多晶硅生產(chǎn)中硅芯色澤異常的機(jī)理研究

許 躍

（新疆協(xié)鑫新能源材料科技有限公司，新疆昌吉 831800）

想要對(duì)多晶硅生產(chǎn)中的硅芯色澤異?，F(xiàn)象進(jìn)行機(jī)理研究，首先要對(duì)硅芯色澤異?，F(xiàn)象的含義進(jìn)行一個(gè)深入的了解。所謂的硅芯色澤異常，指的是原本應(yīng)當(dāng)煥發(fā)金屬光澤的多晶硅硅芯出現(xiàn)了其他的顏色。一旦出現(xiàn)該種現(xiàn)象，那么很可能在多晶硅的生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)跳硅現(xiàn)象。這會(huì)對(duì)多晶硅的生產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生較為重要的影響，因此對(duì)硅芯色澤異?，F(xiàn)象進(jìn)行深入的研究與分析是很有必要的，也是很有意義的。

1 實(shí)驗(yàn)研究背景

正因?yàn)槎嗑Ч璧纳a(chǎn)在未來(lái)的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域占有較為重要的地位，故而各個(gè)國(guó)家在硅芯色澤異常的機(jī)理研究問(wèn)題上，顯得比較封閉保守，并不熱衷于進(jìn)行學(xué)術(shù)研究意見的交流。因此我國(guó)在進(jìn)行多晶硅的生產(chǎn)過(guò)程中，但凡出現(xiàn)硅芯色澤異常的現(xiàn)象，都無(wú)法通過(guò)其他國(guó)家研究成果的啟發(fā)，來(lái)進(jìn)行更具創(chuàng)新性的機(jī)理研究。因此硅芯色澤異常問(wèn)題仍然是目前我國(guó)多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中，較為難以解決的問(wèn)題。本文對(duì)硅芯色澤異常的問(wèn)題進(jìn)行了深入的探討，以期能夠給相關(guān)技術(shù)研究人員以更多的參考

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程分析

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

為了使得實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更具客觀性與科學(xué)性，選用一種正常色澤的硅芯和三種異常色澤的硅芯來(lái)作為實(shí)驗(yàn)原料進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的分析與研究。本文所選擇的三種異常色澤的硅芯，其異常顏色分別表現(xiàn)為藍(lán)黑色、黑黃色以及藍(lán)色。在確定好了實(shí)驗(yàn)原料之后，把異常硅芯均勻的切割成寬10mm、長(zhǎng)10mm、高5mm 的長(zhǎng)方體。在切割完畢后，用砂紙將目標(biāo)檢測(cè)硅芯的背面磨平，只有如此才能夠保障檢測(cè)樣品的平整性。將所有的檢測(cè)樣品都磨平之后，便可以將相關(guān)樣品放置在無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲清洗。需要注意的是，超聲清洗的時(shí)間必須要達(dá)到30min，并且在超聲清洗完畢后要立即用純度較高的N2吹干。

2.2 檢測(cè)方式

在對(duì)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了上述的制備之后，便可以直接使用酸腐蝕的方法來(lái)對(duì)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行酸腐蝕。在酸腐蝕完成后便可以使用電子探針對(duì)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面的化學(xué)元素進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)然，相關(guān)技術(shù)研究人員也可以使用電子能譜儀來(lái)對(duì)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面的化學(xué)成分進(jìn)行分析與研究。

