多晶硅还原生产常见问题及控制对策分析

李帅东

（荆州理工职业学院，湖北 荆州 434000）

引言

光伏产业在现代社会中的发展，多晶硅材料市场需求也与日俱增，极大推进了多晶硅行业的进步。多晶硅行业在发展进程中，进一步提高多晶硅生产质量与效率，始终是行业发展所关注的问题。与此同时，多晶硅行业要想扩大生产规模，也不能单一的创新生产技术，还需要针对多晶硅还原生产中的现存问题展开分析，提出多晶硅还原生产的控制对策，改善生产工艺，为多晶硅产品质量、产量等提供保障。为此，本文针对多晶硅还原生产中的常见问题展开分析，提出还原生产问题的控制对策，希望以此提高多晶硅生产质量。

1 多晶硅还原生产工艺概述

多晶硅生产中改良西门子法是其中一项西门子工艺，在1 100 ℃高纯硅芯中，使用高纯氢还原高纯三氯氢硅，硅芯上方完成多晶硅沉积在。这种改良西门子工艺，是以传统西门子工艺为前提进行创新，具备节能降耗、可回收利用的特征，多晶硅生产期间同时有H2、HCl、SiCl4一类的副产物和副产热能产生。使用这种改良西门子法，多晶硅生长阶段多是在还原炉内部操作完成。还原炉包括底盘、炉筒，其中底盘上有分布电极分布，常见的若干对棒还原炉即根据电极对数得名，例如常见的有24 对棒还原炉和36 对棒还原炉[1]。

还原炉底盘在多晶硅重量承载这一方面是不可或缺的部件，也负责承担供电和物料进出、物料分布等，利用底盘的绝缘材料、冷却介质流通管路等，即可实现以上一系列操作功能[2]。还原炉炉筒对于多晶硅而言，也是非常必要的生长空间，还原炉炉筒高度、空间，都会对多晶硅实际产能、电耗指标等造成影响，利用炉筒视镜、冷却介质进回路，便可达到温度与多晶硅生长过程的实时监测目的，并实现设备的冷却。

2 多晶硅还原生产流程

多晶硅还原生产的第一步是装炉，硅芯在底盘电极上安装之后，利用石墨配件进行定位、固定。因为硅芯规格每个生产厂家的标准不同，所以高度通常在2.2 m～2.8 m 之间，截面以圆形、方形为主，直径、边长集中在8 mm～15 mm。安装完硅芯后，炉筒、底盘需要紧固处理，随之开始试压，确定氮气、氢气置换满足要求，可以切换到待启状态。正式开启炉运行，还原炉内部放置的硅芯，利用高压击穿保证硅芯导电发热，温度以1 050 ℃～1 100 ℃为准，经过氢气空烧后，SiHCl3汽化处理，H2根据相应比例通入到还原炉的内部，红热硅芯表面会产生气相沉积反应，约100 h 之后，会形成直径为150 mm～180 mm 多晶硅棒[3]。此时可以停炉，利用冷却、置换的方式，摘除硅棒可以得到多晶硅原料棒。随之开始破碎包装处理，形成最终的多晶硅产品。

多晶硅还原生产中使用的还原工艺，高纯度三氯氢硅、氢气，根据摩尔比例加以混合，并投入还原炉内部。还原炉中产生的化学气相沉积，是混合物料处于气态条件时，通电加热到指定温度，在硅芯或是硅棒表面产生的化学反应，即会在硅芯/硅棒表面形成固态硅沉积，也可以理解为原子范畴气态传质。产生反应之后硅芯或者硅棒直径相应增加，直到达到预定尺寸便会结束[4]。还原炉中的多晶硅沉积，其间存在一些影响因素，如还原炉结构、硅棒布置方法、沉积温度和炉内压力等，上述因素之间相互制约与影响，甚至直接决定了多晶硅沉积质量、单位产品电耗。

3 多晶硅还原生产常见问题

3.1 硅芯表面与沉积硅黏合度差

多晶硅还原生产过程中，在出炉之后很有可能在硅芯、硅棒中间黏合度不够，出现脱离的问题。导致此问题的原因在于硅芯酸洗时，没有控制好酸洗力度，从而在硅芯表面生成了氧化层，降低黏合度[5]。

