一种多晶硅的生产工艺 【技术领域】
本发明涉及太阳能和半导体行业，特别涉及一种多晶硅的生产工艺。
背景技术
多晶硅是制造半导体器件和太阳能电池等产品的主要原材料，还可以用于制备单晶硅，其深加工产品被广泛用于半导体工业中，作为人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等器件的基础材料。同时，由于能源危机和低碳经济的呼吁，全球正在积极开发利用可再生能源。太阳能由于其清洁、安全、资源丰富，在可再生能源中最引人关注。利用太阳能的一种方法是通过光电效应将太阳能转化为电能。硅太阳能电池是最普遍采用的基于光电压效应的装置。此外，由于半导体工业和太阳能电池的发展，对高纯度多晶硅的需求正不断增加。
在多晶硅的生产方法中，作为被广泛采用的高纯度多晶硅的制备技术，可以举出德国西门子公司于1954年发明的多晶硅制造方法(也称为西门子法)。其系列化学反应式为：
Si+3HCl→SiHCl3+H2 (1)
采用高纯三氯氢硅和高纯氢按照一定的配比混合在一起构成原料混合气体，通入本领域技术人员公知的还原炉反应器中，在加热的高纯度硅芯上发生如下式(2)所示的还原反应，通过化学气相沉积，生成的高纯度多晶硅不断沉积在硅芯上，使该硅芯的直径逐渐变粗而形成多晶硅棒(以下简称为硅棒)。
2SiHCl3+H2→Si+2HCl+SiCl4+H2 (2)
未反应的三氯氢硅和反应过程中生成的四氯化硅副产物等其他氯硅烷气体、连同氢气、HCl气体(统称为热解尾气)一起经由热解尾气排气管排出，并且任选进入后端的气体吸附分离装置分离，其中的三氯氢硅经纯化后可以循环供给还原工序使用。
多晶硅的生产除了要求原料具有高的纯度之外，还原过程的操作条件也很重要。氢气和三氯氢硅的配比(摩尔比)是决定还原反应的重要因素之一，对多晶硅的实收率和沉积速度也有重要影响。专利US3809571揭示了配比对三氯氢硅单程转化率和沉积速度的影响，在一定范围内，氢气和三氯氢硅的摩尔比增加，三氯氢硅的单程转化率也随之增加。为了提高三氯氢硅单程转化率，在一定范围内需要提高氢气和三氯氢硅的摩尔比，但是随着氢气和三氯氢硅摩尔比的增加，在进入还原炉的三氯氢硅的量不变的情况下，进入还原炉的氢气量也随之增加，这将导致还原后尾气回收的负荷增加。而减小氢气和三氯氢硅的摩尔比，在进入还原炉的三氯氢硅的量不变的情况下，由于三氯氢硅单程转化率会降低，多晶硅沉积速度明显降低，沉积时间延长。为维持一定的沉积速度，需要加大三氯氢硅的量，导致未反应的三氯氢硅的量增加，这不仅会增加还原后尾气回收的负荷，也会提高尾气回收物料精馏分离的负荷。
在还原反应器内进行的化学气相沉积反应较为复杂，在沉积反应初期，硅棒较细，沉积反应所需要的三氯氢硅量和氢气量也较小，还原炉内的湍流流动强度较小，硅棒表面的边界层厚度较大，整个还原炉内动量、热量和质量的传递特别是质量的传递很不充分，三氯氢硅单程转化率也低，多晶硅沉积速度较慢。随沉积反应的进行，硅棒直径增大，还原炉内气体的湍流流动增强，沉积载体表面的边界层厚度减小，整个还原炉内动量、热量和质量的传递特别是质量的传递与初期相比比较充分，三氯氢硅单程转化率也随之逐渐提高。
虽然通过增大氢气和三氯氢硅的摩尔比，可提高三氯氢硅的单程转化率，但是，过大的摩尔比也会造成硅棒表面三氯氢硅浓度减小，导致沉积速率地下降，使单位生长周期内的多晶硅产量下降，从而造成单位产品的电耗费用上升，使单位产品的成本增加。同时，配比增大尾气中氢气量也随之增大，增加了还原尾气分离处理的负荷。
美国专利申请US2007/0251455公开了一种制造多晶硅的方法，采用该方法可以提高多晶硅的产量和单程收率。它采用表面积大的沉积体，如大面积硅管等为发热体，以缩短沉积时间，由此提高了多晶硅的产量和反应的单程收率，年产量可增加30～40％。根据该美国专利申请，采用了一种外径为50mm的中空硅管为发热体。但是，制备这种中空硅管一般必须采用EFG(Edge Defined Film Feed)法，这相对于常规多晶硅制造商采用硅芯棒炉制备发热体来说，需要额外增加设备和装置，且外径如此之大的中空硅管的制备对于设备和操作要求均较高。
因此，现有技术目前的状况是，仍旧需要一种简单而有效的多晶硅生产方法，其能够提高单位生长周期内多晶硅的产量和反应的单程收率，而不必额外增加设备成本或生产成本。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单而有效的多晶硅的生产工艺。
