CN216426770U - 电极以及包括该电极的多晶硅还原气相沉积炉 - Google Patents

Abstract

一种用于多晶硅还原气相沉积炉的电极，电极包括电极本体，在电极本体中设置有气体管道。一种包括该电极的多晶硅还原气相沉积炉中设置有硅芯组件，硅芯组件包括第一本体、第二本体和连接在第一本体和第二本体之间的连接部，第一本体和第二本体均为空心管状的，且连接有上述电极，冷却气体可通过电极的气体管道进入中空的第一本体和/或第二本体内部。上述电极和包括该电极的多晶硅还原气相沉积炉能够提高硅的生长速率，并且还减少能耗。

Description

电极以及包括该电极的多晶硅还原气相沉积炉

技术领域

本实用新型涉及多晶硅的制造，具体涉及进行多晶硅的气相沉积的气相沉积炉中的电极的改进。

背景技术

在我国提出在2030年碳达峰、2060年达到碳中和的背景下，对新能源的需求将日益上升。太阳能发电是新能源的一个重要组成部分，在“双碳”目标的需求背景下，预计太阳能发电的比例将从目前的不到4％提升到40％，因此光伏太阳能产业将迎来长足发展。

目前，太阳能发电的成本已经低于火电的成本。太阳能发电设备的制造商仍在节能降耗方面进行积极探索，以进一步降低太阳能发电的成本。太阳能发电设备的一种主要工序是多晶硅生产，其中改良西门子法是多晶硅生产的主流工艺。在多晶硅的制造方法中，将气态的三氯氢硅(TCS)和氢气以一定的比例通入到气相沉积(CVD)炉中，在设置在气相沉积炉中的硅芯上发生气相沉积，由此生成高纯度的多晶硅。在气相沉积反应过程中，所吸收的热量仅占输入热量的5％左右，其它的热量则通过炉筒水、底盘水、高温尾气等被带离气相沉积炉。

图1示出了一种目前常用的气相沉积炉1的剖视图，其中该气相沉积炉1 包括炉筒2，在炉筒2所围成的炉内空间中容纳有多个硅芯3，这些硅芯3通常是实心硅棒。在硅芯3上、例如在硅芯3的底部连接有电极4。电极4对硅芯3进行加热，从而硅芯3被加热到气相沉积温度，例如通常加热到1100℃，由此，在硅芯3上发生气相沉积。在气相沉积炉1的底盘上还设置有多个喷嘴 5，氢气和TCS的混合气体从这些喷嘴喷入到炉内空间中，在被加热到预定温度的硅芯3的表面上发生还原性的气相沉积。反应后生成的还原尾气从设置在底盘上的尾气出口流出气相沉积炉1。

图2示出了安装在图1的气相沉积炉1中的电极4的剖视图。其中，该电极4通常为铜电极，其包括电极本体41，该电极本体41的外表面上形成有至少一个电极密封部42，在将电极本体41安装到气相沉积炉的底盘中时，电极密封部42可起到使炉内空间对于外部密封的作用。电极4的内部设置有冷却水通道，在冷却水通道上设置有冷却水入口43和冷却水出口44。在电极4通电而对硅芯3进行加热时，冷却水从冷却水入口43流入电极4中，以对电极4进行冷却，在吸收了电极4的热量之后，温度升高的冷却水可从冷却水出口44 排出。

对于上述现有的气相沉积炉的结构，在运行过程中发现存在如下的一些问题：首先，硅芯的初始表面积比较小，因而至少在硅的气相沉积的初始阶段硅的生长速度较慢；其次，随着硅芯的直径生长到一定的程度之后，由于硅芯是从内向外由电极4来加热的，因此为了在外表面维持所需的气相沉积温度，需要增加电极电流，导致硅芯内部的温度过高，例如在硅芯外表面温度处于 1100℃的气相沉积温度下时，硅芯的内部温度有时可达到1250℃，而且在这种情况下，气相沉积炉的整体运行能耗也会增加。

