俞朝

摘 要：隨著改良西門子法生產(chǎn)多晶硅工藝技術(shù)水平和產(chǎn)品產(chǎn)量不斷提升，對多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，特別是在全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇緩慢、國際貿(mào)易形勢依舊嚴(yán)峻復(fù)雜、國內(nèi)太陽能級多晶硅市場持續(xù)產(chǎn)能過剩的背景下，發(fā)展電子級多晶硅以及區(qū)熔多晶硅將成為國內(nèi)多晶硅企業(yè)急需破解的課題。本文簡單分析了影響多晶硅成品質(zhì)量關(guān)鍵因素之一的硅芯質(zhì)量，并提出了相應(yīng)的控制措施，希望可以提升多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：多晶硅;硅芯;質(zhì)量因素

目前國內(nèi)多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量與12英寸硅片用硅料產(chǎn)品質(zhì)量對標(biāo)，國內(nèi)多晶硅多晶硅料電阻率、施主雜質(zhì)、表金屬仍然存在一定差距。而硅芯質(zhì)量是影響多晶硅成品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。一直以來，多晶硅成品中硅芯周圍施主雜質(zhì)（硼、磷、砷）較多晶硅產(chǎn)品沉積層施主雜質(zhì)成倍數(shù)增長，使多晶硅成品雜質(zhì)分布不均勻，嚴(yán)重制約多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

1 影響多晶硅硅芯質(zhì)量的因素分析

1.1 硅芯制備過程中帶入雜質(zhì)污染硅芯

目前大多數(shù)多晶硅生產(chǎn)廠家硅芯生產(chǎn)方式是將硅芯棒料在硅芯爐中采用垂直區(qū)熔法拉制出還原爐可用的圓硅芯，也就是將準(zhǔn)備好的直徑（40mm-45mm或78mm-82mm）、長度（2m-3m）硅芯棒料，將表面的氧化物腐蝕和雜質(zhì)清洗后垂直放入硅芯爐中，在保護(hù)氣體的環(huán)境中送入高頻電源，通過高頻電流加熱將籽晶一小部分熔化，熔化液滴將硅芯棒料引紅熔化，籽晶與硅熔體熔接在一起，然后以適當(dāng)?shù)乃俣忍崂瓘亩苽渲睆剑?mm-10mm），長度（2m-3m）的圓硅芯，但是加熱硅芯棒料在熔化凝固的過程中極易受到污染，硅芯爐中的雜質(zhì)，保護(hù)氣體中的雜質(zhì)直接帶入制備完成的圓硅芯中，從而影響硅芯質(zhì)量。

1.2 硅芯安裝過程帶入雜質(zhì)污染硅芯

硅芯作為三氯氫硅與氫氣還原法生產(chǎn)多晶硅時還原爐內(nèi)沉積多晶硅的載體，沉積過程開始前，需要通過人工操作將硅芯安裝至還原爐中，安裝過程是在潔凈廠房內(nèi)進(jìn)行，但潔凈環(huán)境并不是絕對的，安裝過程中無論是人身體分泌的汗液-主要成分Na（鈉）、K（鉀）、Cl（氯）、Ca（鈣）、P磷）等，人體的毛發(fā)-主要成分C（碳）、N（氮）、O（氧）、S（硫）以及環(huán)境中的塵埃粒子。

1.3 還原爐爐內(nèi)環(huán)境帶入雜質(zhì)污染硅芯

多晶硅成品中金屬雜質(zhì)主要為Cr、Ni、Cu，Cu雜質(zhì)主要來源于電極，還原爐生產(chǎn)裝置中大部分設(shè)備、管道為不銹鋼材質(zhì)，氯硅烷具有腐蝕性，不銹鋼材質(zhì)中Cr、Ni等在氯硅烷的腐蝕下釋放出微量的雜質(zhì)，還原爐電極的錐形頭與石墨卡頭接觸面積較小，接觸面電阻較大，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，硅棒電流較大時，電極與石墨卡頭接觸面因電阻較大，產(chǎn)生高溫，電極表面的銀在高溫下熔化，電極極易出現(xiàn)拉弧、金屬材質(zhì)融化，附著硅棒表面生成異物，特別是還原爐運(yùn)行前期損傷的電極，還原爐底盤和鐘罩內(nèi)壁上的沉積物在高溫環(huán)境下極易釋放雜質(zhì)，附著在硅芯表面，直接影響硅芯質(zhì)量。

