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1潔凈設計的意義
為滿足太陽能電池和大規模集成電路有關器件的質量要求，硅材料的質量好壞，直接影響到晶體結構的合格率和電學性能。因此，生產過程中對硅材料的純度（潔凈度）要求也越來越高。按照行業內對多晶硅等級的劃分概念，金屬雜質含量在ppba數量級。對于金屬等雜質含量而言，電子級多晶硅純度高于9N（99.9999999%，也就是9個“9”，下同）；太陽能級的純度高于6N（6個“9”）；一般冶金級的純度只有2N~3N（2~3個“9”）。因此，從這個角度來說，提高產品的純度（潔凈度）是提高產品質量、提高產品價值的重要途徑和手段。
2還原制備多晶硅流程簡述
作為當今世界生產多晶硅的主流技術，改良還原西門子法仍然占據著主要地位。常見工藝流程如下：經過提純的三氯氫硅原料液體，按還原工段工藝條件要求連續混合加入蒸發器中。經過凈化的氫氣分兩路：一路（主路氫）通過蒸發器與三氯氫硅氣體混合，噴入還原爐中，在高溫反應溫度下，三氯氫硅中的硅還原出來，沉積在硅基載體上，爐內反應生成的氣體經過尾氣管道進入回收系統；另一路（側路氫）在還原爐置換時使用。按照多晶硅還原爐的生產操作流程，還原爐設備采用鐘罩型反應器階段性生產。在反應過程中，還原爐處于帶壓狀態，密閉生成高純多晶硅棒；反應結束后，氫氣置換，在置換階段完成后，鐘罩打開，取出產品硅棒。針對上述生產流程，可以將整個過程劃分為內外兩個系統：內部封閉系統和外部開放系統。
3內部封閉系統
因參與反應的工藝介質都需要非常高的純度，而系統內各種監控儀表都需要經過特殊設計考慮才能避免對高純介質帶來污染。鑒于產品品質要求極高，下述所有的設計參考都要嚴格按照《潔凈廠房設計規范》和《電子工業潔凈廠房設計規范》中相應條款要求。
3.1儀表的相關材料選擇
在工藝管道系統上安裝的儀表，設計選用本體材質（與流體介質直接接觸的部分）為低碳不銹鋼316L（00Cr17Ni12Mo2Ti）。因316L化學穩定性好，滲透性小，吸附性差，可以防止材質中的金屬析出及吸附或釋放其他雜質，這樣輸送氣體的質量能夠滿足生產工藝的需求。對于儀表與管道的連接密封件材質一般選用聚四氟乙烯PTFE。同樣PTFE滲透性很小，吸附性弱，這樣也能避免對輸送介質造成污染。
3.2儀表結構型式選擇
對于壓力儀表，應選用法蘭結構型式。一方面儀表制造完成后需進行脫水脫脂清洗處理，另一方面儀表安裝、拆卸和檢修維護非常方便。對于流量儀表，選用流量計本體流道應結構簡單，無不易吹除的“盲區”等死角。因為在工藝系統正式投料之前，系統均需要進行帶料循環。如果有死角，一是大大延遲循環去除污物的時間，二是造成對產品的污染，降低了產品質量。對于自動控制閥門來說：波紋管閥具有閥體嚴密性好的優點，既可以防止管道內介質外漏，又可以避免外部環境對介質的污染。球閥內部流道簡單無死角，且易于脫脂處理等?；谏鲜鎏攸c，工藝介質管道系統上的自動控制閥門，應選用波紋管閥或球閥。
3.3儀表設備的安裝處理方法
