宋張佐，劉陽贊，蔡永明，周萬禮

（云南能投化工有限責任公司，云南 昆明 650100）

在多晶硅生產(chǎn)中，產(chǎn)品硅破碎后的硅芯截面有時會出現(xiàn)雜質(zhì)層，雜質(zhì)層剝離且呈現(xiàn)灰色、褐色等顏色，行業(yè)稱此現(xiàn)象為硅芯帶彩。硅芯帶彩即是硅芯氧化。產(chǎn)品中硅芯氧化會降低產(chǎn)品質(zhì)量，直接影響多晶硅的售價。硅芯氧化引起的多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量問題是普遍存在的。消除硅芯氧化是各企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量需要重點解決的問題。硅芯氧化的產(chǎn)品對下游鑄錠、直拉均有不同程度的影響。氧化后的硅芯在下游拉制單晶的過程中會引起“硅跳”，容易造成工藝及設(shè)備事故[1]。生產(chǎn)中，硅芯氧化問題在不同時段、不同爐型、不同爐次間存有差異，且逐年波動，呈現(xiàn)不穩(wěn)定性。由于居高不下且完全不受控的硅芯氧化率及硅芯氧化呈現(xiàn)的現(xiàn)象多樣化，已嚴重影響企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營?；诖?，我們試圖通過開展控制硅芯氧化項目探究，分析硅芯氧化機理，針對相關(guān)因素開展試驗，采取措施降低硅芯氧化率。

1 原因分析

多晶硅生成中，與硅芯接觸氣體主要有空氣、氮氣、氫氣、氯化氫等，雜質(zhì)層可能為氮化硅與氧化硅[2]。然而氮化硅生成溫度較高[3]，且對雜質(zhì)層送檢主要成分為硅與氧，未發(fā)現(xiàn)氮元素，故得出硅芯帶彩的實質(zhì)是硅芯氧化，晶體硅在空氣、氧氣、水等介質(zhì)中容易發(fā)生氧化。常溫下形成自然氧化物，在更高溫度下會形成熱氧化物。硅在高溫下能和氧及水蒸汽反應形成氧化物，其反應為:

上述兩反應在高于900℃即可發(fā)生[4]，說明氧化必須的兩個條件是溫度和氧分。生產(chǎn)中，硅芯被擊穿導電，溫度能達到1000℃以上，該溫度已達到可發(fā)生氧化反應條件，若在此溫度下爐內(nèi)殘留有氧氣和水與硅芯接觸，那硅芯即會被氧化。

雖已明確硅芯氧化是硅芯在導電后與系統(tǒng)中存在的氧分、水分反應，但氧分、水分是如何在系統(tǒng)經(jīng)過氮氣置換后殘留于系統(tǒng)，又是在什么條件使硅芯氧化所呈現(xiàn)不同顏色（黑色、灰色、紫色、紅色、棕色等等）仍沒有準確的結(jié)論。另外，如何進行硅芯安裝、擊穿、進料等開爐操作能避免硅芯氧化也沒確定的規(guī)程。基于這些問題，我們重點針對系統(tǒng)氧分、水分含量和溫度開展了試驗，以提出相關(guān)措施。

2 問題措施

2.1 優(yōu)化置換方式

生產(chǎn)操作方式對系統(tǒng)殘留氧分影響很大。如何減少系統(tǒng)中氧分帶入量及置換后氧分殘留量是重點方向。常見系統(tǒng)氧分置換有正壓爆破、連續(xù)吹掃、抽真空補氮氣再抽真空三種方式。爆破式置換能有效除去設(shè)備死角處的氧分，有利于整體除去系統(tǒng)中的氧分。根據(jù)系統(tǒng)操作壓力和后續(xù)排空狀況，可靈活調(diào)整氮氣充、泄壓力，生產(chǎn)中是首選且最常用的置換方式。后續(xù)置換的改進措施也是針對此方式進行的。連續(xù)式置換在操作中較方便，但置換效果與管道及設(shè)備狀況有關(guān)。抽真空方式較為最快捷，但若系統(tǒng)有漏氣的地方能導致外部空氣進入系統(tǒng)影響置換效果，另操作不慎有抽真空水系統(tǒng)反串至爐內(nèi)的風險。

