多晶硅還原生產(chǎn)常見問題及控制對策分析

李帥東

（荊州理工職業(yè)學(xué)院，湖北 荊州 434000）

引言

光伏產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)代社會中的發(fā)展，多晶硅材料市場需求也與日俱增，極大推進了多晶硅行業(yè)的進步。多晶硅行業(yè)在發(fā)展進程中，進一步提高多晶硅生產(chǎn)質(zhì)量與效率，始終是行業(yè)發(fā)展所關(guān)注的問題。與此同時，多晶硅行業(yè)要想擴大生產(chǎn)規(guī)模，也不能單一的創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)，還需要針對多晶硅還原生產(chǎn)中的現(xiàn)存問題展開分析，提出多晶硅還原生產(chǎn)的控制對策，改善生產(chǎn)工藝，為多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量等提供保障。為此，本文針對多晶硅還原生產(chǎn)中的常見問題展開分析，提出還原生產(chǎn)問題的控制對策，希望以此提高多晶硅生產(chǎn)質(zhì)量。

1 多晶硅還原生產(chǎn)工藝概述

多晶硅生產(chǎn)中改良西門子法是其中一項西門子工藝，在1 100 ℃高純硅芯中，使用高純氫還原高純?nèi)葰涔?，硅芯上方完成多晶硅沉積在。這種改良西門子工藝，是以傳統(tǒng)西門子工藝為前提進行創(chuàng)新，具備節(jié)能降耗、可回收利用的特征，多晶硅生產(chǎn)期間同時有H2、HCl、SiCl4一類的副產(chǎn)物和副產(chǎn)熱能產(chǎn)生。使用這種改良西門子法，多晶硅生長階段多是在還原爐內(nèi)部操作完成。還原爐包括底盤、爐筒，其中底盤上有分布電極分布，常見的若干對棒還原爐即根據(jù)電極對數(shù)得名，例如常見的有24 對棒還原爐和36 對棒還原爐[1]。

還原爐底盤在多晶硅重量承載這一方面是不可或缺的部件，也負責(zé)承擔供電和物料進出、物料分布等，利用底盤的絕緣材料、冷卻介質(zhì)流通管路等，即可實現(xiàn)以上一系列操作功能[2]。還原爐爐筒對于多晶硅而言，也是非常必要的生長空間，還原爐爐筒高度、空間，都會對多晶硅實際產(chǎn)能、電耗指標等造成影響，利用爐筒視鏡、冷卻介質(zhì)進回路，便可達到溫度與多晶硅生長過程的實時監(jiān)測目的，并實現(xiàn)設(shè)備的冷卻。

2 多晶硅還原生產(chǎn)流程

多晶硅還原生產(chǎn)的第一步是裝爐，硅芯在底盤電極上安裝之后，利用石墨配件進行定位、固定。因為硅芯規(guī)格每個生產(chǎn)廠家的標準不同，所以高度通常在2.2 m～2.8 m 之間，截面以圓形、方形為主，直徑、邊長集中在8 mm～15 mm。安裝完硅芯后，爐筒、底盤需要緊固處理，隨之開始試壓，確定氮氣、氫氣置換滿足要求，可以切換到待啟狀態(tài)。正式開啟爐運行，還原爐內(nèi)部放置的硅芯，利用高壓擊穿保證硅芯導(dǎo)電發(fā)熱，溫度以1 050 ℃～1 100 ℃為準，經(jīng)過氫氣空燒后，SiHCl3汽化處理，H2根據(jù)相應(yīng)比例通入到還原爐的內(nèi)部，紅熱硅芯表面會產(chǎn)生氣相沉積反應(yīng)，約100 h 之后，會形成直徑為150 mm～180 mm 多晶硅棒[3]。此時可以停爐，利用冷卻、置換的方式，摘除硅棒可以得到多晶硅原料棒。隨之開始破碎包裝處理，形成最終的多晶硅產(chǎn)品。

