多晶硅還原爐U-I曲線計算與分析

志國

(1.新疆東方希望新能源有限公司，新疆昌吉，831799；2.華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西西安，710065；3.江蘇雙良新能源裝備有限公司，江蘇江陰；214444)

生產(chǎn)與應(yīng)用

多晶硅還原爐U-I曲線計算與分析

楊楠1楊志國2詹水華3趙建3

(1.新疆東方希望新能源有限公司，新疆昌吉，831799；2.華陸工程科技有限責(zé)任公司，陜西西安，710065；3.江蘇雙良新能源裝備有限公司，江蘇江陰；214444)

以18對棒多晶硅還原爐為研究對象，通過熱量平衡，分析了硅棒輻射散熱Q1，進(jìn)出氣相物料焓變Q2，以及反應(yīng)熱Q3，計算了不同生長階段還原電源系統(tǒng)需要供給的總功率P。同時結(jié)合多晶硅的電阻特性和歐姆定律，得到18對棒多晶硅還原爐的U-I曲線。在此基礎(chǔ)上分析了還原爐內(nèi)壁黑度ε2、硅棒表面溫度T1、SiHCl3的進(jìn)料曲線和硅棒長度l等對U-I曲線的影響。最后與實際運(yùn)行過程中的U-I曲線進(jìn)行了對比分析。本文結(jié)果可以直接作為18對棒多晶硅還原爐電源系統(tǒng)的U-I曲線，分析過程和計算方法也可為其他類型的多晶硅還原爐U-I曲線設(shè)計提供參考。

多晶硅 還原爐 U-I曲線

在改良西門子法制備多晶硅工藝過程中，還原爐配套電源系統(tǒng)為硅棒自身電阻性發(fā)熱提供能量，維持硅棒表面溫度≥1000℃左右，SiHCl3和H2發(fā)生化學(xué)氣相沉積反應(yīng)生成多晶硅。多晶硅在生長過程中，硅棒直徑從細(xì)變粗，電阻逐漸變小，所以電源系統(tǒng)所供給的功率不僅要滿足還原爐的熱量需求，其電壓U和電流I還要在很大范圍內(nèi)可調(diào)。U-I曲線作為還原電源系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)，對電氣調(diào)功系統(tǒng)和變壓器的設(shè)計和選型都至關(guān)重要。U-I曲線受還原爐結(jié)構(gòu)型式、工藝運(yùn)行參數(shù)以及硅棒的電阻特性等多重因素影響。目前國內(nèi)基本依靠經(jīng)驗，缺乏從理論上提出U-I曲線的公式或模型，使得新型還原爐在電源系統(tǒng)設(shè)計時與實際存在較大偏差，影響還原爐的正常運(yùn)行和效率。本文從還原爐內(nèi)熱量平衡分析入手，以18對棒多晶硅還原爐為研究對象，計算了硅棒輻射散熱Q1，進(jìn)出氣相物料焓變Q2，反應(yīng)熱Q3以及還原電源所需供給的總功率P。結(jié)合多晶硅棒負(fù)載的電阻特性和歐姆定律，得到18對棒多晶硅還原爐的U-I曲線。同時還討論了還原爐內(nèi)壁黑度ε2、硅棒表面溫度T1、SiHCl3的進(jìn)料曲線以及硅棒高度等對U-I曲線的影響，并與實際運(yùn)行的還原爐U-I曲線進(jìn)行了對比和分析。

1 還原爐熱量平衡及負(fù)載電阻特性

1.1 還原爐熱量平衡

多晶硅還原爐的熱量平衡如圖1所示。

圖1 還原爐熱量平衡分析

還原電源系統(tǒng)為還原爐提供能量來源，通過硅棒自身電阻性發(fā)熱維持硅棒表面熾熱的反應(yīng)溫度。還原電源所提供的功率P被三個方面所消耗：

(1)Q1，硅棒對還原爐內(nèi)壁面的輻射散熱，這部分熱量被還原爐壁的冷卻介質(zhì)帶走，包括徑向輻射熱量Q12，和橫梁對封頭的輻射熱量Q13。

(2)Q2，反應(yīng)前后進(jìn)、出還原爐的氣體介質(zhì)由于溫變導(dǎo)致的焓變。

(3)Q3，反應(yīng)熱，包括多晶硅沉積以及其他氣相過程在反應(yīng)溫度下的反應(yīng)熱。

1.2 還原爐硅棒負(fù)載的電阻特性

還原爐硅棒根據(jù)數(shù)量和排列情況，可以劃分成若干組，每組硅棒采用串聯(lián)方式接入還原電源。對于18對棒多晶硅還原爐，還原變壓器三相負(fù)載均由6對串聯(lián)硅棒組成，三相電壓U和電流I均采用可控硅層疊控制，如圖2。

