[发明专利]一种多晶硅CVD反应器隔热罩

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅化学气相沉积(CVD)反应器的节能装置，特别是一种通过镜面反射和减轻热对流和热传导而在化学气相沉积反应器系统中减低功率消耗的隔热罩。

 

背景技术

在传统的多晶硅化学气相沉积反应器中，75%-95%加热硅棒的电能通过热辐射和热对流方式直接传递给反应器器壁再通过热传导被冷却介质带走，造成能量大量浪费。通过减小温差、增加热阻、反射、二次辐射、能量梯级利用或者上述方法的组合是节能的基本手段。

目前工业界最常用的方法是通过高温水冷或高温油冷的方式来将反应器壁面温度提高至200-400℃，然后用高温油、高温热水或高温热水闪蒸产生的蒸汽作为精馏提纯装置的热源。该节能方法对于降低多晶硅化学气相沉积反应器的电耗作用很有限，其主要节能本质是热能综合利用，即用高能量品质的二次能源电能生产低能量品质的热油、热水或蒸汽，但其经济性远不如用一次能源直接生产或者利用电力生产、热电联产副产的热油、热水或蒸汽的方式。

美国专利US4173944、中国发明专利申请CN200980110775.1和CN201110262293.7各自公开了一种多晶硅化学气相沉积反应器，反应器的表面分别涂覆有银、金和纳米级热反射涂层（材料为Cr及其合金、Ni及其合金、Ti及其合金、Ag及其合金、Au及其合金、或氮化合金），通过降低反应器表面的发射率（即提高反射率）来降低能耗。以上三个专利或专利申请方案能够明显减弱反应器中热辐射的损耗，但由于反射层均直接涂覆在反应器壁上且均有较高的导热系数（银429W/m·K，金317 W/m·K），反射层表面温度较低，高温湍流气体直接与反射层接触，在降低热辐射损耗的同时却提高了热对流和热传导环节造成的能量损耗。虽然银在可见光和红外波段具有很小的发射率（小于0.05），但美国专利US4173944银反射涂层的反射面直接暴露于高温高卤恶劣反应环境中，表面容易锈蚀导致反射率降低，需要定期修复，否则发射率会大幅上升。而金的耐腐蚀性能优于银，但其价格约为银的50倍，大面积使用金作为反射膜价格昂贵，且金在近红外波段有较高的发射率，吸收的辐射热远大于银。

日本专利申请JP2001294416A公开了一种西门子式CVD反应炉，该反应器内壁衬有一定厚度的选自碳、氮化硅、石英、碳化硅、氧化锆或者它们的复合材料制成的隔热屏，并且隔热屏通过紧固件的方式固定在炉筒内壁上，方便装拆炉。美国专利申请US20110126761A1公开了一种西门子式CVD反应炉，在该反应器的内壁与硅棒之间安放有热辐射隔热罩，化学气相沉积时隔热罩的温度优选大于400℃，隔热罩的材料优选碳化硅、衬有碳化硅的石墨、硅、衬有高纯硅的石墨或它们的复合材料，这些材料具有较低的导热系数（导热系数不大于35W/m·K，或者导热系数和厚度的比值不大于3000W/K）和较高的表面光谱发射率（0.05-1），隔热罩可全部也可部分遮盖反应器内壁，可单层也可多层。中国实用新型专利CN201971644U公开了一种呈钟罩状固定在炉壁上的隔热罩，隔热罩的材料优选碳碳复合材料、石墨、钼片加碳毡复合板或炭布加炭泡沫复合板，将圆环状的上述材料在纵向上叠加并通过螺帽和石墨或碳碳复合材料螺栓等紧固件固定在炉炉壁上。中国专利申请CN201080066144.7公开了一种西门子式CVD反应炉，在该反应器的内壁与硅棒之间安放有硅材料制成的热辐射隔热罩，长条状的硅材料部件沿侧壁环绕至少一圈，在轴向至少有两层这样的材料叠加覆盖整个侧壁高度，炉壁上有相关吊架及平台用于安装以上硅材料部件。以上四个专利或专利申请共同点是利用一定厚度低导热系数材料制成单层或多层的隔热屏（罩），隔热屏（罩）通过吸热升温和二次辐射（re-radiation）来减少硅棒表面的能量损失，同时由于隔热屏（罩）阻碍了湍流的高温气体直接与冷壁接触，并且隔热屏（罩）的导热系数低，热阻大，可以有效减少热对流和热传导造成的能量损耗。但使用二次辐射的方法意味要提高保温效果就要提高隔热屏（罩）的温度，而温度越高材料中的杂质越容易释放而沉积到多晶硅上，这对多晶硅质量来说是极其不利。改良西门子化学气相沉积反应器属于间歇生产，需要频繁升温、降温和装拆炉筒，隔热屏（罩）如何方便于装拆及能否经受起热冲击是需要考虑问题。故隔热屏的材料本身纯度、化学稳定性和耐热冲击性等是需要考虑的问题。例如中国实用新型专利CN201971644U提到的碳碳复合材料、石墨、钼片加碳毡复合板或炭布加炭泡沫复合板，又如美国专利申请US20110126761A1前两个具体实施例中采用的涂覆有碳化硅的石墨和珍珠岩（perlite），在高温下氢气会和碳反应生成甲烷等气体，或者材料中残留的灰分会释放出杂质，或者材料经过几次间歇运行操作后容易粉化，会对多晶硅品质造成显著不利影响，不适合大面积使用。美国专利申请US20110126761A1第3个具体实施例和中国专利申请CN201080066144.7采用的硅材料的耐热冲击性差，作为隔热屏使用寿命极其有限。