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一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统
申请号	CN202410024314.9	申请日	2024-01-08	公开(公告)号	CN117824365A	公开(公告)日	2024-04-05
申请人	内蒙古鑫华半导体科技有限公司;			发明人	高国翔; 吴鹏; 李明峰; 王海豹; 王硕;
摘要	本发明涉及硅棒排列技术领域，具体为一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，包括还原炉，还原炉包括炉筒以及底盘，底盘的上侧面设置有电极，电极包括内环电极组、中环电极组以及外环电极组，内环电极组包括六个内环电极，中环电极组包括八个中环电极，外环电极组包括十个外环电极。本发明均匀排布的原因在于充分利用还原炉内的反应空间同时致使反应气体充分到达各个硅棒表面，硅棒分为内、中、外三环分布，相比于传统24对棒的电极分布由内向外的数量分别为6、8、12，减少外环硅棒所占比例，可以有效的降低表面单位面积的辐射热损失，从而达到降低能耗的目的。
权利要求	1.一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，包括还原炉(1)，其特征在于，所述还原炉(1)包括炉筒(3)以及卡接在所述炉筒(3)底部的底盘(2)，所述底盘(2)的上侧面固定设置有电极(5)，所述电极(5)包括内环电极组(501)、中环电极组(502)以及外环电极组(503)，所述内环电极组(501)包括六个成中心对称的内环电极，所述中环电极组(502)包括八个成中心对称的中环电极，所述外环电极组(503)包括十个外环电极；所述还原炉(1)的内部设置有硅棒，单位时间内投入到单位面积上的总辐射能称为表面的投入辐射G，单位时间内离开单位表面积上的总辐射能称为该表面的有效辐射，记为J，有效辐射不仅包括该表面的自身辐射E，还包括了投入辐射G中被表面反射的部分рG，其中р为表面的反射率，还原炉(1)内硅棒表面辐射量满足一下表达式： 4 J＝E+pG＝Cn×(T1‑T2) ×F1+pG 其中：Cn为辐射系数，T1和T2为两物体的温度，F1为辐射体的辐射表面积。 2.根据权利要求1所述的一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，其特征在于：所述电极(5)上固定设置有石墨底座(6)，所述石墨底座(6)上连接有发热体(4)。 3.根据权利要求1所述的一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，其特征在于：所述炉筒(3)的内部开设有导流仓(303)，所述炉筒(3)的一侧开设有与所述导流仓(303)相连通的炉筒冷却水进水管(10)，所述炉筒(3)的顶部开设有与所述导流仓(303)相连通的炉筒冷却水出水管(11)。 4.根据权利要求3所述的一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，其特征在于：所述导流仓(303)的内部固定设置有若干个夹套导流板(12)，所述夹套导流板(12)与所述导流仓(303)的内部相连通。 5.根据权利要求1所述的一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，其特征在于：所述底盘(2)的底部连接有排气口(8)，所述排气口(8)与所述炉筒(3)的内部相连通，所述排气口(8)的一侧设置有进气口(7)，所述进气口(7)与所述炉筒(3)的内部相连通。 6.根据权利要求1所述的一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，其特征在于：所述炉筒(3)的一侧连接有视镜(9)，所述视镜(9)与所述炉筒(3)的内部相连通，所述视镜(9)的内部固定设置有凸透镜(901)。 7.根据权利要求1所述的一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，其特征在于：所述炉筒(3)的底部固定设置有密封块(302)，所述底盘(2)的上侧面开设有与所述密封块(302)相对应的密封槽(201)，所述密封块(302)与所述密封槽(201)卡合连接，所述密封块(302)的一侧固定设置有限位支撑板(301)，所述限位支撑板(301)与所述底盘(2)的上侧面相抵。 8.