多晶硅生产还原炉停炉控制系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多晶硅生产还原炉停炉控制系统及控制方法。所述停炉控制系统包括：磁力计算模块，用于计算生长完成的硅棒受到的最大磁力；应力计算模块，用于计算生长完成的硅棒的最小释放应力；停炉优化模块，用于基于该硅棒受到的最大磁力和硅棒的最小释放应力利用优化算法计算出优化停炉时间和优化停炉温度；和控制模块，基于计算出的优化停炉时间和优化停炉温度控制还原炉的停炉。本发明专利技术的停炉控制系统及方法缩短了停炉过程降料和降温所需的时间，节约成本，并提高多晶硅生产的安全性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
多晶硅作为一种半导体材料，目前可以用作重要的光伏材料，光伏材料能将太阳能直接转换成电能，例如太阳能电池。目前生产多晶硅的主要方法之一是改良西门子法。改良西门子法通过气相沉积法产生棒状多晶硅。现有技术中已知的西门子法还原生产工艺为汽化的三氯氢硅与载气氢气按一定比例混合引入多晶硅还原炉；在放置于还原炉内的棒状硅芯两端加以电压；在一定的温度和压力下，在高温娃芯表面，三氯氢娃与氢气混合气反应生成兀素娃，并沉积在娃芯表面， 逐渐生成所需规格的多晶硅棒，同时产生四氯化硅、二氯二氢硅、氯化氢等副产物。多晶硅生产还原炉启动后，反应进料(即三氯氢硅与氢气混合气)由进气管进入还原炉的炉体中，用电极对硅芯通电加热而产生高温，通常将反应温度控制在约1000°c至 1200°C，优选为1100°C左右。通入的三氯氢硅和氢气在硅芯表面进行气相沉积反应生成元素娃。反应生产的尾气从炉筒底部的中心通过尾气排气管排出。随着沉积在娃芯表面的娃增加，硅棒逐渐变粗，最终长成所需尺寸的多晶硅棒。硅棒生长到所需尺寸后，例如长度2.0 至2. 8米、最终直径40至200毫米的尺寸，则需进行停炉处理。还原炉停炉是还原炉生产过程中的重要阶段，对多晶硅的产量、质量、成本以及整个生产系统的协调性、稳定性、安全性起着不可估量的作用。在原有停炉工艺中，目前通常采用的停炉方法为先均匀降料广3小时，将三氯氢硅与氢气的混合物料降至ONm3A (标准立方米/小时)，降料过程中通过调节电流保持硅棒表面温度仍为正常反应温度；降料完成后，切换为纯氢置换后，开始均匀减小流过电极的电流并持续I 3小时，直至电流降至为OA后，断电并完成了停炉操作。上述原有停炉工艺用时较长，且在停炉过程中因电流变化产生磁场，通电的硅棒受到磁力的作用产生力矩，导致硅棒根部松动；又因多晶的结晶形式不同，其局部电阻也不同，降低相同的电流，硅棒局部温度的变化也不同，由于热收缩的程度不同使硅棒慢慢裂开；再因多晶硅是半导体，其电阻随温度的降低而增大，均匀降电流会使硅棒不同时刻的温度变化不同，导致其应力不能均匀释放；从而引发硅棒结构疏松、局部断裂、倒炉等不良后果。
技术实现思路
为了克服现有停炉方法的上述缺点，本专利技术的目的之一是提供一种改进的多晶硅生产还原炉停炉控制系统以及控制方法，该停炉控制系统及其方法可缩短停炉所用的时间，节省成本并降低多晶硅棒的倒棒率。在本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种多晶硅生产还原炉停炉控制系统，所述还原炉包括设置在底盘上的硅棒，所述停炉控制系统包括磁力计算模块，用于计算生长完成的硅棒受到的最大磁力；应力计算模块，用于计算生长完成的硅棒的最小释放应力；停炉优化模块，用于基于该硅棒受到的最大磁力和硅棒的最小释放应力利用优化算法计算出优化停炉时间和优化停炉温度；和控制模块，基于计算出的优化停炉时间和优化停炉温度控制还原炉的停炉。在本专利技术的其他特征中，控制模块控制三氯氢硅和氢气混合气的进料量，使得停炉开始后，在优化停炉时间内将进料量均匀降至零。在本专利技术的其他特征中，控制模块控制通过硅棒的电流，使得停炉开始后，硅棒温度均匀下降。在本专利技术的其他特征中，控制系统还包括电流计算模块，该电流计算模块基于优化停炉时间和优化停炉温度计算出停炉过程中电流变化曲线。