電子級多晶硅生產(chǎn)技術(shù)探討

田 新，吳 鋒，于 躍

(江蘇鑫華半導(dǎo)體材料科技有限公司，江蘇 徐州 221004)

電子級多晶硅生產(chǎn)技術(shù)探討

田 新，吳 鋒，于 躍

(江蘇鑫華半導(dǎo)體材料科技有限公司，江蘇 徐州 221004)

高端電子級多晶硅是集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，但由于其對產(chǎn)品純度和穩(wěn)定性的苛刻要求，國內(nèi)并沒有廠家能夠進(jìn)行商業(yè)化量產(chǎn)，這并不利于集成電路行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。本文在國內(nèi)已掌握的改良西門子法多晶硅生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國外先進(jìn)技術(shù)，對精餾、還原的工藝和配套設(shè)備都進(jìn)行了改良，并將光伏級多晶硅和電子級多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了耦合，提高了效率，降低了整體生產(chǎn)成本，降低了原料對于電子級多晶硅生產(chǎn)的制約，形成了閉路循環(huán)生產(chǎn)體系。

電子級；多晶硅；耦合生產(chǎn)系統(tǒng)

集成電路產(chǎn)業(yè)是整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，也是國家戰(zhàn)略支柱產(chǎn)業(yè)之一，在我國今后的新經(jīng)濟(jì)常態(tài)下具有重大的發(fā)展?jié)摿?。近年來中國集成電路行業(yè)發(fā)展迅速，市場規(guī)模已經(jīng)超過1萬億，但產(chǎn)業(yè)自給率卻不到30%。為了保證國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展和國家戰(zhàn)略安全，發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)勢在必行。

目前，多晶硅是集成電路和半導(dǎo)體原件的主要原材料，95%的半導(dǎo)體器件和99%的集成電路(IC)都是用硅材料制作的。近年來受到全球矚目的光伏行業(yè)的原料也是多晶硅，其產(chǎn)品純度一般達(dá)到6N即可，但用于半導(dǎo)體特別是大規(guī)模集成電路的多晶硅純度要求最低是9N，同時(shí)對于金屬雜質(zhì)含量、產(chǎn)品穩(wěn)定性等指標(biāo)提出了更為苛刻的要求。

電子級多晶硅是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的最上游，其產(chǎn)品純度幾乎是人類現(xiàn)有技術(shù)水平下能獲得的極限，對于生產(chǎn)制造的技術(shù)要求極高，長期以來關(guān)鍵核心技術(shù)和市場都掌握在歐、美、日少數(shù)幾家企業(yè)手中，雖然國內(nèi)的光伏級多晶硅已經(jīng)具備了全球競爭優(yōu)勢，中低端電子級多晶硅也能夠生產(chǎn)，但是在高端電子級多晶硅領(lǐng)域仍未能形成突破，至今沒有企業(yè)能夠規(guī)?；虡I(yè)量產(chǎn)。

1 工藝路線選擇

目前全球多晶硅的主流生產(chǎn)工藝為改良西門子法和流化床顆粒硅法，限于工藝本身的原因，流化床法對于產(chǎn)品雜質(zhì)的控制存在問題，無法生產(chǎn)電子級多晶硅。國際上都是采用改良西門子法生產(chǎn)電子級多晶硅，根據(jù)所選用的原料不同，又可以分為硅烷路線和三氯氫硅路線，其中后者占據(jù)了絕對多數(shù)的市場份額[1]。

硅烷路線是使用硅烷在石英鐘罩內(nèi)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積生產(chǎn)多晶硅產(chǎn)品，反應(yīng)溫度低且能耗低，但在反應(yīng)過程中硅的額外損耗較高，同時(shí)由于硅烷性質(zhì)極為活潑，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)較高，國外也僅有挪威REC采用。三氯氫硅路線則廣泛用于直拉單晶和區(qū)熔單晶的制造，是高純硅料生產(chǎn)中較為成功的技術(shù)路線，能夠產(chǎn)出最高可達(dá)13N的硅料，主要代表是美國海姆洛克、德國瓦克和日本三菱。

國內(nèi)多晶硅龍頭江蘇中能的GCL法，是以三氯氫硅為原料的改良西門子法工藝，已經(jīng)在光伏級多晶硅的生產(chǎn)中體現(xiàn)出了成本、質(zhì)量方面的優(yōu)勢，因此本文也選用了此路線作為電子級多晶硅的生產(chǎn)路線，并引入了國外先進(jìn)的生產(chǎn)工藝對GCL法進(jìn)行了大量的再創(chuàng)新，對其中的還原、精餾、后處理等工序進(jìn)行了大量的優(yōu)化，能夠產(chǎn)出合格的電子級多晶硅產(chǎn)品。此外，還將電子級多晶硅和光伏級多晶硅兩套生產(chǎn)系統(tǒng)在原料、中間物料供應(yīng)方面進(jìn)行互補(bǔ)耦合，創(chuàng)造了新的耦合生產(chǎn)系統(tǒng)，最終形成了一個(gè)閉路循環(huán)的體系，最大程度的降低了外界對于本體系的影響，并能一定程度上提高部分環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率[2-3]。

