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摘 要：多晶硅反应从载体硅芯到硅棒的这一生产过程中由于温度和硅棒直径的变化，硅棒电阻率时刻在发生变化，使得还原电源变压器在转档过程中出现诸多问题，如变压器温度升高、转档电流波动、调功柜熔断器烧坏甚至无法顺利转档等，这些问题的出现严重影响了多晶硅还原反应的正常进行，导致硅棒生长异常、产量降低、物料利用率低等一系列问题。本文通过生产实际，通过工艺和设备的调整，来有效控制多晶硅还原炉电气转档。
关键词：调功柜 电阻率 摩尔比 沉积功率
目前国际上多晶硅生产工艺主要有改良西门子法和硅烷法，其中70%以上采用改良西门子法。改良西门子法能兼容电子级和太阳能级多晶硅的生产，以技术成熟、适合产业化生产等特点，是目前多晶硅生产普遍采用的首选工艺。
一、多晶硅还原电源
还原炉电源系统是采用变压器副边4档电压输出，调功柜将相邻2个档位频率和初相角等但幅值不同的交流电源拼波构成。除在转档过渡时只有一档位独立工作外，还原炉调压电源任意相邻2档同时工作。还原炉调功电源在转档时第2档实际输出电流达到了保护设定值900A后，保护自动封锁第2档电流输出，保证其不过载，这时就只有第3档在工作，但是第3档能够输出的电压不足以维持硅棒上原有电流，导致硅棒电流下降。当硅棒电流低于给定值时，调功柜又自动投入第2档与在工作的第3档拼波构成一个复合电压，以保证硅棒电流达到给定电流值。第2档重新投入工作后又产生过载保护，自动封锁其输出电流，就会出现了电流波动甚至整个电源停止工作的情况。
二、变压器转档困难原因分析
1.转档的条件
从历来数据看，还原炉转档困难的问题基本都是发生在2档转3档上。因此，只针对2档转3档产生的问题进行讨论，还原炉电源要实现正常转档，须具备以下2个条件：
1.1 调功柜第2档输出的电流低于额定电流。当其电流大于这一值后调功柜将自动封锁其电流输出，处于保护状态。
1.2 硅棒上的电压要低于调功柜第3档实际能够输出的电压。如果硅棒电流以接近额定值，但硅棒电压仍高于调功柜第3档实际能够输出的电压值，则第2档不能退出，无法实现正常转档。
总之，还原炉能够正常转档的条件就是在调功柜第2档输出的电流低于其额定保护电流之前，硅棒上的电压要低于调功柜第3档独立工作时实际能够输出的电压。
2.硅棒的电流电压关系
2.1还原炉内总电功率的构成：P总电源系统向还原炉输送的总功率， ；P沉多晶硅沉积反应吸收的功率；P尾尾气吸收并带走的功率；P辐硅棒表面向炉筒内壁辐射的热功率， [2]式中 炉筒内壁黑度，Co辐射系数，T1硅棒表面温度，T2炉筒内壁温度，A硅棒表面的有效面积。由其计算公式可以看出，要改变硅棒表面向炉壁辐射损失功率的大小，必须要从改变炉筒内壁黑度、炉筒内壁温度开始。
2.2 硅棒电压、电流与其长度、直径的关系
式中的U、I：硅棒上的电压、电流； D、L：硅棒上的直径和长度； ：反应温度下的硅棒电阻率，可以视为一个恒定不变的常数； Π：圆周率。
根据计算公式可以确定，硅棒两端的电压与硅棒长度成正比，与硅棒直径的平方成反比。
2.3 硅棒电流与硅棒直径的关系
[3]式中的D为硅棒直径，I为硅棒上通过的电流，K是一个常数，其值在0.27～0.34左右，如果上述参数基本保持恒定不变，在正常生产情况下，则一定直径的硅棒必须流过一定数值的电流，两者是一一对应的关系。
综上所述，一定数值硅棒直径对应着一定的电流电压，直径越大电压越小。
三、变压器转档控制和预防措施
1.工艺措施
