電子級多晶硅金屬雜質(zhì)來源探討

高召帥，于 躍，謝世鵬，厲忠海，王 培

(江蘇鑫華半導(dǎo)體材料科技有限公司，保利協(xié)鑫旗下，江蘇 徐州 221004)

電子級多晶硅是國家發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原材料，是《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》確定的發(fā)展重點之一。其生產(chǎn)技術(shù)和市場一直被國外企業(yè)所壟斷，嚴重制約了我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并已經(jīng)影響到國家戰(zhàn)略安全，為了打破國外壟斷，維護產(chǎn)業(yè)的健康、完全、穩(wěn)定發(fā)展，發(fā)展我國高品質(zhì)電子級多晶硅迫在眉睫[1-2]。我國半導(dǎo)體行業(yè)市場目前位居全球第一、增速也位居全球第一，但我國集成電路產(chǎn)業(yè)與先進產(chǎn)業(yè)國之間的差距較大，僅從最上游電子級多晶硅原料來講，主要體現(xiàn)在我國電子級多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量純度還不及國外電子級多晶硅企業(yè)。隨著中國集成電路產(chǎn)業(yè)規(guī)模保持高速增長態(tài)勢，年均復(fù)合增長率為17.6%，遠高于全球半導(dǎo)體市場4.3%的增長率。隨著國內(nèi)新建工廠主要為12英寸硅片廠大批新建Fab廠和硅片廠的逐漸投產(chǎn)，國內(nèi)對高品質(zhì)電子級多晶硅的市場需求也在不斷提高，所以自主自產(chǎn)高純電子級多晶硅刻不容緩。

電子級多晶硅體表金屬主要指的是Fe、Cr、Ni、Zn、Cu、Na、Al、K等元素，國標電子級一級品基體體金屬雜質(zhì)含量(質(zhì)量分數(shù))要求小于1×10-9，電子級多晶硅國標1級品的表面金屬雜質(zhì)含量要求小于5.5×10-9，而國際先進電子級多晶硅生產(chǎn)企業(yè)對其金屬雜質(zhì)含量控制的更低。電子級多晶硅主體工藝模型與改良西門子法工藝相似，但其在細節(jié)上存在很大差異，完全按照化工生產(chǎn)模式運行則不可能產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品，需要有接近半導(dǎo)體行業(yè)的生產(chǎn)理念、管理模式，才能產(chǎn)出合格產(chǎn)品[3-5]。體金屬雜質(zhì)含量的引入源一般處于精餾、尾氣回收及還原氣相沉積過程，而表金屬雜質(zhì)含量的引入源主要來自于還原停爐至后處理環(huán)節(jié)。目前關(guān)于電子級多晶硅體表金屬雜質(zhì)引入源報道的相關(guān)文獻較少，可借鑒的經(jīng)驗匱乏，所以本文主要對影響電子級多晶硅體表金屬相關(guān)因素進行探討，為電子級多晶硅行業(yè)發(fā)展提供寶貴意見。

1 電子級多晶硅體表金屬污染及分析

1.1 電子級多晶硅體金屬污染及分析

在電子級多晶硅生產(chǎn)過程中影響產(chǎn)品體金屬質(zhì)量的環(huán)節(jié)主要在精餾、尾氣回收及還原氣相沉積生產(chǎn)工序。生產(chǎn)電子級多晶硅主要原料為高純?nèi)葰涔杓案呒儦錃?，而精餾及尾氣回收系統(tǒng)作為提純高純?nèi)葰涔杓案呒儦錃庵匾ば颍湓辖饘匐s質(zhì)含量直接影響最終產(chǎn)品體金屬雜質(zhì)含量，而影響原料純度的引入源主要為精餾塔、換熱器、吸附塔、壓縮機、換熱器、管道、泵、閥等與物料直接接觸的生產(chǎn)設(shè)備[6-7]；在還原生產(chǎn)工序中，主要為還原爐、爐筒清洗機、石墨組件及各類與物料直接接觸設(shè)備等，其次，在化學(xué)氣相沉積過程中，采用硅芯的質(zhì)量也是影響電子級多晶硅體金屬重要因素之一。針對如上影響體金屬的相關(guān)原因，需要在材料選材、設(shè)備制造過程、潔凈清洗及保養(yǎng)過程精心管控，避免設(shè)備材質(zhì)及相關(guān)材料潔凈質(zhì)量，尤其在設(shè)備安裝、管道焊接過程中一定要做好潔凈控制，避免施工過程引入污染。如下圖為電子級多晶硅簡易生產(chǎn)流程見圖1。

圖1 電子級多晶硅簡易生產(chǎn)流程

1.2 電子級多晶硅表面污染

電子級多晶硅表面污染主要是硅料表面灰塵、有機物及金屬顆粒的污染。從還原停爐后再到后處理破碎、篩分、清洗、打包每個過程中的人、機、料、法、環(huán)都是硅料表面產(chǎn)生污染的重要因素。

在還原工序，化學(xué)氣相沉積停爐后，當(dāng)還原爐爐罩打開時，硅棒的表面則暴露在還原大廳的環(huán)境當(dāng)中，此時環(huán)境中的金屬顆粒、灰塵及有機粒子將會附著在硅料表面上，同時在拆幫過程中由于夾持設(shè)施及裝運棒料的設(shè)施與硅料均會接觸產(chǎn)生污染。灰塵及有機粒子主要附著在硅料表面的最外層，而金屬顆粒如Fe、Cr、Ni、Zn、Cu、Na、Al、K等金屬原子在接觸硅料表面后，將會以一定的速度將擴散到硅料晶體內(nèi)部，擴散到硅料表皮里具有一定的深度。圖2為具體硅料表面污染情況。

