CN107715815A

CN107715815A - 一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置

Info

Publication number: CN107715815A
Application number: CN201711059587.3A
Authority: CN
Inventors: 沈剑
Original assignee: Ningbo University of Technology
Current assignee: Ningbo University of Technology
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-02-23

Abstract

一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置由声波发生器、流化床外壁、锥形圆环面、内套筒、圆环气体均布器、圆环隔断面、锥形圆环气体均布器、出料管、同心套管和加热器构成。本发明利用声波发生器生产的声波强化流化床内气、固相的传质，从而加快气相沉积速度，有利于加快生产速度、减少均相分解的物料损失；在内套筒上开孔，在内套筒内壁上形成气垫，防止了硅在器壁表面的沉积，减少维护时间和物料损失。

Description

一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置

技术领域

本发明涉及粒状多晶硅生产领域，尤其涉及一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置。

背景技术

多晶硅（polycrystalline silicon），单质硅的一种形态。高温熔融状态下，具有较大的化学活泼性，能与几乎任何材料作用。具有半导体性质，是极为重要的优良半导体材料。多晶硅又是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料，被称为“微电子大厦的基石”。多晶硅的生产技术主要为改良西门子法和流化床法。西门子法通过气相沉积的方式生产柱状多晶硅，为了提高原料利用率和环境友好，在前者的基础上采用了闭环式生产工艺即改良西门子法。流化床法是将硅烷通入以多晶硅晶种作为流化颗粒的流化床中，使硅烷裂解并在晶种上沉积，从而得到颗粒状多晶硅。历史上两种技术却几乎是同时起步，西门子法凭借着纯度优势脱颖而出，在20世纪60年代取得统治地位，目前流化床法颗粒硅的市场份额（约15%左右）远小于西门子法。在光伏产业这个庞大的的应用市场没有开启之前，成本之于多晶硅的生产没有那么敏感，因而埋没了流化床法低能耗的优势，发展流化床法生产颗粒状多晶硅具能有效降低生产成本。

流化床法生产颗粒状多晶硅是利用经过精馏提纯或吸附处理的高纯反应气体SiH4或SiHCl3，与流化气体H2，从流化床反应器底部或侧方气体进口通入，高纯硅粉（晶种）从反应器顶部进入反应器内。反应气体在合适的气速下，可将粒径为0.01～1 mm的硅粉吹扫呈现出流化状态。与此同时，在反应器外部加热器的作用下，反应器内部维持在恒定温度，高纯硅粉表面发生化学气相沉积现象，高纯硅粉逐渐生长至直径为0.2~3.0 mm的近似球形颗粒。流化床法生产颗粒状多晶硅存在三个技术不利：1、硅烷的均相分解形成的微小无定形硅颗粒易被吹走，造成损失；2、硅烷的异相沉积（气相沉积，简称CVD）也可能发生在流化床的器壁上，造成物料损失；3、颗粒状硅烷与流化床壁面的摩擦引入金属杂质，降低颗粒硅的纯度。

声波（Sound Wave 或 Acoustic Wave）是声音的传播形式，声波是一种机械波，由物体振动产生。声波在气体中的传播能够引起气体的振动，对于气体中的固体颗粒，由于惯性的作用大颗粒往往不会随着气体振动而保持在原来的位置，小颗粒惯性小随着气体震动。气体和颗粒、大颗粒和小颗粒的这种不同步振动强化颗粒与气体之间的传质。

