多晶硅还原炉的制作方法

本发明涉及多晶硅生产技术领域，尤其是涉及一种多晶硅还原炉。

背景技术：

现有多晶硅还原炉的结构设计不够合理，导致安装和维护困难，为大型多晶硅还原炉的推广应用带来了阻碍，并且产能和生产效率不高，能耗较大。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种多晶硅还原炉，所述多晶硅还原炉具有结构紧凑、集成大型化、单炉产量高、生产质量优良、节能高效的优点。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，包括：炉体；底盘组件，所述底盘组件包括：底盘本体，所述底盘本体与所述炉体限定出反应腔，多个电极，多个所述电极设在所述底盘本体上且为所述反应腔内的沉积载体硅芯提供安装基础，多个所述电极在所述底盘本体上排列成多圈，每圈电极等间距设置且中心位于所述底盘本体的中心轴线上，多圈电极沿所述底盘本体的径向间隔设置，多个进气端管，多个所述进气端管设在所述底盘本体上且位于相邻圈电极之间以及所述底盘本体的中心处，多个出气端管，多个所述出气端管设在所述底盘本体上且位于最外圈电极与最内圈电极之间；进气系统，所述进气系统与多个所述进气端管相连；出气系统，所述出气系统与多个所述出气端管相连。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉，结构布置合理，尺寸合适，从而便于安装和维护，利于集成大型化，并且能够最大限度的释放多晶硅的产能，有效地降低多晶硅的生产能耗，提高多晶硅的生产质量和生产效率。

另外，根据本发明实施例的多晶硅还原炉还具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述底盘本体的内直径为2800mm-3000mm，所述电极为48对。

根据本发明的一些实施例，所述电极为48对且在所述底盘本体上排列成4-6圈。

进一步地，所述电极分布在沿所述底盘本体的径向由外至内的第一至第五圈上，所述第一圈上分布有16对电极，所述第二圈上分布有13对电极，所述第三圈上分布有10对电极，所述第四圈上分布有6对电极，所述第五圈上分布有3对电极。

根据本发明的一些实施例，每个所述电极包括：电极座，所述电极座设在所述底盘本体上；电极本体，所述电极本体设在所述电极座上，其中，每圈电极的相邻两个电极本体的正负极反向设置且相邻两对电极通过电极板连接。

根据本发明的一些实施例，所述进气端管为20-50个，其中，多个所述进气端管中的一个设在所述底盘本体的中心处且其余的排列成多圈，每圈进气端管设在相邻圈电极之间。

可选地，所述其余的进气端管分布在沿所述底盘本体的径向由外至内的第一至第四圈，所述第一圈上分布有13个进气端管，所述第二圈上分布有10个进气端管，所述第三圈上分布有5个进气端管，所述第四圈上分布有3个进气端管。

根据本发明的一些实施例，多个所述出气端管在所述底盘本体上排列成至少一圈，每圈出气端管的相邻出气端管之间设有所述进气端管。

根据本发明的一些实施例，所述出气端管为4-6个且沿所述底盘本体的周向均匀分布在沿所述底盘本体的径向由内至外的第二圈电极与第三圈电极之间。

根据本发明的一些实施例，所述底盘本体包括：底盘法兰；上底板，所述上底板设在所述底盘法兰内；下底板，所述下底板设在所述底盘法兰内且位于所述上底板下方，所述下底板与所述上底板和所述底盘法兰限定出底盘冷却腔；多个导流板，多个所述导流板设在所述底盘冷却腔内且在所述底盘冷却腔内限定出多个螺旋流道。

有利地，所述底盘组件还包括：多个底盘进液管，多个所述底盘进液管设在所述下底板上且每个所述底盘进液管分别与多个所述螺旋流道连通，多个所述底盘进液管位于最外圈电极与最内圈电极之间以及所述底盘本体的中心处；多个底盘出液管，多个所述底盘出液管设在所述下底板上且每个所述底盘出液管分别与多个所述螺旋流道连通，多个所述底盘出液管在所述底盘本体的径向上位于最外圈电极的外侧。

在本发明的一些实施例中，所述进气系统包括：进气环管，所述进气环管上设有进气口且设置在所述下底板下方；多个进气支管，多个所述进气支管连接在所述进气环管上且每个所述进气支管与至少一个所述进气端管相连。

