專利名稱：多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改良西門子法還原爐生產(chǎn)多晶硅生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是一種多晶硅生產(chǎn)中 供料和供電同步自動(dòng)控制方法。
背景技術(shù)：
目前，改良的西門子法還原爐生產(chǎn)多晶硅過程中，是以氫氣為還原劑，與SiHCl3K 應(yīng)，還原生產(chǎn)高純度等級的多晶硅。西門子法還原爐生產(chǎn)多晶硅是間歇周期性生產(chǎn)，一個(gè)周期內(nèi)生產(chǎn)多晶硅所需化學(xué) 反應(yīng)的熱能及各種介質(zhì)熱交換能量一律由電能提供，即給硅棒提供足夠的電流產(chǎn)生熱量， 其中極少部分熱量用于維持硅棒表面化學(xué)反應(yīng)所需溫度，絕大部分熱量通過物料對流、輻 射、間壁傳熱等熱交換被物料和夾套水帶走，間歇性周期生產(chǎn)過程中硅棒表面不斷沉積，硅 棒直徑不斷增加，其電阻逐漸減小，為了保持反應(yīng)溫度，需要不斷提高通過硅棒的電流，以 維持生產(chǎn)的進(jìn)行，直至達(dá)到生產(chǎn)要求，停爐取棒。西門子法還原爐生產(chǎn)多晶硅的過程具有周期性，該周期分為三個(gè)階段，即硅芯啟 爐階段——Si還原沉積階段一硅棒停出爐階段如此周而復(fù)始的運(yùn)作，其核心部分為“Si 還原沉積階段”，它的控制也是世界性難題。目前，絕大部分企業(yè)仍采用人工手動(dòng)給電流以 滿足硅棒表面溫度的控制。物料和電流增量的給定直接關(guān)系到還原爐內(nèi)的溫度場，溫度場 的穩(wěn)定有利于硅的沉積生長。而如果由于電流給定的值不合適，造成爐內(nèi)溫度的變化，則會(huì) 造成沉積速率低，甚至引發(fā)硅棒裂棒、倒?fàn)t等生產(chǎn)不利影響。所以，依靠人的經(jīng)驗(yàn)觀察來給定電流增量，由于判斷的不同，往往會(huì)有誤差，生產(chǎn) 出來的硅棒質(zhì)量一致性不好，且電耗較高，也不具有好的重復(fù)性，引起裂棒的可能性高。而 且這種生產(chǎn)控制方法，對操作人員的要求比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制 方法，可以保證物料與電流趨勢平穩(wěn)，確保多晶硅生長環(huán)境的穩(wěn)定，使多晶硅生產(chǎn)具有重復(fù) 性。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供 電同步自動(dòng)控制方法，包括以下的步驟
1)分時(shí)，以確定合適的時(shí)基；
2)以時(shí)基確定物料投料量和電流值；
3)編制生產(chǎn)控制表；
4)以生產(chǎn)控制表為基礎(chǔ)設(shè)置自動(dòng)控制程序參數(shù)；
通過上述步驟實(shí)現(xiàn)多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制。自動(dòng)控制程序以時(shí)基為參考點(diǎn)自動(dòng)調(diào)用固化的物料投料量和電流值為目標(biāo)值，并 以目標(biāo)值進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。
所述的物料投料量由公式Fref=FfdFZdt確定。所述的電流值由公式Iref= i。+di/dt確定。步驟2中還包括確定輔助參數(shù)的步驟。所述的輔助參數(shù)有還原爐夾套進(jìn)出水溫度TcZT1、底盤進(jìn)出水溫度T2/T3、混合氣入 爐溫度τ4/τ5和室內(nèi)外環(huán)境溫度的修正系數(shù)K。步驟2中還包括根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境溫度確定修正系數(shù)K的步驟。所述的時(shí)基為不相等。多晶硅生產(chǎn)中的難點(diǎn)在于爐內(nèi)溫度場的穩(wěn)定，而爐內(nèi)溫度場的穩(wěn)定依靠外紅高溫 儀測量硅芯表面溫度的值僅能供參考，目前，各個(gè)階段的電流值還要通過肉眼觀察輔助修 正。在實(shí)踐中，還原爐生產(chǎn)多晶硅的Si還原沉積階段經(jīng)歷了四個(gè)階段的控制模式
