多晶硅冷氫化系統中重金屬雜質的影響及去除

李小龍 張天翔 馮茹濤

新特能源股份有限公司 新疆烏魯木齊 831408

1 使用冷氫化系統作業的主要步驟

冷氫化技術在應用過程中會用到SiCl4、Si粉以及H2，并且還要將溫度控制在500-550攝氏度之間、壓力控制在2-3MPa（G）之前，在催化劑的作用下進行化學反應。此實驗在進行過程中，硅粉會呈現出一種沸騰的感覺，并且會有SiHCl3以及SiHCl3等物質產生。在內置旋風分離器的作用下，會將主反應所產生的氣體進行過濾，達到去除Si粉的作用，隨后再經過一系列反應過濾出氯硅烷液體物質，此時會有產生的氣體進入系統進行在此使用，并會在粗餾系統作用下將沒能參與反應的SiCl4粗品進行循環再使用，SiHCl3粗品經過加工產生精品，在此過程中需要及時對廢渣液進行清理，至此，整個作業流程結束，其中所涉及到的主要方程式包括以下三個：首先，主反應所涉及到的方程式為Si+2H2+3SiCl4=4SiHCl3；其次，副反應涉及到的方程式有SiCl4+Si+2H2=2SiH2Cl2、2SiHCl3=SiCl4+SiH2Cl2兩種，整個作業流程圖如下：

2 在使用冷氫化技術時產生雜質的主要原因以及對整體的影響

2.1 在使用冷氫化技術時產生雜質的主要原因

由于Si粉在進行反應時會將所含的金屬物質分離出來，倘若這些雜質不能及時排出，便會使得整個流程中產生金屬氯化物，進而會出現沉淀，對后續環節的工作產生影響[1]。

2.2 在使用冷氫化技術時產生雜質對整體的影響

倘若SiCl4粗品在進行循環使用時未能及時將殘留物質排除，其中反應所產生的金屬氯化物便會一直在系統內進行循環，又因為金屬氯化物經過一系列反應會出現晶體，當數量達到極限時便會使管道出現堵塞的現象，通過調查主要記錄到以下幾種現象：

第一，致使反應器分布板出現堵塞。當含有少量Si粉的SiCl4與金屬氯化物發生反應時會有氣體產生，并會通過分布板進行輸送，最后達到反應器內，此時倘若氣體的速度達到某種程度后，分布板中心所能承受的風速會與邊緣傳遞的風速產生的差值基本不變，再加上泡罩式風帽結構作用的約束，使得整體的流通速度要低于直噴式流通速度，這時上述反應所產生的雜志便會在進口處產生堆積，不利于氣體的流通，最后出現堵塞的現象，同時會導致分布板的壓差值增加。長此以往，便會對分布板造成破壞，還有出現爐壁穿孔的可能，對生產員工的生命安全造成隱患。

第二，對換熱器的作業效率產生影響。由于在使用冷氫化技術時需要有SiCl4氣體參與反應，在反應器的作用下進行反應，最后會將液態物質轉變為氣態，當SiCl4氣體完成反應后會將產生的雜質附著在換熱器中，會迫使冷氫化系統停止作業，對后續工作的帶來不便。

第三，對過濾器的正常運行造成影響。當氣體進入到系統進行反應時，所產生的液態混合氯硅烷會有一部分繼續循環到淋洗器開展作業，此時會出現過濾器堵塞的現象，整個清理過程是十分復雜的，并且所排出的雜質中含有危險物質，對生產環境造成很大的威脅。

3 在使用冷氫化技術時去除重金屬物質的主要策略

3.1 加大對循環使用物料的處理力度

由于在使用冷氫化技術時會產生一定量的殘液，此過程需要在螺旋的作用下對循環物質進行處理，確保所有殘液均能夠經過充分處理，最大限度地將金屬氯化物以及Si粉進行去除，并且要對提取到精制的氯硅烷物質，并對重要物質進行淋洗，確保所搜集物質的純凈度。

3.2 加大對除重塔內回流量的控制力度

由于在使用冷氫化技術時會出現回流量不足的現象，這便會在一定程度上阻礙清除氯化物效率，因此，生產人員需要合理應用相關技術，確保回流量能夠提高到某一數值，保證工作效率。

3.3 對所分離的物質進行提純處理

此過程需要加大對高純度氯硅烷的搜集，在完成搜集工作后重新進行排放，能夠有效解決堵塞的問題，減少系統內重金屬雜質的存留。

4 所達成的優化效果

（1）通過數據可以看出，進行優化后金屬氯化物的數據要遠遠低于優化前，有著十分顯著的效果，具體內容如下：

管內所含有的金屬雜質：鋁，優化前含量2850×10-9，優化后含量600×-9。

鐵，優化前含量56×-9，優化后含量10×-9。

鈣，優化前含量10×-9，優化后含量2×-9。

在保證所有物質用量以及環境因素相同的前提下，對管內所含有的金屬雜質進行對比，其中優化后的含量要遠遠低于優化前，能夠有效去除管內一些雜質。

（2）在解決完堵塞問題后，對設備能夠運行時間以及分布板壓差進行了記錄，主要數據如下：優化前，運行時間三個月，分布板壓差70kPa；優化后，運行時間8個月，分布板壓差30kPa。

5 結語

通過上文的論述可以發現，制定完善的優化方案能夠有效處理金屬氯化物留存的問題，并且能夠有效解決設備堵塞問題，提高效率，值得推廣，進而能夠確保整個技術能夠穩定、安全工作，推動相關企業的發展，為提高多晶硅的純度提供了幫助。