在本发明的一些具体实施例中，所述出气系统包括：出气环管，所述出气环管上设有出气口且设置在所述下底板下方；多个出气支管，多个所述出气支管连接在所述出气环管上且分别与多个所述出气端管相连。

有利地，多个所述底盘进液管分别嵌套在所述出气支管以及位于所述底盘本体中心处的进气支管外。

优选地，所述底盘出液管的上端高于所述底盘冷却腔的内底面。

根据本发明的一些实施例，所述炉体的顶部为向上凸出的半球形或椭球形封头，所述炉体的壁内具有冷却水夹套，所述炉体的侧壁的下部连接有与所述冷却水夹套连通的进水管且所述封头的顶部连接有与所述冷却水夹套连通的出水管。

根据本发明的一些实施例，所述炉体的上部设有观察视镜。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的多晶硅还原炉的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的多晶硅还原炉的底盘组件的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的多晶硅还原炉的进出气轨迹示意图。

附图标记：

多晶硅还原炉1，

炉体100，封头110，进水管120，出水管130，观察视镜140，视镜吹扫入口141，吊具150，

底盘本体210，电极220，进气端管230，出气端管240，底盘进液管250，底盘出液管260，

进气环管310，进气支管320，

出气环管410，出气口411，出气支管420。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本申请基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

多晶硅还原炉是多晶硅生产过程中的核心设备，也是决定生产系统的产能和能耗的关键环节，因此，多晶硅还原炉的设计和制造，直接影响到多晶硅的质量、产量以及生产成本。

目前多晶硅生产以“改良西门子法”为主流工艺技术，即，按一定配比的氢气和三氯氢硅的混合气从多晶硅还原炉的进气口喷入反应腔，并在多晶硅还原炉内发生气相还原反应，生成的多晶硅直接沉积在炉内的硅芯载体表面，随着反应的持续进行，硅棒不断沉积生长并最终达到预期的硅棒生产要求。

现有多晶硅还原炉内硅棒布置的设计主要有两种结构形式，即正六边形蜂窝状硅棒布置结构和同心圆排布硅棒结构，其中，硅棒对数小于等于24对的多晶硅还原炉以同心圆结构为主，而硅棒对数大于24对的多晶硅还原炉则以正六边形结构为主，因此在多晶硅还原炉的大型化道路上，一直按照传统的思维进行等比例扩大，即，随着硅棒对数的增多，多晶硅还原炉的尺寸也越来越大，导致安装和维护困难，为大型多晶硅还原炉的推广应用带来了阻碍。

为此，发明人在大量工艺流程计算和设备模拟优化计算的基础上，对多晶硅还原炉内的流体流动、温度分布进行建模计算，并通过调整硅棒的不同布置方式、进气口和出气口的不同位置进行流场模拟比较，提出一种多晶硅还原炉1，该多晶硅还原炉1具有结构紧凑、集成大型化、单炉产量高、生产质量优良、节能高效的优点。

下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的多晶硅还原炉1。

如图1-图3所示，根据本发明实施例的多晶硅还原炉1，包括炉体100、底盘组件、进气系统和出气系统。

底盘组件包括底盘本体210、多个电极220、多个进气端管230和多个出气端管240。底盘本体210安装在炉体100上，且底盘本体210与炉体100限定出反应腔(图中未示出)。多个电极220设在底盘本体210上，且多个电极220为反应腔内的沉积载体硅芯提供安装基础，每个电极220上安装有硅棒，多个电极220在底盘本体210上排列成多圈，每圈电极220等间距设置，且每圈电极220整体的中心位于底盘本体210的中心轴线上，多圈电极220沿底盘本体210的径向间隔设置。由此，每根硅棒周围热场比较均匀，硅棒能够竖直且均匀的生长，从而实现对热能的最大利用率。

多个进气端管230设在底盘本体210上，且多个进气端管230位于相邻圈电极220之间以及底盘本体210的中心处，由此，除了中心处的进气端管230以外，其余进气端管230均布在相邻两圈硅棒之间，这样能够保证每圈硅棒有合适的供气量，保证硅棒得到均匀的气量供应，利于硅棒均匀生长。

