還原爐內多晶硅生長速率控制方法研究

程 俊

(四川永祥新能源有限公司，四川樂山，614800)

1 多晶硅生長速率對產業的影響

多晶硅生產過程中，還原生產電耗占據總電耗78%左右，還原用電成本占據總成本35%左右，所以生產速率的快慢直接影響多晶硅產量的發揮，也會直接影響生產電力消耗多少，從而影響總體生產成本。

如多晶硅生長速率低，單位時間產出的多晶硅產品就少，并且還原電耗、綜合成本也會大幅上升；但如多晶硅生長速率過快，也會造成以下嚴重影響：(1)生產速率快，硅棒生長不致密，會產生大量珊瑚料，更嚴重者，硅棒表面會產生毛刺；(2)因前期生長速率過快，硅棒疏松，縫隙深，電流通過能力差，導致硅棒中心局部過熱，產生融硅或者倒棒；(3)如過于加快硅棒生長速率，刻意提高氣場溫度，就會導致爐內發生嚴重霧化，產生大量無定形硅，容易對系統管道造成堵塞；同時硅棒表面附著大量低溫硅粉，造成硅棒產生夾黑脫層，影響產品質量。

因此，對于多晶硅生長速率，需要綜合進行考量，根據實際結果不斷調整。在能保證產品質量的前提下從多方面進行優化控制，盡量逼近極限值，在電耗和質量之間取得最佳經濟效益。

2 影響多晶硅生產速率的主要因素

還原爐內多晶硅生長原理為：來自精餾提純后的氯硅烷氣體與提純后的氫氣進行混合，在高溫環境下發生反應，析出氯硅烷中的硅元素，并依附在硅芯表面進行結晶生長，形成晶體硅。隨著硅芯表面不斷沉積，硅棒直徑不斷增加，直到達到出爐要求。在還原爐內，發生的化學反應有很多種，據資料介紹，目前預估有80多種反應存在，主要反應包括以下兩種：

(1)

(2)

通過實驗室觀察和實際生產過程驗證，影響還原反應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三氯氫硅濃度。濃度越高，反應越劇烈，沉積速度更快。

2.2 進料中二氯二氫硅含量

經實驗和生產實踐證明，雖然在還原爐反應尾氣中檢查出二氯二氫硅含量增加。但在進料中，增加二氯二氫硅含量，非但不會抑制還原反應，反而會因二氯二氫硅易分解的特性，加快還原爐內氣相沉積反應。在允許的范圍內，提高二氯二氫硅濃度，還原爐內氣相反應明顯加劇，硅棒生長速率明顯加快，但同樣爐內霧化風險加大。

2.3 爐內溫度

還原爐內氣場溫度越高，三氯氫硅越容易分解，反應速度越快。

2.4 硅棒表面積

硅棒表面積大小代表沉積反應接觸面積大小，接觸面積越大，單位時間沉積的硅越多，硅棒重量增長越快。同理，單臺還原爐內硅棒數量和硅芯高度，同樣對硅棒表面積產生影響。硅芯數量越多，高度越高，表面積越大，硅棒生長速率越快。

3 多晶硅生產速率評判依據和過程指標選擇

多晶硅生產速率一般只能以最終結果進行反推權衡，在運行過程中無法準確計量。以每一爐還原爐進料運行周期來衡算單位小時的平均沉積重量，通常以kg/h為單位。其中產生無定形硅粉因隨尾氣系統流失，無法準確計量，一般未做考慮。比如單臺還原爐進料運行時間100小時，出爐硅棒重量為13噸，該爐次硅料生長速率為130kg/h。但考慮到還原爐內硅棒數量不同，可以平均到每對硅棒計算每小時沉積重量。如該爐為40對棒還原爐，則每對硅棒上的生長速率為3.25kg/h。不同生產廠家對沉積速率的計算方式有所不同，但在同一規則體系下，沉積速率的大小直觀體現出該爐次運行過程中，硅棒總體的生長速率。其數據的變化對工藝調整方向有重大指導意義。在運行過程中，硅棒尺寸大小無法實時測量判斷，反應后氣體成分及比例也無法進行實時監測，故無法直接計算爐內硅棒的實時生長速率，只能通過部分參數的變化情況來對爐內反應速率進行判斷。通過大量數據的摸索，建立數據曲線模型，將實時數據與參照模型進行比對，評價實時運行情況是否符合參照目標。以下介紹通過還原爐硅棒電壓和通過尾氣溫度兩種評判爐內生長速率的方法。

3.1 通過硅棒電壓評判爐內生長速率的具體原理

還原爐內熱量由電能提供。通過人為給定電流，由電氣系統根據硅棒電阻自動調節電壓，用電能在硅棒表面做功轉換成熱能，維持硅棒表面溫度在相對恒定范圍。硅棒的電阻隨著硅棒直徑的增加而減小，電氣系統輸出電壓隨之降低，通過對選定還原爐樣表電壓進行比對，電壓下降速率快慢可反應出該時間段硅棒直徑變化快慢，電壓下降速率越快，硅棒生長速率越快，由此可將電壓下降速度作為該時間段硅棒生長速率的評判依據之一，某爐型電壓下降趨勢圖見圖1。

