區(qū)熔多晶硅高壓啟動系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

半導(dǎo)體行業(yè)的主要原材料是電子級多晶硅，它是半導(dǎo)體器件、集成電路、大功率電力電子器件的基礎(chǔ)性材料，尤其是區(qū)熔級多晶硅，區(qū)熔級多晶硅屬于電子級多晶硅細分產(chǎn)品，它的生產(chǎn)技術(shù)壁壘較高，海外企業(yè)占據(jù)全球市場主導(dǎo)地位，主要供應(yīng)商為德國瓦克集團和挪威RECSilicon公司。區(qū)熔多晶硅的生產(chǎn)工藝主要是采用改良西門子法，即在化學(xué)氣相沉積（CVD）反應(yīng)器內(nèi)用氫氣還原三氯氫硅或硅烷氣加熱分解而得到。反應(yīng)器電源系統(tǒng)是生產(chǎn)區(qū)熔多晶硅的核心設(shè)備之一，用以實現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)部溫度控制，由于其單爐生產(chǎn)周期較長，所以反應(yīng)器電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和內(nèi)部溫度的精確控制，對能否生產(chǎn)出合格、高純的區(qū)熔多晶硅產(chǎn)品有直接影響，而硅芯擊穿則是反應(yīng)器運行的前置條件。某項目引進國外的先進技術(shù)，擬建設(shè)年產(chǎn)300t高純電子級多晶硅產(chǎn)線。在項目建設(shè)中，結(jié)合高純電子級多晶硅工藝要求，對國內(nèi)成熟的CVD反應(yīng)器電源系統(tǒng)進行了技術(shù)改造，實現(xiàn)了與區(qū)熔多晶硅的生產(chǎn)工藝需求相適配，生產(chǎn)出了高品質(zhì)的區(qū)熔多晶硅。

1反應(yīng)器內(nèi)進行的化學(xué)反應(yīng)原理

該項目采用硅烷熱分解法，四氯化硅冷氫化制備三氯氫硅技術(shù)，三氯氫硅經(jīng)兩步歧化、精餾制備硅烷技術(shù)，再將生產(chǎn)的高純硅烷氣送入CVD反應(yīng)器，在爐內(nèi)通電的高溫硅芯（硅棒）的表面，硅烷氣受熱分解還原，產(chǎn)生的硅元素沉積在硅芯表面，逐漸生成棒狀多晶硅，使硅棒直徑不斷長大，直至達到規(guī)定尺寸，只有少量硅烷沒有參與反應(yīng)，但反應(yīng)過程中放出大量的氫氣，通過尾氣分離純化回收氫氣，主要反應(yīng)式如下：

2 CVD反應(yīng)器電源系統(tǒng)

CVD反應(yīng)器電源系統(tǒng)在多晶硅生產(chǎn)中的主要作用是在反應(yīng)器啟動階段將硅芯擊穿形成一個電氣回路，運行階段在硅棒回路上施加設(shè)定的電流，用以控制反應(yīng)器內(nèi)部溫度，使得硅烷氣在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生熱分解而沉積。CVD反應(yīng)器電源系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為啟動階段的擊穿系統(tǒng)、運行階段的調(diào)功系統(tǒng)和上位機控制保護系統(tǒng)，如圖1所示[2]。

如圖2所示，反應(yīng)器內(nèi)的硅棒在生產(chǎn)過程中，需要經(jīng)歷“啟動”和“運行”兩個模式。

在 時間段，為“啟動模式”，高壓啟動電源系統(tǒng)對每對硅棒最大可以提供初始高電壓。高壓啟動電源系統(tǒng)對爐內(nèi)硅棒依次進行擊穿，形成電氣回路。

在 時間段，為“運行模式”，由還原電源系統(tǒng)對爐內(nèi)硅棒進行供電，這段時間大約為 。在這段時間內(nèi)電源系統(tǒng)有“并聯(lián)運行”和“串聯(lián)運行”兩種運行狀態(tài)，其中，當硅棒電流在 A時，電源系統(tǒng)工作在“并聯(lián)運行”，當硅棒電流 ？200 A時，電源系統(tǒng)工作在“串聯(lián)運行”3]。

由此可見，啟動模式是將所有硅芯按一定排列方式形成電氣回路，供后續(xù)運行模式施加設(shè)定的電流，是整個區(qū)熔多晶硅生產(chǎn)的先決條件。

3 硅芯擊穿系統(tǒng)設(shè)計

硅芯是半導(dǎo)體，通過加熱改變半導(dǎo)體的電阻率，使其成為導(dǎo)體的過程就是硅芯的擊穿過程。目前多晶硅生產(chǎn)企業(yè)主要通過預(yù)熱-中壓擊穿和高壓擊穿兩種方式對硅芯進行擊穿。

3.1 預(yù)熱-中壓擊穿方式

硅芯是一種半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間，其電阻率隨著硅芯的溫度升高而下降，其數(shù)學(xué)關(guān)系式可以表示為[4]：

