[发明专利]列管式多晶硅生产装置

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅的制造技术，具体而言，涉及通过化学气相沉积反应炉制造多晶硅硅棒的生产装置。

背景技术

制造高纯多晶硅通常采用西门子钟罩状反应器，在电流加热的高温硅棒表面发生化学气相沉积(CVD)反应。两根相邻的、平行的一对硅棒一端连接在一起形成一个倒置的U型结构硅芯，且两端分别与电源两极相接，高纯度含硅元素气体(三氯氢硅或硅烷气体)和氢气与加热后的硅芯接触，通过CVD在硅芯表面生长并以硅棒形式得到多晶硅。

为了改善多晶硅棒的产品质量，需要使反应中硅芯周围的反应进料气体温度均衡一致并控制在合适条件。温度太低影响反应速度和生产效率，能耗大并有副反应产生。温度过高，三氯氢硅或硅烷气体在温度较高的气相空间也发生均相沉积反应形成粉尘，三氯氢硅在气相温度1200℃以上，硅烷在气相温度600℃以上会形成大量粉尘，不仅浪费高纯原料气体，同时粉尘沉积在硅棒表面生成不定形硅，导致硅棒纯度降低。因此，如何控制硅芯周围气体温度成为提高多晶硅质量的重点和难点。现在常见的钟罩还原炉一般包括底盘、钟罩和封头，相互之间法兰连接，底盘、钟罩和封头都采用双层夹套，流通冷却介质对反应炉内空间进行冷却，以控制反应温度，同时炉内硅芯通有上千伏的高压电为反应提供热源。反应炉内部容积很大，每个位置到炉壁的距离不等，导致温度分布不均。同时，近年来多晶硅产量大幅提高，反应炉有大型化发展趋势，传统结构炉壁冷却方式已经不能满足多晶硅的生产要求。

专利USP4147814在硅棒之间采用水冷隔板以减少粉尘产生，而专利CN101966991A也在反应器内部设置流通冷却介质的内件，但仍存在温度分布不均问题。专利USP5382419和USP5545387在上述基础上改良，在每根硅棒上设有水冷套筒，有效抑制了粉尘的产生，但水冷套筒的装卸繁琐，硅棒表面传质速率严重受限。专利CN102249241B调整进气喷孔的数量并均匀排布，硅棒在喷孔周围呈现六边形或四边形排布，但喷孔数量多也增大了气体循环量，减小气速则会影响气固相际传质并导致硅棒之间形成高温区。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种通过化学气相沉积反应制造多晶硅的生产装置，所述装置便于实现不同生长阶段的温度调节，为沉积反应过程控制提供新的技术途径，其相对于传统的冷却套筒方式结构简单，操作简便。

所述装置包括封头、冷却夹套、硅芯、布气夹套、电极座和电极夹套。所述冷却夹套为列管式结构，所述列管之间通流冷却介质。所述列管相互平行，其两端分别连接于上管板和下管板，所述上管板与所述封头通过法兰相连接，所述下管板与位于其上方且邻近的第三管板之间形成所述布气夹套。所述布气夹套上设有反应进料气体入口，所述封头上设有反应尾气出口。所述反应进料气体通过所述布气夹套内的喷孔进入所述硅芯与所述列管之间的环形通道，所述喷孔由直接在所述列管管壁上钻取的孔眼提供，或者由向上或水平穿通所述列管管壁的细管提供，或者由上述两种方式结合来提供。所述硅芯布置在所述列管中，且所述硅芯的上端在所述列管上方的封头空间中成对相联，所述硅芯的下端与所述电极座相连，构成加热回路。所述封头为夹套式封头，所述夹套式封头的夹套内通流冷却介质。

在所述装置中，所述列管的数量为10～1000根，优选为20～400根；所述列管的内径为50～400mm，优选为100～200mm；所述列管的高度为500～4000mm，优选为1500～2500mm。所述列管按正方形排布或三角形排布，相邻的所述列管中心间距为100～500mm。所述列管的材料为内壁抛光的不锈钢或耐高温的铝合金或铜合金。

本发明的装置主要具有两方面优点。首先，所述反应原料气体通过底盘布气夹套直接进入每根所述硅芯附近的所述列管内部，各所述硅芯受气均匀，这种进气方式解决了以往受硅芯排布方式和喷孔分布制约的问题。其次，所述装置可以实现反应炉规模的大型化，同一反应炉各所述硅芯都被所述列管环绕，温度分布均衡，生产的硅棒质量稳定，且不受所述硅芯数量限制。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的装置结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例中硅芯正方形排布示意图；

图3是本发明装置中硅芯分布方式示意图；

图4是本发明装置中反应进料气体进入列管的喷孔形式示意图。

具体实施方式