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Process Analytics Answers for industry.

MAXUM II 过程色谱仪在多晶硅生产中的应用 多晶硅生产的在线监测 迅速发展的光伏发电技术 由于太阳能安全可靠、成本低、无污 染,所以其需求正不断上升;

而且因为 电能成本不断增加,与传统能源相比, 太阳能的成本更具有竞争力.太阳能取 之不尽,用之不竭,将主宰未来的整个 能源结构. 利用太阳能电池将太阳能直接转换为电 能的技术称为光伏发电技术(PV). 多块电池串联在一起,并封装在玻璃板 (图3)内形成一个模块电池.由于全 世界对太阳能的需求不断上升,近几年 也逐步扩大了太阳能电池和光伏组件的 生产.自从

1954 年第一个太阳能电池 问世以来,正以平均每年 40% 的速度 增长.全世界太阳能电池的生产主要集 中在美国(50%)、日本(24%)和德 国(18%),但是近年来其它国家已经 计划或者正在新建很多工厂. 太阳级多晶硅 光伏电池的原材料是硅(Si),过去 主要来源于硅的次品和废品,是在多 晶硅的提纯或者在铸锭和晶片制造过 程中生产出来的;

但是所谓的 太阳 级 硅的需求有别于半导体用硅的需 求.一方面,太阳级多晶硅的纯度没 有必要达到半导体级那么高;

但是因 为产能巨大必须保证质量稳定.因此,需要进行过程分析,主要是过程 气相色谱仪,以监控生产过程,确保 纯度要求,并优化多晶硅生产,提高 产品质量和产品产量. 西门子是享誉世界的过程分析仪和解 决方案提供商.在多晶硅领域拥有丰 富的经验,可对工艺过程控制和优化 提供最佳的解决方案. 长沙市古沙自动化仪表有限公司

电话:0731-83059498 传真:0731-85262058 半导体级硅 地壳中硅元素含量占第二位,并以氧化物 (沙子和石英)或者硅酸盐(花岗岩,粘土,云母)的形式存在.用于半导体物质 时,硅必须是高纯的.对于太阳能电池, 硅必须达到 99.9999 的纯度(俗称

6 个9或者 6N 的纯度).用于电子行业时要更 纯,通常是 9N 到11N.要达到半导体用 硅,无论是太阳能电池还是集成电路,都 必须要经过处理. 冶金级硅(MG-Si) 将从硅矿中获取的石英和煤、焦煤、木屑 或者木炭放在炉中及硅粉.将液态硅从炉 中倒出来,再进一步提纯,制取到的物质 就是冶金级硅(MG-Si). 多晶硅 众所周知,多晶硅的制作工艺有很多种. 半导体行业和光伏产业使用的大多数多晶 硅是通过化学气相沉积制成的.在这个工 艺中,在1100?C 时分解三氯氢硅(TCS, HSiCl3),会在加热棒上结晶生成高纯 硅.要获得三氯氢硅,要用 H2 和Cl2 制成 HCL,然后 HCL 和MG-Si 反应形成液体, 暂时存储后,再将液体蒸馏提纯,放入存 储罐中.然后气化 TCS 和氢气混合,放到 Siemens Reactor(西门子反应器,西门子 最早研发)中,在高温下发生化学气相沉 积生成多晶硅.TCS 具有很多优点,例如, 沉积率高,挥发性强,从而更易于除掉硼 磷等杂质.使用 TCS 的其中一个缺点是需 要大量电才能保持高的工艺温度. 图1:多晶硅生产流程图(图中圆点为分析仪采样点) 采样点/采样流路 测量目的 测量组分 量程 西门子分析仪

1 H2 补充气 H2 的纯度 H2O,

0 ...

100 ppm TPA 质量控制 O2, N2, CO, CO2, HC

0 ...

50 ppm MAXUM II

2 Cl2 供应 Cl2 的纯度 H2O,

0 ... 2% TPA 质量控制 N2, O2, H2

0 ... 5% MAXUM II

3 HCl HCl 的纯度 H2O,

0 ...

100 ppm TPA 质量控制 O2, N2, CO, CO2, HC

0 ...

10 ppm MAXUM II

4 粗TCS 反应器出口 过程控制 HSiCl3, SiCl4

0 ... 100% MAXUM II H2SiCl2, HCl

0 ... 1%

5 TCS 蒸馏塔出口 过程控制 HSiCl3

0 ... 100% MAXUM II H2SiCl2, SiCl4, N2

0 ... 30%

6 还原炉进料 过程控制 HSiCl3, SiCl4

0 ... 100% MAXUM II H2SiCl2, HCl, H2

0 ... 30%

7 还原炉出口 过程控制 HSiCl3, SiCl4

0 ... 100% MAXUM II H2SiCl2, HCl, H2

0 ... 30%

8 转化炉出口 过程控制 HSiCl3, SiCl4

0 ... 100% MAXUM II H2SiCl2, HCl, H2

0 ... 30%

9 尾气回收装置出口 H2 的纯度 HSiCl3, SiCl4, HC

0 ...

