專利名稱：一種18對(duì)棒的新型多晶硅還原爐的排布方式和連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多晶硅生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是西門子法生產(chǎn)多晶硅的一種節(jié)能大型多晶硅還原爐；涉及一種18對(duì)棒的新型多晶硅還原爐的排布方式和連接方法。背景介紹目前國內(nèi)外多晶硅生產(chǎn)企業(yè)主要采用“改良西門子法”。該方法的生產(chǎn)流程是利用氯氣和氫氣合成氯化氫(或外購氯化氫)，氯化氫和硅粉在一定溫度下合成三氯氫硅，然后對(duì)三氯氫硅精餾提純，提純后的高純?nèi)葰涔枧c氫氣按比例混合后，在一定的溫度和壓力下通入多晶硅還原爐內(nèi)，在通電高溫硅棒上進(jìn)行氣相沉積反應(yīng)生成多晶硅，由于反應(yīng)是在 1150°C左右下發(fā)生的，因此還原爐的電耗相當(dāng)大，是多晶硅生產(chǎn)過程中最主要的能耗。目前降低還原爐能耗可以通過增加硅芯，即硅芯越多，還原爐多晶硅產(chǎn)量越大，其單位質(zhì)量的多晶硅能耗相對(duì)越低；再者，硅芯分布越均勻、越密集，則硅芯之間相互熱輻射的作用越強(qiáng)烈，這種熱輻射作用將進(jìn)一步減小硅芯表面之間的溫度差，使得各個(gè)硅芯的溫度趨向平均，從而保證各個(gè)硅芯硅的生長情況比較一致，提高多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量。專利號(hào)200920270260. 5公開了一種18對(duì)棒的多晶硅還原爐，其硅芯分3圈均勻布置，最外一圈布置了 9對(duì)電極，最內(nèi)一圈排布了 3對(duì)電極，中間一周布置了 6對(duì)電極，且三圈的電極分別在三個(gè)不同的圓周上，其進(jìn)氣口均勻地排布于兩圈電極之間。這種布局的電極都是成圓周排布，其不同圓周電極之間的空間間隙比較大，而同一圓周上的兩相鄰電極之間比較密，造成底盤上的電極排布不均勻，部分空間密集、部分空間稀疏，顯然這種分布結(jié)構(gòu)不夠完善，并沒有充分利用還原爐內(nèi)的空間。其次，當(dāng)前還原爐的設(shè)計(jì)一般都是底盤進(jìn)氣，底盤出氣，這種設(shè)計(jì)方式很不合理第一、容易導(dǎo)致進(jìn)料混合氣走短路直接從尾氣出口排出，降低了多晶硅的轉(zhuǎn)化率，第二、由于進(jìn)料氣體在進(jìn)氣口速度較大、溫度較低，使得還原爐在豎直方向上必定產(chǎn)生一個(gè)濃度梯度與溫度梯度，導(dǎo)致了多晶硅在電極根部的沉積反應(yīng)速率偏低，同時(shí)由于氣體的向上流動(dòng)也有帶動(dòng)電極表面的多晶硅向上運(yùn)動(dòng)的趨勢，兩者共同作用的結(jié)果使得形成硅芯下部生長速率較慢，導(dǎo)致硅芯上部較粗，根部較細(xì)，不利于多晶硅安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)。第三、這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致還原爐的進(jìn)口氣速高，而還原爐頂部氣速低，造成了還原爐頂部存在回流死區(qū)，降低了多晶硅的產(chǎn)量。