CN1884068A - 一种生产多晶硅用的还原炉 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种生产多晶硅的还原炉，特别是一种可以生产大直径多晶硅的还原炉，以此来提高多晶硅的产量和质量，降低多晶硅的电耗和生产成本。为达到上述目的，本发明采用了双层壳体，而且内壳是由石英玻璃制成的；内外壳体之间另设有加热器；内壳体的顶部和加热器的外部都设有隔热板；炉里的发热体是用石磨制成的，并被密封在一根石英管内。
Description
技术领域
本发明涉及一种生产多晶硅用的装置，具体说，涉及一种可以生产大直径多晶硅的还原炉。
背景技术
多晶硅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基础材料。当今，世界半导体工业发展迅猛，随着超大規模集成电路的大量应用，世界多晶硅需求量年增长量达到25％左右。高纯度、高质量的多晶硅是生产半导体器件和集成电路的重要原料。
生产多晶硅方法有多种，但最常见的是氢还原法。该方法是把提纯好的硅卤化物(四氯化硅或三氯氢硅)和净化好的氢气作为原料通入还原炉，在高温环境中，硅卤化物与氢气发生化学反应，生成多晶硅，并沉积在发热体上。化学反应继续进行，沉积在发热体上的多晶硅越来越多，逐渐地将发热体全部覆盖，变成了一根外表包裹着多晶硅的棒状体，俗称硅棒。化学反应再继续进行，多晶硅还会继续沉积在硅棒上，使硅棒渐渐变粗，最后变成了一根以多晶硅为主的硅棒。
上述的化学反应是在还原炉中进行的，还原炉是生产多晶硅不可缺少的装置。
还原炉的生产能力与还原炉中发热体的表面积有关。发热体的表面积大，它与反应物接触面就大，沉积的多晶硅就多，所以生产能力就大，产量就高；反之，表面积小，产量就低。
目前，一般还原炉中的发热体都是用钼丝、钼管或硅芯等材料制成的。这些材料的物理性质，特别是导电性质决定它们作为发热体时，其截面不可能太大。截面小，直径就会小，尤其是实体的钼丝，它的直径更小，一般只有3-5毫米。直径小，表面积就小，作为发热体，它与反应物接触面就小，所以生产能力就低。一般还原炉中的发热体总长度在6米左右，当使用直径5毫米的钼丝为发热体时，开始时，每小时仅能生产20克。就是到了后期，当硅棒直径达到50毫米时，其生产能力也只有每小时170克。一般还原炉的硅棒直径达到50毫米时，用电就已接近设备满负荷，因此一般还原炉的硅棒直径不会太大，大多都在50毫米左右。
我们知道，多晶硅是一种高纯物质，俗称高纯硅。一般金属纯度达到五个“9”就算是了不起了，可是对多晶硅来说还远远不够，电子工业所用的多晶硅必须是八个“9”到十个“9”的。也就是说，在十亿到百亿个硅原子中仅有一个杂质原子。由此可知，多晶硅的生产一定要在密闭的，洁净的环境中进行。过去，一直认为不锈钢不会影响多晶硅的质量，所以过去都用不锈钢制做还原炉。其实不然，试验表明，在高温环境中，不锈钢对多晶硅也会有轻微的沾污。由此看来，用不锈钢制造的还原炉，很难生产出高质量的多晶硅。
一般的还原炉不仅生产能力低，产品质量难以提高，而且耗电也多。一般还原炉的外壳都有水套，而没有保温措施，为防止外壳被烤坏，生产时要往水套里通入大量的水，完全靠水把热量带走，来达到降温的目的。外壳的温度是降下来了，也保护住了，可大量的热能被带走了。带走热能必然要增加电耗和生产成本。
发明的目的
本发明的目的是提供一种生产多晶硅的还原炉，特别是一种可以生产大直径多晶硅的还原炉，以此来提高多晶硅的产量和质量，降低多晶硅的电耗和生产成本。
技术方案
为达到上述目的，本发明的还原炉采用两层壳体，它除了有不锈钢外壳(1)、底盘(7)、发热体(3)、电极(6)、进料管(4)、尾气管(5)、观察窗(10)之外，在不锈钢外壳(1)的里面还有一层由石英玻璃制成的壳体(2)；在这个石英玻璃壳体(2)的顶部接有进料管(4)，底部接有尾气管(5)，中心部位装有用石磨制成的发热体(3)；在不锈钢外壳(1)与石英玻璃制成的壳体(2)之间的空腔里面装有石磨加热器(9)；上述的发热体(3)与电极(6)相连，而石磨加热器(9)是与电极(11)相连，它们是两个独立的供电系统；发热体(3)和石磨加热器(9)都与炉体绝缘，其下面都垫有一层石英玻璃(18)；在石英玻璃制成的壳体(2)的顶部装有用石磨制成的圆形隔热板(12)；在不锈钢外壳(1)与石英玻璃壳体(2)之间的空腔里面装有用石磨制成的筒状隔热板(13)。
