專利名稱：多晶硅還原爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及多晶硅的生產(chǎn)設(shè)備，更具體地說，涉及一種多晶硅還原爐。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展也越來越迅猛，因此對(duì)于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)用的主要原料多晶硅的需求也越來越大。目前，業(yè)界生產(chǎn)多晶硅的方法有多種，其中比較常見的是氫還原法，也稱西門子法，目前應(yīng)用的比較廣泛的為改良西門子法，改良的西門子法較傳統(tǒng)的西門子方法具備先進(jìn)的節(jié)能低耗工藝，并且可以有效的回收利用生產(chǎn)過程中大量的SiCl4、HCl、H2等副產(chǎn)物以及大量的副產(chǎn)熱能。改良西門子法與傳統(tǒng)西門子法的原理類似，主要為將高純的氫氣和高純度的硅的反應(yīng)物(多為硅鹵化物)作為原料，按一定比例通入到反應(yīng)容器內(nèi)(即多晶硅還原爐)， 在高溫高壓的環(huán)境下，氫氣還原硅的反應(yīng)物，從而形成多晶硅，形成的多晶硅會(huì)沉積在硅芯上。隨著化學(xué)反應(yīng)的繼續(xù)，沉積在硅芯上的多晶硅越來越多，逐漸將硅芯全部覆蓋，變成一根外部包裹著多晶硅的棒狀體，俗稱硅棒。隨著還原爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，硅棒的半徑越來越大，直到達(dá)到預(yù)定的尺寸，即停止還原爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。采用改良西門子法生產(chǎn)多晶硅的過程中，一般通過電阻性加熱將還原爐內(nèi)的硅棒表面溫度維持在1100°c左右的反應(yīng)溫度，但由于還原爐內(nèi)溫度過高會(huì)對(duì)爐筒有一定的損害，就必須對(duì)還原爐的爐筒采取必要的保護(hù)措施。目前常用的方法是在還原爐的爐筒內(nèi)設(shè)置水夾套結(jié)構(gòu)，在夾套結(jié)構(gòu)中通入高溫水，通過高溫水帶走爐筒表面的熱量，以達(dá)到降低爐筒溫度的目的。在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，采用這種降溫方式后，爐筒的溫度雖然降低了，但是在同一個(gè)還原爐內(nèi)同一批次中生產(chǎn)出的多晶硅棒的粗細(xì)程度出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，從而影響多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種多晶硅還原爐，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提高了多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)出的多晶硅棒的粗細(xì)更加均勻，并且，在一定程度上降低了還原爐能量的損耗。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案一種多晶硅還原爐，包括爐筒和底盤，所述底盤上設(shè)置有多對(duì)電極，還包括設(shè)置于所述多晶硅還原爐的爐筒內(nèi)壁與所述底盤上的最外層電極之間的保溫層。優(yōu)選的，所述保溫層為上下穿通的圓筒形狀。優(yōu)選的，所述保溫層設(shè)置于所述底盤上。優(yōu)選的，所述保溫層與所述爐筒內(nèi)壁間具有縫隙。優(yōu)選的，所述保溫層固定于所述爐筒內(nèi)壁。[0014]優(yōu)選的，所述保溫層由C/C復(fù)合材料、石墨材料、氧化鋁纖維、鈦合金、不銹鋼、陶瓷材料、Incoloy系列材料之一制成。優(yōu)選的，所述底盤上設(shè)置有均勻分布的混合氣體進(jìn)氣噴口，所述底盤中心設(shè)置有尾氣排氣口。與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型實(shí)施例提供的多晶硅還原爐，通過在爐筒內(nèi)壁與所述底盤上的最外層電極之間設(shè)置了保溫層，在一定程度上阻止了還原爐內(nèi)部與爐壁間的熱量交換，使得水夾套結(jié)構(gòu)對(duì)爐筒進(jìn)行冷卻的同時(shí)，并未影響到還原爐內(nèi)部的熱場，即由于保溫層內(nèi)壁的溫度不會(huì)因爐筒的冷卻而降低，從而使得被保溫層包覆的還原爐內(nèi)部并未發(fā)生熱量的轉(zhuǎn)移，從而確保了還原爐內(nèi)部的熱場均衡，提高了多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量，使生產(chǎn)出的多晶硅棒的粗細(xì)更加均勻。并且，由于保溫層的設(shè)置，減少了還原爐內(nèi)部熱量的損失，確保了還原爐內(nèi)的熱量不外泄，在一定程度上降低了還原爐能量的損耗。

