多晶矽還原爐的製作方法

2023-05-21 11:41:36

專利名稱：多晶矽還原爐的製作方法
技術領域：
本發明涉及多晶矽的生產設備，更具體地說，涉及一種多晶矽還原爐。
背景技術：
隨著科技的發展，太陽能光伏產業和半導體工業的發展也越來越迅猛，因此對於太陽能光伏產業和半導體工業生產用的主要原料多晶矽的需求也越來越大。目前，業界生產多晶矽的方法有多種，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矽的反應物作為原料，按一定比例通入到反應容器內(即多晶矽還原爐)，在高溫高壓的環境下，氫氣還原矽的反應物，從而形成多晶矽，形成的多晶矽會沉積在矽芯上。隨著化學反應的繼續，沉積在矽芯上的多晶矽越來越多，逐漸將矽芯全部覆蓋，變成一根外部包裹著多晶矽的棒狀體，俗稱矽棒。隨著還原爐內化學反應的 繼續進行，矽棒的半徑越來越大，直到達到預定的尺寸，即停止還原爐內的化學反應。多晶娃還原爐一般包括底盤和設置於底盤上的爐體,底盤上設置有多對電極，每對電極間具有一根矽芯。採用西門子法生產多晶矽時，需要將還原爐內的溫度維持在1100°C左右的高溫，這樣在多晶矽的生產過程中，通過還原爐的爐壁就會散發出大量的熱量，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，現有技術中採用了增加還原爐內的電極對數的方法，如圖I所示，為現有技術中還原爐底盤的俯視圖，圖中各標號分別表不，I、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I中可以看出，現有技術中採用了在還原爐底盤I上設置36對電極4的方式，來提高單臺還原爐的多晶矽產量，從而降低每公斤多晶矽的單位能耗。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12對電極還原爐的簡單放大，而且，在實際生產過程中發現，採用如圖I所示的還原爐生產出的多晶矽棒常常出現酥鬆的現象，多晶矽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。基於以上原因，亟需一種新的多晶矽還原爐，以解決多晶矽生產過程中的高能耗、低質量的問題。

發明內容
本發明實施例提供一種多晶娃還原爐，解決了現有技術中的問題，提聞了多晶娃產品的質量，並且，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矽產品的能量消耗。為實現上述目的，本發明實施例提供了如下技術方案一種多晶矽還原爐，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於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，並且，最外層電極的連線近似為以所述底盤的中心為圓心的圓。優選的，所述底盤上還包括位於正六邊形中心位置處的進氣口 ；位於所述底盤中心位置處的排氣口和/或位於所述最外層電極連線處且均勻排布的多個排氣口。
優選的，每兩個電極間的最小距離為130mm-260mm。優選的，每兩個電極間設置一個娃芯，最外層娃芯的中心與所述多晶娃還原爐的內筒壁間的距離為100mm-300mm。優選的，以所述底盤的中心為圓心，設置有矽芯的區域被平均分為6個夾角為60°的扇形區，每個扇形區內的矽芯布置方式關於底盤中心對稱，並且，位於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矽芯。優選的，所述底盤上設置的電極對數為6對、18對、36對、60對、90對。優選的，以所述底盤的中心為圓心，設置有矽芯的區域被平均分為3個夾角為120°的扇形區，每個扇形區的矽芯布置方式關於底盤中心對稱。優選的，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。優選的，所述電極的正負兩極在所述底盤上交替間隔設計。優選的,所述底盤採用水冷卻式結構,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點本發明實施例提供的多晶矽還原爐，由於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，每個矽芯周邊的氣體分布就較均勻，從而提高了多晶娃產品的質量。並且，由於電極特殊的排布方式，每一層電極的外圍均可米用同樣的排布方式，繼續增加相應數量的電極對數，進而增加每一爐的多晶矽產量，但是一爐多晶矽的生產周期並未延長，從而，在保證產品質量的同時，降低了生產單位質量的多晶矽產品的能量消耗，也縮短了生產單位質量多晶矽產品的時間。另外，由於進氣口位於正六邊形的中心處，混合氣體噴出過程中不會受到矽芯的阻擋，從而可以避免上升的氣柱在底部的擴散，由於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，確保了矽棒的均勻生長，而且由於每個矽芯周邊都設置有足夠的進氣口，從而可使反應氣體與矽棒充分接觸，從而提高矽的一次性轉化率。並且，由於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，以提高多晶矽沉積速率的同時，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矽的一次性轉化率。


通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特徵和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。並未刻意按實際尺寸等比例縮放繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。圖I為現有技術中的多晶矽還原爐底盤的俯視圖；圖2為本發明實施例公開的多晶矽還原爐底盤的俯視圖3為本發明另一實施例公開的多晶矽還原爐的主視圖；圖4-圖6為本發明另一實施例公開的多晶娃還原爐的娃芯排布方式不意圖；圖7-圖12為本發明其它實施例公開的多晶矽還原爐的矽芯排布方式示意圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於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發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，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，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。