還原爐內(nèi)多晶硅生長(zhǎng)速率控制方法研究

程 俊

(四川永祥新能源有限公司，四川樂山，614800)

1 多晶硅生長(zhǎng)速率對(duì)產(chǎn)業(yè)的影響

多晶硅生產(chǎn)過程中，還原生產(chǎn)電耗占據(jù)總電耗78%左右，還原用電成本占據(jù)總成本35%左右，所以生產(chǎn)速率的快慢直接影響多晶硅產(chǎn)量的發(fā)揮，也會(huì)直接影響生產(chǎn)電力消耗多少，從而影響總體生產(chǎn)成本。

如多晶硅生長(zhǎng)速率低，單位時(shí)間產(chǎn)出的多晶硅產(chǎn)品就少，并且還原電耗、綜合成本也會(huì)大幅上升；但如多晶硅生長(zhǎng)速率過快，也會(huì)造成以下嚴(yán)重影響：(1)生產(chǎn)速率快，硅棒生長(zhǎng)不致密，會(huì)產(chǎn)生大量珊瑚料，更嚴(yán)重者，硅棒表面會(huì)產(chǎn)生毛刺；(2)因前期生長(zhǎng)速率過快，硅棒疏松，縫隙深，電流通過能力差，導(dǎo)致硅棒中心局部過熱，產(chǎn)生融硅或者倒棒；(3)如過于加快硅棒生長(zhǎng)速率，刻意提高氣場(chǎng)溫度，就會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重霧化，產(chǎn)生大量無定形硅，容易對(duì)系統(tǒng)管道造成堵塞；同時(shí)硅棒表面附著大量低溫硅粉，造成硅棒產(chǎn)生夾黑脫層，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

因此，對(duì)于多晶硅生長(zhǎng)速率，需要綜合進(jìn)行考量，根據(jù)實(shí)際結(jié)果不斷調(diào)整。在能保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下從多方面進(jìn)行優(yōu)化控制，盡量逼近極限值，在電耗和質(zhì)量之間取得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

2 影響多晶硅生產(chǎn)速率的主要因素

還原爐內(nèi)多晶硅生長(zhǎng)原理為：來自精餾提純后的氯硅烷氣體與提純后的氫氣進(jìn)行混合，在高溫環(huán)境下發(fā)生反應(yīng)，析出氯硅烷中的硅元素，并依附在硅芯表面進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)，形成晶體硅。隨著硅芯表面不斷沉積，硅棒直徑不斷增加，直到達(dá)到出爐要求。在還原爐內(nèi)，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有很多種，據(jù)資料介紹，目前預(yù)估有80多種反應(yīng)存在，主要反應(yīng)包括以下兩種：

(1)

(2)

通過實(shí)驗(yàn)室觀察和實(shí)際生產(chǎn)過程驗(yàn)證，影響還原反應(yīng)和沉積速率的主要因素有：

2.1 物料配比

物料配比具體為三氯氫硅和氫氣配比，配比大小決定了還原爐內(nèi)三氯氫硅濃度。濃度越高，反應(yīng)越劇烈，沉積速度更快。

2.2 進(jìn)料中二氯二氫硅含量

經(jīng)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐證明，雖然在還原爐反應(yīng)尾氣中檢查出二氯二氫硅含量增加。但在進(jìn)料中，增加二氯二氫硅含量，非但不會(huì)抑制還原反應(yīng)，反而會(huì)因二氯二氫硅易分解的特性，加快還原爐內(nèi)氣相沉積反應(yīng)。在允許的范圍內(nèi)，提高二氯二氫硅濃度，還原爐內(nèi)氣相反應(yīng)明顯加劇，硅棒生長(zhǎng)速率明顯加快，但同樣爐內(nèi)霧化風(fēng)險(xiǎn)加大。

2.3 爐內(nèi)溫度

還原爐內(nèi)氣場(chǎng)溫度越高，三氯氫硅越容易分解，反應(yīng)速度越快。

2.4 硅棒表面積

硅棒表面積大小代表沉積反應(yīng)接觸面積大小，接觸面積越大，單位時(shí)間沉積的硅越多，硅棒重量增長(zhǎng)越快。同理，單臺(tái)還原爐內(nèi)硅棒數(shù)量和硅芯高度，同樣對(duì)硅棒表面積產(chǎn)生影響。硅芯數(shù)量越多，高度越高，表面積越大，硅棒生長(zhǎng)速率越快。