并且，所述控制模块基于算出的电流变化曲线控制在优化停炉时间内通过硅棒的电流，使得硅棒温度均匀下降。在本专利技术的其他特征中，在停炉开始后经过了优化停炉时间，进料量降至零且硅棒温度降至优化停炉温度时，控制系统切断对还原炉的供电。在本专利技术的其他特征中，所述优化算法可以为遗传算法。在本专利技术的其他特征中，优化停炉时间为约10分钟至I. 3小时的范围，优选地可以为30分钟。优化停炉温度为约750至970°C之间，优选地可以为878°C。在本专利技术的第二方面，提供一种多晶硅生产还原炉停炉控制方法，包括以下步骤 计算生长完成的娃棒受到的最大磁力；估算该娃棒的最小释放应力；基于该娃棒受到的最大磁力和硅棒的最小释放应力利用优化算法计算出优化停炉时间和优化停炉温度；和基于计算出的优化停炉时间和优化停炉温度控制还原炉的停炉。在本专利技术的其他特征中，控制还原炉的停炉的步骤进一步包括控制三氯氢硅和氢气混合气的进料量，使得停炉开始后，在优化停炉时间内将进料量均匀降至零。在本专利技术的其他特征中，所述控制还原炉的停炉的步骤进一步包括与降低进料量的同时，控制通过硅棒的电流，使得停炉开始后，硅棒温度均匀下降。在本专利技术的其他特征中，所述方法还包括基于优化停炉时间和优化停炉温度计算出停炉过程中电流降低速率的步骤。并且，所述控制还原炉的停炉的步骤进一步包括基于算出的电流降低速率控制在优化停炉时间内通过硅棒的电流，使得硅棒温度均匀下降。在本专利技术的其他特征中，所述方法还包括基于优化断料、断电点，计算出停炉过程中进料量降低速率和硅棒所通电流的降低速率。在本专利技术的其他特征中，所述方法还包括在停炉开始后经过了优化停炉时间或者达到了优化停炉温度时，切断对还原炉的供电。本专利技术应用的更多领域将通过下文所给出的详细描述变得更加显而易见。应当理解，具体描述和特定例子仅用作解释和理解目的，但是不应该被用来限制本专利技术的范围。附图说明通过详细描述和附图将更完全地理解本专利技术，其中图I为本专利技术多晶硅生产还原炉的示意简图。图2为根据本专利技术的停炉控制系统的第一实施例的示意方块图。图3为根据本专利技术的停炉控制系统的第二实施例的示意方块图。图4为根据本专利技术的最佳断料、断电点的优化计算流程图。图5示出了本专利技术的优化的停炉工艺的流程图。具体实施例方式下面的详细描述和附图描述示出了本专利技术的各种实施例。这些描述和附图用于使本领域的技术人员能够制造和使用本专利技术，并不是以任何方式限制本专利技术的范围。关于所公开的方法，所述步骤实质上是示意性的，因此不一定是必要或关键的。图I示出了本专利技术采用的多晶硅生产还原炉的结构示意图。如图I所示，还原炉主要包括炉筒I、位于炉筒内底部的炉盘2、设置在炉盘上的多个电极3 (仅示出两个)、混合气进气管5、尾气排气管6、冷却水进水管和出水管7、8。多个棒状硅芯4，例如直径为7 10毫米、长度为2. 0至2. 8米，均匀布置在炉盘2上，并与电极3电连接。炉筒壁上还可以设置有视镜孔9，便于监测炉内温度或硅棒温度，以控制反应温度。因还原炉构造、多晶硅产品高度、直径、质量、生产工艺参数、生产周期等不同，均会对停炉产生影响。下面描述了多个示例性的实施例来阐述本专利技术。所需的硅棒规格例如在长度2. 0至2. 8米、直径40至200毫米的范围内。启动多晶硅生产还原炉，通过混合气进气管5向还原炉内通入三氯氢娃和氢气的混合气,利用电极3对娃芯通电加热以便在棒状硅芯4的表面进行气相沉积反应生产多晶硅。随着多晶硅的不断生成并沉积，生长出所需规格的娃棒。在获得了所需规格的多晶娃棒之后，启动停炉处理。在停炉过程中，如上所述，基本生长完成的硅棒会同时受到电流减小过程中由电磁场变化引起的磁力、以及降温过程中由于热收缩引起的应力。具体而言，停炉开始后，需要逐渐减小通过硅棒的电流，电流变化产生磁场，通电的硅棒受到磁力。硅棒在磁力的作用下，会产生晃动，严重情况会使得硅棒断裂，甚至发生倒棒。另一方面，因硅棒在停炉过程中会产生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琳，齐林喜，刘占卿，陶茂俊，
申请(专利权)人：内蒙古盾安光伏科技有限公司，
类型：发明
国别省市：