圖2 變壓器單相硅棒負(fù)載示意圖

還原電源所輸出的總功率為P=3·U·I。當(dāng)P=Q1+Q2+Q3，還原爐內(nèi)能量達(dá)到平衡，則硅棒表面的溫度維持恒定。當(dāng)P>Q1+Q2+Q3，則硅棒表面溫度升高；反之硅棒表面溫度降低。

由歐姆定律，

R=U/I=4σ·L(π·D2)

可得到1400K時，硅棒負(fù)載的電阻特性曲線如圖3。

(1400K，σ=0.0738535Ω·mm[2]，l=6*5830mm)圖3 硅棒負(fù)載電阻特性曲線

2 還原電源總功率計算與結(jié)果

2.1 Q1計算與結(jié)果

18對棒多晶硅還原爐，電極孔排布按3層同心排列，由內(nèi)到外，電極孔對數(shù)分別為3、6和9，每層電極孔中心距為230mm。硅芯高度為2800mm。還原爐硅棒表面溫度T1為1400K，還原爐內(nèi)壁溫度T2為450K。還原爐硅棒對爐壁直筒的徑向熱輻射，以及橫梁對頂部封頭的熱輻射，如圖4。依據(jù)文獻(xiàn)[1]所述方法，計算出18對棒還原爐徑向熱輻射和頂部熱輻射角系數(shù)。

(a )徑向輻射 (b) 頂部輻射圖4 硅棒徑向和頂部輻射示意圖

根據(jù)輻射傳熱公式，

其中C12可按下式計算[3]，

得到18對棒還原爐徑向熱輻射Q12、頂部熱輻射Q13以及總輻射散熱Q1，結(jié)果如圖5。

圖5 還原爐熱輻射計算結(jié)果

2.2 Q2、Q3計算與結(jié)果

Q2和Q3的大小主要與進(jìn)料曲線和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程有關(guān)。根據(jù)實際情況，18對棒還原爐的多晶硅收率(對進(jìn)料SiHCl3)基本在10%左右，按多晶硅恒定生長速率的進(jìn)料曲線FTCS=23.109·D。氫氣摩爾配比按4.0計。采用ASPEN plus對Q2和Q3進(jìn)行計算，其流程如圖6。

圖6 還原爐Q2和Q3計算示意圖

SiHCl3和H2的混合進(jìn)氣溫度150℃，其中10%的氣體流量先經(jīng)E2加熱并在RStioc反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化成多晶硅，氣相與另外90%的進(jìn)料氣(經(jīng)E1預(yù)熱)一起進(jìn)入RGibbs反應(yīng)器并達(dá)到氣相平衡。E1和E2的換熱量之和即Q2，RStoic和RGibbs的反應(yīng)熱之和即Q3。圖7為在相應(yīng)進(jìn)料量情況下，不同硅棒直徑所對應(yīng)的Q2和Q3。

圖7 還原爐Q2和Q3計算結(jié)果

2.3 還原電源總功率P計算結(jié)果

還原電源總功率P=Q1+Q2+Q3。根據(jù)前面的計算，P的結(jié)果如圖8。

圖8 總功率P的變化曲線

3 U-I曲線結(jié)果與討論

3.1 18對棒還原爐U-I曲線結(jié)果

根據(jù)三相總功率P=3·U·I和電阻R=U/I，可得P·R=3·U2，P/R=3·I2。在不同硅棒直徑時，單相硅棒負(fù)載的電壓U和電流I變化如圖9。

從圖9可見：

(1)電壓U在整個多晶硅沉積過程中一直呈下降趨勢。從初始2124V(Φ10mm)迅速降低1440V(Φ20mm)，后隨著硅棒直徑增加，下降幅度減緩，最終降至334V(Φ160mm)。

(2)電流I在整個多晶硅沉積過程中一直呈上升趨勢，與硅棒直徑變化基本呈直線關(guān)系。在初始(Φ10mm)時電流I為64.6A，后隨著硅棒直徑增加，最終達(dá)到2603A(Φ160mm)。