多个出气端管240设在底盘本体210上，且多个出气端管240位于最外圈电极220与最内圈电极220之间，即，出气端管240既不靠近炉体100的壁面，也不位于炉体100的中心处，这样不仅可以避免炉体100内侧的冷却壁面带走过多热量，从而降低热量损耗，同时还可以延长物料在多晶硅还原炉1内的沉积时间；而且避免中心出气导致的温度聚热效应，避免炉体100内部温度过高导致的炉体100内物料容易雾化，影响多晶硅还原炉1的稳定运行，由此，使得多晶硅还原炉1的出气温度显著降低，降低了下游设备的热量负荷。

如图3所示，根据本发明实施例的多晶硅还原炉1，出气端管240既不靠近炉体100的壁面，也不位于炉体100的中心处，从而物料的流动路径较长，延长了物料在炉体100内的沉积时间。可以理解，可以根据实际生产需求调整出气端管240的具体位置。

进气系统与多个进气端管230相连，出气系统与多个出气端管240相连。气体由进气系统进入多个进气端管230，然后由多个进气端管230进入反应腔，反应后的尾气由多个出气端管240排入出气系统，最后由出气系统排出。如此，可以有效扩大底盘组件的下部安装空间。

具体而言，底盘本体210的内直径为2800mm-3000mm，换言之，与底盘本体210配套的炉体100的内直径为2800mm-3000mm，电极220为48对，如此，实现了在尺寸较小的底盘本体210上尽可能多地布置硅棒，结构紧凑。优选地，相邻两个电极220之间的距离为200mm-250mm，即，相邻两个硅棒之间的距离为200mm-250mm，从而结构更为合理、紧凑。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉1，结构布置合理，尺寸合适，从而便于安装和维护，利于集成大型化，并且能够最大限度的释放多晶硅的产能，有效地降低多晶硅的生产能耗，提高多晶硅的生产质量和生产效率。

根据本发明的一些实施例，每个电极220包括电极座和电极本体。电极座设在底盘本体210上。电极本体设在电极座上。其中，每圈电极220的相邻两个电极本体的正负极反向设置且相邻两对电极220通过电极板连接。

举例而言，如图2所示，电极220为48对即96个电极220，且48对电极220在底盘本体210上排列成4-6圈。电极220可按同心圆或多边形方式排布，但不限于同心圆或多边形排布方式。

以5个圆周按同心圆方式布置48对电极220为例，电极220分布在沿底盘本体210的径向由外至内的第一至第五圈上，第一圈上分布有16对即32个电极220，第二圈上分布有13对即26个电极220，第三圈上分布有10对即20个电极220，第四圈上分布有6对即12个电极220，第五圈上分布有3对即6个电极220。相邻两对电极220通过电极板连接，相邻两个电极220之间通过硅芯桥梁搭接。优选地，每圈电极220中的相邻两个电极220之间的距离为240mm。

根据本发明的一些实施例，如图2所示，进气端管230为20-50个，其中，一个进气端管230设在底盘本体210的中心处，其余进气端管230排列成多圈，每圈进气端管230设在相邻圈电极220之间。

举例而言，如图2所示，进气端管230为32个，其中31个进气端管230分布在沿底盘本体210的径向由外至内的第一至第四圈，第一圈上分布有13个进气端管230，第二圈上分布有10个进气端管230，第三圈上分布有5个进气端管230，第四圈上分布有3个进气端管230。此外，还有一个进气端管230设在底盘本体210的中心处，从而有效避免中心设置出气口411而导致附近由憋压形成的流动死区，硅棒下部区域的生长速率得到显著提高。

根据本发明的一些实施例，具体如图2所示，多个出气端管240在底盘本体210上排列成至少一圈，每圈出气端管240的相邻出气端管240之间设有进气端管230。由此，进气端管230和出气端管240分散交叉布置，满足进气和出气两方面的均匀性，且利于硅棒的生长。

举例而言，如图2所示，出气端管240为4-6个，且出气端管240沿底盘本体210的周向均匀分布在沿底盘本体210的径向由内至外的第二圈电极220与第三圈电极220之间。优选地，出气端管240所在圆周的直径为1500mm-1600mm。

根据本发明的一些实施例，如图1所示，底盘本体210包括底盘法兰、上底板、下底板和多个导流板。上底板设在底盘法兰内。下底板设在底盘法兰内，且下底板位于上底板下方，下底板与上底板和底盘法兰限定出底盘冷却腔。多个导流板设在底盘冷却腔内，且多个导流板在底盘冷却腔内限定出多个螺旋流道。

