多晶硅还原炉气相平衡计算与分析
多晶硅还原炉气相平衡计算与分析
基 于 Ｇｉ ｂ ｂ ｓ自由能最 小原 理 ， 对 多 晶硅 还 原 炉 内气 相 平 衡 进 行 了 计算 ， 系 统地 分 析 了 不 同 温 度、 压力 和氢 摩尔 配 比条件 下 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 的转 化 率 ， 以及还 原尾 气 中 Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 、 Ｓ ｉ ｌ Ｃ １ ｚ 、 Ｓ ｉ Ｃ １ 、 Ｈ 和 ＨＣ １ 等组 份 的平衡 情 况 ， 包 括流 量 和组成 浓度 等 。计算 结果 与 实 际情 况 较吻合 ， 可 以为 改 良西 门子工艺 的物 料平 衡模 型 提供依 据 ， 也 可在还 原 炉实 际运 行过 程 ， 通 过尾 气 分 析 检测 数 据 与计 算 数 据对 照 ， 分析 炉 内 的工 艺 条件 状况 ， 及 时做 出调 整和优 化 。
式［ ４ ｌ ：
１ ３ ５ ５ Ｏ ｋ ｇ ／ ｈ ， 其 中约 １ ０ ９ ／ ６ 的 Ｓ ｉ ＨＣ １ ３ 在 反应 器 ＲＳ ｔ ｏ ｉ ｃ 内沉 积成 多 晶硅 。除 特 别 说 明外 ， 硅 沉积 转 化 率 为
第 ４期
多晶硅 还 原 炉 气相 平衡 计 算与 分析
４ １
关 键词 ： 多晶硅 还原尾 气 热 力 学平衡 多 晶硅还 原炉 内的化 学反 应 达 十数 个 ［ １ ］ 。除
Ｓ ｉ Ｈ Ｃ１ ３ ＋ Ｈ２ ＝Ｓ ｉ （ Ｓ ０ Ｉ ｉ ｄ ） ＋３ ＨＣ １
Ｓ ｉ Ｈ Ｃｌ ３ ＋ Ｈ２ 一Ｓ ｉ Ｈ２ Ｃｌ ２ ＋ Ｈ Ｃ１
（ Ｒ１ ）
（ Ｒ２ ）
产 品硅外 ， 还 原 尾 气 中 还 包 含 Ｈ 、 ＨＣ １ 、 Ｓ ｉ ｌ。 Ｃ １ ｚ 、
Ｓ ｉ ＨＣ ｌ 。 和Ｓ ｉ Ｃ １ 等 。这些 组份 及组 成情 况 ， 是改 良西
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍1、概述还原炉流场及温度场数值模拟计算主要是描述还原炉内气体流动的流体力学和表面反应动力学模型，应用于多晶硅生产过程模拟，利用流体力学的偏微分方程组，得到还原炉内气体的流场和浓度场及温度场的模拟计算结果，分析底盘进气喷嘴与硅棒相对位置对气体的影响。
1.1 还原炉内多晶硅形成过程SiHCl3与氢的还原在大型钟罩式还原炉内进行。
SiHCl3与H2混合气体经过一套组合喷嘴进入炉体内。
混合气体上升过程中形成稳定的气体射流，受硅芯表面阻力作用形成一定厚度的速度边界层，满足热力学条件时反应气体通过边界层向硅芯表面扩散发生多晶沉积，径向生长。
其描述如下：反应气体转移到基体（硅芯）上；反应气体被基体表面吸附；基体表面化学反应；表面成核与扩散；副产物从基体表面解析；副产物从基体上方移走，重新回到主气流。
2、数值计算方法与模型多晶硅制备采用化学沉降法，具有纯度高、致密度高等有点，但反应在气相中发生，带来了在沉积过程中气体流型稳定性、反应温度分布均匀性、产物浓度平衡性等问题。
将流体力学和表面反应动力学模型应用于多晶硅生长过程模拟，计算还原炉速度流动场、温度场、表面反应及扩散过程，建立生长初始条件和反应过程各组分的理论关系。
各种气体在还原炉内运动规律的数学模型有：流体流动的连续性方程、动量方程、能量方程、辐射传热方程、组分传递与扩散方程及表面反应动力学方程。
3、计算结果分析采用CFD软件对上述模型进行求解运算，得到气体沉降法制备多晶硅的还原炉内气体的流动（流场）、气体浓度、温度（温度场）及沉积速度的分布。
