CN201665536U - 一种适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉，它包括钟罩式炉筒、底盘、原料气进口及管道、尾气出口及管道、硅芯底座及硅芯；炉筒固定在底盘上并密封，底盘上连接原料气进口及管道和尾气出口及管道并设有硅芯底座，硅芯固定在硅芯底座上，底座以正多边形规律排布，每个独立的正多边形内均设有原料气进气口。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种生产多晶硅的反应器，更具体地说涉及一种适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉。
背景技术
目前，绝大多数的多晶硅生产方法是改良西门子工艺，主要使用钟罩型反应器和与电极相连的8mm左右的硅芯作为沉积基底，采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。
上述化学气相沉积过程是在钟罩型的还原炉中进行的，该反应容器是密封的，底盘上安装有出料口和进料口以及若干对电极，电极上连接着直径5-10mm、长度1500-3000mm的硅芯，每对电极上的两根硅棒又在另一端通过一较短的硅棒相互连接，对电极上施加6～12kV左右的高压时，硅棒被击穿导电并加热至1000-1150℃发生反应，经氢还原，硅在硅棒的表面沉积，使硅棒的直径逐渐增大，最终达到120-200mm左右。通常情况下，生产直径为120-200mm的高纯硅棒，所需的反应时间大约为150-300小时。
由于炉筒和底盘为圆形，因此在传统的西门子还原炉中，一般将硅棒按圆形进行排列，底盘上设有原料气进出口。但是，硅棒按圆形排列时，相邻硅棒之间的距离不同，在空间构成的几何形态也有差别，不利于还原炉内气体流场以及温度场的均匀分布，气体流场以及温度场不均匀会导致生成的多晶硅棒表面出现明显的颗粒，造成质量的下降，同时圆形排列的硅棒对还原炉空间的利用率也并非是最高的。
考虑到正多边形排列可以使硅棒在空间构成规则的几何形态，并且相邻硅棒之间的距离相同，同时，将原料气进口设置于多边形几何中心可以使每个多边形单元内的气体流畅和温度场更加均匀，因此，本实用新型提出将硅棒改为正多边形排布并将原料气进口设于每个独立多边形的几何中心，以获得更高的产量及更好的硅棒表面形貌。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉。在该还原炉中，硅芯按照正多边形规律排布并将各进气口设置在独立的正多边形几何中心以使还原炉内气体流畅和温度场更加均匀，从而提高产量并改变硅棒表面形貌。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下的技术方案：
一种适用于西门子工艺生产多晶硅的反应器，它包括钟罩式炉筒、底盘、原料气进口及管道、尾气出口及管道、硅芯底座及硅芯；炉筒固定在底盘上并密封，底盘上连接原料气进口及管道和尾气出口及管道并设有硅芯底座，硅芯固定在硅芯底座上，硅芯底座以正多边形规律排布，每个独立的正多边形内均设有原料气进气口。
其中，所述钟罩式炉筒可以采用任意形状，优选地为圆柱形。
进一步地，所述钟罩式炉筒材质为金属结构并设有冷却夹套。
进一步地，所述钟罩式炉筒内壁具有高反射镀层或涂层。
其中，所述底盘材质为金属结构并设有冷却夹套。
其中，所述硅芯底座固定在底盘上，按正多边形规律排布，即每个硅芯底座占据正多边形的一个顶点，优选地为正六边形。
进一步地，硅芯排布可不全部按照正多边形规则，可选择部分采用正多边形规则排布，而部分采用圆环形排列。
进一步地，每一个所述硅芯底座内部均设有电极，硅芯底座的数量为偶数个。
更进一步地，硅芯底座的材质优选地为石墨。
其中，所述原料气进口设置在底盘上。
进一步地，每一个所述原料气进口均设置在一个独立正多边形的几何中心。
更进一步地，原料气进口的数量和位置保证每一个硅芯底座均与一个原料气进口相邻且与相邻的原料气进口距离均相等。
进一步地，可在每个原料气进口设置相应喷嘴。
根据所述技术方案的装置，其特征在于，所述尾气出口设置在底盘上。
进一步地，底盘上至少有一个尾气出口。
其中，所述硅芯采用与目标产品多晶硅具有相同电阻率的多晶硅制备。
本实用新型的还原炉中，硅芯按照正多边形规律排布并将各进气口设置在独立的正多边形几何中心以使还原炉内气体流畅和温度场更加均匀，从而提高产量并改变硅棒表面形貌。
附图说明
图1是本实用新型涉及的多晶硅还原炉反应器示意图。其中，1、钟罩式炉筒；2、底盘；3、原料气进口管线；4、尾气出口管线；5、硅芯底座；6、硅芯。
图2是本实用新型涉及的几种还原炉硅芯排布的俯视图。其中，2、底盘；7、原料气进气口；8、尾气出气口；9、横梁。
具体实施方式
以下通过具体的实施例并结合附图对本实用新型中的装置系统进行详细说明，但这些实施例仅仅是例示的目的，并不旨在对本实用新型的范围进行任何限定。
实施例1：
图1为本实用新型涉及的多晶硅还原炉反应器示意图。其中，还原炉主要包括1为钟罩式炉筒、2底盘、3原料气进口管线、4尾气出口管线、5硅芯底座、6硅芯。如图1所示，钟罩式炉筒1固定在底盘2上并密封，硅芯底座5内部设有电极(未示出)与供电系统(未示出)连接并固定在底盘2上，硅芯底座5数量为偶数个，上面固定有硅芯6，硅芯6与硅芯底座5内的电极连通，两硅芯顶端通过横梁搭接形成回路；原料气进口管线3和尾气出口管线4固定通入底盘2底部，并与设置在底盘上的原料气进气口和尾气出气口连接。