3.2 还原生产有硅油产生

开始多晶硅还原生产后，“硅油”往往比较常见，特别是还原炉内部温度不是很高的位置产生沉积，例如窥视孔石英片、底盘、喷口、炉筒等。当出现“硅油”之后，会损失硅化合物，这是降低多晶硅生产实收率的直接原因。窥视孔石英片发生硅油沉积，还会降低镜片的清晰度，增加测温与观察、炉温调节的难度，甚至会使硅棒温度异常升高，继而发生硅棒烧断捧的现象[6]。硅油吸水性非常强，拆炉阶段发现炉内有大量硅油生成，硅油吸收空气中的水分，并使内部的盐酸脱离，由此便会腐蚀设备，情节严重的话还会造成自燃、爆炸。

3.3 生成大量无定形硅

一些多晶硅生产企业为了达到降低能耗、提高产量的目的，很多情况下并不是重视无定形硅，所以在多晶硅生产过程中会产生很多无定形硅。根据经验总结形成无定形硅的原因，其一是三氯氢硅反应温度与还原炉内部生产功率不高，直接提高了沉积速度，从而产生无定形硅；其二是物料内包含的二氯硅烷较多。进入到多晶硅还原生产后期，若是控制温度范围比较高，将会使炉内能见度骤然降低，此时视镜将会变黑，可见度不高。

3.4 生产中出现倒棒现象

开始多晶硅还原生产之后，倒棒问题相对常见。还原生产的前期尤其会导致倒棒现象，当发现该问题后，工作人员便需要马上更换硅芯，这就涉及还原炉的反复拆装，面临诸多困难[7]。引发倒棒问题的原因，一般是在安装硅芯时没有调整到垂直状态，而且硅芯均匀性差、横梁搭接不理想、电流过快，从而引发了熔断。

3.5 硅棒有氧化夹层存在

多晶硅还原生产过程中，多晶硅原料中混入氧、水汽等，将会引发原料氧化、水解现象，硅棒上方附着SiO2，且形成氧化层，氧化层上方还会有沉积硅发生沉积，这是形成氧化夹层的重要原因，多晶硅进行单晶硅的拉制时，还会有很大概率出现“硅跳”。

3.6 硅棒存在裂纹

还原生产进行到后期，或者停炉阶段，若多晶硅物料配比不合理，电流升降速度过快，或者物料流量发生大幅度波动，便会直接硅棒上方产生裂纹。

3.7 高温条件下还原炉水管发生震动

处于高温套件下，还原炉水管振动一方面会增加工作人员的操作难度，一旦震动过强，甚至会使管道保温发生脱落，或者管道结构与附件受损，弯头、焊缝之间泄漏，产生上述问题将有很大概率发生爆炸，威胁工作人员的人身安全。还原炉内部的高温水系统压力、温度是还原炉运行稳定性的重要影响，若发生爆管、高温水泄漏等问题，即便马上采取处理措施，也无法马上控制住事故，继而造成严重的损失。

3.8 因电压击穿导致横梁和硅芯产生亮点

多晶硅的还原生产，一般会在硅芯上产生亮点，其原因在于硅芯、横梁或者是石墨卡瓣的接触不强，例如硅芯安装与标准要求不符，硅芯加工过程中和石墨接触位置锥度匹配度不足，石墨、石墨卡瓣在加工环节存在不足。

3.9 因硅棒高速生长产生爆米花现象

实际上多晶硅还原生产过程中，爆米花现象是一项必然问题，原因在于硅棒的生长速度比较快，或者是炉内部的温度过高。

4 多晶硅还原生产问题的控制对策

4.1 控制硅芯和沉积硅之间黏合度

因为硅芯、沉积硅之间的黏合度差，原因与硅芯酸洗不到位有关，所以在多晶硅还原生产过程中，对于硅芯加工，建议适当延长硅芯酸洗时间，或是定期更换洗涤酸液，保证酸洗效果。