通過附圖所示，本實(shí)用新型的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本實(shí)用新型的主旨。圖1為由多個(gè)硅棒的電阻串聯(lián)形成的調(diào)壓器負(fù)載示意圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例公開的多晶硅還原爐的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例公開的多晶硅還原爐的底盤結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型另一實(shí)施例公開的多晶硅還原爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
正如背景技術(shù)部分所述，現(xiàn)有技術(shù)中的生產(chǎn)出的多晶硅棒粗細(xì)不均，本實(shí)用新型發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種情況的原因是，采用水夾套結(jié)構(gòu)冷卻還原爐爐筒的同時(shí)，也帶走了還原爐內(nèi)大量的熱量，主要是使靠近還原爐內(nèi)壁區(qū)域的熱量散失嚴(yán)重，從而使得還原爐內(nèi)部的熱場不夠均勻，進(jìn)而無法保證硅棒的均勻生長。具體的，多晶硅還原工序更多的是由還原爐電氣系統(tǒng)控制，而還原爐電氣系統(tǒng)的主要設(shè)備是大功率調(diào)壓器，調(diào)壓器的負(fù)載是由多晶硅棒串聯(lián)形成純電阻負(fù)載R。調(diào)壓器的作用實(shí)際上是對(duì)負(fù)載電阻進(jìn)行點(diǎn)加熱，并保持硅棒表面的溫度恒定，一般保持在多晶硅的生
長溫度1100°C左右。如圖1所示，由多個(gè)多晶硅棒的電阻R1、R2、R3.......Rn串聯(lián)形成的
電阻R是一個(gè)變化的電阻，主要是因?yàn)殡S著硅棒的生長以及自身溫度的上升，每個(gè)硅棒本身的電阻是不斷變化的。一般情況下，硅棒的溫度從常溫上升到1000°C左右，直徑為Φ8πιπι 的硅芯的電阻會(huì)從幾百kQ下降到幾十Ω，保持硅棒表面溫度為1100°C左右，硅棒的直徑從Φ8πιπι增加到Φ 150mm，硅棒電阻會(huì)從幾十Ω下降到幾十mΩ，由此可見，由于硅棒電阻大范圍的變動(dòng)自然會(huì)引起調(diào)壓器的輸出電壓和輸出電流的調(diào)節(jié)范圍有大的變動(dòng)。根據(jù)上述實(shí)際工作的性質(zhì)的特點(diǎn)，調(diào)壓器分為預(yù)熱調(diào)壓器和還原調(diào)壓器，預(yù)熱調(diào)壓器在硅棒溫度從常溫加熱到1000°c過程中使用，還原調(diào)壓器在硅棒直徑從最初的尺寸(一般為Φ7πιπι-Φ8πιπι)增加到最終直徑的過程中使用，并且還原調(diào)壓器還用來保持硅棒表面溫度在1100°C左右。如果由硅棒串聯(lián)而成的電阻中每個(gè)硅棒的情況是一樣的(即Rl = R2 = R3
=......=to)，則電氣系統(tǒng)就會(huì)比較容易控制各硅棒表面的溫度，但是由于實(shí)際生產(chǎn)
中，每個(gè)硅棒在還原爐底盤上分布的位置是不同的，一般是圍繞底盤的中心環(huán)狀分布，有的硅棒位于內(nèi)環(huán)，有的位于外環(huán)。同時(shí)由于還原爐中的大量熱量被水夾套結(jié)構(gòu)中的冷卻水帶走，從而使還原爐內(nèi)的溫度由內(nèi)而外排布不均，一般為以還原爐的中軸線為中心，由內(nèi)而外的溫度逐漸降低，由于硅棒表面的溫度不同了，必然導(dǎo)致硅棒的電阻不同，即出現(xiàn)
Rl ^ R2 ^ R3 ^......^Rn的情況，然而，由于在為硅棒加熱時(shí)，通過各個(gè)硅棒的電流是
一樣的，根據(jù)Q= 12 可知，采取通電的方式為硅棒加熱過程中，在每根硅棒上產(chǎn)生的熱量也是不相同的，電阻越大，硅棒上產(chǎn)生的熱量也越大。由于因水夾套結(jié)構(gòu)的使用而導(dǎo)致的還原爐內(nèi)溫度的變化梯度很難控制也很難探測，并且同時(shí)每根硅棒上因通電產(chǎn)生的熱量也不同，各種因素綜合考慮后，很難通過電氣系統(tǒng)的控制使每根硅棒附近的溫度均維持在1100°C左右，即很難確保還原爐內(nèi)熱場的均衡， 從而也就很難保證硅棒的均勻生長。