(3)U-I曲線越高(在相同電流I下，電壓U越高)，還原爐所消耗的功率P越大。

圖9 18對棒還原爐U-I曲線

U-I曲線本質(zhì)上與時間是無關(guān)的，U-I曲線的形態(tài)和還原爐內(nèi)幾何結(jié)構(gòu)，進(jìn)料曲線，溫度和黑度等因素有關(guān)。

3.2 爐壁黑度ε2對U-I曲線的影響

多晶硅還原爐內(nèi)壁表面拋光成鏡面效果，可以提高其光潔度和光亮度，減小黑度，增加輻射率。但在多晶硅沉積過程中，存在微硅粉等在內(nèi)壁粘附和氣流沖刷等，都會降低內(nèi)壁的鏡面級，使黑度增加。圖10為不同爐壁黑度對U-I曲線的影響。

圖10 還原爐內(nèi)壁黑度ε2對U-I曲線的影響

從圖10可見，隨著爐壁黑度降低，U-I曲線降低，能耗也隨之降低。同時可見，啟動電壓也大幅度降低，硅棒直徑最大時所對應(yīng)的電流I和電壓U均降低。文獻(xiàn)[4,5]通過對爐內(nèi)壁進(jìn)行拋光處理，還原電耗分別降低22.24%和12%。

3.3 硅棒表面溫度對U-I曲線的影響

根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的輻射力與溫度的四次方成正比。圖11為硅棒表面溫度對U-I曲線的影響。

圖11 硅棒表面溫度對U-I曲線的影響

從圖11可見，隨著硅棒表面溫度降低U-I曲線也隨之降低。同時，硅棒直徑最大時所對應(yīng)的電流I亦大幅度減小。雖然降低硅棒溫度對降低U-I曲線和能耗有利，但考慮到溫度降低，硅棒電阻率增大以及影響爐內(nèi)多晶硅表面沉積反應(yīng)變慢，所以硅棒表面溫度的調(diào)節(jié)應(yīng)綜合考慮。

另外由于硅棒表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于還原爐內(nèi)壁溫度，所以硅棒表面溫度變化對U-I曲線產(chǎn)生影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)壁溫度變化。

3.4 不同進(jìn)料曲線對U-I曲線的影響

SiHCl3的進(jìn)料曲線，包括氫氣摩爾配比對U-I曲線的影響主要體現(xiàn)在對Q2和Q3的影響上。目前對SiHCl3的進(jìn)料曲線的研究，國內(nèi)缺乏從流場、溫度場以及化學(xué)反應(yīng)等因素著手進(jìn)行理論研究，未見成熟的公式或模型，仍靠實踐經(jīng)驗摸索獲得。

圖12為國內(nèi)三種比較典型的進(jìn)料曲線。圖13為三種進(jìn)料曲線所對應(yīng)的U-I曲線。

圖12 SiHCl3的三種進(jìn)料曲線

圖13 三種進(jìn)料曲線對U-I曲線的影響

從圖13可見，進(jìn)料曲線A斜率最小，SiHCl3的提量速度最慢，所對應(yīng)的UI曲線最低；其次為進(jìn)料曲線B，最高為進(jìn)料曲線C。如果實際生長過程中，在相同的時間內(nèi)，沉積的多晶硅質(zhì)量相同，則采用進(jìn)料曲線A電耗最低。

3.5 硅棒高度對U-I曲線的影響

硅棒長度增加，l增加，負(fù)載電阻增大。根據(jù)歐姆定律，U-I曲線升高。圖14為硅棒高度為2600mm、2800mm和3000mm時的U-I曲線。

圖14 硅棒高度對U-I曲線的影響

另外，單相串聯(lián)的硅棒對數(shù)越多，如24對棒，單相串聯(lián)8對硅棒，U-I曲線的變化趨勢與硅棒高度增加是一致的，均可按增加后的l代入計算。

3.6 與實際運(yùn)行的U-I曲線對比

圖15為18對棒多晶硅還原爐實際運(yùn)行的U-I曲線與計算所得的U-I曲線的對比。

圖15 實際運(yùn)行與計算U-I曲線的對比

從圖15可見，計算獲得的U-I曲線與實際運(yùn)行的18對棒多晶硅還原爐U-I曲線在趨勢上是一致的，但存在一些不同之處，主要原因是：

(1)還原爐在最初啟動時，為降低初始電壓，還原電源系統(tǒng)將6對硅棒采用2組并聯(lián)的方式進(jìn)行連接，所以在電流較小時，實際運(yùn)行U-I曲線在“并轉(zhuǎn)串”前存在電壓折半的現(xiàn)象。

