淺析多晶硅還原生產(chǎn)常見問題及控制對策

周修敬

(昆明冶研新材料股份有限公司，云南 曲靖 655011)

光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致多晶硅材料的市場需求日益增大，對多晶硅行業(yè)的繁榮與發(fā)展發(fā)揮了巨大推動(dòng)作用。對于多晶硅行業(yè)來說，如何提高多晶硅生產(chǎn)質(zhì)量，促使多晶硅生產(chǎn)效率大幅提升，是這一行業(yè)發(fā)展過程中必須解決的問題。多晶硅行業(yè)要取得長遠(yuǎn)發(fā)展，不能簡單依靠盲目擴(kuò)大多晶硅生產(chǎn)規(guī)模來實(shí)現(xiàn)，也不能對多晶硅生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行盲目革新，而是需要在對現(xiàn)階段生產(chǎn)中常見問題進(jìn)行認(rèn)真分析、不斷改進(jìn)的基礎(chǔ)上，對生產(chǎn)工藝進(jìn)行不斷完善與優(yōu)化，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)產(chǎn)量。

1 西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝

1.1 多晶硅概念

多晶硅是單質(zhì)硅形態(tài)之一。在過冷環(huán)境中，熔融單質(zhì)硅在進(jìn)行凝固時(shí)，內(nèi)部的硅原子按照金剛石晶格形態(tài)進(jìn)行排列，形成諸多晶核，若這些晶核形成晶面具有不同取向的晶粒，則這些晶?；ハ嘟Y(jié)合，通過結(jié)晶作用即可形成多晶硅。

1.2 西門子法多晶硅生產(chǎn)

圖1 西門子法多晶硅生產(chǎn)流程圖

1.3 多晶硅還原工藝

在西門子法多晶硅生產(chǎn)中，多晶硅的還原生產(chǎn)工藝是將氫氣與高純度三氯氫硅按一定比例進(jìn)行混合，將混合物送到還原爐中，在混合物氣態(tài)下利用通電加熱使硅棒或硅芯溫度高達(dá)1050℃至1150℃，在其表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，致使固態(tài)硅生成并在硅棒或硅芯表面累積。隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，硅棒或硅芯的直徑不斷增大，直到預(yù)設(shè)尺寸為止。

1.4 多晶硅還原生產(chǎn)過程中的影響因素

在多晶硅還原生產(chǎn)中，多晶硅在還原爐中發(fā)生沉積的過程通常會(huì)受到多種因素影響，主要包括電壓、爐內(nèi)壓力、還原爐結(jié)構(gòu)、氫氣與三氯氫硅的配比及流量、硅棒布置方式、停留時(shí)間、輔助系統(tǒng)、沉積溫度和硅棒電流等。這些影響因素彼此之間可以互相影響，互相制約，對于多晶硅單位產(chǎn)品的耗電量與多晶硅沉積質(zhì)量都有直接影響。

2 多晶硅還原生產(chǎn)中常見問題

2.1 硅芯表面和沉積硅之間缺乏良好粘合

在還原生產(chǎn)中，有時(shí)會(huì)發(fā)生出爐后硅芯與硅棒之間未有效粘合，導(dǎo)致二者脫離現(xiàn)象。之所以會(huì)出現(xiàn)這一問題，主要是因?yàn)樵趯栊具M(jìn)行酸洗過程中，酸洗力度不足，致使硅芯表面形成氧化層。

2.2 在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)“硅油”

在多晶硅還原生產(chǎn)中，常會(huì)有“硅油”出現(xiàn)?！肮栌汀背３霈F(xiàn)在還原爐內(nèi)溫度較低的部位，通常在窺視孔石英片、底盤、電極、噴口與爐筒等位置沉積。一旦出現(xiàn)“硅油”現(xiàn)象，將會(huì)造成硅化合物出現(xiàn)大量損失，使多晶硅生產(chǎn)實(shí)收率大幅降低。同時(shí)，在窺視孔石英片上沉積的硅油會(huì)導(dǎo)致鏡片模糊，給測溫與觀察造成阻礙，對爐溫調(diào)節(jié)造成影響，在很多時(shí)候會(huì)導(dǎo)致硅棒上溫度過高，造成硅棒燒斷現(xiàn)象。同時(shí)，硅油吸水能力比較強(qiáng)，如果拆爐時(shí)爐內(nèi)有硅油存在，硅油會(huì)對空氣內(nèi)的水大量吸收，其內(nèi)部鹽酸脫離出來，從而對設(shè)備造成腐蝕，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成自燃或爆炸事故。