因此，目前多晶硅還原爐的設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)其底盤的電極更均勻、更密集，進(jìn)氣口、出氣口分布更合理，而又能夠充分利用現(xiàn)有電氣系統(tǒng)，以保證還原爐能夠長期、安全、穩(wěn)定、高效的生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種18對(duì)棒新型多晶硅生產(chǎn)用的還原爐的排布方法和安裝連接方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種18對(duì)棒的新型多晶硅還原爐的排布方式，還原爐底盤均勻的分布著18對(duì)電極、96個(gè)通氣口和1個(gè)中心切換用通氣口，還原爐頂盤均勻分布96個(gè)通氣口、1個(gè)中心切換用通氣口 ；還原爐底盤上電極分為3層按正六邊形排布，從中心向外依次按3對(duì)、6對(duì)和9對(duì)均勻分布，且每相鄰三根電極以正三角形排布；還原爐底盤上以正三角形排布的相鄰三根電極的中心處設(shè)有一通氣口，每一根電極的周圍均勻排布六個(gè)通氣口，六個(gè)通氣口位于該電極為中心的成正六邊形頂點(diǎn)處。上述相鄰兩兩電極的間距優(yōu)選為200mm 400mm，還原爐底盤和頂盤的直徑優(yōu)選為 1700 ；3500讓。還原爐底盤與頂盤的通氣口既與進(jìn)氣管道相連，又與出氣管道相連接，并通過控制閥來控制底盤和頂盤的進(jìn)氣與出氣狀況，以實(shí)現(xiàn)底盤進(jìn)氣-頂盤出氣和頂盤進(jìn)氣-底盤出氣的周期性操作方式。本發(fā)明的18對(duì)棒的新型多晶硅還原爐的連接方法，爐體11固定到還原爐底盤1 上并密封，還原爐頂盤15固定到爐體11上并密封，硅芯14通過石墨夾套13與底盤電極12 相連接并密封，18對(duì)硅芯14及電極12在頂部由硅棒6兩兩相接，底盤電極12固定到還原爐底盤1且密封，并與供電系統(tǒng)相連接，底盤混合氣進(jìn)氣控制閥2與混合氣進(jìn)氣管3和底盤通氣氣口 6相連接，底盤尾氣出氣控制閥4與尾氣出氣管5和底盤通氣口 6相連接，底盤中心切換通氣口控制閥25與尾氣出氣管5和底盤中心切換通氣口 M相連接；頂盤混合氣進(jìn)氣控制閥19與混合氣進(jìn)氣管3和頂盤通氣口 18相連接，頂盤尾氣出氣控制閥4與尾氣出氣管5和頂盤通氣口 18相連接，頂盤中心切換通氣口控制閥23與尾氣出氣管5和頂盤中心切換通氣口控制閥23相連接。還原爐底盤1、爐體10、還原爐頂盤15分別通過底盤冷卻水進(jìn)口 8、爐體冷卻水入口 10、頂盤冷卻水入口 17通入冷卻水，且底盤冷卻水出口 7、爐體冷卻水出口 9、頂盤冷卻水出口 16分別與需熱系統(tǒng)相連接。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是首先與專利號(hào)20092027(^60. 5公開了一種18對(duì)棒的多晶硅還原爐相比，新型多晶硅還原爐底盤上硅芯的排布更密集、更均勻，這種布局方式使得還原爐內(nèi)硅芯與硅芯之間相互熱輻射的作用越強(qiáng)烈，降低了硅芯的熱輻射損失，而且這種熱輻射作用將進(jìn)一步減小不同硅芯表面之間的溫度差，使得各個(gè)硅芯的溫度趨向平均，從而保證各個(gè)硅芯的生長情況比較一致，提高多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量。其次新型多晶硅還原爐提供了一種底盤進(jìn)氣-頂盤出氣和底盤出氣-頂盤進(jìn)氣周期交替進(jìn)氣的操作方式，這種周期性切換的操作方式可以保證整個(gè)還原爐內(nèi)的流場更加均勻，避免了爐內(nèi)混合氣走短路，增加混合氣在還原爐內(nèi)的停留時(shí)間，提高混合氣的轉(zhuǎn)化率。 這種周期性切換的操作方式還可以消除還原爐內(nèi)的死區(qū)，充分利用還原爐的空間生產(chǎn)多晶硅，而且更好地保證了整根硅芯有相同的生長速率，解決了傳統(tǒng)還原爐因硅芯根部和頂部生長速率不同造成的硅芯粗細(xì)問題，保證多晶硅還原爐穩(wěn)定和安全的生產(chǎn)。再者底盤進(jìn)氣-頂盤出氣和底盤出氣-頂盤進(jìn)氣周期性進(jìn)氣方式可以通過控制進(jìn)氣的流量來調(diào)節(jié)混合氣在還原爐內(nèi)的停留時(shí)間，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)還原爐尾氣溫度的控制。


