CN106915746B - 一种48对棒还原炉底盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种48对棒还原炉底盘，包括有底盘本体和电极，电极具有48对，分列成四道圆环状结构设置于底盘上形成四圈电极环，从内往外依次为电极一环、电极二环、电极三环和电极四环；每一圈电极环的两侧均设有一圈由若干出气口构成的出气环和一圈由若干进气口构成的进气环；进气环共设置有三圈，其中电极一环的内侧和电极四环的外侧各设有一圈。本发明的主要有益效果有：可以促进硅棒表面的物料气循环，获得优质的多晶硅棒；可以实现钟罩内壁的内部冷却，缩减钟罩内壁的清洁频次，降低炉内热辐射损失并提高生产效率；可以提高物料转化率，降低生产能耗。

Description

一种48对棒还原炉底盘

技术领域

本发明涉及多晶硅制备装置技术领域，具体涉及一种用于多晶硅还原炉内的底盘结构。

背景技术

改良西门子法是国际上生产多晶硅的主流技术，其核心设备为还原炉，还原炉的工作原理是通过通电高温硅芯将三氯氢硅与氢气的混合气体反应生成多晶硅并沉积在硅芯上，最终产物是沉积在硅芯上的多晶硅，产品最终以多晶硅棒的形式从还原炉中采出。

目前通用的还原炉类型为12对棒还原炉、24对棒还原炉以及36对棒还原炉，由于上述还原炉具有单炉产量低、单位能耗难以进一步降低、同等产能所产用地面积大等制约性特点，所以以48对棒还原炉为主的大型还原炉成为国内外多晶硅巨头争相开发的新一代多晶硅关键技术。以48对棒还原炉为例，其单炉产量可以高达11～12吨，单位电耗低于50kwh，同等规模下，厂房占地只有24对棒还原炉的一半，在实现高效率生产产品的同时，可以大幅降低生产成本，48对棒还原炉展现出小型还原炉无法比拟的经济性。

多晶硅还原炉主要由底盘和炉体组成，其中底盘是还原炉的核心部件，底盘的结构和性能直接影响着物料在炉内的分布和流动、硅棒的生长质量和还原能耗。底盘上还设置有电极连接装置、物料进出气装置和冷却装置，其中电极具有两种固定的排列形式，即同心圆排列和蜂窝状排列，冷却装置中的冷却介质一般为水或者油。上述两种装置已经较为成熟，优化的空间较小，而进出气装置的优化空间仍然较大，尤其是进出气口的数量、位置以及喷嘴的高度，通过改进、优化进出气装置，可以进一步优化炉内物料流场和炉内温场，进而提高物料利用率、提高晶体结晶性能和降低还原能耗，进而实现高品质产品的低能耗生产。

三氯氢硅在900～1050℃范围内主要以热分解为主，在1050～1200℃之间以氢还原为主，温度小于900℃时，会形成疏松的暗褐色无定型硅，温度大于1200℃时，会发生逆腐蚀反应，使硅容易熔化。此外，还原炉运行过程中，炽热的硅棒表面会形成一层气相界面，根据Soret效应可知，分子量小的氯化氢对硅棒的趋向性强于三氯氢硅，使反应速率受到限制。物料在炉内的分布直接决定着炉内温场分布，物料的流动性决定着硅棒表面气相层的性质，而物料在炉内的分布和流动均由底盘进出气决定，因此底盘进出气方式是影响优质多晶硅高效生长的决定性因素。

还原炉容量的扩大，使得进料流速、物料流场、温场等影响多晶硅生长的关键参数变得更加复杂，需要开发一系列关键技术，以保障关键参数的稳定，进而实现大型还原炉的高效、稳定运行，底盘是保障多晶硅生长和还原炉稳定运行的关键部件，是实现还原炉大型化和降低还原炉能耗的关键。