因此，存在对气相沉积炉的结构进行进一步改进的需求，以提高硅沉积的速度，并且还能降低气相沉积炉的电耗。

实用新型内容

本实用新型是为了解决以上所述现有技术的气相沉积炉所存在的问题而做出的。本实用新型的目的是提供一种新型的多晶硅还原气相沉积炉及其电极的结构，其能够提高该多晶硅还原气相沉积炉中的硅的生长速率，并且还能够减少该多晶硅还原气相沉积炉的电耗。

本实用新型提供一种用于多晶硅还原气相沉积炉的电极，该电极包括电极本体，电极本体内部设置有冷却组件，冷却组件包括冷却水管道，冷却水管道设置有电极冷却水入口和电极冷却水出口。其中，电极还包括设置在电极本体内部的气体管道，气体管道的下端形成有电极气体进口，并且，电极本体的顶部设置有开口，以形成电极气体出口，气体管道的上端与电极气体出口连通，由此，气体可从电极气体进口流入气体管道，并从电极气体出口流出。

较佳地，冷却水管道设置在气体管道周围。

进一步较佳地，在冷却水管道和气体管道之间设置有隔热层，以防止冷却水管道中的冷却水对气体管道中的气体产生影响。

在一种具体结构中，电极冷却水入口和电极冷却水出口设置在冷却水管道的下部，冷却水管道从电极冷却水入口开始向上延伸，在电极的顶部处或顶部附近转过180°，然后向下延伸到电极冷却水出口。

进一步地，电极本体由铜制成。另外，气体管道和冷却水管道可由不锈钢制成。

本实用新型还涉及一种多晶硅还原气相沉积炉，该多晶硅还原气相沉积炉包括炉筒和底盘，炉筒和底盘一起封围出炉膛，炉膛中设置有：至少一个硅芯组件，硅芯组件包括第一本体、第二本体和连接在第一本体和第二本体之间的连接部，其中第一电极穿过底盘与第一本体连接，第二电极穿过底盘与第二本体连接；以及多个喷嘴，用于进行气相沉积的工艺气体从喷嘴喷入到炉膛中。在本实用新型中，第一本体为空心的，在第一本体中形成有从第一本体的下端延伸到第一本体的上端的第一空腔，在第一本体的上端形成有第一硅芯气体出口，且第一电极为如上所述的电极，且第一电极与第一本体的下端连接，且第一电极的电极气体出口与第一空腔连通。替代地或附加地，第二本体也为空心的，在第二本体中形成有从第二本体的下端延伸到第二本体的上端的第二空腔，在第二本体的上端形成有第二硅芯气体出口，且第二电极为如上所述的电极，且第二电极与第二本体的下端连接，且第二电极的电极气体出口与第二空腔连通。

上述多晶硅还原气相沉积炉中的硅芯组件和电极的独特结构相协作，使得在多晶硅的气相沉积过程中，可以通过电极的气体管道将诸如氢气、氢气和三氯氢硅的混合气体等输送到硅芯组件的呈中空管状结构的第一本体和/或第二本体内部。这样，通过对硅芯组件的两个本体的内表面进行冷却，使得内表面处的热流密度降低，进而使外表面的热流密度上升，从而促进多晶硅在外表面上的生长速度。而在通入硅芯组件内部的气体包括氢气和三氯氢硅的情况下，在内外表面上都可进行多晶硅的气相沉积，从而反应面积倍增，进一步提高了多晶硅的生产效率。而且，生产过程中的能耗也下降。

在一种具体结构中，包括多个硅芯组件，这些硅芯组件沿着多晶硅还原气相沉积炉的周向以均匀的间隔布置。

较佳地，第一本体的直径为40～200mm，且呈空心管状的第一本体的壁厚为1～10mm。同样，第二本体也可以是直径为40～200mm，且呈空心管状的第二本体的壁厚为1～10mm。

