生产高品质多晶硅质量控制要点

生产高品质多晶硅质量控制要点吴锋;姜海明;任小红【摘要】通过分析多晶硅生产过程中的关键控制点，力求用最低的成本来生产质量最好的多晶硅产品.对多晶硅产品电性能、表观质量影响因素进行分析，列出相关控制要点及控制措施,并按照造成影响的后果将关键质量控制点划分为3级，不同等级的质量控制点按不同的要求进行管理，以达到平衡成本和质量的目的.【期刊名称】《太阳能》【年(卷)，期】2017(000)003【总页数】4页(P72-75)【关键词】多晶硅;关键质量控制点;电性能;表观【作者】吴锋;姜海明;任小红【作者单位】内蒙古神舟硅业有限责任公司;内蒙古神舟硅业有限责任公司;内蒙古神舟硅业有限责任公司【正文语种】中文随着光伏行业竞争的日益加剧，多晶硅生产企业面临着巨大挑战，在下游生产厂家对多晶硅产品质量提出更高要求的同时，多晶硅却始终维持在较低的价格。因此，控制生产成本，持续稳定地生产高品质多晶硅产品，是企业生存与发展的基本保障。如何平衡产品质量与成本的关系，以最小的成本生产最好品质的多晶硅产品是企业生产质量管理人员所面临的首要问题。质量与成本的关系是辩证统一的。一方面，产品质量的稳定需要一定的质量成本；另一方面，稳定的产品质量又是维持生产稳定进行、降低成本的基本保障。因此，如何平衡质量与成本的关系问题就转化为以最小的成本控制产品质量稳定的问题。通过公司多年的生产经验，发现寻找关键质量控制点，并对关键质量控制点进行把控是维护产品质量稳定最经济的管理方式。按照反应工程理论，反应物的浓度是影响反应速率的关键因素［1］，多晶硅生产所使用的精SiHCl3、H2中杂质的浓度会极大影响B、P、金属杂质沉积速率，对多晶硅电阻率有显著影响。因此，控制多晶硅产品电性能质量稳定，首先要控制原料中杂质的浓度。1.1H2质量的控制1.1.1吸附柱生产负荷控制当提高多晶硅产量时，会导致吸附柱进气中氯硅烷含量的增高和混合气处理量的增大，吸附柱中的活性炭会很快吸附饱和。因此，在吸附柱运行的后期，吸附柱无法继续吸附H2中的氯硅烷，使H2中杂质含量升高。图1是某次提升生产负荷时，产品平均电阻率的变化情况。由图1可知，当生产负荷较低时，负荷的增加几乎不会影响产品质量；但当生产负荷达到某一值时，随着生产负荷的提升，电阻率急剧下降。此外，工艺系统的生产负荷不是一成不变的，而是与设备的运行情况、物料中氯硅烷的含量息息相关。通常，吸附柱的处理能力是CDI工序的瓶颈，它决定着整个CDI工序的处理负荷。当还原工序采用过低的配比，或CDI工序前冷却系统换热设备因结垢、冷却介质中不凝气体量较大等影响冷却效果时，都会降低吸附柱的实际负荷。而吸附柱中使用的活性炭质量和活性炭本身实际状况都会影响吸附柱实际的处理能力。因此，生产负荷不能完全按照历史最大的生产负荷来控制，在提升生产负荷时应缓慢平稳，并对产品质量进行跟踪，发现质量下滑时，及时调整生产负荷。第三，生产上应尽量避免生产负荷的突然提量，生产负荷的突变会导致气流的扰动，使吸附柱不能有效吸附气流中所有的杂质。在还原炉空烧、氢压机跳车后恢复生产或合并系统时，要特别注意生产负荷突变的控制。1.1.2吸附柱的运行状态控制1）吸附柱的除杂机理。了解吸附柱运行状态控制，首先要了解吸附柱的除杂机理。