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多晶硅还原炉装备发展展望
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摘要：0前言 多晶硅作为光伏行业以及半导体器件的基础原材料，目前主要通过改良西门子工艺技术方法获得，其他硅烷法、冶金法也有生产，但是因为成熟度、稳定性等原因并没有得到大规
0前言
多晶硅作为光伏行业以及半导体器件的基础原材料，目前主要通过改良西门子工艺技术方法获得，其他硅烷法、冶金法也有生产，但是因为成熟度、稳定性等原因并没有得到大规模的推广应用并实现产业化[1]；在改良西门子工艺生产过程中，还原炉作为还原工序的关键生产设备在近年来也得到迅速发展，十年前还原炉炉型基本停留在12对棒、18对棒以及24对棒等中小炉型，那时候的单线生产规模并不大，基本维持在1 000～2 500 t/a，还原炉的炉型基本能够匹配当时的生产；但是随着光伏发电的迅速增长，光伏多晶硅需求激增，导致多晶硅的生产向大型化发展，规模化效应在多晶硅企业更为凸显，单线产能基本都是万吨级以上，如果仍然采用这些中小炉型，则需要还原炉的数量多，占地面积大，操作维护保养等都需要较大的人力物力，因此中小型还原炉在大规模生产过程中性价比不高，需要不断开发大型还原炉来满足市场需求，提高生产效率，降低生产能耗。
1还原炉的结构形式
还原炉作为改良西门子工艺方法生产多晶硅的关键设备，主要由还原炉钟罩、还原炉底盘以及配套的附属件构成，其中两大主体部分还原炉钟罩与还原炉底盘均采用夹腔式结构，夹腔内介质为冷却水，钟罩内壁和底盘上表面所构成的密闭空间形成了多晶硅的沉积空间，即多晶硅气相沉积的环境空间；还原炉钟罩由筒体和凸形封头构成，其中凸形封头根据还原炉的设计尺寸有多种类型可供选择：椭圆形封头、蝶形封头、半球形封头等。底盘上则布置有电极孔、供气喷嘴入口、还原尾气出气口等。在多晶硅还原炉的优化设计过程中，最关键的就是将电极孔、供气口和出气口合理的布置在底盘上，以保证在此密闭空间中形成有利于硅棒生长的流场和温度场，这样能够满足硅棒的稳定生长，同时原料利用率高，能耗比较低。
2还原炉相关材质选择
还原炉作为多晶硅生产中的关键设备，其对材质的要求相当高，不仅需要耐高温，还需要纯度高并不对硅棒产生污染，尤其是还原炉钟罩内壁和底盘上表面材质的选择将直接影响到多晶硅产品的纯度。在实际设计和生产过程中，会根据不同要求选用相应材质，鉴于多晶硅还原炉的钟罩以及底盘均为腔室式结构，因此夹腔外壁和内壁可以选择不同的材料，夹腔外壁分别与空气和冷却水接触可以选择机械性能好，性价比更加合理的低合金钢(Q345R)材质，而夹腔内壁分别与冷却水和物料接触，且提供多晶硅沉积生长的空间环境，因此材质一般采用洁净度更高、耐高温、耐腐蚀的不锈钢(S)材质，为了进一步提高还原炉的运行效率，降低生产能耗，在内壁喷涂银或者爆炸复合金属银来增加镜面辐射效果，提高炉内热量的利用率，降低还原反应的直接电耗。
随着还原炉的大型化，以及对产品纯度和电耗的更高要求，还原炉钟罩内壁和底盘上表面材质的选择和表面处理需要满足新的要求，近年来不锈钢- 钢复合板、不锈钢- 钛复合板做为还原炉钟罩内壁和底盘上表面材质已经越来越普遍，新的材料也在应运而生。目前部分多晶硅生产企业启用了相关替换材质的还原炉，优势并不明显，有待进一步生产验证。目前大部分还原炉设计中还原炉钟罩内壁和底盘上表面材质的选择采用的是复合板(S+Q345R)，其他零部件与工艺物料接触部分采用S，与水接触部分采用Q345R。
在还原炉的辅助配件中，电极采用无氧铜作为主体材质，头部一般采用铜镀银的方式来提高性能；电极冷却水系统采用的是不锈钢(S)，而且采用脱盐水进行冷却，电极流道小，对水质和管材要求高，以防冷却过程中水结垢导致电极被烧坏的现象；在安装硅芯的配件中主要有绝缘陶瓷环以及石墨座，这些材质一是耐高温，不会给多晶硅沉积增加杂质含量；二是这些都为绝缘体材料，能够将来自供电系统的电流与还原炉本体分开，直接加载在半导体沉积载体硅芯上，为多晶硅气相沉积提供生长需求。
3还原炉尺寸选择
根据生产需求的不同，还原炉在炉型尺寸选择上有着一定的原则可供遵循。一般小炉型，棒数少，炉内温度场流场稳定，相互影响有限，所以可以生产出高品质多晶硅；而多对棒炉型硅棒对数多，相互之间影响大，供料量大，炉内温度场和流场控制难度较大，需要通过优化喷嘴的结构形式和位置来调整优化炉内温度场和流场分布，但是该炉型产能比较大，能耗相对会低一些，适合于大规模生产配置[2]。
文章来源：《医疗装备》 网址: http://www.ylzbzz.cn/qikandaodu/2021/0304/1031.html
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