西門子法多晶硅生產中的質量控制難點及措施

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

西門子法多晶硅生產中的質量控制難點及措施

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，各規模企業在實際生產中對生產高質量的多晶硅也有了較多的經驗和總結，這對我國未來多晶硅行業的發展奠定了堅實基礎。本文主要針對多晶硅生產中的質量控制提出新的思路，通過生產過程的質量控制，實現穩定高質量的多晶硅生產。

西門子法；多晶硅；質量控制

1 多晶硅質量控制的難點

多晶硅生產的質量特點一是純度高，產品的主要雜質含量要求控制在ppb級，而且主要雜質種類復雜，這遠遠高于一般化工產品的品質要求。二是檢測困難，中間產品(如成品三氯氫硅)的金屬雜質檢測已接近檢測儀器的下限，存在很大的不穩定性；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。三是調節滯后，質量波動周期較長，由于多晶硅成品的生長周期約在170h，而檢測結果反應出質量問題后，系統調節需要過程，因此質量一旦波動，周期較長。

2 質量系統環節

(1)環節類別 多晶硅中核心的質量控制環節在精餾工序，但決不可僅限于此工序。目前對于西門子氯氫化工藝系統中的質量系統控制可分為四大類：原料、生產和工藝穩定性、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，工藝穩定性主要包括精餾等各工序本身的操作工藝穩定和整個系統物料平衡的穩定，外界污染主要涉及開放工序的還原爐拆裝、后續破碎腐蝕、各設備的維修潔凈度控制以及還原工序的生產環境，異常泄露是多晶生產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水換熱，水對物料(三氯氫硅)的危害是致命性的，因此一旦發生大的質量問題必須對此進行排查。

(2)核查重點 一般情況下對以下方面要進行質量的嚴格管控，包括：硅粉質量、外購三氯氫硅質量、氫氣(氮氣)質量(露點)、還原車間潔凈度(環境檢測)、精餾工藝參數、蒸汽穩定性、氯氫化漿料排放、換熱器泄露(水側的pH值或電導率檢測)、檢測(包括檢測用的氬氣、藥品質量及設備情況，要及時標定)、罐區及其他工序物料互串、重大生產波動等。

3 典型環節分析

(1)原料 硅粉質量：國外廠家對硅粉的要求十分嚴格，一般對金屬雜質指標在10個以上的指標要求，不單單是硅粉牌號的要求(硅粉牌號基本在3303以上)，對金屬雜質重點指標和粒徑大小的要求也不同，都是根據自身冷氫化合成爐的工藝特點確定。而國內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等指標無太大變化，但多晶硅往往只能達到太陽能級，因此高品質的多晶硅生產要有高品質的硅粉原料作為保證。

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

(2)關鍵工序 精餾工序是多晶硅生產質量的核心，精餾工藝除本身的回流比調節、溫度壓力、進料流量等參數控制外，還需關注整個系統物料平衡，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，在上述兩個系統出現問題時，精餾的穩定調節尤為重要，非緊急情況下進料量調節應控制在2t/h以內。精餾廢液排放非常關鍵，實際排放量更應以脫重塔、DCS分離塔塔釜的Fe、Al含量指標確定，單純以塔釜B、P確定或精餾產品出料雜質確定排放量時會對真正的產品質量形成誤導。大排放量是穩定產品質量的關鍵因素之一，但同時會造成生產成本升高，目前許多廠家都建立了廢液回收系統，值得推廣。

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

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

(4)環境 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，國外先進的廠家對還原爐的拆裝、破碎、包裝實現了全機械化，最先進的是在水中進行電弧破碎，杜絕了人為污染。因此介于國內生產實際，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難題，尤其是對中間過程(液體物料)而言，除需對檢測相關方法進行進一步研究外，對檢測本身的環節控制同樣涉及到藥品、試劑、操作潔凈度等。其它如串料、泄露等都應作為常規檢查，對換熱器等除在線檢測外還須定期離線采樣分析，一旦異常應立即采取措施解決。

3 結語

多晶硅的生產有很大的特殊性，對質量的控制應嚴格貫徹質量標準化體系，技術、檢驗、質量、生產多部門聯動控制，質量控制要深入每一個員工，以穩定、連續生產為基礎，才能保證高質量的多晶硅品質。