CN209242690U - 一种电子级多晶硅还原炉底盘及还原炉 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了电子级多晶硅还原炉底盘，包括底盘、由若干电极形成的电极环、由若干进气口形成的进气环及由若干出气口形成的出气环，底盘为圆盘结构，形成的电极环、进气环和出气环均是以底盘的中心为圆心的同心圆，电极环至少包括由内至外依次设置的第一电极环和第二电极环，进气环至少包括设于第一电极环和第二电极环之间的第一进气环，第一进气环上的若干进气口的口径不完全相等。本实用新型的还原炉底盘通过在底盘上间隔布置不同口径的进气口，使得反应气体进入炉内的流速不一致，改变现有技术中的均匀的气流分布，形成高低搭配的气流，有效减少了炉体上部的气体停滞区，从而减少了菜花料形成几率，提高了多晶硅产品质量产量，减少了单位能耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及多晶硅制备装置技术领域，具体涉及一种电子级多晶硅还原炉底盘及还原炉。
背景技术
伴随着全球节约能源、减排二氧化碳的潮流，近年来，我国多晶硅生产方兴未艾。多晶硅是制造光伏发电的太阳能电池片的技术材料。同时，以电子级多晶硅为原料生产的单晶硅是电子信息产业的基础材料，是生产大规模集成电路、半导体分离元件、电力电子器件的原材料。目前国际上多晶硅生产工艺70％以上采用改良西门子法。所谓西门子法，也被称作三氯氢硅氢还原法，主要是利用氢气和三氯氢硅按照一定的摩尔比通入还原炉，在一定的温度和压力下进行气相沉积反应生成多晶硅。这种方法具有产品纯度高、技术成熟等优点。还原炉是改良西门子法生产工艺的核心设备，发生在该设备内多晶硅表面的多晶硅沉积反应是影响多晶硅生产质量和产能的关键。
但是现有的多晶硅还原炉底盘还是传统的1+3n或者3n的喷嘴模式，即底盘中心与进气口重合，其他3n个进气喷嘴均匀排布在外圈，或者3n个喷嘴均匀排布在中圈，气体出口均匀排布在外圈，所有喷嘴直径保持一致。但是这两种底盘结构设计存在缺陷，容易造成炉内气体流动不畅，炉内气体流动循环较弱，还原炉底部和顶部存在较多的气体停滞区，致使硅芯表面温度分布不均，沉积速率较低，直接导致每炉次多晶硅中高品质电子级多晶硅的比重不高，产品单位能耗非常高。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种电子级多晶硅还原炉底盘及还原炉，以提供一种致密度高、单位能耗低、成分均一的电子级多晶硅生长环境。
为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用了如下的技术方案：
在一个总体方面，本实用新型提供一种电子级多晶硅还原炉底盘，包括底盘、由若干电极形成的电极环、由若干进气口形成的进气环及由若干出气口形成的出气环，所述底盘为圆盘结构，所述电极、进气口及出气口均设于所述底盘上，形成的所述电极环、进气环和所述出气环均是以底盘的中心为圆心的同心圆，所述电极环至少包括由内至外依次设置的第一电极环和第二电极环，所述进气环至少包括设于所述第一电极环和所述第二电极环之间的第一进气环，所述第一进气环上的若干进气口的口径不完全相等。
优选地，所述电极环中位于外圈的电极环上的电极数量多于位于内圈的电极环上的电极数量。
优选地，所述电极包括9对，其中，3对所述电极等间距排布于所述第一电极环上，剩余6对所述电极等间距排布于所述第二电极环上。
优选地，所述出气环至少包括位于所述第二电极环外圈的第一出气环，所述第一出气环上间隔排布有s个出气口，其中s为大于等于4的整数。
优选地，所述第一进气环上设排布有n个进气口，其中，n为大于等于4的偶数，所述n个进气口包括具有第一口径的第一进气口和具有第二口径的第二进气口，所述第一进气口和所述第二进气口交替间隔排布，所述第一口径大于所述第二口径。
优选地，所述进气环还包括位于所述第一电极环内圈的第二进气环，所述第二进气环上排布有m个具有第三口径的第三进气口，其中，m为大于等于1的整数。
