專利名稱：一種多晶硅還原爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種提煉多晶硅的專用設(shè)備，具體涉及一種多晶硅還原爐。
背景技術(shù)：
多晶硅是最主要的光伏材料，是集成電路硅襯底、新型環(huán)保能源太陽(yáng)能 電池的主流材料，也是生產(chǎn)單晶硅的直接原料，是發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn) 業(yè)的重要基石。目前國(guó)內(nèi)的多晶硅及多晶硅還原爐市場(chǎng)供不應(yīng)求，自主供貨
存在著嚴(yán)重的缺口， 95°/。以上依靠進(jìn)口，近年多晶硅市場(chǎng)售價(jià)的暴漲，已經(jīng) 危及到我國(guó)多晶硅下游產(chǎn)業(yè)的正常運(yùn)營(yíng)，并成為制約我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn) 業(yè)發(fā)展的瓶頸。
多晶硅還原爐是提煉多晶硅的專用設(shè)備，是多晶硅的生長(zhǎng)載體，對(duì)該產(chǎn) 品的質(zhì)量及精度要求很高，同時(shí)多晶硅還原爐又是一個(gè)高能耗的設(shè)備。因此， 還原爐的好壞，以及是否節(jié)能，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和成本。
目前國(guó)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)主要采用改良西門(mén)子法——閉環(huán)式三氯氫硅氫 還原法生產(chǎn)多晶硅。改良西門(mén)子法是用氯和氫合成氯化氫(或外購(gòu)氯化氫)， 氯化氫和工業(yè)硅粉在一定的溫度下合成三氯氫硅，然后對(duì)三氯氫硅進(jìn)行分離 精餾提純，提純后的三氯氫硅在多晶硅還原爐內(nèi)進(jìn)行CVD反應(yīng)生產(chǎn)高純多晶 硅。所采用的多晶硅還原爐主要是引進(jìn)德國(guó)技術(shù)的12對(duì)棒還原爐，其主要缺 點(diǎn)是設(shè)備生產(chǎn)能力低，產(chǎn)量上不去，物料和電力消耗過(guò)大，與國(guó)際水平相 比，國(guó)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)物耗能耗高出l倍以上，產(chǎn)品成本缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。主要原 因是國(guó)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力不強(qiáng)，基礎(chǔ)研究資金投入太少，尤其 是非標(biāo)設(shè)備還原爐的研發(fā)制造能力差。
另外，專利號(hào)為ZL200420060144.8、專利名稱為"多晶硅還原爐"的中 國(guó)專利，主要內(nèi)容是1)電極為12對(duì)，即24個(gè)電極，且在底板上沿兩個(gè)圓 周均布設(shè)置;.2)進(jìn)氣管主要有一個(gè)水平環(huán)管和9個(gè)噴嘴連通構(gòu)成，其中8個(gè) 噴嘴位于兩圈電極之間、沿同一圓周均布設(shè)置在底板上， 一個(gè)噴嘴設(shè)置在底 板中心位置。其主要缺點(diǎn)是多晶硅的產(chǎn)量底，成本高、能耗高。