1、以肉眼觀察硅棒表面溫度為依據(jù)，不確定性的手動(dòng)給電流和物料以滿足工藝生產(chǎn)的 控制模式；
2、按每小時(shí)確定性的自動(dòng)給定電流值和物料，同時(shí)輔助以肉眼觀察適當(dāng)修正電流或物 料的工藝生產(chǎn)模式；
3、分時(shí)段半自動(dòng)給定電流或溫度閉環(huán)間歇性投入和手動(dòng)投料的工藝生產(chǎn)模式；
4、物料、電流分階段(時(shí)段)固化值按到點(diǎn)手動(dòng)給定的工藝生產(chǎn)模式。本發(fā)明提供的一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法，通過編制生產(chǎn)控 制表并按分時(shí)自動(dòng)控制的方法，針對不同的生產(chǎn)條件，如還原爐類型、硅芯類型、環(huán)境溫度 等均有相適應(yīng)的工藝控制表，其集合組成生產(chǎn)工藝控制數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)庫中還包含啟停爐的 操作和規(guī)定，裂棒和碰壁等異常生產(chǎn)情況的判斷與解決方案。本發(fā)明包含的改良西門子法還原爐生產(chǎn)工藝控制數(shù)據(jù)庫，設(shè)定了相應(yīng)生產(chǎn)時(shí)間的 物料和電流給定，通過自動(dòng)生產(chǎn)控制程序分別進(jìn)行物料和電流給定，保證物料與電流趨勢 平穩(wěn)，可以確保多晶硅生長環(huán)境的穩(wěn)定。電流程控的基本原理為Iref= iQ+di/dt，其中iQ是初始電流，di/dt是電流變化 值，Iref是硅棒給定電流，確定了 di/dt即確定了 1&，由于程控電流閉環(huán)模式就相當(dāng)于硅棒 實(shí)際運(yùn)行電流值，為此技術(shù)上僅需要確定di/dt即可。投料量程控的基本原理為&#=&+(^/肚，其中Ftl是初始投料量，dF/dt是物料變 化值，F(xiàn)ref是爐內(nèi)瞬時(shí)要投料量的給定值，確定了 dF/dt即確定了 F,ef，物料流量采用閉環(huán)模 式控制，確定di/dt即可確定F,ef的值，該兩項(xiàng)數(shù)據(jù)需要大量的人工數(shù)據(jù)匯總分析總結(jié)后才 可以得到。而合理的分時(shí)可以大大的減少數(shù)據(jù)采集匯總和分析的工作量。為了滿足正常生產(chǎn)工藝運(yùn)行的需要，生產(chǎn)工藝控制數(shù)據(jù)庫也定義了相關(guān)輔助參數(shù) 的控制值還原爐夾套進(jìn)出水溫度TcZT1、底盤進(jìn)出水溫度τ2/τ3、混合氣入爐溫度τ4/τ5、以 及室內(nèi)外環(huán)境溫度的修正系數(shù)K等。即在生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，需滿足
P 電(U, I，O=K1P桂(di/dt, t)+ K2P 水(T0, T1, T2, T3, t)+ K3P氣(dF/dt, t)； 本發(fā)明包含的生產(chǎn)工藝控制數(shù)據(jù)庫針對不同的生產(chǎn)條件、不同的改良西門子法還原爐 類型、不同的硅芯類型規(guī)格、不同區(qū)域的氣候特征、室內(nèi)外環(huán)境溫度變化等均可以制定出與 之相適應(yīng)的工藝控制表，組成生產(chǎn)工藝控制數(shù)據(jù)庫用于自動(dòng)化生產(chǎn)，可以有效保證每爐生 產(chǎn)的硅棒品質(zhì)、產(chǎn)能、物耗、能耗具有復(fù)制性、生產(chǎn)異常狀況概率明顯下降。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明 圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1中，一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法，包括以下的步驟 1)分時(shí)，以確定合適的時(shí)基；此處的時(shí)基可以是相等的，也可以是不相等的，對于變化
量急劇的區(qū)間可以選擇較小的時(shí)基單位，在變化量平緩的區(qū)間可以選擇較大的時(shí)基單位。2 )以時(shí)基確定物料投料量和電流值；
3)編制生產(chǎn)控制表；
