三氯氫硅氫還原法制多晶硅的自控難點及選型

朱 舲,張英杰

(華陸工程科技有限責(zé)任公司,西安 710054)

1 工藝特點及其自動控制難點

閉環(huán)式三氯氫硅氫還原法工藝生產(chǎn)裝置主要有下列單元組成:制氫、氯化氫合成、三氯氫硅合成或氯化氫、三氯氫硅精餾、三氯氫硅還原、多晶硅整理、尾氣分離以及工藝廢氣、廢液處理。工藝流程如圖1所示。

圖1 閉環(huán)式三氯氫硅還原法工藝流程示意

該工藝的自動控制需要解決以下難題:

a)固態(tài)物料(硅粉)的輸送進(jìn)料控制。閉環(huán)式三氯氫硅還原法生產(chǎn)多晶硅的重要原料三氯氫硅是由氯化氫和工業(yè)硅粉在一定的溫度下合成而得。目前三氯氫硅合成為間歇式生產(chǎn),需要頻繁開啟關(guān)閉閥門,加上硅粉硬度高,容易導(dǎo)致控制閥磨損泄漏等問題,若閥門選型不當(dāng)則使用壽命非常短。因此硅粉流量控制閥的選擇成為該工藝自動化的首要問題,應(yīng)根據(jù)流動介質(zhì)的溫度、壓力、腐蝕性、介質(zhì)的清潔度(有無固體顆粒)和沖刷等工藝條件,選擇相應(yīng)的耐磨閥。常用的耐磨閥有耐磨球閥、耐磨圓盤閥和陶瓷滑板閥。

b)還原爐內(nèi)硅芯的溫度測量控制。還原爐內(nèi)硅芯的溫度是多晶硅生產(chǎn)的重要工藝參數(shù)之一,爐內(nèi)溫度必須維持在1 080℃才能使三氯氫硅在氫氣的作用下還原并沉積在硅芯上,因為爐內(nèi)硅芯在不斷生長沉積,周圍氣場也在不斷變化,為測量帶來很大難題,現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)多晶硅生產(chǎn)廠家還是利用手動調(diào)節(jié)調(diào)功柜電流來控制硅芯溫度。

c)氫氣和三氯氫硅流量的測量和配比調(diào)節(jié)控制。由于在多晶硅生產(chǎn)過程中,氫氣和三氯氫硅進(jìn)料量是隨著硅芯的不斷生長而增大,流量范圍比一般在1∶20左右,此時調(diào)節(jié)閥已經(jīng)超出調(diào)節(jié)范圍,尤其是在小流量的時候,閥門振動比較明顯,容易發(fā)生泄漏,降低了閥門的使用壽命,目前國內(nèi)廠家多數(shù)是在開始生產(chǎn)時就通入比較大的進(jìn)氣量,但這樣生產(chǎn)初期容易倒棒,對物料浪費也很大,降低了多晶硅的產(chǎn)率。

要解決以上難題,就必須對儀表做出合理地選型并適當(dāng)對工藝管路做出相應(yīng)地修改。

2 硅粉流量控制閥選擇

2.1 耐磨球閥

耐磨球閥對有顆粒的流體進(jìn)行切斷控制,使用非常普遍,此類閥門的應(yīng)用已有上百年的歷史,制造、運行及維護(hù)比較成熟。

對含有硅粉的介質(zhì)進(jìn)行切斷控制,耐磨球閥必須滿足以下特殊要求:高溫、磨損、抱死、腐蝕。在選擇耐磨球閥時,應(yīng)根據(jù)介質(zhì)情況選擇合理的硬化涂層、耐磨閥桿、防粉塵閥座、防抱死技術(shù),盡量使用雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu),以提高扭矩,防止閥門損壞。如在三氯氫硅反應(yīng)器出口后的積塵罐的開關(guān)控制,介質(zhì)中含有四氯化硅、三氯氫硅、氫氣、硅粉以及少量二氯硅烷,溫度480℃,壓力2.2 MPa,采用陶瓷耐磨球閥,并使用防塵閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計后,實際使用情況較以前有了很大改進(jìn),很大程度上延長耐磨球閥的壽命,增強(qiáng)了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2.2 耐磨圓盤閥

