[发明专利]均温型多晶硅还原炉

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能硅棒生产设备，尤其是一种多晶硅还原炉，具体地说是一种直径在3米以上的弧形均温型多晶硅还原炉。 

背景技术

 目前，在世界原油价格居高不下的严峻情况下，节约能源、提高能量利用效率引起世界各国高度重视。此外，由于人类所需能源目前主要依赖石油、煤炭等，热电和工业生产排放大量CO₂，全球气候变暖明显。能源危机与生态环境恶化成为人类文明发展的瓶颈。我国快速发展的经济和人民生活水平不断提高，能源需求大幅度增加，碳排放量与日剧增。太阳能、风能、水能、核能等新能源日益受到各国关注，发展迅速。多晶硅是利用太阳能发电的光伏电池的重要材料，市场需求量巨大。特别是中国最近五年多晶硅行业发展迅猛，太阳能级多晶硅产量在亚洲第一。但是单位能耗平均水平与国外先进水平仍有较大差距。降低能耗和成本是多晶硅生产商对关键设备多晶硅还原炉的迫切要求。 

太阳能级硅（SOG）和电子级硅（EOG）纯度要求非常高，要应用化学方法把冶金级硅（工业硅）转换成硅烷（主要是三氯硅烷（SiHCl3）和单硅烷（SiH4）），通过精馏对硅烷提纯，然后再把高纯度的硅烷气体通过化学气相沉积（CVD）的方法转化为超纯多晶硅。目前世界上生产制造多晶硅的SiHCl3的氢还原反应器大多是钟罩型西门子反应器，也被称作西门子还原炉。 

1955年，西门子公司成功开发了在钟罩型反应器内利用氢气还原三氯硅烷（SiHCl3）在细硅芯发热体上气相沉积硅的工艺技术，并于1957年开始了工业规模的生产，这就是通常所说的西门子法。在西门子法工艺的基础上，通过增加还原尾气干法回收系统、SiCl4氢化工艺，把SiHCl3还原反应副产物SiCl4转换成SiHCl3循环使用，实现了闭路循环，于是形成了改良西门子法——闭环式SiHCl3氢还原法。改良西门子法包括五个主要环节：SiHCl3合成、SiHCl3精馏提纯、SiHCl3的氢还原、尾气的回收和SiCl4的氢化分离。该方法通过采用大型还原炉，降低了单位产品的能耗。通过采用SiCl4氢化和尾气干法回收工艺，明显降低了原辅材料的消耗。 

多晶硅还原炉是多晶硅生产中的关键设备，还原炉的设计和操作直接影响着能耗和成本。多晶硅还原炉主要有石英钟罩型和金属钟罩型两种。石英钟罩型反应器的内壁是石英钟罩，在还原反应之前用红外灯透过石英罩加热细硅棒到硅棒导电加热启动温度。由于石英耐压能力差，一般在常压下进行反应。金属钟罩型允许加压操作，增加沉积速率。目前国内基本以金属钟罩型气相沉积反应器为主。 

当导电硅芯预热到约1100℃温度后，高纯度的三氯氢硅与氢气按一定比例混合后，在一定的温度和压力下通入多晶硅还原炉内，在直径5～10mm、长约2～3米的导电硅芯上开始还原反应沉积生成多晶硅。原料气在反应器内的停留时间一般为5-20s，三氯氢硅在575℃时开始分解，还原反应温度控制在1100℃左右，100小时左右生成直径120～180mm的棒状多晶硅，同时生成四氯化硅、氯化氢等副产物。反应停止后，惰性气体吹扫，冷却后打开钟罩，卸下硅棒。还原炉的辅助设施包括冷却系统和硅棒拆卸系统。 

    在1100℃时，硅棒表面主要反应为 

SiHCl3↑＋H2↑＝Si＋3HCl↑                  (1)

由于还原炉内温度不均匀，同时还存在其他反应，四氯化硅是主要副产物：

SiHCl3↑＋HCl↑＝SiCl4＋H2↑                (2)

同时可发生三氯氢硅的热分解和四氯化硅的二次还原反应。

三氯氢硅还原反应是吸热反应，反应主要发生在高温的硅棒表面，所以要维持硅棒表面1100℃，超过1200℃时盐酸就会腐蚀硅，使产量减少。硅的熔点是1410℃，这是硅棒内部的极限温度，否则硅棒会倾倒。还原炉的金属壁面需适当冷却，温度要保持在500℃以内，防止硅在金属壁面发生沉积。在金属壁面发生沉积会减少产量，也会增加辐射热吸收造成高能耗，而且硅会与金属发生反应，从金属表面掉下的碎屑会污染硅棒。