一種高效的多晶矽生產方法及裝置的製作方法

2023-05-24 05:40:46

專利名稱：一種高效的多晶矽生產方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及多晶矽的生產，特別是涉及一種提高多晶矽生產中矽的一次性收率的
方法及裝置。
背景技術：
西門子法生產多晶矽，是氫氣和三氯氫矽混合進入還原爐進行反應並沉澱生長在 矽棒上的過程，利用改良西門子法生產多晶矽是目前世界多晶矽的主要生產方法，矽的一 次性收率約12%左右，其工藝是在一個鐘罩式的反應器中進行，鐘罩內預先裝好矽芯，通過 高壓電對矽芯進行加熱，H2和TCS(SiHCl》在108(TC左右的矽芯表面反應，並不斷生長最終 成為產品多晶矽棒。涉及的反應方程式如下(1)式所示
SiHCl3+H2 — Si+3HC1 (1) 但是在反應的過程中，同時還可能發生如下(2) 、 (3)和(4)式等副反應
4SiHCl3 — Si+3SiCl4+2H2 (2)
SiHCl3+H2 — SiH2Cl2+HCl (3)
SiH2Cl2 — Si+2HC1 (4) 副反應主要在氣相發生，其降低了反應過程中TCS的濃度，同時生成的Si大部分 沒有附著在矽棒表面而隨著氣體進入尾氣系統，這不但造成了原料的浪費，還增加了尾氣 處理難度。 現有技術中，為了減少副反應的發生，通常的處理方法是加大H2和TCS的配比，但
是加大原料配比後，反應速度明顯下降，產量降低，使得工廠的收益下降。 為了節省能耗，會採用利用反應後的高溫尾氣對進氣進行加熱，此方法雖然加熱
了進氣混合氣，但是由於整個反應過程中進氣量和尾氣的溫度不固定，所以整個過程中進
氣的溫度也在變化。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是對改良西門子法還原爐的進氣系統進行改進，提供
一種高效的多晶矽生產方法，以提高矽的一次性收率。 本發明還要解決的技術問題是提供上述多晶矽生產方法的實現裝置。 為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下 —種高效的多晶矽生產方法，其特徵在於該方法包括如下步驟 (1)三氯氫矽與氫氣按1 : 2 15的體積比組成的原料混合氣先進入列管換熱
器加熱，再進入板式換熱器換熱，然後再進入多晶矽還原反應器反應，維持原料氣在還原反
應器的進氣溫度為200 500°C ;列管換熱器中，原料氣與多晶矽生產過程產生的尾氣熱交
換，板式換熱器中，原料氣與水蒸氣進行熱交換； (2)多晶矽還原反應器內，氫氣初始流量為60 lOONmVh，在1050 1250°C、 0. 1 2. OMpa條件下，原料混合氣在矽芯表面反應沉積多晶矽，當矽芯生長到直徑50mm時停止施加電流，並調節氫氣流量至150 200NmVh ; (3)待矽棒表面溫度降至1000 105(TC時，調節氫氣流量至80 120Nm3/h，同時
恢復施加電流，將矽棒表面溫度升至1080 IIO(TC，維持30 35h ; (4)停止施加電流，調節氫氣流量至300 350NmVh，待矽棒表面溫度降至970
102(TC，調節氫氣流量至150 180NmVh，同時施加電流，將矽棒表面溫度升至1050
108(TC，維持至還原反應器停爐。 步驟(1)中，原料氣在還原反應器的進氣溫度優選維持在300°C 。
步驟(2)中，所述矽芯，其原始直徑為5 8mm。
步驟(2)中，初始反應溫度優選為1080 IIO(TC。 步驟(3)中，優選的方式是，待矽棒表面溫度降至102(TC時，調節氫氣流量至
120NmVh，同時恢復施加電流，用45小時將矽棒表面溫度升至108(TC，維持30h。 步驟(4)中，優選的方式是，停止施加電流，調節氫氣流量至350NmVh，待矽棒表
