專利名稱：一種穩(wěn)定調(diào)節(jié)三氯氫硅純度的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可調(diào)節(jié)并且穩(wěn)定控制三氯氫硅純度方法。
背景技術(shù)：
單晶硅是制造半導(dǎo)體的材料，工業(yè)上一般通過(guò)直拉法或懸浮區(qū)溶法將多晶硅轉(zhuǎn)化 成單晶硅。隨著信息技術(shù)和太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，全球?qū)τ诙嗑Ч璧男枨笤鲩L(zhǎng)迅猛。西 門(mén)子法制備多晶硅是目前最常用的方法之一，主要是將來(lái)自精餾工段的高純?nèi)葰涔枧c氫 氣混合送入還原爐，然后在通電加熱的硅棒表面析出多晶硅，其中產(chǎn)品的好壞取決于精餾 過(guò)程中三氯氫硅的純度。在西門(mén)子法中，對(duì)原料三氯氫硅的純度要求很高，特別是硼，磷雜質(zhì)的高低嚴(yán)重影 響著后續(xù)還原的進(jìn)行。如何嚴(yán)格的控制雜質(zhì)的含量顯得尤為重要，工業(yè)上一般采用多塔串 聯(lián)反復(fù)提純的方式。常規(guī)的控制方法是通過(guò)保持塔頂壓力不變，維持塔內(nèi)溫度，若塔壓恒 定，則塔盤(pán)溫度就能反映出產(chǎn)品的質(zhì)量變化。但是由于多晶硅精餾塔的理論板數(shù)較多，各塔 盤(pán)間的溫度差異很小，并且由于原料組成變化而引起塔盤(pán)溫度的改變往往被淹沒(méi)在由于微 小塔壓變化而引起的塔盤(pán)溫度變化之中，因此采用常規(guī)的溫度控制方案無(wú)法保證三氯氫硅 產(chǎn)品高純度的要求。對(duì)于一個(gè)多元多晶硅精餾塔，完成整個(gè)過(guò)程需要六到八個(gè)塔，此精餾過(guò)程雖然涉 及多元組分，但塔內(nèi)各板溫度與組成情況的關(guān)系是大致成立的，在工程上對(duì)于單個(gè)塔仍可 按二元進(jìn)行處理。三氯氫硅精餾過(guò)程屬精密精餾，通常三氯氫硅的質(zhì)量含量不小于99. 9%， 雜質(zhì)硼的含量不大于0. 2ppb。一般的控制方法是在塔頂，塔底，以及進(jìn)料段分別安裝溫度指示儀表，通過(guò)控制 某塊塔板的單點(diǎn)溫度穩(wěn)定整個(gè)塔溫，在塔頂安裝壓力控制穩(wěn)定塔壓。但這種調(diào)節(jié)具有滯后 性，并不能準(zhǔn)確顯示壓力表以下的塔盤(pán)溫度。當(dāng)原料組成發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)回流量，從 塔頂大量切除雜質(zhì)流股起到保證塔釜產(chǎn)品質(zhì)量的目的，這樣操作造成了很多不必要的浪費(fèi)。多晶硅精餾塔中每塊塔盤(pán)上都是飽和的氣液兩相，溫度與壓力一一對(duì)應(yīng)，塔底產(chǎn) 品的濃度與溫差之間的關(guān)系是非單調(diào)的，存在一個(gè)最大值。即控制作用對(duì)于不同的產(chǎn)品濃 度可能有相反作用，僅僅通過(guò)間接調(diào)節(jié)回流量很難準(zhǔn)確的控制極值點(diǎn)的成分。另外，增減回 流量還會(huì)引起塔板壓降發(fā)生變化，這種壓力變化對(duì)產(chǎn)品成分的影響將隨上升蒸汽和液體速 率的變化而對(duì)精餾塔操作過(guò)程引起不利的后果。更重要的是，在調(diào)節(jié)回流量的同時(shí)，需要進(jìn) 行大量多點(diǎn)的取樣檢測(cè)工作以反饋每次調(diào)節(jié)是否有效，這可能要大幅度采出塔頂物料，造 成了大量的浪費(fèi)，并且影響后續(xù)的回收利用。綜上所述，這種手動(dòng)的調(diào)節(jié)——反饋控制方式 給現(xiàn)場(chǎng)操作中帶來(lái)很大的不便，具有一定的延遲性和干擾性，需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種穩(wěn)定調(diào)節(jié)三氯氫硅純度的控制方法，簡(jiǎn)化了操作工序，消除了控制的滯后性，自動(dòng)化水平更高，控制更為迅速精準(zhǔn)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)大大節(jié) 約了原料量，降低了產(chǎn)品損失。在多晶硅提純時(shí)，去除雜質(zhì)硼一直是三氯氫硅精餾中需要解決的重要問(wèn)題。通過(guò) 對(duì)傳統(tǒng)控制方案的研究，發(fā)現(xiàn)這種取樣檢測(cè)——調(diào)節(jié)回流量——再檢測(cè)反饋的方法具有一 定的局限性，尤其是應(yīng)用在這種精密精餾中，往往要求產(chǎn)品雜質(zhì)的含量在0. 2ppb以下，很 難控制雜質(zhì)濃度的變化所引起的采出量變化。在多元多晶硅精餾中，一旦調(diào)節(jié)不到純度要 求，將硼等雜質(zhì)帶到下一塔，會(huì)干擾下一組分的采出質(zhì)量。理論上來(lái)說(shuō)，如果進(jìn)料中雜質(zhì)含 量增加而又無(wú)法清除干凈，則需要增加塔板數(shù)甚至再加一個(gè)精餾塔，這樣給后續(xù)的分離工 作造成很大的麻煩。