2 電子級多晶硅工藝關(guān)鍵技術(shù)

能否產(chǎn)出合格的電子級多晶硅產(chǎn)品，關(guān)鍵在于產(chǎn)品的純度控制以及長周期生產(chǎn)的穩(wěn)定性，本文將在以下環(huán)節(jié)對國內(nèi)現(xiàn)有的主流工藝進(jìn)行改進(jìn)，這都有助于提升產(chǎn)品最終質(zhì)量。

2.1 新型還原爐

目前國內(nèi)的多晶硅生產(chǎn)大多采用24對棒、36對棒還原爐，這對于電耗下降和成本控制貢獻(xiàn)很大，但是在電子級多晶硅的生產(chǎn)中卻可能對工藝控制帶來挑戰(zhàn)。本文采用了新型的12對棒還原爐，其中的流場、溫場通過硅棒排布方式和進(jìn)出氣口的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，以銀鋼復(fù)合板材料制作的爐體則有效的降低了生產(chǎn)控制難度并提高了效率[4-5]。

2.2 高效精餾吸附提純技術(shù)

作為主要的提純手段，精餾工序在產(chǎn)品純度控制上扮演了重要角色。特別是限于現(xiàn)有檢測手段，精餾提純后三氯氫硅原料中的雜質(zhì)無法被直接測量，只能通過小檢驗(yàn)爐生產(chǎn)硅棒并對其進(jìn)行檢測的方式，來間接的獲得該三氯氫硅的質(zhì)量參數(shù)。只有整個(gè)提純系統(tǒng)能夠在長期生產(chǎn)中，以近乎絕對平穩(wěn)的質(zhì)量提供三氯氫硅原料，才有可能在后續(xù)的還原生產(chǎn)中獲得合格的電子級多晶硅產(chǎn)品，否則其產(chǎn)品即使能夠通過質(zhì)量指標(biāo)的檢測要求，在實(shí)際應(yīng)用中也會造成后續(xù)晶圓生產(chǎn)的失敗。

本文使用了多級精餾和吸附相結(jié)合的方式對三氯氫硅進(jìn)行提純，其中吸附是利用經(jīng)過活化處理后的樹脂作為吸附劑，對精餾前的原料和精餾中的半成品進(jìn)行多次吸附提純，能夠有效的去除其中的硼、磷雜質(zhì)，同時(shí)這種工藝方式也將原料的波動降至最低水平。

2.3 自動化后處理系統(tǒng)

后處理工序是改良西門子法中一個(gè)重要的雜質(zhì)引入環(huán)節(jié)，大量的人工干預(yù)因素導(dǎo)致雜質(zhì)引入的風(fēng)險(xiǎn)變的不可控，為了杜絕這些影響，全自動化的系統(tǒng)變的非常有必要。

經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的拆棒系統(tǒng)可以高效穩(wěn)定地將硅棒從還原爐拆卸，這也是硅棒進(jìn)入本系統(tǒng)的第一步，AGV小車和自動庫存管理系統(tǒng)的投用使得硅棒被高效的轉(zhuǎn)運(yùn)和暫存，接下來的酸洗和脈沖破碎的方式將硅棒破碎過程也潔凈化，整個(gè)系統(tǒng)在所有與硅原料接觸界面上都采用了潔凈材料，絕對不會對其造成污染。

2.4 設(shè)備、管道和環(huán)境的潔凈設(shè)計(jì)

電子級多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)本質(zhì)上仍是化工裝置，中間涉及大量的換熱器、壓縮機(jī)、儲罐、流體輸送管道、閥門、儀表，這些都是潛在的系統(tǒng)污染源。在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)需要考慮到本系統(tǒng)的超純要求，對于涉及物料的界面都進(jìn)行潔凈化處理，在整個(gè)工程施工過程中對施工方法也需要特別關(guān)注。同時(shí)還原工序?yàn)橐粋€(gè)間歇操作的過程，開爐過程極易將還原大廳內(nèi)的污染物引入系統(tǒng)，因此對還原大廳的潔凈度和操作人員提出了較高的要求[6]。

3 耦合生產(chǎn)系統(tǒng)

現(xiàn)有電子級多晶硅商業(yè)化生產(chǎn)裝置中，多采用熱氫化裝置作為整個(gè)系統(tǒng)中氫化工序的組成部分，但是由此帶來了一個(gè)普遍存在的問題，由還原、尾氣回收、熱氫化和精餾四個(gè)主要裝置組成的系統(tǒng)并不能形成閉路循環(huán)，需要在生產(chǎn)過程中不斷地向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充三氯氫硅或四氯化硅作為原料，并將氯化氫副產(chǎn)物排出系統(tǒng)。一般情況下，在這些系統(tǒng)中，精餾裝置部分通常較為簡單，對于可能存在的雜質(zhì)提純能力不強(qiáng)，這就要求補(bǔ)充的三氯氫硅或四氯化硅原料本身質(zhì)量達(dá)到電子級的標(biāo)準(zhǔn)，國外很多電子級多晶硅生產(chǎn)裝置就是依托別的廠家或裝置來達(dá)到這一條件，這使得電子級多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)對于外界的依存性變大。