3.1 气体的流动分布（流场）36对电极还原炉的进气喷嘴布置的六方体中心，在相同的气体流量下，喷嘴与硅棒、电极的方位影响还原炉内的气体分布及硅棒表面的气体的速度边界层。
模拟计算机图中可知：混合气流从喷嘴射出，在空间上升经由壁面回流至还原炉底部并流出，整体气体分布较均匀：气体沿着硅芯平滑分布，表面形成均匀分布的气体膜，便于反应沉积的进行。
浅析多晶硅还原生产常见问题及控制对策
Journal of Henan Science， 而且互联网的普及培育了受众 的网络购物习惯， 特别是年轻一代的受众， 在网络上寻找分类 信息、 交易、 交友、 找工作对他们来说已经不是新鲜事 。 当然， 任何新生事物都有很多问题， 在线分类广告也不例外， 信息可 内容同质化等问题是在线分类广告的弊病， 这使得报 信度低、 纸分类广告仍然有机会挽回颓势， 报业经营者可以选择借助 网络媒体对报纸分类广告进行多元化创新经营 。 参考文献： ［ 1］ 李军． 从报纸分类广告到分类网站 ． 中国新闻技术工 作者联合会 2012 年学术年会、 五届四次理事会暨第六届“王 “人才奖 ” “优秀论文奖 ” 选新闻科学技术奖” 的 和 颁奖大会论 C］ ． 2012 文集［ ［ 2］ J］ ． 青年 王雪峰． 网络媒体运营模式及发展趋势探析［ 记者． 2012 （ 23 ）
2013． NO． 06
工程与材料科学
Journal of Henan Science and Technology
河南科技
浅析多晶硅还原生产常见问题及控制对策
周修敬 （ 昆明冶研新材料股份有限公司， 云南 曲靖 655011 ） 摘 要： 随着光伏产业及半导体行业的发展与繁荣， 作为基础材料的多晶硅材料得到了广泛的应用 。在全球范围内新能源越 多晶硅行业取得了快速发展的契机， 在短短几年里取得了繁荣与发展， 同时呈现出过剩现象。 在多晶硅生 来越受重视的背景下， 。 产过程中， 还原生产工艺是最为关键的工艺 本文通过对多晶硅生产过程进行介绍， 对多晶硅还原生产过程中常见问题进行分 同时对相应控制对策进行探讨， 以期为多晶硅生产提供参考 。 析， 关键词： 多晶硅； 还原生产； 常见问题； 控制对策 中图分类号： TQ127 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 5168 （ 2013 ） 12 － 0083 － 02 光伏产业的快速发展导致多晶硅材料的市场需求日益增 大， 对多晶硅行业的繁荣与发展发挥了巨大推动作用 。 对于 如何提高多晶硅生产质量， 促使多晶硅生产 多晶硅行业来说， 效率大幅提升， 是这一行业发展过程中必须解决的问题 。 多 晶硅行业要取得长远发展， 不能简单依靠盲目扩大多晶硅生 产规模来实现， 也不能对多晶硅生产技术进行盲目革新， 而是 、 需要在对现阶段生产中常见问题进行认真分析 不断改进的 基础上， 对生产工艺进行不断完善与优化， 在保证产品质量的 基础上提高生产产量。 1 西门子法多晶硅生产工艺 1． 1 多晶硅概念 多晶硅是单质硅形态之一 。 在过冷环境中， 熔融单质硅 内部的硅原子按照金刚石晶格形态进行排列， 在进行凝固时， 形成诸多晶核， 若这些晶核形成晶面具有不同取向的晶粒， 则 通过结晶作用即可形成多晶硅 。 这些晶粒互相结合， 1． 2 西门子法多晶硅生产 效粘合， 导致二者脱离现象。 之所以会出现这一问题， 主要是 因为在对硅芯进行酸洗过程中， 酸洗力度不足， 致使硅芯表面 形成氧化层。 2． 2 在生产过程中出现 “硅油” “硅油 ” 。“硅油 ” 在多晶硅还原生产中， 常会有 出现 常出 现在还原炉内温度较低的部位， 通常在窥视孔石英片、 底盘、 “硅油 ” 电极、 喷口与炉筒等位置沉积 。一旦出现 现象， 将会造 使多晶硅生产实收率大幅降低 。 