多晶硅还原炉装备发展展望

石何武， 汪绍芬， 郑红梅， 严大洲

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

多晶硅作为光伏行业以及半导体器件的基础原材料，目前主要通过改良西门子工艺技术方法获得，其他硅烷法、冶金法也有生产，但是因为成熟度、稳定性等原因并没有得到大规模的推广应用并实现产业化[1]；在改良西门子工艺生产过程中，还原炉作为还原工序的关键生产设备在近年来也得到迅速发展，十年前还原炉炉型基本停留在12对棒、18对棒以及24对棒等中小炉型，那时候的单线生产规模并不大，基本维持在1 000～2 500 t/a，还原炉的炉型基本能够匹配当时的生产；但是随着光伏发电的迅速增长，光伏多晶硅需求激增，导致多晶硅的生产向大型化发展，规模化效应在多晶硅企业更为凸显，单线产能基本都是万吨级以上，如果仍然采用这些中小炉型，则需要还原炉的数量多，占地面积大，操作维护保养等都需要较大的人力物力，因此中小型还原炉在大规模生产过程中性价比不高，需要不断开发大型还原炉来满足市场需求，提高生产效率，降低生产能耗。

1 还原炉的结构形式

还原炉作为改良西门子工艺方法生产多晶硅的关键设备，主要由还原炉钟罩、还原炉底盘以及配套的附属件构成，其中两大主体部分还原炉钟罩与还原炉底盘均采用夹腔式结构，夹腔内介质为冷却水，钟罩内壁和底盘上表面所构成的密闭空间形成了多晶硅的沉积空间，即多晶硅气相沉积的环境空间；还原炉钟罩由筒体和凸形封头构成，其中凸形封头根据还原炉的设计尺寸有多种类型可供选择：椭圆形封头、蝶形封头、半球形封头等。底盘上则布置有电极孔、供气喷嘴入口、还原尾气出气口等。在多晶硅还原炉的优化设计过程中，最关键的就是将电极孔、供气口和出气口合理的布置在底盘上，以保证在此密闭空间中形成有利于硅棒生长的流场和温度场，这样能够满足硅棒的稳定生长，同时原料利用率高，能耗比较低。

2 还原炉相关材质选择

还原炉作为多晶硅生产中的关键设备，其对材质的要求相当高，不仅需要耐高温，还需要纯度高并不对硅棒产生污染，尤其是还原炉钟罩内壁和底盘上表面材质的选择将直接影响到多晶硅产品的纯度。在实际设计和生产过程中，会根据不同要求选用相应材质，鉴于多晶硅还原炉的钟罩以及底盘均为腔室式结构，因此夹腔外壁和内壁可以选择不同的材料，夹腔外壁分别与空气和冷却水接触可以选择机械性能好，性价比更加合理的低合金钢(Q345R)材质，而夹腔内壁分别与冷却水和物料接触，且提供多晶硅沉积生长的空间环境，因此材质一般采用洁净度更高、耐高温、耐腐蚀的不锈钢(S31603)材质，为了进一步提高还原炉的运行效率，降低生产能耗，在内壁喷涂银或者爆炸复合金属银来增加镜面辐射效果，提高炉内热量的利用率，降低还原反应的直接电耗。

随着还原炉的大型化，以及对产品纯度和电耗的更高要求，还原炉钟罩内壁和底盘上表面材质的选择和表面处理需要满足新的要求，近年来不锈钢- 钢复合板、不锈钢- 钛复合板做为还原炉钟罩内壁和底盘上表面材质已经越来越普遍，新的材料也在应运而生。目前部分多晶硅生产企业启用了相关替换材质的还原炉，优势并不明显，有待进一步生产验证。目前大部分还原炉设计中还原炉钟罩内壁和底盘上表面材质的选择采用的是复合板(S31603+Q345R)，其他零部件与工艺物料接触部分采用S31603，与水接触部分采用Q345R。