圖2 電子級多晶硅表面污染結(jié)構(gòu)圖

從上圖可以看出，電子級多晶硅表面結(jié)構(gòu)對各類粒子附著及擴散存在至關(guān)重要的影響，不同形狀的硅料表面附著顆粒物也存在一定差異，最上層硅料表面主要附著灰塵顆粒物及有機顆粒，在硅料里面有一定深度的顆粒則是金屬顆粒擴散結(jié)果導(dǎo)致的。當(dāng)電子級多晶硅根據(jù)客戶要求破碎成不同尺寸的硅塊時，隨著硅塊的表面積的增加，也增家其表面雜質(zhì)污染的含量。

2 電子級多晶硅表面污染源分析

為了減少電子級多晶硅的表面污染對最終產(chǎn)品質(zhì)量的污染，需要對每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行藝術(shù)般的管控，從工藝控制、人員因素、環(huán)境因素、材料特性、公用介質(zhì)純度及控制方法等方面進行探討分析。

2.1 工藝控制

生產(chǎn)電子級多晶硅涉及的工藝技術(shù)與傳統(tǒng)改良西門子法存在一定的差異，最直觀的就是體現(xiàn)在硅料表面的致密度及紋理。在化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)電子級多晶硅時，三氯氫硅與氫氣的配比和硅棒的生長速率是影響硅料表面形態(tài)結(jié)構(gòu)主要因素。其硅棒表面結(jié)構(gòu)的粗糙度直接影響硅料表面積，暴露空氣中時，吸附的雜質(zhì)含量則增多。所以合理的沉積速率及配比是首要考慮因素。

2.2 人員因素

人作為生產(chǎn)電子級多晶硅的污染源之一，是影響電子級多晶硅生產(chǎn)過程中最主要因素，作為K、Na主要引入源，在人員數(shù)量的控制方面則盡可能減少人員數(shù)量，提高智能化及自動化的控制水平，同時在人的衣著穿戴方式及人工標準作業(yè)上要建立統(tǒng)一規(guī)范，定期給予員工潔凈知識及理念培訓(xùn)也是極為重要的。

2.3 環(huán)境因素

還原大廳及后處理破碎、篩分、清洗、包裝空間的潔凈等級直接影響硅料表金屬質(zhì)量，根據(jù)產(chǎn)品等級設(shè)立相應(yīng)的潔凈等級，通常設(shè)立萬級區(qū)、千級區(qū)、百級區(qū)等。同時，對于產(chǎn)出的電子級多晶硅的檢測環(huán)境更為重要，一般高純電子級多晶硅的體表金屬檢測線都×10-9或者×10-12級別，若檢測環(huán)境潔凈等過低則在檢測過程中，打開檢測樣品的瞬間就會被污染，很難檢測出產(chǎn)品的真實水平，所以生產(chǎn)電子級多晶硅的環(huán)境潔凈等級至少需要擁有半導(dǎo)體行業(yè)的潔凈理念。

2.4 材料特性

在硅棒從還原轉(zhuǎn)運至后處理環(huán)節(jié)中，過程中硅棒與轉(zhuǎn)運設(shè)施接觸材料的材質(zhì)及夾持設(shè)施的材料材質(zhì)，需要選擇高純度金屬雜質(zhì)含量十分稀少的材料。在硅料破碎過程中所用的設(shè)備的材質(zhì)及破碎錘材質(zhì)及篩分板的材質(zhì)直接與硅料接觸，需要注意避免直接與鋼鐵材質(zhì)設(shè)備直接接觸，否則硅料表金屬中Fe、Cr、Ni等元素將增加。硅料在清洗環(huán)節(jié)中，其清洗設(shè)備槽體材質(zhì)選用的材質(zhì)也至關(guān)重要，價格較高的PVDF材質(zhì)引入的污染較少，但也有采用PVC、PP等材質(zhì)，根據(jù)其清洗工藝針對性選擇，不但能保證清洗質(zhì)量，還能節(jié)約成本。

此外其他諸如潔凈手套、包裝袋、PE袋要選用潔凈等級高的材質(zhì)，避免這類物資表面析出的金屬元素及有機元素被硅塊表面吸附導(dǎo)致污染。

2.5 公用介質(zhì)純度

電子級多晶硅生產(chǎn)用公用介質(zhì)一般有，高純氮氣、高純水、高純氬氣及潔凈空氣等，這些公用介質(zhì)與硅料直接接觸，如硅料清洗用的高純水，干燥用的潔凈氮氣或者潔凈空氣，如果這類公用介質(zhì)純度不高，直接導(dǎo)致硅料表面的二次污染，所以要在使用之前實時監(jiān)測，符合質(zhì)量要求才能使用。

2.4 控制方法

控制方法主要指的是在操作過程中要建立標準SOP操作規(guī)程，關(guān)鍵參數(shù)實施SPC管控，并形成OCAP反應(yīng)及制成能力Cpk檢討機制，這樣對于每個步驟、每個動作、每項變動所帶來的污染都能有所追溯，及時觀測，查找原因并及時解決。這些常用于半導(dǎo)體行業(yè)的管理方法需要建立并實施。這對于管控產(chǎn)品質(zhì)量起到重要作用。

3 結(jié)論

電子級多晶硅金屬雜質(zhì)的來源不僅僅局限于上述所說，由于半導(dǎo)體行業(yè)中的晶圓生產(chǎn)用電子級多晶硅原料需求純度十分嚴格，就需要電子級多晶硅企業(yè)從設(shè)計、選材、監(jiān)造、施工以及生產(chǎn)運行中各個環(huán)節(jié)都做到精心管控，不但要有堅固的潔凈理念，還要做到不放過任何一個細節(jié)的態(tài)度，這樣才能生產(chǎn)出高純電子級多晶硅。