多晶硅原料處理過程中質(zhì)量控制措施探討

摘 要：多晶硅質(zhì)量受多方面因素影響，本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，分別從提高原料純度，加強(qiáng)分析手段、控制生產(chǎn)過程中的溫度、合理選擇混合氣配比、保持設(shè)備潔凈、強(qiáng)化精餾效果、提高質(zhì)檢工作人員業(yè)務(wù)素質(zhì)和質(zhì)量意識(shí)等方面進(jìn)行了分析，以逐步提高多晶硅質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：多晶硅 生產(chǎn)工藝流程 質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：O657.63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（b）-0154-01

隨著新能源及光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，多晶硅產(chǎn)業(yè)也得以高速發(fā)展。多晶硅是生產(chǎn)單晶硅的直接原料，是當(dāng)代人工智能、自動(dòng)控制、信息處理、光電轉(zhuǎn)換等半導(dǎo)體器件的電子信息基礎(chǔ)材料，被稱為“微電子大廈的基石”。目前國(guó)際上主要采用傳統(tǒng)工藝改良西門子法生產(chǎn)多晶硅，現(xiàn)結(jié)合公司生產(chǎn)實(shí)際，總結(jié)一下改良西門子工藝中多晶硅原料處理過程中質(zhì)量控制措施。

1 多晶硅生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)介

多晶硅是由硅純度較低的冶金級(jí)硅提煉而來，目前國(guó)際上多晶硅生產(chǎn)主要采用改良西門子法、硅烷法和流化床法等方法，改良西門子法是最主要的方法，采用此方法生產(chǎn)的多晶硅約占多晶硅全球總產(chǎn)量的85%。這種方法節(jié)能降耗作用顯著、成本低、質(zhì)量好，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染，因而具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。多晶硅生產(chǎn)工藝流程如下：（1）石英砂在電弧爐中冶煉提純到98%并生成工業(yè)硅。（2）進(jìn)一步提純，把工業(yè)硅粉碎并用無水氯化氫與之反應(yīng)在一個(gè)流化床反應(yīng)器中，生成擬溶解的三氯氫硅，同時(shí)形成氣態(tài)混合物（H2，HCl，SiHCl3，SiCl4，Si）。（3）第二步驟中產(chǎn)生的氣態(tài)混合物還需要進(jìn)一步提純，需要分解：過濾硅粉，冷凝SiHCl3，SiC14，而氣態(tài)H2，HCl返回到反應(yīng)中或排放到大氣中。然后分解冷凝物SiHCl3，SiCl4，凈化三氯氫硅（多級(jí)精餾）。（4）凈化后的三氯氫硅采用高溫還原工藝，以高純的SiHCl3在H2氣氛中還原沉積而生成多晶硅。

2 多晶硅原料處理過程中質(zhì)量控制措施

2.1 提高原料純度，加強(qiáng)分析手段，提高分析靈敏度

決定產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多，其中原料，中間化合物如硅鐵、液氯、氫氣、三氯氫硅等的雜質(zhì)的存在，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起決定性作用。因此，在制備過程中應(yīng)盡量減少雜質(zhì)的玷污，提高原料的純度，加強(qiáng)化學(xué)、物理的分析檢測(cè)，一般采用光普、極普、質(zhì)普和氣相色普等分析手段檢測(cè)。太陽能級(jí)多晶硅應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)其對(duì)原料三氯氫硅、氫氣等的質(zhì)量控制，控制三氯氫硅質(zhì)量的主要措施有控制粗餾三氯氫硅≥98.5%、B<50 ppbw、P<5 ppbw、Fe<500 ppbw，控制精餾操作中回流比穩(wěn)定在20以上，保證再沸器出口溫度穩(wěn)定，保證三氯氫硅的收率在75%左右。另外氫氣、氮?dú)?、氬氣露點(diǎn)、氧含量、二氧化碳和一氧化碳含量也極大的影響多晶硅質(zhì)量。因此生產(chǎn)過程中要嚴(yán)格控制氫氣、N2和氬氣純度，硅芯加熱前要用充分的置換時(shí)間，把爐內(nèi)空氣和爐壁上的水分趕凈，裝爐前要認(rèn)真對(duì)設(shè)備做檢查防止漏水現(xiàn)象。

2.2 控制生產(chǎn)過程中的溫度

實(shí)踐證明在900 ℃～1000 ℃間，SiHCl3以熱分解為主，1080 ℃～1200 ℃間以還原反應(yīng)為主，1200 ℃以上副反應(yīng)、逆反應(yīng)同時(shí)發(fā)生。溫度在1080 ℃以下亦有SiHCl3還原反應(yīng)會(huì)發(fā)生，生成的多晶硅質(zhì)量不佳。還原溫度較低時(shí)，會(huì)形成暗褐色的無定形硅夾層，這種夾層中間常常有許多氣泡和雜質(zhì)，在拉單晶前無法用酸腐蝕掉，在拉單晶熔料時(shí)，輕者使硅棒液面波動(dòng)，重者產(chǎn)生硅跳以至于無法使用。為避免以上現(xiàn)象的出現(xiàn)應(yīng)注意：?jiǎn)?dòng)后空燒半小時(shí)，溫度在1080 ℃～1100 ℃進(jìn)料，整個(gè)生產(chǎn)過程中溫度也應(yīng)穩(wěn)定控制在1080 ℃。