1.1在保证炉内各工艺要求的前提下，硅棒直径在40mm以上时候，合理提高进料曲线和电流电压曲线，以提高多晶硅的沉积速度。在接近2档转3档时降低进料速度，减小电流增幅。这个方案的本质是通过调整H2与TCS摩尔比，保证硅棒表面温度变化不大继而保证硅棒生长正常，使沉积速度保持不变，从而缩短转档时间。
1.2在保证安全的前提下，通过控制炉筒和基盘高温冷却水流量，逐步试验性的提高炉筒内壁和基盘温度，降低硅棒表面与炉筒内壁之间的温差，减少硅棒表面向炉内壁的热辐射。
1.3对还原炉钟罩内壁进行清洗、抛光，降低炉筒内壁黑度，从而同样减少硅棒表面向炉内壁的热辐射。
2.设备措施
2.1对还原炉调功电源进行改造，提高调功电源第2档载流能力并对相应保护设定值进行修改。延长调功柜第2档输出电流到达保护设定值的时间，延长转档时间，防止电流电压波动。由于还原炉变压器的容量及其它相关参数无法修改，这个方案会造成变压器第 2档过载，使其运行温度升高，需要给变压器增加强制风冷系统，保证变压器运行温度在规定的安全温度以下。
2.2将还原炉变压器高压侧接在9.5KV档位，变压器二次侧各档输出电压都将升高5%，直接改善转档困难的问题。由于变压器高压侧接在9.5KV档位且实际施加的电压在10.3～10.5KV之间，还原变压器铁芯的饱和度会相应增加，加剧变压器铁芯发热，变压器运行温度会随之升高，因此需要在运行过程中不断监视变压器运行温度。
四、结束语
多晶硅生产中的还原炉操作是一个非稳态过程，在这个生产过程中硅棒的电阻率随硅棒直径和温度时刻都在发生着变化，因此生产中要对整个还原炉系统从设备系统到工人操作调节均加以重视，尽量避免还原炉内温度、压力、配比等一系列控制点的波动，使得还原系统能够在安、稳、长、满、优下进行操作，实现企业的经济效益。
参考文献
[1] 梁骏吾.电子级多晶硅的生产工艺[J].中国工程科学.2000，2（12）：36-38.
[2]杨世铭.陶文铨.传热学[M].高等教育出版社.北京：2006.
[3]赵建新.硅棒直径与电流关系的探讨[J].天津化工厂研究院.1988，4：56-57.
作者简介：周兰林（1987年—）男，四川遂宁人，单位：成都恒海化工技术服务有限公司，从事多晶硅生产技术服务，职称：工程师，研究方向：通过工艺技改降低企业生产成本。
关键词：调功柜 电阻率 摩尔比 沉积功率
目前国际上多晶硅生产工艺主要有改良西门子法和硅烷法，其中70%以上采用改良西门子法。改良西门子法能兼容电子级和太阳能级多晶硅的生产，以技术成熟、适合产业化生产等特点，是目前多晶硅生产普遍采用的首选工艺。
一、多晶硅还原电源
还原炉电源系统是采用变压器副边4档电压输出，调功柜将相邻2个档位频率和初相角等但幅值不同的交流电源拼波构成。除在转档过渡时只有一档位独立工作外，还原炉调压电源任意相邻2档同时工作。还原炉调功电源在转档时第2档实际输出电流达到了保护设定值900A后，保护自动封锁第2档电流输出，保证其不过载，这时就只有第3档在工作，但是第3档能够输出的电压不足以维持硅棒上原有电流，导致硅棒电流下降。当硅棒电流低于给定值时，调功柜又自动投入第2档与在工作的第3档拼波构成一个复合电压，以保证硅棒电流达到给定电流值。第2档重新投入工作后又产生过载保护，自动封锁其输出电流，就会出现了电流波动甚至整个电源停止工作的情况。
二、变压器转档困难原因分析
1.转档的条件
从历来数据看，还原炉转档困难的问题基本都是发生在2档转3档上。因此，只针对2档转3档产生的问题进行讨论，还原炉电源要实现正常转档，须具备以下2个条件：
1.1 调功柜第2档输出的电流低于额定电流。当其电流大于这一值后调功柜将自动封锁其电流输出，处于保护状态。
1.2 硅棒上的电压要低于调功柜第3档实际能够输出的电压。如果硅棒电流以接近额定值，但硅棒电压仍高于调功柜第3档实际能够输出的电压值，则第2档不能退出，无法实现正常转档。