2.3 還原生產(chǎn)生成無定形硅

在多晶硅諸多生產(chǎn)企業(yè)中，有時(shí)為追求低能耗與高產(chǎn)量，對無定形硅的形成往往不加重視，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中形成大量無定形硅。無定形硅的形成一般有兩方面原因，一是因?yàn)槿葰涔璺磻?yīng)溫度過低，導(dǎo)致無定形硅產(chǎn)生，這時(shí)還原爐中的生產(chǎn)功率相對較低，沉積速度相對較快;二是物料中二氯硅烷含量過高，導(dǎo)致大量無定形硅產(chǎn)生。尤其是在生產(chǎn)后期，如果將溫度控制在較高范圍內(nèi)，則會(huì)造成爐內(nèi)能見度劇降，導(dǎo)致視鏡變黑或模糊。

2.4 倒棒問題

在多晶硅還原生產(chǎn)中，倒棒問題是極為常見的問題，特別是前期出現(xiàn)的倒棒問題，常需更換硅芯并將還原爐進(jìn)行反復(fù)拆裝，極為不便。之所以會(huì)出現(xiàn)倒棒問題，主要是因?yàn)樵诠栊景惭b時(shí)未保持垂直狀態(tài)、硅芯不均勻、橫梁未進(jìn)行良好搭接與電流過快導(dǎo)致熔斷等。

2.5 硅棒中存在氧化夾層

如果多晶硅的還原生產(chǎn)中有氧或水汽混入原料，則會(huì)使原料出現(xiàn)氧化或水解，導(dǎo)致SiO2氧化層形成并在硅棒上附著，沉積硅在這一氧化層上沉積，最終導(dǎo)致氧化夾層形成，很容易在多晶硅向單晶硅拉制過程中出現(xiàn)“硅跳”現(xiàn)象。

2.6 裂紋問題

在生產(chǎn)中后期與停爐時(shí)，如果物料未進(jìn)行適當(dāng)配比、電流過快升降或者物料流量波動(dòng)較大，常會(huì)導(dǎo)致硅棒上出現(xiàn)裂紋問題。

2.7 高溫下還原爐水管震動(dòng)問題

高溫下還原爐的水管振動(dòng)不僅給在工作人員造成不適，如果震動(dòng)過強(qiáng)還會(huì)使管道保溫脫落、管道結(jié)構(gòu)及附件破壞、彎頭與焊縫出現(xiàn)泄漏或爆炸，引發(fā)嚴(yán)重安全事故。還原爐內(nèi)高溫水系統(tǒng)的壓力及溫度對還原爐運(yùn)行的穩(wěn)定具有決定性影響。如果出現(xiàn)爆管問題或高溫水泄漏現(xiàn)象，即使采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理，也很難在短時(shí)間內(nèi)對事故進(jìn)行有效控制，最終導(dǎo)致難以預(yù)估的損失發(fā)生。

2.8 電壓擊穿造成橫梁與硅芯上出現(xiàn)亮點(diǎn)

在多晶硅生產(chǎn)過程中，硅芯上常會(huì)出現(xiàn)亮點(diǎn)，這一問題主要是因?yàn)楣栊九c橫梁或石墨卡瓣之間缺乏嚴(yán)密接觸，如硅芯未按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格安裝、在加工硅芯時(shí)與石墨接觸位置的錐度無法完全匹配石墨、石墨卡瓣加工存在問題等。

2.9 爆米花問題

在多晶硅還原生產(chǎn)中，爆米花是必然發(fā)生的問題，主要是因?yàn)楣璋羯L速度過快，或爐內(nèi)溫度太高造成。

3 相應(yīng)解決對策

3.1 加強(qiáng)硅芯與沉積硅間的粘合措施

由于硅芯與沉積硅間粘合不良的主要原因是硅芯酸洗不充分，因此，在對這一問題進(jìn)行處理，可在加工硅芯時(shí)，將硅芯酸洗時(shí)間適當(dāng)延長，或者對洗滌酸液進(jìn)行定期更換。

3.2 控制“硅油”產(chǎn)生

通過上文分析可知，硅油主要出現(xiàn)在還原爐內(nèi)溫度較低處。因此，在多晶硅還原生產(chǎn)中，要對爐筒內(nèi)部溫度進(jìn)行合理控制，避免硅油產(chǎn)生。在實(shí)際生產(chǎn)中可采取以下方法:一是在生產(chǎn)過程中，對爐筒中的冷卻熱水溫度進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)控，使?fàn)t筒整體溫度嚴(yán)格保持在要求范圍之內(nèi);二是在停爐之前先將冷卻水的流量適度降低，使?fàn)t筒中溫度得以提高，從而促進(jìn)硅油的揮發(fā)。

