列管式多晶硅生產裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及多晶硅的制造技術，具體而言，涉及通過化學氣相沉積反應爐制造多晶硅硅棒的生產裝置。
【背景技術】
[0002]制造高純多晶硅通常采用西門子鐘罩狀反應器，在電流加熱的高溫硅棒表面發生化學氣相沉積(CVD)反應。兩根相鄰的、平行的一對硅棒一端連接在一起形成一個倒置的U型結構硅芯，且兩端分別與電源兩極相接，高純度含硅元素氣體(三氯氫硅或硅烷氣體)和氫氣與加熱后的硅芯接觸，通過CVD在硅芯表面生長并以硅棒形式得到多晶硅。
[0003]為了改善多晶硅棒的產品質量，需要使反應中硅芯周圍的反應進料氣體溫度均衡一致并控制在合適條件。溫度太低影響反應速度和生產效率，能耗大并有副反應產生。溫度過高，三氯氫硅或硅烷氣體在溫度較高的氣相空間也發生均相沉積反應形成粉塵，三氯氫硅在氣相溫度1200 °C以上，硅烷在氣相溫度600°C以上會形成大量粉塵，不僅浪費高純原料氣體，同時粉塵沉積在硅棒表面生成不定形硅，導致硅棒純度降低。因此，如何控制硅芯周圍氣體溫度成為提高多晶硅質量的重點和難點。現在常見的鐘罩還原爐一般包括底盤、鐘罩和封頭，相互之間法蘭連接，底盤、鐘罩和封頭都采用雙層夾套，流通冷卻介質對反應爐內空間進行冷卻，以控制反應溫度，同時爐內硅芯通有上千伏的高壓電為反應提供熱源。反應爐內部容積很大，每個位置到爐壁的距離不等，導致溫度分布不均。同時，近年來多晶硅產量大幅提高，反應爐有大型化發展趨勢，傳統結構爐壁冷卻方式已經不能滿足多晶硅的生產要求。
[0004]專利USP4147814在硅棒之間采用水冷隔板以減少粉塵產生，而專利CN101966991A也在反應器內部設置流通冷卻介質的內件，但仍存在溫度分布不均問題。專利USP5382419和USP5545387在上述基礎上改良，在每根硅棒上設有水冷套筒，有效抑制了粉塵的產生，但水冷套筒的裝卸繁瑣，硅棒表面傳質速率嚴重受限。專利CN102249241B調整進氣噴孔的數量并均勻排布，硅棒在噴孔周圍呈現六邊形或四邊形排布，但噴孔數量多也增大了氣體循環量，減小氣速則會影響氣固相際傳質并導致硅棒之間形成高溫區。
【發明內容】
[0005]有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明的目的在于提供一種通過化學氣相沉積反應制造多晶硅的生產裝置，所述裝置便于實現不同生長階段的溫度調節，為沉積反應過程控制提供新的技術途徑，其相對于傳統的冷卻套筒方式結構簡單，操作簡便。
[0006]所述裝置包括封頭、冷卻夾套、硅芯、布氣夾套、電極座和電極夾套。所述冷卻夾套為列管式結構，所述列管之間通流冷卻介質。所述列管相互平行，其兩端分別連接于上管板和下管板，所述上管板與所述封頭通過法蘭相連接，所述下管板與位于其上方且鄰近的第三管板之間形成所述布氣夾套。所述布氣夾套上設有反應進料氣體入口，所述封頭上設有反應尾氣出口。所述反應進料氣體通過所述布氣夾套內的噴孔進入所述硅芯與所述列管之間的環形通道，所述噴孔由直接在所述列管管壁上鉆取的孔眼提供，或者由向上或水平穿通所述列管管壁的細管提供，或者由上述兩種方式結合來提供。所述硅芯布置在所述列管中，且所述硅芯的上端在所述列管上方的封頭空間中成對相聯，所述硅芯的下端與所述電極座相連，構成加熱回路。所述封頭為夾套式封頭，所述夾套式封頭的夾套內通流冷卻介質。
[0007]在所述裝置中，所述列管的數量為10?1000根，優選為20?400根；所述列管的內徑為50?400mm，優選為100?200mm ;所述列管的高度為500?4000mm，優選為1500?2500mm。所述列管按正方形排布或三角形排布，相鄰的所述列管中心間距為100?500mm。所述列管的材料為內壁拋光的不銹鋼或耐高溫的鋁合金或銅合金。