圖1 某爐型還原爐硅棒電壓下降趨勢圖

3.2 通過尾氣溫度評判爐內生長速率的具體原理

電能提供的熱量，除提供給還原爐內化學反應吸收外，其余熱量通過還原尾氣和還原爐系統冷卻水帶走。通過對還原爐尾氣溫度變化跟蹤，查看其變化曲線內容，可大致判定此時間段爐內反應激烈程度，尤其是當刻意提高反應速度，提高爐內氣場溫度時，會導致爐內硅粉析出過快，無法全部沉積到硅棒表面，形成爐內霧化。因尾氣內硅粉含量高，吸熱較多，會看到尾氣溫度發生快速上漲。如過爐內嚴重霧化，短時間內尾氣溫度將出現暴漲的情況。同理，如尾氣溫度上升速度遠低于參照目標，也反應出該時段硅棒生長速率低于參照目標，需要進行調整，加快沉積速度。因此可通過尾氣溫度曲線與參照目標曲線進行對比，評判該時間段硅棒的生長速率。同時結合出爐情況，不斷優化參照目標的內容值，某爐型還原尾氣溫度變化曲線圖見圖2。

圖2 某爐型還原爐運行中尾氣溫度變化趨勢圖

以筆者多年多晶硅還原生產控制經驗，在還原爐內單對硅棒沉積速率曲線大致如圖3，因爐型不一樣，具體數值會存在偏差。

圖3 某爐型還原爐硅棒表面沉積速率趨勢圖

4 多晶硅生長速率的控制方法

根據生產實踐，在保證多晶硅內在產品質量的前提下，多晶硅生產速率需要盡量提高，但不能超過爐內霧化的警戒線。對于多晶硅生長速率的控制方法，必須同時考慮相關的幾大因素。

4.1 控制進料中二氯二氫硅濃度

目前太陽能級多晶硅生產企業，對于還原工段，三氯氫硅進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。濃度的大小也決定著進料配比的選擇，濃度越大，氫氣的比例需要相應提高；濃度降低，氫氣比例可適當降低。但無論濃度高低，生產中都需保證濃度不能出現較大波動，以避免造成反應速率發生較大變化，導致反應失控。

4.2 調整控制進料配比

根據實踐，在不同時間段對進料配比進行調整，在還原爐運行前期，爐內氣場溫度較低，主要反應為在硅棒表面附近發生的還原反應，氫氣為反應物，反應配比可以適量降低，來保證氯硅烷濃度。隨著硅棒直徑增加，硅棒間距減小，爐內熱輻射增強，氣場溫度增加，此時爐內主要反應為熱分解反應，氫氣為副產物，此時對于氫氣濃度應適當提升，避免爐內反應過快，造成霧化。某爐型還原爐進料配比圖見圖4。

圖4 某爐型還原爐進料配比趨勢圖

4.3 調整控制電流給定

電流給定，始終要保證硅棒表面溫度維持在理想范圍，在生長初期，硅棒表面溫度應維持在1100℃左右；隨著硅棒生長，在中后期，硅棒表面溫度應適當降低，維持在950—1000℃之間，以避免氣場溫度過高，三氯氫硅分解過快，同時避免硅棒內部發生過熱熔斷。

4.4 調整控制進料量

進料量一般以氯硅烷的量來衡量，進料量是影響生長的重要因素。也是影響電流給定、溫度穩定的重要因素。進料量過大，會導致爐內氣場溫度過低，同時氣流速度過快，降低反應速率，也會影響表面沉積；進料量過小，硅棒單位面積上反應物濃度不足，也會影響硅棒生長，同時進料量過小，氣體流速不足，會導致氣體在還原爐頂部停留過長，使硅棒橫梁溫度過高，造成橫梁熔斷。多晶硅生長前期，考慮到硅芯間距大，爐內熱輻射能量低，需控制進料量，避免熱量流失大，同時避免因氣體流速過大，將硅芯吹到。進料量的調整必須與電流和硅棒表面積增加速率及時進行匹配。保證有充足濃度、充足含量的硅元素參與反應，如料量不足，硅棒表面積增長速度不夠，會進一步減慢后續同一時間段內的硅棒沉積速率。某爐型還原爐氯硅烷進料趨勢圖見圖5。

圖5 某爐型還原爐氯硅烷進料趨勢圖

5 結語

在多晶硅還原爐生產過程中，對于硅棒生長速率，可以通過尾氣溫度、功率和電壓的變化情況進行判斷。如要提高生長速率，降低電耗，同時保證硅棒的內在生長質量，就要結合多個因素進行綜合評價，并根據不同情況，對不同的變量因素進行調整。最終實現產量、質量和消耗的最佳平衡。