多晶硅还原炉内部结构
多晶硅还原炉
专利名称：多晶硅还原炉
专利类型：实用新型专利
发明人：吴锋,黄金发,韩秀娟申请号：CN202120443526.2申请日：20210301
公开号：CN216191105U
公开日：
20220405
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了多晶硅还原炉。
该多晶硅还原炉包括：炉体；以及炉顶，所述炉顶设在所述炉体的顶部，所述炉顶的内表面设有热反射涂覆层。
该多晶硅还原炉的炉顶内表面设有热反射涂覆层，由此，可以有效地将热量反射至硅棒顶部，从而提高硅棒顶部的温度，使该部分硅棒的温度与硅棒整体一致，对该部分硅棒的沉积起到积极作用，进而有效提高产品的良率。
申请人：江苏鑫华半导体材料科技有限公司
地址：221004 江苏省徐州市经济技术开发区杨山路66号
国籍：CN
代理机构：北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：肖阳
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多晶硅棒倒炉分析
多晶硅还原炉倒棒原因1引言多晶硅是制造集成电路衬底、太阳能电池等产品的主要原料。
多晶硅可以用于制备单晶硅，其深加工产品广泛用于半导体工业中，作为人工智能、自动控制、信息处理、光硅转换等器件的基础材料。
同时，由于能源危机和环境保护的要求，全球正积极开发利用可再生能源。
太阳能因其清洁、安全、资源丰富，是可再生能源中最引人关注的。
利用太阳能的一种主要方法就是通过光电压效应将太阳能转化为电能，硅太阳能电池即是基于光电压效应的装置，由于半导体工业和太阳能电池的发展，高纯度多晶硅的需求不断增加。
目前国际上多晶硅生产工艺主要有改良西门子法和硅烷法，其中70％以上采用改良西门子法。
改良西门子法能兼容电子级和太阳能级多晶硅的生产，以技术成熟、适合产业化生产等特点，是目前多晶硅生产普遍采用的首选工艺。
西门子法通过气相沉积法生产柱状多晶硅，为提高原料利用率和环境友好,改良西门子法在西门子法的基础上采用了闭环式生产工艺，该工艺将工业硅合成SiHCl3，再让SiHCl3在H2气氛下在还原炉中还原沉积得到多晶硅，多晶硅还原炉排出的尾气H2、SiHCl3、SiH2Cl2、SiCl4和HCl经过分离后再循环利用。
国内多晶硅生产基本都实现了闭环工艺，生产多晶硅的能耗和成本大幅度降低[2]，促使多晶硅迅速火爆发展起来。
2 多晶硅还原炉多晶硅还原炉是西门子法生产多晶硅的核心设备之一，其基本结构如图1所示。
多晶硅还原炉由底盘、混合气体进气管、混合尾气出气管、炉体冷却水进水管。
炉体冷却水出水管、钟罩式双层炉体、电极、视镜孔、底盘冷却水进水管、底盘冷却水出水管、电极冷却水进水管、电极冷却水出水管（另外视孔一般还有冷却水设备，因为视孔一般是石英玻璃也需要冷却，还有一根视孔氢的管道吹扫视孔不然SI也要沉积在上面影响视镜的功能）以及其他附属部件组成，为减少设备材质对产品的污染，还原炉体采用306L不锈钢材料制成，每对还原电极分正、负极均匀设置在底盘上，混合气体进气管分为多个喷口均匀设置在底盘上，混合气体尾气的出气口设置在底盘中心位置。
基于Fluent的多晶硅还原炉关键结构优化设计
第52卷第11期2023年11月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALSVol.52㊀No.11November,2023基于Fluent的多晶硅还原炉关键结构优化设计孙泽刚1,葛自豪1,石荣秋1,费天文2(1.四川轻化工大学机械工程学院,自贡㊀643000;2.四川省华夏阀门有限公司,自贡㊀643000)摘要:改良西门子法是多晶硅生产的主要方法,而多晶硅还原炉是多晶硅制备的主要设备㊂针对传统多晶硅还原炉的流场㊁温度场和辐射场不均匀导致生产的多晶硅尺寸不规则的问题,本文对还原炉的炉顶封头结构㊁出气口位置布局和硅棒底盘布局进行优化设计㊂利用Fluent软件Do辐射模块对多晶硅还原炉进行气-固辐射仿真分析,对比优化前后的流场㊁温度场和辐射场的云图㊁流线图等,结果表明:上出气口排气设计能够有效提高炉内气体流动速度,减少炉内气体回流,增加气体流动均匀性,有效解决炉内顶部产生的温度死区,平衡炉内上下温度差;椭圆形顶部封头优化了还原炉整体空间,降低设计成本,有效抑制圆形封头中气体旋涡的产生,增加炉内气体流动均匀性;采用平行圆周对称式硅棒增加整体辐射量,优化了传统还原炉中外圈硅棒与中心硅棒辐射不均匀现象,有效防止了不规则硅棒的产生,提高了多晶硅的产量,为多晶硅还原炉的结构设计提供一个新的方案㊂关键词:多晶硅还原炉;Do辐射模块;结构设计;出气口布局;炉顶封头;硅棒底盘布局中图分类号:TK175;O78㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1000-985X(2023)11-1952-09 