發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠提高多晶硅的產(chǎn)量，并達(dá)到節(jié)約成 本、節(jié)約能源、降低能耗的多晶硅還原爐。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案 一種多晶硅還原爐，它包括帶有冷卻 水腔的爐體、底盤(pán)、底盤(pán)下的進(jìn)氣管和排氣管、底盤(pán)上的電極，其中，所述 的爐體包括爐體內(nèi)筒、焊接在爐體內(nèi)筒頂部的內(nèi)筒封頭、焊接在爐體內(nèi)筒底 部的容器法蘭和通過(guò)快拆螺栓與容器法蘭底部連接的底盤(pán)，且爐體內(nèi)筒、內(nèi) 筒封頭、容器法蘭和底盤(pán)形成爐體內(nèi)腔體，爐體內(nèi)筒外套有爐體夾套，爐體 夾套頂部焊接夾套封頭，爐體內(nèi)筒和爐體夾套底部焊接在容器法蘭上，爐體 內(nèi)筒、爐體夾套、夾套封頭和容器法蘭形成爐體冷卻水腔；底盤(pán)上的硅芯電
極為十五對(duì)， 一對(duì)電極含一個(gè)正電極和一個(gè)負(fù)電極，十五對(duì)電極在底盤(pán)上沿 三個(gè)圓周均布設(shè)置，即形成三圈電極，外圓周均勻設(shè)置九對(duì)電極，內(nèi)圓周和 中間圓周上分別均勻設(shè)置三對(duì)電極，每一周上的正電極和負(fù)電極均勻間隔設(shè) 置，在中間圓周和內(nèi)圓周上的電極逐一交錯(cuò)連接設(shè)置。
所述的爐體冷卻水腔內(nèi)設(shè)有與爐體內(nèi)筒外壁焊接、與爐體夾套內(nèi)壁之間 留有間隙的爐體冷卻導(dǎo)流板，爐體內(nèi)筒和爐體夾套的側(cè)壁從上至下分布三個(gè) 觀察視鏡，從觀察視鏡夠觀察到爐體內(nèi)腔體內(nèi)硅棒的整體情況，爐體夾套的 側(cè)壁外底部設(shè)有與爐體冷卻水腔相通的爐體冷卻水腔進(jìn)水口 ，夾套封頭頂部 中間設(shè)有與爐體冷卻水腔相通的爐體冷卻水腔出水口 。
所述的底盤(pán)包括底盤(pán)上底板、底盤(pán)法蘭、底盤(pán)下底板、冷卻水進(jìn)口和底 盤(pán)冷卻水出口，底盤(pán)上底板的底部與底盤(pán)法蘭焊接，底盤(pán)法蘭與底盤(pán)下底板 焊接，且底盤(pán)上底板、底盤(pán)法蘭和底盤(pán)下底板形成底盤(pán)水冷卻腔，冷卻水進(jìn) 口為雙層套管，冷卻水進(jìn)口的內(nèi)層管一端貫穿底盤(pán)上底板和底盤(pán)下底板、且 與爐體內(nèi)腔體相通，起反應(yīng)氣體出口的作用，冷卻水進(jìn)口的外層管一端與底
盤(pán)水冷卻腔相通，起到冷卻水進(jìn)口的作用；冷卻水進(jìn)口的另一端懸置在底盤(pán) 下底板底部；反應(yīng)氣體進(jìn)氣噴嘴共七個(gè)，其中， 一個(gè)噴嘴設(shè)置在底盤(pán)中心位 置，其余六個(gè)噴嘴位于外圓周電極和中間圓周電極之間，且噴嘴方位與內(nèi)圓 周上電極的分布一致，同時(shí)六個(gè)噴嘴沿同一圓周均布設(shè)置在底盤(pán)上，冷卻水 進(jìn)口、同時(shí)也是反應(yīng)氣體出口，設(shè)置在鄰近底盤(pán)中心的位置處。