圖1為本發(fā)明專利18對(duì)棒新型多晶硅還原爐的主視圖；圖2為本發(fā)明專利18對(duì)新型多晶硅還原爐底盤的電極及通氣口分布示意圖3為本發(fā)明專利18對(duì)新型多晶硅還原爐頂盤的通氣口及視鏡孔的分布示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明提供的一種18對(duì)棒的新型多晶硅還原爐作進(jìn)一步詳細(xì)說明。按照發(fā)明內(nèi)容的排布方式和連接方法如圖1所示多晶硅還原爐，包括1-還原爐底盤，2-底盤混合氣進(jìn)氣控制閥，3-混合氣進(jìn)氣管，4-底盤尾氣出氣控制閥，5-尾氣出氣管，6-底盤通氣口，7-底盤冷卻水出口， 8-底盤冷卻水入口，9-爐體冷卻水出口，10-爐體冷卻水入口，11-帶有冷卻水腔的爐體， 12-底盤電極，13-連接硅芯與電極的石墨夾頭，14-硅芯，15-還原爐頂盤，16-頂盤冷卻水出口，17-頂盤冷卻水入口，18-頂盤通氣口，19-頂盤混合氣進(jìn)氣控制閥，20-頂盤尾氣出氣控制閥，21-視鏡孔，22-頂盤中心切換通氣口，23-頂盤中心切換通氣口控制閥，24-底盤中心切換通氣口，25-底盤中心切換通氣口控制閥。如圖2所示，本發(fā)明涉及的多晶硅還原爐底盤的電極及通氣口分布示意圖，它包括硅棒14，還原爐底盤1，底盤通氣口 6，底盤中心切換通氣口 M。如圖3所示，本發(fā)明涉及的多晶硅還原爐頂盤的通氣口及視鏡孔的分布示意圖， 它包括還原爐頂盤15，頂盤通氣口 18，視鏡孔21，頂盤中心切換通氣口 22。如圖1所示，爐體11固定到還原爐底盤1上并密封，還原爐頂盤15固定到爐體11 上并密封，硅芯14通過石墨夾套13與底盤電極12相連接并密封，18對(duì)硅芯14及電極12 在頂部由硅棒6兩兩相接，底盤電極12固定到還原爐底盤1且密封，并與供電系統(tǒng)相連接， 底盤混合氣進(jìn)氣控制閥2與混合氣進(jìn)氣管3和底盤通氣氣口 6相連接，底盤尾氣出氣控制閥4與尾氣出氣管5和底盤通氣口 6相連接，底盤中心切換通氣口控制閥25與尾氣出氣管 5和底盤中心切換通氣口 M相連接。頂盤混合氣進(jìn)氣控制閥19與混合氣進(jìn)氣管3和頂盤通氣口 18相連接，頂盤尾氣出氣控制閥4與尾氣出氣管5和頂盤通氣口 18相連接，頂盤中心切換通氣口控制閥23與尾氣出氣管5和頂盤中心切換通氣口控制閥23相連接。還原爐底盤1、爐體10、還原爐頂盤15分別通過底盤冷卻水進(jìn)口 8、爐體冷卻水入口 10、頂盤冷卻水入口 17通入冷卻水，且底盤冷卻水出口 7、爐體冷卻水出口 9、頂盤冷卻水出口 16分別與需熱系統(tǒng)相連接。實(shí)施例1 新型多晶硅還原爐的操作流程1 :(1)首先關(guān)閉頂盤混合氣進(jìn)氣控制閥19、底盤尾氣出氣控制閥4和底盤中心切換通氣口控制閥25，開啟底盤混合氣進(jìn)氣控制閥2、頂盤尾出氣控制閥20和頂盤中心切換通氣口控制閥23 ；(2)其次在還原爐的爐體、還原爐底盤、還原爐頂盤同時(shí)通入冷卻水；(3)再將提純的SiHCl3與H2按一定比例混合，然后從混合氣進(jìn)氣管3經(jīng)底盤混合氣進(jìn)氣控制閥2和底盤的進(jìn)氣口噴入還原爐；(4)啟動(dòng)還原爐的供電系統(tǒng)對(duì)硅芯加熱，并保持硅芯的溫度在1150°C，還原爐內(nèi)壓力為0. 8Mpa ；(5)當(dāng)硅芯表面的溫度達(dá)到SiHCl3與H2反應(yīng)的條件時(shí)，混合氣開始發(fā)生還原反應(yīng)， 并且反應(yīng)后的硅將沉積到硅芯上；