多晶硅還原生產(chǎn)中使用的還原工藝，高純度三氯氫硅、氫氣，根據(jù)摩爾比例加以混合，并投入還原爐內(nèi)部。還原爐中產(chǎn)生的化學(xué)氣相沉積，是混合物料處于氣態(tài)條件時，通電加熱到指定溫度，在硅芯或是硅棒表面產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，即會在硅芯/硅棒表面形成固態(tài)硅沉積，也可以理解為原子范疇氣態(tài)傳質(zhì)。產(chǎn)生反應(yīng)之后硅芯或者硅棒直徑相應(yīng)增加，直到達到預(yù)定尺寸便會結(jié)束[4]。還原爐中的多晶硅沉積，其間存在一些影響因素，如還原爐結(jié)構(gòu)、硅棒布置方法、沉積溫度和爐內(nèi)壓力等，上述因素之間相互制約與影響，甚至直接決定了多晶硅沉積質(zhì)量、單位產(chǎn)品電耗。

3 多晶硅還原生產(chǎn)常見問題

3.1 硅芯表面與沉積硅黏合度差

多晶硅還原生產(chǎn)過程中，在出爐之后很有可能在硅芯、硅棒中間黏合度不夠，出現(xiàn)脫離的問題。導(dǎo)致此問題的原因在于硅芯酸洗時，沒有控制好酸洗力度，從而在硅芯表面生成了氧化層，降低黏合度[5]。

3.2 還原生產(chǎn)有硅油產(chǎn)生

開始多晶硅還原生產(chǎn)后，“硅油”往往比較常見，特別是還原爐內(nèi)部溫度不是很高的位置產(chǎn)生沉積，例如窺視孔石英片、底盤、噴口、爐筒等。當出現(xiàn)“硅油”之后，會損失硅化合物，這是降低多晶硅生產(chǎn)實收率的直接原因。窺視孔石英片發(fā)生硅油沉積，還會降低鏡片的清晰度，增加測溫與觀察、爐溫調(diào)節(jié)的難度，甚至?xí)构璋魷囟犬惓Ｉ?，繼而發(fā)生硅棒燒斷捧的現(xiàn)象[6]。硅油吸水性非常強，拆爐階段發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)有大量硅油生成，硅油吸收空氣中的水分，并使內(nèi)部的鹽酸脫離，由此便會腐蝕設(shè)備，情節(jié)嚴重的話還會造成自燃、爆炸。

3.3 生成大量無定形硅

一些多晶硅生產(chǎn)企業(yè)為了達到降低能耗、提高產(chǎn)量的目的，很多情況下并不是重視無定形硅，所以在多晶硅生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生很多無定形硅。根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)形成無定形硅的原因，其一是三氯氫硅反應(yīng)溫度與還原爐內(nèi)部生產(chǎn)功率不高，直接提高了沉積速度，從而產(chǎn)生無定形硅；其二是物料內(nèi)包含的二氯硅烷較多。進入到多晶硅還原生產(chǎn)后期，若是控制溫度范圍比較高，將會使爐內(nèi)能見度驟然降低，此時視鏡將會變黑，可見度不高。

3.4 生產(chǎn)中出現(xiàn)倒棒現(xiàn)象

開始多晶硅還原生產(chǎn)之后，倒棒問題相對常見。還原生產(chǎn)的前期尤其會導(dǎo)致倒棒現(xiàn)象，當發(fā)現(xiàn)該問題后，工作人員便需要馬上更換硅芯，這就涉及還原爐的反復(fù)拆裝，面臨諸多困難[7]。引發(fā)倒棒問題的原因，一般是在安裝硅芯時沒有調(diào)整到垂直狀態(tài)，而且硅芯均勻性差、橫梁搭接不理想、電流過快，從而引發(fā)了熔斷。

3.5 硅棒有氧化夾層存在

多晶硅還原生產(chǎn)過程中，多晶硅原料中混入氧、水汽等，將會引發(fā)原料氧化、水解現(xiàn)象，硅棒上方附著SiO2，且形成氧化層，氧化層上方還會有沉積硅發(fā)生沉積，這是形成氧化夾層的重要原因，多晶硅進行單晶硅的拉制時，還會有很大概率出現(xiàn)“硅跳”。