(2)在電源系統(tǒng)“并轉(zhuǎn)串”之后，電流低于約1000A前，實際運(yùn)行的U-I曲線高于計算值，這是因為實際運(yùn)行中，SiHCl3采用了類似進(jìn)料曲線C的進(jìn)料方式，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于計算采用的進(jìn)料曲線A，Q2和Q3比計算值大所致。

(3)在電流1000A以后，實際運(yùn)行的U-I曲線低于計算值，這因為實際運(yùn)行中后期，為了避免氣相分解產(chǎn)生無定型硅，人為將硅棒表面溫度降低所致。

(4)計算所得到的U-I曲線，最大值電流值比實際運(yùn)行的最大電流值要大，主要是因為計算采用的硅棒最大直徑為Φ160mm，而實際只有Φ140mm。

4 結(jié)論

根據(jù)還原爐熱量平衡和多晶硅棒電阻隨時間的變化特性，計算了18對棒多晶硅還原爐U-I曲線，結(jié)果與實際吻合較好，可直接用于18對棒多晶硅還原爐電源系統(tǒng)的設(shè)計。硅棒溫度、爐壁黑度、進(jìn)料曲線和硅棒高度(或單相所串聯(lián)硅棒對數(shù))等對U-I曲線的影響較大。本文分析和計算方法可供其他類型多晶硅還原爐U-I曲線設(shè)計時參考。

本文符號說明：

U：還原爐單相硅棒負(fù)載的電壓，V；

I：還原爐單相硅棒負(fù)載的電流，A；

R：單相電阻，Ω；

T1：硅棒表面溫度，K；

T2：爐筒內(nèi)表面溫度，K；

N：還原爐硅棒分組數(shù)；

σ：硅棒電阻率，Ω ·mm；

l：一對硅棒負(fù)載總長度，mm；

L：單相串聯(lián)硅棒總長度，即6*l，m；

P：還原電源輸出總功率，kW；

Q1：還原爐輻射散熱，kW；

Q12：還原爐徑向輻射散熱，kW；

Q13：還原爐頂部輻射散熱，kW；

Q2：還原爐氣相進(jìn)出因溫變引起的焓變，kW；

Q3：還原爐反應(yīng)熱，kW；

C0，黑體輻射系數(shù)，5.67W/m2·K4；

C12，硅棒對壁面的總輻射系數(shù)，W/m2·K4；

ε1：硅棒表面黑度；

ε2：還原爐內(nèi)壁黑度；

φ：角系數(shù)，包括硅棒對徑向和頂部；

S：輻射體發(fā)熱面積，包括豎直硅棒和橫梁，m2；

FTCS：SiHCl3進(jìn)料量，kg/hr。

[1] 楊楠,楊志國.多晶硅棒對還原爐徑向熱輻射的角系數(shù)計算與分析[J].工業(yè)加熱,2017(2):10-13.

[2] 楊楠,詹水華,王劭南. 還原爐內(nèi)熾熱多晶硅電阻率的測定與計算[J]. 云南化工,2017(7)：82-84.

[3] 余其錚.輻射換熱原理[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000:230.

[4] 李文強(qiáng),王秉琳,王琪.還原爐鐘罩鏡面拋光對多晶硅生產(chǎn)節(jié)能的影響[J].電鍍與涂飾,2015(24) :1415-1419.

[5] 張建平.多晶硅生產(chǎn)中能耗的分析及節(jié)能的途徑[J].工程技術(shù),2016 (5) :215-216.

CalculationofU-ICurveforPolysiliconCVDReactor

YangNan1,YangZhiguo2,ZhanShuiHua3,ZhanJian3

(1.XinjiangEasthopenewenergyCo.,Ltd,Changji831799,Xinjiang,China；2.HualuEngineeringTechnologyCoLtd,Xi’an710065,Shanxi,China;3.JiangSuShuangliangNewEnergyEquipmentCo.,Ltd,Jiangyin214444,Jiangsu,China)

According to the heat balance of the polysilicon CVD reactor with 18 pairs of rods, with different diameters of the silicon rods and the feeding quantites, the heat radiation of the silicon rods in CVD reactor is analysised, and the enthalpy, is calculated as well as the reaction heat. The totle power is getted. Considering the change of silicon rod resistance and diameter over time , U-I curve is obtained by Ohm's law. The result can be directly used to design the power supply system of the polysilicon CVD reactor with 18 pairs of rods. The method can be used to provide reference for other types of polysilicon CVD reactor.

CVD; reactor; U-I curve