[发明专利]用于生产多晶硅的反应器

说明书

本发明公开了一种用于生产多晶硅的反应器，其包括含有冷却设施的炉筒、底盘、以及位于所述底盘上的电极、原料进气口和排气口，其特征在于除了最外部靠近炉筒的电极外，每个电极在150mm~300mm处具有四个或五个其他的相邻电极和一个或两个相邻进气口和/或排气口，所述电极、进气口和排气口中心点组成的点阵按正三角形和/或近似正三角形点阵排列。本发明能够实现更密集的硅芯布置，提高了还原炉内热能利用率，实现了更均匀的流场分布，从而提高了每炉的多晶硅产量、改善了产品表面质量，并降低了能耗。

技术领域

本发明涉及多晶硅生产技术领域，具体涉及一种用于改良西门子工艺生产多晶硅的还原炉。

背景技术

目前，改良西门子工艺是使用最广泛的多晶硅生产方法，所说的西门子工艺原理是，采用高温还原沉积工艺，在关键核心设备之一——钟罩型反应器（又称还原炉）内，以与电极相连的8mm左右粗细的硅芯作为沉积基底，以高纯的SiHCl₃为物料，在高纯H₂气氛中高温还原沉积而生成多晶硅。

所说的钟罩型反应器为密封结构，底盘电极上连接有直径5～10mm、长度1500～3000mm的硅芯，通过卡座在电极上的硅芯座（又称“石墨卡瓣”组件）固定，每对电极上的两根硅棒上端通过一根较短的硅棒相互连接，形成倒U形结构。开始沉积硅前，在电极上施加6～12kV左右的高压，硅芯被击穿导电并被加热至1000～1150℃，表面经氢还原后，硅开始在硅芯表面沉积形成硅棒，随反应时间的延长，硅棒的直径逐渐增大，最终达到120～200mm左右。通常情况下，生产直径为120～200mm的高纯硅棒所需的反应时间大约为150～300小时。

在传统的还原炉中，一般将硅芯（或电极）按同心圆形进行排列，底盘上设有原料气进出口。专利号为ZL200820006917.2的中国专利就公开了这样的还原炉，其中，在该还原炉的底盘上分两个圆周均匀布置13对电极（对应13对电极），外周布置8对电极，内周布置5对电极，而进气喷口均匀分布在底盘上。这种布局提高了还原炉内空间的利用率，并使内外圈耗电功率接近，与传统的12对电极相比，每炉的多晶硅生产量得到提高，相应地，生产成本及耗能被降低。

专利号为ZL200820006916.8的中国专利也公开了这样的还原炉，其中，在该还原炉的底盘上分三个圆周均匀布置18对电极（对应18对硅芯），最外一周布置9对电极，最内一周布置3对电极，中间一周布置6对电极，进气喷口则均匀地分布在底盘上。这种布局能够进一步提高还原炉的产量，进而降低多晶硅的生产成本和能耗。

专利号为ZL200820105591.9的中国专利对上述底盘上电极对的布局作了进一步的改进。该专利所公开的还原炉底盘仍分为三个圆周布置电极对，但是每个圆周上的电极对数量都增加了，使电极对的总量达到了24对。这样的电极对布局使得每炉的多晶硅产量得到大幅度的提升，随之而来的是生产成本和能耗的大幅度降低。

尽管上述的电极对圆形布局有助于多晶硅产量的提高以及生产成本和能耗的降低，但是这种同心圆形布局方式仍存在缺陷。一种缺陷就是硅芯按圆形排列时，相邻硅芯之间的距离不同，在空间构成的几何形态也有差别，不利于还原炉内气体流场以及温度场的均匀分布，气体流场以及温度场不均匀会导致生成的多晶硅棒表面出现明显的颗粒，造成质量的下降。另一种缺陷是圆形排列的硅芯对还原炉空间的利用率不高，而反应空间利用率将会直接影响多晶硅沉积速率、原料的一次转化率以及反应器内热效率，即直接影响多晶硅生产成本。

因此，专利200920282780采用正多边形几何排布硅芯，并将原料进出气口设置在每个正多边形的几何中心，以实现单位底盘面积硅芯密度最大，从而更加有效利用还原炉内空间，提高产量，降低单位电耗。

专利20101014882公布了一种硅芯中心和进出气口形成正三角形点阵排布的还原炉，实现了更密集的硅芯排布，提高了还原炉内热能利用率，降低单位能耗， 实现更均匀的流场分布，改善了原料在硅芯表面分配，优化产品表面形貌。