面溫度降至IOO(TC，調節氫氣流量至180Nm3/h，同時施加電流，用45h將矽棒表面溫度升至
106(TC，維持至還原反應器停爐。 —種高效的多晶矽生產方法的實現裝置，包括多晶矽還原反應器，其特徵在於在 多晶矽還原反應器前設置列管換熱器和板式換熱器，列管換熱器依次順序與板式換熱器和 多晶矽還原反應器相連。列管換熱器進口通原料混合氣，出口通過閥門、管道與板式換熱器 的進口相連通，板式換熱器的出口通過閥門、管道與多晶矽還原反應器的進氣管道連通。
本發明的裝置包含列管換熱器和板式換熱器的複合系統，在此複合系統中，尾氣 和原料混合氣在列管換熱器中進行熱交換，在板式換熱器中，原料混合氣和蒸汽進行熱交 換。還原爐出爐的尾氣首先對原料混合氣進行換熱，原料混合氣與尾氣換熱後再通過板式 換熱器換熱。由於在多晶矽生長周期的初期，尾氣溫度較低，生長周期的後期，尾氣溫度較 高，所以板式換熱器在生產周期的前期對進氣混合氣進行加熱，生長周期的後期，板式換熱 器對進氣混合氣進行降溫。通過調節蒸汽的用量，我們可以把進氣混合氣的溫度控制在一 個恆定的溫度上。 本發明通過控制進入還原爐氣體的初始溫度來控制反應氣相溫度，起到了很好的 效果，降低副反應的反應速度而對主反應的反應速度不會產生太大的影響。該複合換熱體 系，可以方便的控制進氣混合氣的溫度。通過不同的溫度進行試驗和比較，我們發現當進氣 混合氣溫度穩定在300°C時，矽的一次收率和反應過程中的單位能耗都達到最佳。在多晶矽 的生產過程中，反應壓力和配比是恆定的，因此，在同樣的溫度下，無論主反應(1)式還是 副反應(2) (4)式，反應平衡的位置都是一定的。而當溫度升高時，無論主反應還是副反 應，反應速度都會提高。當副反應的速度提高幅度大於主反應時，副反應的發生就會增加就 會增加，同樣，當副反應增加的比主反應慢，副反應的比例就會下降。 由於多晶矽生產中，主反應發生在矽棒表面，而副反應主要發生在氣相。因此，可 以通過降低氣相溫度，同時保持矽棒表面溫度不變來減少副反應的發生。多晶矽生長過程 中，氣相溫度的升高，主要因為，一是氣體與矽棒表面接觸，在反應的同時發生熱交換，使得 氣相溫度升高，由於鐘罩反應器體積較大，因此，與矽棒表面發生接觸的只有一部分體積， 所以此部分熱量對氣相溫度的貢獻有限；二是氣體受到矽棒所產生的熱輻射，輻射的能量 之間與氣相物料的氣體分子作用，造成分子運動加劇，溫度升高。由於輻射可以作用於鐘罩內的任何位置，所以，輻射的熱量是氣相溫度升高的主要原因。無論是熱交換還是熱輻射， 對於氣相溫度的影響都需要一個過程，即與氣體在反應器內停爐的時間有關。雖然如此，但 是在穩定的生產條件下，由於流量是固定的，所以氣體在反應器內停留的時間也是基本固 定的。
有益效果 (1)本發明有效提高矽的一次性收率，有利於減少生產循環，降低生產過程中的能 量消耗； (2)本方法簡單易行，極大節約生產成本，並降低了尾氣處理難度。


圖1是本發明原料混合氣加熱系統的示意圖，l為進氣混合氣，2為列管換熱器，3 為板式換熱器。
具體實施例方式
根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實 施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結果僅用於說明本發明，而不應當也不會限 制權利要求書中所詳細描述的本發明。