在多晶硅裝置中，全部儀表在正式安裝使用前，均需要進行脫水脫脂處理。在儀表的制造、運輸和安裝前，可能存在各種介質附著在儀表本體上，包括水分、氯離子、油脂、其他氧化物和灰塵等。水分會直接導致反應器中產生氯離子等，對反應器和管道等產生腐蝕。油脂、氧化物、灰塵和其他雜質則直接影響多晶硅反應速度和硅棒的產品質量。因此，對于儀表與介質接觸的部分，需要進行純水沖洗、脫脂處理、烘干干燥等多道工序后，再進行充氮包裝等特殊潔凈處理。
4外部開放系統
經過置換完成后的還原爐設備中，得到了高純多晶硅硅棒產品，需要使用機械臂取出，并送到成品質檢、破碎、包裝等后序工段中。多晶硅產品暴露于空氣環境中，為避免空氣懸浮粒子對產品的污染，需要設立潔凈廠房來應對上述問題。按照多晶硅裝置工藝流程特點和產品質量的要求，依據《電子工業潔凈廠房設計規范》還原廠房的空氣潔凈度等級為8級。圖2表示了還原廠房中需要自動控制來滿足高等級潔凈度要求的空調系統設計。針對組合式空調機組的控制，一般無需和過程控制系統集中在一起，所以通常采用PLC來滿足空調系統的控制、聯鎖以及啟閉機等工作要求。根據多晶硅裝置生產特點，該空調機組需要嚴格控制還原廠房內的潔凈度、溫度、濕度和差壓等參數。
4.1潔凈區潔凈度控制
潔凈度等級主要依靠空調機組的粗效、中效和高效過濾器來保證。隨著生產時間的延續，過濾器上積塵量會逐漸增大，過濾效果會逐漸失效，因此，必須對過濾器進行監控。在過濾器前后設置差壓表，根據過濾器的性能設定報警壓差值，當過濾器前后壓差超過設定值時將發出警報，提醒管理人員清洗或更換過濾器。
4.2潔凈區溫、濕度控制
溫濕度的控制是由空調機組的表冷段、加熱段、加濕段3個功能段來實現，每個功能段均設電動控制閥，用來調節冷、熱媒的流量及加濕蒸汽用量。在還原廠房內設置溫、濕度測點，將室內各區域綜合的平均溫度及平均濕度作為測量信號，分別通過PLC內的PID控制，使冷媒電動閥、熱媒電動閥及加濕蒸汽電動閥相應動作，以實現潔凈區的溫濕度處于要求范圍內。
4.3潔凈區壓差控制
為了保護產品免受污染，限制周圍環境中未過濾的空氣滲入潔凈室，要求潔凈區與室外壓差應不小于10Pa。為此，利用微壓測量儀表在還原廠房內建立靜壓測點，將室內靜壓值作為測量信號與室外大氣壓力進行比較，通過PID控制，改變排風閥葉片的開度，調節排風量的大小。如測得潔凈區靜壓偏小時，電動執行機構將減小排風閥開度，使潔凈區靜壓上升；反之亦然。
4.4精確控制方案選擇
雖然針對空氣凈化系統，設計上選用了高精度的測量儀表、質量可靠性能安全的PLC控制系統，但是單一的自動控制方式并不能完全有效地在實際工況中平穩運行，因為外界氣候對潔凈系統的穩定工作有很大影響。隨著氣候四季變化，項目所在地的大氣環境中溫度、濕度波動較大，尤其是冬夏兩季溫度、還有雨季濕度都比較明顯異于常規狀態。在實際PLC組態中編制了多套控制方案，可以根據季節和氣候條件，改變控制參數，進行分季控制和人工輔助控制，降低外界環境對潔凈空調系統平穩運行的影響。
5結束語
近幾年國內多晶硅行業剛經歷一個淘汰落后產能，產業更新換代的過程。伴隨著國家對多晶硅行業的產業升級要求，多晶硅產品等級從太陽能級向電子級邁進，多晶硅質量的提升是必然的趨勢，而提升的手段必然涉及到潔凈的需求。本文希望通過對項目實例中潔凈要求下的自動化工程設計應用體會，為廣大讀者在類似工程設計過程中提供一定的借鑒。
作者：張公明 劉德斌 單位：東華工程科技股份有限公司 貴州東華工程股份有限公司