2.2.1 閥門結(jié)構(gòu)特點

耐磨圓盤閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。閥片背后彈簧的作用是將閥片緊緊貼在閥座上,使細(xì)小顆粒物很難進(jìn)入到密封件之間,同時彈簧的作用可以補(bǔ)償閥片的磨損。閥片在每次開啟和關(guān)閉時會有15°的旋轉(zhuǎn),這種旋轉(zhuǎn)使密封表面不斷自拋光、自研磨,使閥門的密封性越來越好。由于閥片的旋轉(zhuǎn)剪切作用,使閥門在開啟和關(guān)閉時不斷清洗閥門內(nèi)壁和密封件表面。閥體內(nèi)部空間很大,物料通過閥門時速度降低,磨損力大大減弱。由于閥門自身結(jié)構(gòu)的特點,使其在耐磨損、耐腐蝕和耐高溫高壓領(lǐng)域顯示出獨特的優(yōu)勢。

圖2 耐磨圓盤閥結(jié)構(gòu)

2.2.2 應(yīng) 用

在硅粉計量罐下料處,進(jìn)行切斷控制,壓力2.5 MPa,溫度510℃,含大量硅粉,每3個小時左右計量罐向反應(yīng)器輸送硅粉,閥門開關(guān)一次,操作非常頻繁,對閥門的耐磨要求極高。使用普通耐磨球閥磨損很快,有的甚至開關(guān)幾次,球閥密封面就已破損,使用耐磨圓盤閥,并對該閥內(nèi)件表面做硬質(zhì)合金處理,對該閥的流道做加厚處理,再經(jīng)熱處理,以增加耐磨能力,然后對閥門的彈簧做特殊處理,保證閥盤不會因壓差過大而脫離閥座,避免因硅粉進(jìn)入密封面而產(chǎn)生泄漏。經(jīng)過這幾方面改進(jìn),延長了閥門的壽命。

2.2.3 存在的問題

由于耐磨圓盤閥自身結(jié)構(gòu)特點,造成了在相同管徑的閥門中,圓盤閥的體積較大,給閥門的安裝及布置帶來一定困難,并且圓盤閥閥腔內(nèi)容易積存硅粉,需要定期吹掃。

2.3 陶瓷滑板閥

2.3.1 閥門的特點

陶瓷滑板閥結(jié)構(gòu)如圖3所示。滑板閥內(nèi)件主要有三塊平板組成,左右兩個平板對稱固定在閥體上,相當(dāng)于閥座,又稱為夾板,中間的平板可自由上下滑動,相當(dāng)于閥芯,稱為滑板,滑板和夾板上均有通孔,左右兩個夾板上的通孔為圓形、三角形和槽形等,通過改變滑板通孔的形狀,可以改變滑板閥的輸出特性,達(dá)到精確控制的效果。

2.3.2 應(yīng) 用

當(dāng)硅粉和氯化氫在反應(yīng)器中反應(yīng)后去洗滌塔下部排料管處,此處需要手動調(diào)節(jié),介質(zhì)主要為四氯化硅、三氯氫硅、硅粉、少量高沸物,溫度:40～200℃,壓力2.5 MPa,且流量很小,使用V型調(diào)節(jié)球閥在小開度時調(diào)節(jié)性能不好,使用陶瓷滑板閥,完全滿足工藝控制要求。

圖3 陶瓷滑板閥結(jié)構(gòu)