2.3 合理選擇混合氣配比

在氫還原SiHCl3的過程中，用化學(xué)當(dāng)量值進(jìn)行氫還原時(shí)，產(chǎn)品是褐色粉末狀非晶形硅析出，收率低。當(dāng)氫氣與三氯氫硅為1∶1或1∶2時(shí)，除氣固相反應(yīng)外，還會(huì)發(fā)生氣相反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物硅氣相聚合后呈粉狀飄落在爐膛內(nèi)污染整個(gè)爐膛。選擇合適的配比既有利于提高硅的變化率，又有利于抑制B、P的析出。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)多采用氫氣比三氯氫硅為10∶1或7.5∶1。一般選擇配比5∶1較為經(jīng)濟(jì)，小于5∶1時(shí)，生長(zhǎng)速度放慢，轉(zhuǎn)化率降低。

2.4 保持設(shè)備潔凈

多晶硅生產(chǎn)過程中，工藝衛(wèi)生是不容忽視的重要環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)實(shí)踐中要樹立“超純”觀念，養(yǎng)成嚴(yán)格的工藝衛(wèi)生操作習(xí)慣，注意操作者、操作環(huán)境及設(shè)備材料等方面對(duì)產(chǎn)品的污染和影響，多晶硅生產(chǎn)對(duì)設(shè)備潔凈度要求很高，油、氯離子、氧化物或粉塵的介入將嚴(yán)重影響多晶硅的質(zhì)量，造成其反應(yīng)速度減慢，產(chǎn)量降低，甚至硅反應(yīng)停止。水和其他溶液在設(shè)備表面殘留的氯離子、氧化物、灰塵其他雜質(zhì)、污垢的存在，也會(huì)影響多晶硅的生產(chǎn)。因此多晶硅設(shè)備要嚴(yán)格做好脫脂、酸洗、純水沖洗和干燥等工作。此外，生產(chǎn)過程中，設(shè)備材質(zhì)缺陷或運(yùn)行維護(hù)失當(dāng)，易造成設(shè)備腐蝕或滲漏，期間也會(huì)引入大量的重金屬雜質(zhì)或油脂，引起二次污染，因此有必要加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和管理。

2.5 強(qiáng)化精餾效果

在工業(yè)生產(chǎn)中，原料的提純是提高產(chǎn)品純度的關(guān)鍵手段，精餾法是化學(xué)提純領(lǐng)域的重點(diǎn)，如何提高精餾效果和改進(jìn)精餾設(shè)備，是精餾提純需要深入研究的問題，加壓精餾、固體吸附等化學(xué)提純方法是近年來產(chǎn)生的新方式。在改進(jìn)精餾設(shè)備方面，為強(qiáng)化汽、液傳熱、傳質(zhì)的效果，可以采用高效率的塔板結(jié)構(gòu)如浮動(dòng)塔板，柱孔式塔板的精餾塔等。為了減少設(shè)備材質(zhì)對(duì)產(chǎn)品的玷污，可采用含鉬低磷不銹鋼塔內(nèi)壁噴涂或內(nèi)襯F4～6及氟塑料材質(zhì)，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.6 提高質(zhì)檢工作人員業(yè)務(wù)素質(zhì)和質(zhì)量意識(shí)，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)

新形勢(shì)下的生產(chǎn)對(duì)質(zhì)檢工作提出了更為嚴(yán)格的要求，因此應(yīng)樹立質(zhì)量意識(shí)，摒棄傳統(tǒng)的事后檢驗(yàn)?zāi)Ｊ?，從原材料入手，注重生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制，找出可能導(dǎo)致不良品的諸多因素進(jìn)行監(jiān)督和處理，健全組織機(jī)構(gòu)，擴(kuò)大質(zhì)量控制范圍，加強(qiáng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量控制。質(zhì)量監(jiān)督人員要深入現(xiàn)場(chǎng)，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，對(duì)生產(chǎn)全過程進(jìn)行全方位的超前質(zhì)量控制。另外加強(qiáng)質(zhì)量教育和培訓(xùn)工作，切實(shí)提高生產(chǎn)和質(zhì)量人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)，從思想轉(zhuǎn)變?nèi)胧郑葑ベ|(zhì)量宣傳，提高全員質(zhì)量意識(shí)，激發(fā)員工的工作積極性和主動(dòng)性。

多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量的高低直接影響企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，提高改良西門子法生產(chǎn)多晶硅產(chǎn)品的質(zhì)量，是這個(gè)行業(yè)共同關(guān)注的焦點(diǎn)問題。多晶硅生產(chǎn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，因此應(yīng)從生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)入手，分析質(zhì)量影響的關(guān)鍵因素，嚴(yán)格規(guī)范作業(yè)，從而提高多晶硅生產(chǎn)水平和質(zhì)量。

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