根据权利要求1所述的一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，其特征在于：所述辐射换热计算中包括角系数，所述角系数是辐射换热计算中的一个重要的几何因子，其含义为某表面i发出的辐射中落到另一表面j的百分数，计算公式如下：其中Xij为某表面i发出的辐射能中落在另一表面j的百分数；A1、A2分别代表图上的两个有限大小面积；θ1、θ2分别表示图上的辐射夹角；dA1、dA2分别代表图上两个微元面。 9.根据权利要求1所述的一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，其特征在于：所述内环电极组(501)成正六边形均匀分布在所述底盘(2)上，所述中环电极组(502)成正八边形均匀分布在所述底盘(2)，所述外环电极组(503)成正十边形均匀分布在所述底盘(2)上。
说明书全文	一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统技术领域 [0001] 本发明涉及一种硅棒排列方式，特别是涉及一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，属于硅棒排列技术领域。背景技术 [0002] 在正常还原工艺条件下，多晶硅硅棒表面温度一般在1373K，而反应器壁则用冷却水进行冷却，温度一般控制在373K左右，这样一来，在高温的硅棒表面与冷的反应器壁之间必然发生强烈的辐射换热。 [0003] 目前已知工业规模西门子CVD反应器辐射热损失占还原炉电耗的65到75％，因此能耗较大，为了降低生产成本寻求降低硅棒表面热损失的途径迫在眉睫。 [0004] 因此，亟需对硅棒的排列方式进行改进，以解决上述存在的问题。发明内容 [0005] 本发明的目的是提供一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，均匀排布的原因在于充分利用还原炉内的反应空间同时致使反应气体充分到达各个硅棒表面，硅棒分为内、中、外三环分布，所述电极孔由内向外各环上的数量分别为6、8、10，相比于传统24对棒的电极分布由内向外的数量分别为4、8、12，减少外环硅棒所占比例，可以有效的降低表面单位面积的辐射热损失，从而达到降低能耗的目的。 [0006] 为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括： [0007] 一种新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，包括还原炉，还原炉包括炉筒以及卡接在炉筒底部的底盘，底盘的上侧面固定设置有电极，电极包括内环电极组、中环电极组以及外环电极组，内环电极组包括六个成中心对称的内环电极，中环电极组包括八个成中心对称的中环电极，外环电极组包括十个外环电极，内环电极组、中环电极组以及外环电极组，电极上固定设置有石墨底座，石墨底座上连接有发热体，均匀排布的原因在于充分利用还原炉内的反应空间同时致使反应气体充分到达各个硅棒表面，内环电极组成正六边形均匀分布在底盘上，中环电极组成正八边形均匀分布在底盘，外环电极组成正十边形均匀分布在底盘上，硅棒分为内、中、外三环分布，电极孔由内向外各环上的数量分别为6、8、10，相比于传统24对棒的电极分布由内向外的数量分别为4、8、12，减少外环硅棒所占比例，可以有效的降低表面单位面积的辐射热损失，从而达到降低能耗的目的； [0008] 同时改变还原炉内部硅棒排列方式配套的系统主要有电器供电系统，供电系统的改造主要分别对应还原炉内部内、中、外环，供电系统主要是为多晶硅载体硅芯供电，保持硅芯表面温度达到多晶硅气相沉积的温度1000℃左右，随着多晶硅的直径逐渐增大，总体电阻会呈下降趋势，因此电流会逐渐上升，总体发热量会维持硅棒表面温度的需求满足气相沉积的要求；还原电器会根据多晶硅的生长不同阶段，分段设置电流电压值，保证多晶硅的生产稳定运行； [0009] 还原炉的内部设置有硅棒，单位时间内投入到单位面积上的总辐射能称为表面的投入辐射G，单位时间内离开单位表面积上的总辐射能称为该表面的有效辐射，记为J，有效辐射不仅包括该表面的自身辐射E，还包括了投入辐射G中被表面反射的部分рG，其中р为表面的反射率，还原炉内硅棒表面辐射量满足一下表达式： [0010] J＝E+pG＝Cn×(T1‑T2)4×F1+pG [0011] 其中：Cn为辐射系数，T1和T2为两物体的温度，F1为辐射体的辐射表面积； [0012] 辐射换热计算中包括角系数，角系数是辐射换热计算中的一个重要的几何因子，其含义为某表面i发出的辐射中落到另一表面j的百分数，计算公式如下： [0013] [0014] 硅棒数目一定，降低外环硅棒数比例，明显增大了硅棒在反应器中的排布的密集性，通过对优化后底盘硅棒排布方式角系数以及辐射模型计算，改进后的底盘排布方式中各环硅棒与反应器之间的角系数都有所减小，这样反应器硅棒与反应器之间的可视空间更小，硅棒排布更加密集，硅棒表面单位面积辐射热损失更小。 [0015] 优选的，炉筒的内部开设有导流仓，炉筒的一侧开设有与导流仓相连通的炉筒冷却水进水管，炉筒的顶部开设有与导流仓相连通的炉筒冷却水出水管，通过炉筒冷却水进水管向导流仓的内部通入冷水，在流经导流仓之后通过炉筒冷却水出水管流出，因此能够构成一个循环，进而降低还原炉内部的热量，结构简单，提升冷却的效率，导流仓的内部固定设置有若干个夹套导流板，夹套导流板与导流仓的内部相连通，而且在导流仓的内部还设置有夹套导流板，进一步提升冷却的效率。 [0016] 优选的，底盘的底部连接有排气口，排气口与炉筒的内部相连通，排气口的一侧设置有进气口，进气口与炉筒的内部相连通，在底盘的底部通过进气口和排气口与还原炉的内部相连通，通过进气口向还原炉的内部通入气体，并从排气口中排出，因此能够在还原炉中形成一个循环。 [0017] 优选的，炉筒的一侧连接有视镜，视镜与炉筒的内部相连通，视镜的内部固定设置有凸透镜，视镜与还原炉的内部相连通，而且在视镜的内部固定设置有，凸透镜在一倍的焦距之内具有放大镜的效果，因此可以通过视镜直接观察还原炉内部的情况，提升使用的便捷性。 [0018] 优选的，炉筒的底部固定设置有密封块，底盘的上侧面开设有与密封块相对应的密封槽，密封块与密封槽卡合连接，密封块的一侧固定设置有限位支撑板，限位支撑板与底盘的上侧面相抵，炉筒的底部设置有密封块与底盘上侧面的密封槽卡合连接，因此能够提升炉筒整体的密封性，同时也能够提升还原炉整体的稳定性。 [0019] 本发明至少具备以下有益效果： [0020] 1、均匀排布的原因在于充分利用还原炉内的反应空间同时致使反应气体充分到达各个硅棒表面，硅棒分为内、中、外三环分布，所述电极孔由内向外各环上的数量分别为6、8、10，相比于传统24对棒的电极分布由内向外的数量分别为4、8、12，减少外环硅棒所占比例，可以有效的降低表面单位面积的辐射热损失，从而达到降低能耗的目的。 [0021] 2、供电系统的改造主要分别对应还原炉1内部内、中、外环，供电系统主要是为多晶硅载体硅芯供电，保持硅芯表面温度达到多晶硅气相沉积的温度1000℃左右，随着多晶硅的直径逐渐增大，总体电阻会呈下降趋势，因此电流会逐渐上升，总体发热量会维持硅棒表面温度的需求满足气相沉积的要求，还原电器会根据多晶硅的生长不同阶段，分段设置电流电压值，保证多晶硅的生产稳定运行。附图说明 [0022] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1为本发明的还原炉立体图；图2为本发明的底盘立体图；图3为本发明的底盘俯视图；图4为本发明的剖视图；图5为本发明的侧视图；图6为还原炉内硅棒表面辐射量表达式的示意图；图中，1‑还原炉，2‑底盘，201‑密封槽，3‑炉筒，301‑限位支撑板，302‑密封块，303‑导流仓，4‑发热体，5‑电极，501‑内环电极组，502‑中环电极组，503‑外环电极组，6‑石墨底座，7‑进气口，8‑排气口，9‑视镜，901‑凸透镜，10‑炉筒冷却水进水管，11‑炉筒冷却水出水管，12‑夹套导流板。 [0023] [0024] [0025] [0026] [0027] [0028] 具体实施方式 [0029] 以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。 [0030] 如图1‑图5所示，本实施例提供的新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统，包括还原炉1，还原炉1包括炉筒3以及卡接在炉筒3底部的底盘2，底盘2的上侧面固定设置有电极5，电极5包括内环电极组501、中环电极组502以及外环电极组503，内环电极组501包括六个成中心对称的内环电极，中环电极组502包括八个成中心对称的中环电极，外环电极组503包括十个外环电极，内环电极组501、中环电极组502以及外环电极组503，电极5上固定设置有石墨底座6，石墨底座6上连接有发热体4，均匀排布的原因在于充分利用还原炉1内的反应空间同时致使反应气体充分到达各个硅棒表面，内环电极组501成正六边形均匀分布在底盘2上，中环电极组502成正八边形均匀分布在底盘2，外环电极组503成正十边形均匀分布在底盘2上，硅棒分为内、中、外三环分布，电极孔由内向外各环上的数量分别为6、8、10，相比于传统24对棒的电极分布由内向外的数量分别为4、8、12，减少外环硅棒所占比例，可以有效的降低表面单位面积的辐射热损失，从而达到降低能耗的目的； [0031] 