优选地，所述第三口径与所述第二口径相等。
优选地，当所述m等于1时，所述第三进气口位于所述底盘的中心位置。
在另一个总体方面，本实用新型还提供一种还原炉，用于生产多晶硅，其包括上述所述的电子级多晶硅还原炉底盘。
与传统改良西门子法多晶硅反应炉相比，本实用新型的电子级多晶硅还原炉底盘通过在底盘上间隔布置不同口径的进气口，使得反应气体进入炉内的流速不一致，改变现有技术中的均匀的气流分布，形成高低搭配的气流，有效减少了炉体上部的气体停滞区，从而减少了菜花料形成几率，提高了多晶硅产品质量产量，减少了单位能耗。同时，该设计的混合气体进气口的位置和数量更加多样化，适合不同生产模式，更加合理的利用了底盘空间。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例1的电子级多晶硅还原炉底盘的结构示意图；
图2为本实用新型实施例2的电子级多晶硅还原炉底盘的结构示意图；
图3为本实用新型实施例3的电子级多晶硅还原炉底盘的结构示意图；
图4为本实用新型实施例4的电子级多晶硅还原炉底盘的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护范围。
本实施例的电子级多晶硅还原炉底盘，包括底盘1、由若干电极形成的电极环、由若干进气口形成的进气环及由若干出气口形成的出气环。
如图1～图4所示，所述底盘1为圆盘结构，所述电极、进气口及出气口均设于所述底盘1上，形成的所述电极环、进气环和所述出气环均是以底盘1的中心为圆心的同心圆，所述电极环、进气环和所述出气环的设置环数及各环的设置位置关系可根据实际情况进行设置，对此并不做限定。对于形成进气环的若干进气口，若干进气口的口径不完全相同，优选的，不同口径的进气口均匀间隔排布于底盘1上，以形成高低搭配的气流通道，形成直达炉体顶部的气体循环，改善还原炉内气体流动结构和温场结构，有效减少了炉体上部的气体停滞区，从而减少了菜花料形成几率(菜花料：多晶硅棒表面粗糙，且晶粒间缝隙深度达到3mm部分)，提高了多晶硅产品质量产量，减少了单位能耗。
其中，对于进气环上进气口的设置，通常采用将同一进气环上的若干进气口的口径不完全相等；当设置多环进气环时，同一进气环上的若干进气口的口径均不完全相等，且优选的，外圈的进气环上的进气口的最大口径小于或等于内圈的进气环上的进气口的最小口径；但是，当设置多圈进气环，且最内圈的进气环靠近底盘中心位置时，此时可将最内圈进气环上的进气口的口径设为一致，而只需将外圈的进气环上的进气口的口径进行非等大设置以形成高低搭配的气流即可。
优选的，当所述电极环设置多环时，位于外圈的电极环上的电极数量多于位于内圈的电极环上的电极数量。例如结合图1～图4所示，为本实用新型示例性的为9对棒电子级多晶硅还原炉底盘，其上设有2环电极环，2环电极环包括由内至外依次设置的第一电极环3和第二电极环5，所述电极8包括九对，其中，三对所述电极8等间距排布于所述第一电极环3(内环)上，剩余六对所述电极8等间距排布于所述第二电极环5(外环)上。
结合图1和图2所示，针对9对棒电子级多晶硅还原炉底盘，本实用新型示例性的，所述进气环至少包括设于所述第一电极环3和所述第二电极环5之间的第一进气环4，所述第一进气环4上的若干进气口9的口径不完全相等。
示例性的，所述第一进气环4上设排布有n个进气口9，优选的，针对本实用新型示例性的9对棒电子级多晶硅还原炉而言，n优选的为大于等于4、且小于等于12的偶数，所述n个进气口9包括具有第一口径a的第一进气口91和具有第二口径b的第二进气口92，所述第一进气口91和所述第二进气口92交替间隔排布，优选的所述第一口径a大于所述第二口径b，此处的交替间隔优选的为等间距的间隔；其中优选的n＝6或8，当n＝6时，则第一进气口91和第二进气口92分别为3个；当n＝8时，则第一进气口91和第二进气口92分别为4个。