本發(fā)明針對(duì)多晶硅精餾塔中提純雜質(zhì)硼的常見(jiàn)問(wèn)題，結(jié)合以上的工程經(jīng)驗(yàn)和模擬 操作，采用雙溫差控制系統(tǒng)，即在精餾段和提餾段各取兩塊塔板檢測(cè)溫度，將這兩個(gè)溫度差 再次相減得到雙溫差。雙溫差控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)料組分、塔的上升蒸汽和液體速率、塔的壓力和 塔板壓力降等變化的擾動(dòng)靈敏度很低，其最大優(yōu)點(diǎn)是不易發(fā)生因擾動(dòng)引起的錯(cuò)誤調(diào)節(jié)，系 統(tǒng)的整體抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)精餾塔的塔板數(shù)、進(jìn)料組分、進(jìn)料板位置確定后，塔頂和塔底組分之間的關(guān)系就 被固定下來(lái)。如果塔頂某組分增加，會(huì)引起精餾段溫度變化。反之，如果塔底某組分增加， 則會(huì)引起提餾段溫度變化?？蓪⑾鄬?duì)溫度變化小的塔板作為參照板。如果控制塔頂、塔底 兩個(gè)參照板之間的溫度梯度穩(wěn)定，就能達(dá)到控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的，這就是精餾過(guò)程中雙溫 差控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種穩(wěn)定調(diào)節(jié)三氯氫硅純度的控制方法，根據(jù)西門(mén)子的氣 相沉積法制造多晶硅，將粗氯硅烷連續(xù)送入精餾塔，塔的操作特性與回流量不變，其特征是 分別在精餾段和提餾段設(shè)置四個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算得到兩個(gè)溫差值，再將這兩個(gè)溫差 值相減得到雙溫差值；通過(guò)穩(wěn)定雙溫差值以及調(diào)節(jié)塔頂餾出量D與進(jìn)料量F的比值，起到控 制塔底采出液中雜質(zhì)元素含量的目的，得到高純的三氯氫硅，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同的溫 差點(diǎn)得到不同純度的產(chǎn)品。發(fā)明效果如上述說(shuō)明雙溫差系統(tǒng)不僅能夠消除塔壓和塔壓降的影響，并且雙溫差值與產(chǎn) 品成分的關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)排除了進(jìn)料中雜質(zhì)含量波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。關(guān)鍵是當(dāng) 進(jìn)料組成發(fā)生變化時(shí)，不必去現(xiàn)場(chǎng)頻繁采樣檢測(cè)，也不用反復(fù)調(diào)節(jié)回流量，只需在集中控制 面板上設(shè)定雙溫差，在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)塔頂采出量與進(jìn)料量，保證雙溫差值恒定在某一數(shù) 值，這樣就能迅速準(zhǔn)確的控制采出產(chǎn)品的質(zhì)量而不受進(jìn)料雜質(zhì)濃度的影響。另一方面與傳統(tǒng)控制方案相比，簡(jiǎn)化了操作工序，消除了控制的滯后性，自動(dòng)化水 平更高，控制更為迅速精準(zhǔn)。從整個(gè)工程上來(lái)看，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)大大節(jié)約了原料 量，降低了產(chǎn)品損失。


圖1是精餾塔工藝流程示意簡(jiǎn)圖。圖2是D:F隨進(jìn)料雜質(zhì)含量調(diào)節(jié)曲線。圖3是精餾塔雙溫差隨進(jìn)料雜質(zhì)含量調(diào)節(jié)曲線。
具體實(shí)施例方式在本實(shí)施中，根據(jù)氣相沉積法制造多晶硅，采用的三氯氫硅原料中含有三氯氫硅 和雜質(zhì)硼，此精餾塔5的目的是將輕組分硼完全從塔頂餾出，產(chǎn)品三氯氫硅從塔釜采出。物 料由塔中段進(jìn)入，塔內(nèi)供給液由塔底部再沸器7加熱。富含低沸點(diǎn)的雜質(zhì)硼變成蒸汽從塔 頂經(jīng)冷凝器6冷凝后排出，另一部分塔頂液回流入塔，塔底得到高純?nèi)葰涔琛１緦?shí)施控制三氯氫硅純度的方法中精餾塔理論板數(shù)至少30 100塊，塔頂操作壓 力50 2000KPa，在精餾段和提餾段之間等距設(shè)置雙溫差控制，由DCS (集中控制系統(tǒng))集 中控制調(diào)節(jié)溫度差。如圖1所示精餾塔工藝流程，根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果確定參照板1，2，3，4的 位置，選擇[2，1]、[4,3]為溫差信號(hào)測(cè)量點(diǎn)。保持塔頂壓力不變，溫度由下至上依次升高， 受原料組成的影響變動(dòng)。