电子级多晶硅还原炉及多晶硅的生产方法与流程

本发明涉及多晶硅的生产，具体涉及一种电子级多晶硅还原炉及多晶硅的生产方法。
背景技术：
：多晶硅还原炉是改良西门子法的核心反应器，同时还原炉也是多晶硅生产过程中主要的耗电装置。多晶硅还原过程是一个高耗能的过程，能量消耗主要为硅棒向还原炉壁面辐射的能量、尾气中带走的热量以及化学反应消耗的能量，其中还原炉壁面冷却水带走的热量占整个还原电耗的40％以上。多晶硅还原炉内的硅棒通过电流加热后温度升高到1000～1200℃，三氯氢硅(tcs)和氢气的混合气以一定的流量流入到还原炉内，并在硅棒表面发生复杂的反应并沉积出高纯多晶硅。还原炉内混合气体的流动情况复杂，受到很多因素的影响，其中喷嘴的结构和排布方式是最主要的影响因素。目前电子级多晶硅生产多采用12对棒，还原炉喷嘴排布方式多采用1+8型式，即还原炉底盘中心处放置一个喷嘴和外围分布8个喷嘴，其中中间喷嘴的直径为外围喷嘴的4-5倍，所有喷嘴的方向与底盘垂直。这种排布方式可以保证还原炉中心气量充足，使混合气可以在整个炉体内循环；但气体会过度集中在还原炉中部，还原炉内容易存在大量的气流死区且炉内的温度分布不均，这将导致部分硅棒生成爆米花料，杂质会吸附在多孔性爆米花料中，同时局部高温区容易产生气相成核，生成硅粉。这些因素均不利于生产电子级多晶硅。cn202131107u公开了一种多晶硅还原炉异型喷嘴，所述喷嘴为管道，所述的管道为直管，所述喷嘴口与垂直方向呈0～60度，可以很好改善还原炉内部气体流场的均匀与稳定，提高多晶硅生产质量。cn104973600a公开了一种多晶硅的生产方法，通过改变还原炉内喷嘴的数量，以及在还原炉运行阶段和还原炉停炉降料阶段，优化、调整三氯氢硅数量、氢气与三氯氢硅的摩尔配比、还原炉炉内温度等工艺参数，降低了硅棒表面菜花率，从传统方法的表面菜花率30％降至20％。cn106495162a公开了用于生产多晶硅的还原炉及改善多晶硅表面菜花的方法，还原炉底盘上设置进料喷嘴和硅心底座，通过设置进料喷嘴的高度为硅心底座高度的1/2～1/4，并控制多晶硅生产过程中氢气与三氯氢硅的摩尔配比、还原炉炉内温度等工艺参数，使得菜花占比由目前的35％降至30％以下。技术实现要素：发明目的：为了解决现有技术中电子级多晶硅生产过程中爆米花料比例高和能耗高的问题，本发明提供了一种电子级多晶硅还原炉，还提供了一种多晶硅的生产方法。技术方案：本发明所述一种电子级多晶硅还原炉，包括底盘和罩在所述底盘上的钟罩式炉体，所述底盘上设有多对电极、多个喷嘴和至少一个排气口，所述多个喷嘴按由内向外半径依次增大的n层同心圆分层排列，其中n为2或3；所述同心圆以所述底盘中心为中心点，所述喷嘴为直管；同心圆半径从小至大依次为第1喷嘴层、……第n喷嘴层，位于第1喷嘴层上的喷嘴出口方向与所述底盘垂直，位于其余喷嘴层的喷嘴出口方向朝向还原炉垂直中心线且与所述底盘成75～85度夹角。所述第1喷嘴层的喷嘴内径为10～15mm，所述其余喷嘴层的喷嘴内径为5～10mm。第1喷嘴层的喷嘴内径略大于外层喷嘴层的喷嘴内径，保证了还原炉中心的气体流量。所述多对电极按由内向外半径依次增大的m层同心圆分层排列，其中m为2或3，所述同心圆以所述底盘中心为中心点，同心圆半径从小至大依次为第1电极层、……第m电极层，喷嘴层和电极层交错排列，第1喷嘴层位于第1电极层和底盘中心之间。所述m为2，所述多对电极为12对电极，第1电极层均匀分布4对电极，所述4对电极形成第1正方形，第2电极层均匀分布8对电极；所述n为2，所述多个喷嘴为8个，第1喷嘴层和第2喷嘴层分别均匀分布4个喷嘴，所述第1喷嘴层的4个喷嘴形成第2正方形，所述第2喷嘴层的4个喷嘴形成第3正方形；所述第1正方形、第2正方形和第3正方形的4条边相互平行。