因此，如何针对48对棒还原炉设计结构更为合理的底盘，使其能够解决前述存在的问题成为当前需要急需解决的课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构设计更合理、可使炉内物料流动性更好、温场分布更均匀、物料转化率更高的48对棒还原炉底盘结构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种48对棒还原炉底盘，包括有底盘本体和电极，电极设置于底盘本体上，其特征在于：所述电极包括有48对，48对电极分列成四道圆环状结构设置于底盘上形成四圈电极环，从内往外依次为电极一环、电极二环、电极三环和电极四环，位于外圈的电极数量多于位于内圈的电极数量；每一圈电极环的两侧均设有一圈由若干出气口构成的混合气体出气环和一圈由若干进气口构成的混合气体进气环，出气口和进气口均开设于底盘本体上；所述进气环共设置有三圈，从内往外依次为进气一环、进气二环和进气三环，其中进气三环设置于电极四环的外侧，而进气一环设置于电极一环的内侧。

进一步地，所述出气环共设置有三圈，从内往外依次为出气一环、出气二环和出气三环，其中出气一环设置于进气一环的内侧，出气二环设置于电极一环与电极二环之间，出气三环设置于电极三环与电极四环之间；而进气二环设置于电极二环与电极三环之间。

进一步地，每一圈电极环上的电极均为均匀分布；每一圈出气环上的出气口均为均匀分布，且每一出气口的直径相同；每一圈进气环上的进气口均为均匀分布，且每一进气口的直径相同。

进一步地，所述底盘本体为圆盘结构，出气一环、进气一环、电极一环、出气二环、电极二环、进气二环、电极三环、混合气出气三环、电极四环及混合气进气三环均以底盘本体的中心为圆心，形成从内到外依次排列的同心圆。

进一步地，出气一环上均匀分布有3个出气口，进气一环上均匀分布有3～6个进气口，电极一环上均匀分布有6对电极，出气二环上均匀分布有5～10个出气口，电极二环上均匀分布有10对电极，进气二环上均匀分布有10～20个进气口，电极三环上均匀分布有14对电极，混合气出气三环上均匀分布有5～10个出气口，电极四环上均匀分布有18对电极，进气三环上均匀分布有20～30个进气口。

进一步地，出气环上的出气口与进气环上的进气口沿底盘本体的经线方向形成错位设置，任一经线位置上只具有进气口或只具有出气口，也就是说相邻进气环上的进气口和出气环上的出气口始终不在底盘的同一经线上，而是分布在具有一定夹角的相邻两条经线上；进气环上的进气口和出气环上的出气口从内到外沿折线排列。

进一步地，在电极二环的电极之间设有3-6个辅助出气口，相邻的辅助出气口之间隔有若干对电极，辅助出气口的直径小于位于出气环上各出气口的直径；辅助出气口在硅棒生长至直径为20～50mm时开启。

进一步地，电极二环和进气二环之间设置有辅助出气环，辅助出气环上均匀设置有3-6个出气口，该出气口的直径小于出气环上各出气口直径，且该出气口在硅棒生长至直径为80～120mm时开启。

进一步地，通过调整进气环上的进气口数量和出气环上的出气口数量控制单位体积内的物料循环，电极一环和电极二环的单位体积物料循环量大于电极三环和电极四环的单位体积物料循环量。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

第一，电极环两侧设置有混合气进气环和混合气出气环，此结构设计可以促进硅棒表面的物料气循环，使得硅棒表面的温度(气相沉积温度和表面气相温度)始终保持在合适的物料转化温度，进而使物料转化速率和硅粒沉积速率达到较优的匹配值，从而获得优质的多晶硅棒，可以最大程度的降低粗料和硅粉尘的生成；

第二，电极四环外设置有混合气体进气三环，即在比邻还原炉钟罩内壁设置有一圈进气口，此结构设计可以实现钟罩内壁的内部冷却，并且可以最大程度的利用炉内热辐射，降低热辐射的损失，从而降低还原能耗。此外该结构可以使靠近钟罩内壁的气相温度始终低于500℃，进而可以避免物料腐蚀钟罩和硅粉尘的生成，并且其余空间产生的硅粉尘也不会循环到内壁上，因此可以长期保障钟罩内壁具有高的光洁度，进而可以缩减钟罩内壁的清洁频次，进一步降低炉内热辐射的损失并提高生产效率；

