專利名稱：多晶硅生產(chǎn)用還原爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多晶硅生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，更明確地說涉及西門子法多晶硅生產(chǎn) 用還原爐的改進(jìn)和創(chuàng)新。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的多晶硅生產(chǎn)一般釆用西門子法。多晶硅還原爐的結(jié)構(gòu)大致如下。
生產(chǎn)時(shí)將提純后的SiHCl3與H2混合后，從底部九個(gè)進(jìn)氣口噴入還原爐。氣 體亦從底部出氣口排出。器內(nèi)還排布了 12對(duì)電極。生產(chǎn)前先將直徑8mm的 細(xì)珪棒固定在電極上，硅棒高2350mm， 24根硅棒在頂部再由直徑8mm的 硅棒兩兩相接，將12對(duì)電極連通。然后再將還原爐外殼體吊裝到底座上， 把硅棒罩住。外殼體與底座由緊固件連為一體并密封。工作時(shí)，硅棒溫度為 IIO(TC，器內(nèi)壓力'為0.6MPa，出口氣體溫度在550。C左右。
現(xiàn)有多晶硅還原爐的進(jìn)、出氣口均為與還原爐內(nèi)部底平面平齊的圓形開 口，進(jìn)氣速度較快。原設(shè)計(jì)的意圖是進(jìn)口氣體以高速噴入爐內(nèi)，形成氣柱， 到達(dá)頂部后再折返向下從底部出口排出。由于高速氣流的擾動(dòng)與折返，在爐 內(nèi)形成強(qiáng)湍流流場(chǎng)， 一方面保證各斷面上氣體組成均一，另一方面湍流流場(chǎng) 可強(qiáng)化氣固間的傳質(zhì)，加快硅在硅棒表面的沉積速度。
但是，目前的多晶硅還原爐存在以下缺陷
1. 上升氣柱在底部即會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散，導(dǎo)致部分流體未與硅棒充分接觸， 即產(chǎn)生短路直接從出氣口排出，降低了生產(chǎn)的一次性轉(zhuǎn)換率。
2. 頂部存在流體流動(dòng)的死區(qū)，尤其在剛開爐時(shí)，氣體的流入量低，噴 射氣柱不能到達(dá)頂部，再加之氫氣的密度小，在頂部易形成氫濃度高的區(qū)域， 導(dǎo)致硅棒上部硅沉積速度低；由于底座上僅一個(gè)出氣口并靠近中心，故底部 周邊亦存在流體流動(dòng)的死區(qū)，同樣造成硅沉積速度低?，F(xiàn)所產(chǎn)硅棒的頂部和 底部細(xì)，中部粗即可證明上述推論。
3. 爐內(nèi)氣體溫度不便于控制。由于從開爐到出爐期間，氣體的流量變 化很大，此外硅棒的直徑也在不斷增加，若硅棒表面維持IIO(TC不變，上 述兩因素均導(dǎo)致氣體溫度變化，且調(diào)整困難。
4. 一次性轉(zhuǎn)換率低。目前多晶硅還原爐的一次性轉(zhuǎn)換率在10°/。 18%。
3要提高一次性轉(zhuǎn)換率，應(yīng)提高某些生產(chǎn)階段的氣體流量，以加強(qiáng)爐內(nèi)氣體湍 動(dòng)，強(qiáng)化傳質(zhì)，即提高硅在硅棒表面的沉積速度。但氣體流量增加，縮短了 氣體在爐內(nèi)的停留時(shí)間，又會(huì)導(dǎo)致一次性轉(zhuǎn)換率低。以現(xiàn)有還原爐結(jié)構(gòu)與操 作方式無法解決上述矛盾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就在于克服上述缺點(diǎn)和不足，提供一種多晶硅生產(chǎn)用還 原爐。其結(jié)構(gòu)合理，可避免上升氣柱在底部的擴(kuò)散，流體可與硅棒充分接觸， 硅的一次性轉(zhuǎn)換率高。還原爐頂部和底部不存在流體流動(dòng)的死區(qū)，提高了硅 棒上部和底部的硅沉積速度，改善了所產(chǎn)硅棒頂部和底部細(xì)、中部粗的缺點(diǎn)。 