附图说明

附图中示出了本实用新型的非限制性的较佳实施结构，结合附图，可使本实用新型的特征和优点更加明显。其中：

图1示出了一种现有技术的多晶硅还原气相沉积炉的剖视图。

图2示出了图1的多晶硅还原气相沉积炉中的电极的剖视图。

图3示出了本实用新型的多晶硅还原气相沉积炉的剖视图。

图4示出了图3的多晶硅还原气相沉积炉的底盘的俯视图。

图5示出了图3的多晶硅还原气相沉积炉的硅芯组件的剖视图，其中示出了该硅芯组件的两个本体为空心管状的形式。

图6示出了图3部分A的放大图，从中可更清楚地看到用于该多晶硅还原气相沉积炉的电极的结构。

(符号说明)

1 气相沉积炉(现有技术)

2 炉筒(现有技术)

3 硅芯(现有技术)

4 电极(现有技术)

41 电极本体(现有技术)

42 电极密封部(现有技术)

43 冷却水入口(现有技术)

44 冷却水出口(现有技术)

5 喷嘴(现有技术)

100 多晶硅还原气相沉积炉

110 炉筒

111 底盘

112 尾气出口

120 硅芯组件

121 第一本体

122 第二本体

123 连接部

124 第一空腔

125 第二空腔

126 第一硅芯气体出口

127 第二硅芯气体出口

130 电极

131 电极本体

132 密封部

133 气体管道

134 电极气体进口

135 电极气体出口

136 冷却水管道

137 电极冷却水入口

138 电极冷却水出口

140 喷嘴

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当了解，附图中所示的仅仅是本实用新型的较佳实施例，其并不构成对本实用新型的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本实用新型进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，这些都落在本实用新型的保护范围之内。

在以下的对本实用新型的具体描述中，所使用的诸如“上”、“下”之类的表示方向和朝向的用语是为了便于描述而以附图所示的多晶硅还原气相沉积炉的朝向为基准的，且附图所示的多晶硅还原气相沉积炉的朝向为其在使用状态时通常的朝向，但也不排除该多晶硅还原气相沉积炉会采取其它朝向，例如在运输等过程中。

图3示出了本实用新型的多晶硅还原气相沉积炉100的侧剖视图，以清楚地示出该多晶硅还原气相沉积炉100的内部结构。

多晶硅还原气相沉积炉100包括炉筒110，该炉筒110与底盘111一起封围出炉内空间，即炉膛。通常来说，气相沉积炉100整体呈圆柱形的形状。

在多晶硅还原气相沉积炉100的炉膛中设置有至少一个、通常多个硅芯组件120，图3的剖视图中示出了一个这种硅芯组件120。较佳地，在多晶硅还原气相沉积炉100内包括多个硅芯组件120，它们沿着多晶硅还原气相沉积炉100的周向间隔大致均匀地布置。

多晶硅还原气相沉积炉100中还设置有多个电极130，电极130与硅芯组件120连接，从而能够对硅芯组件120通电，以加热硅芯组件120。电极 130从底盘111的下方插入到多晶硅还原气相沉积炉100中，并连接到硅芯组件120的下端，且通过诸如石墨夹(未示出)之类的导电连接结构与硅芯组件120相连接。

图4示出了多晶硅还原气相沉积炉100的底盘111的俯视图，其中示出，底盘111上沿着周向布置有两圈电极130，这些电极较佳地以周向间隔大致均匀地布置。并且，在这两圈电极之间设置有至少一个、通常有多个的喷嘴140，用于向多晶硅还原气相沉积炉100的炉膛内部输送工艺气体。从图3中可以看到，喷嘴140也是从底盘111的下方插入，并伸入到多晶硅还原气相沉积炉100的炉膛内部，工艺气体从喷嘴140的喷嘴气体进口流入，经喷嘴140流入到炉膛内。

