[发明专利]一种提高多晶硅还原炉能效的高纯石英质硅芯

说明书

本发明公开了一种提高多晶硅还原炉能效的高纯石英质硅芯，本发明将硅芯设置成空心结构且以高纯石英质材料制得，所述高纯石英质硅芯为空心硅芯，所述高纯石英质硅芯替代原多晶硅还原炉内的实心硅芯，所述高纯石英质硅芯以纯度为99.99%以上的高纯度结晶石英为原料，使用胶体处理方法制得；本发明有效克服了传统实心硅芯直径小、沉积面积受限的弊端，大幅度提高了多晶硅化学气相沉积速度，提升了多晶硅还原炉能效。

技术领域

本发明涉及一种提高多晶硅还原炉能效的高纯石英质硅芯，属于多晶硅生产技术领域。

背景技术

目前，世界上生产多晶硅的主要方法是改良西门子法，产量占当今世界总产量的70%。随着我国把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，对工业领域的“节能降耗”提出了更高的要求。因此，提高多晶硅还原炉能效是提升改良西门子法多晶硅生产竞争力的关键。改良西门子法多晶硅工艺原理是采用化学气相沉积（CVD）技术，在电加热（1100℃左右）的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。硅芯作为多晶硅生产过程中的沉积载体，随着化学气相沉积过程的进行，载体表面的沉积量越来越多，使较细直径的硅芯逐渐变粗为硅棒，在还原反应结束后，硅沉积在硅芯周围，硅芯和硅通过破碎一起作为多晶硅的原料使用。因此，硅芯是作为多晶硅生产过程中十分重要的沉积载体。载体材料的发展有三个阶段。第一个阶段采用的是钼丝或钽管，虽然简单方便，但是在高温下金属原子的扩散，严重影响多晶硅的纯度和品质；第二阶段是区熔法硅芯炉拉制圆硅芯，借助多晶硅半导体随温度升高电阻降低的负阻效应，硅芯在加热或高压击穿的条件下成为热载体后在还原炉内进行化学气相沉积生长多晶硅，生产的多晶硅质量明显提高；第三个阶段是线切割方形硅芯，该法使用专用的硅芯切割机，将高纯的多晶硅棒或单晶硅棒切成一定规格的细长方条方形硅芯。国内一般利用直拉法拉制硅棒，然后切割直拉硅棒，获得切割硅芯，该方法生产效率比区熔法硅芯炉拉制圆硅芯更高，但是切割硅棒拉制后需采用专门金刚线切割机床进行切割，切割效率低，硅料切割过程中损耗大，切割冷却水中需添加有机润滑剂，环保处理成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种提高多晶硅还原炉能效的高纯石英质硅芯，本发明将硅芯设置成空心结构且以高纯石英质材料制得，有效克服了传统实心硅芯直径小、沉积面积受限的弊端，大幅度提高了多晶硅化学气相沉积速度，提升了多晶硅还原炉能效。

本发明的技术方案如下：所述高纯石英质硅芯为空心硅芯，所述高纯石英质硅芯替代原多晶硅还原炉内的实心硅芯，所述高纯石英质硅芯以纯度为99.99%以上的高纯度结晶石英为原料，使用胶体处理方法制得。具体制备步骤如下：

（1）将未加工的纯度在99.99%以上的高纯度结晶石英研磨至颗粒粒径为50 nm~300 μm，然后再将研磨后的石英颗粒分散到胶体溶液中；

（2）再将分散到胶体溶液后的石英颗粒模制成硅芯型材，然后经干燥、烧结和退火处理；

（3）将处理好的硅芯型材进行机械加工或结构修改，从而得到高纯石英质硅芯。

所述空心硅芯为管状结构。即中空管状硅芯，管状硅芯外形为空心圆柱体状。管状硅芯半径为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm或50 mm，管状硅芯沉积厚度为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm或50 mm。

所述空心硅芯为方状、十字架状或四角星状结构。在磨制中改变形状以满足现有多晶硅还原炉的要求。

本发明的特点是：本发明以高纯度结晶石英（纯度99.99%以上）为原料，经研磨、制浆、成坯、烧成、冷加工等一系列工序制备而成高纯石英质空心硅芯，其工艺更为简单且成品率高，损耗小，环保处理成本低。对于管状结构，在相同沉积厚度，不同空心管半径下，管状硅芯初始半径越大，其内部温度梯度越小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明采用高纯石英质空心硅芯，不含任何金属元素，不会影响多晶硅的纯度和品质。