硅烷熱解的多晶硅生產(chǎn)方法與裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多晶硅的生產(chǎn)裝置，具體涉及一種利用硅烷分解制造多晶硅棒的生產(chǎn)裝置。
【背景技術】
[0002]制造高純多晶硅通常采用西門子鐘罩狀反應器，高純度含硅元素氣體(三氯氫硅或娃燒氣體)和氫氣從鐘罩底盤噴嘴向上噴入，在電流加熱的高溫娃棒表面發(fā)生化學氣相沉積(CVD)反應。兩根相鄰的、平行的一對硅棒連接在一起形成一個倒置的U型結構，且兩端分別與電源兩極相接，硅棒的中心距大于硅棒的最大生長直徑。反應器內(nèi)的硅棒主要采用兩種排布方式(如圖1):圓周排布方式的氣體進、出口分布位于中心和邊緣；六邊形排布的入口噴嘴位于每個六邊形的中心，出口位于邊緣。
[0003]相對于三氯氫硅，硅烷具有反應溫度低、轉(zhuǎn)化率高的優(yōu)點，并可以避免氯元素對產(chǎn)品的污染和對設備的腐蝕。但硅烷在高溫下可能同時發(fā)生異相反應和均相反應，在硅棒表面發(fā)生異相反應沉積硅的同時，在溫度和濃度較高的氣相空間也發(fā)生均相沉積反應形成粉塵。粉塵可能直接粘結到硅棒表面，造成硅棒上的縫隙或孔洞(玉米粒狀)。粉塵也可能沉積到反應器內(nèi)壁形成疏松垢層，沉積到一定厚度會開裂并粘結或嵌入到硅棒表面。粉塵因此造成硅棒污染，從而影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量，此外粉塵還影響尾氣管道閥門的正常工作，并浪費高純硅烷。
[0004]按照專利文獻CN101966991B提供的數(shù)據(jù)，硅棒表面發(fā)生異相反應沉積的最佳溫度在850-900°C，在400-850°C的氣相空間發(fā)生均相沉積反應形成無定形硅粉塵，在400°C以下生成無定形硅粉塵的速率則明顯降低。
[0005]為減少粉塵產(chǎn)生需要降低原料氣中的硅烷濃度，同時原料氣也需要控制較低的進口溫度以避免硅烷提前熱解，因此導致大量惰性氣體氫組分從高溫反應區(qū)域帶走許多熱量，同時硅烷濃度降低也影響了硅棒表面沉積反應速率，導致多晶硅產(chǎn)品的能耗成本大幅提尚，成為娃燒法生廣多晶娃的主要技術瓶頸。
[0006]流化床反應器有助于氣固相際傳質(zhì)，有效控制汽泡相尺度的散式流態(tài)化可以很大程度抑制均相沉積反應形成粉塵，但反應器內(nèi)壁和內(nèi)構件表面需要鍍上硅膜，以避免設備材料在高溫下對多晶硅產(chǎn)品的污染。硅烷在鍍膜后的設備表面容易繼續(xù)發(fā)生沉積反應而妨礙對反應區(qū)的加熱，難以有效控制反應過程的溫度。目前流化床反應器生產(chǎn)的顆粒多晶硅純度因此受到制約，多用于制備太陽能電池。
[0007]公開號為US4147814的專利對西門子鐘罩反應器進行改進，硅棒之間采用水冷隔板以減少粉塵產(chǎn)生，導致能耗進一步提高；專利US480556在上述基礎上，將尾氣經(jīng)冷卻、過濾和風機系統(tǒng)送回，通過外循環(huán)增大冷卻面積，并改善反應器內(nèi)部流場提高表面沉積速率，但總體效果有限，而且外輔設備維護難度大并加重了產(chǎn)品受污染的負擔；專利US5382419和專利US5545387在上述基礎上改良，在每根硅棒上設有水冷套筒，有效抑制了粉塵的產(chǎn)生，但水冷套筒的裝卸繁瑣，硅棒表面?zhèn)髻|(zhì)速率嚴重受限，此外為了避免進入反應室套筒外部間隙的氣體在頂部熱解，還需要單獨控制鐘罩反應器頂部空間的溫度。