发明内容

本发明为解决上述技术现状而提供一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置，将声波装置引入到粒状多晶硅流化床生产装置，利用声波的强化颗粒与气体传质的特性从而强化粒状多晶硅的生产减小均相分解的不利影响。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置，其特征在于所述的生产装置由声波发生器1、流化床外壁3、锥形圆环面4、内套筒5、圆环气体均布器6、圆环隔断面7、锥形圆环气体均布器8、出料管9、同心套管10和加热器12构成；所述的流化床外壁3由上圆锥封头31、圆筒壁32和下圆锥封头33组成；所述上圆锥封头31的侧面设置有晶种进口管2和废气排出口14；所述圆筒壁32通过锥形圆环面4与内套筒5的上端连接、通过圆环气体均布器6与内套筒5的中间连接、通过圆环隔断面7与内套筒5的下端连接；所述锥形圆环面4、内套筒5、圆筒壁32和圆环气体均布器6围成了第一气体缓冲腔；所述圆环隔断面7、内套筒5、圆筒壁32和圆环气体均布器6围成了第二气体缓冲腔；所述第二气体进口13设置在圆筒壁32上并与第一气体缓冲腔连通；所述加热器12设置在第二气体缓冲腔的内部；所述的锥形圆环气体均布器8的外边沿与圆环隔断面7的内边沿连接，气体均布器8的出料口82与出料管9的一端连接，所述出料管9穿过下圆锥封头；所述圆环隔断面7、锥形圆环气体均布器8、出料管9和下圆锥封头33围成了第三气体缓冲腔；所述第一氢气进口11设置在下圆锥封头33上并与第三气体缓冲腔连通；所述同心套管10穿过出料管9并深入到生产装置的内部。

作为改进，所述的同心套管10的中心轴与出料管9的中心轴重合，且同心套管10的外径小于出料管9的内径10~50 mm。

作为改进，所述的内套筒5上开有直径为1~3 mm的气孔51，内套筒5的开孔率为5~10%。

作为改进，所述的圆环气体均布器6上开有直径为0.5~2 mm的气孔61，圆环气体均布器6的开孔率为10~15%。

进一步改进，所述的锥形圆环气体均布器8上开有直径为2~5 mm的气孔81，锥形圆环气体均布器8的开孔率为10~18%。

再改进，所述的气孔51的中心轴与内套筒5的中心轴相交形成交角ɑ，ɑ的角度值为10~45度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：利用声波发生器生产的声波强化流化床内气、固相的传质，从而加快气相沉积速度，有利于加快生产速度、减少均相分解的物料损失；在内套筒上开孔，在内套筒内壁上形成气垫，防止了硅在器壁表面的沉积，减少维护时间和物料损失。

附图说明

图1是本发明的一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置的结构示意图。

图2是本发明的内套筒的结构示意图。

图3是本发明的圆环气体均布器的结构示意图。

图4是本发明的锥形圆环气体均布器的俯视结构示意图。

图5是本发明的锥形圆环气体均布器的正视结构示意图。

其中：1为声波发生器，2为晶种进口管，3为流化床外壁，4为锥形圆环面，5为内套筒，6为圆环气体均布器，7为圆环隔断面，8为锥形圆环气体均布器，9为同心套管，10为第一氢气进口，11为加热器，12为第二氢气进口，13为废气排出口，31为上圆锥封头，32为圆筒壁，33为下圆锥封头，51为气孔，61为气孔，81为气孔，82为出料口。

具体实施方式

以下结合附图1、附图2、附图3，附图4和附图5，通过实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置由声波发生器1、流化床外壁3、锥形圆环面4、内套筒5、圆环气体均布器6、圆环隔断面7、锥形圆环气体均布器8、出料管9、同心套管10和加热器12构成；流化床外壁3由上圆锥封头31、圆筒壁32和下圆锥封头33组成；圆锥封头31的侧面设置有晶种进口管2和废气排出口14；圆筒壁32通过锥形圆环面4与内套筒5的上端连接、通过圆环气体均布器6与内套筒5的中间连接、通过圆环隔断面7与内套筒5的下端连接；锥形圆环面4、内套筒5、圆筒壁32和圆环气体均布器6围成了第一气体缓冲腔；圆环隔断面7、内套筒5、圆筒壁32和圆环气体均布器6围成了第二气体缓冲腔；第二气体进口13设置在圆筒壁32上并与第一气体缓冲腔连通；所述加热器12设置在第二气体缓冲腔的内部；锥形圆环气体均布器8的外边沿与圆环隔断面7的内边沿连接，气体均布器8的出料口82与出料管9的一端连接，出料管9穿过下圆锥封头；所述圆环隔断面7、锥形圆环气体均布器8、出料管9和下圆锥封头33围成了第三气体缓冲腔；述第一氢气进口11设置在下圆锥封头33上并与第三气体缓冲腔连通；同心套管10穿过出料管9并深入到生产装置的内部。同心套管10的中心轴与出料管9的中心轴重合，且同心套管10的外径小于出料管9的内径10 mm。内套筒5上开有直径为3 mm的气孔51，内套筒5的开孔率为5%。圆环气体均布器6上开有直径为0.5 mm的气孔61，圆环气体均布器6的开孔率为15%。锥形圆环气体均布器8上开有直径为5mm的气孔81，锥形圆环气体均布器8的开孔率为10%。气孔51的中心轴与内套筒5的中心轴相交形成交角ɑ，ɑ的角度值为10度。