也有一些廠家采用了規(guī)模較大的多級精餾或其他方式對本系統(tǒng)中物料進(jìn)行提純，但這使得部分三氯氫硅進(jìn)行了重復(fù)提純，造成了裝置投資和運(yùn)行成本上升。并且即使采用多級的精餾系統(tǒng)，也常常無法達(dá)到滿足電子級多晶硅生產(chǎn)的需求。

本文提出了一種將電子級多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)與光伏級多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行互補(bǔ)耦合的生產(chǎn)體系，如下圖所示。電子級系統(tǒng)中的氯化氫副產(chǎn)物通入光伏級系統(tǒng)中的冷氫化裝置，一方面電子級系統(tǒng)通過氯化氫排出帶走了部分雜質(zhì)，另一方面冷氫化裝置在氯化氫通入后因?yàn)榕c硅的反應(yīng)放熱，節(jié)約了能耗，同時(shí)反應(yīng)的發(fā)生使得四氯化硅的一次轉(zhuǎn)化率提高，提高了本裝置的生產(chǎn)效率。電子級生產(chǎn)系統(tǒng)所需要的三氯氫硅由光伏級生產(chǎn)系統(tǒng)中經(jīng)過精餾提純過后的三氯氫硅作為補(bǔ)充，將原料供應(yīng)納入監(jiān)管之中，這樣還可以減小本系統(tǒng)中的精餾裝置的規(guī)模，避免了上文中提及投資過大的問題。

作為整個(gè)生產(chǎn)體系而言，外界只需要補(bǔ)充硅粉和部分氫氣，其他物料完全可以在體系內(nèi)進(jìn)行閉路循環(huán)，源源不斷的產(chǎn)出電子級和光伏級多晶硅，這種環(huán)境友好的生產(chǎn)工藝也是行業(yè)內(nèi)十分提倡的，能夠有效的降低環(huán)保壓力。

圖1 耦合的生產(chǎn)體系

4 結(jié)論

電子級多晶硅行業(yè)的發(fā)展關(guān)系到我國整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的安全穩(wěn)定，在目前全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境十分嚴(yán)峻的形勢下，對我國實(shí)現(xiàn)新經(jīng)濟(jì)常態(tài)下的產(chǎn)業(yè)升級有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。如何在國外長期技術(shù)封鎖的條件下，有效的利用我國光伏級多晶硅的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，借助國內(nèi)外高端的技術(shù)資源，打造具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電子級多晶硅生產(chǎn)技術(shù)，是我們必須解決的問題。

本文對電子級多晶硅生產(chǎn)中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，也嘗試了將電子級多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)和光伏級多晶硅生產(chǎn)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，不僅解決了原料供應(yīng)和副產(chǎn)物處理的問題，形成了綠色的閉路循環(huán)生產(chǎn)體系，更重要的意義在于消除了電子級系統(tǒng)對于原料供應(yīng)的外界依賴，更加有效的杜絕了原料波動帶來的產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。在同樣原料、能源和動力價(jià)格的條件下，本文構(gòu)建的生產(chǎn)體系能夠?qū)㈦娮蛹壓凸夥壎嗑Ч璧漠a(chǎn)品制造成本降至最低，這對于中國電子級多晶硅行業(yè)加入全球競爭，具有十分深遠(yuǎn)的意義。

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TheProductionTechnologyofElectronicGradePolysilicon

TianXin,WuFeng,YuYue

(Jiangsu Xinhua Semiconductor Material Technology Co., Ltd.)

Electronic grade poly silicon is the basis of integrated circuit industry, but demanding due to its purity and stability, domestic and commercial production have not implemented, which is not conducive to the healthy and stable development of the integrated circuit industry. This Paper is based on improved Siemens method polysilicon production technology, combining abroad advanced technology, improving process and related equipment of distillation and CVD unit. Solar polysilicon production process was coupled with electronic grade polysilicon production system, higher efficiency, lower cost, solving the raw material limitation issue, establishing a closed-circuit cycle production system.

electric;polysilcon ;Coupling production system

2017-07-14

國家重大專項(xiàng)(02專項(xiàng))；極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝(2014ZX02404)

田 新(1981—)，江蘇徐州人，清華大學(xué)碩士，江蘇鑫華半導(dǎo)體材料科技有限公司總經(jīng)理，從事電子級多晶硅領(lǐng)域研究工作；通訊聯(lián)系人：于躍。

TQ426.95

A

1008-021X(2017)18-0116-02

(本文文獻(xiàn)格式田新，吳鋒，于躍.電子級多晶硅生產(chǎn)技術(shù)探討[J].山東化工，2017，46(18)：116-117，122.)