多晶硅生產(chǎn)中的質量控制探討

茍海龍

(新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

多晶硅廣泛應用于電子產(chǎn)品的生產(chǎn)領域，最早應用在半導體產(chǎn)品生產(chǎn)中。而我國作為全球半導體市場的主要供應商，對于多晶硅自然有著較大的需求。而進入到上世紀末，光伏產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，多晶硅作為太陽能電池的主要原材料之一，并且對于多晶硅的純度有著更高的要求，由此也有效促進了多晶硅的發(fā)展。從整體市場狀況來看，目前我國多晶硅年產(chǎn)量近20萬噸，其中主要用于光伏產(chǎn)業(yè)，而我國光伏產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)總值，也已經(jīng)位于全球前列，由此意味著我國進入到多晶硅的蓬勃發(fā)展期。

1 多晶硅生產(chǎn)工藝流程簡介

目前生產(chǎn)領域的多晶硅主要生產(chǎn)方式為3類：①改良西門子法，通過HCI與硅粉結合形成SiHCl3，最終再對SiHCl3進行提純；②硅烷法，以多種硅烷結合方式進行提純，包括硅化鎂法、歧化法等；③冶金法，傳統(tǒng)冶金手段進行提出。從3種方法來看，改良西門子法的主要缺陷在于產(chǎn)品質量較低，難以滿足最頂尖科學技術的應用。而另外兩種方法則主要受限于成本和環(huán)境污染，特別是冶金法對于環(huán)境具有較大的傷害，目前除了特殊領域應用之外，已然逐步遭到市場的淘汰。僅從應用選擇來看，目前是以改良西門子法更受市場歡迎。因為其產(chǎn)品應用更為廣泛，且成本較低，并且對于環(huán)境的影響極低，更為符合當前技術生產(chǎn)領域的要求。所以，該文主要是以改良西門子法為研究對象，僅需在確保環(huán)境安全和控制成本上有所注意，便能夠實現(xiàn)更為理想的成果。反觀另外2種方式，在技術上的突破則更為困難。

2 多晶硅生產(chǎn)各工序對產(chǎn)品質量影響分析及控制

改良西門子法的主要作用原理便是HCI與硅粉結合形成SiHCl3后在提純，由此可見其生產(chǎn)工藝并不繁瑣。但是，單位多晶體生產(chǎn)周期較長，由此也涉及到對各個環(huán)節(jié)綜合控制工作的實現(xiàn)?？梢岳斫鉃椋ㄟ^改良西門子法生產(chǎn)高質量多晶體的核心，主要是在于細節(jié)的控制。以下將對各重要環(huán)節(jié)控制工序的細節(jié)進行分析。

2.1 公用工程

公用工程是指多晶硅生產(chǎn)過程中，涉及到的保障性供需，如水、氣、電等環(huán)節(jié)，其中也涉及到鍋爐、變電站等重要設備。具體內(nèi)容包括：①總變電站。顧名思義，該設備主要是為生產(chǎn)多晶硅提供穩(wěn)定、可持續(xù)、可調(diào)節(jié)的電力，確保生產(chǎn)工作的持續(xù)推進。而電力設備的控制工作并不困難，這也是目前多晶硅生產(chǎn)領域最容易實現(xiàn)管理的環(huán)節(jié)，唯一需要注意的問題便是供電的穩(wěn)定，確保應急電源的應用和及時發(fā)揮效用；②供水系統(tǒng)。工業(yè)生產(chǎn)場所的供水系統(tǒng)復雜性較高，其中不僅涉及到生產(chǎn)直接應用的純凈水和溶液，還包括生活水、消防水等各類水資源。所以，生產(chǎn)多晶硅過程中必須充分考慮到水資源的配置，以及有效調(diào)節(jié)不同環(huán)節(jié)的水壓，確保設備能夠正常使用。而在水資源備用方面，通常認為僅需要完成一般儲水工作即可，若出現(xiàn)停水等狀況，盡可能暫停生產(chǎn)；③鍋爐設備。鍋爐是生產(chǎn)多晶硅的核心設備，也是較為難以實現(xiàn)調(diào)節(jié)的設備之一。研究發(fā)現(xiàn)鍋爐的主要運作模式，便是通過溫度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)生產(chǎn)的穩(wěn)定性。所以，在管理過程中，應當注重溫度的穩(wěn)定、均勻，以及有效配置后備能源，確保溫度因設備出現(xiàn)故障時，能夠第一時間修正生產(chǎn)結果；④冷凍設備。主要是指將通過高溫處理的硅進行快速降溫，實現(xiàn)有形化多晶硅的過程。眾所周知，無定形硅作為不合格產(chǎn)品，一直以來是多晶硅生產(chǎn)成本控制的主要難題。所以，該階段有效進行冷凍，不僅是生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是在最后環(huán)節(jié)控制成本的關鍵。而目前冷凍技術，主要是采取氮氣高速冷凍的方式，通過SiHCl3和氫氣相接觸，在露點≤-40℃的情況下，便能夠實現(xiàn)生產(chǎn)效率的最大化。

