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)存在兩個主要問題：其一，實收率低；其二，副產(chǎn)物多。因此，國內(nèi)在提高多晶硅實收率與減少副產(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氫化反應及尾氣分離為主要研究對象。對于SiHCl3和SiCl4氫化反應，從認識反應過程的熱

2、力學特性入手，采用Gibbs自由能最小法，在不同的溫度、壓力和進料配比下對反應過程進行了模擬分析；對尾氣分離過程，本文采用分段設計法對多晶硅生產(chǎn)中尾氣的分離工藝進行優(yōu)化設計，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，得到最合適的、操作條件溫和的尾氣分離流程。 1.SiHCl3氫化反應系統(tǒng)的熱力學分析 傳統(tǒng)的SiHCl3氫化反應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下進行，實收率低，且有大量副產(chǎn)物生成。以提高實收率和減少副產(chǎn)物為目標，提出了新的SiHCl3氫化工藝。主要創(chuàng)新點如下： (1)傳統(tǒng)的SiHCl3氫化反應采用Gibbs自由能最小法對傳統(tǒng)的SiHCl3氫化反應進行熱力學分析，發(fā)現(xiàn)高溫、高H2/SiHCl3比有利于多晶硅的生成。適當提高反應的溫度和H2/SiHCl3比，多晶硅的平衡產(chǎn)率可以達到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)適宜在低壓下進行。在10.13KPa壓力下多晶硅的平衡產(chǎn)率幾乎達到了100％，而副產(chǎn)物SiH2Cl2和SiCl4的平衡產(chǎn)率極小，所以SiHCl3氫化反應可以在低壓下操作。 (2)無SiCl4生成的SiHCl3氫化反應傳統(tǒng)的SiHCl3氫化反應有大量的副產(chǎn)物SiCl4生成，處理不當會對環(huán)境造成嚴重的污染。通過模擬可以發(fā)現(xiàn)，在進料中加入一定量的SiCl4，來抑制SiCl4的生成，使反應前后SiCl4的量不變，且

5、提高了反應體系的熱效應。無副產(chǎn)物SiCl4生成的SiHCl3氫化反應體系同樣也適宜在高溫低壓下操作。 2.SiCl4氫化反應系統(tǒng)的熱力學分析 (1)SiCl4轉(zhuǎn)化系統(tǒng)根據(jù)SiCl4氫化反應的理論基礎歸納出氫氣直接氫化和以硅做添加劑兩種氫化方法，并分別對這兩種方法進行了熱力學分析。在直接氫化反應體系中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)要謹慎選擇適宜的溫度、壓力和H2/SiCl4比。 (2)超高溫下SiCl4氫化反應生產(chǎn)多晶硅傳統(tǒng)的SiCl4氫化生產(chǎn)多晶硅的反應一般是在溫度為1473K,壓力為常壓下進行，一次轉(zhuǎn)換率低，能耗高。通過熱力學分析得出在超高溫、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)率可以達到