衛(wèi)曉沖，張 峰，田 娜

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原 030024)

國內(nèi)外現(xiàn)有的多晶硅廠，絕大部分采用三氯氫硅氫還原法生產(chǎn)電子級和太陽能級多晶硅。在氫還原爐內(nèi)通電的熾熱硅芯/硅棒的表面，三氯氫硅發(fā)生氫還原反應(yīng)，生成硅沉積下來，使硅芯/硅棒的直徑逐漸變大，直至達(dá)到規(guī)定的尺寸。硅芯/硅棒的制備采用區(qū)熔爐拉制與切割并用的技術(shù)，在制備過程中需要對硅芯/硅棒進(jìn)行清洗處理。

1 清洗方式

目前硅芯/硅棒的清洗，多采用氫氟酸和硝酸進(jìn)行表面腐蝕處理，再用超純水沖洗干凈，然后進(jìn)行干燥。酸腐蝕處理過程中會(huì)有氟化氫和氮氧化物氣體逸出至空氣中，廢氣的抽取需要時(shí)間，人工操作時(shí)難免處于該氣體環(huán)境中，增加防護(hù)難度。而且硅芯硅棒長度達(dá)到2 m以上，單個(gè)硅棒的質(zhì)量也有40 kg以上，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。本文介紹一種自動(dòng)清洗設(shè)備，針對太陽能級的硅芯硅棒而專門設(shè)計(jì)的非標(biāo)清洗設(shè)備，該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高，操作方便，生產(chǎn)效率高，系統(tǒng)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 主要機(jī)構(gòu)

全自動(dòng)硅芯硅棒清洗機(jī)是針對太陽能級的硅芯硅棒而專門設(shè)計(jì)的非標(biāo)清洗設(shè)備，清洗過程中籃具的傳輸，采用兩個(gè)龍門式機(jī)械手方式移動(dòng)，完成清洗工藝流程的自動(dòng)化作業(yè)，設(shè)備包含以下工位：上料工位、酸腐蝕工位、QDR、溢流沖洗工位、超聲清洗工位、水浴清洗工位、干燥工位、下料工位。

2.1 技術(shù)參數(shù)

清洗對象：

硅芯φ（7～10 mm）×(2000～2800 mm)

硅棒 φ（110～150 mm）×（2000～2800 mm）

清洗數(shù)量：硅芯24根/籃；硅棒1根/籃

籃具尺寸：2860 mm×300 mm×395 mm

機(jī)械臂最大承重：120 kg

電源：三相四線380 V±10%、50 Hz

純水供給：流量均值13 m3/h

壓縮空氣：進(jìn)口壓力（0.5～0.7）MPa

2.2 工藝流程

上料→酸腐蝕→QDR→溢流→超聲→水浴→風(fēng)切→下料

2.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備主要由工藝清洗系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和設(shè)備主體等構(gòu)成。整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（1）設(shè)備主體：由不銹鋼焊接而成，保證設(shè)備強(qiáng)度高、剛性好；

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ：傳動(dòng)系統(tǒng)是全自動(dòng)清洗設(shè)備最核心的部分。傳動(dòng)系統(tǒng)的性能直接決定了全自動(dòng)清洗設(shè)備整體工作效率及工作穩(wěn)定性、可靠性等。在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮：運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)的精確性、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的剛性、運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。本設(shè)備水平方向移動(dòng)采用伺服電動(dòng)機(jī)，減速電動(dòng)機(jī)和同步帶結(jié)構(gòu)傳動(dòng)；垂直方向采用交流電機(jī)，減速電動(dòng)機(jī)和防腐蝕吊帶結(jié)構(gòu)，整體為龍門式運(yùn)動(dòng)方式；

（3）排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：本機(jī)采用設(shè)備頂部排風(fēng)，抽風(fēng)系統(tǒng)把酸腐蝕過程中產(chǎn)生的氟化氫和氮氧化物氣體導(dǎo)入專用管道，來防止其擴(kuò)散對人體及環(huán)境的影響；