总之，还原炉能够正常转档的条件就是在调功柜第2档输出的电流低于其额定保护电流之前，硅棒上的电压要低于调功柜第3档独立工作时实际能够输出的电压。
2.硅棒的电流电压关系
2.1还原炉内总电功率的构成：P总电源系统向还原炉输送的总功率， ；P沉多晶硅沉积反应吸收的功率；P尾尾气吸收并带走的功率；P辐硅棒表面向炉筒内壁辐射的热功率， [2]式中 炉筒内壁黑度，Co辐射系数，T1硅棒表面温度，T2炉筒内壁温度，A硅棒表面的有效面积。由其计算公式可以看出，要改变硅棒表面向炉壁辐射损失功率的大小，必须要从改变炉筒内壁黑度、炉筒内壁温度开始。
2.2 硅棒电压、电流与其长度、直径的关系
式中的U、I：硅棒上的电压、电流； D、L：硅棒上的直径和长度； ：反应温度下的硅棒电阻率，可以视为一个恒定不变的常数； Π：圆周率。
根据计算公式可以确定，硅棒两端的电压与硅棒长度成正比，与硅棒直径的平方成反比。
2.3 硅棒电流与硅棒直径的关系
[3]式中的D为硅棒直径，I为硅棒上通过的电流，K是一个常数，其值在0.27～0.34左右，如果上述参数基本保持恒定不变，在正常生产情况下，则一定直径的硅棒必须流过一定数值的电流，两者是一一对应的关系。
综上所述，一定数值硅棒直径对应着一定的电流电压，直径越大电压越小。
三、变压器转档控制和预防措施
1.工艺措施
1.1在保证炉内各工艺要求的前提下，硅棒直径在40mm以上时候，合理提高进料曲线和电流电压曲线，以提高多晶硅的沉积速度。在接近2档转3档时降低进料速度，减小电流增幅。这个方案的本质是通过调整H2与TCS摩尔比，保证硅棒表面温度变化不大继而保证硅棒生长正常，使沉积速度保持不变，从而缩短转档时间。
1.2在保证安全的前提下，通过控制炉筒和基盘高温冷却水流量，逐步试验性的提高炉筒内壁和基盘温度，降低硅棒表面与炉筒内壁之间的温差，减少硅棒表面向炉内壁的热辐射。
1.3对还原炉钟罩内壁进行清洗、抛光，降低炉筒内壁黑度，从而同样减少硅棒表面向炉内壁的热辐射。
2.设备措施
2.1对还原炉调功电源进行改造，提高调功电源第2档载流能力并对相应保护设定值进行修改。延长调功柜第2档输出电流到达保护设定值的时间，延长转档时间，防止电流电压波动。由于还原炉变压器的容量及其它相关参数无法修改，这个方案会造成变压器第 2档过载，使其运行温度升高，需要给变压器增加强制风冷系统，保证变压器运行温度在规定的安全温度以下。
2.2将还原炉变压器高压侧接在9.5KV档位，变压器二次侧各档输出电压都将升高5%，直接改善转档困难的问题。由于变压器高压侧接在9.5KV档位且实际施加的电压在10.3～10.5KV之间，还原变压器铁芯的饱和度会相应增加，加剧变压器铁芯发热，变压器运行温度会随之升高，因此需要在运行过程中不断监视变压器运行温度。
四、结束语
多晶硅生产中的还原炉操作是一个非稳态过程，在这个生产过程中硅棒的电阻率随硅棒直径和温度时刻都在发生着变化，因此生产中要对整个还原炉系统从设备系统到工人操作调节均加以重视，尽量避免还原炉内温度、压力、配比等一系列控制点的波动，使得还原系统能够在安、稳、长、满、优下进行操作，实现企业的经济效益。
参考文献
[1] 梁骏吾.电子级多晶硅的生产工艺[J].中国工程科学.2000，2（12）：36-38.
[2]杨世铭.陶文铨.传热学[M].高等教育出版社.北京：2006.
[3]赵建新.硅棒直径与电流关系的探讨[J].天津化工厂研究院.1988，4：56-57.
作者简介：周兰林（1987年—）男，四川遂宁人，单位：成都恒海化工技术服务有限公司，从事多晶硅生产技术服务，职称：工程师，研究方向：通过工艺技改降低企业生产成本。