4.2 控制硅油的产生

经过多晶硅还原生产地分析，发现硅油一般是在还原炉内部温度不高的位置产生。所以组织生产期间，需要控制好炉筒内的温度，以免形成产生硅油的条件。与此同时，还原生产过程中还可以控制炉筒冷却热水温度，确保炉筒温度始终处于可控范围。一般在停炉之前，需要提前降低冷却水流量，达到提高炉筒内部温度的效果，使硅油能够尽量挥发。

4.3 控制大量无定形硅

以免在多晶硅还原生产使产生大量的无定形硅，建议分别从控制系统、进料这两个维度分别采取控制方法。控制系统方面，自动控制系统应该精准控制温度数值，按照多晶硅还原生产现场实际观察到的情况做出调节，加强温度控制的合理性和有效性[8]。进料控制方面，工作人员需要控制好进料时间，通常硅芯加热时，务必要达到相应的温度标准方可进料，进料的同时还需要稳定提升硅棒电流，以免发生电流忽高忽低的现象。期间避免物料进炉流量有明显波动，若是发生突然断电、停炉等问题，必须马上停止进料。

4.4 控制倒棒现象

多晶硅倒棒问题的控制，建议持续优化还原炉工艺参数，加强炉内热场的均衡性和炉内气流的稳定性。安装硅芯也非常重要，电极头、石墨卡瓣必须固定好，而且硅芯、卡瓣之间还需要检查接触性。另外，工作人员应该随时观察还原炉内部硅棒的生产情况，监督炉温、电流，如果发现硅棒存在裂纹的趋势，必须马上予以控制，修复硅棒上的裂纹。停炉时调整电流速度，尤其是在断电之后注意炉筒不能过早切断高温冷却水，以免硅棒发生脆裂现象。

4.5 控制硅棒内氧化夹层

针对硅棒内氧化夹层的控制，建议采用取样检测的方法，控制入炉氢气含水量、含氧量、纯度等参数。加热硅芯之前，必须完全置换炉内空气，冲洗炉筒建议使用高温水，清除炉筒残留水分。正式开炉之前，全面检查窥视孔以及其他设备，确保设备密封性能。

4.6 控制裂纹

通常电压、电流信号远传时，自动化控制系统的监控会对其造成直接影响，如果发生异常，系统也可以及时发现，迅速发出预警，通知工作人员处理。工作人员利用窥视孔观察裂纹的程度，对于裂纹的控制，建议减少物料量，或者可以控制电流升降速度，及时修复已经产生的裂纹。若裂纹没有及时修复，则应停炉进行处理。

4.7 控制高温条件下还原炉水管的震动

还原炉通水的初期阶段，炉内所有空气必须及时排出。高温水管比较低的位置建议安装排水阀，而相对高的位置则需要安装排气阀，排出管道内部的气体。当通水之后，必须精准控制上水压、出水流量，确保冷热水之间能够匀速混合，监督远传液体温度、流量[9]。

4.8 控制电压击穿导致的横梁和硅芯亮点

还原生产过程中发现硅芯上已经有亮点产生，工作人员必须马上开始控制炉内物料流量、电流升高值，待亮点位置的沉积硅量满足标准，而且颜色也与其他硅芯相似，便可按照还原工艺参数继续多晶硅还原生产。

4.9 控制爆米花现象

多晶硅还原生产过程中的电流必须稳定提升，而且窥视孔还要保证清晰，若视镜上已经观察到无定形硅沉积，极有可能降低远传温度控制准确性，更是会导致炉内温度异常升高。还原生产现场工作人员观察炉内硅棒的情况，将观察所得情况与信息及时反馈给主控操作室，精准控制电流值。

5 结语

光伏产业发展中多晶硅是非常重要的原材料之一，实际上多晶硅在生产中需要注意的问题与要素比较多，而且这些问题的存在均会对多晶硅质量与应用的效能造成影响。为此，针对多晶硅还原生产，必须综合分析期间可能存在的问题，并且提出有的放矢的控制对策，重点控制裂纹、爆米花问题、还原炉水管震动、硅油等的形成，同时合理设置参数，保证多晶硅还原生产效果满足预期，在生产实践中不断总结经验，改进多晶硅还原生产工艺。