工艺气体在进入到多晶硅还原气相沉积炉100的炉膛内之后，通过气相沉积反应，在硅芯组件120上生长出高纯度多晶硅。反应后的尾气将从位于底盘111中心的尾气出口112排出多晶硅还原气相沉积炉100。尾气出口112并不必须位于底盘111的中心，也可根据实际需要位于其它合适的位置上。

下面将分别描述多晶硅还原气相沉积炉100的各部件的具体结构。

<硅芯组件>

图5示出了本实用新型的多晶硅还原气相沉积炉100中的硅芯组件120 的一种示例性的结构。如图所示，硅芯组件120为大致倒U形的，其包括第一本体121、第二本体122和将第一本体121和第二本体122连接在一起的连接部123，其中连接部123较佳地如图所示连接在第一本体121和第二本体122的顶部之间。

第一本体121为空心的管状结构，即，在第一本体121中形成有从第一本体121的下端延伸到第一本体121上端的第一空腔124。将在下文中详细描述的电极130从第一本体121的下端伸入到第一空腔124中。此外，在第一本体121的上端形成有第一硅芯气体出口126。

可选地，第二本体122的结构可与第一本体121类似，即第二本体122 中形成有从第二本体122的下端延伸到第二本体122的上端的第二空腔125。另一个电极130从第二本体122的下端伸入到第二空腔125中。在第二本体122的上端则形成有第二硅芯气体出口127。

硅芯组件120的的第一本体121和第二本体122为管状的，其截面较佳地为圆形，但也包括方形、多边形等的情况。

另外，用于多晶硅还原气相沉积炉100的硅芯组件120的第一本体121 和第二本体122各自的直径可以在40-200mm的范围内，且呈空心管状的第一本体121和第二本体122各自的壁厚在1-10mm的范围内。

<电极>

回到图3，多晶硅还原气相沉积炉100中设置的多个电极130如上所述地从底盘111的下方插入到多晶硅还原气相沉积炉100中，并与硅芯组件 120的各本体的下端相连接，具体是分别第一本体121和第二本体122相连接。并且，电极130与第一本体121和/或第二本体122的下端连接，电极 130的上端可以伸入到硅芯组件120的第一本体121的第一空腔124和/或第二本体122的第二空腔125中，从而电极130的电极气体出口与第一空腔124和/或第二空腔125连通。对于每一个硅芯组件120来说，对应于两个电极130，这两个电极130成为一组，其中一个为正极，另一个为负极。这样，当对这两个电极130通电时，电流将流过硅芯组件120的第一本体 121和第二本体122，从而实现对第一本体121和第二本体122的加热。

电极130的布置与硅芯组件120的布置相对应，因此，如图5中所示的，在有多个硅芯组件120沿多晶硅还原气相沉积炉100的周向间隔大致均匀地布置的情况中，多个电极130也沿着多晶硅还原气相沉积炉100的周向间隔大致均匀地布置。在图5中所示的结构中，沿着多晶硅还原气相沉积炉 100的截面的径向从内到外布置有两圈电极130。当然，也可根据具体的多晶硅还原气相沉积炉100的结构，例如其中的硅芯组件120的数量和布置方式等，设置其它布置形式和其它圈数的电极130。

图6示出了图3的部分A的放大图，从中可更清楚地看到本实用新型的电极130的一种示例性结构。该电极130具有电极本体131，较佳地该电极本体131为铜质的。电极本体131的外表面上形成有至少一个密封部132，该密封部在电极130与底盘111中安装该电极130的部分之间形成密封，防止多晶硅还原气相沉积炉100内部的工艺气体从安装电极130的位置处泄漏。

在图6中所示的示例性结构中，密封部132为一体形成在电极本体131 的外表面上的凸环。当然，密封部132也可为其它形式，例如单独形成的密封环等，只要能够实现电极130与底盘111之间的密封即可。