Optimization Design of Key Structure of PolycrystallineSilicon Reduction Furnace Based on FluentSUN Zegang1,GE Zihao1,SHI Rongqiu1,FEI Tianwen2(1.College of Mechanical Engineering,Sichuan University of Science&Engineering,Zigong643000,China;2.Sichuan Huaxia Valve Co.,Ltd.,Zigong643000,China)Abstract:The improved Siemens method is the main method for polycrystalline silicon production,and the polycrystalline silicon reduction furnace is the main equipment for polycrystalline silicon preparation.Aiming at the problem of irregular size of polycrystalline silicon produced by the uneven flow field,temperature field,and radiation field of traditional polycrystalline silicon reduction furnaces.This article optimizes the design of the furnace top sealing head structure,air outlet layout,and silicon rod chassis layout of the reduction ing the Do radiation module of Fluent software,a gas-solid radiation simulation analysis was conducted on a polycrystalline silicon reduction furnace.The cloud and streamline diagrams of the flow field,temperature field,and radiation field before and after optimization were compared.The results show that the exhaust design of the up-outlet effectively improve the gas flow velocity in the furnace,reduce gas reflux,increase gas flow uniformity, effectively solve the temperature dead zone generated at the top of the furnace,and balance the temperature difference between the upper and lower parts of the furnace;the elliptical top head optimizes the overall space of the reduction furnace,reduces design costs,effectively inhibits the generation of gas vortices in the circular head,and increases the uniformity of gas flow in the furnace;at the same time,a parallel circular symmetric silicon rod is used to increase the overall radiation amount, optimizing the uneven radiation phenomenon between the outer ring silicon rod and the central silicon rod in traditional reduction furnaces,effectively preventing