3.6 硅棒存在裂紋

還原生產(chǎn)進行到后期，或者停爐階段，若多晶硅物料配比不合理，電流升降速度過快，或者物料流量發(fā)生大幅度波動，便會直接硅棒上方產(chǎn)生裂紋。

3.7 高溫條件下還原爐水管發(fā)生震動

處于高溫套件下，還原爐水管振動一方面會增加工作人員的操作難度，一旦震動過強，甚至?xí)构艿辣匕l(fā)生脫落，或者管道結(jié)構(gòu)與附件受損，彎頭、焊縫之間泄漏，產(chǎn)生上述問題將有很大概率發(fā)生爆炸，威脅工作人員的人身安全。還原爐內(nèi)部的高溫水系統(tǒng)壓力、溫度是還原爐運行穩(wěn)定性的重要影響，若發(fā)生爆管、高溫水泄漏等問題，即便馬上采取處理措施，也無法馬上控制住事故，繼而造成嚴重的損失。

3.8 因電壓擊穿導(dǎo)致橫梁和硅芯產(chǎn)生亮點

多晶硅的還原生產(chǎn)，一般會在硅芯上產(chǎn)生亮點，其原因在于硅芯、橫梁或者是石墨卡瓣的接觸不強，例如硅芯安裝與標準要求不符，硅芯加工過程中和石墨接觸位置錐度匹配度不足，石墨、石墨卡瓣在加工環(huán)節(jié)存在不足。

3.9 因硅棒高速生長產(chǎn)生爆米花現(xiàn)象

實際上多晶硅還原生產(chǎn)過程中，爆米花現(xiàn)象是一項必然問題，原因在于硅棒的生長速度比較快，或者是爐內(nèi)部的溫度過高。

4 多晶硅還原生產(chǎn)問題的控制對策

4.1 控制硅芯和沉積硅之間黏合度

因為硅芯、沉積硅之間的黏合度差，原因與硅芯酸洗不到位有關(guān)，所以在多晶硅還原生產(chǎn)過程中，對于硅芯加工，建議適當延長硅芯酸洗時間，或是定期更換洗滌酸液，保證酸洗效果。

4.2 控制硅油的產(chǎn)生

經(jīng)過多晶硅還原生產(chǎn)地分析，發(fā)現(xiàn)硅油一般是在還原爐內(nèi)部溫度不高的位置產(chǎn)生。所以組織生產(chǎn)期間，需要控制好爐筒內(nèi)的溫度，以免形成產(chǎn)生硅油的條件。與此同時，還原生產(chǎn)過程中還可以控制爐筒冷卻熱水溫度，確保爐筒溫度始終處于可控范圍。一般在停爐之前，需要提前降低冷卻水流量，達到提高爐筒內(nèi)部溫度的效果，使硅油能夠盡量揮發(fā)。

4.3 控制大量無定形硅

以免在多晶硅還原生產(chǎn)使產(chǎn)生大量的無定形硅，建議分別從控制系統(tǒng)、進料這兩個維度分別采取控制方法?？刂葡到y(tǒng)方面，自動控制系統(tǒng)應(yīng)該精準控制溫度數(shù)值，按照多晶硅還原生產(chǎn)現(xiàn)場實際觀察到的情況做出調(diào)節(jié)，加強溫度控制的合理性和有效性[8]。進料控制方面，工作人員需要控制好進料時間，通常硅芯加熱時，務(wù)必要達到相應(yīng)的溫度標準方可進料，進料的同時還需要穩(wěn)定提升硅棒電流，以免發(fā)生電流忽高忽低的現(xiàn)象。期間避免物料進爐流量有明顯波動，若是發(fā)生突然斷電、停爐等問題，必須馬上停止進料。

