位于内圈，其中9对电极设置在外圆周上，3对电极设置在内圆周上，6对电极设置在内、外圆周之间，电极中的正负电极分别在三个圆周上逐一间隔设置。10个喷嘴中，9个喷嘴19位于外圈和中圈电极之间，同时9个喷嘴19沿同一圆周均布设置在底盘上，一个喷嘴6设置在底盘中心位置，用以内圈电极的供气。

从以上设计来看，呈气态的硅的化合物SiHCl₃与H₂作为原料气，在还原炉中共发生以下8种电化学反应：

(1)SiHCl₃+H₂＝Si+3HCl↑(1050-1100℃)(此还原反应为主反应)；

(2)2SiHCl₃＝Si+2HCl↑+SiCl₄(热分解)；

(3)SiHCl₃＝SiH₂Cl₂+HCl↑(900-1000℃)；

(4)Si+2HCl＝SiH₂Cl₂(＞1200℃或低温腐蚀)；

(5)SiHCl₃＝SiH₂Cl₂+SiCl₄(Si+SiCl₄＝SiCl₂)；

(6)SiCl₄+2H₂＝Si+4HCl↑(高温下)；

(7)4SiHCl₃＝Si+2H₂↑+3SiCl₄(热分解)；

(8)Si+4HCl＝2H₂↑+SiCl₄(腐蚀)

还原反应的生成物——硅在电极所形成的电场的作用下，吸附、沉积在硅芯(由φ7～φ10mm的硅棒组成，连接在一对正负电极之间)上，以多晶硅形式出现。底盘上排布有18对、即36个电极，10个喷嘴，所有电极排布在三个圆周(形成三圈电极)上，其中9个喷嘴排布在外圈和第二圈电极之间，一个喷嘴布在底盘中心位置；电极所形成的电场将喷嘴围绕并封闭其间。正负电极在底盘圆周上逐一间隔设置而且空间距离紧凑，这样，整个电场在炉体横截面上分布非常均衡，因而，有利于18对电极上的36个硅芯在均衡电场强度的作用下，均匀地沉淀，生产硅棒。从而，减少了次废品生成的可能，保证了产品质量，没有次废品，也可以说是提高了产量。原料气通过水平环管及另一组直管，经10个喷嘴分别进入炉体内腔，各喷嘴的进气压力一致，气体流动阻力减小，在炉体横截面不变情况下，设备生产能力有所提高，产量有所增加。

Claims (5)

1.一种18对棒多晶硅还原炉，其包括含有冷却腔的炉体(29)和布置有电极的底盘(8)，炉体(29)和底盘(8)依次与底座(20)连接，其特征在于：所述的底盘(8)是水冷式结构，其由上底板(24)、下底板(21)和连接环(23)共同围成冷却水腔(22)，底盘(8)上设置有冷却水进口(15)和冷却水出口(17)；所述电极(10)为18对，即36个电极，在底盘(8)上分3圈布置，9对电极设置在外圆周上，3对电极设置在内圆周上，6对电极设置在内、外圆周之间，电极中的正负电极在3个圆周上均逐一间隔设置；在底盘(8)上设有两个气体进口和一个气体出口，气体进口一(14)由1个连接管(13)和1个喷嘴(6)连通构成，该喷嘴(6)设置在底盘(8)中心位置；气体进口二(12)由1个水平环管(9)、9个连接支管(18)和9个喷嘴(19)连通构成，9个喷嘴(19)位于外圈和第二圈电极之间，同时9个喷嘴(19)沿同一圆周均布设置在底盘(8)上，气体出口(16)设置在底盘(8)中心位置。

2.根据权利要求1所述的一种18对棒多晶硅还原炉，其特征在于：所述的炉体(29)和底盘(8)通过容器法兰(7)和底座(20)用连接螺栓(26)连接；在炉体上的内筒筒体(4)及内筒封头(30)和夹套筒体(5)及夹套封头(31)之间形成有炉体冷却腔(3)，在炉体冷却腔(3)内设有若干导流板(2)。

3.根据权利要求1所述的一种18对棒多晶硅还原炉，其特征在于：所述的炉体(29)的炉体冷却腔总进水口(27)设置在炉体(29)的下部，炉体(29)的炉体冷却腔出水口(32)设置在与夹套封头(31)连通的预热器口(33)的夹层上，冷却水从炉体冷却腔总进水口(27)进入炉体冷却腔(3)，沿着导流板(2)从炉体冷却腔出水口(32)流出。

4.根据权利要求1所述的一种18对棒多晶硅还原炉，其特征在于：所述的气体出口(16)与进气的连接管(13)、底盘上的冷却水进口(15)构成集进气、出气及冷却于一体的三层夹套管结构。

5.根据权利要求1所述的一种18对棒多晶硅还原炉，其特征在于：在炉体上共设置有3个测温视镜和1个观察视镜，均采用双层玻璃结构。

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