西門子法多晶硅生產(chǎn)中的質(zhì)量控制難點及措施

宋安寧 賈哲 呂昌彥(陜西天宏硅材料有限責(zé)任公司， 陜西 咸陽 712038)

西門子法多晶硅生產(chǎn)中的質(zhì)量控制難點及措施

宋安寧 賈哲 呂昌彥(陜西天宏硅材料有限責(zé)任公司， 陜西 咸陽 712038)

西門子法冷氫化工藝日趨完善和成熟，各規(guī)模企業(yè)在實際生產(chǎn)中對生產(chǎn)高質(zhì)量的多晶硅也有了較多的經(jīng)驗和總結(jié)，這對我國未來多晶硅行業(yè)的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。本文主要針對多晶硅生產(chǎn)中的質(zhì)量控制提出新的思路，通過生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制，實現(xiàn)穩(wěn)定高質(zhì)量的多晶硅生產(chǎn)。

西門子法；多晶硅；質(zhì)量控制

1 多晶硅質(zhì)量控制的難點

多晶硅生產(chǎn)的質(zhì)量特點一是純度高，產(chǎn)品的主要雜質(zhì)含量要求控制在ppb級，而且主要雜質(zhì)種類復(fù)雜，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般化工產(chǎn)品的品質(zhì)要求。二是檢測困難，中間產(chǎn)品(如成品三氯氫硅)的金屬雜質(zhì)檢測已接近檢測儀器的下限，存在很大的不穩(wěn)定性；成品多晶硅的檢測要通過拉制成單晶檢測，對檢測過程要求較高。三是調(diào)節(jié)滯后，質(zhì)量波動周期較長，由于多晶硅成品的生長周期約在170h，而檢測結(jié)果反應(yīng)出質(zhì)量問題后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)需要過程，因此質(zhì)量一旦波動，周期較長。

2 質(zhì)量系統(tǒng)環(huán)節(jié)

(1)環(huán)節(jié)類別 多晶硅中核心的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)在精餾工序，但決不可僅限于此工序。目前對于西門子氯氫化工藝系統(tǒng)中的質(zhì)量系統(tǒng)控制可分為四大類：原料、生產(chǎn)和工藝穩(wěn)定性、外界污染、異常泄露等。其中原料主要是外購的三氯氫硅和硅粉，工藝穩(wěn)定性主要包括精餾等各工序本身的操作工藝穩(wěn)定和整個系統(tǒng)物料平衡的穩(wěn)定，外界污染主要涉及開放工序的還原爐拆裝、后續(xù)破碎腐蝕、各設(shè)備的維修潔凈度控制以及還原工序的生產(chǎn)環(huán)境，異常泄露是多晶生產(chǎn)中最需要重視的問題，由于整個工序中用到大量的換熱器都是通過循環(huán)水換熱，水對物料(三氯氫硅)的危害是致命性的，因此一旦發(fā)生大的質(zhì)量問題必須對此進(jìn)行排查。

(2)核查重點 一般情況下對以下方面要進(jìn)行質(zhì)量的嚴(yán)格管控，包括：硅粉質(zhì)量、外購三氯氫硅質(zhì)量、氫氣(氮氣)質(zhì)量(露點)、還原車間潔凈度(環(huán)境檢測)、精餾工藝參數(shù)、蒸汽穩(wěn)定性、氯氫化漿料排放、換熱器泄露(水側(cè)的pH值或電導(dǎo)率檢測)、檢測(包括檢測用的氬氣、藥品質(zhì)量及設(shè)備情況，要及時標(biāo)定)、罐區(qū)及其他工序物料互串、重大生產(chǎn)波動等。

3 典型環(huán)節(jié)分析

(1)原料 硅粉質(zhì)量：國外廠家對硅粉的要求十分嚴(yán)格，一般對金屬雜質(zhì)指標(biāo)在10個以上的指標(biāo)要求，不單單是硅粉牌號的要求(硅粉牌號基本在3303以上)，對金屬雜質(zhì)重點指標(biāo)和粒徑大小的要求也不同，都是根據(jù)自身冷氫化合成爐的工藝特點確定。而國內(nèi)出于成本的考慮硅粉的牌號一般比國外低，通常為441硅粉，也有使用更低牌號的，從實際生產(chǎn)來看，低牌號的硅粉雖然從合成氯硅烷甚至精餾后的三氯氫硅中B、P等指標(biāo)無太大變化，但多晶硅往往只能達(dá)到太陽能級，因此高品質(zhì)的多晶硅生產(chǎn)要有高品質(zhì)的硅粉原料作為保證。