[0008]因此，本領域的技術人員致力于開發(fā)一種硅烷熱解的多晶硅生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)方法，在該生產(chǎn)裝置中，通過設計硅棒、進氣導流筒的位置，直接使用溫度低的原料氣體，使反應氣體直接噴向沉積反應發(fā)生的硅棒表面，降低高溫硅棒周圍的溫度，進而降低硅粉生成的速度；此外，進氣導流筒的設計也提高了反應的熱效率，降低了能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種生產(chǎn)裝置和方法，解決多晶硅生產(chǎn)過程中能耗過高以及粉塵控制的問題。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種硅烷熱解的多晶硅生產(chǎn)裝置，包括鐘罩和圓盤狀的底板，鐘罩和底板形成反應爐的反應區(qū)空間，底板上設置有至少一個進氣導流筒；用進氣導流筒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的進氣噴嘴，進氣導流筒與底板貫穿并在底板上形成開口，進氣導流筒具有封閉的頂部且在其側壁設置有噴口。
[0011 ] 進一步地，底板上密集地設有多根硅棒，硅棒采用六邊形排布。
[0012]更進一步地，硅棒的中心間距D取值為100-300mm，硅棒的高度H取值為1000-4000mm ;進氣導流筒的直徑取值為0.5-1.進氣導流筒的高度取值為0.5-1.0H。
[0013]進一步地，除了底板的邊沿部分外，進氣導流筒的噴口設置為三至六排，筒的噴口設置視周圍硅棒數(shù)量而定，一排噴口對應著周圍的一根硅棒。例如，采用圖1b的六邊形排列，邊沿部分外的進氣導流筒的噴口設置為六排噴口分別對應著周圍的六根娃棒，每根娃棒周圍有三個進氣導流筒。
[0014]進一步地，位于底板的邊沿的進氣導流筒周圍的硅棒數(shù)量為三-六根，如圖3和圖5所示，可選為三根或四根，并依據(jù)硅棒的數(shù)量將側壁的噴口設置為三排或四排，位于底板的邊沿的硅棒的周圍設置有一個或兩個進氣導流筒，特別地，側壁的噴口分別對著硅棒。
[0015]進一步地，進氣導流筒的噴口設置為上下均勻分布或者按自下而上逐漸減小噴口的直徑。
[0016]更進一步地，噴口采用圓形或方形。
[0017]優(yōu)選地，另有出口導流筒設置在底板的邊沿部分，尾氣通過導流筒流出，該出口導流筒不具有噴口。
[0018]優(yōu)選地，進氣導流筒采用外壁表面拋光的銅或不銹鋼材料。
[0019]本發(fā)明還提供了一種硅烷熱解的多晶硅的生產(chǎn)方法，其中，使用上述多晶硅生產(chǎn)裝置，原料氣從下而上地通過底板的開口進入進氣導流筒，并從噴口進入反應區(qū)，從噴口以2-40m/s的流速噴出原料氣體，使多晶硅析出在硅棒的表面上，反應尾氣從鐘罩反應器頂部流出，或進入出口導流筒向下導出。
[0020]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0021]1.直接采用溫度低的原料氣，降低高溫硅棒周圍的溫度，進而降低硅粉的生長速度；
[0022]2.反應氣體直接噴向沉積反應發(fā)生的硅棒表面，對于熱質(zhì)傳遞具有強烈的協(xié)同效應;
[0023]3.進氣導流筒的外壁采用拋光表面，對輻射具有屏蔽效果，導流筒內(nèi)氣體溫度可以保持在較低范圍，導流筒在硅棒之間起到了低溫隔離作用，同時利用部分輻射熱量預熱原料氣，提高了熱效率。
[0024]本發(fā)明專利設計便于傳統(tǒng)鐘罩反應器進行技術改造實現(xiàn)。
[0025]以下將結合附圖對本發(fā)明的構思、具體結構及產(chǎn)生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0026]圖1是反應器內(nèi)硅棒主要采用的兩種