the generation of irregular silicon rods,improving the production of polycrystalline silicon,and providing a new solution for the design of polycrystalline silicon reduction furnaces.Key words:polycrystalline silicon reduction furnace;Do radiation module;structural design;air outlet layout;furnace top sealing head;silicon rod chassis layout㊀㊀收稿日期:2023-05-28㊀㊀基金项目:四川省科技计划(2022YFG0075);过程装备与控制工程四川省高校重点实验室开放基金(GK202104)㊀㊀作者简介:孙泽刚(1975 ),男,四川省人,博士,副教授㊂E-mail:szg527@㊀第11期孙泽刚等:基于Fluent 的多晶硅还原炉关键结构优化设计1953㊀0㊀引㊀㊀言当前,我国面临着化石能源枯竭危机,取代化石能源的太阳能光伏发电成为一种解决能源问题的新思路[1]㊂对于太阳能光伏发电产业来说,多晶硅生产是十分重要环节,其生产成本占整个产业链成本的30%以上㊂多晶硅还原炉是改良西门子法工艺中生产多晶硅的核心设备,原料气体SiHCl 3与H 2在炽热硅芯表面发生化学气相沉积反应生成晶体硅[2],产品硅最终以棒状的形态从还原炉取出㊂而在反应过程中还原炉内流体域合理的温度分布对于多晶硅生长速率至关重要㊂多晶硅还原炉内温度的变化主要是通过硅棒与还原炉内壁之间的辐射换热,因此还原炉结构的改变会直接影响内部温度场的变化,从而影响还原炉内部反应速率㊂近年来国内外很多学者采用数值模拟技术开展多晶硅还原炉性能优化研究㊂Del Coso 等[3]在假设还原炉内气体流动为层流的条件下,对多晶硅CVD 反应器中高温硅棒的热辐射损失进行了细致的数值模拟研究,并提出减少单位产品能耗的方法,研究表明,增加炉内硅棒数目,增强内壁材料发射率可以明显降低还原能耗㊂Del Coso 等[4]提出可以采用高频电流源加热硅棒来改变多晶硅还原炉中硅棒表面温度均匀性,同时增加硅棒数目或者添加热屏蔽罩也可以明显地使得能耗降低,但是硅棒的分布㊁直径㊁高度会影响炉内混合气体流场及温度场分布的均匀性㊂An 等[5]通过建立一个24对硅棒的还原炉模型分析了不同物料进口速度下炉内的速度㊁温度㊁复杂浓度等,发现高入口速度更有利于获得均匀的速度㊁温度㊁复杂浓度和硅沉积速率分布,从而获得更好的硅CVD 性能㊂张胜涛[6]借助于PolySim TM 软件对还原炉反应过程进行建模仿真,择优选择了两种不同的喷嘴直径间隔,改善了多晶硅沉积㊂王晓静等[7]对传统多晶硅还原炉进行改进:1)增设了外壁高度抛光的热管;2)在炉膛内部中央气口处增设了套筒;3)增加了3个内插进气口㊂徐志远等[8]采用Fluent 软件对还原炉的硅棒生产过程进行模拟分析,发现多晶硅还原炉的能耗随着内衬热导率㊁内衬发射率的增大而增大,内衬热导率的增加可降低内衬表面温度㊂李有斌等[9]分析还原炉实际生产过程中硅棒在沉积前㊁中㊁后期倒棒的原因并提出了相应的改进措施㊂以上研究主要是针对多晶硅还原炉内单独的不同参数对反应过程的影响,通过模拟改变不同的进气口速度㊁气体流量㊁反应温度㊁硅棒对数等参数,观察改变后的内部流场㊁温度场和辐射场,以达到优化的效果㊂本文主要是通过改变传统的多晶硅还原炉的结构,对多晶硅还原炉的出气口位置㊁炉顶封头和硅棒底盘布局方式进行优化,提出了一种新型的多晶硅还原炉结构,通过数值模拟的方法探究优化前后的多晶硅还原炉的流场㊁温度场和辐射场,利用Fluent 软件建立不同改良西门子多晶硅混合气体流道CFD 有限元速度㊁温度及辐射计算模型,并设定监控点或面,测试该点/面的流速或流量[10],并获得监测数据㊂根据云图和监测数据分析表明,新型多晶硅还原炉对于炉内反应过程中的速度㊁温度和辐射量都有明显提升和优化,降低了反应过程的能源消耗,提高利用率㊂1㊀数值模型1.1㊀数学模型气体在流动过程中遵循物理量守恒的规则,多晶硅还原炉内的物料气体也同样遵循守恒规则,其中最基本的守恒就是质量㊁能量与动量的守恒[11]㊂1.1.1㊀质量守恒方程质量守恒方程也可以称为连续性方程,简单表述就是单位时间内流体微元的质量变化率为零,其公式为∂ρ∂t +∂(ρu )∂x +∂(ρv )∂y +∂(ρw )∂z=0(1)式中:ρ为流体的密度,u ㊁v ㊁w 分别为流体在x ㊁y ㊁z 方向上的速度,t 为单位时间㊂本文研究的气体为不可压缩介质,密度为常数,方程简化为∂u ∂x +∂v ∂y +∂w ∂z =0(2)1.1.2㊀动量守恒方程动量守恒方程就是N-S 方程[12],方程本身满足牛顿第二定律,可表述为流体微元动量对时间的变化率1954㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷与受到外界作用力矢量和㊂ρ∂u i ∂t+ρ∂u i u j∂x j=-∂p∂x i+∂τij∂x j+ρ+F i(3)式中:p为流体微元受到的压力,τij为由于分子之间的黏性作用而在微元表面产生的黏性力的分量,x i㊁x j分别为x方向分量,u i㊁u j为x方向上的速度分量,F i为作用在流体微元上的质量力,g i为重力加速度分量㊂1.1.3㊀能量守恒方程能量守恒方程[13]也叫作能量守恒定律,它可以由热力学第一定律按照一定的规则进行推导,其基本表达形式为∂∂t(ρE)+∂∂x j(u i(ρE+p))∂∂x jλ∂T∂x j-ðj h j J j+u jτij{}+S h(4)式中:ρ为流体的密度,λ是传热系数,p为流体微元受到的压力,J ij是组分j的扩散流量,S h代表流体黏性热耗散项,T为流体温度,x j分别为x方向分量,u i为x方向上的速度分量,E是流体的内能㊁动能㊁势能之和㊂E可以由以下公式进行计算㊂E=i+pρ+u 2 i2=h-pρ+u2i2(5)式中:i为流体内能㊂1.2㊀几何模型本文主要探究的是多晶硅还原炉,而在实际设备当中存在许多附属组件,因此在Fluent模拟过程中将对模拟结果影响小或者没有影响的结构去掉,可以提高模拟效率,最后将不必要的部件简化㊂多晶硅还原炉整体主要由三部分组成:还原炉底盘㊁一定对数硅棒和还原炉外罩,示意图如图1所示㊂在反应过程中气体物料通过还原炉底盘的进气口以一定速度喷入炉内,之后通过气体与硅棒之间的化学反应,多晶硅析出附着在硅棒表面,反应中产生的废气则是通过出气口排出㊂图1㊀多晶硅还原炉零件几何模型Fig.1㊀Geometric modeling of polysilicon reduction furnace parts采用三维建模软件SolidWorks对12对硅棒的多晶硅还原炉建立物理模型后导入ANSYS中的Designmodel模块,其中多晶硅还原炉底盘半径R1=800mm,还原炉整体高度H1=3560mm,硅棒高度H2= 2492mm,进气口直径R2=40mm,出气口直径R3=120mm㊂结构示意图及网格法划分如图2所示㊂本文在模拟过程中,为了消除网格数量对数值模拟运算结果的影响,对12对硅棒还原炉模型划分了5种网格数来进行网格无关性验证,网格数分别是181万㊁202万㊁210万㊁255万㊁289万㊂观测的参数为炉内z=1.0m长度上x方向的温度值,发现网格数增加至255万和289万时,温度曲线几乎重合,变化很小,如图3所示㊂1.3㊀边界条件与迭代计算由于Fluent材料库里不包括SiHCl3的气体性质,并且SiHCl3与H2混合气体的摩尔比1ʒ10,对辐射能吸收小,因此采用纯氢气替代混合气体,气体为不可压缩气体[14]㊂将Fluent边界条件中的进口设置为速度进口(velocity-inlet),将Fluent边界条件中的出口设置为压力出口(pressure-outet),设置出口反应压力为0.55MPa㊂设置重力加速度为-9.81m/s2,方向垂直向下㊂计算边界条件见表1㊂㊀第11期孙泽刚等:基于Fluent的多晶硅还原炉关键结构优化设计1955㊀图2㊀多晶硅还原炉结构示意图Fig.2㊀Schematic diagram of polycrystallinesilicon reduction furnace structure图3㊀网格无关性验证Fig.3㊀Grid independence verification表1㊀计算边界条件Table1㊀Calculation boundary conditionsParameter Numerical valueInlet-velocity/(m㊃s-1)70Inlet-temperature/K413Surface temperature of silicon rod/K1423Reduction furnace wall temperature/K573Surface emissivity of silicon rod0.7Reduction furnace wall emissivity0.5多晶硅还原炉材质为不锈钢316L,设置不锈钢316L的密度为7820kg/m3,定压比热容为460J/(kg㊃K),热导率为18W/(m㊃K)㊂硅棒材料为多晶硅,设置硅的密度为2340kg/m3,定压比热容为116J/(kg㊃K),热导率为80W/(m㊃K)㊂考虑计算精度要求及计算机运行能力选择Realizable