實施例1 : 三氯氫矽與氫氣按l : IO的體積比組成的原料混合氣先進入列管換熱器加熱，再 進入板式換熱器換熱，然後再進入多晶矽還原反應器反應，維持原料氣在還原反應器的進 氣溫度為300°C ;列管換熱器中，原料氣與多晶矽生產過程產生的尾氣熱交換，板式換熱器 中，原料氣與水蒸氣進行熱交換； 多晶矽還原反應器內，氫氣初始流量為100NmVh，在1080°C 、2Mpa條件下，原料混 合氣在矽芯表面反應沉積多晶矽，當矽芯生長到直徑50mm時停止施加電流，並調節氫氣流 量至200Nm3/h ; 待矽棒表面溫度降至102(TC時，調節氫氣流量至120NmVh，同時恢復施加電流，用 45小時將矽棒表面溫度升至108(TC，維持30h ; 停止施加電流，調節氫氣流量至350NmVh，待矽棒表面溫度降至IOO(TC，調節氫氣 流量至180NmVh，同時施加電流，用45h將矽棒表面溫度升至1060°C，維持至還原反應器停 爐。 矽的一次性收率為12. 2%，單位電耗為64kwh/kg。
比較例1 : 同實施例1的方法相同，所不同的是原料混合氣進入列管換熱器加熱之後就進入 多晶矽還原反應器反應，不經過板式換熱器換熱的環節，矽的一次性收率為10. 4%，單位電 耗為74kwh/kg。
實施例2: 三氯氫矽與氫氣按l : 15的體積比組成的原料混合氣先進入列管換熱器加熱，再 進入板式換熱器換熱，然後再進入多晶矽還原反應器反應，維持原料氣在還原反應器的進 氣溫度為3Q(TC ;列管換熱器中，原料氣與多晶矽生產過程產生的尾氣熱交換，板式換熱器中，原料氣與水蒸氣進行熱交換； 多晶矽還原反應器內，氫氣初始流量為100Nm3/h，在IIO(TC 、2Mpa條件下，原料混 合氣在矽芯表面反應沉積多晶矽，當矽芯生長到直徑50mm時停止施加電流，並調節氫氣流 量至200Nm3/h ; 待矽棒表面溫度降至102(TC時，調節氫氣流量至120NmVh，同時恢復施加電流，用 45小時將矽棒表面溫度升至108(TC，維持30h ; 停止施加電流，調節氫氣流量至350NmVh，待矽棒表面溫度降至IOO(TC，調節氫氣 流量至180NmVh，同時施加電流，用45h將矽棒表面溫度升至1060°C，維持至還原反應器停 爐。 矽的一次性收率為13. 4%，單位電耗為76kwh/kg。
比較例2 : 同實施例2的方法相同，所不同的是原料混合氣進入列管換熱器加熱之後就進入 多晶矽還原反應器反應，不經過板式換熱器換熱的環節，矽的一次性收率為10. 8%，單位電 耗為84kwh/kg。
實施例3 : 三氯氫矽與氫氣按l : 2的體積比組成的原料混合氣先進入列管換熱器加熱，再 進入板式換熱器換熱，然後再進入多晶矽還原反應器反應，維持原料氣在還原反應器的進 氣溫度為300°C ;列管換熱器中，原料氣與多晶矽生產過程產生的尾氣熱交換，板式換熱器 中，原料氣與水蒸氣進行熱交換； 多晶矽還原反應器內，氫氣初始流量為100NmVh，在1080°C、0. 1Mpa條件下，原料 混合氣在矽芯表面反應沉積多晶矽，當矽芯生長到直徑50mm時停止施加電流，並調節氫氣 流量至200Nm3/h ; 待矽棒表面溫度降至102(TC時，調節氫氣流量至120NmVh，同時恢復施加電流，用 45小時將矽棒表面溫度升至108(TC，維持35h ; 停止施加電流，調節氫氣流量至350NmVh，待矽棒表面溫度降至IOO(TC，調節氫氣 流量至180NmVh，同時施加電流，用45h將矽棒表面溫度升至1060°C，維持至還原反應器停 爐。 矽的一次性收率為12. 3%，單位電耗為63kwh/kg。
比較例3 : 同實施例3的方法相同，所不同的是原料混合氣進入列管換熱器加熱之後就進入 多晶矽還原反應器反應，不經過板式換熱器換熱的環節，矽的一次性收率為9.6%，單位電 耗為71kwh/kg。
實施例4 : 同實施例1的方法，所不同的是，改變原料氣在還原反應器的進氣溫度分別為 10(TC、20(TC、30(rC和35(TC，對矽的一次性收率和單位生產電耗做出比較，如下表1所示