成硅化合物出现大量损失， 同时， 在窥视孔石英片上沉积的硅油会导致镜片模糊， 给测温 对炉温调节造成影响， 在很多时候会导致硅 与观察造成阻碍， 棒上温度过高， 造成硅棒烧断现象。 同时， 硅油吸水能力比较 如果拆炉时炉内有硅油存在， 硅油会对空气内的水大量吸 强， 收， 其内部盐酸脱离出来， 从而对设备造成腐蚀， 严重时还会 造成自燃或爆炸事故。 2． 3 还原生产生成无定形硅 有时为追求低能耗与高产量， 在多晶硅诸多生产企业中， 对无定形硅的形成往往不加重视， 导致生产过程中形成大量 无定形硅。无定形硅的形成一般有两方面原因， 一是因为三 导致无定形硅产生， 这时还原炉中的生 氯氢硅反应温度过低， 产功率相对较低， 沉积速度相对较快； 二是物料中二氯硅烷含 导致大量无定形硅产生 。 尤其是在生产后期， 如果将 量过高， 温度控制在较高范围内， 则会造成炉内能见度剧降， 导致视镜 变黑或模糊。 2． 4 倒棒问题 在多晶硅还原生产中， 倒棒问题是极为常见的问题， 特别 是前期出现的倒棒问题， 常需更换硅芯并将还原炉进行反复 极为不便。之所以会出现倒棒问题， 主要是因为在硅芯 拆装， 安装时未保持垂直状态 、 硅芯不均匀、 横梁未进行良好搭接与 电流过快导致熔断等。 2． 5 硅棒中存在氧化夹层 如果多晶硅的还原生产中有氧或水汽混入原料， 则会使 导致 SiO2 氧化层形成并在硅棒上附着， 原料出现氧化或水解， 沉积硅在这一氧化层上沉积， 最终导致氧化夹层形成， 很容易 “硅跳” 在多晶硅向单晶硅拉制过程中出现 现象。 2． 6 裂纹问题 在生产中后期与停炉时， 如果物料未进行适当配比 、 电流 过快升降或者物料流量波动较大， 常会导致硅棒上出现裂纹 问题。 2． 7 高温下还原炉水管震动问题 高温下还原炉的水管振动不仅给在工作人员造成不适， 如果震动过强还会使管道保温脱落 、 管道结构及附件破坏、 弯 头与焊缝出现泄漏或爆炸， 引发严重安全事故。 还原炉内高 温水系统的压力及温度对还原炉运行的稳定具有决定性影 （ 下转第 245 页） 响。如果出现爆管问题或高温水泄漏现象，
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍在多晶硅生产过程中，电极还原炉是一个至关重要的设备，用于将气相中的氯化硅还原成多晶硅。
在电极还原炉内，通过电弧加热的方式使氯化硅还原成多晶硅，并最终沉积在电极上。
为了更好地了解电极还原炉内的流场和温度场分布情况，可以进行数值模拟计算。
数值模拟计算是通过建立数学模型，利用计算机进行计算，模拟实际物理过程。
在电极还原炉流场及温度场数值模拟计算中，可以采用计算流体力学（CFD）方法，结合传热传质理论，对电极还原炉内气体流动和传热过程进行模拟。
通过数值模拟计算，可以获得电极还原炉内的温度分布、气体流动速度和压力分布等关键参数，为优化电极还原炉设计和操作提供重要参考。
在进行电极还原炉流场及温度场数值模拟计算时，首先需要建立电极还原炉的几何模型。
通常可以采用计算机辅助设计（CAD）软件对电极还原炉进行三维建模，包括炉体、电极、电弧等关键部件。
建立几何模型后，需要进行网格划分，将计算区域离散化为小的网格单元，以便进行数值计算。
接下来，需要建立物理模型和数学模型。
在电极还原炉内气体流动和传热过程中，需要考虑流体的动量守恒、能量守恒和质量守恒方程，以及气体的热传导、辐射传热和对流传热等物理过程。
通过建立这些方程组，可以描述电极还原炉内的流场和温度场分布情况。
通过电极还原炉流场及温度场数值模拟计算，可以获得电极还原炉内关键参数的变化规律，为优化设备设计和操作参数提供指导。
同时，数值模拟计算还可以节约成本、降低风险，提高生产效率和产品质量。
因此，电极还原炉流场及温度场数值模拟计算在多晶硅生产中具有重要的应用价值。