(6)反應(yīng)后的尾氣經(jīng)頂盤的通氣口 18、頂盤尾氣出氣控制閥19從尾氣出氣管5排出或者經(jīng)頂盤中心切換通氣口 22、頂盤中心切換通氣口控制閥23從尾氣出氣管5排出，尾氣的溫度控制在陽01 士 20 ；(7)經(jīng)60分鐘反應(yīng)，關(guān)閉底盤混合氣進(jìn)氣控制閥2、頂盤尾出氣控制閥20和頂盤中心切換通氣口控制閥23，開啟頂盤混合氣進(jìn)氣控制閥19、底盤尾氣出氣控制閥4和底盤中心切換通氣口控制閥25，從混合氣進(jìn)氣管3經(jīng)頂盤盤混合氣進(jìn)氣控制閥2和頂盤的通氣口 18噴入還原爐；(8)反應(yīng)后的尾氣經(jīng)底盤的通氣口 6、底盤尾氣出氣控制閥4從尾氣出氣管5排出，尾氣的溫度控制在550°C 士20 ；(9)重復(fù)(1) ⑶步驟，直到硅芯的直徑生長到200mm以上時(shí)，停止供電，并等到硅芯冷卻后，取出硅芯；實(shí)施例2 新型多晶硅還原爐的操作流程2 (1)首先關(guān)閉頂盤混合氣進(jìn)氣控制閥19、底盤尾氣出氣控制閥4和底盤中心切換通氣口控制閥25，開啟底盤混合氣進(jìn)氣控制閥2、頂盤尾出氣控制閥20和頂盤中心切換通氣口控制閥23 ；(2)其次在還原爐的爐體、還原爐底盤、還原爐頂盤同時(shí)通入冷卻水；(3)再將提純的SiHCl3與H2按一定比例混合，然后從混合氣進(jìn)氣管3經(jīng)底盤混合氣進(jìn)氣控制閥2和底盤的進(jìn)氣口噴入還原爐；(4)啟動(dòng)還原爐的供電系統(tǒng)對(duì)硅芯加熱，并保持硅芯的溫度在1150°C，還原爐內(nèi)壓力為0. 6Mpa ；(5)當(dāng)硅芯表面的溫度達(dá)到SiHCl3與H2反應(yīng)的條件時(shí)，混合氣開始發(fā)生還原反應(yīng)， 并且反應(yīng)后的硅將沉積到硅芯上；(6)反應(yīng)后的尾氣經(jīng)頂盤的通氣口 18、頂盤尾氣出氣控制閥19從尾氣出氣管5排出或者經(jīng)頂盤中心切換通氣口 22、頂盤中心切換通氣口控制閥23從尾氣出氣管5排出，尾氣的溫度控制在450°C 士20 ；(7)經(jīng)30分鐘反應(yīng)，關(guān)閉底盤混合氣進(jìn)氣控制閥2、頂盤尾出氣控制閥20和頂盤中心切換通氣口控制閥23，開啟頂盤混合氣進(jìn)氣控制閥19、底盤尾氣出氣控制閥4和底盤中心切換通氣口控制閥25，從混合氣進(jìn)氣管3經(jīng)頂盤盤混合氣進(jìn)氣控制閥2和頂盤的通氣口 18噴入還原爐；(8)反應(yīng)后的尾氣經(jīng)底盤的通氣口 6、底盤尾氣出氣控制閥4從尾氣出氣管5排出，尾氣的溫度控制在450°C 士20 ；(9)重復(fù)(1) ⑶步驟，直到硅芯的直徑生長到200mm以上時(shí)，停止供電，并等到硅芯冷卻后，取出硅芯。實(shí)施例1 2底盤進(jìn)氣-頂盤出氣和頂盤進(jìn)氣-底盤出氣可以避免還原爐內(nèi)混合氣走短路，保證混合氣在還原爐內(nèi)充分反應(yīng)，提高混合氣的轉(zhuǎn)換率可達(dá)15%。這種周期操作方式消除還原爐內(nèi)的死區(qū)，強(qiáng)化了還原爐內(nèi)混合氣的湍動(dòng)流動(dòng)，保證還原爐內(nèi)溫度場和速度場分布更加均勻，使得硅棒各個(gè)地方生長速率均勻，提高了多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量。不僅如此，這種周期操作方式還可以通過控制進(jìn)氣流量來調(diào)節(jié)還原爐內(nèi)的尾氣溫度以保證硅棒維持在多晶硅還原反應(yīng)的最佳溫度，提高硅在硅芯上的沉積速率可達(dá)10% 15%。再者，與傳統(tǒng)還原爐相比，新型還原爐的硅棒排布更加密集、均勻，使得硅棒之間的熱輻射增強(qiáng)，減小硅棒的熱輻射損失，提高多晶硅還原爐的單爐產(chǎn)量，降低還原爐能耗10%以上。

