專利名稱:硅烷分解法多晶硅制備設備的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種多晶娃制備設備,具體地說,涉及一種利用娃燒的熱分解反應制取多晶硅制備設備。
背景技術:
多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池的原材料,是全球電子工業及光伏產業的基石。隨著光伏產業的迅猛發展,太陽能電池對多晶硅的需求量迅速增長。現有的多晶硅生產工藝技術主要有改良西門子法、冶金法、硅烷法。 改良西門子法國內大多數廠家采用改良西門子法生產多晶硅(即三氯氫硅法)屬高能耗的產業。在三氯氫硅法生產過程中,會排出四氯化硅、氯化氫等尾氣。特別是四氯化硅,如果不做處理,將會嚴重污染環境。業內人士介紹,現在國內的大多廠家,每生產出I噸多晶娃,就會產生12噸四氯化硅。其中電力成本約占總成本的70 %左右,同時具有工藝流程長、投資大、技術操作難度大等缺點。冶金法冶金法的主要工藝是(I)選擇純度較好的工業硅進行水平區熔單向凝固成硅錠;(2)除去硅錠中金屬雜質聚集的部分和外表部分;(3)進行粗粉碎與清洗;(4)在等離子體融解爐中除去硼雜質,再進行第二次水平區熔單向凝固成硅錠,(5)除去第二次區熔硅錠中金屬雜質聚集的部分和外表部分(6)經粗粉碎與清洗后,在電子束融解爐中除去磷和碳雜質,直接生成出太陽能級多晶硅。國外對冶金法研究至少已有25年時間,但是至今還不能真正為光伏產業提供質量合格的硅材料。因此,試圖用冶金精煉方法生產出滿足太陽能電池質量要求的多晶硅不是近期可達到的。硅烷法即利用硅烷(SiH4)的熱分解反應制取高純硅,新硅烷法近幾年發展較快,確實有許多改良西門子法無法比擬的優點。目前主要利用硅烷(SiH4)熱分解反應制取高純度硅,硅烷(SiH4)熱分解制多晶硅生產過程中高危易爆炸,對硅烷分解法多晶硅制備設備安全系數要求高,但目前硅烷分解法多晶硅制備設備普遍存在安全性差、產能低的問題。
發明內容
本發明為克服硅烷法制備多晶硅存在的缺陷,提供了一種安全系數高、產能高的硅烷分解法多晶硅制備設備。本發明的硅烷分解法多晶硅制備設備的技術方案是這樣的其包括主反應室、氣源單元、控制單元、電源單元、打壓單元、真空單元,氣源單元、控制單元、電源單元、打壓單元、真空單元都和主反應室連接,氣源單元和儲存罐連接。所述的各單元分層設置,分為兩層,主反應室設置在第二層,真空單元、氣源單元、打壓單元、電源單元都設置第一層。
所述主反應室包括爐壁,爐壁內設置爐膛,爐膛內設置進氣管、電極、硅芯、內部冷卻管,進氣管設置在爐膛的中央,電極、內部冷卻管和硅芯圍繞進氣管設置,爐壁設置有夾層,夾層內設置冷卻管道。所述主反應室設置爐蓋,爐蓋上設置溢流裝置。所述主反應室外設置升降機構。所述氣源單元包括硅烷儲存罐、控制柜、硅烷氫氣分離裝置、硅烷氫氣分離后加壓裝置、氫氣儲存罐,硅烷氫氣裝置和主反應室連接,硅烷氫氣分離裝置連接兩個分路,一路由硅烷氫氣分離后加壓裝置、氫氣存儲罐組成,硅烷氫氣分離后加壓裝置、氫氣存儲罐串聯后分別和氣源柜和氫氣回收裝置連接,另一路由硅烷氫氣分離后加壓裝置、硅烷存儲罐,硅烷氫氣分離后加壓裝置、硅烷存儲罐串聯后和控制柜連接。 所述控制單元設置為由CPU集中控制的PLC控制單元。本發明由于采用上述結構,保證了硅烷分解這一危險化學反應穩定運行,控制效果良好,提高了整個生產流程的安全性和高效性。操作人員通過組態王界面,細致了解熱分解爐運作狀況,減少事故發生率,最終實現了系統安全高效、節能降耗的目標。
圖I是本發明的原理圖。圖2是本發明的布置圖。圖3是本發明的主反應室的結構示意圖。圖4是本發明的觀察窗的結構示意圖。I-主反應室、2-氣源單元、3-控制單元、4-電源單元、5-打壓單元、6_真空單元、7-輔助加熱單元、9-變壓器、10-高壓連接單元、11-爐壁、12-爐膛、13-氣管、14-電極、15-硅芯、16-內部冷卻管、17-爐壁冷卻管、18-底板、19-雙層觀察窗、20-側吹管、21-膨脹節、22-硅烷儲存罐、23-硅烷氫氣分離裝置、24-硅烷氫氣分離后加壓裝置、25-氫氣存儲罐、26-氫氣回收裝置。
