多晶硅生产设备对产品外在质量影响

多晶硅生产设备对产品外在质量影响

邓韬李宏磊

新疆昌吉  831100

  摘要：随着科学技术不断发展，多晶硅应用范围也是不断的扩大，不仅能够在集成电路合成、太阳能装置制造和半导体的制备方面得到广泛应用，还可以用来制造单晶硅。但是就实际应用情况进行分析，多晶硅在化工领域的应用与国外先进国家相比，有着较大的差距，在实际加工中出现一些环境污染的问题。下面就基于作者实际工作经验，简要的分析多晶硅生产的节能降耗，希望对相关从业人员有所帮助。

        关键词：多晶硅；生产工艺；节能降耗

        前言：

        本文主要分析多晶硅化工生产工艺的特点，对多晶硅的化工生产现状，为如何实现多晶硅化工节能发展进行策略，更好的发挥出多晶硅在化工领域中的作用。

        1 多晶硅生产的特点分析

        多晶硅生产操作工艺主要包含了改良的西门子法、冶金法、硅烷热分解法、流化床法。在这些工艺中，西门子的工艺以其安全性能强、环保性能良好、技术成熟的特点被广泛的应用在多晶硅生产领域。西门子工艺还能够将还原炉排放的废弃物进行回收再利用，实现废弃物最优化和绿色化的加工处理。

        2 多晶硅化工节能生产技术工艺的应用

        2.1 实现优化处理还原工艺，降低还原电耗

        第一，开发多对棒还原炉。在技术的快速发展支持下，以往的还原炉从九对棒、十二对棒、十八对棒发展到当前的二十四对棒、三十六对棒甚至更大的炉型。多对棒还原炉的持续开发使用有效提升了多晶硅产品的单炉产量，并在最大限度上降低了整个系统的能耗。

        第二，改进硅芯热启动技术。等离子预热启动硅芯技术。通过对等离子体的加热来降低硅芯炉的电压和温度，从而在一定程度上节省能源消耗。实现对硅芯惨杂工艺的使用。通过在硅芯上惨杂B和P等元素来有效减少电导率，降低硅芯的启动电压和温度，从而达到节约能耗的发展目的。

        2.2 优化电控系统

        从多晶硅的实际生产情况来看，多晶硅在生产的过程中往往会消耗大量的电能资源。为了节省能源的消耗，需要根据工艺条件来优化和调节电流、电压，实现电流和电压的优化配置。

        第一，实现对TCS提纯操作流程的优化。TCS提纯操作能够有效去除B、P、C等金属和非金属杂质。常用的技术形式是多级精馏技术。为了能够减少精馏操作对能耗的需求，需要结合时代发展需要不断优化精馏技术形式。

        第二，加强对吸附技术的应用。这种吸附技术会在精馏操作的特定环节中增加吸附塔，让微量的B、P杂质和金属杂质被吸附剂吸附，由此提高产品氯硅烷的纯度。通过吸附技术，可以减少精馏塔的数量、降低精馏塔的高度，从而达到理想的提纯效果并且节约了投资和生产能耗。

        第三，加强对高效节能耦合技术的应用。在多级精馏操作中，利用第一个塔的再沸器和第二个塔的冷凝器进行耦合，可以降低蒸汽及循环水的用量；精馏塔的数量较多时，可以进行两两耦合，能显著降低精馏能耗，达到节能目的。

        第四，借助先进的技术形式优化精馏系统。通过采用科学合理的导向浮阀塔和高性能的填料来代替低效率的筛板塔；应用动静结合的模拟软件来优化蒸馏过程，从而达到理想的节能效果。

        2.3 提升氢气的综合利用率

        改良西门子法生产多晶硅工艺中，有部分H2会随着尾气或废气排出系统，造成H2浪费，如氢压机保护气、还原炉启炉时的置换气、吸附柱的再生气等，可以利用变压吸附技术将其排放的H2进行分离回收，降低多晶硅生产H2单耗，达到节能减排的发展目的。

        2.4 提升四氯化硅的综合利用率

        实现对氢化技术的优化。以往热氢化技术反应温度高，一般在1200℃左右，能耗较高，转化率较低。目前普遍使用冷氢化技术，应用流化床反应炉，降低反应温度，控制在500-530℃之间；提升反应压力，控制在2.5MPa到3MPa之间，SiCl4的转化率会提升到25%左右，节能效果显著。