（4）工藝清洗系統(tǒng)：工藝清洗包含6個(gè)部分，分別為酸腐蝕槽、QDR槽、溢流沖洗槽、超聲清洗槽、水浴清洗槽、風(fēng)切烘干槽。

酸腐蝕槽：自動(dòng)控制HF和HNO3的供給，對硅芯表面進(jìn)行腐蝕清洗，槽內(nèi)配有氮?dú)夤呐菅b置，充分?jǐn)嚢枞芤海垢g更均勻。槽體采用聚偏二氟乙烯材質(zhì)板材焊接，耐腐蝕性能優(yōu)越。

QDR槽：通過快速給水、噴淋、鼓泡和快速排放功能，快速?zèng)_洗上一工序殘留的酸液。

溢流沖洗槽：40℃～50℃的熱水持續(xù)溢流沖洗，確保酸液無殘留。

超聲清洗槽：超聲頻率為40 kHz，經(jīng)超聲波換能器轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械震蕩傳送到清洗液中，利用空化效應(yīng)產(chǎn)生的大量小氣泡連續(xù)轟擊工件表面，使夾縫中的污垢剝落。清洗液溫度升高時(shí)氣泡數(shù)量增加，對產(chǎn)生氣泡有利，但溫度過高，氣泡中蒸氣壓增大，空化強(qiáng)度會(huì)降低。實(shí)驗(yàn)證明在40℃～50℃之間，超聲效果最好。

水浴清洗槽：40℃～50℃的純水浸泡清洗，同時(shí)配備氮?dú)夤呐菅b置，使槽內(nèi)液體溫度均勻，安裝低液位傳感器，防止加熱管干燒。

風(fēng)切烘干槽：腔體采用優(yōu)質(zhì)316不銹鋼材質(zhì)，主要由氮?dú)夤┙o系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)和移動(dòng)風(fēng)刀組成，熱氮?dú)馔ㄟ^移動(dòng)風(fēng)刀將硅芯硅棒表面水珠吹掉并蒸發(fā)，不留水跡，其效果要優(yōu)于單純的加熱烘干槽。

（5）管路系統(tǒng)：管路排置于設(shè)備后下方，排酸與排廢水都有獨(dú)立排放管路，廢酸進(jìn)行回收處理達(dá)標(biāo)后排放。純水管路采用潔凈材質(zhì)，確保不會(huì)引入多余污染顆粒，影響清洗效果。

（6）電氣控制系統(tǒng)：電氣系統(tǒng)控制是整個(gè)設(shè)備的重要部分，編程安排系統(tǒng)在各個(gè)清洗槽的運(yùn)動(dòng)時(shí)序，控制閥門以及清洗工藝模塊的工作狀態(tài)。整套控制系統(tǒng)以一臺PLC（可編程控制器）為核心，觸摸屏作為人機(jī)界面、電動(dòng)機(jī)和各種氣動(dòng)閥門作為清洗工件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其它一些輔助系統(tǒng)。

電氣控制系統(tǒng)包括操作面板、控制柜、伺服電機(jī)、傳感器、電磁閥、加熱元件、泵等。控制柜為獨(dú)立單元，放置于設(shè)備左后側(cè)，為全封閉式，內(nèi)部通有干燥的壓縮空氣，防止酸霧腐蝕電器元件。操作面板安裝于設(shè)備左前端，上面裝有觸摸屏、電源啟動(dòng)、停止和急停按鈕。

本設(shè)備通過PLC控制，按照生產(chǎn)工藝的要求，對觸摸屏和PLC進(jìn)行了編程設(shè)計(jì)，控制模式分為自動(dòng)和手動(dòng)，在自動(dòng)模式下，按運(yùn)行后，操作員只需要上料和下料即可，設(shè)備將自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各種功能。手動(dòng)方式則可以進(jìn)行單獨(dú)工藝動(dòng)作，主要用于檢修和實(shí)驗(yàn)。各清洗槽的工藝清洗時(shí)間及其它一些工藝相關(guān)參數(shù)可以在觸摸屏上設(shè)置。系統(tǒng)可以編譯并存儲多條清洗工藝程序，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行修改或儲存。

3 結(jié)束語

本文介紹的硅芯硅棒清洗設(shè)備，運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，極大的降低了人工操作強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，預(yù)期該設(shè)備將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。

[1]施敏，梅凱瑞.半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)[M].合肥:安徽大學(xué)出版社,2007.4

[2]Billy_zhou.超聲波清洗的分類及清洗的原理.半導(dǎo)體技術(shù)天地.http://www.2ic.cn