硅烷熱解的多晶硅生產(chǎn)方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多晶硅的生產(chǎn)裝置，具體涉及一種利用硅烷分解制造多晶硅棒的生產(chǎn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]制造高純多晶硅通常采用西門子鐘罩狀反應(yīng)器，高純度含硅元素氣體(三氯氫硅或娃燒氣體)和氫氣從鐘罩底盤噴嘴向上噴入，在電流加熱的高溫娃棒表面發(fā)生化學(xué)氣相沉積(CVD)反應(yīng)。兩根相鄰的、平行的一對硅棒連接在一起形成一個倒置的U型結(jié)構(gòu)，且兩端分別與電源兩極相接，硅棒的中心距大于硅棒的最大生長直徑。反應(yīng)器內(nèi)的硅棒主要采用兩種排布方式(如圖1):圓周排布方式的氣體進、出口分布位于中心和邊緣；六邊形排布的入口噴嘴位于每個六邊形的中心，出口位于邊緣。
[0003]相對于三氯氫硅，硅烷具有反應(yīng)溫度低、轉(zhuǎn)化率高的優(yōu)點，并可以避免氯元素對產(chǎn)品的污染和對設(shè)備的腐蝕。但硅烷在高溫下可能同時發(fā)生異相反應(yīng)和均相反應(yīng)，在硅棒表面發(fā)生異相反應(yīng)沉積硅的同時，在溫度和濃度較高的氣相空間也發(fā)生均相沉積反應(yīng)形成粉塵。粉塵可能直接粘結(jié)到硅棒表面，造成硅棒上的縫隙或孔洞(玉米粒狀)。粉塵也可能沉積到反應(yīng)器內(nèi)壁形成疏松垢層，沉積到一定厚度會開裂并粘結(jié)或嵌入到硅棒表面。粉塵因此造成硅棒污染，從而影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量，此外粉塵還影響尾氣管道閥門的正常工作，并浪費高純硅烷。
[0004]按照專利文獻CN101966991B提供的數(shù)據(jù)，硅棒表面發(fā)生異相反應(yīng)沉積的最佳溫度在850-900°C，在400-850°C的氣相空間發(fā)生均相沉積反應(yīng)形成無定形硅粉塵，在400°C以下生成無定形硅粉塵的速率則明顯降低。
[0005]為減少粉塵產(chǎn)生需要降低原料氣中的硅烷濃度，同時原料氣也需要控制較低的進口溫度以避免硅烷提前熱解，因此導(dǎo)致大量惰性氣體氫組分從高溫反應(yīng)區(qū)域帶走許多熱量，同時硅烷濃度降低也影響了硅棒表面沉積反應(yīng)速率，導(dǎo)致多晶硅產(chǎn)品的能耗成本大幅提尚，成為娃燒法生廣多晶娃的主要技術(shù)瓶頸。
[0006]流化床反應(yīng)器有助于氣固相際傳質(zhì)，有效控制汽泡相尺度的散式流態(tài)化可以很大程度抑制均相沉積反應(yīng)形成粉塵，但反應(yīng)器內(nèi)壁和內(nèi)構(gòu)件表面需要鍍上硅膜，以避免設(shè)備材料在高溫下對多晶硅產(chǎn)品的污染。硅烷在鍍膜后的設(shè)備表面容易繼續(xù)發(fā)生沉積反應(yīng)而妨礙對反應(yīng)區(qū)的加熱，難以有效控制反應(yīng)過程的溫度。目前流化床反應(yīng)器生產(chǎn)的顆粒多晶硅純度因此受到制約，多用于制備太陽能電池。
[0007]公開號為US4147814的專利對西門子鐘罩反應(yīng)器進行改進，硅棒之間采用水冷隔板以減少粉塵產(chǎn)生，導(dǎo)致能耗進一步提高；專利US480556在上述基礎(chǔ)上，將尾氣經(jīng)冷卻、過濾和風(fēng)機系統(tǒng)送回，通過外循環(huán)增大冷卻面積，并改善反應(yīng)器內(nèi)部流場提高表面沉積速率，但總體效果有限，而且外輔設(shè)備維護難度大并加重了產(chǎn)品受污染的負擔(dān)；專利US5382419和專利US5545387在上述基礎(chǔ)上改良，在每根硅棒上設(shè)有水冷套筒，有效抑制了粉塵的產(chǎn)生，但水冷套筒的裝卸繁瑣，硅棒表面?zhèn)髻|(zhì)速率嚴(yán)重受限，此外為了避免進入反應(yīng)室套筒外部間隙的氣體在頂部熱解，還需要單獨控制鐘罩反應(yīng)器頂部空間的溫度。