50 ppm MAXUM II 质量控制 H2SiCl2, N2, O2 多晶硅的生产 最后硅以硅块(图2)的形式从加热棒中除 去.副产品可以在尾气回收装置和转化炉 中重复利用,例如,从还原炉出来的副产 品SiCl4 和H2 可以转化为 HSiCl3 和HCl. 第二种工艺是硅烷热分解法,即进一步提炼 TCS,生成气化的硅烷(SiH4),然后硅烷 气沉积在热的硅棒上.硅烷是纯度更高的原 料,所以可以用于制造更纯的多晶硅. 长沙市古沙自动化仪表有限公司

电话:0731-83059498 传真:0731-85262058 分析任务 分析任务包括原料气的纯度监控和副产品 的组分测量.其它测量提供了过程控制的 数据.图1显示了常用的取样点,表1是更为详细的解释.虽然离线的实验室分析 仪也用于这个应用,但是西门子的在线解 决方案更成功,分析速度更快,分析结果 更可靠. TCS,非常有害的物质 多晶硅生产中的主要组分非常有害,需要 特殊的样品预处理系统和特殊的分析仪配 置.三氯氢硅(TCS)是具有刺激性恶臭的 无色透明液体,沸点是 32?C;

在空气中的可 燃性浓度范围是 1.2% 到90.6%.三氯氢硅 的腐蚀性很强,和金属反应会生成 H2,遇到 水和潮湿空气会生成腐蚀性的有毒 HCl 以及 固态 SiO2(会堵塞和损坏分析仪的硬件). TCS 对眼睛、皮肤以及呼吸系统都有害. 挑战先进的分析技术 多晶硅复杂的生产工艺、极高的产品质量 要求以及难以操控的 TCS(见下文)需要非 常先进的分析技术,才能可靠地控制安全 准确的操作过程以及产品质量.西门子是 唯一一家可以用过程分析仪器分析并在这 一应用具有悠久历史的公司. 图2:多晶硅(块) 图3:太阳能电池板 图4:无阀柱切模块 在线过程分析 通常而言,离线的实验室气相色谱仪用于 这个应用,需要将样品取到实验室,不可 避免造成样品与空气接触受到污染,而且 由于较长的取样间隔导致分析结果的滞后. 西门子过程分析仪器具有长期可靠的氯硅烷 应用的经验,而且设计了一套解决方案,这 套解决方案以过程气相色谱仪为基础,使用 了MAXUM II 在线色谱仪和特定的样品预处 理系统.连续采样连续分析,整个采样分析 过程在密闭的系统中完成,这样就不需要断 开和连上取样钢瓶,样品不会在大气中暴 露,即避免了污染风险,又大大增加了采样 频率.西门子已经安装了超过

100 套这种 针对在线氯硅烷分析仪系统. 专业的分析方法和特殊的 MAXUM II 配置 MAXUM II PGC 由于模块化设计以及分析配 置方面具有很高的灵活性而著称.要在多 晶硅工艺中实现不同的测量任务,就要使 用MAXUM II 的不同功能: ? 空气浴柱箱,带防腐蚀吹扫 ? 恒温柱箱或者程序升温 ? 根据反应和性能特别选择的分离色谱柱类型 ? 对载气进行的特殊的机械式和化学式干燥 ? 对吹扫气进行的干燥 ? 使用特殊的进样和柱切技术(无阀切换, 参见下文) ? 使用不同类型的检测器 ? 使用抗腐蚀性物质和特殊的密封组件 特殊的样品预处理装置 基于丰富的安装经验,样品预处理系统考虑 了以下因素: ? 高度防泄漏设计 ? 所有接触样品的部件(例如,管道、阀、 压力调节器和流量计)的材料都是抗腐 蚀性物质 ? 使用特殊的密封组件和装配技术 ? 专门针对维护和更换标气瓶等附加的管道 吹扫步骤的设计 ? 额外用干燥的吹扫气吹扫机箱和分析小屋 ? 硬件表面防腐蚀 无阀切换 对于使用高分辨率的毛细管柱的色谱仪来 说,MAXUM II 同时提供了无阀柱切,从 而为少量的样品提供了高性能的柱切和长 期稳定性及可靠性.无阀柱切可以进行反 吹、中心切割,或者分配到两个不同的色 谱柱中,而不需要任何切换阀,或者没有 和样品直接接触的运动部件.无阀切换是 由压差(压差由精准的电子压力控制器 控制)通过一个独特的模块(图4)实现 的.由于无阀柱切具有零死体积的特征, 所以非常适用于带毛细管柱的低流速系 统.这就降低了柱切装置的维护频率,提 高了分离能力并简化了复杂的分离过程. 反吹技术的分析时间非常短,特别是和实 验室 GC 操作相比. 痕量分析 对痕量杂质的分析非常重要,可以确保太 阳级多晶硅(99.99% 或者 99.999%)的质 量,特别是硼和磷这种非常重要的杂质. 通常 ppb 级别的痕量组分,例如甲基二氯 硅烷(MeHSiCl2)不能使用传统的检测器 如TCD 和FID 来分析. 西门子的解决方案是用脉冲放电氦离子检 测器(PDHID,VICI 提供,用在 MAXUM II)来检测,这个检测器可以检测有机和 无机组分.在相应的分离条件下,PDHID 的灵敏度比 FID 或者 TCD 好至少

1 个数 量级. 西门子解决方案 交钥匙的测量解决方案 这个解决方案是在多年硅烷分析经验的基 础上提出的.从样品提取、样品预处理到 分析仪和安装结构,所有部分都是一个紧 密联系的测量系统. 连续测量 不同于实验室的间断采样分析,没有人为 因素影响,可长时间保持分析数据的重复 性和稳定性. 准确、快速、可靠的测量 ? 经过全世界无数安装实例验证的特殊的 样品预处理系统 ? 所有接触样品的部件的材料都是非腐蚀 性物质 ? 无阀柱切和高灵敏度的检测器,所以分 析性能很高(图6) 直接的过程控制能力 ? 通过闭环控制实现过程优化 ? 通过流路切换和自动标定,实现样品预 处理装置的自动控制 现场安装 ? MAXUM II 经过认证,可以用于危险区 (ATEX,CSA,NEC,NEPSI) ? MAXUM II 适........