表1不同進氣溫度對矽的一次性收率和單位生產電耗的影響
6
矽的--次性收率(％)單位電耗(kwh/kg)
只利用尾氣預熱10.474
100 °c11.987
20012.472
300'C12.264
350'C11.562 由上表可以看出，當進料溫度穩定在300。C，整個生產周期中矽的一次性收率和單 位電耗都達到最佳。
權利要求
一種高效的多晶矽生產方法，其特徵在於該方法包括如下步驟(1)三氯氫矽與氫氣按1∶2～15的體積比組成的原料混合氣先進入列管換熱器加熱，再進入板式換熱器換熱，然後再進入多晶矽還原反應器反應，維持原料氣在還原反應器的進氣溫度為200～500℃；列管換熱器中，原料氣與多晶矽生產過程產生的尾氣熱交換，板式換熱器中，原料氣與水蒸氣進行熱交換；(2)多晶矽還原反應器內，氫氣初始流量為60～100Nm3/h，在1050～1250℃、0.1～2.0Mpa條件下，原料混合氣在矽芯表面反應沉積多晶矽，當矽芯生長到直徑50mm時停止施加電流，並調節氫氣流量至150～200Nm3/h；(3)待矽棒表面溫度降至1000～1050℃時，調節氫氣流量至80～120Nm3/h，同時恢復施加電流，將矽棒表面溫度升至1080～1100℃，維持30～35h；(4)停止施加電流，調節氫氣流量至300～350Nm3/h，待矽棒表面溫度降至970～1020℃，調節氫氣流量至150～180Nm3/h，同時施加電流，將矽棒表面溫度升至1050～1080℃，維持至還原反應器停爐。
2. 根據權利要求l所述的高效的多晶矽生產方法，其特徵在於，步驟(1)中，原料氣在還原反應器的進氣溫度維持在300°C 。
3. 根據權利要求l所述的高效的多晶矽生產方法，其特徵在於，步驟(2)中，所述矽芯，其原始直徑為5 8mm。
4. 根據權利要求l所述的高效的多晶矽生產方法，其特徵在於，步驟(2)中，初始反應溫度為1080 IIO(TC。
5. 根據權利要求l所述的高效的多晶矽生產方法，其特徵在於，步驟(3)中，待矽棒表面溫度降至102(TC時，調節氫氣流量至120NmVh，同時恢復施加電流，用45小時將矽棒表面溫度升至108(TC，維持30h。
6. 根據權利要求l所述的高效的多晶矽生產方法，其特徵在於，步驟(4)中，停止施加電流，調節氫氣流量至350NmVh，待矽棒表面溫度降至IOO(TC，調節氫氣流量至180NmVh，同時施加電流，用45h將矽棒表面溫度升至106(TC，維持至還原反應器停爐。
7. 權利要求1所述的高效的多晶矽生產方法的實現裝置，包括多晶矽還原反應器，其特徵在於在多晶矽還原反應器前設置列管換熱器和板式換熱器，列管換熱器依次順序與板式換熱器和多晶矽還原反應器相連。
全文摘要
本發明公開了一種高效的多晶矽生產方法，三氯氫矽與氫氣按1∶2～15的體積比組成的原料混合氣先進入列管換熱器加熱，再進入板式換熱器換熱，然後再進入多晶矽還原反應器反應，維持原料氣在還原反應器的進氣溫度為200～500℃；列管換熱器中，原料氣與多晶矽生產過程產生的尾氣熱交換，板式換熱器中，原料氣與水蒸氣進行熱交換；再通過壓力、溫度、氫氣流量的調控控制反應直至還原反應器停爐。本發明方法有效提高矽的一次性收率，有利於減少生產循環，降低生產過程中的能量消耗；本發明方法簡單易行，極大節約生產成本，並降低了尾氣處理難度。
文檔編號C30B28/00GK101717088SQ20091023436
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月25日 優先權日2009年11月25日
發明者梁強, 沈力, 田新, 陳明元 申請人:江蘇中能矽業科技發展有限公司