3 多晶硅生產(chǎn)速率評(píng)判依據(jù)和過程指標(biāo)選擇

多晶硅生產(chǎn)速率一般只能以最終結(jié)果進(jìn)行反推權(quán)衡，在運(yùn)行過程中無法準(zhǔn)確計(jì)量。以每一爐還原爐進(jìn)料運(yùn)行周期來衡算單位小時(shí)的平均沉積重量，通常以kg/h為單位。其中產(chǎn)生無定形硅粉因隨尾氣系統(tǒng)流失，無法準(zhǔn)確計(jì)量，一般未做考慮。比如單臺(tái)還原爐進(jìn)料運(yùn)行時(shí)間100小時(shí)，出爐硅棒重量為13噸，該爐次硅料生長(zhǎng)速率為130kg/h。但考慮到還原爐內(nèi)硅棒數(shù)量不同，可以平均到每對(duì)硅棒計(jì)算每小時(shí)沉積重量。如該爐為40對(duì)棒還原爐，則每對(duì)硅棒上的生長(zhǎng)速率為3.25kg/h。不同生產(chǎn)廠家對(duì)沉積速率的計(jì)算方式有所不同，但在同一規(guī)則體系下，沉積速率的大小直觀體現(xiàn)出該爐次運(yùn)行過程中，硅棒總體的生長(zhǎng)速率。其數(shù)據(jù)的變化對(duì)工藝調(diào)整方向有重大指導(dǎo)意義。在運(yùn)行過程中，硅棒尺寸大小無法實(shí)時(shí)測(cè)量判斷，反應(yīng)后氣體成分及比例也無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，故無法直接計(jì)算爐內(nèi)硅棒的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)速率，只能通過部分參數(shù)的變化情況來對(duì)爐內(nèi)反應(yīng)速率進(jìn)行判斷。通過大量數(shù)據(jù)的摸索，建立數(shù)據(jù)曲線模型，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與參照模型進(jìn)行比對(duì)，評(píng)價(jià)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況是否符合參照目標(biāo)。以下介紹通過還原爐硅棒電壓和通過尾氣溫度兩種評(píng)判爐內(nèi)生長(zhǎng)速率的方法。

3.1 通過硅棒電壓評(píng)判爐內(nèi)生長(zhǎng)速率的具體原理

還原爐內(nèi)熱量由電能提供。通過人為給定電流，由電氣系統(tǒng)根據(jù)硅棒電阻自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓，用電能在硅棒表面做功轉(zhuǎn)換成熱能，維持硅棒表面溫度在相對(duì)恒定范圍。硅棒的電阻隨著硅棒直徑的增加而減小，電氣系統(tǒng)輸出電壓隨之降低，通過對(duì)選定還原爐樣表電壓進(jìn)行比對(duì)，電壓下降速率快慢可反應(yīng)出該時(shí)間段硅棒直徑變化快慢，電壓下降速率越快，硅棒生長(zhǎng)速率越快，由此可將電壓下降速度作為該時(shí)間段硅棒生長(zhǎng)速率的評(píng)判依據(jù)之一，某爐型電壓下降趨勢(shì)圖見圖1。

圖1 某爐型還原爐硅棒電壓下降趨勢(shì)圖

3.2 通過尾氣溫度評(píng)判爐內(nèi)生長(zhǎng)速率的具體原理

電能提供的熱量，除提供給還原爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)吸收外，其余熱量通過還原尾氣和還原爐系統(tǒng)冷卻水帶走。通過對(duì)還原爐尾氣溫度變化跟蹤，查看其變化曲線內(nèi)容，可大致判定此時(shí)間段爐內(nèi)反應(yīng)激烈程度，尤其是當(dāng)刻意提高反應(yīng)速度，提高爐內(nèi)氣場(chǎng)溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)硅粉析出過快，無法全部沉積到硅棒表面，形成爐內(nèi)霧化。因尾氣內(nèi)硅粉含量高，吸熱較多，會(huì)看到尾氣溫度發(fā)生快速上漲。如過爐內(nèi)嚴(yán)重霧化，短時(shí)間內(nèi)尾氣溫度將出現(xiàn)暴漲的情況。同理，如尾氣溫度上升速度遠(yuǎn)低于參照目標(biāo)，也反應(yīng)出該時(shí)段硅棒生長(zhǎng)速率低于參照目標(biāo)，需要進(jìn)行調(diào)整，加快沉積速度。因此可通過尾氣溫度曲線與參照目標(biāo)曲線進(jìn)行對(duì)比，評(píng)判該時(shí)間段硅棒的生長(zhǎng)速率。同時(shí)結(jié)合出爐情況，不斷優(yōu)化參照目標(biāo)的內(nèi)容值，某爐型還原尾氣溫度變化曲線圖見圖2。

圖2 某爐型還原爐運(yùn)行中尾氣溫度變化趨勢(shì)圖

以筆者多年多晶硅還原生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，在還原爐內(nèi)單對(duì)硅棒沉積速率曲線大致如圖3，因爐型不一樣，具體數(shù)值會(huì)存在偏差。