便于控制、調(diào)整爐內(nèi)的氣體溫度，既可加強(qiáng)爐內(nèi)氣體湍動(dòng)強(qiáng)化傳質(zhì)，提高硅 在硅棒表面的沉積速度，又不會(huì)縮短氣體在爐內(nèi)的停留時(shí)間，從而進(jìn)一步提 高一次性轉(zhuǎn)換率。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明包括帶有底部和支座的底座、與底座由緊固 件連為一體并密封的外殼、固定安裝在底座的底部且位于外殼中的多對(duì)電 極、固定在電極上的細(xì)硅棒、固定安裝在還原爐上以通入并排出混合氣體的 進(jìn)氣口和出氣口。外殼帶有夾套，夾套上固定、連通著冷卻水進(jìn)水口和出水
口。進(jìn)氣口固定安裝在底座的底部，出氣口固定安裝在外殼頂部的封頭上，
還原爐外殼的高度較過去提高400mm,出氣口為均布的五至七管口式結(jié)構(gòu)， 出氣口還有一路通過管路和文丘里管引入進(jìn)氣口進(jìn)入循環(huán)。
進(jìn)氣口的端部伸入爐內(nèi)100~300mm,頂部以堵板封堵或在堵板中心開 一(J)6 (])12的喇叭口 ，伸入爐內(nèi)的進(jìn)氣口端部側(cè)壁上均布設(shè)置3至6個(gè)螺 旋切向出口 。
進(jìn)氣口為均布的9~16管口式結(jié)構(gòu)，9~16管口式進(jìn)氣口端部的螺旋切向 出口的螺旋方向相同或者不同。
電極及硅棒可以有12對(duì)24根，24根電極及硅棒在頂部再由硅棒兩兩 相接。電極及硅棒也可以有15對(duì)30根，30根電極及硅棒在頂部再由硅棒 兩兩相接。電極及硅棒也可以有18對(duì)36根，36根電極及硅棒在頂部再由 硅棒兩兩相接。電極及硅棒也可以有24對(duì)48根，48根電極及硅棒在頂部 再由硅棒兩兩相接。
本發(fā)明將氣體進(jìn)出口形式改為下進(jìn)上出，進(jìn)口釆用9~16管口分布形式，
4頂部通過均布的五至七管口引出。為防止頂部各出氣口處形成的收縮流，影
響爐內(nèi)氣體軸向流速的均勻性，爐外殼高度提高400mm。下進(jìn)上出的形式
可避免進(jìn)出口間的流體短路，且能保證各橫斷面上軸向流速均一，使?fàn)t內(nèi)多 根硅棒產(chǎn)品的直徑均勻一致。
五至七管口式出氣口還有一路通過管路和文丘里管引入進(jìn)氣口。也就是 說，除部分直接引出系統(tǒng)作為尾氣外，其它氣體可通過射流引射方式引回進(jìn) 口，即實(shí)現(xiàn)部分氣體的循環(huán)。
為了使?fàn)t內(nèi)自上而下均形成軸向速度均一的強(qiáng)湍流流場(chǎng)，以利于傳質(zhì)速 率的強(qiáng)化，提高沉積速度，且所產(chǎn)硅棒直徑均一，本發(fā)明將進(jìn)氣口伸入爐內(nèi)
100-300mm，且頂部封堵或在堵板中心開(J) 6-(J) 12的喇叭口 。氣體通過端部 側(cè)壁設(shè)置3至6個(gè)螺旋切向出口，以強(qiáng)旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)入爐內(nèi)。根據(jù)流場(chǎng)模擬結(jié) 果，九個(gè)進(jìn)氣口的出氣轉(zhuǎn)旋方向可以相同或者不相同，以能造成爐內(nèi)氣體強(qiáng) 湍動(dòng)為原則來設(shè)置。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，可避免上升氣柱在底部的擴(kuò)散，流體可與硅棒充分接 觸，硅的一次性轉(zhuǎn)換率高。還原爐頂部和底部不存在流體流動(dòng)的死區(qū)，提高 了硅棒上部和底部的硅沉積速度，改善了所產(chǎn)硅棒頂部和底部細(xì)、中部粗的 缺點(diǎn)。便于控制、調(diào)整爐內(nèi)的氣體溫度，既可加強(qiáng)爐內(nèi)氣體湍動(dòng)強(qiáng)化傳質(zhì)， 提高硅在硅棒表面的沉積速度，又不會(huì)縮短氣體在爐內(nèi)的停留時(shí)間，從而進(jìn) 一步提高一次性轉(zhuǎn)換率。它可廣泛應(yīng)用于多晶硅的還原生產(chǎn)中。