实施例2

一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置由声波发生器1、流化床外壁3、锥形圆环面4、内套筒5、圆环气体均布器6、圆环隔断面7、锥形圆环气体均布器8、出料管9、同心套管10和加热器12构成；流化床外壁3由上圆锥封头31、圆筒壁32和下圆锥封头33组成；圆锥封头31的侧面设置有晶种进口管2和废气排出口14；圆筒壁32通过锥形圆环面4与内套筒5的上端连接、通过圆环气体均布器6与内套筒5的中间连接、通过圆环隔断面7与内套筒5的下端连接；锥形圆环面4、内套筒5、圆筒壁32和圆环气体均布器6围成了第一气体缓冲腔；圆环隔断面7、内套筒5、圆筒壁32和圆环气体均布器6围成了第二气体缓冲腔；第二气体进口13设置在圆筒壁32上并与第一气体缓冲腔连通；所述加热器12设置在第二气体缓冲腔的内部；锥形圆环气体均布器8的外边沿与圆环隔断面7的内边沿连接，气体均布器8的出料口82与出料管9的一端连接，出料管9穿过下圆锥封头；所述圆环隔断面7、锥形圆环气体均布器8、出料管9和下圆锥封头33围成了第三气体缓冲腔；述第一氢气进口11设置在下圆锥封头33上并与第三气体缓冲腔连通；同心套管10穿过出料管9并深入到生产装置的内部。同心套管10的中心轴与出料管9的中心轴重合，且同心套管10的外径小于出料管9的内径50 mm。内套筒5上开有直径为2 mm的气孔51，内套筒5的开孔率为10%。圆环气体均布器6上开有直径为2 mm的气孔61，圆环气体均布器6的开孔率为10%。锥形圆环气体均布器8上开有直径为2mm的气孔81，锥形圆环气体均布器8的开孔率为18%。气孔51的中心轴与内套筒5的中心轴相交形成交角ɑ，ɑ的角度值为45度。

实施例3

一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置由声波发生器1、流化床外壁3、锥形圆环面4、内套筒5、圆环气体均布器6、圆环隔断面7、锥形圆环气体均布器8、出料管9、同心套管10和加热器12构成；流化床外壁3由上圆锥封头31、圆筒壁32和下圆锥封头33组成；圆锥封头31的侧面设置有晶种进口管2和废气排出口14；圆筒壁32通过锥形圆环面4与内套筒5的上端连接、通过圆环气体均布器6与内套筒5的中间连接、通过圆环隔断面7与内套筒5的下端连接；锥形圆环面4、内套筒5、圆筒壁32和圆环气体均布器6围成了第一气体缓冲腔；圆环隔断面7、内套筒5、圆筒壁32和圆环气体均布器6围成了第二气体缓冲腔；第二气体进口13设置在圆筒壁32上并与第一气体缓冲腔连通；所述加热器12设置在第二气体缓冲腔的内部；锥形圆环气体均布器8的外边沿与圆环隔断面7的内边沿连接，气体均布器8的出料口82与出料管9的一端连接，出料管9穿过下圆锥封头；所述圆环隔断面7、锥形圆环气体均布器8、出料管9和下圆锥封头33围成了第三气体缓冲腔；述第一氢气进口11设置在下圆锥封头33上并与第三气体缓冲腔连通；同心套管10穿过出料管9并深入到生产装置的内部。同心套管10的中心轴与出料管9的中心轴重合，且同心套管10的外径小于出料管9的内径25 mm。内套筒5上开有直径为1 mm的气孔51，内套筒5的开孔率为8%。圆环气体均布器6上开有直径为1 mm的气孔61，圆环气体均布器6的开孔率为12%。锥形圆环气体均布器8上开有直径为4 mm的气孔81，锥形圆环气体均布器8的开孔率为13%。气孔51的中心轴与内套筒5的中心轴相交形成交角ɑ，ɑ的角度值为15度。

