多晶硅無(wú)定型硅粉形成原因及控制

宋張佐

（云南能投化工有限責(zé)任公司，云南 昆明 650100）

0 前言

改良西門(mén)子法生產(chǎn)多晶硅工藝中多晶硅產(chǎn)品是三氯氫硅與氫氣在還原爐內(nèi)還原而來(lái)，主反應(yīng)機(jī)理如下[1-2]：

在還原爐中反應(yīng)生成的顆粒硅沉積在硅，芯上，生成棒狀多晶硅。但在還原運(yùn)行過(guò)程中，由于受到（物料中）二氯二氫硅含量變化、爐筒水溫、鐘罩清洗情況、尾氣管結(jié)硅及換熱情況、還原爐配比、溫度等多方面因素影響[3]，還原爐內(nèi)會(huì)產(chǎn)生無(wú)定型硅粉。無(wú)定型硅粉或懸浮在反應(yīng)氣流中，或沉積在還原爐基盤(pán)上。還原爐基盤(pán)上的無(wú)定型硅粉情況如圖1所示。

圖1 還原爐基盤(pán)上的無(wú)定型硅粉

由于還原過(guò)程都是控制人員按照既定的工藝曲線控制，判斷是否產(chǎn)生硅粉最直接的方法是觀察爐內(nèi)狀態(tài)。大量硅粉會(huì)使?fàn)t內(nèi)出現(xiàn)霧化現(xiàn)象，一旦發(fā)生霧化，若不及時(shí)調(diào)整參數(shù)，霧化會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。大量的無(wú)定型硅粉，對(duì)還原爐穩(wěn)定運(yùn)行、運(yùn)行過(guò)程控制、產(chǎn)品質(zhì)量、機(jī)泵設(shè)備壽命及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有致命影響。硅粉對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響方面主要表現(xiàn)在：霧化后的爐次在調(diào)整參數(shù)后若繼續(xù)運(yùn)行，就會(huì)產(chǎn)生夾層料（如圖2所示）；若立即停爐就會(huì)造成表面污染料或叫表面夾層料，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量，降低了銷售單價(jià)。對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)影響方面：可導(dǎo)致還原爐運(yùn)行過(guò)程缺相。無(wú)定型硅粉隨尾氣進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)，造成機(jī)泵類設(shè)備損害，管道堵塞，回收原料渾濁，影響產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備維護(hù)成本。堆積在基盤(pán)的無(wú)定型硅粉給取棒、基盤(pán)清理、潔凈空間控制、人員健康防護(hù)造成嚴(yán)重影響。因此，生產(chǎn)中減少還原爐無(wú)定型硅粉產(chǎn)生十分必要和迫切，并要以此為前提下，來(lái)平衡產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率、電耗等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

1 無(wú)定型硅粉產(chǎn)生原因分析

1.1 三氯氫硅熱分解產(chǎn)生

還原爐反應(yīng)溫度控制在950～1100℃。當(dāng)溫度＞1200℃，三氯氫硅與氫氣配比高時(shí)，三氯氫硅會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生硅粉。反應(yīng)機(jī)理如下[4]：

圖2 無(wú)定型硅粉夾層料

1.2 二氯二氫硅熱分解產(chǎn)生

二氯二氫硅熱分解也會(huì)產(chǎn)生硅粉。還原系統(tǒng)中二氯二氫硅的來(lái)源有兩方面，一是原料三氯氫硅中二氯二氫硅富集。二是在硅棒溫度控制偏低或氣場(chǎng)溫度偏低，在900～1000℃溫場(chǎng)內(nèi)三氯氫硅發(fā)生還原反應(yīng)和分解反應(yīng)產(chǎn)生二氯二氫硅（反應(yīng)式5～6）。還原爐運(yùn)行中后期，若硅棒溫度控制偏高，隨著硅棒直徑不斷增加，硅棒與硅棒間氣場(chǎng)空間越來(lái)越小，硅棒之間相互輻射熱量增加，導(dǎo)致還原爐爐內(nèi)氣場(chǎng)溫度增加，此時(shí)在900～1000℃的氣場(chǎng)溫度范圍內(nèi)，二氯二氫硅發(fā)生會(huì)熱分解反應(yīng)生成硅粉（反應(yīng)式9）。

