[发明专利]一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉

说明书

本发明的一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉由钟罩、隔膜式压缩机、底板、硅棒和硅棒冷却夹套构成。本发明的一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉通过反应炉侧面设置隔膜式压缩机循环管路，对炉内气体进行强制循环，实现炉内气体的强制对流；通过特殊设计和设置的原料气进口管，利用原料气的动力进一步强化炉内气体的对流；通过上述两方面的作用，强化炉内对流，进而强化硅棒表面气体的流动，减小硅棒表面气体的层流边界层的厚度、减少传质阻力，加快传质速率、进而加快硅棒生长速率，减少硅烷热分解制多晶硅的单位能耗。

技术领域

本发明涉及硅烷热分解制多晶硅生产领域，尤其涉及一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉。

背景技术

多晶硅（polycrystalline silicon）是单质硅中的一种特殊形态，在过冷的条件下，熔融状态的单质硅发生凝固现象，凝固后的硅原子以金刚石晶格的形态排列成许多晶核，而且这些晶核生长成的晶粒晶面取向不同，当这些晶面取向不同的晶粒结合在一起时就是多晶硅。多晶硅可以用来生产单晶硅，在现代工业中有着广泛的应用，是光伏技术、电子信息技术的重要原材料，直接关系着信息领域和能源领域的发展。根据纯度高低，多晶硅可以分为冶金级多晶硅、太阳能级多晶硅和电子级多晶硅。随着光伏行业和半导体行业的快速发展，对多晶硅的需求量也日益增大，大力发展太阳能级以及电子级多晶硅的生产技术，增加多晶硅企业的生产能力、保证和提高多晶硅的质量、以及提高生产效率成为多晶硅行业的主要目标。

多晶硅的生产技术主要以三氯氢硅（SiHCl3，简称TCS）或硅烷（SiH4）为前体，通过化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）在钟罩式反应器或流化床反应器中进行。上述两种前体和两种反应器可形成四种生产工艺的组合，但通常分为三种，即改良西门子法、硅烷流化床法和硅烷热分解法。其中硅烷热分解法是将提纯后的SiH4在钟罩式热分解炉内通过化学气相沉积（CVD）反应生产高纯度棒状多晶硅的方法，其热分解化学反应式：SiH4→Si+H2。硅烷法所生产的多晶硅棒结晶致密，可被用于区熔法生产硅单晶可一次成晶，是生产区熔单晶硅的最佳原料，此外硅烷及热分解产物都没有腐蚀性，从而避免了对设备的腐蚀以及硅受腐蚀而被沾污的现象，具有广阔的发展前景。

硅烷热分解反应本身所消耗的能量很少，主要能耗在于维持反应进行的高温环境，可见硅烷分解制备多晶硅工艺有很大的节能空间。因此优化硅烷分解炉的结构和操作条件，成为降低生产成本的重要方向。在硅烷热分解制多晶硅的过程中，硅棒表面温度较高，表面反应速率快、扩散成为控制步骤，因此提高硅烷向硅棒表面的扩散速率成为提高硅棒生长速率，减少单位能耗的可行途径。通过强制对流的方式可以提高硅烷热分解炉内的气体流速、进而减小硅棒表面层流边界层的厚度、减少传质阻力，加快传质速率、进而加快硅棒生长速率。

发明内容

本发明为解决上述技术现状而提供一种强制对流的硅烷热分解制多晶硅反应炉，利用强制对流强化炉内对流，减小硅棒表面边界层厚度，减少扩散阻力，强化硅棒生长速率，减小单位能耗。