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)對(duì)應(yīng)每塊板上的物料組成發(fā)生變化，在塔底采 出產(chǎn)品的純度也會(huì)發(fā)生變化。溫度ADT是提餾段溫差信號(hào)點(diǎn)ΔΤ2與精餾段溫差信號(hào)測(cè)量 點(diǎn)ΔΤ1的差值，為了使采出物料組分含量維持在所定的范圍內(nèi)，需要調(diào)節(jié)雙溫差A(yù)DT值的 范圍。因?yàn)楫?dāng)塔頂溫度一定，塔中段溫度的變動(dòng)也會(huì)在雙溫差上表現(xiàn)出來(lái)。由于產(chǎn)品質(zhì)量 的設(shè)定值與雙溫差A(yù)DT之間呈單調(diào)關(guān)系，所以在不同的操作條件下，只要控制ADT值一定 就能保證產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)進(jìn)料中雜質(zhì)硼量發(fā)生改變時(shí)，只要雙溫差值不變，進(jìn)一步調(diào)節(jié)塔頂餾 出量與進(jìn)料量比值D/F范圍，控制塔頂餾出量，那么在塔底所含的硼雜質(zhì)就會(huì)降低至標(biāo)準(zhǔn) 范圍內(nèi)。圖2為雙溫差調(diào)整到設(shè)定值時(shí)，塔底產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)后，D/F與進(jìn)料中雜質(zhì)含量變化 的規(guī)律，如圖所示，整個(gè)曲線呈上升趨勢(shì)，隨著進(jìn)料中雜質(zhì)含量增加，D/F值增大。這是由于 控制方案中主要的操縱變量是塔頂餾出量D，為了保證塔底產(chǎn)品質(zhì)量合格，需要采出更多的 餾出液。圖3為進(jìn)料中雜質(zhì)含量的變化對(duì)雙溫差值的影響。在雙溫差值調(diào)整之前，塔的操 作工況不變，回流比恒定。從圖中曲線2可知雙溫差值對(duì)應(yīng)于進(jìn)料中雜質(zhì)含量的單調(diào)性線 段，當(dāng)這個(gè)變化波動(dòng)值恢復(fù)到所設(shè)定的雙溫差值時(shí)就完成了此階段的控制任務(wù)。曲線1所 示的雙溫差目標(biāo)值與雜質(zhì)含量的關(guān)系基本呈一條直線，說(shuō)明隨著進(jìn)料中雜質(zhì)含量的增加總 能找到相對(duì)恒定的雙溫差值。兩曲線驗(yàn)證了在相應(yīng)的D/F下雙溫差值和產(chǎn)品質(zhì)量有著一一 對(duì)應(yīng)的關(guān)系，從而確保了雙溫差控制得以實(shí)現(xiàn)。表1所示的是隨著進(jìn)料中雜質(zhì)含量的增加，雙溫差、D/F及產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系。表1雜質(zhì)含量、雙溫差、D/F與產(chǎn)品質(zhì)量之間的關(guān)系
權(quán)利要求
1. 一種穩(wěn)定調(diào)節(jié)三氯氫硅純度的控制方法，根據(jù)西門(mén)子的氣相沉積法制造多晶硅，將 粗氯硅烷連續(xù)送入精餾塔，塔的操作特性與回流量不變，其特征是分別在精餾段和提餾段 設(shè)置四個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算得到兩個(gè)溫差值，再將這兩個(gè)溫差值相減得到雙溫差值；通 過(guò)穩(wěn)定雙溫差值以及調(diào)節(jié)塔頂餾出量D與進(jìn)料量F的比值，起到控制塔底采出液中雜質(zhì)元 素含量的目的，得到高純的三氯氫硅，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同的溫差點(diǎn)得到不同純度的產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明提供一種穩(wěn)定調(diào)節(jié)三氯氫硅純度的控制方法，根據(jù)西門(mén)子的氣相沉積法制造多晶硅，將粗氯硅烷連續(xù)送入精餾塔，塔的操作特性與回流量不變，其特征是分別在精餾段和提餾段設(shè)置四個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算得到兩個(gè)溫差值，再將這兩個(gè)溫差值相減得到雙溫差值；通過(guò)穩(wěn)定雙溫差值以及調(diào)節(jié)塔頂餾出量D與進(jìn)料量F的比值，起到控制塔底采出液中雜質(zhì)元素含量的目的，得到高純的三氯氫硅，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同的溫差點(diǎn)得到不同純度的產(chǎn)品。這種控制方法既保證了三氯氫硅的質(zhì)量要求，又減少了三氯氫硅不必要的損失。
文檔編號(hào)C01B33/107GK102101672SQ20111000308
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者張璐璐, 李漢, 王波, 薛民權(quán), 陳維平 申請(qǐng)人:華陸工程科技有限責(zé)任公司