圖1為本發(fā)明還原爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的俯視圖。
圖3為進(jìn)氣口伸入爐內(nèi)的端部的剖視圖。
圖4為圖3的C-C剖視圖。
圖5為實(shí)施例1的進(jìn)氣口進(jìn)氣方向示意圖。
圖6為現(xiàn)有還原爐的結(jié)構(gòu)示意圖。它包括帶有底部2和支座3的底座1、 與底座1由緊固件連為一體并密封的外殼4、固定安裝在底座1的底部2且 位于外殼4中的多對(duì)電極5、固定在電極上的細(xì)硅棒6、固定安裝在還原爐 上以通入并排出混合氣體的進(jìn)氣口 7和出氣口 8。外殼4帶有夾套9，夾套 9上固定、連通著冷卻水進(jìn)水口 IO和出水口 11。進(jìn)氣口 7固定安裝在底座l的底部2，出氣口 8也固定安裝在底座1的底部2上。因此，上升氣柱在
底部2附近即會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散，導(dǎo)致部分流體未與硅棒6充分接觸，即產(chǎn)生短路直接從出氣口8排出，降低了生產(chǎn)的一次性轉(zhuǎn)換率。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1。 一種多晶硅生產(chǎn)用還原爐，如圖1 圖5所示。本發(fā)明包括帶有底部2和支座3的底座1、與底座1由緊固件連為一體并密封的外殼4、固定安裝在底座1的底部2且位于外殼4中的多對(duì)電極5、固定在電極5上的細(xì)硅棒6、固定安裝在還原爐上以通入并排出混合氣體的進(jìn)氣口 7和出氣口 12。外殼4帶有夾套9，夾套9上固定、連通著冷卻水進(jìn)水口 IO和出水口 11。進(jìn)氣口 7固定安裝在底座1的底部2，出氣口 12固定安裝在外殼4頂部的封頭13上，還原爐外殼4的高度較過去提高400mm,出氣口 12為均布的五管口式結(jié)構(gòu)，出氣口 12的橫管15還有一路通過管路18和文丘里管19引入進(jìn)氣口 7進(jìn)入循環(huán)。外殼上還布有2個(gè)帶保護(hù)措施的視鏡20。
出氣口 12為均布的五管口式結(jié)構(gòu)，即包括與還原爐內(nèi)部連通的均布的五管口 14以及與五管口 14連通的橫管15。
進(jìn)氣口 7伸入爐內(nèi)260mm，其頂部以堵板16封堵，伸入爐內(nèi)的進(jìn)氣口7的端部側(cè)壁上均布設(shè)置3個(gè)螺旋切向出口 17。進(jìn)氣口 7為均布的9管口式結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)相同。9管口式進(jìn)氣口端部的螺旋切向出口的螺旋方向相同。電極5及硅棒6有12對(duì)24根，24根電極5及硅棒6在頂部再由硅棒6兩兩相接。
本實(shí)施例將氣體進(jìn)出口形式改為下進(jìn)上出(見圖1、圖2),進(jìn)口釆用9管口分布形式，頂部通過均布的五管口引出。為防止頂部各出氣口處形成的收縮流，影響爐內(nèi)氣體軸向流速的均勻性，爐外殼高度提高400mm。下進(jìn)上出的形式可避免進(jìn)出口間的流體短路，且能保證各橫斷面上軸向流速均一，使?fàn)t內(nèi)24根硅棒產(chǎn)品的直徑均勻一致。
為了使?fàn)t內(nèi)自下而上均形成軸向速度均一的強(qiáng)湍流流場(chǎng)，以利于傳質(zhì)速率的強(qiáng)化，提高沉積速度，且所產(chǎn)硅棒直徑均一，本發(fā)明將進(jìn)氣口伸入爐內(nèi)260mm,且頂部封堵。氣體通過端部側(cè)壁設(shè)置的3個(gè)螺旋切向出口 ，以強(qiáng)旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)入爐內(nèi)，其具體結(jié)構(gòu)形式見圖3 圖4。根據(jù)流場(chǎng)模擬結(jié)果，九個(gè)進(jìn)氣口 7的進(jìn)氣轉(zhuǎn)旋方向相同。氣體進(jìn)入爐內(nèi)的方式見圖5。
