多晶硅还原炉低电压启动转高电压启动设备结构改造

多晶硅还原炉低电压启动转高电压启动设备结构改造
黄琰;李国安
【摘要】目前国内多晶硅生产中，还原炉多采用高电压击穿的方式启动，但国外多晶硅生产中多采用低电压击穿，一些进口还原炉采用了低电压启动的结构设计。

现本文将以MSA还原炉为例，分析阐述满足低压启动还原炉改成高压启动条件，对炉体结构的改造方案。

%The high voltage startup is used in our current domestic polysilicon CVD reactor production, but the polysilicon production abroad has adopted the low voltage startup, so, some imported CVD Reactor are designed with low voltage startup. This thesis will make the CVD Reactor manufactured by MSA Company for an example, and analyze and state how to reform the CVD Reactor furnace structure to make the low voltage sturtup transformed to high voltage startup.
【期刊名称】《江西化工》
【年(卷),期】2011(000)004
【总页数】2页(P183-184)
【关键词】多晶硅;还原炉;低压启动;高压启动;爬电距离
【作者】黄琰;李国安
【作者单位】江西赛维LDK太阳能多晶硅有限公司;江西赛维LDK太阳能多晶硅有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TL503
0 前言
目前，光伏产业成为能源行业的新兴产业，而多晶硅生产作为光伏产业中的重要一环正飞速发展，同时中国也将成为世界最大的多晶硅生产国。

目前多晶硅生产以改良西门子法为主，而采用化学气相沉积法生产多晶硅的还原炉是改良西门子法生产的重要设备。

目前，还原炉的启动方式主要分为低压启动和高压启动两种，其中，低压启动主要以欧美国家为主，而中国的还原炉操作主要以高压启动为主。

在这里笔者不累述低压启动和高压启动的优缺点，仅以德国MSA还原炉为例，阐述在低压启动还原炉改为高压启动时，结构上的改造方案及优缺点。

一、还原炉启动及生产原理
还原炉生产中，硅芯作为化学气相沉积的载体被固定在还原炉电极上，而电极安装在炉底盘上，为防止电极接地，电极与炉底盘间要有合理的绝缘设计，同时电极通过铜牌与电气设备相连。

生产初期，通过电极对硅芯的两端施加电压，硅为半导体材料，当电压达到一定值时，硅芯将被击穿成为导体而导电，此时，通过调节电流，控制硅芯温度，当硅芯温度达到最佳反应温度(1080℃－1110℃)，还原炉内的气
态三氯氢硅和氢气发生还原反应，生成的单质硅沉积在硅芯上，随着反应的继续，硅芯将逐渐长粗成硅棒。

可见，有效的击穿方式是还原炉生产的前提。

生产中，硅芯直径一般约8mm左右，低压启动中，需要利用电加热器对硅芯预热，随着硅芯温度上升，硅芯电阻降低，击穿电压可以控制在1.7kV以下。

而高压启动，则是
在硅芯冷态下对硅芯进行击穿，击穿电压一般在7kV—10kV。

可见，解决好电极与底盘间的绝缘问题，是还原炉由低压启动改成高压启动的关键。

二、低压启动还原炉结构特点
如图1所示，电极由铜螺母固定在炉底盘上，电极与炉底盘之间通过四氟套和四
氟盖阻隔开来，之间形成绝缘层。

此时，电极与炉底盘间的绝缘性能取决于电极与炉底盘间的爬电距离，在电极与炉底盘之间沿绝缘材料表面的最短距离。

显然此种结构电极与底盘间的爬电距离相对较短，只有一个四覆盖的厚度(约10mm)，在低压启动中，因击穿电压在1.7kV以下，所以其爬电比距=爬电距离/最高工作电压，约为5.88mm/kV，完全可以满足需求。

但当低压启动改成高压启动时，最高工作电压可到10kV，此时爬电比距仅有1mm/KV，无法满足高压启动要求，则需对
设备结构进行修改。

图1
三、还原炉低压转高压启动结构修改方案
如图2所示，适当加长电极长度，有效抬高电极与底座上表面间的距离，并延长
了铜垫圈与底座下部间的距离。

显然，改造后的还原炉电极及四氟绝缘部件能够有效地延长电极与底盘间的爬电距离，新的结构方案中，爬电距离1约为45mm，
按最大10kV的击穿电压计，其最小爬电比距为4.5mm/KV，爬电距离2约为
57mm，最小爬电比距为5.7mm/KV，完全可以满足高压启动击穿过程中的绝缘
要求。

图2
四、目前国内高压启动还原炉结构典型设计形式
图3所示，是目前国内高压启动还原炉的典型结构形式，该设计中，爬电距离1
约为38mm，按最大10kV的击穿电压计，其最小爬电比距为3.8mm/KV，爬电
距离2约为57mm，最小爬电比距为5.7mm/KV，可以满足高压启动击穿过程中的绝缘要求。

该结构中还原炉底盘做了沉孔设计，目的是为了将大部分的四氟绝缘套藏于炉底盘内，利用炉底盘内的冷却水进一步冷却绝缘套，以延长绝缘套的寿命。

实践证明该设计可以获得更好的密封效果，同时，绝缘套的寿命可以得到更有效的保障。

图3
五、小结
综上所述，还原炉由低压启动改为高压启动，关键要解决电极与炉底盘间的绝缘问题，采用直接更改电极和绝缘套的方式，完全可以获得需要的爬电比距，满足高压启动的要求。

但是，在条件满足的情况下，不妨同时对炉底盘上的电极安装孔进行沉孔处理，这样在改善了绝缘的情况下同时使绝缘套尽量处于炉底盘冷却水的保护当中，可以获得更佳的使用效果。

但是相对来说工程量大，厂家应根据实际情况而定。