浅析高压击穿启动还原炉在多晶硅生产过程中的应用

【摘要】还原炉启动是多晶硅生产中的重要工艺环节。本文就改良西门子法多晶硅生产工艺及其生产过程中采用卤素灯加热器进行预加热硅芯启动还原炉和采用高压击穿硅芯启动还原炉在节能降耗等方面的优劣进行简要分析。

【关键词】高压击穿；预热；启动；还原炉

abstract：The start-up of reactor is the key point ofpolysilicon production process.This paper briefly analyzes the advantage and disadvantage on the energy-saving and cost-reducing between using halogen lamp heater and high voltage ignition system to start up reactor with modified Siemens polysilicon production technology.

key words： the high voltage breakdown； Preheating； Start； Reduction furnace

引言

光伏发电主要是利用太阳能，将太阳光能转化为电能的一种发电方式，其技术最早应用于太空领域，作为人造卫星的电源。但伴随着社会快速发展接踵而至的能源危机和环境污染，人们开始寻找能够代替化石燃料储备的能源材料，太阳能作为取之不尽用之不竭的清洁能源，日益受到人类的亲睐和重视。而作为光伏发电重要原材料的多晶硅及其生产技术也日益成为世界关注的焦点。在我国，经过近年来的不断探索和发展，已经建成了多条专业的多晶硅产业化生产线，突破了长期以来国外对我国的生产技术封锁及市场垄断，多晶硅的生产在我国已经逐步形成了极具战略意义的新兴产业。

1、多晶硅生产工艺概述

由于各多晶硅生产厂家所用的主辅原料并不相同，因此生产工艺技术不同，进而对应的多晶硅产品技术经济指标、产品质量指标、用途、产品检测方法、过程安全等方面也存在差异，各有自己的技术特点和技术秘密。总的来说，目前国际上多晶硅生产主要的传统工艺有：改良西门子法、硅烷法和流化床法。其中改良西门子工艺生产的多晶硅的产能最大，约占全世界总产能的80%[1]。

改良西门子法生产多晶硅是利用氯气和氢气合成氯化氢，合成和回收的氯化氢与工业硅粉合成三氯氢硅，对合成的三氯氢硅进行分离提纯，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内与氢气进行化学气相沉积（CVD）反应生成高纯多晶硅并产生尾气，尾气通过干法回收系统将各组分回收利用（氢气与三氯氢硅分别回收后再用于CVD反应生成高纯多晶硅，四氯化硅回收后与氢气在氢化炉内反应生产三氯氢硅，氯化氢回收后用于合成三氯氢硅），以此形成多晶硅生产物料的闭路循环。改良西门子法制备的多晶硅纯度高，安全性好，沉积速率高，一次通过的转换效率为5%～20%。改良西门子法相对于传统西门子法的优点主要在于：1）节能：由于改良西门子法采用多对棒、大直径还原炉，可有效降低还原炉消耗的电能。2）降低物耗：改良西门子法对还原尾气各组分全部进行了有效的回收和利用，大大低降低了原料的消耗。3）减少污染：由于改良西门子法是一个闭路循环系统，多晶硅生产中的各种物料得到充分的利用，排出的废料极少，相对传统西门子法而言，污染得到了控制，保护了环境。

2、SiHCl3还原

经分离精馏提纯工序精制的三氯氢硅，与从还原尾气干法分离工序回收的氢气在汽化器内以一定比例充分混合汽化后送入还原炉内。在还原炉内通电的炽热硅芯/硅棒的表面，三氯氢硅与氢气发生氢化还原反应，生成硅沉积下来，使硅芯/硅棒的直径逐渐变大，直至达到规定的尺寸。氢还原反应同时还生成二氯二氢硅、四氯化硅、氯化氢和氢气，与未反应的三氯氢硅和氢气一起送出还原炉，经还原尾气冷却器冷却后，直接送往还原尾气干法分离工序。

3、还原炉启动

硅芯是半导体材料，其半导体特性是负阻特性，硅芯的电阻率随温度升高下降，且这种关系是种指数关系：

Ρ=αeβ/T

式中α与β对于同一种半导体材料为常量，T为绝对温度[2]。

因此只要有足够热量使得硅芯温度升高到一定温度以上（使得硅芯电阻率下降到一定值），在硅芯上加上一定电压就能击穿硅芯，形成电路，再以电流大小控制硅芯温度至化学气相沉积要求温度即完成了还原炉启动。

3.1 卤素灯加热器预热硅芯启动还原炉

卤素灯加热器预热硅芯启动还原炉原理为：开炉准备工作完毕后，在惰性气体气氛的还原炉内安装卤素灯加热器对硅芯进行预热，使得硅芯达到击穿温度，硅芯上加上电压击穿硅芯形成电路后取出卤素灯加热器，再用氢气置换还原炉惰性气体气氛、测漏合格后进料运行。

3.2 高压击穿预热硅芯启动还原炉

高压电击穿硅芯预热启动还原炉原理为：开炉准备工作完毕，惰性气体、氢气置换还原炉至气氛合后，在氢气环境、100℃左右环境温度下，硅芯上施加最高为10KV（10～0.45KV连续可调）的电压使其产生约1KW的电功率加热硅芯，随着硅芯温度升高、硅芯电阻大幅度降低，加热功率U2/R进一步提升，硅芯温度升高并击穿，击穿启动后进料运行。

3.3 启动还原炉方式优劣对比

根据以上卤素灯加热器预热硅芯启动还原炉生产过程与高压击穿预热硅芯启动还原炉生产过程的不同，下表将根据生产过程中消耗、隐患等方面进行优劣对比。

4、结论

综上所述，采用高压击穿启动还原炉，妥善的解决了卤素灯加热器预热硅芯启动还原炉存在的诸多不足，有效的提高了生产效率和能源、物耗的利用率，消除了生产过程中不必要的质量隐患和安全隐患，降低了生产成本。如今，高压预热硅芯启动还原炉在国内已得到了广泛的推广和应用，其运行效果得到了众多多晶硅生产厂家的肯定和好评，其科学性及可靠性也得到了很好的验证。

参考文献

[1]杨涛.改良西门子法生产多晶硅工艺设计探讨.贵州：贵州化工杂志社，2009（06）.

[2]陈强，胡乐莎，赵仕明，翟桂林.12对棒还原炉预热启动方式的优化研究.东方电气评论，2011（6）.

作者简介

李芳，1986年5月1日出生，性别：女，民族：汉族，籍贯：陕西省陇县，2008年毕业于广西大学化学工程与工艺专业，现供职于昆明冶研新材料股份有限公司，职称：助理工程师，学位：学士学位，研究方向：清洁能源，单位邮编：655011。

何松，1983年12月22日出生，性别：男，民族：汉族，籍贯：云南沾益，2008年毕业于武汉工程大学机械设计制造及其自动化专业，现供职于昆明冶研新材料股份有限公司，职称：助理工程师，学位：学士学位，研究方向：清洁能源，单位邮编：655011。