高純多晶硅還原沉積過程及能耗淺析

應(yīng)成文 陳叮琳

青海黃河水電新能源分公司 青海西寧 810007

多晶硅作為最主要半導(dǎo)體材料根據(jù)不同純度級(jí)別可分別應(yīng)用到光伏電池、分立器件、集成電路、大功率元器件及高精檢測(cè)儀器等方面。電子級(jí)多晶硅是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上游原材料，多晶硅拉制成單晶棒，再切片、打磨、拋光，最后經(jīng)刻蝕就形成了芯片，生產(chǎn)集成電路時(shí)對(duì)原材料多晶硅有著極高要求，一般至少需要國(guó)標(biāo)電子級(jí)一級(jí)以上。目前制備電子級(jí)多晶硅主流化學(xué)方法主要是改良西門子法[1]，該方法最關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)是還原單元，它是電子級(jí)多晶硅生產(chǎn)中電耗最多一個(gè)環(huán)節(jié)，在整個(gè)電子級(jí)多晶硅生產(chǎn)電耗中占比大約有60%，為降低還原單元能耗，還原爐作為還原單元最核心設(shè)備，需要對(duì)還原爐從工藝流程、還原爐化學(xué)氣相沉積反應(yīng)過程等方面進(jìn)行能耗影響因素深入分析。

1 還原爐反應(yīng)過程

1.1 還原爐工藝流程

還原爐內(nèi)裝有垂直安裝硅芯（硅芯直徑約為φ8mm）及與硅芯連接硅橋，還原爐經(jīng)高壓?jiǎn)?dòng)給硅芯通電后，硅棒表面溫度可以達(dá)到1050-1150℃（1323-1423K）時(shí)，然后將來自精餾工序提純高純度SiHCl3（TCS）與氫氣經(jīng)加熱后混合物送入還原爐，SiHCl3和H2在爐內(nèi)高溫氣氛下被加熱至1100℃左右后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸生成部分硅晶體，在硅芯表面經(jīng)過緩慢沉積，一般當(dāng)還原爐內(nèi)硅棒直徑逐漸沉積成約120mm柱狀硅棒，整個(gè)電子級(jí)多晶硅生長(zhǎng)周期通常需要110h左右，產(chǎn)生反應(yīng)爐中尾氣（H2、TCS、STC、DCS、HCl）經(jīng)分離后，氯硅烷（TCS、STC混合物）送至精餾工序繼續(xù)進(jìn)行提純回收，氫氣經(jīng)尾氣回收吸收、解析、凈化后作為循環(huán)氫氣返回還原爐，氯化氫和DCS送至低壓氯化工序進(jìn)行反應(yīng)。待還原爐完成置換、降溫等收割準(zhǔn)備后對(duì)多晶硅棒進(jìn)行收割，送至后處理經(jīng)過破碎、酸洗、包裝可銷售到下游客戶。

目前還原爐主要采用立式鐘罩型，其組成一般包括雙層壁體、硅芯、電極、底盤和視鏡等結(jié)構(gòu)。還原爐鐘罩采用雙層夾套，是為了避免在鐘罩內(nèi)壁表面上出現(xiàn)沉積硅現(xiàn)象，因?yàn)閵A套中冷卻水有利于只在硅棒表面附近發(fā)生SiHCl3和H2沉積反應(yīng)。還原爐爐體側(cè)面有視鏡接口，可以有助于觀察還原爐內(nèi)硅芯表面多晶硅沉積情況。通常還原爐爐體是由不銹鋼金屬材料制成，而為了避免還原爐內(nèi)壁表面溫度超過材料設(shè)計(jì)溫度，從而造成生產(chǎn)過程中設(shè)備故障，一般使用鐘罩冷卻水夾套換熱來降低爐壁表面溫度[2]。

1.2 還原爐化學(xué)氣相沉積反應(yīng)

還原爐發(fā)生化學(xué)氣相沉積反應(yīng)生產(chǎn)多晶硅棒，爐內(nèi)包括SiHCl3和H2的主反應(yīng)、副反應(yīng)及雜質(zhì)可能參與反應(yīng)，具體如下：