有利地，如图1所示，底盘组件还包括多个底盘进液管250和多个底盘出液管260。多个底盘进液管250设在下底板上，且每个底盘进液管250分别与多个螺旋流道连通，多个底盘进液管250位于最外圈电极220与最内圈电极220之间以及底盘本体210的中心处，从而保证有冷却液从底盘本体210的中心处流入底盘冷却腔，保证底盘本体210冷却的均匀性。多个底盘出液管260设在下底板上，且每个底盘出液管260分别与多个螺旋流道连通，多个底盘出液管260在底盘本体210的径向上位于最外圈电极220的外侧。

多个螺旋流道从底盘本体210的中心旋向边缘。冷却液从底盘进液管250进入底盘冷却腔后，均匀通过各螺旋流道，对上底板、进气端管230、出气端管240和电极220进行强制冷却。导流板设有适当的弧度，确保不会出现冷却死角而影响冷却效果。每个导流板上弧度变化较大的部分上设置若干连通孔，使得两侧冷却液相互流通，避免产生流动死区，冷却液在经过由中央到外圈若干层螺旋流道后，由底盘出液管260流出，保证对底盘本体210散热冷却的均匀性。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，进气系统包括进气环管310和多个进气支管320。进气环管310上设有进气口(图中未示出)，且进气环管310设置在下底板下方。多个进气支管320连接在进气环管310上，且每个进气支管320与至少一个进气端管230相连。气体由进气口进入进气环管310，然后由多个进气支管320进入进气端管230，最后由多个进气端管230进入反应腔内。由此，可以保证气体均匀进入炉体100内，并且减少了底盘本体210下方的供气管数量，优化了底盘本体210下方的空间，利于多晶硅还原炉1的安装和维护。可以理解，每个进气支管320可以分别与多个进气端管230连通，以节省安装空间。

进一步地，如图1所示，出气系统包括出气环管410和多个出气支管420。出气环管410上设有出气口411，且出气环管410设置在下底板下方。多个出气支管420连接在出气环管410上，且多个出气支管420分别与多个出气端管240相连。炉体100内的高温尾气由多个出气端管240进入多个出气支管420，然后汇聚到出气环管410并由出气口411排出。

举例而言，如图1和2所示，进气支管320为14个，出气支管420为5个，下底板上设有5个底盘进液管250和6个底盘出液管260，5个底盘进液管250分别嵌套在5个出气支管420以及位于底盘本体210中心处的进气支管320外，由此不仅可以保证底盘冷却腔能够同时在底盘本体210的中心和中间位置处流入冷却液，从而保证底盘本体210冷却的均匀性，而且可以减少底盘本体210下部的管路数量，节省底盘本体210下部的安装空间。

可选地，底盘出液管260的上端高于底盘冷却腔的内底面，以保证底盘冷却腔内始终有一定高度的冷却液存在。

根据本发明的一些实施例，炉体100的顶部为向上凸出的半球形或椭球形封头110，半球形或椭球形封头110的受力良好且应力小，半球形或椭球形封头110下部的上升气流在顶部的上升阻力减小，有利于解决硅棒上部菜花严重的问题，对硅棒桥连部分的质量有一定改善作用。炉体100的壁内具有冷却水夹套，炉体100的侧壁的下部连接有与冷却水夹套连通的进水管120，封头110的顶部连接有与冷却水夹套连通的出水管130，冷却水从炉体100下部的侧面进入，从炉体100顶部流出。优选地，炉体100的外壁面可以设有保温层以避免热量损失。

根据本发明的一些实施例，炉体100的上部设有观察视镜140，有利于及时反馈硅棒的生长情况，合理控制冷却量和硅棒电流。可选地，炉体100的侧壁上设有视镜吹扫入口141，例如，通过视镜吹扫入口141向炉体100内吹入氢气，以降低观察视镜140的温度。有利地，炉体100的顶部还可以设有用于吊装运行的吊具150，从而便于装配和维护。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉1，配套相应的供电系统，在备品备件以及沉积载体安装完善的情况下，即可实现多晶硅的高效生产。其中，沉积载体的安装高度可以为2.8m-3.4m。

根据本发明实施例的多晶硅还原炉1的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”、“示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。