式中： 為硅材料的電阻率； α？β 為硅半導(dǎo)體材料的常數(shù)；T為溫度。

硅的電阻率隨溫度變化的曲線如圖3所示[5。

預(yù)熱-中壓擊穿就是利用了硅的這一半導(dǎo)體負阻特性，選用超聲波加熱器或鹵素?zé)艏訜崞鞯燃訜幔诘獨夥諊骂A(yù)熱到 以上，硅芯電阻率大幅降低，當電阻率下降到某一值時，在硅芯兩端施加中壓電壓 ，硅芯就會導(dǎo)通，有電流通過。

3.2 高壓擊穿方式

使用鹵素?zé)艏訜崞黝A(yù)熱，需要打開反應(yīng)器頂，放入鹵素?zé)?，爐內(nèi)溫度加熱到一定程度后需再次打開反應(yīng)器頂，取出鹵素?zé)簟Ｆ洳僮鳠┈?，且極易給反應(yīng)器內(nèi)帶入雜質(zhì)，這對于電子級多晶硅的生產(chǎn)顯然是不合適的。

超聲波加熱器一般在反應(yīng)器視鏡窗口處，能有效避免開爐頂?shù)炔僮?，但又會帶來額外的風(fēng)險，容易造成視鏡窗口泄漏，且由于區(qū)熔多晶硅的工藝特殊性，在硅芯外面還有夾套，其加熱性能無法保證或需要很大功率的超聲波。

由此可見，預(yù)熱-中壓擊穿方式完全不適用區(qū)熔多晶硅的生產(chǎn)工藝。該項目采用了高壓擊穿方式，在氫氣氛圍下，在每對硅芯兩端施加高電壓，使硅芯形成導(dǎo)電回路，如圖4所示。本方案操作相對簡單，能減少帶入的污染，還可提高產(chǎn)品品質(zhì)。

在本方案中，反應(yīng)爐內(nèi)的硅芯棒分為3組，每組6對棒，將高壓啟動電源系統(tǒng)設(shè)計為所有反應(yīng)器的公共供電設(shè)備，共設(shè)置6臺高壓啟動電源。

硅芯冷態(tài)電阻率很大，擊穿電壓通常在數(shù)千伏以上，這是因為硅材料中存在大量的雜質(zhì)和缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷會在電場的作用下發(fā)生電離，從而導(dǎo)致?lián)舸┈F(xiàn)象。此外，硅材料中的雜質(zhì)和缺陷也會影響硅的導(dǎo)電性和光學(xué)性能。硅材料的擊穿電壓可以通過試驗測量得到，通常采用擊穿測試儀進行測試。測試時將硅材料置于高壓電場中，逐漸增加電場強度，直到硅材料開始發(fā)生擊穿現(xiàn)象，此時的電壓即為硅材料的擊穿電壓。

在實際生產(chǎn)中，硅芯擊穿電壓與硅芯的雜質(zhì)、長度、直徑以及硅芯回路的搭接方式等有很大的關(guān)系，無法計算出一個實際值。該項目根據(jù)需要擊穿的硅芯阻值需求，設(shè)置最高電壓等級為 ，通過擊穿試驗來確定日常生產(chǎn)時的擊穿電壓，如表1所示。

從表中的試驗結(jié)果可以看出，硅芯阻值高低搭配更容易擊穿，這樣可以降低擊穿電壓，保護電氣設(shè)備及電極的絕緣。

3.3 硅芯擊穿的控制方式

本方案一套高壓啟動系統(tǒng)配置了一臺PLC柜，PLC控制系統(tǒng)采用西門子的S7-300系列，用于高壓啟動電源的啟動/停止、故障報警。在硅棒啟動過程中，通過通信網(wǎng)絡(luò)接收DCS的啟動準備好信號和啟動允許信號，硅棒啟動完成后，向DCS提供硅棒啟動完成的信號。系統(tǒng)采用“恒壓限流”的雙閉環(huán)控制模式，依靠一次側(cè)的晶閘管調(diào)整，使系統(tǒng)的輸出電壓、電流均可調(diào)節(jié)，即硅芯擊穿之前電壓可調(diào)，硅芯擊穿之后電流可調(diào)，調(diào)節(jié)框圖如圖5所示。

4結(jié)束語

該項自引進國外先進的區(qū)熔多晶硅生產(chǎn)工藝，將國內(nèi)多晶硅反應(yīng)器電源技術(shù)應(yīng)用于區(qū)熔多晶硅生產(chǎn)中。為了配合區(qū)熔多晶硅生產(chǎn)工藝，全面改進了高壓擊穿系統(tǒng)，以實現(xiàn)高阻硅芯的快速擊穿，并減少了雜質(zhì)帶入；通過試驗給出了部分硅芯的擊穿電壓，并提出了硅芯裝載建議。目前，通過對電壓系統(tǒng)的改造升級，該項目已可連續(xù)穩(wěn)定運行，順利生產(chǎn)出了區(qū)熔多晶硅，并進入批量供應(yīng)階段。此工藝在國內(nèi)屬于首次應(yīng)用，相對于傳統(tǒng)的三氯氫硅改良西門子法多晶硅生產(chǎn)工藝，由于每爐運行實際長達30天、硅芯阻值高、工藝控制復(fù)雜，它對配套電源系統(tǒng)有更高的要求，該項目能穩(wěn)定運行，對類似的生產(chǎn)有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

[參考文獻]

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