发明人通过研究发现，大流量的含硅气体通入还原炉可以缩短达到目标直径多晶硅棒的沉积时间，同时提高多晶硅沉积速度并降低直接还原电耗，但是含硅气体的单程转化率率下降，而将多台还原炉串联在一起，并使氢气和含硅气体的配比在一定范围内波动就可以解决前述问题，并由此完成了本发明。
本发明采用的技术方案如下：
一种多晶硅的生产工艺，它是通过向2个以上串联的反应器中通入包括氢气和含硅气体的混合气体作为原料气，在所述反应器中，所述原料气发生反应，通过化学气相沉积生产多晶硅的工艺，通过调节作为原料气的所述氢气的进气量M，和/或调节作为原料气的所述含硅气体的进气量N，使所述氢气和含硅气体的摩尔比值Q满足如下关系：
从所述多晶硅的生产工艺开始至时刻t1的时间范围内，Q在Q0±a的范围内波动；
从所述多晶硅的生产工艺t2时刻开始至反应结束，Q在Q2±b的范围内波动；
且，t1＜t2，Q0+a＜Q2-b；
其中，
Q0是所述多晶硅的生产工艺开始时刻，作为原料气的所述氢气和所述含硅气体的摩尔比；
Q2是所述多晶硅的生产工艺的t2时刻，作为原料气的所述氢气与所述含硅气体的摩尔比；
a、b、t1、t2是正实数。
其中，所述串联的反应器包含2～8个单个反应器，优选2～5个单个反应器。
其中，所述串联的反应器，其串联方式为原料气通过进气管道进入第一个反应器内反应，第一个反应器的尾气通入第二个反应器的进气管道进入第二个反应器内反应，以此类推，直至最后一个反应器的尾气被回收处理。
在所述反应器中，所述原料气发生反应，通过化学气相沉积，生成的高纯度多晶硅不断沉积在硅芯上，使硅芯的直径逐渐变粗而形成多晶硅棒，当第一个反应器内的硅棒直径长到40～45mm时，所述Q值从Q0增大至Q2。即t1时刻为硅棒直径长到40～45mm的时刻。
上述Q0为1.0～15.0，优选2.0～7.5；Q2为1.0～15.0，优选2.0～7.5；a为0.001～1，优选0.2～0.6；b为0.001～1，优选0.2～0.6；且Q0+a＜Q2-b。
其中，所述含硅气体是氯硅烷，优选三氯氢硅、二氯二氢硅和四氯化硅中的任意一种或几种的混合物，最优选三氯氢硅。
其中，所述氢气的进气量M选自20～2000Nm3/h，优选30～1500Nm3/h。所述含硅气体的进气量N选自5～800Nm3/h，优选10～300Nm3/h。
有益效果：
根据本发明的多晶硅生产工艺，可以直接利用现有的多晶硅生产设备实施，因此不需要为此而专门增添附属设备或者改变设备结构，由此可以避免额外增加设备投资成本和设备改装成本，同时由于不增加多晶硅生产设备的复杂度，也可以维持该生产设备的维护成本不增加。
根据本发明的多晶硅生产工艺，可以实现通过在反应初期调整配比变化达到强化传质的目的，促进气相主体和硅棒表面边界层之间的质量传递。在背景描述的反应方程式(2)可知，三氯氢硅还原产生的氯化氢和四氯化硅使反应平衡向左移动，不利于多晶硅沉积的进行，通过在反应初期不断改变配比，使硅棒表面边界层内各个气体组分的浓度和气相主体气体组分浓度形成浓度差，进而促进还原炉内气相主体和硅棒表面边界层之间的质量传递，从而消弱或消除在硅棒生长初期因湍流强度弱而导致单程转化率低和多晶硅沉积速度较慢的情况，实现提高反应初期提高三氯氢硅单程转化率的目的。
随着硅棒表面积增大，可用于沉积多晶硅的表面增加。在专利背景表述中，采用大表面的硅管作为发热体可以缩短沉积时间，提高多晶硅沉积速度和三氯氢硅单程转化率。通过在反应初期增大三氯氢硅进气量的方法，实现在沉积初期从硅芯直径8mm左右快速生长到40～50mm，从而降低沉积初期的单位电耗，提高沉积初期的沉积速度。
增大三氯氢硅进料量有利于提高沉积速度，降低电耗，虽然采取变配比的方法可以提高三氯氢硅单程转化率，但是与正常三氯氢硅进料量相比，单程转化率会有一定程度的降低，将多晶硅还原炉串联连接起来，使前一个还原炉的尾气作为下一个还原炉的进气，可以提高整个系统运行过程中三氯氢硅的单程转化率。
根据本发明的多晶硅生产工艺，可以有效地提高多晶硅沉积速度和含硅气体的单程转化率，在缩短沉积时间的同时，降低单位电耗，并有利于最终降低多晶硅的综合生产成本。
【附图说明】
图1是现有技术的多晶硅制造方法中使用的还原反应器(还原炉)的结构和两台还原炉串联运行的示意图。其中，1：还原炉炉筒冷却水出口；2：硅芯；3：炉筒；4：炉筒冷却水进口；5：阀门；6：原料混合气进气管；7：还原炉尾气出气管夹套冷却水出水；8：还原炉尾气出气管；9：视镜；10：还原炉底盘；11：还原炉尾气出气管夹套冷却水进水；12：原料混合气进气管；13：管路；14：电极；15：还原炉尾气出气管夹套；16：横梁(硅芯)；17：硅芯；18：横梁(硅芯)；19：还原炉尾气出气管。
