[发明专利]多晶硅的还原生产工艺及其生产用还原炉

说明书

技术领域

本发明属于多晶硅生产技术领域，更明确地说涉及多晶硅的还原生产工 艺及其生产用还原炉的改进和创新。

背景技术

传统的多晶硅生产一般采用西门子法。它是以HCI(或CI₂、H₂)和冶 金级工业硅为原料，以氢气为还原剂，与SiHCI₃反应，还原生产多晶硅。 西门子法目前已改良发展到第三代技术。第一代技术只对还原炉中未反应的 氢气进行回收利用，只适合于百吨以下规模生产。第二代是在第一代的基础 上，实现了SiCI₄的回收利用，增加沉积速度，从而扩大了生产规模。第三 代技术通过采用活性炭吸附法或冷SiCI₄溶解HCI法，解决了干法回收氯化 氢技术，将得到的干燥的HCI又进入流床反应器与冶金级硅反应，从而实 现了完全闭路循环生产，适用于现代化年产1000吨以上规模的多晶硅生产。

改良西门子法生产历史悠久，制备的多晶硅纯度高，沉积速率为8-10 μm/min，一次通过的转换效率为5％～20％，安全性好。相比硅烷法、流态 化床法，其沉积速率与转换速率是最高的。沉积温度为1100℃，仅次于SiCI₄(1200℃)，所以电耗也较高，还原电耗为120kwh/kg。SiHCI₃还原时一般 不生成硅粉，有利于连续操作。该法制备的多晶硅还具有价格比较低，可同 时满足直拉和区熔的要求等优点。

其它太阳能级多晶硅的生产方法具有生产成本低的优势，但存在技术成 熟度不高、应用领域单一、只能用于生产太阳能光伏电池等不足。因此改良 西门子法是当今生产多晶硅的主流技术，世界上现有70％以上的多晶硅均采 用此法生产。

现有多晶硅还原炉的结构大致如下。生产时将提纯后的SiHCI₃与H₂混 合后，从底部九个进气口喷入还原炉。气体亦从底部出气口排出。器内还排 布了12对电极。生产前先将直径8mm的细硅棒固定在电极上，硅棒高 2350mm，24根硅棒在顶部再由直径8mm的硅棒两两相接，将12对电极连 通。然后再将还原炉外壳体吊装到底座上，把硅棒罩住。外壳体与底座由紧 固件连为一体并密封。工作时，硅棒温度为1100℃，器内压力为0.6MPa， 出口气体温度在550℃左右。

现有多晶硅还原炉的进、出气口均为与还原炉内部底平面平齐的圆形开 口，进气速度较快。原设计的意图是：进口气体以高速喷入炉内，形成气柱， 到达顶部后再折返向下从底部出口排出。由于高速气流的扰动与折返，在炉 内形成强湍流流场，一方面保证各断面上气体组成均一，另一方面湍流流场 可强化气固间的传质，加快硅在硅棒表面的沉积速度。

但是，目前的多晶硅还原炉存在以下缺陷：

1.上升气柱在底部即会产生扩散，导致部分流体未与硅棒充分接触， 即产生短路直接从出气口排出，降低了生产的一次性转换率。

2.顶部存在流体流动的死区，尤其在刚开炉时，气体的流入量低，喷 射气柱不能到达顶部，再加之氢气的密度小，在顶部易形成氢浓度高的区域， 导致硅棒上部硅沉积速度低；由于底座上仅一个出气口并靠近中心，故底部 周边亦存在流体流动的死区，同样造成硅沉积速度低。现所产硅棒的顶部和 底部细，中部粗即可证明上述推论。

3.炉内气体温度不便于控制。由于从开炉到出炉期间，气体的流量变 化很大，此外硅棒的直径也在不断增加，若硅棒表面维持1100℃不变，上 述两因素均导致气体温度变化，且调整困难。

4.一次性转换率低。目前多晶硅还原炉的一次性转换率在10％～20％。 要提高一次性转换率，应提高某些生产阶段的气体流量，以加强炉内气体湍 动，强化传质，即提高硅在硅棒表面的沉积速度。但气体流量增加，缩短了 气体在炉内的停留时间，又会导致一次性转换率低。以现有还原炉结构与操 作方式无法解决上述矛盾。

发明内容

本发明的目的，就在于克服上述缺点和不足，提供一种多晶硅的还原生 产工艺及其生产用还原炉。其生产工艺和还原炉结构均合理，可避免上升气 柱在底部的扩散，流体可与硅棒充分接触，硅的一次性转换率高。还原炉顶 部不存在流体流动的死区，提高了硅棒上部的硅沉积速度，改善了所产硅棒 顶部和底部细、中部粗的缺点。便于控制、调整炉内的气体温度，既可加强 炉内气体湍动强化传质，提高硅在硅棒表面的沉积速度，又不会缩短气体在 炉内的停留时间，从而进一步提高一次性转换率。