作为本发明的进一步改进，发热体(3)是由一根石磨管(14)和一根石磨棒(15)组成；该石磨棒(15)插在石磨管(14)里，其上端与石磨管(14)紧密接触，并用石磨螺母(16)紧固，其下端紧固在电极(6)上；所述的石磨管(14)的下端，通过石磨底座(17)与另一个电极(6)连通，从而使电极(6)与石磨棒(15)、石磨管(14)、石磨底座(17)及另一个电极(6)串联成了一个电阻回路。改进后，石磨管(14)就成了发热体(3)的外壳，化学反应生成的多晶硅就沉积在这个外壳上，而且这种管状外形更便于多晶硅沉积，并最后形成硅棒。由于石磨管(14)外经至少是钼丝、钼管或硅芯的十倍，甚至可达百倍，这样一来，就可以成十倍，甚至百倍地提高多晶硅的产量。
作为本发明的另一种改进，发热体(3)被密封在一根石英管(8)内。这就使化学反应生成的多晶硅不是直接沉积在发热体(3)上，而是沉积在石英管(8)的外壁上。由于石英管(8)的外径大于发热体(3)的外径，所以更有利于提高多晶硅的产量。不仅如此，这样还可以防止多晶硅被发热体(3)的石磨沾污，从而还可以进一步地保证多晶硅产品的质量。
作为本发明的再一种改进，石磨加热器(9)是采用一种单晶炉上常用的筒型加热器。这种加热器在单晶行业已用多年，其技术已非常成熟。由于这种加热器的内经可以很大，完全可以满足从外部加热多晶硅棒。这样一来，当生产进入后期，发热体上沉积的多晶硅过多，硅棒过粗，发热体供给的热量不足时，它就可以从外部为多晶硅棒补充热能，让多晶硅棒继续长粗。
有益效果
由于本发明的还原炉采用双层壳体，而且里面的一层是由石英玻璃制成的壳体(2)。硅的卤化物与氢气发生的化学反应是在石英玻璃制成的壳体(2)的空腔里面进行，并生成多晶硅的。这壳体(2)阻挡了硅卤化物和氢气与不锈钢的接触，特别是在高温环境中的接触，从而可以减少不锈钢对多晶硅产品质量的影响。
此外，发热体(3)被密封在一根石英管(8)内。这样不仅更有利于提高多晶硅的产量，而且还可以进一步地保证多晶硅产品的质量。
由于有了石磨加热器(9)，当生产进入后期，它可以从外部为多晶硅棒补充热能，让多晶硅棒继续长粗，从而可以生产出大直径的多晶硅。
由于在石英玻璃制成的壳体(2)的顶部装有用石磨制成的圆形隔热板(12)；在不锈钢外壳(1)与石英玻璃壳体(2)之间的空腔里面装有用石磨制成的筒状隔热板(13)。这样使炉体有了保温，减少了还原炉的热损失，从而可以降低多晶硅的电耗和生产成本。
附图说明
下面结合附图对本发明一种生产大直径多晶硅用的还原炉作进一步详细描述。
图1是本发明还原炉的剖视图；
图2是发热体的剖视图；
图3是石磨加热器的剖视图；
图4是本发明还原炉的前期的运行示意图；
图5是本发明还原炉的后期的运行示意图。
具体实施方式
从图1中可以看到，本发明的还原炉是双层壳体，它除了拥有与一般还原炉一样的不锈钢外壳(1)之外，里面还有一层由石英玻璃制成的壳体(2)。这双层壳体为硅的卤化物与氢气的化学反应提供了一个更加密闭的，更加洁净的场所，特别是壳体(2)，它是用石英玻璃制成的，石英玻璃也是一种洁净度极高，化学性质相当稳定的材料，它是不会沾污多晶硅的。有了壳体(2)，就可以阻挡硅卤化物和氢气与不锈钢的接触，特别是在高温环境中的接触，从而可以减少不锈钢对多晶硅产品质量的影响。
从图1中可以看到，在这个石英玻璃壳体(2)的顶部接有进料管(4)，底部接有尾气管(5)，中心部位装有用石磨制成的发热体(3)。这一结构安排是让参加化学反应的原料从上部进入，反应后生成的尾气从下面排出。这上进下出，容易使进入的原料充满整个空间，对多晶硅的均匀沉积是有好处的。
从图1中可以看到，在不锈钢外壳(1)与石英玻璃制成的壳体(2)之间的空腔里面装有石磨加热器(9)。当生产进入后期，硅棒长粗，发热体(3)供给的热量不足时，石磨加热器(9)可以从外部为多晶硅棒补充热能，让多晶硅棒继续长粗。
从图1中可以看到，发热体(3)被密封在一根石英管(8)内。这使化学反应生成的多晶硅不是直接沉积在发热体(3)上，而是沉积在石英管(8)的外壁上，这样一来，生产的多晶硅就能防止被发热体(3)的石磨沾污，从而可以保证多晶硅产品的质量。
从图1中可以看到，发热体(3)与电极(6)相连，而石磨加热器(9)是与电极(11)相连，它们是两个独立的供电系统。这样，两个系统互不干扰，生产前期时只为发热体(3)送电，让发热体(3)独立工作；到了后期再为加热器(9)送电，既能让两个同时工作；也可以关闭发热体(3)的电源让加热器(9)单独工作。