第三，进气环上的进气口和出气环上的出气口从内到外按着折线排列，此设计可以促进物料的湍动，进而提高物料的转化率。还原炉运行时，炙热的硅棒表面会形成一层气相界面，由于氯化氢和氢气的分子量较三氯氢硅小，因此氯化氢和氢气会优先扩散至硅棒表面，导致转化率受到限制，而物料的湍动可以打破硅棒表面的气相界面，进而提高三氯氢硅与硅棒的接触几率，从而提高三氯氢硅在硅棒表面的转化率；

第四，电极一环和电极二环的单位体积物料循环量大于电极三环和电极四环，此设计可以保障电极一环和电极二环上的硅棒均匀生长，可以降低内部硅棒附近硅粉尘的产生率。随着硅棒直径的变大，相对电极三环和电极四环，电极一环和电极二环对应的热扩散空间更小，进而导致气相温度升高，加剧硅粉尘和副产物的产生，还会导致硅棒顶部粗料生成率提高，而通过该设计可以避免传统48对棒还原炉存在的前述问题，保障电极一环和电极二环上的硅棒均匀生长；

第五，进气口和出气口数量多于传统48对棒还原炉，并且进气口和出气口间隔分布，从炉内整体气氛来看，进出气口数量的增加和进出气口间隔分布可以促进炉内宏观气氛的循环和湍动，但是就微观而言，硅棒表面的气流更加均匀。宏观气氛循环和湍动的提升尤其可以降低炉顶部的物料循环和温度，可以解决传统48对棒还原炉顶部物料供应不足、温度高、硅芯横梁易熔断等问题；

第六，创造性地通过进出气口的排布将大型还原炉分为多个流体、温度均匀分布的区域，即保留了小型还原炉的优势，又具有大型还原炉的特点，可以实现电子级多晶硅的大型还原炉生产。

附图说明

图1为本发明第一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明第二种实施方式的结构示意图；

图3为本发明第三种实施方式的结构示意图。

1为底盘本体，2为出气一环，3为进气一环，4为电极一环，5为出气二环，6为电极二环，7为进气二环，8为电极三环，9为出气三环，10为电极四环，11为进气三环，12为辅助出气环，13为辅助出气口，14为出气口，15为进气口，16为电极。

具体实施方式

实施例1，参照图1，所述48对棒还原炉底盘，包括底盘本体1、出气一环2、进气一环3、电极一环4、出气二环5、电极二环6、进气二环7、电极三环8、出气三环9、电极四环10、进气三环11。

底盘本体1为圆盘结构，出气一环2、进气一环3、电极一环4、出气二环5、电极二环6、进气二环7、电极三环8、出气三环9、电极四环10和进气三环11均以底盘本体1的中心为圆心，形成从内到外依次排列的同心圆。

出气一环2上均匀分布有3个出气口14，进气一环3上均匀分布有3个进气口15，电极一环4上均匀分布有6对电极16，出气二环5上均匀分布有5个出气口14，电极二环6上均匀分布有10对电极16，进气二环7上均匀分布有15个进气口15，电极三环8上均匀分布有14对电极16，出气三环9上均匀分布有10个出气口14，电极四环10上均匀分布有18对电极16，进气三环11上均匀分布有20个进气口15。

相邻进气环上的进气口15和出气环上的出气口14不在底盘本体1的同一经线上，而是分布在具有一定夹角的相邻两条经线上，也就是说位置是相互错开的，进气环上的进气口15和出气环上的出气口14从内到外按着折线排列。

通过调整进气环上的进气口15的数量和出气环上的出气口14的数量控制单位体积内的物料循环；电极一环4和电极二环6的单位体积物料循环量大于电极三环8和电极四环10的单位体积物料循环量。

实施例2，参照图2，与实施例1所不同之处在于，出气一环2上均匀分布有3个出气口14，进气一环3上均匀分布有4个进气口15，电极一环4上均匀分布有6对电极16，出气二环5上均匀分布有5个出气口14，电极二环6上均匀分布有10对电极16，进气二环7上均匀分布有15个进气口15，电极三环8上均匀分布有14对电极16，出气三环9上均匀分布有10个出气口14，电极四环10上均匀分布有18对电极16，进气三环11上均匀分布有20个进气口15。

