專利名稱：多晶硅還原爐的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及多晶硅的生產設備，更具體地說，涉及一種多晶硅還原爐。
背景技術：
隨著科技的發(fā)展，太陽能光伏產業(yè)和半導體工業(yè)的發(fā)展也越來越迅猛，因此對于太陽能光伏產業(yè)和半導體工業(yè)生產用的主要原料多晶硅的需求也越來越大。目前，業(yè)界生產多晶硅的方法有多種，其中比較常見的是氫還原法，也稱西門子法，其原理是，將高純的氫氣和高純度的硅的反應物作為原料，按一定比例通入到反應容器內(即多晶硅還原爐)，在高溫高壓的環(huán)境下，氫氣還原硅的反應物，從而形成多晶硅，形成的多晶硅會沉積在硅芯上。隨著化學反應的繼續(xù)，沉積在硅芯上的多晶硅越來越多，逐漸將硅芯全部覆蓋，變成一根外部包裹著多晶硅的棒狀體，俗稱硅棒。隨著還原爐內化學反應的繼續(xù)進行，硅棒的半徑越來越大，直到達到預定的尺寸，即停止還原爐內的化學反應。多晶硅還原爐一般包括底盤和設置于底盤上的爐體，底盤上設置有多對電極， 每對電極間具有一根硅芯。采用西門子法生產多晶硅時，需要將還原爐內的溫度維持在 1100°C左右的高溫，這樣在多晶硅的生產過程中，通過還原爐的爐壁就會散發(fā)出大量的熱量，而且在開停爐的過程中也會損失大量能量，為了解決能量損耗嚴重的問題，現有技術中采用了增加還原爐內的電極對數的方法，如圖1所示，為現有技術中還原爐底盤的俯視圖， 圖中各標號分別表示，1、底盤；2、混合氣進料噴氣口，以下簡稱進氣口 ；3、混合氣尾氣出氣導管口，以下簡稱排氣口 ；4、電極。從圖1中可以看出，現有技術中采用了在還原爐底盤1上設置36對電極4的方式，來提高單臺還原爐的多晶硅產量，從而降低每公斤多晶硅的單位能耗。但是，現有技術中的還原爐底盤上的電極是以同心圓結構布置的，僅是傳統(tǒng)12對電極還原爐的簡單放大， 而且，在實際生產過程中發(fā)現，采用如圖1所示的還原爐生產出的多晶硅棒常常出現酥松的現象，多晶硅棒的表面產生嚴重的“爆米花現象”，甚至出現倒棒等影響正常生產的情況?；谝陨显颍叫枰环N新的多晶硅還原爐，以解決多晶硅生產過程中的高能耗、 低質量的問題。

實用新型內容本實用新型實施例提供一種多晶硅還原爐，解決了現有技術中的問題，提高了多晶硅產品的質量，并且，通過擴展電極的對數，在保證產品質量的同時，還能夠降低生產單位質量的多晶硅產品的能量消耗。為實現上述目的，本實用新型實施例提供了如下技術方案一種多晶硅還原爐，包括爐體和底盤，所述底盤上具有多對均勻分布的電極，所述電極的排布呈蜂窩狀，具體為所述底盤中心具有六個電極，所述六個電極以所述底盤的中心為中心點呈正六邊形排布，所述六個電極分別位于所述正六邊形的六個頂點處；[0011]以所述正六邊形為中心，其它電極依次向外排布，并且，最外層電極的連線近似為以所述底盤的中心為圓心的圓。優(yōu)選的，所述底盤上還包括位于正六邊形中心位置處的進氣口 ；位于所述底盤中心位置處的排氣口和/或位于所述最外層電極連線處且均勻排布的多個排氣口。優(yōu)選的，每兩個電極間的最小距離為130mmj60mm。優(yōu)選的，每兩個電極間設置一個硅芯，最外層硅芯的中心與所述多晶硅還原爐的內筒壁間的距離為100mm-300mm。優(yōu)選的，以所述底盤的中心為圓心，設置有硅芯的區(qū)域被平均分為6個夾角為 60°的扇形區(qū)，每個扇形區(qū)內的硅芯布置方式關于底盤中心對稱，并且，位于所述底盤中心處的六個電極分別與外層的電極相連，以在所述底盤中心處設置六個硅芯。優(yōu)選的，所述底盤上設置的電極對數為6對、18對、36對、60對、90對。優(yōu)選的，以所述底盤的中心為圓心，設置有硅芯的區(qū)域被平均分為3個夾角為 120°的扇形區(qū)，每個扇形區(qū)的硅芯布置方式關于底盤中心對稱。優(yōu)選的，所述底盤上設置的電極對數為3對、42對、48對、M對、63對、84對。優(yōu)選的，所述電極的正負兩極在所述底盤上交替間隔設計。優(yōu)選的，所述底盤采用水冷卻式結構，其上設置冷卻水進口和冷卻水出口。