k-ε模型作为求解湍流模型㊂同时选择DO辐射模型作为Fluent模拟过程中的辐射换热模型[15]㊂2㊀优化设计过程更加均匀的速度㊁温度和辐射分布能够提供更佳的还原炉反应环境,从而有助于生成更好的多晶硅硅棒㊂本文主要通过还原炉结构的改进,包括出气口位置㊁出炉顶封头和硅棒底盘布局[16],对仿真过程中还原炉内部的温度场㊁速度场和辐射场的大小及分布均匀性进行优化设计㊂利用Fluent中后处理来对不同结构(两种不同的出气口的位置㊁不同的炉顶封头设计和三种不同的硅棒底盘布局)下还原炉内部空间的仿真结果进行分析,从而设计出最佳的优化结果㊂2.1㊀出气口位置优化首先通过对传统多晶硅还原炉[17]进行模拟仿真发现,传统的多晶硅还原炉由于出气口位于底盘,当气体以较高的速度进入还原炉并到达还原炉上方时,炉内上方气体并不流通,易形成回流,从而导致气体无法进行更新,形成温度死区㊂因此本文通过将出气口设置到还原炉正中顶部来改进还原炉内部气体流动的不均匀性㊂如图4所示为两种不同的出气口位置的还原炉结构图㊂上下出气口位于还原炉正中央,其尺寸R3=40mm㊂对两种不同结构的多晶硅还原炉进行仿真分析,如图5所示为两种不同出气方式的还原炉在垂直对称面(x=0mm)的速度云图㊂比较两种不同出气口位置的多晶硅还原炉的速度流场云图可知,下出气口的多晶硅还原炉由于出气口位于正下方,当气体通过下方进气口进入还原炉后向炉内上方流通,并与硅棒进行化学反应时,因顶部气体不流通使得气体出现回流现象,并且此时化学反应产生的废气也随着新气体一起运动,废气无法及时排出还原炉,导致生产的多晶硅硅棒纯度降低㊂并且炉内顶部气体无法及时更新导致出现温度死区[18](即气体无法进行更新,导致局部温度过高的现象)㊂同时在下出口的还原炉上方中气体流动速度较低,内部流动不均1956㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷匀,这会导致硅棒顶部接触到的气体较少,易导致生成的硅棒不规则㊂而在上出气口的还原炉中,由于出气口设置在炉内顶部的上方,气体通过进气口进入,与硅棒之间的反应生成的废气可以通过上出气口顺利排出,并且上出气口的内部气体流动明显更加均匀,炉内气体流动速度较高,减少了气体漩涡的出现,改善了温度死区出现的现象㊂并且硅棒与气体接触得更加充分,硅棒顶部也保证可以与充分的气体进行反应㊂如图6所示为两种不同出气口位置的多晶硅还原炉垂直方向内部气体速度对比图㊂图4㊀2种不同出气口还原炉结构示意图Fig.4㊀Schematic diagram of two different air outlet reduction furnacestructures图5㊀2种不同出气方式的还原炉在垂直对称面x=0处的速度云图Fig.5㊀Velocity cloud map of two different gas discharge methods of reduction furnaces at the verticalsymmetrical plane x=0图6㊀2种不同出气口多晶硅还原炉垂直方向速度Fig.6㊀Vertical velocity of polycrystalline silicon reduction furnace with two different air outlets通过对比两种不同速度曲线图可以清楚地发现,随着炉内高度的上升,下出气口的多晶硅还原炉内气体流动速度明显下降,并且高度越高速度下降越快,而在上出气口的多晶硅还原炉中,随着高度上升,炉内气体流动速度趋于平稳,速度保持在8~20m/s㊂这充分说明在上出气口的多晶硅还原炉内气体流动速度更快,流动更均匀,更加适合均匀硅棒的产生㊂2.2㊀炉顶封头优化在传统的多晶硅还原炉中,圆形封顶会导致气体在炉内上方形成气体旋涡,这会导致气体大量汇集而形成温度死区,不利于多晶硅的生产环境㊂因此本文中对多晶硅还原炉炉顶封头进行结构优化,将传统的圆形封头改为椭圆形封顶,两种封顶结构示意图如图7所示㊂圆形封头R4=800mm,椭圆形封头短轴长度L=360mm㊂对两种不同炉顶封头的多晶硅还原炉进行仿真分析,如图8所示为两种不同多晶硅还原炉炉内速度流线图㊂㊀第11期孙泽刚等:基于Fluent 的多晶硅还原炉关键结构优化设计1957㊀图7㊀2种不同炉顶封头的多晶硅还原炉结构示意图Fig.7㊀Schematic diagram of the structure of polycrystalline silicon reduction furnaces with two different top sealingheads 图8㊀2种不同炉顶封头的多晶硅还原炉速度流线图Fig.8㊀Velocity streamline diagram of polycrystallinesilicon