进一步，结合图3和图4所示，所述进气环还包括位于所述第一电极环3内圈的第二进气环2，所述第二进气环2上排布有m个具有第三口径c的第三进气口93，其中，优选地，针对本实用新型示例性的9对棒电子级多晶硅还原炉而言，m优选的为大于等于1、且小于等于6的整数。优选地，所述第三口径c与所述第二口径b相等。如图3所示，当所述m＝1时，即当所述第二进气环2上只排布有1个具有第三口径c的第三进气口93时，所述第三进气口93位于所述底盘1的中心位置；如图4所示，当所述m＝3时，即当所述第二进气环2上排布有3个具有第三口径c的第三进气口93时，3个所述第三进气口93位于所述底盘1的内圈形成内环。
结合图1和图4所示，所述出气环至少包括位于所述第二电极环5外圈的第一出气环6，所述第一出气环6上间隔排布有s个出气口7，优选的，针对本实用新型示例性的9对棒电子级多晶硅还原炉而言，s优选的为大于等于4、且小于等于12的整数，优选的，s＝6，即出气口7设有6个，且6个出气口等间距排布。
本实用新型还提供了一种还原炉，其包括上述所述的电子级多晶硅还原炉底盘，用于采用改良西门子法生产多晶硅。优选地，本实用新型示例性的还原炉为改良西门子法的9对棒电子级多晶硅还原炉。
为了进一步说明，本实用新型示例以下多个实施例并分别结合图1～图4对本实用新型的多晶硅还原炉进行说明，其中，为了便于说明，下述实施例均采用的是9对棒电子级多晶硅还原炉底盘。
实施例1
如图1所示，本实施例的所述多晶硅还原炉包括：为圆盘结构的底盘1及形成于底盘1上的第一电极环3、第一进气环4、第二电极环5和第一出气环6；其中，第一电极环3、第一进气环4、第二电极环5和第一出气环6均是以底盘1的中心为圆心、从内至外依次设置的同心圆；第一电极环3上均匀排布有三对电极8，第二电极环5均匀排布有六对电极8；第一出气环6的圆周上沿顺时针均匀排布有6个混合气体出口7。
第一进气环4的圆周上沿顺时针均匀排布有6个混合气体进气喷嘴，该6个混合气体进气喷嘴依次为一号混合气体进气喷嘴7’、二号混合气体进气喷嘴8’、三号混合气体进气喷嘴9’、四号混合气体进气喷嘴10’、五号混合气体进气喷嘴11’和六号混合气体进气喷嘴12’；其中，
第一进气环4上的一号混合气体进气喷嘴7’、三号混合气体进气喷嘴9’和五号混合气体进气喷嘴11’的喷嘴直径相同，其喷嘴直径均为a；第一进气环4上的二号混合气体进气喷嘴8’、四号混合气体进气喷嘴10’和六号混合气体进气喷嘴12’的喷嘴直径相同，其喷嘴直径均为b；且两组混合气体进气喷嘴直径不同，即a≠b。
本实施例中第一进气环4上均匀排布有6个两组喷嘴直径的混合气体进气喷嘴，构成了6出口、(3+3)喷嘴结构模式的电子级多晶硅还原炉底盘。
实施例2
如图2所示，本实施例的所述多晶硅还原炉包括：为圆盘结构的底盘1及形成于底盘1上的第一电极环3、第一进气环4、第二电极环5和第一出气环6；其中，第一电极环3、第一进气环4、第二电极环5和第一出气环6均是以底盘1的中心为圆心、从内至外依次设置的同心圆；第一电极环3上均匀排布有三对电极8，第二电极环5均匀排布有六对电极8；第一出气环6的圆周上沿顺时针均匀排布有4个混合气体出口7。
第一进气环4上的圆周上沿顺时针均匀排布有8个混合气体进气喷嘴，该8个混合气体进气喷嘴依次为一号混合气体进气喷嘴7’、二号混合气体进气喷嘴8’、三号混合气体进气喷嘴9’、四号混合气体进气喷嘴10’、五号混合气体进气喷嘴11’、六号混合气体进气喷嘴12’、七号混合气体进气喷嘴13’和八号混合气体进气喷嘴14’；其中，
第一进气环4上一号混合气体进气喷嘴7’、三号混合气体进气喷嘴9’、五号混合气体进气喷嘴11’和七号混合气体进气喷嘴13’的喷嘴直径相同，其喷嘴直径均为a；第一进气环4上的二号混合气体进气喷嘴8’、四号混合气体进气喷嘴10’、六号混合气体进气喷嘴12’和八号混合气体进气喷嘴14’的喷嘴直径相同，其喷嘴直径均为b；且两组混合气体进气喷嘴直径不同，即a≠b。
本实施例中第一进气环4上排布有8个两组喷嘴直径的混合气体进气喷嘴，构成了4出口、(4+4)喷嘴结构模式的电子级多晶硅还原炉底盘。
实施例3
