一種18對棒的新型多晶矽還原爐的排布方式和連接方法

2023-05-21 11:31:06 2

專利名稱：一種18對棒的新型多晶矽還原爐的排布方式和連接方法
技術領域：
本發明屬於多晶矽生產技術領域，特別是西門子法生產多晶矽的一種節能大型多晶矽還原爐；涉及一種18對棒的新型多晶矽還原爐的排布方式和連接方法。背景介紹目前國內外多晶矽生產企業主要採用「改良西門子法」。該方法的生產流程是利用氯氣和氫氣合成氯化氫(或外購氯化氫)，氯化氫和矽粉在一定溫度下合成三氯氫矽，然後對三氯氫矽精餾提純，提純後的高純三氯氫矽與氫氣按比例混合後，在一定的溫度和壓力下通入多晶矽還原爐內，在通電高溫矽棒上進行氣相沉積反應生成多晶矽，由於反應是在 1150°C左右下發生的，因此還原爐的電耗相當大，是多晶矽生產過程中最主要的能耗。目前降低還原爐能耗可以通過增加矽芯，即矽芯越多，還原爐多晶矽產量越大，其單位質量的多晶矽能耗相對越低；再者，矽芯分布越均勻、越密集，則矽芯之間相互熱輻射的作用越強烈，這種熱輻射作用將進一步減小矽芯表面之間的溫度差，使得各個矽芯的溫度趨向平均，從而保證各個矽芯矽的生長情況比較一致，提高多晶矽產品的質量。專利號200920270260. 5公開了一種18對棒的多晶矽還原爐，其矽芯分3圈均勻布置，最外一圈布置了 9對電極，最內一圈排布了 3對電極，中間一周布置了 6對電極，且三圈的電極分別在三個不同的圓周上，其進氣口均勻地排布於兩圈電極之間。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，顯然這種分布結構不夠完善，並沒有充分利用還原爐內的空間。其次，當前還原爐的設計一般都是底盤進氣，底盤出氣，這種設計方式很不合理第一、容易導致進料混合氣走短路直接從尾氣出口排出，降低了多晶矽的轉化率，第二、由於進料氣體在進氣口速度較大、溫度較低，使得還原爐在豎直方向上必定產生一個濃度梯度與溫度梯度，導致了多晶矽在電極根部的沉積反應速率偏低，同時由於氣體的向上流動也有帶動電極表面的多晶矽向上運動的趨勢，兩者共同作用的結果使得形成矽芯下部生長速率較慢，導致矽芯上部較粗，根部較細，不利於多晶矽安全、穩定的生產。第三、這種結構導致還原爐的進口氣速高，而還原爐頂部氣速低，造成了還原爐頂部存在回流死區，降低了多晶矽的產量。因此，目前多晶矽還原爐的設計要實現其底盤的電極更均勻、更密集，進氣口、出氣口分布更合理，而又能夠充分利用現有電氣系統，以保證還原爐能夠長期、安全、穩定、高效的生產。