正如背景技術部分所述，現有技術中的多晶矽還原爐能耗大，並且生產出的多晶矽棒質量較差，發明人研究發現，出現這種情況的原因是，現有技術中的36棒的還原爐底盤採用的同心圓結構布置電極，使得各個電極間的距離並不是完全相等的，從而導致每個矽芯周邊的氣體分布不均勻，並且，由於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，從而影響多晶矽的沉積，進而使得生產出的多晶矽棒質量較差。基於上述原因，發明人考慮，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，由此生產出的多晶矽棒的質量便能夠得到提高。結合上述思想，本發明實施例公開了一種多晶矽還原爐，下面採用多個實施例分別對該多晶矽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矽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分別位於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，並且，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，向外繼續做正六邊形，以此為規律，向外延伸多層正六邊形，達到所需層數後，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 I個或2個最外邊的頂點，使最外層的正六邊形剩餘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12，即布置完成了底盤上的多對電極12，布置完成後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，並且，在不影響矽棒質量的前提下，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並不能用來限制本發明實施例的保護範圍。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位於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，從而使每個娃芯周邊的氣體環境是一樣的，有利於娃棒的生長；並且，結合實際生產過程發現，並非是每個正六邊形的中心位置處都必須設置一個進氣口，才能提高矽棒的質量，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，對矽棒的生長影響很小，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，該排氣口位於所述底盤11的中心位置處，以便使還原爐內的氣體環境穩定且分布均勻；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於底盤最外層電極連線處，並且均勻排布，即所述多個排氣口均勻設置於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，除設置於最外層電極連線處且均勻排布的最外層的排氣口夕卜，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，均有利於還原爐內的氣體環境穩定，可使爐內的反應氣體分布更加均勻，有利於高質量娃棒的形成。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，每個矽芯周邊的氣體分布就較均勻，從而提高了多晶矽產品的質量。並且，由於電極呈蜂窩狀的排布方式，每一層電極的外圍均可採用同樣的排布方式，繼續增加相應數量的電極對數，進而增加每一爐的多晶矽產量，但是一爐多晶矽的生產周期並未延長，從而，在保證產品質量的同時，降低了生產單位質量的多晶矽產品的能量消耗，也縮短了生產單位質量多晶矽產品的時間。並且，由於進氣口位於正六邊形的中心處，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，由於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，確保了矽棒的均勻生長，而且由於每個矽芯周邊都設置有足夠的進氣口，從而可使反應氣體與矽棒充分接觸，從而提高矽的一次性轉化率。並且，由於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，以提高多晶矽沉積速率的同時，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矽的一次性轉化率。實施例二本實施例公開的多晶矽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，該還原爐的矽芯排布方式如圖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、矽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，該多晶矽還原爐包括底盤11和爐體21，其中爐體21優選採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娃芯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可採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上均採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，並在爐壁內設置有呈螺旋狀布置的夾套冷卻水導流板23，通過水循環來控制爐體的溫度，並且爐體21上還可設置試鏡孔24，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與最外層矽芯距離過近而導致的還原爐內熱量的散失，因此，本實施例中最外層矽芯的中心與所述多晶矽還原爐的內筒壁間的距離在IOOmm 300mm範圍內。並且，為了保證矽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130mm-260mm範圍內，如此設計出的具有36對電極的還原爐內筒半徑介於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，本實施例中的矽芯排布如圖4所示，具體的，以所述底盤的中心為圓心，設置有矽芯的區域被平均分為6個夾角為60°的扇形區，每個扇形區內的矽芯布置方式關於底盤中心對稱，並且，位於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矽芯。並且，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，這裡不再詳細描述。