本實(shí)用新型的有益效果在于正負(fù)電極在底盤(pán)上圓周上逐一間隔設(shè)置而且空間距離緊湊，這樣，整個(gè)電場(chǎng)在爐體橫截面上分布非常均衡，因而，有 利于十五對(duì)電極上的三十個(gè)硅芯在均衡電場(chǎng)強(qiáng)度的作用下，均勻地沉淀，生 產(chǎn)硅棒。從而，減少了次廢品生成的可能，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，沒(méi)有次廢品， 也可以說(shuō)是提高了產(chǎn)量。原料氣通過(guò)水平環(huán)管，經(jīng)七個(gè)噴嘴分別進(jìn)入爐體內(nèi) 腔，各噴嘴的進(jìn)氣壓力一致，氣體流動(dòng)阻力減小，在爐體橫截面不變情況下， 設(shè)備生產(chǎn)能力有所提高，產(chǎn)量有所增加。該多晶硅還原爐電極對(duì)數(shù)較多，單 臺(tái)爐子的產(chǎn)量提高很多，同時(shí)，大幅度降低能耗，最終，大大降低了多晶硅 的生產(chǎn)成本。該多晶硅還原爐與介質(zhì)接觸處采用不銹鋼(S.S.),非介質(zhì)接觸 材料采用碳鋼，大大節(jié)約材料成本。經(jīng)合理的優(yōu)化分布與規(guī)劃，該十五對(duì)棒 還原爐可采用與十二對(duì)棒還原爐爐體相當(dāng)?shù)囊?guī)格大小與空間，但容納的硅棒 等內(nèi)件多，從而節(jié)約成本。該十五對(duì)棒還原爐中硅芯電極及進(jìn)氣口的布置較 十二對(duì)棒對(duì)棒還原爐合理緊湊，對(duì)硅芯電極的分布打破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。十五對(duì)棒 還原爐的硅芯電極采用三圈布置，且兩圈之間交錯(cuò)連接以減小空間；同時(shí)電 極空間上的緊湊分布及進(jìn)氣噴口的合理布置使進(jìn)氣阻力小，工作狀態(tài)時(shí)發(fā)生 的還原反應(yīng)更充分，從而使多晶硅的生產(chǎn)效率提高。經(jīng)流量核算，該十五對(duì) 棒還原爐工作所需氣體反應(yīng)介質(zhì)的供應(yīng)管道可采用與十二對(duì)棒還原爐相當(dāng)?shù)?管徑規(guī)格，即供氣量相當(dāng)，而最終產(chǎn)生的多晶硅棒較十二對(duì)棒還原爐多了三 對(duì)，也即較十二對(duì)棒還原爐的原料能耗降低，產(chǎn)量提高。冷卻效果好經(jīng)熱 平衡計(jì)算，十五對(duì)棒還原爐爐體的冷卻，從爐體壁厚、進(jìn)出水管徑、冷卻導(dǎo) 流板的位置、流道的大小與規(guī)格等方面配置合理，從而冷卻效果好。

圖1為本實(shí)用新型所提供的一種多晶硅還原爐的主視圖； 圖2為本實(shí)用新型所提供的一種多晶硅還原爐的電極、進(jìn)氣噴嘴在底盤(pán) 上分布的示意圖。
圖中l(wèi).爐體冷卻水腔出水口； 2.夾套封頭；3.多晶硅棒；4.爐體冷卻水 腔；5.爐體冷卻導(dǎo)流板；6.爐體內(nèi)筒；7.爐體夾套；8.爐體冷卻水腔進(jìn)水口； 9.底盤(pán)；IO.硅芯電極；lOa.硅芯正電極；10b.硅芯負(fù)電極；ll.電極連接導(dǎo)電 板；12.反應(yīng)氣體進(jìn)口水平環(huán)管；13.裙座；14.反應(yīng)氣體出口； 15.底盤(pán)冷卻水 出口； 16.反應(yīng)氣體進(jìn)氣連接管；17.反應(yīng)氣體進(jìn)氣連噴嘴；18.底盤(pán)下底板； 19.底盤(pán)水冷卻腔；20.底盤(pán)法蘭；21.底盤(pán)上底板；22.容器法蘭；23.爐體內(nèi)腔體；24.觀察視鏡；25.內(nèi)筒封頭。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型所提供的一種多晶硅還原爐作進(jìn) 一歩詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示， 一種多晶硅還原爐，它包括爐體冷卻水腔出水口 1、多晶硅