实施例3，参照图3，与实施例1所不同之处在于，出气一环2上均匀分布有3个出气口14，进气一环3上均匀分布有6个进气口15，电极一环4上均匀分布有6对电极16，出气二环5上均匀分布有6个出气口14，电极二环6上均匀分布有10对电极16，进气二环7上均匀分布有15个进气口15，电极三环8上均匀分布有14对电极16，出气三环9上均匀分布有10个出气口14，电极四环10上均匀分布有18对电极16，进气三环11上均匀分布有20个进气口15。

电极二环6和进气二环7之间设置有辅助出气环12，辅助出气环12上均匀设置有三个出气口，此出气口的直径小于位于混合气体出气环上的的出气口14的直径；辅助出气环12上的出气口在硅棒生长至直径为80～120mm时开启。

电极二环6的电极16之间设置有辅助出气口13，辅助出气口13的数量为3个，辅助出气口13的直径小于位于混合气体出气环上的出气口14的直径；辅助出气口13在硅棒生长至直径为20～50mm时开启。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种48对棒还原炉底盘，包括有底盘本体和电极，电极设置于底盘本体上，其特征在于：所述电极包括有48对，48对电极分列成四道圆环状结构设置于底盘上形成四圈电极环，从内往外依次为电极一环、电极二环、电极三环和电极四环，位于外圈的电极数量多于位于内圈的电极数量；每一圈电极环的两侧均设有一圈由若干出气口构成的出气环和一圈由若干进气口构成的进气环，出气口和进气口均开设于底盘本体上；所述进气环共设置有三圈，从内往外依次为进气一环、进气二环和进气三环，其中进气三环设置于电极四环的外侧，而进气一环设置于电极一环的内侧。

2.根据权利要求1所述的48对棒还原炉底盘，其特征在于：所述出气环共设置有三圈，从内往外依次为出气一环、出气二环和出气三环，其中出气一环设置于进气一环的内侧，出气二环设置于电极一环与电极二环之间，出气三环设置于电极三环与电极四环之间；而进气二环设置于电极二环与电极三环之间。

3.根据权利要求1所述的48对棒还原炉底盘，其特征在于：每一圈电极环上的电极均为均匀分布；每一圈出气环上的出气口均为均匀分布，且每一出气口的直径相同；每一圈进气环上的进气口均为均匀分布，且每一进气口的直径相同。

4.根据权利要求1所述的48对棒还原炉底盘，其特征在于：所述底盘本体为圆盘结构，出气一环、进气一环、电极一环、出气二环、电极二环、进气二环、电极三环、混合气出气三环、电极四环及混合气进气三环均以底盘本体的中心为圆心，形成从内到外依次排列的同心圆。

5.根据权利要求4所述的48对棒还原炉底盘，其特征在于：出气一环上均匀分布有3个出气口，进气一环上均匀分布有3～6个进气口，电极一环上均匀分布有6对电极，出气二环上均匀分布有5～10个出气口，电极二环上均匀分布有10对电极，进气二环上均匀分布有10～20个进气口，电极三环上均匀分布有14对电极，混合气出气三环上均匀分布有5～10个出气口，电极四环上均匀分布有18对电极，进气三环上均匀分布有20～30个进气口。

6.根据权利要求5所述的48对棒还原炉底盘，其特征在于：出气环上的出气口与进气环上的进气口沿底盘本体的经线方向形成错位设置，任一经线位置上只具有进气口或只具有出气口，进气环上的进气口和出气环上的出气口从内到外沿折线排列。

7.根据权利要求1所述的48对棒还原炉底盘，其特征在于：在电极二环的电极之间设有3～6个辅助出气口，辅助出气口的直径小于位于出气环上各出气口的直径；辅助出气口在硅棒生长至直径为20～50mm时开启。

8.根据权利要求7所述的48对棒还原炉底盘，其特征在于：电极二环和进气二环之间设置有辅助出气环，辅助出气环上均匀设置有3～6个出气口，该出气口的直径小于所述出气环上各出气口直径，且该出气口在硅棒生长至直径为80mm～120mm时开启。

9.根据权利要求8所述的48对棒还原炉底盘，其特征在于：通过调整进气环上的进气口数量和出气环上的出气口数量控制单位体积内的物料循环，电极一环和电极二环的单位体积物料循环量大于电极三环和电极四环的单位体积物料循环量。