陳叮琳

(青海黃河水電新能源分公司，青海　西寧　810006)

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電子級多晶硅產品在還原過程中的影響因素

陳叮琳

(青海黃河水電新能源分公司，青海西寧810006)

近些年來，我國的電子信息技術產業(yè)發(fā)展快速，尤其是高科技領域對于電子級高純多晶硅的需求量有所增長，多晶硅材料已成為電子信息、電力產業(yè)和太陽能光伏產業(yè)最主要、最基礎的功能性材料，本文主要介紹了電子級多晶硅在還原爐內的沉積過程受到反應溫度、反應配比、氣體流速、爐內壓力、原料純度等許多因素的影響，同時介紹了其與多晶硅的沉積質量和電耗之間的關系。

多晶硅；沉積質量； 影響因素

近些年，我國的電子信息技術產業(yè)發(fā)展快速，尤其是高科技領域對于電子級高純多晶硅的需求量一定程度上有所增長[1-2]。高純硅材料已成為電子信息、電力產業(yè)和太陽能光伏產業(yè)最主要、最基礎的功能性材料[3]。硅材料的需求主要來自于半導體和太陽能電池，按純度要求不同，分為電子級和太陽能級，可以根據(jù)不同的純度級別用來制作各種晶體管、整流二極管、可控硅、太陽能電池片、太陽能電池組件、集成電路和電子計算機等，并已形成包含光伏產業(yè)與電子信息產業(yè)在內的獨立的、完整的產業(yè)體系[4-6]。

1　多晶硅生產中的影響因素

多晶硅在還原爐內的沉積過程受到許多因素的影響，包括沉積溫度、反應配比、氣體流速、爐內壓力、原料純度等。這些因素相互制約影響，對多晶硅的沉積質量以及單位產品電耗都有直接的關系。

1.1沉積溫度

過熱的三氯氫硅與尾氣回收回來的循環(huán)氫氣按一定摩爾比充分進入還原爐，而三氯氫硅和氫氣在還原爐內主要發(fā)生熱分解的反應和氫還原反應，而這兩種反應都是吸熱反應。因此從理論上講，隨著爐內溫度的升高，越有利于對氫還原反應和熱分解反應，增加了硅的沉積速率。但因為硅在硅棒表面發(fā)生氣相沉積時，這又是一個物理過程，所以隨溫度升高，硅沉積過程解析速率會增加，吸附速率則降低。所以在實際生產中，爐內溫度控制得越高，對于硅的沉積過程并不是很好。

同時，當爐內反應溫度增加時，有利于提高硅的結晶性能。結晶隨著爐內溫度升高而變得粗大，而且硅棒表面會有很亮的金屬光澤，但當反應溫度過高(>1200 ℃)時，則容易使硅因發(fā)生逆腐蝕反應而熔化；反之，結晶因溫度過低會變得細小，且硅棒表面呈現(xiàn)一種暗灰色，當反應溫度過低(<900 ℃)時，會生成一種疏松且呈現(xiàn)暗褐色的無定形硅，所以有時會覆蓋一層無定形硅在還原爐石墨電極上。

因此對還原沉積反應，過低溫度和過高溫度都不利，在還原爐的生產中，控制好爐內的溫場起了很大程度上的作用。在符合一定工藝條件時，只有把爐內溫場控制穩(wěn)定，才能在一定程度上提高硅的沉積速率和降低還原電耗。

1.2反應摩爾比

一般三氯氫硅的轉化率隨H2與SiHCl3摩爾比的增大而升高。但H2與SiHCl3的摩爾比不能過高，因為：①當氫氣流量太大時，一方面使三氯氫硅的濃度被稀釋，硅的沉積速率隨著三氯氫硅分子與硅棒表面碰撞的機率減少而降低，因而單位時間內多晶硅的產量也就降低，另一方面提高了氫氣的消耗量和還原尾氣回收的處理負荷。②由BCl3，PCl3的氫還原反應可見，當氫氣濃度過高時，對于 B和P析出的抑制將越不利，進一步也會影響產品質量。

1.3氣流流速

硅棒表面的氣流速度不僅影響多晶硅表面沉積的均勻性，而且對硅棒表面熱擴散、對流散熱、粘滯層厚度等都有影響，因此維持硅棒表面合理的氣體流速非常重要。當保證達到一定沉積速率時，混合氣流量愈大，爐產量愈高。而流量大小與還原爐大小和結構，特別是載體表面積的大小有關，由分子動力學觀點可以看出，硅芯面積與反應空間的比值越大，氣體對沉積面的碰撞機增多，因此能有效提高實收率。

1.4爐內壓力

增加壓力可以使分子的碰撞機率增加，使沉積速率加快。但根據(jù)化學反映的平衡觀點，還原爐系統(tǒng)隨爐內壓力增加，硅的平衡收率會降低。這是因為反應式(1)和(2)：

(1)

(2)

隨著爐內壓力升高，反應(1)的平衡向左進行，使TCS的轉化率下降，Si和HCl的收率下降。這就使得雖然爐內壓力升高，反應(2)的平衡會向右進行，但是由于系統(tǒng)中HCl生成量下降，導致(2)的反應機率也會下降，所以STC的收率也會隨之下降。

