多晶硅小料干燥技術(shù)及設(shè)備研究

段成龍 薛書亮 張博

【摘 要】本文針對(duì)多晶硅小料堆積難以快速干燥這一制約行業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)，創(chuàng)造性提出一種熱風(fēng)循環(huán)干燥冷風(fēng)冷卻的解決方案，并行設(shè)備研制投入行業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)完全滿足行業(yè)需求效果顯著。

【關(guān)鍵詞】多晶硅;小料;干燥;冷卻

1 前言

多晶硅是現(xiàn)代泛半導(dǎo)體行業(yè)的基礎(chǔ)性材料，在基礎(chǔ)能源行業(yè)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)容量不斷攀升，碳中和碳交易市場(chǎng)已在國(guó)內(nèi)國(guó)際已達(dá)成共識(shí)，這對(duì)太陽(yáng)能級(jí)多晶硅有巨大需求量。在萬物互聯(lián)的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)下，作為現(xiàn)代工業(yè)基石的半導(dǎo)體芯片行業(yè)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，其中對(duì)電子級(jí)高純多晶硅的需求量與日俱增。

其中在多晶硅的生產(chǎn)過程中，為保證硅料表面清潔無雜質(zhì)，降低產(chǎn)品表金屬含量需要進(jìn)行多次清洗（圖1），同時(shí)為避免多次清洗后除雜合格的硅料在空氣中暴露時(shí)間過長(zhǎng)造成二次污染，必須進(jìn)行快速包裝，這對(duì)密封包裝前的干燥環(huán)節(jié)提出了更高要求。本文將就多晶硅小料干燥技術(shù)及設(shè)備研制進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 小料干燥特點(diǎn)分析

在多晶硅行業(yè)，小料能降低拉制晶棒的成本從而受到越來越多行業(yè)內(nèi)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)的重視。同時(shí)由于經(jīng)破碎、清洗后小料堆積的致密性比大料要大的多，因此導(dǎo)致堆積后處于中間位置的硅料非常難干燥。傳統(tǒng)的微波紅外加熱方法，需將硅料加熱至200℃以上，這對(duì)設(shè)備工裝及廠務(wù)環(huán)境帶來了耐高溫難題和增加廠務(wù)成本，同時(shí)硅料冷卻也需要更長(zhǎng)時(shí)間，嚴(yán)重影響產(chǎn)能。

本文針對(duì)小料堆積密、實(shí)穿透性差的特點(diǎn)，創(chuàng)造性提出采用熱風(fēng)壓力進(jìn)入堆積小料之間的縫隙從而對(duì)堆積小料進(jìn)行均勻加熱，同時(shí)采用冷風(fēng)壓力進(jìn)入堆料縫隙之間快速帶走水汽并迅速降溫，這樣極大的提高了干燥效果和效率，方便后續(xù)快速密封包裝。同時(shí)，依托該技術(shù)已進(jìn)行設(shè)備（見圖2）研發(fā)并投入實(shí)際生產(chǎn)。其中最關(guān)鍵的為干燥冷卻槽體的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及風(fēng)道布局。

3 干燥冷卻槽體結(jié)構(gòu)

由上文可知，依據(jù)堆積小料特點(diǎn)有針對(duì)性的采用熱風(fēng)干燥、冷風(fēng)冷卻的處理方法，其中關(guān)鍵槽體具體設(shè)計(jì)介紹如下。

3.1 熱風(fēng)干燥槽體

熱風(fēng)干燥槽體工作時(shí)需持續(xù)保持內(nèi)部高溫，同時(shí)從節(jié)能減排角度考慮，一次加熱后續(xù)保溫，整體結(jié)構(gòu)采用快速熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)（圖3）如下。

熱風(fēng)循環(huán)槽是用于快速烘干硅料的專業(yè)設(shè)備，通過溫度控制系統(tǒng)對(duì)槽體快速高溫加熱、快速熱風(fēng)循環(huán)達(dá)到快速烘干的要求。如上圖3所示，開機(jī)經(jīng)預(yù)熱后熱風(fēng)在風(fēng)道內(nèi)循環(huán)干燥，針對(duì)小料堆積密實(shí)難以干燥的特點(diǎn)，采取熱風(fēng)經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓從小料料框右下部進(jìn)入同時(shí)出風(fēng)口設(shè)置在對(duì)應(yīng)左上位置，強(qiáng)制熱風(fēng)完全穿透堆積小料提高干燥效果。

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括工作槽、熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)管、加熱系統(tǒng)、風(fēng)道循環(huán)系統(tǒng)以及整體電控系統(tǒng)等組成。

3.2 冷風(fēng)冷卻槽體

冷風(fēng)冷卻槽體工作時(shí)需快速冷卻硅料同時(shí)帶走殘余水汽，是硅料包裝出廠前的最后一步，十分重要。據(jù)此進(jìn)行槽體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖4。

冷風(fēng)槽為實(shí)現(xiàn)冷卻效果需不斷從室內(nèi)引入新鮮氣體作為介質(zhì)進(jìn)行冷卻，穿過堆積小料后的介質(zhì)可直接從槽體上部排入廠房或者根據(jù)需要將其引入廠務(wù)排風(fēng)系統(tǒng)統(tǒng)一排出。

如上圖4，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括工作槽、循環(huán)風(fēng)管、冷卻盤管、風(fēng)機(jī)、料渣接盤、過濾網(wǎng)等。冷卻盤管通入廠務(wù)循環(huán)冷卻水，根據(jù)客戶客戶需要可增加快速干燥效果。另外在料框槽體出風(fēng)口處設(shè)置鉑電阻溫度檢測(cè)探頭，當(dāng)穿過堆積小料冷風(fēng)溫度明顯降低時(shí)說明已達(dá)到冷卻效果，通過溫控器設(shè)定該值進(jìn)行判斷提示，該批次堆積小料已完成冷卻干燥可進(jìn)行密封包裝。

4 結(jié)論

本文針對(duì)多晶硅小料干燥技術(shù)難點(diǎn)，成功研制一種干燥冷卻設(shè)備，并已投入實(shí)際生產(chǎn)，取得了良好的使用效果。另外，從多晶硅生產(chǎn)企業(yè)考慮，可利用其它生產(chǎn)環(huán)節(jié)廠務(wù)熱能進(jìn)行能源二次利用引入干燥裝置，降低企業(yè)成本，實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能。

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