4.4 控制倒棒現(xiàn)象

多晶硅倒棒問題的控制，建議持續(xù)優(yōu)化還原爐工藝參數(shù)，加強爐內(nèi)熱場的均衡性和爐內(nèi)氣流的穩(wěn)定性。安裝硅芯也非常重要，電極頭、石墨卡瓣必須固定好，而且硅芯、卡瓣之間還需要檢查接觸性。另外，工作人員應(yīng)該隨時觀察還原爐內(nèi)部硅棒的生產(chǎn)情況，監(jiān)督爐溫、電流，如果發(fā)現(xiàn)硅棒存在裂紋的趨勢，必須馬上予以控制，修復(fù)硅棒上的裂紋。停爐時調(diào)整電流速度，尤其是在斷電之后注意爐筒不能過早切斷高溫冷卻水，以免硅棒發(fā)生脆裂現(xiàn)象。

4.5 控制硅棒內(nèi)氧化夾層

針對硅棒內(nèi)氧化夾層的控制，建議采用取樣檢測的方法，控制入爐氫氣含水量、含氧量、純度等參數(shù)。加熱硅芯之前，必須完全置換爐內(nèi)空氣，沖洗爐筒建議使用高溫水，清除爐筒殘留水分。正式開爐之前，全面檢查窺視孔以及其他設(shè)備，確保設(shè)備密封性能。

4.6 控制裂紋

通常電壓、電流信號遠傳時，自動化控制系統(tǒng)的監(jiān)控會對其造成直接影響，如果發(fā)生異常，系統(tǒng)也可以及時發(fā)現(xiàn)，迅速發(fā)出預(yù)警，通知工作人員處理。工作人員利用窺視孔觀察裂紋的程度，對于裂紋的控制，建議減少物料量，或者可以控制電流升降速度，及時修復(fù)已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋。若裂紋沒有及時修復(fù)，則應(yīng)停爐進行處理。

4.7 控制高溫條件下還原爐水管的震動

還原爐通水的初期階段，爐內(nèi)所有空氣必須及時排出。高溫水管比較低的位置建議安裝排水閥，而相對高的位置則需要安裝排氣閥，排出管道內(nèi)部的氣體。當通水之后，必須精準控制上水壓、出水流量，確保冷熱水之間能夠勻速混合，監(jiān)督遠傳液體溫度、流量[9]。

4.8 控制電壓擊穿導(dǎo)致的橫梁和硅芯亮點

還原生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)硅芯上已經(jīng)有亮點產(chǎn)生，工作人員必須馬上開始控制爐內(nèi)物料流量、電流升高值，待亮點位置的沉積硅量滿足標準，而且顏色也與其他硅芯相似，便可按照還原工藝參數(shù)繼續(xù)多晶硅還原生產(chǎn)。

4.9 控制爆米花現(xiàn)象

多晶硅還原生產(chǎn)過程中的電流必須穩(wěn)定提升，而且窺視孔還要保證清晰，若視鏡上已經(jīng)觀察到無定形硅沉積，極有可能降低遠傳溫度控制準確性，更是會導(dǎo)致爐內(nèi)溫度異常升高。還原生產(chǎn)現(xiàn)場工作人員觀察爐內(nèi)硅棒的情況，將觀察所得情況與信息及時反饋給主控操作室，精準控制電流值。

5 結(jié)語

光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展中多晶硅是非常重要的原材料之一，實際上多晶硅在生產(chǎn)中需要注意的問題與要素比較多，而且這些問題的存在均會對多晶硅質(zhì)量與應(yīng)用的效能造成影響。為此，針對多晶硅還原生產(chǎn)，必須綜合分析期間可能存在的問題，并且提出有的放矢的控制對策，重點控制裂紋、爆米花問題、還原爐水管震動、硅油等的形成，同時合理設(shè)置參數(shù)，保證多晶硅還原生產(chǎn)效果滿足預(yù)期，在生產(chǎn)實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗，改進多晶硅還原生產(chǎn)工藝。