2.3 化學(xué)成分分析

需要注意的是，所有進(jìn)行檢測(cè)的目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面可能都存在著一系列的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)的存在，很可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，為了保證實(shí)驗(yàn)的精確性與科學(xué)性，必須要對(duì)所有目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料使用電子探針進(jìn)行分析與研究。并且在使用電子探針的過(guò)程中，還需要對(duì)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料的不同部位進(jìn)行探測(cè)。通過(guò)探測(cè)發(fā)現(xiàn)，不論是哪一種類型的目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料的表面都僅僅只含有Si 元素。因此通過(guò)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面的化學(xué)元素分析可以知曉，目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面的化學(xué)元素并不是導(dǎo)致硅芯色澤變異的主要原因。在對(duì)三種變異色澤的硅芯進(jìn)行了酸腐蝕實(shí)驗(yàn)后，相關(guān)技術(shù)研究人員需要使用電子探針以及電子能譜，對(duì)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)物進(jìn)行化學(xué)成分分析。進(jìn)行酸腐蝕實(shí)驗(yàn)的1號(hào)目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)材料是色澤為黑黃色的異常顏色硅芯。1號(hào)目標(biāo)在進(jìn)行了酸腐蝕實(shí)驗(yàn)后，其顏色發(fā)生了較為顯著的變化，其內(nèi)部的雜質(zhì)元素消失不見，酸腐蝕之后只剩下Si 元素。而2號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料是色澤為藍(lán)色的變異色澤硅芯。2號(hào)目標(biāo)在進(jìn)行了酸腐蝕實(shí)驗(yàn)后，其他的雜質(zhì)元素也通通消失不見，顏色也發(fā)生了較為顯著的變化。而3號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料是色澤變異為黑色的實(shí)驗(yàn)樣品，該目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料在進(jìn)行了酸腐蝕試驗(yàn)后，其色澤并沒(méi)有明顯的變化。使用電子探針以及電子能譜儀對(duì)3號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在酸腐蝕實(shí)驗(yàn)過(guò)后其內(nèi)部的化學(xué)元素仍然存在雜質(zhì)。

為了對(duì)三種目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行更深入的研究與分析，使用精度更高的電子能譜儀對(duì)三種實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)的記錄不難發(fā)現(xiàn)，三種目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料，都存在氧、碳、氮等元素。但三種目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料內(nèi)部的各類化學(xué)元素成分比重有所不同，1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料內(nèi)部Si 元素的占比成分最高，大約達(dá)到了53.72%左右，并且1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料中存在氯元素。而2號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料中氧元素的成分含量較高，3號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料中的氮元素成分含量較高。通過(guò)這樣的對(duì)比分析，相關(guān)技術(shù)研究人員可以對(duì)三類目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面層的化學(xué)元素進(jìn)行較為深入的分析。1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面可能存在硅氧化合物以及無(wú)定形硅和1號(hào)碳元素。2號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料的表面僅僅存在過(guò)氧化合物以及1號(hào)碳元素，而不存在無(wú)定形硅。3號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面存在硅氮化合物以及2號(hào)碳元素。

2.4 形成機(jī)理分析

綜上所述，1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面的異常成分要比2號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料以及3號(hào)目標(biāo)材料多一些。就目前的科學(xué)檢測(cè)技術(shù)而言，并沒(méi)有任何一種檢測(cè)技術(shù)能夠真實(shí)地反映有關(guān)硅芯色澤變異的全過(guò)程。因此要從其他方面進(jìn)行輔助分析與研究。由于1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面異常成分較為豐富，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行更為詳細(xì)的研究與討論。樣品1腐蝕前后對(duì)比如圖1所示。

圖1 樣品1腐蝕前后對(duì)比圖

在之前的酸腐蝕實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)，1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料在進(jìn)行了酸腐蝕實(shí)驗(yàn)后，硅芯表面的黃黑色明顯消失，逐漸顯露出了其原始的顏色。這就意味著1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面的異常物質(zhì)可以被酸腐蝕消耗掉，因此這些異常物質(zhì)并不是硅碳化合物或者硅氮化合物形成的薄膜。而一號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面存在無(wú)定形硅，因此1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面形成的薄膜可能是無(wú)定形硅薄膜。色澤變化機(jī)理如圖2所示。實(shí)際上在顏色變異之前，硅芯會(huì)與氧氣產(chǎn)生氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)過(guò)后無(wú)定形硅薄膜會(huì)逐漸形成，最后由于炭黑的附著而使得表面形成了黑黃色。但需要注意的是，由于無(wú)定形硅所形成的薄膜，其質(zhì)地并不緊密，因此在進(jìn)行酸腐蝕實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有關(guān)材料的分子結(jié)構(gòu)十分容易透過(guò)炭黑薄膜進(jìn)入到內(nèi)層的無(wú)定形薄膜內(nèi)，導(dǎo)致無(wú)定形薄膜被腐蝕掉。