在电极本体131内部设置有气体管道133，气体管道133的下端形成有电极气体进口134，并且气体管道133的上端与形成在电极本体131顶部的电极气体出口135连通。这样，可从多晶硅还原气相沉积炉100的外部将工艺气体通过电极130的气体管道133输入到硅芯组件120的第一本体121 和第二本体122中。此处，工艺气体可以是氢气、TCS或它们的混合，也可以是其它类型的气体。具体将在下文中详细描述。

在电极本体131的内部且围绕着气体管道133形成有冷却水管道136，并且在冷却水管道136的下部设置有电极冷却水入口137和电极冷却水出口138。该冷却水管道136从电极冷却水入口137开始向上延伸，在电极 130的顶部处或顶部附近转过180°，然后向下延伸到电极冷却水出口138。冷却水从电极冷却水入口137流入到冷却水管道136中，首先向上流动，在电极130的顶部折流180°，向下流动，最后从电极冷却水入口137排出。在冷却水的流动过程中，可对电极130的电极本体131进行冷却，以防止电极本体131过热。

较佳地，在气体管道133和冷却水管道136之间设置隔热层，从而当冷却水流经冷却水管道136时，电极本体131会受到冷却，但气体管道133 中的工艺气体不会受到冷却水的影响，或者影响很小。

以上所述的气体管道133和冷却水管道136例如可以由不锈钢等材质制成。

此外，在本实用新型的多晶硅还原气相沉积炉100中，不必所有的硅芯组件120都具有空心的管状结构且与具有上述结构的电极130连接，而是可以将一部分硅芯组件120设置成包括空心管状的结构，且与本实用新型的电极130连接。甚至，对于某一个硅芯组件120来说，也可以是其第一本体121和第二本体122中的一个为空心结构，且与上述结构的电极130 连接，而另一个为现有技术的实心硅棒，且所连接的是已有的电极。这些都在本实用新型的范围之中。

通过具有上述结构的多晶硅还原气相沉积炉100，可以在多晶硅的沉积过程中提高多晶硅的生产效率。而且，该生产过程中的能耗也下降。使用本实用新型的多晶硅还原气相沉积炉100的多晶硅沉积方法简单来说如下所述地进行。

首先，在多晶硅沉积时，通过喷嘴140向多晶硅还原气相沉积炉100 的炉膛内部输入工艺气体，例如氢气和三氯氢硅(TCS)的混合气体，或氢气、三氯氢硅(TCS)和二氯二氢硅者的混合气体。在对多晶硅还原气相沉积炉100的炉膛内部通气时，对电极130通电，将硅芯组件120的第一本体121和第二本体122加热到气相沉积反应温度，例如1100℃左右。

并且，在进行多晶硅气相沉积的过程中，还从电极130的电极气体进口134通入气体，以使该气体流入到电极130的内部，流经电极130中的气体管道133，再从电极气体出口135喷出，流入到硅芯组件120的第一本体121的第一空腔124和/或硅芯组件120的第二本体122的第二空腔125 中。

从电极气体进口134通入并流入到第一本体121和/或第二本体122中的气体可以起到对电极130的内壁进行冷却的作用，另外，通过添加其它工艺气体，可以进一步地提高化学沉积多晶硅的反应效率。

例如，通入电极气体进口134的气体可以是纯氢气，该纯氢气的温度通常小于300℃。

流入到第一空腔124中的该纯氢气可使第一本体121的内表面的温度降低。申请人注意到，内表面温度降低使得内表面处的多晶硅导电率下降，进而使得内表面处的热流密度降低。这样的话，硅芯组件120的第一本体 121的外表面处的热流密度会上升，使得该外表面上的温度升高，从而可促进多晶硅在外表面上的生长速度，提高多晶硅的生产效率。