所述第1喷嘴层的半径比第1电极层的半径小50～75mm，所述第2喷嘴层的半径为第1电极层和第2电极层的半径平均值。所述m为3，所述多对电极为24对电极，第1电极层均匀分布4对，所述4对电极形成第1正方形，第2电极层均匀分布8对电极，第3电极层均匀分布12对电极；所述n为3，所述多个喷嘴为16个，第1喷嘴层和第2喷嘴层分别均匀分布4个喷嘴，第3喷嘴层均匀分布8个喷嘴，所述第1喷嘴层的4个喷嘴形成第2正方形，所述第2喷嘴层的4个喷嘴形成第3正方形；所述第1正方形、第2正方形和第3正方形的4条边相互平行。所述第1喷嘴层的半径比第1电极层的半径小50～75mm，所述第2喷嘴层的半径为第1电极层和第2电极层半径的平均值，所述第3喷嘴层的半径为第2电极层和第3电极层半径的平均值。所述炉体的材质为银钢复合板。主体材质为不锈钢，在不锈钢的表面涂上一层银，银层的厚度约为0.7～0.9mm，银表面经过抛光处理后热辐射率约为0.01～0.05，采用这种可以大大降低硅棒与炉筒间的辐射热量，减小还原电耗；同时银层将不锈钢与反应气体隔离开，在一定程度上可以防止金属杂质扩散到反应气体中。所述喷嘴与所述底盘螺纹连接，所述螺纹10的外径为20～25mm。所述至少一个排气口设在第1喷嘴层和第1电极层之间。其中，所述炉体设有冷却夹套以供冷却介质从其中流过。所述冷却介质可以为常规的冷却水或导热油，优选为冷却水。所述炉体和底盘的连接方式为法兰连接；所述炉体设有至少一个观察窗。所述炉体包括封头和筒身，所述筒身高度为4.1～4.9m，优选为4.4m。所述底盘的直径为1.6～1.95m，优选为1.8m。所述底盘由不锈钢材料制成，并且所述底盘设有冷却夹套以供冷却介质从其中流过。所述冷却介质可以为常规的冷却水或导热油，但并不限于此。所述每对电极上装有硅棒。每个电极上放置一根硅棒，每两根硅棒通过硅芯桥接串联成一对硅棒，初期每两对硅棒串联成一路，两路通过并联形成一相，中后期每4对硅棒串联形成一相。硅棒表面的温度通过高温红外测温仪进行测量并传输到集散控制系统(dcs系统)，通过调整电流大小将硅棒表面温度控制在设定温度。所述喷嘴与进气管相连，喷嘴通过螺栓固定在底盘的进气孔上。本发明所述一种利用上述的电子级多晶硅还原炉多晶硅的生产方法，包括以下步骤：(1)硅棒生长前期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为5.0～6.0:1，硅棒表面温度为1050～1100℃；该时间段为起始沉积段，由于该阶段的进料量较小，需要比较高的h2/三氯氢硅(tcs)配比以保证气体在整个还原炉内的循环流动。(2)硅棒生长中期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为3.5～5.0:1，硅棒表面温度为1000～1050℃；本阶段为主要的沉积时间段，该阶段的沉积速度最快，也是出现爆米花料概率最大的时期，因此需要控制严格控制硅棒表面温度和配比。(3)硅棒生长后期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为4.5～5.0:1，硅棒表面温度为900～1000℃。本阶段属于停炉阶段，进料量不断降低，硅棒表面的气速不断降低，因此需要缓慢降低硅棒表面的温度以防止表面出现爆米花。