从图1中可以看到，发热体(3)和石磨加热器(9)都与炉体绝缘，其下面都垫有一层石英玻璃(18)。
从图1中可以看到，在石英玻璃制成的壳体(2)的顶部装有用石磨制成的圆形隔热板(12)；在不锈钢外壳(1)与石英玻璃壳体(2)之间的空腔里面装有用石磨制成的筒状隔热板(13)。这样使炉体有了保温，减少了还原炉的热损失，从而可以降低多晶硅的电耗和生产成本。
从图2中可以看到，发热体(3)是由一根石磨管(14)和一根石磨棒(15)组成；该石磨棒(15)插在石磨管(14)里，其上端与石磨管(14)紧密接触，并用石磨螺母(16)紧固，其下端紧固在电极(6)上；所述的石磨管(14)的下端，通过石磨底座(17)与另一个电极(6)连通，从而使电极(6)与石磨棒(15)、石磨管(14)、石磨底座(17)及另一个电极(6)串联成了一个电阻回路。发热体(3)采用上述结构有两个好处，其一是，石磨热膨胀系数大，采用上述结构只是下面被固定，而上面是自由端，石磨体膨胀不受限，因此发热体(3)不会因热膨胀而损坏；其二，采用上述结构，石磨管(14)就成了发热体(3)的外壳，化学反应生成的多晶硅就沉积在这个外壳上，而且这种管状外形更便于多晶硅沉积，并最后形成硅棒。由于石磨管(14)外径至少是钼丝、钼管或硅芯的十倍，甚至可达百倍，这样一来，就可以成十倍，甚至百倍地提高多晶硅的产量。
从图3中可以看到，石磨加热器(9)是采用一种单晶炉上常用的筒型加热器。这种加热器在单晶行业已用多年，其技术已非常成熟。这种加热器至少由8个以上的加热片(19)串联组成，其内径可以很大，完全可以把多晶硅棒包围起来，从外部加热多晶硅棒。这样可以使加热的温度均匀，从而便于多晶硅棒均匀长粗。这样对多晶硅棒的外观质量有好处。
从图4中可以看到，硅的卤化物(四氯化硅或三氯氢硅)和净化好的氢气作为原料通进料管(4)进入壳体(2)的空腔里。该空腔里发热体(3)的表面温度在1100C°-1200C°左右，在这样的高温环境中，卤化物与氢气发生化学反应，生成的多晶硅沉积在发热体(3)上，并逐渐长成了硅棒。上述化学反应中的生成物除多晶硅之外，还有氯化氢。这氯化氢联同那些已经进入空腔，但没有完成化学反应的原料一起被称作尾气。尾气要从空腔底部的尾气管(5)放出。
化学反应继续进行，沉积在发热体上的多晶硅越来越多。从图5中可以看到，当生产进入后期(一般是当沉积层的厚度超过30毫米)后，开始为石磨加热器(9)通电，从外部为多晶硅棒补充热能，让多晶硅棒继续长粗。这长粗后的硅棒就是多晶硅产品。
Claims (4)
1，一种生产多晶硅用的还原炉，它是由不锈钢外壳(1)、底盘(7)、发热体(3)、电极(6)、进料管(4)、尾气管(5)、观察窗(10)等另部件组成，其特征在于：该还原炉的壳体是两层，除了不锈钢外壳(1)之外，里面还有一层由石英玻璃制成的壳体(2)；在这个石英玻璃壳体(2)的顶部接有进料管(4)，底部接有尾气管(5)，中心部位装有用石磨制成的发热体(3)；在不锈钢外壳(1)与石英玻璃制成的壳体(2)之间的空腔里面装有石磨加热器(9)；上述的发热体(3)与电极(6)相连，而石磨加热器(9)是与电极(11)相连，它们是两个独立的供电系统；发热体(3)和石磨加热器(9)都与炉体绝缘，其下面都垫有一层石英玻璃(18)；在石英玻璃制成的壳体(2)的顶部装有用石磨制成的圆形隔热板(12)；在不锈钢外壳(1)与石英玻璃壳体(2)之间的空腔里面装有用石磨制成的筒状隔热板(13)。
2，根据权利要求1所述的生产多晶硅用的还原炉，其特征在于：发热体(3)是由一根石磨管(14)和一根石磨棒(15)组成；该石磨棒(15)插在石磨管(14)里，其上端与石磨管(14)紧密接触，并用石磨螺母(16)紧固，其下端紧固在电极(6)上；所述的石磨管(14)的下端，通过石磨底座(17)与另一个电极(6)连通，从而使电极(6)与石磨棒(15)、石磨管(14)、石磨底座(17)及另一个电极(6)串联成了一个电阻回路。
3，根据权利要求1所述的生产多晶硅用的还原炉，其特征在于：发热体(3)被密封在一根石英管(8)内。
4，根据权利要求1所述的生产多晶硅用的还原炉，其特征在于：石磨加热器(9)是一种单晶炉上常用的筒型加热器。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20061227 |