以上所述實(shí)例僅是充分說明本發(fā)明而所舉的較佳的實(shí)施例，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)力要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種18對(duì)棒的新型多晶硅還原爐的排布方式，其特征是還原爐底盤均勻的分布著 18對(duì)電極、96個(gè)通氣口和1個(gè)中心切換用通氣口，還原爐頂盤均勻分布96個(gè)通氣口、1個(gè)中心切換用通氣口 ；還原爐底盤上電極分為3層按正六邊形排布，從中心向外依次按3對(duì)、 6對(duì)和9對(duì)均勻分布，且每相鄰三根電極以正三角形排布；還原爐底盤上以正三角形排布的相鄰三根電極的中心處設(shè)有一通氣口，每一根電極的周圍均勻排布六個(gè)通氣口，六個(gè)通氣口位于該電極為中心的成正六邊形頂點(diǎn)處。
2.如權(quán)利要求1所述的排布方式，其特征是相鄰兩兩電極的間距為200mm 400mm，還原爐底盤和頂盤的直徑為1700 3500mm。
3.如權(quán)利要求1所述的排版方式，其特征是還原爐底盤與頂盤的通氣口既與進(jìn)氣管道相連，又與出氣管道相連接，并通過控制閥來控制底盤和頂盤的進(jìn)氣與出氣狀況，以實(shí)現(xiàn)底盤進(jìn)氣-頂盤出氣和頂盤進(jìn)氣-底盤出氣的周期性操作方式。
4.權(quán)利要求1的18對(duì)棒的新型多晶硅還原爐的連接方法，其特征是爐體(11)固定到還原爐底盤(1)上并密封，還原爐頂盤(15)固定到爐體(11)上并密封，硅芯(14)通過石墨夾套(13)與底盤電極(12)相連接并密封，18對(duì)硅芯(14)及電極(12)在頂部由硅棒(6) 兩兩相接，底盤電極(12)固定到還原爐底盤(1)且密封，并與供電系統(tǒng)相連接，底盤混合氣進(jìn)氣控制閥( 與混合氣進(jìn)氣管( 和底盤通氣氣口(6)相連接，底盤尾氣出氣控制閥(4) 與尾氣出氣管( 和底盤通氣口(6)相連接，底盤中心切換通氣口控制閥0 與尾氣出氣管(5)和底盤中心切換通氣口 04)相連接；頂盤混合氣進(jìn)氣控制閥(19)與混合氣進(jìn)氣管 (3)和頂盤通氣口(18)相連接，頂盤尾氣出氣控制閥(4)與尾氣出氣管( 和頂盤通氣口 (18)相連接，頂盤中心切換通氣口控制閥與尾氣出氣管( 和頂盤中心切換通氣口控制閥03)相連接。還原爐底盤(1)、爐體(10)、還原爐頂盤(15)分別通過底盤冷卻水進(jìn)口 (8)、爐體冷卻水入口(10)、頂盤冷卻水入口(17)通入冷卻水，且底盤冷卻水出口(7)、爐體冷卻水出口(9)、頂盤冷卻水出口(16)分別與需熱系統(tǒng)相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種一種18對(duì)棒的新型多晶硅還原爐的排布方式和連接方法。還原爐包括還原爐底盤、還原爐爐體、還原爐頂盤、18對(duì)電極、進(jìn)氣口、出氣口，18對(duì)電極固定在底盤上且分三層排布，最外層有9對(duì)電極，最內(nèi)層有3對(duì)電極，中間一層有6對(duì)電極，每一層電極都成正六邊形排布，這種布局方式更密集、更均勻，充分利用了還原爐內(nèi)的空間生產(chǎn)多晶硅，提高了還原爐單爐產(chǎn)量。還原爐底盤和頂盤都布置了一樣的通氣口數(shù)，以實(shí)現(xiàn)還原爐底盤進(jìn)氣-頂盤出氣和頂盤進(jìn)氣-底盤出氣兩種進(jìn)氣方式的周期性變換，避免了進(jìn)料混合氣走短路，消除了還原爐內(nèi)的死區(qū)，便于尾氣的溫度的調(diào)控，大大提高進(jìn)料混合氣的轉(zhuǎn)化率和還原爐的單爐產(chǎn)量。
文檔編號(hào)C01B33/035GK102267698SQ20111019006
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者劉春江, 段連, 袁希鋼, 黃哲慶 申請(qǐng)人:天津大學(xué)