专利名称：多晶硅还原炉的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及多晶硅的生产设备，更具体地说，涉及一种多晶硅还原炉。
背景技术：
随着科技的发展，太阳能光伏产业和半导体工业的发展也越来越迅猛，因此对于太阳能光伏产业和半导体工业生产用的主要原料多晶硅的需求也越来越大。目前，业界生产多晶硅的方法有多种，其中比较常见的是氢还原法，也称西门子法，目前应用的比较广泛的为改良西门子法，改良的西门子法较传统的西门子方法具备先进的节能低耗工艺，并且可以有效的回收利用生产过程中大量的SiCl4、HCl、H2等副产物以及大量的副产热能。改良西门子法与传统西门子法的原理类似，主要为将高纯的氢气和高纯度的硅的反应物(多为硅卤化物)作为原料，按一定比例通入到反应容器内(即多晶硅还原炉)， 在高温高压的环境下，氢气还原硅的反应物，从而形成多晶硅，形成的多晶硅会沉积在硅芯上。随着化学反应的继续，沉积在硅芯上的多晶硅越来越多，逐渐将硅芯全部覆盖，变成一根外部包裹着多晶硅的棒状体，俗称硅棒。随着还原炉内化学反应的继续进行，硅棒的半径越来越大，直到达到预定的尺寸，即停止还原炉内的化学反应。采用改良西门子法生产多晶硅的过程中，一般通过电阻性加热将还原炉内的硅棒表面温度维持在1100°c左右的反应温度，但由于还原炉内温度过高会对炉筒有一定的损害，就必须对还原炉的炉筒采取必要的保护措施。目前常用的方法是在还原炉的炉筒内设置水夹套结构，在夹套结构中通入高温水，通过高温水带走炉筒表面的热量，以达到降低炉筒温度的目的。在实际生产过程中发现，采用这种降温方式后，炉筒的温度虽然降低了，但是在同一个还原炉内同一批次中生产出的多晶硅棒的粗细程度出现不均勻的现象，从而影响多晶硅产品的质量。
实用新型内容本实用新型实施例提供一种多晶硅还原炉，解决了现有技术中的问题，提高了多晶硅产品的质量，生产出的多晶硅棒的粗细更加均勻，并且，在一定程度上降低了还原炉能量的损耗。为实现上述目的，本实用新型实施例提供了如下技术方案一种多晶硅还原炉，包括炉筒和底盘，所述底盘上设置有多对电极，还包括设置于所述多晶硅还原炉的炉筒内壁与所述底盘上的最外层电极之间的保温层。优选的，所述保温层为上下穿通的圆筒形状。优选的，所述保温层设置于所述底盘上。优选的，所述保温层与所述炉筒内壁间具有缝隙。优选的，所述保温层固定于所述炉筒内壁。[0014]优选的，所述保温层由C/C复合材料、石墨材料、氧化铝纤维、钛合金、不锈钢、陶瓷材料、Incoloy系列材料之一制成。优选的，所述底盘上设置有均勻分布的混合气体进气喷口，所述底盘中心设置有尾气排气口。与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点本实用新型实施例提供的多晶硅还原炉，通过在炉筒内壁与所述底盘上的最外层电极之间设置了保温层，在一定程度上阻止了还原炉内部与炉壁间的热量交换，使得水夹套结构对炉筒进行冷却的同时，并未影响到还原炉内部的热场，即由于保温层内壁的温度不会因炉筒的冷却而降低，从而使得被保温层包覆的还原炉内部并未发生热量的转移，从而确保了还原炉内部的热场均衡，提高了多晶硅产品的质量，使生产出的多晶硅棒的粗细更加均勻。并且，由于保温层的设置，减少了还原炉内部热量的损失，确保了还原炉内的热量不外泄，在一定程度上降低了还原炉能量的损耗。
通过附图所示，本实用新型的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。图1为由多个硅棒的电阻串联形成的调压器负载示意图；图2为本实用新型实施例公开的多晶硅还原炉的结构示意图；图3为本实用新型实施例公开的多晶硅还原炉的底盘结构示意图；图4为本实用新型另一实施例公开的多晶硅还原炉的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中的生产出的多晶硅棒粗细不均，本实用新型发明人研究发现，出现这种情况的原因是，采用水夹套结构冷却还原炉炉筒的同时，也带走了还原炉内大量的热量，主要是使靠近还原炉内壁区域的热量散失严重，从而使得还原炉内部的热场不够均勻，进而无法保证硅棒的均勻生长。具体的，多晶硅还原工序更多的是由还原炉电气系统控制，而还原炉电气系统的主要设备是大功率调压器，调压器的负载是由多晶硅棒串联形成纯电阻负载R。调压器的作用实际上是对负载电阻进行点加热，并保持硅棒表面的温度恒定，一般保持在多晶硅的生
长温度1100°C左右。如图1所示，由多个多晶硅棒的电阻R1、R2、R3.......Rn串联形成的
