電子級多晶硅生產(chǎn)中硅芯雜質(zhì)的來源

張才剛 俞朝 陳叮琳 李宏盼 李有斌(1.青海黃河水電公司新能源分公司，青海 西寧 810007；

2.青海省新能源材料與儲能技術(shù)重點實驗室，青海 西寧 810007)

0 引言

改良西門子CVD 法[1]是在還原爐內(nèi)通入高純的三氯氫硅(TCS)和氫氣(H2)，使其通過化學(xué)氣相沉積反應(yīng)將多晶硅沉積在熱載體上(即硅芯)，但在實際生產(chǎn)過程中，硅芯在制造過程中和在還原爐初期沉積過程中不同程度受到雜質(zhì)的污染，質(zhì)量等級由半導(dǎo)體級降至太陽能特級，污染問題未能得到有效解決，使多晶硅成品雜質(zhì)分布不均勻，嚴(yán)重制約電子級多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量的提升，也是當(dāng)前制約國內(nèi)多晶硅用于大尺寸英寸硅片的瓶頸問題，所以解決硅芯雜質(zhì)污染問題是提升電子級多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本文重點從石墨部件、惰性氣體、硅芯制備、潔凈操作幾方面研究多晶硅生產(chǎn)過程中硅芯雜質(zhì)來源[2]。

1 石墨部件影響

某多晶硅廠還原爐采用的石墨部件包括石墨卡座、石墨卡瓣等，若石墨部件凈化純度未達(dá)到要求，在還原爐高溫運行條件下，爐內(nèi)部分雜質(zhì)易揮發(fā)附著于硅芯表面，導(dǎo)致硅芯樣雜質(zhì)升高，而硅芯導(dǎo)通后石墨部件在整個硅棒生產(chǎn)過程中一直處于通電高溫狀態(tài)下，且隨硅棒直徑的增大，卡座通過的電流越大，溫度越高，若石墨部件揮發(fā)大量雜質(zhì)，則硅棒沉積層的雜質(zhì)至少不低于硅芯樣雜質(zhì)。

保持其他條件不變，對新石墨部件和重復(fù)利用的石墨部件進(jìn)行試驗，生產(chǎn)完成后對硅棒取硅芯樣、沉積層樣和使用的硅芯質(zhì)量進(jìn)行對比分析(見表1)。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出：硅芯、成品硅芯樣、成品沉積層中受主雜質(zhì)偏差不大，硅芯、成品硅芯樣、沉積層樣施主雜質(zhì)無規(guī)律性變化，但成品硅芯樣較硅芯As 雜質(zhì)仍然出現(xiàn)了成倍增長，且新石墨部件和重復(fù)利用的石墨部件無明顯差異，所以石墨部件并非是硅芯樣雜質(zhì)升高的主要來源。

表1 石墨部件對比試驗數(shù)據(jù)

2 無定型硅的影響

通過還原爐運行處方及爐內(nèi)溫度調(diào)整，控制無定型硅產(chǎn)生，分析還原爐內(nèi)無定型硅對硅芯質(zhì)量的影響，具體試驗數(shù)據(jù)見表2。

由表中數(shù)據(jù)可知，若運行過程中只有微量無定型硅產(chǎn)生，硅芯樣施主雜質(zhì)較產(chǎn)生大量無定型硅時有所降低。這是因為在還原爐內(nèi)在SiHCl3與氫氣化學(xué)氣相沉積反應(yīng)初期，若進(jìn)料組分SiHCl3不穩(wěn)定或爐內(nèi)溫度未在控制范圍內(nèi)，還原爐內(nèi)容易出現(xiàn)霧化現(xiàn)象產(chǎn)生大量無定型硅粉，大量無定型硅隨氣體進(jìn)入后續(xù)尾氣回收系統(tǒng)，少量的無定型硅易隨著爐內(nèi)反應(yīng)沉積在硅芯上，造成硅芯受到污染，進(jìn)而影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量。所以需要嚴(yán)格控制還原爐進(jìn)料組分SiHCl3和爐內(nèi)溫度穩(wěn)定，減少無定型硅的產(chǎn)生。

表2 無定型硅對硅芯影響試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3 硅芯制備方式影響

圓硅芯是作為多晶硅生產(chǎn)早期使用的氣相沉積載體，主要是利用多晶硅還原爐內(nèi)專門生長的硅芯原料棒在區(qū)熔硅芯爐內(nèi)拉制而成，圓硅芯在拉制過程中不同程度受到雜質(zhì)的污染，進(jìn)而影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量[3]；而方硅芯一種新型氣相沉積載體，其加工主要通過方硅芯切割機來實現(xiàn)，方硅芯是對原生多晶硅棒采用線切的方式加工而成，減少了硅芯雜質(zhì)引入，同時硅芯截面積大，強度高，垂直度好，承載能力大，安裝過程中容易與石墨卡瓣契合，使得還原爐的倒?fàn)t率大大的降低。

圖1 硅芯與石墨卡瓣接觸方式對比

4 潔凈操作影響

(1)硅芯安裝過程中的人、機、料、法、環(huán)都是硅芯表面產(chǎn)生污染的重要因素。硅芯安裝在還原潔凈廠房內(nèi)進(jìn)行，某多晶硅廠對還原廠房環(huán)境中進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果見表3。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，還原廠房環(huán)境中灰塵及有機粒子主要附著在硅芯表面的最外層，而金屬顆粒如Fe、Cr、Ni、Zn、Cu、Na、Al、K 等在接觸硅芯表面后，將會以一定的速度將擴(kuò)散到晶體表面一定的深度，從而影響多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量，這也是成品中硅芯周圍雜質(zhì)較多晶硅產(chǎn)品沉積層雜質(zhì)高的原因。

(2)某多晶硅廠對還原操作使用的潔凈手套、無塵紙等潔凈用品進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果見表4。

表3 還原廠房環(huán)境檢測數(shù)據(jù) 單位：ppm

表4 潔凈用品檢測數(shù)據(jù)

由表中數(shù)據(jù)可以看出，潔凈用品中存在的Na、Mg、K、Ca、Cr、Fe、Ni、Cu、Zn 等金屬顆粒附著于硅芯表面，對硅芯也會造成一定污染，隨著還原爐內(nèi)反應(yīng)這些金屬顆粒同時擴(kuò)散到硅棒表面，從而影響多晶硅成品質(zhì)量。

5 結(jié)語

通過以上電子級多晶硅硅芯金屬雜質(zhì)的來源分析，石墨部件對硅芯雜質(zhì)影響不大，而無定型硅、硅芯制備、潔凈操作等對硅芯雜質(zhì)均有不同程度影響，所以還原運行需穩(wěn)定爐內(nèi)進(jìn)料組分和溫度的穩(wěn)定，減少無定型硅的產(chǎn)生，硅芯從制備工藝使用上都要做到精心管控，同時加強硅芯安裝過程潔凈操作管控，這樣才能滿足半導(dǎo)體行業(yè)中的晶圓生產(chǎn)用高純電子級多晶硅純度要求。