CN201793375U - 一种用于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用于生产多晶硅的还原炉，包括底盘以及安装在底盘上的钟罩式炉筒，所述钟罩式炉筒内设有硅芯及连接相邻硅芯的横梁，所述硅芯通过硅芯底座与底盘固定连接，所述底盘上设有原料气进口和尾气出口，其特征在于部分所述原料气进口采用竖管引至炉顶进气，且所述竖管的出口位置与硅芯横梁平齐或略高。本实用新型在保证产量的前提下，通过提高顶部含硅原料气体浓度并增加顶部的湍流效果，将一部分原料气体由底盘进料口通过靠近炉筒内壁的进气管引至与横梁等高处进气，降低硅棒顶部区域温度，以改善硅棒顶部，得到高质量的多晶硅产品，改善了硅棒顶部表面形貌，提高产品质量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于生产多晶硅的反应装置，更具体地说涉及一种适用于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。
在传统的西门子反应器中，原料进气口均设置在底盘表面，进气方向均主要为竖直向上，采用这种进气方式，设备设计以及管道排布比较简单，但采用这种进气方式的缺点主要有：1、进气流速较小时，硅芯顶部横梁附近物料不足，温度过高，产品硅棒表面形貌差，不利于后期产品加工，形成大量低质量产品，降低了利润；2、如需改善顶部表面形貌，则需提高底部进气流速，则硅棒后期会出现明显凹陷且难以继续长粗，同时在生长初期容易出现倒棒现象，进气流速过大时，反应也难以控制；3、如既要保证硅棒顶部表面形貌又要保证较低的进气流速，则需降低硅芯高度，因此降低了产量。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于生产多晶硅的还原炉。
技术方案：本实用新型公开了一种用于生产多晶硅的还原炉，包括底盘以及安装在底盘上的钟罩式炉筒，所述钟罩式炉筒内设有硅芯及连接相邻硅芯的横梁，所述硅芯通过硅芯底座与底盘固定连接，所述底盘上设有原料气进口和尾气出口，部分所述原料气进口采用竖管引至炉顶进气，且所述竖管的出口位置与硅芯横梁平齐或略高。
本实用新型中，一种实施方案，所述竖管为直管，且所述竖管的出气嘴方向向上。
本实用新型中，另一种实施方案，所述竖管高度超过横梁的部分为弯曲管，且所述竖管的出气嘴朝下面对横梁。
本实用新型中，又一种实施方案，所述竖管的上端为进气环，所述竖管的出气嘴位于进气环上且方向朝下与横梁相对。
本实用新型中，所述竖管的出口也可以采用任意形式，可以采用任意进气方向。所述竖管的材质采用钼、钽、钛、铂、铱或哈氏合金等高强度耐腐蚀的金属中的一种或几种加工而成。
本实用新型中，优选地，所述钟罩式炉筒为金属结构并带有冷却夹套设计，冷却介质为水或导热油。
本实用新型中，优选地，所述钟罩式炉筒上设有观察窗口。
本实用新型中，优选地，所述底盘为金属结构并带有冷却夹套设计，冷却介质优选地为水。
本实用新型中，优选地，所述硅芯底座内部设有一个电极。
本实用新型中，硅芯底座最好为圆形，材质优选地为石墨。所述硅芯及横梁采用直拉法、区熔法或切割法生产，可以为任意形式。所述底部原料气进口上可加装任意形式的用于提高气体流速及改善气体流向的喷嘴。
本实用新型中，优选地，所述硅芯底座数量为偶数，其内部电极成对设置。
本实用新型中，优选地，所述底部原料气进口优选地设置在底盘几何中心与钟罩式炉筒内壁之间的区域并与底盘几何中心和钟罩式炉筒内壁保持一定距离。
本实用新型中，优选地，所述竖管引至炉顶进气的所述原料气进口个数少于总原料气进口数量的一半，优选为2～4个，且均匀对称分布于所述钟罩式炉筒内壁与硅芯之间。
本实用新型中，原料气体分别从设置在底盘表面的进气口竖直向上通入炉内空间，同时部分所述原料气进口由所述靠近炉筒内壁的竖管引至硅芯横梁高度处通入炉内空间。
有益效果：本实用新型在保证产量的前提下，通过提高顶部含硅原料气体浓度并增加顶部的湍流效果，将一部分原料气体由底盘进料口通过靠近炉筒内壁的进气管引至与横梁等高处进气，降低硅棒顶部区域温度，以改善硅棒顶部，得到高质量的多晶硅产品，改善了硅棒顶部表面形貌，提高产品质量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本实用新型一种实施方案的结构示意图。
图2为本实用新型另一种实施方案的结构示意图。
图3为本实用新型又一种实施方案的结构示意图。
图4a和图b是采用如图3所示的环状竖管时，顶端进气环的出气嘴示意图。
具体实施方式：
参见图1，图1为本实用新型涉及的一种用于生产多晶硅的还原炉。其中，还原炉主要包括安装在底盘上的钟罩式炉筒1、底盘2、硅芯底座3、硅芯8及横梁4、原料气进口5、竖管6、尾气出口7，所述钟罩式炉筒1内设有硅芯8及连接相邻硅芯的横梁4，所述硅芯8通过硅芯底座3与底盘2固定连接，所述底盘2设有原料气进口5和尾气出口7，所述底盘2上的部分所述原料气进口5被竖管6引至炉顶，并通过的出气嘴601喷出进入还原炉内部空间，且竖管6的出气嘴601的出口位置与横梁的高度平齐或略高。
实施例1：