西门子法多晶硅还原炉气相沉积反应探讨
若 能 从 这些 不 确 定情 况 中简化 出
从Ｓ ＨＣ１ ｉ ３ 到二 氯硅 烷 （ ｉ Ｃ ２再 到 Ｓ Ｈ２ １） 硅 的反应 规律 ， 能够 完 成多 晶硅 生 就 产全 系统 的物 料 能量平 衡计 算 ， 而 从
ｌ
Ｆ Ｏ ＴＥ Ｒ ＮＩ Ｉ Ｒ Ｅ硼
西 门子 法 多 晶硅 还 原炉 气 相 沉积 反应 探 讨
■ 文／ 李 汉 华陆工程科技 有限 责任公 司
自西 门子 公 司 在 ２ 世 纪 ５ 年 代 ０ ０ 发明 了采用提纯 的三氯氢硅 （ｉ Ｃ Ｓｌ １）
在 氢 气 （ ） 氛 下 在 加 热 的 硅芯 表 Ｈ：气 面反应沉 积多 晶硅 的方法—— 西 门子
渐 增强 ， 但是对 全厂 物料 中“ （ ） 、 硅 Ｓｉ”
我 国过去小规模 西 门子法 多晶硅 生产 都 是进行 的 以下 ２ “ 头在 外” 种 两
的 非 闭式循环 模 式 ， ： ｉ Ｃｌ 即 ①Ｓ Ｈ 厂 家提供 高纯的Ｓ Ｈ 多 晶硅 厂直接 ｉ Ｃｌ ， 用 于 还 原 生 产 多 晶 硅 ， 气 “ 法 回 尾 湿
Ｄｅ ｏｉｉｎ， ｐ ｓｔｏ 简称 Ｃ 反应器）也就是 ＶＤ ， 通常说 的还原炉 ， 它的操作控制水平直 接 关系到 多晶硅 的产 量 、 成本及质量 。
ＣＶＤ反应器 的产能是 由硅元素沉积效
收” ， 硅烷外送 ； ｉ 后 氯 ②Ｓ ＨＣ１ 厂家提
率 即常说 的有效转化率决定的 ， 国外资 料显示有 效转化率最高可到 １％， 目 ６ 而
加压 下 操作 ， 温 下Ｓｉ Ｃ１的硅沉 高 Ｈ ３
多晶硅还原生产常见问题及控制对策分析
多晶硅还原生产常见问题及控制对策分析摘要：近年来，我国的光伏产业有了很大进展，在光伏产业中，多晶硅的应用十分广泛。
在全球范围内新能源越来越受重视的背景下，多晶硅行业取得了快速发展的契机，在短短几年里取得了繁荣与发展，同时呈现出过剩现象。
在多晶硅生产过程中，还原生产工艺是最为关键的工艺。
本文首先对多晶硅还原生产工艺概述，其次探讨了多晶硅还原生产常见问题，最后就多晶硅还原生产问题的控制对策进行研究，以期为多晶硅生产提供参考。
关键词：多晶硅；还原生产；光伏产业引言太阳能光伏产业，作为新能源产业结构体系中发展较为成熟的产业，在碳中和背景下规模将进一步扩大，并成为“双碳”目标得以实现的重要保证。
多晶硅是制造集成电路、光伏太阳能等的关键材料。
因此，多晶硅生产企业迎来了机遇，但也面临更大的压力，因为市场对多晶硅品质的要求在不断提高。
只有不断提升自身的产品质量，实现闭式循环节能减排，才能长久持续发展。
1多晶硅还原生产工艺概述多晶硅生产中改良西门子法是其中一项西门子工艺，在1100℃高纯硅芯中，使用高纯氢还原高纯三氯氢硅，硅芯上方完成多晶硅沉积在。
这种改良西门子工艺，是以传统西门子工艺为前提进行创新，具备节能降耗、可回收利用的特征，多晶硅生产期间同时有H2、HCl、SiCl4一类的副产物和副产热能产生。
使用这种改良西门子法，多晶硅生长阶段多是在还原炉内部操作完成。
还原炉包括底盘、炉筒，其中底盘上有分布电极分布，常见的若干对棒还原炉即根据电极对数得名，例如常见的有24对棒还原炉和36对棒还原炉。
还原炉底盘在多晶硅重量承载这一方面是不可或缺的部件，也负责承担供电和物料进出、物料分布等，利用底盘的绝缘材料、冷却介质流通管路等，即可实现以上一系列操作功能。
还原炉炉筒对于多晶硅而言，也是非常必要的生长空间，还原炉炉筒高度、空间，都会对多晶硅实际产能、电耗指标等造成影响，利用炉筒视镜、冷却介质进回路，便可达到温度与多晶硅生长过程的实时监测目的，并实现设备的冷却。
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍
