湘润介绍MAXUM II过程色谱仪解决方案

文档简介ProcessAnalyticsAnswersforindustry.MAXUMII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。由于全世界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。全世界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。ShangHaiXiangRunINDUSTRYCO.,LTDTEL:+86-21-5837191158371993Fax:+86-21-58376375Http://www.plcsh.cn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）。多晶硅众所周知，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1100C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SiemensReactor（西门子反应器，西门子Z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1H2补充气H2的纯度H2O,0...100ppmTPA质量控制O2,N2,CO,CO2,HC0...50ppmMAXUMII2Cl2供应Cl2的纯度H2O,0...2%TPA质量控制N2,O2,H20...5%MAXUMII3HClHCl的纯度H2O,0...100ppmTPA质量控制O2,N2,CO,CO2,HC0...10ppmMAXUMII4粗TCS反应器出口过程控制HSiCl3,SiCl40...1**%MAXUMIIH2SiCl2,HCl0...1%5TCS蒸馏塔出口过程控制HSiCl30...1**%MAXUMIIH2SiCl2,SiCl4,N20...30%6还原炉进料过程控制HSiCl3,SiCl40...1**%MAXUMIIH2SiCl2,HCl,H20...30%7还原炉出口过程控制HSiCl3,SiCl40...1**%MAXUMIIH2SiCl2,HCl,H20...30%8转化炉出口过程控制HSiCl3,SiCl40...1**%MAXUMIIH2SiCl2,HCl,H20...30%9尾气回收装置出口H2的纯度HSiCl3,SiCl4,HC0...50ppmMAXUMII质量控制H2SiCl2,N2,O2多晶硅的生产Z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32C；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、极高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MAXUMII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MAXUMII配置MAXUMIIPGC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MAXUMII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，MAXUMII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、ZX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（压差由极ng准的电子压力控制器控制）通过一个独特的模块（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MAXUMII）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联系的测量系统。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、可靠的测量经过全世界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MAXUMII经过认证，可以用于危险区（ATEX，CSA，NEC，NEPSI）MAXUMII适用于室温-18C~+50C。不需要带门的分析小屋，机柜就足够。MAXUMII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SIMATICScalance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ShangHaiXiangRunINDUSTRYCO.,LTDTEL:+86-21-5837191158371993Fax:+86-21-58376375Http://www.plcsh.cn声明本手册中的信息含有不适用于实际应用或者由于产品进一步开发而更改的性能描述或者特征。只有协议条款明确同意才有义务提供相应的特征。可用性和技术规格如有更改，恕不事先通知。所有产品的名称可能都是西门子AG或者供应商的注册商标或者产品名称。第三方出于个人目的可能使用本说明书中的其它商标，将会侵犯所有者的权利。