用于生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多晶硅生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于改良西門子工藝生產(chǎn)多晶硅的還原爐。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，改良西門子工藝是使用最廣泛的多晶硅生產(chǎn)方法，所說(shuō)的西門子工藝原理是，采用高溫還原沉積工藝，在關(guān)鍵核心設(shè)備之一——鐘罩型反應(yīng)器(又稱還原爐)內(nèi)，以與電極相連的8_左右粗細(xì)的硅芯作為沉積基底，以高純的SiHCl3為物料，在高純H2氣氛中高溫還原沉積而生成多晶硅。
[0003]所說(shuō)的鐘罩型反應(yīng)器為密封結(jié)構(gòu)，底盤(pán)電極上連接有直徑5?10mm、長(zhǎng)度1500?3000mm的硅芯，通過(guò)卡座在電極上的硅芯座(又稱“石墨卡瓣”組件)固定，每對(duì)電極上的兩根硅棒上端通過(guò)一根較短的硅棒相互連接，形成倒U形結(jié)構(gòu)。開(kāi)始沉積硅前，在電極上施加6?12kV左右的高壓，硅芯被擊穿導(dǎo)電并被加熱至1000?1150°C，表面經(jīng)氫還原后，硅開(kāi)始在硅芯表面沉積形成硅棒，隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，硅棒的直徑逐漸增大，最終達(dá)到120?200mm左右。通常情況下，生產(chǎn)直徑為120?200mm的高純硅棒所需的反應(yīng)時(shí)間大約為150?300小時(shí)。
[0004]在傳統(tǒng)的還原爐中，一般將硅芯(或電極)按同心圓形進(jìn)行排列，底盤(pán)上設(shè)有原料氣進(jìn)出口。專利號(hào)為ZL200820006917.2的中國(guó)專利就公開(kāi)了這樣的還原爐，其中，在該還原爐的底盤(pán)上分兩個(gè)圓周均勻布置13對(duì)電極(對(duì)應(yīng)13對(duì)電極)，外周布置8對(duì)電極，內(nèi)周布置5對(duì)電極，而進(jìn)氣噴口均勻分布在底盤(pán)上。這種布局提高了還原爐內(nèi)空間的利用率，并使內(nèi)外圈耗電功率接近，與傳統(tǒng)的12對(duì)電極相比，每爐的多晶硅生產(chǎn)量得到提高，相應(yīng)地，生產(chǎn)成本及耗能被降低。
[0005]專利號(hào)為ZL200820006916.8的中國(guó)專利也公開(kāi)了這樣的還原爐，其中，在該還原爐的底盤(pán)上分三個(gè)圓周均勻布置18對(duì)電極(對(duì)應(yīng)18對(duì)硅芯)，最外一周布置9對(duì)電極，最內(nèi)一周布置3對(duì)電極,中間一周布置6對(duì)電極,進(jìn)氣噴口則均勻地分布在底盤(pán)上。這種布局能夠進(jìn)一步提高還原爐的產(chǎn)量，進(jìn)而降低多晶硅的生產(chǎn)成本和能耗。
[0006]專利號(hào)為ZL200820105591.9的中國(guó)專利對(duì)上述底盤(pán)上電極對(duì)的布局作了進(jìn)一步的改進(jìn)。該專利所公開(kāi)的還原爐底盤(pán)仍分為三個(gè)圓周布置電極對(duì)，但是每個(gè)圓周上的電極對(duì)數(shù)量都增加了，使電極對(duì)的總量達(dá)到了 24對(duì)。這樣的電極對(duì)布局使得每爐的多晶硅產(chǎn)量得到大幅度的提升，隨之而來(lái)的是生產(chǎn)成本和能耗的大幅度降低。
[0007]盡管上述的電極對(duì)圓形布局有助于多晶硅產(chǎn)量的提高以及生產(chǎn)成本和能耗的降低，但是這種同心圓形布局方式仍存在缺陷。一種缺陷就是硅芯按圓形排列時(shí)，相鄰硅芯之間的距離不同，在空間構(gòu)成的幾何形態(tài)也有差別，不利于還原爐內(nèi)氣體流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)的均勻分布，氣體流場(chǎng)以及溫度場(chǎng)不均勻會(huì)導(dǎo)致生成的多晶硅棒表面出現(xiàn)明顯的顆粒，造成質(zhì)量的下降。另一種缺陷是圓形排列的硅芯對(duì)還原爐空間的利用率不高，而反應(yīng)空間利用率將會(huì)直接影響多晶硅沉積速率、原料的一次轉(zhuǎn)化率以及反應(yīng)器內(nèi)熱效率，即直接影響多晶硅生產(chǎn)成本。
[0008]因此，專利200920282780采用正多邊形幾何排布硅芯，并將原料進(jìn)出氣口設(shè)置在每個(gè)正多邊形的幾何中心，以實(shí)現(xiàn)單位底盤(pán)面積硅芯密度最大，從而更加有效利用還原爐內(nèi)空間，提高產(chǎn)量，降低單位電耗。
[0009]專利20101014882公布了一種硅芯中心和進(jìn)出氣口形成正三角形點(diǎn)陣排布的還原爐，實(shí)現(xiàn)了更密集的硅芯排布，提高了還原爐內(nèi)熱能利用率，降低單位能耗，實(shí)現(xiàn)更均勻的流場(chǎng)分布，改善了原料在硅芯表面分配，優(yōu)化產(chǎn)品表面形貌。