如图3所示，本实施例的所述多晶硅还原炉包括：为圆盘结构的底盘1及形成于底盘1上的第二进气环2、第一电极环3、第一进气环4、第二电极环5和第一出气环6；其中，第二进气环2上只设有一个位于底盘1中心的进气喷嘴7’，该进气喷嘴7’的喷嘴直径为c；第一电极环3、第一进气环4、第二电极环5和第一出气环6均是以底盘1的中心为圆心、从内至外依次设置的同心圆；第一电极环3上均匀排布有三对电极8，第二电极环5均匀排布有六对电极8；第一出气环6的圆周上沿顺时针均匀排布有6个混合气体出口7。
第一进气环4的圆周上沿顺时针均匀排布有6个混合气体进气喷嘴，该6个混合气体进气喷嘴依次为一号混合气体进气喷嘴8’、二号混合气体进气喷嘴9’、三号混合气体进气喷嘴10’、四号混合气体进气喷嘴11’、五号混合气体进气喷嘴12’和六号混合气体进气喷嘴13’；
第一进气环4上一号混合气体进气喷嘴8’、三号混合气体进气喷嘴10’和五号混合气体进气喷嘴12’的喷嘴直径相同，其喷嘴直径均为a；第一进气环4上二号混合气体进气喷嘴9’、四号混合气体进气喷嘴11’和六号混合气体进气喷嘴13’的喷嘴直径相同，其喷嘴直径均为b；且两组混合气体进气喷嘴直径不同，即a≠b，优选的，a＞b，且b＝c。
本实施例中第二进气环2和第一进气环4上分别均匀排布有1个和6个两组喷嘴直径的混合气体进气喷嘴，构成了6出口、1+(3+3)喷嘴结构模式的电子级多晶硅还原炉底盘。
实施例4
如图4所示，本实施例的所述多晶硅还原炉包括：为圆盘结构的底盘1及形成于底盘1上的第二进气环2、第一电极环3、第一进气环4、第二电极环5和第一出气环6；其中，第二进气环2、第一电极环3、第一进气环4、第二电极环5和第一出气环6均是以底盘1的中心为圆心、从内至外依次设置的同心圆；第一电极环3上均匀排布有三对电极8，第二电极环5均匀排布有六对电极8；第一出气环6的圆周上沿顺时针均匀排布有6个混合气体出口7。
第二进气环2的圆周上沿顺时针均匀排布有3个混合气体进气喷嘴，该3个混合气体进气喷嘴依次为一号混合气体进气喷嘴7’、二号混合气体进气喷嘴8’和三号混合气体进气喷嘴9’；第二进气环2上的一号混合气体进气喷嘴7’、二号混合气体进气喷嘴8’和三号混合气体进气喷嘴9’喷嘴直径相同，其喷嘴直径均为c，第二进气环2上的喷嘴直径与第一进气环4上直径较小一组喷嘴直径相同。
第一进气环4的圆周上沿顺时针均匀排布有6个混合气体进气喷嘴，该6个混合气体进气喷嘴依次为四号混合气体进气喷嘴10’、五号混合气体进气喷嘴11’、六号混合气体进气喷嘴12’、七号混合气体进气喷嘴13’、八号混合气体进气喷嘴14’和九号混合气体进气喷嘴15’；其中，
第一进气环4上的对称设置的七号混合气体进气喷嘴13’和四号混合气体进气喷嘴10’与第二进气环2上的一号混合气体进气喷嘴7’位于一条直线上；第一进气环4上四号混合气体进气喷嘴10’、六号混合气体进气喷嘴12’和八号混合气体进气喷嘴14’的喷嘴直径相同，其喷嘴直径均为a；第一进气环4上的五号混合气体进气喷嘴11’、七号混合气体进气喷嘴13’和九号混合气体进气喷嘴15’的喷嘴直径相同，其喷嘴直径均为b；且两组混合气体进气喷嘴直径不同，即a≠b，优选的，a＞b，且b＝c。
本实施例中第二进气环2和第一进气环4上分别均匀排布有3个和6个两组喷嘴直径的混合气体进气喷嘴，构成了6出口、3+(3+3)喷嘴结构模式的电子级多晶硅还原炉底盘。
在硅棒直径为50mm时运用STR集团的Polysim软件分别对改进前后还原炉建立模型，其工艺参数分别为：TCS(SiHCl3，三氯氢硅)流量为5.06kmol/h、SiH2Cl2流量为0.23kmol/h、H2流量为10.37kmol/h，与采用现有还原炉底盘相比的还原炉内的温场和流场相比，采用本实用新型的还原炉底盘的还原炉内流动结构大幅改善，竖直截面上气体停滞区面积大量减少，炉内尤其是硅棒桥接附近温度分布更加均匀，气体过热区大幅减少，可看出改进喷嘴结构后大幅改善了炉内气体流动结构和温场结构。