4)以生產(chǎn)控制表為基礎(chǔ)設(shè)置自動(dòng)控制程序參數(shù)；
通過上述步驟實(shí)現(xiàn)多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制。自動(dòng)控制程序以時(shí)基為參考點(diǎn)自動(dòng)調(diào)用固化的物料投料量和電流值為目標(biāo)值，并 以目標(biāo)值進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。所述的物料投料量由公式Fref=Fc^dFZiClt確定。其中Ftl是初始投料量，dF/dt是物 料變化值，F(xiàn)ref是爐內(nèi)瞬時(shí)要投料量的給定值。所述的電流值由公式Iref= io+di/dt確定。其中iQ是初始電流，di/dt是電流變 化值，Iref是硅棒給定電流。步驟2中還包括確定輔助參數(shù)的步驟。所述的輔助參數(shù)有還原爐夾套進(jìn)出水溫度TcZT1、底盤進(jìn)出水溫度T2/T3、混合氣入 爐溫度τ4/τ5和室內(nèi)外環(huán)境溫度的修正系數(shù)K。步驟2中還包括根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境溫度確定修正系數(shù)K的步驟。本發(fā)明包含的生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫的建立基于
1、按照電流和物料控制的基本原理在工廠DCS上編寫程序，調(diào)試運(yùn)行以達(dá)到控制基本 原理的要求；
2、將還原爐多晶硅沉積階段分成若干段，以確定時(shí)基，確定的時(shí)基并不一定要相等，在 變化量急劇的區(qū)間可以選擇較小的時(shí)基單位，在變化量平緩的區(qū)間可以選擇較大的時(shí)基單 位。初步制定各階段的dF/dt和di/dt值，、在第4步確定；Ftl根據(jù)實(shí)際物料儀表調(diào)節(jié)閥 最低自動(dòng)控制值確定；
3、清潔還原爐觀察視鏡片，備好已調(diào)校準(zhǔn)確的紅外高溫計(jì)；
4、通電后硅芯在H2環(huán)境下逐步升溫，并通過外紅高溫儀測量硅芯表面溫度達(dá)到 1080°C，此時(shí)的電流值即i0 ；
5、通物料后，在混合氣環(huán)境下，紅外高溫計(jì)確定每個(gè)區(qū)間硅棒表面溫度1080°C對應(yīng)的 電流值來修正初步制定各階段的dF/dt和di/dt值。并植入計(jì)算機(jī)事先編制好的控制程序 中。6、紅外高溫計(jì)測量的值僅供參考，因此以紅外高溫計(jì)修正dF/dt和di/dt值生產(chǎn) 的多晶硅品質(zhì)不一定滿足市場需求，為此各個(gè)階段的電流值還要通過肉眼觀察輔助修正。上述的是一個(gè)沉積生長周期的調(diào)試模式，以dF/dt和di/dt的初步值為基礎(chǔ)，通 過5-10個(gè)生長周期不斷循環(huán)修正以達(dá)到產(chǎn)品品質(zhì)、物耗、能耗的預(yù)期望值。最終確定在不同生產(chǎn)條件下的dF/dt和di/dt的生產(chǎn)控制表，即是某預(yù)期望值下的數(shù)據(jù)庫固化值，該固 化值可以植入相同還原爐型的控制程序中進(jìn)行復(fù)制生產(chǎn)。實(shí)施例1
1)確定生產(chǎn)參數(shù) 爐型12對多晶硅棒型； 進(jìn)料方式下進(jìn)下出； 物料高純?nèi)葰涔?、氫氣?汽化器出口溫度10(Tll0°C ； 初始進(jìn)料爐內(nèi)溫度控制1080°C ； 硅芯型號直徑8_X長度2300_ ； 還原爐夾套水參數(shù)進(jìn)水105°C，回水13(Tl35°C ； 環(huán)境溫度3(T;35°C。2)編制生產(chǎn)控制表，確定電流和物料的供給，舉例如下；
起始時(shí)間終止時(shí)間dF/dt (SiHC13流量)dF/dt (H2流量)di/dt (相電流增量)
0424D163048280202981232024281216360281516204203015202446033152430480371530365 381536426004D2042486604420485472046225460780482460668 502666729205220727810005420788410805616849011605812 590961200591596102125060201021081300600