1.3 還原爐熱場(chǎng)分布不均

多對(duì)棒還原爐電極為非同心圓分布，采用基盤(pán)邊緣出尾氣形式，加之中心噴嘴較小，噴嘴布置不合理，不利于熱場(chǎng)的均勻控制，中心熱量向外擴(kuò)散困難，造成熱場(chǎng)局部溫度高，極易霧化，產(chǎn)生大量無(wú)定型硅。

1.4 還原爐各參數(shù)控制不當(dāng)

還原爐參數(shù)控制不當(dāng)主要是工藝曲線不合理，體現(xiàn)在不同時(shí)期的進(jìn)料配比，最大電流、進(jìn)料量，電流、物料升幅等不能很好的與熱場(chǎng)進(jìn)行匹配，導(dǎo)致產(chǎn)生大量無(wú)定型硅粉。

2 無(wú)定型硅粉預(yù)防措施

2.1 消除硅粉產(chǎn)生前兆

還原爐產(chǎn)生大量無(wú)定型硅粉，出現(xiàn)在運(yùn)行中后期。該階段硅棒生成速率很快，氫氣與三氯氫硅配比減小，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)該密切關(guān)注爐內(nèi)情況，并主控關(guān)注尾氣溫度、電壓降幅、紅外測(cè)溫儀溫度、高溫水溫度等情況。硅粉產(chǎn)生有一些前兆，在前兆產(chǎn)生時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取措施可有效預(yù)防惡化?？赏ㄟ^(guò)查看運(yùn)行參數(shù)，來(lái)預(yù)測(cè)是否會(huì)產(chǎn)生無(wú)定型硅粉。運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)下列現(xiàn)象，即是硅粉產(chǎn)生前兆：通過(guò)主控觀察電壓平均下降持續(xù)超過(guò)5～10V；還原爐內(nèi)硅棒溫度持續(xù)快速上升；還原爐尾氣溫度持續(xù)上升；還原爐高溫冷卻水溫度持續(xù)下降；還原運(yùn)行時(shí)間至75h以后，還原爐視窗孔內(nèi)壁附著無(wú)定型硅粉持續(xù)增加，并慢慢附著在視鏡內(nèi)壁，視鏡開(kāi)始出現(xiàn)局部變黑（現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)視窗觀看）；還原爐內(nèi)視線模糊，爐內(nèi)石墨夾頭、噴嘴、隔熱環(huán)、尾氣過(guò)濾工裝等變模糊。一旦發(fā)現(xiàn)前兆，可通過(guò)以下措施來(lái)提前預(yù)防及處理：

1）觀察爐內(nèi)硅棒溫度。如果硅棒溫度偏高（泛白色或爆米花過(guò)多），此時(shí)應(yīng)停止升電流，密切觀察運(yùn)行。

2）檢查還原爐內(nèi)進(jìn)料配比，并適當(dāng)增加氫氣比三氯氫硅配比。逐步提升氫氣進(jìn)料幅度，根據(jù)運(yùn)行時(shí)段逐漸增加氫氣與三氯氫硅配比。

3） 可適當(dāng)降低電流。按照每30min降10～20A進(jìn)行調(diào)整，每個(gè)環(huán)電流降幅可根據(jù)電壓下降幅不同而不同，電壓降幅過(guò)大，電流降幅也要相應(yīng)增加。

4）適當(dāng)提升高溫冷卻水流量?？稍谠瓉?lái)的基礎(chǔ)上提高10t/h。

2.2 摸索與系統(tǒng)匹配的工藝曲線

合理的工藝曲線既能保證產(chǎn)品品質(zhì)，也能節(jié)能降耗。摸索出與系統(tǒng)匹配的工藝曲線后，系統(tǒng)產(chǎn)生硅粉情況能得到有效控制，具體可通過(guò)三階段進(jìn)行。