[0008]本發明的裝置主要具有兩方面優點。首先，所述反應原料氣體通過底盤布氣夾套直接進入每根所述硅芯附近的所述列管內部，各所述硅芯受氣均勻，這種進氣方式解決了以往受硅芯排布方式和噴孔分布制約的問題。其次，所述裝置可以實現反應爐規模的大型化，同一反應爐各所述硅芯都被所述列管環繞，溫度分布均衡，生產的硅棒質量穩定，且不受所述硅芯數量限制。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明一個較佳實施例的裝置結構示意圖；
[0010]圖2是本發明一個較佳實施例中娃芯正方形排布不意圖；
[0011]圖3是本發明裝置中硅芯分布方式示意圖；
[0012]圖4是本發明裝置中反應進料氣體進入列管的噴孔形式示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面通過結合附圖的方式來說明本發明裝置的具體結構和作用方式。如圖1所示，本發明提供的列管式多晶硅生產裝置由列管式結構和封頭兩部分構成。其中，反應器內平行的各根娃芯12分別用列管6套住，所述列管式結構的外殼5上設有第一冷卻介質進口2和第一冷卻介質出口 14，所述列管6管間殼層流通所述冷卻介質，以維持管壁溫度恒定。所述列管式結構底座端有臨近的兩層管板，即下管板3和第三管板4，列管式結構頂部設有上管板7，封頭設有冷卻夾套8和第二冷卻介質進口 10及第二冷卻介質出口 11，封頭與所述外殼5通過易于拆卸的法蘭密封連接，以滿足反應爐批次生產的裝卸需要。
[0014]在所述列管式結構中，一對所述硅芯12分別從相鄰的兩根所述列管6中穿過并在所述硅芯12的頂端通過硅芯橋13連接，所述硅芯12的底端通過電極座18和導線19連接電源，每個所述硅芯12底端與所述電極座18相鄰部分均設有底部列管17，以確保所述硅芯12通電加熱后所述電極座18不被高溫損傷。所述硅芯12的底部20在生產過程中由于低溫反應進料氣體和所述底部列管17的影響，不發生表面沉積，從而保持較細的硅芯直徑。
[0015]所述硅芯12底端的所述底部列管17的頂部與各所述列管6通過致密螺紋連接或焊接在一起，所述底部列管17的底部與所述電極座18之間設有可拆卸密封圈16。各所述硅芯12底端的底部列管17設有底部冷卻介質入口和出口，并可以相互連接。
[0016]所述硅芯12安裝時分別固定在所述電極座18上，再通過所述硅芯橋13連接。批次反應結束，拆除所述電極座18聯接和所述密封圈16后將生產的產品硅棒從頂部吊出。所述硅芯12可以采用如圖2所示的正方形排布，也可采用如圖3所示的更緊湊的三角形排布方式，并調整冷卻介質進口和出口方位。此外，還有旋轉三角形和旋轉正方形排布方式，如圖3所示。所述硅芯12裝卸時，可以從左到右進行；也可以自內而外安裝，自外而內拆卸。所述硅芯12的中心間距D為100?500mm，所述硅芯12的高度為1000?4000mm ;所述列管6的內徑為50?400mm，所述列管式結構的高度為500?4000mm。
[0017]反應時，反應進料氣體從所述外殼5上的入口 I首先進入底座端兩層管板之間的布氣夾套，再經由兩層管板之間的每根所述列管6上一定規律排布的噴孔15進入各所述列管6內，流經所述列管6與所述硅芯12之間的環形通道并在所述硅芯12表面發生沉積反應，經過所述環形通道的反應進料氣體從所述列管式結構的頂部流出后匯合，在所述硅芯橋13表面上繼續沉積反應，反應尾氣經由頂部的出口 9離開反應爐。
[0018]所述列管17可采用內壁拋光的不銹鋼、耐高溫的鋁合金或銅合金材制作。所述列管式結構的所