[發明專利]用于生產多晶硅的反應器及系統

有效

• 申請號: 201010141882.5
• 申請日: 2010-04-08
• 公開（公告）號: CN102134745A
• 公開（公告）日: 2011-07-27
• 發明（設計）人: 陳涵斌;陳其國;鐘真武;陳文龍
• 申請（專利權）人: 江蘇中能硅業科技發展有限公司
• 主分類號: C30B29/06
• 分類號: C30B29/06;C30B28/14
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 周春梅

技術領域

本發明涉及生產多晶硅的系統，尤其涉及生產棒狀多晶硅的反應器及包含該反應器的系統。

背景技術

目前，多晶硅生產主要采用改良西門子工藝法。所說西門子工藝的原理就是在1100℃左右的高純硅芯上用高純氫(H2)還原高純三氯氫硅(SiHCl3)，生成多晶硅沉積在硅芯上。改良西門子工藝則是在西門子工藝的基礎上，增加了還原尾氣干法回收系統、四氯化硅(SiCl4)氫化工藝，實現閉路循環，通過采用大型還原爐，降低了單位產品的能耗。

改良西門子工藝主要采用鐘罩型反應器(也稱為還原爐)和與電極相連的硅芯作為沉積基底，采用高溫還原工藝，以高純的SiHCl3在H2氣氛中還原沉積而生成多晶硅。上述化學氣相沉積過程是在鐘罩型的反應器中進行的，該反應容器是密封的，底盤上安裝有出料口和進料口以及若干對電極，電極上連接著直徑5-10mm、長度1500-3000mm的硅芯，每對電極上的兩根硅芯又在另一端通過一較短的硅棒相互連接形成配對硅芯。當向與該配對硅芯電連通的電極施加6～12kV左右的高壓時，硅芯和硅棒都被擊穿導電并被加熱至1000-1150℃，SiHCl3在硅芯的表面發生反應，其所含的硅經氫還原，沉積在硅芯的表面上，使硅芯的直徑逐漸增大，最終達到120-200mm左右。通常情況下，生產直徑為120-200mm的高純硅棒，所需的反應時間大約為150-300小時。

由于爐筒和底盤一般為圓形，因此在傳統的還原爐中，一般將硅芯按圓形進行排列，底盤上設有原料氣進出口。專利號為ZL200820006917.2的中國專利就公開了這樣的還原爐，其中，在該還原爐的底盤上分兩個圓周均勻布置13對電極(對應13對電極)，外周布置8對電極，內周布置5對電極，而進氣噴口均勻分布在底盤上。這種布局提高了還原爐內空間的利用率，并使內外圈耗電功率接近，與傳統的12對電極相比，每爐的多晶硅生產量得到提高，相應地，生產成本及耗能被降低。

類似地，專利號為ZL200820006916.8的中國專利也公開了這樣的還原爐，其中，在該還原爐的底盤上分三個圓周均勻布置18對電極(對應18對硅芯)，最外一周布置9對電極，最內一周布置3對電極，中間一周布置6對電極，進氣噴口則均勻地分布在底盤上。這種布局能夠進一步提高還原爐的產量，進而降低多晶硅的生產成本和能耗。

出于持續不斷的節能降耗需求，專利號為ZL200820105591.9的中國專利對上述底盤上電極對的布局作了進一步的改進。該專利所公開的還原爐仍分三個圓周布置電極對，但是每個圓周上的電極對數量都增加了，使電極對的總量達到了24對。這樣的電極對布局使得每爐的多晶硅產量得到大幅度的提升，隨之而來的是生產成本和能耗的大幅度降低。

盡管上述的電極對圓形布局有助于多晶硅產量的提高以及生產成本和能耗的降低，但是這種圓形布局方式仍存在缺陷。一種缺陷就是硅芯按圓形排列時，相鄰硅芯之間的距離不同，在空間構成的幾何形態也有差別，不利于還原爐內氣體流場以及溫度場的均勻分布，氣體流場以及溫度場不均勻會導致生成的多晶硅棒表面出現明顯的顆粒，造成質量的下降。另一種缺陷是圓形排列的硅芯對還原爐空間的利用率并不是最高的，而反應空間利用率將會直接影響多晶硅沉積速率、原料的一次轉化率以及反應器內熱效率，即直接影響多晶硅生產成本。

因此，仍然存在對硅芯布局方式進行改進的需求，以改進還原爐內氣體流場的分布和提高還原爐空間的利用率，從而提高多晶硅產量，降低多晶硅的生產成本和能耗。

發明內容

為了克服上述缺陷，本發明提供一種用于生產多晶硅的反應器，尤其是棒狀多晶硅。該反應器采用如下的技術方案：其包括底盤和罩在底盤上的筒體，底盤上密集地設有多對硅芯座、至少一個進氣口和至少一個排氣口，硅芯座中心、進氣口中心和排氣口中心一起在底盤上構成中心點陣，中心點陣的至少一部分中心點與相鄰中心點之間的距離都相等。

采用硅芯、原料氣進口和尾氣出口密集排布的方式可以提高反應器內沉積表面積，減少反應器無效空間，提高能量密度及利用率，降低平均熱損失，從而直接降低棒狀多晶硅生產成本。同時，中心點陣的至少一部分中心點與相鄰中心點之間的距離保持相等可以使原料進氣更加均衡，得到更加優化的原料氣流場，從而改善棒狀多晶硅表面形貌，提升多晶硅產品質量。

作為本發明的一個優選實施例，至少部分中心點中的任意相鄰的三個中心點構成正三角形。

進一步地，位于底盤中部的任意相鄰的三個中心點構成正三角形；位于底盤外部的中心點沿底盤的圓周向布置在至少一個圓周上。