2.2 氫氣制備工序

氫氣(H2)是指由純氫所構成的氣體，也是多晶硅生產(chǎn)的重要原材料之一，在還原爐、氫化爐中需要大量應用，同時尾氣回收過程中，也會適當?shù)氖褂谩Ｋ?，因為氫氣是貫穿的多晶硅生產(chǎn)的重要資源材料，在應用過程中必須更加重視細節(jié)的調(diào)整，從而確保能夠獲得理想的生產(chǎn)成果。而氫氣制備工序中，較為容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，便是因氧化現(xiàn)象出現(xiàn)“氧化夾層”，導致生產(chǎn)的多晶硅不符合產(chǎn)品規(guī)格。而氧化夾層初出現(xiàn)的原因，則是因氫氣使用過程中，因為水解的元素產(chǎn)生了氧氣，繼而形成二氧化硅。結合附著原理，二氧化硅會直接附著在硅棒上，最后導致“有色多晶硅”的出現(xiàn)。而該問題發(fā)生后，由于夾層深度不統(tǒng)一，以及二氧化硅的清除條件較為復雜，一大發(fā)生，便意味著產(chǎn)品出現(xiàn)問題。所以，通常是以控制氫氣使用為主導，盡可能避免氧化夾層的出現(xiàn)。具體技術標準為：O2≤5 ppm，CH4≤1 ppm，CO2≤1.5 ppm，CO≤0.5 ppm，N2≤60 ppm，露點≤-55 ℃。

2.3 還原工序

還原工序是多晶硅生產(chǎn)重要的產(chǎn)量和質量環(huán)節(jié)，而從實踐上來看，還原工序也是生產(chǎn)中最容易發(fā)生問題的環(huán)節(jié)。所以，對于還原工序的優(yōu)化十分必要。

2.3.1 原料對多晶硅質量的影響

1)三氯氫硅

上文中提到，氫氣會與水蒸氣相互作用產(chǎn)生氧氣，隨著空間溫度的升高，分子的活躍性也將增大。所以，對于SiHCl3而言，其在被提純過程中將直接面對氧化反應的影響。與此同時，SiHCl3本身含有雜質，特別是F、B等元素，兩者同樣會產(chǎn)生氧化作用，在形成新的氧化物后，便會附著在硅棒上。所以，對于的SiHCl3監(jiān)管尤為必要，必須確保其本身的質量，才能夠生產(chǎn)處合格的多晶硅。

2)氫氣

氫氣在提純硅過程中最大的問題便是與水蒸氣形成氧氣，該原理已經(jīng)在上文中進行了詳細說明。而在具體實踐過程中，甚至可能會存在更嚴重的情況，若氧含量達到20 ppm時，便甚至有可能因溫度的變化直接水解SiHCl3。所以，在對于氫氣的管理中，其中氧含量的監(jiān)測尤為必要。另外，氫氣使用后會進行回收，可是使用空間的溫度變化，已然造成了水蒸氣的出現(xiàn)，由此也導致了回收過程中會存在一定比例的水分，繼而產(chǎn)生上述“有色多晶硅”的現(xiàn)象。對此，目前廣泛使用了如下回收指標，由此能夠更大程度上減少水蒸氣被回收。具體為：O2≤50 ppm，CH4≤1 ppm，CO2≤1.5 ppm，CO≤0.5 ppm，N2≤100 ppm，露點≤-50℃，HCl≤0.1 %。

3)保安氮氣

上文中提到氮氣主要是用于冷卻系統(tǒng)，這也是目前在成本、防污染、效率等方面性價比最高的一種冷卻方式。但是，由于氮氣為氣體，存在著一定的不可控性。若回收過程中不達標，便有可能因氧含量，以及與氫氣接觸形成化合反應，繼而變?yōu)殡s質附著在硅棒上。所以，有效為氮氣的回收提供保障，對于多晶硅的生產(chǎn)十分重要。

4)硅芯

硅芯直接承載著多晶硅的質量，其主要產(chǎn)生的問題在于：①密封存在問題。因為未完全密封，導致硅芯表面的氧化反應，繼而無法使用；②硅芯需要拉制，而該工藝主要依靠簡單的物理手段實現(xiàn)，所以拉制過程中容易出現(xiàn)孔洞。當孔洞進入空氣后，就會污染孔洞表面的硅材料，繼而導致多晶硅損壞。所以，為了保證產(chǎn)品能夠正常使用，在硅芯還原之前，需進行二次腐蝕，確保沒有附著污染物。

2.3.2 設備潔凈條件的影響

還原工序中，環(huán)境因素對于產(chǎn)品生產(chǎn)有著十分重要的影響，上文中反復提及了各類氧化條件，以及材料本身雜志可能存在的問題。所以，確保生產(chǎn)環(huán)境的潔凈條件，在衛(wèi)生、原材料放置、設備儀器清潔整理等方面，都要符合相應的標準。對此可采取制度化管理，以獎懲機制為主導，從而保證管理的效率。

3 結 語

針對多晶硅進行探討，闡述其應用領域、應用價值，以及當前市場對于多晶硅需求等背景信息，對其工藝流程進行探討，在提出問題的同時闡述目前生產(chǎn)領域對相應問題的有效解決方案。