图2是本发明涉及的一种配比不连续变化方式的示意图。
图3是本发明涉及的三台还原炉串联运行的示意图
【具体实施方式】
根据本发明，对所述还原反应器的结构、类型和规格等没有任何的限定，可以是本领域常规使用的那些，并且只要其可以连续地接收由氢气和含硅气体构成的原料气，并允许该原料气在其中发生还原反应而生成多晶硅(以及作为副产物的热解尾气)即可，比如可以举出本领域技术人员所公知的还原炉反应器，但并不限于此，也可以是本领域技术人员已知的其他结构或类型的还原设备，包括比如流化床反应器等。
本领域技术人员都知道，所述热解尾气在所述还原反应之后经由常规手段被连续排出所述还原反应器之外。
为了方便起见，以下以图1所示结构的还原反应器(还原炉)为例对本发明的多晶硅生产方法进行展开说明。但需要指出的是，本发明的制造方法并不限于使用这种特定结构的还原反应器。对于本领域技术人员显然可以理解的是，以下的说明内容即使不做任何调整或修正，也可以直接适用于在此未指明的其他类型或结构的还原设备，包括比如流化床反应器等。
根据本发明，所述原料气由氢气和含硅气体按照一定的摩尔比混合而成。对于氢气和所述含硅气体的混合方式没有任何的限定，可以采用本领域的常规技术进行，只要是在进入所述还原反应器之前，氢气和所述含硅气体已经完全均匀地混合在一起而形成混合气体的技术，都可以直接使用。
在一个优选的实施方案中，所述含硅气体优选氯硅烷，更优选三氯氢硅、二氯二氢硅、四氯化硅或其任意的混合物，最优选三氯氢硅。本领域公知的是，所述氢气和所述含硅气体(在以混合物形式使用时，指的是该混合物中的每种组分)优选具有极高的纯度(比如99％以上，但并不限于此)。
将该混合气体通过原料混合气体进气管6连续通入还原炉A后，与因通电而预热的多晶硅芯棒2和横梁16接触，在该多晶硅芯棒2和横梁16的表面上，氢气与所述含硅气体连续发生前述式(2)所示的还原反应，通过化学气相沉积，生成的高纯度多晶硅不断沉积在硅芯棒(或所述接触表面)上，使该硅芯棒表面(或所述接触表面)上多晶硅的沉积厚度不断增大(比如表现为芯棒的直径逐渐变粗)而形成硅棒或多晶硅产品。
混合气体通过还原炉A沉积多晶硅后，通过尾气排出管道8，经管路13，通过还原炉B的进气管路12进入还原炉B，与因通电而预热的多晶硅芯棒17和横梁18接触，在该多晶硅芯棒17和横梁18的表面上，氢气与所述含硅气体连续发生前述式(2)所示的还原反应，通过化学气相沉积，生成的高纯度多晶硅不断沉积在硅芯棒(或所述接触表面)上，使该硅芯棒表面(或所述接触表面)上多晶硅的沉积厚度不断增大(比如表现为芯棒的直径逐渐变粗)而形成硅棒或多晶硅产品。
混合气经还原炉B，在还原炉B的硅芯17和横梁18上沉积多晶硅后，混合气体通过还原炉B的尾气管19排出进入下一个还原炉或者尾气回收单元。
从还原炉出来的尾气经尾气夹套冷却器将温度降至50-550，优选的200-300℃。
本发明涉及对已有多晶硅制造方法的改进。因此，在本发明的多晶硅制造方法中，除非有特别的说明，除了按照本发明的规定来调节作为原料气的所述氢气的进气量M，和/或调节(优选同步调节)所述含硅气体的进气量N，使所述氢气与所述含硅气体的摩尔比值Q满足本发明特定的关系式以外，其他所有的方法条件、要求和参数等(包括反应温度、反应压力、反应设备构造和配置比如还原反应器或还原炉的参数、多晶硅芯棒的参数等、原料要求、方法操作步骤等)均可以直接适用现有技术的多晶硅制造方法，在此不再赘述。本领域技术人员完全可以参照现有技术的相关技术来了解这些内容。
这一事实也表明，根据本发明的多晶硅生产方法，可以直接利用现有的多晶硅生产设备实施，因此不需要为此而专门增添附属设备或者改变设备结构，由此可以避免额外增加设备投资成本和设备改装成本，同时由于不增加多晶硅生产设备的复杂度，也可以维持该生产设备的维护成本不增加。
根据本发明，对所述氢气的进气量M和所述含硅气体的进气量N的调节手段或方式没有任何特殊的限定，可以直接适用本领域常规使用的那些。比如，可以通过调节所述混合气体通向所述还原炉或还原反应器的进气管(比如图1中的进气管4)上附设的阀门的开度大小，或者按常规方式调节所述混合气体向所述还原反应器的供应量等，就可以方便地调节从多晶硅生产开始到生产结束的生长周期中每一时刻t下的进气量Mt和/或Nt。另外，该进气量比如可以通过附设在所述进气管上的流量计进行实时监控，即，监控从生产开始到生产结束的生长周期中每一时刻t下的进气量Mt和/或Nt，这些都是本领域技术人员常规已知的技术。