與現有技術相比，上述技術方案具有以下優(yōu)點本實用新型實施例提供的多晶硅還原爐，由于其底盤上電極的排布呈蜂窩狀，從而使得任意兩個電極間的距離均是相等的，每個硅芯周邊的氣體分布就較均勻，從而提高了多晶硅產品的質量。并且，由于電極特殊的排布方式，每一層電極的外圍均可采用同樣的排布方式，繼續(xù)增加相應數量的電極對數，進而增加每一爐的多晶硅產量，但是一爐多晶硅的生產周期并未延長，從而，在保證產品質量的同時，降低了生產單位質量的多晶硅產品的能量消耗，也縮短了生產單位質量多晶硅產品的時間。另外，由于進氣口位于正六邊形的中心處，混合氣體噴出過程中不會受到硅芯的阻擋，從而可以避免上升的氣柱在底部的擴散，由于進氣口的分布也是均勻的，因此還原爐的頂部不會存在氣體流動的死區(qū)，確保了硅棒的均勻生長，而且由于每個硅芯周邊都設置有足夠的進氣口，從而可使反應氣體與硅棒充分接觸，從而提高硅的一次性轉化率。并且， 由于排氣口均勻分布在電極的最外圈和/或底盤的中心位置，從而在加快氣體流動速率， 以提高多晶硅沉積速率的同時，又不會影響混合氣體的擴散，從而不會縮短混合氣體在還原爐內的停留時間，從而進一步的提高了硅的一次性轉化率。

通過附圖所示，本實用新型的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本實用新型的主旨。圖1為現有技術中的多晶硅還原爐底盤的俯視圖；圖2為本實用新型實施例公開的多晶硅還原爐底盤的俯視圖；[0029]圖3為本實用新型另一實施例公開的多晶硅還原爐的主視圖；圖4-圖6為本實用新型另一實施例公開的多晶硅還原爐的硅芯排布方式示意圖；圖7-圖12為本實用新型其它實施例公開的多晶硅還原爐的硅芯排布方式示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本實用新型，但是本實用新型還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本實用新型內涵的情況下做類似推廣，因此本實用新型不受下面公開的具體實施例的限制。其次，本實用新型結合示意圖進行詳細描述，在詳述本實用新型實施例時，為便于說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本實用新型保護的范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。正如背景技術部分所述，現有技術中的多晶硅還原爐能耗大，并且生產出的多晶硅棒質量較差，本實用新型發(fā)明人研究發(fā)現，出現這種情況的原因是，現有技術中的36棒的還原爐底盤采用的同心圓結構布置電極，使得各個電極間的距離并不是完全相等的，從而導致每個硅芯周邊的氣體分布不均勻，并且，由于各個電極與進氣口以及排氣口間的距離也是各不相同的，同時結合進氣口與排氣口的排布方式，還導致還原爐內的熱場和氣體的流場很難均勻分布，從而影響多晶硅的沉積，進而使得生產出的多晶硅棒質量較差?；谏鲜鲈颍l(fā)明人考慮，如果改變電極的排布方式，使每個電極周邊的氣體環(huán)境相同，還可同時結合適當的進氣口和排氣口的排布方式，使還原爐的內的反應氣體分布更加均勻，由此生產出的多晶硅棒的質量便能夠得到提高。結合上述思想，本實用新型實施例公開了一種多晶硅還原爐，下面采用多個實施例分別對該多晶硅還原爐的結構進行詳細描述。實施例一本實施例公開的多晶硅還原爐包括爐體和底盤，所述底盤的結構圖如圖2所示， 該底盤11上具有多對均勻分布的電極12，其中，所述電極12的排布呈蜂窩狀，具體為所述底盤11中心具有六個電極，所述六個電極12以所述底盤11的中心為中心點呈正六邊形排布，所述六個電極12分別位于所述正六邊形的六個頂點處；以所述正六邊形為中心，其它電極依次向外排布，并且，最外層電極12的連線近似為以所述底盤的中心為圓心的圓。換句話說，也就是先以底盤中心為中心點做一個正六邊形，正六邊形的每個頂點處設置一個電極12，再以該正六邊形的每一條邊為邊，向外繼續(xù)做正六邊形，以此為規(guī)律， 向外延伸多層正六邊形，達到所需層數后，去除最外層正六邊形的外頂點，即最外層的每個正六邊形被去除了 1個或2個最外邊的頂點，使最外層的正六邊形剩余的各個頂點的連線近似呈圓形，該圓形的圓心為底盤11的中心，在每個正六邊形的頂點處均設置一個電極
