多晶硅还原炉倒棒原因分析

于伟华，王 彬，田 新，3，张春伟（.江苏中能硅业科技发展有限公司，江苏徐州 22004；2.江苏协鑫特种材料科技有限公司，江苏徐州 22004；3.江苏鑫华半导体材料科技有限公司，江苏徐州 22004）

多晶硅还原炉倒棒原因分析

于伟华1，2，王 彬1，田 新1，2，3，张春伟1，2
（1.江苏中能硅业科技发展有限公司，江苏徐州 221004；2.江苏协鑫特种材料科技有限公司，江苏徐州 221004；3.江苏鑫华半导体材料科技有限公司，江苏徐州 221004）

分析了多晶硅还原炉倒棒的危害，并对多晶硅还原炉倒棒的原因进行了探究，最后给出了预防多晶硅还原炉倒棒的有效措施，为预防多晶硅还原炉倒棒提供了一些参考。

多晶硅；还原炉；倒棒；原因分析

硅是太阳能光伏产业中应用最广泛的一种半导体材料，随着我国新能源计划的提出，多晶硅的需求与日俱增。目前国内主流的多晶硅生产包括还原炉还原法、硅烷法、流化床法、冶金法等，在这些多晶硅生产方式中，应用最广泛产量最高的就是还原炉还原法。多晶硅还原炉是还原炉还原法生产多晶硅的关键设备，还原炉主要由混合气体进气管、混合尾气出气管、电极、炉体冷却水进水管、炉体冷却谁出水管、视孔等结构组成。当多晶硅还原炉内开始还原反应后，一旦出现硅心倾斜倒塌，将会直接影响多晶硅产量，并给设备带来损伤，加大工人的劳动量。因此，在应用多晶硅还原炉生产多晶硅过程中，对倒棒现象的预防和处理，则成为提高多晶硅生产效率的关键点之一。

1　多晶硅还原炉倒棒的危害

1.1硅棒沉积前期倒棒的危害

一旦多晶硅还原炉内硅棒倾斜倒塌，将会直接影响生产效率，并对设备带来一定损伤。当倒棒发生在硅棒沉积前期时，经过及时的处理虽然不会给生产量带来较大程度的影响，但倒棒发生后却需要即可停车更换硅棒，这不仅会浪费工人的劳动，还会影响正常生产计划的完成，影响生产效率，使企业生产效率降低、能耗增大。

1.2硅棒沉积后期倒棒的危害

硅棒沉积后期硅棒的体积和质量会变大，当倒棒发生时，由于倒棒的重量会给设备内壁很大的冲击力，因而很容易损坏设备内壁，严重时还会击穿设备内壁，导致设备受损，加大能耗并影响生产。如果硅棒沉积后期发生倒棒，倒棒导致的震动和冲击力还有可能导致基盘上的电极受到破坏，导致基盘上隔热换等设备零件损伤，不仅影响正常生产，还会给企业带来巨大的经济损失。硅棒沉积后期倒棒不仅影响生产效率和设备安全，还有可能酿成严重的意外事故，威胁操作工人的人身安全，给企业带来损失。

2　多晶硅还原炉倒棒的原因分析

降低还原炉倒棒事故的发生率，一直是多晶硅生产过程中的关键和重点。为了最大程度降低倒棒发生的几率，提高生产效率，倒棒发生后不仅要及时进行技术处理，尽快恢复生产，还要针对倒棒发生的原因进行仔细分析，采取必要的措施预防类似原因倒棒事故再次发生。笔者对多晶硅还原炉倒棒事故发生的原因进行分析，多晶硅还原炉倒棒主要原因包含以下几点。

2.1硅心尺寸对倒棒的影响分析

硅心在还原炉内是气象沉积的载体，其体积和大小直接影响着硅沉积的效果和质量。目前国内多晶硅生产企业还原炉内硅心包含Φ10mm圆柱形硅芯、8.2mm×8.2mm方硅芯两种，这两种硅心类型虽然沉积效果都比较好，而且造价较低，但却由于硅心较细，机械强度不足，在初期生产中受置换气流和物料气流分布的影响容易出现晃动。这无疑增大了硅心倒棒发生的几率，对生产和运行带来一定影响。

2.2还原炉电极头对倒棒的影响

大部分还原炉是以电极为支撑固定并用石墨夹头来固定硅心的，如果电极头和石墨夹之间的衔接和配合出现问题，必然会导致还原炉硅心安装稳定性出现问题。还原炉内硅芯固定全靠夹头和锥形电极的配合，一旦电极头受损形状变化，很容易导致夹头、电极和硅芯的连接不稳定，当炉内开始还原反应后，硅心受置换气流的影响就会导致倒棒现象发生。