3 )將生產(chǎn)控制表參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并投入程序運(yùn)行，至生產(chǎn)結(jié)束。測試中，嚴(yán)格按照此生產(chǎn)控制表進(jìn)行自動(dòng)控制，流程結(jié)束后指標(biāo)如下
硅棒直徑127 142mm、單產(chǎn)能1. 8 1. 9噸、沉積時(shí)間102 105h、平均沉積速率18Kg/h、 電單耗78 82KWh、三氯氫硅一次轉(zhuǎn)化率9 9. 2%、三氯氫硅循環(huán)單耗52 54噸。外觀品質(zhì)除外表面玉米粒外斷面無孔隙。
權(quán)利要求
1.一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法，其特征在于包括以下的步驟1)分時(shí)，以確定合適的時(shí)基；2)以時(shí)基確定物料投料量和電流值；3)編制生產(chǎn)控制表；4)以生產(chǎn)控制表為基礎(chǔ)設(shè)置自動(dòng)控制程序參數(shù)；通過上述步驟實(shí)現(xiàn)多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法，其特征在 于自動(dòng)控制程序以時(shí)基為參考點(diǎn)自動(dòng)調(diào)用固化的物料投料量和電流值為目標(biāo)值，并以目 標(biāo)值進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法，其特征在 于所述的物料投料量由公式Fref=FfdFZdt確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法，其特征在 于所述的電流值由公式Iref= io+di/dt確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法，其特征在 于步驟2中還包括確定輔助參數(shù)的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法，其特征在 于所述的輔助參數(shù)有還原爐夾套進(jìn)出水溫度TcZT1、底盤進(jìn)出水溫度τ2/τ3、混合氣入爐溫 度τ4/τ5和室內(nèi)外環(huán)境溫度的修正系數(shù)K等。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法，其特征在 于步驟2中還包括根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境溫度確定修正系數(shù)K的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法，其特征在 于所述的時(shí)基為不相等。
全文摘要
一種多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制方法，包括以下的步驟1)分時(shí)，以確定合適的時(shí)基；2)以時(shí)基確定物料投料量和電流值；3)編制生產(chǎn)控制表；4)以生產(chǎn)控制表為基礎(chǔ)設(shè)置自動(dòng)控制程序參數(shù)；通過上述步驟實(shí)現(xiàn)多晶硅生產(chǎn)中供料和供電同步自動(dòng)控制。本發(fā)明包含的生產(chǎn)工藝控制數(shù)據(jù)庫針對不同的生產(chǎn)條件、不同的改良西門子法還原爐類型、不同的硅芯類型規(guī)格、不同區(qū)域的氣候特征、室內(nèi)外環(huán)境溫度變化等均可以制定出與之相適應(yīng)的工藝控制表，組成生產(chǎn)工藝控制數(shù)據(jù)庫用于自動(dòng)化生產(chǎn)，可以有效保證每爐生產(chǎn)的硅棒品質(zhì)、產(chǎn)能、物耗、能耗具有復(fù)制性、生產(chǎn)異常狀況概率明顯下降。
文檔編號G05B19/02GK102109827SQ20111000739
公開日2011年6月29日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者危敢想, 李艷, 林云志, 董先君 申請人:宜昌南玻硅材料有限公司