图1示出的还原炉反应器为圆形炉筒，但本实用新型并不受此限制，可以适用于其他形状炉筒，例如可以举出常见的正方形、正多边形等，优选地为圆柱形。所述钟罩型炉筒具有冷却夹套结构，冷却剂可以举出常见的水或者导热油。所述炉筒内壁具有高反射镀层或涂层，涂层材质选自一些硬质高熔点银白色的元素，可以举出常见的银和金等。所述还原炉炉筒上至少设置一个视镜观察孔，优选上下各设有两个视镜观察孔。
图2为本实用新型涉及的几种还原炉硅芯排布的俯视图。其中2为底盘、7原料气进气口、8尾气出气口，9横梁。图1示出的还原炉反应器为2对棒，但本实用新型并不受此限制，可以适用于两对以上的还原炉反应器。本实用新型所涉及的采用正多边形硅芯排布的还原炉，优选地采用正六边形，每个正六边形为三对硅芯，每个独立的正六边形内均设有一个原料气进口7，底盘2上均匀分布有尾气出口8，硅芯及横梁9的搭接可以有不同的规律。根据这种正六边形排布规则，图2示出了六种不同的还原炉底盘硅芯底座排布形式，上、中、下三排图形分别为57、93、87对棒三种排布形式。其中，硅棒对数相同的两种排布形式之间根据原料气进气口是否正对着炉筒内壁又可以有两种不同形式的排布(见每一排左右图对比)。
本实用新型的还原炉沉积工艺中，可采用甲硅烷作为原料；也可采用卤代甲硅烷作为原料并附加氢气，卤代甲硅烷与氢气的体积比为3∶1～9∶1。
下面通过几个更为具体的实施例进一步说明本实用新型的技术效果，但并不对本实用新型有任何限制。
下述实施例中，还原炉内反应压力为0.2MPa，反应温度为1080℃，反应原料气中氢气和含硅气体的摩尔比为5.0，其中氢气和含硅气体的进气流量变化方式可以按照现有技术中的变化方式进行调节即可，在此不再赘述。
实施例2：
1)采用纯甲硅烷作为原料气体。
2)采用57对硅芯的还原炉设计。
3)连续生产100小时，生产约6500kg多晶硅棒，还原炉耗电约2×105kWh，多晶硅平均电耗约为31kWh/kg，甲硅烷中硅元素收率约为60％。
实施例3：
1)采用纯三氯甲硅烷与氢气作为原料气体。
2)采用57对硅芯的还原炉设计。
3)连续生产150小时，生产约10000kg多晶硅棒，还原炉耗电约4×105kWh，多晶硅平均电耗约为40kWh/kg，三氯氢硅中硅元素收率约为17％，并且产品多晶硅棒表面光滑，质地致密。
本实用新型涉及的采用正多边形排布规律进行硅芯排布的西门子还原炉不但能够提高原料气体单程收率并降低单位电耗并且能够显著提高产品多晶硅质量，改善多晶硅棒表面形貌。
尽管上文对本实用新型的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本实用新型的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉，它包括钟罩式炉筒(1)、底盘(2)、原料气进口(7)及其管道(3)、尾气出口(8)及其管道(4)、硅芯底座(5)及硅芯(6)；炉筒(1)固定在底盘(2)上并密封，底盘(2)上连接原料气进口(7)及其管道(3)和尾气出口(8)及其管道(4)并设有硅芯底座(5)，硅芯(6)固定在硅芯底座(5)上，其特征在于底座(5)以正多边形规律排布，每个独立的正多边形内均设有原料气进气口(7)。
2.根据权利要求1所述的适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述炉筒(1)设有冷却夹套。
3.根据权利要求1或2所述的适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述炉筒(1)壳体上设有观察窗口。
4.根据权利要求1所述的适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述底盘(2)设有冷却夹套。
5.根据权利要求1所述的适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述硅芯底座(5)内部设有电极。
6.根据权利要求1所述的适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述硅芯底座(5)数量为偶数并在底盘上按正多边形排列。
7.根据权利要求1所述的适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉，其特征在于，每个所述硅芯底座(5)上固定有一根所述硅芯(6)，每两根硅芯顶端用横梁(9)相连。
8.根据权利要求1所述的适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述底盘(2)上至少设有一个所述尾气出口(8)及其管道(4)。
9.根据权利要求1所述的适用于西门子工艺生产多晶硅的还原炉，其特征在于，原料气进口(7)设置于硅芯底座组成的正多边形单元的几何中心。
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