根据本发明的多晶硅生产方法，所述氢气的进气量M选自20～2000Nm3/h，所述含硅气体的进气量N选自5～800Nm3/h。
根据本发明的多晶硅生产方法，所述原料气由氢气与所述含硅气体按照一定的摩尔比Q预先混合而成。在本发明一个实施方案中，在所述原料气中，氢气与所述含硅气体(优选三氯氢硅)的摩尔比Q在1.0～15.0的范围内变化，优选2.0～7.5，但有时并不限于此。
根据本发明，对所述摩尔比Q的调节方式或手段没有任何的限定，可以直接适用本领域常规使用的那些。比如，通过在混合时按照常规方式控制氢气和含硅气体各自的加料比(混合比)，即可自由地调节所述摩尔比Q，并将其在某一时刻t下通入所述还原反应器中(或者在线混合的同时通入所述还原反应器中)，即可控制该时刻t下的摩尔比Q(比如前述的Q0和Q2)，这些都是本领域技术人员可以知道的。同时，在相同的条件下，在某一时刻，所述氢气与所述含硅气体的摩尔比Q可以近似地等于此刻所述氢气的流量M与此刻所述含硅气体的流量N的比值，即Q≈M/N。
根据本发明一个实施方案，通过按照前述的常规方式调节作为原料气的所述氢气的进气量M，和/或按照前述的常规方式调节(优选同步调节)所述含硅气体的进气量N，使所述氢气和所述含硅气体的摩尔比Q满足如下关系：
从所述多晶硅的生产工艺开始至时刻t1的时间范围内，Q在Q0±a的范围内波动；
从所述多晶硅的生产工艺t2时刻开始至反应结束，Q在Q2±b的范围内波动；
且，t1＜t2，Q0+a＜Q2-b；
其中，
Q0是所述多晶硅的生产工艺开始时刻，作为原料气的所述氢气和所述含硅气体的摩尔比；
Q2是所述多晶硅的生产工艺的t2时刻，作为原料气的所述氢气与所述含硅气体的摩尔比；
a、b、t1、t2是正实数。
根据该实施方案，根据本发明的多晶硅生产方法，所述氢气的进气量M选自20～2000Nm3/h，所述含硅气体的进气量N选自5～800Nm3/h。
根据本发明一个优选的实施方案，在所述多晶硅生产方法的过程中，Q值在一定范围内波动。
根据本发明，t1指的是从所述多晶硅生产方法开始经过t1小时的时刻，t2指的是从所述多晶硅生产方法开始经过t2小时的时刻，t3可视为反应的终止时刻(即下述的生长周期T，以小时计)，0＜t1＜t2＜t3。
在本发明的上下文中，T指的是所述多晶硅制造方法的周期长度(从多晶硅制造开始到多晶硅制造结束的时间，即生长周期)，以小时计。本领域技术人员都知道，所述生长周期一般为15～220小时(即所述T的取值范围为15～220小时，优选60～150小时)，但根据生产的实际情况，有时并不限于此。
如前所述，根据本发明，对于第一个反应器内，在硅棒直径长到40～45mm之前的Q0，小于硅棒直径在40～45mm之后的Q2，在硅棒直径达到40～45mm之后，所述Q0值增大至Q2，并维持该比值Q2在一定范围内波动并运行至反应结束，就可以实现本发明。
根据本发明，通过在前述范围内调节作为原料气的所述氢气的进气量M，和/或在前述范围内调节(优选同步调节)所述含硅气体的进气量N，使所述氢气和所述含硅气体的摩尔比Q在1.0～15.0(优选2.0～7.5，但有时并不限于此)的范围内变化。a和b在0.001～1的范围内变化，优选0.2～0.6变化，且保证Q0+a＜Q2-b。
根据本发明，所述比值Q是所述氢气的进气量M和所述含硅气体的进气量N的变化结果。在所述氢气的进气量M的变化规律(经时变化规律)和所述含硅气体的进气量N的变化规律(经时变化规律)确定之后，根据某一时刻下氢气的进气量M值和该时刻下含硅气体的进气量N值，就可以计算出其比值Q，由此所述比值Q的变化规律(经时变化规律)也就确定了。
通常情况下，增大所述氢气的进气量M且同时减小所述含硅气体的进气量N均可以实现所述Q值增大的目的，同理，减小所述氢气的进气量M且同时增大所述含硅气体的进气量N均可以使所述Q值减小。或所述氢气的进气量M和所述含硅气体的进气量N同步增大或减小亦可实现对应的所述Q值增大或减小。或所述氢气的进气量M维持恒定，增大或减小所述含硅气体的进气量N亦可实现所述Q值的减小或增大，同理，所述含硅气体的进气量N维持恒定，增大或减小所述氢气的进气量M亦可实现所述Q值的增大或减小。在本发明所述的多晶硅生产方法中，不论所述氢气的进气量M和所述含硅气体的进气量N如何变化，只要能保证在整个多晶硅生产周期内所述Q值在一定范围内波动即可实现本发明的技术效果。因此，为了实现本发明的多晶硅生产方法中所述Q值的在一定范围内波动，所述氢气的进气量M和所述含硅气体的进气量N的变化规律可以是上述各种情况，优选所述氢气的进气量M和所述含硅气体的进气量N同步增大或减小。最优选，从反应开始时起至反应结束，M和N同步连续增大，通过改变M和N各自增大的速率，使得Q值实现先在Q0±a的范围内波动，再增大到Q2，接着继续在Q2±b的范围内波动的趋势。