36对电极多晶硅还原炉流场及温度场数值模拟计算介绍多晶硅是半导体产业中常用的材料之一，用于制造太阳能电池和集成电路等器件。
实现高质量的多晶硅生产需要一个优化的电极多晶硅还原炉的设计。
为了准确地理解和改进电极多晶硅还原炉的工作原理，数值模拟计算是一种有效的手段。
电极多晶硅还原炉流场和温度场数值模拟计算是通过计算流体力学（CFD）方法来模拟还原炉内部的气体和固体颗粒的流动以及温度分布情况。
这种模拟计算可以提供关键参数的准确预测，从而优化还原炉的设计。
首先，进行电极多晶硅还原炉流场数值模拟计算，需要建立还原炉的几何模型。
通常，还原炉由炉体、电极、吹气系统和加热系统等组成。
通过CAD软件或者其他几何建模软件，将还原炉的几何形状转化为数值计算所需的网格模型。
网格的精细程度对数值计算的精度有影响，因此需要根据具体情况进行网格划分。
接着，通过CFD软件对还原炉的流场进行模拟计算。
在模拟计算中，需要考虑气体的流动和固体颗粒的运动。
对于气体流动，需要考虑雷诺平均Navier-Stokes方程、湍流模型以及边界条件等。
对于固体颗粒的运动，需要考虑颗粒的运动方程，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等。
在模拟计算中还需要考虑到电极多晶硅还原炉的加热系统对温度的影响。
加热系统通常由电炉、加热元件以及其他辅助设备组成。
这些部件的有效设计对于保持还原炉内部温度的均匀性非常重要。
模拟计算的结果可以提供有关还原炉内部流场和温度场的详细信息。
这些信息可以用来检测和解决流动不均匀性和温度梯度不均匀性等问题。
此外，还可以针对不同操作条件进行数值模拟计算并比较结果，以优化还原炉的设计。
在进行数值模拟计算时，需要注意的是模拟的准确性和计算的效率。
准确性取决于模型的设定和参数选择，而计算效率则取决于计算资源的使用和模拟算法的选择。
总之，电极多晶硅还原炉的流场和温度场数值模拟计算是优化还原炉设计的重要手段。
通过建立几何模型、选择适当的数值计算方法以及精心选择参数，可以得到准确的模拟结果，为优化多晶硅生产提供理论指导。
多晶硅制备还原工艺的分析与优化
多晶硅制备还原工艺的分析与优化多晶硅制备还原工艺的分析与优化摘要目前国内多晶企业所采用的生产方法主要是西门子法或改良西门子法，产物为高纯多晶硅，为降低原材料的消耗，提高经济效益，在不影响多晶硅纯度的情况下最大限度提高原材料的转化率。
本文重点介绍了三氯氢硅还原的工艺原理、工艺流程，并对还原反应器提出了相关的优化建议。
关键词：改良西门子法；还原；三氯氢硅；优化Polysilicon preparation reduction process analysisand optimizationAbstractCurrently used by many domestic production of crystal enterprise method is mainly to Siemens method or improved Siemens method, product purity polysilicon, to reduce the consumption of raw materials, improving economic efficiency, are not affected under the condition of polysilicon purity maximizing conversion of raw materials.This paper introduces the process of hydrogen silicone reduction trichloramine principle, process