电阻R是一个变化的电阻，主要是因为随着硅棒的生长以及自身温度的上升，每个硅棒本身的电阻是不断变化的。一般情况下，硅棒的温度从常温上升到1000°C左右，直径为Φ8πιπι 的硅芯的电阻会从几百kQ下降到几十Ω，保持硅棒表面温度为1100°C左右，硅棒的直径从Φ8πιπι增加到Φ 150mm，硅棒电阻会从几十Ω下降到几十mΩ，由此可见，由于硅棒电阻大范围的变动自然会引起调压器的输出电压和输出电流的调节范围有大的变动。根据上述实际工作的性质的特点，调压器分为预热调压器和还原调压器，预热调压器在硅棒温度从常温加热到1000°c过程中使用，还原调压器在硅棒直径从最初的尺寸(一般为Φ7πιπι-Φ8πιπι)增加到最终直径的过程中使用，并且还原调压器还用来保持硅棒表面温度在1100°C左右。如果由硅棒串联而成的电阻中每个硅棒的情况是一样的(即Rl = R2 = R3
=......=to)，则电气系统就会比较容易控制各硅棒表面的温度，但是由于实际生产
中，每个硅棒在还原炉底盘上分布的位置是不同的，一般是围绕底盘的中心环状分布，有的硅棒位于内环，有的位于外环。同时由于还原炉中的大量热量被水夹套结构中的冷却水带走，从而使还原炉内的温度由内而外排布不均，一般为以还原炉的中轴线为中心，由内而外的温度逐渐降低，由于硅棒表面的温度不同了，必然导致硅棒的电阻不同，即出现
Rl ^ R2 ^ R3 ^......^Rn的情况，然而，由于在为硅棒加热时，通过各个硅棒的电流是
一样的，根据Q= 12 可知，采取通电的方式为硅棒加热过程中，在每根硅棒上产生的热量也是不相同的，电阻越大，硅棒上产生的热量也越大。由于因水夹套结构的使用而导致的还原炉内温度的变化梯度很难控制也很难探测，并且同时每根硅棒上因通电产生的热量也不同，各种因素综合考虑后，很难通过电气系统的控制使每根硅棒附近的温度均维持在1100°C左右，即很难确保还原炉内热场的均衡， 从而也就很难保证硅棒的均勻生长。综上所述，导致硅棒不能均勻生长的最根本原因是，由于采用水夹套结构保护炉筒，从而通过炉壁带走了还原炉内大量热量，但若是取消水夹套结构的使用，又会对炉筒造成一定损害，因此，发明人考虑，若能够在使用水夹套结构的情况下，还能避免因此带走还原炉内的大量热量，即可解决生产出的硅棒粗细不均的问题，能够实现该目的的方式最直接的一种便是通过为还原炉内部进行保温处理，将还原炉内部的热场与炉壁进行隔离。结合上述思想，本实用新型实施例公开了一种多晶硅还原炉，该多晶硅还原炉包括炉筒和底盘，所述底盘上设置有多对电极，还包括设置于所述多晶硅还原炉的炉筒内壁与所述底盘上的最外层电极之间的保温层。本实施例中的多晶硅还原炉通过在炉筒内壁与所述底盘上的最外层电极之间设置了保温层，在一定程度上阻止了还原炉内部与炉壁间的热量交换，使得水夹套结构对炉筒进行冷却的同时，并未影响到还原炉内部的热场，即由于保温层内壁的温度不会因炉筒的冷却而降低，从而使得被保温层包覆的还原炉内部并未发生热量的转移，从而确保了还原炉内部的热场均衡，提高了多晶硅产品的质量，使生产出的多晶硅棒的粗细更加均勻。并且，由于保温层的设置，减少了还原炉内部热量的损失，确保了还原炉内的热量不外泄，在一定程度上降低了还原炉能量的损耗。以上是本实用新型的核心思想，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。实施例一[0035]如图2所示，本实施例公开的多晶硅还原炉包括炉筒和底盘13，所述底盘13上设置有多对电极，并且，该多晶硅还原炉还包括，设置于所述多晶硅还原炉的炉筒内壁5与所述底盘上的最外层电极之间的保温层2，所述保温层2为上下穿通的圆筒形状，可在不影响还原炉内的气体流动和反应过程。当然，保温层2的上端也可封闭或者留有出气口，以便于生产过程中更好的保温和气体的流动，本实施例中对此不做具体限制。另外，该多晶硅还原炉还包括位于炉筒下方的冷却水进口 1，炉筒外壁3，位于炉筒内壁5与炉筒外壁3之间的炉筒夹套腔4，位于炉筒上部的冷却水出口 6，贯穿炉筒内壁5和炉筒外壁3的视镜7，位于底盘13上的电极夹套11，设置于电极夹套11上的电极，位于底盘13上的混合气体进气喷口 9和尾气排气口 10，以及与底盘13相连的支座8。其中，所述底盘13的B-B结构图如图3所示，混合气体进气喷口 9均勻的分布在底盘13上，尾气排气口 10设置于底盘13的中心，多晶硅生产过程中，硅芯与电极12相连， 呈环状排布于还原炉内，均勻分布的混合气体进气喷口 9和设置于底盘13的中心的尾气排气口 10可在无外界干扰的情况下，保证还原炉内部气体分布均勻，并且不会因气体的流动影响还原炉内的热场分布。