主反應(yīng)：

3SiHCl3→Si +2SiCl4+HCl+ H2

3SiHCl3+ H2→ 2Si +SiCl4+5HCl

5SiHCl3+ H2→ 2Si + 2SiCl4+ 5HCl+ SiH2Cl2

副反應(yīng)：

4SiHCl3→ Si + 3HCl

SiCl4+ 2H2→ Si + 4HCl

可能發(fā)生的反應(yīng)：

2SiHCl3→ Si + 2HCl + SiCl4

SiHCl3→ SiCl2+ HCl

雜質(zhì)反應(yīng)：

2BCl3+ 3H2→ 2B + 6HCl

2PCl3+ 3H2→ 2P + 6HCl

2 還原能耗及影響因素分析

2.1 還原能耗分析

整個(gè)多晶硅還原爐在化學(xué)氣相沉積過程中主要能量來源是電加熱，多晶硅還原爐內(nèi)硅棒經(jīng)高壓?jiǎn)?dòng)，根據(jù)還原爐爐內(nèi)熱量平衡計(jì)算，通電加熱后得到熱量，在生產(chǎn)過程中還原爐主要以熱量形式向外部耗散，一部分硅棒表面熱量通過輻射散熱首先傳遞給爐內(nèi)壁，熱量再經(jīng)過爐壁夾套冷卻水系統(tǒng)帶走，一部分熱量經(jīng)過爐內(nèi)混合氣體發(fā)生反應(yīng)后，熱量通過對(duì)流換熱由爐內(nèi)幾個(gè)尾氣口帶走，還有一部分則是原料SiHCl3和H2氣體混合后發(fā)生化學(xué)氣相沉積反應(yīng)所需要反應(yīng)熱。

在還原爐電子級(jí)多晶硅生產(chǎn)過程中，隨著爐內(nèi)生成晶體硅沉積，硅棒逐漸長(zhǎng)粗，隨著硅棒直徑逐漸增大，其電阻逐漸減小，所以為了維持爐內(nèi)硅棒表面反應(yīng)溫度，需要逐漸增大電流，導(dǎo)致硅棒總功率逐漸增加。同時(shí)，在生產(chǎn)后期爐內(nèi)硅棒直徑增加，表面積增大，為了保證硅棒表面硅沉積量，需要相應(yīng)增大SiHCl3和H2進(jìn)料量。

綜上可以看出，還原爐內(nèi)的SiHCl3和H2的生產(chǎn)過程很復(fù)雜，在還原爐內(nèi)電子級(jí)多晶硅生產(chǎn)過程中，呈現(xiàn)溫度敏感、電耗波動(dòng)、進(jìn)料量波動(dòng)特點(diǎn)。

2.2 還原能耗影響因素分析

還原爐化學(xué)氣相沉積過程能耗受到很多因素影響，主要包括硅棒表面溫度、爐內(nèi)潔凈度和爐壁溫度、爐內(nèi)壓力、原料進(jìn)料量和進(jìn)氣溫度等。針對(duì)影響因素從以下幾點(diǎn)進(jìn)行了分析：（1）其中維持硅棒表面溫度而直接消耗能源，是還原爐化學(xué)氣相沉積過程主要電耗；（2）另外還原爐鐘罩內(nèi)壁表面潔凈度，決定了爐壁反射率，可以影響爐內(nèi)輻射換熱，從而影響電耗；（3）還原沉積過程主要工藝參數(shù)，包括爐內(nèi)溫度、壓力、進(jìn)料量、原料純度等，會(huì)影響多晶硅沉積效果，將直接影響還原爐能耗和多晶硅質(zhì)量[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

通過分析還原爐工藝流程、還原爐化學(xué)氣相沉積反應(yīng)生產(chǎn)過程能耗特點(diǎn)，說明了還原沉積過程能耗呈現(xiàn)周期變化規(guī)律，具有溫度敏感、電耗波動(dòng)、進(jìn)料量波動(dòng)特點(diǎn)，并受到硅棒表面溫度、爐內(nèi)潔凈度和爐壁溫度、爐內(nèi)壓力、原料進(jìn)料量和進(jìn)氣溫度等影響因素。