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*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*个太阳能电池问世以来，正以平均每年 40% 的速度增长。*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*的解决方案。
ShangHai XiangRun INDUSTRY CO.,LTD
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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
*，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 1100ºC 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zui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
zui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。
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 32ºC；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、*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
*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（压差由的电子压力控制器
控制）通过一个*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*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 适用于室温 -18ºC ~ +50ºC。不
需要带门的分析小屋，机柜就足够。
• MAXUM II 安装在靠近取样点的位置：缩
短了管道长度，所以降低了安装成本；
快速回路短，所以分析很快。
先进的控制和通讯能力
• 直接与 DCS 连接
• 整合到通讯网络中（Modbus，以太网
TCP/IP）
• 远程访问和维护
• 通过集线器和网关易于与其它分析仪组网
• 与 SIMATIC Scalance 组件兼容
客户利益
• 通过使用过程分析仪，可以降低成本，
增加产出
• 使用在线测量的数据可以进行过程控制
和优化
• 有效提高开工水平，确保产品质量稳定
• 实时监控工艺过程，确保安全生产
图 5：色谱仪
图 6：典型的谱图
客户利益
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