3 還原爐內(nèi)硅芯表面溫度控制及測溫儀選型

3.1 溫度測量的重要性

還原爐內(nèi)硅芯表面溫度是還原爐運行的重要參數(shù)之一,生產(chǎn)初期在還原爐中設(shè)置硅芯,這種硅芯的初始直徑很細(xì),一般為φ8～φ10 mm。通過加壓擊穿后電能轉(zhuǎn)化為熱能,使硅芯達(dá)到一定溫度,工藝要求的硅芯溫度是1 080℃,而且此工藝溫度在硅芯由φ8 mm變到φ150 mm的過程中必須一直保持恒定,但隨著硅芯的直徑不斷變粗,其相應(yīng)阻抗會不斷減小,要維持1 080℃的恒定硅芯溫度,必須相應(yīng)地不斷增大工作電流,通常工廠操作電流將由開始時的0增大到結(jié)束時的3 200 A。如此大動態(tài)范圍電流的變化,對生產(chǎn)設(shè)備及操作人員都提出了相當(dāng)高的要求。若硅芯溫度達(dá)到1 420℃時硅芯將被熔化,多晶硅生產(chǎn)將受到嚴(yán)重影響,為了獲得最佳的生產(chǎn)效率,必須采用硅芯溫度實時測量及控制的生產(chǎn)工藝,通過必要的技術(shù)手段適時測量硅芯真實溫度,將其輸出信號反饋至電流控制設(shè)備,控制電流的大小,從而實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制的目的,為穩(wěn)定生產(chǎn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量奠定堅實基礎(chǔ)。

3.2 紅外測溫儀選擇

在實際應(yīng)用中,還必須面對如下不可避免的問題。

a)開始生產(chǎn)時的硅芯直徑只有φ8～φ10 mm,如何保證紅外測溫儀能夠精確瞄準(zhǔn)所要測量的硅芯目標(biāo)?

b)硅芯直徑在變粗過程中,還原爐內(nèi)熱場分布在生產(chǎn)過程中并不恒定,這種并不恒定的熱場對被測硅芯是否存在影響?

c)用紅外測溫儀適時測量硅芯的溫度時,必須透過密封石英窗口瞄準(zhǔn)爐內(nèi)目標(biāo)。但在生產(chǎn)過程中,難免會有極少硅油和揮發(fā)物產(chǎn)生,它們可能對石英窗口造成污染。如何克服這種污染對透過率可能產(chǎn)生的影響而不會導(dǎo)致實際測量誤差?

d)對于雙層水冷石英窗口是否影響紅外測溫儀自身的穩(wěn)定性和測量的可靠性?

只有充分了解多晶硅生產(chǎn)工藝并重視可能出現(xiàn)的上述問題,才有可能找到解決問題的辦法。為了改善溫度測量,宜選用雙色紅外測溫儀,雙色模式特別適用于測量局部被遮擋的目標(biāo),無論是斷續(xù)的,還是一直被遮擋,如存在其他物體的遮擋、開孔、狹縫、觀察窗對能量的衰減,以及大氣中灰塵、煙霧、水氣的影響。雙色模式也可用于測量無法充滿測量視場的目標(biāo)溫度,但背景溫度必須比目標(biāo)溫度低很多。此類測溫儀不嚴(yán)格要求被測目標(biāo)必須充滿測溫儀視場。采取措施對紅外測溫儀進(jìn)行可靠的對準(zhǔn)及固定,防止人為或外界因素使紅外測溫儀無法對準(zhǔn)目標(biāo),定期進(jìn)行紅外測溫視孔清洗,并嚴(yán)格控制紅外測溫視孔中冷卻水的質(zhì)量,實際應(yīng)用中還增設(shè)了紅外測溫儀,通過DCS對紅外測溫儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比校正,從而真正實現(xiàn)硅芯溫度實時測量及控制。

4 氫氣和三氯氫硅進(jìn)料的流量測量儀表

在整個多晶硅沉積過程中,硅芯從φ8 mm左右生長至φ150 mm左右,進(jìn)氣量的變化是非常大的,通常三氯氫硅和氫氣的流量范圍比在1∶20左右。并且氫氣和三氯氫硅需要按一定的摩爾比混合后通入還原爐反應(yīng),還原爐進(jìn)料直接關(guān)系到多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量,此處對流量儀表的精度要求非常高。