具體實施例方式如圖I所示,本發明的硅烷分解法多晶硅制備設備主要是由CVD主反應室I、氣源單元、控制單元3、電源單元4、打壓單元5、真空單元6、輔助加熱單元7組成,氣源單元2、控制單元3、電源單元4、打壓單元5、真空單元6、輔助加熱單元7都和CVD主反應室I連接,氣源單元2和儲存罐連接。如圖2所示,本發明分兩層設置,CVD主反應室I設置在第二層,氣源單元2、電源單元4、打壓單元5、真空單元6、變壓器9、高壓連接單元10都設置在第一層,其中電源單元4經變壓器9變換電壓后通過高壓連接單元10給CVD主反應室I供電。圖3所示,CVD主反應室I主要有爐壁11、設置在爐壁內的爐膛12、進氣管13、電極14、硅芯15、內部冷卻管16、爐壁冷卻管17、底板18組成,所述進氣管13、電極14、硅芯15、內部冷卻管16設置在爐膛12內,進氣管13設置在爐膛12的中央,電極14、內部冷卻管16和硅芯15圍繞進氣管13設置,爐壁11、進氣管13、內部冷卻管道16和電極14都固定連接在底板18上。電極14與硅芯15相連,電極14的電流流過硅芯15起到加熱的作用,電極14米用直插式電極的方式,操作方便穩定可靠。在一個反應室內可以設置12對娃芯棒,用于多晶硅的生長,控制單元3會根據多晶硅生產速度自動調節硅烷及氫氣的供給量。爐壁冷卻管17固定安裝在爐壁11的頂部。爐壁11為雙層結構,內層為316L不銹鋼,連接法蘭為316L不銹鋼,爐體外殼為碳素結構鋼,表面進行噴涂處理,爐體上部為標準蝶形封頭。所述的CVD主反應室I采用油冷的方式,為使油能夠按照固定的方向流動,在爐壁11的內層、外層之間設置冷卻管道16,保證冷卻效果。為防止油冷系統出現故障造成生產事故,在CVD主反應室的爐蓋上設置了油溢裝置。如圖4所示,在CVD 主反應室的爐體上設置雙層觀察窗19,其采用石英玻璃制作,用于觀測爐內多晶硅生長情況。采用雙層觀察窗19可防止內層玻璃窗的玻璃破裂硅烷溢出,發生爆炸。所述內層玻璃窗與側吹管20連接(如圖4),氫氣通過側吹管20吹掃內層玻璃窗玻璃,可防止硅粉粘在玻璃上。為防止雙層觀察窗19與爐體焊接處頻繁受熱冷卻出現裂痕,在雙層觀察窗19的窗體上設置膨脹節21。所述CVD主反應室I外設置升降機構,設置升降機構主要目的是為了取料及反應室的清理。多晶硅生長完成之后,也就是一個工藝過程結束之后,要把生成的多晶硅棒取走,以便進行下一輪的工藝流程。CVD主反應室I內設置了壓力裝置,為自動閉環控制,控制精度高,反應速度快。如圖I所示的氣源單元包括硅烷儲存罐22、氣源柜2、硅烷氫氣分離裝置23、硅烷氫氣分離后加壓裝置24、氫氣儲存罐25,硅烷氫氣分離裝置23和CVD主反應室I連接,硅烷氫氣分離裝置23連接兩個分路,一路由硅烷氫氣分離后加壓裝置24、氫氣存儲罐25組成,硅烷氫氣分離后加壓裝置24、氫氣存儲罐25串聯后分別和氣源柜2和氫氣回收裝置26連接,另一路由硅烷氫氣分離后加壓裝置24、硅烷存儲罐22,硅烷氫氣分離后加壓裝置24、硅烷存儲罐22串聯后和氣源柜2連接。如圖I所示的輔助加熱單元7由油加熱系統、油循環系統組成。其主要目的使主反應室中的硅芯達到高擊穿溫度,同時要求油槽具有冷卻功能,避免溫度一直升高,導致多晶爐密封圈老化,造成漏氣,發生危險。如圖I所示的控制單元3主要通過CPU對多晶硅的生長的溫度、氣體流量、其他開關量和報警系統進行集中控制。所述控制單元3以工控機與PLC為主控單元,以溫控模塊為溫度控制執行單元,采用可觸摸屏式工業顯示器為人機可操作界面。所述主控單元(PLC)通過RS485通訊口與儀表通訊,執行溫度曲線(設定和監控在計算機上),溫控模塊使用自整定的PID進行溫度的精確控制。所述主控單元(PLC)通過閉環控制,精確控制氣體流量,其對數字式質量流量計進行流量控制,采用數字式質量流量計的好處是比模擬量的質量流量計線損小,減少了實際流量和設定流量的誤差。流量控制根據多晶硅生長所需要的用量進行流量的通入,控制準確,確保多晶硅生長速度的穩定,提高多晶硅純度的一致性。