發明內容
本發明提供了一種18對棒新型多晶矽生產用的還原爐的排布方法和安裝連接方法。本發明的技術方案如下一種18對棒的新型多晶矽還原爐的排布方式，還原爐底盤均勻的分布著18對電極、96個通氣口和1個中心切換用通氣口，還原爐頂盤均勻分布96個通氣口、1個中心切換用通氣口 ；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、6對和9對均勻分布，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有一通氣口，每一根電極的周圍均勻排布六個通氣口，六個通氣口位於該電極為中心的成正六邊形頂點處。上述相鄰兩兩電極的間距優選為200mm 400mm，還原爐底盤和頂盤的直徑優選為 1700 ；3500讓。還原爐底盤與頂盤的通氣口既與進氣管道相連，又與出氣管道相連接，並通過控制閥來控制底盤和頂盤的進氣與出氣狀況，以實現底盤進氣-頂盤出氣和頂盤進氣-底盤出氣的周期性操作方式。本發明的18對棒的新型多晶矽還原爐的連接方法，爐體11固定到還原爐底盤1 上並密封，還原爐頂盤15固定到爐體11上並密封，矽芯14通過石墨夾套13與底盤電極12 相連接並密封，18對矽芯14及電極12在頂部由矽棒6兩兩相接，底盤電極12固定到還原爐底盤1且密封，並與供電系統相連接，底盤混合氣進氣控制閥2與混合氣進氣管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；頂盤混合氣進氣控制閥19與混合氣進氣管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分別與需熱系統相連接。本發明具有的優點是首先與專利號20092027(^60. 5公開了一種18對棒的多晶矽還原爐相比，新型多晶矽還原爐底盤上矽芯的排布更密集、更均勻，這種布局方式使得還原爐內矽芯與矽芯之間相互熱輻射的作用越強烈，降低了矽芯的熱輻射損失，而且這種熱輻射作用將進一步減小不同矽芯表面之間的溫度差，使得各個矽芯的溫度趨向平均，從而保證各個矽芯的生長情況比較一致，提高多晶矽產品的質量。其次新型多晶矽還原爐提供了一種底盤進氣-頂盤出氣和底盤出氣-頂盤進氣周期交替進氣的操作方式，這種周期性切換的操作方式可以保證整個還原爐內的流場更加均勻，避免了爐內混合氣走短路，增加混合氣在還原爐內的停留時間，提高混合氣的轉化率。 這種周期性切換的操作方式還可以消除還原爐內的死區，充分利用還原爐的空間生產多晶矽，而且更好地保證了整根矽芯有相同的生長速率，解決了傳統還原爐因矽芯根部和頂部生長速率不同造成的矽芯粗細問題，保證多晶矽還原爐穩定和安全的生產。再者底盤進氣-頂盤出氣和底盤出氣-頂盤進氣周期性進氣方式可以通過控制進氣的流量來調節混合氣在還原爐內的停留時間，進一步實現還原爐尾氣溫度的控制。


圖1為本發明專利18對棒新型多晶矽還原爐的主視圖；圖2為本發明專利18對新型多晶矽還原爐底盤的電極及通氣口分布示意圖3為本發明專利18對新型多晶矽還原爐頂盤的通氣口及視鏡孔的分布示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明提供的一種18對棒的新型多晶矽還原爐作進一步詳細說明。按照發明內容的排布方式和連接方法如圖1所示多晶矽還原爐，包括1-還原爐底盤，2-底盤混合氣進氣控制閥，3-混合氣進氣管，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-連接矽芯與電極的石墨夾頭，14-矽芯，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，本發明涉及的多晶矽還原爐底盤的電極及通氣口分布示意圖，它包括矽棒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，本發明涉及的多晶矽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上並密封，還原爐頂盤15固定到爐體11 上並密封，矽芯14通過石墨夾套13與底盤電極12相連接並密封，18對矽芯14及電極12 在頂部由矽棒6兩兩相接，底盤電極12固定到還原爐底盤1且密封，並與供電系統相連接， 底盤混合氣進氣控制閥2與混合氣進氣管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。頂盤混合氣進氣控制閥19與混合氣進氣管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分別與需熱系統相連接。實施例1 新型多晶矽還原爐的操作流程1 :(1)首先關閉頂盤混合氣進氣控制閥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、還原爐頂盤同時通入冷卻水；(3)再將提純的SiHCl3與H2按一定比例混合，然後從混合氣進氣管3經底盤混合氣進氣控制閥2和底盤的進氣口噴入還原爐；(4)啟動還原爐的供電系統對矽芯加熱，並保持矽芯的溫度在1150°C，還原爐內壓力為0. 8Mpa ；(5)當矽芯表面的溫度達到SiHCl3與H2反應的條件時，混合氣開始發生還原反應， 並且反應後的矽將沉積到矽芯上；
(6)反應後的尾氣經頂盤的通氣口 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60分鐘反應，關閉底盤混合氣進氣控制閥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，從混合氣進氣管3經頂盤盤混合氣進氣控制閥2和頂盤的通氣口 18噴入還原爐；(8)反應後的尾氣經底盤的通氣口 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)重複(1) ⑶步驟，直到矽芯的直徑生長到200mm以上時，停止供電，並等到矽芯冷卻後，取出矽芯；實施例2 新型多晶矽還原爐的操作流程2 (1)首先關閉頂盤混合氣進氣控制閥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、還原爐頂盤同時通入冷卻水；(3)再將提純的SiHCl3與H2按一定比例混合，然後從混合氣進氣管3經底盤混合氣進氣控制閥2和底盤的進氣口噴入還原爐；(4)啟動還原爐的供電系統對矽芯加熱，並保持矽芯的溫度在1150°C，還原爐內壓力為0. 6Mpa ；(5)當矽芯表面的溫度達到SiHCl3與H2反應的條件時，混合氣開始發生還原反應， 並且反應後的矽將沉積到矽芯上；(6)反應後的尾氣經頂盤的通氣口 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30分鐘反應，關閉底盤混合氣進氣控制閥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，從混合氣進氣管3經頂盤盤混合氣進氣控制閥2和頂盤的通氣口 18噴入還原爐；(8)反應後的尾氣經底盤的通氣口 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)重複(1) ⑶步驟，直到矽芯的直徑生長到200mm以上時，停止供電，並等到矽芯冷卻後，取出矽芯。實施例1 2底盤進氣-頂盤出氣和頂盤進氣-底盤出氣可以避免還原爐內混合氣走短路，保證混合氣在還原爐內充分反應，提高混合氣的轉換率可達15%。這種周期操作方式消除還原爐內的死區，強化了還原爐內混合氣的湍動流動，保證還原爐內溫度場和速度場分布更加均勻，使得矽棒各個地方生長速率均勻，提高了多晶矽產品的質量。不僅如此，這種周期操作方式還可以通過控制進氣流量來調節還原爐內的尾氣溫度以保證矽棒維持在多晶矽還原反應的最佳溫度，提高矽在矽芯上的沉積速率可達10% 15%。再者，與傳統還原爐相比，新型還原爐的矽棒排布更加密集、均勻，使得矽棒之間的熱輻射增強，減小矽棒的熱輻射損失，提高多晶矽還原爐的單爐產量，降低還原爐能耗10%以上。