3.3 控制無定形硅的形成

為避免多晶硅還原生產(chǎn)過程中出現(xiàn)無定形硅，可以從控制系統(tǒng)與進(jìn)料兩方面采取相應(yīng)措施加以控制:(1)保證自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)囟葦?shù)據(jù)進(jìn)行可靠而準(zhǔn)確的控制，并且能夠根據(jù)現(xiàn)場的目測經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，使溫度實(shí)現(xiàn)有效控制。(2)對進(jìn)料進(jìn)行控制。首先要對進(jìn)料時(shí)機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格掌控。一般而言，在對硅芯加熱，使其達(dá)到足夠溫度時(shí)才可進(jìn)料，同時(shí)要保證硅棒上的電流平穩(wěn)增高，避免忽高忽低現(xiàn)象出現(xiàn)。另外，要保證物料進(jìn)爐流量不能出現(xiàn)過大波動(dòng);如果出現(xiàn)突然斷電或停爐現(xiàn)象，要立刻停止進(jìn)料工作。

3.4 對倒棒問題進(jìn)行控制

控制倒棒問題的發(fā)生，首先要對還原爐工藝參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化，使?fàn)t內(nèi)熱場保持平衡，爐內(nèi)氣流保持穩(wěn)定。同時(shí)，在進(jìn)行硅芯安裝時(shí)，要對硅芯垂直度加以重視，將電極頭與石墨卡瓣進(jìn)行牢固固定，保持硅芯與卡瓣間的良好接觸。工作人員還應(yīng)對還原爐中硅棒生產(chǎn)狀況進(jìn)行隨時(shí)觀察，對爐溫與電流進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控，如硅棒出現(xiàn)裂紋征兆，要進(jìn)行及時(shí)控制并展開修復(fù)。在停爐時(shí)，要適當(dāng)降低電流速度，斷電后不能將爐筒中的高溫冷卻水過早切斷，避免硅棒脆裂問題出現(xiàn)。

3.5 對硅棒中氧化夾層的形成進(jìn)行控制

通過取樣檢測對入爐氫氣含水量、含氧量與純度進(jìn)行嚴(yán)格控制;對硅芯進(jìn)行加熱前，將爐內(nèi)空氣徹底置換，用高溫水沖洗爐筒，將上面殘留的水分沖洗干凈;開爐前對窺視孔等相關(guān)設(shè)備展開詳細(xì)檢查，保證設(shè)備的嚴(yán)密性。

3.6 裂紋控制

一般而言，電壓及電流信號的遠(yuǎn)傳受自動(dòng)化控制系統(tǒng)監(jiān)控，異常出現(xiàn)時(shí)系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并發(fā)出警報(bào)，工作人員也可利用窺視孔對裂紋情況進(jìn)行觀察。在控制裂紋產(chǎn)生時(shí)，可以將物料量適當(dāng)降低，或?qū)㈦娏魃邓俣群侠砜刂?，從而對裂紋進(jìn)行修復(fù)。如果修復(fù)不成功，要及時(shí)進(jìn)行停爐處理。

3.7 高溫下還原爐水管震動(dòng)的控制

還原爐通水之初，要將爐內(nèi)空氣徹底排出;在高溫水管較低位置設(shè)置排水閥，在較高位置應(yīng)設(shè)置排氣閥，將管道中的氣體及時(shí)排除;進(jìn)行通水后，要對上水壓、出水流量進(jìn)行準(zhǔn)確控制，保證冷水與熱水可以緩慢而均勻的混合，同時(shí)對遠(yuǎn)傳液體的溫度及流量進(jìn)行有效監(jiān)控。

3.8 電壓擊穿造成橫梁與硅芯上出現(xiàn)亮點(diǎn)

當(dāng)硅芯上出現(xiàn)亮點(diǎn)后，要對爐中物料流量與電流升高值進(jìn)行合理控制，等到亮點(diǎn)處沉積硅量足夠，且顏色和其他硅芯接近時(shí)，再根據(jù)原工藝參數(shù)繼續(xù)生產(chǎn)。

3.9 爆米花問題的控制

在多晶硅還原生產(chǎn)中，電流要平穩(wěn)提升;要對窺視孔清晰度隨時(shí)觀察，如果在視鏡中出現(xiàn)無定形硅沉積問題，將會(huì)使遠(yuǎn)傳溫度控制不準(zhǔn)，同時(shí)會(huì)造成爐內(nèi)溫度比正常溫度為高。這時(shí)，現(xiàn)場工作人員可對爐內(nèi)硅棒狀況進(jìn)行目測，并及時(shí)向主控操作室進(jìn)行反饋，使電流值得到有效控制。

4 結(jié)論

多晶硅是光伏產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)材料，其生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)量對人們的生活及生產(chǎn)具有重大影響。在生產(chǎn)多晶硅過程中，工作人員應(yīng)對生產(chǎn)流程及生產(chǎn)工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，在此基礎(chǔ)上對還原生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析和總結(jié)，采取相應(yīng)措施避免這些問題的出現(xiàn)，以便為多晶硅的還原生產(chǎn)過程提供質(zhì)量保證，促進(jìn)多晶硅生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的健康、有序、穩(wěn)定而長遠(yuǎn)的發(fā)展。

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