圖3 某爐型還原爐硅棒表面沉積速率趨勢(shì)圖

4 多晶硅生長(zhǎng)速率的控制方法

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，在保證多晶硅內(nèi)在產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，多晶硅生產(chǎn)速率需要盡量提高，但不能超過爐內(nèi)霧化的警戒線。對(duì)于多晶硅生長(zhǎng)速率的控制方法，必須同時(shí)考慮相關(guān)的幾大因素。

4.1 控制進(jìn)料中二氯二氫硅濃度

目前太陽能級(jí)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)于還原工段，三氯氫硅進(jìn)料中二氯二氫硅濃度各不相同，但都基本控制在2%—5%范圍內(nèi)。濃度的大小也決定著進(jìn)料配比的選擇，濃度越大，氫氣的比例需要相應(yīng)提高；濃度降低，氫氣比例可適當(dāng)降低。但無論濃度高低，生產(chǎn)中都需保證濃度不能出現(xiàn)較大波動(dòng)，以避免造成反應(yīng)速率發(fā)生較大變化，導(dǎo)致反應(yīng)失控。

4.2 調(diào)整控制進(jìn)料配比

根據(jù)實(shí)踐，在不同時(shí)間段對(duì)進(jìn)料配比進(jìn)行調(diào)整，在還原爐運(yùn)行前期，爐內(nèi)氣場(chǎng)溫度較低，主要反應(yīng)為在硅棒表面附近發(fā)生的還原反應(yīng)，氫氣為反應(yīng)物，反應(yīng)配比可以適量降低，來保證氯硅烷濃度。隨著硅棒直徑增加，硅棒間距減小，爐內(nèi)熱輻射增強(qiáng)，氣場(chǎng)溫度增加，此時(shí)爐內(nèi)主要反應(yīng)為熱分解反應(yīng)，氫氣為副產(chǎn)物，此時(shí)對(duì)于氫氣濃度應(yīng)適當(dāng)提升，避免爐內(nèi)反應(yīng)過快，造成霧化。某爐型還原爐進(jìn)料配比圖見圖4。

圖4 某爐型還原爐進(jìn)料配比趨勢(shì)圖

4.3 調(diào)整控制電流給定

電流給定，始終要保證硅棒表面溫度維持在理想范圍，在生長(zhǎng)初期，硅棒表面溫度應(yīng)維持在1100℃左右；隨著硅棒生長(zhǎng)，在中后期，硅棒表面溫度應(yīng)適當(dāng)降低，維持在950—1000℃之間，以避免氣場(chǎng)溫度過高，三氯氫硅分解過快，同時(shí)避免硅棒內(nèi)部發(fā)生過熱熔斷。

4.4 調(diào)整控制進(jìn)料量

進(jìn)料量一般以氯硅烷的量來衡量，進(jìn)料量是影響生長(zhǎng)的重要因素。也是影響電流給定、溫度穩(wěn)定的重要因素。進(jìn)料量過大，會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)氣場(chǎng)溫度過低，同時(shí)氣流速度過快，降低反應(yīng)速率，也會(huì)影響表面沉積；進(jìn)料量過小，硅棒單位面積上反應(yīng)物濃度不足，也會(huì)影響硅棒生長(zhǎng)，同時(shí)進(jìn)料量過小，氣體流速不足，會(huì)導(dǎo)致氣體在還原爐頂部停留過長(zhǎng)，使硅棒橫梁溫度過高，造成橫梁熔斷。多晶硅生長(zhǎng)前期，考慮到硅芯間距大，爐內(nèi)熱輻射能量低，需控制進(jìn)料量，避免熱量流失大，同時(shí)避免因氣體流速過大，將硅芯吹到。進(jìn)料量的調(diào)整必須與電流和硅棒表面積增加速率及時(shí)進(jìn)行匹配。保證有充足濃度、充足含量的硅元素參與反應(yīng)，如料量不足，硅棒表面積增長(zhǎng)速度不夠，會(huì)進(jìn)一步減慢后續(xù)同一時(shí)間段內(nèi)的硅棒沉積速率。某爐型還原爐氯硅烷進(jìn)料趨勢(shì)圖見圖5。

圖5 某爐型還原爐氯硅烷進(jìn)料趨勢(shì)圖

5 結(jié)語

在多晶硅還原爐生產(chǎn)過程中，對(duì)于硅棒生長(zhǎng)速率，可以通過尾氣溫度、功率和電壓的變化情況進(jìn)行判斷。如要提高生長(zhǎng)速率，降低電耗，同時(shí)保證硅棒的內(nèi)在生長(zhǎng)質(zhì)量，就要結(jié)合多個(gè)因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)不同情況，對(duì)不同的變量因素進(jìn)行調(diào)整。最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量、質(zhì)量和消耗的最佳平衡。