同时改变还原炉1内部硅棒排列方式配套的系统主要有电器供电系统，供电系统的改造主要分别对应还原炉1内部内、中、外环，供电系统主要是为多晶硅载体硅芯供电，保持硅芯表面温度达到多晶硅气相沉积的温度1000℃左右，随着多晶硅的直径逐渐增大，总体电阻会呈下降趋势，因此电流会逐渐上升，总体发热量会维持硅棒表面温度的需求满足气相沉积的要求；还原电器会根据多晶硅的生长不同阶段，分段设置电流电压值，保证多晶硅的生产稳定运行； [0032] 还原炉1的内部设置有硅棒，单位时间内投入到单位面积上的总辐射能称为表面的投入辐射G，单位时间内离开单位表面积上的总辐射能称为该表面的有效辐射，记为J，有效辐射不仅包括该表面的自身辐射E，还包括了投入辐射G中被表面反射的部分рG，其中р为表面的反射率，还原炉1内硅棒表面辐射量满足一下表达式： [0033] J＝E+pG＝Cn×(T1‑T2)4×F1+pG； [0034] [0035] 其中：Cn为辐射系数，T1和T2为两物体的温度，F1为辐射体的辐射表面积； [0036] 辐射换热计算中包括角系数，角系数是辐射换热计算中的一个重要的几何因子，其含义为某表面i发出的辐射中落到另一表面j的百分数，计算公式如下： [0037] [0038] 硅棒数目一定，降低外环硅棒数比例，明显增大了硅棒在反应器中的排布的密集性，通过对优化后底盘硅棒排布方式角系数以及辐射模型计算，改进后的底盘排布方式中各环硅棒与反应器之间的角系数都有所减小，这样反应器硅棒与反应器之间的可视空间更小，硅棒排布更加密集，硅棒表面单位面积辐射热损失更小。 [0039] 进一步的，如图1和图4所示，炉筒3的内部开设有导流仓303，炉筒3的一侧开设有与导流仓303相连通的炉筒冷却水进水管10，炉筒3的顶部开设有与导流仓303相连通的炉筒冷却水出水管11，通过炉筒冷却水进水管10向导流仓303的内部通入冷水，在流经导流仓303之后通过炉筒冷却水出水管11流出，因此能够构成一个循环，进而降低还原炉1内部的热量，结构简单，提升冷却的效率，导流仓303的内部固定设置有若干个夹套导流板12，夹套导流板12与导流仓303的内部相连通，而且在导流仓303的内部还设置有夹套导流板12，进一步提升冷却的效率； [0040] 同时，底盘2的底部连接有排气口8，排气口8与炉筒3的内部相连通，排气口8的一侧设置有进气口7，进气口7与炉筒3的内部相连通，在底盘2的底部通过进气口7和排气口8与还原炉1的内部相连通，通过进气口7向还原炉1的内部通入气体，并从排气口8中排出，因此能够在还原炉1中形成一个循环。 [0041] 更进一步的，如图1和图4所示，炉筒3的一侧连接有视镜9，视镜9与炉筒3的内部相连通，视镜9的内部固定设置有凸透镜901，视镜9与还原炉1的内部相连通，而且在视镜9的内部固定设置有凸透镜901，凸透镜901在一倍的焦距之内具有放大镜的效果，因此可以通过视镜9直接观察还原炉1内部的情况，提升使用的便捷性。 [0042] 再进一步的，如图4所示，炉筒3的底部固定设置有密封块302，底盘2的上侧面开设有与密封块302相对应的密封槽201，密封块302与密封槽201卡合连接，密封块302的一侧固定设置有限位支撑板301，限位支撑板301与底盘2的上侧面相抵，炉筒3的底部设置有密封块302与底盘2上侧面的密封槽201卡合连接，因此能够提升炉筒3整体的密封性，同时也能够提升还原炉1整体的稳定性。 [0043] 如图1‑图5所示，本实施例提供的新型可降耗硅棒排列方式的还原炉系统的原理如下： [0044] 电极5包括内环电极组501、中环电极组502以及外环电极组503，内环电极组501包括六个成中心对称的内环电极，中环电极组502包括八个成中心对称的中环电极，外环电极组503包括十个外环电极，内环电极组501、中环电极组502以及外环电极组503，电极5上固定设置有石墨底座6，石墨底座6上连接有发热体4，均匀排布的原因在于充分利用还原炉1内的反应空间同时致使反应气体充分到达各个硅棒表面，内环电极组501成正六边形均匀分布在底盘2上，中环电极组502成正八边形均匀分布在底盘2，外环电极组503成正十边形均匀分布在底盘2上，硅棒分为内、中、外三环分布，电极孔由内向外各环上的数量分别为6、8、10，相比于传统24对棒的电极分布由内向外的数量分别为4、8、12，减少外环硅棒所占比例，可以有效的降低表面单位面积的辐射热损失，从而达到降低能耗的目的。 [0045] 如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。 [0046] 需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。 [0047] 上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。