6出氣口 12的橫管15還有一路通過管路18和文丘里管19引入進(jìn)氣口 7進(jìn)入循環(huán)，也就是說除部分直接引出系統(tǒng)作為尾氣外，其它氣體可通過射流引射方式引回進(jìn)口，即實(shí)現(xiàn)部分氣體的循環(huán)。
實(shí)施例2。 一種多晶硅生產(chǎn)用還原爐。其出氣口 12為均布的七管口式結(jié)構(gòu)，出氣口 12還有一路通過管路18和文丘里管19引入進(jìn)氣口 7進(jìn)入循環(huán)。進(jìn)氣口 7的端部伸入爐內(nèi)300mm,頂部在堵板16中心開一4) 12的喇叭口 20，伸入爐內(nèi)的進(jìn)氣口 7端部側(cè)壁上均布設(shè)置6個(gè)螺旋切向出口 17。
進(jìn)氣口 7為均布的16管口式結(jié)構(gòu)，16管口式進(jìn)氣口 7端部的螺旋切向出口 17的螺旋方向間隔相同、相鄰不同。
電極5及硅棒6有15對(duì)30根，30根電極5及硅棒6在頂部再由硅棒兩兩相接。其余同實(shí)施例1。
實(shí)施例3。 一種多晶硅生產(chǎn)用還原爐。其出氣口 12為均布的六管口式結(jié)構(gòu)，出氣口 12還有一路通過管路18和文丘里管19引入進(jìn)氣口 7進(jìn)入循環(huán)。進(jìn)氣口 7的端部伸入爐內(nèi)100mm,頂部在堵板16中心開一 c]) 6的喇叭口 20，伸入爐內(nèi)的進(jìn)氣口 7端部側(cè)壁上均布設(shè)置5個(gè)螺旋切向出口 17。
進(jìn)氣口 7為均布的12管口式結(jié)構(gòu)，12管口式進(jìn)氣口 7端部的螺旋切向出口 17的螺旋方向相同。電極5及硅棒6有18對(duì)36根，36根電極5及硅棒6在頂部再由硅棒兩兩相接。其余同實(shí)施例1。
實(shí)施例1 3結(jié)構(gòu)合理。其優(yōu)點(diǎn)是
① .可根據(jù)不同生產(chǎn)階段的需要，調(diào)節(jié)循環(huán)氣體的量，以保證各生產(chǎn)階段，爐內(nèi)氣體流場(chǎng)均保持強(qiáng)湍流狀態(tài)。尤其在開爐初期，硅棒細(xì)，沉積面積小，所需進(jìn)氣量小。若能加大循環(huán)量， 一方面可強(qiáng)化傳質(zhì)與沉積，且可大幅度提高一次性轉(zhuǎn)換率和硅棒直徑增加的速度。
② .通過調(diào)節(jié)循環(huán)氣體量的大小，可方便的調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣體的溫度。如，需降低爐內(nèi)氣體溫度，可加大循環(huán)氣體量，并在出氣管路上設(shè)置冷卻器，以調(diào)節(jié)氣體溫度。
③ .可提高一次性轉(zhuǎn)換率。只要控制好循環(huán)氣體的組成和流量，可提高尾氣中HCI的濃度，即提高一次性轉(zhuǎn)換率。
④ .氣體循環(huán)時(shí)不需設(shè)動(dòng)力設(shè)備，只需適當(dāng)提高原進(jìn)氣(現(xiàn)為新鮮補(bǔ)充氣)的壓力，靠氣體的引射與文丘里管即可實(shí)現(xiàn)部分氣體循環(huán)，且可通過調(diào)整原進(jìn)氣的壓力、調(diào)整尾氣與循環(huán)管路閩門，實(shí)現(xiàn)循環(huán)量的調(diào)整。
.有利于產(chǎn)品硅棒直徑的增大。目前光伏生產(chǎn)的硅棒直徑一般為
100mm。若增加產(chǎn)品直徑，在生產(chǎn)期間，硅棒從直徑100mm增加至150mm甚至更大時(shí)，進(jìn)氣流量大，出氣溫度高，不便于調(diào)控。釆用本還原爐技術(shù)時(shí)，在生產(chǎn)后期可減少氣體的循環(huán)量或氣體不循環(huán)，能方便地調(diào)節(jié)氣體流量與爐內(nèi)溫度，保證硅棒直徑按預(yù)期繼續(xù)順利增大。