1.5原料純度

在多晶硅還原生產的過程中所用原料三氯氫硅及氫氣純度對多晶硅產品質量影響也很大。三氯氫硅中若主要雜質P、B、As等的含量較高，在高溫下它們將會發(fā)生副反應，析出的產物與其他一些在爐內不還原的重金屬雜質一起飄在氣相中， 當SiHCl3和H2往載體上擴散時，這些雜質也被攜帶到載體上，這樣多晶硅的質量將受到嚴重影響。而如果氫氣中混有水汽和氧，當含氧量大于20×10-6，露點大于-30 ℃時，則可能會發(fā)生水解或者氧化，生成一種二氧化硅氧化層附著于硅棒上，繼續(xù)在這種被氧化的硅棒上沉淀硅時，就形成了氧化夾層，這種夾層通過酸洗也不能除去。當在真空條件下生長單晶硅時，會產生硅跳現(xiàn)象，造成熔融硅從熔區(qū)中濺出，熔區(qū)表面浮渣增多，致使多次引晶不成功。氫氣中含有的CO2、CO時使襯底氧化，硅在氧化的襯底上沉積生長多晶硅。所以需要嚴格執(zhí)行精餾提純、制氫及還原尾氣回收的操作規(guī)程，提高還原爐內原料三氯氫硅及氫氣的純度。

1.6還原爐部件及硅芯純度

對于還原生產而言，還原爐的絕緣越高越好，保證生產可以長時間的平穩(wěn)運行。當絕緣過低時，將會使還原爐接地跳停，從而導致生產中斷。還原爐部件包括石墨卡件、電極、鐘罩、硅芯等，這些部件對還原生產有很大的影響，尤其是爐內部件底盤、石墨卡件、電極等部件不能有異物，如果沒有徹底清潔，生產時會造成表面氧化物、灰塵、污垢等雜質污染，使得多晶硅質量下降。而鐘罩光潔度愈高，越有利于還原爐內的溫場平穩(wěn)。鐘罩光潔度降低，被鐘罩夾套水帶走的熱量就越多，這樣就相當于在用電來加熱水，因此電耗將上升。硅芯不僅是多晶硅沉積的地方，又是作為發(fā)熱體為沉積反應提供所需的溫度。現(xiàn)在多晶硅生產普遍使用多晶硅所制成的硅芯作為載體，所以硅芯本身純度很高，避免了對產品的污染，生產結束后又成為多晶硅產品的一部分。通過實際生產總結可以得出，硅芯的電阻率不能太高也不能太低，太高太低都會不利于擊穿。

1.7高溫水系統(tǒng)

對還原生產而言，高溫水系統(tǒng)主要是對還原爐進行夾套冷卻，同時將還原爐內產生的熱能通過閃蒸的方式產生蒸汽進行重復利用。因此，合理控制高溫水系統(tǒng)，對于降低能耗起著很大的作用。適當?shù)奶岣郀t筒的夾套水進水溫度，降低夾套水所帶走的熱量，可以降低還原的電耗。另外，對高溫水系統(tǒng)進行補水時，要盡可能的使用蒸汽冷凝水，而不是直接補充脫鹽水，避免因進水溫度的過大波動而破壞爐內的溫場平衡。

2　結　語

隨著我國半導體工業(yè)結構的調整和高純多晶硅需求量的不斷增長，對多晶硅產品的純度提出了更高要求，而多晶硅在還原爐內反應過程中受很多因素影響，在生產過程中需要嚴格控制每個環(huán)節(jié)，加強生產技術科技創(chuàng)新，才能保證生產多晶硅的純度，提高國內的多晶硅生產水平。

[1]梁駿吾.電子級多晶硅的生產工藝[J].中國工程科學,2000,2(12):34-39.

[2]董前程.影響多晶硅質量的因素[J].氯堿工業(yè),2012,48(9): 31-33.

[3]曾紅軍.多晶硅工藝過程危險、有害因素淺析[J].新疆化工,2008(4):41-46.

[4]劉秀瓊,汪治林,鄧豐.多晶硅生產過程的質量控制[J].廣東化工,2013,41(07): 87-88,90.

[5]王曉軍,牛聰明,紅星,等.淺析電子級多晶硅影響因素[J].內蒙古科技與經濟,2013(13): 103-104.

[6]廖敏.氫氣純度對多晶硅產品質量的影響及采取的對策[J].四川有色金屬,2010(03):24-26,45.

Influencing Factors of Electronic Grade Polysilicon in Reduction Process

CHEN Ding-lin

(Qinghai Huanghe Hydropower Development Co., Ltd., New Energy Branch, Qinghai Xining 810006, China)

In recent years, the electronic information technology industry rapidly develops in China, especially the growth demand of high purity electronic polysilicon in high-tech area, and polycrystalline materials have become the main and the most basic functional materials of the electronic information, electricity industry and the solar photovoltaic industry. The influencing factors of polycrystalline silicon in sedimentary process by reaction temperature, reaction ratio, gas flow rate, pressure in the furnace, and its relationship with polysilicon deposition quality and power consumption were mainly introduced.

polysilicon; sediment quality; influencing factor

陳叮琳(1987-)，女，碩士，助理工程師，從事多晶硅的研究。

TN304.1

A

1001-9677(2016)016-0181-02