512，即布置完成了底盤上的多對電極12，布置完成后的電極排布呈蜂窩狀。圖2中僅以36 對電極為例說明了本實施例中的電極排布方式。需要強調的是，本實施例中的最外層電極的連線只是近似呈圓形，而非精確的圓形，隨著最外層電極數量的增多，底盤半徑的增大，最外層電極的連線會越來越接近圓形， 并且，在不影響硅棒質量的前提下，可以適當增加或減少幾個最外層電極的數量，也就是說，電極排布的層數、最外層電極的數量及其連線的具體形狀并不能用來限制本實用新型實施例的保護范圍。另外，參見圖2，所述底盤上還包括進氣口 15和排氣口 13，本實施例中的進氣口 15 位于正六邊形的中心位置處，也就是說，可以在每個正六邊形的中心位置處設置一個進氣口，從而使每個硅芯周邊的氣體環(huán)境是一樣的，有利于硅棒的生長；并且，結合實際生產過程發(fā)現，并非是每個正六邊形的中心位置處都必須設置一個進氣口，才能提高硅棒的質量， 還可以減少進氣口的數量，只要保證每個進氣口必須設置在正六邊形的中心位置即可，也就是說，相應減少進氣口的數量，對硅棒的生長影響很小，因此，具體如何選擇進氣口的數量和排布可以根據實際生產情況而定。本實施例中的排氣口可以為一個也可以為多個，當只有一個排氣口時，該排氣口位于所述底盤11的中心位置處，以便使還原爐內的氣體環(huán)境穩(wěn)定且分布均勻；當有多個排氣口時，可以有兩種情況，一是，所述多個排氣口均設置于底盤最外層電極連線處，并且均勻排布，即所述多個排氣口均勻設置于以底盤中心為圓心的圓30上，排氣口的位置不能與最外層電極的位置重合，二是，除設置于最外層電極連線處且均勻排布的最外層的排氣口外，還可在所述底盤11的中心位置處設置一個排氣口。上述三者排氣口的排布方式，均有利于還原爐內的氣體環(huán)境穩(wěn)定，可使爐內的反應氣體分布更加均勻，有利于高質量硅棒的形成。綜上所述，按照上述電極排布，使得任意兩個電極間的距離均是相等的，每個硅芯周邊的氣體分布就較均勻，從而提高了多晶硅產品的質量。并且，由于電極呈蜂窩狀的排布方式，每一層電極的外圍均可采用同樣的排布方式，繼續(xù)增加相應數量的電極對數，進而增加每一爐的多晶硅產量，但是一爐多晶硅的生產周期并未延長，從而，在保證產品質量的同時，降低了生產單位質量的多晶硅產品的能量消耗，也縮短了生產單位質量多晶硅產品的時間。并且，由于進氣口位于正六邊形的中心處，混合氣體噴出過程中不會受到電極的阻擋，從而可以避免上升的氣柱在底部的擴散，由于進氣口的分布也是均勻的，因此還原爐的頂部不會存在氣體流動的死區(qū)，確保了硅棒的均勻生長，而且由于每個硅芯周邊都設置有足夠的進氣口，從而可使反應氣體與硅棒充分接觸，從而提高硅的一次性轉化率。并且， 由于排氣口均勻分布在電極的最外圈和/或底盤的中心位置，從而在加快氣體流動速率， 以提高多晶硅沉積速率的同時，又不會影響混合氣體的擴散，從而不會縮短混合氣體在還原爐內的停留時間，從而進一步的提高了硅的一次性轉化率。實施例二本實施例公開的多晶硅還原爐的主視圖如圖3所示，該還原爐底盤的俯視圖仍如圖2所示，該還原爐的硅芯排布方式如圖4所示，本實施例與上一實施例不同的是，本實施例中結合還原爐的整體結構，對該還原爐各部分的具體尺寸、硅芯排布等方面進行詳細描述，本實施例中仍以底盤上具有36對電極的還原爐為例進行說明。參見圖2-圖4，該多晶硅還原爐包括底盤11和爐體21，其中爐體21優(yōu)選采用含夾套冷卻水的鐘罩式雙層爐體，底盤11上如圖2所示設置有36對電極12，電極的排布呈蜂窩狀，電極12的正負兩極在底盤11上交替間隔設置，每正負兩個電極間設置一個硅芯22，底盤上還設置有混合氣進氣管16和混合氣尾氣出氣導管14，混合氣進氣口 15與混合氣進氣管16相連，混合氣尾氣出氣導管14可采用含夾套冷卻水的雙層導管，其出口為排氣口 13， 其中進氣口 15和排氣口 13的分布方式如圖2所示。為了保證反應的順利進行，在爐體21和底盤11上均采用水冷卻的方式來控制設備的溫度。