优选地，所述硅棒生长前期硅棒表面温度为1070～1100℃，所述硅棒生长中期硅棒表面温度为1020～1030℃，所述硅棒生长后期硅棒表面温度为910～1000℃。所述硅棒生长前期的时间为t1，硅棒生长中期的时间为t2，硅棒生长后期的时间为t3，其中0h＜t1≤30h，30h＜t2≤165h，165h＜t3≤170h。从ta(ta＜t1)开始，硅棒生长前期的硅棒表面温度匀速下降，直至降低至硅棒生长中期需要的温度；h2/tcs配比匀速下降，直至降低至硅棒生长中期需要的配比；所述20h＜ta≤25h；从tc(tc＜t2)开始，硅棒生长中期的硅棒表面温度匀速下降，直至降低至硅棒生长后期需要的温度；h2/tcs配比匀速上升，直至上升至硅棒生长后期需要的配比；所述158h＜tc≤163h。通过喷嘴喷入的原料气的流速为50～180m/s。优选地，硅棒生长前期原料气的流速为75～80m/s，硅棒生长中期原料气的流速为140～170m/s，硅棒生长后期原料气的流速为55～60m/s。工作原理：本发明提出了一种新的喷嘴排列方式，第1喷嘴层的内径大于其余层喷嘴的内径，第1喷嘴层的喷嘴出口方向与所述底盘垂直，其余喷嘴层的喷嘴出口方向朝向还原炉垂直中心线且与所述底盘成75～85度夹角，第1喷嘴层原料气以垂直底盘的方向、其余喷嘴层原料气以一定倾斜角度进入还原炉内，原料气最终在还原炉中间汇集进入还原炉顶部，最终实现气体在还原炉内的整体循环。有益效果：(1)还原炉新的喷嘴排列方式，有效保证了还原炉内气体和温度分布均匀，大大降低炉体内存在的流动死区和局部高温区；还原炉内除了少数区域气速较慢以外，大部分区域的气速在5～10m/s，这个区间的气速既可以降低硅棒表面的爆米花率，又不至于由于气速过快而导致倒棒和能耗增加；(2)炉壁采用银钢复合板可大大降低硅棒与炉筒间的辐射热量，减小还原电耗；(3)根据硅棒生长前期、生长中期和生长后期的不同需求，严格控制原料气摩尔比例及硅棒生长温度，减少爆米花的产生。通过上述发明点的结合，可以将多晶硅生产时爆米花料比例控制在0～10％，还原电耗在50～65kw*h/kgsi，还原电耗远低于国家标准中对电子级多晶硅还原电耗的要求。附图说明图1为还原炉第1层和第2层喷嘴剖视示意图；图2为还原炉底盘电极、喷嘴排布示意图(12对硅棒)；图3为第1层喷嘴的正视图；图4为第1层喷嘴的俯视图；图5为第2层喷嘴的正视图；图6为第2层喷嘴的俯视图；图7为还原炉内气体流速分布图；图8为还原炉底盘电极、喷嘴排布示意图(24对硅棒)；图9为传统还原炉底盘电极、喷嘴排布示意图；图10为三个阶段的温度变化和摩尔配比变化。具体实施方式本发明涉及电子级多晶硅还原炉的一种改进，具体涉及喷嘴结构和排布方式的改进。下面结合附图1-10和实施例对发明作进一步详细描述。实施例1参见图1-7，其中，1为底盘，2为还原炉炉体，3为内层喷嘴，4为外层喷嘴，5为内层电极，6为外层电极，7为排气口，8为内层喷嘴气相通道，9为外层喷嘴气相通道，10为螺纹。电子级多晶硅还原炉包括底盘1、罩在所述底盘上的钟罩式炉体2，所述底盘上设有多对电极、多个喷嘴和一个排气口。底盘设有12对电极，电极采用4+8的排布方式，即内层电极5和外层电极6，内层均匀分布4对电极，外层均匀分布8对电极；喷嘴采用4+4的排布方式，即内层喷嘴3和外层喷嘴4，每层均匀分布4个喷嘴，喷嘴与底板螺纹连接，螺纹10的外径为20～25mm。内层喷嘴3的气相通道出口方向与底盘方向垂直，外层喷嘴4的气相通道出口方向朝向还原炉中心线并与底盘方向成75～85度夹角。内层喷嘴3气相通道的内径为10～15mm，外层喷嘴4气相通道的内径为5～10mm。