进一步，在上述工艺参数的基础上，在相同的工艺之间内，分别采用改进前后的还原炉体进行实验，与改进前相同直径混合气体进气喷嘴相比，参照下述表1：优化前后模拟计算结果对比，改进后的还原炉的多晶硅沉积速率提高42.8％，单位能耗降低18.5％，TCS的转化率提高31.7％，总产量也提高32.2％。
表1：优化前后模拟计算结果对比
经过实验验证，配合恰当的工艺料表，分别采用改进前后的还原炉体运行多个炉次，与改进前相同直径混合气体进气喷嘴相比，该布置能实现沉积质量和沉积效率的大幅提升，具体表现在多晶硅菜花料比例下降约10％～15％，还原炉的多晶硅沉积速率提高40％以上，单位能耗降低约15～25％。
由于间隔的混合气体进气喷嘴直径不同，使高速进料气体向上喷射后，在炉体上方形成沿辐线方向经外圈气体出口排出的强有力的炉内气体循环达到良好的循环状态，有利于促进沉积区域反应物的吸附和生成物的驱离，即提高了质量传递效率，进而提高沉积速率；有利于沉积区域温度分布均匀，减少非致密料比例有利于减少气体滞留区，避免局部气体温度过高，这将有利于减少硅微粉形成，进而减少接地的可能性，有利于生产稳定与生产安全。总的来说，该底盘布置使还原炉内部混合气体流场更加稳定，温场及硅棒表面温度分布更为均匀，保证了各个硅芯生长情况的一致性。
本实用新型的电子级多晶硅还原炉底盘通过在底盘上间隔布置不同口径的进气口，使得反应气体进入炉内的流速不一致，改变现有技术中的均匀的气流分布，形成高低搭配的气流，有效减少了炉体上部的气体停滞区，从而减少了菜花料形成几率，提高了多晶硅产品质量产量，减少了单位能耗。同时，该设计的混合气体进气口的位置和数量更加多样化，适合不同生产模式，更加合理的利用了底盘空间。
本实用新型所揭示的乃较佳实施例的一种或多种，凡是局部的变更或修饰而源于本实用新型的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本实用新型的专利权范围。
Claims (9)
1.一种电子级多晶硅还原炉底盘，其特征在于，包括底盘、由若干电极形成的电极环、由若干进气口形成的进气环及由若干出气口形成的出气环，所述底盘为圆盘结构，所述电极、进气口及出气口均设于所述底盘上，形成的所述电极环、进气环和所述出气环均是以底盘的中心为圆心的同心圆，所述电极环至少包括由内至外依次设置的第一电极环和第二电极环，所述进气环至少包括设于所述第一电极环和所述第二电极环之间的第一进气环，所述第一进气环上的若干进气口的口径不完全相等。
2.根据权利要求1所述的电子级多晶硅还原炉底盘，其特征在于，所述电极环中位于外圈的电极环上的电极数量多于位于内圈的电极环上的电极数量。
3.根据权利要求2所述的电子级多晶硅还原炉底盘，其特征在于，所述电极包括9对，其中，3对所述电极等间距排布于所述第一电极环上，剩余6对所述电极等间距排布于所述第二电极环上。
4.根据权利要求1所述的电子级多晶硅还原炉底盘，其特征在于，所述出气环至少包括位于所述第二电极环外圈的第一出气环，所述第一出气环上间隔排布有s个出气口，其中s为大于等于4的整数。
5.根据权利要求1～4任一所述的电子级多晶硅还原炉底盘，其特征在于，所述第一进气环上设排布有n个进气口，其中，n为大于等于4的偶数，所述n个进气口包括具有第一口径的第一进气口和具有第二口径的第二进气口，所述第一进气口和所述第二进气口交替间隔排布，所述第一口径大于所述第二口径。
6.根据权利要求5所述的电子级多晶硅还原炉底盘，其特征在于，所述进气环还包括位于所述第一电极环内圈的第二进气环，所述第二进气环上排布有m个具有第三口径的第三进气口，其中，m为大于等于1的整数。
7.根据权利要求6所述的电子级多晶硅还原炉底盘，其特征在于，所述第三口径与所述第二口径相等。
8.根据权利要求6所述的电子级多晶硅还原炉底盘，其特征在于，当所述m等于1时，所述第三进气口位于所述底盘的中心位置。
9.一种还原炉，用于生产多晶硅，其特征在于，其包括如权利要求1～8任一所述的电子级多晶硅还原炉底盘。
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