2.5 实现对废弃物和废热的综合利用
        多晶硅在生产的时候会产生大量的废气，这些废气严重污染了环境。为了减少环境污染的发生，可以应用一些先进的技术形式来优化对废弃物的处理。比如通过废气焚烧的方式不仅能够有效回收二氧化碳、浓硫酸，而且还会利用产生的热量来进行结晶蒸发处理。另外，在多晶硅的生产环节还需要强化对废水的处理。第一，对酸性废水的处理。硅料加工中会产生酸性废水，可以与碱性废水中和后，实现循环使用；第二，含氯废水的处理。借助生石灰将废水的酸碱度调整到中性的状态，再将沉淀后的废水送入到搅拌器中，在其中加入适量的硫酸亚铁来去掉沉淀废水中的氯化物。
        2.6 打造光伏产业循环经济区
        在光伏产业循环经济区的打造能够充分利用当地的资源、能源、地域等优势来利用资源，比如利用周围的焦炉煤气、煤层气等来作为蒸汽燃料；利用周围电厂来提供蒸汽；利用产业园区的污水处理厂来提供再生水；以工业硅、多晶硅、单晶硅、太阳能电站等打造资源利用产业链。

        3 加强对多晶硅生产过程的控制
        3.1 工艺改进
        随着市场情况的不断变化，多晶硅生产需从铸锭方向转为单晶方向，提升产品品质，消除过程质量隐患，是生产企业发展的重点工作。从品质方面发展，首先需要在多晶硅生产现场进行洁净改善，必须保证洁净达标。在冷氢化、冷凝器、再沸器等大型设备方面，需要消除物料管线的漏点，防止物料被污染的情况出现，降低物料本身的碳含量、金属杂质含量。还原炉运行过程中，电耗为主要的成本指标，控制电耗也就是控制成本的根本手段，但是在提高生长速率，会导致硅棒本身出现内输松或者表面菜花的情况，所以在还原炉运行过程中，需要提升多晶硅棒的致密度，而在硅棒拆炉过程中需要完善吸尘系统，防止硅粉污染硅棒，造成表面金属杂质含量高的情况出现。在后期物料处理时，要保证产品质量的前提下，应尽量提高物料处理速率，减少产品滞留时间，防止产品出现二次污染。多晶硅产品生长、周转、分选、入库、存储等过程中要尽可能优化处理流程，杜绝不必要的操作，降低污染物料的因素。
        多晶硅生产过程中，重点部分仍然是还原生产，其主体原理为在还原炉内，用高纯三氯氢硅为原料，高纯氢气为辅助原料，在1080～1100℃高温下硅元素通过反应被分离，有一部分三氯氢硅直接通过热反应形成硅，通过两种反应得到的贵一同在已发热的硅芯上进行沉积。同时，在高温的条件下还会发生部分副反应。
        3.2 原料控制
        目前太阳能级多晶硅对所有指标中的三氯氢硅要求也不能统一，但对于杂质含量要求严格，其主要杂质P、B含量如果偏高，则在高温的条件下将会发生P、B析出的副反应，通过反应出的P、B将附着在硅棒中，这部分元素将严重影响多晶硅的指标—电阻率。而其与P、B等物质的反应归于气相反应，P、B、As、Sb等的反应物浮在气相中，其他在炉内不还原的一些重金属杂质，也浮在气相中，在SiHCl3、H2往载体上扩散时，载体上被这些漂浮的杂质附着，进而影响多晶硅质量。
        干法回收氢中氧气、氮气、氯化氢、氯硅烷四种杂质，且其中的水含量却无法被检测，露点不可得知。高纯多晶硅产品质量会被这部分杂质造成严重的影响，该批次的多晶硅产品电率就会出现下降的情况。
        3.3 过程管控
        通过实验以及生产实际结合，证明在900～1000℃间，SiHCl3的反应模式主要为热分解，而1080～1200℃间主要为还原反应，相比而言达到1200℃以上的副反应以及逆反应则同步进行。虽然温度在1080℃以下同样会出现SiHCl3的还原反应，但温度属于这个区间还原反应生成的沉积硅则是不定形硅，并不是已经结晶完好的多晶硅。而还原温度若偏低时，会产生暗褐色的不定形硅或者出现夹层，行业内称此类现象称温度夹层。
        结束语：
        总而言之，光伏发电发展在一定程度上推动多晶硅加工制造，改良西门子法作为一种常用的加工方式，在科技的发展支持下多晶硅的生产方式变得更加多样，优化节能降耗的措施，希望更好的发挥其高效利用和环境保护的作用，实现我国化工行业稳定的发展。
        参考文献：
        [1]郑盛涛.多晶硅生产的节能降耗研究[J].化工设计通讯，2017，43（11）.
        [2]胥五一，危胜. 电子级多晶硅生产技术探讨[J]. 广州化工，2014，42（7）：20-22.doi：10.3969/j.issn.1001-9677.2014.07.008.