需要说明的是，如图2所示，所述保温层2设置于所述底盘13上，具体的，保温层2 是作为与还原炉相对独立的一个部件单独放置在底盘13上的，保温层2位于最外层的电极与炉筒内壁之间，即保温层2与所述炉筒内壁5间具有缝隙。在每次开炉时，需要先将保温层2安装到底盘13上之后，再安装炉筒，每次停炉后，也需要先拆卸炉筒再移开保温层2。另外，需要说明的是，为了适应多晶硅还原炉的工作环境，本实施例中保温层的材料应耐热性能良好，以适应多晶硅生产过程中1100°c左右的高温，并且，所述保温层需在高温下的化学性能稳定，以避免在使用过程中因高温而释放出其它物质，而影响到还原炉内多晶硅产品的纯度，所述保温层还应具有良好的韧性，以免在使用过程中被轻易摔坏或砸坏。基于以上要求，优选的，所述保温层由C/C复合材料、石墨材料、氧化铝纤维、钛合金、不锈钢、陶瓷材料、新型耐热材料或特材制成，所述新型耐热材料包括高强高模纤维、高耐热纤维、新纤维素纤维、生物纤维、包膜钛白、高密度复合材料等，所述特材包括金属陶瓷、hcoloy系列材料等，Incoloy系列材料通称为镍基合金钢，Incoloy系列材料具有抗高温氧化及抗高温渗碳，能耐氯化物的应力腐蚀开裂，即具有优良的耐均勻腐蚀性能，抗高辐射、抗氧化以及优秀的焊接性能等。Incoloy系列材料具有多种型号，如 INC0L0Y800/800H/800HT/840/825等；所述C/C复合材料为以炭纤维或其织物为增强相，以化学气相渗透的热解炭或液相浸渍-炭化的树脂炭、浙青炭为基体组成的一种纯炭多相结构。本实施例通过在还原炉内设置保温层的方式，在一定程度上阻止了还原炉内部与炉壁间的热量交换，进而能够有效的防止还原炉内的热量损失，保证热场均衡，提高了硅棒的粗细均勻程度，也在很大程度上降低了多晶硅生产的单位能耗。实施例二本实施例公开的多晶硅还原炉的结构图如图4所示，图纸标号相同表示的结构也相同，与上一实施例不同的是，本实施例中的所述保温层2固定于所述炉筒内壁5上，即保温层2与炉筒内壁5间没有缝隙，在炉筒加工过程中，可直接将保温层2固定在炉筒上， 每次开停炉时随炉筒一同拆卸。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。
权利要求1.一种多晶硅还原炉，包括炉筒和底盘，所述底盘上设置有多对电极，其特征在于，还包括设置于所述多晶硅还原炉的炉筒内壁与所述底盘上的最外层电极之间的保温层。
2.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述保温层为上下穿通的圆筒形状。
3.根据权利要求2所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述保温层设置于所述底盘上。
4.根据权利要求3所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述保温层与所述炉筒内壁间具有缝隙。
5.根据权利要求2所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述保温层固定于所述炉筒内壁。
6.根据权利要求1-5任一项所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述保温层由C/C复合材料、石墨材料、氧化铝纤维、钛合金、不锈钢、陶瓷材料、Incoloy系列材料之一制成。
7.根据权利要求1所述的多晶硅还原炉，其特征在于，所述底盘上设置有均勻分布的混合气体进气喷口，所述底盘中心设置有尾气排气口。
专利摘要本实用新型实施例公开了一种多晶硅还原炉，包括炉筒和底盘，所述底盘上设置有多对电极，还包括设置于所述多晶硅还原炉的炉筒内壁与所述底盘上的最外层电极之间的保温层。本实用新型通过在炉筒内壁与所述底盘上的最外层电极之间设置保温层，在一定程度上阻止了还原炉内部与炉壁间的热量交换，使得水夹套结构对炉筒进行冷却的同时，并未影响到还原炉内部的热场，从而确保了还原炉内部的热场均衡，提高了多晶硅产品的质量，使生产出的多晶硅棒的粗细更加均匀。并且，由于保温层的设置，减少了还原炉内部热量的损失，确保了还原炉内的热量不外泄，在一定程度上降低了还原炉能量的损耗。
文档编号C01B33/035GK202170244SQ20112016413
公开日2012年3月21日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者吴梅, 李仙寿 申请人:四川瑞能硅材料有限公司