綜上所述，導(dǎo)致硅棒不能均勻生長的最根本原因是，由于采用水夾套結(jié)構(gòu)保護(hù)爐筒，從而通過爐壁帶走了還原爐內(nèi)大量熱量，但若是取消水夾套結(jié)構(gòu)的使用，又會(huì)對(duì)爐筒造成一定損害，因此，發(fā)明人考慮，若能夠在使用水夾套結(jié)構(gòu)的情況下，還能避免因此帶走還原爐內(nèi)的大量熱量，即可解決生產(chǎn)出的硅棒粗細(xì)不均的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)該目的的方式最直接的一種便是通過為還原爐內(nèi)部進(jìn)行保溫處理，將還原爐內(nèi)部的熱場與爐壁進(jìn)行隔離。結(jié)合上述思想，本實(shí)用新型實(shí)施例公開了一種多晶硅還原爐，該多晶硅還原爐包括爐筒和底盤，所述底盤上設(shè)置有多對(duì)電極，還包括設(shè)置于所述多晶硅還原爐的爐筒內(nèi)壁與所述底盤上的最外層電極之間的保溫層。本實(shí)施例中的多晶硅還原爐通過在爐筒內(nèi)壁與所述底盤上的最外層電極之間設(shè)置了保溫層，在一定程度上阻止了還原爐內(nèi)部與爐壁間的熱量交換，使得水夾套結(jié)構(gòu)對(duì)爐筒進(jìn)行冷卻的同時(shí)，并未影響到還原爐內(nèi)部的熱場，即由于保溫層內(nèi)壁的溫度不會(huì)因爐筒的冷卻而降低，從而使得被保溫層包覆的還原爐內(nèi)部并未發(fā)生熱量的轉(zhuǎn)移，從而確保了還原爐內(nèi)部的熱場均衡，提高了多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量，使生產(chǎn)出的多晶硅棒的粗細(xì)更加均勻。并且，由于保溫層的設(shè)置，減少了還原爐內(nèi)部熱量的損失，確保了還原爐內(nèi)的熱量不外泄，在一定程度上降低了還原爐能量的損耗。以上是本實(shí)用新型的核心思想，在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本實(shí)用新型，但是本實(shí)用新型還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本實(shí)用新型內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本實(shí)用新型不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。其次，本實(shí)用新型結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本實(shí)用新型實(shí)施例時(shí)，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。實(shí)施例一[0035]如圖2所示，本實(shí)施例公開的多晶硅還原爐包括爐筒和底盤13，所述底盤13上設(shè)置有多對(duì)電極，并且，該多晶硅還原爐還包括，設(shè)置于所述多晶硅還原爐的爐筒內(nèi)壁5與所述底盤上的最外層電極之間的保溫層2，所述保溫層2為上下穿通的圓筒形狀，可在不影響還原爐內(nèi)的氣體流動(dòng)和反應(yīng)過程。當(dāng)然，保溫層2的上端也可封閉或者留有出氣口，以便于生產(chǎn)過程中更好的保溫和氣體的流動(dòng)，本實(shí)施例中對(duì)此不做具體限制。另外，該多晶硅還原爐還包括位于爐筒下方的冷卻水進(jìn)口 1，爐筒外壁3，位于爐筒內(nèi)壁5與爐筒外壁3之間的爐筒夾套腔4，位于爐筒上部的冷卻水出口 6，貫穿爐筒內(nèi)壁5和爐筒外壁3的視鏡7，位于底盤13上的電極夾套11，設(shè)置于電極夾套11上的電極，位于底盤13上的混合氣體進(jìn)氣噴口 9和尾氣排氣口 10，以及與底盤13相連的支座8。其中，所述底盤13的B-B結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，混合氣體進(jìn)氣噴口 9均勻的分布在底盤13上，尾氣排氣口 10設(shè)置于底盤13的中心，多晶硅生產(chǎn)過程中，硅芯與電極12相連， 呈環(huán)狀排布于還原爐內(nèi)，均勻分布的混合氣體進(jìn)氣噴口 9和設(shè)置于底盤13的中心的尾氣排氣口 10可在無外界干擾的情況下，保證還原爐內(nèi)部氣體分布均勻，并且不會(huì)因氣體的流動(dòng)影響還原爐內(nèi)的熱場分布。需要說明的是，如圖2所示，所述保溫層2設(shè)置于所述底盤13上，具體的，保溫層2 是作為與還原爐相對(duì)獨(dú)立的一個(gè)部件單獨(dú)放置在底盤13上的，保溫層2位于最外層的電極與爐筒內(nèi)壁之間，即保溫層2與所述爐筒內(nèi)壁5間具有縫隙。在每次開爐時(shí)，需要先將保溫層2安裝到底盤13上之后，再安裝爐筒，每次停爐后，也需要先拆卸爐筒再移開保溫層2。另外，需要說明的是，為了適應(yīng)多晶硅還原爐的工作環(huán)境，本實(shí)施例中保溫層的材料應(yīng)耐熱性能良好，以適應(yīng)多晶硅生產(chǎn)過程中1100°c左右的高溫，并且，所述保溫層需在高溫下的化學(xué)性能穩(wěn)定，以避免在使用過程中因高溫而釋放出其它物質(zhì)，而影響到還原爐內(nèi)多晶硅產(chǎn)品的純度，所述保溫層還應(yīng)具有良好的韌性，以免在使用過程中被輕易摔壞或砸壞?