2.3石墨夹头对倒棒的影响

石墨夹头是硅心与电极的连接件，其发挥着将硅心固定在电极锥形头上的作用。当前多晶硅生产中使用的石墨夹头分为单件套和多件套。多件套对硅心的固定效果比较好，单件套的夹头虽然也能够按照要求将硅心固定在电极锥形头上，但其固定效果却受硅心形状和尺寸影响。如果硅心过大，容易导致夹头无法安装，自然会加大倒棒的风险，如果硅心加工尺寸过细，石墨夹头夹紧不牢，将会导致硅心摇晃。

2.4气体分布装置对倒棒的影响

还原炉的喷嘴数量、分布和位置会直接影响到还原炉内硅棒沉积的速度和硅棒表面形态，如果喷嘴直径和布局不合理，还原炉内气体就无法呈湍流状态，无法破坏硅棒表面边界层发生物料交换。合适的喷嘴直径和布局是炉内气体是否分布均匀的关键，也是硅棒能够均匀生长的关键，如果气体分布装置开口大小和布局不合理，将会导致硅棒上下沉积速率不均匀，加大倒棒风险。

3　多晶硅还原炉倒棒的预防措施

3.1适当改进硅心尺寸

根据多晶硅还原炉倒棒原因分析可知，硅心过细将会加大倒棒发生的风险，并影响石墨夹头的紧固效果。为了降低多晶硅硅心倒棒风险，可以适当增加硅心的直径和尺寸。硅心直径和尺寸的增加，虽然会加大硅心加工成本，但却能够缩小硅心生产加工的难度，并降低还原反应中硅心倒棒发生的几率。经过细致的实验验证，对于圆形硅心可以将直径尺寸提高到12mm，对于正方形的硅心则尺寸提高到12mm*12mm，由于硅心尺寸加大提高了生产成功率，因而只要适当调整硅心生产线的生产参数即可。

3.2改进还原炉电极锥形头

根据还原炉电极锥形头的工作原理，可以在电极锥形头的边缘增加保护圈，以降低倒棒对电极锥形头形状和光滑度的影响。这种保护圈还能够与锥形头形成硅心卡槽，从而让硅心在电极锥形头上安装更加稳固，并方便对硅心的垂直度进行调整。为了保证这种保护圈对电极锥形头的保护效果，在设计保护圈高度和厚度时需要具体情况具体分析，以切实降低倒棒风险发生的几率。

3.3石墨夹头的改进

石墨夹头是稳定硅心的关键零件，为了提高石墨夹头对硅心和电极锥形头的固定效果，可以将石墨夹头上部分硅心孔做成卡槽来夹住硅心，并在中部用螺母对紧固卡瓣。这种可调节的石墨夹头不仅能够提高硅心固定效果，其动态调节功能还适用于不同尺寸的硅心紧固，在降低倒棒风险发生几率的同时，提高了生产效率。

3.4还原炉进料喷嘴的改进

通过改进还原炉的喷嘴口径，能够优化炉内的气场分布，从而实现硅心物料置换的上下均匀。在改进时要根据还原炉的尺寸和硅心的长短，尽可能使硅棒生长过程中硅棒周围的物料浓度提高，以确保物料反应充分均匀。

综上所述，多晶硅还原炉倒棒问题对生产效率和设备安全的影响极大，在生产中必须加大对倒棒问题的预防和处理，降低还原炉倒棒发生的概率，为生产效率的提高和设备使用寿命的延长打下基础，帮助企业获得更大的经济效益。多晶硅还原炉倒棒的预防可以从改进硅心尺寸、改进还原炉电极锥形头、石墨夹头改进和还原炉进料喷嘴改进四个方面开展。

［1］ 程智勇.浅谈36对棒多晶硅还原炉电源系统及常见故障分析［J］.石河子科技，2014，（3）：52-53.

［2］ 何书玉，宋张佐.多晶硅还原炉倒棒原因分析［J］.化工管理，2014，（8）：78.

Analysis of Polysilicon Reduction Furnace down Rod Reasons

Yu Wei-hua，Wang Bin，Tian Xin，Zhang Chun-wei

Lists the consequences of polysilicon collapsing in the CVD reactor and analyzes the causes.Effective measures have been proposed in the paper to prevent such collapsing.Hopefully the paper can serve as a reference to the matter.

polysilicon；reducing furnace；rod；cause analysis

TQ127.2

A

1003-6490（2016）05-0119-02

2016-05-10

于伟华（1983-），男，安徽含山人，工程师，主要从事新材料、新技术等项目开发工作。