吸附柱中的活性炭对大分子和极性分子有很强的吸附能力，但对于小分子和非极性分子的吸附能力较弱。因此，吸附柱对PCl3等杂质的吸附能力很弱，不能吸附回收H2中的P等杂质。但在实际生产中发现，吸附柱有一定量的除杂能力，笔者认为吸附柱的除杂机理是通过活性炭吸附的氯硅烷对回收H2中杂质的溶解作用实现除杂的。2）脱附质量控制。吸附柱脱附过程第一个关键质量控制点是脱附温度。当脱附温度不足时，会导致吸附柱吸附的氯硅烷脱附不完全，这样溶解在氯硅烷中的杂质也不会脱附干净，导致吸附柱处理能力的降低，在下次吸附时，发生质量波动。因此，在生产过程中，一定要确保脱附温度大于工艺指标，脱附温度未达到工艺指标的吸附柱不得轻易投入生产系统进行吸附。脱附过程另一个关键控制点是吹扫H2量。由于吸附柱不能将吹扫H2量理想的分布均匀，气阻小的部位更易通过吹扫H2。因此，当吹扫H2量较少时，低气阻区域可满足吹扫H2的通过，此时吹扫H2将无法带出高气阻区域的脱附杂质。因此，吹扫H2量有个最小值，要确保吹扫H2可完全吹扫到吸附柱内所有位置。当然，吹扫H2量也不是越大越好。不仅是因为增加了生产成本，同时也是由于H2的导热率很大，其导热率值高达0.613W/（m・。C）[2],当吹扫量过大时，不利于吸附柱的升温，使杂质脱附不彻底。综合考虑成本与质量，可考虑采用变吹扫H2量技术，在脱附前期使用较高的吹扫H2量，以便及时移除大量的脱附杂质；而在再生后期时，使用较低的吹扫H2量，有利于提高吸附柱的再生温度，深度脱附吸附柱中的杂质。3）吸附质量控制。由于温度降低会增大吸附柱杂质在氯硅烷中的溶解度，因此在吸附柱的吸附过程中，应控制较低的吸附温度，否则易出现吸附柱的处理能力不足从而产生的质量波动。多晶硅生产企业常设定吸附柱运行温度为工艺指标。但在实际生产过程中，经常出现吸附柱温度在工艺指标内仍发生质量波动的现象，这主要是因为忽略了吸附温度突然升高的情况。当吸附柱在较低温度运行时，吸附柱吸附的氯硅烷中溶解了大量的杂质，但当吸附柱的温度突然升高时，杂质的溶解度降低，并从氯硅烷中挥发出去，造成质量波动。因此，在吸附柱的运行控制过程中，不仅要注意吸附温度的控制，还应控制吸附柱温度变化的情况，避免出现吸附温度突然升高的现象。1.2精SiHCl3质量的控制精馏塔的运行稳定是确保精SiHCl3质量的关键因素。为确保精馏系统的稳定，除了采用适宜的回流比及采出量等工艺控制指标，还应注意蒸汽压力的稳定，以确保精馏塔的稳定运行。但即使精馏塔运行稳定，现有精馏工艺也不能实现杂质的完全分离——精馏塔处理物料的本身的质量也会影响精SiHCl3最终的质量。根据生产经验，冷氢化生产及还原回收的SiHCl3具有较好的品质，而合成及热氢化生产的SiHCl3品质较差（见表1），因此，控制精馏塔进料质量也是至关重要的。多晶硅的表观质量是衡量多晶硅质量的重要标准之一，生产高品质多晶硅应注意控制彩脱芯的形成及多晶硅雾化。2.1彩脱芯的控制彩脱芯按照其形成的机理主要有硅高温下被氧气、水氧化形成的彩脱芯，以及水与氯硅烷反应形成的彩脱芯，表观如图2所示。1）氧化形成彩脱芯的控制。经计算，12对棒还原炉全部形成1000A的蓝色氧化层，只需要0.18g水参与反应，因此要特别注意还原炉内的含水量。