[发明专利]一种稳定调节三氯氢硅纯度的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可调节并且稳定控制三氯氢硅纯度方法。

背景技术

单晶硅是制造半导体的材料，工业上一般通过直拉法或悬浮区溶法将多晶硅转化成单晶硅。随着信息技术和太阳能产业的高速发展，全球对于多晶硅的需求增长迅猛。西门子法制备多晶硅是目前最常用的方法之一，主要是将来自精馏工段的高纯三氯氢硅与氢气混合送入还原炉，然后在通电加热的硅棒表面析出多晶硅，其中产品的好坏取决于精馏过程中三氯氢硅的纯度。

在西门子法中，对原料三氯氢硅的纯度要求很高，特别是硼，磷杂质的高低严重影响着后续还原的进行。如何严格的控制杂质的含量显得尤为重要，工业上一般采用多塔串联反复提纯的方式。常规的控制方法是通过保持塔顶压力不变，维持塔内温度，若塔压恒定，则塔盘温度就能反映出产品的质量变化。但是由于多晶硅精馏塔的理论板数较多，各塔盘间的温度差异很小，并且由于原料组成变化而引起塔盘温度的改变往往被淹没在由于微小塔压变化而引起的塔盘温度变化之中，因此采用常规的温度控制方案无法保证三氯氢硅产品高纯度的要求。

对于一个多元多晶硅精馏塔，完成整个过程需要六到八个塔，此精馏过程虽然涉及多元组分，但塔内各板温度与组成情况的关系是大致成立的，在工程上对于单个塔仍可按二元进行处理。三氯氢硅精馏过程属精密精馏，通常三氯氢硅的质量含量不小于99.9％，杂质硼的含量不大于0.2ppb。

一般的控制方法是：在塔顶，塔底，以及进料段分别安装温度指示仪表，通过控制某块塔板的单点温度稳定整个塔温，在塔顶安装压力控制稳定塔压。但这种调节具有滞后性，并不能准确显示压力表以下的塔盘温度。当原料组成发生变化时，通过调节回流量，从塔顶大量切除杂质流股起到保证塔釜产品质量的目的，这样操作造成了很多不必要的浪费。

多晶硅精馏塔中每块塔盘上都是饱和的气液两相，温度与压力一一对应，塔底产品的浓度与温差之间的关系是非单调的，存在一个最大值。即控制作用对于不同的产品浓度可能有相反作用，仅仅通过间接调节回流量很难准确的控制极值点的成分。另外，增减回流量还会引起塔板压降发生变化，这种压力变化对产品成分的影响将随上升蒸汽和液体速率的变化而对精馏塔操作过程引起不利的后果。更重要的是，在调节回流量的同时，需要进行大量多点的取样检测工作以反馈每次调节是否有效，这可能要大幅度采出塔顶物料，造成了大量的浪费，并且影响后续的回收利用。综上所述，这种手动的调节——反馈控制方式给现场操作中带来很大的不便，具有一定的延迟性和干扰性，需要进一步优化改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种稳定调节三氯氢硅纯度的控制方法，简化了操作工序，消除了控制的滞后性，自动化水平更高，控制更为迅速精准，在保证产品质量的同时大大节约了原料量，降低了产品损失。

在多晶硅提纯时，去除杂质硼一直是三氯氢硅精馏中需要解决的重要问题。通过对传统控制方案的研究，发现这种取样检测——调节回流量——再检测反馈的方法具有一定的局限性，尤其是应用在这种精密精馏中，往往要求产品杂质的含量在0.2ppb以下，很难控制杂质浓度的变化所引起的采出量变化。在多元多晶硅精馏中，一旦调节不到纯度要求，将硼等杂质带到下一塔，会干扰下一组分的采出质量。理论上来说，如果进料中杂质含量增加而又无法清除干净，则需要增加塔板数甚至再加一个精馏塔，这样给后续的分离工作造成很大的麻烦。

本发明针对多晶硅精馏塔中提纯杂质硼的常见问题，结合以上的工程经验和模拟操作，采用双温差控制系统，即在精馏段和提馏段各取两块塔板检测温度，将这两个温度差再次相减得到双温差。双温差控制系统对进料组分、塔的上升蒸汽和液体速率、塔的压力和塔板压力降等变化的扰动灵敏度很低，其最大优点是不易发生因扰动引起的错误调节，系统的整体抗干扰能力强。

当精馏塔的塔板数、进料组分、进料板位置确定后，塔顶和塔底组分之间的关系就被固定下来。如果塔顶某组分增加，会引起精馏段温度变化。反之，如果塔底某组分增加，则会引起提馏段温度变化。可将相对温度变化小的塔板作为参照板。如果控制塔顶、塔底两个参照板之间的温度梯度稳定，就能达到控制产品质量的目的，这就是精馏过程中双温差控制系统的设计依据。