[发明专利]多晶硅生产用还原炉的进气口和出气口

说明书

技术领域

本发明属于多晶硅生产技术领域，更明确地说涉及西门子法多晶硅生产用还原炉的进气口和出气口的改进和创新。

背景技术

现有多晶硅生产用还原炉的进、出气口均为与还原炉内部底平面平齐的圆形开口，进气速度较快。提纯后的SiHCI₃与H₂混合后，从底部九个进气口喷入还原炉。气体亦从底部出气口排出。原设计意图是：进口气体以高速喷入炉内，形成气柱，到达顶部后再折返向下从底部出口排出；由于高速气流的扰动与折返，在炉内形成强湍流流场，一方面保证各断面上气体组成均一，另一方面湍流流场可强化气固间的传质，加快硅在硅棒表面的沉积速度。

但是，上述多晶硅还原炉的进、出气口存在以下缺陷：

1.上升气柱在底部即会产生扩散，导致部分流体未与硅棒充分接触，即产生短路直接从出气口排出，降低了生产的一次性转换率。

2.顶部存在流体流动的死区。尤其在刚开炉时，气体的流入量低，喷射气柱不能到达顶部，再加之氢气的密度小，在顶部易形成氢浓度高的区域，导致硅棒上部硅沉积速度低；由于底座上仅一个出气口并靠近中心，故底部周边亦存在流体流动的死区，同样造成硅沉积速度低。目前生产硅棒的顶部和底部细、中部粗即可证明上述推论。

3.炉内气体温度不便于控制。由于从开炉到出炉期间，气体的流量变化很大，此外硅棒的直径也在不断增加，若硅棒表面维持1100℃不变，上述两因素均导致气体温度变化，且调整困难。

4.一次性转换率低。目前多晶硅还原炉的一次性转换率在10％～18％。要提高一次性转换率，应提高某些生产阶段的气体流量，以加强炉内气体湍动，强化传质，即提高硅在硅棒表面的沉积速度。但气体流量增加，缩短了气体在炉内的停留时间，又会导致一次性转换率低。以现有还原炉结构与操作方式无法解决上述矛盾。

发明内容

本发明的目的，就在于克服上述缺点和不足，提供一种多晶硅生产用还原炉的进气口和出气口。其结构合理，可避免上升气柱在底部的扩散，流体可与硅棒充分接触，硅的一次性转换率高。还原炉顶部不存在流体流动的死区，提高了硅棒上部的硅沉积速度，改善了所产硅棒顶部和底部细、中部粗的缺点。便于控制、调整炉内的气体温度，既可加强炉内气体湍动强化传质，提高硅在硅棒表面的沉积速度，又不会缩短气体在炉内的停留时间，从而进一步提高一次性转换率。

还原炉包括带有底部和支座的底座、与底座由紧固件连为一体并密封的外壳、固定安装在底座的底部且位于外壳中的多对电极、固定在电极上的细硅棒、固定安装在还原炉上以通入并排出混合气体的进气口和出气口。外壳带有夹套，夹套上固定、连通着冷却水进水口和出水口。

为了达到上述目的，本发明进气口固定安装在底座的底部，出气口固定安装在外壳上。进气口伸入炉内底部上面100～300mm，顶部以堵板封堵或在堵板中心开一φ6～φ12的喇叭口。伸入炉内的进气口端部侧壁上均布设置3至6个螺旋切向出口。出气口固定安装在外壳顶部的封头上。

出气口为均布的5～7管口式结构，亦即5～7根均布固定安装在外壳顶部封头上的出气支管与一根出气总管连通。为此，还原炉外壳的高度较过去提高400mm左右。

进气口为均布的9～16管口式结构，亦即一根进气总管与9～16根均布固定安装在底部上的进气口连通。9～16根进气口端部的螺旋切向出口的螺旋方向相同或者不同。

本发明将气体进出口形式改为下进上出，进口采用9～16管口分布形式，顶部通过均布的5～7管口引出。为防止顶部各出气口处形成的收缩流，影响炉内气体轴向流速的均匀性，炉外壳高度提高400mm。下进上出的形式可避免进出口间的流体短路，且能保证各横断面上轴向流速均一，使炉内多根硅棒产品的直径均匀一致。

为了使炉内自上而下均形成轴向速度均一的强湍流流场，以利于传质速率的强化，提高沉积速度，且所产硅棒直径均一，本发明将进气口伸入炉内100～300mm，且顶部封堵，或在堵板中心开φ6～φ12的喇叭口。气体通过端部侧壁设置3至6个螺旋切向出口，以强旋转方式进入炉内。根据流场模拟结果，9～16进气口的出气转旋方向可以相同或者不相同，以能造成炉内气体强湍动为原则来设置。

每个进气口端部内位于螺旋切向出口下面带有2～4个均布的旋流板。旋流板可为螺旋状。旋流板的目的是使气体在进口管内即形成强旋转，以避免管壁薄、仅靠在管壁上开口不能很好地导向的弊端，更好地控制、引导进气的流向，消除流动的死角，使进入炉内的气体强湍动，从而提高一次性转换率。螺旋状旋流板可强化进气，使之以强旋转方式进入炉内，效果更好。