硅芯硅棒自動清洗設備的研制

衛(wèi)曉沖，張 峰，田 娜

(中國電子科技集團公司第二研究所，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，生成硅沉積下來，使硅芯/硅棒的直徑逐漸變大，直至達到規(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，在制備過程中需要對硅芯/硅棒進行清洗處理。

1 清洗方式

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

2 主要機構

全自動硅芯硅棒清洗機是針對太陽能級的硅芯硅棒而專門設計的非標清洗設備，清洗過程中籃具的傳輸，采用兩個龍門式機械手方式移動，完成清洗工藝流程的自動化作業(yè)，設備包含以下工位：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→風切→下料

2.3 設備結構設計

設備主要由工藝清洗系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、排風系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和設備主體等構成。整機結構示意圖見圖1。

圖1 整機結構圖

（1）設備主體：由不銹鋼焊接而成，保證設備強度高、剛性好；

（2）傳動系統(tǒng)的設計 ：傳動系統(tǒng)是全自動清洗設備最核心的部分。傳動系統(tǒng)的性能直接決定了全自動清洗設備整體工作效率及工作穩(wěn)定性、可靠性等。在設計時主要考慮：運動的穩(wěn)定性、運動的精確性、傳動結構的剛性、運動速度及運動的平穩(wěn)性。本設備水平方向移動采用伺服電動機，減速電動機和同步帶結構傳動；垂直方向采用交流電機，減速電動機和防腐蝕吊帶結構，整體為龍門式運動方式；

（3）排風系統(tǒng)的設計：本機采用設備頂部排風，抽風系統(tǒng)把酸腐蝕過程中產(chǎn)生的氟化氫和氮氧化物氣體導入專用管道，來防止其擴散對人體及環(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、風切烘干槽。

酸腐蝕槽：自動控制HF和HNO3的供給，對硅芯表面進行腐蝕清洗，槽內(nèi)配有氮氣鼓泡裝置，充分攪拌溶液，使腐蝕更均勻。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，快速沖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)換為高頻機械震蕩傳送到清洗液中，利用空化效應產(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，空化強度會降低。實驗證明在40℃～50℃之間，超聲效果最好。

水浴清洗槽：40℃～50℃的純水浸泡清洗，同時配備氮氣鼓泡裝置，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。

風切烘干槽：腔體采用優(yōu)質(zhì)316不銹鋼材質(zhì)，主要由氮氣供給系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)和移動風刀組成，熱氮氣通過移動風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)：管路排置于設備后下方，排酸與排廢水都有獨立排放管路，廢酸進行回收處理達標后排放。純水管路采用潔凈材質(zhì)，確保不會引入多余污染顆粒，影響清洗效果。

（6）電氣控制系統(tǒng)：電氣系統(tǒng)控制是整個設備的重要部分，編程安排系統(tǒng)在各個清洗槽的運動時序，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，觸摸屏作為人機界面、電動機和各種氣動閥門作為清洗工件的執(zhí)行機構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、傳感器、電磁閥、加熱元件、泵等。控制柜為獨立單元，放置于設備左后側，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。操作面板安裝于設備左前端，上面裝有觸摸屏、電源啟動、停止和急停按鈕。

本設備通過PLC控制，按照生產(chǎn)工藝的要求，對觸摸屏和PLC進行了編程設計，控制模式分為自動和手動，在自動模式下，按運行后，操作員只需要上料和下料即可，設備將自動運行，實現(xiàn)各種功能。手動方式則可以進行單獨工藝動作，主要用于檢修和實驗。各清洗槽的工藝清洗時間及其它一些工藝相關參數(shù)可以在觸摸屏上設置。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)需要進行修改或儲存。

3 結束語

本文介紹的硅芯硅棒清洗設備，運行穩(wěn)定，操作方便，極大的降低了人工操作強度，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高，預期該設備將會有更加廣闊的應用前景。

[1]施敏，梅凱瑞.半導體制造工藝基礎[M].合肥:安徽大學出版社,2007.4

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