对所述摩尔比Q值的变化方式没有任何的限定，可以是连续变化或者不连续变化。
作为所述连续变化比如可以举出，在所述多晶硅的整个生长周期内(即从制造方法开始至制造方法结束)，所述摩尔比Q以周期性函数或非周期性函数或线性函数或非线性函数变化。
在本发明上下文中，将前述函数定义为变化规律。
作为所述周期性变化比如可以举出，在所述多晶硅整个生长周期(即从制造方法开始至制造方法结束)内，所述摩尔比Q在按照相同的变化规律(指的是前述的线性函数和前述的非线性函数和前述的周期性函数和前述的非周期性函数)进行变化。
需要指出的是，根据本发明，所述周期性函数或非周期性函数或线性函数或非线性函数在所述变化期规定的有限区间内均为连续函数。
本发明的生产工艺包含两个Q值波动阶段，根据本发明一个特别优选的实施方案，为了实施操作的简便性，在每一个沉积阶段(即每一个Q值波动阶段)内作为所述摩尔比Q的变化规律的函数优选是先单调递减后单调递增并周期性循环至该沉积阶段结束，或者先单调递增后单调递减并周期性循环至该沉积阶段结束，但有时并不限于此。
为了便于理解，就所述摩尔比Q而言，作为某个阶段内的单调递减和单调增加并周期性循环的函数，比如可以举出如下的表达式，但并不限于此。
Q=cx+dex+f]]>
在前述表达式中，x代表摩尔比Q的该变化期内(从变化期开始到变化期结束)的任意时刻，即0≤x≤T；c、e代表该单调递减和递增函数的斜率，并且c、d、e和f是不为0的实数。在Q值波动的每一个变化周期内，其按上述函数变化。
本发明对Q的波动周期没有特殊限制，但优选1～10小时为一个周期，最优选1～4小时为一个周期。
在所述表达式确定后，在其相应的变化期内以该表达式作为变化规律来调节所述摩尔比Q，就可以实施本发明方法。所述调节可以手动实现或者计算机程控实现，并没有特别的限制。
为了简便起见，在实施本发明时，根据生产的实际情况和实际需要，预先确定多晶硅的生长周期T，然后基于该生长周期确定摩尔比Q0值阶段的时间，可以任意确定而不需要特殊的规定，只要可以生产实现或对于本领域技术人员而言基于某种理由合适即可，并且这并不影响本发明效果的实现，一般优选当第一个反应器内的硅棒直径长到40～45mm时，开始将Q0增大为Q2，这一沉积时间(0～t1的时间段)一般占整个生产周期的20～60％；然后确定Q0增大为Q2的时间段(t1～t2的时间段)，一般占整个生产周期的2～10％，在t1～t2的时间段，Q0增大为Q2的方式可以是连续的或者是非连续的，可以是线性的也可以是非线性的，优选Q0连续线性增大为Q2；再保持Q2在一定范围内波动直至反应结束(t2～t3的时间段)，这些都是本领域技术人员很容易实现的。
如附图1和附图2所示，在一个具体的实施方案中，比如可以按照如下的步骤(其中使M和N同步连续增大，并导致比值Q按照预设的方式变化)来实施本发明，但并不限于此。
1)根据多晶硅的生长周期T(t3，设为110小时)以及生产的方便性，非特意性地确定t1时刻为从生产开始经历35小时的时刻；
2)根据生产的方便性和实际情况，将生产周期开始时刻的摩尔比Q0和生产周期内Q值变化范围a分别非特异性地设定为如下：
Q0＝2.8；a＝0.2；波动周期为2小时；
下段沉积开始的时刻的t2、摩尔比Q2和Q2的变化范围b分别非特异性地设定为如下：
t2＝40，Q2＝5.0；b＝0.3；波动周期为4小时；
制造方法开始Q为2.8(第0小时时刻)→Q为2.6(第0.5小时时刻)→Q为3.0(第1小时时刻)→Q为2.8(第1.5小时时刻)→Q为2.6(第2小时时刻)→……→Q为2.8(第35小时时刻)→Q为5.0(第40小时时刻)→Q为5.3(第41小时时刻)→Q为5.0(第42小时时刻)→Q为4.7(第43小时时刻)→Q为5.0(第44小时时刻)→……→制造方法结束Q为5.0(第110小时时刻)。上述“→”表示的变化过程，均为线性连续变化。