flow, and puts forward the relevant to restore the reactor technical advice.Keyword: Modified Siemens Process；deoxidation ；trichlorosilane；optimize目录摘要 (I)Abstract ........................................................................................................................ I I 第一章三氯氢硅还原工艺及其相关物质的介绍 (1)1.1多晶硅还原工艺的简介 (1)1.2三氯氢硅和氢气 (1)1.3多晶硅的基本结构及性质 (3)第二章三氯氢硅氢还原反应基本原理 (4)2.1三氯氢硅氢还原反应原理 (4)2.2 SiHCl3氢还原反应的影响因素 (4)2.2.1 反应温度 (4)2.2.2 反应气体流量 (6)2.2.3 发热体表面积 (6)第三章三氯氢硅氢还原中的主要设备 (8)3.1蒸发器 (8)3.2还原炉 (9)3.3 AEG电柜 (10)第四章三氯氢硅还原工艺的优化 (11)4.1反应器的优化设计 (11)4.1.1钟罩式反应器 (11)4.2热能的综合利用 (12)结论 (14)参考文献..................................................................................... 错误！未定义书签。
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多晶硅还原炉气相平衡计算与分析
多晶硅还原炉是制备多晶硅材料的关键设备，其性能和效率直接影响
到多晶硅材料的质量和生产成本。
而气相平衡计算与分析是研究多晶硅还
原炉的重要方法之一，可以帮助我们理解炉内反应的机理并有效地改进炉
内过程。
在本文中，我们将对多晶硅还原炉气相平衡计算与分析进行详细
阐述。
在多晶硅还原炉中，主要的反应过程是硅石和焦炭在高温下发生反应
生成硅气和CO气。
硅气是制备多晶硅的原料，而CO气是副产物。
因此，
炉内硅气浓度的均匀分布和高浓度的维持是提高多晶硅材料产率和质量的
关键。
为了进行气相平衡计算与分析，我们需要建立适当的反应模型和热力
学平衡条件。
反应模型是描述硅石与焦炭反应的动力学和热力学过程的数
学表达式。
热力学平衡条件是指在反应过程中，各组分气体的浓度满足热
力学平衡条件，即各组分气体的化学势相等。
通过求解反应模型和热力学
平衡条件，可以得到在给定反应条件下炉内各组分气体的浓度分布和反应
温度的影响。
在进行气相平衡计算与分析时，我们需要考虑多种因素，如炉内温度
分布、反应速率常数、反应物质的染料和传质过程等。
需要利用热力学数
据库中的反应热力学数据、传递速率的基本原理以及传质模型来进行分析。
在多晶硅还原炉中，硅气浓度的分布对多晶硅文斯坦的产率和质量有
着重要影响。
通过气相平衡计算与分析，可以确定最佳的反应温度和反应
物料比，以获得高浓度和高产率的硅气。
此外，在多晶硅还原炉气相平衡计算与分析中，还需要考虑其他因素，如反应器的设计和操作参数的优化。
反应器的设计包括炉内反应区的尺寸
和形状以及各种反应区域的温度控制方法。
操作参数的优化包括反应温度、反应压力和反应物流速的控制。
总的来说，多晶硅还原炉气相平衡计算与分析是研究多晶硅材料制备
过程中的重要方法之一、通过这种方法，可以优化炉内反应条件，提高多
晶硅材料的产量和质量。
在未来的研究中，还可以进一步研究多晶硅还原
炉的数值模拟和实验验证，以改进炉内过程的操作和设计。