1.4 輔助氣體帶入雜質(zhì)污染硅芯

現(xiàn)國內(nèi)大多數(shù)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中用氮?dú)鈱€原爐進(jìn)行置換，為驗(yàn)證輔助氣體氮?dú)鈱栊举|(zhì)量影響，我們將置換用氮?dú)?、氬氣進(jìn)行對比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室對外購氮?dú)?、氬氣雜質(zhì)含量進(jìn)行了檢測，結(jié)果顯示氮?dú)庵薪饘匐s質(zhì)偏高，尤其是鈉和鐵元素比較明顯。

1.5 還原爐爐內(nèi)石墨部件帶入雜質(zhì)污染硅芯

現(xiàn)有還原爐中大量使用化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)電性能好、耐高溫的石墨材料，硅芯在還原爐中通過石墨卡座、石墨卡瓣進(jìn)行夾持固定，而還原爐啟動方式多為預(yù)加熱啟動，預(yù)加熱依靠還原爐內(nèi)石墨預(yù)熱器通電將還原爐內(nèi)部環(huán)境溫度加熱到450℃，再給硅芯通電進(jìn)行導(dǎo)通，在硅芯通過電流前，還原爐通過石墨預(yù)熱器通電加熱到1200℃左右對硅芯進(jìn)行預(yù)熱。

2 影響多晶硅硅芯質(zhì)量的來源控制

利用原生多晶硅在還原爐中進(jìn)行退火，硅棒溫度加熱至1200℃，在此溫度下，硅棒接近于熔融狀態(tài)，內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，消除原生多晶硅棒應(yīng)力，將原生硅棒的表面氧化物腐蝕和雜質(zhì)進(jìn)行清洗后，進(jìn)行線切割制備方硅芯，用方硅芯代替圓硅芯，減少硅芯制備過程中的污染因素，提高硅芯質(zhì)量;

從還原爐底盤擦拭到硅芯安裝，從運(yùn)行過程中硅棒表面溫度控制到收割過程中存在的問題都進(jìn)行全面的跟蹤，無論是人為因素或是環(huán)境因素都執(zhí)行高標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)要求，從根本提高質(zhì)量控制意識;

將還原爐中有缺陷的電極及時進(jìn)行更換，將還原爐底盤以及鐘罩內(nèi)壁上的缺陷及時修復(fù)，避免雜質(zhì)在缺陷部位沉積;

采用氣體純化裝置，提高還原爐輔助氣體純度，減少輔助氣體對還原爐的影響;

硅芯導(dǎo)通時，用硅芯高電壓擊穿或紅外輻射預(yù)熱等方式代替石墨預(yù)熱器預(yù)熱導(dǎo)通，減少還原爐石墨材料用量。

3 結(jié)論

在多晶硅生產(chǎn)過程中，提高多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量的主要矛盾是如何穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量問題，而影響質(zhì)量的因素主要是雜質(zhì)來源控制，其中電子級以及區(qū)熔級多晶硅產(chǎn)品對硅芯質(zhì)量要求很高，本文通過對多晶硅生產(chǎn)工藝中硅芯雜質(zhì)來源從源頭進(jìn)行梳理，研究影響硅芯質(zhì)量的各個因素以及控制措施，分析影響硅芯質(zhì)量的主要來源，通過控制手段有效去除或降低電子級高純多晶硅硅芯中的雜質(zhì)，為實(shí)現(xiàn)電子級多晶硅產(chǎn)品雜質(zhì)含量達(dá)到12英寸輕摻硅片的指標(biāo)提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈長麗，張戈，潘曉磊，張曉丹，趙靜.電子級多晶硅生產(chǎn)技術(shù)探討[J].化工管理，2018.