其中，在前述各个变化期内，先确定相应的a、b、c和d的值，求出前述针对Q值特定的一次函数表达式或二次函数表达式，并以此表达式作为变化规律使Q在该沉积阶段内周期性连续变化(必要时可以借助计算机进行自动控制或程序控制)，同时第一个还原炉的尾气作为第二个还原炉的原料进入第二个还原炉，即可实施本发明的制造方法。
如以下的实施例所示，根据本发明的多晶硅生产方法，在增加单炉三氯氢硅进气量的情况下，可以在维持较高的多晶硅沉积速度的同时，提高三氯氢硅的单程转化率和单位生长周期内多晶硅的产量，降低单位产品的直接还原电耗，由此降低了多晶硅的单位生产成本。
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明。
在以下的所有实施例和比较例中，均使用了结构如图1所概略表示的还原炉A和还原炉B。
该还原炉A和还原炉B的单个容积为7m3，所述硅芯棒的直径为8mm，单根硅芯长度为2400mm，还原炉A和还原炉B中硅芯重量都为7公斤，并且在进行还原反应之前被加热至1050℃-1100℃，作为所述含硅气体使用三氯氢硅(纯度为99.9999％)，并且所述氢气的纯度为99.9999％。
按照以下方法对本发明的多晶硅生产方法进行评价。
(1)三氯氢硅单程转化率：
三氯氢硅单程转化率(％)＝硅棒重量(kg)*100％/[三氯氢硅消耗量(kg)×28/135.45]。
(2)多晶硅的生长速度：
多晶硅的沉积速度(kg/h)＝硅棒重量(kg)/生长时间(h)。
(3)单位电耗：
单炉电耗(kW*h/kg)＝单炉产品总的电耗(kW*h)/产品重量(kg)。
单炉总电耗由电量计量表直接读出。
实施例1：
在本实施例中，如图1所示，将还原炉A和还原炉B中的反应压力控制在0.3MPa，还原炉A的排出的尾气经还原炉尾气夹套冷却器15冷却至200～260℃后，经管路13和管路12作为还原炉B的原料气进入还原炉B沉积多晶硅，从还原炉B出来的尾气进入还原尾气回收单元，回收未反应的三氯氢硅和副产物四氯化硅和氯化氢气体。在多晶硅沉积过程中，还原炉A和还原炉B内硅棒表面温度控制在1050～1100℃。
在制造方法的开始时(0时刻)，将氢气和三氯氢硅分别以98Nm3/h和35Nm3/h的进气量连续通入还原炉中，此时摩尔比Q0为2.8。首先，用30小时的时间使硅棒直径生长至40～45mm，在此期间使所述摩尔比Q0以前述周期性分段函数的表达式(其中该一次分段函数表达式的c值、d值、e值和f值通过按照说明书中前述的计算方式来确定，在此省略，以下同)连续降低至2.6后增加至3.0再降低为2.6，如此循环，与此同时，在前述范围内，氢气和三氯氢硅的进气流量随沉积时间的增加分别增大至436.8Nm3/h和156Nm3/h，其中，三氯氢硅的进气流量与时间的关系为近似线性增大，氢气的进气流量随三氯氢硅的进气流量的变化而变化，以保证氢气和三氯氢硅摩尔比Q在2.6～3.0之间周期性循环，波动周期为4小时。
其次，用5小时的时间使所述摩尔比从Q0连续线性增加至5.0，并在随后的70小时内，氢气和三氯氢硅的摩尔比Q在4.8～5.2之间循环变化，波动周期为2小时；与此同时，氢气和三氯氢硅的进气流量随沉积时间增加分别继续连续增大至1443Nm3/h和288.6Nm3/h；其中，三氯氢硅的进气流量与时间的关系为线性增大，且三氯氢硅进料量用45～55小时的时间从之前的156Nm3/h增大至288.6Nm3/h，之后维持288.6Nm3/h直至反应结束；氢气的进气流量随三氯氢硅的进气流量的变化而变化，以保证氢气和三氯氢硅的摩尔比先连续线性增加至5.0、再在4.8～5.2之间循环变化。最终，还原炉A和还原炉B内的硅棒直径长到约115～125mm。
Q值的变化过程如下：
制造方法开始Q为2.8(第0小时时刻)→Q为2.6(第1小时时刻)→Q为2.8(第2小时时刻)→Q为3.0(第3小时时刻)→Q为2.8(第4小时时刻)→……→Q为2.8(第30小时时刻)→Q为5.0(第35小时时刻)→Q为4.8(第35.5小时时刻)→Q为5.0(第36小时时刻)→Q为5.2(第36.5小时时刻)→Q为5.0(第37小时时刻)→……→制造方法结束Q为5.0(第105小时时刻)。上述“→”表示的变化过程，均为线性连续变化。
反应结束后，称量所获得的多晶硅棒的重量，还原炉A为1591公斤，还原炉B的硅棒重量为1517公斤，消耗三氯氢硅共154577kg。
三氯氢硅单程转化率＝(1591+1517-7-7)×100％/(154577kg×28/135.45)＝9.68％。
反应结束后，测得所获得的多晶硅棒的直径，还原炉A和还原炉B的硅棒直径分别为120.1mm和117.3mm。