在还原炉的辅助配件中，电极采用无氧铜作为主体材质，头部一般采用铜镀银的方式来提高性能；电极冷却水系统采用的是不锈钢(S30408)，而且采用脱盐水进行冷却，电极流道小，对水质和管材要求高，以防冷却过程中水结垢导致电极被烧坏的现象；在安装硅芯的配件中主要有绝缘陶瓷环以及石墨座，这些材质一是耐高温，不会给多晶硅沉积增加杂质含量；二是这些都为绝缘体材料，能够将来自供电系统的电流与还原炉本体分开，直接加载在半导体沉积载体硅芯上，为多晶硅气相沉积提供生长需求。

3 还原炉尺寸选择

根据生产需求的不同，还原炉在炉型尺寸选择上有着一定的原则可供遵循。一般小炉型，棒数少，炉内温度场流场稳定，相互影响有限，所以可以生产出高品质多晶硅；而多对棒炉型硅棒对数多，相互之间影响大，供料量大，炉内温度场和流场控制难度较大，需要通过优化喷嘴的结构形式和位置来调整优化炉内温度场和流场分布，但是该炉型产能比较大，能耗相对会低一些，适合于大规模生产配置[2]。

早在20世纪80、90年代，多晶硅技术在国内还处于实验室研究阶段，产业化生产技术基本掌握在欧洲美国日本，而且对中国实施技术封锁，所以中国多晶硅的发展从20世纪90年代末才算起步，刚开始都是三对棒、九对棒的炉型，炉型小，操作控制容易；后来随着2003年第1套百吨级多晶硅生产线在洛阳中硅落成，国产技术突破了多晶硅生产全流程难题，国外技术也就开始进入中国市场，那时候基本都是以12对棒还原炉为主力装备，硅芯高度也就2.4 m左右，产品品质比较好，外观致密，金属色泽好，但是能耗也相当高；后来随着太阳能光伏多晶硅需求的激增，对多晶硅的需求市场异常火爆，各生产企业和还原炉制造商不断的开发多对棒还原炉，并优化多晶硅还原炉生产工艺技术，使得多晶硅的单炉产能增加，生产能耗降低，多晶硅的生产成本也逐步下降，随后就是以24对棒还原炉为主力炉型的时代；再后来随着多晶硅生产规模进入单线年产万吨级别，还原炉炉型进入到36对棒和48对棒时代，单炉年产能就达到500 t以上的产能，还原生产电耗也降低到50 kW·h/kg-Si以内，致使多晶硅的生产成本降低至一个历史拐点；近年来，有更多对棒还原炉炉型被开发，例如72对棒，但是因为生产成本再难以大幅下降，而且出现异常情况时备品备件消耗极大，所以基本维持在以48对棒左右的还原炉为多晶硅生产的稳定时期，通过优化工艺，多晶硅生产电耗基本稳定在45 kW·h/kg-Si，这相对于十几年前的300 kW·h/kg-Si左右的多晶硅电耗而言下降幅度高达85%，所以这也为光伏发电平价上网奠定了坚实的基础。

在还原炉的发展过程中，除了在径向发展不断提升的基础上，轴向也在不断的提高，最初硅棒高度在2.0 m左右，目前硅棒高度已提升到3.2 m，这样可以进一步增加单位面积贡献的多晶硅产量，同时对还原炉电器提出更高的要求，在还原炉启炉初期，运行过程中各档电流电压的切换等，随着技术的发展延伸，这些问题均在实际生产中得到良好的解决。

4 还原炉布置

多晶硅还原炉布置一般指的是底盘上电极孔的布置，包括配合生产的进出气口分布情况；常规的小尺寸还原炉一般采用同心圆的电极孔布置结构，随着还原的大型化，电极孔的布置也呈现多样化，除了有同心圆布置结构，还有正六边形，正五边形等蜂窝状结构，基于对还原炉内的流场和温度场的分布情况，在大底盘上采用不同的分布方式，并通过计算机模拟选择出最佳的进出气口位置[3]。底盘的典型布置情况如图1所示。