工藝階段：固定還原噴嘴布置，通過(guò)不同的配比，最大電流、物料，電流、物料升幅等摸索出霧化與非霧化的極限控制范圍。然后在范圍內(nèi)調(diào)整，在確?；P(pán)無(wú)硅粉的前提下，根據(jù)綜合指標(biāo)確定出一條合理的工藝曲線；工藝曲線可以根據(jù)各臺(tái)爐子的爐性確定不同的曲線。

熱場(chǎng)調(diào)整階段：初步固化電流、配比、物料及電流物料升幅，通過(guò)調(diào)整還原爐噴嘴布置，觀察基盤(pán)無(wú)定型硅粉產(chǎn)生情況和技術(shù)指標(biāo)情況，最終確定合理的噴嘴布置。

聯(lián)動(dòng)調(diào)整階段：根據(jù)前兩個(gè)階段的調(diào)試結(jié)果，本著基盤(pán)無(wú)硅粉，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)，氫氣消耗減少，以適應(yīng)因物料組份、冷卻水溫、鐘罩清洗等原因造成還原沉積質(zhì)量的改變而產(chǎn)生無(wú)定型硅粉、沉積質(zhì)量下降等問(wèn)題，以確保最終的沉積結(jié)果理想的原則進(jìn)行綜合調(diào)整。

2.3 嚴(yán)格控制系統(tǒng)中二氯二氫硅的含量

二氯二氫硅比三氯氫硅在系統(tǒng)中更容易分解為硅粉，其含量高低對(duì)還原系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行影響較大。生產(chǎn)中，可利用精餾塔對(duì)進(jìn)還原爐原料三氯氫硅進(jìn)行提純，專項(xiàng)除去二氯二氫硅，并將二氯二氫硅含量控制在5%以下。同時(shí)，在還原運(yùn)行過(guò)程中，要嚴(yán)格控制還原爐反應(yīng)溫度，以降低在還原過(guò)程中二氯氫硅產(chǎn)生的量。

2.4 消除尾氣管結(jié)硅

還原爐內(nèi)溫度長(zhǎng)期較高時(shí)，在基盤(pán)尾氣管處也存在結(jié)硅情況。管道結(jié)硅影響了系統(tǒng)換熱，尾氣不能及時(shí)被冷卻?；P(pán)周?chē)鷾囟容^高時(shí)，在基盤(pán)表面容易形成硅粉，故要通過(guò)調(diào)整還原爐溫度及時(shí)清除尾氣管結(jié)硅來(lái)控制硅粉。

2.5 調(diào)整硅芯尺寸優(yōu)化熱場(chǎng)分布

還原爐上方為鐘罩型，可將還原爐中圈和內(nèi)圈硅芯尺寸由2.6m調(diào)整為2.8m，外圈18對(duì)維持2.6m。通過(guò)開(kāi)爐實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硅芯加長(zhǎng)后，強(qiáng)化了爐筒頂部空間氣流更新，消除氣場(chǎng)不均勻，因而硅粉產(chǎn)生量得到了有效控制，同時(shí)對(duì)產(chǎn)量及各項(xiàng)指標(biāo)改善效果明顯。

3 結(jié)論

防止還原爐霧化的最有效措施，是提前預(yù)防調(diào)整。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重霧化時(shí)，已經(jīng)沒(méi)有調(diào)整空間及價(jià)值。但也不能為了不霧化，過(guò)度調(diào)整，那樣生產(chǎn)效率大大降低，能耗增加。還原爐霧化前兆不止一項(xiàng)，或者是短時(shí)間的跡象，需要通過(guò)多方面判斷。當(dāng)有霧化跡象發(fā)生時(shí)，需要密切關(guān)注。在確定有霧化跡象后，就應(yīng)該果斷調(diào)整預(yù)防。當(dāng)發(fā)生有霧化并采取措施調(diào)整后，需要密切關(guān)注各項(xiàng)指標(biāo)變化情況。通過(guò)指標(biāo)及現(xiàn)象來(lái)判定還原爐霧化控制的趨勢(shì)，若趨勢(shì)沒(méi)有變好，則需要改變調(diào)整幅度或頻率，否則就會(huì)出現(xiàn)無(wú)法控制或控制過(guò)渡。