[发明专利]一种多晶硅棒的生产装置及其方法

权利要求书

1.一种多晶硅棒的生产装置，包括反应器，以及设于反应器内的硅棒，其特征在于：反应器内部设有硅烷处理系统，反应器的下部设有旋风状循环气流发生装置。

2.根据权利要求1所述的一种多晶硅棒的生产装置，其特征在于：所述的反应器由容纳高温硅棒的环形空间和冷却回流通道组成循环空间；所述旋风状循环气流发生装置包括设置于反应器的下端的风轮，在风轮的上方依次同轴设置有管状冷却器、板式冷却器，所述的管状冷却器外壁与反应器钟罩内壁形成环形空间；所述板式冷却器、管状冷却器组成冷却回流通道；所述硅烷处理系统是对进入到反应器的硅烷气体进行混合、稀释、冷却，硅烷处理系统包括设置于反应器上端的气体喷口，以及设置于气体喷口下方的低温混合区、高速搅拌区。

3.根据权利要求2所述的一种多晶硅棒的生产装置，其特征在于：所述低温混合区是指气体喷口下方的板式冷却器、管状冷却器组成的冷却回流通道,所述高速搅拌区是指管状冷却器下方的风轮内空间。

4.根据权利要求1所述的一种多晶硅棒的生产装置，其特征在于：所述的风轮与管状冷却器之间、管状冷却器与板式冷却器之间，分别设置有导流装置，所述导流装置为锥形结构。

5.根据权利要求2或3所述的一种多晶硅棒的生产装置，其特征在于：所述的通过风轮产生的气流，该气流在环形空间内以巨大的切向分量螺旋上升，在反应器内壁、管状冷却器的限制下形成旋风状循环气流，经气体喷口进入的气体，依次经过低温混合区、高速搅拌区，进入旋风状循环气流与硅棒接触。

6.根据权利要求1所述的一种多晶硅棒的生产装置，其特征在于：所述的风轮安装在反应器底盘的下方，形成鼓风机结构，通过前导流管与管状冷却器相通，通过后导流管切向接到反应器的钟罩；所述的反应器是钟罩形，由带冷却夹套的钟罩和底盘气密而成，内部同轴设置管状冷却器，在反应器内壁与冷却器外壁之间形成环形空间，在此环形空间内均布直立的多对芯棒，相邻的每对芯棒顶部用横梁连接，形成通电回路，芯棒底部由穿过底盘的电极夹持，由外部通电加热，高速旋转的风轮吹出的气体由下部进入环形空间并上升，到顶部后经由冷却器内的管道被风轮吸入，在反应器内形成高速循环，硅烷气体由喷口喷入，与循环气体充分混合、稀释，风轮不仅提供较大的风量，更给气流以持续的角动量，在环形空间内形成高速气旋，含有切向分量的旋风状气流与高温硅棒是交叉状接触。

7.一种使用如权利要求1所述装置的多晶硅棒的生产方法，其特征在于：硅烷原料气由位于顶部的板式冷却器和管状冷却器之间的气体喷口高速喷入，与加热到高温的芯棒表面接触，发生反应并沉积出高纯度硅，形成硅棒，硅棒表面温度保持在700-1100℃间的一定温度，到达反应器顶部的含有残余未反应硅烷的副产物氢气经板式冷却器冷却，与气体喷口喷入的新鲜硅烷混合在管状冷却器内下降，再由风轮吸入并打入环形空间，如此在反应器内形成循环气流，风轮提供了大流量内循环的驱动，提供了环形空间内气体的切向气旋，提供硅烷与氢气充分稀释混合的强力搅拌。

8. 如权利要求7所述的一种多晶硅棒的生产方法，其特征在于：所述的循环气的流量和环形空间里气体的速度由风轮的旋转速率控制，循环气中的硅烷含量由气体喷口的流量控制，通过硅烷喷入区的预冷、硅烷流量与循环气流量的1:50至1:500高稀释比以及高速风轮的叶片搅拌作用，获得0.2-2%mole的低浓度高均匀度的混合，最大限度地避免超临界浓度的硅烷气体进入会产生粉尘的临界高温区的可能；所述的风轮使气流带有10-100米/秒以上的强力切向分量进入环形空间，使气流与硅棒以交叉状接触，高速气流一边上升一边与直立在环形空间内的高温硅棒表面直接冲击，减薄硅棒表面附近的高温边界层，硅棒表面附近的温度边界层、速度边界层和浓度边界层由厘米数量级减到毫米数量级，使反应器内气体中的硅烷更快速地输运到硅棒表面，提高硅的沉积速率并改善结晶的致密度和均匀度。

9.如权利要求7所述的一种多晶硅棒的生产方法，其特征在于：反应器中累积的氢气经由尾气管排出，硅烷进气沉积硅晶体后变成氢气，尾气由顶部出气口放出，反应器内的压力为恒定压力，恒定压力为0.12-0.25MPa，控制排出气体中残余硅烷含量低于0.2-0.5%mole，或者反应器内的压力在0.1-0.5MPa之间交替变化，使排气中残余硅烷含量更低于0.1%-0.2% mole。

10. 如权利要求7所述的一种多晶硅棒的生产方法，其特征在于：所述的硅烷气体替换为卤硅烷。