其中，底盤11上設置有冷卻水進水口 17和冷卻水出水口 18，爐體21的爐壁上也設置有爐體冷卻水進水口 19和爐體冷卻水出水口 20，并在爐壁內設置有呈螺旋狀布置的夾套冷卻水導流板23，通過水循環(huán)來控制爐體的溫度，并且爐體21上還可設置試鏡孔M， 以觀察爐體內化學沉積反應的進行情況。參見圖2和圖4，需要說明的是，本實施例中為了避免內筒壁25與最外層硅芯距離過近而導致的還原爐內熱量的散失，因此，本實施例中最外層硅芯的中心與所述多晶硅還原爐的內筒壁間的距離在IOOmm 300mm范圍內。并且，為了保證硅棒的質量和生產效率， 該還原爐底盤上每兩個電極間的最小距離，即正六邊形的邊長d在130mm160mm范圍內，如此設計出的具有36對電極的還原爐內筒半徑介于2000mm-3200mm之間。以上所述內筒壁即為圖3中的爐體21的內壁。另外，本實施例中的硅芯排布如圖4所示，具體的，以所述底盤的中心為圓心，設置有硅芯的區(qū)域被平均分為6個夾角為60°的扇形區(qū)，每個扇形區(qū)內的硅芯布置方式關于底盤中心對稱，并且，位于所述底盤中心處的六個電極分別與外層的電極相連，以在所述底盤中心處設置六個硅芯。并且，如果在每個正六邊形的中心處都設置一個進氣口，則圖2中所示的底盤上即設置有31個進氣口，如果在底盤中心和最外層電極連續(xù)處均設置排氣口，則圖2中所示的底盤上即設置有19個排氣口，當然，進氣口和排氣口的設置方式和數量可隨實際情況而定，這里不再詳細描述。本領域技術人員可以理解，本實施例中的電極數量可以根據還原爐規(guī)模的大小， 逐層增加或減少，硅芯的數量也會隨之增加或減少，內筒的半徑也會逐漸變大或縮小，其中，采用圖4所示硅芯的排布方式的多晶硅還原爐中，其底盤上設置的電極對數可以為6 對、18對、36對、60對、90對等以上述方式排布的任意對數，其中，具有60對電極的還原爐的硅芯排布方式如圖5所示，其內筒的半徑介于2200mm-3500mm之間，具有90對電極的還原爐的硅芯排布方式如圖6所示，其內筒的半徑介于2500mm-3800mm之間。相應的，如果每一個正六邊形中心均設置一個進氣口，則圖5中所示的還原爐底盤上即設置有56個進氣口，圖6中所示的還原爐底盤上即設置有73個進氣口，而排氣口的數量可根據實際需要進行設置，這里不再做具體限定。實施例三本實施例公開的多晶硅還原爐的硅芯排布方式與上一實施例不同，如圖7-圖12 所示。本實施例中硅芯排布方式具體為，以所述底盤的中心為圓心，設置有硅芯的區(qū)域被平均分為3個夾角為120°的扇形區(qū)，每個扇形區(qū)的硅芯布置方式關于底盤中心對稱。[0058]其中，上述排布方式還可分為兩類，一是如上一實施例所述，位于所述底盤中心處的六個電極分別與外層的電極相連，以在所述底盤中心處設置六個硅芯，其它區(qū)域的硅芯分布則根據所需硅芯數量而定，如圖7和圖8所示，圖7中的還原爐底盤上設置有42對電極，其內筒的半徑介于2000mm-3200mm之間，圖8中的還原爐底盤上設置有63對電極，其內筒的半徑介于^00mm-3800mm之間，相應的，如果每一個正六邊形中心均設置一個進氣口， 則圖7中所示的還原爐底盤上即設置有31個進氣口，圖8中所示的還原爐底盤上即設置有 55個進氣口。二是位于底盤中心處的六個電極兩兩相連，在底盤中心處設置三個硅芯，如圖 9-圖12所示，圖9中的還原爐底盤上設置有48對電極，其內筒的半徑介于2200mm-3000mm 之間，圖10和圖11中的還原爐底盤上設置有M對電極，其內筒的半徑介于M00mm-3400mm 之間，圖12中的還原爐底盤上設置有84對電極，其內筒的半徑介于3000mm-4300mm之間， 相應的，如果每一個正六邊形中心均設置一個進氣口，則圖9中所示的還原爐底盤上即設置有37個進氣口，圖10和圖11中所示的還原爐底盤上即設置有43個進氣口，圖12中所示的還原爐底盤上即設置有73個進氣口，其中排氣口的數量可根據實際需要進行設置，這里不再做具體限定，當然還可以只設置具有3對電極的還原爐底盤。需要說明的是，以上兩個實施例中所述的硅芯的排布方式并不能用來限定本實施例的保護范圍，凡是采用本實用新型思想設計出的硅芯排布方式以及設置不同數量的電極，均在本實用新型實施例的保護范圍之內。本實用新型實施例公開的多晶硅還原爐，可根據實際需要設置不同電極對數以及硅芯數量，并可相應的增減進氣口和排氣口的數量，滿足了多晶硅大規(guī)模生產和新能源發(fā)