第1喷嘴层的半径r1比第1电极层r的半径小50～75mm，外层喷嘴层的半径r2为第1电极层r和外层电极层r3的半径平均值。本发明提出一种新的喷嘴排列方式，原料气从内、外层喷嘴流入还原炉，其中内层喷嘴3的内径大于外层喷嘴4的直径，还原炉中心区域的气体流量高于外层。原料气从8个喷嘴喷入还原炉，使得还原炉内的气体分布更加均匀；外层喷嘴4中的原料气以一定的倾斜角流入，经过一定的时间与内层喷嘴3的原料气汇集后一起向上流动，进而保证还原炉中心位置处有足够的气量以形成整个还原炉内的气体循环。本发明可以有效保证还原炉内气体分布和温度分布的均匀，大大降低炉体内存在的流动死区和局部高温区。利用fluent软件对本发明采用的喷嘴结构和排列方式条件下还原炉内的流场进行了模拟计算，图7为还原炉内一个剖面，从图中显示的结果可以知道，内层喷嘴中的原料气以垂直底盘的方向、外层喷嘴中的原料气以一定倾斜角度进入还原炉内，气体最终在还原炉中间汇集进入还原炉顶部，最终实现气体在炉内的整体循环。从图7可知，还原炉内除了少数区域气速较慢以外，大部分区域的气速在5～10m/s，这个区间的气速既可以降低硅棒表面的爆米花率，又不至于由于气速过快而导致倒棒和能耗增加。根据本实施例中的电子级多晶硅还原炉，可以将多晶硅的爆米花料比例控制在0～10％。外圈喷嘴的偏斜角度优选为75～85度，当外圈喷嘴的角度低于75度时会导致气相的水平分速度过大，还原炉内的气场紊乱，这样会导致在沉积的初始阶段硅棒晃动过于剧烈，存在倒棒的风险。当喷嘴的角度高于85度时，外圈喷嘴的气体最终无法全部汇聚到还原炉中心处，导致气体在还原炉内分布过于分散，气相主体难以在还原炉内形成完整的循环。当外圈喷嘴的倾斜角度为75～85度时，才能保证还原炉内的气体在能够形成完整的循环的前提下，气体分布均匀。实施例2电子级多晶硅还原炉结构同实施例1，不同的是底盘(具体见图8)设有24对电极，电极采用4+8+12的排布方式，即内层均匀分布4对电极，中层均匀分布8对电极，外层均匀分布12对电极；喷嘴采用4+4+8的排布方式，即内层均匀分布4个喷嘴，中层均匀分布4个喷嘴，外层均匀分布8个喷嘴。内层喷嘴的气相通道出口方向与底盘方向垂直，中层喷嘴和外层喷嘴的气相通道出口方向朝向还原炉中心线并与底盘方向成75～85度夹角。内层喷嘴气相通道的内径为10～15mm，中层喷嘴和外层喷嘴气相通道的内径为5～10mm。实施例3(1)硅棒生长前期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为6:1，硅棒表面温度为1070℃，硅棒生长时间为0h＜t1≤30h，通入原料气的流速为80m/s；(2)硅棒生长中期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为5:1，硅棒表面温度为1020℃，硅棒生长时间为30h＜t2≤165h，通入原料气的流速为170m/s；(3)硅棒生长后期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为5:1，硅棒表面温度为910℃，硅棒生长时间为165h＜t3≤170h，通入原料气的流速为60m/s。实施例4一种使用实施例1中的电子级多晶硅还原炉生产多晶硅的方法。