棒3、爐體冷卻水腔4、爐體冷卻導(dǎo)流板5、爐體內(nèi)筒6、爐體夾套7、爐體 冷卻水腔進(jìn)水口 8、底盤(pán)9、硅芯電極IO、電極連接導(dǎo)電板ll、反應(yīng)氣體進(jìn) 口水平環(huán)管12、裙座13、反應(yīng)氣體出口 14、底盤(pán)冷卻水出口 15、反應(yīng)氣體 進(jìn)氣連接管16、反應(yīng)氣體進(jìn)氣噴嘴17、底盤(pán)下底板18、底盤(pán)水冷卻腔19、 底盤(pán)法蘭20、底盤(pán)上底板21、容器法蘭22、爐體內(nèi)腔體23、觀察視鏡24、 內(nèi)筒封頭25和夾套封頭2。
爐體內(nèi)筒6、焊接在爐體內(nèi)筒6頂部的內(nèi)筒封頭25、焊接在爐體內(nèi)筒6 底部的容器法蘭22通過(guò)快拆螺栓與容器法蘭22底部連接的底盤(pán)9，且爐體 內(nèi)筒6、內(nèi)筒封頭25、容器法蘭22和底盤(pán)9形成爐體內(nèi)腔體23。爐體內(nèi)筒6 外套有爐體夾套7，爐體夾套7頂部焊接夾套封頭2，爐體內(nèi)筒6和爐體夾套 7底部焊接在容器法蘭22上，爐體內(nèi)筒6、爐體夾套7、夾套封頭2和容器 法蘭22形成爐體冷卻水腔4。夾套封頭2頂部中間設(shè)有與爐體冷卻水腔4相 通的爐體冷卻水腔出水口 1。爐體冷卻水腔4內(nèi)設(shè)有與爐體內(nèi)筒6外壁焊接、 與爐體夾套7內(nèi)壁間留有l(wèi)-2mm間隙的爐體冷卻導(dǎo)流板5。觀察視鏡24設(shè)置 在爐體內(nèi)筒6和爐體夾套7的側(cè)壁上、且能夠觀察到爐體內(nèi)腔體23內(nèi)部情況， 爐體內(nèi)筒6和爐體夾套7的側(cè)壁從上至下分布三個(gè)觀察視鏡24。爐體夾套7 的側(cè)壁外底部設(shè)有與爐體冷卻水腔4相通的爐體冷卻水腔進(jìn)水口 8。
底盤(pán)9包括底盤(pán)上底板21、底盤(pán)法蘭20、底盤(pán)下底板18、冷卻水進(jìn)口 14 和底盤(pán)冷卻水出口 15、反應(yīng)氣體進(jìn)氣連接管16和反應(yīng)氣體進(jìn)氣噴嘴17。底 盤(pán)上底板21的底部與底盤(pán)法蘭20焊接，底盤(pán)法蘭20與底盤(pán)下底板18焊接， 且底盤(pán)上底板21、底盤(pán)法蘭20和底盤(pán)下底板18形成底盤(pán)水冷卻腔19。冷卻 水進(jìn)口 14為雙層套管，冷卻水進(jìn)口 14的內(nèi)層管一端貫穿底盤(pán)9上的底盤(pán)上 底板21和底盤(pán)下底板18、且與爐體內(nèi)腔體23相通；起反應(yīng)氣體出口的作用， 冷卻水進(jìn)口 14的外層管一端與底盤(pán)水冷卻腔19相通，起到底盤(pán)冷卻水進(jìn)口 的作用；冷卻水進(jìn)口 14的另一端懸置在底盤(pán)下底板18底部。反應(yīng)氣體進(jìn)氣噴嘴17貫穿底盤(pán)9上的底盤(pán)上底板21和底盤(pán)下底板18，反應(yīng)氣體進(jìn)氣噴嘴 17 —端與爐體內(nèi)腔體23相通，反應(yīng)氣體進(jìn)氣噴嘴17另一端通過(guò)反應(yīng)氣體進(jìn) 氣連接管16與反應(yīng)氣體進(jìn)口水平環(huán)管12相通。整個(gè)爐體安裝在裙座13上。
倒置的U形多晶硅棒3的正電極10a、負(fù)電極10b分別與其下部的一個(gè) 硅芯電極10連接，硅芯電極10貫穿底盤(pán)上底板21和底盤(pán)下底板18，與同 一個(gè)多晶硅棒3連接的硅芯電極10的底部與一個(gè)電極連接導(dǎo)電板11連接。