展的需要。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制。雖然本實用新型已以較佳實施例披露如上，然而并非用以限定本實用新型。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本實用新型技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本實用新型技術方案的內容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本實用新型技術方案保護的范圍內。
權利要求1.一種多晶硅還原爐，包括爐體和底盤，所述底盤上具有多對均勻分布的電極，所述電極的排布呈蜂窩狀，具體為所述底盤中心具有六個電極，所述六個電極以所述底盤的中心為中心點呈正六邊形排布，所述六個電極分別位于所述正六邊形的六個頂點處；以所述正六邊形為中心，其它電極依次向外排布，并且，最外層電極的連線近似為以所述底盤的中心為圓心的圓。
2.根據權利要求1所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述底盤上還包括位于正六邊形中心位置處的進氣口；位于所述底盤中心位置處的排氣口和/或位于所述最外層電極連線處且均勻排布的多個排氣口。
3.根據權利要求2所述的多晶硅還原爐，其特征在于，每兩個電極間的最小距離為 130mm-260mmo
4.根據權利要求3所述的多晶硅還原爐，其特征在于，每兩個電極間設置一個硅芯，最外層硅芯的中心與所述多晶硅還原爐的內筒壁間的距離為100mm-300mm。
5.根據權利要求4所述的多晶硅還原爐，其特征在于，以所述底盤的中心為圓心，設置有硅芯的區(qū)域被平均分為6個夾角為60°的扇形區(qū)，每個扇形區(qū)內的硅芯布置方式關于底盤中心對稱，并且，位于所述底盤中心處的六個電極分別與外層的電極相連，以在所述底盤中心處設置六個硅芯。
6.根據權利要求5所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述底盤上設置的電極對數為6 對、18對、36對、60對、90對。
7.根據權利要求4所述的多晶硅還原爐，其特征在于，以所述底盤的中心為圓心，設置有硅芯的區(qū)域被平均分為3個夾角為120°的扇形區(qū)，每個扇形區(qū)的硅芯布置方式關于底盤中心對稱。
8.根據權利要求7所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述底盤上設置的電極對數為3 對、42對、48對、54對、63對、84對。
9.根據權利要求1-8任一項所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述電極的正負兩極在所述底盤上交替間隔設計。
10.根據權利要求9所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述底盤采用水冷卻式結構， 其上設置冷卻水進口和冷卻水出口。
專利摘要本實用新型實施例公開了一種多晶硅還原爐，包括爐體和底盤，所述底盤上具有多對均勻分布的電極，所述電極的排布呈蜂窩狀，具體為所述底盤中心具有六個電極，所述六個電極以所述底盤的中心為中心點呈正六邊形排布，所述六個電極分別位于所述正六邊形的六個頂點處；以所述正六邊形為中心，其它電極向外排布，并且，最外層電極的連線近似為以所述底盤的中心為圓心的圓。本實用新型實施例提供的多晶硅還原爐，提高了多晶硅產品的質量，并且，通過擴展電極的對數，在保證產品質量的同時，還能夠降低生產單位質量的多晶硅產品的能量消耗。
文檔編號C01B33/035GK201962075SQ20112008552
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權日2011年3月28日
發(fā)明者吳梅, 李仙壽 申請人:四川瑞晟光伏材料有限公司