(1)硅棒生长前期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为5:1，硅棒表面温度为1080℃，硅棒生长时间为为0h＜t1≤30h，通入原料气的流速为75m/s；(2)硅棒生长中期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为4.5:1，硅棒表面温度为1025℃，硅棒生长时间为30h＜t2≤165h，通入原料气的流速为150m/s；(3)硅棒生长后期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为5:1，硅棒表面温度为950℃，硅棒生长时间为165h＜t3≤170h，通入原料气的流速为54m/s。实施例5本实施例提供一种使用实施例1中的电子级多晶硅还原炉生产多晶硅的方法。(1)硅棒生长前期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为5:1，硅棒表面温度为1100℃，硅棒生长时间为0h＜t1≤30h，通入原料气的流速为75m/s；(2)硅棒生长中期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为3.7:1，硅棒表面温度为1030℃，硅棒生长时间为30h＜t2≤165h，通入原料气的流速为140m/s；(3)硅棒生长后期：通过喷嘴喷入的原料气中氢气和三氯氢硅的摩尔比为4.5:1，硅棒表面温度为1000℃，硅棒生长时间为165h＜t3≤170h，通入原料气的流速为55m/s。表1多晶硅生产时爆米花料比例和还原电耗实施例3实施例4实施例5爆米花料比例％3610还原电耗kw*h/kgsi645850实施例6生产方法同实施例3，不同的是硅棒生长前期硅棒表面温度为1050℃，原料气的流速为80m/s；硅棒生长中期硅棒表面温度为1000℃，原料气的流速为180m/s；硅棒生长后期原料气的流速为50m/s。实施例7生产方法同实施例3，不同的是硅棒生长前期硅棒表面温度为1100℃，硅棒生长中期硅棒表面温度为1050℃。对比例1电子级多晶硅还原炉结构同实施例1，不同的是，如图9所示的传统12对棒电子级多晶硅还原炉底盘喷嘴分布图，喷嘴分布形式为1+8，即底盘中心布置一个喷嘴，外层布置8个喷嘴，其中中间喷嘴的直径为外层喷嘴直径的4～5倍。在实际的运行过程中，中间一个喷嘴的进气量约为外围喷嘴总进气量的2倍，绝大多数气体沿着还原炉中心线向上流出，到达还原炉顶部后再返回到底部，气体从尾气口排出系统。这种喷嘴的排布方式使得气体过度集中在中间部分，导致气体在炉体内分布不均匀，存在大量的流动死区和局部高温区，这些因素的存在都会影响硅棒的质量；同时由于尾气口与中心喷嘴距离较近以及炉内气流紊乱等原因，部分气体从喷嘴流出后直接从尾气口流出，造成了反应气体的转化率偏低。对比例2电子级多晶硅还原炉结构同实施例1，不同的是外层喷嘴与底盘成90度角，每个喷嘴的气体垂直向上流动，这将导致还原炉内的气体分布过于分散，气体最终难以完全聚集到还原炉的中心位置，进而引起气体的喷气高度无法到达硅棒的横梁处，进而形成爆米花料，产生的爆米花料比例为30～40％。对比例3电子级多晶硅还原炉结构同实施例1，不同的是外层喷嘴与底盘成70度角，喷嘴出口处的水平方向的分速度偏大，这将导致还原炉内的气流紊乱，增加了沉积初始阶段因硅棒晃动而倒棒的概率。另一方面，当倾斜角度为70度时，外圈喷嘴的垂直方向气速较小会导致气流主体的喷气高度降低，加之还原炉内整体的气流比较紊乱，这些因素都会导致硅棒的沉积形态差、硅棒的半径差异大，产生爆米花料比例为40～50％。对比例4还原炉结构同实施例1，不同的是外层喷嘴与底盘成30度角，喷嘴出口处的水平方向的分速度过大，这将导致还原炉内的气流过于紊乱，沉积初始阶段会因硅棒晃动过于剧烈而倒棒。当前第1页12