2.2 控制體系溫度

溫度是硅芯氧化的又一必備條件。在氧分沒有置換完全時，控制好體系溫度能較好的預防硅芯氧化。體系的溫度主要靠通電硅芯發(fā)熱及系統(tǒng)高溫水調(diào)節(jié)。高溫水對體系溫度影響遠沒有電流大。故控制體系溫度主要靠控制通過硅芯的電流來實現(xiàn)。硅芯擊穿后氮氣置換過程中，不能將電流升得太高，保證硅芯不熄滅即可。在體系氧分沒有置換合格前，不能通高溫水。

2.3 基盤及爐筒重點清理并干燥處理

開爐前清理基盤時，重點清理電極及四氟套周圍死角處[5]，必須將四氟套絕緣處及下部基盤凹槽處清理見本色。其他地方用酒精擦拭干凈即可，清理基盤時用塞子堵住尾氣孔及進料孔。鐘罩是需重點干燥的設(shè)備，在清洗站清洗完成后，使用熱氮烘干，用壓縮空氣將鐘罩內(nèi)壁各視鏡孔徹底吹干，同時用壓縮空氣從頂部法蘭處將頂部法蘭孔、法蘭蓋及密封面徹底吹干。

2.4 縮短備爐時間，減少硅芯安裝過程中帶入大量水分

嚴格控制從安裝硅芯至氮氣置換時間間隔，間隔之間不超出2h。安裝過程中所使用工具不能污染硅芯，不能帶入大量水分。硅芯安裝前應用氮氣將進料管線及噴嘴吹掃后將進料管線上手閥全部關(guān)閉。

2.5 硅芯、石墨等備件要干燥處理

硅芯按要求干燥密封存放，注意防雨防潮，干燥包裝好的硅芯需在安裝現(xiàn)場拆開，拆開包裝至安裝完成到氮氣保護時間間隔不大于2h。石墨夾頭在安裝前，也要保持干燥，若長期置于空氣中，應做干燥處理，可通過在300℃以上氮氣氣氛中烘烤半小時以上，其他安裝在還原爐內(nèi)的備件如磁環(huán)，尾氣工裝等也需要干燥處理。

3 措施驗證

通過分析，形成硅芯氧化的主要原因是爐內(nèi)會殘留氧氣和水分及體系溫度的控制。進一步延伸，氧分和水分殘留主要是置換效果不達標。為抑制硅芯氧化，重點在于控制擊穿后的硅芯溫度和置換后的氧元素含量。針對爆破式氮氣置換次數(shù)、泄壓終點壓力、擊穿后通過硅芯的電流三個不交互作用主要因素開展正交試驗。因素水平表見表1，試驗安排及試驗結(jié)果見表2。綜合評分依據(jù)是產(chǎn)品中硅芯成色:硅芯是本色表明硅芯沒有氧化，若顏色由亮變暗說明被氧化，評分降低。另外，造成系統(tǒng)中殘留氧分還有其他次要因素，如還原尾氣反串、空氣溫濕度等，在正交試驗中，選取的因素必須可以認為控制，不可控的因素可列為觀察項。水平的確立應考慮實際工作情況。根據(jù)生產(chǎn)我們將擊穿后的最低電流設(shè)定為30A。置換方式采取爆破式，根據(jù)理論要求置換氮中氧含量滿足＜0.1%的前提下，反算最高泄壓終點壓力。

表1 因素水平表

表2 試驗安排及試驗結(jié)果

表3 試驗結(jié)果分表

通過試驗結(jié)果分析得出結(jié)論:

1） 通過計算極差，因素C的極差R為20，比其他兩個因素大。因此擊穿后硅芯電流控制對硅芯氧化的影響最大。

2） 采用0.5MPa氮氣進行6次爆破式置換，泄氣后體系壓力控制在0.05 MPa以下得到的效果最佳。

3）在擊穿后將硅芯電流控制30A即溫度控制在900℃以下有利于控制硅芯氧化，但電流不能再低，電流再低有硅芯熄滅的風險。

4 結(jié)論

硅芯氧化的本質(zhì)原因是反應體系代入氧分、水分，并滿足反應條件造成?？刂乒栊狙趸且粋€系統(tǒng)問題，各因素相互作用，其中擊穿后硅芯電流控制對硅芯氧化的影響最大。結(jié)合硅芯的氧化條件，通過現(xiàn)場試驗得出，采用5次0.5MPa至0.05 MPa的氮氣進行爆破式置換，在進料前將硅芯電流控制在30A保持還原爐內(nèi)體系低溫低于900℃，備爐過程中重點清除死角處的水分能有效的降低硅芯氧化率。