多晶硅生產(chǎn)過程的模擬分析.pdf

1、目前世界上多晶硅的生產(chǎn)主要采用改良西門子法。而我國前幾年基本上還是采用傳統(tǒng)的西門子法，最近采用我國自己改良的技術(shù)與引進(jìn)俄羅斯的多晶硅生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合的生產(chǎn)方法。目前國內(nèi)外多晶硅生產(chǎn)存在兩個(gè)主要問題：其一，實(shí)收率低；其二，副產(chǎn)物多。因此，國內(nèi)在提高多晶硅實(shí)收率與減少副產(chǎn)物等方面正醞釀著重要的技術(shù)突破。 本文以多晶硅生產(chǎn)中SiHCl3和SiCl4氫化反應(yīng)及尾氣分離為主要研究對(duì)象。對(duì)于SiHCl3和SiCl4氫化反應(yīng)，從認(rèn)識(shí)反應(yīng)過程的熱

2、力學(xué)特性入手，采用Gibbs自由能最小法，在不同的溫度、壓力和進(jìn)料配比下對(duì)反應(yīng)過程進(jìn)行了模擬分析；對(duì)尾氣分離過程，本文采用分段設(shè)計(jì)法對(duì)多晶硅生產(chǎn)中尾氣的分離工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定尾氣分離過程的分離序列、流程方案和操作條件，并以能耗最小為目標(biāo)，得到最合適的、操作條件溫和的尾氣分離流程。 1.SiHCl3氫化反應(yīng)系統(tǒng)的熱力學(xué)分析 傳統(tǒng)的SiHCl3氫化反應(yīng)生成多晶硅工藝一般是在溫度1373K、壓力為常壓、H2/SiHCl3比

3、為10/1下進(jìn)行，實(shí)收率低，且有大量副產(chǎn)物生成。以提高實(shí)收率和減少副產(chǎn)物為目標(biāo)，提出了新的SiHCl3氫化工藝。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下： (1)傳統(tǒng)的SiHCl3氫化反應(yīng)采用Gibbs自由能最小法對(duì)傳統(tǒng)的SiHCl3氫化反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)高溫、高H2/SiHCl3比有利于多晶硅的生成。適當(dāng)提高反應(yīng)的溫度和H2/SiHCl3比，多晶硅的平衡產(chǎn)率可以達(dá)到98％以上，而副產(chǎn)物SiCl4和SiH2Cl2的平衡產(chǎn)率則降至0.5％以下。

4、 另外，多晶硅的生產(chǎn)適宜在低壓下進(jìn)行。在10.13KPa壓力下多晶硅的平衡產(chǎn)率幾乎達(dá)到了100％，而副產(chǎn)物SiH2Cl2和SiCl4的平衡產(chǎn)率極小，所以SiHCl3氫化反應(yīng)可以在低壓下操作。 (2)無SiCl4生成的SiHCl3氫化反應(yīng)傳統(tǒng)的SiHCl3氫化反應(yīng)有大量的副產(chǎn)物SiCl4生成，處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。通過模擬可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)料中加入一定量的SiCl4，來抑制SiCl4的生成，使反應(yīng)前后SiCl4的量不變，且

5、提高了反應(yīng)體系的熱效應(yīng)。無副產(chǎn)物SiCl4生成的SiHCl3氫化反應(yīng)體系同樣也適宜在高溫低壓下操作。 2.SiCl4氫化反應(yīng)系統(tǒng)的熱力學(xué)分析 (1)SiCl4轉(zhuǎn)化系統(tǒng)根據(jù)SiCl4氫化反應(yīng)的理論基礎(chǔ)歸納出氫氣直接氫化和以硅做添加劑兩種氫化方法，并分別對(duì)這兩種方法進(jìn)行了熱力學(xué)分析。在直接氫化反應(yīng)體系中SiCl4的轉(zhuǎn)化率和SiHCl3的平衡產(chǎn)率隨溫度和H2/SiCl4比的升高而升高；在以硅為添加劑氫化反應(yīng)系統(tǒng)中，SiCl4的

6、轉(zhuǎn)化率和SiHCl3的平衡產(chǎn)率隨溫度的升高而降低，隨壓力和H2/SiCl4比的升高逐漸升高。因此SiCl4轉(zhuǎn)化系統(tǒng)要謹(jǐn)慎選擇適宜的溫度、壓力和H2/SiCl4比。 (2)超高溫下SiCl4氫化反應(yīng)生產(chǎn)多晶硅傳統(tǒng)的SiCl4氫化生產(chǎn)多晶硅的反應(yīng)一般是在溫度為1473K,壓力為常壓下進(jìn)行，一次轉(zhuǎn)換率低，能耗高。通過熱力學(xué)分析得出在超高溫、低壓、高H2/SiCl4比下，SiCl4的轉(zhuǎn)化率高、供給熱量利用效率高、多晶硅的平衡產(chǎn)率可以達(dá)到