更具体地说，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3内部设有电极与供电系统连接并固定在底盘2上，硅芯底座3数量为偶数个，上面固定有硅芯8及横梁4，硅芯底部与硅芯底座3内的电极连通；尾气出口7设置在底盘2几何中心，竖管6设置在钟罩式炉筒1内壁附近，进气方向为竖直向上，底盘2上另外设有原料气进口5。
在此种设计的还原炉中，部分原料气进口采用竖管引至炉顶竖直向上进气，可带来的优势有：1、利用温度较低的原料气体在封头内壁表面形成热边界层，减少封头冷却水带走的热量；2、由于氢气密度较低，因此封头内部空间氢气浓度较大，采用此进气方式可将封头处的氢气向下反吹，使体系内部原料气体更加平衡；3、采用此进气方式解决顶部物料不足的状况，可省去在底部进气口加装用于提高气速的喷嘴，因此底部气流可适当减慢，从而避免硅棒长粗后出现偏心并无法进一步长粗，可在保证顶部硅棒质量的前提下，一定程度上提高单炉产量。
采用含6％二氯甲硅烷及94％三氯甲硅烷的混合氯硅烷与氢气为原料，在12对棒还原炉中连续生产100小时，得到多晶硅棒总质量1900kg，三氯甲硅烷平均流量为150m3/h，氢气平均流量为450m3/h，总电耗1.2×105kWh，平均电耗为63kWh/kg，混合氯硅烷中硅元素单程收率约为10％，横梁附近部分硅棒表面形貌较好。
实施例2：
参见图2，图2为本实用新型涉及的一种多晶硅还原炉，与图1类似，仅将竖管6上部改为弯曲状头部形式，从硅芯横梁4的上方斜向下进气，此种设计可带来的优势主要为加快横梁附近气流速度和湍流程度，消除横梁部分过热状况，改善表面形貌。
采用含6％二氯甲硅烷及94％三氯甲硅烷的混合氯硅烷与氢气为原料，在12对棒还原炉中连续生产100小时，得到多晶硅棒总质量1800kg，三氯甲硅烷平均流量为150m3/h，氢气平均流量为450m3/h，总电耗1.2×105kWh，平均电耗为67kWh/kg，混合氯硅烷中硅元素单程收率约为9.6％，横梁附近部分硅棒表面形貌极佳，均为高质量产品。
实施例3：
参见图3，图3为本实用新型涉及的一种多晶硅还原炉，与图1类似，仅将竖管6改为环形管，从硅芯横梁4的上方进气。参见图4，图4为顶部环形进气管结构简图，在环形进气管内侧均匀设置出气嘴601，出气嘴的方向可以为任意方向，主要为斜向下指向还原炉中心位置处，同时附带水平或斜向上的辅助出气嘴，以改善顶部空间气流状态。此种设计可以在还原炉顶部空间及硅芯横梁附近获得更均匀的原料气流动以及更均匀的温度场分布。
采用含6％二氯甲硅烷及94％三氯甲硅烷的混合氯硅烷与氢气为原料，在12对棒还原炉中连续生产100小时，得到多晶硅棒总质量2000kg，三氯甲硅烷平均流量为150m3/h，氢气平均流量为450m3/h，总电耗1.3×105kWh，平均电耗为65kWh/kg，混合氯硅烷中硅元素单程收率约为11％，横梁附近部分硅棒表面形貌极佳，均为高质量产品。
本实用新型提供了一种用于生产多晶硅的还原炉的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种用于生产多晶硅的还原炉，包括底盘(2)以及安装在底盘上的钟罩式炉筒(1)，所述钟罩式炉筒(1)内设有硅芯(8)及连接相邻硅芯的横梁(4)，所述硅芯(8)通过硅芯底座(3)与底盘(2)固定连接，所述底盘(2)设有原料气进口(5)和尾气出口(7)，其特征在于，部分所述原料气进口采用竖管(6)引至炉顶进气，且所述竖管的出口(601)位置与硅芯横梁平齐或略高。。
2.根据权利要求1所述的一种用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述竖管(6)为直管，且所述竖管的出口(601)方向向上。
3.根据权利要求1所述的一种用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述竖管(6)的高度超过横梁的部分为弯曲管，且竖管的出口(601)朝下面对横梁。
4.根据权利要求1所述的一种用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述竖管(6)的上端为进气环，所述竖管的出口(601)位于进气环上且方向朝下与横梁相对。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述钟罩式炉筒为金属结构并带有冷却夹套设计。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述钟罩式炉筒上设有观察窗口。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述底盘为金属结构并带有冷却夹套设计。
8.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述硅芯底座内部设有一个电极。
9.根据权利要求8中任意一项所述的一种用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，所述硅芯底座数量为偶数，其内部电极成对设置。
10.根据权利要求8中任意一项所述的一种用于生产多晶硅的还原炉，其特征在于，采用所述竖管引至炉顶进气的所述原料气进口个数少于总原料气进口数量的一半，且均匀对称分布于所述钟罩式炉筒内壁与硅芯之间。
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