[0008]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種硅烷熱解的多晶硅生產(chǎn)裝置和生產(chǎn)方法，在該生產(chǎn)裝置中，通過設(shè)計硅棒、進氣導(dǎo)流筒的位置，直接使用溫度低的原料氣體，使反應(yīng)氣體直接噴向沉積反應(yīng)發(fā)生的硅棒表面，降低高溫硅棒周圍的溫度，進而降低硅粉生成的速度；此外，進氣導(dǎo)流筒的設(shè)計也提高了反應(yīng)的熱效率，降低了能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種生產(chǎn)裝置和方法，解決多晶硅生產(chǎn)過程中能耗過高以及粉塵控制的問題。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種硅烷熱解的多晶硅生產(chǎn)裝置，包括鐘罩和圓盤狀的底板，鐘罩和底板形成反應(yīng)爐的反應(yīng)區(qū)空間，底板上設(shè)置有至少一個進氣導(dǎo)流筒；用進氣導(dǎo)流筒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的進氣噴嘴，進氣導(dǎo)流筒與底板貫穿并在底板上形成開口，進氣導(dǎo)流筒具有封閉的頂部且在其側(cè)壁設(shè)置有噴口。
[0011 ] 進一步地，底板上密集地設(shè)有多根硅棒，硅棒采用六邊形排布。
[0012]更進一步地，硅棒的中心間距D取值為100-300mm，硅棒的高度H取值為1000-4000mm ;進氣導(dǎo)流筒的直徑取值為0.5-1.進氣導(dǎo)流筒的高度取值為0.5-1.0H。
[0013]進一步地，除了底板的邊沿部分外，進氣導(dǎo)流筒的噴口設(shè)置為三至六排，筒的噴口設(shè)置視周圍硅棒數(shù)量而定，一排噴口對應(yīng)著周圍的一根硅棒。例如，采用圖1b的六邊形排列，邊沿部分外的進氣導(dǎo)流筒的噴口設(shè)置為六排噴口分別對應(yīng)著周圍的六根娃棒，每根娃棒周圍有三個進氣導(dǎo)流筒。
[0014]進一步地，位于底板的邊沿的進氣導(dǎo)流筒周圍的硅棒數(shù)量為三-六根，如圖3和圖5所示，可選為三根或四根，并依據(jù)硅棒的數(shù)量將側(cè)壁的噴口設(shè)置為三排或四排，位于底板的邊沿的硅棒的周圍設(shè)置有一個或兩個進氣導(dǎo)流筒，特別地，側(cè)壁的噴口分別對著硅棒。
[0015]進一步地，進氣導(dǎo)流筒的噴口設(shè)置為上下均勻分布或者按自下而上逐漸減小噴口的直徑。
[0016]更進一步地，噴口采用圓形或方形。
[0017]優(yōu)選地，另有出口導(dǎo)流筒設(shè)置在底板的邊沿部分，尾氣通過導(dǎo)流筒流出，該出口導(dǎo)流筒不具有噴口。
[0018]優(yōu)選地，進氣導(dǎo)流筒采用外壁表面拋光的銅或不銹鋼材料。
[0019]本發(fā)明還提供了一種硅烷熱解的多晶硅的生產(chǎn)方法，其中，使用上述多晶硅生產(chǎn)裝置，原料氣從下而上地通過底板的開口進入進氣導(dǎo)流筒，并從噴口進入反應(yīng)區(qū)，從噴口以2-40m/s的流速噴出原料氣體，使多晶硅析出在硅棒的表面上，反應(yīng)尾氣從鐘罩反應(yīng)器頂部流出，或進入出口導(dǎo)流筒向下導(dǎo)出。
[0020]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0021]1.直接采用溫度低的原料氣，降低高溫硅棒周圍的溫度，進而降低硅粉的生長速度；
[0022]2.反應(yīng)氣體直接噴向沉積反應(yīng)發(fā)生的硅棒表面，對于熱質(zhì)傳遞具有強烈的協(xié)同效應(yīng);
[0023]3.進氣導(dǎo)流筒的外壁采用拋光表面，對輻射具有屏蔽效果，導(dǎo)流筒內(nèi)氣體溫度可以保持在較低范圍，導(dǎo)流筒在硅棒之間起到了低溫隔離作用，同時利用部分輻射熱量預(yù)熱原料氣，提高了熱效率。
[0024]本發(fā)明專利設(shè)計便于傳統(tǒng)鐘罩反應(yīng)器進行技術(shù)改造實現(xiàn)。
[0025]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0026]圖1是反應(yīng)器內(nèi)硅棒主要采用的兩種