还原炉置换次数需要根据置换压力、N2质量等因素进行计算。实际置换次数不得低于理论值，同时还需对置换N2质量、N2置换方式、还原炉筒底盘的吹干等质量控制点进行控制。2）水与氯硅烷反应形成彩脱芯的控制。为避免水和氯硅烷反应生成的SiO2，首先要确保还原炉尾气阀密封良好。尾气阀密封不严时，装炉后还原尾气总管中的氯硅烷气体会从泄露的尾气阀中进入到还原炉内，与硅芯上附着的微量水反应，形成黄褐色的彩脱芯。因此，装炉前必须确定2个尾气手动阀全部关闭且能关闭严密，确认尾气阀密封良好后方可装硅芯启炉。2.2雾化的控制除控制彩脱芯的形成外，也应注意减少还原炉雾化的控制，防止硅粉磨损阀门的密封。2.2.1雾化形成的机理还原炉雾化是在进行正常多晶硅沉积时出现的、反应气氛中生成的大量细硅粉，同时造成硅棒表面出现不规则的颗粒或内部夹层，导致多晶硅产品的品质无法满足要求。还原雾化的机理为反应剂浓度超过与温度相关的临界值时，在气氛中形成细硅粒（系均匀成核），无需外来核心，一旦成核即在细晶粒的表面上吸附反应剂进行表面反应。产生体反应的要素主要有反应剂浓度过饱和、较高的反应温度、催化反应。2.2.2反应剂浓度饱和的控制还原炉的反应原料为H2和SiHCl3混合气。提高H2流量，能够降低整体气氛中反应气体SiHCl3的浓度；但H2流量提高，会同时降低表面沉积的速度，减少单炉产量、增加电耗。因此，应将还原反应的配比控制在合适的范围内。还原炉的原料SiHCl3中，往往含有少量的SiH2Cl2。SiH2Cl2性质比SiHCl3活泼（见表2），在同样反应条件下更易发生体反应产生雾化。在实际运行中，需控制原料中SiH2Cl2的含量，特别是控制SiH2Cl2含量的稳定。表3为公司某次还原连续3日批次性雾化的情况，分析查找批次性雾化的原因时，发现物料中SiH2Cl2含量由正常1%左右，上升到4%以上。2.2.3反应温度的控制还原炉内反应气氛的升温主要来自于硅棒表面的热辐射及传导，降低硅棒表面温度，能够直接降低气氛温度。尤其是在硅棒沉积的后期，随着硅棒直径及表面积增大，气氛温度也不断增加，更易产生雾化。所以在温度控制上，中后期温度应逐渐降低，到后期需控制在1000°C以下。2.2.4催化的控制金属离子，特别是过渡金属的存在会降低体反应的能量壁垒，使体反应更易发生。在还原反应过程中，若电极与石墨件接触不良，会造成还原炉电极的拉弧，高温条件下一定电流使铜电极电离成铜离子，进入气相中形成对体反应的催化。因此，在还原炉装炉过程中要注意检查电极与石墨的接触，接触不严密的应采取更换石墨件、维修电极等措施。目前，对多晶硅产生最小污染的材料是碳化钨。但即使是碳化钨，在与多晶硅强力接触的过程中，也会对硅料产生一定程度的金属污染。为降低这种污染，可采用棒对棒碰撞的方式进行破碎，仅在处理石墨件横梁等不易进行棒对棒处理的位置使用碳化钨破碎锤进行破碎。对于后处理的管理主要在于细节管理，采用6S管理可有效避免多晶硅物料中混入杂物。通过以上分析可以判定，生产负荷、CDI吸附柱的再生温度、吹扫H2量及精馏系统的稳定是一级关键质量控制点。当一级关键质量控制点发生问题后，会造成批次性多晶硅的电性能质量下降。因此，应对其进行严格把控，确保工艺要求参数稳定，杜绝任何可能的影响因素