多晶硅还原炉倒棒原因探讨

多晶硅还原炉倒棒原因探讨

王玉丽赵雪鹏

新特能源股份公司新疆乌鲁木齐830000

摘要：多晶硅作为一种重要的工业原料，在现代半导体工业和新能源领域有着广泛且重要的应用。目前，多晶硅多通过改良西门子法生产获得，在实际生产过程中，较容易发生还原炉倒棒现象，降低企业生产效益、威胁企业生产安全。本文通过系统的问题分析，总结出造成还原炉倒棒问题的原因主要有还原炉自身设备因素、硅芯安装质量因素、硅棒生长工艺控制因素三类，并根据不同问题成因的实际表现，针对性提出了相应的问题预防措施，以供相关人员参考。

关键词：多晶硅；还原炉；倒棒；原因；对策

多晶硅是制造各类半导体器件和集成电路相关太阳电池、单晶硅等基础产品的主要原料，在现代半导体工业和新能源领域，有着广泛且重要的应用。目前，世界范围内主要使用硅烷法和改良西门子法两种工艺技术生产多晶硅产品，其中改良西门子法凭借自身技术成熟、契合产业化生产要求等优势，得到了广泛应用，是现阶段进行多晶硅生产的首选工艺。就改良西门子工艺而言，还原炉是其核心设备，也是多晶硅生产主要反应的发生场所，如在还原炉中发生倒棒问题，将直接降低企业的生产效益，威胁企业的生产安全。因此，加强对还原炉倒棒问题成因的科学分析，并以此为基础，探讨相应的问题预防措施，具有重要的现实意义。

一、多晶硅倒棒问题概述及成因分析

（一）多晶硅倒棒问题概述

所谓多晶硅倒棒问题，具体是指“从还原炉内硅芯表面开始发生气相CVD沉积反应至预期直径的产品硅棒出炉的过程中，硅芯发生缓慢倾斜或头重脚轻或由于操作不当导致多晶硅棒在炉内最终倒塌断裂的现象。”

就多晶硅生产而言，还原炉倒棒是一种严重的生产工艺问题，尤其对于大型还原炉来说，发生还原炉倒棒不仅会降低企业的生产效益，还会威胁设备安全和连续生产安全，增加操作人员的劳动强度。如在硅棒沉积反应初始阶段发生还原炉倒棒问题，则操作人员只需要及时按照相关标准要求停车，待炉内条件恢复到开车条件，重新安装硅芯放弃既有硅芯，即可进行全新生产周期的操作；如在硅棒沉积反应后期发生还原炉倒棒问题，则会对整个工艺生产造成较为严重的影响和不良后果。由于沉降反应后期硅棒的体积较为庞大，发生倒棒问题时，较容易对设备造成损坏，不仅设备修复困难，工作量庞大，并且还可能由于设备损坏引发其他不必要的安全风险。

（二）还原炉发生倒棒的原因分析

1、还原炉设备自身因素分析

从还原炉设备自身因素的角度分析，导致还原炉倒棒问题的原因主要有进料气体分布装置设置不合理、硅芯质量不达标以及还原炉温度控制不当三点。其中，进料气体分布装置设置不合理具体是指炉内气体分布不均和还原炉自身进出气分布装置存在设计缺陷两点问题，受此影响，硅棒发生沉降反应过程中各位置受到的气流作用不均，温度控制也存在一定差异，故而导致倒棒问题的发生；硅芯质量问题则主要表现在长度和质量两个方面。硅芯长度越长则其重心越高，越难对其稳定性进行控制。同事，如硅芯的质量并不均匀，重心未与其几何中心重合，也容易造成还原炉倒棒问题；温度是多晶硅生产过程中重要控制的工艺参数，一般来说，还原炉内硅芯的表面温度在1040.0~1080.0℃范围内，如温度过高就会导致硅芯异常熔断，从而造成还原炉倒棒问题。

2、硅棒安装操作因素分析

从硅棒安装的角度分析，硅棒安装是否满足“横平竖直”的安装要求，也直接影响着还原炉内倒棒问题的发生情况。通常来说，只要在硅棒安装阶段存在微小的角度偏移，就可能在加压环节形成较大的偏移，从而导致硅棒倾斜直至倒棒问题的发生。

就硅棒安装操作实践而言，石墨夹头加工精度不足、操作工人安装操作不规范、以及还原炉内部硅芯衡梁搭接不规范等因素，都可能影响硅棒的实际安装质量，进而导致还原炉倒棒问题的发生。

3、硅棒生长控制因素分析

从硅棒生长控制的角度分析，温度控制、压力波动控制以及电流控制，都会影响硅棒的生产质量。首先，就温度控制而言，其直接影响着硅棒的生长质量，如还原炉内部温度高于硅芯熔点温度或接近硅棒熔点温度，就会加速硅芯熔断，造成还原炉倒棒问题；其次，还原炉内部的压力波动控制也是倒棒问题的主要影响因素。压力波动控制具体是指针对进出料阶段压力的控制，还原炉相关工艺操作属于非稳态操作，随着硅芯棒的增长其压力也会发生相应的变化，如压力波动过大，就会引发倒棒问题；最后，硅芯内部通过的电流也影响着硅芯的生长质量，其主要是通过影响硅芯的温度来控制硅芯的生长质量。

二、还原炉倒棒预防措施分析

综合以上还原炉倒棒因素分析，相关操作人员应从设备、硅芯安装以及硅芯生长控制三方面入手，综合加强多晶硅的生产质量控制，重点规范生产操作人员的操作行为，从根本上减少还原炉倒棒问题的发生概率，确保多晶硅产品的顺利生产。

三、结束语

综上所述，还原炉倒棒问题将直接降低多晶硅的生产效益和整个工艺的安全性水平。因此，相关生产企业和操作人员，应全面提高对还原炉倒棒问题的重视，从倒棒原因入手，加强多晶硅生产质量控制，以避免倒棒问题的发生，确保多晶硅生产的综合效益。

参考文献：

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[2]王倩.改良西门子法多晶硅还原炉倒棒研究[J].科技展望,2017(12).

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