图1 典型的还原炉底盘布置方式

通过近年来的实践生产经验，还原炉的底盘布置结构采用同心圆结构在相同对棒数的前提下，底盘直径略小；如果采用蜂窝状的布置结构，进出气口位置分布更好设置，可以生产出更大直径的多晶硅棒，也就是单炉产能可以做到更大一些，还原直接电耗基本相当。

5 还原炉配套系统设置

多晶硅还原炉配套系统的设置合理与否是多晶硅能够稳定生产的必要条件，只有配套系统设置合理，才能保证多晶硅还原炉长周期的稳定运行，从而稳定的产出多晶硅产品，而且能耗和产品品质也是最优的。

与还原炉装备配套的系统主要有电器供电系统、冷却循环系统等，供电系统主要是为多晶硅沉积载体硅芯供电，保持硅芯表面温度达到多晶硅气相沉积的温度1 080 ℃左右，随着多晶硅的直径逐渐增大，总体电阻会呈下降趋势，因此电流会逐渐上升，总体发热量会维持硅棒表面温度的需求满足气相沉积的要求；还原电器会根据多晶硅的生长不同阶段，分段设置电流电压值，保证多晶硅的生产稳定运行。随着多晶硅还原炉的大型化发展，还原配套的变压器也从油浸变压器发展到干式变压器，对生产维护难度降低了，而且随着沉积载体硅芯的增长，导致启炉困难，随即开发了大截面积的硅芯来降低初期硅芯电阻值，因此配套电器的优化发展很好的解决了还原炉大型化带来的各种难题。冷却循环系统主要包括钟罩水、底盘水和电极水的循环冷却，因为还原生产过程中，通过钟罩和底盘带走的热量大概占到总热流量的80%左右，其他的20%左右以还原尾气携带的方式带出还原炉系统，因此如何有效的回收钟罩和底盘水带走的热量以及还原尾气带走的热量是进一步实现多晶硅节能降耗的关键问题；多晶硅生产过程中，还原工序是副产热量的，而精馏提纯和冷氢化等原料工序都是需要热量的，如果能够将还原工序副产的热量用到原料工序就可以进一步降低外补热量需求，多晶硅的整体能耗就会下降，实现多晶硅的低成本生产。

6 展望

通过对多晶硅还原炉装备的全面分析，我们能够清晰的看到国内多晶硅近十来年的发展历程，还原炉硅棒对数也从初期的3对棒发展到72对棒，生产多晶硅的还原电耗从300 kW·h/kg-Si以上降至45 kW·h/kg-Si左右，这些显著的变化为光伏发电平价上网奠定坚实的基础；多晶硅除了用在光伏发电上，还有半导体器件以及军工行业等更加高端的领域，这要求多晶硅在品质上也要更上一层楼，所以对未来多晶硅还原装备的发展有如下几点建议：

(1)以生产高品质的电子级多晶硅或者区熔级多晶硅为目标的生产企业，应该选用24对棒以下的小炉型，这种炉型操作控制方便，调整简单易行，炉内的温度场和流场更加均匀，适合生长更加致密的高品质多晶硅；

(2)以生产太阳能级多晶硅为主要目标的生产企业，应该选择48对棒左右的还原炉炉型，这种炉型产能优势明显，能耗水平低，大规模生产企业可以减少车间配置面积和操作人员等，但是如果再增加硅棒对数，能耗基本无优势，产能增加也未能按比例增长，而且关键是如果还原炉出现生产异常，备品备件消耗大，不利于节能环保型生产；

(3)在还原炉的材质选择上也可以根据生产目标产品选择性价比高的材质，例如目前复合板(316L+Q345R)就能够较好的满足光伏太阳能多晶硅生产要求，与工艺物料接触面用316L，其他与水以及外壳采用Q345R材质，这样造价低，性能有保障；如果是生产高品质多晶硅，需要增加炉内镜面辐射效果，提高热回收利用率，避免因为工艺调整而过高的增加多晶硅的生产电耗，可以考虑炉筒内部喷涂银或其他高反射率的材质。