因控制單元3使用PLC的IO單元進行外部的信號輸入(如按鈕、傳感器等)和輸出(如報警輸出、各種指示燈等)的控制,使的報警功能比較齊全,同時報警信息還能夠顯示到計算機上,保證了設備安全運行和快速診斷故障功能。如圖I所示,電源單元4電源系統的設計根據U/I曲線進行設計,分多個變壓器轉換點,可對不同粗度的多晶硅棒進行加熱,加熱穩定可靠。打壓單元5主要提供硅芯15擊穿時需要的高壓,高壓強度達到10kV。真空單元6其由進口干式羅茨泵機組及相關閥門組成,抽真空后再往爐內充入氮氣,再抽真空,進行工藝。充氮氣的作用為稀釋腔內殘余的空氣,保證生產的多晶硅的純度,此步驟可根據情況進行次數的設定。工作原理該設備所用的原理是硅烷熱分解法,即利用甲硅烷(SiH4)的熱分解反應制取高純硅,化學反應如下
—應
該反應在如圖3所示的CVD主反應室I內進行,硅烷在高溫下分解,生成的多晶硅不斷地沉積在硅芯表面,硅芯將逐漸變粗。通過爐體上雙層觀察窗19觀測爐內多晶硅生長情況,當多晶硅生長完成時,通過設置在CVD主反應室I外的升級機構及時取走生成的多晶硅,通過尾氣處理單元對多晶硅生長后排除尾氣進行處理,主要是對生成H2的回收,以及對殘余SiH4的分解。設備的真空單元6為反應提供高純的氣體反應環境,電源單元4、輔助加熱單元7、打壓單元5、氣源單元2和控制單元3用來為硅烷分解提供合適的溫度和充足的氣源量。·
本發明的硅烷分解法多晶硅制備設備,保證了硅烷分解這一危險化學反應穩定運行,控制效果良好,提高了整個生產流程的安全性和高效性。操作人員通過可觸摸屏界面,細致了解熱分解爐運作狀況,減少事故發生率,最終實現了系統安全高效、節能降耗的目標。
權利要求
1.一種硅烷分解法多晶硅制備設備,其特征在于,其包括主反應室、氣源單元、控制單元、電源單元、打壓單元、真空單元,氣源單元、控制單元、電源單元、打壓單元、真空單元都和主反應室連接,氣源單元和儲存罐連接。
2.根據權利要求I所述的硅烷分解法多晶硅制備設備,其特征在于,主反應室包括爐壁,爐壁內設置爐膛,爐膛內設置進氣管、電極、硅芯、內部冷卻管,進氣管設置在爐膛的中央,電極、內部冷卻管和硅芯圍繞進氣管設置,爐壁設置有夾層,夾層內設置冷卻管道。
3.根據權利要求2所述的硅烷分解法多晶硅制備設備,其特征在于,主反應室設置爐蓋,爐蓋上設置溢流裝置。
4.根據權利要求I所述的硅烷分解法多晶硅制備設備,其特征在于,氣源單元包括硅烷儲存罐、控制柜、硅烷氫氣分離裝置、硅烷氫氣分離后加壓裝置、氫氣儲存罐,硅烷氫氣裝置和主反應室連接,硅烷氫氣分離裝置連接兩個分路,一路由硅烷氫氣分離后加壓裝置、氫氣存儲罐組成,硅烷氫氣分離后加壓裝置、氫氣存儲罐串聯后分別和控制柜和氫氣回收裝置連接,另一路由硅烷氫氣分離后加壓裝置、硅烷存儲罐,硅烷氫氣分離后加壓裝置、硅烷存儲罐串聯后和控制柜連接。
5.根據權利要求I所述的硅烷分解法多晶硅制備設備,其特征在于,控制單元設置為由CPU集中控制的PLC控制單元。
6.根據權利要求I所述的硅烷分解法多晶硅制備設備,其特征在于,主反應室外設置升降機構。
7.根據權利要求I所述的硅烷分解法多晶硅制備設備,其特征在于,本設置的各單元分層設置,分為兩層,主反應室設置在第二層,真空單元、氣源單元、打壓單元、電源單元都設置第一層。
全文摘要
本發明涉及一種多晶硅制備設備,具體地說,涉及一種利用硅烷的熱分解反應制取多晶硅制備設備,本發明為克服硅烷法制備多晶硅存在的缺陷,提供了一種安全系數高、產能高的硅烷分解法多晶硅制備設備,本發明其包括主反應室、氣源單元、控制單元、電源單元、打壓單元、真空單元,氣源單元、控制單元、電源單元、打壓單元、真空單元都和主反應室連接,氣源單元和儲存罐連接,本發明由于采用上述結構,保證了硅烷分解這一危險化學反應穩定運行,控制效果良好,提高了整個生產流程的安全性和高效性。操作人員通過組態王界面,細致了解熱分解爐運作狀況,減少事故發生率,最終實現了系統安全高效、節能降耗的目標。
文檔編號C01B33/029GK102976331SQ201110261570
公開日2013年3月20日 申請日期2011年9月6日 優先權日2011年9月6日
發明者李丙科, 陳加朋, 李楠 申請人:青島賽瑞達電子科技有限公司