圖2 色澤變化機(jī)理圖

3 結(jié)論分析

經(jīng)過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)研究不難發(fā)現(xiàn)，不存在色澤異常變化的硅芯在使用電子探針進(jìn)行表面化學(xué)成分的探測(cè)時(shí)，并沒(méi)有探測(cè)到任何雜質(zhì)元素。因此成品硅芯的生產(chǎn)過(guò)程中并不會(huì)使得硅芯出現(xiàn)異常情況的。而在對(duì)三種目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行酸腐蝕以及EPM A 分析后，相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)，1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料以及2號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料，在經(jīng)過(guò)酸腐蝕實(shí)驗(yàn)后，其表面顏色有明顯的變化，因此其表面的化學(xué)物質(zhì)容易被相關(guān)溶液腐蝕掉。但經(jīng)過(guò)電子能譜分析后，相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)兩類目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面的化學(xué)成分并不能與其相關(guān)的化學(xué)性能進(jìn)行明顯的一一對(duì)應(yīng)。哪怕是表面化學(xué)成分相同的硅芯，也可能會(huì)出現(xiàn)不同的化學(xué)性能。通過(guò)對(duì)其形成機(jī)理的分析與研究發(fā)現(xiàn)，任何出現(xiàn)色澤異常現(xiàn)象的硅芯，其表面的薄膜都是硅氧、硅碳以及硅氮幾種化合物和無(wú)定形硅薄膜以及炭黑薄膜隨機(jī)組合而形成的。由于1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)物表面的化學(xué)成分較為豐富，因此相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究人員著重對(duì)1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)物表面的成分進(jìn)行研究與分析，通過(guò)研究后發(fā)現(xiàn)1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)材料表面的薄膜組成順序，由里向外依次為硅氮化合物、無(wú)定形硅以及炭黑薄膜。這三種薄膜的組合形成導(dǎo)致1號(hào)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)物表面呈黑黃色。

4 相關(guān)建議分析

在進(jìn)行了多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中硅芯色澤變異原理的機(jī)理分析后，要根據(jù)現(xiàn)有的成果進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)研究分析，采取具有可行性的措施來(lái)進(jìn)行未來(lái)多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)踐指導(dǎo)。首先，相關(guān)生產(chǎn)人員要時(shí)刻嚴(yán)格遵循相對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)規(guī)章流程制度來(lái)進(jìn)行多晶硅的生產(chǎn)，確保多晶硅的生產(chǎn)質(zhì)量不會(huì)由于原料組成成分的變化而產(chǎn)生問(wèn)題。同時(shí)，還需要通過(guò)不斷的技術(shù)嘗試來(lái)使得未來(lái)的檢驗(yàn)方法與過(guò)程變得更加科學(xué)合理、精確穩(wěn)定，只有如此才能夠使得多晶硅的生產(chǎn)變得更加穩(wěn)定、安全。同時(shí)對(duì)于投入到生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)用的生產(chǎn)設(shè)備，相關(guān)技術(shù)研究人員也要予以足夠的重視。定期對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)與維修，避免由于設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致整體的多晶硅生產(chǎn)出現(xiàn)問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，倘若產(chǎn)品內(nèi)部的碳含量過(guò)高，那么產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量就會(huì)受到影響。因此相關(guān)技術(shù)研究人員應(yīng)定時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的碳化合物含量進(jìn)行較為精準(zhǔn)的檢測(cè)，確保不會(huì)由于碳化合物的含量過(guò)高而影響到多晶硅整體的生產(chǎn)質(zhì)量。