或者，也可以将包括诸如氢气和TCS的混合工艺气体(或氢气、三氯氢硅(TCS)和二氯二氢硅者的混合气体)从电极130的电极气体进口134 通入到电极130中。当通入电极130的是混合工艺气体时，该混合工艺气体流入到第一本体121的第一空腔124中，使得在中空的第一本体121的内表面上同时发生气相沉积反应，即，在电极130的内表面上也发生多晶硅的沉积。这样的话，供多晶硅生长的表面积成倍地增加，由此可大大缩短多晶硅沉积所需要的时间。

在第二本体122的第二空腔125中通入的氢气或者氢气与TCS混合工艺气体也具有与第一本体121的第一空腔124中同样的效果。

由此，与现有技术相比，通过本实用新型的多晶硅还原气相沉积炉100，可降低电极的电功率，并且多晶硅生长速度也能提高。申请人发现，在这两个因素叠加的作用下，可使得多晶硅还原气相沉积炉100的整体电耗下降约40％以上。

Claims (8)

1.一种电极，所述电极用于多晶硅还原气相沉积炉，所述电极包括电极本体，所述电极本体内部设置有冷却组件，所述冷却组件包括冷却水管道，所述冷却水管道设置有电极冷却水入口和电极冷却水出口，其特征在于，

所述电极还包括设置在所述电极本体内部的气体管道，所述气体管道的下端形成有电极气体进口，并且，所述电极本体的顶部设置有开口，以形成电极气体出口，所述气体管道的上端与所述电极气体出口连通，由此，气体可从电极气体进口流入气体管道，并从电极气体出口流出。

2.如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述冷却水管道设置在所述气体管道周围。

3.如权利要求2所述的电极，其特征在于，在所述冷却水管道和所述气体管道之间设置有隔热层。

4.如权利要求2所述的电极，其特征在于，所述电极冷却水入口和所述电极冷却水出口设置在所述冷却水管道的下部，所述冷却水管道从所述电极冷却水入口开始向上延伸，在所述电极的顶部处或顶部附近转过180°，然后向下延伸到所述电极冷却水出口。

5.如权利要求2所述的电极，其特征在于，所述电极本体由铜制成，和/或

所述气体管道和所述冷却水管道由不锈钢制成。

6.一种多晶硅还原气相沉积炉，所述多晶硅还原气相沉积炉包括炉筒和底盘，所述炉筒和所述底盘一起封围出炉膛，所述炉膛中设置有：

至少一个硅芯组件，所述硅芯组件包括第一本体、第二本体和连接在所述第一本体和所述第二本体之间的连接部，其中第一电极穿过所述底盘与所述第一本体连接，第二电极穿过所述底盘与所述第二本体连接；以及

多个喷嘴，用于进行气相沉积的工艺气体从所述喷嘴喷入到所述炉膛中；

其特征在于，所述第一本体为空心的，在所述第一本体中形成有从所述第一本体的下端延伸到所述第一本体的上端的第一空腔，在所述第一本体的上端形成有第一硅芯气体出口，且所述第一电极为如权利要求1～5中任一项所述的电极，且所述第一电极与所述第一本体的下端连接，且所述第一电极的所述电极气体出口与所述第一空腔连通；和/或

所述第二本体为空心的，在所述第二本体中形成有从所述第二本体的下端延伸到所述第二本体的上端的第二空腔，在所述第二本体的上端形成有第二硅芯气体出口，且所述第二电极为如权利要求1～5中任一项所述的电极，且所述第二电极与所述第二本体的下端连接，且所述第二电极的所述电极气体出口与所述第二空腔连通。

7.如权利要求6所述的多晶硅还原气相沉积炉，其特征在于，包括多个所述硅芯组件，所述硅芯组件沿着所述气相沉积炉的周向以均匀的间隔布置。

8.如权利要求6所述的多晶硅还原气相沉积炉，其特征在于，所述第一本体的直径为40～200mm，且呈空心管状的所述第一本体的壁厚为1～10mm；和/或

所述第二本体的直径为40～200mm，且呈空心管状的所述第二本体的壁厚为1～10mm。

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