实施例4

一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置由声波发生器1、流化床外壁3、锥形圆环面4、内套筒5、圆环气体均布器6、圆环隔断面7、锥形圆环气体均布器8、出料管9、同心套管10和加热器12构成；流化床外壁3由上圆锥封头31、圆筒壁32和下圆锥封头33组成；圆锥封头31的侧面设置有晶种进口管2和废气排出口14；圆筒壁32通过锥形圆环面4与内套筒5的上端连接、通过圆环气体均布器6与内套筒5的中间连接、通过圆环隔断面7与内套筒5的下端连接；锥形圆环面4、内套筒5、圆筒壁32和圆环气体均布器6围成了第一气体缓冲腔；圆环隔断面7、内套筒5、圆筒壁32和圆环气体均布器6围成了第二气体缓冲腔；第二气体进口13设置在圆筒壁32上并与第一气体缓冲腔连通；所述加热器12设置在第二气体缓冲腔的内部；锥形圆环气体均布器8的外边沿与圆环隔断面7的内边沿连接，气体均布器8的出料口82与出料管9的一端连接，出料管9穿过下圆锥封头；所述圆环隔断面7、锥形圆环气体均布器8、出料管9和下圆锥封头33围成了第三气体缓冲腔；述第一氢气进口11设置在下圆锥封头33上并与第三气体缓冲腔连通；同心套管10穿过出料管9并深入到生产装置的内部。同心套管10的中心轴与出料管9的中心轴重合，且同心套管10的外径小于出料管9的内径40 mm。内套筒5上开有直径为2 mm的气孔51，内套筒5的开孔率为6%。圆环气体均布器6上开有直径为1.5 mm的气孔61，圆环气体均布器6的开孔率为14%。锥形圆环气体均布器8上开有直径为3mm的气孔81，锥形圆环气体均布器8的开孔率为15%。气孔51的中心轴与内套筒5的中心轴相交形成交角ɑ，ɑ的角度值为35度。

Claims

1.一种声波辅助的粒状多晶硅流化床生产装置，其特征在于所述的生产装置由声波发生器、流化床外壁、锥形圆环面、内套筒、圆环气体均布器、圆环隔断面、锥形圆环气体均布器、出料管、同心套管和加热器构成；所述的流化床外壁由上圆锥封头、圆筒壁和下圆锥封头组成；所述上圆锥封头的侧面设置有晶种进口管和废气排出口；所述圆筒壁通过锥形圆环面与内套筒的上端连接、通过圆环气体均布器与内套筒的中间连接、通过圆环隔断面与内套筒的下端连接；所述锥形圆环面、内套筒、圆筒壁和圆环气体均布器围成了第一气体缓冲腔；所述圆环隔断面、内套筒、圆筒壁和圆环气体均布器围成了第二气体缓冲腔；所述第二气体进口设置在圆筒壁上并与第一气体缓冲腔连通；所述加热器设置在第二气体缓冲腔的内部；所述的锥形圆环气体均布器的外边沿与圆环隔断面的内边沿连接，气体均布器的出料口与出料管的一端连接，所述出料管穿过下圆锥封头；所述圆环隔断面、锥形圆环气体均布器、出料管和下圆锥封头围成了第三气体缓冲腔；所述第一氢气进口设置在下圆锥封头上并与第三气体缓冲腔连通；所述同心套管穿过出料管并深入到生产装置的内部。

2.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于所述的同心套管的中心轴与出料管的中心轴重合，且同心套管的外径小于出料管的内径10~50 mm。

3.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于所述的内套筒上开有直径为1~3 mm的气孔，内套筒的开孔率为5~10%。

4.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于所述的圆环气体均布器上开有直径为0.5~2 mm的气孔，圆环气体均布器的开孔率为10~15%。

5.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于所述的锥形圆环气体均布器上开有直径为2~5 mm的气孔，锥形圆环气体均布器的开孔率为10~18%。

6.根据权利要求3所述的气孔，其特征在于所述的气孔的中心轴与内套筒的中心轴相交形成交角ɑ，ɑ的角度值为10~45度。