如圖2所示，底盤(pán)9上的硅芯電極10為十五對(duì)， 一對(duì)電極含一個(gè)正電極 10a和一個(gè)負(fù)電極10b。十五對(duì)電極在底盤(pán)9上沿三個(gè)圓周均布設(shè)置，即形成 三圈電極。外圓周均勻設(shè)置九對(duì)電極，內(nèi)圓周和中間圓周上分別均勻設(shè)置三 對(duì)電極。每一周上的正電極10a和負(fù)電極10b均勻間隔設(shè)置。在中間圓周和 內(nèi)圓周上的電極逐一交錯(cuò)連接設(shè)置。反應(yīng)氣體進(jìn)氣噴嘴17共七個(gè)，其中，一 個(gè)噴嘴17設(shè)置在底盤(pán)9中心位置，其余六個(gè)噴嘴17位于外圓周電極和中間 圓周電極之間，且噴嘴17方位與內(nèi)圓周上電極的分布一致，同時(shí)六個(gè)噴嘴沿 同一圓周均布設(shè)置在底盤(pán)9上。冷卻水進(jìn)口 14、同時(shí)也是反應(yīng)氣體出口，設(shè) 置在鄰近底盤(pán)9中心的位置處，即偏離底盤(pán)9中心位置。
在爐體上的內(nèi)筒6和夾套7之間設(shè)有爐體冷卻水腔4以降低爐體內(nèi)筒6 的壁溫，冷卻腔進(jìn)水口 8設(shè)置在爐體的下部，冷卻腔出水口 1設(shè)置在夾套封 頭2上，冷卻水從冷卻腔進(jìn)水口 8進(jìn)入爐體冷卻水腔4，從冷卻腔出水口 1 流出；爐體上共設(shè)置有三個(gè)觀察視鏡24，采用獨(dú)特的雙層玻璃結(jié)構(gòu)，以方便 觀察多晶硅棒3底部?jī)?nèi)外圈硅棒的生長(zhǎng)過(guò)程。底盤(pán)9是水冷式結(jié)構(gòu)，其上設(shè) 置有冷卻水腔19、冷卻水進(jìn)口 14和冷卻水出口 15。整個(gè)爐體安裝在裙座13 上。進(jìn)氣管路主要由水平環(huán)管12和七個(gè)噴嘴17經(jīng)連接管16連通構(gòu)成。
權(quán)利要求1.一種多晶硅還原爐，它包括帶有冷卻水腔的爐體、底盤(pán)、底盤(pán)下的進(jìn)氣管和排氣管、硅棒和底盤(pán)上的電極，其特征在于所述的爐體包括爐體內(nèi)筒(6)、焊接在爐體內(nèi)筒(6)頂部的內(nèi)筒封頭(25)、焊接在爐體內(nèi)筒(6)底部的容器法蘭(22)和通過(guò)快拆螺栓與容器法蘭(22)底部連接的底盤(pán)(9)，且爐體內(nèi)筒(6)、內(nèi)筒封頭(25)、容器法蘭(22)和底盤(pán)(9)形成爐體內(nèi)腔體(23)，爐體內(nèi)筒(6)外套有爐體夾套(7)，爐體夾套(7)頂部焊接夾套封頭(26)，爐體內(nèi)筒(6)和爐體夾套(7)底部焊接在容器法蘭(22)上，爐體內(nèi)筒(6)、爐體夾套(7)、夾套封頭(26)和容器法蘭(22)形成爐體冷卻水腔(4)；底盤(pán)(9)上的硅芯電極(10)為十五對(duì)，一對(duì)電極含一個(gè)正電極(10a)和一個(gè)負(fù)電極(10b)，十五對(duì)電極在底盤(pán)(9)上沿三個(gè)圓周均布設(shè)置，即形成三圈電極，外圓周均勻設(shè)置九對(duì)電極，內(nèi)圓周和中間圓周上分別均勻設(shè)置三對(duì)電極，每一周上的正電極(10a)和負(fù)電極(10b)均勻間隔設(shè)置，在中間圓周和內(nèi)圓周上的電極逐一交錯(cuò)連接設(shè)置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶硅還原爐，其特征在于所述的爐體 