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模的大小，逐層增加或減少，矽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，採用圖4所示矽芯的排布方式的多晶矽還原爐中，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對電極的還原爐的矽芯排布方式如圖5所示，其內筒的半徑介於2200mm-3500mm之間，具有90對電極的還原爐的娃芯排布方式如圖6所不，其內筒的半徑介於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，這裡不再做具體限定。實施例三本實施例公開的多晶娃還原爐的娃芯排布方式與上一實施例不同，如圖7_圖12所示。本實施例中矽芯排布方式具體為，以所述底盤的中心為圓心，設置有矽芯的區域被平均分為3個夾角為120°的扇形區，每個扇形區的矽芯布置方式關於底盤中心對稱。其中，上述排布方式還可分為兩類，一是如上一實施例所述，位於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矽芯，其它區域的矽芯分布則根據所需矽芯數量而定，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，其內筒的半徑介於2000mm-3200mm之間，圖8中的還原爐底盤上設置有63對電極，其內筒的半徑介於2600mm-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。二是位於底盤中心處的六個電極兩兩相連，在底盤中心處設置三個矽芯，如圖9-圖12所示，圖9中的還原爐底盤上設置有48對電極，其內筒的半徑介於2200mm-3000mm之間，圖10和圖11中的還原爐底盤上設置有54對電極，其內筒的半徑介於2400mm-3400mm之間，圖12中的還原爐底盤上設置有84對電極，其內筒的半徑介於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，這裡不再做具體限定，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矽芯的排布方式並不能用來限定本實施例的保護範圍，凡是採用本發明思想設計出的矽芯排布方式以及設置不同數量的電極，均 在本發明實施例的保護範圍之內。本發明實施例公開的多晶矽還原爐，可根據實際需要設置不同電極對數以及矽芯數量，並可相應的增減進氣口和排氣口的數量，滿足了多晶矽大規模生產和新能源發展的需要。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明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，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明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，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
1.一種多晶矽還原爐，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於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，並且，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I所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，所述底盤上還包括 位於正六邊形中心位置處的進氣口； 位於所述底盤中心位置處的排氣口和/或位於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所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，每兩個電極間的最小距離為130mm-260mmo
4.根據權利要求3所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，每兩個電極間設置一個矽芯，最外層矽芯的中心與所述多晶矽還原爐的內筒壁間的距離為100mm-300mm。
5.根據權利要求4所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，以所述底盤的中心為圓心，設置有娃芯的區域被平均分為6個夾角為60°的扇形區,每個扇形區內的娃芯布置方式關於底盤中心對稱，並且，位於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矽芯。
6.根據權利要求5所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，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所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，以所述底盤的中心為圓心，設置有矽芯的區域被平均分為3個夾角為120°的扇形區，每個扇形區的矽芯布置方式關於底盤中心對稱。
8.根據權利要求7所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，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任一項所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，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所述的多晶矽還原爐，其特徵在於，所述底盤採用水冷卻式結構，其上設置冷卻水進口和冷卻水出口。
全文摘要
本發明實施例公開了一種多晶矽還原爐，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於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，並且，最外層電極的連線近似為以所述底盤的中心為圓心的圓。本發明實施例提供的多晶矽還原爐，提高了多晶矽產品的質量，並且，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矽產品的能量消耗。
文檔編號C01B33/03GK102701209SQ20111007564
公開日2012年10月3日 申請日期2011年3月28日 優先權日2011年3月28日
發明者吳梅, 李仙壽 申請人:四川瑞能矽材料有限公司