reduction furnaces with two different top sealing heads 如图8所示,观察圆形炉顶封头的速度流线图发现,当气体流动至炉顶后,顶部圆形结构导致气体出现旋涡,而反应过程中生成的废气也随着气体旋涡到达炉顶上方无法顺利排出,大量废气会导致顶部气体无法有效更新,从而降低反应生成速率㊂同时由于炉顶采用圆形封头,整体还原炉造型较高,有效反应面积占比较低,资源消耗较高㊂而在椭圆形炉顶封头的多晶硅还原炉中,由于采用椭圆结构,当气体运动至炉顶时,气体随着顺时针向下继续流动,不会在顶部进行大量汇集而产生旋涡㊂气体反应产生的废气和未完全接受反应的气体能够通过流动进行二次反应或经底部出气口排出㊂同时硅棒上方的无效空间占比较低,节约炉顶材料使用㊂2.3㊀硅棒底盘布局优化多晶硅还原炉内硅棒的底盘布局方式对多晶硅的生产有较高的影响,根据吴建宏[19]的研究发现,更加均匀的喷嘴布局对于多晶硅的生产有利㊂因此本文主要分析了三种不同的硅棒布局方式下温度场和辐射场的变化,如图9所示为三种不同硅棒底盘布局㊂图9㊀3种不同的硅棒底盘布局方式Fig.9㊀Three different chassis layouts of silicon rods 通过对三种不同硅棒布局方式的多晶硅进行模拟仿真,对三种不同情况下的温度场和辐射场进行分析,图10所示为三种不同硅棒底盘布局在垂直对称面x =0处的温度场㊂比较3种不同的温度云图发现,当硅棒采用单圈圆周式的布局方式时,多晶硅还原炉内顶部温度明显高于其他部分,上下空间温度较大易导致不同部位的硅棒进行反应时接收的温度不同,从而使得生成多晶硅的速率相差较大㊂而当硅棒采用双圈对插圆周式时,炉内顶部温度有所改善,但中心区域温度过高,这是由于内圈硅棒与外圈硅棒之间的距离并不相同,距离较近的两对硅棒之间辐射传热量较高,热量传递更加便捷,从而使得中心区域的温度过高㊂同样,不均匀的温度分布会导致距离较近的硅棒之间的反应速度高于其他硅棒,生成的硅棒形状尺寸不规则㊂而当将对插式的硅棒变为圆周平行式时,炉内温度有明显改善,局部高温区域基本消失,圆周平行式的硅棒布局使得各对硅棒之间的距离相同,同样辐射传热的距离相同,从而生成的硅棒尺寸相比于前两种更加均匀㊂如图11所示为三种不同硅棒底盘布局的还原炉在Y 方向h =2.5m 处的辐射云图㊂1958㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷图10㊀3种不同硅棒底盘布局方式的多晶硅还原炉在垂直对称面(x=0mm)温度云图Fig.10㊀Temperature cloud diagram of polycrystalline silicon reduction furnaces with three different chassis layouts of siliconrods on the vertical symmetry plane(x=0mm)图11㊀三种不同硅棒底部布局的还原炉在Y方向h=1.5m处的辐射云图Fig.11㊀Radiation nephogram of reduction furnaces with three different bottom layouts of silicon rods at h=1.5m in the Y-direction ㊀㊀观察三种辐射云图也可以发现,单圈和双圈的辐射云图都有明显的辐射量不均匀部分,在单圈布局的辐射云图中,炉内中心区域距离硅棒较近导致辐射接收量较低,每对硅棒的内外单硅棒之间接收的辐射量也不相同,外硅棒明显低于内硅棒㊂而在双圈对插布局中由于内圈与外圈硅棒之间的距离相差较大,外部辐射传热的热量明显低于内部,不均匀的辐射接收量会导致生成不均匀的多晶硅硅棒㊂相较于前两种布局云图,圆周平行式的布局辐射云图均匀,内外圈硅棒的辐射传热量均匀,没有出现明显的辐射量区域,是一个非常适合均匀硅棒生产的硅棒布局方式㊂㊀第11期孙泽刚等:基于Fluent的多晶硅还原炉关键结构优化设计1959㊀如图12所示为3种不同硅棒布局在Y方向h=1.5m的辐射量曲线图㊂比较3种曲线发现,双圈圆周平行式布局方式的辐射相比于其他两种明显更加均匀,辐射水平保持在700000~800000W㊃m-2㊂而单圈圆周式由于硅棒分布在外侧,内部辐射量明显较低,并且不同位置的辐射量差别明显;双圈对插式布局由于中心区域的硅棒之间的距离较近,会形成内部辐射量较高,外部辐射量较小的现象,内外圈的辐射差别过大会导致不均匀的多晶硅材料的生成㊂图12㊀3种不同硅棒布局Y方向h=1.5m的辐射量曲线图Fig.12㊀Radiation curve of Y direction h=1.5m for three different silicon rod