；谝陨弦?，優(yōu)選的，所述保溫層由C/C復(fù)合材料、石墨材料、氧化鋁纖維、鈦合金、不銹鋼、陶瓷材料、新型耐熱材料或特材制成，所述新型耐熱材料包括高強(qiáng)高模纖維、高耐熱纖維、新纖維素纖維、生物纖維、包膜鈦白、高密度復(fù)合材料等，所述特材包括金屬陶瓷、hcoloy系列材料等，Incoloy系列材料通稱為鎳基合金鋼，Incoloy系列材料具有抗高溫氧化及抗高溫滲碳，能耐氯化物的應(yīng)力腐蝕開裂，即具有優(yōu)良的耐均勻腐蝕性能，抗高輻射、抗氧化以及優(yōu)秀的焊接性能等。Incoloy系列材料具有多種型號(hào)，如 INC0L0Y800/800H/800HT/840/825等；所述C/C復(fù)合材料為以炭纖維或其織物為增強(qiáng)相，以化學(xué)氣相滲透的熱解炭或液相浸漬-炭化的樹脂炭、浙青炭為基體組成的一種純炭多相結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例通過在還原爐內(nèi)設(shè)置保溫層的方式，在一定程度上阻止了還原爐內(nèi)部與爐壁間的熱量交換，進(jìn)而能夠有效的防止還原爐內(nèi)的熱量損失，保證熱場均衡，提高了硅棒的粗細(xì)均勻程度，也在很大程度上降低了多晶硅生產(chǎn)的單位能耗。實(shí)施例二本實(shí)施例公開的多晶硅還原爐的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，圖紙標(biāo)號(hào)相同表示的結(jié)構(gòu)也相同，與上一實(shí)施例不同的是，本實(shí)施例中的所述保溫層2固定于所述爐筒內(nèi)壁5上，即保溫層2與爐筒內(nèi)壁5間沒有縫隙，在爐筒加工過程中，可直接將保溫層2固定在爐筒上， 每次開停爐時(shí)隨爐筒一同拆卸。以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何形式上的限制。雖然本實(shí)用新型已以較佳實(shí)施例披露如上，然而并非用以限定本實(shí)用新型。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種多晶硅還原爐，包括爐筒和底盤，所述底盤上設(shè)置有多對(duì)電極，其特征在于，還包括設(shè)置于所述多晶硅還原爐的爐筒內(nèi)壁與所述底盤上的最外層電極之間的保溫層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述保溫層為上下穿通的圓筒形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述保溫層設(shè)置于所述底盤上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述保溫層與所述爐筒內(nèi)壁間具有縫隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述保溫層固定于所述爐筒內(nèi)壁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述保溫層由C/C復(fù)合材料、石墨材料、氧化鋁纖維、鈦合金、不銹鋼、陶瓷材料、Incoloy系列材料之一制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅還原爐，其特征在于，所述底盤上設(shè)置有均勻分布的混合氣體進(jìn)氣噴口，所述底盤中心設(shè)置有尾氣排氣口。
專利摘要本實(shí)用新型實(shí)施例公開了一種多晶硅還原爐，包括爐筒和底盤，所述底盤上設(shè)置有多對(duì)電極，還包括設(shè)置于所述多晶硅還原爐的爐筒內(nèi)壁與所述底盤上的最外層電極之間的保溫層。本實(shí)用新型通過在爐筒內(nèi)壁與所述底盤上的最外層電極之間設(shè)置保溫層，在一定程度上阻止了還原爐內(nèi)部與爐壁間的熱量交換，使得水夾套結(jié)構(gòu)對(duì)爐筒進(jìn)行冷卻的同時(shí)，并未影響到還原爐內(nèi)部的熱場，從而確保了還原爐內(nèi)部的熱場均衡，提高了多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量，使生產(chǎn)出的多晶硅棒的粗細(xì)更加均勻。并且，由于保溫層的設(shè)置，減少了還原爐內(nèi)部熱量的損失，確保了還原爐內(nèi)的熱量不外泄，在一定程度上降低了還原爐能量的損耗。
文檔編號(hào)C01B33/035GK202170244SQ20112016413
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者吳梅, 李仙壽 申請(qǐng)人:四川瑞能硅材料有限公司