还原炉A的多晶硅的沉积速度＝(1591-7)/105＝15.09kg/hr。
还原炉B的多晶硅的沉积速度＝(1517-7)/105＝14.38kg/hr。
还原炉A单位电耗：123868.8/(1591-7)＝78.2kW*h/kg。
还原炉B单位电耗：123216/(1517-7)＝81.6kW*h/kg。
对比例1a：
与实施例1相比，反应时长、反应温度、反应压力、反应体系均相同，且即在制造方法的开始时(0时刻)，与实施例1完全相同，将氢气和三氯氢硅分别以98Nm3/h和35Nm3/h的进气量连续通入还原炉中。并在整个生产周期内，保持氢气和三氯氢硅的进气流量随沉积时间增加分别近似线性连续增大至1443Nm3/h和288.6Nm3/h，三氯氢硅进料量从反应周期开始经历约75-85h增大至288.6Nm3/h后保持不变；但是三氯氢硅和氢气进料随沉积时间增加的量不同，并使得所述混合气体的摩尔比Q线性连续增大直至多晶硅制造反应的结束时达到5.0。
反应结束后，称量所获得的多晶硅棒的重量，还原炉A为1476公斤，还原炉B的硅棒重量为1421公斤，消耗三氯氢硅共154580kg。
三氯氢硅单程转化率＝(1476+1421-7-7)×100％/(154580kg×28/135.45)＝9.02％。
反应结束后，测得所获得的多晶硅棒的直径，还原炉A和还原炉B的硅棒直径分别为115.7mm和113.5mm。
还原炉A的多晶硅的沉积速度＝(1476-7)/105＝13.99kg/hr。
还原炉B的多晶硅的沉积速度＝(1421-7)/105＝13.47kg/hr。
还原炉A单位电耗：122808.4/(1476-7)＝83.6kW*h/kg。
还原炉B单位电耗：124714.8/(1421-7)＝88.2kW*h/kg。
对比例1b：
与实施例1相比，反应时长、反应温度、反应压力与反应气体流量大小及调节等过程均完全相同，所不同的是采用单个还原炉反应体系。
反应结束后，称量所获得的多晶硅棒的重量为1608公斤，消耗三氯氢硅共154587kg。
三氯氢硅单程转化率＝(1608-7)×100％/(154587kg×28/135.45)＝5.01％。
反应结束后，测得所获得的多晶硅棒的直径，还原炉内硅棒的直径为120.8mm。
还原炉的多晶硅的沉积速度＝(1608-7)/105＝15.24kg/hr。
还原炉单位电耗：126959.3/(1608-7)＝79.3kW*h/kg。
实施例2：
在本实施例中，如图3所示，将还原炉A，还原炉B和还原炉C三台串联，三台还原炉中的反应压力控制在0.3MPa，与实施例1不同的是，还原炉A的排出的尾气经还原炉尾气夹套冷却器冷却至200～260℃后，经管路作为还原炉B的原料气进入还原炉B沉积多晶硅。还原炉B的排出的尾气经还原炉尾气夹套冷却器冷却至200～260℃后，经管路作为还原炉C的原料气进入还原炉C沉积多晶硅，从还原炉C出来的尾气进入还原尾气回收单元，回收未反应的三氯氢硅和副产物四氯化硅和氯化氢气体。在多晶硅沉积过程中，还原炉A、还原炉B和还原炉C内硅棒表面温度控制在1050～1100℃。
在制造方法的开始时(0时刻)，将氢气和三氯氢硅分别以111.7Nm3/h和39.9Nm3/h的进气量连续通入还原炉中，此时摩尔比Q0为2.8。
首先，用30小时的时间使硅棒直径生长至40～45mm，在此期间使所述摩尔比Q0以前述周期性分段函数的表达式(其中该一次分段函数表达式的c值、d值、e值和f值通过按照说明书中前述的计算方式来确定，在此省略，以下同)连续降低至2.6后增加至3.0再降低为2.6，如此循环，与此同时，在前述范围内，氢气和三氯氢硅的进气流量随沉积时间的增加分别增大至487.2Nm3/h和174Nm3/h，其中，三氯氢硅的进气流量与时间的关系为近似线性增大，氢气的进气流量随三氯氢硅的进气流量的变化而变化，以保证氢气和三氯氢硅摩尔比Q在2.6～3.0之间周期性循环，波动周期为4小时。
其次，用5小时的时间使所述摩尔比从Q0连续线性增加至4.5，并在随后的68小时内，氢气和三氯氢硅的摩尔比Q在4.2～4.5之间循环变化，波动周期为1小时；与此同时，氢气和三氯氢硅的进气流量随沉积时间增加分别继续连续增大至1407.6Nm3/h和312.8Nm3/h；其中，三氯氢硅的进气流量与时间的关系为线性增大，且三氯氢硅进料量用45～55小时的时间从之前的174Nm3/h增大至312.8Nm3/h，之后维持312.8Nm3/h直至反应结束；氢气的进气流量随三氯氢硅的进气流量的变化而变化，以保证氢气和三氯氢硅的摩尔比先连续线性增加至4.5、再在4.2～4.5之间循环变化。最终，还原炉A和还原炉B内的硅棒直径长到约115～125mm。