以上所述實例僅是充分說明本發明而所舉的較佳的實施例，本發明的保護範圍不限於此。本技術領域的技術人員在本發明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發明的保護範圍之內。本發明的保護範圍以權力要求書為準。
權利要求
1.一種18對棒的新型多晶矽還原爐的排布方式，其特徵是還原爐底盤均勻的分布著 18對電極、96個通氣口和1個中心切換用通氣口，還原爐頂盤均勻分布96個通氣口、1個中心切換用通氣口 ；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、 6對和9對均勻分布，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有一通氣口，每一根電極的周圍均勻排布六個通氣口，六個通氣口位於該電極為中心的成正六邊形頂點處。
2.如權利要求1所述的排布方式，其特徵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.如權利要求1所述的排版方式，其特徵是還原爐底盤與頂盤的通氣口既與進氣管道相連，又與出氣管道相連接，並通過控制閥來控制底盤和頂盤的進氣與出氣狀況，以實現底盤進氣-頂盤出氣和頂盤進氣-底盤出氣的周期性操作方式。
4.權利要求1的18對棒的新型多晶矽還原爐的連接方法，其特徵是爐體(11)固定到還原爐底盤(1)上並密封，還原爐頂盤(15)固定到爐體(11)上並密封，矽芯(14)通過石墨夾套(13)與底盤電極(12)相連接並密封，18對矽芯(14)及電極(12)在頂部由矽棒(6) 兩兩相接，底盤電極(12)固定到還原爐底盤(1)且密封，並與供電系統相連接，底盤混合氣進氣控制閥( 與混合氣進氣管( 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；頂盤混合氣進氣控制閥(19)與混合氣進氣管 (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)分別與需熱系統相連接。
全文摘要
本發明公開了一種一種18對棒的新型多晶矽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對電極、進氣口、出氣口，18對電極固定在底盤上且分三層排布，最外層有9對電極，最內層有3對電極，中間一層有6對電極，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的空間生產多晶矽，提高了還原爐單爐產量。還原爐底盤和頂盤都布置了一樣的通氣口數，以實現還原爐底盤進氣-頂盤出氣和頂盤進氣-底盤出氣兩種進氣方式的周期性變換，避免了進料混合氣走短路，消除了還原爐內的死區，便於尾氣的溫度的調控，大大提高進料混合氣的轉化率和還原爐的單爐產量。
文檔編號C01B33/035GK102267698SQ20111019006
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月7日 優先權日2011年7月7日
發明者劉春江, 段連, 袁希鋼, 黃哲慶 申請人:天津大學