layouts3㊀结㊀㊀论采用SolidWorks软件建立不同结构的12对硅棒多晶硅还原炉流体传热模型,通过Fluent软件模拟不同结构设计下多晶硅还原炉的速度场㊁温度场和辐射场㊂结论如下:1)上出口出气方式比下出口出气方式能够提供更加均匀的气体流动环境,增加气体流动速度,将化学反应生成的废气及时排出炉体㊂减少了气体漩涡的出现,避免或减少温度死区的出现,保证硅棒顶部空间可以与充分的气体进行反应㊂2)多晶硅椭圆形封头能够有效改善圆形封头带来的气体旋涡问题,增加炉内气体流动速度,硅棒顶部空间气体能够有效更新㊂3)圆周平行式的硅棒布局在反应过程中产生的辐射范围更加广泛,提供了一个充分均匀的辐射环境,保证每对硅棒之间能接触相同的辐射量,有利于形状规则多晶硅的生产㊂本文对多晶硅还原炉的外部结构进行优化设计,为改良西门子法工艺提出了新的炉内结构优化方向,为还原炉的发展提供了借鉴㊂参考文献[1]㊀宋张佐.多晶硅还原炉产能影响因素分析及提升措施[J].山东化工,2019,48(9):143-144.SONG Z Z.Analysis of factors affecting productivity of polysilicon reduction furnace and improvement measures[J].Shandong Chemical Industry,2019,48(9):143-144(in Chinese).[2]㊀石何武,汪绍芬,郑红梅,等.多晶硅还原炉装备发展展望[J].有色设备,2020(1):1-3+29.SHI H W,WANG S F,ZHENG H M,et al.Development prospect of polysilicon reduction furnace equipment[J].Nonferrous Metallurgical Equipment,2020(1):1-3+29(in Chinese).[3]㊀DEL COSO G,DEL CAÑIZO C,LUQUE A.Radiative energy loss in a polysilicon CVD reactor[J].Solar Energy Materials and Solar 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多晶硅还原炉产能影响因素分析及提升措施
的利用率。
１． ３ 还原炉运行控制不当
还原炉在运行过程中，若工艺运行曲线（物料量、各物料配
比、温度与运行时间的曲线）与设备（喷嘴、硅芯尺寸）不匹配，
会导致硅棒在达到预定运行时间后，出现爆米花料过多，横梁
熔断、硅棒偏靠等异常现象。另外还原炉内热场与气流场分布
不合理，会造成硅棒局部过热，多晶硅物理质量指标波动大，也
棒直径逐渐增大，直至达到１２０ ～ １６０ ｍｍ 时，还原炉完成一个 炉均单炉产量较低，严重影响还原工序产能利用率；通过问题
生产周期。其主要反应方程式如下［１］：
原因分析及采取相应措施，还原炉炉均产量等到了明显提高。
ＳｉＨＣｌ３ ＋ Ｈ２ →Ｓｉ ＋ ３ＨＣｌ
其中还原炉结构如图所示。 ２ＳｉＨＣｌ３ →Ｓｉ ＋ ２ＨＣｌ ＋ ＳｉＣｌ４
第９ 期
宋张佐：多晶硅还原炉产能影响因素分析及提升措施
·１４３·
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生产与应用 櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆殰
多晶硅还原炉产能影响因素分析及提升措施
宋张佐
（云南能投化工有限责任公司，云南昆明 ６５０１００）
摘要：三氯氢硅还原是改良西门子法生产多晶硅的关键步骤，还原炉的产能能否达到设计甚至超出设计水平，对企业达产达标，降低成
ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｆｕｒｎａｃｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．
： ； ； ； Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｆｕｒｎａｃｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｓ
Ｓｏｎｇ Ｚｈａｎｇｚｕｏ
24对电击棒多晶硅还原炉的简介
24对电极多晶硅还原炉的简介1、多晶硅还原（三氯氢硅还原）炉原理SiHCL3+H2 1100℃ Si +3HCL上述反应是吸热反应，还原转化率随着氢气与三氯氢硅的分子比增大而提高，但配比太大氢气得不到充分的利用，而消耗大量的能量和原材料来提纯氢气，而且还会因为过大的氢气配比会降低多晶硅的沉降速度，降低了生产效率。