Q值的变化过程如下：
制造方法开始Q为2.8(第0小时时刻)→Q为2.6(第1小时时刻)→Q为2.8(第2小时时刻)→Q为3.0(第3小时时刻)→Q为2.8(第4小时时刻)→……→Q为2.8(第30小时时刻)→Q为4.5(第35小时时刻)→Q为4.2(第35.5小时时刻)→Q为4.5(第36小时时刻)→Q为4.2(第36.5小时时刻)→Q为4.5(第37小时时刻)→……→制造方法结束Q为4.5(第103小时时刻)。上述“→”表示的变化过程，均为线性连续变化。
反应结束后，称量所获得的多晶硅棒的重量，还原炉A为1584公斤，还原炉B为1516公斤，还原炉C的硅棒重量为1439公斤，消耗三氯氢硅共179239.1kg。
三氯氢硅单程转化率＝(1584+1516+1439-7-7-7)×100％/(179239.1kg×28/135.45)＝12.19％。
反应结束后，测得所获得的多晶硅棒的直径，还原炉A、还原炉B和还原炉C的硅棒直径分别为119.9mm、117.3mm和114.5mm。
还原炉A的多晶硅的沉积速度＝(1584-7)/103＝15.31kg/hr。
还原炉B的多晶硅的沉积速度＝(1516-7)/103＝14.65kg/hr。
还原炉C的多晶硅的沉积速度＝(1439-7)/103＝13.90kg/hr。
还原炉A单位电耗：120640.5/(1584-7)＝76.5kW*h/kg。
还原炉B单位电耗：119663.7/(1516-7)＝79.3kW*h/kg。
还原炉C单位电耗：123008.8/(1439-7)＝85.9kW*h/kg。
对比例2a：
与实施例2相比，反应时长、反应温度、反应压力、反应体系均相同，且即在制造方法的开始时(0时刻)，与实施例2完全相同，将氢气和三氯氢硅分别以111.7Nm3/h和39.9Nm3/h的进气量连续通入还原炉中。此时，所述摩尔比Q值为2.8。并在整个生产周期内，保持氢气和三氯氢硅的进气流量随沉积时间增加分别近似线性连续增大至1407.6Nm3/h和312.8Nm3/h，三氯氢硅进料量从反应周期开始经历约80-90h增大至312.8Nm3/h后保持不变；但是三氯氢硅和氢气进料随沉积时间增加的量不同，并使得所述混合气体的摩尔比Q线性连续增大直至多晶硅制造反应的结束时达到4.5。
反应结束后，称量所获得的多晶硅棒的重量，还原炉A为1551公斤，还原炉B为1502公斤，还原炉C的硅棒重量为1408公斤，消耗三氯氢硅共179250kg。
三氯氢硅单程转化率＝(1551+1502+1408-7-7-7)×100％/(179250kg×28/135.45)＝11.98％。
反应结束后，测得所获得的多晶硅棒的直径，还原炉A、还原炉B和还原炉C的硅棒直径分别为118.6mm、116.7mm和113.0mm。
还原炉A的多晶硅的沉积速度＝(1551-7)/103＝14.99kg/hr。
还原炉B的多晶硅的沉积速度＝(1502-7)/103＝14.51kg/hr。
还原炉C的多晶硅的沉积速度＝(1408-7)/103＝13.60kg/hr。
还原炉A单位电耗：121358.4/(1551-7)＝78.6kW*h/kg。
还原炉B单位电耗：122889/(1502-7)＝82.2kW*h/kg。
还原炉C单位电耗：124128.6/(1408-7)＝88.6kW*h/kg。
对比例2b：
与实施例2相比，反应时长、反应温度、反应压力与反应气体流量大小及调节等过程均完全相同，所不同的是采用单个还原炉反应体系。
反应结束后，称量所获得的多晶硅棒的重量为1602公斤，消耗三氯氢硅共179208kg。
三氯氢硅单程转化率＝(1602-7)×100％/(179208kg×28/135.45)＝4.31％。
反应结束后，测得所获得的多晶硅棒的直径，还原炉内硅棒的直径为120.6mm。
还原炉的多晶硅的沉积速度＝(1602-7)/103＝15.49kg/hr。
还原炉单位电耗：118987/(1602-7)＝74.6kW*h/kg。
尽管上文参照附图对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域技术人员可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。