外購三氯氫硅：目前國內(nèi)的多晶硅工廠多以外購的三氯氫硅作為補充原料進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)，對這部分外購原料的控制難點不緊緊在于B、P、Fe、Al等金屬雜質(zhì)的控制，還在于對甲基氯硅烷含量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，含甲基氯硅烷的原料進(jìn)入系統(tǒng)很大程度上會造成多晶硅碳含量超標(biāo)，很多時候會通過回收氫氣中甲烷的急劇上升表現(xiàn)出來。另外對原料廠家工藝要定期進(jìn)行評定，確保物料的穩(wěn)定性。

(2)關(guān)鍵工序 精餾工序是多晶硅生產(chǎn)質(zhì)量的核心，精餾工藝除本身的回流比調(diào)節(jié)、溫度壓力、進(jìn)料流量等參數(shù)控制外，還需關(guān)注整個系統(tǒng)物料平衡，冷氫化與熱氫化相比，精餾受還原爐、氯氫化運行影響程度更大，在上述兩個系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，精餾的穩(wěn)定調(diào)節(jié)尤為重要，非緊急情況下進(jìn)料量調(diào)節(jié)應(yīng)控制在2t/h以內(nèi)。精餾廢液排放非常關(guān)鍵，實際排放量更應(yīng)以脫重塔、DCS分離塔塔釜的Fe、Al含量指標(biāo)確定，單純以塔釜B、P確定或精餾產(chǎn)品出料雜質(zhì)確定排放量時會對真正的產(chǎn)品質(zhì)量形成誤導(dǎo)。大排放量是穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，但同時會造成生產(chǎn)成本升高，目前許多廠家都建立了廢液回收系統(tǒng)，值得推廣。

氯氫化單元是整個氯氫化的生產(chǎn)核心，正常狀態(tài)下，氯氫化的產(chǎn)品質(zhì)量相對穩(wěn)定，真正影響質(zhì)量的因素在于漿料排放系統(tǒng)，氯氫化的漿料易堵塞管道，一旦漿料排放不及時其產(chǎn)品中的Fe、Al含量變化明顯，這成為質(zhì)量控制中較直觀的表現(xiàn)因素。

(3)公用工程對質(zhì)量的影響 涉及多晶質(zhì)量的新鮮氫氣、氮氣等多以露點、含氧量代表其質(zhì)量，一般不會出現(xiàn)大的質(zhì)量波動，容易引起忽視，但需要特別警醒對上述系統(tǒng)串氣、串料情況的系統(tǒng)檢查，從目前多晶工廠發(fā)生的質(zhì)量事故或安全隱患事故中已發(fā)生多起此類事故，如由于制氫電解槽泄露，堿液漏入氮氣系統(tǒng)情況，此類事故危害巨大，應(yīng)特別注意。

(4)環(huán)境 對還原工序時刻不能忽視潔凈度的控制，尤其是拆裝爐、破碎等工序，國外先進(jìn)的廠家對還原爐的拆裝、破碎、包裝實現(xiàn)了全機械化，最先進(jìn)的是在水中進(jìn)行電弧破碎，杜絕了人為污染。因此介于國內(nèi)生產(chǎn)實際，只能在控制車間和操作過程的潔凈度采取措施，杜絕外來污染。

(5)其它 多晶硅的檢測目前是行業(yè)難題，尤其是對中間過程(液體物料)而言，除需對檢測相關(guān)方法進(jìn)行進(jìn)一步研究外，對檢測本身的環(huán)節(jié)控制同樣涉及到藥品、試劑、操作潔凈度等。其它如串料、泄露等都應(yīng)作為常規(guī)檢查，對換熱器等除在線檢測外還須定期離線采樣分析，一旦異常應(yīng)立即采取措施解決。

3 結(jié)語

多晶硅的生產(chǎn)有很大的特殊性，對質(zhì)量的控制應(yīng)嚴(yán)格貫徹質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化體系，技術(shù)、檢驗、質(zhì)量、生產(chǎn)多部門聯(lián)動控制，質(zhì)量控制要深入每一個員工，以穩(wěn)定、連續(xù)生產(chǎn)為基礎(chǔ)，才能保證高質(zhì)量的多晶硅品質(zhì)。