实际生产中一般对三氯氢硅的氢还原，选择氢与三氯氢硅的配比在10%~15%左右。
2、国内用改良西门子法生产多晶硅还原炉的现状据我们对国内多家采用改良西门子法生产多晶硅还原炉现状的调查和了解，目前90%左右的厂家的还原炉采用的是8对电极和12对电极，8对电极还原炉每生产1公斤多晶硅实际耗电100度左右，12对电极还原炉（大部分为德国进口）每生产1公斤多晶硅实际耗电在80~90度，采用24对电极还原炉的厂家较少，如洛阳中硅高科有限责任公司、江西赛维LDK太阳能高科技有限公司，采用18对电极还原炉目前了解到的仅武汉东立光伏有限公司，计划在2010年底投产。
3、多晶硅还原炉电极数量及炉子大小的选择实践证明，在选择了合适的配比和在最佳的还原温度下，进入还原炉的体积越大，则多晶硅沉积的速度越快，生产率也就越高，采用大流量的气体进入还原炉，是一种提高生产能力的有效方法，根据这种原理，如果采用大的还原设备，并适当增加发热载体（即电极）的数量，是可提高多晶硅生产率的，基于这一原理并结合国内多晶硅还原炉的现状，我们决定开发24对电极多晶硅还原炉，以适应和满足多晶硅行业的发展。
4、24对多晶硅还原炉的开发4.1技术参数的确定1）设计压力还原炉内：-0.1Mpa~0.66Mpa,夹套内：0.75Mpa,炉底：0.65Mpa2）操作压力还原炉内：0.6Mpa,夹套内：0.6~0.75Mpa,炉底：0.6Mpa 3）设计温度还原炉内筒体：320℃，夹套：150℃，炉底：180℃4）操作温度还原炉内筒体：300℃，夹套：145℃，炉底：150℃5）介质内筒体：H2，SiHCL3,SiCL4,夹套：水，炉底：水※原方案采用导热油冷却以便更好地利用余热热源，经调查采用导热油冷却因渗透性大会对炉内多晶硅产生污染，影响产品纯度和质量，还是选择用水冷却。
多晶硅还原炉的硅芯结构、多晶硅还原炉[实用新型专利]
![多晶硅还原炉的硅芯结构、多晶硅还原炉[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c9ca544e1fb91a37f111f18583d049649b660efb.png)
专利名称：多晶硅还原炉的硅芯结构、多晶硅还原炉
专利类型：实用新型专利
发明人：李宇辰,马辉,胡西军,吉红平,王琳,施光明,郭光伟,李勇明,童占忠,祁永双,韩玲,王秀菊
申请号：CN202123024414.2
申请日：20211202
公开号：CN216512891U
公开日：
20220513
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本申请提供一种多晶硅还原炉的硅芯结构、多晶硅还原炉，多晶硅生产设备技术领域。
多晶硅还原炉的硅芯结构，包括平行且间隔设置的第一硅芯和第二硅芯，第一硅芯和第二硅芯均包括轴向方向的第一端和第二端，第一硅芯和第二硅芯的第一端用于与多晶硅还原炉的底盘上的电极连接，第二端连接有至少两根横梁，横梁的两端分别与第一硅芯和第二硅芯连接，至少两根横梁沿第一硅芯的轴向方向依次分布，且相邻两根横梁在第一硅芯的轴向方向具有间隙。
其能够改善硅芯上下端温度的不均匀性，有利于形成上下直径及致密度一致的硅棒。
申请人：亚洲硅业(青海)股份有限公司,青海亚洲硅业半导体有限公司,青海省亚硅硅材料工程技术有限公司
地址：810007 青海省西宁市经济技术开发区金硅路1号
国籍：CN
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多晶硅还原炉内部结构
多晶硅还原炉是用于制造太阳能电池的重要设备之一。
它的内部结构主要包括
炉体、炉门、加热元件、陶瓷坩埚和气体流通系统。
首先，我们来介绍炉体。
多晶硅还原炉的炉体通常由高温耐火材料制成，如炉
砖和陶瓷板。
炉体是整个炉内结构的支撑框架，能够承受高温和压力。
炉门是多晶硅还原炉的入口和出口，用于装入原料和收取产物。
炉门通常由耐
火材料制成，具有良好的气密性和耐高温性能。
加热元件是多晶硅还原炉的核心部分。
它们主要包括电阻丝、电炉和感应线圈。
这些加热元件通过传导或辐射方式提供高温能量，使原料在炉内发生化学反应。
陶瓷坩埚是用于装载多晶硅还原炉原料的容器。
它通常由高温陶瓷材料制成，
具有良好的耐腐蚀性和高温稳定性，能够承受高温和压力。
最后，气体流通系统在多晶硅还原炉内起到重要作用。
它主要包括进料口、排
气口和气体循环装置。
进料口用于将原料加入炉内，排气口用于排出产物和废气。
气体循环装置则能够保持炉内气氛的稳定，并确保反应的顺利进行。
总结起来，多晶硅还原炉内部结构包括炉体、炉门、加热元件、陶瓷坩埚和气
体流通系统。
这些部分相互配合，确保炉内的化学反应能够高效进行，从而生产出优质的太阳能电池。