實(shí)施例1~3可避免上升氣柱在底部的擴(kuò)散，流體可與硅棒充分接觸，硅的一次性轉(zhuǎn)換率高。還原爐頂部和底部不存在流體流動(dòng)的死區(qū)，提高了硅棒上部和底部的硅沉積速度，改善了所產(chǎn)硅棒頂部和底部細(xì)、中部粗的缺點(diǎn)?？缮a(chǎn)直徑200mm的多晶硅硅棒。便于控制、調(diào)整爐內(nèi)的氣體溫度，既可加強(qiáng)爐內(nèi)氣體湍動(dòng)強(qiáng)化傳質(zhì)，硅在硅棒表面的沉積速度提高20%~30%,又不會(huì)縮短氣體在爐內(nèi)的停留時(shí)間，從而進(jìn)一步提高一次性轉(zhuǎn)換率，高達(dá)20%以上。耗電下降10% 20%。它可廣泛應(yīng)用于多晶硅的還原生產(chǎn)中。
權(quán)利要求
1. 一種多晶硅生產(chǎn)用還原爐，包括帶有底部和支座的底座、與底座由緊固件連為一體并密封的外殼、固定安裝在底座的底部且位于外殼中的多對(duì)電極、固定在電極上的細(xì)硅棒、固定安裝在還原爐上以通入并排出混合氣體的進(jìn)氣口和出氣口，外殼帶有夾套，夾套上固定、連通著冷卻水進(jìn)水口和出水口，其特征在于所說的進(jìn)氣口固定安裝在底座的底部，出氣口固定安裝在外殼頂部的封頭上，出氣口為均布的五至七管口式結(jié)構(gòu)，出氣口還有一路通過管路和文丘里管引入進(jìn)氣口進(jìn)入循環(huán)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的多晶硅生產(chǎn)用還原爐，其特征在于所說的進(jìn) 氣口的端部伸入爐內(nèi)100~300mm，頂部以堵板封堵或在堵板中心開一 (J) 6~ (J)12的喇叭口，伸入爐內(nèi)的進(jìn)氣口端部側(cè)壁上均布設(shè)置3至6個(gè)螺旋切向 出口。
3. 按照權(quán)利要求2所述的多晶硅生產(chǎn)用還原爐，其特征在于所說的進(jìn) 氣口為均布的9~16管口式結(jié)構(gòu)，9~16管口式進(jìn)氣口端部的螺旋切向出口的螺旋方向相同或者不同。
4. 按照權(quán)利要求3所述的多晶硅生產(chǎn)用還原爐，其特征在于所說的電 極及硅棒有12對(duì)24根，24根電極及硅棒在頂部再由硅棒兩兩相接。
5. 按照權(quán)利要求3所述的多晶硅生產(chǎn)用還原爐，其特征在于所說的電 極及硅棒有15對(duì)30根，30根電極及硅棒在頂部再由硅棒兩兩相接。
6. 按照權(quán)利要求3所述的多晶硅生產(chǎn)用還原爐，其特征在于所說的電 極及硅棒有18對(duì)36根，36根電極及硅棒在頂部再由硅棒兩兩相接。
7. 按照權(quán)利要求3所述的多晶硅生產(chǎn)用還原爐，其特征在于所說的電 極及硅棒有24對(duì)48根，48根電極及硅棒在頂部再由硅棒兩兩相接。
全文摘要
一種多晶硅生產(chǎn)用還原爐，混合氣體從還原爐的底部進(jìn)氣口噴入，從其頂部的出氣口排出。還原爐包括底座、外殼、多對(duì)電極、細(xì)硅棒、進(jìn)氣口和出氣口。外殼帶有夾套，夾套上固定著進(jìn)、出水口。進(jìn)氣口固定在底部，出氣口固定在頂部封頭上。出氣口為均布的五至七管口式結(jié)構(gòu)，還原爐外殼的高度較過去提高400mm。進(jìn)氣口伸入爐內(nèi)100～300mm，頂部以堵板封堵或在堵板中心開一φ6～φ12的喇叭口，進(jìn)氣口端部側(cè)壁上均布設(shè)置3至6個(gè)螺旋切向出口。它可避免上升氣柱在底部的擴(kuò)散，使之與硅棒充分接觸。頂部不存在流體死區(qū)，硅棒上部硅沉積速度高。氣體溫度便于調(diào)控。加強(qiáng)了爐內(nèi)氣體湍動(dòng)強(qiáng)化了傳質(zhì)，氣體在爐內(nèi)的停留時(shí)間長(zhǎng)。提高了一次性轉(zhuǎn)換率。
文檔編號(hào)C01B33/00GK101456557SQ20081024962
公開日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者劉新安, 李建隆, 王偉文, 王春燕, 陳光輝, 馬文華 申請(qǐng)人:青島科技大學(xué);化學(xué)工業(yè)第二設(shè)計(jì)院寧波工程有限公司