[发明专利]用于生产多晶硅的反应器及系统

说明书

技术领域

本发明涉及生产多晶硅的系统，尤其涉及生产棒状多晶硅的反应器及包含该反应器的系统。

背景技术

目前，多晶硅生产主要采用改良西门子工艺法。所说西门子工艺的原理就是在1100℃左右的高纯硅芯上用高纯氢(H2)还原高纯三氯氢硅(SiHCl3)，生成多晶硅沉积在硅芯上。改良西门子工艺则是在西门子工艺的基础上，增加了还原尾气干法回收系统、四氯化硅(SiCl4)氢化工艺，实现闭路循环，通过采用大型还原炉，降低了单位产品的能耗。

改良西门子工艺主要采用钟罩型反应器(也称为还原炉)和与电极相连的硅芯作为沉积基底，采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。上述化学气相沉积过程是在钟罩型的反应器中进行的，该反应容器是密封的，底盘上安装有出料口和进料口以及若干对电极，电极上连接着直径5-10mm、长度1500-3000mm的硅芯，每对电极上的两根硅芯又在另一端通过一较短的硅棒相互连接形成配对硅芯。当向与该配对硅芯电连通的电极施加6～12kV左右的高压时，硅芯和硅棒都被击穿导电并被加热至1000-1150℃，SiHCl3在硅芯的表面发生反应，其所含的硅经氢还原，沉积在硅芯的表面上，使硅芯的直径逐渐增大，最终达到120-200mm左右。通常情况下，生产直径为120-200mm的高纯硅棒，所需的反应时间大约为150-300小时。

由于炉筒和底盘一般为圆形，因此在传统的还原炉中，一般将硅芯按圆形进行排列，底盘上设有原料气进出口。专利号为ZL200820006917.2的中国专利就公开了这样的还原炉，其中，在该还原炉的底盘上分两个圆周均匀布置13对电极(对应13对电极)，外周布置8对电极，内周布置5对电极，而进气喷口均匀分布在底盘上。这种布局提高了还原炉内空间的利用率，并使内外圈耗电功率接近，与传统的12对电极相比，每炉的多晶硅生产量得到提高，相应地，生产成本及耗能被降低。

类似地，专利号为ZL200820006916.8的中国专利也公开了这样的还原炉，其中，在该还原炉的底盘上分三个圆周均匀布置18对电极(对应18对硅芯)，最外一周布置9对电极，最内一周布置3对电极，中间一周布置6对电极，进气喷口则均匀地分布在底盘上。这种布局能够进一步提高还原炉的产量，进而降低多晶硅的生产成本和能耗。

出于持续不断的节能降耗需求，专利号为ZL200820105591.9的中国专利对上述底盘上电极对的布局作了进一步的改进。该专利所公开的还原炉仍分三个圆周布置电极对，但是每个圆周上的电极对数量都增加了，使电极对的总量达到了24对。这样的电极对布局使得每炉的多晶硅产量得到大幅度的提升，随之而来的是生产成本和能耗的大幅度降低。

尽管上述的电极对圆形布局有助于多晶硅产量的提高以及生产成本和能耗的降低，但是这种圆形布局方式仍存在缺陷。一种缺陷就是硅芯按圆形排列时，相邻硅芯之间的距离不同，在空间构成的几何形态也有差别，不利于还原炉内气体流场以及温度场的均匀分布，气体流场以及温度场不均匀会导致生成的多晶硅棒表面出现明显的颗粒，造成质量的下降。另一种缺陷是圆形排列的硅芯对还原炉空间的利用率并不是最高的，而反应空间利用率将会直接影响多晶硅沉积速率、原料的一次转化率以及反应器内热效率，即直接影响多晶硅生产成本。

因此，仍然存在对硅芯布局方式进行改进的需求，以改进还原炉内气体流场的分布和提高还原炉空间的利用率，从而提高多晶硅产量，降低多晶硅的生产成本和能耗。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种用于生产多晶硅的反应器，尤其是棒状多晶硅。该反应器采用如下的技术方案：其包括底盘和罩在底盘上的筒体，底盘上密集地设有多对硅芯座、至少一个进气口和至少一个排气口，硅芯座中心、进气口中心和排气口中心一起在底盘上构成中心点阵，中心点阵的至少一部分中心点与相邻中心点之间的距离都相等。

采用硅芯、原料气进口和尾气出口密集排布的方式可以提高反应器内沉积表面积，减少反应器无效空间，提高能量密度及利用率，降低平均热损失，从而直接降低棒状多晶硅生产成本。同时，中心点阵的至少一部分中心点与相邻中心点之间的距离保持相等可以使原料进气更加均衡，得到更加优化的原料气流场，从而改善棒状多晶硅表面形貌，提升多晶硅产品质量。

作为本发明的一个优选实施例，至少部分中心点中的任意相邻的三个中心点构成正三角形。

进一步地，位于底盘中部的任意相邻的三个中心点构成正三角形；位于底盘外部的中心点沿底盘的圆周向布置在至少一个圆周上。