對于單臺還原爐而言,氫氣最小流量:5 kg/h,最大流量:100 kg/h,壓力:0.3～1.0 MPa,溫度: 25～150℃,熱質(zhì)流量計精度可達(dá)±1%,量程比最大可達(dá)1∶1 000,壓損極小,無可動件,無需溫度、壓力補(bǔ)償,可直接測得氣體質(zhì)量流量,此處氫氣流量的測量使用精度高且量程比大的熱式質(zhì)量流量計能很好地滿足工藝及控制的要求。

三氯氫硅最小流量:100 kg/h,最大流量: 2 000 kg/h,壓力:0.3～1.0 MPa,溫度:25～150℃,根據(jù)工藝的不同,三氯氫硅的進(jìn)料狀態(tài)可以是氣相,也可以是液相,熱質(zhì)流量計可測量氣體的質(zhì)量流量,但是不能測量液體的質(zhì)量流量,此時應(yīng)選用科氏力質(zhì)量流量計。科氏力質(zhì)量流量計可測量高密度氣體、液體和漿體的質(zhì)量流量,直管段要求不嚴(yán)格,不受溫度、壓力變化影響,但是,當(dāng)被測流體流量變化大時則測量精度降低,對于三氯氫硅流量范圍比在1∶20左右,這將大大影響質(zhì)量流量計的精度,經(jīng)多個工廠實踐證明,選用精度0.15%的科氏力質(zhì)量流量計,在滿足大流量測量精度的情況下,在小流量測量時,精度會下降到1%左右,所以在選用科氏力質(zhì)量流量計時必須嚴(yán)格進(jìn)行小流量時的精度核算。

5 還原爐進(jìn)料流量配比調(diào)節(jié)及控制閥門選擇

三氯氫硅和氫氣是按照一定摩爾比混合進(jìn)料的,其進(jìn)料量和配比直接影響多晶硅的質(zhì)量、沉積速度、沉積率及尾氣成分的含量,對尾氣回收、精餾、廢氣廢液處理等其他工段影響很大,所以,合理的三氯氫硅和氫氣配比以及隨著反應(yīng)進(jìn)程對進(jìn)料量的調(diào)節(jié)至關(guān)重要。

因為三氯氫硅和氫氣的流量范圍比通常在1∶20左右,所以在小流量下,一組調(diào)節(jié)閥已不能達(dá)到精確調(diào)節(jié)的要求,因此增設(shè)了一旁路管線對進(jìn)氣進(jìn)行微調(diào),如圖4所示。

圖4 還原爐配比調(diào)節(jié)及控制示意

因為氫氣屬于易燃、易爆介質(zhì),泄漏后容易積聚,滲透能力強(qiáng);三氯氫硅屬于有毒有害物質(zhì),一旦泄漏,在空氣中會分解成氯化氫,對周圍的設(shè)備及人員造成傷害,所以應(yīng)使用波紋管密封調(diào)節(jié)閥。

6 結(jié)束語

由于國內(nèi)多晶硅行業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)剛剛起步,多晶硅行業(yè)的整體水平與國際老牌有豐富經(jīng)驗的多晶硅生產(chǎn)企業(yè)相比,多晶硅質(zhì)量、生產(chǎn)成本、能耗等存在較大差距,特別是在自動控制方案的改進(jìn)以及自控儀表的合理選擇方面,有待于進(jìn)一步開發(fā)和提高。該文結(jié)合一些多晶硅項目自控設(shè)計情況以及多晶硅生產(chǎn)現(xiàn)場實際的使用經(jīng)驗,發(fā)表一些個人觀點,希望能夠為讀者在今后的設(shè)計中有所幫助。

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