[0010]盡管上述還原爐采用了正多邊形排布硅芯，使單位底盤(pán)面積硅芯密度最大，在正多邊形幾何中心布置進(jìn)出氣口，使物料在硅芯上的分配更加均勻，然而，針對(duì)大型還原爐(60對(duì)棒及以上)，仍有以下幾個(gè)問(wèn)題有待解決:(1)采用正多邊形點(diǎn)陣排布的還原爐，不容易實(shí)現(xiàn)分圈，也沒(méi)有考慮硅芯(硅棒)分圈控制問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)流經(jīng)各圈硅芯電流的單獨(dú)控制，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)流經(jīng)各圈硅芯的電流相同；(2)隨著正多邊形點(diǎn)陣排布的硅棒數(shù)量的增加，越來(lái)越難從還原爐視孔或測(cè)溫孔觀察到和測(cè)量到內(nèi)圈硅棒的生長(zhǎng)情況和溫度分布情況，由于還原爐內(nèi)圈硅棒所受到的熱輻射相對(duì)外圈硅棒的大，因此內(nèi)圈硅棒溫度較高，而還原爐越大，內(nèi)圈硅棒溫度越高，因此容易發(fā)生因無(wú)法有效監(jiān)控而造成內(nèi)圈溫度過(guò)高導(dǎo)致的停爐等重大問(wèn)題；(3)采用正多邊形硅芯排布的還原爐，最外圈的硅芯離爐內(nèi)壁間距不一，在低溫壁面的影響下，靠近壁面的硅棒生長(zhǎng)速度慢，導(dǎo)致同一圈的硅棒表面溫度不一，生長(zhǎng)形貌不一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種適用于生產(chǎn)多晶硅的還原爐，以解決硅芯無(wú)法分圈控制、硅棒生長(zhǎng)不均一、反應(yīng)器熱能利用率較低等問(wèn)題。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種用于生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)器，其包括含有冷卻設(shè)施的爐筒、底盤(pán)、以及位于所述底盤(pán)上的電極、原料進(jìn)氣口和排氣口，其特征在于除了最外部靠近爐筒的電極外，每個(gè)電極在R±0.1R處具有四個(gè)或五個(gè)其他的相鄰電極和一個(gè)或兩個(gè)相鄰進(jìn)氣口和/或排氣口，所述兩兩相鄰的電極、進(jìn)氣口和/或排氣口中心點(diǎn)組成的點(diǎn)陣按正三角形和/或近似正三角形點(diǎn)陣排列，其中R選自150mnT300mm。
[0013]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，除了最外部靠近爐筒的電極外，每個(gè)電極在R±0.1R處具有四個(gè)或五個(gè)其他的相鄰電極和一個(gè)或兩個(gè)相鄰進(jìn)氣口和/或排氣口，所述兩兩相鄰的電極、進(jìn)氣口和/或排氣口中心點(diǎn)組成的點(diǎn)陣按正三角形和/或近似正三角形點(diǎn)陣排列，且所述底盤(pán)上設(shè)有66對(duì)電極，其中R選自150mnT300mm。
[0014]在又一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，除了最外部靠近爐筒的電極外，每個(gè)電極在R~l.1R處具有四個(gè)或五個(gè)其他的相鄰電極和一個(gè)或兩個(gè)相鄰進(jìn)氣口和/或排氣口，所述兩兩相鄰的電極、進(jìn)氣口和/或排氣口中心點(diǎn)組成的點(diǎn)陣按正三角形和/或近似正三角形點(diǎn)陣排列，且以所述每個(gè)電極為中心，到其他的所述相鄰電極和相鄰的進(jìn)氣口和/或排氣口方向形成的兩兩夾角為50~70°，其中R選自210mnT250mm。
[0015]在一個(gè)更為優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述的底盤(pán)最外部靠近爐筒的電極沿所述底盤(pán)的圓周向布置在同一個(gè)圓周上。
[0016]所述的底盤(pán)最外部靠近爐筒的電極與所述爐筒內(nèi)壁間的距離為150mnT300mm。
[0017]所述的底盤(pán)最外部靠近爐筒的電極與所述爐筒內(nèi)壁間的距離為180mnT230mm。
[0018]所述的進(jìn)氣口和排氣口均勻地布置在所述底盤(pán)上，且每個(gè)所述進(jìn)氣口或排氣口在R~l.1R處具有至少6個(gè)相鄰的電極。
[0019]所述底盤(pán)上均勻設(shè)有25個(gè)進(jìn)氣口和/或排氣口。
[0020]所述底盤(pán)上均勻設(shè)有均勻布置的6個(gè)排氣口和19個(gè)進(jìn)氣口。
[0021]所述底盤(pán)上均勻設(shè)有均勻布置的3個(gè)排氣口和22個(gè)進(jìn)氣口。
[0022]所述的爐筒包括封頭和筒身，所述筒身高度為1.8nT3m。
[0023]本發(fā)明反應(yīng)器底盤(pán)的設(shè)計(jì)思路為:整體采用正六邊形點(diǎn)陣排布設(shè)計(jì)，在正六邊形中心放置進(jìn)出氣口，使得電極、進(jìn)氣口、出氣口中心構(gòu)成正三角形點(diǎn)陣，這樣在相同底盤(pán)直徑、相同硅棒間距條件下，單位底盤(pán)面積排布的硅芯密度最高，可充分利用還原爐內(nèi)空間；因采用正六邊形矩