冷卻水腔(4)內(nèi)設(shè)有與爐體內(nèi)筒(6)外壁焊接、與爐體夾套(7)內(nèi)壁間留 有間隙的爐體冷卻導(dǎo)流板(5)，爐體內(nèi)筒(6)和爐體夾套(7)的側(cè)壁從上 至下分布三個(gè)觀察視鏡(24)，從觀察視鏡(24)夠觀察到爐體內(nèi)腔體(23) 內(nèi)硅棒(3)的整體情況，爐體夾套(7)的側(cè)壁外底部設(shè)有與爐體冷卻水腔(4)相通的爐體冷卻水腔進(jìn)水口 (8)，夾套封頭(26)頂部中間設(shè)有與爐體 冷卻水腔(4)相通的爐體冷卻水腔出水口 (1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶硅還原爐，其特征在于所述的底盤(pán) (9)包括底盤(pán)上底板(21)、底盤(pán)法蘭(20)、底盤(pán)下底板(18)、冷卻水進(jìn)口 (14)和底盤(pán)冷卻水出口 (15)，底盤(pán)上底板(21)的底部與底盤(pán)法蘭(20) 焊接，底盤(pán)法蘭(20)與底盤(pán)下底板(18)焊接，且底盤(pán)上底板(21)、底盤(pán) 法蘭(20)和底盤(pán)下底板(18)形成底盤(pán)水冷卻腔(19)，冷卻水進(jìn)口 (14) 為雙層套管，冷卻水進(jìn)口 (14)的內(nèi)層管一端貫穿底盤(pán)上底板(21)和底盤(pán) 下底板(18)、且與爐體內(nèi)腔體(23)相通，起反應(yīng)氣體出口的作用，冷卻水 進(jìn)口 (14)的外層管一端與底盤(pán)水冷卻腔(19)相通，起到冷卻水進(jìn)口的作 用；冷卻水進(jìn)口 (14)的另一端懸置在底盤(pán)下底板(18)底部；反應(yīng)氣體進(jìn)氣噴嘴(17)共七個(gè)，其中， 一個(gè)噴嘴(17)設(shè)置在底盤(pán)(9)中心位置，其 余六個(gè)噴嘴(17)位于外圓周電極和中間圓周電極之間，且噴嘴(17)方位 與內(nèi)圓周上電極的分布一致，同時(shí)六個(gè)噴嘴沿同一圓周均布設(shè)置在底盤(pán)(9) 上，冷卻水進(jìn)口 (14)、同時(shí)也是反應(yīng)氣體出口，設(shè)置在鄰近底盤(pán)(9)中心 的位置處。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種提煉多晶硅的專用設(shè)備，具體涉及一種多晶硅還原爐，它包括帶有冷卻水腔的爐體、底盤(pán)、底盤(pán)下的進(jìn)氣管和排氣管、底盤(pán)上的電極，其中，底盤(pán)上的硅芯電極為十五對(duì)，一對(duì)電極含一個(gè)正電極和一個(gè)負(fù)電極，十五對(duì)電極在底盤(pán)上沿三個(gè)圓周均布設(shè)置，即形成三圈電極，外圓周均勻設(shè)置九對(duì)電極，內(nèi)圓周和中間圓周上分別均勻設(shè)置三對(duì)電極，每一周上的正電極和負(fù)電極均勻間隔設(shè)置，在中間圓周和內(nèi)圓周上的電極逐一交錯(cuò)連接設(shè)置。本實(shí)用新型多晶硅還原爐能夠提高多晶硅的產(chǎn)量，到節(jié)約成本、節(jié)約能源、降低能耗。
文檔編號(hào)C30B29/06GK201326030SQ20082017646
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者于潤(rùn)艷, 吳二妮, 朱明鎬 申請(qǐng)人:西安核設(shè)備有限公司